基于FKM-优劣解距离法的产品创新设计研究

关键词：工业设计；装备创新设计；模糊Kano模型；优劣解距离法；计算机辅助设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）24-0092-04

引言

随着经济的发展和社会的进步，康复医疗领域的新技术与科技生产力不断提升。2024年，国家发布了关于加快高端医疗器械研制及示范应用的文件，其中包含了康复辅助器具的创新发展和机械制造业的创新设计研究，当下主流的医疗床装备产品作为固定资源的需求亟待优化，搭载康复训练辅具产业化发展成为必然趋势[1]。老年人由于自身的生理状况，存在肌肉活性降低、骨骼钙质流失等问题，因此，他们对医疗床的康养需求变得更加多样化和迫切，而现有的医疗床产品普遍存在日常功能同质化的现象，其护理功能缺乏医疗特色，与辅助器具技术结合仍有待完善。

因此，为满足老年人群使用护理床时更多的医疗和康养需求，护理床的功能更需要聚焦于康复方面，解决肢体康复训练不便、上下床困难、护栏挡板人机交互有待优化等卧床中出现的问题。

目前，国内外护理床产品设计领域已有部分相关文献研究，王彬等[2]利用可拓学与TRIZ 理论进行医疗床设计实践，解决了色彩与材质优化、置物功能改良的一系列问题；周志勇等[3] 使用感性工学相关方法设计了多功能护理床，使产品满足用户情感方面的需求；于沁渊等[4] 针对老年人身体状况与生活行为进行研究，设计了有效减轻照看成员劳动强度的康养护理床。医疗床产品设计已经取得了外观材料、情感属性价值以及照顾行为优化等方面的理论与应用成果，但少有针对康复医疗的创新功能上的研究，尤其是腿部锻炼困难、起身转身的行为负担以及扶手挡板的辅助性能较差的问题有待进一步分析解决。为此，本文重点对老年康复辅具与医疗床设备的结合进行功能创新，为用户创造更多特色医疗方面的使用体验，同时为护理装备产品的创新设计提供了一种新的思路。

一、FKM与优劣解距离法结合

在研究工具中，模糊Kano模型在传统Kano模型进行需求分类的基础上引入了模糊逻辑和模糊集合理论，为设计者提供了更全面、精细的满意度分析，优劣解距离法（TOPSIS 法）为产品设计团队提供了有效的决策工具，支持设计者做出更加理性、可靠的决策，并推动产品设计的成功实施。

由于护理床用户复杂需求的不确定性，设计者对医护床产品的设计要素权衡中存在评估的片面性，研究中需要借助科学的分析模型，模糊Kano 模型应用于现实生活中不确定的问题，有助于准确把握关键特征并制订改进策略[5]。优劣解距离法能够更准确地计算需求权重，避免了设计分析中的主观性，使整个设计流程更合规且合理[6]。

本文采用了结合模糊Kano 模型与优劣解距离法的设计方法，构建了一种以用户需求为导向的创新设计流程，以提升用户满意程度同时得出产品的差异设计点。首先，利用网络工具提取在线数据，初步获取用户的需求特征，进而通过访谈与调研手段深入捕捉老年人群的需求。其次，利用FKM 进行需求分析，突出用户对产品的关键需求，运用优劣解距离法进行功能求解。再次，使用训练后的AI 制图模型辅助生成草案，参照人机关系、技术支撑等指标转化设计需求，实现将重要用户需求融入产品设计中。最后，考量造型与特定功能的同时，进行设计深化产出最终方案，以确保产品符合用户期望。该设计流程为医疗床产品设计提供了有效指导，从而提高了产品的创新性和用户体验，文中所构建的整体方法框架如图1 所示。

