[0001] 本
申请是名称为“用于构建弹性结构的建造元件”、
国际申请日为2015年10月13日、国际申请号为PCT/DE2015/000501、
国家申请号为201580055677.8的
发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及一种用于构建弹性结构的玩具建造元件，该玩具建造元件包括多个至少三个连续的链条式单独链节。
背景技术
[0003] 为了构建爪子和移动元件，与从经典的机械学获知相比，从
仿生学更好地获知不同的
基础元件。代替安装轴和可旋转的安装元件，从观察性质获知按照独特的布置对柔性和刚性元件进行组合从而使移动传送到各个链式
齿轮传动装置。示例是对剪切移动做出反应的鳍状或翼状结构，其中，鳍或翼的
变形导致变化的迎
风气流以及因此对抗剪切
力。这个技术用于帆船的船体并且还用于
现有技术的超级结构。在贸易语言中，非常频繁地，术语“鳍条原理(Fin Ray )”用于指出这些仿生构建元件的总体结构相似性。
[0004] 与机械学相反，仿生学是非常年轻的研究技术分支。因此，本发明的功能是提供一种简单的构建元件作为玩耍和学习工具，这种元件允许容易地组装以及学习仿生学原理。
发明内容
[0005] 根据本发明的任务是通过单独链节之间的连接部解决的，这些链节保持与对应于拉伸强度(在与
弹性模量相关的方向)的复位力相比更小的对应于弯曲弹性(在与
剪切模量相关的方向)的复位力。本申请的其他方面中描述了其他的有利配置。
[0006] 所以，根据本发明，设想的是链条式玩具建造元件展现与对应于拉伸负载相比更小的对应于剪切或弯曲负载的复位力。玩具建造元件的本质是其具有特定的固有
稳定性但是仍然保持可弹性地成形，其中，弹性可成形性在彼此垂直的三个方向上不同地形成。链条展现三个优选的方向。一个方向与直线链条共线而两个方向与其垂直。
[0007] 重要的是本发明的第一
实施例：玩具建造元件的弯曲弹性(在与剪切模量相关的方向)在预定的区间内，从而使得玩具建造元件可以与可商购的玩具一起用于例如建造仿生爪子。
[0008] 根据本发明的优选实施例，设想的是在垂直于链条的两个方向上的弯曲弹性被形成为不同的强度。所以，如果空间中的三个不同方向上存在三个不同的弹性，不可避免地存在具有最高复位力的一个弹性，并且不可避免地存在具有最低复位力的另一个弹性。
[0009] 对于本发明的另一实施例，重要的是：玩具建造元件的拉伸强度(在与弹性模量相关的方向)在预定的区间内，从而使得玩具建造元件可以与可商购的玩具一起用于例如为弹性
弹簧关节的示例建造弹性关节。
[0010] 为了通用地使用模
块化玩具构建系统，本发明的有利配置设想的是单独链节具有用于连接到另一个杆形刚性玩具建造元件和/或另一个刚性轴的至少一个器件，优选地凹口。根据仿生原理配置的鳍状或翼状元件也可以用作爪子元件或杠杆齿轮。为了能够组装可以非常容易地作为玩耍或学习工具的爪子、鳍状结构或杠杆齿轮，刚性轴或杆状刚性元件用作连接元件，该连接元件使得本文呈现的玩具建造元件变成在空间中的不同方向对剪切移动不同地做出反应的结构。
[0011] 取决于待构建的结构的特性，会有必要将力矩传送到弹性玩具建造元件或从其
牵引力矩。为此，按照有利的方式横跨凹口的轴线在玩具建造元件上对凹口进行成形。为了安装另一个刚性元件，玩具建造元件可以具有类似圆柱形内孔成形的简单的凹口。然而，还可以提供与圆柱形形状偏离的形状为规则或不规则多边形结构、狭缝结构或者甚至十字架结构的结构从而将力矩传送到玩具建造元件或将力矩牵引离开玩具建造元件。
[0012] 对于优选地宽泛的用途，设想了本发明的有利配置：单独链节之间的距离大约为被测量为平均直径的单独链节的尺寸。因此，具有其他不同建造元件的可能连接点的数量非常大并且能够灵活地设计。
