Stativ zur Halterung und Positionierung einer Nutzlast im Raum

Die Erfindung betrifft ein Stativ zur Halterung und Positionierung einer Nutzlast im Raum mit einer Basis und einem länglichen Tragarm, der zwischen seinen Längsenden an der Basis um eine vertikale erste Achse drehbar und um eine horizontale zweite Achse schwenkbar gelagert ist, welche die vertikale erste Achse schneidet, wobei der Tragarm auf der einen Seite der zweiten Achse die Nutzlast und auf der anderen Seite der zweiten Achse ein die Nutzlast kompensierendes Gegengewicht trägt.

Ein Stativ der vorstehend genannten Art, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, hat den Vorzug, dass über das Gegengewicht die Nutzlast exakt kompensiert werden kann, so dass es möglich ist, die Nutzlast kräftefrei um Raum zu bewegen und zu positionieren. Nachteilig ist jedoch, dass bei diesem System die Nutzlast nur auf einer Kugelfläche positionierbar ist. Dies ist für viele Anwendungsfälle eine relativ starke räumliche Beschränkung.

Ferner sind Deckentragsysteme zum Positionieren einer Nutzlast wie beispielsweise eines Gerätes, einer Leuchte oder dergleichen bekannt, bestehend aus einem Deckenanschluss, einem Ausleger und einem Federarm, an dessen freiem Ende die Nutzlast hängt. Der Deckenanschluss ist fest an der Raumdecke verschraubt, um Kräfte und Momente aufzunehmen, die aus der Nutzlast resultieren. Diese Momente sind je nach Nutzlast und maximalem Wirkradius beträchtlich und für die festigkeitsgemäße Auslegung bestimmend. Der Ausleger schließt sich über ein erstes, um die Vertikalachse schwenkbares Gelenk an den Deckenanschluss an. Das entfernte Ende des Auslegers trägt ein zweites, um die Vertikalachse drehbares Gelenk, an dem beispielsweise der Federarm angeschlossen ist. Der Federarm beinhaltet einen Lenker, der von einer horizontalen Lage aus nach oben und unten um eine erste horizontale Achse schwenkbar ist. An dem der ersten horizontalen Achse entfernten Ende des Lenkers schließt sich beispielsweise über ein zu diesem parallel liegendes Gelenk die Nutzlast an. Der vertikale Anteil der Schwenkbewegung des Lenkers erzeugt eine Höhenänderung der Nutzlast, wobei eine Feder eine Gegenkraft zur Gewichtskraft der Nutzlast liefert, so dass in jeder Höhenposition eine stabile Gleichgewichtslage erzeugt wird. Der horizontale Anteil des Lenkers kann eine Kreisbewegung um das zweite Drehgelenk ausführen. In Zusammenwirken mit der Drehbewegung um das erste vertikale Drehgelenk lässt sich jeder Punkt einer waagerecht liegenden Kreisfläche erreichen, so dass im Zusammenwirken mit der Hubbewegung die Nutzlast an jedem Punkt innerhalb eines zylindrischen Raumes (exakter: tonnenförmigen Raumes) positioniert werden kann. Da bei ausgeführten Konstruktionen keine vollständige Kompensation der Gewichtskraft durch eine Feder erreicht wird, muss das Tragsystem mit Reibung ausgestattet werden, um eine Stabilität der gewählten Position zu gewährleisten. Diese Reibung muss der Anwender bei jedem Verstellvorgang überwinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stativ der eingangs genannten Art anzugeben, das einerseits eine zumindest annähernd kräftefreie Verstellung der Nutzlast ohne die Einleitung von Momenten in die Basis erlaubt und andererseits einen weiten Verstellbereich bietet, um eine freie Positionierung der Nutzlast im Raum zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Nutzlast an einem ersten Lenker angeordnet ist, der an einem Ende des Tragarms um eine dritte Achse schwenkbar gelagert ist, dass das Gegengewicht an einem zweiten Lenker angeordnet ist, der an dem anderen Ende des Tragarms um eine vierte Achse schwenkbar gelagert ist, wobei die dritte und die vierte Achse parallel zueinander sind, dass der Abstand zwischen dem Angriffspunkt der Nutzlast an dem ersten Lenker und der dritten Achse gleich dem Abstand zwischen dieser und der vertikalen ersten Achse ist, dass der in Längsrichtung des zweiten Lenkers gemessene Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Gegengewichtes und der vierten Achse gleich dem Abstand zwischen dieser und der vertikalen ersten Achse ist, und dass die beiden Lenker durch Kopplungsmittel so miteinander gekoppelt sind, dass sie in jeder Schwenkstellung antiparallel zueinander gerichtet sind.

