УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ КОЛЕБАНИЯМИ КАЧЕЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ В ОДНОЙ ПЛОСКОСТИ Российский патент 2023 года по МПК A63G9/16 

Изобретение относится к приспособлениям для качелей, а именно к портативному контроллеру механических колебаний, и может использоваться совместно с детскими качелями, садовыми качелями-лавками, младенческими люльками и т.д. Здесь и далее, вышеупомянутые устройства обозначены термином «качели» и представляют собой механическую систему, способную к колебаниям вокруг положения равновесия, предназначенную для бытового использования - в основном, рекреационного. В частности, предлагаемое устройство работает с качелями, имеющими одну ось вращения в виде сиденья, подвешенного к столбам или перекладине, или люльки (кресла, сидения, различных игрушек, например, лошадки, машинки и т.д.), установленной на опорах с дугообразными полозьями.

Из уровня техники известны следующие решения.

Известны автоматизированные качели-карусели, имеющие сложную конструкцию, где часть системы механизма раскачивания качелей установлена на подвижной части аттракциона, а другая часть – на неподвижной опоре, при этом механизм раскачивания чаще всего является неотъемлемой частью устройства и поставляется в комплекте с аттракционом.

Так, например, известен приводной механизм детской качалки, установленный на каркасе качалки и приводящий в движение качалку с помощью электромагнитного управления. Посредством рычага, соединенного с качалкой, а также с помощью приводного механизма, соединенного с парой качающихся рычагов, достигается определенный диапазон колебательного движения сидения качалки. Приводной механизм содержит корпус с управляющей кнопкой, вращающийся вал, систему трансмиссии и контрольное устройство. Вращающийся вал либо соединен с концом качающегося рычага, либо непосредственно соединен с сидением качалки для приведения рычага в колебательное или вращательное движение (см. публикацию заявки на патент US №2007010338 A1, опубл. 11.01.2007).

Также известны качели с защитным кожухом, установленным соосно с осью качания тяг с сиденьем с возможностью совместного с ними движения, охватывающим подвижные части качелей снаружи, снабженный двумя автономными подвесками, закрепленными на перекладине, и упорами, взаимодействующими с элементами сиденья, защитный кожух снабжен двумя автономными шарнирными подвесками, закрепленными на перекладине, и упорами, установленными внутри кожуха и взаимодействующими двухсторонне с элементами сиденья, на перекладине установлен копир, снабженный фигурными пазами разной глубины, электродвигатель, обеспечивающий вращение барабана с упругой пластиной, на поперечинах тяг качелей установлен в направляющих отверстиях копирный палец, взаимодействующий верхним концом с пазами копира, а нижним концом - с упругой пластиной вращающегося барабана в момент движения сидения «вперед-вниз» и максимального выступания копирного пальца (см. патент RU №2537876, опубл. 10.01.2015).

Основным недостатком представленных решений является необходимость механической связи между подвижной частью качелей и рамой качелей или окружающей средой. Сложность монтажа и обслуживания такой связи обуславливает создание комплексных продуктов, содержащих подвижную часть качелей и раму. Таким образом, качели и устройство поддержки колебаний представляют собой единое устройство. В результате, известные из уровня техники решения предназначены либо для управления колебаниями очень небольших качелей (младенческих кроваток), либо, напротив, для промышленного применения в индустрии развлечений (аттракционы).

Задача настоящего изобретения заключается в создании компактного контроллера механических колебаний, изготавливаемого и поставляемого отдельно от качелей, конструкция которого обеспечивает возможность его установки на сидении/люльке любой качели, в том числе детские качели, садовые качели-лавки, младенческие люльки, кресла-качалки и т.д.

Поставленная задача решается тем, что все элементы механизма, включая элементы управления и контроля, размещены в одном корпусе, и конструктивно в нём отсутствует механическая связь устройства с рамой качелей или внешней средой.

Наиболее близким аналогом патентуемого устройства выбран модуль автоматического качания, установленный на нижней поверхности сидения качели, и содержащий корпус с парой зубчатых реек, установленных по боковым кромкам его днища. Также предусмотрена платформа с установленным на ней двигателем. Ротор двигателя выходит из боковых сторон платформы с неподвижно соединенными с ним шестернями. Указанные шестерни приспособлены для зацепления с зубчатыми рейками и перемещения по ним между передней и задней частями поворотного узла. На платформе также установлен концевой выключатель. Концевой выключатель необходим для осуществления движения платформы в противоположном направлении при ее нажатии. Перемещение платформы происходит только тогда, когда питание двигателя подается от аккумуляторной батареи, что определяется переключателем, расположенным на задней стороне модуля (см. патент US №6024648, опубл. 15.02.2000).

Недостаток описанного устройства состоит в лишнем преобразовании вращательного движения в поступательное. Двигатель использует вращательное движение, переводя в поступательное на рейку, которое, в свою очередь, опять переводится во вращательное движение качелей.

