描绘或示出四维事物的板、通用绘图仪以及科学测量和学习工具

摘要

本发明涉及具有两种或三种运动的具有磁性特征的金属板或黑板，该金属板或黑板以四维（水平、竖直、深度和时间）来绘图并且表示事物，并且客观地描绘事物，其中T形尺沿水平轴或X轴由受驱动器和计算机上的软件控制的数字步进马达在导轨上运动（水平运动）。此外，围绕T形尺的工具保持车由受驱动器控制的数字步进马达致动而沿该T形尺的总长度或Y轴运动（竖直运动），该数字步进马达继而由计算机上的软件控制，其中这两种运动由数学速度和加速度函数控制。在该工具保持车中抵靠黑板的表面放置有毡尖笔或标记笔，以便绘制所有方式的图形。此外，工具保持车包括提供垂直于黑板的运动（深度通路）的第三马达，及其相应马达和驱动器。不同的科学测量工具和结构被安装在板或工具保持车上，并且借助驱动器以及计算机上的相关软件而以电子方式连接到黑板上可用的不同的数据输入或输出引脚，从而提供与计算机交互的真实的科学测量和实验仪器。

说明书

背景技术

主要问题是使得在教室中的学习得到改进并且现代化。通常，老师使用常规板来 展示其课程，例如数学或物理课，其仅利用绘图技巧和托架，而不存在具有参数或真 实技术帮助的任何工具，从而导致不精确性且因而导致学习不太有效率。

现如今，许多学校使用探照灯将来自计算机的图像投影到电子白板中，由于该动 作或互动性始终是虚拟的，因此这虽然有助于使得在教室中的学习得到改进并且现代 化，但是具有缺乏真实且三维的测量工具的缺点。

此外，已知的是，自然包括所有的科学并且这些科学用图形表示，图形继而将始 终在坐标平面X、Y（宽度、高度）中被表示，并且如果工具还有助于表示深度或轴 Z，那么这在理解自然以及学习改进方面具有极大的帮助。

说明

本发明涉及以四维（水平、竖直、深度和时间）、通用绘图仪、学习和科学测量 工具表示事物的板或面板，该板或面板以客观的方式用从小到大的形式描绘事物，从 而借助与输入和/或输出引脚以电子方式连接的测量工具或多个传感器便于通过图 形、绘图、实验或真实表示来学习科学，从而摒弃计算机软件。

这还将在工程、建筑、设计、仿真、艺术和建模等多种应用中得以发展。

使用示例

在数学领域中真实地表示的理论

在此将解释数学表达式、公式或函数如何能够用事物来表示，例如在表达式 X+4=0中，能够借助一定时间间隔的水平位移或其他过程来表示该未知领域 （incognita），然后确定单位参数并且求解该未知领域，进而以更好的方式理解该表 达式。

而且并且同样清楚地，针对事物采用线性函数Y=mx+4，使得水平轴根据计算机 软件移位X个单位的数量，并且同时Y位移将受mX的乘积影响，如果同时启动发 动机，则将能够看到斜率生成，并且还能够观察到正参数4不影响斜率但影响其位置。 该公式和变量被从软件发出，从而以真实的方式相互作用。该表示将清楚地有助于学 习。

在物理加速领域中真实地表示的理论

借助线来悬挂质量体并且将该质量体安装在工具保持车上，接着增加沿水平轴或 X轴的移位速度，观察到该质量体不会伴随该移位，由于惯性效应，该质量体移离竖 直方向，接着如果减速移位，则注意到该质量体沿相反的方向移离，然而当施加恒定 的速度时，这时质量体确实伴随该竖直方向而不偏离其垂直度。

在工程中

该板或面板被研制用于按比例绘制多个过程和自动控制，这是因为具有不同的运 动会有助于该板或面板与各种测量工具相互作用，这些测量工具例如是：秤、刻度尺、 测力计、机械形式等，这些测量工具由磁性特征辅助，并且由与进出计算机上的相应 软件的、在控制器中可用的数据输入或输出引脚连接的各个传感器支持，从而有利于 所提出的工程过程的研究。

在建筑中

该板或面板变为真实的绘图板或混合体，这是因为该板或面板在来自计算机的打 印图形的许多优势的基础上构成（沿X、Y的运动）并且还能够是绕水平轴旋转的常 规绘图板，托架现在包含与计算机软件连接的多个传感器，并具有深度Z轴运动，如 果磁性物体也能够被固定到该板上并且该板绕其水平方向旋转，则这些因素一起将可 以以比例尺表示三维并且它们全部借助诸如光线的机构来相互作用，这会有益于设计 者。

该板或面板是具有两种或三种运动的小或很大形式的不同磁性特征的金属板，其 中由数字发动机（步进马达）驱动的T形尺在导轨上横跨该导轨的全部水平轴或X 轴移动（水平运动），所述数字发动机由控制器（驱动器）操纵，并且从控制器（驱 动器）被传送到计算机上的软件。类似地，工具保持车移动（竖直运动），而卷绕T 形尺，从而形成由被控制器（驱动器）操纵的数字发动机（步进马达）驱动的该T 形尺的总长度或竖直轴的路径，并且被传送到计算机软件。

