劉宏越 李嘉欣 胡昌格

（天津工業(yè)大學機械工程學院，天津 300387）

近年來，隨著社會老齡化程度的不斷加深及各種先天疾病、突發(fā)事故等，醫(yī)療康復系統(tǒng)將迎來新的機遇[1]。將機器人設(shè)備應用于日常生活、康復訓練、災難支援等研究已經(jīng)成為各國名校及相關(guān)組織的研究熱點[2]?？祻蜋C器人的出現(xiàn)適合周期長、高頻率、高重復的醫(yī)療康復訓練，可以將康復訓練醫(yī)師從單一性的勞動中解放出來[3]。為了有效解決康復機器人的用戶需求和設(shè)計要素，設(shè)計流程需借助QFD、TRIZ 理論進行構(gòu)建，從而在結(jié)構(gòu)、功能和形式上不斷創(chuàng)新。Moran 等構(gòu)建了KANO、QFD、TRIZ 等工程集成方法，用于考察臨時難民住房設(shè)計，并提供一種創(chuàng)新設(shè)計方案[4]；韋艷麗等將QFD 與TRIZ 理論相融合應用于帕金森患者助行器優(yōu)化設(shè)計中，實現(xiàn)了產(chǎn)品多功能維度的轉(zhuǎn)化[5]；周紅宇等以基礎(chǔ)功能需求為出發(fā)點，構(gòu)建QFD 與TRIZ 集成設(shè)計模型對電熱水器進行創(chuàng)新設(shè)計，提高了用戶的使用滿意度[6]；QFD 強調(diào)通過市場調(diào)研和用戶訪談等方法獲取產(chǎn)品的功能需求，通過用戶體驗調(diào)查和評價收集用戶反饋信息進行合理評估，但無法獲得詳盡的解決途徑。而TRIZ 通過對技術(shù)系統(tǒng)進行分析、構(gòu)建沖突矩陣，并對發(fā)明原理進行搜索以獲得最優(yōu)解，但是無法對矛盾沖突之間的關(guān)聯(lián)作出解答。QFD 注重易于配置和滿足需求的目標指向，TRIZ 注重具體功能的實現(xiàn)途徑?；诖耍恼禄赒FD 及TRIZ理論探討康復機器人設(shè)計的思路。

1 相關(guān)概念解析

1.1 QFD

QFD 注重用戶需求與產(chǎn)品設(shè)計要素之間的關(guān)系[7]，強調(diào)通過提高用戶滿意度確保市場的占有率[8]，它的核心內(nèi)容是用戶需求與產(chǎn)品設(shè)計要素之間的需求轉(zhuǎn)化，是基于用戶需求啟動的產(chǎn)品創(chuàng)新方法[9]，它的表達方式主要以質(zhì)量屋HOQ 構(gòu)建圖表的形式呈現(xiàn)[10]：（1）左墻用于導入用戶需求信息與重要度；（2）天花板是針對各項用戶需求逐一列出相對應的產(chǎn)品設(shè)計要素；（3）房間為用戶需求與設(shè)計需求要素之間的關(guān)系矩陣；（4）屋頂可以確定設(shè)計需求要素之間的正負關(guān)聯(lián)性；（5）右墻可以計算市場的競爭能力，用于顧客評價產(chǎn)品彼此的競爭關(guān)系；（6）計算地板設(shè)計要素需求的重要度，反映了創(chuàng)新設(shè)計過程中實現(xiàn)設(shè)計目標具有一定的挑戰(zhàn)性；（7）地下室計算技術(shù)競爭力，根據(jù)企業(yè)技術(shù)制造能力等，確定各項設(shè)計要素的新產(chǎn)品實現(xiàn)水平，并進行定量評分，HOQ 模型如圖1 所示。

圖1 質(zhì)量屋結(jié)構(gòu)圖

1.2 TRIZ 理論

TRIZ 理論是科學家阿奇舒勒基于大量技術(shù)專利，總結(jié)發(fā)明的一套系統(tǒng)問題解決理論。它闡述了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律與原理[11]，認為設(shè)計師對待設(shè)計過程中的矛盾沖突不應采取妥協(xié)、折中的方式，而是應該完全解決矛盾沖突。TRIZ 理論將待設(shè)計產(chǎn)品的核心問題轉(zhuǎn)述為TRIZ 系統(tǒng)的表達方式，再利用40條創(chuàng)新原理、矛盾矩陣表、功能分析、76 個標準解和TRIZ 等解決問題的基本工具，幫助設(shè)計者打破以往進行產(chǎn)品設(shè)計的固化思維，迅速求解出該問題的最優(yōu)解[12]。

