波塞利耶-利普金机械

波塞利耶-利普金机械,发明于1864年,屬於平面连杆机构,是第一個真正可以將轉動運動轉換為直線運動的平面直線運動機構,它以法国陆军军官Charles-Nicolas Peaucellier(1832-1913)和立陶宛犹太人Yom Tov Lipman Lipkin(1846-1876,著名拉比Israel Salanter的兒子)的名字命名。

在此機構發明之前,在沒有參考導軌的情形下,沒有平面機構可以將直線運動完美的轉換為轉動運動。1864年時,所有的動力來源是來自蒸汽机,其中有活塞,由汽缸施力,往上或往下運動。活塞和汽缸需要有良好的密封特性,讓蒸汽机中的蒸汽可以維持在汽缸內,不會因為漏氣而降低能量輸出的效率。活塞和汽缸維持密封的作法是讓活塞維持和汽缸壁平行的直線運動。因此如何讓活塞的直線運動轉換為旋轉運動就變的非常重要,大部份的蒸氣機應用都是旋轉運動。

波塞利耶-利普金机械的數學和圓的有關。

薩魯斯連桿機構
在波塞利耶-利普金机械之前,有另外一個立體的直線運動機構,稱為,比波塞利耶-利普金机械早11年發明,是由一組以樞紐相連的長方形組成。長方形之間可以以樞紐為軸旋轉,而長方形上的頂點會直線運動。薩魯斯連桿機構屬於立體的空間機構。

幾何
在波塞利耶-利普金机械的幾何圖中,有六個固定長度的桿:OA, OC, AB, BC, CD, DA。OA和OC長度相同,而AB、BC、CD和DA的長度也都相同,形成菱形。O點是固定點。若B點限制在一個圓的圓周上運動(例如以OB為直徑,通過O和B二點的圓,圖中紅色的圖)。D點會延著直線運動(圖中的藍線)。若點B限制在一直線上運動(不通過O點的直線),則D點會在圓周上運動(通過O點的圓周)。

數學證明
共線
首先,需要證明O點、B點和D點共線。這可以用觀察的方式得知,連桿是兩側對稱的,以直線OD為對稱軸,因此B一定在此線上。

若要用正式的方式證明。因為邊BD和自身相等,邊BA和邊BC相等,邊AD和邊CD相等,因此三角形BAD和三角形BCD全等,角BAD和角BCD相等。

接下來要證明三角形OBA和三角形OBC全等。因為線OA和線OC相等,邊OB和自身相等,邊BA和邊BC相等,因此二三角形全等。角OBA和角OBC相等。

以下四個角的和是一個圓角,因此
:∠OBA + ∠ABD + ∠DBC + ∠CBO = 360°

但因為三角形的全等,角OBA = 角OBC,角DBA = 角DBC,因此
:2 × ∠OBA + 2 × ∠DBA = 360°
:∠OBA + ∠DBA = 180°

因此,點O、B、D共線。

反演點
令點P為線段AC和線段BD的交點。因為ABCD是菱形,P會是線段AC和線段BD的中點,因此,線段BP和線段PD等長。

因為邊BP和邊DP相等,邊AP和自身相等,邊AB和邊AD相同,因此三角形BPA和三角形DPA全等。因此角BPA等於角DPA。但因為角BPA + 角DPA = 180°,因此角BPA和角DPA都是90°。

令:
: x = \ell_{BP} = \ell_{PD}
: y = \ell_{OB}
: h = \ell_{AP}

則:
:\ell_{OB}\cdot \ell_{OD}=y(y+2x)=y^2+2xy
:{\ell_{OA}}^2 = (y + x)^2 + h^2 (因為畢氏定理)
:{\ell_{OA}}^2 = y^2 + 2xy + x^2 + h^2
:{\ell_{AD}}^2 = x^2 + h^2 (因為畢氏定理)
:{\ell_{OA}}^2 - {\ell_{AD}}^2 = y^2 + 2xy = \ell_{OB} \cdot \ell_{OD}

因為OA和AD的長度固定,,因此OB和OD的乘積為定值:
:\ell_{OB}\cdot \ell_{OD} = k^2

又因為O點、B點和D點共線,因此D點是B點相對圓(O,k)(圓心在O點,半徑為k)的反演點。

反演幾何
透過的特性,因為點D的軌跡是點B軌跡的反演。若B的軌跡是通過反演中心O的圓,則點D的軌跡會是一直線。若點B的軌跡是不通過點O的直線,則點D的軌跡是通過點O的圓。Q.E.D.

典型的主動件
波塞利耶-利普金机械有許多的反演機構。其中一個如圖所示,以滑塊搖桿四連桿( rocker-slider four-bar)為輸入,若要再細分,滑塊為輸入,使得搖桿以及波塞利耶-利普金机械轉動。

展覽物
在荷蘭埃因霍溫的永久展覽品中,有展覽物就是以此機構為主題。此展覽物大小為,重,遊客可以透過控制盤操作。

相關條目
*哈特倒置器
*连杆机构

參考資料
文獻
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  • — proof and discussion of Peaucellier–Lipkin linkage, mathematical and real-world mechanical models
  • (and references cited therein)
  • Hartenberg, R.S. & J. Denavit (1964) [http://kmoddl.library.cornell.edu/bib.php?m=23 Kinematic synthesis of linkages] , pp 181–5, New York: McGraw–Hill, weblink from Cornell University.

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外部連結

*[https://web.archive.org/web/20061208133000/http://www.ies.co.jp/math/java/geo/hantenki/hantenki.html Peaucellier Apparatus] features an interactive applet
*[http://mw.concord.org/modeler1.3/mirror/mechanics/peaucellier.html A simulation] using the Molecular Workbench software
*[http://mathworld.wolfram.com/HartsInversor.html A related linkage] called Hart's Inversor.
*[http://vamfun.wordpress.com/2011/07/13/team-1508a-vex-peaucellier-lift-roundup-youtube-video/ Modified Peaucellier robotic arm linkage (Vex Team 1508 video)]

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