孫鳳傲 段金娟

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；2.北京社會管理職業(yè)學(xué)院婚禮文化與傳媒藝術(shù)學(xué)院，北京 102600）

隨著人口老齡化時(shí)代的到來，腦卒中、帕金森、心腦血管硬化等疾病導(dǎo)致的老年人下肢運(yùn)動功能障礙頻發(fā)，老年人對運(yùn)動功能康復(fù)的需求也越來越大，下肢康復(fù)機(jī)器人作為下肢康復(fù)輔具受到了關(guān)注[1]。目前下肢康復(fù)機(jī)器人的研究主要在控制設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人機(jī)交互方面，如李勇等[2]結(jié)合臨床步態(tài)數(shù)據(jù)與人體步態(tài)，對下肢康復(fù)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡進(jìn)行規(guī)劃，搭建了控制系統(tǒng)平臺。陳哲銘等[3]提出一種6自由度的下肢康復(fù)機(jī)器人，針對下肢關(guān)節(jié)損傷的個(gè)體差異，提出了一種關(guān)節(jié)軌跡方法。趙航[4]為提高下肢運(yùn)動功能障礙患者的積極性，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建虛擬城市漫游場景，加強(qiáng)了患者在康復(fù)時(shí)的沉浸感。目前對于下肢康復(fù)機(jī)器人的研究主要集中在功能與交互設(shè)計(jì)上，對造型設(shè)計(jì)方面的研究較少，忽視了患者的心理需求，對患者的感性需求的研究不充分，降低了患者康復(fù)的積極性。文章提出一種基于感性工學(xué)與層次分析法的下肢康復(fù)機(jī)器人造型設(shè)計(jì)，通過量化的方法獲取用戶對于下肢康復(fù)機(jī)器人的感性需求，利用層次分析法對下肢康復(fù)機(jī)器人的感性意象重要性進(jìn)行評估，建立下肢康復(fù)機(jī)器人感性意象映射模型，獲取最優(yōu)類目組合指導(dǎo)下肢康復(fù)機(jī)器人的造型設(shè)計(jì)，為康復(fù)類產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)尋求更新更多的可行性。

1 感性工學(xué)與層次分析法

感性工學(xué)一詞最早由山本健一在1956 年提出[5]。之后日本學(xué)者長町三生發(fā)表了一系列有關(guān)感性工學(xué)的論文和著作，奠定了感性工學(xué)理論基礎(chǔ)[6-8]。感性工學(xué)主要通過定性和定量的方法把人們模糊不清、難以確定和捕捉的感性意象轉(zhuǎn)換為定量的數(shù)據(jù)，并對量化之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以此來指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐。

層次分析法是一種以定性和定量研究相結(jié)合的決策分析法[9]。近些年，層次分析法被廣泛應(yīng)用產(chǎn)品的造型設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等研究領(lǐng)域。如段金娟[10]等人通過對紡織機(jī)械進(jìn)行分析，運(yùn)用層次分析法獲取部件對整體形態(tài)的貢獻(xiàn)度，指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐，并建立層次評價(jià)模型對方案評估，獲得最佳方案。

2 基于感性工學(xué)的下肢康復(fù)機(jī)器人感性意象獲取

2.1 產(chǎn)品代表性感性詞匯收集與篩選

首先，為獲取用戶對下肢康復(fù)機(jī)器人的情感偏好，通過相關(guān)文獻(xiàn)、論壇網(wǎng)站、產(chǎn)品宣傳手冊等途徑廣泛搜集有關(guān)下肢康復(fù)機(jī)器人的感性詞匯，初步搜集到80 個(gè)感性意象詞。其次，邀請5 名具有五年以上工業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師組成專家小組1，針對下肢康復(fù)機(jī)器人的造型特點(diǎn)，對80 個(gè)感性意象詞匯進(jìn)行篩選。去除詞匯意思相似以及無法準(zhǔn)確描繪產(chǎn)品特征的詞匯，共得到30 個(gè)感性意象詞匯，并對感性意象詞匯進(jìn)行反義詞配對，用于語義差異量表的構(gòu)建。再次，邀請下肢運(yùn)動功能障礙患者10 名，從事肢體康復(fù)的醫(yī)師5 名和工業(yè)設(shè)計(jì)師5 名，共20 名被測人員。采用線上調(diào)查問卷的方式，從表中30 組感性意象詞匯對中篩選出6 組能體現(xiàn)下肢康復(fù)機(jī)器人造型特征的感性意象詞匯對。最后，根據(jù)問卷數(shù)據(jù)結(jié)果，安全的—危險(xiǎn)的、易用的—難用的、科技的—傳統(tǒng)的、舒適的—不適的、輕巧的—笨拙的、柔和的—堅(jiān)硬的6 組詞被選頻率較高，最終選擇這6 組感性意象詞匯對作為代表性樣本的感性意象詞匯對。

