机械创新产品 (机械创新产品设计)

机械创新产品

作品内容简介本作品是一张方便老年人或者腿脚不便的人站立的椅子。主要是通过使用者上肢的运动来带动一面的动作，从而可以调整人的坐姿与重心，来减少下肢的运动来实现站立姿势。本机构主要用到了平面连杆以及其它一些机械结构来实现椅面的调整，来带动使用者的行动。并且如果使用者需要的话，在坐下来的时候也可以起到减少其下肢运动的作用。

主要创新点我们主要是考虑到老年人或者其他腿脚不方便的人群，在站起来的时候总是很费力；而且往往在坐下来的过程中也是一屁股就坐了下去。为了改变这样的状况，我们将人站立过程中的手脚并用，该为手起到主要作用，方便特殊人群。

推广应用价值我们的社会对老年人的关爱渐见凸现，在这样的背景下，对老年人日常行动的关爱也就更为重要了。而且对于特殊群体，比如下肢受伤，残疾等等的人群，我们的设计也可以助他们一臂之力。方便了使用者日常行动，而且也减轻了子女或者看管人的看护负担。这样的话，他们坐下就不愁再站起来了。

2自动搀扶助步车

参赛学校：青岛大学

参赛者：王新刚、曹志强、郑虎阶、徐晟、孙海峰，指导教师：师忠秀、庞严英

作品内容简介本产品主要应用于腿部残疾、腿部骨折处于恢复期的病人。主要运用了自动检测和电器控制的原理；巧妙地将助步车和动力装置结合起来，实现了动力助步；并添加了单片机系统、光电检测装置以及继电器，可以自动检测病人的行动意图，并且实现了车随人动。该车充分考虑了不同使用者的需要，设置了多种不同的工作模式；另外，本车增添了多处人性化设计及安全保护措施，结构简单、操作方便、产品的可靠性高；创新地利用支撑板代替双拐，这样可以减轻病人长时间拄拐带来的劳累；由于该车操作的方便性以及车身对人体的搀扶作用，病人可以独立使用，从而大大减轻家人及护士的负担。基本技术指标：1、整车指标：速度0~0.5m/s连续可调；电机：DC12V、46rpm、P=15W。电源：12V、14Ah；光电开关：检测距离：0.1m/0.3m、DC6～36V。

主要创新点（1）系统能够自动检测人体的行动意图并自动启动相关系统进行动力助步；（2）本车实现了车随人动，提高了使用者的方便性和舒适性；（3）本车实现了在一定范围内的无级变速；（4）本车采用了多种工作模式以适应不同的使用人群；（5）独特的控制电路大大简化了控制系统；（6）多处人性化设计和安全措施，使本车更安全实用；（7）病人可以独立使用，从而减轻了家人及护士的护理负担。

推广应用价值该车的应用前景非常广阔，可应用于医院的康复中心、也可提供给残疾人使用、还可以应用于行动不便的老年人，用于搀扶助步。

3语音识别控制的多自由度欠驱动助残机械手

参赛学校：上海交通大学

参赛者：李顺冲、扬飞鸿、陈侃、黄俊杰，指导教师：高雪官

作品内容简介为了尽量能使机械手与人手大小相仿，同时也为了体现欠驱动手的优势，机械手将通过一个电机驱动，通过差分机构自适应地分配动力，差分机构与电动机可藏入手掌和手腕内。手指的结构：我们的机械手共使用4个手指，分别为拇指、食指、中指和小指。除拇指外，其他每个手指尺寸均相同，这样就可以模块化设计、加工，可以互换，也可以根据实际需要增减机械手的手指数。食指、中指和小指这三个手指每个手指都由三个指节组成。拇指结构与其他三指基本相同，但只有两个指节。弹性推杆差分机构：由于只使用一个电机驱动各个手指，为了使驱动力可以自适应地分配到各手指，需要一套驱动力差分机构。我们的方案是这样的。滑块安装于手掌内的导轨中，通过一个丝杠-螺母机构驱动，可以沿导轨做往复运动。滑块与手指间通过弹性推杆来连接。在滑块向前运动过程中，当各个手指没有接触物体时，弹性推杆不收缩，可以看作是一刚性杆，驱动各手指运动。

主要创新点所谓的欠驱动就是指机构的驱动数目少于自由度数目。我们的机械手就运用了欠驱动抓握原理，由一个电机驱动全部的四个手指（共11个关节）实现对物体的抓握，这种机械手在抓握时能够很好地适应物体的形状。机械手的大小与人手相仿，同一般的灵巧机械手相比虽然功能有所减少，但在同样完成抓握动作的情况下，它的结构更简单，重量更轻，体积更小。

