曲线仪 · 让机构真的走一遍数学
五种实体机构方案,同一道命题:末端在物理世界沿指定曲线持续运动,App 选曲线、看轨迹。下面每个方案都是真的在算——机构按逆运动学实时求解,不是预录动画。
实体机构
演示倍速 60×
轨迹 BLE 已连接
轴 1
轴 2
末端线速度
采样点
进度
本方案关键参数
五方案 × 三曲线 可行性矩阵评分权重:曲线覆盖 30% · 观赏性 25% · 工程可实现 20% · App 体验 15% · 成本 10%
方案玫瑰线蝴蝶曲线洛伦兹吸引子 评分一句话结论
共通技术骨架无论选哪个机构,这条链路都要建
下行:曲线 → 运动 ① App 选曲线 参数方程 + 系数 ≈ 40 字节 ② 机内曲线求值 MCU 实时算 r(θ)/积分 不下发点列,断连也能画 ③ 弧长参数化 末端恒线速度 避免尖点处停顿 ④ 逆运动学 + 限幅 速度/加速度/急动度 奇异点绕行 ⑤ 驱动器 步进闭环 / 无刷 FOC / 线圈 12 V · 静音细分 ⑥ 实体机构 · 末端走出曲线 这一步是产品的全部价值:数学离开屏幕,变成一个真实在动的东西 末端线速度 6–12 mm/s · 工作半径 110 mm · 噪声 < 32 dB(A) 上行:运动 → 轨迹 ⑦ 双轴编码器 磁编码 14 bit · 200 Hz 记录真实角度,不是指令值 ⑧ 机内环形缓存 压缩后 ≈ 1.4 KB/s 断连续传 ⑨ BLE 5 通知 实时预览 20 Hz 收工后整段同步 ⑩ App 正运动学重建 画出的是它真的走过的路 可导出 SVG / 延时视频

为什么下发参数而不是点列

一整只蝴蝶曲线弧长 9.34 m,按 0.1 mm 步距是 9 万个点;下发点列既占传输又占存储。改成下发参数方程系数(约 40 字节)+ 机内实时求值,手机走开也不影响它继续画,这才符合"摆件"的使用方式。

App 画的必须是"真实走过的"

轨迹由编码器回传的真实角度经正运动学重建,而不是把理想公式再画一遍。这样每一次运行都有细微差别——温度、电压、轴承摩擦都会留下痕迹,这是工艺品的"手感",也是它区别于一张屏保的根本。

三条曲线的真实体量

  • 玫瑰线 k=5:闭合周期 π(k 为奇数时只需半圈),弧长 1.16 m,末端 8 mm/s 需 2.4 分钟
  • 蝴蝶曲线:闭合周期 24π(要绕 12 整圈),弧长 9.34 m,需 19.5 分钟
  • 洛伦兹:非周期,永不闭合,可以一直画下去——这恰恰是它做摆件最好的地方