KR101808279B1

KR101808279B1 - Surgical instrument

Info

Publication number: KR101808279B1
Application number: KR1020170010546A
Authority: KR
Inventors: 최현도; 김연호; 조진우
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2017-01-23
Filing date: 2017-01-23
Publication date: 2017-12-12
Also published as: KR20170012888A

Abstract

최소 침습 수술 등에 활용될 수 있는 수술 도구이다. 수술 도구는 엔드 이펙터와, 동력 전달부와, 하우징, 및 압전 구동기를 포함한다. 엔드 이펙터는 수술 부위에 대해 수술 작업을 수행한다. 동력 전달부는 엔드 이펙터가 운동할 수 있도록 엔드 이펙터에 동력을 전달한다. 하우징은 동력 전달부를 감싼다. 압전 구동기는 하우징 내에 수용되어 동력 전달부에 동력을 제공한다. It is a surgical tool that can be used for minimally invasive surgery. The surgical tool includes an end effector, a power transmission portion, a housing, and a piezoelectric actuator. The end effector performs a surgical operation on the surgical site. The power transmission portion transmits power to the end effector so that the end effector can move. The housing encloses the power transmission portion. The piezoelectric actuator is accommodated in the housing to provide power to the power transmitting portion.

Description

Surgical instrument

최소 침습 수술 등에 활용될 수 있는 수술 도구에 관한 것이다. Minimally invasive surgery, and the like.

최소 침습 수술은 몇 개의 작은 절개부를 통해 수술 도구를 삽입하여 수술을 수행함으로써 수술로 인한 절개를 최소화하는 수술 기법이다. 이러한 최소 침습 수술은 수술 후에 일어나는 환자의 대사 과정의 변화를 상대적으로 감소시킬 수 있으므로, 환자의 회복 기간을 짧게 하는 데에 도움이 된다. Minimally invasive surgery is a surgical technique that minimizes the incision by surgery by inserting surgical instruments through several small incisions. Such minimally invasive surgery can reduce the metabolic process of the patient after the surgery relatively, thus helping to shorten the patient's recovery period.

따라서, 최소 침습 수술을 적용하면, 환자의 수술 후의 입원 기간도 단축되며, 환자가 수술 후 짧은 시일 내에 정상적인 생활로 복귀할 수 있게 된다. 또한, 최소 침습 수술을 통해, 환자가 느끼는 통증을 경감하는 한편, 수술 후 환자에게 남는 흉터를 줄일 수도 있게 된다. Therefore, when minimally invasive surgery is applied, the patient's post-operative hospitalization period is shortened and the patient can return to normal life within a short time after the operation. In addition, through minimally invasive surgery, it is possible to alleviate the pain felt by the patient while reducing scarring remaining in the patient after the operation.

최소 침습 수술의 가장 일반적인 형태가 복강 내에서 최소 침습 조사와 수술을 하는 복강경 수술이다. 복강경 수술을 수행할 때, 보다 더 환자에게 수술의 고통을 경감시켜 주고, 수술 성공률을 높여주기 위해 수술 로봇이 활용된다. The most common form of minimally invasive surgery is laparoscopic surgery with minimally invasive irradiation and surgery within the abdominal cavity. When performing laparoscopic surgery, surgical robots are used to further alleviate the pain of the operation to the patient and increase the success rate of the operation.

수술 로봇은 수술 전 준비 단계에서 수동으로 움직이는 패시브 암(passive arm)과 수술시 운전자의 동작에 따라 운동하는 액티브 암(active arm), 손목과 집게로 직접적인 수술을 하는 수술 도구로 구성된다. 수술 도구의 운동과 힘을 전달하기 위해 와이어가 이용되며, 와이어를 구동시키는 구동기가 액티브 암에 구비된다. The surgical robot consists of a passive arm that moves manually in preparation for an operation, an active arm that moves according to the driver's movement during surgery, and a surgical tool that performs direct surgery with a wrist and a forceps. A wire is used to transmit the motion and force of the surgical tool, and a driver for driving the wire is provided in the active arm.

수술 로봇의 크기가 감소될 수 있고, 다관절 구조로 확장이 용이한 수술 도구를 제시한다. We propose a surgical tool that can reduce the size of the surgical robot and can easily be expanded into a multi - jointed structure.

상기의 과제를 달성하기 위한 수술 도구는, 수술 부위에 대해 수술 작업을 수행하는 엔드 이펙터(end effecter); 상기 엔드 이펙터가 운동할 수 있도록 상기 엔드 이펙터에 동력을 전달하는 동력 전달부; 상기 동력 전달부를 감싸는 하우징; 및 상기 하우징 내에 수용되어 상기 동력 전달부에 동력을 제공하는 압전 구동기를 포함한다. An operation tool for accomplishing the above object includes an end effector for performing a surgical operation on a surgical site; A power transmission unit for transmitting power to the end effector so that the end effector can move; A housing surrounding the power transmission unit; And a piezoelectric actuator accommodated in the housing to provide power to the power transmission portion.

