基于FAHP/QFD/TRIZ 的智能醫(yī)療配送機器人創(chuàng)新設計研究

李明浩，李 程

（綿陽城市學院，四川綿陽 621000）

隨著5G 和物聯(lián)網(wǎng)等技術的不斷發(fā)展，智慧醫(yī)療成為醫(yī)療行業(yè)新趨勢。2023 年發(fā)布的中國健康產(chǎn)業(yè)白皮書，著重指出前沿技術對行業(yè)的快速推動作用。目前世界處于后疫情時代，智慧醫(yī)療成為社會關注的焦點，為此完善智慧醫(yī)療成為必然趨勢，智能配送機器人能解決當前背景下醫(yī)療配送服務功能[1]。面對當前的時代背景，智能配送機器人設計可為防控病毒傳播貢獻一份力量[2]。當前我國學者對配送機器人進行相關研究。其中任工昌等[3]采用ROS 方法對冷鏈配送機器人進行設計，實現(xiàn)了導航、避障功能設計。目前研究現(xiàn)狀更偏向技術路線，對產(chǎn)品自身的創(chuàng)新設計較少且缺乏對用戶使用體驗研究，造成了當前的智能醫(yī)療配送機器人設計創(chuàng)意單一、用戶體驗不佳等問題。

綜上，當前智能醫(yī)療配送機器人設計存在創(chuàng)新不足的問題，為了滿足用戶需求及提高用戶使用體驗，設計出最佳創(chuàng)新智能醫(yī)療配送機器人?？赏ㄟ^FAHP、QFD 與TRIZ 集成理論體系，構建設計流程[4-5]。

1 智能醫(yī)療配送機器人用戶需求分析與重要度確定

模糊層次分析法簡稱FAHP，是一種將模糊一致矩陣引入層次分析中，通過建立模糊一致矩陣確定評價指標權重的方法[6]。FAHP 分析步驟分別是：①構建遞階層次結構；②構建模糊互補判斷矩陣；③由模糊一致矩陣計算權重；④層次總權重排序[7]。

1.1 構建遞階層次結構

結合德爾菲分析法，進行問卷訪問以及討論，運用層次分析法對收集的數(shù)據(jù)、資料進行分析整理，建立出智能醫(yī)療配送機器人的AHP 模型，如圖1 所示。

圖1 用戶需求層次模型

1.2 構建模糊互補判斷矩陣

模糊互補判讀矩陣是各指標層的兩兩比較，假定有a1，a2，...，an元素，建立關系矩陣

式中：rij為指標ai與指標aj相較于上一層指標的隸屬度比較。

為了確定隸屬度，根據(jù)Seaty 標度原則，設置1~9的模糊判斷尺度。根據(jù)專家綜合評分，由此可得出如下的模糊互補判斷矩陣

1.3 模糊一致矩陣計算權重

在構造模糊判斷矩陣時，需考慮其一致性，由于在實際決策中不能直接構造出具有一致性的判斷矩陣，因此需要進行以下公式轉換。

求矩陣R 進行乘積

進行公式變換

按列歸一化求各指標權重值Wi

求綜合權重

式中：幾何平均值ωi計算

求判斷矩陣的最大特征值λmax

對判斷矩陣所得的權重進行一致性檢驗

式中：CI越接近0 值，表示一致性更大。CR值小于0.1時，該判斷矩陣具有一致性。

為了解決模糊、難以量化的問題，使用加權平均模糊算子，將模糊評價矩陣與層次分析法得出的單排序權重進行合成運算，運算方式為單一元素的綜合權重等于該元素所在層次權重乘以該元素指標層權重[8]。根據(jù)上列公式計算可得出單排序權重，綜合權重以及一致性檢驗見表1。

表1 單排序權重、綜合權重、一致性檢驗匯總表

1.4 層次總權重排序

由表1 可看出在準則層評價指標權重最高的功能需求，其次是使用性、造型，最后是經(jīng)濟性。由于用戶具有特殊性，所以對其在功能上需求較高，其次用戶對醫(yī)療配送機器人較為陌生，所以在其使用上也存在需求。在指標層可看出在功能需求上，對無人配送、滿足配送需求的需求度高，在造型需求上更偏向滿足情感訴求，以及造型具有現(xiàn)代醫(yī)院文化元素，在使用性需求上，對智能便捷與安全可靠有較高的需求，在經(jīng)濟性需求上，對于造價成本低有需求。語音交互、產(chǎn)品結構合適、續(xù)航能力長、故障率低、使用成本低、維護成本低需求較低。

