基于FAST,法的多关节主被动训练仪设计

现阶段，肢体功能障碍人口已经占全国总人口的6%以上，严重影响着患者的正常工作、生活

。不同程度的肢体损伤患者需要进行适当肢体康复训练以防止肌肉萎缩

。运动康复作为提升人体功能水平的根本途径，也是现代康复治疗的一种重要方式

。运动康复医疗器械包括很多类型，多关节主被动康复训练仪是一种能够使肢体有功能性障碍的患者通过主动和被动两种运动方式进行辅助康复的医疗设备

。目前市场上大多主被动训练仪存在设计不合理、不能满足用户需求的问题。究其原因，在理论研究中，多关节主被动训练仪大多偏向于其结构与可用性等方面，对该产品用户需求的研究较少；
在实践中，设计师缺乏实际用户需求反馈，在设计过程中个人主观因素较多。因此，文章从功能需求角度出发，整合不同用户需求进行设计创新。

1.1 用户需求

用户需求作为产品设计的驱动力，贯穿于产品设计的整个过程中。早在20 世纪70 年代，日本学者Kano 提出了用以表示产品与消费者需求之间关系的KANO 模型

。国内外专家学者纷纷对用户需求展开了不同角度的研究，Kumar 等从用户行为角度出发，研究用户需求

；
王美清等研究了用户需求与产品质量间的映射关系，以ANP 法确定了用户重要度，使在产品质量间的映射更加客观

。

产品设计的前提和基础是充分考虑用户的物质需求和精神需求，并分析产品的相应使用对象、使用功能和使用环境

。随后从不同维度对产品进行全方位解析，包括形态、色彩、材质、功能等。对用户的潜在需求进行调研以明确用户的真实需求，并依托层次分析法对各需求进行优先级排序，划分需求等级。

1.2 FAST 功能树

功能系统技术法又称FAST（Function Analysis System Technique）法，是一种具有高度逻辑层次关系的一种研究方法，采用自上而下的形式体现产品整体的功能架构。建立FAST 功能树的基础是先建立关于产品的黑箱，即将设计重点集中在产品功能上，无法看到内部结构的黑箱模型。一方面，各局部功能围绕满足整体功能展开，在质量与整体功能上严格服务于整体功能，保证各局部功能的高度有效性与完整性；
另一方面，寻求各局部功能形成的可替代性，在满足整体功能的前提下，降低一定的设计生产成本，建立功能与成本的良性关系

。如图1 所示，FAST 功能树从基本功能出发，针对每个功能提出解决方法。

多关节主被动训练仪是能够进行主、被动，上、下肢功能训练的运动型康复医疗设备。主要包括显示器、主机、上肢训练部分、下肢训练部分、腿部固定装置（立杆、绑带）、脚踏板、急停按钮等。内置电机可以维持与上下肢相符的扭力，通过电机设置运动模式带动使用者的四肢，刺激肌肉运动进行主被动训练。多关节主被动训练仪能够在一定程度上刺激神经组织，促进使用者的肢体血液循环，使关节更加灵活，四肢功能更快恢复。

3.1 收集用户需求

黑箱模型又称“经验模型”，是指根据“输入—运行—输出”的模式建立起难以描述事物内部运动规律的功能模型，如图2 所示。产品功能是物质、能量、信息等物理特性间转换的结果，把产品抽象为一个黑箱，通过聚焦黑箱模型，物质流、能量流、信息流的输入与输出可将设计需求有效转化为设计技术方法。

1）人机工学角度：显示屏采用可旋转装置固定；
上肢训练机构中调整手托位置与使用者的距离；
主机架部分采用可升降装置灵活调整机身高度；
显示屏采用可旋转装置固定；
调整下肢机构中内部阻尼与外部空间布置的距离，将足托根据下肢训练机构位置重新进行定位。

建立肢体障碍患者使用多关节主被动康复训练仪时的黑箱，如图3 所示。由该黑箱模型可知，利用黑箱将肢体障碍患者对多关节主被动训练仪的需求转换为设计中的技术要素，并将多关节主被动训练仪的物质、能量、信息转化为肢体障碍患者所希望的输出。在能量流方面，多关节主被动训练仪需要满足患者上下肢给予的作用力，及时引导肢体的作用方向并掌握其关节活动度，因此，通过黑箱将其转换为主被动模式、双向运动并附有痉挛管理系统；
在物质流方面，上下肢关节部位和身体作为该模型中两个重要的物质在加工后保持不变；
在信息流方面，肢体障碍患者在使用多关节主被动训练仪时会产生多样的需求，经过黑箱加工后需求信息反馈出来会发生变化，主要变化在改善舒适感方面起到了重要作用。由此得出，该产品设计前期的重点是信息流的加工，即整合功能、调节部件、改善其安全性和舒适性等方面。