推广应用价值能够采用语音进行控制的欠驱动机械手，操作简单，使用方便，价格低廉，必然能为手部残疾的人士带来福音。

4多功能助食装置

参赛学校：广东工业大学

参赛者：陈其庆、陈志忠、刘智勇、赖锦涛、何影冰，指导教师：傅惠南、吕志强

作品内容简介为了填补市场上并没有靠用脚控制来实现进餐的器械的空缺，我们设计出本装置，同一种动力输入，输出多种功能。由脚控制，能够帮助进餐，翻书等功能。它由底座、支撑柱、桌面、转台、递送装置、自动复原机构、翻书装置和脚踏组成。助食的操作步骤有：1、对转台控制脚踏施力，通过软刹线传动，驱动分度机构旋转带动餐桌转动，实现食物选取；2、对递送装置的控制脚踏持续输入动力，通过软刹线传动，令递送装置上的机械臂先往下摆动一定角度再下降到菜的位置；3、对夹子控制脚踏施力，控制夹子的张开与夹紧，使其夹住食物；4、缓慢撤消对递送装置的动力，机械臂回复到原来位置，实现送菜；5：对夹子控制脚踏施力，使夹子松开食物。翻书的操作步骤是：首先利用手臂中滑块的直线向下运动使吸盘吸紧书，然后利用吸盘的吸力和滑块向上运动使书提到一定高度，接着利用装在转台下的翻书杆和转台的转动使书翻过。

主要创新点（1）理念新：是独特的靠脚控制进餐的新装置。且同一动作输入，输出多种功能。（2）实现方式新：采用简单的机构实现复杂的功能，结构巧妙，操作简便，表现在：设计出仅由一控件分时序控制两个自由度动作的新机构，取代传统的一个控制对应一个自由度的做法；采用转台旋转来食物代替传统的用机械手选取食物；使用集夹菜夹饭两个功能于一体的夹子，取代传统的筷子和勺子；使用软刹线传动代替复杂的传动机构；采用弹簧复原，实现一控件控制两个相反方向的运动。

推广应用价值目前，市场上并没有靠用脚控制来实现吃食物的器械，为了填补市场空缺，同时克服现有助残装置功能单一、结构复杂的缺点，我们设计出本装置，用脚控制，不仅能够帮助进餐、翻书、和练习玩打击乐器等多种功能，而且结构简单，操作简便。它能帮助双手残疾人解决“吃饭难”和翻书难的问题，避免直接用脚吃饭和翻书的尴尬与不便，美化了他们的生活，以及丰富了他们的精神生活。总之，它的出现，将会为双手不便利的人带来了另一种新生活。

5基于角度主动控制的机械助残腿

参赛学校：上海交通大学

参赛者：徐立文、卢天明、卢炜、袁兴亮、毛文超，指导教师：殷跃红

作品内容简介现在市面上销售的智能假肢大多非常昂贵，而且适应性和稳定性都不理想。对于原本就肢体残疾且生活困难的残疾人，他们更需要一种简单易用价格便宜的假肢。我们的作品就是定位于给这个特殊人群提供的廉价，且相对功能强大的假肢。我们制作的是膝关节离断的下肢，主要包括大腿，膝盖，小腿。市面上被动的多轴假肢已经非常成熟，且有相对标准化的零配件。所以我们的作品即是在现有的成熟产品基础上，添加电自锁及自动释放的功能。

主要创新点膝关节我们采用四连杆机构，可以非常逼真的模仿出人体膝关节软组织的运动轨迹，并且在运动角度最大的轴上安装电磁多片离合器，通过安装在小腿上的压力传感器，控制其开启或闭合。当压力传感器感觉到人体重量时，离合器闭合，关节锁死，无法继续弯曲，但通过轴上的单向轴承可以继续伸直。当压力传感器没有压力时，离合器打开，关节放松，同时由一根弹簧使小腿抬起一个小角度，假肢可以完成步行中的甩腿动作。这样可以最大程度的改善假肢行走时的不自然动作，使行走姿态尽可能接近正常人。

推广应用价值假肢的行走姿态最大限度地接近正常人运动，对于残疾人辅助行走可谓意义重大，市场前景看好。

6全自动翻书机

参赛学校：海军工程大学

参赛者：苏杰、阎洪波、龙坤雄、侯文姝，指导教师：严承华、金传喜

作品内容简介本产品主要为不方便用手翻书的残疾朋友设计。该翻书机由载书台、控制箱组成。载书台由电磁式书夹和载书板构成。控制箱由吸纸装置、翻页装置（同步带、同步带轮、翻书棒）、电动机和控制电路构成。控制电路以AT89s52单片机为核心。工作原理：以顺序翻书为例，控制脚动开关或声控装置，则右边的书夹松开，吸纸装置吸起书的一角，然后由同步带的传动带动翻书棒翻起一页纸，右边的书夹合上。翻书棒将该页纸翻到左边时，左边的书夹打开再合上，完成一次翻页，装置回到初始位置准备下次翻页。反向翻书时，原理相同。本产品使用220伏交流电源即可。

