CN1100232C - 一种可调式灯具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灯体便于移动和定位的灯具，其特征在于它具有一类似比例放大尺的臂架系统，它使得灯体能在更大的范围内方便地移动，可靠地停留在所需位置，可制成台灯、落地灯、手术用灯、摄影布光用灯、工矿用灯等，还可制成利用热射线为病人作理疗用灯等。可制成带驱动装置，能远距离操纵灯体运动的灯具。

Description

一种可调式灯具

本发明涉及一种照明装置的支承，特别是涉及一种支承件能沿导件移动的照明装置。

现有灯具的各灯种，都有一些可调式灯具，即是在灯的底座不动的情况下，灯体(专利申请人注：本专利申请中，灯体是指灯、灯座、灯罩的组合体。)可在一定范围内活动的。这类灯具，有的是利用软梗，有的是利用一条灯臂或两条、两组灯臂绕支点在一个立面内摆动而达到使灯体移动的目的。例如已得到广泛应用的GC13-A拉簧型工作灯，(参见《电工手册》第三版，上海科学技术出版社出版、《电工手册》编写组编，11-14页)它有两组可绕支点转动的灯臂，从而使灯体获得较大范围的移动，但只能在一个立面内活动。它靠弹簧取得平衡，使灯体能停留在所需位置，然而效果并不好，容易失效。

本发明的目的是提供一种灯体能在更大的范围内更灵活、方便地获得垂直升降、水平位移和绕立柱中心线旋转等全方位的运动，能准确、可靠地停留在所需位置的灯具，提供这种灯具可折叠或便于拆卸成两部分的形式，提供可自动远距离操作的灯具，及提供作理疗用灯。

本发明是这样实现的：它由灯体、灯臂架、臂架座、立柱和底座组成，以灯臂为参照物、灯体可在三维空间内转动。其特征在于灯臂架和臂架座。臂架座与立柱以动副连接，有垂直导向件和水平导向件。灯臂架的结构类似比例放大尺，由四支臂杆组成，以简化后的机构图表示如图2：灯臂BC与主臂AB铰接于B点，与副臂EF铰接于F点，小臂DE与主臂AB绞接于D，与副臂EF铰接于E、B、D、E、F构成平行四边形。铰接于A点的垂直滑件与臂架座的垂直导向件构成移动副，臂架座上设有固定垂直滑件的定位装置；与副臂、小臂共铰于E点的水平滑件和臂架座的水平导向件构成另一移动副，灯体的重心在灯臂BC的C点铅垂线上(C点可超出灯臂实长，在它的延长线上)各臂的长度有如下关系：设BC的长度为L，BF与DE均为l，AB为H，AD为h，EF为H-h，则L∶l＝H∶h，并设有平衡灯臂架重量的平衡装置。

把臂架座分为上座和下座两部分，垂直导向件和水平导向件设置在上座，与立柱结合的转动副设置在下座。以上座和下座为分界，可使整个灯具便于拆卸成两部分或成为可折叠的形式。

以本发明的基本形式为基础，在其各个运动副上设置驱动装置，可以实现远距离自动操作。

当使用不是用于照明而是作理疗用的灯，本发明还可制成理疗用灯具。

本发明与现有技术相比，灯体可在更大范围内随意移动，并能保持稳定状态，具有“随遇平衡”的特点。以下说明它的工作原理。

假设灯臂架的各臂杆均无自重，各臂杆均为绝对刚体，爱力后无变形；各杆件的尺寸无制造误差，装配时也无装配误差，各运动副无摩擦。各臂杆均以代表其几何轴线的直杆代替，将其摆成任意位置，简化机构图如图2所示。设主臂AB与水平线成β角，灯体的重力线与灯臂BC成α角。作辅助线：过B作垂线BQ，过D作垂线DV，过A作水平线AP，交BQ于P，交DV于W，过C作水平线交BQ于Q。如图3所示。

首先选整体为研究对象，并解除约束，可知灯体重力G为主动力，垂直滑件被定位装置固定后，A点处属固定铰链，E点处属光滑接触面约束。根据约束性质确定力的作用线(见图3)，N_E、F_Ax、F_Ay为约束反力。显然这是一组平面力系。平面力系的平衡的充分与必要条件是力系的主向量和对任选点的主矩分别等于零。用解析式表示就是：

