CN102728052A - 具旋转感应的魔术方块 - Google Patents

Abstract

本创作公开了一种用三轴陀螺仪/加速感应器、按键、LED(发光二极管)、MCU(MicroControlUnit,微控制器)的具旋转感应的魔术方块，以陀螺仪/加速感应器感应魔方旋转方向加上按键，指示MCU控制LED灯光变化模拟传统魔方的机械旋转，可以将传统魔方以电子方式来控制及仿真，操纵方便及灯光吸引使用者，达到娱乐及教育的效果。

Description

具旋转感应的魔术方块

技术领域

本创作系使用三轴陀螺仪/加速感应器的电子魔术方块，具有旋转感应功能，采用电子组件、陀螺仪/加速感应器、LED和微处理机技术实现，尤其涉及一种以按键及陀螺仪/加速感应器来侦测使用者操控状态，以LED灯光变化模拟传统魔方旋转的电子魔方。 

背景技术

先前之机械式魔术方块（图2），为使用机构设计方式，以形成一个有六个面的立方体，并且在每个面上有3x3的小方块，而且由机构设计的巧妙，可以让这个方块在各个小方块的方向可以在各个方向旋转，以B面为例，于各行及各列都有两种方向旋转的可能，总共有12种操作的方式，同理在A，C，D，E，F面上也都有12种操作的可能方式，使用者可以选择在各方块进行任意的操作，以便把方块上的各面都转成一种颜色。由于机构设计的巧妙，及游戏的挑战性，这个产品得到世界各国的专利及各国使用者的喜好，而流行于各地。但存在者复杂的机械结构带来的不方便组装和易损坏的问题。 

但是以电子的方式来仿真魔术方块，却一直没有很理想的产品。例如台湾新型M247259（图3），外型及操作方式都和传统的魔术方块不同。虽然台湾M325146新型专利有提出外观跟传统魔方一致的电子魔方，但是却是用按键方式来控制旋转方向，跟传统魔方控制方式及手感仍有差异，因此如何能以电子方式来完整而方便的模拟传统机械式的魔术方块即是本发明的目的。 

发明内容

本专利的目的在于提供一种具选转感应的电子魔术方块，旨在解决现有技术中存在的复杂的机械结构带来的不方便组装和易损坏的问题，并且使其外观及操作尽量接近原来传统机构式的魔术方块。 

本专利实施例是这様实现的，与台湾M325146新型专利比较，我们把按键由LED显示块之间改成于LED显示块上，并且增加了陀螺仪或加速感应器来感应使用者对魔方的旋转方向。本专利包括：立方体本体；6个电子显示器，电子显示器的显示表面分别位于立方体本体的各个表面，每个显示表面包括9个显示子模块；9个按键，位于显示子模块的表面或下方；一个以上的陀螺仪或加速感应器，可以感应X/Y/Z三轴的旋转量或加速度，用来感应本体的旋转方向；至少一个控制显示子模块显示不同颜色和/或图案的微控制器，分别与陀螺仪、按键与电子显示器电性连接；以及供电装置，分别连接陀螺仪、电子显示器、微控制器以及按键。 

附图说明

图1：本创作外观图 

图2：传统魔术方块

图3：习见电子魔术方块

图4：电路方块图

图5：显示子方块标号示意图

图6：三轴加速度感应与重力加速度示意图

图7：沿Y轴旋转示意图

图8：沿Z轴旋转示意图

10：微控制器

11：按键

12：三轴陀螺仪/加速度感应器

13：显示模块

131： 显示模块之子模块

14：电源

15：USB接头

具体实施方式

  

本专利实施例提供的魔术方块，用户可以通过按键及对本体的转动控制微控制器实现显示子模块显示不同的颜色和/或图案，代替传统魔术方块通过旋转达到颜色或图案的变化的目的，而陀螺仪/加速度感应器的感应方式，可以感测使用者对本体方块于X/Y/Z三轴方向的旋转，跟传统魔方的转法一致，可以让使用者使用电子魔方时维持传统转动的手感。 

本专利实施例的魔术方块，包括：立方体本体；多个电子显示器，电子显示器的显示表面分别位于立方体本体的各个表面，每个显示表面包括多个显示子模块；多个按键，位于显示子模块的表面或下方；一个以上的陀螺仪，可以感应X/Y/Z三轴的旋转量，或一个以上的加速度感应器，可以感应X/Y/Z三轴的加速度；至少一个控制显示子模块显示不同颜色和／或图案的微控制器，分别与按键、陀螺仪或加速感应器与电子显示器电性连接；以及供电装置，分别连接电子显示器、微控制器、陀螺仪或加速感应器以及按键。 

