KR20060017658A

KR20060017658A - 동력 전달 기구 및 머니퓰레이터

Info

Publication number: KR20060017658A
Application number: KR1020060009281A
Authority: KR
Inventors: 마꼬또 진노; 도요미 미야가와; 시로 쯔까다; 아끼라 구도
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2006-01-31
Publication date: 2006-02-24
Also published as: JP3944108B2; US20040266574A1; US20080051815A1; CN1533744A; CN1847698A; US7300373B2; KR20040085062A; CN1282445C; CN1840296A; CN100473870C; US20090291795A1; US20080051239A1; US20080051238A1; US7850563B2; KR100581298B1; CN100431802C; JP2004301275A

Abstract

본 발명의 과제는 수술 지원용 머니퓰레이터나 에너지 기기 등의 협애부 보수용 머니퓰레이터에 있어서, 소형화, 고신뢰성화, 고강성화, 고조작성화를 가능하게 하는 와이어 및 풀리에 의한 동력 전달 기구를 제공하는 것이다.

와이어(가요성 동력 전달 부재)와 한 쌍의 풀리에 의한 동력 전달 기구부에 있어서, 슬릿 홈과 원주형 또는 테이퍼형의 구멍을 갖는 풀리에 와이어 통과 가능한 구멍이 뚫린 원주형 또는 테이퍼형의 고정 핀에 와이어를 통과시켜 고정하고, 구동측 풀리와 종동측 풀리 사이의 와이어 부분에 중공축을 통과시키고 또는 중실축으로 연결한다. 또한, 작업부, 조작부, 연결부를 갖는 머니퓰레이터의 기준 자세시에 연결부 주위의 편심 질량이 연결부에 대해 대강 연직 하향으로 배치되도록, 구동측 풀리와 종동측 풀리의 회전축을 어긋난 상태로 한다.

머니퓰레이터, 작업부, 구동부, 연결부, 와이어, 고정 핀

Description

동력 전달 기구 및 머니퓰레이터 {POWER TRANSMISSION DEVICE AND MANIPULATOR}

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 정면도, 좌우의 측면도 및 d-d선, e-e선 단면도.

도2는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 동력 전달계 전체를 도시하는 개략 분해 사시도.

도3은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 동력 전달 기구를 머니퓰레이터에 조립한 경우의 개략 전체 사시도.

도4는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 풀리의 사시도.

도5는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 고정 핀의 사시도.

도6은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 조립 절차를 도시하는 공정도.

도7은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 고정 핀의 각종 형상의 예를 나타내는 도면.

도8은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 예의 정면도.

도9는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 예의 정면도.

도10은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 예의 정면도.

도11은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 예의 정면도.

도12는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 예의 정면도.

도13은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 지지 부재의 정면도.

도14는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 동력 전달 기구의 지지 부재의 파이프 내에의 장착 상태의 횡단면도.

도15는 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 사시도.

도16은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 와이어와 풀리의 관계를 나타내는 사시도.

도17은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 사시도.

도18은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 와이어와 풀리의 관계를 나타내는 사시도.

도19는 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 사시도.

도20은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 와이어와 풀리의 관계를 나타내는 사시도.

도21은 시술자의 자세를 나타내는 도면.

도22는 종래의 동력 전달 기구의 정면도, 좌우의 측면도 및 d-d선, e-e선 단면도.

도23은 종래의 동력 전달 기구의 정면도, 좌우의 측면도 및 단면도.

도24는 종래의 동력 전달 기구의 정면도.

도25는 종래의 머니퓰레이터의 사시도.

도26은 종래의 머니퓰레이터의 와이어와 풀리의 관계를 나타내는 사시도.

도27은 종래의 머니퓰레이터의 사시도.

도28은 종래의 머니퓰레이터의 와이어와 풀리의 관계를 나타내는 사시도.

도29는 종래의 머니퓰레이터의 사시도.

도30은 종래의 머니퓰레이터의 와이어와 풀리의 관계를 나타내는 사시도.

도31은 내시경(복강경)에서의 수술을 설명하는 도면.

도32는 종래의 머니퓰레이터의 사시도.

도33은 종래의 머니퓰레이터의 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 머니퓰레이터

10 : 작업부

20 : 구동부

30 : 연결부

50 : 구동측 풀리

51 : 종동측 풀리

52 : 와이어

53 : 고정 핀

54 : 구동 모터

55 : 아암

56 : 슬릿부

57 : 테이퍼 구멍

58 : 구멍

59 : 슬릿부

60a : 중공축

60b : 중실축

61 : 지지 부재

62 : 파이프

63, 64 : 회전축

[특허 문헌 1]

일본 특허 공개 제2000-350735호 공보

[특허 문헌 2]

일본 특허 공개 제2002-102248호 공보

[특허 문헌 3]

일본 특허 제2519749호 공보

수술 지원용 머니퓰레이터나 에너지 기기 등의 협애부 보수용 머니퓰레이터 에 관한 것이다. 특히, 소형화, 고신뢰성화, 고강성화, 고조작성화를 가능하게 하는 와이어 및 풀리에 의한 동력 전달 기구를 제공한다.

