基于可拓學的下肢康復機器人結構方案生成研究

鄭皓冉，秦建軍，楊芳

（1. 北京建筑大學機電與車輛工程學院，北京 100044；2. 北京建筑大學城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室，北京 100044）

1 引言

如今，在機器人結構方案確定的過程中，經常會面臨結構設計煩瑣、控制編程困難等問題，而過于繁雜的方案確定步驟會導致產品生產預算增加、研發時間延長。從提升消費者的滿意度以及產品的功能性出發，設計能夠滿足消費者需求的機器人產品，能夠使得產品研發更加具有針對性，提高產品在市場之中的競爭力。文獻 [1]以醫患雙方的需求作為出發點，設計了滿足醫患雙方需求的頸顱電磁治療儀，增加了產品在同定位醫療器械中的競爭力。文獻 [2]指出，康復機器人能夠有效輔助醫師進行治療，提高病人的康復療效，具有較強的市場競爭力。在康復機器人的結構方案生成上，利用消費者需求到產品功用再到結構設計的方式進行研究的內容較少。文獻 [3]以解決康復機器人控制問題的角度出發，進行了樣機的研制與實驗。文獻 [4-9]雖對產品的設計方法進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。學者們利用可拓學中的可拓論及可拓創新方法等知識，解決了研究中面臨的問題。趙燕偉提出了利用可拓學理論，對機械產品從功能到結構進行研究的方法。張文林等人結合可拓論下的基元理論與發明問題解決理論（TRIZ）模型分析法，形成了一種更加直觀的、形式化的解決問題的分析方法。邢鵬等人，利用可拓論中物元與關聯函數理論，提出了一種傳感器的選型與評估方法，并結合實際算例，驗證了其可操作性。米晶晶等人將可拓變換原則應用于專利的創新設計中，通過提取與構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新變換。李仔浩等結合可拓設計方法與逆向設計思想，得到了一種基于逆向設計的可拓創意生成流程，解決了產品設計與創新過程中的矛盾問題。通過以上文獻所述，可拓學方法在機器人結構方案生成的事例較為少見。本文基于機器人結構與硬件設計的有關知識，結合可拓學中的基元、拓展分析理論，針對下肢康復機器人構建了結構方案生成的流程，得到了下肢康復機器人的可拓結構方案，增加了研發效率，并拓展出一種邏輯化、形式化的產品設計思路。

2 下肢康復機器人結構方案生成流程

可拓學是一門解決矛盾問題、擴展分析思路的學科。也是將生活中的問題、事物形式化分析，從而解決問題、開拓創新的一種有效途徑。結合現代設計方法中的知識，可拓學能夠廣泛應用于產品設計研發、工業設計等諸多領域，并對各領域生成問題的解決方案起到重要的作用。本文中結合可拓學與機器人領域的相關知識，從基礎的消費者需求事元出發，將其依次進行功用事元、結構關系元的形式化映射，并利用可拓學中不同形式的可拓分析方法，得到下肢康復機器人的多種結構方案。目前的產品結構設計的流程多為：產品創意設計、方案篩選以及方案試制三個步驟，而其中常會出現成本消耗過高、消費者使用性能下降、開發周期較長等問題。利用可拓學中的可拓分析知識，在對消費者需求進行聚攏，并得到關鍵性的需求后進行映射，從而獲得具有針對性的多種結構方案。后參考專家評估結果對不同方案進行打分。最后利用綜合優度評價法得到較優的結果作為最終的設計方案。結合可拓分析與關系映射方法的下肢康復機器人結構方案生成的流程如圖1所示。

圖1 下肢康復機器人結構方案生成流程

3 消費者需求事元的構建及拓展分析

（1）消費者需求事元的建立

消費者需求是產品的設計創新的關鍵點，消費者需求能夠通過可拓學基元理論中的事元模型進行表達如下：

將消費者對下肢康復機器人的使用反饋以及一些市場調研的結果進行整理，利用上述事元模型的表達方式，對整理出的多種需求進行形式化表達如下：

（2）消費者需求事元拓展分析-蘊含系法

在下肢康復機器人的設計研發過程中，消費者關鍵需求的獲取，是整個設計流程中重要的一環。同時對產品研發人員起到重要的指導作用，當為首先解決的問題。從上述需求事元可以看出，消費者對產品需求是多方面的，本文采用了拓展分析方法中的蘊含系法，對不同需求進行分類整合，從而得到消費者關鍵需求。

