基于QFD 和TRIZ 理論的康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

劉宏越 李嘉欣 胡昌格

（天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

近年來，隨著社會(huì)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(fù)系統(tǒng)將迎來新的機(jī)遇[1]。將機(jī)器人設(shè)備應(yīng)用于日常生活、康復(fù)訓(xùn)練、災(zāi)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(diǎn)[2]。康復(fù)機(jī)器人的出現(xiàn)適合周期長、高頻率、高重復(fù)的醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練，可以將康復(fù)訓(xùn)練醫(yī)師從單一性的勞動(dòng)中解放出來[3]。為了有效解決康復(fù)機(jī)器人的用戶需求和設(shè)計(jì)要素，設(shè)計(jì)流程需借助QFD、TRIZ 理論進(jìn)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(shí)難民住房設(shè)計(jì)，并提供一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案[4]；韋艷麗等將QFD 與TRIZ 理論相融合應(yīng)用于帕金森患者助行器優(yōu)化設(shè)計(jì)中，實(shí)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(diǎn)，構(gòu)建QFD 與TRIZ 集成設(shè)計(jì)模型對(duì)電熱水器進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高了用戶的使用滿意度[6]；QFD 強(qiáng)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(yàn)調(diào)查和評(píng)價(jià)收集用戶反饋信息進(jìn)行合理評(píng)估，但無法獲得詳盡的解決途徑。而TRIZ 通過對(duì)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析、構(gòu)建沖突矩陣，并對(duì)發(fā)明原理進(jìn)行搜索以獲得最優(yōu)解，但是無法對(duì)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(biāo)指向，TRIZ 注重具體功能的實(shí)現(xiàn)途徑?；诖耍恼禄赒FD 及TRIZ理論探討康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)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(jì)要素之間的關(guān)系[7]，強(qiáng)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(jì)要素之間的需求轉(zhuǎn)化，是基于用戶需求啟動(dòng)的產(chǎn)品創(chuàng)新方法[9]，它的表達(dá)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(dǎo)入用戶需求信息與重要度；（2）天花板是針對(duì)各項(xiàng)用戶需求逐一列出相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素；（3）房間為用戶需求與設(shè)計(jì)需求要素之間的關(guān)系矩陣；（4）屋頂可以確定設(shè)計(jì)需求要素之間的正負(fù)關(guān)聯(lián)性；（5）右墻可以計(jì)算市場的競爭能力，用于顧客評(píng)價(jià)產(chǎn)品彼此的競爭關(guān)系；（6）計(jì)算地板設(shè)計(jì)要素需求的重要度，反映了創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)具有一定的挑戰(zhàn)性；（7）地下室計(jì)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(xiàng)設(shè)計(jì)要素的新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)水平，并進(jìn)行定量評(píng)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(xué)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(rèn)為設(shè)計(jì)師對(duì)待設(shè)計(jì)過程中的矛盾沖突不應(yīng)采取妥協(xié)、折中的方式，而是應(yīng)該完全解決矛盾沖突。TRIZ 理論將待設(shè)計(jì)產(chǎn)品的核心問題轉(zhuǎn)述為TRIZ 系統(tǒng)的表達(dá)方式，再利用40條創(chuàng)新原理、矛盾矩陣表、功能分析、76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解和TRIZ 等解決問題的基本工具，幫助設(shè)計(jì)者打破以往進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的固化思維，迅速求解出該問題的最優(yōu)解[12]。

2 康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

康復(fù)機(jī)器人起源于20 世紀(jì)80 年代，如今，康復(fù)機(jī)器人的研究涉及康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)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(duì)老齡化或殘障人群的康復(fù)機(jī)器人，從功能設(shè)計(jì)上可將它大致分為康復(fù)訓(xùn)練、生活輔助康復(fù)機(jī)器人兩大類[13-14]?？祻?fù)訓(xùn)練類機(jī)器人可以通過主動(dòng)和被動(dòng)的康復(fù)訓(xùn)練模式，輔助相關(guān)人群完成各種運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)訓(xùn)練，降低服務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。生活輔助類康復(fù)機(jī)器人為人群提供各種生活輔助并補(bǔ)償它弱化的機(jī)體功能。此外，助力類型大致分為主動(dòng)型助力和被動(dòng)型助力兩種[2]。不同的助力類型對(duì)人的使用、心理和生理體驗(yàn)，以及對(duì)康復(fù)機(jī)器人的性能評(píng)價(jià)均會(huì)造成不同的影響。

3 基于QFD 和TRIZ 理論的康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)思路

研究將QFD 和TRIZ 理論整合并應(yīng)用，QFD 以用戶需求為驅(qū)動(dòng)，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(yīng)用框架，如圖2 所示。

