KR20180067503A - 매니퓰레이터 - Google Patents

Abstract

판스프링을 밀고 당기는 것에 의해 판스프링을 변형시켜 작동부를 다자유도로 동작시키는 플렉시블 작동체를 구비하는 매니퓰레이터이고, 제1플렉시블 작동체는, 직사각형의 수평 판스프링; 수평 판스프링의 판면에 수직인 판면을 갖고 기립하고 수평 판스프링의 길이 방향의 일단에 베이스부가 접속되고, 수평 판스프링의 판폭 방향의 한쪽으로 돌출되는 한편, 수평 판스프링의 길이 방향을 따라 연장되고 연장 방향의 선단이 돌출 방향과 반대 방향으로 구부러지는 R부가 되는 만곡 수직 판스프링; R부의 선단이 외주에 접속되고, 수평 판스프링의 판면에 수직인 회전 중심으로 지지되어 자유롭게 회전하는 축체; 및 축체의 외주에 회전 반경의 외측으로 돌출되어 마련되는 작동부를 마련했다.

Description

매니퓰레이터

본 발명은, 매니퓰레이터에 관한 것이다.

최근, 외과 수술의 일 수법으로서, 예를 들면 복강경하 수술로 대표되는 최소 침습 수술이 주목 받고 있다. 최소 침습 수술에서는, 신체 표면에 낸 5~10mm 정도의 협소한 절개 구멍을 통해 내시경이나 겸자 등의 수술 기구가 삽입되고, 신체의 내부에서 수술이 진행된다. 따라서, 통상의 외과 수술(예를 들면 개흉 수술이나 개복 수술)에 비해, 수술시의 환자의 신체에 대한 손상이나 수술 후의 통증을 작게 할 수 있는 이점이 있다.

최소 침습 수술에 사용되는 겸자는, 환자의 신체 절개 구멍에 의해 그 자세가 구속되기 때문에, 환부에 대해 한정된 방향에서의 어프로치밖에 할 수 없다. 이와 같은 조건하에서 파지, 결찰 등의 작업을 간편하게 하기 위해, 겸자의 선단 부분을 복수의 방향으로 굴곡하는 굴곡 겸자(즉, 다자유도 매니퓰레이터)의 개발 요청이 있다.

이 종류의 다자유도 매니퓰레이터의 제품으로서는, 예를 들면 Intuitive Surgical사의 "da Vinci surgical system"이 알려져 있다(비특허문헌 1 참조). 비특허문헌 1의 다자유도 매니퓰레이터에서는, 구동 장치로부터의 동력 전달 수단으로서 와이어가 채용되고 있다. 와이어를 구동 장치로 감아 올리는 것에 의해, 관절의 굴곡이나 파지부의 개폐 등을 실현하고 있다.

또한, 다자유도 매니퓰레이터에 관한 선행 기술로서는, 예를 들면 특허문헌 1 등을 들 수 있다. 특허문헌 1에 개시되는 다자유도 매니퓰레이터에서는, 구동 장치로부터의 동력 전달 수단으로서 링크 기구가 채용되고 있다.

일본국특허 제4460890호 공보

Gary S. Guthart and J. Kenneth Salisbury, Jr., "The Intuitive(TM) Telesurgery System: Overview and Application", Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics & Automation San Francisco, CA April 2000, pp. 618-621, 2000

하지만, 비특허문헌 1에서 채용되고 있는 동력 전달의 수법으로서의 와이어 구동에는 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 와이어는 "신장"이나 "끊김" 등의 우려가 있기 때문에, 빈번하게 교환해야 한다. 예를 들면 상술한 "da Vinci surgical system"에서는, 약 10회의 수술마다 와이어 교환이 필요하다. 더욱이, 와이어는 복수의 기어나 풀리에 권취되어 있기 때문에, 떼어내거나 장착에 매우 시간을 필요로 한다. 이에 의해, 러닝 코스트 및 유지보수 부하의 증대를 초래하고 있다.

둘째, 와이어는 신축하기 때문에, 관절이나 파지부의 제어 정밀도에 한계가 있다. 또한, 와이어는 한 방향(당김 방향)으로밖에 동력을 전달할 수 없는 결점도 있다.

셋째, 와이어는 멸균 및 세정이 어려운 문제가 있다. 이 때문에, 종래의 다자유도 매니퓰레이터에서는, 수술 전, 수술 후의 멸균 및 세정 작업이 매우 번잡하다.

또한, 특허문헌 1에서 채용되고 있는 동력 전달의 수법으로서의 링크 기구에는 다음과 같은 문제가 있다.

첫째, 복수의 링크로 이루어지는 복수의 링크 기구를 구비한 경우, 부품수가 늘어나, 소형화, 경량화가 곤란해지고, 제품 코스트가 증대한다.

둘째, 복수의 링크 기구에 의해 회전 동작을 진행시키면, 포착 기구(예를 들면 특허문헌 1의 제1지지체(16))의 굴곡 반경(즉, 스윙 반경)이 커져, 협소한 부위에 대해 진행되는 수술시의 환부에 근접하기 위한 원활한 움직임이 어려워진다. 이 문제는, 기어나 풀리를 사용한 와이어 구동에서도 동일하게 발생한다.

본 발명은, 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 환부에 대한 처치를 하는 선단부에 대한 동력 전달 수단으로서 와이어를 폐지할 수 있고, 적은 부품수로 소형화, 경량화, 코스트 저감이 가능하고, 나아가, 환부에 대한 용이한 어프로치가 가능한 매니퓰레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 직사각형의 수평 판스프링; 상기 수평 판스프링의 판면에 수직인 판면을 갖고 기립하고 상기 수평 판스프링의 길이 방향의 일단에 베이스부가 접속되고, 상기 수평 판스프링의 판폭 방향의 한쪽으로 돌출되는 한편, 상기 수평 판스프링의 길이 방향을 따라 연장되고 연장 방향의 선단이 상기 돌출 방향과 반대 방향으로 구부러지는 굴곡부가 되는 만곡 수직 판스프링; 상기 굴곡부의 선단에 접속되고, 상기 수평 판스프링의 판면에 수직인 회전 중심으로 지지되어 자유롭게 회전하는 축체; 및 상기 축체의 외주에서 반경 방향으로 돌출되어 마련된 작동부를 포함하는, 플렉시블 작동체를 적어도 1개 구비하는 매니퓰레이터를 제공한다.

이 매니퓰레이터에 의하면, 수평 판스프링과, 만곡 수직 판스프링과, 축체가, 동일면 상에서 직렬적으로 배치되어, 플렉시블 작동체가 구성된다. 만곡 수직 판스프링은, 수평 판스프링에 대해, 판면이 기립하는 방향으로 접속된다. 플렉시블 작동체는, 수평 판스프링의 길이 방향의 타단이, 길이 방향을 따르는 방향으로 가압되면, 축체가 상기한 동일 평면 내에서 이동할 수 없게 지지되어 있는 경우, 만곡 수직 판스프링이 더욱 만곡하는 방향으로 변형한다. 수평 판스프링과 만곡 수직 판스프링의 판면이 직교하기 때문에, 만곡 수직 판스프링의 변형 방향이 90° 변한다. 만곡 수직 판스프링은, 이 변형에 의해 축적된 내부 응력의 대부분이 탄성 북원력이 된다. 이 탄성 북원력의 일부는, 축체에 대해, 모멘트를 발생시키는 축체 외주의 접선 방향의 분력으로서 작용한다.

또한, 본 발명은, 상기 수평 판스프링과 상기 만곡 수직 판스프링이 접속된 안쪽 코너의 상기 수평 판스프링에, 한쌍의 직교하는 변부를 구비하는 보강부의 한쪽의 상기 변부가 고정되고, 상기 안쪽 코너의 상기 만곡 수직 판스프링에 상기 보강부의 다른 한쪽의 상기 변부가 고정되는 매니퓰레이터를 제공한다.

