基于用戶體驗的下肢無源外骨骼設(shè)計優(yōu)化研究

沈峰岑 曹恩國

關(guān)鍵詞：用戶體驗；無源外骨骼；Kano模型；重要度權(quán)重；設(shè)計策略

引言

外骨骼機器人是一種新型的助力型設(shè)備，可穿戴于人體通過助力機構(gòu)輔助人進行行走、跑步等多項活動，廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等行業(yè)，有廣闊的發(fā)展前景。無動力外骨骼的驅(qū)動來源為人體自身運動，本質(zhì)上是以“人”為核心的產(chǎn)品，然而，目前針對外骨骼用戶體驗設(shè)計方向的研究較少，較為缺乏。因此，文章從用戶體驗的角度出發(fā)，對無動力下肢可穿戴外骨骼用戶使用流程進行分析研究并構(gòu)建用戶需求層次模型?；贙ano 模型對用戶需求進行調(diào)研統(tǒng)計，將用戶需求區(qū)分為魅力型需求、期望型需求、必備型需求、無差別需求、反向型需求5 類。同時，基于Kano 模型對用戶需求重要度權(quán)重進行排序，并以提高用戶體驗為目標，提出下肢外骨骼設(shè)計優(yōu)化策略。

一、無動力下肢可穿戴外骨骼研究現(xiàn)狀概述

被動式外骨骼動力來源為人體自身運動，通過機械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，利用作動器元件模擬人體骨骼肌肉效能，對人體運動過程中的能量進行回收再釋放，實現(xiàn)對于人體運動的助力。影響其研發(fā)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)主要為機械結(jié)構(gòu)、人機協(xié)同性、作動器元件、控制精度、舒適性設(shè)計等。浙江大學(xué)的王東海[1] 等學(xué)者，清華大學(xué)季林紅等人[2] 均針對結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計進行了較為深入的研究，也取得了不錯的實驗進展，通過對外骨骼結(jié)構(gòu)、材料等的設(shè)計研究以滿足輕量化的要求是未來的研究趨勢。陳春杰[3]，李靜[4] 等人基對外骨骼運動時的關(guān)節(jié)柔順性開展了研究，有效提高了外骨骼的人機耦合性。人機耦合性的研究對其人機交互安全性、舒適性以及對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性等方面具有重要意義，是下肢被動外骨骼應(yīng)用研究深化的重要方向。Sofía Iranzo[5] 等人基于肌電信號建立了外骨骼性能評價模型，李佳璐[6] 等人構(gòu)建了外骨骼舒適性評價指標體系，目前，評估體系方向復(fù)雜多樣，缺乏通用普適的評價流程，且目前已有的評價體系對后續(xù)設(shè)計缺少較為直觀的設(shè)計優(yōu)化方向指導(dǎo)。

目前，多數(shù)研究重點聚焦于外骨骼對于人體運動機能的助力效率，有關(guān)外骨骼的人機協(xié)同性、運動穩(wěn)定性、舒適性等方向的研究還不夠深入，且對用戶體驗的關(guān)注度相對較低，外骨骼的產(chǎn)品化設(shè)計不夠深入。文章將從用戶體驗的角度出發(fā)，以下肢可穿戴外骨骼應(yīng)用深化，提升用戶體驗為設(shè)計目標，對下肢可穿戴外骨骼設(shè)計優(yōu)化策略進行了調(diào)研分析。

