ЭЛЕМЕНТ КОНСТРУКТОРА И КОНСТРУКТОР
TOY CONSTRUCTION SET ELEMENT AND TOY CONSTRUCTION SET

Настоящая группа изобретений относится к элементам конструктора, которые могут быть использованы как в детских строительных наборах и головоломках, так и в конструкторах с унифицированными деталями для создания различных трансформируемых моделей.
Известен используемый в качестве игрушки или обучающего инструмента элемент, содержащий центральную деталь и соединительную деталь, причем центральная деталь содержит соединительную часть и, по меньшей мере, одну опоясывающую канавку, а соединительная деталь содержит проушину и концевую часть, которая соединена с соединительной частью центральной детали и проушина ответно дополняет опоясывающую канавку примыкающей центральной детали. Соединение нескольких соединяемых элементов может быть в разных направлениях от соединяемого элемента. Из множества известных элементов могут быть получены пространственные структуры (патент RU 2642530 С2, опубликовано 25.01.2018).
Известен элемент конструктора, имеющий в основе шестигранник с центральным отверстием и с выступами на боковых гранях, при этом выступы на противоположных гранях размещены попарно напротив друг друга, причем шестигранник снабжен двумя группами дополнительных выступов, каждая из которых включает в себя четыре выступа, идентичные выступам на боковых гранях и размещенные на каждом основании элемента по углам центрального отверстия попарно напротив друг друга (патент RU 4236 U1, опубликовано 16.06.1997 г. ).
Известен многоугольный элемент для формирования многогранных структур (игровой конструктор) путем шарнирного соединения множества таких элементов встык, в котором каждый боковой край многоугольного элемента содержит внутренний край и внешний край, первый и второй выступы, проходящие наружу от внешнего края и определяющие между ними выемку, указанный первый выступ, состоящий из пары разнесенных деталей, причем внешние боковые поверхности указанных деталей расположены на расстоянии, внешняя поверхность этой детали, прилегающая к упомянутому второму выступу, образующая первую боковую сторону указанной выемки и образующую опорную поверхность, вторая боковая поверхность упомянутой выемки, сформированная на упомянутом втором выступе и имеющая шарнирное гнездо, образованное в нем, а внешняя боковая поверхность детали снабжена шарнирным выступом (патент US 5501626 А, опубликовано 26.03.1996).
В качестве ближайшего аналога выбран элемент конструктора, который содержит основной элемент и размещенные на нем выступающие части, которые образуют четыре группы выступов. В первой группе выступы выполнены с крестообразным поперечным сечением. Во второй группе выступы выполнены трубчатыми с поперечным сечением в виде квадрата. В третьей группе выступы выполнены в виде прямоугольных пластин, имеющих по коротким сторонам бортики. Бортики наклонены друг к другу с образованием зазора между их концевыми частями. В четвертой группе выступы выполнены в виде уголков, полки которых размещены перпендикулярно плоскости основания на его смежных торцах заподлицо с этими торцами. Все выступы размещены на основании в соответствии с координатной сеткой. Выступы первой группы расположены в местах пересечения линий координатной сетки, выступы второй группы - в местах пересечения диагоналей ячеек координатной сетки, выступы третьей группы - посередине между расположенными заподлицо с торцами основания концевыми частями соседних выступов первой группы, выступы четвертой группы - в углах основания (патент US 9675900 В2, опубликовано от 13.06.2017).
Известен конструктор, содержащий набор элементов, часть которых выполнена с одним соединительным узлом, а часть с двумя и более соединительными узлами, при этом соединительный узел выполнен в виде объемного тела с гранями, по меньшей мере, часть которых лежит в плоскостях граней куба, при этом по меньшей мере на одной из вышеуказанных граней выполнены выступы, содержащие четыре участка, расположенных по одному в плоскостях граней, смежных с гранью куба, на которой выступы выполнены, а расстояние между центрами соседних кубов, лежащими на оси, перпендикулярной граням кубов, выполнено с возможностью контакта соединяемых элементов конструктора вышеуказанными участками, причем каждая грань соединительного узла, лежащая в плоскости грани куба, лежит либо в плоскости одной из граней куба другого соединительного узла, либо в плоскости, параллельной плоскости одной из граней куба другого соединительного узла (патент RU 2509590 от 20.03.2014).
Общим недостатком известных конструкторов, строительных игрушек и элементов их образующих является то, что когда элементы соединены вместе, они образуют единую, статичную конструкцию и не могут поворачиваться (вращаться) относительно друг друга, чтобы изменить угловое положение, в связи с чем они обеспечивают меньшую вариативность.