二、医疗床产品特征分析

本次设计前期阶段已进行实现网络数据抓取的工具调试，利用爬虫工具在主流的医疗床产品网站中进行评价数据采集，并针对护理床产品及其搭载式辅具进行数据预处理，在可用评论数据集中进行二次人工提取与筛选，最终获取了产品特征词库，为下一步拟定调研问卷提供了合理的信息支撑。通过实地发放调查问卷，分别针对医疗床使用人员和护理人员做不同的产品设计意向调研，主要面向的被护理者包含了多种身体状况的群体，以年龄在55 到75 岁之间的康养中或失能老年人群为主，护理人员为全职保姆或专业护工，调研问卷主要以提问受访者对医疗床产品外观、功能以及情感属性等要素的偏好程度评分为主，共收回92 份问卷。经过排除8 份无效问卷后，最终得到了84 份有效问卷，利用SPSS 软件进行数据处理得出问卷信度与效度良好。通过问卷调查，我们获取了用户对医疗床产品的真实需求，为后续的FKM 分析工具提供了可靠的数据。

Kano模型主要分为5 类：必备型要素M，期望型要素O，魅力型要素A，潜在型要素I，反向型要素R，同时还存在可疑型要素Q。而模糊Kano模型是对传统Kano模型的扩展，其优化在于引入了模糊数学隶属度理论，解决了传统Kano模型在确定值0 和1 隶属关系上难以精准反映用户真实需求的问题。

在传统Kano模型中，人们在问卷调研内给出确定性的回答，而模糊Kano模型则利用区间模糊数[0，1]，从而更符合用户模糊思维习惯，能更准确地探究用户的犹豫心理和实际需求，如表1所示。通过将定性评价转化为定量评价，模糊Kano模型能够解决用户的需求问题以及真实体验，为产品设计提供更系统性和准确性的评估，其评估表如表2所示。

三、模糊kano模型用户需求指标分类

以表 1 某用户的FKM问卷调查某一要素为例，根据该要素实现程度，可建立矩阵 X =[0.3 0.6 0.1 0 0]，Y=[0 0 0.1 0.3 0.6]，则生成的模糊矩阵为

针对每个用户需求，进行计算并统计汇总其在5 种类别属性下的出现次数，按最高次数对应的类别属性确定需求的最终类别。为保证数据可信性，引入置信水平α 对统计结果中的数据进行筛选。研究中采用α=0.4对数据进行筛选，当α≥0.4时，Ti=（1，0，0，0，0），由此得出此例举要素属性为必备型要素M。

在处理出现次数相等的需求时，按要素属性的优先级顺序进行选择，其中优先级从高到低分别为必备型要素M、期望型要素O、魅力型要素A、潜在型要素I、反向型要素R。重复上述步骤，得到各个需求数据的属性类别，为后续深入分析用户需求提供了数据支撑。通过这一系列处理步骤，模糊Kano 模型能够更精准地对用户的需求进行分类和评价，为产品设计提供有力支持。

本研究邀请了7位相关领域专家，对6 项魅力型需求的指标重要度进行评分。鉴于专家加权问题的客观性与明确性难以确定，本文默认各位专家权重相同。根据专家评价结果，再进一步计算规范化评价表，如表5所示。

求解正负理想解距离与结果为：

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个评价数据与正向理想解的距离以及与负向理想解的距离，并求出每个指标的相对接近度，计算结果如表6所示。

根据表6的决策结果，确认魅力型需求的重要性进行排序从高到低依次为：灵活性锻炼，自动转身，轻巧型护栏，易于起身，部件可收纳，背部按摩。综合考虑优先级较高的用户需求指标，从而设计医疗床产品方案。

五、设计实例部分

（一）需求分析与产品探究

对各个魅力型属性进行分析，从中构思指导需求要素与产品的匹配。在权衡不同需求在设计中所占比例的基础上，进行设计的发散探索，以得到最终的设计方案。

1. 在考虑灵活性锻炼的因素时，需要参考生物医学文献资料，解析老年群体肌肉与骨骼康复训练模式，以适应不同用户的需求和环境。同时，研究下肢运动方式与器材设计的关系，根据其结构原理制作方案模型，用户可以根据个性化需求调整不同模块，从而提升产品的灵活性和可持续性。