二、基于用戶體驗的設(shè)計優(yōu)化需求分析

（一）無動力下肢可穿戴外骨骼的用戶體驗

用戶體驗在學(xué)術(shù)界現(xiàn)有眾多定義中，認可度最高的是在ISO9241-210 中提出的，即“人們對于使用或參與產(chǎn)品、服務(wù)或系統(tǒng)所產(chǎn)生的感知和回應(yīng)”[7]。這個定義中認為，用戶體驗的主體是“人”，時間范圍界定為“使用或參與”的整個過程，體驗指向“感知與回應(yīng)”，體驗的對象為“產(chǎn)品、服務(wù)或系統(tǒng)”。下肢可穿戴外骨骼的用戶體驗即指在用戶使用外骨骼的整個過程中，包括學(xué)習(xí)使用外骨骼、穿戴外骨骼、穿戴外骨骼進行運動、脫除外骨骼整個流程中針對外骨骼產(chǎn)品所產(chǎn)生的交互感受。影響外骨骼的用戶體驗的因素可分為主觀因素與客觀因素。主觀因素主要指用戶本身所產(chǎn)生的心理感受及生理感受，可進一步細分為情緒、感知、疲勞程度等，且主觀因素也會受到用戶本身的喜好、認知程度、身體機能素質(zhì)等因素影響?？陀^因素主要指產(chǎn)品因素，產(chǎn)品因素可劃分為產(chǎn)品本身的物理因素及人機交互因素，物理因素即指外骨骼產(chǎn)品本身的機械結(jié)構(gòu)、造型特征、表面材料、助力效能等因素，人機交互因素指穿戴舒適性、運動穩(wěn)定性、人機耦合性等因素。如圖1 所示，各項因素有著復(fù)雜的相互關(guān)系，彼此相互影響相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了外骨骼的用戶體驗設(shè)計要素。

（二）無動力下肢外骨骼用戶需求分析

如前文所述，外骨骼作為典型的人機結(jié)合的產(chǎn)品，在設(shè)計過程中應(yīng)更多關(guān)注“人”本身，從“人”的角度出發(fā)進行需求分析并構(gòu)建用戶需求層次模型。唐納德諾曼在《情感化設(shè)計》一書中提出了情感化設(shè)計的3 個層次，分別為本能層，行為層和反思層[8]，利用諾曼的理論對外骨骼的人機交互流程進行分析，將下肢可穿戴外骨骼的用戶體驗流程分為3 個階段，即穿戴前的準備階段、穿戴中的運動階段、穿戴結(jié)束后的體驗階段。如圖2 所示，通過對各階段的人機交互行為進行分析，進一步細化并總結(jié)歸納外骨骼的用戶體驗影響因素。

1. 穿戴前的準備階段主要指用戶剛剛接觸到外骨骼的階段，主要反映本能層的用戶體驗，即用戶對于產(chǎn)品的直觀感受。這個階段主要由產(chǎn)品的物理因素與人的主觀認知相互作用，使用戶對產(chǎn)品產(chǎn)生第一認知印象。這一階段，影響用戶體驗的主要產(chǎn)品因素有產(chǎn)品的品牌認可度、造型結(jié)構(gòu)設(shè)計、色彩設(shè)計、材料設(shè)計、表面處理設(shè)計等。

2. 穿戴中的運動階段主要指用戶穿戴外骨骼并進行相應(yīng)運動的階段，主要反映行為層的用戶體驗，即用戶對于產(chǎn)品的使用感受。這個階段主要由產(chǎn)品的人機因素與人的主觀感受相互作用，是外骨骼用戶體驗流程的核心階段。這一階段，影響用戶體驗的主要產(chǎn)品因素包括下肢外骨骼的使用易學(xué)性，下肢外骨骼的穿戴流暢度，外骨骼各項人機尺寸的可調(diào)節(jié)性，外骨骼運動過程中的運動柔順性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性、可靠性，人機運動匹配性，人機交互的豐富性，環(huán)境適應(yīng)性等。

3. 穿戴后的體驗反饋階段主要指用戶運動結(jié)束后脫除外骨骼后的階段，主要反映反思層的用戶體驗，即產(chǎn)品帶給用戶的價值感受。這個階段影響用戶體驗的因素主要有人體疲勞程度、產(chǎn)品的助力效能、用戶的精神愉悅度等。