欲使杆架系统保持平衡，则必须满足这三个独立的方程。

由ΣFx＝0得：FAx＝0

由∑m_A(F)＝0得：G(CQ+PA)-N_E(EV+WA)＝0 $N_E=\frac{\mathrm{CQ}+\mathrm{PA}}{\mathrm{EV}+\mathrm{WA}}\·G$

其中：CQ＝Lsinα  PA＝Hcosβ  EV＝lsinα  WA＝hcosβ

得 $N_E=\frac{L\sin \mathrm{\α}+H\cos \mathrm{\β}}{l\sin \mathrm{\α}+h\cos \mathrm{\β}}\·G---\left(1\right)$

其次，考虑水平滑件(E点)的平衡，画出其分离体图(图4)，这是一组三力共点力系，S_E，T_E分别为小臂DE，副臂EF对滑件的反力，N_E则是导向件对滑件E的支反力。考虑滑件E平衡，则作用其上的力系必平衡，而由这三个力所作成的力三角形必然自行封闭(见图5)。

根据正弦定理，可知力三角形的边角关系为得： $T_E=\frac{\sin \mathrm{\α}}{\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}\·N_E$

将式(1)代入上式得 $T_E=\frac{\sin \mathrm{\α}\[L\sin \mathrm{\α}+H\cos \mathrm{\β}\]}{\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})(l\sin \mathrm{\α}+h\cos \mathrm{\β})}\·G---\left(2\right)$

再考虑灯臂BC的平衡。其分离体图如图6所示。其中N_BX，N_BY为主臂AB对灯臂BC的反力，T_F为副臂EF对灯臂BC的反力，G为灯体的重力。各力作用线相对受力杆的角度关系如图6所示。

由∑m_B(F)＝0

G sinαL-T_F lsin[90°-(α-β)]＝0得 $T_F=\frac{L\sin \mathrm{\α}}{l\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}\·G$

最后考虑副臂EF的平衡。其分离体图如图7所示。可知此杆为二力杆，作用其上的力T’_F为灯臂BC通过绞链对副臂EF的反力，T’_E为滑件E对副臂EF的反力。此二力必是等值，共线，反向，因此得T’_F＝T’_E。

根据力的作用与反作用的关系可知：T’_F＝T_F，T’_E＝T_E，故有T_E＝T_F。

将前面得式(2).(3)代入上式得 $\frac{\sin \mathrm{\α}(L\sin \mathrm{\α}+H\cos \mathrm{\β})}{\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})(l\sin \mathrm{\α}+h\cos \mathrm{\β})}\·G=\frac{L\sin \mathrm{\α}}{l\cos (\mathrm{\α}-\mathrm{\β})}\·G$ $\frac{L\sin \mathrm{\α}+H\cos \mathrm{\β}}{l\sin \mathrm{\α}+h\cos \mathrm{\β}}=\frac{L}{l}$

l(Lsinα+Hcos β)＝L(l sinα+h cosβ)

整理得Hl＝Lh  即H∶h＝L∶l

由此证明本发明臂架系统具备平衡的必要和充分条件，从推证的结果可见，平衡条件式中，既不包含灯体的重量G，也不包含杆架系统所处状态有关的变量α及β，仅与杆件长度尺寸H、h、L、l有关。也就是说，只要杆件长度比满足等式H∶h＝L∶l，无论灯体的重量多少或杆架系统摆到何种状态，杆架系统均能保持平衡状态。即是说灯臂架可在它的工作范围内随意移动而保持平衡，具有“随遇平衡”的特性。

上面的推导是在假定杆件无自重的条件下进行的，实际上杆件系统的自重是不能忽略的。杆件系统的自重量是破坏平衡的因素。下面分析杆架系统自重对平衡的影响及消除其影响的措施。

