技术领域
[0001] 本
发明涉及一种基于四杆机构相似的二自由度缩放机构，属于机构设计与综合领域。
背景技术
[0002] 缩放机构是一类能够实现源点与仿制点相似输出，比例放大的机构。自缩放机构出现以来，主要应用于图形的缩放、图案的雕刻、
机器人腿部机构设计、
机械臂设计、机构静平衡设计、反向驱动机构设计等领域。比如，
专利CN2493372Y“球面
移动机器人”，提出使用对称布置的缩放机构作为腿部机构，实现机器人在球形壁面上的灵活移动；专利CN102802882A“三
角式机器人”，提出使用缩放机构，来辅助实现三角式机器人质心的平衡。不过，尽管目前的缩放机构应用非常广泛，但是其结构往往不够紧凑，需要占据较大的空间；而且现有缩放机构自身的非对称性也限制了它的使用。
发明内容
[0003] 为了解决上述问题，本发明提出一种结构简单、紧凑，具有一定的对称性，可以用于平面内任意图形的缩放的二自由度缩放机构。
[0004] 一种基于四杆机构相似的二自由度缩放机构，其特征在于：包括
机架与第一
连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆、第六连杆构成的二自由度缩放杆件。
[0005] 其中，第一连杆与第二连杆的中心
位置间铰接，铰接点为O；由此铰接点O将第一连杆分为左右两部分，分别令其为第一连杆左部分与第一连杆右部分。同样，铰接点O还将第二连杆分为左右两部分，分别令其为第二连杆左部分与第二连杆右部分。令上述第一连杆左部分的长度为LBO、第一连杆右部分的长度为LOD；第二连杆左部分的长度为LCO、第二连杆右部分的长度为LOE；第三连杆的长度为LAB、第四连杆的长度为LAC、第五连杆的长度为LDF、第六连杆的长度为LEF。
[0006] 所述第三连杆与第四连杆的一端铰接，铰接点为A；第三连杆和第四连杆的另一端分别与第一连杆左部分和第二连杆左部分端部铰接，铰接点分别为C和D。所述第五连杆与第六连杆的一端铰接，铰接点为F；第五连杆和第六连杆的另一端分别与第一连杆右部分和第二连杆右部分端部铰接，铰接点分别为D和E。上述结构中，第一连杆左部分、第二连杆左部分、第三连杆与第四连杆间形成一个四杆机构A；第一连杆右部分、第二连杆右部分、第五连杆与第六连杆间形成一个四杆机构B。
[0007] 上述结构二自由度缩放杆件通过机架进行
支撑，机架与铰接点A或O或F铰接，且四杆机构A与四杆机构B始终互为相似四边形。
[0008] 本发明的优点在于：
[0009] (1)本发明二自由度缩放机构在平面内具有两个自由度，能够实现平面内任意图形的缩放；
[0010] (2)本发明二自由度缩放机构固定铰接点可变，当固定铰接点为点O时，点A(或F)仿制图形与点F(或A点)原图形在方位上关于点O对称；当固定铰接点为点A(或F)时，点F(或A)仿制图形与点O原图形同方位；
[0011] (3)本发明二自由度缩放机构在点O为固定铰接点时，机构左右形状相似，易于实现机构自身的静平衡，从而可设计为反向驱动机构；
[0012] (4)本发明二自由度缩放机构在点O为固定铰接点时，线段FO与线段AO长度的比值为定值，可用于辅助实现其它机构的静平衡。
[0013] (5)本发明二自由度缩放机构可作为一种基本缩放单元，实现大尺度的轨迹缩放或用作文字缩放仪；
附图说明
[0014] 图1为本发明二自由度缩放机构构型1中铰接点A与机架间连接方式示意图；
[0015] 图2为本发明二自由度缩放机构构型1中铰接点F与机架间连接方式示意图；
[0016] 图3为本发明二自由度缩放机构构型1中铰接点O与机架间连接方式示意图；
[0017] 图4为本发明二自由度缩放机构构型1中铰接点O与机架间连接，且进行缩放复制轨迹操作时，
配重块安装位置示意图；
[0018] 图5为本发明二自由度缩放机构构型2的结构1示意图；
