CN103764237B - 用于设计和制造用户定义玩具搭建元件的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种产生用户定义搭建元件的数字图示的计算机实施方法，所述用户定义的搭建元件可连接到玩具搭建系统的一个或多个预制造玩具搭建元件，每一个预制造玩具搭建元件包括多个联接元件，用于将该预制造玩具搭建元件与所述玩具搭建系统的一个或多个其他预制造玩具搭建元件联接，所述方法包括确定用于放置要被包括在用户定义的搭建元件中的一个或多个联接元件的一个或多个位置；响应于表示用户定义形状的用户输入，产生用户定义的搭建元件的数字图示，用户定义的搭建元件包括在所述确定的一个或多个位置处的所述一个或多个联接元件；提供数字图示，以用于自动制造所述用户定义的搭建元件。

Description

用于设计和制造用户定义玩具搭建元件的方法和系统

技术领域

本发明涉及设计和制造用户定义的玩具搭建元件，其可连接到玩具搭建系统的预制造玩具搭建元件，每一个预制造玩具搭建元件包括一些联接元件，用于将预制造玩具搭建元件与所述玩具搭建系统的一个或多个其他预制造玩具搭建元件联接。

背景技术

物理搭建玩具组件的各种类型的搭建模型概念已经是公知的。尤其是，使用模块化或半模块化的概念是非常流行的。通常，这些概念提供一组预制造玩具搭建元件，其可以一些预定方式彼此互连。为此，每一个玩具搭建元件包括一个或多个联接元件，用于将玩具搭建元件与其他这样的玩具搭建元件互连。这种玩具搭建元件的系统的例子包括以商品名LEGO获得的塑料玩具搭建元件。

尽管提供了大量的灵活性，但是这种玩具搭建模型系统被限制为预制造玩具搭建元件。由此令人期望的是，让用户能设计和制造他或她自己的用户定义的搭建元件，其可与玩具搭建系统的预制造玩具搭建元件互连，由此允许玩具搭建系统的用户搭建更多类型的搭建模型。通常称为3D打印的制造方法是已知的。术语3D打印通常是指添加制造技术（additivemanufacturingtechnology），其中通过布下连续的材料层而形成三维物体。3D打印方法通常是基于要被材料装填的容纳空间的3D计算机文件或其他数字图示。

用于执行这种3D打印方法的设备通常称为3D打印机。与其他添加制造技术相比，3D打印机通常是更快的、不太昂贵且易于使用的。最近，3D打印机已经为产品开发者提供了在单个搭建过程中打印用具有不同的机械和物理性能的多种材料制造部件和组件的能力。先进的3D打印技术用于制造可用作产品原型的模型。尽管用在专业产品开发中的3D打印机是先进且昂贵的，但是最近更小和不太昂贵的3D打印机已经被开发，其甚至适于个人使用。

出于当前说明的目的，术语“自动制造”旨在包括3D打印和其他制造技术，其允许基于数字的、计算机生成的物体图示自动制造3D物体。应理解，术语“自动制造方法”是指至少部分地通过设备以自动方式执行的制造方法；然而，任何这样的方法可以包括被用户执行的一个或多个手动步骤，例如设备的手动控制，例如清洁、抛光和/或类似过程的修饰步骤。

通常期望的是，提供一种方法和系统，其提供了用于设计和制造定制物品的工具，定制物品可与玩具搭建系统的现有部件一起使用，以搭建定制的玩具结构。

这种玩具搭建系统的用户可以具有任何年龄和训练水平。因此期望的是，该方法和系统不对用户的培训程度或设计者的技术水平提出特别的要求。

通常进一步期望的是，这样的方法和系统对玩具搭建系统的通常用户不是太昂贵，所述玩具搭建系统包括有教育性、激发灵感和/或娱乐性的元件。

进一步通常期望的是，用户定义的搭建元件可以与预制造搭建元件结合使用，而不需要用户进行有关的装配和调整的工作。

发明内容

本文公开了一种产生用户定义的搭建元件的数字图示的计算机实施方法，所述用户定义的搭建元件可连接到玩具搭建系统的一个或多个预制造玩具搭建元件，每一个预制造玩具搭建元件包括用于将该预制造玩具搭建元件与所述玩具搭建系统的一个或多个其他预制造玩具搭建元件连接的多个联接元件，所述方法包括

确定用于放置要被包括在用户定义搭建元件中的一个或多个联接元件的一个或多个位置；

接收表示用户定义形状的用户的输入；

从至少用户输入和经确定的一个或多个位置产生用户定义的搭建元件的数字图示，用户定义的搭建元件包括在所述确定的一个或多个位置处的所述一个或多个联接元件；

提供数字图示，以用于自动制造所述用户定义的搭建元件。

因此，提供了用户友好高效的方法，其确保最终形成的用户定义的搭建元件与玩具搭建系统的预制造搭建元件的兼容性。

用于基于产生的数字图示来制造用户定义的搭建元件的制造方法的实施例可以由此包括根据搭建系统选择联接类型和位置，以数字形式限定物品形状导致用户定义的搭建元件的数字图示，且将其发送到3D打印机或其他设备，用于自动制造3D物体。由此制造的用户定义的元件可以随后并入到具有预制造物品的模型中。

产生的数字图示可以包括适用于描述3D物品的任何合适的数据结构。应理解，该方法的一些实施例可以包括产生用户定义的搭建元件的不同类型的数字图示，例如第一图示适用于在计算机上显示物品，且用于允许用户通过合适的3D设计软件来操作和编辑3D形状。该方法可以包括将第一数字图示转换为第二数字图示，第二数字图示适于作为到自动制造方法的输入，例如适于作为到到3D打印机的输入。

