构件系统的制作方法

专利名称：构件系统的制作方法
本申请要求以1995年12月11日递交的临时专利申请No.60/011,609作为优先权。
本发明涉及构件系统，更具体地说，涉及包括许多带有球形和颚形接头的单个构件的构件系统。
从市场上可以获得的和在美国及其它国家的专利申请中所描述的构件系统，尤其是玩具领域中的构件系统是多种多样的。这些构件系统通常具有带凸互锁机构和凹互锁机构的构件，用以将构件相互连接起来。尽管这样一组构件通常能够以不同的方式连接起来，但是这样的系统通常有以下的局限性(ⅰ)一种类型的互锁机构不能和另一个同种类型的互锁机构连接；(ⅱ)只可能有一种类型的凸/凹形相互连接；(ⅲ)一个凸/凹形连接只有一个角度取向，或只有一个有限的角度取向范围；(ⅳ)构件的一些表面不能被用于构成相互连接；(ⅴ)只有一种尺寸规格对相互连接是有效的；(ⅵ)构件不是由弹性材料制成的，因此不具有柔性；(ⅶ)不能利用音响效果，例如发出“喀喇”声或转动棘轮所发出的声音，来增强相互连接的构件结构变形时的剧烈感；(ⅷ)构件不具有类似于生物体的形状，因此不能模拟生物的、以及其它一些有机的和无机的系统、结构或相互作用；(ⅸ)如果玩具包括球窝连接，则球窝连接不能在某一给定取向上锁定；(ⅹ)构件没有用于进行微小、精确的和可重现的重新取向的机构；(ⅹⅰ)不能用少量构件相互连接成一个封闭的环；(ⅹⅱ)构件未制成可通过扭转力矩而使相互连接断开的形式；以及(ⅹⅲ)构件未制成可方便地相互连接起来的形式。
(ⅹⅳ)如果两部件之间是球-颚连接，则不能仅通过施加相互作用力而使球在颚中从一个锁定位置向另一个锁定位置运动。
(ⅹⅴ)缺少模拟人机工程学运动和柏拉图与阿基米德几何图形的动态运动。
(ⅹⅵ)缺少类似于生物力学的运动、生长和形态。
(ⅹⅶ)没有其它的位于颚或承窝的周边上的唇部，以用来容纳球和轴，以及提供允许一个零件竖立放置的吸引凹形构造，和提供用于互锁机构的附加表面区，通过该表面区，一种类型的互锁机构可以和相同类型的互锁机构相互连接。
(ⅹⅷ)没有任何别的球-颚连接同时采用摩擦和“锁定”机构来控制相互连接起来的构件间的位置关系。
(ⅹⅸ)相同数目的零件可构成一个封闭系统，并能够触及虚球中的任一点。
(ⅹⅹ)作为一个系统，其它的玩具在一个很小的地方中不允许有复杂的形状和运动。
(ⅹⅹⅰ)作为一个系统，没有任何其它的玩具可以模拟复杂的增长和分支。
(ⅹⅹⅱ)仅用两个构件不能以十种以上的方式进行连接。
(ⅹⅹⅲ)不包含同时也起其它单独连接的过渡连接作用的单独连接。
(ⅹⅹⅳ)不具有开放的设计系统。
(ⅹⅹⅴ)不具有构成三角形的三个零件。
(ⅹⅹⅵ)不具有既稳定又可旋转的三角形。
因此需要设计一种克服了现有系统的局限、易于组装并且制造成本不高的构件系统。
本发明针对一种具有许多单个构件的构件系统，这些构件可以利用至少一个球形接头或球窝节而相互连接起来。一个基本的构件具有一个在一端带有一球头，在另一端带有一承窝的主体，或者是其两端均为球头或承窝的主体。其它构件则注重于可以具有用于单个构件的少于两个或多于两个的连接件。
一个构件的球头可以可拆卸地插入另一构件的承窝中。该承窝也可以被认为是一个颚，它具有至少两个被开口分开的瓣，所述开口位于瓣的两侧。当承窝内的至少一个卡扣扣入球头上的许多凹坑中的至少一个凹坑内时，该球形接头被锁定在一个方向上。由于颚的瓣状件的外形，球窝连接中可得到的取向范围至少为2π球面度。球头上排成有规则的图案的凹坑允许对连接进行微小的、可精确控制并可重现的重新取向。
构件也可按多种方式进行连接，例如，在被连接构件的纵轴处于共线的位置上时，可实现两种承窝-承窝的连接。在承窝-承窝连接中，一个构件的瓣与另一个构件的瓣相连接。第三种类型的承窝-承窝连接可以使构件形成一个链，其中构件的纵轴与链的方向平行、共面和垂直。构件间也可以通过使第一构件的承窝抱紧第二构件的主体而互相连接起来。通过承窝-主体连接，两构件的纵轴相互垂直，并且在第一构件的对称面和第二构件的纵轴之间的角度是360°内连续可调的。在承窝-主体连接中，可通过三个构件的连接形成一个封闭的系统。构件组可以包括不同尺寸规格的构件和具有多于一种尺寸规格的连接件的构件。
尽管本发明被用于作为儿童玩具领域中的构件组最好，但是本发明的基本特点是可以适用于各种广泛的最终用途。在玩具领域中，本发明的构件组主要用于建造各种玩具，例如活动形体，绒毛玩具，玩偶，游戏和学龄前儿童玩具。此外本发明还可以成为其它玩具，例如活动形体、绒毛玩具和玩偶的台架，因此，本发明的技术主要是被结合到这些玩具中，而不是作为建造这些玩具的系统。本发明的其它用途包括家具和金属构件的制造。在家具领域的应用中，构件可以由适当的材料制成较大的规格，并在工厂中或由买方组装成家具。另外，本发明可以用作用于待组装家具的连接件。球窝连接可以被用于制造可移动的家具，例如一种四轮马车式的庭院用座椅(chaise patio chair)。其它的主要用途还包括用作临时建筑物，例如脚手架和办公室隔断。
本发明可以被用于科学模制造，例如，分子工程学，人机工程学和解剖学及艺术造型，其中包括可摆成各种姿势的造型和雕塑用的造形支架。本系统可以用于展示例如在商店、博物馆或办公室中的陈列品，包括壁架和搁板。本系统可以用于制造服装工业中的人体模特。本系统也可以用于户外运动场上的设备，运动用品以及用于珠宝或其它的服装配件。
