王秋惠，王雅馨

醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)安全與交互設(shè)計策略

王秋惠，王雅馨

(天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387)

作業(yè)安全與設(shè)計質(zhì)量對提高醫(yī)院公共環(huán)境消殺機(jī)器人“人機(jī)系統(tǒng)”運(yùn)行效率具有關(guān)鍵作用。以人因工程學(xué)、交互科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)理論為視角，探究醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)安全與交互設(shè)計策略。采用層次任務(wù)與表格任務(wù)結(jié)合HTA-T分析法，構(gòu)建消殺作業(yè)任務(wù)流程，剖析作業(yè)流程中典型安全事故及其致因邏輯，基于工作域分析法(WDA)對消殺作業(yè)約束條件進(jìn)行描述，建立消殺工作域抽象層次模型。并對醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)SRK認(rèn)知行為模式(技能型、規(guī)則性、知識性)進(jìn)行判定研究，梳理認(rèn)知因素匹配關(guān)系。構(gòu)建消殺機(jī)器人作業(yè)安全設(shè)計評估理論模型框架，提出基于功能需求、形態(tài)結(jié)構(gòu)、外觀色彩和人機(jī)交互4大安全指標(biāo)要素的設(shè)計策略。該成果可為醫(yī)院公共環(huán)境消殺機(jī)器人人機(jī)工效相關(guān)基礎(chǔ)理論研究及設(shè)計實(shí)踐提供參考依據(jù)。

醫(yī)院消殺機(jī)器人；作業(yè)安全；人機(jī)交互；設(shè)計策略；評估模型

隨著人工智能技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)療服務(wù)水平的不斷提高，智能消殺機(jī)器人成為未來醫(yī)院感染防控的重要裝備，為傳統(tǒng)醫(yī)療空間消毒提供全新的工作模式。其既可減輕繁重的人工作業(yè)負(fù)荷，又可提高消殺作業(yè)效率[1]。但由于醫(yī)院環(huán)境空間、公共設(shè)施及醫(yī)患人員的特殊性，消殺機(jī)器人交互作業(yè)安全正面臨很多挑戰(zhàn)。如何構(gòu)建安全可靠的作業(yè)流程、人機(jī)交互模式及交互設(shè)計策略，是保證醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)績效的關(guān)鍵。作業(yè)安全分析是對復(fù)雜作業(yè)的安全管理方法，可對作業(yè)過程中危險因素剖析，采取相應(yīng)預(yù)防與改進(jìn)措施，提出安全原則，防止事故發(fā)生和人員傷害[2]。該領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用研究已取得很多可喜的成果：趙京等[3]從機(jī)器人自身和交互安全性2方面分析了機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制算法對機(jī)器人作業(yè)安全的作用；李錫江等[4]利用故障樹形圖分析法分析機(jī)器人安全性；黃志清等[5]提出一種基于雙分辨率2.5D分層?xùn)鸥竦貓D的路徑規(guī)劃方法；朱蓉軍等[6]設(shè)計了機(jī)器人人機(jī)安全避碰方法；楊占力等[7]通過仿真分析驗(yàn)證縱向翻轉(zhuǎn)影響機(jī)器人安全性。關(guān)于作業(yè)安全的研究，學(xué)者主要采用圖論分析、事故統(tǒng)計、數(shù)據(jù)可視化等方法，挖掘作業(yè)過程中潛在的危險因素：LI[8]通過分析操作者對危險行為的態(tài)度，將危險劃分為局部危險與總危險2個等級；文獻(xiàn)[9-10]通過路徑算法建立最優(yōu)行動軌跡以此降低避碰風(fēng)險；文獻(xiàn)[11]采用模糊層次分析法建立了安全評價框架，以確定安全指數(shù)和警示等級。

綜上所述，關(guān)于機(jī)器人作業(yè)安全的研究，目前多針對工作路徑規(guī)劃和避障操作問題，對于安全工作流程設(shè)計、人機(jī)交互策略，以及界面設(shè)計的基礎(chǔ)理論研究較為薄弱，尤其在醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)安全及交互設(shè)計理論研究方面。因此，在吸收前人思想的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用人因工程學(xué)、交互科學(xué)以及認(rèn)知科學(xué)的理論方法，對醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)交互安全設(shè)計策略進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)流程構(gòu)建