수술 도구는 압전 구동기가 하우징의 내부에 설치되는 구성을 가지므로, 와이어를 구동시키는 모터 등의 구동기가 수술 도구의 외부에 설치되는 구성과 비교하여, 수술 로봇의 크기를 감소시킬 수 있다. 또한, 수술 도구가 압전 구동기에 의해 엔드 이펙터를 구동하므로, MR(Magnetic Resonance) 환경에서도 사용 가능하다. Since the surgical tool has a configuration in which the piezoelectric actuator is installed inside the housing, the size of the surgical robot can be reduced as compared with a configuration in which a driver such as a motor for driving the wire is installed outside the surgical tool. Further, since the surgical tool drives the end effector by the piezoelectric actuator, it can be used in an MR (magnetic resonance) environment.

또한, 수술 도구는 다관절로 구성될 경우, 관절 별로 독립적인 운동 제어가 가능하다. 관절수가 증가하더라도 다른 관절에 영향을 주지 않게 되므로, 다관절 구조로 확장이 용이해질 수 있다.In addition, when the surgical tool is composed of multiple joints, independent motion control can be performed for each joint. The increase in the number of joints does not affect the other joints, so that the joints can be easily expanded.

도 1은 수술 도구의 일 예에 대한 사시도.
도 2는 도 1에 있어서, 하우징 내에 수용된 동력 전달부 및 압전 구동기의 일 예에 대한 개략적인 구성도.
도 3은 도 2의 압전 구동기를 발췌하여 도시한 사시도.
도 4는 압전 구동기의 다른 예에 대한 개략적인 구성도.
도 5는 도 1에 있어서, 2-자유도 회전 매커니즘을 갖는 수술 도구의 내부를 일부 도시한 사시도.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 있어서, 엔드 이펙터가 제1축 방향으로 굽힘 동작하는 과정을 설명하기 위한 단면도.
도 7a 및 도 7b는 도 5에 있어서, 엔드 이펙터가 제2축 방향으로 굽힘 동작하는 과정을 설명하기 위한 단면도.
도 8은 복수의 엔드 이펙터를 구비한 예를 도시한 사시도.
도 9는 동력 전달부 및 압전 구동기의 또 다른 예에 대한 개략적인 구성도.
도 10은 도 9의 압전 구동기를 발췌하여 도시한 사시도. 1 is a perspective view of an example of a surgical tool.
Fig. 2 is a schematic configuration diagram of an example of a power transmitting portion and a piezoelectric actuator housed in a housing in Fig. 1; Fig.
Fig. 3 is a perspective view illustrating the piezoelectric actuator of Fig. 2 taken as an excerpt. Fig.
4 is a schematic structural view of another example of the piezoelectric actuator.
FIG. 5 is a perspective view of the inside of a surgical tool having a two-degree-of-freedom rotating mechanism in FIG. 1; FIG.
6A and 6B are sectional views for explaining a process of bending the end effector in the first axial direction in Fig.
7A and 7B are sectional views for explaining the process of bending the end effector in the second axial direction in Fig.
8 is a perspective view showing an example having a plurality of end effectors.
9 is a schematic structural view of another example of the power transmitting portion and the piezoelectric actuator.
10 is a perspective view showing an excerpt of the piezoelectric actuator of Fig.

도 1은 수술 도구의 일 예에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1에 있어서, 수술 도구 내에 수용된 동력 전달부 및 압전 구동기의 일 예에 대한 개략적인 구성도이다. 1 is a perspective view of an example of a surgical tool. Fig. 2 is a schematic configuration diagram of an example of a power transmitting portion and a piezoelectric actuator housed in a surgical tool in Fig. 1. Fig.

도 1 및 도 2를 참조하면, 수술 도구는 수술 로봇에 채용되어 최소 침습 수술 등을 수행하는 것으로, 엔드 이펙터(end effecter, 110)와, 동력 전달부(120)와, 하우징(130), 및 압전 구동기(140)를 포함한다. 1 and 2, the surgical tool is employed in a surgical robot to perform minimally invasive surgery or the like, and includes an end effector 110, a power transmitting portion 120, a housing 130, And a piezoelectric actuator 140.

