CN103950324B - 便携式四自由度教学圆规 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式四自由度教学圆规，包括依次连接的主体支撑装置、伸缩装置和画笔夹持装置，其中主体支撑装置为整个圆规的底座，可以方便的固定于黑板或白板上，伸缩装置包括固定外杆和伸缩内杆，固定外杆与主体支撑装置固定相连，而伸缩内杆与画笔夹持装置固定相连，伸缩内杆安装于固定外杆内部，且可沿着固定外杆内部来回运动，从而实现画笔与主体支撑装置间距离的调节，即所绘圆形半径的调节。本发明的便携式四自由度教学圆规基于人体工程学设计和多体运动学原理，具有操作简便、力学性能优越、画圆准确且效率高等优点。

Description

便携式四自由度教学圆规

技术领域

本发明涉及的是一种教学绘图的工具，具体是一种可便携式四自由度教学圆规。

背景技术

现有教学用圆规主要分为两类：一类是传统的两脚式教学圆规；另一类是非传统式的教学圆规。传统的两脚式教学圆规上端铰接，下端可随意分开或合拢，以调整所绘圆弧半径的大小。在画圆时，使带有针尖的圆规脚接触黑板，转动装画笔的另一个圆规脚，即可画出一个圆。虽然传统的两脚式圆规造价便宜，但是传统的两脚式教学圆规仍然存在以下的缺点：

1、操作性较差：需两只手同时进行几次间歇性的操作才能画出一个完整的圆；

2、精度较差：画圆时两脚易产生相对转动，使圆半径尺寸产生偏差；

3、便携性较差：体积大，携带不便；

4、空间占用率高：在用两脚式教学圆规绘图时，通常将其立在黑板表面进行操作，易挤占绘图者的站立空间，不符合人体工程学。

另一种非传统式的教学圆规(专利号为200810016333)包括圆规固定臂，圆规固定臂的支脚为吸盘式支脚，圆规固定臂上转动安装有圆规旋转臂，圆规旋转臂的自由端安装有画笔安装装置，圆规旋转臂上设有与圆规固定臂同轴的旋转部，旋转部上安装有推动装置，旋转部与推动装置之间的配合为螺旋配合，螺旋摩擦角的正切大于旋转部与推动装置之间摩擦系数，螺旋的螺旋线至少旋转一周。画圆时，用手推动推动杆，将吸盘内空气排出的同时，螺旋配合会将平动转化为转动从而画出一个圆。虽然这种非传统式的教学圆规比传统的两脚式教学圆规能更准确地画圆，但是它在画圆过程中也存在着以下缺点：

1、力学性能较差：由于在画圆过程中黑板对画笔的静滑动摩擦力的力臂很长，需要很大的轴向推力才能通过螺旋配合将推动装置的平动转化为圆规旋转臂的转动来画圆；

2、画圆效率低：画完一个圆之后需要将推动装置复位才能画出下一个圆；

3、便携性较差：横臂不能伸缩，尺寸较大，不方便携带；

4、空间占用率高：在用这种非传统式的教学圆规绘图时，通常将其推动装置立在黑板表面进行操作，同样会挤占绘图者的站立空间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述问题，提供一种画圆效率高、力学性能优越、操作简便且画圆准确的便携式四自由度教学圆规。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种便携式四自由度教学圆规，包括依次连接的主体支撑装置、伸缩装置和画笔夹持装置。

所述伸缩装置包括固定外杆和伸缩内杆，固定外杆和伸缩内杆的横截面均为异形，固定外杆套于伸缩内杆外部，伸缩内杆可沿着固定外杆内壁做来回运动；

所述主体支撑装置包括上壳体、下壳体、滚动轴承和固定架，所述上壳体与下壳体固定相连，上壳体的下表面、下壳体的上表面设有与伸缩装置固定外杆相配合的异形槽，所述伸缩装置固定外杆固定安装于该异形槽内；下壳体的下表面中心设有沉头孔，滚动轴承外圈嵌入沉头孔且与沉头孔间呈过盈配合，滚动轴承内圈通过螺钉与固定架固定；

所述画笔夹持装置包括画笔套筒和夹紧螺母，画笔套筒的内部呈锥形、外部下端设有与夹紧螺母相配合的螺纹，夹紧螺母旋入该螺纹；画笔套筒的侧壁设有与伸缩装置伸缩内杆相配合的异形孔，伸缩内杆固定安装于该异形孔内。

进一步地，所述伸缩装置伸缩内杆的表面设有刻度。

进一步地，所述伸缩装置固定外杆上开设有螺纹孔，螺纹孔内安装有配合螺钉。

进一步地，所述固定架为磁铁固定架。

进一步地，所述画笔夹持装置画笔套筒的未安装画笔的一端边缘呈倒锥形。

进一步地，所述画笔夹持装置还包括手持旋钮组件，所述手持旋钮组件的内表面均呈与画笔套筒上部边缘相配合的倒锥形，所述画笔套筒端部的倒锥形嵌入手持旋钮组件的倒锥形内将画笔套筒与手持旋钮组件相连。

