KR102069601B1 - 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체 - Google Patents

가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체 Download PDF

Info

Publication number
KR102069601B1
KR102069601B1 KR1020180066953A KR20180066953A KR102069601B1 KR 102069601 B1 KR102069601 B1 KR 102069601B1 KR 1020180066953 A KR1020180066953 A KR 1020180066953A KR 20180066953 A KR20180066953 A KR 20180066953A KR 102069601 B1 KR102069601 B1 KR 102069601B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
tube
outer tube
inner tube
regions
stiffness
Prior art date
Application number
KR1020180066953A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190140308A (ko
Inventor
김종우
김천우
강성철
조규진
Original Assignee
한국과학기술연구원
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원, 서울대학교산학협력단 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020180066953A priority Critical patent/KR102069601B1/ko
Publication of KR20190140308A publication Critical patent/KR20190140308A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102069601B1 publication Critical patent/KR102069601B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0009—Constructional details, e.g. manipulator supports, bases
    • B25J9/0012—Constructional details, e.g. manipulator supports, bases making use of synthetic construction materials, e.g. plastics, composites
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/109—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements comprising mechanical programming means, e.g. cams
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B2034/301—Surgical robots for introducing or steering flexible instruments inserted into the body, e.g. catheters or endoscopes
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B2034/305—Details of wrist mechanisms at distal ends of robotic arms
    • A61B2034/306—Wrists with multiple vertebrae

Abstract

가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체는, 외측 튜브, 및 상기 외측 튜브의 내측에 삽입되는 내측 튜브를 포함하고, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브는 각각 독립적인 회전 자유도 및 평행 이동 자유도를 가지고 상대 운동하고, 상기 외측 튜브는 둘레 방향을 따라 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 강성(stiffness)을 갖는 복수개의 영역을 포함하고, 상기 내측 튜브는 둘레 방향을 따라 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역을 포함한다.

Description

가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체{TUBE STRUCTURE WITH VARIABLE STIFFNESS MECHANISM}
본 발명은 가변 강성(stiffness) 메커니즘이 적용된 튜브 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비등방성 물성치를 갖는 복수개의 튜브간의 상대적 위치를 변화시켜 강성의 변화를 제어하는 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체에 관한 것이다.
로봇 분야 등에서 복수개의 튜브가 겹쳐진 형태를 이용하여 굽힘 강성과 비틀림 강성 등을 변화시키고 제어하는 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 최소침습수술(minimally invasive surgery)과 같은 분야에서는 복수개의 튜브가 겹쳐진 형태의 연속체 로봇을 정밀하게 제어하기 위해 극소 크기의 튜브의 강성을 적절히 제어하는 것이 중요하다.
최소침습수술이란 개복하지 않고 절개 부위를 최소화하여 수술을 시행하는 것으로, 절개 부위가 작아 흉터나 후유증이 거의 없으며 세균 감염 노출이 적고 회복이 빠른 장점이 있다. 종래의 수술 장치는 단단하고 고정된 구조되어 있어서 주변 조직에 상처 없이 인체 내에서 탐색하기 어려운 문제가 있었다. 이러한 제약을 극복하기 위해 최소침습수술용 유연한 연속체 로봇이 제안되었다.
유연한 로봇은 인체 내의 국소 영역에 안전하게 접근할 수 있게 한다. 그러나, 수술을 위한 절개나 조직에 대한 다양한 수술 작업을 수행하기 위해서는 충분한 강성이 보장되어야 하나, 유연한 로봇은 수술 작업에 필요한 강성이 부족한 문제점이 있다. 수술 부위에 접근할 때 요구되는 유연성과 수술 작업 수행시 요구되는 강성의 변화에 대응하기 위해 강성의 변화 메커니즘이 논의되고 있다. 즉, 장치가 인체 내를 탐색하는 경우 낮은 강성이 선호되고, 수술 작업을 위해서는 높은 강성이 선호되므로, 강성이 변하는 연속체 로봇에 대한 연구가 진행되고 있다.
강성을 변화시키기 위해, 종래에는 형상 기억 물질(shape memory materials)을 사용하거나, 유체 유연 매트릭스 복합체(fluidic flexible matrix composite)를 이용하거나, 정전기력 및 공압력의 조합(combination of electrostatic force and pneumatic force)을 이용하거나, 비등방성 공압력(anisotropic pneumatic force)을 이용하거나, 텐돈-드라이브 메커니즘(tendon-drive mechanism)을 사용하거나, 레이어 재밍(layer jamming)을 사용하거나, 저 융점 합금(low melting point alloy)을 사용하는 등의 방안이 제안되었다. 이러한 종래의 기술들은 최소침습수술에 이용할 수 있을 만큼 크기를 줄이기에는 너무 복잡한 구조이거나, 강성의 변화를 유도하기 위해 열 또는 높은 전력 자극이 필요한 문제가 있다. 또한, 가열 및 냉각 시간이 소요되어 강성 변화에 시간이 오래 걸리거나, 열 또는 전기적 자극, 재밍 효과(jamming effect), 공압 또는 유체압을 정밀하게 제어하기 어렵기 때문에 불연속적인(discrete) 강성의 변화 상태를 가지는 제약이 있다.
