面向上肢残疾人群的助餐机器人设计研究

孙一博

关键词：上肢残疾;助餐机器人;智能;设计

1 上肢残疾人群界定

上肢残疾人群作为肢体残疾中的一类，患者通常行动方便，主要为上肢力量不足的残疾群体，用户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，根据上肢残疾程度保留不同水平的动手能力，部分患者通过长期磨练可熟练掌握各种操作技能。

2 上肢残疾人群用餐面临的问题分析

在实地观察过程中，笔者选取两位典型用户展开一日观察研究，梳理得出整个就餐流程中的痛点。

2.1 用户落座和就餐不便

护工在就餐前使用带子围绕用户腰部和座椅，进行固定后喂食。在就餐过程中用户身体容易发抖，有可能误触、打翻餐具。

2.2 陪护时间长

就餐过程中护工需要观察用户的吞咽状态，确保用户完成吞咽动作后再进行下一步喂食。护工在喂食过程中需要观察老人的吞咽反应，增加服务时长。

2.3 就餐等待时间长

就餐过程中护工按照座位顺序进行一对一服务，没有轮到的用户坐在椅子上等待服务，全部用户完成用餐服务时已是下午两点。等待护工助餐时间过长，老人容易错过就餐时间。

3 面向上肢残疾的助餐机器人产品的结构及特征分析

3.1 助餐机器人产品的结构分析

助餐机器人基本由机械臂、餐盘、控制装置组成[1]。

1） 机械臂。机械臂是助餐机器人的主要功能结构，末端可以连接餐具模拟人类取食的运动轨迹取餐[2]。取餐方式主要有三种：勺式取食、夹持取食、叉式取食。勺式取食需要机械臂的运动轨迹模拟人类取食，运动轨迹较为复杂，机械臂自由度要求较高，可实现多种餐品取送，常餐、碎食、流食均可;夹持取食对于控制系统要求较高，取用餐品种类相比勺式取食较少，汤类、流食等液态食物无法盛取;叉式取食容错率较低，取用餐品种类有限，只能叉取块状水果、主食等绵软性块状餐品，市面上很难看到叉式取食的助餐机器人[3]。

2） 餐盘。餐盘是助餐机器人的主要储食结构，餐盘的摆放要符合机械臂的运动轨迹范围以及运动习惯，餐盘的形状要方便餐具盛取食物，机械臂虽然可以代替人的手臂进行取餐操作，但是机械臂的运动模式相对固定，不如人的手臂灵活，餐盘的造型在取餐环节中起到辅助的作用，即通过造型上的设计确保食物不会落在餐盘外面。

3） 控制装置。助餐机器人的控制装置表现多样，目前有踏板控制、语音控制、下颌控制、操纵杆控制以及眼动控制。眼动控制在目前还处于开发阶段[4]。

3.2 助餐机器人产品特征分析

通过对助餐机器人的构成、使用方式的研究，与一般服务型机器人相比，助餐机器人具有指向人群性、长期性、功能完备性三种特征。

1） 指向人群性。服务机器人的应用范围很广，从维护保养到救援监护，服务机器人代替个体劳动力工作，能收获更多的效益。而对于助餐机器人来说，服务对象为上肢障碍人群，替代劳动力为个体护工，一对一收获效益而不是传统服务机器人的一对多收益。所以从服务用户角度出发，与一般服务型机器人相比，助餐机器人具有指向人群性的特点。

2） 长期性。对于上肢障碍群体，助餐机器人的作用是代替他们的上肢工作保证患者能够正常进餐。少部分进行康复训练之后可以完全恢复的上肢障碍群体，对于辅助产品的需求是短暂性的，但是大部分用户的上肢障碍造成的伤害是永久性的。和对一般产品的需求不同的是，助餐机器人对于上肢障碍用户是长期伙伴的关系。举例来说，在进餐时间中助餐机器人帮助用户进食，但是如果不使用助餐机器人，用户将不具备独立进食的能力。可以得出结论，长期性是助餐机器人的另一特征。

3） 功能完备性。人类正常生活和社会活动需要健全的生理机能维持，大部分肢残疾人依靠肢体辅助产品来维持这种生理机能，对于上肢障碍人群来说，肢体障碍导致他们不能独立完成就餐，必须借助外部力量才能保证基本的生活水平。举例来说，上肢障碍人群进食时需要助餐机器人在旁边代替选餐、取餐、送餐，可以说，功能完备性是助餐机器人的第三特性。

