KR102336979B1

KR102336979B1 - 탄성 부재를 구비한 관절 구조체 및 이를 구비하는 튜브 삽입형 장치

Info

Publication number: KR102336979B1
Application number: KR1020190117451A
Authority: KR
Inventors: 김계리; 권성일; 김정률
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-12-09
Also published as: US11911014B2; US20210085303A1; KR20210035538A

Abstract

관절 구조체는 서로 직렬 연결되고 회동부를 중심으로 상대적으로 회동 가능한 전방 세그먼트 및 후방 세그먼트와, 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트 사이에 배치되는 탄성 부재를 포함하는 관절 유닛 및, 상기 관절 유닛의 길이 방향으로 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트를 관통하는 와이어를 포함하고, 상기 와이어가 후방으로 당겨짐에 따라서 상기 전방 세그먼트가 상기 후방 세그먼트에 대해 일방향으로 회동하고, 상기 탄성 부재는 상기 전방 세그먼트의 회동에 의한 가압력에 의해 탄성 변형하여 상기 가압력에 저항하는 힘을 제공한다.

Description

탄성 부재를 구비한 관절 구조체 및 이를 구비하는 튜브 삽입형 장치{Articulating structure having elastic member and Tube inserting device having the same}

본 발명은 관절 구조체 및 이를 구비한 튜브 삽입형 장치에 관한 것으로서, 탄성 부재를 이용하여 동작 특성이 개선된 관절 구조체 및 이를 구비한 튜브 삽입형 장치에 관한 것이다.

긴 중공의 튜브체를 협소 공간에 삽입하여 소정 작업을 수행할 수 있는 튜브 삽입형 장치로는 대표적으로 최소침습수술을 위한 미세 수술용 기기 등이 있다.

최소침습수술이란 배를 열지 않고 절개 부위를 최소화해 시행하는 수술로, 절개 부위가 작아 흉터나 후유증이 거의 없고 회복이 빠른 장점이 있다.

이러한 최소침습수술을 위한 미세 수술용 기기들은 협소 공간 내에서 수술 등의 소정 작업을 수행하여야 하므로, 그 제어에 관한 많은 연구가 진행되고 있다.

특히, 미세 수술용 기기의 선단에 배치되는 엔드 이펙터의 방향을 국소적으로 전환하기 위한 다양한 형태의 관절 구조체가 제안되고 있다.

대표적인 관절 구조체의 구조로서, 복수의 세그먼트가 직렬 연결되고, 인접한 세그먼트를 상대 운동시켜 조향을 수행하는 장치가 알려져 있다.

하지만, 종래 기술에 따른 관절 구조체에서는, 와이어를 후방으로 당겨 세그먼트를 상대 운동시킬 때, 전방의 세그먼트에 가해지는 하중이 어느 크기에 이르면 전방 세그먼트가 갑자기 회동하는 소위 「버클링(bukling)」 현상이 발생한다.

버클링 현상이 발생하면 관절 구조체의 정밀 제어가 어려워지고, 갑자기 굴절하는 동작에 의해 생체 조직이 손상되는 일이 발생할 수도 있다.

또한, 종래 기술에 따른 관절 구조체에서는, 와이어를 당기는 길이에 대응하여 각 관절의 굴절 각도가 하나로 정해지기 때문에(즉, 관절 구조체가 하나의 정형화된 형태로만 굴절하므로), 다양한 형태의 작업 환경에 능동적으로 대응하여 팁을 조향하기에는 한계가 있었다.

미국 등록특허 제9,833,290호

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 관절 구조체의 굴절 동작을 보다 정확하고 부드러우며 안정적으로 수행할 수 있고, 동일한 와이어의 당김 길이에 대해 다양한 굴절 형태를 가질 수 있는 관절 구조체 및 이를 구비한 튜브 삽입형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 서로 직렬 연결되고 회동부를 중심으로 상대적으로 회동 가능한 전방 세그먼트 및 후방 세그먼트와, 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트 사이에 배치되는 탄성 부재를 포함하는 관절 유닛 및, 상기 관절 유닛의 길이 방향으로 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트를 관통하는 와이어를 포함하고, 상기 와이어가 후방으로 당겨짐에 따라서 상기 전방 세그먼트가 상기 후방 세그먼트에 대해 일방향으로 회동하고, 상기 탄성 부재는 상기 전방 세그먼트의 회동에 의한 가압력에 의해 탄성 변형하여 상기 가압력에 저항하는 힘을 제공하는 관절 구조체가 제공된다.

일 실시예에 따르면, 복수의 관절 유닛이 서로 직렬 연결된다.

일 실시예에 따르면, 전방의 관절 유닛의 후방 세그먼트가 그와 연결되는 후방의 관절 유닛의 전방 세그먼트가 된다.

일 실시예에 따르면, 상기 복수의 관절 유닛의 탄성 부재는 탄성 계수가 서로 같거나 상이하다.

일 실시예에 따르면, 상기 복수의 관절 유닛은, 전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 X 방향으로 회동하는 복수의 X 방향 관절 유닛과, 전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 상기 X 방향과 수직한 Y 방향으로 회동하는 복수의 Y 방향 관절 유닛을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 복수의 상기 X 방향 관절 유닛과 복수의 상기 Y 방향 관절 유닛이 길이 방향을 따라 번갈아 배치된다.

일 실시예에 따르면, 상기 회동부는, 상기 전방 세그먼트의 후면에 형성되고, 원 기둥의 일부를 이루는 회동면을 구비하는 회동 돌기와, 상기 후방 세그먼트의 전면에 형성되고, 상기 회동 돌기를 받치는 회동 좌(座)에 의해 구성된다.

일 실시예에 따르면, 상기 탄성 부재는 상기 전방 세그먼트의 가압력에 의해 구부러지는 판 스프링이다.

일 실시예에 따르면, 상기 후방 세그먼트에는 전면에서 함몰되고 내부에 상기 회동 좌가 형성되는 중앙 홈부가 형성되고, 상기 판 스프링은, 상기 중앙 홈부에 삽입되는 연결부와, 상기 연결부와 연결되고, 상기 중앙 홈부의 외측에서 상기 전방 세그먼트의 후면을 향해 비스듬히 연장되는 탄성부를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 관절 유닛이 직선으로 배치되는 초기 상태에서 상기 탄성부는 구부러지지 않은 상태로 상기 전방 세그먼트의 후면에 접촉한다.

일 실시예에 따르면, 상기 관절 유닛의 길이 방향으로 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트를 관통하는 복수의 와이어를 포함하고, 제1 와이어가 후방으로 당겨짐에 따라 상기 전방 세그먼트가 상기 후방 세그먼트에 대해 일방향으로 회동하고, 상기 관절 유닛의 길이 방향의 중심축을 중심으로 상기 제1 와이어와 대칭으로 배치되는 제2 와이어가 후방으로 당겨김에 따라 상기 전방 세그먼트가 상기 후방 세그먼트에 대해 상기 일방향과 반대되는 타방향으로 회동하며, 상기 판 스프링은, 상기 일방향 쪽에 형성되는 제1 탄성부와 상기 타방향 쪽에 형성되는 제2 탄성부를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 연결부는, 상기 회동 돌기와 회동 좌 사이에 끼워진다.

일 실시예에 따르면, 상기 연결부는, 원 기둥의 일부를 이루는 곡면을 형성하고, 상기 회동 돌기와 회동 좌 사이에 끼워지는 곡면부와, 두 개의 회동 좌 사이에 끼워지는 절곡부를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 탄성부는 상기 와이어가 통과하도록 절개된 노치부를 구비한다.

일 실시예에 따르면, 상기 탄성 부재는, 상기 전방 세그먼와 상기 후방 세그먼트 사이의 틈새에 끼워지는 디스크이고, 상기 디스크는, 상기 전방 세그먼트의 회동에 의한 가압력에 의해 압축되어 상기 가압력에 대항하는 힘을 제공한다.