[0013] 在本发明的特殊配置中，设想的是单独链节包括刚性芯并且因此玩具建造元件包括对应于弹性的
各向异性材料特性。本发明包括的本实施例也用于这些设置，其中，在玩具建造元件上施加特别强的力矩或者应当将力矩牵引离开玩具建造元件。本发明的这个特殊配置的典型用途是以下设置：应当构建弹簧关节结构或者通常构建其中应当例如按照关节被迫打开的方式将拉伸加载的玩具建造元件的高
能量传送到力矩中的结构。
[0014] 根据本发明的玩具建造元件的设置可以是非常多样，这取决于优选的用途类型。在本发明的简单配置中，设想了由单种材料制成的一体结构，其中，在这种情况下，各向异性材料特性由结构以及单独链节的凹口的性质和形式决定。可以通过注塑建模制造玩具建造元件或者可以从整块材料切割玩具建造元件。另一种制造可能性是用3D打印过程形成。
为了能够控制3D打印生产期间的弹性，最好通过对可热塑变形或粘附的弹性细丝或弹性
螺纹进行分层来实现。为了成形，放置
基座框架并且用具有完全相同材料的螺纹对其进行包饶。因此，本生产方法的布置设想的是设置多部分形式，其中，单独链节由与其他
线轴类元件相邻的线轴类元件组成，其中，单独线轴类元件由蜿蜒的
包装材料连接。对于通过3D打印成形，不同材料的细丝可以用于线轴类基座框架和蜿蜒的包饶材料或者还可以从同一个细丝平铺整个结构而不中断材料流。因此，细丝的成分、尤其是分层方向决定由单独链节制成的链条的各向异性特性，可以按照细丝具有与剪切弹性不同的拉伸强度的方式进行解释。
如果所完成的玩具建造元件的弯曲
应力通过组装以及因此细丝的平铺图案被转换为单独细丝的拉伸强度，所完成的玩具建造元件的拉伸强度被转换为单独细丝的剪切负载，于是可以创造所完成的玩具建造元件的非常强的各向异性材料特性。
[0015] 取决于所需的对抗灰尘、尘土、汗液和化学物质的稳定性和抵抗性，可以为玩具建造元件设想整个单独链节被
铸造为
硅橡胶和/或合成或天然橡胶的弹性体。
[0016] 另外，为了将玩具建造元件与另一个玩具建造元件安全地连接，可以设想单独链节具有卡扣元件、弹性唇片、楔子和/或螺纹，玩具建造元件可以通过这些部件连接到另一个刚性玩具建造元件。
[0017] 为了控制玩具建造元件在空间中不同方向的弾性特性，可以设想两个单独链节之间的连接部具有锥度。通过隔膜或通过锥度，可以控制对应于剪切移动的弹性，其中，这个因此产生的弹性与通过平铺细丝图案类型产生的弹性重叠。
[0018] 在本发明的特定配置中，已经有利地显示出如果玩具建造元件具有位于在2N/mm2(2MPa)与750N/mm2(750(MPa)之间的拉伸弹性(弹性模量)、优选地具有在4N/mm2(4MPa)与250N/mm2(250MPa)之间的拉伸弹性、尤其是在5N/mm2(5MPa)与50N/mm2(50MPa)之间的拉伸弹性(弹性模量)。具有这个拉伸强度的玩具建造元件已经被证明有利于为儿童商用玩具建造弹性关节、脚踝关节、弹性翼状关节或弹性摇摆和弯曲
建筑物。玩具建造元件确实显示出具有更高弹性模量的拉伸强度(弹性模量)，标准连接强度或玩具稳定性和学习工具无法吸收所涉及的功率。所构建的玩具和学习工具将在内部应力下坍塌。然而，因为玩具建造元件的材料的复位力太小，即使简单的弹性关节将无法承载从玩具构建的典型结构的重量。
[0019] 对应于剪切模量，以下尺寸被证明对用作玩具和学习工具是理想的：
[0020] 在垂直于链条方向的第一剪切模量方向，即与直线链条长度方向成直
角的方向，2 2
具有大约22mm至38mm的平均截面的玩具建造元件包括在对应于大约0.08N的8g重力(对应于大约0.13N的13g)下产生1.8cm(2.5cm)的偏移，玩具建造元件的长度为20cm。
[0021] “更软的”玩具建造元件仅证明其自身具有以下值：在垂直于链条方向的第一剪切模量方向，即与直线链条长度方向成直角的方向，具有大约22mm2至38mm2的平均截面的玩具建造元件包括在对应于大约0.08N的8g重力下产生3.6cm的偏移，玩具建造元件的长度为20cm。