將上述所得到的所有消費者需求整體分為四大類，分別為：訓練模式類（

A

，

A

，

A

，

A

）、運動形式類（

A

，

A

，

A

）、設備安全性類，（

A

，

A

，

A

）以及綜合性能類（

A

，

A

），結合機器人設計的有關知識與可拓學的蘊含分析原理，得到消費者需求事元間的蘊含關系如下所示：

對已經得到的四大類關鍵需要進一步分析，可知：

依據分析結果，可將消費者需求事元的蘊含系模型以圖形進行表達，如圖2所示。

圖2 消費者需求事元的蘊含系模型圖

4 需求-功用-結構基元的映射關系及可拓分析方法

（1）需求事元與功用事元的映射關系

在產品設計中，用戶對康復機器人的不同需求對應著研發時需要考慮的產品功用。因此，產品研發人員若想更加高效的開發新產品，以消費者需求作為出發點，來建立形式化的產品研發思路，是較為科學的開發過程。產品的功用在產品投入市場時發揮著最核心的作用，為吸引用戶群體的關鍵所在。收集并分析用戶在使用產品時的動作能夠對功能設計的合理性進行判斷。因此，在對功用事元進行表述時，需要包括具體的使用工具或動作。其中，使用工具既可以是產品的一個模塊，也可以是一個獨立產品。

通過文獻[21]所述可以得知，需求事元

A

向功用事元

A

進行映射的方式表現為賦予其多種特征與量值。依據文獻[22]所述，需求與功用間的映射關系，在滿足兩者的動作、特征和量值完全相同，即

O

＝

O

，

c

＝

c

，

v

＝

v

，

i

＝ 1，2，…，

z

，的條件下，映射關系可以通過以下復合事元進行表示：

式中，

M

是工具所對應的量值，其作用為實現功用事元

A

對應的功能，為多維部件物元。通過分析、了解消費者需求與功用模型之間的內在關系，有助于將消費者需求映射到下肢康復機器人的產品功用設計之中，提升設計的精準性、增強設計的針對性。由于篇幅受限，本文將以圖2中

A

為例，對其映射過程及可拓分析進行細致展開。其他需求事元向功用事元的映射以及后續可拓分析方式同理能夠完成。下式為

A

的映射過程：

（2）基于蘊含分析方法的功用事元可拓分析

對于一些能夠直接從上述得到的功用事元向結構關系元進行映射的事元，可跳過此步驟進入下一步分析；而一些功用事元由于涵蓋范圍過廣、較難實現，導致無法直接向結構關系元進行映射，則需要利用蘊含分析方法，先對功用事元進行可拓分析，得到多種易于映射的下位功用事元后，再進行映射。本文以需求事元

A

映射得到的功用事元

A

為例進行分析，為下一步的映射打下基礎，分析得到的蘊含系模型如圖3所示。

圖3 功用事元 Am32 的蘊含系模型圖

在功用事元

A

的蘊含系模型圖中，

A

、

A

、

A

表示如下：

在可拓學的蘊含系模型中，下位的各個事元能夠進一步拓展分析，且在擴展事元時，不同事元間在不同的情況下可以存在一定的邏輯聯系。本文對圖2蘊含系中的下位事元所映射的功用事元，進行進一步的擴展研究，將下肢康復機器人部件物元M的系縛件，細化為

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，結合相關知識與市場調研，此蘊含系分析符合實際應用場景，能夠進入下一步的分析。

（3）功用事元與結構關系元的映射關系

產品功用向結構方向進行的映射又稱功構映射，其目的是利用產品結構，實現對需求功用模型的求解，此步映射能夠將功用事元中的功能性表達轉變為能夠實現此功能的結構尺寸、零件輪廓以及不同部件之間的連接關系的描述。