[0019] 图6为本发明二自由度缩放机构构型2的结构2示意图；
[0020] 图7为本发明二自由度缩放机构构型2的结构3示意图；
[0021] 图8为本发明二自由度缩放机构构型2的结构4示意图。
[0022] 图中：
[0023] 1-机架 201-第一连杆 202-第二连杆 203-第三连杆[0024] 204-第四连杆 205-第五连杆 206-第六连杆 3-第一配重块[0025] 4-第二配重块 5-第三配重块 6-第四配重块 7-滑块A
[0026] 8-滑块B
具体实施方式
[0027] 下面将结合附图和
实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0028] 本发明是一种基于四杆机构相似的二自由度缩放机构，包括机架1与第一连杆201、第二连杆202、第三连杆203、第四连杆204、第五连杆205、第六连杆206构成的二自由度缩放杆件，如图1所示；
[0029] 其中，第一连杆201与第二连杆202的中心位置间铰接，铰接点为O；由此铰接点O将第一连杆201分为左右两部分，分别令其为第一连杆左部分与第一连杆右部分；同样，铰接点O还将第二连杆202分为左右两部分，分别令其为第二连杆左部分与第二连杆右部分。
[0030] 所述第三连杆203与第四连杆204的一端铰接，铰接点为A；第三连杆203和第四连杆204的另一端分别与第一连杆左部分和第二连杆左部分端部铰接，铰接点分别为C和D。所述第五连杆205与第六连杆206的一端铰接，铰接点为F；第五连杆205和第六连杆206的另一端分别与第一连杆右部分和第二连杆右部分端部铰接，铰接点分别为D和E。上述结构中，第一连杆左部分、第二连杆左部分、第三连杆203与第四连杆204间形成一个四杆机构A；第一连杆右部分、第二连杆右部分、第五连杆205与第六连杆206间形成一个四杆机构B。
[0031] 令上述第一连杆左部分的长度为LBO、第一连杆右部分的长度为LOD；第二连杆左部分的长度为LCO、第二连杆右部分的长度为LOE；第三连杆203的长度为LAB、第四连杆204的长度为LAC、第五连杆205的长度为LDF、第六连杆206的长度为LEF；则上述结构二自由度缩放杆件具有二种构型：
[0032] 构型1：铰接点B、C与铰接点D、E分别位于铰接点A、O、F连线两侧，如图1所示，即：
[0033] (1)LAC＝LCO，LAB＝LBO，LOD＝LDF，LOE＝LEF；
[0034] (2)LCO/LOE＝LBO/LOD；
[0035] (3)LAC＜LAB。
[0036] 构型1中二自由度缩放杆件与机架间存在以下两种连接方式：
[0037] 连接方式1：铰接点A或F与机架1间铰接，如图1、图2所示；其中，当铰接点A与机架1间铰接时,使二自由度缩放机构中的铰接点O或F跟随某一图形轨迹运动，运动过程中，四边形ABOC与四边形FDOE始终相似，由此通过铰接点F或O可复制铰接点O或F的运动轨迹，且方位相同，尺寸发生缩放，铰接点F复制轨迹与铰接点O运动轨迹的放大比例为 铰接点O复制轨迹与铰接点F运动轨迹的缩小比例为 铰接点F与机架1间铰接时，使二自由度缩放机构中的铰接点O或A跟随某一图形轨迹运动，运动过程中，四边形ABOC与四边形FDOE始终相似，由此通过铰接点A或O可复制铰接点O或A的运动轨迹，且方位相同，尺寸发生缩放，铰接点A复制轨迹与铰接点O运动轨迹的放大比例为铰接点O复制轨迹与点A运动轨迹的缩小比例为 由此可实现平面内
任意图形的同方位缩放。
[0038] 连接方式2：铰接点O与机架1间铰接，如图3所示；由此使二自由度缩放机构中的铰接点A或F跟随某一图形轨迹运动，运动过程中，四边形ABOC与四边形FDOE始终相似，由此通过铰接点F或A可复制铰接点A或F的运动轨迹，且尺寸发生缩放，铰接点F复制轨迹与铰接点A运动轨迹的放大比例为LOD/LBO，铰接点A复制轨迹与铰接点F运动轨迹的缩小比例为LBO/LOD。