其它的用途主要是用于假肢器官、机器人学和计算机应用。在计算机领域中，可以开发软件，由此可将本系统用于计算机辅助造型。本系统可以被用于建造一个可与计算机相联系的模型，用以建立模型的虚拟的3-D模型。由本系统制造的模型可以被连接到计算机上，然后进行操作以产生相应的计算机生成模型的虚拟形式的实时动画，即，例如，电子傀儡。本系统可以用于在停止-运动动画中形成框架，并可在其上设置皮肤，粘土或其它材料，以产生各种特性。
因此，本发明总的目的是提供一种构件系统，该系统包括可提供多种类型的相互连接的构件。
本发明的另一个总的目的是提供一种构件系统，该系统包括许多具有可在很宽的范围内取向的相互连接的构件。
本发明的一个目的是提供一种构件系统，该系统包括许多带有一互锁机构的构件，这些机构允许对构件之间的取向进行调节。
本发明的另一个目的是提供一种构件系统，该系统包括许多可以进行凹/凹连接的构件。
本发明的另一个目的是提供一种构件系统，该系统包括许多允许多种类型的凹/凹连接的构件。
本发明的又一个目的是提供一种构件系统，该系统包括许多可提供具有一定角度取向的凸/凹连接，该角度取向是连续可调的和易变的。
本发明的又一个目的是提供一种构件系统，该系统包括许多可提供凸/凹连接的构件，在这种连接中可获得的取向范围至少为2π球面度。
本发明的另一个目的是提供一种构件系统，这样由三个构件就可以相互连接成一个封闭的环。
本发明的另一个目的是提供一种构件系统，该系统的构件可提供一种用于将一个构件的凹形互锁机构连接到在另一个构件的凸形互锁机构和凹形互锁机构之间的区域上的机构，该连接在一定的取向范围内可调，或是被固定在一个方向上。
本发明的再一个目的是提供一种构件系统，该系统包括许多可改变规格的构件。
本发明的又一个目的是提供一种构件系统，其中的构件具有在相互连接的构件重新取向时可发出声音的机构。
本发明的其它目的和优点通过参考附图和详细的说明会变得更加清楚。各种实施例和它们的细节将在详细说明中非常详尽的论述。
与本发明的说明书相结合并成为其一部分的附图将示出本发明的实施例，并和详细说明一起用于解释本发明的原理。


图1是本发明构件的透视图。
图1A是表示其不光滑表面的球连接件的侧视图。
图1B是表示带凹坑的球连接件的侧视图。
图1C是表示带凸起的球连接件的侧视图。
图1D是表示具有小块平面的球连接件的俯视图。
图1E是表示具有整体的加强肋的球连接件的俯视图。
图1F是表示做成端部开口的连接球的球连接件的侧视图。
图1G是表示具有螺旋形制动机构的球连接件的侧视图。
图1H是一个穿孔的球连接件的侧视图。
图1I是一个卵形球连接件的侧视图。
图1J是一个带切口的球连接件的侧视图。
图2是本发明构件的第一剖视图。
图2A是一个穿孔的瓣状连接件的正视图。
图2B是一个网格形瓣状连接件的正视图。
图2C是一个开口式瓣状连接件的正视图。
图2D是一个由许多指状件构成的瓣状连接件的正视图。
图3表示本发明构件的第二剖视图。
图3A是一个承窝的顶视图，用于表示一个具有旋转限制器的制动机构。
图4是表示以第一种承窝-承窝连接相互连接在一起的两个构件的透视图。
图5A表示以球窝连接相互连接在一起的两个构件的透视图，图中两构件的纵轴取向互成大约120°，并且一个构件的颈部抵靠在另一构件的唇部内侧部分上。
图5B表示以球窝连接互相连接在一起的两个构件的透视图，图中两构件的纵轴取向互成大约30°，并且一个构件的颈部抵靠在位于另一构件的唇部前缘处的凹形构件上。
图6表示一个由球窝连接连接起来的构件链。
图7是表示以承窝-主体连接连接在一起的两个构件的透视图。
图7A是一种可替代的主体结构的局部示意图。
图7B是第二种可替代的主体结构的局部示意图。
图7C是第三种可替代的主体结构的局部示意图。
图8是表示以第二种承窝-承窝连接连接在一起的两个构件的透视图。
图9是表示以第三种承窝-承窝连接连接在一起的构件链的平面图，其中构件的纵轴在同一平面内，并且与链的方向成横向。
图9A是表示一个摆式承窝-承窝连接的平面图。
图10是表示本发明构件的替代实施例的透视图。
图11是表示图10中构件的第一剖面图。
图12是表示图10中构件的第二剖面图。
图13是表示具有弯月形颈部结构的替代实施例的局部剖视图。
图14是包括一带切口的主体的本发明替代实施例的平面图。
图14A是相互连接在一起的具有带切口的主体的构件的平面图。
图15A是本发明的方板状构件的俯视图。
图15B是本发明的三角板状构件的俯视图。
图15C是本发明的圆板状构件的俯视图。
图16A是本发明的一种定标构件的平面图。
图16B是一种可替代定标构件平面图。
图16C是另一种可替代定标构件平面图。
图1所示是根据本发明的一个基本构件100的透视图，图2和图3是它的剖视图。在优选的实施例中，构件100是由弹体配混物制成的。构件100具有一个细长的大体为圆柱形的主体部分120，一个大体为球形的球头110通过一个较细的颈部150连接到主体120的一端，以及一个从主体120的另一端伸出的承窝或颚130。颈部150的截面可以为圆形、椭圆形、矩形或其它形状。例如，与一个直径为0.75英寸的球头相配套的有一个直径为0.2英寸的颈部、一个直径为0.548英寸的主体和一个在颚的瓣状件之间具有一个0.54英寸的开口的颚。在颈部的基部设有倒角以提高强度。环绕球头110的表面有许多相互间隔的小凹坑112。在优选的实施例中，对于具有大约为3/8″的直径的球头110来说，设有六十二个凹坑112，它们排列成一个isosahedral图案(12个顶点，20个中心，30个中点)，该图案沿着具有一个顶点的纵轴对中。对于具有大约为3/4″的直径的球头110来说，设有一百二十二个凹坑112，它们位于“Bucky球”(一种具有十二个五边形面，二十个六边形面和九十个边的实体)表面的中心和边的中点处，其中，两个六边形表面的法向边与主体120的纵轴对准。