根据力的分解的法则，一根刚性杆的杆重，可以看成质量集中在两端的两个重块，AB杆的重量W₁，可以分解为集中在A点的重量W_A1和集中在B点的W_B1(如图8)，同样BC杆的重量W₂可以分解为在B点的W_B2和在C点的W_c2，DE杆的重量W₃可以分解为在D点的W_D3和在E点的W_E3，W_D3又可以分解为集中在A点的W_A3和在B点的W_B3，同样EF杆的重量可分解为W_B4，Wc4和W_E4。这样，整个杆系的重量便可以归化为集中在A.B.C和E点的四个集中重量W_A.W_B.W_C和W_E，其中：W_A＝W_A1+W_A3

                                W_B＝W_B1+W_B2+W_B3+W_B4

                                W_C＝W_C2+W₄

                                W_E＝W_E3+W_E4

在任何工作位置，A.C.E三点始终在一直线上，由于有支反力N_E.F_Ay平衡，W_A.W_C.W_E均不会影响杆系平衡，而W_B却是破坏杆系平衡的因素，因为杆系在A.B.D三点均为铰接，若不采取措施加以补偿，系绕将会在W_B的影响下失去稳定。必须外加平衡装置加以补偿，W_B对杆系平衡的影响，与整个杆架系统的影响是等效的，因此外加平衡装置对杆架系统自重的平衡就归结为对B点的集中重力W_B的平衡，W_B对杆架系统的平衡的破坏力矩是M_A＝W_B·H·cosβ，只须克服这个力矩就可保证系统的平衡。采取的措施可以用：1、弹簧，2、吊铊、3、平衡锤。采用平衡锤的办法就是在主臂的刚性延伸杆上距A点为ρ的J点上设一重量为W的平衡锤29，使W·ρ＝W_B·H。采用这办法无理论误差，在外观上有一种平衡的感觉，也有利于灯具整体的平衡。

为使灯体获得三维空间任意角度的转动，灯体与灯臂BC间的连接采用球铰或两个正交铰链的方式，也使得灯体的重心可能偏离灯臂BC的C点铅垂线上。关于灯体重心偏离C点铅垂线对系统平衡的影响：根据静力学的力的平移定理，灯体的重心偏离C点时灯体的重力可以等效地平行移动到C点铅垂线上，同时附加一个力偶，这个附加力偶的矩，等于原力对平移点的力矩，因为偏离值不大，实际上这个力矩很小，在具体设计中不难解决，甚至光靠水平滑件与导向件间的摩擦力就可能克服。

以上从理论推导证明本发明的结构具有“随遇平衡”的特性，使灯体的移动省力、方便、定位可靠。可移动范围更大，能随心所欲地在上下、左右、前后等不同方向移动。制成手术灯具，可从不同角度，位置提供照明，便于医生观察，操作。制成摄影灯具，会方便摄影师布光，制成台灯，落地灯，会利于人们工作，学习。利用发射热射线的灯，制成医疗器械，利于病人治疗。因为它的“随遇平衡”的性能与灯体重量无关，故此还可换装不同的灯，也可以装上两盏，三盏甚至一组灯。

关于附图的说明：

图1是本发明制成台灯的视图。

图2是本发明的机构运动简图。

图3是本发明的力分析图。

图4是滑件26的分离体图。

图5是滑件26的力三角形的示意图。

图6是灯臂BC的分离体图。

图7是副臂EF的分离体图。

图8是杆架系统自重的力分析图。

图9是摄影布光灯具的简图。

图10是灯臂架的垂直滑件25铰接于E、水平滑件26铰接于A的灯具简图。

图1是本发明的基本形式。灯臂架2由灯臂21，主臂22，小臂23、副臂24组成。与主臂22铰接的垂直滑件25可在臂架座3的垂直导向件上滑动，臂架座3上有定位装置27可固定垂直滑件25。与小臂23，副臂24共铰的水平滑件26可在臂架座3上水平导向件上滑动。灯体1通过灯体座11的两个互相垂直的转动副与灯臂21连接，从而获得三维方向的转动。也可以通过球铰连接灯体1和灯臂21使灯体获得三维方向的转动。灯体1的重心在C点的铅垂线上，C点的位置是确定的，它由等式H∶h＝L∶l所决定，但是C点可在灯臂21的实际长度以外。平衡锤29起平衡灯臂架自重的作用。臂架座3与立柱4间有转动副33，可带动整个灯臂架绕立柱4的轴线转动，定位装置34起固定臂架座的作用。立柱4固定在底座5上。使用时，松开定位装置34灯体即可绕立柱旋转，至适当位置时紧固定装置34，可使灯臂座固定下来，再松开定位装置27，即可调校灯体的高度。高度合适后，紧固定位装置27。灯体的水平移动和灯体转动的角度可随意调校，使用十分方便。