3.2 确定需求权重

用户需求的优先级排序是构建产品功能模型的关键步骤，同时也是进行多关节主被动训练仪造型设计的重要依据。将多关节主被动训练仪的用户需求利用层次分析法的分析，将调研问卷设置为9 个维度，通过15 名使用者评分，根据多关节主被动训练仪各需求指标权重，建立起判断矩阵并计算用户需求权重。依据重要程度将用户需求分为关键需求、重要需求和一般需求三个阶段，为后续多关节主被动训练仪设计提供了方向。得出结果：在关键需求中，功能性占第一位，易用性权重值相对较高；
在重要需求中安全防护、警示性权重值较高；
在一般需求中，美观性权重值较高。排序结果，如表2 所示。

在多关节主被动训练仪FAST 功能树中，将主被动训练作为该产品的基本功能定位于功能树中功能需求下的第一行第一列；
在次级功能中，人机工学是安全需求的重要影响因素，位于第一行第二列；
在舒适美观性中需要考虑综合因素，因此将其作为第二个次级功能，位于第一行第三列。

3.3 建立黑箱模型

对包括使用者、产品相关设计师、工程师及市场人员等在内的群体，通过采用访谈与问卷调研等方式获得相关需求，最终筛选合并得到11 项用户需求，对各项用户需求进行描述，如表1 所示。

依据马斯洛需求层次理论可知，人们在满足低层次的需求后，便会追求更高层次的需求。在产品设计中，如何较为合理地满足用户各层级的需求变得至关重要。文章在对用户的生理特征、心理特征及产品的生产条件、使用环境等方面进行详尽分析的基础上，结合马斯洛需求层次论，将多关节主被动训练仪需求分为一般需求、重要需求和关键需求三个层次。

无机化学是一门以实验为入手和学习的一门课程，在理论课后要用实验去巩固所学习的知识，在做实验的过程中，需要向学生灌输认真细致的实验态度，追求实事求是的结果。实验可以检验课本所教授的知识，同时可以强化理论的学习，巩固理论知识。

3.4 创建FAST 功能树

根据用户需求权重结果，将多关节主被动训练仪需求进行分析汇总并映射到功能上，按照FAST 功能树建立系统功能，探讨多关节主被动训练仪设计中各子功能与基本功能之间的关系，确定功能需求、安全需求、舒适美观性作为多关节主被动训练仪设计的主要因素。在主要因素基础上对功能需求进行细化，从局部到整体进行设计开发，以此建立新的产品概念。得到多关节主被动训练仪FAST 功能树，如图4 所示。

本次研究结果显示，术前超声误诊良性结节3个，误诊甲状腺癌6个，超声诊断甲状腺癌的灵敏度为70%，特异度为92.5%。甲状腺癌的声像图特征表现较为复杂，即便相同病理类型也会有不同的声像图表现，不同病理类型也会出现相同的声像图表现，因此甲状腺癌的临床诊断中，应综合考虑超声声像图表现的各项指标，这就需要从结节数量、形态、边界、回声强度、回声均匀、微小钙化、肿大淋巴结、Ⅲ型血流、囊变多个方面来进行综合鉴别。

（1）单列“税金及附加”总账科目，并在“业务活动表”中单列“税金及附加”项目，以核算、列示民非组织计提的各项流转税、附加税及其他税费。

殷明双手紧紧扣着坑沿的泥土，双腿悬空着，似乎都能感受到蛇信子舔着自己的鞋底了。他仰起头，女友秦容冷冷站在坑边望着他。扭过头，另一边站着自己的室友郑云涛和向华杰，大笑着，看着他指手画脚。他想喊救命，可是嗓子眼似乎被堵住了，一点声音都发不出来。他的脸因为恐惧扭曲得几乎变了形，他奋力地想爬出去，双手却越来越无力。终于，他滑了下来，坠向无底的深渊……

将各设计方案综合考虑用户需求反馈、设计可行性、生产难度、企业成本投入及社会效益等因素后，经过草图方案推敲、三维建模及渲染得出具体设计方案（如图5）。主要创意点为：

