第5章虛擬現(xiàn)實仿真條件下體力作業(yè)的生理工效學(xué)評價研究

{管理信息化VR虛擬現(xiàn)實}第5章虛擬現(xiàn)實仿真條件下體力作業(yè)的生理工效學(xué)評價研究第5章虛擬現(xiàn)實仿真條件下體力作業(yè)的生理工效學(xué)評價研究將虛擬現(xiàn)實仿真與工效學(xué)評價相結(jié)合用于產(chǎn)品設(shè)計過程中可以提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本和減少設(shè)計時間。根據(jù)相關(guān)研究的綜述可知，使用虛擬現(xiàn)實仿真條件下的工效學(xué)評價結(jié)果對新設(shè)計進行評價具有重要的預(yù)測和參考意義，便于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的工效學(xué)問題并加以改正。如果虛擬現(xiàn)實仿真能夠提供與真實世界百分之百相同的臨境感的話，那么通過虛擬現(xiàn)實仿真進行工效學(xué)評價獲得的結(jié)果應(yīng)該與在真實環(huán)境中工效學(xué)評價的結(jié)果完全相同。但是，由于技術(shù)和成本的限制，向使用者提供與真實世界完全相同的臨境感是不可能的。因此，基于提供一定程度臨境感的虛擬現(xiàn)實仿真進行工效學(xué)評價，研究虛擬環(huán)境中測量所得結(jié)果與真實環(huán)境中測量結(jié)果之間關(guān)系，即研究基于虛擬現(xiàn)實仿真工效學(xué)評價方法的可行性與有效性，對使用虛擬現(xiàn)實仿真進行工效學(xué)評價非常重要，也更具有普遍意義。5.1實驗?zāi)康呐c研究思路為了研究這個問題，在本文研究中使用第3章中介紹的虛擬現(xiàn)實仿真實驗平臺來仿真手工裝配操作，通過動作跟蹤系統(tǒng)來跟蹤被試的全身動作，使用數(shù)字頭盔向被試顯示虛擬場景和提供視覺反饋。被試在真實環(huán)境和虛擬仿真環(huán)境中分別完成相同操作，通過對比在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中的評價結(jié)果，來分析兩者之間的差異與聯(lián)系，進而驗證基于虛擬現(xiàn)實仿真的工效學(xué)評價方法的有效性。為了找出實驗設(shè)計以及流程中可能存在的問題，并且確定合理的被試人數(shù)，在開始正式實驗之前首先選取5名被試進行了預(yù)實驗。根據(jù)5名被試工效學(xué)指標(biāo)Poweranalysis30包含預(yù)實驗中5名被試）。在修正了預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)的問題之后，確定了正式實驗的研究思路和步驟。實驗的研究思路與步驟如圖5.1所示。其中，被試首先需要閱讀實驗指導(dǎo)說明，明確實驗內(nèi)容，并且實驗人員應(yīng)該告知被試實驗?zāi)康?，讓被試閱讀并簽署知情同意書?？紤]到如果被試對實驗設(shè)備使用不熟練可能會對實驗結(jié)果產(chǎn)生干擾，因此被試需要在經(jīng)過培訓(xùn)并且能夠熟練使用設(shè)備時才開始正式實驗。圖5.1虛擬現(xiàn)實仿真條件下體力作業(yè)的生理工效學(xué)評價的研究思路另外，為了消除實驗環(huán)境順序?qū)嶒灲Y(jié)果的影響，在開始實驗前通過抽簽隨機確定被試實驗環(huán)境順序。如圖5.1中所示，一半被試先完成真實環(huán)境中的實驗然后再完成虛擬環(huán)境中的實驗（如虛線所示），而另一半被試的實驗環(huán)境順序則與之相反（如實線所示）。在全部被試完成任務(wù)后，通過對比研究虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中的工效學(xué)指標(biāo)測量結(jié)果來分析兩者之間的關(guān)系。5.2實驗方法5.2.1被試的基本情況在這個實驗中，從機械制造企業(yè)中招募了30讀并簽署知情同意書后參加了實驗。在開始實驗前，首先被試通過填寫《基本信息調(diào)查問卷》來登記性別、年齡、肌肉骨骼系統(tǒng)損傷史、視力情況、工作經(jīng)歷等基本信息，然后測量身高、體重，將測量結(jié)果補充進《基本信息調(diào)查問卷》中用于后續(xù)的實驗結(jié)果分析。《基本信息調(diào)查問卷》具體內(nèi)容下所示：個人基本信息：身高：cm體重：kg年齡：歲問題1：您是否從事體力勞動?如果是的話請?zhí)顚憜栴}3、4.□是□否問題2：您開始從事目前的工作至今已有多長時間?年個月問題3：您每日從事體力勞動多少小時?小時問題4：您每周從事體力勞動多少小時？小時問題5：身體（與運動有關(guān)）器官不適調(diào)查(1)在過去的12個月內(nèi)，您的身體有任何不適出現(xiàn)嗎？例如酸脹、疼痛、不舒服等。如果有，請在下面的圖中標(biāo)出現(xiàn)的部位。(2)在過去的7天內(nèi)，您的身體有任何不適出現(xiàn)嗎？例如酸脹、疼痛、不舒服等。如果有，請在下面的圖中標(biāo)出現(xiàn)的部位。.(3)您的肌肉骨骼系統(tǒng)方面受過傷嗎？如果有請在下面圖中標(biāo)出受傷部位。問題6：您玩過3D游戲嗎？如果您玩過，請給出你玩3D游戲的時間。□是□否年問題7：您是否近視？□是□否實驗中全部被試均身體健康，沒有肌肉骨骼系統(tǒng)損傷。被試年齡在20至6041.811.5160至184cm均身高為172.0cm，標(biāo)準(zhǔn)差為5.5cm）；體重在51至95kg（平均體重為69.5kg，標(biāo)準(zhǔn)差為12.2kg）。在這30個被試中有22人在日常工作中使用手動工具，并且他們有3至208人是在日常工作中偶爾使用手動工具。5.2.2任務(wù)描述實驗中選取一個手工裝配任務(wù)作為實驗任務(wù)，這個手工裝配任務(wù)是從工業(yè)使用手工工具進行鉆孔或者鉚接操作中簡化而來的。