專利名稱：三維魔方的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明如標(biāo)題所示，涉及一種三維魔方，即一種開發(fā)想象力和空間概念的教育玩具；和獲得三維魔方表面圖案(adornment)組合的方法，與市場上現(xiàn)有教育玩具相比，具有明顯的優(yōu)點。
目前，已知的各種教育玩具如魔方、拼版玩具等，由一給定數(shù)目的塊組成，玩耍者必須將它們適當(dāng)?shù)胤胖没蚱囱b，以得到一個確定的圖像，如一幅圖畫，或一個圖案等。這種玩具難度的增加與玩具塊數(shù)有關(guān)，同時在很大程度上也取決于構(gòu)成圖形的抽象性。
然而，這種教育玩具是在一個表面上，即在二維空間編排，并且，在大多數(shù)情況下可得到一個唯一的解或圖形(立體魔方為6)。所以，一旦它們被解出，即得到一幅圖形之后，玩耍者還要繼續(xù)玩時，他唯一的可能就是重復(fù)該構(gòu)造過程。
本發(fā)明研制的三維魔方目的在于提供一種開發(fā)想象力和空間概念的新的教育玩具。
本發(fā)明的第一個目的(intention)在于提供一個教育玩具，玩耍者同時組合二維面或三維體，尋找三維魔方各方塊的定位或位置，以開發(fā)想象力和空間概念。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種獲得所說的三維魔方圖案(illustration)組合的方法。這種圖案組合理解為一種制造過程(manufacturing phase)。作為三維魔方一部分的每一塊的裝飾圖案(adornment)是玩耍魔方時構(gòu)成各種不同圖形的一部分。
而且，本發(fā)明的三維魔方包括一個教育拼版玩具，由一套n3(n×n×n)塊等尺寸立方形塊(以下稱為方塊)組成，n是大于1的整數(shù)。所說的方塊具有內(nèi)部連接元件，以便得到一個每邊有n個方塊的主立方塊。所說的主立方塊的圖案(illustration)由6n個不同的二維魔方構(gòu)成，它通常有n組不同的圖形(alternative visualization)，每組6個二維魔方，立方體形的主方塊面每個面上一個。
每個方塊的圖案最好由圖形印刷、鏤蝕或排字技術(shù)制成，但不排除其它的已知印刷技術(shù)。對應(yīng)于為6n個不同的二維魔方所選的圖案的各個不同部分的每個方塊印刷面構(gòu)成了本發(fā)明三維魔方的圖面，具有任何類型的圖案，如圖形、藝術(shù)品、圖畫等。
不同方塊之間的連接裝置適于確定每邊有n個方塊的主立方塊，其構(gòu)成包括下述方案第一種構(gòu)造方案，由紙、塑料、紙板、木材、金屬或其它類似材料制成的小圓棒組件，它被插入鉆在方塊面中心的相應(yīng)孔中，這些孔的尺寸大小適合于安裝小圓棒，其深度最好小于方塊邊長的一半，這些孔必須足夠小，當(dāng)構(gòu)成三維魔方體時不要影響每個二維魔方的形象化的圖形。
所提到的連接元件適于確定每邊具有n個方塊的主立方塊，并且在第二種構(gòu)造方案中，由一個用透明材料，如丙烯酸脂、塑料等類似材料制成的外殼組成。緊緊地裝有全部方塊并能從外面看到組合三維魔方時所得到的不同圖形。
盡管如此，所說的盒子可以加工成不同式樣，只要它滿足上文提出的要求。
在第三種構(gòu)造方案中，方塊連接元件適于確定每邊有n個方塊的主立方塊，并且由三個相互垂直的平面所構(gòu)成的框架組成。最好是裝有轉(zhuǎn)動裝置(handling means)，如手柄、球形手柄或類似物。
最后，第四種構(gòu)造方案，各方塊之間的連接元件由適于將三維魔方的各方塊面連接在一起的磁器件構(gòu)成。
以這種方式，用放置每個方塊組成一個每邊有n個方塊的主立方塊制作本發(fā)明的三維魔方，得到展示于每個表面上的不同畫面，移動方塊，可以得到不同的組合，以便可以看到包含于該三維魔方中的6n個不同的畫面。這種組合的三維魔方，增加了方塊的數(shù)量和設(shè)計復(fù)雜性，形成具有復(fù)雜性的教育玩具，適用于各種年齡的玩要者，并向玩要者提供了多于一種解的消遣和娛樂用游戲。
正如上面所提到的，本發(fā)明的第二個目的涉及獲得所述的三維魔方圖案組合的方法，這種圖案組合理解為一種制作過程，用該制作過程，在玩魔方的過程中，一旦所要獲得的6n個畫面被選定，每個方塊面的圖案就被確定。所說的圖案組合過程確定了6n個二維魔方的每個不同部分或被選定的圖案部分，這對應(yīng)于包含在該三維魔方中的方塊的每個面。這是魔方游戲中求解的實質(zhì)。魔方游戲中求解的實質(zhì)就是通過所說的圖案組合過程，確定6n個二維魔方的不同部分或所選定的圖案部分，這6n個二維魔方與構(gòu)成三維魔方的方塊的每個面相關(guān)聯(lián)，這對魔方游戲中求解是必需的。獲得三維魔方圖案組合的方法用于制造或構(gòu)成樣機或模型機，它以后被成批制造。
用于獲得所述的三維魔方圖案組合的方法根據(jù)三維魔方的大小，主要有兩種，而第一種方法可以用于任何大小的三維魔方。
