КОНСТРУКТОР ИЗ КУБИКОВ
CONSTRUCTOR FROM CUBES

Устройство относится к области детских игровых строительных наборов, в частности к игровым конструкторам, собираемым из кубиков с применением съемных соединительных элементов. Предлагаемая схема разборных соединений позволяет надежное крепление сопрягаемых кубиков по нескольким, отдельно выбранным, либо одновременно по всем их шести граням. Собранные конструкции не требуют никаких внешних удерживающих, соединяющих или ограничивающих каркасов и способны воспринимать значительные нагрузки во всех направлениях. Базовыми сборочными деталями служат однотипные кубики и съемные фиксирующие элементы для их крепления. Преимуществом является возможность синтеза обширного круга, как статичных конструкций, так и подвижных механизмов.
Известен конструктор, обеспечивающий разборное соединение многогранных элементов с помощью круглых фиксаторов, устанавливаемых в отверстия по центрам всех граней. При этом, соосно с отверстиями на гранях выполняются кольцевые цилиндрические расточки. Фиксатор представляет собой симметричный стержень с цилиндрическим буртиком посередине и двумя концами, снабженными упруго-защелкивающимися замками. При монтаже фиксатор вставляется в отверстия двух стыкуемых элементов, например, кубиков. Его замки на обоих концах защелкиваются с опорой на конструктивные элементы внутренних полостей кубиков, а центральный буртик упирается в цилиндрические расточки на сопрягаемых гранях. (Патент США №2885822 от 12.05.1959 г.). Эта конструкция позволяет скрепление кубиков парами по любым избранным граням, но не обладает достаточной прочностью на разрыв из-за применения упругих фиксаторов. Соединение нежесткое. Кроме того, принцип скрепления двух кубиков не обеспечивает их угловую фиксацию: кубики могут самопроизвольно развернуться относительно друг-друга вокруг оси фиксатора. Есть излишние степени свободы. Боковые грани при этом не станут совпадать, что может быть важно для конструкции либо условий дальнейшей сборки. Неосуществимо создание непрерывного массива кубиков с креплением по всем шести граням из-за невозможности сближения их одновременно по двум-трем координатам с вводом фиксаторов в отверстия граней.
Известен, также конструктор, содержащий модули в виде полых кубиков с открытыми квадратными окнами на всех гранях; вставные соединительные элементы в виде четырех попарно соединенных брусков и приемный контейнер типа увеличенного кубика с боковыми стенками и дном. Верхняя сторона контейнера закрывается съемной крышкой с блокировочными устройствами. Сборка кубиков производится сдвиганием кубиков друг с другом при размещении в окнах их сопрягаемых граней вставного соединительного элемента. При этом конструкция соединительного элемента позволяет расположение кубиков со смещением по двум координатам грани на половину длины их ребра. (Патент RU №2261750 С2, МПК7 А63Н 33/10, от 31.01.2001 г.). Технические недостатки данного конструктора (принимаемого за прототип):
- Трудность использования собранной конструкции без приемного контейнера. Он выполняет функции объединения и замыкания модулей, препятствуя их самопроизвольному распаду. Габариты конструкции должны согласовываться с размерами контейнера и не могут выходить за его пределы. Нужно упирать кубики в стенки контейнера, причем упоры по каждой координате необходимы одновременно с двух противоположных направлений. Это исключит сдвиг всей конструкции и отдельных ее кубиков относительно контейнера. Последний ограничивает зоны размещения и условия применения дополнительных модулей (типа колес, различных кронштейнов и др.)
- Ненадежность сборки промежуточных блоков из нескольких кубиков. При попытке взять блок за любой кубик и наклонить его в разных плоскостях он может разрушиться под действием своего веса. Это происходит из-за того, что крепежные элементы выдвигаются из окон перпендикулярно их сопрягаемым граням и фиксируются слабо. Не изменит ситуацию и частичный упор по соседним боковым кубикам. Невысокие защелкивающиеся буртики не гарантируют жесткое и прочное крепление из-за непредсказуемой упругой деформации конструкции, кубиков и самих фиксаторов.
- Трудность создания непрерывного массива кубиков с креплением по всем граням. Иногда это невыполнимо геометрически. Смежные кубики сближаются сразу по двум-трем координатам, в том числе перпендикулярно направлениям вставки соединительных элементов. Часть элементов между смежными гранями задвигается в положенные места с трудом, поскольку невозможно сначала установить кубики, а потом зафиксировать их. При этом, элементы придется еще разворачивать и сцеплять между собой. Может потребоваться упругая деформация окон кубиков и фиксаторов.
