基于SAPAD-AHP法的外骨骼設(shè)計(jì)研究

王 清, 曾羽龍, 李 曼, 唐晨恒, 葉洋滈

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410114)

中央財(cái)經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院教授蘭日旭在接受《中國(guó)經(jīng)濟(jì)時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)表示,“2023年開始我國(guó)將迎來退休高峰”,社會(huì)“撫養(yǎng)比”進(jìn)一步壓縮,參保繳費(fèi)壓力和養(yǎng)老金發(fā)放壓力進(jìn)一步增大。早在2013年,《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》就提出“要研究制定漸進(jìn)式延遲退休年齡政策”。

國(guó)外方面,面對(duì)巨大的退休金缺口,法國(guó)政府有兩個(gè)選擇:一是放棄現(xiàn)有退休制度,轉(zhuǎn)而采用美國(guó)、英國(guó)式的資本型退休制度;二是改革現(xiàn)有退休制度,延長(zhǎng)工作年限、推遲退休年齡,同時(shí)增加退休分?jǐn)偨鹄U納比例。現(xiàn)實(shí)是,不到60歲的居民都渴望早點(diǎn)退休。48歲的阿莉娜是醫(yī)院的清潔工,她擔(dān)心再干16年,肯定會(huì)落下長(zhǎng)期疾病。63歲的吉拉爾是在政府部門工作的維修工,因關(guān)節(jié)疾病,他覺得自己再干下去已經(jīng)很吃力。日本通過實(shí)施各種促進(jìn)老年人再就業(yè)的政策、搭建老年人再就業(yè)平臺(tái)以及進(jìn)行文化建設(shè)等措施,有效緩解了老齡化帶來的負(fù)面影響[1]。

當(dāng)今世界技術(shù)下,老齡化的問題越來越受到人們的注意,醫(yī)療水平的提升和康復(fù)醫(yī)療的發(fā)展已經(jīng)迫在眉睫,人們普遍壽命的增長(zhǎng)伴隨著老齡化增加醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域外骨骼將會(huì)迎來一個(gè)小的爆發(fā)期。伴隨消失的人口紅利,它將促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域外骨骼在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用,初步階段體現(xiàn)于幫助工人減輕負(fù)重、提升工作效率、提升力量等方面。這次課題就是立志于符合社會(huì)發(fā)展趨勢(shì),解決將出現(xiàn)在醫(yī)療領(lǐng)域與工業(yè)領(lǐng)域的問題做出相符合社會(huì)未來發(fā)展的產(chǎn)品,是一項(xiàng)利民益民的產(chǎn)品。

1 SAPAD-AHP方法研究過程描述

1.1 SAPAD與AHP方法介紹

胡飛教授與Keiichi教授于2011年合作研發(fā)了SAPAD模型。SAPAD模型不是單純的產(chǎn)品設(shè)計(jì)的物理邏輯問題,此設(shè)計(jì)方法可以對(duì)設(shè)計(jì)的核需求進(jìn)行精準(zhǔn)挖掘,尤其是挖掘那些平常不容易察覺的需求AHP也能精準(zhǔn)定位,更能讓產(chǎn)品功能與規(guī)律性交互行為 更加貼近用戶,這種優(yōu)勢(shì)是其他設(shè)計(jì)思維方法難以模仿的。

層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是一種通過定性和定量來分析的方案決策方法,具有普適性、系統(tǒng)化、層次化等特點(diǎn)。近年來,其在設(shè)計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域中主要體現(xiàn)在集成創(chuàng)新方面。[2]

1.2 SAPAD 模型意義簇的建構(gòu)

SAPAD模型先對(duì)用戶行為拆解,意義按層級(jí)區(qū)分為物理層、語(yǔ)構(gòu)層、經(jīng)驗(yàn)層、語(yǔ)義層、語(yǔ)用層和社會(huì)層面,將任務(wù)意義與這6個(gè)層級(jí)映射,就構(gòu)成了行為含義的映射。[3]

1.3 用戶行為流程的記錄與整理

采用非介入式觀察法的深度采訪模式,全面拍攝消費(fèi)者通過外骨骼使用過程中的全部情況。以便于更深入發(fā)現(xiàn)利益相關(guān)者的關(guān)鍵行為觸點(diǎn),并掌握第一手的大數(shù)據(jù)信息來為下一步的研究工作做好準(zhǔn)備。

