基于TRIZ-PUGH的頸椎牽引器設(shè)計(jì)研究

關(guān)鍵詞：頸椎牽引器；物質(zhì)－場(chǎng)模型；TRIZ；76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解；PUGH

引言

頸椎病是一種發(fā)病率逐年上升的常見(jiàn)疾病?？烧{(diào)節(jié)頸椎牽引器因其適應(yīng)性強(qiáng)，在多種類(lèi)型的頸椎病治療中被廣泛應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于頸椎牽引產(chǎn)品的研究側(cè)重于設(shè)計(jì)制造與技術(shù)創(chuàng)新方面[1-6]，設(shè)計(jì)過(guò)程缺乏全面的理論框架，無(wú)法針對(duì)用戶(hù)個(gè)人頸椎狀況滿(mǎn)足其個(gè)性化需求。本研究從用戶(hù)需求出發(fā)，提出一個(gè)完整的設(shè)計(jì)流程框架，優(yōu)化產(chǎn)品與用戶(hù)的交互方式，改善用戶(hù)體驗(yàn)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，學(xué)者們通過(guò)發(fā)明問(wèn)題解決理論（Theory ofInventive Problem Solving，TRIZ ）與其他技術(shù)手段結(jié)合應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中[7]，可有效識(shí)別并解決矛盾，形成系統(tǒng)化設(shè)計(jì)策略[8]；通過(guò)TRIZ 中的功能分析（Function Analysis，F(xiàn)A）研究產(chǎn)品的功能和組件，有助于理解產(chǎn)品的工作機(jī)制及其功能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[9]，為產(chǎn)品研發(fā)提供設(shè)計(jì)思路[10]；采用TRIZ 中物質(zhì)－場(chǎng)分析和標(biāo)準(zhǔn)解方法解決問(wèn)題，可有效推進(jìn)產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)過(guò)程[11]。PUGH 決策矩陣（PUGH Decision Matrix，普式矩陣）提供了一個(gè)有效的定量決策框架[12]，輔助識(shí)別出最佳設(shè)計(jì)方案[13]。選擇TRIZ 理論對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行分析，結(jié)合PUGH 矩陣進(jìn)行篩選與評(píng)估，可以確定滿(mǎn)足需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。

綜上，本研究提出一種基于TRIZ-PUGH 的集成設(shè)計(jì)方法，為頸椎牽引器的設(shè)計(jì)提供全面指導(dǎo)，提高產(chǎn)品佩戴舒適度和適配性，提升產(chǎn)品智能化水平，為頸椎康復(fù)提供有效的解決方案。

一、頸椎牽引器設(shè)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)牽引器作用機(jī)制的分析，歸納出當(dāng)前頸椎牽引器存在的主要3 個(gè)問(wèn)題包括：

（一）佩戴舒適度較低。因接觸部件設(shè)計(jì)和選用的材質(zhì)，在長(zhǎng)時(shí)間佩戴中可能引起不適，并且限制頸椎的活動(dòng)范圍。

（二）適配性不足。導(dǎo)致無(wú)法精準(zhǔn)匹配不同用戶(hù)的頸椎和頭部形態(tài)，影響牽引精準(zhǔn)度和用戶(hù)體驗(yàn)。

（三）智能化水平有限。用戶(hù)難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頸椎狀態(tài)，缺乏個(gè)性化牽引模式以滿(mǎn)足不同用戶(hù)需求。

二、基于TRIZ-PUGH的設(shè)計(jì)流程

頸椎牽引器設(shè)計(jì)采用5 步流程，如圖1 所示。

（一）獲取用戶(hù)需求與權(quán)重排序。通過(guò)用戶(hù)訪談獲取用戶(hù)需求，并用KJ 法提煉高頻用戶(hù)需求。運(yùn)用AHP 構(gòu)建用戶(hù)需求判斷矩陣并對(duì)需求進(jìn)行權(quán)重計(jì)算及排序。

（二）構(gòu)建產(chǎn)品系統(tǒng)相互作用矩陣。通過(guò)FA 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分解和元件分析，分析產(chǎn)品、用戶(hù)和環(huán)境三者之間的相互作用關(guān)系，形成產(chǎn)品系統(tǒng)相互作用矩陣。

（三）建立功能－物質(zhì)－場(chǎng)模型并求解。分析功能元與系統(tǒng)元件之間的相互作用效應(yīng)，建立功能- 物質(zhì)－場(chǎng)模型，并根據(jù)所產(chǎn)生的效應(yīng)確定模型的類(lèi)別。

