基于邊緣交互理論的老年助行器設(shè)計研究

許曉云，張新宇，趙芮凱，董姍姍

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

引言

近年來，我國老齡化問題日趨嚴(yán)重，給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來勞動力危機(jī)的同時，也促進(jìn)一些諸如老年人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是老年助行產(chǎn)品將迎來發(fā)展的高峰。目前的研究中多集中于某具體老年助行設(shè)備的設(shè)計研發(fā)，少有關(guān)注老年人認(rèn)知特性及操控信息分布對助行器設(shè)計的相關(guān)研究，尤其是針對老年人注意力有限性和操控信息復(fù)雜性之間產(chǎn)生的問題研究。為此，本文基于邊緣交互理論，研究老年助行車操控信息所需的注意力合理分配機(jī)制，并據(jù)此對操控信息及其載體進(jìn)行合理化分配布局，使其更加符合老年人認(rèn)知特征，減輕大腦認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

一、邊緣交互理論概述

邊緣交互理論源自平靜技術(shù)，指在當(dāng)前信息爆炸的時代，盡可能采取一種相對“平靜”的方式實現(xiàn)產(chǎn)品與使用者之間的交互，降低信息量過大帶給用戶的負(fù)擔(dān)。將平靜感的概念應(yīng)用到交互設(shè)計領(lǐng)域，便誕生了邊緣交互理論。邊緣交互理論將人的注意力劃分為注意力中心、注意力邊緣與注意力的邊界外，人的意識不斷地在這三個區(qū)域來回穿梭。由此，借助注意力邊緣展開產(chǎn)品交互設(shè)計，將大量的設(shè)計要素布置于用戶注意力的邊緣，既減少用戶的記憶負(fù)擔(dān)，又可以有效處理多項事務(wù)而不影響關(guān)鍵任務(wù)的完成?，F(xiàn)有邊緣交互研究中，多以產(chǎn)品個例為引展開研究，缺乏便捷可行的完整流程方法用于指導(dǎo)產(chǎn)品交互設(shè)計，為此本文針對設(shè)計要素所屬的注意力層級，以及不同注意力層級特點提出相應(yīng)的交互方法去指導(dǎo)老年助行器的交互設(shè)計。

二、老年助行器設(shè)計要素所屬注意力層級分配

在基于邊緣交互理論的助行器交互設(shè)計方法中，首要為設(shè)計要素所屬注意力層級的分配。基于多屬性決策（MADM）進(jìn)行綜合評價，其評價數(shù)據(jù)指標(biāo)的一方面來自眼動實驗數(shù)據(jù)的分析綜合，另一方面來自SEEV注意力因素的定性評價，綜合對各類數(shù)據(jù)指標(biāo)的綜合處理，得到各設(shè)計要素的綜合評價值，結(jié)合注意力層級的四象限圖，實現(xiàn)老年助行器設(shè)計要素的合理化分配。

（一）老年助行器眼動實驗分析

選用市面上19種典型的助行器圖片作為樣本，如表1所示（編號為S1～S19），共邀請到20名受試?yán)夏耆?，通過統(tǒng)計助行器樣本熱點圖中的主要關(guān)注信息，整理出老年助行器的設(shè)計要素，并主要針對產(chǎn)品觀測熱點圖進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過對興趣區(qū)域的注視時間、進(jìn)入次數(shù)、注視點個數(shù)等實驗數(shù)據(jù)的分析處理，獲取老年助行器設(shè)計要素的定量評價指標(biāo)。實驗樣本的熱點圖分析如表1所示：

>表1 老年助行器實驗樣本熱點圖分析

由熱點圖分析可知，老年人在使用助行器時關(guān)注的信息主要集中于扶手、手閘、座椅、整體支撐架、銜接結(jié)構(gòu)以及智能操控等部分。對于智能助行器的操控部分以及結(jié)構(gòu)銜接處，老年人均表現(xiàn)出較大的興趣，具體包括控制器部分、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、制動機(jī)構(gòu)以及固定機(jī)構(gòu)。通過以上對助行器樣本熱點圖的分析，得出老年助行器的設(shè)計要素，即：扶手、手閘、座椅、靠背、車輪、高度調(diào)節(jié)、制動調(diào)節(jié)、固定調(diào)節(jié)、顯示屏、操作按鍵以及整體支撐架。

根據(jù)不同設(shè)計要素在老年助行產(chǎn)品中的分布對老年助行器樣本劃分興趣區(qū)域，不同產(chǎn)品的相同興趣區(qū)域的注視時間、注視率、注視次數(shù)均是衡量用戶對產(chǎn)品各設(shè)計要素關(guān)注度的重要指標(biāo)。

