面向上肢殘疾人群的助餐機器人設計研究

孫一博

關鍵詞：上肢殘疾;助餐機器人;智能;設計

1 上肢殘疾人群界定

上肢殘疾人群作為肢體殘疾中的一類，患者通常行動方便，主要為上肢力量不足的殘疾群體，用戶因衰老造成上肢肌肉退化，并且保留一定下肢能力的老年人，根據上肢殘疾程度保留不同水平的動手能力，部分患者通過長期磨練可熟練掌握各種操作技能。

2 上肢殘疾人群用餐面臨的問題分析

在實地觀察過程中，筆者選取兩位典型用戶展開一日觀察研究，梳理得出整個就餐流程中的痛點。

2.1 用戶落座和就餐不便

護工在就餐前使用帶子圍繞用戶腰部和座椅，進行固定后喂食。在就餐過程中用戶身體容易發抖，有可能誤觸、打翻餐具。

2.2 陪護時間長

就餐過程中護工需要觀察用戶的吞咽狀態，確保用戶完成吞咽動作后再進行下一步喂食。護工在喂食過程中需要觀察老人的吞咽反應，增加服務時長。

2.3 就餐等待時間長

就餐過程中護工按照座位順序進行一對一服務，沒有輪到的用戶坐在椅子上等待服務，全部用戶完成用餐服務時已是下午兩點。等待護工助餐時間過長，老人容易錯過就餐時間。

3 面向上肢殘疾的助餐機器人產品的結構及特征分析

3.1 助餐機器人產品的結構分析

助餐機器人基本由機械臂、餐盤、控制裝置組成[1]。

1） 機械臂。機械臂是助餐機器人的主要功能結構，末端可以連接餐具模擬人類取食的運動軌跡取餐[2]。取餐方式主要有三種：勺式取食、夾持取食、叉式取食。勺式取食需要機械臂的運動軌跡模擬人類取食，運動軌跡較為復雜，機械臂自由度要求較高，可實現多種餐品取送，常餐、碎食、流食均可;夾持取食對于控制系統要求較高，取用餐品種類相比勺式取食較少，湯類、流食等液態食物無法盛取;叉式取食容錯率較低，取用餐品種類有限，只能叉取塊狀水果、主食等綿軟性塊狀餐品，市面上很難看到叉式取食的助餐機器人[3]。

2） 餐盤。餐盤是助餐機器人的主要儲食結構，餐盤的擺放要符合機械臂的運動軌跡范圍以及運動習慣，餐盤的形狀要方便餐具盛取食物，機械臂雖然可以代替人的手臂進行取餐操作，但是機械臂的運動模式相對固定，不如人的手臂靈活，餐盤的造型在取餐環節中起到輔助的作用，即通過造型上的設計確保食物不會落在餐盤外面。

3） 控制裝置。助餐機器人的控制裝置表現多樣，目前有踏板控制、語音控制、下頜控制、操縱桿控制以及眼動控制。眼動控制在目前還處于開發階段[4]。

3.2 助餐機器人產品特征分析

通過對助餐機器人的構成、使用方式的研究，與一般服務型機器人相比，助餐機器人具有指向人群性、長期性、功能完備性三種特征。

1） 指向人群性。服務機器人的應用范圍很廣，從維護保養到救援監護，服務機器人代替個體勞動力工作，能收獲更多的效益。而對于助餐機器人來說，服務對象為上肢障礙人群，替代勞動力為個體護工，一對一收獲效益而不是傳統服務機器人的一對多收益。所以從服務用戶角度出發，與一般服務型機器人相比，助餐機器人具有指向人群性的特點。

2） 長期性。對于上肢障礙群體，助餐機器人的作用是代替他們的上肢工作保證患者能夠正常進餐。少部分進行康復訓練之后可以完全恢復的上肢障礙群體，對于輔助產品的需求是短暫性的，但是大部分用戶的上肢障礙造成的傷害是永久性的。和對一般產品的需求不同的是，助餐機器人對于上肢障礙用戶是長期伙伴的關系。舉例來說，在進餐時間中助餐機器人幫助用戶進食，但是如果不使用助餐機器人，用戶將不具備獨立進食的能力。可以得出結論，長期性是助餐機器人的另一特征。

3） 功能完備性。人類正常生活和社會活動需要健全的生理機能維持，大部分肢殘疾人依靠肢體輔助產品來維持這種生理機能，對于上肢障礙人群來說，肢體障礙導致他們不能獨立完成就餐，必須借助外部力量才能保證基本的生活水平。舉例來說，上肢障礙人群進食時需要助餐機器人在旁邊代替選餐、取餐、送餐，可以說，功能完備性是助餐機器人的第三特性。

