基于交互行為與AHP 的殘疾人輪椅設(shè)計(jì)研究

宋端樹， 張善超， 黃悅欣

（1. 江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；2.西北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)與人機(jī)工效工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710072）

0 引言

在城市化的發(fā)展中，因各種疾病、工傷、交通事故等意外傷害的發(fā)生率持續(xù)增長， 導(dǎo)致非自然因素引發(fā)的下肢殘疾患者數(shù)量逐年增加[1-3]。 輪椅作為殘疾人的出行代步工具， 其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響殘疾人的家庭和社會(huì)生活質(zhì)量。 當(dāng)下在殘疾人日常使用輪椅的過程中， 縱向活動(dòng)范圍、 獨(dú)立操作等諸多交互行為受限問題有待解決[4]。目前更多的還是對于座椅舒適性以及人機(jī)方面的研究，缺乏針對用戶行為與產(chǎn)品關(guān)系的研究[5]。

1 研究背景

1.1 交互行為概述

理查德·布坎南教授曾明確提出， 交互設(shè)計(jì)的對象是“人的行為”，即通過產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)對人體行為的支持和引導(dǎo)[6]。

肢體殘疾人輪椅的交互行為可以看作使用者與輪椅在相關(guān)環(huán)境下的操作和接收反饋的過程， 交互行為主要包括操作行為和交互尺度[7]。 操作行為可以視為用戶關(guān)鍵“操作動(dòng)作”的有序組織排列。 借助人體關(guān)鍵動(dòng)作識(shí)別、交互任務(wù)圖繪制等方法，可以對操作行為進(jìn)行可用性評估，從中尋求設(shè)計(jì)突破口。 交互尺度是指用戶與產(chǎn)品交互過程中的的動(dòng)態(tài)人機(jī)交互尺寸。 以人使用輪椅的“行為”為研究視點(diǎn)，回歸輪椅的設(shè)計(jì)本質(zhì)，探究目標(biāo)用戶行為特征和需求，指導(dǎo)輪椅設(shè)計(jì)方向。

1.2 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[8]是一種對多要素、 多目標(biāo)評價(jià)問題進(jìn)行優(yōu)劣等級評價(jià)的分析決策方法。該方法將集合、分解、比較、評價(jià)等流程模式集于一體，能夠?qū)Q策問題的相關(guān)元素有序?qū)哟位?，通過定性分析與定量運(yùn)算，為評價(jià)問題提供科學(xué)、合理的決策結(jié)果[9]。

輪椅設(shè)計(jì)中，應(yīng)用AHP 能夠?qū)喴问褂眯枨筮M(jìn)行優(yōu)劣等級排序，明確輪椅設(shè)計(jì)的側(cè)重點(diǎn)，真正做到為用戶的設(shè)計(jì)。 AHP 的應(yīng)用流程為：

（1）構(gòu)建三階層次結(jié)構(gòu)。 其中，目標(biāo)層與準(zhǔn)測層根據(jù)專業(yè)設(shè)計(jì)人員分析討論得出， 指標(biāo)層則由行為分析總結(jié)和用戶訪談得到。

（2）構(gòu)造判斷矩陣Q=（Aij）n*n。 針對準(zhǔn)則層與指標(biāo)層，分別兩兩比較矩陣元素，比值aij表示元素i 與元素j 相比的重要程度[10]，一般用數(shù)值1-9 及其倒數(shù)表示，數(shù)值越大，代表比較元素中前者越重要。判斷矩陣對應(yīng)的特征方程為AW=λW。

（3）求解特征向量與一致性檢驗(yàn)。應(yīng)用和積法可求解矩陣的特征向量W，符合一致性檢驗(yàn)則可作為需求權(quán)重，一致性檢驗(yàn)可以通過計(jì)算一致性比例CR 來決定，CR＜0.1時(shí)符合檢驗(yàn)[11]。 準(zhǔn)則層與指標(biāo)層權(quán)重的乘積為用戶需求的綜合權(quán)重。

2 輪椅使用交互行為分析

考慮到外部條件復(fù)雜、 難以預(yù)測且室內(nèi)環(huán)境可以滿足觀察條件，因此將在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行研究。殘疾人輪椅使用中與輪椅的交互行為包括：起身行為、坐具轉(zhuǎn)換行為（此為操作行為）和使用輪椅時(shí)生活空間上的活動(dòng)交互范圍（此為交互尺度）。

