CN104149100B - 一种支撑臂关节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支撑臂关节装置，利用以直角△ABC两股和 函数式所建构的拉索张力系统调节机构为基础，能够依据支撑对象的重量和支撑臂的转动角度位置，分别对拉索张力系统进行静态和动态调节，使支撑臂在低于水平面高度的垂直空间中，垂直向下转动时，金属弹簧的拉伸长度递减，因此能在有限的结构空间里，利用金属弹簧，建构功能完整、容易调整、容易组装的关节装置。

Description

一种支撑臂关节装置

技术领域

本发明涉及一种能垂直转动的支撑臂关节装置，特别是涉及一种能够依据被支撑对象的重量和关节装置前臂部的垂直转动位置，分别对支撑臂张力系统进行静态和动态调节的关节装置。

背景技术

支撑臂是常见的机械设施，具有关节结构，能调整被支撑对象的位置，在人体工学领域，提供便利性、舒适性、节约空间、提高工作效率。支撑臂应用甚广，例如显示器、液晶电视、医用无影灯，都经常配备支撑臂。由于显示器、液晶电视，经常出现在家居、办公室等与生活密切相关的环境中，选用支撑臂时，除了功能性以外，价格和美观，也是重要的考虑因素。

传统的显示器和液晶电视支撑臂，比较多的是只提供水平位置移动，例如美国专利文献US 7028961 B1、US 7513469 B1。

能提供高低位置垂直移动的支撑臂，就比较复杂。究其原因，能提供高低位置垂直移动的支撑臂，会受到地心引力产生的力矩作用的影响，而被支撑对象的重量又比较重时，这种地心引力产生的影响，会更显突出。

支撑臂停留在水平位置时，地心引力对支撑臂产生的力矩最大，此时支撑臂应有足够的支撑力，以抵抗地心引力产生的力矩，使支撑臂能静止而不下垂。但是传统被动式支撑臂，利用拉伸弹簧和拉索组成的张力系统提供支撑张力，其张力系统的张力与拉伸弹簧被拉伸的长度成正比关系，但是这种正比关系，与地心引力对支撑臂产生的力矩变化关系，有时是背道而驰的。例如，当支撑臂位置低于水平面位置时，地心引力对支撑臂产生的力矩减小，拉伸弹簧被拉伸的长度却反而增加。这种背道而驰的变化关系，在设计上造成许多困扰，使利用传统金属弹簧提供支撑力的支撑臂变得复杂，或必须改用价格比较高，又容易磨损的空气弹簧又称气压棒(gasspring)。

在此支撑臂技术领域，被提出的技术解决方案也非常多，例如：美国专利文献US 5826846，虽然采用了许多机械结构对策，其上下俯仰角度，也只有正负各15度；US 6012693，则是将机构分为抬举和悬吊两个模式，但是使用时不能兼顾；US 7252277 B2，则是强调使用普通金属弹簧，取代价高易磨损的空气弹簧，并利用弹簧力作用于凸轮面上产生的分力，达到不同位置需要不同支撑力的效果。

上述专利文献显示，支撑臂是一个不易处理的问题，各种解决方案，都无法根本克服地心引力对支撑对象变换位置时造成的动态影响。

发明内容

本发明的目的，是针对传统被动式支撑臂的缺点，提出一种解决方案。由于本发明根据的原理，在特定的水平面以下空间中，具有比较小的金属弹簧长度变化特性，金属弹簧的长度变化甚至是负值的，因此能将完整的支撑臂支撑功能，建构于空间比较局限的关节结构中，使建构支撑臂时，更具弹性。

为解决上述问题及达到本发明的目的，本发明的技术手段是这样实现的，为一种支撑臂关节装置，其特征在于包括：一关节主体部、一水平转轴、一前臂连结部、一垂直转轴、一后臂连结部、一可调节拉索张力系统，所述可调节拉索张力系统，包括一拉索、一金属弹簧装置、一拉索长度动态调节机构、一拉索长度静态调节机构；

所述水平转轴，垂直于所述前臂连结部的转动平面，前臂连结部刚性固定连结于水平转轴；

所述垂直转轴是一圆柱形转轴，具有一圆柱形中空内轴与一圆柱形轴套，圆柱形中空内轴与关节主体部刚性固定连结，圆柱形轴套与后臂连结部刚性固定连结，圆柱形中空内轴能在圆柱形轴套中作水平方向转动；