用于獲得三維魔方圖案的組合方法包括下列步驟a)建造一個每邊有6n個方塊的主方塊(以下簡稱方塊組合體)，這個方塊組合體是三維魔方n個解中的一個；b)將方塊組合體按照方塊在方塊組合體中所占位置的特征分成更小的組合體，如-角方塊小組，包括處于方塊組合體角上的那些方塊；-邊方塊小組，包括處于方塊組合體邊上的那些方塊，但角方塊除外；-中間方塊小組，包括放置在方塊組合體表面中間區(qū)域的那些方塊；-內(nèi)部方塊小組，包括放置在方塊組合體內(nèi)部區(qū)域因而不暴露的那些方塊；c)對角方塊小組、邊方塊小組和中間方塊小組各方塊的暴露面制作圖案；d)將上述小組中的一個或多個方塊從一個小組移動到另一個小組，用這種方式組合第二個方塊組合體；e)將第二個方塊組合體分成角方塊小組、邊方塊小組、中間方塊小組和內(nèi)部方塊小組；f)對角、邊、中間和內(nèi)部方塊的暴露面制作圖案，無論是否同時制作圖案，凡在一個方塊中包含兩個面的圖案，要求必須描繪成一個立體角；無論是否同時繪制圖案，凡在同一個方塊中的包含三個面的圖案，要求必須描繪成一個三面體；g)按照步驟d)-f)，繼續(xù)構(gòu)造不同的方塊組合體，以便完成n個方塊組合體。
上文所述方法用于n小于等于6時很方便，對于更大的三維魔方其方法更復(fù)雜。
用于獲得所述的三維魔方圖案組合的方法，當(dāng)三維魔方每邊的方塊數(shù)n大于或等于6時，其步驟包括a)按照所述的每個方塊在所有方塊組合體和每個方塊組合體中所占位置的特點，將三維魔方的方塊組合體分成小組，如-角方塊小組，由放置在主方塊組合體角上的方塊構(gòu)成，方塊數(shù)目為4n；-邊方塊小組，由放置在每個方塊組合體邊上的方塊組成，角方塊除外，方塊數(shù)目為4n×(n-2)；-中間方塊小組，由總是放置在方塊組合體表面中間區(qū)域的方塊組成，其方塊數(shù)目為n×(n-2)×(n-2)；b)對于所提到的各小組，用所述小組在方塊組合體的位置數(shù)P除給定小組方塊的總數(shù)，求商和余數(shù)R；c1)對步驟(b)的除法，當(dāng)余數(shù)不等于零時，用步驟(b)所做除法的余數(shù)R除該組方塊的總數(shù)，對每個小組計算出三維魔方余數(shù)R(步驟(b)除法的余數(shù))方塊的組數(shù)GPT；c2)當(dāng)步驟(b)為整除時，即R等于零，用步驟(b)做過運算的P為除數(shù)除所述小組方塊的總數(shù)，計算出方塊組合體所述小組位置組P(步驟(b)運算中的除數(shù))方塊的組數(shù)GPT；d1)當(dāng)步驟(b)為非整除時，即R不等于零，用步驟(b)所做除法之余數(shù)R除一個給定方塊組合體中所說小組的位置數(shù)，對每個小組計算出R(步驟(b)中的余數(shù))方塊的組數(shù)GCC；d2)當(dāng)步驟(b)為整除時，即R等于零，用步驟(b)所做除法的因數(shù)P除給定方塊組合體所說小組的位置數(shù)，計算出每個方塊組合體所說組的位置組P(步驟(b)中所做運算中的除數(shù))方塊的組數(shù)GCC，即GCC等于1；e)在步驟(c1)、(c2)和(d1)、(d2)所做的除法中，在其結(jié)果有一組或幾個組不為整數(shù)的情況下，對每個小組我們有
e1)確定一個自然數(shù)m，按增加順序接近某一個十進制數(shù)，這個數(shù)自乘獲得另一個自然數(shù)；e2)從步驟(c1)、(c2)獲得的三維魔方的所說組的R(步驟b的除法中的余數(shù))方塊的組數(shù)GPT被步驟e1所述的自然數(shù)m相乘的積得到一個三維魔方的所說組的方塊R/m(步驟b除法的余數(shù)被步驟e1確定的自然數(shù)m相除)的新組數(shù)GPT′e3)步驟(d1)、(d2)獲得的方塊組合體所述組余數(shù)R(步驟b除法之余數(shù))方塊的組數(shù)GCC乘步驟e1確定的自然數(shù)得到一個方塊組合體所說組的方塊R/m(步驟b除法之余數(shù)R被步驟e1確定的自然數(shù)m相除)的新組數(shù)GCC′；e4)R(步驟b除法之余數(shù))被步驟e1確定的自然數(shù)相除得到R′(=R/m)；f)對包含在步驟(a)確定的每個所說小組中的方塊，聚集在GPT、GCC組的方塊，相應(yīng)的GPT′、GCC′小組的方塊的暴露面連續(xù)制作圖案，連續(xù)地建造每一個方塊組合體，將所述的小組的方塊數(shù)分成GCC方塊組，相應(yīng)的GCC′組無論是否同時制作，凡同一方塊包含3個面的圖案覆蓋成一個三面體，同一方塊上包含兩個面的，其圖案應(yīng)覆蓋成一個立體角；用這里描述的三維魔方獲得圖案組合的方法所獲得的樣機或模型，以后將用于成批制作。
作為一種選擇，所說的樣機不是用于三維魔方的成批制作，通過上文描述的圖案制作步驟獲得的每個方塊的平面展開得到的型樣來制作粘接板，用來貼到構(gòu)成三維魔方的方塊上。
構(gòu)成所說的三維魔方的方塊上的所說的粘接板的粘接可以在工廠里制作或由使用者制作，在這種情況下，他自己可以用貼粘接板制作魔方塊。為此目的，按照本發(fā)明的最佳設(shè)計，給了游戲者提供一種應(yīng)用工具。首先，包括一種將粘接板集中(centering)于方塊面上一種裝置，最好包括一個L型的型板，該裝置具有施加粘接板的裝置和相應(yīng)方塊的定位裝置。第二，包括一種粘接系統(tǒng)，當(dāng)粘接板用上述方法定位后，同時將粘接板貼于方塊的4個面上，主要包括一個引導(dǎo)裝置，將其面上有粘接板的方塊引導(dǎo)通過方孔，方孔的大小與貼有粘接板的方塊的大小相當(dāng)，方孔前沿主要為圓弧形，以免損壞粘接板。
