基于AD与TRIZ的病区巡护机器人功能集成设计

石元伍 齐廉恒美

引言

随着人们收入水平的提高和对自身健康的重视，应用于医疗产业的服务机器人数量也在不断增长，目前主要应用于远程医疗、慢性病跟踪治疗、前台问诊、复健等领域，是一种智能程度较高的机器人。由于医疗服务机器人可代替人做一些重复的工作，一定程度上减轻了医务人员的负担，且缓解了人力资源相对缺乏的事实，所以配合医疗服务产业运作的机器人有长足的发展潜力。但是医疗服务机器人作为医疗工作中不可或缺的存在，还有待改进和发展，使护理工作更具有针对性。为研究出适用于病区、功能更实用、服务更精准高效的病区巡护机器人，集成AD与TRIZ方法进行创新设计。首先对特定人群与环境进行调研分析，确定用户域需求，以用户需求作为出发点，生成具体功能需求。设计过程中將结合AD与TRIZ的集成方法来更好地解决设计问题，最终运用信息公理评价最优方案并使用Rhino三维软件完成病区巡护机器人概念设计方案。

一、医疗服务机器人

（一）现状分析：随着科学理论和工程技术的发展，医疗产业也获得了快速的进步。从传统的医疗系统过渡到以现代服务为理念的智能医疗系统也是大势所趋。医疗服务机器人包罗万象，除了手术用机器人之外，还有用于生理组织样本分析、看护、复健、送餐等方面的服务型机器人。研究医疗服务机器人，不仅是为了适当减轻护理成本，也是为了能不断提升人们的医疗服务体验。所谓服务是“以自立及提升生活质量为目标的一种协助手段”所以巡护机器人的设计应该注意到这一点。随着人们观念的变化和可支配收入的提高，对医疗服务质量的要求也逐渐提高，医疗服务机器人将会被更多人接受。且目前一系列扶持政策的出台和技术成本的降低，正是研究医疗服务机器人的契机。

（二）市场分析：我国医疗服务机器人发展虽处在景气周期，但在发展过程中，与其他生产制造行业类似，市场发展比较缓慢。医疗服务机器人虽然在理论研究上得到了很大进步，但在实际应用中，还属于较低智能活动水平，功能单一，操作复杂。（如图1）所示，当前市面上的服务机器人在医疗护理任务中，还存在以下问题：（1）信息交互程度低;（2）造型生硬;（3）服务功能不全面，使用场所没有针对性;（4）操作使用复杂目不协调。

上述产品在功能、造型上存在的问题，使得其给用户带来了交互程度低，功能不全面、操作复杂、外观语言乏味等不良体验。为了设计出更适用于病区环境，更好服务住院病人的巡护机器人，结合了AD与TRIZ理论方法更好地解决功能矛盾等问题，对病区巡护机器人需求进行调研分析，功能上进行创新设计。

二、病区巡护机器人设计分析

（一）需求分析：根据调研可知等级医院管理制度将医院分成一、二、三级，其中三级医院中又分为甲、乙、丙、特，其中特水平最好。特、甲医院的技术水平比较权威，除了提供社区宣传、康复保健、疾病预防外还能提供较为全面的病患护理工作、甚至病人出院后的跟踪回访活动等。问卷调查也在特等和甲等医院中展开，随机选取武汉市符合条件的四家医院，对住院病房的患者进行生理上和心理上的了解，并列出（如表1）所示表格。

从表中可知，随着人们对自身健康和医疗服务升级的重视，住院病人对就医体验的要求也逐渐提高。在生理需求方面，患者普遍对病房环境、空气、设施、医疗护理等有明显需求;心理需求方面，不同年龄、性别、文化的病人都希望医护人员态度和蔼，增加医患沟通，这表明了病人对心理护理与服务态度的迫切需求，部分病人还希望出院后能与主治医生保持联系，尽早康复。

（二）需求排序：由此可见，在医疗资源短缺的情况下，病区需要一台巡护机器人来帮助提升工作效率，并提升患者的就医体验。有一个舒适的治病环境和良好的医护秩序，能使病人更好地适应病程，也增强了早日康复的信心。整理资料后，将所得结果按照需求迫切程度排序（如表2）所示。

