按摩机器人设计报告.docx

产品开发与技术经济分析课程设计 主 题：第13届全运会服务机器人设计 题 目：举重运动理疗机器人设计 学 校：沈阳工业大学 专 业：机械学院工业设计08级 学 号：080103006 姓 名：杨新宇 指导老师：张剑 时 间：2012年1月11日 目 录第1章 绪论41.1产品开发背景41.2开发课题的目的和意义41.3 SET因素分析51.4国内外现状及发展趋势51.4.1国内发展概况51.4.2国外发展概况61.5相关技术分析71.6相关专利分析71.7领先客户分析81.8竞争对手价值分析9第2章 产品系统设计92.1可行性分析与功能92.1.1可行性分析92.1.2功能分析102.2产品结构原理图132.3产品使用情景分析142.4生活方式和流行趋势分析16 2.4.1生活方式的分析16 2.4.2流行趋势的分析162.5色彩设计202.6人机设计202.7材料选择21第3章 建模与设计效果图213.1草图绘制223.2建模草图与建模图23 3.3工程尺寸图 243.4设计效果图25 3.5版式设计 26第四章 附配件的选购27参考文献28第1章 绪论 全运会比赛中会出现各式各样的问题，而失误，潜能，紧张三个主要方面的因素对运动员的影响是最大的，我们在科学的分析基础上，能否通过一些按摩的方式来减少这些不利于比赛发挥的因素，从而提高比赛成绩。1.1 产品开发背景 以下一组数据（表1-1）表明，我国举重运动员在举重试举过程中出现的失误（如图1-2），我国的失误率比较高，而国际上举重失误率平均水平在60%左右，所以，减少比赛失误对取得良好的比赛成绩影响最大。其次，运动员在比赛中不能发挥自己的最佳水平，甚至是不能发挥自己的正常水平，通过对运动员的赛后谈话，了解到影响发挥的另外一个重要因素就是紧张，相当多的运动员在赛前会出项不同程度的失眠，焦虑，紧张，而赛前放松，使举重运动员能够保持良好的精神状态上场显得尤为重要。 图1-2 图1-3 表1-1 试举（次）成功率2001年第九届全国运动会148/30250%2008年辽宁省锦标赛90/30730%2008年全国锦标赛85/28031% 1.2 开发课题的目的和意义我国在机器人的研究方面给主要集中在工业机器人，在随着奥运会之后，国家在体育方面的投入逐年增加，在对运动员的训练方面趋于更加科学。通过对运动员的了解，我们总结了一下四个方面的主要影响比赛因素：体能，心理，技能，战术。良好的体能是运动员的基本要求，在比赛中，需要消耗大量的体力，而能否将比赛坚持到最后，就要依靠运动员良好的身体条件；心理因素是影响正常发挥首要因素，对于比赛的未知，对自己的训练的不自信，对对手的畏惧等等都是影响比赛发挥的自身心理因素；技能是一个优秀运动员的必备条件，对每一个动作的不断训练和完善，使自身的发挥达到最佳；战术是合理利用比赛的条件，竞争对手的比赛状态，充分发挥自身的优势从而取得比赛的胜利。有各式各样的问题的出现，使得运动员的发挥受到了制约，因此，我们思考：能否针对其中的某一项，通过深入的分析，结合中医按摩理论，对运动员有效的减压或者是有效的身体刺激，从而使运动员正常或者是超常发挥，这也是我们开发这项课题的目的和意义所在。1.3 SET因素分析S（社会因素）：科技水平的提高，机器人为人们服务的观念也深入人心，机器人服务于人类已经变成了一个能够实现的愿望，所以许许多多不同功能的机器人也应运而生，例如高空作业机器人，防爆机器人，爆破机器人，还有各类机械手等等，机器人已经深入人类之中，并时刻发挥着其职能与作用，而如今人们生活水平的升高，使得人们的注意力逐渐转移到保养与健身，所以运动会变成了大家追捧的热潮，为众多运动员设计一款可以在比赛时按摩放松的机器人也变得尤为重要，所以应运而生的按摩机器人能为运动员带来福音。E（经济因素）：经济的快速增长，物资种类的繁多，生活速度的加快，使得人们对经济型产品愈发的重视，在现如今，如何降低生产成本也是我们的一个关键性问题，并且在此基础上，还要努力做到低碳环保，低能耗，高效率的完成各项任务，这样的机器人，才会在各类活动中普及开来，我们要利用如今的高科技技术，降低机器人的成本，形成各类服务性机器人的量化生产。