基于KJ-AHP法的核酸采樣機器人設計研究

2023-04-29 00:00:00胡喆李怡

設計 2023年22期

摘要：有效獲取普通居民、志愿者和醫護人員對核酸檢測的用戶需求及其權重，并確定核酸采樣機器人的關鍵性用戶需求。運用訪談法總結出各項用戶需求，并結合KJ法對需求項目進行梳理和分類；最后根據AHP層次分析法，通過專業人員對需求項進行比較和評價，得到需求項的權重。功能性需求和安全性需求的重要度權重最大，是核酸采樣機器人設計過程中需要著重考慮的關鍵性用戶需求。以實際案例驗證KJ-AHP結合的研究方法具有可行性。

關鍵詞：KJ AHP 核酸檢測智能機器人產品設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2023）22-0140-04

Abstract：Effectively obtain user requirements and their weights for nucleic acid testing from the general population，volunteers and healthcare professionals，and identify critical user requirements for nucleic acid sampling robots.The interview method is used to summarize each user requirement，and combined with the KJ method to sort and classify the requirement items；finally，according to the AHP hierarchical analysis method，the requirement items are compared and evaluated by professionals to get the weight of the requirement items. Functional requirements and safety requirements have the highest weight of importance and are the key user requirements to focus on during the design of the nucleic acid sampling robot. The feasibility of the combined KJ-AHP research method is verified with practical cases.

Keywords：KJ AHP Nucleic acid detection Intelligent robot Product design

引言

2019年新型冠狀病毒肺炎疫情的突然爆發給人們的生活帶來了巨大改變，同時也給各個領域帶來了巨大沖擊，尤其是醫療服務領域[1]。呼吸道拭子核酸檢測技術具有準確度高、操作簡單的特點，常態化核酸檢測也成為疫情防控的關鍵措施[2]。后疫情時代各地疫情反復，一旦出現集中病例，必須立即開展大規模的核酸檢測。在此過程中，存在著醫務人員需求大、交叉感染風險大等諸多問題。而利用智能機器人來實現核酸樣本的自動化采集，可以有效達到減少感染、長效工作的目的，因此，針對目前城市核酸檢測過程中存在的問題，根據用戶的需求對核酸采樣機器人進行設計和開發是非常重要的。

目前國內針對核酸采樣機器人的研究較少，加之其使用場景的特殊性，本研究將KJ法和AHP法相結合，首先，利用KJ法對得到的用戶需求要素進行整理歸納和分析，得出基本的用戶需求層次結構模型。隨后，通過AHP層次分析法對用戶需求進行分析最終得出核酸采樣機器人用戶需求重要度權重并確定需求的優先級，進而為后續核酸采樣機器人提供設計指導。

一、后疫情時代國內核酸采樣的特點及現狀

（一）國內疫情防控現狀

就目前情況而言，“后疫情時代”并不是我們原先想象的疫情完全消失、恢復原狀的時代，雖然全國各地的疫情形勢趨于平穩，但仍然存在散點疫情、聚集性疫情、國外病例輸入、季節性疫情長期拖延等突發情況，因此，防控工作依然嚴峻。在“后疫情時代”，人們高度重視公共衛生安全，傾向于更健康的生活方式；同時，為了減少疫情期間人與人之間的密切接觸，已報道有多種機器人參與到臨床、護理、檢查、生活工作中，如消殺機器人、咽拭子采樣機器人、清掃機器人、配送機器人等。在“后疫情時代”，人們對智能機器人產品的接受程度不斷提高，生活方式不斷深化。

（二）核酸采樣的特點及現狀

新型冠狀病毒感染人體后，首先會在呼吸道傳播，因此可以通過檢測咽拭子和鼻拭子中的核酸來檢測人體是否感染了病毒。而咽拭子采樣因其操作簡單，成為最普遍的核酸檢測采樣方式。在進行咽拭子采樣的過程中，首先，醫護人員進行手部消毒，取出采樣頭，達到咽部前不要跟其他東西觸碰，避免污染；隨后，被測者張嘴，充分把咽喉部暴露出來，醫護人員在其懸雍垂、咽聘弓或者扁桃體部用拭子迅速地擦拭捻轉分泌物；最后，采集完成后將采樣頭放入試劑盒，在有折斷標記的地方折斷咽拭子手柄，蓋好采樣試管蓋，擰緊并保存。具體過程如圖1所示。

