KR101155464B1 - 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조 및 이를 이용한 수술 기구 - Google Patents

로봇의 엔드 이펙터 작동 구조 및 이를 이용한 수술 기구 Download PDF

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KR101155464B1
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안효성
이승주
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 정밀한 힘 제어가 가능하고, 소모되는 에너지를 최소화하며, 구조를 단순화할 수 있는 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조 및 이를 이용한 수술 기구에 대한 것이다.
본 발명은, 샤프트의 말단에 엔드 이펙터를 구비한 수술 기구에 있어서, 상기 샤프트가 고정되는 제 1 플레이트; 상기 제 1 플레이트에 회동 가능하게 구비되며, 상기 엔드 이펙터의 엔드 이펙터 구동풀리에 연결된 제 1 와이어를 가이드하는 제 1 가이드 풀리; 상기 제 1 와이어의 양단이 고정되며, 회전에 따라 상기 제 1 와이어를 구동하는 제 1 회전축; 및 상기 제 1 회전축을 회전 구동하는 제 1 구동 모터를 포함하며, 상기 샤프트가 고정된 상기 제 1 플레이트가 베이스 플레이트에 대해 회동함으로써 상기 샤프트가 회전되는 것을 특징으로 하는 수술 기구를 제공한다.

Description

로봇의 엔드 이펙터 작동 구조 및 이를 이용한 수술 기구 {Operation Mechanism for End Effector of Robot and Surgical Instrument Using the Mechanism}
본 발명은 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조 및 이를 이용한 수술 기구에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 정밀한 힘 제어가 가능하고, 소모되는 에너지를 최소화하며, 구조를 단순화할 수 있는 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조 및 이를 이용한 수술 기구에 대한 것이다.
최근 의료 기술의 발전과 더불어 로봇을 이용한 수술 방법이 확산되고 있다. 수술 로봇은 의사를 보조하여 수술을 수행하는 의료용 로봇이다. 수술 로봇을 이용하는 경우 직경이 가는 로봇 암과 내시경을 이용한 수술로 인해 최소 침습 수술(MIS : Minimum Invasive Surgery)이 가능해져 환자의 회복 속도가 빠르고, 정확한 수술을 통해 수술 성공률을 높이는 등 로봇을 이용한 수술은 의료진 및 환자 모두가 만족하는 새로운 수술 방법으로 각광받고 있다. 대표적인 수술 로봇으로는 미국 인튜이티브 서지컬 사의 다빈치 시스템이 있다.
현재 수술 로봇은 전립선이나 위장, 심장부위와 같은 소프트 티슈(soft tissue)를수술하는 복강경 수술로봇, 무릅 관절과 같은 하드 티슈(hard tissue)를수술하는 인공관절 수술로봇, 및 혈관에 카테터 등을 통해 삽입되어 수술하는 혈관 수술 로봇 등이 개발되어 있는 상황이다.
복강경 수술 등에 사용되는 로봇의 경우, 집게 부분을 포함한 수술 기구가 로봇에 장착된다. 상기 수술 기구는 한 쌍의 집게를 구동하고, 상기 집게 전체를 선회시키며, 집게가 장착된 샤프트를 회전시키는 등 통상 4자유도의 운동이 가능하도록 구성된다.
수술 기구의 4자유도 운동을 위해서는 각각의 운동을 위한 구동 메커니즘이 요구되며, 복수의 구동 메커니즘에 따라 구조가 복잡하고 크기가 커지는 등의 문제점이 존재한다. 또한, 4자유도 운동을 복수의 와이어와 풀리의 조합체로 가능하도록 하는 경우, 복수의 와이어가 서로 엉킬 수 있는 문제점이 존재한다. 더불어, 수술 로봇과 같은 경우에는 정밀한 움직임 제어와 힘 제어가 가능하여야 하는데, 종래의 수술 로봇의 경우 작동 메커니즘에서 소모되는 힘으로 인해 정밀한 제어가 어려운 문제점이 존재한다.
