面向下肢残障人移位障碍的辅助器械设计

李晓英 何润丰

关键词：移位辅助器械 用户需求 产品设计 分析型Kano QFD TRIZ理论

引言

目前，我国老年人群体、残疾人群体数量正在逐年增多，其中下肢残障人群体占较大比例，包括下肢残疾患者以及失能老人，未来针对该类人群的护理服务工作强度高、难度大。下肢残障人因各类疾病导致下肢活动障碍或长期卧床，在日常活动中需要频繁移位，而对于照护家属来说重复性的辅助移位会增加照护者的负担，存在操作复杂、效率低以及因操作不当导致的二次伤害等问题[1]。如何合理解决家用场景中下肢残障人移位障碍问题，挖掘用户需求，提升用户体验成为亟待解决的问题。

目前国内外对于移位辅助器械的设计研究在人机工程、机械结构、机电一体化等方面已取得一定成果，如曾曦[2]等运用行为观察法研究了老年患者与移位病床之间的人机关系，以用户行为及生理特点为切入点对移位病床的形态与结构进行了创新性设计。刘华[3]等运用ANSYS有限元仿真分析了移位过程中人体受力情况，运用Adams/View软件对设备结构进行优化设计，提高了用户舒适度。Grindle[4]等开发设计了一种可辅助移位的助行器，通过附加的机械臂可实现对用户的多角度移位。由于下肢残障人的人群特殊性，在设计时应关注其多元化需求，把握设计重点，上述研究雖在一定程度上解决了用户移位障碍的问题，但对使用环境和条件有较大限制，且缺乏对用户需求的研究，难以把握用户不同需求的重要程度和优先级，易使产品设计重点出现偏差。

鉴于此，本文以分析型Kano模型为主要方法依据，挖掘用户需求，确定需求要素提升策略，在方案设计部分结合质量屋、TRIZ理论推导得到解决方案，为家用场景下的下肢残障人移位辅助器械设计提供新的思路，提升用户体验。

一、相关研究方法概述

（一）分析型Kano概述

产品开发面临的关键挑战是如何对用户需求进行有效分析，从而为提升用户体验提供决策支持。受赫兹伯格双因素理论影响，日本质量管理学家Noriaki Kano提出Kano模型概念，将用户需求分类、筛选以帮助获得设计决策和设计方向。传统Kano模型本质属于定性分析，其分类准则相对主观，缺乏定量分析导致无法确定同一分类中不同质量因素的优先级，限制了其在产品创新上的决策作用[5]。分析型Kano是将Kano模型与重要度-绩效分析法（Importance-Performance Analysis，IPA）相结合的用户研究方法，能筛选出有利于提高用户满意度边际效应的质量要素，被广泛应用在服务设计领域[6]。通过增加重要度评价指标，利用二维坐标图实现对用户需求客观分类和定量分析，并计算其重要程度和优先级，进而获得客观、有效的产品设计决策。

（二）QFD概述

QFD即质量功能展开，其主要作用是根据用户需求确定产品痛点，明确设计优先考虑要素及各个次要素与最终计算综合值的关系，并将其转换为设计的有利信息[7]。质量屋是QFD的重要工具，可以分析产品技术方案与用户需求之间的关联度及其相关关系强弱。将分析型Kano与QFD相结合，能实现用户需求到产品技术语言的转换。

（三）TRIZ理论概述

TRIZ理论由前苏联发明家阿奇舒勒创立，提出产品创新是要解决设计中的矛盾，而不是通过折中处理去平衡矛盾[8]。阿奇舒勒研究团队在分析了近250万份发明专利后，总结了技术发展进化遵循的规律以及解决系统矛盾的创新原理，并逐渐发展成为一种综合理论体系。其核心是将产品设计问题转化为物理矛盾和技术矛盾，通过TRIZ中的已知模式进行矛盾化解[9]。在产品概念设计阶段将质量屋于TRIZ相结合既能分析问题，又能解决关键技术难题，从而获得合理的解决方案。

二、基于分析型Kano的用户需求分析

（一）产品需求要素获取

通过网络收集、用户访谈整理出移位辅助器械产品需求要素共计28项，根据产品质量特性评价维度分为5类：物质、功能、结构、经济以及生理等特性维度。选定1位护理专家、5位下肢残障人用户以及3位产品设计师作为征询对象，运用德尔菲法中的指数法进行产品需求要素重要程度筛选。设通过筛选的重要度阈值为50，通过阈值的要素被选定为主要研究指标，未通过的说明其重要程度较低，可暂不考虑。经计算，有22项产品需求要素通过阈值，将其记作cm。产品需求要素层级表如表1。

（二）分析型Kano指标设计

设计分析型Kano调查问卷，问卷共分为三部分，第一部分为调查对象个人基本信息，第二部分为调查对象对产品需求要素的正负选项评价，第三部分为调查对象对产品需求要素的重要度评价。

针对问卷第二部分设计，Matzler[10]等在研究中指出，用户对某项指标表示肯定相较于否定会更加强烈，因此应该对正负选项采取不对称赋值，以保证问卷调查的科学性和客观性。将调查对象n正向选项的评价记作xmn，负向选项的评价记作ymn。正负选项赋值表如表2。

