基于FBS 模型的農(nóng)村介助老人多功能助行器設(shè)計研究

隨著中國進入老齡化社會，這個年齡層人群也因居住地區(qū)的差別大致劃分為兩個群體，即城市老人和農(nóng)村老人。兩個群體在生活習(xí)慣、價值觀念等有著諸多差別。由于老人的身體狀況以及需求的擴大，市場上針對老年人的助行產(chǎn)品也逐漸占據(jù)一席之地，但是經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)市面上的助行產(chǎn)品更適用于城市老人的生活習(xí)慣以及城市的生活環(huán)境，農(nóng)村老人的需求沒有得到重視甚至被忽略。國內(nèi)高等學(xué)校相關(guān)領(lǐng)域的科研人員對老年人助行器設(shè)計以及設(shè)計方法進行了大量研究。王新亭在其研究課題以人機（助行器）適配為設(shè)計目標(biāo)，提出了基于人體步態(tài)參數(shù)分析的動力式助行器設(shè)計方法

。張俊霞等人從下肢殘障人士的出行需求出發(fā)，建立助行器三維模型與虛擬人體的約束，從而提出下肢動力式助行器的設(shè)計

。但是少量研究將老年群體進行更細致的區(qū)域劃分。該研究基于FBS 模型指導(dǎo)農(nóng)村老年人助行器設(shè)計，希望通過科學(xué)的設(shè)計方法設(shè)計出適合農(nóng)村介助老人的助行器，為現(xiàn)有老年人助行器市場提供新的設(shè)計思路，進一步改善農(nóng)村老年人的出行體驗。

1 相關(guān)概念解析

1.1 FBS 模型概述

FBS 模型是John S.Gero 等人對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程提出的研究方法論，該模型加強“功能—行為—結(jié)構(gòu)”（Function—Behavior—Structure）三者之間的關(guān)系。“功能”是產(chǎn)品設(shè)計的根本，目的是為了滿足用戶需求，“行為”是實現(xiàn)功能的方式，是用戶與產(chǎn)品間的交互形式，“結(jié)構(gòu)”是設(shè)計的結(jié)果，是產(chǎn)品的各個功能結(jié)構(gòu)模塊，聯(lián)系三者之間的關(guān)系，為設(shè)計者創(chuàng)造更多完善、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q問題的方法

。FBS 模型的核心是將功能F 映射成可以執(zhí)行其功能的行為活動，功能的主要來源是用戶需求，執(zhí)行轉(zhuǎn)化的過程是通過考慮產(chǎn)品的行為B 及其結(jié)構(gòu)S 的基本設(shè)計步驟

。“功能”是產(chǎn)品設(shè)計過程中滿足用戶使用需求的基本元素?！靶袨椤笔怯脩魹閷崿F(xiàn)功能所進行的與產(chǎn)品之間的交互方式。“結(jié)構(gòu)”是設(shè)計的結(jié)果。通過將設(shè)計過程分為“功能—行為”“行為—結(jié)構(gòu)”三個層級共兩次映射向前進行設(shè)計方案推導(dǎo)，最終完成目標(biāo)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。

1.2 老年人助行器概述

老年人助行器是輔助老年人行走、維持身體平衡和支撐部分自身重力的工具

。根據(jù)助行器動力來源以及使用方式，可以將目前已投入使用的助行器分為無動力式、動力式和功能性電刺激助行器（如圖1）。動力式包括部分穿戴式助行器、電動輪椅，以及目前還在處于研發(fā)階段的人體外骨骼系統(tǒng)等。而功能式電刺激助行器根據(jù)功能及使用方式的不同可分為矯正儀、完全植入系統(tǒng)，以及復(fù)合矯形系統(tǒng)等多種類型。