图9是本发明的另一实施例。可作为摄影业布光用的理想灯具。它的尺寸较大，为便于搬运和收藏，把臂架座分为上座(31)和下座(32)两部分，垂直导向件和水平导向件设置在上座，转动副33设置在下座，通过螺钉35把上座31和下座32连结起来，使整个灯具可以很方便地分离为两部分，从而便于搬运和收藏。在臂架座上设置驱动装置36控制臂架座绕立柱的转动，设置驱动装置37控制垂直滑件25的运动，带动灯体上下移动，设置驱动装置38驱动水平滑件26带动灯体作水平移动。在灯体座11设置驱动装置12和13操纵灯体的转动，所有驱动装置的按钮开关集中在一个开关盒上，利用这个开关盒即可远距离调校灯体的位置、角度，摄影师摄影时就无需来回走动，搬动灯架。利用本发明的结构，制成外科医生手术用的灯具，具有灵巧，方便、可靠的特点，可作为近距离照明的光源。设置驱动装置后，由于驱动装置的自锁作用，改变了E点处的约束性质，由光滑接触面约束变成固定铰链，显而易见灯臂架成为稳定结构，因此可省去灯臂架的平衡措施。

本发明还有一种变型：如图10所示，臂架座3的垂直导向件在前，水平导向件在后，灯臂架2的水平滑件26与主臂22铰接于A点，垂直滑件25与小臂23，副臂24共铰于E点。这时灯体的上下运动与垂直滑件25的运动方向相同，而灯体1的水平移动则与水平滑件26的运动方向相反。这种形式适用于灯体作上下运动较多的场合。

Claims (5)

1、一种可调式灯具，由灯体(1)、灯臂架(2)、臂架座(3)、立柱(4)和底座(5)组成，以灯臂(21)为参照物，灯体(1)可在三维空间内转动，臂架座(3)与立柱(4)以转动副(33)相结合，其特征在于：所述的臂架座(3)包括垂直导向件，水平导向件、转动副(33)和固定垂直滑件(25)的定位装置(27)；所述的灯臂架(2)由灯臂(21)、主臂(22)、小臂(23)、副臂(24)及垂直滑件(25)、水平滑件(26)组成；在其中，灯臂(21)与主臂(22)铰接于B，与副臂(24)铰接于F，小臂(23)与主臂(22)铰接于D，与副臂(24)铰接于E，B.D.E.F构成一平行四边形；垂直滑件(25)与主臂(22)铰接于A，与臂架座(3)的垂直导向件组成移动副；水平滑件(26)与小臂(23)、副臂(24)共铰于E，与臂架座(3)的水平导向件组成移动副；灯臂架各臂的长度有如下关系：设BC的长度为L，BF与DE均为l，AB为H，AD为h，EF为H-h，则：L∶l＝H∶h；灯体(1)的重心在C点铅垂线上，C点可在灯臂(21)的外延线上；设有平衡灯臂架自重的装置。

2、权利要求1所述的可调式灯具，其特征在于：臂架座(3)由上座(31)和下座(32)组成，水平导向件和垂直导向件设置在上座(31)，转动副(33)设置在下座(32)，使灯具便于拆卸为两部分或成为可折叠的形式。

3、权利要求1或2所述的可调式灯具，其特征在于在臂架座(3)上的各运动副设置有驱动装置。

4、权利要求1或2所述的可调式灯具，其特征在于灯体(1)是理疗用灯而不是照明用灯。

5、权利要求1所述的可调式灯具，其特征在于水平滑件(26)铰接于主臂(22)的A点，而不是E，垂直滑件(25)与小臂(23)、副臂(24)共铰于E点，而不是A，臂架座(3)的与垂直滑件(25)相配的垂直导向件在前，与水平滑件(26)相配的水平导向件在后。

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