- Сложна конструкция фиксирующих элементов. Они состоят из четырех объемных деталей типа параллелепипедов, соединенных особым образом в пространстве. На их серединах необходимы выступающие огибающие периферийные края (треугольные буртики), взаимодействующие с кромками окон кубиков. Это односторонние упоры, препятствующие «проваливанию» элементов в полости кубиков. Такое крепление элементов в окнах кубиков ненадежно и недостаточно, т.к. усилия воспринимаются лишь в одном направлении. Элемент, в целом, лишь центрирует кубики по окнам. Невыполним силовой поджим двух кубиков путем двустороннего замыкания усилий через тело фиксатора, расположенного между ними. Существуют ограничения на условия взаимной ориентации фиксаторов по разным граням и расположение параллелепипедов в них. Например, при сдвиге кубика по двум координатам на половину грани. Поэтому, сами фиксирующие элементы не универсальны и не однотипны по геометрии. В некоторых случаях требуются их различные исполнения по размерам и размещению составляющих четырех частей.
- Не решена задача скрепления кубиков и дополнительных модулей на едином принципе. Вводится ряд крепежных элементов других типов. Это квадратные, угловые и ребристые боковые упоры, уступы, посадочные гнезда, шипы, рамки, ступеньки, ножки, защелки и прочее.
- Есть ограничение на уменьшение размеров кубиков. Если кубики достаточно малы, то манипулирование внутри их окон фиксирующими элементами для установки / снятия с помощью пальцев рук значительно затрудняется.
- Нежесткая и не совсем технологичная конструкция кубиков из-за полого исполнения. Сомнительно восприятие внешних нагрузок (помимо веса самой конструкции), в частности, при попытках установки дополнительных элементов без жесткого упора в стенки контейнера. Кроме того, для беззазорного прилегания граней кубиков друг к другу необходимо выполнение внешних скосов (фасок) на стенках всех окон с целью размещения между ними треугольных буртиков фиксирующих элементов.
- Не видно путей улучшения конструкции для придания ей большей прочности, жесткости, упрощения условий сборки / разборки и снятия ограничений на габариты. В том числе с целью снижения стоимости, простоты и технологичности изготовления при массовом производстве. Трудно получить дополнительные полезные свойства, отмеченные далее и реализуемые в предлагаемой схеме фиксации кубиков.
Техническая задача, решаемая в изобретении: принципиальная переработка конструкции кубических модулей прототипа, а также способа установки и конструкции соединительных элементов, обеспечивающая выполнение и улучшение всех прежних функций. С одновременным добавлением новых и недостижимых ранее эксплуатационных свойств. В частности, это реализация возможности сборки сплошного массива кубиков. Предлагается применить монолитные кубики в комплекте с фиксирующими элементами более простой, стержневой конструкции. С одновременным изменением направления взаимных движений кубиков и фиксаторов в процессе совмещения граней кубиков при монтаже, определяемых новым принципом крепления. Это дает резкое упрочнение зон соединения кубиков за счет внутреннего замыкания основных крепежных усилий через тела фиксаторов. Попутной целью является адаптация геометрической формы и конструкции двух этих базовых деталей для массового производства, в частности при автоматизированном литье из пластмасс.
Изобретение поясняется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 Чертеж варианта исполнения основных элементов;
Фиг. 2 Варианты поперечных сечений пазов и фиксатора;
Фиг. 3 Пример сборки монолитного блока в форме куба;
Фиг. 4 Вид и примеры применения облицовочных панелей;
Фиг. 5 Примеры модулей-кубиков с изменением одной грани;
Фиг. 6 Примеры деталей с присоединительным шипом \ пазом;
Фиг. 7 Исполнение кубика со сквозными отверстиями-пазами;
Фиг. 8 Пример установки в конструкцию армирующего стержня;
Фиг. 9 Пример исполнения универсального кубика
Вариант конструктивной реализации модуля кубика и фиксатора показан на Фиг. 1. Базовый сборочный модуль «А» является полнотелым кубиком с высотой ребра «h». На каждой его грани есть минимум один паз, параллельный двум ребрам куба, лежащим в плоскости той же грани. Пазов на грани может быть более одного. Они могут быть как параллельны, так и перпендикулярны друг другу с крестообразным пересечением. Пазы могут располагаться на разных расстояниях от ребер, в том числе и по центру. На взаимно перпендикулярных гранях куба они могут пересекаться или скрещиваться. Все пазы однотипны, с идентичными размерами и профилем сечения. Ширина паза в плоскости грани меньше ширины одного из аналогичных его сечений, отодвинутых от грани в тело кубика. С точки зрения простоты изготовления и достаточности выполнения необходимых функций удобно использовать кубики только с 6 непересекающимися пазами, расположенными по центрам граней, как показано на Фиг. 1. По одному пазу на каждой грани куба. Причем, пазы попарно параллельны. Каждая пара пазов ориентирована вдоль одной из осей трехмерной системы координат, и пазы лежат в противоположных параллельных гранях. Пазы на взаимно перпендикулярных гранях куба, скрещиваются не пересекаясь. Эта схема удобна для унификации длин фиксаторов с исключением ситуаций наложения и утыкания их друг в друга при сборке. А при монтаже все кубики однообразно разворачиваются всеми однотипными гранями. Пазы по одной из координат последовательно вытягиваются в одну линию. Это преимущество для сборки групп кубиков длинными фиксаторами. Сам фиксатор (крепежный элемент), обозначенный «В», является прямым стержнем постоянного по всей длине сечения. В общем случае с перпендикулярно срезанными торцами. Базовая длина фиксатора равна размеру «h», длине ребра