外骨骼康復機器人客戶端交互設計研究

張硯文 高娃

摘要：探索外骨骼康復機器人客戶端交互流程，設計具有可操作性的外骨骼康復機器人客戶端交互界面。以交互設計理論為支撐，通過對外骨骼康復機器人的設計調研，分析外骨骼康復機器人客戶端界面交互行為，提出外骨骼康復機器人客戶端交互界面設計方案，并進行設計評估。通過設計評估驗證了外骨骼康復機器人客戶端交互界面的可操作性，減輕用戶對具有高科技感的外骨骼康復機器人的排斥心理，從而提高用戶治療效率，對同類產品交互界面設計研究具有可參考價值。

關鍵詞：外骨骼機器人 康復 人機交互 界面設計 設計

中國分類號：TB472

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 04-0025-03

引言

隨著當代生物技術、機電液一體化技術、控制方法技術等的不斷提高，外骨骼機器人的技術支撐逐漸完善，其在醫療康復領域的應用越來越廣泛。據有關資料顯示，在醫療康復領域，外骨骼機器人的使用可以加強患者進行肢體康復訓練的有效性和精確性，提高治療效率[1]。但是，現階段由于用戶對外骨骼康復機器人缺乏了解，且其具有專業性強、不易操作、形態夸張等特點，大多數患者對于具有高科技感的外骨骼康復機器人產品較難產生信任感。因此，用戶和外骨骼康復機器人產品之間需要有效媒介指導用戶操作，使用戶積極、順利地完成康復訓練[2]。基于現有外骨骼機器人結構與功能，通過對外骨骼康復機器人和現有醫療界面的市場調研及對目標用戶的問卷調研，得出界面設計方案，減輕用戶對具有高科技感的外骨骼康復機器人的排斥心理。

一、設計調研與用戶需求

（一）市場調研：外骨骼機器人是一種智能可穿戴設備，由于其外觀、功能與生物骨骼相似，安裝位置包裹人體，因此稱為外骨骼機器人。外骨骼康復機器人不僅能夠幫助老人、殘疾人進行康復訓練，也可以用于增強普通人的體力[3]。例如，ReWalk外骨骼機器人采用電池供電系統，輕便耐磨，在髖關節和膝關節處設有電機，利用用戶的重心變化來控制運動，如國1 a）所示。Keeogo外骨骼機器人是為髖關節骨關節炎、多發性硬化癥和帕金森病的用戶研發的，幫助這類用戶群體更輕松的走路，如圖1b）所示。

由于外骨骼康復機器人主要面向待康復訓練的用戶人群，對其客戶端的交互設計研究可從醫療產品APP進行調查分析。筆者調研了市場上四種不同的醫療類APP，其界面如圖2所示，并對其從功能、風格、顏色方面進行分析[4]。表1為四種醫療APP分析。

“Cyrcadia Asia”界面風格和色彩搭配針對女性用戶，暖色系使人感到溫暖。該界面也結合了產品的監測功能，將數據及時反饋到用戶手機上，使產品的主要功能得到實現。“NormaTec Via”是設備上的交互界面，比起手機交互界面較為簡單，強調產品基礎功能的使用，但可進行交互的功能較少。“康復助手”使用藍色白色為主，有利于放松病人緊張的情緒。它是無器械康復手機應用，可用于聯系醫生進行住院手續的辦理。“Athos”作為身體機能監測設備的附加手機終端，可以記錄用戶的身體變化、運動時長、能流量消耗等數據，其身體結構國也一目了然。

（二）問卷調研：為調研用戶對外骨骼康復機器人類產品的了解、對醫療類客戶端的使用情況和對外骨骼康復機器人客戶端界面設計的期望等要素，現采用問卷調查法進行調研，并分析調研結果[5]。參與問卷調查的人群為年齡在20-50歲之間的成年人，問卷共回收有效數據44組。

在參與調研用戶中，75%的用戶沒有使用過外骨骼類醫療設備;18%的用戶身邊有人使用過外骨骼醫療設備;7%的用戶自己使用過外骨骼醫療設備。對于用戶使用過的醫療產品APP進行調研，68%的用戶使用過健康監測類客戶端;43%的用戶使用過體檢設備附加APP;14%的用戶使用過外骨骼醫療設備客戶端。另外，50%的用戶贊成醫療設備與手機客戶端進行交互，認為這樣可以提高產品使用效率;50%的用戶持中立態度，認為接受與否取決于界面使用感受。