미국 등록 특허 공보 제8715226호(2014. 5. 6)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 둘레 방향, 길이 방향, 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 물성치를 갖는 복수개의 영역을 포함하는 튜브와 이와 같은 구조의 복수개의 튜브의 상대 위치를 변화시킴으로써 강성을 변화시키는 가변 강성 메커니즘을 적용한 튜브 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체로서, 외측 튜브 및 상기 외측 튜브의 내측에 삽입되는 내측 튜브를 포함하고, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브는 각각 독립적인 회전 자유도 및 평행 이동 자유도를 가지고 상대 운동하고, 상기 외측 튜브는 둘레 방향을 따라 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 강성(stiffness)을 갖는 복수개의 영역을 포함하고, 상기 내측 튜브는 둘레 방향을 따라 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역을 포함하는 튜브 구조체가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역은 서로 다른 패턴이 형성된 영역을 포함하고, 상기 내측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역은 서로 다른 패턴이 형성된 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역 각각은 패턴이 형성되어 강성이 감소된 영역과, 패턴이 형성되지 않은 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역은 강성이 서로 물질로 형성된 영역을 포함하고, 상기 내측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역은 강성이 서로 물질로 형성된 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역 각각은 탄성중합체(elastomer)로 이루어진 영역과, 플라스틱 또는 금속으로 이루어진 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 각각은 원형 튜브이고, 상기 외측 튜브의 복수개의 영역과 상기 내측 튜브의 복수개의 영역의 강성은 각각 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브에 형성된 패턴의 폭, 패턴의 높이, 패턴간의 원주 방향 거리, 패턴간의 길이 방향 거리 및 상기 하나 이상의 패턴이 형성된 영역의 각도 중 하나 이상의 파라미터에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 튜브 구조체의 강성은 상기 외측 튜브와 상기 내측 튜브 각각의 회전 각도, 및 상기 외측 튜브와 상기 내측 튜브의 평행이동에 따른 상대 위치 중 하나 이상에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 튜브 구조체의 강성은 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 각각의 두께 및 직경을 더 고려하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역의 패턴이 일치하도록 배치되는 경우, 상기 튜브 구조체의 굽힘 강성이 최소가 되고, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역의 패턴이 겹치지 않도록 배치되는 경우, 상기 튜브 구조체의 굽힘 강성이 최대가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 둘레 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역의 패턴이 일치하도록 배치되는 경우, 상기 패턴이 형성된 영역에 수직인 방향으로 굽힘 강성이 최소가 되며, 상기 패턴이 형성되지 않은 영역에 수직인 방향으로 굽힘 강성이 최대가 될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 내측 튜브 내측에 삽입되는 하나 이상의 튜브를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 튜브는 그 둘레 방향을 따라 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역을 포함하고, 상기 튜브 구조체의 강성은 상기 외측 튜브, 상기 내측 튜브 및 상기 하나 이상의 튜브 각각의 회전 각도, 및 상기 외측 튜브, 상기 내측 튜브 및 상기 하나 이상의 튜브의 평행이동에 따른 상대 위치 중 하나 이상에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 튜브 구조체는, 강성의 스케일러블한(scalable) 변화를 가능하게 하고, 연속적으로 변하는 강성의 정밀한 제어를 가능하게 한다. 또한, 본 발명에서 제안하는 튜브 구조체는, 튜브 둘레 방향 또는 길이 방향의 상이한 물성치의 배치를 통해 강성의 변화를 조절하므로 매우 미소(예: 직경 0.5mm 이하로 적용 가능)하게 제작될 수 있다. 이를 통해, 튜브 구조체는 특히 최소침습수술과 같은 의료 기구 등에 적합한 크기로 제작될 수 있고, 복수개의 튜브의 상대 위치를 변화시키므로 손쉽고 빠르게 강성의 변화를 제어할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원형 튜브의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 패턴을 갖는 튜브 구조체의 사시도를 도시한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A 및 type B의 비대칭 패턴을 갖는 원형 튜브의 단면도를 각각 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A의 비대칭 패턴을 갖는 원형 튜브의 회전 상태를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A의 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대적인 회전 상태를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 type B의 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대적인 회전 상태를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 길이 방향을 따라 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대적인 위치 및 상태를 도시한다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A 및 type B의 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대 회전 각도를 변화시켰을 때의 굽힘 강성비(bending stiffness ratio)의 변화를 각각 도시한다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속체 로봇 시스템과, 복수개의 원형 튜브의 상대 회전 각도를 변화시켰을 때의 조직 삽입 상태를 각각 도시한다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대 회전 각도를 변화시켰을 때, 다양한 무게의 추에 대한 굽힘 상태 변화를 각각 도시한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 원형 튜브(100)의 사시도를 도시한다.
도 1을 참조하면, 원형 튜브(100)의 길이 방향과 원주 방향을 따라 서로 다른 물성을 갖는 두 개의 물질로 제조된 원형 튜브(100)가 도시된다. 이 때, 서로 다른 물성은 강성(stiffness)을 의미할 수 있으며, 두 개 이상의 서로 다른 물성의 물질로 제조될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 원형 튜브(100)는 유연한 물질로 이루어진 부분(검은색 부위)과 단단한 물질로 이루어진 부분(흰색 부위)가 원주 둘레를 따라 번갈아 위치하는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 유연한 물질은 고무, 탄성중합체(elastomer)와 같은 물질일 수 있고, 단단한 물질은 단단한 플라스틱, 금속과 같은 물질일 수 있다.
