ШТАТИВ ДЛЯ УДЕРЖАНИЯ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ В ПРОСТРАНСТВЕ
SUPPORT TO RETAIN AND POSITION USEFUL LOAD IN SPACE

Изобретение относится к штативу для удержания и позиционирования полезной нагрузки в пространстве, содержащему основание и удлиненную консоль, установленную с возможностью вращения на основании вокруг вертикальной первой оси между своими продольными концами и с возможностью поворота вокруг горизонтальной второй оси, пересекающей вертикальную первую ось, причем консоль несет на одной стороне второй оси полезную нагрузку, а на другой ее стороне - уравновешивающий полезную нагрузку противовес.
Преимущество известного из уровня техники штатива описанного типа состоит в том, что посредством противовеса полезную нагрузку можно точно уравновесить, так что ее перемещение и позиционирование в пространстве возможны без усилий. Однако недостаток известной системы состоит в том, что полезная нагрузка может быть позиционирована только на одной сферической поверхности. Во многих случаях применения это является относительно большим пространственным ограничением.
Кроме того, известны потолочные несущие системы для позиционирования полезной нагрузки, например прибора, светильника и т.п., состоящие из потолочного присоединительного элемента, консоли и пружинного кронштейна, на свободном конце которого подвешена полезная нагрузка. Потолочный присоединительный элемент прочно привинчен к потолку помещения, чтобы воспринимать усилия и моменты, исходящие от полезной нагрузки. В зависимости от полезной нагрузки и максимального радиуса действия эти моменты являются значительными и определяющими расчет прочности. Посредством первого поворотного вокруг вертикальной оси шарнира консоль примыкает к потолочному присоединителю. Удаленный конец консоли несет второй шарнир, вращающийся вокруг вертикальной оси, к которому присоединен, например, пружинный кронштейн. Он содержит рычаг, поворачивающийся из горизонтального положения вверх и вниз вокруг первой горизонтальной оси. К удаленному от нее концу рычага, например, через параллельный ему шарнир, примыкает полезная нагрузка. Вертикальная составляющая поворотного движения рычага создает изменение полезной нагрузки по высоте, причем пружина создает встречное весу полезной нагрузки усилие, так что в любом положении по высоте возникает стабильное положение противовеса. Горизонтальная часть рычага может совершать круговое движение вокруг второго вращательного шарнира. Во взаимодействии с вращательным движением вокруг первого вертикального вращательного шарнира достигается любая точка горизонтальной круговой поверхности, так что во взаимодействии с движением подъема полезную нагрузку можно позиционировать в любой точке внутри цилиндрического пространства (точнее, бочкообразного пространства). Поскольку в описанных конструкциях не достигается полное уравновешивание веса за счет пружины, несущая система должна иметь трение, чтобы обеспечить стабильность выбранного положения. Это трение потребитель должен преодолевать при каждом процессе перемещения.
В основе изобретения лежит задача создания штатива описанного выше рода, который, с одной стороны, обеспечивал бы перемещение полезной нагрузки по меньшей мере приблизительно без усилий и без ввода моментов в основание, а с другой стороны, широкий диапазон перемещения для произвольного позиционирования полезной нагрузки в пространстве.
Эта задача решается, согласно изобретению, за счет того, что полезная нагрузка расположена на первом рычаге, установленном на одном конце консоли с возможностью поворота вокруг третьей оси, противовес расположен на втором рычаге, установленном на другом конце консоли с возможностью поворота вокруг четвертой оси, третья и четвертая оси параллельны, расстояние между точкой воздействия полезной нагрузки на первый рычаг и третьей осью равно расстоянию между нею и вертикальной первой осью, измеренное в продольном направлении второго рычага расстояние между центром тяжести противовеса и четвертой осью равно расстоянию между нею и вертикальной первой осью, и оба рычага связаны между собой соединительными средствами так, что в любом положении поворота они расположены встречно-параллельно друг другу.
