KR101062188B1 - 수술용 인스트루먼트 및 수술용 로봇의 커플링 구조 - Google Patents

Abstract

수술용 인스트루먼트 및 수술용 로봇의 커플링 구조가 개시된다. 수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 그 단부에 결합되는 조작자를 회동시켜 수술에 필요한 조작을 수행하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서, 제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와, 제1 구동요소가 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하도록 제1 구동요소에 결합되는 제2 구동요소와, 제2 구동요소가 제2 축에 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하도록 제2 구동요소에 결합되는 제3 구동요소와, 제3 구동요소에 결합되며, 일방향으로 연장되어 그 단부에 조작자가 결합되는 샤프트와, 제1 구동요소, 제2 구동요소 및 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하는 수술용 인스트루먼트는, 조작자를 움직이기 위한 구동요소를 각각 독립적으로 배치하는 대신 서로 유기적으로 연결된 형태로 구성함으로써 수술용 인스트루먼트의 크기를 보다 작게 할 수 있고, 2차원적인 풀리 형태가 아니라 3차원적인 구조물의 형상으로 구동요소를 구성함으로써 조작자의 복잡한 움직임을 위한 힘 전달을 한 번에 구현할 수 있으며, 샤프트의 단부를 회동시켜 조작하는 스네이크(snake) 타입의 수술용 인스트루먼트에도 손쉽게 적용할 수 있다.

수술, 로봇, 인스트루먼트, 커플링 구조

Description

수술용 인스트루먼트 및 수술용 로봇의 커플링 구조{Surgical instrument and coupling structure of surgical robot}

본 발명은 수술용 인스트루먼트 및 수술용 로봇의 커플링 구조에 관한 것이다.

의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.

이러한 수술용 로봇은 의사의 조작에 의해 필요한 신호를 생성하여 전송하는 마스터 로봇과, 마스터(master) 로봇으로부터 신호를 받아 직접 환자에 수술에 필요한 조작을 가하는 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어지며, 마스터 로봇과 슬레이브 로봇을 통합하여 구성하거나, 각각 별도의 장치로 구성하여 수술실에 배치하게 된다.

슬레이브 로봇에는 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암을 구비하게 되며, 로 봇 암의 선단부에는 인스트루먼트(instrument)가 장착된다. 종래의 인스트루먼트(54)는 도 1에 도시된 것처럼, 하우징(108)과, 하우징(108)으로부터 연장되는 샤프트(102), 그리고 샤프트(102)의 말단(106)에 장착되어 수술 부위에 삽입되는 집게 형태의 조작부(112)로 이루어지며, 하우징(108)의 밑면에는 인터페이스부(110)가 형성되어 있다.

이러한 종래의 인스트루먼트(54)의 밑면에는 도 2에 도시된 것처럼, 복수의 구동휠(118)이 결합되어 있으며, 구동휠(118)에는 조작부(112)의 각 부분과 연결된 와이어가 풀리 결합되어 있어 구동휠(118)의 회전에 의해 와이어에 장력이 인가됨으로써 조작부(112)의 각 부분이 움직이게 된다.

그러나, 종래의 인스트루먼트의 경우 조작자(112)가 예를 들어 4자유도를 가지고 움직이도록 하기 위해서는 4개의 독립된 풀리를 사용하여야 하며, 이에 따라 4개의 구동휠(118)이 인터페이스부(110)에 설치되어야 한다.

즉, 종래에는 조작자의 자유도를 확보하기 위해 인스트루먼트에 독립된 풀리 및 그에 연결되는 각각의 독립된 구동휠을 설치하였으며, 이를 위해 하우징에는 각각 독립된 복수의 구동휠을 설치하기 위한 공간이 확보되어야 하므로, 인스트루먼트의 전체적인 크기를 축소하는 데에 한계가 있는 실정이다.

본 발명은 수술용 인스트루먼트의 조작자를 움직이기 위한 구동부의 크기를 최소화할 수 있고, 구동부를 이루는 각각의 구동요소가 서로 유기적으로 연결되도록 함으로써 조작자의 복잡한 움직임을 한 번에 구현할 수 있는 수술용 인스트루먼트 및 수술용 로봇의 커플링 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 그 단부에 결합되는 조작자를 회동시켜 수술에 필요한 조작을 수행하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서, 제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와, 제1 구동요소가 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하도록 제1 구동요소에 결합되는 제2 구동요소와, 제2 구동요소가 제2 축에 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하도록 제2 구동요소에 결합되는 제3 구동요소와, 제3 구동요소에 결합되며, 일방향으로 연장되어 그 단부에 조작자가 결합되는 샤프트와, 제1 구동요소, 제2 구동요소 및 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하는 수술용 인스트루먼트가 제공된다.

조작자는 집게 동작을 하는 한 쌍의 죠(jaw)를 포함하며, 제1 구동요소에는 한 쌍의 죠를 작동시키는 와이어가 결합될 수 있다. 이 경우, 와이어의 일단은 제1 구동요소의 일부를 천공하여 삽입되고, 와이어의 타단은 한 쌍의 죠에 연결될 수 있다.

제1 구동요소는 제1 축을 중심으로 각각 회전하는 한 쌍의 구동자를 포함할 수 있고, 조작자는 집게 동작을 하는 한 쌍의 죠(jaw)를 포함하며, 한 쌍의 구동자에는 한 쌍의 죠 각각을 작동시키는 한 쌍의 풀리 와이어가 각각 결합될 수 있다. 또한, 조작자는 집게 동작을 하는 한 쌍의 죠(jaw)와, 한 쌍의 죠의 집게 동작의 회전 중심이 되는 제1 회전축과, 한 쌍의 죠가 소정의 방향을 향하도록 회동하는 중심이 되는 제2 회전축을 포함하며, 한 쌍의 구동자 중 어느 하나는 제1 회전축과 풀리 결합되고, 나머지 하나는 제2 회전축과 풀리 결합될 수 있다.

이 경우, 구동자는 제1 축이 그 극점을 관통하는 반구형으로 형성되고, 한 쌍의 구동자는 그 대원이 서로 접하도록 배치될 수 있다. 제1 구동요소는 제1 축이 그 극점을 관통하는 구형으로 형성되고, 제2 구동요소는 제1 구동요소의 둘레를 감싸는 띠형으로 형성되며, 제3 구동요소는 제2 구동요소를 감싸는 통(筒)형으로 형성될 수 있다.

조작자는 소정의 틸팅축을 중심으로 틸팅(tilting)되며, 제2 구동요소에는 조작자가 틸팅되도록 틸팅축에 결합되는 풀리 와이어가 결합될 수 있다. 조작자는 샤프트에 연동하여 회전하며, 샤프트는 제3 구동요소에 연동하여 제3 축을 중심으로 회전할 수 있다. 이 경우, 조작자는 샤프트에 결합되고, 샤프트는 제3 구동요소에 일체로 결합될 수 있다. 제1 구동요소에는 레버가 결합되며, 레버의 조작에 의해 제1 구동요소는 제1 축을 중심으로 회전할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 일방향으로 연장되는 샤프트를 회동시켜 샤프트의 말단에 결합되는 조작자가 수술 부위를 향하도록 하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서, 제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와, 제1 구동요소가 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하도록 제1 구동요소에 결합되는 제2 구동요소와, 제2 구동요소가 제2 축에 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하도록 제2 구동요소에 결합되는 제3 구동요소와, 제1 구동요소, 제2 구동요소 및 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하되, 샤프트는 제3 구동요소에 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트가 제공된다.

