基于FBS拓展模型的可穿戴式康復機械手設計研究

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機械手設計研究

孫 利，張 鵬，吳儉濤，戴 成，姜 楠，盧智彬

(燕山大學藝術與設計學院，河北 秦皇島 066004)

康復機械手是康復醫(yī)學和機器人技術的結合，其目的是通過外帶輔助器具約束受傷肢體的運動范圍，重建手部的運動系統(tǒng)功能，從而對患者患肢進行康復治療。對功能-行為-結構(FBS)模型進行拓展，以設計知識流理論為出發(fā)點，融入用戶需求和原理空間構建了基于FBS拓展模型的康復機械手設計方案。通過對需求-功能-原理-行為-結構(PFWBS)迭代設計解耦，并結合手部的生物學結構，系統(tǒng)分析了康復機械手概念模型映射過程。構建了康復機械手功構求解策略，為腦卒中患者設計了一款可穿戴式康復機械手，通過仿真分析和工作空間求解，驗證了康復機械手機構的合理性。結果表明，基于FBS拓展模型的映射求解策略為康復機械手的設計研究提供了理論基礎和實踐策略，能有效提升用戶體驗。

腦卒中；康復機械手；FBS拓展模型；工業(yè)設計；仿真分析

康復機械手涉及到多個學科的交叉融合。近年來，康復機械手已成為腦卒中治療的主要手段之一，在考慮其機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，國內一些學者對機械手的研究取得了一些成果。陳楠[3]分析了人手的生物學特征，優(yōu)化了康復機械手的訓練機構，并進行了運動學和動力學仿真分析，但缺乏訓練模式的設計改良。何秀蕓[4]設計了常開狀態(tài)的仿生機械手并對其自適應性進行了研究，但未探索目標用戶的真實意圖，也不能進行手部功能的康復治療。林煥輝和陳德為[5]采用腱驅動方式驅動手指關節(jié)使仿生機械手靈活度更高，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-結構(function-behavior-structure，F(xiàn)BS)拓展模型的康復機械手設計方法，由新需求引出新功能，采用分層遞進的功能-原理-行為結構本體映射策略，建立康復機械手需求-功能-原理-行為-結構(purpose-function- working space-behavior-structure，PFWBS)映射求解機制，從而實現(xiàn)康復機械手模塊化創(chuàng)新設計。

1 康復機械手醫(yī)學理論來源

腦卒中又稱腦中風，發(fā)病急、致死和致殘率高。當前，藥物只能緩解腦卒中的多種癥狀卻無法對其進行徹底的康復治療。在日常的生產和生活中，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)復雜，使得手部功能康復治療最為重要。因此，設計一款可穿戴式康復機械手，有利于腦卒中患者的康復治療。

大腦是一個極其復雜動態(tài)系統(tǒng)，基于大腦可塑性理論(continuous passive motion，CPM)的支持，科學合理的擬態(tài)輔助運動可以有效促進腦卒中患者神經(jīng)系統(tǒng)運動功能重塑[6-8]。通過對康復機械手進行設計改良，使患者進行多種康復訓練可以促進運動感覺功能的整合。經(jīng)臨床分析表明，基于大腦CPM的康復訓練方法有助于大腦神經(jīng)元的正確連接，達到恢復患肢運動控制功能的目的，如圖1所示。

2 FBS拓展模型求解策略

2.1 FBS拓展模型知識庫構建

產品設計是一個從抽象到具體的信息映射過程。FBS采取自上而下的產品概念設計分解模型，解決產品設計中“如何做”的問題，是一個物理結構與功能需求的映射求解策略，其中={0,1,···,F}，功能、行為、結構分別從各個層次建立了產品的特征模型，并形成了完整的知識回路。FBS模型使各個結構單元建立了清晰的聯(lián)系，將復雜的結構系統(tǒng)簡單化，通過對FBS的逐層遞進映射獲得問題的解決方案。

