外骨骼康復(fù)機(jī)器人客戶端交互設(shè)計(jì)研究

張硯文 高娃

摘要：探索外骨骼康復(fù)機(jī)器人客戶端交互流程，設(shè)計(jì)具有可操作性的外骨骼康復(fù)機(jī)器人客戶端交互界面。以交互設(shè)計(jì)理論為支撐，通過對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)調(diào)研，分析外骨骼康復(fù)機(jī)器人客戶端界面交互行為，提出外骨骼康復(fù)機(jī)器人客戶端交互界面設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估。通過設(shè)計(jì)評(píng)估驗(yàn)證了外骨骼康復(fù)機(jī)器人客戶端交互界面的可操作性，減輕用戶對(duì)具有高科技感的外骨骼康復(fù)機(jī)器人的排斥心理，從而提高用戶治療效率，對(duì)同類產(chǎn)品交互界面設(shè)計(jì)研究具有可參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：外骨骼機(jī)器人 康復(fù) 人機(jī)交互 界面設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)

中國(guó)分類號(hào)：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069 （2020） 04-0025-03

引言

隨著當(dāng)代生物技術(shù)、機(jī)電液一體化技術(shù)、控制方法技術(shù)等的不斷提高，外骨骼機(jī)器人的技術(shù)支撐逐漸完善，其在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)有關(guān)資料顯示，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人的使用可以加強(qiáng)患者進(jìn)行肢體康復(fù)訓(xùn)練的有效性和精確性，提高治療效率[1]。但是，現(xiàn)階段由于用戶對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人缺乏了解，且其具有專業(yè)性強(qiáng)、不易操作、形態(tài)夸張等特點(diǎn)，大多數(shù)患者對(duì)于具有高科技感的外骨骼康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品較難產(chǎn)生信任感。因此，用戶和外骨骼康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品之間需要有效媒介指導(dǎo)用戶操作，使用戶積極、順利地完成康復(fù)訓(xùn)練[2]。基于現(xiàn)有外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)與功能，通過對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人和現(xiàn)有醫(yī)療界面的市場(chǎng)調(diào)研及對(duì)目標(biāo)用戶的問卷調(diào)研，得出界面設(shè)計(jì)方案，減輕用戶對(duì)具有高科技感的外骨骼康復(fù)機(jī)器人的排斥心理。

一、設(shè)計(jì)調(diào)研與用戶需求

（一）市場(chǎng)調(diào)研：外骨骼機(jī)器人是一種智能可穿戴設(shè)備，由于其外觀、功能與生物骨骼相似，安裝位置包裹人體，因此稱為外骨骼機(jī)器人。外骨骼康復(fù)機(jī)器人不僅能夠幫助老人、殘疾人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，也可以用于增強(qiáng)普通人的體力[3]。例如，ReWalk外骨骼機(jī)器人采用電池供電系統(tǒng)，輕便耐磨，在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處設(shè)有電機(jī)，利用用戶的重心變化來控制運(yùn)動(dòng)，如國(guó)1 a）所示。Keeogo外骨骼機(jī)器人是為髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎、多發(fā)性硬化癥和帕金森病的用戶研發(fā)的，幫助這類用戶群體更輕松的走路，如圖1b）所示。

由于外骨骼康復(fù)機(jī)器人主要面向待康復(fù)訓(xùn)練的用戶人群，對(duì)其客戶端的交互設(shè)計(jì)研究可從醫(yī)療產(chǎn)品APP進(jìn)行調(diào)查分析。筆者調(diào)研了市場(chǎng)上四種不同的醫(yī)療類APP，其界面如圖2所示，并對(duì)其從功能、風(fēng)格、顏色方面進(jìn)行分析[4]。表1為四種醫(yī)療APP分析。

“Cyrcadia Asia”界面風(fēng)格和色彩搭配針對(duì)女性用戶，暖色系使人感到溫暖。該界面也結(jié)合了產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)功能，將數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到用戶手機(jī)上，使產(chǎn)品的主要功能得到實(shí)現(xiàn)。“NormaTec Via”是設(shè)備上的交互界面，比起手機(jī)交互界面較為簡(jiǎn)單，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品基礎(chǔ)功能的使用，但可進(jìn)行交互的功能較少。“康復(fù)助手”使用藍(lán)色白色為主，有利于放松病人緊張的情緒。它是無器械康復(fù)手機(jī)應(yīng)用，可用于聯(lián)系醫(yī)生進(jìn)行住院手續(xù)的辦理。“Athos”作為身體機(jī)能監(jiān)測(cè)設(shè)備的附加手機(jī)終端，可以記錄用戶的身體變化、運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)、能流量消耗等數(shù)據(jù)，其身體結(jié)構(gòu)國(guó)也一目了然。

