基于NFBMS创新设计综合模型的上肢康复产品设计研究

doi:10.11996/JG.j.2095-302X.2025010211

摘要/Abstract

摘要：

为提升上肢康复训练产品的实用性和合理性，提出功能-行为-结构(FBS)模型拓展，以上肢康复动作特征为出发点，融入用户需求和康复动作构建了基于需求-功能-行为-动作-结构(NFBMS)的上肢康复产品设计模型。通过用户调研建立需求指标评价体系，运用熵权法对用户需求进行优先级排序；以NFBMS模型为设计框架开展设计解耦，并结合上肢康复动作，系统分析上肢康复产品概念模型映射过程，对映射结果执行设计结构矩阵(DSM)聚类求解，建立上肢康复产品功构耦合方法，为脑卒中患者设计一款可穿戴的上肢康复设备；使用NX12.0软件进行运动学仿真分析，验证上肢康复产品机构的合理性。研究表明：基于NFBMS模型与运动学仿真相结合的方法提升了上肢康复设备的功能结构，为同类产品的创新设计提供新思路。

关键词: 上肢康复产品, FBS拓展模型, 运动学仿真, 熵权法, DSM设计结构矩阵

Abstract:

In order to improve the practicability and rationality of upper limb rehabilitation training products, a functional-behavior-structure (FBS) model was proposed for expansion, with the features of upper limb rehabilitation movements serving as the starting point. A design model for upper limb rehabilitation products based on need-function-behavior-motion-structure (NFBMS) was constructed by integrating user needs and rehabilitation actions. A demand index evaluation system was established through user research, and the entropy weight method was employed to prioritize user needs. The NFBMS model was utilized as the design framework to perform design decoupling. Combined with upper limb rehabilitation actions, the mapping process of the conceptual model of upper limb rehabilitation products was systematically analyzed, and the mapping results were solved through the design structure matrix (DSM) clustering. A functional structure coupling method for upper limb rehabilitation products was established to design a wearable upper limb rehabilitation device for stroke patients. NX12.0 software was used for kinematics simulation analysis to verify the rationality of the upper limb rehabilitation product structure. The research demonstrated that the method based on the NFBMS model, combined with kinematics simulation, enhanced the functional structure of upper limb rehabilitation equipment and provided a new idea for the innovative design of similar products.

Key words: upper limb rehabilitation products, FBS extension model, kinematics simulation, entropy weight method, DSM design structure matrix

中图分类号:

TH789

李晓英, 杨林, 王星达, 闫洛创, 唐毅. 基于NFBMS创新设计综合模型的上肢康复产品设计研究[J]. 图学学报, 2025, 46(1): 211-220.

LI Xiaoying, YANG Lin, WANG Xingda, YAN Luochuang, TANG Yi. Research on upper limb rehabilitation product design based on NFBMS innovative design synthesis model[J]. Journal of Graphics, 2025, 46(1): 211-220.

