基于FBS 模型的下肢残疾者游泳假肢设计研究

2023-11-05卢菲菲周婧怡

科技创新与应用 2023年30期

卢菲菲，周婧怡

（长春理工大学，长春 130000）

游泳是一种低强度冲击的训练活动，可以在不损伤残肢软组织的情况下增强耐力，是一种有效的全身有氧运动，作为一种运动和康复手段，在下肢截肢者中被广泛接受。首先，水的浮力能够减轻截肢者的锻炼难度，可以让下肢截肢者从日常生活中负担的沉重重力中解脱出来。其次，游泳与其他运动相比，肢体缺失的人可以在不依靠假肢的情况下独立参与游泳。然而，下肢截肢者通常不戴假肢游泳，实际上不使用假肢游泳将会存在诸多问题，例如，游泳时平衡感不好，可能会造成身体失衡，进而导致受伤；截肢部分暴露在他人面前；下水困难，容易滑倒等。因此，为了使膝下截肢者在学习游泳或在进行常规游泳运动时更具安全性，本文根据消费者日益增长的需求，基于功能-行为-结构（Function-Behavior-Structure，FBS）拓展模型的设计方法，通过在市场上观察到的游泳假肢技术在运动时考虑到的特定需求，由新需求引出新功能，建立游泳假肢的需求-功能-原理-行为-结构映射机制，从而实现游泳假肢的创新设计。

1 下肢残疾者的特征分析

1.1 生理特征

残疾人更容易出现二次健康问题，如抑郁、焦虑、肥胖、疼痛、疲劳和尿路感染，而运动对其康复和预防至关重要。然而，下肢残疾者参加游泳活动受到包括个人和环境因素在内的多因素限制，患者膝关节肢体缺失，其下肢肌肉组织和下肢本体感觉能力都受到重大损失，在下肢截肢后，个体使用下肢假体的能力取决于残余肌肉组织的强度。腿部力量与残肉的长度、截面积成正比，膝下截肢者是指失去了膝盖以下腿部的人，截肢的程度决定了最终佩戴的人工假肢的要求。腿部肌肉力量的丧失会对个体操作假肢的能力产生负面影响。同样，研制的假肢重量过大，也会导致因截肢者腿部力量的丧失而导致其功能下降。

1.2 心理特征

下肢截肢不仅在生理上会带来诸多不便，而且在心理上也是一种障碍。为了恢复肌肉活动和回归社会生活，对截肢者来说，进行体育锻炼的可能性是非常重要的，包括改善健康、改善身体形象、增强自信、增加成就感和融入社会的能力。截肢患者，不仅必须忍受因失去肢体而导致的功能丧失，还必须忍受与周围人不同而受到的社会歧视。因此，截肢的个体经常会感受到自尊和自我价值感的下降，截肢个体的自我形象倾向于关注因失去肢体而导致的身体局限性，而不是身体的能力。

1.3 下肢残疾者游泳的行为特征

1.3.1 下肢残疾者游泳的行为方式

下肢残疾者由于身体受限导致的心理问题可以通过锻炼的方式得到缓和，在研究过程中发现，下肢截肢的患者如果希望参加游泳等水下活动，有以下几种选择。①不戴假肢游泳；②使用海滩两栖假肢；③直接连接到游泳鳝状的假肢；④在水中穿有踝关节的游泳假肢。而现有的游泳假肢在设计时需考虑尺寸、可调节性、稳定性、材质和使用方式的差异性等。只有将这些都考虑齐全，下肢残疾者才能安全、方便、有效地运用假肢进行游泳锻炼。

1.3.2 下肢残疾者游泳的行为规律

对于运动员而言，可能是追求速度，但对于普通人而言，在水中保持身体的平衡则更加重要。人类的游泳运动与其他水生动物相比是非常独特的，因为人类没有任何适合游泳的特征，如流线型的身体或鳍。取而代之的是，人类利用其四肢大范围地移动和多角度的关节转动，以一种特殊的方法游泳。Swum 团队开发了一款“水下游泳人体模拟模型”SWUM（Swimming human Model）软件，SWUM 是为人类游泳的力学分析而开发的，在SWUM 中，游泳者的身体被表示为一系列21 个截断的椭圆锥，该工具可以用来分析人类游泳中的各种动力学问题，如游泳形态差异的影响，关于游泳速度和身体的绝对运动优化计算，通过仿真求解，分析人体在水下运动时的腿部特征。对自由泳、仰泳、蝶泳等泳姿进行比较分析[1]。比如蛙泳时腿部动作可分为4 个步骤：收腿、翻脚、夹蹬水、停。

而截肢对游泳影响最明显的是划水时身体会不对称，如面朝下的自由泳左臂前伸划臂时，右臂则会更大程度地向外划水。为了弥补左侧残肢的推进力不足[2]，所以使截肢者轻松地走到游泳池，重建对称性泳姿进行游泳，加强残肢肌肉的锻炼，是在尝试截肢者运动的可及性以及恢复尊严方面向前迈出的重要一步。

2 基于FBS 模型的下肢残疾者游泳假肢研究方法和设计思路

2.1 FBS 模型概念

FBS（Function-Behavior-Structure）模型是由GERO 等人在1990 年首次提出的产品创新设计方法论，目前已经被广泛应用于产品创新设计领域。该模型强调设计一个产品包括一系列基本步骤：“功能”（F）是产品设计满足用户需求的设计意图或目的；“行为”（B）是用户与产品间的交互形式，产品的结构如何实现其功能；“结构”（S）是人工制品及其构成组件之间相互的组合、位置关系，是设计的结果。

