基于FBS 模型的上肢康复医疗设备系统设计方法

龙朝杰 杜昱铿 李杰

（湖南省儿童医院物资供应维修部 湖南省长沙市 410007）

基于FBS 模型设计的上肢康复医疗设备，主要是通过对现有的康复医疗产品额功能、行为以及产品等结构进行解构，再结合实际环境和用户自身年的行为特点等，提出的一种康复医疗设备框架。以此能够重新设计出一种具备简单结构、高稳定性和安全性及容易拆装和存储的上肢康复医疗设备，为广大患者的需求提供低成本的医疗设备。因此，本文的研究不管时对患者家庭还是社会都具有重要的现实意义。

1 上肢康复医疗设备概述

由于脑卒或其他因素导致患者上肢活动出现障碍问题，为了解决帮助该些患者，可以利用上肢康复医疗设备来为患者的上肢活动提供辅助治理，以此实现帮助患者上肢进行康复训练，获取上肢运动能力。而上肢康复医疗设备的出现，不仅减少了医护工作人员的劳动力，还可以实现对患者康复训练中的数据进行记录和分析。通过随机试验对照的研究情况表明，脑卒中患者群体自身的上肢康复运动复健过程当中，一般情况是借助上肢康复医疗设备实现上肢康复治疗活动。该类型康复治疗活动和人工徒手康复治疗两者之间的效果报并无明显的区别，由此可以证明，上肢康复医疗设备对患者上肢康复训练的有效性。结合现有研究成果来看上肢康复医疗设备可以将其划分为两种类型：外骨骼式和平台式等。例如以MIT-MANUSFI 的代表的平台式上肢康复医疗设备，主要是由平台、多连杆移动结构和肢体固定部件等多方面构成。在帮助患者进行上肢康复运动时，具有较高的安全性和穿脱便捷。以ARMin 的外骨骼式上肢康复训练机器人，在帮助患者进行上肢康复训练时，通过人体关节位置和力矩传感器扥实现康复训练活动。

本文基于FBS 模型设计的上肢康复医疗设备，主要由医护人员结合上肢运动患者自身年的情况，在医疗康复设备系统当中输入患者的病历、运动性质以及实践和力度等，然后帮助患者在医生的指导下，利用上肢康复医疗设备实现上肢康复运动复健训练。同时，在整个训练过程当中，设备系统会通过传感器对患者的运动轨迹、速度以及力度等方面的数据进行记录，训练结束后系统会借助可视化的形式将训练结果进行展示，并为医护人员提供可靠的分析依据。

2 上肢康复医疗设备设计要求

（1）上肢康复医疗设备能够替代医护工作人员，实现帮助患者进行上肢进行复健训练。因此，在研发和设计该类型医疗设备产品时，需要针对服务对象自身的特殊性以及工作环境安全性等方面的因素，患者自身的需求等实现上肢康复医疗产品的设计。

（2）在满足医疗设备基本训练功能要求之后，还需要使得设计的产品能够充分地保障患者的安全，避免出现患者在复健训练时出现二次损伤。

2.1 安全性和机构性

上肢康复医疗设备系统在设计过程当中，为了避免对患者复健训练造成二次损伤，需要遵循国家标准（GB24436-2009 康复训练器械安全通用要求）设计医疗设备的各方面部件。同时，针对设备的控制系统安全性，需要结合设备相应的APP 软件实现对康复医疗设备的通知，还可以通过允许患者利用健侧手强制实现电源开关的断开，以此避免意外的出现。此外，医疗设备的机构设计方面，可以将其划分为牵引和支撑等两个部分。前者在患者上肢没有足够肌肉力实现自身康复训练时，通过利用牵引机构帮助患者患肢实现康复训练。不过在人机交互时，应当使得牵引机构和患者患肢的接触固定方式，具备相应的自由度和灵活性。后者，主要通过针对患者患肢康复初期肌肉力薄弱，借助医疗设备实现对患者患肢的辅助支撑作用。

2.2 模块化与智能化

由于医疗环境的不同，因此在进行上肢康复医疗设备系统设计时，首先需要满足环境特点的需求，并且所设计的产品需要具备灵活性和可移动功能。因此就需要通过模块化技术进行产品设计，使其具备更加便捷的拆装和存放能力。同时，模块化设计还可以实现对不同上肢康复期患者以及不同康复环境下患者的需求，提供不同的解决方法。其次，智能化在上肢康复医疗设备中应用，能够实时地帮助医护人员准确地对患者的康复进度进行记录，并通过获取的患者康复训练数据，帮助医生更好地对患者康复情况进行评估。也能够帮助患者或者其家属进行脑卒中并发症预防。

