定制运动器材的开发过程
Aknazar Arysbek，创始人，生物医学工程师（塔夫茨大学硕士）。 LinkedIn ↗
假设您是一名长曲棍球教练。训练结束时，场地上散落着一百个球。总得有人把它们捡起来。您想到了一台能做这件事的机器。本文展示运动器材开发如何把这个想法从草图变成装箱的产品，每一步都给出具体的计算。
先解决三件事
每个定制运动器材的项目，都从三件事开始：意图、约束和方法体系。
意图，就是您希望这个产品改变什么。对我们这台机器来说很简单：教练不该再在每次训练结束时，弯着腰在满场的球中间捡来捡去。
约束，是产品必须遵守的限制。每一条约束都像设计周围的一道围栏。我们的机器必须不用电机就能工作。必须一个人就能操作。必须能装进汽车。
方法体系，是您在每次决策时都重复使用的方法，我们用的是“理想结果法”。按照这种方法，您先设想每个可能的方案在物理定律范围内完美运行，然后再评判它。如果连完美版本都无法让您满意，就放弃它；如果能，就研究如何实现。这种方法能在糟糕的想法还很便宜的时候就把它们淘汰掉。
运动产品开发的六个步骤
每一件硬件，从头盔到拾球机，都经过同样的六个步骤。每个步骤回答一个问题。
我们将以一台机器为例，走完全部六个步骤：一台用于小球的拾球器。它有活动部件。它要接触地面。它要装在车里带回家。它的成本还必须低于另一种选择，也就是一位拎着桶、累得够呛的助理教练。
我们将关注两项运动，长曲棍球和壁球。两者都使用小球。这些球之间的差异决定了设计的大部分内容。
第 1 步：需求
在画任何图纸之前，先写下机器必须做到什么。这份清单就是需求。之后的每个决策都要对照它来检查。
好的需求里有数字。“很快就能捡起球”是愿望。“10 分钟内捡起 100 个球”才是需求。
从球开始。
| 属性 | 长曲棍球 | 壁球 |
|---|---|---|
| 直径 | 62.7 到 64.7 mm | 39.5 到 40.5 mm |
| 质量 | 142 到 149 g | 23 到 25 g |
| 结构 | 实心橡胶 | 空心，两半橡胶胶合 |
| 所在场地 | 户外的天然草或人造草皮 | 木地板，四面有墙 |
长曲棍球的数据来自球类标准 NOCSAE ND049。该标准规定重量为 5.0 至 5.25 oz，周长为 7.75 至 8.0 in，公制数值是我们换算的。壁球的数据来自世界壁球联合会公布的用球规范。
长曲棍球的直径约为壁球的 1.6 倍，重量约为六倍。一台同时适用于两种球的机器，比分别为每种球各做一台机器更难制造。
在这个例子中，我们开发的是长曲棍球拾球器。需求清单如下。
| 编号 | 需求 | 检验方式 |
|---|---|---|
| R1 | 能从天然草地和人造草皮上收集长曲棍球 | 在两种场地上实地测试 |
| R2 | 10 分钟或更短时间内收集 100 个球 | 秒表计时，100 个球散布在 30 m × 30 m 的区域内 |
| R3 | 至少可容纳100个球 | 填充测试 |
| R4 | 一个人即可操作 | 由一名用户进行实地测试 |
| R5 | 能放进中型轿车的后备箱 | 对照标明的后备箱尺寸测量 |
| R6 | 能把球倒入标准球桶 | 演示 |
| R7 | 户外使用可坚持一个赛季 | 耐久性测试，在第 4 步中定义 |
| R8 | 售价低于 $250 | 成本模型，第 5 步 |
R2、R3、R5 和 R8 中的数字是本例的假设。在真实项目中，这些数字由您提供，因为您才是每天站在场上的人。
现在我们给需求加上数字，愿望清单就变成了一道用铅笔就能解的工程题。
满载有多重？
