外骨骼康复机器人客户端交互设计研究

张砚文 高娃

摘要：探索外骨骼康复机器人客户端交互流程，设计具有可操作性的外骨骼康复机器人客户端交互界面。以交互设计理论为支撑，通过对外骨骼康复机器人的设计调研，分析外骨骼康复机器人客户端界面交互行为，提出外骨骼康复机器人客户端交互界面设计方案，并进行设计评估。通过设计评估验证了外骨骼康复机器人客户端交互界面的可操作性，减轻用户对具有高科技感的外骨骼康复机器人的排斥心理，从而提高用户治疗效率，对同类产品交互界面设计研究具有可参考价值。

关键词：外骨骼机器人 康复 人机交互 界面设计 设计

中国分类号：TB472

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 04-0025-03

引言

随着当代生物技术、机电液一体化技术、控制方法技术等的不断提高，外骨骼机器人的技术支撑逐渐完善，其在医疗康复领域的应用越来越广泛。据有关资料显示，在医疗康复领域，外骨骼机器人的使用可以加强患者进行肢体康复训练的有效性和精确性，提高治疗效率[1]。但是，现阶段由于用户对外骨骼康复机器人缺乏了解，且其具有专业性强、不易操作、形态夸张等特点，大多数患者对于具有高科技感的外骨骼康复机器人产品较难产生信任感。因此，用户和外骨骼康复机器人产品之间需要有效媒介指导用户操作，使用户积极、顺利地完成康复训练[2]。基于现有外骨骼机器人结构与功能，通过对外骨骼康复机器人和现有医疗界面的市场调研及对目标用户的问卷调研，得出界面设计方案，减轻用户对具有高科技感的外骨骼康复机器人的排斥心理。

一、设计调研与用户需求

（一）市场调研：外骨骼机器人是一种智能可穿戴设备，由于其外观、功能与生物骨骼相似，安装位置包裹人体，因此称为外骨骼机器人。外骨骼康复机器人不仅能够帮助老人、残疾人进行康复训练，也可以用于增强普通人的体力[3]。例如，ReWalk外骨骼机器人采用电池供电系统，轻便耐磨，在髋关节和膝关节处设有电机，利用用户的重心变化来控制运动，如国1 a）所示。Keeogo外骨骼机器人是为髋关节骨关节炎、多发性硬化症和帕金森病的用户研发的，帮助这类用户群体更轻松的走路，如图1b）所示。

由于外骨骼康复机器人主要面向待康复训练的用户人群，对其客户端的交互设计研究可从医疗产品APP进行调查分析。笔者调研了市场上四种不同的医疗类APP，其界面如图2所示，并对其从功能、风格、颜色方面进行分析[4]。表1为四种医疗APP分析。

“Cyrcadia Asia”界面风格和色彩搭配针对女性用户，暖色系使人感到温暖。该界面也结合了产品的监测功能，将数据及时反馈到用户手机上，使产品的主要功能得到实现。“NormaTec Via”是设备上的交互界面，比起手机交互界面较为简单，强调产品基础功能的使用，但可进行交互的功能较少。“康复助手”使用蓝色白色为主，有利于放松病人紧张的情绪。它是无器械康复手机应用，可用于联系医生进行住院手续的办理。“Athos”作为身体机能监测设备的附加手机终端，可以记录用户的身体变化、运动时长、能流量消耗等数据，其身体结构国也一目了然。

（二）问卷调研：为调研用户对外骨骼康复机器人类产品的了解、对医疗类客户端的使用情况和对外骨骼康复机器人客户端界面设计的期望等要素，现采用问卷调查法进行调研，并分析调研结果[5]。参与问卷调查的人群为年龄在20-50岁之间的成年人，问卷共回收有效数据44组。

在参与调研用户中，75%的用户没有使用过外骨骼类医疗设备;18%的用户身边有人使用过外骨骼医疗设备;7%的用户自己使用过外骨骼医疗设备。对于用户使用过的医疗产品APP进行调研，68%的用户使用过健康监测类客户端;43%的用户使用过体检设备附加APP;14%的用户使用过外骨骼医疗设备客户端。另外，50%的用户赞成医疗设备与手机客户端进行交互，认为这样可以提高产品使用效率;50%的用户持中立态度，认为接受与否取决于界面使用感受。

调查问卷中用户回答比例最高三个问题为：1.61%用户认为使用外骨骼医疗产品时需要手机终端的辅助，以便简化产品使用过程，降低用户对外骨骼康复机器人的排斥。2.如国3所示，对于外骨骼康复机器人手机终端附加功能的选择，79%的用户选择了向医生反馈康复数据;68%的用户选择了向其他监护人发送使用情况;54%的用户选择了发送通知提醒;21%的用户选择了调节字体大小;14%的用户选择了改变界面风格。3.79%用户认为外骨骼康复机器人界面设计应选用简约大气的风格;50%的用户选择了简单冷静的风格。