2 老年人助行器設(shè)計現(xiàn)狀

通過對現(xiàn)有購物網(wǎng)站進行市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)（如圖2），雖然現(xiàn)有市場助行架種類豐富，但是大多數(shù)產(chǎn)品功能單一、外觀樸素，同質(zhì)化嚴(yán)重，無法滿足當(dāng)今時代農(nóng)村老人的多樣性需求。現(xiàn)有助行器存在以下問題：(1)產(chǎn)品外觀局限，大多是鋁合金材質(zhì)，造型單一，缺乏親和力，無法滿足老年人的多樣心理需求；(2)產(chǎn)品材料上多采用不可再生材料，例如鋁合金和塑料等，回收性和可再生性低；(3)產(chǎn)品功能存在單一和復(fù)雜兩個極端，有的不能滿足老年人的基本需求，而有些助行產(chǎn)品則過于復(fù)雜，給老年人的使用帶來不便或造成某些功能的閑置。

表3是純水飽和狀態(tài)下3種摻砂率試樣在剪切前的膨潤土有效干密度ρb的數(shù)值.由表中數(shù)據(jù)可知,純膨潤土的有效干密度要大于摻砂混合物.同時,摻砂率為30%的混合物中膨潤土有效干密度大于摻砂率為50%的混合物,因此純膨潤土試樣的強度要大于摻砂混合物試樣的強度,摻砂率為30%的混合物強度要大于摻砂率為50%的混合物強度.結(jié)合表3和圖4還可以得出,有效干密度ρb大于1.5 g/cm3的試樣出現(xiàn)了應(yīng)變軟化現(xiàn)象,而ρb小于1.5 g/cm3的試樣只出現(xiàn)了應(yīng)變硬化現(xiàn)象.

3 農(nóng)村介助老人的特征分析

3.1 生理特征

農(nóng)村介助老人主要表現(xiàn)為有一定的自理能力和生活能力，但是由于腿部力量較弱，身體協(xié)調(diào)性較差，在完成日常出行等活動時需要借助一些輔助器具。處于介助狀態(tài)的農(nóng)村老年人由于運動系統(tǒng)障礙、神經(jīng)系統(tǒng)衰弱和感官系統(tǒng)退化等原因，導(dǎo)致反應(yīng)遲鈍、行動不便，在完成日常活動中存在障礙。同時，觸覺、視覺、認(rèn)知能力的下降減緩了老年人接收有效信息的速度。反應(yīng)能力的減弱，在一定程度上也加大了老年人的行動障礙，使其在日常生活中的出行受到限制

。

3.2 心理特征

農(nóng)村介助老人從勞動工作職業(yè)生活退出之后，家庭生活成為了他們?nèi)粘Ｉ畹闹饕獌?nèi)容。在社交生活上，由于自身的活動范圍大幅度減少，再加上諸如視覺、聽覺等身體感官能力下降導(dǎo)致的交流障礙難以融入周圍群體，使得農(nóng)村介助老人容易產(chǎn)生心理的落差感。由于老人無法獨立自主地行動，過于依賴外界使其產(chǎn)生成為親人累贅的心理感覺，跟親人的溝通交流減少，容易造成自我封閉。

此外，據(jù)調(diào)查顯示，大部分老年人由于自尊心的原因，很難平衡過渡從獨立行走到行動障礙的轉(zhuǎn)變，在行動不便的初期從心理上排斥使用助行類產(chǎn)品，這也是很多老年產(chǎn)品面臨的困境

。但是出于健康和安全的考慮，介助老人又不得不使用工具來輔助行走。

李建新、李春華通過二分logistic 統(tǒng)計模型分析城鄉(xiāng)老年人健康差異，數(shù)據(jù)顯示“農(nóng)村老年人ADL 無障礙的比例（79.70%）高于城鎮(zhèn)老年人（75.55%），城鎮(zhèn)老年人不孤獨的比例（73.88%）高于農(nóng)村老年人（68.12%），自評健康良好的城鎮(zhèn)老年人的比例（46.93%）略大于農(nóng)村老年人的比例（44.77%）”

