KR101509275B1 - 의료용 머니퓰레이터 - Google Patents

Abstract

의료용 머니퓰레이터(10)는, 엔드 이펙터로서의 파지구(22)를 포함하는 선단 작업 유닛(14)과, 선단 작업 유닛(14)을 조작하는 조작 유닛(16)과, 선단 작업 유닛(14)과 조작 유닛(16)을 상호 연결하는 커플링(12)과, 선단 작업 유닛(14)의 자세를 변경하는 자세 변경 기구(26)를 포함한다. 조작 유닛(16)이 조작자에 의해 조작될 때, 엔드 이펙터(22)는 전달 부재(18)에 의해 기계적으로 조작된다. 자세 변경 기구(26)는, 조작 유닛(16)이 조작자에 의해 조작될 때 작동되는 굴곡 구동원(140, 142) 및 회전 구동원(90)에 의해 조작된다.

Description

의료용 머니퓰레이터{MEDICAL MANIPULATOR}

본 발명은, 예컨대 복강경 수술에 사용하는 의료용 머니퓰레이터에 관한 것이다.

최근, 복부 수술 대신에, 개복하지 않고 충수나 담낭의 제거를 위한 복강경 수술이 주목받고 있다. 복강경 수술 중에, 예컨대 복벽을 통해 복강 내에 4개의 투관침(trocar)을 삽입하고, 투관침 중 하나를 통해서 삽입된 소형 카메라에 의해 복강을 모니터하고, 복강의 환부에 외과적 수술을 행하기 위해 다른 투관침을 통해서 삽입된 겸자, 가위 및 외과용 전기 나이프(electrosurgical knife) 등을 조작하는 것이 관례적이다.

본 출원인은 이러한 복강경 수술에서 사용하기 위한 외과용 도구(의료용 머니퓰레이터)를 제안한다. 제안된 외과용 도구는 긴 도구 본체와, 긴 도구 본체에 대해 회전될 수 있는 선단부를 포함하고, 의료용 작업 유닛을 외과적으로 처치될 신체 부위로 접근된 상태를 유지하면서, 선단부의 의료용 작업 유닛을 원하는 자세로 가져올 수 있다. 상세하게는, 일본 특허 제3421117호를 참조한다.

의료용 머니퓰레이터는, 환부를 제거, 봉합 및 결찰하기 위해, 외과 의사가 환부의 위치 및 크기에 따라서 다양하고 적절한 기술을 신속하게 수행할 수 있는 것이 요구된다. 일본 특허 출원 공개 제2002-102248호 및 제2004-301275호에 따르면, 높은 자유도를 가지면서 간단하게 조작될 수 있는 의료용 머니퓰레이터가 제안되어 있다.

일본 특허 제3421117호에 개시된 의료용 머니퓰레이터는, 예컨대 조작자가 선단부의 의료용 작업 유닛을 직접 회전시키기 위해 회전 조작 부재를 조작할 수 있게 한다. 환부의 위치 및 크기에 따라 적절한 기술을 신속하게 수행하기 위해, 의료용 머니퓰레이터가 더욱 용이하게 조작할 수 있는 것이 요망된다.

본 발명의 일반 목적은 더욱 용이하게 조작될 수 있는 의료용 머니퓰레이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 엔드 이펙터(end effector)를 포함하는 선단 작업 유닛과, 선단 작업 유닛을 조작하는 조작 유닛과, 선단 작업 유닛과 조작 유닛을 연결하는 커플링과, 선단 작업 유닛의 자세를 변경하는 자세 변경 기구를 포함하는 의료용 머니퓰레이터가 제공되고 있고, 엔드 이펙터는 조작 유닛이 조작자에 의해 조작될 때 전달 부재에 의해 기계적으로 조작되고, 자세 변경 기구는 조작 유닛이 조작자에 의해 조작될 때 작동되는 액추에이터에 의해 조작된다.

상기 구성에 따르면, 엔드 이펙터는 조작자의 손으로 개폐되고, 회전되고, 기계적으로 다르게 조작되고, 선단 작업 유닛의 자세는 자세 변경 기구를 작동하는 액추에이터에 의해 변경된다. 그러므로 엔드 이펙터는 원하는 파지력으로 환부를 처치하도록 쉽고 확실하게 조작될 수 있고, 엔드 이펙터의 자세는 액추에이터에 의해 신속하고 쉽게 변경될 수 있다. 따라서, 의료용 머니퓰레이터의 조작성이 향상될 수 있다. 다시 말하면, 의료용 머니퓰레이터는, 엔드 이펙터를 개폐하고, 회전시키고, 다르게 작동하기 위해 쉽게 조작될 수 있고, 또한 선단 작업 유닛의 자세를 변경하기 위해 쉽게 조작될 수 있어, 의료용 머니퓰레이터의 조작성이 향상된다.

자세 변경 기구는 커플링의 일부를 굴곡시키는 굴곡 기구와, 축에 대해 선단 작업 유닛을 회전시키는 회전 기구를 포함할 수 있다. 선단 작업 유닛이 굴곡 기구에 의해 커플링의 축과 평행하지 않게 굴곡될 때, 회전 기구는 굴곡축에 대해 선단 작업 유닛을 회전시킬 수 있다.

커플링이 조작 유닛에 착탈식으로 장착되면, 선단 작업 유닛은 엔드 이펙터의 종류에 따라 단일 조작 유닛과 대체될 수 있다. 또한, 커플링 및 선단 작업 유닛은 고온에서 멸균처리될 수 있다. 따라서 의료용 머니퓰레이터는 범용성과 유지 보수성을 향상시킬 수 있다.

조작 유닛이 전달 부재를 진퇴 이동시키기 위해 조작자에 의해 회전 가능한 핸들을 포함하면, 엔드 이펙터를 개폐하는 의료용 머니퓰레이터의 조작성이 향상된다.

전달 부재는 가요성 부재와, 가요성 부재가 권취되어 있는 원기둥 부재를 포함할 수 있다. 가요성 부재가 권취되는 원기둥 부재는, 엔드 이펙터의 상태와 간섭하지 않도록 자세 변경 기구의 자세를 변경할 수 있는 간단하고 경량인 구성을 제공한다.

자세 변경 기구는 원기둥 부재를 포함하는 회전축을 포함하고, 전달 부재는 원기둥 부재 주위에 권취된 부분을 갖는 가요성 부재를 포함하여, 전달 부재는 가요성 부재를 통해 엔드 이펙터를 조작한다. 원기둥 부재 주위로 권취되는 가요성 부재는, 가요성 부재를 통해 엔드 이펙터를 조작하기 위한, 또한 회전축으로서 원기둥 부재를 사용하여 엔드 이펙터의 상태와 간섭하지 않도록 자세 변경 기구의 자세를 변경하기 위한, 간단하고 경량의 구성을 제공한다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점은, 본 발명의 양호한 실시예가 설명하는 예로서 도시된 첨부 도면에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터의 전체 구성을 도시하는 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터의 선단부의 부분 단면 확대 측면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 상태로부터 파지구를 개방한 상태의 선단부의 부분 단면 확대 측면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터의 조작 유닛의 부분 단면 확대 측면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 상태로부터 파지구를 개방한 상태의 조작 유닛의 부분 단면 확대 측면도이다.
도 6은 도 2의 VI-VI선에 따르는 단면도이다.
도 7은 도 5의 VII-VII선에 따르는 단면도이다.
도 8은 도 4의 VIII 화살표로 지시된 방향으로 보아 도면의 일부가 생략된 정면도이다.
도 9는 커플링의 만곡부를 굴곡시키는 굴곡 기구의 구성예를 도시하는 분해 사시도이다.
도 10은 커플링의 만곡부의 구성예의 일부를 도시하는 분해 사시도이다.
도 11은 커플링에서 분리되어 있는, 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터의 측면도이다.
도 12는 커넥터에서 분리되어 있는 전달 부재의 선형체의 사시도이다.
도 13은 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터의 다른 구성예를 도시하는 측면도이다.
도 14는 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터의 선단부의 다른 구성예를 도시하는 부분 단면 확대 측면도이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터의 측면도이다.
도 16은 도 15에 도시된 의료용 머니퓰레이터의 평면도이다.
도 17은 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 측면도이다.
도 18은 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 평면도이다.
도 19는 파지구가 폐쇄되어 있는 상태의, 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 측면도이다.
도 20은 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 분해 사시도이다.
도 21은 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 구조도이다.
도 22는 트리거 레버가 조작되지 않은 상태의, 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 측면도이다.
도 23은 트리거 레버가 완전히 당겨져 있는 상태의, 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 측면도이다.
도 24는 트리거 레버가 중간 위치까지 당겨져 있는 상태의, 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 측면도이다.
도 25는 롤축이 일방향으로 조작된 상태의, 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 측면도이다.
도 26은 제1 변형예에 따른 피구동 와이어(passive wire)의 단부의 접속부의 개략도이다.
도 27은 제2 변형예에 따른 피구동 와이어의 단부의 접속부의 개략도이다.
도 28은 제3 변형예에 따른 피구동 와이어의 단부의 접속부의 개략 평면도이다.
도 29는 제3 변형예에 따른 피구동 와이어의 단부의 접속부의 개략 단면 측면도이다.
도 30은 제4 변형예에 따른 피구동 와이어의 단부의 접속부의 개략 단면 평면도이다.
도 31은 제4 변형예에 따른 피구동 와이어의 단부의 접속부의 개략 단면 측면도이다.
도 32는 제2 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 구조도이다.
도 33은 제3 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 측면도이다.
도 34는 파지구가 폐쇄된 상태의, 제3 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 측면도이다.
도 35는 롤축이 일방향으로 조작되어 있는 상태의, 제3 구성예에 따른 선단 작업 유닛에서 개략 측면도이다.
도 36은 트리거 레버가 밀려나온 상태의, 제4 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 측면도이다.
도 37은 트리거 레버가 완전히 당겨져 있는 상태의, 제4 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 측면도이다.
도 38은 제4 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 구조도이다.
도 39는 제4 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 아이들 풀리 및 가이드 풀리의 확대 사시도이다.
도 40은 제1 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구의 개략도이다.
도 41은 제2 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구의 개략도이다.
도 42는 제3 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구의 개략도이다.
도 43은 제4 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구의 개략도이다.
도 44는 제5 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 측면도이다.
도 45는 제5 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 평면도이다.
도 46은 파지구가 폐쇄된 상태의, 제5 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 측면도이다.
도 47은 제5 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 분해 사시도이다.
도 48은 트리거 레버가 밀려나온 상태의 제2 엔드 이펙터 구동 기구의 부분 단면 평면도이다.
도 49는 트리거 레버가 완전히 당겨져 있는 상태의 제2 엔드 이펙터 구동 기구의 부분 단면 평면도이다.
도 50은 트리거 레버가 밀려나온 상태의 제2 엔드 이펙터 구동 기구의 부분 단면 측면도이다.
도 51은 제5 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 구조도이다.
도 52는 트리거 레버가 완전히 당겨져 있는 상태의, 제5 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 측면도이다.
도 53은 트리거 레버가 밀려나온 상태의, 제5 구성예에 따른 선단 작업 유닛의 개략 측면도이다.
도 54는 제5 구성예의 제1 변형예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 측면도이다.
도 55는 제5 구성예의 제2 변형예에 따른 선단 작업 유닛의 단면 측면도이다.
도 56a는 파지구 링크부가 도면에서 생략되어 있는 상태의 선단 작업 유닛의 개략 단면 측면도이다.
도 56b는 파지구 링크부가 도면에서 생략되어 있고 파지구가 개방되어 있는 상태의 선단 작업 유닛의 개략 단면 측면도이다.
도 57은 로봇 아암의 선단부에 연결된 작업 유닛을 구비한 수술용 로봇 시스템의 개략 사시도이다.

본 발명에 따른 의료용 머니퓰레이터의 양호한 실시예는 첨부한 도면을 참조하여 이하에 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(10)의 전체 구성을 도시하는 측면도이다. 본 실시예에 따르면, 주로 복강경 수술에 사용되는 겸자로서 사용하기 위한 의료용 머니퓰레이터(10)가 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 겸자 이외에, 예컨대 집게 및 외과용 전기 나이프와 같은 각종 수술 도구에 적용 가능하다. 이하의 설명에 있어서, 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터(10)의 우측 단부를 기단부, 좌측 단부를 선단부라 칭하고, 다른 도면에서도 마찬가지이다.

의료용 머니퓰레이터(10)는 환부에 외과적 수술을 행하는 엔드 이펙터로서 선단부에 파지구(22)를 구비하는 선단 작업 유닛(14)과, 선단 작업 유닛(14)의 기단부에 결합된 긴 소경 커플링(12)을 구비하는 작업 유닛(주 머니퓰레이터 본체)(15)과, 커플링(12)의 기단부에 결합된 조작 유닛(16)과, 커플링(12)을 통해 연장되어 선단 작업 유닛(14)과 조작 유닛(16)을 서로 연결하는 긴 전달 부재(18)(도 2 참조)를 포함한다. 의료용 머니퓰레이터(10)에 내장되는 각종 액추에이터를 구동 및 제어하는 제어 유닛의 역할을 하는 제어기(20)가 조작 유닛(16)에 연결되어 있다.

도 2는 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터(10)의 선단 작업 유닛(14)의 부분 단면 확대 측면도이며, 선단 작업 유닛(14)의 파지구(22)가 폐쇄되어 있는 상태를 도시하고 있다. 도 3은 도 2에 도시된 상태로부터 파지구(22)가 개방된 상태의 부분 단면 확대 측면도이다. 도 4는 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터의 조작 유닛(16)의 부분 단면 확대 측면도이며, 선단 작업 유닛(14)의 파지구(22)가 폐쇄되어 있는 상태를 도시하고 있다. 도 5는 도 4에 도시된 상태로부터 파지구(22)가 개방된 상태의 부분 단면 확대 측면도이다.

커플링(12)은 전달 부재(18) 등을 수납할 수 있는 공간(24)을 구비하는 중공의 긴 소경의 부재를 포함한다. 선단 작업 유닛(14)에 회전 가능하게 결합되는 조인트(자세 변경 기구, 회전 기구)(26)가 커플링(12)의 선단부에 배치된다(도 1 및 도 2 참조). 커플링(12)은 조작 유닛(16)의 주 조작 유닛 본체(28)에 결합된 기단부를 갖는다(도 1 및 도 4 참조).

커플링(12)은 원형, 타원형, 다각형 등이 될 수 있는 횡단면 형상(그 축방향에 수직인 단면 형상)을 갖지만, 어느 특별한 형상으로 한정되지 않는다. 본 실시예에서 도 6에 도시된 바와 같이, 커플링(12)은 원형 횡단면 형상을 갖고, 커플링이 투관침(도시되지 않음)에 삽입될 수 있는, 예컨대 5 내지 10mm 범위의 외경을 갖는다.

본 실시예에 있어서, 커플링(12)은 도 1에 도시한 바와 같이 직선 형상을 갖지만, 커플링(12)은 임의의 원하는 형상으로 만곡 또는 굴곡될 수 있다. 커플링(12)은 원하는 형상으로 만곡(굴곡)될 수 있는 적어도 하나의 만곡부(자세 변경 기구, 굴곡 기구)(30)를 갖고 있어(도 1 참조), 생체 조직이 파지구(22)에 의해 외과적으로 처치될 수 있는 범위를 확대하고, 적절한 자세로 외과적 처치를 행하는 것을 가능하게 한다.

커플링(12)을 통해 연장되는 전달 부재(18)는 선형체(32)와, 선형체(32)의 기단부에 결합된 제1 커플링 부재(34)와, 선형체(32)의 선단부에 결합된 막대 형상의 제2 커플링 부재(36)를 포함한다. 선형체(32)는, 커플링(12)과 조작 유닛(16)이 서로 착탈 가능하게 접합된 착탈식 조인트(35) 근방에 위치된 커넥터(37)(도 4 및 도 12 참조)를 갖는다. 커넥터(37)는 선단부측 부위(32a)와 기단부측 부위(32b)가 착탈 가능하게 서로 접합되도록 한다. 선단부측 부위(32a)는 선단 작업 유닛(14) 내에 연장되고, 기단부측 부위(32b)는 주 조작 유닛 본체(28) 내에 연장된다(도 2 및 도 4 참조).

선형체(32)는 그 전체 길이 또는 일부, 적어도 만곡부(30)에 대응하는 부분에 걸쳐 가요성인(만곡 가능한) 것이 바람직하다. 스테인리스강, 텅스텐, 초탄성 합금 등으로 이루어진 금속선, 피아노선, 로프, 체인 등, 폴리아미드(전방향족계 폴리아미드), 폴리에스테르, 초고분자량 폴리에틸렌, 카본 섬유와 같이 비교적 고장력에 견딜 수 있는 고분자 재료로 이루어진 섬유(이하, 고장력 섬유라고 지칭)와 같은 와이어, 또는 이러한 와이어 중 임의의 클러스터 또는 다른 복합체를 포함할 수 있다. 만곡부(30)에 대응하는 부분 이외의 직선부는 비가요성 강체로 구성될 수 있다. 와이어의 클러스터 형태인 선형체(32)는 하나 이상의 와이어(특히 금속선)로 이루어지는 것이 바람직하고, 와이어 둘레에 권취된(예컨대 나선형으로) 하나 이상의 동종 또는 이종의 와이어, 및 그 둘레에 마지막에 언급한 하나 이상의 와이어에 대해 역방향으로 권취된 하나 이상의 동종 또는 이종의 와이어를 갖는다. 이렇게 구성된 선형체는, 조작 유닛(16)의 당김 동작을 추종하는데 있어서 우수한 동시에, 선형체(32)가 회전될 때 비틀림이나 굽힘에 의한 길이의 변화(변형)를 억제한다는 면에서 이점이 있다. 선형체(32)의 외경은 어느 특별한 값으로 한정되지 않지만, 본 실시예에 따르면, 약 1.0 내지 2.5mm의 범위, 특히 약 1.0 내지 1.5mm의 범위가 바람직하다.

도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 커플링 부재(36)는 사각형 횡단면 형상을 갖는다. 조인트(26)는 중앙에 형성된 통로(40)를 갖는 돌출부(38)를 포함한다. 제2 커플링 부재(36)는 통로(40) 내측에 미끄럼 이동 가능하게 삽입된다. 통로(40)는 제2 커플링 부재(36)의 횡단면 형상과 실질적으로 동일한 횡단면 형상을 갖는다. 제2 커플링 부재(36)는, 후술되는 슬라이더(44)의 기단부와 결합 또는 일체로 결합되는, 선단 작업 유닛(14)으로 연장되는 선단부측 부위를 갖는다.

제2 커플링 부재(36)의 횡단면 형상은 제2 커플링 부재(36)가 통로(40)에 대해 회전하는 것을 방지하지 위해, 예컨대 사각형 형상 이외에 삼각형 형상, 육각형 형상, 반원 형상, 직선 형상, 십자 형상, L자 형상 등의 비원형 형상이 될 수 있다. 제2 커플링 부재(36)는 알루미늄, 황동, 스테인리스강, 텅스텐, 탄소강, 초탄성 합금 등과 같은 금속 재료, 또는 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 경질 폴리염화비닐, 폴리에스테르 등과 같은 비교적 경질 수지, 또는 상술한 고장력 섬유로 이루어질 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 선단 작업 유닛(14)은 환부를 처치하는 엔드 이펙터로서의 파지구(22)와, 슬라이더(44)를 일방향으로(선단부를 향해) 이동시키기 위해 편향시키는 코일 스프링(46)을 포함한다. 파지구(22)는 생체 조직을 파지하는 겸자 기구로서 역할을 하며, 한쪽이 이동 가능한 한 쌍의 개폐 부재, 즉 고정 끼움 부재(48)와 상기 고정 끼움 부재(48)에 대해 회전 가능한 가동 끼움 부재(50)를 포함한다. 가동 끼움 부재(50)는 핀(52)에 의해 주 선단부 본체(54)에 회전 가능하게 장착된 기단부를 갖는다. 본 실시예에서 파지구(22)가 끼움 부재 중 단 하나만이 개방 가능하지만, 끼움 부재의 양쪽이 개방될 수도 있다.

