老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估模型

王秋惠 王雅馨 楊悅

摘 要：交互界面設(shè)計質(zhì)量是保障人機系統(tǒng)運行效率的關(guān)鍵。為評估老齡服務(wù)機器人物理界面的可用性水平，以老年用戶為研究對象，探索服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估模型。選取50名老年樣本，依據(jù)評價等級劃分綜合評估分值區(qū)間，參照設(shè)計評估體系對機器人實例進行模糊綜合評價?；诟倪M群組層次分析法（GD-AHP），結(jié)合德爾菲專家評估法構(gòu)建各指標判斷矩陣，從功能、尺寸、交互、色彩與外觀五方面建立老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標體系，利用聚類分析計算一致度系數(shù)，獲得各層級指標權(quán)重數(shù)值，最終構(gòu)建評估理論模型。運用模糊綜合評價法依據(jù)老齡服務(wù)機器人物理界面評估體系對服務(wù)機器人實例進行綜合評價分析可得評估模型合理。該評估模型能有效反映機器人設(shè)計階段各要素的關(guān)聯(lián)屬性，評價結(jié)果符合實際設(shè)計流程，評估系統(tǒng)能提高產(chǎn)品產(chǎn)出品質(zhì)，可以有效減少設(shè)計問題的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：老齡服務(wù)機器人;物理界面;改進群組層次分析;評估指標體系;理論評估模型

中圖分類號：TP 242?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-7312（2021）04-0424-08

Stablishment of Physical Interface Design

Evaluation Model for Aged Service Robot

WANG Qiuhui，WANG Yaxin，YANG Yue

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;2.School of Economics and Management，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：The design quality of interactive interface is the key to ensure the operation efficiency of man-machine system.In order to evaluate the availability level of physical interface of service robots for the aged，an evaluation model for physical interface design of service robots was explored with elderly users as the research object.50 elderly samples were selected，and the comprehensive evaluation score interval was divided according to the evaluation grade，and the fuzzy comprehensive evaluation was carried out according to the design evaluation system.Based on the improved group analytic hierarchy process （GD-AHP），combined with the Delphi expert evaluation method to construct the judgment matrix of various indicators，the paper established the physical interface design evaluation index system of the aging service robot from the five aspects of function，size，interaction，color and appearance，used the clustering analysis? to calculate the consistency coefficient to obtain all levels index weight value，and finally constructed the evaluation model.The fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate the service robot instances according to the physical interface evaluation system of service robot for the aged，and the evaluation model was reasonable.The evaluation model can effectively reflect the associated attributes of each element in the robot design stage，and the evaluation results are consistent with the actual design process.The evaluation system can improve the product quality and effectively reduce the occurrence of design problems.

Key words：aged service robot;physical interface;improved group decision-analytic hierarchy process;evaluation index system;theoretical evaluation model

0 引言

公眾對于養(yǎng)老問題的重視，促使智能養(yǎng)老模式開始融入老年人的實際生活。老齡服務(wù)機器人可替代人完成各類工作[1]，有助于解決養(yǎng)老服務(wù)匱乏的問題。

老齡服務(wù)機器人人機界面是指老年人與服務(wù)機器人在人機交互過程中所形成的物理界面和信息界面的總稱[2]，通常物理界面會優(yōu)于信息界面首先進入用戶視野。老齡服務(wù)機器人外觀造型設(shè)計要素是最直觀、最易獲取的認知信息，用戶會依據(jù)外觀造型對于機器人的功能進行判斷[3]。構(gòu)建物理界面的設(shè)計評估指標體系及評估理論模型，可有效提升設(shè)計質(zhì)量。針對物理界面，畢翼飛[4]等運用了感性工學(xué)相關(guān)理論，通過意象尺度圖將老年用戶的感性意象轉(zhuǎn)化為老年陪護機器人的造型設(shè)計要素。朱彥[5]采用語義差異法和層次分析法將感性認知量化，對家庭服務(wù)機器人的功能需求和機械結(jié)構(gòu)提出新的設(shè)計方案。FERRs[6]等基于用戶需求的研究，通過用戶調(diào)研和數(shù)據(jù)分析，分析出家居服務(wù)機器人的設(shè)計需求和基本特征，并規(guī)定出設(shè)計優(yōu)先級。

