KR101765727B1 - 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조 및 원점 조정 방법 - Google Patents

Abstract

수술용 인스트루먼트의 커플링 구조 및 원점 조정 방법이 개시된다. 수술용 인스트루먼트(instrument)를 작동시키기 위해, 인스트루먼트가 구동부에 착탈 가능하도록 커플링(coupling)되는 구조로서, 인스트루먼트는, 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 조작부와, 일단부가 조작부에 연결되며, 조작부가 작동되도록 구동력을 전달하는 와이어(wire)와, 와이어의 타단부가 권취되며, 그 회전에 의해 와이어에 장력을 인가하는 풀리(pulley)를 포함하고, 구동부는, 풀리의 외주면에 선택적으로 접촉되며, 그 길이방향으로의 이동에 의해 풀리를 회전시키는 마찰 클러치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조는, 수술용 인스트루먼트를 구동부와 착탈 가능한 구조로 구성하고, 구동부의 구동력 생성 수단을 마찰 클러치 형태로 제작함으로써, 조작자가 소정 정도 조작된 상태를 조작의 원점으로 재조정하고 그 상태를 원점으로 하여 다시 조작자를 조작할 수 있다.

Description

수술용 인스트루먼트의 커플링 구조 및 원점 조정 방법{Coupling structure and zero point calibration method of surgical instrument}

본 발명은 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조 및 원점 조정 방법에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기기를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술 부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제를 야기한다.

이에 대해, 피부를 절개하는 대신 약간의 삽입공(孔)을 천공하고, 이를 통해 내시경, 복강경, 수술용 인스트루먼트(instrument), 미세수술용 현미경 등의 의료 기기를 삽입하여 체내에서 수술이 이루어지도록 하는 '복강경 수술' 내지는 '최소 침습 수술'이 각광받고 있다.

이러한, 복강경 수술에 사용되는 종래의 수술용 인스트루먼트(6)는, 도 1에 도시된 것처럼, 핸들(7)로부터 연장된 샤프트(8)의 말단에 조작자(9)가 결합되는 구조로 이루어진다. 사용자가 핸들에 구비된 각종 구동자를 조작하면, 그로부터 구동력이 생성되고 샤프트를 통해 전달되어 샤프트 말단에 결합된 조작자가 움직이게 되며, 이에 따라 조작자(9)는 수술에 필요한 각종 동작을 수행하게 된다.

종래의 인스트루먼트는 구동력을 생성하는 부분(예를 들어, 핸들)과 수술에 필요한 동작을 수행하는 부분(예를 들어, 조작자)이 일체로 결합된 구조로 이루어지며, 이에 따라 구동자를 일정 정도 조작하면 그에 상응하여 조작자가 일정 정도 움직이게 된다.

그러나, 수술용 인스트루먼트를 사용하는 과정에서는, 조작자가 어느 정도 움직인 상태를 기준(조작의 원점)으로 하여 다시 조작을 해야 하는 경우가 있으며, 종래의 인스트루먼트는 이러한 '원점 재조정'이 곤란한 구조라는 한계가 있었다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명은, 조작자가 움직인 상태를 조작의 원점으로 재조정하고, 이를 기준으로 다시 조작이 가능하도록 한 수술용 인스트루먼트의 착탈 커플링 구조 및 원점 조정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수술용 인스트루먼트(instrument)를 작동시키기 위해, 인스트루먼트가 구동부에 착탈 가능하도록 커플링(coupling)되는 구조로서, 인스트루먼트는, 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 조작부와, 일단부가 조작부에 연결되며, 조작부가 작동되도록 구동력을 전달하는 구동력 전달수단(와이어(wire), 로드(rod) 등)과, 와이어의 타단부가 연결되며, 그 작동에 의해 와이어에 장력을 인가하는 제1 커플러(coupler)를 포함하고, 구동부는, 상기 제1 커플러에 선택적으로 연결되어 상기 제1 커플러를 작동시키는 제2 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조가 제공된다.

제1 커플러는, 와이어의 타단부가 권취되며 그 회전에 의해 와이어에 장력을 인가하는 풀리(pulley)를 포함하고, 제2 커플러는, 풀리의 외주면에 선택적으로 접촉되며 그 길이방향으로의 이동에 의해 풀리를 회전시키는 마찰 클러치를 포함할 수 있다. 또는, 제1 커플러는, 와이어의 타단부가 연결되며 그 길이방향으로의 이동에 의해 와이어에 장력을 인가하는 마찰바(bar)를 포함하고, 제2 커플러는, 그 외주면이 마찰바에 선택적으로 접촉되며 그 회전에 의해 마찰바를 길이방향으로 이동시키는 풀리(pulley) 형상의 마찰 클러치를 포함할 수 있다.

인스트루먼트는 길이방향으로 연장되는 샤프트를 더 포함하며, 조작부는 샤프트의 일단부에 결합되고, 와이어는 샤프트 내에 수용되며, 풀리는 샤프트의 타단부에 결합될 수 있다.

조작부는 복수의 조작자를 포함하고, 와이어 및 풀리는 복수의 조작자에 상응하여 각각 복수로 구비되며, 마찰 클러치는 복수의 풀리에 상응하여 복수로 구비될 수 있다.

이 경우, 마찰 클러치는 제1 풀리를 회전시키는 제1 마찰 클러치와, 제2 풀리를 회전시키는 제2 마찰 클러치를 포함하고, 제1 마찰 클러치가 그 길이방향으로 이동하여 제1 풀리를 소정 각도만큼 회전시키는 과정에서, 제2 마찰 클러치는 제2 풀리로부터 이격되어 있다가, 제1 풀리의 회전으로 인하여 제2 풀리가 소정 각도만큼 회전된 상태에서, 제2 마찰 클러치는 제2 풀리에 접촉됨으로써, 제2 풀리가 소정 각도만큼 회전된 상태를 조작의 원점으로 재조정할 수 있다.

이 경우, 제1 풀리는 제1 와이어를 통해 제1 조작자에 연결되고, 제2 풀리는 제2 와이어를 통해 제2 조작자에 연결되며, 제1, 제2 와이어의 길이, 제1, 제2 풀리의 회전 정도 등에 관한 정보를 저장하는 저장수단을 더 포함할 수 있다. 저장수단에는 제1 조작자가 소정 정도 조작된 상태에서 제2 조작자를 조작하기 위해 제2 풀리가 회전되어야 하는 각도에 관한 정보나, 제2 조작자가 소정 정도 조작된 상태에서 제1 조작자를 조작하기 위해 제1 풀리가 회전되어야 하는 각도에 관한 정보 등이 더 저장될 수 있다.

마찰 클러치는 서로 대향하도록 한 쌍으로 구비되어, 풀리가 회전하도록 서로 반대 방향으로 이동할 수 있다. 인스트루먼트가 구동부로부터 분리된 상태일 때, 마찰 클러치는 풀리의 외주면으로부터 이격되는 위치에 세팅되어 있다가, 인스트루먼트가 구동부에 장착된 상태일 때, 마찰 클러치는 풀리의 외주면에 접촉될 수 있다.

마찰 클러치는, 그 길이방향으로 이동하여 풀리를 소정 각도만큼 회전시킨 상태에서, 풀리로부터 이격되어 초기 위치로 복귀한 후, 다시 풀리에 접촉됨으로써 풀리가 소정 각도만큼 회전된 상태를 조작의 원점으로 재조정할 수 있다.

이 경우, 구동부는, 마찰 클러치가 풀리로부터 이격될 때, 소정 각도만큼 회전된 풀리가 그 회전된 상태를 유지하도록 풀리의 회전을 구속하는 브레이크(brake)를 더 포함할 수 있으며, 브레이크는 풀리의 원판면에 선택적으로 접촉되는 마찰판을 포함할 수 있다.

이 때, 마찰판은, 마찰 클러치가 풀리로부터 이격될 때 풀리의 원판면에 접촉되고, 마찰 클러치가 초기 위치로 복귀한 후 풀리에 접촉할 때 풀리로부터 이격되어, 마찰 클러치의 작동에 의해 풀리가 회전하도록 할 수 있다.

또한, 인스트루먼트가 구동부로부터 분리된 상태일 때, 마찰판은 풀리의 원판면으로부터 이격되는 위치에 세팅되어 있다가, 인스트루먼트가 구동부에 장착된 상태일 때, 마찰판은 풀리의 원판면에 선택적으로 접촉될 수 있다.

풀리는 그 외주면에 기어가 형성된 피니언 형태로 형성되고, 마찰 클러치는 피니언에 치합되도록 기어가 형성된 래크 형태로 형성될 수 있다.

풀리의 원판면에 소정의 방향으로 배치되도록 결합되는 자석과, 자석의 자극의 배열 방향으로부터 풀리가 회전한 정도를 감지하는 자기센서를 더 포함할 수 있다. 또한, 자기센서로부터 전송된 풀리의 회전 정도에 관한 정보를 저장하는 저장수단을 더 포함할 수 있으며, 저장수단으로는 RFID, 반도체 칩 등이 사용될 수 있다.

또한, 조작부는 복수의 굴곡 관절을 포함하고, 굴곡 관절에는, 그 촬영 이미지에 대한 분석을 통해 굴곡 관절의 굴곡된 정도를 파악할 수 있도록 기준선이 표시될 수 있으며, 나아가 인스트루먼트의 샤프트에는 복수의 굴곡 관절 각각에 인접하여, 그 촬영 이미지에 대한 분석을 통해 각 굴곡 관절을 식별할 수 있도록 식별 마커가 표시될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 조작부와, 조작부에 연결되며 그 작동에 의해 조작부에 구동력을 전달하는 제1 커플러와, 제1 커플러에 선택적으로 연결되어 제1 커플러를 작동시키는 제2 커플러를 구비한 구동부를 포함하는 수술용 인스트루먼트의 원점을 조정하는 방법으로서, 제1 커플러 및 제2 커플러 중 어느 하나는 풀리로 이루어지고, 나머지 하나는 풀리의 외주면에 선택적으로 접촉되는 마찰 클러치로 이루어지며, 풀리의 원판면에 소정의 방향으로 배치되도록 결합되는 자석과, 자석의 자극의 배열 방향으로부터 풀리가 회전한 정도를 감지하는 자기센서를 포함하되, (b) 자기센서로 자석의 자성의 변화를 센싱하는 단계, (c) 센싱된 값으로부터 풀리의 회전 각도에 관한 정보를 획득하는 단계, 및 (d) 획득된 회전 각도가 조작상의 원점이 되도록 마찰 클러치를 초기 상태로 이동시켜 풀리에 접촉시키는 단계를 포함하는 수술용 인스트루먼트의 원점 조정 방법이 제공된다.

