基于QFD与RAHP的餐馆服务机器人人因工程设计

　　摘要：以用户需求为基础，提出一种新型餐馆服务机器人人机系统(HRS)模式，探讨了基于质量功能展开(QFD)理论的餐馆服务机器人人因工程(HRE)设计方法。运用抽样调查法、问卷调查法和亲和图法(KJ)获取关于餐馆服务机器人用户需求的层次化模型。引入粗糙层次分析法(RAHP)计算各需求特征所占权重，以此分析基于QFD的餐馆服务机器人HRE设计方法中的重点设计目标。将用户重点需求转化为设计要素，设定功能、外观及人机的详细质量特征，通过构建质量屋对质量功能展开研究，提出设计方案，最终运用CATIA人机分析软件对设计方案进行可用性评价及验证可行性。研究表明该设计方法及流程可提升餐馆服务机器人的可用性，为后续设计提供参考。

　　关键词：餐馆服务机器人;人因工程设计;用户需求;质量功能展开理论;粗糙层次分析法

　　机器人论文投稿刊物：《机器人技术与应用》(双月刊)1988年创刊，是公开发行的科技刊物，国际机器人联合会会员单位，在国内自动化领域享有很高的声誉，国外亦有一定的影响。本刊主要报道工业自动化和机器人领域的相关理论、技术与应用等方面的最新进展情况，涵盖面广，集知识性与趣味性于一体，具有很强的技术性和可读性。

　　餐饮业整体市场规模的不断扩大，促使机器人逐步从传统工业应用领域转向民众日常生活。为促进餐馆服务模式的改革，服务机器人被引入餐饮行业，为现代化餐馆提供送餐、点餐及娱乐等功能。其可替代人工，降低输出成本，提升工作效率。因此将服务机器人应用于餐饮服务业具有重要意义与推广价值[1]。国内外对餐馆服务机器人的研究多集中于定位与路径规划上，ROUSSEAU等[2]开发了一个自主机器人系统，并使用机载传感器检测附近的人及启动人机交互。ZHANG等[3]提出了基于深度相机和运动基准的餐馆服务机器人及定位与映射系统(simultaneouslocalizationandmapping,SLAM)。YU等[4]阐述了3种地标定位算法，实现了餐馆服务机器人的粗精度定位。

　　上述研究对餐馆服务机器人的设计具有指导价值，但对人因工程(humanrobotergonomics，HRE)的研究则相对匮乏。KATO等[5]对餐馆服务机器人人性化行为进行建模，采取“被动”与“积极主动”的方法，研究机器人与用户的交互模式。王秋惠等[6]对老龄服务机器人界面、康复机器人与陪伴机器人人机界面设计[7]进行了深入研究。质量功能展开(qualityfunctiondeployment,QFD)理论可用于获取用户的需求及重要度[8]。解决餐饮业服务系统所面临问题的最有效方法是提供以用户为中心的服务及技术资源，以满足用户就餐需求。本文基于QFD开展对餐馆服务机器人HRE的设计研究，运用粗糙层次分析法(roughanalytichierarchyprocess，RAHP)对用户需求进行重要度运算，确保对餐馆服务机器人HRE设计研究的客观、科学及合理性[9]。依此构建质量屋(houseofquality，HOQ)，将用户需求转化为设计需求，锁定重点、梳理流程，完成餐馆服务机器人的实例设计。最终运用CATIA对设计实例进行可用性评价，验证设计的可行性。

　　1餐馆服务机器人人因工程设计流程

　　QFD可在餐馆服务机器人设计流程中确保需求精准转化成后续阶段的要求[10]，其核心内容是进行转换，将用户需求转换成产品开发各阶段的目标[11]，帮助设计人员处理问题并完成初始阶段的设计任务。运用QFD进行用户需求分析能够为产品提供较精准的造型、功能、结构与人机设计要素[8]。需求分析是设计的基础，产品设计通过用户需求调查获取设计依据，确定用户需求权重，进而决定产品的功能及结构[12]。

　　2用户需求分析与转化

　　2.1基于KJ法的用户需求层次化分析

　　用户对产品的需求可划分为基本需求、期望需求及特殊需求[13]。市场调查、同类产品质量跟踪、调查问卷、产品发展现状及趋势分析等手段均可用于收集用户需求。亲和图法(affinitydiagram)又称KJ法、相关用户访谈法、焦点小组讨论法等可对已获取的用户需求进行分类、筛选、归纳和补充，从而建立用户需求间的层次关系[14]。通过不同渠道对餐馆服务机器人样本进行抽样调查，继而多方位评价目标产品，获取问卷调查的问题所在。设定用户群体为就餐食客，随机调查问卷内容为人机、外观及功能。问卷共计发放30份，收回30份，收回率100%;男女比例为12∶18。运用KJ法对问卷数据进行聚类与精炼，获得层次化结构的用户基本需求信息。