또한, 종래 방식에 의한 구동 메커니즘의 경우 샤프트의 회전에 의해 엔드 이펙터나 집게를 구동하는 와이어가 꼬여 와이어에 불필요한 힘이 작용하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 정밀한 힘 제어가 가능하고, 소모되는 에너지를 최소화하며, 구조를 단순화할 수 있는 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조를 복수 채용하여 와이어의 엉킴을 방지하고, 작동 메커니즘들을 작은 공간에 집적시킬 수 있으며, 정확한 제어가 가능한 구조를 제공하는 수술 기구를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은, 샤프트의 말단에 엔드 이펙터를 구비한 수술 기구에 있어서, 상기 샤프트가 고정되는 제 1 플레이트; 상기 제 1 플레이트에 회동 가능하게 구비되며, 상기 엔드 이펙터의 엔드 이펙터 구동풀리에 연결된 제 1 와이어를 가이드하는 제 1 가이드 풀리; 상기 제 1 와이어의 양단이 고정되며, 회전에 따라 상기 제 1 와이어를 구동하는 제 1 회전축; 및 상기 제 1 회전축을 회전 구동하는 제 1 구동 모터를 포함하며, 상기 샤프트가 고정된 상기 제 1 플레이트가 베이스 플레이트에 대해 회동함으로써 상기 샤프트가 회전되는 것을 특징으로 하는 수술 기구를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제 1 회전축은 제 1 회전 드럼에 결합되고, 상기 제 1 회전 드럼이 상기 제 1 구동 모터의 제 1 구동축에 의해 구동된다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 구동축의 외주면에는 나사산이 구비되고, 상기 나사산과 상기 제 1 회전 드럼의 외주면에 제 1 구동 와이어가 구비되어 상기 제 1 구동 와이어에 의해 상기 제 1 구동축의 구동력이 상기 제 1 회전 드럼으로 전달된다.
한편, 상기 엔드 이펙터의 단부에는 서로 맞물리는 제 1 집게와 제 2 집게가 구비된다.
바람직하게는, 상기 제 1 플레이트와 체결봉에 의해 결합되는 제 2 플레이트를 추가로 구비하며, 상기 제 2 플레이트에는 상기 제 1 집게의 제 1 집게 구동풀리와 연결된 제 2 와이어를 가이드하는 제 2 가이드풀리와, 상기 제 2 집게의 제 2 집게 구동풀리와 연결된 제 3 와이어를 가이드하는 제 3 가이드풀리가 구비되며, 상기 제 2 와이어를 고정하며 제 2 와이어를 구동하는 제 2 회전축과, 상기 제 2 회전축을 회전 구동하는 제 2 구동 모터와, 상기 제 3 와이어를 고정하며 제 3 와이어를 구동하는 제 3 회전축과, 상기 제 3 회전축을 회전 구동하는 제 3 구동 모터가 추가로 구비된다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 2 플레이트의 하부에는 상기 제 2 구동 모터와 상기 제 3 구동 모터를 지지하는 제 3 플레이트가 구비되고, 상기 제 3 플레이트는 상기 체결봉에 의해 상기 제 1 플레이트 및 상기 제 2 플레이트와 결합된다.
또한, 상기 제 1 플레이트에는 상기 제 1 집게의 제 1 집게 구동풀리와 연결된 제 2 와이어를 가이드하는 제 2 가이드풀리와, 상기 제 2 집게의 제 2 집게 구동풀리와 연결된 제 3 와이어를 가이드하는 제 3 가이드풀리가 구비되며, 상기 제 2 와이어를 고정하며 제 2 와이어를 구동하는 제 2 회전축과, 상기 제 2 회전축을 회전 구동하는 제 2 구동 모터와, 상기 제 3 와이어를 고정하며 제 3 와이어를 구동하는 제 3 회전축과, 상기 제 3 회전축을 회전 구동하는 제 3 구동 모터가 추가로 구비된다.
바람직하게는, 상기 베이스 플레이트에는 고정 드럼이 결합되고, 상기 체결봉의 말단에는 제 5 플레이트가 구비되며, 상기 제 5 플레이트를 관통하는 제 4 구동축을 구비한 제 4 구동 모터가 구비되어 상기 제 4 구동축과 상기 고정 드럼의 상대적 회전 운동에 의해 상기 제 1 플레이트에 결합된 상기 샤프트가 상기 베이스 플레이트에 대해 회전된다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 5 플레이트의 하부에는 지지축이 구비되고, 상기 지지축과 상기 고정 드럼간에는 베어링이 구비된다. 또한, 상기 제 4 구동축의 외주면에는 나사산이 형성되고, 상기 고정 드럼과 상기 나사산의 외주면에는 제 4 구동 와이어가 구비되어, 상기 제 4 구동 와이어가 상기 고정 드럼으로 구동력을 전달한다.
