CN111330258A - 一种自感应式三阶金字塔魔方及复原方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种自感应式三阶金字塔魔方及复原方法，涉及益智玩具技术领域，包括设于魔方内部的控制模块、电源模块和舵机，每个驱动块对应有一台舵机，每个舵机周围分布有三个依次相隔120°的检测元件，且所述驱动块内分布有两个相隔120°的磁性元件，所述检测元件通过感应磁性元件所在的位置确定驱动块的旋转角度，并实时发送给控制模块；所述控制模块实时记录各个驱动块的旋转轨迹，当检测元件信号在预设时间段内没有发生变化时，控制模块控制舵机带动驱动块转动，实现魔方的倒序复原或自解算复原；本公开实现了魔方转动角度的实时采集和记录，同时还实现了魔方当前状态的实时计算，集倒序复原、自主寻优复原于一体，提高了用户体验。

Description

一种自感应式三阶金字塔魔方及复原方法
技术领域
本公开涉及益智玩具技术领域，特别涉及一种自感应式三阶金字塔魔方及复原方法。
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，并不必然构成现有技术。
三阶金字塔魔方是一种四面体异型魔方。三阶金字塔魔方包括中轴、外角块、内角块和棱块。其设有四根连杆。每一根连杆的中部可转动地安装有内角块,端部可转动地安装有外角块。内角块的底部设有凹面,凹面内设置三段滑道。棱块安装于相邻的两个内角块之间。棱块的底部设有两个卡脚，两个卡脚分别卡接相邻的两个内角块的滑内，从而棱块之相邻的内角块同步转动。
本公开发明人发现，(1)现有的解魔方的方式主要为采用外在的解魔方机器人夹紧魔方后进行魔方复原，但是这种解魔方机器人一般比较笨重，使用不便，更重要的是，现有的解魔方机器人一般占用体积较大，转臂无法折叠起来，导致运输或闲置时，造成了大量的空间浪费，而且解魔方机器人目前只用于一般的三阶魔方，对于三阶金字塔魔方这种异构魔方，复原过程中无法实现有效的复原，从而极大的降低了魔方复原的效率；(2)现有技术中，有研究人员通过设计三阶金字塔的智能中轴，通过同时对每个内角块和外角块同时进行角度检测来实现轨迹检测，这不仅增加了检测难度，而且需要布置至少二十组传感器来实现对各个角块的转动角度检测，使得魔方内部结构拥挤，不仅容易相互干扰，还可能影响魔方的正常运转。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种自感应式三阶金字塔魔方及复原方法，无需外界设备的配合即可快速的实现自复原，只需对四个驱动块进行转动角度的检测，无需监控每个角块，极大的节省了魔方内部空间，使得内部电子结构的添加不影响魔方的转动，提高了用户体验。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种自感应式三阶金字塔魔方。
一种自感应式三阶金字塔魔方，包括四个角块，每个角块对应有一个驱动块，包括设于魔方内部的控制模块、电源模块和舵机，所述电源模块用于给各个用电模块供电，每个驱动块对应有一台舵机，并与舵机的转轴连接，所述驱动块与角块活动连接；
每个舵机周围分布有三个依次相隔120°的检测元件，且所述驱动块内分布有两个相隔120°的磁性元件，所述检测元件通过感应磁性元件所在的位置确定驱动块的旋转角度，并实时发送给控制模块；
所述控制模块分别与舵机和检测元件通信连接，并实时记录各个驱动块的旋转轨迹，当检测元件感应到的信号在预设时间段内没有发生变化时，控制模块控制舵机带动驱动块转动，实现魔方的倒序复原或自解算复原。
本公开第二方面提供了一种自感应式三阶金字塔魔方的复原方法。
一种自感应式三阶金字塔魔方的复原方法，利用本公开第一方面所述的自感应式三阶金字塔魔方，包括以下步骤：
构建原点位于金字塔魔方几何中心的坐标系，四个方向的坐标轴分别穿过一个角块的几何中心，将检测元件检测到的各驱动块转动角度转换为运动序列；
对魔方进行平面展开后，对每个块体进行编号，得到魔方平面展开的初始状态矩阵；
根据各驱动块的运动序列和初始状态矩阵，确定魔方经过旋转后的当前状态矩阵；
根据当前状态矩阵计算最优还原运动序列，并按照最优还原运动序列进行魔方复原。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的三阶金字塔魔方及复原方法，无需外界设备的配合即可快速的实现自复原，只需对四个驱动块进行转动角度的检测，无需监控每个角块，极大的节省了魔方内部空间，使得内部电子结构的添加不影响魔方的转动，无需外置设备进行控制，操作者只需打乱魔方然后魔方即可实现自复原，易于初学者使用，提高了用户体验。
