基于QFD與RAHP的餐館服務機器人人因工程設計

　　摘要：以用戶需求為基礎，提出一種新型餐館服務機器人人機系統(HRS)模式，探討了基于質量功能展開(QFD)理論的餐館服務機器人人因工程(HRE)設計方法。運用抽樣調查法、問卷調查法和親和圖法(KJ)獲取關于餐館服務機器人用戶需求的層次化模型。引入粗糙層次分析法(RAHP)計算各需求特征所占權重，以此分析基于QFD的餐館服務機器人HRE設計方法中的重點設計目標。將用戶重點需求轉化為設計要素，設定功能、外觀及人機的詳細質量特征，通過構建質量屋對質量功能展開研究，提出設計方案，最終運用CATIA人機分析軟件對設計方案進行可用性評價及驗證可行性。研究表明該設計方法及流程可提升餐館服務機器人的可用性，為后續設計提供參考。

　　關鍵詞：餐館服務機器人;人因工程設計;用戶需求;質量功能展開理論;粗糙層次分析法

　　機器人論文投稿刊物：《機器人技術與應用》(雙月刊)1988年創刊，是公開發行的科技刊物，國際機器人聯合會會員單位，在國內自動化領域享有很高的聲譽，國外亦有一定的影響。本刊主要報道工業自動化和機器人領域的相關理論、技術與應用等方面的最新進展情況，涵蓋面廣，集知識性與趣味性于一體，具有很強的技術性和可讀性。

　　餐飲業整體市場規模的不斷擴大，促使機器人逐步從傳統工業應用領域轉向民眾日常生活。為促進餐館服務模式的改革，服務機器人被引入餐飲行業，為現代化餐館提供送餐、點餐及娛樂等功能。其可替代人工，降低輸出成本，提升工作效率。因此將服務機器人應用于餐飲服務業具有重要意義與推廣價值[1]。國內外對餐館服務機器人的研究多集中于定位與路徑規劃上，ROUSSEAU等[2]開發了一個自主機器人系統，并使用機載傳感器檢測附近的人及啟動人機交互。ZHANG等[3]提出了基于深度相機和運動基準的餐館服務機器人及定位與映射系統(simultaneouslocalizationandmapping,SLAM)。YU等[4]闡述了3種地標定位算法，實現了餐館服務機器人的粗精度定位。

　　上述研究對餐館服務機器人的設計具有指導價值，但對人因工程(humanrobotergonomics，HRE)的研究則相對匱乏。KATO等[5]對餐館服務機器人人性化行為進行建模，采取“被動”與“積極主動”的方法，研究機器人與用戶的交互模式。王秋惠等[6]對老齡服務機器人界面、康復機器人與陪伴機器人人機界面設計[7]進行了深入研究。質量功能展開(qualityfunctiondeployment,QFD)理論可用于獲取用戶的需求及重要度[8]。解決餐飲業服務系統所面臨問題的最有效方法是提供以用戶為中心的服務及技術資源，以滿足用戶就餐需求。本文基于QFD開展對餐館服務機器人HRE的設計研究，運用粗糙層次分析法(roughanalytichierarchyprocess，RAHP)對用戶需求進行重要度運算，確保對餐館服務機器人HRE設計研究的客觀、科學及合理性[9]。依此構建質量屋(houseofquality，HOQ)，將用戶需求轉化為設計需求，鎖定重點、梳理流程，完成餐館服務機器人的實例設計。最終運用CATIA對設計實例進行可用性評價，驗證設計的可行性。

　　1餐館服務機器人人因工程設計流程

　　QFD可在餐館服務機器人設計流程中確保需求精準轉化成后續階段的要求[10]，其核心內容是進行轉換，將用戶需求轉換成產品開發各階段的目標[11]，幫助設計人員處理問題并完成初始階段的設計任務。運用QFD進行用戶需求分析能夠為產品提供較精準的造型、功能、結構與人機設計要素[8]。需求分析是設計的基礎，產品設計通過用戶需求調查獲取設計依據，確定用戶需求權重，進而決定產品的功能及結構[12]。

　　2用戶需求分析與轉化

　　2.1基于KJ法的用戶需求層次化分析

　　用戶對產品的需求可劃分為基本需求、期望需求及特殊需求[13]。市場調查、同類產品質量跟蹤、調查問卷、產品發展現狀及趨勢分析等手段均可用于收集用戶需求。親和圖法(affinitydiagram)又稱KJ法、相關用戶訪談法、焦點小組討論法等可對已獲取的用戶需求進行分類、篩選、歸納和補充，從而建立用戶需求間的層次關系[14]。通過不同渠道對餐館服務機器人樣本進行抽樣調查，繼而多方位評價目標產品，獲取問卷調查的問題所在。設定用戶群體為就餐食客，隨機調查問卷內容為人機、外觀及功能。問卷共計發放30份，收回30份，收回率100%;男女比例為12∶18。運用KJ法對問卷數據進行聚類與精煉，獲得層次化結構的用戶基本需求信息。