종래, 담낭 적출 수술 등의 복강경 수술에 있어서는 도31에 도시한 바와 같이, 환자(150)의 복부에 작은 구멍(151, 152, 153)을 몇 군데 뚫어, 그 곳에 트라카르(154)를 부착하여 트라카르(154)를 통해 이들의 구멍에 내시경(161), 겸자(171, 172) 등을 삽입하고, 시술자(통상, 외과의)(160)가 내시경(161)의 영상을 모니터(162)로 보면서 수술을 행하고 있다. 이러한 수술 방법은, 복부 개방을 필요로 하지 않으므로, 환자로의 부담이 적어 시술 후의 회복이나 퇴원까지의 일수가 대폭 저감된다. 이로 인해, 적용 분야의 확대가 기대되고 있다.

그와 같은 배경을 기초로, 발명자들은 도32에 도시한 바와 같은 종래의 겸자에 로봇 기술을 도입한 의료용 머니퓰레이터(로봇 겸자)(1)를 제안하고 있다(특허 문헌 1 참조). 이 머니퓰레이터(1)는 자세 조작부(23)와 처치 조작부(24)를 갖는 조작 지령부(20)와, 일단부측이 상기 조작 지령부(20)에 접속된 연결부(30)와, 상기 연결부(30)의 타단부측에 접속되고, 처치부(14)와, 상기 처치부(14)를 2 자유도 이상으로 자세 변경 가능하게 지지하는 지지부(15, 16)를 갖는 작업부(10)와, 상기 자세 조작부(23)로부터의 조작 지령을 상기 지지부로 이송하여 상기 처치부(14)의 자세를 변경시키는 동시에, 상기 처치 조작부(24)로부터의 조작 지령을 상기 처치부로 이송하여 상기 처치부(14)를 동작시키는 제어부(도시하지 않음)를 구비한 의료용 머니퓰레이터이다.

또한, 본 발명자들은 봉합 결찰 작업에 적합한 자유도 배치로서, 도33에 도 시한 바와 같은 의료용 머니퓰레이터도 제안하고 있다(특허 문헌 2 참조). 의료용 머니퓰레이터(1)는 작업부(10)와, 조작 지령부(20)와, 양단부가 작업부(10)와 조작 지령부(20)에 접속된 연결부(30)를 구비하고 있다. 작업부(10)는 연결부(30)의 중심축 방향(31)에 대해 직교하는 제1 회전축(11)과, 제1 회전축(11)에 대해 직교하는 제2 회전축(12)을 갖는 지지부와, 시술부에 처치를 실시하는 처치부(그리퍼)(14)의 중심축 방향이 제2 회전축(12)과 대강 평행하게 배치되어 있다. 바꿔 말하면, 작업부(10)는 그리퍼(14)를 2 자유도로 자세 변경이 가능하게 지지하는 지지부로서의 요우축 관절 지지부(15) 및 롤축 관절 지지부(16)를 갖고 있다. 조작 지령부(20)는 연결부(30)의 중심축 방향(31)에 대해 직교하는 제3 회전축(21)과, 제3 회전축(21)에 대해 직교하는 제4 회전축(22)으로 이루어지는 자세 조작부(23)와, 조작자가 파지하여 조작할 때의 조작자 손목의 회전 방향과, 제4 회전축(22)의 축 방향이 대강 평행한 처치 조작부(24)를 갖고 있다. 시술부에 처치를 실시하는 처치부(14)의 파지 동작(13)은 처치 조작부(24)의 파지 동작(25)에 의해 행한다.

원격 조작형 마스터 슬레이브 머니퓰레이터에 대해, 이 로봇 겸자는 조작부(마스터)와 겸자 선단부 핸드(슬레이브)를 연결시켜 일체화하고, 종래의 겸자의 이점인 시술자가 행한 쪽이 간단하고 확실하면서 크고 신속한 조작과, 머니퓰레이터의 이점인 미세한 작업이나 어려운 각도로부터 조작의 양방을 가능하게 한 것이다. 선단부에 굽힘ㆍ회전 등의 관절을 구비하고 있으므로, 자유자재로 핸드의 자세를 움직일 수 있고, 지금까지의 겸자로서는 어려웠던 여러 가지의 방향으로부터의 봉합 작업이나 결찰 작업이 용이해진다. 또한, 오른손은 로봇 겸자, 왼손은 종래의 겸자라고 하는 경우에 종래의 수술 기기와 함께 사용할 수 있다. 또한, 시스템이 간단하고 콤팩트하기 때문에 저비용으로 도입할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 마찬가지의 구성의 머니퓰레이터는 작업자가 직접 그 자리에서 작업을 하는 것이 곤란한 장소에서의 작업, 즉 에너지 기기 등의 협애부의 보수 작업 등에도 적합하다. 당연, 머니퓰레이터의 치수(길이, 굵기, 크기 등)는 작업 내용, 작업 영역에 따라서 설계되는 것이다. 따라서, 반드시 의료용으로 한정되는 것은 아니다.

