KR101830390B1 - 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조 - Google Patents

Abstract

수술용 인스트루먼트의 구동부 구조가 개시된다. 수술용 로봇의 액추에이터(actuator)로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동휠과, 구동휠에 선택적으로 결합되는 구동축과, 일단부는 구동축에 권취되며 타단부는 이펙터(effector)에 결합되는 와이어를 포함하되, 구동휠과 구동축이 분리된 상태일 때, 구동축은 외력에 의해 임의의 상태로 회전되며, 구동휠과 구동축이 결합된 상태일 때, 구동축은 구동휠의 작동에 연동하여 회전하는 작동모드로 세팅되어, 구동축의 회전에 따라 와이어를 통해 장력이 전달되어 이펙터가 작동되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조는, 인스트루먼트의 구동부에서 구동휠과 구동축을 분리하고 필요에 따라 선택적으로 결합되도록 하여, 인스트루먼트 제작 과정에서 구동휠의 기준 상태 세팅 여부와 상관없이 와이어를 설치하고 이펙터 측의 세팅이 완료된 후에 구동휠을 구동축에 결합시켜 기준 상태가 용이하게 세팅되도록 함으로써, 수술용 인스트루먼트의 조립이 용이하고 그 비용이 절감될 수 있다.

Description

수술용 인스트루먼트의 구동부 구조{Structure of driving part of surgical instrument}

본 발명은 수술용 인스트루먼트의 구동부 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 수술을 위한 조작을 위해 로봇 암을 구비하게 되며, 로봇 암의 선단부에는 인스트루먼트(instrument)가 장착되어, 로봇으로부터 생성, 전달되는 구동력에 의해 인스트루먼트가 수술에 필요한 동작을 수행하게 된다.

일반적으로 로봇에 장착되는 수술용 인스트루먼트는, 길이방향으로 연장된 샤프트와, 샤프트의 말단에 결합된 이펙터, 그리고 샤프트의 선단에 결합되어 이펙터를 작동시키기 위한 구동부로 이루어진다. 구동부에는 복수의 구동휠 및 그에 결합된 구동축이 구비되는데, 각 구동축에는 와이어의 일단부가 권취되어 있으며 와이어의 타단부는 이펙터의 각 부분과 연결되어 있어, 구동휠을 작동시키면 그에 따라 구동축이 회전하여 와이어에 장력이 인가되고, 이에 따라 와이어가 이펙터의 각 부분을 잡아 당겨, 결과적으로 이펙터는 수술에 필요한 다양한 동작을 수행하게 된다.

이러한 수술용 인스트루먼트를 로봇에 장착하면, 구동휠은 로봇에 구비된 액추에이터에 결합되어 액추에이터로부터 전달되는 구동력을 받아 작동(회전)되며, 이에 따라 이펙터가 전술한 동작을 수행하게 되어, 결과적으로 수술용 인스트루먼트가 로봇에 의해 제어되게 된다.

수술용 인스트루먼트를 제작하는 과정에서, 이펙터는 수술에 사용되기 위해 기준이 되는 초기 위치 또는 자세로 세팅되어야 하고, 구동휠은 또한 로봇(액추에이터)에 결합되기 위해 기준이 되는 초기 위치 또는 상태로 세팅되어야 한다.

이펙터와 구동휠은 와이어 동력 전달 메커니즘으로 연결되어 있으므로, 어느 하나가 움직이면 그에 따라 다른 하나도 움직이게 된다. 예를 들어, 초기 위치를 세팅하기 위해 이펙터를 움직이면 그에 따라 구동휠도 회전하게 되어 구동휠의 초기 위치가 흐트러질 수 있는 것이다. 따라서, 수술용 인스트루먼트를 제작하기 위해서는 이펙터 및 구동휠의 초기 위치가 동시에 세팅되도록 해야 하므로, 조립 작업이 어렵고 조립 비용이 상승하게 되는 문제가 있다.

한편, 최근 인스트루먼트의 샤프트가 자유자재로 구부러질 수 있도록 제작되는 이른바 '플렉서블 인스트루먼트'가 사용되고 있는데, 플렉서블 인스트루먼트는, 도 1에 도시된 것처럼, 수술 부위에 삽입되는 과정에서 그 삽입 경로의 형태에 따라 샤프트(S)가 구부러지게 되고, 그 결과 샤프트(S) 내에 수용된 와이어(W)에 장력이 걸리게 된다. 와이어(W)에 장력이 인가되면, 이에 따라 이펙터(E)가 의도치 않게 움직여 기준이 되는 초기 위치로부터 벗어나도록 작동되게 되며, 이와 함께 또는 이와는 별도로 구동휠(D) 또한 초기 위치로부터 벗어나도록 움직이게 된다.