（二）問卷調(diào)研：為調(diào)研用戶對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人類產(chǎn)品的了解、對(duì)醫(yī)療類客戶端的使用情況和對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人客戶端界面設(shè)計(jì)的期望等要素，現(xiàn)采用問卷調(diào)查法進(jìn)行調(diào)研，并分析調(diào)研結(jié)果[5]。參與問卷調(diào)查的人群為年齡在20-50歲之間的成年人，問卷共回收有效數(shù)據(jù)44組。

在參與調(diào)研用戶中，75%的用戶沒有使用過外骨骼類醫(yī)療設(shè)備;18%的用戶身邊有人使用過外骨骼醫(yī)療設(shè)備;7%的用戶自己使用過外骨骼醫(yī)療設(shè)備。對(duì)于用戶使用過的醫(yī)療產(chǎn)品APP進(jìn)行調(diào)研，68%的用戶使用過健康監(jiān)測(cè)類客戶端;43%的用戶使用過體檢設(shè)備附加APP;14%的用戶使用過外骨骼醫(yī)療設(shè)備客戶端。另外，50%的用戶贊成醫(yī)療設(shè)備與手機(jī)客戶端進(jìn)行交互，認(rèn)為這樣可以提高產(chǎn)品使用效率;50%的用戶持中立態(tài)度，認(rèn)為接受與否取決于界面使用感受。

調(diào)查問卷中用戶回答比例最高三個(gè)問題為：1.61%用戶認(rèn)為使用外骨骼醫(yī)療產(chǎn)品時(shí)需要手機(jī)終端的輔助，以便簡(jiǎn)化產(chǎn)品使用過程，降低用戶對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人的排斥。2.如國(guó)3所示，對(duì)于外骨骼康復(fù)機(jī)器人手機(jī)終端附加功能的選擇，79%的用戶選擇了向醫(yī)生反饋康復(fù)數(shù)據(jù);68%的用戶選擇了向其他監(jiān)護(hù)人發(fā)送使用情況;54%的用戶選擇了發(fā)送通知提醒;21%的用戶選擇了調(diào)節(jié)字體大小;14%的用戶選擇了改變界面風(fēng)格。3.79%用戶認(rèn)為外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面設(shè)計(jì)應(yīng)選用簡(jiǎn)約大氣的風(fēng)格;50%的用戶選擇了簡(jiǎn)單冷靜的風(fēng)格。

除上述問題外，有用戶反映在使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)品時(shí)需要醫(yī)生協(xié)助，造成其金錢和精力上的負(fù)擔(dān);50%的用戶認(rèn)為外骨骼康復(fù)機(jī)器人APP功能應(yīng)細(xì)化，對(duì)產(chǎn)品的操作具體;有用戶在使用醫(yī)療設(shè)備手機(jī)界面時(shí)遇到過操作不夠簡(jiǎn)潔的問題，難以理解和使用。

調(diào)查問卷顯示，用戶認(rèn)為外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面設(shè)計(jì)有必要，對(duì)其界面功能的要求是細(xì)化功能輔助設(shè)備使用，界面風(fēng)格應(yīng)符合醫(yī)療設(shè)備屬性。如何設(shè)計(jì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面，需要進(jìn)一步研究與驗(yàn)證[6]。

二、功能樹菜單設(shè)計(jì)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和問卷調(diào)研得出的結(jié)論，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)與界面設(shè)計(jì)理論，現(xiàn)從顯性要素和隱形要素兩方面對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面設(shè)計(jì)進(jìn)行分析[7]。

