KR101548646B1 - 트랜스-플랫폼 장치 및 그의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 메인플랫폼 및 작업 디바이스를 포함하는 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)에 관한 것이다. 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치를 사용할 경우, 작업 공간 내에 최소한의 개구부를 통하여 최대 수/크기의 작업 디바이스를 삽입함으로써, 복합적이고 다양한 작업을 수행할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 스핀 샤프트에 별도의 연결부재를 사용하지 않아 구성이 더욱 단순화되고 조작이 더욱 간편하면서도, 작업 수단에 효율적으로 동력을 전달할 수 있다. 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 수술도구를 포함하는 수술용 내시경, 초음파 프로브가 장착된 초음파 보조 카테터 및 의료기기를 단일 메인플랫폼의 선단부에 장착한 다목적 로봇 암 등 다양한 의료기기 뿐 만 아니라, 엔진 룸 또는 라디에이터 내부 작업용 장치 등 다양한 분야에 적용 가능하다.
Description
본 발명은 트랜스-플랫폼 장치 및 그의 용도에 관한 것이다.
최소 침습 수술은 신체의 손상을 최소화하고 수술의 정확성과 안전성을 높여 생존율과 수술 후의 삶의 질을 높일 수 있는 신개념의 수술 방법으로서, 이러한 최소 침습 수술을 하기 위한 여러 가지 수단이 개발되고 있다. 종래의 내시경 수술 장치의 경우, 내시경 영상정보에만 의존하여 수술을 수행하기 때문에 안전하고 정밀한 수술을 위해 환부 절개 범위가 많아지게 되어, 수술시 통증 및 출혈이 크고 수술 후 회복시간이 오래 걸리는 문제점이 있었다. 또한, 최소 침습의 수술을 가능케 하도록 고안된 3차원 수술 장치(대한민국 등록특허 제 10-2011-0142323호)의 경우에도 치료도구가 반드시 메인튜브의 내부를 통하여 체내로 삽입되므로 삽입하는 치료도구의 직경이 메인튜브의 직경보다 작아야 하며, 더욱이 3차원 수술장치의 메인튜브는 이너 튜브(inner tube) 및 아우터 튜브로 구성되는 바, 내부에 장착할 수 있는 치료도구이 반지름이 더욱 작아질 수밖에 없는 단점이 있다. 또한, 상기 3차원 수술 장치는 치료도구와 스핀 샤프트가 별도의 연결부재를 통하여 연결되며, 연결부재 내부를 통하여 스핀 샤프트에 동력을 전달하므로 동력 전달 장치가 소형화되어야 하는 단점이 있다.
최근 최소 침습의 의료수술 및 진단 방법에 대한 관심이 늘어남에 따라, 본 발명자들은 인체의 내부에 최소한의 수술을 위한 도구나 디바이스(device)(이하, “디바이스”라 한다) - 전자 내시경 카메라, 초음파 탐촉자, 및 로봇 암 등의 수술 도구 등 - 를 작은 투입구를 통하여 작업 공간인 환자의 체내에 삽입하고, 이러한 작업 공간 내에서 다양한 기능을 수행할 수 있는 장치를 개발하였다. 즉, 본 발명자들은 진단 및 치료에 이용하는 장치를 투입하는 투입구는 가능한 한 적게 하고, 투입되는 디바이스의 크기와 수는 가능한 한 크게 할 수 있는 트랜스 플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)를 개발하고자 한다.
본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
본 발명자들은 최소한의 개구부를 통하여 하나 이상의 작업 디바이스를 동시에 작업공간에 삽입하고, 삽입된 작업 디바이스를 재조립하거나 또는 작업 디바이스의 위치를 변형하여 다양하고 복합적인 역할을 수행할 수 있는 장치를 개발하고자 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 작업 공간 내로 삽입되는 메인튜브의 선단부에 하나 이상의 작업 디바이스를 종 배열시켜 장착하고, 상기 작업 디바이스에 스핀 샤프트를 결합시켜 작업 디바이스의 상하, 회전운동을 가능하게 함으로써 동시에 여러 기능을 수행할 수 있는 트랜스플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)를 개발하였다.
따라서 본 발명의 목적은 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)(100)를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 위치제어장치(200)를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)(300)를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음을 포함하는 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)(100)를 제공한다:
(a) 작업 공간 내에 삽입되는 실린더 형상의 메인플랫폼(110);
(b) 상기 메인플랫폼의 선단부 또는 중간부에 장착 가능한 실린더 형상의 작업 디바이스(120)로서, 상기 작업 디바이스는 회전 운동 또는 직선운동을 통하여 상기 메인플랫폼의 외측에 장착 가능하다.
본 발명자들은 최소한의 개구부를 통하여 하나 이상의 작업 디바이스를 동시에 작업공간에 삽입하고, 삽입된 작업 디바이스를 재조립하거나 또는 작업 디바이스의 위치를 변형하여 다양하고 복합적인 역할을 수행할 수 있는 장치를 개발하고자 예의 연구 노력하였으며 그 결과, 작업 공간 내로 삽입되는 메인튜브의 선단부에 복수 개의 작업 디바이스를 종 배열시켜 장착하고, 상기 작업 디바이스에 스핀 샤프트를 결합시켜 작업 디바이스의 상하, 회전운동을 가능하게 함으로써 동시에 여러 기능을 수행할 수 있는 트랜스플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)를 개발하게 되었다.
본 발명의 트랜스플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)와 유사한 장치로서 본 발명자들이 개발한 3차원 수술 장치(대한민국 등록특허 제 10-2011-0142323호)가 있으며, 이들은 내시경의 내부에 여러 치료들을 장착할 수 있고, 이들이 메인튜브의 선단부에 방사형으로 재장착되어 사용됨이 본 발명과 유사하나, ① 상기 3차원 수술장치의 치료기기(도구)는 반드시 메인튜브의 내부를 통하여 체내로 삽입되므로 삽입하는 치료기기의 직경이 메인튜브의 직경보다 작아야 하며, ② 더욱이 3차원 수술장치의 메인튜브는 이너 튜브(inner tube) 및 아우터 튜브로 구성되는 바, 내부에 장착할 수 있는 치료기기의 반지름이 더욱 작아질 수밖에 없는 단점이 있다. ③ 또한, 종래의 3차원 수술 장치는 치료기기와 스핀 샤프트가 별도의 연결부재를 통하여 연결되며, 연결부재 내부를 통하여 스핀 샤프트에 동력을 전달하므로 동력 전달 장치가 소형화되어야 하는 단점이 있다.
본 발명자들은 이러한 점에 착안하여, ① 개구부를 통하여 보다 큰 직경의 작업 디바이스가 삽입될 수 있고, ② 스핀 샤프트에 별도의 연결부재를 사용하지 않아 구성이 더욱 단순화되고 조작이 더욱 간편하면서도, ③ 하나 이상의 작업 디바이스를 일시에 삽입하여 사용 가능한 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)를 개발하였다.
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)는 작업 공간 내에 최소한의 개구부를 통하여 최대 수/크기의 작업 디바이스를 삽입함으로써, 복합적이고 다양한 작업을 수행할 수 있다는데 그 특징이 있다.
본 명세서에서 용어 “트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)”는 본 발명의 장치의 기능과 장점을 축약한 용어로서, 이동한다는 의미의 ‘transfer’ 와 변신한다는 의미의 ‘transform’의 어근인 “Trans”, 및 기능수행의 바탕을 제공한다는 의미인 ”Platform“을 새로이 조합하여 생성한 조어이다. 본 발명자들은 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)(100) 및 트랜스-플랫폼 장치(300)를 고안하였다.