除上述问题外，有用户反映在使用外骨骼康复机器人產品时需要医生协助，造成其金钱和精力上的负担;50%的用户认为外骨骼康复机器人APP功能应细化，对产品的操作具体;有用户在使用医疗设备手机界面时遇到过操作不够简洁的问题，难以理解和使用。

调查问卷显示，用户认为外骨骼康复机器人界面设计有必要，对其界面功能的要求是细化功能辅助设备使用，界面风格应符合医疗设备属性。如何设计外骨骼康复机器人界面，需要进一步研究与验证[6]。

二、功能树菜单设计

根据市场调研和问卷调研得出的结论，结合产品设计与界面设计理论，现从显性要素和隐形要素两方面对外骨骼康复机器人界面设计进行分析[7]。

（一）显性要素：显性要素是用户能直接在交互界面中体会或使用到的设计要素，如界面的功能、外观、操作方式等[8]。针对外骨骼康复机器人的界面设计提出的显形要素有：a）风格简洁;b）配色柔和且冷静;c）根据制定的康复计划发出使用提醒;d）含产品使用介绍，e）使用过程中监测和记录数据;f）设备出现故障时反馈和提醒;g）为用户提供产品调试说明;h）可分享数据;i）可在线联系医生。

（二）隐性要素：隐形要素是设计中用户对界面设计的抽象感受，如用户对界面的期望、界面的信息构架、数据反馈技术支撑等。针对外骨骼康复机器人的界面设计应考虑的隐形要素有：a）便捷;b）高效;c）容易接受;d）符合医疗设备APP设计理念;e）符合康复人群需求;f）体现外骨骼康复机器人功能特性;g）功能细化;h）操作简单;i）用户可独立操作;j）避免误操作，

综上分析，得出外骨骼康复机器人界面功能树菜单的主菜单为“我的医生”、“我的外骨骼”、“健康记录”、“通知”和“设置”。国4为“我的医生”界面，该界面用于患者与主治医师进行联系，用户可以查找相关医生，查看医生资料。“我的外骨骼”界面（国5）为使用者提供了其外骨骼康复机器人的具体使用情况。“通知”界面用于该用户与医生或其他用户的交流。“设置”界面为用户提供此客户端的基础设置选项。

如图6所示，“健康记录”界面是用户使用外骨骼康复机器人进行康复训练时最重要的界面，用于反馈用户进行康复训练时肢体相关部位的各项参数，作为患者的身体数据记录。笔者查阅医院肢体检查相关资料，参照肢体诊断各项测量标准，总结出康复治疗时的依据，得出界面反馈数据的部位为关节、骨骼、软组织。“活动测试”界面记录了患者肢体的活动数据如肌肉维度、肌力、肌张力，是患者进行肢体康复治疗时测量肌肉活动的参数，这些数据不仅反映了患者进行康复训练时的身体机能，也可帮助系统和医生为患者完善下一步训练计划。用户还能在此界面中查看康复训练的完成情况，了解训练计划的内容及时间安排。

三、用户行为分析

通过对用户调研及产品功能的定位，得出了外骨骼康复机器人界面设计的具体要求。在完成交互界面设计后，拟定用户在特定场景中使用外骨骼穿戴康复机器人的行为，以使用外骨骼康复机器人为前提，进行康复训练，并跟进治疗为目的，总结产品使用流程[9]。图7为接收消息提醒的用户行为流程图，图8为使用外骨骼康复机器人进行训练的用户行为流程国。具体操作如下：

（一）接收消息用户行为：消息提醒功能使用户接收到医生或其他好友发来的消息;客户端根据用户训练计划进度，在指定时间向用户发送训练提醒，用户收到提醒后进行“使用外骨骼康复机器人”流程;当外骨骼机器人穿戴设备需进行调试时，手机客户端向用户发送调节提醒，用户进入界面后凭借可视化教学调整外骨骼康复机器人设备，必要时也可寻求专业人员帮助。

（二）使用外骨骼康复机器人用户行为：用户到达特定场景，打开外骨骼康复机器人手机客户端并穿戴好外骨骼康复机器人开始康复训练，界面显示为“正在训练”，客户端将记录该用户指定康复部位的特定指标和用户身体基本指标如心率、体温等;一次训练完成后，用户通过手机客户端查看当前身体状况、训练记录、历史数据分析等界面;用户完成某阶段康复训练后，将手机客户端中记录的训练数据发送给医生，并与医生在线交流，完善康复治疗;用户将康复记录发送给其监护人或家属，作为训练进度的保留。