主要创新点（1）吸页装置是根据流体力学的“负压原理”，使用电脑散热风扇制作出来的，效果非常好；（2）翻书棒的动作设计：使用同步带传动带动固定在同步带上的翻书棒平动，翻页平稳，正反向传动比较可靠；（3）在书夹的设计上妙地将夹子的机械部分和电磁铁结合在一起，只需通断电就可以控制书夹的开合，简单好用；（4）相对于纯机械的翻书机，该设计采用单片机控制，实现了自动化、机电一体化。残疾朋友只需用脚或者其他部位触动开关，即可完成翻书动作。

推广应用价值第一、该作品可以实现自动翻不同大小，不同厚度的书籍。能够很好地满足双手残疾的人看书学习的需求。第二、该作品全部由简单的零部件组成，加工工艺要求不高，且部分使用标准件，互换性好。第三，该设计成本低廉，厂家有一定的利润空间。另外，该作品不仅可以供手臂残疾者使用，也可以供那些因某种原因不方便用手的人使用，如因病暂时不方便用手的人。而且其原理可以推广到翻谱、复印等产品里。因此该作品具有非常广阔的应用前景。

机械创新产品设计

机械创新设计的原则：

(1)科学性原则

设计方案是某种或某些科学技术原理的体现，因此，任何设计方案都不能违背科学技术原理。

违背这一原则的设计以“永动机方案”为最典型。自古以来，有无数发明家绞尽脑汁地设计了一个又一个永动机，但都因直接违背能量守恒定律而徒劳无益，没有任何结果。设计方案除了不违反科学原理外，还应能达到预期的性能。大多数发明的目的都是要超过已有技术。

如果效果并不那么理想，该发明也就失去了存在的意义。因此，多方面地对设计的技术性能进行论证很有必要。

例如，有人曾设计出一种“液压传动和变速的自行车”。他的目的是使车子骑起来更为轻快和灵便。这就要有一个前提，即液压传动系统要与链条传动的效率相近或更高。但是如果认真进行核查的话，我们就会发现事实正好相反，在功率传送上液压传动的效率较低，因此该项发明的预期目的很难实现。

对于一项本身作用原理没有问题的发明，还应考虑它在制造过程中是否存在特殊的困难。假定你想发明一种“扑翼式人力飞机”，如果你的设计有赖于一种极轻然而又很坚固、弹力又极好的材料，大概就有问题了。你必须首先调查一下你所需要的这种材料目前是否可能制造出来，然后再去考虑你的发明是否有意义。

另外一个必须考虑的问题是，你设计的东西如果如愿以偿地制造出来了，在实际使用中是否会遇到特殊的困难。

例如，一种像帆船那样由风驱动的运输车辆并不是制造不出来，但是如果我们真要使用这样一种“风动车辆”，就会遇到许多麻烦。我们必须在很窄的道路上行驶，然而，陆地上的风远不像海上那样稳定，因此，我们的车辆就会陷入时快时慢、时走时停的状态。这在公路运输上是不能允许的，会大大妨碍其他车辆的行驶和安全。

(2)独特性原则

创新设计者往往别具匠心，常常以不同于一般设计师的方式提出一些奇特的构思，使技术方案具有突出的实际效果。

例如，转子发动机的设计，磁悬列车的设计等，都是别具匠心的设计。

出色的设计往往具有独特的构思，但独特的构思未必能成为有实际效果的为人们所急需的产品。例如，有人曾设计了一种“能喷水的闹钟”，他用喷头射水代替铃声来浇醒沉睡的主人，但是，这样的设计由于人们不那么需要，所以很难商品化。

(3)求优性原则

要想直接估计出一项设计的实用价值是十分困难的。实际上，人们往往采取比较法来进行估计，也就是将新方案的可能效果与那些要解决同样问题的全部已有技术相比较，看它是否处于比较优越的地位。

一般说来，追求完全相类似功能的不同技术是可以进行比较并分出优劣的。例如，爱迪生设计的碳钮电话话筒与原来贝尔所用的液体变阻器话筒是两种技术，但它们所要达到的功能完全相同，即把声音变成相应的波动电流。在这种情况下，人们可以清楚地看出，前一种技术比后一种更为简单、方便、耐用，明显优于后一种。实际上，贝尔公司很快就买下了爱迪生的专利权。