이하, 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)(100)에 대하여 상세히 설명한다:
Ⅰ. 메인플랫폼(
main
platform
)
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)는 작업 공간 내에 삽입되는 메인플랫폼(110)을 포함한다. 메인플랫폼은 대략 원통형의 실린더 형상으로서, 좁은 개구부를 통과하여 작업 공간 내에 삽입되도록 고안되었다.
이하, 메인플랫폼의 구조적 특징에 대하여 설명한다.
A. 횡단면(
cross
-
section
) 및 함몰영역
상기 메인플랫폼 및 상기 작업 디바이스는 횡단면(cross-section)의 윤곽(outline)이 일치하도록 제작할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 횡단면은 예컨대, 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있으며, 횡단면이 다각형인 경우 작업 공간 내의 삽입 편이를 위하여 모서리가 둥근 다각형으로 제작할 수 있다.
상기 메인플랫폼의 선단부에는 도 4 내지 도 6과 같이 복수 개의 작업 디바이스(120)가 장착될 수 있다. 작업 디바이스구가 복수 개인 경우, 스핀 샤프트(130)가 회전 가능한 공간이 형성되어야 하며, 도 14와 같이 작업을 위한 최종 상태에 이르렀을 때의 각각의 작업 디바이스의 적절한 공간 배치를 위하여, 메인플랫폼의 선단부는 완전한 실린더 형상이 아닌 측면에 오목한 홈(또는 함몰 영역) 이 형성되도록 제작될 수 있다. 상기 함몰 영역은 작업 디바이스의 크기 및 스핀 샤프트의 직경에 따라 다양한 형태로 제작될 수 있다(도 12 참조). 한편, 메인플랫폼의 외부에 장착되기 위하여 작업 디바이스의 외주면에 함몰 영역이 형성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 복수 개의 작업 디바이스는 상기 메인플랫폼과 종렬로 연결된다.
B. 전기적 접촉단자
작업 디바이스가 메인플랫폼에 장착될 때, 상기 메인플랫폼 및 작업 디바이스의 접촉면에 전기적 접촉 단자가 형성될 수 있다(도 33 참조). 전기적 접촉 단자는 얇은 막 형태로 형성되며, 부피가 거의 없으므로, 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 소형화에 기여한다. 각 작업 디바이스로의 전기 에너지 전달은 스핀 샤프트 내에 형성된 전기 전달 장치에 의해 행해 질 수도 있으나, 스핀 사프트 대신 전기적 접촉 단자를 이용하는 경우 트랜스-플랫폼 장치의 형태가 더욱 단순화될 수 있다는 이점이 있다.
C. 스핀 샤프트 홀
작업 디바이스가 장착되는 메인플랫폼의 선단부 또는 중간부에는 스핀 샤프트가 끼움 결합 또는 나사 결합될 수 있도록 대략 원통형 형상의 스핀 샤프트 홀(140)이 형성될 수 있으며, 작업 디바이스에 장착된 스핀 샤프트는 이러한 홀에 끼움 결합 또는 나사 결합된다. 메인플랫폼의 선단부 또는 중간부에 형성된 홀의 크기 및 형상은 스핀 샤프트의 길이 및 형상에 따라 달라질 수 있다.
D. 메인플랫폼의 내부의 홈 또는 돌기
작업 디바이스 외부에 설치된 홈 또는 돌기와 메인플랫폼의 내부에 설치된 홈 또는 돌기가 맞물리도록 하여, 작업 디바이스의 안정된 위치제어가 가능하도록 할 수 있다. 이러한 구성은 작업 디바이스가 메인플랫폼 내부에 존재하는 경우, 작업 디바이스가 메인플랫폼 내부에서 돌아다니지 않도록 고정시키는 역할을 한다. 돌기나 홈은 메인 플랫폼이 원형일 경우 위치 제어하는 역할을 하지만 메인 플랫폼이 원이 아닌 경우, 메인 플랫폼의 구조와 작업 디바이스의 맛 물리는 부분으로 위치제어가 될 수 있음은 물론이다
Ⅱ. 작업
디바이스
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치(100)는 상기 메인플랫폼(110)의 선단부 또는 중간부에 장착 가능한, 실린더 형상의 작업 디바이스(120)를 포함한다. 상기 작업 디바이스는 회전 운동 또는 직선운동을 통하여 상기 메인플랫폼의 외측에 장착 가능하다.
본 명세서에서 용어 “중간부”는 메인플랫폼의 가운데 부분만을 지칭하는 것이 아니라, 선단부 또는 후단부가 아닌 부분을 모두 지칭하는 의미로 사용된다.
본 명세서에서 용어 “상하 운동”은 메인플랫폼의 종축 방향 운동을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 용어 “전진 운동”은 메인플랫폼 종축의 상 방향 운동을 의미하고, “후진 운동”은 메인플랫폼 종축의 하 방향 운동을 의미한다.
상기 작업 디바이스는 본체, 이동장치(moving system)(예컨대, 스핀 샤프트) 및 그 외 부속품으로 이루어져 있으며, 상기 본체 내에는 각 작업 디바이스의 고유 기능을 위한 장치가 설치된다. 예컨대, 카메라, 광원, 초음파 프로브(probe), 로봇 암, 위치 조절 장치, 수술 장치 또는 수술 보조 장치가 설치될 수 있다.
이하, 작업 디바이스의 구조 및 작동의 특징에 대하여 설명한다.
A. 작업
디바이스의
외형 및 삽입 방법
작업 디바이스 본체의 외형은 동일한 개구부를 통과할 때, 가능한 한 작업 디바이스의 크기가 크게 설계되도록 하고, 종렬(縱列)로 배치된 작업 디바이스가 메인플랫폼의 장착부에 정확히 장착되도록 설계한다.
본 발명의 장치에서는 메인플랫폼의 횡단면(cross-section)과 작업 디바이스의 횡단면을 일치하도록 제작하는 것이 가장 큰 디바이스를 장착할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 횡단면은 예컨대, 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.
상기 작업 디바이스는 하나 이상으로 메인플랫폼의 선단부에 장착되며, 도 14와 같이 복수 개의 작업 디바이스를 다단(多段)으로 장착할 수 있다. 상기 작업 디바이스가 복수 개인 경우, 스핀 샤프트가 회전 가능한 공간이 형성되어야 하고 도 14와 같이 작업을 위한 최종 상태에 이르렀을 때의 각각의 작업 디바이스의 적절한 공간 배치를 위하여, 최선단의 작업 디바이스를 제외한 작업 디바이스는 완전한 실린더 형상이 아닌 측면에 오목한 홈(또는 함몰 영역) 이 형성되도록 제작되거나, 스핀 샤프트의 회전 공간을 형성하게 하는 다양한 형태로 제작할 수 있다. 상기 함몰 영역은 작업 디바이스의 크기 및 스핀 샤프트의 직경에 따라 다양한 형태로 제작될 수 있다(도 2 참조).
작업 디바이스는 작업 공간 외에서 작업 공간 내로 투입된 후, 작업 디바이스와 연동되도록 결합된 스핀 샤프트를 중심으로 회전하여, 메인플랫폼 외경 밖으로 위치한다. 이 후, 스핀 샤프트가 후진하여 스핀 샤프트 홀로 삽입됨으로써 작업 디바이스가 메인플랫폼의 선단부에 고정 장착된다.
상기 작업 디바이스의 크기가 다양한 경우, 메인플랫폼의 선단부에 장착되는 작업 디바이스 중 가장 직경이 큰 것을 앞 부분에 설치하는 것이 바람직하다.
