宋端樹， 裴超文

（1.江蘇師范大學 機電工程學院， 江蘇 徐州 221116； 2.韓國國民大學TED 技術設計大學院， 韓國 首爾 02910）

0 引言

人口老齡化背景下， 因身體機能老化與各種疾病、事故等非自然因素引發(fā)的下肢運動障礙患者數(shù)量逐年增加[1-2]。 醫(yī)學研究表明，及時有效的康復訓練能夠幫助患者改善或重建運動機能[3]。傳統(tǒng)的康復機構治療的方式由于受到場地距離和時間的限制， 給患者及其家庭帶來極大不便，且其一對一的康復訓練形式，效率低下，受康復師體力、訓練技巧和強度等多方面因素的影響，康復效果存在諸多不確定性，且康復資源缺口較大[4]，加之后疫情時代大眾的居家康復保健需求激增。 因此， 讓患者足不出戶便可享受到優(yōu)質的康復治療成為社會發(fā)展的必然趨勢。 亟需加快推進簡便、有效、舒適的家用康復器械的研發(fā)進程來提升康復治療患者的生活質量[5]。

目前，國內外科研機構在下肢康復器械的研究上已經(jīng)取得了很多成果[6-12]。 但針對下肢康復器械的研究內容主要集中在醫(yī)療中心專業(yè)康復器械， 外骨骼式康復機器人等的研發(fā)和應用方面， 亟需加快推動康復器械朝著小型化和家用化的方向發(fā)展。 目前針對下肢康復器械的研究多用運動學原理的方法， 如利用EDEM 軟件對康復儀按摩過程進行數(shù)值模擬[13]，利用D-H 法對履步康復機器人進行運動學建模[14]，在結構、數(shù)值等方面足夠精確，但并未全面考慮到用戶需求。 有少部分研究基于用戶需求，運用Delphi 法、模糊綜合評價等方法為產(chǎn)品設計方案提供決策依據(jù)，但尚無法全面提供系統(tǒng)解決方案。 將AHP 層次分析法（Analytic Hierarchy Process）和TRIZ 理論（Theory of the Solution of Inventive Problems）集成應用，通過目標對象的AHP 評價確定家用腳踏康復機的關鍵設計指標，進而應用TRIZ 發(fā)明理論提供解決方案，對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設計， 為下肢失能人群家用運動康復器械的設計研究提供建議和指導。

1 AHP-TRIZ 概述

AHP 是將與目標主題相關的元素分解成多個層級，在此基礎上兩兩比較確定同一層級元素相對上一層級元素的數(shù)量關系的一種決策方法[15]。 在產(chǎn)品的創(chuàng)新設計中，應用AHP 能夠對用戶需求進行量化評價，有效提取產(chǎn)品設計需要解決的關鍵問題，彌補傳統(tǒng)主觀評價的缺陷。

TRIZ 是在各國眾多高水平專利和自然科學知識的基礎上整理歸納出的一種解決設計問題的理論， 能夠為產(chǎn)品設計提供創(chuàng)新思維模式[16]。 TRIZ 著力于解決設計中存在的矛盾， 利用工程參數(shù)和矛盾矩陣形成具體的解決方案，能有效彌補AHP 在產(chǎn)品創(chuàng)新設計中的不足，將關鍵問題轉化為技術參數(shù)。

產(chǎn)品創(chuàng)新設計的過程就是不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程， 應用AHP 可以評價產(chǎn)品設計指標的優(yōu)先等級，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新要解決的的核心問題。TRIZ 的突出優(yōu)勢是能夠為AHP 評價中的核心問題提供針對性的解決方案。 AHPTRIZ 集成模型將產(chǎn)品概念設計中核心問題的析出與解決過程有效銜接，集發(fā)現(xiàn)問題與解決問題為一體，能夠彌補單一理論缺陷，有效實現(xiàn)AHP 和TRIZ 二者的優(yōu)勢互補。