Предложенное решение объединяет в себе преимущества описанных выше известных решений. Благодаря выбранным длинам рычагов и их соединению воображаемая линия соединения между точкой воздействия полезной нагрузки на первый рычаг и центром тяжести противовеса на втором рычаге проходит всегда через вертикальную первую ось независимо от данного положения поворота рычагов. За счет этого полезная нагрузка остается всегда уравновешенной независимо от положения поворота рычагов. С помощью такого устройства в случае горизонтальной консоли полезная нагрузка может достигать любой точки на круговой поверхности с радиусом двойной длины первого рычага. В то же время за счет поворота консоли полезная нагрузка может перемещаться по высоте, так что она может произвольно перемещаться в цилиндрическом, точнее, бочкообразном пространстве. С помощью предложенного устройства можно за счет этого достигать позиционирования полезной нагрузки в пространстве при полном уравновешивании масс посредством противовеса, причем ввод нагрузки в основание остается лишенным момента. Это, в свою очередь, приводит к тому, что несущая конструкция может быть выполнена более легкой.
Описанная связь обоих рычагов может осуществляться разными путями. Так, соединительные средства могут включать в себя расположенный параллельно продольному направлению консоли параллельный рычаг, шарнирно соединенный своими концами с обоими рычагами, образуя шарнирный четырехзвенник. Другая возможность состоит в том, что соединительные средства включают в себя бесконечный тяговый орган, проходящий по жестко соединенным с обоими рычагами шкивам. В обоих случаях тяговый орган целесообразно выполнять в виде зубчатого ремня или цепи, которая проходит по соответствующим зубчатым шкивам или звездочкам.
Целесообразно, чтобы противовес был разъемно установлен на втором рычаге, так что он может быть заменен при размещении различных полезных нагрузок на первом рычаге. В качестве альтернативы или же дополнительно к этому противовес на втором рычаге может регулироваться в его продольном направлении, чтобы обеспечить точную настройку равновесия.
Предпочтительно, чтобы штатив был выполнен в виде потолочного штатива, причем основание включает в себя закрепляемую на потолке цокольную часть и размещающую в себе консоль, установленную на цокольной части с возможностью вращения вокруг вертикальной первой оси опорную часть.
Если в случае полезной нагрузки речь идет о приборе, который независимо от положения поворота консоли и/или первого рычага должен сохранять свою ориентацию по отношению к вертикали, то требуются особые меры для сохранения этой ориентации. Если первый рычаг расположен перпендикулярно консоли, то при ее повороте требуется компенсировать только этот угол поворота. Поэтому целесообразно, чтобы полезная нагрузка была расположена на несущей головке, установленной с возможностью поворота вокруг оси, параллельной продольному направлению первого рычага.
Для обеспечения самопроизвольного перемещения несущей головки в соответствии с поворотом консоли, согласно изобретению, несущая головка жестко соединена с коаксиальным оси поворота валом, шарнирно соединенным с первым звеном расположенного внутри консоли первого шарнирного четырехзвенника, параллельное первому звену второе звено которого расположено вертикально и жестко соединено с размещающей в себе консоль опорной частью, причем одна из проходящих через второе звено осей шарнира совпадает с горизонтальной второй осью, а первое и второе звенья соединены расположенным параллельно продольному направлению консоли первым параллельным рычагом. Благодаря этому первому шарнирному четырехзвеннику полезная нагрузка на первом рычаге независимо от положения поворота консоли всегда сохраняет, например, вертикальное положение. Правда, это касается только того случая, когда первый рычаг своим продольным направлением расположен перпендикулярно продольному направлению консоли. Если угол между первым рычагом и консолью отличается от 90°, то должна существовать также возможность поворота полезной нагрузки вокруг горизонтальной оси, чтобы сохранить, например, вертикальную ориентацию. С этой целью несущая головка включает в себя соединенную с первым рычагом головную часть и соединяемую с полезной нагрузкой удерживающую часть, которая установлена на головной части с возможностью поворота вокруг оси шарнира, перпендикулярной продольному направлению первого рычага, а удерживающая часть соединена с первым звеном первого шарнирного четырехзвенника посредством параллельного продольному направлению первого рычага параллельного рычага с образованием второго шарнирного четырехзвенника, оси которого параллельны оси шарнира удерживающей части. Таким образом, ориентацию полезной нагрузки можно автоматически сохранить независимо от положения поворота консоли и соответствующего положения поворота первого рычага относительно нее.
