專利名稱：具旋轉(zhuǎn)感應(yīng)的魔術(shù)方塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本創(chuàng)作系使用三軸陀螺儀/加速感應(yīng)器的電子魔術(shù)方塊，具有旋轉(zhuǎn)感應(yīng)功能，采用電子組件、陀螺儀/加速感應(yīng)器、LED和微處理機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，尤其涉及一種以按鍵及陀螺儀/加速感應(yīng)器來偵測使用者操控狀態(tài)，以LED燈光變化模擬傳統(tǒng)魔方旋轉(zhuǎn)的電子魔方。
背景技術(shù)：
先前之機(jī)械式魔術(shù)方塊(圖2)，為使用機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，以形成一個(gè)有六個(gè)面的立方 體，并且在每個(gè)面上有3x3的小方塊，而且由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙，可以讓這個(gè)方塊在各個(gè)小方塊的方向可以在各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，以B面為例，于各行及各列都有兩種方向旋轉(zhuǎn)的可能，總共有12種操作的方式，同理在A，C，D，E，F(xiàn)面上也都有12種操作的可能方式，使用者可以選擇在各方塊進(jìn)行任意的操作，以便把方塊上的各面都轉(zhuǎn)成一種顏色。由于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙，及游戲的挑戰(zhàn)性，這個(gè)產(chǎn)品得到世界各國的專利及各國使用者的喜好，而流行于各地。但存在者復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的不方便組裝和易損壞的問題。但是以電子的方式來仿真魔術(shù)方塊，卻一直沒有很理想的產(chǎn)品。例如臺(tái)灣新型M247259(圖3)，外型及操作方式都和傳統(tǒng)的魔術(shù)方塊不同。雖然臺(tái)灣M325146新型專利有提出外觀跟傳統(tǒng)魔方一致的電子魔方，但是卻是用按鍵方式來控制旋轉(zhuǎn)方向，跟傳統(tǒng)魔方控制方式及手感仍有差異，因此如何能以電子方式來完整而方便的模擬傳統(tǒng)機(jī)械式的魔術(shù)方塊即是本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本專利的目的在于提供一種具選轉(zhuǎn)感應(yīng)的電子魔術(shù)方塊，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的不方便組裝和易損壞的問題，并且使其外觀及操作盡量接近原來傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)式的魔術(shù)方塊。本專利實(shí)施例是這様實(shí)現(xiàn)的，與臺(tái)灣M325146新型專利比較，我們把按鍵由LED顯示塊之間改成于LED顯示塊上，并且增加了陀螺儀或加速感應(yīng)器來感應(yīng)使用者對(duì)魔方的旋轉(zhuǎn)方向。本專利包括立方體本體；6個(gè)電子顯示器，電子顯示器的顯示表面分別位于立方體本體的各個(gè)表面，每個(gè)顯示表面包括9個(gè)顯示子模塊；9個(gè)按鍵，位于顯示子模塊的表面或下方；一個(gè)以上的陀螺儀或加速感應(yīng)器，可以感應(yīng)X/Y/Z三軸的旋轉(zhuǎn)量或加速度，用來感應(yīng)本體的旋轉(zhuǎn)方向；至少一個(gè)控制顯示子模塊顯示不同顏色和/或圖案的微控制器，分別與陀螺儀、按鍵與電子顯示器電性連接；以及供電裝置，分別連接陀螺儀、電子顯示器、微控制器以及按鍵。


圖I :本創(chuàng)作外觀圖 圖2 :傳統(tǒng)魔術(shù)方塊