實驗任務(wù)包含的手工裝配任務(wù)有：抓取并提起手工工具、將手工工具移動到目標(biāo)點、將手工工具對準(zhǔn)目標(biāo)點、然后像鉆孔或鉚接操作那樣保持一段時間，更換目標(biāo)點完成指定數(shù)目的幾個動作。每個被試將被要求在一個固定位置上分別以站姿和坐姿來完成這個手工裝配任務(wù)。在實驗中使用了一個1.5kg重的工具模型來模擬在實際工業(yè)操作中的手電鉆或者鉚槍的重量。為了避免金屬對磁性跟蹤器的測量產(chǎn)生干擾，這個工具模型由手電鉆塑料外殼并填充非金屬材料作為配重。在實驗開始前，這個手工工具被放置在被試右前方80cm處一個70cm高的固定平臺上。在實驗開始時，被試首先從這個平臺上抓取并拿起手工工具，開始任務(wù)操作。實驗中使用的模型如圖5.2所示，每個模型上有9個目標(biāo)點。站姿使用的模型尺寸為550mm（高）×400mm400mm（高）×600mm（寬）。實物模型用于真實世界中來完成裝配任務(wù)，在虛擬環(huán)境中使用具有相同尺寸、樣式、紋理的虛擬模型來完成任務(wù)。圖5.2實驗中所使用的模型(a)站姿操作時使用的實物模型（b）站姿操作時使用的虛擬模型(c)坐姿操作時使用的實物模型（d）坐姿操作時使用的虛擬模型在實驗中完成手工裝配任務(wù)的步驟如下：(1)抓取并拿起放置在固定平臺上的手工工具模型；(2)將手工工具模型的工具尖對準(zhǔn)模型上目標(biāo)點，并保持對準(zhǔn)姿勢3秒鐘（由計算機來產(chǎn)生計時信號）；(3)按目標(biāo)點的標(biāo)號順序?qū)⑹止すぞ邔?zhǔn)下一個目標(biāo)點并重復(fù)(2)中的操作，直至全部完成對準(zhǔn)9個點作為一個回合；(4)根據(jù)任務(wù)配置，完成2個或4個回合任務(wù)操作，即完成對準(zhǔn)18次或36次目標(biāo)點操作。5.2.3實驗設(shè)備在實驗中使用在第4章介紹的虛擬現(xiàn)實仿真實驗平臺來提供虛擬現(xiàn)實場景、完成實驗操作。本實驗中使用了5DT?公司的HMD800-263D型數(shù)字頭盔向被試展示Polhemus公司的Fastrak和Patroit磁性跟蹤器來跟蹤被試的動5.3所示，F(xiàn)astrak和Patroit磁性跟蹤器共有6Fastrak有4個傳感器，Patroit有2個傳感器）分別放置在被試的頭部、右肩部、右肘部、80cm處的高臺上。站姿任務(wù)的模型中心距地面140cm型中心距離地面80cm，大約與被試眼睛同高。圖5.3磁性跟蹤器傳感器的放置位置[104]實驗中在虛擬環(huán)境中使用的虛擬模型使用AutoDesk?公司的AutoCAD和Adobe?公司的3DS軟件進行制作，并且將制作完成的模型導(dǎo)入到實驗仿真平臺中作為實驗所用的虛擬模型，虛擬模型的尺寸和紋理都盡可能與實物模型一致。在使用虛擬仿真平臺為被試提供虛擬場景時，為了讓被試和實驗人員能夠準(zhǔn)確判斷被試控制的手工工具模型的尖端是否已經(jīng)對準(zhǔn)目標(biāo)點，虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)為被試提供了視覺反饋，當(dāng)工具尖端進入到接觸目標(biāo)點的碰撞向量檢測范圍內(nèi)，目標(biāo)點的顏色由原來的黑色變成黃色；而當(dāng)工具尖端移出檢測范圍之外，目標(biāo)點的顏色由黃色恢復(fù)為原來的黑色（圖5.4）。圖5.4虛擬場景中工具尖對準(zhǔn)目標(biāo)點時系統(tǒng)提供的視覺反饋另外，實驗中使用了浙江華鷹公司生產(chǎn)的ACS-300型測力計測量被試肌肉最大輸出力量。這個測力計的最大測量能力為600.01千克力。5.2.4實驗設(shè)計考慮到完成任務(wù)過程中可能會對測量的工效學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生影響的因素[105,106]，實驗設(shè)計中研究了3個因素——工作姿勢、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點的大小，這3個因素作為組內(nèi)因素被用于實驗中。這3個組內(nèi)因素每個都有2個水平。各因素及其水平的具體含義中如表5.1所示。表5.1實驗的組內(nèi)因素及其水平因素水平說明坐姿參見圖5.3工作姿勢站姿參見圖5.3完成操作次數(shù)少一個任務(wù)中連續(xù)完成2個回合，即18次對準(zhǔn)目標(biāo)點操作多一個任務(wù)中連續(xù)完成4個回合，即36次對準(zhǔn)目標(biāo)點操作小目標(biāo)點直徑6mm目標(biāo)點大小大目標(biāo)點直徑18mm實驗中這3個組內(nèi)因素構(gòu)成了一個2×2×2設(shè)計，因此這些因素的水平共有8種組合，即構(gòu)成了實驗中的8種實驗配置，被試需要分別在這些配置下完成任務(wù)。為了消除可能存在的實驗配置順序?qū)嶒灲Y(jié)果的影響，每名被試在實驗開始前通過抽簽隨機確定自己在實驗中配置的順序。另外，因為實驗需要被試分別在真實環(huán)境和虛擬仿真環(huán)境下完成任務(wù)，考慮到實驗環(huán)境可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，所以30名被試在實驗前被隨機分成兩組，第一組15另外一組15務(wù)。5.2.5實驗測量的工效學(xué)指標(biāo)實驗測量了被試在完成任務(wù)過程中一些工效學(xué)指標(biāo)，這些工效學(xué)指標(biāo)反映了被試完成任務(wù)的績效、主觀感受以及任務(wù)引起的MSD風(fēng)險。在實驗中測量的工效學(xué)指標(biāo)主要分為客觀指標(biāo)和主觀指標(biāo)，其中客觀指標(biāo)包括被試的姿勢、肌肉疲勞程度（最大肌肉輸出力下降率）、任務(wù)完成時間；主觀指標(biāo)包括被試的不適感強度和完成任務(wù)的感知努力的程度，以及虛擬環(huán)境臨境感。