메인플랫폼의 선단부에 장착되는 작업 디바이스는 장착되는 순서 즉 번호에 따라 순서대로 회전하여 장착되지 않을 수 있으며, 메인플랫폼의 선단부에 장착되는 모든 작업 디바이스의 스핀 샤프트의 크기는 각 작업 디바이스의 용도에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 도 10에서와 같이, 제 1 작업 디바이스와 제 2 작업 디바이스의 스핀 샤프트는 크고, 제 3 작업 디바이스 내지 제 5 작업 디바이스의 스핀 샤프트는 작으며, 회전하여 장착되는 순서가 제 2 작업 디바이스, 제 3 작업 디바이스, 제 4 작업 디바이스, 제 5 작업 디바이스 및 제 1 작업 디바이스인 경우, 각 작업 디바이스의 하부 평면도는 도 10과 같다.
제 1 작업 디바이스의 본체의 횡단면은 메인플랫폼의 횡단면과 같지만, 제 2 작업 디바이스 내지 제 5 작업 디바이스의 본체는 앞에 있는 작업 디바이스들의 스핀 샤프트가 지나가게 되므로 전체적인 윤곽은 대략 제 1 작업 디바이스와 같으나 각 작업 디바이스가 회전 할 때 스핀 샤프트를 회피할 수 있는 공간(회전 회피 공간)을 빈 공간으로 설계하여야 한다. 만약 작업 디바이스가 회전하기 전에 앞의 작업 디바이스가 후진하여 메인플랫폼에 장착하게 되면, 앞의 작업 디바이스가 스핀 샤프트를 중심으로 180도 회전하고 후진하게 되는데, 이 때 회전에 의하여 회전하기 전의 메인플랫폼의 종단면 쪽으로 돌출 되는 부분이 작업 디바이스를 지나가게 됨으로 이 부분(후진 공간)을 빈 공간으로 설계하여야 한다.
메인플랫폼의 선단부에 장착 가능한 작업 디바이스의 수는 작업 디바이스의 크기 및 트랜스 플랫폼 장치의 용도에 따라 달라질 수 있다.
한편, 상기 복수 개의 작업 디바이스는 상기 메인플랫폼과 종렬로 연결되어 작업 공간 내로 삽입된다.
B. 작업
디바이스의
위치 제어 - 회전 및 직선 운동의 제어: 회전 쐐기(
rotation
wedge
) 및 연결 쐐기(
connection
wedge
)
본 발명에 따르면, 상기 작업 디바이스는 회전 쐐기(rotation wedge)를 추가적으로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 용어 “회전 쐐기(rotation wedge)”는 작업 디바이스의 외측 하부에 장착되는 회전 제어 장치이다. 본 발명에서 작업 디바이스는 메인플랫폼의 외주면에 장착되기 위해 약 180도를 회전하는데, 이 경우 회전 쐐기가 메인플랫폼의 외주면과 닿게 되어 일정 각도 이상의 회전이 일어나지 않게 된다.
도 28은 회전 쐐기가 회전 각도를 조절하는 메카니즘을 평면적으로 나타낸 모식도이다. 메인플랫폼의 외주면과 접촉하는 작업 디바이스의 일 측에 회전 쐐기가 형성될 수 있다. 회전 쐐기의 높이는 최소한으로 하여 작업 디바이스의 회전 시 다른 구조에 영향을 주거나, 방해받지 않도록 한다. (2)는 회전하기 전의 상태이고, (3) 내지 (8)은 작업 디바이스(파란색)의 위치변화를 위에서 본 그림을 나타낸다. 작업 디바이스는 스핀 샤프트를 중심축으로 시계 방향으로 회전한다.
회전을 진행하다가 작업 디바이스의 회전 쐐기(rotation wedge)가 메인플랫폼의 외주면에 걸리게 되는데, 이때의 작업 디바이스의 회전 각도는 180˚이다(8). 이후, 스핀 샤프트가 나사 운동을 계속 하게 되면, 회전 쐐기에 의하여 회전운동이 차단되며, 스핀 샤프트는 상하 직선운동만을 하게 된다. 시계방향으로 회전하는 경우를 스핀 샤프트가 후진하게 설계되어 있으므로, 후진하여 작업 디바이스를 메인플랫폼에 장착할 수 있다.
작업 디바이스를 처음 위치로 보내기 위하여 스핀 샤프트를 반 시계 방향으로 회전하게 되면, 작업 디바이스와 메인플랫폼의 외주면이 밀착되어 있으므로 회전운동이 차단되어, 스핀 샤프트는 직선운동을 하게 되는데, 이 때 반 시계방향이므로 전진하게 된다. 작업 디바이스가 스핀 샤프트에 의해 계속 진진하게 되면, 메인플랫폼과 작업 디바이스의 밀착 면이 없어지게 되어 회전 운동을 차단하는 힘이 없어지고, 이로 인하여 스핀 샤프트는 회전운동을 하게 된다. 작업 디바이스가 스핀 샤프트에 의해 반 시계 방향으로 계속 회전하다가 회전 쐐기가 바로 밑의 디바이스나 메인플랫폼의 외주면에 닿게 되면 회전을 멈추게 되어 개구부를 통과할 당시의 위치가 되어 트랜스 플랫폼 장치의 회수가 가능한 위치가 된다.
이후 회전 쐐기가 메인 플랫폼에 닿지 않을 정도로 더 전진하기 할 필요가 있는 경우는 연결 쐐기(connection wedge)와 가이딩 바(guiding bar)가 결합되면, 스핀 샤프트의 나사운동을 상하 직선 운동으로 전환할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 작업 디바이스는 연결 쐐기(connection wedge)를 추가적으로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 용어 “연결 쐐기(connection wedge)"는 작업 디바이스 또는 포지셔너(positioner)의 하부 또는 함몰영역에 형성되는 연결 유닛으로서 가이딩 바와 작업 디바이스를 연결하여 결합시키는 역할을 한다.
회전 쐐기의 위치제어 방식은 나사 운동을 하는 스핀 샤프트 뿐 아니라 메인 플랫폼 후미에서 회전력을 주는 스핀 샤프트에도 적용될 수 있음은 물론이다.
C. 작업
디바이스의
위치 제어 - 회전 및 직선 운동의 제어: 스핀 샤프트
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 상기 메인플랫폼에 형성된 스핀 샤프트 홀(140)의 내측에 삽입 가능하며, 상기 작업 디바이스의 연동축으로 작동하는 스핀 샤프트(spin shaft)(130)를 포함한다.
스핀 샤프트는 상기 메인플랫폼과 작업 디바이스를 연결하는 연결수단으로서, 상기 메인튜브의 내측, 또는 상기 메인튜브의 내측 및 작업 디바이스의 내측에 삽입 설치되어 상기 작업 디바이스의 상하 운동 및 회전 운동을 가능케 한다. 스핀 샤프트는 작업 디바이스의 용도, 작업 디바이스에의 동력전달방법 또는 작업 디바이스의 배치순서 등에 따라 다양하게 변경 제작할 수 있다. 예컨대, 개구부 밖에서 스핀 샤프트를 회전시키고 전진과 후진을 하여 작업 디바이스를 구동하는 경우나, 스핀 샤프트를 통하여 전기 또는 동력 에너지를 전달하는 경우는 스핀 샤프트 트랜스-플랫폼 장치 전체의 후단부까지 연결되어야 하므로 길어야 하고, 이러한 경우가 아닌 이상 스핀 샤프트는 짧게 구성될 수 있다.
