KR20130027688A

KR20130027688A - 수술기구용 회전 관절 및 수술기구용 벤딩 관절

Info

Publication number: KR20130027688A
Application number: KR1020110091047A
Authority: KR
Inventors: 서정욱; 이정주; 김기영; 송호석
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-03-18
Also published as: KR101280065B1

Abstract

본 발명에 따른 수술기구용 벤딩 관절은 벤딩 구동하는 수술기구용 관절의 각 마디가 서로 이격되어 구비되며, 각 마디의 적어도 일측 단부가 만곡되어 형성된 제1,2링크; 제1링크 및 제2링크의 일측 단부와 구름접촉하도록 일측 단부와 타측 단부가 만곡되어 형성되는 중간링크; 제1링크, 중간링크, 및 제2링크가 벤딩 구동중 서로 어긋나지 않도록 각각의 구름접촉면 사이에 구비된 탄성체; 및 외부 작용힘의 견인에 의해 제1링크와 중간링크가 이루는 각도(θ₁) 및 중간링크 및 제2링크가 이루는 각도(θ₂)를 조절하도록 구비된 견인와이어;를 포함하여 정확하며 안정적인 제어가 가능하고 구성이 간단하여 제작이 용이하며 소형화에 적합하다.

Description

수술기구용 회전 관절 및 수술기구용 벤딩 관절{Rotating Joint for Surgical Device and Bending Joint for Surgical Device}

본 발명은 수술기구용 회전관절 및 수술기구용 벤딩관절에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풀리를 사용하지 않음으로써 가늘고 긴 형태의 수술기구용 관절의 구성이 가능하고 구름접촉을 이용하여 구동 와이어의 길이를 일정하게 유지함으로써 관절구동의 정확한 제어가 가능한 수술기구용 회전관절 및 이를 이용한 수술기구용 벤딩관절에 관한 것이다.

복강 내의 수술을 행하는 수술 방법으로 수술부위를 직접 절개하는 기존의 개복 수술이 일반적이었지만, 복강경 수술법이 고안되고 수술에 로봇이 적용되면서 담낭 절제술과 같이 간단한 복강 수술의 경우 복강경 수술이 일반화되는 추세이다. 이러한 복강경 수술법은 최소침습수술(Minimally Invasive Surgery)의 한 분야로 절개 및 통증을 최소화하며 입원 기간을 단축시키는 효과가 있다. 여기서 더 나아가 절개를 하지 않는 비침습수술(Non-Invasive Surgery)의 개념이 도입되면서 자연 개구부 내시경 수술(NOTES, Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, 입이나 항문 또는 질을 통해 내시경 및 수술도구를 삽입하여 위 등의 장기에 구멍을 뚫고 나가서 하는 수술)이 다음 세대의 수술법으로 주목받고 있다. 또한 NOTES와 더불어 최근 연구가 활발히 진행되는 단일공법(SPA, Single Port Access) 수술은 추가적인 절개 없이 하나의 구멍(주로 배꼽)을 통해서 수행되는 수술로써, 복강경 수술과 NOTES 사이의 개념으로 볼 수 있다.

상술한 수술방법들은 모두 제한된 공간 안에서 행해지므로 수술도구가 가늘고 긴 형태를 가질 수밖에 없다. 이러한 수술도구의 형태적인 제약으로 인해 수술용 로봇의 경우 모터와 같은 구동장치가 외부에 위치할 수밖에 없고, 외부의 구동장치는 주로 와이어로프나 긴 형태의 링크 등을 이용해 내부의 구동 관절에 동력을 전달하게 된다.

도 1은 한국등록특허 제10-1056204호의 최소침습수술도구 중 앤드 이펙터 측 관절의 분해사시도이다. 최소침습수술도구의 앤드 이펙터 측 관절은 샤프트(400), 연결부(510), 및 앤드 이펙터(600)로 구성된다. 연결부(510)에는 앤드 이펙터(600)의 회전구동을 위하여 요축 케이블 풀리(520), 연결풀리(530) 등이 더 구비된다. 이러한 풀리에는 도시되지 않았으나 케이블이 감겨 앤드 이펙터가 상, 하, 좌, 우로 회전구동하게 된다. 최소침습수술도구를 구성하는 관절은 상술한 바와 같이 형태가 제한되므로 케이블의 길이를 일정하게 유지시키기 위해 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 풀리를 사용한다. 이때 다자유도를 갖는 관절을 구성하기 위해서는 부품의 수가 많아지고 관절의 형상이 복잡해져 관절의 제작이 복잡하고 제작비용이 증가하는 문제점이 있었다.

도 2는 풀리 대신 핀 결합을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절의 구동상태를 도시한 절개단면도이다. 도 2의 a는 와이어로프에 장력을 가하지 않은 상태의 회전관절, 도 2의 b는 와이어로프에 장력을 가했을 때 회전관절의 구동상태를 도시한 것이다. 핀 결합을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절(10)은 2개의 기본링크(11), 구동영역 확장을 위해 2개의 기본링크(11) 사이에 위치하는 중간링크(12), 및 2개의 와이어로프(14)로 구성된다. 기본링크(11)와 중간링크(12)는 핀 결합(13)에 의해 연결되어 와이어로프(14)에 의해 1자유도로 벤딩구동한다. 핀 결합(13)을 이용한 회전관절(10)의 경우 와이어로프(14)에 장력을 가하면 전체 와이어로프(14)의 길이가 일정하게 유지되지 않아 도 2의 a에 도시된 형태를 유지하지 못하고 도 2의 b에 도시된 바와 같이 구부러지는 문제점이 있었다. 또한 의도한 바와 다르게 회전관절(10)이 구부러져 구동이 부정확해지는 문제점이 있었다.

