CN109774357B - 一种机电式通用曲线规 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电式通用曲线规，其特征在于，包括：直尺、前端块、后端块、控制器、电机驱动器以及电机。本发明放弃了传统的仅使用机械结构绘制曲线的方式，大幅度扩展了工具的功能范围，不仅可以绘制直线、圆、椭圆、抛物线，还支持正弦余弦曲线、螺旋线、极坐标曲线等多种可以用直角坐标方程或极坐标方程表达的曲线，给教师教学和学生学习带来方便。本发明的基本思路虽然来源于中学的曲线概念，但是对高等院校学生和教师，以及需要在纸张或其他表面绘图的工程师同样具有使用价值。

Description

一种机电式通用曲线规

技术领域

本发明涉及制图工具领域，尤其是涉及一种机电式通用曲线规。

背景技术

在学生学习数学和物理学科的过程中、教师教学过程中以及工程师绘图过程中，常常会遇到需要绘制直线、圆、椭圆、抛物线、双曲线、正余弦曲线、螺旋线等的情形。绘制直线可以用直尺，绘制圆可以用圆规，绘制椭圆也有椭圆规，绘制抛物线也有一些抛物线规，绘制其它曲线的工具就很少见了。目前，适合学生、教师和工程师日常使用的只有圆规。椭圆规和抛物线规因为体积较大，不便携带，使用复杂等因素而难以进入日常使用的场合。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本申请的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机电式通用曲线规，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种机电式通用曲线规，包括：直尺、前端块、后端块、控制器、电机驱动器以及电机；其中，

所述前端块和所述后端块分别固定连接在所述直尺前后两端，前端块和后端块的底部均设置有转动导向装置；

所述控制器、电机驱动器和所述电机设置在后端块或前端块内，相应地，所述前端块或后端块内设置有用于检测所述转动导向装置转动信息的检测装置；

所述电机用于驱动丝杠，所述丝杠沿直尺的长度方向设置在前端块和后端块之间，丝杠上通过移动板连接有笔夹，前端块和后端块之间设置有若干根导杆，所述移动板套接在所述导杆和所述丝杠上；所述笔夹上夹持有绘图笔；配合所述绘图笔在直尺底部的长度方向设置有长条孔；

所述控制器依次与所述电机驱动器以及电机连接，用于控制所述电机；设置有所述电机的后端块或前端块上设置有旋转轴；

所述直尺上部设置有电池仓，所述电池仓用于盛放为控制器、电机驱动器、电机以及检测装置提供电能的电池。

作为一种进一步的技术方案，所述转动导向装置为分别设置在所述前端块和所述后端块底部的两个导向轮，两个所述导向轮同轴，且二者的转动方向与所述直尺的长度方向垂直。

作为一种进一步的技术方案，所述检测装置编码器，所述编码器与所述控制器电连接。

作为一种进一步的技术方案，所述编码器为磁编码器，配合所述磁编码器在所述导向轮上设置有磁环。

作为一种进一步的技术方案，所述转动导向装置为设置在所述前端块和所述后端块底部的一对长辊子和一对短辊子；所述长辊子和所述短辊子转动方向与所述直尺的长度方向垂直。

作为一种进一步的技术方案，所述检测装置为摄像头模组，配合所述摄像头模组设置有摄像头信息采集电路模块，所述摄像头信息采集电路模块与所述控制器电连接。

作为一种进一步的技术方案，所述前端块和所述后端块之间设置有两根导杆。

作为一种进一步的技术方案，所述直尺的左右两个侧面均刻制有刻度线。

作为一种进一步的技术方案，所述导向轮的周向设置有刻度。

作为一种进一步的技术方案，所述移动板和所述笔夹之间设置有用于为绘图笔施压的弹簧或橡皮筋。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明放弃了传统的仅使用机械结构绘制曲线的方式，大幅度扩展了工具的功能范围，不仅可以绘制直线、圆、椭圆、抛物线，还支持正弦余弦曲线、螺旋线、极坐标曲线等多种可以用直角坐标方程或极坐标方程表达的曲线，给教师教学和学生学习带来方便。本发明的基本思路虽然发源于中学的曲线概念，但是对高等院校学生和教师，以及需要绘图的工程师同样具有使用价值。

