CN105599501A - 基于速度瞬心法的圆规 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于速度瞬心法的圆规，包括用于画圆的机械系统，机械系统包括支撑体单元和夹持单元，支撑体单元包括底板以及安装在底板上可转向的前轮和固定的后轮，夹持单元安装在底板上，用于固定画笔。本发明的基于速度瞬心法的圆规，角度传感器套装在前轮轴上，可以检测前轮转过的角度，并将采集到的角度信号转换成电压信号传送给微处理器，微处理器计算出画圆半径通过显示器呈现在用户面前，使用简单、方便，而且精确性良好，可直观地显示所画圆的半径，应用性强。

Description

基于速度瞬心法的圆规

技术领域

本发明属于圆规技术领域，具体涉及一种基于速度瞬心法的圆规。

背景技术

现有所用圆规主要分为两类：一类是两脚式传统单自由度圆规；另一类是多自由度圆规(多用于教学)。

传统的两脚式单自由度圆规上端铰接，下端可随意分开或合拢，以调整所绘圆弧半径的大小。传统的两脚式单自由度圆规在画圆时，只需将带有针尖的圆规脚接触作圆平面，逆时针或顺时针转动装有笔的另一个圆规脚，即可实现画圆。虽然传统的两脚式单自由度圆规造价便宜，但是其在画圆方面仍存在以下不足：一是由于两脚式单自由度圆规在画圆时，需要两只手同时进行几次间歇性的旋转操作才能画出一个完整的圆，其操作性较差；二是两脚式单自由度圆规在画圆时，两个圆规脚易产生相对转动，使所画圆的半径尺寸产生偏差，精度较低；三是针对于教学使用的两脚式传统单自由度圆规，其便携性较差，体积大，携带不便且空间占用率高，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，不符合人机工程学。

目前多自由度圆规的典型代表有可单手操作的便携式四自由度教学圆规，专利号为“201410182938X”、专利名称为“便携式四自由度教学圆规”的发明专利，公开的四自由度教学圆规主要包括画笔夹持装置，伸缩装置和主体支撑装置：其中，画笔夹持装置是用来固定画笔，该装置可随时改变画笔被夹持的松紧，以便取下和固定，手持夹笔外套筒实现平动画圆；画笔夹持装置与伸缩装置通过螺栓连接起来，伸缩装置用于确定画出圆的半径；伸缩装置与主体支撑装置连接，主体支撑装置是整个圆规的底座，内可放磁铁固定架，磁铁固定架内腔固定有轴承，轴承的内圈可以放入磁铁，用于与画圆平面固定，确定画圆圆心。该四自由度教学圆规的操作性和便携性虽然比两脚式传统的单自由度圆规更好，但是其在画圆过程中也存在以下缺点：一是使用该四自由度教学圆规时，要求画圆平面对磁铁具有较好的吸附力，画板需要用特殊的材料进行加工，适用范围较窄；二是由于其磁铁的吸附力不可能设计的太大(否则画完圆之后，不方便取下)，因此在采用该四自由度教学圆规快速画圆时，安装有磁铁的圆规底座会出现滑移，进而造成圆心出现偏差；三是由于该四自由度教学圆规采用纯机械式方案，读数非常不直观，易造成人为误差；四是其便利性只在教学圆规方面显示出来，它的作圆范围较小，在实际中书面上作圆不太实用。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于速度瞬心法画圆的圆规，其操作简单、画圆效率高，应用面广。

本发明的另一目的在于提供一种画圆准确且读数方便的圆规。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于速度瞬心法的圆规，包括用于画圆的机械系统，机械系统包括支撑体单元和夹持单元，支撑体单元包括底板以及安装在底板上可转向的前轮和固定的后轮，夹持单元安装在底板上，用于固定画笔。

优选地，所述前轮安装在前轮轴下端，前轮轴穿设于底板且与底板可转动连接，定角转向单元通过挤压前轮轴对前轮轴进行定位。

优选地，所述定角转向单元包括安装在底板上的第一基座，固定旋钮穿设于第一基座且与第一基座螺纹配合，固定旋钮穿过第一基座的一端与前轮轴相对。

优选地，所述定角转向单元还包括与第一基座相对设置的第二基座，前轮轴位于第一基座和第二基座之间，第二基座和前轮轴之间固定设有第二固定块，第一基座和前轮轴之间设有第一固定块，第一固定块套设于固定旋钮的端部，并与固定旋钮可转动连接。

