KR101970372B1 - 사용자-정의 완구 구성 요소를 설계하고 제조하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

각각의 사전-제작된 완구 구성 요소가 사전-제작된 완구 구성 요소를 완구 구성 시스템의 하나 이상의 다른 사전-제작된 완구 구성 요소와 결합하기 위한 다수의 커플링 요소를 포함하는, 상기 완구 구성 시스템의 사전-제작된 완구 구성 요소에 연결가능한 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 컴퓨터-구현 방법으로서, 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소의 배치를 위한 하나 이상의 위치를 결정하는 단계; 사용자-정의 형상을 나타내는 사용자에 의한 입력에 응하여, 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 단계 - 사용자-정의 구성 요소는 상기 결정된 하나 이상의 위치에 상기 하나 이상의 커플링 요소를 포함함 - ; 상기 사용자-정의 구성 요소의 자동 제조를 위해 디지털 표현을 제공하는 단계를 포함하는 방법.

Description

사용자-정의 완구 구성 요소를 설계하고 제조하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DESIGNING AND PRODUCING A USER-DEFINED TOY CONSTRUCTION ELEMENT}

본 발명은 각각의 사전-제작된 완구 구성 요소가 사전-제작된 완구 구성 요소를 완구 구성 시스템의 하나 이상의 다른 사전-제작된 완구 구성 요소와 결합하기 위한 다수의 커플링 요소를 포함하는, 상기 완구 구성 시스템의 사전-제작된 완구 구성 요소에 연결가능한 사용자-정의 완구 구성 요소의 설계 및 제조에 관한 것이다.

물리적 구성 완구 세트의 다양한 유형의 모델링 개념이 알려져 있다. 특히, 모듈식 또는 반-모듈식 개념을 이용한 개념이 매우 대중적이다. 전형적으로, 이들 개념은 어떤 사전결정된 방식으로 서로 상호 연결될 수 있는 일단의 사전-제작된 완구 구성 요소를 제공한다. 이를 위해, 각각의 완구 구성 요소는 완구 구성 요소를 다른 그러한 완구 구성 요소와 상호 연결하기 위한 하나 이상의 커플링 요소를 포함한다. 완구 구성 요소의 그러한 시스템의 예는 명칭 레고(LEGO)로 입수가능한 플라스틱 완구 구성 요소를 포함한다.

큰 유연성을 제공하긴 하지만, 그러한 모델링 시스템은 사전-제작된 완구 구성 요소로 제한된다. 따라서, 사용자가 완구 구성 시스템의 사전-제작된 완구 구성 요소와 상호 연결될 수 있는 그 자신의 사용자-정의 구성 요소를 설계하고 제작하여, 완구 구성 시스템의 사용자가 훨씬 더 다양한 구성 모델을 구축하도록 허용하는 것이 바람직할 것이다.

흔히 3D 인쇄로 불리우는 제조 공정이 알려져 있다. 용어 3D 인쇄는 일반적으로 재료의 연속적인 층을 적층함으로써 3차원 물체가 생성되는 적층(additive) 제작 기술을 지칭한다. 3D 인쇄 공정은 일반적으로 재료에 의해 충전될 부피의 3D 컴퓨터 파일 또는 다른 디지털 표현에 기초한다.

그러한 3D 인쇄 공정을 수행하기 위한 장치가 흔히 3D 프린터로 알려져 있다. 3D 프린터는 일반적으로 다른 적층 제작 기술보다 더욱 빠르고 가격이 더욱 알맞으며 사용하기 더욱 쉽다. 최근에, 3D 프린터는 제품 개발자에게 상이한 기계적 및 물리적 특성을 갖는 몇 가지 재료로 제조되는 부품과 조립체를 단일 구축 공정으로 인쇄하는 능력을 제공하였다. 제품 프로토타입의 역할을 할 수 있는 모델을 생성하기 위해 고급 3D 인쇄 기술이 사용된다. 전문적인 제품 개발에 사용되는 3D 프린터는 고급이고 고가인 반면, 최근에 개인용으로도 적합한 보다 작고 보다 가격이 알맞은 3D 프린터가 개발되었다.

본 명세서의 목적을 위해, 용어 자동 제조는 3D 인쇄와 물체의 디지털 컴퓨터-생성 표현에 기초하여 3D 물체의 자동 제조를 허용하는 다른 제조 기술을 포함하도록 의도된다. 용어 자동 제조 공정은 적어도 부분적으로 자동화된 방식으로 장치에 의해 수행되는 제조 공정을 지칭하도록 의도되지만; 임의의 그러한 공정이 사용자에 의해 수행될 하나 이상의 수동 단계, 예컨대 장치의 수동 제어, 세정, 폴리싱 등과 같은 마무리 단계를 포함할 수 있는 것이 인식될 것이다.

일반적으로 맞춤형 완구 구조물을 구성하기 위해 완구 구성 시스템의 기존 부품과 함께 사용될 수 있는 맞춤형 아이템을 설계하고 제조하기 위한 도구를 제공하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

그러한 완구 구성 시스템의 사용자는 임의의 연령 및 교육 수준을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 방법 및 시스템이 사용자의 교육 또는 설계자 숙련도에 특별한 요건을 부과하지 않는 것이 바람직하다.

또한 일반적으로 그러한 방법 및 시스템이 완구 구성 시스템의 통상의 사용자에게 가격이 알맞고, 그것이 교육적인, 고무적인 그리고/또는 오락적인 요소를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 일반적으로 사용자-정의 구성 요소가 사용자에 의한 관련 끼워맞춤 및 조절 노력을 필요로 함이 없이 사전-제작된 구성 요소와 함께 사용될 수 있는 것이 바람직하다.

본 명세서에는 각각의 사전-제작된 완구 구성 요소가 사전-제작된 완구 구성 요소를 완구 구성 시스템의 하나 이상의 다른 사전-제작된 완구 구성 요소와 결합하기 위한 다수의 커플링 요소를 포함하는, 상기 완구 구성 시스템의 하나 이상의 사전-제작된 완구 구성 요소에 연결가능한 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 컴퓨터-구현 방법으로서,

- 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소의 배치를 위한 하나 이상의 위치를 결정하는 단계;

- 사용자-정의 형상을 나타내는 사용자에 의한 입력을 수신하는 단계;

- 적어도 사용자 입력과 결정된 하나 이상의 위치로부터 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 단계 - 사용자-정의 구성 요소는 상기 결정된 하나 이상의 위치에 상기 하나 이상의 커플링 요소를 포함함 - ;

- 상기 사용자-정의 구성 요소의 자동 제조를 위해 디지털 표현을 제공하는 단계

를 포함하는 방법이 개시된다.

따라서, 완구 구성 시스템의 사전-제작된 구성 요소와 결과적으로 생성된 사용자-정의 구성 요소의 적합성을 보장하는 사용하기 쉬운, 효율적인 공정이 제공된다.

따라서, 생성된 디지털 표현에 기초하여 사용자-정의 구성 요소를 제조하기 위한 제조 공정의 실시예는 구성 시스템에 따라 커플링 유형과 위치를 선택하는 단계, 아이템 형상을 디지털 형태로 한정하여 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 단계, 및 그것을 3D 물체의 자동 제조를 위해 3D 프린터 또는 다른 장치로 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 이렇게 제조된 사용자-정의 요소는 이어서 사전-제작된 아이템을 갖춘 모델 내에 통합될 수 있다.

생성된 디지털 표현은 3D 아이템을 묘사하기에 적합한 임의의 적합한 데이터 구조를 포함할 수 있다. 이 공정의 몇몇 실시예가 사용자-정의 구성 요소의 상이한 유형의 디지털 표현, 예컨대 아이템을 컴퓨터상에 표시하기에 적합한 그리고 적합한 3D 설계 소프트웨어에 의해 사용자에 의한 3D 형상의 조작 및 편집을 허용하기에 적합한 제1 표현을 생성하는 단계를 포함할 수 있는 것이 인식될 것이다. 이 공정은 제1 디지털 표현을 자동 제조 공정에 대한 입력으로서 적합한, 예컨대 3D 프린터에 대한 입력으로서 적합한 제2 디지털 표현으로 변환시키는 단계를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 디지털 표현은 재료, 예컨대 자동 제조 공정에 적합한 플라스틱 또는 다른 재료에 의해 점유될 부피를 나타낸다.

사용자-정의 구성 요소는 커플링 요소가 완구 구성 시스템과 적합한 유형이고 그것과 적합한 위치에 위치되는 자동 제조 공정에 의해 제조가능한 임의의 크기와 형상을 가질 수 있다. 특히, 사용자-정의 구성 요소는 완구 구성 시스템의 사전-제작된 완구 구성 요소의 형상과 상이한 형상을 가질 수 있다.

