第6章虚拟现实仿真中多通道反馈对工效学评价的影响

1、第6章 虚拟环境仿真中多通道反馈对工效学评价的影响第6章 虚拟环境仿真中多通道反馈对工效学评价的影响第6章 虚拟现实仿真中多通道反馈对工效学评价的影响根据文献综述可知，虚拟现实仿真系统通常会提供多通道反馈，如视觉、听觉、触觉反馈等，来辅助被试在虚拟环境中完成任务。因此，使用虚拟现实仿真进行工效学评价除了研究基于虚拟现实仿真的工效学评价的可行性和有效性之外，也应考虑多通道反馈对评价结果的影响。另外，根据多通道反馈对人在虚拟环境中影响的相关文献综述可以得知，虚拟环境仿真中向使用者提供多通道反馈作为感觉替代有助于提高使用者的虚拟环境临境感和工作绩效。不过已有研究并未研究虚拟环境中多通道反馈对人的疲劳

2、、不适等工效学评价指标的影响，而这些影响对基于虚拟环境仿真进行工效学评价结果预测是非常重要的。6.1 实验目的及研究思路根据第5章研究可知，基于虚拟现实仿真的工效学评价是可行和有效的，在此研究基础上为了研究虚拟环境中多通道反馈对工效学评价结果的影响，本研究采用了第3章中介绍的虚拟现实仿真实验平台，并且在虚拟环境中为被试提供了多通道反馈（视觉、听觉、触觉）作为感觉替代，通过研究虚拟环境中被试在不同反馈方式下完成相同手工装配操作的工效学指标评价结果的差异，并以在真实环境中的工效学评价结果作为参照，研究在虚拟环境中多通道反馈对工效学评价的影响。根据已经应用于工效学评价的虚拟现实仿真系统中提供的常用反

3、馈方式11, 13, 14, 18, 76, 77, 79, 108，考虑到在虚拟环境中可能会应用视觉、听觉、触觉三种反馈的组合来辅助被试完成任务，并且已有的相关研究指出这几种反馈方式在虚拟环境中对人的绩效产生影响93,94,95,96,97,98,99,100,101,102,103，因此通过虚拟现实仿真实验平台向被试提供视觉、听觉、触觉三种反馈通道，这些反馈信号在虚拟环境中为被试完成任务提供辅助。因为视觉反馈能够更直观地向被试和实验人员指示是否成功完成任务，所以在研究中选择视觉反馈作为基础反馈通道，在此基础上分别增加听觉反馈、触觉反馈、以及听觉和触觉反馈的组合作为反馈通道。另外，因为本文研

4、究使用虚拟现实仿真进行工效学评价，所以为了研究虚拟环境中多通道反馈对测量结果的影响，选取在真实环境中完成相同任务作为虚拟环境的对照组。因此本实验中选取了仅提供视觉反馈、提供视觉与听觉反馈、提供视觉与触觉反馈、提供视觉和听觉及触觉反馈、以及真实环境作为对照组，共计5组。为了发现实验设计中可能存在的问题并且确定合理的被试人数，在正式实验之前先进行预实验。预实验选取10名被试，根据预实验测量结果，使用功效分析（Power analysis）方法确定本实验中共招募60名被试（不包含预实验中10名被试），即每组12名被试。正式实验的研究思路和流程如图6.1所示。在正式实验开始前，首先被试阅读并签署知情同

5、意书，然后通过抽签随机确定实验顺序。为了消除被试因为不熟悉实验设备而对测量结果产生影响，在被试正式开始实验之前先对被试进行培训，在被试熟悉使用实验设备并考核通过之后再开始正式实验。图6.1 多通道反馈对工效学评价影响研究的研究思路实验开始前通过抽签来随机确定被试所在组，但是考虑到被试个体的身体情况、在虚拟环境中对距离估计能力可能对实验结果产生影响，需要在被试分配到各组之前平衡每组被试年龄、身高、体重、空间识别能力等因素，使各组之间没有显著差异。6.2 实验方法6.2.1 被试的基本情况共有60名男性被试参加本实验，他们是从机械加工企业的生产工人中招募而来。开始实验前，首先被试通过填写与第5章中

6、相同的基本信息调查问卷登记被试的性别、年龄、肌肉骨骼系统损伤史、视力情况等基本信息。在填写问卷后再测量被试的身高、体重，将信息补充进基本信息调查问卷中，用于将被试分组以及后续的实验结果分析。对被试的基本要求为身体健康并且没有肌肉骨骼系统严重损伤，并且视力、听力正常。被试的年龄范围为1960岁，平均年龄为41.2岁（方差为11.4岁）；身高范围为158187cm，均值为171.1cm（方差为5.6cm）；体重范围为50100kg，均值为70.7kg（方差为9.4kg）。60名被试中的51人在日常工作中使用手动工具，其他9人偶尔使用手动工具。6.2.2 任务描述实验中选取的手工装配操作和使用的模型