일 실시예에 따르면, 상기 전방 세그먼트는 상기 후방 세그먼트에 대하여 상기 일방향과 상기 일방향과 반대되는 타방향으로 회동 가능하고, 상기 탄성 부재는, 상기 일방향 쪽에 끼워지는 제1 탄성 부재와 상기 타방향 쪽에 끼워지는 제2 탄성 부재를 포함하며, 상기 제1 탄성 부재와 상기 제2 탄성 부재는 압축된 상태로 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트 사이의 틈새에 끼워지고, 상기 전방 세그먼트의 일방향으로의 회동 시, 상기 제1 탄성 부재는 더 압축되어 상기 전방 세그먼트의 회동에 저항하고, 상기 제2 탄성 부재는 복원력에 의해 팽창하여 상기 전방 세그먼트이 회동을 돕는다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 길게 연장되는 튜브체와, 상기 튜브체의 선단부에 연결되는 상기 관절 구조체를 포함하는 튜브 삽입형 장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구조체와 이를 구비한 튜브 삽입형 장치의 측면도이다.
도 2는 도 1의 관절 구조체의 관절 유닛의 분리 사시도이다.
도 3은 도 2의 관절 유닛의 부분 사시도이다.
도 4는 도 2의 관절 유닛의 측면도이다.
도 5는 초기 상태의 관절 구조체를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 각각의 관절 유닛의 탄성 부재의 탄성 계수를 달리하였을 때의 관절 구조체의 굴절 상태를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절 구조체의 개략적인 사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 튜브 삽입형 장치(1)의 측면도이다.

튜브 삽입형 장치(1)는 예를 들어 체내에 삽입되어 각종 시술을 수행할 수 있는 미세 수술 기구로서, 체내에 삽입될 수 있도록 길게 연장되는 튜브체(3)를 구비하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구조체(2)가 튜브체(3)의 선단부에 부착되어 있다.

다만, 본 실시예에 따른 튜브 삽입형 장치(1)는 미세 수술 기구에 한정되는 것은 아니며, 좁은 관로 내에 삽입될 수 있도록 가늘고 긴 튜브체가 필요한 각종 작업에 이용될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 관절 구조체(2)는 튜브 삽입형 장치(1)의 엔드 이팩터만으로 그 용도가 한정되는 것은 아니다.

관절 구조체(2)는 튜브체(3)의 선단부에서 굴절 운동하여, 튜브 삽입형 장치(1)의 팁(tip)을 안정적인 고곡률의 전방위 조향이 가능하도록 함으로써, 비침습 시술에 대한 안정성 및 편의성을 증진시킬 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 관절 구조체(2)는 복수의 세그먼트(10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)가 직렬 연결되어 형성된다. 관절 구조체(2)는 복수의 세그먼트(10, 20, 30, 40, 50, 60, 70)의 상대적인 움직임에 의해 굴절하여 조향되는 구조를 가진다.

본 실시예에서 "전방"은 관절 구조체(2)의 원위 쪽의 방향으로, "후방"은 관절 구조체(2)의 근위 쪽의 방향으로 하여 설명한다. 관절 구조체(2)가 직선 상태로 배치되는 경우 각 세그먼트의 전후 방향은 관절 구조체(2)의 길이 방향(Z)과 일치하게 된다. 다만, "전방"과 "후방"은 서로 상대적인 것으로서, 위와 반대로 관절 구조체(2)의 원위 쪽을 "후방"으로 한다면, 근위 쪽이 "전방"이 된다.

본 실시예에 따르면, 전방에 위치한 전방 세그먼트와 상기 전방 세그먼트의 바로 뒤에 위치한 후방 세그먼트가 짝을 이루어 하나의 관절 유닛을 형성한다.

이에 따라서, 전방에서부터 제1 관절 유닛(11), 제2 관절 유닛(21), 제3 관절 유닛(31), 제4 관절 유닛(41), 제5 관절 유닛(51) 및 제6 관절 유닛(61)이 순차적으로 연결되는 구조가 된다. 즉, 본 실시예에 따른 관절 구조체(2)는 복수의 관절 유닛이 서로 직렬 연결되는 구조라고도 할 수 있다.

각각의 관절 유닛은 독립적으로 전방 세그먼트와 후방 세그먼트를 구비하고, 전방의 관절 유닛의 후방 세그먼트와 후방의 관절 유닛의 전방 세그먼트가 서로 결합 내지 부착되는 구조를 가질 수도 있다.

다만, 본 실시예에 따르면, 전방의 관절 유닛의 후방 세그먼트가 그와 연결되는 후방의 관절 유닛의 전방 세그먼트가 된다. 즉, 서로 연결되는 관절 유닛은 하나의 세그먼트를 전방의 관절 유닛의 후방 세그먼트 및 후방의 관절 유닛의 전방 세그먼트로서 공유하게 된다. 이에 따라서, 관절 구조체(2)의 전체 길이를 감소시키고 제어 동작을 단순화할 수 있다.

좀더 구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 관절 유닛(11)은 제1 세그먼트(전방 세그먼트)(10)와 제2 세그먼트(후방 세그먼트)(20)에 의해 형성되고, 제2 관절 유닛(21)은 제2 세그먼트(전방 세그먼트)(20)와 제3 세그먼트(후방 세그먼트)(30)에 의해 형성된다. 제3 관절 유닛(31)은 제3 세그먼트(전방 세그먼트)(30)와 제4 세그먼트(후방 세그먼트)(40)에 의해 형성되고, 제4 관절 유닛(41)은 제4 세그먼트(전방 세그먼트)(40)와 제5 세그먼트(후방 세그먼트)(50)에 의해 형성된다. 제5 관절 유닛(51)은 제5 세그먼트(전방 세그먼트)(50)와 제6 세그먼트(후방 세그먼트)(60)에 의해 형성되고, 제6 관절 유닛(61)은 제6 세그먼트(전방 세그먼트)(60)와 제7 세그먼트(후방 세그먼트)(70)에 의해 형성된다.

본 실시예에 따르면, 각각의 관절 유닛를 형성하는 전방 세그먼트와 후방 세그먼트 사이에는 탄성 부재(81, 82, 83, 84, 85, 86)가 배치된다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 관절 유닛의 구조에 대해 더 자세히 설명한다. 여기서는, 제2 관절 유닛(21)을 중심으로 설명한다.

도 2는 제2 관절 유닛(21)의 분리 사시도이고, 도 3은 제2 관절 유닛(21)의 부분 사시도이며, 도 4는 제2 관절 유닛(21)의 측면도이다. 도 4에서는 설명의 편의를 위해 후방 세그먼트(30)는 단면도로 도시하였다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 관절 유닛(21)은 서로 직렬 연결되는 전방 세그먼트(20) 및 후방 세그먼트(30)와, 전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30) 사이에 배치되는 탄성 부재(82)를 포함한다.

전방 세그먼트(20)는 대략 원기둥 형태의 몸체(200)와, 몸체(200)의 후면(202)에서 돌출 형성되는 두 개의 회동 돌기(210)를 포함한다.

두 개의 회동 돌기(210)는 Y 방향으로 볼 때 전방 세그먼트(20)의 중앙에 위치하고, 전방 세그먼트(20)의 길이 방향의 중심축을 중심으로 Y 방향으로 소정 간격으로 이격되어 배치되어 있다.

회동 돌기(210)는 반지름이 R₁인 원을 상하면으로 가지는 원기둥 형태를 가지며, 상하면 사이에는 원 기둥의 일부를 이루는 회동면(215)이 형성된다.