제1 구동요소 및 제2 구동요소에는 샤프트가 소정 방향으로 구부러지도록 장력을 인가하는 와이어가 각각 결합될 수 있다. 제1 구동요소는 제1 축을 중심으로 각각 회전하는 한 쌍의 구동자를 포함하고, 조작자는 집게 동작을 하는 한 쌍의 죠(jaw)를 포함하며, 한 쌍의 구동자 및 제2 구동요소 중 어느 하나에는 한 쌍의 죠가 집게 동작을 하도록 작동시키는 와이어가 결합될 수 있다. 이 경우, 한 쌍의 죠와 와이어로 결합되지 않은 나머지 구동자 및/또는 구동요소에는 샤프트가 소정 방향으로 구부러지도록 장력을 인가하는 와이어가 각각 결합될 수 있다.

구동자는 제1 축이 그 극점을 관통하는 반구형으로 형성되고, 한 쌍의 구동자는 그 대원이 서로 접하도록 배치될 수 있다. 제1 구동요소는 제1 축이 그 극점을 관통하는 구형으로 형성되고, 제2 구동요소는 제1 구동요소의 둘레를 감싸는 띠형으로 형성되며, 제3 구동요소는 제2 구동요소를 감싸는 통(筒)형으로 형성될 수 있다.

조작자는 샤프트에 연동하여 회전하며, 샤프트는 제3 구동요소에 연동하여 제3 축을 중심으로 회전할 수 있다. 제1 구동요소에는 레버가 결합되며, 레버의 조작에 의해 제1 구동요소 및/또는 제2 구동요소 및/또는 제3 구동요소가 작동되어, 샤프트가 회동할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 인스트루먼트가 장착되는 수술용 로봇의 커플링 구조로서, 수술용 로봇에는 액츄에이터가 구비되고, 인스트루먼트는 하우징이 액츄에이터에 장착된 상태에서 액츄에이터로부터 구동력을 전달받아 작동되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조가 제공된다.

제1 구동요소에는 레버가 결합되며, 레버의 조작에 의해 제1 구동요소는 제1 축 및/또는 제2 축 및/또는 제3 축을 중심으로 회전할 수 있다. 액츄에이터는 왕복 운동하는 구동체를 포함하고, 구동체에는 레버가 삽입되는 그립홀이 천공되며, 레버는 그립홀에 삽입된 상태에서 구동체의 운동에 의해 조작될 수 있다.

제1 구동요소는 제1 축을 중심으로 각각 회전하는 한 쌍의 구동자를 포함하고, 구동체는 한 쌍의 구동자에 상응하여 한 쌍으로 구성되며, 한 쌍의 구동자 각각에는 그 단면 형상이 서로 다른 레버가 결합되고, 그립홀은 레버의 단면 형상에 상응하는 형상으로 천공될 수 있다.

그립홀은 레버에 대향하는 구동체의 일면측에는 레버의 단면적보다 크게 천공되고, 구동체의 타면측으로 갈수록 레버의 단면적에 상응하도록 그 크기가 작아지도록 천공될 수 있다. 이로써, 제1 구동요소는 레버를 그립홀에 삽입시킴으로써, 그 위치가 초기화될 수 있다.

구동체는 제2 축 및 제3 축을 중심으로 각각 회동가능하도록 액츄에이터에 결합되고, 구동체의 왕복 운동에 의해 제1 구동요소는 제1 축을 중심으로 회전하며, 구동체의 제2 축을 중심으로 한 회동에 의해 제1 구동요소는 제2 축을 중심으로 회전하며, 구동체의 제3 축을 중심으로 한 회동에 의해 제1 구동요소는 제3 축을 중심으로 회전할 수 있다. 또한, 구동체는 2이상의 방향으로 왕복 운동하도록 액츄에이터에 결합되고, 구동체의 어느 하나의 방향으로의 왕복 운동에 의해 제1 구동요소는 제1 축을 중심으로 회전하며, 구동체의 다른 하나의 방향으로의 왕복 운동에 의해 제1 구동요소는 제2 축을 중심으로 회전할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수술용 로봇으로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동부와, 구동부에 연결되며 구동부의 작동에 따라 회동하여 수술에 필요한 동작을 하는 조작자를 포함하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서, 구동부는, 제1 축을 중심으로 회전하는 한 쌍의 구동자로 이루어지는 제1 구동요소와, 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하는 제2 구동요소를 포함하고, 조작자는, 집게 동작을 하는 한 쌍의 죠를 포함하며, 한 쌍의 죠는 소정의 틸팅축을 중심으로 틸팅되되, 한 쌍의 구동자 각각의 회전 및 제2 구동요소의 회전으로 이루어지는 3자유도의 동작은, 한 쌍의 죠 각각의 집게 동작과 한 쌍의 죠의 틸팅 동작으로 이루어지는 3가지 조작에 각각 대응되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트가 제공된다.

이 경우, 구동부와 조작자는 제3 축 방향으로 연장되는 샤프트의 양단부에 각각 결합되고, 구동부는 제3 축을 중심으로 회전하는 제3 구동요소를 더 포함하며, 조작자는 제3 구동요소의 회전에 연동하여 제3 축을 중심으로 회전할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 그 단부에 결합되는 조작자를 회동시켜 수술에 필요한 조작을 수행하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서, 제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와, 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하는 제2 구동요소와, 제1 축 및 제2 축에 각각 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하는 제3 구동요소와, 제3 구동요소에 결합되며, 일방향으로 연장되어 그 단부에 조작자가 결합되는 샤프트와, 제1 구동요소, 제2 구동요소 및 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하는 수술용 인스트루먼트가 제공된다.

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

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 조작자를 움직이기 위한 구동요소를 각각 독립적으로 배치하는 대신 서로 유기적으로 연결된 형태로 구성함으로써 수술용 인스트루먼트의 크기를 보다 작게 할 수 있고, 2차원적인 풀리 형태가 아니라 3차원적인 구조물의 형상으로 구동요소를 구성함으로써 조작자의 복잡한 움직임을 위한 힘 전달을 한 번에 구현할 수 있으며, 샤프트의 단부를 회동시켜 조작하는 스네이크(snake) 타입의 수술용 인스트루먼트에도 손쉽게 적용할 수 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발 명의 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 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도이고, 도 4는 도 3에 도시된 수술용 인스트루먼트를 나타낸 평면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 제1 축(5), 제2 축(7), 제3 축(9), 제1 구동요소(10), 구동자(12), 레버(14), 제2 구동요소(16), 제3 구동요소(18), 하우징(20), 샤프트(22), 조작자(30), 죠(32), 와이어(34), 틸팅축(36)이 도시되어 있다.

본 실시예는 수술용 인스트루먼트의 조작자를 움직이기 위한 구동부를 3차원적으로 결합된 복수의 구동요소로 구성함으로써, 조작자의 각 부분을 움직이기 위해 별도의 독립된 풀리를 사용하는 대신 하나로 통합된 구동요소에 여러 개의 풀리 와이어를 결합하여 조작할 수 있어, 인스트루먼트, 특히 구동부의 크기를 최소화할 수 있고, 구동부를 통합적으로 조작함으로써 조작자의 각 부분의 동작을 한꺼번에 구현할 수 있다는 특징이 있다.

구동부는 후술하는 제1, 제2, 제3 구동요소, 구동자, 레버 등을 포함하여, 조작자(30)를 움직이기 위해 작동되는 구성요소를 통칭하는 개념으로서, 본 실시예에서 구동부는 하우징(20) 내에 수용된 구조물의 형태로 구현될 수 있다.

본 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트는, 수술용 로봇 암의 단부에 장착되고, 로봇 암의 단부에 형성되는 액츄에이터로부터 구동력을 전달받아 작동되며, 인스트루먼트의 작동에 따라 샤프트(22)를 통해 말단에 결합되는 조작자(30)가 회동하여 로봇 수술에 필요한 그립(grip), 커팅(cutting), 틸팅(tilting), 회전 등 다양한 조작을 수행하게 된다.