본 발명은 또한, 제 1 플레이트에 결합된 샤프트의 말단에 구비된 엔드 이펙터의 작동 구조에 있어서, 상기 제 1 플레이트에 구비된 제 1 가이드 풀리; 상기 엔드 이펙터의 엔드 이펙터 구동 풀리와 연결되고, 상기 제 1 가이드 풀리에 의해 가이드되는 제 1 와이어; 상기 제 1 와이어의 말단의 양 가닥을 서로 반대 방향으로 감아 고정하는 제 1 회전축; 및 상기 제 1 회전축을 회전 구동하는 제 1 구동 모터;를 포함하는 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제 1 가이드 풀리는 한 쌍의 풀리를 포함하여 상기 제 1 와이어의 두 가닥 각각을 가이드한다.
바람직하게는, 상기 제 1 회전축은 제 1 회전 드럼에 결합되고, 상기 제 1 회전 드럼이 상기 제 1 구동 모터의 제 1 구동축에 의해 구동된다.
더욱 바람직하게는, 상기 제 1 구동축의 외주면에는 나사산이 구비되고, 상기 나사산과 상기 제 1 회전 드럼의 외주면에 제 1 구동 와이어가 구비되어 상기 제 1 구동 와이어에 의해 상기 제 1 구동축의 구동력이 상기 제 1 회전 드럼으로 전달된다.
본 발명에 의하면, 엔드 이펙터 등의 구동을 위한 메커니즘이 샤프트와 함께 회전함에 따라 종래 샤프트의 회전에 의하여 엔드 이펙터 등의 구동을 위한 와이어가 꼬이는 문제점이 해소된다. 이에 따라 불필요한 힘을 최소화되어 더욱 정밀한 제어가 가능해진다. 또한, 와이어의 내구성이 증가되어 수술 기구의 사용 시간을 증가시킬 수 있다.
또한, 수술 기구의 작동 메커니즘을 집적화시킬 수 있고 크기를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 집게를 포함한 엔드 이펙터를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서, 엔드 이펙터의 구동 메커니즘을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서, 회전축을 회전시키기 위한 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 회전축을 회전시키기 위한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구의 엔드 이펙터 구동을 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 엔드 이펙터의 집게를 구동하는 구동 메커니즘을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 엔드 이펙터의 집게를 구동하는 구동 메커니즘를 설치한 상태를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 샤프트의 회전 구동을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 샤프트의 회전 구동을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 집게를 포함한 엔드 이펙터를 도시한 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구의 엔드 이펙터(3)는 수술 기구의 일부를 이루는 샤프트(1)의 말단에 회동 가능하게 장착된다. 엔드 이펙터(3)는, 샤프트(1)의 말단에 회동 가능하게 구비되는 엔드 이펙터 바디(4)를 포함하며, 엔드 이펙터 바디(4)에는 샤프트(1)에 대한 회동축을 중심으로 형성된 엔드 이펙터 구동풀리(5)가 구비된다. 엔드 이펙터 바디(4)의 단부에는 회동 가능하게 구비된 한 쌍의 집게(6, 8)가 구비되며, 제 1 집게(6)에는 제 1 집게 구동풀리(7)가 구비되고, 제 2 집게(8)에는 제 2 집게 구동풀리(9)가 구비된다. 엔드 이펙터 바디(4)는 도 1에 도시된 바와 같이 Y축을 중심으로 회동하고, 제 1 집게(6)와 제 2 집게(8)는 Z축을 중심으로 회동하며, 샤프트(1)는 X축을 중심으로 회동하도록 구성된다. 이에 따라 샤프트(1)와 엔드 이펙터(3)는 전체적으로 4자유도 운동이 가능하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구의 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구는, 엔드 이펙터(3), 상기 엔드 이펙터(3)가 장착되는 샤프트(1)를 포함하고, 상기 샤프트(1)와 엔드 이펙터(3) 및 상기 엔드 이펙터(3)에 구비된 집게(6, 8)를 구동하기 위한 메커니즘이 장착되는 제 1 플레이트(20), 제 2 플레이트(40), 제 3 플레이트(60), 제 4 플레이트(80), 제 5 플레이트(100), 및 베이스 플레이트(110)를 포함한다.