所述拉索长度动态调节机构，设置于关节主体部，是一直角三角形机构，包括：一拉索力矩支柱、一拉索长度动态调节机构活动臂、一拉索长度动态调节机构固定臂；所述拉索力矩支柱、拉索长度动态调节机构活动臂、拉索长度动态调节机构固定臂长度相等，以水平转轴为轴心，径向设置，其端末位置，分别设置有拉索力矩支柱滑轮、拉索长度动态调节机构活动臂滑轮、拉索长度动态调节机构固定臂滑轮；

上述拉索力矩支柱、拉索长度动态调节机构固定臂，以水平转轴为中心，呈一对称直线结构，拉索力矩支柱位于水平转轴的上方，构成拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边；

上述拉索力矩支柱滑轮与拉索长度动态调节机构活动臂滑轮之间的连线、拉索长度动态调节机构活动臂滑轮与拉索长度动态调节机构固定臂滑轮之间的连线，构成拉索长度动态调节机构直角三角形的两股，该直角三角形的两股，由所述可调节拉索张力系统的局部拉索构成；

所述拉索长度动态调节机构活动臂与前臂连结部为刚性固定结构，随前臂连结部同步转动，当前臂连结部停留在水平位置时，拉索长度动态调节机构活动臂与拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边垂直，形成一等腰直角三角形；所述关节主体部还设置有限制前臂连结部向上抬高时，不超过水平位置高度的设施；

所述拉索的第一端固定于前臂连结部上的施力位置点，再依序跨骑过拉索力矩支柱滑轮、拉索长度动态调节机构活动臂滑轮、拉索长度动态调节机构固定臂滑轮，拉索的第二端与金属弹簧装置的第一端连结；金属弹簧装置设置于垂直转轴的圆柱形中空内轴的内部，金属弹簧装置的第二端，固定连结于圆柱形中空内轴的底部；

所述金属弹簧装置是一金属圆线弹簧和拉索长度静态调节机构的共构体，所述金属圆线弹簧是一张力弹簧；

所述拉索长度静态调节机构，设置于金属弹簧装置的底部，具有固锁于垂直转轴的圆柱形中空内轴底部的设施，所述拉索长度静态调节机构和金属圆线弹簧的底端之间，设置有能调节金属圆线弹簧拉伸长度的设施，能独立运作，调节金属圆线弹簧的张力。

附图说明

图1是本发明基于正弦定理的原理说明图；

图2是本发明中利用的拉索长度动态调节机构实施例说明图；

图3是本发明支撑臂关节装置实施例说明图；

图4是图3的支撑臂关节装置的IV-IV剖面图；

图5是本发明中利用的拉索长度静态调节机构实施例说明图；

图6是本发明支撑臂关节装置优化实施例说明图；

图7是本发明支撑臂关节装置另一实施例说明图。

【符号说明】

1      支撑臂

2      支撑臂支架

3      支架基座

a、b   直角三角形两股

c      直角三角形弦

T     拉索

S      金属圆线弹簧

D      施力位置点

R      外接圆半径

K      凸缘

200    支撑臂关节装置

201    关节主体部

202    前臂连结部

203    后臂连结部

204    可调节拉索张力系统

X      水平转轴

Z      垂直转轴

Z1     圆柱形中空内轴

Z2     圆柱形轴套

SM     金属弹簧装置

P      转向滑轮

300    拉索长度静态调节机构

301      螺杆

302      螺杆螺母套

303      凸缘底盖

304      通孔

305      螺杆头

306      导笋

307      导槽

308      中空导杆

309      内凸缘

310      拉索通孔

100      拉索张力系统

101      拉索长度动态调节机构

102      拉索力矩支柱

103      拉索力矩支柱滑轮

104      拉索长度动态调节机构固定臂

105      拉索长度动态调节机构固定臂滑轮

106      拉索长度动态调节机构活动臂

107      拉索长度动态调节机构活动臂滑轮

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的技术核心是基于正弦定理的拉索长度动态调节机构，首先由本发明技术核心的原理开始进行说明。

图1是本发明基于正弦定理的原理说明图。图1中，a、b、c为△ABC的∠A、∠B、∠C的对边，根据正弦定理，a/sinA＝b/sinB＝c/sinC＝2R，其中，R为△ABC的的外接圆半径。

∠C为直角时，△ABC为直角三角形，∠C的对边为弦边c，弦边c的长度为2R，a与b为两股。∠C顶点C在以R为半径的外接圆圆弧上移动时，例如移动至C1点位置，△ABC均保持为直角三角形。根据正弦定理，直角△ABC两股和a+b＝2R(sinA+sinB)＝2R(sinA+cosA)。

