基于AD與TRIZ的病區巡護機器人功能集成設計

石元伍 齊廉恒美

引言

隨著人們收入水平的提高和對自身健康的重視，應用于醫療產業的服務機器人數量也在不斷增長，目前主要應用于遠程醫療、慢性病跟蹤治療、前臺問診、復健等領域，是一種智能程度較高的機器人。由于醫療服務機器人可代替人做一些重復的工作，一定程度上減輕了醫務人員的負擔，且緩解了人力資源相對缺乏的事實，所以配合醫療服務產業運作的機器人有長足的發展潛力。但是醫療服務機器人作為醫療工作中不可或缺的存在，還有待改進和發展，使護理工作更具有針對性。為研究出適用于病區、功能更實用、服務更精準高效的病區巡護機器人，集成AD與TRIZ方法進行創新設計。首先對特定人群與環境進行調研分析，確定用戶域需求，以用戶需求作為出發點，生成具體功能需求。設計過程中將結合AD與TRIZ的集成方法來更好地解決設計問題，最終運用信息公理評價最優方案并使用Rhino三維軟件完成病區巡護機器人概念設計方案。

一、醫療服務機器人

（一）現狀分析：隨著科學理論和工程技術的發展，醫療產業也獲得了快速的進步。從傳統的醫療系統過渡到以現代服務為理念的智能醫療系統也是大勢所趨。醫療服務機器人包羅萬象，除了手術用機器人之外，還有用于生理組織樣本分析、看護、復健、送餐等方面的服務型機器人。研究醫療服務機器人，不僅是為了適當減輕護理成本，也是為了能不斷提升人們的醫療服務體驗。所謂服務是“以自立及提升生活質量為目標的一種協助手段”所以巡護機器人的設計應該注意到這一點。隨著人們觀念的變化和可支配收入的提高，對醫療服務質量的要求也逐漸提高，醫療服務機器人將會被更多人接受。且目前一系列扶持政策的出臺和技術成本的降低，正是研究醫療服務機器人的契機。

（二）市場分析：我國醫療服務機器人發展雖處在景氣周期，但在發展過程中，與其他生產制造行業類似，市場發展比較緩慢。醫療服務機器人雖然在理論研究上得到了很大進步，但在實際應用中，還屬于較低智能活動水平，功能單一，操作復雜。（如圖1）所示，當前市面上的服務機器人在醫療護理任務中，還存在以下問題：（1）信息交互程度低;（2）造型生硬;（3）服務功能不全面，使用場所沒有針對性;（4）操作使用復雜目不協調。

上述產品在功能、造型上存在的問題，使得其給用戶帶來了交互程度低，功能不全面、操作復雜、外觀語言乏味等不良體驗。為了設計出更適用于病區環境，更好服務住院病人的巡護機器人，結合了AD與TRIZ理論方法更好地解決功能矛盾等問題，對病區巡護機器人需求進行調研分析，功能上進行創新設計。

二、病區巡護機器人設計分析

（一）需求分析：根據調研可知等級醫院管理制度將醫院分成一、二、三級，其中三級醫院中又分為甲、乙、丙、特，其中特水平最好。特、甲醫院的技術水平比較權威，除了提供社區宣傳、康復保健、疾病預防外還能提供較為全面的病患護理工作、甚至病人出院后的跟蹤回訪活動等。問卷調查也在特等和甲等醫院中展開，隨機選取武漢市符合條件的四家醫院，對住院病房的患者進行生理上和心理上的了解，并列出（如表1）所示表格。

從表中可知，隨著人們對自身健康和醫療服務升級的重視，住院病人對就醫體驗的要求也逐漸提高。在生理需求方面，患者普遍對病房環境、空氣、設施、醫療護理等有明顯需求;心理需求方面，不同年齡、性別、文化的病人都希望醫護人員態度和藹，增加醫患溝通，這表明了病人對心理護理與服務態度的迫切需求，部分病人還希望出院后能與主治醫生保持聯系，盡早康復。

（二）需求排序：由此可見，在醫療資源短缺的情況下，病區需要一臺巡護機器人來幫助提升工作效率，并提升患者的就醫體驗。有一個舒適的治病環境和良好的醫護秩序，能使病人更好地適應病程，也增強了早日康復的信心。整理資料后，將所得結果按照需求迫切程度排序（如表2）所示。

