RU2663008C1

RU2663008C1 - Training device

Info

Publication number: RU2663008C1
Application number: RU2017138268A
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Поваляев
Original assignee: Олег Александрович Поваляев
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2018-07-31
Also published as: WO2019088876A1

Abstract

FIELD: training; instrument making.SUBSTANCE: invention relates to teaching instruments and is intended for studying the basics of electronics, mechanics, programming and algorithmization. Training device includes an experimental module, a control system with an electric motor, sensor devices associated with the display via a processor, while the housing of the experimental module is made hollow and detachable, and the control system is equipped with a controller board and expansion board, interconnected, the device is equipped with a battery with a charger, an eccentric, at least one flywheel, a set of wires, a set of fasteners and a frame for installing equipment, with the controller board, expansion board, electric motor, eccentric, battery, flywheel made with the possibility of mounting on this frame, and the frame is configured to be inserted into the hollow split housing, the communication with the display being wireless, with sensor devices located on the controller board.EFFECT: increased versatility and multifunctionality of the educational device due to the autonomy of the experimental module and the realization of the possibility of wireless transmission of information from sensory devices, as well as robotization of the experimental module while simultaneously teaching the basics of electronics, electrical engineering, mechanics and algorithmization.4 cl, 14 dwg

Description

Изобретение относится к учебным приборам и предназначено для изучения основ электроники, механики, программирования и алгоритмизации.The invention relates to educational devices and is intended to study the basics of electronics, mechanics, programming and algorithmization.

Из области техники известен демонстрационный гироскоп, содержащий трехстепенной гироскоп с герметичным гироузлом с тремя гермовводами для подвода питания к статору гиромотора, конструктивно помещенным в наружную раму с двумя полуосями, на которой установлен разъем питания от внешнего источника, три выходных контакта которого соединены с тремя гермовводами гироузла (см. патент на изобретение RU №2462761, кл. G09B 23/06, оп. в 2012 г.). Известное устройство предназначено для демонстрации гироскопических эффектов и включает полый гироскоп типа юлы. Внутри гироскопа находится внутренний источник питания. Однако этот демонстрационный прибор ограничен только одним видом движения - вращением. Он не предназначен для исследования других эффектов, возникающих в механике.A demonstration gyroscope is known in the art, comprising a three-stage gyroscope with a sealed gyro unit with three pressure inputs for supplying power to the gyromotor stator, structurally placed in an external frame with two axles, on which an external power source is installed, three output contacts of which are connected to three gyro inputs (see patent for the invention RU No. 2462761, CL G09B 23/06, op. in 2012). The known device is intended to demonstrate gyroscopic effects and includes a hollow gyroscope type jula. Inside the gyroscope is an internal power source. However, this demonstration device is limited to only one type of movement - rotation. It is not intended to study other effects arising in mechanics.

Известно устройство для учебной демонстрации взаимосвязи между внутренним атомно-молекулярным строением вещества и его макроскопическими свойствами, содержащее основание, вертикальную стойку, горизонтальный держатель, на котором закреплено испытуемое тело, с возможностью его нагрева и самопроизвольного охлаждения до комнатной температуры, при этом испытуемое тело выполнено в виде геликоидальной пружины, изготовленной из сплава с эффектом памяти формы, которая закреплена верхним концом на держателе, а к ее нижнему концу прикреплен груз в виде разновеса, при этом между держателем штатива и грузом дополнительно размещена дискостержневая модель кристаллической структуры в плоскости в виде шарнирно соединенных между собой стержней и установленных в шарнирных узлах дисков (см. патент на изобретение RU №2374698, кл. G09B 23/06, оп. в 2009 г.). С помощью такой механической модели можно демонстрировать физико-химические явления.A device is known for educational demonstration of the relationship between the internal atomic-molecular structure of a substance and its macroscopic properties, containing a base, a vertical stand, a horizontal holder on which the test body is mounted, with the possibility of heating and spontaneous cooling to room temperature, while the test body is made in the form of a helicoidal spring made of an alloy with a shape memory effect, which is fixed by the upper end to the holder, and g is attached to its lower end the weight in the form of a balance, while between the tripod holder and the load there is additionally a disc-shaped model of the crystalline structure in the plane in the form of pivotally interconnected rods and mounted in the pivot nodes of the disks (see patent for the invention RU No. 2374698, class G09B 23/06, op. in 2009). Using such a mechanical model, physicochemical phenomena can be demonstrated.

Известен прибор по механике, содержащий вертикальную стойку с закрепленными на ней направляющими, имеющими наклонный и горизонтальный участки, и кинематически связанными между собой грузом, закрепленным на стойке шкивом и подвижным блоком, упруго связанным с основанием, при этом горизонтальный участок направляющих снабжен упором, датчиками фиксации времени движения и приемным лотком, а груз выполнен с взаимно перпендикулярными каналами с возможностью перемещения шарика под собственным весом до упора с пружиной, расположенной в канале (см. патент на полезную модель RU №164176, кл. G09B 23/06, оп. в 2016 г.). Этот прибор позволяет проводить замеры времени движения вдоль горизонтального участка, вычислять конечную скорость груза и рассчитать деформацию пружины, а использование специальной компьютерной учебной программы с машинными расчетами и графическим изображением - зависимости кинетической энергии механической системы от ряда изучаемых параметров, которые изменяются в зависимости от угла наклона наклонного участка.A well-known instrument in mechanics, comprising a vertical stand with guides fixed on it, having inclined and horizontal sections, and kinematically connected with each other by a load fixed to the stand by a pulley and a movable block, elastically connected to the base, while the horizontal section of the guides is equipped with a stop, fixing sensors time of movement and the receiving tray, and the load is made with mutually perpendicular channels with the ability to move the ball under its own weight until it stops with a spring located in the channel (See. The utility model patent RU №164176, cl. G09B 23/06, op. In 2016). This device allows you to measure travel time along a horizontal section, calculate the final speed of the load and calculate the deformation of the spring, and the use of a special computer training program with machine calculations and a graphic image - the dependence of the kinetic energy of the mechanical system on a number of parameters studied, which vary depending on the angle of inclination inclined section.