2 康復機器人設(shè)計現(xiàn)狀

康復機器人起源于20 世紀80 年代，如今，康復機器人的研究涉及康復醫(yī)學、生物力學等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)成為醫(yī)療系統(tǒng)中不可或缺的一部分。針對老齡化或殘障人群的康復機器人，從功能設(shè)計上可將它大致分為康復訓練、生活輔助康復機器人兩大類[13-14]。康復訓練類機器人可以通過主動和被動的康復訓練模式，輔助相關(guān)人群完成各種運動功能的康復訓練，降低服務人員的勞動強度。生活輔助類康復機器人為人群提供各種生活輔助并補償它弱化的機體功能。此外，助力類型大致分為主動型助力和被動型助力兩種[2]。不同的助力類型對人的使用、心理和生理體驗，以及對康復機器人的性能評價均會造成不同的影響。

3 基于QFD 和TRIZ 理論的康復機器人設(shè)計思路

研究將QFD 和TRIZ 理論整合并應用，QFD 以用戶需求為驅(qū)動，為產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)；TRIZ有效解決了矛盾沖突問題，基于QFD 和TRIZ 理論的集成創(chuàng)新應用框架，如圖2 所示。

圖2 基于QFD、TRIZ 理論的集成創(chuàng)新應用框架

3.1 康復機器人的質(zhì)量屋構(gòu)建

建立康復機器人質(zhì)量屋的第一步是組建QFD 團隊小組，進行老齡化或殘障人群患者調(diào)研和康復設(shè)備市場分析，小組通過調(diào)研分析，收集篩選和歸納整理獲得的用戶需求，并對每項需求進行重要性程度分級，可用1 至5 來表示，重要度隨數(shù)字逐級遞增，用戶需求可用權(quán)重表示：

對調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果解析，康復機器人設(shè)備用戶需求如下：（1）造型獨特美觀；（2）色彩搭配合理；（3）材料選取恰當；（4）功能齊全；（5）機器人易穿戴、可調(diào)節(jié)；（6）機器人使用操作簡易化；（7）機器人的康復助力力度；（8）機器人的運動匹配性；（9）機器人輕量化；（10）交互順暢，符合人因關(guān)系；（11）提前避險意識，安全性強；（12）久經(jīng)耐用，適應不同環(huán)境；（13）適用不同的康復訓練活動；（14）維護方便；（15）故障率低，如表1 所示。

表1 用戶需求表

將轉(zhuǎn)化的產(chǎn)品設(shè)計要素定性問題量化處理，以便對產(chǎn)品設(shè)計要素的可行性進行科學評估：

根據(jù)目標用戶實地調(diào)研、產(chǎn)品市場考察，以及相關(guān)專利查詢，研究分析發(fā)現(xiàn)目前康復機器人設(shè)計需求要素的重點在于：（1）助力機器人結(jié)構(gòu)：輸送壓管、肢體（輸送受力）轉(zhuǎn)軸、負載轉(zhuǎn)換裝置、動力驅(qū)動機構(gòu)、電機；（2）整體尺寸：轉(zhuǎn)軸尺寸、壓桿尺寸、電機尺寸、負載支撐尺寸；（3）傳感器應用：肌肉疲勞程度感應、障礙感應預警、關(guān)節(jié)力感應；（4）動力供給裝置：主動性供給電池、被動性柔性材料。

為了規(guī)劃新產(chǎn)品的市場定位、評估新產(chǎn)品如何有效地滿足客戶需求，將新產(chǎn)品與競爭對手的產(chǎn)品進行比較。市場競爭力M可用5 個數(shù)值表示，1 至5分別為：次弱、弱、中強、次強、強競爭力，則：

提前預估新產(chǎn)品制作的技術(shù)可行性，確保必要的技術(shù)改造或技術(shù)突破，以此完成量化評分。采用下列1 至5 個數(shù)值表示，1 至5 分別為：技術(shù)水平劣等、次等、一般、良好、優(yōu)秀，則：

綜合競爭力分析公式表示：

3.2 用戶需求與設(shè)計要素關(guān)系矩陣的建立

在建立關(guān)系矩陣時,通過調(diào)研分析及資料收集，確保完成用戶滿意度需求和設(shè)計需求要素的映射關(guān)系，可用0～9 標度表示量化處理的相關(guān)程度。即為用戶要求與設(shè)計需求的關(guān)系度R，通過分析可建立如下關(guān)系矩陣：

