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围棋对弈机器人 — 工业设计（ID）与结构设计（MD）方案 v2.0
版本：2.0 | 更新日期：2026-03-09 关联文档：PRD 2.0 | 会议纪要 3.7 状态：方案讨论稿，待团队评审
一、设计目标与约束
1.1 核心设计目标
- 专业棋具升级感：产品应像一个高端电子棋盘/棋墩，而非玩具机器人
- 平台化：基座不变，棋盘+棋碗可换，一代机围棋，后续扩展象棋、五子棋
- 考试场景优先：紧凑桌面占用、可靠稳定、摄像头布局支持防作弊监控
- 9月量产交付：所有设计决策须兼顾 5 月开模、6 月底完成模具的时间线
1.2 硬约束（来自 PRD 2.0）
| 参数 | 约束值 | 来源 |
|---|---|---|
| 零售价 | ¥1999 | PRD 2.1 |
| BOM 预算 | ≤¥1500 | PRD 2.1 |
| 整机尺寸 | 约 520mm × 480mm × 150mm（机械臂收起） | PRD 4.3 |
| 整机重量 | ≤4.5kg | PRD 4.3 |
| 棋盘规格 | 19×19 标准线距（约 22mm 格距） | PRD 4.3 |
| 机械臂工作半径 | ≥350mm（覆盖棋盘 + 棋碗） | PRD 4.2 |
| 机械臂末端定位精度 | ≤±1.0mm | PRD 4.2 |
| 触控屏 | 7 寸 IPS，1024×600，电容触控 | PRD 4.1 |
| 电池 | 5000mAh，支持 2-3 小时离线使用 | PRD 4.1 |
| 充电 | Type-C PD | PRD 4.1 |
1.3 软约束（来自会议纪要与团队讨论）
| 约束 | 说明 | 来源 |
|---|---|---|
| 模块化 | 支持可拆卸组装，机构可能只需棋盘或探头 | 王晨旸（会议 3.7） |
| 用户价格敏感 | 心理价位 ¥1500-1999 | Felix（会议 3.7） |
| 与竞品差异化 | 避免元萝卜/阿尔法蛋的"萌系机器人"路线 | 团队共识 |
| 多棋类扩展 | 一代机围棋为主，预留象棋、五子棋模块兼容 | 产品规划 |
二、设计语言：「棋墩」路线
2.1 形态定位
核心理念：这是一台专业棋具的智能升级，不是一个会下棋的机器人。
| 维度 | 我们的方向 | 竞品方向（元萝卜/阿尔法蛋） |
|---|---|---|
| 形态语言 | 扁平棋墩，水平展开 | 立式机器人，垂直发展 |
| 气质 | 专业、沉稳、棋具感 | 可爱、科技、玩具感 |
| 目标联想 | "高端电子棋盘" | "会下棋的机器人" |
| 用户认知 | 考试/比赛的专业工具 | 孩子的智能玩具 |
2.2 造型关键词
- 扁平水平：主体高度尽可能低，强调棋盘的存在感
- 圆角矩形：整机轮廓圆角过渡（R15-20mm），柔和但不幼稚
- 整体融合：机械臂收起时融入整机轮廓，不突兀
- 棋盘面居中：棋盘是视觉焦点，其他元素围绕棋盘布局
2.3 竞品外观差异化
| 竞品 | 外观特征 | 我们的差异化方向 |
|---|---|---|
| 元萝卜围棋专业版 | 白色方形底座 + 独立机械臂，科技玩具感 | 棋盘与机身一体化，机械臂收起后平整 |
| 阿尔法蛋围棋 | 较大体积，工业级机械臂外露 | 更紧凑，臂收纳隐藏，便携友好 |
| 科大讯飞 | 重型方案，桌面占用大 | 轻量化，¥1999 价位段无竞品 |
三、总体布局
3.1 平面布局（俯视图）
围棋对弈机器人俯视布局图
3.2 侧面布局
对弈状态（机械臂展开）：
围棋对弈机器人侧视图 — 对弈状态
收纳状态（机械臂折叠）： 整机高度 ≤150mm（含棋盘模块），臂折叠后齐平或微凸，保护盖闭合。
3.3 棋盘摄像头布局方案
棋盘识别摄像头（5MP）需要俯视覆盖整个 19×19 棋盘（约 420×420mm 有效区域）：
| 方案 | 说明 | 优缺点 |
|---|---|---|