從上面已經(jīng)提到的，很容易明白本發(fā)明的三維魔方的優(yōu)點，作為一種開發(fā)想象力和空間概念的教育玩具，它具有多個解，這將使游戲者為了所說的每個解去想象不同的構(gòu)造。
作為一種選擇，本發(fā)明的三維魔方也可以在計算機監(jiān)視屏上實現(xiàn)，這樣，它就不是一種手動玩具，而是一種借助于計算機程序，用鍵盤、鼠標(biāo)或其它工具操作的教育玩具。
因此，將使用一個三維程序，該程序包括在計算機屏上描繪方塊的圖像處理程序及一個所說圖形的飾面(facing)程序和繪圖程序，這樣有可能建立具有不同大小的各種畫面。所說的程序必須包括方塊圖形、主面、主方塊和相應(yīng)面的重建選擇、縮小和放大，以及建立一個方塊所耗時間記錄和其它所需時間的選擇，與所耗時間有關(guān)系的和/或命中和未命中的得分；游戲指南的建立；游戲期間的背景音樂；在方塊放錯情況下的警告信號、建議或錯誤信號；和在游戲期內(nèi)提供其它游戲指導(dǎo)的可能性。
為了更好地理解本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明三維魔方的制作方法和獲得所說三維魔方面圖案的組合方法。


圖1所示為本發(fā)明27(3×3×3)個方塊三維魔方的實例。
圖2a和2b所示為方塊的第一種連接裝置的結(jié)構(gòu)，方塊是圖1所示的三維魔方的組成部分。
圖3是所示方塊的第二種連接裝置的結(jié)構(gòu)，方塊是圖1所示的三維魔方的組成部分。
圖4是所示方塊的第三種連接裝置的結(jié)構(gòu)，方塊是圖1所示的三維魔方的組成部分。
圖5所示為通過圖案組合過程得到的每個原型機方塊在平面上展開的粘接板型樣(pattern)的一個實例。
圖6a和圖6b所示為相應(yīng)于圖5所示的相對于粘接板型樣的方塊面集中裝置的兩個實例。
圖7所示為當(dāng)粘接板用圖6a和圖6b所示的裝置集中后，同時將粘接板加于方塊4個面上的粘接系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實例。
如圖1所示，本發(fā)明的三維魔方(1)涉及一種教育玩具，在本例中它由同樣大小的27(3×3×3)個方塊(2)組成，這些方塊具有這樣設(shè)計的連接裝置，最后將它們組裝成每邊有3個方塊的主立方體。所說方塊(2)的圖案，例如，包括一個印刷圖形，并且在該實際裝置中，相應(yīng)于不同圖形的幾何圖案設(shè)計成3組，每組6個，每個主方塊面上1個，構(gòu)成18個不同的二維魔方。所說的方塊(2)上的每個印刷面，對應(yīng)于18個二維魔方的一個不同部分或選定圖案的部分，它們構(gòu)成所說的三維魔方(1)所有的圖形。
圖2a和圖2b、3和4分別表示各個方塊(2)之間的三種連接裝置的構(gòu)造，通過它們確定一個每邊有3個方塊(2)的主立方塊。
圖2a和2b所表示的第一種裝置，該連接裝置包括一套小圓棒(3)，它插入方塊面中心點的相應(yīng)孔(4)中，安裝圓棒的孔的大小在安裝圓棒后沒有任何間隙，其深度小于方塊(2)邊的一半。正如圖2所見，孔(4)應(yīng)足夠小，當(dāng)組成三維魔方(1)時而不影響得出的二維魔方每一個圖視。
圖3所示為第二種連接裝置，這種連接裝置包括一個具有滑動蓋板(6)的透明外殼(5)，能容納全部方塊(2)而無任何間隙，且能從外面看到組成三維魔方時所展現(xiàn)的圖案，外殼(5)的側(cè)面由可拆卸的側(cè)板(6′)構(gòu)成。
這種外殼可以由多種不同設(shè)計制成，從簡單的透明盒子到更復(fù)雜的設(shè)計，如圖3所示，只要滿足前文所述的要求即可。
最后，所說的各方塊之間的第三種連接裝置，如圖4所示，包括由3個相互垂直的用透明材料制成平面(8a,8b,8c)所構(gòu)成的支撐(7)，并且有一個轉(zhuǎn)動裝置，如手柄或球形手柄(9)。
所說的各方塊的第四種可能的連接裝置，圖上未示，可以由將構(gòu)成三維的方塊的每個面連接起來的磁器件構(gòu)成，例如，嵌入方塊面上或內(nèi)部的小片，或金屬條帶、鐵芯等。
正如前面已經(jīng)指出的，本發(fā)明的第二個目的是指獲得所說三維魔方圖案組合的方法。這種圖案組合理解為一種制作過程，在該制作過程中一旦包含在游戲運作(game performance)中的圖形被選定，三維魔方所有方塊的圖案就被確定。求解的實質(zhì)就是通過這個圖案組合過程確定該三維魔方(1)的方塊(2)每個面的選定圖案的每部分或各部分。這種用于獲得三維魔方(1)圖案組合的方法被用來制造或構(gòu)造樣機，其后將用于批量制造。
作為一種選擇，如此得到的樣機不是用于三維魔方的成批制造，而是用于制造某些從圖案組合過程中取自樣機的每個方塊平面展開所或得的粘接板的型樣，如圖5所示。
