李劍鈺 施思

關(guān)鍵詞：FBS模型;上肢康復(fù);醫(yī)療設(shè)備;設(shè)計(jì)

1 FBS 模型概述

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，功能與結(jié)構(gòu)是兩個(gè)密不可分的設(shè)計(jì)要素。FBS（Function-Behavior-Structure）模型通過在功能結(jié)構(gòu)模型中加入行為變量，形成了功能—行為、行為—結(jié)構(gòu)的兩級(jí)映射，如圖1。在該模型中，F(xiàn)（功能）是設(shè)計(jì)過程的驅(qū)動(dòng)要素，B（行為）是連接F（功能）與S（結(jié)構(gòu)）的信息中樞，S（結(jié)構(gòu)）則是分析結(jié)果，同時(shí)也是實(shí)際設(shè)計(jì)與開發(fā)環(huán)節(jié)的參考依據(jù)。

1.1 F（功能）—B（行為）映射

要進(jìn)行功能—行為映射，首先需要對(duì)功能進(jìn)行分析。產(chǎn)品的功能源自用戶需求，是對(duì)產(chǎn)品工作能力的描述。在復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于總功能較為復(fù)雜，難以直接分析，為了簡(jiǎn)化問題，可將總功能分解為多級(jí)子功能，形成功能結(jié)構(gòu)圖。行為是功能與結(jié)構(gòu)的橋梁。行為是關(guān)于實(shí)現(xiàn)原理的描述，即實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能應(yīng)該“怎樣做”。功能映射為行為，功能關(guān)系映射為行為關(guān)系，通過對(duì)行為關(guān)系的拆分與合并，可以對(duì)功能進(jìn)行重新定義。功能—行為映射分析是在滿足各種約束條件的前提下，生成行為解，并從原理上實(shí)現(xiàn)所提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.2 B（行為）—S（結(jié)構(gòu)）映射

結(jié)構(gòu)是功能的載體，產(chǎn)品功能通過結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。FBS 模型采用基于設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的類比推理方法，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求來找到實(shí)現(xiàn)功能的結(jié)構(gòu)。具體來說，將當(dāng)前功能所映射的行為與設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中的結(jié)構(gòu)解所能實(shí)現(xiàn)的行為進(jìn)行對(duì)比和匹配，如果二者的行為是相似的，則映射到這兩個(gè)行為集的結(jié)構(gòu)也擁有相似的部件和關(guān)系，再結(jié)合約束條件，就找到了符合要求的新結(jié)構(gòu)。

2 上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備概述

上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備屬于康復(fù)訓(xùn)練類的醫(yī)療器材，目的是為由于腦卒中或其他原因引起的上肢活動(dòng)障礙患者提供輔助治療，幫助他們進(jìn)行上肢康復(fù)訓(xùn)練，從而重獲上肢運(yùn)動(dòng)能力。該類設(shè)備的出現(xiàn)，有效解放了醫(yī)護(hù)人員的雙手，還可對(duì)康復(fù)訓(xùn)練過程進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與分析。隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)研究表明，對(duì)于腦卒中患者群體的上肢運(yùn)動(dòng)復(fù)健過程，通過上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行治療和人工徒手治療的效果無(wú)顯著差別[1]，這證明了上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的有效性。

上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的定位是在醫(yī)師指導(dǎo)下的一種訓(xùn)練輔助工具，主要使用者是上肢運(yùn)動(dòng)障礙患者，但也包括醫(yī)護(hù)人員。設(shè)備的使用過程主要分為三步：首先，醫(yī)護(hù)人員根據(jù)每個(gè)患者的患病情況，將病歷、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)力度等數(shù)據(jù)輸入到設(shè)備系統(tǒng)中;其次，患者在醫(yī)生指導(dǎo)下，使用上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)復(fù)健訓(xùn)練，在這個(gè)過程中，設(shè)備會(huì)利用豐富的傳感器，記錄下患者每次運(yùn)動(dòng)的軌跡、速度、力度等數(shù)據(jù);最后，在訓(xùn)練結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)以可視化的方式呈現(xiàn)訓(xùn)練結(jié)果，并為醫(yī)護(hù)人員提供分析依據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備可分為平臺(tái)式與外骨骼式兩大類。平臺(tái)式上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備以MIT-MANUS [2] 為代表，該產(chǎn)品由平臺(tái)、多連桿移動(dòng)結(jié)構(gòu)部件及肢體固定部件組成，可牽引上肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)勢(shì)是安全性高、穿脫便捷，但由于是通過手腕及小臂對(duì)患肢進(jìn)行間接牽引控制，對(duì)關(guān)節(jié)姿位及力矩的控制不夠精確。外骨骼式康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人以ARMin 為代表，該產(chǎn)品根據(jù)人體關(guān)節(jié)位置，配置了多個(gè)位置、力矩傳感器 [3-4]。其優(yōu)勢(shì)是自由度較多，訓(xùn)練的精確程度高;但劣勢(shì)是穿脫繁瑣、安全性較低。這兩類產(chǎn)品存在一些共性問題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高等。