。得出在生理健康上表現(xiàn)為農(nóng)村老年人較城鎮(zhèn)老年人健康，在心理健康上表現(xiàn)為城鎮(zhèn)老年人較農(nóng)村老年人健康的結(jié)論

。

3)行為映射結(jié)構(gòu)。運用經(jīng)驗設(shè)計或類比推理的方法將行為轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)分析介助老人與助行器的交互行為

，并以此作為依據(jù)與上一步的預(yù)期行為進行匹配分析，最終確定結(jié)構(gòu)的可行性。

3.3 生活形態(tài)特征

農(nóng)村介助老人由于生理機能衰退、行動不便等原因，逐漸從勞動職業(yè)生活中退出，其日常活動也隨之發(fā)生相應(yīng)的改變。主要表現(xiàn)為體力勞動活動、休閑娛樂活動減少，以及生活習(xí)慣的變化等。而農(nóng)村介助老年人所處的生活居住環(huán)境也為其日?；顒釉黾恿艘欢ǖ恼系K。

第一，體力勞動減少。由于身體原因大部分介助老人已經(jīng)退出了維持家庭的農(nóng)業(yè)勞動，但是大部分老年人仍然保留土地，以小規(guī)模畜牧及種植菜蔬來實現(xiàn)自給自足，經(jīng)濟來源受到限制。數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)村60 歲以上的老年人中，40%以上還在繼續(xù)工作。

現(xiàn)如今，我國市場化程度持續(xù)提升，此種條件下，物流業(yè)得到了十分良好的發(fā)展，企業(yè)之間的市場競爭也日益激烈，我國許多企業(yè)的管理層均在積極探尋各種可提升企業(yè)市場綜合競爭力的管理措施。基于此，企業(yè)為了更好的滿足客戶服務(wù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出的高要求，必然會提升其物流方面的成本費用，所以，物流管理這種現(xiàn)代化管理手段越來越受到企業(yè)的廣泛重視，這一工作內(nèi)容也因此被提上了日程。對于企業(yè)來說，其于激烈市場競爭當(dāng)中的綜合競爭能力是其能否獲得理想績效的關(guān)鍵，現(xiàn)代物流與供應(yīng)量理論這些新型理論是在市場競爭日益激烈、企業(yè)經(jīng)營規(guī)模持續(xù)擴大、企業(yè)顧客需求不斷變化、新興工商模式相繼涌現(xiàn)、市場主體地位日漸變化等條件下提出的。

第二，娛樂休閑活動減少。大部分老年人為避免麻煩會盡量減少遠距離的活動，大部分時間選擇呆在家里休息或者到鄰居家、村口聊天，偶爾去集市或商店購買必需品，高頻次的短距離出行以及低頻次的中長距離出行是主要的活動特征。

第三，在生活習(xí)慣上，農(nóng)村老年人雖然體力勞動有所減少，但大部分仍然保留小規(guī)模勞作的習(xí)慣，來減輕兒女負(fù)擔(dān)或支持家用。

經(jīng)過實際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在小學(xué)體育教學(xué)活動中經(jīng)常會出現(xiàn)一些學(xué)生身心發(fā)展速率過慢的問題，在此類狀況之下，推廣使用分層教學(xué)法，不單單可以尊重每個學(xué)生個體的差異性，同時更能夠輔助教師掌握學(xué)生最近的身體狀況、個性特征以及學(xué)習(xí)動態(tài)。因此，作為一名合格的小學(xué)體育教師，其核心使命在于根據(jù)每個學(xué)生的身體素質(zhì)和學(xué)習(xí)狀況，設(shè)計出相互貼合的教學(xué)目標(biāo)、評價體系、訓(xùn)練內(nèi)容，借此引導(dǎo)學(xué)生持續(xù)提高個人的體育技能、拓寬體育知識范疇，最終落實身心健全發(fā)展指標(biāo)。

基于介助老人的特征，將特征集合轉(zhuǎn)化為需求集合，開展功能分析和定義，形成功能集合。結(jié)合FBS 模型，將功能映射到行為中，并開展結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計，完成整個設(shè)計思路。