T（技术因素）：人们的科技发展使得机器人的控制系统变得更加的完善，制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。1.4 国内外现状及发展趋势1.4.1 国内发展概况针对运动员的按摩器材在国内外已经比较常见了（如图1-4），但是，多数器材是放置在训练场地，还有一些训练中心引进了理疗仪对运动员进行理疗按摩以达到缓解疲劳（如图1-5），由于这些器材的运输不便，在比赛场馆内多数还是选择教练员赛前及时放松（如图1-6），所以在赛场上选用按摩机器人目前还没有出现。 在国内有一些按摩机器人研发项目，多数是由大学和研究院联合研制的单纯机械式按摩仪器，在机器智能和自动控制技术方面还没有攻破，通过理疗师的按摩效果和机器人的按摩效果相对比，对机器进行不断的调试，使其力度，舒适度，位置精确等等方面达到比较好的效果。 图1-5 图1-6 图1-71.4.2 国外发展概况 美国和日本的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强。 各国政府在服务机器人的实际研究和应用方面给予了很大的支持，如德国的保姆机器人（下图1-8），2011年美国DreamBots公司研发的Wheeme mini按摩机器人（如图1-9，1-10），这款机器人带有倾斜感应，可以保证在使用时不会滑落，价格50美金，不足1磅，3节AA电池。 图1-8 图1-9 图1-101.5 相关技术分析 理疗按摩机器人在按摩方式上采用了物理式捶打和磁流式按摩，同时针对经络有效的刺激，同时在辅助功能上增设3维成像，自动检测肌肉激活状态两个功能。物理式捶打，采用凸轮机械结构可以实现，如图1-11所示，凸轮转动感带动扇形齿轮来回摆动，从而驱动滑块左右运动从而实现捶打功能，通过调节转速来控制捶打的频率。磁流式按摩针对主要穴位和经络，按摩球的按摩方式类似手推拿的方式，脉冲电源控制按摩的力度。三维成像技术，属于新兴技术，如深圳华朗科技公司生产的三维扫描成像仪，在这方面的技术已经比较成熟了，其成像效果图如图1-12所示，可以对人体的骨骼，经络，血管等等进行成像。 图1-11 图1-12自动检测装置检测肌肉激活状态，通过检测在按摩之后，肌肉的兴奋状态，判定运动员能否上场比赛。在一项关于表面肌电信号数字传感器的硕士研究论文【1】中表明，通过对表面肌电信号的测定和分析，可以在运动技术合理性分析，肌纤维无氧呼吸无损性预测等方面起重要作用。1.6 相关专利分析有一定针对性的按摩放松方式的专利集中在理疗仪，理疗仪中主要是磁疗，光热疗，针灸，电子脉冲等等技术。如深圳国松电子公司生产的relax medic 数码经络理疗仪【2】（如图1-13）： 这款理疗仪主要新型的USB低频理疗仪，采用低频微电脉冲理疗技术的基本原理，通过微设计手段制成专用模块，形成适用方便的小型电子仪器，在用户接口软件的控制下，实现仿真推拿、按摩，开启时间的设定，脉冲输出强度的调整，达到了治疗保健作用。专利号： 200820225990专利号：CN200620047957.2 图1-13颈椎按摩理疗仪 专利号： 201020194945新型涉及一种具有马达振动按摩结构和电脉冲振动按摩结构的颈椎按摩理疗仪。磁流体按摩理疗仪 专利号： 201110062785磁流体按摩理疗仪由按摩垫、弧形板、气垫装置、气泵装置以及控制器装置构成，通过控制器装置的控制器控制脉冲电源发生器向电磁线圈生产脉冲电源，利用脉冲电源控制按摩垫电磁线圈磁场的变化来控制磁流体比重的变化，从而控制按摩球浮力的变化，利用按摩球浮力的变化来按摩身体的穴位，提高了理疗颈椎病以及腰椎病的质量。 1.7 领先客户分析全运会比赛的多个项目中，不可能对每一类运动员都有一款理疗按摩器。针对我国体育运动优势项目，如：举重，游泳，射击，体操，乒乓球等等这类项目的运动员，提出一种类似于按摩师，却区别于他们的按摩方式，能够提高运动员比赛成绩和发挥的稳定性。