샤프트(1)는 고정 플레이트(14)에 의해 제 1 플레이트(20)에 고정된다. 제 1 플레이트(20), 제 2 플레이트(40), 제 3 플레이트(60), 제 4 플레이트(80) 및 제 5 플레이트(100)는 복수의 체결봉(16)에 의해 상호 결합된다. 제 1 플레이트 내지 제 5 플레이트(20, 40, 60, 80, 100)는 베이스 플레이트(110)에 대해 일체로 회동 가능하며, 이에 따라 샤프트(1)의 회전이 가능하게 된다. 한편, 제 1 플레이트 내지 제 5 플레이트(20, 40, 60, 80, 100)는 베이스 플레이트(110)의 외측에는 보호 커버(12)가 장착되고, 보호 커버(12)의 상부로는 샤프트(1)와 엔드 이펙터(3)가 노출된다. 제 1 플레이트 내지 제 5 플레이트(20, 40, 60, 80, 100) 및 베이스 플레이트(110)는 원판 형상일 수 있으나 본 발명의 실시에 있어서 그 형상이 원판에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서, 엔드 이펙터의 구동 메커니즘을 도시한 사시도이다.
엔드 이펙터(3)에는 전술한 바와 같이 엔드 이펙터 몸체(4)에 회동축을 중심으로 한 엔드 이펙터 구동풀리(5)가 구비된다. 엔드 이펙터 구동풀리(5)에는 엔드 이펙터 구동을 위한 제 1 와이어(24)가 설치된다. 제 1 와이어(24)는 샤프트(1)의 내부를 통해 샤프트(1)의 외측으로 연장되며, 두 가닥의 와이어는 제 1a 가이드 풀리(22a)와 제 1b 가이드 풀리(22b)에 의해 가이드된다. 한 쌍의 각각 회전하는 제 1a 가이드 풀리(22a)와 제 1b 가이드 풀리(22b)로 구성된 제 1 가이드 풀리(22)는 제 1 플레이트(20)에 설치된다.
제 1 가이드 풀리(22)에 의해 가이드된 제 1 와이어(24)의 한 가닥은 제 1 회전 드럼(30)에 결합된 제 1 회전축(26)을 시계 방향으로 감은 후 제 1a 고정공(28a)에 고정되고, 제 1 와이어(24)의 다른 한 가닥은 제 1 회전축(26)을 반시계 방향으로 감은 후 제 1b 고정공(28b)에 고정된다. 물론, 제 1a 고정공(28a)에 고정되는 제 1 와이어(24)의 가닥이 제 1 회전축(26)을 반시계 방향으로 감도록 하고, 제 1b 고정공(28b)에 고정되는 제 1 와이어(24)의 가닥은 제 1 회전축(26)을 시계 방향으로 감도록 하는 것도 가능하다. 이는 제 1 회전축(26)의 회전에 따라 제 1 와이어(24)의 한 쪽은 당기고 다른 쪽은 풀어줌으로써 제 1 와이어(24)가 연결된 엔드 이펙터 구동풀리(5)를 회전시키기 위함이다. 여기서 제 1 회전축(26)의 일단은 제 1 플레이트(20)에 삽입되어 지지되는 것이 바람직하다. 더불어, 제 1 플레이트(20)에는 상기 제 1 회전축(26)을 지지하며 회전하기 위하여 베어링이 삽입되는 것이 바람직하다.