7、与第5章中的相似。被试使用一个手工工具模型来对准一系列目标点，来仿真工业中的钻孔或者铆接操作。操作基本的动作包括：抓取并提起手工工具、将手工工具移动到目标点、将手工工具对准目标点、保持一段时间（4秒）对准目标点的姿势等几个动作。每个被试被要求在一个固定位置上分别以站姿和坐姿来完成这个手工装配任务。实验中使用的手工工具模型和目标模型与第5章中相同。这个重1.5kg的手工工具模型被放置在被试前面80cm处一个高70cm的固定工作台上。目标模型被放置在被试前方80cm处，用于坐姿操作的目标模型被放在70cm高的固定平台上；用于站姿操作的目标模型被放在140cm高的固定平台上。被试在实验中通过完成以下

8、步骤来完成操作：(1) 抓取并拿起放置在固定平台上的手工工具模型；(2) 将手工工具的工具尖对准模型上的目标点，并保持对准姿势4秒钟（由计算机来产生计时信号）；(3) 按目标点的标号将手工工具对准下一个目标点并重复第二步操作，直至全部完成9个点作为一个回合；(4) 根据任务配置，完成2个或4个回合操作，即完成18次或者36次对准目标点操作。6.2.3 实验设备研究中使用了第3章中介绍的虚拟现实仿真实验平台，这个实验平台能够向被试提供多通道反馈包括视觉、听觉、触觉反馈。实验平台使用5DT® 公司的HMD 800-26 3D型数字头盔向被试展示虚拟场景，通过 Polhemus公司的Fas

9、trak和Patroit磁性跟踪器来跟踪被试的动作。如图6.2所示，Fastrak和Patroit磁性跟踪器共有6个传感器（Fastrak有4个传感器，Patroit有2个传感器）分别放置在被试的头部、右肩部、右肘部、右腕部和手工工具的工具尖和工具背上，另外多通道反馈系统通过被试佩戴的耳机向被试提供声音反馈，通过佩戴在被试左臂上的振动反馈单元来提供触觉反馈。实验使用模型被放置在被试正前方80cm处高台上。站姿使用的模型中心距地面140cm，而坐姿使用的模型中心距地面80cm。图6.2 磁性跟踪器传感器与多通道反馈设备安装位置109在实验中多通道反馈系统提供了视觉、听觉、触觉反馈作为被试在虚拟环

10、境中完成任务的感觉替代，提醒被试手工工具对准目标点。在虚拟环境中，视觉反馈通过改变已经被手工工具对准的目标点颜色来提醒被试；声音反馈则在工具模型对准目标点的同时通过耳机向被试播放一段500毫秒长的碰撞声音来提醒被试；触觉反馈则通过戴在被试左臂上的振动反馈发生模块，在工具模型对准目标点同时振动100毫秒来提醒被试。为了测量被试在完成实验任务中的肌肉疲劳情况，使用浙江华鹰公司生产的ACS-300型测力计在实验中测量被试肌肉最大输出力。这个测力计的最大测量能力为60kg力，测量精度为0.01kg力。6.2.4 实验设计在实验中，虚拟现实仿真平台中能够提供视觉、听觉、触觉三种反馈方式，其中视觉反馈因为

11、能够直观地指示工具对准的目标点，因此作为虚拟环境的基本反馈方式。在实验中这三种反馈方式形成4种组合，并以真实世界作为参照组，共使用了5种不同的反馈方式（表6.1）。表6.1 实验中作为组间因素的多通道反馈方式反馈方式缩写说明视觉反馈V仅使用视觉反馈视觉听觉反馈VA同时使用视觉、听觉反馈视觉触觉反馈VT同时使用视觉、触觉反馈视觉听觉触觉反馈VAT同时使用视觉、听觉、触觉反馈真实环境RE作为以上虚拟环境的参照组为了研究多通道反馈在虚拟环境中对人的影响，实验设计中将这5种反馈方式作为实验组间因素。将60名被试分为5组，每组被试在实验中分别被应用以上5种反馈方式中的一种。为了消除不同组被试因为个体差异