另根据，同样周期但不同相位移动的正弦波的任何线性组合是有相同周期但不同相位移动的正弦波的特性，在正弦和余弦波的线性组合的情况下，我们有：其中m、n是任意常数，令：m＝1、n＝1，则 $\sin x+\cos x=\sqrt{2}\×\sin (x+\mathrm{\π}/4)$ 得到公式1：直角△ABC两股和公式1显示，直角△ABC两股和(a+b)是一正弦函数，相位差为π/4。当∠A＝π/4时，△ABC为等腰直角三角形，两股和a+b为最大值，(最大值)；

根据公式1及图1，直角△ABC的直角顶点C，离开△ABC为等腰直角三角形位置，在半圆弧线上移动时，两股和a+b逐渐减小，当∠A→0时a→0，a+b→2R(最小值)，当∠A→π/2时b→0，a+b→2R(最小值)，两股和a+b的最大值与最小值的差为0＜∠A＜π/2。显示直角△ABC的直角顶点C，离开△ABC为等腰直角三角形位置，在外接圆半圆弧线上移动时，两股和a+b由最大值减小至最小值2R，最大的长度变化为：

这表示，如果a、b两股是一被动式拉索张力系统的部份拉索时，则直角△ABC的直角顶点C，离开△ABC为等腰直角三角形位置，在外接圆半圆弧线上移动时，该被动式拉索张力系统不但没有被拉伸，反而会释放出一些拉索，与传统支撑臂的被动式张力系统被拉伸的行为完全不同。

利用上述公式1的原理，可以设计一个不同于传统支撑臂被动式张力系统的机构，使地心引力对支撑臂产生的力矩变化关系，与拉伸弹簧被拉伸的长度，不再背道而驰。

图2是本发明中利用的拉索长度动态调节机构说明图。图2中支撑臂1以水平转轴X为轴心，能垂直上下运动，水平转轴X垂直于支撑臂1的垂直运动平面。拉索张力系统100包括拉索T与金属圆线弹簧S，金属圆线弹簧S是一张力弹簧，拉索T通过一拉索长度动态调节机构101后，施力于支撑臂1的施力位置点D。拉索长度动态调节机构101是利用上述直角三角形两股和函数式的特性而实施建构，拉索长度动态调节机构101的直角△ABC两股a、b是拉索张力系统100的拉索T的一部份，支撑臂1在水平位置时，直角△ABC为等腰直角三角形状态，而当支撑臂1转动时，直角△ABC的直角顶点C，能随着机械结构在直角△ABC外接圆半圆弧线上同步移动，则拉索张力系统100中，由△ABC两股a、b组成的部份拉索，将依上述直角△ABC两股和的函数式同步变化，其中，0＜∠A＜π/2。

因为整个拉索张力系统100是由拉索T与金属圆线弹簧S组成，而拉索T本身长度是不变的，因此所述的两股和的长度变化，都是来自于金属圆线弹簧S自身的长度变化。两股和的长度较长时，表示金属圆线弹簧S的长度被拉长，两股和的长度较短时，表示金属圆线弹簧S被拉伸的长度减小。

由于支撑臂1在与地心引力垂直的水平位置时，受到的地心引力力矩最大，因此支撑臂在水平位置时，金属圆线弹簧S应处于最大拉伸状态，以提供最大张力，亦即拉索张力系统的拉索总长度应处于最大值状态，两股和的长度应是最大值。

根据公式1，直角△ABC两股和两股和最大值是在∠A＝π/4时，亦即△ABC为等腰直角三角形时。因此，支撑臂1在水平位置时，直角△ABC应为等腰直角三角形状态，金属圆线弹簧S处于最大拉伸状态，以提供最大张力。这样，当支撑臂1离开水平位置时，拉索张力系统的张力将呈现递减，改正了传统被动式支撑臂的支撑力与地心引力对支撑臂产生的力矩变化关系，有时是背道而驰的缺点。

根据上述基于正弦定理的原理，本发明提出一种支撑臂关节装置中的拉索长度动态调节机构101，具体包括：一拉索力矩支柱102，其端末设置有一拉索力矩支柱滑轮103；一拉索长度动态调节机构固定臂104，其端末设置有一拉索长度动态调节机构固定臂滑轮105；一拉索长度动态调节机构活动臂106，其端末设置有一拉索长度动态调节机构活动臂滑轮107；

所述拉索长度动态调节机构活动臂106，刚性固定于所述支撑臂1的水平转轴X上，拉索长度动态调节机构活动臂106与支撑臂1是刚性结合，以水平转轴X为转轴，随支撑臂1同步转动；拉索长度动态调节机构活动臂106与支撑臂1的相对位置关系，为当支撑臂1在水平位置时，直角△ABC为等腰直角三角形状态。