三、结合AD与TRIZ的集成方法

（一）集成方法介绍：设计方法是产品开发过程中比较重要的一环，是支撑产品创新的核心。公理设计是现阶段研究产品设计的热点理论，它的主要目的是给设计者提供正确的思路，并作出相对正确的决策。NamP.Suh教授于1990年提出的这种设计决策方法，使设计者可以对整个设计流程进行把控。在研究用户需求并进行分析后，能有效减短设计中错误的迭代过程，基于AD原理，可以更直观地审视整个设计过程，及时修改设计中处理不足的地方，并逐渐细化后续方案，为整个设计过程提供了基础性框架。

TRIZ理论是一套独具特色的强大工具包，特别是在形成思路和解决问题的部分，给予设计者的支持远超于头脑风暴等传统方法。通过TRIZ可以了解到以往科技与工程方面的成果，它可以指导设计者改善当前的系统和程序，消除这个过程中存在的问题，帮助找到相应的概念，深入理解需求，激发新的创意，用以发展下一代系统，发现最具创造性的解决方案。

在激烈的市场竞争中，将不同的设计理论合并有助于提高设计效率，从而产生产品开发方面的优势，研究新的设计模型也是现阶段设计理论研究的发展方向。AD的优点是在每一个设计过程中进行映射，对流程进行科学分解。AD虽然有助于构建设计者的整体逻辑框架，但设计者总是靠主观经验来判断设计，所以难以具体到设计中的矛盾问题。因此需要结合TRIZ理论来解决问题。但TRIZ理论不能最终评价设计方案，还需用AD中信息最小公理选择最佳方案。AD与TRIZ理论互补的理论方法使设计方案更具有创造性，使设计者沿着一个清晰的路径决速解决问题，具有一定的科学意义。

（二）概念设计流程模型：基于以上集成方法，将流程模型分为四个部分：（1）发现问题阶段，先进行背景研究和调研分析得到大致方向，并初步对用户需求排序，分析当前的医疗服务机器人作为产品有哪些问题，并对这些问题进行描述和分析。（2）分析问题阶段，进一步确定用户需求和功能需求，根据公理设计中“域”的概念，将用户域与需求域进行需求对照，找出基本功能和重要功能，并进一步分析矛盾类型。（3）问题解决阶段，运用TRIZ矩阵对应发明原理逐个解决设计问题。（4）方案设计阶段，利用三维模型创建出设计方案，继续结合AD中最小信息含量公理对方案进行选择，完成效果方案。方法流程模型（如图2）所示。

四、病区巡护机器人设计案例

（一）病区巡护机器人问题描述与分析：在一个医生数量有限，新兴疾病不断和超级细菌频生的世界里，医疗保健不仅是社会、个人者B关注的问题，也是科学界关注的重要领域，用机器代替人工完成一些重复任务是当前服务机器人领域发展的必然选择。

（1）问题描述。通过问卷调研和医疗服务机器人的现状研究，可了解到当前的医疗服务机器人其主要问题集中在：功能系统不全面、人机交互体验差、健康数据管理乱、造型呆板不美观、使用过程人性化程度低这些方面。在发展优化功能的医疗服务机器人领域中，现有的医院模块化病区管理需要机器人在相对复杂的环境中发挥更多的作用。针对这样的人群需求及任务功能，需要设计师综合目前医院使用环境需要及医疗服务机器产品本身不足的情况下综合考虑设计。

（2）问题分析。—方面，随着人们生活水准的提高和医疗卫生体系的发展，社会对医疗服务的质量要求也越来越高，像其他服务行业—样也需要体验升级。另—方面，随着医疗资源的短缺，借助外部条件来缓解就医压力的需求也越来越明显。通过有针对性地分析当前医疗服务机器人的特点可知，其具体功能需要针对医院环境的实际情况做出改变，进一步体现在药物运送、预防交叉感染、医患沟通这几个功能要素上。只有找出迫切的需求矛盾加以解决，才能更好地为使用人群提供完善的医疗服务，真正向“智能医疗”时代迈进。（如表3）为当前市场上医疗服务机器人存在的问题情况，可发现一些产品在设计中忽略了患者的心理和生理需求，主要存在功能不够完善，操作不易等问题。