1.1 消殺作業(yè)任務(wù)流程構(gòu)建

因醫(yī)院消殺作業(yè)的復(fù)雜性，消殺機(jī)器人與人及環(huán)境之間存在一定交互關(guān)系。采用層次任務(wù)分析法(hierarchical task analysis，HTA)結(jié)合表格任務(wù)分析法(tabular task analysis，TTA)，對醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)安全交互中的可變因素進(jìn)行理想化處理，即假設(shè)一種通常狀態(tài)，分析消殺作業(yè)任務(wù)流程[12]。文獻(xiàn)[13]提出了HTA法，其將任務(wù)劃分為目標(biāo)、次目標(biāo)、操作和計劃等層次結(jié)構(gòu)，通過收集使用技術(shù)、人機(jī)交互、團(tuán)隊成員、決策和任務(wù)限制等特定數(shù)據(jù)來完成體系構(gòu)建，最終輸出任務(wù)活動的詳細(xì)描述，并提供完成操作步驟，但該法并不能有效識別作業(yè)過程中的差錯。而由KIRWAN[14]于1994年提出的TTA法，可將HTA從底層任務(wù)抽取出來，并分析每個特定步驟，如潛在差錯、時間限制、觸發(fā)事件等。根據(jù)HTA與TTA結(jié)合的HTA-T分析法，設(shè)計醫(yī)院消殺機(jī)器人安全作業(yè)任務(wù)流程，如圖1所示。

(1) 定義分析任務(wù)。對醫(yī)院消殺機(jī)器人消毒作業(yè)進(jìn)行任務(wù)分析，預(yù)測作業(yè)過程中潛在危險因素。

(2) 數(shù)據(jù)收集過程。對消殺機(jī)器人作業(yè)步驟、工作方式及功能等信息進(jìn)行收集。同時可獲取相關(guān)任務(wù)典型事故案例，分析其致因。

(3) 變量理想處理。假設(shè)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時信號穩(wěn)定，系統(tǒng)無異常狀態(tài)。

(4) 整體目標(biāo)確定T。將醫(yī)院消殺作業(yè)定義為頂層目標(biāo)，消殺作業(yè)任務(wù)執(zhí)行需要人為參與，作業(yè)前需線性完成啟動與系統(tǒng)初始化任務(wù)R。

(5) 確定次目標(biāo)S。將消殺作業(yè)任務(wù)分解為：消毒物質(zhì)裝換、自由消殺、醫(yī)護(hù)消殺、病房消殺，次目標(biāo)任務(wù)之間相互獨(dú)立。

(6) 次目標(biāo)分解D。將確定的次目標(biāo)確定為不同的獨(dú)立子任務(wù)目標(biāo)。

(7) 子任務(wù)操作P。HTA最底層操作可為非線性，因此由子任務(wù)目標(biāo)號決定(如D2和D4下一層任務(wù)號P5分別代表不同的操作)。

1.2 作業(yè)安全事故成因分析

分析消殺作業(yè)流程中的安全事故成因，可有效避免安全作業(yè)事故的發(fā)生。通過上述作業(yè)步驟分解，根據(jù)作業(yè)性質(zhì)選擇合適的任務(wù)種類將HTA轉(zhuǎn)化為TTA表格。將操作層中易出現(xiàn)差錯的步驟按性質(zhì)分為消毒物質(zhì)準(zhǔn)備、放置、消殺模式選擇、自動搜索消殺目標(biāo)、對象識別、轉(zhuǎn)換消殺、任務(wù)識別、執(zhí)行任務(wù)位置、移動、交互10個任務(wù)描述，結(jié)合數(shù)據(jù)收集獲取的典型事故案例中安全致因邏輯，列出其中可能出現(xiàn)的差錯及可能的結(jié)果，最終提出差錯糾正原則(表1)。通過分析得出，按照國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行消毒液的準(zhǔn)備、自動校準(zhǔn)位置、提高機(jī)器人自身模式認(rèn)知和識別能力、保持移動穩(wěn)定性、對不同用戶交互分類能夠有效提高醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)安全性能。

