CN113134226B - 交互式魔方及其操控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及魔方的技术领域，公开了交互式魔方及其操控方法，交互式魔方包括控制板、多个与控制板电性连接的动力模块、电源模块、多个中心块、多个棱块以及多个角块；动力模块具有动力输出轴，控制板控制动力输出轴转动；动力输出轴的外端部连接中心块；相邻的中心块之间设有活动的棱块及角块，多个中心块、多个棱块及多个角块围合形成多面体，多面体具有多个转动面，转动面具有中心块、角块以及棱块；当控制板控制动力模块的动力输出轴转动时，动力输出轴带动整个转动面转动，通过外部的遥控终端遥控控制板，驱动转动面转动，改变以往依靠人手转动魔方的操作，玩法多样化，便于用户学习，大大降低初学者的入门难度。

Description

交互式魔方及其操控方法

技术领域

本发明专利涉及魔方的技术领域，具体而言，涉及交互式魔方及其操控方法。

背景技术

魔方，又叫鲁比克方块，中国台湾地区称之为魔术方块，中国香港地区称之为扭计骰，最早是由匈牙利布达佩斯建筑学院厄尔诺·鲁比克(又称作厄尔诺·卢比克)教授于1974年发明的。

魔方狭义上指三阶魔方，三阶魔方形状通常是正方体，由有弹性的硬塑料制成。竞速玩法是将魔方打乱，然后在最短的时间内复原。从广义上看，魔方可以指各类可以通过转动打乱和复原的几何体。

魔方(三阶魔方)是由26个块和一个立体的十字架组成的，其中，26个块包括6个中心块，8个角块和12个棱块。6个中心块分别连接在立体十字架的6 个轴端，8个角块及12个棱块分别活动插入在两个相邻的中心块之间，这样，6 个中心块、8个角块以及12个棱块组装形成正方体形状。

6个中心块分别位于正方体的6个面的中心位置，且中心块只有单个面朝外； 8个角块分别位于正方体的8个角端，且角块有3个面朝外；12个棱块分别位于两个相邻的中心块之间，且棱块有两个面朝外。

现有技术中，魔方一般都是靠人手操作转动，通过转动以使打乱后的魔方复原，初学者需要耗费很多时间去记忆公式，入门难，玩法单一。

发明内容

本发明的目的在于提供交互式魔方，旨在解决现有技术中，通过手动转动魔方，存在玩法单一的问题。

本发明是这样实现的，交互式魔方，包括控制板、多个与控制板电性连接的动力模块、电源模块、多个中心块、多个棱块以及多个角块；所述电源模块与控制板电性连接；所述多个动力模块均设有动力输出轴，所述控制板控制所述动力模块的动力输出轴转动；所述动力输出轴具有朝外延伸的外端部，所述动力输出轴的外端部连接中心块；相邻的所述中心块之间设有活动的棱块及角块，多个所述中心块、多个棱块及多个角块围合形成多面体，所述多面体具有多个转动面，所述转动面具有所述中心块、角块以及棱块；当所述控制板控制动力模块的动力输出轴转动时，所述动力输出轴带动整个转动面转动。

进一步的，在所述转动面中，所述棱块与角块之间具有磁吸结构。

进一步的，所述多面体内设有与控制板电性连接的角度传感器，所述角度传感器的输出数值与所述中心块的转动角度同步变化。

进一步的，所述角度传感器固定在所述动力模块上。

进一步的，所述动力模块包括电机以及驱动齿轮，所述电机与控制板电性连接，所述控制板控制电机驱动所述驱动齿轮转动；所述动力输出轴具有内端部，所述动力输出轴的内端部与驱动齿轮之间通过可相对互动的啮合结构连接，当所述动力输出轴与驱动齿轮之间的扭转力小于打滑设定值时，所述驱动齿轮与动力输出轴同步转动，当所述动力输出轴与驱动齿轮之间的扭转力大于打滑设定值时，所述动力输出轴相对于驱动齿轮打滑转动。