| A: 机械臂基座立柱顶端 | 摄像头固定在臂基座最高点，臂展开时俯视棋盘 | ✅ 高度够、视角好；❌ 臂运动时可能遮挡 |
| B: 独立支架/立柱 | 棋盘后方或侧方独立小立柱，固定摄像头 | ✅ 不受臂影响；❌ 增加零件，影响整机美观 |
| C: 臂末端集成 | 摄像头装在机械臂末端，每次落子前先拍照 | ✅ 节省空间；❌ 拍照与落子不能同时，延迟大 |
推荐方案 A：摄像头集成在臂基座立柱顶端。臂运动时通过软件在非遮挡时刻抓拍，或使用多帧融合消除遮挡影响。
四、模块化架构
4.1 模块划分
围棋对弈机器人模块化架构图
4.2 棋盘模块接口设计
| 要素 | 规格 |
|---|---|
| 固定方式 | 磁吸定位 + 两侧卡扣锁定（单手可换，对弈中不松动） |
| 电气接口 | 无（棋盘是纯被动件，棋局识别由顶部摄像头完成） |
| 定位基准 | 磁吸导向柱 ×4（四角），重复定位精度 ≤0.3mm |
| 棋盘厚度 | 统一 8-10mm |
| 棋盘材质 | ABS+PC 注塑基板，表面 IMD 膜内装饰（木纹/棋盘线纹） |
| 棋盘面尺寸 | 统一外形尺寸（约 430×430mm），各棋类仅线纹不同 |
磁吸定位原理：
- 基座上表面四角嵌入定位磁铁（带导向销）
- 棋盘模块下表面对应位置嵌入磁铁（带导向孔）
- 放上即自动对齐，两侧滑动卡扣锁定防移位
- 换棋盘时：推开两侧卡扣 → 提起棋盘 → 放上新棋盘 → 卡扣自动回位
4.3 棋碗/棋盒模块
| 棋类 | 容器形态 | 棋子规格 | 拾取方式 |
|---|---|---|---|
| 围棋 | 传统碗形，内径约 120mm | 扁圆饼形 Φ22×8mm，内嵌钕磁铁 | 电磁吸取 |
| 象棋 | 浅盒形，内径约 140mm | 圆柱形 Φ30×15mm，内嵌钕磁铁 | 电磁吸取 |
| 五子棋 | 与围棋棋碗通用 | 与围棋棋子通用 | 电磁吸取 |
棋碗连接方式：
- 基座两侧设有标准化凹槽卡位
- 棋碗底部有卡扣凸起，推入卡位后锁定
- 拆卸时按压释放按钮，即可取下
- 不同棋类的棋碗/棋盒共用同一卡位接口
4.4 末端执行器方案
一代机方案：统一电磁吸取
所有棋类的棋子均内嵌钕磁铁，末端执行器统一使用电磁铁吸取。
| 参数 | 围棋 | 象棋 | 五子棋 |
|---|---|---|---|
| 棋子直径 | Φ22mm | Φ30mm | Φ22mm（共用围棋子） |
| 棋子高度 | ~8mm | ~15mm | ~8mm |
| 棋子重量 | ~5g | ~15g | ~5g |
| 磁铁规格 | Φ6×2mm 钕磁铁 | Φ8×3mm 钕磁铁 | 同围棋 |
| 电磁铁吸力需求 | ≥50g | ≥150g | ≥50g |
电磁铁选型： 选用吸力 ≥200g 的电磁铁，兼容围棋和象棋棋子重量。
旋转取子轮： 围棋提子（吃子）场景专用，象棋吃子为单子替换，不需要批量提取。一代机旋转取子轮按围棋需求设计，象棋模式下仅用单子吸放。
二代机预留：末端快拆接口（M8 螺纹 + 3pin 弹簧针），未来可换装机械夹爪末端，适配异形棋子。
五、CMF（色彩·材质·表面处理）方案
5.1 候选方案
方案 A：暖木科技（推荐首选）
设计理念： 传统围棋美学与现代科技的融合，强调"棋具"属性。
| 部位 | 色彩 | 材质 | 表面处理 |
|---|---|---|---|
| 棋盘面 | 暖木色 #D4A574 | ABS+PC 基板 + IMD 膜内装饰 | 仿实木纹理，半光泽 |
| 基座主体（上壳） | 暖灰白 #E8E4DF | ABS+PC 合金 | 细纹磨砂，防指纹 |
| 基座主体（下壳） | 深暖灰 #6B6460 | ABS+PC 合金 | 磨砂 |
| 机械臂 | 深暖灰 #6B6460 | ABS+PC 合金 | 磨砂 |
| 触控屏边框 | 黑色 #1A1A1A | PC | 高光 |
| 棋碗 | 暖木色 #D4A574 | ABS+PC | 仿木纹，半光泽 |
