老龄服务机器人物理界面设计评估模型

王秋惠 王雅馨 杨悦

摘 要：交互界面设计质量是保障人机系统运行效率的关键。为评估老龄服务机器人物理界面的可用性水平，以老年用户为研究对象，探索服务机器人物理界面设计评估模型。选取50名老年样本，依据评价等级划分综合评估分值区间，参照设计评估体系对机器人实例进行模糊综合评价。基于改进群组层次分析法（GD-AHP），结合德尔菲专家评估法构建各指标判断矩阵，从功能、尺寸、交互、色彩与外观五方面建立老龄服务机器人物理界面设计评估指标体系，利用聚類分析计算一致度系数，获得各层级指标权重数值，最终构建评估理论模型。运用模糊综合评价法依据老龄服务机器人物理界面评估体系对服务机器人实例进行综合评价分析可得评估模型合理。该评估模型能有效反映机器人设计阶段各要素的关联属性，评价结果符合实际设计流程，评估系统能提高产品产出品质，可以有效减少设计问题的出现。

关键词：老龄服务机器人;物理界面;改进群组层次分析;评估指标体系;理论评估模型

中图分类号：TP 242   文献标识码：A   文章编号：1672-7312（2021）04-0424-08

Stablishment of Physical Interface Design

Evaluation Model for Aged Service Robot

WANG Qiuhui，WANG Yaxin，YANG Yue

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China;2.School of Economics and Management，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：The design quality of interactive interface is the key to ensure the operation efficiency of man-machine system.In order to evaluate the availability level of physical interface of service robots for the aged，an evaluation model for physical interface design of service robots was explored with elderly users as the research object.50 elderly samples were selected，and the comprehensive evaluation score interval was divided according to the evaluation grade，and the fuzzy comprehensive evaluation was carried out according to the design evaluation system.Based on the improved group analytic hierarchy process （GD-AHP），combined with the Delphi expert evaluation method to construct the judgment matrix of various indicators，the paper established the physical interface design evaluation index system of the aging service robot from the five aspects of function，size，interaction，color and appearance，used the clustering analysis  to calculate the consistency coefficient to obtain all levels index weight value，and finally constructed the evaluation model.The fuzzy comprehensive evaluation method was used to evaluate the service robot instances according to the physical interface evaluation system of service robot for the aged，and the evaluation model was reasonable.The evaluation model can effectively reflect the associated attributes of each element in the robot design stage，and the evaluation results are consistent with the actual design process.The evaluation system can improve the product quality and effectively reduce the occurrence of design problems.

Key words：aged service robot;physical interface;improved group decision-analytic hierarchy process;evaluation index system;theoretical evaluation model

0 引言

公众对于养老问题的重视，促使智能养老模式开始融入老年人的实际生活。老龄服务机器人可替代人完成各类工作[1]，有助于解决养老服务匮乏的问题。

老龄服务机器人人机界面是指老年人与服务机器人在人机交互过程中所形成的物理界面和信息界面的总称[2]，通常物理界面会优于信息界面首先进入用户视野。老龄服务机器人外观造型设计要素是最直观、最易获取的认知信息，用户会依据外观造型对于机器人的功能进行判断[3]。构建物理界面的设计评估指标体系及评估理论模型，可有效提升设计质量。针对物理界面，毕翼飞[4]等运用了感性工学相关理论，通过意象尺度图将老年用户的感性意象转化为老年陪护机器人的造型设计要素。朱彦[5]采用语义差异法和层次分析法将感性认知量化，对家庭服务机器人的功能需求和机械结构提出新的设计方案。FERRs[6]等基于用户需求的研究，通过用户调研和数据分析，分析出家居服务机器人的设计需求和基本特征，并规定出设计优先级。

以上多针对造型结构及功能需求进行概括研究，但欠缺对于设计评估指标计算的深入分析，改进层次分析法可对评估指标权重进行计算，如樊火印[7]等提出通过改进修正层次分析法建立调查表格来计算辽宁省高速公路路面性能现状和养护需求的路面性能指标权重值。王霞[8]等采用改进层次分析法计算油气管道安全风险的指标权重，并对油气管道安全状态进行分析和评价。