제 1 회전축(26)은 제 1 구동 모터(32)에 의해 구동된다. 제 1 회전축(26)은 제 1 구동 모터(32)에 직접 연결되는 것도 가능하며, 감속 기어를 매개로 하여 제 1 회전축(26)이 제 1 구동 모터(32)에 연결되는 것도 가능하다. 도 3에 있어서는 제 1 구동 모터(32)의 제 1 구동축(34)에 의해 제 1 회전축(26)이 결합된 제 1 회전 드럼(30)을 구동시키는 예를 도시하였다. 제 1 구동축(34)에 의해 제 1 회전 드럼(30)이 구동되는 실시예를 도 4와 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서, 회전축을 회전시키기 위한 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 회전축을 회전시키기 위한 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제 1 구동 모터(32)의 제 1 구동축(34)의 외주면에는 나사산(35)이 형성되고, 상기 나사산(35)과 제 1 회전 드럼(30)의 외주면을 감싸는 제 1 구동 와이어(36)이 구비된다. 제 1 구동축(34)에 구비된 나사산(35)에 감겨진 제 1 구동 와이어(36)는 제 1 구동축(34)의 회전에 따라 같이 상기 나사산(35)을 따라 일부는 감겨지고 일부는 풀려진다. 이러한 제 1 구동 와이어(36)의 감김과 풀림 작동은 제 1 회전 드럼(30)으로 전달된다. 제 1 회전 드럼(30)의 외주면에는 상기 제 1 구동 와이어(36)가 감겨져 있는 상태이므로, 제 1 구동 와이어(36)가 상기 나사산(35)을 따라 감기고 풀리는 작동은 제 1 회전 드럼(30)의 회전을 발생시킨다. 이러한 구동 방식은 제 1 구동 모터(32)에 의한 정밀한 제어를 가능하게 하며, 제 1 회전 드럼(30)을 회전시킴에 있어서 구동력을 손실없이 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 제 1 구동축(34)과 제 1 회전 드럼(30)의 직경비를 이용하여 일종의 모터 기어의 역할을 할 수 있는 장점이 있다. 이는 모터 기어의 단점인 백래쉬에 의한 정밀 제어 감소, 마찰에 의한 구동력 감쇠 현상을 제거할 수 있다.
도 5를 참조하면, 제 1 구동축(34)에 구동 기어(37)를 구비하고, 제 1 회전축(26)에는 종동 기어(39)를 구비함으로써, 제 1 구동 모터(32)의 구동력을 제 1 회전축(26)으로 전달한다.
이상에서 설명한 엔드 이펙터(3)의 구동 메커니즘을 설치한 수술 기구의 구성이 도 6에 도시된다.
도 6에 도시된 바에 따르면, 전술한 바와 같이 샤프트(1)는 고정 플레이트(14)에 의해 제 1 플레이트(20)에 고정된다. 제 1 와이어(24)는 제 1 플레이트(20)에 구비된 제 1 가이드 풀리(22)에 의해 가이드되며, 제 1 회전축(26)에 연결된다. 제 1 회전축(26)은 제 1 회전 드럼(30)에 결합된 상태이며, 제 1 회전축(26)의 말단은 제 1 플레이트(20)의 일면에 삽입되어 지지된다. 제 1 회전축(26)은 제 1 플레이트(20)와 체결봉(16)에 의해 연결된 제 2 플레이트(40)를 관통하여 구비되고, 제 1 회전 드럼(30)은 제 2 플레이트(40)에 의해 지지된다.
다음으로, 엔드 이펙터(3)에 구비된 제 1 집게(6) 및 제 2 집게(8)의 구동 메커니즘에 대하여 설명한다. 제 1 집게(6) 및 제 2 집게(8)의 구동 메커니즘은 엔드 이펙터(3)의 구동 메커니즘과 실질적으로 동일하다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 엔드 이펙터의 집게를 구동하는 구동 메커니즘을 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 엔드 이펙터의 집게를 구동하는 구동 메커니즘를 설치한 상태를 도시한 사시도이다.
제 1 집게 구동풀리(7)에는 제 2 와이어(42)가 연결되고, 제 2 집게 구동풀리(9)에는 제 3 와이어(43)가 연결된다. 제 2 와이어(42)의 단부 두 가닥과, 제 3 와이어(43)의 단부 두 가닥은 샤프트(1)의 내부를 관통하여 제 2 플레이트(40)의 하단으로 노출된다. 제 2 플레이트(40)에는 제 2 와이어(42)를 가이드하는 제 2 가이드 풀리(44)와, 제 3 와이어(43)를 가이드하는 제 3 가이드 풀리(46)가 회동가능하게 구비된다. 제 2 가이드 풀리(44)는 제 2a 가이드 풀리(44a)와 제 2b 가이드 풀리(44b)를 포함한다. 제 3 가이드 풀리(46)는 제 3a 가이드 풀리(46a)와 제 3b 가이드 풀리(46b)를 포함한다.
