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WO2011089109A1 - Baukastensystem mit bewegungsfähigen modulen - Google Patents

Baukastensystem mit bewegungsfähigen modulen Download PDF

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Publication number
WO2011089109A1
WO2011089109A1 PCT/EP2011/050598 EP2011050598W WO2011089109A1 WO 2011089109 A1 WO2011089109 A1 WO 2011089109A1 EP 2011050598 W EP2011050598 W EP 2011050598W WO 2011089109 A1 WO2011089109 A1 WO 2011089109A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
modules
modular system
movement
module
energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/050598
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Leonhard OSCHÜTZ
Daniel Wessolek
Wolfgang Sattler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to EP11703159.1A priority Critical patent/EP2525883B1/de
Priority to JP2012549329A priority patent/JP5840625B2/ja
Publication of WO2011089109A1 publication Critical patent/WO2011089109A1/de
Priority to US13/548,611 priority patent/US8851953B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
    • A63H33/00—Other toys
    • A63H33/04—Building blocks, strips, or similar building parts
    • A63H33/042—Mechanical, electrical, optical, pneumatic or hydraulic arrangements; Motors

Definitions

  • the invention relates to a modular system with movable modules.
  • the invention is preferably usable as a creative toy for children aged 5 to 13 years.
  • the modular system makes the topic of robotics, locomotion and energy technology tangible and intuitively comprehensible. It is suitable as a teaching aid in schools and kindergartens as well as for private use.
  • LEGO Mindstorms is a product line that includes a programmable lego stone as well as electric motors, sensors and LEGO technology parts.
  • robots and other autonomous, interactive systems can be constructed and subsequently programmed via a graphical user interface on the PC.
  • Such systems termed “program and play”, are based on parameter values, so their movements can be very easily changed and precisely adjusted.
  • these parameter systems are modeled on professional development tools, allowing for the design of more complex models.
  • Such systems differ in their interface design and the way in which the movements of a model are created, which is why new users have to laboriously work their way into the system.
  • the disadvantage is in particular that the actual generation of the movement sequence is completely decoupled from the built model.
  • US Pat. No. 7,747,352 B2 describes a game known as a topobo, which contains a 3D construction system with a built-in kinetic memory module that can record and play movements. It consists of a total of ten basic forms, which can be put together in many different ways.
  • EP 1 287 869 B1 describes a modular system for producing a toy robot with which a toy can be designed by assembling a plurality of identical modules.
  • the modules can have one
  • connection plates allow a mechanical and electrical connection between the modules.
  • a controllable toy robot which consists of modules in which there are required for movement and control of electronic and mechanical components.
  • the robot also contains so-called forming components, such as side, floor and cover plates. The components can be put together, wherein the electrical connection is made by means of wires that protrude from the modules. From side plates axes, sensors and the like are led out.
  • the invention has for its object to provide a modular system of the type mentioned, with the movable modules can be made of simple modules, with the modules both rotational and translational movements to be realized and the connection of the modules should be done by simply mating without requiring additional operations.
  • the design game has at least one power module, which generally includes an accumulator, at least one control module with a microcontroller, at least one motion module with integrated servomotor and multiple connection modules. All modules can be connected to one another as required. In addition to the assembly of any models, users can give their creations certain movement and Assign behaviors. Assembled, all conceivable models, creatures, animals and robots can be brought to life.
  • a simple plug-in principle enables data and current flow between all active and passive components. This chaining allows a variety of design models and motion patterns.
  • the modular system is characterized by a number of advantages. These include in particular:
  • the motion module is both active motion drive for itself and on the other hand, it controls drives for other modules via a data and power connector.
  • At least one motion module and at least one power module in the mated state can route power and data over a connector to provide a viable model without the need for passive devices.
  • the change in position and arrangement of the modules with each other allows a movement module with two integrated, articulated moving parts.
  • the assembled model remains intact in its composite.
  • the connecting surfaces do not move against each other.
  • the movements of the models of the kit are generated in the movement modules by changing their shape.
  • the movement modules can be plugged offset by 90 ° and thus generate different forms of movement.
  • Figure 1 shows schematically an overview of the modules of
  • FIG. 2 schematically shows a mounted movement model
  • FIG. 3 schematically shows the mode of operation of the rotary plug connection
  • FIG. 4 shows schematically the plug part of a plug connection
  • FIGS. 5.1 to 5.5 schematically embodiments of joint modules
  • FIG. 6 shows schematically an assembly with solar modules
  • FIG. 7 schematically shows an embodiment of movement modules with special building blocks placed on the movement modules
  • FIG. 8 schematically shows a further embodiment of movement modules with special building blocks placed on the movement modules
  • Figure 9 schematically a brain module.
  • the system consists of controlling, connecting, stopping, energy saving and kinematic modules.
  • the assembled models form a movement network which, depending on the arrangement and combination of the respective module types and shapes, contains innumerable movement variants. Furthermore, it is possible that even small passive modules are plugged into the modules in the usual size. With these modules it is possible to design further shapes.
  • FIG. 1 shows the modules used. Specifically, these are:
  • - Movement modules 1 which are moved by an integrated servo motor.
