一种双自由度平面五杆机构演示仪的制作方法

本发明属于并联式机构，尤其是涉及一种双自由度平面五杆机构演示仪。

背景技术：

并联式机构是一种较为新型的机构，其优点是可以改善串联式机构的很难突破的某些根本限制，是串联机构的补充和拓展。尽管并联机构的研究已有80年的历史了，但早期研究则主要集中在六自由度的研究上，直到上世纪80年代，学者才开始研究少自由度并联机构，并提出了一些新型并联机构的构型，使得并联机构市场化程度得以加大。由此可见，并联机构的研发还处于起步阶段，其研究价值较高。而在平面并联机构的教学中，双自由度平面五杆机构是最为基本的一种并联机构，是并联机构教学的基础，但由于双自由度平面五杆机构的分析较为复杂，而市场上相应的动态演示教具又十分匮乏，导致教师在此类机构的教学中，只能通过单纯的讲解和影像资料来阐述该机构的运动轨迹与运动形式，这样学生不仅较难理解，还影响了他们学习的积极性与创造性。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种架构轻便、可自由编程、可操作性和可拓展性强的双自由度平面五杆机构演示仪。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种双自由度平面五杆机构演示仪，包括机架底座、控制机构、写字板、用于固定涂画工具的五杆机构、用于驱动五杆机构动作的驱动机构及用于升降五杆机构的抬升机构，所述的控制机构分别与驱动机构和抬升机构连接，所述的写字板设置在机架底座上，所述的驱动机构包括驱动舵机和驱动舵机支架，所述的驱动舵机固定在驱动舵机支架上，并与五杆机构传动连接，所述的驱动舵机支架与机架底座铰接，所述的抬升机构设置在机架底座上，并通过与驱动机构传动连接，带动驱动机构摆动，控制五杆机构的升降。

作为优选的技术方案，所述的驱动舵机设有两个，并列设置在驱动舵机支架上，所述的五杆机构包括依次铰接的第一原动连杆、第一从动连杆、第二从动连杆及第二原动连杆，第一原动连杆和第二原动连杆的自由端分别与两个驱动舵机的输出轴连接，第一从动连杆或第二从动连杆在第一从动连杆和第二从动连杆的连接处向外延伸，形成延伸部，所述的延伸部上设有用于固定涂画工具的固定器。

作为优选的技术方案，所述的固定器为用于与涂画工具通过过盈连接的插孔。

作为优选的技术方案，所述的抬升机构包括抬升舵机、抬升舵机摇臂和抬升连杆，所述的抬升舵机摇臂的一端设置在升降舵机的驱动轴上，并在升降舵机的驱动下摆动，抬升舵机摇臂的另一端、抬升连杆及驱动舵机支架依次铰接连接。

作为优选的技术方案，所述的控制机构包括单片机和舵机驱动板，所述的单片机与舵机驱动板通过串口线连接，所述的驱动机构和抬升机构与舵机驱动板连接。

作为优选的技术方案，该演示仪还包括擦除机构，所述的擦除机构包括擦头和插头夹，所述的插头夹设置在机架底座上，所述的擦头可拆卸的设置在插头夹中，并且擦头与写字板接触连接，擦头上设有用于使涂画工具插入并拖动擦头在写字板上移动的孔洞。

作为优选的技术方案，所述的擦头夹呈半圆弧状，位于写字板的一角，所述的擦头为与擦头夹内侧面相匹配的圆柱形擦头。

本发明通过控制机构控制驱动机构和抬升机构动作，使固定在五杆机构上的涂画工具在写字板上绘制轨迹，需要擦除涂画工具绘制的轨迹时，抬升机构带动驱动机构摆动，从而抬升五杆机构，使涂画工具离开写字板，驱动机构驱动五杆机构动作，使涂画工具移动至擦头上方，抬升机构驱动涂画工具降下，涂画工具插入所述的孔洞，在驱动机构的驱动下，涂画工具拖动擦头脱离擦头夹，并将涂画工具绘制的轨迹擦除，擦除完毕后，通过驱动机构和抬升机构将擦头归位。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)双自由度教具：本发明主要应用于高校的连杆机构及并联机构的教学中，丰富了原有的连杆教学用具类型。学生可以通过它形象的了解学习双自由度五杆机构的轨迹特性，运动范围等相关知识。

