CN209771348U - 一种平面结构的立体积木 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平面结构的立体积木，包括若干片状的基本构件，若干片状的基本构件包括正方形基本构件、正三角形基本构件、等腰直角三角形基本构件和长方形基本构件；每个基本构件的背面的每条边上间隔均匀地设置有至少三个榫，每相邻的两个榫之间形成卯，卯的宽度与所述榫的宽度相等；每个基本构件的正面的每条边上设置有一个圆形卯洞和一个圆形榫头；任意两个基本构件的长度相等的边通过分别设于其背面的卯榫结构连接；任意两个形状重合的基本构件通过分别设于其正面的卯榫结构连接。本实用新型的平面结构的立体积木，通过各基本构件的内接外连可以组成各种多面体单元，且基本构件采用注塑成型，极大地降低了生产成本。

Description

一种平面结构的立体积木

技术领域

本实用新型涉及一种平面结构的立体积木。

背景技术

1995年9月25日，申请人就向中国专利局提交了“磁魔方”的专利(ZL952 44756.8)申请。在专利申请文件中，阐述了一种特殊磁条的设计，将该磁条置放在立方体各个棱上，则立方体两个表面不管如何转动，均能够面面相吸，并且，两个立方体的棱与棱之间，颠来倒去也能相互吸引。在这个专利文件中，最早引入了本文述及的多面体的概念，即将磁条镶嵌在多面体基本构件的各棱上，通过全等面的面面相吸，组成丰富的立体几何积木。当时，该专利的批审出现了阻滞。直到1997 年，设计人带着已经做好的磁魔方，特别是用8个如图9.0棱长为a的立方体(每个立方体由5个多面体单元组成，8个立方体共有40个多面体单元)，扩展成棱长为2a的磁立方体去北京，在专利局有关人员面前亮相“磁魔方”专利述及的这两件物品实际存在之后，才当场被告知，专利证书会很快下达。这之后，无需任何修改文件或补正，1997年8月16日授予“磁魔方”专利权。

2013年前后，美国人实用新型的世界范围风靡的磁力片玩具，其结构原理仅仅是磁魔方结构原理的一个局限于平面的子集。2017年底，国内颇有名气的某玩具公司经理，看到本实用新型申请人22年前用作磁魔方验证实验的磁力片时，不无感慨地说：“原来磁力片的原创在中国”。磁魔方的立体构思比美国人磁力片平面构思早了近十年。

2013年2月4日，申请人又提出了“一种三维全向连结的几何积木(ZL 2013 20064255.4)”，及同年的12月20日再提出“一种可三维拼接的积木(ZL 2013 2 0850641.7)”前后两个专利申请。这两个实用新型专利阐述的主体都是如何构成多面体积木，只是在连结方式上作了改变而已。

三个专利申请都牵涉到了多面体，但是，没有一个推向市场。若以产业化作为目的，三个专利都失败了。其中最主要的一个原因是：多面体各单元的框架难以实现，或者成本高昂。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种平面结构的立体积木，通过各基本构件的内接外连可以组成各种多面体单元，且基本构件采用注塑成型，极大地降低了生产成本。

实现上述目的的技术方案是：一种平面结构的立体积木，包括若干片状的基本构件，所述若干片状的基本构件包括正方形基本构件、正三角形基本构件、等腰直角三角形基本构件和长方形基本构件；

所述正方形基本构件的边长等于a；所述正三角形基本构件的边长等于a或所述等腰直角三角形基本构件的腰长等于a；所述长方形基本构件的长边长等于所述长方形基本构件的短边长等于a；

每个所述基本构件的背面的每条边上间隔均匀地设置有至少两个榫，每条边上每相邻的两个榫之间形成卯，所述卯的宽度与所述榫的宽度相等；且所述基本构件的背面的每条边上的所有卯榫沿其中垂线对称；

每个所述基本构件的正面的每条边上设置有一个圆形卯洞和一个圆形榫头，每条边上的圆形卯洞和圆形榫头沿其中垂线对称；

任意两个基本构件的长度相等的边通过分别设于其背面的卯榫结构卡接在一起,且卡接后的卯榫结构沿相应边的中垂线对称；

任意两个形状重合的基本构件通过分别设于其正面的相配合的卯榫结构连接在一起；

三个所述腰长等于a的等腰直角三角形基本构件和一个所述边长等于的正三角形基本构件的背面上的卯榫结构内接后组成一个直角正三棱锥单元；

四个所述边长等于的正三角形基本构件的背面上的卯榫结构内接后组成一个正四面体单元；

六个所述边长等于a的正方形基本构件的背面上的卯榫结构内接后组成一个立方体单元；

一个所述长边长等于和短边长等于a的长方形基本构件、两个所述边长等于a的正方形基本构件以及两个所述腰长等于a的等腰直角三角形基本构件的背面上的卯榫结构内接后组成一个直角等腰正三棱柱单元；

