基于FAHP—QFD—TRIZ的居家助行器設計研究

引言

隨著我國逐漸步入深度老齡化社會，2024 年60 歲及以上人口占比達22%，預計2040 年將攀升至28%[1]，呈現加速發展態勢。老年群體健康需求問題日益凸顯，我國96% 的老年人選擇居家養老模式，促使居家養老成為主流趨勢[2]。然而，老年人居家產品設計還存在許多問題，隨年齡增長老年群體呈現運動系統退化、神經調控能力衰減、生理機能退化，如前庭失調、肌肉萎縮、反應遲鈍等[3] 特征，對拐杖、助行器及輪椅等輔助設施依賴性顯著增強[4]。老年助行器作為連接老年人與社會生活的重要紐帶，近年來越來越受到研究的關注。

助行器通過力學支撐和平衡補償機制提升使用者移動動力[5]，雖然現有產品能滿足基本助行需求，但市場仍以殘障康復為主，與老年群體實際需求存在脫節[6]。當前適老化助行器設計存在功能響應不足、生態兼容性差[7] 及定位模糊等問題[8]。研究主要呈現3 個方向：1. 人機工程優化，如通過步態建模提升適配性[9]，但多關注物理屬性而忽視情感需求[10]；2. 安全設計改進，孫小勇等人基于安全性設計原則設計了針對老年帕金森病患者的四輪激光助行器[11]。改進了助行器的結構、材料和技術，以降低發生事故的風險[12]，忽視老年群體的多元化需求（生理、心理及社會層面），制約了助行器的實用性和用戶體驗；3. 智能技術集成，如傳感器應用，Jiwon Shin 等人研究了傳感器和執行器在助行器中的應用[13]。這些研究方向雖各具優勢，但普遍存在適老化不足的問題。因此，亟需從老年用戶實際需求出發，在功能性與易用性之間尋求平衡，設計更符合老年人使用習慣和審美需求的助行器產品。

研究老年人助行器使用過程及滿意度具有重要意義[14]。隨著老年群體對優質輔具需求增長，提升產品滿意度成為關鍵[15]。本文針對老年用戶生理心理特點，提出一種集成需求獲取、多屬性分析與綜合評估的創新方法，聚焦居家助行器功能優化與體驗提升。通過結構創新與智能設計，重點解決現有產品穩定性不足、操作復雜等問題，旨在為老年人開發更安全便捷的助行解決方案。

一、相關理論研究

（一）理論闡釋

模糊層次分析法（Fuzzy—AHP）融合了層次分析法與模糊集理論的先進決策工具，通過引入模糊數學理論，有效突破了傳統方法在主觀評價中的局限性，精準處理非確定性決策信息[16]。其通過將語言變量轉化為確定的數值，建立用戶需求的遞階層次結構指標，利用兩兩對比標度值將定性問題數據化，兼具定量與定性的雙重優勢，提升決策過程的條理性和科學性，為解決傳統最優化技術難以應對的復雜現實問題提供了有力支持[17]。

質量功能展開（QFD）由日本學者赤尾洋二和水野滋提出，通過構建“需求－技術－質量”的傳導鏈條實現用戶價值驅動的產品開發。其核心在于需求- 特性映射機制[18]，通過形式化轉化模型實現用戶需求向技術參數的范式轉換，確保設計階段的質量閉環。這種轉化過程不僅能夠提高產品的質量、還能實現產品的快速開發和成本控制[19]。HOQ（質量屋）作為QFD 的核心工具，系統地將用戶需求分解為設計要求、工藝要求和生產要求等層級[20]，通過精準轉化確保產品設計與用戶期望高度一致。該理論通過結構化轉換模型，實現了從主觀需求到客觀技術規格的范式轉換，為產品開發提供科學依據。

發明問題解決理論（TRIZ）由根里奇·阿奇舒勒（GenrichS.Altshuler）創立的。該理論基于對全球數百萬項發明專利的深度解析，提煉出技術系統進化規律和矛盾解決原理兩大核心模塊，形成結構化創新方法體系，是一套系統性的解決方法和指導原則[21]。在產品設計的過程中，TRIZ 的創新思維模式可以形成系統化的設計流程，其應用不應局限于工程設計領域，還可以廣泛應用于工業設計和產品設計等領域[22]。