综上可知，改进层次分析法可有效计算指标权重值，但在老龄服务机器人物理界面设计评估指标计算中应用较少，具有研究空间。虽然国内外学者对老龄服务机器人物理界面设计进行了大量研究，并取得了较多成果，但对于老龄服务机器人物理界面设计评估模型建立的研究区域较为空缺，缺少对设计产品的完善评估体系，在此背景下，产品的好坏得不到客观评价，可能出现设计不符合人因或不能更好的服务于老年用户等情况，为有效提高设计效率和产品服务质量，使老龄服务机器人界面更符合老年人用户审美，因此基于用户需求，将改进群组层次分析法运用到老龄服务机器人物理界面设计评估指标权重的计算中，获取完善的评估指标体系，构建评估理论模型，为后期产品评估提供参考。

1 物理界面评估流程与指标分析

1.1 建立评估流程

评估指标体系主要是由评估对象的各方面特征及联系等多个指标所构成的一个整体，其可在总体提高方向上给予一定的理论指导，能够更全面的认知事物。面对用户所出现的新需求与要求，建立评估体系，引导设计方向具实用价值，可体现目标需求导向，指引设计部分的落实，减少重复性无意义工作流程，提高产品设计初期的效率。

构建合理的评估指标体系是科学评价的基础，建立评估指标体系的前提是构建完善的评估流程。将老龄服务机器人物理界面作为评估对象，建立评估指标体系流程，评估流程的建立可分为8步，如图1所示，通过验证后可输出评估理论模型。

1.2 评估指标分析

由于老龄服务机器人物理界面的评估因素较多，至今未有统一的评估标准与体系，不同的评判标准会对结果产生不一致的设计指导方向，因此对老龄服务机器人物理界面评估体系的研究很有必要。为建立一套适用于老龄服务机器人物理界面的评估方法与体系，在确立评估指标体系时应依据一定的标准和原则[9]，关于建立指标体系的原则，目前有两种典型的表述。一是，全面、不交叉和指标易于取得;二是，科学性、合理性与适用性[10]。综合两点原则提出老龄服务机器人物理界面评估指标确立参考原则。①系统综合性原则，由于老龄服务机器人物理界面设计点较多，在选定评估指标时应全面考虑众多涉及因素，明确综合性设计目标，在对应评估层面，基于现实条件考虑用户、环境、社会系统等因素，来进行综合分析与评估;②多层次信息获取原则，获取评估指标应该从不同层次区域获取，在确保各指标间逻辑关系准确的前提下，获取对应指标，各指标间应保持即独立又关联的关系，形成完整的评估体系;③区域代表性原则，已定区域的评估指标需要考虑当地环境、经济等综合特征，可缩减评估指标数量获取评估可靠性。

2 物理界面评估理论模型构建

2.1 评估指标体系建立

一套完整评估指标体系通常为一个多层次的要素系统[11]，设计过程要注重老年人与服务机器人交互过程中的安全性、尺寸匹配度和情感化需求[12]。基于层次分析法，将老龄服务机器人物理界面设计评估指标系统分成三个等级层次，评估体系结构最高层是目标层，依次为一级指标和二级指标。老龄服务机器人物理界面設计评估指标选取依据调查问卷结果。关于老龄服务机器人物理界面设计反馈与期望值调查问卷，共计发放50份，回收50份，回收率为100%，结合问卷调查结果及专家意见，建立老龄服务机器人物理界面设计评估指标体系。老龄服务机器人物理界面设计评估指标体系P1包括功能设计指标、尺寸比例设计指标、交互感受指标、色彩选取指标以及外观呈现设计指标五项评估一级指标，分别记为A1、A2、A3、A4与A5;评估二级指标B，见表1。所构建指标体系为了能提高普适性和实用性，应充分考虑到用户对于机器人物理界面的需求层次隶属关系，较全面的分析指标之间的关系。同时考虑设计生产的实际难度，以防止出现无效指标。

