CN113870669B - 智能化自由落体运动实验仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能化自由落体运动实验仪，包括安装有接球组件、停球组件、自由落体组件、上球组件以及运球组件的结构框架，接球组件将小球输送至停球组件，停球组件使小球定位于自由落体组件的下落起始点并触发小球自由下落，自由落体组件包括竖直的自由落体通道，自由落体通道设置有对自由落体实验过程监测的监测装置，上球组件将完成实验的小球收集后上料至运球组件，运球组件将小球抬升并输送至接球组件以使小球循环使用，衔接配合紧凑，采用全自动化的方式控制，无需操作者现场操作、手动收集下落小球，显著提升了实验效率和准确性。

Description

智能化自由落体运动实验仪

技术领域

本发明涉及教学实验器材领域，特别涉及一种智能化自由落体运动实验仪。

背景技术

利用自由落体法测量当地重力加速度是一项传统的物理实验，也是很多大学或中学物理课程的基础实验。在实验过程中，通过测量、记录小球等重物下落的距离和时间，计算的得到当地重力加速度的大小。长期以来，如何有效提高实验设备利用效率，提高实验人员的操作水平，一直是实验室教师、管理人员以及各大实验设备生产商着重思考的问题。作为实验室建设中信息化、数字化转型过程中的重要角色，实验设备的智能化改造，将改变并推动传统实验设备发挥更加灵活、深度的教学与实验作用。

现有技术中，自由落体运动实验仪需要操作者在现场进行操作，每完成一次实验，操作者需要手动收集下落小球并置于起始位置，才能继续完成下一次实验，增加了实验操作的繁琐性，降低了实验效率。在网络、远程教育持续发展的现状下，实验室以及实验仪器的智能化、远程化转型也更加势在必行。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种智能化控制的自由落体运动试验仪，实现实验小球的自动回收和复位，以提供无人值守的可远程操作实验方案。

为了达到上述目的，本发明提供了一种智能化自由落体运动实验仪，包括结构框架，所述结构框架连接有接球组件、停球组件、自由落体组件、上球组件以及运球组件；

所述接球组件与所述停球组件连通，用于将小球输送至所述停球组件；

所述自由落体组件包括自由落体通道和监测装置，所述自由落体通道竖直放置，所述自由落体通道包括顶端和底端；

所述停球组件设置于所述自由落体通道的顶端，用于使小球静止于下落起始点并触发所述小球自由下落；

所述上球组件一端与所述自由落体通道的底端连通，用于收集完成实验的小球，所述上球组件另一端与所述运球组件对接，用于将小球上料至运球组件，所述上球组件一次只能上料一个小球；

所述运球组件包括传输模块和多个载料模块，每一个所述载料模块固定设置于所述传输模块上，所述运球组件用于循环地从所述上球组件上料，至所述接球组件卸料，以使小球循环使用。

进一步地，所述上球组件包括进球壳体，所述进球壳体的第一端通过第二导球管与所述自由落体通道的底端连通，所述进球壳体内部设置有小球通道，所述小球通道在所述进球壳体的第二端形成出球口，所述进球壳体的第一端高于所述进球壳体的第二端；所述进球壳体的底部形成有安装槽，所述安装槽横向穿过所述小球通道；

所述上球组件还包括挡料支架，所述挡料支架一端设置连接部，所述连接部与所述进球壳体转动连接，所述挡料支架另一端设置拨料杆，所述拨料杆与所述载料模块相对应，所述挡料支架中部设置挡料条和挡料板；所述挡料条与所述出球口相对应；所述挡料板装在安装槽内；

当所述挡料支架空置，所述挡料条对所述出球口挡料，所述挡料板位于所述安装槽外部使小球通道畅通；当所述拨料杆被抬起，所述挡料支架绕所述连接部向上转动，所述挡料条对所述出球口向上让开，所述挡料板向上移入安装槽使所述小球通道阻断。

进一步地，所述安装槽与所述出球口的间距L与小球的直径d满足d≤L＜1.5d。

进一步地，所述挡料板与所述挡料支架活动连接。

进一步地，所述传输模块包括呈环形的传输带、从动轮和主动轮，所述主动轮和从动轮通过所述传输带环绕连接，每一个所述载料模块包括接球支架、接球器以及拨料结构，所述接球支架固定设置于所述传输带上，所述接球器和所述拨料结构均置于接球支架上，所述接球器设置接球口；所述拨料结构具有向外延伸的凸起部，用于向上抬起拨料杆，使出球口与接球口对应。