Die erfindungsgemäße Lösung vereinigt die Vorzüge der oben beschriebenen bekannten Lösungen miteinander. Aufgrund der gewählten Längen der Lenker und der beschriebenen Kopplung der Lenker verläuft eine gedachte Verbindungslinie zwischen dem Angriffspunkt der Nutzlast an dem ersten Lenker und dem Schwerpunkt des Gegengewichtes an dem zweiten Lenker stets durch die vertikale erste Achse unabhängig von der jeweiligen Schwenkstellung der Lenker. Dadurch bleibt die Nutzlast stets exakt ausgeglichen unabhängig von der Schwenkstellung der Lenker. Mit dieser Anordnung kann bei horizontalem Tragarm jeder Punkt auf einer Kreisfläche mit dem Radius der doppelten Länge des ersten Lenkers von der Nutzlast erreicht werden. Gleichzeitig kann durch ein Verschwenken des Tragarmes die Nutzlast in ihrer Höhe verstellt werden, so dass also die Nutzlast in einem zylinderförmigen (oder genauer: tonnenförmigen) Raum beliebig verstellt werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es dadurch möglich, eine Nutzlastpositionierung im Raum zu erreichen bei vollständigem Massenausgleich durch das Gegengewicht, wobei die Lasteinleitung in die Basis momentenfrei bleibt. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Tragestruktur leichter ausgeführt werden kann.

Die oben genannte Kopplung der beiden Lenker kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So können die Kopplungsmittel einen parallel zur Längsrichtung des Tragarmes gerichteten Parallellenker umfassen, der an seinen Enden gelenkig mit den beiden Lenkern unter Bildung eines Gelenkviereckes verbunden ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Kopplungsmittel ein endloses Zugglied umfassen, das über jeweils drehfest mit den beiden Lenkern verbundene Scheiben geführt ist. Zweckmäßigerweise ist das Zugglied in diesen Fällen von einem Zahnriemen oder einer Kette gebildet, die über entsprechende Zahnscheiben oder Kettenräder läuft.

Das Gegengewicht ist zweckmäßigerweise lösbar an dem zweiten Lenker angeordnet, so dass es beim Anbringen verschiedener Nutzlasten an dem ersten Lenker ausgewechselt werden kann. Alternativ oder auch zusätzlich hierzu kann das Gewicht an dem zweiten Lenker in Längsrichtung desselben einstellbar sein, um eine Feinjustierung des Gewichtsausgleichs zu ermöglichen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Stativ als Deckenstativ ausgebildet, wobei die Basis ein an der Decke zu befestigendes Sockelteil und ein den Tragarm aufnehmendes und an dem Sockelteil um die vertikale erste Achse drehbar gelagertes Lagerteil umfasst.

Handelt es sich bei der Nutzlast um ein Gerät, das unabhängig von der Schwenkstellung des Tragarmes und/oder des ersten Lenkers seine Ausrichtung bezüglich der Vertikalen beibehalten soll, so sind besondere Maßnahmen erforderlich, um diese Beibehaltung der Ausrichtung zu gewährleisten. Ist der erste Lenker senkrecht zum Tragarm gerichtet, so braucht bei einer Verschwenkung des Tragarmes nur dieser Schwenkwinkel ausgeglichen zu werden. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn die Nutzlast an einem Tragkopf angeordnet ist, der um eine zur Längsrichtung des ersten Lenkers parallele Schwenkachse schwenkbar ist.

