CN111311971A - 能够运动状态自调节的益智教具及控制方法 - Google Patents

能够运动状态自调节的益智教具及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了能够运动状态自调节的益智教具及控制方法，益智教具本体结构为包含空腔的结构，益智教具本体结构的中心块能够转动，空腔内设置有控制系统；所述中心块中固定有动触点，其包含两个已电气连接的触头；控制系统包括舵机及控制模块，舵机的输出轴与中心块连接，所述舵机的周边布置有两对静触点，每对静触点的两个触头彼此不导通并分别经由导线与控制模块相连；动触点转动到一定位置时会与静触点接触，并将静触点置于导通状态；控制模块基于接收的静触点导通信号确定中心块是否旋转到位，并基于旋转位置控制舵机运动，实现益智教具运动状态自调节至原始状态。

Description

能够运动状态自调节的益智教具及控制方法
技术领域
本发明属于益智教具技术领域，尤其涉及能够运动状态自调节的益智教具及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，益智类玩具因为其具有的挑战性，需要使用者具有较高的思考力，趣味性比较强，因此，获得了大量的爱好者的追捧。
其中，魔方类教具比较突出，其中，粽子魔方是表面四曲面的正三棱锥，由普通三阶改装而来，魔方的曲面使得每层之间的缝隙看起来像曲线，其有二阶、三阶、四阶、五阶等类型，按照颜色也可分为单色粽子魔方和四色粽子魔方。魔方不仅有助于培养人的空间想象力，青少年的动脑动手能力，而且对数学中的群论和计算机科学及理论物理都有非常深刻的影响。然而魔方的数学排列算法很复杂，若不懂得排列规律，对于初学者而言永远不是随便转动几下就能复原的产品，所以很多人认为玩魔方是一件很难的事情。
为了提高魔方的用户体验，具有运动状态自调节能力的魔方成为了新的研究热点，现有的文献公开的技术方案中，存在针对每个魔方块体设置块控制装置，块控制装置之间相互通信，由中央控制单元下发指令，上述结构存在的问题是由于每个魔方块体均设置块控制装置，导致整个魔方结构比较复杂，通信线路较多，容易出现故障。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了能够运动状态自调节的益智教具，将传统粽子魔方的连接杆结构改为电子机械结构，内部配有控制器、舵机等组件。控制器可以将魔方的打乱顺序记录下来，然后计算出满足要求的还原方式并依此控制舵机的转动实现魔方的运动状态自调整功能。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
能够运动状态自调节的益智教具，包括：
益智教具本体结构及控制系统，所述益智教具本体结构为包含空腔的结构，所述益智教具本体结构的中心块能够转动，空腔内设置有控制系统；
所述中心块中固定有动触点，其包含两个已电气连接的触头；
所述控制系统包括舵机及控制模块，所述舵机的输出轴与双色中心块连接，所述舵机的周边布置有两对静触点，每对静触点的两个触头彼此不导通并分别经由导线与控制模块相连；
所述动触点转动到一定位置时会与静触点接触，并将静触点置于导通状态；
所述控制模块基于接收的静触点导通信号确定中心块是否旋转到位，并基于旋转位置控制舵机运动，实现益智教具运动状态自调节至原始状态。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
能够运动状态自调节的益智教具的控制方法，应用于粽子魔方，包括：
舵机在控制模块的作用下驱动中心块转动，中心块带动动触点转动到一定位置时与舵机周边的静触点接触，并将静触点置于导通状态；
控制模块基于接收的静触点导通信号确定中心块是否旋转到位，并获得中心块的运动位置轨迹，并基于旋转位置控制舵机运动，实现益智教具运动状态自调节至原始状态。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
