面向上肢殘疾人群的助餐機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

孫一博

關(guān)鍵詞：上肢殘疾;助餐機(jī)器人;智能;設(shè)計(jì)

1 上肢殘疾人群界定

上肢殘疾人群作為肢體殘疾中的一類(lèi)，患者通常行動(dòng)方便，主要為上肢力量不足的殘疾群體，用戶(hù)因衰老造成上肢肌肉退化，并且保留一定下肢能力的老年人，根據(jù)上肢殘疾程度保留不同水平的動(dòng)手能力，部分患者通過(guò)長(zhǎng)期磨練可熟練掌握各種操作技能。

2 上肢殘疾人群用餐面臨的問(wèn)題分析

在實(shí)地觀(guān)察過(guò)程中，筆者選取兩位典型用戶(hù)展開(kāi)一日觀(guān)察研究，梳理得出整個(gè)就餐流程中的痛點(diǎn)。

2.1 用戶(hù)落座和就餐不便

護(hù)工在就餐前使用帶子圍繞用戶(hù)腰部和座椅，進(jìn)行固定后喂食。在就餐過(guò)程中用戶(hù)身體容易發(fā)抖，有可能誤觸、打翻餐具。

2.2 陪護(hù)時(shí)間長(zhǎng)

就餐過(guò)程中護(hù)工需要觀(guān)察用戶(hù)的吞咽狀態(tài)，確保用戶(hù)完成吞咽動(dòng)作后再進(jìn)行下一步喂食。護(hù)工在喂食過(guò)程中需要觀(guān)察老人的吞咽反應(yīng)，增加服務(wù)時(shí)長(zhǎng)。

2.3 就餐等待時(shí)間長(zhǎng)

就餐過(guò)程中護(hù)工按照座位順序進(jìn)行一對(duì)一服務(wù)，沒(méi)有輪到的用戶(hù)坐在椅子上等待服務(wù)，全部用戶(hù)完成用餐服務(wù)時(shí)已是下午兩點(diǎn)。等待護(hù)工助餐時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，老人容易錯(cuò)過(guò)就餐時(shí)間。

3 面向上肢殘疾的助餐機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及特征分析

3.1 助餐機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析

助餐機(jī)器人基本由機(jī)械臂、餐盤(pán)、控制裝置組成[1]。

1） 機(jī)械臂。機(jī)械臂是助餐機(jī)器人的主要功能結(jié)構(gòu)，末端可以連接餐具模擬人類(lèi)取食的運(yùn)動(dòng)軌跡取餐[2]。取餐方式主要有三種：勺式取食、夾持取食、叉式取食。勺式取食需要機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡模擬人類(lèi)取食，運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，機(jī)械臂自由度要求較高，可實(shí)現(xiàn)多種餐品取送，常餐、碎食、流食均可;夾持取食對(duì)于控制系統(tǒng)要求較高，取用餐品種類(lèi)相比勺式取食較少，湯類(lèi)、流食等液態(tài)食物無(wú)法盛取;叉式取食容錯(cuò)率較低，取用餐品種類(lèi)有限，只能叉取塊狀水果、主食等綿軟性塊狀餐品，市面上很難看到叉式取食的助餐機(jī)器人[3]。

2） 餐盤(pán)。餐盤(pán)是助餐機(jī)器人的主要儲(chǔ)食結(jié)構(gòu)，餐盤(pán)的擺放要符合機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡范圍以及運(yùn)動(dòng)習(xí)慣，餐盤(pán)的形狀要方便餐具盛取食物，機(jī)械臂雖然可以代替人的手臂進(jìn)行取餐操作，但是機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)模式相對(duì)固定，不如人的手臂靈活，餐盤(pán)的造型在取餐環(huán)節(jié)中起到輔助的作用，即通過(guò)造型上的設(shè)計(jì)確保食物不會(huì)落在餐盤(pán)外面。

3） 控制裝置。助餐機(jī)器人的控制裝置表現(xiàn)多樣，目前有踏板控制、語(yǔ)音控制、下頜控制、操縱桿控制以及眼動(dòng)控制。眼動(dòng)控制在目前還處于開(kāi)發(fā)階段[4]。

3.2 助餐機(jī)器人產(chǎn)品特征分析

通過(guò)對(duì)助餐機(jī)器人的構(gòu)成、使用方式的研究，與一般服務(wù)型機(jī)器人相比，助餐機(jī)器人具有指向人群性、長(zhǎng)期性、功能完備性三種特征。