圖1 醫(yī)院病毒消殺作業(yè)HTA任務(wù)流程

表1 消殺任務(wù)作業(yè)安全事故成因TTA分析

2 醫(yī)院消殺機(jī)器人安全認(rèn)知決策

2.1 消殺機(jī)器人工作域認(rèn)知決策

工作域認(rèn)知是醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)流程的關(guān)鍵步驟。工作域分析(work domain analysis，WDA)可用于歸納目的描述和所分析系統(tǒng)功能的約束條件，包括工作域的目標(biāo)、意義和限制條件。抽象層次法(abstraction hierarchy，AH)是WDA的重要方法之一，可直接獲得關(guān)于WDA的清晰理解。域目的表示工作系統(tǒng)存在的意義，獨(dú)立于具體情景；域價值可評估域目的范圍內(nèi)作業(yè)情況；域功能可以得到作業(yè)系統(tǒng)所執(zhí)行的功能；物理功能列舉系統(tǒng)執(zhí)行的操作；物理對象包含工作系統(tǒng)應(yīng)具備的條件，該層級獨(dú)立于研究目的存在[15]。如圖2所示，本研究通過AH來描述醫(yī)院消殺機(jī)器人工作域作業(yè)系統(tǒng)的功能，通過分析各層級之間連線數(shù)量關(guān)系，達(dá)到安全完成消殺作業(yè)這一目的。根據(jù)任務(wù)及時調(diào)整作業(yè)，將作業(yè)潛在危險度降到最小化，是消殺系統(tǒng)最重要的價值目標(biāo)。因此要求機(jī)器人應(yīng)優(yōu)先滿足對工作情景的理解，正確識別任務(wù)后做出有效消殺決策，并穩(wěn)定移動至消殺點(diǎn)。細(xì)劃域功能，得到對消殺作業(yè)安全影響力最大的物理功能，即判斷作業(yè)域是否存在不可躲避障礙物、建立作業(yè)流程、描述消殺目標(biāo)所在位置、描述可躲避障礙物的位置并自我檢測作業(yè)過程中潛在威脅。為滿足物理功能實(shí)現(xiàn)的條件，抽象層次模型最底層還輸出了醫(yī)院消殺機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)具備的物理對象。

圖2 醫(yī)院消殺機(jī)器人工作域抽象層次

2.2 消殺作業(yè)安全認(rèn)知行為模式

由于交互過程的復(fù)雜性，消殺機(jī)器人不僅要完成目標(biāo)作業(yè)還要進(jìn)行深度決策任務(wù)。當(dāng)有潛在決策需要時，消殺機(jī)器人應(yīng)自動識別信息數(shù)據(jù)，若信息識別不明確，將無法做出正確判斷。此時任務(wù)將出現(xiàn)因分解不全面或無正確識別的結(jié)果，安全隱患將由此產(chǎn)生。認(rèn)知行為模式選擇是消殺機(jī)器人作業(yè)安全決策的前提。SRK (Skill，Rule，Knowledge)框架是RASMUSSEN[16]于1983年提出的，其綜合了各種行為過程的特點(diǎn)，將人的認(rèn)知過程分為3種類型，即技能型、規(guī)則型和知識型。本文將SRK框架應(yīng)用于研究消殺機(jī)器人認(rèn)知決策模型，借鑒蔣英杰等[17]構(gòu)建的認(rèn)知行為模式概率化確定方法，根據(jù)決策樹的認(rèn)知行為模式判定，消殺機(jī)器人作業(yè)認(rèn)知模式由作業(yè)操作類型、機(jī)器人對作業(yè)環(huán)境的理解度、程序的需要性、程序的可用性、機(jī)器人對程序的理解度、機(jī)器人對程序的熟悉程度6種屬性的狀態(tài)決定，決策樹上下枝分別代表是否滿足此狀態(tài)。作業(yè)過程中環(huán)境和消殺任務(wù)多變，因此對消殺機(jī)器人認(rèn)知行為模式的影響因素進(jìn)行分析很有必要。由上述分析得出，消殺機(jī)器人對情景的理解、任務(wù)的識別、決策和自身移動的穩(wěn)定性共同影響其作業(yè)安全性能，同時直接決定其行為，因此定義為作業(yè)認(rèn)知模式的主要影響因素。為使結(jié)果更加準(zhǔn)確，本研究結(jié)合WDA，將消殺機(jī)器人作業(yè)認(rèn)知模式影響因素進(jìn)行細(xì)化，在主要影響因素基礎(chǔ)上，選取描述作業(yè)環(huán)境、確定消殺目標(biāo)位置、描述作業(yè)限制條件、檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性共9個匹配因素，并將其輸入決策樹所對應(yīng)屬性，見表2。由于匹配因素的不確定性，很難對其進(jìn)行精確度量，因此采用德菲爾專家打分法對9個影響因素的2種狀態(tài)進(jìn)行權(quán)重判斷。選擇10名在機(jī)器人研究領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)豐富的專家及10名具備熟練技能的清潔工對匹配因素進(jìn)行評價，結(jié)果取均值，見表3。