상기 스핀 샤프트는 상기 작업 디바이스 외부의 일 측에 치우쳐져 형성되며, 메인튜브의 스핀 샤프트 홀에 삽입 가능(메인 튜브의 외부, 내부 혹은 튜브 벽에 홀이 설치 될 수 있음)하도록 제작된다. 스핀 샤프트는 회전 회피 공간과 후진 공간을 최소화하도록 설계된다. 또한, 스핀 샤프트의 유연성은 부분적으로 다르게 구성할 수 있으며, 예컨대, 메인튜브의 내측에 삽입되는 부분은 연질부로 구성하고, 작업 디바이스와 결합하는 부분을 경질부로 구성할 수 있다. 스핀 샤프트는 상하, 회전운동이 가능하도록 제작되어야 하므로 메인튜브의 내측에 삽입되는 부분 중 구동형 너트와 맞물리는 부분은 경질로 구성하여 구동이 쉽게 할 수 있다.
상기 스핀 샤프트의 구동을 위하여 경질부를 일정 부분 포함하고 있어야 하는데, 본 발명의 트랜스플랫폼 장치가 내시경 장치인 경우 인체 내로 삽입하여 사용되어야 하는 이유로 체내에서 굴곡이 손쉽게 일어나야하고, 따라서 스핀 샤프트는 경질부를 최소한으로 포함하는 것이 바람직하다. 스핀 샤프트의 경질부를 최소화하기 위한 일환으로 상술한 가이딩 바(guiding bar)가 고안되었다.
상기 스핀 샤프트는 매끈한 원통형 형상일 수 있지만, 작업 디바이스의 용도 및 스핀 샤프트의 구동장치에 따라 스핀 샤프트의 외주면에 나사 홈 또는 위치 고정용 돌출 쐐기가 형성될 수 있다. 상기 위치 고정용 돌출 쐐기는 스핀 샤프트를 보다 정확한 위치에 단단히 고정하기 위하여 사용된다.
상기 스핀 샤프트는 상기 스핀 샤프트 홀에 끼움 결합 또는 나사 결합될 수 있으며, 나사 결합되는 경우 스핀 샤프트 및 스핀 샤프트 홀에는 나사산이 형성된다.
상기 스핀 샤프트의 내부에는 작업 디바이스를 구동하기 위한 동력 또는 전력을 전달하게 위해, 전력전달장치 또는 동력전달장치를 추가적으로 포함할 수 있다. 또한, 상기 스핀 샤프트의 내부에는 작업 공간에서 발생한 이물질 또는 생성물 등을 제거하기 위한 유체전달관이 형성될 수 있다. 이러한 유체전달관은 작업 공간에서 제거해야 할 물질을 유체를 분사하여 작업 공간 외부로 배출시킨다.
또한, 본 발명과 같이 메인플랫폼의 내부가 아닌 선단부에 작업 디바이스를 장착하는 경우, 종래의 3차원 내시경 수술 장치(대한민국 등록특허 제 10-2011-0142323호)보다 회전축(스핀 샤프트)을 설치하는데 유리하다. 트랜스-플랫폼 장치 내부에 작업 디바이스를 포함하는 경우 스핀 샤프트와 작업 디바이스는 별도의 연결부를 통하여 연결되며, 이 작은 연결부를 통하여 동력을 전달하려면 그만큼 정밀한 회전축이 필요하다. 반면, 메인플랫폼 선단부에 작업 디바이스가 장착된 경우는 회전축(스핀 샤프트)이 작업 디바이스의 일 측에 형성되어 직접적으로 동력을 전달할 수 있으므로, 스핀 샤프트를 회전시키는데 비교적 크고 안정적인 동력 전달 장치를 사용할 수 있다.
D. 작업
디바이스의
위치 변환: 이동장치(
moving
system
)
본 발명에서 작업 디바이스는 메인플랫폼에 장착되기 위하여 위치변환이 필요한데, 예컨대 (ⅰ) 스핀 샤프트를 메인플랫폼의 후미에서 회전 및 직진과 후진을 통하여 위치를 변환 시키는 방법과 (ⅱ) 메인플랫폼의 선단부 또는 중간부에서 위치변환을 시키는 방법이 있다. 메인 플랫폼의 선단부에서 위치 변환을 하는 이유는 메인플랫폼이나 스핀 샤프트가 유연한 재질로 형성된 경우, 스핀 샤프트의 움직임으로 작업 디바이스의 위치 제어를 할 때, Torque absorption 현상으로 위치 제어가 어렵기 때문이다. 메인 플랫폼의 선단부 또는 중간부에서 위치 변환을 하기 위해서는 작업 디바이스가 이동장치(moving system)를 갖고 위치 변환하거나 별도의 작업 디바이스의 이송장치(transfer system)에 의하여 위치 변환을 하여야 한다(이하, 이동 장치(moving system)를 갖고 위치의 변환을 하는 디바이스를 ‘능동형 디바이스’, 다른 이송장치(transfer system)에 의하여 위치 변환을 하는 디바이스를 ‘수동형 디바이스’라 한다). 능동형 (작업) 디바이스를 구동하기 위한 구동 장치는 메인 플랫품에 설치하거나, 작업 디바이스의 몸체에 설치할 수 있다.
이하, 작업 디바이스의 이동장치(moving system)에 대하여 상세히 설명한다.
1 ) 이동장치의 구성
기본적으로 작업 디바이스 이동장치는 직선 상하 운동과 회전 운동을 하게 된다. 이에 대한 수단으로 직선 운동을 하는 모터와 회전 운동을 하는 여러 모터의 조합이나 여러 위치제어 장치, 즉 이동 장치(moving system)가 있을 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 이동장치는 (ⅰ) 상기 메인플랫폼 또는 작업 디바이스의 일 측에 형성되고, 작업 디바이스의 회전 및 상하 운동을 조절하며, 작업 디바이스의 연동축으로 작동하는 스핀 샤프트(spin shaft)(130), (ⅱ) 상기 메인플랫폼 또는 작업 디바이스의 일 측에 형성되고, 작업 디바이스와 결합 가능한 캡처(capturer), (ⅲ) 상기 메인플랫폼 또는 작업 디바이스의 일 측에 형성되고, 상기 작업 디바이스 또는 횡축 방향(메인플랫폼 중심축의 수직 방향) 직선운동을 조절하는 직선운동 유닛 또는 직선운동 가이딩(guiding) 유닛 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 직선 운동 유닛은 횡샤프트(횡측 방향으로 설치된 샤프트)이고, 상기 직선운동 가이딩 유닛은 횡축 방향 슬라이딩 채널(sliding channel)이다. 상기 슬라이딩 채널은 메인플랫폼과 접촉하는 작업 디바이스의 상부면 또는 하부면에 형성될 수 있다.
상기 스핀 샤프트는 상기 메인플랫폼에 끼움 결합 또는 나사 결합될 수 있으며, 스핀 샤프트는 상기 메인플랫폼의 내측, 또는 상기 메인플랫폼의 내측 및 작업 디바이스의 내측에 삽입 설치되어 상기 디바이스의 상하 운동 및 회전 운동을 가능케 한다.
상기 스핀 샤프트는 연질부 및 경질부로 구성될 수 있으며, 전기신호 전달장치, 전력전달장치, 유체 전달관 또는 동력전달장치를 추가적으로 포함할 수도 있다. 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 메인 플랫폼의 외측에 스핀 샤프트의 회전 운동이 가능한 공간 및 스핀 샤프트 홀이 형성될 수 있다.
