本發(fā)明屬于并聯(lián)式機構，尤其是涉及一種雙自由度平面五桿機構演示儀。

背景技術：

并聯(lián)式機構是一種較為新型的機構，其優(yōu)點是可以改善串聯(lián)式機構的很難突破的某些根本限制，是串聯(lián)機構的補充和拓展。盡管并聯(lián)機構的研究已有80年的歷史了，但早期研究則主要集中在六自由度的研究上，直到上世紀80年代，學者才開始研究少自由度并聯(lián)機構，并提出了一些新型并聯(lián)機構的構型，使得并聯(lián)機構市場化程度得以加大。由此可見，并聯(lián)機構的研發(fā)還處于起步階段，其研究價值較高。而在平面并聯(lián)機構的教學中，雙自由度平面五桿機構是最為基本的一種并聯(lián)機構，是并聯(lián)機構教學的基礎，但由于雙自由度平面五桿機構的分析較為復雜，而市場上相應的動態(tài)演示教具又十分匱乏，導致教師在此類機構的教學中，只能通過單純的講解和影像資料來闡述該機構的運動軌跡與運動形式，這樣學生不僅較難理解，還影響了他們學習的積極性與創(chuàng)造性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種架構輕便、可自由編程、可操作性和可拓展性強的雙自由度平面五桿機構演示儀。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：

一種雙自由度平面五桿機構演示儀，包括機架底座、控制機構、寫字板、用于固定涂畫工具的五桿機構、用于驅(qū)動五桿機構動作的驅(qū)動機構及用于升降五桿機構的抬升機構，所述的控制機構分別與驅(qū)動機構和抬升機構連接，所述的寫字板設置在機架底座上，所述的驅(qū)動機構包括驅(qū)動舵機和驅(qū)動舵機支架，所述的驅(qū)動舵機固定在驅(qū)動舵機支架上，并與五桿機構傳動連接，所述的驅(qū)動舵機支架與機架底座鉸接，所述的抬升機構設置在機架底座上，并通過與驅(qū)動機構傳動連接，帶動驅(qū)動機構擺動，控制五桿機構的升降。

作為優(yōu)選的技術方案，所述的驅(qū)動舵機設有兩個，并列設置在驅(qū)動舵機支架上，所述的五桿機構包括依次鉸接的第一原動連桿、第一從動連桿、第二從動連桿及第二原動連桿，第一原動連桿和第二原動連桿的自由端分別與兩個驅(qū)動舵機的輸出軸連接，第一從動連桿或第二從動連桿在第一從動連桿和第二從動連桿的連接處向外延伸，形成延伸部，所述的延伸部上設有用于固定涂畫工具的固定器。

作為優(yōu)選的技術方案，所述的固定器為用于與涂畫工具通過過盈連接的插孔。

作為優(yōu)選的技術方案，所述的抬升機構包括抬升舵機、抬升舵機搖臂和抬升連桿，所述的抬升舵機搖臂的一端設置在升降舵機的驅(qū)動軸上，并在升降舵機的驅(qū)動下擺動，抬升舵機搖臂的另一端、抬升連桿及驅(qū)動舵機支架依次鉸接連接。

作為優(yōu)選的技術方案，所述的控制機構包括單片機和舵機驅(qū)動板，所述的單片機與舵機驅(qū)動板通過串口線連接，所述的驅(qū)動機構和抬升機構與舵機驅(qū)動板連接。

作為優(yōu)選的技術方案，該演示儀還包括擦除機構，所述的擦除機構包括擦頭和插頭夾，所述的插頭夾設置在機架底座上，所述的擦頭可拆卸的設置在插頭夾中，并且擦頭與寫字板接觸連接，擦頭上設有用于使涂畫工具插入并拖動擦頭在寫字板上移動的孔洞。

作為優(yōu)選的技術方案，所述的擦頭夾呈半圓弧狀，位于寫字板的一角，所述的擦頭為與擦頭夾內(nèi)側(cè)面相匹配的圓柱形擦頭。

本發(fā)明通過控制機構控制驅(qū)動機構和抬升機構動作，使固定在五桿機構上的涂畫工具在寫字板上繪制軌跡，需要擦除涂畫工具繪制的軌跡時，抬升機構帶動驅(qū)動機構擺動，從而抬升五桿機構，使涂畫工具離開寫字板，驅(qū)動機構驅(qū)動五桿機構動作，使涂畫工具移動至擦頭上方，抬升機構驅(qū)動涂畫工具降下，涂畫工具插入所述的孔洞，在驅(qū)動機構的驅(qū)動下，涂畫工具拖動擦頭脫離擦頭夾，并將涂畫工具繪制的軌跡擦除，擦除完畢后，通過驅(qū)動機構和抬升機構將擦頭歸位。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)雙自由度教具：本發(fā)明主要應用于高校的連桿機構及并聯(lián)機構的教學中，豐富了原有的連桿教學用具類型。學生可以通過它形象的了解學習雙自由度五桿機構的軌跡特性，運動范圍等相關知識。

