基于FBS模型的上肢康復醫療設備設計

李劍鈺 施思

關鍵詞：FBS模型;上肢康復;醫療設備;設計

1 FBS 模型概述

在產品設計中，功能與結構是兩個密不可分的設計要素。FBS（Function-Behavior-Structure）模型通過在功能結構模型中加入行為變量，形成了功能—行為、行為—結構的兩級映射，如圖1。在該模型中，F（功能）是設計過程的驅動要素，B（行為）是連接F（功能）與S（結構）的信息中樞，S（結構）則是分析結果，同時也是實際設計與開發環節的參考依據。

1.1 F（功能）—B（行為）映射

要進行功能—行為映射，首先需要對功能進行分析。產品的功能源自用戶需求，是對產品工作能力的描述。在復雜產品系統設計中，由于總功能較為復雜，難以直接分析，為了簡化問題，可將總功能分解為多級子功能，形成功能結構圖。行為是功能與結構的橋梁。行為是關于實現原理的描述，即實現產品功能應該“怎樣做”。功能映射為行為，功能關系映射為行為關系，通過對行為關系的拆分與合并，可以對功能進行重新定義。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，并從原理上實現所提出的設計目標。

1.2 B（行為）—S（結構）映射

結構是功能的載體，產品功能通過結構來實現。FBS 模型采用基于設計知識庫的類比推理方法，可根據設計要求來找到實現功能的結構。具體來說，將當前功能所映射的行為與設計知識庫中的結構解所能實現的行為進行對比和匹配，如果二者的行為是相似的，則映射到這兩個行為集的結構也擁有相似的部件和關系，再結合約束條件，就找到了符合要求的新結構。

2 上肢康復醫療設備概述

上肢康復醫療設備屬于康復訓練類的醫療器材，目的是為由于腦卒中或其他原因引起的上肢活動障礙患者提供輔助治療，幫助他們進行上肢康復訓練，從而重獲上肢運動能力。該類設備的出現，有效解放了醫護人員的雙手，還可對康復訓練過程進行數據記錄與分析。隨機對照試驗研究表明，對于腦卒中患者群體的上肢運動復健過程，通過上肢康復醫療設備進行治療和人工徒手治療的效果無顯著差別[1]，這證明了上肢康復醫療設備的有效性。

上肢康復醫療設備的定位是在醫師指導下的一種訓練輔助工具，主要使用者是上肢運動障礙患者，但也包括醫護人員。設備的使用過程主要分為三步：首先，醫護人員根據每個患者的患病情況，將病歷、運動性質、運動時間、運動力度等數據輸入到設備系統中;其次，患者在醫生指導下，使用上肢康復醫療設備進行運動復健訓練，在這個過程中，設備會利用豐富的傳感器，記錄下患者每次運動的軌跡、速度、力度等數據;最后，在訓練結束后，系統會以可視化的方式呈現訓練結果，并為醫護人員提供分析依據。

根據現有研究成果，上肢康復醫療設備可分為平臺式與外骨骼式兩大類。平臺式上肢康復醫療設備以MIT-MANUS [2] 為代表，該產品由平臺、多連桿移動結構部件及肢體固定部件組成，可牽引上肢進行運動。其優勢是安全性高、穿脫便捷，但由于是通過手腕及小臂對患肢進行間接牽引控制，對關節姿位及力矩的控制不夠精確。外骨骼式康復訓練機器人以ARMin 為代表，該產品根據人體關節位置，配置了多個位置、力矩傳感器 [3-4]。其優勢是自由度較多，訓練的精確程度高;但劣勢是穿脫繁瑣、安全性較低。這兩類產品存在一些共性問題，如結構復雜，造價較高等。

