基于SAPAD-AHP法的外骨骼设计研究

王 清, 曾羽龙, 李 曼, 唐晨恒, 叶洋滈

(长沙理工大学 设计艺术学院, 长沙 410114)

中央财经大学经济学院教授兰日旭在接受《中国经济时报》记者采访时表示,“2023年开始我国将迎来退休高峰”,社会“抚养比”进一步压缩,参保缴费压力和养老金发放压力进一步增大。早在2013年,《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》就提出“要研究制定渐进式延迟退休年龄政策”。

国外方面,面对巨大的退休金缺口,法国政府有两个选择:一是放弃现有退休制度,转而采用美国、英国式的资本型退休制度;二是改革现有退休制度,延长工作年限、推迟退休年龄,同时增加退休分摊金缴纳比例。现实是,不到60岁的居民都渴望早点退休。48岁的阿莉娜是医院的清洁工,她担心再干16年,肯定会落下长期疾病。63岁的吉拉尔是在政府部门工作的维修工,因关节疾病,他觉得自己再干下去已经很吃力。日本通过实施各种促进老年人再就业的政策、搭建老年人再就业平台以及进行文化建设等措施,有效缓解了老龄化带来的负面影响[1]。

当今世界技术下,老龄化的问题越来越受到人们的注意,医疗水平的提升和康复医疗的发展已经迫在眉睫,人们普遍寿命的增长伴随着老龄化增加医疗康复领域外骨骼将会迎来一个小的爆发期。伴随消失的人口红利,它将促进工业领域外骨骼在现实中的应用,初步阶段体现于帮助工人减轻负重、提升工作效率、提升力量等方面。这次课题就是立志于符合社会发展趋势,解决将出现在医疗领域与工业领域的问题做出相符合社会未来发展的产品,是一项利民益民的产品。

1 SAPAD-AHP方法研究过程描述

1.1 SAPAD与AHP方法介绍

胡飞教授与Keiichi教授于2011年合作研发了SAPAD模型。SAPAD模型不是单纯的产品设计的物理逻辑问题,此设计方法可以对设计的核需求进行精准挖掘,尤其是挖掘那些平常不容易察觉的需求AHP也能精准定位,更能让产品功能与规律性交互行为 更加贴近用户,这种优势是其他设计思维方法难以模仿的。

层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是一种通过定性和定量来分析的方案决策方法,具有普适性、系统化、层次化等特点。近年来,其在设计应用领域中主要体现在集成创新方面。[2]

1.2 SAPAD 模型意义簇的建构

SAPAD模型先对用户行为拆解,意义按层级区分为物理层、语构层、经验层、语义层、语用层和社会层面,将任务意义与这6个层级映射,就构成了行为含义的映射。[3]

1.3 用户行为流程的记录与整理

采用非介入式观察法的深度采访模式,全面拍摄消费者通过外骨骼使用过程中的全部情况。以便于更深入发现利益相关者的关键行为触点,并掌握第一手的大数据信息来为下一步的研究工作做好准备。

1.4 基于AHP法获取多层级核心意义簇

层次分析法,是美国运筹学家Satty教授在20世纪70年代提出的一种评价方法,它将与决策有关的系统内的元素分解成目标、准则、方案。具体计算公式如下:

设判断矩阵B=(bij)n×n,利用和积法将B中的元素按照列归一化:

(1)

式中:i,j=1,2,…,n。

将归一化后的矩阵同一行的各项相加,再除以n,得到每一个指标的权重,公式如下:

(2)

求解判断矩阵最大特征根:

(3)

进行一致性检验:

(4)

(5)

式中:λmax为A的最大特征根;IC为一致性指标;IR为平均随机一致性指数;CR为随机一致性指标,若CR <0.1则判别矩阵满足一致性校验要求,若CR≥0.1则需要调整判别矩阵。[4]