三个所述边长等于a的正方形基本构件以及两个所述边长等于a的正三角形基本构件的背面上的卯榫结构连接后组成一个全等边正三棱柱单元；

所述直角正三棱锥单元、正四面体单元、立方体单元、直角等腰正三棱柱单元、正四面体单元、立方体单元、直角等腰正三棱柱单元和全等边正三棱柱单元中形状重合的基本构件通过分别设于其正面的相配合的卯榫结构连接在一起。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，所述基本构件采用注塑成型。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，构成所述直角正三棱锥单元的各基本构件中，所述等腰直角三角形基本构件的直角边上的榫的外侧面与等腰直角三角形基本构件之间的夹角为90°；所述等腰直角三角形基本构件的斜边上的榫的外侧面与等腰直角三角形基本构件之间的夹角为54°；所述正三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与正三角形基本构件之间的夹角为54°；

所述三个等腰直角三角形基本构件一一对应地为所述直角正三棱锥单元的三个直角面，相邻的两个直角边通过分别设于其背面的卯榫结构连接；所述正三角形基本构件为所述直角正三棱锥单元的底面，每个所述等腰直角三角形基本构件的斜边与相应的所述正三角形基本构件的边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，构成所述正四面体单元的各基本构件中，所述正三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与正三角形基本构件之间的夹角为70°，四个所述正三角形基本构件一一对应地组成所述正四面体单元的四个面，相邻的两条边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，构成所述立方体单元的各基本构件中，所述正方形基本构件的每条边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为 90°；六个所述正方形基本构件一一对应地为所述立方体单元的六个面，相邻的两条边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，构成所述直角等腰正三棱柱单元的各基本构件中，所述长方形基本构件的长边上的榫的外侧面与所述长方形基本构件之间的夹角为90°，短边上的榫的外侧面与所述长方形基本构件之间的夹角为45°；

所述正方形基本构件的一条边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为45°，其余的边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为90°；

所述等腰直角三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与所述等腰直角三角形基本构件之间的夹角为90°。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，所述两个直角等腰正三棱柱单元的长方形基本构件的正面上的卯榫结构连接形成一个立方体单元。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，构成所述等边正三棱柱单元的各基本构件中，所述正三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与所述正三角形基本构件之间的夹角为90°；

所述正方形基本构件与所述正三角形基本构件相连的边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为90°，其余的边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为60°。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，六个所述全等边正三棱柱单元的正方形基本构件的正面上的卯榫结构连接形成一个上下平面为正六边形的正六棱柱。