Известно устройство для проведения физического эксперимента по столкновению тел, включающее металлический шар на горизонтальной плоскости с возможностью воздействия на пружину и маятниковый металлический шар, а также расположенные на основании устройства измерительные приборы и контроллер (см. CN 206115812, кл. G09B 23/10, оп. в 2016 г.). Это устройство позволяет выполнять количественную демонстрацию численного значения энергетической трансдукции процесса столкновения.A device is known for conducting a physical experiment on a collision of bodies, including a metal ball on a horizontal plane with the possibility of acting on a spring and a pendulum metal ball, as well as measuring devices and a controller located on the base of the device (see CN 206115812, cl. G09B 23/10, op . in 2016). This device allows a quantitative demonstration of the numerical value of the energy transduction of the collision process.

Известен шарик с вибрационным звучанием, содержащий упругий кремниевый корпус, разделенный на несколько секторов давления и снабженный множеством датчиков давления, а зонды датчиков давления соответственно растягиваются из отверстий в секторах давления корпуса, при этом зондирующее устройство вытягивается из отверстия на верхней части корпуса, а отверстие середины зондирования выполнено в виде отверстия для подвеса, причем выходные концы сигналов датчиков давления соединены с входным сигнальным концом голосового плеера (см. CN 202876343, кл. А63Н 5/00, оп. в 2013 г.). Это устройство позволяет улучшить интерактивность между ребенком и игрушкой.Known ball with vibrational sound, containing an elastic silicon casing, divided into several pressure sectors and equipped with many pressure sensors, and pressure sensor probes are respectively stretched from the holes in the pressure sectors of the housing, while the sounding device is pulled out of the hole on the upper part of the housing, and the hole is the middle sensing is made in the form of holes for suspension, and the output ends of the signals of the pressure sensors are connected to the input signal end of the voice player (see CN 202876343, CL A63H 5/00, op. in 2013). This device allows you to improve the interactivity between the child and the toy.

Известно шариковое устройство с магнитной подвеской, которое содержит электромагнит, датчики, схему управления, шарик подвески, магнитный проводник, кронштейн и основание, при этом основание снабжено кронштейном, а верхняя часть кронштейна снабжена электромагнитом, оба края кронштейна снабжены датчиком пространства, а внутренняя верхняя часть шара подвески снабжена магнитным проводником (см. CN 2453607, кл. H02N 15/00, оп. в 2001 г.). Это магнитное подвесное шариковое устройство является высокотехнологичным продуктом и может широко использоваться как рекламное устройство, детская игрушка, учебное пособие для демонстрации.A ball device with a magnetic suspension is known, which contains an electromagnet, sensors, a control circuit, a suspension ball, a magnetic conductor, a bracket and a base, the base being provided with a bracket, and the upper part of the bracket is equipped with an electromagnet, both edges of the bracket are equipped with a space sensor, and the inner upper part the suspension ball is equipped with a magnetic conductor (see CN 2453607, CL H02N 15/00, op. in 2001). This magnetic pendant ball device is a high-tech product and can be widely used as an advertising device, a children's toy, a teaching aid for demonstration.

Известно устройство для демонстрации кругового движения, включающее основание, две вертикальные пластины, электродвигатель, дисплей и программируемый логический контроллер, при этом между двумя вертикальными пластинами образована вращающаяся плоскость, а вращающийся вал двигателя выступает из внутренней стороны нижней поверхности подшипника, датчик натяжения расположен на концевой части вращающегося вала двигателя, шар, соединенный с датчиком натяжения, расположен в баке подшипника; множественные датчики скорости расположены на внутренней стороне нижней поверхности подшипника и вокруг вращающегося вала двигателя, дисплей, датчик натяжения датчики скорости электрически связаны с контроллером (см. CN 203659289, кл. G09B 23/10, оп. в 2014 г.). Это устройство позволяет демонстрировать круговые движения в горизонтальном и вертикальном направлениях, а также может контролировать центростремительную силу и скорость.A device for demonstrating circular motion, including a base, two vertical plates, an electric motor, a display and a programmable logic controller, is formed between two vertical plates of a rotating plane, and the rotating motor shaft protrudes from the inner side of the lower surface of the bearing, the tension sensor is located on the end part a rotating motor shaft, a ball connected to a tension sensor located in the bearing tank; multiple speed sensors are located on the inside of the lower surface of the bearing and around the rotating shaft of the motor, display, tension sensor, speed sensors are electrically connected to the controller (see CN 203659289, CL G09B 23/10, op. 2014). This device allows you to demonstrate circular motion in horizontal and vertical directions, and can also control centripetal force and speed.

Наиболее близким аналогом является вышеописанный патент CN 203659289.The closest analogue is the above patent CN 203659289.

