本发明涉及用于平衡的方法和装置具有一个用于悬挂物件的杆件并用恒定力的方法来达到平衡效果。 悬挂物的平衡装置已广为人知。本发明人在美国获得的1988年4月12日颁发的专利权证4，763，922号中所列出的就是其中一例。在该专利中示出的一个装置具有一个可在大约90°的弧线上转动的受平衡的悬挂杆件。而本发明的一个目的是要提供一个可在360°的弧线上转动的受平衡的悬挂杆件。本发明的另一个目的是要提供一个操作时不受重力场影响地受平衡的悬挂杆件。本发明还有一个目的是要提供这样一个装置，该装置具有一个由一个或多个杆段组成的铰接杆件，在平衡一个悬挂物时这些杆段能一起旋转或分别旋转。
从本质上来说，本发明具有一个由一个或多个杆段组成的平衡杆件，这些杆段可以环绕一个垂直于杆件并构成主要支点的枢轴旋转360°。平衡方法是将每一杆段在其支点的一边环绕枢轴转动的余弦值复制到位在主要第一枢点另一边的相应的曲柄元件上，此时一个恒定力（可通过力的倍增器来加强）正施加在曲柄元件上。
本发明最好用于重力场内对一具有均匀重量的物件进行平衡的工作，但也可用作不受重力场影响的、即在一非直立的平面上（例如夹紧装置）的恒定力的“推或拉”机构。
本发明的实施例见附图，其中：
图1a 为一装置的垂直剖视图，该装置支承在水平平面上，具有一个处在水平位置的受平衡的杆件，其上带有一个形状如镜子的重物;
图1b 为一与图1a相似的视图，但杆件系在升起的位置;
图2a 为图1所示装置主要元件的透视图;
图2b 为一装在直立面上与图1相似的装置的垂直剖面图;
图3 为第二个实施例的垂直侧视图，该装置具有一个受平衡的铰接杆件，图上示出杆件旋转的可能性;
图4 为图3所示装置设4-4线的水平剖视图;
图5 为图4所示装置沿5-5线的剖视图;
图6 为图3至图5所示装置平衡元件的分解透视图;
图7，8，9，10为图3至图6所示装置的曲柄和托架车的简化立视图;
图11和图12为图3至图6所示装置操作原理的略图;
图13 为第三个实施例的类似图3那样的视图，其受平衡的杆件系由两个杆段组成，图中示出其旋转的可能性;
图14 为图13沿14-14线的水平剖面视图;
图15 为图16沿15-15线的剖面图;
图16 为图14沿16-16线的剖面图;
图17 为本发明第四个实施例类似图3b和图13的代表性的侧视图;
图18 为图17沿18-18线的剖面图;
图19，20，和21是本发明第五个实施例的原理图;
图22 是本发明第六个实施例的纵向垂直剖面;
图23 是图22的实施例的水平剖面。
图1和图2所示装置为台式平衡装置（10），它具有一个底座（12），一个杆件（14）和一个设在杆件（14）端头的荷重（16）。在这第一个实施例中，荷重（16）是一面复合镜，其角度指向为一准平行四边形的联动机构所控制，其中包括一根连接杆（17）。在底座（12）上装有两个肩并肩列在一起的整体心轴（18），可从图2a看到。每一根心轴（18）的周围都卷绕着恒定力弹簧。恒定力弹簧对本行业来说是熟知的，阿米托克（Ametok）就是这种弹簧的一个制造商。适合于图2a中心轴（18）用的那种恒定力弹簧应有这样的特性，当弹簧的一端从心轴上拉开，使弹簧展开伸直，相对心轴而滑动时，同时有一股力要把弹簧拉回到心轴上去，不管弹簧头拉离心轴（18）多远，这股力基本上是不变的。
从图2a中可以看到，心轴（18）上两个恒定力弹簧的端头都栓住在滑动块（20）上，该滑动块在直立导向隔板（22）内移动，该隔板（22）的活动范围又整个被底座（12）所限定。滑动块（20）制成一定形状，它的后端壁（26），两侧壁（28）共同限定了内部空腔或内室（24）。后端壁（26）在中上部挖去一部分，如图2a中标有（30）的地方。
在图1和图2a中看到的杆件（14）是与圆形部分（32）成为一体的，从圆形部分上还有一个短臂（34）伸出到滑动块（20）所限定的内室（24）内。在短臂（34）的端头设有一根小枢轴（36），上面装着两个从动轮（38），在短臂（34）的两边各装一个。从动轮向后抵在后壁（26）的边缘部分（40）上，该部分（40）具有后壁的全部高度。
