紅外線控擎飛碟的製作方法

2023-09-16 09:05:50 5

專利名稱：紅外線控擎飛碟的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及玩具技術領域，特指一種方向可控型的旋轉玩具。
另外，目前的旋轉型飛行玩具沒有降落裝置，如美國專利5,297,759、5,634,839、5,672,086和5,429,542提出的旋轉型飛行玩具都沒有降落裝置，落地時需要使飛行玩具的底部直接著陸。然而，對於整個中心體並沒有旋轉而只是螺旋槳部分轉動的直升機，例如，美國專利5,971,320提出的直升機玩具，似乎應有降落裝置。
為實現上述目的本實用新型包括一由內部組件通過摩擦力極小的轉軸與外部組件連接構成的中心座，外部組件可相對內部組件做旋轉運動。從外部組件的外端端面向外伸出至少三個以相同的角度分隔開的支架，支架的外端與一圓形的外環連接，外部組件、支架和外環構成旋轉部分，在每個支架的中部設置一由馬達和螺旋槳組成的旋轉裝置，啟動後，螺旋槳利用旋轉排氣來產生上升力和使外部組件、中心座、馬達和外環轉動的反轉矩，此外，當玩具在平面上時，從中心座的內部組件向下伸出的多個支腳可以支撐旋轉中的玩具，每個支腳又有一個能使空氣從外側向下端對流的漿翼，該漿翼使中心座的內部組件產生與外部組件轉動方向相反的轉動趨勢，這種趨勢可以保證內部組件幾乎不會轉動，而這個不轉動的內部組件通過導線與遙控器連接，本實用新型還包括有檢驗基準點方向和通過控制各個轉動馬達的轉速從而調整玩具的飛行方向的裝置。本實用新型可以從遠處通過導線向每個馬達提供驅動電壓，驅動電壓通過遙控器上的上升力控制杆來控制，各個馬達獲得的驅動電壓的大小或振幅是相同的，以使各馬達上安裝的螺旋槳能以相同的速率轉動，從而保證玩具在水平方向上動作，不至於出現傾斜現象，遙控器內還設置有周期裝置或方向控制裝置以控制旋轉玩具的前後左右飛行，通過將預設的正弦波信號加到每個馬達的驅動電壓上的方式，可以調整玩具的飛行矢量，使玩具飛向特定的方向，操縱者還可通過控制正弦電壓信號的振幅來調節玩具的飛行速度。
本實用新型的另外一個方面，就是導線構成一可以檢測玩具是否飛離基準點的負反饋系統，該負反饋系統向遙控器內的微處理器發出信號，調整方向正弦信號的振幅和初相角以使旋轉玩具回到基準點位置。
本實用新型的再一個方面，就是調整振幅和初相角的方式，也可被運用在其它旋轉玩具上，如用無線控制方式控制的地面旋轉玩具。


附圖1為本實用新型的立體結構示意圖附圖2為附圖1的側剖視圖附圖3為遙控裝置和馬達的電氣連接原理圖附圖4為附圖1的俯視圖附圖5a-5d為微處理器產生的用以控制玩具飛行方向的一個周期的正弦電壓波形圖附圖6a為本實用新型帶有復位裝置和基板時的側剖視圖附圖6b為附圖6a的一個側剖視圖(玩具飛離基板中心位置的狀態)附圖6c為附圖6b所示玩具飛離基板中心位置時的復位裝置部分的局部放大圖附圖7a和附圖7b所示為帶有由霍爾效應檢測器和一對磁鐵構成的反饋系統的玩具的側剖視圖附圖8為採用紅外光控制系統的地面型旋轉玩具的側剖視圖首先，附圖1所示展現了本實用新型的一個實施例，即一個飛碟狀玩具10，該飛碟狀玩具10包括一中心座12、一個圓形的外環16、一個帶有微處理器的遙控裝置30，從中心座12向外呈放射狀伸出三個與外環16連接的杆狀支架14，相鄰兩個支架14之間的夾角相等，每個支架14上設置一由馬達20和螺旋槳22構成的旋轉裝置18，從內部組件34的下端向下伸出三個具有槳翼26的支腳24。外環16由柔軟的發泡塑料製成，以保護螺旋槳22以及當飛碟狀玩具10撞到其它物體、例如牆時起到良好的緩衝作用，同時，外環16還起著一個配重的作用，旋轉時產生陀螺儀效果，從而增加飛碟狀玩具10飛行時的穩定性。