엔드 이펙터(110)는 수술 부위에 직접 접촉되어 수술 부위에 대한 수술 작업을 수행한다. 동력 전달부(120)는 엔드 이펙터(110)가 운동할 수 있도록 압전 구동기(140)의 동력을 엔드 이펙터(110)에 전달한다. 하우징(130)은 동력 전달부(120)를 감싸는 구조로 이루어진다. 압전 구동기(140)는 전위차가 가해질 때 응력을 발생시키는 압전 소자의 역압전 효과를 이용하여, 기계적인 동력을 발생시킨다. 압전 구동기(140)는 소형화가 가능하다. 따라서, 압전 구동기(140)는 하우징(130) 내에 수용되어 동력 전달부(120)에 동력을 제공할 수 있다. The end effector 110 directly contacts the surgical site to perform a surgical operation on the surgical site. The power transmission unit 120 transmits the power of the piezoelectric actuator 140 to the end effector 110 so that the end effector 110 can move. The housing 130 is configured to surround the power transmitting portion 120. The piezoelectric actuator 140 generates mechanical power by utilizing the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric element that generates stress when a potential difference is applied. The piezoelectric actuator 140 can be downsized. Accordingly, the piezoelectric actuator 140 can be accommodated in the housing 130 to provide power to the power transmitting portion 120.

전술한 바와 같이, 압전 구동기(140)는 수술 도구의 내부, 즉 하우징(130)의 내부에 설치되는 구성을 가지므로, 와이어를 구동시키는 전자력 모터 등의 구동기가 수술 도구의 외부에 설치되는 구성과 비교하여, 수술 로봇의 크기를 감소시킬 수 있다. 또한, 수술 도구가 압전 구동기(140)에 의해 엔드 이펙터(110)를 구동하므로, MR(Magnetic Resonance) 환경에서도 사용 가능하다. As described above, since the piezoelectric actuator 140 is installed inside the surgical tool, that is, inside the housing 130, it is possible to provide a structure in which a driver such as an electromagnetic motor for driving the wire is installed outside the surgical tool In comparison, the size of the surgical robot can be reduced. In addition, since the surgical tool drives the end effector 110 by the piezoelectric actuator 140, it can be used in an MR (Magnetic Resonance) environment.

동력 전달부(120)는 일 예로서, 선형 동작함에 따라 엔드 이펙터(110)에 동력을 전달하는 슬라이더(121)를 포함한다. 슬라이더(121)는 강체(rigid body)로 이루어질 수 있다. 따라서, 동력 전달부로 와이어가 이용되는 것에 비해, 백래쉬(backlash)가 없어 정확한 제어가 가능하며, 장시간 사용에도 늘어남 없이 수명이 증가할 수 있다. 여기서, 압전 구동기(140)는 슬라이더(121)의 둘레에 배치되도록 하우징(130) 내에 장착되어 슬라이더(121)를 선형 동작시킨다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 압전 구동기(140)는 서포터(141)와, 한 쌍의 압전 소자(142)들, 및 탄력부(143)를 포함한다. The power transmitting portion 120 includes, by way of example, a slider 121 that transmits power to the end effector 110 in a linear operation. The slider 121 may be a rigid body. Therefore, compared with the case where the wire is used as the power transmitting portion, accurate control can be performed because there is no backlash, and the life can be increased without increasing the use for a long time. Here, the piezoelectric actuator 140 is mounted in the housing 130 so as to be arranged around the slider 121 to linearly operate the slider 121. 3, the piezoelectric actuator 140 includes a supporter 141, a pair of piezoelectric elements 142, and a resilient portion 143. [

서포터(141)는 하우징(130)의 내벽에 고정된다. 한 쌍의 압전 소자(142)들은 서포터(141) 상에 서로 이격되어 배치된다. 압전 소자(142)는 압전 세라믹 등일 수 있다. 탄력부(143)는 한 쌍의 탄성체(143a)들과, 고정 돌기(143b)들, 및 커플링 팁(143c)을 구비한다. The supporter 141 is fixed to the inner wall of the housing 130. A pair of piezoelectric elements 142 are disposed on the supporter 141 so as to be spaced apart from each other. The piezoelectric element 142 may be a piezoelectric ceramics or the like. The elastic portion 143 has a pair of elastic members 143a, fixing projections 143b, and a coupling tip 143c.

한 쌍의 탄성체(143a)들은 압전 소자(142)들에 각각 고정되고 서로 이격되어 배치된다. 고정 돌기(143b)들은 탄성체(143a)들을 압전 소자(142)들과 함께 서포터(141)에 각각 고정시키기 위한 것이다. 각각의 고정 돌기(143b)는 일단부가 탄성체(14a)에 연결되고 타단부가 서포터(141)에 고정되도록 형성된다. 커플링 팁(143c)은 탄성체(143)들를 연결하며 슬라이더(121)에 접촉되도록 형성된다. The pair of elastic bodies 143a are fixed to the piezoelectric elements 142 and are disposed apart from each other. The fixing projections 143b are for fixing the elastic members 143a to the supporter 141 together with the piezoelectric elements 142. [ Each of the fixing projections 143b is formed such that one end thereof is connected to the elastic body 14a and the other end thereof is fixed to the supporter 141. [ The coupling tip 143c is formed to contact the slider 121 by connecting the elastic members 143. [