4.1 建立设计要素矩阵

根据多关节主被动训练仪FAST 树中各项功能与子功能的关系，从使用功能、安全需求和舒适美观性三个方面展开思维发散，利用头脑风暴、创意整合等方式与现有产品实际问题相结合，充分考虑使用者的需求，针对单项功能提出技术方案，将各技术方案进行整合，得出多种整体设计方案，选取最佳方案。因此，设计要素矩阵的建立可以更方便地选取和分析最佳设计方案。多关节主被动训练仪形态矩阵，如表3 所示。

多关节主被动训练仪主要由显示屏、上肢训练机构、主机架、下肢训练机构及底部支架五大部分组成。表3 中设计要素矩阵主要针对功能树中该产品各级子功能提出设计方案。

4.2 多关节主被动训练仪方案设计

通过对第1 行中的各项功能进行分解，并结合使用者的实际需求对产品进一步细化，可以得出主、被动运动是多关节主被动训练仪正常运行的关键。在功能需求方面：将主动运动与被动运动作为肢体康复训练模块的子功能模块。另外，设置时间和配速也是影响用户操作精度的重要因素，因此亦归属在使用产品模块中；
在安全需求模块方面：结合产品设计中的人机工学理论，分析得出防碰撞、防痉挛、急停装置、故障警示、结构布局等关系到使用者操作安全的子功能；
在产品的舒适美观性方面：为保证使用产品的舒适性和便利性，可以根据用户的需求分解出视觉形态、色彩感知、方便操作、互动游戏、娱乐作业和情感体验等综合因素作为子功能。

《烃加工》杂志近日发布了10个入围2018年“顶级项目奖”的提名。其中，炼油项目4个，石化项目6个。“顶级项目奖”由《烃加工》每年评选，今年入围的10个提名项目的总投资达到800亿美元，舟山炼化一体化项目和辽宁石化一体化项目入围石化项目提名。这些项目在资本投入、满足国家和区域的市场需求以及复兴炼油化工行业等方面起到了重要作用。除辽宁和舟山项目外，来自阿曼、俄罗斯、美国、沙特、埃及、尼日利亚和加拿大的炼化项目入围。

2）形态设计方面：为用户安全考虑以达到防碰撞的目的，在造型设计中，上肢训练机构采用四边形并做圆角处理，组合以稳固的方管型主机架、圆形下肢训练机构、不易产生晃动的工字型底盘，曲线具有缓和作用，给人以亲近的感觉。

3）色彩搭配角度：主体颜色选取给人安全感的白色；
底座以深灰色点缀，加强该产品的稳重感；
把手与足托位置选用黑色强调上下肢训练的功能；
机身装饰用橙色能够拉近使用者的距离，避免医疗器械的冰冷感。

文章首先利用层次分析法将用户需求整合得出功能需求、安全需求和舒适美观性三个重要影响因素。然后通过建立黑箱模型，得出该产品的设计重点，利用FAST 功能树有效地界定出该产品各功能之间的相互关系，得到多关节主被动训练仪相关设计的可行性因素，建立设计要素矩阵。最后经过最优组合得出设计方案，验证了该流程的可行性，从而指导了多关节主被动训练仪设计。FAST 功能技术分析法在运动康复类产品设计中的应用，能够充分考虑用户的使用需求，真正从用户角度寻找设计的出发点。从而为用户带来更好的使用体验，促进康复医疗类产品的换代升级，为企业和设计师提供新的设计方向。

[1]吴宏健，李莉娜，李龙，等.脑卒中后手功能康复机器人综合干预研究进展[J].生物医学工程学杂志，2019，36（1）：151-156.

[2]王年文，刘蕴华.基于FBS 模型与可拓变换的手部康复产品设计方法[J].机械设计，2020，37（10）：139-144.

[3]尹莲花，郑彦，伍丽娟，等.运动康复对功能水平和体质健康影响的研究进展[J].康复学报，2021，31（05）：431-436.

[4]赵海容，李继文，魏俊国.多关节主被动训练在偏瘫痉挛康复中的疗效[J].世界最新医学信息文摘，2018，18（29）：40-41.

[5]KANO N,SERAKU N.Attractive quality and must-be quality[J].Quality,1984,14(1):1-3.

[6]KUMAR V,SEN S,ROY S S,et al.Design optimization of serial link redundant manipulator:an approach using global perform-ance metric[J].Procedia Technology,2014,14:43-50.

[7]王美清，唐晓青.产品设计中的用户需求与产品质量特征映射方法研究[J].机械工程学报，2004（05）：136-140.

[8]魏雅莉，钟蕾.机械产品造型设计中的情感要素研究[J].机械设计，2011，28（12）：6-8.

[9]Kevin N Otto，Kristin L Wood.齐春萍，译.产品设计[M].北京：电子工业出版社，2007.