**PART 00**
前言
在工业4.0时代，随着人工智能、物联网和智能制造等领域的兴起，设计领域的边界不断扩展，对设计师的能力要求也变得更加多样化。这不仅为我们带来了更多参与产业变革与创新设计的机遇，也让设计师们有机会探索更多的创新领域和蓝海市场。香港理工大学的交互设计项目（Interaction Design）正是为了适应这一趋势变化，已升级为智能系统设计（Intelligent Systems Design）项目。ISD的这一转变超越了传统交互设计的局限，它融合了智能技术、系统理论和创新设计方法，结合设计和STEM领域的专长，通过跨学科的协作，致力于推动工业转型和创新。
本文邀请到毕业于港理工智能系统设计专业的学姐，以人与机械臂协作系统（HRCCS）为例，按次序详细介绍了“智能人机协作系统”的发展背景、“人机协作系统”相较于“人机协作”的差异、优势及判断方法、“人”与“机器”间的协作方法、要求及协作机器人的优势，并通过案例，列举出UX设计师在该领域的设计机会点，及HRCCS在不同领域的应用潜力。最后，学姐还以自己的毕设项目为例，重点分享了如何区分 perspectives 和 application areas，并通过Q&A的方式为你解答关于该专业学习和未来职业发展的问题
**PART 01**
个人介绍
我本科毕业于某北京211大学的导演专业，但对设计领域也颇感兴趣，因此申请了香港理工大学的智能系统设计专业。这个专业的前身是交互设计，课程内容偏向硬件方面。例如，我们会学习机械臂及其相关课程，包括人与机械臂协作系统（HRCCS），这也是智能系统设计专业的核心内容之一。
**PART 02**
HRCCS介绍
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① 什么是HRCCS
HRCCS的全称是“Human Robotic Collaborative Carry System”，它与以往的HII（Human-Interactive Interface）不同，更强调人与机器之间的协作，注重用户体验和关怀，可以应用于多个领域，如安全、心理疾病、残障辅助、老年教育，甚至娱乐产业。HRI是一种初级的人机协作概念，尚未达到智能系统的水平，而HRCCS理论则是在工业4.0背景下提出的，是人机交互（HRI）的升级版。
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②HRCCS发展背景
工业4.0代表了制造业的一次革命性升级。在工业1.0时代，我们见证了蒸汽和机械化水利的使用，这些技术驱动机器取代了传统的人力劳动。随后，工业2.0时代的到来，以福特汽车的流水线生产方式为标志，引入了电力和大规模生产的概念。进入工业3.0时代，我们看到了计算机和自动化机械臂的加入，这些技术使得生产过程更加高效，例如在汽车制造中，机械臂用于喷漆和组装工作。
最后，工业4.0在3.0的基础上进行了显著升级，融入了更多新技术，包括物联网、增强现实（AR）、大数据和云计算。这些智能化技术都是与智能系统相关的概念，它们使系统内的各个元素能够相互影响，形成一个高度互联的网络。
智能系统则通常由三个关键部分组成： 传感器（用于收集数据）、 云计算（ 提供数据处理和存储能力），以及 执行器（根据数据执行动作）。此外，人的参与也是智能系统不可或缺的一部分，使得整个系统成为一个完整的、协调一致的整体。
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③ 从人机协作到人机协作系统
▼ 二者交互方式的不同
工业4.0是HRCCS的基石和关键驱动因素，它推动了机器人与人类在制造业生产线上的协作。与工业2.0和3.0时代的 指令性 人机协作不同，工业4.0时代的协作更加强调人与机器的 物理协作。在这种协作中，机械臂使用传感器来探测人的行为和决策倾向，然后将这些数据上传到云端进行处理，处理后的数据再返回到机械臂，驱动其执行相应的操作，实现人与机械臂之间的高效协作。这种协作方式不仅提升了生产效率，还优化了用户体验。
▼ 人机协作系统的优势
人机协作系统的优势是显而易见的。首先，它能够显著降低生产成本，原因何在？不仅因为它的高效性，还因为它极强的适应性。同一机械臂，通过编程不同的程序，就能适应多种生产场景，执行多样化的任务，这本身就是一种成本的节约。更重要的是，人机协作系统巧妙地结合了 人类的决策能力和机器人的精确执行力，这样的结合无疑能够大幅提升生产效率。
▼ 如何判断是否为人机协作系统
而要判断一个现有的智能系统是否为人机协作系统，可以考虑以下几个方面：
1.共同目标： 系统应有共同的生产或任务目标。例如，与机械臂协作组装桌子，目标是完成组装任务。
2.感知、识别和意图推断： 系统通过传感器进行感知和识别，传感器相当于机器人的“眼睛”或“感官”。通过传感器收集人类的行为和信息，再利用算法进行意图推断，从而做出反馈与人互动。
