35清华大学机械创新设计大赛

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1、机械创新设计大赛的实施与体会索双富 季林红 王兴信 张华基 杨春艳 清华大学精密仪器系工程设计所 北京海淀 100084 （实验技术与管理已经录用 2005） 摘要 : 本文对清华大学六年来开展的机械创新设计大赛的选题、制作与评判过程进行了介 绍，总结了其中得失与利弊，为了建立一套公正的评价体系，我们引入了层次分析法进行比 赛名次的评定，评定结果公正公平透明，得到了广大同学的普遍认可。在此总结我们的经验 教训，为广泛开展机械创新设计大赛提供参考。关键词： 机械设计，创新大赛，实践体会，方法与措施1 清华大学机械创新设计大赛简介自从人类第一次学会拿木棍橇石头，第一次学会钻木去火，他们就学会了设计

2、。从此以 后，人们设计了各种工具，机器，汽车，飞机，人类在进化过程中不断地提高着自己的 劳动能力，同时也提高了自身的创造才能。可以这样说，人类文明的发展过程，就是人类在 创造性劳动中进行创造性设计的过程。“创新”，是人类发展的永恒课题。随着现代科学技术 的发展，创新性人才在各行各业愈来愈显示出极其重要作用。小到一件商品，大到整个国家、 民族，只有不断的创新，才能在激烈的竞争中立于不败之地。在我们即将走入二十一世纪的今天，培养适合当今社会需要的具有创新性的人才更成为 大学教育的主要任务。清华大学为了适应这一形式的发展，为学生创造良好的创新才能发挥 环境，清华大学精密仪器系工程设计所在清华大学教务

3、处、科技处、校团委、校学生科协的 大力支持下，组织了“清华大学机械创新设计大赛”。机械创新设计大赛的比赛分为命题组和自由选题组，目前已经成功举办六届，这六届的 命题比赛题目是：第一届,爬竿机器人；第二届,爬楼梯机器人；第三届,爬标准阶梯机器人； 第四届，机器人运送乒乓球；第五届，堆积木机器人；第六届，引体向上机器人。在自由选 题组中，学生设计了很多源自日常生活或工业需求的新型产品，有些已经形成商品，为人民 的生活创造了便利。机械创新设计大赛的奖项设置为：一等奖两名，二等奖三名，三等奖四名，创新鼓励奖 一名。对于得奖的同学，颁发获奖证书和相应的奖金。学生以小组方式参赛，每年报名参赛 的小组在 6

4、0 个左右，实际完成作品的小组在 2030 个之间。比赛的题目选择与征集工作在 秋季学期末完成，并给出初步的财务支持力度限额。在春节期间，学生完成小组组建与初步 方案的设计。在春季学期的第四周，对学生的初步方案组织教师进行评审，选择出相应的 40 个确实可行、方案优秀、有创意的题目。对于优选择出的方案，给予相应限额的经济资 助。学生开始具体的技术设计，并有相关的教师给予指导。在暑假期间以及秋季开学的前4 周，学生完成作品的制作。大赛在国庆后一周内举行。比赛成绩在赛后一周内发布。比赛成 绩由具体的比赛指标完成度、教师评委团的评定成绩、完成指标的符合度、比赛违规的程度 等多项成绩的加权得到，加权值

5、采用学生科协、教师专家组成的评判小组，依靠多层次分析 法建立。索双富 男 博士，清华大学精密仪器系副教授，从事机械基础的教学与研究2 大赛题目的确定机械创新设计大赛分为自选题目组和规定题目组，由于自选的题目源自生活或工业实 践，作品的难易程度差别很大，我们采取专家评审的方法，并决定具体的作品制作支持力度。 对于规定题目，其应该具有：简易性：便于作品的制作。创新性：便于学生创新能力的发挥。 新颖性：不是市场上已有的产品。趣味性：适合比赛，并能激发学生的创造才能，过程有趣。 经济性：能够方便的制作出原型样机。在综合考虑这些指标的条件下，确定的题目，比较适 合学生大赛的开展。在设计大赛的规定题目选择