以上多針對造型結(jié)構(gòu)及功能需求進行概括研究，但欠缺對于設(shè)計評估指標計算的深入分析，改進層次分析法可對評估指標權(quán)重進行計算，如樊火印[7]等提出通過改進修正層次分析法建立調(diào)查表格來計算遼寧省高速公路路面性能現(xiàn)狀和養(yǎng)護需求的路面性能指標權(quán)重值。王霞[8]等采用改進層次分析法計算油氣管道安全風險的指標權(quán)重，并對油氣管道安全狀態(tài)進行分析和評價。

綜上可知，改進層次分析法可有效計算指標權(quán)重值，但在老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標計算中應(yīng)用較少，具有研究空間。雖然國內(nèi)外學(xué)者對老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計進行了大量研究，并取得了較多成果，但對于老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估模型建立的研究區(qū)域較為空缺，缺少對設(shè)計產(chǎn)品的完善評估體系，在此背景下，產(chǎn)品的好壞得不到客觀評價，可能出現(xiàn)設(shè)計不符合人因或不能更好的服務(wù)于老年用戶等情況，為有效提高設(shè)計效率和產(chǎn)品服務(wù)質(zhì)量，使老齡服務(wù)機器人界面更符合老年人用戶審美，因此基于用戶需求，將改進群組層次分析法運用到老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標權(quán)重的計算中，獲取完善的評估指標體系，構(gòu)建評估理論模型，為后期產(chǎn)品評估提供參考。

1 物理界面評估流程與指標分析

1.1 建立評估流程

評估指標體系主要是由評估對象的各方面特征及聯(lián)系等多個指標所構(gòu)成的一個整體，其可在總體提高方向上給予一定的理論指導(dǎo)，能夠更全面的認知事物。面對用戶所出現(xiàn)的新需求與要求，建立評估體系，引導(dǎo)設(shè)計方向具實用價值，可體現(xiàn)目標需求導(dǎo)向，指引設(shè)計部分的落實，減少重復(fù)性無意義工作流程，提高產(chǎn)品設(shè)計初期的效率。

構(gòu)建合理的評估指標體系是科學(xué)評價的基礎(chǔ)，建立評估指標體系的前提是構(gòu)建完善的評估流程。將老齡服務(wù)機器人物理界面作為評估對象，建立評估指標體系流程，評估流程的建立可分為8步，如圖1所示，通過驗證后可輸出評估理論模型。

1.2 評估指標分析

由于老齡服務(wù)機器人物理界面的評估因素較多，至今未有統(tǒng)一的評估標準與體系，不同的評判標準會對結(jié)果產(chǎn)生不一致的設(shè)計指導(dǎo)方向，因此對老齡服務(wù)機器人物理界面評估體系的研究很有必要。為建立一套適用于老齡服務(wù)機器人物理界面的評估方法與體系，在確立評估指標體系時應(yīng)依據(jù)一定的標準和原則[9]，關(guān)于建立指標體系的原則，目前有兩種典型的表述。一是，全面、不交叉和指標易于取得;二是，科學(xué)性、合理性與適用性[10]。綜合兩點原則提出老齡服務(wù)機器人物理界面評估指標確立參考原則。①系統(tǒng)綜合性原則，由于老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計點較多，在選定評估指標時應(yīng)全面考慮眾多涉及因素，明確綜合性設(shè)計目標，在對應(yīng)評估層面，基于現(xiàn)實條件考慮用戶、環(huán)境、社會系統(tǒng)等因素，來進行綜合分析與評估;②多層次信息獲取原則，獲取評估指標應(yīng)該從不同層次區(qū)域獲取，在確保各指標間邏輯關(guān)系準確的前提下，獲取對應(yīng)指標，各指標間應(yīng)保持即獨立又關(guān)聯(lián)的關(guān)系，形成完整的評估體系;③區(qū)域代表性原則，已定區(qū)域的評估指標需要考慮當?shù)丨h(huán)境、經(jīng)濟等綜合特征，可縮減評估指標數(shù)量獲取評估可靠性。

