基于FKM-優(yōu)劣解距離法的產(chǎn)品創(chuàng)新設計研究

關鍵詞：工業(yè)設計；裝備創(chuàng)新設計；模糊Kano模型；優(yōu)劣解距離法；計算機輔助設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）24-0092-04

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，康復醫(yī)療領域的新技術與科技生產(chǎn)力不斷提升。2024年，國家發(fā)布了關于加快高端醫(yī)療器械研制及示范應用的文件，其中包含了康復輔助器具的創(chuàng)新發(fā)展和機械制造業(yè)的創(chuàng)新設計研究，當下主流的醫(yī)療床裝備產(chǎn)品作為固定資源的需求亟待優(yōu)化，搭載康復訓練輔具產(chǎn)業(yè)化發(fā)展成為必然趨勢[1]。老年人由于自身的生理狀況，存在肌肉活性降低、骨骼鈣質流失等問題，因此，他們對醫(yī)療床的康養(yǎng)需求變得更加多樣化和迫切，而現(xiàn)有的醫(yī)療床產(chǎn)品普遍存在日常功能同質化的現(xiàn)象，其護理功能缺乏醫(yī)療特色，與輔助器具技術結合仍有待完善。

因此，為滿足老年人群使用護理床時更多的醫(yī)療和康養(yǎng)需求，護理床的功能更需要聚焦于康復方面，解決肢體康復訓練不便、上下床困難、護欄擋板人機交互有待優(yōu)化等臥床中出現(xiàn)的問題。

目前，國內外護理床產(chǎn)品設計領域已有部分相關文獻研究，王彬等[2]利用可拓學與TRIZ 理論進行醫(yī)療床設計實踐，解決了色彩與材質優(yōu)化、置物功能改良的一系列問題；周志勇等[3] 使用感性工學相關方法設計了多功能護理床，使產(chǎn)品滿足用戶情感方面的需求；于沁淵等[4] 針對老年人身體狀況與生活行為進行研究，設計了有效減輕照看成員勞動強度的康養(yǎng)護理床。醫(yī)療床產(chǎn)品設計已經(jīng)取得了外觀材料、情感屬性價值以及照顧行為優(yōu)化等方面的理論與應用成果，但少有針對康復醫(yī)療的創(chuàng)新功能上的研究，尤其是腿部鍛煉困難、起身轉身的行為負擔以及扶手擋板的輔助性能較差的問題有待進一步分析解決。為此，本文重點對老年康復輔具與醫(yī)療床設備的結合進行功能創(chuàng)新，為用戶創(chuàng)造更多特色醫(yī)療方面的使用體驗，同時為護理裝備產(chǎn)品的創(chuàng)新設計提供了一種新的思路。

一、FKM與優(yōu)劣解距離法結合

在研究工具中，模糊Kano模型在傳統(tǒng)Kano模型進行需求分類的基礎上引入了模糊邏輯和模糊集合理論，為設計者提供了更全面、精細的滿意度分析，優(yōu)劣解距離法（TOPSIS 法）為產(chǎn)品設計團隊提供了有效的決策工具，支持設計者做出更加理性、可靠的決策，并推動產(chǎn)品設計的成功實施。

由于護理床用戶復雜需求的不確定性，設計者對醫(yī)護床產(chǎn)品的設計要素權衡中存在評估的片面性，研究中需要借助科學的分析模型，模糊Kano 模型應用于現(xiàn)實生活中不確定的問題，有助于準確把握關鍵特征并制訂改進策略[5]。優(yōu)劣解距離法能夠更準確地計算需求權重，避免了設計分析中的主觀性，使整個設計流程更合規(guī)且合理[6]。

本文采用了結合模糊Kano 模型與優(yōu)劣解距離法的設計方法，構建了一種以用戶需求為導向的創(chuàng)新設計流程，以提升用戶滿意程度同時得出產(chǎn)品的差異設計點。首先，利用網(wǎng)絡工具提取在線數(shù)據(jù)，初步獲取用戶的需求特征，進而通過訪談與調研手段深入捕捉老年人群的需求。其次，利用FKM 進行需求分析，突出用戶對產(chǎn)品的關鍵需求，運用優(yōu)劣解距離法進行功能求解。再次，使用訓練后的AI 制圖模型輔助生成草案，參照人機關系、技術支撐等指標轉化設計需求，實現(xiàn)將重要用戶需求融入產(chǎn)品設計中。最后，考量造型與特定功能的同時，進行設計深化產(chǎn)出最終方案，以確保產(chǎn)品符合用戶期望。該設計流程為醫(yī)療床產(chǎn)品設計提供了有效指導，從而提高了產(chǎn)品的創(chuàng)新性和用戶體驗，文中所構建的整體方法框架如圖1 所示。