（一）顯性要素：顯性要素是用戶能直接在交互界面中體會(huì)或使用到的設(shè)計(jì)要素，如界面的功能、外觀、操作方式等[8]。針對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人的界面設(shè)計(jì)提出的顯形要素有：a）風(fēng)格簡(jiǎn)潔;b）配色柔和且冷靜;c）根據(jù)制定的康復(fù)計(jì)劃發(fā)出使用提醒;d）含產(chǎn)品使用介紹，e）使用過程中監(jiān)測(cè)和記錄數(shù)據(jù);f）設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)反饋和提醒;g）為用戶提供產(chǎn)品調(diào)試說明;h）可分享數(shù)據(jù);i）可在線聯(lián)系醫(yī)生。

（二）隱性要素：隱形要素是設(shè)計(jì)中用戶對(duì)界面設(shè)計(jì)的抽象感受，如用戶對(duì)界面的期望、界面的信息構(gòu)架、數(shù)據(jù)反饋技術(shù)支撐等。針對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人的界面設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的隱形要素有：a）便捷;b）高效;c）容易接受;d）符合醫(yī)療設(shè)備APP設(shè)計(jì)理念;e）符合康復(fù)人群需求;f）體現(xiàn)外骨骼康復(fù)機(jī)器人功能特性;g）功能細(xì)化;h）操作簡(jiǎn)單;i）用戶可獨(dú)立操作;j）避免誤操作，

綜上分析，得出外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面功能樹菜單的主菜單為“我的醫(yī)生”、“我的外骨骼”、“健康記錄”、“通知”和“設(shè)置”。國(guó)4為“我的醫(yī)生”界面，該界面用于患者與主治醫(yī)師進(jìn)行聯(lián)系，用戶可以查找相關(guān)醫(yī)生，查看醫(yī)生資料。“我的外骨骼”界面（國(guó)5）為使用者提供了其外骨骼康復(fù)機(jī)器人的具體使用情況。“通知”界面用于該用戶與醫(yī)生或其他用戶的交流。“設(shè)置”界面為用戶提供此客戶端的基礎(chǔ)設(shè)置選項(xiàng)。

如圖6所示，“健康記錄”界面是用戶使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)最重要的界面，用于反饋用戶進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)肢體相關(guān)部位的各項(xiàng)參數(shù)，作為患者的身體數(shù)據(jù)記錄。筆者查閱醫(yī)院肢體檢查相關(guān)資料，參照肢體診斷各項(xiàng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出康復(fù)治療時(shí)的依據(jù)，得出界面反饋數(shù)據(jù)的部位為關(guān)節(jié)、骨骼、軟組織。“活動(dòng)測(cè)試”界面記錄了患者肢體的活動(dòng)數(shù)據(jù)如肌肉維度、肌力、肌張力，是患者進(jìn)行肢體康復(fù)治療時(shí)測(cè)量肌肉活動(dòng)的參數(shù)，這些數(shù)據(jù)不僅反映了患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的身體機(jī)能，也可幫助系統(tǒng)和醫(yī)生為患者完善下一步訓(xùn)練計(jì)劃。用戶還能在此界面中查看康復(fù)訓(xùn)練的完成情況，了解訓(xùn)練計(jì)劃的內(nèi)容及時(shí)間安排。

三、用戶行為分析

通過對(duì)用戶調(diào)研及產(chǎn)品功能的定位，得出了外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面設(shè)計(jì)的具體要求。在完成交互界面設(shè)計(jì)后，擬定用戶在特定場(chǎng)景中使用外骨骼穿戴康復(fù)機(jī)器人的行為，以使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人為前提，進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，并跟進(jìn)治療為目的，總結(jié)產(chǎn)品使用流程[9]。圖7為接收消息提醒的用戶行為流程圖，圖8為使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練的用戶行為流程國(guó)。具體操作如下：

（一）接收消息用戶行為：消息提醒功能使用戶接收到醫(yī)生或其他好友發(fā)來的消息;客戶端根據(jù)用戶訓(xùn)練計(jì)劃進(jìn)度，在指定時(shí)間向用戶發(fā)送訓(xùn)練提醒，用戶收到提醒后進(jìn)行“使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人”流程;當(dāng)外骨骼機(jī)器人穿戴設(shè)備需進(jìn)行調(diào)試時(shí)，手機(jī)客戶端向用戶發(fā)送調(diào)節(jié)提醒，用戶進(jìn)入界面后憑借可視化教學(xué)調(diào)整外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)備，必要時(shí)也可尋求專業(yè)人員幫助。

