基于FAHP/QFD/TRIZ 的智能醫(yī)療配送機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

李明浩，李 程

（綿陽城市學(xué)院，四川綿陽 621000）

隨著5G 和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)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(shù)對(duì)行業(yè)的快速推動(dòng)作用。目前世界處于后疫情時(shí)代，智慧醫(yī)療成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，為此完善智慧醫(yī)療成為必然趨勢，智能配送機(jī)器人能解決當(dāng)前背景下醫(yī)療配送服務(wù)功能[1]。面對(duì)當(dāng)前的時(shí)代背景，智能配送機(jī)器人設(shè)計(jì)可為防控病毒傳播貢獻(xiàn)一份力量[2]。當(dāng)前我國學(xué)者對(duì)配送機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)研究。其中任工昌等[3]采用ROS 方法對(duì)冷鏈配送機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航、避障功能設(shè)計(jì)。目前研究現(xiàn)狀更偏向技術(shù)路線，對(duì)產(chǎn)品自身的創(chuàng)新設(shè)計(jì)較少且缺乏對(duì)用戶使用體驗(yàn)研究，造成了當(dāng)前的智能醫(yī)療配送機(jī)器人設(shè)計(jì)創(chuàng)意單一、用戶體驗(yàn)不佳等問題。

綜上，當(dāng)前智能醫(yī)療配送機(jī)器人設(shè)計(jì)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(yàn)，設(shè)計(jì)出最佳創(chuàng)新智能醫(yī)療配送機(jī)器人。可通過FAHP、QFD 與TRIZ 集成理論體系，構(gòu)建設(shè)計(jì)流程[4-5]。

1 智能醫(yī)療配送機(jī)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(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的方法[6]。FAHP 分析步驟分別是：①構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)；②構(gòu)建模糊互補(bǔ)判斷矩陣；③由模糊一致矩陣計(jì)算權(quán)重；④層次總權(quán)重排序[7]。

1.1 構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)

結(jié)合德爾菲分析法，進(jìn)行問卷訪問以及討論，運(yùn)用層次分析法對(duì)收集的數(shù)據(jù)、資料進(jìn)行分析整理，建立出智能醫(yī)療配送機(jī)器人的AHP 模型，如圖1 所示。

圖1 用戶需求層次模型

1.2 構(gòu)建模糊互補(bǔ)判斷矩陣

模糊互補(bǔ)判讀矩陣是各指標(biāo)層的兩兩比較，假定有a1，a2，...，an元素，建立關(guān)系矩陣

式中：rij為指標(biāo)ai與指標(biāo)aj相較于上一層指標(biāo)的隸屬度比較。

為了確定隸屬度，根據(jù)Seaty 標(biāo)度原則，設(shè)置1~9的模糊判斷尺度。根據(jù)專家綜合評(píng)分，由此可得出如下的模糊互補(bǔ)判斷矩陣

1.3 模糊一致矩陣計(jì)算權(quán)重

在構(gòu)造模糊判斷矩陣時(shí)，需考慮其一致性，由于在實(shí)際決策中不能直接構(gòu)造出具有一致性的判斷矩陣，因此需要進(jìn)行以下公式轉(zhuǎn)換。

求矩陣R 進(jìn)行乘積

進(jìn)行公式變換

按列歸一化求各指標(biāo)權(quán)重值Wi

求綜合權(quán)重

式中：幾何平均值ωi計(jì)算

求判斷矩陣的最大特征值λmax

對(duì)判斷矩陣所得的權(quán)重進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

式中：CI越接近0 值，表示一致性更大。CR值小于0.1時(shí)，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(quán)平均模糊算子，將模糊評(píng)價(jià)矩陣與層次分析法得出的單排序權(quán)重進(jìn)行合成運(yùn)算，運(yùn)算方式為單一元素的綜合權(quán)重等于該元素所在層次權(quán)重乘以該元素指標(biāo)層權(quán)重[8]。根據(jù)上列公式計(jì)算可得出單排序權(quán)重，綜合權(quán)重以及一致性檢驗(yàn)見表1。