1、在该益智教具中增加控制系统，利用控制系统的舵机通过轴的方式驱动中心块的转动，同时利用在中心块嵌入动触点，在舵机周围布置静触点，在舵机带动中心块转动的同时，中心块的转动带着动触点的运动，继而利用静触点的导通状态检测到该中心块的运动轨迹，上述运动轨迹反馈至控制模块，控制模块可实现对舵机的控制，继而控制中心块的运动，最终使得益智教具恢复至原始状态，以便使用者进行与益智教具的交互，上述益智教具可以为四色三阶粽子魔方。
2、该益智教具其内部配有控制器、舵机、电线、电池、无线通信、魔方定位等组件，使得益智教具具有了自动化的基础。益智教具的控制器可以轻松地将其的打乱顺序记录下来，然后采用自解算复原或者倒序复原实现益智教具的运动状态自动调节功能，增强了初学者的用户体验。益智教具具有自主随机打乱功能，然后可由使用者还原或者自主还原，增强了互动性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例具有运动状态自调整功能的四色三阶粽子魔方系统整体结构图；
图2为本发明实施例运动状态自调整四色三阶粽子魔方局部拆解图；
图3为本发明实施例运动状态自调整四色三阶粽子魔方的爆炸图；
图4为本发明实施例运动状态自调整四色三阶粽子魔方的控制系统示意图；
图5为本发明实施例运动状态自调整四色三阶粽子魔方的驱动块位置检测传感器系统布置示意图；
图6(a)-图6(b)为本发明实施例运动状态自调整四色三阶粽子魔方的中心块位置检测原理示意图；
图7为本发明实施例运动状态自调整四色三阶粽子魔方坐标系图；
图8为本发明实施例运动状态自调整四色三阶粽子魔方平面展开图；
图中，1运动状态自调整四色三阶粽子魔方，2无线遥控器，3魔方启动按键，4倒序复原按键，5自解算复原按键，6随机打乱按键，7控制系统，8舵机，9动触点，10静触点，11控制模块，12电池，13无线通信模块，14顶盖，15块体，16导线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，能够运动状态自调节的益智教具，包括益智教具本体结构及控制系统，所述益智教具本体结构为包含空腔的结构，所述益智教具本体结构的中心块能够转动，空腔内设置有控制系统；
中心块中固定有动触点，其包含两个已电气连接的触头；
控制系统包括舵机及控制模块，所述舵机的输出轴与中心块连接，所述舵机的周边布置有两对静触点，每对静触点的两个触头彼此不导通并分别经由导线与控制模块相连；
动触点转动到一定位置时会与静触点接触，并将静触点置于导通状态；
控制模块基于接收的静触点导通信号确定中心块是否旋转到位，并基于旋转位置控制舵机运动，实现益智教具运动状态自调节至原始状态。
在下述的实施例子中，益智教具本体结构可以为四色三阶粽子魔方的本体结构，当然，其他类型的能够满足具有轴驱动块体转动的益智教具也在保护范围内，为了更好的说明本申请技术方案，以下以四色三阶粽子魔方为例进行具体说明。
在一实施例子中，四色三阶粽子魔方的本体结构为由双色中心块、角块、单色梯形棱块组成，双色中心块、角块、单色梯形棱块围成的四色三阶粽子魔方中部为空腔，空腔内设置有控制系统。
参见附图1所示，本实施例公开了能够运动状态自调节的益智教具，由运动状态自调整四色三阶粽子魔方1及无线遥控器2组成。
无线遥控器2上含有四色三阶粽子魔方的启动按键3，倒序复原按键4，自解算复原按键5，随机打乱按键6。运动状态自调整四色三阶粽子魔方1与无线遥控器2通过蓝牙等无线方式进行通信。
该运动状态自调整四色三阶粽子魔方1配有的无线遥控器可控制魔方的开关机，当不需要魔方自动恢复时可将魔方控制系统置于关机状态，此时其与普通魔方功能相同，当魔方开机后则会对打乱后的魔方进行自主复原。
当倒序复原按键4按下时，则打乱后的运动状态自调整四色三阶粽子魔方会自动按照各轴的历史轨迹进行倒序复原，即其复原轨迹与打乱轨迹的步数相同、时序相反，其中，一步是指某个魔方面绕转轴旋转一次，而不管其转过多少角度，依此方式实现复原。
当自解算复原按键5按下时，则打乱后的运动状态自调整四色三阶粽子魔方会根据当前状态自主计算出还原运动序列，并依此控制魔方实现复原。