본 발명에서 제안하는 튜브 구조체는, 도 1과 같은 형상의 내측 및 외측 원형 튜브를 동심으로(concentrically) 겹쳐서 회전 각도 및 상대적 위치를 이동시켜 강성을 변화시킬 수 있다. 본 발명에서 제안하는 튜브 구조는 원형을 예로 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 하나 이상의 내측 튜브 및 외측 튜브 간의 상대적 위치를 이동시킬 수 있는 다양한 중공(hollow) 형태로 변형될 수 있다. 본 발명에서 제안하는 튜브 구조체는 최소침습수술 분야 등의 연속체 로봇으로 활용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 강성의 변화를 필요로 하는 다양한 구조에 적용될 수 있다. 또한, 서로 다른 물성을 갖는 복수개의 물질들은 각 튜브의 길이 방향 또는 둘레 방향을 따라 배치될 수 있으며, 둘레 방향과 길이 방향의 조합에 의해 배치될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 물성을 갖는 복수개의 물질들이 사선 방향으로 각 튜브 둘레를 따라 배치될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 패턴을 갖는 튜브 구조체(200)의 사시도를 도시한다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 튜브 구조체(200)는 복수개의 원형 튜브가 겹쳐진 형태로 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속적으로 변하는 강성을 갖도록 구성된 튜브 구조체(200)는, 길이 방향 및 원주 방향으로 2 이상의 다른 물성을 갖는 부분으로 구분되도록 비대칭 패턴이 형성된 튜브를 구비할 수 있다. 도 2를 참조하면, 비대칭 패턴이 형성된 튜브는 금속과 같은 단단한 재료로 제조되어, 패턴이 형성된 부분은 굽힘 및 비틀림 강성이 극적으로 감소하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 비대칭 패턴이 형성된 튜브는 니티놀(nitinol)과 같은 형상기억합금으로 제조될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브는 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)를 포함한다. 이하 두 개의 원형 튜브가 겹쳐진 형태를 예로 들어 설명하나, 3개 이상의 튜브가 겹쳐진 형태도 가능하며 이들 간의 상대적인 위치를 조절함으로써 더욱 정밀하게 강성을 제어할 수 있다.
외측 튜브(210)는 튜브의 외주면을 따라 다수의 패턴들(211)이 형성된다. 이러한 패턴들(211)은, 예를 들어, 커팅 가공, 필링 가공, 국부 열처리 등의 방식으로 레이저 가공 장비나 히트 패드(heat pad)에 의해 형성될 수 있다. 이들은 예시적인 방법일 뿐이며, 패턴 형성 방법은 이에 제한되지 않는다. 패턴들(211)은 예를 들어 비등방성 패턴으로 형성될 수 있으나, 그 형태에 특별한 제한이 없이 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 외측 튜브(210)의 패턴들(211)은 패턴간의 원주 방향 거리(m1), 패턴간의 길이 방향 거리(l1), 패턴의 폭(m2) 및 패턴의 높이(l2)와 같은 파라미터에 의해 결정될 수 있다. 외측 튜브(210)의 패턴들(211)은 외주면을 따라 원주 방향 일부에만 형성될 수 있으며, 패턴이 형성된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역으로 구분될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 패턴들(211)이 형성된 영역에서 외측 튜브(210)의 굽힘 강성과 비틀림 강성이 극적으로 감소할 수 있다. 외측 튜브(210)에서 패턴들(211)이 형성된 영역과 형성되지 않은 영역은 굽힘 강성 및 비틀림 강성이 큰 차이를 갖게 된다.
내측 튜브(220)는 튜브의 외주면을 따라 다수의 패턴들(221)이 형성된다. 이러한 패턴들(221)은, 예를 들어, 커팅 가공, 필링 가공, 국부 열처리 등의 방식으로 레이저 가공 장비나 히트 패드(heat pad)에 의해 형성될 수 있다. 패턴들(221)은 예를 들어 비등방성 패턴으로 형성될 수 있으나, 그 형태에 특별한 제한이 없이 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 내측 튜브(220)의 패턴들(221)은 역시 패턴간의 원주 방향 거리, 패턴간의 길이 방향 거리, 패턴의 폭 및 패턴의 높이와 같은 파라미터에 의해 결정될 수 있다. 내측 튜브(220)의 패턴들(221)은 외측 튜브(210)의 패턴들과 동일한 형태로 형성될 수 있으나, 지름이 더 작기 때문에 파라미터들이 지름이 줄어든 만큼 감소되도록 설계될 수 있다. 내측 튜브(220) 역시 패턴들(221)이 외주면을 따라 원주 방향 일부에만 형성될 수 있으며, 패턴들(221)이 형성된 영역에서만 내측 튜브(220)의 굽힘 강성과 비틀림 강성이 극적으로 감소할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 내측 튜브(220)와 외측 튜브(210)의 패턴의 형상이 다를 수 있으며, 특히 원주 방향을 따라 패턴이 형성된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역이 차지하는 비율이 다르게 설정될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 튜브 구조는 원형을 예로 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 하나 이상의 내측 튜브 및 외측 튜브 간의 상대적 위치를 이동시킬 수 있는 다양한 중공(hollow) 형태로 변형될 수 있다. 또한, 본 발명에서 제안하는 튜브 구조체(200)는 최소침습수술 분야 등의 연속체 로봇으로 활용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 강성의 변화를 필요로 하는 다양한 구조에 적용될 수 있다. 또한, 서로 다른 패턴을 갖는 복수개의 영역들이 각 튜브의 길이 방향 또는 둘레 방향을 따라 배치될 수 있으며, 둘레 방향과 길이 방향의 조합에 의해 배치될 수도 있다. 여기서, 서로 다른 패턴이 형성된 영역의 예로 특정 패턴이 형성된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역도 포함될 수 있다. 서로 다른 패턴은 복수개의 영역들의 강성을 달리하기 위한 다양한 패턴일 수 있고, 특정한 패턴으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 서로 다른 패턴을 갖는 복수개의 영역들이 사선 방향으로 각 튜브의 둘레를 따라 배치될 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A 및 type B의 비대칭 패턴을 갖는 원형 튜브의 단면도를 각각 도시한다. 도 3a 및 3b는 도 2에 도시된 튜브에서 원주 방향 패턴을 좀 더 상세하게 확인하기 위해 절단면(230)을 확대 도시한 것이다.
