基于QFD 和TRIZ 理論的康復機器人設計研究

劉宏越 李嘉欣 胡昌格

（天津工業大學機械工程學院，天津 300387）

近年來，隨著社會老齡化程度的不斷加深及各種先天疾病、突發事故等，醫療康復系統將迎來新的機遇[1]。將機器人設備應用于日常生活、康復訓練、災難支援等研究已經成為各國名校及相關組織的研究熱點[2]?？祻蜋C器人的出現適合周期長、高頻率、高重復的醫療康復訓練，可以將康復訓練醫師從單一性的勞動中解放出來[3]。為了有效解決康復機器人的用戶需求和設計要素，設計流程需借助QFD、TRIZ 理論進行構建，從而在結構、功能和形式上不斷創新。Moran 等構建了KANO、QFD、TRIZ 等工程集成方法，用于考察臨時難民住房設計，并提供一種創新設計方案[4]；韋艷麗等將QFD 與TRIZ 理論相融合應用于帕金森患者助行器優化設計中，實現了產品多功能維度的轉化[5]；周紅宇等以基礎功能需求為出發點，構建QFD 與TRIZ 集成設計模型對電熱水器進行創新設計，提高了用戶的使用滿意度[6]；QFD 強調通過市場調研和用戶訪談等方法獲取產品的功能需求，通過用戶體驗調查和評價收集用戶反饋信息進行合理評估，但無法獲得詳盡的解決途徑。而TRIZ 通過對技術系統進行分析、構建沖突矩陣，并對發明原理進行搜索以獲得最優解，但是無法對矛盾沖突之間的關聯作出解答。QFD 注重易于配置和滿足需求的目標指向，TRIZ 注重具體功能的實現途徑?；诖?，文章基于QFD 及TRIZ理論探討康復機器人設計的思路。

1 相關概念解析

1.1 QFD

QFD 注重用戶需求與產品設計要素之間的關系[7]，強調通過提高用戶滿意度確保市場的占有率[8]，它的核心內容是用戶需求與產品設計要素之間的需求轉化，是基于用戶需求啟動的產品創新方法[9]，它的表達方式主要以質量屋HOQ 構建圖表的形式呈現[10]：（1）左墻用于導入用戶需求信息與重要度；（2）天花板是針對各項用戶需求逐一列出相對應的產品設計要素；（3）房間為用戶需求與設計需求要素之間的關系矩陣；（4）屋頂可以確定設計需求要素之間的正負關聯性；（5）右墻可以計算市場的競爭能力，用于顧客評價產品彼此的競爭關系；（6）計算地板設計要素需求的重要度，反映了創新設計過程中實現設計目標具有一定的挑戰性；（7）地下室計算技術競爭力，根據企業技術制造能力等，確定各項設計要素的新產品實現水平，并進行定量評分，HOQ 模型如圖1 所示。

圖1 質量屋結構圖

1.2 TRIZ 理論

TRIZ 理論是科學家阿奇舒勒基于大量技術專利，總結發明的一套系統問題解決理論。它闡述了創造發明的內在規律與原理[11]，認為設計師對待設計過程中的矛盾沖突不應采取妥協、折中的方式，而是應該完全解決矛盾沖突。TRIZ 理論將待設計產品的核心問題轉述為TRIZ 系統的表達方式，再利用40條創新原理、矛盾矩陣表、功能分析、76 個標準解和TRIZ 等解決問題的基本工具，幫助設計者打破以往進行產品設計的固化思維，迅速求解出該問題的最優解[12]。

2 康復機器人設計現狀

康復機器人起源于20 世紀80 年代，如今，康復機器人的研究涉及康復醫學、生物力學等諸多領域，已經成為醫療系統中不可或缺的一部分。針對老齡化或殘障人群的康復機器人，從功能設計上可將它大致分為康復訓練、生活輔助康復機器人兩大類[13-14]?？祻陀柧氼悪C器人可以通過主動和被動的康復訓練模式，輔助相關人群完成各種運動功能的康復訓練，降低服務人員的勞動強度。生活輔助類康復機器人為人群提供各種生活輔助并補償它弱化的機體功能。此外，助力類型大致分為主動型助力和被動型助力兩種[2]。不同的助力類型對人的使用、心理和生理體驗，以及對康復機器人的性能評價均會造成不同的影響。

3 基于QFD 和TRIZ 理論的康復機器人設計思路

研究將QFD 和TRIZ 理論整合并應用，QFD 以用戶需求為驅動，為產品開發提供理論依據；TRIZ有效解決了矛盾沖突問題，基于QFD 和TRIZ 理論的集成創新應用框架，如圖2 所示。