제 2 와이어(42)의 양단은 제 2 가이드 풀리(44)에 의해 각각 가이드되어 제 2 회전축(48)에 감기며 제 2a 고정공(49a)과 제 2b 고정공(49b)에 고정된다. 일 실시예에 있어서, 제 2 회전축(48)은 제 2 회전 드럼(50)에 결합되며, 제 2 회전 드럼(50)은 제 2 구동 모터(52)의 제 2 구동축(51)에 의해 구동된다.
제 3 와이어(43)의 양단은 제 3 가이드 풀리(46)에 의해 각각 가이드되어 제 3 회전축(54)에 감기며 제 3a 고정공(55a)과 제 3b 고정공(55b)에 고정된다. 일 실시예에 있어서, 제 3 회전축(54)은 제 3 회전 드럼(56)에 결합되며, 제 3 회전 드럼(56)은 제 3 구동 모터(58)의 제 2 구동축(57)에 의해 구동된다.
제 2 회전축(48)과 제 3 회전축(54)의 단부는 제 2 플레이트(40)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 한편, 도 8에 도시된 바와 같이 제 2 플레이트(40)의 하단에는 제 3 플레이트(60)가 체결봉(16)에 의해 결합되며, 제 2 구동 모터(52)와 제 3 구동 모터(58)는 제 3 플레이트(60)에 의해 외주면이 지지된다.
한편, 위의 설명에 있어서 제 2 가이드 풀리(44)와 제 3 가이드 풀리(46)는 제 2 플레이트(40)에 구비되는 것으로 설명하였다. 그러나, 제 2 가이드 풀리(44)와 제 3 가이드 풀리(46)를 제 1 플레이트(20)에 구비하고, 제 2 회전축(48) 및 제 3 회전축(54)이 제 1 플레이트(20)에 의해 지지되도록 구성하는 것도 가능하다. 즉, 제 2 플레이트(40)를 생략하는 것도 가능하다. 그러한 경우에는, 일례로서, 제 1 가이드 풀리(22)와 제 2 가이드 풀리(44) 및 제 3 가이드 풀리(46)가 120도 간격으로 제 1 플레이트(20)의 중앙부에 배치되도록 할 수 있다.
이상의 구성에 의해 제 1 플레이트(20) 및 제 2 플레이트(40)에 구비된 구동 메커니즘에 의해 엔드 이펙터(3)의 회전 구동과, 제 1 집게(6) 및 제 2 집게(8)의 회전 구동이 가능하다. 다음으로, 샤프트(1)의 회전 구동에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 샤프트의 회전 구동을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수술 기구에 있어서 샤프트의 회전 구동을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 9와 도 10을 참조하면, 샤프트(1)는 제 1 플레이트(20)의 일면에 고정된 상태이다. 제 3 플레이트(60)의 하면에는 제 4 플레이트(80)와 제 5 플레이트(100)가 구비된다. , 제 1 플레이트(20), 제 2 플레이트(40), 제 3 플레이트(60), 제 4 플레이트(80), 및 제 5 플레이트(100)는 복수의 체결봉(16)에 의해 결합된다. 이에 따라 제 1 플레이트(20) 내지 제 5 플레이트(100)는 일종의 강체(rigid body)의 성격을 가진다.
제 5 플레이트(100)에는 제 4 구동 모터(82)가 결합되며, 제 4 구동 모터(82)에 구비된 제 4 구동축(84)은 제 5 플레이트(100)의 하방으로 돌출된다. 고정 드럼(86)은 베이스 플레이트(110)에 결합된다. 한편, 도 10을 참조하면, 제 5 플레이트(100)의 하부에는 지지축(90)이 결합되고, 지지축(90)과 고정 드럼(86) 사이에는 베어링(102)이 구비된다. 일 실시예에 있어서, 제 4 구동축(84)의 외주면에는 나사산(85)이 형성되고, 고정 드럼(86)과 나사산(85)에는 제 4 구동 와이어(88)가 구비된다. 제 4 구동축(84)이 회전함에 따라 제 4 구동 와이어(88)의 일부는 제 4 구동축(84)에 감기고 일부는 제 4 구동축(84)에서 풀린다. 고정 드럼(86)은 베이스 플레이트(110)에 결합된 상태이므로 제 4 구동축(84)의 회전에 따른 제 4 구동 와이어(88)에 의한 구동력은 제 4 구동축(84)이 고정 드럼(86)의 외주면을 따라 이동하도록 한다. 이러한 작동은 결과적으로 제 1 플레이트(20) 내지 제 5 플레이트(100)가 회전하도록 하며, 제 1 플레이트(20)에 결합된 샤프트(1)를 회전시킨다.