Известно устройство головоломки, содержащее множество элементов головоломки и взаимосвязанных накладных шарнирных элементов, причем каждый шарнирный элемент соединяет два из упомянутых элементов головоломки, никакие два объекта головоломки не соединены более чем одним шарнирным элементом, при этом соединенные вместе шарнирами элементы головоломки образуют связанный объект (патент US 8393623 В2, опубликовано от 12.03.2013).
В качестве ближайшего аналога для заявляемого конструктора выбран конструктор, образованный множеством основных элементов, которые шарнирно соединены с помощью соединительных элементов. При этом основные элементы выполнены в виде многогранников, каждый из которых содержит первый полуполиэдрический элемент, имеющий прямую кромку, второй полуполиэдрический элемент, имеющий прямую кромку, совмещенную с краем первого полуполиэдрического элемента; а также шарнир, соединяющий два полуполиэдрических элемента, от края до края; выполненную с возможностью вращения ось, удерживаемую на первом конце и втором конце, соответственно, первым и вторым половинным полиэдрическим элементом, для вращательного соединения полуполиэдрического элементов друг с другом. При этом шарнир, соединяющий половины многогранников по двум краям, представляет собой гибкий пленочный шарнир или неразъемный откидной шарнир (патент US 5538452 В2, опубликовано от 23.07.1996).
Недостатком ближайшего аналога, как и известных конструкторов и головоломок, является невысокие функциональные возможности, связанные с тем, что элементы конструктора предварительно, т.е. перед началом сборки (конструирования), уже соединены между собой шарнирными соединениями, поэтому количество вариантов собираемых конструкций или состояний ограничено и невелико. Кроме того, недостатком ближайшего аналога является ограниченное движение шарнирного соединения, и, соответственно, невысокое количество степеней свободы элементов конструктора, что в свою очередь, снижает функциональные возможности конструктора, уменьшая число вариантов (комбинаций) трансформации конструктора.
В основу настоящей группы изобретений заявленной положена задача создания конструктора с таким конструктивным выполнением его элементов, которое обеспечивает множество вариантов (комбинаций) соединений однотипных и универсальных элементов конструктора и, соответственно, создает большое число различных трансформируемых моделей, например, змейка, куб, калейдоцикл и др.
Технический результат группы изобретений заключается в расширении функциональных возможностей элемента конструктора и конструктора на его основе за счет увеличения вариантов соединения заявленного элемента с однотипными элементами конструктора, а также увеличение числа степеней свободы элементов конструктора за счет нового шарнирного соединения, что также расширяет функциональные возможности конструктора.
Технический результат достигается тем, что элемент конструктора, содержащий выступающие части, согласно изобретению выполнен в виде многогранника, содержащего верхнюю и нижнюю грани и четыре боковые грани, при этом
- первая выступающая часть выполнена на первой боковой грани многогранника и содержит поперечный паз,
- вторая выступающая часть расположена на верхней грани многогранника, выполнена в виде первого параллелепипеда и снабжена отверстием на верхней грани параллелепипеда и фаской на одном из его ребер,
- третья выступающая часть расположена на верхней грани многогранника, примыкая одной из своих боковых граней к первому параллелепипеду, выполнена в виде второго параллелепипеда меньшей высоты, чем первый параллелепипед, и снабжена стержнем на верхней грани параллелепипеда и фаской на ребре, противоположном ребру с фаской первого параллелепипеда,
- на ребре, образованном второй и третьей боковыми гранями многогранника, последняя из которых противоположна первой боковой грани многогранника, расположена фаска,
- на ребре, образованном третьей и четвертой боковыми гранями многогранника, последняя из которых смежна с первой боковой гранью многогранника, расположена проушина.
Технический результат достигается также тем, что конструктор, содержащий элементы конструктора, выполненные с возможностью соединения друг с другом, и соединительные элементы, выполненные с возможностью соединения элементов конструктора, причем каждый элемент конструктора выполнен в виде многогранника, содержащего верхнюю и нижнюю грани, четыре боковые грани, и выступающие части, согласно изобретению - первая выступающая часть выполнена на первой боковой грани многогранника и содержит поперечный паз,
- вторая выступающая часть расположена на верхней грани многогранника, выполнена в виде первого параллелепипеда и снабжена отверстием на верхней грани параллелепипеда и фаской на одном из его ребер,
- третья выступающая часть расположена на верхней грани многогранника, примыкая одной из своих боковых граней к первому параллелепипеду, выполнена в виде второго параллелепипеда меньшей высоты, чем первый параллелепипед, и снабжена стержнем на верхней грани параллелепипеда и фаской на ребре, противоположном ребру с фаской первого параллелепипеда,
- на ребре, образованном второй и третьей боковыми гранями многогранника, последняя из которых противоположна первой боковой грани многогранника, расположена фаска,
- на ребре, образованном третьей и четвертой боковыми гранями многогранника, последняя из которых смежна с первой боковой гранью многогранника, расположена проушина,
а каждый соединительный элемент выполнен в виде призмы с сечением в форме овала с расположенными на верхней грани в краевых частях стержнями с возможностью соединения с элементами конструктора верхней гранью соединительного элемента с верхними гранями элементов конструктора и с возможностью прохождения стержней соединительного элемента сквозь проушины элементов конструктора, расположенных примыкающими друг к другу вторыми и четвертыми боковыми гранями, при этом, по меньшей мере, восемь элементов конструктора выполнены с возможностью соединения с, по меньшей мере, двумя соединительными элементами с образованием шарнирного соединения двойного действия.
