基于FBS模型的上肢康复医疗设备设计

李剑钰 施思

关键词：FBS模型;上肢康复;医疗设备;设计

1 FBS 模型概述

在产品设计中，功能与结构是两个密不可分的设计要素。FBS（Function-Behavior-Structure）模型通过在功能结构模型中加入行为变量，形成了功能—行为、行为—结构的两级映射，如图1。在该模型中，F（功能）是设计过程的驱动要素，B（行为）是连接F（功能）与S（结构）的信息中枢，S（结构）则是分析结果，同时也是实际设计与开发环节的参考依据。

1.1 F（功能）—B（行为）映射

要进行功能—行为映射，首先需要对功能进行分析。产品的功能源自用户需求，是对产品工作能力的描述。在复杂产品系统设计中，由于总功能较为复杂，难以直接分析，为了简化问题，可将总功能分解为多级子功能，形成功能结构图。行为是功能与结构的桥梁。行为是关于实现原理的描述，即实现产品功能应该“怎样做”。功能映射为行为，功能关系映射为行为关系，通过对行为关系的拆分与合并，可以对功能进行重新定义。功能—行为映射分析是在满足各种约束条件的前提下，生成行为解，并从原理上实现所提出的设计目标。

1.2 B（行为）—S（结构）映射

结构是功能的载体，产品功能通过结构来实现。FBS 模型采用基于设计知识库的类比推理方法，可根据设计要求来找到实现功能的结构。具体来说，将当前功能所映射的行为与设计知识库中的结构解所能实现的行为进行对比和匹配，如果二者的行为是相似的，则映射到这两个行为集的结构也拥有相似的部件和关系，再结合约束条件，就找到了符合要求的新结构。

2 上肢康复医疗设备概述

上肢康复医疗设备属于康复训练类的医疗器材，目的是为由于脑卒中或其他原因引起的上肢活动障碍患者提供辅助治疗，帮助他们进行上肢康复训练，从而重获上肢运动能力。该类设备的出现，有效解放了医护人员的双手，还可对康复训练过程进行数据记录与分析。随机对照试验研究表明，对于脑卒中患者群体的上肢运动复健过程，通过上肢康复医疗设备进行治疗和人工徒手治疗的效果无显著差别[1]，这证明了上肢康复医疗设备的有效性。

上肢康复医疗设备的定位是在医师指导下的一种训练辅助工具，主要使用者是上肢运动障碍患者，但也包括医护人员。设备的使用过程主要分为三步：首先，医护人员根据每个患者的患病情况，将病历、运动性质、运动时间、运动力度等数据输入到设备系统中;其次，患者在医生指导下，使用上肢康复医疗设备进行运动复健训练，在这个过程中，设备会利用丰富的传感器，记录下患者每次运动的轨迹、速度、力度等数据;最后，在训练结束后，系统会以可视化的方式呈现训练结果，并为医护人员提供分析依据。

根据现有研究成果，上肢康复医疗设备可分为平台式与外骨骼式两大类。平台式上肢康复医疗设备以MIT-MANUS [2] 为代表，该产品由平台、多连杆移动结构部件及肢体固定部件组成，可牵引上肢进行运动。其优势是安全性高、穿脱便捷，但由于是通过手腕及小臂对患肢进行间接牵引控制，对关节姿位及力矩的控制不够精确。外骨骼式康复训练机器人以ARMin 为代表，该产品根据人体关节位置，配置了多个位置、力矩传感器 [3-4]。其优势是自由度较多，训练的精确程度高;但劣势是穿脱繁琐、安全性较低。这两类产品存在一些共性问题，如结构复杂，造价较高等。