4 基于FBS 模型的農(nóng)村介助老人助行器設(shè)計思路

第四，室外環(huán)境上，農(nóng)村道路偏狹窄，除主街道外，還有許多坑洼不平的土路，且夜間照明設(shè)施只集中在主道路。室內(nèi)環(huán)境上，大部分農(nóng)村老式房屋設(shè)有門檻、臺階等，屋內(nèi)的家具以低矮為主，給老人的行走、起坐造成了諸多不便。

4.1 構(gòu)建設(shè)計流程

根據(jù)FBS 模型，建立農(nóng)村介助老人助行器的設(shè)計開發(fā)流程，模型流程如圖3 所示：

推行“任務(wù)驅(qū)動，項目導(dǎo)向”的教學(xué)模式建設(shè)，遵循“調(diào)研論證-框架設(shè)計-資源建設(shè)-推廣應(yīng)用-評價反饋”的工作方式，以校企聯(lián)合共建為基本途徑，建設(shè)優(yōu)質(zhì)專業(yè)群平臺課程，形成包括課程標(biāo)準(zhǔn)、課程教學(xué)方案設(shè)計、項目任務(wù)書與指導(dǎo)書、教學(xué)案例集、特色教材與講義、電子課件、課程網(wǎng)站等豐富的建設(shè)成果，建設(shè)高水平的共享型教學(xué)資源庫。

3)易用性需求：設(shè)計應(yīng)當(dāng)與老年人的行為認(rèn)知模式相符，方便老年人操作使用，避免出現(xiàn)誤操作及使用效率低下的狀況。

2)功能映射行為。將助行器的功能映射到農(nóng)村介助老人日常的基本行為中，將行為作為功能必要性和合理性檢驗的標(biāo)準(zhǔn)進行進一步的分析與判斷。

增值稅是對商品生產(chǎn)、流通、勞務(wù)服務(wù)中各個環(huán)節(jié)的新增價值或商品的附加值征收的一種流轉(zhuǎn)稅[5]，與以商品勞務(wù)的全額為計稅依據(jù)的營業(yè)稅相比具有避免重復(fù)征稅的優(yōu)點。在增值稅下，同一種商品勞務(wù)只要最終售價相同，不管經(jīng)過多少流通環(huán)節(jié)，其總體稅負(fù)都相同，從而有利于促進社會專業(yè)化分工，避免商品勞務(wù)在多環(huán)節(jié)流轉(zhuǎn)中發(fā)生價格扭曲，提高服務(wù)業(yè)的競爭水平。

住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)的培訓(xùn)醫(yī)師的課堂授課時間緊張，由于臨床醫(yī)師的工作繁忙，對培訓(xùn)醫(yī)師的理論授課時間一般是小時段集中教學(xué)，不會像在校學(xué)習(xí)的專職教師那樣大學(xué)時授課教學(xué)，所以授課時間有限，而所需要教授的內(nèi)容卻非常多，很多培訓(xùn)醫(yī)師想要學(xué)習(xí)和解決的問題沒有充足的時間完成。

現(xiàn)在看來，事實已經(jīng)很清楚了。李老黑請我喝酒的目的是想把我灌暈，灌暈我的目的是制造我企圖強奸李金枝的假象，制造假象的目的是逼我娶李金枝。可弄清這點絲毫無助于問題的解決，反倒讓人更糊涂了。說實話，像我這樣一無所長的民辦教師，在李老黑眼里基本就是個廢人，這么多年來恐怕李老黑沒拿正眼看過我。現(xiàn)在他忽然腦子進水似的，一門心思要把閨女塞給我，心甘情愿讓李金枝嫁過來當(dāng)晚娘，這種做法實在太離譜，太讓人無法理解了。

4.2 確定功能需求

在將預(yù)期行為轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)時需要考慮以下幾點：(1)行為與行為的矛盾要求人們對這些結(jié)構(gòu)的執(zhí)行動作加以某些限制，避免產(chǎn)生沖突

