УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННО-МЕХАНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2025 года по МПК A63H33/08 G09B19/00 

Изобретение относится к учебным приборам и предназначено для изучения электротехники, аналоговой электроники, схемотехники и других прикладных курсов, связанных с электрическим током в цепях. Учебно-методический комплекс может быть использован как в классе, так и при индивидуальном самостоятельном обучении.

Из области техники известна электронная комбинируемая модульная система, основанная на множестве многомерных геометрических форм, для определения местоположения множества RFID-транспондеров в многомерном пространстве и для считывания и записи содержащейся в них информации. Система включает в себя: множество комбинируемых модульных локальных блоков, множество комбинируемых модульных подсистем, микроконтроллер и излучающую антенну, подключенные к модульным подсистемам, для обеспечения связи любого отдельного модульного локального блока, с приемником считывания/записи RFID-транспондера (см. US 2019370621, Кл. G06K 19/07, оп. в 2019 г.). Такая сложная электронная комбинируемая модульная система позволяет улучшить конструкцию решеток или серий антенн и повысить их экономическую эффективность, а также разработать новые режимы работы в сферах отдыха, образования и связи. Нововведение облегчает взаимодействие даже с детьми, еще не посещающими школу, и с инвалидами любого возраста. Этот электронный рабочий прибор модульного типа не предназначен для использования в обучающих программах для детей.

Известен электронный конструктор, содержащий диэлектрическую пластину, дискретные радиоэлектронные элементы на диэлектрическом основании с нанесенным условно графическим обозначением, блок питания, соединительные проводники, в котором диэлектрическая пластина дополнительно содержит рабочее поле в виде магнитной пластины и блок питания, вмонтированные в нее; дискретные радиоэлектронные элементы дополнительно содержат печатную плату с одним или несколькими электронными компонентами, кроме того, на печатную плату установлены разъемы, соединенные с выводами электронного компонента, также на печатной плате имеется изображение, показывающее соединение выводов электронного компонента с разъемами, на печатной плате имеются электропроводящие площадки или штырьки для подключения измерительных приборов к выводам электронного компонента; а диэлектрическое основание дискретного радиоэлектронного элемента дополнительно содержит магнит; блок питания, обеспечивающий несколько напряжений питания, в том числе биполярное питание, включает разъемы для соединения блока питания с дискретными радиоэлектронными элементами, содержит разъем для подключения сетевого адаптера, световой индикатор наличия питания, клеммную колодку для подключения различных источников питания, разъем USB; при этом соединительные проводники выполнены в виде гибких проводов (см. патент на полезную модель RU №186799, Кл. А63Н 33/04, оп. в 2019 г.). Несмотря на то, что полезная модель относится к обучающим играм и учебным макетным пособиям и, по мнению авторов, может быть использована для изучения основ электроники, полупроводниковой схемотехники и электротехники, для самообразования детей школьного возраста и взрослых, а также для профессионального макетирования электронных схем, она имеет ряд недостатков. В данном электронном конструкторе наглядность достигается использованием единой монтажной площадки и графического изображения электронных компонентов. При этом для фиксации собираемых элементов предусмотрено использование магнитов. Однако, такое крепление ограничивает возможности сборки и эксплуатации даже самых простых электронных приборов. Т.е. собранные схемы не могут быть использованы в интерактивных обучающих комплексах.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является электрический детский конструктор, включающий монтажную площадку, электронные блоки, детали конструктора с прямой передачей электрических сигналов и детали конструктора с боковой передачей электрических сигналов, выполненные в виде детали LEGO и содержащие корпус в виде параллелепипеда, сверху которого расположен посадочный шип, а снизу паз, при этом на сторонах корпуса расположены нажимные контакты и плоские контакты, которые внутри корпуса соединены проводниками (см. патент на полезную модель RU №207034, Кл. А63Н 33/04, оп. в 2021 г.). В отличие от предыдущего технического решения этот конструктор содержит монтажную площадку с шипами для установки электрических деталей, имеющих соответствующие шипу пазы. Это позволяет собирать более надежные схемы, в которых также предусмотрено поджимание контактов пружинами. Такие плоскостные сборки на монтажной площадке определенного размера предназначены для построения самых простых электрических схем и не могут быть использованы в интерактивных обучающих комплексах.