在Bucky球布置中，有32个凹坑位于中心，另外90个凹坑位于中点。Bucky球布置允许实现非常精确和广泛的科学及机械造型。这些凹坑具有两种不同的直径(中点处较大，中心处较小)，这样，当在颚中转动时，便可以产生不同的喀喇声、感觉以及锁紧强度。然而，凹坑也可以都具有相同的形状、直径和深度。应当注意，对于这两种凹坑布置，沿球头上的赤道线均安排有凹坑。根据实际应用的需要，也可以采用其它图案的布置和凹坑的几何形状。例如，将本发明的系统用于模拟原子结构时，凹坑的布置可以根据围绕原子核的电子云的取向进行选择。
图1A至1J以举例的方式画出了球头110的各种表面布局，但并不仅限于此。在图1A中，球头110的外表面114是一个形状不规则的粗糙表面。在图1B中，球头110具有凹陷的饼铛形凹坑112，其中凹坑具有不同尺寸的直径和深度。浅坑将球头保持在适当的位置上，而较深的凹坑可以使球头在承窝内的制动机构上旋转。还应当理解到，凹坑的布局可被安排成围绕球头表面的规则或不规则图案。图1C表示具有凸起113的球头110，其中凸起113具有统一的直径和高度或具有不同的直径和高度。图1D表示一个球头110，其表面包括许多小平面115，类似于一个英式足球的布置。可以理解，尽管所示的小平面115是六边形的，但其它的几何形状也可以用于形成小平面。在图1E中，球头110的表面加有纬度方向和经度方向的肋条116，形成一个地球仪状的图案。这些肋可以以相互平行、垂直或交叉延伸的正弦波图案形成，以便形成一个三维齿轮。图1F表示了再一种可替代的布局，其中，球头110的表面包括一个位于球头端部的只在一端开口的球体117。如图1G所示，绕着球头的周面形成有螺旋图案111。相似的球头110可以是实心的或空心的。在图1H中，于空心球头110的表面上形成的凹坑112既可以是在球头表面上的凹陷小坑，也可以是穿透球头110的壁而形成的孔。
在图1I和图1J中示出了球头110的其它变型。尽管球头112的优选形状是球形，但也可以考虑其它的形状，例如图1I中所示的卵形。如图1J所示，球头110可以被劈开，或是具有一个切口118，从而可将片状物插入由切口产生的开口中。片状物提供了额外的表面，用于连接其它的构件以形成各种图案。尽管球头110最好具有一种所述的表面型式，但作为并非优选的实施例，球头也可以具有光滑的表面。
如图2和图3所示，承窝130或颚具有两个内、外表面大体成球形的相对的瓣状件140。瓣状件140的内表面131确定出直径与球头110的直径大致相等的空腔144的壁。沿瓣状件140的周边延伸的唇部142包括一个位于各瓣状件140端部的中心凹形构造132，在各瓣状件140端部处的凹形构造132的两侧具有峰部134，在瓣状件140之间沿唇部142设有凸缘136。唇部形成各瓣状件的周边以及在瓣状件两侧的开口的周边。开口的周边是瓣状件的反转图象。在本说明书中，唇部142的“外”部是指在唇部142的峰部134之间延伸的部分。类似地，在本说明书中，唇部142的“内”部是指包括凸缘136在内并一直延伸到峰部134的部分。唇部142外部的轮廓与唇部142内部的轮廓互补，即，两个构件100的两个瓣状件140可以象图4所示的(及下面将更加详细描述的)那样互锁，以形成一个完整的球，很象在接缝两侧的网球两半形成一个球体。因此，凹形构造132相对于峰部134凹入，凹入的距离与凸缘136向外伸出的距离相同。在承窝130的唇部142中，凹形构造132形成了一个通向承窝130的内部空腔144的通道，与如果唇部142限定了一条和峰部134相连、用于限制球头进入的自由度的直线时所提供的宽度相比，其宽度更接近于球头110的宽度。
唇部增大了用于承窝-承窝连接的表面积，并且也可以被楔入主体的端部和球头的基部之间(沿着颈部)，即，一个压配合，以在进行球窝连接时，提供悬臂部分的附加强度。当球头110通过凹形构造132插入空腔144时，主要的摩擦阻力是由峰部134施加的。一旦球头110的中心点位于由四个峰部134确定的平面之外，则球头110迅速卡入承窝130。类似地，当经由凹形构造132从空腔144中拔出球头110时，由峰部134施加主要的摩擦阻力，并且一旦球头110的中心点位于由四个峰部确定的平面之外，球头110便会被迅速地取出承窝130。应该注意，因为峰部134的端部是共面的，所以构件100可以依靠峰部134以纵轴垂直取向的方式竖立起来。还应该注意的是，无论在本说明书中的任何一处，对于球窝连接来说，球头110被认为是凸连接部件，而承窝130则被认为是凹连接部件。
当从图2所示剖视图的侧面看时，唇部142到峰部134内侧的轮廓大约为一个圆弧形，其直径约等于主体120的直径。这就可以允许进行如下面参照图7更详细地描述的承窝-主体连接。
尽管优选的瓣状件设计是使瓣状件具有如图1和图2所示的均匀连续的表面，但是在图2A至图2D中还给出了各种不同的瓣状件设计。在图2A中，瓣状件140可以被穿孔，从而具有许多穿过瓣状件的孔141。在图2B中，瓣状件140通过设置许多限定瓣状件的纵列143和横行145而被制成网格状。在图2C中，瓣状件140由一个凸缘147形成，它沿瓣状件的周边延伸，因此具有一个开口的中心部分。如图2D所示的瓣状件140是由许多垂直取向的指状构件149构成的。
应当理解到，尽管颚的优选设计包括具有当球头插入颚中时可覆盖50％的球头的均匀表面的瓣状件，但是无论瓣状件是象图1和图2所示的那样连续均匀的，还是象图2A至图2D所示的那样为不连续的其它设计形式，颚都被认为是覆盖了插入承窝中的球头的50％的表面。在非优选的设计中，瓣状件所覆盖的球头表面可以小于50％。颚在构件上的优选取向是，在瓣状件两侧的开口垂直于球头的平面(当在一个构件上有多于一个的球头时)。可以将颚旋转90°，但是这样做并不好。