进一步的，所述电机具有转动轴，所述转动轴与驱动齿轮之间通过减速结构联动连接。

进一步的，所述驱动齿轮具有朝向动力输出轴的内端部的啮合端面，所述啮合结构包括形成在所述啮合端面的啮合槽或啮合凸块以及设置在所述动力输出轴的内端部的啮合凸块或啮合槽，所述啮合凸块嵌入在所述啮合槽中。

进一步的，所述啮合凸块的外周面与所述啮合凹槽的内侧壁之间设有摩擦层。

进一步的，所述驱动齿轮具有朝向动力输出轴的内端部的啮合端面，所述啮合端面设置有第一啮合齿，所述动力输出轴的内端部设有第二啮合齿，所述第一啮合齿与第二啮合齿啮合；所述驱动齿轮具有与啮合端面相背离的抵接端面，所述抵接端面的下方设有弹性件，所述弹性件的下端固定，所述弹性件的上端抵接在所述驱动齿轮的抵接端面。

本发明还提供了交互式魔方的操控方法，所述控制板上设有无线通讯模块、主控芯片、陀螺仪、加速度计以及电机驱动芯片；所述交互式魔方上电开机后，所述主控芯片根据陀螺仪及角度传感器的数值自动复原各个所述动力模块至初始状态；所述无线通讯模块实时接收遥控终端的控制指令，所述主控芯片读取指令控制，控制对应的所述动力模块转动，且所述主控芯片实时将各个所述转动面的信息发送回遥控终端；通过陀螺仪和加速度计的数值，所述主控芯片实时计算出各个所述转动面对应遥控终端的方位。

与现有技术相比，本发明提供的交互式魔方，其可以通过外部的遥控终端遥控控制板，由控制板驱动动力模块带动转动面转动，从而实现遥控转动魔方的效果，改变以往依靠人手转动魔方的操作，玩法多样化；另外，控制板可以反馈魔方的复原步骤至遥控终端，便于用户学习，大大降低初学者的入门难度。

附图说明

图1是本发明提供的交互式魔方的立体示意图；

图2是本发明提供的交互式魔方的部分立体示意图；

图3是本发明提供的动力模块的立体示意图；

图4是本发明提供的动力模块的部分立体示意图；

图5是本发明提供的交互式魔方的操控流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照1-5图所示，为本发明提供的较佳实施例。

本实施例提供的魔方可以是三阶魔方，也可以是二阶魔方，或者其他更高阶的魔方，不仅限制于本实施例的三阶魔方。

交互式魔方，包括控制板、多个与控制板电性连接的动力模块106、多个中心块103、多个棱块102、电源模块以及多个角块101，电源模块分别与动力模块 106及控制板电性连接；控制板作为中控中心，其具有主控芯片、无线通讯模块、陀螺仪、加速度计等，这样，控制板则可以与外部的遥控终端进行无线通讯，接收遥控指令或发送魔方的状态数据，且可以对信号或数据进行运算处理等。动力模块106是由控制板控制的动力，用于操作整个魔方的转动运作。

中心块103、棱块102以及角块101为魔方的常规部件，中心块103具有单个朝外的外端面，棱块102具有两个朝外的外端面，角块101则具有三个朝外的外端面；相邻的中心块103之间设有活动的棱块102及角块101，多个中心块103、多个棱块102及多个角块101围合形成多面体，多面体可以是椎体或方体或更高阶的多面体等等，具体可视多个中心块103、多个棱块102以及多个角块101之间的搭配方式而定。多面体具有多个转动面，转动面具有中心块103、角块101 以及棱块102。

动力模块106设有动力输出轴1061，多个动力模块106的动力输出轴1061 之间相互背离布置，控制板控制动力模块106的动力输出轴1061转动；动力输出轴1061具有朝外延伸的外端部，动力输出轴1061的外端部连接中心块103；当控制板控制动力模块106的动力输出轴1061转动时，动力输出轴1061带动整个转动面转动，多个动力模块106的动力输出轴1061对应转动面的中心块垂直布置，或者，根据实际转动要求，也可以呈倾斜布置。