도 3a를 참조하면, 외측 튜브(210)는 원주 방향을 따라 패턴들(211)이 형성된 영역(213)과 패턴들이 형성되지 않은 영역(212)을 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A의 비대칭 패턴은, 외측 튜브(210)의 단면에서 반원 부분을 3등분한 가운데 부분만이 다수의 패턴들(211)이 형성되고, 나머지 부분은 패턴이 형성되지 않고, 반대편 반원 부위도 대칭적으로 패턴들(211)이 형성될 수 있다. 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)는 동일한 type A의 패턴이 형성되어 회전에 의해 상대적 패턴 위치가 변경됨에 따라 연속체 로봇의 강성을 연속적으로 변화하게 할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 외측 튜브(210)는 원주 방향을 따라 패턴들(211)이 형성된 영역(213)과 패턴들이 형성되지 않은 영역(212)을 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 type B의 비대칭 패턴은, 외측 튜브(210)의 단면에서 반원 부분을 3등분한 가운데 부분만이 패턴이 형성되지 않고 나머지 양쪽 부분은 다수의 패턴들(211)이 형성되며, 반대편 반원 부위도 대칭적으로 패턴들(211)이 형성될 수 있다. 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)는 동일한 type B의 패턴이 형성되어 회전에 의해 상대적 패턴 위치가 변경됨에 따라 연속체 로봇의 강성을 연속적으로 변화하게 할 수 있다.
type A 및 type B의 실시 예에서 파라미터들은 <표 1>과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018057126161-pat00001
여기서, di는 외측 또는 내측 튜브의 내측 직경을, do는 외측 또는 내측 튜브의 외측 직경을 의미한다. 또한, E는 각각 외측 또는 내측 튜브의 영율(Young's modulus)을 의미하며, l1은 패턴간의 길이 방향 거리, l2는 패턴의 높이, m1은 패턴간의 원주 방향 거리, m2는 패턴의 폭을 의미한다. θ는 패턴이 형성된 영역의 아크 유닛(arc unit)의 각도를 의미하고, n는 패턴 유닛의 수를 의미한다.
외측 튜브 및 내측 튜브의 비대칭 패턴 형태는 type A 또는 type B에 한정되는 것은 아니며, 튜브 구조체에 요구되는 강성, 그 변화 범위 등에 따라 다양한 파라미터를 갖는 패턴 및 패턴 배치 형태로 변형될 수 있다.
복수개의 튜브를 동심으로 겹쳐 형성된 튜브 구조체의 강성은 복수개의 튜브의 상대적인 회전 이동 및 병진(translation) 운동에 의해 제어된다. 본 발명에서 제안하는 튜브 구조체의 복수개의 튜브들 각각은 원주 방향 및 길이 방향으로 비등방성 물성치를 갖도록 구성되므로, 이들의 회전 이동 및 평행 이동 시 겹쳐지는 부위의 강성이 변하게 되므로, 상대적인 길이 방향 위치, 회전 각도 등의 파라미터를 정량적으로 조절하여 원하는 강성을 갖도록 제어할 수 있다. 이하, 도 4 내지 7은 이러한 회전 이동 및 평행 이동을 통한 강성의 제어 방법을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A의 비대칭 패턴을 갖는 원형 튜브의 회전 상태를 도시한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 외측 튜브(210) 또는 내측 튜브(220)를 회전시킴으로써 튜브 구조체의 강성을 제어할 수 있다. 도 4(a)의 외측 튜브(210)에서 각도 ω 만큼 시계 반대 방향으로 회전시킨 경우, 도 4(b)와 같이 패턴들(211)이 형성된 영역(213)의 위치가 회전한다. θp는 패턴들(211)이 형성된 영역이 이루는 원주 상의 각도를 의미하고, θu는 패턴이 형성되지 않은 영역의 각도를 의미한다. 이 때, 부하(load)의 방향은 (-y) 방향을 기준으로 굽힘 강성이 측정될 수 있다. 강성의 측정 방향을 기준으로 수직인 방향으로 패턴들(211)이 일치하여 위치하는 경우 측정되는 강성이 가장 낮으며, 강성의 측정 방향을 기준으로 수직인 방향에서 패턴이 형성되지 않은 영역이 일치하는 경우 측정되는 강성이 가장 클 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A의 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대적인 회전 상태를 도시한다.