；(2)一個行為可能有多個組成部分，即要將多個結(jié)構(gòu)組合后合成某一功能，這要求人們要考慮用戶的行為尺度，合理分布這些結(jié)構(gòu)

；(3)盡可能將結(jié)構(gòu)多功能化，這要求人們考慮行為之間的相似處和差異處，得出創(chuàng)新結(jié)構(gòu)

。

四是與國外的集成電路企業(yè)相比，我國集成電路企業(yè)規(guī)模差距大。集成電路制造業(yè)具有很強的規(guī)模經(jīng)濟性。產(chǎn)業(yè)規(guī)模越大，產(chǎn)品的成本越低。盡管2106年以來我國集成電路產(chǎn)業(yè)的銷售額大幅提升，但整個行業(yè)內(nèi)企業(yè)規(guī)模小，單個企業(yè)的產(chǎn)值往往不及相同國際跨國公司產(chǎn)值的1/10。

2)安全性需求：由于介助老人各項生理機能衰退，行動不便，應(yīng)當(dāng)將人機工程學(xué)運用到助行器當(dāng)中，避免由于設(shè)計與老人身體因素相沖突而引發(fā)的事故。

1)由基本需求確定基本功能。通過文獻研究以及田野觀察了解總結(jié)農(nóng)村介助老人群體的生理、心理與居住環(huán)境特征，探索得出農(nóng)村介助老人的基本需求，由此確定產(chǎn)品的基本功能。

4)情感需求：色彩、形態(tài)以及材質(zhì)的使用要符合老年人的心理特點，滿足老年人尊重與被尊重的需求。

1)基本需求：輔助行走、起立以及坐下。輔助行走要求助行器必須適應(yīng)農(nóng)村的各種道路狀況，在助起坐方面應(yīng)當(dāng)增加助行器底座的穩(wěn)定性。

4.3 預(yù)期行為轉(zhuǎn)化

在復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計中，由于總功能較為復(fù)雜，可將總功能分解為多級子功能，形成功能結(jié)構(gòu)圖

。行為是功能與結(jié)構(gòu)的橋梁，是關(guān)于實現(xiàn)原理的描述，即實現(xiàn)產(chǎn)品功能應(yīng)該“怎樣做”?！肮δ堋袨椤庇成浞治鍪窃跐M足各種約束條件的前提下，生成行為解，并從原理上實現(xiàn)所提出的設(shè)計目標(biāo)

。

功能到預(yù)期行為的轉(zhuǎn)化如下：首先根據(jù)需求分析將功能分解成以下四部分：運動功能、調(diào)節(jié)功能、控制功能以及傳動功能，分別對應(yīng)老人在不同情境下的行為。運動動能對應(yīng)的是老年人的行走、起立與坐下的行為；調(diào)節(jié)功能為扶手的高度調(diào)節(jié)、使用形式變化調(diào)節(jié)；控制功能為照明燈的開關(guān)、報警開關(guān)；傳動功能為太陽能驅(qū)動、電量收集。助行器功能轉(zhuǎn)化為行為如圖4 所示。

4.4 明確產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

對在農(nóng)村介助老人的特征分析中得出的需求集合進行排除與實現(xiàn)，確立FBS 設(shè)計模型中的功能集合（F），為后續(xù)設(shè)計開展做準(zhǔn)備。在從需求到功能的映射當(dāng)中，對需求進行分類，總結(jié)出以下幾點：

作為FBS 流程模型的最后的步驟，結(jié)構(gòu)設(shè)計是助行器的產(chǎn)品形態(tài)和功能實現(xiàn)方式的最重要的一環(huán)。結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是針對助行器本身的設(shè)計，由于助行器本身的復(fù)雜性，其行為與結(jié)構(gòu)并非簡單的一一對應(yīng)的映射關(guān)系，在此根據(jù)實現(xiàn)方式將助行器劃分為助行、助起坐、發(fā)電、儲蓄、伸縮，以及程序控制六大模塊，從行為到結(jié)構(gòu)的整合映射過程如圖5 所示。通過結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計出符合農(nóng)村介助老人行為習(xí)慣的結(jié)構(gòu)概念，從而得到最優(yōu)方案。