2.2 產(chǎn)品代表性樣本收集與篩選

通過查閱下肢康復(fù)機(jī)器人相關(guān)的文獻(xiàn)資料，瀏覽產(chǎn)品官網(wǎng)、宣傳畫冊、市場調(diào)研等途徑，搜集下肢康復(fù)機(jī)器人的樣本圖片。邀請5 位具有五年以上工業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)人員組成專家小組2，結(jié)合KJ 法[11]對下肢康復(fù)機(jī)器人的樣本圖片進(jìn)行篩選，剔除形態(tài)差異較小，畫面不清晰、畫面角度無法體現(xiàn)產(chǎn)品特征的樣本，最終得到了27 張代表性樣本圖片。為了避免顏色、品牌、材料對感性造型研究的影響，對代表性樣本圖片進(jìn)行去背景、去色、去LOGO 等圖像處理，如圖1 所示。

圖1 下肢康復(fù)機(jī)器人代表性樣本

3 基于層次分析法的下肢康復(fù)機(jī)器人感性意象評估

為有效獲取用戶對下肢康復(fù)機(jī)器人的感性意象評價(jià)，運(yùn)用語義差分法，將6 組代表性感性意象感性詞匯對與27 個(gè)代表性樣本相結(jié)合，采用1—7 分值李克特量表制作下肢康復(fù)機(jī)器人造型感性意象評估調(diào)查問卷，如圖2 所示。采用線上問卷的調(diào)查方式，共邀請被測者30 名進(jìn)行線上評估。其中，具有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師10 名，從事肢體康復(fù)工作的康復(fù)醫(yī)師10 名，下肢運(yùn)動功能障礙患者10 名，通過自身的印象對代表性樣本圖片進(jìn)行打分。發(fā)放問卷30 份，回收有效問卷30 份。計(jì)算各代表性樣本在各感性維度下的平均分值，統(tǒng)計(jì)值如表1 所示。

表1 下肢康復(fù)機(jī)器人代表性樣本的感性意象均值

圖2 調(diào)查問卷示意圖

滿足用戶的多個(gè)感性意象需求，需要對多個(gè)意象維度進(jìn)行分析，獲取綜合感性意象評分。采用層次分析法，構(gòu)建下肢康復(fù)機(jī)器人造型意象層次結(jié)構(gòu)模型。對各代表性感性意象詞匯進(jìn)行重要性評估，得到其中設(shè)計(jì)中的權(quán)重。結(jié)合下肢康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品的特性，邀請專家小組對代表性感性意象詞匯采用1—9 標(biāo)度的重要性判斷進(jìn)行評估，將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化后得到各代表性感性意象詞匯的權(quán)重系數(shù)，如表2 所示。權(quán)重大小排名為，危險(xiǎn)的—安全的、不適的—舒適的、難用的—易用的、堅(jiān)硬的—柔軟的、笨拙的—輕巧的、傳統(tǒng)的—科技的。

表2 下肢康復(fù)機(jī)器人造型意象判斷矩陣

在得到各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重值后，需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算可得CI=0.083 5，CR=0.067 3，CR＜0.1，符合層次分析法中一致性檢驗(yàn)要求，證明該層次結(jié)構(gòu)模型較為合理。

將表中各代表性感性意象詞匯的權(quán)重系數(shù)與表中各代表性產(chǎn)品的感性意象均值相乘，得到加權(quán)后的各代表性樣本綜合感性意象分值，如表3 所示，為搭建后續(xù)產(chǎn)品感性意象映射模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

表3 下肢康復(fù)機(jī)器人代表性樣本綜合感性意象分值

4 下肢康復(fù)機(jī)器造型設(shè)計(jì)思路

4.1 產(chǎn)品樣本形態(tài)要素解構(gòu)分析

為研究下肢康復(fù)機(jī)器人形態(tài)要素與感性意象之間的關(guān)系，需要分解對用戶感性認(rèn)知影響較大的特征要素。運(yùn)用形態(tài)分析法對代表性樣本圖片進(jìn)行形態(tài)要素解構(gòu)分析，下肢康復(fù)機(jī)器人可分解為主機(jī)、顯示屏、步行臺、扶手、機(jī)體支撐懸吊與下肢外骨骼6 個(gè)組成部分。對各代表性樣本圖片的6 個(gè)組成部分進(jìn)行形態(tài)特征的描繪，將影響下肢康復(fù)機(jī)器人造型意象的主要組成部分設(shè)為項(xiàng)目，各組成部分的造型形態(tài)特征設(shè)為類目，共得到6 個(gè)項(xiàng)目、20 個(gè)設(shè)計(jì)類目。用英文字母A—G 表示機(jī)體支撐懸吊、扶手、步行臺、步行臺、顯示屏、主機(jī)與下肢外骨骼項(xiàng)目，用數(shù)字1—5 代表各組成部分的造型形態(tài)特征的類目，構(gòu)建下肢康復(fù)機(jī)器人造型要素特征集，如表4 所示。