图/表 17

参考文献 16

[1]	赵峰, 董媛媛, 刘瀚之, 等. 面向社区的脑卒中患者上肢康复产品设计研究[J]. 包装工程, 2022, 43(18): 152-159, 183.
	ZHAO F, DONG Y Y, LIU H Z, et al. Community oriented upper limb rehabilitation product design for stroke patients[J]. Packaging Engineering, 2022, 43(18): 152-159, 183 (in Chinese).
[2]	李钦彪. 基于多感官通道理论的脑卒中手部康复产品设计与评估研究[D]. 济南: 山东大学, 2020.
	LI Q B. Design and assessment of stroke hand rehabilitation product based on multisensory theory[D]. Ji'nan: Shandong University, 2020 (in Chinese).
[3]	王年文, 刘蕴华. 基于FBS模型与可拓变换的手部康复产品设计方法[J]. 机械设计, 2020, 37(10): 139-144. DOI
	WANG N W, LIU Y H. Design method of hand rehabilitation products based on FBS model and extension transformation[J]. Journal of Machine Design, 2020, 37(10): 139-144 (in Chinese).
[4]	杨梅, 钟吴诚, 舒天骆. 基于FBS扩展模型的适老化产品易用性设计研究[J]. 包装工程, 2023, 44(14): 136-144.
	YANG M, ZHONG W C, SHU T L. Usability design of elderly-oriented products based on FBS extended model[J]. Packaging Engineering, 2023, 44(14): 136-144 (in Chinese).
[5]	孙利, 张鹏, 吴俭涛, 等. 基于FBS拓展模型的可穿戴式康复机械手设计研究[J]. 图学学报, 2021, 42(1): 150-157.
	SUN L, ZHANG P, WU J T, et al. Design of wearable rehabilitation manipulator based on FBS extended model[J]. Journal of Graphics, 2021, 42(1): 150-157 (in Chinese). DOI
[6]	DANTAN J Y, EL MOUAYNI I, SADEGHI L, et al. Human factors integration in manufacturing systems design using function-behavior-structure framework and behaviour simulations[J]. CIRP Annals, 2019, 68(1): 125-128.
[7]	白仲航, 张资恒, 李晨辉, 等. 功能-行为-结构(FBS)模型方法研究综述[J]. 图学学报, 2022, 43(5): 765-775.
	BAI Z H, ZHANG Z H, LI C H, et al. Review on research of FBS model method[J]. Journal of Graphics, 2022, 43(5): 765-775 (in Chinese).
[8]	陈香, 卫华. 基于结构熵权TOPSIS法的产品设计方案评估研究[J]. 图学学报, 2020, 41(3): 446-452. DOI
	CHEN X, WEI H. Research on product design scheme evaluation based on TOPSIS method of structure entropy weight[J]. Journal of Graphics, 2020, 41(3): 446-452 (in Chinese). DOI
[9]	GERO J S. Design prototypes: a knowledge representation schema for design[J]. AI Magazine, 1990, 11(4): 26-36.
[10]	张旭, 李晨辉, 许彤, 等. 设计任务驱动的工具类产品创新[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(11): 4623-4637.
	ZHANG X, LI C H, XU T, et al. Innovative design of tool products driven by design task[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(11): 4623-4637 (in Chinese).
[11]	李晓玲, 刘子荧, 莫泽宇, 等. 医疗装备产品研发中的人机交互和创新设计[J]. 包装工程, 2023, 44(20): 65-76.
	LI X L, LIU Z Y, MO Z Y, et al. Human-computer interaction and innovative design in the development of medical equipment products[J]. Packaging Engineering, 2023, 44(20): 65-76 (in Chinese).
[12]	陈永航, 郭洋铭. 基于设计结构矩阵、最小描述长度理论与可适应性评价的产品模块化设计方法[J]. 机械设计, 2023, 40(2): 140-148.
	CHEN Y H, GUO Y M. Method of product modular design based on design structure matrix, minimum description length heory and adaptive evaluation[J]. Journal of Machine Design, 2023, 40(2): 140-148 (in Chinese).
[13]	郑丽文, 徐文俊, 周建锋, 等. 一种家庭用末端牵引式上肢关节训练器械的虚拟样机设计及其数值分析[J]. 机械设计, 2023, 40(6): 92-99.
	ZHENG L W, XU W J, ZHOU J F, et al. Virtual-prototype design and numerical analysis of family-oriented end traction upper-limb joint training device[J]. Journal of Machine Design, 2023, 40(6): 92-99 (in Chinese).
[14]	檀祝新, 余晓流, 高文斌. 一种六自由度上肢康复训练机器人运动学及工作空间仿真分析[J]. 机床与液压, 2019, 47(3): 32-36. DOI
	TAN Z X, YU X L, GAO W B. Kinematics and workspace simulation analysis of a 6-DOF upper-limbed rehabilitation training robot[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2019, 47(3): 32-36 (in Chinese).
[15]	刘琳琳, 周恩玉, 赵烜东, 等. 面向脑卒中患者的上肢康复产品人机工程设计[J]. 包装工程, 2023, 44(18): 61-66.
	LIU L L, ZHOU E Y, ZHAO X D, et al. Ergonomic design of upper limb rehabilitation products for stroke patients[J]. Packaging Engineering, 2023, 44(18): 61-66 (in Chinese).
[16]	焦宗琪, 孟巧玲, 邵海存, 等. 上肢康复训练与生活辅助机器人的设计与研究[J]. 中国康复医学杂志, 2022, 37(9): 1219-1222.
	JIAO Z Q, MENG Q L, SHAO H C, et al. Design and research of the upper limb rehabilitation training and assisted living robot[J]. Chinese Journal of Rehabilitation Medicine, 2022, 37(9): 1219-1222 (in Chinese).