Um eine selbsttätige Verstellung des Tragkopfes in Anpassung an ein Verschwenken des Tragarmes zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Tragkopf drehfest mit einer zur Schwenkachse koaxialen Welle verbunden ist, die mit einem ersten Schenkel eines innerhalb des Tragarmes angeordneten ersten Viergelenkes gelenkig verbunden ist, dessen zum ersten Schenkel paralleler zweiter Schenkel vertikal gerichtet und starr mit dem den Tragarm aufnehmenden Lagerteil verbunden ist, wobei eine der durch den zweiten Schenkel verlaufenden Gelenkachse mit der horizontalen zweiten Achse zusammenfällt und wobei der erste und der zweite Schenkel durch einen parallel zur Längsrichtung des Tragarmes gerichteten ersten Parallellenker verbunden sind. Über dieses erste Viergelenk wird gewährleistet, dass die Nutzlast an dem ersten Lenker unabhängig von der Schwenkstellung des Tragarmes beispielsweise stets eine vertikale Lage beibehält. Dies gilt allerdings nur für den Fall, dass der erste Lenker mit seiner Längsrichtung senkrecht zur Längsrichtung des Tragarmes gerichtet ist. Ist der Winkel zwischen dem ersten Lenker und dem Tragarm von 90° verschieden, muss auch eine Möglichkeit bestehen, die Nutzlast um eine horizontale Achse zu verschwenken, um beispielsweise die vertikale Ausrichtung beizubehalten. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Tragkopf ein mit dem ersten Lenker verbundenes Kopfteil und ein mit der Nutzlast verbindbares Halteteil umfasst, das an dem Kopfteil um eine zur Längsrichtung des ersten Lenkers senkrechte Gelenkachse schwenkbar ist und dass das Halteteil mit dem ersten Schenkel des ersten Viergelenkes über einen zur Längsrichtung des ersten Lenkers parallelen zweiten Parallellenker unter Bildung eines zweiten Viergelenkes verbunden ist, dessen Gelenkachsen parallel zur Gelenkachse des Halteteils sind. Damit kann die Ausrichtung der Nutzlast unabhängig von der Schwenkstellung des Tragarmes und der jeweiligen Schwenkstellung des ersten Lenkers relativ zum Tragarm automatisch beibehalten werden.

Die Basis, der Tragarm sowie der erste und der zweite Lenker des erfindungsgemäßen Statives können zur Aufnahme und Führung von Versorgungsleitungen für die jeweilige Nutzlast ausgebildet sein.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine teilweise schematische perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Deckenstatives,

Fig. 2 und 3

jeweils eine Draufsicht auf das Deckenstativ gemäß Figur 1 in unterschiedlichen Schwenkstellungen der beiden Lenker,

Fig. 4

eine teilweise geschnittene perspektivische Seitenansicht des Stativs nach Figur 1,

Fig. 5

eine vergrößerte Darstellung eines Details aus Figur 4, welches die Lagerung des Tragarmes an der Basis zeigt,

Fig. 6

eine vergrößerte Detaildarstellung des Gelenkbereiches zwischen dem Tragarm und dem die Nutzlast tragenden Lenker und

Fig. 7

eine vergrößerte Detaildarstellung des Tragkopfes, über den die Nutzlast an dem ersten Lenker aufgehängt ist.

Das in der Figur 1 teilweise schematisch dargestellte Deckenstativ umfasst eine Basis 10 und einen langgestreckten Tragarm 12, an dessen beiden Enden ein erster Lenker 14 zur Halterung einer nicht dargestellten Nutzlast und ein zweiter Lenker 16 angelenkt sind, der ein Gegengewicht 18 trägt. Das Gegengewicht kann in nicht dargestellter Weise in Längsrichtung des zweiten Lenkers 16 verstellbar sein.

Die Basis umfasst ein an einer Raumdecke befestigbares Sockelteil 20 (Fig. 5) an dem ein gabelförmiges Lagerteil 22 um eine erste vertikale Achse 24 drehbar gelagert ist. Zwischen den Gabelschenkeln 26 des Lagerteiles 22 ist der Tragarm 12 auf einem Wellenzapfen 28 um eine horizontale zweite Achse 30 schwenkbar gelagert (Fig. 5).

Der Tragarm 12 besteht aus einem oberen Holm 32 und einem unteren Holm 34 zwischen denen der erste Lenker 14 um eine dritte Achse 36 und der zweite Lenker 16 um eine vierte Achse 38 schwenkbar gelagert sind. Die Achsen 36 und 38 liegen in einer Ebene mit der ersten Achse 24.