2 智能醫(yī)療配送機器人設計要素分析

QFD（質量工程展開）是為了把用戶或市場的需求轉化為設計要求。HOQ（質量屋）是QFD 的核心部分，通過直觀的框架演示產(chǎn)品開發(fā)中需求轉換[9]。設計師在產(chǎn)品研發(fā)過程中通過HOQ 形式把用戶需求分成設計要求、工藝要求、生產(chǎn)要求等，再進行分類歸納，將其轉化為相對應的技術要求。QFD 能根據(jù)需求找出核心設計要素，提高了設計效率。

根據(jù)FAHP 所分析出的需求權重轉化為設計要素重要度，分析出設計要素權重排序。求重要度權重

式中：Rij為質量屋關系數(shù)值；Wi為需求權重。

建立智能配送機器人質量屋。根據(jù)用戶需求，設計師與行業(yè)專家對用戶需求轉化為設計要素，整理出15 個設計要素，根據(jù)對智能配送機器人的用戶需求與設計要素進行相關性分析，構建智能醫(yī)療配送機器人的“用戶需求-設計要素”質量屋，如圖2 所示。在關系矩陣中，“5”表示兩者間強相關，“3”表示兩者間中相關，“1”表示兩者間弱相關，空白表示兩者間不相關。

圖2 智能醫(yī)療配送機器人質量屋

3 智能醫(yī)療配送機器人設計矛盾分析與解決策略

TRIZ 理論提供解決問題的方法，通過設計過程中遇到的沖突進行問題矩陣，利用原理工具找到與之相適應的解決方案，很大程度上可以找到設計的解決策略[10]。

3.1 智能醫(yī)療配送機器人設計矛盾分析

通過設計要素之間的相關性分析，確定設計系統(tǒng)中是否存在沖突，設計要素間存在的負相關情況，表明有技術或物理沖突。由圖2 可知，智能醫(yī)療配送機器人主要存在1 對技術矛盾與2 對物理矛盾。根據(jù)TRIZ 理論，將沖突問題轉化為TRIZ 相關問題見表2。

表2 沖突問題的TRIZ 問題轉化

3.1.1 蓄電裝置矛盾

蓄電池為配送機器人的整體運行提供電能，置于配送機器人機體，蓄電池容量大有利于提升續(xù)航能力，但是占用了配送艙的空間，反之，若減少蓄電池容量，增大配送艙體，會造成續(xù)航能力低，因此構成了物理矛盾。

3.1.2 配送艙矛盾

配送艙是配送過程中最重要的載體，機體大小決定配送效率，艙體衛(wèi)生決定物品質量安全，由于配送物品的不一致性，對艙體的大小有不同的要求，物品的不同屬性，對艙體空間有不同需求，故越要保證物品的安全衛(wèi)生，則對空間分割要求越高，艙體設計難度增大，因此構成了物理矛盾。

3.1.3 配送技術矛盾

智能感知與避讓是配送的重要支撐，目前導航過程中，落地環(huán)境較為復雜，對測量距離精度有更高的要求，系統(tǒng)復雜性就會增加，極大地增大了生產(chǎn)過程中的難度，因此構成了技術矛盾。

3.2 智能醫(yī)療配送機器人矛盾解決策略

通過TRIZ 的通用工程參數(shù)，得出智能醫(yī)療配送機器人創(chuàng)新設計中相對應需解決問題的TRIZ 理念發(fā)明原理。根據(jù)原理與智能醫(yī)療配送機器人相關知識、技術進行結合，獲取可行性高的智能醫(yī)療配送機器人的創(chuàng)新設計方案。

3.2.1 蓄電裝置設計

根據(jù)TRIZ 理論40 個創(chuàng)新原理得出3 號發(fā)明原理解決矛盾，原理與矛盾表述見表3。

表3 蓄電裝置矛盾解決原理

根據(jù)3 號原理，將配送機器人機身分為裝置蓄電池、配送艙2 部分。蓄電池裝置放置于配送機器人后下端，與配送艙區(qū)域分開，為了增大配送量，前端配送艙設計較大，將蓄電池裝置設計成智能充電模式，及時供給電量，增加蓄電能力。

3.2.2 配送艙設計

根據(jù)TRIZ 理論40 個創(chuàng)新原理得出1 號發(fā)明原理解決矛盾，原理與矛盾表述見表4。

表4 配送艙矛盾解決原理

根據(jù)1 號原理，將配送艙進行模塊化設計，分為2種配送艙體模式，一種為配送用戶醫(yī)療相關物品模式，另一種為配送餐食模式，根據(jù)2 種模式的物品大小進行艙隔大小設計。