3 FBS模型概述分析

3.1 定义理论分析

在利用FBS 模型进行上肢康复医疗设备系统设计时，需要正确认识和了解FBS 模型的定义和理论，只有这样才能够使得设计完成的产品更加符合要求。FBS 模型是一种在FS 模型（Function-Structure）基础上引入行为（Behavior）后所提出的基于功能、行为及结构的FBS（Function-Structure-Behavior）理论模型。最后，结合人的认知特点，将其产品设计的过程划分为：功能分解和重组、行为分解与变型以及结构重组等三部分。

3.2 基于FBS模型的产品开发流程

基于FBS 模型的产品开发，首先需要对所设计的产品需求进行全面分析，确定产品的总功能。其次，对其总功能进行拆分并细化成多个小功能，使其形成功能结构[5]。最后通过子功能的映射行为，和行为映射为结构等形式将该些关系结构进行连接，在产品开发过程当中，产品的功能、行为以及结构等之间都是通过映射的关系，来保证产品的基本逻辑和组织关系的稳定性，最终在对各种定性关系转化成定量关系后，实现并产出产品的结构，具体见图1 所示。

图1： 基于FBS 模型的产品开发流程

3.3 FBS模型结构设计

上肢康复医疗设备系统设计过程当中，其功能和结构两者是两不可分割的设计要素，在FBS 模型当中，可以借助功能结构模型当中融入行为变量，从而促进功能-行为、行为-结构的两级映射关系形成，具体见图2 所示。

图2： FBS 模型的分层信息

简单来说，基于FBS 模型的上肢康复医疗设备设计，其功能层代表了产品设计的目的；行为层虽然处于功能层和结构层两者之间，但是可以通过行为及辅助行为，将产品的结构映射出来；而结构层对产品的整体架构和每个结构之间的连接关系和方式进行了定义，最后为上肢康复医疗设备系统的实际设计与开发提供了参考依据。

3.3.1 F-B 映射分析

两者之间的映射，需要先对设备功能进行分析，而产品的功能又来自于用户自身的需求。因此，在设备系统设计过程当中，由于去复杂的功能设计，很那进行直接分析。所以，通过简化的方式，将系统总功能分解成多个子功能并形成整体结构图。而功能和结构之间的桥梁就是行为，也就是通过行为实现了产品功能应该“怎样做”。并在各种约束条件得以满足的前提下功能-行为映射，生成了行为解，最后从其原理上促进了设计目标实现。

3.3.2 B-S 映射分析

医疗产品的功能实现离不开结构，而FBS 模型，通过设计知识库类比推理方式，结合设计需求试实现功能结构。也就是说，当功能映射的行为和设计知识库中的结构解，能够实现行为对比和匹配。若是两者之间的行为相符，则映射的行为集结构也会存在相似的关系，最后在约束条件的作用下，产生出符合要求的结构。

4 基于FBS模型的上肢康复医疗设备系统设计

4.1 总体系统设计及主要模块

本文项目设计的目标群体主要是脑卒中患者康复人群。因此基于FBS 模型设计的上肢康复医疗设备和其他类型的康复训练机器人有所不同。该设计的上肢康复医疗设备其目的是，能够实现患者患肢最大化的复健训练效果时，尽可能的降低设备的生产成本，帮助患者家庭节省医疗开支。同时，要需要保障设计的设备具备高安全性、便捷性、稳定性等优点。因此，基于FBS 模型的上肢康复医疗设备结构设计可以划分为康复训练、控制、支撑、传动以及长/高度调节和可移动等多个模块，具体见图3 所示。

图3： 基于FBS 模型的上肢康复医疗设备系统功能结构分析

基于FBS 模型设计的上肢康复医疗设备具体功能模块如下：

4.1.1 康复训练模块

该模块的设计，主要包含了患者上肢肩关节训练模块以及肘关节训练模块等两个部分。首先，肩关节训练模块，是由上臂支撑、前臂支撑、手握以及手臂绑定等结构和角度调整机构多个部分构成。当患者在进行康复训练时，通过肩关节训练模块，能够使得两个咬合件将主机盒与训练模块两者进行相连，然后由主机盒内部的微特电机驱动设备，内部的齿轮，实现将其动力传导至相应的训练模块当中，从而实现患者的肩部屈曲与伸展等活动。其次，在康复训练模块中其肘关节训练模块的传动模式和肩关节相同，但两者之间不同的是，肘关节在康复训练时，其屈曲运动只能够随着机器的运动二人摆动前臂，上臂被固定在手臂的支撑台之上。

4.1.2 控制模块

在模块当中，由于该模块主要放置在主机盒当中，因此只有通过联网或蓝牙的方式，将上肢康复训练医疗设备和手机APP 软件两者进行连接。然后，借助软件直接实现对康复训练模块参数的配置，以及通过远程控制的模块，实现患者的复健训练开始与停止。