도 3은 구름접촉을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절의 구동상태를 도시한 절개단면도이다. 도 3의 a는 와이어로프에 장력을 가하지 않은 상태의 회전관절, 도 3의 b는 와이어로프에 장력을 가한 상태의 회전관절의 구동상태를 도시한 것이다. 구름접촉을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절(20)은 2개의 기본링크(21), 구동영역 확장을 위해 2개의 기본링크(21) 사이에 위치하는 중간링크(22), 및 2개의 와이어로프(24)로 구성된다. 기본링크(21)는 일측 말단에 하나의 구름면(21A)을 구비하며 중간링크(22)는 양측 말단에 각각 하나의 구름면(22A)을 구비한다. 기본링크(21)와 중간링크(22)는 각각의 구름면(21A,22A)끼리 구름 접촉(rolling contact)하고 기본링크(21)와 중간링크(22)를 관통하는 와이어로프(24)에 장력을 가해서 1자유도로 벤딩구동한다. 이렇게 핀결합 대신 구름접촉을 이용한 회전관절(20)의 경우 와이어로프(24)에 장력을 가하여도 와이어로프(24)의 길이를 일정하게 유지시키는 것이 가능하다. 그러나 구름접촉면에서의 마찰력이 크지 않을 경우 도 3의 b에 도시된 바와 같이 구름면(21A, 22A)이 서로 미끄러지면서 구부러져 회전관절(20)의 구동이 부정확해지는 문제점이 있었다.

도 4는 기어형식의 구름접촉을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절 내부를 도시한 사시도이다. 기어형식의 구름접촉을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절(30)은 회전관절의 외벽을 구성하는 샤프트(31), 각 사프트(31)의 내부에 고정되고 구름접촉면에 톱니가 형성된 기어판(32), 및 도시되지 않았으나 구멍(33)을 관통하고 장력에 의해 회전관절(30)의 벤딩구동을 제어하는 와이어로프로 구성된다. 이렇게 기어형식의 구름접촉을 이용할 경우 구름면이 서로 미끄러지는 것을 방지할 수 있다. 그러나 기어형식의 구름접촉을 이용하면 도시된 바와 같이 필요한 부품의 수가 많아 관절의 제작이 복잡하고 최소침습수술 도구에 적합하게 소형제작하는 것이 어려우며 제작비용도 증가하는 문제점이 있었다.

KR

1056204

10

따라서 본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 풀리를 사용하지 않음으로써 가늘고 긴 형태의 수술기구용 관절의 구성이 가능하고 제작이 용이하며 구름접촉을 이용하여 구동 와이어의 길이를 일정하게 유지함으로써 관절구동의 정확한 제어가 가능한 수술기구용 회전관절 및 수술기구용 벤딩관절을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 회전 구동하는 수술기구용 관절의 한 마디를 이루며, 한 마디의 적어도 일측 단부가 만곡되어 형성된 제1구름면을 구비한 제1링크; 수술기구용 관절의 다른 마디를 이루며, 제1구름면과 구름접촉하도록 다른 마디의 적어도 일측 단부가 만곡되어 형성된 제2구름면을 구비한 제2링크; 관절의 회전 구동시 제1링크와 제2링크가 서로 어긋나지 않도록 제1구름면 및 제2구름면 사이에 구비된 탄성체; 및 외부 작용힘의 견인에 의해 제1링크와 제2링크가 이루는 각도를 조절하도록 구비된 견인와이어;를 포함하는 것을 특징으로 한 수술기구용 회전 관절에 의해 달성될 수 있다.

그리고 제1링크 및 제2링크 각각에는 수술에 필요한 물품이 통과하도록 이동통로가 형성된다.

그리고 관절의 회전 구동을 지지하도록 제1링크와 제2링크를 연결하는 연결링크를 더 구비한다.

그리고 제1구름면 및 제2구름면은 원통면의 형상을 적어도 일부분 추종하도록 만곡된다.

그리고 제1구름면 및 제2구름면은 구름 접촉하는 대응면상에 탄성체를 고정하기 위한 요홈을 각각 구비하고 탄성체는 요홈에 삽입된다.

또한 본 발명의 목적은 벤딩 구동하는 수술기구용 관절의 각 마디가 서로 이격되어 구비되며, 각 마디의 적어도 일측 단부가 만곡되어 형성된 제1,2링크; 제1링크 및 제2링크의 일측 단부와 구름접촉하도록 일측과 타측 단부가 만곡되어 형성되는 중간링크; 제1링크, 중간링크, 및 제2링크가 벤딩 구동중 서로 어긋나지 않도록 각각의 구름접촉면 사이에 구비된 탄성체; 및 외부 작용힘의 견인에 의해 제1링크와 중간링크가 이루는 각도 및 중간링크와 제2링크가 이루는 각도를 조절하도록 구비된 견인와이어;를 포함하는 것을 특징으로 한 수술기구용 벤딩 관절에 의해 달성될 수 있다.

그리고 제1링크, 중간링크, 및 제2링크 각각에는 수술에 필요한 물품이 통과하도록 이동통로가 형성된다.

