СИСТЕМА УНИВЕРСАЛЬНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2008 года по МПК G05B19/04 

Область техники

Предметом изобретения является система универсальных трехмерных элементов, применяемых для создания трехмерных конструкций, имеющих большое разнообразие форм, цветов и материалов, механических, кинематических и функциональных свойств путем использования в них автономных независимых трехмерных элементов.

Согласно изобретению система универсальных трехмерных элементов может применяться путем изготовления функциональных копий с оригинала в различных областях промышленности, например в космических технологиях, мебельной промышленности, отделочной и строительной промышленности, в области производства игрушек, в области развлечений, ортопедии, трехмерной мобильной телефонии, промышленном производстве, в области изготовления роботов для спасательных операций и бытовых роботов и, наконец, для разработки исследовательских систем моделирования, главным образом, в генетике, кристаллографии и химии.

Предшествующий уровень техники

Описание международной патентной заявки PCT/GB95/00460 (WO 1995/23676) раскрывает некоторые материалы по программному управлению, представляющие собой набор шестигранных модулей, называемых мономерами, которые могут перемещаться относительно друг друга посредством компьютерного управления и образовывать структуры и механизмы. Мономеры могут соединяться с другими мономерами и перемещаться относительно друг друга в неразделенном состоянии. В случае повреждения мономера, те мономеры, которые продолжают существовать, устраняют его и заменяют исправным аналогом. Движение мономеров систематически разделяется по направлениям, схемам движения, магистральным линиям и контейнерам для определения индивидуальных путей движения соответствующих мономеров, необходимых при построении единой структуры. Специализированные мономеры снабжены приспособлениями, которые образуют заданные устройства вместе с заданной синтезированной структурой. Мономеры имеют углубления по вертикальным осям симметрии на боковых гранях, взамен этого, внутри мономеров имеются выступающие блокирующие устройства, снабженные подвижными клинами. Близлежащие мономеры могут соединяться и группироваться друг с другом или соединяться таким образом, что их относительные перемещения после соединения возможны благодаря зубчатой рейке и зубчатому колесу [s] или иным способом. Соответствующие мономеры могут располагаться относительно друг друга посредством системы регистров-защелок, управляемой с помощью электромагнита или линейного асинхронного электродвигателя. Внешняя поверхность второго мономера имеет четыре симметричных углубления на каждой грани, расположенные под углом 45 градусов к оси симметрии грани. Эти углубления служат для вставления элементов, которые блокируют взаимное соединение близлежащих мономеров. Внешняя поверхность третьего мономера снабжена фронтальными элементами на всех шести гранях, элементы, имеющие углубления в тавровом профиле, располагаются на осях симметрии элементов. В углублениях располагаются блоки регистров-защелок, которые позволяют выравнивать относительное положение соединенных мономеров. Блоки регистров-защелок управляются с помощью зубчатых передач, установленных вертикально по отношению к внешней поверхности фронтальных элементов мономера. Линейные асинхронные электродвигатели с электромагнитами обеспечивают передвижение мономеров. Линейные асинхронные электродвигатели неподвижных мономеров перемещают мономеры, которые необходимо переместить. Точная координация линейных асинхронных электродвигателей рядов неподвижных мономеров позволяет достигать высокой скорости перемещения вдоль этих рядов. Подача электричества и передача управляющей информации осуществляется от центрального источника через близлежащие мономеры. Документ под названием "Трехмерная самоорганизация и приведение в действие электростатических микроструктур", опубликованный в работе "Протоколы по электронным устройствам", IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике), том 48, № 8, август 2001, описывает трехмерную самоорганизующуюся приводящуюся в действие электростатическую микроструктуру. Назначение микроструктуры состоит в завершении работ по применению специальных управляющих элементов в оптических методах и особенно в микроскопических отражающих матрицах с большими углами отражения. Первоначальная плоская структура действует внутри одного уровня поликремниевой структуры. Подвижная структура содержит вращающуюся плату, соединенную с двумя основными поддерживающими балками посредством гибких опор. Соединения четырех объединенных исполнительных блоков SDA идентифицируют поддерживающие балки. Посредством пульсирующего электрического сигнала элементы SDA перемещаются и окончательно сгибают первоначально плоский уровень структуры.

Достигнув нужной формы структуры, соответствующие элементы механически блокируются. В дополнение к этому, в публикации "Самоорганизующаяся машина", Протоколы международной конференции по робототехнике и автоматике, Сан-Диего, 8-13 мая 1994 г., Лос Аламитос, IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике), Пресса Общества вычислительной техники, США, описывается самоорганизующееся устройство, состоящее из одинаковых элементов, образующих двумерное устройство. Каждый элемент изготовлен из трех слоев и не имеет подвижных частей. Верхний и нижний слои имеют одинаковую форму, и каждый содержит три магнита, установленных симметрично, тогда как их северный магнитный полюс находится на нижнем слое.