куба «А». Применение такого исполнения вполне достаточно для компоновки любого типа конструкций. Для ускорения сборки и повышения жесткости блоков можно использовать фиксаторы увеличенной длины, кратной длине ребра куба. Условно обозначим их «2В», «3В», «nB»; где цифры или индес «n» - целое число, задающее длину фиксатора кратную размеру «h». Для пояснения геометрии фиксатора обратимся к чертежу на Фиг. 2. Показано несколько вариантов поперечных сечений стержня. Все они симметричны относительно двух координат «х» и «у» с целью произвольного разворота фиксатора при монтаже в пазы всех кубиков. В сечении фиксатор содержит две широкие зоны и одну узкую, расположенную между широкими. Площадь поперечного сечения фиксатора вписывается в площадь фигуры, образованной пограничными линиями внешних контуров двух зеркально совмещенных пазов, принадлежащих двум сопрягаемым кубикам. Пазы при совмещении граней совпадают по ширине в плоскости стыковки «S», так как они однотипны, параллельны и находятся на одинаковых расстояниях от ребер. Ширина пазов измеряется в направлении, перпендикулярном их длине,. Граничные линии контуров двух пазов в поперечном сечении объединяются в непрерывный замкнутый периметр. Цель соединения - обеспечить удержание двух кубиков, прижатых гранями по плоскости «S», т.е. невозможность их отдаления друг от друга по оси «у» (нормали к «S»). Для этого поперечный размер «I» ширины пазов по оси «х», в плоскости стыковки должен быть заведомо меньше хотя бы одного из других аналогичных размеров в параллельных сечениях фиксатора, отодвинутых от плоскости «S» в тело кубика на некоторое расстояние. Например, меньше размера «т», в максимально-отдаленном сечении. Это условие скрепления кубиков по пазам посредством тела фиксатора. Широкая часть тела фиксатора, упираясь в более узкую щель на стыке пазов, препятствует отрыву кубиков друг от друга. Чтобы соединять оба кубика требование большего размера по ширине должно выполняться одновременно для обоих широких частей установленного фиксатора по обе стороны от плоскости стыковки. Т.е., какие-то два независимых друг от друга размера «m» фиксатора в двух параллельных плоскостях, по обе стороны от плоскости стыка «S» должны быть заведомо больше ширины «I» пазов в зоне стыка. Как в сторону тела одного кубика, так и в сторону другого. Тогда фиксатор невозможно сместить вдоль оси «у» ни вверх, ни вниз от плоскости стыка, что и требуется от соединения. Без деформации или разрушения деталей разделение кубиков невозможно. Даже симметрия сечений с этой точки зрения не важна. Она играет другую, не менее ценную роль, связанную с унификацией присоединительных размеров всех модулей при любых их разворотах. Профили сечений пазов и фиксатора должны исключать излишние зазоры в сопряжениях фиксатора с пазами вдоль осей «х» и «у» и при любых поворотах. Допускается сдвиг фиксатора относительно кубиков лишь в одном направлении: перпендикулярно чертежу, вдоль стержня. Перемещение в этом направлении и является сборочным. Таким условиям могут отвечать множество профилей пазов и согласованных с ними сечений фиксаторов. Контуры пазов могут образовываться из элементов любой геометрии: плоскостей, нескольких цилиндрических поверхностей разной кривизны и др. Обратим внимание на то, что площадь и форма поперечного сечения фиксатора не обязательно должна строго совпадать с формой и площадью фигуры, образованной совмещением контуров двух пазов. В некоторых сечениях фиксатора по осям «х» \ «у» его ширина \ высота может быть и меньше ширины \ высоты паза в данном месте. И, общая площадь сечения фиксатора, соответственно, будет меньше суммарной площади пазов. Он вписывается в площадь пазов с контактом по заданным точкам. Например, при согласовании взаимных размеров вполне допустимо применение фиксатора «гантелеобразного» сечения в паре с призматическими пазами. Т.е. сечение фиксатора выполнить по форме аналогично среднему изображению на Фиг. 2., а сечение пазов - аналогично виду, показанному на чертеже слева. Предпочтительно соединение с применением фиксатора вида «двойной ласточкин хвост» (показано слева), в силу простоты, прочности и технологичности изготовления. В данном случае сечение фиксатора практически полностью соответствует по форме и заполняет всю площадь поперечного сечения, создаваемого контурами двух трапециедальных пазов. Известный паз типа «ласточкин хвост» образуется из трех плоскостей, причем контакт на удержание деталей допустим только по двум из них, наклонным. Это снижает требования к точности геометрии стержня и пазов: не нужно соприкосновение кубиков 9 фиксатором по третьей плоскости. Фиксатор в кубики вставляется с минимальными зазорами, гарантирующими сборку / разборку сдвигом его, либо кубика усилием от руки. Зазоры лучше минимальных натягов, позволительных для пластмасс. Это обусловлено тем, что легче вставлять фиксатор, а при сборке конструкций неизбежно возникнут малые перекосы и некоторые натяги. В целом они полезны и появляются из-за прогиба от веса частей конструкции, температурных деформаций, рабочих нагрузок и неустранимых погрешностей в геометрии изготовленных деталей. Увеличивается трение, и как следствие, силы сопротивления сдвигу, препятствующие самопроизвольному выдвижению фиксаторов. Материал кубиков и фиксаторов - любой, преимущественно твердый прочный пластик. Для более нагруженных конструкций могут использоваться композитные материалы. Возможны разные сочетания пластика, с деревом, металлами и другими плотными материалами. Если прочности и жесткости конструкции не требуется, применимы менее плотные, легкие, гибкие или хрупкие материалы: пенополистирол, капрон, резина, полиуретан, текстолит, органическое или обычное стекло и прочие.