도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 전방 세그먼트(20)의 후면(202)은 Y 방향에서 볼 때 회동 돌기(210)를 중심으로 X 방향으로 갈수록 전방을 향하도록 경사진 경사부(221)를 포함한다.

후방 세그먼트(30)는 전방 세그먼트(20)와 직경이 실질적으로 동일한 대략 원기둥 형태인 몸체(300)를 가진다.

후방 세그먼트(30)의 전면(301)은 전방 세그먼트(20)의 후면(202)에 대응하여 Y 방향에서 볼 때 중앙부를 중심으로 X 방향으로 갈수록 후방을 향하도록 경사진 경사부(311)를 포함한다.

전방 세그먼트(20)의 후면(201)의 경사부(221)와 후방 세그먼트(30)의 전면(301)의 경사부(311)는 전후방으로 대칭을 이루도록 형성된다. 경사부(221, 311)를 형성함으로써, 전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30)의 간격을 줄이면서도 큰 회동 각도를 확보할 수 있어, 관절 구조체(2)의 전체 길이를 감소시킬 수 있다.

후방 세그먼트(30)의 전면(301)의 중앙부에는 전면(301)에서 후방으로 함몰되는 중앙 홈부(312)가 형성된다.

중앙 홈부(312)의 중앙에는 후방 세그먼트(30)를 전후방으로 완전히 관통하는 중앙 통공(315)이 형성된다. 중앙 통공(315)을 통해 튜브체(3)의 후단에서부터 삽입된 예를 들어 내시경 카메라, 조명 장치, 수술 기구 등의 각종 시술 기구가 관절 유닛을 통과할 수 있다.

중앙 통공(315)을 중심으로 네 개의 회동 좌(座)(313)가 형성되고, X 방향으로 마주하는 두 개의 회동 좌(313) 사이에는 후방으로 함몰된 지지 홈(314)이 형성되어 있다.

회동 좌(313)의 표면은 Y 방향에서 볼 때, 회동 돌기(210)의 중심축(O)을 기준으로 반지름이 R₂인 원 기둥의 일부를 이룬다.

따라서, 회동 돌기(210)는 X 방향으로 이격된 두 개의 회동 좌(313)에 의해 받쳐질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 회동 좌(313)는 탄성 부재(82)를 개재하여 회동 돌기(210)를 떠받치게 된다. 회동 돌기(210)를 받치는 회동 좌(313)를 중앙 홈부(312)에 형성하고 후방 세그먼트(30)의 몸체(300) 내부에 위치하도록 함으로써, 제2 관절 유닛(21)의 전체 길이를 감소시킬 수 있다.

전방 세그먼트(20)의 회동 돌기(210)와, 상기 회동 돌기(210)가 안착되는 후방 세그먼트(30)의 회동 좌(313)에 의해 전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30)가 서로 상대적으로 회동할 수 있는 회동부(22)가 형성된다.

도 4에 도시된 바와 같이, Y 방향으로 볼 때 회동 돌기(210)의 회동면(215)과 회동 좌(313)의 표면은 회동 돌기(210)의 중심축(O)을 중심으로 하는 원기둥의 일부를 형성하므로, 전방 세그먼트(20)는 회동 돌기(210)의 중심축(O)을 회동 중심으로 하여 후방 세그먼트(30)에 대해 X 방향 좌우로 회동하게 된다(화살표 참조).

본 명세서에서는 전방 세그먼트(20)가 후방 세그먼트(30)에 대해 X 방향으로 회동하는 관절 유닛(21)을 X 방향 관절 유닛이라고 한다. 반면, 전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 X 방향과 수직한 Y 방향으로 회동하는 관절 유닛을 Y 방향 관절 유닛이라고 한다.

본 실시예에 따르면, 전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30)의 회동은 와이어(901, 902)에 의해 이루어진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전방 세그먼트(20)의 일 측에는 전면(201)에서 후면(202)으로 전방 세그먼트(20)를 전후방으로 관통하는 제1 와이어 연결공(231)이 형성된다. 전방 세그먼트(20)의 길이 방향의 중심축(관절 유닛의 길이 방향의 중심축)을 중심으로 제1 와이어 연결공(231)과 대칭하는 위치에는 제2 와이어 연결공(232)이 전방 세그먼트(20)를 전후방으로 관통하여 형성된다. 제1 와이어 연결공(231)과 제2 와이어 연결공(232)는 X 방향으로 이격되어 배치되며, 회동 돌기(210)는 제1 와이어 연결공(231)과 제2 와이어 연결공(232)의 안쪽에 위치한다.

마찬가지로, 후방 세그먼트(30)에는 후방 세그먼트(30)을 전후방으로 관통하는 제1 와이어 연결공(331)과 제2 와이어 연결공(332)이 형성된다. 제1 와이어 연결공(331)과 제2 와이어 연결공(332)는 X 방향으로 이격되어 배치되며, 중앙 홈부(312)는 제1 와이어 연결공(331)과 제2 와이어 연결공(332)의 안쪽에 위치한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제1 와이어(901)가 전방 세그먼트(20)의 제1 와이어 연결공(231)과 후방 세그먼트(30)의 제1 와이어 연결공(331)을 통과하고, 제2 와이어(902)는 전방 세그먼트(20)의 제2 와이어 연결공(232)과 후방 세그먼트(30)의 제2 와이어 연결공(332)을 통과한다.

제1 와이어(901)를 후방으로 당기면, 전방 세그먼트(20)가 회동 중심축(O)을 중심으로 후방 세그먼트(30)에 대해 일방향(-X 방향)으로 회동한다. 반대로 제2 와이어(902)를 후방으로 당기면, 전방 세그먼트(20)가 회동 중심축(O)을 중심으로 후방 세그먼트(30)에 대해 -X 방향과 반대되는 타방향(+X 방향)으로 회동한다.

이와 같은, 와이어에 의한 관절 구조체의 회동 제어는 이미 알려진 것이다. 다만, 본 실시예에 따른 관절 구조체(2)는 관절 유닛의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트 사이에 탄성 부재를 배치하여 관절 구조체(2)의 동작 특성을 향상시킨다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 탄성 부재(82)는 판상 부재를 구부려 형성하는 판 스프링이다.

탄성 부재(82)는 후방 세그먼트(30)의 중앙 홈부(312)에 삽입되는 연결부(823)와, 연결부(823)와 연결되고 중앙 홈부(312)의 외측에서 전방 세그먼트(20)의 후면(202)(경사부(221))을 향해 비스듬히 연장되는 탄성부(821, 822)를 포함한다.

탄성 부재(82)는 Y 방향으로 이격되는 두 개의 연결부(823)를 구비한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 두 개의 연결부(823)는 각각 중앙 홈부(312)의 측면에 접하도록 이격되어 배치되고, 중앙 통공(315)을 가리지 않는 정도의 폭을 가진다.

연결부(823)는 X 방향으로 배치되는 두 개의 곡면부(824)와 두 개의 곡면부(824) 사이에서 후방으로 절곡되는 절곡부(825)를 포함한다.

두 개의 곡면부(824)는 Y 방향으로 볼 때 회동 돌기(210)의 중심축(O)을 중심축으로 하는 원기둥의 일부를 이루는 곡면을 형성한다. 곡면부(824)의 내측면의 반지름은 회동 돌기(210)의 반지름(R₁)과 실질적으로 동일하고, 곡면부(824)의 외측면의 반지름은 회동 좌(313)의 반지름(R₂)과 실질적으로 동일하다.

두 개의 곡면부(824)는 X 방향으로 배치된 두 개의 회동 좌(313)에 각각 얹어지고, 전방 세그먼트(20)의 회동 돌기(210)를 그 위에 얹는다. 탄성 부재(82)의 연결부(823)는 회동 돌기(210)와 회동 좌(313) 사이에 끼워져 고정된다.