따라서, 플렉서블 인스트루먼트는, 제작 과정에서는 샤프트가 구부러지지 않은 상태를 기준으로 이펙터 및 구동휠의 초기 위치를 세팅해 놓았다 하더라도, 사용 과정에서 샤프트가 구부러짐에 따라 이펙터 및/또는 구동휠의 초기 세팅 상태가 흐트러지게 되어 로봇에 의한 제어가 제대로 이루어지지 못하거나, '흐트러진 상태'를 초기 상태로 재설정한다 하더라도 이미 움직인 정도만큼은 로봇에 의해 제어되지 못한다(예를 들어, 구동휠이 350도만큼의 회전이 제어된다고 할 때, 상기 '흐트러짐'에 의해 50도만큼 회전되어 버리면, 그 회전된 상태를 초기 상태로 재설정한다고 하더라도, 구동휠은 300도만큼 밖에 회전이 제어되지 못함)는 한계가 있다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

한편, 미국특허 US7,918,861에는 플렉서블 인스트루먼트(flexible instrument)의 와이어링(wiring) 구조 및 구동휠 구조가 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 미국 등록특허공보 US7,918,861호

본 발명은, 제작 과정에서 수술용 인스트루먼트의 기준 상태를 용이하게 세팅할 수 있으며, 플렉서블 샤프트가 적용된 인스트루먼트의 경우 그 사용 과정에서 이펙터 및/또는 구동휠의 기준 상태가 흐트러지는 것을 용이하게 보상할 수 있도록 한 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수술용 로봇의 액추에이터(actuator)로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동휠과, 구동휠에 선택적으로 결합되는 구동축과, 일단부는 구동축에 권취되며 타단부는 이펙터(effector)에 결합되는 와이어를 포함하되, 구동휠과 구동축이 분리된 상태일 때, 구동축은 외력에 의해 임의의 상태로 회전되며, 구동휠과 구동축이 결합된 상태일 때, 구동축은 구동휠의 작동에 연동하여 회전하는 작동모드로 세팅되어, 구동축의 회전에 따라 와이어를 통해 장력이 전달되어 이펙터가 작동되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조가 제공된다.

구동휠과 구동축이 분리된 상태일 때, 구동축은 와이어에 작용하는 장력에 의해 임의의 상태로 회전될 수 있다. 와이어는 플렉서블(flexible)한 샤프트(shaft) 내에 수용되고, 샤프트의 말단에는 이펙터가 결합되며, 인스트루먼트의 사용 과정에서 샤프트가 구부러짐에 따라 와이어에 장력이 인가되어 구동축이 임의의 상태로 회전될 수 있다.

구동휠은 구동축의 일단부에 결합되며, 구동축의 타단부에는 구동축을 수동으로 회전시키기 위한 노브(knob)가 형성될 수 있다. 구동휠과 구동축이 분리된 상태일 때, 구동축은 노브에 대한 사용자 조작에 의해 임의의 상태로 회전될 수 있다. 이펙터에는, 사용자가 구동축을 수동으로 회전시킴에 따라 이펙터가 작동된 상태를 인지할 수 있도록 지시자가 표시될 수 있다.

구동휠과 구동축의 서로 대향하는 면 중 어느 하나 이상에는 마찰면이 형성되어, 구동휠과 구동축은 마찰 접합 방식으로 결합될 수 있다. 또는, 구동휠과 구동축의 서로 대향하는 면에는 서로 치합(齒合)되는 기어가 각각 형성되어, 구동휠과 구동축은 기어 결합 방식으로 결합될 수 있다. 또는, 구동휠과 구동축의 서로 대향하는 면에는 서로 정합(整合)되는 돌기 및 홈이 각각 형성되어, 구동휠과 구동축은 끼움 결합 방식으로 결합될 수 있다. 또는, 구동휠과 구동축의 서로 대향하는 면에는 자성에 의해 서로 부착되는 전자석 및 자성체가 각각 설치되어, 구동휠과 구동축은 전자석의 작동에 따라 결합될 수 있다.

구동휠을 포함하는 인터페이스와, 구동축을 수용하는 하우징을 더 포함하되, 구동축은 하우징의 타면에 회전 가능하도록 결합되며, 인터페이스를 하우징의 일면에 결합시킴에 따라, 구동휠과 구동축이 결합될 수 있다. 하우징은 그 일면이 개방된 박스(box) 형상으로 형성되고, 인터페이스는 하우징의 개방된 일면을 마감하는 면재(面材) 형상으로 형성될 수 있다.

구동휠과 구동축의 서로 대향하는 면에는 서로 대응되는 돌기 및 홈이 각각 형성되되, 돌기는 홈에 수용되는 것보다 크게 형성되어, 인터페이스를 하우징의 일면에 결합시킴에 따라 돌기는 홈을 가압하여, 구동휠과 구동축 간의 마찰력이 증대될 수 있다.

인터페이스에는 하우징에의 결합 방향으로 연장된 가이드 바(guide bar)가 형성되며, 하우징에는 가이드 바를 수용하여 인터페이스의 분리 및 결합을 안내하는 가이드 홈이 형성될 수 있다. 인터페이스가 하우징에 결합된 상태를 유지하도록 하는 체결 기구를 더 포함할 수 있다.

구동휠 및 구동축은 각각 복수로 구비되고, 하우징은, 복수의 구동축이 각각 개별적으로 그에 대응하는 구동휠에 결합될 수 있도록, 구동축 단위로 분리되어 작동될 수 있다. 또는, 인터페이스를 하우징의 일면에 결합시킴에 따라, 복수의 구동축은 그에 대응하는 복수의 구동휠에 각각 결합될 수 있다.