上述的一种平面结构的立体积木，其中，每个所述基本构件的正面上的圆形卯洞和圆形榫头一一对应地用磁极相反的磁片代替。

本实用新型的平面结构的立体积木，通过各基本构件的内接外连可以组成各种多面体单元，且基本构件采用注塑成型，极大地降低了生产成本。

附图说明

图1为构成正四面体及直角正三棱锥的等腰直角三角形基本构件的背面图；

图1a为图1的U-V方向的剖面图；

图1b为图1的R-Q方向的剖面图(倾斜角度54°)；

图1c为图1的R-Q方向的剖面图(倾斜角度90°)；

图1d为构成正四面体及直角正三棱锥的等腰直角三角形基本构件的正面图；

图1e为图1d中G-H方向的剖面图；

图2为构成正四面体及直角正三棱锥的正三角形基本构件的背面图；

图2a为图2中J-K方向的剖面图(倾斜角度70°)；

图2b为图2中J-K方向的剖面图(倾斜角度54°)；

图2c为构成正四面体及直角正三棱锥的正三角形基本构件的背面图；

图3为构成立方体的正方形基本构件的背面图；

图3a为图3总U-V方向的剖面图(倾斜角度90°)；

图3b为图3总U＇-V＇方向的剖面图(倾斜角度45°)；

图4为构成立方体的正方形基本构件的正面图；

图5为构成直角等腰正三棱柱的长方形基本构件的背面图；

图5a为图5中J-K方向的剖面图；

图5b为图5中U-V方向的剖面图；

图6为构成直角等腰正三棱柱的长方形基本构件的正面图；

图7为构成全等边正三棱柱的正方形基本构件的背面图；

图7a为图7中U-V方向的剖面图；

图7b为图7中J-K方向的剖面图；

图7c为构成全等边正三棱柱的正方形基本构件的正面图；

图8为构成全等边正三棱柱的正三角形基本构件的背面图；

图8a为图8中U-V方向的剖面图；

图8b为构成全等边正三棱柱的正三角形基本构件的正面图；

图9.0为由基本构件组成的立方体的四剖面图；

图9.1为由基本构件组成的立方体的两剖面图；

图9.2为由基本构件组成的直角正三棱锥的结构示意图；

图9.3为由基本构件组成的正四面体的结构示意图；

图9.4为由基本构件组成的直角等腰正三棱柱的结构示意图；

图9.5为由基本构件组成的全等边正三棱柱的结构示意图；

图10为等腰直角三角形基本构件的背面图(每条边的背面具有4个榫头)；

图10a为图10的U-V方向的剖面图；

图10b为图10的R-Q方向的剖面图(倾斜角度54°)；

图10c为图10的R-Q方向的剖面图(倾斜角度90°)；

图10d为边长为的正三角形基本构件的背面图(每条边的背面具有4个榫头)；

图10e为图10d中J-K方向的剖面图(倾斜角度54°)；

图10f为图10d中J-K方向的剖面图(倾斜角度70°)；

图11为等腰直角三角形基本构件的背面图(每条边的背面具有3个榫头)；

图11a为图11的U-V方向的剖面图；

图11b为图11的R-Q方向的剖面图(倾斜角度54°)；

图11c为图11的R-Q方向的剖面图(倾斜角度90°)；

图11d为边长为的正三角形基本构件的背面图(每条边的背面具有3个榫头)；

图11e为图11d中J-K方向的剖面图(倾斜角度54°)；

图11f为图11d中J-K方向的剖面图(倾斜角度70°)；

图12为等腰直角三角形基本构件的背面图(每条边的背面具有4个榫头)；

图12a为图12的U-V方向的剖面图；

图12b为图12的R-Q方向的剖面图(倾斜角度54°)；

图12c为图12的R-Q方向的剖面图(倾斜角度90°)；

图12d为边长为的正三角形基本构件的背面图(每条边的背面具有4个榫头)；

图12e为图12d中J-K方向的剖面图(倾斜角度54°)；

图12f为图12d中J-K方向的剖面图(倾斜角度70°)；

图13为等腰直角三角形基本构件的正面图(磁片外连)；

图13a为图13中H-G方向的剖面图；

图13b为图13中U-V方向的剖面图；

图13c为边长为的正三角形基本构件的正面图(磁片外连)；

图13d为图13c中H-G方向的剖面图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1至图8b，本实用新型的实施例，一种平面结构的立体积木，包括若干片状的基本构件，若干片状的基本构件包括正方形基本构件1(见图3、图4和图 7)、正三角形基本构件2(图2和图8)、等腰直角三角形基本构件3(图1至图1e) 和长方形基本构件4(图5和图6)。

正方形基本构件1的边长等于a；正三角形基本构件2的边长等于a或等腰直角三角形基本构件3的腰长等于a；长方形基本构件4的长边长等于长方形基本构件4的短边长等于a。

每个基本构件的背面的每条边上间隔均匀地设置有至少两个榫，每条边上每相邻的两个榫之间形成卯，卯的宽度与所述榫的宽度相等；且所述基本构件的背面的每条边上的所有卯榫沿其中垂线对称，只是与中垂线一侧的榫对称是夹在另一侧的两个榫之间形成的卯，这样长度相等的两边对接时完成卯榫卡位，从而完成内接。每个基本构件的正面的每条边上设置有一个圆形卯洞和一个圆形榫头，圆形卯洞的深度小于基本构件的厚度，圆形榫头的高度小于圆形卯洞的深度，每条边上的圆形卯洞和圆形榫头沿其中垂线对称；任意两个基本构件的长度相等的边通过分别设于其背面的卯榫结构卡接在一起(定义这种连接为内接),且卡接后的卯榫结构沿相应边的中垂线对称；任意两个形状重合的基本构件通过分别设于其正面的相配合的卯榫结构连接在一起(定义这种连接为外连)；

基本构件采用注塑成型。

本实用新型的平面结构的立体积木利用塑料的可塑性，注塑成正方形、正三角形、等腰直角三角形及长方形等各种片状的基本构件。选择其中的若干片基本构件，通过各基本构件背面的卯榫结构，即内接功能，可构成立方体、柱体、正四面体、直角正三棱锥等各种多面体单元。这些多面体单元又可通过正面的卯榫结构即外连功能，外连成各种多面体及物体。

在以下的叙述中，将注塑成正方形、正三角形、等腰直角三角形及长方形等塑料片简称为基本构件；而将基本构件内接成立方体、柱体、正四面体、直角正三棱锥等的称为多面体单元。将任意两个基本构件的长度相等的边通过分别设于其背面的卯榫结构卡接在一起定义为内接；将任意两个形状重合的基本构件通过分别设于其正面的相配合的卯榫结构连接在一起定义为外连。