在相對模型的固定位置，在完成任務(wù)過程中身體并不移動位置。被試完成任務(wù)主要是靠右臂的運動，除了肘關(guān)節(jié)角度外，頸部角度、腰部、腿部等關(guān)節(jié)角度并無變化，因此可以使用肘關(guān)節(jié)角度來描述被試的姿勢。肘關(guān)節(jié)角度是根據(jù)執(zhí)行任務(wù)過程中測量的肩、肘、腕三個關(guān)節(jié)在空間的位置計算得出。如圖5.5所示，若被試右臂肩關(guān)節(jié)的空間位置記為，肘關(guān)節(jié)的空間位置記為，腕關(guān)節(jié)的空間位置記為，肘關(guān)節(jié)角記為。圖5.5被試的姿勢測量示意圖根據(jù)余弦定理，肘關(guān)節(jié)角可由5-1式計算得出。（5-1）被試完成任務(wù)過程中肌肉疲勞程度通過測量被試在開始執(zhí)行任務(wù)前和剛剛完成任務(wù)后的肌肉最大輸出力的下降率反映的[36]。在開始執(zhí)行每個任務(wù)前，被試先以坐姿并且后背不依靠椅背來使用ACS-300型測力計測量右臂的最大推力。在任務(wù)結(jié)束后，再以同樣姿勢測量右臂最大推力。如果記被試在開始執(zhí)行任務(wù)之前測得的肌肉最大輸出力為，剛剛完成任務(wù)后測得的肌肉最大輸出力為，則肌肉最大輸出力下降率（MFCR）可以通過5-2式計算得出。（5-2）任務(wù)完成時間是使用秒表記錄被試從開始執(zhí)行任務(wù)到任務(wù)結(jié)束整個過程所需要的時間，以秒為單位。BPDRPE）方法測量被試完成任務(wù)付出的感知努力程BPD問卷和RPE問卷來自報告自己感受的不適感強度和付出的感知努力程度?！吨饔^評價問卷》的具體內(nèi)容如下所示：問題1：您感覺完成這個任務(wù)付出努力程度如何？問題2：請您根據(jù)身體各部位不適感強度用√在每個問題量表對應(yīng)位置處打分1.頸部：2.肩部：3.上臂：4.前臂：5.上背：6.中背：7.低背：8.臀部：9.左大腿：10.右大腿：11.左小腿：12.右小腿：13.全身整體：被試通過問卷來評價虛擬環(huán)境臨境感。本實驗的虛擬環(huán)境臨境感評價問卷參考了Witmer和Singer的虛擬現(xiàn)實臨境感問卷中的問題制定而成。問卷包括六個問題，這六個問題分別評價了虛擬環(huán)境的感覺、真實、控制分神等幾個因素，被試通過使用7分Likert作為虛擬環(huán)境臨境感評價結(jié)果?！短摂M環(huán)境臨境感評價問卷》的具體內(nèi)容下所示：問題1：您對虛擬環(huán)境中的情況控制程度如何？問題2：您覺得你與虛擬環(huán)境交互的自然程度如何？問題3：在虛擬環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的時候，您對動作引發(fā)的結(jié)果預(yù)測準(zhǔn)確程度如何？問題4：您覺得在虛擬環(huán)境與真實環(huán)境的感覺相符程度如何？問題5在轉(zhuǎn)動頭部時，您能很好地從不同視角去看虛擬環(huán)境中的物體嗎？問題6：您對在虛擬環(huán)境中移動或者控制物體的掌控程度如何？5.3實驗過程參加實驗的人員來到實驗場地后，首先測量身高、體重，填寫《實驗參試人員基本信息》表格。然后由實驗人員向其介紹實驗?zāi)康摹⑷蝿?wù)、可能存在的風(fēng)險、實驗報酬、隱私政策等內(nèi)容。被試在簽署知情同意書后，將按照如下步驟來開始實驗：(1)被試通過抽簽確定自己實驗中8種實驗配置的順序，以及使用實驗環(huán)境的順序；(2)通過實驗人員培訓(xùn)被試學(xué)習(xí)使用虛擬仿真實驗平臺，并且練習(xí)通過實驗平臺來與虛擬環(huán)境中的物體進行交互。被試在通過練習(xí)能夠熟練與虛擬環(huán)境進行交互之后，經(jīng)過實驗人員考核、確認之后，開始正式實驗；(3)根據(jù)(1)中抽簽確定的實驗環(huán)境順序來決定采用的實驗環(huán)境（真實環(huán)境、虛擬仿真環(huán)境），被試按照抽簽確定的8種實驗配置順序開始實驗。在開始執(zhí)行一種實驗配置下的任務(wù)之前，被試需要先使用測力計測量坐姿時右臂最大輸出力量，然后再根據(jù)實驗配置要求開始實驗。(4)被試在剛完成這個實驗配置下的任務(wù)后，再次使用測力計測量坐姿時右臂最大輸出力量。并且填寫《主觀評價問卷》來評價剛剛完成的任務(wù)中自己的主觀感受。如果是虛擬環(huán)境任務(wù)，被試還要使用《虛擬環(huán)境臨境感評價問卷》來給出對在剛才實驗配置下虛擬環(huán)境臨境感評價。填寫完問卷后，被試休息5分鐘。(5)根據(jù)被試在(1)中確定的實驗配置應(yīng)用順序，進行下一個實驗配置下的實驗，重復(fù)(3)、(4)，直到8種實驗配置都應(yīng)用完畢。(6)再根據(jù)（1）中抽簽確定的實驗環(huán)境使用順序，使用另一個實驗環(huán)境，重復(fù)(3)、(4)、(5)，直至全部實驗完成。被試在真實環(huán)境中通過直接使用手工工具模型對準(zhǔn)實物模型目標(biāo)點，按照本節(jié)中所描述的實驗過程完成任務(wù)，并使用測力計和問卷來測量被試在剛完成任務(wù)中主、客觀工效學(xué)指標(biāo)。同時，實驗平臺也使用磁性傳感器記錄被試在完成操作過程中頭部、右肩、右肘、右腕的空間位置。頭和各關(guān)節(jié)的位置可以用于描述被試在真實環(huán)境中完成任務(wù)過程中的姿勢。被試在執(zhí)行實驗任務(wù)中的場景如圖5.6所示，左圖為站姿，右圖為坐姿。圖5.6被試在真實環(huán)境中使用實物模型的實驗場景被試使用虛擬仿真實驗平臺完成實驗任務(wù)時，虛擬仿真實驗平臺通過安裝在被試身上和頭上的磁性傳感器來跟蹤被試動作，記錄被試在完成任務(wù)過程中頭部、右肩、右肘、右腕的空間位置，用來驅(qū)動虛擬環(huán)境中數(shù)字人完成相同姿勢，同時根據(jù)安裝在工具模型上的2個磁性傳感器計算出手工工具虛擬模型的位置和姿態(tài)。