KR20170067883A - 탄성 구조물의 구성을 위한 조립 요소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 적어도 3개의 연속적인 체인 링크 형태의 개별 링크(4)를 포함하는, 탄성 구조물(2)의 구성을 위한 완구 조립 요소(1)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 별도의 개별 링크(4)들 사이의 연결부(5)는 인장 강도(탄성 계수(E))와 관련한 복원력보다 작은 굽힘 탄성(전단 계수(G))과 관련한 복원력을 가진다. 이러한 완구 조립 요소에 따르면, 생체공학적 원리에 따라서 작동하는 클로, 지느러미 또는 스프링 조인트가 구성될 수 있다.

Description

탄성 구조물의 구성을 위한 조립 요소{BUILDING ELEMENT FOR THE CONSTRUCTION OF ELASTIC STRUCTURES}
본 발명은 복수의 적어도 3개의 연속적인 체인 링크(chain link) 형태의 개별 링크를 포함하는 탄성 구조물의 구성을 위한 완구 조립 요소(toy building element)에 관한 것이다.
클로(claw) 요소와 가동 요소의 구성을 위해서, 고전 역학에서 공지된 것과 상이한 기본 요소가 생체공학으로부터 공지되어 있다. 장착 축과 회전 가능하게 장착되는 요소 대신에, 관절식 기어 형태의 구조물을 통해서 서로에 운동을 전달하도록 가요성 요소와 강성 요소를 특이한 배열로 조합하는 것이 자연의 관찰로부터 알 수 있다. 예는 지느러미(fin) 또는 날개의 변형에 따른 전단 운동에 반응하여 변화되는 접근 흐름을 유발하고 따라서 전단력에 대항하는 지느러미 또는 날개 형태의 구조물이다. 이런 기술은 범선의 선체에 뿐만 아니라 최신 기술의 상부구조물(superstructure)에 사용된다. 아주 흔한 통상적인 언어에서, 지느러미줄 원리(Fin Ray Prinzip®)라는 용어는 이들 생체 공학적 구성 요소의 일반적인 구조적 유사성을 지적하는데 사용된다.
역학과는 반대로, 생체 공학은 다소 새로운 연구 및 기술 분야이다. 따라서, 생체 공학의 원리를 쉽게 조합하고 연구할 수 있게 하는 놀이와 연구를 위한 도구로서 간단한 구성 요소를 제공하는 것이 본 발명의 역할이다.
본 발명에 따른 과제는 (탄성 계수와 관련된 방향으로의) 인장 강도에 관한 복원력보다 작은 (전단 계수와 관련된 방향으로의) 굽힘 탄성에 관한 복원력을 보유하는 개별 링크들 사이의 연결부에 의해 해결된다. 추가의 유리한 구성은 제 1 항의 종속항들에 명시된다.
그래서, 본 발명에 따르면, 체인형 완구 조립 요소는 인장 하중에 관한 복원력보다 작은 전단 또는 굽힘 하중에 관한 복원력을 나타내는 것으로 계획된다. 완구 조립 요소의 중요성은 완구 조립 요소가 확실한 고유 안정성을 갖고 있음에도 불구하고 탄성적인 형태를 유지하며 그에 의해서 탄성 성형성이 서로 수직한 세 방향으로 상이하게 전개된다는 점이다. 체인은 3개의 바람직한 방향을 제공한다. 한 방향은 직선의 체인 라인과 동일 선상에 있으며 두 방향은 그에 수직하다.
완구 조립 요소의 (전단 계수와 관련된 방향으로의) 굽힘 탄성은 완구 조립 요소가 상업적으로 이용 가능한 완구와 함께, 예를 들어, 생체 공학적 클로를 조립하는데 사용될 수 있도록 사전결정된 구간 내에 있는 것이 본 발명의 제 1 실시예에서 중요하다.
본 발명의 바람직한 실시예의 경우에, 체인 라인에 수직한 두 방향으로의 굽힘 탄성은 상이한 강도로 전개되는 것으로 의도된다. 따라서, 공간에서 3개의 상이한 방향으로 3개의 상이한 탄성이 있다면, 불가피하게 하나의 탄성은 최고 복원력을 갖는 것으로 구분되며 불가피하게 다른 탄성은 최저 복원력을 갖는 것으로 구분된다.
본 발명의 추가 실시예의 경우에, 완구 조립 요소의 (탄성 계수와 관련된 방향으로의) 인장 강도는 완구 조립 요소가 상업적으로 이용 가능한 완구와 함께, 예를 들어, 탄성 스프링 조인트의 예에 탄성 조인트를 조립하는데 사용될 수 있도록 사전결정된 구간 내에 있는 것이 중요하다.