圖1 大腦可塑性理論

廣義的產品個性化不僅需要滿足用戶的心理和生理訴求，更需要為目標用戶提供優(yōu)質的產品服務，產品個性化的實現(xiàn)手段就需要獲取用戶需求及其行為序列，作為約束產品的關鍵在于準確獲得用戶需求[9-10]。同時，為了滿足機械裝備多樣化的產品設計需求，需要在方案設計中引入模塊化的設計方法，而在此過程中加入原理模型的考量，并作為設計的約束，得到科學、合理的設計方案。而FBS模型未充分考慮拓寬結構解的空間，不利于產品設計的有效創(chuàng)新。因此，本文提出構建FBS拓展的PFWBS模型，結合設計知識流理論在不同的資源環(huán)境中進行知識獲取，納入用戶需求和原理空間，構建了用戶需求、功能、原理空間、行為、結構的映射求解策略，并建立了功構解耦到功構聚合的產品動態(tài)結構模型。通過需求反饋、功能拆解、原理約束、行為關聯(lián)、功構映射等求解策略實現(xiàn)產品層次結構模型的重構，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

為快速滿足機械設備多樣化的設計需求，利用設計知識流驅動產品配置求解，本文建立了PFWBS迭代設計演進模型，通過產品模塊化映射求解技術實現(xiàn)機械裝備的創(chuàng)新設計[11-14]。產品功能需求的提取需要進行多維度的綜合考量，這一抽象過程可定義為

其中，為產品總功能；dr為設計要求；w為設計要求的權重；為市場需求。

設計過程模型的表達：意圖→功能→行為→物理結構，即

其中，P為用戶需求；F為產品功能；W為產品符號的物理結構；B為用戶行為；為產品約束條件；ESS為有效物理結構空間(effective structure space)，設計步驟見表1。

表1 FBS拓展模型設計步驟

注：為預期用戶需求；為預期功能；為預期行為；為物理結構；為源于結構的行為；為源于結構的功能；為源于結構的用戶需求；為物理結構優(yōu)化；為設計方案生成

3 康復機械手求解空間構建

3.1 基于PFWBS本體的設計知識流過程建模

構建基于PFWBS的機械裝備生成模型，采用了逐層遞進的混合映射求解機制，將功能結構模型進行聚合和分解，將行為結構模型進行行為鏈匹配，將結構模型進行結構關系匹配[15-16]。將該模型應用于康復機械手進行空間構型，通過對各個模塊進行聚類分析以及功構要素的可拓轉變，達到模塊間的創(chuàng)新融合[17]。由于康復機械手的特殊性及其復雜性，在構建功能結構模型時，除了考慮其主要功能外，還應考慮其驅動功能、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動產品最優(yōu)裝配方案的產生。本文以主要功能為切入點進行方法說明。具體操作過程如下：

(1) 明確用戶需求。由目標用戶需求確定總功能，分析用戶需求權重，完成需求到功能的映射，建立康復機械手功能模型。

(2) 功能模塊劃分及模型構建。由于康復機械手功能單元較多，可以根據(jù)不同區(qū)域、工作原理或不同維度進行劃分，將機械手總功能劃分為1,2,···,F等模塊。在其結構設計中，為了滿足目標用戶的需求，可將目標用戶需求進行功能輸出，并對功能元進行粒度分析從而拆解為多個功能元即主要功能、輔助功能、驅動功能、連接功能和支撐功能，按照其耦合強度進行層次性聚類，從而創(chuàng)建功構模塊。根據(jù)已劃分的子功能映射出相應的行為。

(3) 功構求解。功能與行為相關性分析，對目標行為進行特定優(yōu)化，完成從行為到結構的初級映射，而對于一些具體情況則必須建立相應的約束條件[18-20]，采用行為關聯(lián)進行產品原理建模，從而完成功構解耦到聚合的層級映射。依據(jù)上述的映射及功能對象輸入、輸出關系，最終得出康復機械手的抽象結構模型，實現(xiàn)產品動態(tài)視圖建模，如圖3所示。