2、本公开所述的三阶金字塔魔方及复原方法，魔方控制系统平时处于待机状态，只有位置检测系统正常工作，当检测元件的信号发生变化时，激活控制系统，开始记录魔方的转动轨迹，当检测元件的信号在预设时间段内未发生变化时，控制系统认为魔方转动完毕，此时开始控制舵机进行自复原，通过自感应的方式，能够始终保持魔方在不用时自行复原倒初始状态，从而方便下一次使用，无需重新进行魔方顺序。
3、本公开第二方面提供的自感应式三阶金字塔魔方的复原方法，通过构建分别朝向金字塔魔方角块几何中心的四个方向的坐标系，实现了各个魔方块体的定位标记，结合各个驱动块的运动序列和初始状态矩阵，得到了魔方的当前状态矩阵，从而能够快速的进行轨迹寻优以得到最佳的复原轨迹。
附图说明
图1为本公开实施例1提供的自感应式三阶金字塔魔方的整体示意图。
图2为本公开实施例1提供的自感应式三阶金字塔魔方的局部拆解图。
图3为本公开实施例1提供的自感应式三阶金字塔魔方的爆炸图。
图4为本公开实施例1提供的自感应式三阶金字塔魔方的驱动块和霍尔传感器位置示意图。
图5为本公开实施例1提供的自感应式三阶金字塔魔方的驱动块位置检测原理示意图。
图6为本公开实施例1提供的自感应式三阶金字塔魔方的控制系统示意图。
图7为本公开实施例2提供的坐标系构建示意图。
图8本公开实施例2提供的魔方平面展开图。
1-自复原三阶金字塔魔方；2-控制系统；3-舵机；4-霍尔传感器；5-控制核心板；6-电源模块；7-顶盖；8-块体；9-磁铁；10-角块；11-孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
在本公开说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“其他一些实时方式”“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
本公开实施例1提供了一种自感应式三阶金字塔魔方，系统整体结构如图1所示，自复原三阶金字塔魔方1与普通三阶金字塔魔方外形相似，包括四个魔方面，控制系统7位于魔方内部，外面包裹有十四个小块，这些小块由四个角块、四个驱动块和六个棱块，相互之间依次相互拼接得到三阶金字塔魔方。
在某些实施方式中，驱动块、四个边块和四个角块的拼接结构可以为各种形状，只要能够实现三阶金字塔魔方的拼接即可。
如图2所示，为本实施例所述的自复原三阶金字塔魔方局部拆解图，控制系统2位于构成金字塔魔方的所述驱动块、边块及角块所围成的空腔内。
如图3所示，为本实施例所述的自复原三阶金字塔魔方的爆炸图，四个舵机分别控制四个驱动块运动，从而实现魔方绕四个轴的独立旋转。
所述舵机为长方体结构，三个霍尔传感器环绕在舵机周围，且使得三个霍尔传感器依次相隔120°，霍尔传感器可以感知单磁极的强度变化，当磁极位于霍尔传感器正上方时传感器输出为最大值，所以可以由此确定角块是否旋转到位，结构简单，且极大的提高转动检测的准确度。
在某些实施方式中，不限定舵机的具体结构形式，通过预设的固定支架，将相应的舵机、控制系统以及霍尔传感器进行固定，所述预设的固定支架可以通过3D打印制成。
如图4所示，每个驱动块均由顶盖7、块体8及2个磁铁9组成，霍尔传感器4与磁铁9所处的圆周半径相等，霍尔传感器4用于检测舵机驱动的驱动块的旋转角度，其圆心都位于舵机输出轴延长线上。
舵机输出轴中间设有丝孔的，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。
在某些实施方式中，驱动块跟输出轴的固定方式为粘接，或者采用其他固定方式，只要能保证驱动块随输出轴的转动而转动即可。
驱动块的位置检测原理，如图5所示。
(a)图所示为驱动块位于初始位置，即旋转角度为0°时，磁铁9位于霍尔传感器4的正上方，霍尔传感器检测到磁铁强度最强时输出记为1，其余位置输出记为0，则此时3个霍尔传感器的输出状态可写为(1，0，1)；
(b)图所示为驱动块绕舵机轴逆时针转过120°后霍尔传感器4与磁铁9的相对位置，此时3个霍尔传感器的输出为(1，1，0)；
(c)图所示为驱动块绕舵机轴逆时针转过240°后霍尔传感器4与磁铁9的相对位置，此时3个霍尔传感器的输出为(0，1，1)；
因此，由三个霍尔传感器的输出信号即可感知当前驱动块的旋转角度，采用此种传感器布置方式可以保证魔方位置与对应传感器信号输出的唯一性，避免对运动的误检测。