表1 單排序權(quán)重、綜合權(quán)重、一致性檢驗(yàn)匯總表

1.4 層次總權(quán)重排序

由表1 可看出在準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重最高的功能需求，其次是使用性、造型，最后是經(jīng)濟(jì)性。由于用戶具有特殊性，所以對(duì)其在功能上需求較高，其次用戶對(duì)醫(yī)療配送機(jī)器人較為陌生，所以在其使用上也存在需求。在指標(biāo)層可看出在功能需求上，對(duì)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(duì)智能便捷與安全可靠有較高的需求，在經(jīng)濟(jì)性需求上，對(duì)于造價(jià)成本低有需求。語音交互、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合適、續(xù)航能力長、故障率低、使用成本低、維護(hù)成本低需求較低。

2 智能醫(yī)療配送機(jī)器人設(shè)計(jì)要素分析

QFD（質(zhì)量工程展開）是為了把用戶或市場的需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要求。HOQ（質(zhì)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(zhuǎn)換[9]。設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品研發(fā)過程中通過HOQ 形式把用戶需求分成設(shè)計(jì)要求、工藝要求、生產(chǎn)要求等，再進(jìn)行分類歸納，將其轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的技術(shù)要求。QFD 能根據(jù)需求找出核心設(shè)計(jì)要素，提高了設(shè)計(jì)效率。

根據(jù)FAHP 所分析出的需求權(quán)重轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要素重要度，分析出設(shè)計(jì)要素權(quán)重排序。求重要度權(quán)重

式中：Rij為質(zhì)量屋關(guān)系數(shù)值；Wi為需求權(quán)重。

建立智能配送機(jī)器人質(zhì)量屋。根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)師與行業(yè)專家對(duì)用戶需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要素，整理出15 個(gè)設(shè)計(jì)要素，根據(jù)對(duì)智能配送機(jī)器人的用戶需求與設(shè)計(jì)要素進(jìn)行相關(guān)性分析，構(gòu)建智能醫(yī)療配送機(jī)器人的“用戶需求-設(shè)計(jì)要素”質(zhì)量屋，如圖2 所示。在關(guān)系矩陣中，“5”表示兩者間強(qiáng)相關(guān)，“3”表示兩者間中相關(guān)，“1”表示兩者間弱相關(guān)，空白表示兩者間不相關(guān)。

圖2 智能醫(yī)療配送機(jī)器人質(zhì)量屋

3 智能醫(yī)療配送機(jī)器人設(shè)計(jì)矛盾分析與解決策略

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

3.1 智能醫(yī)療配送機(jī)器人設(shè)計(jì)矛盾分析

通過設(shè)計(jì)要素之間的相關(guān)性分析，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)中是否存在沖突，設(shè)計(jì)要素間存在的負(fù)相關(guān)情況，表明有技術(shù)或物理沖突。由圖2 可知，智能醫(yī)療配送機(jī)器人主要存在1 對(duì)技術(shù)矛盾與2 對(duì)物理矛盾。根據(jù)TRIZ 理論，將沖突問題轉(zhuǎn)化為TRIZ 相關(guān)問題見表2。

表2 沖突問題的TRIZ 問題轉(zhuǎn)化

3.1.1 蓄電裝置矛盾

蓄電池為配送機(jī)器人的整體運(yùn)行提供電能，置于配送機(jī)器人機(jī)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(huì)造成續(xù)航能力低，因此構(gòu)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(jī)體大小決定配送效率，艙體衛(wèi)生決定物品質(zhì)量安全，由于配送物品的不一致性，對(duì)艙體的大小有不同的要求，物品的不同屬性，對(duì)艙體空間有不同需求，故越要保證物品的安全衛(wèi)生，則對(duì)空間分割要求越高，艙體設(shè)計(jì)難度增大，因此構(gòu)成了物理矛盾。

3.1.3 配送技術(shù)矛盾

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

3.2 智能醫(yī)療配送機(jī)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(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)中相對(duì)應(yīng)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(jī)器人相關(guān)知識(shí)、技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，獲取可行性高的智能醫(yī)療配送機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

3.2.1 蓄電裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)TRIZ 理論40 個(gè)創(chuàng)新原理得出3 號(hào)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(hào)原理，將配送機(jī)器人機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)較大，將蓄電池裝置設(shè)計(jì)成智能充電模式，及時(shí)供給電量，增加蓄電能力。

3.2.2 配送艙設(shè)計(jì)

根據(jù)TRIZ 理論40 個(gè)創(chuàng)新原理得出1 號(hào)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(hào)原理，將配送艙進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，分為2種配送艙體模式，一種為配送用戶醫(yī)療相關(guān)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(jìn)行艙隔大小設(shè)計(jì)。