所述拉索力矩支柱102、拉索长度动态调节机构固定臂104、拉索长度动态调节机构活动臂106，长度相等，都等于直角△ABC外接圆的半径R，以水平转轴X为轴心，径向设置，其端末位置，分别设置有拉索力矩支柱滑轮103、拉索长度动态调节机构固定臂滑轮105、拉索长度动态调节机构活动臂滑轮107，其中，拉索力矩支柱102、拉索长度动态调节机构固定臂104，以关节转轴X为中心，呈一对称直线结构，构成直角△ABC的弦边；拉索力矩支柱滑轮103与拉索长度动态调节机构活动臂滑轮107之间的连线、拉索长度动态调节机构活动臂滑轮107与拉索长度动态调节机构固定臂滑轮104之间的连线，构成拉索长度动态调节机构101的直角三角形的两股，该直角三角形机构的两股，由局部的拉索构成。

图2中支撑臂支架2和支架基座3，具有确定支撑臂1和拉索长度动态调节机构活动臂106与地心引力之间的关系的功能。当支撑臂1在水平位置时，直角△ABC的弦边垂直于拉索长度动态调节机构活动臂106，直角△ABC为等腰直角三角形状态。

图3是本发明一种支撑臂关节装置实施例说明图。图3中，支撑臂关节装置200，包括一关节主体部201、一水平转轴X、一前臂连结部202、一垂直转轴Z、一后臂连结部203、一可调节拉索张力系统204；所述可调节拉索张力系统204，包括一拉索T、一金属弹簧装置SM、一拉索张力动态调节机构101、一拉索张力静态调节机构300；直角△ABC的弦边是沿铅锤线方向设置，垂直于水平面，拉索T的第一端固定连结于前臂连结部202的施力位置点D，施力位置点D至水平转轴X的距离长度，等于直角△ABC外接圆的半径R。

水平转轴X是前臂部垂直上下运动的转轴，水平转轴X垂直于前臂部垂直上下运动的平面；垂直转轴Z是关节主体部201水平运动的转轴，所述水平、垂直都是以地心引力为参考基准。

前臂连结部202的名称，是因为前臂部的前端，可以用不同的材质和造形制成，在组装、美观、成本上有比较大的弹性变化空间。但是在功能说明上，称为前臂连结部202或称为前臂部是没有差异的，因此下文中若无特别明示，前臂连结部与前臂部代表相同意义。后臂连结部203的名称，情形相同，下文中若无特别明示，后臂连结部203与后臂部代表相同意义。另外，由于本发明与地心引力相关，因此说明书中的铅锤线方向、垂直和水平方向等用语，若无特别明示，都是以地心引力方向为基准。

所述水平转轴X是垂直于前臂连结部202的转动平面，前臂连结部202刚性固定连结于水平转轴X上；

所述垂直转轴Z是一中空圆柱形垂直转轴，具有一圆柱形中空内轴Z1与一圆柱形轴套Z2，后臂连结部203固定刚性连结于垂直转轴Z的圆柱形轴套Z2上，圆柱形中空内轴Z1与关节主体部201刚性固定连结，后臂连结部203连接的后臂机构，必需能使垂直转轴Z，保持垂直的姿态。例如，后臂机构是一平行四杆机构，或者后臂机构是固定于垂直的墙面上。

所述拉索张力动态调节机构101，设置于关节主体部201，能随前臂连结部202的垂直转动角度，动态调节可调节拉索张力系统204的总长度，所述可调节拉索张力系统204的总长度，包括拉索T和金属弹簧装置SM的长度；

所述拉索张力静态调节机构300，是金属弹簧装置SM的共构机构，设置于垂直转轴Z的中空内轴Z1里，具有手动转动的设施，能调节金属弹簧装置SM对可调节拉索张力系统204的最大张力。拉索张力静态调节机构300和金属弹簧装置SM的共构机构，将配合图5进行说明。

图3中，当前臂连结部202在水平位置时，金属弹簧装置SM是处于最大拉伸状态，△ABC外部的拉索AD长度为当前臂连结部202被向下转动至垂直向下位置时，△ABC外部的拉索长度为2R，△ABC外部的拉索增加了旦是同时，△ABC内部的拉索减短了亦即释放出0.8R的拉索，与0.6R抵消后，其多出的0.2R势必应被金属弹簧装置SM吸收。前臂连结部202由水平位置被向下转动至垂直位置时，金属弹簧装置SM不但没有被拉伸反而要减短0.2R。这表示不需要增加空间，便能满足金属弹簧装置SM的变形需要，与传统拉伸金属弹簧张力系统需要增加0.6R的变形空间相比较，金属弹簧装置SM的变形量相差四倍。更重要的是，当前臂连结部202由水平位置被向下转动至垂直位置的过程中，张力与地心引力的关系，不再背道而驰。基于上述特性，本发明能在局限的空间中，建构支撑臂关节功能。