수술 지원용 머니퓰레이터나 에너지 기기 등의 협애부 보수용 머니퓰레이터는 소형ㆍ경량화, 고신뢰성화, 고강성화, 고조작성화, 고작업성화, 저비용화가 요구되고, 그로 인해서도 동력 전달 기구를 소형ㆍ경량화, 고신뢰성화, 고강성화, 저비용화해야만 한다. 특히, 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에 개시한 구성의 머니퓰레이터에 있어서는, 마스터·슬레이브가 일체화되어 있다는 제한이 있으므로, 동력 전달 기구의 형상, 치수, 배치 등이 조작성에 큰 영향을 미친다.

머니퓰레이터를 비롯하여 로봇, 메카트로 기기에서는 액튜에이터의 동력을 손끝 효과기(예를 들어, 핸드나 공구 등)에 전하는 동력 전달 기구로서 와이어와 풀리에 의한 전달이 일반적으로 이용된다. 와이어와 풀리에 의한 동력 전달 기구에 있어서, 다회전의 동작 범위를 필요로 하는 경우, 통상은 도22에 도시한 바와 같이 풀리(50, 51)에 와이어(52)를 권취하고, 마찰력에 의한 동력 전달을 행한다. 전달 토크를 크게 하기 위해서는, 마찰력을 크게 하는 것이 필요하여 와이어의 풀 리에의 권취 각도를 크게 하는, 다회전 수 권취하는, 또는 와이어 장력을 크게 하면 좋다. 그러나, 기본적으로 마찰에 의한 구동하므로, 와이어의 신장에 의한 장력 저하가 발생된 경우, 와이어와 풀리 사이에서 미끄러짐이 발생하고, 전달 토크의 저하를 초래하게 된다. 이로 인해, 장력 조정 기구가 부가되는 경우가 있지만, 기구가 복잡해져 장치의 대형화 및 고비용의 원인이 된다. 또는 관절 강성의 저하를 초래하게 된다. 또한, 풀리에 와이어를 다회전 권취하기 위해서는, 권취 회전 수에 따른 풀리 폭이 필요로 되므로, 장치가 대형화하는 원인이 된다. 애당초, 수술 지원용 머니퓰레이터나 에너지 기기 등의 협애부 보수용 머니퓰레이터에는, 다회전 권취하기 위한 충분한 공간이 없는 것이 보통이다. 한편, 풀리에 와이어를 고정하기 위해서는, 통상 도23에 도시한 바와 같이 고정 부재(53A)를 이용하여 고정 부착한다. 그러나, 와이어를 다회전 권취하는 경우, 고정 부재와 와이어가 간섭하기 때문에, 통상 동작 범위(회전각)는 180도 미만이 된다. 권취각을 늘리는 방법으로서는, 특허 문헌 3이 있지만 최대 270도 정도까지이며, 360도 이상 다회전시키는 것은 곤란하다. 풀리의 회전 범위가 한정된 상태에서는, 머니퓰레이터 관절의 동작 영역 즉 손끝 효과기의 작업 영역이 좁아지고, 작업에 지장이 발생하여 작업성 및 조작성을 대폭 저하시켜 버린다. 작업에 지장이 없는 충분한 작업 영역을 얻기 위해서는, 가능한 한 다회전 수를 필요로 하지만 종래의 방법에 의한 동력 전달 기구에서는 곤란하다.

한편, 도24에 도시한 바와 같은 와이어와 풀리에 의한 동력 전달 기구에 있어서, 와이어 직경이 가는 경우나 구동 풀리와 종동 풀리 사이의 거리가 긴 경우, 동력 전달시에 와이어의 탄성 변형(신장)의 영향이 커져 충분한 동력 전달을 할 수 없는 경우가 있다. 또한, 구동측 풀리를 고정한 보유 지지 상태나 서보 로크 상태에서는, 종동축(출력축)측에 충분한 회전 강성을 얻을 수 없다는 문제가 있다. 원하는 회전 강성을 얻을 수 없는 경우, 충분한 작업을 할 수 없으며 조작성이 저하되어 작업성이 악화된다.

또한, 도25 및 도27에 도시한 바와 같은 마스터와 슬레이브가 일체화된 일체형 마스터 슬레이브 머니퓰레이터에서는, 통상 연결부(30) 주위의 편심 질량이 발생한다. 이 편심 질량의 배치에 따라서는, 중력의 영향에 의해 연결부 주위에 조작자가 의도하지 않는 회전 토크가 발생하여 조작성의 저하를 초래하게 된다. 특히, 조작시의 초기 상태나 조작에 있어서 가장 표준 자세인 머니퓰레이터의 기준 자세시에, 연결부 주위에 편심 질량에 의한 회전 토크가 발생한 경우, 조작자에게 쓸데없는 조작력을 부과시키게 되므로, 대폭적인 조작성 저하를 초래하게 된다. 또한, 도25에 도시한 바와 같은 공통 롤축, 피치축, 롤축인 경우는 도면에 도시한 기준 자세의 상태로부터 작업부의 자세를 요우 방향(종 방향, 좌우 방향)으로 변화하게 하는 것은, 특이 자세를 위해 곤란하다. 한편, 도29에 도시한 자유도 구성, 공통 롤축, 요우축, 롤축인 경우는 도면에 도시한 기준 자세의 상태로부터 작업부의 자세를 피치 방향(종 방향, 상하 방향)으로 변화하게 하는 것은, 특이 자세를 위해 곤란하다. 실제의 조작에 있어서는, 기준 자세의 상태로부터 작업부의 자세를 횡 방향 및 종 방향으로 유도시키는 비율이 많고, 도25나 도29에 도시한 자유도 배치에서는 조작성의 저하를 초래하게 된다.

