TWI515034B - Magic blocks of dynamic fault-tolerant structures - Google Patents

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Description

魔術方塊之動態容錯結構
本發明系有關一種魔術方塊容錯設計概念機構，在中心軸與中心塊之間分割內中心塊，並結合凸輪結構，可使得該方塊在每步的還原過程中，易於停留在穩定之狀態，以利於下一步之轉動，使該魔術方塊還原過程更加流暢。
早先之魔術方塊，為使玩家轉動快速，因此在中心塊加入彈簧，使其產生一種容錯，該容錯容許上一步的誤差有一半的機會在下一步時會自動被校正，即當下一步的轉動面相鄰於上一步，且轉動方向與上一步所留下之誤差同向時，行家通稱之正容錯，例如：將魔術方塊其中一面順時針轉一小角度(如10度)，再將相鄰該面之其他一面順時針轉動90度(一步)，此時原本的那一小角度會被自動補正。
在中國專利號201020545043.5中所出現的新結構方塊，其利用零件的內陷倒角，使得其容錯在即使下一步的轉動面相鄰於上一步，且轉動方向與上一步所留下之誤差反向時，上一步仍會自動被校正，也就是包含了另一半的誤差被校正的機會，行家通稱之逆容錯，例如：將魔術方塊其中一面順時針轉一小角度(如10度)，再將相鄰該面之其他一面逆時針轉動90度(一步)，此時原本的那一小角度會被自動補正。
然而雖正、逆容錯加起來雖貌似已含蓋所有可能之轉動上之錯誤，然而當此容錯過程進行時，會大量的消耗轉動之動能，從而降低一部分之速度，因此尚有改進之必要。
在中華民國專利號M394175中出現的四階魔術方塊，首先將中心塊分離成兩個部分，分別是定位中心及定位中心環，其中定位中心是不會相對於軸心轉動，僅在容錯發生時，因定位中心受力向外拉，在轉動軸上平移，而定位中心環會相對轉動軸轉動，然而該機構只用於中心軸之定位，對容錯並沒有助益，當容錯進行時，依然消耗大量轉動之動能。
傳統之魔術方塊在一個轉動步(以正六面體六軸魔方而言為轉動90度)的過程中，操作者所受到的阻力理論上應為定值，因此方塊不會趨向停留在某個特定的角度，又實際的方塊因生產的公差，往往造成方塊在形狀正確(每面都沒有誤差角)時不是最低彈力位能的狀態，因此更容易產生誤差而需要利用容錯來校正。
最早出現將終端凸輪安裝於魔術方塊中之專利為美國專利US4817952A，為一電子魔術方塊專利，其中終端凸輪安置於軸心內，用以帶動電子開關，與容錯毫無相關。
本創作提供一種新的容錯概念及實施方式，本案發明人稱之動態容錯，動態容錯系指魔術方塊在一個轉動步α(以最常見之3x3魔方而言α為90度)的過程中，操作者所受到的阻力會改變，當轉動角度在0~α/2度的過程中，所受的阻力(動磨擦力及彈力元件分力)會抵抗操作者，同時彈力位能會呈現一遞增函數，在此過程儲能；當角度在α/2~α度的過程中，彈力位能釋放，使得此過程特別省力，甚至在潤滑良好的情況下，此步驟可以自動完成，此時彈力位能會呈現一遞減函數，該結構會造成方塊在角度為一轉動步的倍數(即方塊外形回到原始狀態)時，彈力位能必定為最小之狀態，因此方塊得以停留在穩定之狀態而不至於產生誤差。
此研發理念係將一般常見魔術方塊之中心軸部分結構改 變，將中心塊拆成兩個活動件，又在兩者之介面設計成凸輪結構，使其轉動時彈力位能產生儲能與釋放，進而達成動態容錯之效果。
其結構係包含一枚中心軸、中心塊、內中心、螺桿、彈力元件、中心蓋、邊塊及角塊，又因實際應用之方塊種類而有不同之零件數量及種類，唯獨中心軸僅有一枚，此結構可以應用在許多現有之魔術方塊產品當中，將此設計融入現有之產品，即有此功能而不影響原有之功能。