2 AHP-TRIZ 模型的集成應用流程

AHP-TRIZ 集成模型將AHP 指標評價與TRIZ 發(fā)明原理有效結合，集成研究方法與流程，見圖1。

圖1 AHP 和TRIZ 集成模型

2.1 應用AHP 評價產(chǎn)品設計指標

（1）構建遞階層次結構。通過前期的桌面調研、訪談、問卷等方式獲取產(chǎn)品設計指標，進行篩選、分解、組合，建立目標層、準則層、指標層遞階層次結構。

（2）層次單排序。 以目標層為比較基準，計算準則層因子之間的相對重要度； 進而分別計算每一準則層因子下指標層因子之間的相對重要度，即為層次單排序。計算步驟：首先，構造判斷矩陣。 以表1 種的標度量化值為重要度評價依據(jù)，分別對準則層因子及隸屬同一準則層、指標層因子間的相對重要度進行兩兩比較。 構造出判斷矩陣A=（aij）n×n，其中aij表示因素i 與因素j 相比的重要程度[17]，且aij=1/aji；其次，采用列向量平均值法計算權重。

表1 判斷標度量化值及含義

并求得特征向量W

式中：（AW）i表示向量AW 的第i 個元素。

最后，一致性檢驗。 一致性比例CR 值直接決定一致性檢驗的結果，即：

式中：n 為矩陣階數(shù)；RI 為平均隨機一致性指標， 取值見表2。 當CR＜0.10，則表明判斷矩陣通過一致性檢驗[18]。

表2 1- 9 階判斷矩陣的隨機一致性指標

（3）層次總排序。 將層次單排序過程中所獲取的指標層各因子的權重值與其所對應的準則層因子的權重值相乘，其結果則為各設計指標的綜合權重值。

2.2 應用TRIZ 進行創(chuàng)新設計

（1）確定沖突及類型。 依據(jù)AHP 評價結果，按照用戶對產(chǎn)品設計指標的需求優(yōu)先級， 確定產(chǎn)品創(chuàng)新的核心設計點。 對于這些核心點之間的存在的矛盾沖突及其類型，借助TRIZ 的39 個通用工程參數(shù)來描述并確定。 其中，技術沖突表現(xiàn)為提升系統(tǒng)中某一參數(shù)特性會致使其他參數(shù)惡化，物理沖突則表現(xiàn)為對同一個工程參數(shù)有相反的需求。

（2）解決矛盾沖突。確定沖突類型后，從TRIZ 分離原理（對應物理沖突）或沖突解決矩陣表（對應技術沖突）中尋找到?jīng)_突對應的發(fā)明原理， 最終技術措施方案的選定需在滿足用戶總體需求的同時兼顧可實現(xiàn)性。

3 AHP-TRIZ 模型在家用腳踏康復機設計中的應用

3.1 應用AHP 評價產(chǎn)品設計指標

（1）構建產(chǎn)品設計指標的層次結構模型。以下肢功能障礙患者為研究對象，走訪多家康復中心，對接受下肢康復訓練的患者及少部分為患者家屬和康復中心具備專業(yè)知識技能的醫(yī)護人員進行一對一訪談， 結合問卷調查和行為觀察等方法深入了解目標對象對現(xiàn)有下肢康復器械的使用痛點與期望需求， 獲得下肢康復器械的原始設計指標27 項，排除非設計項、整合相近項，最終確定家用腳踏康復機設計指標共16 項。以家用腳踏康復機設計作為目標層，應用卡片分類法對設計指標進行層次分類，見圖2。

圖2 卡片分類小組討論

通過對設計指標進行篩選、分解、組合，并結合專家小組意見，獲得準則層指標，即安全性、功能性、操作性、舒適性及經(jīng)濟性等5 項。 最終構建家用腳踏康復機設計指標層次結構模型，見圖3。

（2） 確定設計指標權重。 為突出關鍵設計要求， 針對圖3中準則層和指標層的設計指標， 結合表1設計2 份AHP 問卷，分別針對準則層設計指標間的相對重要度， 以及每一準則層下的指標層設計因子間的相對重要度進行兩兩比較， 要求被調查者依據(jù)表1 中的判斷標度及相應的量化值進行打分。

