基于AHP-TRIZ 的家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)研究

宋端樹， 裴超文

（1.江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116； 2.韓國國民大學(xué)TED 技術(shù)設(shè)計(jì)大學(xué)院， 韓國 首爾 02910）

0 引言

人口老齡化背景下， 因身體機(jī)能老化與各種疾病、事故等非自然因素引發(fā)的下肢運(yùn)動(dòng)障礙患者數(shù)量逐年增加[1-2]。 醫(yī)學(xué)研究表明，及時(shí)有效的康復(fù)訓(xùn)練能夠幫助患者改善或重建運(yùn)動(dòng)機(jī)能[3]。傳統(tǒng)的康復(fù)機(jī)構(gòu)治療的方式由于受到場地距離和時(shí)間的限制， 給患者及其家庭帶來極大不便，且其一對(duì)一的康復(fù)訓(xùn)練形式，效率低下，受康復(fù)師體力、訓(xùn)練技巧和強(qiáng)度等多方面因素的影響，康復(fù)效果存在諸多不確定性，且康復(fù)資源缺口較大[4]，加之后疫情時(shí)代大眾的居家康復(fù)保健需求激增。 因此， 讓患者足不出戶便可享受到優(yōu)質(zhì)的康復(fù)治療成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 亟需加快推進(jìn)簡便、有效、舒適的家用康復(fù)器械的研發(fā)進(jìn)程來提升康復(fù)治療患者的生活質(zhì)量[5]。

目前，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)在下肢康復(fù)器械的研究上已經(jīng)取得了很多成果[6-12]。 但針對(duì)下肢康復(fù)器械的研究內(nèi)容主要集中在醫(yī)療中心專業(yè)康復(fù)器械， 外骨骼式康復(fù)機(jī)器人等的研發(fā)和應(yīng)用方面， 亟需加快推動(dòng)康復(fù)器械朝著小型化和家用化的方向發(fā)展。 目前針對(duì)下肢康復(fù)器械的研究多用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的方法， 如利用EDEM 軟件對(duì)康復(fù)儀按摩過程進(jìn)行數(shù)值模擬[13]，利用D-H 法對(duì)履步康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模[14]，在結(jié)構(gòu)、數(shù)值等方面足夠精確，但并未全面考慮到用戶需求。 有少部分研究基于用戶需求，運(yùn)用Delphi 法、模糊綜合評(píng)價(jià)等方法為產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案提供決策依據(jù)，但尚無法全面提供系統(tǒng)解決方案。 將AHP 層次分析法（Analytic Hierarchy Process）和TRIZ 理論（Theory of the Solution of Inventive Problems）集成應(yīng)用，通過目標(biāo)對(duì)象的AHP 評(píng)價(jià)確定家用腳踏康復(fù)機(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)而應(yīng)用TRIZ 發(fā)明理論提供解決方案，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)， 為下肢失能人群家用運(yùn)動(dòng)康復(fù)器械的設(shè)計(jì)研究提供建議和指導(dǎo)。

1 AHP-TRIZ 概述

AHP 是將與目標(biāo)主題相關(guān)的元素分解成多個(gè)層級(jí)，在此基礎(chǔ)上兩兩比較確定同一層級(jí)元素相對(duì)上一層級(jí)元素的數(shù)量關(guān)系的一種決策方法[15]。 在產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，應(yīng)用AHP 能夠?qū)τ脩粜枨筮M(jìn)行量化評(píng)價(jià)，有效提取產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵問題，彌補(bǔ)傳統(tǒng)主觀評(píng)價(jià)的缺陷。

TRIZ 是在各國眾多高水平專利和自然科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上整理歸納出的一種解決設(shè)計(jì)問題的理論， 能夠?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新思維模式[16]。 TRIZ 著力于解決設(shè)計(jì)中存在的矛盾， 利用工程參數(shù)和矛盾矩陣形成具體的解決方案，能有效彌補(bǔ)AHP 在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的不足，將關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為技術(shù)參數(shù)。

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程就是不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程， 應(yīng)用AHP 可以評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)的優(yōu)先等級(jí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新要解決的的核心問題。TRIZ 的突出優(yōu)勢(shì)是能夠?yàn)锳HP 評(píng)價(jià)中的核心問題提供針對(duì)性的解決方案。 AHPTRIZ 集成模型將產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中核心問題的析出與解決過程有效銜接，集發(fā)現(xiàn)問題與解決問題為一體，能夠彌補(bǔ)單一理論缺陷，有效實(shí)現(xiàn)AHP 和TRIZ 二者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2 AHP-TRIZ 模型的集成應(yīng)用流程

AHP-TRIZ 集成模型將AHP 指標(biāo)評(píng)價(jià)與TRIZ 發(fā)明原理有效結(jié)合，集成研究方法與流程，見圖1。

圖1 AHP 和TRIZ 集成模型

2.1 應(yīng)用AHP 評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)

