CN101287945A - 平衡支撑装置 - Google Patents

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Abstract

一种施力装置,具有一个力施加结构,该结构包括一个作为第一边、可绕着负载枢轴旋转的负载臂,一个连接在负载臂和端点上的弹性部件,弹性部件构成力施加结构的第二边。力施加结构的第三边是由从端点到负载枢轴的直线形成的。一个第一调整机构移动端点来改变力施加结构的第三边长度。一个第二调整机构大体上垂直于第一调整机构方向移动端点,这样端点位置可以穿过一根穿过负载枢轴的大体上铅垂线。可以使用一个力变化装置根据负载臂的运动动态控制弹性部件端点位置。

Description

平衡支撑装置
本申请根据临时申请号为60/672,186的专利申请,并以其要求优先 权,该申请的申请日为2005年4月15日,标题为自动调整平衡支撑装置。
背景技术
本发明通常涉及设备支撑,特别是与电影或摄像机连接使用的便携 设备。
移动电影(mobile film)或视频摄像机一般需要倾斜的和空间的稳定 性以获得流畅的、优质的效果。Steadicam⑧轻便摄像机稳定装置已经成 为电视和电影工业的事实标准,其可以通过操作者实现稳定的移动视频 技术或电影摄影术。发明人的美国专利US4,017,168 (Re.32,213)、 4,156,512和4,474,439都涉及这样的稳定装置。
数十年来,都是使用弹簧驱动的"平衡"平行四边形臂来支撑和定 位有效载荷例如灯、X光机和牙齿设备。这些臂多少都需要依靠摩擦力来 保持设定的角度或位置,因为现有的弹簧几何形状无法在平行四边形连 接的整个倾斜偏移量上提供恰当的或始终如一的升力。可是,Steadicam® 可以给浮动摄影机有效载荷提供近乎无摩擦的支撑以便摄影机不会受到 操作者多余的空间动作的影响,还能使得弹簧结构能几乎完美地使得支 架臂平衡,使得装在万向支架上的摄影机组件的固定重量从平行四边形 偏移量的最低点到最高点移动的过程中都具有几乎相同的正浮力。
用于在平衡臂因素中确定能实现上述功能的恰当的弹簣应变率的公 式为K^P/D,其中K是弹簧应变率,P是负载,而D是举升三角形的高度,其与平行四边形一起运动,并使得平行四边形向上。当上述公式确定比 率的弹簧是用作三角形 一边的时候,它就可以产生适当的力来在整个垂 直运动范围内正确举升特定重量。这个性质叫做"等弹性"。需要注意的是,只要符合上述原则,就可以釆用任何形状的举升结 构,举升结构也可以被广泛采用的"举升三角形"代替。还需要注意的 是三角形或结构侧面不一定意味着侧面是实质结构。可是,为了在平行四边形臂的整个偏移量中连续地举升负载,上述 公式确定的弹簧应变率要求弹簧结构要等于将要作用的对角线的三倍长。本发明人的美国专利US 4,208,028和4,394,075可以通过将弹簧分成串 联的三个弹簧节来解决这个问题,三个弹簧节通过在平行四边形连接端 的滑轮上的钢丝绳连接起着,这就保证了全部弹簧能展开和收缩,但仍 然使得串联的合力能作用在对角线上,如同由一个连续弹簧所产生的一样。实际上,已经发现,当轻型摄影机的支架需要放松弹簧串的时候, 弹簧应变率就与所减少负载不相称,损害了等弹性。结果,臂就会生硬 的"缠住",所需的用于负载的正浮力仅仅在其垂直偏移量的一部分上发 挥作用。而且,这种三个弹簧的技术方案很复杂且昂贵,需要多个滑轮 和坚固的钢丝。本发明人的美国专利US 5,360,196 ( 196专利)介绍了一种臂,被一 个单个高比率弹簧驱动,通过一个差动滑轮和滑车将力作用在一个穿过对角线的钢丝上,这样实际比率就等于根据上述公式的等弹性。该臂通 过升降在平行四杆机构内弹簧钢丝的固定点(因而增加或降低举升三角 形的高度和效率)来以新颖的方式控制臂的举升力,而不会影响要提供 "等弹性"的弹簧应变率。同样的公式K-P/D表示,只要恰当的举升三角 形的高度随着要运送的重量比例增长,就可以保持等弹性的特性。实际上,由于差动滑轮的"齿轮比",在196专利中所要求保护的臂或多或少 会发生摩擦。并且,所实现的等弹性越接近,臂在最高或最低举升位置 的动作就越不稳定。随着平衡支架臂从水平方向的举升或下降角超过50。,其精确的性能就会根据枢轴的负载、扭矩、摩擦力和集合内孔公差的精确变化而增加。本发明人上述专利的系列申请,美国专利US 5,435,515 ( 515专利) 重新使用复杂且昂贵的"三弹簧"方法来实现等弹性,但是要通过可选 择地降低弹簧几何结构的举升效率来设法在偏移量的最高处或最低处实 现预期的性能。这可以通过调整弹簧结束路径的偏移量量来实现的,以 便它是沿着平行四边形内部的一条直线,于垂直方向倾斜升降,以便稍 微减少等弹性的程度。可是,直线的角度是固定的,并且因为只能调整 其横向位移,所以除了降低举升效率,其效果也不适当地增加了,由于弹簧端点降低,从而降低了最需要的举升效率。需要的是一个装置,可以使用单个弹簧,弹簧事实上安装在支架臂 平行四边形的对角线距离之内,并且能产生负载的等弹性平衡。还需要 一个臂,可以有效地、无摩擦地平衡在其整个偏移量内的负载,从平行 四边形的最低位置到最高位置。