사전-제작된 구성 요소는 그것들이 사전-제작된 완구 구성 요소로부터 완구 모델을 구축하기 위해 완구 구성 시스템의 다른 사전-제작된 완구 구성 요소와 상호 연결되도록 허용하는 커플링 요소를 갖춘 임의의 완구 구성 요소일 수 있다. 따라서, 커플링 요소는 예컨대 마찰력, 래칭 기능에 의해 또는 상이한 커플링 원리를 사용하여 구성 요소의 상호 연결을 허용하는 임의의 적합한 유형의 커플링 요소일 수 있다. 커플링 요소는 구축된 완구 모델의 쉬운 분해와 상이한 모델에서의 동일한 요소의 재사용을 허용하기 위해 완구 구성 요소의 해제가능한 상호 연결을 위한 것일 수 있다. 커플링 요소가 일단의 규칙에 따라 균일한 방식으로 배치될 때, 예컨대 균일한 3D 격자의 격자 위치상에 위치될 때, 완구 구성 요소는 매우 다양한 상이한 방식으로 상호 연결될 수 있다. 커플링 요소를 배치하기 위한 다른 규칙은 상이한 유형의 커플링 요소를 예컨대 구성 요소의 저면 및 상면을 한정하는 구성 요소의 상이한 면 상에 위치시키는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 저면은 제1 유형의 커플링 요소를 포함하는 반면, 상면은 상이한 제2 유형의 커플링 요소를 예컨대 이러한 제2 유형의 커플링 요소가 제1 유형에 연결가능하도록 포함한다. 유사하게, 커플링 요소는 그것들과 관련된 커플링 방향을 가질 수 있고, 커플링 요소는 구성 요소의 적어도 하나의 부분 집합의 커플링 요소(예컨대, 다면 구성 요소의 동일한 면 상의 커플링 요소)의 커플링 방향이 균일한 방향으로 배향되도록 배치될 수 있다.

사용자-정의 설계 공정의 형상의 생성은 사용자가 형상을 자유로이 설계하도록 허용할 수 있으며, 여기서 이 공정은 커플링 요소의 위치 설정이 커플링 요소를 완구 구성 시스템 내에 배치하기 위한 규칙에 따르는 것을 보장 및/또는 확인한다. 또한, 이 공정은 추가의 설계 구속 조건이 관찰되는 것을 보장 및/또는 확인할 수 있다. 예를 들어, 자동 제조 공정은 예컨대 제조될 수 있는 아이템의 크기, 최소 및/또는 최대 벽 두께, 에지의 최소 또는 최대 곡률 반경 등에 관해 다수의 설계 구속 조건을 부과할 수 있다. 유사하게, 완구 구성 시스템은 또한 추가의 설계 구속 조건을 부과할 수 있다. 특히, 각각의 유형의 커플링 요소는 커플링 요소가 실제로 다른 커플링 요소에 결합될 수 있는 것을 보장하기 위해 하나 이상의 관련 설계 구속 조건을 가질 수 있다.

각각의 커플링 요소와 관련된 적어도 하나의 제1 설계 구속 조건은 각각의 커플링 요소와 관련된 제1 부피를 한정하는 것을 포함할 수 있고; 제1 설계 구속 조건을 적용하는 단계는 제1 부피를 포함하는 요소 부피를 나타낼 디지털 표현을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 이 공정은 사용자가 커플링 요소의 어떠한 필요한 부분도 제거하지 않는 것을 보장한다.

유사하게, 적어도 하나의 제2 설계 구속 조건은 커플링 요소와 관련된 제2 부피를 한정하는 것을 포함할 수 있고; 제2 설계 구속 조건을 적용하는 단계는 제2 부피를 배제하는 요소 부피를 나타낼 디지털 표현을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 사용자는 커플링 요소가 다른 커플링 요소와 연결되는 데 필요한 임의의 빈 공간을 충전하거나 차단하지 못하도록 효율적으로 방지된다.

일반적으로, 설계 구속 조건을 적용하는 단계는 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 단계를 포함할 수 있으며, 이때 사용자-정의 구성 요소는 사용자에 의한 입력으로부터 그리고 설계 구속 조건으로부터 결정되는 변경된 형상을 갖고, 상기 결정된 하나 이상의 위치에 상기 하나 이상의 커플링 요소를 포함한다.

몇몇 실시예에서, 이 공정은 추가의 또는 대안적인 설계 구속 조건을 적용할 수 있다. 예를 들어, 하나의 설계 구속 조건이 구성 요소 내에 포함될 커플링 요소의 최소 수를 부과할 수 있다. 설계 구속 조건의 다른 예가 커플링 요소 사이의 최소 거리를 부과할 수 있으며, 여기서 최소 거리는 커플링 요소의 각각의 유형의 함수일 수 있다. 다른 설계 구속 조건이 예컨대 커플링 요소의 수 또는 그 상대 배치에 관한 대안적인 또는 추가의 구속 조건을 부과할 수 있다. 몇몇 설계 구속 조건은 예컨대 설계된 요소의 추정 중량 또는 이전에 배치된 커플링 요소가 주어지면 토크의 계산치에 기초할 수 있다. 또 다른 예에서, 설계 구속 조건이 일정 유형의 커플링 요소가 어느 표면상에 배치될 수 있는지에 관한 구속 조건을 적용할 수 있다. 예를 들어, 돌출부 및 대응하는 캐비티 형태의 커플링 요소를 포함하는 실시예에서(예컨대, 위에서 도 3a-c와 관련하여 기술된 바와 같이), 돌출부 유형 및 캐비티 유형의 커플링 요소가 상부 표면(즉, 상향으로 지향됨)과 하부 표면(즉, 하향으로 지향됨)을 한정하는 구성 요소의 대향 표면상에 배치되도록 제한될 수 있다. 예를 들어, 돌출부는 상부 표면상에 배치되도록 제한될 수 있는 반면, 캐비티는 하부 표면상에 배치되도록 제한될 수 있다.

그러한 설계 구속 조건의 적용 및/또는 확인 외에는, 사용자가 컴퓨터-구현 공정에 의해 제공받을 수 있는 자유도는 예컨대 목표 사용자의 숙련도, 경험 및/또는 연령에 기초하여 상이한 실시예에서 상이할 수 있다. 몇몇 실시예는 큰 자유도를 허용할 수 있는 반면, 다른 실시예는 예컨대 다수의 사전결정된 방식으로 조합가능할 수 있는 일단의 템플릿 설계 요소로부터 형상을 선택하는 것에 대한 사용자 입력을 제한함으로써 자유도를 다양한 방식으로 제한할 수 있다.

특히, 몇몇 실시예에서, 이 컴퓨터-구현 공정은 설계 공정을 신속히 개시하게 하기 위해 일단의 사용자-선택가능 기본 형상과 쉽고 직관적인 도구를 제공한다. 이 컴퓨터-구현 설계 공정은 공식적인 요건을 준수하기 위한 가이드라인 및 자동 검사와 구성 시스템에 의해 채용되는 규칙에 의해 지원될 수 있다. 설계 공정의 창의적 부분은 템플릿과 전문적인 설계자로부터의 아이디어와 함께 영감에 의해 지원될 수 있다.

커플링 요소의 위치와 유형의 결정이 사용자 정의 형상을 나타내는 사용자-입력을 수신하기 전에 수행될 수 있는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 이 공정은 우선 예컨대 적어도 부분적으로 사용자-입력에 기초하여 적합한 좌표계에 관해 커플링 요소의 위치와 선택적으로 유형 및/또는 배향을 결정할 수 있다. 이어서, 사용자는 커플링 요소의 선택된 배치와 함께 구성 요소의 형상을 설계하기 위해 적합한 설계 도구를 사용할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 사용자가 우선 형상을 설계할 수 있고, 이어서 공정이 예컨대 적어도 부분적으로 사용자-입력에 기초하여 설계된 형상에 관해 커플링 요소의 위치와 선택적으로 유형 및/또는 배향을 결정할 수 있다. 또한, 커플링 요소의 위치 설정이 예컨대 설계 단계의 일체 부분으로서 사용자 정의 형상의 설계 중 수행될 수 있는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 사용자에게 커플링 요소의 이전에 선택된 위치를 변화시킬 기회가 주어질 수 있다.

본 발명은 각각 전술된 태양 중 적어도 하나와 관련하여 기술된 이익 및 이점 중 하나 이상을 산출하는 그리고 각각 전술된 태양 중 적어도 하나와 관련하여 기술된 및/또는 종속항에 정의된 바람직한 실시예에 해당하는 하나 이상의 바람직한 실시예를 갖는 위에 그리고 이하에 기술되는 방법, 데이터 처리 시스템 및 다른 제조 수단을 비롯한 다양한 방식으로 구현될 수 있다.