调查对象n在完成第二部分后，进入问卷第三部分对产品需求要素重要度进行评价，按0到1进行打分。将调查对象n对各项需求要素cm的重要度评价记作zmn。重要度评价赋值表如表3。

将调查对象总量记为N，调查对象n对每项需求要素cm的正向评价平均分记作，负向评价平均分记作。若或出现负值，则表示为逆向需求或是回答有误，不计算在平均值内。则有：

由Kano模型质量分类标准可知：魅力型需求（A）是指当产品具备该要素时能极大提高用户满意度，当不具备时不会让用户产生不满；期望型需求（O）是指当产品具备该要素时会让用户满意，当不具备时会让用户不满；必备型需求（M）是指当产品具备该要素时用户的满意度仍在较低水平，当不具备时，用户满意度会大幅下降；漠然型需求（I）是指代表用户不关注的需求要素，无论产品是否具备，都不会让用户产生满意或不满。由此可得出基于正负向评价的用户需求分类表，如表4。

综上可建立产品需求要素决策矩阵，如图1。矩阵分为4个象限，Ⅰ象限为“保持绩效”区，表示用户对该区内的需求要素的满意度和感知重要度均处在较高水平。Ⅱ象限为“过度满意”区，表示用户对该区内需求要素的满意度较高，但认为其重要性不强。Ⅲ象限为“低价值”区，表示该区内的需求要素的满意度和重要度均处于较低水平。Ⅳ象限为“优先提升”区，表示虽然该区内的需求要素不会提高用户满意度，但重要性很高，属于产品设计中必不可少的要素。

（三）產品需求要素决策指标设计

为区分和判定同一象限中不同需求要素优先级，结合Qianli[11]等对于分析型Kano模型的研究，提出决策系数Km：

由上式可知，当αm一定时，Km和为正比关系，即表示，若用户认为某项需求要素的重要度更高，则应优先考虑该要素；当一定时，Km和αm为反比关系，即表示，若用户对某项需求要素的满意度越高，则无需在该要素上投入更多关注。

（四）用户需求调查结果统计

前往武汉市洪山区各社区统计下肢残障人数量及生活情况，调查对象包括下肢残疾人和失能老人，从中随机抽取100名发放纸面调查问卷，回收问卷共计91份，有效回收率为91%。统计问卷调查结果，计算出调查对象的正负向问题平均评价、，形成需求属性分类散点图，如图2。结合问卷二、三部分，计算出各项需求要素的重要度、满意度αm以及决策系数Km，如表5所示。

基于用户需求分类情况以及满意度αm和重要度等指标计算结果，每项产品需求要素都能明确其决策区域归属，如图3。

图3中c5 、c6 、c9、c10、c16、c18处于Ⅰ象限，即“保持绩效”区，说明应对产品轻量化、万向转向、坐卧姿势转换、可折叠、材料耐用等要素保持关注；c4、c15、c17处于Ⅱ象限，即“过度满意”区，说明虽然造型美观、模块化设计和简化结构可以提升用户满意度，但用户并不认为这些特性很重要，因此应适当降低其优先级；c7、c8、c13、c14、c20处于Ⅲ象限，即“低价值”区，其中c8、c13、c20属于漠然型需求，说明用户认为这些要素无关紧要；c1 、c2、c3、c11、c12、c19、c21、c22处于Ⅳ象限，即“优先提升”区，说明用户认为材料可靠、防滑、操作便捷、结构稳定、使用寿命长、符合人机工程等要素的重要程度很高，应优先提升和改善。

综上可知，产品需求要素优先级顺序应该为Ⅳ象限>Ⅰ象限>Ⅱ象限>Ⅲ象限，对于同一象限中的不同需求要素，可依据其决策系数Km确立其优先级。具体优先级决策结果如表6。其中c8、c13、c15、c17、c20的优先级较低，可暂不考虑，提取剩余17项需求要素进行后续分析。因此，在产品设计属性决策时应综合各项指标，为后续方案设计提供方向。

三、基于QFD的用户需求转换

根据用户需求，将产品需求要素优先度转化为产品特性权重，以便把握设计中的关键性措施进行针对性设计。根据产品需求要素推导出相应的产品特性，采用3级制对两者之间的关联度进行打分，5分表示强相关，3分表示一般相关，1分表示弱相关，生成关联矩阵，构建下肢残障人移位辅助器械“用户需求-产品特性”一级质量屋，如图4。

由图4可知，在移位辅助器械产品特性中，安全保护、整体稳定性的权重最高，说明在移位辅助器械设计开发中安全性和稳定性是首要的，其次应选择合适的材料，为产品功能和结构提供支撑，再次应关注用户舒适度、操作性、易用性以及功能配置等特性，提升用户积极体验，最后再对产品外观和造型进行设计。根据“用户需求-产品特性”一级质量屋，整理出相应的技术方案。通过评估技术方案与产品特性间的关系，构建 “产品特性-技术方案”二级质量屋，如图5。