虛擬仿真實驗平臺通過數(shù)字頭盔向被試以第一人稱視角展示仿真場景（圖5.4）。在真實世界中，被試執(zhí)行實驗任務(wù)的場景如圖5.7所示，左圖為站姿，右圖為坐姿。圖5.7被試使用虛擬仿真實驗平臺時的實驗場景5.4實驗數(shù)據(jù)分析在實驗中，每個被試都是分別在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中由工作姿勢、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點大小3個因素構(gòu)成的8種實驗配置下完成操作任務(wù)，因此使用重復(fù)測量的方差分析方法（RepeatedANOVA3個因素的交互效應(yīng)是否對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。在真實環(huán)境（或虛擬環(huán)境）中，每個被試在8種實驗配置下測量結(jié)果的平均值作為在該實驗環(huán)境下的總體測量結(jié)果。另外，將被試的測量結(jié)果根據(jù)3個因素分別進行分類，每一類中測量結(jié)果平均值也被作為被試在這個因素下的測量結(jié)果。在對實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析中，首先檢驗了測量數(shù)據(jù)的正態(tài)性和方差齊次性，全部測量數(shù)據(jù)都通過了檢驗。線性回歸法和Pearson相關(guān)系數(shù)法在分析實驗結(jié)果時用于確定在真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中測量結(jié)果之間的關(guān)系，并且在此基礎(chǔ)之上，建立起基于虛擬環(huán)境中不BPDMFCR）的測量結(jié)果來估計真實環(huán)境中測量結(jié)果的預(yù)測模型。另外，使用配對t檢驗方法（Pariedt-test）在實驗結(jié)果分析中確定在真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中完成相同任務(wù)時身體部位不適感程度（BPD）、疲勞程度（MFCR）、感知努力程度（RPE）、任務(wù)完成時間之間的差異。實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析中選取了95%的置信區(qū)間，使用SPSS?軟件進行統(tǒng)計分析。最后，統(tǒng)計分析結(jié)果可視化使用了Minitab?軟件完成。5.5實驗結(jié)果使用重復(fù)測量的方差分析對實驗中的3個組內(nèi)因素（工作姿勢、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點大?。┡c實驗環(huán)境因素之間交互效應(yīng)進行分析，交互效應(yīng)對實驗結(jié)果影響的分析結(jié)果如表5.2所示，結(jié)果顯示實驗中4個因素之間的交互效應(yīng)對于BPD、RPE、MFCR結(jié)果沒有顯著影響（p>0.05）。這個結(jié)果說明實驗中4個因素之間不存在交互效應(yīng)，因此可根據(jù)因素分別對各水平下的實驗結(jié)果進行分析。表5.2實驗中各因素的交互效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響因素的交互效應(yīng)pBPDRPEMFCREN×WP0.3480.2910.088EN×TD0.6670.9860.175EN×TS0.2650.5750.662EN×WP×TD0.4930.3340.155EN×WP×TS0.5050.5100.493EN×TD×TS0.5610.7040.806EN×WP×TD×TS0.3890.7370.823注：EN=實驗環(huán)境,包含兩個水平：虛擬環(huán)境和真實環(huán)境；WP=工作姿勢；TD=完成操作次數(shù)；TS=目標(biāo)點大?。籅PD=身體不適感程度；RPE=主觀感覺努力程度；MFCR=疲勞程度5.5.1被試的姿勢（肘關(guān)節(jié)角）被試在一種實驗配置下，在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中對準(zhǔn)9個目標(biāo)點時肘關(guān)節(jié)平均角度被用于描述被試的姿勢。被試在真實環(huán)境中的肘關(guān)節(jié)角記為，在虛擬環(huán)境中的肘關(guān)節(jié)角記為。使用配對t檢驗對與進行分析，分析結(jié)果表明顯著大于（p<0.001環(huán)境中的姿勢差異通過5-3式計算得出。（5-3）因為被試在每種實驗環(huán)境中共需在830名被試共有240組真實環(huán)境與虛擬環(huán)境姿勢差異數(shù)據(jù)。對這240組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果表明，其中80.4%的姿勢差異小于10%93.8%的姿勢差異小于15%知，被試的姿勢（肘關(guān)節(jié)角）在真實環(huán)境和虛擬環(huán)境之間存在一些差異。不過在傳統(tǒng)姿勢評價方法中，肘關(guān)節(jié)的活動范圍通常被劃分為幾個區(qū)間，例如在姿勢目Posturetargeting8個區(qū)間[39]（圖2.4RULA和REBA方法中將肘關(guān)節(jié)活動范圍劃分為260°和大于100°作為一個區(qū)間；60°~100°作為另外一個區(qū)間[42,43]（圖2.5）。