이 매니퓰레이터에 의하면, 수평 판스프링과 만곡 수직 판스프링의 접속부가 보강부에 의해 보강되어, 강성이 향상된다. 이에 의해, 수평 판스프링으로부터 전해지는 힘에 의해, 만곡 수직 판스프링에 비틀림이 쉽게 발생하지 않는다. 그 결과, 수평 판스프링으로부터 만곡 수직 판스프링에 전해지는 힘의 전달 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체를 구비하고, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체는, 한쪽의 상기 플렉시블 작동체의 상기 만곡 수직 판스프링의 만곡 돌출 방향에 대해 다른 한쪽의 상기 플렉시블 작동체의 만곡 돌출 방향이 반대가 되도록 겹쳐지고, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체 각각의 상기 축체를 관통한 동일한 핀에 의해 상기 회전 중심으로 회전 자유롭게 연결되고, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체에 있어서의 한쌍의 상기 수평 판스프링의 길이 방향의 타단에서 길이 방향의 중간까지가 외통의 내부에 수용되는 매니퓰레이터를 제공한다.

이 매니퓰레이터에 의하면, 한쌍의 플렉시블 작동체의 만곡 수직 판스프링의 돌출 방향이 반대 방향으로 되기 때문에, 각각의 수평 판스프링의 길이 방향의 타단(즉, 작동부측과는 반대측)을 동시에 밀거나 당기는 것에 의해, 각각의 작동부를 접근/이격시킬 수 있다. 즉, 작동부가 예를 들면 복강경하 수술에서의 겸자나 핀셋 등의 포착 기구이면 협지가 가능해진다. 또한, 이 매니퓰레이터에서는, 한쌍의 수평 판스프링의 길이 방향의 타단(즉, 작동부측과는 반대측)을 동시에 역방향으로 밀거나 당기는 것에 의해, 한쌍의 작동부를 축체의 회전 중심을 중심으로 동일 방향으로 회전시킬 수 있다. 즉, 작동부가 예를 들면 복강경하 수술에서의 겸자나 핀셋 등의 포착 기구이면 포착 기구를 닫은 채로 정방향이나 역방향으로 회전시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 축체의 회전 중심이, 상기 수평 판스프링의 판폭 방향의 중앙을 지나는 축선 상에 배치되는 매니퓰레이터를 제공한다.

이 매니퓰레이터에 의하면, 수평 판스프링의 축선의 연장선 상에 1개의 핀에 의해 각각의 축체의 회전 중심이 공용적으로 배치되고 고정된다. 이에 의해, 매니퓰레이터는, 한쌍의 만곡 수직 판스프링의 만곡 방향 돌출단끼리의 돌출 폭을 작게 억제하면서, 만곡 형상의 확보가 가능해진다.

또한, 본 발명은, 상기 핀의 양단을 지지하는 홀더를 더 구비하고, 상기 홀더에는, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체 각각의 상기 수평 판스프링과 평행하게 끼우는 한편, 상기 수평 판스프링과 동일 방향으로 연장되어 있는 한쌍의 외측 수평 판스프링의 일단이 접속되고, 한쌍의 상기 외측 수평 판스프링은, 길이 방향의 타단에서 길이 방향의 중간까지가 상기 외통의 내부에 수용되는 매니퓰레이터를 제공한다.

이 매니퓰레이터에 의하면, 한쌍의 수평 판스프링의 외측에, 이들을 끼고 한쌍의 외측 수평 판스프링이 배치된다. 즉, 외통에는, 한쌍의 수평 판스프링과, 한쌍의 외측 수평 판스프링이 4층으로 배치된다. 이들의 한쌍의 수평 판스프링과 한쌍의 외측 수평 판스프링은, 각각 독립적으로 밀고 당겨진다. 한쌍의 외측 수평 판스프링은, 길이 방향 일단(즉, 작동부측)이 홀더에 고정된다. 외통과 홀더는 이격하여 소정 폭의 간격을 통해 배치된다. 따라서, 외통과 홀더 사이에는, 4층으로 겹쳐지는 한쌍의 수평 판스프링과, 그들을 끼는 한쌍의 외측 수평 판스프링만 노출된다. 매니퓰레이터는, 한쌍의 외측 수평 판스프링이 각각 역방향으로 밀고 당겨지면, 한쌍의 외측 수평 판스프링이 함께 한쪽의 외측 수평 판스프링측으로 기우는 방향 또는 다른 한쪽의 외측 수평 판스프링측으로 기우는 방향으로 변형(굴곡)한다. 홀더는, 이 한쌍의 외측 수평 판스프링의 굴곡에 의해 변위(경동)한다. 이 때, 한쌍의 외측 수평 판스프링 사이에 배치되어 있는 한쌍의 수평 판스프링도 수동적으로 동일 방향으로 굴곡한다.

또한, 본 발명은, 상기 홀더에는, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체 각각의 상기 만곡 수직 판스프링의 만곡 외면에 접하는 한쌍의 가이드가 마련되어 있는 매니퓰레이터를 제공한다.

이 매니퓰레이터에 의하면, 만곡 수직 판스프링의 더욱 만곡하는 방향의 변형이, 만곡 외면에 접하는 가이드에 의해 규제된다. 이에 의해, 축체로부터의 반력에 의한 만곡 수직 판스프링의 만곡 방향의 변형이 규제된다. 그 결과, 축체에 큰 모멘트를 작용시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은, 상기 외통의 내면에는, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체 각각의 상기 수평 판스프링의 길이 방향을 따라, 각각 한쌍의 측단면에 접하는 한쌍의 스페이서가 마련되어 있는 매니퓰레이터를 제공한다.

이 매니퓰레이터에 의하면, 수평 판스프링을 밀고 당기는 힘이, 축체를 회전시키는 모멘트로 변환되어 전달된다. 이 때, 플렉시블 작동체는, 축체로부터의 반력에 의해 수평 판스프링이 판폭 방향으로 이동하는 힘을 받는다. 플렉시블 작동체는, 이 수평 판스프링의 판폭 방향의 이동이 스페이서에 의해 규제된다. 그 결과, 수평 판스프링으로부터 만곡 수직 판스프링으로의 힘의 전달 효율을 높이고, 축체에 큰 모멘트를 작용시킬 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 와이어를 폐지할 수 있고, 적은 부품수로 소형화, 경량화, 코스트 저감이 가능하고, 나아가, 환부에 대한 용이한 어프로치가 가능해진다.

도 1은 본 실시예의 매니퓰레이터의 외관 사시도.
도 2는 도 1에 나타낸 매니퓰레이터의 선단부의 주요 부분 확대 사시도.
도 3은 도 2에 나타낸 플렉시블 작동체와 외측 수평 판스프링의 분해 사시도.
도 4는 도 3에 나타낸 플렉시블 작동체의 사시도.
도 5는 도 3에 나타낸 외측 수평 판스프링의 사시도.
도 6은 작동부의 변위 방향의 설명도.
도 7은 한쌍의 수평 판스프링에 의한 작동부의 변위 방향을 나타내는 동작 설명도.
도 8은 한쌍의 외측 수평 판스프링에 의한 작동부의 변위 방향을 나타내는 동작 설명도.
도 9는 작동부가 벌어진 매니퓰레이터의 주요 부분 확대 사시도.
도 10은 작동부가 -Y 방향으로 회전한 매니퓰레이터의 주요 부분 확대 사시도.
도 11은 작동부가 X 방향으로 변위한 매니퓰레이터의 주요 부분 확대 사시도.
도 12는 작동부가 벌어지고 X 방향으로 변위한 매니퓰레이터의 주요 부분 확대 사시도.