当随机打乱按键6按下时，运动状态自调整四色三阶粽子魔方会自动随机转动，实现魔方状态的改变，然后可由使用者还原或者自主还原，增强了互动性。
如果运动状态自调整四色三阶粽子魔方被手动或自动随机打乱30秒后，倒序复原按键4或者自解算复原按键5均未按下，则魔方按照当前状态自解算出最优复原步骤然后依此自动复原。
关于运动状态自调整功能的四色三阶粽子魔方结构的说明，参见附图2所示，运动状态自调整四色三阶粽子魔方1与普通四色三阶粽子魔方外形相似，控制系统7位于魔方内部，外面包裹有26个魔方小块，有6个与中轴相连的双色中心块，8个角块，其中有4个单色三角形小角块与4个三色三棱锥大角块，12个单色梯形棱块。
参见图3所示，为运动状态自调整四色三阶粽子魔方的爆炸图，采用6个舵机分别控制6个中心块运动，从而实现魔方绕6个轴的独立旋转。
参见图4所示，运动状态自调整四色三阶粽子魔方的控制系统，主要包括6个舵机8，控制系统模块11，电池12及无线通信模块13。舵机为长方体结构，每个舵机周围分布有1对动触点9及2对静触点10，用于检测舵机驱动的驱动块的旋转角度。上述触点式位置检测布置结构简单，且极大的提高转动检测的准确度。中心块中固定有动触点，其包含两个已电气连接的触头。
在具体实施例子中，通过固定支架或者固定框架，将相应的控制系统进行固定，固定支架可以通过3D打印制成。
在上述实施例子中，通过固定架固定为一体的控制系统中舵机输出轴带动魔方驱动块的转动继而带动角块的转动，控制系统不随角块的转动而转动。
控制模块11，电池12及无线通信模块13分布在各个舵机的周围，利用固定架进行固定，相互之间并不影响彼此的正常工作状态。
控制模块分别与各个舵机以及各个静触点有线连接，控制模块通过无线通信模块与无线遥控器无线通信连接，所述无线通信模块可以根据实际进行选择，电池12为其他模块进行供电。
图5为运动状态自调整四色三阶魔方的中心块位置检测传感器系统布置示意图。每个中心块均由顶盖14、块体15及1对动触点9组成。
为便于安装，2对静触点分别固定于舵机的上表面，其四个触头分布于连接舵机两侧边缘中点的直线上且在舵机输出轴两侧对称布置。每对动触点中触头之间的间隔距离与每对静触点中触头之间的间隔距离相等。每对静触点距离舵机输出轴的垂直距离与动触点距离舵机输出轴的垂直距离相等，从而保证舵机旋转时动触点与静触点可以准确接触。
舵机输出轴中间设有丝孔，跟舵机输出轴相连的驱动块中心都开有通孔，通过螺栓将驱动块跟舵机的输出轴固定，使得舵机输出轴带动驱动块一块转动。
图6(a)-图6(b)为运动状态自调整四色三阶魔方的中心块位置检测原理示意图。
图6(a)所示为中心块位于初始位置，其转动角度为0°时，动触点与静触点的相对位置，此时左侧静触点导通；图6(a)所示为中心块绕舵机转轴转过180°后，动触点与静触点的相对位置，此时右侧静触点导通。因而由静触点的导通状态即可感知当前中心块的旋转角度。采用此种传感器布置方式不仅可以保证魔方位置与对应传感器信号输出的唯一性，而且结构简单，易于实现。
通过上述中心块位置检测方式，控制器可以将魔方的打乱顺序记录下来，然后采用自解算恢复或者倒序恢复实现魔方的运动状态自调整功能，增强了初学者的用户体验。
在本施例中，将传统四色三阶粽子魔方的连接杆结构改为电子机械结构，具体的，运动状态自调整魔方将舵机的输出轴作为旋转轴，从而将普通魔方靠外力引起的绕旋转轴运动转变为可以由舵机输出轴驱动的主动旋转，当舵机断电或者不工作时，其输出轴跟普通魔方旋转轴功能相同，可以通过对运动状态自调整魔方施加外力进行被动旋转的。
在该四色三阶粽子魔方结构中最关键的技术在于魔方运动状态自调整所需要的旋转位置的检测，在中心块体中固定有动触点；控制系统包括舵机及控制模块，所述舵机的输出轴与魔方驱动块连接，所述舵机的周边布置有静触点；动触点通过非接触方式检测所述舵机驱动含有静触点块体的转动，并将检测信号传输至控制系统；控制系统基于接收的检测信号确定角块是否旋转到位，并基于旋转位置控制舵机运动，实现四色三阶粽子魔方运动状态自调节至原始状态。