通過分析當下核酸檢測的流程，總結歸納出以下痛點：痛點一，面臨交叉感染的風險大。在采集拭子的過程中，被測者張嘴暴露咽部，棉簽反復擦拭咽喉可能會引起被采樣者不適而干嘔、咳嗽導致飛沫四濺，采集咽拭子的醫護人員很大程度上面臨著被感染的風險。痛點二，樣本質量不一。由于長時間持續工作，醫護人員產生疲勞感后容易發生手法操作錯誤；此外，因采集手法的不同，采集的拭子質量可能是不一致的。痛點三，工作環境差。采樣人員在進行樣本采集的時候，需要穿著厚重的防護服，長期戴口罩、護目鏡等，在高溫下工作的核酸采樣醫護人員常常連續數小時不喝水、不排便，這將對醫護人員身體產生危害，因此使用智能機器人來代替醫護人員承擔核酸采樣的工作具有極大的重要性。

二、基于KJ-AHP的核酸采樣機器人研究方法與過程

（一）基于 KJ-AHP 的創新研究方法

KJ法是一種定性的分析研究方法，用于對數據的歸納和分類[3]。把KJ法應用到核酸采樣機器人用戶需求要素的分析上，有助于簡化和整理核酸采樣機器人的用戶需求數據。AHP層次分析法則是一種定性和定量相結合的分析研究方法，采用求解判斷矩陣的特征向量的方法，得到各層元素對上層元素的優先權重[4]，結合層次分析法，可量化計算出設計要求的核酸采樣機器人用戶需求的重要度權重，并根據結果進行設計，從而提高核酸采樣機器人的用戶滿意度。

本文運用KJ-AHP相結合的創新研究方法，對普通居民、志愿者和醫護人員的核酸檢測用戶需求進行定性和定量分析，使用KJ法對需求項進行整合和分類，通過AHP層次分析法，構建用戶的需求層次模型并計算其權重，通過分析專家意見得到優先級排序，從而提出更具可行性的核酸采樣機器人設計策略，最終設計出符合用戶需求的核酸采樣機器人。

（二）基于KJ法的用戶需求要素獲取

用KJ法對用戶需求進行簡化和整理，將相似的需求歸為一類，其主要過程如下[5]：

1.用戶需求獲取。核酸采樣機器人的用戶主要包括了核酸采樣醫護人員、志愿者以及經常需要做核酸檢測的普通居民，通過對上述目標用戶進行深度訪談和焦點小組，收集和整理用戶需求的相關信息，隨后組織設計小組人員進行頭腦風暴，展開思維發散與聯想，盡量搜集有關產品功能要求的信息。

2.制作需求卡片。設計小組人員將第1步搜集的所有信息進行整理，去除重復信息、整合相近信息，并最終提煉概括形成“需求卡片”。如表1，共獲得15張需求卡片。

3.整理需求卡片。設計小組人員對15張需求卡片進行層次分類，將需求卡片客觀聯系相對緊密的歸為一類，并分別為其命名，形成二級用戶需求指標；再將各二級類別進行歸類，形成一級用戶需求指標，同樣進行命名。

4.形成核酸采樣機器人用戶需求層次結構模型。通過KJ法，將上述得到的15項需求按其屬性歸納共形成4項一級需求指標，分別為：功能性B1、安全性B2、人機交互B3、外觀造型B4。構建一級需求項目集A={B1，B2，B3，B4}和二級需求項目集B1={C1，C2，C3，C4，C5，C6}，B2={C7，C8，C9}，B3={C10，C11，C12}，B4={C13，C14，C15}，最終得到核酸采樣機器人的用戶需求層次結構模型，如表2。

（三）基于AHP的用戶需求權重計算

根據AHP層次分析法得出用戶需求的優先權重，主要步驟如下[6]：

1.構建判斷矩陣。為了得到更為客觀的結果，在該結構模型中，由三類人員共同完成數值的標度，他們與核酸采樣機器人的設計都有著密切的關系，具體包括了核酸采樣醫護人員、經常需要核酸檢測的普通居民和設計人員。每個類別各6人，共有18名評分人員。18名評分人員分別對同一層級的需求項目進行兩兩比較打分，并按以下尺度xi/xj記錄，評分數值為1-9中間的整數，以此來比較兩要素之間的重要性程度，構建各層判斷矩陣。