| 指示灯/强调色 | 陶土色 #C4724A | — | LED 柔光 |
| 防滑脚垫 | 深灰 | 硅胶 | 磨砂 |
气质： 温暖、文化、家庭友好，适合培训机构和家庭场景。
方案 B：素白专业
设计理念： 干净、专业、考试设备感，类似医疗/教育电子设备。
| 部位 | 色彩 | 材质 | 表面处理 |
|---|---|---|---|
| 棋盘面 | 珍珠白 #F5F5F0 | ABS+PC + IMD | 棋盘线印刷，哑光 |
| 基座主体 | 珍珠白 #F5F5F0 | ABS+PC 合金 | 细纹磨砂 |
| 机械臂 | 深空灰 #4A4A4A | ABS+PC 合金 | 磨砂 |
| 触控屏边框 | 深空灰 #4A4A4A | PC | 哑光 |
| 棋碗 | 珍珠白 #F5F5F0 | ABS+PC | 磨砂 |
| 指示灯 | 蓝白色 #4DA6FF | — | LED |
| 防滑脚垫 | 浅灰 | 硅胶 | 磨砂 |
气质： 专业、可信、干净，适合考级/赛事场景。
方案 C：墨石沉稳
设计理念： 高端棋具质感，偏商务/成人用户。
| 部位 | 色彩 | 材质 | 表面处理 |
|---|---|---|---|
| 棋盘面 | 深胡桃木色 #3E2723 | ABS+PC + IMD | 仿实木深色纹理，半光泽 |
| 基座主体 | 深灰 #3A3A3A | ABS+PC 合金 | 细纹磨砂 |
| 机械臂 | 深灰 #3A3A3A | ABS+PC 合金 | 磨砂 |
| 触控屏边框 | 黑色 #1A1A1A | PC | 高光 |
| 边框装饰条 | 铝银色 #C0C0C0 | 铝合金 CNC 或电镀 ABS | 拉丝/阳极氧化 |
| 棋碗 | 深灰 #3A3A3A | ABS+PC | 磨砂 |
| 指示灯 | 琥珀色 #F59E0B | — | LED |
气质： 沉稳、高端、成熟。适合棋院和高端用户，但可能增加成本（铝合金装饰条）。
5.2 CMF 推荐
一代机推荐方案 A（暖木科技），理由：
- 差异化最大：竞品全走白色/灰色科技路线，暖木色独树一帜
- 用户共鸣：围棋文化中木质棋盘是标志性元素，IMD 仿木纹成本可控
- 家庭接受度高：¥1999 价位的核心用户是家庭，暖色调更有亲和力
- 成本可控：全 ABS+PC 注塑 + IMD 膜内装饰，无金属件，BOM 友好
可考虑方案 B 作为机构定制版（考试专用，不发售给个人用户），强调专业感。
六、机械臂收纳设计
6.1 方案：侧折叠收纳
机械臂基座位于棋盘右侧，收起时各关节折叠，臂体平放于基座侧方专用凹槽。
折叠/展开状态机：
机械臂收纳与展开状态转换图
关键尺寸：
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 凹槽长度 | 约 300mm（容纳折叠后的臂长） |
| 凹槽宽度 | 约 60mm |
| 凹槽深度 | 约 40mm（臂体截面高度） |
| 折叠后整机最大高度 | ≤150mm（含棋盘模块） |
6.2 安全机制
- 折叠时：软件控制慢速折叠，力矩传感器监测异常阻力
- 收纳锁定：弹性卡扣锁定臂体，防止运输中松脱
- 展开时：自检程序确认工作空间无障碍物后再展开
七、触控屏设计
7.1 位置与角度
- 位置：棋盘前方（面向用户侧），中央偏左
- 安装方式：嵌入基座前面板，与外壳齐平或微凸 1mm
- 倾斜角度：向用户倾斜 15°，优化坐姿视角
- 屏幕盖板：2.5D 弧面玻璃或 PMMA，边缘圆润过渡
7.2 界面布局适配
7 寸 1024×600 横屏，主要显示：
- 对弈状态（双方用时、当前手数、AI 评估）
- 考级信息（考试倒计时、监考状态）
- 棋钟（大字体双方时间显示）
八、摄像头与传感器布局
8.1 棋盘摄像头（5MP）
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 位置 | 机械臂基座立柱顶端 |