위에 그리고 이하에 기술되는 방법의 특징이 소프트웨어로 구현되고 컴퓨터-실행가능 명령의 실행에 의해 유발되는 데이터 처리 시스템 또는 다른 처리 수단에서 수행될 수 있는 것에 유의하여야 한다. 이러한 명령은 저장 매체 또는 다른 컴퓨터로부터 컴퓨터 네트워크를 통해 RAM과 같은 메모리 내에 로드되는 프로그램 코드 수단일 수 있다. 대안적으로, 기술된 특징은 소프트웨어 대신에 또는 소프트웨어와 조합하여 하드웨어에 내장된 회로에 의해 구현될 수 있다.

또한 본 명세서에는 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때 위에 그리고 이하에 기술되는 방법의 모든 단계를 수행하기 위한 프로그램 코드 수단을 포함하는 상기 컴퓨터 프로그램이 개시된다. 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터-판독가능 저장 매체, 반송파로서 구현되는 데이터 신호 등으로서 구현될 수 있다.

또한 본 명세서에는 컴퓨터 프로그램이 컴퓨터에서 실행될 때 위에 그리고 이하에 기술되는 방법을 수행하기 위해 컴퓨터 판독가능 매체에 저장되는 프로그램 코드 수단을 포함하는 상기 컴퓨터 프로그램이 개시된다.

일반적으로, 사용자-정의 구성 요소는 공정의 모든 단계를 지원하는 특별한 소프트웨어에 의해 디지털 방식으로 장비되고 설계되며 준비될 수 있다. 그러한 소프트웨어는 다목적으로 사용될 수 있고, 그러한 컴퓨터 프로그램의 실시예는 다음의 기능을 제공할 수 있다:

- 사용자가 사용자-정의 구성 요소 상의 커플링 요소(들)의 유형(들) 및 배치(들)를 특정하도록 허용하는 기능;

- 사용자가 사용자-정의 구성 요소의 형상을 자유로이 설계하도록 허용하고 공정 중 사용자를 돕는 기능;

- 공정 중 설계된 구성 요소를 상호 작용하게 시각화하는 기능;

- 구성 시스템의 관련 규칙을 설명 및/또는 적용하는 기능;

- 3D 프린터 시스템과 직접 연동하기 위한 어떤 종류의 드라이버 또는 다른 인터페이스를 통합하는 기능.

또한 본 명세서에는 본 명세서에 기술된 방법의 단계를 수행하도록 구성되는 데이터 처리 시스템의 실시예가 개시된다. 데이터 처리 시스템은 생성된 디지털 표현에 기초하여 완구 구성 요소의 자동 제조를 위한 3D 프린터 또는 다른 적합한 장치를 포함할 수 있다.

따라서, 본 명세서에 기술된 방법 및 시스템의 실시예는 사용자가 설계를 즉시 빠른 반복 사이클로 시험하고 조절하도록 허용한다. 사실상, 물리적 아이템의 제조가 공정의 일체 부분이다.

또한, 본 명세서에 기술된 방법 및 시스템의 실시예는 아이템을 제조하기 위한 비용이 사전-제작된 아이템의 가격 및 아이템이 함께 사용될 모델과 비교하여 합당한 사용자-정의 구성 요소의 알맞은 가격의 제조를 제공한다. 또한, 이러한 비용은 창의적인 설계 공정을 제한하지 않기 위해 설계의 실험 및 조절을 위한 다수의 반복을 허용하도록 합당하게 낮게 유지될 수 있다.

일반적으로, 본 명세서에 기술된 방법의 실시예는 결과적으로 생성된 사용자-정의 구성 요소가 그 물리적 특징, 특히 커플링의 형상, 치수 및 배향에 관해 완구 구성 시스템으로부터의 다른 구성 요소에 맞는 것을 보장하는 공정을 제공한다. 예를 들어, 이 공정의 실시예는 구성 시스템에 의해 한정되는 임의의 모듈식 격자 등에 따른 커플링의 상대 배치를 보장한다. 또한, 구성 시스템에 의해 채용되는 다른 규칙, 예컨대 특정 유형의 커플링의 배향에 대한 규약이 본 명세서에 개시된 공정의 실시예에 의해 확인되고 보장될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예가 바람직한 실시예와 함께 그리고 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1a-b는 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하고 조작하기 위한 데이터 처리 시스템을 도시한다.
도 2는 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하고 조작하기 위한 데이터 처리 시스템의 그래픽 사용자-인터페이스를 도시한다.
도 3a-c는 사전-제작된 완구 구성 요소 및 그 커플링 요소의 예를 예시한다.
도 4는 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 공정의 순서도를 도시한다.
도 5a-c와 6a-b는 구성 요소를 디지털 방식으로 표현하고 설계 구속 조건의 적용을 용이하게 하기 위한 계층적 데이터 구조를 예시한다.

도 1a-b는 기하학적 물체의 컴퓨터-판독가능 모델을 생성하고 조작하기 위한 데이터 처리 시스템을 도시한다.

도 1a는 컴퓨터 시스템의 일례의 개략도를 도시한다. 컴퓨터 시스템은 디스플레이(120), 키보드(121) 및 컴퓨터 마우스(122) 및/또는 터치 패드, 트랙 볼, 라이트 펜, 터치 스크린 등과 같은 다른 포인팅 장치를 포함하는 적합하게 프로그램된 컴퓨터(101), 예컨대 개인용 컴퓨터를 포함한다.

도면 부호 101로 표기되는 컴퓨터 시스템은 사용자-정의 완구 구성 요소의 디지털 표현을 설계하고 저장하며 조작하고 출력하는 것을 용이하게 하도록 구성된다. 컴퓨터 시스템(101)은 독립형 시스템으로서 또는 클라이언트/서버 시스템 내의 클라이언트로서 사용될 수 있다.

시스템은 또한 컴퓨터(101)에 연결되는 3D 물체의 자동 제조를 위한 3D 프린터(123) 또는 다른 적합한 장치를 포함한다. 3D 프린터가 또한 예컨대 다른 컴퓨터에 연결되는 원격 위치에 위치될 수 있고, 디지털 표현(또는 그것으로부터 도출되는 제어 코드)이 적합한 컴퓨터 네트워크 또는 다른 통신 수단을 통해 3D 프린터로 전달될 수 있는 것이 인식될 것이다.

도 1b는 사용자-정의 완구 구성 모델의 디지털 표현을 생성하고 조작하기 위한 데이터 처리 시스템의 블록 다이어그램을 도시한다. 컴퓨터(101)는 부분적으로 휘발성 메모리 수단으로서 그리고 부분적으로 비-휘발성 메모리 수단으로서, 예컨대 랜덤 액세스 메모리(RAM) 및 하드-디스크로서 구현될 수 있는 메모리(102)를 포함한다. 메모리는 중앙 처리 장치(103)에 의해 실행될 때 본 명세서에 기술된 바와 같이 구성 요소의 디지털 표현을 생성하기 위한 3D 설계 응용 프로그램(110)을 구현하는 컴퓨터 프로그램 코드를 그것 상에 저장하고 있다. 또한, 메모리는 모델 데이터(111), 즉 물리적 물체, 예컨대 사용자-정의 완구 구성 요소의 디지털 표현을 나타내는 일단의 데이터 구조를 그것 내에 저장하고 있다. 사용자-정의 완구 구성 요소를 저장하기 위한 데이터 포맷의 예는 웨이브프론트(WaveFront) OBJ와 같은, 3D 형상을 예컨대 메시로서 저장하기 위한 임의의 적합한 파일 포맷을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.

다른 예는 복셀-기반 데이터 포맷(예컨대, RAW, DAT, OpenQVis, 필즈(Fields) 3D)과 같은, 3D 형상을 부피로서 나타내는 데이터 포맷을 포함한다. 또한, 완구 구성 세트의 디지털 표현은 구조적 입체 기하학(Constructive Solid Geometry: CSG)의 트리 표현을 저장하기 위한 데이터 포맷으로 저장될 수 있으며; 이는 전체 설계 공정의 저장을 허용한다. 예를 들어, 그러한 트리 포맷은 트리 구조를 나타내는 XML 포맷으로서 구현될 수 있고, CSG 트리 구조가 기반하는 기본 형상의 표현을 저장하고 있는 각각의 데이터 파일 또는 물체(예컨대, 웨이브프론트 OBJ 포맷으로 표현됨)에 대한 포인터 또는 다른 참조자를 포함한다.

또한, 메모리는 설계 템플릿(107), 커플링 요소(108) 및 설계 구속 조건(109)을 묘사하는 데이터를 그것 내에 저장하고 있다.

설계 응용 프로그램(110)은 물리적 형상, 예컨대 사용자-정의 완구 구성 요소를 한정하는 데이터 구조를 판독하고 해석하기 위한 기능을 포함할 수 있다. 설계 응용 프로그램은 데이터 구조를 판독하도록 그리고 그러한 데이터 구조를 컴퓨터 디스플레이 상에 표현하기 위한 알려진 그래픽 포맷으로 변환하도록 실행가능할 수 있다.