주 선단부 본체(54)는 그 하부(도 2에 도시되어 있는 하방)에 오목부(56)를 갖는다. 슬라이더(44)는 선단 작업 유닛(14)의 길이 방향으로 미끄럼 이동 가능하도록 오목부(56)에 배치된다. 슬라이더(44)는 그 선단부에 돌출하는 핀(58)을 구비하고, 핀은 가동 끼움 부재(50)의 기단부의 하부에 형성된 긴 구멍(60)에 삽입된다.

후술하는 핸들 유닛(62)이 오목부(56)의 기단부측 부위에 슬라이더(44)를 위치시키도록 기단부를 향해 전달 부재(18)를 당기기 위해 조작될 때, 고정 끼움 부재(48) 및 가동 끼움 부재(50)는 폐쇄 위치에 있다(도 2 참조). 핸들 유닛(62) 상의 파지력이 완화 또는 제거될 때, 전달 부재(18)는 선단부를 향해 이동되고, 이로써 슬라이더(44)를 오목부(56)의 선단부를 향해 이동시킨다. 핀(58)은 긴 구멍(60)의 내주면을 압박하고, 가동 끼움 부재(50)를 핀(52)에 대해 회전시켜 개방한다(도 3 참조). 긴 구멍(60)은 생략될 수 있고, 슬라이더(44)가 이동함에 따라, 슬라이더(44)는 핀(58)의 도 2 중 수직 운동을 흡수하도록 변형될 수 있다.

코일 스프링(46)은 주 선단부 본체(54)에 형성된 오목부(64)와 슬라이더(44)에 형성된 오목부(66) 내에 압축 상태로 수납되어 있다. 코일 스프링(46)은 그 탄성력에 의해 슬라이더(44)를 선단부를 향해 편향시키는, 즉 가동 끼움 부재(50)를 개방하는 방향으로 편향시키는 편향 수단이다. 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(10)는 선단 작업 유닛(14)의 편향 수단으로서 코일 스프링(46)을 포함하고 있으므로, 예컨대 개방하는 방향으로 가동 핸들(68)을 편향시키는 핸들 유닛(62) 내측에 판 스프링 등을 제공할 필요가 없다. 따라서, 조작 유닛(16)은 구성에 있어서 간소하여 더욱 조작성을 향상시킬 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 조인트(26)는 커플링(12)의 공간(24)과 연통하고 커플링(12)의 선단부면에서 개방하는 원형 횡단면 형상을 갖는 오목부(70)를 포함한다. 돌출부(38)는 주 선단부 본체(54)의 기단부로부터 돌출하고 오목부(70)에 삽입되는 원형 횡단면 형상을 갖는다.

돌출부(38)는 그 중심에 축방향으로 형성되고 제2 커플링 부재(36)의 횡단면 형상과 실질적으로 동일한 횡단면 형상을 갖는 통로(40)를 포함한다. 제2 커플링 부재(36)가 통로(40)에 삽입될 때, 전달 부재(18)의 회전력은 돌출부(38) 및 주 선단부 본체(54)에 전달될 수 있다.

소정의 간격으로 서로 축방향으로 이격된 2개의 링 형상 홈(74)이 오목부(70)의 내주면에 형성되어 있다. 돌출부(38)는 홈(74)에 대응하는 각 위치에서 원주 방향으로 연장되는 2개의 링 형상 랜드부(75)를 갖는다. 랜드부(75)는 각각 홈(74)으로 삽입된다. 랜드부(75)는 연속적인 링 형상을 갖는 것에 한정되지 않고, 원주 방향으로 간헐적으로 배치될 수도 있다.

상기 구조의 조인트(26)는 선단 작업 유닛(14)이 커플링(12)에 대해 회전(구름)하는 것을 허용하지만, 선단 작업 유닛(14)이 축방향으로는 이동할 수 없게 한다. 그러므로 조인트(26)는 선단 작업 유닛(14)이 이탈되거나 덜걱거리는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 조인트(26)는 선단 작업 유닛(14)의 회전 저항을 감소시키는 회전 저항 감소 수단(도시하지 않음)을 구비할 수 있다. 구체예에 따르면, 회전 저항 감소 수단은 오목부(70)와 돌출부(38) 사이에 개재된 윤활유와 같은 윤활제, 또는 폴리테트라플루오로에틸렌, 실리콘, 폴리에틸렌, 폴리아세탈 등과 같은 저마찰 재료의 층을 포함할 수 있다. 회전 저항 감소 수단은 선단 작업 유닛(14)을 더욱 원활하게 회전하도록 한다.

도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 조작 유닛(16)은 원격적으로 파지구(22)를 개폐(회전)시키고, 만곡부(30)의 선단 작업 유닛(14)을 굴곡시키고, 커플링(12)에 대해 선단 작업 유닛(14)을 회전시키기 위해, 커플링(12)의 기단부에 장착된다.

조작 유닛(16)은, 주 조작 유닛 본체(28)에 고정되거나 일체로 결합된 고정 핸들(80)과, 고정 핸들(80)에 대해 개폐(회전) 가능한 가동 핸들(68)로 구성되는 핸들 유닛(62)을 포함한다. 가동 핸들(68)은 축 부재(82)에 의해 주 조작 유닛 본체(28)에 회전 가능하게 장착된 상단부를 갖는다.

스톱퍼(84)는 주 조작 유닛 본체(28)의 하부의 외측면으로부터 돌출하여 그 회전 가능한 범위를 규제하도록 가동 핸들(68)과 결합하고, 그럼으로써 과도한 파지력이 핸들 유닛(62)에 인가될 때 전달 부재(18)가 파괴되는 것을 방지한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 고정 핸들(80) 및 가동 핸들(68)은 제 위치에서 절환될 수 있다. 이러한 변경에 따르면, 후술하는 회전 동작 입력 유닛(86)과 굴곡 동작 입력 유닛(128)은 주 조작 유닛 본체(28)의 기단부의 상부에 배치되어, 조작성을 한층 향상시킬 수 있다.

조작 유닛(16)은, 주 조작 유닛 본체(28)의 기단부에 배치되어 고정 핸들(80)에 장착된 디스크 형상의 회전 동작 입력 유닛(86)(도 8 참조)의 조작에 의해 작동될 수 있는 회전 동작 기구(88)를 구비한다.

회전 동작 기구(88)는 예컨대 모터와 같은 회전 구동원(액추에이터)(90)과, 회전 구동원(90)의 회전축에 결합된 소경의 구동 기어(92)와, 구동 기어(92)에 맞물려 보유 지지되는 대경의 종동 기어(94)와, 종동 기어(94)를 주 조작 유닛 본체(28)의 기단부에서 회전 가능하게 지지하는 베어링(96)을 포함한다. 회전 구동원(90)은 회전 동작 입력 유닛(86)의 조작에 기초하여 제어기(20)의 제어하에서 동력이 공급된다. 종동 기어(94)는 그 기단부측 부위의 원기둥부(98a)와, 그 선단부측 부위의 각기둥부(98b)로 구성되는 회전축(98)을 갖는다. 원기둥부(98a)는 베어링(96)에 의해 지지되어 있다.

주 조작 유닛 본체(28)는 가동 핸들(68)의 각운동을 전달 부재(18)의 길이 방향의 운동으로 변환하고, 종동 기어(94)의 회전에 의해 발생한 회전력을 전달 부재(18)로 전달하는 변환 수단(100)을 내장한다. 변환 수단(100)은 제1 커플링 부재(34)를 회전 가능하게 지지하는 지지 부재(102)와, 종동 기어(94)로부터 제1 커플링 부재(34)로 회전력을 전달하는 회전력 전달 기구(104)를 포함한다.

선형체(32)의 기단부측 부위(32b)는 핀(106)에 의해 제1 커플링 부재(34)의 선단부측 부위에 고정된다. 제1 커플링 부재(34)는, 종동 기어(94)의 회전축(98)의 각기둥부(98b)가 삽입되고 중심에 형성되는 사각형 횡단면 형상의 통로(108)를 갖는 중공 원기둥 부재를 포함한다(도 7 참조). 제1 커플링 부재(34)는 그 기단부에 지지 부재(102)의 기단부면과 결합하는 플랜지(110)를 포함한다.

지지 부재(102)는 내부에 형성되고, 제1 커플링 부재(34)를 삽입하는 원형 횡단면 형상의 관통 구멍(112)을 구비한다. 내부에 형성된 긴 구멍(114)을 갖는 설형부(tongue)(116)는 지지 부재(102)의 하부로부터 돌출한다. 지지 부재(102)는 주 조작 유닛 본체(28)에 배치된 안내 부재(118)에 의해 지지되어, 전달 부재(18)의 길이 방향으로 미끄럼 이동 가능하게 한다. 설형부(116)는 하부 안내 부재(120)에 형성된 슬릿(122)을 통해 하방으로 돌출한다.

가동 핸들(68)은 그 상부에 주 조작 유닛 본체(28)에 삽입되는 돌출 부재(124)를 구비한다. 돌출 부재(124)의 상단부에 장착된 핀(126)은 설형부(116)의 긴 구멍(114)에 삽입된다(도 4 및 도 7 참조).

회전력 전달 기구(104)는 종동 기어(94)의 회전축(98)의 각기둥부(98b)와, 각기둥부(98b)를 삽입하는 통로(108)로 함께 이루어진다. 각기둥부(98b)는 통로(108)에 대해 축방향 이동이 가능하지만, 각기둥부(98b)가 통로(108)로 삽입되는 깊이와 관계없이 통로(108)에 대해 회전될 수 없다. 그러므로 종동 기어(94)의 회전력이 각기둥부(98b) 및 통로(108)를 통해 제1 커플링 부재(34)로 전달됨으로써, 전달 부재(18) 전체를 회전시킬 수 있다.

각기둥부(98b)의 횡단면 형상은 통로(108)에 대해 각기둥부(98b)가 회전하는 것을 방지하기 위해, 사각형 형상 이외에, 예컨대 삼각형 형상, 육각형 형상, 반원 형상, 직선 형상, 십자 형상, L자 형상 등이 될 수 있다. 회전력 전달 기구(104)는 회전 구동원(90)으로부터 전달 부재(18)로 회전력을 기계식으로 전달하는 기구를 포함한다. 회전력 전달 기구(104)는 와이어, 체인, 타이밍 벨트, 링크, 로드, 기어 등에 의해 작동될 수 있다. 바람직하게는, 회전력 전달 기구(104)는 동력 전달 방향으로 비탄성적인 강체 형태의 기계 요소에 의해 작동된다. 와이어, 체인 등은 장력이 걸려 있는 상태에서 피할 수 없는 미소한 신장이 있지만, 여전히 비탄성 강체의 기계 요소로 간주된다. 작동 기구는, 회전 동작 기구(88) 및 선단 작업 유닛(14)이 반대 방향으로 또는 상이한 속도로 회전하는 것을 허용하도록 사용될 수 있다.

조작 유닛(16)은 주 조작 유닛 본체(28)의 선단부에 배치되고, 만곡부(30)를 굴곡시키는 굴곡 동작 입력 유닛(128)의 조작에 의해 작동될 수 있는 굴곡 동작 기구(130)를 구비한다. 굴곡 동작 입력 유닛(128)은 고정 핸들(80)에 장착되어 상하(전후) 좌우 방향을 지시하는 4개의 삼각형 버튼을 포함한다.

도 4, 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이, 굴곡 동작 기구(130)는 주 조작 유닛 본체(28)의 선단부면으로부터 돌출하는 2개의 코일 스프링(132, 134)과, 코일 스프링(132, 134)에 병치된 피봇축(베어링 볼)(136)과, 코일 스프링(132, 134)의 선단부에 결합되고 주 조작 유닛 본체(28)의 선단부면으로부터 대향하는 관계로 소정 거리 이격된 경사판(요동판)(138)을 포함한다. 경사판(138)은, 중심부에 형성되고, 주 조작 유닛 본체(28)의 선단부에서 돌출하고 커플링(12)에 결합되는 실질적으로 중공의 원기둥 형상을 갖는 돌출부(139)가 삽입되어 있는, 구멍(138a)을 갖는다.

또한, 굴곡 동작 기구(130)는 주 조작 유닛 본체(28)에 배치되는, 예컨대 기어드 모터(geared motor)를 포함하는 2개의 굴곡 구동원(액추에이터)(140, 142)을 포함한다. 굴곡 구동원(140, 142)은 각각 구동축을 구비하고, 각 축방향으로 이동 가능한 나사(140a, 142a)가 구동축에 결합되어 있다. 축방향으로 이동 가능한 나사(140a, 142a)는 주 조작 유닛 본체(28)의 선단부에 형성된 나사 구멍(144, 146)에 각각 관통되고, 경사판(138)의 대각 대향 모서리에 2개의 각 베어링면(148, 150)에 대해 접촉한 상태로 각각 보유 지지되는 선단부를 갖는다.

굴곡 동작 기구(130)는 다음과 같이 작동한다: 굴곡 구동원(140, 142)이 제어기(20)의 제어하에 동력이 공급될 때, 축방향으로 이동 가능한 나사(140a, 142a)는 피봇축(136)의 구 형상 선단면에 대해 원하는 방향(도 9의 화살표 A, B로 지시된 방향)으로 원하는 각도까지 경사판(138)을 경사지게 하도록 축방향으로 이동되는 동시에, 코일 스프링(132, 134)에 의해 탄성적으로 지지되어 있다. 베어링 면 중 하나(150)가 수평 방향으로 신장되어 있으므로, 심지어 경사판(138)이 경사진 상태에 있을 때에도, 축방향으로 이동 가능한 나사(142a)는 베어링면(150)에 대해 확실하게 보유 지지되고, 경사판(138)은 다른 축방향으로 이동 가능한 나사(140a)가 베어링면(148)에 대해 보유 지지되는 동안 원활하게 요동할 수 있다. 굴곡 동작 기구(130)의 경사판(138)은 광학 거울을 요동시키기 위한 일반적인 구조를 포함하는 기구를 사용하여 경사질 수 있다.

경사판(138)의 구멍(138a)은 도시된 바와 같이 상하 좌우 방향으로 형성된 4개의 슬릿(152)을 포함한다. 와이어(154)가 구멍(138a)의 내주부로부터 각 슬릿(152)으로 삽입된다. 와이어(154)는 각각의 기단부에 경사판(138)의 기단부면과 결합하는 확대 직경부(154a)를 갖는다. 와이어(154)는 커플링(12)에 축방향으로 형성된 4개의 각 관통 구멍(156)을 통해 연장되어 만곡부(30)까지 연장된다.

도 10은 커플링(12)의 만곡부(30)의 구성예의 일부를 도시하는 분해 사시도이다. 만곡부(30)는 함께 연결되어 서로에 대해 각운동 가능한 복수의 마디 링(nodal ring)(158)을 포함한다. 도 10에 있어서, 예컨대 3개의 마디 링(158)을 포함하는 만곡부(30)가 설명될 것이다. 그러나 만곡부(30)는 3개의 마디 링(158)으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 4 내지 30개의 마디 링(158)을 포함할 수 있다.

각각의 마디 링(158)은, 표면 중 한 면에 마디 링(158)의 중심을 가로질러 서로 대각의 대향 관계로 형성된 한 쌍의 V자형 슬롯(160)과, 다른 면에 마디 링(158)의 중심을 가로질러 서로 대각의 대향 관계로 배치된 한 쌍의 반원 기둥 형상의 융기부(162)를 포함한다. 반원 기둥 형상의 융기부(162)는 슬롯(160)으로부터 90° 어긋나게 배치된다. 2개의 인접하는 마디 링(158)은 슬롯(160)이 서로 90° 어긋나게 배치되도록 배향된다. 마디 링(158)은 한 마디 링(158)의 융기부(162)가 다른 마디 링(158)의 대응 슬롯(160)으로 삽입되도록 결합된다.

각각의 마디 링(158)은 슬롯(160)과 융기부(162)에 관통 구멍(164)을 구비한다. 확대 직경부(154a)가 경사판(138)과 결합하는 4개의 와이어(154)는 마디 링(158)의 대응 관통 구멍(164)에 삽입된다. 와이어(154)는 만곡부(30)의 선단부에 배치된 마디 링(158)에 결합되는 각 선단부를 갖는다(도 2 및 도 3 참조). 이러한 방식으로, 마디 링(158)은 함께 배치되어 실질적으로 서로 일체로 결합된다.

융기부(162)가 슬롯(160)으로 삽입될 때, 2개의 인접한 마디 링(158) 사이에 간극이 생김으로써, 융기부(162)가 슬롯(160) 내에서 회전할 수 있고, 또한 인접한 마디 링(158)이 서로에 대해 회전할 수 있다. 인접한 쌍의 마디 링(158)이 회전할 수 있는 각도는 작지만, 복수의 인접한 쌍의 마디 링(158)의 각도의 합계는, 만곡부(30) 전체가 원하는 각도(예컨대, 60° 내지 120°의 범위)까지 만곡될 수 있을 정도로 충분히 크고, 따라서 선단 작업 유닛(14)[파지구(22)]을 커플링(12)의 종축에 평행하지 않도록 굴곡시킬 수 있다.

굴곡 동작 입력 유닛(128)이 조작될 때, 굴곡 동작 기구(130)는, 원하는 각도까지 경사판(138)을 경사시켜, 와이어(154)를 축방향으로 각 거리만큼 이동시키고, 그럼으로써 커플링(12)의 횡단면 상에서 만곡부(30)를 상하(전후), 좌우측으로 굴곡시키기 위해, 제어기(20)의 제어하에 작동된다. 구체적으로, 만곡부(30)는 와이어(154)를 통해 경사판(138)에 의해 당겨질 때 능동적으로 굴곡되거나 만곡된다. 만곡부(30)가 만곡되는 방향과 이러한 방향의 개수(자유도)는 어느 특정한 값으로 한정되지는 않는다. 도시되지는 않았지만, 각 마디 링(158)의 외주면은 탄성 또는 가요성 재료로 이루어진 층으로 피복될 수 있다.

만곡부(30)는 도시된 구성을 갖는 것에 한정되지 않고 벨로우즈 튜브 또는 가요성 튜브를 포함할 수 있다. 커플링(12)은 기단부로서의 역할을 하는 경관(hard pipe)과 함께 선단부로서의 역할을 하는 경관을 포함할 수 있고, 경관은 만곡부(30)를 굴곡시키기 위한 단일 축 또는 복수의 축에 의해 회전 가능하게 연결된다. 이와 달리, 만곡부(30)는 피봇축을 구비한 굴곡 기구를 포함할 수도 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(10)에 있어서, 조작 유닛(16) 및 커플링(12)은 착탈 조인트(35)에 의해 서로 착탈 가능하게(분리 가능하게) 연결된다. 구체적으로, 커플링(12) 및 조작 유닛(16)이 서로 착탈 가능하게 연결되는 착탈 조인트(35)에 있어서, 조작 유닛(16)의 선단부에서 돌출하는 돌출부(139)가 커플링(12)의 기단부에 형성된 구멍(166)으로 삽입되고, 고정 나사(168)가 커플링(12)의 외주면으로부터 내주면을 향하는 돌출부(139)에 대해 조여짐으로써, 커플링(12)과 조작 유닛(16)을 함께 체결한다(도 4 및 도 5 참조).

따라서 커플링(12)과 조작 유닛(16)을 서로 분리시키기 위해, 와이어(154)가 경사판(138)의 슬릿(152)으로부터 해방되고, 고정 나사(168)가 느슨해지며, 조작 유닛(16)의 돌출부(139)가 커플링(12)의 구멍(166) 밖으로 당겨진다(도 11 참조). 이때, 선형체(32)는, 선단부(32a) 및 기단부(32b)가 커넥터(37)에서 서로 분리될 때, 기단부(32b)의 선단에 제공된 T자형 후크(172)로부터 선단부(32a)의 선단의 T자형 막대(170)를 해방함으로써, 용이하게 분리될 수 있다(도 12 참조). 따라서, 다양한 엔드 이펙터를 갖는 선단 작업 유닛을 구비하는 다양한 작업 유닛(15)이 단일 조작 유닛(16) 상에서 용이하게 교체되어 사용될 수 있어, 의료용 머니퓰레이터(10)는 범용성이 증대하고 비용이 저렴하게 된다. 작업 유닛(15)이 조작 유닛(16)으로부터 용이하게 분리될 수 있으므로, 작업 유닛(15)[선단 작업 유닛(14)]은 용이하게 유지 보수되고, 교환, 세정 및/또는 고온 멸균이 가능하다.