| 朝向 | 俯视棋盘 |
| 视场角 | 需覆盖 430×430mm 棋盘面，安装高度约 400mm 时需 ≥60° FOV |
| 补光 | 立柱上环形 LED 补光灯，可控色温 |
8.2 监考摄像头（2MP 120° 广角）
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 位置 | 触控屏上方中央，嵌入前面板 |
| 朝向 | 面向用户 |
| 视场角 | 120° 广角，覆盖用户面部和上半身 |
| 指示灯 | 摄像头旁白色 LED，录制时亮起 |
8.3 其他传感器
| 传感器 | 位置 | 用途 |
|---|---|---|
| MEMS 麦克风 ×2 | 前面板两侧，间距 ≥100mm | 降噪拾音，监考声音检测 |
| 扬声器 ×2 | 基座底部或侧面 | 读秒语音、提示音 |
| 力矩传感器 | 机械臂末端 | 碰撞检测，≤100ms 响应 |
九、接口与按键布局
9.1 外部接口
| 接口 | 位置 | 用途 |
|---|---|---|
| USB-C（充电+数据） | 基座后方中央 | PD 充电 + OTA 有线更新 |
| USB-C（扩展） | 基座后方 | 预留陪伴模块对接 |
| TF 卡槽 | 基座侧面（有保护盖） | 存储扩展 |
| 电源按键 | 基座侧面或后方 | 长按开关机 |
9.2 指示灯
| 指示灯 | 位置 | 说明 |
|---|---|---|
| 电源/状态 LED | 基座前面板，触控屏旁 | 开机/待机/充电状态 |
| 监考指示 LED | 监考摄像头旁 | 白色常亮 = 录制中 |
| 机械臂状态 LED | 臂基座 | 绿色 = 就绪，蓝色 = 运动中，红色 = 异常 |
十、散热设计
| 热源 | 位置 | 散热方案 |
|---|---|---|
| RK3566 SoC | 基座内 PCB | 铝合金散热片 + 导热硅脂，被动散热 |
| 伺服电机 ×4 | 机械臂各关节 | 外壳开散热槽（底部，不影响外观面） |
| 充电 PMU | 基座内 | 与主控共用散热通道 |
通风路径： 基座底部进风（防滑脚垫抬高 5mm 留缝） → 内部自然对流 → 基座后部出风口排出。
RK3566 TDP 约 3-5W，正常使用无需风扇，被动散热即可满足。
十一、制造可行性检查
11.1 注塑件
- 壁厚规划 2-2.5mm 均匀，无超厚区域
- 基座上下壳分模线位于侧面中线，不影响顶面和底面外观
- 脱模斜度 ≥1.5°（纹理面 ≥3°）
- 棋盘模块为独立模具，结构简单，平板件
- 棋碗为旋转体，单腔模具成本低
- 机械臂关节壳体需确认壁厚与装配精度
- 臂折叠凹槽区域壁厚变化处需加加强筋
11.2 装配
- 上下壳螺丝装配，底部螺丝隐藏于防滑脚垫内
- 棋盘模块免工具更换（磁吸+卡扣）
- 棋碗免工具拆装（卡扣）
- 所有接口位于基座后方/侧面，装配时不冲突
- 机械臂预装后整体装入基座，需确认装配顺序
11.3 模具规划
| 模具 | 零件 | 预估模具费 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 模具 1 | 基座上壳 | ¥8-12万 | 最大件，含屏幕开口、摄像头窗口 |
| 模具 2 | 基座下壳 | ¥6-8万 | 含脚垫位、螺丝柱 |
| 模具 3 | 围棋棋盘面板 | ¥3-5万 | 平板件，简单 |
| 模具 4 | 象棋棋盘面板 | ¥3-5万 | 与围棋共模具尺寸，仅 IMD 膜不同（可共模具） |
| 模具 5 | 棋碗（围棋） | ¥2-3万 | 旋转体 |
| 模具 6 | 棋盒（象棋） | ¥2-3万 | 方形浅盒 |
| 模具 7-10 | 机械臂各关节壳体 ×4 | ¥8-12万 | 小件，可一模多腔 |
| 模具 11 | 臂折叠保护盖 | ¥1-2万 | 小件 |
| — | 模具费合计 | ¥33-50万 |