通過用戶訪談與專家咨詢的方式對以上影響外骨骼用戶體驗的因素進行整理歸納，從外觀適應(yīng)性、操作流暢性、人機耦合性、助力效能4 個維度梳理并提出無動力下肢可穿戴外骨骼用戶需求共18 項，并構(gòu)建下肢外骨骼用戶需求層次模型。如圖3 所示，從外觀適應(yīng)性維度提出了造型美觀、色彩協(xié)調(diào)、材料應(yīng)用合理、品牌識別度高四項用戶需求，從操作流暢性維度提出了易理解的產(chǎn)品功能、易調(diào)節(jié)的人機尺寸、易穿戴的綁縛結(jié)構(gòu)、易收納的整體結(jié)構(gòu)4 項用戶需求，從人機耦合性維度提出了合理的尺寸匹配范圍、較高的運動匹配性、較高的運動柔順性、穩(wěn)定合理的綁縛結(jié)構(gòu)、較好的安全性5 項用戶需求，從助力效能維度提出了結(jié)構(gòu)輕便性、較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、較好的結(jié)構(gòu)可靠性、較高的助力效率、較為豐富的人機交互功能5 項用戶需求。

三、基于Kano模型的無動力下肢外骨骼用戶需求重要度分析

（一）Kano 模型

基于Kano 模型設(shè)計問卷，利用問卷調(diào)研的方式對所提出的用戶需求進行分類并對其重要程度進行評價，以此驗證用戶需求點的合理性，區(qū)分在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計中用戶需求點的優(yōu)先級，指導(dǎo)后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新實踐[9]。通過問卷對每個需求點進行正負雙向提問，同時提問用戶具備某項功能的感受以及不具備某項功能時的感受，為用戶設(shè)置滿意、理應(yīng)如此、無所謂、可以忍受忍受、不滿意5 個評價維度選項。

如表1，問卷調(diào)研的結(jié)果可利用Kano 模型矩陣對所羅列的用戶需求點進行分類，劃分為期望型需求（O）、魅力型需求（A）、必備型需求（M）、無差異需求（I）、反向型需求（R），Q 指的是可疑的結(jié)果。其中，反向型需求指代的是需要取消的需求點，必備型需求指代的是用戶對產(chǎn)品功能的基本要求，期望型需求與魅力型需求則是提升用戶體驗滿意度的關(guān)鍵切入點。

在傳統(tǒng)Kano 模型中僅使用占比最高的一項屬性對用戶需求進行定性分類，分類結(jié)果存在一定的模糊性，因此引入Better-Worse系數(shù)對用戶需求進行進一步定性[10]，Better-Worse 系數(shù)指用戶對于該項功能指標發(fā)生變化時的敏感程度。Better 系數(shù)指滿意度系數(shù)，數(shù)值為正，Better 系數(shù)越大越接近1 說明滿足該項需求后用戶滿意度越高，Worse 系數(shù)指不滿意度系數(shù)，數(shù)值為負，數(shù)值越接近-1說明不具備該項功能需求時用戶的不滿意程度越高。計算公式如圖所示：

滿意度系數(shù)：Si=（A+O）/（A+M+O+I）

不滿意度系數(shù)：Di=（M+O）/（A+M+O+I）

其中，A、M、O、I 指各類屬性在該用戶需求中的占比。計算得出各項需求Better-Worse 系數(shù)后，可以Kano 模型判斷矩陣為基礎(chǔ)對用戶需求進行更嚴謹?shù)亩ㄐ苑治觥?/p>

（二）基于Kano 模型的無動力下肢外骨骼用戶需求定性分析以用戶需求層次模型為框架，基于Kano 模型對問卷進行設(shè)計并發(fā)放，共發(fā)放200 份問卷，問卷發(fā)放對象包括相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)學(xué)者及對外骨骼有一定了解的普通用戶等，涉及人群全面，保證了信息的有效性及真實性，共回收有效問卷176 份。經(jīng)統(tǒng)計，問卷調(diào)研數(shù)據(jù)的信效度均滿足要求，調(diào)研數(shù)據(jù)真實有效、可用性高。而后，根據(jù)表1 所示用戶需求Kano 模型判斷矩陣及Better-Worse 系數(shù)對所獲取的問卷結(jié)果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示。