모듈식 완구 구성 시스템에 다용도로 사용하기 위해서, 개별 링크가 적어도 하나의 장치, 바람직하게 다른 로드 스타일(rod style)의 강성 완구 조립 요소 및/또는 다른 강성 축에 연결하기 위한 오목부를 갖는 것으로 본 발명의 유리한 구성에서 의도된다. 생체 공학적 원리에 따라 구성되는 지느러미 또는 날개 요소는 또한, 클로 요소 또는 레버 기어(lever gear)로서 사용될 수 있다. 클로, 지느러미형 구조물 또는 레버 기어를 놀이 또는 연구용 도구로서 매우 용이하게 조립할 수 있게 하기 위해서, 강성 축 또는 로드형 강성 요소가 연결 요소로서 사용되며, 이 연결 요소는 본 발명에서 제시되는 완구 조립 요소가 공간에서 상이한 방향으로 상이하게 전단 운동에 반응하는 구조물이 되게 한다.
구성될 구조물의 특징에 따라서, 토크를 탄성 완구 조립 요소로 전달하거나 그로부터 토크를 해제하는 것이 필수적일 수 있다. 그 때문에, 오목부가 오목부의 축을 가로질러 유리한 방식으로 완구 조립 요소에 성형된다. 추가의 강성 요소를 장착하기 위해서, 완구 조립 요소는 원통형 보어처럼 성형된 간단한 오목부를 가질 수 있다. 그러나, 토크를 완구 조립 요소로 신뢰성 있게 전달하거나 토크를 반대로 해제하기 위해서 규칙적인 또는 불규칙적인 다각형 구조물, 슬릿 구조물 또는 심지어 십자형 구조물의 형상인, 원통형 형상으로부터 벗어난 구조물을 제공하는 것이 또한 가능하다.
바람직한 광범위한 사용을 위해서, 개별 링크들 사이의 거리는 평균 직경으로서 측정된, 대략 개별 링크의 크기 정도가 되는 것으로 본 발명의 유리한 구성에서 의도된다. 따라서, 추가의 상이한 조립 요소에 대한 복수의 가능한 연결 지점이 특히 크고 유연하게 설계될 수 있다.
본 발명의 특정 구성에서, 개별 링크가 강성 코어를 포함하며 따라서 완구 조립 요소가 탄성과 관련하여 이방성 재료 특성을 포함하는 것으로 의도된다. 본 발명에 또한 포함되는 이런 실시예는 특히 강한 토크가 완구 조립 요소에 가해지거나 그의 반대로 해제되어야 하는 것으로 이들 셋업(setup)에서 의도된다. 본 발명의 이러한 특정 구성의 전형적인 용도는 스프링 조인트 구조물이 구성되어야 하는 셋업 용도, 또는 일반적인 구조물 내부에서 인장상태로 부하된 완구 조립 요소의 고 에너지가 예를 들어, 강력하게 조인트를 개방하는 방식으로 토크로 전달되어야 하는 셋업 용도이다.
본 발명에 따른 완구 조립 요소의 셋업은 바람직한 형태의 용도에 따라서 매우 다양할 수 있다. 본 발명의 간단한 구성에서, 단일 재료로 제조되는 모놀리식(monolithic) 구조물이 제공되며, 이 경우에 이방성 재료 특성이 구조물에 의해 그리고 개별 링크의 오목부의 특성과 형태에 의해 결정된다. 완구 조립 요소는 사출 성형에 의해 제조되거나 충실 재료(full material)로부터 절단될 수 있다. 추가의 제조 가능성은 3D-프린팅 공정에 의한 형성이다. 3D-프린팅에 의한 제조 중에 탄성의 제어를 가능하게 하기 위해서, 이는 열가소적으로 변형 가능하거나 점착성이 있는 탄성 필라멘트(filament) 또는 탄성 스레드(thread)를 적층(layering) 함으로써 최상으로 달성된다. 형성을 위해서, 기저부 프레임이 놓이고 동일한 재료의 스레드로 감싸진다. 따라서, 제조 방법의 구성에 의해서 개별 링크가 추가의 보빈형(bobbin-kind) 요소에 인접하는 보빈형 요소로 구성되는 다중-부품 형태로 제공되는 것으로 의도되며, 그에 의해서 개별 보빈형 요소가 지그재그형 래핑(wrapping)에 의해 연결된다. 3D-프린팅에 의한 성형을 위해서, 상이한 재료의 필라멘트가 보빈형의 기저부 프레임 및 지그재그형 래핑에 사용될 수 있거나 재료 유동을 차단함이 없이 하나의 동일한 필라멘트로 전체 구조물을 적층하는 것도 또한 가능하다. 그에 의해서, 필라멘트의 구성, 특히 적층 방향이 개별 링크로 만들어지는 체인의 이방성 특성을 결정하며, 이는 필라멘트가 전단 탄성과 상이한 인장 강도를 가지는 방식으로 설명될 수 있다. 완성된 완구 조립 요소의 굽힘 응력이 그의 조립에 의해서 개별 필라멘트의 인장 강도로 전환되고, 그 때문에 필라멘트의 적층 패턴 및 완성된 완구 조립 요소의 인장 강도가 개별 필라멘트의 전단 하중으로 전환되면, 완료된 완구 조립 요소의 매우 강한 이방성 재료 특성이 그와 함께 생성될 수 있다.