Также близким аналогом патентуемого решения по принципу работы является устройство, включающее генератор колебаний, который представляет собой механизм, установленный в корпусе, закрепляемом на сидении качелей, и включающий одно из следующего перечня: зубчатая передача с ручным заводом, поршень, маятник, двигатель, шестерни, насос (см. публикацию заявки на патент US №2012119549A1, опубл. 22.07.2014).

В приведенном выше документе также производится преобразование вращательного движения в поступательное движение, причём неэффективным образом: двигатель совершает работу, перемещая грузы также по нерабочей оси, перпендикулярно движению. Описанные механизмы обладают низким КПД. В отличие от известных устройств в предлагаемом устройстве вращательное движение маховика превращается непосредственно во вращательное движение качелей.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в обеспечении возможности дополнить любые качели с одной осью вращения в виде сиденья, подвешенного к столбам или перекладине, либо установленного на дугообразных полозьях (разного рода кресла-качалки или детские качалки-игрушки), средством, позволяющим автоматически, без приложения усилий со стороны пользователя, поддерживать заданную амплитуду колебания сидения/люльки. Устройству может быть задана амплитуда пользователем вручную, кроме того, устройство может быть переведено в режим запоминания текущей амплитуды, при этом вычисленная амплитуда записывается в постоянную память устройства и не сбрасывается при выключении прибора.

Поставленная задача решается созданием устройства, в основе работы механизма которого лежат реактивный крутящий момент, а также свойство инертности массы и резонанс.

Техническим результатом является создание портативного электромеханического устройства, поддерживающего и управляющего колебаниями разного рода качелей с одной осью вращения с возможностью установки устройства только на подвижную часть качелей. Кроме того, устройство универсально, конструкция позволяет установить его на любые готовые качели, отсутствует необходимость в настройке и калибровке в диапазоне применимости, то есть размеры и масса качелей должны быть в диапазоне мощности устройства (соответствие мощности устройства конкретному виду качелей).

Заявленный технический результат достигается за счет конструкции устройства управления механическими колебаниями качелей, выполненных с возможностью вращения в одной плоскости, содержащего корпус, у основания которого на внешней поверхности закреплены средства для крепления устройства к подвижной части качелей, а на внутренней поверхности установлен маховик, ось вращения которого соединена с валом электрического двигателя, установленного на основании, двигатель соединен с модулем управления, включающим микроконтроллер, соединенный с инерциальным датчиком движения.

В частном случае осуществления изобретения инерциальный датчик движения представляет собой гиросенсор.

В частном случае осуществления изобретения инерциальный датчик движения представляет собой акселерометр.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.

Фиг. 1 – общий вид качелей, на которые может устанавливаться заявленное устройство.

Фиг. 2 – общий вид и схема установки устройства на подвижную часть качели.

Фиг. 3 – принцип работы устройства управления механическими колебаниями.

На фиг. 1 приведен общий вид качелей, на которое может устанавливаться заявленное устройство. Общее между приведенными видами качелей – подвижная часть 1, которая может представлять собой сидение (со спинкой / без спинки), люльку, игрушки (лошадки, машинки и т.д.), а также скамейку со спинкой или без спинки и другие варианты исполнения. Указанная подвижная часть 1 может крепиться через жесткие или гибкие подвесы 2 к раме 3, либо устанавливаться на опоры с дугообразными полозьями 4.

В обоих случаях предлагаемое устройство устанавливается посредством жесткого крепления на любое место подвижной части 1 качелей, таким образом, чтобы ось вращения маховика была перпендикулярна плоскости движения качелей, предпочтительно на нижнюю поверхность подвижной части 1. Для наглядности на фиг. 2 схематически показано устройство, установленное на верхней поверхности подвижной части 1. Устройство включает корпус (не показан), основание 5 которого на внешней поверхности включает средства крепления к подвижной, представляющие собой жесткое крепление болтами или саморезами непосредственно к сиденью. Данный вариант используется при расчете на долгую эксплуатацию устройства с определенными качелями, так как в этом случае повреждается сиденье. В другом варианте исполнения возможно крепление корпуса стальными тросиками с натяжителями или натяжными ремнями к сиденью. В этом случае сиденье не повреждается, можно использовать на разных качелях. В случае небольших амплитуд колебаний (например, при использовании с садовыми качелями) устройство можно просто поставить на сиденье, или подвесить на него на нерастяжимых ремешках.

Корпус может быть выполнен из пластика. Для установки в общественных пространствах возможно антивандальное стальное исполнение корпуса. Также для применения на улице может быть предусмотрено влагозащитное исполнение.

На внутренней поверхности основания 5 корпуса установлен модуль управления 6 устройством, связанный с электрическим двигателем 7, на валу которого установлен маховик 8.

Электрический двигатель представляет собой бесколлекторный трёхфазный двигатель, допускающий управление крутящим моментом. Можно использовать практически любой электродвигатель, в том числе коллекторный, в том числе переменного тока. Для двигателей, не позволяющих управлять крутящим моментом непосредственно, это можно делать опосредовано через установку оборотов электродвигателя.

