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1、(10)申请公布号 CN 104240564 A (43)申请公布日 2014.12.24 C N 1 0 4 2 4 0 5 6 4 A (21)申请号 201410340997.5 (22)申请日 2014.07.17 G09B 23/10(2006.01) (71)申请人浙江工业大学 地址 310014 浙江省杭州市下城区潮王路 18号 (72)发明人曾文韬 李珏辉 李欢 詹飚 方健 夏航 (74)专利代理机构杭州天正专利事务所有限公 司 33201 代理人王兵 黄美娟 (54) 发明名称 理论力学答题装置 (57) 摘要 理论力学答题装置，包括支架、与支架轴接的 转盘、安装在转盘上的若。
2、干拆卸式的题目模块、用 于驱动题目模块做出相应动作的传感器联动模 块、用于控制传感器联动模块的控制模块，所述的 转盘轴接在所述的支架上；所述的传感器联动模 块通过第一固定件安装在支架上；所述的传感器 联动模块的动力输出端分别与相应的题目模块连 接、所述的传感器联动模块的光电开关的信号输 出端与用于处理采集数据的控制模块相连。本 发明的有益效果在于：将抽象晦涩的理论力学实 物化；使理论力学直观地用机械手段实现；整体 联动机构简约高效；创新的联动设计使机构精简 有效率，简化了操作流程，实现各部件的同步；同 时，联动装置只用到一个动力源，简化了控制电路 的设计。 (51)Int.Cl. 权利要求书2。
3、页 说明书5页 附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104240564 A CN 104240564 A 1/2页 2 1.理论力学答题装置，其特征在于：包括支架、与支架轴接的转盘、安装在转盘上的若 干拆卸式的题目模块、用于驱动题目模块做出相应动作的传感器联动模块、用于控制传感 器联动模块的控制模块，所述的转盘轴接在所述的支架上；所述的传感器联动模块通过第 一固定件安装在支架上；所述的传感器联动模块的动力输出端分别与相应的题目模块连 接、所述的传感器联动模块的光电开关的信号输出端与用于处理采集数据。
4、的控制模块相 连；使得所述的题目模块相应的动作通过传感器联动模块的光电开关监测到的位移数据 一一对应。 2.如权利要求1所述的理论力学答题装置，其特征在于：所述的传感器联动模块包括 主动装置、传动装置、至少一组凸轮放大机构和至少一组四杆机构、固定在支架一侧的第一 电机，所述主动装置包括中心轴、第一轴承、中心锥齿轮，所述的中心轴一端安装所述的中 心锥齿轮、另一端配有第一轴承，所述传动装置包括两组装有传动锥齿轮的水平轴、传动同 步轮、传动同步带，所述的水平轴对称的分布在中心锥齿轮的两侧，所述的传动锥齿轮与所 述的中心锥齿轮啮合，其中一侧的水平轴的末端装有传动同步轮；所述凸轮放大机构包括 凸轮、竖直。
5、伸缩杆、带导槽的L型连杆、水平伸缩杆，所述的凸轮固定在水平轴上，带导槽的 L型连杆铰接在固定横杆上；所述的竖直伸缩杆的一端与所述的凸轮固定、另一端与所述 的L型连杆铰接，所述的水平轴的转动转化成竖直伸缩杆的上下移动；所述的L型连杆将竖 直伸缩杆的上下移动转化为水平伸缩杆的水平移动；所述的水平伸缩杆上固定用于使所述 水平光电开关的检测区前后移动的水平光电开关；所述四杆机构包括2条水平杆、2条连杆 和一个伸缩杆，其中一根所述的水平杆末端装有第二同步轮，所述的传动同步轮通过传动 同步带与所述的传动同步轮和第二同步轮连接；所述的伸缩杆上固定用于使所述竖直光电 开关的检测区前后移动的竖直光电开关；所述的。