位於支架14中心位置處的旋轉裝置18包括一通過布設在中空支架14內的信號線與控制裝置連接的馬達20，連接在馬達20上部的螺旋槳22的葉片與水平方向成約4度的傾角，旋轉裝置18啟動後，螺旋槳22的轉速很高，能使飛碟狀玩具10以及螺旋槳22下端的馬達20達到每分鐘約300轉的轉速，而馬達20產生的反轉矩則可加速飛碟狀玩具10和馬達20的轉動，此外，在空氣阻力很小的情況下，則馬達20產生的反轉矩就足以使飛碟狀玩具10轉動而不需要使螺旋槳22傾斜。
一端與遙控裝置30連接的導線32的另一端通過中心座12連接到旋轉裝置18從而使操縱者能夠控制飛碟狀玩具10的上升和飛行方向，此外，為了減少飛碟狀玩具10的重量，可以使用連接遙控裝置30及與壁式電源插座相配合的壁式插頭33對馬達20提供電力，這樣勝於在飛碟狀玩具10上安裝電池，壁式插頭33同時也給紅外發射管50和52提供電力，導線32被連接到中心座12的內部組件34上(見附圖2所示)，內部組件34通過一摩擦力極小的轉軸38與外部組件36連接，啟動後，外部組件36和支架14以及旋轉裝置18和外環16同時旋轉，與導線32連接的內部組件34則構成飛碟狀玩具10的非旋轉部分。
飛碟狀玩具10上的馬達20也可用燃料來為螺旋槳22提供動力或用設置在飛碟狀玩具10上的其它裝置來為螺旋槳22提供動力。當然，飛碟狀玩具10除了螺旋槳22推進方式外，也可採用其它更好的推進方式，例如，在馬達20上裝上航空和太空飛行器上常用的能轉換角度、提供上升力和旋轉力的、或能多角度地改變旋轉方向的噴氣式管嘴同樣可以達到推進目的。
見附圖1所示，中心座12上有三個支腳24，支腳24從飛碟狀玩具10的非旋轉部分也就是內部組件34向下方伸出，其作用是在地上或其它平面上在起飛前以及著陸的情況下，支撐住飛碟狀玩具10，支腳24分別對因螺旋槳22旋轉而產生的氣流保持45度的夾角，沿支腳24的長度方向上成型有槳翼26，當氣流被槳翼26反射後，產生驅動非旋轉部分與飛碟狀玩具10反向旋轉的驅動力，槳翼26的角度，決定了由於飛碟狀玩具10的旋轉部分和非旋轉部分之間因摩擦力的存在而產生的非旋轉部分的轉動能否被抵消。
因為導線32是連接到非旋轉部分的，有關方向和上升信號，必須和電力一樣從非旋轉部分向旋轉部分，特別是旋轉裝置18傳輸，當然，傳輸方式可以有很多種，以下所述為其中的一種實施方式，見附圖2和附圖3所示，下端面設置有四個導電環(圖3中所標的42a、42b、42c、42d，全部用42來表示)的小型電路基板40被安裝在外部組件36的上端，在內部組件34的上端端面設置了四個由彈片支承的與導電環42接觸的碳刷44，中間的導電環42a作用是使碳刷44b、44c、44d和各自對應的導電環42b、42c、42d接觸時形成閉合的電氣迴路，三個導電環44b、44c、44d分別獨立對應旋轉裝置18內的馬達20(用M1、M2、M3表示)。
遙控裝置30上設置有多個操縱杆或按鍵，通過電路基板40控制飛碟狀玩具10的上升力以及飛行方向，如附圖3所示，遙控裝置30上設置有一上升力控制杆46和一個方向控制杆48。