而在實驗中93.8%的測量值都小于15%），這對于傳統(tǒng)的姿勢評價方法而言，真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中被試姿勢不會引起工效學(xué)評價結(jié)果的很大差異。因此，如果使用傳統(tǒng)姿勢評價方法對被試在虛擬環(huán)境中完成任務(wù)的姿勢來進行評價，評價結(jié)果用于代表被試在真實環(huán)境中完成相同任務(wù)的姿勢評價結(jié)果是可行的。5.5.2疲勞程度（肌肉最大輸出力下降率）根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，被試在真實環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率（MFCR）平均為0.126（方差為0.038），在虛擬環(huán)境中平均為0.147（方差為0.045）。使用配對t檢驗對真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中MFCR最大輸出力量下降率與真實環(huán)境存在顯著差異（，）。根據(jù)實驗測量結(jié)果，真實環(huán)境中MFCR數(shù)據(jù)從6%至21%，而虛擬環(huán)境中MFCR數(shù)據(jù)從8%至26%MFCR數(shù)據(jù)從8%至10%MFCR數(shù)據(jù)從6%至9%MFCR數(shù)據(jù)從11%至26%MFCR數(shù)據(jù)從8%至21%。因此，從MFCR數(shù)據(jù)可知，虛擬環(huán)境中的MFCR測量結(jié)果與真實環(huán)境中測量結(jié)果變化趨勢一致，并且虛擬環(huán)境中MFCR在虛擬環(huán)境與真實環(huán)境相比更容易疲勞。使用線性回歸方法對虛擬環(huán)境與真實環(huán)境肌肉最大輸出力下降率測量結(jié)果之間的關(guān)系進行分析，若記真實環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率為，虛擬環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率為，在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中測量的肌肉最大輸出力下降率的標(biāo)準(zhǔn)殘差圖如圖5.8所示。圖5.8臂部最大輸出力下降率（MFCR）標(biāo)準(zhǔn)殘差從肌肉最大輸出力下降率的標(biāo)準(zhǔn)殘差圖可知，測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)殘差與數(shù)值大小無關(guān)，并且數(shù)據(jù)點在圖中隨機分布，因此初步可知直線回歸模型適合于對肌肉最大輸出力下降率進行回歸分析。對在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率測量數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，回歸結(jié)果如5-4式所示：（5-4）對肌肉最大輸出力下降率回歸分析的顯著性進行檢驗，結(jié)果表明回歸結(jié)果的線性關(guān)系是顯著的（，p<0.001=0.568。虛擬環(huán)境和真實環(huán)MFCR95%預(yù)測區(qū)間和置信區(qū)間如圖5.9所示。圖5.9真實與虛擬環(huán)境中MFCR線性回歸結(jié)果肌肉最大輸出力下降率（MFCR）的線性回歸結(jié)果表明，真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中肌肉最大輸出力下降率測量結(jié)果之間存在顯著的線性關(guān)系。被試在虛擬環(huán)境中完成任務(wù)的肌肉最大輸出力測量結(jié)果與真實環(huán)境的測量結(jié)果具有相同變化趨勢，但虛擬環(huán)境中的測量結(jié)果總是高于真實環(huán)境中測量結(jié)果。在基于虛擬現(xiàn)實仿真的工效學(xué)評價中，使用在虛擬環(huán)境中測量的肌肉最大輸出力下降率可以在一定精度條件下，對真實環(huán)境中完成相同任務(wù)時肌肉輸出力最大下降率測量結(jié)果進行預(yù)測。將肌肉輸出力下降率（MFCR）測量結(jié)果根據(jù)3個組內(nèi)因素（工作姿勢、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點大小）進行分類，并且使用配對t檢驗對真實環(huán)境和虛擬環(huán)境之間的結(jié)果進行分析，結(jié)果如表5.3所示。表5.3根據(jù)組內(nèi)因素分類的MFCR均值、方差和差異（N=30）因素水平p均值方差均值方差工作姿站姿0.1230.0380.1510.0560.001-3.68022.8%勢坐姿0.1290.0440.1440.0400.012-2.67111.6%完成操多0.1470.0450.1740.0570.002-3.37618.4%作次數(shù)少0.1050.0370.1210.0390.012-2.66515.2%目標(biāo)點大0.1250.0450.1490.0510.001-3.52819.2%大小小0.1270.0360.1450.0420.003-3.19714.2%根據(jù)分析結(jié)果可知，各種因素水平下肌肉最大輸出力下降率（MFCR）在虛擬環(huán)境與真實環(huán)境中測量結(jié)果之間存在顯著差異，并且在虛擬環(huán)境中的測量結(jié)果要比真實環(huán)境中高12%~23%真實環(huán)境中肌肉更容易疲勞。而從在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中測量的肌肉最大輸出力下降率的線性回歸結(jié)果中可知回歸直線的斜率小于1均為<結(jié)果之間關(guān)系是一致的。