上述提供的交互式魔方，其可以通过外部的遥控终端遥控控制板，由控制板驱动动力模块106带动转动面转动，从而实现遥控转动魔方的效果，改变以往依靠人手转动魔方的操作，玩法多样化；另外，控制板可以反馈魔方的复原步骤至遥控终端，便于用户学习，大大降低初学者的入门难度。

在转动面中，棱块102与角块101之间具有磁吸结构，这样，当动力模块106 的动力输出轴1061带动中心块103转动时，整个转动面随之转动，通过磁吸结构，可以保证在转动过程中，棱块102以及角块101随中心块103转动的同步性，避免出现转动偏差的问题，减少多面体转动定位的误差带来的卡顿；或者，也可以同时中心块103与棱块102之间具有磁吸结构，具体可是实际需要而定。

多面体内设有与控制板电性连接的角度传感器1062，角度传感器1062监测动力输出轴1061的转动角度，角度传感器1062的输出数值与中心块103的转动角度同步变化，通过角度传感器1062可以监测动力输出轴1061的转动角度是否到达转动定位的目标值，并实时反馈给控制板，以便实时调整动力输出轴1061 的转动，保证动力输出轴1061的转动角度准确性。

角度传感器1062固定动力模块106上，可以选择固定在动力输出轴1061上，随动力输出轴1061同步转动。当然，角度传感器1062也可以其其他设置方式，不仅限制于固定在动力输出轴1061上。角度传感器1062可以有多种类型，可以是接触式的，也可以是感应式等。

动力模块106包括电机1064以及驱动齿轮1067，电机1064与控制板电性连接，控制板控制电机1064带动驱动齿轮1067转动；动力输出轴1061具有内端部，动力输出轴1061的内端部与驱动齿轮1067之间通过可相对互动的啮合结构连接。控制板根据外部遥控终端的指令或者内设的程序控制电机1064带动驱动齿轮1067转动，驱动齿轮1067带动动力输出轴1061转动，从而中心块103则转动，整个转动面转动。

当动力输出轴1061与驱动齿轮1067之间的扭转力小于打滑设定值时，驱动齿轮1067与动力输出轴1061同步转动，当动力输出轴1061与驱动齿轮1067之间的扭转力大于打滑设定值时，动力输出轴1061相对于驱动齿轮1067打滑转动。这样，当需要遥控操作魔方转动时，电机1064带动驱动齿轮1067转动，且驱动齿轮1067与动力输出轴1061之间的扭转力小于打滑设定值，这样，动力输出轴 1061则与驱动齿轮1067同步转动，进而多面体转动，当不需要遥控魔方转动，采用人工转动魔方时，此时，电机1064处于停机状态，驱动齿轮1067与电机1064 联动，也处于固定状态，人工转动整个多面体，此时，动力输出轴1061转动，随着转动的扭转力增大至大于打滑设定值时，动力输出轴1061与驱动齿轮1067 之间打滑，从而，可以保证在电机1064停止的状态下，依旧可以人工转动多面体。

当然，动力输出轴1061与驱动齿轮1067之间的扭转力的打滑设定值，可以视情况而定，通过结构的布置来设定。

电机1064具有转动轴，转动轴与驱动齿轮1067之间通过减速结构1068联动连接，这样，当遥控控制转动魔方时，电机1064的转动轴带动减速结构1068 转动，减速结构1068带动驱动齿轮1067转动，驱动齿轮1067带动动力输出轴 1061转动，动力输出轴1061带动转动面转动，通过设置减速结构1068，可以减低转动轴至转动面的速度传递，避免驱动齿轮1067与动力输出轴1061之间的打滑；当人工带动转动面转动时，此时的减速结构1068反向成为增速结构，随着动力输出轴1061与驱动齿轮1067之间的扭转力增大直至动力输出轴1061与驱动齿轮1067之间打滑，传递至电机1064的扭转力则大大降低，避免损坏电机1064。

啮合结构具有多种方式，可以根据实际需要而定，作为优选的实施例，驱动齿轮1067具有朝向动力输出轴1061的内端部的啮合端面，啮合结构包括形成在啮合端面的啮合槽以及设置在动力输出轴1061的内端部的啮合凸块，啮合凸块嵌入在所述啮合槽中。这样，啮合凸块与啮合槽之间的临近摩擦力则为上述的打滑设定值。