另外，通過碳刷44嚮導電環42提供的電力，還可提供給位於外環16外端面上的用以產生飛碟狀玩具10的外環16發光效果的LED使用。
如前所述，當飛碟狀玩具10開始旋轉後，飛碟狀玩具10自身不能辨別方向，為了確定操縱者和該飛碟狀玩具10的位置關係，在其上安裝了兩個紅外發射管50和52(如附圖2所示)，第一個紅外發射管50被安裝在一個馬達20的下部，具有40度的下傾角，第二個紅外發射管52安裝在中心座12的頂部，具有約20度的上傾角，紅外發射管50和52面向同一個方向，這兩個紅外發射管以不同的俯、仰角度發射紅外光束，覆蓋住控制器30的上下約飛碟狀玩具10高度的10倍的範圍。接收紅外光束的紅外接收管54則設置在遙控裝置30的前端。
紅外發射管50和52在電路基板40上通過電氣迴路以固定的頻率進行調頻。例如，振蕩器49(見附圖3所示)，這是為了將紅外光束與周圍的可能包含紅外光成分的光線區分開，這樣，只要給幾個飛碟狀玩具10分配不同的調整頻率的話，就可控制它們在同一空間內飛行而不至於相互幹涉。
見附圖4所示，該圖為飛碟狀玩具10的俯視圖，它可被分割成四個部分，這四個部分分別為Q1、Q2、Q3和Q4，當紅外發射管50和52與遙控裝置30位於同一條直線上時，Q1為左後區域，Q2為左上區域，Q3為右上區域，Q4為右後區域，紅外接收管54一接收到紅外光後，遙控裝置30內的微處理器能檢測出飛碟狀玩具10的旋轉位置或旋轉裝置的方向，並同時向馬達20分配電力，使飛碟狀玩具10向操縱者所希望的任意方向飛行或移動，而不是僅僅在操縱者的前後飛行，因為飛碟狀玩具10的轉速約為300轉每分鐘，紅外接收管54每隔1/5秒左右收到一次信號。
如前所述的多個馬達，全部用20表示，具體為馬達M1、M2、M3，它們皆逆時針轉動，馬達M1的下部裝有紅外發射管50，這三個馬達20以120度的相鄰角間隔開。同樣，當有更多的旋轉裝置18時，每組相鄰的旋轉裝置18的馬達20構成的夾角也相同。
本實用新型對上述各個馬達20以120度的相位差提供正弦電壓信號。
本實用新型還包括向各個馬達20提供平穩的控制電壓的裝置。其它飛行或旋轉玩具使用電氣機械變頻裝置來控制提供給各個馬達20的電能，本實用新型則向各個馬達20提供具有預定相位差的正弦電壓信號。正弦電壓信號的波形由許多樣本構成，這些樣本構成了各正弦電壓信號一個周期的波形，而前面所述的電氣機械變頻裝置則採用變頻環中的整流子片來控制提供給各個馬達20的電能，每個整流子片對應正弦電壓信號中的一個樣本，作為本實用新型的一個較佳實施方式，正弦電壓波形大約由32個樣本構成，而要產生一個由32個整流子片構成的變頻裝置是極為困難的。通過這種實施方式，本實用新型可給旋轉玩具提供更平穩的正弦控制波形。
操作時，操縱者可以使用上升力控制杆46和方向控制杆48來控制飛碟狀玩具10。最初飛碟狀玩具10在地面上靜止時，操縱者開始操作上升力控制杆46，遙控裝置30內的微處理器向各個馬達20提供的驅動電壓增加，該上升力控制杆46向微處理器輸入信號，控制輸入各個馬達20的等量驅動電壓，使飛碟狀玩具10不會向一方傾斜，從而在上升下降的過程中保持水平，當上升力控制杆46推向前方時，意味著增加上升力，微處理器輸出的電壓的振幅增大，馬達20也隨之加快旋轉最終使飛碟狀玩具10升起，與此類似，當將上升力控制杆46推向後方時，微處理器將減小電壓振幅，使馬達20轉速降低，從而使飛碟狀玩具10降低。
