JPS63502610A - 高角度なリンクヒンジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 −ｔリン　ヒンジ え吸ｍ ｉ豐＠九此 本発明は、トルク伝達用ヒンジ装置、特に、力伝達要素としてリンクおよびビン を使用するヒンジに関する。

良東改断グ乳吸 患者を一定の姿勢にする関節部分を有する外科手術台および病院用ベッドは周知 である。関節部分に関節動作をさせる各種の起動手段が開発されている。アフリ エテツド・プロダクツ（Ａｆｆｉｌｉａｔｅｄ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ）社に対し１ ９７６年９月２８日に与えられたミツシェル（Ｍｉｔｃｈｅｌ）等の米国特許第 ３，９８２，７４１号は、縦並びに接続した油圧シリンダによって起動可能な可 動部分を有し、上記油圧シリンダを静止部分に固着した手術台を開示している。

上記油圧シリンダは、２本の枢着ビンと垂下するアクチュエータの脚間を伸長す る接続リンクによって、関節部分の両側に接続されている。

１９８１年、６月２日、ジャック・ムリガン（Ｊ　ａｃｋＭｕｌｌｉｇａｎ）に 与えられた米国特許第４，２７０．２３３号は、可動部分を有する助産ベッドを 開示している。リンクおよびビンを使用して、可動部分に関節動作をさせる。１ ９６７年、１０月３１日に与えられたダウンズ（ＤｏｗｎＳ）の米国特許第３， ３４９゜８７７号は、調節可能になベッドに使用する別型式の力伝達機構を開示 している。

本発明の目的は、大荷重を高角度に亘って関節動作させ得る力伝達要素を有する ヒンジ機構を提供することである。

本発明の別の目的は、最小限寸法のヒンジ機構を提供することである。

楚肌ΔＡ１ 本発明は、トルク伝達用のリンク装置を提供する０節点にて第２部材に回転可能 なように接続した第１部材を有する装置において、リンク装置は、第２部材に回 転可能なように取付けな１端および自由端を有する入力リンクと、１端を中心と して入力リンクにモーメントを作用させる手段と５節点に回転可能なように取付 けな１端および自由端を有する出力リンクと、および入力リンクの自由端に接続 した第１端および出力リンクの自由端に接続した第２端を有する連結リンクとを 備え、第１部材が出力リンクと共に動くように、出力リンクを第１部材に作用可 能に関係させるものである。入力リンクの長さは、出力リンクの長さより長いた め、入力リンクをその１端を中心として回転させることにより、連結リンクが、 出力リンクとその１端を中心として、入力リンクと比べ大きい回転角度に亘り回 転させることができる。

出力リンクは、第１部材と一体にすることができる。モーメント作用手段は、入 力リンクの自由端に接続した伸縮可能なロッドを有する、シリンダのような流体 駆動のリニアアクチュエータとすることができる。

第１部材は、可動部材とし、第２部材は静止部材とすることができる。別の方法 として、第１部材を静止部材とし、第２部材を可動部材としてもよい。

リンク装置は、各々、アクセス穴を設けた、平行に間隔を置いて配設した２つの 第１側壁を有する静止部材と、および上記静止部材の第１側壁の外側に回転可能 なように取付けた、平行に間隔を置いて配設した２つの側壁を有する可動部材と を備えていることが望ましい、この場合、入力リンクは、２つの第１側壁間にて 静止部材に取付け、連結リンクは、各第１側壁のアクセス穴を介して、可動部材 の第２側壁に枢動可能なように取付けることが望ましい。

凍結リンクは、それぞれ第１端を有する２つのリンク部材を備え、上記第１端は 、入力リンクの自由端の両件側に取付けることが望ましい、モーメント作用手段 、具体的に、流体駆動のリニアアクチュエータのロッドは、リンク部材の各第１ 端を入力リンクの自由端に取付ける二股端を備えている。

図１！」１制ｒ説朋一 本発明は、添付図面を参照することにより、一層良く理解することができよう。

第１図は、静止部材に対する可動部材の回転角度を示す、外科手術台の側面略図 、 第２図は、本発明のリンク装置の１実施態様を示す側面図、第３図は、可動部材 が静止部材に対して対の状態となったときの本発明のリンク装置を示す、側面略 図、第４図は、可動部材を静止部材に対する１主地位置まで回転させたときのリ ンク機構を示す、第３図に示したリンク装置の側面略図、 第５図は、可動部材を静止部材に対する別の主地位置まで回転させたときのリン ク機構を示す、第３図に示したリンク装置の側面略図、 第６図は、本発明のリンク装置の好適実施態様を示す、分解等角面、 第７図は、本発明のリンク装置の動作範囲を示す幾何学的図、第８図は、原点が ０にあるデカルト座標系ｕ−ｖにおけるリンク装置の幾何学的図、および 第９図乃至第１１図は、力の分析に便なるように各リンクおよび連結部を示す幾 何学的図である。