Настоящая группа изобретений поясняется чертежами (фиг. 1-7), пример выполнения элемента конструктора и конструктора на которых, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения заявленного технического результата. При этом приведенные примеры выполнения заявленной группы изобретений не ограничивают возможностей ее осуществления, не выходящих за рамки формулы изобретения, и не являются исчерпывающими.
На фиг. 1 изображен заявляемый элемент конструктора.
На фиг. 2 показана последовательность (схема) соединения элементов конструктора и соединительных элементов при осуществлении сборки конструктора.
На фиг. 3 представлена модель конструктора «калейдоцикл» и вариант ее трансформации.
На фиг. 4 представлена трансформируемая модель «змейка».
На фиг. 5 показаны два варианта трансформации модели «змейка».
На фиг. 6 представлен принцип действия шарнирного соединения двойного действия.
На фиг. 7 представлены возможные варианты трансформации конструктора.
Элемент конструктора выполнен в виде многогранника 1 с выступающими частями, выполненными с возможностью соединения с ответными выступающими частями других элементов конструктора. Многогранник 1 содержит верхнюю грань 2, нижнюю грань 3, первую боковую грань 4, вторую боковую грань 5, третью боковую грань 6 и четвертую боковую грань 7 (фиг. 1 и 2).
Первая выступающая часть 8 выполнена на первой боковой грани 4 многогранника 1 и содержит поперечный паз 9. Вторая выступающая часть 10 расположена на верхней грани 2 многогранника 1, выполнена в виде первого параллелепипеда 11 и снабжена отверстием 12 на верхней грани 13 параллелепипеда 11 и фаской 14 на одном из ребер параллелепипеда 11 (фиг. 1). Третья выступающая часть 15 расположена на верхней грани 2 многогранника 1, примыкая одной из своих боковых граней к первому параллелепипеду 11, выполнена в виде второго параллелепипеда 16 меньшей высоты, чем первый параллелепипед 11, и снабжена стержнем 17 на верхней грани 18 параллелепипеда 16 и фаской 19 на ребре, противоположном ребру с фаской 14 первого параллелепипеда 11. Стержень 17 жестко соединен с параллелепипедом 16 и может быть выполнен в виде штыря или штифта. Отверстие 12 может быть выполнено глухим (фиг. 1).
На ребре 20, образованном второй боковой гранью 5 и третьей боковой гранью 6 многогранника 1, причем третья грань 6 противоположна первой боковой грани 4 многогранника 1, располагается фаска 21. На ребре 22, образованном третьей боковой гранью 6 и четвертой боковой гранью 7 многогранника 1, причем четвертая грань 7 расположена смежно с первой боковой гранью 4, расположена проушина 23 (фиг. 1, 2).
Конструктор содержит элементы конструктора 1, которые выполнены с возможностью соединения друг с другом, и содержит соединительные элементы 24, выполненные с возможностью соединения элементов 1 и совершения элементами 1 вращательных движений. Каждый элемент конструктора выполнен в виде многогранника 1 с верхней гранью 2, нижней гранью 3, первой боковой гранью 4, второй боковой гранью 5, третьей боковой гранью 6 и четвертой боковой гранью 7 и выступающими частями. Соединительные элементы 24 выполнены в виде призмы с сечением в форме овала и содержат расположенные на верхней грани 25 в периферийных (концевых) частях два стержня 26.
