鄭皓冉，秦建軍，楊芳

（1. 北京建筑大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，北京 100044；2. 北京建筑大學(xué)城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

1 引言

如今，在機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案確定的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)面臨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)煩瑣、控制編程困難等問(wèn)題，而過(guò)于繁雜的方案確定步驟會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)預(yù)算增加、研發(fā)時(shí)間延長(zhǎng)。從提升消費(fèi)者的滿意度以及產(chǎn)品的功能性出發(fā)，設(shè)計(jì)能夠滿足消費(fèi)者需求的機(jī)器人產(chǎn)品，能夠使得產(chǎn)品研發(fā)更加具有針對(duì)性，提高產(chǎn)品在市場(chǎng)之中的競(jìng)爭(zhēng)力。文獻(xiàn) [1]以醫(yī)患雙方的需求作為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滿足醫(yī)患雙方需求的頸顱電磁治療儀，增加了產(chǎn)品在同定位醫(yī)療器械中的競(jìng)爭(zhēng)力。文獻(xiàn) [2]指出，康復(fù)機(jī)器人能夠有效輔助醫(yī)師進(jìn)行治療，提高病人的康復(fù)療效，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案生成上，利用消費(fèi)者需求到產(chǎn)品功用再到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行研究的內(nèi)容較少。文獻(xiàn) [3]以解決康復(fù)機(jī)器人控制問(wèn)題的角度出發(fā)，進(jìn)行了樣機(jī)的研制與實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn) [4-9]雖對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了不同程度的分析研究，但缺乏模型化、形式化的理論工具，使得操作的便攜性較弱。學(xué)者們利用可拓學(xué)中的可拓論及可拓創(chuàng)新方法等知識(shí)，解決了研究中面臨的問(wèn)題。趙燕偉提出了利用可拓學(xué)理論，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品從功能到結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的方法。張文林等人結(jié)合可拓論下的基元理論與發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ）模型分析法，形成了一種更加直觀的、形式化的解決問(wèn)題的分析方法。邢鵬等人，利用可拓論中物元與關(guān)聯(lián)函數(shù)理論，提出了一種傳感器的選型與評(píng)估方法，并結(jié)合實(shí)際算例，驗(yàn)證了其可操作性。米晶晶等人將可拓變換原則應(yīng)用于專利的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，通過(guò)提取與構(gòu)建專利的功能基元可拓模型，利用可拓變化方法完成專利的創(chuàng)新變換。李仔浩等結(jié)合可拓設(shè)計(jì)方法與逆向設(shè)計(jì)思想，得到了一種基于逆向設(shè)計(jì)的可拓創(chuàng)意生成流程，解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與創(chuàng)新過(guò)程中的矛盾問(wèn)題。通過(guò)以上文獻(xiàn)所述，可拓學(xué)方法在機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案生成的事例較為少見(jiàn)。本文基于機(jī)器人結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)，結(jié)合可拓學(xué)中的基元、拓展分析理論，針對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人構(gòu)建了結(jié)構(gòu)方案生成的流程，得到了下肢康復(fù)機(jī)器人的可拓結(jié)構(gòu)方案，增加了研發(fā)效率，并拓展出一種邏輯化、形式化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路。