圖2 基于QFD、TRIZ 理論的集成創(chuàng)新應(yīng)用框架

3.1 康復(fù)機(jī)器人的質(zhì)量屋構(gòu)建

建立康復(fù)機(jī)器人質(zhì)量屋的第一步是組建QFD 團(tuán)隊(duì)小組，進(jìn)行老齡化或殘障人群患者調(diào)研和康復(fù)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(duì)每項(xiàng)需求進(jìn)行重要性程度分級(jí)，可用1 至5 來表示，重要度隨數(shù)字逐級(jí)遞增，用戶需求可用權(quán)重表示：

對(duì)調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果解析，康復(fù)機(jī)器人設(shè)備用戶需求如下：（1）造型獨(dú)特美觀；（2）色彩搭配合理；（3）材料選取恰當(dāng)；（4）功能齊全；（5）機(jī)器人易穿戴、可調(diào)節(jié)；（6）機(jī)器人使用操作簡易化；（7）機(jī)器人的康復(fù)助力力度；（8）機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)匹配性；（9）機(jī)器人輕量化；（10）交互順暢，符合人因關(guān)系；（11）提前避險(xiǎn)意識(shí)，安全性強(qiáng)；（12）久經(jīng)耐用，適應(yīng)不同環(huán)境；（13）適用不同的康復(fù)訓(xùn)練活動(dòng)；（14）維護(hù)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(jì)要素定性問題量化處理，以便對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素的可行性進(jìn)行科學(xué)評(píng)估：

根據(jù)目標(biāo)用戶實(shí)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(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)需求要素的重點(diǎn)在于：（1）助力機(jī)器人結(jié)構(gòu)：輸送壓管、肢體（輸送受力）轉(zhuǎn)軸、負(fù)載轉(zhuǎn)換裝置、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)；（2）整體尺寸：轉(zhuǎn)軸尺寸、壓桿尺寸、電機(jī)尺寸、負(fù)載支撐尺寸；（3）傳感器應(yīng)用：肌肉疲勞程度感應(yīng)、障礙感應(yīng)預(yù)警、關(guān)節(jié)力感應(yīng)；（4）動(dòng)力供給裝置：主動(dòng)性供給電池、被動(dòng)性柔性材料。

為了規(guī)劃新產(chǎn)品的市場定位、評(píng)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(duì)手的產(chǎn)品進(jìn)行比較。市場競爭力M可用5 個(gè)數(shù)值表示，1 至5分別為：次弱、弱、中強(qiáng)、次強(qiáng)、強(qiáng)競爭力，則：

提前預(yù)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(píng)分。采用下列1 至5 個(gè)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(jì)要素關(guān)系矩陣的建立

在建立關(guān)系矩陣時(shí),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(jì)需求要素的映射關(guān)系，可用0～9 標(biāo)度表示量化處理的相關(guān)程度。即為用戶要求與設(shè)計(jì)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(jì)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(biāo)度表示，關(guān)系度等級(jí)。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(jì)要素映射關(guān)系并結(jié)合各項(xiàng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以此來建立完整的康復(fù)機(jī)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(jī)構(gòu)與康復(fù)機(jī)器人關(guān)節(jié)力感應(yīng)；（2）肌肉疲勞程度感應(yīng)與負(fù)載轉(zhuǎn)換裝置；（3）電機(jī)尺寸大小與電機(jī)供給量。

建立原問題的求解問題模型：（1）裝置的復(fù)雜性——監(jiān)控與測試的困難程度，對(duì)應(yīng)解決方法：10、15、28、37，預(yù)操作、動(dòng)態(tài)化、機(jī)械系統(tǒng)的替代、熱膨脹；（2）測試精度——運(yùn)動(dòng)物體重量，對(duì)應(yīng)解決方法：26、28、32、35，復(fù)制、機(jī)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(duì)應(yīng)解決方法：6、9、15、27，多用性、增加反作用、動(dòng)態(tài)化、廉價(jià)替代品，如表2 所示。

表2 康復(fù)機(jī)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(fù)機(jī)器人，與上述矛盾類型對(duì)應(yīng)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(yīng)用如下：

1）動(dòng)態(tài)化：根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，肢體轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)感應(yīng)力是康復(fù)機(jī)器人的主要需求之一。與以往協(xié)助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的設(shè)備不同，康復(fù)機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)收集與控制器數(shù)據(jù)分析處理，向機(jī)器人發(fā)出命令并執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)助完成康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。因此，康復(fù)機(jī)器人的轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)不得干預(yù)關(guān)節(jié)活動(dòng)角度的范圍，以及關(guān)節(jié)力感應(yīng)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(jī)構(gòu)協(xié)同一體，利用轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍帶動(dòng)傳感器活動(dòng)，使不動(dòng)變可動(dòng)，增加它的自適應(yīng)性和關(guān)節(jié)力感應(yīng)精準(zhǔn)度。