В вышеописанных учебных приборах остается нерешенной задача объединения вопросов одновременного изучения электроники, механики, программирования и алгоритмизации. Наличие проводной связи между датчиками и принимающим устройством мешает проведению экспериментов. Решение данной задачи не ограничивается возможностями только обучения, техническое решение позволяет проводить различные демонстрации и ставить эксперименты.In the above-described training devices, the problem of combining the issues of simultaneous study of electronics, mechanics, programming, and algorithmization remains unsolved. The presence of a wired connection between the sensors and the receiving device interferes with the experiments. The solution to this problem is not limited to the possibilities of training only, the technical solution allows for various demonstrations and experiments.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности и многофункциональности учебного прибора за счет автономности экспериментального модуля и реализации возможности беспроводной передачи информации от сенсорных устройств, а также роботизации экспериментального модуля при одновременном обучении основам электроники, электротехники, механики и алгоритмизации.The present invention is directed to solving the technical problem of increasing the universality and versatility of a training device due to the autonomy of the experimental module and the implementation of the possibility of wireless transmission of information from sensor devices, as well as robotics of the experimental module while teaching the basics of electronics, electrical engineering, mechanics and algorithmization.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что в учебном приборе, включающем экспериментальный модуль, систему управления с электродвигателем, сенсорные устройства, связанные с дисплеем через контроллер, корпус экспериментального модуля выполнен полым и разъемным, при этом система управления снабжена платой контроллера и платой расширения, связанными между собой, а прибор снабжен аккумулятором с зарядным устройством, эксцентриком, не менее, чем одним маховиком, комплектом проводов, комплектом креплений и рамой для установки оборудования, причем плата контроллера, плата расширения, электродвигатель, эксцентрик, аккумулятор, маховик выполнены с возможностью установки на этой раме, а рама выполнена с возможностью установки внутрь полого разъемного корпуса, причем связь с дисплеем выполнена беспроводной, при этом сенсорные устройства расположены на плате контроллера. Сенсорные устройства включают акселерометр, гироскоп и компас, а плата контроллера включает и/или Bluetooth-модуль, и/или Wi-fi-модуль, и/или радио-модуль, причем плата расширения включает блок зарядки аккумулятора, блок управления электродвигателем и другими силовыми приводами, а также произвольными периферийными устройствами. Полый разъемный корпус экспериментального модуля выполнен шарообразной формы, либо кубической формы, либо каплевидной формы. Прибор снабжен грузом для балансировки и балансировочной пластиной, а плата расширения снабжена сигнальными светодиодами и магнитоуправляемым контактом -герконом, при этом груз для балансировки выполнен с возможностью крепления на раме для установки оборудования. Изобретение поясняется чертежами.The solution of the technical problem is achieved due to the fact that in the training device, which includes an experimental module, a control system with an electric motor, sensor devices associated with the display through the controller, the experimental module case is hollow and detachable, while the control system is equipped with a controller board and an expansion board interconnected, and the device is equipped with a battery with a charger, an eccentric, at least one flywheel, a set of wires, a set of fasteners and a frame For installation of equipment, the controller board, expansion board, electric motor, cam, battery, flywheel are made to be installed on this frame, and the frame is made to be installed inside a hollow detachable case, and the communication with the display is made wireless, while the sensor devices are located on controller board. Touch devices include an accelerometer, gyroscope and compass, and the controller board includes both / or a Bluetooth module and / or Wi-fi module and / or radio module, the expansion board including a battery charging unit, an electric motor control unit and other power drives, as well as arbitrary peripheral devices. The hollow detachable housing of the experimental module is made spherical in shape, either cubic or teardrop-shaped. The device is equipped with a load for balancing and a balancing plate, and the expansion board is equipped with signal LEDs and a magnetically controlled contact-reed contact, while the load for balancing is made with the possibility of mounting on a frame for equipment installation. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображен обучающий роботизированный экспериментальный модуль учебного прибора с корпусом в форме шара (шарообразный), вид в изометрии. На фиг. 2 - то же, с раскрытым корпусом. На фиг. 3 - то же, оборудование модуля в сборе. На фиг. 4 - то же, оборудование модуля с электродвигателем и эксцентриком. На фиг. 5 - то же, оборудование модуля с маховиком. На фиг. 6 - то же, оборудование модуля с двумя осевыми маховиками. На фиг. 7 - то же, оборудование модуля с двумя перпендикулярно расположенными маховиками. На фиг. 8 изображен пример использования экспериментального шарообразного модуля для демонстрации движения качения по реборде. На фиг. 9 изображен пример использования экспериментального шарообразного модуля для демонстрации движения маятникового подвеса. На фиг. 10 изображен пример использования экспериментального шарообразного модуля для демонстрации движения неориентированного качения по наклонной плоскости. На фиг. 11 изображен пример использования экспериментального модуля с корпусом, выполненным в виде куба (кубического), для демонстрации устойчивости к опрокидыванию. На фиг. 12 изображен пример использования экспериментального кубического модуля для демонстрации удержания равновесия. На фиг. 13 изображен пример использования экспериментального модуля с корпусом, выполненным каплеобразной формы, для демонстрации падения в жидкость аэродинамически обтекаемого тела. На фиг. 14 изображена схема сборки учебного прибора с обучающим роботизированным экспериментальным модулем.In FIG. 1 shows a teaching robotic experimental module of a training device with a body in the shape of a ball (spherical), isometric view. In FIG. 2 - the same, with the housing open. In FIG. 3 - the same equipment module assembly. In FIG. 4 - the same equipment module with an electric motor and an eccentric. In FIG. 5 - the same equipment module with a flywheel. In FIG. 6 - the same equipment module with two axial flywheels. In FIG. 7 - the same equipment module with two perpendicularly located flywheels. In FIG. Figure 8 shows an example of using an experimental spherical module to demonstrate rolling motion along a flange. In FIG. 9 shows an example of using an experimental spherical module to demonstrate the movement of a pendulum suspension. In FIG. 10 shows an example of using an experimental spherical module to demonstrate the motion of non-oriented rolling along an inclined plane. In FIG. 11 depicts an example of using an experimental module with a cube made in the form of a cube (cubic) to demonstrate rollover stability. In FIG. 12 illustrates an example of using an experimental cubic module to demonstrate equilibrium retention. In FIG. 13 shows an example of using an experimental module with a droplet-shaped housing to demonstrate an aerodynamically streamlined body falling into a liquid. In FIG. 14 shows the assembly diagram of a training device with a training robotic experimental module.