（二）FAHP、QFD、TRIZ 的產品設計流程

在整合FAHP、QFD 和TRIZ 理論并將其應用于老年人居家助行器設計的過程中，具體步驟如下，如圖1：

1. 需求分析：通過實地觀察和深度訪談獲取老年用戶需求，運用親和圖法提煉核心需求要素，再經問卷調查進行需求分類和優先級排序，最終形成系統化的設計指導框架。

2. 需求層次模型構建：構建居家助行器產品設計老年人需求的層次模型，利用模糊集理論中的三角模糊數結合層次分析法對老年人需求的重要程度進行排序。

3. 質量屋模型構建：通過系統化構建與分析質量屋，識別并解決設計問題，為助行器設計提供科學依據。該過程確保用戶需求充分滿足，通過技術特性自相關分析避免沖突，優化產品性能。基于用戶需求的模糊評價，精準篩選高價值需求并轉化為關鍵技術特性，指導設計實踐[23]，如圖2。

4. 矛盾分析與解決：利用TRIZ 理論，首先將設計問題定義為沖突根據沖突特性，選擇適當的工具進行分析和解決。對于技術沖突，借助TRIZ 工具將具體問題抽象為通用問題，進而找到解決方案。

5. 最終方案與優化設計模型：在確定產品最終方案的基礎上，構建基于FAHP-QFD-TRIZ 理論的優化設計模型。該模型確保助行器精準滿足老年人居家使用需求，顯著提升其生活質量和使用體驗。

二、老年人居家助行器需求分析

（一）挖掘用戶需求

通過深度訪談和小組討論，研究團隊系統分析了老年用戶對助行器的使用痛點和滿意度，提煉出16 項關鍵需求：造型簡潔、尺寸適宜、安全防護、色彩可選、剎車功能、照明系統、身體支撐、儲物功能、休息設計、堅固材質、簡易操作、折疊功能、高度調節、人機適配、省力結構、臺階輔助及應急裝置。運用親和圖法對這些需求進行層級化梳理（圖3），建立了清晰的需求優先級框架，為后續產品設計提供了科學依據。

為確數據的有效性，研究采用問卷調查與深度訪談相結合的混合方法，收集了設計師、專業教師及老年用戶的多方意見。基于調研結果，構建了包含四大主類及其子需求的居家助行器需求層級結構（如圖3 所示），形成系統化的需求框架，為后續設計提供明確方向，確保精準響應老年用戶實際需求。

（二）確定用戶需求重要度

1. 驗證方法：基于層級化需求模型設計評估問卷，采用模糊層次分析法（FAHP）進行權重量化分析。首先運用0.1-0.9 九度標度法構建非對稱模糊判斷矩陣R=（rij）n×n，其中rij ∈ [0.1，0.5] 表示因素rj 比ri 重要，rij=0.5 表示同等重要，rij ∈ [0.5，0.9] 表示ri 比rj 重要。隨后通過三角模糊數運算（公式1-2）計算準則層和指標層權重向量，獲得感性意象需求優先級排序。整個計算過程嚴格遵循模糊一致性檢驗要求，最終實現各層級要素權重的精確量化（公式1-2）。

（1）設計要素權重計算：假設R 為n×n 階模糊互補判斷矩陣，表示為R=（rij）n×n。W 設為對應于R 的權重向量，記作W=（w1，w2，…，wn）。權重向量的具體表達式如式（1）所示：

（2）設計要素一致性檢驗。根據式（1）得到的相容性指標I（A，W*）和特征矩陣W* 的定義，其表達式分別如下式（2）～（4）：

式中，Q、W* 均為模糊互補判斷矩陣。若相容性指標值I（Q，W*）小于特定的閾值α（一般取α ＝ 0.1）則合理。

2. 驗證過程：研究收集了5 位設計專家和20 位老年用戶的問卷數據，驗證了判斷矩陣有效性，得出居家助行器設計需求權重，并分別構建了準則層和指標層的判斷矩陣。

為確保結果可靠性，采用和積法計算權重值并進行一致性檢驗。計算相容性指標I（A，W），當I（A，W）＜閾值α（α=0.1）時判定矩陣合理。本研究準則層I（A，W）=0.08，指標層4 項分別為0.071、0.03、0.038 和0.044，均小于0.1，檢驗通過。若未達標需修正矩陣重新檢驗直至合格。