表2 消殺機(jī)器人認(rèn)知行為模式匹配

表3 9種匹配因素的狀態(tài)評價結(jié)果

繼續(xù)邀請20名專家使用層次分析法1～9標(biāo)度對9種匹配因素打分，得到判斷矩陣

將矩陣每一列進(jìn)行元素歸一化處理，元素一般項可表示為

按列歸一化矩陣且每行相加，求得各行平均值組成向量，得到每一個指標(biāo)的權(quán)重值，其矩陣最大特征根為

根據(jù)一致性檢驗(yàn)結(jié)果判斷每位專家打分結(jié)果權(quán)重合理，將20位專家打分所得權(quán)重結(jié)果取平均值得最終每組匹配因素權(quán)重，見表4。根據(jù)每個匹配因素權(quán)重，結(jié)合狀態(tài)評價打分，加權(quán)綜合得到認(rèn)知行為模式影響因素最終狀態(tài)，獲得消殺機(jī)器人認(rèn)知行為模式影響因素評價結(jié)果，見表5。

表4 認(rèn)知行為模式匹配因素權(quán)重

表5 消殺機(jī)器人認(rèn)知行為模式影響因素評價結(jié)果

根據(jù)認(rèn)知行為模式判定，6種屬性狀態(tài)上下枝概率為，(=1,···,6；=0,1，其中0為上枝，1為下枝)，決策樹9個輸出為(=,···,)。由圖3可知，技能型概率skill=P+P+P，規(guī)則型概率rule=P+P+P，知識型knowledge=P+P+P[17]。按照以上方法可得消殺機(jī)器人概率化認(rèn)知行為模式結(jié)果skill=0.8332，rule=0.0928，knowledge=0.0741。因此消殺機(jī)器人作業(yè)更傾向技能型認(rèn)知行為模式，現(xiàn)實(shí)作業(yè)過程中，機(jī)器人需不斷練習(xí)掌握作業(yè)技能，并體現(xiàn)到消殺作業(yè)任務(wù)中。為達(dá)到正確決策目的，設(shè)計過程中要合理安排技能表達(dá)順序，使消殺機(jī)器人在執(zhí)行安全設(shè)計流程時，對不同作業(yè)情景做出正確判斷[18]。

3 醫(yī)院消殺機(jī)器人安全交互設(shè)計策略

3.1 消殺作業(yè)安全評估模型理論框架構(gòu)建

(1) 理論模型框架由Ip-r (HWA-SRK).4F構(gòu)成。根據(jù)消殺機(jī)器人作業(yè)流程需求特征[19]，通過對工作域AH，對消殺機(jī)器人作業(yè)規(guī)程和清潔工作過程的理解進(jìn)行決策識別，并對消殺機(jī)器人作業(yè)認(rèn)知模式進(jìn)行概率化判斷，如圖4所示，構(gòu)建作業(yè)安全評估理論模型框架Ip-r(HWA-SRK).4F：交互過程I、用戶P、機(jī)器人R、層次任務(wù)分析法H、工作域分析W、抽象層次分析A，3種認(rèn)知行為模式：技能型S、規(guī)則型R、知識型K，以及安全設(shè)計4要素4F：功能、色彩、造型、界面。

(2) 消殺作業(yè)安全評估流程。醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)安全認(rèn)知決策流程主要分為感知、認(rèn)知、決策3個步驟。根據(jù)Ip-r(HWA-SRK).4F框架內(nèi)涵，其滿足上述任務(wù)要求，消殺機(jī)器人作業(yè)安全評估流程則包含6個細(xì)分化步驟：評估計劃制定、評估指標(biāo)建立、評估方法選擇、數(shù)據(jù)類型選擇、測試對象選擇、以及測試任務(wù)設(shè)定[20]。

(3) 消殺機(jī)器人消殺作業(yè)安全績效測量評估方法主要將德菲爾專家法、HTA-T，WDA和AH相結(jié)合，對消殺任務(wù)進(jìn)行層次分解及工作域判定[21]，進(jìn)而進(jìn)行認(rèn)知行為決策SRK。