Техническая проблема заключается в том, что описанные устройства не предназначены для использования в интерактивных обучающих программах, они статичны и не дают возможности управления процессом исследования и изменения условий исследования. В них остается нерешенной задача достижения максимальной прозрачности -наглядности собираемых схем при построении сложных электронных устройств с подвижными деталями и приводами. Решение данной задачи не должно ограничиваться только возможностью обучения, оно должно давать возможность проводить различные демонстрации и ставить эксперименты.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности и наглядности собираемых схем электронно-механических роботизированных объектов с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. Особенно важным является то, что эта задача решена и для сложных многоярусных интерактивных сборок с использованием основного сборно-разборного монтажного поля и дополнительного сборно-разборного монтажного поля, не теряя при этом наглядности собираемых схем.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в учебно-методический комплексе для конструирования электронно-механических объектов, содержащем основное монтажное поле, электрические компоненты и блок питания, оснащенные посадочными элементами, соединительные провода с разъемами, основное монтажное поле выполнено сборно-разборным, состоящим из основных универсальных двусторонних монтажных площадок, оснащенных зацепами и прорезями под зацепы, размещенными на торцевых поверхностях площадок для соединения их между собой, при этом учебно-методический комплекс выполнен с возможностью формирования дополнительного верхнего яруса и снабжен дополнительными универсальными двусторонними монтажными площадками, выполненными с возможностью сборки дополнительного монтажного поля с помощью штифтов и гнезд под штифты, расположенных на торцевых поверхностях дополнительных монтажных площадок, при этом основные и дополнительные монтажные площадки выполнены из сопряженных друг с другом боковыми сторонами сквозных гнезд квадратного сечения, причем учебно-методический комплекс снабжен механическими компонентами, включающими приводы, колеса и зубчатую передачу, и дополнительными сборочными деталями, при этом сборочные детали, электронные компоненты, механические компоненты и блок питания выполнены со штифтами квадратного сечения. Механические компоненты включают рычаги, выполненные со штифтами квадратного сечения. Все электронные компоненты снабжены шипами под штырьковые разъемы, а соединительные провода снабжены штырьковыми разъемами. Дополнительные монтажные площадки выполнены с возможностью установки на основное монтажное поле своими торцевыми сторонами посредством расположенных там штифтов. Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен пример двухярусного учебно-методического комплекса, вид спереди, контакты опущены вниз, в изометрии. На фиг.2 -то же, вид сзади в изометрии. На фиг.3 - то же, вид спереди, контакты расположены горизонтально, в изометрии. На фиг.4 - то же, то же, вид сбоку, контакты расположены горизонтально. На фиг.5 - то же, то же, вид спереди, контакты расположены горизонтально, в изометрии со снятым верхним ярусом. На фиг.6 - фрагмент основного монтажного поля в сборе. На фиг.7 - то же, перед сборкой. На фиг.8 - фрагмент дополнительного монтажного поля в сборе. На фиг.9 - то же, перед сборкой. На фиг.10 - вертикальная установка дополнительной монтажной площадки на другой горизонтально расположенной дополнительной монтажной площадке. На фиг.11 - вертикальная установка дополнительной монтажной площадки на горизонтально расположенной основной монтажной площадке. На фиг.12 - элемент учебно-методического комплекса - резистор в сборе, в изометрии. На фиг.13 - то же, в разобранном виде. На фиг.14 - элемент учебно-методического комплекса - транзистор в сборе, вид сверху в изометрии. На фиг.15 - то же, вид снизу в изометрии. На фиг.16 - то же, корпус транзистора без крышки, в изометрии.