在另一实施例子中，基于同样的发明构思，还公开了一种具有运动状态自调整功能的四色三阶粽子魔方的控制方法，基于上述实施例子中的运动状态自调整四色三阶粽子魔方。
在具体实施例子中，四色三阶粽子魔方运动状态自调整至原始状态时，采用自解算复原方法或倒序复原方法；
自解算复原方法中，控制系统会根据运动状态自调整四色三阶粽子魔方当前状态自主计算出还原运动序列，并依此控制舵机运动，实现复原；
倒序复原方法中，控制系统会控制舵机运动将打乱后的运动状态自调整四色三阶粽子魔方自动按照各轴的历史轨迹进行倒序复原，即其复原轨迹与打乱轨迹的步数相同、时序相反。
具体的，魔方运动状态自调整控制方法中：
四色三阶粽子魔方和带图案的三阶魔方的还原方法非常的类似，但在还原魔方顶层的时候，因为棱块和角块的几何特性，四色三阶粽子魔方和三阶魔方具有一些差别。
定义四色三阶粽子魔方颜色信息与各面，魔方出厂或初始状态各面颜色一致即未处于打乱状态，该申请采用四色三阶粽子魔方颜色信息与各面的对应关系及其符号表示为前面(Q)黄色(Y)、左面(M)绿色(G)、右面(N)蓝色(B)、下面(X)红色(R)。
上面的参数表示时，一个是四色三阶粽子魔方的面符号，一个是四色三阶粽子魔方的面所在的颜色符号，例如Q表示四色三阶粽子魔方的前面，B表示四色三阶粽子魔方的前面的蓝色。
设置坐标系：当使用者转动魔方时为了便于描述魔方运动，将魔方按一定取向置于坐标系中，将坐标系固定在魔方的中心块上并称其为魔方坐标系。魔方坐标系的原点选在魔方曲面三棱锥的几何中心，坐标系建立如图7所示。
坐标轴的正方向X1、X2、X3、X4、X5、X6与驱动舵机同轴并分别穿过中心块的几何中心。定义坐标轴X1、X3、X5所围区域为魔方前面，坐标轴X1、X2、X6所围区域为魔方左面，坐标轴X4、X5、X6所围区域为魔方右面，坐标轴X2、X3、X4所围区域为魔方底面。
每个轴可进行n*180(n＝1,2)的旋转，也即转角共有180°一个值，用1来表示。规定位于魔方坐标系坐标轴正方向的面转动操作时用右手操作，正转方向满足右手规则；位于魔方坐标系坐标轴负方向的面转动时用左手操作，正转方向满足左手规则，则可将霍尔传感器检测到的各轴转动角度转换为运动序列(如X11X21X41X51X31X11X21)对魔方的运动进行描述。
运动状态自调整四色三阶魔方的状态可由图8所示的魔方平面展开图进行描述，并将每个面上的10个色块进行标号，可将魔方4个面的颜色信息以1个4*10的状态矩阵F进行描述：
Figure BDA0002433013680000091
对于复原状态的四色三阶粽子魔方，可知其初始状态矩阵可记为F0：
Figure BDA0002433013680000092
因而魔方由初始状态经过旋转后的状态矩阵F可由传感器感知的运动序列及初始状态矩阵F0获得，其计算过程举例如下：
假若魔方由初始状态绕X1转动180°，即运动序列为X11，则魔方状态矩阵F计算公式为
F[1][2]＝F0[3][10]；F[1][5]＝F0[3][9]；F[1][6]＝F0[3][8]；F[1][10]＝F0[3][4]；
F[2][2]＝F0[4][10]；F[2][3]＝F0[4][6]；F[2][4]＝F0[4][2]；F[2][5]＝F0[4][9]；
F[2][6]＝F0[4][8]；F[2][7]＝F0[4][7]；F[2][8]＝F0[4][3]；F[2][9]＝F0[4][1]；
F[2][10]＝F0[4][4]；F[3][4]＝F0[1][10]；F[3][8]＝F0[1][6]；F[3][9]＝F0[1][5]；
F[3][10]＝F0[1][2]；F[4][1]＝F0[2][9]；F[4][2]＝F0[2][4]；F[4][3]＝F0[2][8]；
F[4][4]＝F0[2][10]；F[4][6]＝F0[2][3]；F[4][7]＝F0[2][7]；F[4][8]＝F0[2][6]；
F[4][9]＝F0[2][5]；F[4][10]＝F0[2][2]；F(:)＝F0(:)
其中(:)表示其余元素。
由运动状态自调整四色三阶粽子魔方的状态矩阵F则可采用解魔方算法对魔方进行还原，其步骤为：