(2)可拓展性强：本发明不仅仅只适用于连杆机构和并联机构的教学，而且亦可作为机电传动和机电控制，机械原理等学科的教学用具，具有很强的可拓展性。

(3)自由编程可操作性强：本发明可以自由编程。学生可以自己动手组装，编写他们自己预设轨迹的程序有利于激发学生的创造力和兴趣，让学生在挥洒自己创意的实践中学会双自由度五连杆的相关知识，使实验的内容更加的多样化。

(4)轻便的架构：本发明结构简单，非常轻巧。教师既可以实验室中使用，也可以非常容易的带入课堂中进行教学活动。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明另一个视角的结构示意图；

图3为本发明的抬升舵机与机架底座的分解示意图；

图4为本发明的驱动舵机与机架底座的分解示意图；

图5为本发明的五杆机构的分解示意图；

图6为本发明的第二原动连杆与驱动舵机的侧面剖视图。

图中，1为第一从动连杆，2为第二从动连杆，3为第一原动连杆，4为第二原动连杆，5a、5b、5c为五杆机构铰接件，5d、5e为驱动轴连接件，6为驱动舵机安装支架，7为驱动舵机安装垫片，8a、8b、8c、8d为驱动舵机紧固件，9为第一副抬升支架，10为主抬升支架，11为第二副抬升支架，12为第一驱动舵机，13为第二驱动舵机，14为写字板，15为前面板，16为擦头夹，17为擦头，18a、18b、18c、18d为驱动机构铰接件，19为第一副连接座，20为主连接座，21为第二副连接座，22为抬升舵机安装垫片，23为抬升舵机，24a、24b为抬升舵机紧固件，25为抬升舵机摇臂，26为铰接螺丝，27为抬升连杆，28为记号笔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种双自由度平面五杆机构演示仪，如图1～2所示，包括机架底座、控制机构、写字板、擦除机构、用于固定涂画工具的五杆机构、用于驱动五杆机构动作的驱动机构及用于升降五杆机构的抬升机构，控制机构分别与驱动机构和抬升机构连接，写字板设置在机架底座上，驱动机构包括驱动舵机和驱动舵机支架，驱动舵机固定在驱动舵机支架上，并与五杆机构传动连接，驱动舵机支架与机架底座铰接，抬升机构设置在机架底座上，并通过与驱动机构传动连接，带动驱动机构摆动，控制五杆机构的升降。

其中，驱动舵机设有两个，并列设置在驱动舵机支架上，五杆机构包括依次铰接的第一原动连杆、第一从动连杆、第二从动连杆及第二原动连杆，第一原动连杆和第二原动连杆的自由端分别与两个驱动舵机的输出轴连接，第一从动连杆或第二从动连杆在第一从动连杆和第二从动连杆的连接处向外延伸，形成延伸部，延伸部上设有用于固定涂画工具的固定器，该固定器为用于与涂画工具通过过盈连接的插孔。抬升机构包括抬升舵机、抬升舵机摇臂和抬升连杆，抬升舵机摇臂的一端设置在升降舵机的驱动轴上，并在升降舵机的驱动下摆动，抬升舵机摇臂的另一端、抬升连杆及驱动舵机支架依次铰接连接。擦除机构包括擦头和插头夹，插头夹设置在机架底座上，擦头可拆卸的设置在插头夹中，并且擦头与写字板接触连接，擦头上设有用于使涂画工具插入并拖动擦头在写字板上移动的孔洞，擦头夹呈半圆弧状，位于写字板的一角，擦头为与擦头夹内侧面相匹配的圆柱形擦头。控制机构包括单片机和舵机驱动板，单片机与舵机驱动板通过串口线连接，驱动机构和抬升机构与舵机驱动板连接。