자기센서로부터 전송된 풀리의 회전 정도에 관한 정보를 저장하는 저장수단을 더 포함하고, 단계 (b) 이전에, (a) 자석의 초기 위치에서의 풀리의 회전 각도에 관한 정보를 저장수단에 저장하는 단계를 더 포함하며, 단계 (c)는 단계 (a)에서 저장된 정보를 사용하여 획득된 회전 각도 값을 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 조작부와, 조작부에 연결되며 그 작동에 의해 조작부에 구동력을 전달하는 제1 커플러와, 제1 커플러에 선택적으로 연결되어 제1 커플러를 작동시키는 제2 커플러를 구비한 구동부를 포함하는 수술용 인스트루먼트의 원점을 조정하는 방법으로서, 제1 커플러 및 제2 커플러 중 어느 하나는 풀리로 이루어지고, 나머지 하나는 풀리의 외주면에 선택적으로 접촉되는 마찰 클러치로 이루어지며, 조작부는 복수의 굴곡 관절을 포함하고, 굴곡 관절에는 그 촬영 이미지에 대한 분석을 통해 굴곡 관절의 굴곡된 정도를 파악할 수 있도록 기준선이 표시되되, (a) 굴곡 관절의 기준선을 촬영하여 영상을 획득하는 단계, (b) 영상을 처리하여 기준선의 굴곡된 정도로부터 굴곡 관절의 굴곡된 정도를 측정하는 단계, (c) 측정된 값으로부터 굴곡 관절에 대응되는 풀리의 회전 각도에 관한 정보를 획득하는 단계, 및 (d) 획득된 회전 각도가 조작상의 원점이 되도록 마찰 클러치를 초기 상태로 이동시켜 풀리에 접촉시키는 단계를 포함하는 수술용 인스트루먼트의 원점 조정 방법이 제공된다.

인스트루먼트의 샤프트에는 복수의 굴곡 관절 각각에 인접하여, 그 촬영 이미지에 대한 분석을 통해 각 굴곡 관절을 식별할 수 있도록 식별 마커가 표시되며, 단계 (a)는 각 굴곡 관절에 대한 식별 마커를 촬영하여 영상을 획득하는 단계를 포함하고, 단계 (b)는 영상을 처리하여 각 식별 마커에 대응하는 굴곡 관절별로 굴곡된 정도를 측정하는 단계를 포함하며, 단계 (c)는 각 굴곡 관절에 대응되는 풀리별로 그 회전 각도에 관한 정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 조작부와, 일단부가 조작부에 연결되며, 조작부가 작동되도록 구동력을 전달하는 제1 와이어 및 제2 와이어와, 제1 와이어의 단부가 결합되며, 제1 와이어의 연장 방향으로의 이동에 의해 제1 와이어에 장력을 인가하는 제1 이동체와, 제2 와이어의 단부가 결합되며, 제2 와이어의 연장 방향으로의 이동에 의해 제2 와이어에 장력을 인가하는 제2 이동체와, 제1 이동체의 이동에 상응하여 제2 이동체가 제1 이동체와 반대 방향으로 이동하도록, 제1 이동체와 제2 이동체를 연결하는 연결부재와, 제1 이동체에 결합되며, 그 작동에 의해 제1 이동체가 제1 와이어의 연장 방향으로 이동하도록 하는 구동부재를 포함하는 수술용 인스트루먼트 시스템이 제공된다. 구동부재는, 수술용 인스트루먼트를 작동시키기 위한 수술용 로봇 또는 수동조작용 핸들에 그 일부로서 포함될 수 있다.

수술용 인스트루먼트 시스템은, 인스트루먼트부와, 인스트루먼트부와 커플링(coupling)되어 인스트루먼트부를 작동시키는 구동부로 이루어지며, 인스트루먼트부는, 조작부와, 제1 와이어와, 제2 와이어를 포함하고, 구동부는 제1 이동체와, 제2 이동체와, 연결부재와, 구동부재를 포함하며, 제1 와이어는 제1 이동체에 착탈 가능하도록 결합되고, 제2 와이어는 제2 이동체에 착탈 가능하도록 결합될 수 있다.

또는, 인스트루먼트 시스템은, 구동부재를 작동시키는 별도의 구동장치(수술용 로봇, 수동조작용 핸들 등)에 착탈 가능하도록 결합될 수 있다.

연결부재는 그 외주면에 기어가 형성된 피니언 형태로 형성되고, 제1 이동체 및 제2 이동체는 피니언에 각각 치합되도록 기어가 형성된 래크 형태로 형성될 수 있다. 또는, 연결부재는 제1 이동체 및 제2 이동체 사이의 소정 지점을 중심으로 회전하는 링크 형태로 형성되고, 제1 이동체 및 제2 이동체는 링크의 양 단부에 각각 회전 가능하도록 결합될 수 있다.

구동부재는 제1 이동체와 나합(螺合)되는 리드 스크류 형태로 형성되고, 구동부재를 회전시킴에 따라 제1 이동체가 이동할 수 있다. 또는, 구동부재는, 제1 이동체와 결합되며 그 이동에 따라 제1 이동체가 이동하도록 하는 리니어 모션(linear motion) 장치의 일부를 구성할 수도 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 조작부와, 일단부가 조작부에 연결되며, 조작부가 작동되도록 구동력을 전달하는 와이어와, 와이어가 권취되며, 그 회전에 의해 와이어에 장력을 인가하는 풀리(pulley)와, 풀리의 외주면에 접촉되며, 그 길이방향으로의 이동에 의해 풀리를 회전시키는 이동체와, 이동체에 결합되며, 그 작동에 의해 이동체가 그 길이방향으로 이동하도록 하는 구동부재를 포함하는 수술용 인스트루먼트 시스템이 제공된다. 구동부재는, 수술용 인스트루먼트를 작동시키기 위한 수술용 로봇 또는 수동조작용 핸들에 그 일부로서 포함될 수 있다.

수술용 인스트루먼트 시스템은, 인스트루먼트부와, 인스트루먼트부와 커플링되어 인스트루먼트부를 작동시키는 구동부로 이루어지며, 인스트루먼트부는, 조작부와, 와이어와, 풀리를 포함하고, 구동부는 이동체와, 구동부재를 포함하며, 인스트루먼트부와 구동부의 결합에 상응하여, 이동체는 풀리의 외주면에 선택적으로 접촉될 수 있다.

또는, 인스트루먼트 시스템은, 구동부재를 작동시키는 별도의 구동장치(수술용 로봇, 수동조작용 핸들 등)에 착탈 가능하도록 결합될 수 있다.

풀리는 그 외주면에 기어가 형성된 피니언 형태로 형성되고, 이동체는 피니언에 치합되도록 기어가 형성된 래크 형태로 형성될 수 있다. 구동부재는 이동체와 나합되는 리드 스크류 형태로 형성되고, 구동부재를 회전시킴에 따라 이동체가 이동할 수 있다. 또는, 구동부재는, 이동체와 결합되며 그 이동에 따라 이동체가 이동하도록 하는 리니어 모션(linear motion) 장치의 일부를 구성할 수도 있다.

길이방향으로 연장된 샤프트와, 구동부재에 인접하여 위치하는 회전부재를 더 포함하되, 조작부는 샤프트의 말단부에 결합되고, 와이어는 샤프트 내에 수용되며, 샤프트의 선단부는 토크 케이블(torque cable)에 의해 회전부재에 결합되고, 회전부재를 회전시킴에 따라 샤프트가 그 길이방향을 축으로 회전할 수 있다.

또는, 길이방향으로 연장된 샤프트와, 샤프트 내에 수용되는 회전용 샤프트와, 구동부재에 인접하여 위치하는 회전부재를 더 포함하되, 조작부는 회전용 샤프트의 말단부에 결합되고, 와이어는 샤프트 내에 수용되며, 회전용 샤프트의 선단부는 토크 케이블에 의해 회전부재에 결합되고, 회전부재를 회전시킴에 따라 회전용 샤프트가 그 길이방향을 축으로 회전할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수술용 인스트루먼트를 구동부와 착탈 가능한 구조로 구성하고, 구동부의 구동력 생성 수단을 마찰 클러치 형태로 제작함으로써, 조작자가 소정 정도 조작된 상태를 조작의 원점으로 재조정하고 그 상태를 원점으로 하여 다시 조작자를 조작할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조를 나타낸 개념도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조를 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 장착 과정을 나타낸 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 마찰 클러치의 작동 방식을 나타낸 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크의 작동 방식을 나타낸 개념도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 브레이크의 작동 방식을 나타낸 개념도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동부를 나타낸 개념도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀리의 회전 정도 감지 구조를 나타낸 개념도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴곡부의 조작 정도 감지 구조를 나타낸 개념도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 원점 조정 방법을 나타낸 순서도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 원점 조정 방법을 나타낸 순서도.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트 시스템의 구동 구조를 나타낸 개념도.
도 16a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트 시스템의 구동 구조를 나타낸 사시도.
도 16b는 도 16a에 대한 배면도.
도 16c는 도 16b에서 배면 커버를 제거한 상태를 나타낸 도면.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트 시스템의 구동 구조를 나타낸 개념도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조를 나타낸 개념도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조를 나타낸 개념도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 인스트루먼트(1), 샤프트(3), 구동부(5), 조작부(10), 조작자(11), 와이어(12), 풀리(14), 외주면(16), 마찰 클러치(20a, 20b), 탄성체(24)가 도시되어 있다.

본 실시예는 수술에 필요한 동작을 수행하는 수술용 인스트루먼트와 인스트루먼트의 작동을 위한 구동력을 생성하는 구동부 간의 커플링 구조에 관한 것으로, 인스트루먼트의 선단(proximal end)에는 풀리(제1 커플러)가 위치하고, 풀리의 외주면에 마찰 접합되도록 구동부에는 한 쌍의 마찰 클러치(제2 커플러)를 배치함으로써, 마찰 클러치의 이동에 의해 풀리가 회전하고 풀리의 회전에 의해 (와이어를 통해 구동력이 전달되어) 인스트루먼트의 말단(distal end)에 결합된 조작자가 움직이도록 한 것을 특징으로 한다.

