带有可编程发光拼块的游戏器具.pdf

3D智力玩具，其中发光二极管(LED)被集成在智力玩具中，以实现用户和智力玩具之间的高级交互。智力玩具可以通过增加或降低难度等级或给用户提示而适应于用户需要。智力玩具不仅作为智力玩具的功能还可以在不被用作智力玩具时作为可编程发光点(和布局)的环境光源(或物体)。

权利要求书
1.  一种游戏器具，包括：
多个拼块(5，7，15；92)，每个拼块包括外壳和发光模块，该发光模块被安排在所述外壳内部并且被安排用来接收控制信号并发出有颜色的光，该颜色取决于所述控制信号；
处理器(70；133，134)，安排用来控制所述发光模块。

2.  根据权利要求1的游戏器具，其中所述拼块能够以某个次序被重新排列以解答一个谜题。

3.  根据权利要求2的游戏器具，其中所述游戏器具是三维智力玩具。

4.  根据权利要求3的游戏器具，其中所述游戏器具是Rubik魔方，其包括26个分离的拼块和被安排用来将这些拼块保持在一起的核心机械装置(20)。

5.  根据权利要求1的游戏器具，其中所述发光模块包括至少两个被安排用来发出不同颜色光的发光二极管。

6.  根据权利要求1的游戏器具，其中所述多个拼块的每一个包括电池(41，42)。

7.  根据权利要求6的游戏器具，其中所述电池(41，42)是可充电电池。

8.  根据权利要求1的游戏器具，其中所述拼块的每一个包括收发器(47，48)，其被安排用来发射信号至其它拼块或从其它拼块接收信号。

9.  根据权利要求8的游戏器具，其中所述收发器包括电容耦合器(51，52)。

10.  根据权利要求1的游戏器具，其中每个拼块包括安排用来控制所述拼块内部至少一个发光模块的处理器。

11.  根据权利要求1的游戏器具，其中所述处理器包括安排用来存储游戏规则的存储器。

12.  根据权利要求1的游戏器具，其中所述处理器被安排用来接收输入信号，该输入信号指示重置游戏，请求提示，触发开始另一个游戏和关闭游戏的命令中的至少一个。

13.  根据权利要求1的游戏器具，其中所述处理器被安排用来由用户通过外部编程工具而编程。

说明书带有可编程发光拼块的游戏器具
发明领域
本发明涉及一种物理智力玩具(physical puzzle)，带有分离的有色拼块(segment)，其能够形成特定的彩色图案。
发明背景
很早就有了关于针对成年人而不是年幼儿童的智力玩具(puzzle)和游戏器具(game)的市场。成人游戏市场的一个领域是3D智力玩具。就是用户必须在三维上解答一个谜题(puzzle)。这些智力玩具中最著名的是Rubik魔方(Rubik’cube)。这个智力玩具在1974年被Erno Rubik发明并挑战用户以排列魔方的拼块以使得每一侧都是相同的颜色。这个智力玩具在20世纪80年代变成世界范围内的现象并且在1980-82年期间卖出了1亿件。许多其它类似的智力玩具被引入以在这个市场上盈利。
最近的智力玩具的例子是3D金字塔。像Rubik魔方一样，这个智力玩具的目的是在三维上安置拼块以使得所有侧是各自不同的同一颜色。不像Rubik魔方的是每个拼块都是可分离的并且经由塑料滑动连接器件耦合到相邻的拼块上。
这些智力玩具对于用户来说可以是有趣的，但是如果不能达到期望的最终状态，并且没有希望实现，则常常会丧失兴趣并且该智力玩具被丢弃。相反地，如果智力玩具太容易，则用户解答了该智力玩具并且它也会被丢弃。这些场景都归于这样的事实：具有固定颜色的拼块使得智力玩具只有一个难度等级。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用有色拼块构成的物理智力玩具，其中拼块的颜色可以被很容易地改变。
这个目的通过一种根据一种游戏的游戏器具而实现，该游戏器具包括：
多个拼块，每个拼块包括外壳和发光模块，该发光模块被配置在所述外壳内部并被安排用来接收控制信号并发出一种颜色的光，该颜色取决于所述控制信号；
处理器，被安排用来控制所述发光模块。
优选地，发光模块包括固态光源，诸如发光二极管。将二极管集成在智力玩具中使得智力玩具的拼块能够具有变化的颜色。通过由处理器控制这些颜色，则可能给予用户要求提示或设置某个难度等级的可能性。而且，为智力玩具设计者给出了额外的自由度并允许生成新特征。