그리고 제1링크와 중간링크가 이루는 각도(θ₁) 및 중간링크와 제2링크가 이루는 각도(θ₂)가 동일하게 벤딩 구동하도록 제1링크와 중간링크를 연결하는 제1연결링크와 제2링크와 중간링크를 연결하는 제2연결링크를 더 구비한다.

그리고 제1연결링크 및 제2연결링크의 적어도 일측이 관절의 벤딩 구동시 서로 구름접촉하도록 각각 만곡되어 형성된다.

그리고 제1연결링크와 제2연결링크의 구름접촉면 사이에는 탄성체가 더 구비된다.

그리고 중간링크의 일측 단부 및 타측 단부는 각각 원통면 형상을 적어도 일부분 추종하도록 만곡되고 일측 단부의 원통면 중심축과 타측 단부의 원통면 중심축은 서로 평행하다.

그리고 중간링크의 일측 단부 및 타측 단부는 각각 원통면 형상을 적어도 일부분 추종하도록 만곡되고 일측 단부의 원통면 중심축과 타측 단부의 원통면 중심축은 서로 수직이다.

그리고 물품이 이동통로 외부로 유출되지 않도록 이동통로 내에 구비된 감싸개를 더 포함한다.

그리고 탄성체는 초탄성 형상기억합금으로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 구름접촉면을 형성하고 구름접촉면 사이에 탄성체를 구비함으로써 풀리를 삽입하지 않고도 구동 와이어의 길이 및 장력을 유지하여 수술기구용 회전관절 및 수술기구용 벤딩 관절의 정확한 제어가 가능한 효과가 있다.

또한 풀리를 삽입하지 않고 구름 접촉면에 기어 대신 탄성체를 이용하므로 필요한 부품수가 적어 수술기구용 회전관절 및 수술기구용 벤딩관절의 제작이 용이하고 제작비용이 절감되며 소형화에 유리한 효과가 있다.

또한 링크를 추가로 연결함으로써 다관절을 구성할 수 있으므로 링크간 마찰이 감소하고 수술기구용 벤딩 관절의 작동영역이 확장되는 효과가 있다.

또한 링크와 링크를 잇는 연결링크를 더 구비하여 각각의 관절이 동일한 각도로 구동하므로 구름접촉면을 이루는 원통의 반지름보다 구름접촉면의 높이가 작게 형성되더라도 견인와이어에 작용하는 장력이 최소화되어 수술기구용 벤딩 관절이 안정적으로 벤딩구동하는 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 한국등록특허 제10-1056204호의 최소침습수술도구 중 앤드 이펙터 측 관절의 분해사시도,
도 2는 풀리 대신 핀 결합을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절의 구동상태를 도시한 절개단면도,
도 3은 구름접촉을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절의 구동상태를 도시한 절개단면도,
도 4는 기어형식의 구름접촉을 이용한 종래의 수술기구의 회전관절 내부를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절을 제1링크와 제2링크가 이루는 각도를 달리하여 도시한 사시도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 회전 관절을 도시한 사시도,
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절을 도시한 것으로 도 7의 a는 사시도, 도 7의 b는 측면도, 도 7의 c 및 d는 측단면도,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절을 도시한 사시도,
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절을 도시한 부분 분해사시도,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절의 구동 원리를 도시한 측면도,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절이 적용된 내시경 수술용 로봇의 사시도,
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절이 적용된 내시경 수술용 로봇의 앤드 이펙터측 부분의 사시도,
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절이 적용된 내시경 수술용 로봇의 앤드 이펙터측 부분의 작동상태를 도시한 사시도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

<수술기구용 회전 관절의 구성 및 기능>

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절의 사시도이다. 도 5의 a는 수술기구용 회전 관절이 펴져 있는 상태를 도시한 사시도이고 도 5의 b는 수술기구용 회전 관절이 굽혀져 있는 상태를 도시한 사시도이다. 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절은 대략 제1링크(110A), 제2링크(120A), 탄성체(130A), 및 견인와이어(140A)로 이루어진다. 도 5를 참조하여 각 구성요소에 대해 상세히 설명한다.

제1링크(110A)는 수술기구용 회전 관절의 한 마디를 이루는 원통형의 샤프트이며 샤프트의 일측 단부가 만곡되어 형성된 제1구름면(111A), 및 이동통로(113A)를 구비한다. 샤프트의 외경은 5mm이나 용도에 따라 10mm 이하의 범위에서 외경의 크기가 변경될 수 있다. 미도시되었으나, 샤프트에는 견인와이어(140A)가 삽입되는 복수의 관통공이 샤프트 외벽에 근접하고 샤프트를 축방향으로 관통하도록 형성된다. 관통공의 내경은 0.4mm 정도이며 샤프트의 축방향을 중심으로 대칭적으로 2개이상 형성되는 것이 바람직하다.

제1구름면(111A)은 수술기구용 회전 관절을 풀리 없이 간단하게 구성하기 위한 것으로 과속방지턱과 같은 형태로 배치된 반원통면 형상이며 사프트 일측 단부의 횡단면을 가로질러 형성된다. 즉 제1구름면(111A)의 높이는 원통의 반지름과 동일하다. 다만 후술할 견인와이어(140A)의 총 길이나 재질에 따라 제1구름면(111A)의 높이가 원통의 반지름보다 작아질 수 있다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이 반원통면의 중앙부에는 V형상의 절삭면 또는 U형상의 절삭면이 형성될 수 있다. 이러한 제1구름면(111A)에는 탄성체(130A)를 삽입하기 위한 요홈이 더 형성된다. 예를 들어 반원통면의 길이방향 중심선을 따라서 양 끝에 하나씩 원형 요홈이 형성된다. 요홈의 직경은 탄성체(130A)의 직경과 동일하거나 약간 더 크고, 요홈의 깊이는 탄성체(130A)의 길이의 절반과 동일한 것이 바람직하다. 예를 들어 요홈의 직경은 0.4mm이다.