如图1所示的本创作外观，为一常见的三阶3x3魔术方块，同样的设计原理可以应用在2阶2x2等其它阶数上。它包括立方体本体10、电子显示器13和按键11。电子显示器13的显示表面分别位于立方体本体10的各个表面上，电子显示器13的每个显示表面分为九个显示子模块131，每行三个，共分三行，显示子模块131可显示不同颜色和／或图案。电子显示器13可以为LED（Light Emitting Diode，发光二极管）或VFD（Vacuum Fluorescent Display，真空荧光显示屏）或液晶屏幕，一般以三色LED矩阵最为简便。按键11位于显示模块的表面或下面，表面的方式可以用电容触控按键方式，下面的方式可以用导电橡胶方式完成，并将按键整合在显示的子模块上。整个魔术方块有6x9=54个按键及显示子模块，使用者以按键及转动魔方本体来控制电子魔方旋转方式。从图2中，我们可以看出魔方本体可以沿X/Y/Z三轴中任一轴旋转，并且任意轴上的旋转可以有顺时钟（正）及反时钟（反）两种可能，经由电子魔方内的陀螺仪或加速度感应器我们可以侦测出使用者如何转动本体，再配合使用者的按键输入，我们就可以明白使用者要旋转部分。 

按键部分本专利实施例的魔术方块还包括一个初始状态控制按键，控制电子显示器13的显示子模块131的颜色或图案恢复初始状态。初始状态控制按键可以为独立的按键，或者所述多个按键中几个按键的组合。也可以有其它控制键让电子魔方执行其它电子游戏如打地鼠等。 

以陀螺仪或加速度感应器来感应本体的转动方向说明如下：以陀螺仪来实施本体转动方向较为直观，一般常见的陀螺仪感应芯片如InvenSense公司推出的陀螺芯片有单轴、双轴、三轴系列产品，其中ITG-3200为三轴、数字输出的产品，因此只要在本体内部装上一个ITG-3200就可以用微控制器经由其数字接口直接读出芯片本身在X/Y/Z三轴的角加速度，而芯片本身是固定在魔术方块的本体内，如此我们就能了解魔方本体的旋转方向；反之使用加速度感应器来判断本体旋转方向则需要配合软件的分析，与陀螺仪一样，加速度感应器有单轴，双轴、三轴之分，设计上可以视空间与单价上的考虑，直接使用三轴的加速度感应器，或三个单轴的加速度感应器分别置于X/Y/Z三个感应方向，或使用一个单轴加上一个双轴加速度感应器，三轴的加速感应器如ANALOG DEVICE公司的ADXL330芯片即是三轴模拟电压输出的例子，使用上微控制器我们选用内含A/D(Analog to Digital convert,模拟转数字)功能的微控制器即可，但是使用加速度感应器读出的是加速度的值，一般魔方静止时读到的就是地心重力加速度的值，以图2为例，此时可以读到在负Z方向有地心的重力加速度值，相对关系如图6，换句话说只要在静止状态下，读出重力加速度的值即可以了解本体三维空间方向，例如图7为图6沿Y轴顺时针方向旋转，重力加速度所读出的值，在负 Z轴的量减少而在负X轴的量增加，即可推算出本体三维旋转方向。因此在两个假设前提下，第一：手转本体所产生加速度与重力加速度相比而言很小而可以忽视，第二：旋转时X/Y/Z的重力加速度分量都不为零，我们可以定时读取三维加速度感应器X/Y/Z方向的重力加速度的分量，即可以追踪本体的三维方向，而由前后两个方向相对关系即可判断本体旋转的方向。第一个前提经由实测证实，由手转动产生加速度不大可以忽略。第二个前提即代表旋转方向不要是正水平或正垂直方向旋转就不会有X/Y/Z其中有一轴重力加速度分量为零的情形，在一般使用者把魔方拿在手中转的状况下，这一点也能得到保证。需要第一个前提的理由是，重力加速度的方向是一定的，我们经由分析重力加速度于加速度感应器X/Y/Z方向的分量，就能判断魔方本体三维方向，因此不希望有其它的加速度施在本体上。第二个理由是因为只要有任何X/Y/Z一分量为零时(例如图6)，物体以那一个非零的一轴（即图6z轴）旋转后(即图8)，对加速度感应器而言图8跟图6所读到的值是一样的。换言之在本体静止时加速度感应器X/Y/Z方向上有读到零值，我们判断魔方本体的三维方向就会有两个轴无法判断只能知道其中一轴的方向。在本应用中，第一跟第二个前提都能符合。因此使用三轴陀螺仪或三轴加速度感应器，我们都能够判断本体的转动方向。 

但是知道了本体转动方向并不够，以图2为例，魔方本体上有A、B、..、F六个面，如果我们知道本体由Y轴顺时针转，但是每个面上都个有3行3列，是哪一行哪一列旋转，必须能区分出来，我们才能完整模拟传统魔方的旋转。 