4 面向上肢残疾人群的助餐机器人设计原则

4.1 易用性原则

易用性原则体现在简化操作方式上。用户自身的理解能力和活动能力有限，产品操作方式不可过于繁复。可以利用无线技术提高机器人控制中心收发信息的效率，相同时间内能实现更多指令输送，将信息工作量从前台转移至后台运行，简化用户的操作流程。

4.2 智能化原则

助餐机器人在就餐过程中扮演了用户的部分眼睛和手臂，这是传统机械结构不能达到的，高智能化的控制处理系统是优秀助餐机器人的基本素质之一，优化了眼和手臂的协调能力。

4.3 实用性原则

现阶段产品在实际操作过程中与实际就餐习惯不符，存在较高的学习成本，消磨了用户耐心。参考传统就餐流程，保留就餐的基本要素，实现不同状态食物区分餐盘和餐具等。实用的、与当下就餐文化环境兼容的助餐机器人是用户内心的呼声。

4.4 稳定性原则

用户对于辅助产品有天然的抵触与不信任，经过验证的、稳定的结构能保证产品长久的使用寿命，打消用户疑虑，安抚用户心情。

4.5 适配性原则

适配性原则体现在服务多场景、功能和风格的适配。首先，实现环境适配。助餐机器人需要放置在餐桌上对用户进行辅助用餐，可以适配不同大小的餐桌，对机器人的空间要求占用率尽可能小。其次实现功能适配。在一个正常的就餐流程中，人们往往使用不同餐具来进行主食、配菜以及汤类食品的拿取，而在前期调研中发现助餐机器人使用餐具单一。中国饮食环境多样，餐具多样化更能适应国内的饮食习惯[5]。最后，实现风格适配。人性化是助残类产品的最主要风格，敏感是残疾群体心态的主画像，辅助产品在设计时应该做到造型柔和、色彩搭配舒适，人机尺寸关系和谐等，避免造型尖锐，色彩、材质工业化等情况。

5 面向上肢残疾人群的助餐机器人设计实践

5.1 设计定位

助餐机器人主要由机械臂、旋转餐盘以及下肢控制三部分构成。整体以白色系为主，淡绿、淡黄、金属橙色作为辅助颜色，整体风格柔和圆润。产品主要围绕三方面解决问题：第一，减轻了患者照顾人的负担，以前患者需要人员一对一喂食，现在仅需要摆放好餐品由患者自己控制机器人进行喂食;第二，餐盘固定，使助餐机器人在使用过程中不会因为用户不小心而打翻;第三，帮助患者树立生活自信心，使用产品过程中基本不需要他人帮助即可自行进食，对于患者而言是一个非常有成就感的过程（如图1）。

5.2 设计思路

第一，功能设计。助餐机器人主机主要实现两方面功能：帮助用户进食以及自行更换餐具。对汤类食品和对应餐具和主食、配菜类菜品和对应餐具做了颜色区分，浅绿色的汤匙和小餐盘作为汤类食物专属餐具组合，白色的汤匙和小餐盘作为其他类食物的专屬餐具组合。一个完整的就餐流程为：用户落座――护工将餐食分类放入小餐盘中――用户脚部左右滑动控制餐盘旋转――脚步离开踏板时机械臂将前往取餐――送餐――进食。当用户控制浅绿色标识餐盘面向自身时，机械臂会自主更换对应餐具继续完成取餐、送餐任务。

第二，产品造型。产品整体造型流畅，在球体、圆柱体、圆台体等基本几何体的基础上进行组合、切割，产品形态立体、明朗、有力，给用户传递均衡、稳定的造型语言，用户对产品的初印象更偏向于安全稳定，对产品的抵触情绪较小。

第三，产品配色。产品色彩以低饱和度色系为主题，以白色为主，辅以少量淡绿色、淡黄色、橙色，助餐机器人与饮食密切相关，强调产品的安全卫生，所以选取象征清洁的白色作为主色调[4]。整体色彩风格洁净庄重，关节处用活泼的橙色来消除整体色彩的严肃感。

6 结语

助餐机器人设计是在人工智能技术不断强大的背景下兴起的一个新课题，研发方向越来越注重和用户的人机匹配性，同时社会给予上肢残疾人的生活与饮食的关注越来愈多。国家推进护理保障体系健全成为时代趋势，作为设计师有责任设计出更加适合他们自身情况的产品，帮扶他们重新建立生活的自信心，不断提高他们的就餐独立程度，相信无需等到未来，残疾人就能借助助餐机器人像常人一样就餐。