　　2.2基于RAHP法的用戶需求轉化與重要度確定

　　RAHP是將粗糙集理論中提出的粗糙數(roughnumber，RN)與粗糙邊界區間(roughboundaryintervals，RBI)的優點融合并應用于層次分析法之中。由于無需提供其他所需數據之外的先驗信息，粗糙集理論可解決用戶語言不確定性等問題[15]。邀請用戶對第二層次需求重要度進行兩兩對比，形成RAHP判斷矩陣。

　　3新型人機HRS模式與HOQ構建

　　3.1新型人機HRS模式分析

　　因此應作為餐館服務機器人重點設計部分。如何提升人機功效，需要考慮人-機-環之間的關系，分析交互體驗感不佳的具體原因，進而從根源提升設計質量。經前期樣本調查得知，多數餐館服務機器人較少注重人機交互過程，而重點定位于點送餐流程的技術實現上。用戶體驗效果不佳的原因在于，將機器人定位于“單純的機器角色”中，導致人機環系統缺乏“同理感受”，無法提供有價值的服務。新型人機系統(human-robotsystem,HRS)采用模糊集合的數理化形式較為直觀地展現人-機-環三者之間的組合關系，分析餐館服務機器人在整個系統中的角色設定。用戶(User)、工作人員(Waiter)、服務機器人(Robot)、操作系統(Operate)、被控環境(Environment1)、自控環境(Environment2)作為模糊集合中的元素，組成HRS1與HRS22類模糊合集模糊子集個數為2n，此處取64個子集。根據HRS1與HRS2模糊合集分析可知，餐館服務機器人HRS改變了傳統人-機-環的單一組合模式，有別于傳統的人機系統(humanmachinesystem，HMS)。HRS模糊合集中元素組合模式呈現多元化狀態，將餐館服務機器人賦予“人類角色”特征，在不同模糊子集中扮演不同角色，總體定義為R-SRhum(humanoidservicerobotofrestaurant)。

　　新型HRS理論可以為后續設計提供理論支撐與輔助性的作用。HRS強調在人機交互設計過程中，應采用較為主動與積極的狀態，模擬真實服務人員提供服務，在交互界面功能的提供上更注重情感交流，使機器人具備不同于傳統機器的“仿人類行為”，凸顯人性化與趣味性，提升用戶體驗。

　　3.2餐館服務機器人

　　HRE質量屋構建HOQ矩陣是QFD的核心體現[17]，由用戶需求和工程特性構成[18]。在將用戶需求轉換為質量特征的過程中，結合KJ法與RAHP法可有效地進行餐館服務機器人HRE設計方法研究。R-SRhum的設計目標是根據用戶需求提升人機效能，增強用戶體驗，為餐館節省人力、物力，提高效率與增加收益。結合QFD理論與前期用戶分析數據規劃HOQ具體內容，確定R-SRhum需求特征所對應的設計質量特征目標。將質量需求作為矩陣輸入內容，質量特性作為其輸出結果，兩者組合形成R-SRhum的HOQ。設計特征根據用戶需求進行篩選和制定，兩者需要存在必要的關聯性，需求轉化為設計特征，需要進行合理的推導，以滿足用戶重點需求。

　　例如，T1需求為造型美觀大方，進行推導可以得出G4機身干凈明亮、G6機器人造型親切4設計方案與人因工程評價4.1R-SRhum人因工程設計實例依據用戶需求及提取的設計質量特征要素重要度，對實例A1進行設計，如圖3所示。A1整體造型設計呈現流暢圓潤的形態，采用人形外觀可最大程度上體現其交互親和性，滿足T1，T4，T7，T9需求，實現G4，G6，G8的設計要素。A1整體尺寸為1300mm，餐盤距地面高度為773mm，顯示屏距地面990mm。滿足T1，T5需求，實現了G1，G2設計要素。尺寸參考餐館餐桌高度以及就餐用戶的視覺空間范圍及手肘高度等。國內餐桌的形狀以方桌和圓桌為主，一般餐桌的標準高度為710～730mm，而餐椅的高度則在410～430mm，因此A1尺寸符合送餐要求。

　　4結束語

　　用戶需求為產品設計中首要考慮的要素，通過對國內外餐館服務機器人研究方向與發展狀況進行分析，本文提出了新型HRS模式。從外觀、功能及人機3方面運用抽樣和問卷調查法獲取了基礎用戶需求，運用KJ法構建用戶需求層次化模型，利用RAHP計算用戶需求重要度。將需求特征轉化成設計要素，構建HOQ，直觀測評工程設計中特征因素的權重。依據所獲參數并結合用戶自身特性總結設計創新點，完成設計實例。最終運用CATIA對設計進行人機工程分析，提高用戶信任度并獲取良好的用戶體驗。總之，QFD理論可以縮短設計周期，預估R-SRhum人因工程設計前期會出現的問題，此設計方法及流程可有效提高R-SRhum的使用率和普適性。

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