图3中的凸缘K，是一限制设施，使前臂连结部202最高只能抬高至水平位置，避免前臂部过度抬高时，释放出的拉索长度，超出金属弹簧装置的设计应用范围，凸缘K，是设置在关节主体部201的一个挡体，是实现本发明支撑臂关节装置的重要设施。对照直角△ABC两股和 公式，凸缘K，将本发明的应用范围，限制在π/4＜∠A＜π/2的区间。这样的限制是因为在0＜∠A＜π/4的区间里，当∠A由0→π/4时，直角△ABC两股和a+b是处于逐渐增加的状态，金属弹簧装置需要比较大的变形空间，不适宜空间局限的关节装置。而在π/4＜∠A＜π/2的区间，直角△ABC两股和a+b是逐渐减小的状态，金属弹簧装置不会增加空间需求，本发明对这两个区间分别对待，能更有效利用直角△ABC两股和 $\begin{array}{cc}a+b=2\sqrt{2}& R\·\sin (A+\mathrm{\π}/4)\end{array}$ 公式的特性。

图3中的转向滑轮P，是为了确保拉索T与拉索长度动态调节机构固定臂滑轮105保持接触关系。转向滑轮P，可以是固定于关节主体部201，也可以是与拉索长度动态调节机构固定臂滑轮105结合成一串接双滑轮组。

图4是图3支撑臂关节装置的IV-IV剖面图，并显示锁紧装置20。锁紧装置20是一调整摩擦力的螺丝机构，是重要的支撑臂辅助设施。为了凸显出调整摩擦力的机构，图4呈现的锁紧装置20是比较夸张的实施例图。由于调整摩擦力的螺丝机构具有多种实施方式，因此该附图仅为代表例，并非唯一应用例，而本图中主要是透过蝶形手把，调整水平转轴X的摩擦力机构，以改变水平转轴X的摩擦力，摩擦力机构图中未示。

图5是本发明中的拉索长度静态调节机构实施例说明图。图5中拉索长度静态调节机构300与金属弹簧装置SM是一共构体，金属弹簧装置SM设置于垂直转轴Z的圆柱形中空内轴Z1内部，包括一金属圆线弹簧S及连结设施，所述金属圆线弹簧S是一张力弹簧，金属圆线弹簧S的顶端与拉索T连结，金属圆线弹簧S的底端与拉索长度静态调节机构300连结；

所述拉索长度静态调节机构300，设置于金属弹簧装置SM的底部，具有固锁于垂直转轴Z的圆柱形中空内轴Z1底部的设施，所述拉索长度静态调节机构300和金属圆线弹簧S的底端之间，设置有能调节金属圆线弹簧拉伸长度的设施，能独立运作，调节金属圆线弹簧的张力。图5显示的只是一种实施例，包括一螺杆301、一螺杆母套302、一凸缘底盖303，凸缘底盖303设置有固锁于垂直转轴Z的圆柱形中空内轴Z1的底部的设施，凸缘底盖303的中心设置有供螺杆穿过的通孔304，螺杆301的第一端穿过通孔304后，旋入螺杆母套302中，螺杆母套302固定设置于金属圆线弹簧S的底端，金属圆线弹簧S的顶端是金属弹簧装置SM的第一端，金属弹簧装置SM的第一端与拉索T的第二端连结，螺杆螺母套302周沿，还具有导笋306设施，导笋306能在圆柱形中空内轴内侧的垂直导槽307内上下滑动，螺杆301的第二端的端末为螺杆头305，螺杆头305承压于凸缘底盖303的底侧，螺杆头305具有手动转动的设施，手动转动螺杆头305能驱动螺杆螺母套302，调节金属圆线弹簧S的拉伸长度，调整可调节拉索张力系统204的的最大张力。图5中，金属弹簧装置SM的第一端与拉索T的第二端连结，连结处设置有固定于金属圆线弹簧S顶端的连结机构，该连结机构具有沉陷入金属圆线弹簧S中心空腔的中空导杆308，中空导杆308内部设置有承受张力的内凸缘309，内凸缘309的中心为拉索通孔310，拉索T的第二端穿过拉索通孔310，固定于内凸缘309下方的中空导杆308的内部。