도 5를 참고하면, 도 5(a)에서 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)는 패턴들이 형성된 영역(213, 223)이 겹쳐진 형태로 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와, 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 모두 0°인 경우를 나타낸다. 도 5(b)에서 외측 튜브(210)는 고정된 상태에서 내측 튜브(220)가 반 시계 방향으로 회전하여 패턴들이 형성된 영역(223)이 회전된 상태를 도시한다. 예를 들어, 도 5(b)에서 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)는 60°이고, 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 0°인 경우를 나타낸다. 도 5(c)에서 외측 튜브(210)는 고정된 상태에서 내측 튜브(220)가 반 시계 방향으로 더 회전하여 패턴들이 형성된 영역(223)이 회전된 상태를 도시한다. 예를 들어, 도 5(c)에서 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)는 90°이고, 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 0°인 경우를 나타낸다. 도 5(d)에서 내측 튜브(220)는 고정된 상태에서 외측 튜브(210)가 반 시계 방향으로 회전하여 패턴들이 형성된 영역(213)이 회전된 상태를 도시한다. 예를 들어, 도 5(d)에서 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)는 90°이고, 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)도 90°인 경우를 나타낸다. 이와 같이, type A 패턴에서
Figure 112018057126161-pat00002
=π/3, θp=π/3인 경우에 대한 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)의 상대적 회전 위치에 따른 강성의 변화 식은 <수학식 1>과 같다.
Figure 112018057126161-pat00003
여기서, 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)에 의한 전체 튜브 구조체의 굽힘 강성(EI(ω1, ω2))은, 내측 튜브(220)의 굽힘 강성(EI(ω1))과 외측 튜브(210)의 굽힘 강성(EI(ω2))의 합으로 표현된다. 여기서, do는 내측 튜브(220)의 외측 직경을, di는 내측 튜브(220)의 내측 직경을 의미하고, Do는 외측 튜브(210)의 외측 직경을, Di는 외측 튜브(210)의 내측 직경을 의미한다. 또한, Ep_i와 Eu_i는 각각 내측 튜브(220)의 패턴이 형성된 영역(223)과 패턴이 형성되지 않은 영역(222)의 영율을 의미하고, Ep_o와 Eu_o는 각각 외측 튜브(210)의 패턴이 형성된 영역(213)과 패턴이 형성되지 않은 영역(212)의 영율을 의미한다.
이와 같이, 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)의 회전 각도에 따라 강성이 큰 영역, 즉 패턴이 형성되지 않은 영역이 겹쳐질수록 굽힘 강성은 약해지고, 잘 휘어질 수 있는 것을 확인할 수 있으며, 회전 각도의 변화치를 적게 할수록 강성의 변화를 정밀하게 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 type B의 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대적인 회전 상태를 도시한다.
도 6을 참고하면, 도 6(a)에서 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)는 패턴들이 형성된 영역(213, 223)이 겹쳐진 형태로 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와, 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 모두 0°인 경우를 나타낸다. 도 6(b)에서 외측 튜브(210)는 고정된 상태에서 내측 튜브(220)가 반 시계 방향으로 회전하여 패턴들이 형성된 영역(223)이 회전된 상태를 도시한다. 예를 들어, 도 6(b)에서 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)는 60°이고, 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 0°인 경우를 나타낸다. 도 6(c)에서 외측 튜브(210)는 고정된 상태에서 내측 튜브(220)가 반 시계 방향으로 더 회전하여 패턴들이 형성된 영역(223)이 회전된 상태를 도시한다. 예를 들어, 도 6(c)에서 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)는 90°이고, 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 0°인 경우를 나타낸다. 도 6(d)에서 내측 튜브(220)는 고정된 상태에서 외측 튜브(210)가 반 시계 방향으로 회전하여 패턴들이 형성된 영역(213)이 회전된 상태를 도시한다. 예를 들어, 도 6(d)에서 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)는 90°이고, 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)도 90°인 경우를 나타낸다. 이와 같이, type B 패턴에서
Figure 112018057126161-pat00004
=π/6, θp=2π/3인 경우에 대한 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)의 상대적 회전 위치에 따른 강성의 변화 식은 <수학식 2>와 같다.
Figure 112018057126161-pat00005
여기서, 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)에 의한 전체 튜브 구조체의 굽힘 강성(EI(ω1, ω2))은, 내측 튜브(220)의 굽힘 강성(EI(ω1))과 외측 튜브(210)의 굽힘 강성(EI(ω2))의 합으로 표현된다. 여기서, do는 내측 튜브(220)의 외측 직경을, di는 내측 튜브(220)의 내측 직경을 의미하고, Do는 외측 튜브(210)의 외측 직경을, Di는 외측 튜브(210)의 내측 직경을 의미한다. 또한, Ep_i와 Eu_i는 각각 내측 튜브(220)의 패턴이 형성된 영역(223)과 패턴이 형성되지 않은 영역(222)의 영율을 의미하고, Ep_o와 Eu_o는 각각 외측 튜브(210)의 패턴이 형성된 영역(213)과 패턴이 형성되지 않은 영역(212)의 영율을 의미한다.