본 실시예에 따른 인스트루먼트의 구동부는 하우징(20) 내에 수용되는 제1 구동요소(10), 제2 구동요소(16) 및 제3 구동요소(18)로 이루어진다. 제1 구동요소(10)는 제1 축(5), 예를 들면 x축을 중심으로 회전하고, 제2 구동요소(16)는 제1 구동요소(10)에 결합되어 제1 구동요소(10)가 제2 축(7), 예를 들면 y축을 중심으로 회전하도록 하며, 제3 구동요소(18)는 제2 구동요소(16)에 결합되어 제1 구동요소(10) 및 제2 구동요소(16)가 제3 축(9), 예를 들면 z축을 중심으로 회전하도록 하는 구성요소이다.

제3 구동요소(18)에는 샤프트(22)가 결합되고, 샤프트(22)의 단부에는 조작자(30)가 결합되어, 제3 구동요소(18)의 z축을 중심으로 한 회전에 의해 샤프트(22) 및 조작자(30)가 z축으로 회전하게 된다.

도 3에 도시된 것처럼, 제1 구동요소(10)를 구형으로 형성하고, 제2 구동요소(16)는 제1 구동요소(10)의 둘레를 감싸는 띠형상으로 형성하여 제1 구동요소(10)와 제1 축(5)으로 축결합하면, 제1 구동요소(10)는 제1 축(5)을 중심으로 회전할 수 있게 된다. 또한, 제2 구동요소(16)를 제3 구동요소(18)에 제2 축(7)으로 축결합하면, 제2 구동요소(16)는 제2 축(7)을 중심으로 회전할 수 있으며, 제2 구동요소(16)와 함께 제1 구동요소(10)도 제2 축(7)을 중심으로 회전하게 된다. 한편, 제3 구동요소(18)는 하우징(20) 내에서 제3 축(9)을 중심으로 회전가능하도록 설치함으로써, 제1 구동요소(10) 및 제2 구동요소(16)가 제3 구동요소(18)와 함께 제3 축(9)을 중심으로 회전하게 된다.

이로써, 본 실시예에 따른 인스트루먼트의 구동부는 공간상의 3개의 축, 예를 들면 x, y, z축 각각을 중심으로 회전가능한 구동요소들로 이루어지게 된다. 각 구동요소에 와이어(34)를 연결하여 조작자(30)의 각 부분과 풀리 결합하면, 각 구동요소의 회전에 의해 조작자(30)의 각 부분이 움직이게 되며, 구동요소를 각 축방 향이 아닌 임의의 방향으로 회전시키면, 그에 따라 조작자(30)의 각 부분의 움직임이 한꺼번에 구현될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 구동부는 각 구동요소가 3차원적인 구조물로 이루어져 있으므로, 한 번의 조작으로 각 축방향으로의 구동이 한꺼번에 이루어지도록 할 수 있다는 장점이 있다.

도 3에서, 임의의 방향으로 레버(14)에 힘을 가하여 구동요소의 일부 또는 전부를 회전시키면, 그에 따라 각 구동요소에 결합된 풀리 와이어(34)를 통해 구동력이 전달되어 조작자(30)의 각 부분이 움직이게 된다.

수술용 인스트루먼트의 조작자(30)는 샤프트(22)의 말단에 결합되어, 집게 동작(grip)이나 절단 동작(cutting)을 수행하는 한 쌍의 죠(jaw)(32)를 포함하고, 죠(32)의 지지점에는 죠(32) 전체가 소정의 경사로 틸팅(tilting)될 수 있도록 틸팅축(36)이 결합되며, 조작자(30) 전체는 샤프트(22)의 회전에 연동하여 회전되도록 구성될 수 있다.

이 경우, 구동부의 제1 구동요소(10)는 한 쌍의 죠(32)와 풀리 결합될 수 있다. 제1 구동요소(10)가 제1 축(5)을 중심으로 회전함에 따라 와이어(34)를 통해 구동력이 전달되어 한 쌍의 죠(32)가 소정 방향을 향하거나, 집게 동작을 하거나, 이 2가지 조작이 모두 이루어지게 되는 것이다.

만일, 한 벌의 풀리 와이어(34)를 사용하여 한 쌍의 죠(32)를 움직인다면, 한 쌍의 죠(32)를 서로 기어 등으로 연결하고 한 쌍의 죠(32) 중 어느 하나 또는 한 쌍의 죠(32)가 결합된 부분에 풀리 와이어(34)를 결합하여 구동력을 전달할 수도 있다. 이 외에도 한 벌의 풀리를 사용하여 한 쌍의 죠(32)가 집게 동작을 하도 록 할 수 있는 다양한 메커니즘이 적용될 수 있음은 물론이다.

제1 구동요소(10)가 한 쌍의 구동자(12)로 이루어질 경우, 하나의 구동자(12)는 죠(32)가 집게 동작을 하도록 하고, 나머지 하나의 구동자(12)는 죠(32)가 향하는 방향이 전환되도록 할 수 있다. 즉, 제1 구동자는 죠의 여닫음을 제어하고, 제2 구동자는 죠의 방향을 제어하도록 하는 것이다. 이를 위해 각 구동자(12)와 한 쌍의 죠(32)를 각각 풀리 결합하는 등 다양한 메커니즘을 적용하여 죠를 조작할 수 있다.

한 쌍의 죠(32) 각각을 개별적으로 움직이기 위해 제1 구동요소(10)를 한 쌍의 구동자(12)로 분할할 수 있다. 즉, 제1 구동요소(10)를 제1 축(5)을 중심으로 각각 회전하는 한 쌍의 구동자(12)로 구성하고 각 구동자(12)에 각 죠(32)를 풀리로 연결함으로써, 한 쌍의 죠(32) 각각을 개별적으로 작동시킬 수 있다.

도 3에 도시된 것처럼, 제1 구동요소(10)를 구형으로 형성한 경우, 제1 구동요소(10)를 이루는 한 쌍의 구동자(12)는 제1 구동요소(10)를 절반으로 분할한 형상으로 할 수 있다. 즉, 한 쌍의 구동자(12)를 반구형으로 형성하되, 대원(大圓; 구를 절반으로 분할하여 생기는 원)이 서로 마주 보도록 접하고 제1 축(5)이 각 반구의 극점을 관통하도록 한 쌍의 구동자(12)를 배치함으로써, 제1 구동요소(10)를 한 쌍의 구동자(12)로 분할할 수 있다.

다만, 본 실시예에 따른 구동자(12)를 반드시 반구형으로 형성해야 하는 것은 아니며, 각각 제1 축(5)을 중심으로 회전할 수 있고 그 회전에 의해 한 쌍의 죠(32) 각각을 작동시킬 수 있는 범위 내에서 제1 구동요소(10)를 다양한 방식으로 분할할 수도 있음은 물론이다.

한편, 구동부의 제2 구동요소(16)는 죠(32)의 틸팅을 위한 틸팅축(36)과 풀리 결합될 수 있다. 즉, 제2 구동요소(16)가 제2 축(7)을 중심으로 회전함에 따라 와이어(34)를 통해 구동력이 전달되어 죠(32)가 틸팅되는 것이다.

또한, 본 실시예에 따른 제1 구동요소(10)는 제2 구동요소(16)의 제2 축(7)을 중심으로 한 회전에 연동하여 제2 축(7)을 중심으로 회전하게 되므로, 틸팅을 위한 풀리 와이어(34)는 제1 구동요소(10)의 적절한 위치에 결합될 수도 있다.