3.2 仿生康復機械手設計的PFWBS映射機制

3.2.1 人手部物理結構

在設計康復機械手的機械結構時，要充分考慮人手的生物學及運動學特性，并對手指運動規(guī)律進行探索。從單個手指的剖析可知，人手的動作姿態(tài)分為伸展、半曲和屈曲3種。由于可穿戴式康復機械手的特殊性和復雜性，為了滿足目標用戶的舒適性需求，需關注手部外骨骼與機械手產生的人機接觸及其物理機構，如圖4所示。食指和中指在遠端指骨間關節(jié)(distal interphalangeal，DIP)、近端指骨間關節(jié)(proximalinterphalangeal，PIP)和掌指關節(jié)(metacarpophalangeal，MP)處，各有一個屈曲/伸展自由度；拇指在DIP和MP處各有一個屈曲/伸展自由度，在腕掌關節(jié)(carpometacarpales，CM)處有一個屈曲/伸展自由度和一個巧收/外展自由度(表2)。通過對人手生物學特征分析，匹配出康復機械手屈曲度應符合人手的關節(jié)活動范圍，自由度數(shù)目應與手部骨骼相匹配。本文對人手動作進行擬態(tài)分析，得出機械手結構設計最優(yōu)解。

圖3 康復機械手抽象功構模型

圖4 手部骨骼解剖圖

表2 正常人手指關節(jié)活動范圍

3.2.2 用戶需求分析及功能輸出

用戶需求對設計的重要性不言而喻，其直接影響產品功能的價值排序，相關性權重系數(shù)則對模塊劃分有著重要的影響。在產品映射求解過程中，應盡量滿足權重值較高的需求層級下的各功能需求，而對權重值較低的需求層級可做產品結構的取舍。為此，基于腦卒中患者康復訓練流程，通過查閱文獻及對60名腦卒中患者進行訪談調研，對用戶需求進行分析，完成功能輸出。經(jīng)專家組和設計人員討論甄選，剔除非典型性用戶需求，通過焦點小組討論最終獲得7項主要用戶需求，并且對7項典型用戶需求設計重要度進行問卷調查。將其兩兩比較，并采用5級李克特量表評價打分。共發(fā)放調查問卷57份，回收有效問卷49份。其次，將目標用戶需求進行數(shù)據(jù)化處理并采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)對用戶需求權重進行計算。最后將用戶意圖轉化為產品設計功能。用戶需求、用戶需求權重值和功能輸出，見表3。

表3 用戶需求到功能輸出

3.2.3 康復機械手PFWSB映射機制

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

而構建合理方案的第一步需建立功構形態(tài)學矩陣，通過科學評價和決策進行方案優(yōu)化設計，并根據(jù)總體目標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機械手最優(yōu)設計方案(表4)。

表4 康復機械手功構形態(tài)學矩陣

由康復機械手形態(tài)學矩陣可組合出16個方案。采用5分制，即0為不能用、1為勉強可用、2為可用、3為良好、4為很好，以此判斷方案優(yōu)劣程度。通過專家和技術人員進行評分，得出的結果見表5。

表5 各方案評分結果

表5中的優(yōu)化方案為：2+5+8+9，即直流電機、力反饋數(shù)據(jù)手套、小臂手套、手指魔術貼。為了得出最佳方案，需對康復機械手功能抽象層進行單元維分類，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，將功能元分為適應性訓練、被動訓練、半主動訓練、主動訓練及可穿戴功能和運動采集功能等。將行為元分為塊和鏈，行為鏈包括抓取、握拳、側握、彎曲、伸展等一系列動作，通過行為相容性原則將行為特征相似的動作映射為獨立的結構和結構特征。將結構層按照其結構關系和部件屬性對其進行拓撲結構約束，建立結構層次模型，可將結構組件層劃分為包括驅動連桿、小臂手套、直流電機等，結構關系層包括機電活動提取傳感器、力反饋數(shù)據(jù)手套等。最后基于PFWBS模型的設計迭代分解模型完成康復機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，對結構、空間色彩、造型、肌理以及人手的生物學特性等一系列要素進行分析，確定最佳分解方案進行三維可視化建模，設計的康復機械手爆炸模型如圖6所示，其中各子模塊(部分)由上至下依次為：電機與控制器、驅動連桿及傳輸線路、手指魔術貼與肌電活動傳感器、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機械手機構設計，通過對相應的目標用戶需求進行歸納分析，作為康復機械手的功能要素引導FBS拓展模型映射過程，選擇出最佳的裝配方案。基于康復運動學理論和多自由度以及差驅動原理設計了一款可穿戴式康復機械手，使其可以進行舒適、精確、穩(wěn)定的康復訓練，靈活實現(xiàn)主被動訓練模式的自由切換及相結合的康復訓練模式。通過FBS拓展模型映射機制得出康復機械手最終效果圖，如圖7所示。