图6是本发明支撑臂关节装置优化实施例原理说明图，探讨直角△ABC的弦边，倾斜向前臂连结部的优化角度。在图3实施例中，由于垂直转轴Z的阻挡，使前臂连结部202向下收折的角度受到限制。要克服此限制，可以如图6所示，将直角△ABC的弦边，以水平转轴X为支点，偏离铅锤线，倾斜向前臂连结部202，偏离铅锤线的角度为2Ψ，使拉索长度动态调节机构固定臂滑轮105自然向后移，让出空间，使前臂连结部能向下收折的角度增大。

根据公式1，直角△ABC两股和当前臂部由水平面位置向下收折至垂直向下位置，∠A由π/4趋近于π/2的同时，拉索长度动态调节机构直角△ABC的两股的长度，减少了 亦即拉索长度动态调节机构释放出的拉索长度为此一关系也可以利用图6直接证明，图6中如果支撑臂由水平位置OH顺时钟向下转动的角度为2δ，则相当于拉索长度动态调节机构活动臂106位置的OC也顺时钟转动了2δ角，此时因为相同弧度的圆周角是圆心角的一半，得到∠A＝π/4+δ，代入 $\begin{array}{cc}a+b=2\sqrt{2}& R\·\sin (A+\mathrm{\π}/4)\end{array}$ 中，得到 $a+b=$ $\begin{array}{ccc}2\sqrt{2}& R\·\sin (\mathrm{\π}/2+\mathrm{\δ})=2\sqrt{2}& R\cos \mathrm{\δ},\end{array}$ 其中0＜δ＜π/4；

上式可以更直接的显示，支撑臂前臂部由水平位置顺时钟向下转动时，直角△ABC两股和(a+b)与支撑臂转动角度2δ的关系：转动角度2δ＝0时，δ＝0，两股和转动角度2δ＝π/2时，δ＝π/4，两股和(a+b)＝2R。

得到，支撑臂前臂部由水平面位置向下收折至垂直向下位置的过程中，拉索长度动态调节机构直角△ABC的两股的长度，减少了

位于拉索长度动态调节机构直角△ABC外部的拉索，相当于图6中AH的部份，在支撑臂前臂部由水平位置顺时钟向下转动时，长度的变化情形，也可以利用图6进行说明。图6中，直角△ABC的弦边AB，以前臂部转轴为支点，倾斜向前臂连结部，偏离铅锤线的角度为2Ψ，直角△ABC的弦边AB与水平线OH的夹角为2θ，如果支撑臂由水平位置OH顺时钟向下转动的角度为2δ，则位于拉索长度动态调节机构直角△ABC外部的拉索长度为：2R sin(θ+δ)，0＜δ＜π/4，0＜θ＜π/4。

其中θ是一与机械结构相关的固定值，因此2R sin(θ+δ)中只有δ是变量。

先检视两个极端状态，当θ＝0，亦即拉索长度动态调节机构直角△ABC的弦边AOB与水平线OH重合，δ顺时钟由0→π/4时，位于拉索长度动态调节机构直角△ABC外部的拉索，将由0增长为 拉索长度动态调节机构直角△ABC的两股和，在此过程中减少的长度为相互对比，拉索张力系统的拉索总长度增加0.6R，金属圆线弹簧S被拉伸的长度，将增加0.6R。

当θ＝π/4，亦即拉索长度动态调节机构直角△ABC的弦边与铅锤线平行，而δ顺时钟由0→π/4时，位于拉索长度动态调节机构直角△ABC外部的拉索长度为2R sin(θ+δ)＝2R，与图3所示相同，位于拉索长度动态调节机构直角△ABC外部的拉索增加了与拉索长度动态调节机构直角△ABC的两股和，在此过程中减少的长度 对比，拉索张力系统的拉索总长度减少0.2R，金属圆线弹簧S被拉伸的长度，将减少0.2R。

根据上述，当θ＝0，δ＝π/4时，金属圆线弹簧S被拉伸的长度增加0.6R，当θ＝π/4，δ＝π/4时，金属圆线弹簧S被拉伸的长度减少0.2R，介于θ＝0与θ＝π/4之间，应有一θ值，使拉索张力系统的拉索总长度能维持不变，金属圆线弹簧S被拉伸的长度变化为0。