3 基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)流程

3.1 識(shí)別需求分析

經(jīng)過文獻(xiàn)研究和用戶調(diào)研，總結(jié)出五大類用戶需求。（1） 訓(xùn)練需求：滿足患者的上肢康復(fù)訓(xùn)練需求，經(jīng)實(shí)地調(diào)研，每個(gè)患者單日訓(xùn)練時(shí)間約15 分鐘。（2） 安全需求：滿足患者在訓(xùn)練過程中的安全性需求，作為醫(yī)療用品，尤其要重視安全性設(shè)計(jì)，如緊急停止功能。（3） 便利需求：首先要滿足醫(yī)護(hù)人員操作儀器的便利性需求，主要體現(xiàn)在人性化的人機(jī)交互界面。其次要滿足患者在訓(xùn)練過程中的便利性需求，如穿脫方便。（4） 情感需求：醫(yī)療產(chǎn)品應(yīng)該關(guān)注患者的情感需求，讓使用者的主體地位得到體現(xiàn)[5]。在康復(fù)訓(xùn)練過程中，患者上肢會(huì)有不適感和刺痛感，因此，很多患者有畏難情緒。應(yīng)該通過趣味性設(shè)計(jì)和情感化設(shè)計(jì)來降低病人的抵觸情緒，如游戲訓(xùn)練模式，通過小游戲的方式引導(dǎo)用戶進(jìn)行肢體運(yùn)動(dòng)。（5） 智能化需求：滿足醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者在康復(fù)訓(xùn)練過程中的數(shù)據(jù)收集和智能分析需求。、

3.2 FBS 映射分析

根據(jù)上述需求分析，可以得到以下幾個(gè)功能點(diǎn)：訓(xùn)練功能、顯示功能、移動(dòng)功能、數(shù)據(jù)記錄與分析功能。其中，訓(xùn)練功能是上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的核心功能。對(duì)該功能進(jìn)行FBS 映射分析，首先要對(duì)訓(xùn)練行為進(jìn)行功能拆解，患者使用上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備來進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的主要行為有三步：首先將患者肢體進(jìn)行固定，并提供支撐，然后選擇合適的移動(dòng)裝置，最后利用移動(dòng)裝置為患者提供助力/ 阻力，使患肢得到運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理的不同，可以推導(dǎo)出三種產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)方案，如表1。

方案A 和B 是當(dāng)前市場(chǎng)上已有的解決方案，方案C 則是基于該分析框架所產(chǎn)生的一種新方案。該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，意味著制造、維修成本低;（2） 適用性強(qiáng)，該方案對(duì)作業(yè)平臺(tái)沒有硬性要求，可適用于醫(yī)院、家庭、養(yǎng)老院等場(chǎng)所的桌面，而無(wú)需占用專門的空間來放置;（3） 模塊化設(shè)計(jì)，由于各功能模塊的獨(dú)立性高，所以均可單獨(dú)采購(gòu)和配置，以顯示功能為例，用戶可以選擇購(gòu)置不同尺寸、顯示效果的顯示器，或者采用已有的顯示設(shè)備，而無(wú)需另外采購(gòu)。

此外，在分析過程中，還需要綜合考慮各種約束條件。以移動(dòng)功能為例，其滿足的是醫(yī)護(hù)人員便捷移動(dòng)訓(xùn)練設(shè)備的需求，可以分解為移動(dòng)子功能和鎖止子功能。其中，移動(dòng)子功能可以映射為前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)四個(gè)行為，鎖止子功能可以映射為鎖止、解鎖兩個(gè)行為。據(jù)此分析，則可以通過尋找設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)找到無(wú)動(dòng)力與有動(dòng)力兩大類結(jié)構(gòu)解集合，這樣就完成了從行為到結(jié)構(gòu)的基本映射，約束條件和設(shè)計(jì)知識(shí)如表2。

根據(jù)上述分析，可以得到兩個(gè)結(jié)構(gòu)解，分別為輪徑小、彈性低的無(wú)動(dòng)力PVC 萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)和輪徑小、彈性低的PVC 電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)。這兩種結(jié)構(gòu)解都符合設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際生產(chǎn)過程中可以根據(jù)成本預(yù)算來進(jìn)行選擇，將其分別應(yīng)用在不同定位的產(chǎn)品上，便于全面占領(lǐng)高中低檔市場(chǎng)。

3.3 FBS 模型生成

FBS 模型是前述分析的最終成果。具體來說，首先，對(duì)患者和醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，并結(jié)合文獻(xiàn)研究，總結(jié)出訓(xùn)練、安全、便利、情感、智能化五大類用戶需求;其次，根據(jù)用戶需求對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行分析，得到訓(xùn)練、顯示、移動(dòng)、數(shù)據(jù)記錄與分析功能等四個(gè)功能;然后，對(duì)功能進(jìn)行功能—行為映射分析和行為—結(jié)構(gòu)映射分析，得到三種主體結(jié)構(gòu)方案，并選用了其中具有創(chuàng)新性的一種進(jìn)行細(xì)化分析;最后，將這個(gè)分析過程進(jìn)行歸納總結(jié)，生成基于FBS 的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備概念設(shè)計(jì)模型。該模型闡明了上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的功能、行為、結(jié)構(gòu)三個(gè)要素及要素間的邏輯關(guān)系，為詳細(xì)設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了參考。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的功能形態(tài)單一、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，基于FBS 模型創(chuàng)建了上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的概念設(shè)計(jì)模型，生成了一種轉(zhuǎn)盤機(jī)器人式訓(xùn)練設(shè)備的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了基于FBS 模型的上肢康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)流程，強(qiáng)化了概念設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)前期過程中的價(jià)值地位，為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了一種新思路。