이하, 적절히 도면을 참조하면서, 본 발명의 매니퓰레이터를 구체적으로 개시한 실시예(이하, 본 실시예라고 한다)를 상세하게 설명한다. 다만, 필요 이상의 상세한 설명은 생략하는 경우가 있다. 예를 들면, 이미 잘 알려진 사항의 상세 설명이나 실질적으로 동일한 구성에 대한 중복 설명을 생략하는 경우가 있다. 이는, 이하의 설명이 불필요하게 장황해지는 것을 피하고, 당업자의 이해를 쉽게 하기 위해서이다. 한편, 첨부 도면 및 이하의 설명은, 당업자가 본 개시를 충분히 이해하기 위해 제공되는 것이고, 이들에 의해 특허청구범위에 기재된 주제를 한정하는 것은 아니다. 한편, 이하의 본 실시예에 있어서, 본 발명의 매니퓰레이터는, 예를 들면 최소 침습 수술 수기에 있어서의 복강경하 수술에 사용하는 매니퓰레이터를 예시하여 설명한다.

도 1은 본 실시예의 매니퓰레이터(11)의 외관 사시도이다.

본 실시예의 매니퓰레이터(11)는, 매니퓰레이터 구동 유닛(13)에 장착된다. 매니퓰레이터 구동 유닛(13)은, 링크 유닛(도시 생략)에 고정된다. 매니퓰레이터(11)는, 링크 유닛에 고정되는 트로카(trocar)(도시 생략)에, 선단측이 삽입된다. 매니퓰레이터(11)는, 트로카와 함께, 링크 구동 유닛(도시 생략)에 의해 구동되는 링크 유닛에 의해, 1개의 회전 중심을 중심으로, 다자유도로 이동한다.

매니퓰레이터(11)는, 매니퓰레이터 구동 유닛(13)에 마련되는 회전 구동 장치(15)에 의해, 트로카의 내측에서 회전한다. 또한, 매니퓰레이터(11)의 선단측에 마련된 작동부(17)는, 매니퓰레이터 구동 유닛(13)에 마련된 슬라이드 구동 장치(19)에 의해 다자유도로 동작한다. 적어도 1개의 작동부(17)는, 엔드 이펙터(end effector)를 구성한다. 엔드 이펙터란, 수술 기구의 실제 작업 부분을 의미하고, 예를 들면 클램프, 포착 기구, 가위, 호치키스, 니들 홀더를 포함한다. 한쌍의 작동부(17)는, 예를 들면 클램프, 포착 기구, 가위, 호치키스 등의 엔드 이펙터로서 사용할 수 있다. 1개의 작동부(17)는, 예를 들면 니들 홀더 등의 엔드 이펙터로서 사용할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 엔드 이펙터는, 1개의 작동부(17)에 의해 구성 가능한 포착 기구로서도 사용 가능하지만, 더욱 구체적으로 설명하기 위해, 한쌍의 작동부(17)에 의해 구성되는 포착 기구를 예시하여 설명한다.

예를 들면 표준 복강경하 수술에 있어서, 매니퓰레이터(11)는, 복부의 작은(약 1/2인치) 절개창을 통과시킨 상기한 트로카를 통해 삽입이 이루어진다. 외과 의사는 매니퓰레이터(11)를 통해 내부의 수술 부위에 배치한 엔드 이펙터를 복부의 외측에서 조작한다. 외과 의사는 복강경으로부터 내시경(도시 생략)에 의해 촬상된 수술 부위의 화상을 표시하는 모니터(도시 생략)로 처치를 관찰한다. 동일한 내시경 수기는, 예를 들면, 관절경, 후복막강경, 골반경(pelviscopy), 신우경, 방광경, 뇌조경(cisternoscopy), 시노스코피(sinoscopy), 자궁경, 및 요도경 등에서 채용된다.

매니퓰레이터(11)는, 외통(21)을 구비한다. 외통(21)은, 예를 들면 스테인리스 강관에 의해 구성되고, 외경 6mm로 형성된다. 상술한 "da Vinci surgical system" 시스템에 있어서의 외경 8.5mm의 외통보다 가는 지름으로 형성되어 있다. 매니퓰레이터(11)는, 작동부(17)의 선단에서 매니퓰레이터 구동 유닛(13)까지의 거리가 125~300mm로 형성된다. 한편, 외통(21)의 외주는, 시스에 의해 더 피복된다.

외통(21)의 삽입 방향 베이스부측(즉, 작동부(17)측과는 반대측)에는, 엔드 캡(23)이 고정된다. 매니퓰레이터(11)는, 매니퓰레이터 구동 유닛(13)에 마련된 회전 구동 장치(15)에 의해 엔드 캡(23)이 회전하는 것에 의해, 도 2의 e 방향으로 일체로 회전한다. 엔드 캡(23)의 삽입 방향 앞측(즉, 작동부(17)측)에는, 스토퍼(27)가 고정된다. 스토퍼(27)는, 매니퓰레이터 구동 유닛(13)에 체결되어 매니퓰레이터(11)의 길이 방향의 이동을 규제한다. 엔드 캡(23)과 스토퍼(27) 사이에는, 베이스부측(즉, 작동부(17)측과는 반대측)에서부터 제1외측 슬라이더(29), 제1슬라이더(31), 제2슬라이더(33), 제2외측 슬라이더(35)를 포함하는 4개의 슬라이더가 외통(21)의 길이 방향으로 각각 이동 자유롭게 마련되어 있다. 이들 4개의 슬라이더(즉, 제1외측 슬라이더(29), 제1슬라이더(31), 제2슬라이더(33), 제2외측 슬라이더(35))는, 외통(21)에 삽입되어 선단(즉, 작동부(17)측)을 향해 길어지는 제1외측 슬라이더 샤프트(37), 제1슬라이더 샤프트(39), 제2슬라이더 샤프트(41), 제2외측 슬라이더 샤프트(43) 각각(도 3 참조)에 연결된다.

제1외측 슬라이더 샤프트(37), 제1슬라이더 샤프트(39), 제2슬라이더 샤프트(41), 제2외측 슬라이더 샤프트(43) 각각은, 슬라이드 구동 장치(19)의 볼나사가 이동하는 것에 의해, 제1외측 슬라이더(29), 제1슬라이더(31), 제2슬라이더(33), 제2외측 슬라이더(35)의 이동에 의해 각각이 독립적으로 길이 방향으로 이동(즉, 밀고 당김)된다. 외통(21)의 선단(즉, 작동부(17)측)에 마련된 엔드 이펙터는, 이들 4개의 샤프트에 의해 다자유도로 동작한다.

도 2는 도 1에 나타낸 매니퓰레이터(11)의 선단부의 주요 부분 확대 사시도이다.

매니퓰레이터(11)는, 선단부가, 한쌍의 플렉시블 작동체와, 한쌍의 외측 수평 판스프링과, 홀더(45)과, 핀(47)에 의해 구성된다. 본 실시예에 있어서, 한쌍의 플렉시블 작동체는, 제1플렉시블 작동체(49)와, 제2플렉시블 작동체(51)를 구비한다. 또한, 한쌍의 외측 수평 판스프링은, 제1외측 수평 판스프링(53)과, 제2외측 수평 판스프링(55)을 구비한다. 제1외측 수평 판스프링(53), 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51), 및 제2외측 수평 판스프링(55)은, 외통(21)과의 길이 방향을 따라 길어지도록 형성되고, 길이 방향의 일단이 외통(21)의 내부로부터 연장되어 돌출한다. 한편, 본 명세서에 있어서, 일단측의 방향이란, 매니퓰레이터(11)의 선단측(즉, 작동부(17)측)의 방향이다. 제1외측 수평 판스프링(53), 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51), 및 제2외측 수평 판스프링(55)은, 길이 방향의 타단에서 길이 방향의 중간까지가 외통(21)에 수용된다.

도 3은 도 2에 나타낸 플렉시블 작동체와 외측 수평 판스프링의 분해 사시도이다.

외통(21)의 내부에 있어서, 제1외측 수평 판스프링(53)은, 제1외측 슬라이더 샤프트(37)에 접속된다. 제1플렉시블 작동체(49)는, 제1슬라이더 샤프트(39)에 접속된다. 제2플렉시블 작동체(51)는, 제2슬라이더 샤프트(41)에 접속된다. 제2외측 수평 판스프링(55)은, 제2외측 슬라이더 샤프트(43)에 접속된다.

