2個月發(fā)證：一種可編程積木電機模塊、積木組合體及設(shè)計方法（廣州途道信息科技有限公司）

一、發(fā)明專利案件基本信息

技術(shù)領(lǐng)域：可編程積木，微型電機，玩具與教具

專利號：CN202210402856.6

專利名稱：一種可編程積木電機模塊、積木組合體及設(shè)計方法

專利申請日：2022-04-18

專利授權(quán)日：2022-06-17

專利申請人：廣州途道信息科技有限公司

發(fā)明人：鐘志鋒; 蘇景輝

專利代理機構(gòu)：廣州高炬知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司

專利代理師：孫明科

二、發(fā)明專利申請文件信息

申請文件：41頁，2.05萬字，附圖9

授權(quán)權(quán)利要求：10，其中獨立權(quán)利要求：3

權(quán)項結(jié)構(gòu)樹：

三、發(fā)明內(nèi)容摘要：

本發(fā)明公開了一種可編程積木電機模塊結(jié)構(gòu)、積木組合體及設(shè)計方法，該可編程積木電機模塊結(jié)構(gòu)包括殼體、微型電機、供電裝置、電機驅(qū)動電路；該可編程積木電機模塊基于其整體形狀、尺度、結(jié)構(gòu)和重心位置，使其能作為一個具有高匹配性的獨立電子積木模塊，與其他的多個電子積木模塊及其電路連接并匹配后，形成以該可編程積木電機模塊核心，具備獨立的驅(qū)動與控制、實現(xiàn)多種組合體設(shè)計方案與編程功能的積木組合體。本發(fā)明公開的設(shè)計方法以可編程積木電機模塊為基礎(chǔ)，并且以該模塊的尺度、形狀及質(zhì)量分布為約束條件，再逐一設(shè)計其他模塊。本發(fā)明提供的可編程積木電機模塊與積木組合體的其他模塊之間均具備多維度的高匹配性，便于制造和使用。

四、發(fā)明摘要附圖：

五、獨立權(quán)利要求3條：

1、一種可編程積木電機模塊結(jié)構(gòu)，其特征在于，其包括可拆卸式的殼體（1）、微型電機（2）、供電裝置（3）、控制電路（4）及至少一個傳感器；所述的微型電機（2）、供電裝置（3）、控制電路（4）及傳感器設(shè)置在該殼體（1）的內(nèi)部；

所述的可編程積木電機模塊的各部分相互結(jié)合后，其整體外形輪廓為近似矩形的四方體，該四方體尺寸的長寬高的比例為：8：（3～4）：（4～5）；且其中的長度是以8mm為標準基數(shù)，為該標準基數(shù)的整數(shù)倍；當所述可編程積木電機模塊處于水平擺放的狀態(tài)下，其質(zhì)量呈上部低、下部高分布，整體重心處于其幾何中心點的下方；當所述可編程積木電機模塊處于豎直擺放的狀態(tài)下，其質(zhì)量呈上部、下部基本對稱分布，其整體重心分別處于其幾何中心點的上方或者下方；

所述的可編程積木電機模塊基于其整體形狀、尺度、結(jié)構(gòu)和重心位置，使其能作為一個具有高匹配性的獨立電子積木模塊，通過其整體立體空間、重量、外殼上的環(huán)形拼接凸起（11）、方形拼接凹槽，內(nèi)部的微型電機（2）、供電裝置（3）、控制電路（4）、傳感器，分別與其他的多個不同形狀、功能與尺寸的電子積木模塊及其電路連接并匹配，能同時兼容各種大顆粒積木模塊與小顆粒積木模塊；各模塊在不同的空間位置相互拼接并電性連接后，形成以可編程積木電機模塊核心，具備獨立的驅(qū)動與控制、實現(xiàn)多種組合體設(shè)計方案與編程功能的積木組合體。