圖5 康復機械手PFWSB映射機制

圖6 康復機械手爆炸圖

4 康復機械手仿真分析

(1) 自由度。取機械手中的一個手指，將其看做是一個平面的二維機構，對其進行簡化，得到機構運動簡圖如圖8所示。

圖8 手指機構簡化圖

對機構的自由度進行分析，得到平面機構自由度計算式為

其中，為機構中活動構件個數(shù)，在此機構中為8個；P為機構中所含的低副約束個數(shù)，在此為11個；P為所含的高副約束個數(shù)，在此為0。

該機構的自由度為2個，在設計驅動部分，可為每個手指設計一個驅動，驅動1關節(jié)的轉動，其另一個關節(jié)2的轉動，可采取隨動的方式。

(2) 機構正解。對機構的位置進行正解計算，采取1和2轉動的關節(jié)角分別為1和2，對此可以求取機構中2及3的位置，其結果為

整理成矩陣的形式為

(3) 速度分析。因為采取的是一個自由的驅動，所以在此僅需要分析2點的速度，分析過程如下：

首先將機構進一步簡化，如圖9所示。

圖9 手指機構進一步簡化圖

根據(jù)基點法求解2點的速度，因為線性驅動器可控制參數(shù)，所以點速度的大小及方向均可知，因此以點為基點，對2點的速度進行求解，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

對其進行求解，圖10為矢量方程圖。

經(jīng)過計算可得出

(4) 工作空間求解。將位置正解進行編程計算，設置其約束條件(即每個關節(jié)轉動的范圍，每個手指關節(jié)的長度)，計算求得其工作空間如圖11所示。對手指各個模塊間的系統(tǒng)進行優(yōu)化，多個指尖點的協(xié)調運動可以達到康復訓練的目的，在相同的環(huán)境中導出各個外骨骼關節(jié)單元彎曲角度。圖中，3條曲線分別為MCP Joint，PIP Joint，DIP Joint彎曲角度隨時間遷移的運動軌跡。由此可得出，52°，92°及30°為上述關節(jié)的最大彎曲角度，稍小于人手最大彎曲角度，驗證了康復機械手執(zhí)行訓練機構設計的科學性。

5 結 論

本文結合設計知識流思想，采用理論建模、實證分析、原型實現(xiàn)與工程驗證相結合的研究思路。以設計知識流理論為出發(fā)點，構建了基于PFWBS本體的產品知識動態(tài)建模方法，重點進行了功構求解策略的構建，并以康復機械手為例進行縱向設計迭代演進。其次，對康復機械手進行運動學與力學分析，使其更好地與人手部生物學特征進行適配融合，通過對手指運動規(guī)律和康復機械手工作空間擬合曲線的誤差分析，驗證了基于PFWBS本體模型指導康復機械手設計實踐可行性和有效性，從而優(yōu)化了目標用戶對可穿戴式仿生康復機械手的使用體驗。

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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

國家自然科學基金項目(51675464)；河北省重點研發(fā)計劃項目(19211820D)；河北省教育廳在讀研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)資助項目(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，黑龍江安達人，教授，博士。主要研究方向為機械裝備及康養(yǎng)輔具創(chuàng)新設計、智能數(shù)字化設計理論與方法研究。 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