所有上述Steadicam⑧型臂,特别是那些等弹性低于某负载的臂,必 须要将它们的垂直位移限制在平行四边形偏移量内,没有最大值或最小 值以免在最高或最低角度出现难控制的、不能预料的性能。即使控制等 弹性的程度,当与水平方向上方或下方所成角度接近60。的时候,平行四 边形臂还会意外且用力闭合。臂的特征一般由例如在最高与/和最低偏移 量的"工作"和任意"锁定"的臂来表示。限制"缓冲器",自始就是这些平衡臂的一个特点。弹簧几何结构具 有"等弹性"越大,在偏移量的垂直端点进行举升的臂越不规则。部分原因是悬臂的、装有万向接头的有效载荷所施加的扭矩意外变化造成的, 有效载荷作用在相对于臂平行四边形的多个倾斜位置。结果是在高或低的位置上会产生锁定、或倾斜"超中心(over centers )",有时,各种緩沖 器结构就会被限制在水平上方的45。内移动。这样的平行四边形无法获得 举升的倾斜端点,这样,就减小了臂的举升行程。此外,缓冲器或多或 少的突然"撞击"和进一步提醒操作者当心接近他们都会限制支撑臂的 用途。需要实际控制等弹性的一般水平,以及对举升几何曲线的辅助自 动控制,以便通过在撞击、发出沉闷声或越过中心和锁定之前轻轻除去 臂的动力而在臂偏移量的高低端点提供流畅的、预期动作。申请人在515专利中已经介绍了 "偏移量"的概念,是指固定垂直的 "外侧",以便在臂的整个偏移量中均匀地改变实际比率,并使用一个弹 簧来模拟正确的比率的效果,该弹簧足够短以装配到对角线上(这个概 念已经被推广为"Flyer"臂)。可是,显然Flyer臂在举升的高点存在限制。 还有性能曲线也是不规则的。平行四边形能够封闭几乎土80。,但是由于上述问题,这些角度很难 发挥作用,尽管使用各种缓冲器来克服这些极端的高低位置。还要有 一种方法能调整和改平举升曲线,并在高低端点避免进入"超 中心"和锁定。发明概述本发明涉及用于摄影机稳定装置的平行四边形平衡支架臂。发明的 说明性实施例包括一个张力调整组件,其可以在张力调整组件的端点之 间对几何关系提供两种不同的固定调整和一种自动、最好是偏心调整, 其余结构包括支架臂以便通过一个具有适当尺寸而不是适当"弹簧应变 率"的弹性部件提供一个不变的升力。调整可以包括改变张力调整组件的高度与/和其与结构的侧向关系。自动调整包括根据平行四边形的运动 进一步改变其侧向关系。在本发明的说明性实施例的第一方面, 一个给提供起重力的施力与/ 或升起三角形包括一个长边和一个短边,以可变角度旋转连接起来,还 有一个弹性部件可旋转地构成三角形的另 一个边以便为了均衡有效负载而适当改变角度。该举升三角形的效率可以以两种方式改善:l)通过将 举升三角形的短边旋转到与垂直方向所成的最佳偏角,2)通过根据举升 三角形长边的升降而附加的、动态改变垂直角度。本发明的另一个示范性实施例可以沿着举升三角形的旋转短边的直 线可选才奪地升降弹性部件的端点,以便增加或减少要平衡的载荷。这样, 由于上述1和2调整的综合作用,可旋转短边的长度沿着角度逐渐延长或 缩短。本发明的另 一个说明性实施例是可以根据穿过三角形顶点的铅垂线 来弓形调整短边,以改变弹性部件的实际比率以及举升效率,从而即使 弹性部件具有不当的弹簧应变率,也可以进行连续地举升。本发明的另 一个说明性实施例包括一个弓形调整,其被凸轮或连杆 驱动根据铅垂线动态变化,凸轮或连杆被在三角形顶点旋转的长边直接 或间接驱动。在本发明的一个特定说明性实施例中,附加动态调整的数值通过选 择或多或少以 一个固定点为中心的凸轮盘尺寸和形状或根据举升三角形 的长边进行调整来控制。调整的数值和要发生调整的臂偏移量位置主要 根据凸轮的形状和支点的位置。在本发明的另一个实施例中,附加动态调整的数值是通过一个曲轴 进行控制,曲轴可以在一个点上旋转,该点固定在举升三角形长边上或 可与长边可调整地相连。在本发明的另 一个实施例中,附加动态调整的数值是通过一个可选 择长度的螺丝扣进行控制,螺丝扣可以在一个点上旋转,该点固定在举 升三角形长边上或可与长边可调整地相连。在本发明的另 一个实施例中,用分隔挤压件来形成平行四边形连杆 和端块,以用尽可能轻的重量提供最大抗扭刚度。在本发明的另一个实施例中,在枢轴上使用了一个新型的螺丝扣结 构,它比传统的螺丝扣更紧凑,调整钮远离枢轴之间的直线,因此在本 发明的实施例中使用的时候就不会阻挡端块。本发明的实施例可以主动地调整相对于平行四边形位置弹簧偏置,因此可以在整个范围内实现有选择的举升。因此,在大约土70。范围内的 最简单的緩冲器就足以限制和控制这些最极端的偏移量。上述臂将范围 限制在55。以避免这个问题,这就会引起举升偏移量的严重减少,并由此 减少了臂模仿人臂(这些臂紧靠着人臂工作)的整个举升过程,以减轻 操作者操作设备的重量。在一个说明性实施例中,弹簧偏置式的主动调整是由一个曲柄旋转 轴完成的,曲柄旋转轴与平行四边形的横向连杆大致成一直线,并位于 相邻枢轴的外侧;和一个可在轴上旋转的曲柄臂,朝着和远离平行四边 形内部摇动支撑轴,但是通常这种运动是位于在相邻两端枢轴之间的垂 直线外侧,因此弹性部件的举升效率是根据平行四边形臂的瞬间角度从 低到高动态变化的。