필요한 안정성과 먼지, 흙, 땀 및 화학 물질에 대한 저항성에 따라서, 개별 링크의 전체가 탄성중합체, 실리콘 및/또는 합성 또는 천연 고무로 캐스팅(cast)되는 것으로 완구 조립 요소에서 의도될 수 있다.
게다가, 다른 완구 조립 요소에 대한 완구 조립 요소의 안전한 연결을 위해서 개별 링크는, 완구 조립 요소를 다른 강성 완구 조립 요소에 연결할 수 있는 스냅-온(snap-on) 요소, 탄성 립(lip), 웨지(wedge) 및/또는 스레드를 구비하는 것으로 의도될 수 있다.
공간에서 상이한 방향으로 완구 조립 요소의 탄성 특성을 제어하기 위해서, 2개의 개별 링크가 테이퍼지는 것으로 의도될 수 있다. 미드리프(midriff) 절단을 통해서 또는 테이퍼링을 통해서, 전단 운동과 관련된 탄성이 제어될 수 있음으로써, 그렇게 생성된 탄성은 필라멘트의 일종의 적층 패턴을 통해서 생성되는 탄성과 중복된다.
본 발명의 특정 구성에서, 완구 조립 요소가 2 N/㎟(2MPa) 내지 750 N/㎟(750MPa) 구간 내의 인장 탄성(탄성 계수), 바람직하게 4 N/㎟(4MPa) 내지 250 N/㎟(250MPa) 구간 내의 인장 탄성(탄성 계수), 특히 5 N/㎟(5MPa) 내지 50 N/㎟(50MPa) 구간 내의 인장 탄성(탄성 계수)를 갖는 경우에, 유리함이 입증되었다. 이러한 인장 강도를 갖는 완구 조립 요소는 아동용 상업적 완구에서 탄성 조인트, 발목 조인트, 탄성 날개 조인트 또는 탄성 로킹(rocking) 및 굽힘 구성물을 조립할 때 유리한 것으로 판명되었다. 완구 조립 요소가 더 높은 탄성 계수를 갖는 인장 강도(탄성 계수)를 나타내면, 완구 및 연구용 도구의 표준 연결 강도 또는 안정성은 관련된 동력을 흡수하지 못한다. 구성된 완구 및 연구용 도구는 내부 응력하에서 붕괴될 수 있다. 그러나, 완구 조립 요소의 재료의 복원력이 너무 작으면, 심지어 간단한 탄성 조인트도 완구로부터 구성된 전형적인 구조물의 중량을 지탱하지 못할 수 있다.
전단 계수와 관련하여, 다음의 크기가 완구 및 연구용 도구로서 사용하는데 이상적임이 입증되었다.
체인 라인의 방향에 수직한 제 1 전단 계수의 방향으로, 따라서 직선의 체인 길이에 직각으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이를 갖는 약 0.08 N에 대응하는 8 g(약 0.13 N에 대응하는 13 g)의 지구 중력의 영향하에서 1.8 ㎝(2.5 ㎝)의 휨(deflection)을 포함한다.
"연질(softer)" 완구 조립 요소는 다음 값들을 갖는 것으로 자체적으로 모두 입증되었다. 체인 라인의 방향에 수직한 제 2 전단 계수의 방향으로, 따라서 직선의 체인 길이에 직각으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이를 갖는 약 0.08 N에 대응하는 8 g의 지구 중력(8 g중)의 영향하에서 3.6 ㎝의 휨을 나타낸다.
"경질(harder)" 완구 조립 요소는 다음 값들을 갖는 것으로 자체적으로 모두 입증되었다. 체인 라인의 방향에 수직한 제 1 전단 계수의 방향으로, 따라서 직선의 체인 길이에 직각으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이를 갖는 약 0.08 N에 대응하는 8 g의 지구 중력의 영향하에서 0.9 ㎝의 휨을 나타낸다.
체인 라인의 방향에 수직한 제 2 전단 계수의 방향으로, 따라서 직선의 체인 길이에 직각으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이를 갖는 약 0.09 N에 대응하는 9 g(약 0.10 N에 대응하는 10 g)의 지구 중력의 영향하에서 0.9 ㎝(1.6 ㎝)의 휨을 나타낸다.
"연질(softer)" 완구 조립 요소는 다음 값들을 갖는 것으로 자체적으로 모두 입증되었다. 체인 라인의 방향에 수직한 제 2 전단 계수의 방향으로, 따라서 직선의 체인 길이에 직각으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이를 갖는 약 0.09 N에 대응하는 9 g의 지구 중력(9 g중)의 영향하에서 1.8 ㎝의 휨을 나타낸다.
