基于FBS模型的农村介助老人多功能助行器设计研究

王圆圆　乔傲　耿美玲

关键词：FBS模型;农村介助老人;助行器设计;创新设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2022）02-0155-03

随着中国进入老龄化社会，这个年龄层人群也因居住地区的差别大致划分为两个群体，即城市老人和农村老人。两个群体在生活习惯、价值观念等有着诸多差别。由于老人的身体状况以及需求的扩大，市场上针对老年人的助行产品也逐渐占据一席之地，但是经过调研发现市面上的助行产品更适用于城市老人的生活习惯以及城市的生活环境，农村老人的需求没有得到重视甚至被忽略。国内高等学校相关领域的科研人员对老年人助行器设计以及设计方法进行了大量研究。王新亭在其研究课题以人机（助行器）适配为设计目标，提出了基于人体步态参数分析的动力式助行器设计方法。张俊霞等人从下肢残障人士的出行需求出发，建立助行器三维模型与虚拟人体的约束，从而提出下肢动力式助行器的设计。但是少量研究将老年群体进行更细致的区域划分。该研究基于FBS模型指导农村老年人助行器设计，希望通过科学的设计方法设计出适合农村介助老人的助行器，为现有老年人助行器市场提供新的设计思路，进一步改善农村老年人的出行体验。

1相关概念解析

1.1 FBS模型概述

FBS模型是John S.Gero等人对产品创新设计过程提出的研究方法论，该模型加强“功能—行为—结构”（Function-Behavior-Structure）三者之间的关系。“功能”是产品设计的根本，目的是为了满足用户需求，“行为”是实现功能的方式，是用户与产品间的交互形式，“结构”是设计的结果，是产品的各个功能结构模块，联系三者之间的关系，为设计者创造更多完善、严谨的解决问题的方法。FBS模型的核心是将功能F映射成可以执行其功能的行为活动，功能的主要来源是用户需求，执行转化的过程是通过考虑产品的行为B及其结构S的基本设计步骤。“功能”是产品设计过程中满足用户使用需求的基本元素。“行为”是用户为实现功能所进行的与产品之间的交互方式。“结构”是设计的结果。通过将设计过程分为“功能—行为”“行为—结构”三个层级共两次映射向前进行设计方案推导，最终完成目标产品的创新设计。

1.2老年人助行器概述

老年人助行器是辅助老年人行走、维持身体平衡和支撑部分自身重力的工具。根据助行器动力来源以及使用方式，可以将目前已投入使用的助行器分为无动力式、动力式和功能性电刺激助行器（如图1）。动力式包括部分穿戴式助行器、电动轮椅，以及目前还在处于研发阶段的人体外骨骼系统等。而功能式电刺激助行器根据功能及使用方式的不同可分为矫正仪、完全植入系统，以及复合矫形系统等多种类型。

2老年人助行器设计现状

通过对现有购物网站进行市场调研发现（如图2），虽然现有市场助行架种类丰富，但是大多数产品功能单一、外观朴素，同质化严重，无法满足当今时代农村老人的多样性需求。现有助行器存在以下问题：（1）产品外观局限，大多是铝合金材质，造型单一，缺乏亲和力，无法满足老年人的多样心理需求;（2）产品材料上多采用不可再生材料，例如铝合金和塑料等，回收性和可再生性低;（3）产品功能存在单一和复杂两个极端，有的不能满足老年人的基本需求，而有些助行产品则过于复杂，给老年人的使用带来不便或造成某些功能的闲置。

3农村介助老人的特征分析

3.1生理特征

农村介助老人主要表现为有一定的自理能力和生活能力，但是由于腿部力量较弱，身体协调性较差，在完成日常出行等活动时需要借助一些辅助器具。处于介助状态的农村老年人由于运动系统障碍、神经系统衰弱和感官系统退化等原因，导致反应迟钝、行动不便，在完成日常活动中存在障碍。同时，触觉、视觉、认知能力的下降减缓了老年人接收有效信息的速度。反应能力的减弱，在一定程度上也加大了老年人的行动障碍，使其在日常生活中的出行受到限制。