三、結合AD與TRIZ的集成方法

（一）集成方法介紹：設計方法是產品開發過程中比較重要的一環，是支撐產品創新的核心。公理設計是現階段研究產品設計的熱點理論，它的主要目的是給設計者提供正確的思路，并作出相對正確的決策。NamP.Suh教授于1990年提出的這種設計決策方法，使設計者可以對整個設計流程進行把控。在研究用戶需求并進行分析后，能有效減短設計中錯誤的迭代過程，基于AD原理，可以更直觀地審視整個設計過程，及時修改設計中處理不足的地方，并逐漸細化后續方案，為整個設計過程提供了基礎性框架。

TRIZ理論是一套獨具特色的強大工具包，特別是在形成思路和解決問題的部分，給予設計者的支持遠超于頭腦風暴等傳統方法。通過TRIZ可以了解到以往科技與工程方面的成果，它可以指導設計者改善當前的系統和程序，消除這個過程中存在的問題，幫助找到相應的概念，深入理解需求，激發新的創意，用以發展下一代系統，發現最具創造性的解決方案。

在激烈的市場競爭中，將不同的設計理論合并有助于提高設計效率，從而產生產品開發方面的優勢，研究新的設計模型也是現階段設計理論研究的發展方向。AD的優點是在每一個設計過程中進行映射，對流程進行科學分解。AD雖然有助于構建設計者的整體邏輯框架，但設計者總是靠主觀經驗來判斷設計，所以難以具體到設計中的矛盾問題。因此需要結合TRIZ理論來解決問題。但TRIZ理論不能最終評價設計方案，還需用AD中信息最小公理選擇最佳方案。AD與TRIZ理論互補的理論方法使設計方案更具有創造性，使設計者沿著一個清晰的路徑決速解決問題，具有一定的科學意義。

（二）概念設計流程模型：基于以上集成方法，將流程模型分為四個部分：（1）發現問題階段，先進行背景研究和調研分析得到大致方向，并初步對用戶需求排序，分析當前的醫療服務機器人作為產品有哪些問題，并對這些問題進行描述和分析。（2）分析問題階段，進一步確定用戶需求和功能需求，根據公理設計中“域”的概念，將用戶域與需求域進行需求對照，找出基本功能和重要功能，并進一步分析矛盾類型。（3）問題解決階段，運用TRIZ矩陣對應發明原理逐個解決設計問題。（4）方案設計階段，利用三維模型創建出設計方案，繼續結合AD中最小信息含量公理對方案進行選擇，完成效果方案。方法流程模型（如圖2）所示。

四、病區巡護機器人設計案例

（一）病區巡護機器人問題描述與分析：在一個醫生數量有限，新興疾病不斷和超級細菌頻生的世界里，醫療保健不僅是社會、個人者B關注的問題，也是科學界關注的重要領域，用機器代替人工完成一些重復任務是當前服務機器人領域發展的必然選擇。

（1）問題描述。通過問卷調研和醫療服務機器人的現狀研究，可了解到當前的醫療服務機器人其主要問題集中在：功能系統不全面、人機交互體驗差、健康數據管理亂、造型呆板不美觀、使用過程人性化程度低這些方面。在發展優化功能的醫療服務機器人領域中，現有的醫院模塊化病區管理需要機器人在相對復雜的環境中發揮更多的作用。針對這樣的人群需求及任務功能，需要設計師綜合目前醫院使用環境需要及醫療服務機器產品本身不足的情況下綜合考慮設計。

（2）問題分析。—方面，隨著人們生活水準的提高和醫療衛生體系的發展，社會對醫療服務的質量要求也越來越高，像其他服務行業—樣也需要體驗升級。另—方面，隨著醫療資源的短缺，借助外部條件來緩解就醫壓力的需求也越來越明顯。通過有針對性地分析當前醫療服務機器人的特點可知，其具體功能需要針對醫院環境的實際情況做出改變，進一步體現在藥物運送、預防交叉感染、醫患溝通這幾個功能要素上。只有找出迫切的需求矛盾加以解決，才能更好地為使用人群提供完善的醫療服務，真正向“智能醫療”時代邁進。（如表3）為當前市場上醫療服務機器人存在的問題情況，可發現一些產品在設計中忽略了患者的心理和生理需求，主要存在功能不夠完善，操作不易等問題。

（二）沖突確定與解決方式：病區巡護機器人作為一款服務于病區環境的產品，存在一定的特殊性，在滿足照護病患需求的同時，也要提高醫務工作者的工作效率，所以具體功能還需進一步明確。通過前期的背景調研和列舉當前醫療服務機器人出現的問題，將用戶需求域與功能需求域進行映射，下一步用矛盾矩陣解決映射過程中出現的問題，最后運用信息公理選擇設計方案。（如表4）為用戶需求與功能需求對照。