2 下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案生成流程

可拓學(xué)是一門解決矛盾問(wèn)題、擴(kuò)展分析思路的學(xué)科。也是將生活中的問(wèn)題、事物形式化分析，從而解決問(wèn)題、開(kāi)拓創(chuàng)新的一種有效途徑。結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的知識(shí)，可拓學(xué)能夠廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、工業(yè)設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域，并對(duì)各領(lǐng)域生成問(wèn)題的解決方案起到重要的作用。本文中結(jié)合可拓學(xué)與機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，從基礎(chǔ)的消費(fèi)者需求事元出發(fā)，將其依次進(jìn)行功用事元、結(jié)構(gòu)關(guān)系元的形式化映射，并利用可拓學(xué)中不同形式的可拓分析方法，得到下肢康復(fù)機(jī)器人的多種結(jié)構(gòu)方案。目前的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程多為：產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計(jì)、方案篩選以及方案試制三個(gè)步驟，而其中常會(huì)出現(xiàn)成本消耗過(guò)高、消費(fèi)者使用性能下降、開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)等問(wèn)題。利用可拓學(xué)中的可拓分析知識(shí)，在對(duì)消費(fèi)者需求進(jìn)行聚攏，并得到關(guān)鍵性的需求后進(jìn)行映射，從而獲得具有針對(duì)性的多種結(jié)構(gòu)方案。后參考專家評(píng)估結(jié)果對(duì)不同方案進(jìn)行打分。最后利用綜合優(yōu)度評(píng)價(jià)法得到較優(yōu)的結(jié)果作為最終的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合可拓分析與關(guān)系映射方法的下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案生成的流程如圖1所示。

圖1 下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案生成流程

3 消費(fèi)者需求事元的構(gòu)建及拓展分析

（1）消費(fèi)者需求事元的建立

消費(fèi)者需求是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)，消費(fèi)者需求能夠通過(guò)可拓學(xué)基元理論中的事元模型進(jìn)行表達(dá)如下：

將消費(fèi)者對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的使用反饋以及一些市場(chǎng)調(diào)研的結(jié)果進(jìn)行整理，利用上述事元模型的表達(dá)方式，對(duì)整理出的多種需求進(jìn)行形式化表達(dá)如下：

（2）消費(fèi)者需求事元拓展分析-蘊(yùn)含系法

在下肢康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，消費(fèi)者關(guān)鍵需求的獲取，是整個(gè)設(shè)計(jì)流程中重要的一環(huán)。同時(shí)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)人員起到重要的指導(dǎo)作用，當(dāng)為首先解決的問(wèn)題。從上述需求事元可以看出，消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品需求是多方面的，本文采用了拓展分析方法中的蘊(yùn)含系法，對(duì)不同需求進(jìn)行分類整合，從而得到消費(fèi)者關(guān)鍵需求。

將上述所得到的所有消費(fèi)者需求整體分為四大類，分別為：訓(xùn)練模式類（

A

，

A

，

A

，

A

）、運(yùn)動(dòng)形式類（

A

，

A

，

A

）、設(shè)備安全性類，（

A

，

A

，

A

）以及綜合性能類（

A

，

A

），結(jié)合機(jī)器人設(shè)計(jì)的有關(guān)知識(shí)與可拓學(xué)的蘊(yùn)含分析原理，得到消費(fèi)者需求事元間的蘊(yùn)含關(guān)系如下所示：

對(duì)已經(jīng)得到的四大類關(guān)鍵需要進(jìn)一步分析，可知：

依據(jù)分析結(jié)果，可將消費(fèi)者需求事元的蘊(yùn)含系模型以圖形進(jìn)行表達(dá)，如圖2所示。

圖2 消費(fèi)者需求事元的蘊(yùn)含系模型圖

4 需求-功用-結(jié)構(gòu)基元的映射關(guān)系及可拓分析方法

（1）需求事元與功用事元的映射關(guān)系

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用戶對(duì)康復(fù)機(jī)器人的不同需求對(duì)應(yīng)著研發(fā)時(shí)需要考慮的產(chǎn)品功用。因此，產(chǎn)品研發(fā)人員若想更加高效的開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，以消費(fèi)者需求作為出發(fā)點(diǎn)，來(lái)建立形式化的產(chǎn)品研發(fā)思路，是較為科學(xué)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。產(chǎn)品的功用在產(chǎn)品投入市場(chǎng)時(shí)發(fā)揮著最核心的作用，為吸引用戶群體的關(guān)鍵所在。收集并分析用戶在使用產(chǎn)品時(shí)的動(dòng)作能夠?qū)δ茉O(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行判斷。因此，在對(duì)功用事元進(jìn)行表述時(shí)，需要包括具體的使用工具或動(dòng)作。其中，使用工具既可以是產(chǎn)品的一個(gè)模塊，也可以是一個(gè)獨(dú)立產(chǎn)品。