进一步地，所述凸起部由弹性材料制成，其弹性形变足以使所述拨料结构向上滑过所述拨料杆。

进一步地，所述接球器的接球口朝向与所述传输带运动方向夹角设置为锐角，使得在传输带上升运动侧，所述接球器的接球口倾斜向上，在传输带下降运动侧，所述接球器的接球口倾斜向下。

进一步地，所述主动轮由电机驱动。

进一步地，所述传输带为皮带或链条。

进一步地，所述接球组件包括接球盒，所述接球盒开口向上，所述接球盒底部与第一导球管的第一端连通，所述第一导球管的第二端与所述停球组件连通。

进一步地，所述监测装置包括沿自由落体通道设置的多个光电门，用于记录小球自由下落过程中依次到达各个所述光电门的时间差，每个所述光电门与所述下落起始点的垂直距离可调。

进一步地，所述监测装置还包括图像获取装置，以对实验进行实时全景监控。

进一步地，所述自由落体通道为自由落体管，所述自由落体管由透明材质制成。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的智能化自由落体运动实验仪，通过接球组件、停球组件输送并控制小球的自由落体启动，自由落体组件的检测装置对自由落体实验过程实时监测，上球组件能自动、有序地将完成自由落体实验的小球收集并依次上料至运球组件，运球组件将小球自动抬升运送至接球组件以进行下一次实验，结构设计合理，衔接配合紧凑，采用全自动化的方式控制，无需操作者现场操作、手动收集下落小球，显著提升了实验效率和准确性，作为一种可远程操作的解决方案，为学生的线上实验增加“实”的体验，还可为实验室管理人员提供远程平台维护，降低工作强度，为线上实验的全面智能化、远程化打下基础；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的运球组件、上球组件以及接球组件配合示意图；

图3为图2的A处放大图；

图4为本发明的进球壳体整体结构示意图；

图5为本发明的进球壳体整体结构另一示意图；

图6为图2的B处放大图。

【附图标记说明】

100-结构框架；200-接球组件；201-接球盒；202-第一导球管；300-停球组件；400-自由落体组件；401-自由落体管；402-光电门；403-数码摄像头；500-上球组件；501-进球壳体；502-第二导球管；503-出球口；504-挡料支架；505-挡料条；506-挡料板；507-安装槽；508-拨料杆；600-运球组件；601-传输模块；602-接球支架；603-接球器；604-拨料结构；605-从动轮；606-主动轮；607-电机；700-小球。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、安装、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。另外，本发明中的“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明限制。

如图1、图2所示，本发明的实施例提供了一种智能化自由落体运动实验仪，包括结构框架100，结构框架100主体为搭建的铝合金支架，用于加装固定接球组件200、停球组件300、自由落体组件400、上球组件500以及运球组件600。其中，接球组件200与停球组件300连通，将小球700输送至停球组件300。停球组件300位于自由落体组件400的顶端，使小球700定位于自由落体组件400的下落起始点并触发小球700自由下落。自由落体组件400包括竖直放置的自由落体通道，自由落体通道的顶端与停球组件300连通，底端与上球组件500连通，小球700沿自由落体通道下落完成实验，依靠自由落体通道布置的监测装置对自由落体过程实时监测。上球组件500将完成自由落体实验的小球700收集后上料至运球组件600，运球组件600包括传输模块601和多个载料模块，每一个载料模块固定设置于传输模块601上，用于触发上球组件500上料并装载。运球组件600的循环地从上球组件500上料，至接球组件200卸料，以使小球700落入接球组件200而循环使用。其中，上球组件500一次只能上料一个小球700，确保小球700运转的有序。采用自动化的方式控制，实现实验小球700的自动回收、复位及循环使用，作为无人值守的可远程操作实验方案。

同时如图3-图5所示，上球组件500包括进球壳体501，进球壳体501的第一端通过第二导球管502与自由落体管401的底端连通，完成自由落体实验的小球700落入第二导球管502后，沿第二导球管502滚入进球壳体501内。进球壳体501内部具有小球通道，小球通道在进球壳体501的第二端形成出球口503，且进球壳体501的第一端高于第二端布置，使小球700继续沿小球通道滚动至第二端并准备出球。同时，进球壳体501的底部形成有安装槽507，安装槽507横向穿过小球通道。