Соединительные элементы 24 выполнены с возможностью шарнирного соединения с двумя элементами конструктора таким образом, что верхняя грань 25 соединительного элемента 24 примыкает к верхним граням 2 многогранников 1 и с возможностью прохождения стержней 26 элемента 24 сквозь проушины 23 многогранников 1, которые расположены примыкающими друг к другу второй и четвертой боковыми гранями 5 и 7. Стержни 26 могут быть выполнены в виде штифтов или штырей (фиг. 2-5). При этом, по меньшей мере, четыре элемента конструктора выполнены с возможностью соединения с, по меньшей мере, двумя соединительными элементами 24 с образованием шарнирного соединения двойного действия (называемый также двухсторонней, маятниковой петлей/шарниром, механическая версия тритетрафлексагона).
Конструктор собирается следующим образом.
Сначала соединяют многогранники 1 друг с другом с образованием фигур 27 (фиг. 2, 3). Соединение происходит следующим образом: параллелепипед 11 первого многогранника 1 фаской 14 входит в паз 9 второго смежного многогранника 1, а параллелепипед 16 третьего многогранника 1 входит фаской 19 в паз 9 четвертого смежного многогранника 1. В отверстия 12 многогранников 1 входят стержни 17 многогранников 1, которые размещаются с противоположных сторон. Затем стержни 26 элементов 24 вставляются в проушины 23 многогранников 1 (фиг. 2). Элементы 24 выполнены с возможностью шарнирного соединения с двумя многогранниками 1 таким образом, что верхняя грань 25 соединительного элемента 24 примыкает к верхним граням 2 многогранников 1. Стержни 26 элемента 24 вставляются в проушины 23 многогранников 1, которые расположены примыкающими друг к другу второй и четвертой боковыми гранями 5 и 7. Стержни 26 могут быть выполнены в виде штифтов или штырей (фиг.2-5).
Благодаря тому, что многогранники 1 и элементы 24 являются унифицированными в заявленном конструкторе расширяются функциональные возможности, т.к. увеличивается количество вариантов соединения элементов конструктора с однотипными элементами конструктора.
Образующееся при сборке элементов конструктора и деталей 24 соединение представляет собой двухстороннее шарнирное соединение, которое обеспечивает возможность вращения собираемых элементов конструктора вокруг осей А, А', Б, Б', проходящих через отверстия проушин 23, с появлением реверсивности, т.е. возможности движения в обратном направлении, что наглядно можно видеть на фиг. 6 и фиг. 7.
Взаимообратное расположение соединительных элементов 24 наделяет шарнирное соединение двойного действия реверсивными свойствами. Выполнение элементов конструктора заявленным образом и применение в конструкции конструктора шарнирных соединений двойного действия увеличивает число степеней свободы элементов конструктора, и, соответственно, увеличивает количество возможных комбинаций сборки. Так, на фиг. 3-7 представлены лишь некоторые возможные комбинации и их трансформации. Например, замкнутая модель на фиг. 5 может быть трансформирована в змейку на фиг. 4. Например, конструктор может представлять собой замкнутую трансформируемую модель «калейдоцикл», содержащую 6 фигур 27, т.е. 24 многогранника 1 и 12 соединительных элементов 24 (фиг. 3). На фиг. 3 стрелками показана возможность трансформации «калейдоцикла» из правой модели в левую и наоборот. Или конструктор может представлять собой незамкнутую модель «змейку», которая, как, например, на фиг. 4 содержит шесть фигур 27, т.е. 24 многогранника 1 и 12 элементов 24. Самой простой моделью сборки конструктора является две фигуры 27, т.е. 8 многогранников 1 и два элемента 24. Далее количество фигур 27 в конструкторе можно варьировать, увеличивая количество многогранников 1 и соединительных элементов 24 таким образом, чтобы как минимум четыре многогранника 1 имели возможность соединяться как минимум с двумя элементами 24. В этом случае появляется шарнирное соединение двойного действия с реверсивными свойствами.
Заявляемый конструктор способствует стимуляции пространственного мышления, развитию навыков мелкой моторики и координированной деятельности рук, что особенно важно для лиц с задержкой развития, нарушениями формирования двигательных стереотипов, нарушениями движения пальцев руки при сердечно-сосудистых заболеваниях или травмах. В этих случаях конструктор может быть использован как развивающее средство или терапевтическое средство (тренажер) медицинского назначения.
Вариантом сборки конструктора может быть замкнутая по контуру модель «калейдоцикл» (фиг. 3). Калейдоцикл содержит шесть фигур 27, каждая из которых собрана из четырех многогранников 1, при этом каждая фигура 27 соединена с одной стороны двумя элементами 24 с такой же фигурой 27 и с другой стороны двумя элементами 24 с фигурой 27.
Собираемая из деталей конструктора фигура (трансформируемая модель) может и не быть замкнута по контуру, представляя собой «змейку» (фиг. 4 и 5). Число образующих ее многогранников 1 и шарниров двойного действия неограниченно.