曲柄可以是一个螺丝扣,提供组合的等弹性和举升曲线调整,同时 调整弹簧端部偏移量和凸轮用于举升力"主动曲线"的积极效果,因此 在大角度(这时锁定臂)时它不是过度的,在小角度时(同样的会使其 "超中心"并进入锁定状态)它不是不足的。本发明的实施例涉及一种与平行四边形支架臂连接工作的举升三角 形,其包括一个大体垂直的较短边、 一个较长边和另一个由一个柔软的、 弹性部件构成的边,其展开或收缩就可旋转地将边的顶角(以及平行四 边形)从最大的钝角,向上经过直角而变为最小的锐角。举升三角形的长边可以与平行四边形的一个长边靠近或并行。 短边的角度最好在平行四边形(根据穿过三角形顶点的 一根铅垂线) 的相邻的、大致垂直的腿形成的角度内变化,因此即使弹性部件所选定的比率不符合等弹性的公式K = P/D,等弹性的程度基本上是可以接受的。 随着平行四边形臂被弹性部件压动,"短"腿与垂直方向所成的角度 可以通过凸轮、曲轴连杆等等来额外、主动地控制。动态控制改变了弹 性部件端点的位置,因此与没有动态控制时对应的角度相比,随着举升 三角形接近其最开放和最闭合状态,短腿和长腿所对应的角度也减小了 。 弹性部件实际端点的动态偏移量的效果是主动改变了弹性部件实际弹簧 应变率,因此当接近平行四边形偏移量的无法使用的端点的时候,就可 以提供始终如 一 的举升能力。而且,凸轮或曲轴连杆的循环动作是可选择的固定尺寸,因此弹簧 端点偏移量的动态调整的曲线基本上是与所设定的等弹性的 一般水平同 时的。与上述改变等弹性的方法相反,为了提供更硬或更软的"拱形 (ride )",本发明实施例的动态装置就需要在接近举升三角形的最高或最 低位置的时候,额外放大举升的增减。实际上,当举升三角形与平行四 边形支架臂连杆一起使用的时候,凸轮的实际中心或曲轴旋转位置最好 是由上4i杆形成并驱动,因为其角度在臂的整个偏移量上都平行于举升 三角形的"长"腿。在本发明的 一个较佳实施例中,凸轮或曲柄的作用可以用偏移量程 度与臂偏移量角度之比作图表示(与水平方向成±70°),通常为抛物线。本发明的实施例提供一种用于摄影机稳定装置的、可调整的、等弹 性的支架臂,其可以使用没有恰当的比率的弹簧(举升三角形的内外偏 移量)。本发明的实施例还提供一种用于摄影机稳定装置的、可调整的、等 弹性的支架臂,其可以主动地改变支架臂建立等弹性的曲线,而基本不 需根据摄影机的不同重量进行调整。本发明的实施例提供在上述两段中所介绍的特征,包括一个用于摄 影机稳定装置的支撑臂,其包括一个平行四杆机构,被一个单独的、可 伸长和收缩的弹性部件向上压动,弹性部件一端沿着一个最好安装在枢 轴上的曲杆可选择的升降,枢轴最好与平行四边形的枢轴共轴。弹性部 件端部路径可以被一个凸轮、曲轴连杆等等额外的、固定和动态地、精 确调整,这样弹性部件连接点就可以相对于一个垂直平行四边形的边向 内和向外摇动,以便动态地改变弹性装置的有效升力。非常规的凸轮形 状也落入本发明的范围内,以便更多地形成举升曲线来产生臂的恰当的 性能。附图说明为了更详细地介绍根据本发明的支撑臂的实施例,下面将进行详细说明,参照下列附图:图la - b表示了现有的带有三弹簧臂节的支架。图2表示现有技术中带有可调弹簧端点的三弹簧臂的结构。图3是根据本发明 一个说明性实施例的施力装置的示意图。图4表示了根据现有技术在平行四边形支架连杆内部所使用的举升三角形ABC。图5表示了根据本发明 一个说明性实施例的弹簧端点高度和与垂直方向偏离的调整DY和DX。图6表示了根据本发明的一个说明性实施例,使用 一个带有偏移量中 心和凸轮随动件的凸轮根据平行四边形的运动动态改变DX。图7表示根据本发明的一个说明性实施例,多了DX变量的图6中的凸轮。图8a-b表示了根据本发明一个说明性实施例的曲柄连杆(带有枢轴 偏移量),其可以根据平行四边形的运动产生凸轮盘动态改变DX的效果 (还与DY的高度成比例)。图9表示根据本发明一个说明性实施例、 一个用于固定曲轴的可调整 的螺丝扣。图10a - b是图9中说明性实施例的机构的部分轴测图。图1 ]是本发明的 一 个说明性实施例的单个完整臂节的分解等比例的装配图。图12是根据本发明的一个说明性实施例的一个臂节的剖面侧视图, 表示用于将臂安装到操作者左侧,摄影机(或第二臂节)安装在右侧的 垂直枢轴附件。图13是一 个根据本发明的 一个说明性实施例的支架臂的立体侧视图。图14a-c表示了根据本发明的一个说明性实施例,形成平行四边形支 架臂连杆的分隔挤压件。图15a-b表示了根据本发明的一个说明性实施例,形成平行四边形支 架臂端块的分隔挤压件。图16表示了在乂人20。到160°的平行四边形运动的角度O对应的DX的 值(在DY三个值),以及根据本发明的一个说明性实施例的DX移动的图标。
图17表示了 一种图解法的结果,假定对于DX来说曲柄连杆长度和曲 柄偏移量、D、 S、 Sl、 H和P已经确定了,表示了根据本发明的一个说明 性实施例所使用的公式。
优选实施例的详细介绍