四、界面设计

根据调研结果可以得出，外骨骼康复机器人手机界面风格应简洁明了，符合医疗设备功能属性。界面配色使用了柔和的颜色，主色调为浅蓝色、白色，提示色为浅黄色，各配色对比度较低[10]，避免造成使用者情绪波动，提高了外骨骼康复机器人设备的亲和度，使用户更易接受外骨骼机器人产品。外骨骼康复机器人界面设计如图9所示，具体内容如下：

1.用户打开手机应用并成功登录后看到的首个界面为“健康记录”界面，如图9a）所示，该界面显示了用户在进行康复训练时的各项数据，如训练时间、身体状况、历史变化、数据分析等。每次康复训练结束，这些数据会根据用户客观情况更新。

2.图9b）为“我的医生”界面，此界面用于患者与医生进行交流。在此界面中用户可以进行医生资料查看、查找医生等步骤。点击医生头像可以进入“医生介绍”界面，此界面中有当前医生的详细资料，用户可进行预约医生或向医生发送消息等操作。

3.“外骨骼机器人”界面（图9c））显示了用户使用的外骨骼康复机器人的阶段性使用时长，使用者可再此界面查看外骨骼康复机器人的当前设置。打开“参数调整”界面，用户可以查看各零部件的状况，需调整的零件标有提示。用户点击需要调整的零部件图标，界面跳转到调试说明页面，其中文字和示意图帮助用户完成设备调试。

4.“消息通知”界面（图9d））用于接收训练提醒、设备调整提醒和消息提醒，打开其中的“训练计划”页面可查看该用户已完成和未完成的训练项目。“设置”界面包含了用户设置、界面设置、外骨骼机器人管理、条款细则和帮助选项，为用户使用该界面提供个性化选择。

“健康记录”界面作为此界面设计的基础功能界面，反馈了用户使用外骨骼康复机器人进行康复训练时身体的各项指标，是系统制订用户训练计划的重要依据，对患者的康复治疗具有指导意义。该界面与其他界面相互配合，帮助使用外骨骼康复机器人各项功能，同时将康复训练情况及时反馈给医生并与医生进行交流，提高了外骨骼康复机器人的使用效率和安全性。

五、设计评估

为验证外骨骼康复机器人界面设计的可行性，现选择5名用户参与设计评估。让用户使用外骨骼康复机器人界面以完成指定任务，分别记录各用户完成这一任务各步骤的用户行为和使用时间，然后对结果进行分析，作为外骨骼康复机器人界面设计的可行性评估。

让全部用户模拟完成“查看设备一调试设备”任务，将此总任务按步骤要求分为四个具体任务目标，归纳用户行为，统计每个用户完成每步的时间，并计算各组数据平均值。表2为用户完成任务目标的用户行为和时间记录，用户完成总任务的平均用时为36.2秒。

从上述用户模拟测试得出，用户可以在短时间内找到对应选项，完成指定操作。平均耗时最长的任务目标是调试外骨骼康复机器人参数，因用户自身反应速度和理解能力存在差异，完成任务目标的用时有细微差距。总体而言，外骨骼康复机器人交互界面设计较容易被用户接受，用户可以理解其使用方法并独立完成使用，此设计为可行设计。

结论

随着科技的发展，外骨骼机器人技术取得了突破性的进展，在医疗康复领域应用广泛，主要用于帮助患者进行肢体康复训练。本文以外骨骼康复机器人及其用户为研究对象，帮助患者接受外骨骼康复机器人并使用外骨骼机康复器人进行康复训练为目的，結合界面设计理论依据，设计出外骨骼康复机器人手机客户端界面。设计完成后进行设计评估，验证了该界面设计的可行性。外骨骼医疗设备与手机客户端的结合有利于增强用户对外骨骼康复机器人的接受度，提高医疗康复训练效率。基金项目：江苏高校品牌专业建设工程项目（PPZY20158150“木材科学与工程”）。

参考文献

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

[2]苏航.基于虚拟现实技术的康复训练系统研究[D]. 2015

[3]邢凯，赵新华，陈炜，et al.外骨骼机器人的研究现状及发展趋势[J].医疗卫生装备，2015，36 （1）：104-107

[4]李晶.人機界面设计课程体系探讨[J].设计，2018，（23） 112-114

[5]赵寅，吴文爽.产品创新设计与材料应用研究[J].大众文艺，2018 （10）：131-132

[6]金信琴，刘松岩.儿童安全座椅设计改良设计[J].设计，2018，297 （18）：116-117

[7]师晔兰，郁舒兰，萨兴联.产品设计中的“时间”思考[J].设计，2016 （17）：22-23

[8]褚中苇，魏东.交互设计在人机界面设计中的应用[J].艺术与设计：理论，2007 （4）：41-42

[9]赵寅.居家养老产品设计研究[J].大众文艺，2018 （06）：46-47

[10]李晶，薛澄岐基于视觉感知分层的数字界面颜色编码研究[J].机械工程学报，2016，52 （24）：201-208图片来源：

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

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

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

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