醫院藥品托運機器人作業安全設計

王秋惠，趙瑤瑤

(天津工業大學 機械工程學院，天津 300387)

1 引言

人口老齡化進程的加深與社會勞動力供給下降，導致勞動力成本不斷增加，以機器人替代人力服務人類成為未來發展趨勢[1]。目前我國醫院藥品人工傳輸方式存在成本高、人力資源浪費、安全性差等弊端，因此藥品智能傳輸的需求不斷增加[2]。相關文獻顯示[3-5]，以智能機器人代替醫護人員進行藥品傳輸，可節省醫院在物流方面耗費的人力資源并提高藥品的安全性，高效準確的智能化配送方式可有效提高醫護人員工作效率。目前，已有學者對醫院智能托運機器人進行研究，ZHU等人[6]，通過使用多功能模塊化機柜設計來構建醫療傳輸機器人，實現多功能輸送,節約醫療資源；Jeon S等人[7]，運用窮舉搜索算法進行優化，用于解決醫院物流機器人多任務分配情況下最優路徑的選擇問題；Kang M S等[8]，提出基于人體識別的實時環境感知技術，用于避免機器人作業過程中與障礙物發生碰撞；肖湘[9]針對傳統圖像傳感器成本高、應用復雜等問題，設計了一款基于可見光識別科室和定位的醫療配送機器人。上述學者主要從技術結構及可用性設計理論方面對醫院相關托運機器人進行研究，而對于其“人-機-環”系統下作業安全的研究較少。人工智能技術正逐漸影響醫療行業發展，使用藥品托運機器人運送藥品是現代社會發展的必然趨勢，對其作業安全進行研究,可以幫助設計師在設計初期了解其作業過程中可能發生的失誤，通過設計方法優化，以及降低醫護人員面臨傷害的可能性來配置人、機和環境之間的關系[11-12]，提高藥品托運機器人的作業安全性。

在安全科學研究領域中，層次分析法(The analytic hierarchy process，AHP)作為一種定性與定量相結合的評價方法被廣泛應用[13-14]。AHP由專家依據經驗通過主觀判斷獲得權數，得到各指標的重要程度，但主觀隨意性較大、客觀性較差[15]。粗糙集理論(Rough Set，RS)是解決不確定問題的數學工具，不需要任何先驗信息，保證了數據的客觀性[16]，應用粗糙集理論中的粗糙數和粗糙邊界區間可靈活發現原始數據中隱含的含糊性與不確定性[17]。運用粗糙層次分析法(Rough Analytic Hierarchy Process，RAHP)可將AHP的主觀性與粗糙集理論的客觀性有效結合來提高最終決策權重的準確性，實現對作業安全領域影響因素的分析判斷。

因此，本文應用粗糙層次分析法，從人因工程視角，對醫院藥品托運機器人作業安全設計進行研究。通過對藥品托運機器人“人-機-環”系統下作業安全影響因素進行量化分析，探究其人因系統作業安全設計原則，以期提升醫院藥品托運機器人作業效率與作業安全。

2 藥品托運機器人作業安全設計研究流程

基于人機工學理論，從“人-機-環”系統分析藥品托運機器人作業流程中存在的潛在風險，獲取影響藥品托運機器人作業安全的因素，從人、機、環三方面構建作業安全影響因素層次化模型。

為保證作業安全設計原則提出的科學性，提高影響因素權重決策的準確性，應用粗糙層次分析法對影響因素進行權重計算與排序，完成設計原則與實踐。具體研究流程如圖1所示。

圖1 研究流程

3 藥品托運機器人作業安全分析

3.1 作業流程分析

通過對作業流程(見圖2)進行分析，可以了解藥品托運機器人作業過程中所涉及的交互行為，是分析“人-機-環”系統下藥品托運機器人作業安全影響因素的基礎。

圖2 醫院藥品托運機器人作業流程圖

3.2 “人-機-環”系統分析

“人-機-環”系統將人、機器、環境作為三大要素進行考慮[18]，醫院藥品托運機器人“人-機-環”系統模型，如圖3所示。從人機系統全局出發，綜合考慮人(醫護人員)、機(醫院藥品托運機器人)，環境(醫院環境)三者之間的制約關系，以提高其復雜人因系統中人的安全性、舒適性、高效性等問題。根據作業流程，分析醫院藥品托運機器人“人-機-環”系統。