Маховик 8 в предпочтительном варианте исполнения представляет собой тонкостенный цилиндр, так как тело такой формы обладает максимальным моментом инерции относительно оси цилиндра. Для практической реализации возможно применение толстостенных стальных труб. В частности, используется отрезок стальной трубы с массой около 3,5 кг, диаметром 159 мм, длиной 95 мм, толщиной 10мм. В качестве другого примера маховика можно привести осесимметричное размещение нескольких тяжелых грузов. Для уменьшения габаритов устройства можно использовать маховик из материала высокой плотности, например, из металла, цемента, бетона, композитных материалов и т.д.

Модуль управления представляет собой электрическую схему, включающую микроконтроллер, анализирующий показания, получаемые с инерциального датчика движения (ИДД), и передающий команды на электрический двигатель, преобразующий сигналы в необходимые параметры движения (крутящий момент и направление), а также память. ИДД представляет собой гиросенсор (гироскоп) или акселерометр. В частном случае может быть установлено оба вида датчиков.

Модуль управления устройства способен:

1. Определить профиль текущих колебаний механических системы, используя ИДД. В случае обнаружения гармонических колебаний, вычисляется их амплитуда, частота и фаза.

2. Выдерживать заданный режим амплитуды колебаний качелей, противодействуя затуханию колебаний, вызываемому силами трения в системе. Функционально это выглядит как бесконечно качающиеся качели.

3. Менять амплитуду колебаний качелей в зависимости от необходимости (настроек устройства).

Для устройства возможно внешнее или внутреннее (аккумуляторное) электропитание. В частности, для использования устройства в помещения предпочтительно использование питания по сетевому кабелю, а для уличного использования, например, для садовых или детских качелей, предпочтительнее питание от аккумулятора.

Микроконтроллер модуля управления связан с пультом управления проводным или беспроводным способом. На пульте управления предусмотрены кнопки для включения/выключения устройства, а также для переключения устройства в режим задания амплитуды. Функциональность пульта может быть расширена кнопками изменения амплитуды “на лету” и т.д. Также пульт может быть дополнен или вообще заменен управлением по беспроводной связи, например со смартфона по Bluetooth.

Осуществление изобретения

В работе устройства используются следующие физические принципы:

- силы инерции;

- реактивный крутящий момент;

- резонанс.

Вместо механической связи с рамой качелей или окружающей средой используется свойство инертности массы для определения движения при помощи инерциального датчика движения и для управления движением при помощи маховика. К маховику прикладывается крутящий момент, создаваемый электрическим двигателем, вызывающий угловое ускорение маховика (стрелка 9, фиг. 3). Момент инерции маховика противодействует движению, вызывая реактивный (обратный по направлению и равный по модулю) крутящий момент в электрическом двигателе, который через жёсткое крепление передаёт крутящий момент на качели, вызывая их угловое ускорение (стрелка 10, фиг. 3). Синхронизируя создаваемый крутящий момент с собственной частотой колебаний подвижной части качелей, устройство эффективно изменяет механическую энергию колебаний, а значит их амплитуду.

Изобретение относится к приспособлениям для качелей, а именно к портативному контроллеру механических колебаний, и может использоваться совместно с детскими качелями, садовыми качелями-лавками, младенческими люльками и т.д. Техническим результатом является создание портативного электромеханического устройства, поддерживающего и управляющего колебаниями разного рода качелей с одной осью вращения с возможностью установки устройства только на подвижную часть качелей. Кроме того, устройство универсально, конструкция позволяет установить его на любые готовые качели, отсутствует необходимость в настройке и калибровке в диапазоне применимости, то есть размеры и масса качелей должны быть в диапазоне мощности устройства (соответствие мощности устройства конкретному виду качелей). Заявленный технический результат достигается за счет конструкции устройства управления механическими колебаниями качелей, выполненных с возможностью вращения в одной плоскости, содержащего корпус, у основания которого на внешней поверхности закреплены средства для крепления устройства к подвижной части качелей, а на внутренней поверхности установлен маховик, ось вращения которого соединена с валом электрического двигателя, установленного на основании, двигатель соединен с модулем управления, включающим микроконтроллер, соединенный с инерциальным датчиком движения. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство управления механическими колебаниями качелей, выполненных с возможностью вращательного движения в одной плоскости, содержащее корпус, у основания которого на внешней поверхности закреплены средства для крепления устройства к подвижной части качелей, а на внутренней поверхности установлен маховик, ось вращения которого соединена с валом электрического двигателя, установленного на основании, двигатель соединен с модулем управления, включающим микроконтроллер, соединенный с инерциальным датчиком движения.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что инерциальный датчик движения представляет собой гиросенсор.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что инерциальный датчик движения представляет собой акселерометр.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что маховик представляет собой тонкостенный цилиндр.

5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что маховик представляет собой осесимметричное размещение нескольких тяжелых грузов.