隼　の　’ｊＢ 本発明のリンク装置１０は、添付図面に略図で、幾何学的に示しである。このリ ンク装置１０は、多数部分から成る外科手術台１２（第１図参照）または調節可 能なベッドの可動部分を関節動作させるのに特に適している。しかし、このリン ク装置１０は、各種の用途に適用し得るものであることが理解されよう。

第１図は、第１可動部分１６、および第２静止部分１４を有する外科手術台１２ を示している。リンク装置１０は、入力リンク２０、出力リンク２２．１対の連 結リンク２４、およびアクチュエータ２６を備えている。別の実施態様において 、部分１６は、静止型とし、部分１４を可動としてもよい。

第６図を参照すると、入力リンク２０は、ロッド３４を嵌入させる貫通孔３２を 有する１端３０を備え、入力リンク２０は上記ロッド３４を中心として回転する ことができる。ロッド３４の各端は、静止部分１４の側壁１８の受理部材３６に 接続されている。入力リンク２０の他端３８の外側４０は、アクチュエータ２６ のロッド６０の二股端５８に接続されている。端部５８の外側には、２つの連結 リンク２４がある。

各連結リンク２４は、アクチュエータロッド６０の二股端５８を介して、入力リ ンク２０の自由端３８に接続されている。

各連結リンク２４は、また、穴５０を形成した第２端４８を備え、ロッド５２を 上記穴５０内に嵌入させ、第２端４８を可動部分１６の側壁２８にて受理部材５ ６に接続する。このように、連結リンク２４は、入力リンク２０の自由端３８を 出力リンク２２の自由端７８に接続し、可動部分１６と一体にする。

可動部分１６は、各側壁１８．２８それぞれの穴６６．６８を介して、トラニオ ン６２．６４により、静止部分に回転可能なように接続されている。各側壁２８ は、静止部分１４の１方の側壁１８の外側に位置決めされている。トラニオン６ ２．６４は、静止部材１４の対向穴６６、および可動部分１６の対向する整合穴 ６８を通っている。座金７０およびねじ７２が部分１４．１６同志をロックして いる。可動部分１６のトラニオン６２、．６４の接続部とおよび可動部分１６の 受理部材５６の接続部間を伸長する線は、一体の出力リンク２２を形成する（第 ３図乃至第５図参照）。

しかし、出力リンク２２は、可動部材１６に適当に接続した別個のリンクとし、 可動部分１６が出力リンク２２と共に動くことができるようにしてもよい。

可動部分１６が静止部分１４に対して回転するとき、受理部材５６は、アクセス 穴７４に跨がる。アクセス穴７４のスロットにより、リンク装置１０の組立ては 容易となる。スペーサ７６がロッド５２に沿って摺動し、連結リンク２４の端部 ４８が受理部材５６に嵌入された状態に保つ。

アクチュエータ２６は、二股端５８を有する伸縮可能なロッド６０を備えた、第 ２図および第３図乃至第５図に示す流体駆動シリンダ８０のようなリニアアクチ ュエータである。シリンダ８０は、４にて静止部分１４に枢動可能なように接続 されている。

第３図乃至第５図を参照すると、アクチュエータロッド６０が完全に伸長すると 、入力リンク２０の自由端３８は、静止部分１４に固定したその端部３０を中心 として回転する。連結リンク２４がモーメントを可動部分１６の出力リンク２２ の自由端７８に伝達する。

各リンクの長さは一定であり、また、入力リンク２０の固定端３０と出力リンク ２２の固定端７５間の距離および方向も一定である。このため、アクチュエータ ロッド６０が伸長位置にあるとき、可動部分１６は、静止部分１４に対して約９ ０°の角度にて上方に回転する。

第５図に示すように、アクチュエータロッド６０が後退すると、入力リンク２０ の自由端３８はアクチュエータ２６に向けて後方に回転し、よって、連結リンク ２４および出力リンク２２の自由端７８を引張り、出力リンク２２をその固定端 ７５を中心として回転させる。このように、可動部分１６は、静止部材１４に対 し鋭角な角度にて上方に回転する。第３図は、可動部分１６が静止部分１４に対 し対の状態となる中間位置を示入力リンク２０の長さは、出力リンク２２の長さ より長０ため、入力リンク２０がその固定端３０を中７１．％として回転すると 、連結リンク２４によって、出力リンク２２番よ、入力リンク２０と比べ大きい 角度に亘ってその固定端７５を中Ｊじ１として回転する。好適実施態様において 、各連結リンク２４番よ、出力リンク２２よりも長くしである。

