任何在遊戲廳玩過抓娃娃機的人都能體會到那種挫敗感——反覆撥弄搖桿，試圖讓機械臂精準抓住目標玩具。將搖桿動作與機械臂運動對應起來，需要一種並不直觀的"心理映射
"。
事實上，抓娃娃機的操作原理與駕駛挖掘機頗為相似：操作員通過搖桿控制挖掘機的動臂、斗杆和鏟斗，以及駕駛室的轉向。但挖掘機的操作遠比抓娃娃機複雜得多。操作員必須建立更複雜的心理映射，才能指揮挖掘機完成移石、平整土地、清理碎片、挖掘地基等各類現場作業。熟練掌握這些重型機械的操控技巧，往往需要數年時間。
麻省理工學院的工程師們正致力於縮短挖掘機操作員的學習周期，為此開發了一套全新的訓練界面。這套系統摒棄了傳統搖桿，設計了一款更直觀的控制器——其外形本身就像一台微型挖掘機的臂架和鏟斗。學員握住裝置，用手臂和手部動作驅動它，模擬挖掘機的真實運動。六屏沉浸式顯示器上投影的數字挖掘機，會在虛擬環境中同步鏡像學員的每一個動作。
"這是一種更直觀的機器操控方式，"麻省理工學院機械工程系首席研究科學家Hermano Krebs表示，"有了這套新界面，我們可以省去操作員原本需要建立的大量心理映射。"
Krebs認為，這套界面不僅能加速挖掘機操作員的培訓，還能成為一種全新的實體操控方式，適用於現場作業和遠程操控兩種場景。
"你可以在駕駛室側面安裝這條微型臂架，操作員將自己的手臂放入其中，就像穿戴外骨骼一樣，從而在駕駛室內操控挖掘機，"Krebs說，"如果作業環境危險或難以進入，操作員可以坐在場外的拖車裡，通過這條機械臂遠程遙控挖掘機。"
研究團隊本周在《計算與土木工程雜誌》上發表了開放獲取的研究成果。麻省理工學院的共同作者包括Moises Alencastre-Miranda、Joao Buzzatto和Eran Beeri Bamani，合作方為日本工業機械製造商住友重機械工業株式會社。
機器模擬
在麻省理工學院，Krebs團隊長期專注於人機交互研究，尤其在肢體康復領域積累了深厚經驗。這些工作讓團隊深入了解了人類控制肢體的方式，以及人與機器最自然的交互模式。
2018年，Krebs與住友重機械工業的研究人員展開合作。對方希望找到一種更快速的挖掘機操作員培訓方法——在日本，重型機械操作員群體正面臨快速老齡化，培養接班人需要耗費大量時間。
傳統培訓方式是讓學員在專用駕駛場地上實際駕駛挖掘機。在操作過程中，新手必須逐漸建立搖桿動作與臂架、鏟斗、駕駛室運動之間的對應關係。在此基礎上協調各項動作以完成實際任務，又增加了一層複雜性，往往需要數月乃至數年才能熟練掌握。
研究團隊認為，如果能消除這種心理映射的需求，或許可以大幅縮短培訓周期。為此，他們尋找一種更自然的機器控制方式，以替代傳統搖桿。他們最終選定了機械臂設計方案——其外形與挖掘機臂架和鏟斗高度相似，操作員可以直接模擬並控制挖掘機的動作，無需進行複雜的心理轉換。
此後數年，研究人員持續完善這套機械臂，並開發了將其動作與挖掘機虛擬仿真系統配對的軟體。機械臂與虛擬仿真系統的結合，構成了一套全新的挖掘機操作員訓練與控制平台，團隊將其命名為"世界空間界面"（World-Space Interface）。
"'世界空間'指的是你自身之外、或在本案例中挖掘機駕駛室之外的一切，"Krebs解釋道，"通常情況下，操作員需要建立心理映射來操控世界空間中的物體。但現在，我們只需模擬撿起石塊或泥土的動作，電腦就會自動完成向世界空間的轉換。"