이처럼, 구동력 전달 구조를 '풀리-클러치' 마찰 접합 구조로 구성함으로써, 인스트루먼트가 구동부로부터 분리된 경우나 풀리를 회전시킬 필요가 없는 경우에는 마찰 클러치를 풀리의 외주면으로 이격시켜 놓을 수 있으며, 마찰 클러치를 풀리로부터 이격시키고 초기 위치로 복귀시킨 후 다시 풀리에 접합함으로써, 소정 각도만큼 회전된 풀리의 그 회전된 상태를 조작의 원점으로 용이하게 재설정할 수 있다는 특징이 있다.

본 실시예는 인스트루먼트(1)와 구동부(5) 간의 착탈식 커플링 구조로서, 인스트루먼트(1)는 길이방향으로 연장되는 샤프트(3)를 기준으로 샤프트(3)의 말단에는 조작부(10)가 결합되고, 샤프트(3) 내에는 와이어(12)가 수용되며, 샤프트(3)의 선단에는 풀리(14)가 결합된 구조로 이루어진다.

조작부(10)는 수술 부위, 즉 환자의 체내에 삽입되어 벤딩(bending), 회전(rotation), 그립핑(gripping), 틸팅(tilting) 등 수술에 필요한 각종 동작을 수행하는 부분으로서, 도 2에 도시된 집게(도 2의 'grip'), 손목 관절(도 2의 'wrist'), 굴곡 관절(도 2의 'bend') 등과 같은 각종 조작자(11)를 포함하는 구성요소이다.

와이어(12)는 구동부(5)로부터 조작부(10)로 구동력을 전달하는 구성요소로서, 샤프트(3) 내에 수용되며 그 일단부는 조작부(10)에 연결되고 그 타단부는 풀리(14)에 풀리결합되어, 풀리(14)의 회전에 의해 인가되는 장력을 조작부(10)에 전달하여 조작부(10)가 작동되도록 하는 역할을 한다. 본 실시예에서는 구동력 전달수단으로서 와이어가 사용된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 와이어 외에도 로드(rod) 등 다양한 형태 및 구조의 구동력 전달수단이 사용될 수도 있다.

풀리(14)는 원판형의 회전 휠로서, 그 외주면(16)에 와이어(12)가 권취(捲取)되어 있어, 풀리(14)가 회전하면 그에 따라 와이어(12)에 장력이 인가되며, 그 결과 전술한 것처럼 와이어(12)의 말단이 연결된 조작부(10)가 힘을 받아 움직이게 된다.

본 실시예에 따른 조작부(10)로서, 도 2에 예시된 것처럼 집게, 손목 관절, 굴곡 관절 등의 복수의 조작자(11)가 구비되어 있을 때, 각 조작자(11)에 대응하여 와이어(12) 또한 복수로 구비되어 각 조작자(11)에 연결될 수 있으며, 각 와이어(12)에 대응하여 풀리(14) 또한 복수로 구비되어 각 와이어(12)가 권취될 수 있다. 이에 따라 인스트루먼트(1)는 그 샤프트(3)의 선단에 복수의 풀리(14)가 결합된 구조로 구성될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 구동부(5)는 인스트루먼트(1)의 작동에 필요한 구동력을 생성, 전달하는 부분으로서, 수동식 인스트루먼트의 경우에는 사용자가 손으로 잡고 조작하는 수동 조작용 핸들의 형태로 구현될 수 있고, 로봇 수술용 인스트루먼트의 경우에는 로봇 암의 말단에 형성되는 인스트루먼트 인터페이스(interface)의 형태로 구현될 수 있다.

본 실시예에 따른 구동부(5)에는 마찰 클러치(20a, 20b)가 설치되는 것을 특징으로 하는데, 마찰 클러치(20a, 20b)는 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 풀리(14)의 외주면(16)에 접촉되며, 그 길이방향(도 2 및 도 3의 'x' 방향 참조)으로 이동함에 따라 풀리(14)의 외주면(16)과의 마찰력으로 인하여 풀리(14)가 회전하도록 하는 역할을 한다. 마찰 클러치(20a, 20b)에는 와이어, 로드, 리니어 모터 등의 구동수단(도 2 및 도 3의 'a' 참조) 이 결합되어 마찰 클러치를 좌우로(도 2 및 도 3의 'x' 방향 참조) 이동시킬 수 있다.

본 실시예에서는 풀리를 회전시키는 수단으로서 마찰 클러치가 사용된 경우를 예로 들어 설명하였으나, 마찰 클러치 외에도 기어 등 다양한 형태 및 구조의 풀리 회전 수단이 사용될 수도 있다.

이처럼, 마찰 클러치(20a, 20b)의 직선 운동에 의해 풀리(14)가 회전 운동을 하도록 구동력 전달 구조를 구성함으로써, 후술하는 바와 같이 인스트루먼트(1)가 구동부(5)에 장착되었을 때에만 구동력이 전달되는 '선택적, 단속적' 구동력 전달 구조를 구현할 수 있으며, 또한 풀리(14)가 일정 정도 회전된 상태에서 마찰 클러치(20a, 20b)를 초기 위치로 복귀시킨 후 다시 풀리(14)를 회전시키는 '원점 재조정' 구조를 용이하게 구현할 수 있다.

한편, 마찰 클러치(20a, 20b)에 의한 풀리(14)의 회전을 보다 효율적으로 하기 위해, 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 풀리(14)의 양쪽에 한 쌍의 마찰 클러치(20a, 20b)를 서로 마주보도록 설치하여 각 마찰 클러치(20a, 20b)가 서로 반대 방향으로 이동함에 따라 풀리(14)가 회전하도록 할 수 있다.

또한, 마찰 클러치(20a, 20b)는 그 지지점에 탄성체(24)에 의해 지지되도록 할 수 있는데, 이 경우 탄성체(24)는 마찰 클러치(20a, 20b)가 풀리(14)에 접하는 방향으로 탄성력을 인가하므로, 마찰 클러치(20a, 20b)가 풀리(14)의 외주면(16)에 대해 미끄러지지 않고 제대로 접촉하게 되며, 이에 따라 마찰 클러치(20a, 20b)의 직선 운동이 유효하게 풀리(14)의 회전 운동으로 전달될 수 있다.

전술한 것처럼 본 실시예에 따른 인스트루먼트(1)에 복수의 풀리(14)가 구비된 경우, 마찰 클러치(20a, 20b) 또한 복수로 구비되어 각 풀리(14)가 회전하도록 작동될 수 있다. 나아가, 각 풀리(14)마다 한 쌍의 마찰 클러치(20a, 20b)가 구비될 경우에는, 복수의 풀리(14)마다 복수의 쌍의 마찰 클러치(20a, 20b)가 구비되어 복수의 풀리(14) 각각이 회전하도록 작동될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 마찰 클러치(20a, 20b)는, 그 길이방향으로 이동하여 풀리(14)를 일정 정도만큼 회전시킨 상태에서, 풀리(14)로부터 이격(도 2 및 도 3의 'y' 방향 참조)되었다가 초기 위치로 복귀한 후, 다시 풀리(14)에 접촉되어 풀리(14)를 회전시킬 수 있다. 마찰 클러치(20a, 20b)에는 탄성체(24)와 더불어 와이어, 로드, 리니어 모터 등의 구동수단(도 2 및 도 3의 'c' 참조) 이 결합되어 마찰 클러치를 풀리에 대해 접촉 또는 이격시킬 수 있다.

도 2에 예시된 마찰 클러치(20a)는 소정 지점을 중심으로 회전하여 풀리(14)로부터 이격되는 구조가 도시되어 있고, 도 3에 예시된 마찰 클러치(20b)는 y축 방향으로 평행 이동하여 풀리(14)로부터 이격되는 구조가 도시되어 있으나, 반드시 도시된 구조에 한정되는 것은 아니며, 한 쌍의 마찰 클러치(20a, 20b)가 풀리(14)로부터 이격될 수 있는 다양한 구조로 구성될 수 있음은 물론이다.

이처럼, 마찰 클러치(20a, 20b)를 풀리(14)로부터 이격시켰다가 초기 위치로 복귀하여 다시 접촉시킬 수 있는 구조로 구성함으로써, 마찰 클러치(20a, 20b)의 입장에서 볼 때 풀리(14)가 소정 각도만큼 회전된 상태가 그 조작상의 원점이 되도록 재조정할 수 있다.

이러한 풀리(14)에 대한 조작 원점 재조정 기능은, 복수의 조작자(11)가 구비된 인스트루먼트에서 어느 하나의 조작자(예를 들면, 제1 굴곡 관절)에 대한 작동으로 인하여 다른 조작자(예를 들면, 제2 굴곡 관절)에 연결된 풀리(14)가 외력으로 인해 회전되는 구조에 있어서, 그 다른 조작자에 대한 조작상의 원점이 쉽게 재조정되도록 하는 역할을 한다. 이에 대한 상세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 장착 과정을 나타낸 개념도이다. 도 4를 참조하면, 인스트루먼트(1), 샤프트(3), 구동부(5), 조작부(10), 와이어(12), 풀리(14), 외주면(16), 원판면(18), 마찰 클러치(20)가 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 인스트루먼트(1)는 구동부(5)에 착탈 가능하도록 결합되며, 그 장착 과정에서 구동력 생성 수단인 마찰 클러치(20)가 벌어져 있다가, 장착 후에 오므라들어 풀리(14)를 무는 구조로 구성할 수 있으며, 이로써 인스트루먼트-구동부 착탈 및 구동력 전달 구조를 단순화할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 마찰 클러치(20)는, 도 4의 (a)와 같이 인스트루먼트(1)가 구동부(5)로부터 분리된 상태일 때에는 풀리(14)의 외주면(16)에 접하지 않는 위치(풀리(14)로부터 이격된 위치)에 세팅되어 있다가, 도 4의 (b)와 같이 인스트루먼트(1)가 구동부(5)에 장착된 후에 풀리(14)의 외주면(16)에 접하는 위치로 이동하도록 할 수 있다.

이와 같이 마찰 클러치(20)를 '이격-접촉' 가변형 구조로 구성함으로써, 인스트루먼트(1)가 구동부(5)에 장착되었을 때에만 선택적, 단속적으로 구동부(5)로부터 인스트루먼트(1)로 구동력이 전달되도록 할 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 구동부(5)에는 후술하는 것처럼 풀리(14)의 외력에 의한 회전을 방지하기 위해 마찰판 등의 브레이크가 더 설치될 수 있는데, 마찰판 또한 인스트루먼트(1)가 구동부(5)로부터 분리된 상태일 때에는 풀리(14)에 접하지 않는 위치에 세팅되어 있다가, 인스트루먼트(1)가 구동부(5)에 장착된 후에 (필요한 경우) 풀리(14)에 접하도록 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 마찰 클러치의 작동 방식을 나타낸 개념도이다. 도 5를 참조하면, 인스트루먼트(1), 샤프트(3), 구동부(5), 굴곡 관절(11a, 11b), 와이어(12), 풀리(14a, 14b), 마찰 클러치(20a, 20b)가 도시되어 있다.