상기 캡처(capturer)는 작업 디바이스의 위치 제어를 위하여 작업 디바이스에 형성되거나 작업 디바이스와 결합 가능한 구성으로서, 상기 작업 디바이스와 끼움 결합, 나사 결합, 래칫(ratchet) 방식 결합, 레크-피니언(rack-pinion) 방식 결합 또는 자석 결합할 수 있다. 기본적으로 상기 캡처는 하기 기술된 포지셔너에 포함된 캡처와 동일한 원리로 작동한다.
상기 슬라이딩 채널(sliding channel)은 메인플랫폼과 작업 디바이스의 접촉면에 형성되는 구성으로서, 작업 디바이스의 직선운동을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 상기 이동장치는 스핀 샤프트, 캡처, 횡샤프트 및 횡축 방향 슬라이딩 채널 외에, (a) 구동형 또는 고정형 너트, (b) 실린더 형상의 튜브로서 스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어하는 가이딩 튜브(guiding tube), (c) 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성되며, 메인플랫폼의 외주면에 형성된 함몰 영역에 장착되며, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 가이딩 바(guiding bar), (d) 스핀 샤프트 및 (e) 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 구성을 추가적으로 포함할 수 있다.
예컨대, 메인플랫폼에 구동형 너트를 구동하는 모터를 장치하고 작업 디바이스의 몸체와 연결된 스핀 샤프트에 수나사를 설치하고, 수나사에 맞물리는 회전 형 너트를 메인플랫품에 설치할 때(도 18 참조), 구동형 너트의 회전으로 스핀 샤프트가 나사 운동을 하게 되는데, 이 나사 운동을 직선운동과 회전운동으로 변환시켜주는 ① 가이딩 튜브를 메인플랫폼에 장착하거나(도 20), ② 작업 디바이스의 몸체에 회전 쐐기를 장착하거나, ③ 가이딩 바를 이용하여, 작업 디바이스를 메인플랫품의 외주면이나 내주면(이하 장착부)에 장착할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 너트는 구동형 너트 또는 고정형 너트이다. 구동형 너트는 내측에 암나사가 설치되어 스핀 샤프트의 외주면에 설치된 수나사와 맞물린다. 또한, 스핀 샤프트의 외측에는 기어(gear)가 설치되어 구동 모터의 회전력을 스핀 샤프트에 전달하여 나사 운동을 하게 한다. 상기 구동형 너트는 회전 운동이 가능하고 직선운동이 불가능하도록 설계될 수 있다. 구동형 너트의 외측에는 도 18의 (4)처럼 기어가 설치될 수 있으며, 이 경우 기어로부터 전달된 구동력에 의해 구동된다. 고정형 너트는 회전 운동을 하는 스핀 샤프트의 나사 운동에 있어 단순한 너트 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 상기 작업 디바이스 이동장치의 구성으로서의 스핀 샤프트는 나사운동을 위한 수나사 홈이 형성되며, 직접 구동 모터의 기어와 연결되거나 또는 너트 자체의 구동에 의하여 나사운동이 가능하다.
상기 스핀 샤프트의 말단에는 필요에 따라 유도돌기, 동력 전달용 기어 또는 스핀 샤프트 팁(tip) 등이 형성될 수 있다.
본 명세서에서 용어 “유도돌기”는 스핀 샤프트의 말단에 형성되는 대략 실린더 형상의 막대로서, 유도돌기는 가이딩 튜브의 유도 홈인 가이딩 그루브(guiding groove)를 따라 직선 운동 또는 회전 운동한다(도 19 및 도 20 참조). 유도돌기의 말단은 유도돌기가 가이딩 튜브 내에서 움직이지 않도록 도와주는 구 형상의 걸림턱이 형성될 수 있다(도 20 참조).
본 명세서에서 용어 “스핀 샤프트 팁(tip)”는 대략 실린더 형상의 고정 유닛으로서, 스핀 샤프트의 말단에 형성되며, 가이딩 바의 하부 실린더에 형성된 홈에 삽입되어, 스핀 샤프트의 회전 운동은 방해하지 않으면서, 스핀 샤프트와 가이딩 바를 고정하여 스핀 샤프트가 전진과 후진 할 때 가이딩 바가 같이 움직이게 하여 주는 역할을 한다.
본 명세서에서 용어 “가이딩 튜브(Guiding tube)”는 가이딩 그루브(guiding groove)가 형성되어 있는 대략 실린더 형태이며, 스핀 샤프트가 튜브의 내부에 위치하게 되고, 스핀 샤프트의 유도 돌기와 가이딩 그루브가 맞물려 스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어한다(도 20 참조). 회전이 가능한 구동형의 너트와 함께 사용된다. 가이딩 튜브의 외주면에는 유도돌기가 이동 가능한 공간인 가이딩 그루브(guiding groove)가 형성되어 있으며, 이러한 가이딩 그루브는 스핀 샤프트의 운동 방향에 따라 다양하게 설계될 수 있다.
본 명세서에서 용어 “가이딩 바(Guiding bar)”는 메인플랫폼의 외주면에 형성된 함몰 영역에 장착되는 구성으로서, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 역할을 한다(도 21 참조). 가이딩 바는 메인플랫폼에 형성된 함몰 영역에 장착되어 사용되므로 함몰 영역의 형상에 맞도록 설계된다. 따라서 가이딩 바는 완전한 실린더 형상이 아닌, 도 21에서와 같이 양 쪽 단부가 뾰족한 타원형 형상의 밑면을 가지는 대략 원기둥 형상이다.
본 발명에 따르면, 상기 가이딩 바는 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성된다. 상부 실린더 및 하부 실린더는 본체의 양 말단에 각각 장착된다. 상부 실린더에는 스핀 샤프트가 통과 가능한 홀이 형성되어 있으며, 상부 실린더의 위쪽 면에는 연결 쐐기가 결합 가능한 홈이 형성되어 있다. 하부 실린더의 위쪽 면에는 스핀 샤프트를 삽입할 수 있는 홈이 형성되어 있으며, 홀 아래에는 스핀 샤프트 팁이 위치할 수 있는 공간이 있다. 스핀 샤프트 팁은 하부 실린더의 홈에 결합되어 함께 상하 운동을 한다. 스핀 샤프트가 가이딩 바와 결합하더라도 회전 운동은 방해 받지 않는다. 스핀 샤프트는 하부 실린더의 내부에서 회전 운동 가능하도록 설계된다.
가이딩 바의 본체는 전체적으로 대략 원기둥 형상으로 설계될 수 있지만, 상부 및 하부 실린더를 이어주는 최소 두 개의 기둥으로 설계될 수도 있다. 예컨대, 도 21에서 가이딩 바는 상하부 실린더 및 상부 및 하부 실린더를 연결하는 두 개의 기둥으로 구성되어 있다.
도 23은 작업 디바이스에 스핀 샤프트, 연결 쐐기(connecting wedge) 및 회전 쐐기(rotation wedge)가 형성된 모식도이다. 연결 쐐기는 가이딩 바와 작업 디바이스를 연결하여 결합시키는 역할을 한다. 스핀 샤프트에 동력을 전달하기 위하여 모터 또는 기어를 추가적으로 장착할 수 있다. 이들은 스핀 샤프트 또는 스핀 샤프트와 결합한 구동형 너트에 회전력을 전달한다. 함몰영역은 가이딩바와 작업 디바이스가 맞물리는 공간으로서, 가이딩 바와 작업 디바이스를 기계적으로 연결하는 연결 쐐기가 형성된다. 스핀샤프트 팁은 가이딩 바의 하부 실린더와 결합한다.