Основание, консоль, а также первый и второй рычаги предложенного штатива могут быть выполнены для размещения и направления проводки для соответствующей полезной нагрузки.
Другие преимущества и признаки изобретения приведены в нижеследующем описании, которое поясняет изобретение на примере его осуществления и приводится со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:
Фиг.1 изображает частичный вид потолочного штатива в изометрии;
Фиг.2 и 3 изображают виды сверху потолочного штатива из фиг.1 в разных положениях поворота обоих рычагов;
Фиг.4 изображает вид в изометрии сбоку штатива из фиг.1, частично в разрезе;
Фиг.5 - увеличенный вид фрагмента фиг.4, показывающий установку консоли на основании;
Фиг.6 - увеличенный вид шарнирной зоны между консолью и несущим полезную нагрузку рычагом;
Фиг.7 - увеличенный вид несущей головки, посредством которой полезная нагрузка подвешена к первому рычагу.
Частично схематично изображенный на фиг.1 потолочный штатив включает в себя основание 10 и удлиненную консоль 12, с обоими концами которой сочленены первый рычаг 14 для удержания полезной нагрузки (не показана) и второй рычаг 16, несущий противовес 18. Последний выполнен с возможностью перемещения в продольном направлении рычага 16 подробно не показанным образом.
Основание 10 содержит закрепляемую на потолке помещения цокольную часть 20 (фиг.5), на которой с возможностью вращения вокруг первой вертикальной оси 24 установлена вильчатая опорная часть 22. Между коленами 26 опорной части 22 консоль 12 установлена на шейке 28 вала с возможностью поворота вокруг горизонтальной второй оси 30 (фиг.5).
Консоль 12 состоит из верхнего 32 и нижнего 34 продольных стержней, между которыми рычаг 14 установлен с возможностью поворота вокруг третьей оси 36, а рычаг 16 - вокруг четвертой оси 38. Оси 36, 38 лежат в одной плоскости с осью 24.
Рычаги 14, 16 в своих шарнирах, в которых они соединены с консолью 12, жестко соединены каждый с зубчатым шкивом 40, изображенным на фиг.6 только для шарнира между рычагом 14 и консолью 12. По этим зубчатым шкивам проходит зубчатый ремень 42, связывающий между собой оба зубчатых шкива 40 рычагов 14, 16 так, что оба рычага 14, 16 всегда сохраняли свое изображенное на фиг.1-3 встречно-параллельное расположение независимо от их угла поворота относительно консоли 12. Это следует из сравнения фиг.2 и 3.
На фиг.2 буквой М обозначено положение оси 24. Положение осей 36, 38 обозначено соответственно Sn и Sg. Буквой N обозначена точка воздействия полезной нагрузки на соединенную с рычагом 14 несущую головку 44. Буквой G обозначен центр тяжести противовеса 18. Габариты выбраны так, что расстояние Ln между точками Sn и N равно расстоянию между точками Sn и М. Таким же образом расстояние Lg между точками Sg и G равно расстоянию между точками Sg и М. Размер противовеса 18 следует выбирать в отношении Ln:Lg к полезной нагрузке.
За счет связи между обоими рычагами 14, 16 можно вообразить себе образованные точками М, Sn, N и точками М, Sg, G треугольники, которые обозначены штрихпунктиром на фиг.2 и являются равнобедренными и геометрически подобными друг другу. Соединительная линия N-G проходит за счет равнобедренности треугольников через точку М. За счет геометрического подобия соотношение расстояний N-M:G-M равно отношению Ln:Lg. Поскольку это справедливо для любого угла между рычагом 14 и консолью 12, полезная нагрузка уравновешена в любом положении рычагов 14, 16 относительно оси 24 вращения (точка М). За счет уменьшения или увеличения угла между рычагами 14, 16 и консолью 12 полезная нагрузка может достигать любой точки в пределах круговой поверхности с радиусом 2 Ln. Вращение консоли 12 вокруг первой оси 24 образует горизонтальную круговую поверхность, а поворот консоли 12 вокруг оси 30 позволяет изменять высоту полезной нагрузки, причем равновесные соотношения между полезной нагрузкой и противовесом 18 остаются незатронутыми ее движением. Таким образом, позиционирование полезной нагрузки в пространстве возможно при полном уравновешивании масс за счет противовеса. Ввод нагрузки в потолочную конструкцию через основание 10 остается при этом лишенным момента.