전술한 것처럼, 본 실시예에 따른 구동부(5)는 '마찰 클러치-풀리' 접합 구조로 인하여 원점 재조정이 용이하다는 특징을 갖는데, 특히 복수의 조작자가 구비된 인스트루먼트의 경우 이러한 원점 재조정 기능이 더욱 부각될 수 있다.

도 5에는, 2개의 굴곡 관절(11a, 11b)이 조작자로서 구비된 인스트루먼트(1)에 있어서, 제1 굴곡 관절(11a)에 연결된 와이어는 제1 풀리(14a)에 권취되어 있고, 제2 굴곡 관절(11b)에 연결된 와이어는 제2 풀리(14b)에 권취되어 있으며, 제1 풀리(14a)에는 제1 마찰 클러치(20a)가, 제2 풀리(14b)에는 제2 마찰 클러치(20b)가 접합되는 구조가 예시되어 있다.

이 경우, 도 5의 (a)와 같이 제1 마찰 클러치(20a)가 그 길이방향으로 이동하여 제1 풀리(14a)를 소정 각도만큼 회전시키면 이로 인해 제1 굴곡 관절(11a)이 꺾이는데, 이 과정에서 제2 굴곡 관절(11b) 또한 그 위치가 변경되므로 제2 굴곡 관절(11b)에 연결된 와이어에도 장력이 걸리며 그 결과 제2 풀리(14b)가 도 5의 (a)에 도시된 것처럼 반시계방향으로 회전하게 된다.

만일, 제2 마찰 클러치(20b)가 제2 풀리(14b)에 접합되어 있는 상태라면, 제2 풀리(14b)가 회전하지 못하며 이로 인해 제2 풀리(14b)에 권취된 와이어에 역으로 장력이 작용하여 제2 굴곡 관절(11b)이 의도치 않게 꺾이는 문제가 발생할 수 있다. 또는, 제2 풀리(14b)가 회전하게 되면 이로 인해 제2 마찰 클러치(20b)가 의도치 않게 그 길이방향으로 이동되어 버리며, 그 이동된 상태가 조작의 원점이 되므로 이후 제2 마찰 클러치(20b)에 의한 제2 풀리(14b)의 조작이 원활하게 이루어지지 못한다는 문제가 있다.

이러한 문제를 방지하기 위해, 본 실시예에 따른 제2 마찰 클러치(20b)에는 '원점 재조정' 기능이 적용될 수 있다. 즉, 제1 마찰 클러치(20a)를 작동시켜 제1 굴곡 관절(11a)을 구부러지게 하는 과정에서 제2 마찰 클러치(20b)는 제2 풀리(14b)로부터 떨어져 있다가, 제1 굴곡 관절(11a)의 작동으로 인한 외력에 의해 제2 풀리(14b)가 소정 각도만큼 회전된 상태에서 제2 마찰 클러치(20b)를 제2 풀리(14b)에 접촉시킴으로써, 도 5의 (b)와 같이 제2 풀리(14b)는 그 회전된 상태가 원점으로 재조정되어 다시 제2 마찰 클러치(20b)에 의해 회전 조작될 수 있다.

도 5에 예시된 구조의 경우, 제1 굴곡 관절(11a)이 소정 각도 구부러지고 제2 굴곡 관절(11b)은 구부러지지 않은 상태일 때의 제2 풀리(14b)의 회전된 상태를 제2 풀리(14b)에 대한 원점으로 재조정할 수 있으며, 이로써 다시 제2 마찰 클러치(20b)의 이동된 거리에 상응하여 제2 굴곡 관절(11b)은 소정 각도만큼 구부러지도록 조작될 수 있다.

한편, 전술한 것처럼 제2 마찰클러치(20b)를 제2 풀리(14b)로부터 이격시킨 상태에서 제1 마찰클러치(20a)를 작동시키면 와이어의 텐션 및 저항(외력)에 의해 제2 풀리(14b)가 회전되는 각도를 정확히 파악할 수 없는 경우가 있을 수 있다.

이 경우, 제1 마찰클러치(20a)와 제2 마찰클러치(20b)를 동시에 같은 방향으로 작동시켜 제2 풀리(14b)가 제1 풀리(14a)와 함께 회전하면서 제2 굴곡 관절(11b)의 굴곡을 제어하고(이 과정에서 제2 풀리(14b)가 회전된 각도를 정확히 알 수 있음), 제2 풀리(14b)를 브레이크로 잡은 상태에서 제2 마찰클러치(20b)를 제2 풀리(14b)로부터 이격시켰다가 원점을 잡은 후에 다시 제2 풀리(14b)에 접촉시키는 방식으로 구동시킬 수도 있다.

이 때, 제2 마찰클러치(20b)를 반드시 제1 마찰클러치(20a)와 동일한 정도로 작동시켜야만 하는 것은 아니고, 제1 굴곡 관절(11a)과 제2 굴곡 관절(11b)의 곡률에 따라 적절하게 제어되면서 작동시켜야 함은 물론이다.

한편, 본 실시예와 같이 복수의 조작자(복수의 굴곡 관절(11a, 11b))가 구비된 경우, 각 굴곡 관절(11a, 11b)은 와이어를 통해 각 풀리(14a, 14b)에 연결되므로, 어느 하나의 굴곡 관절(11a)이 구부러지면 그에 커플링되어 다른 굴곡 관절(11b)에 연결된 와이어나 풀리도 움직이게 되는데, 이러한 커플링 정보를 RFID나 반도체 칩 등의 저장수단에 저장해 놓고 인스트루먼트를 작동시키는 과정에서 사용할 수도 있다.

즉, 각 굴곡 관절(11a, 11b)을 굴곡시키기 위해 필요한 와이어의 길이, 풀리(14a, 14b)의 회전각도 등에 대한 이론적인 계산 값은 물론, 실제 제작 후에 품질 검사 단계에서 측정한 실측값 등을 저장수단에 저장해 놓으면, 인스트루먼트를 구동부에 장착하여 작동시키는 과정에서 보다 정확한 움직임이 가능하다.

예를 들며, 제1 굴곡 관절(11a)이 얼마만큼 굴곡된 상태에서 제2 굴곡 관절(11b)을 굴곡시키려면 어느 정도로 제2 풀리(14b)를 회전시켜야 하는지, 또는 제2 굴곡 관절(11b)이 굴곡된 상태에서 제1 굴곡 관절(11a)을 펴거나 다른 방향으로 굴곡시키려면 제1 풀리(14a)(및 제2 풀리(14b))를 어느 정도로 회전시켜야 하는지에 관한 정보들을 저장수단에 저장해 놓고, 인스트루먼트를 작동시키는 과정에서 저장된 정보를 참조하도록 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크의 작동 방식을 나타낸 개념도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 브레이크의 작동 방식을 나타낸 개념도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 인스트루먼트(1), 샤프트(3), 구동부(5), 조작부(10), 와이어(12), 풀리(14), 외주면(16), 원판면(18), 마찰 클러치(20), 마찰판(22)이 도시되어 있다. 도 2 내지 도 5가 측면에서 도시한 도면이라면 도 6 및 도 7은 평면에서 도시한 도면이다.

도 2 및 도 4에서 설명한 것처럼, 본 실시예에 따른 마찰 클러치(20)는 원점 재조정 기능을 발휘하기 위해 풀리(14)로부터 이격되었다가 다시 접촉되는 구조로 구성될 수 있는데, 만일 조작자에 외력(중력이나 저항력 등)이 가해지는 상황이라면 마찰 클러치(20)를 풀리(14)로부터 이격시키는 과정에서 풀리(14)가 의도치 않게 회전되어 버리는 문제가 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위해, 본 실시예에 따른 구동부(5)에는 풀리(14)의 회전을 구속하는 브레이크가 더 설치될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 브레이크는 마찰 클러치(20)가 풀리(14)로부터 이격되더라도, 풀리(14)가 외력에 의해 회전되지 않고 그 상태를 유지하도록 풀리(14)의 회전을 구속하는 역할을 할 수 있다.

본 실시예에 따른 브레이크는 다양한 형태로 구현될 수 있는데, 예를 들면 도 6에 도시된 것처럼, 풀리(14)의 원판면(18)에 선택적으로 접촉되는 마찰판(22)의 형태로 구현될 수도 있다.

이 경우, 본 실시예에 따른 구동부(5)에서는 마찰 클러치(20)의 이동에 의해 풀리(14)의 외주면(16)에 마찰력을 가하면 풀리(14)가 회전하여 조작자가 움직이게 되고, 마찰판(22)을 가압시켜 풀리(14)의 옆면(원판면(18))에 마찰력을 가하면 풀리(14)의 회전이 구속되어 브레이크의 효과가 나도록 할 수 있다.

풀리(14)의 원판면(18)에 마찰판(22)을 접촉시키는 브레이크 구조의 경우, 마찰판(22) 및 풀리(14)의 원판면(18)을 거친(rough) 면으로 처리하거나, 마찰판(22) 및 풀리(14)의 원판면(18)에 서로 치합(齒合)하는 기어를 형성하는 등 다양한 방법으로 브레이크 효과를 높일 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 마찰판(22)은 브레이크의 일례로서, 마찰판(22) 외에도 도 7에 도시된 것처럼 와이어(12) 중간을 잡아주는 구조의 브레이크(26)를 설치하여, 마찰 클러치(20)를 풀리(14)로부터 이격시켰을 때 풀리(14)가 외력에 의해 돌아가지 않도록 할 수도 있다.

마찰 클러치(20)가 풀리(14)의 외주면(16)으로부터 이격될 때 마찰판(22)을 풀리(14)의 원판면(18)에 접촉시켜 풀리(14)의 의도치 않은 회전을 구속할 경우, 마찰 클러치(20)가 다시 풀리(14)에 접촉될 때에는 마찰판(22)을 풀리(14)로부터 이격시켜, 즉 브레이크를 해제하여, 마찰 클러치(20)가 다시 풀리(14)를 회전시킬 수 있도록 할 수 있다.