在承窝130内侧，沿着主体120的中心纵向轴线设有一个凸出的制动机构138。制动机构138伸入承窝130的球形空腔144中，其伸入的长度与球头110上凹坑112的深度大体相同。因此，如图5A所示，当第一个构件100a的球头110a插入第二个构件100b的承窝130b中时，和当第二个构件100b的制动机构(图5A中未示出)伸出第一个构件100a的球头110a上的凹坑112a中时，第一构件100a和第二构件100b的纵轴间的角度被限定或“锁定”。
因为在这个实施例中仅有一个沿纵轴方向设置的制动机构，所以第一构件100a可以绕第二个构件100b的纵轴转动。球头110a和承窝130b的几何形状和结构使得由人施加的力可以将第二构件100b的制动机构从第一构件100a的凹坑112a中移出，并可以使第一构件100a的纵轴相对于第二个构件100b的纵轴转动。由于在第一构件100a的球头110a上的凹坑112a的图案，使得两个构件100a和100b可以按许多间隔角锁定。
尽管一个制动机构138是优选的，但也可以在空腔144中沿内表面131设置多于一个的制动机构，例如两个。如果例如两个制动机构设置在任何位置上，而且两者被相互分开180°并穿过球心排成一排，则球头可以被锁定的位置数与仅有一个制动机构时被锁定的位置的数目相同。然而，如果两个制动机构不是相互分开180°，或者如果有多于两个的制动机构，则制动机构可以同时排列对准的位置数显著地减少到十二个。当将几何实体作为解决方案考虑时，特殊的对称位置的最大数目为十二个。
制动机构的优选设计是具有一个带平顶的圆形基部和倾斜的侧面，以便可以和球头上的凹坑牢固的锁定。制动机构和凹坑一样，可以被设计成具有各种不同的尺寸和形状，以产生不同的感觉、声音和锁定性能。在一个单一的构件上可以存在几种不同尺寸的制动机构，以产生特殊的声音和音调变化，并且感觉到不同制动机构间的区别。
在球头具有凸起而不是凹坑的结构中，制动机构138应被设计成具有一个如图3A中所示的凹形顶部。在这种设计中，制动机构应该在中心具有一个用于与凸起接合的孔。在只有一个制动机构时，轴向对准的球窝连接可以绕构件的轴旋转360°。制动机构138可以设有一个防旋转部件139，以防止两个邻接的构件绕轴转动。部件139包括一个开口，用以容纳相邻的凸起以防止旋转。防旋转部件也可以用于具有凹坑的球头上，这时的防旋转部件应该包括一个凸出物。
在图5A中，第一个构件100a的纵轴的取向相对于第二个构件100b的纵轴大约旋转了120°，并且第一个构件100a的颈部150a抵靠第二个构件100b的唇部142b中的凸缘136。由于第一个构件100a的颈部和第二个构件100b的凸缘之间的接触，两构件100a和100b之间的角度不能通过在两构件100a和100b的平面中的旋转而被增加。然而，一个用于增加第二个构件100b的凸缘和第一个构件100a的颈部之间的压力的力可以用来将球头110a移出承窝130b。通过使制动机构相对于一系列的凹坑112a移位，可以使第一个构件100a在两构件100a和100b的平面中旋转大约240°，从图5A所示的位置到达第一个构件100a的颈部抵靠第二个构件100b的唇部142中的另一个凸缘136b的位置。
在图5B中，第一个构件100a′的纵轴相对于第二个构件100b′的纵轴大约成30°地取向，并且第一个元件100a′的颈部150a′抵靠第二个构件100b′的唇部142b′中的凹形构造132b′。由于第一个构件100a′的颈部150a′与第二个构件100b′的凹形构造132b′之间的接触，两构件100a′和100b′之间的角度不能通过在两构件100a′和100b′的平面中的旋转而被增加。通过使第二个构件100b′的制动机构相对于第一个构件100a′的一系列凹坑112a′移位，可以使第一个构件100a′在两构件100a′和100b′的平面中旋转大约90°，从而使第一个构件100a′的颈部150a′抵靠第二个构件100b′的唇部142b′中另一个凸缘(图中不可见)。
应当注意到，在本发明中，对于球窝连接中构件的取向，可获得的稳定的角度至少为2π个球面度，即，一个球头被卡在承窝中的构件，其取向可以指向以球头为中心的球面上大约50％的表面。这对于通过任何具有平面唇部轮廓的承窝可获得的稳固的角度是有利的，这是因为要固定一个球头，至少承窝的一些截面有必要覆盖大于180°的弧度。还应该注意，如果从颈部150的边缘到颈部150的中心所对的弧(从球头110的中心看)小于从制动机构138到唇部142上最近的边缘所对的弧(从承窝144的中心看)，则球头110上的凹坑112的图案不必一直延伸到颈部150。