另外，對肌肉最大輸出力下降率（MFCR）測量結(jié)果在基于3個組內(nèi)因素進行分類后，在每一類中使用Pearson相關(guān)系數(shù)方法來分析真實環(huán)境中與虛擬環(huán)境中測量的MFCR數(shù)據(jù)之間關(guān)系，分析結(jié)果如表5.4數(shù)和目標(biāo)點大小三個因素的各個水平條件下，虛擬環(huán)境中與真實環(huán)境中的測量結(jié)果之間具有顯著相關(guān)性，因此，基于虛擬現(xiàn)實仿真對完成任務(wù)的肌肉疲勞程度可以在一定精度要求條件下預(yù)測真實環(huán)境中的評價結(jié)果。表5.4真實環(huán)境與虛擬環(huán)境下MFCR之間相關(guān)系數(shù)（根據(jù)組內(nèi)因素分類）（N=30）因素水平相關(guān)系數(shù)p站姿0.68<0.001工作姿勢坐姿0.75<0.001多0.67<0.001完成操作次數(shù)少0.64<0.001大0.71<0.001目標(biāo)點大小小0.68<0.0015.5.3任務(wù)完成時間8種任務(wù)配置下的任務(wù)完成時間平均值作為他在這種實驗環(huán)境中的任務(wù)完成時間。30名被試在真實環(huán)境中任務(wù)完成時間（記做）的平均值為85.7秒（標(biāo)準(zhǔn)差為16.6秒）；在虛擬環(huán)境182.832.6t檢驗對任務(wù)完成時間進行檢驗，檢驗結(jié)果表明虛擬環(huán)境中的任務(wù)完成時間顯著長113%（，p<0.001虛擬環(huán)境中完成同樣任務(wù)要比在真實環(huán)境中需要更長時間。因為完成任務(wù)需要更長時間，所以被試也需要付出更多努力，也更容易疲勞，這與被試肌肉最大輸出力下降率（MFCR）即疲勞程度的統(tǒng)計結(jié)果相一致。另外，根據(jù)實驗中的3個組內(nèi)因素對任務(wù)完成時間數(shù)據(jù)進行分類，并使用配對t檢驗對每類中真實環(huán)境和虛擬環(huán)境的任務(wù)完成時間進行檢驗以確定存在的差異，分析結(jié)果如表5.5所示。分析結(jié)果表明，虛擬環(huán)境的任務(wù)完成時間要顯著比真實環(huán)境長，長約108%~120%。表5.5根據(jù)組內(nèi)因素分類的任務(wù)完成時間平均值、方差和差異（N=30）因素水平（秒）（秒）p均值方差均值方差工作姿勢站姿89.018.6坐姿82.419.0193.0172.647.9<0.00132.2<0.001-14.079-17.610116.9%109.5%完成操作次數(shù)112.237.6-14.968110.8%多24.453.2<0.0017少58.810.7128.21.5<0.001-23.62117.7%00目標(biāo)點大大84.516.5184.833.1<0.001-19.448119.9%小小87.018.7180.944.8<0.001-12.991107.9%另外，使用配對t檢驗方法分析了實驗中3個組內(nèi)因素對任務(wù)完成時間的影的任務(wù)完成時間平均值為141.030.2127.5秒（標(biāo)準(zhǔn)差為22.3秒）。在工作姿勢因素的兩個水平“站姿”和“坐姿”的任務(wù)完成時間之間存在顯著差異（，p=0.018位置以及模型的尺寸可知，站姿的模型最高點據(jù)地面大約170cm高，被試的平均身高為172cm左右，而坐姿模型最高點只有100cm左右，所以站姿任務(wù)難度要比坐姿難度高，任務(wù)完成時間也比坐姿長。的任務(wù)完成時間平均值為175.1秒標(biāo)準(zhǔn)差為34.5秒）；“少”的任務(wù)完成時間的平均值為94.3秒（標(biāo)準(zhǔn)差為16.0秒）。在完成操作次數(shù)因素的兩個水平“多”和“少”的任務(wù)完成時間之間存在著顯著差異（，p<0.001為在一個任務(wù)中完成4個回合操作，而“少”為一個任務(wù)完成2個回合操作，因此兩個水平的平均任務(wù)完成時間存在顯著差異，并且“多”的平均任務(wù)完成時間大約為“少”的平均任務(wù)完成時間1倍。從對在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中任務(wù)完成時間測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，完成操作次數(shù)對完成任務(wù)時間存在影響。的任務(wù)完成時間平均值為134.622.0秒）；“小”的任務(wù)完成時間的平均值為134.0秒（標(biāo)準(zhǔn)差為28.0秒）。不過，在目標(biāo)點大小因素中兩個水平“大”和“小”的任務(wù)完成時間之間并未發(fā)現(xiàn)存在顯著差異（，p=0.883被試在完成任務(wù)過程中距模型只有80cm”對于被試而言可能差別不大，所以對被試完成任務(wù)影響較小，對任務(wù)完成時間不存在顯著影響。5.5.4不適感強度實驗中被試報告了頸部、肩部、上臂、前臂有不適感。不過，只有前臂在真實環(huán)境和虛擬環(huán)境的不適感評分之間存在顯著相關(guān)性。其他身體部位的不適感程度都很低（被試報告為“非常輕”或者“沒有”）。30名被試在真實環(huán)境中對前臂不適感評分的平均值為2.03（標(biāo)準(zhǔn)差為1.38評分的平均值為2.97（標(biāo)準(zhǔn)差為1.40t檢驗方法對真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中不適感評分的差異進行分析，結(jié)果表明兩者之間存在著顯著差異（，p<0.001）。