도 24의 (1)은 가이딩 바와 스핀 샤프트가 통과하는 공간이 형성된 경우의 메인플랫폼의 형상을 나타낸 것이다(도 24의 (1) 참조). 도 24의 (2)는 가이딩 바 이외에 너트가 추가적으로 형성된 경우, 메인플랫폼의 내부를 나타낸다. 스핀 샤프트와 맞물리는 암나사가 형성된 너트가 메인플랫폼의 함몰영역에 형성되어 있다.
2 ) 이동장치 형성의 예
한편, 상기 작업 디바이스 이동장치는 메인플랫폼, 작업 디바이스 또는 메인플랫폼 및 작업 디바이스에 형성될 수 있다. 도 20은 이동장치가 메인플랫폼에 형성되는 경우를 나타낸다. 작업 디바이스는 나사운동을 하는 스핀 샤프트와 너트, 모터, 기어 및 가이딩 튜브의 작동에 의해 구동된다. 스핀 샤프트의 상부에 작업 디바이스가 결합되고, 구동형 너트, 모터 및 가이딩 튜브는 메인플랫폼 내에 위치한다. 구동형 너트를 회전시킴으로써 스핀 샤프트의 나사운동을 발생시키고, 스핀 샤프트의 회전 및 상하직선 운동은 가이딩 튜브에 의하여 결정된다.
도 25 내지 도 26은 이동장치가 메인플랫폼 및 작업 디바이스에 복합적으로 형성되는 경우를 나타낸다. 메인플랫폼의 함몰영역에는 고정형 너트가 형성되고, 가이딩 바와 스핀 샤프트가 삽입되는 공간이 형성되어 있다. 작업 디바이스에는 회전쐐기 및 연결쐐기가 형성되어 있고, 작업 디바이스에 결합된 스핀 샤프트의 말단에는 스핀 샤프트 팁이 형성되어 있다.
도 27은 상기 도 26에서 작업 디바이스 이동장치가 메인플랫폼 및 작업 디바이스에 복합적으로 형성되는 경우, 작업 디바이스의 구동을 모식적으로 나타낸 것이다. (A-1) 내지 (A-2)는 스핀 샤프트가 상하로 움직이며, 작업 디바이스를 이송하는 그림으로서, 작업 디바이스, 스핀 샤프트, 가이딩 바, 연결쐐기가 결합되어 함께 움직이는 것을 나타낸다. 가이딩 바는 스핀 샤프트의 회전력을 방해하여 직선 운동을 하게 하며, 연결쐐기는 작업 디바이스가 임의로 회전하지 않도록 가이딩 바와 작업 디바이스를 기계적으로 결합시키는 역할을 한다. 이로써 작업 디바이스는 회전운동 없이 상하직선 운동을 할 수 있다. (A-3)은 작업 디바이스를 메인플랫폼의 외주면에 장착하기 위해, 연결쐐기를 가이딩 바이서 분리한 것을 나타낸다. 이로써 스핀 샤프트는 회전운동이 가능하다. (A-4)는 작업 디바이스가 180도 회전하게 되면, 회전쐐기가 메인플랫폼의 외주면에 닿게 되어 회전이 멈춘다. 스핀 샤프트의 나사운동은 다시 직선운동으로 변환되어, 작업 디바이스는 메인플랫폼의 하(下) 방향으로 이동 가능하다. 작업 디바이스가 후진하여 (A-5)의 위치에 이르는 경우 메인플랫폼의 외주면에 완전히 장착된다. 이후 작업 디바이스를 회수하는 것은 (A-1) 내지 (A-5)가 역순으로 진행된다.
E. 작업
디바이스의
위치 변환: 이송장치(
transfer
system
)
메인 플랫폼의 선단부 또는 중간부에서 위치 변환을 하기 위해서 별도의 작업 디바이스의 이송장치(transfer system)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 작업 디바이스의 위치를 제어하는 포지셔너(positioner)(140)를 추가적으로 포함할 수 있다(도 29 참조). 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스는 능동적 또는 수동적으로 이동하는데, 상기 작업 디바이스의 이동을 위하여 트랜스-플랫폼 장치에 형성된 이동장치(moving system)를 가지고 전기적 신호에 의해 구동되는 경우를 능동적 이동(active movable)이라 하고, 이동 제어장치를 가지지 않고 다른 별도의 이송장치(transfer system), 예컨대, 포지셔너(positioner)에 의하여 위치가 변환되는 경우를 수동적 이동(passive movable)이라 한다. 이 경우, 작업 디바이스는 별도의 다른 이송장치(transfer system)에 의하여 위치 변환을 하는 디바이스로서 ‘수동형 디바이스’이다.
본 명세서에서 용어, “포지셔너(positioner)”는 이송장치(transfer system)로서, 종렬 연결된 작업 디바이스의 위치를 제어하는 위치제어장치(200)와 동일한 의미로 사용되며, 상기 이동장치를 갖지 못한 작업 디바이스를 메인플랫폼에 장착시키는 기기(device)를 의미한다. 포지셔너는 상하 왕복운동, 좌우 왕복 운동 및 회전 운동을 통하여 작업 디바이스를 메인플랫폼에 장착시키는 역할을 하며, 메인플랫폼의 선단부, 중간부 또는 내부에 설치될 수 있다. 통상적으로 포지셔너는 메인플랫폼의 선단부에 설치하는 것이 유리하지만 필요에 따라 다양한 위치에 설치할 수 있다. 포지셔너는 내부에 별도의 작업 디바이스를 포함함으로써 작업 디바이스를 메인플랫폼에 장착시키는 기능 외에 독립적인 다른 기능(예컨대, 광원부, 카메라부, 처치부 등)을 수행할 수도 있다. 포지셔너는 작업 디바이스로서 카메라, 광원, 초음파 프로브(probe), 로봇 암, 수술 장치 또는 수술 보조 장치를 포함할 수 있다.
스핀 샤프트가 있는 작업 디바이스를 메인플랫폼 선단부에 장착하기 위하여, 스핀 샤프트를 중심으로 회전하여 작업 디바이스의 위치를 메인플랫폼의 바깥으로 이동시킨 후, 작업 디바이스를 후진하여 메인플랫폼의 장착부에 장착하여야 한다. 메인플랫폼 또는 스핀 샤프트가 유연한 재질로 형성된 경우 스핀 샤프트를 메인플랫폼 후미에서 회전력을 주어 회전시킬 때, 스핀 샤프트에 토크 흡수(torque absorption) 현상이 일어나 작업 디바이스의 위치제어가 어렵다. 이를 방지하기 위하여 스핀 샤프트를 회전하지 않고, 작업 디바이스를 직접 회전하기 위하여 포지셔너를 고안하였다. 또한 각각의 작업 디바이스에 이동장치를 설치하는 경우, 작업 디바이스의 크기가 커지게 되는 단점을 보완하기 위하여 고안 하였다. 포지셔너를 메인플랫폼의 선단부, 중간부 또는 내부에 설치하여 작업 디바이스의 위치를 제어할 수 있다.
이하, 포지셔너(positioner)에 대하여 상세히 설명한다.