도 4는 도 3에 나타낸 플렉시블 작동체의 사시도이다.

매니퓰레이터(11)는, 판스프링(예를 들면 후술하는 수평 판스프링(57), 제1외측 수평 판스프링(53), 제2외측 수평 판스프링(55) 또는 이들의 조합)의 밀고 당김에 따라, 제1플렉시블 작동체(49)의 일부 및 제2플렉시블 작동체(51)의 일부를 각각 변형시키는 것에 의해, 제1플렉시블 작동체(49) 및 제2플렉시블 작동체(51)의 각각의 작동부(17)를 다자유도로 동작시키는 구성을 구비한다. 본 실시예에 있어서, 엔드 이펙터는 포착 기구로서 설명하기 때문에 플렉시블 작동체로서 한쌍의 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51)가 사용된다.

제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51)는, 동일한 물체를 상하 반전시켜 사용된다. 따라서, 이하에서는, 제1플렉시블 작동체(49)를 플렉시블 작동체의 대표예로서 설명한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 제1플렉시블 작동체(49)는, 수평 판스프링(57)과, 만곡 수직 판스프링(59)과, 축체(61)와, 작동부(17)가 일체로 형성된다. 제1플렉시블 작동체(49)의 재질로서는, 예를 들면 생체적합성, 넓은 탄성영역, 내부식성에 우수한 Ni-Ti(니켈 티탄)이 사용된다. 수평 판스프링(57)은, 외통(21)의 길이 방향을 따라 긴 직사각형으로 형성된다. 수평 판스프링(57)은, 홈을 갖는 판스프링 형상으로 되어 있고, 이와 같은 형상으로 하는 것에 의해, 변형의 단일 방향성이 증가하고, 또한 비틀림이 억제되어, 더욱 높은 위치 결정 정밀도로 매니퓰레이터(11)를 동작시킬 수 있다. 즉, 수평 판스프링(57)의 형상에 의해 제1플렉시블 작동체(49)의 변형 방향을 제어하고, 엔드 이펙터의 위치 결정이 가능하다. 수평 판스프링(57)은, 예를 들면 판 두께를 0.4mm로 형성할 수 있고, 홈 부분의 판 두께를 0.2mm로 형성할 수 있다.

만곡 수직 판스프링(59)은, 수평 판스프링(57)의 판면에 수직인 판면을 갖고 기립하고, 수평 판스프링(57)의 길이 방향의 일단에 만곡 수직 판스프링(59)의 베이스부가 접속된다. 만곡 수직 판스프링(59)은, 수평 판스프링(57)의 판폭 방향의 한쪽(예를 들면 도 4의 지면 좌상측을 향하는 방향)으로 돌출되고, 수평 판스프링(57)의 길이 방향을 따라 연장되어다. 만곡 수직 판스프링(59)은, 연장 방향의 선단이, 만곡부(63)의 돌출 방향과 반대 방향으로 구부러지는 굴곡부의 일례로서의 R부(65)가 된다. 만곡 수직 판스프링(59)은, 축체(61)와의 접속 부분에 R부(65)를 마련하는 것에 의해, 제1플렉시블 작동체(49)의 변형 동작시에 효율적인 동력 전달이 가능해지고, 변형 동작을 하기 쉽게 하고 있다. 만곡 수직 판스프링(59)은, 예를 들면 만곡부(63)의 판 두께를 0.3mm로 형성할 수 있다.

축체(61)는, 만곡 수직 판스프링(59)의 R부(65)의 선단이 축체(61)의 외주에 접속된다. 축체(61)는, 수평 판스프링(57)의 판면에 수직인 회전 중심(67)으로 지지되어 자유롭게 회전한다. 더욱 구체적으로는, 축체(61)에는 핀 구멍(69)이 뚫린다. 이 핀 구멍(69)에, 회전 중심(67)과 동축으로 핀(47)(도 2 참조)이 삽입된다. 핀(47)의 양단은, 홀더(45)에 의해 지지된다. 홀더(45)는, 한쌍의 외측 수평 판스프링(즉, 제1외측 수평 판스프링(53), 제2외측 수평 판스프링(55))에 의해 지지된다.

축체(61)는, 회전 중심(67)에서 만곡부(63)가 돌출되는 측의 반경 위치를 0°로 했을 경우, 도 4의 시계 반대 방향으로 거의 90°의 위치의 외주에 R부(65)가 접속된다. R부(65)는, 이 외주의 0°의 위치부터 90°의 위치에서 축체(61)에 접속되어 있다. R부(65)는, 예를 들면 외주의 0°의 위치부터 120°의 범위에서 축체(61)에 접속하는 것이 스페이스 효율상 바람직하다.

작동부(17)는, 축체(61)의 외주에 회전 반경(즉, 반경 방향)의 외측으로 돌출되어 마련된다. 본 실시예에 있어서, 작동부(17)는, 베이스부가 R부(65)의 접속 위치와 거의 일치하는 축체(61)의 외주에 접속된다. 포착 기구를 구성하는 작동부(17)는, 회전 중심(67)을 따르는 판폭을 구비하고, 돌출 선단을 향해 판폭과 판 두께가 서서히 감소하는 거의 각뿔 형상으로 형성된다.

또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 매니퓰레이터(11)는, 한쪽의 제1플렉시블 작동체(49)의 만곡부(63)의 돌출 방향에 대해, 다른 한쪽의 제2플렉시블 작동체(51)의 만곡부(63)의 돌출 방향이 반대가 되도록 겹쳐진다. 제1플렉시블 작동체(49)와 제2플렉시블 작동체(51)는, 한쌍의 축체(61)끼리가 회전 중심(67)을 따르는 방향으로 겹쳐지는 것에 의해, 한쌍의 축체(61)와, 작동부(17)가 회전 중심(67)을 따르는 방향으로 동일 높이가 되어 조립된다.

제1플렉시블 작동체(49)와 제2플렉시블 작동체(51)는, 쌍방의 축체(61)에 관통한 핀(47)에 의해, 동일한 회전 중심(67)으로 회전 자유롭게 연결된다. 일체로 조립된 제1플렉시블 작동체(49) 및 제2플렉시블 작동체(51)는, 제1플렉시블 작동체(49)와 제2플렉시블 작동체(51)의 각각의 수평 판스프링(57)의 길이 방향의 타단에서 길이 방향의 중간까지가 외통 내에 수용되어 있다.

제1플렉시블 작동체(49)와 제2플렉시블 작동체(51)는, 축체(61)끼리가 겹쳐진 상태에서, 각각의 작동부(17)가 교차하여 배치된다. 따라서, 도 3에 나타내는 제1플렉시블 작동체(49)의 작동부(17)는, 도 2에 나타내는 지면 우하측의 작동부(17)가 된다. 또한, 도 3에 나타내는 제2플렉시블 작동체(51)의 작동부(17)는, 도 2에 나타내는 지면 좌상측의 작동부(17)가 된다. 이 때문에, 한쌍의 작동부(17)는, 제1플렉시블 작동체(49) 및 제2플렉시블 작동체(51)가 동시에 당겨지는 것에 의해, 서로 접근하는(즉, 파지하는) 방향으로 회전된다. 이에 의해, 파지 동작시에, 수평 판스프링(57)이나 만곡 수직 판스프링(59)에 발생하는 좌굴을 회피하여, 큰 파지력이 얻어진다.

제1플렉시블 작동체(49)는, 수평 판스프링(57)과 만곡 수직 판스프링(59)이 접속된 안쪽 코너에, 직각 삼각형 형상의 보강부(71)가 고정된다. 보강부(71)는, 한쌍의 직교하는 변부를 구비한다. 보강부(71)는, 한쪽의 변부가 수평 판스프링(57)에 고정된다. 또한, 보강부(71)는, 다른 한쪽의 변부가 만곡 수직 판스프링(59)에 고정된다. 이에 의해, 수평 판스프링(57)으로부터의 힘이 만곡 수직 판스프링(59)에 가해졌을 때, 만곡 수직 판스프링(59)에 비틀림이 쉽게 발생하지 않게 되어 있다.