由于本曲线规本身的特点，坐标轴方向可以很方便地改变，这等同于可以设置多个不同的坐标系，因此非常便于学生理解坐标平移变换下和坐标旋转变换下的曲线特点。坐标系本身可以用直尺或者本曲线规的侧面作为直尺而绘制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的曲线规的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的曲线规的另一视角的结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的前端块的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的后端块的结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的曲线规的整体结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的曲线规的另一视角的结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的前端块的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的控制器的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的通过本发明的曲线规在直角坐标系绘图的示意图；

图10为本发明实施例提供的通过本发明的曲线规在极坐标系绘图的示意图；

图11为本发明实施例提供的通过本发明的曲线规绘图的流程图；

图标：1-直尺；2-前端块；3-后端块；4-控制器；5-电机驱动器；6-丝杠；7-移动板；8-笔夹；9-导杆；10-绘图笔；11-长条孔；12-旋转轴；13-电池仓；14-电池；15-导向轮；16-磁编码器；17-弹簧或橡皮筋；18-长辊子；19-短辊子；20-摄像头模组；21-摄像头信息采集电路模块；22-摄像头；23-USB接口；24-按键；25-触摸屏。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

结合图1至图4所示，本实施例提供一种机电式通用曲线规，包括：直尺1、前端块2、后端块3、控制器4、电机驱动器5以及电机(图中未示出)；其中，

所述前端块2和所述后端块3分别固定连接在所述直尺1前后两端，前端块2和后端块3的底部均设置有转动导向装置；

所述控制器4、电机驱动器5和所述电机设置在后端块3或前端块2内，相应地，所述前端块2或后端块3内设置有用于检测所述转动导向装置转动信息的检测装置；此处需要说明的是，控制器4、电机驱动器5和电机设置在后端块3内时，前端块2内设置用于检测所述转动导向装置转动信息的检测装置；控制器4、电机驱动器5和电机设置在前端块2内时，后端块3内设置用于检测所述转动导向装置转动信息的检测装置；

所述电机用于驱动丝杠6，所述丝杠6沿直尺的长度方向设置在前端块2和后端块3之间，丝杠6上通过移动板7连接有笔夹8，前端块2和后端块3之间设置有若干根导杆9，所述移动板7套接在所述导杆9和所述6丝杠上；所述笔夹8上夹持有绘图笔10；配合所述绘图笔10在直尺1底部的长度方向设置有长条孔11；

所述控制器4依次与所述电机驱动器5以及电机连接，用于控制所述电机；设置有所述电机的后端块3或前端块2上设置有旋转轴12；

所述直尺1上部设置有电池仓13，所述电池仓用于盛放为控制器、电机驱动器、电机、转动导向装置以及转动信息检测装置提供电能的电池14。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述转动导向装置为分别设置在所述前端块2和所述后端块3底部的两个导向轮15，两个所述导向轮15同轴，且二者的转动方向与所述直尺的长度方向垂直。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述检测装置编码器，所述编码器与所述控制器电连接。优选地，所述编码器为磁编码器16，配合所述磁编码器16在所述导向轮15上设置有磁环。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述前端块2和所述后端块3之间设置有两根导杆9；优选地，两根导杆9在同一水平面上。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述直尺1的左右两个侧面均刻制有刻度线。每个侧面可以刻两组不同单位制的刻度，一共可以刻有四种单位制的长度刻度。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述导向轮15的周向设置有刻度，导向轮的外周长为80mm。可以从上方观察导向轮当前转动对应的刻度。导向轮的轴上装有磁环，前导轮转动时，带动磁环转动，通过磁编码器测得前导轮转动角度，进而计算出前导轮滚动的距离。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述移动板7和所述笔夹8之间设置有用于为绘图笔10施压的弹簧或橡皮筋17。通过设置弹簧或橡皮筋17可以绘图笔10的笔尖保持对图纸表面的压力，从而保证绘制曲线的清晰度。