12、可能对实验结果带来的影响，在对60名被试分组时，考虑被试身高、体重、年龄、在虚拟环境中物体距离识别能力等几个因素，将被试平均分配到各组，来消除这些因素对实验结果可能带来的影响。另外，考虑到可能对任务的工效学评价结果产生影响的因素105, 106，以及在第5章中实验的结果中目标点大小对评价结果并无显著影响，因此在实验中将工作姿势和完成操作次数作为实验组内因素。每个组内因素都具有2个水平。各个因素及水平的说明如表6.2中所示。这两个组内因素构成一个2×2设计，因此这两个因素的水平共构成4种组合。对于每组中的被试，这4种组合代表的实验配置应用顺序在实验开始前通过抽签随机确定。表6.2 实验

13、中组内因素及其水平因素水平说明工作姿势坐姿参见图6.2站姿参见图6.2完成操作次数少一个任务中连续完成2个回合，即18次对准目标点的操作多一个任务中连续完成4个回合，即36次对准目标点的操作6.2.5 实验测量指标与第5章中研究测量的工效学指标相同，实验中测量了被试完成任务的工效学指标，通过对比各组之间的测量结果来研究在虚拟环境中不同反馈方式对工效学评价结果的影响。在实验中测量的工效学指标分为客观指标和主观指标。其中客观指标包括被试完成实验任务时肌肉最大输出力下降率（MFCR）和任务完成时间。MFCR反映了被试完成任务过程中的肌肉疲劳程度，任务完成时间反应了被试完成任务的绩效。主观指标反映了被

14、试在完成任务过程中主观感受，包括身体不适程度、完成任务的感知努力程度、主观感知任务难度几个工效学指标。另外，被试对虚拟环境临境感也作为实验测量的一个指标，来测量不同反馈方式对被试虚拟环境临境感的影响。被试的肌肉最大输出力的测量方式与第5章中相同，即分别在任务开始前和开始刚结束后，被试以坐姿通过测力计测量臂部肌肉最大输出力。肌肉最大输出力下降率的计算方法如公式5-2所述。被试在刚完成实验任务时，通过填写BPD量表来评价刚才在完成任务时感受到的不适感程度，通过RPE量表评价完成任务的感知努力程度。BPD量表和RPE量表包含在主观评价问卷中，本实验使用与第5章中相同的主观评价问卷。被试通过填写问卷来

15、评价自己对刚完成任务过程中身体不适程度、完成任务的感知努力程度等工效学指标。另外，被试通过填写任务难度评价问卷来评价完成任务的主观难度，主观感知任务难度评价问卷通过对手工工具、精确控制程度、保持姿势等几个方面进行评价，来测量被试对刚完成任务的难度评价。问卷中的问题采用7分Likert量表，分数越高表示被试认为完成任务难度越大。主观感知任务难度评价问卷的内容所下所示：问题1：总体上，您感觉准确地完成这个任务有多难？问题2：您感觉使用手工工具去精确对准目标点有多容易？ 问题3：您感觉在实验中执行任务移动和控制手工工具有多难？问题4：您觉得需要花费多大努力才能很好完成任务？问题5：总体上，您感觉准确

16、地完成这个任务有多容易？问题6：您感觉使用手工工具对准目标点后保持姿势有多难？为了便于实验数据分析，将被试的主观感知任务难度评分使用6-1式进行归一化处理，把被试对完成任务的主观感知任务难度评分（D）转化为一个百分比来表示任务难度。其中为被试的最高主观感知任务难度评分，为最低主观感知任务难度评分。（6-1）实验也测量了被试对虚拟环境临境感评价。与第5章的实验相同，被试通过填写虚拟环境临境感评价问卷来自报告对虚拟环境临境感的评价。6.3 实验过程在被试签署知情同意书后，实验人员测量被试的身高、体重，被试填写与第5章相同的基本信息调查表来记录基本信息。这些基本信息将用于实验中将被试分组和为实验分析

17、提供必要信息。另外，实验中为了消除每组被试在虚拟环境中对物体空间距离识别能力上的差异，在对被试进行分组之前首先进行虚拟环境空间距离估计能力测试。虚拟环境空间距离估计能力测试使用与正式实验相同的虚拟现实仿真平台，以第一人称视角来向被试展示。图6.3展示了一个虚拟环境空间距离估计能力测试问题的例子，被试被要求判断虚拟环境中不同位置的编号为A、B、C、D的4个同等尺寸小球的空间位置关系（即根据小球从远及近的顺序），以此来测量被试在虚拟环境中的空间距离识别能力。被试虚拟环境空间距离识别能力测试共包含10个问题，被试的虚拟环境空间距离识别能力采用识别所用时间和识别正确率两个指标来描述。虚拟环境空间距离识