圖2 基于QFD、TRIZ 理論的集成創新應用框架

3.1 康復機器人的質量屋構建

建立康復機器人質量屋的第一步是組建QFD 團隊小組，進行老齡化或殘障人群患者調研和康復設備市場分析，小組通過調研分析，收集篩選和歸納整理獲得的用戶需求，并對每項需求進行重要性程度分級，可用1 至5 來表示，重要度隨數字逐級遞增，用戶需求可用權重表示：

對調研數據結果解析，康復機器人設備用戶需求如下：（1）造型獨特美觀；（2）色彩搭配合理；（3）材料選取恰當；（4）功能齊全；（5）機器人易穿戴、可調節；（6）機器人使用操作簡易化；（7）機器人的康復助力力度；（8）機器人的運動匹配性；（9）機器人輕量化；（10）交互順暢，符合人因關系；（11）提前避險意識，安全性強；（12）久經耐用，適應不同環境；（13）適用不同的康復訓練活動；（14）維護方便；（15）故障率低，如表1 所示。

表1 用戶需求表

將轉化的產品設計要素定性問題量化處理，以便對產品設計要素的可行性進行科學評估：

根據目標用戶實地調研、產品市場考察，以及相關專利查詢，研究分析發現目前康復機器人設計需求要素的重點在于：（1）助力機器人結構：輸送壓管、肢體（輸送受力）轉軸、負載轉換裝置、動力驅動機構、電機；（2）整體尺寸：轉軸尺寸、壓桿尺寸、電機尺寸、負載支撐尺寸；（3）傳感器應用：肌肉疲勞程度感應、障礙感應預警、關節力感應；（4）動力供給裝置：主動性供給電池、被動性柔性材料。

為了規劃新產品的市場定位、評估新產品如何有效地滿足客戶需求，將新產品與競爭對手的產品進行比較。市場競爭力M可用5 個數值表示，1 至5分別為：次弱、弱、中強、次強、強競爭力，則：

提前預估新產品制作的技術可行性，確保必要的技術改造或技術突破，以此完成量化評分。采用下列1 至5 個數值表示，1 至5 分別為：技術水平劣等、次等、一般、良好、優秀，則：

綜合競爭力分析公式表示：

3.2 用戶需求與設計要素關系矩陣的建立

在建立關系矩陣時,通過調研分析及資料收集，確保完成用戶滿意度需求和設計需求要素的映射關系，可用0～9 標度表示量化處理的相關程度。即為用戶要求與設計需求的關系度R，通過分析可建立如下關系矩陣：

根據用戶需求權重公式（1）可得到重要度權重（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）。

根據設計要素權重公式（2）可得到重要度權重（178，240，146，149，128，100，106，122，132，264，167，248，203，185）。

同理可得，可用1～5 標度表示，關系度等級。根據市場力競爭權重公式（3）可得到重要度權重（0.35，0.91，0.48，0.63）。

根據技術力競爭權重公式（4）可得到重要度權重（0.36，0.80，0.50，0.59）。

根據綜合力競爭公式可得數據（0.126，0.728，0.240，0.372）。集中整理用戶需求與設計要素映射關系并結合各項數據統計結果，以此來建立完整的康復機器人質量屋，如圖3 所示。

圖3 功能質量屋

3.3 明確矛盾沖突并將建立問題模型

存在的矛盾沖突：（1）肢體轉軸機構與康復機器人關節力感應；（2）肌肉疲勞程度感應與負載轉換裝置；（3）電機尺寸大小與電機供給量。

建立原問題的求解問題模型：（1）裝置的復雜性——監控與測試的困難程度，對應解決方法：10、15、28、37，預操作、動態化、機械系統的替代、熱膨脹；（2）測試精度——運動物體重量，對應解決方法：26、28、32、35，復制、機械系統的替代、改變顏色、參數變化；（3）靜止物體的重量——靜止物體的能耗，對應解決方法：6、9、15、27，多用性、增加反作用、動態化、廉價替代品，如表2 所示。

表2 康復機器人矛盾沖突問題求解方法

通過調研分析可知，滿足用戶所需的康復機器人，與上述矛盾類型對應可行的發明原理有：15、35、6，如表3 所示。

表3 發明原理及其創新方向

具體發明原理應用如下：

1）動態化：根據調研數據結果顯示，肢體轉軸機構和關節感應力是康復機器人的主要需求之一。與以往協助患者進行康復訓練的設備不同，康復機器人是多系統結構，通過多關節部位安裝的傳感器進行數據收集與控制器數據分析處理，向機器人發出命令并執行機構協助完成康復訓練動作。因此，康復機器人的轉軸機構不得干預關節活動角度的范圍，以及關節力感應數據的采集和分析處理。將傳感器與關節處的轉軸機構協同一體，利用轉軸機構的運動范圍帶動傳感器活動，使不動變可動，增加它的自適應性和關節力感應精準度。