在一些实施例中，数字图示不标示要被材料占据的体积，所述材料例如为适用于自动制造方法的塑料或其他材料。

用户定义的搭建元件可以具有通过自动制造方法制造的任何尺寸和形状，其中联接元件具有一类型且定位在与玩具搭建系统兼容的位置处。具体说，用户定义的搭建元件可以具有与玩具搭建系统的预制造玩具搭建元件形状不同的形状。

预制造的搭建元件可以是具有联接元件的任何玩具搭建元件，所述联接元件允许该预制造的搭建元件与玩具搭建系统的其他预制造玩具搭建元件互相连接，以便用预制造玩具搭建元件搭建玩具模型。联接元件可以由此具有任何合适类型的联接元件，其允许搭建元件互相连接，例如通过摩擦力、闩锁功能或使用不同联接原理。联接元件可以用于玩具搭建元件的可释放互相连接，以便允许搭建玩具模型的容易拆卸和在不同模型中相同元件的再使用。在联接元件根据一组规则以一致的方式布置时，例如位于一致的3D网格的网格位置上，玩具搭建元件可以以许多不同方式互相连接。用于布置联接元件的其他规则可以包括可不同类型的联接元件在搭建元件的不同面的定位，由此例如限定搭建元件的底面和顶面，其中底面包括第一类型的联接元件而顶面包括第二不同类型的联接元件，例如使得第二类型的联接元件可连接到第一类型。类似地，联接元件可以具有与它们相关的联接方向，且联接元件可以布置为使得搭建元件的联接元件的至少一子组的联接方向(例如在多面搭建元件的相同面上的联接元件)沿一致的方向取向。

该用户定义设计方法的形状的产生可以允许用户自由地设计形状，其中该方法确保和/或验证联接元件定位是根据用于在玩具搭建系统中布置联接元件的规则进行的。另外，该方法可以确保和/或验证存在额外的设计约束条件。例如，该自动制造方法可以赋予多个设计约束条件，例如关于可以制造的物品的尺寸、最小和/或最大壁厚、边缘的最小或最大曲率半径等。类似地，玩具搭建系统也可以赋予额外的设计约束条件。具体说，每一种类型的联接元件可以具有一个或多个相关的设计约束条件，以便确保该联接元件可实际上联接到另一联接元件。

与每一个联接元件相关的至少第一设计约束条件可以包括限定与每一个联接元件相关的第一体积；和执行第一设计约束条件可以包括产生表示包括第一体积的元件体积的数字图示。因此，该方法确保用户不除去联接元件的任何必要部分。

类似地，至少第二设计约束条件可以包括限定与联接元件相关的第二体积；和执行第二设计约束条件可以包括产生表示不包括第二体积的元件体积的数字图示。因此，用户有效地防止要与另一联接元件连接的联接元件所需的任何空闲空间被填充或阻挡。

通常，执行设计约束条件可以包括产生用户定义的搭建元件的数字图示，用户定义的搭建元件具有根据用户输入和设计约束条件而确定的改变形状且包括在所述确定的一个或多个位置处的所述一个或多个联接元件。

在一些实施例中，该方法可以执行额外或替带的设计约束条件。例如，一个设计约束条件可能提出要被包括在搭建元件中的联接元件的最小数量。设计约束条件的另一例子可能提出联接元件之间的最小距离，其中最小距离可以是联接元件的相应类型的函数。其他设计约束条件可能提出与联接元件的数量或其相对方位设置相关的替代或额外约束条件。一些设计约束条件可以例如基于设计元件的估计重量，或对之前放置的联接元件施加的扭矩的计算。在另一例子中，设计约束条件可以是执行对一定类型的联接元件可以放置其上的表面的约束条件。例如，在包括突出部和相应空腔形式的联接元件的实施例中(例如上面针对图3a-c所述的)，突出部类型和空腔类型的联接元件可以被限制为放置于搭建元件的相对表面，由此限定顶部(即朝向上的)表面和底部表面(即朝向下的)。例如，突出部可以被限制为被放置于顶部表面上，而空腔可以被限制为被放置于底部表面上。

除了这种设计约束条件的执行和/或确认，在不同实施例中该由计算机实施的方法赋予用户的自由度是不同的，例如是基于目标用户的技能水平、经验和/或年龄的。尽管一些实施例可以允许大的自由度，但是其他的实施例可能以各种方式限制自由度，例如通过限制从一组模板设计元件选择形状的用户输入，所述模板设计元件可以以多种预定方式组合。

具体说，在一些实施例中，该由计算机实施的方法提供一组用户可选择的基本形状以及简单且直观的工具，以获得该设计方法的快速开始。该由计算机实施的设计方法可以通过指导和对坚持搭建系统采用的形式要求和规则自动检查而得到支持。该设计方法的创造性的部分可以通过来自专业设计者的想法和模板的启发得到支持。

应理解，联接元件位置和类型的判断可以在接收表示用户定义形状的用户输入之前进行。例如，该方法可以首先（例如至少部分地基于用户输入）联接元件相对于合适的坐标系的位置和可选地类型和/或取向。随后用户可以使用合适的设计工具以设计具有联接元件的选择布置的搭建元件的形状。替代地或另外，用户可以首先设计形状，且随后该方法可以确定位置，例如至少部分地基于用户输入、相对于设计形状的联接元件的位置和可选地类型和/或取向。进一步应理解，联接元件的定位可以在用户定义的形状的设计期间进行，例如是设计步骤的整合部分。例如，用户可以被赋予改变之前选择的联接元件的位置的机会。