예를 들어, 제1 구동요소(10)가 한 쌍의 구동자(12)로 이루어진 경우, 어느 한 구동자(12)에는 어느 하나의 죠(32)를 조작하기 위한 한 벌의 풀리 와이어(34)가 결합되고(도 4의 34a 참조), 나머지 구동자(12)에는 다른 하나의 죠(32)를 조작하기 위한 한 벌의 풀리 와이어(34)가 결합될 수 있다(도 4의 34b 참조).

나아가, 어느 한 구동자(12)에는 틸팅축(36)에 연결되는 풀리 와이어(34) 중의 어느 한 가닥이 결합되고, 나머지 구동자(12)에는 틸팅축(36)에 연결되는 풀리 와이어(34) 중의 나머지 한 가닥이 결합될 수 있는 것이다(도 4의 34c참조).

한편, 제3 축(9)을 중심으로 회전하는 제3 구동요소(18)는 샤프트(22)에 결합되어, 제3 구동요소(18)의 회전에 연동하여 샤프트(22) 및 그 말단에 결합된 조작자(30)가 제3 축(9)을 중심으로 회전하도록 할 수 있다. 예를 들어, 조작자(30)를 샤프트(22)에 고정시키고 샤프트(22)를 제3 구동요소(18)에 고정시켜, 제3 구동요소(18)의 회전에 의한 구동력이 그대로 조작자(30)로 전달되도록 할 수 있는 것이다.

도 3은 수술용 인스트루먼트의 구동부를 3차원적인 구조로 형성하여 그 크기를 최소화하고자 한 것으로, 제1 구동요소(10)는 제1 축(5)이 그 극점을 관통하는 구형으로 형성하고, 제2 구동요소(16)는 제1 구동요소(10)의 둘레를 감싸는 띠형으로서 제1 구동요소(10)와 제1 축(5)에 의해 축결합되며, 제3 구동요소(18)는 제1 구동요소(10) 및 제2 구동요소(16)를 감싸는 통(筒)형으로서 제2 구동요소(16)와 제2 축(7)에 의해 축결합되는 구조로 제작한 사례이다. 제3 구동요소(18)는 제3 축(9)을 중심으로 회전가능한 구조로 하우징(20) 내에 수용될 수 있음은 전술한 바와 같다.

제1 구동요소(10)의 각 부위에는, 도 3에 도시된 것처럼, 3벌의 풀리 와이어(34)가 결합될 수 있다. 제1 구동요소(10)를 한 쌍의 구동자(12)로 분할한 경우 2벌의 풀리 와이어(34)는 한 쌍의 구동자(12)와 한 쌍의 죠(32)를 각각 풀리 결합하는데 사용되고, 나머지 한 벌의 풀리 와이어(34)는 제1 구동요소(10) 또는 제2 구동요소(16)와 조작자(30)의 틸팅축(36)을 풀리 결합하는 데에 사용될 수 있다.

한 벌의 풀리 와이어(34)는 제2 구동요소(16)와 틸팅축(36)을 연결할 수 있으며, 또는 제1 구동요소(10)의 적절한 위치, 예를 들면 한 가닥은 제1 구동요소(10)의 일측에, 다른 한 가닥은 제1 구동요소(10)의 타측에 결합할 수 있다. 제1 구동요소(10)가 한 쌍의 구동자(12)로 분할되는 경우 틸팅축(36)에 결합되는 풀리 와이어(34)의 한 가닥은 어느 하나의 구동자(12)에, 다른 한 가닥은 다른 하나의 구동자(12)에 결합할 수도 있음은 전술한 바와 같다.

이와 같이, 제1 축(5)을 중심으로 회전하는 제1 구동요소(10)에 한 쌍의 죠(32)를, 제2 축(7)을 중심으로 회전하는 제2 구동요소(16)에 틸팅축(36)을 풀리 결합하고, 제3 축(9)을 중심으로 회전하는 제3 구동요소(18)에 샤프트(22) 및 조작자(30)를 결합함으로써, 조작자(30)의 모든 움직임, 즉 집게 동작, 틸팅, 회전을 제어할 수 있게 된다.

도 3에 도시된 것처럼, 제1 구동요소(10)에는 레버(14)가 결합되며, 레버(14)에 힘을 가하여 제1 구동요소(10)가 임의의 방향으로 회전하도록 할 수 있다. 즉, 레버(14)를 조작하여 제1 구동요소(10)가 제1 축(5), 제2 축(7), 제3 축(9) 중 어느 하나를 중심으로, 또는 각 축 방향이 조합된 임의의 방향으로 회전하도록 할 수 있으며, 이 과정에서 제1 구동요소(10) 뿐만 아니라 제2 구동요소(16) 및 제3 구동요소(18)도 함께 회전할 수 있다.

제1 구동요소(10)가 한 쌍의 구동자(12)로 분할된 경우 각 구동자(12)에 결합된 레버(14)를 각각 조작함으로써, 각 구동자(12)를 돌려 각 죠(32)의 집게 동작을 제어할 수 있고, 제2 구동요소(16)를 돌려 조작자(30)를 틸팅시킬 수 있으며, 제3 구동요소(18)를 돌려 조작자(30) 전체를 회전시킬 수 있다.

한편, 한 쌍의 죠(32) 각각을 따로 움직이는 것이 아니라, 하나의 와이어(34)로 한 쌍의 죠(32)를 조작할 수도 있다. 이러한 별도의 구조의 경우, 제1 구동요소(10)는 분할할 필요 없이 하나의 구형으로 형성하고, 와이어의 일단은 제1 구동요소(10)의 적절한 위치에 연결하고(예를 들면 제1 구동요소(10)의 중심부를 천공하여 와이어를 삽입하고), 와이어(34)의 타단은 한 쌍의 죠에 연결하여, 제1 구동요소(10)에 결합된 레버(14)를 조작하여 제1 구동요소(10)가 제1 축(5)을 중심 으로 회전하도록 함으로써 한 쌍의 죠(32)가 함께 움직이도록, 즉 열리거나(open), 닫히는(close) 집게 동작을 하도록 할 수 있다.

구동요소의 조작에 따른 조작자(30)의 움직임의 비율을 조절함으로써 조작의 편의성을 높이고, 구동부의 크기를 보다 작게 할 수 있다. 예를 들어, 제1 구동요소(10)에서 풀리 와이어(34)가 결합되는 지점 간의 거리를 조절함으로써, 제1 구동요소(10)의 회전 각도에 따른 조작자(30)의 회동 각도의 비율이 2:1이 되도록 하면, 제1 구동요소(10)를 45도만 회전시켜도 조작자(30)가 90도 가까이 움직이도록 할 수 있는 것이다.

이와 같이, 조작자(30)를 움직이기 위한 구동요소를 각각 독립적으로 하여 2차원적으로 배치하는 대신, 제1, 제2, 제3 구동요소(10, 16, 18)가 3차원적으로 결합된 구조물의 형태가 되도록 구성함으로써, 구동부의 크기를 보다 작게 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도. 도 5를 참조하면, 제1 축(5), 제2 축(7), 제3 축(9), 제1 구동요소(10), 구동자(12), 레버(14), 제2 구동요소(16), 제3 구동요소(18), 하우징(20), 샤프트(22), 조작자(30), 죠(32), 와이어(34), 틸팅축(36)이 도시되어 있다.

전술한 실시예에서는 제1 구동요소(10)를 구형으로 형성하고, 제1 구동요소(10)를 한 쌍의 구동자(12)로 분할할 경우에는 구동자(12)를 반구형으로 형성한 경우에 대해 설명하였으나, 본 발명에 따른 제1 구동요소(10)가 반드시 구형으로 형성되어야 하는 것은 아니며, 전술한 실시예에서와 마찬가지의 기능 및 작용을 할 수 있는 범위 내에서 다양한 형상으로 형성될 수도 있다.