图6描绘了一个由构件310、320、330、340、350、360和370(总体上由参考标号310+表示)组成的链300，其中一些构件具有有柔性的颈部328、338、348、349、358和368(下面将详细讨论它们的几何结构和功能)，这些构件以图5A和图5B所示的球窝型连接相互连在一起。如图6所示，构件310+的主体部分具有不同的长度。构件360具有一个主体364，它比构件350的主体354长，而后者又比构件340的主体344长。构件320和310具有尺寸相同的主体324和314，但它们比具有较大直径的构件340、350、360和370的主体344、354、364和374的尺寸小。构件310和320具有比构件340、350、360和370的球头342、343、352、362和承窝356、366、376的直径小的球头312和322及承窝316和326。构件340在主体344的两端具有球头342和343(类似地，一个构件也可以在主体部分两端都具有承窝，并且承窝的颚可以成一直线，相互成90°，或相互偏斜一个介于中间的角度)。构件330具有一个承窝336，其空腔的直径大于构件330的球头332的直径，并因此可以改变构件310+组成的链的“规格”。“规格变换”构件330的主体334的长度很短，几乎没有。虽然图6中仅表示出两种规格尺寸，但一套构件还可以包括其它规格尺寸的构件，并且可以包括连接相邻或不相邻规格尺寸的构件用的规格变换构件。
由于从图7的角度看，唇部142C的轮廓近似于一个直径与主体120D的直径基本相等的圆形，因此在构件之间可以进行另一种可能的连接，即承窝-主体连接，其中第一个构件100c的承窝130C抱住第二个构件100D的主体120D。因为第二个构件100D的主体120D是圆柱形对称的，所以第一个构件100C的主体120C的纵轴可以相对于介于第二个构件100D的瓣状件140D之间的平面按任意角度取向。此外，凹形构造132C允许承窝130C与主体的中心轴线成一定角度地与主体120D相连接，从而使三个构件可以构成一个三个承窝-主体连接的封闭环。另外，构件可以具有一个帮助保持凸缘136处于适当位置的有裙状花边的台肩，从而使三角形保持稳定。另一方面，如果第二个构件100D的主体120D具有纵向的肋(未示出)，则第一个构件100C的主体120C的纵轴可以相对于介于第二个构件100D的瓣状件140D之间的平面锁定在固定的取向上。
主体120的优选设计是图7所示的圆柱形。主体也可以具有如图7A-7C所示的其它设计形式。作为非限制性的例子，图7A中的主体120具有穿孔。在图7B中，主体120具有I形梁的结构。在图7C中，主体120包括相互平行的圆柱体151和153，它们相应于系统的规格具有不同的直径，从而可以使三个不同规格的颚同时与主体接合。参见图1，类似地，主体的台肩160可以具有各种构形。台肩160最好为圆形，然而例如图13所示的弯月形1221那样的其它设计形式也是可以的。
如上面提到的那样，在图4所示的承窝-承窝连接中，第一个构件100e的瓣状件140e的唇部142e的外部轮廓与第二个构件100f的唇部142f的内部轮廓是互补的，并且反之依然，从而使得两个构件100e和100f的瓣状件140e和140f可以伴随着清晰的砰的一声而互锁成一个完整的球形，就象位于接缝相对两侧的两个半个网球形成一个完整的球形。在这种承窝-承窝连接中，构件100e和100f的主体120e和120f的纵轴是共线的，并且在两构件100e和100f的瓣状件140e和140f之间的平面是相互垂直的。在构件100e和100f之间的取向没有调整的可能。构件100e和100f可以借助手的力量相互接合或分开。
在图8所示的另一种类型的承窝-承窝连接中，两个连接构件100g和100h的瓣状件140g和140h的唇部142g和142h的内缘相互邻接，并且各构件100g和100h的瓣状件140g和140h的唇部142g和142h的外缘抱住另一个构件100h和100g的主体120h和120g。在这种连接中，构件100g和100h的主体120g和120h的纵轴是共线的，在两构件100g和100h的瓣状件140g和140h之间的平面是相互垂直的。通过将两个构件100g和100h相互拉开，对一个构件100g或100h施加一个使其绕纵轴转动的转距，或者施加一个使构件100g和100h的纵轴转动，由此使其不再与另一构件100h或100g共线的力，可以对构件100g和100h之间的取向做一定程度的调整。构件100g和100h可以通过手的力量相互接合或分开。而且，人们可以在不将两构件拉开的情况下在图4和图8的连接方式之间进行变换。
在图9所示的第三种类型的承窝-承窝连接中，构件410、420、430、440、450和460构成一个链400，构件410、420、430、440、450和460的纵轴是共面的，并且垂直于链400的方向401。这种类型的承窝-承窝连接400是通过将第一个构件的第一瓣状件和第二个构件的第二瓣状件插入并固定在第三个构件的瓣状件之间而实现的。例如，如图9所示，构件410的右侧瓣状件412和构件430的左侧瓣状件431被插入并固定在构件420的瓣状件421和422之间，由此瓣状件412和431的外表面相互接触，瓣状件412和431的外缘与构件420的空腔425的壁接触，并且瓣状件421和422的外缘分别与构件410和430的空腔415和435的壁接触。类似地，构件420的右侧瓣状件422和构件440的左侧瓣状件441被插入并固定在构件430的瓣状件431和432之间，由此瓣状件422和441的外表面相互接触，瓣状件422和441的外缘与构件430的空腔435的壁接触，并且瓣状件431和432的外缘分别与构件420和440的空腔425和445的壁接触。瓣状件之间的这种类型的接触延续形成链400的长度，并且这样的链400显然可以无限地延长下去。瓣状件411、412、421、422、431、432、441、442、451、451、461和462(总体用参考标号411+表示)的几何形状使得在瓣状件411+前缘的峰部(图9中未用标号标出)位于承窝空腔415、425、435、445、455和465内部。这一链状结构400允许构件410、420、430、440、450和460垂直于构件410、420、430、440、450和460的平面做一定程度的旋转，也允许在构件410、420、430、440、450和460的平面内做一定程度的旋转。在本发明的一个替代实施例中，位于瓣状件412和431、432和451、422和441、442和461的外表面的接触点上的制动机构可以稳固链形结构400。