또한, 제1플렉시블 작동체(49)는, 축체(61)의 회전 중심(67)이, 수평 판스프링(57)의 판폭 방향의 중앙을 지나는 축선(73)의 연장선 상에 배치된다. 즉, 제1플렉시블 작동체(49)는, 거의 직선으로 배치된 수평 판스프링(57), 축체(61) 및 작동부(17)에서, 만곡 수직 판스프링(59)만이 한쪽에서 팽출된 형상이 된다.

도 5는 도 3에 나타낸 외측 수평 판스프링의 사시도이다.

매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 제1외측 수평 판스프링(53), 제2외측 수평 판스프링(55)을 구비할 수 있다. 제1외측 수평 판스프링(53), 제2외측 수평 판스프링(55)은, 동일한 물체를 상하 반전시켜 사용할 수 있다. 이하, 제1외측 수평 판스프링(53)을 외측 수평 판스프링의 대표예로서 설명한다. 한편, 도 5에 나타내는 제1외측 수평 판스프링(53)은, 도 3에 나타낸 물체를 상하 반전하여 도시되어 있다.

제1외측 수평 판스프링(53)에는, 제1플렉시블 작동체(49)와 동일하게, 예를 들면 생체적합성, 넓은 탄성영역, 내부식성에 우수한 Ni-Ti(니켈 티탄)이 사용된다. 제1외측 수평 판스프링(53)은, 외통(21)의 길이 방향을 따라 긴 직사각형으로 형성된다. 제1외측 수평 판스프링(53)은, 수평 판스프링(57)과 마찬가지로 홈을 갖는 판스프링 형상으로 되어 있고, 이와 같은 형상으로 하는 것에 의해, 변형의 단일 방향성이 증가하고, 또한 비틀림이 억제되어, 더욱 높은 위치 결정 정밀도로 매니퓰레이터(11)를 동작시킬 수 있다. 즉, 제1외측 수평 판스프링(53)의 형상에 의해 제1플렉시블 작동체(49)의 변형 방향을 제어하고, 엔드 이펙터의 위치 결정이 가능하다. 제1외측 수평 판스프링(53)은, 예를 들면 판 두께를 0.4mm로 형성할 수 있고, 홈 부분의 판 두께를 0.2mm로 형성할 수 있다.

매니퓰레이터(11)는, 겹쳐진 한쌍의 축체(61)를 관통한 핀(47)의 양단을 지지하는 홀더(45)를 구비한다. 홀더(45)에는, 한쌍의 제1외측 수평 판스프링(53) 및 제2외측 수평 판스프링(55)의 일단이 접속된다.

홀더(45)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 이격되는 한쌍의 평행한 유지판(75)을 구비한다. 1개의 유지판(75)은, 타원을 장축으로 회전하여 얻어지는 회전체를, 장축을 따르는 면에서 절단한 선단이 만곡면인 반통 형상으로 형성된다. 이격되는 한쌍의 유지판(75)끼리는, 양측이 각각 측판(77)에 의해 접속된다. 이에 의해, 홀더(45)는, 정면에서 볼 때 네모 구멍 모양의 내부 공간을 구비한다. 상기한 핀(47)은, 양단이 한쌍의 유지판(75)에 고정된다. 홀더(45)는, 이 내부 공간에, 축체(61)나, 만곡 수직 판스프링(59), 제1외측 수평 판스프링(53) 및 제2외측 수평 판스프링(55)의 일부분을 수용한다.

또한, 홀더(45)에는, 한쌍의 평행한 가이드(79)가, 각각의 측판(77)에서 외통(21)을 향해 돌출되어 형성된다. 한쌍의 가이드(79)는, 한쌍의 제1플렉시블 작동체(49) 및 제2플렉시블 작동체(51)에 있어서의 만곡 수직 판스프링(59)의 각각의 만곡 외면(81)(도 3 참조)에 접한다. 가이드(79)는, 만곡 수직 판스프링(59)의 만곡 외면(81)에 외측에서 접하는 것에 의해, 만곡 수직 판스프링(59)의 외측으로 팽출하는 변형 동작을 규제하기 때문에, R부(65)에 동력을 효과적으로 전달할 수 있고, 변형 동작이 하기 쉬워진다.

또한, 매니퓰레이터(11)는, 외통(21)의 내면에, 제1플렉시블 작동체(49)와 제2플렉시블 작동체(51)의 각각의 수평 판스프링(57)을, 판폭 방향 양측에서 끼우는 한쌍의 스페이서(83)가 고정되어 있다. 한쌍의 스페이서(83)는, 한쌍의 수평 판스프링(57)의 길이 방향을 따르는 각각 한쌍의 측단면에 접한다. 이에 의해, 한쌍의 스페이서(83)는, 외통 내 있어서의 수평 판스프링(57)의 판폭 방향의 이동을 규제한다.

다음으로, 매니퓰레이터(11)의 슬라이드 구동 장치(19) 및 회전 구동 장치(15)를 제어하는 컨트롤부(85)에 대해 설명한다.

매니퓰레이터(11)는, 도 1에 나타내는 컨트롤부(85)에 의해 동작이 제어된다. 컨트롤부(85)는, 제어 컴퓨터(87)와, 모터 드라이버(89)를 구비한다. 컨트롤부(85)는, 슬라이드 구동 장치(19)와, 회전 구동 장치(15)의 동작을 제어한다. 슬라이드 구동 장치(19)는, 볼나사(91)와, DC 모터(93)를 구비한다. 슬라이드 구동 장치(19)는, 도 1에 나타내는 외통(21)의 길이 방향에 있어서의 4개의 제1외측 슬라이더(29), 제1슬라이더(31), 제2슬라이더(33) 및 제2외측 슬라이더(35)의 위치를 각각 제어한다. 슬라이드 구동 장치(19)는, 컨트롤부(85)로부터의 지시에 따라 동작한다.

회전 구동 장치(15)는, 기어 유닛(95)과, DC 모터(97)를 구비한다. 회전 구동 장치(15)는, 도 1에 나타내는 외통(21)의 길이 방향 후단에 있어서의 엔드 캡(23)의 회전 방향 및 회전 각도를 제어한다. 회전 구동 장치(15)는, 컨트롤부(85)로부터의 지시에 따라 동작한다.

다음으로, 매니퓰레이터(11)의 동작을 설명한다.

매니퓰레이터(11)는, 작동부(17)가 외통(21)에 대해 다자유도로 동작한다. 즉, 한쌍의 작동부(17)를 접근/이격(개폐 등)시키는 방향(도 2의 화살표 a 방향)으로 이동할 수 있다. 매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 작동부(17)를 닫은 채로, 축체(61)의 회전 중심(67)을 중심으로 정방향이나 역방향으로 회전(도 2의 화살표 b 방향으로 회전)할 수 있다. 홀더(45)를 외측 수평 판스프링의 굴곡 방향(도 2의 화살표 c 방향)으로 변위시킬 수 있다. 홀더(45)를, 외통(21)의 중심축을 따르는 방향(도 2의 화살표 d 방향)으로 진퇴시킬 수 있다. 한편, 매니퓰레이터(11)는, 회전 구동 장치(15)에 의해, 홀더(45) 및 외통(21)을 엔드 캡(23)을 통해 일체로 회전(도 2의 화살표 e 방향)시킬 수 있다.

도 6은 작동부(17)의 변위 방향의 설명도이다.