2.2 基于FBS 模型的产品开发流程

基于FBS 模型的游泳假肢设计开发流程如下。

2.2.1 需求确定功能

对患者和医护人员进行实地调研，并结合文献研究分析膝下截肢人群的生理和心理特征，根据用户需求对产品功能进行分析，提取关键设计要求，得出游泳假肢的基本功能需求，并归纳其所对应的设计目标，作为游泳假肢的功能设计要素。

2.2.2 功能映射行为

从功能出发，将已确定的游泳假肢功能映射到期望行为（Be）中，将期望行为进行评估得到实际操作行为（Bs），两者结合做进一步分析。

2.2.3 行为映射结构

对功能行为进行分析之后，映射分析出产品结构，根据产品结构分析出用户与游泳假肢之间的交互行为，综合得出结构模块，确保设计的完整性[3]。

最后，将这个分析过程进行归纳总结，生成基于FBS 的游泳假肢创新方案，如图1 所示。该模型为接下来的设计与开发提供了详细的参考[4]。

图1 基于FBS 的游泳假肢设计过程

2.3 下肢残疾者游泳假肢设计的FBS 模型构建

2.3.1 需求确定功能

识别用户需求后，结合文献研究和用户调研进行分析，总结出四大用户需求，见表1。

表1 游泳假肢功能需求

1）基本需求。通过患者游泳时，满足患者的基本使用需求。首先产品应具有基本的运动功能，可以辅助患者进行收腿、蹬腿、鞭腿、打水等运动，其次作为辅助运动的医疗器具，产品需满足残疾人在运动过程中的数据收集和智能分析需求。

2）安全性需求。作为可穿戴医疗器具，游泳假肢在设计中最重要的是安全性设计。设计时需满足患者在游泳过程中的安全性需求，如水下呼救感应功能，紧急停止功能。

3）易用性需求：该产品满足患者操控的易用性需求，主要体现在满足患者在使用过程中的便利性需求，如穿脱方便，便于调节，其次体现在人机交互界面足够人性化，简单易懂，清晰明了。

4）情感需求。可穿戴医疗器具应该时刻关注患者的情感需求。在使用过程中，其产品的外观看上去容易让患者接受，在公共场所暴露假肢进行运动，尤其需考虑患者的心理情绪；形态符合游泳时的力学原理；材质与患者下肢接触时是否有不适感和刺痛感，材料在水中的浮力。

2.3.2 功能映射行为

首先，明确用户需求，根据目标用户需求确定总功能，完成需求到功能的映射[5]，建立游泳假肢功能模型；其次，根据需求模块对功能根据不同工作原理进行划分，由于游泳假肢的特殊性及复杂性，在构建功能模块时，除了考虑其主要的运动功能外，还需要考虑到控制功能、调节功能、智能化功能，一共四大模块；最后，再根据已划分的子功能映射出相应的行为（Be）。

其中，运动功能是游泳假肢的核心功能，我们对该功能进行具体的映射分析，首先要对游泳行为进行功能拆解，患者使用假肢来进行游泳运动的主要行为有：患者穿戴假肢，假肢为患者提供支撑力帮助患者行走到泳池边，患者选择合适的运动模式入水，最后利用游泳假肢为患者提供助力/阻力，使患者能够在水中进行自由泳、蛙泳等，如图2 所示。

图2 下肢残疾者的游泳行为流程

2.3.3 行为映射结构

针对游泳假肢不同的行为方式，对功能与行为进行相关性分析，一个完整的产品有着多个结构模块，多个相似的行为模块可能对应着同样一个整体结构模块，如图3 所示，这样有利于掌握产品的整体布局，所以在设计结构模块时需结合人机尺寸充分考虑其合理性，不会因为众多的行为导致结构的杂乱。

图3 基于FBS 模型的产品结构映射

3 下肢残疾者游泳假肢设计的预期与展望

游泳假肢主要为膝下截肢的患者提供服务，对其设计与技术要求体现在以下几个方面。

针对基本需求，使用游泳假肢的主要优点是在游泳时产生显著的推进力，有助于加强残肢肌肉的锻炼和促进功能对称性。并且帮助患者独立在水中移动，或使截肢者能够独立使用楼梯或梯子离开游泳池。

针对产品的安全性，游泳假肢的使用过程中和人体互相接触，因此在设计时尤其要注意接受腔的设计，既要考虑到假肢在不影响正常游泳时的舒适度问题，也应考虑到下肢残疾者在游泳过程中残肢大幅度摆动和被水流冲击时是否会导致假肢脱落的松紧度问题。若游泳过程中遇到特殊情况,可通过紧急求救按钮进行呼救,为残疾人的游泳过程保驾护航[6]。

针对易用性需求，考虑到用户有着非常强烈的独立心态，既希望得到关爱，又希望赢得他人尊重[7]。因此，简洁的外形、便于调节的功能和易懂的操作方法使游泳假肢更友好，可以大大提升用户体验，增加自信与成就感。

针对情感需求，用户虽为特殊群体，但是并未脱离当今的社会生活，游泳假肢应该关注患者的情感需求，让使用者的主体地位得到体现。如在造型方面采用大曲面、大倒角，整体呈现流线型，尽可能地隐藏机械部件，弱化设备的机械感，给人一种亲切感，使其向友好型产品发展，且为那些可能因不戴假体出现在公共场合而感到尴尬的人提供一些安全感。