进一步地，所述手持旋钮组件分为拼接结构的第一手持旋钮和第二手持旋钮，第一手持旋钮和第二手持旋钮通过螺栓固定连接。

进一步地，所述画笔夹持装置画笔套筒侧壁设置的异形孔的侧壁上开设有螺纹孔，螺纹孔内安装有配合螺钉。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的便携式四自由度教学圆规基于人体工程学设计和多体运动学原理，通过伸缩装置固定外杆和伸缩内杆的相对运动实现所绘圆形半径的变化，通过伸缩装置的自转公转运动实现该教学圆规四自由度的设计与开发。磁铁固定架可在画圆过程中利用黑板或白板后面的钢结构框架使圆规吸附于黑板或白板表面，使画圆的过程更加地稳定；通过在伸缩装置伸缩内杆的外表面设置刻度，实现所画圆尺寸方便快捷地调节；当手放在手持旋钮组件上面画圆时，手持旋钮组件与画笔套筒可以相对转动，保证了手和手持旋钮组件的平动，进而极大地减少了手腕的扭曲程度，提高了画圆的舒适性；画笔的长度和松紧可以通过画笔套筒外面的夹紧螺母来进行调整，使画笔达到画圆最佳的长度。与传统的两脚式教学圆规相比，本发明的便携式四自由度教学圆规具有完全不同的结构，其优点如下：

(1)、只需单手操作便可一次性快速准确的画圆，操作性好；

(2)、在画圆时，由于人手的驱动力和黑板对画笔的静滑动摩擦力对转动中心的力臂相等，其力学性能较好；

(3)、体积小，重量轻，便携性好；

(4)、基本不挤占操作者的站立空间，空间占用率低；

(5)、可快速精确调整半径，使用方便，画圆效率较高。

附图说明

图1为本发明的便携式四自由度教学圆规的结构示意图；

图2为本发明的便携式四自由度教学圆规的主体支撑装置的结构示意图；

图3为本发明的便携式四自由度教学圆规的伸缩装置的结构示意图；

图4为本发明的便携式四自由度教学圆规的伸缩装置伸缩内杆横截面的结构示意图；

图5为本发明的便携式四自由度教学圆规的伸缩装置固定外杆横截面的结构示意图；

图6为本发明的便携式四自由度教学圆规的画笔夹持装置的结构示意图；

图7为本发明的便携式四自由度教学圆规的画笔套筒的结构示意图；

图8为本发明的便携式四自由度教学圆规的手持旋钮组件的内表面结构示意图；

图9为本发明的便携式四自由度教学圆规的画笔套筒的内表面的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本实施例中的便携式四自由度教学圆规包括依次连接的主体支撑装置1、伸缩装置2和画笔夹持装置3。

如图2所示，主体支撑装置1包括上壳体11、下壳体12、滚动轴承13和固定架14。上壳体11和下壳体12有相互配合的螺纹孔，可用螺钉来固定连接；上壳体11的下表面、下壳体12的上表面分别开有槽，二者共同构成异型槽15。主体支撑装置1下壳体12下表面的中心有沉头孔，滚动轴承13外圈可嵌入沉头孔，并通过过盈配合来进行固定，滚动轴承13的内圈通过螺钉与固定架14固定，使得下壳体12和固定架14之间有且仅有相对转动。为了便于操作，本实施例中的固定架14为磁铁固定架，而现有黑板后面通常有钢结构框架，可通过磁力吸附在黑板(或磁性白板)上，实现固定架14和黑板(或磁性白板)的相对固定。

如图3所示，伸缩装置2包括固定外杆21、伸缩内杆22和固定螺钉23。伸缩装置2中固定外杆21和伸缩内杆22的截面为异型截面，这样设计可以防止在画圆的过程中伸缩内杆22与固定外杆21之间发生相对转动，伸缩内杆22的横截面如图4所示，固定外杆21的横截面如图5所示，固定外杆21与主体支撑装置1上设置的异型槽15相配合，固定外杆21安装于异型槽15，通过主体支撑装置1的上壳体11与下壳体12的夹紧来实现固定外杆21和主体支撑装置1的固定连接。在固定外杆21上远离主体支撑装置1的一侧开有螺纹孔，螺纹孔内安装固定螺钉23，固定螺钉23拧紧时，固定外杆21和伸缩内杆的相对位置被锁定，固定螺钉23拧松时，可以通过伸缩内杆22相对于固定外杆21的相对滑动来调节伸缩内杆22的伸出长度，控制所画圆的半径尺寸。为了便于半径尺寸的读取，伸缩内杆22的外表面上设有刻度221。