图1A和2表示了 一种现有的支架装置,发明人原来是要用于获得稳定 电影和一见频图像,其用商标"Steadicam®"进行销售。如图所示,该装 置使用的支架臂包括一对平行上臂连杆102、 104,它们的一端可旋转地 连接到一个连接器铰链托架106上。上臂连杆102、 104的另一端可旋转地 连接到一个上臂中间铰链托架108上。第二对平行前臂连杆IIO、 112可旋 转地连接在一个前臂中间支架114和一个摄影机承托架116之间。在摄影 机承托架116上有一个摄影机安装销117。
上臂中间支架108和前臂中间支架14被一个铰链118沿着一边连接在 一起。连接器铰链托架106中心可旋转地连接到一个下部支架铰合板120 的一端。下部支架4交合板120的另一端通过一个销123,可^^转地连接在 一个固定支撑块122。销123穿过弹簧121,弹簧121沿着顺时针方向压动 下部支架铰合板120。
拉簧124的一端连接到上臂连杆102的一端,上臂连杆102可旋转地连 接到上臂中间铰链托架108上。拉簧124的另一端通过一节钢丝128连接到 拉簧26的一端,钢丝128跨过并缠绕在滑轮130上,滑一仑130可旋转地连接 到上臂连杆102。拉簧126的另一端通过一节钢丝134连接到拉簧132的一 端,钢丝134^争过并缠绕在滑轮136上,滑轮136可旋转地连接到上臂连杆104。拉簧132的另一端连接到上臂连杆104靠近连接器铰链托架106的一端。
类似地,拉簧138的一端连接到前臂连杆110靠近摄影机安装架116的 一端。拉簧138的另一端通过一节钢丝142连接到拉簧140的一端,钢丝142 跨过并缠绕在滑轮144上,滑轮144可旋转地连接到前臂连杆110上。拉簧 140的另 一端通过钢丝148连接到拉簧146的一端,钢丝1483,过并缠绕在 滑轮150上,滑轮150可旋转地连接到前臂连杆112上。拉簧146的另一端 连接到前臂连杆112靠近前臂中间铰链托架114的一端。
由于拉簧124、 126、 132、和138、 140、 146所施加的向上力抵消了 重力,所以重量,例如承托架116所支撑的摄影机,作为一个在空间中超 过重力的对象。除非发生其它变化,否则重量就会沿着直线移动,并且 保持相同角度。结果,上臂连杆102、 104大致相当于使用者的上臂,前 臂连杆110、 112大致相当于使用者的前臂,按照它们的三维几何结构, 支架臂高于、低于或等于两边。
图3介绍了发明人的更多现有技术。它表示了 一个用于实现所需调整 的张力调整组件270。因此,表示了一连串的八个耳轴271、 272,它们形 成支架臂节(为了清除就没有表示)的平行四边形结构的承载位置。第 一弹簧节273的一端固定连接到臂节274的下拉杆上。第一个弹簧节273的 另一端通过滑轮275与第二弹簧节276串联。第二弹簧节276通过一个导轮 277与一个第三弹簧节278串联。第三弹簧节278终止在构成原点的承载块 280处。
承载块280容纳了一个销281,销通过一个柱282与承载块280连接。 偏心销281最好偏离直线283 (例如5°),直线垂直地平分了连接最左边耳 轴271的平面。承载块280被一个导螺杆284沿着偏心销281 (上下地)驱 动。 一个调整旋钮185用于旋转导螺杆284,并由此线性地改变张力调整组件的原点的有效高度。还提供了一个调整旋钮286,用于旋转一个蜗杆 287。蜗杆用来旋转一个螺旋齿轮288,其又旋转偏心销181。这就横向移 动了承载块280所形成的路径,可以适当地改变(移动)原点。
本发明的实施例可以平衡非常倾斜并且比以前角度更小的负载。在 图20所示的一个说明性实施例中,这是通过提供一个施力装置300来实现 的,该装置有一个负载臂302,负载臂可绕着一个负载枢轴312旋转,并 构成施力结构328的第一边。虽然在这里使用的术语是"三角形",但是 施力结构的实际形状可以不是一个真正的三角形,例如因为有从三角形 中伸出的连接元件、各种连接点或额外的结构边。 一个具有第一端316和 第二端332的弹性部件314,第一端316连接在负载臂上,第二端332连接 在端点318,端点从负载枢轴312处移动,并构成施力三角形的第二边。 施力三角形320的第三边从端点318伸向负载枢轴312。在本发明的这个实 施例中,端点可以在多于一个方向上调整。在本发明的另一个实施例中, 一个第一调整^U勾移动端点318来改变施力三角形328的第三边320的长 度。第二调整机构沿着与第一调整机构所不同的方向移动端点。在本发 明的一个说明性实施例中,第二调整方向大体上垂直于第一调整方向。 这二个调整机构的例子在图5和7中用Dx和Dy表示,虽然它们不必如"x" 和"y"那样垂直。这二个调整机构最好使得端点318的位置穿过一个大 体铅垂线322,当负载臂302绕着负载枢轴312旋转的时候,铅垂线穿过负 载枢轴312。与现有技术中端点没有穿过铅垂线的机构相比,这就在负载 臂的整个旋转偏移量中改变了平衡曲线。需要注意的是,也可以采用单 个调整机构来完成二个分开调整机构的功能。另外,可以使用一个第三 调整机构来将端点移动到另 一个调整机构的运动平面的外面。可以用螺丝扣或其他的螺紋调整机构来制造上述调整;f几构中的至少 一个。其他的调整机构也落入本发明的原则和范围中。调整量可以是离 散值,也可以是一个连续的范围。