或者，啮合凸块设置在驱动齿轮1067的啮合端面，而啮合凹槽设置在动力输出轴1061的内端部。

为了增大打滑设定值，在啮合凸块的外周面与啮合凹槽的内侧壁之间设有摩擦层，摩擦层可以是弹性的，也可以是硬质的。

作为另一优选实施例，驱动齿轮1067具有朝向动力输出轴1061的内端部的啮合端面，啮合端面设置有第一啮合齿，动力输出轴1061的内端部设有第二啮合齿，第一啮合齿与第二啮合齿啮合，此时，打滑设定值可视第一啮合齿及第二啮合齿的倾斜度而定。

驱动齿轮1067具有与啮合端面相背离的抵接端面，抵接端面的下方设有弹性件1066，弹性件1066的下端固定，弹性件1066的上端抵接在驱动齿轮1067 的抵接端面。这样，当动力输出轴1061与驱动齿轮1067之间的扭转力大于打滑设定值时，动力输出轴1061挤压驱动齿轮1067朝下挤压弹性件1066，弹性件 1066被压缩，动力输出轴1061与驱动齿轮1067打滑，实现人工驱动转动面转动。

本实施例中，弹性件1066处于预压状态，这样，可以增大动力输出轴1061 与驱动齿轮1067之间的打滑设定值，或者，弹性件1066也可以是正常状态。弹性件1066可以是弹簧，也可以是其他受压变形且能复位的弹性体。

减速结构1068为多个嵌套啮合的减速齿轮1068，减速级数根据实际需求而定。电机1064呈卧式布置，其转动轴连接有直线齿轮，直线齿轮与减速齿轮1068 啮合，改变传动方向。

动力模块106包括外壳1063，上述的减速结构1068以及电机1064封设在外壳1063内部，动力输出轴1061的外端部穿过外壳1063，延伸至外壳1063的外部。在外壳1063中设置有中心轴，上述的驱动齿轮1067以及动力输出轴1061 套设在中心轴上，且与中心轴之间转动布置。

交互式魔方包括封装壳，上述的动力模块106置于封装壳内，且动力模块106 的动力输出轴1061的外端部延伸出封装壳的外部。为了便于装配等，封装壳包括上壳及下壳，上壳与下壳扣装，且上壳与下壳之间围合形成有封装腔，动力模块106置于封装腔内部。

本实施例中，中心块103包括连接板，动力输出轴1061的外端部与连接板的内端面固定连接，且连接板的外周朝外延伸，且相对于动力模块106弧形弯曲，形成外周弧形圈板1021，相邻的连接板的外周弧形圈板1021之间具有间隔区域，上述的角块101及棱块102活动嵌入在间隔区域中。

通过设置外周弧形圈板1021，有利于角块101以及棱块102的活动嵌入。

连接板的外端面设置有盖板槽，在盖板槽中填充有盖板1022，且盖板1022 封盖盖板槽，外周弧形圈板1021则偏离盖板槽，朝向动力模块106弯曲，从而，中心块103周边的棱块102及角块101保持平齐对接，也使得棱块102与角块101 的安装更为稳固。

本实施例中，魔方为三阶魔方，多个中心块103、多个角块101以及多个棱块102包围形成方形体，共有六个中心块103、八个角块101以及十二个棱块102，当然，动力模块106的数量与中心块103的数量为一致的，也是六个。

六个动力模块106的动力输出轴1061之间相互背离布置，且在空间呈立体十字架状布置，当然，正对不同阶数的魔方，中心块103、角块101以及棱块102 的数量则对应不同，动力模块106的数量也不同。

本实施例还提供了上述的交互式魔方的操控方法，控制板与遥控终端无线通讯，用户通过遥控终端发送操控指令给控制板，控制板根据操控指令控制动力模块106的动力输出轴1061带动转动面转动，并且，控制板反馈交互式魔方的实时状态及复原步骤至遥控终端。

