CN103317914B - 一种新型仿图仪机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型仿图仪机构，其包括四个连杆和一个机架，每个连杆有两个铰接点和一个外点，四个连杆通过其铰接点铰接串联在一起，并形成封闭结构，四个连杆铰接后的铰接点分别位于平行四边形的四个顶点，四个连杆中的任一连杆通过其外点与机架铰接，其余三个连杆的任一外点作为图形输入点，另两个外点分别作为图形输出点，四个连杆铰接后的四个外点彼此相距最远时，相邻的外点与位于它们之间的铰接点共线。本发明比西尔维斯特仿图仪多了一个输出点；而对比谢伊涅尔仿图仪，则其输入点和输出点不必分布在一条直线上，因而可以有效地让输入图形和两个输出图形占用不同的绘图或工作区域。本发明还可用于机械的静力平衡及构建虚拟转动中心机构。

Description

一种新型仿图仪机构
技术领域
本发明涉及仿图仪机构。
背景技术
仿图仪是一种等比例放大或缩小图形的绘图连杆机构，主要利用平行四边形的相似变换原理。
如图1和图2所示，经典的仿图仪有西尔维斯特仿图仪和谢伊涅尔仿图仪，它们都是平面五杆机构，都是4个连杆串联在一起，并且有一个点（或称固定点）与机架铰接。
西尔维斯特仿图仪除了一个输入点外，只能提供一个输出点，在输入点描绘一个输入图形时，如在F点描绘r－r，输出点可以输出另外一个图形，如E点输出s－s。这个输出图形相对于固定点来说，是把输入图形放大或缩小，它们间成一个预先给定的缩放比例。同时，相对于固定点，输出图形较输入图形旋转了一个预先给定的角度，图1中θ和δ为两个杆件的对应角。
谢伊涅尔仿图仪比西尔维斯特仿图仪多了一个输出点，能够做到同时有两个点输出，给出不同放缩倍数的两个图形，但是输入图形和两个输出图形必须与固定点在一条直线上，或者说它们相互之间转角必须为零或180度，图2中p－p、q－q、n－n为输入输出点B、C、D点的示意轨迹。如果要求两个输出图形与输入图形大小相等或近似，即放缩比例等于或接近于1时，三个图形中至少要有两图形会重迭起来，这是因为在固定点两边的一条直线上只有两个点的距离是相等的，其放缩比例等于1，因此只能在一个位置安排输入图形，另一个位置安排输出图形。如果要求再安排另外一个输出图形，则必然与原来的输入或输出图形重迭，因此无法正常工作。
上述两种仿图仪各有自己的特点，也有自己的局限。
仿图仪机构有很多实际应用，除了作为绘图工具以外，它可以用来实现平面或空间机构的静力平衡，也可以用来构建虚拟转动中心机构（VCM），作为医疗器械用在外科手术中。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种新型仿图仪机构，以实现两个输出点输出，且输入图形和两个输出图形不必在一条直线上。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种新型仿图仪机构，其包括四个连杆和一个机架，所述每个连杆有两个铰接点和一个外点，所述四个连杆通过其铰接点铰接串联在一起，并形成封闭结构，四个连杆铰接后的铰接点分别位于平行四边形的四个顶点，四个连杆中的任一连杆通过其外点与机架铰接，其余三个连杆的任一外点作为图形输入点，另两个外点分别作为图形输出点，四个连杆铰接后的四个外点彼此相距最远时，相邻的外点与位于它们之间的铰接点共线。
优选地，四个连杆铰接后同一铰接点到相邻两外点的距离的比值为1:4到1:1，或4:1到1:1。
所述连杆上两个铰链点与外点呈三角形分布。
在要求大比例放缩时，为避免连杆间的干涉，优选地，所述四个连杆分别安装在四个相互平行的平面内。
本发明的新型仿图仪机构比西尔维斯特仿图仪多了一个输出点；而对比谢伊涅尔仿图仪，则其输入点和输出点不必分布在一条直线上，也就是说，输出、输入图形间除了可以缩放，还可以旋转一定的角度，因而可以有效地把输入图形和两个输出图形分开，让它们分别占用不同的绘图或工作区域。
本新型仿图仪机构除可对图形进行放大缩小外，还可应用于机械的静力平衡当中，使若干个构件在不同位置时其综合质心固定不动，因而可以消除重力或惯性力对机构运动的影响。也可以作为改变转动中心的机构，构建出一个虚拟转动中心，用在外科手术当中。
附图说明
图1是西尔维斯特仿图仪的结构示意图；
图2是谢伊涅尔仿图仪的结构示意图；
图3是本发明实施例的仿图仪机构的示意图；
图4是本发明实施例的仿图仪机构的连杆尺寸关系示意图；
图5是利用本发明实施例的仿图仪机构仿五角星的示意图；