进球壳体501上连接有挡料支架504，挡料支架504的一端通过螺栓与进球壳体501铰接。挡料支架504中部设置有挡料条505和挡料板506，挡料条505与出球口503相对应，挡料板506装在安装槽507内。挡料支架504绕进球壳体501旋转至不同位置时，切换挡料条505对出球口503挡料、以及挡料板506对小球通道挡料的状态。当挡料支架504空置，挡料条505对出球口503挡料，挡料板506位于安装槽507外部使小球通道畅通；当拨料杆508被抬起时，挡料支架504绕螺栓铰接位置向上转动，挡料条505对出球口503向上让开，挡料板506向上移入安装槽507使小球通道阻断。

优选地，安装槽507与出球口503的间距等于单个小球700的直径，使挡料条505抬起时，挡料板506与出球口503之间仅有一个小球700，确保一次动作仅出料一个小球700。

优选地，挡料板506与挡料支架504是活动连接的，挡料板506插入挡料支架504的安装孔中固定，便于挡料支架504与进球壳体501的组装、拆卸。

在本实施例中，挡料支架504的另一端设置有一拨料杆508，拨料杆508与运球组件600的载料模块配合。相对应地，载料模块具体包括接球支架602、接球器603以及拨料结构604，接球器和拨料结构604均置于接球支架602上，接球器603设置接球口。拨料结构604具有与拨料杆508相对应的、向外延伸的凸起部，凸起部由弹性材料制成。在接球支架602以及接球器603持续向上输送的过程中，拨料结构604的凸起部与拨料杆508下表面接触并带动挡料支架504旋转，使挡料条505逐渐向上抬起而打开出球口503，此时接球器603的接球口逐渐对准出球口503，靠近出球口503的单个小球700落入接球器603中，而其余小球700则被挡料板506阻挡。接球支架602以及接球器603继续上升而将上料的小球700运送至自由落体初始位置循环实验，拨料结构604的凸起部通过弹性形变向上滑过拨料杆508后不再对拨料杆508作用，挡料支架504在重力作用下复位，使得挡料条505再次将出球口503阻挡，挡料板506重新没入安装槽507中而让开通道，使后续小球700依次向前输送一个小球位置，以进行下一次上球动作。

请再次参阅图2、图3以及图6，传输模块601包括呈环形的传输带，传输带为皮带或链条的形式，顶端设置有从动轮605，底端设置有主动轮606，主动轮606与电机607传动连接。其中，传输带竖直设置，在电机607驱动下一侧的传输带向上移动，另一侧的传输带向下移动，形成循环输送。接球器603固定设置在传输带上，且接球器603的接球口方向与传输带运动方向夹角为锐角，因此当接球器603跟随传输带上升时，接球器603的接球口倾斜向上，小球在重力作用下不会滚出而储存于接球器603；当接球器603跟随传输带上升至顶部后，继续输送而绕过从动轮605并向下移动，由于接球器603相对于传输带固定，因此原本倾斜向上的接球口在绕过从动轮605后变成倾斜向下，小球700在重力作用下从接球口滚出，并正好落入接球组件200，完成小球700的抬升运送，准备进行下一次自由落体实验。

请再次参阅图6，接球组件200包括接球盒201，接球盒201开口向上、底部与第一导球管202的第一端连通，第一导球管202的第二端与停球组件300连通，运球组件600将小球700抬升并使其落料至接球盒201内，在重力作用下穿过接球盒201底端的开口及第一导球管202，直至自由落体通道顶端的停球组件300，使小球700定位于自由落体组件400的下落起始点，准备进行下一次自由落体实验。

请再次参阅图1，本实施例中自由落体通道为透明材质的自由落体管401，以使小球700的自由落体过程可视化。自由落体管401的内径大于小球700的外径，其正好套入小球700下落路径外围，不会干涉小球700的自由落体过程。优选地，自由落体管401的顶端为下落起始点。

监测装置包括连接于自由落体管401上的多个光电门402，以记录小球700自由落体时依次触发各个光电门402的时间差，在光电门402预先设置且与下落起始点的距离确定的情况下自动或由实验人员对自由落体实验的各参量进行计算、比对。同时，监测装置还包括布置在自由落体管401一侧的数码摄像头403，作为图像获取装置对实验进行实时全景监控，捕捉运动状态细节。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种智能化自由落体运动实验仪，包括结构框架（100），其特征在于，所述结构框架（100）连接有接球组件（200）、停球组件（300）、自由落体组件（400）、上球组件（500）以及运球组件（600）；