(4) 消殺機(jī)器人作業(yè)安全交互設(shè)計4F原則[22]，主要包含功能、色彩、造型以及界面設(shè)計4大層面。

圖4 消殺機(jī)器人作業(yè)安全評估模型理論框架

3.2 功能需求安全設(shè)計策略

如圖5所示，醫(yī)院消殺機(jī)器人功能需求安全設(shè)計策略如下：

(1) 消殺功能安全設(shè)計策略。醫(yī)院消殺機(jī)器人主要消殺對象是醫(yī)護(hù)人員和院內(nèi)設(shè)施。針對術(shù)前準(zhǔn)備工作、會診后消毒及傳染病診療后的清理；院內(nèi)移動設(shè)備(如藥品配送機(jī)器人)、靜態(tài)儀器和病床及衛(wèi)生間馬桶等。除此消殺機(jī)器人還擔(dān)負(fù)著醫(yī)院空氣環(huán)境的消毒重任。因此，只有正確識別消殺對象的結(jié)構(gòu)輪廓、環(huán)境特點(diǎn)、醫(yī)護(hù)人員體貌特征等因素[23]，才能避免因識別障礙而產(chǎn)生的傷害或其他安全事故。

(2) 移動功能安全設(shè)計策略。消殺機(jī)器人在接收信號或識別消殺目標(biāo)后，需要移動至目標(biāo)點(diǎn)，移動過程中，若速度過快易造成傾倒等不安全隱患，同時不易躲避在移動過程中出現(xiàn)的障礙物；跟隨移動功能要求移動速度要適應(yīng)跟隨設(shè)備的速度，適宜的速度可保持自身穩(wěn)定，是保證作業(yè)安全的最基本要求[24]。

(3) 交互功能安全設(shè)計策略。與消殺機(jī)器人產(chǎn)生交互的用戶有清潔人員、醫(yī)護(hù)人員和病患及家屬。清潔人員主要擔(dān)任更換消毒液、為下一步工作選擇合適作業(yè)模式的任務(wù)，參與指導(dǎo)完成工作；與醫(yī)護(hù)人員的交互主要在于術(shù)前消毒和醫(yī)護(hù)工具的消殺需求設(shè)定；消殺機(jī)器人與病患及家屬雖不存在直接交互，但在進(jìn)行病房內(nèi)作業(yè)時，其直接進(jìn)入工作狀態(tài)會對用戶產(chǎn)生恐懼心理[25]，因此，進(jìn)入病房前可進(jìn)行簡單交互提醒。由于不同人群對消殺機(jī)器人的接受程度不同，不同作業(yè)任務(wù)采取不同交互模式可提升作業(yè)任務(wù)完成效率。

(4) 識別功能安全設(shè)計策略。消殺機(jī)器人工作過程中應(yīng)自動識別周圍環(huán)境中威脅因素，并做出相應(yīng)的決策判斷。如是否需要躲避出現(xiàn)的障礙物，及躲避路徑的規(guī)劃，只有正確識別和規(guī)避風(fēng)險才能提高作業(yè)安全性。

圖5 消殺機(jī)器人功能分析

3.3 外觀色彩安全設(shè)計策略

人類視覺感官對色彩具有敏感性，科學(xué)的色彩設(shè)計可提升工作安全性[26]。消殺機(jī)器人外觀色彩與形態(tài)結(jié)構(gòu)的融合統(tǒng)一，是提高作業(yè)安全的重要指標(biāo)，可產(chǎn)生較大影響[27]。外觀色彩設(shè)計要與造型相統(tǒng)一，根據(jù)安全原則進(jìn)行設(shè)計，并遵守國家安全標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用色彩對比和面積變化達(dá)到反差效果；消殺機(jī)器人屬于具有一定安全隱患的服務(wù)機(jī)器人，作業(yè)過程中需警告人們注意遠(yuǎn)離機(jī)身作業(yè)可及范圍，因此采用黑白底色配合具有一定警示作用，將安全色應(yīng)用于消殺機(jī)器人色彩設(shè)計，能夠有效提高消殺作業(yè)安全性。

3.4 形態(tài)造型結(jié)構(gòu)安全設(shè)計策略

消殺機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)消毒功能的載體，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全性研究的主要內(nèi)容，可以將安全隱患降至最低[28]。其造型設(shè)計應(yīng)偏向沉穩(wěn)，具有一定震懾力，利于殺菌消毒作業(yè)目標(biāo)的完成。過于美的外觀可能會使病患者感到親切，導(dǎo)致因過分交互行為而造成危險事故；移動結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)采用接觸面積較大的造型，以增加摩擦力，降低消殺機(jī)器人在行動過程中傾倒的可能性；噴灑部位調(diào)節(jié)范圍應(yīng)符合醫(yī)院設(shè)施及人體安全尺寸；對于醫(yī)院消殺機(jī)器人外觀形態(tài)美與丑的度的把握，是安全設(shè)計的重要因素，充分考慮病患的視覺、情感、交互認(rèn)知，可達(dá)到人機(jī)系統(tǒng)最大化統(tǒng)一[29]。