一百个长曲棍球，每个约 145 g，总重约 15 kg，相当于一个特大号西瓜。车架、轮子和把手必须承受这个重量，操作者必须推得动它。
这些球要占多大空间？
一个长曲棍球的体积约为 135 cm³。倒进容器的球彼此之间会留下空隙，随机堆积的球体只能填满其所占空间的约 64%（随机密堆积）。所以 100 个球需要约 21 升的空间，相当于一个小背包的大小。
您得走多快？
假设机器能捡起与自身同宽的一条带状区域内的所有球。用一台 0.6 m 宽的机器清理 30 m × 30 m 的区域，意味着要走 1,500 m。假设匀速步行速度为 1.2 m/s，大约需要 21 分钟。这不满足 R2。机器宽度增加到 1.2 m，步行时间减半，约为 10 分钟。但 1.2 m 宽的机器必须能折叠，才能满足 R5。
于是两条需求相互冲突。这里有一条出路。假设球是成堆分布的，比如射门训练之后集中在球门附近。那您就从一堆走到另一堆，不必扫过每一平方米。R2 可以成立，但前提是它的测试要按球的真实分布方式来摆放。R2 的测试方法必须写明如何摆放。
规则：先让需求彼此对照检查，再拿它们去对照现实世界。
第 2 步：概念方案
需求确定之后，设计师会把满足需求的每一种合理方式都画成草图。这些草图就是概念方案。在任何人挑出自己偏爱的方案之前，所有方案都要先摆上桌面。
我们的拾球器有四个概念方案。每一个都在某处不达标。任务是选出您能接受的那种不足。
| 概念方案 | 工作原理 | 制造成本 | 不足之处 |
|---|---|---|---|
| A. 拾球管 | 一根带柔性唇口的管子，作为长曲棍球拾球器出售；将它按在每个球上 | 最低；已有在售产品 | 一次只能拾一个球；不满足 R2 |
| B. 推式滚笼 | 由弹簧钢丝构成的笼子在地面上滚动；球被压进钢丝之间，困在笼内 | 低 | 钢丝间距只适合一种尺寸的球 |
| C. 拖曳式收球机 | 由多功能车拖在后面的宽滚筒，类似高尔夫练习场的收球机 | 高 | 需要车辆；不满足 R4 和 R5 |
| D. 机器人 | 一台带轮子的机器，用摄像头找到球并开过去 | 最高 | 电池、软件和天气；不满足 R8 |
现在应用理想结果法。设想每个概念方案都完美运作。
即便是完美的拾球管，每弯一次腰也只能拾起一个球。弯一百次腰，正是我们一开始要解决的问题。放弃。
即便是完美的拖曳式收球机，也仍然需要一辆车开进场地。没有车的球队用不了它。放弃。
完美的机器人能找到每一个球。但它也需要电池、电机、摄像头，以及能分辨球和蒲公英的软件。即使是完美形态，它也超出了 R8 的价格上限。放弃。
完美的推式滚笼一趟就能收起所有球，而且完全不需要电机。它通过了。结论是方案 B。
注意它为什么胜出。在通过的方案中，B 的零件最少。每去掉一个零件，就少一个需要设计、采购或可能损坏的东西。
方案 B 其实已经有在售产品，只是尺寸更小。Kollectaball K-Field 是一款钢丝笼式滚筒，适用于长曲棍球、棒球、曲棍球和板球。它最多可容纳 25 个球，标价 $99.95。它证明了这一原理对长曲棍球有效。但它不满足 R3：一百个球意味着要倒空四次。剩下要做的，就是一个大四倍的笼子。在任何项目继续推进之前，先看看市面上已有的产品。
推式滚笼的内部
笼子是一个滚筒，由张紧在两块端盘之间的弹簧钢丝构成。滚筒滚过一个球时，相邻的两根钢丝从上方压住它。球比钢丝之间的间隙宽，于是钢丝被撑开，球挤了进去。随后钢丝弹回原位。此时球已在笼内，掉不出来。