0分至6.13分，而相應(yīng)的真實環(huán)境中不適感評分測量數(shù)據(jù)從0分至4.69臂不適感評分從0分至40分至3.38而當(dāng)虛擬環(huán)境中前臂不適感評分從4.1分至6.13感評分從2.63分至4測量數(shù)據(jù)與真實環(huán)境中測量數(shù)據(jù)具有一致的變化趨勢，并且虛擬環(huán)境中前臂不適感評分要高于真實環(huán)境，即表明完成相同任務(wù)后，被試的前臂在虛擬環(huán)境中比真實環(huán)境中會感受到更強的不適感。使用線性回歸方法對虛擬環(huán)境和真實環(huán)境測量的前臂不適感評分進行分析，若真實環(huán)境中測量的前臂不適感評分記為，虛擬環(huán)境中測量的前臂不適感評分記5.10所示。圖5.10前臂不適感評分（BPD）標(biāo)準(zhǔn)殘差BPD準(zhǔn)殘差與大小無關(guān)，并且數(shù)據(jù)點在圖中隨機分布，而且殘差都在從2至-2之間。因此初步可知直線模型適合用于對虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中測量的前臂不適感評分進行回歸分析。對在虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中前臂不適感測量數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，分析結(jié)果如5-5式所示：（5-5）對前臂不適感評分回歸分析的顯著性進行檢驗，結(jié)果表明回歸結(jié)果的線性關(guān)系是顯著的（，p<0.001=0.608。虛擬和真實環(huán)境中前臂不BPD95%預(yù)測區(qū)間和置信區(qū)間如圖5.11所示。圖5.11真實環(huán)境與虛擬環(huán)境間前臂不適感評分線性回歸結(jié)果前臂不適感評分的線性回歸分析結(jié)果表明，虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中前臂不適感評分測量結(jié)果之間存在線性關(guān)系。對于完成相同任務(wù)，虛擬環(huán)境中被試前臂的不適感評分與真實環(huán)境中的測量結(jié)果具有相同變化趨勢。而虛擬環(huán)境中前臂的不適感評分都高于真實環(huán)境，即被試在虛擬環(huán)境中完成相同任務(wù)，前臂感覺到比真實環(huán)境中更強的不適感。因此，根據(jù)線性回歸分析結(jié)果可知，在一定精度要求條件下，可以使用虛擬環(huán)境中測量的前臂不適感評分對在真實環(huán)境中完成相同任務(wù)的不適感進行預(yù)測。30名被試前臂不適感評分根據(jù)3個組內(nèi)因素進行分類并使用配對t檢驗對每類中真實環(huán)境和虛擬環(huán)境測量結(jié)果進行分析，結(jié)果表明虛擬環(huán)境中的前臂不適感評分均要顯著高于真實環(huán)境中的結(jié)果（表5.6務(wù)前臂會感受到比在現(xiàn)實環(huán)境中完成任務(wù)更強的不適感。表5.6根據(jù)組內(nèi)因素分類的BPD評分均值、方差和差異（N=30）因素水平p均值方差均值方差工作姿站姿1.941.262.981.61<0.001-4.88953.2%勢坐姿2.111.692.971.37<0.001-4.15940.7%完成操多2.401.563.381.62<0.001-4.87141.0%作次數(shù)少1.651.302.561.29<0.001-4.92855.0%目標(biāo)點大1.871.322.931.36<0.001-5.78557.0%大小小2.181.563.011.52<0.001-4.71937.8%使用Pearson相關(guān)系數(shù)方法對每一類中真實環(huán)境和虛擬環(huán)境的前臂不適感評分測量結(jié)果進行分析，結(jié)果表明虛擬環(huán)境與真實環(huán)境中測量到的BPD評分結(jié)果之間顯著相關(guān)（表5.7）。這個結(jié)果說明，不僅虛擬環(huán)境中總的不適感評分與真實環(huán)境顯著相關(guān)，而且在工作姿勢、完成操作次數(shù)、目標(biāo)點大小三個因素的各個水平條件下，虛擬環(huán)境與真實環(huán)境中完成相同任務(wù)的不適感也顯著相關(guān)，因此可以在一定精度要求條件下使用虛擬環(huán)境中不適感測量結(jié)果來對真實環(huán)境中完成相同任務(wù)的不適感進行預(yù)測。表5.7真實環(huán)境與虛擬環(huán)境中BPD評分之間相關(guān)系數(shù)（根據(jù)組內(nèi)因素分類）（N=30）因素水平相關(guān)系數(shù)p站姿0.70<0.001工作姿勢坐姿0.75<0.001多0.76<0.001完成操作次數(shù)少0.69<0.001大0.72<0.001目標(biāo)點大小小0.81<0.0015.5.5感知努力程度（RPE）30名被試在真實環(huán)境中的RPE評分平均值為11.73（方差為1.78）；而在虛擬環(huán)境中的RPE評分平均值為14.38（方差為1.58）。使用配對t檢驗分析真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中RPE評分的差異，結(jié)果表明虛擬環(huán)境中的RPE評分與真實環(huán)境之間存在顯著差異（，p<0.001），比真實環(huán)境評分要高23%。這個結(jié)果說明被試感覺在虛擬環(huán)境中完成相同任務(wù)與真實環(huán)境相比需要付出更多努力。而根據(jù)任務(wù)完成時間的分析結(jié)果可知，在虛擬環(huán)境中需要更長任務(wù)完成時間，自然被試也需要付出更多努力，被試也更容易疲勞，不適感也更強。這與疲勞程度（肌肉最大輸出力下降率）和前臂不適感評分的分析結(jié)果相一致。進而將被試的RPE評分根據(jù)3個組內(nèi)因素進行分類，并使用配對t檢驗分析每類中真實環(huán)境和虛擬環(huán)境RPERPE評分要比真實環(huán)境顯著高大約21%~25%（表5.8下虛擬環(huán)境需要付出比真實環(huán)境更多努力。