3.物理和信息交互： 机械臂与人之间应有沟通。机械臂不仅接收人的指令，还会通过声音、视频、数字界面或力量反馈等方式向人提供状态信息。这种反馈是多样的，可以是语音、视频或常规的数字界面。
4.规则和机制设定： 系统需要设定明确的互动规则，包括人与机械臂的互动方式，如何停止机械臂或让机械臂与人协作。这需要一个有效的沟通机制，其中也包括人对机械臂的信任。
通过这些标准，我们不仅能更好地理解人机协作系统，还能确保其设计和实施能够达到预期的效果，实现人与机器之间的无缝协作。
**PART 03**
HRCCS如何与人协作
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① “Human in the loop”概念
人机协作系统还提出了一个重要的概念——"human in the loop"。这个术语主要应用在人工智能领域中，它强调了人类在数据输入、机器的接收、分析、反馈以及加强学习过程中的关键作用。其实就是我们熟知的机器学习过程，当前的大型模型和算法，也都是基于这样的循环迭代来提升训练模型的。
在我们的新型人机交互系统中，“human in the loop”的概念至关重要。因为在设计人与机械臂的协作时，我们必须清晰地定义人类的角色。我们需要明确人类作为用户，将在系统中执行哪些动作，以及如何优化他们的体验流程，从而发现设计上的改进机会。
图源网络，侵删
通过两张图，我们可以更清晰地理解“human in the loop”的含义。上图展示了自动驾驶技术，从L1到L5分为五个等级。目前，我们还没有实现完全由车辆自主做出所有决策的阶段。但自动驾驶正朝着人与车协作的智能系统方向发展。比如，车辆会配备有多种传感器，如双目传感器或摄像头，用以探测路况，并将数据上传至云端进行分析处理。然后，这些分析结果会回传至车辆，车辆会做出大部分路况判断，但最终的行驶决策仍由人类做出。因此，自动驾驶是一个典型的人机协作智能系统。
与此相对的，是这个普通的扫地机器人。它虽然具有一定的智能，但并不需要人类的过多参与。用户只需在手机上简单操作，发出指令即可。这种智能更多地类似于工业3.0时代的机器升级版，只是现在增加了一个手机用户界面。
因此，在这两种不同的系统中，用户所扮演的角色是不同的，这一点需要我们清晰地定义和理解。通过这样的分析，我们能够更深入地把握人机协作系统的设计和实现，确保它们能够满足人类用户的需求，同时发挥机器的最大潜力。
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② 协作机器人与人合作案例
让我们通过一个协作机器人的案例来深入了解智能系统设计。设想一个场景：一个机器人正在帮助一个人扶着桌子，他们需要一起协作完成组装任务，类似于宜家组装桌子的过程。这个实验环境虽然简单，但它主要测试的是整个系统的可用性。
在这个案例中，我们可以看到智能系统的一些关键要素。机器人装备了传感器，比如Keynet传感器，用来探测人的行为并推断其决策意图。基于这些信息，机器人决定如何更好地配合人类，比如选择抓取桌子的哪个角，或者以什么角度呈现桌子，以便更方便地进行组装。
同时，这个过程涉及到人的动作识别和任务阶段的识别。例如，实验中的人戴着绿色手套，这不仅是一种视觉上的辅助，也方便机器人更准确地识别动作。整个智能系统的核心在于机器人通过传感器收集用户数据，进行分析，然后辅助用户实现功能。
港理工的智能系统设计专业，正是致力于实现这样的系统设计。无论是机械臂课程，还是其他课程，甚至是毕业设计，我们都需要考虑如何让机器人更好地理解人类的意图，如何让人类更自然地与机器人互动，探索如何设计出能够与人类有效协作的智能系统。
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③ 协作机器人的协作要求及优势
首先，由于协作机器人被设计来与人类共同工作，所以双方必须共享同一个工作空间，因此HRCCS中的一个核心概念就是空间共享——人类与机器人或机械臂必须共处于一个物理空间内。如何在这个共享空间中实现有效的协作，是智能系统设计中需要重点考虑的问题。
此外，协作机器人能够在力量上给予人类极大的帮助，它们耐用且不需要休息，不会因为长时间使用而出现故障，在执行任务时能够做到极高的精确度，特别是在组装精密小零件时，能够准确达到所需的特定角度。
协作机器人还拥有很高的产能，这是它们作为机器人的本质优势。而人类在这一协作体系中，则扮演着灵活性、创意性和决策性的角色。人类可以决定系统应该进行到任务的哪个阶段，是否需要调整，甚至在工作过程中加入创造性的想法。对于人类的决策方向，无论是向左还是向右，机器人都需要跟随并协助完成工作。
**PART 04**
HRCCS的UX设计机会点