一切都取决于间隙。间隙太宽，球会掉出来。间隙太窄，钢丝弯不到足够的程度，球进不去。一个实用的起点是间隙约为球直径的 80%。对于 64 mm 的长曲棍球，约为 51 mm。对于 40 mm 的壁球，约为 32 mm。这两个数字都是有待第 3 步测试的假设。
现在再回到壁球。按长曲棍球尺寸设定间隙，壁球会直接从中漏过去。按壁球尺寸设定间隙，长曲棍球根本进不去。一个笼子无法同时用于两种运动。壁球拾球器需要自己的笼子，或者一个可以更换笼子的框架。
壁球还引出第二个问题。一个球场里，四面墙之内大概只有 30 个球。再用一次理想结果法。一台完美的机器只能为壁球教练省下一两分钟。一个篮子可能就够用了。最便宜的机器，是您不必去制造的那一台。
规则：在画任何东西之前，先写下机器必须处理的最小和最大的物体。
第 3 步：概念验证
概念验证是为回答一个问题而做的粗糙模型：核心想法行得通吗？
对推式滚笼来说，问题很具体：滚过草地时，长曲棍球会不会进入笼子并留在里面？把手、涂装和折叠都可以以后再说。
模型可以是几根弹簧钢丝，弯绕在两块胶合板圆盘之间。把它滚过一块放了十个球的草地，数一数最后有多少个在里面。然后把间隙调整 2 mm，再滚一次，范围从 45 到 57 mm。把进球数与间隙的关系画成曲线。最佳间隙是所有球都进去、一个也不掉出来的那个。
草地带来第二项测试。长曲棍球会陷在草里。笼子必须把球压得足够用力，让它在滚走之前就被挤进钢丝之间。这个压力来自滚筒的重量。滚筒太轻，在长草里会从球上跳过去。要在机器可能遇到的最长的草上测试。
在整个项目中，这里是犯错成本最低的地方。在这一步失败的想法，只花掉一些胶合板、一卷钢丝和几个在草地上度过的下午。同样的想法若在开模之后才失败，代价就是数千美元。
第 4 步：工程原型与测试
想法一旦验证可行，设计师就会制作一个外观和表现都像真实产品的原型。每个零件先在计算机模型中画出来，每个尺寸、材料和紧固件都列入清单。
原型有五个主要部分，每个部分都有自己的工程问题。
| 部件 | 作用 | 工程问题 |
|---|---|---|
| 笼子 | 困住球 | 钢丝的材料、直径和间隙 |
| 端盘 | 固定钢丝 | 刚度足够，在 15 kg 负载下仍保持间隙均匀 |
| 轮轴和车轮 | 让笼子滚动 | 能耐受草、泥和雨水的轴承 |
| 车架和把手 | 让一个人就能推动 | 把手高度，以及为放进后备箱而折叠 |
| 卸球门 | 把球倒出来 | 无需工具即可打开，滚动时保持关闭 |
以钢丝为例。每进来一个球，都会让其中两根弯曲。把回形针来回弯折，它很快就会断。金属在反复弯曲下会逐渐“累坏”。工程师称之为疲劳。
那就来数一数弯曲次数。假设每次训练 100 个球，每周训练五次，一个赛季 30 周。这样共计 15,000 个球，每个球弯曲两根钢丝。弹簧钢只要远低于其极限使用，能承受的弯曲次数远不止于此。钢丝还要在湿草地上滚动，因此必须是不锈钢的，或带防锈涂层。
然后，逐条对照需求测试原型。
| 测试 | 方法 | 合格标准 |
|---|---|---|
| 拾取速度（R2） | 100 个球成堆分布在 30 m × 30 m 的区域内，一名操作者 | 10 分钟或更短 |
| 容量（R3） | 持续装球直到有球掉出 | 100 个球或以上 |
| 耐久性（R7） | 让笼子在人造草皮上滚过 15,000 个球；从后备箱门高度跌落 | 无断丝或开裂部件 |
| 倒空（R6） | 倒入标准球桶 | 无需工具即可倒出所有球 |
大多数原型第一次测试时，至少有一项不通过。这正是测试的意义。每次失败都要记录下来，修改设计，然后再测一次。计划进行两到三轮。
第 5 步：面向制造的设计