请参阅图1至图2c以及图9.2，三个腰长等于a的等腰直角三角形基本构件3 和一个边长等于的正三角形基本构件2的背面上的卯榫结构内接后组成一个直角正三棱锥单元。

请参阅图1，腰长等于a的等腰直角三角形基本构件3，线段m、n、p分别是线段AB、BC、CA的中垂线。以各中垂线作为参照，在直角边安排了7个榫31，7个榫之间形成6个虚拟卯32，卯榫等宽，宽度都为d；在斜边安排了9个榫31，中间由 8个虚拟的卯32隔开，卯榫等宽，宽度都为d。

请参阅图2，是一个边长等于的正三角形基本构件2。线段x、y、z分别是线段DE、EF、FD的中垂线。以各中垂线作为参照，各边均安排了9个榫21，中间由8个虚拟的卯22隔开，卯榫等宽，宽度都为d。

若以顺时针方向观察，则所有中垂线的下侧均贴线安排了一个榫头，其它的榫头则等距排列在这个榫头的两边。这种结构，在完全同样的两片等腰直角三角形及等边三角形各自对合、或等腰直角三角形斜边与等边三角形任意一边对合时，则卯榫将两片相连。

例如：在组成直角正三棱锥单元(图9.2)时，等腰直角三角形基本构件3的直角边上的榫的外侧面与等腰直角三角形基本构件之间的夹角为90°(图1a)；等腰直角三角形基本构件3的斜边上的榫的外侧面与等腰直角三角形基本构件之间的夹角为54°(图1b)；正三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与正三角形基本构件之间的夹角为54°(图2b)；

三个等腰直角三角形基本构件3一一对应地为直角正三棱锥单元10的三个直角面，相邻的两个直角边通过分别设于其背面的卯榫结构连接；正三角形基本构件2 为直角正三棱锥单元10的底面，每个等腰直角三角形基本构件3的斜边与相应的正三角形基本构件2的边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

再参阅图9.3，四个所边长等于的正三角形基本构件2的背面上的卯榫结构内接后组成一个正四面体单元20；正三角形基本构件2的每条边上的榫的外侧面与正三角形基本构件之间的夹角为70°(图2a)，四个正三角形基本构件2一一对应地组成正四面体单元20的四个面，相邻的两条边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

图1a、图1b、图1c、图2a和图2b中的各种剖面图，用以确定两面相连的两面角。三个等腰直角三角形基本构件3的各直角边相连，两面角均是90°；再盖上一个正三角形基本构件2，则正三角形基本构件与各个等腰直角三角形基本构件的相合面的两面角均为54°。因此，这四块基本构件可以内接成如图9.2所示的直角正三棱锥单元。

当四片正三角形基本构件2对合内接时，相邻两片的两面角是70°，可构成如图9.3的正四面体单元。

图1d是构成正四面体及直角正三棱锥的等腰直角三角形基本构件的正面图，基本构件厚度在1.5mm左右。等腰直角三角形基本构件3的正面上设有关于斜边中垂线对称分布的六个连接点，六个连接点沿周边按卯榫(圆形卯洞33和圆形榫头 34)顺序排列，且邻近斜边的连接点到斜边的距离与邻近直角边的连接点到直角边的距离相等，都为K。各连接点到相应边的中垂线的距离都为L。图2c是构成正四面体及直角正三棱锥的正三角形基本构件的正面图，正三角形基本构件的正面上设有关于中垂线对称分布的六个连接点，六个连接点沿周边按卯榫(圆形卯洞23和圆形榫头24)顺序排列，且均与邻边等距，都为K，各连接点到相应边的中垂线的距离都为L。

再请参阅图1d，在距离三条中垂线距离L，距离等腰直角三角形各边距离K处，分别设置了两圆，空圆为圆形卯洞，阴影圆为圆形榫头。图1e为等腰直角三角形基本构件的G-H方向的剖面图(之后的圆形卯洞和圆形榫头与该图相同的，不一一画出)。圆形卯洞的深度小于基本构件的厚度，圆形榫头的高度略小于圆形卯洞的深度。对于如前所述的通过各基本构件的内接构成的直角正三棱锥单元10及正四面体单元20，现在可以用这些成形的多面体单元构成一个立方体了。这个立方体可由一个正四面体单元20和四个直角正三棱锥单元10组成。在正四面体单元(每面都是边长为的等边三角形)的每一表面，将直角正三棱锥单元的底面(是一个与正四面体各面全等的等边三角形)对上，则相接的两面的正面的卯榫结构(圆形卯洞和圆形榫头)将两个四面体外连在一起。再进行其余三个直角正三棱锥的外连，就可以构成如图9.0的立方体了。而这个立方体外表面的圆形卯洞和圆形榫头(卯榫结构)，它本身又是一个链接单元。