전술한 압전 구동기(140)는 다음과 같이 작용한다. 압전 소자(142)들 간에 서로 반대되는 변위가 발생하도록 전압을 인가하면, 커플링 팁(143c)에 소용돌이 형태의 진동이 발생하게 된다. 이때, 커플링 팁(143c)의 진동 방향은 압전 소자(142)들에 인가되는 전압 방향에 따라 정방향 또는 역방향으로 설정된다. 커플링 팁(143c)의 진동 방향에 따라 커플링 팁(143c)에는 슬라이더(121)를 전진 또는 후진시키는 힘이 작용하게 된다. 따라서, 슬라이더(121)가 전진 또는 후진할 수 있게 된다. 압전 구동기(140)는 슬라이더(121)에 제공되는 동력을 증가시키기 위해 복수 개로 구비되어 슬라이더(121) 둘레에 배치될 수 있다. The piezoelectric actuator 140 described above functions as follows. When a voltage is applied so that mutually opposite displacements occur between the piezoelectric elements 142, a swirl-like vibration is generated in the coupling tip 143c. At this time, the vibration direction of the coupling tip 143c is set to the forward direction or the reverse direction according to the voltage direction applied to the piezoelectric elements 142. [ A force for advancing or retracting the slider 121 is applied to the coupling tip 143c in accordance with the vibration direction of the coupling tip 143c. Therefore, the slider 121 can be moved forward or backward. A plurality of piezoelectric actuators 140 may be provided around the slider 121 to increase the power provided to the slider 121. [

동력 전달부(120)는 엔드 이펙터(110)에 독립된 동력들을 전달하도록 복수의 슬라이더(121)들을 포함할 수 있다. 슬라이더(121)들은 병렬로 선형 동작함에 따라 엔드 이펙터(110)에 각각 동력을 전달하도록 배치된다. 이 경우, 압전 구동기(140)는 슬라이더(121)들의 각 둘레에 배치되도록 하우징(130) 내에 장착되어 슬라이더들을 독립적으로 선형 동작시킨다. 각각의 압전 구동기(140)는 전술한 예와 같이 구성될 수 있다. The power transmission unit 120 may include a plurality of sliders 121 to transmit independent motive power to the end effector 110. The sliders 121 are arranged to transmit power to the end effector 110 as they are linearly operated in parallel. In this case, the piezoelectric actuator 140 is mounted in the housing 130 so as to be disposed around each of the sliders 121 to independently operate the sliders in a linear manner. Each of the piezoelectric actuators 140 can be configured as described above.

다른 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 압전 구동기(240)는 관성저항 부재(241)와, 마찰 샤프트(242), 및 압전 소자(243)를 포함할 수 있다. 관성저항 부재(241)는 슬라이더(121)의 일단에 고정된다. 마찰 샤프트(242)는 관성저항 부재(241)를 관통하여 관성저항 부재(241)와 마찰 작용을 일으킨다. 압전 소자(243)는 하우징(130) 내에 슬라이더(121)의 동작 방향으로 신축 동작하도록 하우징(130) 내에 장착되어 마찰 샤프트(242)를 선형 동작시킨다. 4, the piezoelectric actuator 240 may include an inertia resistance member 241, a friction shaft 242, and a piezoelectric element 243. [ The inertia resistance member 241 is fixed to one end of the slider 121. The friction shaft 242 passes through the inertia resistance member 241 and causes a friction action with the inertia resistance member 241. The piezoelectric element 243 is mounted in the housing 130 so as to extend and retract in the operating direction of the slider 121 in the housing 130 to linearly operate the friction shaft 242. [

전술한 압전 구동기(240)는 다음과 같이 작용한다. 압전 소자(243)가 신장과 복원 동작을 반복하면서 진동하면, 관성저항 부재(241)는 관성에 의해 전진하게 된다. 따라서, 슬라이더(121)는 관성저항 부재(241)와 함께 전진하게 된다. 이와 반대로, 압전 소자(243)가 압축과 복원 동작을 반복하면서 진동하면, 관성저항 부재(241)는 관성에 의해 후진하게 된다. 따라서, 슬라이더(121)는 관성저항 부재(241)와 함께 후진하게 된다. The piezoelectric actuator 240 described above functions as follows. When the piezoelectric element 243 vibrates while repeating extension and restoration operations, the inertia resistance member 241 is advanced by inertia. Therefore, the slider 121 moves forward with the inertia resistance member 241. [ On the contrary, when the piezoelectric element 243 vibrates while repeating the compression and restoration operations, the inertia resistance member 241 is reversed due to inertia. Thus, the slider 121 is moved backward together with the inertia resistance member 241. [

여기서, 동력 전달부(120)가 엔드 이펙터(110)에 독립된 동력들을 전달하도록 복수의 슬라이더(121)들을 포함하는 경우, 압전 구동기(240)는 슬라이더(121)들에 각각 대응되도록 하우징(130) 내에 장착되어 슬라이더(121)들을 독립적으로 선형 동작시킨다. Here, when the power transmitting unit 120 includes a plurality of sliders 121 to transmit independent powers to the end effector 110, the piezoelectric driver 240 may include the housing 130 so as to correspond to the sliders 121, So as to independently operate the sliders 121 linearly.