1) 포지셔너의 구성
본 발명의 포지셔너는 메인플랫폼의 선단이나 내부에 종렬 연결된 작업 디바이스의 상부 또는 하부에 장착 가능한 실린더 형상의 본체(210), 및 상기 본체 내에 형성되며 상기 작업 디바이스과 결합하여 작업 디바이스의 위치를 이동시키는 이송 유닛(transfer unit)을 포함한다. 또한, 상기 포지셔너는 본체 및 이송 유닛 외에, 포지셔너 구동을 위한 스핀 샤프트(이하 P 스핀 샤프트라 한다), 연결 쐐기(connecting wedge), 또는 회전 쐐기(rotation wedge)를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수동형 디바이스를 이송하는 상기 이송 유닛은 ( a ) 상기 작업 디바이스와 이송유닛을 연결하는 캡처(220), ( b ) 캡처의 회전을 위한 회전축, ( c ) 캡처의 상하 운동을 위한 구동축, ( d ) 구동형 또는 고정형 너트, ( e ) 실린더 형상의 튜브로서 T-스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어하는 가이딩 튜브(guiding tube), ( f ) 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성되며, 포지셔너 본체의 내부에 장착되며, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 가이딩 바(guiding bar), ( e ) 회전 및 상하 왕복운동이 가능한 T-스핀 샤프트(T-spin shaft)(250), 및 ( g ) 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택할 수 있으며, 하나 이상 설치할 수 있다.
상기 캡처는 회전축, 상하운동을 위한 구동축, 혹은 T 스핀 샤프트에 결합할 수 있고, 이는 기능상 필요한 운동에 따라 선택된다. 예를 들어 회전만 필요한 경우는 화전축이, 상하왕복 운동만 필요한 경우는 상하운동을 위한 구동축이, 혹은 회전, 상하왕복 혹은 두 가지 운동이 필요한 경우에는 T 스핀 샤프트가 캡처와 결합된다.
예컨대, 상기 이송 유닛은 가이딩 그루브(groove)가 설치된 가이딩 튜브, 유도 돌기가 설치된 수동형 디바이스 이송용 스핀 샤프트(T 스핀 샤프트), 구동형 너트 및 캡처(capturer)로 이루어질 수 있다(도 34). T 스핀 샤프트, 가이딩 튜브 및 회전형(구동형) 너트는 한 조로 구성되어 있으며, 이들은 포지셔너의 내부에 위치하고 있다가(단, 캡처는 포지셔너의 외부 또는 내부에 위치할 수 있음), 작동이 되면 T 스핀 샤프트가 이동하여 캡처와 작업 디바이스가 결합하게 되고, 유도 돌기가 있는 T 스핀 샤프트가 가이딩 튜브 내에 위치하고, 구동형 너트에 연결되어 있어, 구동형 너트가 회전하게 되면, 가이딩 튜브에 설치된 홈(groove)을 따라 T 스핀샤프트가 회전 및 상하운동을 하게되고, 이에 따라 T 스핀 샤프트에 연결된 캡처와 작업 디바이스의 위치제어가 된다.(도 34 참조).
도 29는 작동 전 포지셔너의 사시도이고, 이송 유닛 중에 가이딩 튜브, T 스핀 샤프트와 구동형 너트는 포지셔너 본체 내에 위치하여 도면에서는 보이지 않고, 캡처는 포지셔너 본체 외부에 위치하여 보인다(도 35, 도 36 및 도 38 참조).
캡처는 일반적으로 실린더 형상일 수 있지만, 잡는 기능을 극대화하기 위하여 다양한 형상으로 변형이 가능하고, 따라서 캡처는 다양한 방식으로 작업 디바이스와 결합할 수 있다. 예컨대 캡처는 회전 운동 가능한 링크(link), 크랭크(crank) 또는 래칫(ratchet) 타입 등 일 수 있으며, 보다 상세하게는 캡처의 내부에 작업 디바이스의 결합 돌기와 결합 가능한 홈(240)이 형성되고, 상기 결합 돌기가 홈에 끼워져 단순 결합하는 경우; 결합 돌기와 캡처가 래칫 방식으로 결합하는 경우; 결합 돌기와 캡처가 레크-피니언 방식으로 결합하는 경우; 결합 돌기와 캡처가 나사 결합하는 경우; 결합 돌기와 캡처가 나사 결합하는 경우; 또는 결합 돌기와 캡처가 자석 결합하는 경우 등이 있다. 또한, 상기 캡처는 왕복 또는 회전 운동이 가능한 크랭크(crank)를 포함할 수 있다.
상기 이송 유닛을 수평 또는 수직 이동하여 각각의 작업 디바이스와 결합하거나, 포지셔너의 본체에 고정된 여러 개의 이송유닛을 이용하여, 각각의 작업 디바이스와 결합할 수 있다.
본 발명에 따르면, 포지셔너는 상기 이송유닛의 위치 제어를 위하여, 상기 이송유닛을 메인플랫폼의 횡축 방향( 메인플랫폼 중심축의 수직 방향 ) 직선운동을 가능하게 하는 직선운동 유닛(예컨대, 횡샤프트(횡축 방향으로 설치된 샤프트)(260)) 또는 직선운동 가이딩(guiding) 유닛(예컨대, 슬라이딩 채널)을 추가적으로 포함할 수 있다 (도 37 및 도 38 참조). 또한 위치제어 장치의 본체에 형성되어 직선 운동 유닛이나 직선 운동 가이딩 유닛과 결합하거나 이송장치에 결합하는 회전축을 추가적으로 포함한다.
상기 회전축에는 기어를 설치하여 회전이 가능하며, 회전 기어는 각도 조절이 가능한 스탭 모터의 기어와 연결되어 구동할 수 있다. 도 36에는 회전축과 구동장치는 생략되어 있는데, 회전축이 회전하게 되면 회전축에 연결 결합된 이송유닛이 회전축을 중심으로 한 원호를 따라 움직이게 된다. 이런 움직임으로 이송유닛의 위치가 변환되어 하나의 이송유닛을 이용하여 여러 위치의 작업디바이스들을 이송하여 메인플랫폼에 장착시킬 수 있다. 도 37에는 횡샤프트가 설치된 회전축과 구동 장치는 생략되어 있다. 이송 너트는 횡샤프트와 맞물려 횡샤프트의 회전에 따라 직선 운동하며, 연결부재는 이송 너트와 이송 유닛을 연결 결합한다.
연결 쐐기는 가이딩 바와 포지셔너를 연결하여 결합시키는 역할을 한다. 한편, 스핀 샤프트(P 스핀 샤프트와 T 스핀 샤프트)에 동력을 전달하기 위하여 모터 또는 기어를 추가적으로 장착할 수 있으며, 이들은 스핀 샤프트 또는 스핀 샤프트와 결합한 구동형 너트에 회전력을 전달한다.
회전 쐐기(rotation wedge)는 포지셔너의 외측 하부에 장착되는 회전 제어 장치이다. 본 발명에서 포지셔너는 메인플랫폼의 외주면에 장착되기 위해 약 180도를 회전하는데, 이 경우 회전 쐐기가 메인플랫폼의 외주면과 닿게 되어 일정 각도 이상의 회전이 일어나지 않게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 포지셔너는 본체의 위치 변환을 위하여, (a) 구동형 또는 고정형 너트, (b) 실린더 형상의 튜브로서 P-스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어하는 가이딩 튜브(guiding tube), (c) 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성되며, 메인플랫폼의 외주면에 형성된 함몰 영역에 장착되며, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 가이딩 바(guiding bar), (d) 상기 본체(210)에 장착되고, 본체의 회전 및 상하 운동을 조절하며, 상기 본체의 연동축으로 작동하는 P-스핀 샤프트(P-spin shaft)(230) 및 (e) 이들의 조합으로 구성된 이동장치(moving system)를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 이동 장치는 포지셔너의 본체의 위치를 제어하는 장치이고, 전술한 이송 장치는 수동형 작업 디바이스의 위치를 제어하는 장치이다. 상기 두 장치는 포지셔너에 장착 되어 있고, 수동형 작업 디바이스의 위치 조절은 이 두 장치를 같이 이용하거나 각각 따로 이용하여 위치를 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 포지셔너 본체에는 이동장치 및 이송장치를 구동시키는 구동장치를 추가적으로 설치한다, 구동장치는 회전 축 기어 모터 등이 포함된다. 31은 스핀 샤프트에 동력을 전달하기 위하여 모터 또는 기어를 추가적으로 장착한 경우의 각각의 기어의 위치를 평면적으로 나타낸 모식도이며, 이들은 스핀 샤프트 또는 스핀 샤프트와 결합한 구동형 너트에 구동력을 전달한다. 연결 기어(CG; connecting gear)는 청색 곡선을 따라 이동하게 되며, 구동하려는 장치의 구동 기어(PG, N-T1 또는 N-T2; PG; 포지션너의 이동장치 기어, N-T1, N-T2; 각 작업 디바이스의 위치제어를 위한 이동장치의 구동형 너트에 형성된 기어)와 맞물리게 함으로써 원하는 장치를 움직이게 할 수 있다. 다양한 기어의 조합으로 각각의 작업 디바이스를 모터에 장착하지 않고, 최소한의 모터만 사용함으로써 작업 디바이스, 포지셔터 또는 스핀 샤프트 등에 구동력을 전달할 수 있다.
