康复机器人图形用户界面探析

本文从康复机器人和图形用户界面的发展、研究现状以及趋势论证康复机器人的图形用户界面结合研究的趋势，继而提出康复机器人图形用户界面需要研究的内容，包括操作功能分析和反馈信息架构、以用户行为和认知为中心的需求研究、人机互动形式的设计、信息视觉化设计研究等方面。康复机器人图形用户界面研究是一个交叉课题，强调以机械结构和计算机技术为基础、针对医疗功能进行图形用户界面的研究，在艺术设计学科是一个全新的前沿问题。本文仅是该研究的一个开端，希望为后续研究奠定一定基础。

图形用户界面的起源可追溯到上个世纪60年代，而真正意义上的图形用户界面在20世纪80年代初施乐公司诞生，具备可双击的图标、可重叠的窗口以及对话栏等特征，并在乔布斯的苹果公司Macintosh产品体系中得到提升，继而随微软的Windows系统发扬光大。在这次变革中，图形用户界面替换了大量的字符命令，解脱了对命令的大量记忆负担，同时由于采用图形方式与计算机操作环境对接，对于用户来说更为简便易用，方便了非专业用户的使用。“康复机器人是工业机器人和医用机器人的结合。”随着现代科学技术的高速发展，发源于美国的机器人技术正在成为各个学科研究的关注热点，其技术领域出现了重大调整，其重心由制造业向非制造业转移，我们可以看到今天的机器人技术已竟开始运用于服务、医疗、生物科技等多方面，特别是医用康复机器人的研究。

康复机器人和图形用户界面结合研究的趋势

进入二十一世纪，康复机器人的研究已不再是以技术为先导的单纯的机械研究，智能化、更好的服务与体验成为最新的研究方向，更加注重病人和医疗工作者在使用康复机器人的时候的体验研究，以及反馈数据的直观可视化，这就直接促使康复机器人需要更加人性化和简单易懂的人机交互操作界面。同时，今天的物联网以及虚拟技术、视网膜屏幕等基础条件已经成熟，康复机器人拥有独立操作和反馈的可视化界面已不再是阻碍，此外还有大量的拥有可视化屏幕界面的数码产品可以通过无线技术与之匹配，这些都构成了图形用户界面引入康复机器人操作和反馈界面的基础条件。

清华大学金德闻教授2007撰文指出国外智能康复机器人的三大特点之一就是传统产品与计算机技术相结合，形成有效的用的操作界面。杜志江2003年撰文划分康复机器人研究的现状，同时提出功能全面、有效控制的交互设备的界面研究也是康复机器人研究的共同重点。可以说不少学者都认可对于康复机器人的用户界面研究。而当前的界面设计理论体系中，主要有两种趋向，一种是以计算机技术为主，划定研究范围，建立相应的理论体系；另一种是以用户研究为主，确立研究内容，提出研究理论。可以看出，用户界面设计研究主要还是集中在技术、方法、策略、视觉方面，与康复机器人的研究是可以交叉的。

康复机器人图形用户界面研究的内容

1.康复机器人图形用户界面的操作功能分析和反馈信息架构研究

现在主流的康复机器人包括康复机械外骨骼、智能轮椅、服务机器人等等，以及家庭和单位之间的交互设备及智能控制界面等，不同的系统有着不同的康复医疗目的。但是他们有两个基本的不可回避的共同功能板块，即操作与反馈。操作可分为物理操作与屏幕操作，美国的Woodway公司已生产了全自动步态训练系统包括了这两种操作，该系统具有一个256色的操作触屏，以图形化方式引导用户使用机器，同时该机器还可以通过USB或者无线方式与电脑连接，输出系统反馈的病人数据在电脑上形成计算机图形符号。反馈是指康复机器人系统在工作过程中通过一定技术采集的人体的指标数据，继而生成反馈信息。不同的康复机器人会在操作和反馈上有很大不同，图形用户界面应该先者对医疗目的，结合医学康复知识，分析不同的机器人所达到的功能和获得的反馈，在明确定位前提下分别提出功能和反馈的技术模式和用户模式，设计师在两者基础上整合一个趋于用户需求和任务行为的交互功能与反馈信息架构，同时通过用户的任务行为迭代验证其合理性。在此基础上，整合机械结构、康复医疗与用户体验，设计康复机器人的图形用户界面研究策略，包括人机交互定位、实现目标规划、功能结构分析、反馈信息架构等。