Учебно-методический комплекс для конструирования электронно-механических объектов предназначен для монтажа учебного или исследовательского оборудования с управляемыми элементами путем конструирования схем электронно-механических объектов, а также для проведения занятий в интерактивном режиме. Учебно-методический комплекс содержит основное сборно-разборное монтажное поле, состоящее из основных монтажных площадок 1, и дополнительное сборно-разборное монтажное поле, состоящее из дополнительных монтажных площадок 2, образующее дополнительный ярус. Учебно-методический комплекс оснащен электрическими компонентами, включающими комплект резисторов 3, транзисторы 4, блок 5 питания, компаратор 6, конденсаторы 7, диоды 8, светодиоды (на рисунке не показано), фоторезистор (на рисунке не показано), переменный резистор (на рисунке не показано), реле 12, измерительные приборы (на рисунке не показано) и другие компоненты, не показанные на рисунке. Все электрические компоненты оснащены посадочными элементами, выполненными в виде штифтов 13 квадратного сечения, а также гнездами 14 под штырьковые разъемы на рисунке не показано). Учебно-методический комплекс включает соединительные провода 16 со штырьковыми разъемами для соединения с гнездами 14 электрических компонентов. Учебно-методический комплекс снабжен механическими компонентами, включающими приводы 18, колеса 19, не показанные на рисунке рычаги и зубчатую передачу, снабженными посадочными элементами, выполненными в виде штифтов 13 квадратного сечения. Основные монтажные площадки 1 и дополнительные монтажные площадки 2 выполнены двусторонними в виде сквозных сопряженных боковыми сторонами друг с другом гнезд 21 квадратного сечения. Сквозные гнезда 21 расположены с обеих сторон (снизу и сверху) площадок 1 и 2 и предназначены для установки электрических, механических и сборочных компонентов с помощью штифтов 13 с любой стороны площадки 1, либо площадки 2. Основные монтажные площадки 1 снабжены зацепами 22 трапециевидного сечения и прорезями 23 под зацепы 22, расположенными по торцевым плоскостям и предназначенными для формирования сборно-разборного монтажного поля заданного размера (см. фиг.6 и 7). Учебно-методический комплекс также снабжен сборочными деталями, включающими кубики 25, полукубики 26, призмы 27, выполненные с посадочными элементами в виде штифтов 13 квадратного сечения и гнезд 28 квадратного сечения. Дополнительные монтажные площадки 2 снабжены штифтами 29 квадратного сечения и гнездами 30 квадратного сечения, расположенными на их торцевых поверхностях (см. фиг.8 и 9) и предназначенными для формирования дополнительного монтажного поля заданного размера. Электрические компоненты состоят из основания 32, прозрачной крышки 33 и электронной платы 34. Штифты 13 расположены в центральной части основания 32 с его наружной стороны, что позволяет устанавливать электрические компоненты даже на краю монтажного поля при нехватке места. В прозрачной крышке 33 выполнены отверстия под гнезда 14. Все элементы комплекса могут быть укомплектованы в пластиковую систему хранения с ложементами, которая закрывается прозрачной пластиковой крышкой на защелках для доставки потребителю.

Учебно-методический комплекс для конструирования электронно-механических объектов предназначен для изучения электротехники, аналоговой электроники, схемотехники и других прикладных курсов, связанных с электрическим током в цепях, принципов работы базовых компонентов электрических цепей (нелинейных и линейных резисторов, диодов, транзисторов, микросхем, реле, электродвигателей), а также законов функционирования самих цепей. С помощью учебно-методического комплекса для конструирования электронно-механических объектов можно монтировать оборудование из других разделов экспериментальной физики.

Учебно-методический комплекс для конструирования электронно-механических объектов используют следующим образом. На фиг.1-5 показан пример использования комплекса для монтажа роботизированного электронно-механического объекта, имеющего возможность совершать прямые и сложные перемещения на плоскости, подавать световые и звуковые сигналы, поднимать и опускать контакты. В соответствии с заданной схемой сборки собирают основное монтажное поле из необходимого количества монтажных площадок 1, соединяя их посредством зацепов 22 трапециевидного сечения и прорезей 23 под зацепы 22, расположенными по торцевым плоскостям. Поскольку зацепы 22 в сечении имеют расширяющуюся наружу трапецию, то их такая форма позволяет стягивать и прочно фиксировать торцы площадок 1 между собой. Площадки 1 унифицированы и выполнены с одинаковыми гнездами 21 с обеих сторон, поэтому их сборка в монтажное поле не требует много времени. С нижней стороны основного монтажного поля устанавливают с помощью штифтов 13 привод 18, колеса 19 и зубчатую передачу. На верхней стороне монтажного поля располагают элементы опор второго яруса - верхнего дополнительного монтажного поля. Для опор могут быть использованы либо кубики 25 и полукубики 26, как изображено на фиг.5, либо дополнительные монтажные площадки 2, как изображено на фиг.11. Далее размещают на основном монтажном поле рычажную систему контактов 35, собранных из кубиков 25 и полукубиков 26 посредством штифтов 13, а затем устанавливают электрические компоненты в логической последовательности согласно схеме сборки таким образом, чтобы все они были доступны для наблюдения. И опоры для дополнительного верхнего яруса устанавливают, исходя из требования доступности нижнего яруса для наблюдения. Все электрические компоненты соединяют соединительными проводами 16 со штырьковыми разъемами для соединения с гнездами 14 согласно схеме их размещения. Благодаря прозрачности крышек 33 электрических компонентов и их последовательному размещению на монтажном поле достигается наглядность демонстрации процессов аналоговой электроники и схемотехники.

Монтаж дополнительного верхнего яруса начинают с компоновки дополнительного монтажного поля из площадок 2 посредством соединения штифтов 29 квадратного сечения с гнездами 30 квадратного сечения, размещенными на их торцевых поверхностях. Дополнительное монтажное поле устанавливают на опоры основного монтажного поля, имеющие на своей поверхности штифты 13 для установки в гнезда 21 площадок 2. На дополнительном монтажном поле размещают звуковую и световую сигнализацию и необходимые электрические компоненты. При установке электрооборудования также используют штифты 13, которые размещают в гнездах 21. Измерительные приборы можно монтировать как на основном монтажном поле - нижнем ярусе, так и на верхнем ярусе -дополнительном монтажном поле. Возможности конструирования электронно-механических объектов учебного комплекса не ограничиваются двумя ярусами. Количество ярусов может быть разное, оно зависит от сложности конструируемых объектов. При этом важно при сборке соблюдать принцип наглядности и доступности электрических компонентов, расположенных на любом ярусе, что особенно важно при изучении аналоговой электроники и схемотехники на примере электронно-механических роботизированных объектов.