（二）SEEV因素導(dǎo)向的助行器定性指標(biāo)獲取

SEEV注意力模型展現(xiàn)了在動態(tài)環(huán)境中的注意力分配原則，主要包含四個關(guān)鍵影響因素，即突顯性、期望、努力和價值，其中，努力Ef反映了操控信息交互過程中受到的負(fù)荷，對注意力資源分配起抑制作用，期望Ex則對注意力的分配起驅(qū)動作用，表現(xiàn)為對操控行為的反饋設(shè)計，并且期望值是一種注意力中心與注意力邊緣轉(zhuǎn)化的衡量標(biāo)準(zhǔn)，用戶對該信息的期望值越大，說明該信息越容易被注意。與此同時，需要提升信息的突顯性S，信息的突顯性越高，越能吸引使用者的注意，因此信息的突顯性程度也是衡量是否將設(shè)計要素置于注意力中心的合理依據(jù)。

由此，將SEEV注意力因素作為助行器設(shè)計要素的定性評價指標(biāo)，包括設(shè)計要素的突顯性程度，努力程度，受期望程度（圖1）。判別設(shè)計要素與各影響因素的關(guān)聯(lián)程度，計算獲得各設(shè)計要素的定性評價指標(biāo)。

（三）基于多屬性決策法的設(shè)計要素所屬注意力層級分配

多屬性決策法根據(jù)屬性集合從給定的有限備選方案集中選擇最理想的備選方案，采用多屬性決策法對設(shè)計要素所屬注意力層級進(jìn)行分配映射，由眼動實驗得出的定量指標(biāo)與注意力影響因素導(dǎo)向的定性評價指標(biāo)整理，用于設(shè)計要素所屬注意力層級的合理化分配。多屬性決策法以應(yīng)用廣泛的OWA算子作為數(shù)學(xué)工具，其定義如下：

關(guān)于Wj向量的賦值，本文采用如下公式：

假定對于有限設(shè)計要素集X=(x1,x2,…xn)而言，相應(yīng)屬性參數(shù)U=(u1,u2,…um)權(quán)重未知，將所有要素對應(yīng)的屬性值aij整合，可得決策矩陣A=(aij)n×m，若存在不同類型的屬性值（例如成本型和效益型），需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由此，將得到的定性及定量評價指標(biāo)代入，求得其相應(yīng)的綜合評價值z(ω)，再結(jié)合注意力層級四象限圖，進(jìn)行老年助行器設(shè)計要素所屬注意力層級分配。

三、基于邊緣交互的老年助行器交互設(shè)計方法及流程

（一）老年助行器交互設(shè)計方法

注意力中心為集中的、專注的交互行為，需要有意識的直接精確操控；注意力邊緣交互行為則可以適當(dāng)減少專注度，是一種潛意識、不精確的操控行為；而在注意力邊界外，是用戶潛意識甚至于無意識去操控完成的。依據(jù)不同注意力層級的信息交互特性及其作用機(jī)理，本文提出三種交互設(shè)計方法，以提高老年助行產(chǎn)品的交互性能。

1.創(chuàng)建多感官通道交互：針對注意力中心層級的設(shè)計要素，為吸引老年用戶的注意力，助行產(chǎn)品的交互結(jié)構(gòu)要充分調(diào)動老年用戶的信息輸入通道，包括視覺、聽覺、觸覺等感官通道。用戶通過多個感覺器和運動器與產(chǎn)品發(fā)生交互，主要的交互類型包括聽覺交互、視覺交互以及觸覺交互，以三者的有機(jī)配合去實現(xiàn)老年用戶與助行器之間的信息交互，有利于解決交互的注意力資源和信息通道競爭問題，提高交互自然性。

2.縮減感官通道交互：針對注意力邊緣層級的設(shè)計要素，充分利用注意力邊緣實現(xiàn)用戶與助行產(chǎn)品的快速、有意的交互行為。在此層級的設(shè)計要素與老年人的交互主要依靠潛意識，因此，相應(yīng)信息可以適當(dāng)減少對用戶注意力資源的消耗，產(chǎn)品上的設(shè)計要素與用戶發(fā)生交互時，可以適當(dāng)減少產(chǎn)品所調(diào)用的用戶感官通道類型，采用兩種交互方式相互配合去實現(xiàn)，例如：采用視覺交互、觸覺交互的配合或者聽覺交互與觸覺交互的配合去實現(xiàn)老年人與助行器之間的信息交互。

3.單一感官交互法：對于注意力邊界外的設(shè)計要素，用戶與產(chǎn)品的互動是無意識進(jìn)行的，消耗用戶的注意力資源少，因此調(diào)用一種感官通道的方式為主，減少注意力資源的消耗，考慮到老年用戶身體機(jī)能特性，故主要選用觸覺通道作為主要感知通道，采用觸覺交互方法進(jìn)行設(shè)計。

在此基礎(chǔ)上結(jié)合技術(shù)進(jìn)化定律，可得老年助行器在不同層級的交互策略，如表2所示。

>表2 助行產(chǎn)品的交互策略

（二）老年助行器交互設(shè)計流程

總結(jié)以上過程，將設(shè)計要素提取作為產(chǎn)品整體設(shè)計流程的輸入端，各層級交互設(shè)計策略為輸出，以多屬性決策法的設(shè)計要素所屬注意力層級分配方法為橋梁，形成了一套完整有效的老年助行器交互設(shè)計流程。（圖2）