魔方控制系统平时处于待机状态，只有位置检测系统正常工作。当霍尔传感器的信号发生变化时，激活控制系统，开始记录魔方的转动轨迹。当霍尔传感器信号在30秒内未发生变化时，控制系统认为魔方转动完毕，此时开始控制舵机进行自复原。
自复原有两种方式自解算复原及倒序复原，这两种方式交替采用，即若当前若采用自解算复原，则等下次魔方被转动后则采用倒序复原。
如图6所示，为本实施例所述的自复原三阶金字塔魔方的控制系统示意图，所述控制系统2设于靠近魔方几何中心的位置，控制系统2包括输出轴朝向四个角块几何中心方向的舵机3、控制核心板5及电源模块6。
在某些实施方式中，可以将各个舵机和控制系统的其他构件单独的直接装配固定在预设框架上，形成一个整体，只要能够保证各个舵机的输出轴朝向四个角块的几何中心方向，且相互之间没有位置移动即可，以保证魔方的稳定性。
在某些实施方式中，可以将各个舵机和控制系统的其他构件相互固定连接后再装配固定到预设框架上，形成一个整体，只要能够实现预设框架与控制系统7的固定连接，各个舵机的输出轴朝向四个角块的几何中心方向，且控制系统内各个模块不发生相互移动即可。
在某些实施方式中，控制核心板5及电源模块6分布在各个舵机的周围，具体相对位置可以根据框架的不同而不同，只要不影响输出轴和霍尔传感器的工作即可。
控制核心板5分别与各个舵机3以及各个霍尔传感器4有线连接，控制核心板5可以轻松地将魔方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魔方的自复原功能，增强了初学者的用户体验。
所述电源模块为无线充电电池模块，其通过接线板为各个用电模块或器件供电。
在本施例中，自复原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一样是可以通过对自复原魔方施加外力进行被动旋转的。
在某些实施方式中，控制模块也可以根据魔方的当前状态和转动轨迹，采用转动步数最少的复原方式进行魔方复原。
本实施例所述的魔方将传统三阶金字塔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、电池、检测元件和磁性元件等组件，使得魔方具有了自动化的基础，控制器实时的将魔方的动作顺序记录下来，然后计算出满足要求的还原方式并依此控制舵机的转动，实现魔方的自复原，极大的提高了用户体验。
本实施例所述的魔方无需外界设备的配合即可快速的通过控制驱动块实现自复原，无需对各个魔方面进行识别，极大的提高了魔方复原的速度和准确度。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种自感应式三阶金字塔魔方的复原方法，利用本公开第一方面所述的自感应式三阶金字塔魔方。
魔方出厂或初始状态各面颜色一致即未处于打乱状态，自复原三阶金字塔魔方与标准三阶金字塔魔方颜色信息与各面的对应关系相同，其符号表示为前面(Q)蓝色(B)、左面(Z)绿色(G)、右面(M)红色(R)、底面(X)黄色(Y)。
当使用者转动金字塔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驱动块上并称其为魔方坐标系。
魔方坐标系的原点选在金字塔魔方四面体的几何中心，坐标轴的正方向a、b、c、d与驱动舵机同轴并分别穿过角块的几何中心。坐标系建立如图7所示，定义坐标轴a、b、d所围区域为魔方前面，坐标轴a、c、d所围区域为魔方左面，坐标轴b、c、d所围区域为魔方右面，坐标轴a、b、c所围区域为魔方底面。
每个轴可进行n*120(n＝1，2，3)的旋转，也即转角共有120°、240°两个值，分别用1、2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a1b2表示先绕a轴转动120°再绕b轴转动240°)对魔方的运动进行描述。
自复原三阶金字塔魔方的状态可由图8所示的魔方平面展开图进行描述，每个面上的三角形按照正视图从左到右、从上往下的顺序进行编号，可将魔方各面的颜色信息以1个4*9的状态矩阵F进行描述：
Figure BDA0002426629410000091
对于复原状态的阶金字塔魔方，其初始状态矩阵可记为F0：
Figure BDA0002426629410000092
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a转动120°，即运动序列为a1，则魔方状态矩阵F计算公式为