6、过程中，我们一个方面争取相关的教师积极参与，同时也积 极争取学生提出各种设想题目。这些工作由校、系学生科协组织，由于参加的人员较多，各 类题目还是比较丰富，也触及到了国内外机械创新设计大赛题目的收集，比如：月球车、火 星车、单轮行走器、管道行走器、柔性管道检测器、拔河机器人、定位行走器、特性轨道行 走装置、规定形状物料运送器、特性物料投送器、拟人机器人、拟物机器人等，纷纷进入到 比赛题目的选择范畴。在初期的题目征集后，由学生科协和相关教师组成的题目评审小组对 各个题目进行讨论，特别是讨论各个题目的比赛热点、创新点的范围、评比性等。通过讨论 确定出 35个有选择潜力的题目，这些信息反馈给题目的提

7、出者，并进行题目的深化设计， 最终给出实现题目的比赛环境、需要比赛的指标、标准的动作规范、动作的标准内容，需要 的电机驱动器的个数等具体细节。经过初选，进入到详细题目设计的比赛题目，再次通过教师和科协的选择小组进行评审， 首先由题目的提出者对相关题目进行 10分钟的陈述，然后经过 10分钟的讨论。问题回答， 对设计题目给出最终的评分。最后题目的确定，按照参加专家评分加权的方法进行总分审核， 评审专家小组的加权按照参加组织大赛的次数给定加权分数，第一次参加评审的人员为 1 分，第二次参加评审的人员为 2分，其余一次类推，最高加权分数为4分。最后按照评委评 审分乘以个体加权分除以所有评委的加权分数

8、和的方式，确定出各个题目的得分值。得分最 高的题目，就是所确定的设计大赛规定题目组的题目。题目确定之后，各个相关人员分别提 出题目的完善意见，由题目的提出者进行总结，给出详细的题目设计报告。3 大赛规则的制定机械设计大赛的目标是为了鼓励学生的创新能力发挥，学生的自由选题是激发学生自由 思想的重要方面，但是，我们的比赛属于工程技术的范畴，因此，为了确保设想能够依靠现 有的技术实现，对这些思想还是需要进行初步评审的，我们曾经遇到：光子反作用力风扇， 纳米冰箱，半导体空调等多种设想性方案，由于制作的复杂性和技术的难度较大，都没有进 行相应的支持，所支持的项目以学生自己提出的设想为主，对于某些把教师的

9、研究课题拿来 参赛的事情，都免除了参赛资格。对于自选题目的作品，从作品的创新性、功能的实现性、 作品的可靠性、简易性、易人性、环境友好性等给予综合评分。机械设计大赛最有影响的还是规定题目组，由于是规定题目，所以可以制定相应的规则， 以维持比赛的公正性。 比如在爬杆机器人大赛中，以能够以爬过规定距离的时间为主要考 核指标。在爬楼梯机器人中，以爬过规定楼梯数目的时间为主要考核指标。在乒乓球运送机 器人大赛中，以规定时间内运送乒乓球的个数为主要指标。在堆积木机器人比赛中，以规定 时间内，堆积积木的高度为主要考核指标。在引体向上机器人比赛中，以规定时间内，完成 引体向上的个数为主要考核指标。主要考核指

10、标是根据题目的不同而具体规定的，是保证比 赛激烈程度的重要参数。由于创新思维的无限性，和具体已有思维的有限性，在每次的比赛中，均有一些原理和 创意超过组织者思维空间的作品，对于这些作品一是不能全部否定，再就是由于超过了主要 参赛学生的约定范围，我们设置鼓励奖的方法对这些有实际价值的思想给予鼓励。比如在爬 杆机器人大赛中，有采用爆炸原理、气体反作用原理、火箭原理制作的爬杆作品，这些虽然 完成了功能，但是和主要比赛目的与目标有些背离，所以通过单独设置鼓励奖项的方法解决。 在爬楼梯机器人大赛中，有设计抛射方式的作品，而且作品的抛射头为主要器件，上部一个 可以收缩的绳子作为爬升主体。这样的作品和实际的

11、比赛出发点差别过大。如果单单考察其 指标，则形成了比赛不公平的结果。为了给予作品人一个足够大的思维空间，完成功能的方式与方法尽量没有规定，对于完 成功能的质量，我们也给予足够的重视，有动作质量评分项，占总成绩的比例与实际的比赛 作品有关，从 2040的范围选择。由于比赛的环节较多，某些作品可能不能满足规定的设计，采用了人为干预，或者改变 电机的运行参数等问题，这些都记入违规范畴，如果出现违规，并不是给予去除比赛资格的 严厉惩罚，而是根据违规程度，给予 09分的违规处罚分数，然后在最终评审中给予最终 的裁定，比如规定违规分数超过6 分的取消比赛资格，6 分一下的仍然有效参加评比，但是 评比的成绩