2.2

基于改进群组AHP法的评估指标权重计算

层次分析法（The analytic hierarchy process，AHP）主要用于解决定性问题定量化的方法，主要研究重点在解决层次分析法评价随机性与评价专家主观认识模糊性的问题上[13]，具体流程如图2所示。面对复杂性问题时通常需要多个专家进行群组决策，可使用群组AHP法（group decision-analytic hierarchy process，GD-AHP），即对各专家的决策信息进行集合，通过聚类分析判别信息的客观可信性，根据聚类结果给专家赋权，再通过加权算术平均的方法综合出指标权重，形成更加客观合理的群体决策结果[14]。由于群组AHP法将评估信息认为同类相似与不同类不相似，未考虑到同类专家评估意见之间的差异。针对群组AHP聚类分析法存在的不足，引用改进群组AHP赋权方法。该方法可以客观反映专家意见，获得更为合理的评估指标权重值。

2.2.1 构建比较判断矩阵

根据构建的老龄服务机器人物理界面设计评估指标体系，选取5位专家，构造一级指标层A相对于目标层P1的判断矩阵并确定相对权重。5位专家根据自身经验及掌握知识，通过各因素两两比较分析后构建判断矩阵。

评判矩阵采用1-9标度法来确定，对指标体系中各层次的指标进行两两比较，即针对准则层指标，判断2个因素之间哪个更为重要以及重要性的大小。

获取5名专家比较评判矩阵，采用公式（1）与公式（2）进行一致性检验。

2.2.2 计算群体一致度系数

将专家分为5类，表示为

R1={E1}，

R2={E2}，

R3={E3}，

R4={E4}，

R5={E5}

，

同时令r=5，两两专家个体特征向量之间的相似性程度由向量夹角余弦定义，特征向量

Wi和

Wj之间的向量夹角余弦可表示为下式，计算出两两专家个体特征向量之间的相似性程度。

Cij

=w（i）（j）|w（i）|·|w（j）|

=

可见C25的数值最大，将E2与E5合并成新类R6={E2，E5}。新的类集合为

R1，R3，R4，R6令

r1=r0+1，计算新的类合集中各类之间的相似程度，得到

C16=max{C12，C15}=0.997 3

C36=max{C23，C35}=0.786 1

C46=max{C24，C45}=0.934 4

C13=0.789 8，C14=0.947 9，C34=0.871 6

可见C16的数值最大，将

R1与R6合并成新类R7={E1，E2，E5}。新的类集合为

R3，R4，R7，令r2=r1+1，再次计算新的类合集中各类之间的相似程度，一直到全部专家意见合并到一类为止，聚类结果如图3所示。

由图3可以看出，专家P2，P5，P1和P3具有较高的相似性，而专家P4与其他专家意见有较大分歧，因此将P4归为一类，分析结果为将5位专家分为两类比较合适。对于不同的类，专家的评判结果的重要度与该类专家的数量成正比。因此，假设第P位专家所在的类中包含有Tk位专家，对应的专家权重为ak，akTk成正比，由式