3.2.3 配送技術(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)TRIZ 理論40 個(gè)創(chuàng)新原理得出23、24 號(hào)發(fā)明原理解決矛盾，原理與矛盾表述見表5。

根據(jù)24 號(hào)原理，升級(jí)傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)，采用激光雷達(dá)傳感器與雙目視覺傳感器并行的系統(tǒng)進(jìn)行定位，內(nèi)置位置追蹤、障礙物傳感器進(jìn)行智能避讓，避免單一系統(tǒng)對(duì)硬件的過度依賴，通過視差的方式實(shí)現(xiàn)距離的測量，并在系統(tǒng)中建立多維世界，運(yùn)用自適應(yīng)的算法，對(duì)動(dòng)態(tài)實(shí)體進(jìn)行準(zhǔn)確的軌跡預(yù)測，避讓行人、障礙物等。根據(jù)23 號(hào)原理，將傳統(tǒng)四輪驅(qū)動(dòng)替換成可旋轉(zhuǎn)360°的萬向輪，使配送機(jī)器人在感知到較小的空間，能夠完成轉(zhuǎn)彎操作，以便適應(yīng)復(fù)雜的醫(yī)院環(huán)境。

4 智能醫(yī)療配送機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

根據(jù)TRIZ 理論矛盾解決策略進(jìn)行創(chuàng)新性構(gòu)思，對(duì)各方案進(jìn)行優(yōu)選，利用計(jì)算機(jī)輔助建模、渲染。設(shè)計(jì)過程中參考用戶需求與設(shè)計(jì)重要度排序，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行方案確定，方案效果圖，如圖3 所示。產(chǎn)品的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括以下內(nèi)容。

圖3 智能醫(yī)療配送機(jī)器人方案圖

功能區(qū)域設(shè)計(jì)，分為3 個(gè)部分，包括底座、機(jī)體、頂部。底部主要裝置萬向輪、平衡感應(yīng)器、激光雷達(dá)、避障傳感器和雙目視覺攝像頭等硬件系統(tǒng)，機(jī)體有配送艙與蓄電池箱2 部分，頂部裝置觸摸屏、ID 卡識(shí)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(shè)定高度較高，避免用戶經(jīng)常深蹲、彎腰等動(dòng)作。

配送艙體模塊化設(shè)計(jì)，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(qiáng)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(shè)計(jì)，采用激光雷達(dá)傳感器與雙目視覺攝像頭并行系統(tǒng)進(jìn)行定位識(shí)別；避障傳感器進(jìn)行避障；高平衡傳感器保障配送過程平穩(wěn)運(yùn)行；人工智能方法與預(yù)先設(shè)定路徑方法結(jié)合進(jìn)行路徑規(guī)劃；ID 卡識(shí)別區(qū)保證用戶存、取物品安全，避免錯(cuò)拿、誤拿等行為；自動(dòng)回充系統(tǒng)檢測電量不足時(shí)，能自主找到預(yù)先設(shè)定好的電源進(jìn)行快速充電，保證續(xù)航能力；報(bào)警系統(tǒng)，在發(fā)生自身故障時(shí)，實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。語音交互，提醒用戶在使用前、使用中、使用后事項(xiàng)，減少用戶操作失誤。

造型外觀設(shè)計(jì)，采用仿生設(shè)計(jì)，根據(jù)服務(wù)人員的外形進(jìn)行抽象設(shè)計(jì)，讓用戶體驗(yàn)到被服務(wù)的感覺；采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，視覺具有穩(wěn)定性，符合當(dāng)前醫(yī)院形象。

5 結(jié)論

FAHP、QFD 與TRIZ 的集成設(shè)計(jì)模式在智能醫(yī)療配送機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(quán)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(jí)時(shí)的準(zhǔn)確性。其次通過QFD 將用戶需求轉(zhuǎn)化為技術(shù)要求，確定設(shè)計(jì)重要度排序及發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)要素之間的矛盾。最后應(yīng)用TRIZ 理論尋找解決策略，設(shè)計(jì)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(yàn)的醫(yī)療配送機(jī)器人。這種集成設(shè)計(jì)模式能夠在一定程度上彌補(bǔ)設(shè)計(jì)理論單一現(xiàn)狀，可為相關(guān)配送機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供參考。