根據(jù)用戶需求權(quán)重公式（1）可得到重要度權(quán)重（0.060，0.039，0.060，0.078，0.078，0.060，0.098，0.078，0.060，0.098，0.078，0.060，0.078，0.039，0.039）。

根據(jù)設(shè)計要素權(quán)重公式（2）可得到重要度權(quán)重（178，240，146，149，128，100，106，122，132，264，167，248，203，185）。

同理可得，可用1～5 標度表示，關(guān)系度等級。根據(jù)市場力競爭權(quán)重公式（3）可得到重要度權(quán)重（0.35，0.91，0.48，0.63）。

根據(jù)技術(shù)力競爭權(quán)重公式（4）可得到重要度權(quán)重（0.36，0.80，0.50，0.59）。

根據(jù)綜合力競爭公式可得數(shù)據(jù)（0.126，0.728，0.240，0.372）。集中整理用戶需求與設(shè)計要素映射關(guān)系并結(jié)合各項數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，以此來建立完整的康復機器人質(zhì)量屋，如圖3 所示。

圖3 功能質(zhì)量屋

3.3 明確矛盾沖突并將建立問題模型

存在的矛盾沖突：（1）肢體轉(zhuǎn)軸機構(gòu)與康復機器人關(guān)節(jié)力感應；（2）肌肉疲勞程度感應與負載轉(zhuǎn)換裝置；（3）電機尺寸大小與電機供給量。

建立原問題的求解問題模型：（1）裝置的復雜性——監(jiān)控與測試的困難程度，對應解決方法：10、15、28、37，預操作、動態(tài)化、機械系統(tǒng)的替代、熱膨脹；（2）測試精度——運動物體重量，對應解決方法：26、28、32、35，復制、機械系統(tǒng)的替代、改變顏色、參數(shù)變化；（3）靜止物體的重量——靜止物體的能耗，對應解決方法：6、9、15、27，多用性、增加反作用、動態(tài)化、廉價替代品，如表2 所示。

表2 康復機器人矛盾沖突問題求解方法

通過調(diào)研分析可知，滿足用戶所需的康復機器人，與上述矛盾類型對應可行的發(fā)明原理有：15、35、6，如表3 所示。

表3 發(fā)明原理及其創(chuàng)新方向

具體發(fā)明原理應用如下：

1）動態(tài)化：根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，肢體轉(zhuǎn)軸機構(gòu)和關(guān)節(jié)感應力是康復機器人的主要需求之一。與以往協(xié)助患者進行康復訓練的設(shè)備不同，康復機器人是多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過多關(guān)節(jié)部位安裝的傳感器進行數(shù)據(jù)收集與控制器數(shù)據(jù)分析處理，向機器人發(fā)出命令并執(zhí)行機構(gòu)協(xié)助完成康復訓練動作。因此，康復機器人的轉(zhuǎn)軸機構(gòu)不得干預關(guān)節(jié)活動角度的范圍，以及關(guān)節(jié)力感應數(shù)據(jù)的采集和分析處理。將傳感器與關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)軸機構(gòu)協(xié)同一體，利用轉(zhuǎn)軸機構(gòu)的運動范圍帶動傳感器活動，使不動變可動，增加它的自適應性和關(guān)節(jié)力感應精準度。

2）參數(shù)變化：老齡化、殘障人群等需要康復或助力運動訓練，幫助患者恢復日常生活的自理能力，避免身體體適能過量流失，但傳統(tǒng)康復訓練設(shè)備負載裝置的靜載強度往往會使肌肉疲勞。在保證康復訓練、運動速度、驅(qū)動力矩和關(guān)節(jié)活動角度等前提下，針對不同部位的負載裝置選擇不同的材料，確保負載裝置具備適當強度、輕量化、柔韌性等。在一定程度上降低負載裝置的靜載強度對患者產(chǎn)生的身體機能損耗和肌肉疲勞，為患者帶來盡可能高效的康復訓練。

