УЧЕБНЫЙ КОНСТРУКТОР С ПОВОРОТНЫМ СОЧЛЕНЕНИЕМ Российский патент 2024 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к учебным наборам 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 известен 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.). Этот блок (кубик) обеспечивает 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.

Известно рулевое устройство для строительных комплектов игрушек фирмы «Лего», включающее поворотную втулку с шестеренчатым механизмом (см. патент на изобретение SU №1837922, кл. А63Н 17/36, оп. в 1993 г.). Этот механизм разработан применительно к элементам конструктора фирмы «Лего».

Известна игрушечная фигурка с подвижными частями тела фирмы «Лего», включающая поворотные механизмы с одной степенью свободы в местах расположения суставов человека (см. патент SU №1709896, кл. А63Н 3/16, оп. в 1992 году). Для этой фигурки, адаптированной для использования в конструкторах фирмы «Лего», использованы простейшие сочленения.

Известна система игрушечного конструирования, включающая удлиненные стержневые элементы и плоские соединительные элементы, которые могут быть соединены между собой в различных комбинациях, причем на некоторых элементах предусмотрены шаровые элементы, которые приспособлены для зацепления с взаимодополняющими гнездовыми элементами, содержащимися на других элементах, для взаимного соединения двух элементов с возможностью вращения (см. патент US 5769681, кл. А63Н 33/06, оп. в 1998 году). Такие шаровые элементы дают возможность формировать подвижные сочленения на основе шарового шарнира. Однако получаемые в результате сборки конструктора фигуры не имеют достаточной жесткости для получения устойчивых моделей и не подходят для учебного моделирования.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является конструктор фирмы «Артек», включающий шестигранные блоки с квадратно-штыревыми соединительными элементами, а также дополнительный блок с поворотным валом, серводвигателем и элементами соединения квадратно-штыревого типа (см. патент ES 752126, кл. А63Н 33/04, оп. в 2020 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. А наличие дополнительного блока с поворотным валом и сервоприводом дает возможность создавать подвижные модели.

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 поворотными сочленениями чаще всего используют либо различные фигурки (в основном человечка), либо блоки с приводом.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности учебного конструктора при использовании поворотного сочленения в виде шарового шарнира для сложного объемного моделирования при обучении, проведении опытов и экспериментов и визуализации получаемых результатов.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в учебном конструкторе с поворотным сочленением, включающем монтажные кубики и детали для моделирования, имеющие гнезда и штифты для фрикционного соединения квадратно-штифтового типа, и дополнительные блоки поворотного сочленения, последние выполнены в виде головки поворотного сочленения с отверстием под шпильку и сферического гнезда для посадки головки, причем головка поворотного сочленения и сферическое гнездо снабжены плоскими площадками, имеющими не менее одного штифта с тыльной стороны, при этом сферическое гнездо выполнено лепестковым, а плоская площадка выполнена с площадью, совпадающей с площадью любой стороны монтажного кубика. Сферическое гнездо выполнено четырехлепестковым.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображено поворотное сочленение учебного конструктора на основе шарового шарнира в сборе, в изометрии. На фиг. 2 - то же, вид сбоку со стороны съемной шпильки. На фиг. 3 - то же, продольное сечение. На фиг. 4 - то же, с правым вырезом. На фиг. 5 - головка поворотного сочленения, в изометрии. На фиг. 6 - сферическое гнездо поворотного сочленения, в изометрии. На фиг. 7 - эквивалентный макет шарнирных соединений элементов передней подвески автомобиля с несущим кузовом, вид сбоку. На фиг. 8 - то же, вид спереди. На фиг. 9 - то же, в изометрии. На фиг. 10 - антропологическая подвижная модель нижнего пояса опорно-двигательного аппарата человека, увеличенные поворотные сочленения изображены сбоку.

Учебный конструктор с поворотным сочленением изготавливают из легких прочных пластиков и подобных материалов. Он предназначен для 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, применяемых в обучающих играх, опытах, исследованиях.

Учебный конструктор с поворотным сочленением включает основные монтажные блоки, например, шестигранные кубики 1, имеющие гнезда 2 с квадратным поперечным сечением и штифты 3 квадратного поперечного сечения. Гнезда 2 снабжены внутренними продольными ребрами 4, обеспечивающими прочную и надежную фрикционную посадку (фрикционное соединение) штифтов 3 внутри гнезд 2. Учебный конструктор снабжен дополнительными блоками, предназначенными для формирования поворотного сочленения 5 в виде шарового шарнира: головка 6 поворотного сочленения с отверстием 7 под шпильку 8, сферическое гнездо 9 поворотного сочленения 5. Головка 6 и сферическое гнездо 9 оснащены плоскими площадками 10 с штифтами 11, расположенными с тыльной стороны площадки 10 по ее диагонали. Штифты 11 площадки 10 предназначены для фрикционной установки в гнезде 2 кубика 1. Площадка 10 выполнена с площадью, совпадающей с площадью любой стороны кубика 1. При фрикционной посадке площадка 10 плотно заподлицо прилегает к стороне кубика 1. Сферическое гнездо 9 может быть выполнено трех- или четырехлепестковым и даже более. Но оптимальным является четырехлепестковое гнездо 9. Лепестки 12 сферического гнезда 9 образуют прорези 13 и выполняют разные функции. Они могут отгибаться при установке головки 6 в гнездо 9, а затем надежно фиксируют от выпадания головку 6 и шпильку 8. Шпилька 8 предназначена для преобразования шарового шарнира в шарнир с одной степенью свободы. Учебный конструктор может содержать разные блоки и детали, необходимые для использования в учебном процессе в зависимости от поставленных задач: например, колеса 14, полукубики 15, продольные блоки 16, оснащенные аналогичными элементами соединения с остальными блоками конструктора.

