孫 利，張 鵬，吳儉濤，戴 成，姜 楠，盧智彬

基于FBS拓展模型的可穿戴式康復(fù)機(jī)械手設(shè)計(jì)研究

孫 利，張 鵬，吳儉濤，戴 成，姜 楠，盧智彬

(燕山大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

康復(fù)機(jī)械手是康復(fù)醫(yī)學(xué)和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合，其目的是通過外帶輔助器具約束受傷肢體的運(yùn)動(dòng)范圍，重建手部的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)功能，從而對患者患肢進(jìn)行康復(fù)治療。對功能-行為-結(jié)構(gòu)(FBS)模型進(jìn)行拓展，以設(shè)計(jì)知識(shí)流理論為出發(fā)點(diǎn)，融入用戶需求和原理空間構(gòu)建了基于FBS拓展模型的康復(fù)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案。通過對需求-功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)(PFWBS)迭代設(shè)計(jì)解耦，并結(jié)合手部的生物學(xué)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分析了康復(fù)機(jī)械手概念模型映射過程。構(gòu)建了康復(fù)機(jī)械手功構(gòu)求解策略，為腦卒中患者設(shè)計(jì)了一款可穿戴式康復(fù)機(jī)械手，通過仿真分析和工作空間求解，驗(yàn)證了康復(fù)機(jī)械手機(jī)構(gòu)的合理性。結(jié)果表明，基于FBS拓展模型的映射求解策略為康復(fù)機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐策略，能有效提升用戶體驗(yàn)。

腦卒中；康復(fù)機(jī)械手；FBS拓展模型；工業(yè)設(shè)計(jì)；仿真分析

康復(fù)機(jī)械手涉及到多個(gè)學(xué)科的交叉融合。近年來，康復(fù)機(jī)械手已成為腦卒中治療的主要手段之一，在考慮其機(jī)能問題外還考慮了仿生性，以滿足患者對舒適度的最大要求[1-2]。目前，國內(nèi)一些學(xué)者對機(jī)械手的研究取得了一些成果。陳楠[3]分析了人手的生物學(xué)特征，優(yōu)化了康復(fù)機(jī)械手的訓(xùn)練機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，但缺乏訓(xùn)練模式的設(shè)計(jì)改良。何秀蕓[4]設(shè)計(jì)了常開狀態(tài)的仿生機(jī)械手并對其自適應(yīng)性進(jìn)行了研究，但未探索目標(biāo)用戶的真實(shí)意圖，也不能進(jìn)行手部功能的康復(fù)治療。林煥輝和陳德為[5]采用腱驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)手指關(guān)節(jié)使仿生機(jī)械手靈活度更高，但未對特定需求給出合理的解決方案。針對上述問題，本文提出了基于功能-行為-結(jié)構(gòu)(function-behavior-structure，F(xiàn)BS)拓展模型的康復(fù)機(jī)械手設(shè)計(jì)方法，由新需求引出新功能，采用分層遞進(jìn)的功能-原理-行為結(jié)構(gòu)本體映射策略，建立康復(fù)機(jī)械手需求-功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)(purpose-function- working space-behavior-structure，PFWBS)映射求解機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)康復(fù)機(jī)械手模塊化創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 康復(fù)機(jī)械手醫(yī)學(xué)理論來源

腦卒中又稱腦中風(fēng)，發(fā)病急、致死和致殘率高。當(dāng)前，藥物只能緩解腦卒中的多種癥狀卻無法對其進(jìn)行徹底的康復(fù)治療。在日常的生產(chǎn)和生活中，手扮演著無可比擬的重要作用，在腦卒中患者治療中，手因其神經(jīng)控制系統(tǒng)復(fù)雜，使得手部功能康復(fù)治療最為重要。因此，設(shè)計(jì)一款可穿戴式康復(fù)機(jī)械手，有利于腦卒中患者的康復(fù)治療。

大腦是一個(gè)極其復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，基于大腦可塑性理論(continuous passive motion，CPM)的支持，科學(xué)合理的擬態(tài)輔助運(yùn)動(dòng)可以有效促進(jìn)腦卒中患者神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)功能重塑[6-8]。通過對康復(fù)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)改良，使患者進(jìn)行多種康復(fù)訓(xùn)練可以促進(jìn)運(yùn)動(dòng)感覺功能的整合。經(jīng)臨床分析表明，基于大腦CPM的康復(fù)訓(xùn)練方法有助于大腦神經(jīng)元的正確連接，達(dá)到恢復(fù)患肢運(yùn)動(dòng)控制功能的目的，如圖1所示。