在列出用戶需求與功能需求后，將CA1～CA6的實際需求情況繼續進行分類整理，為后期更好地解決矛盾提供鋪墊。其中，FR6為期望性需求，為整個功能設計的設計目標，因此不作為具體設計內容考慮，但在設計結果的篩選上可作為設計信息量進行考慮。FR1與巡護機器人物流運送功能設計相對應，FR2與保持病房空氣潔凈功能設計相對應，FR3和FR4可歸于信息可視化功能設計，FR5歸于造型色彩設計問題。根據以上分析可知，當前的醫療服務機器人除基本的藥物配送外，信息可視化，空氣潔凈，造型情感化是改進的關鍵因素。由于使用者主要是病患，在操作方面要簡單，尤其體現在交互界面上。上述問題將轉化為39個通用工程參數（如表5）所示。

在40條發明原理中，選取第10，15，17，28，32條發明原理，具體解釋（如表6）所示。根據預處理原理，針對定時巡視病房，藥品分發等，提高了醫院工作效率。根據動態和另外的維度原理加入空氣凈化功能部分。根據替代機械系統原理，由于使用者主要為住院病人，操作簡單非常重要。可用語音或手邊按鍵得方式來呼喚機器人，增大屏幕交互部分，使患者可以用指紋或就醫卡查看自己的身體報告或取藥，來達到信息可視化功能，使操作簡單。數據可視化就是利用直觀的圖形化形式來快速向使用者傳達有效的信息，具有設計感的數據信息可以幫助用戶更好地理解數據結果、提升用戶體驗。根據改變顏色原理，可將機器人外觀顏色作適當處理，醫療產品設計作為工業設計的一部分，與一般的產品設計不同，更需要體貼用戶的心理方面，注意他們的感情變化。由于醫療服務面向醫護人員和病患兩個用戶群體，在設計過程中，既需要考慮實際操作時的容易操作、容易理解，在外觀設計上也需要隨時向病患傳達可靠、安全、心里舒適的情感，緩解患者在治療過程中的心理壓力，從而使病患積極面對治療。

（三）方案設計與篩選：通過分析需求域向功能域映射過程，根據公理設計中信息最小公理對設計方案進行以下定性描述：（1）巡護機器人應以配送病人每日需要的藥物為基礎功能;（2）在機器后箱體部位增加凈化空氣功能，除了保持病房空間內空氣的潔凈度，也極大降低了病菌交叉感染的可能性。（3）交互界面應做到信息可視化，操作簡單，使患者直觀地了解自己的就醫情況，并能方便接受巡視查房;（4）外觀造型上應符合醫療環境，適當改變功能分區的色彩。根據以上定性描述，設計出（如圖3）所示的兩種方案。方案2在整體設計上將多個功能進行了集成化處理，既增加了空氣凈化功能，信息可視化的交互方式也更加直觀。病區巡護機器人的服務人群是住院患者，他們在康復治療的同時在心理上也需要理解和安慰。在集成功能時，在保障功能實現的同時在造型上應該傳達出一定的親和力，外觀應該類人形且較圓潤。保證外形設計中沒有無用結構，設計一定要基于實際功能。以白色為主要顏色，機體兩側及輪子部分配有光圈燈飾，向使用者傳達出簡潔可靠的信息，消除機械感。通過比對方案1，保證了功能的獨立性，信息量最小，所以方案2為最優選擇。

結語

基于AD與TRIZ的集成方法，在理論上上能做到優勢互補，有利于提升設計效率。設計出病區巡護機器人，驗證了集成方法的可行性，為以后類似的設計提供了一定的方法依據。設計的核心永遠都是以人為本，只有注重需求的設計才是好設計，在醫療產品設計中用戶的心理感受和體驗尤為重要。醫療健康領域是最注重人文關懷的行業之一，如何提升用戶體驗成了人們早日邁入智能醫療環境要直面的問題。通過巡護機器人的創新設計，提升了患者的就醫體驗，也是邁入智能醫療時代和醫療服務升級的一種體現形式。

下一步研究的重點是對病區巡護機器人外觀造型的進一步改進，使其更加適應醫療服務市場。文中提出的方法模型還可結合其他理論進行驗證，有待完善。