设计步骤	映射	设计过程说明	设计分析
步骤1	Ne→Nt	将预期用户需求分解为不同的需求类型	分解
步骤2	Ne→Nw	将预期用户需求分解并按权重排序	分解
步骤3	Nt→Fe	将不同的需求类型转化为预期功能	转化
步骤4	Nw→Fe	按需求权重转化为预期功能	转化
步骤5	Fe→Be	将预期功能转化为用户预期行为	转化
步骤6	Be→Me	将预期行为转化为用户预期动作	转化
步骤7	Me→Mw	将预期动作分解为康复动作	分解
步骤8	Me→Mf	将预期动作分解为使用产品时的辅助动作	分解
步骤9	Mw→S	根据康复动作转化为实际的物理结构	转化
步骤10	Mf→S	根据辅助动作转化为实际的物理结构	转化
步骤11	S→Ns	物理结构转化为源自结构的用户需求	转化
步骤12	S→Fs	物理结构转化为源自结构的功能	转化
步骤13	S→Bs	物理结构转化为源自结构的用户行为	转化
步骤14	S→Ms	物理结构转化为源自结构的动作	转化
步骤15	Ne←→Ns	预期用户需求与实际用户需求对比判断结构方案是否可行	对比
步骤16	Fe←→Fs	预期功能与实际功能对比判断结构方案是否可行	对比
步骤17	Be←→Bs	预期用户行为与实际用户行为对比判断结构方案是否可行	对比
步骤18	Me←→Ms	预期动作与实际动作对比判断结构方案是否可行	对比
步骤19	S→So	对物理结构进行优化形成新结构	优化
步骤20	So→D	将优化后结构聚合生成设计方案	聚合

设计步骤	映射	设计过程说明	设计分析
步骤1	Ne→Nt	将预期用户需求分解为不同的需求类型	分解
步骤2	Ne→Nw	将预期用户需求分解并按权重排序	分解
步骤3	Nt→Fe	将不同的需求类型转化为预期功能	转化
步骤4	Nw→Fe	按需求权重转化为预期功能	转化
步骤5	Fe→Be	将预期功能转化为用户预期行为	转化
步骤6	Be→Me	将预期行为转化为用户预期动作	转化
步骤7	Me→Mw	将预期动作分解为康复动作	分解
步骤8	Me→Mf	将预期动作分解为使用产品时的辅助动作	分解
步骤9	Mw→S	根据康复动作转化为实际的物理结构	转化
步骤10	Mf→S	根据辅助动作转化为实际的物理结构	转化
步骤11	S→Ns	物理结构转化为源自结构的用户需求	转化
步骤12	S→Fs	物理结构转化为源自结构的功能	转化
步骤13	S→Bs	物理结构转化为源自结构的用户行为	转化
步骤14	S→Ms	物理结构转化为源自结构的动作	转化
步骤15	Ne←→Ns	预期用户需求与实际用户需求对比判断结构方案是否可行	对比
步骤16	Fe←→Fs	预期功能与实际功能对比判断结构方案是否可行	对比
步骤17	Be←→Bs	预期用户行为与实际用户行为对比判断结构方案是否可行	对比
步骤18	Me←→Ms	预期动作与实际动作对比判断结构方案是否可行	对比
步骤19	S→So	对物理结构进行优化形成新结构	优化
步骤20	So→D	将优化后结构聚合生成设计方案	聚合

连接强度	含义	赋值
极强	连接关系强度极高	10
强	连接关系强度高	8
一般	连接关系强度中等	6
弱	连接关系强度低	4
极弱	连接关系强度极低	2
无	无任何连接关系	0

连接强度	含义	赋值
极强	连接关系强度极高	10
强	连接关系强度高	8
一般	连接关系强度中等	6
弱	连接关系强度低	4
极弱	连接关系强度极低	2
无	无任何连接关系	0

关节名称	运动自由度	极限角度
肩关节	伸展/屈曲	0°~40°/0°~170°
	外展/内收	0°~180°/0°~40°
	旋外/旋内	0°~60°/0°~80°
肘关节	伸展/屈曲	0°~10°/0°~145°
肘关节	旋外/旋内	0°~90°/0°~90°
腕关节	伸展/屈曲	0°~60°/0°~60°
腕关节	外展/内收	0°~15°/0°~30°
MCP	伸展/屈曲	0°~30°/0°~90°
MCP	外展/内收	0°~15°/0°~15°
PIP	屈曲	0°~100°
DIP	屈曲	0°~70°