优选地，所述前轮轴的下部外圆周面通过轴承与第一轴承座的内圆周面相连，第一轴承座固定安装在底板上。

优选地，还包括控制系统，控制系统包括用于测量前轮旋转角度的传感器单元，传感器单元与处理单元电连接，处理单元与显示单元电连接。

优选地，所述后轮包括安装在底板上平行的第一后轮和第二后轮，第一后轮、第二后轮和前轮之间的连线形成等腰三角形，第一后轮和第二后轮的连线为该等腰三角形的底边，夹持单元位于该等腰三角形底边的中线上。

优选地，所述夹持单元包括穿设于底板且与底板可转动连接的外套筒，外套筒下部内圆周面向内延伸形成台阶，内套筒下部外圆周面向外延伸形成限位凸起，弹簧套设于内套筒外圆周面，其一端与台阶抵接，另一端与限位凸起抵接。

优选地，所述外套筒上端设有笔帽，内套筒下部穿过笔帽的上端开口，内套筒下部外圆周面上的限位凸起位于该开口的下方且限位凸起尺寸大于该开口的尺寸。

优选地，所述外套筒的下端外圆周面通过轴承与第二轴承座的内圆周面相连，第二轴承座固定安装在底板上。

本发明的有益效果是：本发明所提供的基于速度瞬心法的圆规，传感器单元套装在前轮轴上，可以检测前轮转过的角度，并将采集到的角度信号转换成电压信号传送给处理单元，处理单元计算出画圆半径通过显示单元呈现在用户面前。与传统的圆规相比，该圆规具有完全不同的结构，并且画圆方式创新独特，其创新点具体为：

1、以平动的方式，单手操作、一次性快速准确的画圆，减少疲劳，操作性优良；

2、通过调节旋钮调节前轮转向可快速精确调整半径，使用简单、方便，而且精确性良好；

3、采用显示单元可直观地显示所画圆的半径，实现结果可视化以及便于画圆半径的选择；

4、圆规整体体积小、重量轻，用于教学作圆绘图时占用老师们的站立空间少，空间利用率高，便于携带。

5、应用性强，所画圆的半径范围较广，能应用于日常生活中各种作圆情况。

附图说明

图1是本发明基于速度瞬心法的圆规的立体图；

图2是本发明基于速度瞬心法的圆规的俯视图；

图3是从图2的I—I方向观察的剖视结构图；

图4是本发明基于速度瞬心法的圆规的正视图；

图5是本发明基于速度瞬心法的圆规的仰视图；

图6是本发明基于速度瞬心法的圆规的工作原理图；

图7是本发明控制系统的工作流程图；

图8是本发明夹持单元的爆炸图；

图9是图8所示夹持单元爆炸状态的纵剖图。

附图标记说明：1、底板；2、第一后轮；3、第二后轮；4、前轮；5、前轮轴；6、传感器单元；7、处理单元；8、显示单元；9、第一基座；10、固定旋钮；11、第二基座；12、第二固定块；13、第一固定块；14、第一轴承座；15、弹簧；16、外套筒；17、内套筒；18、笔帽；19、第二轴承座；20、调节旋钮；21、第一后轮支架；22、第二后轮支架；23、台阶；24、限位凸起；25、倒刺；26、卡接凸起。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

本发明的基于速度瞬心法的圆规包括两个主要部分：机械系统和控制系统，机械系统用于精确画圆，控制系统用于准确调试得到并显示所画圆的半径。上述机械系统主要包括支撑体单元、夹持单元、定角转向单元，控制系统主要包括控制系统。