高角度はリンクヒンジは、大きし）角度に亘って回転し、大トルクを発生させる 。第７図は、第４図および第５図（こ示した主地位置の幾何学的図である。「Ａ 」は、アクチュエータロ・ラド６０と入力リンク２０の自由端３８間の接続部を 示す、　ｒＢＪＧよ、連結リンク２４と出力リンク２２間接続部を示す、ｒＱＪ Ｇ、ｔ、出力リンク２２の固定１７５における、静止部分１４と可動部分１６間 のｔｌｌ郡部示す、「Ｓ」は、入力リンク２０の宵争止部分１４と固定端３０間 の接続部を示す、ＳおよびＡ８よ、固定点である。ＡおよびＢは、それぞれＳお よびＱに中／Ｃ，・のある円弧に。

沿って動く、入力リンク３０は、リンクａ、ａＪこよって示さし、連続リンク２ ４はリンク２４　ｃ　＊　Ｃｚ、出力リンク２２ζよリンクｂ。

ｂ２によって示しである。ここで、Ａ、Ｂ、ａ、ｂおよびｃ４．ｔ、第５図に示 した構成に近似し、Ａ２．Ｂ２．Ａ２，１）２および０２＋よ、第４図に示した 構成に近似する。第７図に示すようζ：、入力リンク２０がａからＡ２まで１０ ０°回転すると、これＧこ対応して、出力リンク２２はｂからｂ２まで２２０° 回転する。このよう（こ、アクチュエータロッド６０が比較的僅かに直線状（こ 動（ことで、］１＼角度の入力トルクは伝達されて、約２倍の角度出力となる。

従来、この程度の角出力は、歯車型式の力伝達要素でなければ実現し得ないと考 えられていた。リンク・ビンカ伝達要素は、製造および組立てが容易であり、コ ストが低廉でしかも極限強度の点でも歯車型式の要素よりも有利である。さらに 、リンク・ビン機構は、歯車型式の機構と比べ少ないスペースで済む、コンパク トなリンク装置は、外科手術台に有用である。

特定の用途に対する特定のリンク装置を設計する際に特に重要なことは、リンク およびビン要素の配設形態と力の関係である。必要とするヒンジ角度において作 用するヒンジトルクが分かったならば、入力アクチュエータの力、各リンク、ビ ンおよび軸受と関係する力およびトルクを確認しなければならない。

第８図乃至第１１図は、下記の配設形態および力の解析に使用する幾何学的図で ある。

第８図を参照すると、リンクｄは、接地されており、静止部分１４と一体である 。同様に、出力リンクｂは、可動部分１４と一体である０Ｍは、出力リンクｂの 点Ｑを中心として外部から作用するモーメントである。デカルト座標系ｕ　−ｖ は、図示するように、原点をＯとした状態にて形成される。角度および長さは、 アルファベットで示しである。

分析の目的上、入力リンクの角度ａは、独立的な変数とする。

全リンク（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）の長さおよびリニアアクチュエータの固定の枢動点 ４の座標”４＋Ｖ４は既知であると仮定した。この解析により他の全ての角度、 並びにリニアアクチュエータの長さ１を表すことができる。

先ず、線ｎを認め、三角形ｎａｄおよびｎｂｃに対して余弦法則を適用する。

次のようにして、距Ｎｎをめる。

（１）　ｎ”＝ａ”＋ｄ”　２ａｄＣＯ８ａ次に、角度μをめる・ （３）　ｎ２＝ｂ”＋ｅ”　−２ｂｃＣＯＳ　ｐここで、ｎは、方程式２にてめ た値とする。

同様に、角度σおよびλをめる。

（５）　ａ”＝ｎ”＋ｄ’　−２ｎｄＣＯＳ　６（））　ｃ２＝ｎ”＋ｂ”　２ ｎｂＣＯＳ　λまたは、 角ＪＥｖは、三角形ｎｂｃおよびｌａｄの角度の合計力ゞ・各４・であると知る ことにより請求めることが−できる。放心こ、（９）　ｖ＝（π−α−σ）＋（ π−λ−μ）または （１０）ｖ＝−（α＋σ＋λ十μ） 角度βは、Ｕ−軸に対する出力リンクｂの基準角度である。これは、次のように 簡単にめられる。

（１１）　β：π−σ−λ これで、リンク装置のあらゆる点の座標は、基本的な三角法によってめることが できる。その結果は、次にまとめた通りこれで、簡単な解析幾何学を適用して、 アクチュエータの長さ１および連結リンクに対するその角度をめることカイでき る。