计算可得出,意义簇的主要意义是一个重量很大的指数。基本价值集群的计算和分析可以为后续数据的开发和研究提供支持,它比基本价值集群化更加明智、直接和科学。

1.5 确立新的功能服务模块

通过绘制基本值的集群,建立了一个基本值的集群。查看用户的关键行为,以了解用户的实际需求,然后根据用户的要求恢复产品的功能。SAPAD框架的基础是搜索基本价值集群,通过基本价值集群重建用户行为,并优化产品功能。[5]

2 基于SAPAD-AHP的外骨骼设计模型

2.1 典型用户行为路径

在北京市石景山3个外骨骼实用地点共调查研究了17名中老人员,以石景山区53岁男性c为对象展开课题分析。

人物c,男,53岁,单位货物运输工人,已婚。家住北京市海淀区。有受伤的病史,而且在接受治疗后运动、耐力受到影响,而且还患有腰椎间盘突出等慢性疾病,因此,必须长期到中医院进行针灸和膏药治疗以此缓解疼痛。

2.2 基于意义建构机械外骨骼设计研究体系

2.2.1 行为-子任务-产品的映射分析

分析机械外骨骼的行为路径,当每一个具体的行为名命名为任务和子任务,随后与行为的相关物去映射,以此来完成行为和对象的映射。根据机械外骨骼使用路径,显示为佩戴外骨骼、使用外骨骼和脱卸外骨骼并进行充电等3个任务模块和15个子任务。每种任务分别对应了不同的子任务。

2.2.2 行为-产品-意义的映射分析

通过深入探究,可以发现用户的行为背后所隐藏的意义。通过将意义划分到6个不同的层面,即物理层、语言构建层、经历层、语义层、语用层和社会层,来实现对任务的有效映射,从而实现行为-意义的关联,并留做后续使用。

2.2.3 聚类分析与意义簇

把数据归纳成逐个不同的簇的过程称之为聚类。其特点在于相关性较强的因素大概率都出自同一个意义簇,与之相法相关性较弱的因素,也大多数来自不同的意义簇。随后再使用聚类分析的方法,将义层聚类分析。意义的强弱相关性按照A～D划分4个强度级别,D级为不相关,C级为弱相关,B级为相关,A级为强相关。大多数情况下同一个子意义中的因素大概率相互为强相关,反之亦然,不同意义中的子意义会呈现弱相关。

语意层是用户的情感体验,这里表示用户在整个健康管理过程中的感受。聚类分析得到 5个意义簇,即无法便捷佩戴、外骨骼造型结构问题、外骨骼信息反馈不直观、充电器不够人性化、轻松舒适的使用体验。因此,基于布尔逻辑算法的关联矩阵聚类分析, 对经验层、语意层和语用层意义进行聚类分析。[6]。

2.2.4 AHP与核心意义簇

利用 AHP 对聚类分析得到的意义簇进行分析。将语意层代表的机械外骨骼作为目标层;将无法便捷佩戴、外骨骼造型结构问题、外骨骼信息反馈不直观、充电器不够人性化、体验较为轻松舒适作为准则层;将难以自己佩戴外骨骼、无法迅速辨别可用外骨骼、上半身无法配合外骨骼用力、缺少不同身体差异的调整空间、缺少提示灯光、无法迅速确认电量、无法让旁人了解状况、外骨骼难脱卸、步骤复杂、脱卸后保护功能缺失、轻松舒适等,作为方案层。

通过专家法,利用Saaty标度对准则层的 6 个指标进行两两比较。

第一步,归一化处理。根据式(2)对判断矩阵作归一化计算。将归一化操作的式(1)的具体数据带入式(2),计算后得出权重值,再经过一致性检验后作为正确数据使用。第二步,利用式(3)计算得到λmax为5.037。取n=6,将λmax代入式(4)得出CI, 也就是度量判断矩阵偏离一致性指标为0.009,然后计算可以得出平均随机一致性指标(RI)为1.120。第三步,将CI与RI代入式(5),随后可得一致性比率0.008,CR值小于0.1证明了指标通过了AHP检验,权重值可以作为有效参考。随后将准则层相关的权重由大到小依次排列,可以清晰明了第看出结果(表1)。