"경질(harder)" 완구 조립 요소는 다음 값들을 갖는 것으로 자체적으로 모두 입증되었다. 체인 라인의 방향에 수직한 제 1/제 2 전단 계수의 방향으로, 따라서 직선의 체인 길이에 직각으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이를 갖는 약 0.09 N에 대응하는 9 g의 지구 중력의 영향하에서 0.5 ㎝의 휨을 나타낸다.
비틀림 축으로서의 직선 체인 라인에 대한 비틀림 계수의 방향으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 비틀림 섹션의 길이 및 10 ㎝의 레버(lever)에 대해서 90°비틀림의 경우에 7 g(약 0.07 N)의 토크를 나타낸다.
"연질" 완구 조립 요소는 다음 값들을 갖는 것으로 자체적으로 모두 입증되었다. 비틀림 축으로서의 직선 체인 라인에 대한 비틀림 계수의 방향으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 비틀림 섹션의 길이 및 10 ㎝의 레버(lever)에 대해서 90°비틀림의 경우에 3.5 g(약 0.035 N)의 토크를 나타낸다.
"경질" 완구 조립 요소는 다음 값들을 갖는 것으로 자체적으로 모두 입증되었다. 비틀림 축으로서의 직선 체인 라인에 대한 비틀림 계수의 방향으로, 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면을 갖는 완구 조립 요소는 20 ㎝의 완구 조립 요소의 비틀림 섹션의 길이 및 10 ㎝의 레버(lever)에 대해서 90°비틀림의 경우에 14 g(약 0.14 N)의 토크를 나타낸다.
이들 탄성 계수의 값을 갖는 완구 조립 요소는 수동 사용을 위한 완구에서의 채용에 적합하며 완구의 대표적인, 예를 들어 적어도 하나의 단일-전지(D-전지), 베이비(baby)-전지(C-전지), 미뇽(mignon) 전지(AA 전지), 미니 전지(AAA 전지) 또는 적어도 하나의 대표적인 9 V-블록(9V-전지)에 의해 구동되거나 완구용으로 적합한 변압기 또는 완구용 태양 전지에 의해 구동되는 배터리 구동식 작동기 및 구동 모터와 함께 사용하는데 적합하다. 이들 모터의 토크는 통상적이고 완구에 적합한 셋업을 구동시킬 수 있어야 한다.
본 발명은 다음 도면으로 명확해진다.
도 1은 본 발명에 따른 완구 조립 요소의 평면도이며,
도 2는 도 1의 완구 조립 요소의 사시도이며,
도 3은 생체공학적 지느러미 원리의 설명을 위한 개요도이며,
도 4는 완구 조립 요소의 변형 특성의 설명을 위한 다른 개요도이며,
도 5는 본 발명에 따른 완구 조립 요소의 대안적인 셋업의 구성의 설명을 위한 개요도이며,
도 6은 도 5와 동일한 개요도를 사시도로 나타내며,
도 7은 내부 구조 옵션의 설명을 위한 세부 확대도이며,
도 8은 y-방향으로 대응하는 굽힘 탄성(전단 계수 G')을 갖는 제 1 방향으로의 굽힘을 제시하는 도면이며,
도 9는 z-방향으로 대응하는 굽힘 탄성(전단 계수 G)을 갖는 제 1 방향으로의 굽힘을 제시하는 도면이며,
도 10은 4개의 연속적인 변형 상태로 도 3에 따른 지느러미 원리의 추가 설명을 위한 개요도이며,
도 11은 완구 조립 요소의 비틀림의 추가 설명을 위한 개요도이며,
도 12.1은 민감한 물체를 파지한 상태로 완구 조립 요소로 만들어진 펜치 스타일 클로(pincer style claw)의 정확한 셋업에 대한 예를 도시하며,
도 12.2는 민감한 물체를 느슨하게 파지한 상태로 완구 조립 요소로 만들어진 펜치 스타일 클로의 정확한 셋업에 대한 예를 도시하며,
도 13은 민감한 물체를 파지한 상태로 완구 조립 스톤(stone)으로 만들어진 3 부분의 지느러미 손잡이의 정확한 셋업에 대한 예를 도시하며,
도 14는 본 발명에 따른 완구 조립 요소로 만들어진 탄성 날개를 갖는 잠자리 완구의 예를 도시하며,
도 15는 본 발명에 따른 완구 조립 요소로 만들어진 탄성 날개를 갖춘 날벌레 완구의 예를 도시하며,
도 16은 전형적으로 트위스팅된 날개 프로파일을 갖는 날개의 구성을 위한 트위스팅된 완구 조립 요소에 대한 상세도를 도시한다.