엔드 이펙터(110)는 2-자유도 굽힘 메커니즘을 갖는 경우, 다음과 같이 구성될 수 있다. 도 5 내지 도 7b를 참조하면, 엔드 이펙터(110)는 프레임부(111)와, 제1축 구동 링크부(112), 및 제2축 구동 링크부(113)를 포함한다. 프레임부(111)는 제1,2,3,4 프레임(111a)(111b)(111c)(111d)을 구비한다. 제1프레임(111a)은 하우징(130)에 제1축 방향으로 회전 가능하게 관절로 결합된다. 제2프레임(111b)은 제1프레임(111a)에 제1축 방향으로 회전 가능하게 관절로 결합된다. 제3프레임(111c)은 제2프레임(111b)에 제1축 방향과 수직한 제2축 방향으로 회전 가능하게 관절로 결합된다. 제4프레임(111d)은 제3프레임(111c)에 제2축 방향으로 회전 가능하게 관절로 결합된다. When the end effector 110 has a two-degree-of-freedom bending mechanism, it can be constructed as follows. 5 to 7B, the end effector 110 includes a frame portion 111, a first shaft driving link portion 112, and a second shaft driving link portion 113. [ The frame unit 111 includes first, second, third, and fourth frames 111a, 111b, 111c, and 111d. The first frame 111a is rotatably and jointly coupled to the housing 130 in the first axial direction. The second frame 111b is rotatably coupled to the first frame 111a in a first axial direction. The third frame 111c is jointed to the second frame 111b in a rotatable manner in a second axial direction perpendicular to the first axial direction. The fourth frame 111d is rotatably and jointly coupled to the third frame 111c in the second axial direction.

제1축 구동 링크부(112)는 제1,2구동 링크(112a)(112b)를 구비한다. 제1구동 링크(112a)는 하우징(130) 내에서 일단이 슬라이더(121)들 중 어느 하나와 제1축 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 제2구동 링크(112b)는 제1프레임(111a) 내에서 일단이 제1구동 링크(112a)의 타단과 제1축 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 타단이 제2프레임(111b) 내에 회전 가능하게 지지된다. The first axis driving link portion 112 includes first and second driving links 112a and 112b. The first driving link 112a is rotatably coupled to one of the sliders 121 at one end in the housing 130 in the first axis direction. The second driving link 112b is rotatably coupled with the other end of the first driving link 112a in the first axis 111a and the other end is rotatable within the second frame 111b .

제2축 구동 링크부(113)는 제3,4,5,6구동 링크(113a)(113b)(113c)(113d) 및 2-축 관절(113e)을 구비한다. 제3구동 링크(113a)는 하우징(130) 내에서 일단이 슬라이더(121)들 중 다른 하나와 제1축 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 제4구동 링크(113b)는 제1프레임(111a) 내에서 일단이 제3구동 링크(113a)의 타단과 제1축 방향으로 회전 가능하게 결합된다. The second axis driving link portion 113 includes third, fourth, fifth, and sixth driving links 113a, 113b, 113c, and 113d and a two-axis joint 113e. The third drive link 113a is rotatably coupled to the other one of the sliders 121 in the first axis direction within the housing 130 at one end. The fourth drive link 113b is rotatably coupled with the other end of the third drive link 113a in the first axis direction in the first frame 111a.

2-축 관절(113e)은 제2프레임(111b) 내에서 제4구동 링크(113b)의 타단과 제1축 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 제5구동 링크(113c)는 제2프레임(111b) 내에서 일단이 2-축 관절(113e)과 제2축 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 제6구동 링크(113d)는 제3프레임(111c) 내에서 일단이 제5구동 링크(113c)의 타단과 제2축 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 타단이 제4프레임(111d) 내에 회전 가능하게 지지된다. The two-axis joint 113e is rotatably engaged with the other end of the fourth drive link 113b in the second frame 111b in the first axis direction. The fifth drive link 113c is rotatably coupled to the two-axis joint 113e in the second axis direction in the second frame 111b. The sixth driving link 113d is rotatably coupled with the other end of the fifth driving link 113c in the third frame 111c so as to be rotatable in the second axis direction and the other end rotatable within the fourth frame 111d .

전술한 엔드 이펙터(110)의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 제1구동 링크(112a)에 슬라이더(121)들 중 하나로부터 힘이 가해지면, 제1구동 링크(112a)는 슬라이더(121)에 대해 제1축 방향으로 회전하면서 제1프레임(111a)을 하우징(130)에 대해 제1축 방향으로 굽힘 동작시킨다. 이때, 2구동 링크(112b)는 제1구동 링크(112a)에 대해 제1축 방향으로 회전하면서 제2프레임(111b)을 제1프레임(111a)에 대해 제1축 방향으로 굽힘 동작시킨다. The operation of the end effector 110 will be described below. 6A and 6B, when a force is applied from one of the sliders 121 to the first driving link 112a, the first driving link 112a rotates in the first axial direction with respect to the slider 121 The first frame 111a is bent in the first axial direction with respect to the housing 130. [ At this time, the second driving link 112b rotates in the first axial direction with respect to the first driving link 112a, and bends the second frame 111b in the first axial direction with respect to the first frame 111a.