이와 같이, 외측 튜브(210)와 내측 튜브(220)의 회전 각도에 따라 강성이 큰 영역, 즉, 패턴이 형성되지 않은 영역이 겹쳐질수록 굽힘 강성은 약해지고, 잘 휘어질 수 있는 것을 확인할 수 있으며, 회전 각도의 변화치를 적게 할수록 강성의 변화를 정밀하게 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 길이 방향을 따라 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대적인 위치 및 상태를 도시한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 복수개의 원형 튜브를 상대적 평행 이동시키는 경우 길이 방향으로 강성이 차이 나는 영역들의 오버랩(overlap)되는 부분이 달라지게 되어 또한 굽힘 강성이 변하게 된다.
도 7(a)와 같이, 외측 튜브(210)의 패턴들(211)과 내측 튜브(220)의 패턴들(221)은 서로 겹치지 않게 어긋나도록 위치함으로써 굽힘 강성이 높은 단단한(rigid) 상태를 이루게 된다. 반면, 도 7(b)와 같이, 외측 튜브(210)의 패턴들(211)과 내측 튜브(220)의 패턴들(221)이 서로 겹쳐지게 위치함으로써 굽힘 강성이 낮은 유연한(flexible) 상태를 이루게 된다. 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 외측 튜브(210) 및 내측 튜브(220) 각각은 길이 방향을 따라 강성이 높은 단단한 물질로 이루어진 영역과 강성이 낮은 유연한 물질로 이루어진 영역이 번갈아 배치되어, 외측 튜브(210) 및 내측 튜브(220)의 길이 방향의 상대적 위치에 따라 패턴이 형성된 경우와 유사하게 굽힘 강성을 변형시킬 수 있다.
도 8a 및 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 type A 및 type B의 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대 회전 각도를 변화시켰을 때의 굽힘 강성비(bending stiffness ratio)의 변화를 각각 도시한다.
도 8a를 참조하면, type A의 패턴을 갖는 외측 및 내측 튜브의 회전 각도를 각각 0°에서 90°로 변화시킬 때, 최소 강성치 대비 변화되는 강성이 비율로써 표시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 모두 0°일 때 강성이 가장 낮으며, 90°일 때 강성이 최대가 된다. 예를 들어, type A의 패턴을 갖는 외측 및 내측 튜브의 회전 각도 (ω1, ω2)=(0°, 0°) 에서 (90°, 90°)로 변하는 경우 강성이 2.10배 차이 난다. 이와 같은 외측 및 내측 튜브의 회전 각도 (ω1, ω2)에 대해 강성의 최소값에 대한 강성비는 <수학식 3>과 같이 구해진다.
Figure 112018057126161-pat00006
도 8b를 참조하면, type B의 패턴을 갖는 외측 및 내측 튜브의 회전 각도를 각각 0°에서 90°로 변화시킬 때, 최소 강성치 대비 변화되는 강성이 비율로써 표시된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 모두 0°일 때 강성이 가장 낮으며, 90°일 때 강성이 최대가 된다. 예를 들어, type A의 패턴을 갖는 외측 및 내측 튜브의 회전 각도 (ω1, ω2)=(0°, 0°) 에서 (90°, 90°)로 변하는 경우 강성이 4.27배 차이 난다. 이와 같은 외측 및 내측 튜브의 회전 각도 (ω1, ω2)에 대해 강성의 최소값에 대한 강성비는 <수학식 3>과 같이 구해진다.
도 8a 및 8b에 도시된 바와 같이, 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 변함에 따라 굽힘 강성을 연속 함수 형태로 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1) 및 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)를 적절히 조절하면 굽힘 강성을 스케일러블하게(scalable) 제어할 수 있음을 알 수 있다.
도 9a 내지 9c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속체 로봇 시스템과, 복수개의 원형 튜브의 상대 회전 각도를 변화시켰을 때의 조직 삽입 상태를 각각 도시한다.
도 9a를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 연속체 로봇 시스템(910)은 복수개의 원형 튜브 니들로 구성된 튜브 구조체(200)를 포함한다. 튜브 구조체(200)는 최소침습수술에 활용되는 연속체 로봇일 수 있다. 이때, 외측 튜브(210) 및 내측 튜브(220)는 모두 type B의 패턴들이 형성된 원형튜브일 수 있다. 내측 튜브(220)는 도 9a에 도시된 바와 같이 베벨 팁(bevel tip)을 가질 수 있다. 연속체 로봇 시스템(910)은 4개의 자유도를 가질 수 있는데, 외측 튜브(210) 및 내측 튜브(220) 각각의 삽입 방향에 대한 평행 이동 및 회전 이동이 가능하다. 모터(motor)에 연결된 척(chuck)에 의해 각각의 튜브들(210, 220)이 지지되며, 각각의 연결된 모터가 작동하면 각각의 튜브들(210, 220)이 평행 이동 또는 회전 이동하게 되고, 인간 조직 모형(920)에 대해 삽입 방향으로 이동하게 된다. 예를 들어, 인간 조직 모형(920)은 83%의 물, 12%의 젤라틴, 5%의 설탕을 혼합하여 만들어질 수 있다.