도 1은 체인 링크 구조물의 여러 개의 개별 링크(4)를 포함하고 있는, 본 발명에 따른 완구 조립 요소(1)의 평면도를 도시한다. 그에 의해서 개별 링크(4)는 연결부(5)에 의해서 연결된다. 이러한 종류와 구성의 체인 구조물은 공간에서 상이한 방향으로 작동하는 상이한 탄성, 더 정확히는 복원력을 완구 조립 요소(1)에 제공한다. 완구 조립 요소(10)를 완구 조립 시스템의 추가의 다른 완구 조립 요소에 연결할 수 있게 하기 위해서, 완구 조립 요소(1)는 가장 간단한 경우에, 서로 맞물리는 완구 조립 요소를 거기에 삽입하는 간단한 오목부일 수 있는 연결부를 위한 고정구(6)를 포함한다. 그러나, 연결부를 위한 고정구(6)는 프로파일형 오목부이며 도시된 예에서처럼 십자형 메달을 연상하는 형태를 가지는 것으로 또한 의도될 수 있다. 연결부를 위한 고정구(6)의 추가 형태는 슬릿-형상의 오목부 또는 마찰을 증가시키는 립을 갖춘 십자형 오목부도 또한 가능하다. 도 1에서, 선형의 체인 라인의 방향으로 작동하는 탄성 계수(E)뿐만 아니라 선형 체인 라인에 수직한, 따라서 체인 라인의 방향에 직각인 전단 계수(G)가 도시된다. 전단 계수(G)의 방향으로 작동하는 복원력은 탄성 계수(E)의 방향으로 작동하는 복원력보다 상당히 더 작은 것으로 의도된다. 체인으로 그려진 타원형 컷아웃(A)(cutout)은 세부 확대도(A)에서와 같이 체인 라인 아래에 도시된다. 개별 링크(4)는 평균 횡단면(10) 및 반복 거리(9)를 포함한다. 본 발명에 따른 완구 조립 요소의 바람직한 실시예에서, 개별 링크(4)의 평균 횡단면(10)은 2개의 인접한 개별 링크(4)의 반복 거리(9) 정도가 되는 것으로 의도된다. 그에 의해서 개별 링크(4)들 사이의 연결부(5)는 수축 또는 테이퍼지나, 어쨌든 연결부는 개별 링크(4) 그 자체보다 상당히 적은 재료의 원주 용적을 포함하며, 그에 의해서 적은 재료의 원주 용적은 오목부(7)의 용적을 포함한다. 이러한 종류와 형태의 테이퍼링을 통해서, 공간에서 상이한 방향으로 상이한 탄성 관계가 제어될 수 있다.
도 2에서, 본 발명에 따른 도 1의 완구 조립 요소(1)가 사시도로 그려져 있다. 개별 링크(4)는 기본적으로 원통형의 외부 형상을 포함하며, 연결부(5)로서의 바(bar)에 의해 연결된다. 개별 링크(4)의 높이-폭-비율은 대략 입방체 공간 형태에 대응하며, 그에 의해서 폭은 연결부(5)로서의 바를 위한 공간을 만들도록 높이보다 조금 더 짧다. 사시도 내에, 거리(9)를 따르는 치수가 도시되며 완구 조립 요소(1)와 관련된 공간 방향이 표시된다. 그에 의해서, 체인 라인에 대해 처음에 언급한 방향이 탄성 계수(E)의 공간 방향을 따르며, 선형 체인 라인에 수직한 제 1 방향은 전단 모듈(G)의 방향이며 선형 체인 라인에 수직한 제 2 방향은 전단 계수(G')의 방향이다. 본 발명에 따르면, 탄성 계수(E)에 따라서 작동하는 복원력이 최대이며, 전단 계수(G')의 방향으로 작용하는 복원력이 뒤따르며, 그리고 전단 계수(G)의 방향으로 작동하는 복원력이 뒤따른다.
본 발명에 따른 완구 조립 요소(1)에 의해 달성되는 효과를 입증하기 위해서, 단순화를 위해 여기서 볼의 체인으로서 표시된 본 발명에 따른 완구 조립 요소로부터의 구성이 도 3에 도시된다. 이러한 예시적인 구성을 위해서, 2개의 기본적으로 동일한 완구 조립 요소(1)가 삼각형 형상으로 크로스 스트럿(cross strut)(QS1, QS2, QS3 및 QS4)에 의해 서로 연결된다. 생체공학적 지느러미 효과에 대하여, 방향 화살표(S)에 의해 나타낸 바와 같은 측면 전단 하중은 방향 화살표(V)에 의해 나타낸 바와 같은 아래로부터 접근하는 흐름에 의해 지느러미를 변형시키에 충분하다. 이러한 생체공학적 지느러미 효과에서, 화살표(V) 방향으로의 변형은 또한, 대항 운동으로서 작동한다. 이는 생체공학적 지느러미 원리에 의한 대항 유동 운동을 실행하는 것도 가능할 뿐만 아니라, 이들이 2개 또는 다중-티어 플라이어(multi-tier plier)로서 설계될 때 매우 완만한 클로 장치로 구성하는 것도 가능하다. 그에 의해서, 여기서 지느러미로서 도시된 각각의 구조물은 파지될 요소, 예를 들어, 사과 또는 계란을 파지하는 플라이어의 부품을 형성한다. 연약한 물체, 즉 사과 또는 계란의 형태는 약하지만 아주 단단한 외피를 초래하며, 그에 의해서 본 발명에 따른 완구 조립 요소는 생체공학적 로봇 클로를 구성하는데도 역시 적합하다.