3.5 交互界面安全設(shè)計策略

保證人與機(jī)器交互安全是醫(yī)院消殺機(jī)器人研究的重要目標(biāo)之一。由于不同用戶對消殺機(jī)器人的接受程度和需求不同，若未及時進(jìn)行交互模式切換，可能出現(xiàn)因消殺力度過大或消殺目標(biāo)錯誤而產(chǎn)生安全事故。為有效避免人機(jī)共融安全隱患，將消殺機(jī)器人交互安全性設(shè)計策略歸納為：不同用戶對其情感認(rèn)知、交互界面的安全性設(shè)計、操作警示的安全性設(shè)計。

研究不同用戶對消殺機(jī)器人的認(rèn)知偏好，獲取相關(guān)需求，進(jìn)一步確定交互模式內(nèi)容；交互界面設(shè)計要遵循版面簡潔、功能指令清晰、轉(zhuǎn)換方式便捷的原則，防止因復(fù)雜設(shè)置而出現(xiàn)誤操作行為；在操作錯誤時，機(jī)器人應(yīng)采取柔和清晰警示提醒，如基于人因視覺舒適度的閃爍指示燈提示、適宜聽覺系統(tǒng)的溫和語音提示。將交互安全設(shè)計理念貫穿于設(shè)計中，考慮人因系統(tǒng)的交互安全性設(shè)計指標(biāo)，提高交互安全[30]。

4 結(jié)束語

本研究旨在探究醫(yī)院消殺機(jī)器人作業(yè)安全與交互設(shè)計策略，構(gòu)建醫(yī)院消殺作業(yè)安全評估理論框架。首先利用HTA-T方法將消殺機(jī)器人作業(yè)任務(wù)分解，建立一套完整消殺作業(yè)流程，同時提出目標(biāo)任務(wù)中危險因素的糾正原則；結(jié)合WDA描述消殺作業(yè)系統(tǒng)目的和消殺機(jī)器人可執(zhí)行的功能，總結(jié)作業(yè)過程中支持決策的信息需求，以表明消殺機(jī)器人可自主執(zhí)行任務(wù)；借鑒已有方法，得到消殺機(jī)器人完成消殺作業(yè)的安全認(rèn)知模式，最終提出消殺機(jī)器人安全設(shè)計優(yōu)化理論模型框架Ip-r(HWA-SRK).4F，建立基于功能、形態(tài)、色彩及交互界面設(shè)計要素的安全設(shè)計策略，為后續(xù)基礎(chǔ)研究與實(shí)踐應(yīng)用提供參考依據(jù)。

[1] 趙銀科. 機(jī)器人作業(yè)的安全及人機(jī)匹配[J]. 工業(yè)安全與防塵, 1996, 26(8): 10-12.

ZHAO Y K. Safety of robot operation and human-machine matching[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 1996, 26(8): 10-12 (in Chinese).

[2] 于化偉, 王艷廷, 李曉磊. 作業(yè)安全分析研究[J]. 安全與環(huán)境工程, 2008, 15(2): 116-118.

YU H W, WANG Y T, LI X L. Operational safety analysis and research[J]. Safety and Environmental Engineering, 2008, 15(2): 116-118 (in Chinese).

[3] 趙京, 張自強(qiáng), 鄭強(qiáng), 等. 機(jī)器人安全性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2018, 44(7): 1347-1358.

ZHAO J, ZHANG Z Q, ZHENG Q, et al. Research status and development trend of robot safety[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(7): 1347-1358 (in Chinese).

[4] 李錫江, 劉榮, 張厚祥, 等. 基于模糊故障樹法的清洗機(jī)器人安全性研究[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2004, 49(4): 344-348.

LI X J, LIU R, ZHANG H X, et al. Fuzzy fault tree analysis on safety of robot for wall cleaning[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2004, 49(4): 344-348 (in Chinese).

[5] 黃志清, 李鼎鑫, 王慶文. 非平坦地形下移動機(jī)器人安全路徑規(guī)劃研究[J/OL]. 控制與決策: 1-9 [2021-11-15]. http://kns. cnki.net/kcms/detail/21.1124.TP.20210104.1513.025.html.

HUANG Z Q, LI D X, WANG Q W. Research on safe path planning of mobile robot inune-ven terra in[J/OL]. Control and Decision: 1-9 [2021-11-15]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/21. 1124.TP.20210104.1513.025.html (in Chinese).