그리고, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제3구동 링크(113a)에 슬라이더(121)들 중 다른 하나로부터 힘이 가해지면, 제3구동 링크(113a)는 슬라이더(121)에 대해 제1축 방향으로 회전하면서 제1프레임(111a)의 굽힘 동작을 구속하지 않는다. 제4구동 링크(113b)는 제3구동 링크(113a)에 대해 제1축 방향으로 회전하면서 제2프레임(111b)의 굽힘 동작을 구속하지 않는다. 7A and 7B, when a force is applied to the third drive link 113a from the other one of the sliders 121, the third drive link 113a is moved in the first direction The bending motion of the first frame 111a is not constrained. The fourth driving link 113b does not restrict the bending motion of the second frame 111b while rotating in the first axial direction with respect to the third driving link 113a.

제4구동 링크(113b)의 제1축 방향 회전력은 2-축 관절(113e)을 거치면서 제2축 방향 회전력으로 변환되어 제5구동 링크(113c)로 전달된다. 그러면, 제5구동 링크(113c)는 2-축 관절(113e)에 대해 제2축 방향으로 회전하면서 제3프레임(111c)을 제2축 방향으로 굽힘 동작시킨다. 그리고, 제6구동 링크(113d)는 제5구동 링크(113c)에 대해 제2축 방향으로 회전하면서 제4프레임(111d)을 제3프레임(111c)에 대해 제2축 방향으로 굽힘 동작시킨다. 따라서, 제4프레임(111d)의 말단은 2-자유도 굽힘 메커니즘을 가질 수 있다. The rotational force of the fourth driving link 113b in the first axial direction is converted into the rotational force in the second axial direction through the two-shaft joint 113e and is transmitted to the fifth driving link 113c. Then, the fifth driving link 113c rotates in the second axial direction with respect to the two-axis joint 113e, and bends the third frame 111c in the second axial direction. The sixth driving link 113d rotates in the second axial direction with respect to the fifth driving link 113c and causes the fourth frame 111d to bend in the second axial direction with respect to the third frame 111c. Thus, the distal end of the fourth frame 111d may have a two-degree-of-freedom bending mechanism.

엔드 이펙터(110)는 제1축 규제 링크부(114)와, 제2축 규제 링크부(115)를 포함할 수 있다. 제1축 규제 링크부(114)는 제1축 구동 링크부(112)에 의해 제1,2 프레임(111a)(111b)이 제1축 방향으로 안정적으로 굽힘 동작하도록 규제한다. 제1축 규제 링크부(114)는 제1,2,3규제 링크(114a)(114b)(114c)를 구비한다. 제1규제 링크(114a)는 제2프레임(111b) 내에서 일단이 제1축 방향으로 회전 가능하게 지지된다. 제2규제 링크(114b)는 제1프레임(111a) 내에서 일단이 제1규제 링크(114a)의 타단과 제1축 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 제3규제 링크(114c)는 하우징(130) 내에서 일단이 제2규제 링크(114b)의 타단과 제1축 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 타단이 하우징(130) 내에서 이동 가능하게 지지된다. The end effector 110 may include a first shaft regulating link portion 114 and a second shaft regulating link portion 115. The first shaft regulating link portion 114 restricts the first and second frames 111a and 111b to stably bend in the first axial direction by the first shaft driving link portion 112. [ The first shaft regulating link portion 114 includes first, second and third regulating links 114a, 114b and 114c. The first regulating link 114a is rotatably supported in the second frame 111b at one end thereof in the first axial direction. The second regulating link 114b is rotatably engaged with the other end of the first regulating link 114a in the first axis direction in the first frame 111a. The third regulating link 114c is rotatably engaged with the other end of the second regulating link 114b in the first axial direction within the housing 130 and the other end is movably supported within the housing 130 .

제2축 규제 링크부(115)는 제2축 구동 링크부(113)에 의해 제3,4 프레임(111c)(111d)이 제2축 방향으로 안정적으로 굽힘 동작하도록 규제한다. 제2축 규제 링크부(115)는 제4,5규제 링크(115a)(115b)를 구비한다. 제4규제 링크(115a)는 제4프레임(111d) 내에서 일단이 제2축 방향으로 회전 가능하게 지지된다. 제5규제 링크(115b)는 제3프레임(111c) 내에서 일단이 제4규제 링크(115a)의 타단과 제2축 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 타단이 제2프레임(111b) 내에서 이동 가능하게 지지된다. The second shaft regulating link portion 115 restricts the second and third frame driving link portions 113 to stably bend the third and fourth frames 111c and 111d in the second axial direction. The second shaft restricting link portion 115 has the fourth and fifth restricting links 115a and 115b. The fourth regulating link 115a is rotatably supported in the fourth frame 111d at one end thereof in the second axial direction. The fifth regulating link 115b is rotatably engaged with the other end of the fourth regulating link 115a in the second frame 111b in the third frame 111c while the other end is rotatably moved in the second frame 111b .