2 FBS拓展模型求解策略

2.1 FBS拓展模型知識(shí)庫構(gòu)建

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)從抽象到具體的信息映射過程。FBS采取自上而下的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)分解模型，解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中“如何做”的問題，是一個(gè)物理結(jié)構(gòu)與功能需求的映射求解策略，其中={0,1,···,F}，功能、行為、結(jié)構(gòu)分別從各個(gè)層次建立了產(chǎn)品的特征模型，并形成了完整的知識(shí)回路。FBS模型使各個(gè)結(jié)構(gòu)單元建立了清晰的聯(lián)系，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡單化，通過對FBS的逐層遞進(jìn)映射獲得問題的解決方案。

圖1 大腦可塑性理論

廣義的產(chǎn)品個(gè)性化不僅需要滿足用戶的心理和生理訴求，更需要為目標(biāo)用戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品服務(wù)，產(chǎn)品個(gè)性化的實(shí)現(xiàn)手段就需要獲取用戶需求及其行為序列，作為約束產(chǎn)品的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確獲得用戶需求[9-10]。同時(shí)，為了滿足機(jī)械裝備多樣化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，需要在方案設(shè)計(jì)中引入模塊化的設(shè)計(jì)方法，而在此過程中加入原理模型的考量，并作為設(shè)計(jì)的約束，得到科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方案。而FBS模型未充分考慮拓寬結(jié)構(gòu)解的空間，不利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有效創(chuàng)新。因此，本文提出構(gòu)建FBS拓展的PFWBS模型，結(jié)合設(shè)計(jì)知識(shí)流理論在不同的資源環(huán)境中進(jìn)行知識(shí)獲取，納入用戶需求和原理空間，構(gòu)建了用戶需求、功能、原理空間、行為、結(jié)構(gòu)的映射求解策略，并建立了功構(gòu)解耦到功構(gòu)聚合的產(chǎn)品動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)模型。通過需求反饋、功能拆解、原理約束、行為關(guān)聯(lián)、功構(gòu)映射等求解策略實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)模型的重構(gòu)，如圖2所示。

圖2 FBS拓展模型映射求解策略

2.2 多層次混合映射求解框架

為快速滿足機(jī)械設(shè)備多樣化的設(shè)計(jì)需求，利用設(shè)計(jì)知識(shí)流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品配置求解，本文建立了PFWBS迭代設(shè)計(jì)演進(jìn)模型，通過產(chǎn)品模塊化映射求解技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[11-14]。產(chǎn)品功能需求的提取需要進(jìn)行多維度的綜合考量，這一抽象過程可定義為

其中，為產(chǎn)品總功能；dr為設(shè)計(jì)要求；w為設(shè)計(jì)要求的權(quán)重；為市場需求。

設(shè)計(jì)過程模型的表達(dá)：意圖→功能→行為→物理結(jié)構(gòu)，即

其中，P為用戶需求；F為產(chǎn)品功能；W為產(chǎn)品符號(hào)的物理結(jié)構(gòu)；B為用戶行為；為產(chǎn)品約束條件；ESS為有效物理結(jié)構(gòu)空間(effective structure space)，設(shè)計(jì)步驟見表1。

表1 FBS拓展模型設(shè)計(jì)步驟

注：為預(yù)期用戶需求；為預(yù)期功能；為預(yù)期行為；為物理結(jié)構(gòu)；為源于結(jié)構(gòu)的行為；為源于結(jié)構(gòu)的功能；為源于結(jié)構(gòu)的用戶需求；為物理結(jié)構(gòu)優(yōu)化；為設(shè)計(jì)方案生成