도 5에 도시된 것처럼, 제1 구동요소(10)를 T자형으로 형성하고, 제2 구동요소(16)는 제1 구동요소(10)와 제1 축(5)으로 축결합되는 십자(十)형으로 형성함으로써, 제1 구동요소(10)는 제1 축(5)을 중심으로 회전할 수 있게 된다. 또한, 제2 구동요소(16)의 둘레를 감싸는 띠형상으로 제3 구동요소(18)를 형성하고 제2 구동요소(16)를 제3 구동요소(18)에 제2 축(7)으로 축결합하면, 제2 구동요소(16)는 제2 축(7)을 중심으로 회전할 수 있으며, 제2 구동요소(16)와 함께 제1 구동요소(10)도 제2 축(7)을 중심으로 회전하게 된다. 한편, 제3 구동요소(18)는 하우징(20) 내에서 제3 축(9)을 중심으로 회전가능하도록 설치함으로써, 제1 구동요소(10) 및 제2 구동요소(16)가 제3 구동요소(18)와 함께 제3 축(9)을 중심으로 회전하게 된다.

이로써, 본 실시예에 따른 인스트루먼트의 구동부는 공간상의 3개의 축을 중심으로 회전가능한 구동요소들로 이루어지게 되며, 구동요소를 각 축방향이 아닌 임의의 방향으로 회전시키면, 그에 따라 조작자(30)의 각 부분의 움직임이 한꺼번에 구현될 수 있어, 한 번의 조작으로 각 축방향으로의 구동이 한꺼번에 이루어지도록 할 수 있다.

도 5에서, 제1 구동요소(10)에 레버(14)를 결합하거나 T자형으로 된 제1 구동요소(10)의 말단부를 레버(14)로 사용하여, 그 레버(14) 부분에 임의의 방향으로 힘을 가하여 구동요소의 일부 또는 전부를 회전시키면, 그에 따라 각 구동요소에 결합된 풀리 와이어(34)를 통해 구동력이 전달되어 조작자(30)의 각 부분이 움직이 게 됨은 전술한 실시예와 마찬가지이다.

한편, 제1 구동요소(10)를 하나만 설치하거나, 제1 구동요소(10)가 각각 회전하는 구동자(12)로 구성되지 않은 경우에는, 별도의 와이어를 사용하여 제1 구동요소(10)와 한 쌍의 죠(32)를 결합할 수도 있다. 즉, 제1 구동요소(10)가 제1 축(5)을 중심으로 회전함에 따라 와이어(34)를 통해 구동력이 전달되어 한 쌍의 죠(32)가 집게 동작을 하게 되는 것이다. 하나의 와이어를 사용하여 한 쌍의 죠(32)가 집게 동작을 하도록 하기 위해 다양한 메커니즘이 적용될 수 있다.

한 쌍의 죠(32) 각각을 개별적으로 움직이기 위해 제1 구동요소(10)를 한 쌍의 구동자(12)로 구성할 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 것처럼, 구동자(12)를 T자형 부재로 형성함으로써, 제1 구동요소(10)가 한 쌍의 T자형 부재, 즉 한 쌍의 구동자(12)로 이루어지도록 할 수 있다.

도 5에서, 제1 구동요소(10)는 제1 축(5)이 T자의 두 선이 만나는 점을 관통하는 T자형 부재로 형성하고, 제2 구동요소(16)는 2개의 T자형 부재 사이를 연결하는 십자형 부재로서 제1 구동요소(10)와 제1 축(5)에 의해 축결합되며, 제3 구동요소(18)는 제1 구동요소(10) 및 제2 구동요소(16)의 둘레를 감싸는 띠형으로서 제2 구동요소(16)와 제2 축(7)에 의해 축결합되는 구조로 이루어진다. 제3 구동요소(18)는 제3 축(9)을 중심으로 회전가능한 구조로 하우징(20) 내에 수용될 수 있다.

각 구동요소의 회전 방식, 각 구동요소 간의 연결관계, 각 구동요소와 조작자(30)의 각 부분과의 풀리 결합 방식 및 구동 메커니즘은 도 3의 경우와 마찬가지 이다. 본 실시예에서는 제1 구동요소(10)에 레버(14)를 결합할 수 있을 뿐만 아니라, T자형 부재의 세로 부재의 말단부를 레버(14)로서 사용할 수 있다. 레버(14)의 조작 방식 및 레버(14)의 조작에 따른 각 구동요소의 회전 메커니즘은 도 3의 경우와 마찬가지이다.

이처럼, 본 발명에 따른 제1, 제2, 제3 구동요소(10, 16, 18)는 바(bar)형, 프레임, 판형, 띠형 등으로 형성할 수 있으며, 각 구동요소의 작동방식 및 그에 따른 조작자(30)를 움직임에 관한 사상이 유지되는 범위 내에서 각 구동요소를 다양한 형상 및 구조로 구현할 수도 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도이다. 도 6을 참조하면, 제1 구동요소(10), 구동자(12), 레버(14), 제2 구동요소(16), 제3 구동요소(18), 하우징(20), 샤프트(22), 조작자(30), 와이어(34)가 도시되어 있다.

본 실시예는 전술한 구동부의 구성을 이른바 '스네이크 타입(snake type)'의 인스트루먼트에 적용한 경우에 관한 것으로, 스네이크 타입 인스트루먼트는 샤프트(22)가 임의의 방향으로 구부러지도록 변형시켜 수술에 필요한 조작의 자유도를 높이고, 간편하고 직관적인 수술이 가능하도록 한 것이다.

스네이크 타입 인스트루먼트는, 샤프트(22)의 변형되어야할 지점에 최소 4개의 와이어(34)를 결합하고 이를 구동부에 연결하여 조작하며, 구동부를 조작하면 그에 따라 각 와이어(34)에 걸리는 장력이 달라지게 되어 장력이 상대적으로 세진 쪽으로 샤프트(22)가 구부러지게 된다.

즉, 샤프트(22)를 직접 변형, 회동시켜 샤프트(22)의 말단에 결합되는 조작자(30)가 원하는 방향을 향하도록 하는 인스트루먼트로서, 전술한 실시예와 마찬가지로 하우징(20) 내에 수용되는 제1 구동요소(10), 제2 구동요소(16) 및 제3 구동요소(18)를 포함하며, 제3 구동요소(18)에 샤프트(22)가 결합되는 구조로 이루어진다.

도 3 및 도 5의 구동부에는, 제1 구동요소(10)가 일체로 이루어진 경우에는 2벌(제1 구동요소와 제2 구동요소에 각각 한 벌씩), 제1 구동요소(10)가 한 쌍의 구동자(12)로 이루어진 경우에는 3벌(한 쌍의 구동자 및 제2 구동요소에 각각 한 벌씩)의 풀리 와이어(34)가 결합될 수 있으므로, 이를 스네이크 타입 인스트루먼트에 적용할 경우, 2벌의 와이어(34), 즉 4개의 와이어(34)를 샤프트(22)가 소정 방향으로 구부러지도록 장력을 인가하는 데에 사용할 수 있다.

이와 같이 제1 구동요소(10)에 결합된 와이어(34)가 샤프트(22)를 변형시키는 데에 사용될 경우, 제1 구동요소(10)에 결합된 레버(14)를 소정 방향으로 조작함에 따라 샤프트(22)가 레버(14)의 조작 방향에 상응하여 변형되게 된다.