控制板上设有无线通讯模块、主控芯片、陀螺仪、加速度计以及电机驱动芯片；魔方上电开机后，主控芯片根据陀螺仪及角度传感器的数值自动复原各个动力模块106至初始状态；无线通讯模块实时接收遥控终端的控制指令，主控芯片读取相关控制指令控制对应的动力模块106转动，同时，主控芯片也实时将魔方各个转动面的信息发送回遥控终端；通过陀螺仪和加速度计的数值，主控芯片可实时计算出魔方各个转动面对应遥控终端的方位，以避免遥控操作魔方翻面滚动后，引起的方位错乱问题；通过控制不同转动面的动力模块106带动对应转动面转动，可以使魔方复原或作出不同的动作组合，如滚动，行走等，形成一个机器人状态。

用户则可以通过遥控终端遥控转动魔方，且控制板将魔方的实时状态及复原步骤反馈至遥控终端，用户则可以实时看到魔方的状态，且根据复原步骤进行操作，便于初学者学习。

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

Claims (5)

1.交互式魔方，其特征在于，包括控制板、多个与控制板电性连接的动力模块、电源模块、多个中心块、多个棱块以及多个角块；所述电源模块与控制板电性连接；多个动力模块均设有动力输出轴，所述控制板控制所述动力模块的动力输出轴转动；所述动力输出轴具有朝外延伸的外端部，所述动力输出轴的外端部连接中心块；相邻的所述中心块之间设有活动的棱块及角块，多个所述中心块、多个棱块及多个角块围合形成多面体，所述多面体具有多个转动面，所述转动面具有所述中心块、角块以及棱块；当所述控制板控制动力模块的动力输出轴转动时，所述动力输出轴带动整个转动面转动；

所述棱块与角块之间具有磁吸结构；

所述多面体内设有与控制板电性连接的角度传感器，所述角度传感器的输出数值与所述中心块的转动角度同步变化；

所述动力模块包括电机以及驱动齿轮，所述电机与控制板电性连接，所述控制板控制电机驱动所述驱动齿轮转动；所述动力输出轴具有内端部，所述动力输出轴的内端部与驱动齿轮之间通过可相对互动的啮合结构连接，当所述动力输出轴与驱动齿轮之间的扭转力小于打滑设定值时，所述驱动齿轮与动力输出轴同步转动，当所述动力输出轴与驱动齿轮之间的扭转力大于打滑设定值时，所述动力输出轴相对于驱动齿轮打滑转动；

所述驱动齿轮具有朝向动力输出轴的内端部的啮合端面，所述啮合端面设置有第一啮合齿，所述动力输出轴的内端部设有第二啮合齿，所述第一啮合齿与第二啮合齿啮合；所述驱动齿轮具有与啮合端面相背离的抵接端面，所述抵接端面的下方设有弹性件，所述弹性件的下端固定，所述弹性件的上端抵接在所述驱动齿轮的抵接端面。

2.如权利要求1所述的交互式魔方，其特征在于，所述角度传感器固定在所述动力模块上。

3.如权利要求1所述的交互式魔方，其特征在于，所述电机具有转动轴，所述转动轴与驱动齿轮之间通过减速结构联动连接。

4.如权利要求1所述的交互式魔方，其特征在于，所述驱动齿轮具有朝向动力输出轴的内端部的啮合端面，所述啮合结构包括形成在所述啮合端面的啮合槽或啮合凸块以及设置在所述动力输出轴的内端部的啮合凸块或啮合槽。

5.如权利要求1至4任一项所述的交互式魔方的操控方法，其特征在于，所述控制板上设有无线通讯模块、主控芯片、陀螺仪、加速度计以及电机驱动芯片；所述交互式魔方上电开机后，所述主控芯片根据陀螺仪及角度传感器的数值自动复原各个所述动力模块至初始状态；所述无线通讯模块实时接收遥控终端的控制指令，所述主控芯片读取指令控制，控制对应的所述动力模块转动，且所述主控芯片实时将各个所述转动面的信息发送回遥控终端；通过陀螺仪和加速度计的数值，所述主控芯片实时计算出各个所述转动面对应遥控终端的方位。

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