2. 在自动转身方面，可以根据人起坐的重心位置，床垫单独拆分一个模块，利用齿轮组机械原理方便使用者转身下床以及靠背起身，从而提高产品性能和用户体验。

3. 在轻巧型护栏的设计中，通过使用场景规划尺寸高度，同时处理造型的线面关系，调节点线面的角度和大小关系从而有比例地丰富具体细节，分析挡板与人的接触，调整一定的弧度，提升产品的吸引力和美感。

生成式人工智能是一种基于深度学习的新兴技术，可以作为一种新颖的设计辅助工具，促进产品设计的快速迭代与优化[7]。本研究已进行应用于此产品的AI模型训练，基于FKM分析中的3个必备型需求作为主要因素，指定关键词用于人工智能绘画。以保持结构稳定性的造型为前提，围绕着色彩简洁的绘图意向，并同时附加便捷移动的特点描述，可以调整人工智能的参数以获得多种医疗床产品方案。通过草绘造型图作为形体参考与细节灵感补充，再结合场景意向图来表达产品的风格调性，部分生成结果如图2 所示。

（二）产品深化推敲

根据AI 绘图辅助思考产品造型确立基本框架，深入功能细节，为实现腿部康复的特色医护功能，设计中分析老年群体肌肉骨骼的特性，划分了针对髋关节和膝关节不同活动方式所设计的运动副机构受力模拟，如图3。

同时，根据受力情况将其应用于机械结构中，据此制作了一套可收纳的运动装置用于训练，其概念方案如图4，腿部训练的部分可以结合现有传感器技术，将用户训练的指标进行信息反馈到显示设备，为数据可视化提供可行性，用户在停用后休息时，能够依靠转轴将运动模块收纳到床底部，操作流程如图5 所示。

（三）产品效果展示

经过一系列设计流程，成功将几项整理出的关键要素融入产品中，最终设计出了一款符合多样化需求且创新性突出的医疗床产品方案，成品展示见图6。

在考虑自动转身时，分析使用者在下床转身时以臀部为受力点的情况。通过应用一组齿轮传动原理，机械结构可驱动床垫上部用户所坐的位置旋转，从而方便护理者协助使用者实现上下床的转身，原理如图7所示。底部可以容纳电机模块，电机通过锥齿轮改变输出方向，然后通过减速器将转矩传递到旋转底座上，进而产生较大的传动比，使得底座能够以较缓慢的方式旋转，依此实现辅助用户进行转身。每个模块的设计考虑到即使其中的某些部件出现劳损，也容易更换零部件，以保持安全和稳定。

针对轻巧型护栏的设计，修正AI 设计方案细节的同时划分不同的解决方案，并根据人机关系进行整合重组，确保曲面边缘与直角边能够均匀过渡，既满足人机抓握部分的曲线造型，又满足底部直边的装配。进而细化转折面，使镂空部分便于开放视野，确保挡板的造型既是一个整体又能够拆分，使产品在整体感的基础上避免形态的僵化，结构如图8所示。

结论

本文研究了医疗床产品的创新研发，提出了一套完整的设计方法。首先，通过搜集护理床装备相关数据资料和进行用户调研，结合多个算法模型处理调研数据，筛选出关键设计要素，并巧妙地将产品功能与使用者需求有机结合，以深入探究如何在医疗床设计中提升产品体验，在此过程中，结合人工智能生成技术参与设计流程，实现高效设计，为设计行业提供了关于人工智能技术辅助设计的有益思考。在整理和分析前期设计要素后，得出了在使用方式上实现突破和改进的方案，通过结构设计验证了可动式康复训练模块在医疗床中的可行性，运用机械传动的起身与转身设计以及护栏挡板等针对性设计，最终设计出结合了特色康复功能的护理床产品，成为该领域新的创新点。

这一完整的设计方法满足了护理产品的创新需求，为创造高效、针对性的产品提供了新的思路。同时，期望这一设计能够充分利用三维技术为医疗产业服务，为弱势群体提供更多关爱，创造出有益于人类福祉和社会的价值。