2）參數變化：老齡化、殘障人群等需要康復或助力運動訓練，幫助患者恢復日常生活的自理能力，避免身體體適能過量流失，但傳統康復訓練設備負載裝置的靜載強度往往會使肌肉疲勞。在保證康復訓練、運動速度、驅動力矩和關節活動角度等前提下，針對不同部位的負載裝置選擇不同的材料，確保負載裝置具備適當強度、輕量化、柔韌性等。在一定程度上降低負載裝置的靜載強度對患者產生的身體機能損耗和肌肉疲勞，為患者帶來盡可能高效的康復訓練。

3）多用性：目前使用康復設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，因此電機尺寸和電池性能配置是提供康復訓練時長的關鍵因素。在保證電機轉換和傳遞效率、電池容量和充電功率等電池狀況較好的前提下，賦予主動性供給電池吸收其他形式的能量，并可將它儲蓄為電能，通過電機實現電能轉換或轉遞，提高主動性供給電池的持續性和電機轉換效率的性能配置，降低康復訓練設備的充電頻率。

4 康復機器人設計實踐

通過調研發現，在康復過程中，助力施力點在腰部L4/L5～S1。腰部生物力學模型以較常見的舉重為例進行研究[15]。以L5/S1 關節處平衡進行受力分析：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 為人體胸肌產生的肌力，Fa為背部肌肉產生的肌力；F1 為人體下肢對腰椎的支持力，F2 為脊柱產生的拉力，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。若使人移動重物時保持靜態平衡，則O點處力矩之和應為零，可得到以下公式：

在不穿戴康復訓練設備時，人彎腰搬運重物時腰椎或骶椎所受壓力F4 的計算公式：

將人物進行簡化，如圖4 所示。并模擬康復過程中的人物基本姿勢和關節受力分析，如圖5 所示，進一步為康復機器人提供設計依據。

圖4 人物關節散點簡化圖

根據上述基于QFD 和TRIZ 理論集成創新應用步驟，以及腰部生物力學的分析，對康復機器人的整體外觀設計、受力關節感應、助力支撐部位等方面進行分析創新，構成以腰部為主要支點的康復機器人設計方案，如圖6 所示。

圖6 康復機器人設計方案

在外觀造型設計方面，整體線條曲直結合，對康復機器人的輸壓轉軸、負載支撐裝置、腿部固定裝置等機械外觀造型進行精致細化處理，運用Rhino 進行2D 概念設計模型轉化為3D設計模型，并通過Keyshot 軟件進行模型色彩、材質等渲染，得到康復機器人的外觀設計效果圖，如圖7 所示。

圖7 康復機器人設計效果圖

5 結論

當前我國社會老齡化趨勢明顯、殘障人群日益增多，新一代的醫療康復系統及康復機器人已成為著重關注的問題。文章基于QFD 生成用戶需求與產品設計要素需求的有效轉化并進行相關性評估，功能需求與設計要素之間正負相關性的矛盾沖突由TRIZ 理論解決，再運用計算機輔助軟件虛擬設計出創新方案。通過設計實例論證康復機器人人因工程智能裝備創新設計存在以下幾個特點：（1）保證康復設備結構，特別是肢體轉軸，不影響關節的活動自由度和感應精準度；（2）肌肉疲勞程度和康復設備機構靜載強度的適配性，當前主動型機器人康復訓練效果明顯，但外骨骼框架過于繁重，導致先行消耗患者的身體機能，預先造成肌肉疲勞，大大降低了康復的訓練效率；（3）電機尺寸與主動性供給電池的性能配置，現有的康復訓練設備需頻繁的為電池供電、設備充電，且在電機轉換能量的過程中存在部分能量損失，導致儲能成本高，能量轉換效率低，能量利用率低等情況；（4）康復機器人不夠擬人化，可能會擦傷穿戴者的人體皮膚、同時薄弱的感知應對危險情況的處理能力，以及抗干擾性差等問題也會導致穿戴者二次受傷。但文中缺乏設備的控制策略及生物信號采集與處理的研究，接下來將進一步通過仿真模擬軟件與肌電儀進一步完善研究，為后續迭代康復機器人的研發設計提供參考。