本发明可以以不同方式实施，包括如上所述的方法和下面的数据处理系统，且进一步以产制造方式实施，其每一个产生针对如上所述方面中至少一个所述的优点和益处，且每一个具有对应于针对如上所述的方面中至少一个描述的和/或权利要求中限定的优选实施例的一个或多个优选实施例。

应注意，上面和后面所述的方法的特征可以在软件中实施，且在数据处理系统或由于执行计算机可执行指令产生的其他处理器件中实现。指令可以是装载在存储器（例如RAM）中的程序代码，该存储器来自存储介质或经由计算机网络来自另一计算机。替代地，所述特征可以通过代替软件的或是与软件组合的硬件电路实施。

本文进一步本文一种计算机程序，其包括程序代码，用于在计算机上运行所述程序时，执行如上所述和如下所述的方法的所有步骤。该计算机程序可以实施为计算机可读存储介质，如实施为载波等的数据信号。

本文进一步公开一种计算机程序产品，包括存储在计算机可读介质上的程序代码，用于在计算机上运行所述计算机程序时执行如上所述和在下文描述的方法。

通常，用户定义的搭建元件可以被通过支持该方法的所有阶段的专用软件数字地组建、设计和制备。这种软件可以用于多个目的，且这种计算机程序的实施例可以提供以下功能：

允许用户在用户定义的搭建元件上指定联接元件（一个或多个）的类型（一个或多个）和设置（一个或多个）；

允许用户自由地设计用户定义的搭建元件的形状，且在该方法中辅助用户；

在该方法过程中交互地使得设计搭建元件可视化；

解释和/或执行搭建系统的相关规则；

将驱动其或其他接口合并，用于直接与3D打印机系统相互操作。

本文进一步公开一种数据处理系统的实施例，其配置为执行本文公开的方法的步骤。该数据处理系统可以包括3D打印机或其他合适的设备，用于基于产生的数字图示自动制造玩具搭建元件。

因此，本文公开的方法和系统实施例的实施例允许用户立即在快速迭代循环中测试和调整设计；有效地，物理物件的制造是该方法的整合部分。

进而，本文所述的方法和系统的实施例提供了用户定义的搭建元件的廉价制造，其中用于制造物品的成本相比预制造物品和与该物品结合使用的模型的价格相比是合理的。进而，成本可以保持相当低，以便允许多次重复，以用于设计的实验和调整，从而不限制该创造性的设计方法。

通常，本文公开的方法的实施例提供一种方法，其针对连接件的物理特征，具体地，形状、尺寸和取向，确保所形成的用户定义的搭建元件与来自玩具搭建系统的其他搭建元件适配。例如，该方法的实施例确保根据通过搭建系统定义的任何模块化网格等使连接件相对定位。进而，搭建系统采用的其他规则（例如具体类型连接件的取向）可以通过本文公开的方法的实施例验证和确保。

附图说明

下面将结合优选实施例和参考附图更详尽地描述本发明的实施例，附中:

图1a-b显示了用于产生和操作用户定义搭建元件的数字图示的数据处理系统；

图2显示了数据处理系统的图形用户界面，其用于产生和操作用户定义搭建元件的数字图示；

图3a-c显示了预制造玩具搭建元件和其联接元件的例子；

图4显示了产生用户定义搭建元件的数字图示的方法的流程图；

图5a-c和6a-b显示了用于数字图示搭建元件和有助于执行满足设计约束条件的分层数据结构。

具体实施方式

图1a-b显示了一种数据处理系统，用于产生和操作几何物体的计算机可读模型。

图1显示了计算机系统的例子的示意图。计算机系统包括可适当编程的计算机101，例如个人计算机，包括显示器120、键盘121和计算机鼠标122和/或其他指示装置（例如触摸板、追踪球、光笔、触屏等）。

标记为101的计算机系统适于有助于设计、存储、操作且输出用户定义的玩具搭建元件数字图示。计算机系统101可用作独立系统或用作客户/服务器系统的客户。

该系统进一步包括连接到计算机101的用于自动制造3D物体的3D打印机123或其他合适的设备。应理解，3D打印机也可以被定位在远程位置，例如连接到另一计算机，且数字图示(或从其获得的控制代码)可以经由合适的计算机网络或其他通信器件传送到3D打印机。

图1b显示了数据处理系统的方块图，该数据处理系统用于产生和操作用户定义的玩具搭建模型的数字图示。计算机101包括存储器102，其可以部分地实施为易失存储器件和部分地实施为非易失存储器件，例如随机访问存储器(RAM)和硬盘。存储器在其上存储了计算机程序代码，其实施3D设计应用软件110，用于在被中央处理单元103执行时产生如在本文所述的搭建元件的数字图示。进一步地，存储器在其中存储了模型数据111，即代表物理物体（例如用户定义的玩具搭建元件）的数字图示的数据结构。用于存储用户定义的玩具搭建元件的数据格式的例子包括但不限于用于存储例如网格的3D形状的任何合适的文件格式，如WaveFront.OBJ。进一步的例子包括图示3D形状（如体积）的数据格式，例如基于立体像素的数据格式(例如RAW、DAT、OpenQVis、Fields3D)。进而，玩具搭建组件的数字图示可以存储为用于存储构造实体几何(CSG)的树形图示的数据格式；这允许存储整个设计方法。例如，这样的树格式可以实施为XML格式，其图示树结构且包括到相应数据文件或物体(例如以WavefrontOBJ格式图示的)的指示装置或其他参照，所述相应数据文件或物体已经存储了基本形状的图示，CSG树结构基于所述数据文件或物体。

进一步地，存储器在其中存储了描述设计模板107、联接元件108和设计约束条件109的数据。

设计应用软件110可以包括用于读取和解读限定了物理形状（例如用户定义的玩具搭建元件）的数据结构的功能。该设计应用软件可操作为读取数据结构和将这样的数据结构转换为已知的图形格式，用于显示在计算机显示器上。