Принцип и порядок сборки деталей подробных пояснений не требует. Отметим, что возможно несколько способов стыковки кубиков по условию направления смещения деталей. Кубики можно просто приставлять друг к другу и вдвигать в пазы между ними фиксаторы с нужной стороны. Либо предварительно установить фиксатор в один из кубиков и смещать последние относительно друг друга вдоль пазов. При разборке чаще придется сначала извлекать фиксаторы, а потом снимать кубики. Монтаж производится как присоединением отдельных кубиков, так и крупными, предварительно собранными блоками. Например, слоями, стержнями, угловыми элементами. Любые ранее собранные блоки не распадутся, т.к. собираются креплением с нескольких сторон и замыканием соседних кубиков друг на друга. Например, уже два кубика, соединенных с применением всего лишь двух фиксаторов образуют чрезвычайно прочную и жесткую конструкцию с внутренним силовым замыканием. Она не склонна к саморазборке. Один фиксатор типа «В» вставляется по стыкуемым граням, а второй, типа «2В» - в боковые, последовательно-совмещенные пазы обоих кубиков. Фиксаторы скрещиваются перпендикулярно. При этом кубики невозможно сдвинуть относительно друг друга ни по одной из трех координат или развернуть вокруг любой оси. Это абсолютно жесткое и геометрически замкнутое соединение. Без извлечения хотя бы одного фиксатора распад конструкции невыполним. С ростом числа соединяемых кубиков, использованием большего числа их граней и фиксаторов, жесткость и прочность системы многократно увеличивается. Несложно создать и сплошной объемный массив, где каждый кубик стыкуется с другими и фиксируется по трем координатам тремя парами фиксаторов по всем 6 граням и пазам. В прототипе это принципиально не реализуемо. А здесь возникает предельно жесткая и прочная конструкция, сопоставимая с монолитом той же формы. Например, 8 кубиков «А» легко объединить в большой сплошной куб с длиной ребра «2h» (см. Фиг. 3). Для этого потребуется 12 фиксаторов типа «В» либо 6 фиксаторов типа «2В» (или комбинация из них). Фиксаторы закладываются внутрь создаваемого куба. Очевидно, что большой куб можно собрать из двух симметричных слоев. По окончании сборки снаружи останутся еще 24 открытых паза на исходных модулях «А». По ним возможно наращивание куба любыми блоками и в любых направлениях. Если же нужен «гладкий» куб без внешних пазов, последние можно закрыть изображенными на чертеже призмами типа «С» или «2С». Они представляют собой половинки фиксаторов типа «В» разрезанных симметрично вдоль, по самому узкому сечению. Это сечение соответствует прямоугольнику (щели) в зоне стыка пазов кубиков. Призма сечения «С» теряет часть функций фиксатора, не позволяя скреплять кубики в плоскости совмещаемых граней. Но, сохраняет некоторые другие возможности, связанные с увеличением длины призмы. Если применить 12 призм типа «2С», они помимо закрытия пазов, значительно укрепят собранный куб снаружи. Сам фиксатор типа «2 В» тоже воспримет часть изгибающих нагрузок поперечным сечением, а не только боковыми гранями. Призмы типа «С» можно заменить другими облицовочными деталями, дающими преимущества в оформлении внешнего вида. На Фиг. 4. показан в разрезе тот же собранный куб. Но на нем наружные пазы закрыты не просто призмами типа «С», а плоскими деталями, «приклеенными» к этим призмам. Обозначим эти облицовочные детали индексом «D». Все они представляют собой плоский лист толщиной «k» с жестко прикрепленной к одной стороне призмой «С», повернутой расширяющимся наружу «ласточкиным хвостом» (шипом). Ширина и длина листа может быть кратна размеру «h» (ребру кубика «А»), либо несколько отличаться. Обычно, больше или меньше на величину толщины «k». На таком элементе могут быть один или несколько параллельных шипов, ориентированных вдоль одной из сторон листа. Исполнения листа с различиями по размерам и геометрии кромок очень удобны. При установке на свободные внешние пазы они могут стыковаться торцами, либо перпендикулярно надвигаться друг на друга, образуя внутренние и наружные фаски, закругления, прямые и ступенчатые углы. Можно созданный куб облицевать панелями «D» с ребрами любого вида: прямоугольными, закругленными радиусом «R», с фасками. Каждая из панелей может быть произвольного цвета, а также содержать различные символы, рисунки или узоры. В том числе и рельефные. Кроме того, надвигание панелей друг на друга по углам кубиков создает упоры, блокирующие самопроизвольное выдвижение фиксаторов и кубиков. Такими панелями может быть облицована конструкция любой пространственной сложности. Это несколько увеличивает габариты, зато дает простор для творчества в оформлении дизайна и укреплении пространственной структуры собираемых блоков. Например, легко собрать