3.2心理特征

农村介助老人从劳动工作职业生活退出之后，家庭生活成为了他们日常生活的主要内容。在社交生活上，由于自身的活动范围大幅度减少，再加上诸如视觉、听觉等身体感官能力下降导致的交流障碍难以融入周围群体，使得农村介助老人容易产生心理的落差感。由于老人无法独立自主地行动，过于依赖外界使其产生成为亲人累赘的心理感觉，跟亲人的沟通交流减少，容易造成自我封闭。

此外，据调查显示，大部分老年人由于自尊心的原因，很难平衡过渡从独立行走到行动障碍的转变，在行动不便的初期从心理上排斥使用助行类产品，这也是很多老年产品面临的困境。但是出于健康和安全的考虑，介助老人又不得不使用工具来辅助行走。

李建新、李春华通过二分logistic统计模型分析城乡老年人健康差异，数据显示“农村老年人ADL无障碍的比例（79.70%）高于城镇老年人（75.55%），城镇老年人不孤独的比例（73.88%）高于农村老年人（68.12%），自评健康良好的城镇老年人的比例（46.93%）略大于农村老年人的比例（44.77%）”。得出在生理健康上表现为农村老年人较城镇老年人健康，在心理健康上表现为城镇老年人较农村老年人健康的结论。

3.3生活形态特征

农村介助老人由于生理机能衰退、行动不便等原因，逐渐从劳动职业生活中退出，其日常活动也随之发生相应的改变。主要表现为体力劳动活动、休闲娱乐活动减少，以及生活习惯的变化等。而农村介助老年人所处的生活居住环境也为其日常活动增加了一定的障礙。

第一，体力劳动减少。由于身体原因大部分介助老人已经退出了维持家庭的农业劳动，但是大部分老年人仍然保留土地，以小规模畜牧及种植菜蔬来实现自给自足，经济来源受到限制。数据显示，农村60岁以上的老年人中，40%以上还在继续工作。

第二，娱乐休闲活动减少。大部分老年人为避免麻烦会尽量减少远距离的活动，大部分时间选择呆在家里休息或者到邻居家、村口聊天，偶尔去集市或商店购买必需品，高频次的短距离出行以及低频次的中长距离出行是主要的活动特征。

第三，在生活习惯上，农村老年人虽然体力劳动有所减少，但大部分仍然保留小规模劳作的习惯，来减轻儿女负担或支持家用。

第四，室外环境上，农村道路偏狭窄，除主街道外，还有许多坑洼不平的土路，且夜间照明设施只集中在主道路。室内环境上，大部分农村老式房屋设有门槛、台阶等，屋内的家具以低矮为主，给老人的行走、起坐造成了诸多不便。

4基于FBS模型的农村介助老人助行器设计思路

基于介助老人的特征，将特征集合转化为需求集合，开展功能分析和定义，形成功能集合。结合FBS模型，将功能映射到行为中，并开展结构分析和设计，完成整个设计思路。

4.1构建设计流程

根据FBS模型，建立农村介助老人助行器的设计开发流程，模型流程如图3所示：

1）由基本需求确定基本功能。通过文献研究以及田野观察了解总结农村介助老人群体的生理、心理与居住环境特征，探索得出农村介助老人的基本需求，由此确定产品的基本功能。

2）功能映射行为。将助行器的功能映射到农村介助老人日常的基本行为中，将行为作为功能必要性和合理性检验的标准进行进一步的分析与判断。

3）行为映射结构。运用经验设计或类比推理的方法将行为转化为结构，根据结构分析介助老人与助行器的交互行为，并以此作为依据与上一步的预期行为进行匹配分析，最终确定结构的可行性。

4.2确定功能需求

对在农村介助老人的特征分析中得出的需求集合进行排除与实现，确立FBS设计模型中的功能集合（F），为后续设计开展做准备。在从需求到功能的映射當中，对需求进行分类，总结出以下几点：