예를 들어, 원점 재조정을 위해 마찰 클러치(20)를 풀리(14)로부터 떼어낼 때에는 풀리(14)의 옆면을 눌러 풀리(14)를 고정시키고, 마찰 클러치(20)를 초기 위치로 복귀시킨 후 다시 풀리(14)에 접촉시켜 정상적으로 작동시킬 때는, 브레이크를 풀고(풀리(14)의 옆면을 누르고 있던 마찰판(22)을 떼어내고) 마찰 클러치(20)를 직선 운동시키는 방식이다.

이처럼, 인스트루먼트 구동을 위한 풀리(14)에 브레이크를 설치하면, 마찰 클러치(20)가 풀리(14)에 접하지 않은 상태일 때에도 풀리(14)가 임의로 회전하지 않아 인스트루먼트가 의도치 않게 작동되지 않도록 구속할 수 있으며, 후술하는 것처럼 여러 개의 굴곡 관절이 형성된 인스트루먼트에서 각 굴곡 관절 별로 용이하게 원점을 재조정하는 데에 활용할 수 있다.

즉, 도 5에서 설명한 것처럼, 굴곡 관절이 2개 형성된 경우, 제1 굴곡 관절(11a)을 구부리면 제1 굴곡 관절(11a)에 연결된 풀리(제1 풀리)가 회전하며, 이에 연동하여 제2 굴곡 관절(11b)에 연결된 풀리(제2 풀리)도 회전하게 되는데, 이 과정에서 브레이크를 작동을 적절하게 제어할 수 있다.

즉, 제1 굴곡 관절(11a)을 구부릴 때 제2 마찰 클러치(20b)를 제2 풀리(14b)로부터 이격시킴은 물론, 제2 풀리(14b)에 대한 브레이크 또한 제2 풀리(14b)를 구속하지 않도록 함으로써 제2 풀리(14b)가 외력에 의해 자유롭게 회전하도록 할 수 있으며, 제1 굴곡 관절(11a)에 대한 작동이 종료한 후에 제2 풀리(14b)의 회전을 브레이크로 구속함으로써 제2 풀리(14b)의 회전된 상태가 원점이 되도록 할 수 있다. 물론, 제2 마찰 클러치(20b)를 제2 풀리(14b)에 접합시킨 후에는 제2 풀리(14b)에 대한 브레이크를 해제하여, 제2 마찰 클러치(20b)에 의하여 제2 풀리(14b)가 작동되도록 할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 마찰 클러치와 브레이크를 조합하는 방식 이외에도, 별도의 브레이크를 부가하지 않고 한 쌍의 마찰 클러치 중 어느 하나를 브레이크처럼 사용하는 방식도 가능하다.

예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼 한 쌍의 마찰 클러치가 설치된 경우, 어느 하나의 마찰 클러치가 풀리에 접촉한 상태를 유지하면 다른 하나의 마찰 클러치가 풀리로부터 이격되더라도 풀리가 임의로 회전하지 못하므로, 어느 하나의 마찰 클러치로 (마치 브레이크처럼) 풀리의 회전을 구속한 상태에서 다른 하나의 마찰 클러치를 작동(풀리로부터 이격, 초기 위치로 복귀 및 풀리에 재접촉)시키고, 다른 하나의 마찰 클러치를 풀리에 접촉시킨(풀리의 회전을 구속한) 상태에서 먼저 접촉되어 있던 마찰 클러치를 작동시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구동부를 나타낸 개념도이다. 도 8을 참조하면, 인스트루먼트(1), 샤프트(3), 구동부(5), 와이어(12), 풀리(15), 외주면(16), 마찰 클러치(21), 탄성체(24)가 도시되어 있다.

본 실시예는, 풀리(15)의 외주면(16)과 마찰 클러치(21) 간의 커플링 구조에 기어 결합 구조를 적용한 사례이다. 도 8에 도시된 것처럼 풀리(15)의 외주면(16)에 기어를 형성하고, 이에 상응하여 마찰 클러치(21)에도 기어를 형성하여 마찰 클러치(21)와 풀리(15) 간의 결합을 더욱 공고히 할 수 있다.

즉, 본 실시예는 풀리(15)를 피니언 형태로 구성하고, 마찰 클러치(21)를 피니언에 치합되는 래크 형태로 구성한 경우로서, 래크-피니언 치합 구조로 인하여 구동력이 손실 없이 인스트루먼트(1)로 전달되도록 할 수 있다. 또한, 전술한 실시예에서와 마찬가지로 피니언의 옆면(원판면)에는 브레이크가 접촉되도록 할 수도 있음은 물론이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀리의 회전 정도 감지 구조를 나타낸 개념도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 굴곡부의 조작 정도 감지 구조를 나타낸 개념도이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 인스트루먼트(1), 샤프트(3), 굴곡 관절(11a, 11b, 11c, 11d, 11e), 마커(13a, 13b, 13c, 13d, 13e), 풀리(14), 원판면(18), 자기센서(37), 자석(56)이 도시되어 있다.

한편, 본 실시예에 따른 커플링 구조에는 조작자가 작동된 방향을 파악하고 원점 조정을 보다 간편하게 하기 위해, 풀리(14)에 자석(56)을 탑재하고 자석(56)의 자성의 변화를 센싱하여 풀리(14)의 회전 정도를 감지하도록 할 수 있다. 즉, 자기적 특성을 이용하여 풀리(14)에 부착된 자석(56)의 자극 배열 방향을 감지함으로써 풀리(14)가 회전한 정도를 측정할 수 있다.

이를 위해, 도 9에 도시된 것처럼, 본 실시예에 따른 풀리(14)에 자석(56)을 배치하고, 구동부에는 자석(56)의 자성의 변화를 센싱하는 자기센서(37)를 설치하며, 자기센서(37)로부터 감지된 풀리(14)의 회전에 관한 정보를 반도체 칩 등의 저장수단에 저장함으로써, 조작자가 작동된 정도(즉, 풀리(14)가 회전한 정도)를 파악할 수 있다.

풀리(14)의 원판면(18)에는 자석(56)이 결합되는데, 자석(56)은 그 자극이 소정의 방향을 향하도록 배치된다. 구동부 측에 구비된 자기센서(37)는 자석(56)의 자기적 특성으로부터 자극의 배열 방향을 감지할 수 있다. 도 9에는 자석(56)이 풀리(14)에 결합되고 자기센서(37)가 구동부에 구비된 경우가 도시되어 있으나, 도시된 위치 외에도 풀리(14)의 회전에 따라 자석(56)의 자극 배열 방향이 변화하고 자기센서(37)가 그 배열 방향을 감지할 수 있는 위치라면 다른 위치에 자석(56) 및 자기센서(37)가 설치될 수도 있다.

자기센서(37)는 자석(56)의 극성(N극과 S극)을 감지하여 풀리(14)의 회전 정도를 판별할 수 있다. 예를 들면, 풀리(14)의 초기 설정 상태에 자석(56)은 N극과 S극이 소정의 기준선에 수직 또는 수평하게 배열되며, 전술한 바와 같이 마찰 클러치의 작동에 의해 풀리(14)는 소정의 각도로 회전하게 되므로, 자기센서(37)는 자석(56)의 회전각을 측정하여 풀리(14)의 회전 정도를 감지할 수 있는 것이다.

감지된 풀리(14)의 회전각은 본 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 작동시키는 과정에서 참조 데이터로 활용될 수 있다. 예를 들면, 조작부가 초기 상태에 있을 때의 풀리(14)는 회전이 없는 상태이며, 자석(56)의 자극은 샤프트의 길이방향에 평행한 상태로 배열된다고 가정할 때, 인스트루먼트를 작동시켜 풀리(14)가 소정 각도 회전할 경우 자기센서(37)는 그 회전각을 감지하여 조작부가 현재 작동된 상태에 관한 정보를 알 수 있으며, 이러한 상태 정보를 이용하여 조작부를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 전술한 '원점 재조정' 기능을 구현할 경우, 즉 풀리(14)가 소정 각도만큼 회전된 상태를 조작상의 원점으로서 재설정하고자 할 경우에는, 자기센서(37)가 감지한 풀리(14)의 회전각을 측정하고, 측정된 정보를 저장하여 원점 재조정에 활용할 수 있다.

이를 위해 본 실시예에 따른 인스트루먼트에는 반도체 칩 등의 저장수단이 더 구비될 수 있는데, 저장수단은 자기센서(37)로부터 전송받은 풀리(14)의 회전 각도 정보를 저장하였다가, 원점 재조정시 참조 데이터로 활용되도록 하는 역할을 한다.

풀리(14)의 초기 상태에서 자극이 정확한 방향으로 배열되도록 자석(56)이 결합된 경우에는 자기센서(37)로 측정한 값이 풀리(14)의 회전 각도와 일치할 것이므로 굳이 RFID와 같은 저장수단을 구비하지 않더라도 풀리(14)의 회전 각도를 정확히 파악할 수 있다. 나아가, 자석(56)이 정확하게 배치되지 않은 경우에도 자극의 배열 방향에 상관없이 풀리(14)가 (상대적으로) 회전된 각도를 읽어서 반도체 칩 등의 저장수단에 저장해 놓고 그 저장된 값을 이용하여 원점을 재조정할 수 있다.

한편, 조작자의 조작된 상태를 파악하는 방법으로서, 전술한 자석 및 자기센서를 이용하는 방법 외에도 비전(vision) 및 영상처리(mage processing) 기술을 이용하는 방법도 가능하다. 샤프트의 굴곡부 부분에 샤프트의 길이방향과 평행(또는 수직)한 방향으로 선을 그어 놓고 내시경을 통해 촬상된 선의 변형된 형상을 이미지 프로세싱을 통해 분석함으로써 굴곡부의 구부러진 정도를 파악할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 인스트루먼트를 구동부에 장착하고 조작부를 수술 환자의 체내에 삽입한 상태에서, 내시경으로 굴곡부의 모양을 보면서 굴곡부에 그려놓은 선이 어떻게 변형되어 있는지를 영상처리를 통해 분석함으로써, 조작부가 조작된 상태를 측정할 수 있으며, 그 측정된 데이터를 활용하여 전술한 것처럼 원점 조정을 위한 참조 데이터로 활용할 수 있다.

예를 들어, 도 10에 도시된 것처럼, 인스트루먼트(1)의 각 굴곡 관절(11a, 11b, 11c, 11d, 11e)에, 어느 쪽에서 보더라도 보일 수 있도록 외주면을 따라 띄 형태로 기준선(도 10의 'B' 참조)을 그어 놓고, 내시경으로 각 굴곡 관절에 대한 영상을 보면서 굴곡 관절에 표시된 선이 얼마나 구부러져 있는지를 분석하여, 어느 굴곡 관절이 얼마나 작동되었지를 파악할 수 있다.