图5我们把各面各方块都给上编号以方便解释，当本体由Y轴顺时针转时，由B、E、D、F来操作是等效的，我们只用B面来说明，当传统魔方由B面沿Y轴顺时针转时有可能是B1、B4、B7或B2、B5、B8或B3、B6、B9这三行之一，必须由使用者以按键来指示微控制器目前要进行哪一行的旋转，只要使用者按下同一行上任一键，例如使用者按下B3，微控制器即知道是B3、B6、B9这行是要进行Y轴上顺时针的旋转。而B3、B6、B9进行Y轴上顺时针的旋转实际上也等效于E1、E2、E3或F1、F2、F3或D1、D4、D7进行Y轴上顺时针,因此按下B3、B6、B9、E1、E2、E3、F1、F2、F3、D1、D4、D7任一键或以上的效果是一样的。同样的方式可以推用到其它面的行列上，因此以使用者对本体的旋转加上按键，微控制器就可以变化LED灯光来模拟传统魔方的旋转动作。简单的说，使用者只要按下他要转的那一行上的任一小方块后，再将本体配合往他要转的那个方向旋转，微控制器就能依照传统魔方在那一行的旋转的结果变化显示模块的灯光/图形变化。以上说明软件如何感应本体旋转及控制各面上个行列的旋转，实际以灯光变化来产生模拟实际，以上述例子，按下B3后，B3、B6、B9、E1、E2、E3、F1、F2、F3、D1、D4、D7、C1~C4,C6~C9的灯光需要更新，更新的方式为E1更新为原B3的灯光，E2更新为原B6，...，D1更新为原E3，C3更新为原C1，...、C6更新为原C8。其它灯光变化来模拟实际魔方旋转的软件方式都依此类推。此外本专利软件颇为直观，主程序持续检查目前是否有按键，有按键后再检查本体转动方向，再依此变化LED灯光完成使用者的旋转操作后再重复检查是否有按键。 

本专利的实施电路方块图如图4，电路的中心为10微控制器，我们选用具有USB(Universal Serial Bus,通用串行接口)、A/D、IIC(Inter－Integrated Circuit,两线式串行接口)及具ISP(In System Progrmam,在线可程序)的微控制器，有USB ISP功能可以方便用USB下载程序。而A/D跟IIC是为了跟三轴陀螺仪/加速度感应器12接口使用，三轴陀螺仪跟加速度感应器择一使用，以价格为选择的主要考虑，因为使用任一种感应器都能分析出本体旋转状态。按键11使用的是习见的行列式的按键矩阵电路，也可以选用电容式触控芯片或红外反射式感应按键。显示模块13使用了红蓝绿三色LED矩阵，因此可以显示7种颜色，控制线路也是十分习见，也可以用液晶显示。以单色液晶显示时可以用图案的不同来取代颜色的不同，也可以用彩色液晶显示，当使用液晶显示时本电路内就要依液晶单色/彩色、图形/点阵的不同选用合适的控制芯片与微控制器10连接，否则LED矩阵只需以微控制器的I/O(输入/输出)脚加上晶体管放大电流即可。电源14部分以两个二极管选择电池输入或外部由USB接头15所输入的正5V电源，在经由稳压管稳出3.3V给微控制器10、显示模块13、按键11、三轴陀螺仪/加速度感应器12，必要时使用锂电池并加上充电电路即不用时常更换电池。USB接头15除了供应+5V给电源14，也接到微控制器10可以跟PC（Persnal Computer,个人计算机）联机，可以更新内部程序或进行其它通信功能。 

以上所述仅为本专利的较佳实施例而已，并不用以限制本专利，凡在本专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包括在本专利的保护范围之内。 

  

Claims (5)

1.一种具旋转感应的魔术方块，其特征在于，所述魔术方块包括：一立方体本体；多个电子显示器，所述电子显示器的显示表面分别位于所述立方体本体的各个表面，每个显示表面包括多个显示子模块；多个按键，位于所述显示子模块的表面或下面; 一个以上的陀螺仪或加速度感应器；至少一个控制所述显示子模块显示不同颜色和／或图案的微控制器，分别与所述按键、电子显示器、陀螺仪或加速感应器电性连接；以及供电装置，分别连接所述电子显示器、陀螺仪或加速度感应器、微控制器以及按键。 

2.如申请专利范围1所述具旋转感应的魔术方块，其特征在于，旋转感应方式为读取陀螺仪或加速度感应器计算所得，使用陀螺仪或加速度感应器至少一个以上，可以读取三维X/Y/Z方向的旋转值或加速度值，陀螺仪所读取的X/Y/Z旋转值即代表本体的旋转状态，加速度感应器所读取的X/Y/Z方向的加速度值与单位时间前一次的读取值，经比较差异计算后可以得到本体目前旋转状态。

3.如申请专利范围1所述具旋转感应的魔术方块，其特征在于，所述微控制器控制每个所述显示子模块显示至少六种不同的颜色和／或图案，并接受使用者指示控制各个子模块显示达到仿真传统魔术方块旋转的效果，各种模拟旋转方式由使用者转动本体及控制按键产生，转动状态来自所述陀螺仪或加速度感应器信息计算所得。

4.如申请专利范围1所述具旋转感应的魔术方块，其特征在于，所述供电装置为内置电池或外部USB供应电源加稳压电路形成。

5.如申请专利范围1所述具旋转感应的魔术方块，其特征在于，所述电子显示器为发光二极管或真空荧光显示屏或液晶显示屏。

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