이렇게 구성되는 의료용 머니퓰레이터(10)에 대해, 파지구(22)가 조작될 때(개폐 또는 회전), 선단 작업 유닛(14)은 단일 전달 부재(18)에 의해 회전되고, 커플링(12) 내에서 전달 부재(18)의 설치 공간은 작아도 된다. 따라서, 커플링(12)은 더욱 얇아질 수 있고, 한편 선단 작업 유닛(14)과 조작 유닛(16)은 모두 구조상 더욱 간소화될 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(10)는 복강경 수술, 뇌수술, 흉강경 수술, 비뇨기과 수술 등을 행하는데 적절하게 이용될 수 있다.

의료용 머니퓰레이터(10)의 조작이 후술된다.

초기 상태(비조작 상태)에 있어서, 파지구(22)는 코일 스프링(46)의 편향력에 의해 개방되어 있고, 가동 핸들(68)이 개방되어 있다(도 1, 도 3 및 도 5 참조). 조작자가 손으로 핸들 유닛(62)을 파지하여 도 1의 화살표로 나타낸 방향으로 가동 핸들(68)을 회전시킬 때, 돌출 부재(124)가 축 부재(82)에 대해 시계방향으로 회전하고, 따라서 안내 부재(118, 120)를 따라 설형부(116)와 지지 부재(102)를 이동시키기 위해 긴 구멍(114)의 기단부의 내주면에 대해 핀(126)을 압박하도록 한다(도 4에 도시된 상태). 플랜지(110)가 지지 부재(102)의 기단부와 결합하므로, 제1 커플링 부재(34)는 지지 부재(102)와 동일한 방향으로 이동하고, 그럼으로써 전달 부재(18)를 기단부를 향해 당긴다. 지지 부재(102)가 기단부를 향해 이동하므로, 각기둥부(98b)의 선단부는 통로(108) 내로 비교적 깊게 삽입된다.

전달 부재(18)가 기단부를 향해 당겨질 때, 슬라이더(44)는 코일 스프링(46)의 편향력에 대항하여 오목부(56) 내에서 기단부를 향해 이동한다. 그러므로 핀(58)은 긴 구멍(60)의 기단부의 내주면을 압박하고, 그럼으로써 핀(52)에 대해 도 2의 반시계방향으로 가동 끼움 부재(50)를 회전시켜, 가동 끼움 부재(50)를 폐쇄한다(도 2에 도시된 상태).

조작자가 핸들 유닛(62)으로부터 손을 놓거나 핸들 유닛(62) 상의 파지력을 감소시켰을 때, 슬라이더(44)는 오목부(56) 내에서 코일 스프링(46)의 편향력에 의해 선단부를 향해 이동한다. 그러므로 핀(58)은 긴 구멍(60)의 선단부의 내주면을 가압하고, 핀(52)에 대해 도 3의 시계방향으로 가동 끼움 부재(50)를 회전시켜, 가동 끼움 부재(50)를 개방한다(도 3에 도시된 상태).

슬라이더(44)가 선단부를 향해 이동함에 따라, 전달 부재(18)도 또한 동일한 방향으로 이동한다. 전달 부재(18)의 기단부에서, 플랜지(110)가 지지 부재(102)를 가압하고, 그럼으로써 지지 부재(102)와 설형부(116)를 가이드 부재(118, 120)를 따라 선단부를 향해 이동시킨다. 긴 구멍(114)의 기단부의 내주면은 핀(126)을 가압하고, 축 부재(82)에 대해 도 5의 시계방향으로 돌출 부재(124)와 가동 핸들(68)을 회전시킨다. 가동 핸들(68)은 원래의 개방 상태로 복귀한다(도 5에 도시된 상태). 지지 부재(102)가 선단부 방향을 향해 이동함에 따라, 각기둥부(98b)의 선단부는 길이 방향을 따라 통로(108)의 중앙 부근까지 이동한다.

가동 끼움 부재(50)는, 가동 핸들이 개폐될 때 가동 핸들(68)과 기계적(직접적)으로 연동하는 관계로 개폐된다. 그러므로 가동 핸들(68)이 어느 범위까지 손으로 당겨졌을 때 파지구(22)가 대상물(수술 기구나 생체 조직)을 파지하면, 파지구(22) 및 슬라이더(44)가 더 이상 이동할 수 없어, 조작자는 대상물을 파지하고 있다는 것을 손가락 끝을 통해 지각할 수 있게 된다.

대상물이 수술 도구와 같은 단단한 대상물이면, 가동 핸들(68)은 폐쇄 방향으로 더 이상 전혀 이동할 수 없다. 조작자는 단단한 대상물을 파지하고 있다는 것을 지각할 수 있고, 조작자가 전자기적 수단을 통하지 않고 파지구(22)에 기계적으로 직접 손의 힘을 전달할 수 있기 때문에, 강한 힘으로 대상물을 신뢰성있게 파지할 수 있다. 손의 힘과 동등한 파지력이 모터에 의해 생성되려면, 모터는 크기가 상당히 크고 무거울 필요가 있으며, 이러한 모터는 주 조작 유닛 본체(28)에 용이하게 수납될 수 없고, 의료용 머니퓰레이터(10)를 더욱 무겁게 만든다.

대상물이 생체 조직 등과 같은 연한 대상물이면, 가동 핸들(68)은 대상물의 탄성에 따라서 폐쇄 방향으로 약간 변위될 수 있다. 그러므로 조작자는 대상물이 얼마나 연한지를 인식하면서 연한 대상물을 파지할 것을 지각할 수 있고, 대상물을 파지하는 힘을 조정할 수 있다.

전달 부재(18) 등이 마모되거나 열화될 때, 마찰력이 증가하고 가동 핸들(68)로 전달되어, 조작자는 구동 시스템의 상태의 변화 또는 이상 상태(abnormal state)를 감지할 수 있고, 조작자는 더욱 적절하게 유지 보수 시기를 판단할 수 있다.

상술한 바와 같이, 가동 끼움 부재(50)는 가동 핸들이 개폐될 때 가동 핸들(68)에 기계적(직접적)으로 연동하는 관계로 개폐되므로, 고정 끼움 지지 부재(48) 및 가동 끼움 부재(50)의 개방(파지)력은 고정 핸들(80) 및 가동 핸들(68)의 개방(파지)력에 대응한다. 그러므로 조작자는 임의의 원하는 개방(파지)력으로 파지구(22)를 용이하게 조작할 수 있다.

구체적으로, 가동 핸들(68)의 수동 조작은 파지구(22)를 개폐하기 위해 기계적으로 전달된다. 전달 부재(18), 슬라이더(44) 등은 가동 핸들(68) 및 파지구(22) 사이의 수동 조작을 기계적으로 전달하기 위한 수단으로서 역할을 하는 조작 전달 유닛을 제공한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "기계적으로"는, 상술한 바와 같이 동력 전달 방향으로 비탄성 강체 형태의 기계 요소에 의해 주로 작동되는 와이어, 체인, 타이밍 벨트, 링크, 로드, 기어 등을 통해 수동 조작을 전달하는 시스템을 말한다. 와이어, 체인 등이 장력에 의해 불가피하게 약간 신장되지만, 여전히 비탄성 강체 형태의 기계 요소로 간주된다. 예컨대, 전달 부재(18)가 적어도 만곡부(30)에 대응하는 가요부를 갖지만, 전달 부재(18)는 코일 스프링(46)에 의해 적절한 장력하에 배치된다. 파지구(22)가 폐쇄될 때, 전달 부재(18)는 가동 핸들(68)에 의해 조작 유닛(16)을 향해 당겨지고, 전달 부재(18)는 근본적으로 탄성 변형되지 않거나, 또는 조작상 문제가 없는 범위까지만 불가피하게 탄성 변형됨으로써, 기계적 연결 수단(기계적 전달 수단)을 제공한다.

회전 동작 입력 유닛(86)이 종동 기어(94)를 회전시키도록 회전 구동원(90)에 동력을 주기 위해 조작될 때, 가동 끼움 부재(50)가 개폐되었는지에 관계없이(그 개방도에 관계없이), 회전력이 회전축(98)의 각기둥부(98b), 통로(108), 제1 커플링 부재(34), 선형체(32), 제2 커플링 부재(36), 통로(40), 돌출부(38), 주 선단부 본체(54)에 순차 전달되고, 그럼으로써 선단 작업 유닛(14)을 회전시킨다. 따라서, 회전 동작 기구(88) 및 조인트(26)는 선단 작업 유닛(14)을 자체 축에 대해 회전시키는 회전 기구로서 기능을 한다. 종동 기어(94)가 구동되는 방향은 선단 작업 유닛(14)이 회전하는 방향과 동일하다.

커플링(12)이 직선 상태, 굴곡 또는 만곡될 때, 파지구(22)는 개폐될 수 있고, 선단 작업 유닛(14)은 회전될 수 있다. 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(10)에 대해, 커플링(12)이 굴곡 또는 만곡될 때에도(즉, 도 1의 2점 쇄선으로 나타낸 상태), 만곡부(30)가 회전되지 않고 오히려 선단 작업 유닛(14)만이 회전되므로, 회전함에 따라 선단 작업 유닛(14)은 만곡부(30)로부터 기단부를 향해 연장되는 축에 대해 요동되지 않는다. 그러므로 파지구(22)가 외과적으로 처치될 부위에 인접한 채로 유지되면서, 파지구(22)의 자세(생체 조직이 파지되는 방향)가 변경될 수 있다.

굴곡 동작 기구(130)에 대해, 굴곡 구동원(140, 142)에 동력을 공급하기 위해 굴곡 동작 입력 유닛(128)을 간단히 조작함으로써, 가동 끼움 부재(50)가 개폐되어 있는지는 관계없이(그 개방도와는 관계없이), 경사판(138)을 임의의 원하는 각도까지 경사시킬 수 있고, 그럼으로써 만곡부(30)에서 커플링(12)을 원하는 각도까지 용이하게 굴곡시킬 수 있다. 구체적으로, 만곡부(30) 및 굴곡 동작 기구(130)는 커플링(12)의 축방향과 교차하는 방향으로 파지구(22)를 굴곡시키는 굴곡 기구로서 기능을 하여, 파지구(22)의 자세를 용이하고 신속하게 변경하도록 한다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(10)에 대해, 커플링(12)은 굴곡 동작 기구(130)에 의해 굴곡될 수 있고, 단지 조작자가 손가락 끝을 사용하여 조작 유닛(16)의 굴곡 동작 입력 유닛(128)과 회전 동작 입력 유닛(86)을 조작할 때, 만곡부(30) 및 선단 작업 유닛(14)은 제어기(20)의 제어하에서 액추에이터로서 역할을 하는 굴곡 구동원(140, 142) 및 회전 구동원(90)을 통해 용이하고 신속하게 회전 동작 기구(88)에 의해 회전될 수 있다. 따라서, 의료용 머니퓰레이터(10)는 높은 조작성을 갖는다. 구체적으로, 의료용 머니퓰레이터(10)에 있어서, 커플링(12)의 일부[만곡부(30)]를 굴곡시키기는 굴곡 기구와 선단 작업 유닛(14)을 회전시키는 회전 기구는 선단 작업 유닛(14)의 자세를 변경시키는 자세 변경 기구로서 협동적으로 작동을 하고, 이러한 기구들은 액추에이터를 통해 조작한다. 선단 작업 유닛(14)의 파지구(22)는 굴곡 동작 기구(130) 등을 기계적(직접적)이고 독립적으로 조작하는 고정 핸들(80) 및 가동 핸들(68)을 수동으로 조작하는 조작자에 의해 개폐된다(회전된다). 파지구(22)가 원하는 파지력을 얻기 위해 조작될 수 있으므로, 조작자는 파지된 대상물의 경도를 지각하는 동시에 환부를 더욱 적절하게 처지할 수 있다. 구체적으로, 수동 동작을 기계적이고 직접적으로 전달함으로써 엔드 이펙터[파지구(22)]를 조작하는 것이 이상적이다. 게다가, 최선의 접근법은, 액추에이터[굴곡 구동원(140, 142) 및 회전 구동원(90)]를 사용하여 다른 자세축, 즉 자세 변경 기구의 조작을 제공하는 굴곡 동작 기구(130), 만곡부(30) 및 회전 동작 기구(88)의 조작을 단순화하는 것이다. 다시 말해, 본 발명에 따르면, 예컨대 선단 작업 유닛(14)이 한 손가락 끝으로 간단히 버튼을 누름으로써 자세를 용이하게 변경할 수 있으므로, 자세 변경 동작은, 파지구(22)를 개폐하고 또한 팔을 사용하여 의료용 머니퓰레이터(10) 전체를 이동시키기 위한 조작자의 다른 동작을 간섭하지 않고, 그럼으로써 조작자는 더욱 직감적으로 외과적 처치를 행할 수 있다.

도 14는, 도 1에 도시된 의료용 머니퓰레이터(10)의 선단부의 다른 구성예를 도시하는 부분 단면 확대 측면도이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 선단 작업 유닛(180)은, 가동 끼움 부재(50)를 개방 방향으로 편향시키기 위해, 선단 작업 유닛(14) 근방에 배치된 편향 수단을 갖도록 구성된다. 코일 스프링(46)은 공간(24)보다 직경이 크고 커플링(12)의 조인트(26)의 기단부에 인접한 위치에 형성되는 대경부(182)에 수납된다. 대경부(182) 내에서, 제2 커플링 부재(36)는 코일 스프링(46)을 통해 연장되고, 디스크 형상 플랜지(184)는 코일 스프링(46)으로부터 선단부를 향해 연장되는 제2 커플링 부재(36)의 일부에 고정되거나 일체로 결합된다. 압축 상태의 코일 스프링(46)은 대경부(182)의 기단부면에 대해 보유 지지되는 기단부와, 플랜지(184)에 대해 보유 지지되는 선단부를 구비하여, 선단부를 향해 제2 커플링 부재(36)를 편향시킨다.

편향 수단은 코일 스프링(46)에 제한되지 않고, 토션 스프링, 판 스프링 등과 같은 다른 스프링이나, 고무와 같은 탄성 재료나, 영구 자석 또는 전자석을 포함할 수 있다. 편향 수단은 조작 유닛(16) 내에 배치될 수 있다.

외과 수술 중에, 조직을 박리하기 위한 파지구(22)를 개방하기 위한 방향(박리 방향)으로 큰 박리력이 요구될 수 있다. 코일 스프링(46)이 인장 스프링으로 대체되면, 가동 핸들(68)의 가압 동작이 슬라이더(44)를 통해 파지구(22)로 직접 전달되어, 큰 박리력이 생성될 수 있다. 의료용 머니퓰레이터(10)에, 파지구(22)의 개방 방향으로 인가된 힘은 가동 핸들(68)에 전달된다. 구체적으로, 파지구(22)가 개방되는 순간 파지구(22)가 개방 방향으로 생체 조직 또는 수술 기구에 접촉할 때, 가동 핸들(68)은 개방 방향으로의 이동을 중지한다. 따라서, 조작자는 파지구(22)가 무엇인가에 대해 접촉하고 있다는 것을 지각할 수 있다.

회전 동작 기구(88), 굴곡 동작 기구(130), 조인트(26), 변환 수단(100), 조작 유닛(16), 착탈 조인트(35), 커넥터(37) 등은 상기 설명된 구성의 상세부에 제한되지 않는다. 본 실시예에서, 외과 수술 수단은 회전 가능하고 또는 병진에 의해 개폐 가능한 한 쌍의 개폐 부재를 포함할 수 있다. 게다가, 외과 수술 수단은 굴곡 가능한 겸자, 외과용 전기 나이프, 초음파 나이프 등과 같이 회전 가능한 단일 부재를 포함할 수 있다.

회전 동작 기구(88) 및 굴곡 동작 기구(130)를 작동시키기 위한 액추에이터인 회전 구동원(90) 및 굴곡 구동원(140, 142)은 전동 모터 외에, 예컨대 가스, 액체 등과 같은 유체를 사용하는 유압 액추에이터를 포함할 수 있다.

또한 회전 동작 입력 유닛(86) 및 굴곡 동작 입력 유닛(128)은 조작 유닛(16)에 제공되기보다는 오히려 풋 스위치로서 구성될 수 있다. 이 경우에 있어서, 풋 스위치는 조작자가 손 기술을 더욱 원활하게 수행할 수 있도록 조작자의 발 밑에 배치될 수 있다.

조작 유닛(16)의 가동 핸들(68), 회전 동작 입력 유닛(86), 굴곡 동작 입력 유닛(128)은 상기 설명한 위치, 형태 및 조작 방법에 한정되지 않는다. 회전 동작 입력 유닛(86)은 조작 롤러, 버튼, 또는 조이스틱으로 대체될 수 있다. 게다가, 머니퓰레이터를 용이하게 조작할 수 있는 다양한 위치 및 방법이 선택되어 설계될 수 있다.

다른 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(1010)는 도 15 내지 도 57을 참조하여 후술될 것이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(1010)는 의료용 머니퓰레이터 시스템의 일부를 구성하고, 제어기(1045)에 연결된다.

의료용 머니퓰레이터(1010)를 전기적으로 제어하는 역할을 하는 제어기(1045)는 파지 핸들(1026)의 하단부로부터 연장되는 케이블(1062)에 커넥터를 통해 접속된다. 제어기(1045)는 복수의 의료용 머니퓰레이터(1010)를 서로 독립적으로 제어할 수 있다. 물론, 단독의 의료용 머니퓰레이터(1010)를 제어하는 제어기도 역시 사용될 수 있다.

의료용 머니퓰레이터(1010)는 소정의 외과적 처리를 수행하기 위해 생체 조직의 일부, 만곡된 바늘 등을 파지하기 위한 선단 작업 유닛(1012)을 포함한다. 통상 의료용 머니퓰레이터(1010)는 파지 겸자나 니들 드라이버(니들 홀더)로서 불린다.

도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 의료용 머니퓰레이터(1010)는 손으로 보유 지지되고 조작되는 조작 유닛(1014)과, 조작 유닛(1014)에 고정된 작업 유닛(1016)을 포함한다. 조작 유닛(1014) 및 작업 유닛(1016)은 서로 일체로 결합된다. 그러나 조건에 따라서, 조작 유닛(1014) 및 작업 유닛(1016)은 서로 분리될 수도 있다.

이하의 설명에서, 도 15 및 도 16에 있어서 횡방향이 X 방향으로서, 수직 방향이 Y 방향으로서, 커넥터 축(1048)의 길이 방향이 Z 방향으로서 참조된다고 가정한다. X 방향 중에 선단부에서 보아 우측 방향이 X1 방향으로서 참조되고, 좌측 방향이 X2 방향으로서 참조된다. Y 방향 중에서, 상측 방향이 Y1 방향으로서 참조되고, 하측 방향이 Y2 방향으로서 참조된다. Z 방향 중에서, 전방 방향이 Z1 방향으로서 참조되고, 후방 방향이 Z2 방향으로서 참조된다. 달리 언급하지 않으면, 이들 방향은 중립 자세일 때 의료용 머니퓰레이터(1010)의 방향을 나타낸다. 상기 방향에 대한 정의는 설명만을 위한 것이다. 의료용 머니퓰레이터(1010)는 여러 방향 중 임의 방향에서 사용될 수 있고, 예컨대 상하 반전시켜 사용될 수도 있다.