所述的粘接板(11)的大小必須與方塊(2)的大小相適應(yīng)。把每個粘接板貼到所述的三維魔方的每個方塊可以在工廠里做，也可以由游戲者做，他可以建造自己的三維魔方塊。為了能很容易正確地粘接粘接板，為游戲者提供適當(dāng)?shù)恼辰友b置。
如圖6所示，這種粘接裝置包括安裝在底板(13)上的一塊L形樣板(12)，用螺栓、螺母(14)在通孔(15)中將其固定。這種L形樣板在其長邊上有一個孔，其大小與方塊面(2)基本相同，用以接納粘接板(11)的第一個邊，且在其短邊與底板(13)相連接的平面里有一個切口，其大小基本上等于方塊(2)的面，用以接納粘接塊(11)的第二個邊。而且該L形樣板的內(nèi)角成為相應(yīng)方塊(2)的引導(dǎo)裝置。
圖6b所示為前圖所示的粘接裝置的一種簡化結(jié)構(gòu)，只包括一塊板(16)，作為一塊板，相當(dāng)于前圖所示的樣板(12)和底板(13)做成一體。所述的這塊板(16)的形狀和大小與前圖所示的元件相適應(yīng)。
當(dāng)粘接板(11)被貼在方塊(2)的一個面上后，有一個可選擇的第二種粘接裝置，如圖7所示，用來將粘接板(11)同時粘貼于方塊(2)的4個面上。該裝置由一塊具有方孔(18)的板(17)組成，方孔的大小與其面上貼有粘接板后的方塊的大小基本相同，其前沿為圓弧狀，以便于不損壞粘接板(11)。
正如上文所說，本發(fā)明的第二個目的涉及一種用于獲得所述三維魔方圖案組合的方法，這種圖案組合應(yīng)當(dāng)理解為一個制造過程，在此過程中，一旦隨著游戲過程能夠被解出的這6n個不同的圖像被選定，構(gòu)成三維魔方的每個方塊的圖案就被確定。
現(xiàn)在我們舉例說明用以獲得具有27個方塊即n=3的三維魔方的圖案組合方法。
所說的方法是首先建造一個每邊有3個方塊的方塊組合體，這是三維魔方的三個解之一。在其它各種大小的三維魔方的情況下，解的數(shù)目等于n。
此后，將具有27個方塊的方塊組合體按照每個方塊在方塊組合體中所占位置的特點分成小組，如-角方塊小組，包括放置在方塊組合體角上的8個方塊；-邊方塊小組，包括放置在方塊組合體邊上的12個方塊，所說的8個角方塊除外；-中間方塊小組，包括放置在方塊組合體表面中間的6個方塊；和-內(nèi)部方塊小組，僅包括占據(jù)方塊組合體中心，且不暴露的一個方塊。
方塊組合體建完之后，我們應(yīng)當(dāng)進行角方塊、邊方塊和中心方塊小組的各方塊暴露面的圖案制作，每個角方塊有3個暴露面，每個邊方塊有2個暴露面，每個中間方塊有1個暴露面。
此后，我們應(yīng)當(dāng)著手建造第二個方塊組合體，其步驟為從所說的分組開始，按照下表(表1)從一個小組移動一個或幾個方塊到不同的小組。
表1
表1表中的符號″C″指相應(yīng)小組的方塊數(shù)；″CV″指相應(yīng)小組中每個方塊的暴露面數(shù)；″-″指″所屬″(即...的)；″)″指″從″；″(″指″分割″；表達式8-3應(yīng)理解為具有3個覆蓋面(covered face)的8個方塊；表達式″6-4)Al-2″應(yīng)當(dāng)理解為具有4個覆蓋面的6個方塊來自方塊組合體1的具有兩個覆蓋面的邊位置。
表達式″12-2[6-2、6-2應(yīng)當(dāng)理解作具有2個覆蓋面的12個方塊分割成具有2個覆蓋面的6個方塊和具有2個覆蓋面的6個方塊。在所舉例子的特殊情況下，第一個方塊組合體的角方塊小組的8個方塊被分成如下3組1個方塊(具有3個已覆蓋面)移到第2個方塊組合體的角位置，顯露出它的3個無圖案面；6個方塊(具有3個已覆蓋面)移到第2個組合體的6個邊位置，顯露出它的3個無圖案面中的2個；1個方塊(具有3個已覆蓋面)移到第2個方塊組合體的內(nèi)部位置，未顯露它的任何無圖案面。
另一方面，第一個方塊組合體12個邊方塊小組的方塊分成2組，一組6個方塊(有2個已覆蓋面)移到第2個方塊組合體的6個邊位置，另一組6個方塊(具有2個已覆蓋面)移到第2個方塊組合體的6個中心位置，顯露出它們尚無圖案面中的一個。
第一個方塊組合體中間方塊小組的6個方塊(具有1個已覆蓋面)移到第2個方塊組合體的角位置，顯露出它們的無圖案面中的3個。
最后，內(nèi)部小組的那個方塊(無已覆蓋面)移到第二方塊組合體的角位置。
如上所說建造的第二個方塊組合體，展示出該三維魔方各方塊各自的無圖案面組成的六個外部面，然后用六個新的圖象對方塊的暴露面進行圖案制作。
當(dāng)?shù)诙€方塊組合體建造并進行圖案制作后，我們將按照前文給出的指示，將所說的方塊組合體繼續(xù)分成就角、邊、中間和內(nèi)部小組。
當(dāng)?shù)诙€方塊組合體圖案制作后，我們將從所說的小組開始進行建造第三個方塊組合體，其方法是按照下表(表2)從每個小組移動一個或多個方塊到各個不同的小組。
表2
表中所用的符號其意義同表1。
如表2所示，第二個方塊組合體角方塊小組的8個方塊被分成如下3-個組-來自第一個方塊組合體內(nèi)部方塊小組的1個方塊(具有三個已覆蓋面)，移到第三個方塊組合體的一個角位置，顯露出它的3個尚無圖案的面；-來自第一個方塊組合體角方塊小組的1個方塊(具有6個已覆蓋面)，移到第三個方塊組合體的內(nèi)部位置。
-來自第一個方塊組合體角方塊小組的6個方塊(具有4個已覆蓋面)，移到第三個方塊組合體的邊位置，顯露出它的2個尚無圖案的面。