图9A中还表示出第四种类型的承窝-承窝连接。在图9A中，构件510和520被连接到构件530上。在这种结构中，构件510的颚540被连接到构件530的瓣状件550上。类似地，构件520的颚560被连接到构件530的瓣状件570上。在这种结构中，瓣状件550位于颚540的瓣状件之间，而瓣状件570位于颚560的瓣状件之间。这种连接被称作摆动连接，因为构件510和520可以象一个摆锤一样绕着瓣状件550和570自由摆动。
图10中的透视图以及图11和图12中的剖视图示出了本发明基本构件1100的一个可替代的实施例。这种构件1100与图1、2和3中所示的构件100相比，除了图10、11和12中的构件1100具有一个位于球头1110和主体1120之间的“柔性颈部”1150，以及在承窝1130内部有一个单一的制动机构1138或两个制动机构1139之外，其它结构都相同。柔性颈部1150有一个相对于主体的纵轴对称的中心环形件1155，并且通过窄颈1157和1153分别连接到球头1110和主体1120上。窄颈1157和1153(或者也可以是整个构件1100)由柔性材料制成，例如由橡胶或塑料制成，因而，如果将第二个这种类型的构件1100通过球窝连接连接到第一个构件100上，即使在第二个构件1100的承窝1130中的制动机构1138和1139保持在第一个构件1100的球头1110上的凹坑1112中的情况下，也可以对第二个构件的取向做一定程度的调整。
由于除了柔性颈部1150和附加的制动机构1139外，构件100和1100的设计相同，所以上面所讨论的和图4-9中所示的相互连接类型也都可以用图10-12中构件1100的替代较佳实施例来实现。在环形件1155和球头1110之间的颈部1157的轮廓使得当构件1100进行球窝连接时，承窝1130的唇部1142可以被插入并固定在环形件1155和球头1110之间，以便加强连接的稳固性。
在图13中的剖面图所示的替代实施例中，在主体1220的弯月形台肩1221和球头1210之间设有颈部1250。参考图10-13的实施例，当这一替代实施例的球头1210连接到一个承窝130或1130上时，承窝130或1130的唇部142或1142可以插入并固定在位于主体1220的台肩1221和球头1210之间的缝隙1252中，以便加强连接的稳固性。
作为构件系统的一部分，圆柱形主体可以具有一个沿着主体的长度形成的空腔2000，如图14和图14A所示。空腔2000通常是一个U形槽，带有唇部2010和2020，用以使两个构件2030和2040保持在如图14A所示的状态。可以在任何一种类型的构件中形成空腔2000，例如在具有两个承窝2050和2060的构件中(图14)，或者在具有两个球头2070和2080或一个球头2090和一个承窝2100的构件中，如图14A所示。
作为一套完整的构件的一部分或者为了造型的目的，本发明还设计了其它一些系统构件，如图15A-15C所示。在图15A中示出了一个方形构件2500，在方形的各角上设有球头2510、2520、2530和2540。在各个相邻的一对球头之间有一个半圆形的边缘2550，以进一步提供一个用于和其它构件(未示出)的颚连接的位置。图15B表示一个在三角形构件的各个角上设有球头2610、2620和2630的三角形构件2600。同样，在各个相邻的一对球头之间有一个半圆形的边缘2640，以提供一个用于和额外的构件(未示出)的承窝连接的附加连接位置。三角形构件2600和方形构件2500可以被设计成这样另一个构件的球头能够连接到位于构件2500和2600的角上的球头之间。图15C示出了一个圆形构件2700，该构件围绕着圆形构件的周边设有圆形的边缘2800，提供了用于与其它构件(未示出)的承窝连接的连续连接位置。除方形、三角形和圆形外还可以考虑其它的形状。如图15A至图15C中所示的片状构件也可以被设计成在侧面具有允许球头插入其中的凹口，以及具有一个位于中心的球头可插入其中的孔。
另外，系统可以借助图16A至图16C所示的减径构件改变规格。图16A示出了一个具有不同规格的球头3100和3200的减径构件3000。图16B示出了一个具有不同规格的承窝3400和3500的减径构件3300。图16C示出了一个具有不同规格的球头3700和承窝3800的减径构件3600。优选的规格变化比例是最好有三个规格的费班纳赛级数(黄金平均=1.618X)。如果费班纳赛级数是基于球头的体积，则增长的量为X3，但如果费班纳赛级数是基于构体的长度，则增长量为X2。可以有许多规格，并且，为了不同的造形目的，规格之间的比例可以是随机的、笛卡儿的、均方根的或调和的。
构件存在于极坐标中，这个极坐标表示的是在系统的增长和3维空间中的整数或小于整数的变化。当部件处于运动中时可以实现这些极坐标关系。因此，三个等长度的部件当连成一线(球窝连接)时可以这样运动位于三个连接在一起的部件端部的球头，其中心可以到达半径等于球头中心和承窝中心(承窝的中心是由一个假想的位于承窝中的球头的中心确定的)之间距离的假想球形中的任意一点。并且分支部件(具有至少三个球、颚或任何球和颚的组合的部件)具有一个中心径向对称点/轨迹，它将所有的球头置于一个从一原点出发的轨迹上。在一个特殊的规格中，部件被设计成布置于笛卡儿网格(1、2、3、4…)上。例如，带有一个球头和一个承窝的部件可以具有不同的长度，但它们的长度建立在简单的笛卡儿比的基础上。这便允许建造出一种人造结构，例如一个立方体或一个房子，以及其它的组织结构。该系统的其它实施例可以将部件放置在不同的网格上，如调和级数、均方根级数和费班纳赛级数。