圖3 家用腳踏康復機設計指標層次結構模型

赴徐州市中醫(yī)院康復中心進行實地問卷，見圖4，共發(fā)放了四批調查問卷，每批50 份，問卷填寫用戶主要為到康復中心進行康復訓練的患者。

圖4 徐州市中醫(yī)院康復中心實地調研

最終收回有效問卷172 份， 男女比例約為5∶4。 對有效問卷的打分情況進行整理和統(tǒng)計，計算出家用腳踏康復機設計指標權重見表3。

表3 家用腳踏康復機設計指標的權重

（續(xù)表3）

對上表中的綜合權重進行優(yōu)先級排序， 調研小組綜合考慮多方面因素后選取結構穩(wěn)固，尺寸可調節(jié)，材料可靠，器械便攜，助力驅動自適應，器械通用性高等前6 位指標作為創(chuàng)新設計的核心。

3.2 應用TRIZ 解決矛盾沖突

綜合分析6 項核心設計點的技術實現(xiàn)方案可以獲知： 在家用腳踏康復機這6 項核心設計指標的技術實現(xiàn)方案中均存在著一定程度的技術沖突，分析如下：

（1）矛盾一問題分析。 分析得出，“結構穩(wěn)固”和“器械便攜”這兩個指標存在技術沖突，若增強家用腳踏康復機的“結構穩(wěn)固”特性，意味著其“質量”和“體積”很可能會隨之增大，從而導致“器械便攜”特性降低。 因此該技術矛盾可表述為：“結構穩(wěn)定性”的改進引發(fā)“靜止物體的重量”與“靜物的體積”惡化。 在TRIZ 的沖突矩陣表中求得解決矛盾一的發(fā)明原

理，見表4。

表4 解決矛盾一的發(fā)明原理

（2）矛盾二問題分析。 分析得出，“尺寸可調節(jié)”，“助力驅動自適應”和“器械通用性高” 這三個指標的設計都對產(chǎn)品的“適應性和多用性”有較高需求，若要提高產(chǎn)品的“適應性和多用性”，意味著其“重量”及“系統(tǒng)的復雜程度”也會相應提高。 因此確定技術沖突為：“適應性及多用性”的改進導致“運動物體的重量”與“裝置的復雜性”惡化。 查詢TRIZ 的沖突矩陣表，求得解決矛盾二的發(fā)明原理，見表5。

表5 解決矛盾二的發(fā)明原理

4 家用腳踏康復機設計方案

經(jīng)過分析得出：40 號發(fā)明原理能有效解決矛盾一，15號發(fā)明原理能有效解決矛盾二， 并將其應用于家用腳踏康復機的創(chuàng)新設計見表6。

表6 原理解釋及應用

依據(jù)表4、表5 的分析，將復合材料原理和動態(tài)原理應用于家用腳踏康復機的設計，進行創(chuàng)新性概念發(fā)散。設計過程中以人機工程學為指導，合理配置產(chǎn)品尺寸，同時兼顧主流受眾人群的生理、心理特征及需求，最終確定基于AHP-TRIZ 的家用腳踏康復機設計方案見圖5。

圖5 家用腳踏康復機設計方案

產(chǎn)品設計見圖6，其主要創(chuàng)新之處如下：①器械基座采用三角形結構，且底部設有平衡支架，增加受力面積，提升穩(wěn)定性；②器械多部件（把手、座椅）的高度和角度可調節(jié)；采用雙向驅動軸，滿足不同用戶在不同訓練模式下的不同需求，通用性高，且腳踏驅動軸可雙向旋轉；③器械多部件 （扶手桿，座椅， 腳踏板，底部支架）可收縮折疊，輕量便攜，且底部的滾輪設計也增加了器械移動的便捷性。

圖6 使用狀態(tài)

5 結束語

文中基于產(chǎn)品創(chuàng)新設計單一理論間的缺陷與優(yōu)勢互補， 提出了一種基于AHP 和TRIZ 理論的集成創(chuàng)新設計模式， 該模型能夠針對AHP 評價獲取的用戶核心需求，巧妙發(fā)揮TRIZ 對其矛盾沖突的解決優(yōu)勢，為產(chǎn)品創(chuàng)新設計提供有效的解決方案。 應用AHP-TRIZ 集成模型對用戶需求進行產(chǎn)品化表達具有較強的針對性。 基于AHPTRIZ 集成模型的家用腳踏康復機設計實踐對于產(chǎn)品創(chuàng)新設計具有理論指導與實踐參考作用。