2.1 交互行為數(shù)據(jù)采集

走訪肢體殘疾人家庭、康復(fù)中心等地，實(shí)地觀察殘疾人的輪椅使用方式， 并讓其獨(dú)立完成某些行為測試并錄制視頻。 行為測試成功則提取關(guān)鍵行為，分析行為特征；行為測試失敗則記錄失敗原因， 總結(jié)對應(yīng)的輪椅設(shè)計(jì)方向。 部分調(diào)研視頻截圖如圖1 所示。

圖1 調(diào)研及行為觀察部分截圖

根據(jù)錄制的視頻， 觀察行為過程并提取主要?jiǎng)幼?，繪制清晰的動(dòng)作過程，便于提取行為特征。 本文利用OpenCV庫能夠?qū)D像的灰度進(jìn)行分析、調(diào)節(jié)、提取圖像和背景之間的交界線的功能特點(diǎn)[12]，對采集的動(dòng)作進(jìn)行輪廓線提取，如圖2 所示。

圖2 OpenCV 庫提取人體交互動(dòng)作輪廓線

2.2 輪椅使用交互行為分析

2.2.1 輪椅使用操作行為分析

對測試成功的受試者關(guān)鍵交互行為進(jìn)行提取， 其操作行為任務(wù)圖如圖3 所示。

圖3 起身及坐具轉(zhuǎn)換操作行為任務(wù)圖

結(jié)合受試者測試失敗的原因分析可以獲知， 肢體殘疾人由于膝關(guān)節(jié)力矩的缺失， 一般借助手臂力量支撐輪椅扶手起身， 當(dāng)無扶手或者扶手高度較低時(shí)則無法完成起身，同時(shí)，臂力較弱的殘疾人也無法成功。 因此在輪椅設(shè)計(jì)時(shí)， 需要考慮為殘疾人提供補(bǔ)償肌肉力量缺乏的結(jié)構(gòu)，輔助殘疾人的起身。 在輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可加入座椅、扶手和靠背的升降結(jié)構(gòu)， 擁有手臂力量的殘疾人可以使用機(jī)械的手動(dòng)升降結(jié)構(gòu)， 無手臂力量的殘疾人可使用電動(dòng)操控的自動(dòng)升降結(jié)構(gòu)。

根據(jù)對不同殘疾人行為方式的觀察， 坐具轉(zhuǎn)換可歸納為3 種方式， 即側(cè)方轉(zhuǎn)移、 騎坐式前移和正面平推前移。其中，側(cè)方轉(zhuǎn)移中行為成功的關(guān)鍵在于坐具形態(tài)不對側(cè)方移動(dòng)造成障礙，這就要求輪椅扶手的可移動(dòng)性。騎坐式前移中行為成功的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)移坐具無扶手或者扶手不對前移造成障礙，且雙腿要求可以跨坐。正面平推前移中行為成功的方式在于轉(zhuǎn)移坐具的尺寸可完整容納腿部伸長， 且坐具底部要有可利用空間放置腳踏板以縮短坐具之間的距離。 兩種前移方式對轉(zhuǎn)移坐具的形態(tài)限制條件較多，為減少由于坐具形態(tài)而導(dǎo)致行為的失敗，從輪椅設(shè)計(jì)角度出發(fā)，可以考慮身體后移的平移推進(jìn)，即以輪椅后退的方式靠近坐具，使臀部可先接觸坐具，應(yīng)用到輪椅設(shè)計(jì)中，則需要改變靠背的設(shè)計(jì)，使得靠背需可拆卸。 考慮到車輪對坐具之間造成的距離影響， 因此可將靠背翻折設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)坐具之間的距離差，此時(shí)靠背需可支撐身體重量，因此對支撐材質(zhì)有一定要求。

2.2.2 輪椅使用交互尺度分析

以人體尺寸第50 百分位的成年男性和成年女性在輪椅行駛時(shí)生活空間上的交互尺度與健康人的活動(dòng)交互尺度進(jìn)行比較分析， 進(jìn)而可以分析殘疾人活動(dòng)空間上存在的問題，如圖4 所示，數(shù)據(jù)由測量得出。

由圖4 可知，殘疾人行駛輪椅時(shí)，人體尺寸第50 百分位的成年男性定點(diǎn)活動(dòng)范圍的縱向高度區(qū)間為130～1550mm，橫向最大水平范圍為手扶圈向外740mm，人體尺寸第50 百分位的成年女性成年定點(diǎn)活動(dòng)范圍的縱向高度區(qū)間為160～1410mm，橫向最大水平范圍為手扶圈向外660mm。

圖4 輪椅行駛的生活空間上的交互尺度

輪椅使用者的活動(dòng)范圍與健康人相差較大， 且輪椅使用者的活動(dòng)范圍僅為無障礙時(shí)的理論值。 在家庭生活中，高處和低處取物時(shí)，實(shí)際有效操作的空間范圍還會(huì)受到取物深度等的限制。