  • two embodiments are provided: on the one hand in the form of a cuboid, which shifts in motion to the parallelepiped, or on the other hand in the form of a cylinder block, which consists of two rotatable sub-cylinders.
  • An advantageous embodiment provides that the movement modules are equipped with lithium-ion batteries.
  • An integrated On / Off button on the motion module interrupts the power supply to all infected motion modules and to itself. It is also possible to arrange a micro-controller in the motion module.
  • Control modules 2 which each have a microcontroller.
  • All six side surfaces of a cuboid module are equipped with sockets with which movement information can be output.
  • the modules are cube-shaped or square-shaped and contain lithium-ion batteries inside. They represent the most important element and can also be used as a focal point module in the construction of buildings.
  • Connection modules 4 which in the form of cubes, half cubes, triangular prism, cuboid or other geometric shapes be executed can and establish the connection between the motion module, the control module and the power module. They allow the player to construct models of greater complexity and allow unimpeded data and power flow.
  • Stop modules 5 which in contrast to the remaining modules of the system do not support data, but only the current flow. They can therefore be used as a movement blocking element. This allows several independent motion sequences within a building object.
  • FIG. 2 shows a mounted model
  • a movement module 1 with a few passive modules already allows four directions of movement. To embarrass a movement, all that is required is: An energy module 3, which is responsible for the power supply and has an on-off button to switch the movement process on and off. A control module 2 outputs the movement information for a movement module 1.
  • the first two modules 2 and 3 are passive elements, while the movement module 1 represents an active element of the modular system.
  • the plug-in sequence of the individual modules does not matter here - a movement is always output as soon as power module 3 and control module 2 are installed.
  • This feature of the plug-in system creates innumerable possible combinations of the modules and thus allows the user to experience countless movements in three-dimensional space.
  • a magnetic 90-degree rotary plug assembly using jack and socket connections is used, which gives the connector on the one hand stability and allows a smooth engagement in the turning process.
  • an internal data-stream flow between all modules is possible.
  • the size of the modules can be different. As appropriate, a side surface of the modules of 40 mm x 40 mm has been found. It is also possible, the standard size of Lego blocks (31.8 mm x 31.8 mm or
  • connection of the modules with each other is done with a plug connection.
  • the 90-degree rotary connector shown in Figure 3 has magnets and jack and socket connections and allows a rapid change in the module position.
  • the holding force is determined by magnets.
  • Movement and force influences can separate the magnets from each other and thus twist the modules.
  • the connection holds the modules together and gives stability to the construction. This ensures that even with the moving models, the modules do not kink or twist.
  • the modules engage in 90 ° increments and can be easily pulled apart in the 45 ° positions between them.
  • Figure 4 illustrates the data and power transmission via the connector.
  • the power for the servo motor and the microcontroller is transmitted via a jack or two metal plugs.
  • the contact surfaces of the plug contact mating contacts in the associated sockets.
  • the data information for the sensor and control signals can also be transmitted via the jack, two metal plugs or via Bluetooth. It is particularly advantageous that the connector in addition to the holding together of the modules can simultaneously transmit the power and data flow.
  • the connectors consist of the male part shown in Figure 4 with outwardly facing holding and contact pins and a female part with inwardly facing holding and contact openings. Inside the modules are printed circuit boards, which are connected to the male or female part of the Plug connection are electrically connected. This allows easy installation with a small number of components.
  • Another possibility is to distribute the plug-in connection to the module surfaces.
  • the modules are held together by various metal pins, pins, magnets and transmit the flow of power and data.
  • One possible embodiment for a movement game consists of a microcontroller module and three different movement modules.
  • FIG. 5 shows various possible embodiments for movement modules.
  • FIG. 5.1 shows a joint module
  • FIG. 5.2 shows a rotary module
  • FIG. 5.3 shows a translation module
  • FIG. 5.4 shows a linear module
  • FIG. 5.5 shows a rotation module.
  • the motion information for angular deflection and velocity is sent by a control module to the motion modules as soon as an energy module is plugged in. If a microcontroller is integrated in the motion modules, each motion module can be individually controlled.
  • the power module contains an accumulator. It provides the power supply and consists of a single module from a playful pedagogical point of view. It allows the game with the balance, because the energy module is the hardest component in the construction game.
  • the energy modules are advantageously equipped with lithium-ion batteries to reduce weight and increase battery capacity. In the example described, two 3.7 volt lithium-ion batteries are switched and double the capacity. A step-up change brings the 3.7 volts to 5 volts operating voltage and supplies the microcontroller and the motion modules with power. Using a USB charging and protection circuit, the power module is charged and short-circuited protected. In addition, the power module has an on / off switch to control the circuit.
  • a commercially available servo module serves as a drive source for the motion modules.
  • the servo module is controlled by the microcontroller via pulse width modulation [PWM] and can be easily mounted as a compact drive unit.
  • PWM pulse width modulation
  • a special version is a construction game with energy modules that draw power from sustainable sources. It allows children and young people to build small power plants that supply the electricity for their lighting and electricity
  • the set consists of energy producing and energy consuming modules.