通過(guò)文獻(xiàn)[21]所述可以得知，需求事元

A

向功用事元

A

進(jìn)行映射的方式表現(xiàn)為賦予其多種特征與量值。依據(jù)文獻(xiàn)[22]所述，需求與功用間的映射關(guān)系，在滿足兩者的動(dòng)作、特征和量值完全相同，即

O

＝

O

，

c

＝

c

，

v

＝

v

，

i

＝ 1，2，…，

z

，的條件下，映射關(guān)系可以通過(guò)以下復(fù)合事元進(jìn)行表示：

式中，

M

是工具所對(duì)應(yīng)的量值，其作用為實(shí)現(xiàn)功用事元

A

對(duì)應(yīng)的功能，為多維部件物元。通過(guò)分析、了解消費(fèi)者需求與功用模型之間的內(nèi)在關(guān)系，有助于將消費(fèi)者需求映射到下肢康復(fù)機(jī)器人的產(chǎn)品功用設(shè)計(jì)之中，提升設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性、增強(qiáng)設(shè)計(jì)的針對(duì)性。由于篇幅受限，本文將以圖2中

A

為例，對(duì)其映射過(guò)程及可拓分析進(jìn)行細(xì)致展開(kāi)。其他需求事元向功用事元的映射以及后續(xù)可拓分析方式同理能夠完成。下式為

A

的映射過(guò)程：

（2）基于蘊(yùn)含分析方法的功用事元可拓分析

對(duì)于一些能夠直接從上述得到的功用事元向結(jié)構(gòu)關(guān)系元進(jìn)行映射的事元，可跳過(guò)此步驟進(jìn)入下一步分析；而一些功用事元由于涵蓋范圍過(guò)廣、較難實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致無(wú)法直接向結(jié)構(gòu)關(guān)系元進(jìn)行映射，則需要利用蘊(yùn)含分析方法，先對(duì)功用事元進(jìn)行可拓分析，得到多種易于映射的下位功用事元后，再進(jìn)行映射。本文以需求事元

A

映射得到的功用事元

A

為例進(jìn)行分析，為下一步的映射打下基礎(chǔ)，分析得到的蘊(yùn)含系模型如圖3所示。

圖3 功用事元 Am32 的蘊(yùn)含系模型圖

在功用事元

A

的蘊(yùn)含系模型圖中，

A

、

A

、

A

表示如下：

在可拓學(xué)的蘊(yùn)含系模型中，下位的各個(gè)事元能夠進(jìn)一步拓展分析，且在擴(kuò)展事元時(shí)，不同事元間在不同的情況下可以存在一定的邏輯聯(lián)系。本文對(duì)圖2蘊(yùn)含系中的下位事元所映射的功用事元，進(jìn)行進(jìn)一步的擴(kuò)展研究，將下肢康復(fù)機(jī)器人部件物元M的系縛件，細(xì)化為

Q

、

Q

、

Q

三種類型，其中三種系縛件類型均可滿足功用事元

A

的功能性要求。因此，結(jié)合相關(guān)知識(shí)與市場(chǎng)調(diào)研，此蘊(yùn)含系分析符合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，能夠進(jìn)入下一步的分析。

（3）功用事元與結(jié)構(gòu)關(guān)系元的映射關(guān)系

產(chǎn)品功用向結(jié)構(gòu)方向進(jìn)行的映射又稱功構(gòu)映射，其目的是利用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)需求功用模型的求解，此步映射能夠?qū)⒐τ檬略械墓δ苄员磉_(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)此功能的結(jié)構(gòu)尺寸、零件輪廓以及不同部件之間的連接關(guān)系的描述。