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

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 인스트루먼트의 구동부에서 구동휠과 구동축을 분리하고 필요에 따라 선택적으로 결합되도록 하여, 인스트루먼트 제작 과정에서 구동휠의 기준 상태 세팅 여부와 상관없이 와이어를 설치하고 이펙터 측의 세팅이 완료된 후에 구동휠을 구동축에 결합시켜 기준 상태가 용이하게 세팅되도록 함으로써, 수술용 인스트루먼트의 조립이 용이하고 그 비용이 절감될 수 있다.

또한, 플렉서블 인스트루먼트의 경우, 구동휠이 구동축과 분리된 상태에서 샤프트를 수술 부위에 삽입한 후 이펙터를 원하는 상태(기준 상태)로 세팅한 후에 구동휠을 구동축에 결합시킴으로써, 플렉서블 인스트루먼트의 사용 과정에서 이펙터 및/또는 구동휠의 기준 상태가 흐트러지는 것을 쉽게 보상할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 플렉서블 인스트루먼트의 사용 상태를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조를 나타낸 개념도.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구동휠과 구동축의 결합 방식을 나타낸 개념도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조를 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 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.

한편, 수술용 인스트루먼트가 수술에 사용되기 위해서는 기준이 되는 초기 위치, 자세, 상태로 세팅되어야 하는데, 이러한 초기 세팅 위치, 자세, 상태를 '기준 상태'라 명명하여 설명한다. 즉, 인스트루먼트의 이펙터 및 구동휠은 초기에 기준 상태로 세팅되어 수술에 사용되게 된다.

또한, 본 실시예에 따른 인스트루먼트는 구동휠과 구동축이 분리되어 있다가 필요에 따라 선택적으로 결합되는 구조로 이루어지는데, 구동휠과 구동축이 결합되어 구동축이 구동휠의 작동에 연동하여 작동하는 상태, 즉 구동력 전달 체계가 '로봇(액추에이터)-구동휠-구동축-와이어-이펙터'로 연결된 상태를 '작동모드'라 명명하여 설명한다. 즉, 수술용 인스트루먼트는 작동모드에서 로봇에 의해 제어되게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조를 나타낸 개념도이다. 도 2를 참조하면, 액추에이터(1), 인스트루먼트(5), 구동부(7), 구동휠(14), 구동축(24), 노브(26), 이펙터(30), 지시자(32), 와이어(40), 샤프트(50)가 도시되어 있다.

본 실시예는, 구동휠 및 구동축, 구동축에 풀리 결합된 와이어, 와이어를 수용하는 샤프트, 샤프트의 말단에 결합되며 와이어를 통해 전달되는 장력에 의해 작동되는 이펙터로 이루어지는 수술용 인스트루먼트 구조에 있어서, 첫째, 조립 과정에서 이펙터 및 구동휠의 기준 상태를 동시에 맞춰야 하는데, 와이어의 설치 과정에서 구동휠이 기준 상태를 유지하지 못하고 회전되는 문제를 해결하고, 둘째, 플렉서블 샤프트가 적용된 인스트루먼트의 경우 사용 과정에서 샤프트가 구부러짐에 따라 와이어에 장력이 인가되어 이펙터 및/또는 구동휠의 기준 상태가 흐트러지는 문제를 해결한 구동부 구조를 특징으로 한다.

이를 위해, 본 실시예에 따른 인스트루먼트의 구동부(7) 구조는 와이어(40)가 권취되는 구동축(24)과 구동휠(14)을 분리시키고 필요에 따라 구동휠(14)이 구동축(24)에 접합되도록 함으로써, 제작 과정에서는 이펙터(30), 와이어(40), 구동축(24)을 원하는 상태(예를 들면, 기준 상태)로 세팅한 후에 (기준 상태로 세팅된) 구동휠(14)을 접합시킬 수 있어, 인스트루먼트의 초기 세팅을 용이하게 한 것을 특징으로 한다.

즉, 구동부의 각 구성요소들이 연결된 상태로 조립되어야 하는 종래의 인스트루먼트는 서로 연결된 구성요소들의 기준 상태를 동시에 맞춰야 하므로 조립이 어렵다는 문제가 있었으나, 본 실시예에 따른 인스트루먼트는 구동휠(14)과 구동축(24)이 분리되어 있으므로, 구동휠(14)을 떼어놓은 상태에서 나머지 구성요소들을 자유롭게 조립한 후 구동휠(14)을 다시 붙이는 방식으로 조립할 수 있어, 조립 및 초기 세팅이 용이해진다.

이처럼, 구동휠(14)과 구동축(24)이 분리된 상태로 제작된 인스트루먼트는, 구동휠(14)과 구동축(24)을 접합시킨 후 로봇에 장착할 수도 있고, 구동휠(14)과 구동축(24)이 분리된 상태로 로봇에 장착한 후 수술 전에 구동휠(14)과 구동축(24)을 붙여서 사용할 수도 있다.

또한, 샤프트가 플렉서블하게 제작된 이른바 '플렉서블 인스트루먼트'의 경우 이펙터를 수술 부위에 삽입하는 과정에서 샤프트가 구부러지게 되며, 샤프트의 굴곡에 따라 와이어에 장력이 걸리고 그 장력에 의해 이펙터가 변형, 즉 기준 상태로부터 벗어나도록 작동될 수 있다.