  • the generator and accumulator modules as well as solar, wind turbine, crank, rotary and cable modules are modules producing electricity. Whereas the power-consuming elements represent the motion and light modules.
  • the geometric modules are based on basic pedagogical forms such as cubes, cuboids, cylinders and triangular prisms. The users learn in a playful way the connections of the energy production and the specific energy consumption of their moving and luminous models.
  • the modular system makes the topic of regenerative energy conversion for children experienceable and intuitively tangible in their own creations.
  • FIG. 6 shows an example of the design and use of solar modules.
  • the modular system can be equipped with various interfaces.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which special modules are plugged onto the movement modules, thereby defining the movement parameters.
  • Amplitude, velocity and delay potentiometers are integrated in the motion module, which are controlled by the brain module or directly on the
  • Movement module to be changed. This allows the movement modules to be programmed. The arrangement allows a child friendly manipulation of the
  • Motion parameters using simple building blocks The amplitude stones 7.1, velocity stones 7.2 and the delay stones 7.3 can be plugged directly into the motion module. With different speed blocks 7.2, a faster or slower movement of the joint modules can be programmed.
  • a stone with four rows of nubs can cause a rotation of 45 ° and a stone with five nubs a rotation of 36 °.
  • Each plug is equipped with a color sensor.
  • a retarder 7.3 with a nub triggers a time interval of one millisecond in this example. The programming is completely pluggable.
  • FIG. Another possible embodiment is shown in FIG.
  • a basic movement of the model can be executed by moving the motion blocks and stored at the same time after the power module has been plugged in and the program button on the motion module has been pressed.
  • the basic movements of the movement modules are generated with the hands.
  • a maximum of two movement modules can be controlled by hand. Start and end angles, speed and deceleration, d. H. which module moves first is read out using a rotary potentiometer and stored in an EPROM chip. The stored movements can then be executed directly.
  • the intuitively programmed motion parameters can be subsequently changed and adjusted to the motion model with the aid of integrated amplitude, velocity and delay potentiometers.
  • the parameters can be set either via the Control Center on the brain module or via the Control Center on the motion module, which can be used for example.
  • buttons integrated buttons, sliders, rotary potentiometers, sensors or a
  • Own touch screen display can be easily changed. It is the
  • control center In addition to the input field, the control center also contains a 7-segment,
  • Dot matrix, LED panel or touch screen display which also displays the parameters and can give feedback on the manipulated data.
  • the brain module shown in FIG. 9 forms the thinking organ. It contains a microcontroller and can change, synchronize, display or rhythmically delay the motion parameters of all infected motion modules.
  • the brain module synchronizes all infected motion modules with the motion parameters that were changed in a module.
  • the brain module forms the communication unit, evaluates sensor data and controls all infected modules. It has an amplitude display 9.1, a program button 9.2, a control center button 9.3, a speedometer 9.4 and a delay display 9.5. Via USB ports 9.6, the motion parameters can be saved externally. Small sensor modules can be plugged into each motion module and change this separately.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Baukastensystem mit zusammensteckbaren Modulen, bei denen sich zur Bewegung und Steuerung erforderliche elektronische und mechanische Bauteile in den Modulen befinden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Baukastensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bewegungsfähige Modelle aus einfachen Bausteinen gestaltet werden können. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Baukastensystem mit bewegenden Modulen gelöst, wobei das Baukastensystem mindestens ein Energiemodul (3), mindestens ein Steuerungsmodul (2) mit einem Mikro-Controller, mindestens ein Bewegungsmodul (1) mit einem integrierten Servomotor und mehrere Verbindungsmodule (4) enthält, die beliebig miteinander verbindbar sind, wobei die Module (1, 2, 3, 4, 5) mittels Steckverbindungen verbindbar sind, welche den Stromfluss zwischen benachbarten Modulen ermöglichen.

Description

Baukastensystem mit bewegungsfähigen Modulen
Die Erfindung betrifft ein Baukastensystem mit bewegungsfähigen Modulen.
Es handelt sich um ein Konstruktionsspiel, das es ermöglicht, bewegungsfahige und interaktive Objekte zu gestalten. Die Erfindung ist vorzugsweise als kreatives Spielzeug für Kinder im Alter von 5 bis 13 Jahren einsetzbar.
Kinder, die das Konstruktionsspiel benutzen, erfahren auf spielerische Weise Zusammenhänge zwischen der Art der Konstruktion, ihrer Bewegung und des ihr spezifischen Energieverbrauchs. Das Baukastensystem macht das Themengebiet der Robotik, Fortbewegung und Energietechnik erlebbar und intuitiv begreifbar. Es ist sowohl als Lehrmittel an Schulen und in Kindergärten als auch für den privaten Gebrauch geeignet.