从图1b可以看到，从杆件（14）的枢轴（44）延伸到小枢轴（36）的连线（42）实际上与杆件（14）的主要方向成直角。显然可知由于重力的关系，在杆件（14）右端的荷重（16）将使杆件（14）沿顺时钟方向转动，使从动轮（38）向左抵压在滑动块（20）的后壁（26）上。但滑动块（20）却受到心轴（18）上恒定力弹簧（19）所施加的恒定向右力的作用，因此有一个恢复力矩或平衡力矩作用在杆件（14）上。进一步我们可从几何的观点来看，由恒定力弹簧施加的力可以安排成使杆件（14）一端的镜子（16）（或其他荷重）总是能受到一个恰好匹配的平衡力，不管杆件（14）的角度如何。特别是由（镜子的）荷重（16）环绕枢轴（44）的力矩（包括杆件（14）重量的作用）总是能恰好被恒定力弹簧（19）作用在从动轮（38）上的平衡力矩所匹配。我们可以看到，使杆件（14）环绕枢轴（44）顺时针方向转动的荷重（16）所作用的力矩臂将随杆件（14）与水平面所成角度的余弦值成比例地减小，而当杆件（14）转动到直立向上的位置时，力矩臂减小为零。由于同样原因，作用在从动轮（38）上的恢复力矩，在最初是等于恒定力弹簧（19）作用的力乘上（36）和（44）两枢轴间的距离，其后这力矩值同样随着杆件（14）与水平面所成角度的余弦值成比例地减小。这一点当应用到所述的装置上时可称为“余弦原理”。
图2b为图1所述装置的一种墙式变型。在图2b所示的装置中有两个卷绕在心轴（60）上的恒定力弹簧（58）以水平方向伸展出来。心轴（60）与底座（62）成为一体，底座（62）可与固定在直立墙面的安装托架用铰链在（64）处连接起来。
在本实施例中，有一杆件（68）装在底座（62）外面的枢轴（70）上，并有一个与杆件（68）的主要伸展方向成直角伸展的短臂（72）。短臂（72）在其远离杆件（68）的一端设有两个从动轮（74），从动轮（74）抵压在底座（62）内移动块（78）的端壁（76）上。恒定弹簧（58）用销钉（80）固定在移动块（78）上，经常使移动块（78）拉向左边如图所示。这就造成一个平衡力矩，通过短臂（72）环绕枢轴（70）而起作用。这个力矩（包括杆件（68）和短臂（72）的重量的作用）正好抵销杆件（68）端头荷重（图2b中未画出）所产生的力矩。
本发明的第二个实施例在图3至12中示出。如图11所示，第一枢轴（90）支持着第一杆件（92）使它能在垂直面内转动。连板（96）与杆件（92）以枢轴（94）连接，在连板上的点（100）处悬挂着荷重（98）。点（94）与点（100）两处间的距离在图11上标为d2。
在杆件（92）的另一端有一L形的第二杆件（102），它有一个主要部分（104）在图11中与杆件（92）在同一直线上，另有一短臂（106）与杆件的主要部分（104）成为直角。还有一连杆（108）把短臂（106）上的枢点（110）与连板（96）上的枢点（112）连接起来。L形的第二杆件（102）以枢轴（114）与杆件（92）连接。可以看到枢轴点（110）（112）（94）和（114）连起来是一平行四边形，不同第二杆件（102）相对于杆件（92）的角度如何。
第二杆件（102）上在点（116）处悬挂着荷重（118）。在图11由多个元件构成的机构中，在枢点（114）和（116）之间的距离设为D2，在枢点（114）和（90）之间的距离设为D1，在枢点（90）和（94）之间的距离设为d1，至于距离d2则在前面已有叙述。
为了使荷重（118）和（98）能精确地维持平衡，D2和D1的比率必须与d2和d1的比率相同。如果这样一个比率存在，那么只要荷重（118）和（98）的比率与（D1+D2）和（d1+d2）的比率成反比，不同（92）和（102）两者之间的角度如何，总是可以得到完善的平衡的。
上述关系在第二杆件（104）以逆时针方向旋转180°以致荷重（98）跑到通过枢点（94）的垂直线的左边时仍然成立。按照图12a和图12b所示的布置，荷重（118）既能环绕枢点（90）也能环绕枢点（114）旋转360°。