이 경우, 조작자(30)의 집게 동작을 위해 한 쌍의 죠(32)를 조작하는 데에 별도의 와이어를 더 사용할 수 있다. 즉, 한 쌍의 구동자 및 제2 구동요소 중 샤프트(22)를 변형시키기 위해 와이어(34)가 결합된 것을 제외한 나머지에 별도의 와이어를 결합하여(예를 들면 제1 구동요소(10)의 중심부를 천공하여 별도의 와이어를 삽입하여) 한 쌍의 죠(32)의 집게 동작을 위해 사용할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 구동부는 조작자(30)의 각 부분을 움직이는 데에 뿐 만 아니라, 스네이크 타입 인스트루먼트와 같이 다른 구조의 인스트루먼트에도 손쉽게 적용할 수 있으며, 구동부의 조작 방향에 상응하여 샤프트(22)가 변형되므로 인스트루먼트를 직관적으로 조작할 수 있어 조작의 편의성이 증대된다.

도 3의 경우와 마찬가지로, 본 실시예에 따른 제1 구동요소(10) 또한 구형으로 형성될 수 있으며, 제1 구동요소(10)를 절단으로 분할하여 각각을 한 쌍의 구동자(12)로 할 수 있다. 즉, 한 쌍의 구동자(12)를 반구형으로 형성하되, 대원이 서로 마주 보도록 접하고 제1 축(5)이 각 반구의 극점을 관통하도록 한 쌍의 구동자(12)를 배치함으로써, 제1 구동요소(10)를 한 쌍의 구동자(12)로 분할할 수 있다.

본 실시예에 따른 인스트루먼트의 구동부 또한, 도 3에서와 마찬가지로, 제1 구동요소(10)는 제1 축(5)이 그 극점을 관통하는 구형으로 형성하고, 제2 구동요소(16)는 제1 구동요소(10)의 둘레를 감싸는 띠형으로서 제1 구동요소(10)와 제1 축(5)에 의해 축결합되며, 제3 구동요소(18)는 제1 구동요소(10) 및 제2 구동요소(16)를 감싸는 통(筒)형으로서 제2 구동요소(16)와 제2 축(7)에 의해 축결합되는 구조로 할 수 있음은 물론이다.

나아가, 제3 축(9)을 중심으로 회전하는 제3 구동요소(18)에 샤프트(22)를 결합하여, 제3 구동요소(18)의 회전에 연동하여 샤프트(22) 및 그 말단에 결합된 조작자(30)가 제3 축(9)을 중심으로 회전하도록 할 수 있다.

제1 구동요소(10)에 레버(14)를 결합하고, 레버(14)에 힘을 가하여 제1 구동요소(10)가 임의의 방향으로 회전하도록, 즉 레버(14)를 조작하여 제1 구동요 소(10)가 제1 축(5), 제2 축(7), 제3 축(9) 중 어느 하나를 중심으로, 또는 각 축 방향이 조합된 임의의 방향으로 회전하도록 할 수 있으며, 이 과정에서 제1 구동요소(10) 뿐만 아니라 제2 구동요소(16) 및 제3 구동요소(18)도 함께 작동되어, 결과적으로 샤프트가 소정의 방향을 향하도록 변형시키게 된다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 커플링 구조를 나타낸 개념도이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 커플링 구조를 나타낸 단면도이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 로봇 암(1), 인스트루먼트(3), 제1 구동요소(10), 구동자(12), 레버(14), 제2 구동요소(16), 제3 구동요소(18), 하우징(20), 샤프트(22), 조작자(30), 액츄에이터(40), 구동체(42), 그립홀(44)이 도시되어 있다.

본 실시예는 수술용 로봇과 전술한 인스트루먼트(3)가 결합되는 구조, 즉, 인스트루먼트(3)를 장착하기 위한 커플링(coupling) 구조에 관한 것이다. 즉, 전술한 바와 같이 3차원적으로 결합되는 구조물의 형태로 인스트루먼트(3)를 형성할 경우, 인스트루먼트(3)가 장착되는 수술용 로봇 암(1)의 단부 또한 인스트루먼트(3)의 구조에 상응하는 형상 및 구조로 제작하는 것이 좋다.

본 실시예에 따른 수술용 로봇과 인스트루먼트(3) 간의 커플링 구조는, 수술용 로봇 암(1)의 단부에 액츄에이터(40)가 마련되고, 액츄에이터(40)에 인스트루먼트(3)의 하우징(20) 부분이 장착되며, 인스트루먼트(3)는 액츄에이터(40)로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구조로 이루어진다.

전술한 실시예에서 인스트루먼트(3)의 제1 구동요소(10)에는 레버(14)가 결 합되며, 레버(14)의 조작에 의해 제1 구동요소(10)는 제1 축(5), 제2 축(7), 제3 축(9) 각각을 중심으로, 또는 각 축이 일정 정도 합성된 임의의 축을 중심으로 회전할 수 있도록 구성된다.

이러한 구조의 인스트루먼트(3)가 장착되는 부분인 액츄에이터(40)에는, 소정의 구간을 직선 또는 곡선의 궤적으로 왕복 운동할 수 있는 구동체(42)가 구비되며, 구동체(42)에는 레버(14)가 삽입될 수 있는 그립홀(44)이 천공된다. 인스트루먼트(3)를 액츄에이터(40)에 장착함에 따라 레버(14)는 그립홀(44)에 삽입되게 되며, 구동체(42)가 소정 구간 내에서 왕복 운동함에 따라 레버(14)가 구동체(42)의 이동 방향으로 조작된다.

전술한 실시예에서 한 쌍의 죠(32)를 각각 움직이기 위해 제1 구동요소(10)를 한 쌍의 구동자(12)로 구성할 경우 이에 상응하여 구동체(42) 또한 한 쌍으로 구성될 수 있으며, 한 쌍의 구동자(12) 각각에 레버(14)가 결합될 경우 한 쌍의 구동체(42)에도 각각 레버(14)가 삽입되는 그립홀(44)이 천공된다.

이처럼, 구동자(12) 및 구동체(42)를 모두 한 쌍의 구성하게 되면, 인스트루먼트(3)를 액츄에이터(40)에 장착하는 과정에서 레버(14)가 그에 상응하는 그립홀(44)에 삽입되지 못하고, 다른 그립홀(44)에 삽입될 우려가 있으며, 이는 인스트루먼트(3)의 오작동의 원인으로 작용할 수 있다.

이에 대해, 각 구동자(12)에 결합되는 레버(14)의 형상을 다르게 하고, 각 구동체(42)에 천공되는 그립홀(44)의 형상을 레버(14)의 형상에 상응하도록 함으로써, 전술한 우려를 미연에 방지할 수 있다. 즉, 한 쌍의 레버(14)를 그 단면 형상 이 서로 다른 기둥 형상으로, 예를 들어 하나의 레버(14)는 사각기둥, 다른 레버(14)는 삼각기둥 형상으로 형성하고, 한 쌍의 그립홀(44)을 하나는 사각형으로, 다른 하나는 삼각형으로 천공함으로써, 인스트루먼트(3)를 액츄에이터(40)에 장착하는 과정에서 레버(14)가 그에 상응하는 그립홀(44)에 정확히 삽입될 수 있도록 하는 것이다.