3. 驗證結果：采用模糊層次分析法計算居家助行器需求權重（式1-2），通過一致性檢驗后，建立準則層全局權重與指標層局部權重的合成模型（結果見表2）。

在消費者需求層面，各需求的重要程度可通過權重值來衡量，其中權重值占比從高到低依次為A41、A33、A42、A32、A12、A41 等。具體而言，權重值越接近0，表明老年人對該助行器設計需求的重要程度越低；相反，權重值越接近1，則表明老年人對該助行器設計需求的重要程度越高。

（三）基于QFD 的發現設計問題階段

質量功能部署（QFD）是一種將用戶需求系統化地轉化為設計需求的有效方法，通過構建“用戶需求- 技術特性”關聯矩陣，實現設計要素的精準篩選與優化[24]。

1. 將用戶需求轉化為設計需求：研究團隊組建了一個由5 位產品設計領域專家組成的研討小組，專注于將用戶需求高效轉化為設計需求。通過映射關系方法，團隊建立了用戶需求與設計需求之間的一對一或一對多對應關系，并從體驗設計和服務設計的雙重視角識別了關鍵映射點。經過系統分析，團隊確定了16 項主要設計需求和16 項次要設計需求（見表3），并將其納入QFD 模型進行定量相關性分析。

2. 需求設計要求關系矩陣：表3 展示了用戶需求轉化為設計要求的具體對應關系。通過這一矩陣，研究團隊明確了用戶需求與設計要求之間的關聯性，為后續的質量屋構建奠定了基礎。

為深入構建用戶需求與技術特性之間的關聯模型，研究團隊運用了QFD 工具，精準識別設計中的潛在矛盾與沖突。具體步驟如下：

左墻：將16 項用戶需求及其綜合權重值詳細列入質量屋的左墻部分。

天花板：將助行器的設計需求放置在質量屋的天花板部分。

屋身：將左墻的用戶需求與天花板的設計需求進行一一匹配，形成關聯矩陣。

屋頂：對技術特征之間的負相關性進行評定，負相關用“—”標識。

評分：邀請專家小組對用戶需求與技術需求之間的關聯程度進行評分，評分標準為：◎（5 分，強相關）、△（3 分，中等相關）、●（1分，弱相關）、空白（0 分，無相關）。

通過上述系統化的工作，研究團隊最終構建了完整、直觀的質量屋（見圖4），為居家助行器的設計優化提供了清晰的指導方向。

（四）基于TRIZ 的解決設計問題階段

TRIZ 理論提供解決問題的方法，通過矛盾矩陣將工程設計中的技術沖突映射為標準化問題模型，匹配40 項創新原理找到與之相適應的解決方案，以此找到設計的解決策略[25]。

1. 矛盾分析：根據圖4 的分析結果，居家助行器設計的關鍵需求包括符合人機工程學、顏色可選、省力設計、上臺階功能以及造型簡單。同時，在質量屋的天花板部分識別出3 對負相關需求。通過結合QFD 工具與TRIZ 理論，將這些負相關需求轉化為設計矛盾沖突，確定了以下3 對需優先解決的矛盾[26]：

助行器設計面臨三組關鍵矛盾：在造型設計方面，普適性與個性化需求存在沖突，前者確保基礎易用性而后者提升用戶體驗，但會增加結構復雜度與成本；在適配性方面，廣泛適用與精準定制相互制約，精準適配雖優化個體體驗卻降低產品普適性；在功能配置上，附加功能（置物架、報警裝置等）與空間優化形成對立，功能增強往往以犧牲便攜性和增加成本為代價。這些矛盾集中反映了老年助行器開發中通用需求與個性定制、功能豐富與結構精簡之間的核心平衡難題，需要通過模塊化設計或智能技術尋求最優解決方案

2，矛盾解決：針對三組設計矛盾，TRIZ 理論提供創新解決方案（表4）：運用分割原理實現模塊化設計，將置物架、坐墊等功能獨立為可拆卸模塊；采用抽取原理設計可拆卸功能組件；通過預先作用原理在設計階段預留模塊接口。用戶可自主選配模塊，既滿足個性化需求，又降低生產復雜度，實現精準適配與空間優化的平衡。

三、基于FAHP—QFD—TRIZ居家助行器方案設計

（一）設計草圖

基于模塊化、可拆卸和個性化三大設計原理，本研究提出三個助行器設計方案（圖5）：方案1 采用可折疊輕量化設計，配備剎車系統，突出便攜性和安全性；方案2 通過功能整合實現多功能性，包含加寬座椅、背靠和集成儲物籃，兼顧穩固結構與靈活使用；方案3創新性采用可變形框架和智能交互系統，實現行走/ 坐靠模式快速切換，并配備自適應輪系和人體工學把手，智能適配多種地面條件。三個方案均滿足防滑、穩固和高度調節等基礎需求，但各有側重：方案1 強調便攜性，方案2 突出模塊化功能組合，方案3 則聚焦智能交互與形態創新，共同構建了滿足不同使用場景的助行器解決方案。