图9.0中的立方体的组成比较复杂，可以这样认为，对这个立方体进行了四次剖面才得到5个特殊的多面体单元，这是一个比较难懂的立体几何题。由8个这样的边长为a的小立方体可构成边长为2a大立方体，在8个单元的大立方体中，涵盖了相关线、剖面、正8面体这些难以理解的立体几何概念，甚至把一个很难解的立体几何题直观地呈现在眼前，从中得到更便捷的求解方法。

这里再提供构成立方体的简单做法。六个边长等于a的正方形基本构件1的背面上的卯榫结构内接后组成一个立方体单元；正方形基本构件1的每条边上的榫的外侧面与正方形基本构件之间的夹角为90°(图3a)；六个正方形基本构件1一一对应地为立方体单元的六个面，相邻的两条边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

请参阅图3及图4，正方形基本构件1的正面及背面结构图。正方形基本构件 1的背面及正面的卯榫结构跟前面等腰直角三角形基本构件和正三角形基本构件类似，线段m、n、p、q分别是线段AB、BC、CD、DA的中垂线。以各中垂线作为参照，在各边安排了7个榫，7个榫之间形成6个虚拟卯，卯榫等宽，宽度都为d。六个这样的正方形基本构件1的通过内接便可构成边长为a的立方体单元，每一个立方体单元通过六个表面的卯榫结构又可以外连同样的立方体。即通过六个正方形基本构件1的内接可以构成一个具有外连功能的立方体单元。

正方形基本构件1的正面上设有关于对角线对称分布的八个连接点，八个连接点沿周边按卯榫顺序(圆形卯洞和圆形榫头)排列，且均与邻边等距，都为K；各连接点到相应中垂线的距离都为L。

如同点像素是构成液晶显示屏的基本单元，因此，可以这样认为立方体单元则是组成三维立体的基本单元。

请参阅图5、图5a、图5b、图6和图9.4，一个所长边长等于和短边长等于a的长方形基本构件4、两个边长等于a的正方形基本构件1以及两个腰长等于a 的等腰直角三角形基本构件3的背面上的卯榫结构内接后组成一个直角等腰正三棱柱单元30。

长方形基本构件4的背面及正面的卯榫结构跟前面正方形基本构件1类似，线段m、n、p、q分别是线段AB、BC、CD、DA的中垂线。以各中垂线作为参照，在各边安排了7个榫，7个榫之间形成6个虚拟卯，卯榫等宽，宽度都为d(见图5)，长方形基本构件4的正面上设有八个连接点，八个连接点沿周边按卯榫顺序(圆形卯洞和圆形榫头)排列，且均与邻边等距，都为K；各连接点到相应中垂线的距离都为L。

长方形基本构件4的长边上的榫的外侧面与长方形基本构件之间的夹角为90°(图5a)，短边上的榫的外侧面与所述长方形基本构件之间的夹角为45°(图5b)；正方形基本构件1的一条边上的榫的外侧面与正方形基本构件之间的夹角为45° (图3b)，其余的边上的榫的外侧面与正方形基本构件之间的夹角为90°(图3a)；等腰直角三角形基本构件3的每条边上的榫的外侧面与等腰直角三角形基本构件之间的夹角为90°(图1c)。

直角等腰正三棱柱单元30由五个结构面组成：两个图3所示的边长等于a的正方形基本构件1；两个图1所示的腰长等于a的等腰直角三角形基本构件3；还有就是图5所示的长方形基本构件4形成的三棱柱斜面了。内接方法是：

S1，先将两个正方形基本构件1的垂直内接，有45°倾角的榫头与内接边相对；

S2，将等腰直角三角形基本构件3作上、下内接；

S3，再将长方形基本构件4作斜面内接。

如此，就可以构成如图9.4所示的直角等腰正三棱柱单元30了。每个直角等腰正三棱柱单元都具备5个面的外连功能。最简单的是，用两个这样的直角等腰正三棱柱单元30的长方形基本构件的正面上的卯榫结构连接(外连)形成一个立方体单元(见图9.1)。

在构建立体积木时，采用直角等腰正三棱柱单元30，可以作为线条和曲面的过渡，使之流畅。更有意思的是，直角等腰正三棱柱单元30是印度魔棍的基本组成单元，直角等腰正三棱柱单元30的5个面的外连功能，可使印度魔棍下的各种造型更自由地完成，且造型更加丰富。

请参阅图7至图8b以及图9.5，三个边长等于a的正方形基本构件1以及两个边长等于a的正三角形基本构件2的背面上的卯榫结构连接后组成一个全等边正三棱柱单元40(见图9.5)；正三角形基本构件2的每条边上的榫的外侧面与正三角形基本构件之间的夹角为90°(见图8a)；正方形基本构件1与正三角形基本构件2 相连的边上的榫的外侧面与正方形基本构件之间的夹角为90°(图7a)，其余的边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为60°(见图7b)。