图12可以说明一个事实，即不管各个构件的角度如何，从点（90）至点（100）的距离（见图11）和从点（90）至点（116）的距离之间总是存在着不变的关系。如图3所示，本实施例的装置有一箱壳（120）支承在底板（124）上的支座（122）上，底板（124）则可放在桌面（126）上。杆件（128）装在箱壳（120）的一边，可绕枢点（130）旋转360°。第二杆件（132）装在杆件（128）的枢点（134）上，可绕该枢点旋转360°。在第二杆件（132）上远离第一杆件的端头上的点（136）处可配上悬挂荷重。
如图4，5，6所示，箱壳（120）由一铰接在（141）处的侧壁（140）、另一侧壁（142）、顶壁（144）、及底壁（146）构成。在箱壳（120）内装有弹簧卷绕筒（152）和一对弹簧输出筒（150），所有这些筒均能自由旋转。在与筒（152）构成一体的绞车轴（154）上设有螺旋槽（156）用来接受钢缆（158）的端头。钢缆（158）被曳引绕过一个惰轮（160），接下来再绕过另一个惰轮（162），然后进入一个滑车组（164）。滑车组具有多个滑轮，分装在两个间隔开的轴上，其中一个轴的轴线为（166），另一个轴（168）的轴线为（170）。
恒定力弹簧被曳引环绕在卷绕筒（152）和输出筒（150）上，能对输出筒（150）施加一个恒定的扭短，不同输出筒的角度位置如何。从而在钢缆上产生一个恒定的力，这个力通过滑车组（164）的增强作用，就能成为一个恒定的巨大的力，使轴（166）和（170）靠近。
滑车组（164）和惰轮（162）装在一个滑动底盘或托架（165）上，托架上设有导轮（167），可在水平方向上追随轴（168）的位置变化而移动（自左至右如图6所示）。轴（168）可在托架（165）的槽（169）内自由上下滑动。轴承（171）装在槽（169）之内。
现在参阅图4，构成滑车组（164）一部分的轴（168）支承在曲柄臂（172）上，而曲柄臂（172）又通过滚轴承（174）装在轴线为（130）的枢轴上（这个轴线也就是杆件（128）装在箱壳（120）上的枢轴的轴线）。在滚珠轴承（174）之内装有旋转的主轴（176），其上用键装上链轮（178），环绕链轮（178）曳引着环状链（180）。环状链（180）还环绕另一装在枢点（134）的空心轴（184）上的链轮。空心轴（184）相对于第二杆件（132）的位置是固定的，并可旋转。电线（186）可以象图示那样穿过杆件（128）和（132），最后在第二杆件（132）左端的套筒（188）的端部引出应用。
如图5所示我们可以看到，随着恒定力弹簧在钢缆（158）上的作用，滑车组（164）总是要用一个恒定的力把轴（168）拉向下方。曲柄臂（172）是这样安排的，使它在轴线（170）和（130）之间的方向大致上与第一杆件（128）的主要伸展方向相同。这样当杆件（128）向上升起时，曲柄臂（172）就会环绕轴线（130）向上摆动。由于轴（168）被一恒定力拉向下方，正象在轴（168）上挂有一个巨大的重量那样，所以只要钢缆的张力选择恰当，荷重在轴线（136）上的作用是可以完善地加以平衡的。另外，平衡还可以继续到成为精确为止，即使当第一杆件（128）维持在某一位置（例如水平位置）、第二杆件（132）是在枢轴上旋转时也是如此。由于环形链的关系，单凭第二杆件（132）的转动就能引起曲柄臂（172）同等的转动，因此可以维持上面所述的余弦关系。实际上图3至图6所示的布置就是图11，12a，12b所示的理想的图上布置的精确的机械代表物。
图13至图16所示的本发明的第三个实施例具有第一杆件（128）和第一枢点（130）、第二杆件（132）和第二枢点（134），还有一个悬挂点（136），就象图3中所示的实施例那样。但在本实施例中，图4的环状链（180）已被一排或一列齿轮（200）安装在杆件（128）内的轴颈上的相互啮合的齿轮（202）所取代。有一根固定在杆件（132）枢点（134）上的轴（204）带动成排齿轮（200）端头的一个齿轮（206）。成排齿轮（200）另一端的齿轮（208）则固定在一个轴套（210）上，该轴套（210）装在轴承（212）内，并能环绕固定在杆件（128）上的轴（214）旋转。轴套（210）的一端伸入到箱壳（120）之内，带动一个第一齿轮（216），该齿轮（216）与装在曲柄轴（220）上的曲柄齿轮（218）啮合，该曲柄轴（220）又带动一个曲柄臂（222），曲柄臂（222）的另一端带有一个从动轮（224），可在托架（228）的槽（226）内上下自由移动。第一初始齿轮（230）固定在箱壳（120）内的轴（214）上。曲柄轴（220）装在初始齿轮（230）上偏离轴（214）之处并能与初始齿轮（230）相互旋转。