在一个实施方式中，拼块以某个顺序被重新安置以解答一个智力玩具。该智力玩具例如可以是诸如Rubik魔方的三维智力玩具，其中该智力玩具包括26个分离的拼块和安排用来将各拼块保持在一起的核心机械装置。
在拼块中的发光模块可以包括至少两个发光二极管，被安排用来发出不同颜色的光。以这种方式，该拼块可以使用相对简单的电子电路得到不同的颜色。
在一个实施方式中，拼块中的每个包括电池。可替换地，只存在一个电池，其被安排用来给所有拼块提供电力。将电源集成在游戏器具内部是优选的，因为它消除了外部电力连接。
电池可以是可充电电池。以这种方式，游戏器具不需要被打开以放入新电池。
在一个实施方式中，拼块中的每个包括收发器，被安排用来发射信号至其它拼块或从其它拼块接收信号。这允许拼块与其它拼块通信，而不需要硬有线连接或滑动触点(slip contact)。该收发器可以包括电容耦合器。这些耦合器可以被配置在拼块的外壳内部，而保持拼块的外侧表面原封不动，由此防止耦合器的损害，这对于诸如Rubik魔方之类其中各拼块轻微磨擦的智力玩具是优选的，。
在一个实施方式中，每个拼块包括处理器，其被安排用来控制在所述拼块内部的至少一个发光模块。将处理器放置于每个拼块内部使得不需要与中央处理器通信。代替地，可能需要与相邻拼块的通信。这能够通过使用例如上面提到的电容耦合器而被配置。
在一个实施方式中，处理器包括存储器，被安排用来存储游戏规则。这包括游戏的一串“边界条件”。例如，Rubik魔方不能彼随机混合，其需要一组严格的规则。通过存储规则，处理器拥有有关于用户需要怎样解答该智力玩具的知识。这样它能够对用户给出提示，例如通过闪某种光。
处理器可以被安排用来接收输入信号，指示游戏的重置、对提示的请求、开始另一个游戏的触发和/或关闭游戏的命令。
在一个实施方式中，处理器被安排用来由用户通过外部编程工具而编程。这个外部工具可以被用于编程处理器，给游戏器具一组新的规则以产生使用相同拼块的新智力玩具。
通过将可编程硬件集成在游戏器具内部，智力玩具能够变成交互式的，其中难度等级能够在游戏时段的开始或在游戏时段期间活动地被调整。
本发明的这些和其它方面将从下文描述的实施方式中更明显并参照下文描述的实施方式而阐明。
附图说明
在下文中，本发明将参照一些附图被解释，它们意图说明本发明而不是限制它的范围，其中：
图1示意性地示出了根据一个实施方式的智力玩具；
图2示出了图1的实施方式，拼块的所有棱和角都被移除；
图3示意性地示出了图1的实施方式的一个棱拼块的例子；
图4示意性地示出了处理器的实施方式；
图5示意性地示出了根据本发明另一个实施方式的一个中央拼块和核心机械装置20的横截面；
图6示出了在中央拼块内部的通信线路可能的配置；
图7示出了根据一个实施方式与一个角拼块一起接触中央拼块的一个棱拼块；
图8示意性地示出了与外部编程工具通信的Rubik魔方实施方式；
图9示出了根据本发明一个实施方式由中央处理器执行的动作的流程图；
图10示出了3D金字塔实施方式的例子，和
图11示出了2D的例子。
具体实施方式
图1示出了本发明的一个实施方式，其中游戏器具包括Rubik魔方1。典型地，魔方1每个边的尺寸大约5.4cm。魔方1可以由塑料制作，它的表面可再分，这样每一面由9个方块组成。每个面可以被旋转，呈现出魔方1的全体切片都在它自身上旋转的表象。这给出了魔方1由27个较小的立方体(3×3×3)构成的印象。实际上，魔方1是由通过核心机械装置保持在一起的26个独立的拼块制成，这稍后将参照图2讨论。魔方1包括12个棱拼块5，它们中的一个从魔方1中取出来以示出它的构造，参见图1。每个棱拼块包括立方体外壳和突出物6。而且，魔方1包括八个角拼块7，其中的一个被从结构中取出来以示出它的构造。每个角拼块包括立方体外壳和突出物8。魔方1在每个面也包括一个中央拼块15。
图2示出了移除所有棱和角拼块5，7的魔方1。魔方1包括三个交叉轴的单个核心机械装置20，每个交叉轴保持两个中央拼块15在适当位置，其能够围绕它们的轴旋转。每个中央拼块15包括朝向核心机械装置20的管状部分17，其中所述管状部分17与所述核心机械装置20啮合。