6、第一电机通过动力传动同步轮与所述的传 感器联动模块的中心轴连接。 3.如权利要求2所述的理论力学答题装置，其特征在于：所述的传感器联动模块设有 四组凸轮放大机构和两组四杆机构。 4.如权利要求1所述的理论力学答题装置，其特征在于：所述的题目模块为力偶平衡 装置、动量定理装置、速度瞬心法装置中的一种或两种或者两种以上的组合。 5.如权利要求4所述的理论力学答题装置，其特征在于：所述的力偶平衡装置包括圆 盘、第二固定件、可调力偶装置、约束力力偶装置、带有多根立杆的底板，所述圆盘的轴固定 在预装在底板的第二轴承上，所述的圆盘上固定两根磁条、一个滚子，其中一根磁条上配有 刻度；所述的第二固定件通过与直。
7、线轴承粘合固定在上的立杆上；所述的第二固定件固定 圆盘上的磁条；所述约束力力偶装置包括用于向夹片提供额定力的弹簧、用于向圆盘提供 力矩的夹片，所述的弹簧两端分别连接在两根立杆之间，其中一根立杆与夹片的一端固定、 夹片的另一端通过导槽和滚子铰接在圆盘上；所述可调力偶装置包括钩码、沿带刻度的磁 条滑动的第一磁铁、细线，所述的细线连接钩码和第一磁铁绕在底板上的支架。 6.如权利要求4所述的理论力学答题装置，其特征在于：所述的动量定理装置包括发 射装置、接收装置、支座、用于围在支座外围的挡板，所述发射装置、接收装置和挡板均固定 在所述的支座上；所述发射装置包括多个依次排列的用于击打小挡板的钢球、用于吸。
8、引钢 球的第二磁铁、用于容纳钢球的槽铝和用于调整槽铝的前后位置的手柄；所述接收装置包 括抱箍、小挡板、旋转挡板、安装轴、安装轴轴承；所述的小挡板和所述的旋转挡板分别安装 权 利 要 求 书CN 104240564 A 2/2页 3 在所述的安装轴上，并且所述的抱箍设置在槽铝和安装轴之间。 7.如权利要求6所述的理论力学答题装置，其特征在于：所述的发射装置设有四颗用 于击打小挡板的钢球，分别为第一钢球、第二钢球、第三钢球和第四钢球，其中所述的磁铁 位于所述的第一钢球和第二钢球之间。 8.如权利要求4所述的理论力学答题装置，其特征在于：所述的速度瞬心法装置包括 用于支撑的安装架、调速装置、检测装置。
9、和运动装置；所述调速装置包括第二电机、第三电 机和直流调速器，所述的直流调速器与第三电机连接；所述运动装置包括分布在安装架角 落的四个第一同步轮、第二同步轮、第一同步带、第二同步带，其中两个第一同步轮之间连 有第一同步带、另两个第一同步轮之间第二同步带连接，并且第一同步带与第二同步带均 与第二同步轮表面接触；所述的第三电机与其中一组第一同步轮连接，第二电机与另一组 中的第一同步轮相连；所述检测装置是通过光电开关检测第二同步轮的运动时间。 9.如权利要求8所述的理论力学答题装置，其特征在于：所述安装架由2020铝型材、 第二轴承座和第三轴承座搭成。 权 利 要 求 书CN 104240564 A。
10、 1/5页 4 理论力学答题装置 技术领域 0001 本发明涉及一种理论力学答题装置。 背景技术 0002 理论力学是一门应用性较强的，重要的基础学科，在诸多生活和工程领域中有着 广泛的应用。但这门学科似乎比较抽象，真正掌握也比较困难。由于过去理论力学基本上 没有针对的实验装置，工科学生学习这门理论觉得比较枯燥，影响学习效果。 发明内容 0003 本发明针对目前的理论力学基本上没有针对的实验装置的问题，提出了一种将理 论力学实物化、结构简单的理论力学答题装置。 0004 本发明所述的理论力学答题装置，其特征在于：包括支架、与支架轴接的转盘、安 装在转盘上的若干拆卸式的题目模块、用于驱动题目模块。
11、做出相应动作的传感器联动模 块、用于控制传感器联动模块的控制模块，所述的转盘轴接在所述的支架上；所述的传感器 联动模块通过第一固定件安装在支架上；所述的传感器联动模块的动力输出端分别与相应 的题目模块连接、所述的传感器联动模块的光电开关的信号输出端与用于处理采集数据的 控制模块相连；使得所述的题目模块相应的动作通过传感器联动模块的光电开关监测到的 位移数据一一对应。 0005 所述的传感器联动模块包括主动装置、传动装置、至少一组凸轮放大机构和至少 一组四杆机构、固定在支架一侧的第一电机，所述主动装置包括中心轴、第一轴承、中心锥 齿轮，所述的中心轴一端安装所述的中心锥齿轮、另一端配有第一轴承，所。