（二）使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人用戶行為：用戶到達(dá)特定場(chǎng)景，打開外骨骼康復(fù)機(jī)器人手機(jī)客戶端并穿戴好外骨骼康復(fù)機(jī)器人開始康復(fù)訓(xùn)練，界面顯示為“正在訓(xùn)練”，客戶端將記錄該用戶指定康復(fù)部位的特定指標(biāo)和用戶身體基本指標(biāo)如心率、體溫等;一次訓(xùn)練完成后，用戶通過手機(jī)客戶端查看當(dāng)前身體狀況、訓(xùn)練記錄、歷史數(shù)據(jù)分析等界面;用戶完成某階段康復(fù)訓(xùn)練后，將手機(jī)客戶端中記錄的訓(xùn)練數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)生，并與醫(yī)生在線交流，完善康復(fù)治療;用戶將康復(fù)記錄發(fā)送給其監(jiān)護(hù)人或家屬，作為訓(xùn)練進(jìn)度的保留。

四、界面設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果可以得出，外骨骼康復(fù)機(jī)器人手機(jī)界面風(fēng)格應(yīng)簡(jiǎn)潔明了，符合醫(yī)療設(shè)備功能屬性。界面配色使用了柔和的顏色，主色調(diào)為淺藍(lán)色、白色，提示色為淺黃色，各配色對(duì)比度較低[10]，避免造成使用者情緒波動(dòng)，提高了外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)備的親和度，使用戶更易接受外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品。外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面設(shè)計(jì)如圖9所示，具體內(nèi)容如下：

1.用戶打開手機(jī)應(yīng)用并成功登錄后看到的首個(gè)界面為“健康記錄”界面，如圖9a）所示，該界面顯示了用戶在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如訓(xùn)練時(shí)間、身體狀況、歷史變化、數(shù)據(jù)分析等。每次康復(fù)訓(xùn)練結(jié)束，這些數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)用戶客觀情況更新。

2.圖9b）為“我的醫(yī)生”界面，此界面用于患者與醫(yī)生進(jìn)行交流。在此界面中用戶可以進(jìn)行醫(yī)生資料查看、查找醫(yī)生等步驟。點(diǎn)擊醫(yī)生頭像可以進(jìn)入“醫(yī)生介紹”界面，此界面中有當(dāng)前醫(yī)生的詳細(xì)資料，用戶可進(jìn)行預(yù)約醫(yī)生或向醫(yī)生發(fā)送消息等操作。

3.“外骨骼機(jī)器人”界面（圖9c））顯示了用戶使用的外骨骼康復(fù)機(jī)器人的階段性使用時(shí)長(zhǎng)，使用者可再此界面查看外骨骼康復(fù)機(jī)器人的當(dāng)前設(shè)置。打開“參數(shù)調(diào)整”界面，用戶可以查看各零部件的狀況，需調(diào)整的零件標(biāo)有提示。用戶點(diǎn)擊需要調(diào)整的零部件圖標(biāo)，界面跳轉(zhuǎn)到調(diào)試說明頁面，其中文字和示意圖幫助用戶完成設(shè)備調(diào)試。

4.“消息通知”界面（圖9d））用于接收訓(xùn)練提醒、設(shè)備調(diào)整提醒和消息提醒，打開其中的“訓(xùn)練計(jì)劃”頁面可查看該用戶已完成和未完成的訓(xùn)練項(xiàng)目。“設(shè)置”界面包含了用戶設(shè)置、界面設(shè)置、外骨骼機(jī)器人管理、條款細(xì)則和幫助選項(xiàng)，為用戶使用該界面提供個(gè)性化選擇。

“健康記錄”界面作為此界面設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)功能界面，反饋了用戶使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練時(shí)身體的各項(xiàng)指標(biāo)，是系統(tǒng)制訂用戶訓(xùn)練計(jì)劃的重要依據(jù)，對(duì)患者的康復(fù)治療具有指導(dǎo)意義。該界面與其他界面相互配合，幫助使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人各項(xiàng)功能，同時(shí)將康復(fù)訓(xùn)練情況及時(shí)反饋給醫(yī)生并與醫(yī)生進(jìn)行交流，提高了外骨骼康復(fù)機(jī)器人的使用效率和安全性。