여기서, 매니퓰레이터(11)의 선단 부분에 있어서의 동작의 설명을 쉽게 하기 위해 동작의 방향을 정의한다. 한편, 외통(21)의 선단면은, 외통(21)의 중심축에 직교하는 면이고, 중심축을 중심으로 하는 원형상으로 한다. 이 때, 외통(21)의 중심축은, "Z축"으로 한다. 홀더(45)가 변위하지 않은 상태(도 2에 나타내는 상태)의 매니퓰레이터(11)에 있어서, 외통(21)의 선단면을 포함하는 면이고, Z축을 지나, 핀(47)의 회전 중심(67)과 동일 방향의 축을 "X축"으로 한다. 외통(21)의 선단면을 포함하는 면이고, Z축을 지나, X축에 직교하는 축을 "Y축"으로 한다. 회전 중심(67)을 회전하는 것에 의해 벌어진 한쌍의 작동부(17)의 협각은 "θ"로 한다. 판스프링이 X축 방향에 휘어, 홀더(45)가 변위(경동)했을 때, 핀(47)의 회전 중심(67)과 X축이 이루는 각은 "φ"로 한다. 이 때, 핀(47)의 회전 중심(67)과 X축이 교차하는 점은 굴곡 중심(B)으로 한다.

매니퓰레이터(11)는, 외통(21)의 선단면과 핀(47)까지의 거리가 굴곡 가능 범위가 되어 엔드 이펙터를 경동한다. 외통(21)의 선단면에서 핀(47)의 회전 중심(67)까지의 거리(P)(도 2 참조)는, 예를 들면 7.5mm로 설정된다. 이 거리(P)는, 상술한 "da Vinci surgical system"에 있어서의 동등한 거리 9mm보다 짧다. 이에 의해, 엔드 이펙터가 경동할 때의 굴곡 반경을 작게 할 수 있다. 이는, 예를 들면 복강경하 수술 등이 협소한 부위(즉, 환부)로의 원활한 어프로치의 용이성에 기여한다.

도 7은 한쌍의 수평 판스프링(57)에 의한 작동부(17)의 변위 방향을 나타내는 동작 설명도이다. 도 8은 한쌍의 외측 수평 판스프링에 의한 작동부(17)의 변위 방향을 나타내는 동작 설명도이다. 도 9는 작동부(17)가 벌어진 매니퓰레이터(11)의 주요 부분 확대 사시도이다. 도 10은 작동부(17)가 -Y 방향으로 회전한 매니퓰레이터(11)의 주요 부분 확대 사시도이다.

매니퓰레이터(11)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 제1플렉시블 작동체(49)의 수평 판스프링(57) 및 제2플렉시블 작동체(51)의 수평 판스프링(57)이 동시에 밀리면(즉, 작동부(17)측으로 밀림), 한쌍의 축체(61)가 역방향으로 회전한다. 즉, 도 9에 나타내는 바와 같이, 한쌍의 작동부(17)가 벌어진다. 또한, 매니퓰레이터(11)는, 제1플렉시블 작동체(49)의 수평 판스프링(57) 및 제2플렉시블 작동체(51)의 수평 판스프링(57)이 동시에 당겨지면(즉, 작동부(17)측과는 반대측으로 당겨짐), 한쌍의 축체(61)가 벌릴 때와는 역방향으로 회전한다. 즉, 도 2에 나타내는 바와 같이, 한쌍의 작동부(17)가 닫힌다.

매니퓰레이터(11)는, 제1플렉시블 작동체(49)의 수평 판스프링(57)이 당겨지고, 제2플렉시블 작동체(51)의 수평 판스프링(57)이 밀리면, 도 10에 나타내는 바와 같이, 한쌍의 작동부(17)가, 닫힌 채로 회전 중심(67)을 중심으로 도 2의 시계 방향으로 회전하여 -Y축측으로 경동한다. 또한, 매니퓰레이터(11)는, 제1플렉시블 작동체(49)의 수평 판스프링(57)이 밀리고, 제2플렉시블 작동체(51)의 수평 판스프링(57)이 당겨지면, 한쌍의 작동부(17)가, 닫힌 채로 회전 중심(67)을 중심으로 도 2의 시계 반대 방향으로 회전하여 Y축측으로 경동한다.

매니퓰레이터(11)는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 제1외측 수평 판스프링(53) 및 제2외측 수평 판스프링(55)이 동시에 밀리면, 한쌍의 작동부(17)가 Z 방향으로 진출한다. 또한, 매니퓰레이터(11)는, 제1외측 수평 판스프링(53) 및 제2외측 수평 판스프링(55)이 동시에 당겨지면, 한쌍의 작동부(17)가 -Z 방향으로 후퇴한다. 한편, 이들의 진퇴 동작시에는, 제1플렉시블 작동체(49) 및 제2플렉시블 작동체(51)는, 종동 또는 동시에 밀고 당겨진다.

도 11은 작동부(17)가 X 방향으로 변위한 매니퓰레이터(11)의 주요 부분 확대 사시도이다.

매니퓰레이터(11)는, 제1외측 수평 판스프링(53)이 밀리고, 제2외측 수평 판스프링(55)이 당겨지면, 도 11에 나타내는 바와 같이, 한쌍의 작동부(17)가 X축측으로 경동한다. 또한, 매니퓰레이터(11)는, 제1외측 수평 판스프링(53)이 당겨지고, 제2외측 수평 판스프링(55)이 밀리면, 한쌍의 작동부(17)가 -X축측으로 경동한다.

도 12는 작동부(17)가 벌어지고 X 방향으로 변위한 매니퓰레이터(11)의 주요 부분 확대 사시도이다.

매니퓰레이터(11)는, 제1외측 수평 판스프링(53) 및 제2외측 수평 판스프링(55)의 밀고 당김 양을 변경하는 것에 의해, 굴곡 중심(B)(도 6 참조)의 이동이 가능하다. 또한, 매니퓰레이터(11)는, 굴곡 중심(B)의 이동과 동시에, 제1플렉시블 작동체(49) 및 제2플렉시블 작동체(51)의 밀고 당김 양을 변경하는 것에 의해, 도 12에 나타내는 바와 같이, 한쌍의 작동부(17)의 개폐가 가능하다.

매니퓰레이터(11)는, 목표 굴곡각 φ에 대해, 제어 컴퓨터(87)로 매니퓰레이터(11)의 제1외측 슬라이더(29), 제1슬라이더(31), 제2슬라이더(33) 및 제2외측 슬라이더(35)의 이송량의 목표값을 구하고, 모터 드라이버(89)로부터 제어 신호를 송신하고, 슬라이드 구동 장치(19)에 있어서, DC 모터(93)에 의해 볼나사(91)를 구동하는 것에 의해, 매니퓰레이터(11)의 선단(즉, 엔드 이펙터이고 더욱 구체적으로는 한쌍의 작동부(17))을 동작시킨다. 이에 의해, 매니퓰레이터(11)는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 엔드 이펙터를 목표 굴곡각 φ로 굴곡하면서, 한쌍의 작동부(17)를 개폐할 수 있다. 나아가, 매니퓰레이터(11)는, 제1외측 수평 판스프링(53) 및 제2외측 수평 판스프링(55)의 밀고 당김 양을 변경하면서, 제1플렉시블 작동체(49) 및 제2플렉시블 작동체(51)의 밀고 당김 양을 변경하는 것에 의해, 엔드 이펙터의 선단을, Z축을 중심으로 360°의 임의의 방향으로 선회 동작시킬 수 있다.

다음으로, 상기한 매니퓰레이터(11)의 구성의 작용 및 해당 작용에 의한 효과를 구체적으로 설명한다.

본 실시예의 매니퓰레이터(11)에서는, 수평 판스프링(57)과, 만곡 수직 판스프링(59)과, 축체(61)가, 동일면 상에서 직렬적으로 배치되어, 플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))가 구성된다. 만곡 수직 판스프링(59)은, 수평 판스프링(57)에 대해, 판면이 기립하는 방향으로 접속된다. 즉, 수평 판스프링(57)과 만곡 수직 판스프링(59)은, 판면이 직교하여 접속된다. 축체(61)는, 수평 판스프링(57)의 판면에 수직인 회전 중심(67)으로 회전 자유롭게 지지된다.