Учебный прибор с обучающим роботизированным экспериментальным модулем представляет собой набор-конструктор для изучения электроники, механики и алгоритмизации, объединяя в себе задачи по механической сборке корпусных элементов, монтажу электрических схем, изучению основ программирования, использованию датчиков для контроля ориентации роботизированного модуля, цифровой обработки сигналов, получаемых от датчиков, взаимодействию различных элементов комплекта посредством проводного протокола, а также взаимодействия комплекта в целом с ПК посредством беспроводного протокола передачи данных. Корпус модуля может быть выполнен разной формы, которую используют в зависимости от задачи, поставленной перед обучающимся, от программы обучения. Это может быть шар или любой эллипсоид вращения (симметричный и несимметричный), куб или параллелепипед, цилиндр или конус. Можно использовать модуль более сложной формы, например, каплеобразной. Учебный прибор с обучающим роботизированным экспериментальным модулем можно использовать в школах, средних учебных заведениях и в высшей школе, а также при проведении различных научных экспериментов.A training device with a training robotic experimental module is a construction kit for studying electronics, mechanics, and algorithmization, combining the tasks of mechanically assembling housing elements, installing electrical circuits, learning the basics of programming, using sensors to control the orientation of the robotic module, digital signal processing, obtained from sensors, the interaction of various elements of the kit through a wired protocol, as well as the interaction of the kit as a whole m from a PC using a wireless data transfer protocol. The module case can be made in various forms, which are used depending on the task assigned to the student, on the training program. It can be a ball or any rotation ellipsoid (symmetric and asymmetric), a cube or parallelepiped, a cylinder or a cone. You can use a module of a more complex shape, for example, drop-shaped. A training device with a teaching robotic experimental module can be used in schools, secondary schools and in higher education, as well as in various scientific experiments.

Учебный прибор основан на выполнении модуля разъемным и полым с расположенным внутри оборудованием. Изображенный на фиг. 1-3 обучающий роботизированный экспериментальный модуль включает в себя полый шарообразный разъемный корпус 1 с линией 2 разъема по экваториальному сечению и отверстиями 3 для потайного крепления оборудования. Рама 4 для крепления и установки оборудования внутрь корпуса 1 имеет ложементы для составных деталей и отверстия для их крепления. Для крепления на раме 4 предназначены плата 5 контроллера (можно использовать Intel Genuino101), груз 6 для балансировки, плата 7 расширения с сигнальными светодиодами 8 и магнитоуправляемым контактом - герконом 9, аккумулятор 10 с прижимной пластиной 11 и разъемом 12 зарядного устройства, балансировочная пластина 13, комплекты проводов (не показано) и комплекта креплений -винтов с гайками (не показано). Для зарядки аккумулятора 10 предназначено не показанное на чертежах зарядное устройство. Такая сборка оборудования представляет собой пассивную конфигурацию и предназначена для демонстрации и проведения экспериментов с неуправляемым движением модуля и сбором информации об этом движении.The training device is based on the implementation of the module detachable and hollow with the equipment located inside. Depicted in FIG. 1-3 educational robotic experimental module includes a hollow spherical split housing 1 with a line 2 of the connector along the equatorial section and holes 3 for flush mounting equipment. Frame 4 for mounting and installing equipment inside the housing 1 has lodges for components and holes for their fastening. For mounting on frame 4, the controller board 5 is used (Intel Genuino101 can be used), load 6 for balancing, expansion board 7 with signal LEDs 8 and magnetically controlled contact - reed switch 9, battery 10 with pressure plate 11 and charger connector 12, balancing plate 13 , sets of wires (not shown) and a set of fasteners-screws with nuts (not shown). To charge the battery 10 is intended not shown in the drawings, the charger. Such an assembly of equipment is a passive configuration and is intended to demonstrate and conduct experiments with uncontrolled module movement and collection of information about this movement.

Изображенное на фиг. 4 оборудование содержит электродвигатель 15 и эксцентрик 16. На фиг. 5 показана сборка оборудования с маховиком 17, а на фиг. 6 - с двумя электродвигателями 15 и двумя осевыми маховиками 17. Показанная на фиг. 7 сборка также содержит два электродвигателя 15 и два маховика 17, расположенных в перпендикулярных плоскостях относительно друг друга. Такие сборки оборудования представляют собой активную конфигурацию и предназначены для экспериментов и демонстрации с управляемым движение модуля.Depicted in FIG. 4, the equipment comprises an electric motor 15 and an eccentric 16. In FIG. 5 shows an assembly of equipment with a flywheel 17, and in FIG. 6 - with two electric motors 15 and two axial flywheels 17. Shown in FIG. 7, the assembly also contains two electric motors 15 and two flywheels 17 located in perpendicular planes relative to each other. Such equipment assemblies represent an active configuration and are intended for experimentation and demonstration with controlled module movement.

