УНИВЕРСАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ КОНСТРУКТОР СО СЪЁМНЫМИ СОЕДИНИТЕЛЬНЫМИ ШТИФТАМИ Российский патент 2023 года по МПК A63H33/10 

Изобретение относится к учебным приборам с использованием деталей детского конструктора, предназначенным для моделирования имитационных устройств и приборов, а также экспериментальных установок, применяемых в обучающих играх, опытах, исследованиях.

Из области техники известна игрушка-конструктор из полых пластиковых блоков, которые могут соединяться с помощью фрикционного разъема, при этом одним из видов такого разъема описана цилиндрическая муфта (штифт) с центральным утолщением, предназначенная для входа в специальные гнезда с небольшими выемками в соединяемых полых блоках таким образом, что утолщение располагают в выемках гнезд, а грани блоков плотно прилегают друг к другу (см. патент US3681870, кл. А63Н 33/10, оп. в 1972 года). Фрикционный тип соединения легких детских конструкторов широко применяют в настоящее время. Чаще используют стандартные блоки, оснащенные выступами и гнездами под них.

Известен набор элементов конструктора виде кубиков со сквозными отверстиями, расположенными между каждыми двумя противоположными гранями кубиков, при этом цилиндрические соединительные элементы (штыри) располагают в сквозных отверстиях кубиков путем их утапливания, обеспечивающее соединение кубиков трением (см. патент на полезную модель RU №17679, кл. А63Н 33/08, оп. в 2001 г.). Этот простой конструктор легко собирается и разбирается.

Известны элементы конструктора различного типа, содержащие плоское основание в виде прямоугольника с выступами и гнездами для соединения с друг другом, одним из вариантов соединения описаны стержнеобразные штыри кольцевого типа с ребрами на концах, предназначенные для установки в специальные сквозные гнезда цилиндрического типа с внутренним оребрением, (см. патент RU №2535629, кл. А63Н 33/08, оп. в 2014 году). Этот конструктор имеет большие развивающие возможности, чем вышеописанные, при комбинировании различных сборочных деталей.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является шестигранный блок детского конструктора с квадратно-штыревыми соединительными элементами и способ конструирования, реализованный в этом изобретении (см. патент на изобретение RU №2596742, кл. А63Н 33/08, оп. в 2016 г.). В отличие от вышеописанных конструкторов возможности этого технического решения несколько шире за счет квадратно-штыревого соединения, обеспечивающего более прочную фрикционную посадку без проворачивания штыря внутри гнезда (в отличие от цилиндрических штифтов). Такие конструктивные особенности позволяют использовать данный конструктор не только в игровых, но и в учебных целях, для получения сложных объемных моделей.

Техническая проблема: детские конструкторы с каждым годом все более усложняются и совершенствуются. Но их совершенствование в целом носит развлекательный характер. В известных устройствах остается нерешенной задача обучения детей основам объемного моделирования на одной игровой универсальной базе. В детских конструкторах с фрикционными соединениями используют либо блоки с встроенными штырями и пазами для них, либо разъемные штифты.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности учебного конструктора со съемными соединительными штифтами, использования для сложного объемного моделирования при проведении опытов и экспериментов и визуализации получаемых результатов.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в универсальном учебном конструкторе со съемными соединительными штифтами, включающем детали и элементы для моделирования, имеющие гнезда для фрикционного соединения квадратно-штифтового типа, фрикционное соединение квадратно-штифтового типа выполнено с возможностью использования съемных соединительных штифтов, при этом соединительные штифты выполнены с разными посадочными размерами для получения фрикционных соединений легкой плотности без натяга, средней плотности с натягом до 30 мкм и высокой плотности с натягом до 100 мкм.