步骤1：拼好底层十字，还原底层；
步骤2：第二层中心块归位，中棱复原，还原第二层；
步骤3：角到位、棱到位、梯棱转体、椎角对色，还原顶层；
步骤4：中心块对齐，致此魔方已经复原。由于四色三阶粽子魔方复原算法属于现有算法，在此不再进一步详述。
倒序复原方法：根据打乱魔方时的运动序列采用逆时序运动的方式求解还原序列。由魔方复原的旋转对称性可知绕某转轴转动一定角度后，魔方会和原来的轮廓坐标完全重复，如针对斜转魔方绕某轴每次转动180°，则连续转动2次后魔方会恢复转动前状态，因而针对复杂运动序列如X11X21X41X51X31X11X21则可知对应的还原序列X21X11X31X51X41X21X11，由此即可对魔方进行复原。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.能够运动状态自调节的益智教具，其特征是，包括：
益智教具本体结构及控制系统，所述益智教具本体结构为包含空腔的结构，所述益智教具本体结构的中心块能够转动，空腔内设置有控制系统；
所述中心块中固定有动触点，其包含两个已电气连接的触头；
所述控制系统包括舵机及控制模块，所述舵机的输出轴与中心块连接，所述舵机的周边布置有两对静触点，每对静触点的两个触头彼此不导通并分别经由导线与控制模块相连；
所述动触点转动到一定位置时会与静触点接触，并将静触点置于导通状态；
所述控制模块基于接收的静触点导通信号确定中心块是否旋转到位，并基于旋转位置控制舵机运动，实现益智教具运动状态自调节至原始状态。
2.如权利要求1所述的能够运动状态自调节的益智教具，其特征是，每个中心块均由顶盖、块体及1对动触点组成，2对静触点分别固定于舵机的上表面，其四个触头分布于连接舵机两侧边缘中点的直线上且在舵机输出轴两侧对称布置，每对动触点中触头之间的间隔距离与每对静触点中触头之间的间隔距离相等。
3.如权利要求1所述的能够运动状态自调节的益智教具，其特征是，所述益智教具本体结构为四色三阶粽子魔方的本体结构，由双色中心块、角块、单色梯形棱块组成。
4.如权利要求1所述的能够运动状态自调节的益智教具，其特征是，所述控制系统中舵机输出轴带动中心块的转动，控制系统不随中心块的转动而转动。
5.如权利要求1所述的能够运动状态自调节的益智教具，其特征是，所述控制系统通过固定框架固定在一起，成为一体化结构。
6.如权利要求3所述的能够运动状态自调节的益智教具，其特征是，所述双色中心块为8个，所述角块为8个，12个单色梯形棱块，所述舵机为8个。
7.如权利要求1所述的能够运动状态自调节的益智教具，其特征是，所述控制系统还包括供电模块及无线通信模块，所述控制模块通过无线通信模块与益智教具外部的无线遥控器通信。
8.如权利要求1所述的能够运动状态自调节的益智教具，其特征是，所述控制系统将打乱后的益智教具自动按照各轴的历史轨迹进行倒序复原，即其复原轨迹与打乱轨迹的步数相同、时序相反；
所述控制系统将打乱后的益智教具根据当前状态自主计算出还原运动序列，并依此控制益智教具实现复原。
9.基于权利要求1-8任一所述的能够运动状态自调节的益智教具的控制方法，应用于粽子魔方，其特征是，包括：
舵机在控制模块的作用下驱动中心块转动，中心块带动动触点转动到一定位置时与舵机周边的静触点接触，并将静触点置于导通状态；
控制模块基于接收的静触点导通信号确定中心块是否旋转到位，并获得中心块的运动位置轨迹，并基于旋转位置控制舵机运动，实现益智教具运动状态自调节至原始状态。
10.如权利要求9所述的能够运动状态自调节的益智教具的控制方法，其特征是，益智教具运动状态自调整至原始状态时，采用自解算复原方法或倒序复原方法；
自解算复原方法中，控制系统会根据益智教具当前状态自主计算出还原运动序列，并依此控制舵机运动，实现复原；
倒序复原方法中，控制系统会控制舵机运动将打乱后的益智教具自动按照各轴的历史轨迹进行倒序复原，即其复原轨迹与打乱轨迹的步数相同、时序相反。
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