基于FBS 模型的農村介助老人多功能助行器設計研究

隨著中國進入老齡化社會，這個年齡層人群也因居住地區的差別大致劃分為兩個群體，即城市老人和農村老人。兩個群體在生活習慣、價值觀念等有著諸多差別。由于老人的身體狀況以及需求的擴大，市場上針對老年人的助行產品也逐漸占據一席之地，但是經過調研發現市面上的助行產品更適用于城市老人的生活習慣以及城市的生活環境，農村老人的需求沒有得到重視甚至被忽略。國內高等學校相關領域的科研人員對老年人助行器設計以及設計方法進行了大量研究。王新亭在其研究課題以人機（助行器）適配為設計目標，提出了基于人體步態參數分析的動力式助行器設計方法

。張俊霞等人從下肢殘障人士的出行需求出發，建立助行器三維模型與虛擬人體的約束，從而提出下肢動力式助行器的設計

。但是少量研究將老年群體進行更細致的區域劃分。該研究基于FBS 模型指導農村老年人助行器設計，希望通過科學的設計方法設計出適合農村介助老人的助行器，為現有老年人助行器市場提供新的設計思路，進一步改善農村老年人的出行體驗。

1 相關概念解析

1.1 FBS 模型概述

FBS 模型是John S.Gero 等人對產品創新設計過程提出的研究方法論，該模型加強“功能—行為—結構”（Function—Behavior—Structure）三者之間的關系。“功能”是產品設計的根本，目的是為了滿足用戶需求，“行為”是實現功能的方式，是用戶與產品間的交互形式，“結構”是設計的結果，是產品的各個功能結構模塊，聯系三者之間的關系，為設計者創造更多完善、嚴謹的解決問題的方法

。FBS 模型的核心是將功能F 映射成可以執行其功能的行為活動，功能的主要來源是用戶需求，執行轉化的過程是通過考慮產品的行為B 及其結構S 的基本設計步驟

。“功能”是產品設計過程中滿足用戶使用需求的基本元素。“行為”是用戶為實現功能所進行的與產品之間的交互方式。“結構”是設計的結果。通過將設計過程分為“功能—行為”“行為—結構”三個層級共兩次映射向前進行設計方案推導，最終完成目標產品的創新設計。

1.2 老年人助行器概述

老年人助行器是輔助老年人行走、維持身體平衡和支撐部分自身重力的工具

。根據助行器動力來源以及使用方式，可以將目前已投入使用的助行器分為無動力式、動力式和功能性電刺激助行器（如圖1）。動力式包括部分穿戴式助行器、電動輪椅，以及目前還在處于研發階段的人體外骨骼系統等。而功能式電刺激助行器根據功能及使用方式的不同可分為矯正儀、完全植入系統，以及復合矯形系統等多種類型。

2 老年人助行器設計現狀

通過對現有購物網站進行市場調研發現（如圖2），雖然現有市場助行架種類豐富，但是大多數產品功能單一、外觀樸素，同質化嚴重，無法滿足當今時代農村老人的多樣性需求。現有助行器存在以下問題：(1)產品外觀局限，大多是鋁合金材質，造型單一，缺乏親和力，無法滿足老年人的多樣心理需求；(2)產品材料上多采用不可再生材料，例如鋁合金和塑料等，回收性和可再生性低；(3)產品功能存在單一和復雜兩個極端，有的不能滿足老年人的基本需求，而有些助行產品則過于復雜，給老年人的使用帶來不便或造成某些功能的閑置。

表3是純水飽和狀態下3種摻砂率試樣在剪切前的膨潤土有效干密度ρb的數值.由表中數據可知,純膨潤土的有效干密度要大于摻砂混合物.同時,摻砂率為30%的混合物中膨潤土有效干密度大于摻砂率為50%的混合物,因此純膨潤土試樣的強度要大于摻砂混合物試樣的強度,摻砂率為30%的混合物強度要大于摻砂率為50%的混合物強度.結合表3和圖4還可以得出,有效干密度ρb大于1.5 g/cm3的試樣出現了應變軟化現象,而ρb小于1.5 g/cm3的試樣只出現了應變硬化現象.