도 9b 및 9c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 튜브 구조체(200)의 강성을 변화시키면 베벨 팁의 삽입 경로가 변형될 수 있다. 베벨 팁을 갖는 유연한 니들이 연한 조직에 삽입되는 경우 팁의 비대칭성이 니들을 휘게 만들 수 있다. 이 때, 니들의 강성이 변화되면 니들이 휘는 곡률이 변할 수 있다. 예를 들어, 도 9b에 도시된 바와 같이, 니들을 인간 조직 모형(920)에 삽입할 때 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)가 (ω1, ω2)=(0°, 90°)인 경우, (0°, 0°)보다 강성이 증가하며 x 방향으로 베벨 팁이 약간 휜 형태(예: 3.5mm 변형)로 삽입된다. 도 9c에 도시된 바와 같이, 니들을 인간 조직 모형(920)에 삽입할 때 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2) (ω1, ω2)=(0°, 0°)인 경우, 니들의 강성이 가장 낮은 상태로 x 방향으로 베벨 팁이 훨씬 크게 휜 형태(예: 11.6mm)로 삽입되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 인간 조직에 니들을 삽입할 때 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2)를 적절히 변형 시키면 팁의 휘는 정도(변형 정도)를 제어할 수 있고, 이를 통해 원하는 조직에 니들 팁을 위치 시킬 수 있다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 비대칭 패턴을 갖는 복수개의 원형 튜브의 상대 회전 각도를 변화시켰을 때, 다양한 무게의 추에 대한 굽힘 상태 변화를 각각 도시한다.
도 10a를 참조하면, 10g의 추를 이용하여 type B의 패턴이 형성된 튜브 구조체(200)의 굽힘 강성 변화를 나타낸다. 왼쪽 사진의 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2) (ω1, ω2)=(90°, 90°)인 경우, 강성이 최대가 되어 10g의 추 무게를 가해도 팁이 거의 휘지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, 오른쪽 사진의 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2) (ω1, ω2)=(0°, 0°)인 경우, 강성이 최소가 되어 10g의 추 무게에 대해 팁이 크게 휘는 것을 확인할 수 있다.
도 10b를 참조하면, 20g의 추를 이용하여 type B의 패턴이 형성된 튜브 구조체(200)의 굽힘 강성 변화를 나타낸다. 왼쪽 사진의 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2) (ω1, ω2)=(90°, 90°)인 경우, 강성이 최대가 되고 20g의 추 무게에 대해 팁이 약간 휘는 것을 확인할 수 있다. 반면, 오른쪽 사진의 내측 튜브(220)의 회전 각도(ω1)와 외측 튜브(210)의 회전 각도(ω2) (ω1, ω2)=(0°, 0°)인 경우, 강성이 최소가 되어 20g의 추 무게에 대해 팁이 매우 크게 휘는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 굽힘 강성은 (ω1, ω2)=(0°, 0°)일 때 1490.8N㎟에서, (ω1, ω2)=(90°, 90°)일 때 10766N㎟로 약 7.2배 증가할 수 있다.
이와 같이, 비대칭 패턴 형성을 통한 비등방성 물성치를 갖는 복수개의 튜브를 이용하여 튜브 구조체의 상대적인 회전 각도 및 길이 방향 위치를 변형하여 강성을 스케일러블하게 변화시킬 수 있다. 또한, 본 명세서에서 제안하는 방식은 전기나 열에 의해 강성을 변화시키는 방법에 비해 응답 속도가 훨씬 빠르며 신속하고 간단하게 튜브 구조체의 강성 변화를 제어할 수 있으며, 직경 0.5mm 이하의 매우 작은 크기로도 제작될 수 있어 극소 크기의 로봇이나, 최소침습수술 기구 등에 특히 유용하게 활용될 수 있다.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체로서,
    외측 튜브; 및
    상기 외측 튜브의 내측에 삽입되는 내측 튜브를 포함하고,
    상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브는 각각 독립적인 회전 자유도 및 평행 이동 자유도를 가지고 상대 운동하고,
    상기 외측 튜브는 둘레 방향을 따라 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 강성(stiffness)을 갖는 복수개의 영역을 포함하고,
    상기 내측 튜브는 둘레 방향을 따라 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역을 포함하고,
    상기 튜브 구조체의 강성은 상기 외측 튜브와 상기 내측 튜브 각각의 단면에서 보았을 때 원주 상에서 강성이 다른 영역 각각이 이루는 각도에 기초하여, 상기 외측 튜브와 상기 내측 튜브 각각의 회전 각도, 및 상기 외측 튜브와 상기 내측 튜브의 평행이동에 따른 상대 위치에 의해 결정되는, 튜브 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역은 서로 다른 패턴이 형성된 영역을 포함하고,
    상기 내측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역은 서로 다른 패턴이 형성된 영역을 포함하는, 튜브 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역 각각은 패턴이 형성되어 강성이 감소된 영역과, 패턴이 형성되지 않은 영역을 포함하는, 튜브 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역은 강성이 서로 다른 물질로 형성된 영역을 포함하고,
    상기 내측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역은 강성이 서로 다른 물질로 형성된 영역을 포함하는, 튜브 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역 각각은 탄성중합체(elastomer)로 이루어진 영역과, 플라스틱 또는 금속으로 이루어진 영역을 포함하는, 튜브 구조체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 각각은 원형 튜브이고,
    상기 외측 튜브의 복수개의 영역과 상기 내측 튜브의 복수개의 영역의 강성은 각각 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브에 형성된 패턴의 폭, 패턴의 높이, 패턴간의 원주 방향 거리, 패턴간의 길이 방향 거리 및 패턴이 형성된 영역의 각도 중 하나 이상의 파라미터에 의해 결정되는, 튜브 구조체.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 튜브 구조체의 강성은 상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브 각각의 두께 및 직경을 더 고려하여 결정되는, 튜브 구조체.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역의 패턴이 일치하도록 배치되는 경우, 상기 튜브 구조체의 굽힘 강성이 최소가 되고,
    상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역의 패턴이 겹치지 않도록 배치되는 경우, 상기 튜브 구조체의 굽힘 강성이 최대가 되는, 튜브 구조체.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 외측 튜브 및 상기 내측 튜브의 둘레 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역의 패턴이 일치하도록 배치되는 경우, 상기 패턴이 형성된 영역에 수직인 방향으로 굽힘 강성이 최소가 되며, 상기 패턴이 형성되지 않은 영역에 수직인 방향으로 굽힘 강성이 최대가 되는, 튜브 구조체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 내측 튜브 내측에 삽입되는 하나 이상의 튜브를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 튜브는 그 둘레 방향을 따라 또는 둘레 방향과 길이 방향을 따라 서로 다른 강성을 갖는 복수개의 영역을 포함하고,
    상기 튜브 구조체의 강성은 상기 외측 튜브, 상기 내측 튜브 및 상기 하나 이상의 튜브 각각의 회전 각도, 및 상기 외측 튜브, 상기 내측 튜브 및 상기 하나 이상의 튜브의 평행이동에 따른 상대 위치 중 하나 이상에 의해 결정되는, 튜브 구조체.