본 발명은 가요성 동력 전달 부재와, 이 가요성 동력 전달 부재가 권취되는 구동측 풀리와 종동측 풀리로 된 한 쌍의 풀리와, 가요성 동력 전달 부재를 한 쌍의 풀리의 각각에 대해 고정하는 한 쌍의 고정 핀과, 한 쌍의 풀리의 각각에 설치되고, 고정 핀을 삽입하기 위한 핀 매설 구멍을 구비하고, 고정 핀 또는 핀 매설 구멍 중 적어도 어느 한 쪽이 테이퍼형이고, 각 고정 핀은 횡방향으로 형성된 동력 전달 부재 통과 구멍을 갖고, 이 동력 전달 부재 통과 구멍에 가요성 동력 전달 부재를 통과시키고, 이 상태의 한 쌍의 고정 핀을 핀 매설 구멍의 각각에 매설 상태로 압입하고, 가요성 동력 전달 부재를 한 쌍의 풀리에 고정하는 동시에, 가요성 동력 전달 부재를 한 쌍의 풀리의 외주면에 있어서의 매설 구멍의 주위 방향 양측에 형성한 슬릿 홈에 끼워 넣는 상태로 수납한 것을 특징으로 하는 동력 전달 기구를 제공한다.

또한, 상기 동력 전달 기구는 각 고정 핀에 있어서의 동력 전달 부재 통과 구멍은 압입시에 이 동력 전달 부재 통과 구멍을 직경 축소시키는 이 고정 핀의 축 방향에 따라 연장되어 이루어진 직경 축소용의 슬릿부를 갖는 것으로서 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 작업부와, 연결부와, 조작부와, 구동모터와, 청구항 제1항에 기재된 동력 전달 기구를 구비하고, 작업부의 위치 자세를 유도하기 위하여, 동력 전달 기구는 구동 모터의 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 머니퓰레이터를 제공한다.

본 발명에 따르면, 와이어(가요성 동력 전달 부재)와 풀리에 의한 동력 전달 기구에 있어서, 마찰 구동인 경우의 장력 조정 기구를 필요로 하지 않고, 또한 와이어와 와이어의 풀리에의 체결부가 간섭하지 않는 구성으로, 공간 절약 및 다회전에 대응 가능하고, 또한 쐐기 효과로 강한 체결력을 얻을 수 있다. 이에 의해, 머니퓰레이터 관절의 동작 영역 즉 손끝 효과기의 작업 영역이 넓어져 작업에 지장이 없는 충분한 작업 영역이 얻어지므로, 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다.

또한, 구동측 풀리와 종동측 풀리 사이의 적어도 고장력을 받는 와이어측의 와이어 부분에 중공축을 씌우거나 또는 중실축으로 연결되어 있으므로, 와이어 직경이 가는 경우나 구동 풀리와 종동 풀리 사이의 거리가 긴 경우라도, 동력 전달시에 와이어의 탄성 변형(신장)의 영향이 작아 충분한 동력 전달이 가능해지고, 또 구동측 풀리를 고정한 보유 지지 상태나 서보 로크 상태에서는, 종동축(출력축)측에 충분한 회전 강성을 얻을 수 있다. 이에 의해, 확실한 동력 전달이 가능해져 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다.

또한, 조작시의 초기 상태나 조작에 있어서 가장 표준 자세인 머니퓰레이터의 기준 자세시에 연결부 주위에 편심 질량에 의한 회전 토크가 발생하지 않는 구성으로 되어 있으므로, 조작자에게 쓸데없는 조작력을 부과시키는 일 없이, 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다. 또한, 자유도 구성이 연결부에 의한 공통 롤축과, 요우축(종 방향)과 피치축(종 방향) 사이 방향(경사 방향)의 굴곡축과, 롤축의 자유도 구성으로 되어 있으므로, 기준 자세의 상태로부터 작업부의 자세 유도가 용이해져 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다.