1）基本需求：辅助行走、起立以及坐下。辅助行走要求助行器必须适应农村的各种道路状况，在助起坐方面应当增加助行器底座的稳定性。

2）安全性需求：由于介助老人各项生理机能衰退，行动不便，应当将人机工程学运用到助行器当中，避免由于设计与老人身体因素相冲突而引发的事故。

3）易用性需求：设计应当与老年人的行为认知模式相符，方便老年人操作使用，避免出现误操作及使用效率低下的状况。

4）情感需求：色彩、形态以及材质的使用要符合老年人的心理特点，满足老年人尊重与被尊重的需求。

4.3预期行为转化

在复杂产品系统设计中，由于总功能较为复杂，可将总功能分解为多级子功能，形成功能结构图。行为是功能与结构的桥梁，是关于实现原理的描述，即实现产品功能应该“怎样做”。“功能—行为”映射分析是在满足各种约束条件的前提下，生成行为解，并从原理上实现所提出的设计目标。

功能到预期行为的转化如下：首先根据需求分析将功能分解成以下四部分：运动功能、调节功能、控制功能以及传动功能，分别对应老人在不同情境下的行为。运动动能对应的是老年人的行走、起立与坐下的行为;调节功能为扶手的高度调节、使用形式变化调节;控制功能为照明灯的开关、报警开关;传动功能为太阳能驱动、电量收集。助行器功能转化为行为如图4所示。

4.4明确产品结构

在将预期行为转化为结构时需要考虑以下几点：（1）行为与行为的矛盾要求人们对这些结构的执行动作加以某些限制，避免产生冲突;（2）一个行为可能有多个组成部分，即要将多个结构组合后合成某一功能，这要求人们要考虑用户的行为尺度，合理分布这些结构;（3）尽可能将结构多功能化，这要求人们考虑行为之间的相似处和差异处，得出创新结构。

作为FBS流程模型的最后的步骤，结构设计是助行器的产品形态和功能实现方式的最重要的一环。结构设计主要是针对助行器本身的设计，由于助行器本身的复杂性，其行为与结构并非简单的一一对应的映射关系，在此根据实现方式将助行器划分为助行、助起坐、发电、储蓄、伸缩，以及程序控制六大模块，从行为到结构的整合映射过程如图5所示。通过结构分析，设计出符合农村介助老人行为习惯的结构概念，从而得到最优方案。

5基于FBS模型的农村介助老人助行器设计实践

根据用户需求，针对农村介助老人的生活环境和产品功能，确定人机尺寸。人机尺寸上选取1百分位老年女性和99百分位老年男性的人机尺寸推算出产品各部分尺寸：助行器应在距离地面855—1105mm之间。

确定助行器的相关数据后，针对农村介助老人的使用需求和农村地形地貌的特点，对助行器的外观形态和功能进行调整与改进。针对农村介助老人的基本需求，此设计可以满足老年人在农村环境水泥和土地等地面独自行走、站立的需求。

针对安全性需求，在夜晚行走时，使用者可通过手柄处的按钮控制底部环形灯带，提供照明。底座部分设置有可即时充电的发电设备，当使用者行走时，手杖底部按压地面产生的弹力不仅可以缓冲减震，按压的同时还能带动助行器内的转子转动做切割磁感线运动，转化为电能储存在内置电池中，用以给环形灯带供电。手柄侧边设置警报按钮，在老年人需要帮助时按下按钮，可以发出警报寻求帮助。

针对易用性需求，考虑到老年人的接受能力和操作准确度，对产品使用了可调节性设计。使用手柄处不同的按钮可以调节手杖高度，同时老年人在操作后可以得到及时反馈，防止误操作。

针对情感需求，将手柄和底座设计为稳定的三角形，增加底座与地面接触面积。在外形装饰上参考农村常见藤条编织物的造型，通过熟悉的元素降低老年人的抵触感。主体材质选用表面喷漆处理的铝合金，将橡胶、碳素纤维结合，增加产品亲近感。色彩选用白色和明度较高的黄色，给使用者正面积极的心理暗示（如图6、图7、图8）。

6结语

近几年，我国人口老龄化程度还将会持续增长，农村老年人口数量增多，这使得适合农村老年群体的助行产品的需求不断增大。在设计过程中引入FBS模型有助于人们对农村介助老人有更明晰的认知，从而提升目标群体的使用体验。设计过程由用户特征得出功能需求，由功能需求转化为行为，再将行为转化为结构，提高了助行产品的实用性，可以应用于今后助行器设计的实践中。文章系湖北省武汉工程大学校长基金项目;武汉工程大学2019年校人文社科基金项目《基于城乡互动的乡村设计美学实现路径研究——以鄂西羊村为例》。

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