五、設(shè)計(jì)評(píng)估

為驗(yàn)證外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面設(shè)計(jì)的可行性，現(xiàn)選擇5名用戶參與設(shè)計(jì)評(píng)估。讓用戶使用外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面以完成指定任務(wù)，分別記錄各用戶完成這一任務(wù)各步驟的用戶行為和使用時(shí)間，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，作為外骨骼康復(fù)機(jī)器人界面設(shè)計(jì)的可行性評(píng)估。

讓全部用戶模擬完成“查看設(shè)備一調(diào)試設(shè)備”任務(wù)，將此總?cè)蝿?wù)按步驟要求分為四個(gè)具體任務(wù)目標(biāo)，歸納用戶行為，統(tǒng)計(jì)每個(gè)用戶完成每步的時(shí)間，并計(jì)算各組數(shù)據(jù)平均值。表2為用戶完成任務(wù)目標(biāo)的用戶行為和時(shí)間記錄，用戶完成總?cè)蝿?wù)的平均用時(shí)為36.2秒。

從上述用戶模擬測(cè)試得出，用戶可以在短時(shí)間內(nèi)找到對(duì)應(yīng)選項(xiàng)，完成指定操作。平均耗時(shí)最長(zhǎng)的任務(wù)目標(biāo)是調(diào)試外骨骼康復(fù)機(jī)器人參數(shù)，因用戶自身反應(yīng)速度和理解能力存在差異，完成任務(wù)目標(biāo)的用時(shí)有細(xì)微差距。總體而言，外骨骼康復(fù)機(jī)器人交互界面設(shè)計(jì)較容易被用戶接受，用戶可以理解其使用方法并獨(dú)立完成使用，此設(shè)計(jì)為可行設(shè)計(jì)。

結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，外骨骼機(jī)器人技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用于幫助患者進(jìn)行肢體康復(fù)訓(xùn)練。本文以外骨骼康復(fù)機(jī)器人及其用戶為研究對(duì)象，幫助患者接受外骨骼康復(fù)機(jī)器人并使用外骨骼機(jī)康復(fù)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練為目的，結(jié)合界面設(shè)計(jì)理論依據(jù)，設(shè)計(jì)出外骨骼康復(fù)機(jī)器人手機(jī)客戶端界面。設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估，驗(yàn)證了該界面設(shè)計(jì)的可行性。外骨骼醫(yī)療設(shè)備與手機(jī)客戶端的結(jié)合有利于增強(qiáng)用戶對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人的接受度，提高醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練效率。基金項(xiàng)目：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目（PPZY20158150“木材科學(xué)與工程”）。

參考文獻(xiàn)

[1] MaW， ZhangX， YinG Design on Intelligent Perception System for Lower Limb Rehabilitation ExoskeletonRobot[C] .Interuational Conference on Ubiquitous Robots& Ambient Intellhigence.

[2]蘇航.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)研究[D]. 2015

[3]邢凱，趙新華，陳煒，et al.外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2015，36 （1）：104-107

[4]李晶.人機(jī)界面設(shè)計(jì)課程體系探討[J].設(shè)計(jì)，2018，（23） 112-114

[5]趙寅，吳文爽.產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)與材料應(yīng)用研究[J].大眾文藝，2018 （10）：131-132

[6]金信琴，劉松巖.兒童安全座椅設(shè)計(jì)改良設(shè)計(jì)[J].設(shè)計(jì)，2018，297 （18）：116-117

[7]師曄蘭，郁舒蘭，薩興聯(lián).產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的“時(shí)間”思考[J].設(shè)計(jì)，2016 （17）：22-23

[8]褚中葦，魏東.交互設(shè)計(jì)在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].藝術(shù)與設(shè)計(jì)：理論，2007 （4）：41-42

[9]趙寅.居家養(yǎng)老產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究[J].大眾文藝，2018 （06）：46-47

[10]李晶，薛澄岐基于視覺感知分層的數(shù)字界面顏色編碼研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016，52 （24）：201-208圖片來源：

[圖2a）] irttps： //www.sohu.com/a/241729273_99893765

[圖2b）] http： //wwwnormatecusa.coin/patients-caregivers/how-it-works/

[圖2c）httqs：//itunes. apple.com/cn/app/wapatv/id896087641？mt=8

[圖2d）https：//itunes. apple. com/cn/app/athos/id927190993？mf=8&ign-mpt=uo%3D4