如图1和图5所示，支撑体单元包括带有插孔的铝制三角形底板1以及安装在该底板1上的第一后轮2、第二后轮3和前轮4，底板1采用三轮结构作为支撑体，第一后轮2和第二后轮3分别通过第一后轮支架21和第二后轮支架22固定在底板1的底边两个棱角位置，前轮轴5穿设于底板1的顶角位置且与底板1可转动连接，具体的，前轮轴5的下部外圆周面通过轴承与第一轴承座14的内圆周面相连，第一轴承座14固定安装在底板1上，前轮4安装在前轮轴5下端，通过前轮轴5定位，前轮轴5上端设有调节旋钮20，通过调节旋钮20调节前轮轴5转向从而使前轮4跟随转动，沿支撑体单元方向施加推力其就能进行定向转动。

如图6所示，第一后轮2、第二后轮3和前轮4的具体位置关系如下：第一后轮2和第二后轮3平行，第一后轮2、第二后轮3和前轮4之间的连线形成等腰三角形ADE，第一后轮2和第二后轮3的连线为该等腰三角形的底边DE，夹持单元位于该等腰三角形底边的中线AB上，固定画笔进行画圆。三个轮子都采用了轴承和基座的配合连接，增加了整体机构连接的稳固性和可靠性，轮胎采用配合橡胶外套的结构，使得其摩擦力增大，以达到整体在绘制时保持各轮子与绘制面持久性接触的目的，防止发生偏移。

如图2、图3、图8和图9所示，夹持单元包括弹簧15、外套筒16、内套筒17和笔帽18，外套筒16的下端外圆周面通过轴承与第二轴承座19的内圆周面相连，第二轴承座19固定安装在底板1上，从而外套筒16与底板1可转动连接，为了便于更换外套筒16，外套筒16与轴承内圈过渡配合；外套筒16下部内圆周面向内延伸形成台阶23，内套筒17下部外圆周面向外延伸形成限位凸起24，弹簧15套设于内套筒17外圆周面，其一端与台阶23抵接，另一端与限位凸起24抵接，使得内套筒17以及安装在内套筒17上的画笔可以相对于外套筒16上下伸缩，手握内套筒17下压时保证在绘制圆的过程中使穿过底板1中央插孔的画笔始终接触画板，同时外套筒16与底板1之间采用轴承结构连接使得画笔、内套筒以及手在绘制过程中可保持圆周平动，单手一次性绘圆。笔帽18为环状结构，其内圆周面下端设有向内延伸的倒刺25，其上端向内延伸形成开口，外套筒16上端向外延伸形成卡接凸起26，卡接凸起26与倒刺25配合从而将笔帽18固定在外套筒16上端，内套筒17下部穿过笔帽18的上端开口，内套筒17下部外圆周面上的限位凸起24位于该开口的下方且限位凸起24尺寸大于该开口的尺寸，从而对内套筒17进行竖直方向的限位。

如图1、图3和图4所示，定角转向单元位于前轮轴5位置处通过挤压前轮轴5对前轮轴5进行定位，其包括安装在底板1上相对设置的第一基座9和第二基座11，前轮轴5位于第一基座9和第二基座11之间，固定旋钮10穿设于第一基座9且与第一基座9螺纹配合，固定旋钮10穿过第一基座9的一端与前轮轴5相对；第二基座11和前轮轴5之间设有第二固定块12，第一基座9和前轮轴5之间设有第一固定块13，两个固定块都在底板1上一前一后紧挨前轮轴5，第一固定块13和第二固定块12面向前轮轴5的一侧均开设有半圆槽从而能够抱住前轮轴5，第二固定块12固定在第二基座11上不能移动，第一固定块13套设于固定旋钮10的端部，并与固定旋钮10可转动连接，固定旋钮10可顶住第一固定块13向前轮轴5移动，通过旋转固定旋钮10可控制第一固定块13与前轮轴5之间的压力，从而能够实现锁死前轮轴5的功能。通过定角转向单元锁死前轮轴5从而固定前轮4的角度，使前轮4角度锁死，沿支撑体单元方向施加推力，便可以绘制相应大小的圆。