Изображенное на фиг. 8 качение модуля с разъемным шарообразным корпусом 1 по реборде 18 можно осуществлять с любым вариантом вышеперечисленных сборок оборудования, как управляемого, так и неуправляемого. Гибкая пластина подвеса (не показано), комплект нитей 19, втулка подвеса (не показано) служат для подвешивания модуля к перекладине штатива (не показано) и вращения модуля на нити в различных экспериментах (см. фиг. 9). Для демонстрации неориентированного качения модуля с разъемным шарообразным корпусом 1 по наклонной плоскости 20 предназначен опыт, изображенный на фиг. 10.Depicted in FIG. 8, the rolling of the module with a detachable spherical housing 1 along the flange 18 can be carried out with any variant of the above-mentioned assemblies of equipment, both controlled and uncontrolled. A flexible suspension plate (not shown), a set of threads 19, a suspension sleeve (not shown) are used to suspend the module to the tripod bar (not shown) and rotate the module on the threads in various experiments (see Fig. 9). To demonstrate the non-oriented rolling of a module with a detachable spherical housing 1 along an inclined plane 20, the experiment shown in FIG. 10.

Для опытов с той же наклонной плоскостью 20 предназначен модуль, выполненный с полым разъемным кубическим корпусом 21 пассивной или активной конфигурации, например, для демонстрации устойчивости к опрокидыванию (см. фиг. 11). Оборудование, установленное в полом разъемном кубическом корпусе 21, аналогично вышеописанному. Опыты с удержанием равновесия модулем с разъемным кубическим корпусом 21 и активной конфигурацией можно проводить на горизонтальной плоскости 22 (см. фиг. 12). Изображенная на фиг. 13 схема проведения опыта с модулем, имеющим каплеобразную форму полого разъемного корпуса 23, предназначена для демонстрации и изучения свойств аэродинамически обтекаемого тела при падении в жидкость, находящуюся в сосуде 24. Оборудование, установленное в полом разъемном корпусе 23, аналогично вышеописанному. В зависимости от назначения опыта собирают детали оборудования в сборку, помещаемую внутрь разъемного корпуса 21 или 23, по тем же схемам, как на предыдущих чертежах с шарообразным модулем.For experiments with the same inclined plane 20, a module is designed made with a hollow detachable cubic casing 21 of a passive or active configuration, for example, to demonstrate rollover stability (see Fig. 11). Equipment installed in a hollow split cubic housing 21 is similar to that described above. The experiments with maintaining equilibrium by a module with a detachable cubic housing 21 and an active configuration can be carried out on a horizontal plane 22 (see Fig. 12). Depicted in FIG. 13, an experiment with a module having a droplet shape of a hollow detachable body 23 is designed to demonstrate and study the properties of an aerodynamically streamlined body when dropped into a liquid located in the vessel 24. The equipment installed in the hollow detachable body 23 is similar to the above. Depending on the purpose of the experiment, the equipment parts are assembled into an assembly placed inside the split housing 21 or 23 according to the same schemes as in the previous drawings with a spherical module.

Примерная схема сборки оборудования роботизированного экспериментального модуля, показанная на фиг. 14 включает плату 5 контроллера (платформу открытой архитектуры) и плату 7 расширения (плату управления периферийными устройствами). В плату 5 вошли комплекс сенсорных устройств, включая акселерометр 25, гироскоп 26 и компас 27, Bluetooth-модуль 29, Wi-fi-модуль 30, а также может быть использован радио-модуль 31. К плате 7 относятся блок 32 зарядки аккумулятора 10, блок 33 управления, который связан с электродвигателем 15 и другими силовыми приводами 34, а также с произвольными периферийными устройствами 35. Плата 5 и плата 7 сообщаются шиной 36 обмена данными. Беспроводную связь осуществляют посредством либо Bluetooth-, либо Wi-fi-, либо радио- канала 37 связи, через который экспериментальный модуль имеет выход на дисплей 38 компьютера, либо планшета, либо телефона, либо смартфона либо подобного устройства.The exemplary robotic experimental module equipment assembly diagram shown in FIG. 14 includes a controller board 5 (open architecture platform) and an expansion board 7 (peripheral device control board). The board 5 includes a set of sensor devices, including an accelerometer 25, a gyroscope 26 and a compass 27, a Bluetooth module 29, a Wi-fi module 30, and a radio module 31 can also be used. The board 7 includes a battery charging unit 32, 10, a control unit 33, which is connected to the electric motor 15 and other power drives 34, as well as to arbitrary peripheral devices 35. The board 5 and the board 7 are communicated by the data exchange bus 36. Wireless communication is carried out through either Bluetooth, or Wi-fi, or a radio communication channel 37, through which the experimental module has an output to the display 38 of a computer, or tablet, or phone, smartphone, or similar device.

Учебный прибор с обучающим роботизированным экспериментальным модулем предназначен для поставки в учебные заведения в виде набора-конструктора с инструкцией по сбору различных вариантов модуля для проведения опытов и демонстраций и всеми необходимыми для этого деталями. Плата 7 расширения обеспечивает дистанционное управление обучающим модулем, например, с компьютера через Bluetooth-модуль 29, подключение аккумулятора 10 к электронным схемам, сигнализацию о состоянии устройства с помощью зеленого и красного светодиодов 8. Сигнальные светодиоды 8 и магнитоуправляемый контакт (геркон 9) поставляются припаянными с помощью гибких кабелей к плате 7 расширения. В собранном виде плата 5 контроллера и плата 7 расширения экспериментального модуля связаны межу собой шиной 36, установлены на раме 4 и помещены внутрь шарообразного корпуса 1 в предназначенные для них ложементы. Зарядку аккумулятора 10 осуществляют без разъединения полушарий корпуса 1 с помощью зарядного устройства через разъем 12 зарядного устройства, укрепленный на раме 4.A training device with a training robotic experimental module is intended for delivery to educational institutions in the form of a designer kit with instructions for collecting various module options for conducting experiments and demonstrations and all the necessary details for this. Expansion board 7 provides remote control of the training module, for example, from a computer via Bluetooth module 29, connecting the battery 10 to electronic circuits, signaling the device status using green and red LEDs 8. Signal LEDs 8 and magnetically controlled contact (reed switch 9) are delivered soldered using flexible cables to expansion board 7. In assembled form, the controller board 5 and the expansion board 7 of the experimental module are interconnected by a bus 36, mounted on the frame 4 and placed inside the spherical body 1 in the lodgements intended for them. Charging the battery 10 is carried out without disconnecting the hemispheres of the housing 1 using the charger through the connector 12 of the charger, mounted on the frame 4.