한편, 제 4 구동축(84)과 고정 드럼(86)은 제 4 구동 와이어(88)를 이용한 구동 방식 이외에, 스퍼 기어나 헬리컬 기어를 이용하여 서로를 치합시킴으로써 상대적인 회전을 발생시키는 것도 가능하다.
본 발명에 의하면, 엔드 이펙터(3)와 집게(6, 8)를 구동하는 메커니즘은 제 1 플레이트(20) 내지 제 4 플레이트(80) 내에 위치시키고, 샤프트(1)를 구동하는 메커니즘은 제 4 플레이트(80) 및 제 5 플레이트(100)에 구비한 상태에서 제 1 플레이트(10) 내지 제 5 플레이트(100)를 한꺼번에 회전시켜 샤프트(1)를 회전시킨다. 이러한 구동 방식은 샤프트(1)의 회전에 의한 제 1 와이어(24), 제 2 와이어(42) 및 제 3 와이어(43)가 샤프트(1) 내에서 꼬이는 것을 방지한다. 종래 방식에 의한 구동 메커니즘의 경우 샤프트(1)의 회전에 의해 엔드 이펙터(3)나 집게(6, 8)를 구동하는 와이어가 꼬여 와이어에 불필요한 힘이 작용하게 되는 문제점이 있었다. 그러한 문제점은 엔드 이펙터(3) 등의 정밀 제어를 곤란하게 하며, 수술 기구의 내구성을 약화시키는 원인이 되었다. 그러나, 본 발명에 의하면, 샤프트(1)의 회전에 의한 제 1 와이어(24), 제 2 와이어(42) 및 제 3 와이어(43)의 꼬임이 방지되어 더욱 정밀한 제어가 가능하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 샤프트 3 : 엔드 이펙터
4 : 엔드 이펙터 바디 5 : 엔드 이펙터 구동풀리
6 : 제 1 집게 7 : 제 1 집게 구동풀리
8 : 제 2 집게 9 : 제 2 집게 구동풀리
12 : 보호 커버 14 : 고정 플레이트
16 : 체결봉 20 : 제 1 플레이트
22 : 제 1 가이드 풀리 24 : 제 1 와이어
26 : 제 1 회전축 30 : 제 1 회전 드럼
32 : 제 1 구동 모터 34 : 제 1 구동축
36 : 제 1 구동 와이어 40 : 제 2 플레이트
42 : 제 2 와이어 43 : 제 3 와이어
44 : 제 2 가이드 풀리 46 : 제 3 가이드 풀리
48 : 제 2 회전축 50 : 제 2 회전 드럼
52 : 제 2 구동 모터 54 : 제 3 회전축
56 : 제 3 회전 드럼 58 : 제 3 구동 모터
60 : 제 3 플레이트 80 : 제 4 플레이트
82 : 제 4 구동 모터 84 : 제 4 구동축
86 : 고정 드럼 88 : 제 4 구동 와이어
90 : 지지축 100 : 제 5 플레이트
110 : 베이스 플레이트

Claims (14)

  1. 샤프트의 말단에 엔드 이펙터를 구비한 수술 기구에 있어서,
    상기 샤프트가 고정되는 제 1 플레이트;
    상기 제 1 플레이트에 회동 가능하게 구비되며, 상기 엔드 이펙터의 엔드 이펙터 구동풀리에 연결된 제 1 와이어를 가이드하는 제 1 가이드 풀리;
    상기 제 1 와이어의 양단이 고정되며, 회전에 따라 상기 제 1 와이어를 구동하는 제 1 회전축; 및
    상기 제 1 회전축을 회전 구동하는 제 1 구동 모터를 포함하며,
    상기 샤프트가 고정된 상기 제 1 플레이트가 베이스 플레이트에 대해 회동함으로써 상기 샤프트가 회전되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 회전축은 제 1 회전 드럼에 결합되고, 상기 제 1 회전 드럼이 상기 제 1 구동 모터의 제 1 구동축에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 구동축의 외주면에는 나사산이 구비되고, 상기 나사산과 상기 제 1 회전 드럼의 외주면에 제 1 구동 와이어가 구비되어 상기 제 1 구동 와이어에 의해 상기 제 1 구동축의 구동력이 상기 제 1 회전 드럼으로 전달되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터의 단부에는 서로 맞물리는 제 1 집게와 제 2 집게가 구비되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트와 체결봉에 의해 결합되는 제 2 플레이트를 추가로 구비하며,