3 農村介助老人的特征分析

3.1 生理特征

農村介助老人主要表現為有一定的自理能力和生活能力，但是由于腿部力量較弱，身體協調性較差，在完成日常出行等活動時需要借助一些輔助器具。處于介助狀態的農村老年人由于運動系統障礙、神經系統衰弱和感官系統退化等原因，導致反應遲鈍、行動不便，在完成日常活動中存在障礙。同時，觸覺、視覺、認知能力的下降減緩了老年人接收有效信息的速度。反應能力的減弱，在一定程度上也加大了老年人的行動障礙，使其在日常生活中的出行受到限制

。

3.2 心理特征

農村介助老人從勞動工作職業生活退出之后，家庭生活成為了他們日常生活的主要內容。在社交生活上，由于自身的活動范圍大幅度減少，再加上諸如視覺、聽覺等身體感官能力下降導致的交流障礙難以融入周圍群體，使得農村介助老人容易產生心理的落差感。由于老人無法獨立自主地行動，過于依賴外界使其產生成為親人累贅的心理感覺，跟親人的溝通交流減少，容易造成自我封閉。

此外，據調查顯示，大部分老年人由于自尊心的原因，很難平衡過渡從獨立行走到行動障礙的轉變，在行動不便的初期從心理上排斥使用助行類產品，這也是很多老年產品面臨的困境

。但是出于健康和安全的考慮，介助老人又不得不使用工具來輔助行走。

李建新、李春華通過二分logistic 統計模型分析城鄉老年人健康差異，數據顯示“農村老年人ADL 無障礙的比例（79.70%）高于城鎮老年人（75.55%），城鎮老年人不孤獨的比例（73.88%）高于農村老年人（68.12%），自評健康良好的城鎮老年人的比例（46.93%）略大于農村老年人的比例（44.77%）”

。得出在生理健康上表現為農村老年人較城鎮老年人健康，在心理健康上表現為城鎮老年人較農村老年人健康的結論

。

3)行為映射結構。運用經驗設計或類比推理的方法將行為轉化為結構，根據結構分析介助老人與助行器的交互行為

，并以此作為依據與上一步的預期行為進行匹配分析，最終確定結構的可行性。

3.3 生活形態特征

農村介助老人由于生理機能衰退、行動不便等原因，逐漸從勞動職業生活中退出，其日常活動也隨之發生相應的改變。主要表現為體力勞動活動、休閑娛樂活動減少，以及生活習慣的變化等。而農村介助老年人所處的生活居住環境也為其日常活動增加了一定的障礙。

第一，體力勞動減少。由于身體原因大部分介助老人已經退出了維持家庭的農業勞動，但是大部分老年人仍然保留土地，以小規模畜牧及種植菜蔬來實現自給自足，經濟來源受到限制。數據顯示，農村60 歲以上的老年人中，40%以上還在繼續工作。

現如今，我國市場化程度持續提升，此種條件下，物流業得到了十分良好的發展，企業之間的市場競爭也日益激烈，我國許多企業的管理層均在積極探尋各種可提升企業市場綜合競爭力的管理措施。基于此，企業為了更好的滿足客戶服務相關標準提出的高要求，必然會提升其物流方面的成本費用，所以，物流管理這種現代化管理手段越來越受到企業的廣泛重視，這一工作內容也因此被提上了日程。對于企業來說，其于激烈市場競爭當中的綜合競爭能力是其能否獲得理想績效的關鍵，現代物流與供應量理論這些新型理論是在市場競爭日益激烈、企業經營規模持續擴大、企業顧客需求不斷變化、新興工商模式相繼涌現、市場主體地位日漸變化等條件下提出的。

第二，娛樂休閑活動減少。大部分老年人為避免麻煩會盡量減少遠距離的活動，大部分時間選擇呆在家里休息或者到鄰居家、村口聊天，偶爾去集市或商店購買必需品，高頻次的短距離出行以及低頻次的中長距離出行是主要的活動特征。

第三，在生活習慣上，農村老年人雖然體力勞動有所減少，但大部分仍然保留小規模勞作的習慣，來減輕兒女負擔或支持家用。

經過實際調查發現，在小學體育教學活動中經常會出現一些學生身心發展速率過慢的問題，在此類狀況之下，推廣使用分層教學法，不單單可以尊重每個學生個體的差異性，同時更能夠輔助教師掌握學生最近的身體狀況、個性特征以及學習動態。因此，作為一名合格的小學體育教師，其核心使命在于根據每個學生的身體素質和學習狀況，設計出相互貼合的教學目標、評價體系、訓練內容，借此引導學生持續提高個人的體育技能、拓寬體育知識范疇，最終落實身心健全發展指標。

基于介助老人的特征，將特征集合轉化為需求集合，開展功能分析和定義，形成功能集合。結合FBS 模型，將功能映射到行為中，并開展結構分析和設計，完成整個設計思路。

4 基于FBS 模型的農村介助老人助行器設計思路

第四，室外環境上，農村道路偏狹窄，除主街道外，還有許多坑洼不平的土路，且夜間照明設施只集中在主道路。室內環境上，大部分農村老式房屋設有門檻、臺階等，屋內的家具以低矮為主，給老人的行走、起坐造成了諸多不便。