在它的原始状态，魔方1的每个面是不同的颜色，但是每个面的旋转允许较小的立方体(即，拼块5，7，15)以许多不同的方式被重新排列。通过将魔方1外部的三分之一扭曲90度，180度或270度，拼块5，7，15相对于彼此的位置可以被改变。挑战是将魔方1从任意状态恢复到原始(即已解答的)状态，其中每个面由单一颜色的9个方块组成。
棱拼块5示出了两个有色侧面，角拼块7具有三个有色侧面。在下面，拼块5，7，15的不具有颜色的侧面被称为接口侧。在Rubik魔方实施方式中，接口侧对于用户来说是不可见的。
相据本发明，拼块5，7，15的有色侧面的颜色是由拼块5，7，15内部的发光模块决定的。发光模块被安排用来点亮拼块5，7，15的某些部分。在一个实施方式中，拼块5，7，15的某些部分将获得红色，绿色或蓝色或三原色的任意组合。
图3示意性示出了一个棱拼块5的例子。拼块5包括内壁30，其将棱拼块5分为两个隔间(compartment)或腔室(chamber)21，22。以这种方式，拼块5的有色侧面在光学上彼此分离，这样每个侧面能够独立地显示颜色。腔室21，22分别包括发光模块31，32。发光模块31，32优选地包括发光二极管(LED)，未示出。在一个实施方式中，发光模块31，32包括发出绿光的LED，发出红光的LED和发出蓝光的LED。发光模块31，32被安排用来接收控制信号，所述控制信号用来打开正确的一个或多个LED。在一个实施方式中，拼块5的每个腔室21，22包括处理器33，34。处理器33，34被安排用来发送控制信号至发光模块31，32。处理器33，34由电池41，42提供电力。应当认识到在拼块5中可以只有1个本地处理器控制两个腔室21，22的发光模块。
在一个实施方式中，每个电池41，42是可充电的并且被连接至RF接收器43，44以允许为电池41，42无线充电。RF接收器43，44可以包括线圈，其感应地接收来自本领域技术读者所熟知的电磁充电工具(未示出)的能量。每个腔室21，22还可以包括通信电路47，48，其允许拼块5的每个腔室21，22与其它拼块的腔室通信并且变得认识到相邻拼块。通信电路47，48可以包括标准的Altera芯片或其它熟练技术人员所熟知的微处理器。通信电路47，48连接至它们各自的处理器33，34并且还连接至如图3所示的电容耦合器51，52。
每个电容耦合器可以在代表该拼块的特定频率上振荡。在检测到这些频率时，拼块的腔室的处理器能够得到相邻拼块的识别信息。识别信息能够被处理器用来控制各自腔室的颜色。
拼块5还包括两个透明的(或半透明的)壁36，37，其是魔方1的外表面的一部分，并且因此对于用户是可见的。内壁30可以是可反射的，这样更多由发光模块31，32产生的光将被指向外壁36，37。以这种方式，LED的激活需要较少的能量。在这个实施方式中，拼块5的接口侧38，39是不透明的，这样拼块5的辐射不会影响相邻拼块的颜色。然而，为了完成特殊的发光效果，接口侧面也可以是透明的或者部分透明的。
图4示意性地示出了处理器33，34的一个实施方式。处理器33，34包括连接至存储器62的处理单元(CPU)60。CPU 60被安排用来将数据和指令存储在存储器62中。处理器33，34可以从通信电路47，48接收信号，参见图3，以使得对特定情况做出反应。例如，处理器33，34可以从相邻拼块接收重置命令，在该情况中发光模块31，32将被设置为非活动状态(例如，不发光)。在另一个情况中，处理器33，34可以接收例如来自相邻拼块的“蓝色”命令。处理器33，34然后将据此控制它相应的发光模块31，32。处理器33，34可以很好地接收更复杂的信号，诸如代表一组规则的完整的数字数据串。这些数据串可以从相邻拼块接收，以及从被安排用来将数据发射进入拼块的特定外部处理接口接收。处理器33，34的CPU 60将把这些规则存储到存储器62中。以这种方式，能够实现可编程智力玩具。
图5示意性地示出了根据本发明另一个实施方式的一个中央拼块15和核心机械装置20的横截面。在这个实施方式中，智能设备被中央安排在魔方1中。魔方1的核心机械装置20包括中央处理器70，中央存储器和中央电池78。在这个实施方式中，拼块5，7，15仅仅包括一个或多个发光模块，其被安排用来接收控制信号。在核心机械装置20中的中央处理器70经由通信线路被连接至不同拼块中的发光模块31，32。在核心机械装置20内部的部分通信线路在图5中被图示为74。根据将被控制的拼块和发光模块的数量，通信线路74可以包括一条或多条线。