（四）應(yīng)用TRIZ 理論進(jìn)行模型求解。根據(jù)功能－物質(zhì)－場(chǎng)模型的類(lèi)型，利用TRIZ 理論中的76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法確定設(shè)計(jì)方向。

（五）采用PUGH 確定最終方案。通過(guò)PUGH 對(duì)比評(píng)估設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)有方案，確定最佳方案。

三、頸椎牽引器設(shè)計(jì)實(shí)踐

（一）基于KJ 法和AHP 的用戶(hù)需求分析

為有效獲取頸椎牽引器的用戶(hù)需求，對(duì)12 名頸椎牽引產(chǎn)品用戶(hù)進(jìn)行訪談，以訪談結(jié)果為基礎(chǔ)，應(yīng)用KJ 法對(duì)訪談結(jié)果中提及的用戶(hù)需求進(jìn)行整理，提煉出高頻的原始需求33 項(xiàng)?；谠夹枨?，制訂了調(diào)查問(wèn)卷，使用5 級(jí)李克特量表來(lái)收集信息。問(wèn)卷發(fā)放目標(biāo)為105名人員，其中包括各職業(yè)背景的人員，如20 名工業(yè)設(shè)計(jì)師、20 名機(jī)械工程師和65 名頸椎不適人員。問(wèn)卷收回有效份數(shù)為93 份，有效回收率為88.57%。所得問(wèn)卷數(shù)據(jù)的信度良好，Cronbach's α 系數(shù)為0.852，表明問(wèn)卷具有較高的可靠性。結(jié)合用戶(hù)高頻原始需求的得分結(jié)果，運(yùn)用KJ 法整理和細(xì)化用戶(hù)需求，最終確定目標(biāo)用戶(hù)需求指標(biāo)共29 項(xiàng)，通過(guò)分類(lèi)篩選識(shí)別出8 類(lèi)牽引器的用戶(hù)需求因子，分別標(biāo)記為U1 至U8，如表1 所示。

依據(jù)收集和整理的用戶(hù)需求，設(shè)計(jì)1 ～ 9 標(biāo)度的AHP 調(diào)研問(wèn)卷，邀請(qǐng) 5 名康復(fù)醫(yī)療師，5 名工業(yè)設(shè)計(jì)師，5 名機(jī)械工程師共15 名專(zhuān)家打分，對(duì)需求進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣A=（aij）n×n，其中aij=1/aij，用列向量平均值算法求解頸椎牽引器設(shè)計(jì)影響要素權(quán)重值，

根據(jù)CR=CI/RI 計(jì)算一致性比率CR 來(lái)檢驗(yàn)結(jié)果是否科學(xué)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，所有CR 值均小于0.1，通過(guò)一致性檢驗(yàn)。將方案層權(quán)重分別與其對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則層權(quán)重相乘得到綜合權(quán)重，將方案層的CI，RI 分別與其對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則層權(quán)重相乘得到CI 總，RI 總，CR 總=0.029lt;0.1，驗(yàn)證了總排序的合理性，如表2 所示。

由表可知，調(diào)節(jié)性、適配性和穩(wěn)定性具有較高權(quán)重值，其中牽引力度可調(diào)節(jié)和牽引角度可調(diào)節(jié)具有較高權(quán)重值，頸圍適配、頸部長(zhǎng)度適配和下顎形狀適配具有較高權(quán)重值，牽引作用位置穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有較高權(quán)重值，操作簡(jiǎn)便和易于取用具有較高權(quán)重值，以及使用情況可追蹤具有較高權(quán)重值。在設(shè)計(jì)實(shí)踐過(guò)程中將權(quán)重值較高的需求作為重點(diǎn)，從輕考慮較低權(quán)重值。

（二）牽引器功能－物質(zhì)－場(chǎng)模型構(gòu)建與求解

1. 基于FA 的相互作用矩陣構(gòu)建

由于對(duì)于總功能的描述具有抽象性和不準(zhǔn)確性，現(xiàn)采用FA 對(duì)牽引器的總功能進(jìn)行分解得出功能元，分別用Xi（i=1，2，3，···，11）表示，如圖2 所示。