图6是利用本发明实施例的仿图仪机构对3个集中质量做静平衡的示意图。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图3所示，本发明实施例的新型仿图仪机构包括四个连杆（即连杆1、2、3、4）和一个机架（即支撑架5），每个连杆有两个铰接点和一个外点，如连杆1有铰接点H、E和外点A，连杆2有铰接点E、F和外点B，连杆3有铰接点F、G和外点C，连杆4有铰接点G、H和外点D，四个连杆通过其铰接点E、F、G、H铰接串联在一起，并形成封闭结构，四个连杆铰接后的铰接点E、F、G、H分别位于平行四边形EFGH的四个顶点，四个连杆中任一连杆的外点作为固定点，与机架铰接，以约束四个连杆的运动，如连杆1通过其外点A与支撑架5铰接，其余三个连杆的任一外点作为图形输入点，另两个外点分别作为图形输出点，如外点B作为图形输入点，外点C和D作为图形输出点。
输入点作为图形输入端，该点按照要求沿输入图形运动，此时，两个输出点即可自动描绘出两个与输入图形相似的图形，且这两个输出图形的大小与输入图形成一定比例，可以放大也可以缩小，并相对于固定点旋转一定的角度。此放大缩小的比例和旋转的角度可以事先给定。一但这两个放缩比例和旋转角度给定，仿图仪的尺寸也就相应地确定下来。当放缩比例调整或旋转角度调整后，仿图仪尺寸也要相应地调整。
本新型仿图仪机构的特点是其内部的四边形是平行四边形，靠四个铰链把四个连杆铰接起来，每个连杆上的外点与其两个铰接点不共线，呈三角形分布，这与谢伊涅尔仿图仪不同（从图2可以看出，谢伊涅尔仿图仪中，每个杆上的外点和其两铰接点是共线的，如外点B和铰接点G、H共线，外点C和铰接点E、F共线，外点D和铰接点F、G共线）。
如图4所示，本新型仿图仪机构的四个外点彼此相距最远时，相邻的外点与位于它们之间的铰接点共线，即外点A、B与铰接点E共线，外点B、C与铰接点F共线，外点C、D与铰接点G共线，外点D、A与铰接点H共线。此时，输入点、两个输出点到固定点的距离的比值恰好为它们的放缩比例，AB、AC、AD三条线的夹角恰好是图形间的转角，如B点作为图形输入点，C点和D点作为图形输出点，则角α和β分别为C点和D点输出图形较B点输入图形的转角。
本新型仿图仪机构的四个连杆的尺寸是根据输入、输出图形的大小、放缩倍数和旋转角度来确定的。如图5所示，A点作为固定点，若要求B点输入图示五角星，则B点运动轨迹距A点的最远距离即为AB，最近距离即为AB'。若要求C点和D点各输出一个图形，C点输出图形较B点输入图形放大1.5倍，且围绕固定点A旋转α=45°，D点输出图形与B点输入图形大小相等，且围绕A点旋转β=90°，则可按照要求先画出与B对应的C、D两点，然后把A、B、C、D四点连接起来，取四边形ABCD各边的中点E、F、G、H，则构成一个平行四边形，在E、F、G、H处各设置一个铰链，就构成了本实施例的新型仿图仪机构。
需要说明的是：在四边形ABCD各边取E、F、G、H点时，也可以不选择中点，而是把各边按比例分割，然后按照EF//AC、FG//BD、GH//AC、HE//BD，来确定E、F、G、H四个铰链的位置。
优选地，所述四个连杆铰接后同一铰接点到相邻两外点的距离的比值为1:4到1:1，或4:1到1:1。
所述连杆上两个铰接点和外点呈三角形分布。
在要求大比例放缩时，为避免连杆间的干涉，优选地，所述四个连杆分别安装在四个相互平行的平面内。
本新型仿图仪机构还可以作为静力平衡的机构，对构件的重力或惯性力进行平衡。如图6所示，在B、C、D三点处有m1、m2和m33个集中质量，根据
m=m1+m2+m3
X=(m1XB+m2XC+m3XD)/m
Y=(m1YB+m2YC+m3YD)/m
确定3个集中质量的质心位置A（X，Y），然后按照前面的方法，连接A、B、C、D四点，取四边形ABCD各边的中点E、F、G、H，并在E、F、G、H处设置4个铰链，则只要在质心A处设置一个支点，就可以支撑B、C、D三点处的三个集中质量有m1、m2、和m3。此时，B、C、D三点间的距离还可以按照比例放大和缩小。在放大和缩小的同时，其质心位于A不变，因此，在运动中，惯性力和重力平衡。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种仿图仪机构，其特征在于：其包括四个连杆和一个机架，每个连杆有两个铰接点和一个外点，四个连杆通过其铰接点铰接串联在一起，并形成封闭结构，四个连杆铰接后的铰接点分别位于平行四边形的四个顶点，四个连杆中的任一连杆通过其外点与机架铰接，其余三个连杆的任一外点作为图形输入点，另两个外点分别作为图形输出点，四个连杆铰接后的四个外点彼此相距最远时，相邻的外点与位于它们之间的铰接点共线；所述连杆上的两个铰接点与外点呈三角形分布，四个连杆铰接后同一铰接点到相邻两外点的距离的比值为1:4到1:1，或4:1到1:1；所述四个连杆分别安装在四个相互平行的平面内。
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