Средний слой имеет такую же форму, как верхний и нижний, но он повернут под углом 60 градусов относительно их и содержит три электромагнита вместо магнитов. Электромагниты имеют магниты, перемещенные назад или вытесненные в соответствии с поляризацией подаваемого напряжения, и могут вращаться между двумя магнитами, не оказывая какого-либо влияния на магнитное поле. Каждый элемент может быть связан не более, чем с 6 другими элементами. Взаимодействие между соответствующими элементами обеспечивается благодаря инфракрасному излучению оптической системы. Передатчики и приемники установлены в отверстия в середине магнитов и электромагнитов. В процессе взаимодействия составляется протокол асинхронных рядов. 8-ми битный процессор предназначен для определения поляризации электромагнитов в соответствии с полученной информацией. Электричество подается к беспроводной системе, где плата, на которой установлены элементы, используется в качестве зажима источника питания. Плата разделена на зоны и каждая вторая из них подсоединена к напряжению питания, тогда как остальные заземлены. Элементы питаются от четырех контактов выпрямителя. Соответствующие элементы обладают только информацией о локальных соединениях с близлежащими элементами. Форма всей структуры описывается исходя из локальных связей между соответствующими элементами.

Раскрытие изобретения

Согласно изобретению в системе универсальных трехмерных элементов, состоящей из одиночных трехмерных элементов, которые могут перемещаться, соединяться друг с другом и разъединяться, имеющей интегральные схемы с программным управлением, блокировочные устройства для соединения соответствующих одиночных элементов и электромагниты, стенки корпусов одиночных элементов системы обладают магнитной поляризацией в зависимости от запрограммированного положения одиночного элемента в реальной формируемой структуре, в то же время в активном состоянии одиночного элемента стенки корпуса одиночного элемента системы имеют различную магнитную поляризацию, тогда как в пассивном состоянии одиночного элемента стенки корпуса одиночного элемента системы имеют одинаковую магнитную поляризацию, и после соединения активного одиночного элемента системы с пассивным одиночным элементом системы информация о виртуальном объекте и о номерах последовательных движений присоединенного пассивного одиночного элемента системы в реальной структуре передается от активного одиночного элемента системы в память интегральной схемы пассивного одиночного элемента системы в то время. Как координаты стенок корпуса данного одиночного элемента системы указывают на номер движения одиночного элемента системы, наборы этих данных передаются в программу интегральной схемы каждого одиночного элемента системы, поскольку программа в интегральной схеме предназначена для определения активации или деактивации соответствующих стенок одиночных элементов системы и сообщения нужного номера движения одиночному элементу системы для того, чтобы она была последовательно соединена.

Магнитная поляризация стенок корпуса одиночного элемента системы вырабатывается электромагнитами, находящимися внутри одиночного элемента системы. Стенки корпуса одиночного элемента системы соединены друг с другом таким образом, что их взаимное положение может изменяться, при этом стенки корпуса одиночного элемента системы могут соединяться друг с другом при помощи электропластических управляющих устройств, которые управляют взаимным положением стенок в соответствии с возбуждающими сигналами, передаваемыми от интегральной схемы с программным управлением.

Одиночный элемент системы имеет источник напряжения, питающий интегральную схему, блокировочные устройства, электромагниты и электропластические управляющие устройства, при этом источник напряжения может быть возобновляемым благодаря получению энергии от солнечных батарей, причем свет к солнечным батареям поступает по световодам, которые также передают интегральной схеме информацию об объекте и программные инструкции. Реальная структура объекта может быть разрушена до первоначального состояния одиночных элементов системы посредством деактивации всех стенок корпусов одиночных элементов системы и разъединения всех блокировочных устройств в последовательности передачи информации к интегральной схеме.

Согласно изобретению система позволяет использовать одни и те же одиночные элементы системы в разных целях для создания новых структур, сначала разрушая предыдущую структуру. Каждый из одиночных элементов системы обладает набором информации, необходимой для восстановления проектируемой реальной структуры.

Из любого количества одиночных элементов системы можно создать структуры и конструкции, спроектированные по Вашему желанию и имеющие большое многообразие форм, цветов и материалов, обладающих различными механическими, кинематическими, физическими и динамическими свойствами.