종래의 인스트루먼트에서는, 이러한 이펙터의 변형을 보상하기 위해 이펙터를 강제로(수동으로) 기준 상태로 세팅하면 그에 따라 구동휠이 회전하여 구동휠의 기준 상태가 흐트러지는 문제가 있었으나, 본 실시예에서는 이러한 문제를 해결하여 플렉서블 인스트루먼트의 사용 과정에서 이펙터의 변형을 보상하고, 이펙터의 변형에 따라 구동축이 일정 정도 회전된 상태를 기준 상태로 쉽게 세팅할 수 있도록 한 것이다.

본 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트는 수술용 로봇으로부터 구동력을 전달받아 작동, 제어되는데, 통상 수술용 로봇에는 로봇 암이 결합되고 로봇 암의 단부에는 구동휠과 정합되는 구조의 액추에이터(actuator)가 형성된다. 이하, 수술용 로봇에 인스트루먼트를 장착할 경우, 이를 매개하는 구성요소로서 로봇으로부터 생성된 구동력을 인스트루먼트에 전달하는 부분을 '액추에이터'라 명명하여 설명한다.

본 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 구동부(7)는 구동휠(14), 구동축(24) 및 와이어(40)로 이루어질 수 있다. 구동휠(14)은 인스트루먼트(5)를 로봇에 장착할 경우 액추에이터(1)와 정합되는 구성요소로서, 액추에이터(1)로부터 구동력을 전달받아 작동(회전)된다.

구동축(24)은 구동휠(14)에 선택적으로 결합되는 일종의 회전축으로서, 그 회전에 따라 후술하는 와이어(40)에 장력을 전달하는 역할을 한다. 본 실시예는 구동휠(14)과 구동축(24)이 분리되어 있다가 필요에 따라 선택적으로 결합되는 구조를 특징으로 한 것으로, '구동휠(14)-구동축(24)' 간의 구체적인 결합 방식에 관하여는 후술한다.

와이어(40)는 동력 전달 매체로서, 그 일단부는 전술한 구동축(24)에 권취되고 그 타단부는 이펙터(effector)(30)의 각 부분에 결합된다. 구동축(24)이 회전하면 와이어(40)에는 그 감기는 방향으로 장력이 발생하고 그 결과 와이어(40)의 타단부에 결합된 이펙터(30)의 일부가 잡아 당겨져 움직이게 된다.

예를 들어, 이펙터(30)가 4자유도로 움직이는 구조라면, 4개의 구동축(24)을 구비하고 각 구동축(24)에 권취된 4개의 와이어(40)의 타단부를 이펙터(30)의 각 부분(움직여야 하는 부분)에 연결함으로써, 구동축(24)의 회전에 따라 이펙터(30)가 4자유도로 작동되도록 할 수 있다.

구동축(24)의 회전에 필요한 구동력은 구동휠(14)로부터 제공될 수 있는데, 구동력의 전달 여부는 구동휠(14)과 구동축(24) 간의 결합 여부에 따라 달라진다.

먼저, 구동휠(14)과 구동축(24)이 분리된 상태일 때에는, 액추에이터(1)로부터 전달된 구동력이 구동축(24)으로 전달되지 않고, 역으로 구동축(24)을 회전시키는 외력이 구동휠(14)로 전달되지 않는다. 이 경우, 구동축(24)은 외력에 의해 임의의 상태로 회전될 수 있다. 구동축(24)을 회전시키는 외력으로는 와이어(40)에 인가된 장력, 사용자의 수동 조작에 따른 힘 등이 있을 수 있으며, 이에 관하여는 후술한다.

구동축(24)이 '임의의 상태로 회전'된다는 것은, 로봇으로부터 전달되는 구동력이 차단된 상태에서 외력에 의해 구동축(24)이 자유자재로 회전되는 것을 의미한다.

다음으로, 구동휠(14)과 구동축(24)이 결합된 상태일 때에는, 액추에이터(1)로부터 전달된 구동력이 구동축(24)으로 전달된다. 즉, 인스트루먼트의 구동부(7)는 구동휠(14)의 작동에 연동하여 작동하는 작동모드로 세팅되게 된다.

작동모드일 때, 로봇(액추에이터(1))으로부터 전달된 구동력은 구동휠(14), 구동축(24), 와이어(40)를 거쳐 이펙터(30)로 전달되어 이펙터(30)가 작동되며, 그 결과 인스트루먼트(5)는 로봇에 의해 제어되는 상태가 된다.

구동축(24)이 외력에 의해 임의의 상태로 회전되는 경우를 상세히 설명하면, 플렉서블한, 즉 자유롭게 구부러질 수 있는 재질이나 구조로 이루어진 샤프트(50)를 사용한 인스트루먼트(5)의 경우, 동력 전달 매체인 와이어(40)는 플렉서블 샤프트(50) 내에 수용되고 샤프트(50)의 말단에는 이펙터(30)가 결합되는데, 수술시 이펙터(30)를 수술 부위로 삽입하는 과정에서 샤프트(50)는 그 삽입 경로의 형태에 따라 구부러지게 된다.