通過(guò)上述功用與結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系可知，要完成功用事元

A

到結(jié)構(gòu)關(guān)系元

R

的映射轉(zhuǎn)換，需通過(guò)賦予結(jié)構(gòu)關(guān)系元

R

對(duì)應(yīng)的特征與量值實(shí)現(xiàn)。以功用事元

A

的映射為例進(jìn)行說(shuō)明，其中

M

表示功用事元

A

的部件物元，

M

表示產(chǎn)品本身，則功用事元

A

向結(jié)構(gòu)關(guān)系元

R

進(jìn)行的映射可表示如下：

依據(jù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)，可將圖3中得到的三個(gè)下位功用事元依次進(jìn)行映射，得出的結(jié)構(gòu)關(guān)系元結(jié)果如下：

（4）基于發(fā)散分析方法的部件物元及其對(duì)應(yīng)關(guān)系元的可拓分析

一般來(lái)說(shuō)，直接根據(jù)上部分得到的結(jié)構(gòu)關(guān)系元進(jìn)行設(shè)計(jì)，較難實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新以及方案的多樣化。因此，需要同時(shí)對(duì)部件物元和與其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系元進(jìn)行可拓分析，從而增加設(shè)計(jì)思路與方案多樣性。

本文基于發(fā)散分析方法對(duì)部件物元及其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系元進(jìn)行擴(kuò)展，利用“同對(duì)象多特征”的發(fā)散性質(zhì)，對(duì)部件物元進(jìn)行發(fā)散，得到多種能夠?qū)崿F(xiàn)需求功用的多維工具物元。同時(shí)，依次將對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系元發(fā)散分析，最終獲得的各式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：

5 下肢康復(fù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)度評(píng)價(jià)與生成

由發(fā)散分析法所得到的多種結(jié)構(gòu)方案，需要依據(jù)產(chǎn)品實(shí)際使用場(chǎng)景進(jìn)行進(jìn)一步的篩選。結(jié)構(gòu)方案應(yīng)盡可能滿足市場(chǎng)需求與客觀規(guī)律，才能夠當(dāng)選為最終的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。本文結(jié)合了專家評(píng)估與可拓學(xué)中的綜合優(yōu)度評(píng)價(jià)方法，對(duì)發(fā)散得到的結(jié)構(gòu)方案集進(jìn)行評(píng)估，從而篩選出較優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案作為最終選擇方案。

（1）方案評(píng)價(jià)特征及其參數(shù)的確定

依據(jù)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)與區(qū)間范圍，專家給出的評(píng)價(jià)特征取值見(jiàn)表1。

表1 各結(jié)構(gòu)方案評(píng)價(jià)特征取值

結(jié)構(gòu)方案 系縛安全性（%） 系縛便利性 穿戴容錯(cuò)率（%）G1 94 0 83 G1 92 1 84 3 96 0 78 4 95 1 85 5 93 0 79 6 92 1 85 7 97 0 77 8 93 1 84 9 92 0 83 0 96 0 80

（2）方案的優(yōu)度評(píng)價(jià)

利用依據(jù)上述方案評(píng)價(jià)特征的取值、權(quán)重系數(shù)，針對(duì)不同區(qū)間型的指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度、規(guī)范關(guān)聯(lián)度及優(yōu)度的計(jì)算，首先需要建立各方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)，作為衡量符合要求的程度?；趯?duì)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)及其評(píng)價(jià)范圍的定義可知：系縛安全性指標(biāo)為單區(qū)間型，其最大滿意度值為100%，在區(qū)間最右側(cè)，可利用簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行建立；系縛便利性指標(biāo)為離散型取值，則利用離散型關(guān)聯(lián)函數(shù)建立；穿戴容錯(cuò)率指標(biāo)為區(qū)間套型，兩區(qū)間存在公共端點(diǎn)、最大滿意值為90%且在區(qū)間套最右側(cè)，則利用最優(yōu)點(diǎn)在右側(cè)的初等關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行構(gòu)建。系縛安全性、系縛便利性和穿戴容錯(cuò)率的關(guān)聯(lián)函數(shù)如下所示：