本實用新型的另一個特點是，微處理器可以檢測到操縱者推動上升力控制杆46的程度，例如，當將上升力控制杆46稍微推向前方時，則由微處理器輸出的正弦電壓信號的振幅也只有稍微的增加，而當將上升力控制杆46推到底時，微處理器輸出的正弦電壓信號的振幅也急劇增加，飛碟狀玩具10也迅速升起，這種方式對於本實用新型的其它控制杆來說也是一樣的。
當操縱者希望飛碟狀玩具10向特定的方向前進時，只需用手推動方向控制杆48即可，當微處理器收到從方向控制杆48發出的指令後，會向各個馬達M1、M2、M3提供正弦電壓，這個正弦電壓信號將與馬達20的驅動電壓疊加，每個正弦電壓信號之間有固定的相位差，通過改變每個正弦電壓信號的初始相位角，就可改變馬達20的轉向從而使飛碟狀玩具10向特定的方向飛行。微處理器可以按照方向控制杆48的傾斜方向向每個馬達20輸出具有特定位相和振幅的正弦電壓信號，從而控制飛碟狀玩具10的飛行方向。
附圖5A至附圖5D是微處理器使飛碟狀玩具10旋轉一周時，被傳給M1、M2、M3的正弦電壓信號的波形圖，附圖5A所示，在0度時，即紅外發射管50、52、和紅外接收管54正相對，馬達M1收到在0度達到正的峰值，在180度達到負的峰值的正弦波電壓信號信號，與此同時，M2收到從M1偏離120位相的正弦波，M3收到從M2偏離120度位相的正弦波電壓信號，當驅動電壓被加上此正弦波電壓信號後，Q1和Q4區的螺旋槳22將比Q2和Q3區域的螺旋槳22獲得更高的轉速，從而使飛碟狀玩具10向前移動，見附圖5B-附圖5D表示的是被提供給馬達M1、M2和M3的正弦波電壓信號的波形圖，在附圖5B中，當Q2和Q3的推進矢量大於在Q1和Q4的推進矢量時，飛碟狀玩具10朝操縱者飛回，在Q3和Q4的推進矢量大於在Q1和Q2的推進矢量時，飛碟狀玩具10向左運動，附圖5D表示，在Q1和Q2的推進矢量大於Q3和Q4的推進矢量時，該飛碟狀玩具10向右運動。
見附圖6A-6C所示，為本實用新型的另一種操作方式，即練習模式，該模式可以使飛碟狀玩具10在基準點周圍的上方盤旋飛行，如附圖6-A所示，該飛碟狀玩具10通過放置在地上的基板58和導線32連接起來，基板58通過從該基板58延伸出來的導線32的長度決定了飛碟狀玩具10的飛行路線，為了保證飛碟狀玩具10相對中心位置或基板58的盤旋飛行，導線32通過一個反饋復位裝置60與飛碟狀玩具10的非旋轉部分連接起來，如果復位裝置60檢測到導線32和飛碟狀玩具10的非旋轉部分之間的夾角超過了預先設定的角度時，復位裝置60即通過導線32將飛碟狀玩具10偏離基準點過遠的信息反饋給微處理器，當微處理器接收到信息後，即向馬達20發出要求飛碟狀玩具10返回基準點的信號。
上面所述的復位裝置60包括上部組件62和下部組件68，上部組件62與由飛碟狀玩具10的旋轉部分支承的轉軸63連接起來，上部組件62的外端面上固設一呈倒「L」形的支架64，該支架64的下端套設一彈簧66，下部組件68通過一萬向接頭70與上部組件62連接，其外端面上設置有一與彈簧66配合的導電環72，該導電環72與導線32相連。當飛碟狀玩具10偏離基準點時，由於導線32的拉拽作用，使下部組件68和上部組件62之間構成一定的角度，當這個角度的大小達到一定程度時，下部組件68上的導電環72與上部組件62外端的彈簧66接觸，由於接觸而產生的信號也隨之通過導線32反饋給微處理器，導電環72與彈簧66接觸的時間被與旋轉周期相比較以便計算出飛碟狀玩具10的偏離方向，微處理器接著發出改正指令(附加在傳輸給馬達20的正弦驅動電壓信號上)以引導飛碟狀玩具10飛回基板58上方的中心位置。從下部組件68向外延伸出來的線束74將信號從微處理器傳輸到電路板40。