В зависимости от задачи, которая будет поставлена для обучения, учебный прибор передают обучающимся либо в собранном виде, либо в разобранном. Собирают прибор следующим образом. Сборку варианта, изображенного на фиг. 1-3, производят с использованием комплекта креплений - винтов и гаек (не показано). Винты с потайными головками (не показано) нужны в конце сборки для крепления полушарий корпуса 1 к раме 4. Устанавливают плату 5 контроллера на раме 4, затем крепят груз 6 балансировки. Плату 7 расширения закрепляют на плате 5 контроллера путем введения всех контактов платы 7 в гнезда на плате 5, затем легким сдавливанием плат 5 и 7 соединяют до упора. После этого сигнальные светодиоды 8 и магнитоуправляемый контакт (геркон 9) на гибких проводах вводят в соответствующие гнезда рамы 4. Кабель, идущий от расположенного на раме 4 разъема 12, соединяют с контактами на плате 7 с соблюдением полярности.Depending on the task that will be set for training, the training device is passed to students either assembled or disassembled. Assemble the device as follows. The assembly of the embodiment shown in FIG. 1-3, produced using a set of fasteners - screws and nuts (not shown). Countersunk screws (not shown) are needed at the end of the assembly to secure the hemispheres of the housing 1 to the frame 4. Install the controller board 5 on the frame 4, then load the balancing load 6. The expansion board 7 is fixed to the controller board 5 by inserting all the contacts of the board 7 into the slots on the board 5, then, by lightly squeezing the boards 5 and 7, are connected until they stop. After that, the signal LEDs 8 and the magnetically controlled contact (reed switch 9) on the flexible wires are inserted into the corresponding sockets of the frame 4. The cable coming from the connector 12 located on the frame 4 is connected to the contacts on the board 7 with the correct polarity.

Затем аккумулятор 10 устанавливают на плату 5 контроллера и прижимают пластиной 11 крепления аккумулятора 10 к плате 5, закрепляя винтами. Паз в пластине 11 совпадает с контуром корпуса аккумулятора 10. Кабель аккумулятора 10 протаскивают на противоположную сторону рамы 4 и соединяют с платой 7 расширения с соблюдением полярности. Раму 4 с установленными на ней элементами закрепляют в шарообразном корпусе 1. Рама 4 плотно входит между ребрами жесткости 40 полушария корпуса 1 и прилегает к поверхности полушария. Верхним полушарием с отверстием для разъема 12 разрядного устройства закрывают нижнее так, чтобы разъем 12 был напротив отверстия для него в шарообразном корпусе 1. Закрепляют потайными винтами в отверстиях 3.Then, the battery 10 is installed on the controller board 5 and pressed by the plate 11 for attaching the battery 10 to the board 5, securing with screws. The groove in the plate 11 coincides with the contour of the battery case 10. The battery cable 10 is pulled to the opposite side of the frame 4 and connected to the expansion board 7 in accordance with the polarity. The frame 4 with the elements mounted on it is fixed in a spherical body 1. The frame 4 fits tightly between the stiffening ribs 40 of the hemisphere of the body 1 and is adjacent to the surface of the hemisphere. The upper hemisphere with the hole for the connector 12 of the discharge device closes the bottom so that the connector 12 is opposite the hole for it in the spherical body 1. Fasten with countersunk screws in the holes 3.

При сборке оборудования модуля, изображенного на фиг. 4, с электродвигателем 15 и эксцентриком 16 для проведения нескольких экспериментов, заключающихся в управлении перемещения деталей внутри корпуса 1 через Bluetooth-модуль 29, на раме 4 проводят дополнительный монтаж электродвигателя 15, на оси которого крепят диск с эксцентриком 16. Для сборки модуля, изображенного на фиг. 5, вместо эксцентрика 16 на валу электродвигателя 15 устанавливают маховик 17, а для получения конструкции модуля в соответствии с фиг. 6, на раме 4 симметрично устанавливают два электродвигателя 15 с маховиками 17. Сборка по фиг. 7 предполагает перпендикулярную установку двух электродвигателей 15 с маховиками 17. Для проведения опытов в соответствии с фиг. 9 следует под винт, скрепляющий верхнее полушарие с рамой 4, подложить втулку подвеса и закрепить нить 19. Модули, изображенные на фиг. 11-13, собирают способом, аналогичным вышеописанному. Комплектация сборки зависит от задач, которые будут поставлены перед обучающимися. Собранный обучающий роботизированный экспериментальный модуль пассивной конфигурации работает в режиме сбора и передачи данных о характере собственного движения, а экспериментальный модуль активной конфигурации еще и совершает управляемое движение, заданное программой, либо осуществляемое человеком через беспроводную связь.When assembling the equipment of the module shown in FIG. 4, with an electric motor 15 and an eccentric 16 for conducting several experiments consisting in controlling the movement of parts inside the housing 1 via the Bluetooth module 29, additional mounting of the electric motor 15 is carried out on the frame 4, on the axis of which a disk with an eccentric 16 is mounted. To assemble the module shown in FIG. 5, instead of the eccentric 16, a flywheel 17 is mounted on the shaft of the electric motor 15, and to obtain the design of the module in accordance with FIG. 6, two motors 15 with flywheels 17 are symmetrically mounted on the frame 4. The assembly of FIG. 7 involves the perpendicular installation of two electric motors 15 with flywheels 17. For conducting experiments in accordance with FIG. 9 follows a screw securing the upper hemisphere with the frame 4, place the suspension hub and fasten the thread 19. The modules depicted in FIG. 11-13 are collected in a manner analogous to the above. The assembly package depends on the tasks that will be set for students. The assembled training robotic experimental module of the passive configuration operates in the mode of collecting and transmitting data on the nature of its own motion, and the experimental module of the active configuration also performs the controlled movement specified by the program or carried out by a person via wireless communication.