針對此設計，舉最常見之三階魔術方塊為例作示意圖，上述之發明構造經詳列後包含：一中心軸10，位於此品正中央，外形概呈三維十字形，每一方向上均有一螺桿孔洞11，供螺桿23鎖入固定，且有轉動限制機構12，用以固定內中心22之轉動。
六枚內中心22，上有轉動限制機構222、凸輪面221，中空部223可放入螺桿23及彈力元件24。
六枚中心塊21，內部有凸輪面211，用以貼合內中心22上之凸輪面221。
六枚中心蓋25，用以和中心塊21組合，以遮蓋魔術方塊內部之機構，使其外觀完整。
六枚彈力元件24，該彈力元件為彈簧，在傳統方塊中，彈力元件用以使結構具有彈性，提供正容錯的力量，然而本發明中，還用以儲存彈力位能，透過凸輪面211及221可以產生轉動力矩；六枚螺桿23，鎖入中心軸，以固定整個結構。
八枚角塊40，在整個魔術方塊的最外圍角落之活動件，本例中每一枚有三個平面朝外，用以顯示三種顏色。
十二枚邊塊30，在整個魔術方塊外圍邊線中間之活動件，本例中每一枚有二個平面朝外，用以顯示二種顏色。
10‧‧‧中心軸
11‧‧‧螺桿孔洞
12‧‧‧轉動限制機構
20‧‧‧曲面
21‧‧‧中心塊
211‧‧‧凸輪面
212‧‧‧中空部
22‧‧‧內中心
221‧‧‧凸輪面
222‧‧‧轉動限制機構
223‧‧‧中空部
23‧‧‧螺桿
24‧‧‧彈力元件
25‧‧‧中心蓋
30‧‧‧邊塊
40‧‧‧角塊
第1圖系三階方塊實例之零件及組裝示意圖
第2圖系軸件組裝之剖面圖
第3圖系動力凸輪面示意圖
第4圖系中心轉動機制示意圖
第5圖系函數示意圖，其中：(a)表示彈力位能對轉動角之函數圖(b)表示力矩對轉動角之函數圖
第6圖係介面轉動機制示意圖，其中(a)表示不同凸輪面示意圖(b)表示不同凸輪面轉動示意圖
第7圖系函數示意圖，其中：(a)表示彈力位能對轉動角之函數圖(b)表示力矩對轉動角之函數圖
第8圖系簡單替換方式示意圖
第9圖系應用實例示意圖
第10圖系應用實例示意圖
第11圖系應用實例示意圖
如第1、2圖所示，本設計之內中心22穿過中心塊21，其凸輪面211及凸輪面221相接觸，又內中心22上之轉動限制機構222與中心軸10上之轉動限制機構12配合，以彈力元件24套入螺桿23將上述組合鎖入中心軸10當中，其中螺桿23鎖入中心軸10之螺桿孔洞11，如此內中心22只能對中心軸10作軸向平移而無法轉動，且在軸向平移的過程中，彈力元件24之彈力位能會變化；而中心塊21可以相對中心軸10轉動並且平移。
如第3圖所示，本設計之內中心22及中心塊21之間介合面均有如曲面20所示意之凸輪面，然而這兩個凸輪面可以互相密合，也可以不密合，後續再予以講述不密合的情形；又如第4圖所示，當魔術方塊在正常形態如(a)時，內中心22及中心塊21之凸輪面密合；又當其轉動一角度時，兩兩曲面碰觸，推擠開 來形成間隙如(b)，此時，內中心22可視為凸輪機構中之從動件，且會相對於中心軸10向外滑行，造成彈力元件24被壓縮，以致於彈力位能增加。
如第5圖(a)所示，當轉動角位在0及α時，彈力位能在最低之狀態E0，在該點形成穩定平衡；當轉動角延著0向0.5α轉動時，彈力位能曲線呈一遞增函數，先是延一斜率上升，之後逐漸趨向平緩，當到達0.5 α時，斜率為0，彈力位能到達最高點E0+d，在該點達成不穩定平衡狀態；當轉動角延著0.5 α向α轉動時，彈力位能曲線呈一遞減函數，一開始斜率為0，之後斜率下降為負，到達α時，斜率為最陡，形成下一個穩定平衡之狀態，如同轉動角為0時之情形。
因單就彈力位能變化圖，難以了解實際運動之狀態，因此，繪製第5圖(b)為轉動角對應力矩之變化圖，更能看出其中的變化，當轉動角位在0及α時，所受力矩均為0，當轉動角一增加時，立即受到-τ的阻抗力矩，這力矩隨著轉動角增加而遞增，轉動角到達0.5 α時，力矩洽為0，繼續由0.5 α向α轉動時，此力矩由負轉正，成為一助力，加速後半步之轉動，若是在沒有磨擦力的理想情形下，此助力會自動將下半步完成；且若是在轉動過程中有誤觸，導致轉動角停留在0~0.5 α之間任意角度，阻抗力矩也會自動將其校正至0之狀態，以減少許多誤觸之情況發生。