12、述传动装置包括 两组装有传动锥齿轮的水平轴、传动同步轮、传动同步带，所述的水平轴对称的分布在中心 锥齿轮的两侧，所述的传动锥齿轮与所述的中心锥齿轮啮合，其中一侧的水平轴的末端装 有传动同步轮；所述凸轮放大机构包括凸轮、竖直伸缩杆、带导槽的L型连杆、水平伸缩杆， 所述的凸轮固定在水平轴上，带导槽的L型连杆铰接在固定横杆上；所述的竖直伸缩杆的 一端与所述的凸轮固定、另一端与所述的L型连杆铰接，所述的水平轴的转动转化成竖直 伸缩杆的上下移动；所述的L型连杆将竖直伸缩杆的上下移动转化为水平伸缩杆的水平 移动；所述的水平伸缩杆上固定用于使所述水平光电开关的检测区前后移动的水平光电 开关；所述四杆机构包括。
13、2条水平杆、2条连杆和一个伸缩杆，其中一根所述的水平杆末端 装有第二同步轮，所述的传动同步轮通过传动同步带与所述的传动同步轮和第二同步轮连 接；所述的伸缩杆上固定用于使所述竖直光电开关的检测区前后移动的竖直光电开关；所 述的第一电机通过动力传动同步轮与所述的传感器联动模块的中心轴连接。 0006 所述的传感器联动模块设有四组凸轮放大机构和两组四杆机构。 0007 所述的题目模块为力偶平衡装置、动量定理装置、速度瞬心法装置中的一种或两 种或者两种以上的组合。 0008 所述的力偶平衡装置包括圆盘、第二固定件、可调力偶装置、约束力力偶装置、带 说 明 书CN 104240564 A 2/5页 5 。
14、有多根立杆的底板，所述圆盘的轴固定在预装在底板的第二轴承上，所述的圆盘上固定两 根磁条、一个滚子，其中一根磁条上配有刻度；所述的第二固定件通过与直线轴承粘合固定 在上的立杆上；所述的第二固定件固定圆盘上的磁条；所述约束力力偶装置包括用于向夹 片提供额定力的弹簧、用于向圆盘提供力矩的夹片，所述的弹簧两端分别连接在两根立杆 之间，其中一根立杆与夹片的一端固定、夹片的另一端通过导槽和滚子铰接在圆盘上；所述 可调力偶装置包括钩码、沿带刻度的磁条滑动的第一磁铁、细线，所述的细线连接钩码和第 一磁铁绕在底板上的支架。 0009 所述的动量定理装置包括发射装置、接收装置、支座、用于围在支座外围的挡板， 所述。
15、发射装置、接收装置和挡板均固定在所述的支座上；所述发射装置包括多个依次排列 的用于击打小挡板的钢球、用于吸引钢球的第二磁铁、用于容纳钢球的槽铝和用于调整槽 铝的前后位置的手柄；所述接收装置包括抱箍、小挡板、旋转挡板、安装轴、安装轴轴承；所 述的小挡板和所述的旋转挡板分别安装在所述的安装轴上，并且所述的抱箍设置在槽铝和 安装轴之间。 0010 所述的发射装置设有四颗用于击打小挡板的钢球，分别为第一钢球、第二钢球、第 三钢球和第四钢球，其中所述的磁铁位于所述的第一钢球和第二钢球之间。 0011 所述的速度瞬心法装置包括用于支撑的安装架、调速装置、检测装置和运动装置； 所述调速装置包括第二电机、第三。
16、电机和直流调速器，所述的直流调速器与第三电机连接； 所述运动装置包括分布在安装架角落的四个第一同步轮、第二同步轮、第一同步带、第二同 步带，其中两个第一同步轮之间连有第一同步带、另两个第一同步轮之间第二同步带连接， 并且第一同步带与第二同步带均与第二同步轮表面接触；所述的第三电机与其中一组第一 同步轮连接，第二电机与另一组中的第一同步轮相连；所述检测装置是通过光电开关检测 第二同步轮的运动时间。 0012 所述安装架由2020铝型材、第二轴承座和第三轴承座搭成。 0013 工作过程如下：1)传感器联动模块的运动：第一电机转动过程中，通过传动同步 带带动传感器联动模块的传动同步轮转动，从而带动水。