[6] 朱蓉軍, 夏晶, 趙思遠(yuǎn), 等. 鉆錨機(jī)器人人機(jī)安全避碰方法[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報, 2020, 40(5): 823-830.

ZHU R J, XIA J, ZHAO S Y, et al. Human-robot safety collision avoidance method for drill-anchor robot[J]. Journal of Xi'an University of Science and Technology, 2020, 40(5): 823-830 (in Chinese).

[7] 楊占力, 萬媛, 王洋, 等. 風(fēng)電塔筒檢測爬壁機(jī)器人設(shè)計與安全性分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2020, 20(15): 6113-6121.

YANG Z L, WAN Y, WANG Y, et al. Analysis of safety and stability of wall-climbing robot[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(15): 6113-6121 (in Chinese).

[8] LI L B. Safety and risk assessment of civil aircraft during operation[M]. London: IntechOpen, 2020: 12-23.

[9] KANAZAWA A, KINUGAWA J, KOSUGE K. Adaptive motion planning for a collaborative robot based on prediction uncertainty to enhance human safety and work efficiency[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2019, 35(4): 817-832.

[10] AOUDE G S, LUDERS B D, JOESPH J M, et al. Probabilistically safe motion planning to avoid dynamic obstacles with uncertain motion patterns[J]. Autonomous Robots, 2013, 35(1): 51-76.

[11] ZHENG G Z, ZHU N, TIAN Z, et al. Application of a trapezoidal fuzzy AHP method for work safety evaluation and early warning rating of hot and humid environments[J]. Safety Science, 2012, 50(2): 228-239.

[12] 陳農(nóng)田, 王帥, 高文韜, 等. 基于層次任務(wù)分析理論的飛行員進(jìn)近著陸操縱任務(wù)分析[J]. 民航學(xué)報, 2018, 2(6): 84-87.

CHEN N T, WANG S, GAO W T, et al. Pilot approaching and landing manipulating task analysis based on HTA theory[J]. Journal of Civil Aviation, 2018, 2(6): 84-87 (in Chinese).

[13] JOHN A, STANTON N A. Task analysis[M]. London: Taylor & Francis, 2000:1-8.

[14] KIRWAN B. A guide to practical human reliability assessment[M]. London: Taylor & Francis, 1994: 580: 49-78.

[15] STANTON N A, SALMON P M, WALIKER G H. Human factors methods: a practical guide for engineering and design[M]. Burlington: Academic Press, 2013: 73-77.

[16] RASMUSSEN J. Skills, rules, and knowledge; signals, signs, and symbols, and other distinctions in human performance models[J]. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 1983, SMC-13(3): 257-266.

[17] 蔣英杰, 孫志強(qiáng), 宮二玲, 等. 一種認(rèn)知行為模式的概率化確定方法[J]. 計算技術(shù)與自動化, 2011, 30(1): 75-80.

JIANG Y J, SUN Z Q, GONG E L, et al. A probabilistic method to determine cognitive behavior mode[J]. Computing Technology and Automation, 2011, 30(1): 75-80 (in Chinese).

[18] 吳海彬, 楊劍鳴. 機(jī)器人在人機(jī)交互過程中的安全性研究進(jìn)展[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2011, 21(11): 79-86.

WU H B, YANG J M. Progress in robot safety research during human-robot interaction[J]. China Safety Science Journal, 2011, 21(11): 79-86 (in Chinese).

[19] 董瑋, 詹慶東. 基于層次任務(wù)分析的社交網(wǎng)站信息構(gòu)建評估: 以花瓣網(wǎng)為例[J]. 圖書情報工作, 2012, 56(17): 98-103, 66.

DONG W, ZHAN Q D. Evaluation of social network sites information architecture using hierarchical task analysis— taking huaban website as an example[J]. Library and Information Service, 2012, 56(17): 98-103, 66 (in Chinese).

[20] 佟瑞鵬, 崔鵬程. 基于深度學(xué)習(xí)的不安全因素識別和交互分析[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2017, 27(4): 49-54.

TONG R P, CUI P C. Unsafe factor recognition and interactive analysis based on deep learning[J]. China Safety Science Journal, 2017, 27(4): 49-54 (in Chinese).

[21] 龔時雨, 譚躍進(jìn). 工程系統(tǒng)一體化安全風(fēng)險模型研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報, 2007, 17(2): 149-154, 2.

GONG S Y, TAN Y J. Research on integrated safety risk model for engineering system[J]. China Safety Science Journal: CSSJ, 2007, 17(2): 149-154, 2 (in Chinese).