곡면부(824)의 내측면의 반지름은 회동 돌기(210)의 반지름(R₁)과 실질적으로 동일하고, 곡면부(824)의 외측면의 반지름은 회동 좌(313)의 반지름(R₂)과 실질적으로 동일하므로, 전방 세그먼트(20)의 회동 동작시 회동부(22)에서 탄성 부재(82)의 간섭이 발생하지 않는다.

절곡부(825)는 후방으로 대략 "ㄷ"자 형태로 절곡된 부분으로서, X 방향으로 배치된 두 회동 좌(313)의 사이 즉, 지지 홈(314)에 끼워진다.

이와 같이, 탄성 부재(82)의 연결부(823)가 중앙 홈부(312)에 딱 맞게 형성됨으로써, 탄성 부재(82)의 X 방향과 Y 방향의 위치가 고정되고, 전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30) 사이에 끼워져 Z 방향(관절 유닛의 길이 방향)의 위치도 견고하게 고정된다. 또한, 절곡부(825)에 의해 전방 세그먼트(20)가 후방 세그먼트(30)에 대해 회동할 때 마찰력에 의해 탄성 부재(82)가 기울어지는 것을 방지할 수 있다.

연결부(823)를 중심으로 일방향(-X 방향) 쪽에는 제1 탄성부(821)가 형성되고, 타방향(+X 방향) 쪽에는 제2 탄성부(822)가 형성된다. Y 방향에서 볼 때, 제1 탄성부(821)와 제2 탄성부(822)는 서로 대칭으로 형성된다.

제2 관절 유닛(21)이 굴절하지 않고 직선으로 배치되는 초기 상태(도 4)에서 제1 탄성부(821)와 제2 탄성부(822)는 구부러지지 않은 상태로 전방 세그먼트(20)의 후면(202)의 경사부(221)에 접촉한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 탄성부(821)와 제2 탄성부(822)의 단부가 X 방향으로 대칭으로 전방 세그먼트(20)를 떠받치게 된다.

제1 탄성부(821)와 제2 탄성부(822)의 중앙에는 와이어가 통과할 수 있도록 노치부(826)가 절개되어 형성된다. 노치부(826)를 형성함으로써, 전방 세그먼트(20)에 접촉하는 제1 탄성부(821)와 제2 탄성부(822)의 단부를 보다 전방 세그먼트(20)의 외측으로 위치시킬 수 있으므로, 회동시 탄성 부재(82)에 의해 작용하는 저항력의 부담을 감소시킬 수 있다.

전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30)가 직선으로 배치되는 초기 상태에서 전방 세그먼트(20)가 예를 들어 일방향(-X 방향)으로 회동하면, 전방 세그먼트(20)의 후면(202)이 제1 탄성부(821)를 눌러 가압하게 된다.

탄성 부재(82)의 연결부(823)는 전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30) 사이에 고정되어 있으므로, 이러한 전방 세그먼트(20)의 회동에 의한 가압력에 의해 제1 탄성부(821)가 눌려 구부러진다. 이에 따라서, 제1 탄성부(821)는 탄성 변형하여 전방 세그먼트(20)의 가압력에 저항하는 힘을 제공한다.

제1 탄성부(821)가 제공하는 탄성력이 전방 세그먼트(20)가 제공하는 가압력과 균형을 이루면서 제1 탄성부(821)가 전방 세그먼트(20)를 후방에서 받치므로, 전방 세그먼트(20)에 가해지는 하중이 어느 크기에 이르면 전방 세그먼트(20)가 갑자기 회동하는 소위 「버클링(bukling)」 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 전방 세그먼트(20)의 회동 동작을 보다 정확하고 안정적으로 수행할 수 있다.

또한, 후방 세그먼트(30)에 대해 상대 회동한(구부러진) 전방 세그먼트(20)를 원위치로 복귀시킬 때(펼 때), 전방 세그먼트(20)가 후방 세그먼트(30)에 대해 구부러져 있으면, 전방 세그먼트(20)의 하중이 더해져 일반적으로 구부릴 때에 비해 펼 때 더 큰 힘을 필요로 하게 된다. 본 실시예에 따르면, 전방 세그먼트(20)가 회동할 때 저장된 제1 탄성부(821)의 탄성력이 전방 세그먼트(20)가 펼쳐질 때 전방 세그먼트(20)를 밀어주므로, 더 작은 힘으로 전방 세그먼트(20)를 펼 수 있다.

아울러, 전방 세그먼트(20)가 원래 회동 방향의 반대 방향으로 회동하여 펼쳐질 때, 전방 세그먼트(20)가 후방 세그먼트(30)에 대해 직선이 되는 초기 상태에 이르면 제2 탄성부(822)가 전방 세그먼트(20)와 접촉하여 전방 세그먼트(20)가 더 이상 회동하는 것을 저지하므로, 전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30)가 직선 상태(초기 상태)로 쉽게 맞춰진다.

이상에서는, X 방향으로 회동하는 X 방향 관절 유닛인 제2 관절 유닛(21)에 대해 설명하였지만, 본 실시예에 따른 관절 구조체(2)는 X 방향과 수직한 Y 방향으로 회동하는 Y 방향 관절 유닛을 조합하여 3차원적으로 조향되는 구조를 가질 수 있다.

도 2를 참조하면, 전방 세그먼트(20)의 전면(201)에는 후방 세그먼트(30)와 유사하게 경사부(211)와 중앙 홈부(212)가 형성되어 있다. 후방 세그먼트(30)와 차이가 있다면, 전방 세그먼트(20)의 두 경사부(211)는 X 방향에서 볼 때 중앙부를 중심으로 Y 방향으로 갈수록 후방을 향하도록 경사져 있다. 즉, 전방 세그먼트(20)의 전면(201)의 경사부(211)는 후방 세그먼트(30)의 전면(301)의 경사부(311)와 90도 회전하여 형성되어 있다(후면(202)의 경사부(221)와도 90도 회전하여 형성되어 있다).

또한, 전방 세그먼트(20)의 중앙 홈부(212)는 후방 세그먼트(30)의 중앙 홈부(312)와 동일한 구성을 가지지만, 후방 세그먼트(30)의 중앙 홈부(312)와 90도 회전하여 형성되어 있다. 즉, 회동 좌(213)의 표면은 X 방향에서 볼 때 X축과 평행한 축을 중심축으로 하는 원기둥의 일부를 이루고, Y 방향으로 이격된 두 회동 좌(213) 사이에 지지 홈(214)이 형성된다.

전방 세그먼트(20)에는 제1 및 제2 와이어 연결공(231, 232)에 더하여, Y 방향으로 이격되는 제3 와이어 연결공(233) 및 제4 와이어 연결공(234)이 전방 세그먼트(20)의 전후방을 관통하여 형성된다. 두 개의 회동 돌기(210)는 제3 와이어 연결공(233)과 제4 와이어 연결공(234) 사이에 위치한다.

후방 세그먼트(30)는 후면(302)에서 돌출 형성되는 두 개의 회동 돌기(310)를 포함한다. 두 개의 회동 돌기(310)는 X 방향으로 볼 때 후방 세그먼트(30)의 중앙에 위치하고, 후방 세그먼트(30)의 길이 방향의 중심축을 중심으로 X 방향으로 소정 간격으로 이격되어 배치되어 있다.

후방 세그먼트(30)의 후면(302)은 X 방향에서 볼 때 회동 돌기(310)를 중심으로 Y 방향으로 갈수록 전방을 향하도록 경사진 경사부(321)를 포함한다.

또한, 후방 세그먼트(30)에는 제1 및 제2 와이어 연결공(331, 332)에 더하여, Y 방향으로 이격되는 제3 와이어 연결공(333) 및 제4 와이어 연결공(334)이 후방 세그먼트(30)의 전후방을 관통하여 형성된다. 두 개의 회동 돌기(310)는 제3 와이어 연결공(333)과 제4 와이어 연결공(334) 사이에 위치한다.