第二初始齿轮（232）装在箱壳内轴（233）的轴颈上，与第一初始齿轮（230）啮合。另有一排直立的互相啮合的齿轮组（234），分别装在固定在箱壳（120）内边的立柱（236）上的轴颈上，把齿轮（216）与一类似的装在第二初始齿轮（232）轴上的齿轮（238）连接起来，齿轮（238）与用键装在曲柄轴（242）上的曲柄齿轮（240）啮合，轴（242）上带有曲柄臂（244），曲柄臂（244）的另一端带有从动轮（246），它可在托架（228）的槽（226）内自由移动。
托架（228）装在一对装在轴颈上的导轮（248）上，导轮（248）可沿箱壳（120）内平行相对的两面（250）移动。恒定力弹簧装置（252）装在托架（228）的轴颈上，由两个弹簧输出筒（254）和一个弹簧卷绕筒（256）组成。绞车轴（258）与卷绕筒（256）制成一体，滑车组（260）分别装在图15的轴（245）和（247）上，并具有众多的惰轮（262）。钢缆（264）的一端（266）锚固在托架（228）上，然后绕过惰轮（262）和绞车轴（258），将另一端（268）（图15）锚固在弹簧卷绕筒（256）上。
在图13至图16的实施例操作时，第二杆件（132）环绕枢点（134）的转动通过齿轮组（202）和轴套（210）传到齿轮（216）上，齿轮（216）使曲柄臂（222）和（244）在相反方向转动并使托架（228）移动，托架（228）的移动由初始齿轮（230）和（232）的转动来引导。滑车组滑轮（260）和（262）垂直方向移动，由恒定力弹簧卷筒装置提供一个恒定力。
图17和图18所示第四实施例具有第一杆件（128）和第一枢点（130），枢点（130）设在圆周轴承（290）的中心，圆周轴承（290）带有箱壳（120）的一块圆形板（292），可与第二实施例中的三个轮子起同等的作用。（如图4所示，三个均匀分布的轮子（190）分别装在壳板（191）的轴颈上并在箱壳（120）侧壁上一个圆周空腔（192）内滚动）。第四实施例也有第二杆件（132）和第二枢点（134），就象图3所示的实施例那样。还有第三杆件（300）和第三枢点（302）及悬挂点（304）。第一杆件（128）和第二杆件（132）的结构和机理与图3至图12中第二实施例的有关件相似。第三杆件（300）的枢点（302）具有一个固定在杆件（300）上的销钉（306），该销钉（306）的轴颈装在第二杆件（302）内的轴承（307）上，并在杆件（132）内带动一个链轮（308）。链轮（308）通过链条（310）与固定在轴套（314）上的链轮（311）连接，轴套（314）装在杆件（128）的轴承（316）内，并在杆件（128）内带动一个链轮（318）。链轮（318）通过链条（320）与固定在轴套（324）上的链轮（322）连接。固定在轴套（324）上的还有一个链轮（334），链轮（334）驱动链条（336）和固定在轴（340）一端的链轮（338），轴（340）装在轴套（324）内，固定在轴（340）的另一端的还有一个链轮（342），链轮（342）驱动链条（344）和装在轴（331）上的链轮（346），该链轮（331）与曲柄（330）制成一体。曲柄（330）上的轴（331a）带动图5所示的滑车组（164）。
第四实施例在操作时，杆件（300）转动轴（302）、链轮（308）、链条（310）、链轮（311）、轴（314）、链轮（318）、链条（320）、链轮（322）、轴套（324）、链轮（314）、链条（336）、链轮（338）、轴（340）、链条（344）、链轮（346）、轴（331）、曲柄（330）和轴（331a）。第二杆件（132）转动的按排就象图3至12第二实施例所述的那样。