작업 유닛(1016)은 작동 조작을 수행하기 위한 선단 작업 유닛(1012), 선단 작업 유닛(1012) 및 조작 유닛(1014)을 서로 결합시키는 긴 중공 커넥터 축(커플링)(1048)을 포함한다. 선단 작업 유닛(1012) 및 커넥터 축(1048)은 작은 직경을 가지며, 환자의 복부 등의 내측에 장착된 중공 실린더 형태의 투관침(1020)을 통해 체강(1022)으로 삽입될 수 있다. 작업 유닛(1012)은 체강(1022) 내의 환자의 환부를 파지, 제거, 봉합 또는 결찰하는 다양한 기술을 수행하기 위해 복합 입력 유닛(1034)에 의해 작동된다.

조작 유닛(1014)은 손에 의해 파지되는 파지 핸들(1026), 파지 핸들(1026)의 상부로부터 연장되는 브리지(1028), 및 브리지(1028)의 선단부에 연결되는 액추에이터 블록(1030)과 트리거 레버(입력 유닛)(1032)를 포함한다.

도 15에 도시된 바와 같이, 조작 유닛(1014)의 파지 핸들(1026)은 브리지(1028)의 단부로부터 Y2 방향으로 연장되고, 손으로 파지되기에 적합한 길이를 갖는다. 복합 입력 유닛(1034)은 파지 핸들(1026)에 배치된다.

제어기(1045)에 연결된 케이블(1062)은 파지 핸들(1026)에 일체로 연결되어 있으면서 파지 핸들(1026)의 하단부에 배치된다. 파지 핸들(1026) 및 케이블(1062)은 커넥터에 의해 서로 연결될 수 있다.

복합 입력 유닛(1034)은 선단 작업 유닛(1012)에 대해 롤링(축 회전) 및 요우잉(좌우) 방향으로 회전 지령을 부여하기 위한 복합 입력 수단을 구성한다. 예컨대, 요우잉 방향으로의 지령은 횡방향으로 조작하는 제1 입력 수단(1034a)에 의해 주어지고, 한편 롤링 방향으로의 지령은 축 회전 방향으로 조작하는 제2 입력 수단(1034b)에 의해 주어진다. 트리거 레버(1032)는 선단 작업 유닛(1012)의 엔드 이펙터(1104)(도 15 참조)에 대한 개폐 지령을 부여하는 입력 수단을 포함한다. 엔드 이펙터(1104)가 다양한 형태로 입수 가능하지만, 의료용 머니퓰레이터(1010)는 개폐 가능한 파지구를 사용한다.

복합 입력 유닛(1034)은 제어 변수를 검출하기 위한 입력 센서를 포함하고, 검출 조작 신호(예컨대, 아날로그 신호)를 제어기(1045)로 공급한다.

트리거 레버(1032)는 브리지(1028) 하부에 배치된 레버를 포함하고, 검지에 의해 용이하게 조작될 수 있는 위치에 배치된다. 트리거 레버(1032)는 제1 링크(1064) 및 제2 링크(1066)에 의해 액추에이터 블록(1030)에 접속되고, 파지 핸들(1026)에 대해 원근 방향으로 이동가능하다. 제1 링크(1064)는 브리지(1028)의 일부에 대해 요동 가능하게 피봇되고, 트리거 레버(1032)는 Y2 방향으로 제1 링크(1064)의 단부에 장착된다. 제2 링크(1066)는 액추에이터 블록(1030)으로부터 Z2 방향으로 돌출하고 제1 링크(1064)에 형성된 긴 구멍(1064a)에 결합한다. 제2 링크(1066)는 트리거 레버(1032)가 이동될 때 긴 구멍(1064a) 내에서 길이 방향으로 진퇴 이동 가능하다.

제2 링크(1066)는 와이어(구동 부재)(1056)의 단부에 접속되어 있다. 트리거 레버(1032)가 당겨질 때, 와이어(1056)도 그와 일체로 당겨진다. 와이어(1056)가 제2 링크(1066)에 접속된 구동 부재(전달 부재)로서 사용되므로, 사용된 부품 수는 감소될 수 있고, 의료용 머니퓰레이터(1010)는 중량이 경감된다.

제2 링크(1066)에 접속된 구동 부재는 와이어(1056) 이외에, 예컨대 강성 선형 가동 로드(또는 링크)를 포함할 수 있다. 로드가 통상 와이어보다 강성이 높으므로, 로드는 큰 파지력을 생성하는 선형 가동 부재로서 사용될 수 있다. 로드 및 제2 링크(1066)는 서로 일체로 결합될 수도 있다.

링크, 기어 등이, 조작자의 조작력 및 스트로크를 조정하기 위해, 제2 링크(1066)와 와이어(1056) 사이에 조작식으로 배치될 수 있다.

액추에이터 블록(1030)은 선단 작업 유닛(1012)에 포함된 3 자유도 중에서 2 자유도의 각 기구에 대응하는 모터(자세축 액추에이터)(1040, 1041)를 수납한다. 모터(1040, 1041)는 커넥터 축(1048)의 길이 방향으로 서로 평행하게 배열된다. 모터(1040, 1041)는 선단 작업 유닛(1012)의 롤링 및 요우잉의 양 방향의 이동, 즉 선단 작업 유닛(1012)의 자세를 변경시키기 위한 자세 변경 기구의 이동에 대응한다. 모터(1040, 1041)는 크기와 직경이 작고, 따라서 액추에이터 블록(1030)이 콤팩트하고 편평한 형상이 될 수 있다. 모터(1040, 1041)는 조작 유닛(1014)의 조작에 기초하여, 제어기(1045)의 제어하에서 구동축을 회전시키도록 동력이 공급될 수 있다. 모터(1040, 1041)는 회전각을 검출하여 제어기(1045)에 검출된 각도 신호를 공급하기 위한 각도 센서와 결합된다. 각도 센서는, 예컨대 회전 인코더를 포함할 수 있다. 전기 모터 이외에, 액추에이터는 예컨대 가스, 액체 등과 같은 유체를 사용하는 유압 액추에이터를 포함할 수 있다.

액추에이터 블록(1030)은 모터(1040, 1041)의 구동축에 대해 각각 접속되어 있는 풀리(1050a, 1050b)를 수납한다.

와이어(1052, 1054)는 풀리(1050a, 1050b) 주위에 각각 권취되고, 선단 작업 유닛(1012)을 향해 커넥터 축(1048)의 중공 영역(1048a)(도 20 참조)을 통해 연장된다. 와이어(1052, 1054)는 양쪽이 동일 종류일 수 있고 동일 직경을 가질 수도 있다.

조작 유닛(1014)의 복합 입력 유닛(1034) 및 트리거 레버(1032)는 상술되고 도시된 위치, 형태 및 조작 방법에 한정되지 않는다. 예컨대, 복합 입력 유닛(1034)은 조작 롤러, 버튼 또는 조이스틱으로 대체될 수 있다. 게다가, 머니퓰레이터를 용이하게 조작할 수 있는 다른 위치 및 방법이 선택되고 설계될 수도 있다.

트리거 레버(1032)에 적용된 손 조작은 엔드 이펙터(1104)를 개폐하도록 기계적으로 전달된다. 후술될 제1 링크(1064), 제2 링크(1066), 와이어(1056) 및 엔드 이펙터 구동 기구(1260)는 트리거 레버(1032) 및 엔드 이펙터(1104) 사이에서 손 동작을 기계적으로 전달하는 수단(전달 부재)으로서 역할을 하고, 조작 전달 유닛을 구성한다.

용어 "기계적으로"는 비탄성 강체 형태의 기계 요소에 의해 주로 동력 전달 방향으로 작동되는 와이어, 체인, 타이밍 벨트, 링크, 로드, 기어 등을 통해 수동 조작을 전달하는 시스템을 말한다. 와이어, 체인 등이 장력에 의해 불가피하게 약간 신장되지만, 여전히 비탄성 강체 형태의 기계 요소로 간주된다.

선단 작업 유닛(1012)의 제1 내지 제5 구성예(1012a 내지 1012e) 및 변형예(1012f)가 다음에 설명될 것이다.

도 17, 도 18, 도 19, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛(1012a)은 와이어 피구동 기구(wire-driven mechanism)(1100), 복합 기구(1102) 및 엔드 이펙터(1104)를 포함한다. 선단 작업 유닛(1012)은 3 자유도를 제공하는 기구를 포함한다. 이들 기구는 Y 방향을 따라 연장되는 제1 회전축(Oy)의 전방에 위치된 선단 작업 유닛(1012)의 일부를 제1 회전축(Oy)에 대해 요우잉 방향으로 회전시키는 제1 자유도를 갖는 기구와, 선단 작업 유닛(1012)의 일부를 제2 회전축(Or)에 대해 롤링 방향으로 회전시키는 제2 자유도를 갖는 기구와, 제3 회전축(Og)에 대해 선단 작업 유닛(1012)의 선단부의 엔드 이펙터(1104)를 개폐하는 제3 자유도를 갖는 기구를 포함한다.

제1 자유도를 갖는 기구의 제1 회전축(Oy)은 커넥터 축(1048)의 기단부로부터 선단부로 연장되는 축(C)과 평행하지 않게 회전될 수 있다. 제2 자유도를 갖는 기구의 제2 회전축(Or)은 선단 작업 유닛(1012)의 선단부[엔드 이펙터(1104)]가 연장되는 방향을 따르는 축에 대해 회전 가능하고, 그 선단부가 롤링 방향으로 회전 가능하다.

제1 자유도를 갖는(즉, 요우잉 방향으로 이동 가능한) 기구는, 예컨대 ±90° 이상의 조작 가능 범위를 갖는 굴곡 기구를 포함한다. 제2 자유도를 갖는(즉, 롤링 방향으로 이동 가능한) 기구는, 예컨대 ±180° 이상의 조작 가능 범위를 갖는 회전 기구를 포함한다. 제3 자유도를 갖는 기구[즉, 엔드 이펙터(1104)]는 예컨대, 40° 이상으로 개방될 수 있다.

엔드 이펙터(1104)는 조작 중에 실제의 작업을 수행하는 부재를 포함한다. 제1 회전축(Oy) 및 제2 회전축(Or)은 작업을 용이하게 하도록 엔드 이펙터(1104)의 자세를 변경하는 자세 변경 기구의 자세 축이다. 통상, 엔드 이펙터(1104)를 개폐하기 위한 제3 자유도를 갖는 기구는 파지구(또는 파지구 축)로 참조된다. 요우잉 방향으로 회전하는 제1 자유도를 갖는 기구는 요축으로 참조되고, 롤링 방향으로 회전하는 제2 자유도를 갖는 기구는 롤축으로 불린다.

와이어 피구동 기구(1100)는 한 쌍을 설형편(tongue piece)(1058) 사이에 배치되어, 각 와이어(1052, 1054)의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환시키고, 이러한 회전 운동을 복합 기구(1102)로 전달하는 역할을 한다. 와이어 피구동 기구(1100)는 축 구멍(1060a, 1060a)으로 삽입되는 축(1110)과, 축 구멍(1060b, 1060b)으로 삽입되는 축(1112)을 포함한다. 축(1110, 1112)은 축 구멍(1060a, 1060b)에 확실하게 압입되거나 용접된다. 축(1112)은 제1 회전축(Oy)과 축방향으로 정렬된다.

Y 방향으로 대칭 형상인 기어 본체(1126, 1130)는 Y 방향으로 각 축(1112)의 양단부에 각각 장착된다. 기어 본체(1126)는 튜브형 부재(1132)와, 튜브형 부재(1132)의 상부에 동심상으로 배치된 제1 기어(1134)를 포함한다. 기어 본체(1130)는 기어 본체(1126)와 근본적으로 동일 형상이고, 기어 본체(1126)와 Y 방향으로 정렬된다. 기어 본체(1130)는 튜브형 부재(1136)의 하부에 동심상으로 배치된 튜브형 부재(1136) 및 제2 기어(1138)를 포함한다. 기어(1134, 1138)는 후술될 기어 본체(1146)의 페이스 기어(face gear)(1165)의 상단부 및 하단부에 맞물려 보유 지지된다.

튜브형 부재(1136)는 튜브형 부재(1132)와 직경 및 형상이 실질적으로 동일하다. 와이어(1052, 1054)는 튜브형 부재(1132, 1136) 주위에 권취되고, 고정 수단에 의해 체결된 부분을 갖는다. 와이어(1052, 1054)는 튜브형 부재(1132, 1136) 주위를 1.5회전(540°) 권취된다.

와이어(1052, 1054)가 회전될 때, 기어 본체(1126, 1130)는 축(1112)에 대해 회전된다. 기어 본체(1126, 1130)가 동일 속도에서 동일 방향으로 회전될 때, 기어 본체(1146)는 축(1112)에 대해 요동하고 요우잉 방향으로 이동한다. 기어 본체(1126, 1130)가 동일 속도에서 반대 방향으로 회전될 때, 기어 본체(1146)는 제2 회전축(Or)에 대해 회전되고 롤링 방향으로 이동한다. 기어 본체(1126, 1130)가 다른 속도로 회전될 때, 기어 본체(1146)는 요우잉 방향과 롤링 방향 양쪽으로 복합 운동을 한다. 기어 본체(1126), 기어 본체(1130), 기어 본체(1146)는 전체적으로 차동 기구를 구성한다.

아이들 풀리(원기둥 부재, 전달 부재)(1140)는 축(1110)의 실질적으로 중심에서 회전 가능하게 지지된다. 가이드 풀리(원기둥 부재, 전달 부재)(1142)는 축(1112)의 실질적으로 중심에서 회전 가능하게 지지된다. 아이들 풀리(1140)는 가이드 풀리(1142) 주위에 권취된 피구동 와이어(driven wire)(가요성 부재, 전달 부재)(1252)를 항상 일정 각도(양측에서 약 180°)로 유지시키는 역할을 한다. 아이들 풀리(1140)를 사용하는 대신, 또한 피구동 와이어(1252)는 가이드 풀리(1142) 주위에 일회전 이상 권취될 수 있다. 아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142)는 매끄러운 면을 가질 수 있고, 피구동 와이어(1252)에 대한 미끌어짐과 마찰을 저감시키기 위해 작은 마찰 계수를 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 가이드 풀리(1142)는 자세 변경 기구의 요축(Oy) 주위에 배치된다.

주 축(1144)은 기어 본체(1126) 및 가이드 풀리(1142) 사이와 또한 가이드 풀리(1142) 및 기어 본체(1130) 사이에서 축(1112)에 대해 회전 가능하게 지지된다. 주 축(1144)은 복합 기구(1102)를 향해 돌출하는 슬리브를 갖는다. 주 축(1144)은 축방향으로 형성된 사각형 구멍(1144a)을 갖는다. 주 축(1144)은 Y 방향으로 가이드 풀리(1142)의 양면을 보유 지지하기 위해 Z2 방향으로 일단부에 배치된 2개의 보조판(1144b)을 포함한다. 보조판(1144b)은 축(1112)이 관통 연장되는 각 구멍을 갖는다. 보조판(1144b)은 실과 같은 이물질이 침입하는 것을 방지하기 위해, Z1 방향으로 점차 넓어지는 산 형상(chevron shape)을 갖는다.

복합 기구(1102)는 엔드 이펙터(1104)를 개폐하기 위한 개폐 기구와, 엔드 이펙터(1104)의 자세를 변경하는 자세 변경 기구를 포함한다.

복합 기구(1102)는 주 축(1144)의 슬리브의 원주면 위에 회전 가능하게 끼워진 기어 본체(1146), 주 축(1144)의 선단부에 장착된 너트(1148), 스프링(1150), 사각형 단면 형상을 갖고 Z2 방향에 구멍(1144a)으로 삽입되는 단부를 갖는 로드(전달 부재)(1152), 핀(1154)에 의해 로드(1152)의 Z2 방향으로 단부에 회전 가능하게 지지되는 피구동 풀리(driven pully)(원기둥 부재, 전달 부재)(1156), 피구동판(driven plate)(전달 부재)(1158), 및 중공의 원기둥 커버(1160)를 포함한다. 스프링(1150)은 압축 스프링을 포함한다. 로드(1152)의 Z2 방향의 단부는 피구동 풀리(1156)에 대해 미끄럼 이동성을 향상시키기 위해 채널 형상을 갖고, 로드(1152)의 단부는 Z2 방향으로 크게 돌출한다.

수지로 이루어진 스러스트 베어링(1144c)은 기어 본체(1146)에 대해 접촉하는 주 축(1144) 부분에 배치된다. 수지로 이루어진 추가 스러스트 베어링(1148a)은 기어 본체(1146)에 대해 접촉하는 너트(1148) 부분에 배치된다. 스러스트 베어링(1144c 및 1148a)은, 접촉부의 마모와 토크를 감소시키고 하중이 페이스 기어(1165)에 직접 인가되는 것을 방지하기 위해, 저마찰 계수를 갖는다. 스러스트 베어링(1144c, 1148a)은, 예컨대 미끄럼 베어링을 포함하지만, 구름 베어링을 포함할 수도 있고, 그럼으로써 엔드 이펙터(1104)가 강하게 폐쇄 또는 개방될 때에도, 즉 기어 본체(1146)가 주 축(1144)에 대해 견고하게 접촉할 때에도, 의료용 머니퓰레이터를 롤축에 대해 원활하게 조작할 수 있다.

기어 본체(1146)는 단차 형상부이며, Z2 방향의 대경부(1162), Z1 방향의 소경부(1164), 및 Z2 방향의 대경부(1162)의 단부의 페이스 기어(1165)를 포함한다. 페이스 기어(1165)는 기어(1134, 1138)와 맞물려 보유 지지된다. 기어 본체(1146)는 너트(1148)가 주 축(1144)으로부터 이탈되는 것을 방지한다. 대경부(1162)는 외측에 나사 가공된 외주면을 갖는다.

피구동판(1158)은 Z2 방향의 오목부(1166), 오목부(1166) 바닥에 형성된 결합 공동(1168), Y 방향의 양면에 각각 배치된 축방향 리브(1170), 및 링크 구멍(1172)을 갖는다. 결합 공동(1168)은 로드(1152)의 선단부에 버섯 형상 돌기(1174)와 결합 가능한 형상을 갖는다. 버섯 형상 돌기(1174)가 결합 공동(1168)에 결합할 때, 피구동판(1158) 및 로드(1152)는 롤축에 대해 서로에 대해 상대적으로 회전할 수 있다. 피구동판(1158)은 커버(1160)의 내경과 실질적으로 동일한 폭을 갖는다.

커버(1160)는 실질적으로 복합 기구(1102) 전체를 덮기에 충분히 큰 크기를 갖고, 복합 기구(1102) 및 엔드 이펙터(1104)로 이물질(생체 조직, 약제, 실 등)이 들어가는 것을 방지하는 역할을 한다. 커버(1160)는 서로 대향하는 관계로 내주면에 형성된 2개의 축방향 홈(1175)을 갖는다. 피구동판(1158)의 리브(1170)는 피구동판(1158)을 축방향으로 안내하기 위한 홈(1175)에 각각 끼워진다. 돌기(1174)가 피구동판(1158)의 결합 공동(1168)에 결합하므로, 피구동 풀리(1156)는 피구동판(1158) 및 로드(1152)와 일체로 구멍(1144a) 내에서 축방향으로 진퇴 이동 가능하고, 로드(1152)에 대해 롤 운동을 할 수 있다. 커버(1160)는 기어 본체(1146)의 대경부(1162)에 나사 결합이나 압입 결합 등에 의해 고정된다.

스프링(1150)은 기어 본체(1146)의 단차부와 피구동판(1158)의 오목부(1166) 사이에 끼워져, 스톱퍼에 대해 접촉할 때까지 전방으로 이동하도록 피구동판(1158)을 통상 편향시킨다.

엔드 이펙터(1104)는 제1 엔드 이펙터 부재(1190), 제2 엔드 이펙터 부재(1192) 및 핀(1196)을 포함한다. 핀(1196)은 제3 회전축(Og) 상에 배치된다.