3 康復(fù)機(jī)械手求解空間構(gòu)建

3.1 基于PFWBS本體的設(shè)計(jì)知識(shí)流過程建模

構(gòu)建基于PFWBS的機(jī)械裝備生成模型，采用了逐層遞進(jìn)的混合映射求解機(jī)制，將功能結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行聚合和分解，將行為結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行行為鏈匹配，將結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)關(guān)系匹配[15-16]。將該模型應(yīng)用于康復(fù)機(jī)械手進(jìn)行空間構(gòu)型，通過對各個(gè)模塊進(jìn)行聚類分析以及功構(gòu)要素的可拓轉(zhuǎn)變，達(dá)到模塊間的創(chuàng)新融合[17]。由于康復(fù)機(jī)械手的特殊性及其復(fù)雜性，在構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)模型時(shí)，除了考慮其主要功能外，還應(yīng)考慮其驅(qū)動(dòng)功能、輔助功能、連接功能、支撐功能。功能之間的模塊化組合方法可以更有效地驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品最優(yōu)裝配方案的產(chǎn)生。本文以主要功能為切入點(diǎn)進(jìn)行方法說明。具體操作過程如下：

(1) 明確用戶需求。由目標(biāo)用戶需求確定總功能，分析用戶需求權(quán)重，完成需求到功能的映射，建立康復(fù)機(jī)械手功能模型。

(2) 功能模塊劃分及模型構(gòu)建。由于康復(fù)機(jī)械手功能單元較多，可以根據(jù)不同區(qū)域、工作原理或不同維度進(jìn)行劃分，將機(jī)械手總功能劃分為1,2,···,F等模塊。在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了滿足目標(biāo)用戶的需求，可將目標(biāo)用戶需求進(jìn)行功能輸出，并對功能元進(jìn)行粒度分析從而拆解為多個(gè)功能元即主要功能、輔助功能、驅(qū)動(dòng)功能、連接功能和支撐功能，按照其耦合強(qiáng)度進(jìn)行層次性聚類，從而創(chuàng)建功構(gòu)模塊。根據(jù)已劃分的子功能映射出相應(yīng)的行為。

(3) 功構(gòu)求解。功能與行為相關(guān)性分析，對目標(biāo)行為進(jìn)行特定優(yōu)化，完成從行為到結(jié)構(gòu)的初級(jí)映射，而對于一些具體情況則必須建立相應(yīng)的約束條件[18-20]，采用行為關(guān)聯(lián)進(jìn)行產(chǎn)品原理建模，從而完成功構(gòu)解耦到聚合的層級(jí)映射。依據(jù)上述的映射及功能對象輸入、輸出關(guān)系，最終得出康復(fù)機(jī)械手的抽象結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品動(dòng)態(tài)視圖建模，如圖3所示。

3.2 仿生康復(fù)機(jī)械手設(shè)計(jì)的PFWBS映射機(jī)制

3.2.1 人手部物理結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)康復(fù)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，要充分考慮人手的生物學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，并對手指運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行探索。從單個(gè)手指的剖析可知，人手的動(dòng)作姿態(tài)分為伸展、半曲和屈曲3種。由于可穿戴式康復(fù)機(jī)械手的特殊性和復(fù)雜性，為了滿足目標(biāo)用戶的舒適性需求，需關(guān)注手部外骨骼與機(jī)械手產(chǎn)生的人機(jī)接觸及其物理機(jī)構(gòu)，如圖4所示。食指和中指在遠(yuǎn)端指骨間關(guān)節(jié)(distal interphalangeal，DIP)、近端指骨間關(guān)節(jié)(proximalinterphalangeal，PIP)和掌指關(guān)節(jié)(metacarpophalangeal，MP)處，各有一個(gè)屈曲/伸展自由度；拇指在DIP和MP處各有一個(gè)屈曲/伸展自由度，在腕掌關(guān)節(jié)(carpometacarpales，CM)處有一個(gè)屈曲/伸展自由度和一個(gè)巧收/外展自由度(表2)。通過對人手生物學(xué)特征分析，匹配出康復(fù)機(jī)械手屈曲度應(yīng)符合人手的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍，自由度數(shù)目應(yīng)與手部骨骼相匹配。本文對人手動(dòng)作進(jìn)行擬態(tài)分析，得出機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最優(yōu)解。