1） 指向人群性。服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，從維護(hù)保養(yǎng)到救援監(jiān)護(hù)，服務(wù)機(jī)器人代替?zhèn)€體勞動(dòng)力工作，能收獲更多的效益。而對(duì)于助餐機(jī)器人來(lái)說(shuō)，服務(wù)對(duì)象為上肢障礙人群，替代勞動(dòng)力為個(gè)體護(hù)工，一對(duì)一收獲效益而不是傳統(tǒng)服務(wù)機(jī)器人的一對(duì)多收益。所以從服務(wù)用戶(hù)角度出發(fā)，與一般服務(wù)型機(jī)器人相比，助餐機(jī)器人具有指向人群性的特點(diǎn)。

2） 長(zhǎng)期性。對(duì)于上肢障礙群體，助餐機(jī)器人的作用是代替他們的上肢工作保證患者能夠正常進(jìn)餐。少部分進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練之后可以完全恢復(fù)的上肢障礙群體，對(duì)于輔助產(chǎn)品的需求是短暫性的，但是大部分用戶(hù)的上肢障礙造成的傷害是永久性的。和對(duì)一般產(chǎn)品的需求不同的是，助餐機(jī)器人對(duì)于上肢障礙用戶(hù)是長(zhǎng)期伙伴的關(guān)系。舉例來(lái)說(shuō)，在進(jìn)餐時(shí)間中助餐機(jī)器人幫助用戶(hù)進(jìn)食，但是如果不使用助餐機(jī)器人，用戶(hù)將不具備獨(dú)立進(jìn)食的能力?？梢缘贸鼋Y(jié)論，長(zhǎng)期性是助餐機(jī)器人的另一特征。

3） 功能完備性。人類(lèi)正常生活和社會(huì)活動(dòng)需要健全的生理機(jī)能維持，大部分肢殘疾人依靠肢體輔助產(chǎn)品來(lái)維持這種生理機(jī)能，對(duì)于上肢障礙人群來(lái)說(shuō)，肢體障礙導(dǎo)致他們不能獨(dú)立完成就餐，必須借助外部力量才能保證基本的生活水平。舉例來(lái)說(shuō)，上肢障礙人群進(jìn)食時(shí)需要助餐機(jī)器人在旁邊代替選餐、取餐、送餐，可以說(shuō)，功能完備性是助餐機(jī)器人的第三特性。

4 面向上肢殘疾人群的助餐機(jī)器人設(shè)計(jì)原則

4.1 易用性原則

易用性原則體現(xiàn)在簡(jiǎn)化操作方式上。用戶(hù)自身的理解能力和活動(dòng)能力有限，產(chǎn)品操作方式不可過(guò)于繁復(fù)?？梢岳脽o(wú)線(xiàn)技術(shù)提高機(jī)器人控制中心收發(fā)信息的效率，相同時(shí)間內(nèi)能實(shí)現(xiàn)更多指令輸送，將信息工作量從前臺(tái)轉(zhuǎn)移至后臺(tái)運(yùn)行，簡(jiǎn)化用戶(hù)的操作流程。

4.2 智能化原則

助餐機(jī)器人在就餐過(guò)程中扮演了用戶(hù)的部分眼睛和手臂，這是傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)不能達(dá)到的，高智能化的控制處理系統(tǒng)是優(yōu)秀助餐機(jī)器人的基本素質(zhì)之一，優(yōu)化了眼和手臂的協(xié)調(diào)能力。

4.3 實(shí)用性原則

現(xiàn)階段產(chǎn)品在實(shí)際操作過(guò)程中與實(shí)際就餐習(xí)慣不符，存在較高的學(xué)習(xí)成本，消磨了用戶(hù)耐心。參考傳統(tǒng)就餐流程，保留就餐的基本要素，實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)食物區(qū)分餐盤(pán)和餐具等。實(shí)用的、與當(dāng)下就餐文化環(huán)境兼容的助餐機(jī)器人是用戶(hù)內(nèi)心的呼聲。

4.4 穩(wěn)定性原則

用戶(hù)對(duì)于輔助產(chǎn)品有天然的抵觸與不信任，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能保證產(chǎn)品長(zhǎng)久的使用壽命，打消用戶(hù)疑慮，安撫用戶(hù)心情。

4.5 適配性原則

適配性原則體現(xiàn)在服務(wù)多場(chǎng)景、功能和風(fēng)格的適配。首先，實(shí)現(xiàn)環(huán)境適配。助餐機(jī)器人需要放置在餐桌上對(duì)用戶(hù)進(jìn)行輔助用餐，可以適配不同大小的餐桌，對(duì)機(jī)器人的空間要求占用率盡可能小。其次實(shí)現(xiàn)功能適配。在一個(gè)正常的就餐流程中，人們往往使用不同餐具來(lái)進(jìn)行主食、配菜以及湯類(lèi)食品的拿取，而在前期調(diào)研中發(fā)現(xiàn)助餐機(jī)器人使用餐具單一。中國(guó)飲食環(huán)境多樣，餐具多樣化更能適應(yīng)國(guó)內(nèi)的飲食習(xí)慣[5]。最后，實(shí)現(xiàn)風(fēng)格適配。人性化是助殘類(lèi)產(chǎn)品的最主要風(fēng)格，敏感是殘疾群體心態(tài)的主畫(huà)像，輔助產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該做到造型柔和、色彩搭配舒適，人機(jī)尺寸關(guān)系和諧等，避免造型尖銳，色彩、材質(zhì)工業(yè)化等情況。