(2)可拓展性強：本發(fā)明不僅僅只適用于連桿機構和并聯(lián)機構的教學，而且亦可作為機電傳動和機電控制，機械原理等學科的教學用具，具有很強的可拓展性。

(3)自由編程可操作性強：本發(fā)明可以自由編程。學生可以自己動手組裝，編寫他們自己預設軌跡的程序有利于激發(fā)學生的創(chuàng)造力和興趣，讓學生在揮灑自己創(chuàng)意的實踐中學會雙自由度五連桿的相關知識，使實驗的內(nèi)容更加的多樣化。

(4)輕便的架構：本發(fā)明結(jié)構簡單，非常輕巧。教師既可以實驗室中使用，也可以非常容易的帶入課堂中進行教學活動。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構示意圖；

圖2為本發(fā)明另一個視角的結(jié)構示意圖；

圖3為本發(fā)明的抬升舵機與機架底座的分解示意圖；

圖4為本發(fā)明的驅(qū)動舵機與機架底座的分解示意圖；

圖5為本發(fā)明的五桿機構的分解示意圖；

圖6為本發(fā)明的第二原動連桿與驅(qū)動舵機的側(cè)面剖視圖。

圖中，1為第一從動連桿，2為第二從動連桿，3為第一原動連桿，4為第二原動連桿，5a、5b、5c為五桿機構鉸接件，5d、5e為驅(qū)動軸連接件，6為驅(qū)動舵機安裝支架，7為驅(qū)動舵機安裝墊片，8a、8b、8c、8d為驅(qū)動舵機緊固件，9為第一副抬升支架，10為主抬升支架，11為第二副抬升支架，12為第一驅(qū)動舵機，13為第二驅(qū)動舵機，14為寫字板，15為前面板，16為擦頭夾，17為擦頭，18a、18b、18c、18d為驅(qū)動機構鉸接件，19為第一副連接座，20為主連接座，21為第二副連接座，22為抬升舵機安裝墊片，23為抬升舵機，24a、24b為抬升舵機緊固件，25為抬升舵機搖臂，26為鉸接螺絲，27為抬升連桿，28為記號筆。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

實施例1

一種雙自由度平面五桿機構演示儀，如圖1～2所示，包括機架底座、控制機構、寫字板、擦除機構、用于固定涂畫工具的五桿機構、用于驅(qū)動五桿機構動作的驅(qū)動機構及用于升降五桿機構的抬升機構，控制機構分別與驅(qū)動機構和抬升機構連接，寫字板設置在機架底座上，驅(qū)動機構包括驅(qū)動舵機和驅(qū)動舵機支架，驅(qū)動舵機固定在驅(qū)動舵機支架上，并與五桿機構傳動連接，驅(qū)動舵機支架與機架底座鉸接，抬升機構設置在機架底座上，并通過與驅(qū)動機構傳動連接，帶動驅(qū)動機構擺動，控制五桿機構的升降。

其中，驅(qū)動舵機設有兩個，并列設置在驅(qū)動舵機支架上，五桿機構包括依次鉸接的第一原動連桿、第一從動連桿、第二從動連桿及第二原動連桿，第一原動連桿和第二原動連桿的自由端分別與兩個驅(qū)動舵機的輸出軸連接，第一從動連桿或第二從動連桿在第一從動連桿和第二從動連桿的連接處向外延伸，形成延伸部，延伸部上設有用于固定涂畫工具的固定器，該固定器為用于與涂畫工具通過過盈連接的插孔。抬升機構包括抬升舵機、抬升舵機搖臂和抬升連桿，抬升舵機搖臂的一端設置在升降舵機的驅(qū)動軸上，并在升降舵機的驅(qū)動下擺動，抬升舵機搖臂的另一端、抬升連桿及驅(qū)動舵機支架依次鉸接連接。擦除機構包括擦頭和插頭夾，插頭夾設置在機架底座上，擦頭可拆卸的設置在插頭夾中，并且擦頭與寫字板接觸連接，擦頭上設有用于使涂畫工具插入并拖動擦頭在寫字板上移動的孔洞，擦頭夾呈半圓弧狀，位于寫字板的一角，擦頭為與擦頭夾內(nèi)側(cè)面相匹配的圓柱形擦頭。控制機構包括單片機和舵機驅(qū)動板，單片機與舵機驅(qū)動板通過串口線連接，驅(qū)動機構和抬升機構與舵機驅(qū)動板連接。