18、别能力的测量结果与被试的身高、体重、年龄等信息一起被作为被试分组的依据，通过平衡被试的身高、体重、年龄和虚拟环境空间距离识别能力，使各组被试之间不存在显著差异，以消除这些因素对实验结果的影响。图6.3 虚拟环境空间距离识别能力测试的示例在测量完虚拟空间距离识别能力之后，被试按照如下步骤进行试验：(1) 实验人员根据被试抽签结果，并考虑被试身高、体重、年龄、虚拟空间距离识别能力对被试进行分组，让各组之间被试的身高、体重、年龄、虚拟空间距离识别能力之间不存在显著差异，以消除这些因素对实验结果可能存在的影响。(2) 在确定被试所在组后，被试通过抽签随机确定实验配置的应用次序。(3) 如果被试被分的组

19、是在虚拟环境中，被试由实验人员指导来熟悉虚拟仿真实验平台的使用，并且培训被试使用虚拟现实仿真实验平台来与虚拟环境中的物体进行交互。在被试通过培训感觉自己可以熟练使用实验平台时，经过实验人员考核确认后开始正式实验任务。(4) 根据在(2)中确定实验配置应用顺序开始实验，在每种实验配置下开始实验任务之前先使用测力计测量被试肌肉最大输出力数值。在完成实验任务后被试立即再次测量肌肉最大输出力。(5) 被试填写主观评价问卷来自报告自己在刚完成的实验任务中感受的不适感、付出努力程度。被试填写主观感知任务难度评价问卷来评价刚完成任务的主观感知任务难度。(6) 如果被试是在虚拟环境的组中，被试需要填写虚拟环境

20、临境感评价问卷来给出自己对虚拟环境临境感的评价。(7) 被试填写完以上问卷后，休息5分钟。(8) 根据被试在(2)中抽签确定的实验配置应用次序，使用下一个实验配置进行实验，重复(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，直至全部4种实验配置都被应用完毕。被试在真实环境中执行实验任务的场景如图6.4所示，左图为站姿，右图为坐姿。 图6.4 被试在真实环境中执行任务的场景被试使用虚拟仿真实验平台在虚拟环境中执行实验任务的场景如图6.5所示，左图为站姿，右图为坐姿。虚拟仿真实验平台根据实验设计中为每组配置的多通道反馈方式来分别向各组提供对应的多通道反馈。与第5章相同，虚拟现实仿真平台通过数字头盔为被试提

21、供了第一人称视角的虚拟场景，方便被试完成实验任务。 图6.5 被试执行虚拟环境中任务的场景6.4 实验数据统计分析在实验中被试被分为五组，每组分别提供不同的多通道反馈方式来辅助完成实验任务。每个被试在工作姿势、完成操作次数两个因素构成的4种实验配置下完成实验。每个被试在4种实验配置下测量结果的平均值作为该被试在这个反馈方式条件下的总体测量结果。在对实验数据进行统计分析前，首先检验任务完成时间、不适感程度、肌肉最大输出力下降率（疲劳）、感知努力程度、主观感知任务难度、虚拟环境临境感评分等几个测量数据的正态性和方差齐次性。检验结果表明除了任务完成时间之外，其他工效学指标的测量数据通过了正态性和方差

22、齐次性检验。因此，使用非参数检验中的Kruskal-Wallis检验来研究不同反馈方式对任务完成时间的影响。其他工效学指标的数据则可以使用多元方差分析（MANOVA）来研究不同反馈方式对实验结果产生的影响。另外，为了分别比较不同反馈方式对实验中测量的工效学指标产生的影响，对不适感程度、肌肉最大输出力下降率（疲劳程度）、感知努力程度、主观感知任务难度评分、虚拟环境临境感评分等几个工效学指标的测量数据使用多元方差分析方法进行分析，并且在分析基础上使用事后检验（post hoc test）方法来为不同反馈方式产生的影响进行多重比较。在事后检验中采用了LSD（Fishers least signifi

23、cant difference）检验对数据进行统计分析。因为任务完成时间测量数据未能通过正态性和方差齐次性检验，所以先对任务完成时间数据进行秩变换，将秩变换后的任务完成时间数据使用多元方差分析和事后检验方法来完成反馈方式产生影响的多重比较。实验结果的统计分析中选取了95%的置信区间，使用SPSS® 软件用于统计分析，并使用Minitab®软件完成对统计结果可视化。6.5 实验结果实验中的不适感程度、肌肉最大输出力下降率（疲劳程度）、感知努力程度、主观感知任务难度、虚拟环境临境感评分的测量数据按照使用不同反馈方式分组进行统计分析，均值和方差如表6.3所示。为了比较不同反馈方式