Anfänge so genannter Experimental Computing Baukästen sind bereits seit 1987/1988 bei Fischertechnik bekannt. Bei LEGO wurden in der jüngsten Zeit Roboterbausätze, wie der Cybermaster mit CD-Rom- Animation und 1998 der Mindstorm RCX mit einem 8-Bit-RAM Prozessor, entwickelt. Im Jahre 2006 wurde der Mindstorm RCX vom Mindstorm NXT mit einem 32-Bit-RAM Prozessor abgelöst. Mit diesen Entwicklungen haben die Baukastenhersteller das Ende der Baukästen im klassischen Sinne herbeigeführt. Trotz dieser Tendenzen lässt sich auch zunehmend eine Gegenbewegung beobachten: Eine Vielzahl von ebenso qualitativ guten wie einfachen Elementar-Holzbaukästen führt zu den Ursprüngen der Baukästen und damit zum freien Formen-Spiel zurück.
Insbesondere für pädagogische Zwecke sollen Kinder mithilfe von so genannten Digital-Manipulatives durch spielerisches Lernen Sachverhalte näher gebracht werden, die gegenwärtig als zu komplex für ihr Alter gelten. Damit sollen Kindern Werkzeuge und Umgebungen zur Hand gegeben werden, mit denen sie dynamische Systeme entwerfen können.
Als LEGO Mindstorms ist eine Produktserie bekannt, die einen programmierbaren Legostein sowie Elektromotoren, Sensoren und LEGO Technik-Teile enthält. Hier können Roboter und andere autonome, interaktive Systeme konstruiert und nachfolgend über eine graphische Nutzeroberfläche am PC programmiert werden. Derartige als "Program and Play" bezeichnete Systeme basieren auf Parameterwerten, ihre Bewegungen können somit sehr leicht verändert und genau justiert werden. Oft sind diese Parameter-Systeme professionellen Entwicklungswerkzeugen nachempfunden und lassen somit auch das Entwerfen komplexerer Modelle zu. Allerdings unterscheiden sich solche Systeme untereinander in ihrem jeweiligen Interfacedesign und der Art und Weise, wie die Bewegungen eines Modells erstellt werden, weshalb sich neue Benutzer erst mühsam in das System einarbeiten müssen. Nachteilig ist dabei insbesondere, dass die eigentliche Generierung des Bewegungsablaufes völlig vom gebauten Modell entkoppelt ist.
In US 7,747,352 B2 ist ein als Topobo bekanntes Spiel beschrieben, welches ein 3D-Konstruktionssystem mit einem eingebautem kinetischem Speichermodul enthält, das Bewegungen aufzeichnen und abspielen kann. Es besteht aus insgesamt zehn Grundformen, die sich auf unterschiedlichste Art und Weise zusammenstecken lassen.
Nach US 6,636,781 Bl ist eine Steuerung von Modulen eines Spielzeugbaukastens bekannt, wobei mittels Aktuatoren Module bewegt werden können. Es können gleiche Module kombiniert werden, die Drehbewegungen ausführen.
Ferner ist in EP 1 287 869 Bl ein modulares System zur Herstellung eines Spielzeugroboters beschrieben, mit dem durch Zusammenstellung mehrer gleicher Module ein Spielzeug gestaltet werden kann. Die Module können eine
Drehbewegung ausführen und werden mit Verbindungsplatten untereinander verbunden. Die Verbindungsplatten ermöglichen eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Modulen.
Bei diesen Anordnungen ist nachteilig, dass nur gleichartige Module kombiniert werden können und diese nur Drehbewegungen ausfuhren.
Aus DE 296 10 158 Ul ist ein steuerbarer Spielzeugroboter bekannt, der aus Modulen besteht, in denen sich zur Bewegung und Steuerung erforderliche elektronische und mechanische Bauteile befinden. Der Roboter enthält neben den Modulen so genannte formgebende Bauteile, wie Seiten-, Boden- und Deckplatten. Die Bauteile können zusammengesteckt werden, wobei die elektrische Verbindung mittels Drähte erfolgt, die aus den Modulen herausragen. Aus Seitenplatten werden Achsen, Sensoren und dergleichen heraus geführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Baukastensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bewegungsfähige Module aus einfachen Modulen gestaltet werden können, wobei mit den Modulen sowohl rotatorische als auch translatorische Bewegungen realisiert werden sollen und die Verbindung der Module durch einfaches Zusammenstecken erfolgen soll, ohne dass zusätzliche Arbeitsgänge erforderlich sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Baukastensystem, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Konstruktionsspiel verfügt über mindestens ein Energiemodul, das im Allgemeinen einen Akkumulator enthält, mindestens ein Steuerungsmodul mit einem MikroController, mindestens ein Bewegungsmodul mit integriertem Servomotor und mehreren Verbindungsmodulen. Alle Module sind beliebig miteinander verbindbar. Neben dem Zusammenbau von beliebigen Modellen können die Anwender ihren Kreationen bestimmte Bewegungs- und Verhaltensweisen zuordnen. Zusammengebaut können alle erdenklichen Modelle, Geschöpfe, Tiere und Roboter zum Leben erweckt werden.
Ein einfaches Steckverbindungsprinzip ermöglicht den Daten- und Stromfluss zwischen allen aktiven und passiven Bauteilen. Diese Verkettung ermöglicht eine Vielzahl an Konstruktionsmodellen und Bewegungsmustern.