所述接球组件（200）与所述停球组件（300）连通，用于将小球（700）输送至所述停球组件（300）；

所述自由落体组件（400）包括自由落体通道和监测装置，所述自由落体通道竖直放置，所述自由落体通道包括顶端和底端；

所述停球组件（300）设置于所述自由落体通道的顶端，用于使小球（700）静止于下落起始点并触发所述小球（700）自由下落；

所述上球组件（500）一端与所述自由落体通道的底端连通，用于收集完成实验的小球（700），所述上球组件（500）另一端与所述运球组件（600）对接，用于将小球上料至运球组件（600），所述上球组件（500）一次只能上料一个小球（700）；

所述运球组件（600）包括传输模块（601）和多个载料模块，每一个所述载料模块固定设置于所述传输模块（601）上，所述运球组件（600）用于循环地从所述上球组件（500）上料，至所述接球组件（200）卸料，以使小球（700）循环使用；

所述上球组件（500）包括进球壳体（501），所述进球壳体（501）的第一端通过第二导球管（502）与所述自由落体通道的底端连通，所述进球壳体（501）内部设置有小球通道，所述小球通道在所述进球壳体（501）的第二端形成出球口（503），所述进球壳体（501）的第一端高于所述进球壳体（501）的第二端；所述进球壳体（501）的底部形成有安装槽（507），所述安装槽（507）横向穿过所述小球通道；

所述上球组件还包括挡料支架（504），所述挡料支架（504）一端设置连接部，所述连接部与所述进球壳体（501）转动连接，所述挡料支架（504）另一端设置拨料杆（508），所述拨料杆（508）与所述载料模块相对应，所述挡料支架（504）中部设置挡料条（505）和挡料板（506）；所述挡料条（505）与所述出球口（503）相对应；所述挡料板（506）装在安装槽（507）内；

当所述挡料支架（504）空置，所述挡料条（505）对所述出球口（503）挡料，所述挡料板（506）位于所述安装槽（507）外部使小球通道畅通；当所述拨料杆（508）被抬起，所述挡料支架（504）绕所述连接部向上转动，所述挡料条（505）对所述出球口（503）向上让开，所述挡料板（506）向上移入安装槽（507）使所述小球通道阻断；

所述传输模块（601）包括呈环形的传输带、从动轮（605）和主动轮（606），所述主动轮（606）和从动轮（605）通过所述传输带环绕连接，每一个所述载料模块包括接球支架（602）、接球器（603）以及拨料结构（604），所述接球支架（602）固定设置于所述传输带上，所述接球器（603）和所述拨料结构（604）均置于接球支架（602）上，所述接球器（603）设置接球口，所述拨料结构（604）具有向外延伸的凸起部，用于向上抬起拨料杆（508），使出球口（503）与接球口对应。

2.根据权利要求1所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述安装槽（507）与所述出球口（503）的间距L与小球（700）的直径d满足d≤L＜1.5d。

3.根据权利要求1所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述挡料板（506）与所述挡料支架（504）活动连接。

4.根据权利要求1所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述凸起部由弹性材料制成，其弹性形变足以使所述拨料结构（604）向上滑过所述拨料杆（508）。

5.根据权利要求1所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述接球器（603）的接球口朝向与所述传输带运动方向夹角设置为锐角，使得在传输带上升运动侧，所述接球器（603）的接球口倾斜向上，在传输带下降运动侧，所述接球器（603）的接球口倾斜向下。

6.根据权利要求1所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述主动轮（606）由电机（607）驱动。

7.根据权利要求1所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述传输带替换为传输链，所述主动轮（606）替换为主动链轮，所述从动轮（605）替换为从动链轮。

8.根据权利要求1-7其中任一项权利要求所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述接球组件（200）包括接球盒（201），所述接球盒（201）开口向上，所述接球盒（201）底部与第一导球管（202）的第一端连通，所述第一导球管（202）的第二端与所述停球组件（300）连通。

9.根据权利要求1-7其中任一项权利要求所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述监测装置包括沿自由落体通道设置的多个光电门（402），用于记录小球（700）自由下落过程中依次到达各个所述光电门（402）的时间差，每个所述光电门（402）与所述下落起始点的垂直距离可调。

10.根据权利要求1-7其中任一项权利要求所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述监测装置还包括图像获取装置，以对实验进行实时全景监控。

11.根据权利要求1-7其中任一项权利要求所述的智能化自由落体运动实验仪，其特征在于，所述自由落体通道为自由落体管（401），所述自由落体管（401）由透明材质制成。

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