17、平轴做出相应的水平或者竖直方 向的位移，同时带动安装在传感器联动模块的水平光电开关和竖直光电开关做出相应的动 作，从而被检测装置检测到相应的位移信号，监测学生做题过程中的大量的人体特征数据， 并运用大数据处理机制，对学生理论掌握、计算能力、和实践能力做出量化评价； 0014 2)力偶平衡装置的运动：通过改变钩码的数量来改变可调力偶的力，从而使得第 一磁铁可以在圆盘上的带刻度的磁条上滑动来改变可调力偶的力臂；从而在使得圆盘与传 感器联动模块的光电开关之间产生的相对位移，使得整个装置通过感器联动模块采集到相 应的位移信号，然后发送到控制装置进行数据分析； 0015 3)动量定理装置的运动：第二磁铁。
18、吸引第一钢球并发射第三钢球，第三钢球获得 一个额定的初速度，第三钢球和第四钢球发生碰撞，使得第四钢球脱离槽铝作平抛运动；手 柄可以调节槽铝的前后位置，使第四钢球能最终击打小挡板，接收第四钢球时，第四钢球通 过抱箍击打小挡板，使安装轴旋转，进而使旋转挡板转过一定角度；从而通过旋转挡板与传 感器联动模块的光电开关之间产生的相对位移，使得整个装置通过感器联动模块采集到相 应的位移信号，然后发送到控制装置进行数据分析； 0016 4)速度瞬心法装置的运动：直流调速器第三控制电机的角速度；所述检测装置是 说 明 书CN 104240564 A 3/5页 6 通过光电开关检测第二同步轮的运动时间；从而通过。
19、第二同步轮的旋转与传感器联动模 块的光电开关之间产生的相对位移，使得整个装置通过感器联动模块采集到相应的位移信 号，然后发送到控制装置进行数据分析。 0017 本发明的技术构思为：本发明分为题目模块、传感器联动模块和控制模块。所述 题目模块由力偶平衡，动量定理，速度瞬心法3个装置组成，题目可以拆卸和替换，以满足 不同的教学需求。所述联动模块只需一个电机，实现6个传感器，转体和所有传动机构的联 动。所述控制模块通过传感器接收位移信号，监测学生做题过程中的大量的人体特征数据， 并运用大数据处理机制，对学生理论掌握、计算能力、和实践能力做出量化评价。 0018 本发明的有益效果在于：将抽象晦涩的理论。
20、力学实物化。使理论力学直观地用 机械手段实现，既能帮助学生理解和掌握基本知识，又贴近实际生活生产，增强学习的积极 性，更提高学生的实践能力；整体联动机构简约高效；创新的联动设计使机构精简有效率， 简化了操作流程，实现各部件的同步；同时，联动装置只用到一个动力源，简化了控制电路 的设计。 附图说明 0019 图1是本发明整体结构示意图。 0020 图2是本发明的侧视图。 0021 图3是本发明传感器联动模块示意图。 0022 图4是本发明力偶平衡题目示意图。 0023 图5是本发明动量定理题目示意图。 0024 图6是本发明速度瞬心法题目示意图。 具体实施方式 0025 下面结合附图进一步说明本。
21、发明 0026 参照附图： 0027 本发明所述的理论力学答题装置，包括支架1、与支架轴接的转盘2、安装在转盘 上的若干拆卸式的题目模块3、用于驱动题目模块做出相应动作的传感器联动模块5、用于 控制传感器联动模块的控制模块，所述的转盘2轴接在所述的支架1上；所述的传感器联动 模块5通过第一固定件4安装在支架1上；所述的传感器联动模块5的动力输出端分别与 相应的题目模块3连接、所述的传感器联动模块5的光电开关的信号输出端与用于处理采 集数据的控制模块相连；使得所述的题目模块3相应的动作通过传感器联动模块5的光电 开关监测到的位移数据一一对应。 0028 所述的传感器联动模块5包括主动装置51、传。