5 基于FBS 模型的農(nóng)村介助老人助行器設(shè)計實踐

根據(jù)用戶需求，針對農(nóng)村介助老人的生活環(huán)境和產(chǎn)品功能，確定人機尺寸。人機尺寸上選取1 百分位老年女性和99 百分位老年男性的人機尺寸推算出產(chǎn)品各部分尺寸：助行器應(yīng)在距離地面855—1105mm 之間

。

確定助行器的相關(guān)數(shù)據(jù)后，針對農(nóng)村介助老人的使用需求和農(nóng)村地形地貌的特點，對助行器的外觀形態(tài)和功能進行調(diào)整與改進。針對農(nóng)村介助老人的基本需求，此設(shè)計可以滿足老年人在農(nóng)村環(huán)境水泥和土地等地面獨自行走、站立的需求。

針對安全性需求，在夜晚行走時，使用者可通過手柄處的按鈕控制底部環(huán)形燈帶，提供照明。底座部分設(shè)置有可即時充電的發(fā)電設(shè)備，當(dāng)使用者行走時，手杖底部按壓地面產(chǎn)生的彈力不僅可以緩沖減震，按壓的同時還能帶動助行器內(nèi)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動做切割磁感線運動，轉(zhuǎn)化為電能儲存在內(nèi)置電池中，用以給環(huán)形燈帶供電。手柄側(cè)邊設(shè)置警報按鈕，在老年人需要幫助時按下按鈕，可以發(fā)出警報尋求幫助。

針對易用性需求，考慮到老年人的接受能力和操作準(zhǔn)確度，對產(chǎn)品使用了可調(diào)節(jié)性設(shè)計。使用手柄處不同的按鈕可以調(diào)節(jié)手杖高度，同時老年人在操作后可以得到及時反饋，防止誤操作。

表1中：va為飛機平臺飛行速度；D為天線方位向口徑尺寸；Δθ為天線波束方位向掃描角度范圍；θmax為方位波束最大指向角，正側(cè)視工作下有Δθ=2θmax；λ為雷達工作波長；R為作用距離；Ls為方位向波束地面照射范圍；Rmax為最大作用距離；Pav為發(fā)射平均功率；G為收發(fā)天線的增益；σ為目標(biāo)有效反射面積；K為玻耳茲曼常數(shù)；T為接收機溫度；Ti為目標(biāo)駐留時間；η為系統(tǒng)損耗；SNR0為脈沖壓縮后的信噪比。

針對情感需求，將手柄和底座設(shè)計為穩(wěn)定的三角形，增加底座與地面接觸面積。在外形裝飾上參考農(nóng)村常見藤條編織物的造型，通過熟悉的元素降低老年人的抵觸感。主體材質(zhì)選用表面噴漆處理的鋁合金，將橡膠、碳素纖維結(jié)合，增加產(chǎn)品親近感。色彩選用白色和明度較高的黃色，給使用者正面積極的心理暗示（如圖6、圖7、圖8）。

6 結(jié)語

近幾年，我國人口老齡化程度還將會持續(xù)增長，農(nóng)村老年人口數(shù)量增多，這使得適合農(nóng)村老年群體的助行產(chǎn)品的需求不斷增大。在設(shè)計過程中引入FBS 模型有助于人們對農(nóng)村介助老人有更明晰的認(rèn)知，從而提升目標(biāo)群體的使用體驗。設(shè)計過程由用戶特征得出功能需求，由功能需求轉(zhuǎn)化為行為，再將行為轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)，提高了助行產(chǎn)品的實用性，可以應(yīng)用于今后助行器設(shè)計的實踐中。

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