샤프트(50)가 구부러지면 그 내부에 수용된 와이어(40)에는 장력이 걸리게 되는데, 예를 들어 샤프트(50)가 우측으로 구부러진다면 내측(우측)에 위치한 와이어보다는 외측(좌측)에 위치한 와이어(40)에 더 많은 '잡아 당겨지는 힘'이 작용하게 된다. 이처럼, 와이어(40)에 장력이 인가되면 그 와이어(40)에 연결된 이펙터(30) 및 구동축(24)에도 장력이 작용하게 되어, 그 결과 이펙터(30)가 의도치 않게 움직이고 구동축(24)이 임의의 상태로 회전된다.

즉, 구동휠(14)과 구동축(24)이 분리된 상태일 때, 구동축(24)은 (샤프트(50)의 굴곡에 따라) 와이어(40)에 작용하는 장력에 의해 임의의 상태로 회전될 수 있다.

구동축(24)이 외력에 의해 임의의 상태로 회전되는 다른 경우를 상세히 설명하면, 구동축(24)의 한 쪽에는 구동휠(14)이 (선택적으로) 결합되고 다른 쪽에는 구동축(24)을 수동으로 회전시키기 위한 노브(knob)(26)가 형성되어 있다고 할 때, 사용자가 노브(26)를 조작하여 구동축(24)이 임의의 상태로 회전된다.

이는, 인스트루먼트(5)의 조립 과정을 상정한 예로서, 구동축(24)과 이펙터(30)가 와이어(40)로 연결된 상태에서 사용자(조립하는 사람)는 구동축(24)의 노브(26)를 조작하여 이펙터(30)를 수동으로 작동시켜 이펙터(30)가 기준 상태로 세팅되도록 조정할 수 있다.

즉, 구동휠(14)과 구동축(24)이 분리된 상태일 때, 구동축(24)은 노브(26)에 대한 수동 조작에 의해 임의의 상태로 회전될 수 있다.

한편, 인스트루먼트(5)의 조립 과정에서 사용자가 노브(26)를 조작하여 이펙터(30)가 기준 상태로 세팅되었는지를 확인할 수 있도록 이펙터(30)에는 지시자(32)를 표시할 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼 한 쌍의 죠(jaw)로 이루어진 이펙터(30)의 각 죠에 그 연장 방향으로 기준 라인(참조선)을 그려서, 사용자가 수동으로 구동축(24)을 회전시켜 이펙터(30)가 원하는 상태(예를 들면, 기준 상태)로 작동되었는지를 인지하도록 할 수 있다.

도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구동휠과 구동축의 결합 방식을 나타낸 개념도이다. 도 3 내지 도 7을 참조하면, 구동휠(14), 구동축(24)이 도시되어 있다.

도 3 내지 도 7은 구동휠(14)과 구동축(24) 간의 선택적 결합 방식을 예시한 것이다. 도 3은 마찰 접합 방식, 도 4는 기어 결합 방식, 도 5는 끼움 결합 방식, 도 6은 전자석 방식, 도 7은 끼움 결합 방식으로서 끼워질수록 마찰력 커지는 방식에 관한 것이다.

먼저, 도 3의 마찰 접합 방식은, 구동휠(14) 및/또는 구동축(24)의 서로 대향하는 면에 마찰면(도 3의 'F' 참조)을 형성하여, 구동휠(14)과 구동축(24)이 클러치와 같은 마찰 접합 방식으로 결합되도록 한 것이다. 마찰면은, 구동휠(14) 및/또는 구동축(24)의 표면 조도(roughness)를 거칠게 가공하거나, 충분한 조도를 가지는 재료를 구동휠(14) 및/또는 구동축(24)의 표면에 부착하는 방식으로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 4의 기어 결합 방식은, 구동휠(14) 및 구동축(24)의 서로 대향하는 면에 서로 치합(齒合)되는 한 쌍의 기어(도 4의 'G' 참조)를 각각 형성하여, 구동휠(14)과 구동축(24)이 기어에 의해 결합되도록 한 것이다. 구동휠(14) 및 구동축(24)은 모두 소정의 중심점을 중심으로 회전하는 구성요소이므로, 기어는 도 4에 예시된 것처럼 중심점으로부터 외주부를 향하여 방사상으로 펼쳐진 형태로 형성될 수 있다.

다만, 도 4는 기어의 형상의 일 실시예를 예시한 것으로, 예시된 형상 외에도 구동휠(14)과 구동축(24)이 서로 기어 결합하여 연동될 수 있는 다양한 형상의 기어를 형성할 수도 있음은 물론이다.

다음으로, 도 5의 끼움 결합 방식은, 구동휠(14) 및 구동축(24)의 서로 대향하는 면에 서로 정합(整合)되는 돌기(도 5의 'P' 참조)와 홈(도 5의 'R' 참조)을 각각 형성하여, 구동휠(14)과 구동축(24)이 끼워지는 방식으로 결합되도록 한 것이다. 구동휠(14) 및 구동축(24)은 모두 소정의 중심점을 중심으로 회전하는 구성요소이므로, 돌기 및 홈은 도 5에 예시된 것처럼 사각뿔 형상 등 회전축에 수직한 단면의 형상이 원이 아닌 형상으로 형성될 수 있다.