原型是用手头现有的东西一台一台做出来的。工厂则是成百上千地生产产品。面向制造的设计，就是修改设计、让工厂能够快速、低成本且每次都一致地生产它的那一步。
在这里，您会遇到决定大多数硬件预算的那个数字：模具费用。模具费用指的是工厂在做出第一个零件之前所需的模具和工装夹具。在任何一件产品发货之前，您就要先付这笔钱。一个塑料零件的模具，简单的铝模约 $1,500，大型复杂模具可达 $100,000。
单件成本为：
C 是单件成本。N 是生产数量。T 是模具费用，一次性支付。M 是每件的材料和零件费用。L 是每件的装配人工。
比较两种制作拾球器端盘和车架零件的方法。方法 1 用 3D 打印机打印，再手工组装，其工装就是打印机本身。方法 2 使用注塑零件。本例中所有数字均为假设，并非实际报价。
| 方法 1：打印 | 方法 2：注塑 | |
|---|---|---|
| 模具费用，T | $600 | $30,000 |
| 材料和零件，M | $60 | $18 |
| 装配，L | $25 | $10 |
| 产量 100 件时的单件成本 | $91 | $328 |
| 产量 500 件时的单件成本 | $86 | $88 |
| 产量 5,000 件时的单件成本 | $85 | $34 |
产量为 100 件时，每台注塑拾球器要分摊 $300 的模具费。产量为 5,000 件时，同一套模具只增加 $6。两种方法的成本在约 516 件时持平。这个数字等于 $29,400 的模具费用差额，除以注塑在每件上节省的 $57。
所以，产品该怎么造，取决于您预计能卖出多少。一个只需要 50 台拾球器的联盟不应该花钱开模。而在 5,000 件时，打印的每台成本比注塑高出 $51。
这里也回答了一个常见问题：做一个原型要花多少钱？原型本身只是小数目。随之而来的模具费用才是决定性因素。
第 6 步：试产与量产
在正式下单之前，工厂会先生产一小批，称为试产，通常视工艺而定为 30 到 300 件。设计已在第 4 步定型。现在接受检验的是工厂。零件在生产线上能否顺利装配？第一百件与第一件是否一致？就连包装盒也要对照产品检查。
在试产中发现的问题，只损失几件产品。同样的问题若在发货后才发现，就已经装在 5,000 个箱子里了。
然后开始量产。从这一步起，工作的重心就是检查。零件到货时要检验，成品要随机抽测，每一处变更都要记录在案。
本例的局限性
- 所有成本和 $250 的目标价格都是为演示计算而选定的假设。真实项目会拿到真实报价。
- 壁球拾球器没有开发到概念阶段之后。
- 本文不涉及电子、软件和安全认证。推式滚笼这三样都不需要，但许多运动产品三样都需要。
常见问题
和设计师沟通之前，我需要先申请专利吗？ 不需要。保密协议可以保护沟通内容。是否申请专利，是另一个应当咨询专利代理人的问题。
可以跳过概念验证吗？ 很少可以。这是最便宜的一步，后面的每一步都取决于它给出的答案。
一台机器应该同时服务两项运动吗？ 一开始不应该。先针对问题最明确的那项运动来做，再做调整。
整个过程需要多长时间？ 从 2 个月到 2 年不等，取决于您的需求、预算和毅力。
我们的定位
来源： NOCSAE ND049-19，新制造长曲棍球的标准性能规范 · 壁球规格，摘自维基百科的概述 · 球体的随机密堆积 · Kollectaball K-Field 捡球器 · Protolabs：注塑价格 · Xometry：注塑成本 · Fictiv：试产 · StudioRed：产品设计成本 · Cad Crowd：设计与原型制作费率. 相关： 硬件原型要花多少钱 · 如何把想法变成产品.