举重运动是我国一项起步比较晚，但是发展的比较快，比较好的一个体育运动项目，然而，我国的举重运动员几乎所有的人饱受各式各样的伤病困扰，运动员的比赛寿命短，一般在3-7年，而且部分运动员因为受到经济条件的限制，没有得到较好的训练，在比赛中屡次出现失误，导致残疾或骨折。除此之外，举重运动员比赛中体能消耗大，失误率高，缺乏理疗按摩和有效的指导放松，而理疗师的按摩水平参差不齐，价格也是因人而异，因此，运动员需要得到有效的按摩和放松显得尤为重要。设计一款能够结合中医按摩的理疗机器人，既不会使运动员对于冷硬的理疗器械产生排斥，又能够达到中上等水平的理疗按摩师的按摩水平，从而使运动员在比赛中取得良好的成绩，集技术，人机工程，美学于一体，正符合举重运动员的比赛需求。1.8 竞争对手价值分析对于竞争，无非是按摩器（理疗仪），机器人，理疗师三者之间的比较，那个更加合算更加具有市场竞争力。通过调查和分析我们做一个横向和纵向的比较，容易从表中得出，按摩机器人的综合竞争力还是比较大的，如表1-2所示： 成本 舒适度时间 同步 经穴理疗师 4300/月 * * *理疗仪 *3年 * *理疗机器人 *3-5年 * * 表1-2第2章 产品系统设计2.1 可行性分析与功能分析2.1.1 可行性分析从为什么（why），能不能（can），怎样做（how)三个层面的分析，明确理疗按摩机器人的设计和开发的可行性。1. 为什么？运动员得到有利于比赛发挥的各方面的服务，能够使他们专心的参加比赛，充分的展示自身的体育竞技水平，体现更高，更快，更强的体育精神。同时，运动员的自身经济实力使得他们不能够请到高水平的教练和按摩师，而且按摩师往往是按摩了某一个或某几个重要的部位，不能对多个部位同时进行按摩，当运动员上场比赛的时候，出现发力不够，导致失误。他们又排斥那些单一的理疗器械，这就构成了设计一款介于按摩师与理疗仪之间的按摩机器人的产生的前提。2 能不能？科技的发展日新月异，在技术层面的不断成熟，智能化，自动化的机械装置和系统能够为理疗按摩机器人提供了有力的支撑。除此之外，机器人的人性化设计使得越来越多的人容易亲近这样一类新型科技成果，工业生产中，机器人甚至已经融入了制造生产线，充分发挥了高效，经济等方面的优势。因此，无论从经济，还是个人的角度，理疗按摩机器人都逐渐具备能够融入人们生活当中的条件。3 怎样做？1，明确机器人的作用是理疗按摩，目的是使运动员能够减少失误，发挥水平。2，充分了解运动员的赛前，赛中，赛后的心理，身体状况。3，试验理疗仪与按摩师按摩前后，运动员的比赛发挥，统计失误率，比赛成绩。4，将中医按摩融入按摩机器人当中，测试按摩前后的发挥水平。5，对形态，色彩，材质等方面进行设计，符合运动员的喜好。6，对人机界面的设计和操作系统的改进，使之符合人性化设计要求。7，组合所有因素，进行经济技术分析，控制成本，得到最终产品。2.1.2 功能分析理疗按摩机器人所具备的功能需要满足中医按摩，从而涉及到人体的穴位于经络的按摩。同时，按摩需要有效的同步刺激，这是理疗师所不能到达的，各个按摩装置的同步运行需要控制系统的合理控制。此外，机器人具备机械捶打，红外感应，三维扫描，定位，力度控制，自动检测等方面的功能，又结合了理疗仪与理疗师各自的优点。功能的实现方式：1，3D扫描生成人体三维模型； 2，自定位，根据人体结构特点寻找穴位分布； 3，同步，有效刺激按摩；4，检测，稳定激活状态；如图所示：通过光线的反射，接收器处理之后能生成人体三维模型，功能实现方式原理图如2-1所示；生成的人体模型，根据系统的定位和数据处理，寻找人体的穴位的分布，在二维的坐标上调整按摩装置的位置，运动员需要按摩的主要穴位如图2-2，图2-3所示；中央控制器根据语音提示和对话，启动按摩装置，对运动员进行短暂的有的同步刺激，使运动员在按摩之后，经脉畅通，精神焕发；运动员在按摩完之后，背部，脑部得到了有效地放松，根据大脑的活动，人的呼吸节奏，肌肉的收缩和舒张状态的检测，使运动员保持一个比较好的身体状态参加比赛。 图2-1 图2-2 图2-3 推拿，揉捏，捶打按摩方式的分析 采用机械式捶打方式分析 图2-4 图2-5 2.2 产品结构原理图组成部分： 1，动力源：220V，50HZ交流电源驱动0.37kw小功率电机运转。 