图6示出了通信线路在中央拼块15内部可能的安排。在这个例子中，中央拼块15包括从与核心机械装置20的接口75(参见图5)到与相邻拼块的接口的多条连接80，82，85。为了简化的原因，没有示出所有的连接。连接80将与核心机械装置20的接口75上的接触点79和在中央拼块15顶部的接触点81连接起来。接触点79可以是例如滑动接触或任何其它合适的接触。滑动接触79啮合一个金属环(未示出)，其连接至中央处理器70的输出端。滑动接触是优选的，因为中央拼块15需要相对于核心机械装置20可自由旋转。
对于专业读者清楚的是，这个接触点81被安置以使得朝向在相邻拼块(未示出)上存在的另一个接触点。经由像连接80一样的连接，中央处理器70发射信号至棱拼块5。
中央拼块15还包括连接82，从与核心机械装置20的接口朝向在中央拼块15上表面的接口，参见接触点83。就在中央拼块15上面的相邻棱拼块将具有朝向接触点83的接触点。出于冗余原因，它还可以具有连接至相同连接82的另一个接触点。中央拼块15还包括连接85，其在与核心机械装置20的接口和中央拼块15自己内部的发光模块86之间。
图7示出了一个棱拼块5，与一个角拼块7一起如上述的与中央拼块15接触。角拼块7不具有与中央拼块15的接口。为了从中央处理器74接收控制信号，棱拼块5包括连接89，其被安排用来将来自中央拼块15的信号传递到角拼块7的腔室。
发光模块31，32可以由中央电池78提供电力，参见图5。在中央电池78和发光模块31，32之间的电力连接可以平行于通信线路74，80，82，85。可替换地，电力连接可以被用作通信连接。
连接80，82，85可以包括例如铜线或专业读者熟知的任何其它合适的线。应当认识到代替硬线通信线路，在中央处理器70和拼块5，7，15之间的通信可以是无线的，通过在核心机械装置20内部的收发器。优选地，每个拼块5，7，15包括电池。在那种情况中，不需要来自核心机械装置20的电力线路。
在特定实施方式中，一个或多个拼块5，7，15被安排为与外部编程工具90通信，参见图8。编程工具90被计算机94控制，该计算机被安排用来将软件安装在魔方1上。编程工具可以包括电容耦合器(未示出)，通过它数据被发射进入魔方1。在制造魔方1时通过将一组规则存储在(E)EPROM存储器中可以实现编程魔方1。编程工具90和计算机94能够被用于重新编程魔方1。这使得有可能将新软件安装在魔方1中，使得能够有新更新和新游戏。
由于所有拼块5，7，15的所有有色侧面能够产生多种颜色，该智力玩具能够被电子地设置为任何状态。这允许了在静态智力玩具中是不可能的下述特征：
1-魔方1能够被设置为预先确定的起始位置，用户必须从这里达到最终状况。这个预定的起始状况不是必须不变并且能够被选择以定义难度等级，即，等级I是在实现解答之前只需要转动一次魔方1的起始位置，而等级II需要两次转动等等。如果用户不能解答该智力玩具，它能够被重新设置为它的原始设置。
2-魔方1的难度等级能够被调整，通过允许一些拼块自动地调整它们自身，即，只需要用户配置某个数量的侧面为同色而调整其它的，这样它们自动地变成一个颜色。可替换地，在智力玩具中只有三个颜色可以被使用而不是六个。这增加了解答方法的数量并因此降低了困难程度。
3-可以要求魔方1提供提示以达到最终目标。例如，如果用户到达一种僵局，则接下来应当被移动的侧面能够闪光以指示接下来最好的移动。例如能够通过按压为了这个目的特意配置的拼块的一个有色侧面而实现要求提示。
4-魔方1能够被安排用来与用户相逆的工作，例如能够引入时间限制，这样用户必须在固定的时间段内到达最终状态。
5-当魔方1不被用作智力玩具模式，则它可以经由12V适配器被连接至电力网并充当为任何颜色的环境光源。代替固定颜色，可以产生随机图案的光和颜色。
图9示出了根据本发明的一个实施方式由中央处理器70采取的行动的流程图。在这个实施方式中，中央处理器70正在控制魔方1的所有拼块5，7，15的所有发光模块31，32。中央处理器70被触发以开始一个新游戏，例如通过晃动魔方1。核心机械装置20可以包括开关，其被安排用来检测魔方1的运动。如果开关检测到某种加速度，其开启并能够启动处理器70。其它配置是可以想到的，像例如遥控接通中央处理器70。