同样的方法,计算出机械外骨骼设计的方案层判断矩阵,得出CR值为0.019 7<0.1,也可说明,方案层的一致性检测也符合合理的数据范围,通过AHP检验(表2)。

表2 外骨骼体验方案层权重分析结果

2.2.5 核心意义簇与对象的映射分析

通过AHP得到较高权重的意义簇为无法便捷佩戴、外骨骼造型结构问题、外骨骼信息反馈不直观、充电器不够人性化,以及希望外骨骼可调节空间大等。

最后在SAPAD模型中,通过“基于语义的产品构建”,重新映射“多个阶段的核心语义集群-产品”。5个多阶段核心集群反馈给产品,每个核心集群对应重新组装建模结构和交互功能模块的设计内容,最终形成全新机械外骨骼的核心意义的维度构建。

2.2.6 外骨骼产品设计方案

从行为与意义维度视角出发,进行产品关系的重新建构,将全新凝聚形成的核心设计点融入充电桩设计实践。以此为基准,对机械外骨骼提出了产品设计方案。

1)充电模块的使用流程设计:重新设计外骨骼的充电模块,设计成为一体式全自动的充电外桩。

2)优化外骨骼可调节功能:参考中国人平均身高体长的人机工程学,在多个关节处添加调节模块,使用者可以根据自己的身体情况和使用情况在合理的范围内调整外骨骼的尺寸和松紧度。

3)产品交互模块的全新设计:对产品的交互模块进行全新设计,把交互模块集成到后腰部的背包处,既不影响使用行动,也可以方便他人对其进行即使调整或援助。

4)改良外骨骼信息反馈形式:增加多处LED灯条显示状态,用直观的颜色变化,及时清晰地向使用者及其旁人展示外骨骼状态和电量情况。

5)外骨骼佩戴方式优化:对现有的外骨骼配搭方式进行改良,配合全新设计的充电桩使用,佩戴脱卸外骨骼自动化,充电桩增加多个保护扶手保障使用者的安全。

以此为基础,设计出一款全新的机械外骨骼,经过草图的推演确定大致方向,经过Rhino的建模和Keyshot渲染,形成如图1～图3所示的产品效果。

图1 RHINO建模效果

图2 机械外骨骼设计细节

图3 机械外骨骼最终效果

3 结论与展望

根据如今市场上已有的机械外骨骼产品的技术和内部结构,进行外骨骼产品的创新与改良,其目的是帮助有多发性硬化症、关节炎等类的患者解决行动方面的困难和帮助高劳动工作者增强身体机能减少劳动损伤。文化创意产业的发展对于国家经济的转型和优化具有重要的推动作用。[7]通过大量现场调研与用户访谈,对环境定位、目标用户、现有技术、材料与加工工艺等方面做出全方位的考量与归纳,以此设计当前最适合中国市场且符合中国人人机工程的外骨骼产品。技术创新和品牌建设犹如企业发展的“两翼”,是企业增加产品附加值、提升市场竞争力的重要途径。[8]采用钛合金作为此次加工工艺的主要材料,材料价格适中对人体无害,且符合批量化工业生产需求。

采用AHP定量研究方法,找出用户的核心需求,更加客观、全面地思考问题、解决问题。通过这种方式,SAPAD模型得到完善,并在方法层面实现创新。[9]此次研究项目的目的则是设计出能够符合使用者需求的机械外骨骼外观及其结构,以此来增强医疗的人文关怀属性帮助患者快速恢复和提供慢性病的长期辅助治疗,或提升工作效率和降低成本。产品使用SAPAD-AHP模型和人机工程学,设计必须更加符合中国人的使用习性,为此要经过大量的调研考察。得出设计权重,通过比较得出关键设计目标。[10]实践才是检验真理的唯一标准,真正与用户沟通才会发现痛点。通过学习现有的大量文籍和学术资料,调查全球现有的外骨骼公司,归纳总结优势与不足,根据当今世界成熟的技术并结合调研,进而设计出符合该公司需求的方案,真正做出符合中国人人机工程以及使用习惯的外骨骼。