다시 말하면, 본 실시예에 따르면, 전방 세그먼트(20)와 후방 세그먼트(30)는 그 방향이 Z 방향을 중심으로 90도 회전되어 있을 뿐, 구조는 서로 실질적으로 동일하다.

본 실시예에 따르면, 실질적으로 동일한 세그먼트를 Z 방향을 중심으로 90도 회전하면서 연결하여, X 방향 관절 유닛과 Y 방향 관절 유닛이 조합된 관절 구조체(2)를 형성할 수 있다.

도 2에서, 좌측 하단의 좌표축을 Z 축을 중심으로 회전시켜 X축과 Y 축을 90도 회전하도록 도시하고, 도면 부호 20과 30을 각각 10과 20으로 바꾸고, 도면부호의 200 단위와 300 단위를 각각 100 단위와 200 단위로 바꿔주면, 제1 세그먼트(전방 세그먼트)(10)와 제2 세그먼트(후방 세그먼트)(20)가 형성하는 제1 관절 유닛(11)이 된다. 이때, 탄성 부재(82)는 탄성 부재(81)가 될 것이다.

또한, 도 2에서, 좌측 하단의 좌표축을 Z 축을 중심으로 회전시켜 X축과 Y 축을 90도 회전하도록 도시하고, 도면 부호 20과 30을 각각 30과 40으로 바꾸고, 도면부호의 200 단위와 300 단위를 각각 300단위와 400단위로 바꿔주면, 제3 세그먼트(전방 세그먼트)(30)와 제4 세그먼트(후방 세그먼트)(40)가 형성하는 제3 관절 유닛(31)이 된다. 이때, 탄성 부재(82)는 탄성 부재(83)가 될 것이다.

또한, 도 2에서, 좌측 하단의 좌표축을 Z 축을 중심으로 회전시켜 X축과 Y 축을 90도 회전하도록 도시하고, 도면 부호 20과 30을 각각 50과 60으로 바꾸고, 도면부호의 200 단위와 300 단위를 각각 500단위와 600단위로 바꿔주면, 제5 세그먼트(전방 세그먼트)(50)와 제6 세그먼트(후방 세그먼트)(60)가 형성하는 제5 관절 유닛(51)이 된다. 이때, 탄성 부재(82)는 탄성 부재(85)가 될 것이다.

이와 같은, 제1 관절 유닛(11), 제3 관절 유닛(31) 및 제5 관절 유닛(51)은 모두 전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 Y 방향으로 회동하는 Y 방향 관절 유닛이다.

다시 도 1을 참조하면, Y 방향 관절 유닛(11, 31, 51)의 Y 방향으로의 회동은 제3 와이어 연결공을 통과하는 제3 와이어(903)와 제4 와이어 연결공을 통과하는 제4 와이어(904)에 의해 이루어진다.

한편, 도 2에서, 좌측 하단의 좌표축은 그대로 둔 상태에서, 도면 부호 20과 30을 각각 40과 50으로 바꾸고, 도면부호의 200 단위와 300 단위를 각각 400 단위와 500 단위로 바꿔주면, 제4 세그먼트(전방 세그먼트)(40)와 제5 세그먼트(후방 세그먼트)(50)가 형성하는 제4 관절 유닛(41)이 된다. 이때, 탄성 부재(82)는 탄성 부재(84)가 될 것이다.

또한, 도 2에서, 좌측 하단의 좌표축은 그대로 둔 상태에서, 도면 부호 20과 30을 각각 60과 70으로 바꾸고, 도면부호의 200 단위와 300 단위를 각각 600 단위와 700 단위로 바꿔주면, 제6 세그먼트(전방 세그먼트)(60)와 제7 세그먼트(후방 세그먼트)(70)가 형성하는 제6 관절 유닛(61)이 된다. 이때, 탄성 부재(82)는 탄성 부재(86)가 될 것이다. 여기서, 본 실시예에서는 최후방에 위치하는 제7 세그먼트(70)는 튜브체(3)와의 결합을 용이하게 하기 위해서, 회동 돌기와 경사부를 형성하지 않고 후면을 평평하게 형성한다는 점에서 차이가 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 최전방의 제1 세그먼트(10)의 전방에 캡(80)을 씌우는 것과 마찬가지로, 제3 세그먼트(30)와 동일한 구성의 제7 세그먼트(70)의 후방에 캡을 씌워 평평한 면을 형성하여도 좋다.

이와 같은, 제2 관절 유닛(21), 제4 관절 유닛(41) 및 제6 관절 유닛(61)은 모두 전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 X 방향으로 회동하는 X 방향 관절 유닛이다.

다시 도 1을 참조하면, X 방향 관절 유닛(21, 41, 61)의 X 방향으로의 회동은 제1 와이어 연결공을 통과하는 제1 와이어(901)와 제2 와이어 연결공을 통과하는 제2 와이어(902)에 의해 이루어진다.

이와 같이, 동일한 구조의 세그먼트를 90도 회전하면서 직렬 연결함에 따라서, 복수의 X 방향 관절 유닛(21, 41, 61)과 복수의 Y 방향 관절 유닛(11, 31, 51)이 길이 방향을 따라 번갈아 배치되는 관절 구조체(2)가 형성된다.

네 가닥의 와이어(901, 902, 903, 904)의 선단은 제1 세그먼트(10)의 전방에 위치한 캡(80)에 고정된다. 와이어(901, 902, 903, 904)의 후단은 관절 구조체(2)를 통과해 튜브체(3) 내부를 통해 튜브체(3)의 후단까지 연장된다. 튜브체(3)의 후단에는 도시하지 않은 와이어 구동 수단이 설치되고, 와이어(901, 902, 903, 904)는 와이어 구동 수단에 연결된다. 와이어 구동 수단은 와이어(901, 902, 903, 904)를 각각 관절 구조체(2)의 길이 방향(Z)으로 잡아 당기거나 풀어주도록 동작한다.

와이어(901, 902, 903, 904)는 약간의 탄성을 가지는 재질로 형성되며, 초기 상태에서 와이어 구동 수단은 와이어(901, 902, 903, 904)를 동일한 장력으로 팽팽하게 잡아 당긴다. 이에 따라서, 관절 구조체(2)에 X 방향 및 Y 방향으로 대칭되도록 후방을 향해 힘이 가해진다. 마주하는 와이어의 균형적인 장력에 의해 관절 구조체(2)는 직선으로 펼쳐진 상태(초기 상태)로 고정될 수 있다.

관절 구조체(2)의 조향을 위해서, 와이어 구동 수단은 예를 들어, 제1 와이어(901)를 잡아당겨 장력을 증가시키고, 반면 제2 와이어(902)에 가하던 장력은 풀도록 할 수 있다.

이에 따라서, 캡(80)에 의해 제1 세그먼트(10)의 X 방향의 좌측 방향이 후방으로 당겨지게 되고, 캡(80)은 제1 내지 제6 세그먼트를 후방으로 누르게 된다.

이때, X축 방향으로 회동 중심축이 형성된 Y 방향 관절 유닛(11, 31, 51)의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트는 서로 상대 운동을 하지 못한다. 반면, Y축 방향으로 회동 중심축이 형성된 X 방향 관절 유닛(21, 41, 61)의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트는 일방향(-X 방향)으로 기울어지게 된다(도 6 참조).

즉, Y 방향 관절 유닛(11, 31, 51)은 전방 세그먼트와 후방 세그먼트의 상대 위치가 고정된 상태에서, X 방향 관절 유닛(21, 41, 61)의 전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 각각 구부러지면서 관절 구조체(2) 전체가 일방향(도 6에서 좌향)으로 조향된다.