该设计应用软件进一步包括用于将通过用户界面进行的用户交互动作转换为用户命令，例如用于从元件库获取模板形状，用于将选择的形状置于建模环境中的用户选择的位置处，用于操作用户定义的玩具搭建元件的数字图示，例如通过实施旋转、修改用户定义搭建元件的形状等。与每一个命令一起，可能存在相关的一组相应参数，例如相对于显示坐标系、形状类型等的光标坐标。该设计应用软件可操作为响应于用户的命令修改物理形状的数据结构。该设计应用软件进一步适于控制存储器、文件、用户界面等。

用户105能通过用户界面106（优选地包括显示在计算机屏上的图形用户界面）和一个或多个输入装置（例如键盘和/或指示装置）与计算机系统101进行交互。

为了加载、存储或传送用户定义的玩具搭建元件的数字图示或其他数据，计算机系统包括输入/输出单元(I/O)104，其可选地提供多个I/O端口，例如串口、并口、网络接口、无线接口和/或类似接口。输入/输出单元可被用作到不同类型的存储介质和不同类型的计算机网络（例如因特网）的接口。进一步地，输入/输出单元(I/O)104可用于与其他用户交换数据结构，例如交互地。进而，输入/输出单元可以配置为将数据传送到用于自动制造3D物体（例如3D打印机）的设备。为此，存储器可以在其中存储装置驱动器或类似的软件，其可操作为将通过设计应用软件产生的数字图示转换为合适的控制代码，所述控制代码可由3D物体自动制造过程解译。

存储器102、中央处理单元(CPU)103、用户界面(Ul)106和输入/输出单元104之间的数据交换可以通过数据总线112实现。

图2显示了设计应用软件的图形用户界面。该用户界面包括显示区域201，其显示了图示用户定义的玩具搭建元件的3D形状203的视图。从预定观察点显示了该形状。该用户界面进一步包括调色板205，其包括可以被用户选择的一些基本形状206。例如，用户可以通过鼠标点击基本形状206中的一个，由此选择该形状，且将选择的形状拖曳到显示区域201中以达到期望位置。另外，该用户界面可以包括一个或多个其他调色板，允许用户例如选择联接元件。

该用户界面进一步包括菜单栏207，其包括用于启动各种功能或工具的一些菜单按钮208。例如，工具栏可以包括旋转工具，用于改变虚拟摄像头位置，由此允许用户从不同方向观察形状203。菜单栏可以进一步包括缩放工具，用于放大/缩小3D形状。工具的其他例子包括用于画出物理形状的轮廓的图画工具，用于组合不同形状的组合操作工具，用于擦除形状的用户选择部分的橡皮擦工具等。

菜单栏207可以进一步提供标准功能，例如用于存储数据结构、打开之前存储的数据结构、打印用户定义搭建元件的图像、帮助功能、选择3D打印机、启动3D打印方法等功能。

图3a-c显示了搭建元件和其联接元件的例子。

图3a显示了搭建元件301的透视图。搭建元件301具有顶部表面302，其具有八个凸头303a-h，凸头303a-h可接合另一搭建元件的相应孔，例如在另一搭建元件底部表面上的孔。相应地，搭建元件301包括具有相应孔的底部表面（未示出)。搭建元件301进一步包括侧面304，其不包括任何联接元件。

通常，联接元件可以被分组为不同类别的联接元件，例如接头、接收件和混合元件。接头可以被另一搭建元件的接收件接收，由此提供搭建元件之间的连接的联接元件。例如，接头可以装配在另一元件的部件之间，装配进入孔中等。接收件是可接收另一搭建元件的连接件的联接元件。混合元件是可用作接收件和连接件的部件，通常取决于其他搭建元件的配合联接元件的类型。

图3b显示了从下方看的搭建元件310的透视图。搭建元件310具有非矩形顶部和底部面。底部面包括孔311、312、313，用于接收一个或多个其他搭建元件（例如图3a的搭建元件）的相应凸头。孔通过边缘314、通过第二销315以及角部316和317限定。因此所有上述元件的性能决定了搭建元件310的底部面的连接性能。

图3c显示了两个搭建元件331和332。搭建元件331是在其顶面上具有四个凸头333且在底部面（未示出)上具有四个相应的孔的搭建块。搭建块332是具有包括不互相正交的平面的表面的搭建元件的例子。具体说，搭建元件332具有倾斜面334。如图3c示出的，在其当前位置，搭建元件331和332不连接，因为在所示位置不存在彼此接合的联接元件。

应理解，上述搭建元件和其联接元件仅仅用作可能的搭建元件和可能的联接元件的例子。

图4显示了用于制造用户定义的搭建元件的方法的流程图。该方法包括产生用户定义的搭建元件的数字图示的初始子方法，随后是步骤S404，用于基于产生的数字图示制造用户定义的搭建元件。