Das Baukastensystem zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu zählen insbesondere:
Das Bewegungsmodul ist sowohl aktiver Bewegungsantrieb für sich selbst und zum anderen steuert es über eine Daten- und Stromsteckverbindung zusätzlich Antriebe für andere Module.
Es ist möglich, dass mindestens ein Bewegungsmodul und mindestens ein Energiemodul im zusammengesteckten Zustand Strom und Daten über eine Steckverbindung leiten, um ein fortbewegungsfähiges Modell zu schaffen, ohne den zwingenden Einsatz von passiven Bausteinen.
Die Veränderung von Lage und Anordnung der Module untereinander ermöglicht ein Bewegungsmodul mit zwei integrierten, gelenkig verbundenen Bewegungsteilen. Das zusammengesteckte Modell bleibt dabei in seinem Verbund erhalten. Die Verbindungsflächen bewegen sich nicht gegeneinander. Die Bewegungen der Modelle des Baukastens werden in den Bewegungsmodulen erzeugt, indem sie ihre Form verändern.
Die Bewegungsmodule sind um 90° versetzt steckbar und erzeugen damit unterschiedliche Bewegungsformen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 schematisch eine Übersicht über die Module des
B aukastensy stems ,
Figur 2 schematisch ein montiertes Bewegungsmodel,
Figur 3 schematisch die Funktionsweise der Dreh-Steckverbindung,
Figur 4 schematisch das Steckerteil einer Steckverbindung,
Figuren 5.1 bis 5.5 schematisch Ausfuhrungsformen für Gelenkmodule,
Figur 6 schematisch eine Baugruppe mit Solarmodulen,
Figur 7 schematisch eine Ausführungsform von Bewegungsmodulen mit speziellen auf die Bewegungsmodule gesteckten Bausteinen,
Figur 8 schematisch eine weitere Ausführungsform von Bewegungsmodulen mit speziellen auf die Bewegungsmodule gesteckten Bausteinen und
Figur 9 schematisch ein Gehirnmodul.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das System besteht aus steuernden, verbindenden, stoppenden, Energie speichernden und kinematischen Modulen. Die zusammengesteckten Modelle bilden ein Bewegungsnetzwerk, das je nach Anordnung und Kombination der jeweiligen Modultypen und -formen unzählige Bewegungsvarianten in sich birgt. Ferner ist es möglich, dass an den Modulen in üblicher Größe auch kleinere Passiv-Module angesteckt werden. Mit diesen Modulen ist es möglich, weitere Formen zu gestalten.
Figur 1 zeigt die verwendeten Module. Im Einzelnen handelt es sich um:
- Bewegungsmodule 1, welche durch einen integrierten Servomotor bewegt werden. Im dargestellten Fall sind zwei Ausführungsformen vorgesehen: zum einen in Form eines Quaders, der sich in Bewegung zum Parallelepiped verschiebt, oder zum anderen in Form eines Zylindersteins, der aus zwei rotationsfähigen Teilzylindern besteht.
Eine vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass die Bewegungsmodule mit Lithium- Ionen Akkumulatoren ausgestattet werden. Ein integrierter On/Off Button am Bewegungsmodul unterbricht die Stromzufuhr aller angesteckten Bewegungsmodule und bei sich selbst. Es ist auch möglich, einen Mikro-Controller im Bewegungsmodul anzuordnen.
- Steuerungsmodule 2, welche jeweils über einen Microcontroller verfügen.
Alle sechs Seitenflächen eines quaderförmigen Moduls sind mit Steckbuchsen ausgestattet, mit denen Bewegungsinformationen ausgegeben werden können.
- Energiemodule 3, welche als Stromlieferanten des Bewegungsmodells dienen.
Mithilfe eines On-Off-Buttons kann der Stromfluss und somit der
Bewegungsvorgang an- und abgeschaltet werden. Die Module sind in Würfeloder Quaderform gestaltet und beherbergen in ihrem Inneren Lithium-Ionen- Akkus. Sie stellen das schwergewichtigste Element dar und können gleichzeitig als Schwerpunktmodul im Objektbau eingesetzt werden.
- Verbindungsmodule 4, welche in Gestalt von Würfel, Halbwürfel, Dreiecksprisma, Quader oder anderen geometrischen Formen ausgeführt sein können und die Verbindung zwischen Bewegungsmodul, Steuerungsmodul und Energiemodul herstellen. Sie erlauben dem Spieler, Modelle mit höherer Komplexität zu konstruieren und ermöglichen den ungehinderten Daten- und Stromdurchfluss.
- Stoppmodule 5, welche im Gegensatz zu den restlichen Modulen des Systems keinen Daten-, sondern lediglich den Stromfluss unterstützen. Sie können deshalb als Bewegung blockierendes Element eingesetzt werden. Damit werden innerhalb eines Bauobjekts mehrere voneinander unabhängige Bewegungsabläufe möglich.
In Figur 2 ist ein montiertes Modell dargestellt.