現(xiàn)對(duì)頸椎牽引器、用戶(hù)及家庭所構(gòu)成的整體系統(tǒng)進(jìn)行分析。根據(jù)牽引器的佩戴方式，將作用部位分為：頸部、肩部、下顎；通過(guò)對(duì)牽引器的元件分析以及作用特點(diǎn)分析，制作牽引系統(tǒng)相互作用矩陣表示元件間的作用關(guān)系。采用“○”表示兩個(gè)元件之間存在相互作用；“-”指交互作用不在分析范圍內(nèi)；“×”表明兩者間無(wú)相互作用，如表3 所示。

由此可以得出，肩托－襯墊、肩托－連接件、肩托－肩部、下顎托－襯墊、下顎托－連接件、下顎托－下顎、襯墊－肩部、襯墊－下顎、牽引件－固定板、牽引件－頸部、固定板－連接件存在相互作用關(guān)系，后續(xù)將以此為基礎(chǔ)建立功能－物質(zhì)－場(chǎng)模型。

2. 基于TRIZ 的功能－物質(zhì)－場(chǎng)模型構(gòu)建

物質(zhì)－場(chǎng)模型是TRIZ 發(fā)明問(wèn)題解決理論的研究方法之一。依據(jù)其特征分為4 種類(lèi)型：（A）有效完整的模型：擁有3 個(gè)基本元素且有效。（B）不完全的模型：功能元素缺失，可能缺乏場(chǎng)或物質(zhì)。（C）有效不足的完整模型：雖元素齊全但未達(dá)到預(yù)期效果。（D）有害的完整模型：元素齊全卻引發(fā)與期望效果完全相左的、有害的效果。

根據(jù)前期的產(chǎn)品分析和用戶(hù)研究，將牽引器的元件、作用的對(duì)象和環(huán)境相互作用效應(yīng)與前期確定的功能元加以對(duì)應(yīng)，建立功能－物質(zhì)－場(chǎng)模型，確定元件的相互作用類(lèi)型，根據(jù)其在作用關(guān)系中所產(chǎn)生的效應(yīng)，確定所屬的模型類(lèi)別，并用Oi（i=1，2，3，···，9）表示，物質(zhì)1、物質(zhì)2 分別用S1，S2 表示，作用場(chǎng)用F 表示，其中FMe表示機(jī)械場(chǎng)，模型O1 ～ O13 所屬類(lèi)型和功能元對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4 所示。

以模型 O1 為例，該模型涉及襯墊和頸部之間的相互作用關(guān)系，通過(guò)參考前期收集到的用戶(hù)需求，可以發(fā)現(xiàn)，其在相互作用中產(chǎn)生了不舒適、有壓迫感等有害效應(yīng)。因此，可以確定模型 O1 的類(lèi)型為D，即有害的完整系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的用戶(hù)需求U4、U6、U8。模型O1 ～ O16所屬類(lèi)型及其與需求的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5 所示。

3. 基于TRIZ 的模型求解與方案描述

在TRIZ 理論中，針對(duì)不同類(lèi)型的物質(zhì)－場(chǎng)模型，從76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解中挑選合適的方案，有助于實(shí)現(xiàn)模型的改進(jìn)與創(chuàng)新。

為了滿(mǎn)足用戶(hù)需求U4、U6、U8，對(duì)于模型O1 產(chǎn)生的不舒適、有壓迫感等有害效應(yīng)，從76 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法中選擇S1.2.1 引入新物質(zhì)消除有害效應(yīng)。具體包括引入柔性材質(zhì)、襯墊打孔和改變襯墊材質(zhì)等策略，以提升透氣性、舒適性和維護(hù)性。參考對(duì)O1 的分析和求解方法，確定其他模型的解決方案，O1 ～ O13 對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解解決方案，如表6 所示。

由于O7，O9，O10 屬于A 類(lèi)型，能夠充分展現(xiàn)其效用，故未在表格中顯示。由于O8 的效果由于無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有元素的相互作用得到實(shí)現(xiàn)，其中相關(guān)元素限于固定板和連接件，因此需要后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（三）頸椎牽引器方案設(shè)計(jì)

1. 設(shè)計(jì)思路與細(xì)則

按照表6 對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)解方案梳理設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)細(xì)則，具體如下：

（1）肩托設(shè)計(jì)：其形狀需貼合肩部，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定支撐。在保持輕量化同時(shí)，適度擴(kuò)大肩托與肩部的接觸面積，以減輕對(duì)肩部的壓迫感。其與下顎托相連為下顎托提供穩(wěn)固的支撐，為整個(gè)頸椎牽引器構(gòu)建基礎(chǔ)支撐體系，以緩解頸部壓力。材料應(yīng)輕便堅(jiān)固。