参阅图4，本行业的专业人员可以看到，如果第二杆段不需要转动360°，那么链轮链条的装置可用图11、12a和12b所述的平行四边形机构来代替。
参阅图16，可以看到由原始齿轮（230）和（232）（每个齿轮都有一个偏心轮），以及滑车组装置（260）和第一杆件（128）可以构成一个简单的平衡装置，作为第二实施例的替代方案。
本发明的第五个实施例，如图19，20，21所示，说明了具有一个第一杆件和一个第二杆件，其中落到第一杆件支点一边的力的余弦移动值能够复制到支点的同一边上。第一杆件（402）具有支点（404）并和L形第二杆件（406）相铰接在铰接点（408）。一个恒定力，例如，从一个悬挂物以箭头方向（412）落到杆件的点（410）上。肘板（414）在铰接点（416）处与第一杆件（402）铰接，该铰接点（416）位于支点（404）和铰接点（408）之间并在一条直线上。第一和第二推拉杆（418）、（420）和肘板（414）以及第二杆件（406）铰接在铰接点（422），（424），（426）和（428）处，以致使这些铰接点位于一个平行四边形的顶角上，不管第一和第二杆件之间形成的角度如何。虽然所述的实施例不允许肘板（414）和杆件（406）围绕铰接点（416）和（408）分别作全面旋转，本行业中的专业人员将认为这种装置是可能的。平衡力作用到铰点（422）上，它的方向是逆着箭头（430）所示的落到杆件上的力。
推拉杆（418）、（420）二者中的一个能单独地满足整个装置的几何要求。但是，两个杆件一起，在其满足几何要求时，能增加整个装置的稳定性。在图19所示的位置时，垂直地落到杆件上的力的分力在离支点（404）和铰接点（422）处最远点时达到最大，并且第一杆件（402）和第一推拉杆（418）在同一直线上。向上的力，如箭头（430）所示，推着杆件（418）的近侧端向上，同时，向下的力，如箭头（412）所示，拉着杆件（406）和杆件（418）的远侧端向下，这样就企图拉曳着点（418），（408），（426）不再使它们能够对准，而这正是杆件（420）能起到保持这种对准的作用。这就是第二推拉杆（420）对一个仅有第一推拉杆（418）在位时的装置能够有利地增加其整个杆件的稳定性的道理。
当在如图21所示的位置时，点（428），（408）和（426）是对准的，有力量企图拉着杆件（406）的上面垂直部分向右，同时企图推着肘板（414）的铰接点（428）向左，这样就使点（428），（408），和（426）不再能够对准。第一杆件（418）是用于保持这种对准的。这就是第一推拉杆（418）对一个仅有第二推拉杆（420）的装置能够有利地增加其整个杆件的稳定性的道理。
图22和23说明了本发明的第六个实施例，具有一个类似于第二实施例的装置，但是图4中的链条（180）被一组由相互啮合的伞齿轮相连接的旋转轴装置所代替。第一杆件（502）的轴颈连接在壳体（504）的一端，并环绕第一铰接轴线（506）旋转，而第二杆件（508）被连接到第一杆件的远端并环绕第二铰接轴线（510）旋转。在第一杆件（502）内是一个第一空心轴（512）并在两端带有伞齿轮（514，（516），伞齿轮（514）和轴（520）上的伞齿轮（518）相啮合，轴（520）的轴颈装在壳体（504）内并环绕铰接轴线（522）旋转。在第二杆件（508）的近端的伞齿轮（524）的轴颈装在壳体（526）内并和第一轴的伞齿轮（516）相啮合。齿轮轴（520）被固定到可旋转的盘（528）上。滑车组的力（在前面已讲到过但在本实施例的图中未示出）通过固定在盘（528）上的轴（530）来传递。第一轴（512）两端的轴颈装在壳体（504），（526）内。第二杆件（508）的旋转使得齿轮（524）环绕它的轴线（510）旋转，通过齿轮（524），（516）的相互啮合，使得第一轴（512）环绕它的纵轴线（532）旋转。通过齿轮（514），（518）的相互啮合，盘（528）环绕铰接轴线（522）旋转。本发明的轴是空心的，这是为了使电线能从壳体（504）内穿行一直抵达第二杆件（508）的远端来和位于那里的装置连接起来。