엔드 이펙터(110)는 1-자유도 파지 메커니즘을 가질 수 있다. 예를 들면, 엔드 이펙터(110)는 집게(116)를 포함한다. 집게(116)는 제4프레임(111d)의 말단에 장착된다. 집게(116)는 집게 작동부에 의해 서로 모아지거나 벌어지도록 적어도 하나가 회전 동작할 수 있다. 집게 작동부는 제4프레임(111d) 내에서 전술한 압전 구동기(140)(240)의 동력을 제공받아 2개의 죠(jaw)들 중 적어도 하나를 회전 운동시킬 수 있다. 집게 작동부는 압전 구동기(140)(240)에 의해 선형 운동하는 슬라이더와, 슬라이더의 선형 운동을 회전 운동으로 변환하여 2개의 죠들 중 적어도 하나를 회전시키는 링크부를 포함할 수 있다. The end effector 110 may have a one-degree-of-freedom gripping mechanism. For example, the end effector 110 includes a tongue 116. The clamp 116 is mounted at the end of the fourth frame 111d. At least one of the grippers 116 may be rotated to be gathered or opened by the gripper operating portion. The forceps actuating part may receive the power of the piezoelectric actuators 140 and 240 described above in the fourth frame 111d to rotate at least one of the two jaws. The gripper actuation portion may include a slider that linearly moves by the piezoelectric actuators 140 and 240 and a link portion that converts the linear movement of the slider into a rotational motion to rotate at least one of the two jaws.

엔드 이펙터(110)는 도 8에 도시된 바와 같이, 복수 개로 구비될 수 있다. 엔드 이펙터(110)들은 전술한 압전 구동기(140)(240)와 동력 전달부(120)에 의해 서로 독립적으로 운동할 수 있다. 여기서, 엔드 이펙터(110)들은 하우징(130)들에 하나씩 나뉘어 연결될 수 있다. 하우징(130)마다 압전 구동기(140)(240)와 동력 전달부(120)를 수용하여 하우징(130)에 연결된 엔드 이펙터(110)를 운동시킬 수 있다. 전술한 것처럼, 수술 도구는 다관절로 구성될 경우, 관절 별로 독립적인 운동 제어가 가능하다. 관절수가 증가하더라도 다른 관절에 영향을 주지 않게 되므로, 다관절 구조로 확장이 용이해질 수 있다. The end effector 110 may be provided as a plurality of end effectors as shown in FIG. The end effectors 110 can move independently of each other by the piezoelectric actuators 140 and 240 and the power transmission unit 120 described above. Here, the end effectors 110 may be connected to the housings 130 one by one. The end effector 110 connected to the housing 130 can be moved by receiving the piezoelectric actuators 140 and 240 and the power transmission unit 120 for each housing 130. As described above, when the surgical tool is composed of multiple joints, independent motion control can be performed for each joint. The increase in the number of joints does not affect the other joints, so that the joints can be easily expanded.

도 9를 참조하면, 동력 전달부(320)는 회전 동작함에 따라 엔드 이펙터에 동력을 전달하는 로터(321)를 포함할 수 있다. 이 경우, 압전 구동기(340)는 로터(321)를 회전 동작시키도록 하우징(130) 내에 장착된다. Referring to FIG. 9, the power transmitting portion 320 may include a rotor 321 that transmits power to the end effector as it rotates. In this case, the piezoelectric actuator 340 is mounted in the housing 130 to rotate the rotor 321.

일 예로, 압전 구동기(340)는 도 10에 도시된 바와 같이, 하우징(130) 내에서 로터(321)의 일단부에 대응되게 환형으로 배열되어 지지되는 복수의 압전 소자(341)들과, 압전 소자(341)들에서 로터(321)의 일단부를 향한 면에 형성된 푸셔(342)들을 포함할 수 있다. 인접한 압전 소자(341)들 간에 서로 반대되는 변위가 발생하도록 전압을 인가하면, 푸셔(342)들에 진동이 발생하게 된다. 이때, 푸셔(342)들의 진동 방향은 압전 소자(341)들에 인가되는 전압 방향에 따라 로터(321)를 정회전 또는 역회전시키도록 설정될 수 있다. 따라서, 압전 소자(341)들에 인가되는 전압 방향을 제어함에 따라, 로터(321)를 정방향 또는 역방향으로 회전시킬 수 있다. 10, the piezoelectric actuator 340 includes a plurality of piezoelectric elements 341 that are annularly arranged and supported corresponding to one end of the rotor 321 in the housing 130, And may include pushers 342 formed on the surfaces of the elements 341 facing the one end of the rotor 321. [ When a voltage is applied so that mutual opposing displacements occur between adjacent piezoelectric elements 341, vibration occurs in the pushers 342. At this time, the vibration direction of the pushers 342 may be set to forward or reverse the rotor 321 in accordance with the voltage direction applied to the piezoelectric elements 341. Therefore, by controlling the voltage direction applied to the piezoelectric elements 341, the rotor 321 can be rotated in the forward direction or the reverse direction.