实施例2

结合图5至图7所示，作为一种进一步的技术方案，所述转动导向装置为设置在所述前端块2和所述后端块3底部的一对长辊子18和一对短辊子19；所述长辊子18和所述短辊子19转动方向与所述直尺的长度方向垂直。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，所述检测装置为摄像头模组20，配合所述摄像头模组20设置有摄像头信息采集电路模块21，所述摄像头信息采集电路模块21与所述控制器4电连接。

在该实施例中，通过摄像头模组20以及摄像头信息采集电路模块21采集的转动信息；摄像头模组20以及摄像头信息采集电路模块21可采用与光电鼠标中所采用的摄像头及电路结构。

结合图8所示，本申请的控制器4接受人工(通过按键24或触摸屏25)或电子化接口输入，读取转动导向装置转动信息，进行公式计算，作为一种与其它设备交互的方式，所述控制器上具有摄像头22，可以对手机或计算机上的应用程序生成的二维码进行扫描，直接简单地将公式导入到本曲线规的控制器中。

作为一种与其它设备交互的方式，所述控制器上具有USB接口23，可以通过手机或计算机上的应用程序，将公式导入到本曲线规的控制器中。

作为一种与其它设备交互的方式，所述控制器上具有无线通讯接口，可以通过手机或计算机上的应用程序，将公式导入到本曲线规的控制器中。

结合图9至图11所示，本申请通过直尺底部的导向轮，实现曲线规在一个方向，典型的如y方向的运动(根据需要也可以定义为其它方向如y方向，或其它正交坐标系的方向之一)。直尺底部导向轮的运动距离和速度通过编码器或摄像头模组实时获取，并实时转换为x方向或y方向的数值。控制器通过事先输入的方程式y＝f(x)或x＝f(y)，根据x或y的值，计算出实时的y或x的值，如y＝2x，y＝x2，y＝sin(x)等；这样在导向轮滚动并引起直尺平移的每一个时刻，均可实时获得相应的(x,y)值。

定义直尺的长度方向为y方向(直角坐标)或ρ方向(极坐标)，在直尺中部存在传动组件，传动组件典型的为丝杠传动机构，通过控制器和电机驱动器，控制电机转动，使得笔夹滑块在丝杠上定位于不同位置，这个位置和速度是由控制器中输入的方程式计算出来的。

由于x方向的位置和速度已经由导向轮滚动带来的直尺横向运动所决定，而y方向即为直尺的长度方向，曲线上每点的x，y值由控制器通过方程计算决定，并通过控制器发给驱动电机，再通过传动组件驱动笔尖到相应的位置，笔包括粉笔、铅笔、绘图笔、彩笔、签字笔、软笔和硬笔等，这样即可在目标表面上(如纸面、板面、桌面、墙面、地面等)连续绘制出相应的曲线。

由于曲线上各点的位置是通过控制器计算出来的，所以理论上这个曲线可以是任意可以用方程表示的曲线。

在直尺一端的下部，有可以通过按压突出的旋转轴，该旋转轴可以支撑在目标表面上，作为直尺的旋转轴线。此时的工作模式对应极坐标方式，通过ρ＝f(θ)，即可算出实时曲线上的各点(ρ,θ)，通过与直角坐标系类似的方式，即可绘制出极坐标方程对应的曲线。典型的如圆/椭圆/抛物线/双曲线，其方程为ρ＝ep/(1-ecosθ)、螺旋线，其方程为ρ＝θ等。

本发明的控制器包括输入部分、计算部分、运动控制部分、显示部分组成(本发明的控制器优选为单片机，其中涉及的输入部分、计算部分、运动控制部分、显示部分均采用现有的成熟模块即可)。输入部分提供选择按钮(开关、待机、模式转换、常用数字和数学符号按钮等)或触摸屏输入，用于选择常用的曲线类型和坐标系类型(典型的如直角坐标和极坐标)，设置自变量的取值范围，设置自变量的运动初始值。计算部分可由自变量如x，θ,通过方程式实时计算出因变量y,ρ的值，并实时显示在屏幕上。显示部分可以显示该方程式在自变量取值范围内对应的曲线，并实时显示点的坐标和在曲线上的位置。控制器有USB输出口，可以截图保存。控制器支持通过计算机终端进行通讯并接受计算机程序控制。