圖3 醫院藥品托運機器人“人-機-環”系統模型

人對于任務信息處理過程可以分為“感知(S)-認知(O)-反應(T)”三個階段[19]，事故的發生取決于人在任務處理過程三階段的行為性質。當醫護人員未能發覺醫院藥品托運機器人交互界面所形成的對人感知層面的外部刺激，或對外部刺激的錯誤判斷而產生錯誤的反應行動均可影響醫院藥品托運機器人作業安全。由于本身職業特點使得醫護人員長期處于高負荷工作強度下，在進行藥物拿取的過程中會存在未發覺顯示界面出現的信號燈變化、異常聲響、操作界面閱讀失誤等情況。且受外部環境及自身因素影響，主體認知存在差異，機器人界面與功能分配不當將增加醫護人員的認知負荷，難以產生認知記憶，導致任務失敗。

機的不安全因素是指引起事故、或可能引起事故的機械狀態[20]，藥品托運機器人功能、信息顯示、信息識別、人機交互操作流程以及內部控制器等都會不同程度對醫護人員的操作行為產生影響。藥品托運機器人內部零件多，受外部環境影響零件長時間工作發生老化、腐蝕，種種原因使得零件之間配合失效，最終導致其作業過程中發生故障，影響作業安全。醫院藥品托運機器人內部控制系統復雜，由電池模塊、控制模塊、運動模塊、避障模塊、導航及定位模塊、無線通信模塊、人機交互模塊七部分組成[21]，當醫院設備維修人員沒有定期對其進行設備檢查，其設備內部模塊在運行過程中將存在發生故障的風險。

表1 醫院藥品托運機器人作業安全潛在風險

環境作為人、機共處的特定工作條件，藥品托運機器人主要用于醫院各科室護士站與中心藥房之間的藥品托運工作，其作業環境為醫院內部走廊、電梯、中心藥房及各科室護士站。伴隨經濟的發展，我國大型綜合醫院數量及規模逐漸擴大，醫院建筑布局復雜、不同功能的科室數量多，多種病源并存[22]，對藥品運輸過程中的路徑規劃、避障模塊以及箱體密封性等提出挑戰；且其內部軟件設備及精密零件多，環境濕度與溫度會影響其使用壽命與內部箱體的環境狀態。如今，隨著醫院就診人數的增加，人流量密集將影響藥品托運機器人運輸時效以及導致機器人運輸過程中與行人發生碰撞。患者數量多以及部分工作環境環境噪聲大，將增加醫護者工作壓力，致使醫護人員在進行藥物取放過程中，發生藥品誤拿、錯拿的情況。

3.3 作業安全潛在風險分析

通過對醫院藥品托運機器人作業流程及“人-機-環”系統分析，總結其“人-機-環”系統中存在的潛在風險，見表1。

4 藥品托運機器人作業安全影響因素模型

4.1 作業安全影響因素層次分析模型

根據上述對醫院藥品托運機器人作業安全的分析，通過專家小組討論將作業過程中存在的潛在風險進行聚類與精簡，建立醫院藥品托運機器人作業安全影響因素層次分析模型，見圖4。

圖4 醫院藥品托運機器人作業安全影響因素層次分析模型

4.2 作業安全影響因素權重計算

粗糙層次分析法是將粗糙集理論中的粗糙數與粗糙邊界區間兩者優點結合并應用于層次分析法之中，可解決傳統層次分析法主觀性較大的問題[23]。邀請5位相關領域具有多年經驗的專家采用1-9標度法對影響因子進行打分，構建各層對上一層每一因素的成對比較矩陣。對第一層Bi進行打分共獲得五組判斷矩陣MNi (N為人數，i = 1，2，3，4，5)：

根據公式(1)公式(2)對判斷矩陣進行一致性檢驗，求得上述5個判斷矩陣的一致性檢驗結果為：CR1=0.0747，CR2=0.0565，CR3=0.0942，CR4=0.0465，CR5=0.0565。CR值均<0.1,說明評分結果具備一致性。