Der erste Lenker 14 und der zweite Lenker 16 sind in ihren Gelenken, in denen sie mit dem Tragarm 12 verbunden sind, jeweils drehfest mit einer Zahnscheibe 40 verbunden, die nur für das Gelenk zwischen dem ersten Lenker 14 und dem Tragarm 12 in Figur 6 dargestellt ist. Über diese Zahnscheiben verläuft ein Zahnriemen 42, der die beiden Zahnscheiben 40 des ersten Lenkers 14 und des zweiten Lenkers 16 so miteinander koppelt, dass die beiden Lenker 14 und 16 stets ihre in den Figuren 1 bis 3 dargestellte antiparallele Stellung beibehalten, unabhängig von ihrem Schwenkwinkel relativ zum Tragarm 12. Dies ist aus einem Vergleich der Figuren 2 und 3 eindeutig zu erkennen.

In der Figur 2 ist mit M die Lage der ersten Achse 24 bezeichnet. Die Lage der dritten Achse 36 und der vierten Achse 38 sind mit Sn bzw. Sg bezeichnet. Mit N ist der Angriffspunkt der Nutzlast an einem mit dem ersten Lenker 14 verbundenen Tragkopf 44 bezeichnet. Mit G ist der Schwerpunkt des Gegengewichtes oder Ausgleichsgewichtes 18 gekennzeichnet. Die Abmessungen sind so gewählt, dass die mit Ln bezeichnete Strecke zwischen den Punkten Sn und N gleich der Strecke zwischen den Punkten Sn und M ist. In gleicher Weise ist die mit Lg bezeichnete Strecke zwischen den Punkten Sg und G gleich dem Abstand zwischen Sg und M. Die Größe des Gewichtes 18 ist im Verhältnis Ln zu Lg zur Nutzlast zu wählen.

Aufgrund der Kopplung der beiden Lenker 14 und 16 kann man sich über den Punkten M, Sn, N sowie über den Punkten M, Sg, G Dreiecke aufgespannt denken, die durch strichpunktierte Linien in Figur 2 gekennzeichnet sind und die beide gleichschenklig und einander geometrisch ähnlich sind. Die Verbindungslinie N-G geht aufgrund der Gleichschenkligkeit der Dreiecke durch den Punkt M. Der Verhältnis der Abstände N-M zu G-M ist aufgrund der geometrischen Ähnlichkeit gleich dem Verhältnis Ln zu Lg. Da dies für jeden Winkel zwischen dem ersten Lenker 14 und dem Tragarm 12 gilt, ist die Nutzlast in jeder Stellung der Lenker 14, 16 bezüglich der Drehachse 24 (Punkt M) ausgeglichen. Durch verkleinern oder vergrößern des Winkels zwischen den Lenkers 14, 16 und dem Tragarm 12 kann die Nutzlast innerhalb einer Kreisfläche mit dem Radius 2 Ln jeden Punkt erreichen. Eine Drehung des Tragarmes 12 um die erste Achse 24 erschließt die waagerechte Kreisfläche, ein Schwenken des Tragarmes 12 um die zweite Achse 30 erlaubt eine Variierung der Höhe der Nutzlast, wobei die Gleichgewichtsverhältnisse zwischen Nutzlast und Gegengewicht 18 von der Bewegung der Nutzlast unberührt bleiben. Damit ist es möglich, eine Nutzlastpositionierung im Raum zu erreichen bei vollständigem Massenausgleich durch das Gegengewicht. Die Lasteinleitung in die Deckenstruktur über die Basis 10 bleibt dabei momentenfrei.

Die Nutzlast kann von einem beliebigen Gerät gebildet sein, beispielsweise einer Operationsleuchte oder einer Monitoranordnung. Während die Operationsleuchte meist einen Gelenkarm umfasst, an dem der Leuchtenkörper um drei wechselseitig senkrecht aufeinander stehende Achsen kardanisch gelagert ist und somit in jede Lage gebracht werden kann, möchte man bei einer Monitoranordnung in der Regel sicherstellen, dass der Monitor seine Stellung im Raum beibehält, unabhängig von dem Schwenkwinkel des Tragarmes oder des den Monitor tragenden ersten Lenkers 14.