Полезная нагрузка может быть образована любым прибором, например операционным светильником или монитором. В то время как операционный светильник в большинстве случаев включает в себя шарнирную консоль, на которой ее корпус установлен с возможностью поворота вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и тем самым может занимать любое положение, в случае монитора желательно, как правило, гарантировать сохранение им его положения в пространстве независимо от угла поворота консоли 12 или несущего монитор рычага 14.
Сохранение ориентации полезной нагрузки в пространстве независимо от положения поворота консоли 12 или рычага 14 обеспечивается двумя шарнирными четырехзвенниками, поясняемыми ниже.
Для этого следует сначала обратиться к фиг.4 и 6. Рычаг 14 состоит, в основном, из установленной в консоли 12 с возможностью поворота шарнирной части 46 с муфтой 48 и трубы 50, установленной в муфте 48 с возможностью вращения и несущей на своем свободном конце несущую головку 44. Последняя включает в себя, в свою очередь, жестко соединенную с трубой 50 головную часть 52, на которой с возможностью поворота вокруг оси 56 поворота установлен кронштейн 54. На нем закреплена полезная нагрузка. Когда консоль 12 поворачивается вокруг горизонтальной оси 30, несущая головка 44 вместе с рычагом 14 вращается вокруг его продольной оси. Это означает, что кронштейн 54 и вместе с ним полезная нагрузка поворачиваются в вертикальной плоскости, когда рычаг 14 образует с консолью 12 угол 90°. Если этот угол между рычагом 14 и консолью 12 отличается от 90°, то кронштейн 54 и вместе с ним полезная нагрузка совершают движение наклона вокруг двух пространственных осей, когда консоль 12 поворачивается вокруг оси 30.
Для компенсации вращательного движения рычага 14 вокруг его продольной оси служит первый шарнирный четырехзвенник с первым звеном 58, которое установлено с возможностью поворота вокруг оси 62 в вилке 60, жестко соединенной с трубой 50 рычага 14. Другой конец звена 58 через универсальный шарнир 64 сочленен с параллельным рычагом 66, установленным в продольном стержне 34 консоли 12 с возможностью продольного перемещения. Параллельный рычаг 66 соединяет звено 58 со вторым звеном 68 шарнирного четырехзвенника, которое через шейку 28 вала жестко соединено с опорной частью 22 и параллельным рычагом 66 с возможностью поворота вокруг оси 70. Шарнирный четырехзвенник включает в себя, следовательно, оси 30, 70, универсальный шарнир 64 и ось вращения трубы 50 в муфте 48. Когда консоль 12 поворачивается относительно опорной части 22, труба 50 за счет этого шарнирного четырехзвенника 68, 66, 58 и вилки 60 вращается вокруг своей продольной оси относительно консоли 12, в результате чего кронштейн 54 сохраняет свою ориентацию в пространстве, если рычаг 14 образует с консолью 12 угол 90° и тем самым расположен горизонтально.
Если же угол отличается от 90°, а рычаг 14 при наклоне консоли 12 не находится в горизонтальной плоскости, то дальнейшее уравновешивающее движение должно происходить за счет второго шарнирного четырехзвенника. Он также включает в себя первое звено 58, с которым с возможностью поворота вокруг оси 74 поворота сочленен проходящий внутри трубы 50 параллельный рычаг 72, который другим своим концом шарнирно вокруг оси 76 соединен с кронштейном 54 (фиг.7). Второй шарнирный четырехзвенник включает в себя тем самым оси 62, 74, 56, 76. Полное уравновешивающее движение для достижения заданного положения полезной нагрузки в пространстве при произвольном движении поворота консоли 12 и рычага 14 включает в себя, следовательно, вращение трубы 50 посредством первого шарнирного четырехзвенника и движение поворота кронштейна 54 за счет продольного перемещения параллельного рычага 72 второго шарнирного четырехзвенника.