А также за счет того, что в способе моделирования с использованием универсального учебного конструктора со съемными соединительными штифтами, включающем подбор элементов учебного конструктора, предварительную сборку моделей посредством фрикционного соединения квадратно-штифтового типа элементов учебного конструктора с помощью посадочных гнезд и штифтов и окончательную сборку моделей, фрикционное соединение квадратно-штифтового типа выполняют посредством съемных штифтов, при этом на этапе предварительной сборки моделей используют штифты, предназначенные для фрикционного соединения легкой плотности без натяга, а на этапе окончательной сборки используют фрикционное соединение либо средней плотности с натягом до 30 мкм, либо высокой плотности с натягом до 100 мкм.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен один из элементов учебного конструктора - шестигранный кубик с гнездами для съемных штифтов на всех гранях, в изометрии. На фиг. 2 - съемные штифты двух типоразмеров. На фиг. 3 - образцы элементов учебного конструктора - плоские параллелепипеды с гнездами для съемных штифтов на всех гранях, в изометрии. На фиг. 4 - шестигранные полукубики с гнездами для съемных штифтов на всех гранях, в изометрии. На фиг. 5 - шестигранный полукубик в сборе с двумя штифтами, в изометрии. На фиг. 6 - два полукубика в сборе, в изометрии. На фиг. 7 - один из элементов учебного конструктора - призма с гнездами для съемных штифтов на всех гранях, в изометрии. На фиг. 8 - призма в сборе со съемным штифтом, в изометрии. На фиг. 9 изображен один из основных элементов учебного конструктора - монтажная плата. На фиг. 10 - условное изображение фрикционного соединения легкой плотности съемного штифта и гнезда элемента конструктора, под ним увеличенное изображение зоны соприкосновения штифта и ребер гнезда. На фиг. 11 - условное изображение фрикционного соединения средней плотности, под ним увеличенное изображение зоны соприкосновения штифта и ребер гнезда. На фиг. 12 - условное изображение фрикционного соединения высокой плотности, под ним увеличенное изображение зоны соприкосновения штифта и ребер гнезда. На фиг. 13 - пример собранной учебной модели из элементов конструктора - управляемый робот.

Универсальный учебный конструктор со съемными соединительными штифтами изготавливают из легких прочных пластиков и подобных материалов. Он предназначен для соединения элементов конструктора с учебными приборами и применения в обучающих играх в интерактивном режиме, а также для проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. Учебный конструктор прост в сборке и эксплуатации и направлен на решение различных задач - он может быть использован для моделирования имитационных устройств и приборов, а также экспериментальных установок, применяемых в обучающих играх, опытах, исследованиях.

Универсальный учебный конструктор со съемными соединительными штифтами включает основные составные элементы - шестигранные кубики 1, плоские параллелепипеды 2, 3 и 4, шестигранные полукубики 5, 6, 7, 8 и 9, призмы 10, монтажную плату 11 и другие дополнительные детали, которые не показаны на рисунках, но предназначены для получения самых разных моделей из различных областей физики, техники, строительства и так далее (например, модель, изображенная на фиг. 13). Все элементы и детали учебного конструктора основаны на использовании фрикционного соединения квадратно-штифтового типа. На изображенных элементах конструктора показаны гнезда 12, 13 и 14 с квадратным поперечным сечением. Гнезда 12 снабжены внутренними продольными ребрами 15 с двух сторон, гнезда 13 снабжены внутренними продольными ребрами 15 с трех сторон, а гнезда 14 снабжены внутренними продольными ребрами 15 с четырех сторон. Ребра 15 гнезд 12, 13 и 14 предназначены для удобной фрикционной посадки (фрикционного соединения) съемных штифтов 16 и 17 квадратного поперечного сечения. И гнезда 12, 13, 14, и штифты 16, 17 являются универсальными, они подходят для соединения любых элементов конструктора между собой. Чаще всего штифты 16 и 17 выполняют полыми внутри. Монтажная плата 11 состоит из расположенных рядами гнезд 12 или 13 или 14 (зависит от назначения модели). Штифты 16 и 17 выполнены с разными посадочными размерами для получения фрикционных соединений легкой плотности (переходная посадка без натяга), средней плотности (посадка с небольшим натягом до 30 мкм) и высокой плотности (посадка с большим натягом до 100 мкм). С этой целью штифты 16 и 17 выполняют разного поперечного сечения (см. фиг. 10, 11 и 12) в зависимости от назначения этапа моделирования. Размеры поперечного сечения штифтов 16 и 17 трех типов отличаются в пределах 100 мкм. Этого достаточно для получения эффективного результата фрикционной посадки выбранного назначения. Так на фиг. 10 показано условное изображение фрикционного соединения легкой плотности (переходная посадка без натяга) съемного штифта 16 в гнезде 14 элемента конструктора, а под ним увеличенное изображение зоны соприкосновения штифта 16 и ребер 15 гнезда 14. На фиг. 11 показано условное изображение фрикционного соединения средней плотности (посадка с небольшим натягом до 30 мкм) съемного штифта 16 в гнезде 14 элемента конструктора, а под ним увеличенное изображение зоны соприкосновения штифта 16 и ребер 15 гнезда 14. На фиг. 12 показано условное изображение фрикционного соединения высокой плотности (посадка с большим натягом до 100 мкм) съемного штифта 16 в гнезде 14 элемента конструктора, а под ним увеличенное изображение зоны соприкосновения штифта 16 и ребер 15 гнезда 14. Универсальный учебный конструктор изготавливают со штифтами 16 и 17 всех трех видов: штифты 16 и 17 для фрикционного соединения легкой плотности (переходная посадка без натяга) предназначены для использования в пробной (предварительной) сборке моделей, когда модель несколько раз собирают и разбирают; фрикционное соединение средней плотности (посадка с небольшим натягом до 30 мкм) предназначено для использования в окончательной сборке моделей, когда собранную модель используют, например, в демонстрационных целях; фрикционное соединение высокой плотности (посадка с большим натягом до 100 мкм) также предназначено для использования в окончательной сборке моделей, когда собранную модель используют, например, в экспериментальных целях.