이때, 상술한 바와 같이, 각각의 관절 유닛의 탄성 부재의 작용으로 버클링 현상이 발생하지 않고, 관절 구조체(2)가 전체적으로 부드럽게 조향된다.

와이어 구동 수단이 제1 와이어(901)에 가해진 장력을 풀어주면서, 제2 와이어(902)를 잡아 당겨 장력을 증가시키면, X 방향 관절 유닛(21, 41, 61)의 전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 타방향(X 방향)으로 회동하면서, 일방향으로 조향되었던 관절 구조체(2)가 초기 상태로 복귀할 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, 탄성 부재의 작용으로 보다 작은 힘으로 손쉽게 초기 상태로 복귀할 수 있다.

나아가, 와이어 구동 수단이 제1 와이어(901)에 가해진 장력을 풀어주면서, 제2 와이어(902)를 계속 잡아 당기면, 관절 구조체(10)는 도 6과는 반대로 타방향(도 6에서 우향)으로 조향될 수 있다.

마찬가지로, 와이어 구동 수단에 의해 제3 와이어(903)와 제4 와이어(904)를 잡아당기거나 풀면, X 방향 관절 유닛(21, 41, 61)의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트는 서로 상대 운동을 하지 못하지만, Y 방향 관절 유닛(11, 31, 51)의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트는 Y 방향 양방향으로 기울어진다는 점이 이해될 것이다.

또한, 상기에서는 관절 구조체(2)의 X 방향의 조향과 Y 방향의 조향을 나누어서 설명하였지만, 와이어 구동 수단은 제1 내지 제4 와이어(901, 902, 903, 904)를 동시에 조작하여, 관절 구조체(2)의 X 방향의 조향 및 Y 방향의 조향이 동시에 일어나도록 할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 즉, 관절 구조체(2)의 팁은 관절 구조체(2)의 굴절 한계치의 범위 내에서 3차원적으로 조향 가능하다.

다만, 관절 구조체(2)의 X 방향의 조향과 Y 방향의 조향은 각각 X 방향으로 배치되는 한 쌍의 와이어와 Y 방향으로 배치되는 한 쌍의 와이어에 의해 각각 독립적으로 발생하므로, 3차원적인 팁의 복합 방향 제어를 위한 계산이 비교적 단순해질 수 있다.

본 실시예에서는 X 방향 관절 유닛과 Y 방향 관절 유닛이 길이 방향을 따라 번갈아 배치되고 있지만 이에 한정되지 않는다.

예를 들어, 제3 세그먼트(30)(교차 세그먼트)에서 두 개의 회동 돌기(310)가 Y 방향으로 배치되도록 하고, 후면(302)의 두 경사부(321)가 X 방향으로 배치되도록 세그먼트(비교차 세그먼트)를 구성하고, 비교차 세그먼트를 직렬로 연결하면 X 방향으로만 굴절하는 관절 구조체를 형성할 수 있다. 또한, 교차 세그먼트와 비교차 세그먼트를 적절히 조합하면, X 방향 관절 유닛과 Y 방향 관절 유닛이 다른 여러 조합으로 배열될 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 회동 돌기와 회동 좌를 통해 회동부를 구성하여 조립성이 매우 우수하지만, 이에 한정되지 않는다. 후방 세그먼트(또는 전방 세그먼트)에 탄성 부재를 고정한다면, 회동부는 예를 들어 핀 결합 등에 의해 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 실시예에서는 동일한 탄성 부재가 이용될 수 있는 것으로 설명하였지만, 서로 같거나 다른 탄성 계수를 가지는 탄성 부재를 조합하여 관절 구조체를 구성하여도 좋다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 탄성 부재(82)는 두께가 전체적으로 일정한 판 스프링이다. 판 스프링 형태인 탄성 부재의 탄성 계수는 판 스프링의 두께를 변경하여 조절할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 판 스프링의 두께(t)는 대략 R₂- R₁이다. 탄성 부재(82)의 곡면부(824)의 내면의 반경(R₁)을 일정하게 유지한 상태에서, 외면의 반경(R₂)을 증감시키면, 탄성 부재의 두께가 증감하고, 그에 따라서 탄성 계수가 증감한다. 곡면부(824)의 외면의 반경(R₂)을 증감하는 것에 대응하여, 후방 세그먼트(30)의 회동 좌(313)의 호의 크기 즉, 반경(R₂)을 변경한 후방 세그먼트(30)를 형성한다.

도 5 내지 도 7은 X 방향 관절 유닛(21, 41, 61)의 각각의 탄성 부재의 탄성 계수에 따른 관절 구조체(2)의 굴절 상태를 설명하기 위한 도면이다.

제2 관절 유닛(21)의 탄성 부재(82)의 탄성 계수를 k₁, 제4 관절 유닛(41)의 탄성 부재(84)의 탄성 계수를 k₂, 제6 관절 유닛(61)의 탄성 부재(86)의 탄성 계수를 k₃라고 한다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 관절 구조체(2)가 직선 상태인 초기 상태에서 각각의 X 방향 관절 유닛(21, 41, 61)의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트 사이에 노출되는 제1 와이어(901)의 길이를 각각 l이라고 한다.

제1 와이어(901)를 △l 만큼 당겨서 관절 구조체(2)를 일방향(-X 방향)으로 굴절시켰을 때, 제2 관절 유닛(21)의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트 사이에 노출된 와이어의 길이(l₁)를 l- △l₁이라고 하고, 제4 관절 유닛(41)의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트 사이에 노출된 와이어의 길이(l₂)를 l- △l₂라고 하며, 제6 관절 유닛(61)의 전방 세그먼트와 후방 세그먼트 사이에 노출된 와이어의 길이(l₃)를 l- △l₃라고 한다(△l = △l₁+ △l₂+ △l₃).

도 6은 k₁이 0.15 N/mm이고, k₂가 0.10 N/mm이며, k₃이 0.05 N/mm인 때(즉, k₁〉k₂〉k₃), 관절 구조체(2)의 굴절 상태를 도시하는 도면이다. 이 경우, l₁(l- △l₁₎, l₂(l- △l₂) 및 l₃(l- △l₃)의 비율은 1.0552 : 0.8734 : 0.3279이다. 즉, 제6 관절 유닛(61), 제4 관절 유닛(41) 및 제2 관절 유닛(21) 순으로 굴절 각도가 크다는 것을 알 수 있다.

도 7은 k₁이 0.05 N/mm이고, k₂가 0.10 N/mm이며, k₃이 0.15 N/mm인 때(즉, k₃〉k₂〉k₁), 관절 구조체(2)의 굴절 상태를 도시하는 도면이다. 이 경우, l₁(l- △l₁₎, l₂(l- △l₂) 및 l₃(l- △l₃)의 비율은 0.3279 : 0.8734 : 1.0552이다. 즉, 제2 관절 유닛(21), 제4 관절 유닛(41) 및 제6 관절 유닛(61) 순으로 굴절 각도가 크다는 것을 알 수 있다.

동일한 길이(△l)만큼 제1 와이어(901)를 당기더라도, 탄성 부재들의 탄성 계수에 따라서 관절 구조체(2)의 굴절 상태가 달라짐을 알 수 있다. 도 6의 경우가 도 7의 경우보다 관절 구조체(2)가 전체적으로 굴절되는 굴절각이 크다.

도시하지는 않았지만, k₁을 0.10 N/mm이고, k₂를 0.05 N/mm이며, k₃을 0.15 N/mm(즉, k₁〉k₃〉k₂)로 하는 경우, l₁, l₂ 및 l₃의 비율은 0.8734 : 0.3279 : 1.0552로 제4 관절 유닛(41)의 굴절 각도가 가장 커지게 된다. 따라서, 동일한 길이(△l)만큼 제1 와이어(901)를 당기더라도, 관절 구조체(2)의 전체적인 굴절 각도는 도 6 및 도 7의 중간 정도로 형성될 것이다.