Das Zusammenstecken eines Bewegungsmoduls 1 mit wenigen passiven Modulen lässt schon vier Bewegungsrichtungen zu. Um eine Bewegung zu genieren, sind lediglich erforderlich: Ein Energiemodul 3, das für die Energieversorgung zuständig ist und über einen On-Off-Button verfügt, um den Bewegungsvorgang an- und abzuschalten. Ein Steuerungsmodul 2 gibt die Bewegungsinformation für ein Bewegungsmodul 1 aus. Die beiden ersteren Module 2 und 3 sind passive Elemente, während das Bewegungsmodul 1 ein aktives Element des Baukastensystems darstellt. Hier spielt die Steckreihenfolge der einzelnen Module keine Rolle - es wird stets eine Bewegung ausgegeben, sobald Energiemodul 3 und Steuerungsmodul 2 verbaut werden. Diese Eigenschaft des Stecksystems schafft unzählige Kombinationsmöglichkeiten der Module und lässt den Benutzer somit zahllose Bewegungsabläufe im dreidimensionalen Raum erleben. Dazu wird eine magnetische 90-Grad-Dreh-Steckanordnung unter Verwendung von Klinken- Buchsen-Anschlüssen verwendet, welche der Steckverbindung einerseits Stabilität verleiht und ein leichtgängiges Einrasten im Drehvorgang erlaubt. Zudem wird ein innerer Daten-Strom-Fluss zwischen allen Modulen ermöglicht.
Die Größe der Module kann verschieden ausgeführt werden. Als zweckmäßig hat sich eine Seitenfläche der Module von 40 mm x 40 mm erwiesen. Es ist auch möglich, die Normgröße von Legobausteinen (31,8 mm x 31,8 mm oder
39,75 mm x 39,75 mm) zu verwenden. Damit wird eine vollkompatible Verknüpfung der beiden Baukastensysteme ermöglicht. Hierzu dient ein Adapterstein, der neben den bekannten Noppen auch Löcher für Achsen und Verbindungselemente besitzt.
Die Verbindung der Module untereinander erfolgt mit einer Steckverbindung.
Die in Figur 3 dargestellte 90-Grad-Dreh-Steckverbindung weist Magnete und Klinken-Buchsen- Anschlüsse auf und ermöglicht eine schnelle Veränderung der Modulposition. Die Haltekraft wird durch Magnete bestimmt. Bestimmte
Bewegungs- und Kräfteeinflüsse können die Magnete voneinander trennen und die Module somit verdrehen. Die Verbindung hält die Module zusammen und verleiht der Konstruktion Stabilität. Damit ist gewährleistet, dass auch bei den bewegenden Modellen die Module nicht abknicken oder sich verdrehen. In 90°-Schritten rasten die Module ein und lassen sich in den dazwischen liegenden 45°-Positionen leicht auseinander ziehen.
Figur 4 erläutert die Daten- und Stromübertragung über die Steckverbindung. Der Strom für den Servomotor und den MikroController wird über eine Klinke oder zwei Metallstecker übertragen. Die Kontaktflächen der Stecker kontaktieren in den zugehörigen Buchsen Gegenkontakte. Die Dateninformationen für die Sensor- und Steuersignale können zusätzlich über die Klinke, zwei Metallstecker oder per Bluetooth übermittelt werden. Besonders vorteilhaft ist, dass die Steckverbindung neben dem Zusammenhalten der Module gleichzeitig den Strom- und Datenfluss übertragen kann.
Die Steckverbindungen bestehen aus dem in Figur 4 dargestellten männlichen Teil mit nach außen weisenden Halte- und Kontaktstiften und einem weiblichen Teil mit nach innen weisenden Halte- und Kontaktöffnungen. Im Inneren der Module befinden sich Leiterplatinen, die mit dem männlichen oder weiblichen Teil der Steckverbindung elektrisch verbunden sind. Dies ermöglicht eine einfache Montage mit geringer Anzahl der Bauteile.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Steckverbindung auf die Modulflächen zu verteilen. Die Module werden hierbei durch verschiedene Metallpins, Kontaktstifte, Magnete zusammengehalten und übertragen den Strom- und Datenfluss.
Eine mögliche Ausführungsform für ein Bewegungsspiel besteht aus einem Mikrocontrollermodul und drei verschiedenen Bewegungsmodulen.
Figur 5 zeigt verschiedene Ausführungsmöglichkeiten für Bewegungsmodule. Dargestellt sind in Figur 5.1 ein Gelenkmodul, Figur 5.2 ein Drehmodul, Figur 5.3 ein Translationsmodul, Figur 5.4 ein Linearmodul und Figur 5.5 ein Rotationsmodul.
Die Bewegungsinformation für Winkelausschlag und Geschwindigkeit sendet ein Steuermodul an die Bewegungsmodule, sobald ein Energiemodul angesteckt ist. Integriert man einen MikroController in die Bewegungsmodule, kann jedes Bewegungsmodul individuell angesteuert werden.