На фиг. 13 изображен пример разборной учебной модели из элементов конструктора - управляемый робот. Собранный на основе элементов универсального учебного конструктора управляемый робот может быть оснащен измерительными модулями 18 и 19, колесами 20, приводами, электронной платой, электронными передающим и принимающим устройствами (на рисунке не показано). Если такая модель предназначена для проведения экспериментов, то при ее окончательной сборке используют очень плотную фрикционную посадку (фрикционное соединение высокой плотности с натягом до 100 мкм) штифтов 16 и 17, которая делает конструкцию практически неразъемной.

Способ моделирования с использованием универсального учебного конструктора со съемными соединительными штифтами основан на свойствах фрикционного соединения с помощью съемных штифтов 16 и 17 и гнезд 12, 13 и 14. Способ включает подбор элементов учебного конструктора, предварительную сборку моделей посредством фрикционного соединения квадратно-штифтового типа с использованием съемных штифтов 16 и 17 и гнезд 12, или 13, или 14 и окончательную сборку моделей. На этапе предварительной (пробной) сборки моделей используют штифты 16 или 17, предназначенные для фрикционного соединения легкой плотности без натяга, а на этапе окончательной сборки используют фрикционное соединение либо средней плотности с натягом до 30 мкм, либо высокой плотности с натягом до 100 мкм. Поскольку гнезда 12 снабжены внутренними продольными ребрами 15 с двух сторон, гнезда 13 снабжены продольными ребрами 15 с трех сторон, а гнезда 14 снабжены продольными ребрами 15 с четырех сторон, то изначально фрикционное соединение имеет различную прочность посадки штифтов 16 и 17. Такие свойства фрикционного соединения имеют большое значение при использовании конструктора в моделировании. Однако этих свойств недостаточно для получения надежных соединений в учебном и научном моделировании. Дополнительные возможности фрикционной посадки достигнуты благодаря выполнению штифтов 16 и 17 разного поперечного сечения (см. фиг. 10, 11 и 12). Поперечные сечения этих штифтов 16 и 17 отличаются незначительно (в пределах 100 мкм), но этого достаточно для значительного изменения свойств фрикционного соединения.

Универсальный учебный конструктор со съемными соединительными штифтами на основе свойств фрикционного соединения квадратно-штифтового типа можно использовать при проведении разных опытов и экспериментов с измерительными модулями, различными приводами и электронными устройствами, например для изучения электроники и робототехники, законов физики, механики, биологии, химии и так далее, а также для моделирования имитационных устройств, приборов, экспериментальных установок, применяемых в обучающих играх, опытах, исследованиях. Съемные универсальные штифты 16 и 17 подходят для фрикционного соединения квадратно-штифтового типа всех элементов и деталей учебного конструктора.