如图6所示，画笔夹持装置3包括画笔套筒31、夹紧螺母32、手持旋钮组件33。画笔套筒31内表面呈倒锥形，如图9所示，该设计可以很好的贴合画笔的表面形状，增大画笔套筒31和画笔的接触面积，进而提高画笔套筒31对画笔的夹持性能；夹紧螺母32可旋入画笔套筒31下端的螺纹311，拧紧夹紧螺母32时，可增大画笔套筒31内表面对画笔的正压力，进而增大画笔套筒31对画笔的静摩擦力，从而达到固定画笔的效果。如图7所示，画笔套筒31未设螺纹的一端的外表面为倒锥形，如图8所示，手持旋钮组件33的内表面为倒锥形，且该倒锥形可与画笔套筒31端部的倒锥形相互配合，将手持旋钮组件33连接于画笔套筒31上，如图6所示。画笔套筒31端部的平面和手持旋钮组件33中部的内表面相接触，保证手持旋钮组件33与画笔套筒31之间能且仅能产生相对转动，保证了手与手持旋钮组件33的平动，进而极大地减少了手腕的扭曲程度，提高了画圆的舒适性。为了便于手持旋钮组件33的安装固定，将手持旋钮组件33设计为可拼接的手持旋钮331和手持旋钮332，二者通过螺栓固定相连。画笔套筒31的侧面设有一个与伸缩内杆22相配合的异型孔312，伸缩内杆22固定于该异型孔312内。为了便于伸缩内杆22与画笔套筒31相对位置的固定，异型孔312的侧壁上设有一个螺孔3121，螺孔3121内安装有配合螺钉。

上述画笔可以为粉笔、油性记号笔等。

与现有教学圆规相比较，本实施例中的便携式四自由度教学圆规可单手操作，且操作简单，力学性能优越，画圆舒适，且尺寸较小方便携带，非常适合用于教学。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种单手操作的便携式四自由度教学圆规，其特征在于：包括依次连接的主体支撑装置、伸缩装置和画笔夹持装置：

所述伸缩装置包括固定外杆和伸缩内杆，固定外杆和伸缩内杆的横截面均为异形，固定外杆套于伸缩内杆外部，伸缩内杆可沿着固定外杆内壁做来回运动；

所述主体支撑装置包括上壳体、下壳体、滚动轴承和固定架，所述上壳体与下壳体固定相连，上壳体的下表面、下壳体的上表面设有与伸缩装置固定外杆相配合的异形槽，所述伸缩装置固定外杆固定安装于该异形槽内；下壳体的下表面中心设有沉头孔，滚动轴承外圈嵌入沉头孔且与沉头孔间呈过盈配合，滚动轴承内圈通过螺钉与固定架固定；

所述画笔夹持装置包括画笔套筒和夹紧螺母，画笔套筒的内部呈锥形，外部下端设有与夹紧螺母相配合的螺纹，夹紧螺母旋入该螺纹；画笔套筒的侧壁设有与伸缩装置伸缩内杆相配合的异形孔，伸缩内杆固定安装于该异形孔内。

2.根据权利要求1所述的单手操作的便携式四自由度教学圆规，其特征在于：所述伸缩装置固定外杆上开设有螺纹孔，螺纹孔内安装有配合螺钉。

3.根据权利要求1或2所述的单手操作的便携式四自由度教学圆规，其特征在于：所述伸缩装置伸缩内杆的表面设有刻度。

4.根据权利要求1所述的单手操作的便携式四自由度教学圆规，其特征在于：所述固定架为磁铁固定架。

5.根据权利要求1所述的单手操作的便携式四自由度教学圆规，其特征在于：所述画笔夹持装置画笔套筒的外部上端边缘呈倒锥形。

6.根据权利要求5所述的单手操作的便携式四自由度教学圆规，其特征在于：所述画笔夹持装置还包括手持旋钮组件，所述手持旋钮组件的内表面均呈与画笔套筒上部边缘相配合的倒锥形，所述画笔套筒端部的倒锥形嵌入手持旋钮组件的倒锥形内将画笔套筒与手持旋钮组件相连。

7.根据权利要求6所述的单手操作的便携式四自由度教学圆，其特征在于：所述手持旋钮组件分为拼接结构的第一手持旋钮和第二手持旋钮，第一手持旋钮和第二手持旋钮通过螺栓固定连接。

8.根据权利要求1所述的单手操作的便携式四自由度教学圆规，其特征在于：所述画笔夹持装置画笔套筒侧壁设置的异形孔的侧壁上开设有螺纹孔，螺纹孔内安装有配合螺钉。