6、一種采用權(quán)利要求1-5任一項所述可編程積木電機模塊結(jié)構(gòu)的積木組合體，其特征在于，其包括至少一個所述的可編程積木電機模塊，以及該可編程積木電機模塊為主體模塊，與其他多個其他電子積木模塊物理拼接及電性連接而成的積木組合體；其中，該可編程積木電機模塊作為具有空間、重量及電路高匹配性的獨立電子積木模塊，以其作為空間結(jié)構(gòu)、集成控制與動力輸出基礎(chǔ)，通過其整體立體空間外部、外殼的多個端面上的環(huán)形拼接凸起（11）、方形拼接凹槽，內(nèi)部的微型電機（2）、供電裝置（3）、控制電路（4）、傳感器，分別與其他的不同形狀、結(jié)構(gòu)、功能與尺寸的電子積木模塊及其電路，在不同的空間位置相互拼接并電性連接，獨立的驅(qū)動與控制其他電子積木模塊，形成以該可編程積木電機模塊為主體、實現(xiàn)多種設(shè)計方案與編程功能的積木組合體；并且所述的可編程積木電機模塊在該積木組合體的拼接、控制及運動過程中，始終保持各模塊連接可靠、外形協(xié)調(diào)、運行穩(wěn)定、重心穩(wěn)定。

9、一種根據(jù)權(quán)利要求6-8任一項所述積木組合體的設(shè)計方法，其特征在于，其包括如下步驟：

S1、以近似矩形的四方體外形輪廓，長度尺寸以8mm為基數(shù)，長寬高的比例為8：（3～4）：（4～5）為基礎(chǔ)，設(shè)計獨立工作模式下的可編程積木電機模塊的殼體外形輪廓結(jié)構(gòu)，然后再根據(jù)各部分的重量與體積比，分別設(shè)計內(nèi)部結(jié)構(gòu)及控制電路，使各部分全部裝配后的重心偏離整體外形的幾何中心點，并預留外接電路輸入輸出接口，設(shè)計出可編程積木電機模塊；

S2、以獨立工作模式下的可編程積木電機模塊的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和控制電路為基礎(chǔ)，調(diào)整該可編程積木電機模塊的設(shè)計，使其能夠同時支持并聯(lián)工作、替代工作、續(xù)航擴展工作、配重工作四種工作模式；

S3、根據(jù)S2設(shè)計的可編程積木電機模塊的外形輪廓、形狀為基礎(chǔ)，以長度尺寸基數(shù)及重心穩(wěn)定同步的匹配性為約束條件，設(shè)計與其匹配的其他電子積木模塊；

S4、將步驟S2設(shè)計的可編程積木電機模塊與步驟S3設(shè)計的其他子積木模塊進行拼接，形成積木組合體，并測試該積木組合體的立體空間、結(jié)構(gòu)、形狀、重心、電路及運行的匹配性；

S5、對于符合高匹配性設(shè)計要求，外形協(xié)調(diào)、連接可靠、重心合理、運行穩(wěn)定并且能夠?qū)崿F(xiàn)各工作模式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對不同工作模式之間相互轉(zhuǎn)換的，進行確認、定型；對于不符合高匹配性設(shè)計要求的，返回步驟S1,修改設(shè)計方案，直至各模塊均滿足高匹配性設(shè)計要求。

六、專利權(quán)人與發(fā)明人團隊簡介

本發(fā)明由廣州途道信息科技有限公司研發(fā)團隊完成。廣州途道科技有限公司成立于2014年，主打產(chǎn)品為STEAM編程智能教育玩具機器人，已暢銷歐美等發(fā)達國家，深受客戶歡迎。研發(fā)團隊由廣東工業(yè)大學機器人教授和無人機極客組建而成。專利權(quán)人是一家以技術(shù)研發(fā)為導向，專門從事機器人智能控制技術(shù)的研究，專注于創(chuàng)作全球有競爭力的智能產(chǎn)品和為行業(yè)伙伴們提供智能機器人控制技術(shù)方案與更優(yōu)秀的產(chǎn)品。公司現(xiàn)研發(fā)的多種智能機器人已開始暢銷海外，作為廣東工業(yè)大學、斯坦福大學精研學社的戰(zhàn)略合作伙伴，該司的部分產(chǎn)品方向、思路、設(shè)計源于斯坦福大學設(shè)計思維團隊。該公司已經(jīng)獲得眾多發(fā)明專利與實用新型專利。團隊項目曾獲得佛山電視臺創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽第二名，全國智能制造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽華南區(qū)第三名等榮譽。