构件最好由两个空心的对半构件通过声波焊焊接在一起。在独立的构件中，空心件中可以灌入液体，加入光源，发声的碎片等等。所有的构件都可以由几个部分组装而成，它们可以通过模内组装制成一个单一的部分。模内组装允许各部分采用多种颜色和材料。它还可以制作可动的部件，例如一个旋转的球或一个可伸缩的主体。
尽管本发明构件的优选设计为具有圆柱形的主体，但构件的主体也可以被制成或装饰成类似于植物、动物、人造物体等形状，或者由例如橡胶、金属、泡沫塑料或绒毛材料等几乎任何一种材料制成。另外，主体可以具有骨骼、枝杈、竹节、砖块、原子键的电子云等的形状。这些举例证明本系统的开放式设计允许用几乎任何一种材料或设计来替换圆柱形的主体，其中包括允许将该系统作为一个把得到许可的特性综合成一个整体的台式玩具和作为非建造玩具的玩具销售。本发明的构件可以被用于建筑或工程的目的，或用于建造临时的半永久性的或永久性的结构。另外，承窝部分可以被修饰成类似于动物的脑袋，例如在颚的一侧上绘制或模塑出一对眼睛；或可以用一个脑袋或其它物体来代替球头。
尽管上述说明包括了许多特性，但不应将其解释为对本发明范围的限制，而应该将其仅作为对本发明的一些优选实施例的说明。可以有许多变型，并且认为这些变型都落在本发明的范围之内。例如构件的主体不必制成细长形或圆柱形；球头不必具有凹坑和/或承窝不必具有制动机构，从而使通过球窝连接而相互连接在一起的两构件之间的关系连续可调；承窝可以只具有两个制动机构，例如各瓣状件上有一个制动机构；承窝可以具有多于三个的制动机构；球头上的凹坑不必按上面所述安排；凹坑的间隔可以非常小，从而可以对球窝连接进行微小的且精确地控制的重新取向；承窝可以具有一个弹簧销，用以锁定球头的取向；可用一个开口销将球头锁定在承窝内；可以提供向承窝的瓣状件施加向内的力的机构，以固定球头在承窝中的取向；对于用上述任何一种承窝-承窝连接连接起来的构件，构件之间的关系可以是可调的；构件的主体可以具有纵向的隆脊，以便当其它的构件通过承窝-主体连接与之相连时，其它构件的取向可以锁定在许多不连续的角度上；第一个构件的主体可以具有纵向隆脊，并且可以相对于球头和承窝自由转动，从而当一个或更多的其它构件通过承窝-主体连接连接到第一个构件上时，其它构件的取向可以锁定在许多彼此相互不连续的角度上，并且其它的构件可以绕着第一个构件的主体的对称轴旋转；构件的主体可以在各端具有一个横向隆脊，以便当另一个构件通过承窝-主体连接连接到其上时，另一个构件不能从主体的端部滑脱；将球头连接到主体上的颈部可以具有椭圆形或其它形状的截面，而不采用圆形截面，并且椭圆的主轴可以具有与在承窝的相对瓣状件上的凹形构造之间的距离相等的长度，以便颈部可以插入并固定在颚之间；构件的球头和主体之间的颈部可以具有其它的截面形状，例如正方形、三角形，矩形、星形或星号形；一组构件不必包括多于一个尺寸规格的构件，并且不必包括具有多于一种尺寸规格的连接件的构件；构件可以具有通孔以减轻构件的重量和/或提供用于容纳较小规格的构件的容座；构件可以具有纵向的孔，从而端部相互连接起来的构件链可以提供一个用于流体、粉末、线材、弹子等的管道；构件可以由金属构成，以用作为桁架等；构件可以由非柔性材料，例如金属制成，并且可以沿着一个通过中心纵轴并位于颚的中间的平面分成两半，从而当将一个金属球头放置在构件的颚之间并且构件的两半被固定在一起时，使球头不能被拆下来；当球头在承窝中重新取向时，可以发出喀喇声；构件可以被改造成具有笛子、管乐器、键盘乐器和/或打击乐器的功能；一套构件可以适于用作动画物体或一个动画轮廓；构件可以包括一个连接件的附加系统，例如磁性连接件；一套构件可以包括翼状件、轮子和轴；大型构件可以通过吹塑制成，以便将构件的重量保持在合理的限度内；球头可以由小平面拼成，以代替具有凹坑的球头，主体和颚可以分开制成，然后再组装到一起，并且可以根据顾客的需要重新组装；等等。
许多其它的改型也被认为落在本发明的范围内。因此，本发明的范围并不由这里的例子所限定，而是由后面的权利要求及其等同物限定。
权利要求
1．一种构件系统，包括一个具有一个第一互锁机构和一个第二互锁机构的第一构件；和一个具有一个第一互锁机构和一个第二互锁机构的第二构件；其特征在于，第一和第二构件的第一互锁机构或第二互锁机构中的至少一个包括一个承窝，该承窝具有至少两个分开的瓣状件，将该瓣状件构造成当使承窝的瓣状件相互连接时，所述瓣状件形成一个球体。
2．如权利要求1所述的构件系统，其特征在于，第一或第二互锁机构的另一个是一个第二承窝，该承窝具有至少两个分开的瓣状件，将该瓣状件构造成当使承窝的瓣状件连接时，所述瓣状件形成一个球体。
3．如权利要求1所述的构件系统，其特征在于，第一或第二互锁机构的另一个是一个尺寸适于配合在所述承窝内的球头。
4．如权利要求3所述的构件系统，其特征在于，第一和第二构件包括一个位于第一和第二互锁机构之间的主体部分。
5．如权利要求4所述的构件系统，其特征在于，所述构件还包括一个位于主体部分和球头之间的颈部。
6．如权利要求3所述的构件系统，其特征在于，所述构件还包括用于锁定球头在承窝中的位置的机构。
7．如权利要求6所述的构件系统，其特征在于，所述锁定机构包括至少一个位于承窝中的制动机构，该制动机构与球头表面上的至少一个凹坑接合。