圖3 :習(xí)見電子魔術(shù)方塊圖4 :電路方塊圖 圖5 :顯示子方塊標(biāo)號(hào)示意圖 圖6 :三軸加速度感應(yīng)與重力加速度示意圖 圖7:沿Y軸旋轉(zhuǎn)示意圖 圖8 :沿Z軸旋轉(zhuǎn)示意圖
10:微控制器
11:按鍵
12:三軸陀螺儀/加速度感應(yīng)器
13:顯示模塊
131 顯示模塊之子模塊
14:電源
15=USB接頭
具體實(shí)施例方式 本專利實(shí)施例提供的魔術(shù)方塊，用戶可以通過按鍵及對(duì)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)控制微控制器實(shí)現(xiàn)顯示子模塊顯示不同的顏色和/或圖案，代替?zhèn)鹘y(tǒng)魔術(shù)方塊通過旋轉(zhuǎn)達(dá)到顏色或圖案的變化的目的，而陀螺儀/加速度感應(yīng)器的感應(yīng)方式，可以感測使用者對(duì)本體方塊于X/Y/Z三軸方向的旋轉(zhuǎn)，跟傳統(tǒng)魔方的轉(zhuǎn)法一致，可以讓使用者使用電子魔方時(shí)維持傳統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的手感。本專利實(shí)施例的魔術(shù)方塊，包括立方體本體；多個(gè)電子顯示器，電子顯示器的顯不表面分別位于立方體本體的各個(gè)表面，每個(gè)顯不表面包括多個(gè)顯不子模塊；多個(gè)按鍵，位于顯示子模塊的表面或下方；一個(gè)以上的陀螺儀，可以感應(yīng)X/Y/Z三軸的旋轉(zhuǎn)量，或一個(gè)以上的加速度感應(yīng)器，可以感應(yīng)X/Y/Z三軸的加速度；至少一個(gè)控制顯示子模塊顯示不同顏色和/或圖案的微控制器，分別與按鍵、陀螺儀或加速感應(yīng)器與電子顯示器電性連接；以及供電裝置，分別連接電子顯示器、微控制器、陀螺儀或加速感應(yīng)器以及按鍵。如圖I所示的本創(chuàng)作外觀，為一常見的三階3x3魔術(shù)方塊，同樣的設(shè)計(jì)原理可以應(yīng)用在2階2x2等其它階數(shù)上。它包括立方體本體10、電子顯示器13和按鍵11。電子顯示器13的顯示表面分別位于立方體本體10的各個(gè)表面上，電子顯示器13的每個(gè)顯示表面分為九個(gè)顯示子模塊131，每行三個(gè)，共分三行，顯示子模塊131可顯示不同顏色和/或圖案。電子顯示器13可以為LED (Light Emitting Diode,發(fā)光二極管)或VFD (VacuumFluorescent Display,真空突光顯示屏)或液晶屏幕,一般以三色LED矩陣最為簡便。按鍵11位于顯示模塊的表面或下面，表面的方式可以用電容觸控按鍵方式，下面的方式可以用導(dǎo)電橡膠方式完成，并將按鍵整合在顯示的子模塊上。整個(gè)魔術(shù)方塊有6x9=54個(gè)按鍵及顯示子模塊，使用者以按鍵及轉(zhuǎn)動(dòng)魔方本體來控制電子魔方旋轉(zhuǎn)方式。從圖2中，我們可以看出魔方本體可以沿X/Y/Z三軸中任一軸旋轉(zhuǎn)，并且任意軸上的旋轉(zhuǎn)可以有順時(shí)鐘(正)及反時(shí)鐘(反)兩種可能，經(jīng)由電子魔方內(nèi)的陀螺儀或加速度感應(yīng)器我們可以偵測出使用者如何轉(zhuǎn)動(dòng)本體，再配合使用者的按鍵輸入，我們就可以明白使用者要旋轉(zhuǎn)部分。按鍵部分本專利實(shí)施例的魔術(shù)方塊還包括一個(gè)初始狀態(tài)控制按鍵，控制電子顯示器13的顯示子模塊131的顏色或圖案恢復(fù)初始狀態(tài)。初始狀態(tài)控制按鍵可以為獨(dú)立的按鍵，或者所述多個(gè)按鍵中幾個(gè)按鍵的組合。也可以有其它控制鍵讓電子魔方執(zhí)行其它電子游戲如打地鼠等。