模具 3/4（围棋/象棋棋盘）可共用同一模具，仅更换 IMD 膜片即可切换棋盘线纹。五子棋同理。这大幅节省模具成本。
十二、SKU 与配件规划
12.1 产品 SKU
围棋对弈机器人 SKU 与配件生态
12.2 选配配件
| 配件 | 内容 | 建议零售价 |
|---|---|---|
| 象棋模块套装 | 象棋棋盘 + 棋盒×2 + 磁性象棋子全套（32颗） | ¥299 |
| 五子棋棋盘 | 五子棋棋盘面板（共用围棋子和棋碗） | ¥99 |
| 额外围棋棋碗 | 备用棋碗 ×1 | ¥49 |
| 收纳包 | 定制收纳包，容纳整机+配件 | ¥149 |
12.3 未来扩展（Gen 2 预留）
| 配件 | 说明 |
|---|---|
| 陪伴模块 | 通过 USB-C 扩展口对接，表情面板 + 语音对话 |
| 机械夹爪末端 | 快拆接口，适配异形棋子 |
| 大棋盘模块 | 可选更大尺寸棋盘（比赛用） |
十三、关键设计风险
| 风险 | 影响 | 对策 |
|---|---|---|
| 棋盘模块定位精度不足 | 机械臂落子偏移 | 磁吸导向柱精度 ≤0.1mm，开机自动标定补偿 |
| 机械臂折叠凹槽影响基座强度 | 结构脆弱 | 凹槽周围加强筋设计，CNC 切样验证 |
| IMD 膜内装饰木纹效果不逼真 | 影响"棋具感" | 提前打样确认木纹纹理和色彩，备选方案：UV 转印 |
| 棋碗卡扣长期使用松动 | 对弈中棋碗脱落 | 选用 POM 材质卡扣，疲劳测试 ≥5000 次 |
| 象棋棋子更重，电磁铁吸力边界 | 落子不稳 | 电磁铁选型留 50% 吸力余量（≥200g） |
| 模具费超预算 | 影响项目资金 | 围棋/象棋/五子棋棋盘共用模具，仅换 IMD 膜 |
| 9月交付时间紧 | 一代机功能妥协 | 一代机仅发围棋 SKU，象棋模块延后 3 个月 |
十四、下一步行动
| 序号 | 行动项 | 负责人 | 时间 |
|---|---|---|---|
| 1 | 团队评审本设计方案，确认形态方向和 CMF | 张帆 | 3月第2周 |
| 2 | 供应链走访确认 IMD 木纹效果和成本 | 张帆 | 3月第2周 |
| 3 | 生成概念渲染图（studio-clean 三视图 + 爆炸图） | ID 设计 | 评审通过后 |
| 4 | 机械臂折叠机构原型验证（3D 打印） | 硬件工程 | 3-4月 |
| 5 | 棋盘模块磁吸接口精度测试 | 硬件工程 | 3-4月 |
| 6 | 确认模具供应商和报价 | 张帆 | 4月 |
| 7 | CMF 打样（暖木科技方案） | ID 设计 | 4月 |
附录
A. 各棋类棋盘规格对比
| 棋类 | 格线 | 格距 | 有效面积 | 棋子数量 | 棋子直径 |
|---|---|---|---|---|---|
| 围棋 | 19×19 | 22mm | 396×396mm | 361颗（黑181白180） | Φ22mm |
| 象棋 | 9×10 | 45mm | 360×450mm | 32颗（红16黑16） | Φ30mm |
| 五子棋 | 15×15 | 26mm | 364×364mm | 共用围棋子 | Φ22mm |
三种棋类有效面积接近，统一棋盘外形尺寸 430×430mm 可全部容纳。
B. 术语表
| 术语 | 说明 |
|---|---|
| ID (Industrial Design) | 工业设计，产品外观、CMF、人机交互 |
| MD (Mechanical Design) | 结构/机械设计，内部结构、装配、机构运动 |
| CMF | Color（色彩）+ Material（材质）+ Finish（表面处理） |
| IMD | In-Mold Decoration，模内装饰，将印刷好的薄膜放入模具中与塑料一体成型 |
| DOF | Degrees of Freedom，自由度 |
| BOM | Bill of Materials，物料清单 |