产生数字图示的子方法可以以在数据处理系统上执行的软件实施，该数据处理系统例如为被适当编程的常规用途计算机。

产生数字图示的子方法包括初始步骤S401，从一组可用类型的联接元件选择一个或多个联接元件，且针对每一个选择的联接元件选择位置和取向（例如相对于合适的坐标系）。例如，该方法可以相对于坐标系限定离散3D网格。网格的一些或所有网格点可以图示用于联接元件的有效位置。例如，3D网格可以具有平行平面的形式，每一个平面包括2D网格，2D网格每一个成矩形或正方形网格。各平面的2D网格可以彼此对准。应理解，联接元件及其位置和/或其取向的选择可以至少部分地基于相应的用户选择。例如，用户可以设置有用于选择联接元件类型的功能。为此，数据处理系统可以包括相应联接元件数字图示的数据库411或其他合适的储存库。数据库411或其他储存库可以存储在数据处理系统的存储器或其他合适的存储装置中。类似地，用户可以被提供用于选择放置所选择联接元件的位置的功能。该方法可以自动地限制关于3D网格的网格点的可选择位置。类似地，用户可以被提供用于选择所选择联接元件的取向的功能。该方法可以自动地限制取向为例如相对于坐标系的离散方向。所选择联接元件的图形图示可以在数据处理系统的用户界面的显示区域中显示在所选择位置。联接元件的数字图示410、其位置和取向可以产生且存储在数据处理系统的存储器或其他存储介质中。

通常，在一些实施例中，该方法可以提供用于允许用户初始指定连接件的功能，所述连接件将用户定义的搭建元件连接到预制造搭建元件中的一个或几个。这可以以多种方式进行。

在一些实施例中，用户可以从通过数据处理系统保持的联接元件的集中选择一个或几个例子，所述联接元件的集已知通常用于3D打印，或具体说用于在手边的具体3D打印系统。该系统可以随后有助于用户将这些连接件根据任何类型的网格和搭建系统提出的规则放置。例如，对于以LEGO商品名出售的模块化搭建系统，将按照一个网格水平地且按照另一网格垂直地放置连接件，且一些联接元件可以被限制到具体取向，例如凸头总是面向上的等。替换地或另外，用户可以从联接元件的集中选择联接元件，用户定义的搭建元件将可附接到该联接元件。该方法可以随后自动地选择合适类型的匹配联接元件且允许用户放置匹配联接元件。

替换地或另外，数据处理系统可以提供允许用户输入用玩具搭建系统的搭建元件搭建的玩具模型的数字图示的功能。玩具模型的数字图示可以使用任何合适的方法（例如WO2004/034333中公开的方法）产生。商业上可用的合适数字模块化工具的例子可以以商品名LEGODigitalDesigner获得。具体说，这样的数字模型可以包括用于搭建输入模型的搭建元件的联接元件的位置和类型的图示。输入的模型可以随后图示基部，新的用户定义的搭建元件应可附接到该基部。因而，该方法可以识别输入的数字模型的露出联接元件，可用于用户定义的搭建元件的联接元件可附接到该露出的联接元件。该方法可以随后提供允许用户选择一个或多个识别的露出联接元件的功能，用户定义的搭建元件应该可附接到该露出的联接元件。该方法可以随后确定联接元件的类型、位置和取向，该联接元件可连接到输入的数字模型的用户识别联接元件。

一个例子可是模型火车，用户希望形成用于该模型火车的新的、流线型前部；用户可在LEGODigitalDesigner中搭建整个火车头且保持用于附接该新的前部的空间和凸头敞开。有效地，由于LEGODigitalDesigner已经确保与搭建系统的模型兼容性，因此所选择的一组连接件将已经相对于相关的网格和规则适当地排列和取向。

在步骤S402中，该方法为用户提供允许用户设计搭建元件的形状的功能。例如，可以为用户提供用于选择搭建元件模板的功能。为此，数据处理系统可以包括搭建元件和/或搭建元件部件的相应设计模板的数字图示的数据库412或其他合适存储库。数据库412或其他储存库可以存储在数据处理系统的存储器或其他合适的存储装置中。

该方法可以在数据处理系统的图形用户界面的显示区域中显示所选择的模板和所选择的联接元件的图形图示。该方法可以进一步提供允许用户修改形状的功能，例如各种本领域已知的图画和设计工具。替换地或另外地，可以为用户提供用于设计新的形状的功能，而没有在一开始选择模板。

通常，在选择联接元件的放置时，可以为用户提供高自由度，以容易地以这样的方式设计新的搭建元件的实际形状：使其与联接元件相交，从而使它们形成易于打印的单个连接的实体几何体。例如，该方法可以产生图示用户定义的形状的三维像素结构（voxelstructure）。基于该三维像素结构，该方法可以随后确定(例如通过着色算法）该形状具有单个连接的几何体。进而，该方法可以使用细化程序或相似的形态运算，以识别几何体的细/纤弱部分。该设计可以是使用本领域已知的技术（例如称为计算机辅助设计(CAD)系统和/或模块化程序的技术）的自由成型方法。在一些实施例中，该方法可以提供预定形状集，包括基本形状体(箱体、球体、环面、柱体等)以及更详细的装饰性和预设计的模板。用户必须能通过放置、旋转、缩放和可能改变形状的其他方式来修改这样的物品；该方法可以提供徒手雕塑模式的功能，其中用户通过手(鼠标)可容易地推动、平滑、放大、收缩和/或以其他方式操作形状表面的具体部分，非常类似直接地在例如石膏模型上工作。进而，该方法可以允许从任意的3D模型（例如从因特网下载的）输入形状。

该方法可以进一步提供允许用户组合形状形成更复杂的形状的功能；以这种方式，即使未经训练的用户也可通过将基本且预定的形状组合而快速构建期望的搭建元件，且无需构造各个形状或构造各个形状的技巧。在下文将更详细描述提供易于使用允许用户将多个子形状组合到搭建元件的形状的功能的例子。

该方法可以存储通过用户改变和/或设计的形状的经改变的数字图示410，包括数据处理系统的存储器或其他合适的存储装置中的所选择的联接元件。

应理解，即使步骤S401和S402在图4中显示为是分开的步骤，但是它们可以合并成单个步骤或以不同顺序执行。例如，一种方法可以允许用户在选择和定位联接元件之前和之后编辑用户定义的形状。