практичную черно-белую шахматную доску нужного размера с красивым оформлением всех ее сторон, ребер и углов. Панели «D» увеличенной длины с одним или несколькими шипами, попутно усиливают скрепление смежных боковых кубиков. Следует отметить, что не обязательно всегда задействовать при сборке все 6 пазов на кубиках. Это хорошо для усиления конструкции, но избыточно с точки зрения ее собираемости. Можно вполне обойтись меньшим количеством фиксаторов, ускоряя и упрощая монтаж. В большинстве случаев стабилизация формы конструкции осуществляется множественными замыканиями скрепляющих усилий через тела разных кубиков и фиксаторов по всем координатам. Часть внутренних пазов можно безболезненно оставлять пустыми. Снаружи подобные зоны закрываются панелями «D», улучшающими внешний вид. В частности, скрываются торцы пустых пазов под фиксаторы. Собранный куб с ребром «2h» обладает еще одним интересным свойством. Это куб, полностью подобный маленькому кубу «А», с той же ориентацией всех пазов. Но пазов на каждой грани уже по два. Расположенных параллельно. Его, как моноблок, можно применять для укрупненной сборки абсолютно на тех же принципах, что и единичный кубик «А». Этот эффект сохранится и при дальнейшем увеличении длины ребра куба, кратно «h». Количество пазов на гранях растет кратно росту длины ребра.
Набор конструктора из деталей только трех типов «А»,«В» и «D» образует функционально-завершенный комплект. Помимо тренировки мелкой моторики он развивает фантазию и творческие способности детей, гарантирует получение первых навыков проектирования и изготовления пространственных конструкций с их художественным оформлением. Дает интуитивные понятия о прочности и жесткости конструкций, а также исходные представления об алгоритмах компоновки их модульными блоками. Отдельной творческой задачей может быть оптимизация структуры размещения фиксаторов с целью уменьшения их количества и ускорения процессов сборки / разборки. Для детей это интересный и захватывающий обучающий процесс в виде игры.
В сравнении с конструктором-прототипом предлагаемая идея сборно-разборного соединения и формы выполнения деталей имеет ряд преимуществ, а именно:
- Монолитные кубики-модули. Они жестче и прочнее полых, технологичнее и дешевле в изготовлении. Упрощение конструкции позволяет их массовое производство способом автоматизированного литья. Так же, как и стержней однотипных фиксаторов.
- Упрощается процедура сборки, т.к. зона монтажа не внутри, а снаружи кубиков. Она хорошо видна, доступна для операций сдвига и контроля расположения фиксаторов. Кубики можно окончательно установить, а потом зафиксировать их, не сдвигая с места. Это последовательные операции, независимые друг от друга. В прототипе раздельная установка \ снятие фиксирующих элементов невозможна. Там элементы вставляются между кубиками и не извлекаются без разделения последних.
- В сравнении с прототипом кубики могут быть меньшего размера. Нет необходимости манипулировать руками или инструментом внутри окон полого кубика, размещая и извлекая фиксирующие элементы. В предлагаемом решении изменение размеров кубиков никак не ухудшает условия доступа в зоны установки / снятия фиксаторов.
- Существенно проще геометрия фиксирующих элементов и они значительно меньше. Вместо сложной пространственной рамки прототипа, составленной из четырех параллелепипедов - одна деталь в виде прямого стержня постоянного сечения. В отличие от прототипа, он контактирует с кубиками практически всеми своими поверхностями, обеспечивая плотное сопряжение модулей. В том числе и по торцам фиксаторов. Кроме того, кубики плотно и беззазорно стыкуются друг с другом, поскольку фиксаторы «утоплены» в пазы тел кубиков за пределы плоскости стыка. А в прототипе нужен внешний треугольный буртик на крепежных элементах в плоскости стыка и неизбежно выполнение фасок на окнах кубиков. Чтобы буртики не мешали стыковке.
В предлагаемом решении стержень фиксатора удачно вписывается в компактный объем, созданный пазами. Поэтому дополнительных полостей и зон не требуется.
- Предложенный способ клиновой фиксации надежно удерживает кубики в главном направлении нагрузок: перпендикулярно сопрягаемым граням. Это жесткое соединение, не требующее упругих деформаций частей фиксатора или кубиков. Внешние усилия поджима кубиков к фиксатору не нужны, так как образуется внутренний замкнутый силовой контур. В прототипе невозможно жесткое двустороннее соединение двух кубиков одним фиксатором с образованием моноблока. Там обязательны внешние усилия с двух противоположных сторон стыка, нормальные к граням. Иначе не удержать кубики вблизи друг друга. Фиксатор в этом процессе там совершенно не участвует, предотвращая лишь взаимное скольжение граней в боковые стороны.