-第二個方塊組合體中的12個邊方塊也被分成兩組-來自第一個方塊組合體角方塊小組的6個方塊(具有5個已覆蓋面)，移動到第三個方塊組合體的6個中間位置，顯露出它的一個尚無圖案的面；-來自邊方塊小組的6個方塊(具有4個已覆蓋面)移動到第三個方塊組合體的6個邊位置，顯露出它們的兩個尚無圖案的面；-來自第一個方塊組合體邊方塊小組、在第二個方塊組合體中間小組的6個方塊，有3個已覆蓋面，移動到第三個方塊組合體的6個角位置，顯露出它們的3個尚無圖案面；-最后，來自第一個方塊組合體角方塊小組的(第二個方塊組合體)內(nèi)部方塊小組的這個方塊，有3個已覆蓋面，移動到第三個方塊組合體的一個角位置，顯露出它的3個尚無圖案的面；如此建造的第三個方塊組合體展現(xiàn)出該三維魔方由各方塊各自尚未進行圖案制作的面再一次構(gòu)成6個外部面，并再一次用6種不同的圖形對方塊的暴露面進行圖案制作。
正如前文已指出的，如此描述的方法用在每邊6個或少于6個方塊的情況下是很方便的，在更大的三維魔方的情況下其方法更復(fù)雜。
為此，本發(fā)明提供獲得三維魔方圖案組合的第二種方法，用于n大于或等于6的三維魔方。n為三維魔方每邊的方塊數(shù)。
例如，具有343個方塊，即n=7的三維魔方，其獲得圖案組合的方法說明如下首先，根據(jù)在所有方塊組合體或每個方塊組合體中每個方塊所占位置的特點將構(gòu)成該三維魔方的全部343個方塊分成小組，如-角方塊小組，在每個方塊組合體中總是放置在角位置的那些方塊的集合，由4n個方塊(CV)組成，在本例情況下為28個方塊；-邊方塊小組，在每個方塊組合體中總是被放置在邊位置的那些方塊的集合，角方塊除外，由4n×(n-2)個方塊(CA)組成，在本例情況下為140個方塊；-中間方塊小組，總是被放置在每個方塊組合體暴露面中間位置的那些方塊的集合，由n×(n-2)×(n-2)個方塊(CC)組成，在本例情況下為175個方塊；由此，我們用一個方塊組合體中所說小組的位置數(shù)(PV、PA、PC)除某一給定小組方塊的總數(shù)(CV、CA、CC)，得出商(aV、aA、aC)和余數(shù)(RV、RA、,RC)。
這樣，對角方塊小組，PV=8,CV=28CV/PV=28/8=3.5(1)所以aV=3 (2)RV=4(3)同理，對于邊方塊小組，PA=60,CA=140CA/PA=140/60=2.333 (4)因此aA=2(5)RA=20 (6)最后，對于中心方塊小組，PC=150,CC=175CC/PC=175/150=1.166 (7)所以 ac=1 (8)RC=25 (9)得到這些關(guān)系后，對于所說的每個小組我們必須用前一步所做除法的余數(shù)R(RV、RA、RC)除所說小組方塊總數(shù)(CV、CA、CC)，確定三維魔方所說小組的余數(shù)R(RV、RA、RC)方塊的組數(shù)(GPTV、GPTA、GPTC)。
在本例的特殊情況下，對于角方塊小組，因為CV=28,RV=4,GPTV=CV/RV=28/4=7(10)即，每個三維魔方(按余數(shù)RV分)為7組，每組4個方塊。
同理，對于邊方塊小組，因為CA=140,RA=20,GPTA=CA/RA=140/20=7 (11)即每個三維魔方(按余數(shù)RA分)為7組，每組20個方塊。
最后，對于中間方塊小組，因為CC=175,RC=25,GPTC=CC/RC=175/25=7 (12)即每個三維魔方(按余數(shù)RC分)為7組，每組25個方塊。
此后，對于每個所說的小組，我們用前面除法的R(RV、RA、RC)除一個給定的方塊組合體的所說小組的位置數(shù)(PV、PA、PC)，確定每個方塊組合體所說的余數(shù)R(RV、RA、RC)(按照前步除法中等式(3)、(6)、(9)的余數(shù))方塊的組數(shù)(GCCV、GCCA、GCCC)。
而且，對角方塊小組，因為PV=8,RV=4,GCCV=PV/RV=8/4=2 (13)即每個方塊組合體為2組，每組4個方塊。
對于邊方塊小組，因為PA=60,RA=20GCCA=PA/RA=60/20=3 (14)即每個方塊組合體為3組，每組20個方塊。
最后，對于中間方塊小組，因為PC=150,RC=25GCCC=PC/RC=150/25=6 (15)即每個方塊組合體為6組，每組25個方塊。
對每個方塊小組，當(dāng)我們用等式(10)、(11)和(12)給定的關(guān)系式得到每個三維魔方每個方塊小組方塊數(shù)目(GPTV、GPTA、GPTC)和用方程(13)、(14)和(15)給定的關(guān)系式得到每個方塊組合體的方塊組數(shù)(GCCV、GCCA、GCCC)后，我們用逐次建造每個方塊組合體的方法逐次對所說的確定的小組方塊的暴露面進行圖案制作。
根據(jù)表3a所示，對角方塊小組構(gòu)造相應(yīng)的方塊組合體表3a
表中C.C指方塊組合體。
如表3a所示，首先，角方塊小組(CV=28)這組方塊被分成7組(GPTV=7)，每組4個方塊(RV=4)。為了逐次構(gòu)造不同的方塊組合體，有2組(GCCV=2)每組4個方塊(RV=4)被選取且其面被接連覆蓋。因此，-在第一個方塊組合體中，7組中的兩組(每組4個方塊)被選取，且每個方塊有3個面被覆蓋；-在第二個方塊組合體中，7組中的兩組(每組4個方塊)被選取，且每個方塊有3個面被覆蓋；