图6中直角△ABC的弦边AB，以前臂部转轴为支点，倾斜向前臂连结部，偏离铅锤线的角度为2Ψ，直角△ABC的弦边AB与水平线OH的夹角为2θ，当前臂部停留在水平面位置时，拉索AH段的长度为2Rsinθ，当前臂部停留在垂直向下位置时，拉索AV段的长度为2RcosΨ，前臂连结部由水平面位置向下收折至垂直向下位置时，在直角△ABC外部的拉索长度增加了△L＝2RcosΨ-2Rsinθ，

∵2Ψ+2θ＝90°   ∴Ψ+θ＝45°

△L＝2RcosΨ-2Rsinθ

＝2R(cosΨ-sinθ)

＝2R(cosΨ-cos(45°+Ψ)〕

＝2R(2sin(22.5°+Ψ)×sin22.5°〕

＝2R〔0765sin(225°+Ψ)〕

如果令则拉索张力系统的拉索总长度能维持不变，金属弹簧装置不会因为被拉伸而增加空间需求，则 解得Ψ＝10.25°，θ＝45°-Ψ＝34.75°。

综合上述，图6中直角△ABC的弦边AB，以水平转轴为轴心，倾斜向前臂连结部，偏离铅锤线的角度为2Ψ＝20.5°时，当前臂部由水平面位置向下收折至垂直向下位置，拉索张力系统的拉索总长度能维持不变，金属弹簧装置不会因被拉伸而增加空间需求。

上述结构安排，具有下列优点：拉索长度动态调节机构固定臂滑轮自然向后移，让出空间，使前臂连结部能向下收折的角度自然增大；拉索力矩支柱滑轮的位置，有利于前臂连结部向下收折至垂直向下位置时的有效施力；金属弹簧装置不会被拉伸，因而不会增加空间需求，有利于实现空间比较局限的关节结构体。

上述分析结果，应用于图3所示的实施例，得到下列结构特征，本发明一种支撑臂关节装置，所述拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边，拉索力矩支柱位于水平转轴X的上方，以水平转轴X为支点，直角三角形的弦边倾斜向前臂连结部侧，弦边偏离铅锤线的角度为小于20.5°时，金属弹簧装置SM都不会增加空间需求。

根据上述分析结果，图7是本发明另一实施例说明图。拉索力矩支柱和拉索长度动态调节机构固定臂，构成的拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边，拉索力矩支柱位于水平转轴X的上方，以水平转轴X为支点，倾斜向前臂连结部侧，倾斜角度为偏离铅锤线20.5°。当前臂连结部由水平面位置向下收折至垂直向下位置，拉索张力系统的拉索总长度能维持不变。图7中其他细部的说明，均如前文说明。

所述垂直转轴Z是一垂直转轴的意涵，表示后臂机构整体，必须有维持垂直转轴Z保持垂直的效果，垂直转轴Z自身是无法保证为垂直转轴的，但是在实际应用时，后臂机构整体，必须有维持垂直转轴Z保持垂直的效果。例如图7所示，后臂连结部203连接的后臂机构，固定于垂直的墙面上，并且具有一垂直的转轴，使后臂部能做水平方向的转动。为了维持垂直转轴Z保持垂直的效果，维持支撑臂关节装置的姿态是很重要的，例如，其后臂连结部连接的后臂机构是一平行四杆装置，平行四杆装置的基杆与铅锤线的夹角，与后臂连结部和后臂部转轴Z的夹角相等，后臂连结部是平行四杆装置的连杆，后臂连结部与基杆平行。由于后臂机构整体，并非本发明涵盖的范围，因此不做详述。

此外，前文中述及的直角△ABC的外接圆半径R的长短，与整体结构密切相关，其长短与支撑臂的负载和金属圆线弹簧S的弹簧力大小都有关联，整体的美观也是重要的考虑因素，因此，一般而言，选定直角△ABC的外接圆半径R的长短，是一个实际应用时的选择问题。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种支撑臂关节装置，包括一关节主体部、一水平转轴、一前臂连结部、一后臂连结部和一可调节拉索张力系统，所述可调节拉索张力系统包括一金属弹簧装置，其特征在于：

所述支撑臂关节装置还包括一垂直转轴；

所述可调节拉索张力系统还包括一拉索、一拉索长度动态调节机构和一拉索长度静态调节机构；

所述水平转轴，垂直于所述前臂连结部的转动平面，前臂连结部刚性固定连结于水平转轴；

所述垂直转轴是一圆柱形转轴，具有一圆柱形中空内轴与一圆柱形轴套，圆柱形中空内轴与关节主体部刚性固定连结，圆柱形轴套与后臂连结部刚性固定连结，圆柱形中空内轴能在圆柱形轴套中作水平方向转动；