4.1.3 支撑模块

该模块在上肢康复医疗设备设计过程中，主要是通过底座、连接杆以及上臂支撑平台和主机盒支撑平台等四个部分共同构成。对患者的整机以及人体上肢复健训练提供强力的支撑，并保证患者的复健训练的安全性。

4.1.4 传动模块

该模块的设计主要应用在医疗设备的微特电机驱动和齿轮传动等方面。

4.1.5 长度/高度调节模块

在上肢康复医疗设备设计前，由于每名患者的身高并不相同。因此，在设计过程中可以通过利用可自由调节的器械，进行高度调节，以此适应患者的坐姿。并且通过该模块的长度还能够使用不同患者的臂长。

4.1.6 可移动模块

该模块的设计主要是利用万向轮实现设备的移动。并且在设计过程当中康复医疗设备还具备相应的刹车装置，以此防止与避免患者复健训练过程中，设备不会因移动对患者造成二次伤害。

4.2 行为变型和创新

由于不同患者用户，在不同的环境情况下对康复训练医疗设备的使用行为差异不同，可以得出行为的变型和创新。针对对医院和社区康复环境下的患者及其家属对患者复健训练的需求，例如康复医疗设备指导、康复训练方法以及康复护理技巧等方面，以及医疗环境与居家环境等方面对医疗设备的设计差异性进行了分析，从其控制功能映射行为实现变型，将鼠标和面板等控制变型成手机APP 控制。这样一来，可以借助APP 实现对患者的上肢康复运动训练数据实时的记录，并针对患者自身的康复情况展开评估。也可以通过在APP 中融入康复训练视频，对患者展开康复训练教学。同时，基于FBS 模型设计的上肢康复医疗设备，在行为的变型和创新下，能够映射出新产品的功能集，从而通过功能间的关系，构建出新的医疗康复产品结构，最后设计出符合患者康复环境需求的上肢康复医疗设备。

4.3 驱动方式选择

现阶段，针对上肢康复医疗设备的驱动方式，主要是利用液压式、气动式以及电动式等三种和不同的驱动方式，实现设备运动，而这三种不同类型的驱动方式之间的优劣对比分析，见表1 所示。

表1： 驱动方式对比

在通过对比上述三种不同的上肢康复医疗设备驱动方式，本次基于FBS 模型的医疗设备设计过程中，采用电动驱动方式，作为该设备的驱动系统。主要原因，一方面是从其成本方面考虑；另一方面是由于电动驱动方式，能够充分地满足此次设备设计的需求和采购。而通过不过电动机产生的力和力矩，通过直接或间接的方式在传动结构的驱动下执行机构，能够有效实现上肢康复训练设备的各种运动。而电动驱动系统在并不需要进行能量转换，还具备灵活控制和简便的操作，进而能够被不同康复期的患者复健训练需求所需要。

4.4 识别需求分析

4.4.1 训练和安全方面的需求

通过借助文献研究总结出患者用户的具备训练和安全等方面的需求，而满足患者的患肢康复训练需求，一般单日训练时间在15 分钟左右。而从安全方面来看，上肢康复医疗设备作为医疗用户，其安全性设计以及紧急停止功能设计，极为重要。

4.4.2 便利和情感需求

上肢康复医疗设备设计过程当中，还需要能够满足医护人员对设备操作的便利性，如十分人性化的人机交互界面，以及十分方面患者穿戴的便利性。同时，医疗设备在设计过程当中，还需要注重用户情感需求，让用户在使用过程中其主体地位得到体现。上肢康复训练过程当中，不会让患者的上肢存在刺痛感和不适感等。因此，在设计过程当中可以通过融入趣味性设计，来降低患者对康复训练的抵触，也可以借助游戏训练的方式，实现对患者患肢康复训练运动。

5 系统模型生成

基于FBS 模型的上肢康复医疗设备生成，首先需要对患者以及医护工作人员对医疗设备的应用和需求进行分析，接着对上肢康复医疗设备的功能设计展开分析，从而得出显示、移动以及康复训练和数据记录、分析等功能。其次，通过FBS 模型对该医疗设备的功能实施功能-行为映射以及行为-结构映射等，从而得出符合需求的上肢康复医疗设备系统。

6 结语

综上所述，文章针对现阶段市场上的上肢康复医疗设备的单一功能形态以及复杂的结构问题，在FBS 模型理论和可行性评估方法理论等方面的指导下，完成了基于FBS 模型的上肢康复医疗设备系统框架设计。同时，该医疗设备的设计，从其结构设计上避免了对患者造成二次伤害，因此相对更加符合医疗产品特征，并且该设备设计还具有易拆卸和易存储的等特点。本文此次研究，为相关类型的医疗产品设计与开发提供了一种新的思路。