上述圆规的工作原理如下：

如图6所示，通过旋转调节旋钮带动前轮轴转动使前轮偏转角度为α，然后利用定角转向单元锁死前轮轴，使得前轮偏转角度固定为α，此时该发明圆规可视为一个刚体，该刚体第一后轮和第二后轮始终保持平行，第一后轮的速度V2与第二后轮的速度V3方向平行，V2和V3的法线重合，该法线与前轮偏转角度固定为α时的前轮速度V1的法线交于点O，即点O为当前轮偏转角度固定为α时该发明圆规的速度瞬心，底板在任意时刻的运动都可以看成是绕速度瞬心O的定轴转动，即底板上任意一点的运动轨迹都是圆周运动。

假设夹持单元中所固定的画笔尖点为点C，则在前轮偏转角度固定为α时，随底板一起运动的画笔笔尖将以O为圆心，此时作圆半径r为画笔笔尖C点与圆心O点之间的距离。假设前轮位置为点A，第一后轮位置为点E，第二后轮位置为点D，两后轮连线的中点为B，根据图中的几何关系有，A、B、C在同一条直线上，且垂直两后轮连线DE，假设A和C之间的距离为a，B和C之间的距离为b，此时推导作圆半径r：

根据角度关系有∠AOB＝∠α，直角三角形ABO中L_BO＝(a+b)/tanα，在直角三角形CBO中，根据勾股定理L_CO ²＝L_BC ²+L_BO ²，其中L_CO为作圆半径r，L_BC为两后轮中点B与画笔中心C的间距b，则r²＝b²+L_BO ²，L_BO已求得为L_BO＝(a+b)/tanα，综上所述，作圆半径r推导得 $r=\sqrt{{\[(a+b)/tan\mathrm{\α}\]}^2+b^2}.$

即通过手握内套筒下压使作圆笔尖始终与作圆平面接触，再沿支撑体单元方向施加推力，就能作出圆心为点O，半径为r的圆。需要说明的是，基于上述工作原理，可知该发明中的后轮也可仅在B点设置一个，本实施例中设置第一后轮2和第二后轮3使得画圆过程中支撑体单元运行更加平稳。

控制系统包括电源以及依次通过导线连接的传感器单元6、处理单元7与显示单元8，传感器单元6用于测量前轮轴5旋转角度，电源、处理单元7和显示单元8均安装在底板1上，电源用于向传感器单元6、处理单元7和显示单元8提供电力。

在本实施例中，传感器单元6套设于前轮轴5，基于电路分压原理，传感器单元6可以检测前轮轴5和前轮4转过的角度α，即前轮4与中线AB的夹角α，并将检测到的实际偏转角α与参考角度β(传感器单元的额定工作角度)相比，将比值与参考电压U0相乘转换成实际电压信号Ut，即：

实际电压信号Ut＝(实际偏转角α/参考角度β)×参考电压U0，

如图7所示，实际电压信号Ut将被传送给处理单元7，处理单元7位于底板1的电路板上，是控制系统的控制和运算核心，处理单元负责对传感器单元采集的实际电压信号Ut进行分析处理运算，通过实际偏转角α＝(实际电压信号Ut/参考电压U0)×参考角度β，反解出实际偏转角α，并将实际偏转角α带入具体公式计算出画圆半径值r，然后将该半径值r传送给显示单元8，显示单元8位于底板1后上方，将从处理单元传送来的画圆半径值r呈现在用户面前。

当前轮中心与画笔中心间距a、两后轮中点与画笔中心间距b的值确定时，作圆半径r与前轮偏转角α呈现非线性关系，将该计算公式储存在处理单元7中，给定一个前轮偏转角α，通过处理单元计算得该前轮偏转角α所对应的作圆半径r并显示在显示单元上，若显示的半径比所需半径小，通过增大前轮偏转角α进行调节，若显示的半径比所需半径大，通过减小前轮偏转角α进行调节，最终得到所需半径。

在本实施例中，控制系统硬件方面：传感器单元选用SV01A角度传感器(该角度传感器的额定工作角度为333°)，处理单元选用1个MSP430G2553微处理器，显示单元选用1块12864OLED液晶显示屏，电源选用1块3.7V锂电池，以及一些其他辅助电路器件，前轮中心与画笔中心间距a为40mm，两后轮中点与画笔中心间距b为25mm，以实际偏转角α＝30°为例，画圆具体操作步骤如下：