2.以用户行为和认知为中心的需求研究

康复机器人对现实的意义有目共睹，引入用户的需求研究也是具有很强的现实意义。康复机器人的使用者可以简单的分为两类，病人和医生。他们面对的是一个自己并不熟悉的智能“人工物”，而且这个人工物的指令是以程序语言的形式传达，那么他们是不是还要具备一定的计算机知识？图形用户界面合理的解决了这个问题，就如同它在解决计算机操作系统的时候一样，通过图标、菜单、色彩等元素直观的为普通大众提供一种易于学习、理解、操作的用户界面。同时，康复机器人在使用过程中还会不断地提供病人的反馈数据，而这些数据现阶段对多是以C++语言编写的曲线图或坐标图形式呈现，医生也许会一目了然，但病人却一头雾水。既然我们的康复机器人是为医生和病人服务的，那么他们的行为和认知就是我们图形用户界面所要关注的重点，交互设计的体验要紧密围绕他们的需求来设定。任何一个人机交互设计的产品都离不开人的行为模式的研究，或者说是特定任务行为的研究。这里指的就是对医生与病人的行为模式进行分析研究，主要集中在设备的操作与阅读反馈信息两个方面。近年来，康复机器人的发展趋势越来越倾向于病人可以独立适用，那么用一目了然的图形用户界面的信息视觉化就可以帮助病人更加有效的使用康复机器人。

3.人机互动形式的设计

任何的人机交互图形界面的研究就是让用户能简单的使用其功能，而功能的实现都是通过人与机器之间互动及反馈完成的。康复机器人的人机互动形式研究包括：

A.视觉表现、听觉表现、触觉表现和嗅觉表现等感官体验的反馈研究；

B.用户操作的引导及层级关系研究；

C.提示性反馈研究；

D.人机互动行为的便捷性研究。

4.图形用户界面的信息视觉化研究

现阶段康复机器人的一部分界面操作与信息反馈的解决方案将是图形用户界面。人机交互界面是一个从无到有、从有到无的过程。人和人工物之间最初是没有界面作为连接，或者说连接得并不理想，计算机语言帮助我们解决了这个接口问题。但是，计算机程序语言并不具备通用识别性，所以图形用户界面更加适合作为人机交互的桥梁。但是在未来，随着科技的发展，人和机器间的互动会越来越依赖人的思维和触觉，那个时候的人机交互也许就不再需要图形用户界面，转而进化成生物技术为主导的感知界面。但是现阶段，我们还不能越俎代疱、拔苗助长的越过主流的图形用户界面。

康复机器人的图形用户界面设计根据功能可以分为两个方面，其一是可视屏幕的操控界面的视觉设计，另一个是可视化屏幕的信息视觉化反馈设计。

A.操控界面的图形用户界面设计是人与机器之间传递和交换信息的媒介，这里主要是指通过可视化屏幕与人互动的界面，内容包括：图标、色彩、功能切换的视觉变现、整体风格和布局设计等等。

B.图形用户界面的反馈设计主要是信息的视觉化设计。通过直观的图形，例如结合人的躯干和肢体的示意图，通过颜色、图形、文字等方式让用户不用去阅读枯燥的数据就清楚的了解机器人所反馈的病人的信息。

在操作界面具体设计中，多采用拟物化手法；而在信息反馈设计中则多用拟人化手法。人类是模仿的高级动物，心理学家和人类学家已经证明这个观点，这就为我们的图形用户界面视觉化设计提供了理论依据。面对一大堆具有实际指代意义的功能命令时，我们把这些命令作拟物化的图形处理，跟加便于认知；而枯燥的反馈数据和直方图我们用拟人化的图形加以处理，让医生和病人对机器人采集的病人的数据有更加直观的认知。

康复机器人图形用户界面研究的意义

康复机器人图形用户界面的研究是一个交叉的研究领域，涉及机械、康复医疗和设计学科，强调以机械结构和计算机技术为基础、针对医疗功能进行图形用户界面的研究，在艺术设计学科是一个全新的前沿问题。通过这个研究，论证图形用户界面在康复机器人操作和反馈过程中的重要性，探索交叉领域该学科的新的理论知识，该理论立足于机械结构力学、康复医学、人机交互设计、用户体验设计研究、视觉传达设计、以及信息视觉化设计等多个专业方向的现有研究，丰富艺术设计学科与其他学科交叉后的实用性理论构架。与此同时，依据用户的行为和认知，结合人机交互设计的一般规律，立足于医疗功能进行的图形用户界面的研究，力图在实践上解决康复机器人更便利的用户操作和高识别的反馈问题。

康复机器人图形用户界面的研究力图把医生和病人的需求整合在一起作为康复机器人图形用户界面的设计研究基础，从新的角度、视野入手，在以科技为导向的研究基础上引入以人文关怀的研究。

（作者单位：四川美术学院设计艺术学院）