Das Energiemodul enthält einen Akkumulator. Er sorgt für die Stromversorgung und besteht aus spielerisch-pädagogischen Gesichtspunkten aus einem einzelnen Modul. Er ermöglicht damit das Spiel mit dem Gleichgewicht, denn das Energiemodul ist der schwerste Baustein im Konstruktionsspiel. Neben den schweren Nickel-Metallhydrid- Akkus werden die Energiemodule vorteilhaft mit Lithium- Ionen- Akkumulatoren bestückt, um das Gewicht zu verringern und die Akkukapazität zu erhöhen. Im beschriebenen Beispiel werden zwei Lithium-Ionen- Akkumulatoren mit 3,7 Volt werden geschalten und verdoppeln die Kapazität. Ein Step-Up-Wandel bringt die 3,7 Volt auf 5 Volt Betriebsspannung und versorgt den MikroController und die Bewegungsmodule mit Strom. Mithilfe einer USB- Lade- und Schutzschaltung wird das Energiemodul geladen und vor Kurzschluss geschützt. Zusätzlich verfügt das Energiemodul über einen An/ Aus-Schalter, um den Stromkreis zu kontrollieren.
Ein handelsübliches Servomodul dient als Antriebsquelle für die Bewegungsmodule. Über eine Pulsweitenmodulation [PWM] wird das Servomodul vom MikroController angesteuert und kann als kompakte Antriebseinheit einfach montiert werden.
Eine spezielle Ausführung ist ein Konstruktionsspiel mit Energiemodulen, die Strom aus nachhaltigen Quellen beziehen. Es ermöglicht Kindern und Jugendlichen, kleine Kraftwerke zu bauen, die den Strom für ihre Leucht- und
Bewegungsobjekte liefern. Das Set besteht aus Energie produzierenden und Energie verbrauchenden Modulen. Die Generator- und Akkumodule sowie Solar-, Windrad-, Kurbel-, Dreh- und Kabelmodule sind Strom produzierende Module. Wohingegen die Strom verbrauchenden Elemente die Bewegungs- und Leuchtmodule darstellen. Die geometrischen Module orientieren sich an den pädagogischen Grundformen wie Würfel, Quader, Zylinder und Dreiecksprismen. Die Nutzer erfahren auf spielerische Weise die Zusammenhänge der Energiegewinnung und des spezifischen Energieverbrauchs ihrer bewegenden und leuchtenden Modelle. Das Baukastensystem macht das Themengebiet der regenerativen Energieumwandlung für Kinder an ihren eigenen Kreationen erlebbar und intuitiv begreifbar.
Figur 6 zeigt ein Beispiel für die Gestaltung und Verwendung von Solarmodulen.
Das Baukastensystem kann mit verschiedenen Schnittstellen ausgestattet werden.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der spezielle Bausteine auf die Bewegungsmodule gesteckt und dadurch die Bewegungsparameter festlegt werden. Hierbei sind Amplituden-, Geschwindigkeit- und Verzögerungs-Potentiometer im Bewegungsmodul integriert, die durch das Gehirnmodul oder direkt am
Bewegungsmodul verändert werden. Damit können die Bewegungsmodule programmiert werden. Die Anordnung ermöglicht eine kinderfreundliche Manipulation der
Bewegungsparameter mithilfe von einfachen Bausteinen. Die Amplitudensteine 7.1, Geschwindigkeitssteine 7.2 und die Verzögerungssteine 7.3 können direkt an das Bewegungsmodul gesteckt werden. Mit unterschiedlichen Geschwindigkeitssteinen 7.2 kann eine schnellere oder langsamere Bewegung der Gelenkmodule programmiert werden. Bei den Amplitudensteinen 7.1 kann beispielsweise ein Stein mit vier Noppenreihen eine Drehung um 45° und ein Stein mit fünf Noppen eine Drehung um 36° veranlassen. Jede Stecknoppe ist mit einem Farbsensor ausgestattet. Ein Verzögerungsstein 7.3 mit einer Noppe löst in diesem Beispiel einen zeitlichen Abstand von einer Millisekunde aus. Die Programmierung ist somit komplett steckbar.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit ist in Figur 8 dargestellt. Hiermit kann eine Grundbewegung des Modells über das Verschieben der Bewegungsbausteine ausgeführt und gleichzeitig gespeichert werden, nachdem das Energiemodul angesteckt und der Programm-Button am Bewegungsmodul gedrückt wurde. Die Grundbewegungen der Bewegungsmodule werden mit den Händen erzeugt. Dabei können maximal zwei Bewegungsmodule mit den Händen kontrolliert verändert werden. Start- und Endwinkel, die Geschwindigkeit und die Verzögerung, d. h. welches Modul sich zuerst bewegt, wird mithilfe eines Drehpotentiometers ausgelesen und in einem EPROM-Chip gespeichert. Die eingespeicherten Bewegungen können anschließend direkt ausgeführt werden.
Die am Anfang noch intuitiv programmierten Bewegungsparameter können mithilfe von integrierten Amplituden-, Geschwindigkeit- und Verzögerungs- Potentiometer nachträglich verändert und an das Bewegungsmodell angepasst werden. Die Parameter können entweder über das Control-Center am Gehirnmodul oder über das Control-Center am Bewegungsmodul, welche z. B.
integrierte Buttons, Schieberegler, Drehpotentiometer, Sensoren oder ein
Touchscreen-Display besitzen, leicht verändert werden. Dabei wird der
Programm-Button des zu manipulierenden Bewegungsmoduls gedrückt und das Control-Center am Gehirnmodul oder Bewegungsmodul geregelt. Es können auch mehrere Module in der Amplitude und Geschwindigkeit gleichzeitig verändert werden.