除第5圖(a)外，先前提到之內中心22及中心塊21兩兩曲面不同之情形，如第6圖(a)所示，當開始相對轉動如第6圖(b)時，由第7圖(a)可以看得出，不同於第5圖(a)之處，在於當轉動角位在0及α時，該點斜率為0，因此第7圖(b)中，力矩的變化函數為連續，使得當該軸被連續轉動經過轉動角為n α(n為整數)之穩定點時，較前者為平穩，同時，在靠近轉動角n α時，回正的力道較小。
上述各元件之名稱圖示及形狀等，係用以方便描述本創作之構造所定，而非用以限制本案之權利範圍；在本 案揭露後，從事此項技術者可在各元件上略作變化後達成相同功效； 例如：第8圖所示，中心軸10及內中心22之轉動限制機構可以視需要做變化，並不影響其運動法則，即內中心22僅能相對中心軸10作軸向平移，而不能對軸轉動(即滑行對)，意即內中心22在凸輪機構中擔任從動件的角色；而內中心22及中心塊21之間介面形成終端凸輪機構，可以任意變化以達成上述動態容錯之效果，均包含在此範圍內。
又上僅舉最常見之三階魔術方塊為例，係用以方便描述本創作之構造所定，而非用以限制本案之權利範圍；在本案揭露後，從事此項技術者可用在不同種類之相關產品上；例如：第9圖所示，該結構用於五魔方(正12面體)時，凸輪面有5個起伏，此時α角為72度；第10圖所示，該結構用於金字塔魔方(正4面體)時，凸輪面有3個起伏，此時α角為120度；第11圖所示，該結構用於不同階數之正六面體魔方，同三階魔方之例，α角為90度；
21‧‧‧中心塊
22‧‧‧內中心
25‧‧‧中心蓋
30‧‧‧邊塊
40‧‧‧角塊

Claims (6)

  1. 一種魔術方塊之動態容錯結構，至少包含：一枚中心軸，位於此品正中央，相對於若干個不同組合面設有數個螺桿孔洞，供螺桿鎖入固定，且有轉動限制機構，用以固定內中心之轉動；以及複數枚內中心，上有轉動限制機構，使其與中心軸之間無法相對轉動，及一凸輪面，用於結合中心軸及中心塊，中空部可放入螺桿及彈力元件；以及複數枚中心塊，內部有一凸輪面，用以貼合內中心上之凸輪面；以及複數枚彈力元件，用以儲存彈力位能，使內中心被拉向中心軸；以及其特徵在於：中心塊到內中心之間，設有凸輪機構，使得單步轉動過程中，彈力元件之彈力位能會產生儲能與釋放，進而使該過程中阻力變化可以被設計。
  2. 如申請專利範圍第1項之魔術方塊之動態容錯結構，其中有螺桿作為結合件，用以結合中心軸、內中心及彈力元件。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之魔術方塊之動態容錯結構，其中增加複數枚中心蓋，用以和中心塊組合，以遮蓋魔術方塊內部之機構，使其外觀完整。
  4. 如申請專利範圍第1項之魔術方塊之動態容錯結構，其中至少有角塊或邊塊等周圍塊體，以拼成完整之魔術方塊，又因實際應用之產品種類而有不同數量以及不同種類之零件，其中：角塊為整個魔術方塊的最外圍角落之活動件，組裝完成時被三枚邊塊所圍繞固定；邊塊為整個魔術方塊外圍邊線中間之活動件，組裝完成時，被兩枚中心塊及兩枚角塊所固定。
  5. 如申請專利範圍第1項之魔術方塊之動態容錯結構，其中當外層開始轉動起始到轉半步之過程中，彈力位能呈遞增函數變化；半步到一完整步之過程中彈力位能呈遞減函數變化。
  6. 如申請專利範圍第1項之魔術方塊之動態容錯結構，該彈力元件為彈簧。
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