調查問卷中用戶回答比例最高三個問題為：1.61%用戶認為使用外骨骼醫療產品時需要手機終端的輔助，以便簡化產品使用過程，降低用戶對外骨骼康復機器人的排斥。2.如國3所示，對于外骨骼康復機器人手機終端附加功能的選擇，79%的用戶選擇了向醫生反饋康復數據;68%的用戶選擇了向其他監護人發送使用情況;54%的用戶選擇了發送通知提醒;21%的用戶選擇了調節字體大小;14%的用戶選擇了改變界面風格。3.79%用戶認為外骨骼康復機器人界面設計應選用簡約大氣的風格;50%的用戶選擇了簡單冷靜的風格。

除上述問題外，有用戶反映在使用外骨骼康復機器人產品時需要醫生協助，造成其金錢和精力上的負擔;50%的用戶認為外骨骼康復機器人APP功能應細化，對產品的操作具體;有用戶在使用醫療設備手機界面時遇到過操作不夠簡潔的問題，難以理解和使用。

調查問卷顯示，用戶認為外骨骼康復機器人界面設計有必要，對其界面功能的要求是細化功能輔助設備使用，界面風格應符合醫療設備屬性。如何設計外骨骼康復機器人界面，需要進一步研究與驗證[6]。

二、功能樹菜單設計

根據市場調研和問卷調研得出的結論，結合產品設計與界面設計理論，現從顯性要素和隱形要素兩方面對外骨骼康復機器人界面設計進行分析[7]。

（一）顯性要素：顯性要素是用戶能直接在交互界面中體會或使用到的設計要素，如界面的功能、外觀、操作方式等[8]。針對外骨骼康復機器人的界面設計提出的顯形要素有：a）風格簡潔;b）配色柔和且冷靜;c）根據制定的康復計劃發出使用提醒;d）含產品使用介紹，e）使用過程中監測和記錄數據;f）設備出現故障時反饋和提醒;g）為用戶提供產品調試說明;h）可分享數據;i）可在線聯系醫生。

（二）隱性要素：隱形要素是設計中用戶對界面設計的抽象感受，如用戶對界面的期望、界面的信息構架、數據反饋技術支撐等。針對外骨骼康復機器人的界面設計應考慮的隱形要素有：a）便捷;b）高效;c）容易接受;d）符合醫療設備APP設計理念;e）符合康復人群需求;f）體現外骨骼康復機器人功能特性;g）功能細化;h）操作簡單;i）用戶可獨立操作;j）避免誤操作，

綜上分析，得出外骨骼康復機器人界面功能樹菜單的主菜單為“我的醫生”、“我的外骨骼”、“健康記錄”、“通知”和“設置”。國4為“我的醫生”界面，該界面用于患者與主治醫師進行聯系，用戶可以查找相關醫生，查看醫生資料。“我的外骨骼”界面（國5）為使用者提供了其外骨骼康復機器人的具體使用情況。“通知”界面用于該用戶與醫生或其他用戶的交流。“設置”界面為用戶提供此客戶端的基礎設置選項。

如圖6所示，“健康記錄”界面是用戶使用外骨骼康復機器人進行康復訓練時最重要的界面，用于反饋用戶進行康復訓練時肢體相關部位的各項參數，作為患者的身體數據記錄。筆者查閱醫院肢體檢查相關資料，參照肢體診斷各項測量標準，總結出康復治療時的依據，得出界面反饋數據的部位為關節、骨骼、軟組織。“活動測試”界面記錄了患者肢體的活動數據如肌肉維度、肌力、肌張力，是患者進行肢體康復治療時測量肌肉活動的參數，這些數據不僅反映了患者進行康復訓練時的身體機能，也可幫助系統和醫生為患者完善下一步訓練計劃。用戶還能在此界面中查看康復訓練的完成情況，了解訓練計劃的內容及時間安排。

三、用戶行為分析

通過對用戶調研及產品功能的定位，得出了外骨骼康復機器人界面設計的具體要求。在完成交互界面設計后，擬定用戶在特定場景中使用外骨骼穿戴康復機器人的行為，以使用外骨骼康復機器人為前提，進行康復訓練，并跟進治療為目的，總結產品使用流程[9]。圖7為接收消息提醒的用戶行為流程圖，圖8為使用外骨骼康復機器人進行訓練的用戶行為流程國。具體操作如下：

（一）接收消息用戶行為：消息提醒功能使用戶接收到醫生或其他好友發來的消息;客戶端根據用戶訓練計劃進度，在指定時間向用戶發送訓練提醒，用戶收到提醒后進行“使用外骨骼康復機器人”流程;當外骨骼機器人穿戴設備需進行調試時，手機客戶端向用戶發送調節提醒，用戶進入界面后憑借可視化教學調整外骨骼康復機器人設備，必要時也可尋求專業人員幫助。