이는, 제1 와이어(901)를 당겨 관절 구조체(2)를 일방향(-X 방향)으로 굴절시켰을 때, 압박을 받는 탄성 부재(82, 84, 86)에 의해 생기는 탄성 에너지 값들을 더하여 총 에너지 합이 낮은 쪽으로 관절의 각도가 형성되기 때문이다.

좀더 구체적으로, 탄성 에너지의 합을 구하는 공식은 예를 들어 하기 [수학식]과 같다.

[수학식]

(단, 여기서 n=3)

상기 [수학식]으로부터 에너지 합이 최소가 되는 각각의 길이(△l₁, △l₂, △l₃)를 구할 수 있다.

이와 같이, 에너지 합이 최소가 되는 각각의 길이(△l₁, △l₂, △l₃)를 구할 수 있다는 것은, 관절 유닛의 탄성 부재의 탄성 계수를 조절하면, 동일한 길이로 와이어를 당기더라도 각 관절 유닛의 굴절 각도를 조절할 수 있다는 것이다.

아울러, 제2 관절 유닛(21), 제4 관절 유닛(41) 및 제6 관절 유닛(61) 중 탄성 부재에 의해 제공되는 지지력이 약한 쪽부터 순차적으로 굴절이 이루어지므로, 관절 유닛들의 굴절 순서도 예측할 수 있다.

종래 기술에서 굴절 각도 및 관절부의 굴절 순서가 당겨지는 와이어의 길이에 대응하여 일정하게 형성되는 것과 비교하여, 본 실시예에 따르면, 작업 환경이나 조건 등에 따라서 관절 구조체의 전체적인 굴절 각도나 굴절 순서를 결정할 수 있는 관절 구조체를 형성할 수 있다. 따라서, 관절 구조체가 사용되는 작업 환경의 형태에 능동적으로 대응하여 관절 구조체의 굴절 형태를 선택할 수 있다.

상기에서는 X 방향 관절 유닛만을 예시적으로 설명하고, 각각의 X 방향 관절 유닛의 탄성 부재의 탄성 계수가 모두 상이한 것으로 설명하였지만 이에 한정되지 않는다. Y 방향 관절 유닛을 포함한 관절 구조체(2)를 구성하는 관절 유닛 전체의 탄성 부재의 탄성 계수가 모두 같거나 모두 상이할 수도 있고, 일부만 상이할 수도 있다. 즉, 일부의 관절 유닛의 탄성 계수는 동일하고 일부는 상이하게 구성할 수 있다. 또한, 하나의 X 방향 관절 유닛과 이에 연결되는 하나의 Y 방향 관절 유닛을 한 쌍으로 하고, 한 쌍의 관절 유닛의 탄성 계수는 동일하게 하고, 다른 쌍의 관절 유닛의 탄성 계수는 상이하게 하여도 좋다.

이와 같이 다양한 조합의 탄성 계수를 설정함으로써, 작업 환경이나 조건 등에 따라서 다양한 형태로 굴절하는 관절 구조체를 선택적으로 형성할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 탄성 부재로서 판 스프링을 예시하였지만 이에 한정되지 않는다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절 구조체(2')의 개략적인 사시도이다.

본 실시예에 따른 관절 구조체(2')는 Y 방향의 단방향의 회동 구조를 가지지만, 이에 한정되지 않는다.

제1 세그먼트(10')는 후면에서 돌출되고 X 방향으로 배열되는 두 개의 회동 돌기(110')를 구비하고, 회동 돌기(110')를 중심으로 전방으로 비스듬하게 형성되는 경사부(121')를 가진다.

제2 세그먼트(20')는 전면에서 함몰되어 회동 돌기(110')를 지지하는 회동 홈(213')를 가진다. 전방 세그먼트(10')의 회동 돌기(110')와 후방 세그먼트(20')의 회동 홈(213')이 회동부를 구성한다.

제2 세그먼트(20')의 전면에는 회동 홈(213')를 중심으로 후방으로 비스듬하게 형성되는 경사부(211')가 형성된다.

경사부(121')와 경사부(211')가 형성하는 제1 세그먼트(10')와 제2 세그먼트(20') 사이의 손톱 모양의 틈에는 각각 제1 탄성 부재(91)와 제2 탄성 부재(92)가 끼워진다.

제1 탄성 부재(91)와 제2 탄성 부재(92)는 폴리머 재질로 이루어진 압축 가능한 디스크 형상의 부재이고, 제1 세그먼트(10')와 제2 세그먼트(20') 사이의 손톱 모양의 틈새의 형태에 대응하도록 형성되어 제1 세그먼트(10')와 제2 세그먼트(20') 사이의 틈새를 모두 메우도록 형성되어 있다. 이와 같은 구성에 따르면, 탄성 부재가 제1 세그먼트(10')와 제2 세그먼트(20') 사이의 틈새의 둘레 방향 전체에 걸쳐 일정한 힘을 가할 수 있게 된다.

제1 세그먼트(10')와 제2 세그먼트(20')의 외측과 내측에는 탄성 부재(91, 92)가 빠지지 않도록 관절 구조체(2')의 길이 전체에 걸쳐 가요성의 외피(4)와 내피(5)가 씌워져 있다.

제1 세그먼트(전방 세그먼트)(10'), 제2 세그먼트(후방 세그먼트)(20') 및 그 사이에 끼워지는 탄성 부재(91, 92)가 제1 관절 유닛을 형성한다.

Y 방향으로 배열되는 두 가닥의 와이어(미도시)가 제1 세그먼트(전방 세그먼트)(10')와 제2 세그먼트(후방 세그먼트)(20')를 길이 방향으로 관통하도록 연결되어 있다. 이때, 각각의 와이어는 탄성 부재(91, 92)를 길이 방향으로 관통하여도 좋다.

제1 외이어(미도시)를 당겨 제1 세그먼트(10')가 제2 세그먼트(20')에 대해 회동하면 일방향(-Y 방향)으로 회동하면 제1 탄성 부재(91)는 제1 세그먼트(10')의 경사부(121')에 의해 눌리고 그 가압력에 의해 압축되어 가압력에 대항하는 힘을 제공한다. 이러한 디스크 형태의 제1 탄성 부재(91, 92)의 작용은 앞선 실시예의 탄성 부재(82)와 실질적으로 동일하다,

다만, 본 실시예에 따르면, 제1 탄성 부재(91)와 제2 탄성 부재(92)가 반드시 직선 배치된 제1 세그먼트(10')와 제2 세그먼트(20') 사이의 틈새와 동일한 크기로 형성되는 것은 아니다. 제1 탄성 부재(91)와 제2 탄성 부재(92)는 제1 세그먼트(10')와 제2 세그먼트(20') 사이의 틈새보다 약간 큰 상태로 형성되고, 제1 세그먼트(10')와 제2 세그먼트(20') 사이에 약간 압축된 상태로 끼워질 수 있다.

따라서, 전방 세그먼트(10')가 후방 세그먼트(20')에 대해 일방향(-Y 방향)으로 회동할 때, 일방향에 끼워진 제1 탄성 부재(91)는 더 압축되어 전방 세그먼트(10')의 회동에 저항하지만, 타방향(+Y 방향)에 끼워진 제2 탄성 부재(92)는 복원력에 의해 팽창하여 전방 세그먼트(10')를 밀어 전방 세그먼트(10')의 회동을 도울 수 있다. 제2 와이어(미도시)를 당겨 전방 세그먼트(10')가 후방 세그먼트(20')에 대해 타방향(+Y 방향)으로 회동할 때는 제1 탄성 부재(91)가 팽창하고 제2 탄성 부재(92)가 압축된다.