在步骤S403期间，该方法验证是否满足一些预定的设计约束条件。为此，数据处理系统可以包括设计约束条件的数据库413或其他合适的储存库。数据库413或其他储存库可以存储在数据处理系统的存储器或其他合适的存储装置中。如果该方法确定一个或多个设计约束条件未满足，则该方法可以向用户告知相关的设计约束条件，且可选地提供如何满足相关的设计约束条件的指导。替换地或另外地，该方法可以自动地修改用户设计的形状，以便执行来满足设计约束条件。响应于被警告的未满足的设计约束条件而由用户修改造成的改变和/或由于设计约束条件的自动执行造成的改变导致数字图示410的修改。进而，该方法可以显示经改变的形状的图形图示，可选地所进行的改变被适当亮显。

该方法可以提供用于保持通过用户设计的形状的功能，可选地包括回退和调整或取消该设计方法的部分的选项，以及操作对所选择连接件的更多的外形的要求，这最终也是被设计的形状的一部分。现在更详细描述与联接元件相关的设计约束条件的例子。

在一些实施例中，该方法可以通过产生几何形状分层组合、图示用户定义和/或用户选择的形状和与相应联接元件相关的形状（例如使用并集、交集和/或差集的普通集合运算器）而执行一组设计约束条件，以便限定形状和构成其的子形状之间的关系。为此，该方法可以采用被称为构造实体几何(CSG)的技术。通常，CSG允许用户一起“增加”两个形状或从一个形状“减去”另一个形状(使用并集和差集集合运算器和/或交集运算器)。

在下文中，且参考附图5和6所示的例子，将示出与联接元件相关的设计约束条件的执行。值得注意的是，附图5和6显示了二维横截面形式的几何形状。然而，应理解，所讨论的原理也适用于3D模型。进而，附图5和6显示了联接元件和用户定义形状的具体例子。然而，应理解，该通过形状和子形状之间限定的集合关系而执行约束条件的方法也可适用于其他类型的联接元件和/或用户定义形状。

在图5a示出的例子中，用户已经选择将基本长方形501增加到椭圆形502，导致具有弯曲和直边缘的更复杂的实体形状503。在3D中，该长方形可以对应于块体，该椭圆形对应于椭圆体，且边缘在3D中对应于表面。

该方法可以维持分层的结构，例如CSG树的形式，限定原始的基本形状(和其布置、缩放比例等)，和将它们组合的选择的运算器，在图5a的例子中，该选择的运算器是并集运算器。

通常，用于产生用户定义的搭建元件的数字图示的方法的实施例可以由此以分层的数据结构（例如二元树）产生用户定义的搭建元件的数字图示，其中树的叶节点图示基本几何形状，且其中每一个节点代表关于其紧邻的先行节点的集合运算。根节点由此代表最终的搭建元件。进一步应理解，节点可以具有与它们相关的额外的属性。例如，图示基本形状的叶节点可以具有与它们相关的坐标，指示形状的位置和旋转。

在图5b示出的例子中，用户代替地选择从椭圆形(椭圆体)502减去/切掉长方形(块体)501，导致不同的更复杂的实体形状504。

因此，例如并集和差集这样的集合运算器提供易于用户使用来在物体中或穿过物体形成例如圆形或矩形的孔或齐平粗糙形状的底部表面的途径。

再次，在内部，该方法可以简单地保持小的分层数据结构，例如CSG树，用于新的组合形状503或504，而该方法可以在屏幕上显示直接的几何结果。

分层数据结构和例如CSG这样的集合运算器的优势是，它们提供进一步结合形状的能力，该组合形状本身由较小的分层结构构成，由此通过交互地添加和减去它们而形成大的分层结构，导致非常复杂的形状。例如，图5c示出了用户选择从初始形状503去除小圆柱体505的例子，所述初始形状通过将椭圆体501和块体502相加形成，由此在最终形状507的上表面中形成小的空腔506。应注意，通过作为内部图示保持包括将它们组合的运算的整个分层结构，易于后来退回或取消形状组合或例如调整初始球体的位置和只是重新计算最后的最终形状。

在用于产生本文所述的用户定义搭建元件的数字图示的设计方法的实施例中，分层的结构，例如CSG树，可以用于确保形状的组合顺序，且由此有效地坚持最初布置的连接件的完整性，无论用户如何定义设计搭建元件的总体形状。

通常，每一个联接元件可以与将被装填材料的一个或多个第一体积（即3D空间中的区域）以及应该保持空的一个或多个第二体积相关。

例如，图6a示出了预制造搭建元件601的例子，搭建元件601包括一对突出臂形式的联接元件602，每一个突出臂具有钩状横向突出部604。用户定义的搭建元件中的匹配联接元件（其可附接到联接元件602）例如可以具有圆柱形盲孔或其他形状的形式，其提供一对相对的表面，具有朝向相应的另一表面突出的相应凸缘。用户定义的搭建元件应该由此包括可与联接元件602连接的合适的结构且提供充分的空间（来自预制造搭建元件的联接元件602可被插入在所述空间中）以及联接元件602的元件弯曲所需的空间。

为此，用户定义搭建元件的联接元件可以通过第一体积605和第二体积606定义，所述第一体积605将被材料装填，允许联接元件602抓持在用户定义的搭建元件上，且第二体积606应该保持为空的，允许联接元件602滑动就位，包括连接件臂弯曲所需的空间。应理解，两种类型的体积，即必须被材料填充的一个或多个体积和必须保持空的体积，也可以针对其他类型的联接元件定义。

