基于层次分析法的智能服务机器人设计研究.pdf

2023 年 第 7 期技术与实践152/INDUSTRIAL DESIGN 工业设计基于层次分析法的智能服务机器人设计研究SAATY T L 于 20 世纪 70 年代中期提出，是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的决策方法5。层次分析法主要包括四个步骤：1）构建层次评价模型：将复杂的问题分解为若干个相对独立的因素，形成一个层次结构。2）构造判断矩阵：将每个因素对应的条件两两比较，用数值表示一方相对于另一方的重要性，用这些数值构成判断矩阵。3）计算权重向量：通过特征向量的归一化求解法，对矩阵进行计算，得到最终的权重向量。4）层次总排序与一致性检验：检验所得特征向量的一致性，确保所得的特征向量是合理的。2 基于层次分析法的智能服务机器设计思路2.1 建立评价指标体系随着工业 4.0 的发展，机器人技术日趋成熟，越来越多的机器人被应用到工业生产、科学研究及人们的生活中1。尤其是在家居领域，智能服务机器人已经慢慢成为人们生活的一部分2。但目前市场上大多数智能服务机器人存在同质化、单一化的问题，无法满足用户多样化、个性化的需求3。在设计智能服务机器人时，需要充分考虑用户的需求进行服务机器人自身功能设计，以获得用户体验好的设计方案。而层次分析法是一种较为优秀的多准则决策方法，能够帮助决策者在面对多个评价指标时确定每个指标的相对权重4。文章采用层次分析法进行智能服务机器人用户需求分析，从而为设计方案的选择提供决策依据，并进行宜家智能服务机器人设计实践。1 层次分析法概述层次分析法由美国运筹学家、匹兹堡大学教授摘要：为建立智能服务机器人功能需求指标体系，文章首先对智能服务机器人的相关文献及使用场景商业模式进行了研究，总结服务机器人设计的现状。然后通过问卷调查法、访谈法和层次分析法计算各功能指标的权重值，并完成一致性检验。得出智能服务机器人的需求指标目标层 1 个、准则层 4 个、评价指标层 14 个，其中准则层的重要度从高到低排序为功能性、智能性、交互性和美观性，功能性中货物搬运权重占比最大，其次是精准补货。最后，将研究结论和设计实践相结合设计了一款宜家服务机器人，并从功能性、智能性、交互性及美观性四个方面进行设计，以期为智能服务机器人设计提供一定的借鉴。关键词：服务机器人；需求指标；层次分析法；产品设计中图分类号：TB472文献标识码：A文章编号：1672-7053(2023)07-0152-04基金项目：江苏省大学生创新训练项目省级重点项目（202211276046Z）；南京工程学院校级创新基金面上项目（CKJB202211）作者简介：汪骏（2002），男，江苏盐城人，本科生，研究方向为工业设计汪锦民（2002），男，江苏连云港人，本科生，研究方向为工业设计闫胜昝（1978），女，河北石家庄人，博士，副教授，研究方向为数字化设计、创新设计方法、工业设计等汪骏汪锦民闫胜昝（南京工程学院艺术与设计学院，南京 211167）汪骏，等基于层次分析法的智能服务机器人设计研究A b s t r a c t：In order to establish the functional requirement index system of intelligent service robot,this paper summarizes the status quo of service robot design through the research of relevant literatures of intelligent service robot and the analysis of business models of application scenarios.Then the weight value of each functional index is calculated by questionnaire survey,interview and analytic hierarchy process,and the consistency test is completed.It is concluded that there are 1 demand index target layer,4 criterion layers and 14 evaluation index layers of intelligent service