因此在輪椅設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)考慮如何在不影響正常舒適坐姿的情況下增大輪椅使用者的縱向活動(dòng)范圍， 如輪椅使用者坐、立姿轉(zhuǎn)變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。水平活動(dòng)范圍上需要考慮如何接近任務(wù)目標(biāo)，如部件的伸縮、抓握設(shè)計(jì)。

3 輪椅使用需求權(quán)重分析

3.1 需求層次模型構(gòu)建

基于交互行為測試與分析，結(jié)合層次分析法，能夠得到更全面的使用者需求。

通過問卷調(diào)研及深入訪談等方法在康復(fù)中心、 敬老院等殘障人相對聚集的場所對輪椅使用者及其家人共發(fā)放問卷97 份，回收有效問卷89 份。同時(shí)記錄受訪者對輪椅的使用痛點(diǎn)及對輪椅改進(jìn)的期望點(diǎn)。 梳理輪椅用戶的原始需求要素，需求篩選及分解、整合后，最終確定用戶需求共34 項(xiàng)。

應(yīng)用親和圖法構(gòu)建輪椅用戶需求的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，以“肢體殘疾人輪椅設(shè)計(jì)”作為目標(biāo)層。 將34 項(xiàng)具體需求作為指標(biāo)層，并對指標(biāo)層用戶需求進(jìn)行整理和分類，獲得行駛安全性、生活操作便捷、健康舒適性、輔助性能、經(jīng)濟(jì)性等5 項(xiàng)準(zhǔn)則層因子。 層次結(jié)果模型如圖5 所示。

圖5 輪椅使用的用戶需求層次模型

3.2 需求權(quán)重求解及分析

依據(jù)用戶需求層次模型， 分別針對準(zhǔn)則層和指標(biāo)層因子設(shè)計(jì)重要度問卷，構(gòu)造判斷矩陣。 選擇輪椅使用者、輪椅銷售者以及輪椅設(shè)計(jì)師作為調(diào)研對象， 請其分別在準(zhǔn)則層因子、 隸屬同一準(zhǔn)則層因子的指標(biāo)層因子間兩兩比較，進(jìn)行相對重要度賦值，最后獲得平均值。 以準(zhǔn)則層為例構(gòu)造判斷矩陣，如表1 所示。

表1 準(zhǔn)則層判斷矩陣

計(jì)算后得到矩陣的特征向量為w=[0.4615 0.2913 0.1406 0.0639 0.0428]T，其特征值λ=5.1142，CR=0.0255＜0.1，通過一致性檢驗(yàn)。 由計(jì)算結(jié)果可知，使用者對于輪椅的行駛安全性重視度最高。 其次對于生活操作便捷性要求次之。 同時(shí)，對輪椅使用的健康舒適性也有一定的要求，而對輔助性能和經(jīng)濟(jì)性能的需求較小。

同理可計(jì)算得出指標(biāo)層各因子的權(quán)重值。 將指標(biāo)層因子權(quán)重值與相應(yīng)準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重值相乘， 求得用戶需求綜合權(quán)重，其重要度排序如圖6 所示。

從圖6 中可以看出： 用戶對出行安全性的高要求主要集中在行駛穩(wěn)定性、 上下坡的便捷性以及對安全隱患的規(guī)避。 因此，可以加裝座椅防護(hù)帶、感應(yīng)式警報(bào)系統(tǒng)、采用防滑材質(zhì)等來增加行駛穩(wěn)定性。 除了行駛安全，輪椅使用者對自主活動(dòng)時(shí)的活動(dòng)空間范圍以及操作的無障礙性、 生活操作中的坐具轉(zhuǎn)換等的便捷性以及久坐的舒適性有較高要求，因此，可以加裝座椅的可升降性；座椅扶手的伸縮性；采用透氣、軟硬度適中材料等。 出于對獨(dú)立出行時(shí)的輕便性考慮，因此對攜帶物品放置有一定要求，可加裝收納盒， 梳理并總結(jié)輪椅使用高需求權(quán)重對應(yīng)的設(shè)計(jì)方向，如表2 所示。