所述拉索长度动态调节机构，设置于关节主体部，是一直角三角形机构，包括：一拉索力矩支柱、一拉索长度动态调节机构活动臂、一拉索长度动态调节机构固定臂；所述拉索力矩支柱、拉索长度动态调节机构活动臂、拉索长度动态调节机构固定臂长度相等，以水平转轴为轴心，径向设置，其端末位置，分别设置有拉索力矩支柱滑轮、拉索长度动态调节机构活动臂滑轮、拉索长度动态调节机构固定臂滑轮；

拉索力矩支柱、拉索长度动态调节机构固定臂，以水平转轴为中心，呈一对称直线结构，拉索力矩支柱位于水平转轴的上方，构成拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边；

拉索力矩支柱滑轮与拉索长度动态调节机构活动臂滑轮之间的连线、拉索长度动态调节机构活动臂滑轮与拉索长度动态调节机构固定臂滑轮之间的连线，构成拉索长度动态调节机构直角三角形的两股，该直角三角形的两股，由所述可调节拉索张力系统的局部拉索构成；

所述拉索长度动态调节机构活动臂与前臂连结部为刚性固定结构，随前臂连结部同步转动，当前臂连结部停留在水平位置时，拉索长度动态调节机构活动臂与拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边垂直，形成一等腰直角三角形；所述关节主体部还设置有限制前臂连结部向上抬高时，不超过水平位置高度的设施；

所述拉索的第一端固定于前臂连结部上的施力位置点，再依序跨骑过拉索力矩支柱滑轮、拉索长度动态调节机构活动臂滑轮、拉索长度动态调节机构固定臂滑轮，拉索的第二端与金属弹簧装置的第一端连结；金属弹簧装置设置于垂直转轴的圆柱形中空内轴的内部，金属弹簧装置的第二端，固定连结于圆柱形中空内轴的底部；

所述金属弹簧装置是一金属圆线弹簧和拉索长度静态调节机构的共构体，所述金属圆线弹簧是一张力弹簧；

所述拉索长度静态调节机构，设置于金属弹簧装置的底部，具有固锁于垂直转轴的圆柱形中空内轴底部的设施，所述拉索长度静态调节机构和金属圆线弹簧的底端之间，设置有能调节金属圆线弹簧拉伸长度的设施，能独立运作，调节金属圆线弹簧的张力。

2.根据权利要求1所述的一种支撑臂关节装置，其特征在于，所述拉索张力静态调节机构，包括一螺杆、一螺杆螺母套、一凸缘底盖，凸缘底盖具有固锁于后臂部转轴的圆柱形中空内轴底部的设施，凸缘底盖的中心具有供螺杆穿过的通孔，螺杆的第一端穿过通孔后，旋入螺杆螺母套中，螺杆螺母套固定设置于金属圆线弹簧的底端，金属圆线弹簧的顶端是金属弹簧装置的第一端，与拉索的第二端连结，螺杆螺母套周沿具有导笋设施，圆柱形中空内轴的内侧还设置有至少一个垂直导槽，导笋能在圆柱形中空内轴内侧的垂直导槽内上下滑动，螺杆的第二端的端末为螺杆头，螺杆头承压于凸缘底盖的底侧，螺杆头具有手动转动的设施，能独立运作，调节金属圆线弹簧的拉伸长度。

3.根据权利要求1所述的一种支撑臂关节装置，其特征在于，所述拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边，以水平转轴为支点，倾斜向前臂连结部侧，弦边与铅锤线的夹角为小于20.5°。

4.根据权利要求1所述的一种支撑臂关节装置，其特征在于，所述拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边，以水平转轴为支点，倾斜向前臂连结部侧，弦边与铅锤线的夹角为20.5°。

5.根据权利要求1所述的一种支撑臂关节装置，其特征在于，所述拉索长度动态调节机构直角三角形的弦边，垂直于水平面。

6.根据权利要求1所述的一种支撑臂关节装置，其特征在于，金属弹簧装置与拉索的连结处，设置有固定于金属圆线弹簧顶端的连结机构，该连结机构是一沉陷入金属圆线弹簧中心空腔的中空导杆，中空导杆内部设置有承受张力的内凸缘，内凸缘的中心为拉索通孔，拉索穿过拉索通孔，固定于内凸缘下方的中空导杆的内部。

7.根据权利要求1所述的一种支撑臂关节装置，其特征在于，所述关节主体部设置的用以限制前臂连结部向上抬高时，不超过水平位置高度的设施，是一凸缘。

8.根据权利要求1所述的一种支撑臂关节装置，其特征在于，所述水平转轴，设置有能调整水平转轴摩擦力的设施。