基于AHP-TRIZ 的家用脚踏康复机设计研究

宋端树， 裴超文

（1.江苏师范大学 机电工程学院， 江苏 徐州 221116； 2.韩国国民大学TED 技术设计大学院， 韩国 首尔 02910）

0 引言

人口老龄化背景下， 因身体机能老化与各种疾病、事故等非自然因素引发的下肢运动障碍患者数量逐年增加[1-2]。 医学研究表明，及时有效的康复训练能够帮助患者改善或重建运动机能[3]。传统的康复机构治疗的方式由于受到场地距离和时间的限制， 给患者及其家庭带来极大不便，且其一对一的康复训练形式，效率低下，受康复师体力、训练技巧和强度等多方面因素的影响，康复效果存在诸多不确定性，且康复资源缺口较大[4]，加之后疫情时代大众的居家康复保健需求激增。 因此， 让患者足不出户便可享受到优质的康复治疗成为社会发展的必然趋势。 亟需加快推进简便、有效、舒适的家用康复器械的研发进程来提升康复治疗患者的生活质量[5]。

目前，国内外科研机构在下肢康复器械的研究上已经取得了很多成果[6-12]。 但针对下肢康复器械的研究内容主要集中在医疗中心专业康复器械， 外骨骼式康复机器人等的研发和应用方面， 亟需加快推动康复器械朝着小型化和家用化的方向发展。 目前针对下肢康复器械的研究多用运动学原理的方法， 如利用EDEM 软件对康复仪按摩过程进行数值模拟[13]，利用D-H 法对履步康复机器人进行运动学建模[14]，在结构、数值等方面足够精确，但并未全面考虑到用户需求。 有少部分研究基于用户需求，运用Delphi 法、模糊综合评价等方法为产品设计方案提供决策依据，但尚无法全面提供系统解决方案。 将AHP 层次分析法（Analytic Hierarchy Process）和TRIZ 理论（Theory of the Solution of Inventive Problems）集成应用，通过目标对象的AHP 评价确定家用脚踏康复机的关键设计指标，进而应用TRIZ 发明理论提供解决方案，对产品进行创新设计， 为下肢失能人群家用运动康复器械的设计研究提供建议和指导。

1 AHP-TRIZ 概述

AHP 是将与目标主题相关的元素分解成多个层级，在此基础上两两比较确定同一层级元素相对上一层级元素的数量关系的一种决策方法[15]。 在产品的创新设计中，应用AHP 能够对用户需求进行量化评价，有效提取产品设计需要解决的关键问题，弥补传统主观评价的缺陷。

TRIZ 是在各国众多高水平专利和自然科学知识的基础上整理归纳出的一种解决设计问题的理论， 能够为产品设计提供创新思维模式[16]。 TRIZ 着力于解决设计中存在的矛盾， 利用工程参数和矛盾矩阵形成具体的解决方案，能有效弥补AHP 在产品创新设计中的不足，将关键问题转化为技术参数。

产品创新设计的过程就是不断发现问题并解决问题的过程， 应用AHP 可以评价产品设计指标的优先等级，发现产品创新要解决的的核心问题。TRIZ 的突出优势是能够为AHP 评价中的核心问题提供针对性的解决方案。 AHPTRIZ 集成模型将产品概念设计中核心问题的析出与解决过程有效衔接，集发现问题与解决问题为一体，能够弥补单一理论缺陷，有效实现AHP 和TRIZ 二者的优势互补。

2 AHP-TRIZ 模型的集成应用流程

AHP-TRIZ 集成模型将AHP 指标评价与TRIZ 发明原理有效结合，集成研究方法与流程，见图1。

图1 AHP 和TRIZ 集成模型

2.1 应用AHP 评价产品设计指标

（1）构建递阶层次结构。通过前期的桌面调研、访谈、问卷等方式获取产品设计指标，进行筛选、分解、组合，建立目标层、准则层、指标层递阶层次结构。

（2）层次单排序。 以目标层为比较基准，计算准则层因子之间的相对重要度； 进而分别计算每一准则层因子下指标层因子之间的相对重要度，即为层次单排序。计算步骤：首先，构造判断矩阵。 以表1 种的标度量化值为重要度评价依据，分别对准则层因子及隶属同一准则层、指标层因子间的相对重要度进行两两比较。 构造出判断矩阵A=（aij）n×n，其中aij表示因素i 与因素j 相比的重要程度[17]，且aij=1/aji；其次，采用列向量平均值法计算权重。

表1 判断标度量化值及含义

并求得特征向量W

式中：（AW）i表示向量AW 的第i 个元素。

最后，一致性检验。 一致性比例CR 值直接决定一致性检验的结果，即：

式中：n 为矩阵阶数；RI 为平均随机一致性指标， 取值见表2。 当CR＜0.10，则表明判断矩阵通过一致性检验[18]。

表2 1- 9 阶判断矩阵的随机一致性指标

（3）层次总排序。 将层次单排序过程中所获取的指标层各因子的权重值与其所对应的准则层因子的权重值相乘，其结果则为各设计指标的综合权重值。

2.2 应用TRIZ 进行创新设计

（1）确定冲突及类型。 依据AHP 评价结果，按照用户对产品设计指标的需求优先级， 确定产品创新的核心设计点。 对于这些核心点之间的存在的矛盾冲突及其类型，借助TRIZ 的39 个通用工程参数来描述并确定。 其中，技术冲突表现为提升系统中某一参数特性会致使其他参数恶化，物理冲突则表现为对同一个工程参数有相反的需求。