（2）下顎托設(shè)計(jì)：采用可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，適應(yīng)不同用戶(hù)頸部的高度差異，為下顎托提供穩(wěn)定且舒適的支撐。

（3）襯墊設(shè)計(jì)：位于肩托和下顎托下方，選用柔軟且透氣的輕質(zhì)材料，增強(qiáng)舒適性和透氣性。

（4）牽引件設(shè)計(jì)：設(shè)置于頸部周?chē)ㄟ^(guò)內(nèi)置無(wú)繩式氣泵充氣，均勻分布?jí)毫Γ苊饩植繅浩?，精?zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)頸椎不同角度的牽引。

（5）固定板設(shè)計(jì)：后支撐固定板提供后方支撐，以確保整體穩(wěn)定。固定板應(yīng)具備可調(diào)節(jié)高度和寬度的功能，并注重結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，所用材料應(yīng)耐用且不易變形。

（6）連接件設(shè)計(jì)：其作用在于確保各元件穩(wěn)定，且能夠靈活地連接，應(yīng)注重操作的簡(jiǎn)易性，方便用戶(hù)自行裝配和拆卸。

（7）角度傳感器和壓力傳感器集成設(shè)計(jì)：角度傳感器可安裝在下顎托、牽引件或者固定板上，用于監(jiān)測(cè)頸部的姿態(tài)變化以及運(yùn)動(dòng)范圍。壓力傳感器可安裝在牽引件內(nèi)部，監(jiān)測(cè)牽引壓力大小，確保牽引力度適宜。

（8）無(wú)繩式氣泵設(shè)計(jì)：可設(shè)置在肩托或后支撐固定板上，便于充氣和放氣，氣管連接各氣囊，需實(shí)現(xiàn)充氣式牽引。此外，可采用多氣囊設(shè)計(jì)，通過(guò)不同軟管分別控制各氣囊，精準(zhǔn)調(diào)整牽引力度和角度。

2. 模型構(gòu)建與渲染

基于上述頸椎牽引器的分析研究，采用RHINO 軟件構(gòu)建設(shè)計(jì)方案的三維模型，并通過(guò)Keyshot 軟件進(jìn)行材質(zhì)參數(shù)設(shè)置和三維模型效果圖的渲染，完成整體模型效果展示，如圖3 所示。

3. 設(shè)計(jì)特點(diǎn)與功能

（1）整體特性：設(shè)計(jì)風(fēng)格簡(jiǎn)約、輕巧，主色調(diào)為白灰色，采用可拆式結(jié)構(gòu)，便于清潔與維護(hù)。各元件根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，肩托、下顎托緊密貼合人體形態(tài)。牽引氣囊與襯墊采用柔軟透氣材質(zhì)，提升佩戴舒適感。固定板采用鏤空設(shè)計(jì)，減輕整體重量。肩托設(shè)有旋鈕式開(kāi)關(guān)，可調(diào)節(jié)下顎托高度。固定板采用卡扣結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)方便。連接件使用魔術(shù)貼，易于調(diào)節(jié)尺寸。牽引件配備傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過(guò)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)至終端設(shè)備。無(wú)繩式多氣囊牽引系統(tǒng)支持不同角度與力度的精準(zhǔn)牽引，結(jié)合遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)，有效改善頸椎問(wèn)題。頸椎牽引器元件指示圖如圖4 所示。

（2）工作原理：肩托前方控制板設(shè)有5 個(gè)按鍵，分別用于控制總開(kāi)關(guān)、上下左右氣囊的充氣?？傞_(kāi)關(guān)控制所有氣囊同時(shí)充氣，其他4 個(gè)按鍵可根據(jù)需要調(diào)整特定位置的氣囊。控制板內(nèi)部由扇葉、電池、電路板等組成，一鍵開(kāi)啟扇葉集風(fēng)，氣體經(jīng)肩托內(nèi)部氣管充盈氣囊實(shí)現(xiàn)牽引作用。氣管設(shè)計(jì)隱藏于肩托內(nèi)部，避免外露，操作更便捷。如圖5 所示。

（3）設(shè)計(jì)特點(diǎn)與功能：在佩戴舒適度方面，主要從產(chǎn)品材質(zhì)方面提高用戶(hù)使用舒適度，基于O1 ～ O5 對(duì)應(yīng)的方案描述，襯墊選用柔性的孔狀的材質(zhì)，提升舒適感；O11 主要功能是頸部舒適度，引用解法S1.1.1 建立物質(zhì)－場(chǎng)模型；O13 選擇S1.2.1 引入柔軟材質(zhì)，減輕牽引器對(duì)肩部的壓迫感。元件材料與特點(diǎn)如表7 所示。