본 발명에 따른 완구 조립 요소(1)의 특별한 특징은 도 4에서 설명된 것처럼 작동한다.
여기서 3개의 개별 요소(4)에 의해 표시된, 본 발명에 따른 완구 조립 요소(1)가 전단 하중에 어떻게 반응하는지가 도 4에 도시된다. 3개의 개별 요소(4)에 의해 표시된 것 이외에 체인의 길이는 개별 요소(4)들 사이의 연결부(5)의 굽힘에 의해서 분명한 단축을 겪는다. 3개의 개별 링크(4)의 길이(L)를 따르는 완전한 원호 길이(BL) 대신에, 전단 하중의 경우에 실제 원호 길이(BL')는 단축된 것처럼 보인다. 이는 연결부(5)로서의 바가 균일하게 형성된 조립 요소의 변형에 대응할 수 있는 것보다 상당히 많이 굽혀지기 때문에 발생한다. 그에 의해서, 그 자체는 전혀 거의 변형을 따르지 않는 개별 요소의 코어가 밀착해서 이동한다. 이러한 단축은 그려진 형태로 이동하는 도 3의 삼각형 형상을 초래하는데, 이는 도 3의 우측에 존재하는 체인 라인이 변형하지 않고 그의 전체 길이를 유지하기 때문이다. 단지 기하학적 대체 형태가 도 3에 그려진 변형된 삼각형의 형태이다. 등방성으로 형성되고 등방성 탄력의 조립 요소는 도 3의 좌측 체인뿐만 아니라 도 4의 우측 체인이 측면 만입(lateral indentation)을 겪게 되어서, 그 측면 만입을 제외하면 삼각형 형상이 유지될 수 있는 효과를 가진다. 완구 조립 요소(1)의 단지 이방성 가요성이 생체공학적 지느러미 원리를 초래한다.
완구 조립 요소(1)는 레이저 절제에 의해 제작되는 고형물로부터 절단되거나 사출 성형에 의해서 대량으로 제조될 수 있다. 매우 특별한 용도를 위해서, 완구 조립 요소(1)는 동일한 또는 상이한 재료로 만들어지는 상이한 요소로 제작될 수 있다. 3D-프린팅 공정에 의해 만들어질 때, 탄력성을 갖는 열가소성 재료가 필라멘트로서 삽입되는 것으로 의도될 수 있다. 필라멘트는 상이한 보빈-형상의 개별 요소(4)로 놓여지고 소결 및 용융에 의해 열가소적으로 조금 변형된다. 3D-프린팅 공정에서 탄력성을 제어하기 위해서, 3D-프린팅 공정용 필라멘트는 도 5에 도시된 것처럼 개별 요소(4) 주위에 2개의 지그재그형 래핑(13 및 13')으로 놓인다. 지그재그형 래핑(13 및 13')으로서 3D-프린팅-필라멘트의 위치가 도 6에 사시도로 도시된다. 개별 요소(4)는 오목부(7)를 포함하며, 여기서 별-형상의 공동 형태인 오목부는 2개의 대향하는 지그재그형 래핑에 의해 감싸인다. 3D-프린팅 공정 중에, 필라멘트가 용융되어서 제조 공정의 말기에 도 2에 도시된 바와 같은 완구 조립 요소가 된다. 기다란 재료로서의 3D-프린팅용 필라멘트가 필라멘트의 방향 및 가로지르는 방향으로 사전결정된 탄성을 포함하기 때문에, 필라멘트의 이러한 적층은 필라멘트의 사전결정된 특성들이 명확히 사용될 수 있게 보장한다.
마지막으로, 다른 완구 조립 요소를 내부에 유지할 수 있는, 마찰을 증가시키기 위한 립(14)이 오목부(7) 내부에 제공될 수 있음이 도 7에 도시된다. 원칙적으로 공지된 스레드 커터(tread cutter)의 스레드 부분과 유사하게 설계되는 선택적인 스레드(15)가 또한 내부에 도시된다. 그러나, 여기서 제시된 형태에서 스레드(15)는 커팅 스레드가 아닌, 다른 상이한 완구 조립 요소를 내부에 고정하기 위한 대응 나사를 수용하는 스레드로서 의도된다.