[0039] 在连接方式2中，二自由度缩放杆件中使各连杆所选用的材质相同，各连杆的
质量分别与自身长度成正比；由此可在二自由度缩放杆件中安装配重块，使二自由度缩放机构静实现平衡；如图4所示，具体为：
[0040] 在进行缩放复制轨迹操作时，在第一连杆左部分、第二连杆左部分、第三连杆203与第四连杆204的中心位置分别加装第一配重块3、第二配重块4、第三配重块5与第四配重块6；
[0041] 令上述第一配重块3、第二配重块4、第三配重块5与第四配重块6的质量分别为m1、m2、m3、m4；第三连杆203、第四连杆204的质量分别为m5、m6；LOD/LBO＝k；则m1＝m3＝(k2-1)m5，且m2＝m4＝(k2-1)m6；由此可使二自由度缩放机构实现静平衡，可在工作区域中的任意位置实现静止。
[0042] 构型2中：铰接点B、D与铰接点D、E分别位于铰接点A、O、F连线两侧，如图5所示；根据各连杆的长度不同，还产生3种结构：
[0043] 结构1：如图5所示，各连杆长度关系满足：
[0044] (1)LAC＝LCO，LAB＝LBO，LOD＝LDF，LOE＝LEF；
[0045] (2)LCO/LOE＝LBO/LOD。
[0046] 结构2：如图6所示，使各连杆长度关系满足：
[0047] (1)LAB＝LAC，LBO＝LCO，LOD＝LOE，LDF＝LEF；
[0048] (2)LBO/LOD＝LAB/LDF。
[0049] 结构3：如图7所示，各连杆长度关系满足：
[0050] (1)LAC＝LBO，LAB＝LCO，LOD＝LEF，LOE＝LDF；
[0051] (2)LCO/LOE＝LBO/LOD。
[0052] 构型2中二自由度缩放杆件与机架1间的连接方式为：第一连杆与第二连杆间的铰接处与机架间铰接；此时若铰接点A跟随某一图形轨迹运动，运动过程中，四边形ABOC与四边形FDOE始终相似，由此通过铰接点F或A可复制铰接点A或F的运动轨迹，且尺寸发生缩放，点F复制轨迹与点A运动轨迹的放大比例为LOD/LBO，点A幅值轨迹与点F运动轨迹的缩小比例为LBO/LOD，由此可实现平面内任意图形的镜像缩放，特别适用于题词、签名等不规则曲线的缩放。
[0053] 基于上述构型2中的二自由度缩放机构，通过在第二连杆202上加装滑块，可形成新的结构4，具体为：如图8所示，可去掉第四连杆204与第六连杆206；而采用在第二连杆左部分上安装滑块A7、在第二连杆右部分上安装滑块B8；使第三连杆203与滑块A7铰接；第五连杆205与滑块B8铰接；由此使第二连杆左部分、第三连杆203与第一连杆左部分间，以及第二连杆右部分、第四连杆204与第一连杆右部分间形成特殊的四杆机构——
曲柄滑块机构，且：第三连杆203与第五连杆205的长度比等于第一连杆左部分与第一连杆右部分的长度比。此时若铰接点A或F跟随某一图形轨迹运动，运动过程中，三角形ABO与三角形FDO始终相似，则铰接点F或A将复制铰接点A或F的轨迹，且尺寸发生缩放，铰接点F复制轨迹与铰接点A运动轨迹的放大比例为LOD/LBO，铰接点A复制轨迹与铰接点F运动轨迹的缩小比例为LBO/LOD；由此可实现平面内任意图形的镜像缩放，特别适用于题词、签名等不规则曲线的缩放。
[0054] 本发明中在二自由度缩放机构中，铰接点O与机架1链接时，若在铰接点A或F处加装操作手时，则需在铰接点F或A处加装操作手配重；令操作手与操作手配重的质量分别为m7和m8；则操作手安装在铰接点A处时：m7＝k·m8；当操作手安装在铰接点F处时：m7＝m8/k；此时二自由度操作手达到静平衡，操作手能在工作区域中的任意位置实现静止。