另 一个说明性实施例通过一个力变化装置304提供额外的平衡能力, 力变化装置功能性地连接到第三边320上来使得端点318根据负载臂302 绕着负载枢轴312的运动而动态运动。力变化装置可以是,例如曲轴或凸 轮。力变化装置使得施力三角形320的第三边随着负载臂302移动而朝着 和远离铅垂线322移动。端点318的移动量,以及在负载臂320中是如何偏 移的,都是通过凸轮的形状和中心点的位置控制的。端点的这种运动使 得它能与现有技术相比位置不同,并且使得弹性部件314的长度和所产生 的力的分布不同,在现有技术中端318的位置不是动态变化的。力变化装 置产生的这些变化使得本发明的支架臂与现有技术的臂相比,在臂的极 端偏移量位置以更好的方式工作。可以在更倾斜且角度更小的情况下平 衡负载。
需要注意的是,所述的彼此"相连"的部分包括直接连接和间接连 接,例如可以使用一个或多个连接部分。
当负载臂302在偏移量范围内摇动,例如向上或向下的时候,弹性部 件314展开或收缩,从而在特定比率下改变其所施加的力。这个比率可以 通过力变化装置在沿着负载臂302偏移量的特定点而变化。力变化装置最 好能降低在偏移量极端处即朝着或近乎正负90。处的变化率,从而通过减 少锁定、摇摆等来消除。在本发明的一个优选实施例中,力变化装置引 起端点的偏心运动,例如可以通过利用不规则形状的凸轮。
施力装置可以包括一个可旋转的平行四边形结构,其中负载臂302 是平行四边形的一个边。二个这样的平行四边形可旋转地连接在一起形成可弯曲的或可旋转的施力装置。施力装置的非平行四边形结构也可以 连接在一起。
施力装置可以还有一个连接机构,将负载臂302连接到一个活动托架 上,以便作为便携装置使用。
固定调整机构可能是电机驱动的,且可以是电脑控制的。计算机控 制系统可以包括程序,根据检测的输入控制一个或多个调整机构。 一个 或多个调整机构可以通过一个远离臂的元件,例如一个脚^"板,进行人 工控制。
第 一和第二调整机构可以是电脑控制的。
本发明还包括对对象施力的方法。提供一种如这里所述的施力装置。 调整端点来改变施力三角形的第三边的长度,以改变施力三角形的举升 力。端点还可以在基本上垂直于第一调整方向上进行进一步调整,以使 负载臂围绕负载枢轴旋转。端点位置可以穿过一个穿过负载枢轴的大体 上铅垂线,以在负载臂的可旋转偏移量的至少一部分上改变平衡曲线。 在本发明的一个特定实施例中,方法还包括调整端点,这样第一和第二 调整机构是成比例的。在本发明的另一个实施例中,方法还包括根据负 载臂绕着负载枢轴的运动来动态移动端点。
在本发明的另 一个说明性实施例中,施力装置有一个动态端点调整 机构,但不一定是初始的调定点调整机构,因为在某些情况下,这不是 必须的。例如,当施力装置用于具有恒定载荷的特定产品且不会有附加 负载的时候,初始的调定点可以是在工厂设定的,没有必要进行调整。 当然, 一个或多个附加的调定点调整机构仍然是可以的,并且在本发明 的范围内。通常,力变化装置可以根据负载臂的运动调整弹性部件端点 相对于穿过负载枢轴的大体上铅垂线的位置,并因此改变弹性部件所施 加的力。动态调整^^几构如上所述可以偏心的。有二个初始的端点调整机构的实施例的其它特征可以用于动态调整机构上,不管是否使用初始的 调定点调整机构。
图4表示了在平行四边形支架连杆内部所使用的举升三角形ABC的 两个位置。弹性部件403构成了施力三角形的一个边,施力三角形在这儿 显示为举升三角形ABC。在这儿表示的弹性部件403是一个拉簧。在这个 说明中,边401与固定边405连续的两个位置上,弹簧固定点419位于在A 点和枢轴426之间的直线上。为了完全抵消在所示平行四边形402、 404、 405、 406的潜在偏移量过程中的重量,张力调整组件需要公式K-P/Dy (其中K二弹簧应变率,P二负载,Dy二边401的高度)所限定的弹簧应 变率。如果弹簧应变率过高且边401的值过低,则拉簧仅仅适合在如图所 示的可用的对角线距离BC上,(例如:如果P二40磅,弹簧应变率为160 磅/英寸,则如果边401长度为0.25",则弹簧应变率完全抵消了P)。如果 边401的长度增加,则P的数值必须增加,以与三角形ABC的举升力保持 平衡。
图5表示了 一个调整弹簧端点高度和边505偏离的示范性机构,还表 示了 一种使用张力调整组件平衡负载P的新方法,张力调整组件的比率不 符合上述公式K^P/Dy,但是也很有用。例如,张力调整组件可以特别适 合于平行四边形的对角线间隔,而没有要求的高弹簧应变率和低纵横比。 如果弹簧503的端点519在边502、 504、 505和506构成的平行四边形的相 邻边505外面移动,则随着平行四边形从显示的水平位置上下移动,举升 力通常效率很低,在现有技术中可以提供一个平衡的近似值。本发明的 实施例介绍了 一个机构可调整地改变此偏移量,并保持与举升三角形的 变化高度成比例。潜在弹簧端点的路径518被Dx导螺杆514驱动从直线521 倾斜移动,直线521是边505的延长线,导螺杆514由旋钮516控制并在转 折点A精确旋转边501 (路径518),因此相对于边505偏移量弹簧端点519,边505在这里表示的是垂直的。另夕卜,Dy调整钮515旋转导螺杆513来沿着 弹簧端点路径518升降弹簧端点519,以便增减三角形ABC的举升力。