Краткое описание чертежей

Система универсальных трехмерных элементов и ее функции подробно рассматриваются на примере ее версии, показанной на чертежах:

на Фиг.1 представлена общая структура активного элемента системы;

на Фиг.2 - общая структура пассивного одиночного элемента системы;

на Фиг.3 - первая фаза соединения одиночного активного элемента системы с пассивным элементом системы;

на Фиг.4 - конечная фаза соединения активного элемента системы с пассивным элементом системы;

на Фиг.5 - общее описание фазы неизменного соединения пяти одиночных элементов системы, образующих реальную структуру;

на Фиг.6 - картина реальной трехмерной структуры, состоящей из пяти одиночных элементов системы;

на Фиг.7 показано упрощенное изображение подвижного контейнера с помещенными в него одиночными элементами системы.

Лучший вариант осуществления изобретения

Одиночный элемент системы универсальных трехмерных элементов состоит из корпуса, изготовленного из стенок 6, связанных друг с другом при помощи элеткропластических управляющих устройств 3, которые могут изменять взаимное положение стенок 6 корпуса одиночного элемента системы универсальных трехмерных элементов посредством натяжения или ослабления. Изменения во взаимном положении стенок 6 возникают в соответствии с возбуждающим сигналом, передаваемым интегральной схемой с программным управлением. Нагревательные приборы 14 отводят избыток тепла, выработанного в процессе изменения взаимного положения стенок 6 корпуса одиночного элемента, и тепла от других устройств системы. Внутри одиночного элемента имеются блокировочные устройства 7 для соединения соответствующих одиночных элементов, катушек электромагнита 8 и источника 5 напряжения постоянного тока, питающего интегральную схему 1, блокировочные устройства 7, катушки 8 электромагнита и электропластические управляющие устройства 3.

Источник 5 напряжения является возобновляемым благодаря получению энергии от солнечных батарей 4. Свет к солнечным батареям поступает по световодам 2, которые также передают интегральной схеме 1 информацию об объекте 10 и программные инструкции 12.

В пассивном состоянии одиночный элемент системы универсальных трехмерных элементов имеет одинаково (отрицательно или положительно) поляризованные стенки 6 корпуса. В активном состоянии соответствующие стенки 6 корпуса одиночного элемента могут иметь разные магнитные поля. Поляризация соответствующих стенок 6 корпуса одиночного элемента системы зависит от положения данного элемента системы в реальной создаваемой структуре 9 в соответствии с виртуальной структурой объекта 10, запрограммированной в интегральной схеме 1. Набор пассивных одиночных элементов с одинаковыми магнитными полями, помещенных в контейнер 11 (Фиг.7), подчиняется принципам равномерного прямолинейного контролируемого движения. Как только активный одиночный элемент системы появляется в наборе одиночных пассивных элементов системы, ближайший пассивный элемент системы соединяется с активным элементом системы. Первый активный одиночный элемент системы имеет первый номер 13 в виртуальной структуре объекта 10, обозначенный 1, и соответствует такому же номеру в реальной создаваемой структуре 9 (Фиг.6).

После соединения активного одиночного элемента системы с пассивным одиночным элементом системы информация о виртуальном объекте 10 и информация о последовательном номере 13 движения в реальной структуре 9 соединенного пассивного одиночного элемента системы передается от активного одиночного элемента системы в память интегральной схемы 1 пассивного одиночного элемента системы, в то время как координаты стенок 6 корпуса данного одиночного элемента системы определяют номера 13 движения одиночных элементов системы, наборы этих данных передаются в программу 12 интегральной схемы 1 каждого одиночного элемента системы. В соответствии с передаваемыми о виртуальном объекте 10 данными программа 12 в интегральной схеме 1 должна определить: активировать или деактивировать соответствующие стенки 6 простых элементов системы и для обеспечения последовательного связывания указать простому элементу системы нужный номер 13 движения. Когда последовательный элемент системы соединен с предыдущим одиночным элементом системы, соединение блокируется с помощью блокировочных устройств 7 любого типа. Процедура связывания и активации соответствующих одиночных элементов системы и формирования реальной структуры объекта 9 сохраняет порядок до тех пор, пока не будут соединены все одиночные элементы системы в рамках всех номеров движения 13, доступных в виртуальном объекте 10 интегральной схемы 1. По завершении всех соединений между одиночными элементами системы образуется реальная структура 9, соответствующая виртуальному объекту 10. Реальная структура 9 объекта может быть разрушена до первоначального состояния одиночных элементов системы, т.е. может быть отсоединен первоначальный набор пассивных элементов системы. Это происходит посредством деактивации всех стенок 6 корпусов одиночных элементов системы и разъединения всех блокировочных устройств 7 в последовательности передаваемой соответствующей информации ко всем интегральным схемам 1 реальной структуры 9. После такой деактивации все одиночные элементы системы универсальных трехмерных элементов могут быть повторно использованы для создания новой трехмерной структуры для любой желаемой цели.