　　2.2基于RAHP法的用户需求转化与重要度确定

　　RAHP是将粗糙集理论中提出的粗糙数(roughnumber，RN)与粗糙边界区间(roughboundaryintervals，RBI)的优点融合并应用于层次分析法之中。由于无需提供其他所需数据之外的先验信息，粗糙集理论可解决用户语言不确定性等问题[15]。邀请用户对第二层次需求重要度进行两两对比，形成RAHP判断矩阵。

　　3新型人机HRS模式与HOQ构建

　　3.1新型人机HRS模式分析

　　因此应作为餐馆服务机器人重点设计部分。如何提升人机功效，需要考虑人-机-环之间的关系，分析交互体验感不佳的具体原因，进而从根源提升设计质量。经前期样本调查得知，多数餐馆服务机器人较少注重人机交互过程，而重点定位于点送餐流程的技术实现上。用户体验效果不佳的原因在于，将机器人定位于“单纯的机器角色”中，导致人机环系统缺乏“同理感受”，无法提供有价值的服务。新型人机系统(human-robotsystem,HRS)采用模糊集合的数理化形式较为直观地展现人-机-环三者之间的组合关系，分析餐馆服务机器人在整个系统中的角色设定。用户(User)、工作人员(Waiter)、服务机器人(Robot)、操作系统(Operate)、被控环境(Environment1)、自控环境(Environment2)作为模糊集合中的元素，组成HRS1与HRS22类模糊合集模糊子集个数为2n，此处取64个子集。根据HRS1与HRS2模糊合集分析可知，餐馆服务机器人HRS改变了传统人-机-环的单一组合模式，有别于传统的人机系统(humanmachinesystem，HMS)。HRS模糊合集中元素组合模式呈现多元化状态，将餐馆服务机器人赋予“人类角色”特征，在不同模糊子集中扮演不同角色，总体定义为R-SRhum(humanoidservicerobotofrestaurant)。

　　新型HRS理论可以为后续设计提供理论支撑与辅助性的作用。HRS强调在人机交互设计过程中，应采用较为主动与积极的状态，模拟真实服务人员提供服务，在交互界面功能的提供上更注重情感交流，使机器人具备不同于传统机器的“仿人类行为”，凸显人性化与趣味性，提升用户体验。

　　3.2餐馆服务机器人

　　HRE质量屋构建HOQ矩阵是QFD的核心体现[17]，由用户需求和工程特性构成[18]。在将用户需求转换为质量特征的过程中，结合KJ法与RAHP法可有效地进行餐馆服务机器人HRE设计方法研究。R-SRhum的设计目标是根据用户需求提升人机效能，增强用户体验，为餐馆节省人力、物力，提高效率与增加收益。结合QFD理论与前期用户分析数据规划HOQ具体内容，确定R-SRhum需求特征所对应的设计质量特征目标。将质量需求作为矩阵输入内容，质量特性作为其输出结果，两者组合形成R-SRhum的HOQ。设计特征根据用户需求进行筛选和制定，两者需要存在必要的关联性，需求转化为设计特征，需要进行合理的推导，以满足用户重点需求。

　　例如，T1需求为造型美观大方，进行推导可以得出G4机身干净明亮、G6机器人造型亲切4设计方案与人因工程评价4.1R-SRhum人因工程设计实例依据用户需求及提取的设计质量特征要素重要度，对实例A1进行设计，如图3所示。A1整体造型设计呈现流畅圆润的形态，采用人形外观可最大程度上体现其交互亲和性，满足T1，T4，T7，T9需求，实现G4，G6，G8的设计要素。A1整体尺寸为1300mm，餐盘距地面高度为773mm，显示屏距地面990mm。满足T1，T5需求，实现了G1，G2设计要素。尺寸参考餐馆餐桌高度以及就餐用户的视觉空间范围及手肘高度等。国内餐桌的形状以方桌和圆桌为主，一般餐桌的标准高度为710～730mm，而餐椅的高度则在410～430mm，因此A1尺寸符合送餐要求。

　　4结束语

　　用户需求为产品设计中首要考虑的要素，通过对国内外餐馆服务机器人研究方向与发展状况进行分析，本文提出了新型HRS模式。从外观、功能及人机3方面运用抽样和问卷调查法获取了基础用户需求，运用KJ法构建用户需求层次化模型，利用RAHP计算用户需求重要度。将需求特征转化成设计要素，构建HOQ，直观测评工程设计中特征因素的权重。依据所获参数并结合用户自身特性总结设计创新点，完成设计实例。最终运用CATIA对设计进行人机工程分析，提高用户信任度并获取良好的用户体验。总之，QFD理论可以缩短设计周期，预估R-SRhum人因工程设计前期会出现的问题，此设计方法及流程可有效提高R-SRhum的使用率和普适性。

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