图6表示了本发明的一个说明性实施例,其使用通常的凸轮盘622和 凸轮随动件623来进一步补偿举升三角形的力,这样,它可以更好地平衡 在全部角度O的负载。为了实现这个目的,凸轮622被固定在连杆边606 上,它的中心617偏离固定点,凸轮随动件623被固定到块611上。块611 被固定到承载轴609上,承载轴通过导螺杆613可调整地固定到弹簣托架 612上,可以随着块610绕着点A旋转,以便根据平行四边形的偏移量动态 地改变瞬间的Dx偏移量624 (与弹簧端点619的成比例)。(在619和点A之 间的直线确定了举升三角形的边601,其还是Dy距离。)凸轮随动件623 才艮据平行四边形(边602、 604、 605、 606)的偏移量进行的循环运动从 20°到160°,提供了一系列的Dx偏移量,如果沿着这些角度绘图,则这些 偏移量通常是抛物线。(为了图解和公式介绍本发明的该实施例,参见图 16和图17)。在平行四边形枢轴626和凸轮中心617之间的距离越大,凸轮 的总半径越小,抛物线越陡峭,因此随着平行四边形接近角度O的最高和 最低位置,凸轮在Dx偏移量624上的作用越剧烈,角度O在20。到70。之间 变化,这种作用相对于可以预见地平衡负载P来说至今无法控制。需要注 意的是虽然附图中的臂上方具有弹性部件,但是全部装置也可以颠倒。
图7表示了本发明的另 一个实施例,将用于Dx的变量增加到凸轮622 上(最好与Dy高度成比例)。Dx调整钮716旋转Dx导螺杆714,以便根据 承载轴609可调整地定位凸轮随动件623,并因此设定弹簧端点619的偏移 量值624,其在角度①的平行四边形的边606的偏移量所驱动的凸轮622作 用下还可以随时增减。本发明的实施例将臂的动作控制在最高处/最低处(例如±70。)以便可以通过简单的缩短曲柄长度来解决倾斜超中心和锁定的常见问题。这同时减少了偏移量而增加了当臂接近士70。的时候凸轮减少Dx的效果。
图8a表示本发明的另一个说明性实施例,其中, 一个带有曲柄销枢 轴817的曲柄连杆825代替了图6和7中的凸轮,曲柄销枢轴在连杆806的延 长线上固定偏移量,与连杆枢轴826距离20。平行四边形连杆806绕着枢 轴826在角度①的最高值和最低值之间的运动就使得曲柄枢轴817移动通 过弓式^?各径828,因此通过外侧曲柄枢轴823起作用的曲柄825就移动块 811,产生类似于图6和7的凸轮盘和随动件的效果,并根据平行四边形的 偏移量相对于821动态地改变弹簧端点819的Dx偏移量。与凸轮结构类似, 曲柄连杆的运动可以是偏心的。需要注意的是,同样地弓形绕着转折点A, 并与边801的高度(Dy)成比例。在图示的优选实施例中,需要注意的是 弹簧端点路径818没有穿过点A。弹簧结束路径818在交叉点827穿过直线 821。这使得,随着Dy的距离l被导螺杆813减少,在Dy成为O之前,名义 上的Dx值就变成负值,在该点,选择的弹簧应变率可以根据上述公式(K =P/Dy)平衡了一个减少的负载P。弹簧应变率越高,偏移量朝着铅垂线 的"外面"改变的就越多,铅垂线近似平行四杆机构的大体上垂直腿。
图8b表示了图8的说明性实施例的一个细节,在上部轴承座811中的 外加螺母829纵向地固定导螺杆813,这样它就可以控制托架812和封闭式 轴承沿着导螺杆813的位置。随着连杆806的位置在角度0)的最小值和最大 值之间移动,Dx偏移量距离824可以被枢轴817绕着枢轴826的圓形偏移量 通路828随时地改变,并主动导致曲柄825可旋转地改变轴809绕着点A旋 转的承载轴809的角度。最后偏移量824的瞬间的变化仍然与边1的可调整 地固定高度(Dy)成比例。图9表示了本发明的一个实施例,其中图8a-b中的曲柄被一个可变长 度的螺丝扣组件代替。缩短螺丝扣932有双重效果:它减少Dx值,同时使 得包括螺丝扣932的曲柄连杆的凸轮效果在角度(D的平行四边形的角位移 的最高处和最低处更明显。在本发明的另一个实施例中,相对于连杆906 的中心线固定地升降螺丝扣连杆枢轴917就会在枢轴917和连杆906的中 心线之间产生偏移量距离933,当角度①增加和减少的时候,它们分別使 得"凸轮"效果更明显或更不明显。例如,当角度O减小的时候,降低枢 轴917会产生负的偏移量距离933,从而降低"凸轮效果",反之亦然。曲 柄连杆925的长度931控制偏移量Dx ( w/相对于直线921 )。 增加长度使得 举升三角形更倾斜,而缩短长度使得其更少倾斜。需要注意的是,其他 的螺紋调整机构也落入本发明的原则和范围中。
图10a是图9的优选实施例的机构的部分轴测图,表示了构成平行四 边形枢轴位置的耳轴螺杆34的空间位置。具有端部35和相连部件的弹簧3 在托架12的枢轴19处终止,托架根据导螺杆13的调整被旋钮15驱动直线 承载轴9上下浮动。螺丝扣组件32被旋钮16展开或收缩,旋钮驱动枢轴17 和23合并或分离,并完成图9所示功能,旋转下部承载块10并根据平行四 边形连杆6(未显示)的偏移量精确调整点19,并与托架12的高度成比例。 需要注意的是,在枢轴上使用的螺丝扣组件32,它比传统的螺丝扣更紧 凑,调整钮16远离枢轴17和23之间的直线,因此在本发明的实施例中使 用的时候就不会阻挡端块(未显示)。