설계 응용 프로그램은 또한 사용자 인터페이스와의 사용자의 상호 작용을 예컨대 요소의 라이브러리로부터 템플릿 형상을 검색하기 위한, 선택된 형상을 모델링 환경 내의 사용자-선택 위치에 놓기 위한, 예컨대 회전을 개시하거나, 사용자-정의 구성 요소의 형상을 변경하거나, 기타 등등에 의해 사용자-정의 완구 구성 요소의 디지털 표현을 조작하기 위한 사용자 명령으로 변환하기 위한 기능을 포함한다. 각각의 명령과 함께, 일단의 각각의 파라미터, 예컨대 디스플레이 좌표계에 대한 커서 좌표, 형상의 유형 등이 관련될 수 있다. 설계 응용 프로그램은 사용자의 명령에 응하여 물리적 형상의 데이터 구조를 변경하도록 실행가능하다. 설계 응용 프로그램은 또한 메모리, 파일, 사용자 인터페이스 등을 제어하도록 구성된다.

사용자(105)는 바람직하게는 컴퓨터 스크린상에 표시되는 그래픽 사용자-인터페이스와 키보드 및/또는 포인팅 장치와 같은 하나 이상의 입력 장치를 포함하는 사용자 인터페이스(106)에 의해 컴퓨터 시스템(101)과 상호 작용할 수 있다.

사용자-정의 완구 구성 요소의 디지털 표현 또는 다른 데이터를 로딩, 저장 또는 전달하기 위해, 컴퓨터 시스템은 선택적으로 다중 I/O 포트, 예컨대 직렬 포트, 병렬 포트, 네트워크 인터페이스, 무선 인터페이스 등을 제공하는 입력/출력 장치(I/O)(104)를 포함한다. 입력/출력 장치는 상이한 유형의 저장 매체 및 상이한 유형의 컴퓨터 네트워크, 예컨대 인터넷에 대한 인터페이스로서 사용될 수 있다. 또한, 입력/출력 장치(I/O)(104)는 데이터 구조를 다른 사용자와 예컨대 쌍방향으로 교환하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 입력/출력 장치는 데이터를 3D 물체의 자동 제조를 위한 장치로, 예컨대 3D 프린터로 전달하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 메모리는 설계 응용 프로그램에 의해 생성된 디지털 표현을 3D 물체의 자동 제조에 의해 해석가능한 적합한 제어 코드로 변환하도록 실행가능한 장치 드라이버 또는 유사한 소프트웨어를 그것 내에 저장하고 있을 수 있다.

메모리(102), 중앙 처리 장치(CPU)(103), 사용자 인터페이스(UI)(106), 및 입력/출력 장치(104) 사이의 데이터 교환은 데이터 버스(112)에 의해 달성될 수 있다.

도 2는 설계 응용 프로그램의 그래픽 사용자-인터페이스를 도시한다. 사용자-인터페이스는 사용자-정의 완구 구성 요소를 나타내는 3D 형상(203)의 뷰를 보여주는 디스플레이 영역(201)을 포함한다. 이러한 형상은 사전결정된 시점으로부터 도시된다. 사용자-인터페이스는 또한 사용자에 의해 선택될 수 있는 다수의 기본 형상(206)을 포함하는 팔레트 패널(205)을 포함한다. 예를 들어, 사용자가 기본 형상(206) 중 하나를 마우스로 클릭하여 그 형상을 선택하고 선택된 형상을 디스플레이 영역(201) 내로 원하는 위치로 드래그할 수 있다. 또한, 사용자 인터페이스는 하나 이상의 추가의 팔레트 패널을 포함하여, 사용자가 예컨대 커플링 요소의 예를 선택하도록 허용할 수 있다.

사용자-인터페이스는 또한 다양한 기능 또는 도구를 활성화시키기 위한 다수의 메뉴 버튼(208)을 포함하는 메뉴 바(207)를 포함한다. 예를 들어, 도구 바는 가상 카메라 위치를 변화시키기 위한 회전 도구를 포함하여, 사용자가 형상(203)을 상이한 방향으로부터 보도록 허용할 수 있다. 메뉴 바는 또한 3D 형상을 확대 및 축소하기 위한 줌 도구를 포함할 수 있다. 도구의 다른 예는 물리적 형상의 윤곽을 그리기 위한 드로잉 도구, 상이한 형상을 조합하기 위한 조합 조작기 도구, 형상의 사용자-선택 부분을 소거하기 위한 소거 도구 등을 포함한다.

메뉴 바(207)는 또한 데이터 구조를 저장하기 위한 기능, 이전에 저장된 데이터 구조를 공개하기 위한 기능, 사용자-정의 구성 요소의 이미지를 인쇄하기 위한 기능, 도움말 기능, 3D 프린터를 선택하기 위한 기능, 3D 인쇄 공정을 개시하기 위한 기능 등과 같은 표준 기능을 제공할 수 있다.

도 3a-c는 구성 요소 및 그 커플링 요소의 예를 예시한다.

도 3a는 구성 요소(301)의 사시도를 도시한다. 구성 요소(301)는 다른 구성 요소의 대응하는 구멍, 예컨대 다른 구성 요소의 하부 표면상의 구멍과 맞물릴 수 있는 8개의 노브(303a-h)를 갖춘 상부 표면(302)을 구비한다. 따라서, 구성 요소(301)는 대응하는 구멍을 갖춘 하부 표면(미도시)을 포함한다. 구성 요소(301)는 또한 어떠한 커플링 요소도 포함하지 않는 측면(304)을 포함한다.

일반적으로, 커플링 요소는 상이한 종류의 커플링 요소, 예컨대 커넥터, 수용기 및 혼합 요소로 분류될 수 있다. 커넥터는 다른 구성 요소의 수용기 의해 수용되어 구성 요소 사이의 연결을 제공할 수 있는 커플링 요소이다. 예를 들어, 커넥터는 다른 요소의 부분 사이에, 구멍 내에, 또는 그밖에 유사한 것에 끼워맞추어질 수 있다. 수용기는 다른 구성 요소의 커넥터를 수용할 수 있는 커플링 요소이다. 혼합 요소는 전형적으로 다른 구성 요소의 협동하는 커플링 요소의 유형에 따라 수용기 및 커넥터 둘 모두로서 기능할 수 있는 부분이다.

도 3b는 아래로부터 본 구성 요소(310)의 사시도를 도시한다. 구성 요소(310)는 직사각형이 아닌 상면 및 저면을 구비한다. 저면은 하나 이상의 다른 구성 요소, 예컨대 도 3a의 구성 요소(301)의 대응하는 노브를 수용하기 위한 구멍(311, 312, 313)을 포함한다. 이러한 구멍은 에지(314)에 의해, 제2 핀(315)에 의해, 그리고 모서리(316, 317)에 의해 한정된다. 따라서, 위의 요소 모두의 특성이 구성 요소(310)의 저면의 연결 특성을 결정한다.

도 3c는 두 구성 요소(331, 332)를 도시한다. 구성 요소(331)는 그 상면 상에 4개의 노브(333)를 그리고 저면(미도시) 상에 4개의 대응하는 구멍을 갖춘 브릭이다. 브릭(332)은 상호 직교하지 않는 평면을 포함하는 표면을 갖춘 구성 요소의 일례이다. 구체적으로, 구성 요소(332)는 비스듬한 면(334)을 구비한다. 도 3c에 예시된 바와 같이, 그 현재 위치에서 구성 요소(331, 332)는 연결되지 않는데, 왜냐하면 도시된 위치에서 서로 맞물리는 커플링 요소가 없기 때문이다.

위의 구성 요소와 그 커플링 요소는 단지 가능한 구성 요소 및 가능한 커플링 요소의 예의 역할을 하는 것이 이해되어야 한다.

도 4는 사용자-정의 구성 요소를 제조하기 위한 공정의 순서도를 도시한다. 이 공정은 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 초기 하위-공정에 이어 생성된 디지털 표현에 기초하여 사용자-정의 구성 요소를 제조하는 단계 S404를 포함한다.

디지털 표현을 생성하는 하위-공정은 데이터 처리 시스템, 예컨대 적합하게 프로그램된 범용 컴퓨터에서 실행되는 소프트웨어로 구현될 수 있다.