通过针对每一个类型的搭建元件限定上述两种类型的体积，该方法可以随后执行与联接元件相关的设计约束条件。要被包括在用户定义的搭建元件中的联接元件可以由此涉及包括两个类型的体积作为图示用户定义搭建元件的分层数据结构的叶节点。该方法可以进一步产生后继节点，其将与联接元件相关的体积和其余形状组合。具体说，第一体积可以通过并集运算组合，而第二体积可以通过差集运算组合。

具体说，与搭建元件相关的体积可以置于树结构的根附接，而由用户设计的所有形状被置于在隶属于与联接元件相关的体积的子树中，由此确保通过用户添加的实体体积没有填充联接元件所需的空腔。类似地，该方法可以确保用户不切掉适当联接功能所需的联接元件的任何部分。

图6b示意性地示出了树结构形式的数字图示的例子。树结构包括叶621、622、623，其中叶621图示用户定义的形状，而叶622和623图示与可附接到预制造搭建元件601的联接元件602的联接元件相关的体积。叶622图示需要成为实体（即被填充材料）的第一体积，而叶623图示需要保持为空的第二体积。即使节点621显示为是叶节点，但是应理解节点621可以是子树的根，所述子树包括图示一起形成用户定义形状621的相应部分形状的组合的多个节点。

在体积623从体积621减去(如节点624所图示的)且体积622通过并集运算(如根节点625所图示的)被添加到形成的差集体积时，所形成的形状具有体积626示出的形式，确保形成的搭建元件可连接到联接元件602。具体说，因为被用户设计的形状621隶属于限定了连接件的体积622和623，所以形状623总是雕刻出用于让联接元件能够滑动就位的必要的空间，且形状622总是添加材料在需提供可让联接元件602铰链其上的边缘处。

因此，在例如CSG树的树结构中，在与联接元件相关的体积被应用在根层中时，用户定义搭建元件的最终形状的联接完整性可以被确保。

进一步应理解，该方法可包括相关的体积，其图示输入的基部模型，以确保设计的物品没有任何部分与针对其所设计的模型冲突。进而，该方法可以计算该物品在选择的连接件上滑动就位所需的必要的额外自由空间，以有效安全地确保用户不会做出理论上适合但在现实中无法附接的设计。

再次参见图4，应理解，即使步骤S403显示为是图4中的单独的步骤，但是设计约束条件的确认和/或执行可以部分地或完全地整合到步骤S401和S402中之一或两者，例如上面关于联接元件相对于网格有效定位的执行所述的。

在完成该设计方法时，例如通过响应于用户的命令，该方法可以将最终数字图示410发送到3D打印机或另一合适的外设，用于自动制造搭建元件；或者该方法可以返回到步骤S401，允许用户继续该设计方法。在用户已经完成该设计方法且准备好用于制造设计的搭建元件时，搭建元件的精确形状在软件中图示为实体几何体说明，例如基于如上所述的分层数据结构。应理解，该方法可以将数字图示保存在非易失存储器中，保存在硬盘或其他合适的存储介质上。

在将该模型发送到3D打印机系统之前，该软件可以对该模型执行各种检查和调试，可能需要其中的一些，取决于采用的实际3D打印技术。

许多3D打印机通过将底部层叠到顶部或将顶部层叠到底部而制造物品层。在上（或下）铰接细节（即直到3D打印过程达到连接它们的层才连接到物体的其余部分的细节）两种情况下，可能需要调试要被打印的物体。为了防止这样的(暂时)分段且不连接的结构，可能需要在将模型发送到打印机之前对模型增加临时支撑结构，其通常是微小的材料柱，该微小的柱材料将支撑结构的该分开的部分直到打印完成。用户随后通过手动除去这些支撑结构且整理该物品，例如通过切割或研磨掉该柱剩余的突柱。

进而，在打印过程中可能需要增加支撑结构以使得在各种细节部上的重力最小化。该软件方法可以在打印物体之前关于该物品进行这些物理计算，且该方法可以自动地或与用户协作指定在哪里和如何包括支撑结构。

该软件也将能在制造设计的物品之前执行该设计物品的完整性的其他检查，通常通过关于该几何结构应用数学形态学方法。这种检查可包括针对过于薄而难以生产和持久的不连接段和部分进行检测(和做出警告）。

还有，数学形态学方法可用于在非常大的实体体积内部引入空腔——或使整个实体结构制造成为壳体形式而不修改任何表面部分——以便减少材料使用、能量使用、制造时间和/或价格或以降低制造的物体的重量和应变。再次，该需要和方法可以变化，取决于手边的3D打印技术。

进而，该方法可以发送不变的数字图示，在转换为不同格式之后发送。该软件方法可以进一步直接地与3D打印机(和其附随的更低水平的驱动软件)相互作用，包括与用户的任何所需交互(支持用户所需的手动设置过程的对话)。这是有利的，因为未训练的用户可能不能将实体模型输出为文件，可能地会将其转换为适应特定打印机的其他3D文件格式，且最后使用一些第三方软件打印它。为了支持未训练的用户且允许设计循环快速重复，整个制造过程必须是软件的整合部分。

最后，在步骤S404，用户定义的搭建元件通过3D打印机或其他外设制造。应理解，本领域技术人员可以在本发明的范围内实施上述方法的变形形式。例如，一些上述步骤的顺序可以改变，步骤可以组合等。

Claims (22)

1.一种产生用户定义的搭建元件的数字图示的计算机实施方法，所述用户定义的搭建元件可连接到玩具搭建系统的一个或多个预制造玩具搭建元件，每一个预制造玩具搭建元件包括多个联接元件，用于将该预制造玩具搭建元件与所述玩具搭建系统的一个或多个其他预制造玩具搭建元件联接，所述方法包括