3 基于FBS 模型的上肢康复医疗设备设计流程

3.1 识别需求分析

经过文献研究和用户调研，总结出五大类用户需求。（1） 训练需求：满足患者的上肢康复训练需求，经实地调研，每个患者单日训练时间约15 分钟。（2） 安全需求：满足患者在训练过程中的安全性需求，作为医疗用品，尤其要重视安全性设计，如紧急停止功能。（3） 便利需求：首先要满足医护人员操作仪器的便利性需求，主要体现在人性化的人机交互界面。其次要满足患者在训练过程中的便利性需求，如穿脱方便。（4） 情感需求：医疗产品应该关注患者的情感需求，让使用者的主体地位得到体现[5]。在康复训练过程中，患者上肢会有不适感和刺痛感，因此，很多患者有畏难情绪。应该通过趣味性设计和情感化设计来降低病人的抵触情绪，如游戏训练模式，通过小游戏的方式引导用户进行肢体运动。（5） 智能化需求：满足医护人员对患者在康复训练过程中的数据收集和智能分析需求。、

3.2 FBS 映射分析

根据上述需求分析，可以得到以下几个功能点：训练功能、显示功能、移动功能、数据记录与分析功能。其中，训练功能是上肢康复医疗设备的核心功能。对该功能进行FBS 映射分析，首先要对训练行为进行功能拆解，患者使用上肢康复医疗设备来进行康复训练的主要行为有三步：首先将患者肢体进行固定，并提供支撑，然后选择合适的移动装置，最后利用移动装置为患者提供助力/ 阻力，使患肢得到运动。根据实现原理的不同，可以推导出三种产品主体结构方案，如表1。

方案A 和B 是当前市场上已有的解决方案，方案C 则是基于该分析框架所產生的一种新方案。该方案有以下优点：（1） 结构相对简单，意味着制造、维修成本低;（2） 适用性强，该方案对作业平台没有硬性要求，可适用于医院、家庭、养老院等场所的桌面，而无需占用专门的空间来放置;（3） 模块化设计，由于各功能模块的独立性高，所以均可单独采购和配置，以显示功能为例，用户可以选择购置不同尺寸、显示效果的显示器，或者采用已有的显示设备，而无需另外采购。

此外，在分析过程中，还需要综合考虑各种约束条件。以移动功能为例，其满足的是医护人员便捷移动训练设备的需求，可以分解为移动子功能和锁止子功能。其中，移动子功能可以映射为前进、后退、左转、右转四个行为，锁止子功能可以映射为锁止、解锁两个行为。据此分析，则可以通过寻找设计知识库找到无动力与有动力两大类结构解集合，这样就完成了从行为到结构的基本映射，约束条件和设计知识如表2。

根据上述分析，可以得到两个结构解，分别为轮径小、弹性低的无动力PVC 万向轮结构和轮径小、弹性低的PVC 电动轮结构。这两种结构解都符合设计要求，在实际生产过程中可以根据成本预算来进行选择，将其分别应用在不同定位的产品上，便于全面占领高中低档市场。

3.3 FBS 模型生成

FBS 模型是前述分析的最终成果。具体来说，首先，对患者和医护人员进行实地调研，并结合文献研究，总结出训练、安全、便利、情感、智能化五大类用户需求;其次，根据用户需求对产品功能进行分析，得到训练、显示、移动、数据记录与分析功能等四个功能;然后，对功能进行功能—行为映射分析和行为—结构映射分析，得到三种主体结构方案，并选用了其中具有创新性的一种进行细化分析;最后，将这个分析过程进行归纳总结，生成基于FBS 的上肢康复医疗设备概念设计模型。该模型阐明了上肢康复医疗设备的功能、行为、结构三个要素及要素间的逻辑关系，为详细设计与开发提供了参考。

4 结语

针对当前市场上的上肢康复医疗设备的功能形态单一、结构复杂等问题，基于FBS 模型创建了上肢康复医疗设备的概念设计模型，生成了一种转盘机器人式训练设备的创新结构，并总结了基于FBS 模型的上肢康复医疗设备的设计流程，强化了概念设计在设计前期过程中的价值地位，为相关产品设计与开发提供了一种新思路。