제1 엔드 이펙터 부재(1190)는 서로 좌우로 대면하는 한 쌍의 측벽(1200), 측벽(1200)의 선단부에 각각 형성된 구멍(1200a), 및 측벽(1200)의 선단부의 하부로부터 Z1 방향으로 돌출하는 제1 파지구(1202)를 갖는다. 구멍(1200a)은 핀(1196)이 구멍(1200a)으로 압입될 수 있을 정도의 직경을 갖는다. 제1 파지구(1202)는 Z1 방향으로 점점 좁아지고, 원호 형상의 선단부를 포함한다. 제1 파지구(1202)는 Y1 방향을 향하는 전체면 위에서 밀접하게 함께 배치되는 다수의 원뿔형 치형부를 갖는다. 제1 엔드 이펙터 부재(1190)는 소정의 커플링 수단에 의해 커버(1160)에 결합된다. 예컨대, 제1 엔드 이펙터 부재(1190) 및 커버(1160)는 복합 튜브형 본체(1230)를 제공하는 일체 구조로 될 수 있다.

커버(1160)는 (나사 결합, 압입 결합, 용접 등에 의해) 기어 본체(1146)의 기단부에 결합된다. 기어 본체(146)가 회전될 때, 커버(1160) 및 제1 엔드 이펙터 부재(1190)는 롤축에 대해 작동한다.

제2 엔드 이펙터 부재(1192)는 L자 형상이고, Z 방향으로 연장되는 제2 파지구(1212)와, 제2 파지구(1212)에 대해 약 60°굴곡된 레버(1214)를 포함한다. 제2 엔드 이펙터 부재(1192)는 L자 형상의 굴곡 코너부에 형성된 구멍(1216)을 갖고, 레버(1214)는 그 단부 근처에 형성된 구멍(1218)을 갖는다. 핀(1196)이 구멍(1216)으로 삽입될 때, 제2 엔드 이펙터 부재(1192)는 제3 회전축(Og)에 대해 요동 가능하다. 제2 파지구(1212)는 제1 파지구(1202)와 동일한 형상을 갖지만, 반전된 상태로 배치된다. 제2 엔드 이펙터 부재(1192)가 제3 회전축(Og)에 대해 회전될 때, 제2 엔드 이펙터 부재(1192)는 만곡 바늘 등을 파지하는 제1 파지구(1202)에 대해 접촉한다.

레버(1214) 및 피구동판(1158)은 2개의 평행 파지구 링크(1220)에 의해 서로 연결된다. 구체적으로, 핀(1222)은 파지구 링크(1220)의 각 단부에 형성된 구멍(1220a)과 구멍(1218)으로 삽입되고, 반면에 핀(1124)은 파지구 링크(1220)의 다른 단부에 각각 형성된 구멍(1220b)과 구멍(1172)으로 삽입된다.

파지구 링크(1220)를 피봇식으로 지지하는 핀(1124)의 위치는, 도 19(측면에서 봄)의 중심축으로부터 약간 오프셋되어 있다. 그러나 핀(1124)은 측면에서 보아 중심축 상에 위치될 수 있다. 핀(1124)의 위치는 작용력, 공간 및 부품 조립의 용이성의 밸런스의 관점에서 결정될 수 있다. 핀은 파지구 링크(1220)와 일체로 결합될 수 있다.

2개의 파지구 링크(1220)는 힘을 밸런스 좋게하고 부주의한 모멘트 하중의 인가를 방지하기 위해 서로 평행하게 배치된다. 설계 조건에 따라서, 단 하나의 파지구 링크가 사용될 수 있다.

피구동 풀리(1156), 로드(1152) 및 피구동판(1158)이 Z2 방향으로 이동될 때, 레버(1214)도 역시 Z2 방향으로 당겨져서 제2 파지구(1212)를 제1 파지구(1202)를 향해 이동하게 하여 그 사이의 대상물을 파지한다. 역으로, 피구동 풀리(1156), 로드(1152), 피구동판(1158)이 스프링(1150)의 작용에 의해 Z1 방향으로 이동될 때, 레버(1214)도 역시 Z1 방향으로 당겨져서 제2 파지구(1212)를 제1 파지구(1202)로부터 멀리 이동하게 하여 엔드 이펙터(1104)를 개방한다. 피구동판(1158)이 Z1 방향으로 이동하도록 스프링(1150)에 의해 통상 편향되므로, 의료용 머니퓰레이터가 수동으로 조작되지 않을 때, 제2 파지구(1212)가 제1 파지구(1202)로부터 이격됨으로써 엔드 이펙터(1104)를 개방한다. 스프링(1150)은 와이어(1056)와 피구동 와이어(1252)를 적절한 장력 하에서 유지시켜 이들이 처지는 것을 방지하는데 유용하다. 그러므로, 다양한 부품 사이의 놀음이 방지되고, 의료용 머니퓰레이터는 높은 응답성으로 대상물을 파지할 수 있다.

간략하게, 용어 "엔드 이펙터(1104)"는 이하에서 제1 파지구(1202) 및 제2 파지구(1212)를 지칭하는데 사용될 것이다.

도 21에 도시된 바와 같이, 아이들 풀리(1140)는 서로 동축상에 정렬된 2개의 평행 풀리, 즉 제1층 아이들 풀리(제1층 아이들 원기둥체)(1232)와 제2층 아이들 풀리(제2층 아이들 원기둥체)(1234)를 포함한다. 가이드 풀리(1142)는 서로 동축상에 정렬된 2개의 평행 풀리, 즉 제1층 가이드 풀리(제1층 가이드 원기둥체)(1236)와 제2층 가이드 풀리(제2층 가이드 원기둥체)(1238)를 포함한다.

도 21의 Z2 방향의 단부에서, 피구동 와이어(1252)의 연장부의 한쪽은 X1 및 Z1 방향으로 제1층 아이들 풀리(1232)의 표면에 대해 보유 지지되고, 또한 Z2 및 X2 방향으로 제1층 가이드 풀리(1236)의 표면에 대해 보유 지지되는 동시에, 피구동 풀리(1156)까지 연장된다.

도 21의 Z2 방향의 단부에서, 피구동 와이어(1252)의 연장부의 다른 쪽은 X2 및 Z1 방향으로 제2층 아이들 풀리(1234)의 표면에 대해 보유 지지되고, 또한 Z2 및 X1 방향으로 제2층 가이드 풀리(1238)의 표면에 대해 보유 지지되는 동시에 피구동 풀리(1156)까지 연장된다.

예컨대, 와이어(1056)(도 22 참조)가 Z2 방향으로 당겨질 때, 제1층 아이들 풀리(1232) 및 제2층 가이드 풀리(1238)가 평면에서 보아 반시계방향으로 회전되고, 반면에 제2층 아이들 풀리(1234) 및 제1층 가이드 풀리(1236)가 평면에서 보아 시계방향으로 회전된다. 아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142) 각각이 2개의 평행 동축 풀리를 포함하고 있으므로, 풀리는 보유 지지된 피구동 와이어(1252)가 움직일 때 반대 방향으로 회전 가능하고, 따라서 풀리는 원활하게 작동한다.

도 22에 도시된 바와 같이, Z1 방향의 와이어(1056)의 단부는 터미널(1250)(또는 용접이나 관통 구멍 등)에 의해 구동 와이어(가요성 부재)(1252)의 양단부에 접속된다. 피구동 와이어(1252)는 와이어(1056)에 접속된 부분을 갖는 링 형상 가요성 부재의 형태이며, 그 외에 로프, 수지 와이어, 피아노선, 체인 등을 포함할 수 있다. 용어 "링 형상"은 넓은 의미로 해석될 수 있다. 가요성 부재는 반드시 전체 길이에 적용될 필요는 없다. 즉, 각 풀리의 주위에 권취된 피구동 와이어(1252)의 적어도 일부가 강성 부재에 의해 접속된 선형부를 갖는 가요성 부재라도 좋다. 피구동 와이어(1252)는 와이어(1056)의 부분을 형성할 수 있다.

피구동 와이어(1252)는 구동 부재로서 역할을 하는 와이어(1056)로부터 X1 방향(제1측)으로 아이들 풀리(1140)를 따라 통과하고 X2 방향(제2측)으로 연장되며, 그 후 X2 방향으로 가이드 풀리(1142)를 따라 통과하고 X2 방향으로 피구동 풀리(1156)의 표면까지 연장된다. 그 후 피구동 와이어(1252)는 Z1 방향으로 피구동 풀리(1156)의 표면 주위로 반회전 권취되고 X1 방향으로 그 표면까지 연장되며, X2 방향으로 배향하면서, 피구동 와이어(1252)는 X2 방향으로 아이들 풀리(1140)를 따라 통과하고 터미널(1250)까지 연장된다.

따라서, 피구동 와이어(1252)는 터미널(1250)에 그 시점과 종점을 갖는 순환 경로를 통과한다. 피구동 와이어(1252)는 아이들 풀리(1140)의 양측을 따라 통과하여 피구동 풀리(1156) 주위에 권취되고, 아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142) 사이에서 교차하면서, 실질적으로 8자 형상의 구성을 형성한다. 터미널(1250) 및 피구동 와이어(1252)는 와이어(1056)에 의해 트리거 레버(1032)에 기계적으로 접속된다.

용어 "기계적으로"는, 동력 전달 방향으로 비탄성 강체 형태의 기계 요소를 통해 부재를 작동하기 위한 시스템을 말한다. 와이어(1056)가 가요성 부재이지만, 스프링(1150)에 의해 적절한 장력하에 있다. 엔드 이펙터(1104)를 폐쇄하기 위해, 와이어(1056)는 트리거 레버(1032)에 의해 Z2 방향으로 당겨지고 근본적으로 탄성 변형되지 않거나, 또는 조작상 문제가 없는 범위까지만 불가피하게 탄성 변형됨으로써, 기계적 접속 수단을 제공한다. 피구동 와이어(1252)는 평면에서 보아 교차하고 있다.

아이들 풀리(1140), 가이드 풀리(1142) 및 피구동 풀리(1156)는 실질적으로 동일한 직경을 가지며, 이는 피구동 와이어(1252)가 굴곡되지 않도록 레이아웃에서 가능한 범위까지 충분히 큰 직경이다. 피구동 와이어(1252)가 과도하게 굴곡되지 않도록, 터미널(1250)은 아이들 풀리(1140)로부터 충분히 이격된 위치에 배치된다. 피구동 와이어(1252)의 양단부는 터미널(1250)에서 예각을 형성한다. 스프링(1150)(도 18 참조)이 Z1 방향으로 이동하도록 피구동판(1158)을 편향시키고 있으므로, 피구동 풀리(1156) 및 피구동판(1158)은 Z1 방향으로 힘을 받는다. 따라서 피구동 와이어(1252) 및 와이어(1056)는 장력을 받는 상태로 적절하게 배치되어 이완되지 않는다. 아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142) 사이의 간극은 작고, 예컨대 피구동 와이어(1252)의 폭과 실질적으로 동등하다.

아이들 풀리(1140), 가이드 풀리(1142) 및 피구동 풀리(1156)는 그 상면 및 하면에 플랜지를 갖거나, 피구동 와이어(1252)가 빠지는 것을 방지하기 위한 오목한 측면을 가질 수 있다.

설명의 편의상, 와이어(1056), 피구동 와이어(1252), 아이들 풀리(1140), 가이드 풀리(1142), 피구동 풀리(1156) 및 엔드 이펙터(1104)는 엔드 이펙터 구동 기구(1260)로서 총칭될 것이다. 도 22에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터 구동 기구(1260)에 있어서, 피구동 와이어(1252), 아이들 풀리(1140), 가이드 풀리(1142) 및 피구동 풀리(1156)는 기단부로부터 선단부까지 중심선을 따라 배열된다. 엔드 이펙터(1104)는 로드(1152)에 의해 피구동 풀리(1156)에 결합된다.

이렇게 구성된 의료용 머니퓰레이터(1010)의 조작이 후술될 것이다.

도 22에 도시된 바와 같이, 트리거 레버(1032)가 접촉되지 않을 때, 엔드 이펙터(1104)는 스프링(1150)의 탄성력 하에서 개방되어 있다. 도 22, 도 23, 도 24, 도 25, 도 36, 도 37, 도 52, 도 53 및 도 55에서 X 방향은 선단 작업 유닛(1012a)에 대해 나타내고, 트리거 레버(1032)의 수직 방향은 Y 방향에 대응한다.

도 23에 도시된 바와 같이, 트리거 레버(1032)는 손으로 완전히 당겨질 때, 와이어(1056)는 피구동 와이어(1252)를 당겨, 스프링(1150)을 압축하면서 Z2 방향으로 피구동 풀리((1156) 및 로드(1152)를 이동시키고, 그럼으로써 엔드 이펙터(1104)를 폐쇄한다. 다시 말하면, 와이어(1056), 피구동 와이어(1252) 및 피구동 풀리(1156)를 포함하는 전달 부재가 당겨질 때, 엔드 이펙터(1104)가 폐쇄된다. 이때, 트리거 레버(1032)는 스프링(1150)을 압축하기 위한 힘을 필요로 한다. 엔드 이펙터(1104)를 개방하기 위해, 트리거 레버(1032)에 인가된 힘이 해제됨으로써, 로드(1152)가 스프링(1150)의 복원력하에서 선단부를 향해 밀리게 되어, 엔드 이펙터(1104)를 개방 상태로 복귀시킨다.

피구동 와이어(1252)가 링 형상이므로, 2개의 좌우 연장부를 제공한다. 그러므로 엔드 이펙터(1104)를 폐쇄하기 위해 인가된 힘은, 피구동 와이어(1252)의 각 연장부에 인장력으로서 작용하는, 실질적으로 동등한 힘으로 나누어진다. 그러므로 피구동 와이어(1252)는 와이어(1056)보다 작은 직경을 가질 수 있고, 충분한 가요성을 가질 수 있다.

도 24에 도시된 바와 같이, 트리거 레버(1032)가 손으로 임의의 범위까지 당겨진 시점에서 엔드 이펙터(1104)가 대상물(수술 기구, 생체 조직 등)(W)을 파지할 때, 엔드 이펙터(1104), 피구동판(1158), 로드(1152) 및 피구동 풀리(1156)는 근본적으로 추가로 더 이상 이동되지 않거나, 피구동 와이어(1252) 및 다른 요소의 탄성 변형과 대상물(W)의 탄성 변형에 대응하는 거리만큼만 이동된다. 피구동 와이어(1252), 와이어(1056) 및 트리거 레버(1032)는 Z2 방향으로 추가로 이동되지 않고, 그럼으로써 조작자는 엔드 이펙터(1104)가 대상물(W)을 파지했다는 것을 손가락 끝으로 지각할 수 있다.

대상물(W)이 수술 도구 등과 같이 단단한 대상물이면, 트리거 레버(1032)는 근본적으로 Z2 방향으로 이동할 수 없다. 따라서 조작자는 엔드 이펙터(1104)가 경한 것을 파지했다는 것을 지각할 수 있으며, 조작자가 전자기적 수단을 통하지 않고 엔드 이펙터(1104)에 기계적이고 직접적으로 손의 힘을 전달할 수 있기 때문에, 엔드 이펙터(1104)는 대상물(W)을 강한 힘으로 확실하게 파지할 수 있다. 이러한 손의 힘과 동등한 파지력이 모터에 의해 생성되려면, 모터는 상당히 크고 무거울 필요가 있고 액추에이터 블록(1030) 내측으로 용이하게 수납될 수 없고, 또한 의료용 머니퓰레이터(1010)를 더욱 무겁게 만든다.

대상물(W)이 생체 조직 등과 같은 연한 대상물이면, 트리거 레버(1032)는 대상물(W)의 탄성에 따라 Z2 방향으로 약간 변위될 수 있다. 따라서 조작자는 엔드 이펙터(1104)가 연한 것을 파지했다는 것을 지각할 수 있고, 대상물(W)이 얼마나 연한 것인지를 인식할 수 있을 뿐 아니라 대상물(W)을 파지하는 힘을 조절할 수 있다.

와이어 등이 마모 또는 열화되었을 때, 마찰력이 증가해서 트리거 레버(1032)로 전달되어, 조작자가 구동 시스템의 상태의 변화 또는 비정상적인 상태를 감지할 수 있다. 따라서, 조작자는 유지 보수 시기를 더욱 적절하게 판단할 수 있다.

도 25에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터(1104)가 요축에 대해 조작될 때, 피구동 풀리(1156)는 가이드 풀리(1142) 주위를 회전하면서 자전한다. 피구동 풀리(1156) 및 가이드 풀리(1142) 사이의 거리가 변화되지 않은 채로 있으므로, 로드(1152)는 상대적으로 작동되지 않고 기계적인 간섭도 없다. 엔드 이펙터(1104)가 롤축에 대해 조작될 때, 로드(1152)가 롤축의 중심을 통과하도록 배치되므로, 로드(1152)는 작동되지 않고 기계적인 간섭도 없다. 다시 말하면, 이펙터 구동 기구(1260)는 비간섭 구성을 제공한다.

아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142)가 서로 충분히 근접하고 있으므로, 엔드 이펙터(1104)가 요축에 대해 90°작동되더라도, 피구동 와이어(1252)가 피구동 풀리(1156) 주위에 권취되는 각도는 근본적으로 변화되지 않은 채로 있고, 실질적으로 요축 및 롤축과 갑섭하는 어떠한 토크도 파지 동작에 응답하여 발생되지 않는다.

아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142)가 임의의 거리만큼 서로 이격되면, 엔드 이펙터(1104)가 롤축에 대해 크게 조작될 때, 피구동 와이어(1252)는 가이드 풀리(1142)의 표면 중 한 면으로부터 이격된다. 따라서 피구동 와이어(1252)는 요축에 대해 X 방향(기준 상태)의 밸런스가 무너지게 되어, 요축 중심의 간섭 토크를 발생시킨다. 요축에 대한 조작 범위를 최대화하기 위해, 아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142)를 서로 충분히 근접하게 위치시키는 것이 바람직하다. 실제로, 피구동 와이어(1252)가 아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142) 사이를 통과하기 때문에, 그 사이에 소정의 간극이 필요하다. 또한, 피구동 와이어(1252)가 권취되어 있는 이들 풀리의 위치(상면 및 하면의 플랜지는 제외) 사이의 간극은 피구동 와이어(1252) 두께의 1 내지 2배의 크기로 하면 좋다.

요축에 대한 조작 범위가 증대될 필요가 없으면, 아이들 풀리(1140) 및 가이드 풀리(1142)는 서로 적절하게 이격될 수 있다. 요축이 굴곡되더라도, 엔드 이펙터(1104)는 트리거 레버(1032)를 조작함으로써 개폐될 수 있어, 피구동 와이어(1252)가 피구동 풀리(1156)를 작동할 수 있게 한다.

요축 조작 및 롤축 조작이 엔드 이펙터(1104)의 개폐 조작과 기계적인 간섭을 초래하지 않으므로, 엔드 이펙터(1104)를 작동시키기 위한 선단 작업 유닛(1012a)의 구동 기구는 간섭을 보상하기 위한 어떤 보정 수단이나, 기구 및 액추에이터를 포함하는 다른 종류의 보정 수단(예컨대, 보정 액추에이터 및 보조 기구)을 요구하지 않는다. 그러므로 의료용 머니퓰레이터(1010)는 구조상 간단하고 경량이 된다. 트리거 레버(1032)에 인가된 조작력은 다른 구동 시스템에 영향을 주지 않으면서 엔드 이펙터(1104)에 효과적으로 전달될 수 있다. 결론적으로, 엔드 이펙터(1104)는 강한 파지력(또는 박리력)을 가할 수 있다. 의료용 머니퓰레이터(1010)가 경량이므로, 조작자는 의료용 머니퓰레이터(1010)를 지지하기 위해 필요로 하는 힘을 경감시킬 수 있다. 결론적으로, 의료용 머니퓰레이터(1010)는 조작자가 긴 기간에 걸쳐 적절하게 기술을 구사할 수 있게 하고, 또한 조직으로부터의 반력과 봉합 바늘로 조직을 찌르는 힘을 더욱 잘 지각할 수 있게 한다.

의료용 머니퓰레이터(1010)는 엔드 이펙터(1104)가 트리거 레버(1032)에 의해 수동으로 개폐될 수 있으므로 에너지 절약 기기이다.