（1）構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)。通過前期的桌面調(diào)研、訪談、問卷等方式獲取產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行篩選、分解、組合，建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層遞階層次結(jié)構(gòu)。

（2）層次單排序。 以目標(biāo)層為比較基準(zhǔn)，計(jì)算準(zhǔn)則層因子之間的相對(duì)重要度； 進(jìn)而分別計(jì)算每一準(zhǔn)則層因子下指標(biāo)層因子之間的相對(duì)重要度，即為層次單排序。計(jì)算步驟：首先，構(gòu)造判斷矩陣。 以表1 種的標(biāo)度量化值為重要度評(píng)價(jià)依據(jù)，分別對(duì)準(zhǔn)則層因子及隸屬同一準(zhǔn)則層、指標(biāo)層因子間的相對(duì)重要度進(jìn)行兩兩比較。 構(gòu)造出判斷矩陣A=（aij）n×n，其中aij表示因素i 與因素j 相比的重要程度[17]，且aij=1/aji；其次，采用列向量平均值法計(jì)算權(quán)重。

表1 判斷標(biāo)度量化值及含義

并求得特征向量W

式中：（AW）i表示向量AW 的第i 個(gè)元素。

最后，一致性檢驗(yàn)。 一致性比例CR 值直接決定一致性檢驗(yàn)的結(jié)果，即：

式中：n 為矩陣階數(shù)；RI 為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)， 取值見表2。 當(dāng)CR＜0.10，則表明判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)[18]。

表2 1- 9 階判斷矩陣的隨機(jī)一致性指標(biāo)

（3）層次總排序。 將層次單排序過程中所獲取的指標(biāo)層各因子的權(quán)重值與其所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則層因子的權(quán)重值相乘，其結(jié)果則為各設(shè)計(jì)指標(biāo)的綜合權(quán)重值。

2.2 應(yīng)用TRIZ 進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（1）確定沖突及類型。 依據(jù)AHP 評(píng)價(jià)結(jié)果，按照用戶對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求優(yōu)先級(jí)， 確定產(chǎn)品創(chuàng)新的核心設(shè)計(jì)點(diǎn)。 對(duì)于這些核心點(diǎn)之間的存在的矛盾沖突及其類型，借助TRIZ 的39 個(gè)通用工程參數(shù)來描述并確定。 其中，技術(shù)沖突表現(xiàn)為提升系統(tǒng)中某一參數(shù)特性會(huì)致使其他參數(shù)惡化，物理沖突則表現(xiàn)為對(duì)同一個(gè)工程參數(shù)有相反的需求。

（2）解決矛盾沖突。確定沖突類型后，從TRIZ 分離原理（對(duì)應(yīng)物理沖突）或沖突解決矩陣表（對(duì)應(yīng)技術(shù)沖突）中尋找到?jīng)_突對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理， 最終技術(shù)措施方案的選定需在滿足用戶總體需求的同時(shí)兼顧可實(shí)現(xiàn)性。

3 AHP-TRIZ 模型在家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用AHP 評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)

（1）構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型。以下肢功能障礙患者為研究對(duì)象，走訪多家康復(fù)中心，對(duì)接受下肢康復(fù)訓(xùn)練的患者及少部分為患者家屬和康復(fù)中心具備專業(yè)知識(shí)技能的醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行一對(duì)一訪談， 結(jié)合問卷調(diào)查和行為觀察等方法深入了解目標(biāo)對(duì)象對(duì)現(xiàn)有下肢康復(fù)器械的使用痛點(diǎn)與期望需求， 獲得下肢康復(fù)器械的原始設(shè)計(jì)指標(biāo)27 項(xiàng)，排除非設(shè)計(jì)項(xiàng)、整合相近項(xiàng)，最終確定家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)共16 項(xiàng)。以家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)作為目標(biāo)層，應(yīng)用卡片分類法對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行層次分類，見圖2。

圖2 卡片分類小組討論

通過對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行篩選、分解、組合，并結(jié)合專家小組意見，獲得準(zhǔn)則層指標(biāo)，即安全性、功能性、操作性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性等5 項(xiàng)。 最終構(gòu)建家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型，見圖3。

（2） 確定設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)重。 為突出關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求， 針對(duì)圖3中準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的設(shè)計(jì)指標(biāo)， 結(jié)合表1設(shè)計(jì)2 份AHP 問卷，分別針對(duì)準(zhǔn)則層設(shè)計(jì)指標(biāo)間的相對(duì)重要度， 以及每一準(zhǔn)則層下的指標(biāo)層設(shè)計(jì)因子間的相對(duì)重要度進(jìn)行兩兩比較， 要求被調(diào)查者依據(jù)表1 中的判斷標(biāo)度及相應(yīng)的量化值進(jìn)行打分。

圖3 家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型

赴徐州市中醫(yī)院康復(fù)中心進(jìn)行實(shí)地問卷，見圖4，共發(fā)放了四批調(diào)查問卷，每批50 份，問卷填寫用戶主要為到康復(fù)中心進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的患者。