在適配性方面，頸椎牽引器的各元件與人體對(duì)應(yīng)部位的形態(tài)匹配，且可調(diào)節(jié)。連接件使用魔術(shù)貼，可靈活調(diào)整寬度和圍度，適應(yīng)不同用戶(hù)的頸部特征。肩托設(shè)計(jì)為弧形，適配肩部曲線，平衡性佳；其左上方設(shè)有排氣按鍵，操作簡(jiǎn)便；右上方的旋鈕采用齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可手動(dòng)調(diào)節(jié)下顎托高度，確保下顎穩(wěn)定，減少二次損傷風(fēng)險(xiǎn)。下顎托由上下兩部分組成，貼合下顎曲線，穩(wěn)定性強(qiáng)。固定板設(shè)計(jì)為可調(diào)式卡扣結(jié)構(gòu)，其傾斜式設(shè)計(jì)便于操作，確保頸部和頭部得到適當(dāng)支撐。牽引件設(shè)有8 個(gè)氣囊，分別通過(guò)氣管連接，用戶(hù)可根據(jù)需求靈活選擇局部或整體牽引模式，精準(zhǔn)適配頸椎需求，如圖6 所示。

在產(chǎn)品智能化方面，牽引件配備壓力傳感器和角度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)牽引力度和角度，利用智能系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線方式傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療中心，支持醫(yī)生實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和診斷，提升遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。牽引器智能傳感模塊如圖7 所示。

（四）基于PUGH 的方案評(píng)價(jià)

選取典型的頸椎牽引器作為基準(zhǔn)方案與改良方案進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)表1 的8 項(xiàng)關(guān)鍵需求因子建立PUGH 評(píng)判矩陣，隨機(jī)選擇100名頸椎牽引產(chǎn)品用戶(hù)對(duì)牽引器進(jìn)行評(píng)估矩陣問(wèn)卷調(diào)查。經(jīng)過(guò)對(duì)問(wèn)卷數(shù)據(jù)的分析整理與匯總，最終得出了關(guān)于頸椎牽引器的評(píng)判結(jié)果，如圖8 所示。

由上圖可知，82% 的受訪者表示改良方案較基準(zhǔn)方案更具優(yōu)勢(shì)。在適配性、調(diào)節(jié)性、透氣性、維護(hù)性這4 個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)中，分別有68%、75%、64%、72% 的受訪者傾向于改良方案相較于基準(zhǔn)方案更為優(yōu)越。關(guān)于便捷性方面，有42% 的受訪者認(rèn)為改良方案的表現(xiàn)不如參考方案。至于穩(wěn)定性方面，48% 的受訪者認(rèn)為改良方案與基準(zhǔn)方案大體相同。

為了選出最佳設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了“更好”總數(shù)、“更差”總數(shù)、“相同”總數(shù)，并結(jié)合各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行了加權(quán)計(jì)算。根據(jù)評(píng)選結(jié)果數(shù)據(jù)，得到對(duì)應(yīng)的決策矩陣，采用“+”“-”“S”表示指標(biāo)的優(yōu)劣和相等，結(jié)果如表8 所示。

如表所示，改良方案的綜合加權(quán)得分達(dá)到了6，其在適配性、調(diào)節(jié)性、智能化等方面均優(yōu)于參考方案。結(jié)果表明改良方案整體上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用TRIZ 理論對(duì)頸椎牽引器設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)人員提供新的思路和設(shè)計(jì)方向，同時(shí)，采用PUGH 方法將用戶(hù)需求轉(zhuǎn)化為可量化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于對(duì)牽引器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行客觀評(píng)估。本文提出了一種基于TRIZ-PUGH 的集成設(shè)計(jì)方法，并驗(yàn)證了該方法在改善頸椎牽引器設(shè)計(jì)方面的有效性和實(shí)用性。所獲得的設(shè)計(jì)方案在多個(gè)方面提升了牽引器的性能，包括舒適度、適配性和智能化水平，從而優(yōu)化了整體用戶(hù)體驗(yàn)。本研究聚焦于頸托式頸椎牽引器的設(shè)計(jì)，未涉及其他類(lèi)型的牽引器。未來(lái)將通過(guò)定期與用戶(hù)互動(dòng)，持續(xù)優(yōu)化頸椎牽引器功能，并從多個(gè)維度驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)方法的有效性。