第一步，通过调节旋钮20来改变方向前轮4的实际偏转角度α；旋转固定旋钮10锁死前轮轴5，使前轮4角度锁死；通过传感器单元6获取前轮4相对于中线AB的二维角度数据α＝30°，并将检测到的实际偏转角α与参考角度β相比，将比值与参考电压U0(系统参考电压U0＝3.3V)相乘转换成实际电压信号Ut，即实际电压信号Ut＝0.297V，将被传送给处理单元；

第二步，处理单元负责对传感器单元采集的实际电压信号Ut进行分析处理运算，通过“α＝(实际电压信号Ut/参考电压U0)×参考角度β”公式反解出实际偏转角α，并将实际偏转角α带入具体公式计算出画圆半径值r＝115mm；

第三步，将画圆半径信息r＝115mm发送到显示单元8进行显示；

第四步，将画笔夹入夹持单元的内套筒17中，通过挤压外套筒16和内套筒17之间的弹簧15使画笔笔尖与作圆平面充分接触；

第五步，手持内套筒17上端的条状形变区，沿支撑体单元方向施加推力，便可以绘制出半径r＝115mm的圆。

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 (10)

1.一种基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：包括用于画圆的机械系统，机械系统包括支撑体单元和夹持单元，支撑体单元包括底板(1)以及安装在底板(1)上可转向的前轮(4)和固定的后轮，夹持单元安装在底板(1)上，用于固定画笔。

2.根据权利要求1所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：所述前轮(4)安装在前轮轴(5)下端，前轮轴(5)穿设于底板(1)且与底板(1)可转动连接，定角转向单元通过挤压前轮轴(5)对前轮轴(5)进行定位。

3.根据权利要求2所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：所述定角转向单元包括安装在底板(1)上的第一基座(9)，固定旋钮(10)穿设于第一基座(9)且与第一基座(9)螺纹配合，固定旋钮(10)穿过第一基座(9)的一端与前轮轴(5)相对。

4.根据权利要求3所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：所述定角转向单元还包括与第一基座(9)相对设置的第二基座(11)，前轮轴(5)位于第一基座(9)和第二基座(11)之间，第二基座(11)和前轮轴(5)之间固定设有第二固定块(12)，第一基座(9)和前轮轴(5)之间设有第一固定块(13)，第一固定块(13)套设于固定旋钮(10)的端部，并与固定旋钮(10)可转动连接。

5.根据权利要求2所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：所述前轮轴(5)的下部外圆周面通过轴承与第一轴承座(14)的内圆周面相连，第一轴承座(14)固定安装在底板(1)上。

6.根据权利要求1所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：还包括控制系统，控制系统包括用于测量前轮(4)旋转角度的传感器单元(6)，传感器单元(6)与处理单元(7)电连接，处理单元(7)与显示单元(8)电连接。

7.根据权利要求6所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：所述后轮包括安装在底板(1)上平行的第一后轮(2)和第二后轮(3)，第一后轮(2)、第二后轮(3)和前轮(4)之间的连线形成等腰三角形，第一后轮(2)和第二后轮(3)的连线为该等腰三角形的底边，夹持单元位于该等腰三角形底边的中线上。

8.根据权利要求1所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：所述夹持单元包括穿设于底板(1)且与底板(1)可转动连接的外套筒(16)，外套筒(16)下部内圆周面向内延伸形成台阶(23)，内套筒(17)下部外圆周面向外延伸形成限位凸起(24)，弹簧(15)套设于内套筒(17)外圆周面，其一端与台阶(23)抵接，另一端与限位凸起(24)抵接。

9.根据权利要求8所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：所述外套筒(16)上端设有笔帽(18)，内套筒(17)下部穿过笔帽(18)的上端开口，内套筒(17)下部外圆周面上的限位凸起(24)位于该开口的下方且限位凸起(24)尺寸大于该开口的尺寸。

10.根据权利要求8所述的基于速度瞬心法的圆规，其特征在于：所述外套筒(16)的下端外圆周面通过轴承与第二轴承座(19)的内圆周面相连，第二轴承座(19)固定安装在底板(1)上。