圖4 徐州市中醫(yī)院康復(fù)中心實(shí)地調(diào)研

最終收回有效問卷172 份， 男女比例約為5∶4。 對(duì)有效問卷的打分情況進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)重見表3。

表3 家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)的權(quán)重

（續(xù)表3）

對(duì)上表中的綜合權(quán)重進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序， 調(diào)研小組綜合考慮多方面因素后選取結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，尺寸可調(diào)節(jié)，材料可靠，器械便攜，助力驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)，器械通用性高等前6 位指標(biāo)作為創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心。

3.2 應(yīng)用TRIZ 解決矛盾沖突

綜合分析6 項(xiàng)核心設(shè)計(jì)點(diǎn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案可以獲知： 在家用腳踏康復(fù)機(jī)這6 項(xiàng)核心設(shè)計(jì)指標(biāo)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案中均存在著一定程度的技術(shù)沖突，分析如下：

（1）矛盾一問題分析。 分析得出，“結(jié)構(gòu)穩(wěn)固”和“器械便攜”這兩個(gè)指標(biāo)存在技術(shù)沖突，若增強(qiáng)家用腳踏康復(fù)機(jī)的“結(jié)構(gòu)穩(wěn)固”特性，意味著其“質(zhì)量”和“體積”很可能會(huì)隨之增大，從而導(dǎo)致“器械便攜”特性降低。 因此該技術(shù)矛盾可表述為：“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”的改進(jìn)引發(fā)“靜止物體的重量”與“靜物的體積”惡化。 在TRIZ 的沖突矩陣表中求得解決矛盾一的發(fā)明原

理，見表4。

表4 解決矛盾一的發(fā)明原理

（2）矛盾二問題分析。 分析得出，“尺寸可調(diào)節(jié)”，“助力驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)”和“器械通用性高” 這三個(gè)指標(biāo)的設(shè)計(jì)都對(duì)產(chǎn)品的“適應(yīng)性和多用性”有較高需求，若要提高產(chǎn)品的“適應(yīng)性和多用性”，意味著其“重量”及“系統(tǒng)的復(fù)雜程度”也會(huì)相應(yīng)提高。 因此確定技術(shù)沖突為：“適應(yīng)性及多用性”的改進(jìn)導(dǎo)致“運(yùn)動(dòng)物體的重量”與“裝置的復(fù)雜性”惡化。 查詢TRIZ 的沖突矩陣表，求得解決矛盾二的發(fā)明原理，見表5。

表5 解決矛盾二的發(fā)明原理

4 家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過分析得出：40 號(hào)發(fā)明原理能有效解決矛盾一，15號(hào)發(fā)明原理能有效解決矛盾二， 并將其應(yīng)用于家用腳踏康復(fù)機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)見表6。

表6 原理解釋及應(yīng)用

依據(jù)表4、表5 的分析，將復(fù)合材料原理和動(dòng)態(tài)原理應(yīng)用于家用腳踏康復(fù)機(jī)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行創(chuàng)新性概念發(fā)散。設(shè)計(jì)過程中以人機(jī)工程學(xué)為指導(dǎo)，合理配置產(chǎn)品尺寸，同時(shí)兼顧主流受眾人群的生理、心理特征及需求，最終確定基于AHP-TRIZ 的家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)方案見圖5。

圖5 家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)方案

產(chǎn)品設(shè)計(jì)見圖6，其主要?jiǎng)?chuàng)新之處如下：①器械基座采用三角形結(jié)構(gòu)，且底部設(shè)有平衡支架，增加受力面積，提升穩(wěn)定性；②器械多部件（把手、座椅）的高度和角度可調(diào)節(jié)；采用雙向驅(qū)動(dòng)軸，滿足不同用戶在不同訓(xùn)練模式下的不同需求，通用性高，且腳踏驅(qū)動(dòng)軸可雙向旋轉(zhuǎn)；③器械多部件 （扶手桿，座椅， 腳踏板，底部支架）可收縮折疊，輕量便攜，且底部的滾輪設(shè)計(jì)也增加了器械移動(dòng)的便捷性。

圖6 使用狀態(tài)

5 結(jié)束語

文中基于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)單一理論間的缺陷與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)， 提出了一種基于AHP 和TRIZ 理論的集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式， 該模型能夠針對(duì)AHP 評(píng)價(jià)獲取的用戶核心需求，巧妙發(fā)揮TRIZ 對(duì)其矛盾沖突的解決優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供有效的解決方案。 應(yīng)用AHP-TRIZ 集成模型對(duì)用戶需求進(jìn)行產(chǎn)品化表達(dá)具有較強(qiáng)的針對(duì)性。 基于AHPTRIZ 集成模型的家用腳踏康復(fù)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有理論指導(dǎo)與實(shí)踐參考作用。