表4 下肢康復(fù)機(jī)器人造型要素特征集

結(jié)合類目劃分對27 個(gè)代表性樣本進(jìn)行開關(guān)式編碼，將造型特征轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語言，將定性的造型要素轉(zhuǎn)化定量數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算。

4.2 產(chǎn)品感性意象映射模型搭建

采用含有兩層隱藏層的三層深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建下肢康復(fù)機(jī)器人感性意象造型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[12]。其輸入層有20 個(gè)神經(jīng)元，分別對應(yīng)下肢康復(fù)機(jī)器人的造型要素類目；輸出層的神經(jīng)元為加權(quán)后各代表樣本綜合感性意象分值。將樣本數(shù)據(jù)隨機(jī)分為訓(xùn)練集和測試集，其中20 個(gè)樣本數(shù)據(jù)為訓(xùn)練集，7 個(gè)樣本數(shù)據(jù)為測試集。為保證模型的可行性，使用均方誤差作為訓(xùn)練性能評估損失函數(shù)loss。為了防止數(shù)據(jù)過擬合，采用l2 正則化優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，學(xué)習(xí)率為0.001。采用Adam 優(yōu)化器，通過迭代訓(xùn)練使其均方誤差MSE不斷降低。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的不斷迭代優(yōu)化，訓(xùn)練集和測試集誤差曲線趨向平穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。在迭代80 輪后，測試集的均方差小于0.09，經(jīng)過訓(xùn)練后的模型在測試集的最終均方差為0.081，實(shí)際誤差為0.28，滿足設(shè)定條件。

圖3 實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練結(jié)果

為了獲取對應(yīng)最高分值的最優(yōu)類目要素組合，使用窮舉法，將下肢康復(fù)機(jī)器人的造型類目要素按照正交原則進(jìn)行重新組合，共得到5×3×2×5×3×2=900 種方案，得到下肢康復(fù)機(jī)器人造型設(shè)計(jì)要素組合資源庫。使用上述深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對900 種組合進(jìn)行感性意象評價(jià)值的智能預(yù)測。排名第一的類目組合為{A1，B2，C1，D2，E1，F(xiàn)1}，感性意象分值為6.11，被認(rèn)定為是最佳的類目組合。將推薦類目作為設(shè)計(jì)實(shí)踐中項(xiàng)目造型輸入，滿足用戶的感性需求，為方案生成奠定基礎(chǔ)。

5 下肢康復(fù)機(jī)器人造型設(shè)計(jì)實(shí)踐

根據(jù)最佳類目組合{A1，B2，C1，D2，E1，F(xiàn)1}如表5 所示，進(jìn)行造型設(shè)計(jì)實(shí)踐。

表5 最優(yōu)造型特征類目組合

該款下肢康復(fù)機(jī)器人以安全、舒適、易用、柔軟、輕巧、科技為感性需求為基礎(chǔ)，進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品造型比例協(xié)調(diào)，形態(tài)較為柔和，功能排布合理，色調(diào)采用暖色系，給患者帶來一種溫暖舒適的感覺。產(chǎn)品以白色為主色，深灰色與淡黃色為輔色。選擇醫(yī)療類產(chǎn)品常用的白色作為主色，能體現(xiàn)出下肢康復(fù)機(jī)器人的干凈、整潔，也能有效的降低患者的焦躁感。在產(chǎn)品中深灰色主要應(yīng)用于產(chǎn)品的底部，增加產(chǎn)品的穩(wěn)重感，讓產(chǎn)品看起來更加的協(xié)調(diào)，更具有安全感。滿足用戶對下肢康復(fù)人的感性需求與功能需求，如圖4 所示。

圖4 下肢康復(fù)機(jī)器人造型設(shè)計(jì)

6 結(jié)語

文章提出一種基于感性工學(xué)與層次分析法的下肢康復(fù)機(jī)器人造型設(shè)計(jì)方法，有效的解決了下肢康復(fù)機(jī)器人造型無法滿足用戶感性需求，提高患者康復(fù)積極性的問題。首先使用感性工學(xué)理論獲取用戶對下肢康復(fù)機(jī)器人的感性需求；其次運(yùn)用層次分析法對下肢康復(fù)機(jī)器人感性需求進(jìn)行重要性評估；最后構(gòu)建下肢康復(fù)機(jī)器人感性意象模型，獲取最佳設(shè)計(jì)要素類目，指導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)踐。滿足了用戶對下肢康復(fù)機(jī)器人的感性需求，驗(yàn)證了基于感性工學(xué)與層次分析法的下肢康復(fù)機(jī)器人造型設(shè)計(jì)的可行性。