通过三个边长等于a的正方形基本构件1以及两个边长等于a的正三角形基本构件2可构成如图9.5所示的全等边正三棱柱单元40。六个这样的全等边正三棱柱单元40可构成上下平面为正六边形的正六棱柱，即六个全等边正三棱柱单元40的正方形基本构件1的正面上的卯榫结构(圆形卯洞和圆形榫头)连接形成一个上下平面为正六边形的正六棱柱。

图1至图8b中，各基本构件的每条边的背面使用了多个卯榫，其目的是使基本构件边对边的内接紧密牢靠，其组成的多面体单元在连结和被连结其他多面体单元时，不致插拔散架。正面内接采用多个卯榫不是必须的。

实际上，卯榫在塑料片上的具体位置及卯榫的数量并不是本实用新型申请的关健点，每条边的背面可以采用4个榫头(见图10a至图10f)，三个榫头也可以(见图11至图11f)，极限的时候2两个榫头也可以(见图12至图12f)。这里，对卯榫的角度是有限制的。由于相邻两片的内接是成一定的两面角相连的，最大的两面角为90°，因此，封闭状的垂直卯榫不能将两面对合。这里采用的是垂直于边线全开口的卯榫结构，如此两面内接时，卯榫相互插入卡位，完成内接相连。如果采用最少的三个榫头，则必须在每条中垂线对称的两边，按方向一边设置两个开口榫头，两个榫头中间部分构成一个虚拟卯，该虚拟卯与榫头等宽。而与中垂线对称的另一头设置一个等宽的榫头。当两片对合时，单榫头的一端插入两榫头构成的虚拟卯中，从而完成内接。

请参阅图10至图10f，提供了背面每边4个卯榫的结构图。每边采用三根垂线定位，请参考图10中的BA边，在中垂线m等距L1的两端，分别有定位垂线 m1及m2。以顺时针方向定位，把临近m2的两个卯榫称为下侧，而把临近m1的两个卯榫称为上侧。下侧的两个榫构成3d厚度，两个榫之间形成一个卯，榫和卯的宽度均为d。上面一个榫的上边沿与垂线m2重合，下面一个榫的上边沿距垂线m2 的距离是2d。上侧的两个榫构成3d厚度，两个榫之间形成一个卯，榫和卯的宽度均为d。下面一个榫的上边沿与垂线m1重合，而上面一个榫的下边沿距垂线m1的距离是d。AC边及CB边卯榫的布局结构同BA边。当如图10中的两块等腰直角三角形基本构件对接时，有意义的直角边的对接是：一块等腰直角三角形基本构件的AB边对一块等腰直角三角形基本构件的BC边(对三角形而言同一边对接无意义)，两对卯榫互相卡位内接，且卡位内接后的卯榫结构沿中垂线m对称。

请参阅图11至图11f，提供了背面每边3个卯榫的结构图，每边采用三根垂线定位，请参考图11中的BA边，在中垂线m等距L1的两端，分别有定位垂线 m1及m2。以顺时针方向定位，把临近m2的一个卯榫称为下侧，而把临近m1的两个卯榫称为上侧。下侧只放置了一个榫，厚度为d，该榫的上边沿与垂线m2重合。图11中上侧的两个卯榫的布局结构与图10中侧的两个卯榫完全相同，不再赘述。当如图11中的两块等腰直角三角形对接时，有意义的直角边的对接是：一块等腰直角三角形基本构件的AB边对一块等腰直角三角形基本构件的BC边(对三角形而言同一边对接无意义)，则两榫形成的卯与一榫互相卡位内接，且卡位内接后的卯榫结构沿中垂线m对称。

图10及图11每边的四榫或三榫结构，简化了多榫结构，且不失内接相对紧密。

请参阅图12至图12f，是内接结构最简化的情况，即每边只用了两个榫，该图揭示了本实用新型的最本质的特征。无论是等腰直角三角形、正三边形、正方形或是长方形，无一例外的都在各边上引进中垂线作为参照物。这是基于这样一个特征，形状全等的两个面，背面与背面或者正面与正面对合时，就某一边而言，两边的对合是倒位的，即相对于两边的中垂线，一块基本构件的AOB边对另一块基本构件的COB边(对三角形而言AOB对BOA无意义)，为了说明起见，这里的O表示中垂线的位置，也就是中垂线m与AB边的交叉点或中垂线n与CB边的交叉点。全等面在对合时，各边关于中垂线倒位是本实用新型平面基本构件能够内接外连的最本质特征。这个时候再来审视关于中垂线榫的布局就容易理解了。也就是说，不论是直接采用磁性材料的N、S极结构，还是机械方式的卯榫结构(行文把这两种结构统称为阴、阳结构)，这种关于中垂线对称的阴、阳布局，从正面顺时针来看，三角形的正面是：阴、阳、阴、阳、阴、阳，而内接或外连的另一面则是：阳、阴、阳、阴、阳、阴，如此，两面才能实现内接或外连。其他多边形以此类推。