具体地讲：

如图1～4所示，本实施例的机架底座由第一副连接座19、主连接座20、第二副连接座21互相平行并依次通过前面板15粘合连接组成；写字板14水平粘合安装在机架底座上表面；擦头夹16水平粘合安装在前面板15上，擦头17被夹持在擦头夹16中组成擦除装置。驱动舵机安装支架6与驱动舵机安装垫片7粘合连接，第一副抬升支架9、第二副抬升支架11和主抬升支架10依次通过舵机安装支架6和驱动舵机安装垫片7粘合连接组成驱动舵机支架，并通过驱动机构铰接件(18a、8b、18c)与机架底座铰接，其中驱动机构铰接件(18a、18b、18c)包括驱动机构铰接螺丝(18a1、18b1、18c1)和驱动机构铰接防松螺母(18a2、18b2、18c2)；两个驱动舵机(第一驱动舵机12和第二驱动舵机13)通过驱动舵机紧固件(8a、8b、8c、8d)紧固安装于驱动舵机支架上，其中驱动舵机紧固件(8a、8b、8c、8d)包括驱动舵机紧固螺丝(8a1、8b1、8c1、8d1)和驱动舵机紧固螺母(8a2、8b2、8c2、8d2)。抬升舵机安装垫片22粘合在主连接座20上，抬升舵机23通过抬升舵机紧固件(24a、24b)紧固安装在主连接座20上；抬升连杆27通过铰接螺丝26和铰接件18d与抬升舵机摇臂25和主抬升支架10铰接组成抬升机构，其中驱动机构铰接件18d包括螺丝18d1、垫圈(18d2、18d3)和防松螺母18d4；抬升舵机摇臂25安装在抬升舵机23的驱动轴上，驱动轴可驱动抬升舵机摇臂25发生摆动，从而带动抬升机构使驱动舵机支架相对机架底座发生转动。第一从动连杆1、第二从动连杆2与第一原动连杆3及第二原动连杆4通过五杆机构铰接件(5a、5b、5c)铰接组成五杆机构，如图5所示，其中五杆机构铰接件(5a、5b、5c)包括五杆机构铰接螺丝(5a1、5b1、5c1)和五杆机构铰接防松螺母(5a2、5b2、5c2)。五杆机构中的第一原动连杆3和第二原动连杆4都按如图6所示的剖视图所示配合关系通过驱动轴连接件(5d、5e)分别与第一驱动舵机12和第二驱动舵机13的驱动轴紧固连接，其中驱动轴连接件(5d、5e)包括驱动轴连接螺丝(5d1、5d2、5e1、5e2)和驱动舵机摇臂(5d3、5e3)，驱动轴可驱动两个原动杆发生摆动。

当三个舵机完成角度校准后，即可将涂画工具—记号笔28通过过盈配合插入位于第一从动连杆1的安装孔中。

在实际教学中，双自由度平面五杆机构演示仪的三路舵机控制线可连接至单片机，将预设程序导入单片机后，该机构即可完成对程序中预设轨迹点的绘制及擦除动作。其中，五杆机构的升降动作由抬升舵机22带动抬升机构完成；绘制轨迹时，两个驱动舵机分别带动两个原动连杆，从而进一步带动两个从动连杆，安装在第一从动连杆上1的记号笔28可在写字板14上绘制出相应轨迹；擦除时，两个舵机工作，使记号笔28的笔头插入擦头17的孔中，将擦头17拖出擦头夹16并按预设轨迹完成擦除后将擦头17归位到擦头夹16中。

本实施例的原理：

机械结构部分包括：机架底座、写字板、驱动舵机支架、驱动舵机、抬升机构、抬升舵机、五杆机构、擦除装置、单片机、舵机驱动板。所述写字板水平安装在机架底座上；擦除装置中的擦头夹也水平安装在机架底座上，擦头置于擦头夹中；驱动舵机支架与机架底座通过螺丝螺母铰接，驱动舵机通过螺丝螺母紧固安装在驱动舵机支架上；抬升舵机通过螺丝螺母紧固安装在机架底座上，抬升连杆通过螺丝螺母分别与抬升舵机摇臂与驱动舵机摇臂铰接；五杆机构包括两个原动连杆、两个从动连杆，其中两个原动连杆和两个从动连杆之间通过螺丝螺母铰接，两个原动连杆分别与两个驱动舵机摇臂通过螺丝紧固连接；记号笔通过过盈配合安装在五杆机构中的一个从动连杆上(本实施例为第一从动连杆1)。

电子控制部分包括单片机和舵机驱动板。单片机与舵机驱动板通过串口线连接，三个舵机的控制线连接在驱动板上。其中单片机对五杆机构的轨迹点进行反解得到驱动舵机和抬升舵机的位置参数，并通过串口将位置参数发送至舵机驱动板，舵机驱动板则根据位置参数产生三路舵机的控制信号，从而驱动三路舵机运行至相应位置，以此来使五杆机构完成相应轨迹的绘制或使笔头拖动擦头完成相应的擦除动作。