디지털 표현을 생성하는 하위-공정은 일단의 이용가능한 유형의 커플링 요소로부터 하나 이상의 커플링 요소를 선택하고 선택된 커플링 요소 각각에 대한 위치 및 배향을 예컨대 적합한 좌표계에 관해 선택하는 초기 단계 S401을 포함한다. 예를 들어, 이 공정은 좌표계에 관해 이산 3D 격자를 한정할 수 있다. 이러한 격자의 격자점의 일부 또는 전부는 커플링 요소에 대한 유효 위치를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 3D 격자는 평행 평면의 형태를 가질 수 있으며, 이때 각각의 평면은 각각 직사각형 또는 정사각형 격자인 2D 격자를 포함한다. 개별 평면의 2D 격자는 서로 정렬될 수 있다. 커플링 요소, 그 위치 및/또는 그 배향의 선택이 적어도 부분적으로 각각의 사용자-선택에 기초할 수 있는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 사용자는 커플링 요소의 유형을 선택하기 위한 기능을 제공받을 수 있다. 이를 위해, 데이터 처리 시스템은 각각의 커플링 요소의 디지털 표현의 데이터베이스(411) 또는 다른 적합한 저장소를 포함할 수 있다. 데이터베이스(411) 또는 다른 저장소는 데이터 처리 시스템의 메모리 또는 다른 적합한 저장 장치 내에 저장될 수 있다. 유사하게, 사용자는 선택된 커플링 요소의 배치를 위한 위치를 선택하기 위한 기능을 제공받을 수 있다. 이 공정은 자동적으로 선택가능 위치를 3D 격자의 격자점으로 제한할 수 있다. 유사하게, 사용자는 선택된 커플링 요소의 배향을 선택하기 위한 기능을 제공받을 수 있다. 이 공정은 자동적으로 배향을 예컨대 좌표계에 관해 이산 방향으로 제한할 수 있다. 선택된 커플링 요소의 그래픽 표현이 데이터 처리 시스템의 사용자-인터페이스의 디스플레이 영역 내의 선택된 위치에 표시될 수 있다. 커플링 요소, 그 위치 및 배향의 디지털 표현(410)이 생성되고 데이터 처리 시스템의 메모리 또는 다른 저장 매체 내에 저장될 수 있다.

일반적으로, 몇몇 실시예에서, 이 공정은 사용자가 사용자-정의 구성 요소를 하나 또는 수개의 사전-제작된 구성 요소에 연결할 커플링을 초기에 특정하도록 허용하기 위한 기능을 제공할 수 있다. 이는 다수의 방식으로 일어날 수 있다.

몇몇 실시예에서, 사용자는 일반적으로 3D 프린터 또는 구체적으로 즉시 사용할 수 있는 특정 3D 인쇄 시스템과 잘 작동하는 것으로 알려져 있는 커플링 요소의, 데이터 처리 시스템에 의해 유지되는 뱅크로부터 하나 또는 수개의 인스턴스를 선택할 수 있다. 시스템은 이어서 사용자가 이들 커플링을 격자의 모든 유형과 구성 시스템이 부과하는 규칙에 따라 배치하는 것을 도울 수 있다. 예를 들어, 명칭 레고로 판매되는 모듈식 구성 시스템에 대해, 커플링의 배치는 하나의 격자를 수평으로 그리고 다른 것을 수직으로 배치하는 것을 따를 것이고, 일정 커플링 요소는 특정 배향으로 제한될 수 있으며, 예컨대 노브는 항상 위를 향하고, 기타 등등이다. 대안적으로 또는 추가적으로, 사용자는 사용자-정의 구성 요소가 그것에 부착가능하도록 의도되는 커플링 요소의 뱅크로부터 커플링 요소를 선택할 수 있다. 이 공정은 이어서 자동적으로 적합한 유형의 맞물림 커플링 요소를 선택하고 사용자가 이러한 맞물림 커플링 요소를 배치하도록 허용할 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 데이터 처리 시스템은 사용자가 완구 구성 시스템의 구성 요소로부터 구축되는 완구 모델의 디지털 표현을 불러오도록 허용하는 기능을 제공할 수 있다. 이러한 완구 모델의 디지털 표현은 그 자체로 알려져 있는 임의의 적합한 방법, 예컨대 WO2004/034333에 개시된 방법을 사용하여 생성될 수 있다. 적합한 디지털 모델링 도구의 구매가능한 예가 명칭 레고 디지털 디자이너(LEGO Digital Designer)로 입수가능하다. 특히, 그러한 디지털 모델은 불러온 모델이 그것으로부터 구축되는 구성 요소의 커플링 요소의 위치 및 유형의 표현을 포함할 수 있다. 불러온 모델은 이어서 새로운 사용자-정의 구성 요소가 그것에 부착가능하여야 하는 베이스를 나타낼 수 있다. 따라서, 이 공정은 사용자-정의 구성 요소에 이용가능한 커플링 요소가 그것에 부착가능한 불러온 디지털 모델의 노출된 커플링 요소를 식별할 수 있다. 이 공정은 이어서 사용자가 사용자-정의 구성 요소가 그것에 부착가능하여야 하는 식별된 노출된 커플링 요소 중 하나 이상을 선택하도록 허용하는 기능을 제공할 수 있다. 이 공정은 이어서 불러온 디지털 모델의 사용자-식별 커플링 요소에 연결가능하도록 의도되는 커플링 요소의 유형, 위치 및 배향을 결정할 수 있다.

일례는 사용자가 그것을 위해 새로운 공기역학적 전위부를 생성하길 원하는 모델 기차일 수 있으며; 사용자는 전체 기관차를 레고 디지털 디자이너로 구축할 수 있고, 새로운 전위부를 부착하기 위한 공간과 노브를 개방 상태로 둘 수 있다. 사실상, 구성 시스템의 규칙과의 모델 적합성을 이미 보장하는 레고 디지털 디자이너에 의해, 선택된 커플링 세트가 이미 관련 격자 및 규칙에 대해 정확하게 정렬되고 배향될 것이다.

단계 S402에서, 이 공정은 사용자에게 사용자가 구성 요소의 형상을 설계하도록 허용하는 기능을 제공한다. 예를 들어, 사용자는 구성 요소의 템플릿을 선택하기 위한 기능을 제공받을 수 있다. 이를 위해, 데이터 처리 시스템은 구성 요소 및/또는 구성 요소의 부분의 각각의 설계 템플릿의 디지털 표현의 데이터베이스(412) 또는 다른 적합한 저장소를 포함할 수 있다. 데이터베이스(412) 또는 다른 저장소는 데이터 처리 시스템의 메모리 또는 다른 적합한 저장 장치 내에 저장될 수 있다.

이 공정은 선택된 템플릿 및 선택된 커플링 요소의 그래픽 표현을 데이터 처리 시스템의 그래픽 사용자-인터페이스의 디스플레이 영역 내에 표시할 수 있다. 이 공정은 또한 사용자가 형상을 변경하도록 허용하는 기능, 예컨대 당업계에 그 자체로 알려져 있는 다양한 드로잉 및 설계 도구를 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 사용자는 초기에 템플릿을 선택함이 없이 새로운 형상을 설계하기 위한 기능을 제공받을 수 있다.

일반적으로, 커플링 요소의 배치의 선택시, 새로운 구성 요소가 커플링 요소와 교차하는 방식으로 그리고 그것들이 인쇄 준비가 된 단일의 연결된 입체 기하학적 구조를 형성하도록 새로운 구성 요소의 실제 형상을 쉽게 설계할 고도의 자유도가 사용자에게 주어질 수 있다. 예를 들어, 이 공정은 사용자-정의 형상을 나타내는 복셀 구조를 생성할 수 있다. 복셀 구조에 기초하여, 이 공정은 이어서 형상이 단일의 연결된 기하학적 구조를 갖는다고 결정할 수 있다(예컨대, 컬러링 알고리즘에 의해). 또한, 이 공정은 기하학적 구조의 얇은/취약한 부분을 식별하기 위해 박화 공정 또는 유사한 모폴로지 연산을 사용할 수 있다. 이러한 설계는 당업계에 그 자체로 알려져 있는 기술, 예컨대 컴퓨터 응용 설계(CAD) 시스템 및/또는 모델링 프로그램으로부터 그 자체로 알려져 있는 기술을 사용하는 자유 형태 공정일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이 공정은 기본 형상 프리미티브(박스, 구, 원환체, 실린더 등)와 더욱 상세한, 장식적인 그리고 사전-설계된 템플릿을 포함하는 사전한정된 형상의 뱅크를 제공할 수 있다. 사용자는 이러한 형상을 배치, 회전, 크기 조정 및 가능하게는 다른 방식으로 변화시킴으로써 그러한 아이템을 변경시킬 수 있어야 하며; 이 공정은 사용자가 쉽게 손(마우스)으로 형상 표면의 특정 부분을 마치 예컨대 석고 모델을 직접 작업하는 것처럼 살짝 밀고 매끄럽게 하고 확장시키고 수축시키고 그리고/또는 달리 조작할 수 있는 프리-핸드 조각 모드를 제공하기 위한 기능을 제공할 수 있다. 또한, 이 공정은 예컨대 인터넷으로부터 다운로드된 임의의 3D 모델로부터 형상을 불러오는 것을 허용할 수 있다.

이 공정은 또한 사용자가 형상을 더욱 복잡한 형상으로 조합하도록 허용하는 기능을 제공할 수 있으며; 이러한 방식으로 미숙련된 사용자도 기본 및 사전한정된 형상을 조합함으로써 그리고 개별 형상을 구성할 필요나 기술없이 원하는 구성 요소를 신속하게 구축할 수 있다. 사용자가 다수의 부-형상을 구성 요소의 형상으로 조합하도록 허용하는 사용하기 쉬운 기능을 제공하는 일례가 더욱 상세히 후술될 것이다.