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果，分別得到了18 項需求的需求屬性，共有4項無差別需求，3 項必備型需求，9 項期望型需求以及2 項魅力型需求。如圖4 所示，根據(jù)Better-Worse 系數(shù)進一步構(gòu)建用戶需求四象限圖：第一象限Better 值高，Worse 值絕對值高，用戶需求屬性為期望屬性，代表重要性高且急需的功能需求；第二象限Better 值高，Worse 值絕對值相對較低，用戶需求屬性為魅力屬性，代表重要但不急需的功能需求；第三象限Better 值與Worse 值絕對值均較低為無差異屬性，該象限內(nèi)功能需求用戶的關(guān)注度較低；第四象限Better 值低，Worse 值絕對值高，該象限的功能需求為必備屬性，一定需要滿足。在功能需求的提供優(yōu)先級上，通常需要為：必備屬性> 期望屬性>魅力屬性> 無差異屬性。

（三）基于Kano 模型的用戶需求重要度權(quán)重調(diào)整

用戶滿意度與需求實現(xiàn)程度并非單一的線性關(guān)系，如圖5 所示，必備型需求用戶的感知度更高，但做出優(yōu)化調(diào)整后，用戶滿意度提升比例較低，而針對魅力型需求當做出一定優(yōu)化后用戶滿意度則會得到大幅提升，因此，根據(jù)用戶需求的不同分類引入調(diào)整系數(shù)k 對用戶需求重要度進行調(diào)整。

對于必備型需求（M），01；對于無關(guān)型需求（I），k=0；對于反向型需求，k<0。k 的取值大小一般根據(jù)研究者的經(jīng)驗進行定義，參考產(chǎn)品特性及以往相關(guān)研究[11]，將魅力型需求、期望型需求、必備型需求、無關(guān)型需求、反向型需求k 值分別定為1.2、1、0.8、0、-1。根據(jù)k 值修正用戶需求重要度權(quán)重ωi，得到用戶需求的最終權(quán)重ωi。

其中，ki 指第i 項用戶需求的修正值，ωi 指第i 項用戶需求重要度的原始權(quán)重，ωi 指第i 項用戶需求重要度的修正權(quán)重。用戶需求重要度權(quán)重由用戶調(diào)研結(jié)果統(tǒng)計所得，各項需求的重要度權(quán)重調(diào)整過程及修正后的重要度排序如表3 所示。

（四）下肢外骨骼用戶需求分析總結(jié)

基于前文所述調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果，對外骨骼需求的各項指標進行分析。從對調(diào)研結(jié)果的統(tǒng)計所得，必備型需求共3 項，重要度排序為：C42 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定>C21 易理解的產(chǎn)品功能>C23 易穿戴的綁縛結(jié)構(gòu)。必備型需求必須在設(shè)計中給予重視并滿足，但對于用戶體驗滿意度提升影響較小。期望型需求共9 項，重要度排序為：C35 較好的安全性>C32 較高的運動匹配性>C33 較高的運動柔順性>C43 結(jié)構(gòu)可靠>C13 材料應(yīng)用合理>C34 穩(wěn)定合理的綁縛結(jié)構(gòu)>C22 易調(diào)節(jié)的人機尺寸>C44 助力效率>C41 結(jié)構(gòu)輕便性。魅力型需求共兩項，重要度排序為：C24 易收納的整體結(jié)構(gòu)>C45 人機交互豐富。期望型需求和魅力型需求的實現(xiàn)完善能夠很大程度上提升用戶的體驗滿意度，提升產(chǎn)品在同類產(chǎn)品中的競爭力。無關(guān)型需求共四項：C11 造型美觀、C12 色彩協(xié)調(diào)、C14 品牌識別度高、C31 合理的尺寸匹配范圍，對用戶體驗滿意度影響較小。