根據(jù)任務(wù)完成時間分析結(jié)果可知，被試在虛擬環(huán)境中要比在真實環(huán)境需要更長任務(wù)完成時間，而完成任務(wù)所需時間越長，被試也會感覺需要付出努力程度就越高。表5.8根據(jù)組內(nèi)因素分類RPE評分均值、方差和差異（N=30）因素水平p均值方差均值方差-6.4924.8%站姿11.71.914.61.7<0.0010工作姿勢-6.0821.3%坐姿11.81.914.31.8<0.0018完成操作次數(shù)多12.42.015.11.7<0.001-7.10421.8%-5.6424.4%少12.41.813.81.6<0.0018-6.0522.6%大11.61.914.31.6<0.0018目標(biāo)點大小-6.7223.5%小11.81.914.61.6<0.0018另外，使用配對t檢驗方法對3個組內(nèi)因素對RPE測量結(jié)果影響進行分析，評分平均值為13.08（方差為1.31的RPE評分平均值為13.02（方差為1.47）。不過，在工作姿勢因素的兩個水平“站姿”和“坐姿”RPE評分之間沒有發(fā)現(xiàn)存在顯著差異（，p=0.791）。即工作姿勢并未對完成任務(wù)付出努力程度產(chǎn)生影響。雖然分析結(jié)果表明工作姿勢因素對任務(wù)完成之間的任務(wù)完成時間差異只有13秒，約為這兩個水平任務(wù)完成時間的10%由于在實驗中“坐姿使用的模型不同（圖5.2可能會因為定位位置較高目標(biāo)點的操作而增加額外付出努力（如圖5.3中所示，“坐姿”使用的模型由2個平臺構(gòu)成，而“站姿”實驗的模型只有一個平臺），這可能會對以兩種工作姿勢完成任務(wù)付出努力產(chǎn)生影響。完成操作次數(shù)因素“多”的RPE評分平均值為13.68（方差為1.60）；“少”的RPE平均值為12.41（方差為1.07）。在完成操作次數(shù)因素的兩個水平“多”和“少”的RPE評分之間存在顯著差異（，p<0.001響到完成任務(wù)努力程度。目標(biāo)點大小因素“大”的RPE評分平均值為12.91（方差為1.25）；“小”的RPE評分平均值為13.19（方差為1.38）。不過，在目標(biāo)點大小因素的兩個水的RPE評分之間并沒有發(fā)現(xiàn)存在顯著差異（，p=0.116數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果顯示目標(biāo)點大小因素對任務(wù)完成時間和RPE評分沒有顯著影響。不過這是根據(jù)目標(biāo)點大小因素包含的兩個水平“大”（直徑18mm）和“小”（直徑6mm）測量得到的，在實驗中并沒有包含其他尺寸目標(biāo)點。另外，3個組內(nèi)因素對實驗結(jié)果的影響的統(tǒng)計分析表明完成操作次數(shù)因素對任務(wù)完成時間和感知努力程度（RPE（每個任務(wù)中需要完成4個回合操作）要比“少”（每個任務(wù)中需要完成2個回合操作）需要更長任務(wù)完成時間，被試也感覺到需要付出更多的努力來完成。另外，對3個組內(nèi)因素對實驗結(jié)果影響的統(tǒng)計分析表明完成操作次數(shù)因素對任務(wù)完成時間和感知RPE（每個任務(wù)中需要完成4個回合操作）要比“少”（每個任務(wù)中需要完成2個回合操作）需要更長的任務(wù)完成時間，被試也感覺需要付出更多努力來完成。5.6實驗結(jié)果討論實驗在真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中對手工裝配操作的幾個工效學(xué)指標(biāo)進行了評價，這些指標(biāo)包括被試的姿勢（肘關(guān)節(jié)角度）、任務(wù)完成時間、身體部位不適感程度（BPD）、感知努力程度（RPE）評分、肌肉最大輸出力下降率（MFCR）。被試的工效學(xué)指標(biāo)（任務(wù)完成時間、身體不適感程度（BPD（RPEMFCR））在真實環(huán)境中的測量結(jié)果都與虛擬環(huán)境中的測量結(jié)果相比存在顯著差異。其中虛擬環(huán)境中任務(wù)完成時間要顯著比真實環(huán)境長；同樣，身體部位不適感程度（BPD）、感知努力程度（RPE）、肌肉最大輸出力下降率（MFCR）也有類似的結(jié)果。更長的任務(wù)完成時間可能是導(dǎo)致被試在虛擬環(huán)境中要比在真實環(huán)境中更容易疲勞、感覺到更強不適感和感覺需要付出更多努力的原因。實驗中通過《虛擬環(huán)境臨境感評價問卷》對虛擬現(xiàn)實仿真實驗平臺提供的虛Cronbach為0.81530名被試的對虛擬場景臨境感評價的平均值為4.01（方差為0.62）。根據(jù)《虛擬環(huán)境臨境感評價問卷》中采用的7點Likert的臨境感的評價為中等水平，在可以接受的程度上。因為工業(yè)企業(yè)在技術(shù)上和預(yù)算上更有保障，所以工業(yè)中使用虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供比本文實驗中使用的仿真系統(tǒng)更高的虛擬環(huán)境臨境感，因此真實環(huán)境和虛擬環(huán)境中的工效學(xué)指標(biāo)測量結(jié)果可能比實驗中獲得的結(jié)果具有更小的差異和更高的相關(guān)性。在實驗中導(dǎo)致虛擬環(huán)境和真實環(huán)境中工效學(xué)指標(biāo)之間存在差異的部分原因可以使用ACT-R理論來解釋。一個手工裝配操作通常包含定位、到達、精確調(diào)整、對準(zhǔn)幾個操作。ACT-R塊、處理單元[107]（圖5.12）。圖5.12ACT-R理論的認知模型示意圖根據(jù)ACT-R理論，手工裝配操作由視覺模塊和操作模塊來進行處理。其中視覺模塊