제1링크(110A)에는 이동통로(113A)로써 제1링크(110A)의 길이방향을 관통하여 직경이 3mm인 중공이 형성된다. 이동통로(113A)는 수술에 필요한 물품, 예를 들어 집게, 가위와 같은 수술에 필요한 도구, 견인와이어와 같이 추가적인 관절구동을 위해 필요한 물품 또는 전선이나 광섬유와 같은 부품이 지나는 통로이다. 이동통로(113A)를 통해 수술행위, 예를 들어 흡인, 흡입, 세척, 적출과 같은 행위가 행해지기도 한다. 이러한 이동통로(113A)는 도시된 바와 달리 해당 수술에 적합하도록, 예를 들어 연뿌리형이나 나선형 등 다양한 형상으로 형성될 수도 있다.

제2링크(120A)는 수술기구용 회전 관절의 다른 마디를 이루는 원통형의 샤프트이며 샤프트의 일측 단부가 만곡되어 형성된 제2구름면(121A)을 구비한다. 제2구름면(121A)은 상술한 제1구름면(111A)과 기능 및 형상이 동일하다. 또한 제2링크(120A)에는 제1링크(110A)에서와 같은 형상의 이동통로(123A)가 형성된다. 제2링크(120A)의 외경은 제1링크(110A)의 외경과 동일하며 재질 역시 제1링크(110A)의 재질과 동일하다. 제2링크(120A)의 길이는 제1링크(110A)의 길이와 달라질 수 있으며 수술기구의 용도에 따라 결정되는 것이 바람직하다.

상술한 구성의 제1링크(110A) 및 제2링크(120A)는 인체적합성(biocompatibility)이 있고 부식에 강한 금속재질, 예를 들어 스테인리스 스틸이나 티타늄과 같은 재질로 이루어진다.

탄성체(130A)는 제1구름면(111A) 및 제2구름면(121A)이 구름접촉할 때 서로 미끄러져 어긋나는 것을 방지한다. 이러한 탄성체(130A)는 직경이 0.3mm인 원형의 샤프트이다. 탄성체(130A)의 직경은 제1링크(110A) 및 제2링크(120A)의 외경과 이동통로(113A,123A)의 직경에 따라 변경될 수 있다. 탄성체(130A)는 니티놀 등과 같은 초탄성 형상기억합금 재질로 이루어진다. 즉 탄성체(130A)로는 인장 스프링을 사용할 수도 있으나 초탄성 니켈티타늄(NiTi) 와이어를 사용하는 것이 바람직하다.

견인와이어(140A)는 외부 작용힘으로써 모터에 의해 장력을 가하여 제1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절을 제어하기 위해 구비된다. 견인와이어(140A)는 내마모성, 내부식성이 뛰어난 금속재질로 이루어지며 다수의 강선이 꼬여 형성된 한줄의 와이어로프이다. 다만 구동의 정확성을 향상시키기 위하여 구비되는 견인와이어(140A)의 수가 증가할 수 있다.

도 5를 참조하여 제1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절의 구성요소간 연결관계를 상세히 설명한다. 상술한 구성을 갖는 제1링크(110A) 및 제2링크(120A)는 서로 구름 접촉 방식으로 연결된다. 예를 들어 제1구름면(111A)과 제2구름면(121A)의 대응하는 요홈이 만나도록 구름접촉한다. 탄성체(130A)는 길이의 절반은 제1구름면(111A)에 형성된 요홈에 삽입되고 길이의 나머지 절반은 제2구름면(121A)에 형성된 요홈에 삽입된다. 견인와이어(140A)는 일단과 타단이 제2링크(120A)와 제1링크(110A)의 관통공을 통과하여 제2링크(120A)에 고정된다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 회전 관절을 도시한 사시도이다. 제2실시예에 따른 수술기구용 회전 관절은 대략 제1링크(110A'), 제2링크(120A'), 탄성체(130A), 견인와이어(140A), 감싸개(150A), 및 연결링크(160A)로 이루어진다.

먼저 도 6을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 회전 관절의 구성요소를 설명한다. 제1링크(110A')/제2링크(120A')는 상술한 구성을 갖는 제1링크(110A)/제2링크(120A)에서 탄성체(130A)와 인접한 양 측면이 평평하게 성형되어 형성된다. 그리고 탄성체(130A), 및 견인와이어(140A)는 본 발명의 제1실시예에서의 상술한 구성과 같다.

감싸개(150A)는 이동통로(113A, 123A)를 통과하는 물품이 유출되는 것을 방지하기 위한 것으로 이동통로(113A, 123A)의 직경보다 작은 직경의 인장 스프링이나 탄성력이 있는 튜브가 사용된다.

연결링크(160A)는 수술기구용 회전 관절의 회전구동을 지지하기 위한 것으로 소정 두께를 갖는 직사각형의 양측 모서리가 원형으로 만곡되어 형성된다. 연결링크(160A)의 긴방향 중심축상에는 회전핀(161A, 162A)이 삽입되는 구멍이 형성된다. 이러한 연결링크(160A)는 제1링크(110A)와 동일한 재질로 이루어진다.