즉, 소형ㆍ경량, 고신뢰성, 고강성, 저비용인 동력 전달 기구를 제공하는 것이 가능해지고, 또한 그 동력 전달 기구를 가짐으로써 고조작성 및 고작업성을 구비한 수술 지원용 머니퓰레이터나 에너지 기기 등의 협애부 보수용 머니퓰레이터를 제공하는 것이 가능해진다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 동력 전달 기구의 구동측 및 종동측의 와이어ㆍ풀리부를 도시하는 단면도ㆍ측면도이디. 도2는 동력 전달계 전체를 도시한 분해 상태의 개략 구성도, 도3은 머니퓰레이터에 조립한 경우의 개략 구성도이다. 도1에 도시한 바와 같이 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 동력 전달 기구에 있어서는, 구동측 풀리(50), 종동측 풀리(51), 와이어(가요성 동력 전달 부재)(52), 원주형 또는 테이퍼형의 핀(53), 와이어 연결 부재(도시하지 않음)로 구성되어 있다. 와이어는 스테인레스 와이어 로프가 일반적이지만, 텅스텐이나 섬유계 재료 등 다른 재질의 것이라도 문제 없으며, 가요성을 갖는 것이면 좋다. 본 발명에서는 이들 모두를 포함하여 와이어라고 부른다. 또, 와이어 연결 부재는 한 개의 직선형 와이어의 양단부를 연결하여 루프형으로 하기 위해 필요한 부재의 것이다.

와이어(52)는 루프형으로 구성되어 있고, 본 발명의 제1 실시예에 있어서는 풀리(50, 51)에 각각 1.5 회전씩 권취되어 있다. 와이어(52)는 고정 핀(53)으로 풀리(50, 51)에 고정되어 있다(체결부). 이 구성에서는, 최대 ±270도의 동작 범위를 얻을 수 있다.

도2는 동력 전달계 전체를 도시한 개략 구성도의 일예로서, 구동측 풀리(50)에는 감속기 부착 모터(54)가 종동측 풀리(51)에는 아암(55)이 부착되는 예를 도시하고 있지만, 반드시 이 구성일 필요는 없고, 기본은 구동측의 동력을 종동측으로 전달하기 위한 동력 전달 기구이다. 도3에는 머니퓰레이터(1)에 조립한 경우의 개략 구성도를 도시하고 있지만, 반드시 본 구성일 필요는 없다. 머니퓰레이터(1)는 작업부(10), 조작부(20), 연결부(30) 및 제어부(도시하지 않음) 등으로 구성되고, 조작자는 조작부를 조작함으로써 작업부의 위치 자세를 유도한다. 본 머니퓰레이터는 협애부에서의 작업 내지 협애부를 통과시켜서의 작업을 행하므로, 작업부(10)는 소형 콤팩트하게 구성해야할 필요가 있다. 또한, 높은 조작성 및 작업성을 얻기 위해서는, 충분한 동작 영역(종동축의 회전 각도)이 필요하게 된다.

다음에, 구동부의 상세를 나타내기 위해, 풀리(50, 51)의 사시도를 도4에 도시한다. 기본적으로는 구동 풀리(50)와 종동 풀리(51)는 동일 구조로 좋다. 풀리(50)에는 와이어를 끼워 넣기 가능한 폭의 슬릿 홈부(56)와 그 개략 중심부에 원주형 또는 테이퍼형의 구멍(57)을 갖고 있다. 도5에 와이어(12)를 풀리(50)에 고정하기 위한 고정 핀(53)의 사시도를 도5에 도시한다. 고정 핀(53)은 원주형 또는 테이퍼형의 형상이고, 개략 중심으로 와이어 통과 가능한 구멍(58)이 뚫어져 있다. 도6의 (a) 내지 도6의 (c)는 고정의 순서를 나타낸 도면이다. 개략 중심으로 와이어 통과 가능한 구멍이 뚫어져 있는 원주형 또는 테이퍼형의 고정 핀(53)에 와이어를 통과시킨 후에, 원주형 또는 테이퍼형의 고정 핀(53)을 풀리(50)의 원주형 또는 테이퍼형의 구멍(57)에 삽입함으로써, 와이어(52)를 풀리(50)에 고정한다. 핀(53) 의 상면은 대강 풀리(50)의 외주면의 높이와 일치시키는 치수 관계로 함으로써, 회전 각도가 클 때에도 주변 와이어와 간섭하지 않는 구성이 된다. 또한, 테이퍼 형상으로 함으로써 쐐기 효과로, 와이어(52)를 보다 견고하게 풀리(50)에 고정할 수 있다. 따라서, 와이어(52)를 보다 견고하게 풀리(50)에 고정하는 동시에 다회전이 가능해진다.

도7은 테이퍼형이고 또는 원주형의 핀(53)의 와이어 통과 가능한 구멍(58)의 형상이 예를 나타낸 도면이다. 원형의 구멍(58)인 경우 (a), 저비용이다. 한편, 도7의 (b) 내지 도7의 (d)와 같이 슬릿부(58a)를 형성함으로써 구멍(58)이 변형되기 쉬우므로, 쐐기 효과에 의한 체결 부착력을 와이어(52)에 효율적으로 전하는 것이 가능하므로, 체결 부착력은 더 상승한다.

또한, 통상 본 발명에 따른 실시예에서는 와이어(52)의 핀(53)에의 고정 작업과 핀(53)의 풀리(50)에의 고정 작업을, 핀(53)을 테이퍼의 구멍(57)에 삽입한다는 작업에 의해, 동시에 행하는 것이 가능해져 작업 효율이 향상된다.