로터(321)는 둘레에 축 길이 방향으로 서로 이격된 복수의 날개(322)들을 포함할 수 있다. 이 경우, 압전 구동기(340)는 날개(322)들에 각각 대응되게 하우징(130) 내에 장착된다. 따라서, 로터(321)에 제공되는 동력이 증가되어 로터(321)는 보다 원활히 회전 동작할 수 있다. The rotor 321 may include a plurality of blades 322 spaced from each other in the axial length direction. In this case, the piezoelectric actuators 340 are mounted in the housing 130 in correspondence with the vanes 322, respectively. Therefore, the power provided to the rotor 321 is increased, and the rotor 321 can rotate more smoothly.

여기서, 동력 전달부(320)가 엔드 이펙터에 독립된 회전 동력들을 전달하도록 복수의 로터(321)들을 포함할 수 있다. 로터(321)들은 병렬로 회전 동작함에 따라 엔드 이펙터에 동력을 각각 전달한다. 이 경우, 압전 구동기(340)는 로터(321)들의 각 둘레에 배치되도록 하우징(130) 내에 장착되어 로터(321)들을 독립적으로 회전 동작시킨다. 로터(321)들은 중공을 가지며 동축 상으로 삽입되어 배열될 수 있다. Here, the power transmitting portion 320 may include a plurality of rotors 321 to transmit rotational forces independent of the end effector. The rotors 321 transmit power to the end effectors as they rotate in parallel. In this case, the piezoelectric actuator 340 is mounted in the housing 130 so as to be disposed around each of the rotors 321, thereby independently rotating the rotors 321. The rotors 321 may be hollow and coaxially inserted and arranged.

도 9 및 도 10의 로터(321)와 압전 구동기(340)를 이용하면, 엔드 이펙터는 2-자유도 회전 매커니즘을 갖도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 엔드 이펙터는 프레임과, 집게를 포함한다. 프레임은 하우징(130)에 로터(321)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 그리고, 프레임은 로터(321)들 중 하나와 연결되어 회전할 수 있다. 집게는 프레임의 말단에 로터(321)의 회전 방향과 회전 가능하게 결합된다. 집게는 로터(321)들 중 다른 하나와 연결되어 회전할 수 있다. 집게는 전술한 예와 같이, 1-자유도 파지 메커니즘을 갖도록 구성될 수 있다. By using the rotor 321 and the piezoelectric actuator 340 of Figs. 9 and 10, the end effector can be configured to have a two-degree-of-freedom rotation mechanism. For example, an end effector includes a frame and a forceps. The frame is rotatably coupled to the housing 130 in the same direction as the rotation direction of the rotor 321. [ And, the frame can rotate in connection with one of the rotors 321. The clamp is rotatably coupled to the rotation direction of the rotor 321 at the end of the frame. The tongs may rotate in connection with the other one of the rotors 321. The forceps can be configured to have a one-degree-of-freedom gripping mechanism, as in the example described above.

110..엔드 이펙터 120,320..동력 전달부
121..슬라이더 130..하우징
140,240,340..압전 구동기 321..로터110 .. end effector 120, 320 .. power transmission part
121 .. slider 130 .. housing
140,240,340 .. Piezoelectric actuator 321 .. rotor

Claims

An end effector for performing a surgical operation on a surgical site;
And a plurality of rotors for transmitting power to the end effector, respectively, for transmitting the power to the end effector when the end effector is rotated in parallel, wherein the rotors are respectively coaxial A power transmitting portion inserted and arranged;
A housing surrounding the power transmission unit; And
And piezoelectric actuators housed within the housing to provide power to the power transmission portion and mounted in the housing to surround the rotors independently to rotate the rotors independently,
Wherein each of the piezoelectric actuators comprises:
A plurality of piezoelectric elements supported in an annular shape corresponding to one end of the rotor in the housing,
And pushers formed on surfaces of the piezoelectric elements facing one end of the rotor,
Wherein the rotor is rotated by a vibration generated in the pushers as a voltage is applied so that mutually opposite displacements occur between the adjacent piezoelectric elements.

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The method according to claim 1,
The rotor including a plurality of blades spaced from one another in an axial lengthwise direction about the rotor;
Wherein the piezoelectric actuator is mounted in the housing in correspondence with each of the vanes.

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