四、基于用戶體驗的下肢外骨骼設(shè)計優(yōu)化策略

結(jié)合調(diào)研統(tǒng)計結(jié)果，以提高用戶體驗滿意度為目標，從提高期望型需求及魅力型需求實現(xiàn)程度的角度出發(fā)，基于下肢無源外骨骼研究現(xiàn)狀提出現(xiàn)階段下肢外骨骼設(shè)計優(yōu)化策略，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計及用戶體驗評價提供了理論依據(jù)。

）優(yōu)化安全性設(shè)計，提升用戶體驗及信任度。

作為穿戴類產(chǎn)品，外骨骼的人體安全性受到用戶極高的關(guān)注，但在現(xiàn)今的產(chǎn)品設(shè)計中體現(xiàn)較少。應(yīng)從硬件及交互兩方面入手，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中結(jié)合人體運動學(xué)及生物工學(xué)考慮多場景下的人機安全性，對人體運動安全性給予功能保障。同時，在產(chǎn)品交互層面上給予用戶相應(yīng)的反饋，增強用戶的使用信心，提升用戶體驗滿意度。

（二）優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高外骨骼的人機耦合性。

現(xiàn)階段下肢無源外骨骼結(jié)構(gòu)助力研究有所成效，但在設(shè)計過程中，對復(fù)雜運動狀態(tài)及環(huán)境下的外骨骼人機耦合性有所忽視。應(yīng)綜合考慮多運動狀態(tài)下、多環(huán)境因素下外骨骼結(jié)構(gòu)的自由度，并通過綁縛結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，提高運動過程中外骨骼的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以此提高外骨骼與人體運動一致性。

（三）優(yōu)化材料選型，提升外骨骼助力效能。

材料應(yīng)用對于外骨骼的用戶體驗影響是多方面的，而目前，外骨骼設(shè)計中材料的應(yīng)用選型沒有一個較為統(tǒng)一可用的標準。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有仿真建模軟件，對材料與結(jié)構(gòu)的適配度進行校驗以進行優(yōu)化選型。結(jié)構(gòu)材料及彈性元件材料可基于仿真軟件對材料的受力程度及助力效果進行選型分析優(yōu)化，降低實驗選型成本，提高優(yōu)化設(shè)計效率。也可基于有限元分析，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)受力及相互運動關(guān)系進行分析校核，提升外骨骼零部件結(jié)構(gòu)可靠性，同時結(jié)合拓撲優(yōu)化方法對結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，降低結(jié)構(gòu)自重，提升外骨骼助力效能。

（四）優(yōu)化人機交互，提升人機交互效率與體驗。

通過調(diào)研結(jié)果來看，外骨骼的智能交互目前研究與應(yīng)用較少，即時的信息交互與運動反饋交互能使外骨骼更加智能化地服務(wù)用戶，豐富用戶的使用感受，提高用戶的使用積極性。可通過傳感器的設(shè)計應(yīng)用將其助力能力、助力效果、骨骼穩(wěn)定性、新陳代謝值、穿戴者疲勞程度等進行監(jiān)測并呈現(xiàn)，提升用戶對產(chǎn)品的信任程度與使用積極性。

結(jié)語

文章從用戶體驗的角度出發(fā)，結(jié)合Kano 模型對下肢無源外骨骼用戶需求進行定性定量分析，并以重要度權(quán)重為導(dǎo)向，基于下肢無源外骨骼的研究現(xiàn)狀，從4 個方面提出了具體可行的設(shè)計優(yōu)化策略，為后續(xù)下肢外骨骼設(shè)計優(yōu)化及體驗評價提供了實踐性的依據(jù)?；谀壳笆袌霎a(chǎn)品的有限性，文章未結(jié)合需求指標對市場現(xiàn)有產(chǎn)品進行用戶體驗評價分析，研究還具備一定的局限性，后期會綜合調(diào)研現(xiàn)有樣機的用戶體驗評價及用戶需求實現(xiàn)成本，進一步深入下肢無源外骨骼設(shè)計優(yōu)化研究。