도 6을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 회전 관절의 구성요소간 연결관계를 자세하게 설명한다. 제1링크(110A'), 제2링크(120A'), 탄성체(130A) 및 견인와이어(140A)는 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절과 동일한 방식으로 연결된다. 감싸개(150A)는 이동통로(113A,123A) 내에 끼워져 설치된다. 연결링크(160A)는 탄성체(130A)에 인접한 제1링크(110A')와 제2링크(120A')의 측면에 걸쳐 회전가능하도록 설치된다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 연결링크(160A)의 일단은 제1링크(110A')의 측면에 회전핀(161A)으로 고정되고 타단은 제2링크(120A')의 측면에 회전핀(162A)으로 고정된다. 구체적으로 회전핀(161A,162A)은 제1,2구름면(111A,121A) 각각의 원통 중심축과 만나는 곳에 삽입된다. 그리고 관절의 회전구동을 안정적으로 지지하기 위하여 대칭적으로 2개의 연결링크(160A)가 설치되는 것이 바람직하다.

<수술기구용 벤딩 관절의 구성 및 기능>

본 발명에 따른 수술기구용 벤딩관절은 상술한 본 발명에 따른 수술기구용 회전관절에 링크를 추가적으로 연결하여 구성된다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수술기구용 벤딩 관절의 실시예들을 상세하게 설명한다.

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절을 도시한 것으로 도 7의 a는 수술기구용 벤딩 관절의 사시도, 도 7의 b는 수술기구용 벤딩 관절의 측면도이다. 도 7의 c는 수술기구용 벤딩 관절을 구름면에 삽입된 탄성체를 기준으로 종으로 절개한 측단면도이며, 도7의 d는 수술기구용 벤딩 관절을 연결링크에 삽입된 탄성체를 기준으로 종으로 절개한 측단면도이다.

도 7을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절의 구성요소를 설명한다. 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절은 대략 제1링크(110B), 제2링크(120B), 중간링크(170B), 제1연결링크(160B), 제2연결링크(160B'), 다수의 탄성체(131B, 132B, 133B), 견인와이어(140B), 및 감싸개(150B)를 포함한다.

제1링크(110B)/제2링크(120B)는 각각 상술한 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 회전 관절을 구성하는 제1링크(110A')/제2링크(120A')와 동일한 구성으로 제1구름면(111B)/제2구름면(121B), 요홈, 관통공, 및 이동통로(113B, 123B)를 구비한다. 탄성체(130B), 견인와이어(140B), 및 감싸개(150B)도 각각 상술한 본 발명의 제 1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절을 구성하는 탄성체(130A), 견인와이어(140A), 및 감싸개(150A)와 동일하게 구성된다. 제1연결링크(160B) 및 제2연결링크(160B')는 상술한 제2실시예에 따른 수술기구용 회전 관절을 구성하는 연결링크(160A)와 동일하게 구성된다.

중간링크(170B)는 수술기구용 벤딩 관절의 구동영역을 확장하기 위한 것으로 관절을 구성하는 마디의 일측 단부 및 그 일측에 대응되는 타측 단부가 만곡되어 형성된다. 예를 들어 중간링크(170B)는 도시된 바와 같이 직육면체 형상의 중심부을 갖고 중심부의 상면 및 하면에는 제1구름면(111A)과 동일하게 반원통면으로 만곡된 구름면이 대칭적으로 구비된다. 그리고 중간링크(170B)에는 이동통로(173B)로써 중공이 형성된다. 또한 중간링크(170B)에는 견인와이어(140B)가 지나도록 중심부의 상면에서 하면을 관통하는 복수의 관통공이 제1링크(110B) 및 제2링크(120B)의 관통공에 대응하는 위치에 형성된다. 중간링크(170B)는 총 길이가 5mm이며 경우에 따라 변경될 수 있다. 중간링크(170B)의 재질은 제1링크(110B)의 재질과 동일하다.

도 7의 각 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절의 구성요소간 연결관계를 자세하게 설명한다. 도 7의 a에 도시된 바와 같이 중간링크(170B)의 구름면은 제1구름면(111B) 및 제2구름면(121B)과 각각 구름 접촉한다. 탄성체(130B)는 도 7의 c에 도시된 바와 같이 구름면끼리 미끄러지는 것을 방지하도록 각 구름접촉면의 홈에 삽입된다. 제1연결링크(160B)는 일단이 중간링크(170B)의 측면에 회전핀(162B)으로 고정되고 타단이 제1링크(110B)의 측면에 회전핀(161B)으로 고정된다. 제2연결링크(160B')는 일단이 중간링크(170B)의 측면에 회전핀(163B)으로 고정되고 타단이 제2링크(120B)의 측면에 회전핀(164B)으로 고정된다. 구체적으로 상술한 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 회전관절과 같은 방식으로 구름접촉면 각각의 원통 중심축과 만나는 곳에 회전핀(161B,162B,163B,164B)이 삽입된다. 이때 도 7의 b에 도시된 바와 같이 제1연결링크(160B)와 제2연결링크(160B')는 중간링크(170B)의 측면에서 서로 구름접촉하도록 설치되며 도 7의 d에 도시한 바와 같이 각각의 구름접촉면 사이에 탄성체(133B)가 삽입되는 것이 바람직하다. 제1연결링크(160B)와 제2연결링크(160B')가 설치됨으로써 벤딩 구동시 제1링크(110B) 및 중간링크(170B)가 이루는 각도(θ₁)와 제2링크(120B) 및 중간링크(170B)가 이루는 각도(θ₂)가 동일해진다. 감싸개(150B)는 이동통로(113B, 123B, 173B)에 삽입된다. 견인와이어(140B)는 일단 및 타단이 각각 제1링크(110B), 중간링크(170B), 및 제2링크(120B)에 형성된 관통공을 순서대로 지나며 제1링크(110B) 또는 중간링크(170B)에 고정된다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절을 도시한 사시도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절은 대략 2개의 제1링크(110C), 하나의 제2링크(120C), 2개의 중간링크(170C), 4개의 제1연결링크(160C), 4개의 제2연결링크(160C'), 다수의 탄성체(131C,132C,133C), 및 2줄의 견인와이어(140C)를 포함한다.