七、本發(fā)明主要的有益效果：

1、本發(fā)明提供的可編程積木電機模塊結(jié)構(gòu)及其積木組合體，以該可編程積木電機模塊為主體模塊，與其他多個其他電子積木模塊物理拼接及電性連接而成，使該組合體支持多種編程方式、多形狀、多空間、多級電路兼容、智能拼接容錯、元件損壞替代、多種工作模式、多種驅(qū)動（單驅(qū)動、雙驅(qū)動、多驅(qū)動）方案的匹配等，使產(chǎn)品的高顏值、高性能和高靈活性相匹配，大幅提升使用者的體驗并節(jié)約資源，并且便于制造、裝配、編程和使用，大幅提高與其他電子積木模塊組裝和使用的匹配度、編程便捷性、可替換性。

2、本發(fā)明提供的可編程積木電機模塊結(jié)構(gòu)、積木組合體及其設(shè)計方法，通過同步改進電子積木的結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配位置、電路接口和重心分布，將電池組、微型電機及其控制電路集成為一個模塊、并減小其集成后的整體體積，以便于制造、裝配和使用，大幅提高與其他電子積木模塊組裝和使用的匹配度、可替換性，從而使該模塊與其他各模塊之間的功能及結(jié)構(gòu)匹配性強、可以自由擴展，電子積木組合后的組合形式多、工作模式多，支持多形狀、多空間、多級電路兼容、智能拼接容錯、元件損壞替代、多種工作模式、多種驅(qū)動（單驅(qū)動、雙驅(qū)動、多驅(qū)動）方案的匹配等優(yōu)點。

八、本案專利代理師經(jīng)驗分享：

小玩具、大市場。電子積木是將電子技術(shù)與積木有機地結(jié)合在一起，學生能夠通過課程所設(shè)計的活動，結(jié)合電子電路或計算機程序，來搭建和控制其創(chuàng)造的模型，訓練學生從實際動手搭建模型的過程中，學習和鍛煉推理思考、問題解決、創(chuàng)造發(fā)明、團隊合作等能力，以開拓學生的科學領(lǐng)域、邏輯分析及程序觀念的建立、激發(fā)學生對科學濃厚的興趣，并充實學?？萍冀虒W課程，使得教學活潑化、學習趣味化。

在STEM(科學、技術(shù)、工程、數(shù)學)教育中，實踐是必不可少的環(huán)節(jié)之一。STEM教具設(shè)計的目標，是不能過多的限制和提供更多的可行性，讓學生隨心所欲的搭建自己心目中的機械裝置。但是，目前各自電子積木套裝教具在實際使用中存在許多缺點，比如，電子積木模塊的零件復雜，種類繁多，各模塊的功能及結(jié)構(gòu)匹配性差、不能自由擴展，電子積木組合后的組合形式單一、工作模式單一，小零件無法順利搭建，搭建分解困難，分揀整理困難等等。

現(xiàn)有的電子積木電機模塊，一個套裝組合產(chǎn)品中往往只有一個，只有單驅(qū)動的產(chǎn)品組合方案，而且當其內(nèi)部元件（包括電機）等出現(xiàn)故障、損壞，或者其他的重要模塊（控制、傳感、電池）等出現(xiàn)缺失或故障時，整個積木組合即喪失功能，無法繼續(xù)使用，這對于以電子積木作為教具而進行的課堂教學來說，就只能中斷教學、全套更換，影響教學效果。目前在眾多廠家生產(chǎn)的套裝組合產(chǎn)品之間，各模塊之間的形狀、結(jié)構(gòu)、功能、電路、接口相互不兼容，不同型號之間的模塊也不兼容、不能相互替代，消費者在購買的第一套積木產(chǎn)品出現(xiàn)部分模塊缺失、損壞或者故障時，只能整體丟棄或者另外再采購相同廠家、相同型號的成套積木模塊進行替代，造成資源浪費、增加了使用者的負擔，影響了使用者的體驗。