3.2.3 配送技術設計

根據(jù)TRIZ 理論40 個創(chuàng)新原理得出23、24 號發(fā)明原理解決矛盾，原理與矛盾表述見表5。

根據(jù)24 號原理，升級傳統(tǒng)識別系統(tǒng)，采用激光雷達傳感器與雙目視覺傳感器并行的系統(tǒng)進行定位，內置位置追蹤、障礙物傳感器進行智能避讓，避免單一系統(tǒng)對硬件的過度依賴，通過視差的方式實現(xiàn)距離的測量，并在系統(tǒng)中建立多維世界，運用自適應的算法，對動態(tài)實體進行準確的軌跡預測，避讓行人、障礙物等。根據(jù)23 號原理，將傳統(tǒng)四輪驅動替換成可旋轉360°的萬向輪，使配送機器人在感知到較小的空間，能夠完成轉彎操作，以便適應復雜的醫(yī)院環(huán)境。

4 智能醫(yī)療配送機器人創(chuàng)新設計方案

根據(jù)TRIZ 理論矛盾解決策略進行創(chuàng)新性構思，對各方案進行優(yōu)選，利用計算機輔助建模、渲染。設計過程中參考用戶需求與設計重要度排序，對產(chǎn)品進行方案確定，方案效果圖，如圖3 所示。產(chǎn)品的主要創(chuàng)新點包括以下內容。

圖3 智能醫(yī)療配送機器人方案圖

功能區(qū)域設計，分為3 個部分，包括底座、機體、頂部。底部主要裝置萬向輪、平衡感應器、激光雷達、避障傳感器和雙目視覺攝像頭等硬件系統(tǒng)，機體有配送艙與蓄電池箱2 部分，頂部裝置觸摸屏、ID 卡識別區(qū)、語言交互區(qū)等。觸摸屏操作與配送艙屬于用戶常用功能區(qū)域，設定高度較高，避免用戶經(jīng)常深蹲、彎腰等動作。

配送艙體模塊化設計，2 種配送模式，在餐食配送上，由于餐食分量大小大致相同，所以采用相同大小的配送艙隔，這種模式不僅可以增加配送量，也能增強保溫功能。在配送醫(yī)療物品上，由于物品包含藥品、衣物、醫(yī)療器械等，尺寸大小不一，所以采用不同尺寸的配送艙隔，這種模式不僅能配送不同物品，也能保證物品的安全衛(wèi)生。

無人配送設計，采用激光雷達傳感器與雙目視覺攝像頭并行系統(tǒng)進行定位識別；避障傳感器進行避障；高平衡傳感器保障配送過程平穩(wěn)運行；人工智能方法與預先設定路徑方法結合進行路徑規(guī)劃；ID 卡識別區(qū)保證用戶存、取物品安全，避免錯拿、誤拿等行為；自動回充系統(tǒng)檢測電量不足時，能自主找到預先設定好的電源進行快速充電，保證續(xù)航能力；報警系統(tǒng)，在發(fā)生自身故障時，實時發(fā)出報警信號。語音交互，提醒用戶在使用前、使用中、使用后事項，減少用戶操作失誤。

造型外觀設計，采用仿生設計，根據(jù)服務人員的外形進行抽象設計，讓用戶體驗到被服務的感覺；采用對稱設計，視覺具有穩(wěn)定性，符合當前醫(yī)院形象。

5 結論

FAHP、QFD 與TRIZ 的集成設計模式在智能醫(yī)療配送機器人創(chuàng)新設計上具有可行性與有效性。該集成模式首先通過FAHP 確定QFD 的用戶需求權重值，將用戶感性思維通過系統(tǒng)化、數(shù)字化的形式體現(xiàn)出來，提高了QFD 中確定用戶需求等級時的準確性。其次通過QFD 將用戶需求轉化為技術要求，確定設計重要度排序及發(fā)現(xiàn)設計要素之間的矛盾。最后應用TRIZ 理論尋找解決策略，設計出功能劃分區(qū)域合理、配送艙安全衛(wèi)生、具有無人配送功能及造型符合視覺體驗的醫(yī)療配送機器人。這種集成設計模式能夠在一定程度上彌補設計理論單一現(xiàn)狀，可為相關配送機器人創(chuàng)新設計提供參考。