본 발명의 제1 실시예에 따르면, 와이어(52)와 풀리(50, 51)에 의한 동력 전달 기구에 있어서, 마찰 구동인 경우의 장력 조정 기구를 필요로 하지 않고, 또한 와이어(52)와 와이어(53)끼리가 풀리(50, 51)에의 체결부에 있어서 간섭하지 않는 구성이며, 공간 절약 및 다회전에 대응 가능하고, 또한 쐐기 효과로 강한 체결력을 얻을 수 있다. 이에 의해, 머니퓰레이터 관절의 동작 영역 즉 손끝 효과기의 작업 영역이 넓어지고, 이에 의해 작업에 지장이 없는 충분한 작업 영역을 얻을 수 있으므로, 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다.

도8 내지 도12는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 동력 전달 기구의 구동측 및 종동측의 와이어ㆍ풀리부를 도시하는 단면도이다. 와이어(52)에 있어서의 풀리(50, 51) 사이의 부분에 중공축을 삽입하고 또는 중실축(60)으로 연결한 예를 나타낸다. 와이어(52)의 풀리에의 연결 방법은 이들의 도면에 도시한 바와 같이, 여러 가지 생각된다. 이들 중 어느 것으로 해도 문제는 없다. 도9, 도11은 하측의 중공축(60a)에 와이어(52)를 통과시켜 적어도 2 부위 이상으로 고정 부착(예를 들어 압착)한 구성이다. 일반적으로 고정 부착부의 인장 강도는 와이어(52) 그 자체의 인장 강도보다 떨어지므로, 고정 부착부의 강도 신뢰성을 확보하는 일이 과제이지만, 와이어(52)를 중공축(60a)에 통과시킴으로써, 적어도 와이어(52)의 인장 강도는 유지되므로 고정 부착(예를 들어 압착)의 불량에 의한 고정 부착부의 파단의 문제를 회피할 수 있다.

도8 내지 도11에 있어서, 적어도 고장력을 받는 측(하측)의 와이어(52)를 중실축 막대(60b)로 연결하거나 중공축(60a)에 관통시키고 있다. 즉, 와이어(52)에 있어서의 한 쌍의 풀리(50, 51) 사이에 걸쳐진 부분으로서의 2개의 와이어 부분(동력 전달 계통) 중 고장력측의 와이어(52)를 중공축(60a) 또는 중실축(60b)에서 보강하고 있다. 이와 같이, 고장력을 받는 와이어(52)가 편측인 경우(하측의 와이어와 가정), 적어도 고장력을 받는 측의 와이어(52)를 중공축(60a)에 관통시키고, 또는 중실축 막대(60b)로 연결함으로써도 충분한 효과를 얻을 수 있다.

도12는 원반형의 지지 부재(61)의 구멍(61a, 61a)에 의해 전술한 중공축(60a) 또는 중실축(60b)을 미끄럼 이동 가능하게 지지한 구성예이다. 상기 도12에 서는 지지 부재(61)에 6 부위의 구멍(61a, 61a,…)이 뚫어져 있고, 그 중 2개로 중공축(60a) 또는 중실축 막대(60b)를 통과 지지시키고 있다. 구멍의 수는 구동축 수에 대응한 개수가 된다.

와이어(52)의 양측(도면에서는 상하)을 중공축(60a)에 통과시키고 또는 중실축(60b)으로 연결한 경우, 구동 풀리(50)와 종동 풀리(51)의 축이 연직 방향을 향하도록 배치되어 있을 때에는 중력적으로 밸런스하므로, 중공축(60a) 또는 중실축(60b)의 중력 성분이 구동 토크 증대를 야기시키는 일은 없다. 그러나, 수평 방향으로 배치하였을 때에는 중공축(60a) 또는 중실축(60b)의 중력의 영향이 와이어(52)의 장력에 대해 무시할 수 없는 영향을 미치는 일이 있다. 경우에 따라서는 진동 증대나 와이어 파단 등의 사태를 야기시킨다. 그와 같은 경우, 도12에 도시한 바와 같은 지지 부재(61)로 지지함으로써, 중력의 영향을 저감시키는 것이 가능하게 된다. 또, 구동 풀리(50)와 종동 풀리(61a)가 연결부(30)의 일부로서의 파이프(62)에 내부 설치되는 경우, 지지 부재(61)는 도13과 같은 원반형의 지지 부재를 도14에 도시한 바와 같이, 파이프(62) 내의 소정 간격마다의 필요 부위에 배치하여 고정하면 좋다.

본 발명의 제2 실시예에 따르면, 구동 풀리(50)와 종동 풀리(51) 사이의 적어도 고장력을 받는 측의 와이어 부분을 중공축(60a)에 통과시키고 또는 중실축(61b)으로 연결되어 있으므로, 와이어(52)의 직경이 가는 경우나 구동 풀리(50)와 종동 풀리(51) 사이의 거리가 긴 경우라도, 동력 전달시에 와이어(52)의 탄성 변형(신장)의 영향이 작아 충분한 동력 전달이 가능해지고, 또한 구동측 풀리를 고정한 보유 지지 상태나 서보 로크 상태에서는 종동축(출력축)측에 충분한 회전 강성을 얻을 수 있다. 또한, 지지 부재에 의해 중공축 내지 중실축의 중력의 영향에 의한 진동 증대나 와이어 파단 등의 사태를 피하는 것이 가능하게 된다. 이에 의해, 확실한 동력 전달이 가능해져 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다.

