基于FBS模型的家用上肢康复设备设计

赵琰

脑卒中患者的发病率一直居高不下，尤其是老年人群体，很大原因是患者和患者家属对后期的康复护理知识缺乏系统了解，而脑卒中患者家属在其疾病康复过程中发挥着至关重要的作用。Berkman认为，疾病的康复除需要依靠患者本人，还需要依靠他们的家庭甚至整个社会。通过调研发现，家属对于延续性护理需求也比较强烈，对各项目的护理需求很高，特别是康复器械指导、康复训练方法和常用家庭护理技巧。因此开展针对医疗环境和家居环境下人群使用产品行为的差异化研究，有助于解决上述患者和家属的延续性护理需求。

在产品设计中，概念设计作为设计的关键阶段最能激发设计者的创造性思维。而在产品概念设计方法研究中，FBS理论是较完善的一个设计理论体系。其中最具代表性的包括有Qian等提出的“功能-行为-结构”（FBS）设计过程模型，以及由Umeda等提出的“功能-行为-状态”（FBS）设计过程模型。两个模型均倡导功能-行为-结构的映射，将行为作为联系功能与结构的桥梁，以此来获得设计问题的解决方案。对已有的上肢康复设备进行重新设计以适应家居环境的需求，特别需要这种设计方法的指导与帮助。

简介

1.当前存在的问题

目前，在偏瘫上肢康复训练方面，国内外医疗界所采用的主要是康复医生亲自对患者进行康复指导和训练，这种方法虽好，却有很大缺陷：首先，当患者较多时，康复训练师在一对多的情况下治疗效率难免有所降低，以至于治疗效果不够理想；其次，因为技术差异，不能保证所有的康复训练师都能根据不同患者制定相应的康复训练方法；最后，人力成本的不断提升也将近一步导致部分家庭困难的患者无法接受好的治疗。

而康复机器人的产生，虽然很好的解决了上述的很多问题，但是当前的上肢康复机器人结构庞大，系统复杂，费用比较昂贵，不够简洁轻便，使得康复机器人的适用范围受到了限制，不能用于家居环境的康复治疗。

2.解决方案

本文拟基于FBS模型，通过对现有产品的功能结构、行为结构、产品结构进行解构，结合家居环境下的用户行为特点以及环境限制，提出了家居环境下的康复医疗设备的设计框架。以指导重新设计一种结构简单、稳定性高、安全性好、易于拆卸和存放、操作简单、能对患者和家属进行示教的上肢康复机器人，为广大患者提供足不出户的家庭治疗，减小家庭的照顾成本。

提出方法

1.FBS模型定义

Qian和GeroJ.S等人提出了基于功能（Function）、行为（Behavior）、结构（Structure）的设计过程模型，根据人的认知特点将概念设计过程划分为功能建模、行为建模、结构建模三个阶段。功能-行为-结构模型在功能层和结构层之间引入了行为层，“功能”是设计目的表达；“行为”表示设计者用来推断出结构的方法，它由行为类型、行为变量和定性行为因果关系构成；“结构”用于定义该设计由哪些元件组成，这些元件的属性如何，以及元件之间的关系。行为在功能和结构之间建立起沟通的桥梁。

2.FBS模型的产品开发模式

FBS设计模型开发步骤：

（1）由总任务需求确定总功能。

（2）总功能分解为子功能，功能关系将子功能联结起来形成功能结构。功能关系包功能间的逻辑关系和组织关系。

（3）功能映射行为，功能关系映射行为关系。行为关系将行为联结起来形成行为结构。行为关系中既可能包括定性的逻辑关系、组织关系、时间关系、空间关系，也可能包括定量的时间和空间关系。

（4）行为映射结构，行为关系映射为结构关系。结构关系将结构联结起来形成产品结构。结构关系中包括定量的时间和空间关系。功能关系-行为关系-结构关系三者在设计过程保持基本逻辑和组织关系的相对稳定，并逐步由定性关系转化为定量的空间和时间关系。三者是功能结构到产品结构映射过程最稳定的因素。在它们的约束下，功能结构逐步向产品结构映射。

实例研究

1.建立基于FBS模型结构

对家用上肢康复设备进行设计，首先要依据FBS设计模型对现有的医用上肢康复设备的基型功能特征进行分解，将总功能分解为康复运动功能、控制功能、传动功能、调节功能与移动功能五个子功能。将各个子功能依次映射为对应的行为集合，其中康复运动功能映射为肩部康复运动与肘部康复运动，控制功能映射为开关闭合、鼠标控制与面板操控，传动功能映射为电机驱动与齿轮传动，调节功能映射为长度调节与高度调节，移动功能映射为滑轮移动。基于FBS的医用上肢康复设备功能分析如图2所示。

2.行为变型与创新

行为的变型与创新是基于用户在不同环境下对产品使用行为的差异所得出的，根据调研得到的家居及社区康复环境下的患者及患者家属对出院后的延续性康复护理需求，如康复器械指导、康复训练方法和常用家庭护理技巧，以及医疗环境与家居环境对产品设计的差异性，对控制功能映射的行为进行变型——将鼠标控制与面板控制变型为app控制，通过app对患者康复运动的数据进行记录并对患者康复状况进行评估；在app内加入视频教程，对家属及患者进行示教；以及在线咨询康复科医生相关的护理技巧等。此外，由于家居环境空间狭小，将会产生新的行为——拆卸、组装与储存。将这种行为创新映射为模块化功能，形成新的子功能。

在现有医疗上肢康复设备的基础上，通过行为的变型与创新，映射为新的产品功能集，继而由功能间的关系构成新的产品结构，设计出适用于家居环境下的上肢康复设备。基于FBS模型的家用上肢康复设备设计分析如图3所示。

结论

针对现有的医疗环境下的上肢康复设备，分析了家居环境下用户群体的需求及环境限制，基于FBS设计模型建立一种支持家用上肢康复设备设计的系统框架。在整个设计过程中，行为的变型与创新是推导出功能及结构创新的关键因素，行为是连接功能与结构的桥梁。本文的研究，为家居环境下的康复医疗产品设计奠定了一定的理论基础，也为其他产品的优化提供了一种简便有效的设计手段。

（作者单位：浙江理工大学）