（二）設計方案展示

接著，利用李克特兩表法選出評分最高的方案進行再設計。以10 位專家（5 位工業設計從業者、5 位康復醫師）的評審意見作為助行器設計方案評價的指標集。根據上文研究，采用層次分析中的指標因素作為因素集。評價指標為4 個準則指標；分別從外觀、功能、結構、體驗4 個方面對3 款助行器設計草圖按分值為1、2、3、4、5 進行評分，分值越大表示越喜歡，結果如表5 所示，方案一的得分最高，為17.68。

結合前期分析的設計需求，基于前期需求分析，方案一經過深化設計后形成最終方案（圖6）。該居家助行器采用流線型現代設計，通過結構力學優化實現穩固支撐與美學表現的統一。核心功能模塊包含：1）符合人體曲線的可拆卸座椅；2）多功能置物組件；3）輕量化高強車架配合智能高度調節系統。創新的折疊轉軸機構在確保結構剛性的同時實現快速收納，使產品在支撐穩定性、功能實用性和空間適應性3 個維度達到最優平衡，為居家行動提供了全方位的安全輔助。

最終產品方案如圖7 所示，通過4 點支撐結構與智能剎車系統的協同設計，實現安全性與穩定性的雙重提升；優化的折疊機構確保便捷收納。產品整合可拆卸多功能組件（儲物籃、折疊座椅及LED 照明模塊），配合現代極簡造型與柔和配色方案，在功能性與視覺美感間取得平衡。該設計在保障核心安全性能的基礎上，以人性化細節增強用戶自主性，助力老年群體舒適、從容地進行日常活動，有效提升居家生活品質。

（三）設計方案評估

設計方案驗證階段采用前期調研需求構建的標準，將13 項核心設計特征與用戶需求層次模型中的高權重要素精準映射，建立量化評估體系。基于0-5 分評分標準，由專業評審組對產品特征- 需求契合度進行系統化驗證，雷達圖評分結果直觀反映設計方案對關鍵用戶需求的滿足程度。該評估機制有效確保了設計輸出與初始需求規格的一致性。

圖8 呈現了居家助行器設計的評估結果。25 名用戶的綜合評價顯示，“尺寸適配性”與“空間利用率”指標表現最優，印證了產品在人體工學和收納便捷性方面的成功設計。值得注意的是，“安全感知度”評分相對偏低，反映出用戶對防護性能的更高期待。整體評估數據證實，該助行器在功能實現和操作便利性方面獲得顯著認可，有效驗證了FAHP-QFD-TRIZ 模型在用戶需求轉化和產品創新中的實踐價值，為適老化產品的優化升級提供了可靠依據。

結論

本研究構建的FAHP-QFD-TRIZ 集成設計需求框架，通過系統化的需求分析方法，顯著提升了用戶需求轉化的準確性和設計指導的有效性，為助行器產品創新提供了科學的方法論支持。研究過程如下：模糊層次分析法（FAHP）：首先通過FAHP 解析用戶需求的模糊性與不確定性，構建了層次化的需求指標體系，為后續分析奠定了基礎。質量功能配置（QFD）：利用QFD 建立用戶需求與設計特性的映射矩陣，實現了從“需求域”到“功能域”再到“技術域”的精準轉化，確保設計需求的系統性和科學性。TRIZ 理論：通過TRIZ 理論，將設計問題抽象為通用問題，并通過定義沖突、識別類型、選擇工具和分析解決，探尋了有效解決方案。該模型能夠有效識別用戶核心需求，其分析流程可廣泛應用于其他產品設計領域，為適老化產品設計提供了重要參考。盡管本研究取得了顯著成果，但仍存在改進空間：在老年人居家助行器功能需求的識別與表達上，需進一步深化研究，以更全面地覆蓋用戶需求。定量研究中，個體認知差異對結果的影響需進一步關注，以提高研究的可靠性和普適性。未來研究將致力于解決這些問題，通過深入探討與改進，進一步優化FAHP-QFD-TRIZ 框架，為適老化產品設計提供更精準、更有效的支持。