도15 내지 도20은 본 발명에 따른 제3 실시 형태에 의한 머니퓰레이터의 사시도 및 그 와이어ㆍ풀리부를 나타낸 도면이다. 마스터와 슬레이브가 일체화된 일체형 마스터 슬레이브 머니퓰레이터에서는, 통상 연결부(30) 주위의 편심 질량이 발생된다. 이 편심 질량의 위치에 따라서는, 중력의 영향에 의해 연결부(30) 주위에 조작자가 의도하지 않는 회전 토크가 발생하고, 조작성의 저하를 초래하게 된다. 특히, 조작시의 초기 상태나 조작에 있어서 가장 표준 자세인 머니퓰레이터의 기준 자세시에, 연결부 주위에 편심 질량에 의한 회전 토크가 발생한 경우, 조작자에게 쓸데없는 조작력을 부과시키게 되므로, 대폭적인 조작성 저하를 초래하게 된다.

통상, 질량이 차지하는 비율이 큰 것은 구동 모터(54)이므로, 도15 내지 도20에서는 머니퓰레이터의 기준 자세시에 구동 모터(54)가 대강 상하 방향을 향하도록 하고 있다. 즉, 구동축 풀리(50)를 종동축 풀리(51)에 대해, 예를 들어 도26에 비해, 어긋난 위치 관계로 하고 있다. 대상 작업의 내용에 의해 머니퓰레이터의 가장 적절한 기준 자세는 다르지만, 도15는 공통 롤축[연결부(30)의 축 주위], 피치축, 롤축이라는 자유도 구성으로 되어 있는 경우이다. 종래의 실시예에서는, 도25에 도시한 바와 같이 기준 자세시에 모터(54)가 수평 방향으로 배치되고, 중량 밸런스가 악화되어 조작성의 저하를 초래하고 있었지만, 본 실시예에서는 머니퓰레이터의 기준 자세시에 모터(54)가 대강 하방으로 오도록 구동축 풀리(50)와 종동축 풀리(51)에 90도의 어긋남을 가하므로 중량 밸런스가 좋아 조작성이 우수하다. 도16은 와이어(52)와 풀리(50, 51)의 관계를 나타낸 도면이다. 도17은 공통 롤축, 피치축, 요우축이라는 자유도 구성으로 되어 있지만, 도18에 도시한 바와 같이 마찬가지로 90도 어긋남을 가하고 있다. 또한, 상기 도면에 도시한 바와 같이 반드시 구동 풀리(50)와 종동 풀리(51)의 조합뿐만 아니라, 도중의 아이들 풀리(51a)와의 사이에서 어긋남을 가하는 경우도 가능하다.

도19는 공통 롤축, 피치축 내지 요우축, 롤축이라는 자유도 구성인 경우이지만, 구동 풀리(50)와 종동 풀리(51)에 대강 45도의 어긋남을 가하고 있다. 이 경우, 작업부(10)측의 회전축(63)과 조작부(20)측의 회전축(64)의 방향은, 대강 일치한 방향으로 되어 있다. 도15에 도시한 자유도 구성, 공통 롤축, 피치축, 롤축인 경우는 이 도면에 도시한 기준 자세의 상태로부터, 작업부(10)의 자세를 요우 방향(종 방향)으로 변화하게 하는 것은 특이 자세로 인해 곤란하다. 한편, 도29에 도시한 자유도 구성, 공통 롤축, 요우축, 롤축인 경우는 도면에 도시한 기준 자세의 상태로부터, 작업부의 자세를 피치 방향(종 방향)으로 변화하게 하는 것은 특이 자세로 인해 곤란하다. 실제의 조작에 있어서는, 기준 자세의 상태로부터 작업부의 자세를 횡 방향 및 종 방향으로 유도시키는 비율이 많고, 도25나 도29에 도시한 종래예의 자유도 배치에서는 조작성의 저하를 초래한다.

또한, 복강경 수술에 있어서는, 시술자(160)는 도21과 같은 자세로 수술을 행하기 위해, 시술자의 손 방향이 가장 자연스러운 방향이 되는 것은 내측에 약 45도의 방향이다. 따라서, 도19의 본 발명의 실시 형태에 따르면, 공통 롤축, 피치축과 요우축의 중간 방향(약 45도의 기울기), 롤축이라는 자유도 구성인 경우, 시술자(160)의 손 방향이 가장 자연스러운 방향이 되는 방향과, 머니퓰레이터 가장 조작하기 쉬운 방향을 일치시킬 수 있는 동시에 질량이 있는 모터(54)를 안정된 하향으로 배치시킬 수 있다. 따라서, 가능한 한 피로감을 저감시킬 수 있어 조작성이 대폭 향상된다. 또, 2개의 풀리(50, 51) 사이의 기울기는 반드시 45도일 필요는 없고, 피치축 방향 및 요우축 방향으로부터 조금이라도 어긋나 있는 것만으로, 상하 방향이나 좌우 방향이 특이 자세로부터 어긋나기 때문에 조작성은 향상된다.