圖6 用戶輪椅使用綜合權(quán)重

表2 輪椅使用高需求權(quán)重對應(yīng)設(shè)計(jì)方向

4 輪椅設(shè)計(jì)實(shí)踐

結(jié)合行為分析、輪椅使用需求分析，設(shè)計(jì)輪椅見圖7。

圖7 輪椅設(shè)計(jì)案例

輪椅主體由一個(gè)固定模塊、 兩個(gè)可活動(dòng)模塊以及兩個(gè)可拆卸模塊構(gòu)成，如圖7（a）所示。 固定模塊包括車輪、車外殼、護(hù)膝、扶手和電力系統(tǒng)，可活動(dòng)模塊包括胸托支架的旋轉(zhuǎn)、伸縮結(jié)構(gòu)和座椅支架的旋轉(zhuǎn)、伸縮結(jié)構(gòu)，可拆卸模塊分別為靠背和坐墊。輪椅具有兩種使用狀態(tài)，如圖7（b），依靠兩個(gè)可活動(dòng)模塊的升降、伸縮的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，細(xì)節(jié)如圖7（c）所示。 當(dāng)人體維持坐姿較長時(shí)間后，覺得疲勞想要站立時(shí)， 在控制面板上按下立式模式按鍵并解鎖胸托支架和座椅支架的鎖死狀態(tài)， 控制面板操縱界面如圖7（d）所示，用手握住車體上方的固定手把向上提拉身體，使身體起身，直至站立狀態(tài)。然后操縱控制面板，將胸托支架和座椅支架鎖死， 使其不可動(dòng)。 在行為過程中，胸托支架和座椅支架由于有旋轉(zhuǎn)、伸縮結(jié)構(gòu)，因此可以實(shí)現(xiàn)這一過程。當(dāng)切換成站立狀態(tài)后，由于升降結(jié)構(gòu)的鎖死，除了胸托支撐人體站立，固定不動(dòng)的座椅結(jié)構(gòu)也給人體提供了一個(gè)站立支撐點(diǎn)。當(dāng)由站立姿態(tài)轉(zhuǎn)為坐姿時(shí)，則是手臂施加向后方壓力， 其行為原理與從坐姿到站立過程相一致。 兩種狀態(tài)的切換既可以消除長期坐姿的生理不適感，又可以通過“站—坐”狀態(tài)的訓(xùn)練，起到活動(dòng)人體部位的作用，對鍛煉身體有一定的積極作用。若是手臂力量較弱，則可以借助自動(dòng)化操作，通過胸托支架、座椅支架的自動(dòng)化升降，帶動(dòng)人體起身、落座。 站立狀態(tài)彌補(bǔ)了坐姿時(shí)的行為活動(dòng)范圍受限的情況， 幫助肢體殘疾人能夠?qū)崿F(xiàn)高處置取物、 廚房操作以及移動(dòng)中平等的與他人聊天、交往等行為。

兩個(gè)可拆卸模塊的設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)坐具轉(zhuǎn)移、 進(jìn)出的便捷性，坐具轉(zhuǎn)移過程如圖7（e）所示，靠背分別與坐墊和胸托通過安全帶連接，能夠從輪椅上整體拆卸下來，當(dāng)輪椅以后退的方式靠近轉(zhuǎn)換坐具， 座椅底部接觸坐具并剎車后，首先解開護(hù)膝安全帶并將腳放置到合適位置。然后解開靠背安全帶， 將靠背取下。 為了方便小腿的移出不受限，對坐墊進(jìn)行了分割、折疊處理。座椅面分割成三部分，外圍兩側(cè)可向下翻折，使小腿可以不受空間限制，實(shí)現(xiàn)水平位移，坐墊的翻折接觸面采用釹鐵硼強(qiáng)磁材料，翻折向上后可牢牢將分割面吸附， 因此不會(huì)對坐姿舒適性造成損害，具體細(xì)節(jié)如圖7（f）所示。 此時(shí)，將手撐在扶手上，依靠手臂力量慢慢向后移，坐到坐具上，并通過手機(jī)相關(guān)應(yīng)用遠(yuǎn)程操控輪椅駛離。 該進(jìn)出方式滿足于家庭中各個(gè)環(huán)境中的坐具轉(zhuǎn)換的使用，大大增強(qiáng)輪椅使用的便捷性。

5 結(jié)束語

文中以現(xiàn)有輪椅及人的交互行為為依據(jù)， 尋找行為中因輪椅形態(tài)、 功能帶來的行為障礙， 總結(jié)輪椅使用需求。針對肢體殘疾人對輪椅使用需求的側(cè)重，則運(yùn)用層次分析法進(jìn)行了量化分析，將模糊的語言評價(jià)轉(zhuǎn)化為可視化的數(shù)據(jù)表達(dá)。 最后的設(shè)計(jì)實(shí)踐驗(yàn)證了交互行為分析與層次分析法結(jié)合使用，研究內(nèi)容層次遞進(jìn)的有效性?；谠撍悸房蓪ζ渌麣埣踩擞闷愤M(jìn)行設(shè)計(jì)研究。