KR1020180066953A 2018-06-11 2018-06-11 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체 KR102069601B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180066953A KR102069601B1 (ko) 2018-06-11 2018-06-11 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180066953A KR102069601B1 (ko) 2018-06-11 2018-06-11 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190140308A KR20190140308A (ko) 2019-12-19
KR102069601B1 true KR102069601B1 (ko) 2020-01-23

Family

ID=69056435

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180066953A KR102069601B1 (ko) 2018-06-11 2018-06-11 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102069601B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102489761B1 (ko) 2021-09-02 2023-01-18 중앙대학교 산학협력단 탄성력과 탄성선도 조절이 가능한 탄성유닛 및 그 작동방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101466705B1 (ko) * 2013-04-16 2014-12-01 한국과학기술연구원 비등방성 패턴을 갖는 튜브 연속체 로봇 및 튜브 제조 방법
KR101667933B1 (ko) * 2014-07-18 2016-10-21 한국과학기술연구원 선형 제어가 가능한 튜브체를 구비하는 튜브 연속체 로봇

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5276987B2 (ja) 2005-11-15 2013-08-28 ザ・ジョンズ・ホプキンス・ユニバーシティー バイオセンシング及び外科的処置のための能動的カニューレ

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101466705B1 (ko) * 2013-04-16 2014-12-01 한국과학기술연구원 비등방성 패턴을 갖는 튜브 연속체 로봇 및 튜브 제조 방법
KR101667933B1 (ko) * 2014-07-18 2016-10-21 한국과학기술연구원 선형 제어가 가능한 튜브체를 구비하는 튜브 연속체 로봇

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102489761B1 (ko) 2021-09-02 2023-01-18 중앙대학교 산학협력단 탄성력과 탄성선도 조절이 가능한 탄성유닛 및 그 작동방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190140308A (ko) 2019-12-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20220330967A1 (en) Joint assemblies with cross-axis flexural pivots
US20190083749A1 (en) Surgical device tip with arc length varying curvature
US9393000B2 (en) Jointed link structures exhibiting preferential bending, and related methods
Webster et al. Toward active cannulas: Miniature snake-like surgical robots
CN106687050B (zh) 具有两个自由度的交叉圆筒腕机构
JP6084647B2 (ja) 操作可能な医療用送達装置および使用方法
JP5111612B2 (ja) 小口径腹腔鏡手術装置
CN106923890B (zh) 带有软爪和/或柔性腕机构的医疗器械
EP3077035B1 (en) Steerable medical devices
JP2008546455A (ja) スリーブの操舵および補強材
KR20230056068A (ko) 구속 운동을 갖는 관절운동가능 부재 및 그 관련 장치와 방법
KR20210145189A (ko) 슬롯형 구조체를 갖는 힌지를 포함하는 조종가능한 기구
EP2346420A1 (en) Interlocking nested cannula
JP2021532910A (ja) ジョイント
KR102069601B1 (ko) 가변 강성 메커니즘이 적용된 튜브 구조체
JP7106337B2 (ja) 屈折可能な挿入ツールの製造方法
JP7143110B2 (ja) 屈折可能な挿入ツール
US11730505B2 (en) Flexible articulate surgical tool
Yan et al. Towards a wristed percutaneous robot with variable stiffness for pericardiocentesis
Losey et al. A flexure-based wrist for needle-sized surgical robots
JP2018187744A (ja) ワイヤ操作装置およびそのワイヤの拘束方法
JPWO2020105616A1 (ja) 屈曲機構及び医療装置
WO2021048140A1 (en) Steerable introducer for catheter device
US20140214004A1 (en) Intravascular Devices Having Artificial Muscles and Associated Systems and Methods
Xiao et al. Compliant bending tubular mechanisms with variable groove patterns for flexible robotic drilling delivery

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)