（二）使用外骨骼康復機器人用戶行為：用戶到達特定場景，打開外骨骼康復機器人手機客戶端并穿戴好外骨骼康復機器人開始康復訓練，界面顯示為“正在訓練”，客戶端將記錄該用戶指定康復部位的特定指標和用戶身體基本指標如心率、體溫等;一次訓練完成后，用戶通過手機客戶端查看當前身體狀況、訓練記錄、歷史數據分析等界面;用戶完成某階段康復訓練后，將手機客戶端中記錄的訓練數據發送給醫生，并與醫生在線交流，完善康復治療;用戶將康復記錄發送給其監護人或家屬，作為訓練進度的保留。

四、界面設計

根據調研結果可以得出，外骨骼康復機器人手機界面風格應簡潔明了，符合醫療設備功能屬性。界面配色使用了柔和的顏色，主色調為淺藍色、白色，提示色為淺黃色，各配色對比度較低[10]，避免造成使用者情緒波動，提高了外骨骼康復機器人設備的親和度，使用戶更易接受外骨骼機器人產品。外骨骼康復機器人界面設計如圖9所示，具體內容如下：

1.用戶打開手機應用并成功登錄后看到的首個界面為“健康記錄”界面，如圖9a）所示，該界面顯示了用戶在進行康復訓練時的各項數據，如訓練時間、身體狀況、歷史變化、數據分析等。每次康復訓練結束，這些數據會根據用戶客觀情況更新。

2.圖9b）為“我的醫生”界面，此界面用于患者與醫生進行交流。在此界面中用戶可以進行醫生資料查看、查找醫生等步驟。點擊醫生頭像可以進入“醫生介紹”界面，此界面中有當前醫生的詳細資料，用戶可進行預約醫生或向醫生發送消息等操作。

3.“外骨骼機器人”界面（圖9c））顯示了用戶使用的外骨骼康復機器人的階段性使用時長，使用者可再此界面查看外骨骼康復機器人的當前設置。打開“參數調整”界面，用戶可以查看各零部件的狀況，需調整的零件標有提示。用戶點擊需要調整的零部件圖標，界面跳轉到調試說明頁面，其中文字和示意圖幫助用戶完成設備調試。

4.“消息通知”界面（圖9d））用于接收訓練提醒、設備調整提醒和消息提醒，打開其中的“訓練計劃”頁面可查看該用戶已完成和未完成的訓練項目。“設置”界面包含了用戶設置、界面設置、外骨骼機器人管理、條款細則和幫助選項，為用戶使用該界面提供個性化選擇。

“健康記錄”界面作為此界面設計的基礎功能界面，反饋了用戶使用外骨骼康復機器人進行康復訓練時身體的各項指標，是系統制訂用戶訓練計劃的重要依據，對患者的康復治療具有指導意義。該界面與其他界面相互配合，幫助使用外骨骼康復機器人各項功能，同時將康復訓練情況及時反饋給醫生并與醫生進行交流，提高了外骨骼康復機器人的使用效率和安全性。

五、設計評估

為驗證外骨骼康復機器人界面設計的可行性，現選擇5名用戶參與設計評估。讓用戶使用外骨骼康復機器人界面以完成指定任務，分別記錄各用戶完成這一任務各步驟的用戶行為和使用時間，然后對結果進行分析，作為外骨骼康復機器人界面設計的可行性評估。

讓全部用戶模擬完成“查看設備一調試設備”任務，將此總任務按步驟要求分為四個具體任務目標，歸納用戶行為，統計每個用戶完成每步的時間，并計算各組數據平均值。表2為用戶完成任務目標的用戶行為和時間記錄，用戶完成總任務的平均用時為36.2秒。

從上述用戶模擬測試得出，用戶可以在短時間內找到對應選項，完成指定操作。平均耗時最長的任務目標是調試外骨骼康復機器人參數，因用戶自身反應速度和理解能力存在差異，完成任務目標的用時有細微差距。總體而言，外骨骼康復機器人交互界面設計較容易被用戶接受，用戶可以理解其使用方法并獨立完成使用，此設計為可行設計。

結論

隨著科技的發展，外骨骼機器人技術取得了突破性的進展，在醫療康復領域應用廣泛，主要用于幫助患者進行肢體康復訓練。本文以外骨骼康復機器人及其用戶為研究對象，幫助患者接受外骨骼康復機器人并使用外骨骼機康復器人進行康復訓練為目的，結合界面設計理論依據，設計出外骨骼康復機器人手機客戶端界面。設計完成后進行設計評估，驗證了該界面設計的可行性。外骨骼醫療設備與手機客戶端的結合有利于增強用戶對外骨骼康復機器人的接受度，提高醫療康復訓練效率。基金項目：江蘇高校品牌專業建設工程項目（PPZY20158150“木材科學與工程”）。

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[10]李晶，薛澄岐基于視覺感知分層的數字界面顏色編碼研究[J].機械工程學報，2016，52 （24）：201-208圖片來源：

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

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

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

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