Универсальный учебный конструктор со съемными соединительными штифтами используют следующим образом. Каждый из элементов учебного конструктора имеет гнезда 12, 13 или 14 для фрикционного соединения со штифтами 16 или 17. А монтажная плата 11, в свою очередь, позволяет устанавливать на нее различные элементы учебного конструктора, измерительные модули, приборы и другие детали, как показано на фиг. 13. Легкую фрикционную посадку (фрикционное соединение легкой плотности без натяга), показанную на фиг. 10, при сборке моделей используют в случае, когда осуществляют пробное (предварительное) моделирование, предполагающее многократную сборку-разборку деталей до получения окончательного варианта. Фрикционную посадку средней плотности с натягом до 30 мкм (см. фиг. 11) используют для сборки окончательной модели, предназначенной, например, для демонстрационных целей. Фрикционную посадку очень высокой плотности (фрикционное соединение высокой плотности с натягом до 100 мкм) (см. фиг. 12) используют для сборки экспериментальной модели. Применение съемных штифтов 16 и 17 в моделировании устройств значительно ускоряет и упрощает процесс сборки и подгонки деталей и элементов друг к другу - поскольку на своей поверхности они имеют только гнезда 12, 13 или 14, а штифты 16 и 17 являются съемными и находятся отдельно от элементов конструктора.

Универсальный учебный конструктор со съемными соединительными штифтами можно использовать в школах, учебных и научных заведениях и даже дома, снабдив ребенка подробной инструкцией. В этом случае перед проведением экспериментов с универсальным учебным конструктором со съемными соединительными штифтами детей предварительно нужно ознакомить с основами моделирования, электроники, робототехники, работы модулей и соответствующего раздела физики, химии и биологии и т.д. Использование универсального учебного конструктора со съемными соединительными штифтами дает возможность детям получать не только удовольствие от игры с ним, но и теоретические знания, а затем практические навыки в работе с электронной и измерительной техникой.

Данный конструктор дает возможность значительно упростить учебное и научное моделирование, используемое в демонстрационных и экспериментальных целях. Причем интересные модели можно собрать даже из самых простых элементов учебного конструктора, а использование дополнительных возможностей в виде элементов и деталей из разных областей техники, электроники, строительства (и так далее), позволяет получать суперсложные модели, предназначенные для обучения студентов и проведения научных экспериментов.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности учебного конструктора со съемными соединительными штифтами, использования для сложного объемного моделирования при проведении опытов и экспериментов и визуализации получаемых результатов.

Изобретение относится к учебным приборам с использованием деталей детского конструктора, предназначенным для моделирования имитационных устройств и приборов, а также экспериментальных установок, применяемых в обучающих играх, опытах, исследованиях при изучении физики, химии, биологии, механики, электроники, робототехники и др. Изобретение представляет собой универсальный учебный конструктор со съёмными соединительными штифтами, включающий детали и элементы для моделирования, имеющие гнезда для фрикционного соединения квадратно-штифтового типа, у которого фрикционное соединение квадратно-штифтового типа выполнено с возможностью использования съёмных соединительных штифтов, при этом соединительные штифты выполнены с разными посадочными размерами для получения фрикционных соединений лёгкой плотности без натяга, средней плотности с натягом до 30 мкм и высокой плотности с натягом до 100 мкм. И способ моделирования с использованием универсального учебного конструктора со съёмными соединительными штифтами, включающий подбор элементов учебного конструктора, предварительную сборку моделей посредством фрикционного соединения квадратно-штифтового типа элементов учебного конструктора с помощью посадочных гнезд и штифтов и окончательную сборку моделей, в котором фрикционное соединение квадратно-штифтового типа выполняют посредством съёмных штифтов, при этом на этапе предварительной сборки моделей используют штифты, предназначенные для фрикционного соединения легкой плотности без натяга, а на этапе окончательной сборки используют фрикционное соединение либо средней плотности с натягом до 30 мкм, либо высокой плотности с натягом до 100 мкм. Это обеспечивает повышение универсальности учебного конструктора со съемными соединительными штифтами, использование для сложного объёмного моделирования при проведении опытов и экспериментов, и визуализации получаемых результатов. 13 ил.

Универсальный учебный конструктор со съёмными соединительными штифтами, включающий детали и элементы для моделирования, имеющие гнезда для фрикционного соединения квадратно-штифтового типа, отличающийся тем, что фрикционное соединение квадратно-штифтового типа выполнено с возможностью использования съёмных соединительных штифтов, при этом соединительные штифты выполнены с разными посадочными размерами для получения фрикционных соединений лёгкой плотности без натяга, средней плотности с натягом до 30 мкм и высокой плотности с натягом от 30 до 100 мкм, при этом на этапе предварительной сборки моделей используют штифты, предназначенные для фрикционного соединения легкой плотности без натяга, а на этапе окончательной сборки используют фрикционное соединение либо средней плотности с натягом до 30 мкм, либо высокой плотности с натягом от 30 до 100 мкм.