robots,among which the importance of criterion layer is ranked from high to low as functionality,intelligence,interactivity and beauty,and the weight of cargo handling accounts for the largest proportion in functionality,followed by accurate replenishment.Finally,will An IKEA service robot is designed based on the research conclusion and design practice,and it is designed from four aspects:functionality,intelligence,interactivity and aesthetics,in order to provide some reference for the design of intelligent service robot.K e y Wo r d s：Service Robots;Demand Indicators;Analytic Hierarchy Process;Product DesignR e s e a r c h o n t h e D e s ig n o f I n t e llig e n t S e r v ic e R o b o t B a s e d o n A n a ly t ic H ie r a r c h y P r o c e s sWANG JunWANG JinminYAN Shengzan(School of Art and Design,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)2023 年 第 7 期技术与实践INDUSTRIAL DESIGN 工业设计 /153首先，文章通过文献研究对服务机器人的现状分析发现，服务机器人主要存在货物搬运效率低、自主能力较弱、交互障碍等问题6-7；其次，通过问卷调查和实地调研对服务机器人的工作现状进行深入分析，经过问卷编制、小范围试测、问卷修正调整，最终向教师和学生共派发调研问卷 150 份，回收有效问卷 124 份。经统计分析，初步得出服务机器人应具备的指标。同时，利用层次分析法对指标进行分类并划分层级，最终拟定服务机器人评价指标体系，如表 1 所示。该体系包括目标层 1 个、准则层 4个（B1智能性、B2交互性、B3功能性、B4美观性）及评价指标层 14 个（C1自动识别、C2自动定位、C3优先推荐产品、C4按钮、C5手势、C6触摸屏、C7语音、C8清扫、C9货物搬运、C10精准补货、C11自动售货、C12独特的外形、C13配色、C14 Logo）。2.2 构建判断矩阵邀请 16 名相关领域专家，其中包括 6 名机器人研究领域教授、5 名工业设计专业教授、5 名市场营销相关从业人员，根据表 2“1 9 标度法”对各级因素之间的重要性进行两两比较，并通过方根法计算出准则层 B1、B2、B3、B4的权重值，如表 3 所示。为降低专家打分主观因素的影响，确保最终权重系数的可信性和有效性，需对模型进行一致性检验。计算判断矩阵的最大特征值计算一致性指标 CI=max-n/n-1，然后将 CI 与平均随机一致性指标 RI 进行比较，如表 4 所示，并进一步计算检验系数 CR=CI/RI。若 CR 0.1，则判断矩阵的一致性可以接受，即加权系数分配合理，否则应对判断矩阵作适当修正。当 n=4 时，RI=0.90，CR=0.022 7，CR 0.1，即准则层判断矩阵符合一致性检验，专家打分数据可信且有效。同理，通过对专家打分数据进行整理，可计算出评价指标层 C1 C14的权重，并进行一致性检验。对 B1中 C1、C2、C3三个评价指标层的权重计算，得出 CR=0.017 6 0.1，符合一致性检验，如表 5所示。对 B2中 C4、C5、C6、C7四个评价指标层的权重计算，得出 CR=0.065 6 0.1，符合一致性检验，如表 6 所示。对 B3中 C8、C9、C10、C11四个评价指标层的权重进行计算，得出 CR=0.099 1 0.1，符合一致性检验，如表 7 所示。