Учебный прибор с обучающим роботизированным экспериментальным модулем можно использовать в самых разнообразных экспериментах и демонстрациях. Например, ориентированное и неориентированное качение обучающего модуля пассивной конфигурации шарообразной формы, собранного в соответствии с изображением на фиг. 2 и 3, либо в виде эллипсоида вращения (не показано), либо в виде цилиндра (не показано) по наклонной плоскости 20, горизонтальной плоскости 2 или реборде 18. Это дает возможность исследовать характер скорости, ускорение движения, скорость качения и скорость вращения, возникающие при движении обучающего экспериментального модуля гироскопические моменты, углы поворота и траекторию движения. Сигналы, поступающие от сенсорных устройств (акселерометра 25, гироскопа 26, компаса 27) через канал 37 связи к принимающему устройству (компьютеру, планшету, смартфону), отражаются на дисплее 38 в цифровом виде, либо в виде таблиц, либо кривых и т.д., обрабатываются процессором и сохраняются для дальнейшего анализа. Причем в зависимости от формы модуля будут отличаться его движение и сигналы от сенсорных устройств.A training device with a training robotic experimental module can be used in a wide variety of experiments and demonstrations. For example, oriented and non-oriented rolling of a training module of a passive configuration of a spherical shape assembled in accordance with the image in FIG. 2 and 3, either in the form of an ellipsoid of revolution (not shown), or in the form of a cylinder (not shown) along an inclined plane 20, horizontal plane 2 or flange 18. This makes it possible to study the nature of speed, acceleration of motion, rolling speed and speed of rotation, gyroscopic moments arising from the movement of the training experimental module, rotation angles, and trajectory of movement. The signals from sensor devices (accelerometer 25, gyroscope 26, compass 27) through the communication channel 37 to the receiving device (computer, tablet, smartphone) are displayed on the display 38 in digital form, either in the form of tables, or curves, etc. ., are processed by the processor and saved for further analysis. Moreover, depending on the shape of the module, its movement and signals from touch devices will differ.

Более сложный обучающий модуль активной конфигурации, собранный в соответствии с изображением на фиг. 4, снабженный электродвигателем 15 и эксцентриком 16, с управляемым перемещением деталей внутри шарообразного корпуса 1 (а также эллипсоида вращения и цилиндра), можно также использовать для исследования ориентированного и неориентированного качения обучающего модуля, скорости и ускорения движения, скорости качения и скорости вращения, том числе и возникающих при движении обучающего модуля с эксцентриком 16 гироскопических моментов, углов поворота и траектории движения. Такой обучающий модуль может управляемо двигаться вверх и вниз по наклонной плоскости 20, реборде 18, совершать различные движения на горизонтальной плоскости 22.A more complex learning module of the active configuration, assembled in accordance with the image in FIG. 4, equipped with an electric motor 15 and an eccentric 16, with controlled movement of parts inside the spherical body 1 (as well as an ellipsoid of revolution and a cylinder), can also be used to study the oriented and non-oriented rolling of the training module, speed and acceleration of movement, rolling speed and rotation speed, volume the number and occurring during the movement of the training module with the eccentric 16 gyroscopic moments, rotation angles and trajectories. Such a training module can controllably move up and down the inclined plane 20, the flange 18, to make various movements on the horizontal plane 22.

Обучающие модули с шарообразным корпусом 1, изображенные на фиг. 5, 6, 7, (а также эллипсоида вращения и цилиндра), снабженные маховиками 17, можно использовать для определения гироскопического момента, инерционных сил и момента инерции, исследования изменения траектории движения обучающего модуля, ускорения и замедления движения обучающего модуля в зависимости от совпадения либо несовпадения направления движения модуля и маховика 17, либо маховиков 17. Обучающий модуль пассивной конфигурации - не имеющий двигающихся деталей внутри корпуса 1, и активной конфигурации - имеющий электродвигатель 15 с эксцентриком 16, либо с маховиком 17 или маховиками 17, будут вести себя по-разному, будучи подвешенными на нити 19, как изображено на фиг. 9. Такие сборки позволяют проводить опыты с маятниковым подвесом, имеющим инерционное качание, либо управляемое движение.The training modules with spherical housing 1 shown in FIG. 5, 6, 7, (as well as an ellipsoid of revolution and cylinder) equipped with flywheels 17, can be used to determine the gyroscopic moment, inertial forces and moment of inertia, study changes in the trajectory of the training module, acceleration and deceleration of the training module depending on whether inconsistencies in the direction of movement of the module and the flywheel 17, or the flywheels 17. The training module is a passive configuration - without moving parts inside the housing 1, and an active configuration - having an electric motor 15 with an eccentric com 16 or 17 with the flywheel or flywheels 17 will behave differently, being suspended from the yarn 19 as shown in FIG. 9. Such assemblies allow experiments with a pendulum suspension having inertial swing, or controlled movement.