이 공정은 선택된 커플링 요소를 비롯한 사용자에 의해 변경 및/또는 설계된 형상의 변경된 디지털 표현(410)을 데이터 처리 시스템의 메모리 또는 다른 적합한 저장 장치 내에 저장할 수 있다.

단계 S401 및 S402가 도 4에 별개의 단계로서 도시되지만, 그것들이 단일 단계로 조합되거나 상이한 순서로 수행될 수 있는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 공정은 커플링 요소를 선택하고 위치시키기 전과 후에 사용자가 사용자-정의 형상을 편집하도록 허용할 수 있다.

단계 S403 중, 이 공정은 다수의 사전-한정된 설계 구속 조건이 충족되는지를 확인한다. 이를 위해, 데이터 처리 시스템은 설계 구속 조건의 데이터베이스(413) 또는 다른 적합한 저장소를 포함할 수 있다. 데이터베이스(413) 또는 다른 저장소는 데이터 처리 시스템의 메모리 또는 다른 적합한 저장 장치 내에 저장될 수 있다. 이 공정이 하나 이상의 설계 구속 조건이 충족되지 않는다고 결정하면, 이 공정은 사용자에게 관련 설계 구속 조건을 알려줄 수 있고, 선택적으로 관련 설계 구속 조건을 충족시키는 방법에 관해 가이드라인을 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이 공정은 설계 구속 조건의 충족을 시행하기 위해 사용자-정의 형상을 자동적으로 변경시킬 수 있다. 충족되지 않은 설계 구속 조건에 관한 경고에 응한 사용자-변경 및/또는 설계 구속 조건의 자동 적용에 기인하는 변화는 디지털 표현(410)의 변경을 유발한다. 또한, 이 공정은 선택적으로 적합하게 강조된 수행된 변화와 함께 변경된 형상의 그래픽 표현을 표시할 수 있다.

이 공정은 선택적으로 되돌아가고 설계 공정의 일부를 조절하거나 취소할 옵션을 포함하여, 사용자에 의해 설계된 형상을 유지시키기 위한 그리고 궁극적으로 또한 설계된 형상의 일부인 선택된 커플링에 대한 더욱 공식적인 요건을 취급하기 위한 기능을 제공할 수 있다. 이제 커플링 요소와 관련된 설계 구속 조건의 예가 상세히 기술될 것이다.

몇몇 실시예에서, 이 공정은 형상과 이것을 구성하는 부-형상 사이의 관계를 한정하기 위해, 사용자-정의 및/또는 사용자-선택 형상과 각각의 커플링 요소와 관련된 형상을 나타내는 기하학적 형상의 계층적 조합을 예컨대 통상의 합집합, 교집합 및/또는 차집합 연산자를 사용하여 생성함으로써 일단의 설계 구속 조건을 적용할 수 있다. 이를 위해, 공정은 구조적 입체 기하학(CSG)으로 알려진 기술을 채용할 수 있다. 일반적으로, CSG는 사용자가 두 형상을 함께 '더하거나' 하나의 형상을 다른 형상으로부터 '빼도록' 허용한다(합집합 및 차집합 연산자 및/또는 교집합 연산자를 사용하여).

이하에서는, 도 5 및 도 6에 도시된 예를 참조하여, 커플링 요소와 관련된 설계 구속 조건의 적용이 이제 예시될 것이다. 도 5 및 도 6이 기하학적 형상을 2차원 단면의 형태로 도시하는 것에 유의하여야 한다. 그러나, 논의된 원리가 3D 모델에도 또한 적용되는 것이 인식될 것이다. 또한, 도 5 및 도 6은 커플링 요소와 사용자-정의 형상의 특정 예를 도시한다. 그러나, 형상과 부-형상 사이의 집합 관계를 한정함으로써 설계 구속 조건을 적용하는 공정이 다른 유형의 커플링 요소 및/또는 사용자-정의 형상에도 또한 적용될 수 있는 것이 인식될 것이다.

도 5a에 예시된 예에서, 사용자는 기본 직사각형(501)을 타원(502)에 더하여, 만곡된 에지 및 곧은 에지 둘 모두를 갖춘 더욱 복잡한 입체 형상(503)을 생성하였다. 3D에서, 직사각형은 박스에 그리고 타원은 타원체에 해당할 수 있고, 에지는 3D에서 표면에 해당한다.

이 공정은 계층적 구조를 예컨대 원래 기본 형상(그리고 그 배치, 크기 조정 등)과 그것들을 조합하는 선택된 연산자, 도 5a의 예에서는 합집합 연산자를 한정하는 CSG 트리의 형태로 유지시킬 수 있다.

일반적으로, 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하기 위한 공정의 실시예는 따라서 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 계층적 데이터 구조로서, 예컨대 이진 트리로서 생성할 수 있으며, 여기서 트리의 리프 노드는 기본 기하학적 형상을 나타내고, 각각의 노드는 그 바로 선행 노드에 대한 집합 연산을 나타낸다. 따라서, 루트 노드가 최종 구성 요소를 나타낸다. 또한, 노드가 그것들과 관련된 추가의 속성을 가질 수 있는 것이 인식될 것이다. 예를 들어, 기본 형상을 나타내는 리프 노드는 그것들과 관련된, 형상의 위치 및 회전을 나타내는 좌표를 가질 수 있다.

도 5b에 예시된 예에서, 사용자는 대신에 타원(타원체)(502)으로부터 직사각형(박스)(501)을 빼도록/잘라내도록 선택하여, 상이한, 더욱 복잡한 입체 형상(504)을 생성하였다.

따라서, 합집합 및 차집합과 같은 집합 연산자가 사용자가 예컨대 둥근 또는 직사각형 구멍을 물체 내에 또는 그것을 통해 생성하거나 거친 형상의 하부 표면을 평평하게 하기 위한 사용하기 쉬운 메커니즘을 제공한다.

이번에도, 내부적으로 이 공정은 간단히 새로운 조합된 형상(503 또는 504)에 대한 작은 계층적 데이터 구조, 예컨대 CSG 트리를 유지시킬 수 있는 반면, 이 공정은 직접적인 기하학적 결과를 스크린 상에 표시할 수 있다.

계층적 데이터 구조 및 CSG와 같은 집합 연산자의 이점은 그것들이 보다 작은 계층 구조로 구성되는 형상을 추가로 조합하여 큰 계층 구조를 생성하여서 단지 그것들을 상호 작용하게 더하고 뺌으로써 매우 복잡한 형상을 생성하는 능력을 제공하는 것이다. 예를 들어, 도 5c는 사용자가 타원체(501)와 박스(502)를 더함으로써 생성된 초기 형상(503)으로부터 보다 작은 실린더(505)를 빼도록 선택하여, 결과적으로 생성된 형상(507)의 상부 표면 내에 작은 캐비티(506)를 생성한 예를 예시한다. 내부 표현으로서 그것들을 조합하는 조작을 포함하여 전체 계층 구조를 유지시킴으로써, 추후에 되돌아가고 형상 조합을 취소하거나 예컨대 초기 구의 위치를 조절하고 최종의 결과적인 형상을 다시 계산하는 것이 쉬운 것에 유의하여야 한다.

본 명세서에 기술된 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하기 위한 설계 공정의 실시예의 맥락에서, CSG와 같은 계층 구조는 사용자가 설계된 구성 요소의 전체 형상을 어떻게 한정하든 간에, 형상의 조합의 순서를 보장하여, 초기에 배치된 커플링의 건전성을 효과적으로 적용하기 위해 사용될 수 있다.

일반적으로, 각각의 커플링 요소는 충전된 재료이도록 의도되는 하나 이상의 제1 부피, 즉 3D 공간 내의 영역과 빈 상태로 유지되어야 하는 하나 이상의 제2 부피와 관련될 수 있다.

예를 들어, 도 6a는 각각 후크형 측위 돌출부(604)를 갖춘 한 쌍의 돌출 암 형태의 커플링 요소(602)를 포함하는 사전-제작된 구성 요소(601)의 일례를 예시한다. 커플링 요소(602)에 부착가능한 사용자-정의 구성 요소 내의 맞물림 커플링 요소가 예컨대 대응하는 다른 하나의 표면을 향해 돌출되는 각각의 플랜지를 갖춘 한 쌍의 대향 표면을 제공하는 실린더형 블라인드 구멍 또는 다른 형상의 형태를 가질 수 있다. 따라서, 사용자-정의 구성 요소는 커플링 요소(602)가 그것에 연결될 수 있는 적합한 구조를 포함하여야 하고, 사전-제작된 구성 요소로부터의 커플링 요소(602)가 삽입될 수 있는 충분한 공간과 커플링 요소(602)의 요소가 휘어지는 데 필요할 수 있는 공간을 제공하여야 한다.