对 B4中 C12、C13、C14三个评价指标层的权重计算，得出 CR=0.089 9 0.1，符合一致性检验，如表 8 所示。目标层准则层评价指标层一款多功能智能服务机器人智能性 B1自动识别 C1自动定位 C2优先推荐产品 C3交互性 B2按钮 C4手势 C5触摸屏 C6语音 C7功能性 B3清扫 C8货物搬运 C9精准补货 C10自助售货 C11美观性 B4独特的外形 C12配色 C13Logo C14标度含义1两个因素相比，具有相同重要性3两个因素相比，前者比后者稍重要5两个因素相比，前者比后者明显重要7两个因素相比，前者比后者极其重要9两个因素相比，前者比后者强烈重要2，4，6，8上述相邻判断的中间值19 的倒数两相应因素交换次序比较的重要性一款多功能智能服务机器人B1B2B3B4iB1121/320.217 5B21/211/320.153 1B333160.539 5B41/21/21/610.089 9n123456789RI000.580.901.121.211.321.411.45B1C1C2C3iC11130.443 4C21120.387 4C31/31/210.169 2B2C4C5C6C7iC411/21/41/40.082 8C5211/31/30.134 3C64311/30.283 6C743310.499 2表 1 一款多功能智能服务机器人评价体系表 2 “1 9标度法”及含义表 3 准则层判断矩阵表 4 平均随机一致性指标表 5 智能性 B1表 6 交互性 B2max=4.060 6ni=1ni(A)i2023 年 第 7 期技术与实践154/INDUSTRIAL DESIGN 工业设计2.3 层次分析根据各层级、各因素之间的权重，整理数据得出各评价指标的最终权重，如表 9 所示。最后，对所有层级的总排序开展一致性检验，CR总=CI总/RI总=0.020 3 0.1，因此，一致性检验通过，最终权重分析可靠。3 宜家服务机器人设计实践众所周知，宜家（IKEA）是全球知名的家居产品制造商和销售商，以创新的产品设计、优质的服务和低廉的价格著称。宜家的商业模式主要以“可持续发展、扁平化管理和自助式购物”为核心8。在宜家的商业模式中，客户是企业最重要的组成部分，企业通过定期与客户互动，了解他们的需求和问题，并不断改进和创新产品和服务9。然而，在传统的商业模式下，宜家仍面临着一些问题，比如人力资源的成本、效率和稳定性等10。因此，根据智能服务机器人设计要素权重分析结果，将研究结论和设计实践相结合，针对宜家工作场景设计一款智能服务机器人。3.1 功能性设计功能性在服务机器人设计中权重最大，而且功能性中货物搬运和精准补货权重占比较大，因此如何统筹兼顾好企业端（帮助工作人员更加便捷地去补货，精确送达货物）和用户端（帮助客户更方便地拿取货物）的服务，是设计好宜家服务机器人的关键。3.2 智能性设计宜家服务机器人可以通过智能推荐算法、智能语音交互技术、视觉识别技术等多方面的应用，实现更加智能化、个性化、高效化的服务，为用户提供更加优质、舒适的购物体验。1）智能推荐算法：通过对用户的购物记录、兴趣爱好等信息进行分析，能够提供个性化的产品推荐和购物指导，帮助用户更好地选择商品11。例如，当用户需要购买某种家居用品时，机器人可以通过智能推荐算法自动识别产品（C1）并定位（C2），快速地向用户推荐（C3）符合用户需求的产品。2）智能语音交互技术：通过语音合成技术，与用户进行自然对话，提供更加便捷的服务12。例如，当用户需要了解某个商品的详细信息时，用户可以通过触摸屏（C6）自主查找，或者通过与机器人语音（C7）聊天，让机器人详细介绍商品的功能、特点等。3）视觉识别技术：通过视觉传感器获取周围环境信息，识别不同物品，以实现智能抓取、物品分类、自主导航等功能13-15。例如，当用户需要机器人协助搬运某件家具时，机器人通过视觉识别技术，可以快速地识别该家具并帮助用户搬运（C9），另外当识别货物缺少时，会对缺少的货物进行补充（C10），如图 1 所示。