（二）冲突确定与解决方式：病区巡护机器人作为一款服务于病区环境的产品，存在一定的特殊性，在满足照护病患需求的同时，也要提高医务工作者的工作效率，所以具体功能还需进一步明确。通过前期的背景调研和列举当前医疗服务机器人出现的问题，将用户需求域与功能需求域进行映射，下一步用矛盾矩阵解决映射过程中出现的问题，最后运用信息公理选择设计方案。（如表4）为用户需求与功能需求对照。

在列出用户需求与功能需求后，将CA1～CA6的实际需求情况继续进行分类整理，为后期更好地解决矛盾提供铺垫。其中，FR6为期望性需求，为整个功能设计的设计目标，因此不作为具体设计内容考虑，但在设计结果的筛选上可作为设计信息量进行考虑。FR1与巡护机器人物流运送功能设计相对应，FR2与保持病房空气洁净功能设计相对应，FR3和FR4可归于信息可视化功能设计，FR5归于造型色彩设计问题。根据以上分析可知，当前的医疗服务机器人除基本的药物配送外，信息可视化，空气洁净，造型情感化是改进的关键因素。由于使用者主要是病患，在操作方面要简单，尤其体现在交互界面上。上述问题将转化为39个通用工程参数（如表5）所示。

在40条发明原理中，选取第10，15，17，28，32条发明原理，具体解释（如表6）所示。根据预处理原理，针对定时巡视病房，药品分发等，提高了医院工作效率。根据动态和另外的维度原理加入空气净化功能部分。根据替代机械系统原理，由于使用者主要为住院病人，操作简单非常重要。可用语音或手边按键得方式来呼唤机器人，增大屏幕交互部分，使患者可以用指纹或就医卡查看自己的身体报告或取药，来达到信息可视化功能，使操作简单。数据可视化就是利用直观的图形化形式来快速向使用者传达有效的信息，具有设计感的数据信息可以帮助用户更好地理解数据结果、提升用户体验。根据改变颜色原理，可将机器人外观颜色作适当处理，医疗产品设计作为工业设计的一部分，与一般的产品设计不同，更需要体贴用户的心理方面，注意他们的感情变化。由于医疗服务面向医护人员和病患两个用户群体，在设计过程中，既需要考虑实际操作时的容易操作、容易理解，在外观设计上也需要随时向病患传达可靠、安全、心里舒适的情感，缓解患者在治疗过程中的心理压力，从而使病患积极面对治疗。

（三）方案设计与筛选：通过分析需求域向功能域映射过程，根据公理设计中信息最小公理对设计方案进行以下定性描述：（1）巡护机器人应以配送病人每日需要的药物为基础功能;（2）在机器后箱体部位增加净化空气功能，除了保持病房空间内空气的洁净度，也极大降低了病菌交叉感染的可能性。（3）交互界面应做到信息可视化，操作简单，使患者直观地了解自己的就医情况，并能方便接受巡视查房;（4）外观造型上应符合医疗环境，适当改变功能分区的色彩。根据以上定性描述，设计出（如图3）所示的两种方案。方案2在整体设计上将多个功能进行了集成化处理，既增加了空气净化功能，信息可视化的交互方式也更加直观。病区巡护机器人的服务人群是住院患者，他们在康复治疗的同时在心理上也需要理解和安慰。在集成功能时，在保障功能实现的同时在造型上应该传达出一定的亲和力，外观应该类人形且较圆润。保证外形设计中没有无用结构，设计一定要基于实际功能。以白色为主要颜色，机体两侧及轮子部分配有光圈灯饰，向使用者传达出简洁可靠的信息，消除机械感。通过比对方案1，保证了功能的独立性，信息量最小，所以方案2为最优选择。

结语

基于AD与TRIZ的集成方法，在理论上上能做到优势互补，有利于提升设计效率。设计出病区巡护机器人，验证了集成方法的可行性，为以后类似的设计提供了一定的方法依据。设计的核心永远都是以人为本，只有注重需求的设计才是好设计，在医疗产品设计中用户的心理感受和体验尤为重要。医疗健康领域是最注重人文关怀的行业之一，如何提升用户体验成了人们早日迈入智能医疗环境要直面的问题。通过巡护机器人的创新设计，提升了患者的就医体验，也是迈入智能医疗時代和医疗服务升级的一种体现形式。

下一步研究的重点是对病区巡护机器人外观造型的进一步改进，使其更加适应医疗服务市场。文中提出的方法模型还可结合其他理论进行验证，有待完善。