4 面向上肢殘疾人群的助餐機器人設計原則

4.1 易用性原則

易用性原則體現在簡化操作方式上。用戶自身的理解能力和活動能力有限，產品操作方式不可過于繁復?？梢岳脽o線技術提高機器人控制中心收發信息的效率，相同時間內能實現更多指令輸送，將信息工作量從前臺轉移至后臺運行，簡化用戶的操作流程。

4.2 智能化原則

助餐機器人在就餐過程中扮演了用戶的部分眼睛和手臂，這是傳統機械結構不能達到的，高智能化的控制處理系統是優秀助餐機器人的基本素質之一，優化了眼和手臂的協調能力。

4.3 實用性原則

現階段產品在實際操作過程中與實際就餐習慣不符，存在較高的學習成本，消磨了用戶耐心。參考傳統就餐流程，保留就餐的基本要素，實現不同狀態食物區分餐盤和餐具等。實用的、與當下就餐文化環境兼容的助餐機器人是用戶內心的呼聲。

4.4 穩定性原則

用戶對于輔助產品有天然的抵觸與不信任，經過驗證的、穩定的結構能保證產品長久的使用壽命，打消用戶疑慮，安撫用戶心情。

4.5 適配性原則

適配性原則體現在服務多場景、功能和風格的適配。首先，實現環境適配。助餐機器人需要放置在餐桌上對用戶進行輔助用餐，可以適配不同大小的餐桌，對機器人的空間要求占用率盡可能小。其次實現功能適配。在一個正常的就餐流程中，人們往往使用不同餐具來進行主食、配菜以及湯類食品的拿取，而在前期調研中發現助餐機器人使用餐具單一。中國飲食環境多樣，餐具多樣化更能適應國內的飲食習慣[5]。最后，實現風格適配。人性化是助殘類產品的最主要風格，敏感是殘疾群體心態的主畫像，輔助產品在設計時應該做到造型柔和、色彩搭配舒適，人機尺寸關系和諧等，避免造型尖銳，色彩、材質工業化等情況。

5 面向上肢殘疾人群的助餐機器人設計實踐

5.1 設計定位

助餐機器人主要由機械臂、旋轉餐盤以及下肢控制三部分構成。整體以白色系為主，淡綠、淡黃、金屬橙色作為輔助顏色，整體風格柔和圓潤。產品主要圍繞三方面解決問題：第一，減輕了患者照顧人的負擔，以前患者需要人員一對一喂食，現在僅需要擺放好餐品由患者自己控制機器人進行喂食;第二，餐盤固定，使助餐機器人在使用過程中不會因為用戶不小心而打翻;第三，幫助患者樹立生活自信心，使用產品過程中基本不需要他人幫助即可自行進食，對于患者而言是一個非常有成就感的過程（如圖1）。

5.2 設計思路

第一，功能設計。助餐機器人主機主要實現兩方面功能：幫助用戶進食以及自行更換餐具。對湯類食品和對應餐具和主食、配菜類菜品和對應餐具做了顏色區分，淺綠色的湯匙和小餐盤作為湯類食物專屬餐具組合，白色的湯匙和小餐盤作為其他類食物的專屬餐具組合。一個完整的就餐流程為：用戶落座――護工將餐食分類放入小餐盤中――用戶腳部左右滑動控制餐盤旋轉――腳步離開踏板時機械臂將前往取餐――送餐――進食。當用戶控制淺綠色標識餐盤面向自身時，機械臂會自主更換對應餐具繼續完成取餐、送餐任務。

第二，產品造型。產品整體造型流暢，在球體、圓柱體、圓臺體等基本幾何體的基礎上進行組合、切割，產品形態立體、明朗、有力，給用戶傳遞均衡、穩定的造型語言，用戶對產品的初印象更偏向于安全穩定，對產品的抵觸情緒較小。

第三，產品配色。產品色彩以低飽和度色系為主題，以白色為主，輔以少量淡綠色、淡黃色、橙色，助餐機器人與飲食密切相關，強調產品的安全衛生，所以選取象征清潔的白色作為主色調[4]。整體色彩風格潔凈莊重，關節處用活潑的橙色來消除整體色彩的嚴肅感。

6 結語

助餐機器人設計是在人工智能技術不斷強大的背景下興起的一個新課題，研發方向越來越注重和用戶的人機匹配性，同時社會給予上肢殘疾人的生活與飲食的關注越來愈多。國家推進護理保障體系健全成為時代趨勢，作為設計師有責任設計出更加適合他們自身情況的產品，幫扶他們重新建立生活的自信心，不斷提高他們的就餐獨立程度，相信無需等到未來，殘疾人就能借助助餐機器人像常人一樣就餐。