2 物理界面評估理論模型構(gòu)建

2.1 評估指標體系建立

一套完整評估指標體系通常為一個多層次的要素系統(tǒng)[11]，設(shè)計過程要注重老年人與服務(wù)機器人交互過程中的安全性、尺寸匹配度和情感化需求[12]。基于層次分析法，將老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標系統(tǒng)分成三個等級層次，評估體系結(jié)構(gòu)最高層是目標層，依次為一級指標和二級指標。老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標選取依據(jù)調(diào)查問卷結(jié)果。關(guān)于老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計反饋與期望值調(diào)查問卷，共計發(fā)放50份，回收50份，回收率為100%，結(jié)合問卷調(diào)查結(jié)果及專家意見，建立老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標體系。老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標體系P1包括功能設(shè)計指標、尺寸比例設(shè)計指標、交互感受指標、色彩選取指標以及外觀呈現(xiàn)設(shè)計指標五項評估一級指標，分別記為A1、A2、A3、A4與A5;評估二級指標B，見表1。所構(gòu)建指標體系為了能提高普適性和實用性，應(yīng)充分考慮到用戶對于機器人物理界面的需求層次隸屬關(guān)系，較全面的分析指標之間的關(guān)系。同時考慮設(shè)計生產(chǎn)的實際難度，以防止出現(xiàn)無效指標。

2.2

基于改進群組AHP法的評估指標權(quán)重計算

層次分析法（The analytic hierarchy process，AHP）主要用于解決定性問題定量化的方法，主要研究重點在解決層次分析法評價隨機性與評價專家主觀認識模糊性的問題上[13]，具體流程如圖2所示。面對復(fù)雜性問題時通常需要多個專家進行群組決策，可使用群組AHP法（group decision-analytic hierarchy process，GD-AHP），即對各專家的決策信息進行集合，通過聚類分析判別信息的客觀可信性，根據(jù)聚類結(jié)果給專家賦權(quán)，再通過加權(quán)算術(shù)平均的方法綜合出指標權(quán)重，形成更加客觀合理的群體決策結(jié)果[14]。由于群組AHP法將評估信息認為同類相似與不同類不相似，未考慮到同類專家評估意見之間的差異。針對群組AHP聚類分析法存在的不足，引用改進群組AHP賦權(quán)方法。該方法可以客觀反映專家意見，獲得更為合理的評估指標權(quán)重值。

2.2.1 構(gòu)建比較判斷矩陣

根據(jù)構(gòu)建的老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標體系，選取5位專家，構(gòu)造一級指標層A相對于目標層P1的判斷矩陣并確定相對權(quán)重。5位專家根據(jù)自身經(jīng)驗及掌握知識，通過各因素兩兩比較分析后構(gòu)建判斷矩陣。

評判矩陣采用1-9標度法來確定，對指標體系中各層次的指標進行兩兩比較，即針對準則層指標，判斷2個因素之間哪個更為重要以及重要性的大小。

獲取5名專家比較評判矩陣，采用公式（1）與公式（2）進行一致性檢驗。

2.2.2 計算群體一致度系數(shù)