3）多用性：目前使用康復設(shè)備的人群多為疾病患者、殘障人群等，體能相較于正常人水平偏低，因此電機尺寸和電池性能配置是提供康復訓練時長的關(guān)鍵因素。在保證電機轉(zhuǎn)換和傳遞效率、電池容量和充電功率等電池狀況較好的前提下，賦予主動性供給電池吸收其他形式的能量，并可將它儲蓄為電能，通過電機實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)遞，提高主動性供給電池的持續(xù)性和電機轉(zhuǎn)換效率的性能配置，降低康復訓練設(shè)備的充電頻率。

4 康復機器人設(shè)計實踐

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在康復過程中，助力施力點在腰部L4/L5～S1。腰部生物力學模型以較常見的舉重為例進行研究[15]。以L5/S1 關(guān)節(jié)處平衡進行受力分析：G1 為物體重力，力臂為L1，G2 為人體上肢軀干重力，力臂為L2；Fe 為人體胸肌產(chǎn)生的肌力，F(xiàn)a為背部肌肉產(chǎn)生的肌力；F1 為人體下肢對腰椎的支持力，F(xiàn)2 為脊柱產(chǎn)生的拉力，力臂為L4；F3 為腹肌引起的腹壓，力臂為L3；F4 是腰椎或骶椎承受壓力，力臂是L5。若使人移動重物時保持靜態(tài)平衡，則O點處力矩之和應為零，可得到以下公式：

在不穿戴康復訓練設(shè)備時，人彎腰搬運重物時腰椎或骶椎所受壓力F4 的計算公式：

將人物進行簡化，如圖4 所示。并模擬康復過程中的人物基本姿勢和關(guān)節(jié)受力分析，如圖5 所示，進一步為康復機器人提供設(shè)計依據(jù)。

圖4 人物關(guān)節(jié)散點簡化圖

根據(jù)上述基于QFD 和TRIZ 理論集成創(chuàng)新應用步驟，以及腰部生物力學的分析，對康復機器人的整體外觀設(shè)計、受力關(guān)節(jié)感應、助力支撐部位等方面進行分析創(chuàng)新，構(gòu)成以腰部為主要支點的康復機器人設(shè)計方案，如圖6 所示。

圖6 康復機器人設(shè)計方案

在外觀造型設(shè)計方面，整體線條曲直結(jié)合，對康復機器人的輸壓轉(zhuǎn)軸、負載支撐裝置、腿部固定裝置等機械外觀造型進行精致細化處理，運用Rhino 進行2D 概念設(shè)計模型轉(zhuǎn)化為3D設(shè)計模型，并通過Keyshot 軟件進行模型色彩、材質(zhì)等渲染，得到康復機器人的外觀設(shè)計效果圖，如圖7 所示。

圖7 康復機器人設(shè)計效果圖

5 結(jié)論

當前我國社會老齡化趨勢明顯、殘障人群日益增多，新一代的醫(yī)療康復系統(tǒng)及康復機器人已成為著重關(guān)注的問題。文章基于QFD 生成用戶需求與產(chǎn)品設(shè)計要素需求的有效轉(zhuǎn)化并進行相關(guān)性評估，功能需求與設(shè)計要素之間正負相關(guān)性的矛盾沖突由TRIZ 理論解決，再運用計算機輔助軟件虛擬設(shè)計出創(chuàng)新方案。通過設(shè)計實例論證康復機器人人因工程智能裝備創(chuàng)新設(shè)計存在以下幾個特點：（1）保證康復設(shè)備結(jié)構(gòu)，特別是肢體轉(zhuǎn)軸，不影響關(guān)節(jié)的活動自由度和感應精準度；（2）肌肉疲勞程度和康復設(shè)備機構(gòu)靜載強度的適配性，當前主動型機器人康復訓練效果明顯，但外骨骼框架過于繁重，導致先行消耗患者的身體機能，預先造成肌肉疲勞，大大降低了康復的訓練效率；（3）電機尺寸與主動性供給電池的性能配置，現(xiàn)有的康復訓練設(shè)備需頻繁的為電池供電、設(shè)備充電，且在電機轉(zhuǎn)換能量的過程中存在部分能量損失，導致儲能成本高，能量轉(zhuǎn)換效率低，能量利用率低等情況；（4）康復機器人不夠擬人化，可能會擦傷穿戴者的人體皮膚、同時薄弱的感知應對危險情況的處理能力，以及抗干擾性差等問題也會導致穿戴者二次受傷。但文中缺乏設(shè)備的控制策略及生物信號采集與處理的研究，接下來將進一步通過仿真模擬軟件與肌電儀進一步完善研究，為后續(xù)迭代康復機器人的研發(fā)設(shè)計提供參考。