도 8에서, 도 2에 따른 전단 계수(G')의 방향으로의 굽힘이 예시된다. 그에 의해서, 전단 계수(G')의 방향으로의 복원력은 도 2에 따른 전단 계수(G)의 방향으로의 복원력과 탄성 계수(E)의 방향으로의 복원력 사이에 있어야 한다. 변형 중에, 전체 완구 조립 요소(1)는 로프에의 킹킹(kinking) 경우처럼 그리고 접힘의 경우와는 달리 국소 변형 없이 균일하거나 적어도 조화되게 변형되는 것이 중요하다.
도 9는 도 2에 따른 전단 계수(G)의 방향으로의 굽힘을 도시한다. 성형성은 전단 계수(G)의 방향으로 최대여야 하며, 따라서 최소 복원력을 포함해야 한다. 최소 복원력은 국소 변형 없이 균일하거나 적어도 조화된 강한 탄성 변형을 전단 계수(G)의 방향으로 완구 조립 요소(1)가 포함할 수 있게 하며, 따라서 완구 조립 요소가 로프에서의 킹킹 경우처럼 그리고 접힘의 경우와는 달리 변형되지 않는다.
도 10은 도 3에 따른 지느러미-형태의 구성에 관한 역학을 상이한 단계로 더욱 명확하게 도시한다. 본 발명에 따른 완구 조립 요소의 개별 요소에 대응하는 적어도 하나의 프로파일을 갖는 6개의 로드 형태의 강성 요소와 본 발명에 따른 4개의 완구 조립 요소의 조합에 의해서, 본 발명에 따른 완구 조립 요소가 연결 볼트와 핀에 의해서 로드에 연결되며, 여기서 지느러미 원리를 입증한다.
측면 작동력(F0)이 부하되지 않은 제 1 단계 중에, 기본적으로 삼각형 구성이 지붕-형태의 삼각형을 형성한다. 작은 측면 작동력(F1)의 효과에 의해서, 삼각형은 측면 작동력에 대해 대항하여 구부러지기 시작한다. 더 강한 작동력(F2)에 의해서, 측면으로 작동하는 공칭력(F3)에 의해서 생체공학적 클로의 원하는 효과가 달성되며 삼각형이 작동력과는 반대로 그의 선단과 정렬될 때까지 대항 굽힘이 증가한다.
도 11에서, 완구 조립 스톤(stone)의 비틀림 하중이 3 단계로 표시된다. 좌측 단계 중에, 완구 조립 요소의 비틀림은 대략 90°이다. 중간 단계 중에 이미, 비틀림은 대략 315°이다. 우측 단계 중에, 비틀림과 굽힘이 중복된다. 모든 비틀림 하중과 굽힘 하중에 의해서, 완구 조립 요소는 조립 킹킹, 접힘 또는 불연속이 없는 완구 조립 요소를 의미하는, 조화되게 굽혀진 완구 조립 요소로서 반응한다.
도 12.1은 연약한 물체(볼, 계란)를 포함하고 있는 상태로 본 발명에 따른 완구 조립 요소로 구성되는 플라이어-형태의 지느러미-클로의 특정 구성의 예에 대해 도시한다. 파지 상태는 사용된 완구 조립 요소의 복원력에 대항하는 손의 압축력에 의해 달성된다.
도 12.2는 이완된 상태에서 도 12.1에 따른 구성을 도시한다. 연약한 물체(볼, 계란)는 단지 작은 맞물림력만을 포함하는 도 3 또는 도 10에 따른 플라이어 슈(shoe)들 사이에 위치된다.
도 13은 연약한 물체(볼, 계란)를 포함하고 있는 상태로 완구 조립 요소로 구성되는 3 부분의 지느러미-클로의 특정 구성의 예에 대해 도시한다. 기능성은 도 12.1/도 12.2에서처럼 주어지지만, 여기서의 3개의 개별 지느러미-형태의 클로는 볼을 안전하게 포함하도록 작동한다.
도 14는 비기능적이만 정적의 독창적 사용의 완구 조립 요소를 도시한다. 상이한 전단 계수(G 및 G')뿐만 아니라 탄성 계수(E)로 인한 일종의 복원력이 잠자리 날개 프로파일의 구성을 가능하게 한다.
도 15는 트위스팅된 날개 및 트위스팅되지 않은 날개 스타일과 같은 날개 프로파일을 포함할 수 있는 예로서, 본 발명에 따른 완구 조립 요소로 만들어지는 탄성 날개를 갖춘 날벌레 완구의 구성을 도시한다. 전형적인 트위스팅된 날개 프로파일의 구성에서 나오는 완구 조립 요소의 비틀림이 도 16에 나타나 있다.
도 16은 도 15에 도시된 구성으로부터의 트위스팅된 완구 조립 요소에 대한 상세도이다. 완구 조립 요소에 포함되는 추가의 강성 요소와 함께, 본 발명에 따른 완구 조립 요소는 트위스팅하면서 프로파일을 형성한다.