22、动装置52、至少一组凸轮放大机构 53和至少一组四杆机构54、固定在支架一侧的第一电机55，所述主动装置51包括中心轴 511、第一轴承512、中心锥齿轮513，所述的中心轴511一端安装所述的中心锥齿轮513、另 一端配有第一轴承512，所述传动装置52包括两组装有传动锥齿轮522的水平轴521、传动 同步轮523、传动同步带524，所述的水平轴521对称的分布在中心锥齿轮513的两侧，所述 的传动锥齿轮522与所述的中心锥齿轮513啮合，其中一侧的水平轴521的末端装有传动 同步轮523；所述凸轮放大机构53包括凸轮531、竖直伸缩杆532、带导槽的L型连杆533、 说 明 书CN 104。
23、240564 A 4/5页 7 水平伸缩杆534，所述的凸轮531固定在水平轴521上，带导槽的L型连杆533铰接在固定 横杆535上；所述的竖直伸缩杆532的一端与所述的凸轮531固定、另一端与所述的L型 连杆533铰接，所述的水平轴521的转动转化成竖直伸缩杆532的上下移动；所述的L型 连杆533将竖直伸缩杆的上下移动转化为水平伸缩杆534的水平移动；所述的水平伸缩杆 534上固定用于使所述水平光电开关的检测区前后移动的水平光电开关；所述四杆机构54 包括2条水平杆541、2条连杆542和一个伸缩杆543，其中一根所述的水平杆541末端装有 第二同步轮5411，所述的传动同步轮525通过。
24、传动同步带524与所述的传动同步轮523和 第二同步轮5411连接；所述的伸缩杆543上固定用于使所述竖直光电开关的检测区前后移 动的竖直光电开关；所述的第一电机55通过动力传动同步轮525与所述的传感器联动模块 的中心轴511连接。 0029 所述的传感器联动模块5设有四组凸轮放大机构53和两组四杆机构54。 0030 所述的题目模块3为力偶平衡装置31、动量定理装置32、速度瞬心法装置33中的 一种或两种或者两种以上的组合。 0031 所述的力偶平衡装置31包括圆盘311、第二固定件312、可调力偶装置313、约束力 力偶装置314、带有多根立杆316的底板315，所述圆盘311的轴固定在。
25、预装在底板315的 第二轴承上，所述的圆盘311上固定两根磁条3111、一个滚子，其中一根磁条上配有刻度； 所述的第二固定件312通过与直线轴承粘合固定在上的立杆上；所述的第二固定件312固 定圆盘311上的磁条3111；所述约束力力偶装置314包括用于向夹片提供额定力的弹簧 3141、用于向圆盘提供力矩的夹片3142，所述的弹簧3141两端分别连接在两根立杆之间， 其中一根立杆与夹片3142的一端固定、夹片3142的另一端通过导槽和滚子铰接在圆盘上； 所述可调力偶装置313包括钩码3131、沿带刻度的磁条滑动的第一磁铁、细线3132，所述的 细线3133连接钩码3131和第一磁铁绕在底板上的。
26、支架。 0032 所述的动量定理装置32包括发射装置321、接收装置322、支座323、用于围在支座 外围的挡板324，所述发射装置321、接收装置322和挡板324均固定在所述的支座323上； 所述发射装置321包括多个依次排列的用于击打小挡板的钢球3211、用于吸引钢球的第二 磁铁3212、用于容纳钢球的槽铝3213和用于调整槽铝的前后位置的手柄3214；所述接收 装置322包括抱箍3221、小挡板3222、旋转挡板3223、安装轴3224、安装轴轴承3225；所述 的小挡板3222和所述的旋转挡板3223分别安装在所述的安装轴3224上，并且所述的抱箍 3221设置在槽铝3213和安装轴。
27、3224之间。 0033 所述的发射装置321设有四颗用于击打小挡板的钢球，分别为第一钢球、第二钢 球、第三钢球和第四钢球，其中所述的磁铁位于所述的第一钢球和第二钢球之间。 0034 所述的速度瞬心法装置33包括用于支撑的安装架331、调速装置332、检测装置和 运动装置333；所述调速装置332包括第二电机3321、第三电机3322和直流调速器3323， 所述的直流调速器3323与第三电机3322连接；所述运动装置333包括分布在安装架角落 的四个第一同步轮3331、第二同步轮3332、第一同步带3333、第二同步带3334，其中两个第 一同步轮3331之间连有第一同步带3333、另两个第一。