[0022] “更硬的”玩具建造元件仅证明其自身具有以下值：在垂直于链条方向的第一剪切模量方向，即与直线链条长度方向成直角的方向，具有大约22mm2至38mm2的平均截面的玩具建造元件包括在对应于大约0.08N的8g重力下产生0.9cm的偏移，玩具建造元件的长度为20cm。
[0023] 在垂直于链条方向的第二剪切模量方向，即与直线链条长度方向成直角的方向，具有大约22mm2至38mm2的平均截面的玩具建造元件包括在对应于大约0.09N的9g重力(对应于大约0.10N的10g)下产生0.9cm(1.6cm)的偏移，玩具建造元件的长度为20cm。
[0024] “更软的”玩具建造元件仅证明其自身具有以下值：在垂直于链条方向的第二剪切模量方向，即与直线链条长度方向成直角的方向，具有大约22mm2至38mm2的平均截面的玩具建造元件包括在对应于大约0.09N的9g重力下产生1.8cm的偏移，玩具建造元件的长度为20cm。
[0025] “更硬的”玩具建造元件仅证明其自身具有以下值：在垂直于链条方向的第二剪切模量方向，即与直线链条长度方向成直角的方向，具有大约22mm2至38mm2的平均截面的玩具建造元件包括在对应于大约0.09N的9g重力下产生0.5cm的偏移，玩具建造元件的长度为20cm。
[0026] 在直线链条作为扭
转轴线的扭转模量方向，具有大约22mm2至38mm2的平均截面的玩具建造元件包括在90度扭转下7g(大约0.07N)的
扭矩并且玩具建造元件的扭转截面的长度为20cm而其扭转
力臂为10cm。
[0027] “更软的”玩具建造元件仅证明其自身具有以下值：在直线链条作为扭转轴线的扭2 2
转模量方向，具有大约22mm至38mm的平均截面的玩具建造元件包括在90度扭转下3.5g(大约0.035N)的扭矩并且玩具建造元件的扭转截面的长度为20cm而其扭转力臂为10cm。
[0028] “更硬的”玩具建造元件仅证明其自身具有以下值：在直线链条作为扭转轴线的扭转模量方向，具有大约22mm2至38mm2的平均截面的玩具建造元件包括在90度扭转下14g(大约0.14N)的扭矩并且玩具建造元件的扭转截面的长度为20cm而其扭转力臂为10cm。
[0029] 通过弹性模量的这些值，玩具建造元件适合在用于手动用途玩具典型的玩具中使用，例如
电池驱动的
致动器和驱动
电机，这些
驱动电机由至少一个单电池(D-cel l)、子电池(C-cel l)、小巧电池(AA cell)、迷你电池(AAA cell)或至少一个典型的9V–bloc(9V-cell)或适合玩具的变换器或玩具
太阳能电池。这些电机的力矩必须能够驱动典型的并且兼容玩具的设置。
附图说明
[0030] 通过以下附图解释本发明。附图示出：
[0031] 图1根据本发明的玩具建造元件的平面图，
[0032] 图2图例1的玩具建造元件的立体图，
[0033] 图3仿生鳍原理的清晰轮廓，
[0034] 图4玩具建造元件的变形特性的另一个清晰轮廓，
[0035] 图5根据本发明的玩具建造元件的替代设置的构建的清晰轮廓，
[0036] 图6与图例5等效的轮廓的立体图，
[0037] 图7内部结构选项的清晰细节放大图，
[0038] 图8在y方向具有相应的弯曲弹性(剪切模量G’)的第一方向的弯曲表示，[0039] 图9在y方向具有相应的弯曲弹性(剪切模量G)的第一方向的弯曲表示，[0040] 图10根据图例3的鳍原理的处于四个连续的变形状态的另一个清晰轮廓，[0041] 图11玩具建造元件的扭转的另一个清晰轮廓，
[0042] 图12由玩具建造元件制成的
钳子样式的爪子的处于握住敏感对象的状态的正确设置的示例，
[0043] 图13由玩具建造元件制成的三部分鳍握爪的处于握住敏感对象的状态的正确设置的示例，