-在第三個方塊組合體中，每組4個方塊的7組中有2組被選取，且每個方塊有3個面被覆蓋；-在第四個方塊組合體中，剩余的一組4個方塊被選取，另一組的3個面在第一個方塊組合體中已經(jīng)制作了圖案，剩下的3個面尚未進行圖案制作；-在第五個方塊組合體中，我們選取在第一個方塊組合體已經(jīng)制作了圖案的第二組，并且覆蓋剩余的尚未進行圖案制作的3個面，同時另一個組已經(jīng)在第二個方塊組合體中已經(jīng)制作了圖案，覆蓋這剩余的尚未進行圖案制作的3個面；-在第六個方塊組合體中，我們選取在第二個方塊組合體中已經(jīng)制作過圖案的第二組并覆蓋剩余的3個尚未進行圖案制作的面，而已經(jīng)制作過圖案的另一組來自第三個方塊組合體，覆蓋剩余的3個尚未進行圖案制作的面；-在第七個方塊組合體中，我們選取第三個方塊組合體中的第二組，并覆蓋剩余的尚未進行圖案制作的面，而另一組4個方塊在第四個方塊組合體中已經(jīng)制作了圖案，覆蓋剩余的3個尚未進行圖案制作的面。
其結(jié)果，在相應(yīng)的方塊組合體中沒有制作過圖案的方塊組內(nèi)的方塊將被轉(zhuǎn)移到方塊組合體內(nèi)部并被看作中性方塊，與它們在相應(yīng)的方塊組合體所占的確切位置無關(guān)。
用同樣的方法，我們對邊方塊小組的方塊繼續(xù)進行處理。按照表3b所示，對邊方塊小組構(gòu)造相應(yīng)的方塊組合體。
表3b
表中C.C意指方塊組合體。
如表3b所示，整個邊方塊小組(CA=140)被分成7個組(GPTA=7)，每組20個方塊(RA==20)，為了逐次構(gòu)造各個不同的方塊組合體，每組20個方塊(RA=20)的3個組(GCCA=3)被選定，且它們的面相繼被覆蓋。所以，-在第一個方塊組合體中，每組20個方塊的7個組中有3個組被選定，且覆蓋其2個面；-在第二個方塊組合體中，每組20個方塊的7個組中有3個組被選定，且覆蓋其2個面；-在第三個方塊組合體中，7個組中剩余的一個組被選定，且覆蓋其2個面，已經(jīng)在第一個方塊組合體中制作過圖案的兩個組，覆蓋剩余的尚未制作過圖案的面中的2個；-在第四個方塊組合體中，在第一方塊組合體已制作過圖案的3組中的剩余一組，覆蓋其尚未制作圖案的剩余面中的2個，已經(jīng)在第二個方塊組合體制作過圖案的3組中的的2組，覆蓋其尚未進行圖案制作的剩余面中的2個面；-在第五個方塊組合體中，來自在第二個方塊組合體已制作過圖案的3組中的剩余一組被選定，覆蓋其尚未進行圖案制作的剩余面中的2個，來自第三個方塊組合體的具有2個已插圖面的一組，覆蓋其尚未進行圖案制作的剩余面中的2個，來自第三個方塊組合體具有4個已經(jīng)插圖的三組中的兩組中的一組，覆蓋其余下的2個尚未插圖的面；-在第六個方塊組合體中，取來自在第三個方塊組合體具有4個插圖面的兩組中的另一組，覆蓋其余下的2個尚未插圖的面，和來自第四個方塊組合體具有4個插圖面的3組中的2組，覆蓋其余下的尚未插圖的2個面；-在第七個方塊組合體中，從第四個方塊組合體取出具有4個插圖的3組中另一組，覆蓋其余下的2個尚未插圖的面，和來自第5個方塊組合體具有4個插圖面的2個組，覆蓋其余下的2個尚未插圖的面。
如同前面的情況，在相應(yīng)的方塊組合體中包含在尚未進行圖案制作的方塊組內(nèi)的方塊，將被轉(zhuǎn)移到方塊組合體內(nèi)部并被看作中性方塊，與它們在相應(yīng)的方塊組合體所占的確切位置無關(guān)。
最后，我們將對中間方塊組的方塊進行處理。根據(jù)表3c所示，對中間方塊組，構(gòu)造相應(yīng)的方塊組合體。
表3c
表中C.C意指方塊組合體。
如表3c所示，整個中間方塊小組(CC=175)被劃分為7個組(GPTC=7)，每組25個方塊(RC=25)。為了逐次構(gòu)造各個不同的方塊組合體，每組25個方塊(RC=25)的6個組(GCCC=6)必須被選定。而且，它們的各個面被依次覆蓋，這樣-從第一個方塊組合體7組中取出6組，每組25個方塊，有1個面被覆蓋；-從第二個方塊組合體取出我們?nèi)?組中余下的1組25個方塊，覆蓋其1個面，且在第一個方塊組合體中，從其1個面已插圖的6組中取出5組，覆蓋其另外一個面；-從第三個方塊組合體我們?nèi)〉谝粋€方塊組合體之后具有一個插圖面的6組中的余下的1組，覆蓋其另一個面，取第二個方塊組合體之后具有1個插圖面的一組，覆蓋其另一個面，和第三個方塊組合體之后具有2個插圖面的5個組中的4個組，覆蓋其一個面；-從第四個方塊組合體我們?nèi)〕鲈诘诙€方塊組合體之后具有2個插圖面的5組中的余下的1組，覆蓋其另一個面，取出在第三個方塊組合體之后具有2個插圖面的2個組，覆蓋其另一個面，和在第三個方塊組合體之后具有3個插圖面的4個組中的3個組，覆蓋其另一個面；-從第五個方塊組合體我們?nèi)〕鲈诘谌齻€方塊組合體之后具有3個插圖面的余下的1組，覆蓋其另一個面，取出在第四個方塊組合體之后具有3個插圖面的3個組，覆蓋其另一個面，和在第四個方塊組合體之后具有4個插圖面的3個組中的2個組，覆蓋其另一個面；-從第六個方塊組合體中，我們?nèi)〕鲈诘谒膫€方塊組合體之后具有4個插圖面的余下的1組，覆蓋其另一個面，取出在第五個方塊組合體之后具有4個插圖面的4個組，覆蓋其另一個面，和在第五個方塊組合體之后具有5個插圖面的2個組中的1個組，并覆蓋其最后一個面；-從第七個方塊組合體中，我們?nèi)〕鲈诘谖鍌€方塊組合體之后具有5個插圖面的余下的1組，和在第六個方塊組合體之后具有5個插圖面的5個組，并覆蓋其最后一個面；我們必須考慮到，如同前一種情況，在相應(yīng)的方塊組合體中包含在尚未進行圖案制作的方塊組內(nèi)的方塊，將被轉(zhuǎn)移到方塊組合體內(nèi)部并被看作中性方塊，與它們在相應(yīng)的方塊組合體所占的確切位置無關(guān)。