以陀螺儀或加速度感應(yīng)器來感應(yīng)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)方向說明如下以陀螺儀來實(shí)施本體轉(zhuǎn)動(dòng)方向較為直觀，一般常見的陀螺儀感應(yīng)芯片如InvenSense公司推出的陀螺芯片有單軸、雙軸、三軸系列產(chǎn)品，其中ITG-3200為三軸、數(shù)字輸出的產(chǎn)品，因此只要在本體內(nèi)部裝上一個(gè)ITG-3200就可以用微控制器經(jīng)由其數(shù)字接口直接讀出芯片本身在X/Y/Z三軸的角加速度，而芯片本身是固定在魔術(shù)方塊的本體內(nèi)，如此我們就能了解魔方本體的旋轉(zhuǎn)方向；反之使用加速度感應(yīng)器來判斷本體旋轉(zhuǎn)方向則需要配合軟件的分析，與陀螺儀一樣，加速度感應(yīng)器有單軸，雙 軸、三軸之分，設(shè)計(jì)上可以視空間與單價(jià)上的考慮，直接使用三軸的加速度感應(yīng)器，或三個(gè)單軸的加速度感應(yīng)器分別置于X/Y/Z三個(gè)感應(yīng)方向，或使用一個(gè)單軸加上一個(gè)雙軸加速度感應(yīng)器，三軸的加速感應(yīng)器如ANALOG DEVICE公司的ADXL330芯片即是三軸模擬電壓輸出的例子，使用上微控制器我們選用內(nèi)含A/D(Analog to Digitalconvert,模擬轉(zhuǎn)數(shù)字)功能的微控制器即可，但是使用加速度感應(yīng)器讀出的是加速度的值，一般魔方靜止時(shí)讀到的就是地心重力加速度的值，以圖2為例，此時(shí)可以讀到在負(fù)Z方向有地心的重力加速度值，相對(duì)關(guān)系如圖6，換句話說只要在靜止?fàn)顟B(tài)下，讀出重力加速度的值即可以了解本體三維空間方向，例如圖7為圖6沿Y軸順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，重力加速度所讀出的值，在負(fù)Z軸的量減少而在負(fù)X軸的量增加，即可推算出本體三維旋轉(zhuǎn)方向。因此在兩個(gè)假設(shè)前提下，第一手轉(zhuǎn)本體所產(chǎn)生加速度與重力加速度相比而言很小而可以忽視，第二 旋轉(zhuǎn)時(shí)X/Y/Z的重力加速度分量都不為零，我們可以定時(shí)讀取三維加速度感應(yīng)器X/Y/Z方向的重力加速度的分量，即可以追蹤本體的三維方向，而由前后兩個(gè)方向相對(duì)關(guān)系即可判斷本體旋轉(zhuǎn)的方向。第一個(gè)前提經(jīng)由實(shí)測證實(shí)，由手轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生加速度不大可以忽略。第二個(gè)前提即代表旋轉(zhuǎn)方向不要是正水平或正垂直方向旋轉(zhuǎn)就不會(huì)有X/Y/Z其中有一軸重力加速度分量為零的情形，在一般使用者把魔方拿在手中轉(zhuǎn)的狀況下，這一點(diǎn)也能得到保證。需要第一個(gè)前提的理由是，重力加速度的方向是一定的，我們經(jīng)由分析重力加速度于加速度感應(yīng)器X/Y/Z方向的分量，就能判斷魔方本體三維方向，因此不希望有其它的加速度施在本體上。第二個(gè)理由是因?yàn)橹灰腥魏蝀/Y/Z—分量為零時(shí)(例如圖6)，物體以那一個(gè)非零的一軸(即圖6z軸)旋轉(zhuǎn)后(即圖8)，對(duì)加速度感應(yīng)器而言圖8跟圖6所讀到的值是一樣的。換言之在本體靜止時(shí)加速度感應(yīng)器X/Y/Z方向上有讀到零值，我們判斷魔方本體的三維方向就會(huì)有兩個(gè)軸無法判斷只能知道其中一軸的方向。在本應(yīng)用中，第一跟第二個(gè)前提都能符合。因此使用三軸陀螺儀或三軸加速度感應(yīng)器，我們都能夠判斷本體的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。但是知道了本體轉(zhuǎn)動(dòng)方向并不夠，以圖2為例，魔方本體上有A、B----F六個(gè)面，