12、由于违规，要受到扣分的处罚。制作的作品要有良好的可靠性，每年的比赛过程中，有些制作思想很好，功能设计分析、 机构设计分析都很全面的作品，由于零件的设计或选择失误，没有完成比赛。我们也根据完 成设计目标的程度给予一定的分数，但是，其作品的可靠性指标则很低。作品的性能稳定性 指标占总分的比例为 20。在作品的外观性、功能实现的整体协调性，给比赛的视觉性方面，也给予相应的考虑， 是实现作品全面评价的目标。因此，在大赛的规则制定中给出相应的分级指标，为选手提供 一个可以参考的指标体系。参赛选手以这个指标体系为根本目标，综合考虑，设计出作品。 并令作品具有良好的竞争力。4 大赛作品的设计制作过程为了降低

13、学生设计作品的风险性，在作品的设计过程中，有专门的教师给予指导。并 通过完整的工程图形表达。在这个过程中，锻炼了学生的综合分析能力、机构分析能力、零 件的抵抗失效参数化能力以及经济分析能力。通过图纸审核的设计，将进入到下一步的作品 制作过程。清华大学国家工科机械基础教学中心承担了机械创新设计大赛的大部分作品制作工作， 制作中的简单零件，由学生在教学中心的钳工车间依靠有经验师傅的辅助完成，较复杂的零 件，自己首先编写好数控加工程序，在具体操作师傅的监督下，在数控车床、数控铣床上完 成加工。同时，加工师傅协助学生完成加工零件的工序设计、检测方法设计和装配的调整等 工作。作品的制作锻炼了学生的动手能

14、力和对工艺知识的深化理解。5 大赛的成绩评定大赛的成绩是评价学生最终总体综合能力的指标，也是鼓励学生积极性的重要方面。为 了公平、公正的评价作品，我们在 15 届比赛中采用了加权法进行成绩评审法，第六届引 入了层次分析法进行成绩评审，更加全面地反应了学生的实际能力。5.1 加权法成绩评审法比赛评分分为三部分：1.比赛过程分：按选手作品完成的比赛指标值进行评估。2.质量 指标分：综合考虑并按机器人设计的创新性和经济性、动作质量、违规程度给予评分。 3. 现场专家给分：专家按照机械设计方案的创新性、动作质量、稳定性、外观、总体印象表现 给予打分。三个评分按照（1得分）X40%+（2得分）X20%+

15、（3得分）X40% =最 后得分，计入总成绩，按总成绩排名。1. 比赛过程分：由裁判组现场评判各选手机器人的表现来确定基本分。首先是成绩计算比例尺的确定，ra=（满分-基本分”（最高功能数一最低功能数），本队得分=（本队功能数 最低功能数）Xra。比如今年引体向上机器人的最高个数为400,最低的完成个数为 12，基本分数为 40，则 ra=0.155, 某个选手完成的个数为 133，则现场表现分为：60.6 分。2. 动作质量分：现场记录员、专家组、评委会共同确定。3. 现场专家分：专家根据各个作品的表现，分项打分。由大赛评分组收集整理。 为了大赛的公正性和及时性，比赛后经评分组整理出总成绩，

16、并给出最终的比赛结果。5.2 层次分析成绩评审法在加权评分法中，动作质量分一直是一个争议的焦点，如果比例过大，则有时最终能够 完成的选手过少，如果比例过小，对于某些投机的选手就显得过于宽松，为了充分考虑各种 因素，我们在第六届机械设计大赛中，引入了 AHP层次分析法【2】进行比赛的成绩评定。 以保证比赛的公正性。AHP分析法是（Analytical Hierarchy Process）层次分析法的简称，是目标决策中广泛应 用的方法，其原理是通过矩阵分析和两两单因素的比较，建立起能够反映各个单独因素作用 权重的一个方法。在分目标层中，我们设置了四个指标：【现场比赛功能得分，专家评审得 分，动作质量得分，违规程度分】，在评审的因素层中，我们考虑了 7 个指标：【比赛的个数， 比赛动作的标准性，作品的稳定性，作品的创新性与新颖性，过程是否有手动辅助，驱动控 制系统是否违规，总体设计能力，外观印象】，对于这些因素，分别通过组委会打分的方