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

通過建立粗糙群決策矩陣，求解矩陣中元素的粗糙數。將上述判斷矩陣MNi轉化為粗糙群體決策矩陣W*：

W*=

“劃分5”的粗糙數為：

Z1=

根據公式(3)對特征向量N1、N2進行規范化處理，求解結果為

(3)

由此，根據公式(4)可得第一層影響因子權重f(Bi)=[0.5311,0.3515,0.1174]，即：B1>B2>B3。

(4)

同理求解Ci影響因子權重，結果如表2所示。根據公式(5)計算得影響因子最終權重指數f(Di)。

f(Di)=f(Bi)×f(Ci)

(5)

表2 醫院藥品托運機器人作業安全影響因素權重

由表2數據結果可得：B1中作業安全影響因素排序為C3>C1>C4>C2；B2中作業安全影響因素排序為C5>C6>C7；B3中作業安全影響因素排序為C11>C8>C10>C9。本次選取各二級指標中的前80%影響因素作為主要影響因子進行分析，作為后續藥品托運機器人設計原則提出的依據。作業安全影響因子為：C1、C3、C4、C5、C6、C8、C10、C11。

5 藥品托運機器人作業安全設計原則

根據表2數據結果所得藥品托運機器人作業安全重點影響因子，從界面宜人性、功能安全性及環境適應性三個方面提出針對性設計原則，如下：

5.1 界面宜人性原則

人作為影響藥品托運機器人作業安全的主要因素，以人為中心，提高交互界面的宜人性是降低醫護人員操作過程失誤率的重要措施。

(1)物理交互界面設計應從醫護人員出發，尺寸設計著重考慮醫護人員的工作特征以及作業空間下的作業姿勢、作業習慣，提高物理交互的宜人性與自然性。外觀功能設置應清晰明了，降低人員操作過程的認知難度，提高操作過程的宜人性與安全性。

(2)信息交互界面設計應考慮人的行為習慣，分析操作過程中可能存在的失誤，設置一定的容錯設計。在視覺層面上突出不同元素之間的優先級，層級設置不易過多，簡化交互流程，減少操作錯誤的發生；界面操作的文案、圖標所代表的語義應明確、一致，以降低醫護人員視覺認知偏差；而在實際交互過程中可能存在誤操作行為，因此，界面設計應設置返回步驟，提高操作準確性。

5.2 功能安全性原則

藥品托運機器人的作業環境與使用人群特殊，完善功能分配的合理性是提高其作業過程安全性的重要措施。藥品托運機器人基本功能為移動功能、藥品運輸功能、人機交互功能和路障識別功能。

(1)移動功能是藥品托運機器人進行藥品運輸的基本及必備功能，保證運行過程的穩定性是提高其作業安全的重要措施。合適的移動速度可保證機器人運行的穩定性與障礙識別的準確性；大輪轂設計及獨立懸掛減震設計可確保機器人通過的穩定性，提高運行的安全性。

(2)藥品運輸功能是其基礎功能，運輸對象特殊，因此保證運送過程中藥品不被污染是保證藥品運輸安全性的重要措施。封閉式箱體設計可保證機器人運輸過程中的安全性；身份識別模塊可保證藥品拿取的準確性；內置紫外線消毒裝置可保證藥品放取過程不被污染。

(3)人機交互作為人與機器交互的過程，提升人機交互安全性，設計應考慮降低人操作錯誤發生的幾率以及降低錯誤操作所帶來的風險。設計應符合人機工程學，功能布局清晰明確，操作界面簡單易懂，以此降低用戶操作錯誤發生的概率。設置聽覺、觸覺、視覺等反饋機制對用戶操作的進行指引提示，使用戶意識到操作的錯誤，降低錯誤發生的風險。

(4)路障識別功能可保證機器人運行過程中的安全性，只有準確識別動態環境下的障礙物，并實時避讓才能保證運輸過程中機與物的安全性。多模式傳感裝置實時感應動態環境變化，使機器人能夠進行實時避讓是保證其運行過程安全的重要措施。