28、同步轮3331之间第二同步带3334连 接，并且第一同步带3333与第二同步带3334均与第二同步轮3332表面接触；所述的第三 电机3322与其中一组第一同步轮连接，第二电机3321与另一组中的第一同步轮相连；所述 检测装置是通过光电开关检测第二同步轮的运动时间。 说 明 书CN 104240564 A 5/5页 8 0035 所述安装架由2020铝型材、第二轴承座和第三轴承座搭成。 0036 工作过程如下：1)传感器联动模块的运动：第一电机转动过程中，通过传动同步 带带动传感器联动模块的传动同步轮转动，从而带动水平轴做出相应的水平或者竖直方 向的位移，同时带动安装在传感器联动模块的水平光电。
29、开关和竖直光电开关做出相应的动 作，从而被检测装置检测到相应的位移信号，监测学生做题过程中的大量的人体特征数据， 并运用大数据处理机制，对学生理论掌握、计算能力、和实践能力做出量化评价； 0037 2)力偶平衡装置的运动：通过改变钩码的数量来改变可调力偶的力，从而使得第 一磁铁可以在圆盘上的带刻度的磁条上滑动来改变可调力偶的力臂；从而在使得圆盘与传 感器联动模块的光电开关之间产生的相对位移，使得整个装置通过感器联动模块采集到相 应的位移信号，然后发送到控制装置进行数据分析； 0038 3)动量定理装置的运动：第二磁铁吸引第一钢球并发射第三钢球，第三钢球获得 一个额定的初速度，第三钢球和第四钢球。
30、发生碰撞，使得第四钢球脱离槽铝作平抛运动；手 柄可以调节槽铝的前后位置，使第四钢球能最终击打小挡板，接收第四钢球时，第四钢球通 过抱箍击打小挡板，使安装轴旋转，进而使旋转挡板转过一定角度；从而通过旋转挡板与传 感器联动模块的光电开关之间产生的相对位移，使得整个装置通过感器联动模块采集到相 应的位移信号，然后发送到控制装置进行数据分析； 0039 4)速度瞬心法装置的运动：直流调速器第三控制电机的角速度；所述检测装置是 通过光电开关检测第二同步轮的运动时间；从而通过第二同步轮的旋转与传感器联动模 块的光电开关之间产生的相对位移，使得整个装置通过感器联动模块采集到相应的位移信 号，然后发送到控制装。
31、置进行数据分析。 0040 本发明的技术构思为：本发明分为题目模块、传感器联动模块和控制模块。所述 题目模块由力偶平衡，动量定理，速度瞬心法3个装置组成，题目可以拆卸和替换，以满足 不同的教学需求。所述联动模块只需一个电机，实现6个传感器，转体和所有传动机构的联 动。所述控制模块通过传感器接收位移信号，监测学生做题过程中的大量的人体特征数据， 并运用大数据处理机制，对学生理论掌握、计算能力、和实践能力做出量化评价。 0041 本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护 范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术 人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。 说 明 书CN 104240564 A 1/3页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104240564 A 2/3页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104240564 A 10 3/3页 11 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104240564 A 11 。