24、之间的差异，使用MANOVA对数据进行分析，分析结果表明不同反馈方式的测量数据之间存在显著差异，结果如表6.3所示。因为任务完成时间的测量数据未能通过正态性和方差齐次性检验，因此使用非参数检验中的Kruskal-Wallis检验来对各组数据进行分析，结果表明各组任务完成时间也存在显著差异，各组任务完成时间的均值与方差，以及Kruskal-Wallis检验结果如表6.4所示。6.5.1 虚拟环境临境感实验中使用虚拟环境临境感评价问卷对虚拟仿真实验平台提供的虚拟场景的临境感进行评价，问卷的Cronbach 为0.824。在虚拟环境中V，VA，VT，VAT四组的临境感评分的均值和方差如表6.3所示。

25、其中V组临境感评分均值为4.35，即中等水平的临境感；VA组临境感评分均值为4.75，即中等较强水平的临境感；VT组临境感评分均值为4.65，即中等稍强水平的临境感，VAT组临境感评分均值为4.7，即中等稍强水平的临境感。其中，MANOVA和post hoc检验的结果表明，在仅使用视觉反馈方式组（V）中的被试报告了最低的临境感，该组比其他在虚拟环境中完成任务的三组（VA，VT，VAT）低6.9%9.2%（每二组之间比较均为p<0.001）。这说明在视觉反馈基础上增加了听觉反馈或触觉反馈增强了被试的临境感，有助于向被试提供更加真实的仿真场景。而通过对虚拟环境临境感评分的事后检验（post

26、hoc test），在VA，VT，VAT三组之间未发现报告的临境感有显著差异。实验结果表明在视觉反馈基础上增加新的反馈有助于提高虚拟环境的临境感，但是增加听觉反馈还是触觉对于提高临境感并无显著区别。13第6章 虚拟现实仿真中多通道反馈对工效学评价的影响表6.3 各组临境感、MFCR、BPD、RPE的均值和方差以及使用不同反馈方式的各组之间比较（N=12）VVAVTVATRE均值方差均值方差均值方差均值方差均值方差p临境感4.350.304.750.284.650.264.700.25-5.1980.00485肌肉最大输出力下降率（%）9.81.87.81.18.31.58.21.46.01.3

27、11.067<0.001身体部位不适感5.41.33.61.04.11.33.60.92.41.510.231<0.001感知努力程度15.31.212.01.612.41.611.70.99.91.126.232<0.001主观感知任务难度（%）82.210.073.49.372.68.269.25.463.38.18.137<0.001注：V=仅使用视觉反馈组；VA= 使用视觉和听觉反馈组；VT=使用视觉和触觉反馈组；VAT= 使用视觉、听觉、触觉反馈组；RE= 真实环境（作为对照组）。表6.4 任务完成时间均值和方差以及使用不同反馈方式的各组之间比较（N=12）V

28、VAVTVATRE均值方差均值方差均值方差均值方差均值方差p任务完成时间（秒）29470211452153421124123437.678<0.00186注：V=仅使用视觉反馈组；VA= 使用视觉和听觉反馈组；VT=使用视觉和触觉反馈组；VAT= 使用视觉、听觉、触觉反馈组；RE= 真实环境（作为对照组）。第6章 虚拟环境仿真中多通道反馈对工效学评价的影响第6章 虚拟现实仿真中多通道反馈对工效学评价的影响6.5.2 任务完成时间实验中使用不同反馈方式的各组任务完成时间均值与方差如表6.4所示，其中对于完成相同任务，仅使用视觉反馈组（V）的平均任务完成时间比其他三组（VA，VT，VAT）长

29、26.7%28.2%。在虚拟环境中V，VA，VT，VAT的四组与在真实环境中完成任务的组（RE）相比，虚拟环境中四组的平均任务完成时间比真实环境中完成任务的组长71.8%139.2%。任务完成时间的结果说明在虚拟环境中完成任务所需时间要长于RE组（各组比较均为p<0.001），而在视觉反馈基础上增加了听觉和触觉反馈，有助于减少任务完成时间。另外，因为任务完成时间数据未能通过正态性和方差齐次性检验，因此使用Kruskal-Wallis检验来分析各组之间差异，结果如表6.4所示。为了比较各组两两之间的差异，采用MANOVA和事后检验（post hoc test）方法来对任务完成时间秩变换数据