也可利用帶有旋轉磁場的霍爾效應檢測器來檢測飛碟狀玩具10的偏離角度，如附圖7A、附圖7B所示，在下部組件68上安裝一個霍爾效應檢測器80，在上部組件62的兩側對稱安裝有兩塊磁極方向相反的磁鐵82，霍爾效應檢測器80的上端通過萬向接頭70與上部組件62連接，下端與導線32連接，兩塊磁鐵82在其中心位置處的磁場強度為零。當飛碟狀玩具10偏離中心位置處時，霍爾效應檢測器80也隨之向兩塊磁鐵82中的一塊轉動，越靠近磁鐵82，磁場強度就越強，反之則弱，霍爾效應檢測器80根據檢測到的磁場強度產生正弦波信號，並將其通過導線32反饋到微處理器，微處理器收到由霍爾效應檢測器80反饋回的信號後，即向馬達20發出具有正弦波形的調整信號，使飛碟狀玩具10返回到基準點，也就是磁場強度為零的位置處。
應該注意到的是，除了用紅外光做為方向信號外，其它任何形式的方向信號都可應用，如可見光、無線電波、磁場以及聲音等等。另外，紅外發射管和紅外接收管的位置可相互調換，即紅外發射管設置在遙控裝置內，而紅外接收管安裝在玩具主體上。在紅外發射管和紅外接收管調換位置的情況下，如果將機載類電源裝在玩具主體內，就可使用基準信號傳輸控制信息，這樣的話，就可用無線控制的方式使玩具自由飛行而無需受導線的控制。
以上所述的控制旋轉玩具方向的裝置，除了用於上述實施例提到的飛碟狀玩具10上外，也適用於其它的自轉玩具，下面所述即為一個在其它旋轉玩具上應用的實施例，見附圖8所示，一個機器人狀的旋轉玩具100，它有一個中心體101，中心體101的頂部設置有紅外接收管102，該紅外收管可以接收設置於控制盒106上具有特定發射角的紅外發射管104發出的紅外光信號，機器人玩具100的車輪110上連接有兩個馬達108，當車輪110獲得電能後使機器人玩具100以預定的方向旋轉，該機器人玩具100還包括有電源或電池112，紅外發射管104根據控制盒106的指令發射含方向代碼的紅外光束，機器人玩具100的微處理器114一收到方向代碼光束後，即進行解碼並輸出兩個相位差為180度的正弦信號(如有更多的馬達108，則各正弦信號的相位差為360度除以馬達個數，方向正弦信號被疊加到馬達108的驅動電壓上，從而可達到控制該旋轉型機器人玩具100的行進方向的目的。
權利要求1.紅外線控擎飛碟，其特徵在於它包括有由一內部組件(34)，以及一套設於內部組件(34)上並可相對內部組件(34)做旋轉運動的外部組件(36)構成的中心座(12)、至少一個圓形的外環(16)、一個帶有微處理器的遙控裝置(30)，從外部組件(36)向外呈放射狀伸出至少三個與外環(16)連接的杆狀支架(14)，相鄰兩個支架(14)之間的夾角相等，每個支架(14)上設置一由馬達(20)和螺旋槳(22)構成的旋轉裝置(18)，從內部組件(34)的下端向下伸出多個具有槳翼(26)的支腳(24)。