將專家分為5類，表示為

R1={E1}，

R2={E2}，

R3={E3}，

R4={E4}，

R5={E5}

，

同時令r=5，兩兩專家個體特征向量之間的相似性程度由向量夾角余弦定義，特征向量

Wi和

Wj之間的向量夾角余弦可表示為下式，計算出兩兩專家個體特征向量之間的相似性程度。

Cij

=w（i）（j）|w（i）|·|w（j）|

=

可見C25的數(shù)值最大，將E2與E5合并成新類R6={E2，E5}。新的類集合為

R1，R3，R4，R6令

r1=r0+1，計算新的類合集中各類之間的相似程度，得到

C16=max{C12，C15}=0.997 3

C36=max{C23，C35}=0.786 1

C46=max{C24，C45}=0.934 4

C13=0.789 8，C14=0.947 9，C34=0.871 6

可見C16的數(shù)值最大，將

R1與R6合并成新類R7={E1，E2，E5}。新的類集合為

R3，R4，R7，令r2=r1+1，再次計算新的類合集中各類之間的相似程度，一直到全部專家意見合并到一類為止，聚類結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，專家P2，P5，P1和P3具有較高的相似性，而專家P4與其他專家意見有較大分歧，因此將P4歸為一類，分析結(jié)果為將5位專家分為兩類比較合適。對于不同的類，專家的評判結(jié)果的重要度與該類專家的數(shù)量成正比。因此，假設(shè)第P位專家所在的類中包含有Tk位專家，對應(yīng)的專家權(quán)重為ak，akTk成正比，由式

a1∶a2∶…∶an=T1∶T2∶…∶Tn

可解得第k位專家的權(quán)重，即群體一致度系數(shù)為此時，各類專家的人數(shù)分別為T2=T5=T1=T3=4，T4=1，計算各位專家的群體一致度系數(shù)，見式（4）。

ak=

Tp

∑nlTp

;p=1，2，…，n

（4）

結(jié)果為a1=a2=a3=a5=417，a4=117

2.2.3 計算個體差異性系數(shù)

假設(shè)n位專家的平均權(quán)重向量

=（1，2，…，

m）

，其中為第i個指標權(quán)重的均值，表達式為

i=1n∑nl=1

w（l）i;i=1，2，…，m

（5）

結(jié)果為

=（0.769 5，0.208 8，0.102 3，0.312 6）

利用閔科夫斯基（minkovski）距離公式度量專家個體權(quán)重向量到平均權(quán)重向量的距離。第P位專家的權(quán)重向量到平均權(quán)重向量的距離表達式為公式（6），其中q≥3。

Dp=

∑mi=1|w（p）i-i|q1/q;p=1，2，…，n

（6）

結(jié)果為

D1=0.189 9，

D2=0.241 7，

D3=0.050 8，

D4=0.033 5，

D5=0.602 0

轉(zhuǎn)化個體差異性系數(shù)，運用公式（7）進行計算。

dk=

1Dk

∑nl=1

1D1

;k=1，2，…，n

（7）

結(jié)果為

d1=0.069 7，

d2=0.054 8，

d3=0.260 6，

d4=0.395 1，

d5=0.219 8

2.2.4 權(quán)重計算

計算出群體一致度系數(shù)和個體差異系數(shù)后，按照公式（8）計算各位專家的權(quán)重。

λk=

akdk

∑nl=1aldl

;k=1，2，…，n

（8）

權(quán)重是

P1=0.099 1，

P2=0.077 9，

P3=0.370 4，

P4=0.140 3，

P5=0.312 4

2.2.5 最終權(quán)重確立

利用專家權(quán)重對各位專家給出的權(quán)重向量加權(quán)平均，得到一級指標層A相對于目標層P的最終權(quán)重向量。所有專家的權(quán)重系數(shù)構(gòu)成的專家權(quán)重向量為W′

=（λ1，λ2，…，λn），則采用加權(quán)平均法可求得最終的指標權(quán)重向量

We=W′

w（1）1

w（1）2…w（1）m

w（2）1

w（2）2…w（2）m

w（n）1

w（n）2…w（n）m

（9）

We=（0.361 4，0.280 0，0.096 6，0.048 5，0.213 5）

求得一級權(quán)重排序為

A1>A2>A5>A3>A4，同理計算二級權(quán)重，得到老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估指標結(jié)果，見表2。

