Journal of Graphics ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (1): 211-220.DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2025010211
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LI Xiaoying(
), YANG Lin, WANG Xingda, YAN Luochuang, TANG Yi
Received:2024-06-17
Accepted:2024-09-23
Online:2025-02-28
Published:2025-02-14
About author:First author contact:LI Xiaoying (1973-), professor, master. Her main research interests cover product design, user experience, ergonomic design, etc. E-mail:2239909513@qq.com
Supported by:CLC Number:
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.
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URL: http://www.txxb.com.cn/EN/10.11996/JG.j.2095-302X.2025010211
| 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 |
Table 1 NFBMS model design steps
| 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 |
Table 2 Structure join assignment
| 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 |
Fig. 3 Angle of upper limb movement ((a) Shoulder joint flexion and extension; (b) Shoulder joint abduction and adduction; (c) Shoulder joint internal and external rotation; (d) Elbow joint flexion and extension; (e) Elbow joint medial and lateral rotation; (f) Wrist joint flexion and extension; (g) Wrist joint abduction and adduction; (h) MCP joint abduction and adduction; (i) MCP joint flexion and extension; (j) PIP joint flexion and extension; (k) DIP joint flexion and extension)
| 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° |
| 旋外/旋内 | 0°~90°/0°~90° | |
| 腕关节 | 伸展/屈曲 | 0°~60°/0°~60° |
| 外展/内收 | 0°~15°/0°~30° | |
| MCP | 伸展/屈曲 | 0°~30°/0°~90° |
| 外展/内收 | 0°~15°/0°~15° | |
| PIP | 屈曲 | 0°~100° |
| DIP | 屈曲 | 0°~70° |
Table 3 Angle of joint motion
| 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° |
| 旋外/旋内 | 0°~90°/0°~90° | |
| 腕关节 | 伸展/屈曲 | 0°~60°/0°~60° |
| 外展/内收 | 0°~15°/0°~30° | |
| MCP | 伸展/屈曲 | 0°~30°/0°~90° |
| 外展/内收 | 0°~15°/0°~15° | |
| PIP | 屈曲 | 0°~100° |
| DIP | 屈曲 | 0°~70° |
| 关节名称 | 运动自由度 | 关节康复训练角度 |
|---|---|---|
| 肘关节 | 屈曲 | 0°~90° |
| 腕关节 | 伸展/屈曲 | 0°~50°/0°~50° |
| MCP | 屈曲 | 0°~90° |
| PIP | 屈曲 | 0°~90° |
Table 4 Rehabilitation index
| 关节名称 | 运动自由度 | 关节康复训练角度 |
|---|---|---|
| 肘关节 | 屈曲 | 0°~90° |
| 腕关节 | 伸展/屈曲 | 0°~50°/0°~50° |
| MCP | 屈曲 | 0°~90° |
| PIP | 屈曲 | 0°~90° |
| 一级指标 | 权重Nw | 二级指标 | 权重Nw |
|---|---|---|---|
| 安全性N1 | 0.215 7 | 操作简单N11 | 0.059 5 |
| 佩戴过程安全N12 | 0.077 9 | ||
| 活动范围安全N13 | 0.078 3 | ||
| 交互性N2 | 0.166 4 | 视觉信息交互N21 | 0.082 6 |
| 听觉信息交互N22 | 0.083 8 | ||
| 专业性N3 | 0.357 2 | 肌力训练N31 | 0.083 9 |
| 关节活动度训练N32 | 0.074 4 | ||
| 协调功能训练N33 | 0.056 8 | ||
| 感觉功能训练N34 | 0.054 4 | ||
| 多模式训练功能N35 | 0.087 7 | ||
| 人机性N4 | 0.173 6 | 佩戴过程舒适N41 | 0.050 5 |
| 可调节尺寸N42 | 0.059 8 | ||
| 灵活性高N43 | 0.063 3 | ||
| 反馈性N5 | 0.087 1 | 数据记录分析N51 | 0.038 9 |
| 康复运动效果N52 | 0.048 2 |
Table 5 User demand indicator weight
| 一级指标 | 权重Nw | 二级指标 | 权重Nw |
|---|---|---|---|
| 安全性N1 | 0.215 7 | 操作简单N11 | 0.059 5 |
| 佩戴过程安全N12 | 0.077 9 | ||
| 活动范围安全N13 | 0.078 3 | ||
| 交互性N2 | 0.166 4 | 视觉信息交互N21 | 0.082 6 |
| 听觉信息交互N22 | 0.083 8 | ||
| 专业性N3 | 0.357 2 | 肌力训练N31 | 0.083 9 |
| 关节活动度训练N32 | 0.074 4 | ||
| 协调功能训练N33 | 0.056 8 | ||
| 感觉功能训练N34 | 0.054 4 | ||
| 多模式训练功能N35 | 0.087 7 | ||
| 人机性N4 | 0.173 6 | 佩戴过程舒适N41 | 0.050 5 |
| 可调节尺寸N42 | 0.059 8 | ||
| 灵活性高N43 | 0.063 3 | ||
| 反馈性N5 | 0.087 1 | 数据记录分析N51 | 0.038 9 |
| 康复运动效果N52 | 0.048 2 |
Fig. 10 The first stage simulation analysis diagram ((a) The first stage of movement trajectory; (b) The first stage of joint angle; (c) The first stage of joint speed)
Fig. 11 The second stage simulation analysis diagram((a) The second stage of movement trajectory; (b) The second stage of joint angle; (c) The second stage of joint speed)
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