在步骤901，中央处理器70接通电源。然后在步骤902，中央处理器70读取魔方1的颜色图案，其代表推挤的魔方(hustled cube)。许多颜色图案可以被存储在中央处理器70的存储器62中。中央处理器70随机地选择所存储的图案中的一种。接下来在步骤903，中央处理器70发送控制信号至所有拼块5，7，15的发光模块31，32。发光模块31，32被安排用来根据由中央处理器70发出的控制信号产生颜色。在这个简单的实施方式中，中央处理器70将结束它的任务。现在用户能够旋转魔方1的不同面，以便解答该智力玩具。如果智力玩具被解答，用户将注意到。
在游戏器具的再另一个的实施方式中，没有中央固定部件。这样实施方式的例子是3D智力玩具，其由形成上述公知的3D金字塔配置的拼块组成。图10示出了3D金字塔智力玩具100的例子。在这个实施方式中，发光模块，电池，处理器被集成在每个拼块101的每个腔室中。在腔室中的处理器被安排用来存储图案并与其它腔室的处理器通信。
在一个实施方式中，所有拼块5，7，15具有电池并经由接触线被电链接在一起，这样来自拼块中的电池的总电力被共享。像这样将从电池可获得的电力分散在所有拼块5，7，15上防止一些拼块比其它的更快变暗。
在一个实施方式中，在拼块之间的通信经由电力线路上的调制技术而实现。
在另一个实施方式中，本发明涉及2D智力玩具。这样的智力玩具的例子在图11中被示出。智力玩具91包括多个小块(tile)92。优选地，小块92每个包括电源和用于通信的装置。如同在3D智力玩具中目的是建成同样的颜色。然而这里是仅可以通过以特定顺序放置小块而实现。例如，首先小块92彼此通信并分配号码。该号码对用户是不可见的。最简单的智力玩具是用户必须找出小块92的号码并按递增的顺序放置它们。可替换地，小块92可以只被编程为如果以重复的顺序放置则变成特定颜色，诸如两个奇数号码然后一个偶数。有许多其它数学号码顺序的可能性可以被用作最终目标。由于所有小块92可以被设为所有颜色，从而这还可以被使用。例如，所有小块92必须变成白色，但是这只有通过将红色，绿色和蓝色以特定顺序放在一起时才能实现。
可替换地，增加的小块的颜色可以起新邻居的作用(并且它们也可能改变)。最简单的是创建一种智力玩具，其中增加的小块的颜色简单地是相邻小块的混合，例如，一个红色和一个蓝色产生两个紫色的小块。使用六个颜色的例子：红色(1)，紫色(2)，蓝色(3)，青色(4)，绿色(5)，黄色(6)。将紫色(2)放在绿色(5)后面，则新颜色彼此更靠近：紫色(2)变成蓝色(3)，绿色(5)变成青色(4)。这个游戏的困难等级能够被容易地改变。如果新的功能/算法没有公开，智力游戏的一部分将计算出小块怎样对彼此做出反应(发现规则)。这在它自身中是相当引起兴趣的。除了同样表面，其它图案，或低辨析度图像也能够被用作智力玩具的最终目标。
这种智力玩具的另一个特征是有可能每个魔方可以识别它的邻居并能够应用简单的规则(集合)。一组规则能够与自组织(迷你)机器人得到的指令集合(关键词：鸟群行为，遗传算法，激素软件)相比较。找出规则并做出新目标(甚至令人惊讶)能够和解答智力玩具一样有趣。
上述关于Rubik魔方讨论的许多可能性同样也能够被应用于这个实施方式中。用于控制小块行为的软件能够被更新以创建相同硬件的新游戏/挑战。你可以把光源与GeoMag游戏相比较地玩，其中一个人将一些小块放在表格上，其它人将用它游戏并留下好看的视觉效果。
在一个实施方式中，特殊的拼块被安排用来打开或关闭游戏。这个专用的拼块将被识别并将所有拼块变为待机模式。可替换地，专用的拼块将在例如10分钟中没有检测到改变之后关闭所有拼块。这些检测到的改变可以是在拼块的存储器中或者在安排在诸如图5中示出的核心机械装置20的中央单元中的特定中央存储器。
虽然本发明已经连同优选实施方式被描述，应当理解在上面略述的原理内对它的改变对于本领域普通技术人员是明显的。本发明不局限于优选的实施方式，而意谓包含这种改变。此外，本发明不限于拼块具有扁平的表面。它可以被很好地用于制造发光弹球，其中如果它们彼此靠近则弹球互相影响。发明的范围只由所附权利要求确定，其中在权利要求中使用的参考标记不构成对发明范围的限制。