2.2.6 物理界面設(shè)計評估理論流程

根據(jù)物理界面設(shè)計評估指標及權(quán)重值，構(gòu)建設(shè)計評估理論模型，如圖4所示。

3 實例研究

運用模糊綜合評價法[15-21]依據(jù)老齡服務(wù)機器人物理界面評估體系對服務(wù)機器人實例（Q）進行綜合評價與分析，如圖5所示，以此驗證評估模型的合理性。

首先確定老齡看護機器人物理界面評價集V={非常滿意，比較滿意，一般，不太滿意，很不滿意}。按照百分制劃分等級

A非常滿意即評估優(yōu)秀區(qū)（閾值范圍：90～100，中值95）;B比較滿意即評估良好區(qū)（閾值范圍：80～90，中值85）;C一般即評估一般區(qū)（閾值范圍：70～80，中值75）;D不太滿意即評估較差區(qū)（閾值范圍：60～70，中值65）;E很不滿意即評估很差區(qū)（閾值范圍：0～60，中值30）。因此評價集向量為C=（95，85，75，65，30）T。

安排5名專家，依據(jù)評估體系中的各個因素對設(shè)計實例（Q）進行評分，各因素評價向量（Ri）結(jié)果見表3，根據(jù)二級指標權(quán)重與各因素評價向量作模糊變換。

計算結(jié)果為P0=（0.25，0.57，0.36，0.2，0）進一步將結(jié)果進行歸一化處理得到P1=（0.18，0.41，0.26，0.15，0）計算對應(yīng)分值P2=（0.18，0.41，0.26，0.15，0）（95，85，75，65，30）T=81.19

數(shù)值表明，依據(jù)上述評估體系專家對實例Q的評估結(jié)果為，非常滿意的程度為0.18，比較滿意的程度為0.41，一般的程度為0.26，不太滿意的程度為0.15，很不滿意的程度為0。按最大隸屬原則，評估結(jié)論為專家對機器人實例（Q）設(shè)計比較滿意，總分值計算結(jié)果為81.19分屬于評估良好區(qū)。并對相應(yīng)一級指標進行分值計算得出A1得分76.6分，A2得分66.8分，A3得分78.45分，A4得分66分，A5得分59.55分，從中可以得出機器人實例在色彩應(yīng)用和外觀呈現(xiàn)上分值較小，應(yīng)在后續(xù)研究中繼續(xù)加強。同時對于機器人的尺寸分析還有待更加深入的分析，以期提升機器人的普適性。

通過實例分析進一步證明了所構(gòu)建的老齡服務(wù)機器人物理界面評估體系理論模型能夠有效的評估出服務(wù)機器人設(shè)計質(zhì)量，可作為后續(xù)設(shè)計服務(wù)機器人的相關(guān)理論參考。

4 結(jié)論

1）綜合評估體系可幫助人們快速理解與認知事物，是深刻并客觀評估產(chǎn)品的重要手段。

2）采用改進群組層次分析法建立指標判斷矩陣，聚類分析個體差異性系數(shù)，計算出評估指標權(quán)重，創(chuàng)建評估理論模型，能夠較為客觀的反映專家意見，最終依據(jù)評估體系對機器人實例進行模糊綜合評價。

3）創(chuàng)建老齡服務(wù)機器人物理界面設(shè)計評估模型可有效反應(yīng)機器人設(shè)計階段各要素之間的關(guān)系。各級指標的分類與權(quán)重、仍需在日后實際設(shè)計階段不斷修正與完善?？傮w上評估系統(tǒng)能提高生產(chǎn)質(zhì)量，減少問題的出現(xiàn)。

參考文獻：

[1] 李丹熠.服務(wù)機器人產(chǎn)品設(shè)計研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[2]王秋惠，張一凡，劉力蒙.老齡服務(wù)機器人人機界面設(shè)計研究進展[J].機械設(shè)計，2018，35（09）：105-113.