用两个榫，极大地简化了塑料模具的开制，且榫在垂线方向的长度可适当大些，用以增加榫之间的结合面。采用这种结构方式，只要塑料片厚一些，内接还是很牢靠的。

平面结构立体积木的问世将在两个方面体现它的优势。首先，它是积木类玩具的一种创新和变革，给积木类玩具提供了一个更广阔的空间。平面结构的三维积木并不是通常意义的普通积木，仅仅搭点平面的、一碰就倒的物体；它除了可以搭成连结为一个整体的静态物体之外，还可以形象地搭成某个动物，甚至细化到眼睛。有了平面结构的三维积木，各种实物的空间造型及空间概念不再深不可及。其次，平面结构的三维积木可成为学习立体几何的教具。

本实用新型阐述的组成立体积木的所有多面体单元，都是通过注塑而成的片状的基本构件内接完成的。这是限于塑料加工的无奈之举。如果工艺许可，大可不必将塑料片内接成组成多面体单元，用吹塑机将所有多面体单元吹出来即可。

本实用新型将片状的基本构件或多面体单元中形状重合的两面通过文件中述及的卯榫结构“内接”、“外连”在一起，组成立体积木的最基本的5个多面体单元：即正方体单元(见图9.1)、直角正三棱锥单元10(见图9.2)、正四面体单元20(见图9.3)、直角等腰正三棱柱单元30(见图9.4)以及全等边正三棱柱单元40(见图 9.5)。

这一构思极其简单，但非一日之功。背景技术中的三个专利申请都牵涉到了多面体，但是，没有一个推向市场。若以产业化作为目的，背景技术中的三个专利都失败了。其中最主要的一个原因是：多面体基本构件的框架难以实现，或者成本高昂。本实用新型有效地回避了这两个问题。首先，采用容易生产的平面注塑方式，将不同形状的基本构件生产出来，再通过这些基本构件的内接功能通过插接组成多面体单元。目前，采用吹塑工艺吹出这些多面体单元是很难的。另一个重要原因是：利用在注塑过程中极易形成的平面(正面)卯榫结构，实现外连，并极大的降低成本。

本实用新型在“内接”“外连”两个方面进行了阐述，其用意非常清楚，就是把一个有意思的玩具通过简单生产方式，并且受众可以接受的价格推向市场。

这一构思是无奈之举。它没有达到“磁魔方”那种无机械连结的完美程度。在本文件中，不管是“内接”还是“外连”，它都是磁体N、S极的物理拓扑。一旦本实用新型被市场接受，图13所示的用磁片进行隐形外连的方式也将推向市场。

请参阅图13至图13d，每个基本构件的正面上的圆形卯洞和圆形榫头一一对应地用磁极相反的磁片代替。图1d有凸出榫头的是机械方式的卯榫结构图。图13的结构图与图1d相仿，从结构上均改成凹槽形的卯型结构。图13a的H-G剖面是分开的长方形卯洞5，而图13b的U-V剖面是两个连在一起的长方形卯洞5。这里图纸有点相连，但不必连在一起，完全如图1d的圆形卯洞也可。卯洞5的长、宽、高分别是L、K、W，所有的卯洞5大小全部一致。若直接用图1d的话，那就是圆的直径与厚度了，大小也全部一致。之所以采用同样的尺寸，仅仅是为了设计、加工及安装方便。在安装的时候，要注意磁片的磁力线方向及N、S极。磁力线的方向与塑料片垂直，阴影面N极朝上的话，则非阴影面必须S极朝上，反之也可。这样，磁片嵌入在卯洞5中与基本构件的正面齐平，平面没有凸出的榫头，借助磁性材料的特性，各全等面均可无形连结，因此，外观平滑，操作起来也更为方便。当然，具有平面连结性能的粘贴材料也可以替代磁片的功能。

不管是用机械方式的卯榫结构，还是用磁片等方式的隐形卯榫结构，目前都需使用内接的方式，将各基本构件连接成多面体单元。

综上所述，本实用新型的平面结构的立体积木，通过各基本构件的内接外连可以组成各种多面体单元，且基本构件采用注塑成型，极大地降低了生产成本。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种平面结构的立体积木，其特征在于，包括若干片状的基本构件，所述若干片状的基本构件包括正方形基本构件、正三角形基本构件、等腰直角三角形基本构件和长方形基本构件；