На фиг. 7, 8 и 9 изображен фрагмент эквивалентного макета шарнирных соединений элементов передней подвески автомобиля с несущим кузовом. Собранный на основе блоков учебного конструктора макет оснащен кубиками 1, поворотными сочленениями 5, колесом 14 (или колесами 14), полукубиками 15, продольными блоками 16 и сервоприводом (на рисунке не показано). Такой макет предназначен для иллюстрации работы шаровых шарниров передней подвески автомобиля во время его движения.

На фиг. 10 показан пример антропологической подвижной модели нижнего пояса опорно-двигательного аппарата человека. Верхние и нижние поворотные сочленения 5 имеют 3 степени свободы, а среднее поворотное сочленение 5 со шпилькой 8 соответствует расположению коленного сустава и имеет 1 степень свободы.

Учебный конструктор с поворотным сочленением используют следующим образом. Например, для учебных целей заранее готовят комплект блоков и элементов. После изучения свойств шарового шарнира учащиеся либо собирают заданную модель сами, либо тестируют уже собранную модель по определенным параметрам. Антропологическая подвижная модель нижнего пояса опорно-двигательного аппарата человека, показанная на фиг. 10, дает возможность в учебном процессе показать специфику движений разных суставов и провести учащемуся сравнительный анализ и самостоятельное исследование подвижности нижних конечностей человека. Коленный сустав модели зафиксирован шпилькой 8 и имеет только одну степень свободы. А остальные суставы в это время имеют по три степени свободы.

Такой конструктор с поворотным сочленением на основе шарового шарнира и свойств фрикционного соединения квадратно-штифтового типа можно собирать и использовать при проведении разных опытов и экспериментов. В совокупности с измерительными модулями, различными приводами и электронными устройствами этот учебный конструктор можно применять для изучения робототехники, законов физики, механики, биологии, анатомии, для моделирования имитационных устройств, приборов, экспериментальных установок, применяемых в обучающих играх, опытах, исследованиях: в школах, учебных и научных заведениях и даже дома, снабдив ребенка подробной инструкцией. Использование учебного конструктора с поворотным сочленением дает возможность детям получать не только удовольствие от игры с ним, но и теоретические знания, а затем практические навыки в работе с моделями, в которых использованы шарнирные соединения.

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 при использовании поворотного сочленения в виде шарового шарнира для сложного объемного моделирования при обучении, проведении опытов и экспериментов и визуализации получаемых результатов.

Изобретение относится к учебным наборам с использованием деталей детского конструктора, предназначенным для моделирования имитационных устройств и приборов, а также экспериментальных установок, применяемых в обучающих играх, опытах, исследованиях. Изобретение представляет собой учебный конструктор с поворотным сочленением, включающий монтажные кубики и детали для моделирования, имеющие гнезда и штифты для фрикционного соединения квадратно-штифтового типа, и дополнительные блоки поворотного сочленения, причем последние выполнены в виде головки поворотного сочленения с отверстием под шпильку и сферического гнезда для посадки головки, причем головка поворотного сочленения и сферическое гнездо снабжены плоскими площадками, имеющими не менее одного штифта с тыльной стороны, при этом сферическое гнездо выполнено лепестковым, а плоская площадка выполнена с площадью, совпадающей с площадью любой стороны монтажного кубика. Сферическое гнездо выполнено четырехлепестковым. Это обеспечивает повышение универсальности учебного конструктора при использовании поворотного сочленения в виде шарового шарнира для сложного объемного моделирования при обучении, проведении опытов и экспериментов и визуализации получаемых результатов. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Учебный конструктор с поворотным сочленением, включающий основные монтажные блоки, представляющие собой кубики, имеющие гнезда и штифты для фрикционного соединения штифтов внутри гнезд, и дополнительные блоки, предназначенные для формирования поворотного сочленения, отличающийся тем, что дополнительные блоки, предназначенные для формирования поворотного сочленения, выполнены в виде головки поворотного сочленения с отверстием под шпильку и сферического гнезда для посадки головки, причём головка поворотного сочленения и сферическое гнездо снабжены плоскими площадками, имеющими не менее одного штифта с тыльной стороны, при этом сферическое гнездо выполнено лепестковым, а плоская площадка выполнена с площадью, совпадающей с площадью любой стороны монтажного кубика.

2. Учебный конструктор по п. 1, отличающийся тем, что сферическое гнездо выполнено четырехлепестковым.