30、进行分析。分析结果表明，仅使用视觉反馈组（V）的任务完成时间显著长于其他在虚拟环境中的VA，VT，VAT三组（各组比较均为p<0.001）。根据临境感的定义，如果假设真实环境的临境感最“真实”，也就是临境感评分最高，则临境感评分应为满分7分。根据临境感评分分析结果可知，仅使用视觉反馈组（V）的临境感评分低于其他虚拟环境三组（VA，VT，VAT），而任务完成时间为视觉反馈组（V）的临境感评分高于其他三组，如图6.6所示，说明虚拟环境临境感的增强有助于减少完成任务时间。这与文献综述中虚拟环境临境感对工作绩效影响的相关研究结果一致。图6.6 不同反馈方式条件下任务完成时间不过VA、VT、VAT

31、组之间任务完成时间数据未发现存在显著差异，这也与这三组的虚拟环境临境感评分结果相同。这说明虽然在视觉反馈基础上增加听觉和触觉反馈有助于提高临境感并且减少任务完成时间，但是增加听觉反馈或者触觉反馈对增强临境感并无显著差异，对减少任务完成时间也无显著影响。6.5.3 疲劳程度（肌肉最大输出力下降率）实验中通过测量肌肉最大输出力下降率来描述被试完成任务引起的疲劳程度。测量各组的MFCR均值与方差如表6.3所示，其中仅使用视觉反馈组（V）的MFCR比在VA、VT、VAT三组高15.3%20.4%。而在虚拟环境中的V、VA、VT、VAT四组的MFCR则比真实环境中执行任务的RE组高30%63.3%。使用

32、MANOVA和事后检验（post hoc test）对实验中测量的肌肉最大输出力下降率进行统计分析，结果显示仅使用视觉反馈组（V）的肌肉最大输出力下降率显著比VA、VT、VAT三组大（各组之间比较均为p<0.05），但是VA、VT、VAT三组的之间未发现存在显著差异。不过V、VA、VT、VAT四组的MFCR均比在真实环境中执行任务的RE组大（各组比较均为p<0.05）。根据对各组虚拟环境临境感评价的结果可知，使用视觉反馈组（V）的临境感评分低于其他虚拟环境三组（VA，VT，VAT），仅提供视觉反馈组（V）的临境感评分高于其他三组，而真实环境组（RE）的临境感评分最高（图6.7）。与

33、肌肉最大输出力下降率的分析结果对比可知，在视觉反馈基础上增加听觉和触觉反馈有助于降低被试的肌肉疲劳，而被试在虚拟环境中完成任务与真实环境中相比更容易疲劳。由对任务完成时间结果的分析可知，虚拟环境的任务完成时间要长于真实环境，在视觉反馈基础上增加了听觉和触觉反馈有助于减少任务完成时间，而更长的任务完成时间也自然更容易导致疲劳。图6.7 不同反馈方式条件下肌肉最大输出力下降率不过，根据虚拟环境临境感评分和任务完成时间的分析结果可知，在视觉反馈基础上增加听觉或触觉反馈对于改善虚拟环境临境感评价以及减少任务完成时间并无显著差别，因此完成任务引起的肌肉疲劳也无显著差异，这与临境感评分分析结果和任务完成时

34、间的结果一致。总之，从疲劳程度的分析结果可知在虚拟环境中完成任务较真实环境中容易疲劳，而在仅提供视觉反馈条件下完成任务更容易疲劳。另外，增加了额外的反馈方式有助于减缓疲劳，但是增加听觉或触觉反馈对于减缓疲劳并无显著差异。6.5.4 不适感强度（BPD）实验中被试仅报告了在前臂存在明显的不适感，因此仅对前臂的不适感（BPD）评分进行分析。使用不同反馈方式各组的不适感强度均值和方差如表6.3所示，其中仅使用视觉反馈组（V）的不适感强度比VA、VT、VAT三组强23.4%33.5%，而V、VA、VT、VAT四组的不适感强度比RE组强49.1%124.1%。使用MANOVA和事后检验对不适感强度数据进

35、行分析的结果表明，V组被试感受的前臂不适感强度显著比VA、VT、VAT三组强（各组比较均为p<0.01），而V、VA、VT、VAT四组的不适感强度显著比RE组强（各组比较均为p<0.05）。即完成相同任务，在虚拟环境中前臂会感觉到比在现实环境中更强的不适感。在虚拟环境中在视觉反馈基础上增加听觉或触觉反馈可以降低完成任务后感觉到的不适感，但是听觉反馈和触觉反馈对于降低完成任务后前臂不适感强度并无差异。根据实验的临境感评价结果可知，仅使用视觉反馈组（V）的临境感比虚拟环境中其他三组（VA、VT、VAT）强，同时根据对任务完成时间和肌肉最大输出力下降率的分析结果可知，V组与VA、VT、V