1.4 基于AHP法獲取多層級(jí)核心意義簇

層次分析法,是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Satty教授在20世紀(jì)70年代提出的一種評(píng)價(jià)方法,它將與決策有關(guān)的系統(tǒng)內(nèi)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案。具體計(jì)算公式如下:

設(shè)判斷矩陣B=(bij)n×n,利用和積法將B中的元素按照列歸一化:

(1)

式中:i,j=1,2,…,n。

將歸一化后的矩陣同一行的各項(xiàng)相加,再除以n,得到每一個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,公式如下:

(2)

求解判斷矩陣最大特征根:

(3)

進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

(4)

(5)

式中:λmax為A的最大特征根;IC為一致性指標(biāo);IR為平均隨機(jī)一致性指數(shù);CR為隨機(jī)一致性指標(biāo),若CR <0.1則判別矩陣滿足一致性校驗(yàn)要求,若CR≥0.1則需要調(diào)整判別矩陣。[4]

計(jì)算可得出,意義簇的主要意義是一個(gè)重量很大的指數(shù)?；緝r(jià)值集群的計(jì)算和分析可以為后續(xù)數(shù)據(jù)的開發(fā)和研究提供支持,它比基本價(jià)值集群化更加明智、直接和科學(xué)。

1.5 確立新的功能服務(wù)模塊

通過繪制基本值的集群,建立了一個(gè)基本值的集群。查看用戶的關(guān)鍵行為,以了解用戶的實(shí)際需求,然后根據(jù)用戶的要求恢復(fù)產(chǎn)品的功能。SAPAD框架的基礎(chǔ)是搜索基本價(jià)值集群,通過基本價(jià)值集群重建用戶行為,并優(yōu)化產(chǎn)品功能。[5]

2 基于SAPAD-AHP的外骨骼設(shè)計(jì)模型

2.1 典型用戶行為路徑

在北京市石景山3個(gè)外骨骼實(shí)用地點(diǎn)共調(diào)查研究了17名中老人員,以石景山區(qū)53歲男性c為對(duì)象展開課題分析。

人物c,男,53歲,單位貨物運(yùn)輸工人,已婚。家住北京市海淀區(qū)。有受傷的病史,而且在接受治療后運(yùn)動(dòng)、耐力受到影響,而且還患有腰椎間盤突出等慢性疾病,因此,必須長(zhǎng)期到中醫(yī)院進(jìn)行針灸和膏藥治療以此緩解疼痛。

2.2 基于意義建構(gòu)機(jī)械外骨骼設(shè)計(jì)研究體系

2.2.1 行為-子任務(wù)-產(chǎn)品的映射分析

分析機(jī)械外骨骼的行為路徑,當(dāng)每一個(gè)具體的行為名命名為任務(wù)和子任務(wù),隨后與行為的相關(guān)物去映射,以此來完成行為和對(duì)象的映射。根據(jù)機(jī)械外骨骼使用路徑,顯示為佩戴外骨骼、使用外骨骼和脫卸外骨骼并進(jìn)行充電等3個(gè)任務(wù)模塊和15個(gè)子任務(wù)。每種任務(wù)分別對(duì)應(yīng)了不同的子任務(wù)。

2.2.2 行為-產(chǎn)品-意義的映射分析

通過深入探究,可以發(fā)現(xiàn)用戶的行為背后所隱藏的意義。通過將意義劃分到6個(gè)不同的層面,即物理層、語(yǔ)言構(gòu)建層、經(jīng)歷層、語(yǔ)義層、語(yǔ)用層和社會(huì)層,來實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的有效映射,從而實(shí)現(xiàn)行為-意義的關(guān)聯(lián),并留做后續(xù)使用。

2.2.3 聚類分析與意義簇

把數(shù)據(jù)歸納成逐個(gè)不同的簇的過程稱之為聚類。其特點(diǎn)在于相關(guān)性較強(qiáng)的因素大概率都出自同一個(gè)意義簇,與之相法相關(guān)性較弱的因素,也大多數(shù)來自不同的意義簇。隨后再使用聚類分析的方法,將義層聚類分析。意義的強(qiáng)弱相關(guān)性按照A～D劃分4個(gè)強(qiáng)度級(jí)別,D級(jí)為不相關(guān),C級(jí)為弱相關(guān),B級(jí)為相關(guān),A級(jí)為強(qiáng)相關(guān)。大多數(shù)情況下同一個(gè)子意義中的因素大概率相互為強(qiáng)相關(guān),反之亦然,不同意義中的子意義會(huì)呈現(xiàn)弱相關(guān)。