图10b是图10a的机构的轴测图的另 一个角度,表示了使用 一个从轴 36伸到弹簧连杆37的套环弹簧3,其可旋转地连接到包含直线轴承9a的托 架12上。该视图更清除地表示了构成线性承载轴9的上部连接的上部轴承 座ll ,并表示了用于螺丝扣组件32的枢轴17的近似中心线47。图ll是本发明的优选实施例的单个臂节机构的分解等比例装配图,
表示了Dx/Dy控制和动态地移动组件的部件。端块58可旋转地连接到连杆 52a和56a上。连杆56a连接与螺丝扣60啮合的枢轴54。底部轴承座62与承 载轴59啮合。托架64封闭了轴承59a,并被导螺杆66沿着轴59驱动,导螺 杆66一皮外加螺母70纵向地安装在上部轴承座68内部,并^皮旋钮72旋转。 端块57完成一个平^f于四边形。
图12是本发明一个优选实施例的单个臂节的剖面侧视图,表示了用 于将臂节安装到一个承载体上的枢轴位置,以及如果臂在所示姿态使用, 经由端块80和82的有效载荷,如果臂是相同结构颠倒使用,则经由端块 82和80的有效载荷。需要注意的是,可以使用第二臂节,根据需要通过 一个铰链(没有显示)安装在一个端块和支架本体或者摄影机(两者都 没有显示)之间。(参见图15)
图13是本发明的一个优选实施例的二节支架臂的立体侧视图。支架 本体(未显示)安装部件98可旋转地连接在"上部"臂节90上,臂节90 通过铰链92可旋转地连接到"前臂"节94上,"前臂"节94用柱96连接到 有效载荷(例如一个摄影机)上。需要注意的是,如果臂是颠倒的,则 柱94和本体安装部件98可以简单地互换,并且臂适当地提高。
图14a-c表示了一个分隔挤压件构成的平行四边形支架臂连杆的三个 视图,以提供一个轻型、扭转刚性构件。图14a是一个透视图,表示了立 体外表面,但是在表面上可以有开口。图14c表示挤压腔的侧视图,在这 个实施例中挤压腔的截面大致为三角形,并且操纵如图14b的轴测图所示 的平行四边形连杆的长度。
图15a-b表示了根据本发明的一个说明性实施例,分隔挤压件形成平 行四边形端块的;f见图。图15b显示了具有分隔空隙20的端块的顶视图,提供轻量和扭转强度。图15a的轴测图表示形成优选实施例的一个端块的挤 压件,但是没有显示任何空隙20。
图16表示了与平行四边形运动角度O的范围,从20。到160。的Dx值 (在三个Dy^f直),并画出当Dx被图8和9的支架臂的曲柄连杆变化的时候 Dx行程的抛物线属性。
所需的施力装置规格至少部分地取决于所使用的材料和部件以及要 支撑的载荷。这些参数必须与各种规格匹配,例如凸轮形状、曲柄轴偏 移量。曲柄长度、弹簧应变率和用于最佳平衡运动的断裂长度。
图17表示图解法的结果,并显示所使用的公式。
如上所述的抛物线函数产生规则的举升。曲柄有效地施加反向抛物
线函数以直线化它。因此,如果选择零偏移量,则"拱形(ride)"将会
很硬且没有等弹性。(在士70。没有偏移量的时候,必须举升10磅或按下8
磅)。通过恰当偏移量和"海湾(geo)"曲线,仅在两端需要少量单个高 比率弹簧,弹簧适合举升三角形的对角线。
如果选才奪名义上地恰当的偏移量位置但是没有"凸轮"效果,拱形 就会比较柔软,但是随着名义上的Dx增加,在顶点臂举升力过大,在范 围的底部臂举升力不足,臂在顶点和底部就会超中心推动。这时,举升 曲线就产生中心之上的一个点,这样,臂就可以跳至"弹簧水平,,点, 并未随后的向上30度迟滞,然后朝着锁定加速;
根据本发明的说明性实施例,臂的举升可以减少为零,通过电机驱 动Dy导螺杆甚至可以为负值(按下),以便例如在没有操作者的情况下 使用超声传感器来提供向下压力。Dx导螺杆(或螺丝扣)还可以是电机 驱动的。Dy和Dx可以被手动装置(例如一个脚踏板)或根据外部刺激 通过计算机动态控制,外部刺激包括"感觉"到相关的手、或屏幕参数, 屏幕参数例如在超声显示屏上的图像。每个Dy和Dx可以是控制为离散值或连续值。
虽然已经通过说明性实施例描述了本发明,但是对于本领域技术人 员来说可以想到另外的优点和改进。因此,本发明的更宽范围并不限于 所示和所述的细节。在不背离本发明的原理和范围的情况下,可以作出 变形,例如对材料、特定部件和布局进行改进。因此,本发明并不限于 具体的说明性实施例,而应该认为是随后权利要求和它们等同物的全部 原理和范围。

Claims (38)

1、一种施力装置包括: 一个负载臂,可绕着负载枢轴旋转,并形成施力结构的第一边; 一个弹性部件,具有连接在负载臂上的第一端,连接在从负载枢轴移出的端点上的第二端,并且构成施力结构的第二边; 施力结构的第三边从端点伸到负载枢轴上; 一个第一调整机构,用来移动端点来改变施力结构的第三边的长度; 一个第二调整机构,沿着与第一调整机构运动方向不同的方向移动端点,其中,两个调整机构的组合使得端点位置位于穿过负载枢轴的铅垂线两侧。
2、 如权利要求l所述的施力装置,包括一个螺紋调整机构来产生至 少一个调整机构。