F[1][2]＝F0[4][7]；F[1][6]＝F0[4][8]；F[1][7]＝F0[4][4]；
F[2][7]＝F0[1][2]；F[2][8]＝F0[1][6]；F[2][4]＝F0[1][7]；
F[4][7]＝F0[2][2]；F[4][8]＝F0[2][6]；F[4][4]＝F0[2][7]；
F(:)＝F0(:)
其中(:)表示其余元素。
由自复原三阶金字塔魔方的状态矩阵F则可采用解魔对算法对魔方进行还原，其步骤为：
第一步：复原小角块，手动转动4个小角块，将小角块的颜色与相连的驱动块颜色一致即可，转动驱动块，将相同颜色的驱动块转到同一面；
第二步：复原底层3个棱块，即黄绿、黄蓝、黄红棱块；
第三步：复原顶层3个棱块，致此除角块外魔方已经复原。
在某些实施方式中，也可以采用其他解魔方算法对三阶金字塔魔方进行还原。
倒序复原则具体为：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，如针对三阶金字塔魔方绕某轴每次转动120°，则连续转动3次后魔方会复原转动前状态，因而针对复杂运动序列如a1b2c2d1c2a1b2则可知对应的还原序列为b1a2c1d2c1b1a2，由此即可对魔方进行倒序复原。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自感应式三阶金字塔魔方，包括四个角块，每个角块对应有一个驱动块，其特征在于，包括设于魔方内部的控制模块、电源模块和舵机，所述电源模块用于给各个用电模块供电，每个驱动块对应有一台舵机，并与舵机的转轴连接，所述驱动块与角块活动连接；
每个舵机周围分布有三个依次相隔120°的检测元件，且所述驱动块内分布有两个相隔120°的磁性元件，所述检测元件通过感应磁性元件所在的位置确定驱动块的旋转角度，并实时发送给控制模块；
所述控制模块分别与舵机和检测元件通信连接，并实时记录各个驱动块的旋转轨迹，当检测元件感应到的信号在预设时间段内没有发生变化时，控制模块控制舵机带动驱动块转动，实现魔方的倒序复原或自解算复原。
2.如权利要求1所述的自感应式三阶金字塔魔方，其特征在于，所述控制模块控制舵机根据各个驱动块的旋转轨迹，计算倒序复原序列，带动驱动块转动实现倒序复原。
3.如权利要求1所述的自感应式三阶金字塔魔方，其特征在于，所述控制模块根据各个驱动块的旋转轨迹获取魔方各个面的当前状态，计算最优复原运动序列，按照最优还原运动序列进行魔方的自解算复原。
4.如权利要求1所述的自感应式三阶金字塔魔方，其特征在于，所述检测元件为霍尔传感器，所述的磁性元件为磁铁。
5.如权利要求1所述的自感应式三阶金字塔魔方，其特征在于，所述检测元件与磁性元件分别围成半径相等的圆，圆心均位于转轴延长线上。
6.如权利要求1所述的自感应式三阶金字塔魔方，其特征在于，所述电源模块为无线充电模块。
7.如权利要求1所述的自感应式三阶金字塔魔方，其特征在于，所述控制模块、电源模块和舵机均设置于魔方内部靠近魔方几何中心的位置。
8.一种自感应式三阶金字塔魔方的复原方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一项所述的自感应式三阶金字塔魔方，包括以下步骤：
构建原点位于金字塔魔方几何中心的坐标系，四个方向的坐标轴分别穿过一个角块的几何中心，将检测元件检测到的各驱动块转动角度转换为运动序列；
对魔方进行平面展开后，对每个块体进行编号，得到魔方平面展开的初始状态矩阵；
根据各驱动块的运动序列和初始状态矩阵，确定魔方经过旋转后的当前状态矩阵；
根据当前状态矩阵计算最优还原运动序列，并按照最优还原运动序列进行魔方复原。
9.如权利要求8所述的自感应式三阶金字塔魔方的复原方法，其特征在于，根据每个驱动块的运动序列进行倒序复原，具体为：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，即当某个驱动块绕转轴每次转动120°，连续转动三次后魔方会复原转动前状态。
10.如权利要求8所述的自感应式三阶金字塔魔方的复原方法，其特征在于，坐标轴的四个方向分别穿过一个角块的几何中心，每个驱动块的转角包括120和240°，分别用不同的数字表示两个转角，与驱动块所在面的标号结合得到每个驱动块的运动标识，将各个驱动块的运动标识按转动顺序依次组合，得到各驱动块的运动序列。
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