4.1 構建設計流程

根據FBS 模型，建立農村介助老人助行器的設計開發流程，模型流程如圖3 所示：

推行“任務驅動，項目導向”的教學模式建設，遵循“調研論證-框架設計-資源建設-推廣應用-評價反饋”的工作方式，以校企聯合共建為基本途徑，建設優質專業群平臺課程，形成包括課程標準、課程教學方案設計、項目任務書與指導書、教學案例集、特色教材與講義、電子課件、課程網站等豐富的建設成果，建設高水平的共享型教學資源庫。

3)易用性需求：設計應當與老年人的行為認知模式相符，方便老年人操作使用，避免出現誤操作及使用效率低下的狀況。

2)功能映射行為。將助行器的功能映射到農村介助老人日常的基本行為中，將行為作為功能必要性和合理性檢驗的標準進行進一步的分析與判斷。

增值稅是對商品生產、流通、勞務服務中各個環節的新增價值或商品的附加值征收的一種流轉稅[5]，與以商品勞務的全額為計稅依據的營業稅相比具有避免重復征稅的優點。在增值稅下，同一種商品勞務只要最終售價相同，不管經過多少流通環節，其總體稅負都相同，從而有利于促進社會專業化分工，避免商品勞務在多環節流轉中發生價格扭曲，提高服務業的競爭水平。

住院醫師規范化培訓的培訓醫師的課堂授課時間緊張，由于臨床醫師的工作繁忙，對培訓醫師的理論授課時間一般是小時段集中教學，不會像在校學習的專職教師那樣大學時授課教學，所以授課時間有限，而所需要教授的內容卻非常多，很多培訓醫師想要學習和解決的問題沒有充足的時間完成。

現在看來，事實已經很清楚了。李老黑請我喝酒的目的是想把我灌暈，灌暈我的目的是制造我企圖強奸李金枝的假象，制造假象的目的是逼我娶李金枝。可弄清這點絲毫無助于問題的解決，反倒讓人更糊涂了。說實話，像我這樣一無所長的民辦教師，在李老黑眼里基本就是個廢人，這么多年來恐怕李老黑沒拿正眼看過我。現在他忽然腦子進水似的，一門心思要把閨女塞給我，心甘情愿讓李金枝嫁過來當晚娘，這種做法實在太離譜，太讓人無法理解了。

4.2 確定功能需求

在將預期行為轉化為結構時需要考慮以下幾點：(1)行為與行為的矛盾要求人們對這些結構的執行動作加以某些限制，避免產生沖突

；(2)一個行為可能有多個組成部分，即要將多個結構組合后合成某一功能，這要求人們要考慮用戶的行為尺度，合理分布這些結構

；(3)盡可能將結構多功能化，這要求人們考慮行為之間的相似處和差異處，得出創新結構

。

四是與國外的集成電路企業相比，我國集成電路企業規模差距大。集成電路制造業具有很強的規模經濟性。產業規模越大，產品的成本越低。盡管2106年以來我國集成電路產業的銷售額大幅提升，但整個行業內企業規模小，單個企業的產值往往不及相同國際跨國公司產值的1/10。

2)安全性需求：由于介助老人各項生理機能衰退，行動不便，應當將人機工程學運用到助行器當中，避免由于設計與老人身體因素相沖突而引發的事故。

1)由基本需求確定基本功能。通過文獻研究以及田野觀察了解總結農村介助老人群體的生理、心理與居住環境特征，探索得出農村介助老人的基本需求，由此確定產品的基本功能。

4)情感需求：色彩、形態以及材質的使用要符合老年人的心理特點，滿足老年人尊重與被尊重的需求。

1)基本需求：輔助行走、起立以及坐下。輔助行走要求助行器必須適應農村的各種道路狀況，在助起坐方面應當增加助行器底座的穩定性。

4.3 預期行為轉化

在復雜產品系統設計中，由于總功能較為復雜，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，是關于實現原理的描述，即實現產品功能應該“怎樣做”。“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

。

功能到預期行為的轉化如下：首先根據需求分析將功能分解成以下四部分：運動功能、調節功能、控制功能以及傳動功能，分別對應老人在不同情境下的行為。運動動能對應的是老年人的行走、起立與坐下的行為；調節功能為扶手的高度調節、使用形式變化調節；控制功能為照明燈的開關、報警開關；傳動功能為太陽能驅動、電量收集。助行器功能轉化為行為如圖4 所示。

4.4 明確產品結構

對在農村介助老人的特征分析中得出的需求集合進行排除與實現，確立FBS 設計模型中的功能集合（F），為后續設計開展做準備。在從需求到功能的映射當中，對需求進行分類，總結出以下幾點：