圖3 康復(fù)機(jī)械手抽象功構(gòu)模型

圖4 手部骨骼解剖圖

表2 正常人手指關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

3.2.2 用戶需求分析及功能輸出

用戶需求對設(shè)計(jì)的重要性不言而喻，其直接影響產(chǎn)品功能的價(jià)值排序，相關(guān)性權(quán)重系數(shù)則對模塊劃分有著重要的影響。在產(chǎn)品映射求解過程中，應(yīng)盡量滿足權(quán)重值較高的需求層級(jí)下的各功能需求，而對權(quán)重值較低的需求層級(jí)可做產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的取舍。為此，基于腦卒中患者康復(fù)訓(xùn)練流程，通過查閱文獻(xiàn)及對60名腦卒中患者進(jìn)行訪談?wù){(diào)研，對用戶需求進(jìn)行分析，完成功能輸出。經(jīng)專家組和設(shè)計(jì)人員討論甄選，剔除非典型性用戶需求，通過焦點(diǎn)小組討論最終獲得7項(xiàng)主要用戶需求，并且對7項(xiàng)典型用戶需求設(shè)計(jì)重要度進(jìn)行問卷調(diào)查。將其兩兩比較，并采用5級(jí)李克特量表評(píng)價(jià)打分。共發(fā)放調(diào)查問卷57份，回收有效問卷49份。其次，將目標(biāo)用戶需求進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理并采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)對用戶需求權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。最后將用戶意圖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能。用戶需求、用戶需求權(quán)重值和功能輸出，見表3。

表3 用戶需求到功能輸出

3.2.3 康復(fù)機(jī)械手PFWSB映射機(jī)制

對目標(biāo)用戶需求因子進(jìn)行分析，并進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，進(jìn)而完成從需求到功能的映射求解。首先對總功能0進(jìn)行分解，建立功能結(jié)構(gòu)圖，使總功能生成具有一定邏輯關(guān)系的子功能F(=1,2,···,)或功能元集F(=1,2,···,)，如果是“母子”關(guān)系用“2”表示，“與”關(guān)系用“3”表示，“或”用“4”表示，“非”用“5”表示，功能結(jié)構(gòu)圖則可用矩陣式(3)表示，由此得出功能模塊間的耦合強(qiáng)度。其次，對康復(fù)機(jī)械手各個(gè)模塊單元進(jìn)行識(shí)別、劃分，由功能結(jié)構(gòu)圖按照其耦合強(qiáng)度對其進(jìn)行功能重構(gòu)、原理求解、行為聚類以及結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建，從而對方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[21]。功能結(jié)構(gòu)圖的矩陣可表示為

而構(gòu)建合理方案的第一步需建立功構(gòu)形態(tài)學(xué)矩陣，通過科學(xué)評(píng)價(jià)和決策進(jìn)行方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，并根據(jù)總體目標(biāo)在特定原理和行為的約束條件下通過多層次映射完成康復(fù)機(jī)械手最優(yōu)設(shè)計(jì)方案(表4)。

表4 康復(fù)機(jī)械手功構(gòu)形態(tài)學(xué)矩陣

由康復(fù)機(jī)械手形態(tài)學(xué)矩陣可組合出16個(gè)方案。采用5分制，即0為不能用、1為勉強(qiáng)可用、2為可用、3為良好、4為很好，以此判斷方案優(yōu)劣程度。通過專家和技術(shù)人員進(jìn)行評(píng)分，得出的結(jié)果見表5。

表5 各方案評(píng)分結(jié)果

表5中的優(yōu)化方案為：2+5+8+9，即直流電機(jī)、力反饋數(shù)據(jù)手套、小臂手套、手指魔術(shù)貼。為了得出最佳方案，需對康復(fù)機(jī)械手功能抽象層進(jìn)行單元維分類，將功能元拆分為元功能層和功能對象層，由形態(tài)學(xué)矩陣提出了優(yōu)化方案，但由于缺少約束條件，不能保證方案的合理性。而且功能與行為之間存在多對映射關(guān)系，而行為本身又具有模糊性與特殊性，因此將原理模型納入約束條件，將功能元分為適應(yīng)性訓(xùn)練、被動(dòng)訓(xùn)練、半主動(dòng)訓(xùn)練、主動(dòng)訓(xùn)練及可穿戴功能和運(yùn)動(dòng)采集功能等。將行為元分為塊和鏈，行為鏈包括抓取、握拳、側(cè)握、彎曲、伸展等一系列動(dòng)作，通過行為相容性原則將行為特征相似的動(dòng)作映射為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)特征。將結(jié)構(gòu)層按照其結(jié)構(gòu)關(guān)系和部件屬性對其進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束，建立結(jié)構(gòu)層次模型，可將結(jié)構(gòu)組件層劃分為包括驅(qū)動(dòng)連桿、小臂手套、直流電機(jī)等，結(jié)構(gòu)關(guān)系層包括機(jī)電活動(dòng)提取傳感器、力反饋數(shù)據(jù)手套等。最后基于PFWBS模型的設(shè)計(jì)迭代分解模型完成康復(fù)機(jī)械手多層次的映射求解[22-23]，如圖5所示。