이를 위해, 사용자-정의 구성 요소의 커플링 요소는 재료에 의해 충전되어 커플링 요소(602)가 사용자-정의 구성 요소 상에 포획되게 허용하도록 의도되는 제1 부피(605)와 커넥터 암을 휘기 위한 공간을 비롯한, 빈 상태로 유지되어 커플링 요소(602)가 적소로 활주하도록 허용하여야 하는 제2 부피(606)에 의해 한정될 수 있다. 두 유형의 부피, 즉 재료로 충전되어야 하는 하나 이상의 부피와 빈 상태로 유지되어야 하는 하나 이상의 부피가 또한 다른 유형의 커플링 요소에 대해 한정될 수 있는 것이 인식될 것이다.

이 공정은 이어서 각각의 유형의 구성 요소에 대해 위의 두 유형의 부피를 한정함으로써 커플링 요소와 관련된 설계 구속 조건을 적용할 수 있다. 따라서, 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 커플링 요소가 두 유형의 부피를 사용자-정의 구성 요소를 나타내는 계층적 데이터 구조 내에 리프 노드로서 포함하는 것을 수반할 수 있다. 이 공정은 또한 커플링 요소와 관련된 부피를 나머지 형상과 조합하는 후속 노드를 생성할 수 있다. 특히, 제1 부피는 합집합 연산에 의해 조합될 수 있는 반면, 제2 부피는 차집합 연산에 의해 조합될 수 있다.

특히, 구성 요소와 관련된 부피는 트리 구조의 루트에 근접하게 배치될 수 있는 반면, 사용자에 의해 설계된 모든 형상은 커플링 요소와 관련된 부피에 종속하는 서브트리 내에 배치되어, 사용자에 의해 추가되는 입체 부피가 커플링 요소에 의해 요구되는 어떠한 캐비티도 충전하지 않는 것을 보장한다. 유사하게, 이 공정은 사용자가 정확한 커플링 기능에 요구되는 커플링 요소의 어떠한 부분도 잘라내지 않는 것을 보장할 수 있다.

도 6b는 디지털 표현의 일례를 트리 구조의 형태로 개략적으로 예시한다. 트리 구조는 리프(621, 622, 623)를 포함하며, 여기서 리프(621)는 사용자-정의 형상을 나타내는 반면, 리프(622, 623)는 사전-제작된 구성 요소(601)의 커플링 요소(602)에 부착가능한 커플링 요소와 관련된 부피를 나타낸다. 리프(622)는 입체일 필요가 있는, 즉 재료에 의해 충전될 필요가 있는 제1 부피를 나타내는 반면, 리프(623)는 빈 상태로 유지될 필요가 있는 제2 부피를 나타낸다. 노드(621)가 리프 노드로서 도시되지만, 노드(621)가 함께 사용자 정의 형상(621)을 형성하는 각각의 부분 형상의 조합을 나타내는 다수의 노드를 포함하는 서브-트리의 루트일 수 있는 것이 인식될 것이다.

부피(621)로부터 부피(623)를 빼고(노드(624)에 의해 표현되는 바와 같이), 부피(622)를 합집합 연산에 의해 결과적인 차분 부피에 더할 때(루트 노드(625)에 의해 표현되는 바와 같이), 결과적으로 생성된 형상은 부피(626)에 의해 예시되는 형태를 가져, 결과적으로 생성된 구성 요소가 커플링 요소(602)에 연결될 수 있는 것을 보장한다. 특히, 사용자에 의해 설계된 형상(621)이 커플링을 한정하는 부피(622, 623)에 종속하기 때문에, 형상(623)은 항상 커플링 요소가 적소로 활주할 수 있게 하는 데 필요한 공간을 잘라내고, 형상(622)은 항상 커플링 요소(602)가 힌지식으로 연결될 수 있는 에지를 제공하는 것이 필요한 곳에 재료를 추가한다.

따라서, CSG 트리와 같은 트리 구조에서, 커플링 요소와 관련된 부피가 루트 레벨에 적용될 때, 사용자-정의 구성 요소의 결과적으로 생성된 형상의 커플링 건전성이 보장될 수 있다.

또한, 이 공정이 설계된 아이템의 어떠한 부분도 그것이 설계되었던 불러온 기본 모델과 충돌하지 않을 것을 보장하기 위해 불러온 기본 모델을 나타내는 관련 부피를 포함할 수 있는 것이 인식될 것이다. 또한, 이 공정은 아이템이 선택된 커플링 상의 적소로 활주하는 데 필요한 필요로 하는 여분의 자유 공간을 계산하여, 사용자가 이론적으로는 맞지만 실제로는 부착될 수 없는 설계를 수행하지 못하도록 효과적으로 보호할 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 단계 S403이 도 4에 별개의 단계로서 도시되지만, 설계 구속 조건의 확인 및/또는 적용이 예컨대 위의 격자에 대한 커플링 요소의 유효 위치 설정의 적용과 관련하여 기술된 바와 같이, 단계 S401 및 S402 중 하나 또는 둘 모두 내에 부분적으로 또는 완전히 통합될 수 있는 것이 인식될 것이다.

설계 공정이 예컨대 사용자-명령에 응하여 완료된 때, 이 공정은 결과적으로 생성된 디지털 표현(410)을 구성 요소의 자동 제조를 위해 3D 프린터 또는 다른 적합한 주변 장치로 전송할 수 있으며; 그렇지 않으면 이 공정은 단계 S401로 복귀하여 사용자가 설계 공정을 계속하도록 허용할 수 있다. 사용자가 설계 공정을 완료하였고 설계된 구성 요소를 제조할 준비가 된 때, 구성 요소의 정확한 형상이 소프트웨어에서 예컨대 전술된 계층적 데이터 구조에 기초한 입체 기하학 사양으로서 표현된다. 이 공정이 디지털 표현을 비-휘발성 메모리 내에, 하드 디스크 또는 다른 적합한 저장 매체 상에 저장할 수 있는 것이 인식될 것이다.

모델을 3D 프린터 시스템으로 전송하기 전에, 소프트웨어는 모델에 대한 다양한 검사 및 개작을 수행할 수 있으며, 이 중 일부는 채용된 실제 3D 인쇄 기술에 따라 요구될 수 있다.

많은 3D 프린터는 아이템을 아래에서 위로 또는 위에서 아래로 층별로 제조한다. 양쪽 경우에, 오버행잉(또는 언더행잉) 세부 구조체, 즉 3D 인쇄 공정이 그것들을 연결하는 층에 도달할 때까지 아이템의 나머지에 연결되지 않는 세부 구조체가 인쇄될 아이템의 개작을 필요로 할 수 있다. 그러한 (일시적으로) 분절된 및 해체된 구조를 방지하기 위해, 그것을 프린터로 전송하기 전에 모델에 임시 지지 구조체 - 전형적으로 인쇄가 완료될 때까지 구조체의 분리된 부분을 지지할 재료의 아주 작은 칼럼 - 를 부가하는 것이 필요할 수 있다. 사용자는 이어서 예컨대 칼럼으로부터 남아 있는 스터브를 커팅하거나 사포로 문질러 제거함으로써 손으로 이들 지지 구조체를 제거하고 아이템을 세정할 것이다.

또한, 인쇄 공정 중 다양한 세부 구조체에 대한 중력을 최소화시키기 위해 지지 구조체를 부가하는 것이 필요할 수 있다. 소프트웨어 프로세스는 아이템을 인쇄하기 전에 아이템에 대한 이들 물리적 계산을 수행할 수 있으며, 이 공정은 자동적으로 또는 사용자와 협동하여 지지 구조체가 어디에 그리고 어떻게 포함되어야 하는지를 특정한다.

소프트웨어는 또한 전형적으로 기하학적 구조에 수학적 모폴로지를 적용함으로써, 설계된 아이템을 제조하기 전에 그것의 건전성에 대한 다른 검사를 수행할 수 있을 것이다. 그러한 검사는 해체된 세그먼트와 제조하거나 지속되기에 너무 얇은 부분에 대한 검사(그리고 경고)를 포함할 수 있다.

또한, 수학적 모폴로지는 재료 사용, 에너지 사용, 제조 시간 및/또는 가격을 줄이거나 제조된 아이템의 중량 및 변형을 감소시키기 위해 매우 큰 입체 부피 내부에 캐비티를 도입하도록 - 또는 전체 입체 구조를 표면의 어떠한 부분도 변화시킴이 없이 쉘 표현으로 만들도록 - 적용될 수 있다. 이번에도, 이러한 필요 및 방법은 즉시 사용할 수 있는 3D 인쇄 기술에 따라 달라질 수 있다.