在由通过在申请人的软件中实现的速度和加速度的数学函数指示的它们的相应 发动机驱动的这两种水平运动和竖直运动（X,Y）的情况下，能够精确地横跨板或面 板的表面移位，并且在工具保持车中放置有粉笔、标记笔、喷枪、喷射墨或任何类型 的示踪器，该粉笔、标记笔、喷枪、喷射墨或任何类型的示踪器由借助软件控制的电 磁机构而抵靠该板或面板驱动，由此能够在同一板、纸、织物或画布上绘制或打印在 科学、数学和绘图方面全部通用的图形。

还设置相对于板具有垂直运动的第三深度或Z轴以及在工具保持车中相对于其 驱动器和计算机上的软件被安装的第三发动机，该仪器变为三维空间中的构型、仿真、 过程、自动控制和建模的描绘者和提供者。

该板还能够绕其水平轴旋转，并且由于其金属磁性特征，该板会保持附接物体和 结构件。

在工具保持车中，即使在同一板上，也设置有不同的测量工具（定标器、刻度尺、 秒表、测力计和电流表等）或多个传感器（机械、光学、运动、温度、磁性、电磁和 红外等），因此其变为多用途实验工具，这些传感器或测量工具以电子的方式连接到 控制器（PIC）所配置的数据输入或输出引脚，因此可以收集或发送测量值或数据至 计算机中的相应软件。

该板还具有由电源形成的电子部，该电子部将具有连接到该板以通电该实验板的 各个部件的端子块。

该板还具有屏幕或可视显示器。

机构和电子器件

该板或面板是能够附接多个附件、传感器和测量仪器的呈磁性形式的金属板或面 板。其具有不同的小和很大的形式，具有两种运动：竖直运动和水平运动（二维）， 工具保持车沿竖直或水平方向运动；以及深度的第三Z轴运动（三维）。由于该构造， 该板或面板在其水平方向上旋转或转动，从而具有相同的性能。

使得激发水平和竖直轴（X,Y）的运动的机构包括线缆，该线缆卷绕双巷道滑轮 一圈半，该双巷道滑轮被安装在数字发动机中并且通过键接头来依附于数字发动机的 运动，该线缆行进到另一端并且穿过一个巷道的自由滑轮，接着返回，系结T形尺， 穿出T形尺并且返回到驱动滑轮，该驱动滑轮使得该线缆（当其被张紧时）固定到该 滑轮并且依附于发动机的运动。然而，线缆将使其自身安装在双巷道滑轮中以跟随其 轨迹，并且接着从该滑轮的外部设置两个约束销，所述约束销使得线缆改变其轨迹而 不被安装（该系统对于X轴和Y轴是等同的，对于Z轴是任选的）。此外，在线缆的 一端中存在线缆的张力指示器，即，提供必要调节的弹簧。

轴X的移位方向（水平）在导轨（不锈钢管）上，T形尺借助该导轨移位，并且 在该导轨处固定有具有凹形通道的滑轮对，该凹形通道具有与导轨相同的形状，并且 看起来像“三明治（sandwich）”。

工具保持车沿Y轴（竖直方向）的移位方向通过四个滑轮围绕T形尺的矩形部 段，这使得工具保持车跨过T形尺的全部长度滑动。

工具保持车和板具有各种选择以待锚定或被固定，例如：螺纹孔、螺钉、视觉显 示器、能量端子块、数据输入和输出引脚、传感器、测量仪器、机构和工具都被固定 在其上，以用于产生各种活动。同样在工具保持车中也固定有绘图或示踪机构以及驱 动Z轴或深度轴的马达。由于其构造，所有该板或面板在其水平轴上转动而再定位， 但具有相同的性能。

该板具有电子模块来完成其任务。

向整个系统供电的第一模块是专用电源，其用于向发动机驱动器（驱动器）供电 以及还向接口模块供电。

第二模块是位于PC和硬件之间的接口；该第二模块具有两个PIC，这些PIC负 责接收来自PC的命令并且将该命令发送到执行机构。

第三和第四模块是驱动器（控制器），这些驱动器通过发动机操纵坐标轴的移位； 该第三和第四模块还控制将连接不同过程的可用数据的输入和输出的数量。

可选地，该板能够连接到屏幕或显示器，该屏幕或显示器显示在PC中完成的任 务。

图1的说明

1：板或金属面板的表面，该表面能够具有不同尺寸

2：T形尺，该T形尺横跨全部的水平长度移位

3：钢管导轨，T形尺在该钢管导轨上移位

4：双巷道滑轮，该双巷道滑轮被安装在相应的数字发动机上，其中具有由控制 器操纵的速度和加速度运动，所述控制器由来自计算机软件的数学函数指示

5：自由运动滑轮，该自由运动滑轮限制沿水平方向的位移

6：线缆，该线缆拖动运动机构或系统移位

7：工具保持车，该工具保持车沿竖直方向横跨T形尺的长度移位，并且具有将 被安装到其上的不同附件或工具的固定机构

8：用于各个示踪器的行程和绘图工具

9：Z轴或深度轴，该Z轴或深度轴与其相应数字发动机和移位机构一起被安装 在工具保持车中

10：围绕导轨的轮和滑轮，T形尺在该导轨上移位

11：用于定位成水平形状的面板旋转枢轴

12：销，该销引导双巷道滑轮中的线缆轨迹