제1링크(110C), 중간링크(170C), 제1연결링크(160C), 제2연결링크(160C'), 탄성체(131C,132C,133C), 및 견인와이어(140C)의 구성은 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절의 대응하는 각 구성요소의 구성과 동일하다. 제2링크(120C)는 제1실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절을 구성하는 제2링크(120B)가 타측 단부도 반원통면 형상으로 만곡되어 형성된다. 이때 제2링크(120B)의 일측 단부의 반원통면과 타측 단부의 반원통면은 중심축이 서로 수직하게 형성된다.

도 8을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절의 연결관계를 설명한다. 제2링크(120C)의 일측 단부에 1개의 중간링크(170C)의 일측 단부가 구름접촉하고 제2링크(120C)의 타측 단부에 다른 1개의 중간링크(170C)의 일측 단부가 구름접촉한다. 제2링크(120C)와 중간링크(170C) 각각은 본 발명의 제1실시예에서의 중간링크(170B) 및 제2링크(120B)와 같은 방식으로 탄성체(132C)가 삽입되고 제2연결링크(160C')이 회전핀(163C, 164C)으로 고정된다. 중간링크(170C)와 제1링크(110C)도 본 발명의 제1실시예에서의 중간링크(170B) 및 제1링크(110B)와 같은 방식으로 탄성체(131C), 제1연결링크(160C), 및 회전핀(161C, 162C)을 사용하여 연결된다. 그리고 한줄의 견인와이어(140C)는 일단 및 타단이 제1링크(110C), 중간링크(170C), 제2링크(120C)의 관통공을 차례로 지나 제2링크(120C)에 고정되고 다른 한줄의 견인와이어(140C)는 일단 및 타단이 이동통로(113C,173C)를 통과한 후 제2링크(120C), 중간링크(170C), 제1링크(110C)의 관통공을 차례로 지나 제1링크(110C)에 고정된다. 이렇게 연결된 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절은 제2링크(120C)의 구성에 의해 2자유도로 벤딩 구동이 가능하다.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절을 도시한 부분 분해사시도이다. 본 발명의 제3실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절은 대략 2개의 제1링크(110D), 2개의 중간링크(170D), 하나의 제2링크(120D), 4개의 제1연결링크(160D), 4개의 제2연결링크(160D'), 복수의 탄성체(131D,132D,133D), 및 4줄의 견인와이어(140D)로 구성된다. 제1링크(110D), 제1연결링크(160D), 제2연결링크(160D'), 탄성체(131D,132D,133D), 및 견인와이어(140D)는 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절의 대응하는 각 구성요소와 동일한 구성을 갖는다.

중간링크(170D)는 원통형의 사프트 일측 단부과 타측 단부가 각각 반원통면 형상으로 만곡되어 형성되며 일측 단부의 반원통면 중심축과 타측 단부의 반원통면 중심축이 서로 수직하게 배치된다. 중간링크(170D)의 측면은 도 9에 도시된 바와 같이 제1연결링크(160D) 및 제2연결링크(160D')의 일부분이 고정되도록 부분적으로 평평하다.

제2링크(120D)는 도 9에 도시된 바와 같이 상술한 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절을 구성하는 중간링크(170C)와 동일한 형상이다. 그리고 제1링크(110D), 제2링크(120D), 중간링크(170D)는 견인와이어(140D)를 수용하도록 외벽을 길이방향으로 관통하는 다수의 관통공을 구비한다.

도 9를 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절의 구성요소간 연결관계를 설명한다. 제1링크(110D)의 일측 단부는 중간링크(170D)의 일측 단부와 구름접촉하고 제2링크(120D)의 일측 단부는 중간링크(170D)의 타측 단부와 구름접촉한다. 각각의 구름접촉면에는 상술한 각 실시예에서와 같이 탄성체(131D,132D)가 삽입된다. 또한 제1링크(110D)와 중간링크(170D)의 측면에 걸쳐 제1연결링크(160D)가 회전핀(161D, 162D)으로 각각 고정되며 제2링크(120D)와 중간링크(170D)의 측면에 걸쳐 제2연결링크(160D')가 회전핀(163D, 164D)으로 각각 고정된다. 제2링크(120D)의 타측 단부에는 다시 역순으로 중간링크(170D)와 제1링크(110D)가 차례로 구름접촉하고 상술한 방식으로 연결된다. 제2연결링크(160D')는 제2링크(120D)의 측면에서 서로 구름접촉하도록 설치되며 구름접촉면 사이에 탄성체(133D)가 삽입된다. 2줄의 견인와이어(140D)는 각각의 일단 및 타단이 제1링크(110D), 중간링크(170D), 제2링크(120D), 중간링크(170D), 제1링크(110D)의 순서로 각각에 형성된 관통공을 차례대로 지나 제1링크(110D)에 고정된다. 이때 2줄의 견인와이어(140D) 중 하나는 수술기구용 벤딩 관절의 상, 하 구동을 위한 것이고 다른 하나는 좌, 우 구동을 위한 것으로 외부에서 각 견인와이어(140D)의 루프끼리 서로 교차하도록 배치된다. 이렇게 연결된 본 발명의 제3실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절은 2자유도로 벤딩 구동이 가능하다.