將不同方案對(duì)應(yīng)的特征取值依次帶入上述關(guān)聯(lián)函數(shù)中進(jìn)行計(jì)算，得到各個(gè)方案的衡量指標(biāo)關(guān)聯(lián)度值見(jiàn)表2。

表2 各方案評(píng)價(jià)特征關(guān)聯(lián)度值

結(jié)構(gòu)方案 系縛安全性K1（x1）系縛便利性K2（x2）穿戴容錯(cuò)率K3（x3）G1 0.4 0 1.15 G1 0.2 1 1.2 3 0.6 0 0.9 4 0.5 1 1.25 5 0.3 0 0.95 6 0.2 1 1.25 7 0.7 0 0.85 8 0.3 1 1.20 9 0.2 0 1.15 0 0.6 0 1

利用如下的規(guī)范化公式，將表內(nèi)方案關(guān)聯(lián)度值規(guī)范化：

并根據(jù)評(píng)價(jià)特征的不同權(quán)重值，對(duì)以規(guī)范化的方案關(guān)聯(lián)度值進(jìn)行優(yōu)度計(jì)算，計(jì)算公式如下：

則關(guān)聯(lián)度值規(guī)范化與優(yōu)度計(jì)算后形成的表格，見(jiàn)表3。

表3 各結(jié)構(gòu)方案規(guī)范化關(guān)聯(lián)度與優(yōu)度值

結(jié)構(gòu)方案關(guān)聯(lián)度規(guī)范值 優(yōu)度值C（Gj）K1（x1） K2（x2） K3（x3）G1 0.35 0 1 0.598 0.17 0.83 1 0.7302 3 0.67 0 1 0.6876 4 0.4 0.8 1 0.788 5 0.32 0 1 0.5896 6 0.16 0.8 1 0.7208 7 0.82 0 1 0.7296 8 0.25 0.83 1 0.7526 9 0.17 0 1 0.5476 0 0.6 0 1 0.668

從上述計(jì)算與分析結(jié)果可知，在需求事元

A

向結(jié)構(gòu)關(guān)系元映射所得到的10種方案中，結(jié)構(gòu)方案4的優(yōu)度值最大為0.788，其所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系元為。因此，采用6根彈性尼龍帶作為系縛件，并以魔術(shù)貼的方式進(jìn)行系縛的結(jié)構(gòu)，能夠滿足下肢康復(fù)機(jī)器人在安全性設(shè)計(jì)時(shí)的關(guān)鍵需求，為最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用了可拓學(xué)中的拓展分析方法，對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究與生成。通過(guò)收集與分析消費(fèi)者需求，將其以可拓學(xué)中的基元模型表達(dá)，利用需求-功用-結(jié)構(gòu)這三種基元的映射關(guān)系以及基元的蘊(yùn)含分析，依次得到了產(chǎn)品的功用事元與結(jié)構(gòu)關(guān)系元，后分別對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系元與其對(duì)應(yīng)的部件物元進(jìn)行發(fā)散分析，獲得了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)方案集。利用優(yōu)度評(píng)價(jià)法將結(jié)構(gòu)方案集中生成的多種產(chǎn)品方案進(jìn)行評(píng)估與篩選，得到了能夠滿足下肢康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)需求的最佳結(jié)構(gòu)方案。此種方案生成流程，給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了一種更為邏輯化、形式化的思路。此外，本文的結(jié)構(gòu)方案生成流程，只針對(duì)下肢康復(fù)機(jī)器人的系縛安全性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證，能否應(yīng)用于其他產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中還需研究與考證。