3、 如权利要求l所述的施力装置,还包括一个力变化装置,功能性 连接到第三边,使得端点根据负载臂绕着负载枢轴的运动而动态运动。
4、 如权利要求3所述的施力装置,其中力变化装置是一个曲轴。
5、 如权利要求3所述的施力装置,其中力变化装置是一个凸轮。
6、 如权利要求3所述的施力装置,其中力变化装置引起偏心运动。
7、 如权利要求l所述的施力装置,其中还包括一个可旋转的平行四 边形结构,其中负载臂是平行四边形的一个边。
8、 如权利要求l所述的施力装置,其中包括一个连接机构,将负载臂连接到一个活动托架上,以便作为便携装置使用。
9、 如权利要求8所述的施力装置,其中还包括连接在负载臂上的活 动托架。
10、 如权利要求l所述的施力装置,其中一个或多个调整机构是电机 驱动的。
11、 如权利要求l所述的施力装置,其中一个或多个调整机构是电脑 控制的。
12、 如权利要求ll所述的施力装置,其中还包括计算机程序,用于 根据检测到的输入来控制 一个或多个调整机构。
13、 如权利要求l所述的施力装置,其中一个或多个调整机构被一个 从臂移出的元件手动控制的。
14、如权利要求13所述的施力装置,其中控制元件是脚踏板。
15、如权利要求l所述的施力装置,其中第一和第二调整机构是成比例的。
16、 如权利要求l所述的施力装置,其中还包括一个第二施力装置, 可旋转地连接到第 一施力装置上。
17、 如权利要求l所述的施力装置,其中施力结构至少一边是分隔的。
18、 给设备施加力的方法,包括: 提供一个施力装置,其具有:一个负载臂,可绕着负载枢轴旋转,并形成施力结构的第一边;一个弹性部件,其具有连接在负载臂上的第一端,连接在从负载枢轴移出的端点上的第二端,构成施力结构的第二边; 施力结构的第三边从端点伸到负载枢轴上; 调整端点来改变施力结构的第三边,来改变施力结构举升力; 沿着与第一个调整机构运动方向不同的方向调整端点,其中,两个调整机构的组合使得端点位置位于铅垂线两侧,至少在负载臂的 一部分的旋转偏移量上改变平衡曲线。
19、 如权利要求18所述的方法,还包括: 调整端点以便第 一和第二调整机构成比例。
20、 如权利要求18所述的方法,还包括根据负载臂围绕负载枢轴的 运动动态i也移动端点。
21、 一种施力装置,包括: 一个可绕着负载枢轴旋转的负载臂;一个弹性部件,具有连接到负载臂上的第一端,在端点连接到力变化装置上的第二端;其中力变化装置根据负载臂的运动相对于穿过负载枢轴的大体上铅 垂线来调整弹性部件端点位置,从而改变弹性部件施加的力。
22、 如权利要求21所述的施力装置,其中力变化装置引起偏心运动。
23、 如权利要求21所述的施力装置,其中还包括一个或多个附加调 整装置,初始设定端点。
24、 如权利要求23所述的施力装置,具有第一初始的调定点调整装 置,在第一方向调整端点,第二初始的调定点调整装置,在不同于第一 方向的第二方向调整端点。
25、 如权利要求23所述的施力装置,其中至少一个调定点调整机构 是螺紋调整机构。
26、 如权利要求2】所述的施力装置,其中力变化装置是一个曲柄连杆。
27、 如权利要求21所述的施力装置,其中力变化装置是一个凸轮。
28、 如权利要求21所述的施力装置,其中还包括一个可旋转的平行 四边形结构,其中负载臂是平行四边形的一个边。
29、 如权利要求21所述的施力装置,还包括一个连接机构,用于将负载臂连接到活动托架上以便作为便携装置使用。
30、 如权利要求29所述的施力装置,还包括连接在负载臂上的活动 托架。
31、 如权利要求21所述的施力装置,其中一个或多个调整机构是电 才几驱动的。
32、 如权利要求21所述的施力装置,其中一个或多个初始的调定点 调整机构是电脑控制的。
33、 如权利要求21所述的施力装置,其中一个或多个初始的调定点 调整机构被一个从臂移出的元件手动控制的。
34、 如权利要求33所述的施力装置,其中控制元件是一个脚踏板。
35、 如权利要求24所述的施力装置,其中第一和第二调整机构是成 比例的。
36、 如权利要求20所述的施力装置,其中力施加结构至少一边是分 隔的。
37、 一个支架臂,包括:一个具有第一端和第二端的第一平行四边形连杆机构,第一端在第 一枢轴处连接到第 一端块上,第二端在第二枢轴处连接到第二端块;一个具有第一端和第二端的第二平行四边形连杆机构,第一端在第三枢轴处连接到第一端块上,第二端在第四枢轴处连接到第二端块;一个弹性部件,在第一端可旋转地连接到一个承载轴上,承载轴位于上部轴承座和底部轴承座之间,两个轴承座可移动地连接在第一端块,弹性部件可沿着与承载轴一致的端点路径调整,弹性部件具有一个第二端,在第四枢轴处连接到第二端块,从而相对于第二平行四边形连杆机构的第 一端偏移第 一平行四边形连杆机构的第 一端;其中弹性部件端点路径相对于一个大体上垂直线的角度至少部分可以被一个力变化装置调整;并且其中力变化装置使得弹性部件端点路径可以根据平行四边形连杆机构的运动动态调整。
38、如权利要求37所述的装置,其中端点路径穿过垂直线。
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