2，传动：传动系统。 3，控制：交互界面，控制器。 4，执行：扫描成像仪，机械指，捶打按压片。传动带轮，轴，连杆，凸轮如图2-6，2-7所示: 图2-6 图2-72.3 产品使用情景分析 1，产品的体积和重量大，限制了理疗器械的移动和运输，同时会占用比较大空间。（图2-8所示）情景一：甲运动员在训练场馆训练完事之后，习惯性去理疗中心进行理疗，那边的理疗效果特别好，而且甲对某一型号的按摩椅特别喜爱，每次参加比赛之前都必须上那边坐坐，认为这样可以带来好运。在傍晚时分，甲在全运小区的公园静静的坐着，明天就是全运会了，甲昨天和妻子闹了别扭，心理特别不舒服，理疗中心现在又关门了，甲就在想：要是那款理疗椅能在明天比赛的时候出现，让自己能静静的躺在上面享受一刻，那该是多么舒服的事！ 2，理疗器械的按摩或者是滚球彷推拿手法按摩，或是磁疗，将两者有效地结合起来，有所针对的按摩。（图2-9所示） 情景二：乙运动员前天在骑车的时候不小心摔倒了，脸部擦破了一些皮，明天就轮到他上场比赛了，现在头部还有点晕晕的，他又怕在按摩太阳穴的时候拉动伤口，背部也有一点酸痛，他在想：要是那些按摩的器械能用特殊的按摩方式不接触皮肤，给我的大脑提提神，然后有个理疗师给我推拿推拿，让腰部松松该有多好啊！ 图2-8 图2-9 3，市场上多数按摩器械mini，便携，但是不能够同时在满足之前这些功能的同时还具有科技感，智能，趣味感，以迎合人们需求。（图2-10所示） 情景三：丙运动员从小就喜欢变形金刚，喜欢那些富有科技感的产品，虽然市面上的小按摩器比较小巧，但是在运动场馆使用这些小按摩器总是感觉不过瘾，今天有自己的比赛项目，丙在想：要是我能像山姆（电影变形金刚男主角）一样拥有一个属于自己的机器人，每次比赛前给我加油，我就能鼓足劲，让她见证自己赛场上的辉煌，那该有多好啊！ 图2-102.4 生活方式和流行趋势分析2.4.1 生活方式的分析1 饮食 在一项对运动员的个人生活方式调查中，了解到运动员大部分时间是在训练中心进行训练。举重运动员每天都需要进行臂力强度，韧带拉伸，关节活动，姿态校正等训练，因为训练强度大，他们的饮食以蛋白质和碳水化合物为主，经常需要补充维生素B2，为了使营养跟得上，每天需要食用菜花，黄瓜，土豆，大虾，酱牛肉等食物。2 爱好运动员在训练之余的爱好各不一样，但是在一项调查报告中，52名运动员中有34名喜欢音乐，电影，一部分运动员喜欢驾车，还有一部分运动员喜欢睡觉，品茶，写作，收藏（如图2-11所示），这表明运动员在训练之外还是很喜欢非运动类休闲方式。 图2-11 2.4.2 流行趋势的分析1. 颜色的流行趋势 绿色概念 银色的流行是家电永恒的主题 图2-12 图2-13 2011年流行色 低调的中性色 在所有色调之间游走 优雅、剪裁、简朴（图2-14所示） 热烈、异域、原始（图2-15所示） 图2-14 图2-15 高浓度的色彩在自然与反叛之间摇摆 粉彩色和苍白羊皮纸的中性色调 实验、艺术、表现 （图2-16所示） 新鲜、轻松、天真（图2-17所示） 图2-16 图2-17 2012+颜色趋势主题：“裸露”、“复古现代”、“软工业”和“再造”未来的四种主要趋势主题呈现出多样化特征，但它们有一个共同点。作为对这个充斥着大量消耗和过度使用的复杂世界的回应，颜色专家们对趋势的预测为对本质和不加修饰美感的回归。（图2-18所示） （摘自中国流行色协会网）【3】 图2-18 “裸露”代表选择散发出宁静美感的天然的形式和材料的趋势。经典颜色包括淡灰色、米白色和中性沙砾色。受斯堪的纳维亚的影响，“复古现代”这一颜色趋势由复古灵感创造的美学塑造而成，这种美感结合了诸如赭黄和鲜绿等高度饱和色的简约形式。 劳尔颜色体验集2012+使用了“女性柔美的和精致的”、“经典的”和“优雅的”这些词汇来形容“软工业”趋势的特征。这些趋势颜色是金属色和柔和色的结合，如：铜色和淡翡翠绿的结合。 个性化的设计和一种实验性、色彩丰富的美感，即：偶尔包括一种刻意的不协调，都是“再造”趋势的核心所在。灿烂、动感的颜色，例如：原红、原蓝或混有柔和、素净米色和灰色的霓虹色。2. 