二、醫(yī)療床產(chǎn)品特征分析

本次設計前期階段已進行實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)抓取的工具調試，利用爬蟲工具在主流的醫(yī)療床產(chǎn)品網(wǎng)站中進行評價數(shù)據(jù)采集，并針對護理床產(chǎn)品及其搭載式輔具進行數(shù)據(jù)預處理，在可用評論數(shù)據(jù)集中進行二次人工提取與篩選，最終獲取了產(chǎn)品特征詞庫，為下一步擬定調研問卷提供了合理的信息支撐。通過實地發(fā)放調查問卷，分別針對醫(yī)療床使用人員和護理人員做不同的產(chǎn)品設計意向調研，主要面向的被護理者包含了多種身體狀況的群體，以年齡在55 到75 歲之間的康養(yǎng)中或失能老年人群為主，護理人員為全職保姆或專業(yè)護工，調研問卷主要以提問受訪者對醫(yī)療床產(chǎn)品外觀、功能以及情感屬性等要素的偏好程度評分為主，共收回92 份問卷。經(jīng)過排除8 份無效問卷后，最終得到了84 份有效問卷，利用SPSS 軟件進行數(shù)據(jù)處理得出問卷信度與效度良好。通過問卷調查，我們獲取了用戶對醫(yī)療床產(chǎn)品的真實需求，為后續(xù)的FKM 分析工具提供了可靠的數(shù)據(jù)。

Kano模型主要分為5 類：必備型要素M，期望型要素O，魅力型要素A，潛在型要素I，反向型要素R，同時還存在可疑型要素Q。而模糊Kano模型是對傳統(tǒng)Kano模型的擴展，其優(yōu)化在于引入了模糊數(shù)學隸屬度理論，解決了傳統(tǒng)Kano模型在確定值0 和1 隸屬關系上難以精準反映用戶真實需求的問題。

在傳統(tǒng)Kano模型中，人們在問卷調研內給出確定性的回答，而模糊Kano模型則利用區(qū)間模糊數(shù)[0，1]，從而更符合用戶模糊思維習慣，能更準確地探究用戶的猶豫心理和實際需求，如表1所示。通過將定性評價轉化為定量評價，模糊Kano模型能夠解決用戶的需求問題以及真實體驗，為產(chǎn)品設計提供更系統(tǒng)性和準確性的評估，其評估表如表2所示。

三、模糊kano模型用戶需求指標分類

以表 1 某用戶的FKM問卷調查某一要素為例，根據(jù)該要素實現(xiàn)程度，可建立矩陣 X =[0.3 0.6 0.1 0 0]，Y=[0 0 0.1 0.3 0.6]，則生成的模糊矩陣為

針對每個用戶需求，進行計算并統(tǒng)計匯總其在5 種類別屬性下的出現(xiàn)次數(shù)，按最高次數(shù)對應的類別屬性確定需求的最終類別。為保證數(shù)據(jù)可信性，引入置信水平α 對統(tǒng)計結果中的數(shù)據(jù)進行篩選。研究中采用α=0.4對數(shù)據(jù)進行篩選，當α≥0.4時，Ti=（1，0，0，0，0），由此得出此例舉要素屬性為必備型要素M。

在處理出現(xiàn)次數(shù)相等的需求時，按要素屬性的優(yōu)先級順序進行選擇，其中優(yōu)先級從高到低分別為必備型要素M、期望型要素O、魅力型要素A、潛在型要素I、反向型要素R。重復上述步驟，得到各個需求數(shù)據(jù)的屬性類別，為后續(xù)深入分析用戶需求提供了數(shù)據(jù)支撐。通過這一系列處理步驟，模糊Kano 模型能夠更精準地對用戶的需求進行分類和評價，為產(chǎn)品設計提供有力支持。

本研究邀請了7位相關領域專家，對6 項魅力型需求的指標重要度進行評分。鑒于專家加權問題的客觀性與明確性難以確定，本文默認各位專家權重相同。根據(jù)專家評價結果，再進一步計算規(guī)范化評價表，如表5所示。

求解正負理想解距離與結果為：

D⁺={0.357，0.892，0.542，0.383，1.015，0.350，0.571 }

D^-={0.179，0.037，0.057，0.012，0.042，0.037，0.214 }

求解7個評價數(shù)據(jù)與正向理想解的距離以及與負向理想解的距離，并求出每個指標的相對接近度，計算結果如表6所示。

根據(jù)表6的決策結果，確認魅力型需求的重要性進行排序從高到低依次為：靈活性鍛煉，自動轉身，輕巧型護欄，易于起身，部件可收納，背部按摩。綜合考慮優(yōu)先級較高的用戶需求指標，從而設計醫(yī)療床產(chǎn)品方案。

五、設計實例部分

（一）需求分析與產(chǎn)品探究

對各個魅力型屬性進行分析，從中構思指導需求要素與產(chǎn)品的匹配。在權衡不同需求在設計中所占比例的基礎上，進行設計的發(fā)散探索，以得到最終的設計方案。

1. 在考慮靈活性鍛煉的因素時，需要參考生物醫(yī)學文獻資料，解析老年群體肌肉與骨骼康復訓練模式，以適應不同用戶的需求和環(huán)境。同時，研究下肢運動方式與器材設計的關系，根據(jù)其結構原理制作方案模型，用戶可以根據(jù)個性化需求調整不同模塊，從而提升產(chǎn)品的靈活性和可持續(xù)性。