Обучающий модуль с кубическим корпусом 21 (или в виде параллелепипеда - не показано) активной конфигурации с подвижными деталями (например, электродвигателем 15 и маховиком 17) внутри можно использовать, например, в эксперименте, изображенном на фиг. 11, определяя устойчивость к опрокидыванию. Обучающий модуль с кубическим корпусом 21 (или в виде параллелепипеда) активной конфигурации с подвижными деталями внутри (электродвигателем 15 и эксцентриком 16, либо маховиком (маховиками) 17, управляемый через Bluetooth-модуль 29, можно использовать, например, в экспериментах, изображенных на фиг. 11 и 12, определяя устойчивость к опрокидыванию, движение вверх по наклонной плоскости, движение с эксцентриситетом или удержание равновесия и многое другое.The training module with a cubic body 21 (or in the form of a parallelepiped - not shown) of an active configuration with moving parts (for example, an electric motor 15 and a flywheel 17) inside can be used, for example, in the experiment depicted in FIG. 11, determining rollover stability. A training module with a cubic body 21 (or in the form of a parallelepiped) of an active configuration with moving parts inside (an electric motor 15 and an eccentric 16, or a flywheel (flywheels) 17, controlled via a Bluetooth module 29, can be used, for example, in the experiments depicted in FIG. 11 and 12, defining rollover stability, moving upward along an inclined plane, moving with eccentricity or maintaining equilibrium, and much more.

Обучающий модуль с шарообразным корпусом 1, каплеобразным корпусом 23 (или в виде эллипсоида вращения, или в виде конуса - не показано) пассивной конфигурации - без подвижных деталей внутри корпуса 1 или корпуса 23 можно использовать, например, в эксперименте, изображенном на фиг. 13, для демонстрации и изучения свойств аэродинамически обтекаемого тела при падении в жидкость, находящуюся в сосуде 24. При этом сигналы, поступающие от сенсорных устройств (акселерометра 25, гироскопа 26, компаса 27) через канал 37 связи к принимающему устройству (компьютеру, планшету, смартфону) отражаются на дисплее 38 в цифровом виде, либо в виде таблиц, либо кривых и т.д., обрабатываются процессором и сохраняются для дальнейшего анализа.The training module with a spherical housing 1, a drop-shaped housing 23 (either in the form of an ellipsoid of rotation or in the form of a cone - not shown) of a passive configuration — without moving parts inside the housing 1 or the housing 23, can be used, for example, in the experiment depicted in FIG. 13, to demonstrate and study the properties of an aerodynamically streamlined body when dropped into a liquid in a vessel 24. In this case, the signals from sensor devices (accelerometer 25, gyroscope 26, compass 27) through the communication channel 37 to the receiving device (computer, tablet, smartphone) are displayed on the display 38 in digital form, either in the form of tables, or curves, etc., processed by the processor and stored for further analysis.

Поскольку перед проведением экспериментов с обучающим роботизированным экспериментальным модулем ученики либо студенты предварительно должны ознакомиться с основами электроники и алгоритмизации, а затем собрать экспериментальный модуль, протестировать его работу и выполнить задания по изучению 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 электронной и измерительной техникой.Since before conducting experiments with a teaching robotic experimental module, students or students must first familiarize themselves with the basics of electronics and algorithmization, and then assemble the experimental module, test its work and perform tasks on the study of mechanics using this module, its use in the training program makes it possible to simultaneously obtaining not only theoretical knowledge, but also the acquisition of practical skills in working with electronic and measuring equipment.

Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности и многофункциональности учебного прибора за счет автономности экспериментального модуля и реализации возможности беспроводной передачи информации от сенсорных устройств, а также роботизации экспериментального модуля при одновременном обучении основам электроники, электротехники, механики и алгоритмизации.Thus, the technical result achieved using the claimed invention is to increase the versatility and versatility of the training device due to the autonomy of the experimental module and the possibility of wireless transmission of information from touch devices, as well as robotization of the experimental module while teaching the basics of electronics, electrical engineering, mechanics and algorithms.

Claims

1. A training device, including an experimental module, a control system with an electric motor, sensor devices connected to the display through a controller, characterized in that the housing of the experimental module is hollow and detachable, while the control system is provided with a controller board and an expansion board connected together, and the device is equipped with a battery with a charger, an eccentric, at least one flywheel, a set of wires, a set of fasteners and a frame for installing equipment, and the control board RA, expansion board, electric motor, cam, battery, flywheel are made to be installed on this frame, and the frame is made to be installed inside a hollow detachable case, and the communication with the display is made wireless, while the sensor devices are located on the controller board.

2. The device according to claim 1, characterized in that the sensor devices include an accelerometer, a gyroscope and a compass, and the controller board includes and / or a Bluetooth module, and / or a Wi-fi module, and / or a radio module, the board expansion includes a battery charging unit, a motor control unit and other power drives, as well as arbitrary peripheral devices.

3. The device according to claim 1, characterized in that the hollow detachable housing of the experimental module is made in a spherical shape, either in the form of a symmetric or asymmetric ellipsoid of revolution, or in a cubic shape, either in the form of a parallelepiped, or in the form of a cylinder, or in the form of a cone, or teardrop shaped.

4. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a load for balancing and a balancing plate, and the expansion board is equipped with signal LEDs and a magnetically controlled contact - a reed switch, while the load for balancing is made with the possibility of mounting on a frame for equipment installation.