經(jīng)過逐層映射之后，對結(jié)構(gòu)、空間色彩、造型、肌理以及人手的生物學(xué)特性等一系列要素進(jìn)行分析，確定最佳分解方案進(jìn)行三維可視化建模，設(shè)計(jì)的康復(fù)機(jī)械手爆炸模型如圖6所示，其中各子模塊(部分)由上至下依次為：電機(jī)與控制器、驅(qū)動(dòng)連桿及傳輸線路、手指魔術(shù)貼與肌電活動(dòng)傳感器、力反饋數(shù)據(jù)手套及手臂手套與綁帶。

根據(jù)上述分析最終完成康復(fù)機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對相應(yīng)的目標(biāo)用戶需求進(jìn)行歸納分析，作為康復(fù)機(jī)械手的功能要素引導(dǎo)FBS拓展模型映射過程，選擇出最佳的裝配方案?；诳祻?fù)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和多自由度以及差驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一款可穿戴式康復(fù)機(jī)械手，使其可以進(jìn)行舒適、精確、穩(wěn)定的康復(fù)訓(xùn)練，靈活實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)訓(xùn)練模式的自由切換及相結(jié)合的康復(fù)訓(xùn)練模式。通過FBS拓展模型映射機(jī)制得出康復(fù)機(jī)械手最終效果圖，如圖7所示。

圖5 康復(fù)機(jī)械手PFWSB映射機(jī)制

圖6 康復(fù)機(jī)械手爆炸圖

4 康復(fù)機(jī)械手仿真分析

(1) 自由度。取機(jī)械手中的一個(gè)手指，將其看做是一個(gè)平面的二維機(jī)構(gòu)，對其進(jìn)行簡化，得到機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖8所示。

圖8 手指機(jī)構(gòu)簡化圖

對機(jī)構(gòu)的自由度進(jìn)行分析，得到平面機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算式為

其中，為機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件個(gè)數(shù)，在此機(jī)構(gòu)中為8個(gè)；P為機(jī)構(gòu)中所含的低副約束個(gè)數(shù)，在此為11個(gè)；P為所含的高副約束個(gè)數(shù)，在此為0。

該機(jī)構(gòu)的自由度為2個(gè)，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)部分，可為每個(gè)手指設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)1關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，其另一個(gè)關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)動(dòng)，可采取隨動(dòng)的方式。

(2) 機(jī)構(gòu)正解。對機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行正解計(jì)算，采取1和2轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)角分別為1和2，對此可以求取機(jī)構(gòu)中2及3的位置，其結(jié)果為

整理成矩陣的形式為

(3) 速度分析。因?yàn)椴扇〉氖且粋€(gè)自由的驅(qū)動(dòng)，所以在此僅需要分析2點(diǎn)的速度，分析過程如下：

首先將機(jī)構(gòu)進(jìn)一步簡化，如圖9所示。

圖9 手指機(jī)構(gòu)進(jìn)一步簡化圖

根據(jù)基點(diǎn)法求解2點(diǎn)的速度，因?yàn)榫€性驅(qū)動(dòng)器可控制參數(shù)，所以點(diǎn)速度的大小及方向均可知，因此以點(diǎn)為基點(diǎn)，對2點(diǎn)的速度進(jìn)行求解，其速度的方向可從圖中得知，始終垂直于直線12，其矢量方程為