語(yǔ)意層是用戶的情感體驗(yàn),這里表示用戶在整個(gè)健康管理過程中的感受。聚類分析得到 5個(gè)意義簇,即無法便捷佩戴、外骨骼造型結(jié)構(gòu)問題、外骨骼信息反饋不直觀、充電器不夠人性化、輕松舒適的使用體驗(yàn)。因此,基于布爾邏輯算法的關(guān)聯(lián)矩陣聚類分析, 對(duì)經(jīng)驗(yàn)層、語(yǔ)意層和語(yǔ)用層意義進(jìn)行聚類分析。[6]。

2.2.4 AHP與核心意義簇

利用 AHP 對(duì)聚類分析得到的意義簇進(jìn)行分析。將語(yǔ)意層代表的機(jī)械外骨骼作為目標(biāo)層;將無法便捷佩戴、外骨骼造型結(jié)構(gòu)問題、外骨骼信息反饋不直觀、充電器不夠人性化、體驗(yàn)較為輕松舒適作為準(zhǔn)則層;將難以自己佩戴外骨骼、無法迅速辨別可用外骨骼、上半身無法配合外骨骼用力、缺少不同身體差異的調(diào)整空間、缺少提示燈光、無法迅速確認(rèn)電量、無法讓旁人了解狀況、外骨骼難脫卸、步驟復(fù)雜、脫卸后保護(hù)功能缺失、輕松舒適等,作為方案層。

通過專家法,利用Saaty標(biāo)度對(duì)準(zhǔn)則層的 6 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。

第一步,歸一化處理。根據(jù)式(2)對(duì)判斷矩陣作歸一化計(jì)算。將歸一化操作的式(1)的具體數(shù)據(jù)帶入式(2),計(jì)算后得出權(quán)重值,再經(jīng)過一致性檢驗(yàn)后作為正確數(shù)據(jù)使用。第二步,利用式(3)計(jì)算得到λmax為5.037。取n=6,將λmax代入式(4)得出CI, 也就是度量判斷矩陣偏離一致性指標(biāo)為0.009,然后計(jì)算可以得出平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(RI)為1.120。第三步,將CI與RI代入式(5),隨后可得一致性比率0.008,CR值小于0.1證明了指標(biāo)通過了AHP檢驗(yàn),權(quán)重值可以作為有效參考。隨后將準(zhǔn)則層相關(guān)的權(quán)重由大到小依次排列,可以清晰明了第看出結(jié)果(表1)。

同樣的方法,計(jì)算出機(jī)械外骨骼設(shè)計(jì)的方案層判斷矩陣,得出CR值為0.019 7<0.1,也可說明,方案層的一致性檢測(cè)也符合合理的數(shù)據(jù)范圍,通過AHP檢驗(yàn)(表2)。

表2 外骨骼體驗(yàn)方案層權(quán)重分析結(jié)果

2.2.5 核心意義簇與對(duì)象的映射分析

通過AHP得到較高權(quán)重的意義簇為無法便捷佩戴、外骨骼造型結(jié)構(gòu)問題、外骨骼信息反饋不直觀、充電器不夠人性化,以及希望外骨骼可調(diào)節(jié)空間大等。

最后在SAPAD模型中,通過“基于語(yǔ)義的產(chǎn)品構(gòu)建”,重新映射“多個(gè)階段的核心語(yǔ)義集群-產(chǎn)品”。5個(gè)多階段核心集群反饋給產(chǎn)品,每個(gè)核心集群對(duì)應(yīng)重新組裝建模結(jié)構(gòu)和交互功能模塊的設(shè)計(jì)內(nèi)容,最終形成全新機(jī)械外骨骼的核心意義的維度構(gòu)建。

2.2.6 外骨骼產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

從行為與意義維度視角出發(fā),進(jìn)行產(chǎn)品關(guān)系的重新建構(gòu),將全新凝聚形成的核心設(shè)計(jì)點(diǎn)融入充電樁設(shè)計(jì)實(shí)踐。以此為基準(zhǔn),對(duì)機(jī)械外骨骼提出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