1 : 완구 조립 요소 2 : 탄성 구조물
4 : 개별 링크 5 : 연결부
6 : 연결 장치 7 : 오목부
8 : 축 9 : 거리
10 : 직경 11 : 중심
12 : 보빈형 요소 13 : 권선
13' : 권선 14 : 립
15 : 스레드 A : 섹션
BL : 원호 길이 BL' : 겉보기 원호 길이
L : 길이, 거리 QS1 : 크로스 스트럿
QS2 : 크로스 스트럿 QS3 : 크로스 스트럿
QS4 : 크로스 스트럿 S : 전단력 방향
V : 변형 방향

Claims (15)

  1. 복수의 적어도 3개의 연속적인 체인 링크 형태의 개별 링크(4)를 포함하는, 탄성 구조물(2)의 구성을 위한 완구 조립 요소(1)에 있어서,
    별도의 개별 링크(4)들 사이의 연결부(5)는 인장 강도(탄성 계수)와 관련한 복원력보다 작은 굽힘 탄성(전단 계수)과 관련한 복원력을 포함하는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개별 링크(4)는 다른 강성 완구 조립 요소 또는 다른 강성 축에 연결하기 위한, 바람직하게 오목부(7)로서 설계되는 적어도 하나의 장치(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 오목부(7)는 오목부(7)의 축(8)을 가로지르는 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별 링크(4)들 사이의 거리(9)는 평균 직경(10)으로서 측정된, 대략 개별 링크(4)의 크기만큼인 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별 링크(4)는 강성 코어(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단일 재료로 제조되는 모놀리식 형태가 제공되는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별 링크(4)가 추가의 보빈형 요소(12)에 인접하는 보빈형 요소로 구성되는 다중-부품 형태가 제공되며, 그에 의해서 개별 보빈형 요소(12)가 지그재그형 래핑(13)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 개별 링크(4)의 전체가 탄성 중합체, 실리콘 및/또는 합성 고무로 캐스팅되는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별 링크(4)는, 상기 개별 링크(4)를 다른 강성 완구 조립 요소와 바람직하게 연결할 수 있는 스냅-온 요소, 탄성 립(14), 웨지 및/또는 스레드(15)를 구비하는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 개별 링크(4)들 사이의 연결부(5)는 테이퍼진 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인장 강도(탄성 계수)는 2 N/㎟(2MPa) 내지 750 N/㎟(750MPa), 바람직하게 4 N/㎟(4MPa) 내지 250 N/㎟(250MPa), 특히 바람직하게 5 N/㎟(5MPa) 내지 50 N/㎟(50MPa) 구간 내에 있는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    체인 라인의 방향에 수직한 제 1 전단 계수의 방향으로, 따라서 직선의 체인 길이에 직각으로, 완구 조립 요소는,
    - 약 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면에서, 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이에 대해서 약 0.08 N에 대응하는 8 g의 지구 중력에서 3.6 ㎝의 휨, 내지
    - 약 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면에서, 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이에 대해서 약 0.08 N에 대응하는 8 g의 지구 중력에서 0.9 ㎝의 휨을 포함하는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    체인 라인의 방향에 수직한 제 2 전단 계수의 방향으로, 따라서 직선의 체인 길이에 직각으로, 완구 조립 요소는,
    - 약 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면에서, 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이에 대해서 약 0.09 N에 대응하는 9 g의 지구 중력에서 1.8 ㎝의 휨, 내지
    - 약 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면에서, 20 ㎝의 완구 조립 요소의 길이에 대해서 약 0.09 N에 대응하는 9 g의 지구 중력에서 0.5 ㎝의 휨을 포함하는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    완구 조립 요소는,
    비틀림 축으로서의 직선의 체인 라인에 대한 비틀림 계수의 방향으로, 약 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면 및 90°비틀림에서, 20 ㎝의 완구 조립 요소의 비틀림 섹션의 길이 및 10 ㎝의 레버에 대해서 3.5 g(약 0.035 N)의 토크, 내지
    비틀림 축으로서의 직선의 체인 라인에 대한 비틀림 계수의 방향으로, 약 22 ㎟ 내지 38 ㎟의 평균 횡단면 및 90°비틀림에서, 20 ㎝의 완구 조립 요소의 비틀림 섹션의 길이 및 10 ㎝의 레버에 대해서 14 g(약 0.14 N)의 토크를 포함하는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소.
  15. 제 1 항 내지 제 11 항에 기재된 적어도 하나의 완구 조립 요소와, 본 발명에 따른 완구 조립 요소의 개별 요소에 대응하는 적어도 하나의 프로파일을 갖는 적어도 하나의 로드-형태의 강성 요소의 세트에 있어서,
    본 발명에 따른 완구 조립 요소가 연결 볼트 또는 핀에 의해서 로드에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는
    완구 조립 요소와 강성 요소의 세트.
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