所述正方形基本构件的边长等于a；所述正三角形基本构件的边长等于a或所述等腰直角三角形基本构件的腰长等于a；所述长方形基本构件的长边长等于所述长方形基本构件的短边长等于a；

每个所述基本构件的背面的每条边上间隔均匀地设置有至少两个榫，每条边上每相邻的两个榫之间形成卯，所述卯的宽度与所述榫的宽度相等；且所述基本构件的背面的每条边上的所有卯榫沿其中垂线对称；

每个所述基本构件的正面的每条边上设置有一个圆形卯洞和一个圆形榫头，每条边上的圆形卯洞和圆形榫头沿其中垂线对称；

任意两个基本构件的长度相等的边通过分别设于其背面的卯榫结构卡接在一起,且卡接后的卯榫结构沿相应边的中垂线对称；

任意两个形状重合的基本构件通过分别设于其正面的相配合的卯榫结构连接在一起；

三个所述腰长等于a的等腰直角三角形基本构件和一个所述边长等于的正三角形基本构件的背面上的卯榫结构内接后组成一个直角正三棱锥单元；

四个所述边长等于的正三角形基本构件的背面上的卯榫结构内接后组成一个正四面体单元；

六个所述边长等于a的正方形基本构件的背面上的卯榫结构内接后组成一个立方体单元；

一个所述长边长等于和短边长等于a的长方形基本构件、两个所述边长等于a的正方形基本构件以及两个所述腰长等于a的等腰直角三角形基本构件的背面上的卯榫结构内接后组成一个直角等腰正三棱柱单元；

三个所述边长等于a的正方形基本构件以及两个所述边长等于a的正三角形基本构件的背面上的卯榫结构连接后组成一个全等边正三棱柱单元；

所述直角正三棱锥单元、正四面体单元、立方体单元、直角等腰正三棱柱单元、正四面体单元、立方体单元、直角等腰正三棱柱单元和全等边正三棱柱单元中形状重合的基本构件通过分别设于其正面的相配合的卯榫结构连接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，所述基本构件采用注塑成型。

3.根据权利要求1所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，构成所述直角正三棱锥单元的各基本构件中，所述等腰直角三角形基本构件的直角边上的榫的外侧面与等腰直角三角形基本构件之间的夹角为90°；所述等腰直角三角形基本构件的斜边上的榫的外侧面与等腰直角三角形基本构件之间的夹角为54°；所述正三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与正三角形基本构件之间的夹角为54°；

所述三个等腰直角三角形基本构件一一对应地为所述直角正三棱锥单元的三个直角面，相邻的两个直角边通过分别设于其背面的卯榫结构连接；所述正三角形基本构件为所述直角正三棱锥单元的底面，每个所述等腰直角三角形基本构件的斜边与相应的所述正三角形基本构件的边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

4.根据权利要求1所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，构成所述正四面体单元的各基本构件中，所述正三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与正三角形基本构件之间的夹角为70°，四个所述正三角形基本构件一一对应地组成所述正四面体单元的四个面，相邻的两条边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

5.根据权利要求1所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，构成所述立方体单元的各基本构件中，所述正方形基本构件的每条边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为90°；六个所述正方形基本构件一一对应地为所述立方体单元的六个面，相邻的两条边通过分别设于其背面的卯榫结构连接。

6.根据权利要求1所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，构成所述直角等腰正三棱柱单元的各基本构件中，所述长方形基本构件的长边上的榫的外侧面与所述长方形基本构件之间的夹角为90°，短边上的榫的外侧面与所述长方形基本构件之间的夹角为45°；

所述正方形基本构件的一条边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为45°，其余的边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为90°；

所述等腰直角三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与所述等腰直角三角形基本构件之间的夹角为90°。

7.根据权利要求6所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，两个所述直角等腰正三棱柱单元的长方形基本构件的正面上的卯榫结构连接形成一个立方体单元。

8.根据权利要求1所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，构成所述等边正三棱柱单元的各基本构件中，所述正三角形基本构件的每条边上的榫的外侧面与所述正三角形基本构件之间的夹角为90°；

所述正方形基本构件与所述正三角形基本构件相连的边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为90°，其余的边上的榫的外侧面与所述正方形基本构件之间的夹角为60°。

9.根据权利要求8所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，六个所述全等边正三棱柱单元的正方形基本构件的正面上的卯榫结构连接形成一个上下平面为正六边形的正六棱柱。

10.根据权利要求1所述的一种平面结构的立体积木，其特征在于，每个所述基本构件的正面上的圆形卯洞和圆形榫头一一对应地用磁极相反的磁片代替。