- В предлагаемом решении направление сборки фиксаторов иное, отличное от прототипа. Там это направление совпадает с вектором главных усилий нагрузки в соединении. Здесь же оно перпендикулярно раздвигающим кубики нормальным усилиям и направлено вдоль плоскости грани. Причем из этих двух возможных перпендикулярных направлений используется лишь одно, отнимая у кубиков еще больше степеней свободы перемещений и поворотов за счет принятой геометрии фиксатора.
- Конструкция и способ установки фиксаторов позволяет надежную блокировку их от самовыдвижения. Во первых, из-за контакта фиксатора с кубиками по всем поверхностям возникает трение, затрудняющее его выдвижение. Во вторых, в собранной конструкции всегда можно обеспечить жесткий упор торцов каждого фиксатора в прилегающие детали. По окончании монтажа фиксаторы по всем направлениям локальной сборки замыкаются конечными деталями, исключая самопроизвольный распад конструкции. В том числе и снаружи, на внешних кубиках. В прототипе эта проблема решается ненадежно, с использованием упругих защелкивающихся элементов или упором в стенки контейнера. Либо применением новых, дополнительных к основным типов фиксаторов, работающих на других принципах. Неизбежно расширение минимально-необходимого ассортимента базовых деталей из-за нескольких видов креплений. В предлагаемом решении принцип крепления деталей всегда один и вполне достаточен для любых узлов и блоков конструкции.
- Фиксаторы в этом конструкторе могут устанавливаться по схемам, исключающим их взаимное касание или наложение. В прототипе это не всегда возможно. Часто фиксирующие элементы там опираются друг на друга, создавая сложности с взаимной ориентацией. Кроме того, здесь один предложенный фиксатор может заменить несколько других, совмещая их крепежные функции. Не оказывая влияния на условия сборки по другим граням и попутно упрочняя конструкцию. В прототипе объединение группы фиксирующих элементов в один проблематично. Особенно если кубики устанавливаются со смещением на половину грани, когда их ребра и окна не совпадают.
- В данном конструкторе легко создавать произвольные промежуточные блоки и автономные узлы. Они не распадаются на части и не требуют никаких внешних креплений или контейнеров, как в прототипе. В подавляющем большинстве случаев блоки можно брать за любой из элементов и свободно разворачивать в пространстве. Без проблем создаются сплошные и разветвленные массивы любого вида. Кубики легко крепятся между собой и разбираются по тем же, либо другим, произвольно выбранным зонам. Поскольку не требуется внешних поддерживающих устройств, вся конструкция способна неограниченно наращиваться в пространстве по любым направлениям. В прототипе (и известных автору аналогах) создание сплошного массива кубиков неограниченного объема и жестким креплением одновременно по всем их 6 граням нереализуемо. В частности, с обеспечением внутреннего силового замыкания крепежных усилий в каждом соединении через фиксатор, извлекаемый без сдвига кубиков.
- На грани кубика может быть одновременно два и более параллельных и пересекающихся пазов, позволяющим смещать кубики относительно друг друга на величину, в общем случае кратную шагу между пазами. Но с модификацией длин фиксаторов кубики можно сдвигать и на любую другую величину в пределах грани. По одной из координат- дискретно шагам пазов, по другой - совершенно произвольно. При этом фиксирующие стержни не изменяются, достаточно лишь варьировать их по длине. Пазы выполняются единого сечения для присоединения всех модулей, в том числе увеличенного размера. Например, несложно стыковать монолитные кубики с размерами ребер «h» и «2h» на однотипных фиксаторах. Со сдвигом маленького куба по грани большого в обширную зону, определяемую пазами на двух кубиках. В прототипе допустим сдвиг только дискретно, на половину длины ребра. А стыковка двух подобных кубиков там проблематична, т.к. очень резко различаются площади присоединительных окон. Универсальные фиксаторы в этом случае конструктивно невозможны. Либо они будут неоправданно сложны с применением внутренних крепежных операций сборки-разборки и подгонки под конкретные окна блоков. Изготовление же в прототипе неразборного модуля (скажем, увеличенного куба) с несколькими рядами малых окон на всех шести гранях непрактично, сложно и дорого.
- Конструкция базовых модулей- кубиков позволяет выполнение в них облегчающих или специальных сквозных отверстий по всем граням, никак не мешающим установке фиксаторов в пазы и креплению элементов между собой. В том числе и некруглого сечения. Они удобны для центрирования деталей при монтаже. А также могут использоваться для установки протяженных армирующих стержней, пропущенных сквозь несколько кубиков с целью повышения прочности конструкций. Реальна установка от 1 до 6 армирующих стержней во всех направлениях, сопрягаемых в теле одного кубика. Отверстия могут применяться в качестве кабель-каналов, либо опорных посадочных мест под дополнительные элементы. Кроме того, центральные отверстия создают возможности альтернативного крепления кубиков без фиксаторов. Например, вполне реально внутренние кубики массива устанавливать только на квадратных стержнях, без применения фиксаторов. При этом, штатные фиксаторы «В» скрепят только наружные слои, что не менее надежно и достаточно просто. Отверстия создают дополнительные возможности применения кубиков по усмотрению монтажника, позволяют «задаром» расширить арсенал путей и методов улучшения конструкции.