다만, 도 5는 돌기와 홈의 형상의 일 실시예를 예시한 것으로, 예시된 형상 외에도 구동휠(14)과 구동축(24)이 서로 끼워져 연동될 수 있는 다양한 형상의 돌기 및 홈을 형성할 수도 있음은 물론이다.

다음으로, 도 6의 전자식 방식은, 구동휠(14) 및 구동축(24)의 서로 대향하는 면에 자성에 의해 서로 부착되는 전자석(도 6의 'M1' 참조)과 자성체(도 6의 'M2' 참조)를 각각 설치하여, 구동휠(14)과 구동축(24)이 자력에 의해 서로 부착되도록 한 것이다.

전자석을 사용할 경우, 전자석의 작동 여부에 따라 구동휠(14)과 구동축(24)이 부착되거나 떨어지게 되므로, 수술용 로봇(또는 다른 별도의 제어 장치)에 의해 구동휠(14)과 구동축(24) 간의 부착(락(lock) 모드)과 떨어짐(언락(unlock) 모드)을 제어할 수 있다는 장점이 있다.

여기서 자성체는 영구자석, 전자석, 철편(鐵片) 등을 포함하는 개념으로써, 예를 들면, 구동휠(14)에는 전자석을 설치하고 구동축(24)에는 철편을 설치하여 전자석의 작동에 따라 구동휠(14)과 구동축(24)이 부착되도록 제어할 수도 있고, 구동휠(14) 및 구동축(24)에 모두 전자석을 설치하여 전자석의 대향하는 면이 서로 다른 극성을 띄도록 작동시켜 구동휠(14)과 구동축(24)이 부착되고 전자석의 대향하는 면이 서로 같은 극성을 띄도록 작동시켜 구동휠(14)과 구동축(24)이 떨어지도록 제어할 수도 있다.

다음으로, 도 7의 끼움 결합 방식은, 구동휠(14)과 구동축(24)의 서로 대향하는 면에는 서로 대응되는 돌기(도 7의 'P'' 참조)와 홈(도 7의 'R'' 참조)을 각각 형성한다는 점에서는 도 5와 공통되나, 도 7에 예시된 실시예의 경우 돌기와 홈을 정합되는 형태로 형성하는 대신 돌기가 홈보다 약간 크게, 즉 돌기가 홈에 수용되는 것보다 조금 크게 되도록 하여 구동휠(14)과 구동축(24)이 끼워지는 방식으로 결합되도록 한 것이다.

이 경우, 구동축(24)이 구동휠(14)에 끼워질수록 돌기가 홈을 가압하는 정도가 커져 결과적으로 구동휠(14)과 구동축(24) 간의 마찰력이 증대될 수 있다. 구동휠(14)과 구동축(24) 간의 마찰력이 커질수록 그 연동 메커니즘이 공고히 될 수 있음은 물론이다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조를 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 구동부(7), 하우징(10), 가이드 홈(12), 구동휠(14), 인터페이스(20), 가이드 바(22), 구동축(24), 노브(26), 이펙터(30), 와이어(40), 샤프트(50)가 도시되어 있다.

도 2에서는 본 실시예의 핵심 구성요소만을 개념적으로 도시한 것으로서, 이하 도 8을 참조하여 인스트루먼트의 구동부(7) 구조의 구체적인 형태 및 구조에 관하여 설명한다.

인스트루먼트의 구동부(7)가 소정 형상(예를 들면, 직육면체)의 하우징(10) 내에 수용되어 있고 샤프트(50)는 하우징(10)에 연결되어 있다고 할 때, 본 실시예에 따른 구동부(7) 구조는 도 8에 도시된 것처럼 구동축(24)을 수용하는 하우징(10)과, 구동휠(14)을 포함하는 인터페이스(20)로 구분될 수 있다.

본 실시예에 따른 구동휠(14)과 구동축(24)은 선택적으로 결합되므로, 하우징(10)과 인터페이스(20) 또한 선택적으로 결합되는 구조로 구성될 수 있다. 하우징의 전체적인 형태가 직육면체라고 할 때, 본 실시예에 따른 하우징은 직육면체의 각 변을 이루는 선재(線材)로 이루어진 '프레임 구조'로 만들어질 수도 있고, 도 8에 도시된 것처럼 직육면체의 6개 면 중의 일부(예를 들면, 구동휠이 결합되는 면 등)를 면재(面材)로 구성한 '개방형 박스 구조'로 만들어질 수도 있다.

이처럼, 하우징(10)을 그 일면이 개방된 박스(box) 형상으로 형성할 경우, 인터페이스(20)는 하우징(10)의 개방면을 마감하는 면재 형상으로 형성될 수 있다.

다만, 도 8은 하우징과 인터페이스 간의 결합 구조의 일례를 도시한 것으로, 본 실시예에 따른 구동축과 구동휠을 선택적으로 결합시키기 위해, 반드시 도시된 '하우징-인터페이스' 결합 구조가 적용되어야만 하는 것은 아니다. 예를 들어, 소정의 하우징 내에 구동축과 구동휠이 모두 수용되되, 선택에 따라 구동축과 구동휠이 결합 또는 분리되는 구조가 적용될 수도 있다.