Die Beibehaltung der Ausrichtung der Nutzlast im Raum unabhängig von der Schwenkstellung des Tragarmes 12 oder des ersten Lenkers 14 wird durch zwei Viergelenke sichergestellt, die im weiteren erläutert werden sollen.

Hierzu wird zunächst auf die Figuren 4 und 6 Bezug genommen. Der erste Lenker 14 besteht im wesentlichen aus einem in dem Tragarm 12 schwenkbar gelagerten Gelenkteil 46 mit einer Muffe 48, und einem Rohr 50, das in der Muffe 48 drehbar gelagert ist und an seinem freien Ende den Tragekopf 44 trägt. Der Tragekopf 44 wiederum umfasst einen starr mit dem Rohr 50 verbundenes Kopfteil 52, an dem ein Haltearm 54 um eine Schwenkachse 56 schwenkbar gelagert ist. An dem Haltearm 54 ist dann die Nutzlast befestigt. Wird der Tragarm 12 um die horizontale zweite Achse 30 verschwenkt, wird der Tragekopf 44 zusammen mit dem Lenker 14 um dessen Längsachse gedreht. Das bedeutet, dass der Haltearm 54 und mit ihm die Nutzlast in einer Vertikalebene verschwenkt wird, sofern der erste Lenker 14 einen Winkel von 90° mit dem Tragarm 12 bildet. Ist dieser Winkel zwischen dem ersten Lenker 14 und dem Tragarm 12 von 90° verschieden, führt der Haltearm 54 und mit ihm die Nutzlast eine Kippbewegung um zwei Raumachsen aus, wenn der Tragarm 12 um die horizontale zweite Achse 30 verschwenkt wird.

Zum Ausgleich der Drehbewegung des ersten Lenkers 14 um seine Längsachse dient ein erstes Viergelenk, mit einem ersten Schenkel 58, der in einer mit dem Lenkerrohr 50 des ersten Lenkers 14 starr verbundenen Gabel 60 um eine Achse 62 schwenkbar gelagert ist. Das andere Ende des Schenkels 58 ist über ein Universalgelenk 64 mit einem in dem unteren Holm 34 des Tragarms 14 längsverschieblich geführten Parallellenker 66 gelenkig verbunden. Dieser verbindet den ersten Schenkel 58 mit einem zweiten Schenkel 68 des Viergelenks, der über den Wellenzapfen 28 drehfest mit dem Lagerteil 22 und mit dem Parallellenker 66 um eine Gelenkachse 70 schwenkbar verbunden ist. Das Gelenkviereck umfasst also die Gelenkachsen 30, 70, das Universalgelenk 64 und die Drehachse des Lenkerrohres 50 in der Muffe 48. Wird der Tragarm 12 relativ zum Lagerteil 22 verschwenkt, so wird über dieses Viergelenk 68, 66, 58 und die Gabel 60 das Lenkerrohr 50 um seine Längsachse relativ zum Tragarm 12 verdreht, wodurch der Haltearm 54 seine Ausrichtung im Raum beibehält, sofern der erste Lenker 14 einen Winkel von 90° mit dem Tragarm 12 bildet und somit horizontal gerichtet ist.

Ist der Winkel dagegen von 90° verschieden und liegt der erste Lenker 14 beim Kippen des Tragarmes 12 somit nicht in einer horizontalen Ebene, muss eine weitere Ausgleichsbewegung über ein zweites Viergelenk erfolgen. Dieses umfasst wiederum den ersten Schenkel 58, an dem ein innerhalb des Lenkerrohres 50 verlaufender Parallellenker 72 um eine Schwenkachse 74 schwenkbar angelenkt ist, der mit seinem anderen Ende um eine Achse 76 gelenkig mit dem Haltearm 54 verbunden ist, wie dies Figur 7 zeigt. Das zweite Viergelenk umfasst somit die Gelenkachsen 62, 74, 56 und 76. Die volle Ausgleichsbewegung zum Erhalten einer vorgegebenen Position der Nutzlast im Raum bei einer beliebigen Schwenkbewegung des Tragarmes 12 und des ersten Lenkers 14 umfasst also eine Drehung des Lenkerrohres 50 mittels des ersten Viergelenkes und eine Schwenkbewegung des Haltearmes 54 durch eine Längsverschiebung des Parallellenkers 72 des zweiten Viergelenkes.