[22] AL-HAKIM L, WANG M, XIAO J Q, et al. Hierarchical task analysis for identification of interrelationships between ergonomic, external disruption, and internal disruption in complex laparoscopic procedures[J]. Surgical Endoscopy, 2019, 33(11): 3673-3687.

[23] HOFFMAN R R, MILITELLO L G. Perspectives on cognitive task analysis: historical origins and modern communities of practice[M]. New York, Taylor & Francis, c2009: 35-46.

[24] 李君, 支錦亦, 李然, 等. 基于認(rèn)知任務(wù)分析的智能系統(tǒng)交互設(shè)計路徑研究[J]. 包裝工程, 2020, 41(18): 29-37.

LI J, ZHI J Y, LI R, et al. Interactive design approach of intelligent system based on cognitive task analysis[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(18): 29-37 (in Chinese).

[25] ZESTIC J, SANDERSON P, DAWSON J, et al. Defining information needs in neonatal resuscitation with work domain analysis[J]. Journal of Clinical Monitoring and Computing, 2021, 35(4): 689-710.

[26] 龔建偉, 陸際聯(lián), 高峻堯. 移動機(jī)器人失控的安全防范[J]. 機(jī)器人, 2003, 25(4): 300-303.

GONG J W, LU J L, GAO J Y. Safe-running area control for mobile robot[J]. Robot, 2003, 25(4): 300-303 (in Chinese).

[27] 劉立家, 胡建旺, 孫慧賢. 層次分析法中判斷矩陣的調(diào)整方法[J]. 兵器裝備工程學(xué)報, 2020, 41(2): 221-224.

LIU L J, HU J W, SUN H X. Adjustment method of comparison matrix in analytic hierarchy process[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2020, 41(2): 221-224 (in Chinese).

[28] 馮玲. 基于PAD三維情感測量的分形圖評價[J]. 泰山學(xué)院學(xué)報, 2014, 36(3): 47-51.

FENG L. The fractal images evaluation based on the there-dimensional PAD emotional measurement[J]. Journal of Taishan University, 2014, 36(3): 47-51 (in Chinese).

[29] 林鴻, 姚洋, 陳江. 設(shè)計安全發(fā)展綜述研究[J]. 包裝工程, 2020, 41(12): 9-15, 22.

LIN H, YAO Y, CHEN J. Development of design safety[J]. Packaging Engineering, 2020, 41(12): 9-15, 22 (in Chinese).

[30] REASON J T. Human error[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1990: 1-320.

Work safety and interaction design strategies of hospital disinfection robot

WANG Qiu-hui, WANG Ya-xin

(School of Mechanical Engineering, Tiangong University, Tianjin 300387, China)

Safety and design quality play a key role in enhancing the operation efficiency of “Human-Robot System” of hospital public environment disinfection robots. Based on ergonomics, interaction science, and cognitive science, explorations were conducted on the safety design and interaction strategies of the hospital disinfection robot. The hierarchical task method was employed and combined with the table task method (HTA-T) to construct the task flow of disinfection operation. The typical safety accidents in the operation process and causative logic were analyzed, thereby establishing an abstract model of disinfection tasks based on the work domain analysis (WDA) method. The SRK decision analysis method was utilized to judge the cognitive behavior pattern mode (skill-based, rule-based, or knowledge-based) of hospital disinfection robot operation, and to match the relationship of cognitive factors. The theoretical model framework of operation safety design evaluation for the disinfection robot was constructed, and the design strategies based on four safety indicators were proposed: functional requirements, morphological structure, appearance color, and human-robot interaction. The outcome can shed light on the basic theoretical research and design practice of human-robot ergonomics of hospital public environment disinfection robots.

hospital disinfection robot; operation safety; human-robot interaction; design strategies; evaluation model

18 May，2021；

TP 272；TP 242；X 931；TB 472

10.11996/JG.j.2095-302X.2022010172

A

2095-302X(2022)01-0172-09

2021-05-18；

2021-08-20

20 August，2021

王秋惠(1969–)，女，教授，博士。主要研究方向?yàn)橹悄苋艘驅(qū)WSHRE、機(jī)器人人因工程HRE、人機(jī)交互和適老化設(shè)計。E-mail：wangqiuhui@126.com

WANG Qiu-hui (1969–), professor, Ph.D.Her main research interests cover smart human-robot ergonomics, robot ergonomics, human-robot interaction, design for the elderly. E-mail：wangqiuhui@126.com