3 基于FBS 模型的上肢康復醫療設備設計流程

3.1 識別需求分析

經過文獻研究和用戶調研，總結出五大類用戶需求。（1） 訓練需求：滿足患者的上肢康復訓練需求，經實地調研，每個患者單日訓練時間約15 分鐘。（2） 安全需求：滿足患者在訓練過程中的安全性需求，作為醫療用品，尤其要重視安全性設計，如緊急停止功能。（3） 便利需求：首先要滿足醫護人員操作儀器的便利性需求，主要體現在人性化的人機交互界面。其次要滿足患者在訓練過程中的便利性需求，如穿脫方便。（4） 情感需求：醫療產品應該關注患者的情感需求，讓使用者的主體地位得到體現[5]。在康復訓練過程中，患者上肢會有不適感和刺痛感，因此，很多患者有畏難情緒。應該通過趣味性設計和情感化設計來降低病人的抵觸情緒，如游戲訓練模式，通過小游戲的方式引導用戶進行肢體運動。（5） 智能化需求：滿足醫護人員對患者在康復訓練過程中的數據收集和智能分析需求。、

3.2 FBS 映射分析

根據上述需求分析，可以得到以下幾個功能點：訓練功能、顯示功能、移動功能、數據記錄與分析功能。其中，訓練功能是上肢康復醫療設備的核心功能。對該功能進行FBS 映射分析，首先要對訓練行為進行功能拆解，患者使用上肢康復醫療設備來進行康復訓練的主要行為有三步：首先將患者肢體進行固定，并提供支撐，然后選擇合適的移動裝置，最后利用移動裝置為患者提供助力/ 阻力，使患肢得到運動。根據實現原理的不同，可以推導出三種產品主體結構方案，如表1。

方案A 和B 是當前市場上已有的解決方案，方案C 則是基于該分析框架所產生的一種新方案。該方案有以下優點：（1） 結構相對簡單，意味著制造、維修成本低;（2） 適用性強，該方案對作業平臺沒有硬性要求，可適用于醫院、家庭、養老院等場所的桌面，而無需占用專門的空間來放置;（3） 模塊化設計，由于各功能模塊的獨立性高，所以均可單獨采購和配置，以顯示功能為例，用戶可以選擇購置不同尺寸、顯示效果的顯示器，或者采用已有的顯示設備，而無需另外采購。

此外，在分析過程中，還需要綜合考慮各種約束條件。以移動功能為例，其滿足的是醫護人員便捷移動訓練設備的需求，可以分解為移動子功能和鎖止子功能。其中，移動子功能可以映射為前進、后退、左轉、右轉四個行為，鎖止子功能可以映射為鎖止、解鎖兩個行為。據此分析，則可以通過尋找設計知識庫找到無動力與有動力兩大類結構解集合，這樣就完成了從行為到結構的基本映射，約束條件和設計知識如表2。

根據上述分析，可以得到兩個結構解，分別為輪徑小、彈性低的無動力PVC 萬向輪結構和輪徑小、彈性低的PVC 電動輪結構。這兩種結構解都符合設計要求，在實際生產過程中可以根據成本預算來進行選擇，將其分別應用在不同定位的產品上，便于全面占領高中低檔市場。

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，對患者和醫護人員進行實地調研，并結合文獻研究，總結出訓練、安全、便利、情感、智能化五大類用戶需求;其次，根據用戶需求對產品功能進行分析，得到訓練、顯示、移動、數據記錄與分析功能等四個功能;然后，對功能進行功能—行為映射分析和行為—結構映射分析，得到三種主體結構方案，并選用了其中具有創新性的一種進行細化分析;最后，將這個分析過程進行歸納總結，生成基于FBS 的上肢康復醫療設備概念設計模型。該模型闡明了上肢康復醫療設備的功能、行為、結構三個要素及要素間的邏輯關系，為詳細設計與開發提供了參考。

4 結語

針對當前市場上的上肢康復醫療設備的功能形態單一、結構復雜等問題，基于FBS 模型創建了上肢康復醫療設備的概念設計模型，生成了一種轉盤機器人式訓練設備的創新結構，并總結了基于FBS 模型的上肢康復醫療設備的設計流程，強化了概念設計在設計前期過程中的價值地位，為相關產品設計與開發提供了一種新思路。