5 面向上肢殘疾人群的助餐機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)踐

5.1 設(shè)計(jì)定位

助餐機(jī)器人主要由機(jī)械臂、旋轉(zhuǎn)餐盤(pán)以及下肢控制三部分構(gòu)成。整體以白色系為主，淡綠、淡黃、金屬橙色作為輔助顏色，整體風(fēng)格柔和圓潤(rùn)。產(chǎn)品主要圍繞三方面解決問(wèn)題：第一，減輕了患者照顧人的負(fù)擔(dān)，以前患者需要人員一對(duì)一喂食，現(xiàn)在僅需要擺放好餐品由患者自己控制機(jī)器人進(jìn)行喂食;第二，餐盤(pán)固定，使助餐機(jī)器人在使用過(guò)程中不會(huì)因?yàn)橛脩?hù)不小心而打翻;第三，幫助患者樹(shù)立生活自信心，使用產(chǎn)品過(guò)程中基本不需要他人幫助即可自行進(jìn)食，對(duì)于患者而言是一個(gè)非常有成就感的過(guò)程（如圖1）。

5.2 設(shè)計(jì)思路

第一，功能設(shè)計(jì)。助餐機(jī)器人主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)兩方面功能：幫助用戶(hù)進(jìn)食以及自行更換餐具。對(duì)湯類(lèi)食品和對(duì)應(yīng)餐具和主食、配菜類(lèi)菜品和對(duì)應(yīng)餐具做了顏色區(qū)分，淺綠色的湯匙和小餐盤(pán)作為湯類(lèi)食物專(zhuān)屬餐具組合，白色的湯匙和小餐盤(pán)作為其他類(lèi)食物的專(zhuān)屬餐具組合。一個(gè)完整的就餐流程為：用戶(hù)落座――護(hù)工將餐食分類(lèi)放入小餐盤(pán)中――用戶(hù)腳部左右滑動(dòng)控制餐盤(pán)旋轉(zhuǎn)――腳步離開(kāi)踏板時(shí)機(jī)械臂將前往取餐――送餐――進(jìn)食。當(dāng)用戶(hù)控制淺綠色標(biāo)識(shí)餐盤(pán)面向自身時(shí)，機(jī)械臂會(huì)自主更換對(duì)應(yīng)餐具繼續(xù)完成取餐、送餐任務(wù)。

第二，產(chǎn)品造型。產(chǎn)品整體造型流暢，在球體、圓柱體、圓臺(tái)體等基本幾何體的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合、切割，產(chǎn)品形態(tài)立體、明朗、有力，給用戶(hù)傳遞均衡、穩(wěn)定的造型語(yǔ)言，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的初印象更偏向于安全穩(wěn)定，對(duì)產(chǎn)品的抵觸情緒較小。

第三，產(chǎn)品配色。產(chǎn)品色彩以低飽和度色系為主題，以白色為主，輔以少量淡綠色、淡黃色、橙色，助餐機(jī)器人與飲食密切相關(guān)，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的安全衛(wèi)生，所以選取象征清潔的白色作為主色調(diào)[4]。整體色彩風(fēng)格潔凈莊重，關(guān)節(jié)處用活潑的橙色來(lái)消除整體色彩的嚴(yán)肅感。

6 結(jié)語(yǔ)

助餐機(jī)器人設(shè)計(jì)是在人工智能技術(shù)不斷強(qiáng)大的背景下興起的一個(gè)新課題，研發(fā)方向越來(lái)越注重和用戶(hù)的人機(jī)匹配性，同時(shí)社會(huì)給予上肢殘疾人的生活與飲食的關(guān)注越來(lái)愈多。國(guó)家推進(jìn)護(hù)理保障體系健全成為時(shí)代趨勢(shì)，作為設(shè)計(jì)師有責(zé)任設(shè)計(jì)出更加適合他們自身情況的產(chǎn)品，幫扶他們重新建立生活的自信心，不斷提高他們的就餐獨(dú)立程度，相信無(wú)需等到未來(lái)，殘疾人就能借助助餐機(jī)器人像常人一樣就餐。