2.根據權利要求1所述的紅外線控擎飛碟，其特徵在於中空狀的內部組件(34)通過一穿過其上端面中心並固定於外部組件(36)上端面中心的轉軸(38)而與外部組件(36)連接，內部組件(34)的上端面呈平臺狀，其上均勻設置有若干個由彈片支承的碳刷(44)，碳刷(44)的數目為旋轉裝置(18)的數目加一。
3.根據權利要求1所述的紅外線控擎飛碟，其特徵在於套設於內部組件(34)上的外部組件(36)上端設置有一電路基板(40)，電路基板(40)的上端面設置有一具有20度上傾角的紅外發射管(52)，電路基板(40)的下端面設置有與碳刷(44)數目相同的導電環(42)。
4.根據權利要求1所述的紅外線控擎飛碟，其特徵在於從外部組件(36)的外端面伸出的支架(14)呈中空圓管狀，由馬達(20)和螺旋槳(22)構成的旋轉裝置(18)位於支架(14)的中心，馬達(20)與從電路基板(40)引出並布設於支架(14)內的信號線連接，螺旋槳(22)的葉片與水平面成約4度的傾角，在設置於與紅外發射管(52)方向一致的支架(14)上的馬達(20)下方亦設置有一紅外發射管(50)，紅外發射管(50)的水平方向與紅外發射管(52)一致，但在垂直方向上具有約40度的下傾角。
5.根據權利要求1所述的紅外線控擎飛碟，其特徵在於與支架(14)外端連接的外環(16)呈飛碟狀，其所用材料為柔軟的發泡塑料，其外端面上嵌連有一塊上面設置了多個LED並與從電路基板(40)引出的信號線連接的電路板。
6.根據權利要求1所述的紅外線控檠飛碟，其特徵在於遙控裝置(30)通過導線(32)與內部組件(34)上端面的碳刷(44)連接，遙控裝置(30)上分別設置有一與內部的微處理器連接的上升力控制杆(46)以及一方向控制杆(48)，該遙控裝置(30)的前端設置有一紅外接收管(54)。
7.根據權利要求1所述的紅外線控擎飛碟，其特徵在於在內部組件(34)內還設置有一反饋復位裝置(60)，該復位裝置(60)包括上部組件(62)和下部組件(68)，上部組件(62)套接於轉軸(38)下端，上部組件(62)的外端面上固設一呈倒「L」形的支架(64)，該支架(64)的下端套設一彈簧(66)，下部組件(68)通過一萬向接頭(70)與上部組件(62)連接，其外端面上設置有一與彈簧(66)配合的導電環(72)，該導電環(72)與導線(32)相連。
8.根據權利要求1所述的紅外線控擎飛碟，其特徵在於設置在內部組件(34)內的反饋復位裝置(60)也可為採用如下的結構，它包括上部組件(62)以及霍爾效應檢測器(80)，上部組件(62)的兩側對稱安裝有兩塊磁極方向相反的磁鐵(82)，霍爾效應檢測器(80)的上端通過萬向接頭(70)與上部組件(62)連接，下端與導線(32)連接。
專利摘要本實用新型涉及玩具技術領域，特指一種方向可控型的旋轉玩具。其技術方案為它包括一由內部組件，以及一套設於內部組件上並可相對內部組件做旋轉運動的外部組件構成的中心座、至少一個圓形的外環、以及一個帶有微處理器的遙控裝置，從外部組件向外呈放射狀伸出至少三個與外環連接的杆狀支架，相鄰兩個支架之間的夾角相等，每個支架上設置一由馬達和螺旋槳構成的旋轉裝置，從內部組件的下端向下伸出多個具有槳翼的支腳。本實用新型可完全按操縱者的意圖進行方向控制以及不需要使玩具停止轉動就能使用降落裝置進行著陸。
文檔編號A63H27/04GK2524808SQ0220642
公開日2002年12月11日 申請日期2002年2月10日 優先權日2001年3月28日
發明者史提夫·戴維斯 申請人:史提夫·戴維斯