나아가, 굴곡 관절 부근의 샤프트(3)에 각 굴곡 관절마다 마치 바코드처럼 식별마커(13a, 13b, 13c, 13d, 13e)를 표시하여 놓음으로써, 내시경으로 본 영상의 처리과정에서 어느 굴곡 관절에 대한 영상 이미지인지도 파악할 수 있다.

한편, 이상의 설명에서는 인스트루먼트 쪽의 제1 커플러로서 풀리가 설치되고, 구동부 쪽의 제2 커플러로서 마찰 클러치가 설치된 구조를 예로 들어 설명하였으나, 이와는 반대로 제1 커플러로서 마찰바를, 제2 커플러로서 풀리 형상의 마찰 클러치를 설치하는 구조도 가능함은 물론이다.

예를 들어, 제1 커플러를 슬라이딩 가능한 래크 기어 형태로 만들고, 제2 커플러에 피니언 기어를 설치하여, 인스트루먼트를 구동부에 장착하는 과정에서 피니언이 래크에 커플링되어 작동될 수도 있다.

종래의 수동 조작용(handheld) 인스트루먼트 또는 로봇 수술용 인스트루먼트는 선택적으로 풀리에 대해 구동력을 전달하는 구조가 아니라, 항상 구동력이 전달되는 구조로 구성되어 있으므로, 예를 들어 굴곡 관절이 여러 군데 형성되어 있는 경우에는 와이어의 길이에 대한 한계로 인하여 각 굴곡 관절을 효과적으로 제어하기 어렵다는 단점이 있었다.

즉, 제1 굴곡 관절이 90도로 굴곡된 상태일 때 제2 굴곡 관절도 90도 회전된 상태일 수 있으며 제2 굴곡 관절에 대한 풀리는 그 회전된 상태를 원점으로 하여 조작될 수 있고, 제1, 제2 굴곡 관절이 모두 90도 굴곡된 상태일 때 제3 굴곡 관절은 180도 회전된 상태일 수 있으며 제3 굴곡 관절에 대한 풀리는 그 회전된 상태를 원점으로 하여 조작될 수 있으며, 이처럼 굴곡 관절의 수가 많아지다 보면 풀리가 상당히 회전되어 있는 상태(예를 들어 180도)를 원점으로 하여 조작해야 하는데, 종래의 인스트루먼트 구조에서는 와이어의 길이의 한계로 인해 이러한 조작이 불가능하게 될 수도 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 원점 조정 방법을 나타낸 순서도이고, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 원점 조정 방법을 나타낸 순서도이다.

도 9 및 도 10을 참조하여 설명한, 자석이나 비전을 이용하여 수술용 인스트루먼트의 원점을 재조정하는 기술은 수술용 인스트루먼트의 기계적인 구성이나 구조에만 국한되는 것이 아니라, 방법 발명의 형태, 예를 들면 인스트루먼트 캘리브레이션 장치나 수술용 로봇에 임베딩되는 프로세서에서 실행되는 프로그램의 구성에도 적용될 수 있다.

즉, 자석을 이용하여 원점을 조정함에 있어서는, 먼저 자기센서로 자석의 자성의 변화를 센싱하고(S10), 센싱된 값으로부터 풀리가 어느 정도(각도)만큼 회전되었는지를 측정(S20)할 수 있으며, 풀리가 회전된 각도가 기준이 되도록, 즉 소정 각도만큼 회전된 풀리의 상태가 조작상의 원점이 되도록 마찰 클러치를 재조정(초기 상태로 이동시켜 다시 풀리에 접촉)할 수 있다(S30)

전술한 바와 같이, 자석이 정확히 배치된 경우에는 자기센서로 측정한 값이 풀리의 회전 각도와 일치할 것이지만, 자석이 정확하게 배치되지 않은 경우에는 초기 상태에서 자석이 회전된 각도를 읽어서 반도체 칩 등에 저장해 놓고 그 저장된 값을 이용하여 원점을 재조정할 수 있다.

즉, 자석의 초기 위치에서의 풀리의 회전 각도에 관한 정보를 저장수단에 저장해 놓고(S9), 마찰 클러치를 재조정할 때 미리 저장된 정보를 사용하여 풀리의 회전 각도를 보정함으로써, 자석이 정확하게 배치되지 않은 경우에도 쉽게 원점 재조정이 가능하도록 할 수 있다.

한편, 비전을 이용하여 원점을 조정함에 있어서는, 내시경 등을 사용하여 굴곡 관절(및 기준선)을 촬영하여 영상을 획득하고(P10), 획득된 영상을 이미지 프로세싱하여 기준선이 굴곡된 정도 및 그로부터 굴곡 관절의 굴곡된 정도를 측정하며(P20), 측정된 값으로부터 굴곡 관절에 대응되는 풀리가 어느 정도(각도)만큼 회전되었는지를 알아낼 수 있다(P30).

한편, 내시경으로 굴곡 관절을 촬영하여 굴곡된 정도를 산출하는 것은 물론, 굴곡 관절을 움직이면서 굴곡 관절을 촬영 및 분석함으로써 굴곡된 정도에 대한 시계열적으로 연속된 영상 및 데이터를 확보할 수도 있다. 이에 따라 촬영된 영상을 매번 프로세싱하지 않더라도 새로 획득된 영상과 이미 확보된 영상 데이터를 매칭시켜 일치하는 영상을 도출한 후 도출된 영상에 대한 (이미 저장된) 분석 데이터를 굴곡 정도에 대한 측정 데이터로 활용할 수 있다. 이는 내시경으로 굴곡 관절을 보면서 그 굴곡 정도에 대한 데이터를 곧바로 도출해 낼 수 있는 일종의 '학습 기능'에 해당할 수 있다.

풀리의 회전 각도를 측정한 후에는, 자석을 이용한 원점 재조정의 경우와 마찬가지로, 소정 각도만큼 회전된 풀리의 상태가 조작상의 원점이 되도록 마찰 클러치를 재조정(초기 상태로 이동시켜 다시 풀리에 접촉)할 수 있다(P40).

전술한 바와 같이, 인스트루먼트 샤프트에 복수의 굴곡 관절이 형성되어 있는 경우에는 각 굴곡 관절마다 식별마커를 표시해 놓음으로써, 내시경으로 본 영상이 어느 굴곡 관절에 대한 영상 이미지인지도 파악할 수 있다.

즉, 각 굴곡 관절을 촬영하는 과정에서 샤프트에 표시된 각 식별 마커도 촬영하여 영상을 획득하고, 영상 처리를 통해 측정된 굴곡 정도값을 각 식별 마커에 대응하는 굴곡 관절별로 매칭시키며, 굴곡 정도로부터 역산된 각 풀리의 회전 각도에 관한 정보 또한 각 식별 마커에 대응하는 굴곡 관절별로 산출할 수 있다.

이처럼, 복수의 굴곡 관절이 형성된 경우에도 각 굴곡 관절마다에 대한 내시경 촬영 및 이미지 프로세싱을 통해 각각의 풀리의 회전 각도를 산출할 수 있으며, 그 산출된 데이터를 사용하여 각 풀리별로 필요에 따라 원점 재조정을 선택적으로 수행할 수 있다.

도 13 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트 시스템의 구동 구조를 나타낸 개념도이고, 도 16a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트 시스템의 구동 구조를 나타낸 사시도이고, 도 16b는 도 16a에 대한 배면도이고, 도 16c는 도 16b에서 배면 커버를 제거한 상태를 나타낸 도면이다. 도 13 내지 도 16c를 참조하면, 인스트루먼트부(1), 샤프트(3), 구동부(5), 와이어(12a, 12b), 이동체(60a, 60b), 연결부재(62), 구동부재(64), 회전부재(66), 토크 케이블(68)이 도시되어 있다.

본 실시예는 전술한 마찰 클러치와 같은 이동체를 이동시켜 인스트루먼트 작동을 위한 와이어에 장력을 인가하는 구조로 이루어진 인스트루먼트 시스템에 있어서, 이동체의 길이방향으로 볼트나 리드 스크류 등을 결합하여 볼트 등을 회전시킴에 따라 이동체가 이동하여 와이어에 장력이 인가되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 인스트루먼트 시스템은, 인스트루먼트부(1)와 구동부(5)로 이루어지며, 인스트루먼트부(1)는 조작부의 각 부분에 구동력 전달을 위한 한 쌍의 와이어(제1 와이어(12a) 및 제2 와이어(12b))가 연결되어, 제1 와이어(12a)를 당기면 그에 연결된 조작부가 정(+) 방향으로 작동되고, 제2 와이어(12b)를 당기면 조작부가 부(-) 방향으로 작동되는 구조로 이루어진다.

구동부(5)에서, 제1 와이어(12a)는 제1 이동체(60a)에 결합되고 제2 와이어(12b)는 제2 이동체(60b)에 결합되어, 제1 이동체(60a)를 제1 와이어(12a)의 연장 방향으로 이동시키면 제1 와이어(12a)에 장력을 인가되며, 제2 이동체(60b)를 제2 와이어(12b)의 연장 방향으로의 이동시키면 제2 와이어(12b)에 장력이 인가된다.

제1 와이어(12a)와 제2 와이어(12b)는 조작부를 각각 정, 부 방향으로 작동시키는 구성요소이므로, 서로 연동하여(제1 와이어(12a)가 오른쪽으로 이동하면 제2 와이어(12b)는 왼쪽으로 이동하고, 제2 와이어(12b)가 오른쪽으로 이동하면 제1 와이어(12a)는 왼쪽으로 이동함) 움직이게 되며, 이에 따라 본 실시예에 따른 제1 이동체(60a)와 제2 이동체(60b)는 서로 연동하여 움직이도록 구성될 수 있다.

즉, 제2 이동체(60b)는 제1 이동체(60a)의 이동에 상응하여 제1 이동체(60a)와 반대 방향으로 이동하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제1 이동체(60a)와 제2 이동체(60b) 사이에 연결부재(62)를 개재시켜, 제1 이동체(60a)가 제1 와이어(12a)를 당기는 방향으로 이동하면 그에 연동하여 제2 이동체(60b)가 제1 이동체(60a)와 반대 방향으로 이동하도록 할 수 있다.