具體地講：

如圖1～4所示，本實施例的機架底座由第一副連接座19、主連接座20、第二副連接座21互相平行并依次通過前面板15粘合連接組成；寫字板14水平粘合安裝在機架底座上表面；擦頭夾16水平粘合安裝在前面板15上，擦頭17被夾持在擦頭夾16中組成擦除裝置。驅(qū)動舵機安裝支架6與驅(qū)動舵機安裝墊片7粘合連接，第一副抬升支架9、第二副抬升支架11和主抬升支架10依次通過舵機安裝支架6和驅(qū)動舵機安裝墊片7粘合連接組成驅(qū)動舵機支架，并通過驅(qū)動機構鉸接件(18a、8b、18c)與機架底座鉸接，其中驅(qū)動機構鉸接件(18a、18b、18c)包括驅(qū)動機構鉸接螺絲(18a1、18b1、18c1)和驅(qū)動機構鉸接防松螺母(18a2、18b2、18c2)；兩個驅(qū)動舵機(第一驅(qū)動舵機12和第二驅(qū)動舵機13)通過驅(qū)動舵機緊固件(8a、8b、8c、8d)緊固安裝于驅(qū)動舵機支架上，其中驅(qū)動舵機緊固件(8a、8b、8c、8d)包括驅(qū)動舵機緊固螺絲(8a1、8b1、8c1、8d1)和驅(qū)動舵機緊固螺母(8a2、8b2、8c2、8d2)。抬升舵機安裝墊片22粘合在主連接座20上，抬升舵機23通過抬升舵機緊固件(24a、24b)緊固安裝在主連接座20上；抬升連桿27通過鉸接螺絲26和鉸接件18d與抬升舵機搖臂25和主抬升支架10鉸接組成抬升機構，其中驅(qū)動機構鉸接件18d包括螺絲18d1、墊圈(18d2、18d3)和防松螺母18d4；抬升舵機搖臂25安裝在抬升舵機23的驅(qū)動軸上，驅(qū)動軸可驅(qū)動抬升舵機搖臂25發(fā)生擺動，從而帶動抬升機構使驅(qū)動舵機支架相對機架底座發(fā)生轉(zhuǎn)動。第一從動連桿1、第二從動連桿2與第一原動連桿3及第二原動連桿4通過五桿機構鉸接件(5a、5b、5c)鉸接組成五桿機構，如圖5所示，其中五桿機構鉸接件(5a、5b、5c)包括五桿機構鉸接螺絲(5a1、5b1、5c1)和五桿機構鉸接防松螺母(5a2、5b2、5c2)。五桿機構中的第一原動連桿3和第二原動連桿4都按如圖6所示的剖視圖所示配合關系通過驅(qū)動軸連接件(5d、5e)分別與第一驅(qū)動舵機12和第二驅(qū)動舵機13的驅(qū)動軸緊固連接，其中驅(qū)動軸連接件(5d、5e)包括驅(qū)動軸連接螺絲(5d1、5d2、5e1、5e2)和驅(qū)動舵機搖臂(5d3、5e3)，驅(qū)動軸可驅(qū)動兩個原動桿發(fā)生擺動。

當三個舵機完成角度校準后，即可將涂畫工具—記號筆28通過過盈配合插入位于第一從動連桿1的安裝孔中。

在實際教學中，雙自由度平面五桿機構演示儀的三路舵機控制線可連接至單片機，將預設程序?qū)雴纹瑱C后，該機構即可完成對程序中預設軌跡點的繪制及擦除動作。其中，五桿機構的升降動作由抬升舵機22帶動抬升機構完成；繪制軌跡時，兩個驅(qū)動舵機分別帶動兩個原動連桿，從而進一步帶動兩個從動連桿，安裝在第一從動連桿上1的記號筆28可在寫字板14上繪制出相應軌跡；擦除時，兩個舵機工作，使記號筆28的筆頭插入擦頭17的孔中，將擦頭17拖出擦頭夾16并按預設軌跡完成擦除后將擦頭17歸位到擦頭夾16中。

本實施例的原理：

機械結(jié)構部分包括：機架底座、寫字板、驅(qū)動舵機支架、驅(qū)動舵機、抬升機構、抬升舵機、五桿機構、擦除裝置、單片機、舵機驅(qū)動板。所述寫字板水平安裝在機架底座上；擦除裝置中的擦頭夾也水平安裝在機架底座上，擦頭置于擦頭夾中；驅(qū)動舵機支架與機架底座通過螺絲螺母鉸接，驅(qū)動舵機通過螺絲螺母緊固安裝在驅(qū)動舵機支架上；抬升舵機通過螺絲螺母緊固安裝在機架底座上，抬升連桿通過螺絲螺母分別與抬升舵機搖臂與驅(qū)動舵機搖臂鉸接；五桿機構包括兩個原動連桿、兩個從動連桿，其中兩個原動連桿和兩個從動連桿之間通過螺絲螺母鉸接，兩個原動連桿分別與兩個驅(qū)動舵機搖臂通過螺絲緊固連接；記號筆通過過盈配合安裝在五桿機構中的一個從動連桿上(本實施例為第一從動連桿1)。

電子控制部分包括單片機和舵機驅(qū)動板。單片機與舵機驅(qū)動板通過串口線連接，三個舵機的控制線連接在驅(qū)動板上。其中單片機對五桿機構的軌跡點進行反解得到驅(qū)動舵機和抬升舵機的位置參數(shù)，并通過串口將位置參數(shù)發(fā)送至舵機驅(qū)動板，舵機驅(qū)動板則根據(jù)位置參數(shù)產(chǎn)生三路舵機的控制信號，從而驅(qū)動三路舵機運行至相應位置，以此來使五桿機構完成相應軌跡的繪制或使筆頭拖動擦頭完成相應的擦除動作。