한편, 제1 구동요소(10)에 결합된 레버(14)를 조작함에 따라 조작자(30)의 각 부분이 움직이게 되며, 역(逆)으로 조작자(30)의 각 부분이 초기 상태에서 벗어나 소정 정도 움직인 상태이면 레버(14)가 초기 위치로부터 벗어난 소정의 위치로 이동한 상태가 된다. 예를 들어, 로봇 수술을 완료하고 인스트루먼트(3)를 제거하는 과정에서 조작자(30)를 초기 상태로 복귀시키지 않으면, 레버(14)는 초기 위치를 벗어난 위치에 있게 된다. 이러한 인스트루먼트(3)를 나중에 다시 로봇 암(1)에 장착하게 되면, 레버(14)가 초기 위치로부터 벗어난 상태이므로, 그립홀(44)에 정확히 삽입되지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

이에 대해, 그립홀(44)의 형상을, 도 8에 도시된 것처럼, 구동체(42)의 단면에서 볼 때 레버(14)를 바라보는 쪽에서는 레버(14)의 단면적보다 크게 하고, 그 반대쪽으로 갈수록 작아지다가 끝에서는 레버(14)의 단면적만큼의 크기가 되도록 천공하면, 비록 레버(14)가 초기 위치로부터 벗어난 상태이더라도, 인스트루먼트(3)를 액츄에이터(40)에 장착함에 따라 레버(14)가 그립홀(44)에 삽입되는 과정에서 자연스럽게 초기 위치로 복원되는, 이른바 자동으로 '초기화'되는 효과를 얻을 수 있다.

다시, 도 7으로 돌아와 본 실시예에 따른 구동체(42)의 작동에 대해 설명하면, 액츄에이터(40)에 구비된 구동체(42)는 전술한 바와 같이 소정 구간 내에서 왕복 운동할 뿐만 아니라, 제2 축(7) 및 제3 축(9)을 중심으로 각각 회동가능한 구조로 구성될 수 있다. 구동체(42)가 왕복 운동 및 제2 축(7), 제3 축(9)을 중심으로 회동가능하도록 하는 작동 메커니즘은 다양한 방식으로 구성할 수 있으며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

인스트루먼트(3)를 액츄에이터(40)에 장착하면 레버(14)가 그립홀(44)에 삽입되며, 따라서 구동체(42)를 움직이면 그에 따라 레버(14)가 조작된다. 도 7에 도시된 실시예의 경우, 구동체(42)를 왕복 운동시키면 그에 따라 레버(14)가 조작되어 제1 구동요소(10)가 제1 축(5)을 중심으로 회전하게 되고, 구동체(42)를 제2 축(7)을 중심으로 회동시키면 그에 따라 레버(14)가 조작되어 제1 구동요소(10)는 제2 축(7)을 중심으로 회전하게 되며, 구동체(42)를 제3 축(9)을 중심으로 회동시키면 그에 따라 레버(14)가 조작되어 제1 구동요소(10)는 제3 축(9)을 중심으로 회전하게 된다.

한편, 구동체(42)가 반드시 제2 축(7)을 중심으로 회동하도록 구성해야 하는 것은 아니며, 도 7에 도시된 것처럼 직교하는 두 방향으로 왕복 운동하도록 구성하고, 구동체(42)가 어느 한 방향으로 왕복 운동하면 그에 따라 레버(14)가 조작되어 제1 구동요소(10)가 제1 축(5)을 중심으로 회전하고, 구동체(42)가 다른 방향으로 왕복 운동하면, 그에 따라 레버(14)가 조작되어 제1 구동요소(10) 및/또는 제2 구동요소(16)가 제2 축(7)을 중심으로 회전하도록 할 수도 있다.

제1 구동요소(10)가 제1 축(5)을 중심으로 회전할 경우 이에 연동하여 한 쌍의 죠(32)가 각각 열리거나 닫히는 방향으로 회동하며, 제1 구동요소(10)가 제2 축(7)을 중심으로 회전할 경우 이에 연동하여 제2 구동요소(16)가 제2 축(7)을 중심으로 회전할 뿐만 아니라 조작자(30)가 틸팅 동작을 할 수 있으며, 제1 구동요소(10)가 제3 축(9)을 중심으로 회전할 경우 이에 연동하여 제2, 제3 구동요소(16, 18) 및 샤프트(22)가 제3 축(9)을 중심으로 회전할 뿐만 아니라 조작자(30)가 제3 축(9)을 중심으로 회전할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 구동요소의 조작에 따른 조작자(30)의 움직임의 비율을 조절할 경우, 예를 들어, 제1 구동요소(10)의 회전 각도에 따른 조작자(30)의 회동 각도의 비율이 2:1이 되도록 할 경우에는, 액츄에이터(40)에 구비되는 구동체(42) 또한 그에 상응하여 약간만 작동시키더라도 조작자(30)는 필요한 만큼 움직이도록 할 수 있다.

본 실시예에 따른 인스트루먼트의 구동부는 제1 축(5)을 중심으로 한 쌍의 구동자(12), 즉 2개의 구동자(12)가 회전하고, 제2 축(7)을 중심으로 제2 구동요소(16)가 회전하며, 제3 축(9)을 중심으로 제3 구동요소(18)가 회전하도록 구성한 것으로서, 총 4가지의 회전 동작을 갖는다. 한편, 조작자(30)의 경우에는, 한 쌍의 죠(32) 각각의 조작(열리고 닫히는 동작), 죠(32)의 틸팅 조작, 조작자(30) 전체의 회전 조작이라는 총 4가지의 조작이 필요하다.

제3 구동요소(18)의 회전 동작을 조작자(30)의 회전 조작에 대응시킬 경우, 구동부의 나머지 3가지 동작, 즉 3자유도 동작과, 조작자(30)의 3가지 조작은 임의 로 매치시킬 수도 있다. 즉, 제1 축(5)을 중심으로 한 구동자(12)의 회전이 반드시 죠(32)의 여닫는 조작에, 제2 축(7)을 중심으로 한 제2 구동요소(16)의 회전이 반드시 죠(32)의 틸팅 조작에 연결되어야 하는 것은 아니며, 구동부의 3가지 구동 동작이 다양한 방식으로 조작자(30)의 3가지 조작(한 쌍의 죠(32) 각각의 열리고 닫히는 조작 및 틸팅 조작)에 매칭되기만 하면 된다.

도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 사시도이다. 도 9를 참조하면, 제1 축(5), 제2 축(7), 제3 축(9), 제1 구동요소(10), 제2 구동요소(16), 제3 구동요소(18), 샤프트(22)가 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 제1 구동요소(10), 제2 구동요소(16) 및 제3 구동요소(18)는 반드시 서로 연동하여 움직여야 하는 것은 아니며, 도 9에 도시된 바와 같이 각 구동요소가 독립적으로 움직이도록 구성할 수도 있다.

즉, 제1 구동요소(10)는 제1 축(5)을 중심으로 회전하도록 구성하고, 제1 구동요소(10)의 회전 동작과 별개로 제2 구동요소(16)가 제2 축(7)을 중심으로 회전하며, 제1, 제2 구동요소(10, 16)의 동작과 별개로 제3 구동요소(18)가 제3 축(9)을 중심으로 회전하도록 구성할 수 있다.

예를 들면, 도 9에서 제1 구동요소(10)를 제2 축(7)을 중심으로 회전시킬 경우, 제2 구동요소(16)가 제1 구동요소(10)와 연동하여 회전하도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 제2 구동요소(16)만 독립적으로 제2 축(7)을 중심으로 회전하도록 할 수도 있다. 이처럼, 제2 구동요소(16)가 독립적으로 움직이도록 할 경우, 수술용 로봇의 액츄에이터에는 제2 구동요소(16)를 독립적으로 움직이기 위한 구동체가 추 가로 설치될 수 있다.

또한, 제1, 제2 구동요소(10, 16)를 제3 축(9)을 중심으로 회전시킬 경우, 제3 구동요소(18)를 제1, 제2 구동요소(10, 16)에 결합하여 전체가 같이 회전하도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 제3 구동요소(18)만 독립적으로 제3 축(9)을 중심으로 회전하도록 할 수도 있다.