예를 들어, 도 13에 도시된 것처럼, 연결부재(62)를 피니언 형태로 형성하고, 제1 이동체(60a) 및 제2 이동체(60b)를 피니언에 각각 치합되는 래크 형태로 형성하여, 제1 이동체(60a)의 이동에 따라 제2 이동체(60b)가 제1 이동체(60a)와 반대 방향으로 이동하도록 할 수 있다.

또는, 도 14에 도시된 것처럼, 연결부재(62)를 제1 이동체(60a) 및 제2 이동체(60b) 사이의 지점을 중심으로 회전하는 링크 형태로 형성하고, 링크의 양 단부를 제1 이동체(60a) 및 제2 이동체(60b)에 각각 회전 가능하도록 결합함으로써, 제1 이동체(60a)의 이동에 따라 제2 이동체(60b)가 제1 이동체(60a)와 반대 방향으로 이동하도록 할 수 있다.

도 14에 도시된 연결부재(62)의 경우, 이동체(60a, 60b)와 연결되는 부분에 슬릿 형상의 장홀을 천공하여 이동체의 이동에 따라 연결부재가 회전하도록 할 수 있다. 한편, 도 15에 도시된 것처럼 연결부재(62)를 그 길이방향으로 신축가능한 구조로 함으로써, 연결부재에 슬릿을 천공하지 않고도 이동체의 이동에 따라 연결부재가 회전하도록 할 수도 있다.

도 13 내지 도 15에 도시된 것 외에도, 제1 이동체(60a)와 제2 이동체(60b)가 서로 연동하여 반대 방향으로 이동하도록 할 수 있는 다양한 연결 기구(機構)가 적용될 수 있음은 물론이다.

한편, 구동부(5)에는 제1 이동체(60a)를 이동시키는 구동부재(64)가 설치될 수 있다. 구동부재(64)는 제1 이동체(60a)가 제1 와이어(12a)의 연장 방향으로 이동하도록 구동력을 부여하는 구성요소로서, 예를 들어, 도 13에 도시된 것처럼 제1 이동체(60a)에 나합되는 리드 스크류 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 마치 볼트를 조이거나 풀듯이 구동부재(64)를 회전시킴(도 13의 'D1' 참조)에 따라, 제1 이동체(60a)가 정/부 방향으로 이동(도 13의 'D10' 참조)하게 된다.

다만, 도 13에는 리드 스크류 형태의 구동부재(64)가 제1 이동체(60a)에 나사 결합된 볼트 형상의 부재로 예시되어 있으나, 나사, 볼트, 스크류 등 그 명칭에 한정되지 않고, 그 회전에 따라 제1 이동체(60a)가 이동하도록 제1 이동체(60a)에 나합되는 다양한 형상의 부재가 본 실시예에 따른 구동부재(64)로서 사용될 수 있음은 물론이다. 나아가, 본 실시예에 따른 구동부재-이동체 결합 구조에는, 그 작동에 의해 제1 이동체(60a)를 이동시킬 수 있는 다양한 구동 기구가 적용될 수도 있다.

즉, 여기에서는 구동부재가 스크류 등의 형상인 경우에 대해 설명하였으나, 그 구동에 의해 이동체의 리니어 모션(linear motion)이 가능한 액츄에이터(actuator)라면 어떤 것이든 구동부재로서 사용할 수 있다(도 2 및 도 3의 'a' 참조). 한편, 구동부재를 스크류나 볼트 등의 형상으로 구성할 경우 구동부재의 회전운동에 의해 이동체를 이동시킬 수 있으며, 외력에 의한 이동체의 역행(back drive)을 방지할 수 있어 인스트루먼트의 죠 구조를 더욱 튼튼하게 할 수 있다는 장점이 있으며, 이러한 장점이 도출될 수 있는 다른 형식의 리니어 액츄에이터도 사용될 수 있음은 물론이다.

한편, 도 13에는 한 쌍의 와이어(12a, 12b) 및 한 쌍의 이동체(60a, 60b)에 대해 하나의 구동부재(64)를 설치한 경우를 예시하였으나, 인스트루먼트의 조작부를 소정의 자유도, 예를 들어, 3 자유도로 작동시키기 위해 3 쌍의 와이어 및 3 쌍의 이동체에 대해 3개의 구동부재를 설치할 수도 있다.

본 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트 시스템은, 크게 인스트루먼트부(1)와 구동부(5)로 구분될 수 있으며, 인스트루먼트부(1)와 구동부(5)는 착탈 가능하게 커플링함으로써, 이미 사용한 인스트루먼트는 폐기하고(disposable) 새로운 인스트루먼트를 구동부(5)에 장착하여 새로운 인스트루먼트부(1)를 다시 작동시키는 구조, 즉 구동부(5)는 재사용이 가능한(reusable) 구조로 구성할 수 있다.

이 경우, 조작부, 제1 와이어(12a), 제2 와이어(12b)는 인스트루먼트부(1)에 포함되고, 제1 이동체(60a), 제2 이동체(60b), 연결부재(62), 구동부재(64)는 구동부(5)에 포함될 수 있으며, 와이어와 이동체를 서로 착탈 가능하도록 결합함으로써, 인스트루먼트는 'disposable'하게, 구동부(5)는 'reusable'하게 사용할 수 있다.

한편, 인스트루먼트 시스템의 구성 방식에 따라서는, 인스트루먼트 및 구동부가 'disposable'하고, 구동부재를 구동시키는 수단(예를 들어, 구동부재가 스크류 또는 볼트 형상이라면 그것을 돌려주는 드라이버와 같은 구성요소)부터가 'reusable'하게 사용할 수도 있다.

이 경우, 구동부재를 반드시 이동체에 결합되는 별도의 부재로 구성해야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 이동체에 너트와 같은 형상의 구멍을 천공하고, 수동조작용 핸들이나 수술용 로봇 암과 같은 'reusable'한 부분의 단부를 볼트와 같은 형상으로 제작하여, 별도의 구동부재 없이 이동체를 이동시키는 구조로 구성할 수도 있다.

또한, 본 실시예에 따른 구동부(5)는 수동 조작용(handheld) 핸들 또는 수술용 로봇의 액추에이터 형태로 구성될 수 있다. 즉, 핸들 형태의 구동부(5)에 인스트루먼트를 장착할 경우 본 실시예는 수동 인스트루먼트로서 사용될 수 있고, 수술용 로봇의 암에 본 실시예에 따른 구동부(5)를 형성할 경우, 본 실시예에 따른 인스트루먼트부(1)는 수술용 로봇에 장착되는 인스트루먼트로서 사용될 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 구동부재(64)의 형태를 응용하여 인스트루먼트 샤프트(3)의 회전을 위한 구동 메커니즘을 구성할 수 있다. 즉, 구동부재(64)에 인접하여 리드 스크류 형태의 구동부재(64)와 마찬가지 형태의 회전부재(66)를 설치하고, 회전부재(66)는 토크 케이블(68)을 사용하여 회전용 샤프트(3a)와 연결함으로써, 마치 볼트를 조이거나 풀듯이 회전부재(66)를 회전시킴(도 13의 'D2' 참조)에 따라, 회전용 샤프트(3a)가 그 길이방향을 축으로 하여 정/부 방향으로 회전(도 13의 'D20' 참조)하도록 할 수 있다.

회전용 샤프트(3a)는 샤프트(3) 내부에 수용된 별도의 튜브 또는 봉 형태의 부재로서, 회전용 샤프트(3a)의 끝단에 조작부(예를 들면, 한 쌍의 죠(jaw))가 연결되어 있어, 토크 케이블(68)을 통해 회전력을 전달하여 회전용 샤프트(3a)를 회전시킴에 따라 그 말단에 연결된 조작부가 회전하게 된다.

토크 케이블(68)은 회전부재(66)의 회전력을 샤프트(3)에 전달하는 역할을 하는 구성요소로서, 그 명칭에 한정되지 않고 회전부재(66)의 회전에 따른 구동력을 샤프트(3)에 전달할 수 있는 구성요소라면 본 실시예에 따른 토크 케이블에 해당할 수 있다. 나아가, 본 실시예에 따른 회전부재-샤프트 결합 구조에는, 그 작동에 의해 샤프트(3)를 회전시킬 수 있는 다양한 구동 기구가 적용될 수도 있다.

이처럼 구동부(5)에 구동부재(64)와 회전부재(66)를 설치하면, 구동부(5)에는 겉으로 보기에는 마치 여러 개의 볼트가 체결되어 있는 것과 같은 형상이 된다. 예를 들어, 인스트루먼트를 4 자유도로 작동시키기 위해 3개의 구동부재와 1개의 회전부재(66)를 설치하면, 구동부(5)에는 총 4개의 볼트가 체결되어 있는 것과 같은 형상이 될 수 있다.

이 경우, 사용자(또는 로봇)는 4개의 볼트를 필요에 따라 선택적으로 회전시킴에 따라 인스트루먼트를 소정의 자유도(예를 들면, 4자유도)로 작동시킬 수 있다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트 시스템의 구동 구조를 나타낸 개념도이다. 도 17을 참조하면, 인스트루먼트부(1), 샤프트(3), 구동부(5), 와이어(12), 풀리(17), 이동체(60), 구동부재(64), 회전부재(66), 토크 케이블(68)이 도시되어 있다.

도 17에는 와이어를 이동체에 직접 결합하는 대신, 와이어는 풀리에 권취하고 이동체로 풀리를 회전시켜 와이어에 장력을 인가하는 인스트루먼트 시스템이 예시되어 있다.

본 실시예에 따른 인스트루먼트 시스템은, 인스트루먼트부(1)와 구동부(5)로 이루어지며, 인스트루먼트부(1)는 조작부의 각 부분에 구동력 전달을 위한 풀리 와이어(12)가 연결되어, 와이어(12)를 일방향으로 감으면 그에 연결된 조작부가 정(+) 방향으로 작동되고, 와이어(12)를 타방향으로 감으면 그에 연결된 조작부가 부(-) 방향으로 작동되는 구조로 이루어진다.

구동부(5)에서, 와이어(12)는 풀리(17)에 권취되어 풀리(17)를 일방향으로 회전시키면 와이어(12)에 일방향으로 장력을 인가되며, 풀리(17)를 타방향으로 회전시키면 와이어(12)에 타방향으로 장력이 인가된다.

또한, 본 실시예에 따른 풀리(17)의 외주면에는 (전술한 마찰 클러치처럼) 이동체(60)가 접촉될 수 있으며, 이동체(60)가 풀리(17)의 외주면에 접촉된 상태에서 이동체(60)를 소정의 방향으로의 이동시키면, 그에 따라 풀리(17)가 일방향 또는 타방향으로 회전하게 된다.