[3]李潔，郭士杰，朱立爽.基于需求動態(tài)論的服務(wù)機器人造型設(shè)計研究[J].機械設(shè)計，2018，35（07）：109-113.

[4]畢翼飛，王年文，朱亦吳.基于感性工學(xué)的老年陪護機器人造型設(shè)計[J].包裝工程，2018，3（02）：160-165.

[5]朱彥.基于感性工學(xué)的家庭服務(wù)機器人外形設(shè)計研究[J].包裝工程，2015，3（14）：50-54.

[6]FERRS R M，SOMONTE M D.Design in robotics based in thevoice of the customer of household robot[J].Robotics & Au-tonomous Systems，2016，79：99-107.

[7]樊火印，黎享.基于修正層次分析法的路面綜合性能指標權(quán)重研究[J].公路，2019，64（08）：50-53.

[8]王霞，段慶全.基于改進層次分析法的油氣管道風險因素權(quán)重計算[J].油氣儲運，2019，38（11）：1227-1231.

[9]陶柯方，葉建賡，陳柏如.基于優(yōu)化賦權(quán)的人文旅游資源可變模糊評價模型[J].統(tǒng)計與決策，2019，35（13）：56-59.

[10]邵強，李友俊，田慶旺.綜合評價指標體系構(gòu)建方法[J].大慶石油學(xué)院報，2004（03）：74-76+105-123.

[11]黎大端，何松立，王丹彤，等.環(huán)境水污染事件應(yīng)急監(jiān)測演練評估模型構(gòu)建研究[J].環(huán)境科學(xué)與理，2018，43（07）：123-128.

[12]王秋惠，張一凡，劉力蒙.老齡服務(wù)機器人人機界面設(shè)計研究進展[J].機械設(shè)計，2018，35（09）：105-113.

[13]郭文明，相景麗，肖凱生.群組AHP權(quán)重系數(shù)的確定[J].華北工學(xué)院學(xué)報，2000（02）：110-113.

[14]高陽，羅賢新，胡穎.基于判斷矩陣的專家聚類賦權(quán)研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009，31（03）：593-596.

[15]侯曉東，楊江平，王永攀，等.一種基于改進群組AHP法的指標權(quán)重確定方法[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2016，44（05）：149-154+200.

[16]張璐.基于模糊評價體系的基層消防部隊安全訓(xùn)練管理預(yù)警體系模型研究[J].科技通報，2019，35（01）：256-259.

[17]胡海滔，李志忠，肖惠，等.北京地區(qū)老年用戶人體尺寸測量[J].人類工效學(xué)，2006（01）：39-42.

[18]李永鋒，朱麗萍.基于模糊層次分析法的產(chǎn)品可用性評價方法[J].機械工程學(xué)報2012，48（14）：183-191.

[19]張皓.老齡化服務(wù)機器人設(shè)計研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2017.

[20]叢春霞，彭歆茹.城市居民居家養(yǎng)老服務(wù)供需問題研究[J].東北財經(jīng)大學(xué)學(xué)報，2017（01）：49-56.

[21]王曉暾，熊偉.質(zhì)量功能展開中顧客需求重要度確定的粗糙層次分析法[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2010，16（04）：763-771.

（責任編輯：張 江）

收稿日期：

2021-05-12

基金項目：

教育部人文社科規(guī)劃基金項目“老齡服務(wù)機器人界面設(shè)計評價指標研究”（19YJAZH093）

作者簡介：

王秋惠（1969—），女，山東濰坊人，工學(xué)博士，天津工業(yè)大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事智能人因?qū)W、設(shè)計人因?qū)W、機器人HRE人因工程及機器人HRI人機界面設(shè)計方面的研究工作。