    상기 제 2 플레이트에는 상기 제 1 집게의 제 1 집게 구동풀리와 연결된 제 2 와이어를 가이드하는 제 2 가이드풀리와, 상기 제 2 집게의 제 2 집게 구동풀리와 연결된 제 3 와이어를 가이드하는 제 3 가이드풀리가 구비되며,
    상기 제 2 와이어를 고정하며 제 2 와이어를 구동하는 제 2 회전축과, 상기 제 2 회전축을 회전 구동하는 제 2 구동 모터와, 상기 제 3 와이어를 고정하며 제 3 와이어를 구동하는 제 3 회전축과, 상기 제 3 회전축을 회전 구동하는 제 3 구동 모터가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 플레이트의 하부에는 상기 제 2 구동 모터와 상기 제 3 구동 모터를 지지하는 제 3 플레이트가 구비되고, 상기 제 3 플레이트는 상기 체결봉에 의해 상기 제 1 플레이트 및 상기 제 2 플레이트와 결합되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트에는 상기 제 1 집게의 제 1 집게 구동풀리와 연결된 제 2 와이어를 가이드하는 제 2 가이드풀리와, 상기 제 2 집게의 제 2 집게 구동풀리와 연결된 제 3 와이어를 가이드하는 제 3 가이드풀리가 구비되며,
    상기 제 2 와이어를 고정하며 제 2 와이어를 구동하는 제 2 회전축과, 상기 제 2 회전축을 회전 구동하는 제 2 구동 모터와, 상기 제 3 와이어를 고정하며 제 3 와이어를 구동하는 제 3 회전축과, 상기 제 3 회전축을 회전 구동하는 제 3 구동 모터가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트에는 고정 드럼이 결합되고, 상기 체결봉의 말단에는 제 5 플레이트가 구비되며, 상기 제 5 플레이트를 관통하는 제 4 구동축을 구비한 제 4 구동 모터가 구비되어 상기 제 4 구동축과 상기 고정 드럼의 상대적 회전 운동에 의해 상기 제 1 플레이트에 결합된 상기 샤프트가 상기 베이스 플레이트에 대해 회전되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 5 플레이트의 하부에는 지지축이 구비되고, 상기 지지축과 상기 고정 드럼간에는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 4 구동축의 외주면에는 나사산이 형성되고, 상기 고정 드럼과 상기 나사산의 외주면에는 제 4 구동 와이어가 구비되어, 상기 제 4 구동 와이어가 상기 고정 드럼으로 구동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 수술 기구.
  11. 제 1 플레이트에 결합된 샤프트의 말단에 구비된 엔드 이펙터의 작동 구조에 있어서,
    상기 제 1 플레이트에 구비된 제 1 가이드 풀리;
    상기 엔드 이펙터의 엔드 이펙터 구동 풀리와 연결되고, 상기 제 1 가이드 풀리에 의해 가이드되는 제 1 와이어;
    상기 제 1 와이어의 말단의 양 가닥을 서로 반대 방향으로 감아 고정하는 제 1 회전축; 및
    상기 제 1 회전축을 회전 구동하는 제 1 구동 모터;
    를 포함하는 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 가이드 풀리는 한 쌍의 풀리를 포함하여 상기 제 1 와이어의 두 가닥 각각을 가이드하는 것을 특징으로 하는 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 회전축은 제 1 회전 드럼에 결합되고, 상기 제 1 회전 드럼이 상기 제 1 구동 모터의 제 1 구동축에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 구동축의 외주면에는 나사산이 구비되고, 상기 나사산과 상기 제 1 회전 드럼의 외주면에 제 1 구동 와이어가 구비되어 상기 제 1 구동 와이어에 의해 상기 제 1 구동축의 구동력이 상기 제 1 회전 드럼으로 전달되는 것을 특징으로 하는 로봇의 엔드 이펙터 작동 구조.
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