또는, 도 17에 도시된 것처럼, 풀리(17)를 피니언 형태로 형성하고, 이동체(60)를 피니언에 치합되는 래크 형태로 형성하여, 이동체(60)의 이동에 따른 풀리(17)의 회전을 보다 공고히 할 수 있다.

한편, 구동부(5)에는 이동체(60)를 이동시키는 구동부재(64)가 설치될 수 있다. 구동부재(64)는 이동체(60)가 소정의 방향으로 이동하도록 구동력을 부여하는 구성요소로서, 예를 들어, 도 17에 도시된 것처럼 이동체(60)에 나합되는 리드 스크류 형태로 형성될 수 있다. 이 경우, 마치 볼트를 조이거나 풀듯이 구동부재(64)를 회전시킴(도 17의 'D1' 참조)에 따라, 이동체(60)가 소정 방향으로 이동(도 17의 'D10' 참조)하게 된다.

도 17에 예시된 구동부재(64) 또한 그 명칭에 한정되지 않고, 그 회전에 따라 이동체(60)가 이동하도록 할 수 있는 다양한 형상의 부재가 사용될 수 있으며, 이 외에도 그 작동에 의해 이동체(60)를 이동시킬 수 있는 다양한 구동부재-이동체 결합 기구가 적용될 수 있음은 전술한 실시예와 마찬가지이다.

또한, 도 17의 경우에도, 인스트루먼트의 조작부를 소정의 자유도, 예를 들어, 3 자유도로 작동시키기 위해 3개의 와이어 및 이동체에 대해 3개의 구동부재를 설치할 수도 있다.

본 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트 시스템 또한, 크게 인스트루먼트부(1)와 구동부(5)로 구분될 수 있으며, 인스트루먼트부(1)와 구동부(5)는 착탈 가능하게 커플링함으로써, 이미 사용한 인스트루먼트는 폐기하고(disposable) 새로운 인스트루먼트를 구동부(5)에 장착하여 새로운 인스트루먼트부(1)를 다시 작동시키는 구조, 즉 구동부(5)는 재사용이 가능한(reusable) 구조로 구성할 수 있다.

이 경우, 조작부, 와이어(12), 풀리(17)는 인스트루먼트부(1)에 포함되고, 이동체(60)와 구동부재(64)는 구동부(5)에 포함될 수 있으며, 인스트루먼트부(1)를 구동부(5)에 장착함에 따라 이동체(60)가 풀리(17)의 외주면에 선택적으로 접촉되도록 함으로써, 인스트루먼트는 'disposable'하게, 구동부(5)는 'reusable'하게 사용할 수 있다.

본 실시예에 따른 구동부(5) 또한 수동 조작용 핸들 또는 수술용 로봇의 액추에이터 형태로 구성될 수 있음은 전술한 실시예와 마찬가지이다.

또한, 본 실시예에서도 구동부재(64)에 인접하여 회전부재(66)를 설치하고, 토크 케이블(68)을 사용하여 회전용 샤프트(3a)를 회전부재(66)에 연결함으로써, 마치 볼트를 조이거나 풀듯이 회전부재(66)를 회전시킴(도 17의 'D2' 참조)에 따라, 회전용 샤프트(3a)가 그 길이방향을 축으로 하여 정/부 방향으로 회전(도 17의 'D20' 참조)하도록 할 수 있으며, 이에 따라 사용자(또는 로봇)는 복수의 '볼트'를 필요에 따라 선택적으로 회전시킴에 따라 인스트루먼트를 소정의 자유도로 작동시킬 수 있음은 전술한 실시예와 마찬가지이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 인스트루먼트 3 : 샤프트
5 : 구동부 10 : 조작부
11 : 조작자 12, 12a, 12b : 와이어
14, 14a, 14b, 15, 17 : 풀리 16 : 외주면
18 : 원판면 20, 20a, 20b, 21 : 마찰 클러치
22 : 마찰판 24 : 탄성체
37 : 자기센서 56 : 자석
60, 60a, 60b : 이동체 62 : 연결부재
64 : 구동부재 66 : 회전부재
68 : 토크 케이블

Claims (46)

1. 수술용 인스트루먼트(instrument)를 작동시키기 위해, 상기 인스트루먼트가 구동부에 착탈 가능하도록 커플링(coupling)되는 구조로서,
   상기 인스트루먼트는,
   수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 동작을 수행하는 조작부와;
   일단부가 상기 조작부에 연결되며, 상기 조작부가 작동되도록 구동력을 전달하는 구동력 전달수단과;
   상기 구동력 전달수단의 타단부가 연결되며, 그 작동에 의해 상기 구동력 전달수단에 장력을 인가하는 제1 커플러(coupler)를 포함하고,
   상기 구동부는, 상기 제1 커플러에 선택적으로 연결되어 상기 제1 커플러를 작동시키는 제2 커플러를 포함하며,
   상기 제1 커플러는, 상기 구동력 전달수단의 타단부가 권취되며 그 회전에 의해 상기 구동력 전달수단에 장력을 인가하는 풀리(pulley)를 포함하고,
   상기 제2 커플러는, 상기 풀리의 외주면에 선택적으로 접촉되며 그 길이방향으로의 이동에 의해 상기 풀리를 회전시키는 마찰 클러치를 포함하며,
   상기 조작부는 복수의 조작자를 포함하고, 상기 구동력 전달수단 및 상기 풀리는 상기 복수의 조작자에 상응하여 각각 복수로 구비되며, 상기 마찰 클러치는 상기 복수의 풀리에 상응하여 복수로 구비되되,
   상기 마찰 클러치는 제1 풀리를 회전시키는 제1 마찰 클러치와, 제2 풀리를 회전시키는 제2 마찰 클러치를 포함하고,
   상기 제1 마찰 클러치가 그 길이방향으로 이동하여 상기 제1 풀리를 소정 각도만큼 회전시키는 과정에서, 상기 제2 마찰 클러치는 상기 제2 풀리로부터 이격되어 있다가, 상기 제1 풀리의 회전으로 인하여 상기 제2 풀리가 소정 각도만큼 회전된 상태에서, 상기 제2 마찰 클러치는 상기 제2 풀리에 접촉됨으로써, 상기 제2 풀리가 소정 각도만큼 회전된 상태를 조작의 원점으로 재조정하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 구동력 전달수단은 와이어(wire) 또는 로드(rod) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 풀리는 제1 와이어를 통해 제1 조작자에 연결되고, 상기 제2 풀리는 제2 와이어를 통해 제2 조작자에 연결되며, 상기 제1 와이어의 길이, 상기 제2 와이어의 길이, 상기 제1 풀리의 회전 정도 및 상기 제2 풀리의 회전 정도 중 어느 하나 이상에 관한 정보를 저장하는 저장수단을 더 포함하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 저장수단에는, 상기 제1 조작자가 소정 정도 조작된 상태에서 상기 제2 조작자를 조작하기 위해 상기 제2 풀리가 회전되어야 하는 각도에 관한 정보가 더 저장되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 저장수단에는, 상기 제2 조작자가 소정 정도 조작된 상태에서 상기 제1 조작자를 조작하기 위해 상기 제1 풀리가 회전되어야 하는 각도에 관한 정보가 더 저장되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 클러치는 서로 대향하도록 한 쌍으로 구비되어, 상기 풀리가 회전하도록 서로 반대 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 인스트루먼트가 상기 구동부로부터 분리된 상태일 때, 상기 마찰 클러치는 상기 풀리의 외주면으로부터 이격되는 위치에 세팅되어 있다가, 상기 인스트루먼트가 상기 구동부에 장착된 상태일 때, 상기 마찰 클러치는 상기 풀리의 외주면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 클러치는, 그 길이방향으로 이동하여 상기 풀리를 소정 각도만큼 회전시킨 상태에서, 상기 풀리로부터 이격되어 초기 위치로 복귀한 후, 다시 상기 풀리에 접촉됨으로써 상기 풀리가 소정 각도만큼 회전된 상태를 조작의 원점으로 재조정하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
14. 제13항에 있어서, 상기 구동부는,
    상기 마찰 클러치가 상기 풀리로부터 이격될 때, 소정 각도만큼 회전된 상기 풀리가 그 회전된 상태를 유지하도록 상기 풀리의 회전을 구속하는 브레이크(brake)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 브레이크는 상기 풀리의 원판면에 선택적으로 접촉되는 마찰판을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 마찰판은, 상기 마찰 클러치가 상기 풀리로부터 이격될 때 상기 풀리의 원판면에 접촉되고, 상기 마찰 클러치가 초기 위치로 복귀한 후 상기 풀리에 접촉할 때 상기 풀리로부터 이격되어, 상기 마찰 클러치의 작동에 의해 상기 풀리가 회전하도록 하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
17. 제15항에 있어서,
    상기 인스트루먼트가 상기 구동부로부터 분리된 상태일 때, 상기 마찰판은 상기 풀리의 원판면으로부터 이격되는 위치에 세팅되어 있다가, 상기 인스트루먼트가 상기 구동부에 장착된 상태일 때, 상기 마찰판은 상기 풀리의 원판면에 선택적으로 접촉되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
18. 제1항에 있어서,
    상기 풀리는 그 외주면에 기어가 형성된 피니언 형태로 형성되고, 상기 마찰 클러치는 상기 피니언에 치합되도록 기어가 형성된 래크 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
19. 제1항에 있어서,
    상기 풀리의 원판면에 소정의 방향으로 배치되도록 결합되는 자석과;
    상기 자석의 자극의 배열 방향으로부터 상기 풀리가 회전한 정도를 감지하는 자기센서를 더 포함하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
20. 제19항에 있어서,
    상기 자기센서로부터 전송된 상기 풀리의 회전 정도에 관한 정보를 저장하는 저장수단을 더 포함하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
21. 제20항에 있어서,
    상기 저장수단은 반도체 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
22. 제1항에 있어서,
    상기 조작부는 복수의 굴곡 관절을 포함하고,
    상기 굴곡 관절에는, 그 촬영 이미지에 대한 분석을 통해 굴곡 관절의 굴곡된 정도를 파악할 수 있도록 기준선이 표시되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
23. 제22항에 있어서,
    상기 인스트루먼트의 샤프트에는 상기 복수의 굴곡 관절 각각에 인접하여, 그 촬영 이미지에 대한 분석을 통해 각 굴곡 관절을 식별할 수 있도록 식별 마커가 표시되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 커플링 구조.
    
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