2. 在自動轉身方面，可以根據(jù)人起坐的重心位置，床墊單獨拆分一個模塊，利用齒輪組機械原理方便使用者轉身下床以及靠背起身，從而提高產(chǎn)品性能和用戶體驗。

3. 在輕巧型護欄的設計中，通過使用場景規(guī)劃尺寸高度，同時處理造型的線面關系，調節(jié)點線面的角度和大小關系從而有比例地豐富具體細節(jié)，分析擋板與人的接觸，調整一定的弧度，提升產(chǎn)品的吸引力和美感。

生成式人工智能是一種基于深度學習的新興技術，可以作為一種新穎的設計輔助工具，促進產(chǎn)品設計的快速迭代與優(yōu)化[7]。本研究已進行應用于此產(chǎn)品的AI模型訓練，基于FKM分析中的3個必備型需求作為主要因素，指定關鍵詞用于人工智能繪畫。以保持結構穩(wěn)定性的造型為前提，圍繞著色彩簡潔的繪圖意向，并同時附加便捷移動的特點描述，可以調整人工智能的參數(shù)以獲得多種醫(yī)療床產(chǎn)品方案。通過草繪造型圖作為形體參考與細節(jié)靈感補充，再結合場景意向圖來表達產(chǎn)品的風格調性，部分生成結果如圖2 所示。

（二）產(chǎn)品深化推敲

根據(jù)AI 繪圖輔助思考產(chǎn)品造型確立基本框架，深入功能細節(jié)，為實現(xiàn)腿部康復的特色醫(yī)護功能，設計中分析老年群體肌肉骨骼的特性，劃分了針對髖關節(jié)和膝關節(jié)不同活動方式所設計的運動副機構受力模擬，如圖3。

同時，根據(jù)受力情況將其應用于機械結構中，據(jù)此制作了一套可收納的運動裝置用于訓練，其概念方案如圖4，腿部訓練的部分可以結合現(xiàn)有傳感器技術，將用戶訓練的指標進行信息反饋到顯示設備，為數(shù)據(jù)可視化提供可行性，用戶在停用后休息時，能夠依靠轉軸將運動模塊收納到床底部，操作流程如圖5 所示。

（三）產(chǎn)品效果展示

經(jīng)過一系列設計流程，成功將幾項整理出的關鍵要素融入產(chǎn)品中，最終設計出了一款符合多樣化需求且創(chuàng)新性突出的醫(yī)療床產(chǎn)品方案，成品展示見圖6。

在考慮自動轉身時，分析使用者在下床轉身時以臀部為受力點的情況。通過應用一組齒輪傳動原理，機械結構可驅動床墊上部用戶所坐的位置旋轉，從而方便護理者協(xié)助使用者實現(xiàn)上下床的轉身，原理如圖7所示。底部可以容納電機模塊，電機通過錐齒輪改變輸出方向，然后通過減速器將轉矩傳遞到旋轉底座上，進而產(chǎn)生較大的傳動比，使得底座能夠以較緩慢的方式旋轉，依此實現(xiàn)輔助用戶進行轉身。每個模塊的設計考慮到即使其中的某些部件出現(xiàn)勞損，也容易更換零部件，以保持安全和穩(wěn)定。

針對輕巧型護欄的設計，修正AI 設計方案細節(jié)的同時劃分不同的解決方案，并根據(jù)人機關系進行整合重組，確保曲面邊緣與直角邊能夠均勻過渡，既滿足人機抓握部分的曲線造型，又滿足底部直邊的裝配。進而細化轉折面，使鏤空部分便于開放視野，確保擋板的造型既是一個整體又能夠拆分，使產(chǎn)品在整體感的基礎上避免形態(tài)的僵化，結構如圖8所示。

結論

本文研究了醫(yī)療床產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)，提出了一套完整的設計方法。首先，通過搜集護理床裝備相關數(shù)據(jù)資料和進行用戶調研，結合多個算法模型處理調研數(shù)據(jù)，篩選出關鍵設計要素，并巧妙地將產(chǎn)品功能與使用者需求有機結合，以深入探究如何在醫(yī)療床設計中提升產(chǎn)品體驗，在此過程中，結合人工智能生成技術參與設計流程，實現(xiàn)高效設計，為設計行業(yè)提供了關于人工智能技術輔助設計的有益思考。在整理和分析前期設計要素后，得出了在使用方式上實現(xiàn)突破和改進的方案，通過結構設計驗證了可動式康復訓練模塊在醫(yī)療床中的可行性，運用機械傳動的起身與轉身設計以及護欄擋板等針對性設計，最終設計出結合了特色康復功能的護理床產(chǎn)品，成為該領域新的創(chuàng)新點。

這一完整的設計方法滿足了護理產(chǎn)品的創(chuàng)新需求，為創(chuàng)造高效、針對性的產(chǎn)品提供了新的思路。同時，期望這一設計能夠充分利用三維技術為醫(yī)療產(chǎn)業(yè)服務，為弱勢群體提供更多關愛，創(chuàng)造出有益于人類福祉和社會的價值。