Учебно-методический комплекс для конструирования электронно-механических объектов предназначены для поставки в учебные заведения в виде набора-конструктора с инструкцией по сбору различных вариантов роботизированных модулей для проведения опытов и демонстраций и всеми необходимыми для этого деталями.

Поскольку перед проведением экспериментов с учебно-методическим комплексом для конструирования электронно-механических объектов ученики либо студенты предварительно должны ознакомиться с основами аналоговой электроники, работы системы управления и соответствующего раздела физики или механики, а затем собрать роботизированный модуль, протестировать его работу и выполнить задания по изучению принципа работы аналоговой электроники и механики с помощью этого модуля, то его использование в программе обучения дает возможность одновременного получения не только теоретических знаний, но и приобретения практических навыков в работе с электронно-механическими объектами и измерительной техникой.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности и наглядности собираемых схем электронно-механических объектов с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. Особенно важным является то, что эта задача решена и для сложных многоярусных интерактивных сборок с использованием основного сборно-разборного монтажного поля и дополнительного сборно-разборного монтажного поля, не теряя при этом наглядности собираемых схем.

Изобретение относится к учебным приборам и предназначено для изучения электротехники, аналоговой электроники, схемотехники и других прикладных курсов, связанных с электрическим током в цепях. Учебно-методический комплекс для конструирования электронно-механических объектов, содержащий основное монтажное поле, электрические компоненты и блок питания, оснащенные посадочными элементами, соединительные провода с разъемами, причем основное монтажное поле выполнено сборно-разборным, состоящим из основных универсальных двусторонних монтажных площадок, оснащенных зацепами и прорезями под зацепы, размещенными на торцевых поверхностях площадок для соединения их между собой, при этом учебно-методический комплекс выполнен с возможностью формирования дополнительного верхнего яруса и снабжен дополнительными универсальными двусторонними монтажными площадками, выполненными с возможностью сборки дополнительного монтажного поля с помощью штифтов и гнезд под штифты, расположенных на торцевых поверхностях дополнительных монтажных площадок, при этом основные и дополнительные монтажные площадки выполнены из сопряженных друг с другом боковыми сторонами сквозных гнезд квадратного сечения, причем учебно-методический комплекс снабжен механическими компонентами, включающими приводы, колеса и зубчатую передачу, и дополнительными сборочными деталями, при этом сборочные детали, электронные компоненты, механические компоненты и блок питания выполнены со штифтами квадратного сечения. Это обеспечивает повышение универсальности и наглядности собираемых схем электронно-механических объектов с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов. 3 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Учебно-методический комплекс для конструирования электронно-механических объектов, содержащий основное монтажное поле, электрические компоненты и блок питания, оснащённые посадочными элементами, соединительные провода с разъёмами, отличающийся тем, что основное монтажное поле выполнено сборно-разборным, состоящим из основных универсальных двусторонних монтажных площадок, оснащённых зацепами и прорезями под зацепы, размещёнными на торцевых поверхностях площадок для соединения их между собой, при этом учебно-методический комплекс выполнен с возможностью формирования дополнительного верхнего яруса и снабжён дополнительными универсальными двусторонними монтажными площадками, выполненными с возможностью сборки дополнительного монтажного поля с помощью штифтов и гнезд под штифты, расположенных на торцевых поверхностях дополнительных монтажных площадок, при этом основные и дополнительные монтажные площадки выполнены из сопряжённых друг с другом боковыми сторонами сквозных гнёзд квадратного сечения, причём учебно-методический комплекс снабжён механическими компонентами, включающими приводы, колёса и зубчатую передачу, и дополнительными сборочными деталями, при этом посадочные элементы сборочных деталей, электронных компонентов, механических компонентов и блока питания выполнены со штифтами квадратного сечения.

2. Учебно-методический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что механические компоненты включают рычаги, выполненные со штифтами квадратного сечения.

3. Учебно-методический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что все электронные компоненты снабжены шипами под штырьковые разъёмы, а разъёмы соединительных проводов выполнены штырьковыми.

4. Учебно-методический комплекс по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные монтажные площадки выполнены с возможностью установки на основное монтажное поле своими торцевыми сторонами посредством расположенных там штифтов.