36、AT三组相比任务完成时间更长，并且更容易疲劳，因此会引起更强的不适感（图6.8）。而真实环境组中的任务完成时间比在虚拟环境中四组要短，所以在真实环境组中的被试也感觉到更低的不适感。图6.8 不同反馈方式条件下前臂不适感强度评分因为在视觉反馈基础上增加听觉反馈或者触觉反馈对减少任务完成时间以及降低肌肉疲劳并无显著差异，所以在视觉反馈上增加了听觉反馈或者触觉反馈的VA、VT、VAT三组与仅提供视觉反馈的V组相比，被试感受的不适感强度并无显著差异。6.5.5 感知努力程度（RPE）实验中采用不同反馈方式组报告完成任务的RPE均值与方差如表6.3所示，其中V组被试报告的RPE比VA、VT、VAT三组高

37、21.6%23.5%，而V、VA、VT、VAT四组被试报告的付出努力程度比RE组高17.9%54%。这个结果说明V组被试完成任务感觉比VA、VT、VAT三组付出更多的努力，而虚拟环境中各组被试比现实环境中感觉花费更多努力完成任务。使用MANOVA和post hoc检验对不同反馈方式各组被试报告付出RPE的区别进行检验，结果表明V组被试自报告付出的努力程度显著高于VA、VT、VAT三组（各组比较均为p<0.01），而V、VA、VT、VAT四组被试自报告RPE显著比RE组高（各组比较均为p<0.05）。根据对虚拟环境临境感和任务完成时间的分析结果可知，仅提供视觉反馈组（V）比虚拟环境中

38、其他三组的临境感要低。并且根据任务完成时间结果可知，仅提供视觉反馈组的任务完成时间比虚拟环境其他三组长，并且虚拟环境中各组的任务完成时间均比真实环境中长，而更长的任务完成时间也自然会让被试感觉需要付出更多努力（图6.9）。因此，仅提供视觉反馈组的被试与虚拟环境中其他组相比要付出更多的努力，在虚拟环境中各组的被试也感觉比真实环境付出更多的努力。另外，根据虚拟环境临境感的实验结果，因为在视觉反馈基础上增加听觉反馈或者触觉反馈对减少任务完成时间以及降低肌肉疲劳并无显著差异，所以在视觉反馈上增加了听觉反馈或者触觉反馈的VA、VT、VAT三组与仅提供视觉反馈的V组相比，被试感觉付出努力并无显著差异。图6

39、.9 不同反馈方式条件下感知努力程度总之，感知努力程度的实验结果表明，完成相同任务，在虚拟环境中需要比在真实环境中付出更多努力。而虚拟环境中，在视觉反馈基础上增加额外的听觉或者触觉反馈有助于降低完成任务的努力程度，但是听觉和触觉反馈对降低感知努力程度并无显著差别。6.5.6 主观感知任务难度评价实验中被试使用主观感知任务难度评价问卷自报告完成任务的难度，问卷的Cronbach 为0.88，不同反馈方式的各组均值与方差如表6.3所示，V组被试的主观感知任务难度评分比VA、VT、VAT组高10.7%15.8%，而V、VA、VT组被试自报告的完成任务难度比RE组高9.3%29.8%，即被试报告在虚拟

40、环境中完成任务比在真实环境中更难。为了比较不同反馈方式各组被试报告付出的努力程度的区别，使用MANOVA和post hoc方法对数据进行检验结果表明，V组被试的主观感知任务难度评分显著高于VA、VT、VAT三组（各组比较均为p<0.01），而V、VA、VT组被试自报告的完成任务难度显著比RE组高（各组比较均为p<0.05）。不过，VA、VT、VAT各组被试自报告的任务难度之间没有发现显著差异，VAT组与RE组之间也没有发现显著差异（p=0.09）。根据虚拟环境临境感评价结果可知，仅提供视觉反馈组比虚拟环境中其他三组的临境感低，而虚拟环境中各组的临近感也自然比真实环境低（图6.10）