如果我們知道本體由Y軸順時(shí)針轉(zhuǎn)，但是每個(gè)面上都個(gè)有3行3列，是哪一行哪一列旋轉(zhuǎn)，必須能區(qū)分出來，我們才能完整模擬傳統(tǒng)魔方的旋轉(zhuǎn)。圖5我們把各面各方塊都給上編號(hào)以方便解釋，當(dāng)本體由Y軸順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，由B、E、D、F來操作是等效的，我們只用B面來說明，當(dāng)傳統(tǒng)魔方由B面沿Y軸順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)有可能是BI、B4、B7或B2、B5、B8或B3、B6、B9這三行之一，必須由使用者以按鍵來指示微控制器目前要進(jìn)行哪一行的旋轉(zhuǎn)，只要使用者按下同一行上任一鍵，例如使用者按下B3，微控制器即知道是B3、B6、B9這行是要進(jìn)行Y軸上順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)。而B3、B6、B9進(jìn)行Y軸上順時(shí)針的旋轉(zhuǎn)實(shí)際上也等效于E1、E2、E3或F1、F2、F3或D1、D4、D7進(jìn)行Y軸上順時(shí)針，因此按下B3、B6、B9、E1、E2、E3、F1、F2、F3、D1、D4、D7任一鍵或以上的效果是一樣的。同樣的方式可以推用到其它面的行列上，因此以使用者對(duì)本體的旋轉(zhuǎn)加上按鍵，微控制器就可以變化LED燈光來模擬傳統(tǒng)魔方的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。簡單的說，使用者只要按下他要轉(zhuǎn)的那一行上的任一小方塊后，再將本體配合往他要轉(zhuǎn)的那個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，微控制器就能依照傳統(tǒng)魔方在那一行的旋轉(zhuǎn)的結(jié)果變化顯示模塊的燈光/圖形變化。以上說明軟件如何感應(yīng)本體旋轉(zhuǎn)及控制各面上個(gè)行列的旋轉(zhuǎn)，實(shí)際以燈光變化來產(chǎn)生模擬實(shí)際，以上述例子，按下B3后，B3、B6、B9、E1、E2、E3、FI、F2、F3、Dl、D4、D7、C1 C4，C6 C9的燈光需要更新，更新的方式為El更新為原B3的燈光，E2更新為原B6，. . .，Dl更新為原E3，C3更新為原Cl，. . .、C6更新為原C8。其它燈光變化來模擬實(shí)際魔方旋轉(zhuǎn)的軟件方式都依此類推。此外本專利軟件頗為直觀，主程序持續(xù)檢查目前是否有按鍵，有按鍵后再檢查本體轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再依此變化LED燈光完成使用者的旋轉(zhuǎn)操作后再重復(fù)檢查是否有按鍵。本專利的實(shí)施電路方塊圖如圖4，電路的中心為10微控制器，我們選用具有USB (Universal Serial Bus,通用串行接口)、A/D、IIC (Inter — Integrated Circuit,兩線式串行接口)及具ISP(In System Progrmam,在線可程序)的微控制器，有USB ISP功 能可以方便用USB下載程序。而A/D跟IIC是為了跟三軸陀螺儀/加速度感應(yīng)器12接口使用，三軸陀螺儀跟加速度感應(yīng)器擇一使用，以價(jià)格為選擇的主要考慮，因?yàn)槭褂萌我环N感應(yīng)器都能分析出本體旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。按鍵11使用的是習(xí)見的行列式的按鍵矩陣電路，也可以選用電容式觸控芯片或紅外反射式感應(yīng)按鍵。顯示模塊13使用了紅藍(lán)綠三色LED矩陣，因此可以顯示7種顏色，控制線路也是十分習(xí)見，也可以用液晶顯示。以單色液晶顯示時(shí)可以用圖案的不同來取代顏色的不同，也可以用彩色液晶顯示，當(dāng)使用液晶顯示時(shí)本電路內(nèi)就要依液晶單色/彩色、圖形/點(diǎn)陣的不同選用合適的控制芯片與微控制器10連接，否則LED矩陣只需以微控制器的1/0(輸入/輸出)腳加上晶體管放大電流即可。電源14部分以兩個(gè)二極管選擇電池輸入或外部由USB接頭15所輸入的正5V電源，在經(jīng)由穩(wěn)壓管穩(wěn)出3. 