材质的流行趋势近十年来，随着技术的不断发展，新材料的不断被开发和应用。工业产品对材料的使用也趋于多样化，设计师更多考虑将情感融入材质当中，例如石头，木头，树皮等传统的材质容易使人产生一种朴实，自然，典雅的感觉，玻璃，钢材，塑料体现强烈的现代气息。 如图2-19所示：这款叫做“妈妈”的椅子，采用柔软，舒适的材质，给人保护感，温暖和舒适感，就像躺在妈妈的怀里一样。设计师希望通过还原材料的本质展现一种真实感，面料采用尼龙和棉花，内层加海绵，不加任何表面处理，体现了材质的真实的本质美感。 图2-19 简约自然，原滋原味的风格，以苹果为代表。如图2-20，2-21所示，晶莹的水晶，光洁的表面，对新材料的运用敢于突破和创新是苹果的一贯作风。 图2-20 图2-21 对天然材料如，木材，皮革，藤条等的运用，体现设计中材质的亲和力。丹麦的 设计十分简洁而实用，偏爱自然的色彩和纹理，营造一种温馨，宜人的感受，如图2-22， 2-23所示。 图2-22 图2-233. 产品形态流行趋势从规整的几何形态到圆滑的曲线，通过近几年的红点奖部分作品的形态分析，我们发现依托先进的制造工艺，新型的材料，越来越多的人喜欢在产品设计中融入曲线元素，也有保持规整形态又添加小部分圆角的产品。如图2-24所示： 图2-242.5 色彩设计对于举重运动员，赛场气氛紧张，选用比较柔和的中灰比较合适，在视觉上给运动员一些比较强的力量感，选择大红色，外圆液晶显示采用半透明的湖蓝色搭配，比较有科技感。 图2-252.6 人机设计1，人机系统与界面的设计（图2-26所示） 2，人体工程学分析【4】（图2-27，2-28所示） 图2-26 图2-27 图2-282.7 材料选择 理疗器械常采用的材质为：尼龙（图2-29所示），棉，软塑，PP外壳，金属支架（图2-32所示）等等。 在设计理疗机器人时，添加一块弧形的外盖液晶显示器，使用者靠近机器人，启动三维扫描装置的时候，可以透过显示器将光线发射出去，在覆盖头部的头罩内添加一层海绵，防止出现磕碰而事运动员受伤。外层采用PP材质（图2-31所示），具有一定的硬度和强度，耐腐蚀，而且PP材料的成型比较容易，坐垫采用三层棉料，夹层添加按摩磁头，在二维定位板上安装推拿球，在金属底座盘上包裹一层软塑材质（图2-30所示），起到减震的作用，机器人用三个成等腰三角的万向脚轮行走。 图2-29 图2-30 图2-31 图2-32 第3章 建模与设计效果图3.1 草图绘制 图3-1 图3-23.2 建模草图与建模图 图3-3 图3-4 图3-5 说明： 这款举重运动理疗机器人采用变形的方式开启和关闭，犹如一个太空飞行器。（图3-1，3-2，3-3所示） 选用圆滑的椭圆曲面造型，使得整体的移动和储存都比较方便，中间的蛋形座椅使得运动员在使用当中享受片刻的独立空间和舒适。头罩内部安装有磁疗装置，使用电磁波对大脑进行放松，圆弧形的液晶显示装置覆盖在机器人顶部，犹如人的眼睛观测四方和检测附近区域的热源。 检测装置置于头罩和蛋形座椅内，驱动电机在座椅底部，主要提供驱动力和按摩过程中的电力。电力系统可以选用48V-68V铅蓄电池，也可以接通220V交流电，进行驱动和启动按摩装置。3.3 工程尺寸图 图3-6 图3-73.4 设计效果图 渲染效果图 图3-83.5 版式设计 第4章 附配件的选购序号产品名称型号厂家基本报价联系电话1三维成像仪3D CaMega DCS系列北京博维恒信242100.00010-829272632电机60W交直流两用电动机深圳市威特威电机有限公司480.0086-0755-33177277/279130253螺丝，螺母6mm8mm10mm东莞市富俊五金制品有限公司0.330769-878840634蓄电池48V铅蓄电池北京中大同创科技有限公司750.00/组010-638367165万向脚轮50mmPA五金建材市场24.006钢管30mm五金建材市场30.00/m参考文献：【1】 几冠生。河北工业大学2007年硕士学位论文表面肌电信号检测系统的研究【2】 中国专利网【3】 中国流行色协会网【4】 吕杰峰。人机工程学人体尺寸及坐姿分析。北京：清华大学出版社，2009