第一天就能上崗
在新研究中，研究團隊招募志願者分別使用世界空間界面和傳統搖桿式挖掘機模擬器進行訓練實驗。研究人員開發了15個逼真的虛擬挖掘場景，涵蓋建築工地、公路、林區道路、河岸、礦區以及城鄉各類環境。每個虛擬場景對應不同的挖掘任務，包括鏟運沙石、挖掘和平整溝渠、清理路面碎片、清除水邊樹枝、破碎岩石等。
實驗設計模擬了操作員在為期一周的挖掘機駕駛培訓課程中通常執行的任務。連續七天，每天一小時，包括專家和新手在內的志願者分別使用世界空間界面和搖桿模擬器，按難度遞增的順序完成各項訓練任務。
研究人員隨後對比了志願者在訓練前後的表現。在搖桿模擬器上，新手的表現始終不及專家，儘管在訓練期間有所進步。相比之下，使用新型世界空間界面時，新手從一開始就達到了與專家相當的水平。
"搖桿是一種不直觀的機器控制和協調方式，"研究共同作者、麻省理工學院博士後Joao Buzzatto表示，"這是第一款無需通過搖桿操控挖掘機的界面。"
目前，團隊正致力於為世界空間界面的機械臂添加觸覺反饋功能。設想是：當操作員用機械臂模擬撿起一堆石塊時，裝置會產生相應的力反饋，讓操作員感受到石塊的重量，從而確認挖掘機確實完成了抓取動作。
"觸覺反饋將使這套系統更加直觀，"共同作者、訪問工程師Solmon Jeong表示。
研究團隊認為，這套新型訓練界面可以成為建築行業目前正在探索的挖掘機模擬器的更自然替代方案。卡特彼勒、現代和小松等公司正在開發虛擬模擬器，既用於操作員上崗前的培訓，也著眼於未來的遠程挖掘機操控。然而，這些模擬器大多仍基於傳統搖桿控制器，學習成本依然較高。
研究人員設想，如果將這套臂架鏟斗控制器集成到挖掘機駕駛室或虛擬遙操作模擬器中，即便是初次上手的操作員，也能從第一天起就投入實際作業。
本研究部分由住友重機械工業株式會社資助。
Q&A
Q1：世界空間界面（World-Space Interface）是什麼？它和傳統搖桿有什麼區別？
A：世界空間界面是麻省理工學院工程師開發的一套挖掘機訓練與控制平台，其核心是一個外形類似微型挖掘機臂架和鏟斗的控制器。操作員直接用手臂和手部動作驅動裝置，電腦自動將動作映射到虛擬挖掘機上。傳統搖桿需要操作員建立複雜的"心理映射"才能協調機器動作，而世界空間界面通過直接模擬挖掘機的物理動作，省去了這一過程，讓新手從第一天起就能達到與專家相當的操作水平。
Q2：使用世界空間界面培訓挖掘機操作員，效果真的比傳統方式好嗎？
A：根據研究實驗，效果明顯更好。實驗中，志願者連續七天分別使用世界空間界面和傳統搖桿模擬器訓練。結果顯示，使用傳統搖桿時，新手表現始終不及專家；而使用世界空間界面時，新手從訓練開始就達到了與專家相當的水平，大幅縮短了學習周期。
Q3：世界空間界面除了用於培訓，還有哪些實際應用場景？
A：除培訓外，世界空間界面還可直接用於現場操控和遠程遙控。研究人員設想將其作為附件集成到挖掘機駕駛室中，操作員像穿戴外骨骼一樣使用機械臂操控挖掘機；在危險或難以進入的作業環境中，操作員也可坐在場外通過該裝置遠程遙控挖掘機。此外，團隊還計劃為裝置添加觸覺反饋功能，讓操作員能感受到作業對象的重量，進一步提升操控的真實感。