플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))는, 수평 판스프링(57)의 길이 방향의 타단이, 길이 방향을 따르는 방향으로 가압되면, 축체(61)가 상기한 동일 평면 내에서 이동할 수 없게 지지되어 있는 경우, 만곡 수직 판스프링(59)이 더욱 만곡하는 방향으로 변형한다. 이 변형은, 만곡 수직 판스프링(59)의 탄성 한도 내에서 일어난다. 이 때문에, 플렉시블 작동체에는, 신장이나 수축(영구 변형)이 발생하지 않는다. 수평 판스프링(57)과 만곡 수직 판스프링(59)의 판면이 직교하기 때문에, 만곡 수직 판스프링(59)의 변형 방향이 90° 변한다. 이에 의해, 만곡 수직 판스프링(59)은, 상기한 동일 평면을 따르는 변형이 가능해진다. 만곡 수직 판스프링(59)은, 이 변형에 의해 축적된 내부 응력의 대부분이 탄성 북원력이 된다. 이 탄성 북원력의 일부는, 축체(61)에 대해, 모멘트를 발생시키는 축체 외주의 접선 방향의 분력으로서 작용한다. 한편, 홀더(45)에, 한쌍의 가이드(79)가 마련된 매니퓰레이터(11)에서는, 만곡 수직 판스프링(59)의 변형이 주로 R부(65)에서 일어나게 된다.

또한, 플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))는, 수평 판스프링(57)의 길이 방향의 타단이, 길이 방향을 따르는 방향으로 당겨지면, 만곡 수직 판스프링(59)이 만곡을 해소하는 방향(직선으로 근접하는 방향)으로 변형한다. 만곡 수직 판스프링(59)은, 이 변형에 의해 축적된 탄성 북원력의 일부가, 축체(61)에 대해, 상기와는 역방향의 모멘트를 발생시키는 축체 외주의 접선 방향의 분력으로서 작용한다. 그 결과, 축체(61)는, 수평 판스프링(57)의 밀고 당김에 의해, 축체(61)에 마련된 작동부(17)를, 상기한 회전 중심(67)을 중심으로 역방향으로 회전 동작시킬 수 있게 된다.

또한, 플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))는, 수평 판스프링(57)이, 표리의 판면측으로 변위하는 방향(도 6의 X축측, -X축측)의 변형을 허용한다. 이에 의해, 플렉시블 작동체는, 작동부(17)의 동일 방향의 경동을 방해하지 않는다.

이와 같이 플렉시블 작동체를 사용한 매니퓰레이터(11)는, 종래의 통상 수단이었던 와이어를 폐지하고, 작동부(17)를 다자유도로 동작시킬 수 있다.

플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))는, 와이어와 같이 늘어나거나 끊어지거나 하는 우려가 없다. 따라서, 내구성을 향상시킬 수 있고, 매니퓰레이터(11)의 교환 회수를 매우 적게 할 수 있다. 플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))는, 와이어와 같이 늘어나지 않기 때문에, 작동부(17)의 회전 정밀도나 위치 정밀도를 높일 수 있다. 더욱이, 플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))는, 단일체의 부재이기 때문에, 단순한 기계 구성이 실현되어, 멸균이나 세정이 매우 용이하다. 더욱이, 플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))는, 와이어와 같이 기어나 풀리에 권취할 필요가 없기 때문에, 매니퓰레이터(11)와 구동 수단의 탈착을 간이화 및 용이화할 수 있다.

또한, 플렉시블 작동체(즉, 제1플렉시블 작동체(49), 제2플렉시블 작동체(51))는, 링크 기구와 같이, 복수의 링크, 수동 관절을 사용할 필요가 없다. 따라서, 부품수를 적게 하고, 소형화, 경량화가 용이해진다. 그에 따라 제품 코스트의 저감도 용이해진다. 또한, 경량화에 의해 엔드 이펙터의 이동 질량이 작아져, 관성력의 저감이 가능해진다. 이에 의해, 엔드 이펙터의 위치 결정 제어가 용이해지는 한편, 위치 결정 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 와이어나 풀리, 복수의 링크나 수동 관절을 사용하지 않기 때문에, 작동부(17)를 축체(61)와 함께 변위시킬 때의 굴곡 반경을 작게 할 수 있다.

매니퓰레이터(11)는, 수평 판스프링(57)과 만곡 수직 판스프링(59)의 접속부가 보강부(71)에 의해 보강되어, 강성이 향상된다. 이에 의해, 수평 판스프링(57)으로부터 전해지는 힘에 의해, 만곡 수직 판스프링(59)에 비틀림이 쉽게 발생하지 않는다. 그 결과, 수평 판스프링(57)으로부터 만곡 수직 판스프링(59)에 전해지는 힘의 전달 효율을 높일 수 있다.

매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 플렉시블 작동체의 만곡 수직 판스프링(59)의 돌출 방향이 반대 방향으로 되기 때문에, 각각의 수평 판스프링(57)의 길이 방향의 타단을 동시에 밀거나 당기는 것에 의해, 각각의 작동부(17)를 접근/이격시킬 수 있다. 즉, 작동부(17)가 포착 기구이면 협지가 가능해진다. 작동부(17)가 가위이면, 절단이 가능해진다. 매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 수평 판스프링(57)의 길이 방향의 타단을 동시에 역방향으로 밀거나 당기는 것에 의해, 한쌍의 작동부(17)를 축체(61)의 회전 중심(67)을 중심으로 동일 방향으로 회전시킬 수 있다. 즉, 작동부(17)가 포착 기구이면 포착 기구를 닫은 채로 정방향이나 역방향으로 회전시킬 수 있다.

또한, 매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 만곡 수직 판스프링(59)이 역방향으로 돌출한다. 이에 대해, 한쌍의 플렉시블 작동체 각각의 수평 판스프링(57)은, 길이 방향 및 판폭 방향으로 어긋나지 않고 겹쳐진다. 매니퓰레이터(11)는, 수평 판스프링(57)의 축선(73)의 연장선 상에 1개의 핀(47)에 의해 각각의 축체(61)의 회전 중심(67)이 공용적으로 배치되고 고정된다. 이에 의해, 매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 만곡 수직 판스프링(59)의 만곡 방향 돌출단끼리의 돌출 폭을 작게 억제하면서, 만곡 형상의 확보가 가능해진다.

또한, 매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 수평 판스프링(57)이 외통(21)의 중심축을 끼도록 하여, 한쌍의 플렉시블 작동체를 겹쳐진다. 매니퓰레이터(11)는, 더욱이, 한쌍의 수평 판스프링(57)의 외측에, 이들을 끼고 한쌍의 외측 수평 판스프링(제1외측 수평 판스프링(53), 제2외측 수평 판스프링(55))이 배치된다. 즉, 외통(21)에는, 한쌍의 수평 판스프링(57)과, 한쌍의 외측 수평 판스프링이 4층으로 배치된다. 이들 각각의 판스프링은, 독립적으로 밀고 당겨진다. 한쌍의 외측 수평 판스프링은, 길이 방향의 일단이 홀더(45)에 고정된다. 외통(21)의 선단면과 홀더(45)는 이격되어 배치된다. 따라서, 외통(21)의 선단면과 홀더(45) 사이에는, 4층으로 겹쳐지는 한쌍의 수평 판스프링(57)과, 그들을 끼는 한쌍의 외측 수평 판스프링이 노출된다.

매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 외측 수평 판스프링이 역방향으로 밀고 당겨지면, 한쌍의 외측 수평 판스프링이 함께 한쪽의 외측 수평 판스프링측으로 기우는 방향, 및 한쌍의 외측 수평 판스프링이 모두 다른 한쪽의 외측 수평 판스프링측으로 기우는 방향으로 변형(굴곡)한다. 홀더(45)는, 이 한쌍의 외측 수평 판스프링의 굴곡에 의해 변위한다(즉, 경동한다). 이 때, 한쌍의 외측 수평 판스프링 사이에 배치되어 있는 한쌍의 수평 판스프링(57)도 동일 방향의 굴곡을 허용한다.