상기 링크 기구의 역의 링크 기구가 사용될 수 있어, 엔드 이펙터(1104)가 손으로 조작되지 않을 때에는 폐쇄되도록 한다. 이 경우, 엔드 이펙터(1104)는 트리거 레버(1032)가 당겨질 때 개방될 수 있다. 역 링크 기구(reversal link mechanism)는, 엔드 이펙터(1104)의 폐쇄 상태, 즉 예컨대 도 22에 도시된 바와 같이 제2 파지구(1212)가 제1 파지구(1202)와 겹쳐 있는 상태를 초기 상태로 할 수 있다. 트리거 레버(1032)가 초기 상태에서 당겨질 때, 제2 파지구(1212)가 반시계방향으로 회전되어 제1 파지구(1202)로부터 이격되고, 그럼으로써 엔드 이펙터(1104)를 개방한다.

외과 수술 중에, 조직을 박리하기 위한 목적으로, 큰 박리력이 엔드 이펙터(1104)를 개방시키기 위해 일방향(박리 방향)으로 요구될 수 있다. 트리거 레버(1032)를 당기는 동작이 역 링크 구조를 통해 엔드 이펙터(1104)로 직접 전달되면, 큰 박리력이 생성될 수 있다.

이 경우, 의료용 머니퓰레이터(1010)에 대해, 엔드 이펙터(1104)의 개방 방향으로의 힘이 트리거 레버(1032)로 전달된다. 다시 말하면, 엔드 이펙터(1104)가 개방되고 개방 방향으로 생체 조직, 수술 기구 등에 대해 접촉했을 때, 트리거 레버(1032)는 Z1 방향으로 이동할 수 없다. 따라서 조작자는 엔드 이펙터(1104)가 무엇인가에 접촉한 것을 감지할 수 있다.

선단 작업 유닛(1012)의 요축 및 피치축 사이의 차이는 초기 자세 또는 조작 유닛에 대한 상대 자세를 나타내므로, 요축은 피치축으로 대체될 수 있다. 그러므로 선단 작업 유닛(1012)은 요축 및 피치축을 가질 수 있다. 자세축[선단 작업 유닛(1012)의 요축 및 롤축에 대응함]은, 와이어(가요성 부재) 및 기어에 의한 것 외에, 예컨대 로드, 링크, 토크 튜브 등, 또는 임의의 이들 조합에 의해 작동될 수 있다.

아이들 풀리(1140), 가이드 풀리(1142) 및 피구동 풀리(1156)는, 가요성 부재의 미끄럼을 허용한다면, 반드시 풀리일 필요는 없고, 와이어가 권취될 수 있는 원기둥체(원기둥 부재)를 포함할 수 있다. 원기둥체는 넓은 의미로 해석될 수 있으며, 중공 원기둥체 및 원호 기둥체를 포함한다. 풀리의 조작 범위의 각도가 설계 조건에 따라 작으면, 와이어는 풀리 주위로 1회전 미만으로 권취될 수 있다. 이 경우, 풀리는 원호 기둥체가 될 수 있다.

피구동 풀리(1156)가 핀(1154)에 대해 회전할 수 없으면[피구동 풀리(1156)가 로드(1152)에 고정], 피구동 와이어(1252)가 가이드 풀리에 더욱 근접한(Z2 방향으로) 피구동 풀리(1156)의 반원호부(semiarcuate portion)에 대해 접촉 상태로 유지되지 않으므로, 피구동 풀리(1156)의 상기 반원호부가 요구되지 않고, 따라서 피구동 풀리(1156)는 선단부에 더욱 근접한 반원호부만 갖는 원기둥체의 형태가 될 수 있다. 유사하게 복귀 풀리(1350)가 피구동 와이어(1252)에 대해 접촉이 유지되지 않는 부분을 가지면, 복귀 풀리(1350)는 부분 원호 원기둥체로 될 수 있고, 그럼으로써 복합 기구(1102)의 길이를 경감시킬 수 있다.

터미널(1250)에 대응하는 피구동 와이어(1252)의 단부의 결합부의 변형예가 도 26 내지 도 31을 참조하여 후술될 것이다.

도 26에 도시된 바와 같이, 피구동 와이어(1252)의 단부의 기능부의 제1 변형예에 따르면, 피구동 와이어(1252)의 양단부가 파이프(구동 부재)(1400)의 선단부의 개구부로 삽입되고, 선단부의 개구부의 근접부(1402)는 삽입된 단부를 압축하도록 가압된다. 따라서, 피구동 와이어(1252)는 제자리에 용이하게 고정될 수 있다.

도 27에 도시된 바와 같이, 피구동 와이어(1252)의 단부의 기능부의 제2 변형예에 따르면, 파이프(1406)는 로드(구동 부재)(1404)의 선단부 내에 나사 결합된다. 도 26에 도시된 파이프(1400)와 유사하게, 파이프(1406)는 피구동 와이어(1252)의 양단부를 압축한다. 따라서, 이러한 구성에 의해, 로드(1404) 및 파이프(1406)는 조립과 유지 보수를 용이하게 하기 위해 서로 착탈 가능하게 연결된다. 이러한 나사 결합은 파이프(1406)가 로드(1404)로부터 조정 가능하게 돌출하는 것을 허용하여, 피구동 와이어(1252)의 길이 및 장력을 조정한다. 또한, 파이프(1406)는 이중 너트 구조로 고정될 수 있다.

도 28 및 도 29에 도시된 바와 같이, 피구동 와이어(1252)의 단부의 기능부의 제3 변형예에 따르면, 피구동 와이어(1252)는 로드(구동 부재)(1408)의 선단부에 형성된 구멍(1410)을 관통 삽입된다. 구멍(1410)은 피구동 와이어(1252)에 의해 결합되는 Z2 방향을 향하는 원호벽(1410a)을 갖는다. 피구동 와이어(1252)는 원호벽(1410a)에 대해 미끄럼 이동한다. 로드(1408)가 Z2 방향으로 당겨질 때, 구동 와이어(1252)는 X 방향으로 밸런스 좋게 당겨질 수 있다.

단일 와이어를 포함하는 피구동 와이어(1252)는 고정 부재(1412)에 고정된 양단부를 가짐으로써 링 형상이 된다. 고정 부재(1412)는 구동 부재로서 로드(1408)에 결합부 이외의 위치에 배치되어, 피구동 와이어(1252)의 길이 및 장력을 조정할 수 있다. 따라서, 제3 변형예는 구조상 간단하다.

도 30 및 도 31에 도시된 바와 같이, 피구동 와이어(1252)의 단부의 기능부의 제4 변형예에 따르면, 롤러(1416)는 로드(구동 부재)(1414)의 선단부(1414a)에 장착되고, 피구동 와이어(1252)는 롤러(1416) 주위에 권취된다. 롤러(1416)는 핀(1418)으로 회전 가능하게 지지된다. 롤러(1416) 주위에 권취된 피구동 와이어(1252)는 진퇴 이동 가능하다. 로드(1414)가 Z2 방향으로 당겨질 때, 요축이 굴곡되지 않더라도, 피구동 와이어(1252)는 X 방향으로 밸런스 좋게 당겨질 수 있다. 선단부(1414a)는 로드(1414)에 나사 결합된다. 제4 변형예에 따르면, Y 방향으로 이격된 피구동 와이어(1252)의 한 쌍의 연장부는, 피구동 와이어(1252)의 서비스 수명을 길게 하고 피구동 와이어(1252)의 한 쌍의 상하부 연장부를 서로 평행하게 하도록 균일하게 장력이 가해진다.

Y 방향으로 이격된 피구동 와이어(1252)의 한 쌍의 연장부가 서로 평행하므로, 로드(1414)는 선단 작업 유닛(1012a)에 근접한 위치에 배치될 수 있고, 그럼으로써 피구동 와이어(1252)를 짧게 하고 피구동 와이어(1252)의 신장을 감소시켜, 응답성을 향상시킬 수 있다.

제2 구성예에 따른 선단 작업 유닛(1012b)이 후술될 것이다. 선단 작업 유닛(1012a)의 부품과 동일한 선단 작업 유닛(1012b)[또한 선단 작업 유닛(1012c 내지 1012f)]의 부품은 동일한 도면 부호로 표시되고, 이들의 특징은 이하에서 상세하게 설명되지 않을 것이다.

도 32에 도시된 바와 같이, 선단 작업 유닛(1012b)은, 아이들 풀리(1140)(도 21 참조)가 생략된 것을 제외하고, 선단 작업 유닛(1012a)과 유사한 구성으로 되어 있다. 선단 작업 유닛(1012b)에 있어서, 피구동 와이어(1252)는 2 방향으로부터 가이드 풀리(1142) 주위에 1회전 이상 권취된다. 구체적으로, 피구동 와이어(1252)는 X2 방향으로부터 제1층 가이드 풀리(1236) 주위에 권취되고, X1 방향으로부터 제2층 가이드 풀리(1238) 주위에 권취된다. 선단 작업 유닛(1012b)은 선단 작업 유닛(1012a)과 동일한 방식으로 조작된다. 피구동 와이어(1252)가 Z2 방향으로 당겨질 때, 가이드 풀리(1142) 및 피구동 풀리(1156)는, 엔드 이펙터(1104)를 조작하고 또한 축(1112)에 대해 요우잉 방향으로 엔드 이펙터(1104)를 조작하도록 당겨진다(도 32의 가상선 참조). 요축에 대한 조작 범위가 한쪽이면(0° 내지 90°), 피구동 와이어(1252)의 한 연장부만이 가이드 풀리(1142) 주위에 1회전 이상 권취될 수 있다. 예컨대, 도 32에서 일 방향으로만 엔드 이펙터(1104)를 조작하기 위하여, 화살표 A로 지시된 바와 같이, 요축에 대해, X1 방향으로 제1층 가이드 풀리(1236) 주위에 권취된 피구동 와이어(1252)의 권취(1253)는 불필요하다. 피구동 와이어(1252)는 X2 방향을 향하는 제1층 가이드 풀리(1236)의 표면에 대해서만 보유 지지될 수 있다.

선단 작업 유닛(1012b)은, 아이들 풀리(1140)를 필요로 하지 않으므로, 선단 작업 유닛(1012a)보다 구조가 더욱 간단하다. 한편, 선단 작업 유닛(1012a)에 대해, 가이드 풀리(1142) 주위에 권취된 피구동 와이어(1252)의 길이는 더 작은 마찰을 제공하기 위해 더 짧고, 피구동 와이어(1252)의 전체 길이는 선단 작업 유닛(1012b)의 경우에 비해 더 짧다. 가이드 풀리(1142) 주위에 권취된 회수가 더 작으므로, 가이드 풀리(1142)는 더 얇아진다. 선단 작업 유닛(1012a) 또는 선단 작업 유닛(1012b)이 사용될 것인지는 설계 조건에 따라 결정될 수 있다.

도 26 내지 도 32에 도시된 구성은 후술될 선단 작업 유닛(1012c 내지 1012f)에도 또한 적용 가능하다.

제3 구성예에 따른 선단 작업 유닛(1012c)이 후술될 것이다.

도 33에 도시된 바와 같이, 선단 작업 유닛(1012c)은 엔드 이펙터(1104)의 구성의 견지에서 선단 작업 유닛(1012a)과 상이하다.

선단 작업 유닛(1012c)은, 한 쌍의 파지구(1302)가 이동 가능한 양측 개방식 구성(double-sided-open type structure)을 갖는 엔드 이펙터(1300)를 포함한다. 엔드 이펙터(1300)는 커버(1160)와 일체로 결합된 파지구 베이스(1304), 파지구 베이스(1304)에 장착된 핀(1196)에 대해 이동 가능한 한 쌍의 엔드 이펙터 부재(1308), 및 한 쌍의 파지구 링크(1220)를 포함한다.

각각의 엔드 이펙터 부재(1308)는 제2 엔드 이펙터 부재(1192)와 유사한 L자 형상을 갖고, Z1 방향으로 연장되는 파지구(1302)와, 파지구(1302)로부터 약 35° 굴곡되어 연장되는 레버(1310)를 포함한다. L자 형상의 굴곡 코너는 그 내부에 형성된 구멍(1216)을 포함하고, 핀(1196)은 구멍(1216)으로 삽입되어, 엔드 이펙터 부재(1308)가 제3 회전축(Og)에 대해 요동 가능하게 된다.

각 엔드 이펙터 부재(1308)는 단일의 측 파지구 링크(1220)에 의해 피구동판(1158)의 핀(1224)에 결합된다. 피구동판(1158)은 도 33의 Y 방향에 대해 대칭 위치로 배치된 2개의 링크 구멍(1172)을 갖는다. 파지구 링크(1220)는 측면에서 보아 서로 교차한다.

선단 작업 유닛(1012c)의 엔드 이펙터(1300) 이외에, 와이어 피구동 기구(1100) 및 복합 기구(1102)는 상술한 선단 작업 유닛(1012a)과 구성에 있어서 동일하다.

파지구(1302)가 대향 위치에 배치되기 때문에, 선단 작업 유닛(1012c)은 부주의한 모멘트 하중을 부여하지 않으면서 양호한 밸런스의 힘을 가할 수 있다.

도 33 및 도 34에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터 부재(1308)는 기본적으로 로드(1152)의 조작의 응답에 동기하여 작동된다. 그러므로 엔드 이펙터 부재(1308)는 중심축에 대해 대칭적으로 개폐 가능하다.

도 35에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터(1300)가 요축에 대해 이동할 때, 요축 기구 및 엔드 이펙터(1300)를 작동시키기 위한 기구가 서로 간섭하지 않으면서 보유 지지되므로, 엔드 이펙터(1300)의 개방도는 변화되지 않는다. 역으로, 엔드 이펙터(1300)가 개폐될 때, 엔드 이펙터(1300)는 요축 또는 롤축에 대해 이동하지 않는다.

엔드 이펙터(1300)가 트리거 레버(1032)에 직접 기계적으로 접속되므로, 엔드 이펙터(1300)는 강한 파지력을 생성하고, 엔드 이펙터(1300)에 인가된 힘은 트리거 레버(1032)에 전달된다.

제4 구성예에 다른 선단 작업 유닛(1012d)이 후술될 것이다. 상술한 선단 작업 유닛(1012a 내지 1012c)에 대해, 트리거 레버(1032)는 손의 힘으로 능동적으로 당겨지고(즉, 파지구가 폐쇄/개방되고), 트리거 레버(1032)는 스프링(1150)의 힘에 의해 수동적으로 복귀되어서, 힘이 파지구를 개방/폐쇄하기 위해 오직 한 방향으로만 인가된다. 제4 구성예에 따른 선단 작업 유닛(1012d)[또한 선단 작업 유닛(1012e)]에 대해, 트리거 레버(1032)를 당기고 복귀시키기 위해 손의 힘이 능동적으로 인가되고, 이로써 힘은 양 방향으로 인가된다. 힘을 발생시키는 스프링(1150)은 생략된다. 선단 작업 유닛(1012d)은 파지 겸자뿐만 아니라 박리 겸자로서 사용될 수 있다.

도 36에 도시된 바와 같이, 선단 작업 유닛(1012d)은 2개의 기구, 즉 엔드 이펙터 구동 기구(1260)(도 22 참조)에 대응하는 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a) 및 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)를 포함한다. 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a)의 구성 요소는 "a"가 덧붙여진 도면 부호에 의해 표시되고, 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)의 구성 요소는 "b"가 덧붙여진 도면 부호에 의해 표시되어, 서로 구별할 수 있다. 도 36 및 도 37(또한 도 52 및 도 53)에서, 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a) 및 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)는 이해를 용이하게 하기 위해 지면 상에서 서로 평행하게 도시되어 있다. 선단 작업 유닛(1012d)이 실제의 의료용 머니퓰레이터(1010)에 결합되면, 도 38(및 도 51)에 도시된 바와 같이, 풀리들이 축방향(즉, Y 방향)으로 병치되어, 아이들 풀리(원기둥 부재, 전달 부재)(1140a, 1140b)의 회전축이 서로 동축상으로 배치되고, 가이드 풀리(원기둥 부재, 전달 부재)(1142a, 1142b)의 회전축도 또한 서로 동축상으로 배치된다. 다시 말하면, 아이들 풀리(1140a, 1140b)는 축(1110)으로 공통 지지되고(도 38 참조), 한편 가이드 풀리(1142a, 1142b)는 축(1112)으로 공통 지지된다. 서로 동일축을 갖는 가이드 풀리(1142a, 1142b)는 요축 조작 기구를 단순화시킨다.

선단 작업 유닛(1012d)은 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a), 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b), 구동 커플링 와이어(구동 커플링 가요성 부재, 전달 부재)(1322), 및 구동 커플링 와이어(1322)가 권취되는 구동 커플링 풀리(원기둥 부재, 전달 부재)(1324)를 포함한다. 이러한 구성에 따르면, 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a) 및 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)는 역상(opposite phase)으로 조작되어, 구동 링크(전달 부재)(1326a)와 구동 링크(전달 부재)(1326b)를 반대 방향으로 용이하게 이동시킬 수 있다.

도시되지는 않았지만, 선단 작업 유닛(1012d)은 선단 작업 유닛(1012a)의 것과 동일한 와이어 피구동 기구(1100), 복합 기구(1102), 및 엔드 이펙터(1104)를 포함한다.

구동 커플링 와이어(1322)는 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a)의 구동 링크(1326a)의 기단부에 연결된 일단부와, 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)의 구동 링크(1326b)의 기단부에 연결된 타단부를 구비한다. 구동 링크(1326a, 1326b)는 와이어(1056)에 대응하고, 피구동 와이어(1252a, 1252b)의 각 단부에서 터미널(1250a, 1250b)에 접속된다. 선단 작업 유닛(1012d)에 있어서, 구동 링크(1326a, 1326b)는 와이어로 대체될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 구동 커플링 와이어(1322)는 터미널(1250a, 1250b)에 직접 접속되는 양단부를 구비할 수 있다.

제2 링크(1066)(도 22 참조)는 구동 링크(1326a)에 접속되는 일단부를 구비하고, 트리거 레버(1032)에 의해 진퇴 이동될 수 있다. 구동 커플링 와이어(1322) 및 구동 링크(1326b)가 구동 커플링 풀리(1324)를 돌아서 구동 링크(1326a)에 접속되므로, 구동 링크(1326a) 및 구동 링크(1326b)는 제2 링크(1066)가 진퇴 이동될 때 반대 방향으로 진퇴 이동된다.

트리거 레버(1032)는, 제2 링크(1066)에 장착된 랙과 구동 커플링 풀리(1324)에 장착된 피니언을 포함하는 랙과 피니언 기구를 통해 구동 링크(1326a) 및 구동 링크(1326b)를 작동할 수 있다. 구동 커플링 풀리(1324)는 선단 작업 유닛(1012d)에[즉, 커넥터 축(1048)의 선단부에] 배치될 수 있고, 또는 조작 유닛(1014)에 배치될 수 있다.

또한 선단 작업 유닛(1012d)은, 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a)의 피구동 풀리(가요성 부재, 전달 부재)(1156a)에 접속된 일단부와 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)의 피구동 풀리(가요성 부재, 전달 부재)(1156b)에 접속된 타단부를 갖는 피구동 커플링 와이어(피구동 커플링 가요성 부재, 전달 부재)(1328)와, 피구동 커플링 와이어(1328)가 권취되는 피구동 커플링 풀리(원기둥 부재, 전달 부재)(1330)를 포함한다. 이러한 구성에 있어서, 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a) 및 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)는 로드(1152)를 진퇴 이동시키도록 역상(opposite phase)으로 조작될 수 있다.

피구동 풀리(1156a) 및 피구동 풀리(1156b) 중 어느 하나는 로드(1152)에 의해 회전 가능하게 보유 지지된다. 로드(1152)는 피구동 커플링 와이어(1328)의 선형부에 고정될 수 있다. 또한, 로드(1152)는 랙과 피니언 기구에 의해 피구동 커플링 풀리(1330)에 접속될 수 있다. 다시 말하면, 로드(1152)는 피구동 커플링 와이어(1328)의 피구동 풀리(1156a, 1156b)의 진퇴 운동을 초래할 수 있다.