8．如权利要求7所述的构件系统，其特征在于，球头上设有许多以Bucky球图案排列的凹坑。
9．如权利要求3所述的构件系统，进一步包括一个具有第一互锁机构和第二互锁机构的第三构件，其中，所述第一、第二和第三构件可以相互连接在一起，从而可以使第三构件被铰接到一个球形体积中的任何位置上。
10．如权利要求3所述的构件系统，其特征在于，承窝的构造使得第一和第二构件之间的球窝连接可以作至少为2π球面度的运动。
11．如权利要求3所述的构件系统，进一步包括一个具有一个第一互锁机构和一个第二互锁机构的第三构件，其中，第一构件、第二构件和第三构件可以相互连接成一个封闭的环。
12．如权利要求2所述的构件系统，其特征在于，所述承窝的构造使其可以与所述主体部分进行连接。
13．一种构件系统，包括一个具有一个主体部分和至少一个位于主体部分上的承窝连接件的第一构件；一个具有一个主体部分和至少一个从所述主体部分伸出的球头连接件的第二构件；所述承窝具有用于接收球头的机构，并且其构造允许在第一和第二构件之间进行至少在2π球面度范围内的运动。
14．如权利要求13所述的构件系统，其特征在于，用于接收球头的机构为至少两个分开的瓣状件，所述承窝还包括用于将球头锁定在承窝中的机构。
15．如权利要求14所述的构件系统，其特征在于，该锁定机构包括至少一个位于承窝中的制动机构，该制动机构与球头表面上的至少一个凹坑接合。
16．如权利要求14所述的构件系统，其特征在于，用于将球头锁定在承窝中的机构包括一个在承窝中的制动机构和至少一个位于球头表面上的凸起，所述制动机构具有用于接收凸起的机构。
17．如权利要求16所述的构件系统，其特征在于，在球头的表面上有许多凸起，并且所述制动机构包括用于限制球头在承窝中的旋转的机构。
18．如权利要求13所述的构件系统，其特征在于，所述第二构件还包括一个具有两个分开的瓣状件的承窝连接件，将该连接件构造成当使第一和第二构件的瓣状件相互连接起来时，可构成一个球体。
19．如权利要求13所述的构件系统，还包括一个具有一个第一互锁机构和一个第二互锁机构的第三构件，其中，第一构件、第二构件和第三构件可以相互连接成一个封闭的环。
20．如权利要求13所述的构件系统，还包括一个具有一个第一互锁机构和一个第二互锁机构的第三构件，其中，第一、第二和第三构件可以被相互连接起来，从而使第三构件可以被铰接到一个球形体积中的任何位置。
21．一种互锁机构，包括一个具有至少两个可覆盖球体的2π球面度的瓣状件的第一颚；和一个具有至少两个可覆盖球体的27π球面度的瓣状件的第二颚；其特征在于，第一颚的瓣状件与第二颚的瓣状件相互连接，将颚锁定在一起。
22．一种构件系统，包括包含第一和第二构件在内的许多构件，各构件具有一个主体部分和一个从主体部分伸出的连接部分，连接部分具有可以与系统中的其它构件相互连接的结构；其中，第一构件的连接部分包括一个大体为球形的结构，它在表面上具有二维排列的表面特征，并且第二构件的连接部分包括一个大体为承窝形的结构，它被构造成可以接收球形结构，所述承窝形结构具有用于与球形结构的所述表面特征形成可拆开的互锁的固定表面机构，以便当球形结构位于承窝形结构中时，阻止球形结构和承窝形结构之间的相对转动。
23．一种构件系统，包括许多构件，各构件具有一个主体部分以及第一和第二连接部分，连接部分具有与系统中的其它构件相互连接的结构；其中，各构件的第一连接部分包括一个大体为球形的结构，它具有预先限定的二维排列的表面特征，并且各第二构件的第二连接部分包括一个被构造成可接收第一连接部分的所述球形结构的、大体为承窝形的结构，所述承窝形结构具有用于当球形结构装入承窝形结构中时，使一个构件的第二连接部分与另一构件的球形结构的所述表面特征可拆开地互锁的固定表面机构，由此阻止球形结构在承窝形结构中的转动。
24．如权利要求22所述的构件系统，其特征在于，承窝形结构的表面机构和球形结构的表面特征的结构使得当球形结构在承窝形结构中转动时，能够以快速装接的方式配合在一起，从而使两构件的第一和第二连接部分可拆开地互锁。
25．如权利要求23所述的构件系统，其特征在于，承窝形结构的表面机构和球形结构的表面特征的结构使得当它们当球形结构在承窝形结构中转动时，能够以快速装接的方式配合在一起，从而使两构件的第一和第二连接部分可拆开地互锁。
26．如权利要求25所述的构件系统，其特征在于，将球形结构的表面特征构形成确定了它们与表面机构啮合的互锁位置，从而使球形结构可以借助于外力从一个互锁位置可转动地转换到另一互锁位置。
27．如权利要求26所述的构件系统，其特征在于，将表面特征和表面机构构造成分别与承窝形和球形结构成一整体，不含有可动部分。
全文摘要
一种构件系统,其中的构件具有用于球窝或承窝－承窝连接的机构。当承窝内部的一个或更多的制动机构伸入球头上的许多凹坑中的一个或更多的凹坑中时,球窝连接锁定在一个取向上。构件通常具有一个细长的主体,其一端有一个带凹坑的球,另一端有一个承窝,或者在主体的两端都是有凹坑的球头或都是承窝。另外,对于球窝连接来说,构件可以进行承窝－主体连接,或者进行不同类型的承窝－承窝连接。承窝具有至少两个带唇部轮廓的瓣状件,从而在一种承窝－承窝连接中,一对承窝可以互锁成一个球。承窝的唇部的不规则形状允许借助扭转力矩将球头从承窝中取出,并且可以在球窝连接中获得在至少2π个球面度范围内的取向。
文档编号A63H33/08GK1208358SQ9619962
公开日1999年2月17日 申请日期1996年12月11日 优先权日1995年12月11日
发明者迈克尔·J·格雷 申请人:普里莫戴尔有限责任公司