想出一个优于已有技术的设计方案当然是很值得高兴的事，但是，我们也应该意识到，技术在不断发展进步，新的设计也会层出不穷。因此，我们还必须考虑可能出现的其他种种技术方案，考虑到各种可能的改进方案，这样才能使自己的设计在稍长的时间内处于相对最优地位，在较长时间里保持其使用价值。从中可以看到，创新才是技术设计永保青春的秘诀。

(4)简捷性原则

技术方案是否简捷，也是判断一项设计能不能获得成功的一项设计原则。

有一种模糊的错觉认为，一项设计的原理和构造越复杂，就说明它的水平越高。诚然，把一件构造复杂的东西制造出来绝非易事，但这仅仅是对制造者而言。如果设计者使其构造的复杂性超越了一定的限度，那么这就是一件蹩脚的或失败的设计。因此，创新设计者应追求功能明确、性能可靠且机理简单的技术方案。

(5)市场性原则

符合科学原理和技术原理的产品设计，通常可以制造出来。那么，是否就能认为这一项设计已经取得了成功呢?事实上未必如此。除了极少数特殊情况(如作为一项科学研究的实验)以外，一般的设计要获得最后成功，必须证明自己具有突出的实用性，必须经受住市场的严峻考验。

爱迪生曾这样说：“我不打算发明任何卖不出去的东西，因为不能卖出去的东西都没有达到成功的顶点。能销售出去就证明了它的实用性，而实用性就是成功。”这对任何有志于创新设计的人来说是金玉良言，是判断设计价值的最高标准。有人可能错把专利局审查批准看作设计成功的标志。诚然，这确实是一个可喜的标志，标志着你的设计有了起码的水平，然而这并不是最重要的标志。有人可能要问，专利审查不是已经包括实用性的内容了吗?实际上，专利局仅仅是把那些明显不实用的设计加以剔除，并不对获准专利的商业价值作任何保证。从世界上发达国家获准专利的实施情况来看，真正获得效益的仅占总数的15％左右。

那么，什么样的东西能获得市场呢?一般地说，要求该设计者的使用价值超过出售价格。

一种商品的售价总是受成本制约的。一般情况下产量越多，成本就越低。而同一种设计对于不同的人来说，其使用价值往往是不同的。通常只有少数人认为其使用价值很高，而多数人则不这样认为。

例如，同样一种太阳能利用设备，在阳光充足而燃料贫乏的地区(如青藏高原)就有较高的使用价值；而在燃料非常丰富的地区则没有很重要的使用价值。因此，对于特定的某一产品来说，考虑的销售面越广，其平均使用价值就越低。

对熟悉工程技术的人来说，估计一种新产品的成本并不感到十分困难，而估计一项新设计的使用价值却常常感到是十分困难的事情。尽管如此，我们仍可以从下面几个方面来考虑使用价值：

1)该设计解决的问题是否迫切?一般说来，如果一项设计解决了人们迫切需要解决的问题。它的使用价值就比较高。例如，在电报发明之前，火车和轮船已在世界上得到应用，运输的速度已大大加快，但通讯速度受运输速度所限制，远远不能适应当时工业和商业迅速发展的需要。因此，电报被莫尔斯发明出来以后不到10年，就在许多国家得到广泛应用。但是，人们在短距离通讯上，使用电报仍不够方便，需要专人收发报和翻译电码，往往还不如派人送信省事，然而，电话的发明，扫除了这些麻烦，因而以更快的速度得到普及。

2)是否容易使用?一项能够解决某一问题的设计还必须保证本身使用起来是方便的，否则，它将会带来新的问题。例如，许多人在做饭时感到剁肉末十分费事，有人设计出了一种家用手摇绞肉机，用起来确实比剁肉省力。但是，这种绞肉机需要经常清洗，十分麻烦，结果不少人都弃之不用。

3)是否耐用、可靠?耐用与可靠直接关系到使用价值，需要特别注意。例如，目前市场上可以看到一种名叫“热得快”的电热器，可以方便地用来加热杯子里的水或奶，构造简单，价格便宜。但是它的设计不尽合理，很不耐用，稍有不慎就会烧坏，甚至有漏电的危险，因此销路大减。

4)是否令人喜欢?应该理解到这一点，即外观美也是使用价值的一部分。例如，钟表是用来指示时间的，但不能认为只要走时准，外观不用考虑。实际上，许多物品都兼有装饰房间或其他场所的作用，至少不应该破坏环境的美感。即使是工，一里的机器，适当的外观也常有助于减轻操作者的疲劳感，并让人产生爱惜的心情。除了以上几点，使用价值还应包括安全，不妨碍他人，无公害，等等。

机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术、原理等)，进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动。它包含两个部分：一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等；二是创造设计出新产品、新机器，以满足新的生产或生活的需要。