41、。由于临境感和任务完成时间的差异，自然临境感越高被试越感觉虚拟场景与真实环境越接近，也感觉完成任务的主观感知任务难度越低。同时，根据任务完成时间结果同样得知，仅提供视觉反馈组的任务完成时间也比虚拟环境中其他三组长，而真实环境组的任务完成时间最短，完成任务需要的时间越长，被试感觉完成任务的主观感知任务难度就越高。因此，仅提供视觉反馈的V组主观感知任务难度评分就高于虚拟环境中其他三组，并且虚拟环境中的各组的主观感知任务难度评分都高于真实环境。图6.10 不同反馈方式条件下主观感知任务难度评分不过，虽然在视觉反馈基础上增加听觉反馈和触觉反馈有助于改善虚拟环境临境感，也有助于减少任务完成时间。但是，根

42、据虚拟环境临境感和任务完成时间的结果可知，在视觉反馈基础上增加听觉反馈或触觉反馈对改善临境感或者减少任务完成时间并无显著差异。所以VA、VT、VT三组被试的主观感知任务难度评分并无显著差异。总之，主观感知任务难度评分的实验结果说明在视觉反馈基础上增加听觉或者触觉反馈可以降低被试完成任务的难度，但是增加听觉反馈还是触觉反馈在降低完成任务难度上并无显著差异。6.6 实验结果讨论实验中采用三种多通道反馈方式（视觉、听觉、触觉）组合，为在虚拟环境中四组（V、VA、VT、VAT）分别提供不同的反馈方式来辅助被试完成相同的实验任务。另外，也在真实环境中由被试完成相同任务，作为虚拟环境的参照组（RE组）。这

43、五组被试的主观和客观工效学指标被测量和比较，以找出不同反馈方式对被试的影响。6.6.1 虚拟环境对工效学评价结果的影响根据实验结果分析可知，被试在虚拟环境中（V、VA、VT、VAT）执行相同任务比在真实环境（RE组）中感受到更强的不适感，也感觉到付出了更多努力并觉得完成任务难度更高（除了VAT组之外）。这个结果表明被试在虚拟环境中完成相同任务与在真实环境中相比更容易疲劳，并且需要付出更多努力。任务完成时间、最大肌肉输出力下降率（疲劳程度）的结果也与实验结果中不适感、付出努力程度、主观感知任务难度评分的结果一致。虚拟环境中的四组（V、VA、VT、VAT）被试的肌肉最大输出力下降率高于真实环境组，

44、这表明被试在虚拟环境中完成任务相比在真实环境中更容易疲劳，同时实验结果也表明被试在虚拟环境中完成任务比在真实环境中需要更长的任务完成时间。与第5章实验结果的讨论类似，被试在虚拟环境和真实环境中完成相同任务时，工效学指标测量数据的差异可以用ACT-R模型来部分解释107。本章实验中的手工装配操作可以分为抓取、移动、定位、到达、精确调整等几个子动作，完成这些动作需要认知和手工动作共同配合完成。而被试在不同的实验配置情况下完成相同任务操作，进行抓取和移动动作所需的努力和时间是相同的，而到达和定位操作需要的努力和时间则不同。ACT-R模型将认知过程划分为三个主要部分：视觉模块、操作模块、处理单元107

45、。根据ACT-R模型，到达和定位操作由大脑的视觉模块和操作模块来完成。视觉模块估计物体的距离并将相关信息传递给大脑处理单元，再由处理单元选择合适的传输路径将信息传递给操作模块去完成操作。在真实环境中，大脑处理单元会根据日常经验来选择一个最优路径来将视觉模块估计的物体距离信息传递给操作模块，这样将花费较少的努力和时间完成操作。但是，虚拟环境中提供有限的临境感对于被试精确估计虚拟物体距离具有负面作用84, 85, 87，因此被试在虚拟环境中要完成相同的操作，由视觉模块到处理单元再到操作模块的信息传递过程往往需要重复多次才能完成。所以在虚拟环境中，因为需要额外的认知工作负荷，被试也就需要花费更长的视

46、觉并付出更多努力才能完成相同操作，这也让被试在虚拟环境中感受到更强不适感和更容易疲劳。这个结果也与第5章中对虚拟环境与真实环境之间工效学指标测量结果存在差异的研究结论相一致。6.6.2 多通道反馈方式对虚拟环境临境感和任务难度的影响根据实验结果，采用多通道反馈来辅助被试在虚拟环境中完成任务改善了虚拟环境的临境感评价。仅采用视觉反馈组（V组）被试的临境感显著低于在视觉反馈基础上应用其他反馈的组（VA、VT、VAT），不过在VA、VT、VAT组之间并没有发现虚拟环境临境感评价存在显著差异。其他工效学指标的统计分析结果也给出了相同趋势，具有最低临境感评分的V组的不适感、疲劳程度、付出努力程度、任务完成时间、主观感知任务难度评分均显著高于虚拟环境中的VA、VT、VA