作為一種選擇，本發(fā)明的三維魔方可用適當(dāng)?shù)能浖ㄔ臁Ｒ虼?，作為一種教育玩具，這種游戲不是用手而是用計算機、鍵盤、鼠標(biāo)、或類似系統(tǒng)和監(jiān)視屏解出。
因此，將使用有圖像處理的三維(3D)程序，并具有下列選擇-在計算機顯示屏上顯示三維方塊以及對它們貼面和繪圖(facingand figuring)，允許具有不同復(fù)雜程度的和不同大小的幾幅圖形組合；-方塊和主方塊的活動性或它們畫面部分可以從一個位置移動到另一個位置的連續(xù)性；-方塊和主方塊的圖形的縮小和放大，及它們相應(yīng)各面和圖形的縮小和放大；-從主方塊移動方塊和分解它們；-建立主方塊所耗時間和其它感興趣的時間計時控制；-根據(jù)所耗時間和/或擊中和未擊中計分；-游戲指南，使圖片和方塊對游戲者視覺上的刺激引起其心理上產(chǎn)生游戲的沖動；-游戲過程中的背景音樂；-當(dāng)游戲者將一個方塊放錯位置時，警告信號或提醒注意聲音；-主游戲內(nèi)其它游戲的選擇或游戲者選擇最佳解的取舍。
本發(fā)明物的性質(zhì)以及將其用于實踐的方法已經(jīng)做了充分的描述，我們必須補充一句，其整體或部分在形狀、材料和結(jié)構(gòu)上都可以改變，只要這些改變不影響本發(fā)明的特點，都屬于本發(fā)明權(quán)利要求保護范圍。
權(quán)利要求
1．用于開發(fā)想象力和空間概念的教育型玩具三維魔方(1)，由n3(n×n×n)個大小相等的立方體形狀的塊，稱之為方塊(2)組成，n是大于1的整數(shù)，所述方塊(2)相互之間具有連接裝置，用來確定一個每邊有n個方塊(2)的立體方塊或主方塊，主方塊的圖案對應(yīng)于為6n個不同的二維魔方選定圖案的一部分，這6n個二維魔方的圖案構(gòu)成所說的三維魔方的所有的圖形，其特征在于用于獲得所說三維魔方圖案組合的方法，由以下步驟組成a)建造一個每邊有n個方塊的主方塊，該主方塊代表該三維魔方的n個解中的一個，該主方塊以下稱之為方塊組合體；b)按照方塊在方塊組合體中所處位置的特點，將包含在所說的方塊組合體中方塊數(shù)分成小組，如-角方塊小組，包括放置在該方塊組合體角位置的那些方塊；-邊方塊小組，包括放置在該方塊組合體邊位置的那些方塊，所說的角方塊除外；-中間方塊小組，包括放置在該方塊組合體表面中間位置的那些方塊；和-內(nèi)部方塊小組，包括放置在該方塊組合體內(nèi)部位置的那些方塊，因此它們被藏在內(nèi)部；c)對方塊組合體的角、邊、和中間小組的方塊的暴露面制作圖案(插圖)；d)從所說的分割小組開始，將一個或幾個方塊從一個小組移動到一個不同的小組，建造第二個方塊組合體；e)將包含在所說的方塊組合體中的方塊分成角、邊、中間和內(nèi)部小組；f)對方塊組合體的邊、角和中間小組的方塊的暴露面制作圖案，無論是否同時制作，凡同一方塊中包含兩個面的圖案，要求該圖案覆蓋成一個立體角，無論是否同時制作，凡同一方塊中包含3個面的圖案，要求該圖案覆蓋一個三面體；g)逐次建造不同的方塊組合體，重復(fù)步驟(d)-(f)，直到完成n個方塊組合體。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維魔方，當(dāng)n大于或等于6時，n為三維魔方每邊的方塊數(shù)，其特征在于獲得所述三維魔方圖案組合的方法由下述步驟組成a)按照方塊在所有方塊小組和每個小組的位置，將包括在該三維魔方中的方塊數(shù)分成小組，如-角方塊小組，在每個方塊組合體中總是被放置在角位置的那些方塊的集合，由4n個方塊組成；-邊方塊小組，在每個方塊組合體中總是被放置在邊位置的那些方塊的集合，所說的角方塊除外，由4n×(n-2)個方塊組成；-中間方塊小組，在每個方塊組合體中總是被放置在表面中間位置的那些方塊的集合，由n×(n-2)×(n-2)個方塊組成；b)對所述的每個小組，用所述小組在方塊組合體中的位置數(shù)目P除給定小組的方塊總數(shù)，求其商和余數(shù)R；c1)當(dāng)步驟b)的除法為非整除時，即余數(shù)R不為零，對于每個小組，用步驟(b)所作除法的余數(shù)除所述小組的方塊總數(shù)，算出每個三維魔方所述小組的余數(shù)R(步驟(b)除法的余數(shù))的組數(shù)GPT；c2)若步驟(b)為整除，即R等于零，對所述的每個小組用步驟(b)所做除法的因數(shù)P除所述小組方塊的總數(shù)，算出每個三維魔方所述小組位置P的組數