3V給微控制器10、顯示模塊13、按鍵11、三軸陀螺儀/加速度感應(yīng)器12，必要時(shí)使用鋰電池并加上充電電路即不用時(shí)常更換電池。USB接頭15除了供應(yīng)+5V給電源14，也接到微控制器10可以跟PC (Persnal Computer,個(gè)人計(jì)算機(jī))聯(lián)機(jī)，可以更新內(nèi)部程序或進(jìn)行其它通信功能。以上所述僅為本專利的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本專利，凡在本專利的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包括在本專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具旋轉(zhuǎn)感應(yīng)的魔術(shù)方塊，其特征在于，所述魔術(shù)方塊包括一立方體本體；多個(gè)電子顯示器，所述電子顯示器的顯示表面分別位于所述立方體本體的各個(gè)表面，每個(gè)顯示表面包括多個(gè)顯示子模塊；多個(gè)按鍵，位于所述顯示子模塊的表面或下面；一個(gè)以上的陀螺儀或加速度感應(yīng)器；至少一個(gè)控制所述顯示子模塊顯示不同顏色和/或圖案的微控制器，分別與所述按鍵、電子顯示器、陀螺儀或加速感應(yīng)器電性連接；以及供電裝置，分別連接所述電子顯示器、陀螺儀或加速度感應(yīng)器、微控制器以及按鍵。
2.如申請(qǐng)專利范圍I所述具旋轉(zhuǎn)感應(yīng)的魔術(shù)方塊，其特征在于，旋轉(zhuǎn)感應(yīng)方式為讀取陀螺儀或加速度感應(yīng)器計(jì)算所得，使用陀螺儀或加速度感應(yīng)器至少一個(gè)以上，可以讀取三維X/Y/Z方向的旋轉(zhuǎn)值或加速度值，陀螺儀所讀取的X/Y/Z旋轉(zhuǎn)值即代表本體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，加速度感應(yīng)器所讀取的X/Y/Z方向的加速度值與單位時(shí)間前一次的讀取值，經(jīng)比較差異計(jì)算后可以得到本體目前旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
3.如申請(qǐng)專利范圍I所述具旋轉(zhuǎn)感應(yīng)的魔術(shù)方塊，其特征在于，所述微控制器控制每個(gè)所述顯示子模塊顯示至少六種不同的顏色和/或圖案，并接受使用者指示控制各個(gè)子模塊顯示達(dá)到仿真?zhèn)鹘y(tǒng)魔術(shù)方塊旋轉(zhuǎn)的效果，各種模擬旋轉(zhuǎn)方式由使用者轉(zhuǎn)動(dòng)本體及控制按鍵產(chǎn)生，轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)來自所述陀螺儀或加速度感應(yīng)器信息計(jì)算所得。
4.如申請(qǐng)專利范圍I所述具旋轉(zhuǎn)感應(yīng)的魔術(shù)方塊，其特征在于，所述供電裝置為內(nèi)置電池或外部USB供應(yīng)電源加穩(wěn)壓電路形成。
5.如申請(qǐng)專利范圍I所述具旋轉(zhuǎn)感應(yīng)的魔術(shù)方塊，其特征在于，所述電子顯示器為發(fā)光二極管或真空熒光顯示屏或液晶顯示屏。
全文摘要
本創(chuàng)作公開了一種用三軸陀螺儀/加速感應(yīng)器、按鍵、LED(發(fā)光二極管)、MCU(MicroControlUnit,微控制器)的具旋轉(zhuǎn)感應(yīng)的魔術(shù)方塊，以陀螺儀/加速感應(yīng)器感應(yīng)魔方旋轉(zhuǎn)方向加上按鍵，指示MCU控制LED燈光變化模擬傳統(tǒng)魔方的機(jī)械旋轉(zhuǎn)，可以將傳統(tǒng)魔方以電子方式來控制及仿真，操縱方便及燈光吸引使用者，達(dá)到娛樂及教育的效果。
文檔編號(hào)A63F9/06GK102728052SQ20111008246
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者謝宜軒 申請(qǐng)人:廈門鼎丞電子科技有限公司