Das Control-Center enthält neben dem Eingabefeld auch ein 7-Segment-,
Punktmatrix-, LED-Paneel oder Touchscreen-Display, welches die Parameter zusätzlich anzeigt und ein Feedback über die manipulierten Daten geben kann.
Das in Figur 9 dargestellte Gehirnmodul bildet das Denkorgan. Es enthält einen MikroController und kann die Bewegungsparameter aller angesteckten Bewegungsmodule verändern, synchronisieren, anzeigen oder rhythmisch verzögern. Das Gehirnmodul synchronisiert alle angesteckten Bewegungsmodule mit den Bewegungsparametern, die in einem Modul verändert wurden. Das Gehirnmodul bildet die Kommunikationseinheit, wertet Sensordaten aus und steuert alle angesteckten Module. Es verfügt über eine Ampitudenanzeige 9.1, einen Programm- Button 9.2, einen Control-Center-Button 9.3, eine Geschwindigkeitsanzeige 9.4 und eine Verzögerungsanzeige 9.5. Mittels USB-Anschlüsse 9.6 können die Bewegungsparameter extern gesichert werden. Kleine Sensormodule können auf jedes Bewegungsmodul gesteckt werden und verändern dieses gesondert.
BEZUGSZEICHENLISTE Bewegungsmodul
Steuerungsmodul
Energiemodul
Verbindungsmodul
Stoppmodul Amplitudenstein
Verzögerungsstein
Geschwindigkeitsstein Amplitudenanzeige
Programm-Button
Control-Center-Button
Geschwindigkeitsanzeige
Verzögerungsanzeige
7-Segmentanzeige Amplitudenanzeige
Programm-Button
Control-Center-Button
Geschwindigkeitsanzeige
Verzögerungsanzeige
USB-Anschluss

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Baukastensystem mit zusammensteckbaren Modulen, bei denen sich zur Bewegung und Steuerung erforderliche elektronische und mechanische Bauteile in den Modulen befinden, dadurch gekennzeichnet, dass das Baukastensystem mindestens ein Energiemodul (3), mindestens ein
Steuerungsmodul (2) mit einem Microcontroller, mindestens ein
Bewegungsmodul (1) mit einem integrierten Servomotor und mehrere Verbindungsmodule (4) enthält, die beliebig miteinander verbindbar sind, wobei die Module (1, 2, 3, 4, 5) mittels Steckverbindungen verbindbar sind, welche den Stromfluss zwischen benachbarten Modulen ermöglichen.
2. Baukastensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über die Steckverbindungen auch eine Datenübertragung erfolgt.
3. Baukastensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens ein Stoppmodul (5) enthält, welches nur den Stromfluss zwischen benachbarten Modulen ohne Datenübertragung ermöglicht.
4. Baukastensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindungen 90-Grad-Dreh- Steckverbindungen sind, welche Klinken-Buchsen-Anschlüsse aufweisen.
5. Baukastensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (1, 2, 3, 4, 5) würfel-, zylinder- oder quaderförmig ausgebildet sind, deren ebene Seitenflächen mit
Steckverbindungselementen versehen sind.
6. Baukastensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Baukastensystem Energie erzeugende und Energie verbrauchende Module enthält.
7. Baukastensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom produzierenden Module elektrische Energie aus Solarenergie gewinnen.
8. Baukastensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsmodul (1) einen Servomotor enthält, bei dessen Betätigung zwei integrierte, gelenkig verbundene Bewegungsteile das Bewegungsmodul deformieren.
9. Baukastensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsmodul (1) die Form eines Quaders aufweist, der bei Bewegung seine Längenausdehnung verändert oder zu einem Parallelepiped verschoben wird.
10. Baukastensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsmodul (1) aus zwei rotationsfähigen zylindrischen Teilen besteht.
11. Baukastensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ebenen Seitenflächen der Steuerungsmodule (2) mit Steckbuchsen ausgestattet sind, mit denen Bewegungsinformationen ausgegeben werden können.
12. Baukastensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindungen aus einem männlichen Teil mit nach außen weisenden Halte- und Kontaktstiften und einem weiblichen Teil mit nach innen weisenden Halte- und Kontaktöffnungen bestehen, die jeweils mit im Inneren der Module angeordneten Leiterplatinen elektrisch verbunden sind.
13. Baukastensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindungen aus mehreren auf eine Modulfläche verteilten
Kontaktelementen bestehen.
14. Baukastensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module durch Magnete zusammengehalten werden.
15. Baukastensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Bewegungsmodule Bausteine steckbar sind, mit denen Bewegungsparameter festlegt werden.
16. Baukastensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die aufsteckbaren Bausteine Potentiometer betätigen, die sich im Inneren der Bewegungsmodule befinden und mit denen die Amplitude und/oder die Geschwindigkeit und/oder die Verzögerung der vom Bewegungsmodul ausgeführten Bewegung gesteuert wird.
17. Baukastensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Modulen kleinere Passiv-Module angesteckt sind.
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