<수술기구용 회전관절 및 수술기구용 벤딩 관절의 구동원리>

도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 수술기구용 회전 관절의 구동 원리를 도시한 측면도이다. 외부 작용힘을 제공하는 것으로서 모터와 같은 구동부(미도시)에 의해 도르레(310)를 시계 방향으로 회전시킨다. 그러면 도르레(310)에 감긴 견인와이어(140A)의 오른쪽에 장력이 작용하여 제2링크(120A)는 오른쪽으로 회전구동한다. 마찬가지로 도르레(310)가 반시계 방향으로 돌면 견인와이어(140A)의 왼쪽에 장력이 작용하여 제2링크(120A)는 왼쪽으로 회전구동한다. 이러한 방식으로 상술한 실시예들의 수술기구용 회전 관절 및 수술기구용 벤딩관절의 구동을 제어하게 된다. 제1링크(110A)와 제2링크(120A)는 서로 구름접촉을 하고 있으므로 제2링크(120A)가 벤딩구동하여도 제1링크(110A) 및 제2링크(120A) 사이의 거리가 일정하게 유지된다. 따라서 도시된 바와 같이 한 루프의 견인와이어(140A)를 사용하여 간편하고 정확하게 벤딩관절을 제어할 수 있다.

다만 도시된 바와 다르게 견인와이어(140A)가 한 루프를 이루지 않고 분리된 2줄의 견인와이어(140A)로 구동할 수도 있으며 이것은 다른 실시예의 경우에도 마찬가지이다.

<내시경 수술용 로봇의 구성>

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절이 적용된 내시경 수술용 로봇의 사시도이고, 도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절이 적용된 내시경 수술용 로봇의 앤드 이펙터측 부분의 사시도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절이 적용된 내시경 수술용 로봇은 하나의 내시경 카메라(43), 두 개 이상의 로봇 팔(50), 외부로봇(70), 및 구동부(80)로 구성된다.

내시경 카메라(43)는 통상적으로 사용되는 고정된 내시경 카메라이다. 로봇 팔(50)은 말단부에 앤드 이펙터(41)가 구비되며 도 12에 도시된 바와 같이 엘보 아웃(Elbow-out) 관절(53) 및 벤딩 관절(51)을 포함한다. 외부로봇(70)은 내시경 카메라(43)와 로봇 팔(50)을 고정하고 입, 항문, 질 등의 삽입 지점부터 환부까지 가이드하며 내부로봇 유연샤프트(60)를 포함한다. 구동부(80)는 외부로봇(70) 및 로봇팔(50)에 연결되고 모터 및 엔코더를 포함하여 구성되고 환자의 몸 외부에 위치한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절은 도 12에 도시된 벤딩 관절(51)에 위치하게 된다. 엘보 아웃 관절(53)은 펴고 구부리는 것만이 가능한 온/오프 관절이며 벤딩 관절(51)은 상,하, 좌, 우의 움직임이 가능한 2자유도 관절이다.

도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절이 적용된 내시경 수술용 로봇의 앤드 이펙터측 부분의 작동상태를 도시한 사시도이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절(51)의 일단부에 앤드 이펙터(41)를 연결하고 타단부에 내부로봇 유연샤프트(60)를 연결하면 간단한 내시경 수술용 로봇팔이 완성된다. 앤드 이펙터(41)는 그립운동 외에 벤딩 관절(51)에 의해 상, 하, 좌, 우로 구동가능하며 내부로봇 유연샤프트(60)에 의해 병진운동, 및 회전운동이 가능한 5자유도를 갖는 로봇이 될 수 있다. 또한 벤딩 관절(51)을 추가적으로 연결하여 7자유도를 갖는 로봇이 될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 핀 결합을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절
11, 21 :기본링크 12, 22 : 중간링크
13 : 핀 결합 14, 24 : 와이어로프
20 : 구름접촉을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절
23 : 구름면
30 : 기어형식의 구름접촉을 이용한 종래의 수술기구용 회전관절
31 : 샤프트 32 : 기어판
33 : 구멍 41 : 앤드 이펙터
43 : 고정 내시경 50 : 로봇팔
51 : 본발명의 제2실시예에 따른 수술기구용 벤딩 관절
53 : 엘보 아웃 관절 60 : 내부로봇 유연샤프트
70 : 외부 로봇 80 : 구동부
110A, 110A', 110B, 110C, 110D : 제1링크
111A, 111B : 제1구름면
113A,113B,113C,113D,123A,123B,123C,123D,173B,173C,173D : 이동통로
120A, 120A', 120B, 120C, 120D : 제2링크
121A, 121B : 제2구름면
130A,131B,131C,131D,132B,132C,132D,133B,133C,133D : 탄성체
140A, 140B, 140C, 140D : 견인와이어
150A, 150B : 감싸개 160A : 연결링크
160B, 160C, 160D : 제1연결링크 160B', 160C', 160D' : 제2연결링크
161A,161B,161C,161D,162A,162B,162C,162D,163C,163D,164C,164D : 회전핀
170B, 170C, 170D : 중간링크 310 : 도르레
400 : 샤프트 510 : 연결부
520 : 앤드 이펙터 530 : 연결풀리