四、基于TRIZ理论的矛盾分析

质量屋“屋顶”即自相关矩阵，表示产品技术方案之间的相互关系，“+”表示正相关关系，即一个技术方案的改进会促成另一技术方案获得优化；“-”表示负相关关系，即一个技术方案的改进会导致另一技术方案恶化；空白则表示两者无相关性或相关性不明显。

通过图5中的自相关矩阵可知，系统中存在负相关性的有：承重性材料与轻量化、摩擦力大与活动灵敏、可调节结构与稳定型结构、空间尺寸大与整体体积小。因此系统中存在的矛盾有：矛盾一，使用承重性材料可以增加产品稳定性和安全性，但会导致其自身质量增加，从而形成与轻量化设计之间的物理矛盾；矛盾二，增大摩擦力可提升产品的防滑性、稳定性，但会与产品的灵活性形成物理矛盾；矛盾三，可调节结构可以提高产品可操控性，但稳定性结构又需要产品结构牢固稳定，从而形成技术矛盾；矛盾四，空间尺寸大可增大用户可达域，提高舒适度，但整体体积小可占用更小空间，从而形成物理矛盾。

对于物理矛盾，可采用分离原理对应的40个发明原理求解；对于技术矛盾，可将技术问题分解为39个通用工程参数，查找TRIZ矛盾矩阵中推荐的发明原理求解。具体求解办法及解决方案如表7所示。

五、方案设计

根据上述分析可知，针对下肢残障人的家用移位辅助器械应具有安全性高、操作便捷、功能实用、舒适度高等特点。轮椅作为一种下肢残障人的代步工具，在该群体的日常生活中有极高使用率，因此将移位辅助器械与轮椅进行一体化设计，不仅能降低产品对于使用环境的限制，不占用过多活动空间，提升效率，还能提高产品所需性能。结合用户需求分析与解决方案分析结果进行产品创意构思，得到设计方案，方案三维效果图如图6所示。使用场景图如图7所示。

产品以轮椅为主体，拥有两个主要使用模式：代步模式、移位模式。在日常使用中可用作代步工具，在需要移位时，产品的座椅部分会与底座分离滑动到床上，协助用户完成移位，如图7。这样的设计可以满足用户多方位需求，而无需依靠人力或额外使用移位机来达到行动目的，在提高用户生活自理程度的同时，满足了用户对移位辅助器械的多元化需求。产品细节部分参考“产品特性-技术方案”二级质量屋从以下方面进行设计：

（一）产品材料：产品结构部分主要使用铝合金、碳纤维复合材料，在保障承重性的同时，提升产品轻便性，满足了用户对产品材料可靠性、稳定性以及轻量化的需求，同时合金、复合材料更加耐用，增加了产品的使用寿命；产品坐垫部分主要采用聚氨酯海绵材料，相对于普通海绵、棉布、编制坐垫而言具有柔软的触感和高回弹性，不易变形，能有效提升坐垫承载能力和舒适度，满足了材料亲肤性的用户需求。

（二）产品结构：产品主要结构由可调节支架和连接支撑件组成，在支撑件内部使用液压升降杆可使坐垫部分抬高或降低来帮助用户转换坐卧姿势以及进行不同高度的移位，满足了可调节、坐卧姿势转换等用户需求；产品前轮为万向轮，使得产品能在狭窄的空间内灵活移动；产品可调节部分均设计了锁止限位，以保障使用时的稳定性和安全性。

（三）产品功能：产品的驱动方式为电力驱动，不仅操作便捷省力，还能提高效率，通过扶手处控制杆和按钮就能独立完成基本活动，满足了产品操作便捷的用户需求；产品配备了压力传感器、声波传感器、姿态传感器等，当监测到障碍物、路面湿滑、失衡等危险状况时能做出减速、避让、报警等反应，保障用户安全。

（四）产品舒适性：由于目标用户下肢缺少运动能力，导致上肢活动量增多，因此产品坐垫部分的设计依据人机工程因素可贴合用户颈椎、腰椎、肩部、臀部以及大腿部分，缓解用户肌肉紧张和压力。坐垫尺寸为460mm×430mm，靠背尺寸为460mm×480mm，座高为450mm～650mm，保证用户的活动空间，提高舒适度。

结论

为解决下肢残障人在日常生活中遇到的移位障碍以及现有产品易忽略用户需求重点和优先级的问题，本文提出了将分析型Kano模型与质量屋、TRIZ理论相结合的多理论创新产品设计流程，以家用移位辅助轮椅为设计案例进行了验证，表明了该设计流程对用户需求分析的有效性，并应用在移位辅助器械的设计中。首先，基于分析型Kano模型的用户需求定量分析，能对产品需求因素进行分类和优先级排序，把握用户需求重点。其次，结合质量屋和TRIZ矛盾分析工具，实现了用户需求到技术方案的转换，获得了可行的解决方案。最后，通过设计实践解决目标用户实际问题，为同类产品设计研究提供参考。在后续将从产品智能化和健康状况监测评估等方面进行深入研究。