配役形態に関する全ての値は、リンク長さおよび入力リンクの角度の関数として 既知である。この値は、静荷重解析を行なう上で必須である。

しかし、方程式（２）、＜４）、（８）および（８）の右側の記号は、十または −とすることができることを認識する必要がある。こノｔら表示の記号に関する 決定は、リン・り装置およびその形態を詳細に検討することにより下さなければ ならない。

所定の作用モーメント、およびリンク装置の任意に対して、全てのリンクおよび ビン、並びにアクチュエータに作用する力を知る必要がある０本解析上、点Ｑを 中心として純モーメントが作用する（リンクｂには垂直せん断力は全く作用しな い）と仮定する。同様に、枢動点における摩擦は無視した。当業者なら理想的で ない状況に対し、必要な調整を為すことができよう。

第８図は、リンク装置および本解析に必要な名称を示す、モーメントＭは、点Ｑ を中心として作用し、所定の任意の点において、相互にまた静止部材に対して反 作用するリンク、およびヒンジの可動部材によって折制される。各リンクおよび 連結部の自由体の表は、第９図乃至第１１図に示しである。

点Ｑを中心とするモーメントを次のように合計する。

点Ｂにおいて、第９図および第１１図から次のことが分かる。

の反作用力である。力Ｃは、連結リンクＣに作用する軸荷重である。摩擦は無視 しであるため、このリンク、またはまだ調べていない他の任意のリンクには接線 力が全く作用しない。

点Ａの自由体の表は、Ｃ，ＡおよびＬという３つの力を伴なう。第１０図におい て、座標系ｕ’　ｖ’は、軸１ｉｕ’がリンクＣと対の状態となり、点Ａに原点 があるように形成される。これら軸に沿った力を次のように合計する。

（２４）　ＸＦｕ’＝Ｏ＝−Ｃ＋Ｌ、Ｃ０５ｃｂ＋ＡＣＯ８ｖ（２５）　ΣＦｖ ’＝Ｏ＝−ＬＳＩＮφ＋ＡＳＩＮｖ力Ｃは、角度と同様に既知であり、Ｌおよび Ａをめればよい、後の方程式から、 となり、これを第１の方程式に代入すれば、となり、これは、方程式（２２）を 用いて、次のように再構成することができる。

これは、アクチュエータに作用する軸力である。これを方程式（２６）にて使用 すれば、 となり、これは、リンクａに作用する軸荷重である。

これで、全てのリンクおよびビンの力、並びにアクチュエータの力がめられた。

本発明のリンク装置１０を外科手術台１２に使用する場合、寸法、外観、清潔さ 、および内部機構への流体の流入防止、挟挿箇所の解消、および最小限のがたと いった特徴が重要である。

ヒンジの寸法は、極限強度基準、動力源、必要とする関節角度、作用荷重、およ び使用する材料の強度といった事項を組合せて決定する。

外観、清潔さの利点を得、および挟挿箇所がないようにするため、静止部分１４ および可動部分１６は、静止部分側壁１８の各外側２８と接する可動部分１６の ２つの側壁２８によって接続されている。この構成により、外側穴、締結具、鋭 角な端縁および挟挿箇所を解消することができる。

物理的ながたが、最小限であるようにすることは、強度上必らずしも重要である とは限らないが、外科手術台の設計上重要であり、特に、ヒンジ荷重が「偏心状 態」に作用し、ヒンジモーメントが略０となる場合、重要である。こうした状態 のがたの結果、ヒンジは、動揺して一定のロック状態でなくなる。がたは、主と して、各種のビンがそれぞれの穴および軸受内にて榎るむことに起因する。ピン 嵌合の所定の品質に対するがたは、リンクの配設形態に強く左右される。故に、 所定のビンが１位置にあるか、または別の位置にあるかによってがたは異なった ものとなる。がたを最小限とするためには、高精密なビン、穴、および軸受が望 ましい。