또한, 이 공정은 디지털 표현을 변화없이 또는 상이한 포맷으로의 변환 후 전송할 수 있다. 소프트웨어 프로세스는 또한 사용자와의 임의의 요구되는 상호 작용(사용자에 의해 요구될 수 있는 수동 셋업 공정을 지원하는 다이얼로그)을 포함하여 3D 프린터(그리고 그것의 수반되는 하위 레벨 드라이버 소프트웨어)와 직접 상호 작용할 수 있다. 이는 미숙련된 사용자가 입체 모델을 파일로 내보내 가능하게는 그것을 특정 프린터에 맞는 다른 3D 파일 포맷으로 변환하고 최종적으로 그것을 어떤 제3 소프트웨어를 사용하여 인쇄할 수 없기 때문에 유리할 수 있다. 미숙련된 사용자를 지원하기 위해 그리고 빠른 반복을 갖는 설계 사이클을 허용하기 위해, 전체 제조 공정이 소프트웨어의 일체 부분이어야 한다.

마지막으로, 단계 S404에서, 사용자-정의 구성 요소가 3D 프린터 또는 다른 주변 장치에 의해 제조된다.

당업자가 본 발명의 범위 내에서 위의 방법의 변형을 구현할 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들어, 위의 단계의 일부의 순서가 변화될 수 있고, 단계가 조합될 수 있으며, 기타 등등일 수 있다.

Claims (22)

1. 완구 구성 시스템의 하나 이상의 사전-제작된 완구 구성 요소들에 연결 가능한 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 컴퓨터-구현 방법으로서 - 상기 하나 이상의 사전-제작된 완구 구성 요소들 각각은 상기 하나 이상의 사전-제작된 완구 구성 요소들 각각을 상기 완구 구성 시스템의 하나 이상의 다른 사전-제작된 완구 구성 요소들과 결합하기 위한 다수의 커플링 요소들을 포함함 -,
   - 상기 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소들의 배치를 위한 하나 이상의 위치들을 결정하는 단계;
   - 사용자-정의 형상을 나타내는 사용자에 의한 입력을 수신하는 단계;
   - 적어도 사용자 입력과 상기 결정된 하나 이상의 위치로부터 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 단계 - 상기 디지털 표현은 상기 사용자-정의 구성 요소를 형성하기 위해 재료에 의해 점유될 요소 부피를 나타내고, 상기 사용자-정의 구성 요소는 상기 결정된 하나 이상의 위치들에 상기 하나 이상의 커플링 요소들을 포함함 -;
   - 상기 사용자-정의 구성 요소의 자동 제조를 위해 상기 디지털 표현을 제공하는 단계
   를 포함하고,
   각각의 커플링 요소에 대해, 커플링 요소와 관련된 상기 사용자-정의 형상에 대한 하나 이상의 설계 구속 조건들을 정의하는 단계를 더 포함하며 - 적어도 커플링 요소와 관련된 제1 설계 구속 조건은 상기 커플링 요소와 관련된 제1 부피를 정의하는 것을 포함하고, 적어도 커플링 요소와 관련된 제2 설계 구속 조건은 상기 커플링 요소와 관련된 제2 부피를 정의하는 것을 포함함 -,
   상기 디지털 표현을 생성하는 단계는 결정된 설계 구속 조건들을 적용하는 단계를 포함하는 - 상기 제1 설계 구속 조건을 적용하는 것은 상기 제1 부피를 포함하는 요소 부피를 나타내는 상기 디지털 표현을 생성하는 것을 포함함으로써 상기 사용자가 커플링 요소의 필요한 부분을 제거하는 것을 방지하고, 제2 설계 구속 조건을 적용하는 것은 상기 제2 부피를 배제하는 요소 부피를 나타내는 상기 디지털 표현을 생성하는 것을 포함함으로써 상기 사용자가 상기 커플링 요소가 다른 커플링 요소와 연결되는데 필요한 임의의 빈 공간을 충전하거나 차단하는 것을 방지함 - 방법.
2. 제1항에 있어서,
   설계 구속 조건들을 적용하는 단계는 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 사용자-정의 구성 요소는 재료에 의해 점유되는 변경된 부피를 가지며, 상기 변경된 부피는 상기 사용자-정의 부피와 상기 제1 부피의 합집합을 포함하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   설계 구속 조건들을 적용하는 단계는 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 사용자-정의 구성 요소는 재료에 의해 점유되는 변경된 부피를 가지며, 상기 변경된 부피는 적어도 상기 사용자-정의 부피와 상기 제2 부피의 차집합으로서 결정되는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 완구 구성 요소들로부터 구축되는 완구 구성 모델의 디지털 표현을 획득하는 단계;
   - 상기 사용자-정의 형상에 대한 제2 설계 구속 조건을 정의하는 단계 - 상기 제2 설계 구속 조건은 상기 획득된 디지털 표현으로부터, 상기 완구 구성 모델의 커플링 요소와 관련된 부피를 나타내는 제2 부피를 결정하는 것을 포함함 -; 및
   - 상기 제2 부피를 배제하는 요소 부피를 나타내는 상기 디지털 표현을 생성하는 단계
   를 포함하는 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소들의 배치를 위한 하나 이상의 위치들을 결정하는 단계는 하나 이상의 커플링 요소들 각각에 대해, 커플링 요소들의 유형들의 세트로부터 커플링 요소들의 각각의 유형들을 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소들의 배치를 위한 하나 이상의 위치들을 결정하는 단계는 상기 하나 이상의 위치들을 커플링 요소들의 배치를 위한 위치들의 이산 격자의 격자점들로서 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소들의 배치를 위한 하나 이상의 위치들을 결정하는 단계는 하나 이상의 커플링 요소들 및 해당 위치들의 사용자-선택을 나타내는 사용자 입력을 수신하고 선택된 커플링 요소들의 표현을 데이터 처리 시스템의 디스플레이 상에 디스플레이되는 3차원 뷰 내에 배치하는 단계를 포함하는 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소들의 배치를 위한 하나 이상의 위치들을 결정하는 단계는 다수의 템플릿 구성 요소들 중 하나의 디지털 표현의 사용자-선택을 나타내는 사용자 입력을 수신하는 단계를 포함하고, 템플릿 구성 요소는 각각의 사전 결정된 위치들에 위치되는 다수의 커플링 요소들을 포함하는 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소들의 배치를 위한 하나 이상의 위치들을 결정하는 단계는,
   - 완구 구성 요소들로부터 구축되는 완구 구성 모델의 디지털 표현을 획득하는 단계;
   - 사용자-정의 구성 요소가 부착 가능한 획득된 완구 구성 모델의 하나 이상의 커플링 요소들을 선택하는 단계;
   - 상기 사용자-정의 구성 요소 내에 포함될 하나 이상의 커플링 요소들의 배치를 위한 상기 하나 이상의 위치들을 상기 획득된 완구 구성 모델의 상기 선택된 하나 이상의 커플링 요소들의 위치들로부터 결정하는 단계
   를 포함하는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 획득된 완구 구성 모델의 상기 선택된 하나 이상의 커플링 요소들의 커플링 요소의 검출된 유형으로부터 각각의 결정된 위치와 관련된 커플링 요소의 유형을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
11. 완구 구성 시스템의 사전-제작된 완구 구성 요소들에 연결 가능한 사용자-정의 구성 요소를 제조하는 방법으로서, - 각각의 사전-제작된 완구 구성 요소는 상기 사전-제작된 완구 구성 요소를 상기 완구 구성 시스템의 하나 이상의 다른 사전-제작된 완구 구성 요소들과 결합하기 위한 다수의 커플링 요소들을 포함함 -,
    - 제1항 또는 제2항에 정의된 방법의 단계들을 수행함으로써 사용자-정의 구성 요소의 디지털 표현을 생성하는 단계;
    - 상기 디지털 표현에 기초하여 상기 사용자-정의 구성 요소를 제조하는 단계
    를 포함하는 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 디지털 표현은 상기 사용자-정의 구성 요소를 형성하기 위해 재료에 의해 점유될 요소 부피를 나타내고, 제조하는 단계는 적어도 상기 요소 부피를 사전 결정된 재료에 의해 충전하는 단계를 포함하는 방법.
13. 제11항에 있어서,
    제조하는 단계는 3D 인쇄 공정을 포함하는 방법.
14. 데이터 처리 시스템으로서,
    컴퓨터 프로그램이 데이터 처리 시스템에서 실행될 때 제1항 또는 제2항의 단계들을 모두 수행하기 위한 프로그램 코드 수단들을 포함하는 상기 컴퓨터 프로그램이 저장되는 저장 매체를 포함하는 데이터 처리 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 디지털 표현에 기초하여 상기 사용자-정의 구성 요소를 제조하도록 구성되는 3D 프린터를 포함하는 데이터 처리 시스템.
16. 반송파로서 구현되는 데이터 신호를 발생시키는 장치로서,
    데이터 신호는 프로그램 코드 수단들이 컴퓨터 상에서 실행될 때 제1항 또는 제2항의 단계들을 모두 수행하기 위한 상기 프로그램 코드 수단들을 포함하는, 장치.
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