이와 같은 구성에 따르면, 탄성 부재의 팽창력이 와이어의 장력에 더해져 더 적은 힘으로 전방 세그먼트를 회동시킬 수 있다.

제2 세그먼트(20')는 후면에서 돌출되고 X 방향으로 배열되는 두 개의 회동 돌기(210')를 구비하고, 회동 돌기(210')를 중심으로 전방으로 비스듬하게 형성되는 경사부(221')를 가진다.

제3 세그먼트(30')는 전면에서 함몰되어 회동 돌기(210')를 지지하는 회동 홈(313')를 가진다. 전방 세그먼트(20')의 회동 돌기(210')와 후방 세그먼트(30')의 회동 홈(313')이 회동부를 구성한다.

제3 세그먼트(30')의 전면에는 회동 홈(313')를 중심으로 후방으로 비스듬하게 형성되는 경사부(311')가 형성된다.

경사부(221')와 경사부(311')가 형성하는 제2 세그먼트(20')와 제3 세그먼트(30') 사이의 손톱 모양의 틈에는 각각 제3 탄성 부재(93)와 제4 탄성 부재(94)가 끼워진다.

제2 세그먼트(전방 세그먼트)(20'), 제3 세그먼트(후방 세그먼트)(30') 및 그 사이에 끼워지는 탄성 부재(93, 94)가 제2 관절 유닛을 형성한다.

제3 세그먼트(30')는 후면에서 돌출되고 X 방향으로 배열되는 두 개의 회동 돌기(310')를 구비하고, 회동 돌기(310')를 중심으로 전방으로 비스듬하게 형성되는 경사부(321')를 가진다.

제4 세그먼트(40')는 전면에서 함몰되어 회동 돌기(310')를 지지하는 회동 홈(413')를 가진다. 전방 세그먼트(30')의 회동 돌기(310')와 후방 세그먼트(40')의 회동 홈(413')이 회동부를 구성한다.

제4 세그먼트(30')의 전면에는 회동 홈(413')를 중심으로 후방으로 비스듬하게 형성되는 경사부(411')가 형성된다.

경사부(321')와 경사부(411')가 형성하는 제3 세그먼트(30')와 제4 세그먼트(40') 사이의 손톱 모양의 틈에는 각각 제5 탄성 부재(95)와 제6 탄성 부재(96)가 끼워진다.

제3 세그먼트(전방 세그먼트)(30'), 제4 세그먼트(후방 세그먼트)(40') 및 그 사이에 끼워지는 탄성 부재(95, 96)이 제3 관절 유닛을 형성한다.

제1 와이어(미도시)와 제2 와이어(미도시)는 Y 방향으로 이격되어 각각 제1 내지 제3 관절 유닛을 전후방향으로 관통하고, 제1 내지 제3 관절 유닛을 굴절시킨다.

본 실시예에 따르면, 마주하는 한 쌍의 탄성 부재(제1 및 제2 탄성 부재(91, 92), 제3 및 제4 탄성 부재(93, 94), 제5 및 제6 탄성 부재(95, 96))끼리는 탄성 계수가 동일하다. 다만, 제1 탄성 부재(91), 제3 탄성 부재(93) 및 제5 탄성 부재(95)는 탄성 계수를 달리함으로써 관절 구조체(2')의 굴절 형태를 다변화할 수 있다.

본 실시예에 따른 탄성 부재의 탄성 계수는 폴리머의 재질을 달리하여 변경될 수 있다.

Claims

회동부에서 서로 지지되어 서로 직렬 연결되고, 상기 회동부가 정의하는 회동 중심을 중심으로 상대적으로 회동 가능한 전방 세그먼트 및 후방 세그먼트와, 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트 사이에 배치되는 탄성 부재를 포함하는 관절 유닛; 및
상기 관절 유닛의 길이 방향으로 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트를 관통하는 와이어;를 포함하고,
상기 와이어가 후방으로 당겨짐에 따라서 상기 전방 세그먼트가 상기 후방 세그먼트에 대해 일방향으로 회동하고,
상기 탄성 부재는 상기 전방 세그먼트의 회동에 의한 가압력에 의해 탄성 변형하여 상기 가압력에 저항하는 탄성력을 제공하고,
상기 가압력과 상기 탄성력이 균형을 이루면서 상기 전방 세그먼트가 회동하고,
상기 회동부는,
상기 전방 세그먼트의 후면에 형성되고, 원 기둥의 일부를 이루는 회동면을 구비하는 회동 돌기와,
상기 후방 세그먼트의 전면에 형성되고, 상기 회동 돌기를 받치는 회동 좌(座)에 의해 구성되고,
상기 탄성 부재는 상기 전방 세그먼트의 가압력에 의해 구부러지는 판 스프링인 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제1항에 있어서,
복수의 관절 유닛이 서로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제2항에 있어서,
전방의 관절 유닛의 후방 세그먼트가 그와 연결되는 후방의 관절 유닛의 전방 세그먼트가 되는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제2항에 있어서,
상기 복수의 관절 유닛의 탄성 부재는 탄성 계수가 서로 같거나 상이한 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제2항에 있어서,
상기 복수의 관절 유닛은,
전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 X 방향으로 회동하는 복수의 X 방향 관절 유닛과, 전방 세그먼트가 후방 세그먼트에 대해 상기 X 방향과 수직한 Y 방향으로 회동하는 복수의 Y 방향 관절 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제5항에 있어서,
복수의 상기 X 방향 관절 유닛과 복수의 상기 Y 방향 관절 유닛이 길이 방향을 따라 번갈아 배치되는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
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제1항에 있어서,
상기 후방 세그먼트에는 전면에서 함몰되고 내부에 상기 회동 좌가 형성되는 중앙 홈부가 형성되고,
상기 판 스프링은,
상기 중앙 홈부에 삽입되는 연결부와,
상기 연결부와 연결되고, 상기 중앙 홈부의 외측에서 상기 전방 세그먼트의 후면을 향해 비스듬히 연장되는 탄성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제9항에 있어서,
상기 관절 유닛이 직선으로 배치되는 초기 상태에서 상기 탄성부는 구부러지지 않은 상태로 상기 전방 세그먼트의 후면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제10항에 있어서,
상기 관절 유닛의 길이 방향으로 상기 전방 세그먼트와 상기 후방 세그먼트를 관통하는 복수의 와이어를 포함하고,
제1 와이어가 후방으로 당겨짐에 따라 상기 전방 세그먼트가 상기 후방 세그먼트에 대해 일방향으로 회동하고,
상기 관절 유닛의 길이 방향의 중심축을 중심으로 상기 제1 와이어와 대칭으로 배치되는 제2 와이어가 후방으로 당겨김에 따라 상기 전방 세그먼트가 상기 후방 세그먼트에 대해 상기 일방향과 반대되는 타방향으로 회동하며,
상기 판 스프링은, 상기 일방향 쪽에 형성되는 제1 탄성부와 상기 타방향 쪽에 형성되는 제2 탄성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제9항에 있어서,
상기 연결부는,
상기 회동 돌기와 회동 좌 사이에 끼워지는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제12항에 있어서,
상기 연결부는,
원 기둥의 일부를 이루는 곡면을 형성하고, 상기 회동 돌기와 회동 좌 사이에 끼워지는 곡면부와,
두 개의 회동 좌 사이에 끼워지는 절곡부를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
제9항에 있어서,
상기 탄성부는 상기 와이어가 통과하도록 절개된 노치부를 구비하는 것을 특징으로 하는 관절 구조체.
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길게 연장되는 튜브체;
상기 튜브체의 선단부에 연결되는 제1항 내지 제6항 및 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 관절 구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브 삽입형 장치.