現(xiàn)有技術(shù)的積木設(shè)計方法，通常都是采用對單一模塊進行逐一設(shè)計，不考慮核心模塊與周邊模塊，相互之間沒有約束和協(xié)同關(guān)系，可支持的工作模式及功能較少。采用上述現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計的電子積木模塊及積木組合體產(chǎn)品，積木模塊及零件部過多，外接導線多，各模塊的綜合匹配性差，連接關(guān)系復雜，很難實現(xiàn)多種組合形式、多種工作模式的相互切換。同時，由于電源（電池組）、電機及控制電路均具有一定的體積和重量，如果按照常規(guī)的方式，將其簡單（上下層疊）組合，則會造成體積過大，很難實現(xiàn)重心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)和運行的穩(wěn)定性，導致可實現(xiàn)的組合方案比較少、不同工作模式之間難以切換，大大影響各電子積木模塊的組裝匹配度，從而限制了積木產(chǎn)品的組合方案以及工作模式的靈活選擇。

針對這一情況，本發(fā)明人團隊采用新的思路，針對現(xiàn)有技術(shù)中電子積木電機模塊的結(jié)合設(shè)計不合理、編程能力差、綜合匹配性差、不能自由擴展，電子積木模塊相互拼接組合后的積木組合體的組合形式單一、工作模式單一，設(shè)計方法不考慮各模塊之間多形狀、多空間、多級電路兼容、智能拼接容錯、元件損壞替代、多種工作模式、多種驅(qū)動（單驅(qū)動、雙驅(qū)動、多驅(qū)動）相互匹配等不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種可編程積木電機模塊結(jié)構(gòu)、積木組合體及設(shè)計方法，通過同步改進電子積木的結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配位置、電路接口、編程方法和重心分布，將電池組、微型電機及其控制電路集成為一個模塊、并減小其集成后的整體體積，以便于制造、裝配、編程和使用，大幅提高與其他電子積木模塊組裝和使用的匹配度、編程便捷性、可替換性，從而解決上述技術(shù)問題。

本專利涉及多個學科和技術(shù)領(lǐng)域，包括電子編程、電機模組、積木設(shè)計、、積木搭積與STAM原理等，對專利代理師的跨領(lǐng)域的專業(yè)能力、綜合水平，對編程、教育、玩具與設(shè)計領(lǐng)域的經(jīng)驗要求較高。我公司派出專利代理師孫明科與研發(fā)團隊對接，反復多次與研發(fā)團隊深入交流，共同分析技術(shù)問題和發(fā)明要點，在深度檢索和多次撰寫修改的基礎(chǔ)上，完成了本項發(fā)明專利的申請文件。本案專利代理師通過與于所長研發(fā)團隊成員密切溝通，認真聽取發(fā)明人的構(gòu)思和技術(shù)方案，并且進行了深入的技術(shù)檢索、對比和技術(shù)挖掘，準確定位技術(shù)問題和核心發(fā)明點，從而得到了本發(fā)明呈現(xiàn)的較為完善的技術(shù)方案，并且順利獲得授權(quán)。申請權(quán)利要求與授權(quán)權(quán)利要求幾乎沒有改動。

本專利是專利代理師與發(fā)明人團隊深入交流、科學布局、密切合作完成的跨領(lǐng)域高質(zhì)量專利申請案件，雙方多次、反復討論、修改了多稿才最終定稿，發(fā)明人科研團隊及代理師對本發(fā)明均付出了辛苦的勞動。

本發(fā)明專利作為電子編程積木領(lǐng)域的高質(zhì)量的發(fā)明專利，與申請人布局的其他發(fā)明專利相互配合，對納米材料、制備方法等進行了合理分層、遞進式的保護，采用快速的申請和審查答復，大幅縮短了審查時間。本發(fā)明專利快速獲得授權(quán)后，有利于該申請人對該專利技術(shù)成果進行轉(zhuǎn)化、實施，盡早投入使用，產(chǎn)生更好的社會和經(jīng)濟效益。