作為FBS 流程模型的最后的步驟，結構設計是助行器的產品形態和功能實現方式的最重要的一環。結構設計主要是針對助行器本身的設計，由于助行器本身的復雜性，其行為與結構并非簡單的一一對應的映射關系，在此根據實現方式將助行器劃分為助行、助起坐、發電、儲蓄、伸縮，以及程序控制六大模塊，從行為到結構的整合映射過程如圖5 所示。通過結構分析，設計出符合農村介助老人行為習慣的結構概念，從而得到最優方案。

5 基于FBS 模型的農村介助老人助行器設計實踐

根據用戶需求，針對農村介助老人的生活環境和產品功能，確定人機尺寸。人機尺寸上選取1 百分位老年女性和99 百分位老年男性的人機尺寸推算出產品各部分尺寸：助行器應在距離地面855—1105mm 之間

。

確定助行器的相關數據后，針對農村介助老人的使用需求和農村地形地貌的特點，對助行器的外觀形態和功能進行調整與改進。針對農村介助老人的基本需求，此設計可以滿足老年人在農村環境水泥和土地等地面獨自行走、站立的需求。

針對安全性需求，在夜晚行走時，使用者可通過手柄處的按鈕控制底部環形燈帶，提供照明。底座部分設置有可即時充電的發電設備，當使用者行走時，手杖底部按壓地面產生的彈力不僅可以緩沖減震，按壓的同時還能帶動助行器內的轉子轉動做切割磁感線運動，轉化為電能儲存在內置電池中，用以給環形燈帶供電。手柄側邊設置警報按鈕，在老年人需要幫助時按下按鈕，可以發出警報尋求幫助。

針對易用性需求，考慮到老年人的接受能力和操作準確度，對產品使用了可調節性設計。使用手柄處不同的按鈕可以調節手杖高度，同時老年人在操作后可以得到及時反饋，防止誤操作。

表1中：va為飛機平臺飛行速度；D為天線方位向口徑尺寸；Δθ為天線波束方位向掃描角度范圍；θmax為方位波束最大指向角，正側視工作下有Δθ=2θmax；λ為雷達工作波長；R為作用距離；Ls為方位向波束地面照射范圍；Rmax為最大作用距離；Pav為發射平均功率；G為收發天線的增益；σ為目標有效反射面積；K為玻耳茲曼常數；T為接收機溫度；Ti為目標駐留時間；η為系統損耗；SNR0為脈沖壓縮后的信噪比。

針對情感需求，將手柄和底座設計為穩定的三角形，增加底座與地面接觸面積。在外形裝飾上參考農村常見藤條編織物的造型，通過熟悉的元素降低老年人的抵觸感。主體材質選用表面噴漆處理的鋁合金，將橡膠、碳素纖維結合，增加產品親近感。色彩選用白色和明度較高的黃色，給使用者正面積極的心理暗示（如圖6、圖7、圖8）。

6 結語

近幾年，我國人口老齡化程度還將會持續增長，農村老年人口數量增多，這使得適合農村老年群體的助行產品的需求不斷增大。在設計過程中引入FBS 模型有助于人們對農村介助老人有更明晰的認知，從而提升目標群體的使用體驗。設計過程由用戶特征得出功能需求，由功能需求轉化為行為，再將行為轉化為結構，提高了助行產品的實用性，可以應用于今后助行器設計的實踐中。

[1]王新亭，張峻霞，徐春，等.基于步態參數的助行器設計方法[J].機械設計，2013，30（04）：97-100.

[2]張峻霞，尹由之，溫泉，等.人體下肢動力助行器的結構設計與仿真[J].機械設計，2015，32（09）：71-75.

[3] 侯宏平，朱劍剛.基于FBS 模型的下肢支撐力量薄弱人群助行器設計研究[J].家具與室內裝飾，2019（07）：86-88.10.

[4]肖小朋.基于FBS 模型的蒸烤箱創新設計與研究[D].華南理工大學.2020.

[5]熊楊婷.UCD 設計方法在老年人助行器設計中的應用研究[J].包裝工程，2020，41（10）：342-344+348.

[6]廖慧蓮.基于情感需求的老年人助行產品設計研究[J].工業設計，2021（7）：79-80.

[7]李建新，李春華.城鄉老年人口健康差異研究[J].人口學刊，（2014）05-0037-11

[8]李劍鈺，施思.基于FBS 模型的上肢康復醫療設備設計[J].工業設計，2021（01）：26-27.

[9]宋端樹，陸曉婷，許艷秋，等.基于FBS 模型的老年人康復器具設計研究[J].家具，2017，38（05）：77-82.