[0044] 图14由根据本发明的玩具建造元件制成的弹性翼的玩具蜻蜓的示例。
具体实施方式
[0045] 图例1显示根据本发明的玩具建造元件1的平面图，该玩具建造元件包括具有链式结构的若干个单独链节4。因此，单独链节4通过连接部5连接。链式结构的类别和构建为玩具建造元件1提供了在空间中的不同方向工作的不同的弹性或者复位力。为了能够将玩具建造元件1与玩具建造系统的其他玩具建造元件连接，玩具建造元件1包括用于连接的固定装置6，该固定装置在非常简单的情况下可以是非常简单的凹口以便在此处插入另一个互
锁玩具建造元件。然而，还可以设想用于连接的固定装置6是剖面凹口并且在所示示例中具有勋章十字架的形式。用于连接的固定装置6的其他形式是可能的，诸如具有用于增加摩擦的唇片的狭缝形状的凹口或十字架凹口。在图例1中，示出了在线性链条方向工作的弹性模量E以及垂直于线性链条因此与链条方向成直角的剪切模量G。设想了在剪切模量G方向工作的复位力显著地小于在弹性模量E工作的复位力。画到链条中的椭圆形缺口A被示出在链条下方作为细节放大图A。单独链节4包括平均截面10和重复距离9。在根据本发明的玩具建造元件的优选实施例中，设想了单独链节4的平均截面10与两个相邻的单独链节4的重复距离9一样大。因此，两个单独链节4之间的连接部5受限或具有锥度，然而，在任何情况下，该连接部包括比单独链节4自身低很多的材料周向体积，其中，材料周向体积包括凹口7的体积。通过锥度类别和形式，可以控制空间内不同方向的不同弹性对应性。
[0046] 在图例2中，根据本发明的来自图例1的玩具建造元件1被描绘为立体图。单独链节4包括通过作为连接部5的条连接的基本上圆柱形外部形状。单独链节4的高宽比基本上对应于立方体空间形式，其中，宽度略短于高度以便为作为连接部5的条留出空间。在立体图内示出了测量值，该测量值符合距离9并且标出了与玩具建造元件1相对应的空间方向。因此，链条的初始提及方向符合弹性模量E的空间方向，垂直于线性链条的第一方向是剪切模量G的方向，并且垂直于链条的第二方向是剪切模量G’的方向。根据本发明，设想了沿着弹性模量E工作的复位力是最高的，第二是在剪切模量G’方向工作的复位力，第三是在剪切模量工作的复位力。
[0047] 为了演示可以由根据本发明的玩具建造元件1实现的效果，在图例3中，示出了根据本发明的玩具建造元件1的构建，为了简单起见，显示为
球链。对于这个示例性构建，两个基本上完全相同的玩具建造元件1按照三角形形状通过4个
横撑QS1、QS2、QS3和QS4连接到彼此。对于仿生鳍效果，足够的是由方向箭头S指示的横向剪切负载通过下方的流将鳍变形，如由方向箭头V所指示的。在这个仿生鳍效果内，箭头V方向的变形还用做对抗移动。仿生鳍原理不仅可以执行对抗流移动，而且还可以在这些被设计为两层或多层钳子时构建非常温和的爪子器件。因此，本文被示出为鳍的每个结构形成握住待握住的元件(例如苹果或鸡蛋)的钳子的一部分。精美对象的形式(苹果或鸡蛋)使得被握住对象的围合温和但是非常牢固，其中，根据本发明的玩具建造元件还适合构建仿生
机器人爪子。
[0048] 根据本发明的玩具建造元件1的特殊特征如图例4所示出的那样工作。
[0049] 图例4还示出根据本发明的本文由三个单独元件4表示的玩具建造元件1如何对剪切负载做出反应。由这三个单独元件4显示的链条摘录的长度通过弯曲元件4之间的连接部5经历明显的缩短。代替完整的弧长BL，符合这三个单独链节4的长度L，在剪切负载的情况下，实际弧长BL’看似变短。这是因为作为连接部5的条与其将对应于均匀成形的建造元件的变形相比显著地弯曲更多。因此，自身较硬地变形的单独元件的芯一起移动更靠近。这种变短产生图例3中的三角形，移动到所描绘的形式中，因为目前在图例3的右侧的链条未变形但是保持其整体长度。唯一的几何替代形式是在图例3中描绘的变形三角形式。各向同性形成的并且各向同性弹性建造元件将具有以下效果：图例3中的左链条以及图例4中的右链条经历横向凹陷，从而使得将保持三角形，凹陷除外。仅仅玩具建造元件1的各向异性灵活性产生仿生鳍原理。