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① 三个 UX设计方向
而在工业4.0背景下的智能制造业中，相关的设计类机会点在哪？以HRCCS这个典型的人机交互系统为例，交互设计师主要关注以下三个部分—— 界面设计、行为和控制策略设计，以及用户体验设计。
第一，人与机器的交互界面。在与机器协作的过程中，用户是通过语音、力量触觉传感器、传统的触控屏，还是通过AR/VR技术进行交互？
第二，从理论和研究的角度考虑， 为什么人类需要与机器人进行交互？交互规则是怎么样的？ 例如，用户是否信任协作机器人？在组装桌子时，如何确定优先级规则——是人类的动作优先还是机械臂的动作优先？又或者在任务冲突时，机械臂应该先响应哪个需求？使用何种传感器收集数据，以及如何分析数据进行决策？这些可能也是大家较少涉猎的领域，但这些规则的制定也都是交互设计师的职责所在。
第三，用户体验研究也至关重要。人机协作系统最终将运用于生产任务， 如何为参与协作的工人带来更好的体验——例如，如何减少疲劳、提高注意力、高效沟通？这些都是设计时需要考虑的要素。
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② UX研究案例-用户协作的信任与接受
下边的案例展示了在使用人机协作系统时，用户对机器人的信任与接受度。在人与机械臂协作时，安全问题至关重要，因为机器无法像人类那样精确判断，可能会伤害到人类，使用户感到不安，因此提升用户对机械臂的信任是交互设计师研究的重点。
该论文提出了三个需要注意的点：active safety（主动安全），即机械臂如何避免碰到人；crash safety（碰撞安全），即如果不小心碰到人，如何控制力度在可接受的范围内；以及adaptive safety（适应性安全），即如何从根本上避免碰撞，让用户与机械臂在一个更安全的系统中工作。
信任与接受:在使用人机协作系统时：
- 机器人的操作准确吗?
- 在与机器人合作期间，我会不会被误伤?
- 我如何确保系统不会伤害我?
- 如果发生事故，责任归属于谁?
- 让机器人参与精密工作是否会让利益相关者感到不安?
- 我们能相信机器人吗?
碰撞避免是机械臂或智能系统设计中非常重要的部分，也是研究的热门方向，涉及到意图识别、任务决策等方面，需要我们交互设计师进行深入研究。
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③ HRCCS的应用案例
接下来，我将与大家分享一些HRCCS的案例。感兴趣的朋友可以访问下方提供的网址，那里有更多相关案例可供深入了解。
参考网址：
查看链接 ↗ channel=ABBRobotics
特别想介绍给大家的是YuMi，这是第一个被认为可以与人类在流水线上安全协作的工业机器人。2015年，YuMi作为与人类协作装配微小零件的工业机器人首次亮相。它涉及许多技术，包括机械臂上的多个轴，在实际编程时，我们需要对每个轴的坐标进行单独编程，使机械臂能够360度旋转，制作过程还是比较复杂的。
（此处为视频，请在原文中观看）
YuMi的应用领域也不仅限于传统的流水线装配，在我们的研究项目中，有人与机械臂一起弹钢琴，还有小组用机械臂与DJ一起打碟。在创意产业、家庭场景、运动甚至医疗领域，YuMi都有广泛的应用空间。
另一个研究提出了一个人机协作的操作框架，专注于机器人适应人体疲劳的研究。即如何让机器人更好地检测到人体的疲劳，从而实现更好的人机协作。研究通过共同完成锯木头任务，使用附着在人手臂上的机电接口来检测人手臂的运动，并上传到云端进行运动轨迹分析，再输入到机器人中。
这样，机器人就可以实现更适当的抗阻曲线，用适当的力度与人协作。同时，机械臂还能检测人体的疲劳程度，通过内置的算法和规则来衡量疲劳，并相应调整力度，以实现更协调的人机协作。
这些案例都展示出了HRCCS在不同领域的应用潜力，以及智能系统设计如何适应和提升人机协作的效率和安全性。
**PART 05**
如何找到自己的 design perspective
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① 区分 perspectives 和 application areas
接下来，我想和大家分享如何找到自己的设计视角。设计视角与你想设计的应用领域是不同的。设计视角是你要提出自己的观点，即在你选择的主题或应用领域中，人与机械臂应处于什么状态，他们如何协作，以及这种协作的好处和意义。
我们在提出自己的项目时都需要找到自己的设计观点。例如，上文分享的案例中提到的人与人之间的信任问题，那就是设计观点的一个例子。再比方说下图中的智能代理，它认为这整个设计出的包括传感器、执行器在内组成的系统就是智能代理，这也是一个设计观点。