이와 같이, 매니퓰레이터(11)는, 한쌍의 플렉시블 작동체에 있어서의 수평 판스프링(57)의 길이 방향의 타단을 동시에 밀고 당기는 것에 의해, 한쌍의 작동부(17)를 접근/이격(개폐)시키는 방향 a(도 2 참조)로 이동할 수 있다(1자유도).

한쌍의 플렉시블 작동체에 있어서의 수평 판스프링(57)의 길이 방향의 타단을 역방향으로 밀고 당기는 것에 의해, 한쌍의 작동부(17)를, 축체(61)의 회전 중심(67)을 중심으로 정방향/역방향 b(도 2 참조)로 회전할 수 있다(2자유도).

한쌍의 외측 수평 판스프링을 역방향으로 밀고 당기는 것에 의해, 홀더(45)(즉, 작동부(17))를 외측 수평 판스프링의 굴곡 방향 c(도 2 참조)로 변위시킬 수 있다(3자유도).

또한, 한쌍의 플렉시블 작동체, 및 한쌍의 외측 수평 판스프링의 모든 스프링을 길이 방향을 따라 동일 방향으로 밀고 당기는 것에 의해, 한쌍의 작동부(17)를, 외통(21)의 중심축을 따르는 방향 d(도 2 참조)로 진퇴시킬 수 있다(4자유도).

즉, 매니퓰레이터(11)는, 와이어나 링크 기구를 사용하지 않고, 탄성체의 변형을 응용하여 기계적인 동력 변환을 하는 것에 의해, 작동부(17)를 다자유도(구체적으로는 4자유도)로 동작 가능하게 하고 있다.

또한, 이 매니퓰레이터(11)에서는, 만곡 수직 판스프링(59)이 더욱 만곡하는 방향의 변형이, 만곡 외면(81)에 접하는 가이드(79)에 의해 규제된다. 이에 의해, 축체(61)로부터의 반력에 의한 만곡 수직 판스프링(59)의 만곡 방향의 변형이 규제된다. 그 결과, 축체(61)에 큰 모멘트를 작용시킬 수 있게 된다.

또한, 이 매니퓰레이터(11)에서는, 수평 판스프링(57)을 밀고 당기는 힘은, 축체(61)를 회전시키는 모멘트로 변환되어 전달된다. 이 때, 플렉시블 작동체는, 축체(61)로부터의 반력에 의해 수평 판스프링(57)이 판폭 방향으로 이동하는 힘을 받는다. 플렉시블 작동체는, 이 수평 판스프링(57)의 판폭 방향의 이동이 스페이서(83)에 의해 규제된다. 그 결과, 수평 판스프링(57)으로부터 만곡 수직 판스프링(59)에 대한 힘의 전달 효율을 높이고, 축체(61)에 큰 모멘트를 작용시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 실시예에 따른 매니퓰레이터(11)에 의하면, 와이어를 폐지할 수 있고, 적은 부품수로 소형화, 경량화, 코스트 저감이 가능하고, 나아가, 환부에 대한 용이한 어프로치가 가능해진다.

이상, 도면을 참조하면서 실시예에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 각종의 변경예 또는 수정예를 상도할 수 있고, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 상기 실시예에서는 매니퓰레이터가 플렉시블 작동체를 3개 이상 구비해도 좋다.

본 출원은, 2015년 10월 2일에 출원된 일본국 특허출원(특원2015-197194)을 기초로 하는 것이고, 그 내용은 본 명세서에 참조로서 원용된다.

[산업상 이용가능성]

본 발명은, 환부에 대한 처치를 시행하는 선단부에 대한 동력 전달 수단으로서 와이어를 폐지할 수 있고, 적은 부품수로 소형화, 경량화, 코스트 저감이 가능하고, 나아가, 환부에 대한 용이한 어프로치가 가능해지는 매니퓰레이터로서 유용하다.

11: 매니퓰레이터
17: 작동부
21: 외통
45: 홀더
47: 핀
49: 제1플렉시블 작동체(플렉시블 작동체)
51: 제2플렉시블 작동체(플렉시블 작동체)
53: 제1외측 수평 판스프링(외측 수평 판스프링)
55: 제2외측 수평 판스프링(외측 수평 판스프링)
57: 수평 판스프링
59: 만곡 수직 판스프링
61: 축체
65: R부
67: 회전 중심
71: 보강부
73: 축선
79: 가이드
81: 만곡 외면
83: 스페이서

Claims (7)

1. 직사각형의 수평 판스프링;
   상기 수평 판스프링의 판면에 수직인 판면을 갖고 기립하고 상기 수평 판스프링의 길이 방향의 일단에 베이스부가 접속되고, 상기 수평 판스프링의 판폭 방향의 한쪽으로 돌출되는 한편, 상기 수평 판스프링의 길이 방향을 따라 연장되고 연장 방향의 선단이 상기 돌출 방향과 반대 방향으로 구부러지는 굴곡부가 되는 만곡 수직 판스프링;
   상기 굴곡부의 선단에 접속되고, 상기 수평 판스프링의 판면에 수직인 회전 중심으로 지지되어 자유롭게 회전하는 축체; 및
   상기 축체의 외주에서 반경 방향으로 돌출되어 마련된 작동부를 포함하는,
   플렉시블 작동체를 적어도 1개 구비하는 매니퓰레이터.
2. 청구항 1에 기재된 매니퓰레이터이고,
   상기 수평 판스프링과 상기 만곡 수직 판스프링이 접속된 안쪽 코너의 상기 수평 판스프링에, 한쌍의 직교하는 변부를 구비하는 보강부의 한쪽의 상기 변부가 고정되고, 상기 안쪽 코너의 상기 만곡 수직 판스프링에 상기 보강부의 다른 한쪽의 상기 변부가 고정되는 매니퓰레이터.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 매니퓰레이터이고,
   한쌍의 상기 플렉시블 작동체를 구비하고,
   한쌍의 상기 플렉시블 작동체는,
   한쪽의 상기 플렉시블 작동체의 상기 만곡 수직 판스프링의 만곡 돌출 방향에 대해 다른 한쪽의 상기 플렉시블 작동체의 만곡 돌출 방향이 반대가 되도록 겹쳐지고, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체 각각의 상기 축체를 관통한 동일한 핀에 의해 상기 회전 중심으로 회전 자유롭게 연결되고,
   한쌍의 상기 플렉시블 작동체에 있어서의 한쌍의 상기 수평 판스프링의 길이 방향의 타단에서 길이 방향의 중간까지가 외통의 내부에 수용되는 매니퓰레이터.
4. 청구항 3에 기재된 매니퓰레이터이고,
   상기 축체의 회전 중심이, 상기 수평 판스프링의 판폭 방향의 중앙을 지나는 축선 상에 배치되는 매니퓰레이터.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 기재된 매니퓰레이터이고,
   상기 핀의 양단을 지지하는 홀더를 더 구비하고,
   상기 홀더에는, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체 각각의 상기 수평 판스프링과 평행하게 끼우는 한편, 상기 수평 판스프링과 동일 방향으로 연장되어 있는 한쌍의 외측 수평 판스프링의 일단이 접속되고,
   한쌍의 상기 외측 수평 판스프링은, 길이 방향의 타단에서 길이 방향의 중간까지가 상기 외통의 내부에 수용되는 매니퓰레이터.
6. 청구항 5에 기재된 매니퓰레이터이고,
   상기 홀더에는, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체 각각의 상기 만곡 수직 판스프링의 만곡 외면에 접하는 한쌍의 가이드가 마련되어 있는 매니퓰레이터.
7. 청구항 5 또는 청구항 6에 기재된 매니퓰레이터이고,
   상기 외통의 내면에는, 한쌍의 상기 플렉시블 작동체 각각의 상기 수평 판스프링의 길이 방향을 따라, 각각 한쌍의 측단면에 접하는 한쌍의 스페이서가 마련되어 있는 매니퓰레이터.

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