구동 커플링 와이어(1322) 및 피구동 커플링 와이어(1328)가 0N 이상의 초기 장력 하에서 배치되어 늘어짐을 없애면, 선단 작업 유닛의 여러 부품이 노는 것을 방지하고, 선단 작업 유닛은 높은 응답성으로 대상물을 파지할 수 있다.

도 36에 도시된 바와 같이, 트리거 레버(1032)가 손으로 완전히 당겨질 때, 구동 링크(1326a)는 피구동 풀리(1156a) 및 로드(1152)를 Z2 방향으로 이동시키기 위해 피구동 와이어(1252a)를 당기고, 그럼으로써 엔드 이펙터(1104)를 폐쇄한다. 다시 말하면, 엔드 이펙터(1104)는 구동 링크(1326a), 피구동 와이어(1252a) 및 피구동 풀리(1156a)를 포함하는 전달 부재를 당김으로써 폐쇄된다.

제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)에 있어서, 구동 링크(1326b)가 외측으로 밀리도록 배치되므로, 구동 링크(1326b)는 로드(1152)의 조작을 방해하지 않는다. 피구동 와이어(1252b)가 장력만을 발생하므로[즉, 피구동 와이어(1252b)는 압축력을 전달하지 않음], 피구동 와이어(1252b)는 동력의 전달에 기여하지 않는다.

이때, 엔드 이펙터(1104)가 대상물(W)을 파지할 경우, 피구동 와이어(1252), 구동 링크(1326) 및 트리거 레버(1032)는 Z2 방향으로 더 이동할 수 없고, 그럼으로써 조작자는 엔드 이펙터(1104)가 대상물(W)을 파지한 것을 손가락 끝으로 지각할 수 있다. 또한, 조작자는 대상물(W)의 경도를 감지할 수 있다. 이들 동작은 도 36 및 도 24를 참조하여 쉽게 이해될 수 있는데, 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)가 생략되었지만, 도 24에 도시된 바와 같이 선단 작업 유닛(1012a)이 근본적으로 도 36에 도시된 선단 작업 유닛(1012d)과 동등하기 때문이다.

도 37에 도시된 바와 같이, 트리거 레버(1032)가 손으로 완전히 밀려질 때, 피구동 커플링 와이어(1322)는 도 37에서 반시계방향으로 이동되고, 구동 링크(1326b)는 Z2 방향으로 피구동 풀리(1156b)를 이동시키기 위해 피구동 와이어(1252b)를 당긴다. 피구동 커플링 와이어(1328)는 반시계방향으로 이동하고, 로드(1152) 및 피구동 풀리(1156a)는 선단부를 향해 Z1 방향으로 이동하고, 그럼으로써 엔드 이펙터(1104)를 개방한다.

손으로 트리거 레버(1032)를 밀어내기 위한 힘이 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)에 의해 엔드 이펙터에 기계적으로 직접 전달되므로, 엔드 이펙터(1104)는 탄성체로부터와 같이 소정의 힘이 아니라 원하는 강한 힘으로 개방될 수 있다. 그러므로 엔드 이펙터(1104)의 외측면을 사용하여, 선단 작업 유닛은 생체 조직을 박리하거나 구멍을 개방하기 위한 기술을 행하는데 적절하게 사용될 수 있다.

대상물(W)이 엔드 이펙터(1104)의 외측면에 접촉하게 될 때, 피구동 와이어(1252b), 구동 링크(1326b) 및 트리거 레버(1032)는 Z1 방향으로 더 이상 이동될 수 없고, 그럼으로써 조작자는 엔드 이펙터(1104)의 외측면이 대상물(W)과 접촉했다는 것을 손가락 끝으로 지각할 수 있다. 또한, 조작자는 대상물(W)의 경도를 감지할 수 있다.

선단 작업 유닛(1012d)은 선단 작업 유닛(1012a)과 같은 방식으로 요축 및 롤축에 대해 조작할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 선단 작업 유닛(1012d)이 요축에 대해 조작할 때, 가이드 풀리(1142a 및 1142b)의 축(도 38 참조)보다 선단부에 더 근접한 복합 기구(1102) 및 엔드 이펙터(1104)는 가이드 풀리(1142a 및 1142b)의 축에 대해 요우잉 방향으로 요동한다. 선단 작업 유닛(1012d)이 선단 작업 유닛(1012a)과 유사한 비간섭 기구로 구성되므로, 선단 작업 유닛(1012d)이 요축에 대해 조작하면, 엔드 이펙터(1104)가 개방되는 정도는 변화되지 않은 채로 있게 된다. 역으로, 엔드 이펙터(1104)의 개방도가 변화될 때, 요축은 조작되지 않는다. 엔드 이펙터(1104) 및 롤축은 동일한 방식으로 서로 연관된다.

선단 작업 유닛(1012d)[또한 선단 작업 유닛(1012e)]은 스프링(1150)을 필요로 하지 않는다. 설계 조건에 따라서, 스프링(1150)은 선단부 또는 기단부 어느 쪽을 향해 이동시키도록 로드(1152)를 편향시키기 위해 제공될 수 있다. 이러한 구성은 트리거 레버(1032)가 조작되지 않을 때 엔드 이펙터를 개방 또는 폐쇄된 채로 유지할 수 있게 한다. 선단 작업 유닛(1012d)에 충분한 공간이 없으면, 스프링(1150)은 트리거 레버(1032)에 배치될 수도 있다.

도 38에 도시된 바와 같이, 선단 작업 유닛(1012d)에 있어서, 아이들 풀리(1140a, 1140b)는 서로 동축상에 있는 각각의 외측 제1층 아이들 풀리(1232a, 1232b)와, 역시 서로 동축상에 있는 각각의 내측 제2층 아이들 풀리(1234a, 1234b)를 구비한다. 가이드 풀리(1142a, 1142b)는 서로 동축상에 있는 각각의 외측 제1층 가이드 풀리(1236a, 1236b)와, 역시 서로 동축상에 있는 각각의 내측 제2층 가이드 풀리(1238a, 1238b)를 구비한다. 이러한 구성은 한 쌍의 풀리가 원활한 조작을 가능하게 하기 위해 반대 방향으로 회전할 수 있는, 도 21에 도시된 구성과 유사하다.

도 39에 도시된 바와 같이, 2개의 내측 제2층 아이들 풀리(1234a, 1234b)는 서로 일체로 형성되어, 중앙의 공통 아이들 풀리(1430)를 함께 구성할 수 있다. 2개의 내측 제2층 가이드 풀리(1238a, 1238b)는 서로 일체로 형성되어, 중앙의 공통 가이드 풀리(1432)를 함께 구성할 수 있다.

구체적으로, 구동 링크(1326a 및 1326b)가 반대 방향으로 동일 거리를 이동하므로, 와이어는 도 39의 화살표로 지시된 바와 같이 이동하고, 그럼으로써 제2층 아이들 풀리(1234a) 및 제2층 아이들 풀리(1234b)를 동일 방향(도 39의 시계방향)으로 동일 각도까지 회전시키고, 동시에 또한 제2층 가이드 풀리(1238a) 및 제2층 가이드 풀리(1238b)를 동일 방향(도 39의 반시계방향)으로 동일 각도까지 회전시킨다. 그러므로 이러한 부재는 분리하여 배치될 필요가 없어, 단순한 구성인 일체적인 중앙 공통 아이들 풀리(1430)와 일체적인 중앙 공통 가이드 풀리(1432)를 형성할 수 있다. 도 39에서, 이해를 용이하게 하기 위해, 제2층 가이드 풀리(1238a) 및 제2층 가이드 풀리(1238b)는 서로 약간 이격되게 도시되어 있고, 한편 제2층 아이들 풀리(1234a) 및 제2층 아이들 풀리(1234b)도 역시 서로 약간 이격되게 도시되어 있다. 그러나 이들 사이의 거리는 근본적으로 0이라도 좋다.

제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a) 및 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)를 실질적으로 반대 방향으로 동일 거리를 이동시키기 위한 제1 내지 제4 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구(1440a 내지 1440d)는 도 40 내지 도 43을 참조하여 후술될 것이다.

도 40에 도시된 바와 같이, 제1 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구(1440a)는 피봇(1442)에 대해 회전 가능한 아암(1444)과, 피봇(1442)으로부터 Y1 방향으로 약간 이격된 회전 결합 부재(1446a)와, 피봇(1442)으로부터 Y2 방향으로 약간 이격된 회전 결합 부재(1446b)를 포함한다. 피봇(1442)으로부터 2개의 회전 결합 부재(1446a, 1446b)까지의 거리는 서로 실질적으로 동등하다. 구동 링크(1326a)는 회전 결합 부재(1446a)와 회전 가능하게 결합하는 기단부를 갖는다. 구동 링크(1326b)는 회전 결합 부재(1446b)와 회전 가능하게 결합하는 기단부를 갖는다.

아암(1444)은 상술한 제1 링크(1064)에 대응한다. 트리거 레버(1032)는 아암(1444)의 하단부에 장착된다.

도 41에 도시된 바와 같이, 구동 부재 진퇴 기구(1440a)와 같이, 제2 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구(1440b)는 아암(1444), 피봇(1442) 및 회전 결합 부재(1446a, 1446b)를 포함한다. 와이어(1448a)는 회전 결합 부재(1446a)에 접속되고, 와이어(1448b)는 회전 결합 부재(1446b)에 접속된다. 와이어(1448a)의 타단부는 터미널(1250a)에 의해 피구동 와이어(1252a)(도 36 참조)에 접속되고, 한편 와이어(1448b)의 타단부는 터미널(1250b)에 의해 피구동 와이어(1252b)(도 36 참조)에 접속된다.

도 42에 도시된 바와 같이, 제3 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구(1440c)는 아암(1444), 아암(1444)에 고정된 회전 조작 부재(1450), 회전 조작 부재(1450) 주위에 권취된 와이어(1452), 와이어(1452)의 일부를 회전 조작 부재(1450)에 고정시키는 고정 부재(1454), 및 회전 조작 부재(1450) 근방에 와이어(1452)의 일부에 대해 보유 지지되는 아이들러(1456)를 포함한다. 회전 조작 부재(1450)는 얇은 원기둥체의 형태이며 풀리로서 작용한다. 구체적으로, 와이어(1452)는 회전 조작 부재(1450)의 상부와 접촉하여 보유 지지되는 부분(1452a)과, Y2 방향을 향하는 회전 조작 부재(1450)의 일부와 접촉하여 보유 지지되는 다른 부분(1452b)을 갖는다.

회전 조작 부재(1450)는 피봇(1442)에 대해 아암(1444)과 일체로 회전한다. 고정 부재(1454)로부터의 와이어(1452)의 부분(1452a)은 터미널(1250a)에 의해 피구동 와이어(1252a)(도 36 참조)에 접속된다. 와이어(1452)의 다른 부분(1452b)은 터미널(1250b)에 의해 피구동 와이어(1252b)(도 36 참조)에 접속된다.

회전 조작 부재(1450)는 피구동 와이어(1252a) 및 피구동 와이어(1252b)를 완전히 당길 수 있도록 충분히 큰 직경을 갖는다. 고정 부재(1454)는 와이어(1452)가 인입 및 송출되는 것을 방해하지 않는 위치에 배치된다.

아이들러(1456)는 와이어(1452)에 대해 보유 지지되고, 그럼으로써 와이어(1452)의 위치(1452a, 1452b)를 서로 근접하게 유지하기 위해 커넥터 축(1048)의 중공 영역(1048a)을 통하는 와이어(1452)의 레이아웃 및 경로를 규정한다. 아이들러(1456)는 와이어(1452)에 대한 텐셔너(tensioner)의 역할도 겸할 수 있다.

도 43에 도시된 바와 같이, 제4 예에 따른 구동 부재 진퇴 기구(1440d)는 아암(1444), 회전 조작 부재(1450), 와이어(1460), 고정 부재(1454) 및 아이들러(1456)를 포함한다. 와이어(1460)는 구동 링크(1326a)의 기단부에 접속되는 선단부와, 회전 조작 부재(1450)의 상부 주위에 권취되는 기단부를 갖는다. 기단부는 고정 부재(1454)에 의해 회전 조작 부재(1450)에 고정된다. 아이들러(1456)는 와이어(1460) 및 구동 링크(1326a)의 레이아웃 및 경로를 규정하기 위해, 와이어(1460)와 결합하여 배치된다.

구동 링크(1326b)의 기단부는 회전 조작 부재(1450)의 하부 결합 부재(1464)에 회전 가능하게 지지된다. 아암(1444)은 하부 결합 부재(1464)를 안내하기 위해 형성된 긴 구멍(1064a)을 갖는다. 구동 링크(1326a) 및 구동 링크(1326b)는 가이드 수단(1462a, 1462b)에 의해 Z 방향으로의 진퇴 이동하도록 지지된다.

구동 부재 진퇴 기구(1440a 내지 1440d)는 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a) 및 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)를 반대 방향으로 실질적으로 동일 거리를 이동할 수 있게 한다. 또한, 구동 부재 진퇴 기구(1440a 내지 1440d)는 후술하는 선단 작업 유닛(1012e)에 적용될 수 있다.

제5 구성예에 따른 선단 작업 유닛(1012e)이 후술될 것이다. 선단 작업 유닛(1012e)은 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1340a) 및 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1340b)를 포함한다.

도 44, 도 45, 도 46 및 도 47에 도시된 바와 같이, 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1340a)는 상술한 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1320a)(도 36 참조)와 근본적으로 동일하다. 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1340b)는, 복귀 풀리(원기둥 부재, 전달 부재)(1350)가 추가되고 피구동 커플링 와이어(1328)와 피구동 커플링 풀리(1330)가 생략된 점에서, 상술한 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)(도 36 참조)와 상이하다. 피구동 풀리(1156a) 및 피구동 풀리(1156b)는 동축상에 배치된다.

주 축(1144)은 핀(1352)이 삽입되고 고정되어 직경 방향의 구멍(1354)을 갖는다. 구멍(1354)은 구멍(1144a)을 가로질러 주 축(1144)의 슬리브를 통해 연장된다.

로드(전달 부재)(1152)는, 핀(1352)이 삽입 관통되기에 충분히 큰 폭을 가지고 축방향으로 연장되는 긴 구멍(1356)을 갖는다. 로드(1152)는 작업 유닛(1016)의 축으로부터 Y1 방향으로 약간 오프셋된 위치에 배치된다. 선단부의 돌기(1174)는 축 상에 배치된다(도 22 참조). 그러나 로드(1152)는 중심에 위치될 수도 있다.

피구동 풀리(1156)(도 20 참조)와 마찬가지로, 피구동 풀리(1156a)는 Z2 방향으로 로드(1152)의 단부의 핀(1154)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 핀(1154)은 로드(1152)를 통해 연장되고 Y2 방향으로 돌출하여, 피구동 풀리(1156b)가 그 돌출 단부에 지지된다. 피구동 풀리(1156b)는 피구동 와이어(1252b)를 2회전 권취하기에 충분히 큰 폭을 갖는다. 구멍(1144a)은, 피구동 풀리(1156a, 1156b) 및 로드(1152)가 삽입되기에 충분히 큰 높이를 갖는다. 피구동 풀리(1156a, 1156b)는 독립적인 회전을 위해 구멍(1144a) 내의 핀(1154)에 의해 동축상으로 지지된다.

구멍(1144a) 내에서, 핀(1352)은 Y1 방향에서 Y2 방향을 향해 복귀 풀리(1350)의 긴 구멍(1356) 및 중심 구멍으로 삽입되고, 그럼으로써 로드(1152) 및 피구동 풀리(1156a, 1156b)가 축방향으로 진퇴 이동할 수 있다. 복귀 풀리(1350)는 핀(1352)에 의해 회전 가능하게 지지되어, 제 위치에 고정되고, 피구동 와이어(1252b)를 2회전 권취하기에 충분히 큰 폭을 갖는다. 복귀 풀리(1350)가 2층 구성이면, 복귀 풀리(1350)는 엔드 이펙터가 개폐될 때 반대 방향으로 회전될 수 있고, 그럼으로써 와이어와 풀리 사이의 마찰을 저감할 수 있다.

도 48, 도 49 및 도 50에 도시된 바와 같이, 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1340b)에 있어서, 복귀 풀리(1350)는 피구동 풀리(1156b)보다 선단부에 더욱 근접하게 배치되고, 피구동 와이어(1252b)는 피구동 풀리(1156b) 및 복귀 풀리(1350) 주위에 권취된다. 다시 말하면, 피구동 와이어(1252b)는 구동 부재의 구동 링크(1326b)의 터미널(1250b)로부터 X1 방향을 향하는 아이들 풀리(1140b)의 측면을 통과하고, 그 후 X2 방향으로 연장되고, X2 방향을 향하는 가이드 풀리(1142b)의 측면을 통과하고, X2 방향을 향하는 피구동 풀리(1156b)의 표면까지 연장된다. 피구동 와이어(1252b)는 X2 방향을 향하는 복귀 풀리(1350)의 표면까지 Z1 방향으로 연장되고, X1 방향을 향하는 복귀 풀리(1350)의 표면 주위로 반회전 권취되고, 그 후 Z2 방향으로 복귀한다.

피구동 와이어(1252b)는 Z2 방향을 향하는 피구동 풀리(1156b)의 표면 주위로 반회전 권취된다. 피구동 와이어(1252b)는 X2 방향을 향하는 그 측면을 통과하고, 다시 복귀 풀리(1350)를 향해 연장된다. 피구동 와이어(1252b)는 Z1 방향을 향하는 복귀 풀리(1350)의 표면 주위로 반회전 권취되어 X2 방향을 향해 복귀한다. 그 후, 피구동 와이어(1252b)는 X1 방향을 향하는 가이드 풀리(1142b)의 측면으로부터 X2 방향을 향하는 아이들 풀리(1140b)의 측면까지 연장되고, 구동 링크(1326b)의 터미널(1250b)에 접속된다. 터미널(1250) 및 피구동 와이어(1252b)는 구동 링크(1326b)에 의해 트리거 레버(1032)에 기계적으로 접속된다.

아이들 풀리(1140b)는, 가이드 풀리(1142b)에 근접하게 배치된 기어(1134, 1138)(도 20 참조)가 축(1110)과 간섭하는 것을 방지하고, 아이들 풀리(1140b)와 가이드 풀리(1142b)를 서로 근접하게 유지하기 위해, 도 48, 도 49 및 도 50의 가이드 풀리(1142b)보다 직경이 더 크다.

도 51은 구성을 보다 용이하게 이해하기 위해 선단 작업 유닛(1012e)을 개략적으로 도시한다.

도 52에 도시된 바와 같이, 트리거 레버(1032)가 손으로 완전히 당겨질 때, 로드(1152)는 엔드 이펙터(1300)를 폐쇄하기 위해 Z2 방향으로 이동한다. 이때, 선단 작업 유닛(1012e)의 작용 및 장점은 도 23 및 도 36에 도시된 선단 작업 유닛과 동일하고, 이러한 특징들은 후술되지 않을 것이다.

피구동 풀리(1156b)가 피구동 풀리(1156a)와 동축상에 배열되므로, 피구동 풀리(1156b)는 Z2 방향으로 피구동 풀리(1156a)와 일체로 변위된다. 구동 링크(1326b)가 변위되어 밀려나오기 때문에, 피구동 와이어(1252b) 및 구동 커플링 와이어(1322)는 늘어지지 않는다. 피구동 풀리(1156b) 및 복귀 풀리(1350) 사이의 거리는 L로 나타낸다.

도 53에 도시된 바와 같이, 트리거 레버(1032)가 손으로 완전히 당겨질 때, 구동 커플링 와이어(1322)는 도 53에서 반시계방향으로 이동하고, 구동 링크(1326b)는 피구동 와이어(1252b)를 당기도록 작동한다. 피구동 와이어(1252a)의 선단부가 제 위치에 고정된 복귀 풀리(1350) 주위로 권취되므로, 피구동 와이어(1252a)는 그 전체가 이동하지 않고, 피구동 풀리(1156b)는 구동 링크(1326b)가 이동하는 거리에 따라 Z1 방향으로 이동하고, 그럼으로써 거리 L을 감소시킨다. 거리 L이 감소되므로, 피구동 와이어(1252a)는 이동이 허용되는 구동 링크(1326b)를 향해 적절하게 조출된다. 따라서 피구동 풀리(1156b)는 가동 풀리로서 작동하고, 반면에 복귀 풀리(1350)는 고정 풀리로서 작동한다.