确定用于放置要被包括在用户定义的搭建元件中的一个或多个联接元件的一个或多个位置；

接收表示用户定义形状的用户的输入；

至少从用户输入和经确定的一个或多个位置产生用户定义的搭建元件的数字图示，所述用户定义的搭建元件包括在所述确定的一个或多个位置处的所述一个或多个联接元件；

提供数字图示，以用于自动制造所述用户定义的搭建元件。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括，针对每一个联接元件，限定与联接元件相关的用户定义形状的一个或多个设计约束条件；并且其中，产生数字图示包括执行确定的设计约束条件。

3.如权利要求2所述的方法，其中执行设计约束条件包括产生用户定义的搭建元件的数字图示，用户定义的搭建元件具有根据用户输入和设计约束条件确定的改变的形状，且包括在所述确定的一个或多个位置处的所述一个或多个联接元件。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中数字图示表示要被材料占据的元件体积，以便形成用户定义的搭建元件；其中与联接元件相关的至少第一设计约束条件包括限定与联接元件相关的第一体积；且其中执行第一设计约束条件包括产生表示包括第一体积的元件体积的数字图示。

5.如权利要求4所述的方法，其中执行设计约束条件包括产生用户定义的搭建元件的数字图示，所述用户定义的搭建元件具有被材料占据的改变的体积，所述改变的体积包括所述用户定义的体积与所述第一体积的并集。

6.如权利要求2所述的方法，其中数字图示表示要被材料占据的元件体积，以便形成用户定义的搭建元件；其中与联接元件相关的至少第二设计约束条件包括限定与联接元件相关的第二体积；并且其中执行第二设计约束条件包括产生表示不包括第二体积的元件体积的数字图示。

7.如权利要求6所述的方法，其中执行设计约束条件包括产生用户定义的搭建元件的数字图示，所述用户定义的搭建元件具有被材料占据的改变的体积，所述改变的体积被确定为所述用户定义的体积与所述第二体积的差集。

8.如权利要求1所述的方法，其中数字图示表示要被材料占据的元件体积，以便形成用户定义的搭建元件；其中方法包括:

获得用所述玩具搭建元件搭建的玩具搭建模型的数字图示；且

限定用户定义形状的第三设计约束条件，其中第三设计约束条件包括从获得的数字图示确定表示与玩具搭建模型的至少一部分相关的体积的第三体积；和

产生表示不包括第三体积的元件体积的数字图示。

9.如权利要求1所述的方法，其中数字图示表示要被材料占据的元件体积，以便形成用户定义的搭建元件。

10.如权利要求1所述的方法，其中确定用于放置要被包括在用户定义的搭建元件中的一个或多个联接元件的一个或多个位置进一步包括从一组类型的联接元件中选择用于一个或多个联接元件的每一个的相应类型的联接元件。

11.如权利要求1所述的方法，其中

确定用于放置要被包括在用户定义的搭建元件中的一个或多个联接元件的一个或多个位置进一步包括选择一个或多个位置作为用于放置联接元件的位置的离散网格的网格点。

12.如权利要求1所述的方法，其中

确定用于放置要被包括在用户定义的搭建元件中的一个或多个联接元件的一个或多个位置包括接收表示一个或多个联接元件和相应位置的用户选择的用户输入，且将所选择的联接元件的图示放置在数据处理系统的显示器上显示的三维视图中。

13.如权利要求1所述的方法，其中

确定用于放置要被包括在用户定义的搭建元件中的一个或多个联接元件的一个或多个位置包括接收表示多个模板搭建元件中一个的数字图示的用户选择的用户输入，所述模板搭建元件包括定位在相应预定位置处的多个联接元件。

14.如权利要求1所述的方法，其中

确定用于放置要被包括在用户定义的搭建元件中的一个或多个联接元件的一个或多个位置包括：

获得用玩具搭建元件搭建的玩具搭建模型的数字图示；

选择可附接用户定义的搭建元件的所述获得的玩具搭建模型的一个或多个联接元件；

从获得的玩具搭建模型的所选择的一个或多个联接元件的位置确定用于放置要被包括在用户定义的搭建元件中的一个或多个联接元件的所述一个或多个位置。

15.如权利要求14所述的方法，进一步包括

从获得的玩具搭建模型的所选择的一个或多个联接元件的联接元件的检测类型确定与每一个确定的位置相关的联接元件的类型。

16.一种制造用户定义的搭建元件的方法，所述用户定义的搭建元件可连接到玩具搭建系统的预制造玩具搭建元件，每一个预制造玩具搭建元件包括用于将该预制造玩具搭建元件与所述玩具搭建系统的一个或多个其他预制造玩具搭建元件联接的多个联接元件，所述方法包括

通过执行权利要求1到15中任一项限定的所述的方法的步骤产生用户定义的搭建元件的数字图示；

基于所述数字图示制造用户定义的搭建元件。

17.如权利要求16所述的方法，其中数字图示表示要被材料占据的元件体积，以便形成用户定义的搭建元件，且其中制造包括通过预定材料填充至少所述元件体积。

18.如权利要求16或17所述的方法，其中制造包括3D打印过程。

19.一种数据处理系统，包括在其上存储了计算机程序的存储介质，所述计算机程序包括在数据处理系统上运行所述程序时，用于执行权利要求1到16中任一项的所有步骤的程序代码。

20.如权利要求19所述的数据处理系统，包括3D打印机，其配置为基于所述数字图示制造用户定义的搭建元件。

21.一种计算机程序，包括在计算机上运行所述程序时，用于执行权利要求1到16中任一项的所有步骤的程序代码。

22.一种实施为载波的数据信号，所述数据信号包括在计算机上运行所述程序代码时，用于执行权利要求1到16中任一项的所有步骤的程序代码。