国際調査報告

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．節点にて第２部材に回転可能なように取付けた第１部材を有する装置におい て、 １端を前記第２部材に回転可能なように取付け、自由端を有する入力リンクと、 前記入力リンクの１端を中心として前記入力リンクにモーメントを作用させる手 段と、 １端を前記節点に回転可能なように取付け、自由端を有する入力リンクであって 、前記第１部材が前記出力リンクと共に動くように、前記第１部材に作用可能な ように接続された前記入力リンクと、 第１端を前記入力リンクの前記自由端に接続し、および第２端を前記出力リンク の前記自由端に接続した連結リンクとを備え、 前記入力リンクの長さを前記出力リンクの長さより長くし、前記入力リンクをそ の１端を中心として回転させることにより、前記連結リンクが前記入力リンクと 比べ大きい回転角度に亘って前記リンクをその１端を中心として回転させ得るよ うにしたことを特徴とするトルク伝達用リンク装置。
2. ２．前記出力リンクが前記第１部材と一体であることを特徴とする請求の範囲第 １項に記載したリンク装置。
3. ３．前記モーメント作用手段が、リニアアクチュエータであることを特徴とする 請求の範囲第１項に記載したリンク装置。
4. ４．前記連結リンクの長さが前記入力リンクの長さより短かいことを特徴とする 請求の範囲第１項に記載したリンク装置。
5. ５．前記モーメント作用手段が、１端を前記第２部材に固定し、他端と前記入力 リンクの前記自由端に接続した伸縮可能なロッドの形態とすることを特徴とする 請求の範囲第１項に記載したリンク装置。
6. ６．前記第１部材が可動部材で、および前記第２部材が静止部材であることを特 徴とする請求の範囲第１項に記載したリンク装置。
7. ７．前記静止部材が各々アクセス穴を有する、平行に間隔を宣いて配設した２つ の第１側壁を有し、前記可動部材が、前記静止部材の前記第１側壁の外側に回転 可能なように平行に間隔を置いて配設した２つの第２側壁を備え、 前記入力リンクを前記第１側壁間にて前記静止部材に回転可能なように取付け、 前記連結リンクを前記静止部材の前記アクセス穴を通じて前記可動部材に枢動可 能なように取付け、および前記出力リンクを前記可動部材と一体にすることを特 徴とする請求の範囲第６項に記載したリンク装置。
8. ８．前記連結リンクが、２つのリンク部材を備え、前記各リンク部材が、それぞ れの前記第１端を前記入力リンクの前記自由端の両側に取付けることを特徴とす る請求の範囲第７項に記載したリンク装置。
9. ９．前記モーメント作用手段が、伸縮可能なロッドを有する流体駆動のシリンダ であり、前記ロッドが前記２つのリンク部材の各前記第１端を前記入力リンクの 前記自由端に取付ける二股端を有することを特徴とする請求の範囲第８項に記載 したリンク装置。
10. １０．前記可動部材と隣接する第１側壁および第２側壁間に取付けた１対の対向 トラニオンによって、前記静止部材に回転可能なように取付けることを特徴とす る請求の範囲第７項に記載したリンク装置。
11. １１．前記第１部材が静止部材で、および前記第２部材が可動部材であることを 特徴とする請求の範囲第１項に記載したリンク装置。
12. １２．各々、アクセス穴を有する、平行に配設した２つの第１側壁を有する静止 部材と、 平行に間隔を置いて配設した２つの側壁を有し、前記各第２側壁を前記静止部材 の前記１方の第１側壁の両側壁に回転可能なように取付けた可動部材と、 １端を前記第１側壁および自由端間にて前記静止部材に回転可能なように取付け 、および自由端を有する入力リンクと、第１端を前記入力リンクの前記自由端に 枢動可能なように取付け、および第２端を前記アクセス穴を通じて、前記可動部 材に枢動可能なように取付けた、前記第１側壁間の連結リンクと、および 前記入力リンクの前記１端の回転可能な取付部を中心として、前記静止部材にモ ーメントを作用させ、前記モーメントを前記連結リンクを介して前記可動部材に 伝達することを特徴とする、トルク伝達用リンク装置。
13. １３．前記１端における回転可能な取付部から前記自由端における枢動可能な取 付部までの前記入力リンクの長さが、前記第２側壁における回転可能な取付部か ら前記連結リンクの前記第２端に対する枢動可能な取付部までの前記可動部材の 長さより長いため、前記入力リンクを回転させることにより、前記連結リンクが 前記入力リンクと比べ大きい回転角度に亘って前記可動部材を回転させることを 特徴とする請求の範囲第１２項に記載したリンク装置。
14. １４．前記モーメント作用手段が、伸縮可能なロッドを有する流体駆動のリニア アクチュエータであり、前記ロッドを前記入力リンクの前記自由端、および前記 連結リンクの前記第１端に取付けることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載 したリンク装置。
15. １５．前記連結リンクが各々、前記第１端を有する、対向する２つのリンク部材 を備え、前記各第１端を前記入力リンクの前記自由端の両外側に取付け、および 各リンク部材が各々、前記可動部材の対向する第２側壁に取付けた前記第２端を 有することを特徴とする請求の範囲第１２項に記載したリンク装置。