>圖1 SEEV因素導(dǎo)向的助行器定性指標(biāo)獲取

>圖2 設(shè)計要素注意力四象限分配圖

>圖3 座椅高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

>圖4 按鍵交互功能

>圖5 界面交互功能

>圖6 腳蹬的交互方式

>圖7 用戶推行方式

>圖8 家人助推方式

四、推行式智能助行器設(shè)計實踐

通過眼動實驗分析，依據(jù)設(shè)計要素分布將助行器樣本注視區(qū)域劃分為6個子區(qū)域（表3），其中，老年助行器的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、制動結(jié)構(gòu)、固定結(jié)構(gòu)，劃歸為銜接結(jié)構(gòu)區(qū)，而智能顯示屏、按鍵劃分為智能操控區(qū)。由于產(chǎn)品上存在著一定的交叉結(jié)構(gòu)，按以上興趣區(qū)域劃分，如果該區(qū)域的結(jié)構(gòu)不具有單一性，考慮到人眼注視具有范圍性，則認(rèn)為興趣區(qū)域測試的數(shù)據(jù)對于該區(qū)域包含的每個設(shè)計要素都同樣適用。

>表3 樣本興趣區(qū)域劃分

統(tǒng)計各樣本圖興趣區(qū)域的注視時間、注視率、注視次數(shù)，其均值見表4。由于產(chǎn)品圖片樣本選取不同，個別設(shè)計要素并不存在于樣本中，但也一定程度上反映出該設(shè)計要素對產(chǎn)品本身的重要性，因此，文章對個別缺失的這些設(shè)計要素時間設(shè)為0。

>表4 實驗數(shù)據(jù)匯總

在此基礎(chǔ)上，采用多屬性決策法對定性、定量指標(biāo)進(jìn)行評價，選取9個待處理的設(shè)計要素，分別為x1為助行器的扶手，x2為助行器的座椅，x3為助行器的靠背設(shè)計，x4為助行器的支撐架，x5為調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，x6為固定結(jié)構(gòu)，x7為制動結(jié)構(gòu)，x8為操作按鍵，x9為手閘；選取6個評價指標(biāo)，分別為u1設(shè)計要素的突顯性程度，u2（設(shè)計要素所需的努力程度，u3設(shè)計要素的受期望程度，u4平均注視時間，u5（平均注視率，u6平均注視次數(shù)。依據(jù)指標(biāo)類型的不同，本文將前3個指標(biāo)和后3個指標(biāo)分別置于決策矩陣A和A’中，見表5。

>表5 決策矩陣

以設(shè)計要素定量決策值為橫軸坐標(biāo)，定性決策值作為縱軸坐標(biāo)，建立設(shè)計要素的四象限分配圖（圖2），圖中的象限分別代表注意力的三個層級，第一象限代表注意力中心層級，第二、四象限代表注意力邊緣層級，第三象限代表注意力邊界外層級。通過注意力四象限圖，得出各設(shè)計要素與注意力層級的對應(yīng)關(guān)系，即注意力中心的設(shè)計要素為座椅、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、固定機(jī)構(gòu)、制動機(jī)構(gòu)、支撐架，注意力邊緣的設(shè)計要素為扶手、操作按鍵、顯示屏、手閘；注意力邊緣外的要素為靠背、腳蹬。

確定各設(shè)計要素所屬的注意力層級，依據(jù)不同層級的交互策略，提出有針對性的交互設(shè)計，見表6。

>表6 助行器各設(shè)計要素交互設(shè)計方法

對于座椅高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，采用視覺、聽覺、觸覺三者間歇式交互，以此來實現(xiàn)座椅的高度調(diào)節(jié)以及制動。（圖3）

扶手前端裝有智能顯示屏，方便老年用戶對信息的查詢，顯示屏與物理按鍵相配合，老年用戶可通過與物理按鍵的交互去控制顯示屏中的信息。（圖4、圖5）

腳蹬部分，采用可伸縮桿，可折疊，以此實現(xiàn)老年用戶的推行方式與家人助推方式，腳蹬板在老年用戶自己推行時，可翻折收起，在家人助推行時使用（圖6）。整體效果展示分為老年人推行方式與家人助推方式。（圖7、圖8）

結(jié)語

本文基于邊緣交互理論對老年助行器交互設(shè)計展開研究。引入多屬性決策法對老年助行器中交互設(shè)計要素的重要性進(jìn)行評價，構(gòu)建了交互設(shè)計要素與注意力層級的合理映射關(guān)系。依據(jù)不同注意力層級上的交互設(shè)計要素，制定了有效的交互設(shè)計方法，形成一套完整有效的老年助行器交互設(shè)計流程，為老年助行器的交互設(shè)計研究提供借鑒。