[發(fā)明專利]一種空間坐標變換器教具

無效

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• 申請日: 2014-03-23
• 公開（公告）號: CN103996327A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發(fā)明（設計）人: 胡波;方榮慶;羅兆飛;楊悅;嚴亞鵬;石偉;楊健;夏巧;安建兵
• 申請（專利權）人: 成都理工大學;胡波;方榮慶
• 主分類號: G09B23/02
• 分類號: G09B23/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

（一）所屬技術領域

本發(fā)明專利涉及一種空間坐標變換器教具的研究與設計，屬于課堂用教具與實驗設備。

（二）技術背景

本發(fā)明是以數(shù)學中的空間坐標變換為理論基礎來進行設計的。教師在大學機械類專業(yè)機器人技術基礎、CAD/CAM原理及應用等課程中講解空間坐標變換的時候，都是在一個平面上畫出空間的三維坐標并一步一步的推導來進行講解的，這種方式對學生的空間想象力有較高的要求，多數(shù)學生不能直觀的理解其變換原理，在學習這一部分內容的時候都覺得很困難。為了解決這個問題，發(fā)明人設計了一種空間坐標變換器教具，讓學生能直觀的看出坐標變換過程中的各個步驟，并驗證空間坐標變換的理論公式，更好地理解空間坐標變換的基本原理。

（三）發(fā)明內容

本發(fā)明主要包括框架機構、桿件伸縮旋轉機構、坐標測量系統(tǒng)組成，其具體結構如附圖1、圖2、圖3所示。

1.框架機構

框架機構由支撐底板（1）、支撐板（2）、支撐板（3）、滑槽軌道（4）組成，是空間坐標變換器的支撐固定部分，也是其他結構的安裝基體。

（1）支撐底板

支撐底板作為整體構架的支撐，在其上裝有支撐板、滑槽軌道和標尺；支撐底板開有滑槽用作位移刻度標尺的移動導軌。

（2）支撐板

支撐板有兩個，固定在支撐底板上，并相互垂直；支撐板上同樣開有滑槽用作位移刻度標尺的移動導軌。

（3）滑槽軌道

滑槽軌道有三根，安裝在支撐板上，用于桿件伸縮旋轉機構的滑塊移動導向。

2.桿件伸縮旋轉機構

桿件伸縮旋轉機構是實現(xiàn)空間坐標變換原理的主要結構，包括第一對桿（5）、第二對桿（6）、第三對桿（7）、滑塊（8）、三個相同的旋轉手柄（9）。

整個桿件伸縮旋轉機構通過滑塊連接在滑槽軌道上；每一對桿件既可以相互平移又可以通過轉動旋轉手柄實現(xiàn)相互旋轉，第一對桿件和滑塊還可以相互旋轉，通過這些運動可以把終點坐標系從起點坐標變換到空間任意位置。

3.坐標測量系統(tǒng)

坐標測量系統(tǒng)包括三把相同的位移刻度標尺（10）、三個相同的角度測量儀（11）、起點坐標WCS坐標系（12）、終點坐標UCS坐標系（13），用于測量坐標終點坐標UCS坐標系相對于起點坐標WCS坐標系變換的位移和旋轉角度。

起點坐標WCS坐標系安裝于支撐板上滑槽軌道的起點，終點坐標UCS坐標系安裝于第三對桿的末端。每對桿件首端裝有由一個角度刻度盤（14）和指針（15）組成的角度測量儀，用來測量在變換過程中終點坐標系分別繞x、y、z軸的角度。

當桿件伸縮旋轉機構變換過后，我們要知道坐標終點坐標UCS坐標系相對于起點坐標WCS坐標系變換的位移和旋轉角度，只需讀取終點坐標投影到三根標尺上的刻度值作為其位移值，讀取三個角度測量儀指針偏轉角度作為其角度值。將值代入下述公式即可以驗證空間坐標變換的基本原理。

^BP=R(x,θ_x)R(y,θ_y)R(z,θ_z)(_A^B)T^AP

其中：

Θ_x，θ_y，θ_z分別表示繞前一個坐標系的x、y、z軸旋轉的角度；(_A^B)T表示從{B}到{A}的齊次平移矩陣。

（四）附圖說明

圖1：空間坐標變換器結構展示圖；圖2：桿件伸縮旋轉機構的組成；圖3：角度測量儀的結構。

圖中1.支撐底板，2.支撐板，3.支撐板，4.滑槽軌道，5.第一對桿，6.第二對桿，7.第三對桿，8.滑塊，9.旋轉手柄，10.位移刻度標尺，11.角度測量儀，12.起點坐標WCS坐標系，13.終點坐標UCS坐標系，14.角度刻度盤，15.指針。

（五）具體實施方式

1）把桿件伸縮旋轉機構各桿件及手柄移動到初始位置，使起點坐標WCS坐標系和終點坐標UCS坐標系保持相同位姿；

2）移動三對桿、轉動三個旋轉手柄至任意位置，擰緊各桿和角度測量儀；

3）讀取終點坐標投影到三根標尺上的刻度值作為其位移值，讀取三個角度測量儀指針偏轉角度作為其角度值；

4）把各數(shù)據(jù)代入公式進行計算；

5）對比計算結果與測量值，進行理論分析。