在做项目时，我们也需要区分这些概念。例如，在“finish training”这一应用领域中，如何将人与机械臂结合起来，我们就提出了诸如XR、数字孪生等多种视角。这些视角可以帮助我们在特定领域内实现人与机械臂的合作。
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② 毕设项目分享
这个作品叫Revitalizing Chinese Cultural Heritage Sugar-Painting，主要就是通过人机协作来实现传统技艺的传承。这个机械臂是一款国产的XARM7，我们需要对它进行编程，控制它的每一个轴向，实现动作的变化。
（此处为视频，请在原文中观看）
最终项目提出的观点，即将机械臂作为普通人与非物质文化遗产糖画师傅之间的桥梁，以继承糖画师傅的记忆，将其量化为数据，通过算法优化，记录风格，并将这种风格和技艺传授给普通人，实现传承和学习。
当然，在实现阶段，我们也在人机协作方面遇到了一些困难。最初我们的想法是让人控制画糖画的勺子角度，在勺子上安装传感器检测倾斜角度，并实时传递给机械臂，让机械臂根据角度计算速度，绘制出完美的线条。但实际上，机械臂很难实时定位勺子在空间中的位置，尤其是在路径不固定的情况下。
尽管如此，我们成功提出了实现自己的设计观点的流程，这意味着我们在策划项目时，不仅仅要聚焦于如何做成项目，还需要考虑如何套用一个普遍的公式来完成这个流程。这个公式可能包括如何收集数据、量化数据、处理数据，并最终用数据驱动执行器，是一套简单而有效的设计智能系统的方法。
理解了这个逻辑流程后，无论是物联网还是其他智能系统，无论你是做糖画、书法、情感可视化还是驱动其他东西，都可以遵循同样的原理应用这套逻辑。
**PART 06**
专业与就业Q&A
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① 教学与专业问题
问：学编程费劲吗？这个专业会学哪些编程语言？
答：我的本科专业是导演，所以我没有编程基础。但在我们专业中，如果有编程基础会更好，如果没有可以通过小组合作来弥补。对我来说，学习编程挺费劲的。但我们专业中的编程课程比较基础，会学一些基础的编程语言，比如Python和C语言，主要是服务于设计。实际工作中，不需要深入了解编程，只需知道其逻辑即可。
问：项目分工是怎样的？
答：项目分工通常包括一到两个负责编程的同学，其他同学负责用户调研、系统设计、数据测量等。如果项目中有界面设计，无论是实体界面还是数字界面，也会有同学专门负责。如果项目有艺术表达部分，比如视频或音频，也会有专门的同学负责。
问：设计师如何与技术人员协作？
答：与技术人员协作最重要的是有共同的语言和认知。如果不懂技术术语，要及时询问并确保双方理解一致。沟通时要简洁明了，直接针对问题进行协商。
问：如何培养UX逻辑思维？
答：培养UX逻辑思维首先要确保设计有依据，不能仅凭直觉或经验。其次，多画流程图和信息架构图，拆解和理解不同软件的信息架构，这样能自然而然地形成系统认知。
问：系统设计应该怎么理解？
答：系统设计需要了解系统的基本组成元素，包括传感器（输入信息）、数据处理部分（包括云处理、机器学习等），以及执行器（输出结果）。设计师需要考虑数据流向、算法处理和用户体验等多个维度。
港理工其他毕设项目：未来的数字孪生和4D交通系统
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② 职业发展与就业问题
问：学姐为什么去了互联网大厂，是做的实体产品吗？
答：我现在在某头部互联网公司工作，主要负责的是体验设计，基本上是界面设计这方面的工作，并没有涉及实体产品的开发。实体产品通常需要工业设计背景或对人机工程学、心理学有深入了解，而我的工作更侧重于用户体验。
问：UX设计目前饱和吗？
答：UX设计领域目前确实很饱和，无论是资深还是初级设计师都面临一定的就业挑战。我的建议是多方面发展能力，包括交互设计、UI设计、产品思维和编程等。
问：AIGC在设计师工作中扮演什么角色？
答：AIGC是AI生成内容的能力，设计师需要将其转化为应用工具，并与业务紧密结合。设计师的工作主要是将AI能力定制化，优化用户体验。
问：考虑过留在香港工作吗？
答：我考虑过，但香港的互联网行业没有大陆发展得好。香港可能更倾向于招聘有工作经验的设计师，所以如果有丰富经验，可以考虑留在香港。
问：在香港学习和生活怎么样？
答：香港的学习和生活环境还不错，但住宿条件可能不是特别理想。此外，香港的英文使用场景很多，无论是发邮件、上课还是日常沟通，英文水平很重要。
问：学姐对想进入这个行业的同学们有什么建议？
答：如果大家想进入这个行业，首先要多方面发展自己的能力，尤其是UX逻辑思维和系统思维。其次，要用心去寻找机会，尽管大环境有挑战，但只要努力，总能找到适合自己的位置。
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