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

도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 로봇 수술용 인스트루먼트를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도.

도 4는 도 3에 도시된 수술용 인스트루먼트를 나타낸 평면도.

도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도.

도 6은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 개념도.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 커플링 구조를 나타낸 개념도.

도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수술용 로봇의 커플링 구조를 나타낸 단면도.

도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트를 나타낸 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 수술용 로봇 3 : 인스트루먼트

5 : 제1 축 7 : 제2 축

9 : 제3 축 10 : 제1 구동요소

12 : 구동자 14 : 레버

16 : 제2 구동요소 18 : 제3 구동요소

20 : 하우징 22 : 샤프트

30 : 조작자 32 : 죠

34 : 와이어 36 : 틸팅축

40 : 액츄에이터 42 : 구동체

44 : 그립홀

Claims (31)

1. 삭제
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5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 그 단부에 결합되는 조작자를 회동시켜 수술에 필요한 조작을 수행하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서,

   제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와;

   상기 제1 구동요소가 상기 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하도록 상기 제1 구동요소에 결합되는 제2 구동요소와;

   상기 제2 구동요소가 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하도록 상기 제2 구동요소에 결합되는 제3 구동요소와;

   상기 제3 구동요소에 결합되며, 일방향으로 연장되어 그 단부에 상기 조작자가 결합되는 샤프트와;

   상기 제1 구동요소, 상기 제2 구동요소 및 상기 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하되,

   상기 조작자는 소정의 틸팅축을 중심으로 틸팅(tilting)되며,

   상기 제2 구동요소에는 상기 조작자가 틸팅되도록 상기 틸팅축에 결합되는 풀리 와이어가 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트.
10. 삭제
11. 삭제
12. 수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 그 단부에 결합되는 조작자를 회동시켜 수술에 필요한 조작을 수행하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서,

    제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와;

    상기 제1 구동요소가 상기 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하도록 상기 제1 구동요소에 결합되는 제2 구동요소와;

    상기 제2 구동요소가 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하도록 상기 제2 구동요소에 결합되는 제3 구동요소와;

    상기 제3 구동요소에 결합되며, 일방향으로 연장되어 그 단부에 상기 조작자가 결합되는 샤프트와;

    상기 제1 구동요소, 상기 제2 구동요소 및 상기 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하되,

    상기 제1 구동요소에는 레버가 결합되며, 상기 레버의 조작에 의해 상기 제1 구동요소는 상기 제1 축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트.
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14. 삭제
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17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 일방향으로 연장되는 샤프트를 회동시켜 상기 샤프트의 말단에 결합되는 조작자가 수술 부위를 향하도록 하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서,

    제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와;

    상기 제1 구동요소가 상기 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하도록 상기 제1 구동요소에 결합되는 제2 구동요소와;

    상기 제2 구동요소가 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하도록 상기 제2 구동요소에 결합되는 제3 구동요소와;

    상기 제1 구동요소, 상기 제2 구동요소 및 상기 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하되,

    상기 샤프트는 상기 제3 구동요소에 결합되고,

    상기 제1 구동요소에는 레버가 결합되며, 상기 레버의 조작에 의해 상기 제1 구동요소, 상기 제2 구동요소 및 상기 제3 구동요소 중 어느 하나 이상이 작동되어, 상기 샤프트가 회동하는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트.
21. 수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 그 단부에 결합되는 조작자를 회동시켜 수술에 필요한 조작을 수행하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서, 제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와; 상기 제1 구동요소가 상기 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하도록 상기 제1 구동요소에 결합되는 제2 구동요소와; 상기 제2 구동요소가 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하도록 상기 제2 구동요소에 결합되는 제3 구동요소와; 상기 제3 구동요소에 결합되며, 일방향으로 연장되어 그 단부에 상기 조작자가 결합되는 샤프트와; 상기 제1 구동요소, 상기 제2 구동요소 및 상기 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하는 수술용 인스트루먼트; 또는

    수술용 로봇에 장착되어 작동되며, 일방향으로 연장되는 샤프트를 회동시켜 상기 샤프트의 말단에 결합되는 조작자가 수술 부위를 향하도록 하는 로봇 수술용 인스트루먼트로서, 제1 축을 중심으로 회전하는 제1 구동요소와; 상기 제1 구동요소가 상기 제1 축에 교차하는 제2 축을 중심으로 회전하도록 상기 제1 구동요소에 결합되는 제2 구동요소와; 상기 제2 구동요소가 상기 제1 축 및 상기 제2 축에 교차하는 제3 축을 중심으로 회전하도록 상기 제2 구동요소에 결합되는 제3 구동요소와; 상기 제1 구동요소, 상기 제2 구동요소 및 상기 제3 구동요소를 수용하는 하우징을 포함하되, 상기 샤프트는 상기 제3 구동요소에 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트;가 장착되는 수술용 로봇의 커플링 구조로서,

    상기 수술용 로봇에는 액츄에이터가 구비되고, 상기 인스트루먼트는 상기 하우징이 상기 액츄에이터에 장착된 상태에서 상기 액츄에이터로부터 구동력을 전달받아 작동되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조.
22. 제21항에 있어서,

    상기 제1 구동요소에는 레버가 결합되며, 상기 레버의 조작에 의해 상기 제1 구동요소는 상기 제1 축, 상기 제2 축 및 상기 제3 축으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조.
23. 제22항에 있어서,

    상기 액츄에이터는 왕복 운동하는 구동체를 포함하고, 상기 구동체에는 상기 레버가 삽입되는 그립홀이 천공되며, 상기 레버는 상기 그립홀에 삽입된 상태에서 상기 구동체의 운동에 의해 조작되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조.
24. 제23항에 있어서,

    상기 제1 구동요소는 상기 제1 축을 중심으로 각각 회전하는 한 쌍의 구동자를 포함하고, 상기 구동체는 상기 한 쌍의 구동자에 상응하여 한 쌍으로 구성되며,

    상기 한 쌍의 구동자 각각에는 그 단면 형상이 서로 다른 레버가 결합되고,

    상기 그립홀은 상기 레버의 단면 형상에 상응하는 형상으로 천공되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조.
25. 제23항에 있어서,

    상기 그립홀은 상기 레버에 대향하는 상기 구동체의 일면측에는 상기 레버의 단면적보다 크게 천공되고, 상기 구동체의 타면측으로 갈수록 상기 레버의 단면 적에 상응하도록 그 크기가 작아지도록 천공되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조.
26. 제25항에 있어서,

    상기 제1 구동요소는 상기 레버를 상기 그립홀에 삽입시킴으로써, 그 위치가 초기화되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조.
27. 제23항에 있어서,

    상기 구동체는 상기 제2 축 및 상기 제3 축을 중심으로 각각 회동가능하도록 상기 액츄에이터에 결합되고,

    상기 구동체의 왕복 운동에 의해 상기 제1 구동요소는 상기 제1 축을 중심으로 회전하며,

    상기 구동체의 상기 제2 축을 중심으로 한 회동에 의해 상기 제1 구동요소는 상기 제2 축을 중심으로 회전하며,

    상기 구동체의 상기 제3 축을 중심으로 한 회동에 의해 상기 제1 구동요소는 상기 제3 축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조.
28. 제23항에 있어서,

    상기 구동체는 2이상의 방향으로 왕복 운동하도록 상기 액츄에이터에 결합되고,

    상기 구동체의 어느 하나의 방향으로의 왕복 운동에 의해 상기 제1 구동요소는 상기 제1 축을 중심으로 회전하며,

    상기 구동체의 다른 하나의 방향으로의 왕복 운동에 의해 상기 제1 구동요소는 상기 제2 축을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 커플링 구조.
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