（2）解决矛盾冲突。确定冲突类型后，从TRIZ 分离原理（对应物理冲突）或冲突解决矩阵表（对应技术冲突）中寻找到冲突对应的发明原理， 最终技术措施方案的选定需在满足用户总体需求的同时兼顾可实现性。

3 AHP-TRIZ 模型在家用脚踏康复机设计中的应用

3.1 应用AHP 评价产品设计指标

（1）构建产品设计指标的层次结构模型。以下肢功能障碍患者为研究对象，走访多家康复中心，对接受下肢康复训练的患者及少部分为患者家属和康复中心具备专业知识技能的医护人员进行一对一访谈， 结合问卷调查和行为观察等方法深入了解目标对象对现有下肢康复器械的使用痛点与期望需求， 获得下肢康复器械的原始设计指标27 项，排除非设计项、整合相近项，最终确定家用脚踏康复机设计指标共16 项。以家用脚踏康复机设计作为目标层，应用卡片分类法对设计指标进行层次分类，见图2。

图2 卡片分类小组讨论

通过对设计指标进行筛选、分解、组合，并结合专家小组意见，获得准则层指标，即安全性、功能性、操作性、舒适性及经济性等5 项。 最终构建家用脚踏康复机设计指标层次结构模型，见图3。

（2） 确定设计指标权重。 为突出关键设计要求， 针对图3中准则层和指标层的设计指标， 结合表1设计2 份AHP 问卷，分别针对准则层设计指标间的相对重要度， 以及每一准则层下的指标层设计因子间的相对重要度进行两两比较， 要求被调查者依据表1 中的判断标度及相应的量化值进行打分。

图3 家用脚踏康复机设计指标层次结构模型

赴徐州市中医院康复中心进行实地问卷，见图4，共发放了四批调查问卷，每批50 份，问卷填写用户主要为到康复中心进行康复训练的患者。

图4 徐州市中医院康复中心实地调研

最终收回有效问卷172 份， 男女比例约为5∶4。 对有效问卷的打分情况进行整理和统计，计算出家用脚踏康复机设计指标权重见表3。

表3 家用脚踏康复机设计指标的权重

（续表3）

对上表中的综合权重进行优先级排序， 调研小组综合考虑多方面因素后选取结构稳固，尺寸可调节，材料可靠，器械便携，助力驱动自适应，器械通用性高等前6 位指标作为创新设计的核心。

3.2 应用TRIZ 解决矛盾冲突

综合分析6 项核心设计点的技术实现方案可以获知： 在家用脚踏康复机这6 项核心设计指标的技术实现方案中均存在着一定程度的技术冲突，分析如下：

（1）矛盾一问题分析。 分析得出，“结构稳固”和“器械便携”这两个指标存在技术冲突，若增强家用脚踏康复机的“结构稳固”特性，意味着其“质量”和“体积”很可能会随之增大，从而导致“器械便携”特性降低。 因此该技术矛盾可表述为：“结构稳定性”的改进引发“静止物体的重量”与“静物的体积”恶化。 在TRIZ 的冲突矩阵表中求得解决矛盾一的发明原

理，见表4。

表4 解决矛盾一的发明原理

（2）矛盾二问题分析。 分析得出，“尺寸可调节”，“助力驱动自适应”和“器械通用性高” 这三个指标的设计都对产品的“适应性和多用性”有较高需求，若要提高产品的“适应性和多用性”，意味着其“重量”及“系统的复杂程度”也会相应提高。 因此确定技术冲突为：“适应性及多用性”的改进导致“运动物体的重量”与“装置的复杂性”恶化。 查询TRIZ 的冲突矩阵表，求得解决矛盾二的发明原理，见表5。

表5 解决矛盾二的发明原理

4 家用脚踏康复机设计方案

经过分析得出：40 号发明原理能有效解决矛盾一，15号发明原理能有效解决矛盾二， 并将其应用于家用脚踏康复机的创新设计见表6。

表6 原理解释及应用

依据表4、表5 的分析，将复合材料原理和动态原理应用于家用脚踏康复机的设计，进行创新性概念发散。设计过程中以人机工程学为指导，合理配置产品尺寸，同时兼顾主流受众人群的生理、心理特征及需求，最终确定基于AHP-TRIZ 的家用脚踏康复机设计方案见图5。

图5 家用脚踏康复机设计方案

产品设计见图6，其主要创新之处如下：①器械基座采用三角形结构，且底部设有平衡支架，增加受力面积，提升稳定性；②器械多部件（把手、座椅）的高度和角度可调节；采用双向驱动轴，满足不同用户在不同训练模式下的不同需求，通用性高，且脚踏驱动轴可双向旋转；③器械多部件 （扶手杆，座椅， 脚踏板，底部支架）可收缩折叠，轻量便携，且底部的滚轮设计也增加了器械移动的便捷性。

图6 使用状态

5 结束语

文中基于产品创新设计单一理论间的缺陷与优势互补， 提出了一种基于AHP 和TRIZ 理论的集成创新设计模式， 该模型能够针对AHP 评价获取的用户核心需求，巧妙发挥TRIZ 对其矛盾冲突的解决优势，为产品创新设计提供有效的解决方案。 应用AHP-TRIZ 集成模型对用户需求进行产品化表达具有较强的针对性。 基于AHPTRIZ 集成模型的家用脚踏康复机设计实践对于产品创新设计具有理论指导与实践参考作用。