a1∶a2∶…∶an=T1∶T2∶…∶Tn

可解得第k位专家的权重，即群体一致度系数为此时，各类专家的人数分别为T2=T5=T1=T3=4，T4=1，计算各位专家的群体一致度系数，见式（4）。

ak=

Tp

∑nlTp

;p=1，2，…，n

（4）

结果为a1=a2=a3=a5=417，a4=117

2.2.3 计算个体差异性系数

假设n位专家的平均权重向量

=（1，2，…，

m）

，其中为第i个指标权重的均值，表达式为

i=1n∑nl=1

w（l）i;i=1，2，…，m

（5）

结果为

=（0.769 5，0.208 8，0.102 3，0.312 6）

利用闵科夫斯基（minkovski）距离公式度量专家个体权重向量到平均权重向量的距离。第P位专家的权重向量到平均权重向量的距离表达式为公式（6），其中q≥3。

Dp=

∑mi=1|w（p）i-i|q1/q;p=1，2，…，n

（6）

结果为

D1=0.189 9，

D2=0.241 7，

D3=0.050 8，

D4=0.033 5，

D5=0.602 0

轉化个体差异性系数，运用公式（7）进行计算。

dk=

1Dk

∑nl=1

1D1

;k=1，2，…，n

（7）

结果为

d1=0.069 7，

d2=0.054 8，

d3=0.260 6，

d4=0.395 1，

d5=0.219 8

2.2.4 权重计算

计算出群体一致度系数和个体差异系数后，按照公式（8）计算各位专家的权重。

λk=

akdk

∑nl=1aldl

;k=1，2，…，n

（8）

权重是

P1=0.099 1，

P2=0.077 9，

P3=0.370 4，

P4=0.140 3，

P5=0.312 4

2.2.5 最终权重确立

利用专家权重对各位专家给出的权重向量加权平均，得到一级指标层A相对于目标层P的最终权重向量。所有专家的权重系数构成的专家权重向量为W′

=（λ1，λ2，…，λn），则采用加权平均法可求得最终的指标权重向量

We=W′

w（1）1

w（1）2…w（1）m

w（2）1

w（2）2…w（2）m

w（n）1

w（n）2…w（n）m

（9）

We=（0.361 4，0.280 0，0.096 6，0.048 5，0.213 5）

求得一级权重排序为

A1>A2>A5>A3>A4，同理计算二级权重，得到老龄服务机器人物理界面设计评估指标结果，见表2。

2.2.6 物理界面设计评估理论流程

根据物理界面设计评估指标及权重值，构建设计评估理论模型，如图4所示。

3 实例研究

运用模糊综合评价法[15-21]依据老龄服务机器人物理界面评估体系对服务机器人实例（Q）进行综合评价与分析，如图5所示，以此验证评估模型的合理性。

首先确定老龄看护机器人物理界面评价集V={非常满意，比较满意，一般，不太满意，很不满意}。按照百分制划分等级

A非常满意即评估优秀区（阈值范围：90～100，中值95）;B比较满意即评估良好区（阈值范围：80～90，中值85）;C一般即评估一般区（阈值范围：70～80，中值75）;D不太满意即评估较差区（阈值范围：60～70，中值65）;E很不满意即评估很差区（阈值范围：0～60，中值30）。因此评价集向量为C=（95，85，75，65，30）T。

安排5名专家，依据评估体系中的各个因素对设计实例（Q）进行评分，各因素评价向量（Ri）结果见表3，根据二级指标权重与各因素评价向量作模糊变换。

计算结果为P0=（0.25，0.57，0.36，0.2，0）进一步将结果进行归一化处理得到P1=（0.18，0.41，0.26，0.15，0）计算对应分值P2=（0.18，0.41，0.26，0.15，0）（95，85，75，65，30）T=81.19

数值表明，依据上述评估体系专家对实例Q的评估结果为，非常满意的程度为0.18，比较满意的程度为0.41，一般的程度为0.26，不太满意的程度为0.15，很不满意的程度为0。按最大隶属原则，评估结论为专家对机器人实例（Q）设计比较满意，总分值计算结果为81.19分属于评估良好区。并对相应一级指标进行分值计算得出A1得分76.6分，A2得分66.8分，A3得分78.45分，A4得分66分，A5得分59.55分，从中可以得出机器人实例在色彩应用和外观呈现上分值较小，应在后续研究中继续加强。同时对于机器人的尺寸分析还有待更加深入的分析，以期提升机器人的普适性。

通过实例分析进一步证明了所构建的老龄服务机器人物理界面评估体系理论模型能够有效的评估出服務机器人设计质量，可作为后续设计服务机器人的相关理论参考。

4 结论

1）综合评估体系可帮助人们快速理解与认知事物，是深刻并客观评估产品的重要手段。

2）采用改进群组层次分析法建立指标判断矩阵，聚类分析个体差异性系数，计算出评估指标权重，创建评估理论模型，能够较为客观的反映专家意见，最终依据评估体系对机器人实例进行模糊综合评价。

3）创建老龄服务机器人物理界面设计评估模型可有效反应机器人设计阶段各要素之间的关系。各级指标的分类与权重、仍需在日后实际设计阶段不断修正与完善。总体上评估系统能提高生产质量，减少问题的出现。

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（责任编辑：张 江）

收稿日期：

2021-05-12

基金项目：

教育部人文社科规划基金项目“老龄服务机器人界面设计评价指标研究”（19YJAZH093）

作者简介：

王秋惠（1969—），女，山东潍坊人，工学博士，天津工业大学教授，硕士生导师，主要从事智能人因学、设计人因学、机器人HRE人因工程及机器人HRI人机界面设计方面的研究工作。