(shù)；d1)當(dāng)步驟(b)的除法為非整除時，即當(dāng)R不等于零時，對于所述的每個小組，用步驟(b)中除法的余數(shù)R除一個給定方塊組合體中的所述小組位置數(shù)，算出每個方塊組合體所述小組的余數(shù)R(步驟(b)中除法的余數(shù))方塊的組數(shù)GCC；d2)當(dāng)步驟(b)為整除時，即R等于零，用步驟(b)所做除法的因數(shù)P除一個給定方塊組合體中所述位置數(shù)，算出每個方塊組合體所述小組位置P方塊的組數(shù)GCC，即GCC等于1；e)在步驟(c1)、(c2)和(d1)、(d2)所做的除法中，在其結(jié)果有一組或幾個組不為整數(shù)的情況，對每個小組我們有e1)確定一個自然數(shù)m，按增加順序接近某一個十進制數(shù)，這個數(shù)自乘獲得另一個自然數(shù)；e2)用步驟(c1)、(c2)獲得的三維魔方的所述組的余數(shù)R(步驟b的除法中的余數(shù))方塊的組數(shù)GPT與步驟e1所述的自然數(shù)m相乘的積得到每個三維魔方所述組的R/m(步驟(b)除法的余數(shù)被步驟e1確定的自然數(shù)m相除)方塊的新組數(shù)GPT’；e3)用步驟(d1)、(d2)獲得的方塊組合體所述組的余數(shù)R(步驟b除法之余數(shù))方塊的組數(shù)GCC乘步驟e1確定的自然數(shù)得到每個方塊組合體所說組的R/m(步驟b除法之余數(shù)R被步驟e1確定的自然數(shù)m相除)方塊的新組數(shù)GCC’；e4)R(步驟b除法之余數(shù))被步驟e1確定的自然數(shù)相除得到R’(=R/m)；f)對包含在步驟(a)確定的每個所述小組中的方塊，聚集在GPT、GCC組的方塊，相應(yīng)的GPT’、GCC’小組的方塊的暴露面逐次制作圖案，逐次地建造每一個方塊組合體，將所述的小組的方塊數(shù)分成GCC方塊組，相應(yīng)的GCC’方塊組，無論是否同時制作，凡同一方塊包含3個面的圖案，要求覆蓋成一個三面體，凡同一方塊上包含兩個面的，其圖案應(yīng)覆蓋成一個立體角；
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維魔方，其特征在于連接各方塊(2)之間的連接裝置由一套小圓棒(3)和鉆在每個方塊(2)所有面中心點的孔(4)組成，小圓棒由紙、塑料、金屬或類似材料制成，孔(4)的大小適合于固定小圓棒(3)而無間隙，其深度最好小于方塊(2)邊長的一半。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維魔方，其特征在于各方塊(2)之間的相互連接裝置由一個用透明材料如丙烯酸脂、塑料或類似材料制成的殼體(5)組成，其大小適合于容納所有的方塊(2)而無間隙，并且能從外看到完成三維魔方(1)時獲得的所有圖案。
5．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維魔方，其特征在于各方塊(2)之間的相互連接裝置由一個具有轉(zhuǎn)動裝置，如手柄、球形手柄或類似物的基板(7)組成，基板(7)最好由三個相互垂直的用透明材料制成的平板組成。
6．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維魔方，其特征在于各方塊(2)之間的連接裝置由用來將該三維魔方所有方塊連接在一起的磁器件構(gòu)成，磁器件主要由一套置于方塊表面或嵌入方塊內(nèi)部的片、小金屬條帶和鐵芯制成。
7．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維魔方，其特征在于它們由計算機程序建造，并展示在其顯示屏上，以便該游戲是用有關(guān)的設(shè)備，如鍵盤鼠標(biāo)和類似物來解算。
8．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維魔方，其特征在于某些粘接板型樣由通過圖案制作步驟獲得的原型機每個方塊的平面展開而制成，用來粘接到包含在該三維魔方每個方塊上。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的三維魔方，其特征在于，方塊上的每個粘接板的粘接由粘接裝置實現(xiàn)，粘接裝置包括一個相對于粘接板的方塊面集中裝置組成，主要是一個具有粘接板和方塊引導(dǎo)裝置的L形樣板，以及一個粘接系統(tǒng)，用前述方法將粘接板集中在一個面上后，用來同時將粘接板粘接到方塊的4個面上，粘接系統(tǒng)主要包括引導(dǎo)方塊通過方孔的裝置，方孔的大小大體上等于覆蓋了粘接板后方塊的大小，其前沿為圓弧形以免損壞粘接板。
全文摘要
一種用來開發(fā)想象力和空間概念的教育型玩具——三維魔方,由n
文檔編號G09B19/00GK1230130SQ97197950
公開日1999年9月29日 申請日期1997年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月21日
發(fā)明者赫蘇斯曼努埃爾·迪亞賽斯卡紐 申請人:赫蘇斯曼努埃爾·迪亞賽斯卡紐