또한, 대상 작업의 내용에 의해 머니퓰레이터의 가장 적절한 기준 자세시에 모터가 대강 하방으로 설정할 수 있게, 구동축 풀리와 종동축 풀리에 어긋남 각도를 자유롭게 설정할 수 있는 구성으로 해도 좋다.

이상 본 발명에 따르면, 와이어와 풀리에 의한 동력 전달 기구에 있어서, 마찰 구동인 경우의 장력 조정 기구를 필요로 하지 않고, 또한 와이어와 와이어의 풀리에의 체결부가 간섭하지 않는 구성으로 공간 절약 및 다회전에 대응 가능하고, 또한 쐐기 효과로 강한 체결력을 얻을 수 있다. 이에 의해, 머니퓰레이터 관절의 동작 영역 즉 손끝 효과기의 작업 영역이 넓어지고 작업에 지장이 없는 충분한 작업 영역을 얻을 수 있으므로, 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다.

또한, 구동 풀리와 종동 풀리 사이의 2계통의 와이어 중, 적어도 고장력을 받는 와이어측의 와이어 부분을 중공축에 통하지 않고 중실축으로 연결되어 있기 때문에, 와이어 직경이 가는 경우나 구동 풀리와 종동 풀리 사이의 거리가 긴 경우라도, 동력 전달시에 와이어의 탄성 변형(신장)의 영향이 작아 충분한 동력 전달이 가능해지고, 또 구동측 풀리를 고정한 보유 지지 상태나 서보 로크 상태에서는 종동축(출력축)측에 충분한 회전 강성을 얻을 수 있다. 이에 의해, 확실한 동력 전달이 가능해져 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다.

또한, 조작시의 초기 상태나 조작에 있어서 가장 표준 자세인 머니퓰레이터의 기준 자세시에, 연결부 주위에 편심 질량에 의한 회전 토크가 발생하지 않는 구성으로 되어 있으므로, 조작자에게 쓸데없는 조작력을 부과시키는 일은 없어 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다. 또한, 자유도 구성이 연결부에 의한 공통 롤축과, 요우축과 피치축의 중간 방향의 굴곡축과, 롤축의 자유도 구성으로 되어 있으므로, 기준 자세의 상태로부터 작업부의 자세 유도가 용이해져 작업성 및 조작성이 대폭 향상된다.

즉, 소형ㆍ경량, 고신뢰성, 고강성, 저비용인 동력 전달 기구를 제공하는 것이 가능해지고, 또한 그 동력 전달 기구를 가짐으로써 고조작성 및 고작업성을 구비한 수술 지원용 머니퓰레이터나 에너지 기기 등의 협애부 보수용 머니퓰레이터를 제공하는 것이 가능하게 된다.

Claims

가요성 동력 전달 부재와,

이 가요성 동력 전달 부재가 권취되는 구동측 풀리와 종동측 풀리로 된 한 쌍의 풀리와,

상기 가요성 동력 전달 부재를 상기 한 쌍의 풀리의 각각에 대해 고정하는 한 쌍의 고정 핀과,

상기 한 쌍의 풀리의 각각에 설치되고, 상기 고정 핀을 삽입하기 위한 핀 매설 구멍을 구비하고,

상기 고정 핀 또는 상기 핀 매설 구멍 중 적어도 어느 한 쪽이 테이퍼형이고, 상기 각 고정 핀은 횡방향으로 형성된 동력 전달 부재 통과 구멍을 갖고, 이 동력 전달 부재 통과 구멍에 상기 가요성 동력 전달 부재를 통과시키고, 이 상태의 상기 한 쌍의 고정 핀을 상기 핀 매설 구멍의 각각에 매설 상태로 압입하고, 상기 가요성 동력 전달 부재를 상기 한 쌍의 풀리에 고정하는 동시에, 상기 가요성 동력 전달 부재를 상기 한 쌍의 풀리의 외주면에 있어서의 상기 매설 구멍의 주위 방향 양측에 형성한 슬릿 홈에 끼워 넣는 상태로 수납한 것을 특징으로 하는 동력 전달 기구.
제1항에 있어서, 상기 각 고정 핀에 있어서의 상기 동력 전달 부재 통과 구멍은 상기 압입시에 이 동력 전달 부재 통과 구멍을 직경 축소시키는 이 고정 핀의 축 방향에 따라 연장되어 이루어진 직경 축소용의 슬릿부를 갖는 것으로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 동력 전달 기구.
작업부와, 연결부와, 조작부와, 구동모터와, 청구항 제1항에 기재된 동력 전달 기구를 구비하고,

상기 작업부의 위치 자세를 유도하기 위하여, 상기 동력 전달 기구는 상기 구동 모터의 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 머니퓰레이터.