Изобретение относится к системам, применяемым для создания трехмерных конструкций, имеющих большое разнообразие форм, цветов, материалов, и может быть использовано, например, в космических технологиях, мебельной промышленности, в области производства игрушек, в области развлечений и, наконец, для разработки исследовательских систем моделирования, главным образом, в генетике, кристаллографии и химии. Система универсальных трехмерных элементов состоит из одиночных трехмерных элементов, которые могут перемещаться, соединяться друг с другом и отсоединяться друг от друга. Элементы содержат интегральные схемы с программным управлением, блокировочные устройства для соединения и электромагниты. Стенки корпусов одиночных элементов имеют магнитную поляризацию в зависимости от определенного программой положения одиночного элемента в реальной формируемой структуре, при этом в активном состоянии одиночного элемента стенки корпуса имеют различную магнитную поляризацию, тогда как в пассивном состоянии - одинаковую магнитную поляризацию. После соединения активного одиночного элемента системы с пассивным одиночным элементом системы информация о виртуальном объекте и информация о последовательном номере движения в реальной структуре соединенного пассивного одиночного элемента системы передается от активного одиночного элемента системы в память интегральной схемы пассивного одиночного элемента системы. Система позволяет использовать одни и те же одиночные элементы в разных целях для создания новых структур. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Система универсальных трехмерных элементов, состоящая из одиночных трехмерных элементов, которые могут перемещаться, соединяться друг с другом и отсоединяться друг от друга, содержащих интегральные схемы с программным управлением, блокировочные устройства для соединения соответствующих одиночных элементов и электромагниты, характеризуется тем, что стенки (6) корпусов одиночных элементов системы имеют магнитную поляризацию в зависимости от определенного программой положения одиночного элемента в реальной формируемой структуре (9), и в то же время, в активном состоянии одиночного элемента стенки (6) корпуса одиночного элемента системы имеют различную магнитную поляризацию, тогда как в пассивном состоянии одиночного элемента стенки (6) корпуса одиночного элемента системы имеют одинаковую магнитную поляризацию, и после соединения активного одиночного элемента системы с пассивным одиночным элементом системы, информация о виртуальном объекте (10) и информация о последовательном номере движения (13) в реальной структуре (9) соединенного пассивного одиночного элемента системы, передается от активного одиночного элемента системы в память интегральной схемы 1 пассивного одиночного элемента системы, в то время, как координаты стенок (6) корпуса данного одиночного элемента указывают на номера движения (13) одиночных элементов системы, наборы данных о которых передаются в программу (12) интегральной схемы (1) каждого одиночного элемента системы, а программа (12) интегральной схемы (1) должна определить, активировать или деактивировать соответствующие стенки (6) одиночных элементов системы и сообщить нужный номер движения (13) одиночному элементу системы для последовательного соединения.2. Система универсальных трехмерных элементов по п.1, отличающаяся тем, что магнитная поляризация стенок (6) корпуса одиночного элемента вырабатывается электромагнитами (8), помещенными внутри одиночного элемента системы.3. Система универсальных трехмерных элементов по п.1, отличающаяся тем, что стенки (6) корпуса одиночного элемента системы соединяются друг с другом таким образом, что их взаимное положение может изменяться.4. Система универсальных трехмерных элементов по п.3, отличающаяся тем, что стенки (6) корпуса одиночного элемента системы соединяются друг с другом с помощью электропластического управляющего устройства (3), который управляет взаимным положением стенок (6) в соответствии с возбуждающими сигналами, передаваемыми от интегральной схемы с программным управлением (1).5. Система универсальных трехмерных элементов по п.1, отличающаяся тем, что одиночный элемент системы имеет источник напряжения (5), питающий интегральную схему (1), блокировочные устройства (7), электромагниты (8) и электропластическое управляющее устройство (3).6. Система универсальных трехмерных элементов по п.5, отличающаяся тем, что источник напряжения (5) является возобновляемым благодаря получению энергии от солнечных батарей (4).7. Система универсальных трехмерных элементов по п.6, отличающаяся тем, что свет к солнечным батареям (4) поступает по световодам (2).8. Система универсальных трехмерных элементов по пп.1 и 7, отличающаяся тем, что световоды (2) передают к интегральной схеме (1) информацию об объекте (10) и программные инструкции (12).9. Система универсальных трехмерных элементов по п.3, отличающаяся тем, что номерам движения (13) сообщаются координаты стенок (6) одиночных элементов системы, тогда как наборы этих данных передаются программе (12) интегральной схемы (1) каждого одиночного элемента системы.10. Система универсальных трехмерных элементов по п.1, отличающаяся тем, что фактическая структура (9) объекта может быть разделена до первоначального состояния одиночных элементов системы посредством деактивации стенок корпуса (6) одиночных элементов системы и разъединения блокировочных устройств (7) в последовательности переданной к интегральной схеме (1) соответствующей информации.