피구동 풀리(1156a)가 피구동 풀리(1156b)와 동축상에 있기 때문에, 피구동 풀리(1156a)는 Z1 방향으로 피구동 풀리(1156b)와 일체로 변위되고, 그럼으로써 엔드 이펙터(1300)를 개방하기 위해 Z1 방향으로 로드(1152)를 가압한다.

손으로 트리거 레버(1032)를 밀어내기 위한 힘이 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1320b)에 의해 엔드 이펙터(1300)로 직접적이고 기계적으로 전달되므로, 엔드 이펙터(1300)는 탄성체로부터와 같이 소정 힘이 아니라, 원하는 강한 힘에 의해 개방될 수 있다. 그러므로 선단 작업 유닛은 엔드 이펙터(1300)의 외측면을 사용하여 생체 조직을 박리하거나 구멍을 개방하기 위한 기술을 수행하기 위해 적절히 사용될 수 있다.

대상물(W)이 엔드 이펙터(1300)의 외측면과 접촉하게 될 때, 피구동 와이어(1252b), 구동 링크(1326b) 및 트리거 레버(1032)는 Z1 방향으로 더 이상 이동되지 않고, 따라서 조작자는 엔드 이펙터(1300)의 외측면이 대상물(W)과 접촉했다는 것을 손가락 끝으로 지각할 수 있다. 또한 조작자는 대상물(W)의 단단함을 지각할 수 있다.

선단 작업 유닛(1012d, 1012e)은 선단 작업 유닛(1012a)과 동일한 방식으로 요축 및 롤축에 대해 조작할 수 있다. 도시되지는 않았지만, 선단 작업 유닛(1012e)이 요축에 대해 조작될 때, 가이드 풀리(1142a) 및 가이드 풀리(1042b)의 축(도 51 참조)보다 선단부에 더욱 근접하게 위치되는 복합 기구(1102) 및 엔드 이펙터(1300)는, 가이드 풀리(1142a) 및 가이드 풀리(1142b)의 축에 대해 요우잉 방향으로 요동한다. 선단 작업 유닛(1012e)이 선단 작업 유닛(1012a)과 같이 비간섭 기구이므로, 선단 작업 유닛(1012e)이 요축에 대해 조작될 때, 엔드 이펙터(1300)가 개방되는 정도는 변하지 않은 채로 있게 된다. 역으로, 엔드 이펙터(1300)의 개방도가 변화될 때, 요축은 조작되지 않는다. 엔드 이펙터(1300) 및 롤축은 동일한 방식으로 서로 연관된다.

피구동 풀리(1156a, 1156b)가 동일한 방향으로 동일 거리에 걸쳐 미끄럼 이동하므로, 이들은 서로 동축상으로 배치되어, 선단 작업 유닛(1012e)이 수납 및 공간 효율을 향상시킬 수 있다. 게다가, 선단 작업 유닛(1012e)은 감소된 부품 수로 구성되고, 조립 및 유지 보수를 용이하게 할 수 있다. 피구동 풀리(1156a, 1156b)가 서로 일체로 미끄럼 이동하므로, 하나의 미끄럼 이동 조립체만으로도 충분하다. 그러나 선단 작업 유닛(1012d)에 대해, 피구동 풀리(1156a, 1156b)가 반대 방향으로 미끄럼 이동하기 때문에, 2개의 미끄럼 이동 조립체가 요구된다.

선단 작업 유닛(1012e)의 모든 풀리, 즉 아이들 풀리(1140a, 1140b), 가이드 풀리(1142a, 1142b), 피구동 풀리(1156a, 1156b) 및 복귀 풀리(1350)는 서로 평행하게(Y 방향으로) 위치된 회전축을 갖고, 풀리들은 무용한 공간(dead space)이 없이 효과적으로 배치된다. 그러나 선단 작업 유닛(1012d)의 피구동 커플링 풀리(1330)는 다른 풀리에 대해 수직으로 연장되는 축을 갖는다.

선단 작업 유닛(1012e)은 선단 작업 유닛(1012d)에 제공된 피구동 커플링 와이어(1328) 또는 와이어 체결 수단을 요구하지 않는다. 선단 작업 유닛(1012e)은 선단 작업 유닛(1012d)의 피구동 커플링 풀리(1330)를 요구하지 않으므로 구성이 더욱 간단하다.

엔드 이펙터(1300)가 파지 및 개방하기 위해 조작될 때 선단 작업 유닛(1012e)의 와이어 구동비는 선단 작업 유닛(1012d)과 같이 1:1이고, 밸런스가 양호하다.

선단 작업 유닛(1012e)에 있어서, 기어(1134, 1138)와 함께 페이스 기어(1165)는 차동 기어를 구성한다. 제1 변형예에 따르면, 도 54에 도시된 바와 같이, 페이스 기어(1165)는 기어(1134)만 맞물려 보유 지지되고, 주 축(1144) 및 기어 본체(1130)(도 20 참조)에 대응하는 부분은 일체 구성으로 될 수 있다. 따라서, 선단 작업 유닛은 기어(1134)를 통해 와이어(1052)의 동작에 기초하여 롤축에 대해 조작하고, 와이어(1052, 1054)의 협조 조작을 기초하여 주 축(1144)을 요동함으로써 요축에 대해 조작한다.

도 55에 도시된 바와 같이, 선단 작업 유닛(1012e)의 제2 변형예에 따르면, 복귀 풀리(1350)를 갖는 제2 엔드 이펙터 구동 기구(1340b)가 사용되고, 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1340a)가 생략된다. 이 변형예에 따르면, 스프링(1150)은 생략된 제1 엔드 이펙터 구동 기구(1340a)의 동작을 보상하기 위해 제공될 수 있다. 스프링(1150)은 제1 구성예에 따른 선단 작업 유닛(1012a)(도 22 참조)의 압축 스프링이지만, 제2 변형예에 따르면, 스프링(1150)은 자체를 폐쇄하기 위해 엔드 이펙터를 탄성적으로 편향시키기 위한 인장 스프링을 포함한다. 트리거 레버(1032)는 구동 링크(1326a)에 접속된다. 도 55에 도시된 변형예에 따르면, 아이들 풀리(1140b)는 생략될 수 있다. 선단 작업 유닛(1012b)(도 32 참조)과 같이, 제2 구성예에 따르면, 피구동 와이어(1252)는 적어도 일 방향으로부터 가이드 풀리(1142b) 주위로 1회전 이상 권취될 수 있다. 도 55에 도시된 제2 실시예에 따른 2개의 선단 작업 유닛(1012e)이 서로 평행하게 결합되면, 트리거 레버(1032)가 당겨져 복귀될 때 손의 힘이 능동적으로 작용하여, 양 방향으로 힘이 생성된다. 그러므로 힘을 생성하기 위한 스프링(1150)이 생략될 수 있다. 선단 작업 유닛은 파지 겸자로서 뿐만 아니라 박리 겸자로서 사용될 수 있다.

선단 작업 유닛(1012e)이 양측 개방형의 엔드 이펙터(1300)를 포함하고 있지만, 선단 작업 유닛(1012e)은 또한 편측 개방형의 엔드 이펙터(1104)(도 19 참조) 또는 다른 종류의 엔드 이펙터를 포함할 수도 있다.

선단 작업 유닛(1012a 내지 1012e)은 상기 구성에 한정되지 않고, 여러 다른 구성으로도 이루어질 수 있다.

예컨대, 도 56a에 도시된 바와 같이, 변형예에 따른 선단 작업 유닛(1012f)은 파지구 링크(1220)(도 19 참조)를 포함하지 않고, 오히려 피구동판(1158) 및 레버(1214)가 핀(1222)과 긴 구멍(1360)에 의해 서로 접속된다. 핀(1222)은 레버(1214)에 고정된다. 이 변형예에 따르면, 선단 작업 유닛(1012f)에 대해, 핀(1222)이 긴 구멍(1360) 내측으로 미끄럼 이동할 때, 제2 파지구(1212)는 엔드 이펙터를 개폐하도록 회전된다(도 56b 참조). 선단 작업 유닛(1012f)은, 파지구 링크(1220) 및 핀(1224)(도 19 참조)가 생략되어 있으므로, 감소된 부품의 수로 구성될 수 있다.

선단 작업 유닛(1012f)은, 기본적으로 선단 작업 유닛(1012f)과 동일한 구성이고 동일한 길이 Ls를 갖는 와이어-풀리 비간섭 기구[즉, 복합 기구(1102)]를 포함한다. 파지구 축을 형성하는 핀(1196)으로부터 선단부까지의 길이 Lg는 도 19에 도시된 선단 작업 유닛(1012a)과 동일한 치수로 될 수 있다. 피구동판(1158)의 전면으로부터 핀(1196)까지의 커넥터 길이 Lx'는 선단 작업 유닛(1012a)의 커넥터 길이 Lx(도 19 참조)보다 상당히 작을 수 있고, 따라서 선단 작업 유닛(1012f)의 전체 길이 Lt가 감소된다. 따라서, 선단 작업 유닛(1012f)은 체강(1022)이 작더라도 체강(1022) 내에서 요축 조인트를 굴곡함으로써 용이하게 조작될 수 있고, 더욱 깊고 좁은 공간에서 수술을 수행할 수 있다. 선단 작업 유닛(1012f)은 파지 겸자와 같은 2개의 파지구가 개폐되는 구성에 적용될 수도 있다. 게다가, 로드(1152)의 선형 운동은 대상물을 파지하기 위해 기어에 의한 회전 운동으로 변환될 수 있다. 엔드 이펙터는 파지구형에 국한되지 않고, 가위나 개폐 유닛을 갖는 회전 전극 등을 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 와이어-풀리 비간섭 기구는 커넥터 축(1048)에 대응하는 만곡부를 포함하는 종래의 형태(예컨대, 연성 거울형)와 다른 비간섭 기구보다 더 넓은 조작 범위(예컨대 ±90°)와 더욱 콤팩트한 구성을 갖는다. 그러므로 조인트에 대응하는 만곡부 또는 굴곡부로부터 선단부까지의 거리는 감소될 수 있고, 그럼으로써 엔드 이펙터가 생체 조직에 자유롭고 제한 없이 접근하여 좁은 공간에서 조작할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(1010)의 엔드 이펙터 구동 기구(1260, 1320a, 1320b, 1340a 및 1340b)는 다른 조작축과 간섭하지 않고 유지되는 구성을 갖고, 그럼으로써 높은 자유도를 갖는 선단 작업 유닛을 용이하게 구성하여 강한 파지력(또는 박리력)을 실현할 수 있다. 손으로 조작되는 입력 유닛에 기계적으로 접속되는 전달 부재[구동 부재, 와이어(1056) 등]는 조작자가 선단 작동 부재(1012)에 인가되는 외력을 확실하고 쉽게 지각할 수 있게 한다. 더욱이, 엔드 이펙터 구동 기구(1260, 1320a, 1320b, 1340a, 1340b)는 기어가 없는 단순한 구성으로 형성된다.

구체적으로, 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(1010)에 의해, 파지구를 개폐에 관련된 전달 부재는, 피구동 와이어(1252)가 권취되는 원기둥 부재를 형성하는 가이드 풀리(1142) 및 피구동 풀리(1156)와 함께, 가요성 부재로 이루어지는 피구동 와이어(1252)를 포함한다. 가요성 부재가 권취되는 원기둥 부재는 간단하고 경량의 구조로 이루어지고, 엔드 이펙터의 상태를 간섭하지 않도록 자세 변경 기구의 자세를 변경할 수 있다.

달리 말하면, 본 실시예에 따른 의료용 머니퓰레이터(1010)에 대해, 원기둥 부재를 형성하는 가이드 풀리(1142)는 자세 변경 기구의 회전축으로 제공되고, 전달 부재는 가이드 풀리(1142) 주위에 부분적으로 권취되는 가요성 부재를 형성하는 피구동 와이어(1252)와, 피구동 와이어(1252)를 통해 조작 가능한 엔드 이펙터를 포함한다. 원기둥 부재 주위에 권취되는 가요성 부재가 사용되므로, 의료용 머니퓰레이터는 구성이 간단하고 경량이며, 엔드 이펙터는 가요성 부재를 통해 작동될 수 있다. 자세 변경 기구의 자세는 원기둥 부재를 회전축으로서 사용하여 엔드 이펙터의 상태를 간섭하지 않도록 변경될 수 있다.

상기 실시예는, 예컨대 도 57에 도시된 수술용 로봇 시스템(1700)에 적용될 수 있다.

수술용 로봇 시스템(1700)은 관절식 로봇 아암(1702), 로봇 아암(1702)의 선단부에 접속되는 작업 유닛(1016)을 구비한 콘솔(1704)을 포함한다. 로봇 아암(1702)의 선단부는 의료용 머니퓰레이터(1010)와 동일하게 작동하는 기구를 포함한다. 로봇 아암(1702)은 작업 유닛(1016)을 이동시키기 위한 임의의 수단이 될 수 있고, 설치된 형태에 국한되지 않고, 자율 이동형(autonomous movable type)이 될 수도 있다. 콘솔(1704)은 테이블형, 제어반형 등이 될 수 있다.

로봇 아암(1702)은 원하는 작업 유닛(1016)의 위치와 방향을 설정하기 위해 6개 이상의 독립적인 조인트(회전축, 미끄럼 이동축)를 갖는 것이 양호하다. 의료용 머니퓰레이터(1010)는 로봇 아암(1702)의 선단부(1708)와 일체로 결합된다. 의료용 머니퓰레이터(1010)는 트리거 레버(1032)(도 22 참조) 대신에 모터(1042)(손으로 조작 가능한 입력 유닛과 연동되는 액추에이터)를 포함한다. 모터(1042)는 와이어(1056)(도 22 참조) 또는 구동 커플링 풀리(1324)(도 36 참조)를 작동시킨다.

로봇 아암(1702)은 콘솔(1704)의 제어하에서 작동하고, 프로그램에 따라 자동적으로 작동 가능하거나, 콘솔(1704)에 장착된 조이스틱(1706)에 의해, 또는 프로그램과 조이스틱(1706)의 조합에 의해 작동될 수 있다. 콘솔(1704)은 제어기(1045)의 기능을 포함한다. 작업 유닛(1016)은 선단 작업 유닛(1012)(1012a 내지 1012f)을 포함한다.

콘솔(1704)은 조작 지령부로서 역할을 하는 2개의 조이스틱(1706)과, 모니터(1710)를 포함한다. 도시되지는 않았지만, 2개의 조이스틱(1706)은 2개의 로봇 아암(1702)을 개별적으로 조작할 수 있다. 2개의 조이스틱(1706)은 조작자의 양손으로 용이하게 조작될 수 있는 각 위치에 배치된다. 모니터(1710)는 연성 거울에 의해 생성된 화상과 같은 정보를 표시한다.

조이스틱(1706)은 수직 및 수평 이동, 비틀림 및 경사가 가능하다. 로봇 아암(1702)은 조이스틱(1706)의 움직임에 따라 움직일 수 있다. 조이스틱(1706)은 마스터 아암이 될 수 있다. 로봇 아암(1702) 및 콘솔 사이의 통신 수단은 유선 시스템, 무선 시스템, 네트워크 시스템 및 이들의 조합을 포함한다.

조이스틱(1706)은 모터(1042)에 동력을 공급하기 위해 조작될 수 있는 각 트리거 레버(1032)를 구비한다.

의료용 머니퓰레이터의 종류는 겸자에 국한되지는 않고, 가위, 결찰 장치, 니들 홀더, 외과용 전기 나이프, 초음파 나이프, 레이저 나이프 등과 같은 나이프가 될 수 있다. 의료용 머니퓰레이터는 복강경 수술을 수행하는데 사용되는 것에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 의료용 머니퓰레이터는 상술한 실시예에 국한되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않으면서 임의의 다양한 추가 및/또는 변경 구성을 포함할 수 있다.

Claims (8)

1. 개폐 동작 가능한 엔드 이펙터를 포함하는 선단 작업 유닛과,
   상기 선단 작업 유닛을 조작하는 조작 유닛과,
   상기 조작 유닛으로부터 연장함과 동시에 상기 선단 작업 유닛과 상기 조작 유닛을 연결하고, 사용 시에 적어도 일부가 생체 내에 삽입되는 커플링과,
   상기 선단 작업 유닛의 자세를 변경하는 자세 변경 기구
   를 포함하고,
   상기 엔드 이펙터의 개폐 동작은, 상기 조작 유닛을 조작자가 조작하는 것에 의해 전달 부재인 가요성 부재를 포함하는 엔드 이펙터 구동 기구를 통하여 기계적으로 조작되는 한편,
   상기 자세 변경 기구의 동작은, 상기 조작 유닛을 조작자가 조작하는 것에 의해 작동하는 액추에이터를 통하여 조작되고,
   상기 자세 변경 기구는,
   상기 엔드 이펙터의 개폐축보다도 기단부측의 조인트부에서 상기 커플링의 일부를 굴곡시키는 굴곡 기구와,
   상기 굴곡 기구에 의한 굴곡 개소보다도 선단부측에서 상기 선단 작업 유닛을 상기 커플링에 대하여 축에 대해 회전시키는 회전 기구
   를 포함하고,
   상기 회전 기구는, 상기 굴곡 기구에 의해 상기 선단 작업 유닛이 상기 커플링의 축방향과 평행하지 않게 굴곡된 상태로, 상기 선단 작업 유닛을 상기 굴곡된 축에 대해 회전 가능하게 구성되어 있고,
   상기 엔드 이펙터 구동 기구는,
   진퇴하는 구동 부재와,
   상기 구동 부재에 일부가 접속된 링 형상의 상기 가요성 부재와,
   상기 구동 부재에 의해 선단부측에서, 또한 상기 조인트부에 의해 기단부측에 설치된 아이들 풀리와,
   상기 선단 작업 유닛에, 상기 선단 작업 유닛의 길이 방향으로 진퇴 가능하게 설치된 피구동 풀리와,
   상기 아이들 풀리와 상기 피구동 풀리의 사이에 있는 상기 조인트부에 설치된 가이드 풀리
   를 포함하고,
   상기 엔드 이펙터는, 상기 피구동 풀리의 진퇴 동작에 연동하여 개폐 동작하는 것이고,
   상기 가요성 부재는, 상기 아이들 풀리의 양쪽 방향을 통과하고, 상기 피구동 풀리에 권취되어, 상기 아이들 풀리와 상기 가이드 풀리의 사이에서 교차하고 있고,
   상기 아이들 풀리는, 서로 역방향으로 회전 가능한 제1층 아이들 풀리와 제2층 아이들 풀리가 동축 상에 병렬로 하여 구성되어 있고,
   상기 가이드 풀리는, 서로 역방향으로 회전 가능한 제1층 가이드 풀리와 제2층 가이드 풀리가 동축 상에 병렬로 하여 구성되어 있고,
   상기 가요성 부재에 있어서의 교차하는 한쪽 부분은, 상기 제1층 아이들 풀리와 상기 제1층 가이드 풀리의 외주면에 접하고,
   상기 가요성 부재에 있어서의 교차하는 다른 쪽 부분은, 상기 제2층 아이들 풀리와 상기 제2층 가이드 풀리의 외주면에 접하는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 커플링은, 상기 조작 유닛에 대하여 착탈 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조작 유닛은, 조작자에 의해 회전됨으로써 상기 전달 부재를 진퇴시키는 핸들부를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 굴곡 기구의 상기 액추에이터는, 조작 유닛이 조작되는 것에 의해 상기 커플링 내를 관통하는 와이어를 진퇴시키는 것을 특징으로 하는 의료용 머니퓰레이터.
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