- Применение кубиков с кратно увеличенной длиной ребра «nh» аналогично применению кубика «А» с единичной длиной ребра «h». Они полностью подобны по ориентации пазов на всех гранях и могут использоваться, как укрупненные блочные «кирпичики». При этом число пазов «n» на гранях увеличивается кратно размерам куба при сохранении единого шага «h» между пазами. Большее число пазов идет на пользу, разделяя усилия на все зоны крепежа при более габаритных и тяжелых кубиках.
Имея достаточное количество лишь вышеописанных деталей можно монтировать самые разнообразные пространственные конструкции. Любой сложности и неограниченных размеров. Они прочны, жестки и, как правило, статически неизменны. За исключением скольжения несвязанных блоков друг по другу. Конструкции не разрушатся от случайного прикосновения или удара. Например, от попадания детского мяча, либо опрокидывания. Но, так как, сборка всегда идет по трем прямоугольным координатам, несколько ограничивается применение узлов, собранных по другим структурным схемам или подвижных. Скажем, блоков, располагаемых под разными углами, либо содержащих вращающиеся и отклоняемые части. Однако, в схеме конструктора заложена и может реализоваться масса скрытых возможностей, легко решающих эту и обширный круг прочих задач. Тогда данный набор, несомненно, заинтересует детей и более старших возрастов.
Рассмотрим некоторые направления модернизации геометрии и способы расширения функций базовых модулей. Например, можно взять исходный кубик «А» и одну его грань преобразовать. Она уже не будет квадратом с пазом, а замещается гаммой других конструктивных элементов. Образуется обширный класс специальных кубиков с измененной гранью. Некоторые примеры см. на Фиг. 5. Можно также создать дополнительные детали, где изменены сразу две, три, четыре либо пять граней кубика. По формам исполнения и назначению это могут быть самые разнообразные элементы, удобные для расширенного конструирования. Допустим, кронштейны, проушины, держатели, сцепные устройства, оси, зоны резьбового крепления, магниты, места под подшипники и колеса, валы для зубчатых передач, выдвижные штоки и направляющие, блоки под гибкие элементы, желоба, платформы под установку электродвигателей, аккумуляторных отсеков и т.д. С переходниками несложно использовать любые, уже серийно выпускаемые приводные узлы трансмиссий, исполнительные механизмы и т.д. В том числе блоки систем с электро и радиоуправлением, а также робототехнические комплекты. Появляется возможность синтеза массы игрушек в виде подвижных механизмов и машин, где модули из кубиков будут корпусами, станинами или кинематически- связанными подвижными звеньями. На базе таких модифицированных кубиков предлагаемый конструктор легко интегрируется с неограниченным кругом специальных деталей и типовых профильных изделий. Вроде трубок, штырей, уголков и т.д. Сами кубики крепятся в теле конструкции по оставшимся пазам и могут нагружаться по измененным граням. Если же нагрузки небольшие, элементы должны легко сниматься или выполняемая функция более проста, можно расширить «облицовочный» класс деталей «D», использующий только плоские панели. Образуется гамма конечных деталей с шипом типа «ласточкин хвост», но очень разного назначения и формы. Крепиться на одном шипе они будут менее надежно, выполняя в основном, декоративные функции или воспринимая перпендикулярные нагрузки. Направленные, преимущественно, в тела кубиков: опорные ножки, буферные упоры и т.д. Некоторые из таких деталей показаны на Фиг. 6. Как вариант исполнения - введение вместо шипа типового паза для крепления обычным фиксатором «В». С помощью наклонных плоскостей можно отступать от принципа ортогональной сборки, ориентируя монтаж части элементов под произвольными углами. Например, с целью образования многоскатных крыш игрушечных домиков или каких-то наклонных желобов. Отдельные детали могут иметь посадочные отверстия либо штыри для установки объемных фигурок и геометрических украшений: шарики, фасадные камни, елочки, солдатики, фонарные столбики, перила и ограждения. На базе других легко организовать шарниры для откидных либо распашных крышек, люков, окон и дверей. Можно самостоятельно придумывать и использовать массу других специальных элементов с требуемыми свойствами. А также, изготавливать их на основе предложенных заготовок. Например, приклеиванием чего-то на плоскости панелей «D». Или разработать чертежи и изготовить нетиповые модули на 3Д-принтерах. Допустимы и переходники, позволяющие комбинирование с любыми другими существующими наборами. Скажем, с изделиями, серийно выпускаемыми по стандартам LEGO.