하우징(10)의 일면이 개방되어 있다고 할 때 구동축(24)은 하우징(10)의 타면에 결합되어 회전하며, 하우징(10)의 일면은 인터페이스(20)가 결합되어 마감하게 된다. 인터페이스(20)에는 구동휠(14)이 포함되어 있으므로, 인터페이스(20)를 하우징(10)에 결합함에 따라 구동휠(14)과 구동축(24)이 결합될 수 있다.

인터페이스(20)와 하우징(10) 간의 결합을 위해, 도 8에 도시된 것처럼, 인터페이스(20)에는 가이드 바(guide bar)(22)를 형성하고 하우징(10)에는 가이드 바(22)가 삽입되는 가이드 홈(12)을 형성할 수 있다.

가이드 바(22)는 인터페이스(20)가 하우징(10)에 결합되는 방향으로 연장되도록 형성될 수 있으며, 이 경우 인터페이스(20)를 이동시켜 가이드 바(22)가 가이드 홈(12)에 삽입되도록 하면, 자연스럽게 인터페이스(20)가 하우징(10)에 결합될 수 있다. 즉, '가이드 바(22)-가이드 홈(12)'의 구성을 통해 인터페이스(20)의 하우징(10)에 대한 분리 및 결합이 안내되도록 할 수 있다.

한편, 인터페이스(20)를 하우징(10)에 결합시킴으로써 구동휠(14)은 구동축(24)에 결합되어 수술용 인스트루먼트의 구동부(7)를 이루게 된다. 인스트루먼트의 사용 과정에서는 인터페이스(20)가 하우징(10)에 결합된 상태(구동휠(14)과 구동축(24)이 결합된 상태)를 유지하여 인스트루먼트가 작동모드로 세팅되도록 할 필요가 있는데, 이를 위해 본 실시예에 따른 하우징(10) 및 인터페이스(20)에는 체결 기구(도 8의 'J' 참조)가 설치될 수 있다.

예를 들어, 하우징(10)에는 후크(J1)를 형성하고 후크의 위치에 상응하여 인터페이스(20)에는 걸림턱(J2)을 형성함으로써, 인터페이스(20)를 하우징(10)에 결합시킨 후 그 결합된 상태가 유지되도록 할 수 있다.

다만, 도 8에는 체결 기구의 일 실시예가 예시된 것으로, 예시된 구조 외에도 하우징(10)과 인터페이스(20) 간의 결합 상태를 유지할 수 있는 다양한 형상 및 구조의 체결 기구가 적용될 수도 있음은 물론이다.

본 실시예에 따른 구동휠(14) 및 구동축(24)은 각각 복수로 구비될 수 있다. 전술한 예에서처럼, 이펙터(30)가 4자유도로 움직이는 인스트루먼트 구조인 경우, 구동휠(14) 및 구동축(24)은 각각 4개씩 구비될 수 있다.

이처럼 구동휠(14)과 구동축(24)이 복수로 구비된 경우, 복수의 구동축(24)과 복수의 구동휠(14)은 한꺼번에 분리 또는 결합되도록 할 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 것처럼 4개의 구동휠(14)을 포함하는 인터페이스(20)를 하우징(10)의 일면에 체결시킴에 따라, 4개의 구동휠(14)은 그에 대응하는 4개의 구동축(24)과 한꺼번에 결합되게 된다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 구동부(7), 하우징(10a, 10b, 10c, 10d), 구동휠(14), 인터페이스(20), 구동축(24), 와이어(40), 샤프트(50)가 도시되어 있다.

도 8에는 4개의 구동휠(14)이 한꺼번에 구동축(24)과 결합되는 구조가 예시되어 있으며, 도 9에는 각 구동휠(14)별로 개별적으로 구동축(24)과 결합되는 구조가 예시되어 있다.

즉, 구동휠(14)과 구동축(24)이 복수로 구비된 경우, 하우징(10)을 각 구동축(24) 단위로 분리하여 각 단위(10a, 10b, 10c, 10d)가 개별적으로 작동(도 9의 경우 업(up)-다운(down))되도록 함으로써, 복수의 구동축(24)이 각각 개별적으로 그에 대응하는 구동휠(14)에 결합되도록 할 수 있다.

하우징(10)이 각 구동축(24) 단위(10a, 10b, 10c, 10d)로 개별적으로 작동되도록 할 경우, 하우징(10)과 인터페이스(20) 간의 분리/결합을 안내하는 전술한 '가이드 바(22)-가이드 홈(12)' 구성은 각 단위(10a, 10b, 10c, 10d)별로 형성될 수 있으며, 하우징(10)과 인터페이스(20) 간의 결합 상태를 유지하는 전술한 '체결 기구' 구성 또한 각 단위(10a, 10b, 10c, 10d)별로 설치될 수 있다.

이처럼, 각 구동축(24) 단위별로 개별적으로 구동휠(14)과 결합되도록 함으로써, 각 구동축(24) 단위별로 기준 상태를 개별적으로 세팅할 수 있다.