通過上述功用與結構的映射關系可知，要完成功用事元

A

到結構關系元

R

的映射轉換，需通過賦予結構關系元

R

對應的特征與量值實現。以功用事元

A

的映射為例進行說明，其中

M

表示功用事元

A

的部件物元，

M

表示產品本身，則功用事元

A

向結構關系元

R

進行的映射可表示如下：

依據機器人機械結構設計知識，可將圖3中得到的三個下位功用事元依次進行映射，得出的結構關系元結果如下：

（4）基于發散分析方法的部件物元及其對應關系元的可拓分析

一般來說，直接根據上部分得到的結構關系元進行設計，較難實現結構上的創新以及方案的多樣化。因此，需要同時對部件物元和與其對應的結構關系元進行可拓分析，從而增加設計思路與方案多樣性。

本文基于發散分析方法對部件物元及其對應的結構關系元進行擴展，利用“同對象多特征”的發散性質，對部件物元進行發散，得到多種能夠實現需求功用的多維工具物元。同時，依次將對應的結構關系元發散分析，最終獲得的各式結構設計方案如下：

5 下肢康復機器人結構方案的優度評價與生成

由發散分析法所得到的多種結構方案，需要依據產品實際使用場景進行進一步的篩選。結構方案應盡可能滿足市場需求與客觀規律，才能夠當選為最終的產品結構。本文結合了專家評估與可拓學中的綜合優度評價方法，對發散得到的結構方案集進行評估，從而篩選出較優的結構方案作為最終選擇方案。

（1）方案評價特征及其參數的確定

依據不同的評價指標與區間范圍，專家給出的評價特征取值見表1。

表1 各結構方案評價特征取值

結構方案 系縛安全性（%） 系縛便利性 穿戴容錯率（%）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）方案的優度評價

利用依據上述方案評價特征的取值、權重系數，針對不同區間型的指標進行關聯度、規范關聯度及優度的計算，首先需要建立各方案評價指標的關聯函數，作為衡量符合要求的程度。基于對上述評價指標及其評價范圍的定義可知：系縛安全性指標為單區間型，其最大滿意度值為100%，在區間最右側，可利用簡單關聯函數進行建立；系縛便利性指標為離散型取值，則利用離散型關聯函數建立；穿戴容錯率指標為區間套型，兩區間存在公共端點、最大滿意值為90%且在區間套最右側，則利用最優點在右側的初等關聯函數進行構建。系縛安全性、系縛便利性和穿戴容錯率的關聯函數如下所示：

將不同方案對應的特征取值依次帶入上述關聯函數中進行計算，得到各個方案的衡量指標關聯度值見表2。

表2 各方案評價特征關聯度值

結構方案 系縛安全性K1（x1）系縛便利性K2（x2）穿戴容錯率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

利用如下的規范化公式，將表內方案關聯度值規范化：

并根據評價特征的不同權重值，對以規范化的方案關聯度值進行優度計算，計算公式如下：

則關聯度值規范化與優度計算后形成的表格，見表3。

表3 各結構方案規范化關聯度與優度值

結構方案關聯度規范值 優度值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

從上述計算與分析結果可知，在需求事元

A

向結構關系元映射所得到的10種方案中，結構方案4的優度值最大為0.788，其所對應的結構關系元為。因此，采用6根彈性尼龍帶作為系縛件，并以魔術貼的方式進行系縛的結構，能夠滿足下肢康復機器人在安全性設計時的關鍵需求，為最佳的結構設計方案。

6 結束語

本文采用了可拓學中的拓展分析方法，對下肢康復機器人的結構設計方案進行了研究與生成。通過收集與分析消費者需求，將其以可拓學中的基元模型表達，利用需求-功用-結構這三種基元的映射關系以及基元的蘊含分析，依次得到了產品的功用事元與結構關系元，后分別對產品的結構關系元與其對應的部件物元進行發散分析，獲得了產品的結構方案集。利用優度評價法將結構方案集中生成的多種產品方案進行評估與篩選，得到了能夠滿足下肢康復機器人設計需求的最佳結構方案。此種方案生成流程，給產品的設計研發提供了一種更為邏輯化、形式化的思路。此外，本文的結構方案生成流程，只針對下肢康復機器人的系縛安全性結構進行了驗證，能否應用于其他產品的結構設計過程中還需研究與考證。