Сам исходный кубик «А» позволяет дальнейшие улучшения. Например, уменьшение веса и объема пластика, требующегося на его литье. Для этого достаточно выполнить в его монолитном теле три сквозных отверстия прямоугольного сечения между параллельными гранями с противолежащими пазами (см. Фиг. 7). Размеры сторон отверстий «I» и «t». Меньший размер «I» равен ширине паза по грани, больший размер «t» ориентирован вдоль пазов. Такое исполнение почти не ослабит кубик, никак не повлияет на размещение основных крепежных пазов и установку фиксаторов. Но, при монтаже появляется возможность его центрирования с соседним кубиком, особенно на весу. Это достигается введением в их соосные отверстия вспомогательных штырей идентичного прямоугольного сечения. Подобные штыри могут использоваться и как укрепляющая арматура в ажурных конструкциях. Например, металлический стержень «W» прямоугольного сечения значительно усилит консоль из единичных кубиков, скрепленных противоположными гранями и облицовкой (см. Фиг. 8). А по внешнему виду конструкции это не будет заметно. Отверстия могут быть круглыми, квадратными и любого другого сечения. В том числе, например, с внутренней резьбой. Можно базовый кубик «А» облегчить и далее, попутно расширив возможности его разворота при соединении с другими. Для этого, как описывалось ранее, на каждой грани выполняется не один, а пара крепежных пазов, перпендикулярно пересекающихся по ее центру. При типовой сборке достаточно использовать лишь один паз грани с креплением одним фиксатором «В». Однако, можно задействовать и второй паз, перпендикулярный первому. При этом часть фиксаторов «В» выполняется длиной, не кратной ребру «h» кубика, а несколько больше. Удлиненная часть предназначена для ввода в паз на грани соседнего кубика. До соприкосновения торца с боковыми сторонами другого, перпендикулярного фиксатора. Двойные фиксаторы на одной грани, примененные в разных видах - это еще один способ укрепления конструкций. Без добавления иных принципов и деталей крепления. Возникают дополнительные ресурсы сборки. Например, абсолютно жесткая и неподвижная схема крепления двух кубиков только лишь по двум, прилегающим друг к другу граням. А, если выполнить 3 сквозных квадратных отверстия между противолежащими гранями (по их центру) допустим еще один необычный способ армирования. Например, можно установить в один кубик сразу два или три взаимно перпендикулярных стержня круглого сечения. При этом сторона квадратного отверстия «р» вдвое больше диаметров стержней «d». Последние соприкасаются по бокам в центре куба со смещением в разные стороны от его центральных осей. Данные штыри могут быть квадратного сечения или комбинироваться, с круглыми. Такой кубик с установкой 3 круглых штырей «d» изображен на Фиг. 9. Схема не исключает применение одного квадратного штыря со стороной «р», проходящего сквозь весь кубик, либо стыковку в его центре до 6 таких штырей. На базе основных и специальных модулей несложно организовать кабель-каналы для электрических и цифровых коммуникаций, установить разъемы, выключатели, лампы, индикаторы, кнопки, и т.д. А также разместить в создаваемых нишах электронные платы и всю требуемую аппаратуру. С подсветкой на основе прозрачных элементов.
Каналы могут быть как внутренними, в телах монолитных блоков, так и внешними, присоединяемыми. Легко прикрепить готовые коробочки, откидные крышки, табло, щиты и прочее. В квадратные или круглые отверстия кубиков можно вставлять на значительную глубину и концевики любых внешних элементов. Например, с целью упрочнения заделки консольно-нагруженных примыкающих частей. В том числе с резьбовым креплением прямо в теле кубика. Не исключена прокладка в отверстиях герметичных трубок для перемещения воздуха либо каких-то жидкостей. Скажем, с целью создания в игрушечном доме водопровода или модели пожарной машины. Для этого можно установить внутри кубиков разного типа уплотнения и заглушки, обеспечивающие создание сети разветвленных герметичных каналов (в том числе, без применения трубок). Стержень фиксатора можно тоже конструктивно улучшить. Допустим, две установочные наклонные плоскости заменить выпуклыми цилиндрическими, большого радиуса. Контакт по линиям вместо плоскостей облегчит установку \ снятие элемента в кубики.
Предложенный принцип соединений универсален. Игровой конструктор позволяет неограниченное расширение номенклатуры его деталей на основе однотипного крепления. С включением в предлагаемый ассортимент любых специальных деталей, стандартных профилей либо целых блоков разных габаритов. Вероятно, потребуется их унификация по присоединительным размерам, классификация по типам, выпуск каталогов с изображениями и кодами идентификации. Например, с целью изготовления деталей под заказ разными заводами или удобства описания структуры проектов.
На взгляд автора, предпочтителен минимальный размер ребра «h» кубика «А» примерно в один дюйм. Тогда торец фиксатора будет достаточно большим для удобства его установки и снятия пальцами рук. Либо с применением самого простого инструмента, вроде плоской отвертки. Она же будет удобна и для предварительного раздвигания совмещенных граней кубиков в процессе их демонтажа.
Предлагается авторское название кубиков этого конструктора в виде:
«КОМБИК» (в русской транскрипции) и «COMBIC» (в латинице).
В основе названия - части слов «комбинирование» и «кубик».