2）參數(shù)變化：老齡化、殘障人群等需要康復(fù)或助力運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，幫助患者恢復(fù)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(fù)訓(xùn)練設(shè)備負(fù)載裝置的靜載強(qiáng)度往往會(huì)使肌肉疲勞。在保證康復(fù)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)速度、驅(qū)動(dòng)力矩和關(guān)節(jié)活動(dòng)角度等前提下，針對(duì)不同部位的負(fù)載裝置選擇不同的材料，確保負(fù)載裝置具備適當(dāng)強(qiáng)度、輕量化、柔韌性等。在一定程度上降低負(fù)載裝置的靜載強(qiáng)度對(duì)患者產(chǎn)生的身體機(jī)能損耗和肌肉疲勞，為患者帶來盡可能高效的康復(fù)訓(xùn)練。

3）多用性：目前使用康復(fù)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(jī)尺寸和電池性能配置是提供康復(fù)訓(xùn)練時(shí)長的關(guān)鍵因素。在保證電機(jī)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(dòng)性供給電池吸收其他形式的能量，并可將它儲(chǔ)蓄為電能，通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)遞，提高主動(dòng)性供給電池的持續(xù)性和電機(jī)轉(zhuǎn)換效率的性能配置，降低康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備的充電頻率。

4 康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)踐

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在康復(fù)過程中，助力施力點(diǎn)在腰部L4/L5～S1。腰部生物力學(xué)模型以較常見的舉重為例進(jìn)行研究[15]。以L5/S1 關(guān)節(jié)處平衡進(jìn)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(duì)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(dòng)重物時(shí)保持靜態(tài)平衡，則O點(diǎn)處力矩之和應(yīng)為零，可得到以下公式：

在不穿戴康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備時(shí)，人彎腰搬運(yùn)重物時(shí)腰椎或骶椎所受壓力F4 的計(jì)算公式：

將人物進(jìn)行簡化，如圖4 所示。并模擬康復(fù)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(jìn)一步為康復(fù)機(jī)器人提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

圖4 人物關(guān)節(jié)散點(diǎn)簡化圖

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

圖6 康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

在外觀造型設(shè)計(jì)方面，整體線條曲直結(jié)合，對(duì)康復(fù)機(jī)器人的輸壓轉(zhuǎn)軸、負(fù)載支撐裝置、腿部固定裝置等機(jī)械外觀造型進(jìn)行精致細(xì)化處理，運(yùn)用Rhino 進(jìn)行2D 概念設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)化為3D設(shè)計(jì)模型，并通過Keyshot 軟件進(jìn)行模型色彩、材質(zhì)等渲染，得到康復(fù)機(jī)器人的外觀設(shè)計(jì)效果圖，如圖7 所示。

圖7 康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)效果圖

5 結(jié)論

當(dāng)前我國社會(huì)老齡化趨勢明顯、殘障人群日益增多，新一代的醫(yī)療康復(fù)系統(tǒng)及康復(fù)機(jī)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(jì)要素需求的有效轉(zhuǎn)化并進(jìn)行相關(guān)性評(píng)估，功能需求與設(shè)計(jì)要素之間正負(fù)相關(guān)性的矛盾沖突由TRIZ 理論解決，再運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助軟件虛擬設(shè)計(jì)出創(chuàng)新方案。通過設(shè)計(jì)實(shí)例論證康復(fù)機(jī)器人人因工程智能裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）保證康復(fù)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(dòng)自由度和感應(yīng)精準(zhǔn)度；（2）肌肉疲勞程度和康復(fù)設(shè)備機(jī)構(gòu)靜載強(qiáng)度的適配性，當(dāng)前主動(dòng)型機(jī)器人康復(fù)訓(xùn)練效果明顯，但外骨骼框架過于繁重，導(dǎo)致先行消耗患者的身體機(jī)能，預(yù)先造成肌肉疲勞，大大降低了康復(fù)的訓(xùn)練效率；（3）電機(jī)尺寸與主動(dòng)性供給電池的性能配置，現(xiàn)有的康復(fù)訓(xùn)練設(shè)備需頻繁的為電池供電、設(shè)備充電，且在電機(jī)轉(zhuǎn)換能量的過程中存在部分能量損失，導(dǎo)致儲(chǔ)能成本高，能量轉(zhuǎn)換效率低，能量利用率低等情況；（4）康復(fù)機(jī)器人不夠擬人化，可能會(huì)擦傷穿戴者的人體皮膚、同時(shí)薄弱的感知應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)情況的處理能力，以及抗干擾性差等問題也會(huì)導(dǎo)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(hào)采集與處理的研究，接下來將進(jìn)一步通過仿真模擬軟件與肌電儀進(jìn)一步完善研究，為后續(xù)迭代康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。