對其進(jìn)行求解，圖10為矢量方程圖。

經(jīng)過計(jì)算可得出

(4) 工作空間求解。將位置正解進(jìn)行編程計(jì)算，設(shè)置其約束條件(即每個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍，每個(gè)手指關(guān)節(jié)的長度)，計(jì)算求得其工作空間如圖11所示。對手指各個(gè)模塊間的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，多個(gè)指尖點(diǎn)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到康復(fù)訓(xùn)練的目的，在相同的環(huán)境中導(dǎo)出各個(gè)外骨骼關(guān)節(jié)單元彎曲角度。圖中，3條曲線分別為MCP Joint，PIP Joint，DIP Joint彎曲角度隨時(shí)間遷移的運(yùn)動(dòng)軌跡。由此可得出，52°，92°及30°為上述關(guān)節(jié)的最大彎曲角度，稍小于人手最大彎曲角度，驗(yàn)證了康復(fù)機(jī)械手執(zhí)行訓(xùn)練機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合設(shè)計(jì)知識(shí)流思想，采用理論建模、實(shí)證分析、原型實(shí)現(xiàn)與工程驗(yàn)證相結(jié)合的研究思路。以設(shè)計(jì)知識(shí)流理論為出發(fā)點(diǎn)，構(gòu)建了基于PFWBS本體的產(chǎn)品知識(shí)動(dòng)態(tài)建模方法，重點(diǎn)進(jìn)行了功構(gòu)求解策略的構(gòu)建，并以康復(fù)機(jī)械手為例進(jìn)行縱向設(shè)計(jì)迭代演進(jìn)。其次，對康復(fù)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)分析，使其更好地與人手部生物學(xué)特征進(jìn)行適配融合，通過對手指運(yùn)動(dòng)規(guī)律和康復(fù)機(jī)械手工作空間擬合曲線的誤差分析，驗(yàn)證了基于PFWBS本體模型指導(dǎo)康復(fù)機(jī)械手設(shè)計(jì)實(shí)踐可行性和有效性，從而優(yōu)化了目標(biāo)用戶對可穿戴式仿生康復(fù)機(jī)械手的使用體驗(yàn)。

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Design of wearable rehabilitation manipulator based on FBS extended model

SUN Li, ZHANG Peng, WU Jian-tao, DAI Cheng, JIANG Nan, LU Zhi-bin

(School of Art and Design, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

Rehabilitation manipulator is a combination of rehabilitation medicine and robotics. Its purpose is to restrict the range of motion of injured limbs with external aids and to rebuild the function of the hand movement system, so as to perform rehabilitation treatment on the affected limbs of patients. This paper expanded the function-behavior-structure (FBS) model, started with the design knowledge flow theory, and incorporated the user needs and principle space to construct a rehabilitation manipulator design scheme based on the FBS expansion model. Through the demand-function-principle-behavior-structure (PFWBS) iterative design decoupling, combined with the biological structure of the hand, this paper systematically analyzed the mapping process of the conceptual model of the rehabilitation manipulator, and constructed a strategy for solving the functional structure of the rehabilitation manipulator. A wearable rehabilitation manipulator was designed for the patient. The simulation analysis and working space solution of the rehabilitation manipulator verified the rationality of the rehabilitation manipulator mechanism. The research analysis shows that the mapping solution strategy based on the FBS extended model provides a certain theoretical basis and practical strategy for the design research of rehabilitation manipulators, which can effectively improve the user experience.

stroke; rehabilitation manipulator; FBS extended model; industrial design; simulation analysis

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2021010150

A

2095-302X(2021)01-0150-08

2020-05-27；

27 May，2020；

2020-08-28

28 August，2020

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51675464)；河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(19211820D)；河北省教育廳在讀研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)資助項(xiàng)目(CXZZSS2019056)

：National Natural Science Foundation of China (51675464); Funded by the Key Research and Development Program of Hebei Province (19211820D); Hebei Provincial Department of Education for the Cultivation of Innovative Ability of Graduate Students (CXZZSS2019056)

孫 利(1973–)，男，黑龍江安達(dá)人，教授，博士。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械裝備及康養(yǎng)輔具創(chuàng)新設(shè)計(jì)、智能數(shù)字化設(shè)計(jì)理論與方法研究。 E-mail：sunli@ysu.edu.cn

SUN Li (1973–), male, professor, Ph.D. His main research interests cover innovative design of mechanical equipment and health care aids, and the research on theories and methods of intelligent digital design. E-mail：sunli@ysu.edu.cn