2.層次單排序。首先，對核酸采樣智能機器人用戶需求層次結構模型的一級需求項目集A1={B1，B2，B3，B4}進行計算分析，即對一級需求項目功能性、安全性、人機交互和外觀造型分別進行兩兩比較，判斷對總體目標（符合用戶需求的核酸采樣機器人）的重要性程度，即B1和B2對總體目標A的重要性，B2和B3對總體目標A的重要性，B3和B4對總體目標A的重要性，B1和B3對總體目標A的重要性，B1和B4對總體目標A的重要性，B2和B4對總體目標A的重要性。同理，分別對核酸采樣機器人用戶需求層次結構模型的二級需求項目集B1={C1，C2，C3，C4，C5，C6}，B2={C7，C8，C9}，B3={C10，C11，C12}，B4={C13，C14，C15}分別進行比較計算。本研究運用和積法計算各個需求項目的排序權重[7]，將判斷矩陣A按列歸一化，得矩陣B=（bij）n×m，見式（1）。將按列歸一化的矩陣B進行每一行求和，見式（2）。得出A，B1，B2，B3，B4矩陣及權重ωi，如表3-7。

4.綜合權重值計算與總排序。將二級用戶需求項目層各項權重值分別乘以其對應的一級需求項目層的權重值，可以計算出各項需求對于核酸采樣機器人設計的綜合權重值，見表9。

由綜合權重值的計算數據可得知，用戶最注重核酸檢測采樣機器人的功能有效性，其次是機器人的安全性，人機交互居于其后，而用戶最不關注的方面是機器人的外觀造型。

更為具體的，由上表可以看出，在各個具體的核酸檢測采樣機器人用戶需求中，咽拭子取樣（C4）、殺菌消毒（C7）、儲存采樣試管（C6）、更換取樣頭（C2）、高度可調節（C10）、人員信息核對（C3）幾項需求的重要性較高，在進行實際設計的時候應該優先考慮這幾項功能；而體溫測量（C8）、實時信息顯示（C5）、CMF具有親和力（C15）、操作簡單（C11）、提示物料余量（C9）幾項需求也具有一定的重要性，設計師也應給予一定的重視。

三、基于KJ-AHP法的設計應用

（一）構建核酸采樣機器人的設計策略

通過以上用戶需求綜合權重值的排序結果，分別從產品功能結構、采樣過程、人機交互和外觀造型等方面對核酸檢測采樣機器人制定以下設計策略。

1.產品功能結構的優化。通過對核酸檢測醫護人員的訪談中得出，咽拭子取樣的過程主要是在被測者張嘴并充分暴露出咽喉部的情況下，用采樣頭迅速擦拭捻轉分泌物。因此，為保證產品的功能有效性，需要確保智能機器人的采樣頭能夠精準地對準被測者的咽部，由前述分析，采樣頭的裝置需要具備旋轉和俯仰的功能，通常，機械臂能夠實現此類需求，因此選取機械臂結構來實現咽拭子采樣的功能。同時，為使機械臂能夠準確識別咽拭子采樣部位并進行精準定位，還需增加攝像頭等硬件設備。其次，完成咽拭子采樣后的樣本需要放置在試劑盒內保存，因此機器人需設有儲物空間。

2.采樣過程安全化。為了減少交叉感染的可能性，智能機器人需要對咽拭子采樣被測者進行體溫的測量，當被測者體溫異常，將迅速報告給醫護人員。更為重要的是，智能機器人在進行下一次采樣之前，應對采樣頭進行消毒，因此，機器人應設計消毒裝置。

3.人機交互便捷化。由于不同被測者的身高存在一定的差異，因此，除了設計合適的采樣機器人人機尺寸以外，采樣頭還應該具備一定范圍的調節功能。同時，考慮到降低用戶的使用成本以及達到減少直接接觸的目的，機器人的設計除了基本的電子顯示操作屏幕外，還需包括語音交互功能。