5.3 環境適應性原則

醫院環境特殊、布局復雜、各空間尺寸固定，因此藥品托運機器人設計應加強其對非動態與動態環境的感知及適應能力，保證其作業過程中人、機、物的安全。藥品托運機器人應具備非動態及動態環境感知識別能力，以保障其作業環境下運行的安全性；外觀尺寸設計應考慮目前醫院的建筑布局及空間尺寸限制；對于部分病區可能存在環境噪聲過大的弊端，可通過語音提示裝置對周圍人員進行提醒；外觀造型配色應考慮醫院整體環境，避免突兀。

6 藥品托運機器人作業安全設計實踐

基于上述分析所得作業安全設計原則，從尺寸設定、功能結構及人機交互三個層面，對藥品托運機器人物理界面與信息界面進行設計實踐。

6.1 物理交互界面設計

藥品托運機器人造型設計以方形為主，邊緣采用圓角處理，主體配色以白、灰為主，點綴以藍色，整體簡潔沉穩，與醫院環境相協調，物理界面設計方案見圖5。

圖5 醫院藥品托運機器人物理界面設計方案

提高人機交互宜人性與環境作業空間的適應性，尺寸設計綜合考慮藥房及護士站作業空間、醫院走廊尺寸[24]與人立姿工作崗位作業尺寸[18]，人機尺寸如圖6所示。

圖6 醫院藥品托運機器人尺寸圖

結構分為藥品托運機器人主體、底盤和人機交互屏幕。主體部分為箱體、箱體內部消毒模塊、緊急制動裝置、視覺傳感裝置和運行狀態指示燈；底部包括驅動裝置、防撞保護、超聲波傳感裝置、故障警示燈、定位模塊和電池模塊；人機交互模塊主要包括功能選擇、智能識別、語音交互模塊，提高交互過程的高效性與自然性。

圖7 醫院藥品托運機器人功能分析

根據作業安全影響因素結果與設計原則，構建藥品托運機器人功能框架如圖7所示。從移動、運輸、交互、識別四方面進行功能分類，以保證移動過程的穩定性、運輸過程的安全性、交互過程的自然性和路障識別的實時性，提高藥品托運機器人整個作業環節中人、機、物的安全性。

6.2 信息交互界面設計

為降低交互過程中人為失誤的發生，提高操作的準確性，基于藥品托運機器人作業流程分析，引入HTA建立其操作層級框架(見圖8)，指導信息交互界面設計。

圖8 醫院藥品托運機器人操作層級框架圖

為降低操作過程中的認知難度，減少操作失誤發生的幾率，提高操作安全性，界面功能設置為系統登陸、送藥、取藥；界面設計減少操作層級，簡化操作流程、明確操作任務。送藥模塊操作功能為用戶登錄、柜體選擇、科室選擇；對科室進行分類，使選擇更加清晰。取藥模塊操作功能為身份識別，用戶只需選擇進行驗證方式即可進行取藥。

對于界面操作設置實時反饋，以降低錯誤操作帶來的風險。在醫護人員進行交互過程中，界面針對每一步操作將會發生相應的變化；操作點擊過程將會有實時語音提示，若發生錯誤操作會有震動反饋，確保操作流程的準確性，一定的容錯及反饋設計可降低醫護人員使用過程中錯誤的發生。藥品托運機器人信息界面設計交互流程圖見圖9。

圖9 醫院藥品托運機器人信息界面設計交互流程圖

7 結論

為提高醫院藥品托運機器人的作業安全，研究提出其“人-機-環”系統下作業流程中存在的不安全因素，建立基于粗糙層次分析法的作業安全影響因素層次模型。研究發現，人是影響醫院藥品托運機器人作業安全的主要因素，而優化藥品托運機器人界面及功能避免醫護人員認知錯誤是改善其作業安全的重要措施。最終，從界面、功能和環境適應三個方面提出了藥品托運機器人作業安全設計原則，從功能完善及交互提升方面對藥品托運機器人進行設計實踐，為未來相關機器人作業安全理論研究及應用實踐提供參考。