[0050] 可以从通过
激光烧蚀制造的或者通过注塑建模在更大规模上制造的实体切割玩具建造元件1。对于非常特殊的用途，玩具建造元件1可以从由同一种或不同种材料制成的不同元件制造。当由3D打印过程制作时，可以设想具有弹性特性的热塑材料被嵌入为细丝。细丝被平铺到不同的线轴形单独元件4并且通过
烧结和熔融轻微地热塑变形。为了通过3D打印过程控制弹性特性，用于3D打印过程的细丝被平铺在围绕图例5中示出的单独元件4的两个蜿蜒的弯曲材料13和13’中。在图例6中的立体图示出了3D打印细丝作为蜿蜒的弯曲材料13和13’的
位置。单独元件4包括凹口7(本文处于星型内腔形式)并且由两个相对的蜿蜒的包饶材料包饶。在3D过程期间，细丝熔融，从而使得在生产过程结束时，产生出图例2示出的玩具建造元件。由于用于3D打印的作为细长材料的细丝包括细丝和截面方向的预定弹性，细丝的这种平铺确保了可以特殊地使用细丝的预定特性。
[0051] 最终，在图例7中，示出了可以在凹口7内设置用于增加摩擦的唇片14，该唇片可以在其中保持另一个玩具建造元件。还在其中示出了可选螺纹15，该可选螺纹被设计为类似于原理上已知的螺纹车刀的螺纹细丝。然而，在本文展现的形式上，螺纹15不旨在作为切割螺纹而是作为接纳用于在其中固定另一个不同的玩具建造元件的相应的螺丝的螺纹。
[0052] 在图例8中，示出了根据图例2的剪切模量G’方向上的弯曲。因此，剪切模量G’方向上的复位力应当在根据图例2的剪切模量G方向上的复位力与弹性模量E之间。在变形期间，重要的是整个玩具建造元件1均匀地或者至少协调地变形而不会在绳子扭结和折叠的情况下存在局部变形。
[0053] 图例9示出了根据图例2的剪切模量G方向上的弯曲。成形性应当在剪切模量G的方向上最大，从而应当包括最小复位力。最小复位力允许玩具建造元件1包括剪切模量G方向上的强力弹性变形，该变形是均匀的或至少协调的而不存在局部变形，所以玩具建造元件不会在绳子扭结和折叠的情况下变形。
[0054] 图例10更清晰地示出根据图例3的处于不同阶段的鳍状构建的动态图。结合根据本发明的四个玩具建造元件以及具有与根据本发明的玩具建造元件的单独元件相对应的至少一个轮廓的六个杆形刚性元件，其中，根据本发明的玩具建造元件通过连接
螺栓和销钉与杆连接，演示了本文的鳍原理。
[0055] 在第一阶段，未加载横向工作力F0，基本上三角形的构建形成
屋顶状三角形。在小的横向工作力F1的作用下，三角形开始抵靠横向工作力对抗地弯曲。通过更强的工作力F2，对抗弯曲增加，直到通过横向工作标定力F3，实现了仿生爪的期望效果并且三角形将其尖端与工作功率相反地对准。
[0056] 在图例11中，在三个阶段中显示了玩具建造石头的扭转负载。在左侧阶段期间，玩具建造元件的扭转大约为90度。已经在中间阶段，扭转为大约315度。在右侧阶段，扭转和弯曲重叠。通过扭转和弯曲负载，玩具建造元件作为协调地弯曲的玩具建造元件起作用，这意味着玩具建造元件不具有建造扭结、折叠或不连续性。
[0057] 图例12示出了从根据本发明的玩具建造元件构建的钳子形鳍状爪的特定构建处于包含精美对象(球、鸡蛋)的状态的示例。通过抵抗所使用的玩具建造元件的复位力的手动压缩实现握持条件。
[0058] 图例13示出了从玩具建造元件构建的三部分鳍状爪的特定构建处于包含精美对象(球、鸡蛋)的状态的示例。给出了与图例12类似的功能，然而，本文的三个单独鳍状爪在包含球的情况下安全地工作。
[0059] 图例14示出玩具建造元件处于非功能形但是静态的创造性用途。由于不同的剪切模量G和G’以及弹性模量E所导致的复位力类型使得能够构建蜻蜓翼轮廓。