4.外觀造型親和化。與其他常規產品不同，醫療產品外觀的設計需要更加人性化，盡量在造型、材質、色彩上給醫護人員和患者帶來積極的感受。同時，機器人的整體外觀應富有科技感和儀器精密感，給用戶安全可靠的感受。

（二）核酸采樣機器人的設計方案

根據前述的研究結果，對標本取樣、消毒殺菌、樣本儲存、人員信息核對、CMF設計等相對重要的用戶需求進行著重設計，以下是具體的設計方案：

1.核酸標本取樣。采樣裝置部分采用六軸機械臂結構，如圖2，采樣頭的高度、角度和距離等均可進行調節，從而實現對被測者咽拭子采樣部位的準確定位。因為考慮到不同被測者的身高差異問題，智能采樣機器人的各項尺寸除了參考人機工程學外，還特別設計了滑動軌道，使得整個采樣機械臂的位置能夠在一定范圍內進行上下移動，以適應不同的高度。當其未在工作狀態時，機械臂可以進行折疊存放，達到節約空間的目的。在取樣頭的末端設計有隔離罩，可以準確定位取樣頭到達被測者咽部的位置，除此之外，還能在一定程度上阻擋飛沫濺到機器上，取樣頭如圖3。

2.殺菌與樣本儲存。采樣機器人機體部分設計有儲物轉盤，儲物盒分為4個區域，其中有兩部分放置試劑盒，一個部分為未使用的試劑盒，另一部分用于存放咽拭子取樣后的試劑盒；第三部分區域用來放置咽拭子取樣頭；最后一個區域內置噴頭以便噴霧消毒，工作時內部的儲物盒自動旋轉以配合機械臂的操作，如圖4。儲物盒模塊的設計便于拆卸，有助于機器人后期的維護。

3.人員信息核對。機器人設計有電子顯示屏，可顯示電子二維碼，便于被測者掃碼登記和機器人進行信息采集。同時顯示屏上可顯示各種物料的余量以及機器電源的電量，以提示醫護人員及時補充試劑盒、消毒液等物料以及及時充電。針對一些特殊情況，醫護人員可以通過電子屏幕手動操縱控制面板以控制取樣頭的位置，來完成咽拭子的取樣，如圖5。

4.CMF設計。機器人設計在色彩的選擇上，采用了偏向于具有醫療產品設計特點的奶白色和淺藍色，給用戶沉穩冷靜的感覺；整體外形風格的設計簡單大方，采用鋁合金和塑料磨砂材質，使產品看起來更具有質感；圓潤的造型形態輪廓使得產品富有一定的親和力。根據平衡車的原理，機器人底部設有兩個輪子，便于在平地上自行移動，輪中光帶的設計不僅能夠提示其處于移動狀態，還可以增加采樣智能機器人的運動感，車輪材料的選擇為橡膠材質，不僅因為其在醫用場景下起到靜音的作用，還可以增大摩擦力，在移動過程中提高機器人的穩定性，核酸檢測采樣智能機器人的整體設計效果如圖6，尺寸圖如圖7。

核酸采樣機器人的具體使用過程如圖8，第一步，機器人電子屏顯示采樣二維碼，被測者進行掃碼后錄入個人信息，同時攝像頭采集被測者面部信息；第二步，信息讀取完成后，機器人語音提醒被測者張嘴暴露咽部，隨后機械臂定位被測者咽部采樣位置，并進行咽拭子的采樣；第三步，儲存被測者的咽拭子樣本；第四步，換下已使用過的咽拭子采樣頭；第五步，換上新的采樣頭；第六步，進行殺菌消毒后對下一位被測者進行咽拭子采樣。

結語

本研究從后疫情時代常態化核酸檢測所存在的問題出發，并根據問題探究用戶對核酸檢測的需求，采用KJ法對用戶需求進行歸納整理，建立用戶需求層次結構模型，再通過AHP層次分析法，對用戶需求的權重進行分析，得出用戶需求的重要度權重排序，并以此指導實際的設計過程。最后，根據研究結果，提出核酸檢測采樣機器人的設計策略，并進行設計應用。本文以核酸采樣機器人設計為例進行研究，希望為其他相關產品的設計提供一些參考。