综上，本申请的机电式通用曲线规具有如下特点：

1、由于本曲线规本身的原点，坐标轴方向可以很方便地改变，这等同于可以设置多个不同的坐标系，因此非常便于学生理解坐标平移变换下和坐标旋转变换下的曲线特点。坐标系本身可以用直尺或者本曲线规的侧面作为直尺而绘制。

2、对于x轴方向的运动，本发明不采用横向导轨，而采用导向轮的方式，大大减小了工具的尺寸，非常便于携带。

3、本发明采用充电电池供电，并支持常用的1.5V电池供电，并采取严格的电池舱保护措施，确保工具使用安全。

4、本发明采用摩擦轮的方式，这样电机驱动无论在任何情况下，不会出现部件卡死带来的不利情况，而且大大增加了维修的方便性。

5、本发明放弃了传统的仅使用机械结构绘制曲线的方式，大幅度扩展了工具的功能范围，不仅可以绘制直线、圆、椭圆、抛物线，还支持正弦余弦曲线、螺旋线、极坐标曲线等多种可以用直角坐标方程或极坐标方程表达的曲线，给教师教学和学生学习带来方便。本发明的基本思路虽然发源于中学的曲线概念，但是对高等院校学生和教师，以及需要绘图的工程师同样具有使用价值。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种机电式通用曲线规，其特征在于，包括：直尺、前端块、后端块、控制器、电机驱动器以及电机；其中，

所述前端块和所述后端块分别固定连接在所述直尺前后两端，前端块和后端块的底部均设置有转动导向装置；

所述控制器、电机驱动器和所述电机设置在后端块或前端块内，相应地，所述前端块或后端块内设置有用于检测所述转动导向装置转动信息的检测装置；

所述电机用于驱动丝杠，所述丝杠沿直尺的长度方向设置在前端块和后端块之间，丝杠上通过移动板连接有笔夹，前端块和后端块之间设置有若干根导杆，所述移动板套接在所述导杆和所述丝杠上；所述笔夹上夹持有绘图笔；配合所述绘图笔在直尺底部的长度方向设置有长条孔；

所述控制器依次与所述电机驱动器以及电机连接，用于控制所述电机；设置有所述电机的后端块或前端块上设置有旋转轴；所述旋转轴可通过按压突出；

所述直尺上部设置有电池仓，所述电池仓用于盛放为控制器、电机驱动器、电机以及检测装置提供电能的电池；

所述前端块和所述后端块之间设置有两根导杆；

所述直尺的左右两个侧面均刻制有刻度线。

2.根据权利要求1所述的机电式通用曲线规，其特征在于，所述转动导向装置为分别设置在所述前端块和所述后端块底部的两个导向轮，两个所述导向轮同轴，且二者的转动方向与所述直尺的长度方向垂直。

3.根据权利要求2所述的机电式通用曲线规，其特征在于，所述检测装置为编码器，所述编码器与所述控制器电连接。

4.根据权利要求3所述的机电式通用曲线规，其特征在于，所述编码器为磁编码器，配合所述磁编码器在所述导向轮上设置有磁环。

5.根据权利要求1所述的机电式通用曲线规，其特征在于，所述转动导向装置为设置在所述前端块和所述后端块底部的一对长辊子和一对短辊子；所述长辊子和所述短辊子转动方向与所述直尺的长度方向垂直。

6.根据权利要求5所述的机电式通用曲线规，其特征在于，所述检测装置为摄像头模组，配合所述摄像头模组设置有摄像头信息采集电路模块，所述摄像头信息采集电路模块与所述控制器电连接。

7.根据权利要求2所述的机电式通用曲线规，其特征在于，所述导向轮的周向设置有刻度。

8.根据权利要求1所述的机电式通用曲线规，其特征在于，所述移动板和所述笔夹之间设置有用于为绘图笔施压的弹簧或橡皮筋。