B4C12C13C14iC1212.520.523 2C132/5120.284 0C141/21/210.192 8目标层 准则层权重评价指标层权重最终权重排名一款多功能服务机器人智能性B10.217 5自动识别 C10.443 40.096 53自动定位 C20.387 40.084 34优先推荐产品 C30.169 20.036 89交互性B20.153 1按钮 C40.082 80.012 714手势 C50.134 30.020 612触摸屏 C60.283 60.043 48语音 C70.499 20.076 45功能性B20.539 5清扫 C80.054 70.029 510货物搬运 C90.488 60.263 61精准补货 C100.339 00.182 92自助售货 C110.117 70.063 56美观性B40.089 9独特的外形 C120.523 20.047 07配色 C130.284 00.025 511Logo C140.192 80.017 313表 8 美观性 B4表 9 一款多功能智能服务机器人层次化功能指标综合权重B3C8C9C10C11iC811/61/51/40.054 7C961250.488 6C1051/2150.339 0C1141/51/510.117 7表 7 功能性 B3图 1货物搬运效果展示2023 年 第 7 期技术与实践INDUSTRIAL DESIGN 工业设计 /1553.3 交互性设计在交互设计中，语音交互和触摸屏交互重要性相对较高，手势和按钮交互重要性相对较低。这表明，在设计服务机器人交互方式时应更加注重语音和触摸屏，尽可能地满足用户的需求，从而提升用户的满意度。同时，应考虑手势和按钮的交互设计，但相对重要性较低，可以在后期设计中逐步完善。此次结合智能服务机器人的各项功能设计手机 APP 界面，界面分为三级页面层次，主要操作功能有机器人工作状态、服务选择、货物信息和好物推荐等，如图 2 所示。3.4 美观性设计在分析美观性权重时，独特的外形权重最高，达到了 0.523 2，其次是配色权重为 0.284，Logo 权重为 0.192 8。因此，在设计这款多功能服务机器人时，应该注重独特的外形设计，因为这是用户最直观的感受。同时，配色方案也非常重要，可以通过恰当地搭配提升用户的视觉体验，进而增加用户的好感度。而 Logo 的权重相对较低，因此在设计 Logo 时，应该注重它与机器人外观的协调性，不需要过分强调 Logo 的独特性。宜家智能服务机器人的设计效果图及功能，如图 3 所示。4 结语研究发现，智能服务机器人是未来人工智能技术的重要应用领域之一，将为人类的生产和生活带来较大的便利和效益。在机器人设计过程中，需要充分考虑不同客户的需求，设计出具有多功能、智能交互等特点的智能服务机器人，以满足不同的场景需求。研究创新性地将层次分析法运用在智能服务机器人设计中，并建立完善的评价体系，确定指标相对权重，为机器人设计提供了科学的依据。未来，随着人工智能技术的不断发展，智能服务机器人的应用领域将会越来越广泛。但是目前研究还存在一定的局限性，如研究样本数量较少、研究结果的普适性有待进一步验证等。后续研究将会开展更多的样本调研和实验验证，进一步完善智能服务机器人设计的新方法。参考文献1 陶永，刘海涛，王田苗，等我国服务机器人技术研究进展与产业化发展趋势J 机械工程学报，2022，58（18）：56-742 王田苗，陶永，陈阳服务机器人技术研究现状与发展趋势 J中国科学：信息科学，2012，42（09）：1049-10663 陈亮，韩月，刘怀玉基于文献分析的服务机器人研究综述 J包装工程，2021，42（08）：12-19+354 刘豹，许树柏，赵焕臣，等层次分析法规划决策的工具 J系统工程，1984（02）：23-305 魏博翰，王建华，赵博基于 AHP 层次分析法的家用脑卒中康复仪设计研究 J设计，2022，35（11）：132-1356 薛哲，陈小云，李永诚，等智能机器人服务失败与顾客持续使用机器人共情的补救效果研究 J企业经济，2023，42（05）：71-817 庄燕玲，孙玉姣，朱涛，等移动货架系统多机器人“存-取货架”调度优化方法 J系统工程理论与实践，2023，43（02）：488-5088 张书乐宜家再造新场景 J宁波经济（财经视点），2017（05）：57-589 王楠一宜家家居的商业模式画布分析 J中国商论，2019（14）：3-510 余宠宜家家居企业营销策略现状与对策研究 J现代营销（经营版），2020（09）：156-15711 路飞，刘硕，田国会智能机器人服务环境下传感数据映射及服务组合方法研究 J机器人，2019，41（01）：30-3912 李翔，李昕，胡晨，等面向智能机器人的 Teager 语音情感交互系统设计与实现 J仪器仪表学报，2013，34（08）：1826-183313 何灿群，肖维祯服务机器人中的拟人化设计研究 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