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

1 : 액추에이터 5 : 인스트루먼트
7 : 구동부 10, 10a, 10b, 10c, 10d : 하우징
12 : 가이드 홈 14 : 구동휠
20 : 인터페이스 22 : 가이드 바
24 : 구동축 26 : 노브
30 : 이펙터 32 : 지시자
40 : 와이어 50 : 샤프트

Claims (17)

1. 수술용 로봇의 액추에이터(actuator)로부터 구동력을 전달받아 작동되는 구동휠과;
   일단부에 상기 구동휠이 선택적으로 결합되는 구동축과;
   일단부는 상기 구동축에 권취되며 타단부는 이펙터(effector)에 결합되는 와이어를 포함하되,
   상기 구동휠과 상기 구동축이 분리된 상태일 때, 상기 와이어가 권취된 상기 구동축은 외력에 의해 회전되어 상기 이펙터의 초기 세팅 상태인 기준 상태로 세팅된 후에, 상기 구동휠이 상기 일단부에 접촉하여 결합되고,
   상기 구동휠과 상기 구동축이 결합된 상태일 때, 상기 구동축은 상기 구동휠의 작동에 연동하여 회전하는 작동모드로 세팅되어, 상기 구동축의 회전에 따라 상기 와이어를 통해 장력이 전달되어 상기 이펙터가 작동되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 구동휠과 상기 구동축이 분리된 상태일 때, 상기 구동축은 상기 와이어에 작용하는 장력에 의해 임의의 상태로 회전되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 와이어는 플렉서블(flexible)한 샤프트(shaft) 내에 수용되고, 상기 샤프트의 말단에는 상기 이펙터가 결합되며, 상기 인스트루먼트의 사용 과정에서 상기 샤프트가 구부러짐에 따라 상기 와이어에 장력이 인가되어 상기 구동축이 임의의 상태로 회전되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동축의 타단부에는 상기 구동축을 수동으로 회전시키기 위한 노브(knob)가 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 구동휠과 상기 구동축이 분리된 상태일 때, 상기 구동축은 상기 노브에 대한 사용자 조작에 의해 임의의 상태로 회전되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 이펙터에는, 사용자가 상기 구동축을 수동으로 회전시킴에 따라 상기 이펙터가 작동된 상태를 인지할 수 있도록 지시자가 표시되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 구동휠과 상기 구동축의 서로 대향하는 면 중 어느 하나 이상에는 마찰면이 형성되어, 상기 구동휠과 상기 구동축은 마찰 접합 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 구동휠과 상기 구동축의 서로 대향하는 면에는 서로 치합(齒合)되는 기어가 각각 형성되어, 상기 구동휠과 상기 구동축은 기어 결합 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 구동휠과 상기 구동축의 서로 대향하는 면에는 서로 정합(整合)되는 돌기 및 홈이 각각 형성되어, 상기 구동휠과 상기 구동축은 끼움 결합 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 구동휠과 상기 구동축의 서로 대향하는 면에는 자성에 의해 서로 부착되는 전자석 및 자성체가 각각 설치되어, 상기 구동휠과 상기 구동축은 상기 전자석의 작동에 따라 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 구동휠을 포함하는 인터페이스와;
    상기 구동축을 수용하는 하우징을 더 포함하되,
    상기 구동축은 상기 하우징의 타면에 회전 가능하도록 결합되며,
    상기 인터페이스를 상기 하우징의 일면에 결합시킴에 따라, 상기 구동휠과 상기 구동축이 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 하우징은 그 일면이 개방된 박스(box) 형상으로 형성되고, 상기 인터페이스는 상기 하우징의 개방된 일면을 마감하는 면재(面材) 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 구동휠과 상기 구동축의 서로 대향하는 면에는 서로 대응되는 돌기 및 홈이 각각 형성되되, 상기 돌기는 상기 홈에 수용되는 것보다 크게 형성되어, 상기 인터페이스를 상기 하우징의 일면에 결합시킴에 따라 상기 돌기는 상기 홈을 가압하여, 상기 구동휠과 상기 구동축 간의 마찰력이 증대되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
    
14. 제11항에 있어서,
    상기 인터페이스에는 상기 하우징에의 결합 방향으로 연장된 가이드 바(guide bar)가 형성되며, 상기 하우징에는 상기 가이드 바를 수용하여 상기 인터페이스의 분리 및 결합을 안내하는 가이드 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
    
15. 제11항에 있어서,
    상기 인터페이스가 상기 하우징에 결합된 상태를 유지하도록 하는 체결 기구를 더 포함하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
    
16. 제11항에 있어서,
    상기 구동휠 및 상기 구동축은 각각 복수로 구비되고,
    상기 하우징은, 상기 복수의 구동축이 각각 개별적으로 그에 대응하는 구동휠에 결합될 수 있도록, 상기 구동축 단위로 분리되어 작동되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.
    
17. 제11항에 있어서,
    상기 구동휠 및 상기 구동축은 각각 복수로 구비되고,
    상기 인터페이스를 상기 하우징의 일면에 결합시킴에 따라, 상기 복수의 구동축은 그에 대응하는 상기 복수의 구동휠에 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 수술용 인스트루먼트의 구동부 구조.

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