1)充電模塊的使用流程設(shè)計(jì):重新設(shè)計(jì)外骨骼的充電模塊,設(shè)計(jì)成為一體式全自動(dòng)的充電外樁。

2)優(yōu)化外骨骼可調(diào)節(jié)功能:參考中國(guó)人平均身高體長(zhǎng)的人機(jī)工程學(xué),在多個(gè)關(guān)節(jié)處添加調(diào)節(jié)模塊,使用者可以根據(jù)自己的身體情況和使用情況在合理的范圍內(nèi)調(diào)整外骨骼的尺寸和松緊度。

3)產(chǎn)品交互模塊的全新設(shè)計(jì):對(duì)產(chǎn)品的交互模塊進(jìn)行全新設(shè)計(jì),把交互模塊集成到后腰部的背包處,既不影響使用行動(dòng),也可以方便他人對(duì)其進(jìn)行即使調(diào)整或援助。

4)改良外骨骼信息反饋形式:增加多處LED燈條顯示狀態(tài),用直觀的顏色變化,及時(shí)清晰地向使用者及其旁人展示外骨骼狀態(tài)和電量情況。

5)外骨骼佩戴方式優(yōu)化:對(duì)現(xiàn)有的外骨骼配搭方式進(jìn)行改良,配合全新設(shè)計(jì)的充電樁使用,佩戴脫卸外骨骼自動(dòng)化,充電樁增加多個(gè)保護(hù)扶手保障使用者的安全。

以此為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出一款全新的機(jī)械外骨骼,經(jīng)過草圖的推演確定大致方向,經(jīng)過Rhino的建模和Keyshot渲染,形成如圖1～圖3所示的產(chǎn)品效果。

圖1 RHINO建模效果

圖2 機(jī)械外骨骼設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

圖3 機(jī)械外骨骼最終效果

3 結(jié)論與展望

根據(jù)如今市場(chǎng)上已有的機(jī)械外骨骼產(chǎn)品的技術(shù)和內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)行外骨骼產(chǎn)品的創(chuàng)新與改良,其目的是幫助有多發(fā)性硬化癥、關(guān)節(jié)炎等類的患者解決行動(dòng)方面的困難和幫助高勞動(dòng)工作者增強(qiáng)身體機(jī)能減少勞動(dòng)損傷。文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型和優(yōu)化具有重要的推動(dòng)作用。[7]通過大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與用戶訪談,對(duì)環(huán)境定位、目標(biāo)用戶、現(xiàn)有技術(shù)、材料與加工工藝等方面做出全方位的考量與歸納,以此設(shè)計(jì)當(dāng)前最適合中國(guó)市場(chǎng)且符合中國(guó)人人機(jī)工程的外骨骼產(chǎn)品。技術(shù)創(chuàng)新和品牌建設(shè)猶如企業(yè)發(fā)展的“兩翼”,是企業(yè)增加產(chǎn)品附加值、提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。[8]采用鈦合金作為此次加工工藝的主要材料,材料價(jià)格適中對(duì)人體無害,且符合批量化工業(yè)生產(chǎn)需求。

采用AHP定量研究方法,找出用戶的核心需求,更加客觀、全面地思考問題、解決問題。通過這種方式,SAPAD模型得到完善,并在方法層面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。[9]此次研究項(xiàng)目的目的則是設(shè)計(jì)出能夠符合使用者需求的機(jī)械外骨骼外觀及其結(jié)構(gòu),以此來增強(qiáng)醫(yī)療的人文關(guān)懷屬性幫助患者快速恢復(fù)和提供慢性病的長(zhǎng)期輔助治療,或提升工作效率和降低成本。產(chǎn)品使用SAPAD-AHP模型和人機(jī)工程學(xué),設(shè)計(jì)必須更加符合中國(guó)人的使用習(xí)性,為此要經(jīng)過大量的調(diào)研考察。得出設(shè)計(jì)權(quán)重,通過比較得出關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)。[10]實(shí)踐才是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn),真正與用戶溝通才會(huì)發(fā)現(xiàn)痛點(diǎn)。通過學(xué)習(xí)現(xiàn)有的大量文籍和學(xué)術(shù)資料,調(diào)查全球現(xiàn)有的外骨骼公司,歸納總結(jié)優(yōu)勢(shì)與不足,根據(jù)當(dāng)今世界成熟的技術(shù)并結(jié)合調(diào)研,進(jìn)而設(shè)計(jì)出符合該公司需求的方案,真正做出符合中國(guó)人人機(jī)工程以及使用習(xí)慣的外骨骼。