Claims

회전 구동하는 수술기구용 관절의 한 마디를 이루며, 상기 한 마디의 적어도 일측 단부가 만곡되어 형성된 제1구름면을 구비한 제1링크;
상기 수술기구용 관절의 다른 마디를 이루며, 상기 제1구름면과 구름접촉하도록 상기 다른 마디의 적어도 일측 단부가 만곡되어 형성된 제2구름면을 구비한 제2링크;
상기 관절의 회전 구동시 상기 제1링크와 상기 제2링크가 서로 어긋나지 않도록 상기 제1구름면 및 상기 제2구름면 사이에 구비된 탄성체; 및
외부 작용힘의 견인에 의해 상기 제1링크와 상기 제2링크가 이루는 각도(θ)를 조절하도록 구비된 견인와이어;를 포함하는 것을 특징으로 한 수술기구용 회전 관절.
제 1항에 있어서,
상기 제1링크 및 상기 제2링크 각각에는 수술에 필요한 물품이 통과하도록 이동통로가 형성된 것을 특징으로 하는 수술기구용 회전 관절.
제 1항에 있어서,
상기 관절의 회전 구동을 지지하도록 상기 제1링크와 상기 제2링크를 연결하는 연결링크;를 더 구비한 것을 특징으로 한 수술기구용 회전 관절.
제 1항에 있어서,
상기 제1구름면 및 상기 제2구름면은 원통면의 형상을 적어도 일부분 추종하도록 만곡된 것을 특징으로 한 수술기구용 회전 관절.
제 1항에 있어서,
상기 제1구름면 및 상기 제2구름면은 구름 접촉하는 대응면상에 탄성체를 고정하기 위한 요홈을 각각 구비하고
상기 탄성체는 상기 요홈에 삽입되는 것을 특징으로 한 수술기구용 회전 관절.
벤딩 구동하는 수술기구용 관절의 각 마디가 서로 이격되어 구비되며, 상기 각 마디의 적어도 일측 단부가 만곡되어 형성된 제1,2링크;
상기 제1링크 및 상기 제2링크의 일측 단부와 구름접촉하도록 일측 단부와 타측 단부가 만곡되어 형성되는 중간링크;
상기 제1링크, 상기 중간링크, 및 상기 제2링크가 벤딩 구동중 서로 어긋나지 않도록 각각의 구름접촉면 사이에 구비된 탄성체; 및
외부 작용힘의 견인에 의해 상기 제1링크와 상기 중간링크가 이루는 각도(θ₁) 및 상기 중간링크 및 상기 제2링크가 이루는 각도(θ₂)를 조절하도록 구비된 견인와이어;를 포함하는 것을 특징으로 한 수술기구용 벤딩 관절.
제 6항에 있어서,
상기 제1링크, 상기 중간링크, 및 상기 제2링크 각각에는 수술에 필요한 물품이 통과하도록 이동통로가 형성된 것을 특징으로 하는 수술기구용 벤딩 관절.
제 6항에 있어서,
상기 제1링크와 상기 중간링크가 이루는 각도(θ₁) 및 상기 중간링크와 상기 제2링크가 이루는 각도(θ₂)가 동일하게 벤딩 구동하도록 상기 제1링크와 상기 중간링크를 연결하는 제1연결링크; 및
상기 제1링크와 상기 중간링크가 이루는 각도(θ₁) 및 상기 중간링크와 상기 제2링크가 이루는 각도(θ₂)가 동일하게 벤딩 구동하도록 상기 제2링크와 상기 중간링크를 연결하는 제2연결링크;를 더 구비하는 것을 특징으로 한 수술기구용 벤딩 관절.
제 8항에 있어서,
상기 제1연결링크 및 상기 제2연결링크의 적어도 일측이 상기 관절의 벤딩 구동시 서로 구름접촉하도록 각각 만곡되어 형성되는 것을 특징으로 한 수술기구용 벤딩 관절.
제 9항에 있어서,
상기 제1연결링크와 상기 제2연결링크의 구름접촉면이 서로 어긋나지 않도록 탄성체가 더 구비되는 것을 특징으로 한 수술기구용 벤딩 관절.
제 6항에 있어서,
상기 중간링크의 상기 일측 단부 및 상기 타측 단부는 각각 원통면 형상을 적어도 일부분 추종하도록 만곡되고 상기 일측 단부의 원통면 중심축과 상기 타측 단부의 원통면 중심축은 서로 평행한 것을 특징으로 한 수술기구용 벤딩 관절.
제 6항에 있어서,
상기 중간링크의 상기 일측 단부 및 상기 타측 단부는 각각 원통면 형상을 적어도 일부분 추종하도록 만곡되고 상기 일측 단부의 원통면 중심축과 상기 타측 단부의 원통면 중심축은 서로 직각을 이루는 것을 특징으로 한 수술기구용 벤딩 관절.
제 2항 또는 제 7항에 있어서,
상기 물품이 상기 이동통로 외부로 유출되지 않도록 상기 이동통로 내에 구비된 감싸개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술기구용 벤딩 관절.
제 1항, 제 6항, 또는 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄성체는 초탄성 형상기억합금으로 이루어진 것을 특징으로 한 수술기구용 벤딩 관절.