2 ) 포지셔너의 작동
( i ) 캡처의 작동
도 30은 상기 이송유닛(캡처 및 T-스핀 샤프트)을 포함하는 포지셔너의 작동 순서를 모식적으로 나타낸 것이며, 다음과 같은 순서로 작동한다:
(1) 처음 메인플랫폼 측면에 장착되기 전 상태로, 작업 디바이스의 결합 돌기(보라색)가 캡처 내로 진입한다. P 샤프트 또는 T 샤프트의 후진(하 방향 이동)이나 작업 디바이스의 전진(상 방향 이동)에 의하여 가능하다.
(2) 작업 디바이스의 돌기가 캡처 내의 쐐기(wedge)를 밀어 내고, 캡처 암에 결합된 스프링이 탄성 작용에 의하여 수축하여, 작업 디바이스의 결합 돌기와 포지셔너의 캡처가 결합한다. 이러한 상태로 T 스핀 샤프트의 구동에 의하여 작업 디바이스의 회전이 이루어고, 회전 이후, P 스핀 샤프트나 T 스핀 샤프트의 후진으로 작업 디바이스가 메인플랫폼의 장착부로 이동한다.
(3) 작업 디바이스가 메인플랫폼의 장착부에 도달하여 디바이스가 메인플랫폼에 장착되면서, 메인플랫폼의 장착부에 형성된 돌기가 캡처 암(capturer arm)에 끼워지고, 이에 의해 캡처와 작업 디바이스 결합 돌기의 결합이 풀린다.
(4) 장착부의 돌기가 캡처 암에 끼워져 캡처가 열린 상태에서, P 스핀 샤프트나 T 스핀 샤프트가 상 방향으로 이동함에 따라, 작업 디바이스의 결합 돌기가 캡처에서 분리되어 나오고 캡처 내의 쐐기(wedge)가 캡처 암으로 들어 와서, 캡처 암이 열린 상태로 유지된다.
(5) 이 상태로 P 샤프트나 T 샤프트가 전진하고, T 샤프트가 회전하여 초기 세팅 상태로 되돌아간다.
이후 다른 이송 유닛의 캡처가 다른 작업 디바이스를 (1) - (4) 과정을 통해 메인플랫폼에 장착시킨다. 이후, 메인플랫폼 장착부에 있는 작업 디바이스를 다시 회수할 때에도 (1) - (4)의 과정을 반복한다.
( ii ) 선단부에 위치한 포지셔너를 이용한 스핀 샤프트가 있는 작업 디바이스의 이송
스핀 샤프트가 있는 작업 디바이스의 위치를 변환하기 위하여서는 스핀 샤프트를 중심축으로 하는 회전과 스핀 샤프트를 가이딩으로 이용한 상하운동을 이용한다. 위치제어장치에 설치된 이송유닛을 후진하여 작업디바이스를 결합하고, 이송유닛을 회전하여 작업 디바이스의 장착부위가 메인플랫폼의 장착부위에 장착될 수 있는 위치가 되게 한 후 이송유닛을 후진하여 메인 플랫폼에 장착한다. 이송유닛의 회전이 작업디바이스의 스핀 샤프트를 중심으로 회전으로 원활히 되기 위해서는 이송유닛의 중심축과 작업디바이스의 회전축이 일치하여야 한다. 그렇지 않은 경우는 크랭크(crank)형의 캡처를 이용하여 작업디바이스의 스핀 샤프트를 중심으로 회전할 수 있다. 회전의 각도는 T 스핀 샤프트와 가이딩 튜브를 이용하여 조절할 수 있다.
작업 디바이스를 메인플랫폼에 장착하기 위한 후진 운동은 이송유닛의 후진이나 위치제어장치의 본체의 후진으로 달성할 수 있다. 이후 장착된 작업 디바이스를 메인플랫폼에서 회수하는 과정은 장착하는 과정의 역순으로 가능하다(도 15 내지 도27 참조).
(iii) 선단부에 위치한 포지셔너를 이용한 메인플랫폼 내의 스핀 샤프트가 없는 작업 디바이스의 이송
메인플랫폼 내에 위치하는 작업 디바이스를 이송하여 메인플랫폼의 외주면에 장착하기 위하여, 본 발명의 이송 유닛의 구동 장치는 다음과 같은 움직임을 갖는다:
이송 유닛을 종축 방향으로 후진 운동을 하여 캡처와 작업 디바이스를 결합하게 하고, 포지셔너의 본체를 전진 운동하게 하여 작업 디바이스를 메인 플랫폼의 외부(메인플랫폼의 종단면 밖)로 나오게 한 후,이송 유닛을 메인플랫폼의 횡축(메인플랫폼 중심축의 수직 방향)으로 전진하여 메인플랫폼 외부(횡단면의 밖)로 나오게 하여, 메인플랫폼의 외주면에 장착할 수 있는 위치로 이동한 후, 메인플랫폼의 중심축을 회전축으로 특정 각도로 회전한다. 이후, 포지셔너의 후진이나 이송 유닛의 후진에 의하여 메인플랫폼에 장착한다. 작업 디바이스가 다수인 경우 상기 특정각도는 다수로 구성할 수 있다.
한편, 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스의 장착부는 함몰 형상이며, 함몰 부위는 포지셔너의 P-스핀 샤프트나 가이딩 바의 위치에 위치하게 한다. 즉, 메인플랫폼 내에 위치하는 작업 디바이스는 횡단면을 같게 구성하고, 횡단면이 일치하게 종렬로 메인플랫폼 내에 위치한다. 이로써, 메인플랫폼 내에 장착되는 작업 디바이스의 크기를 최대로 할 수 있다.
각각의 작업 디바이스는 차례로 포지셔너에 의하여 전진 또는 횡 방향으로 이동 후, 각각의 디바이스의 특정 각도 회전 후 후진하여 메인 플랫폼의 다른 위치에 장착하게 된다.
이송 유닛은 나사홈에 결합되는 이송 너트에 결합되어 설치되어, 너트의 이동에 따라 이동하게 된다. 이송 너트와 이송 유닛은 연결 부재로 결합되고, 연결 부재는 너트의 길이 보다 길게 설계되며, 연결 부재의 말단에 너트가 고정 결합된다. 연결 부재의 다른 한 쪽의 말단의 반대면에는 이송 유닛이 결합 고정된다.
이송용 너트는 포지셔너의 본체에 횡으로 설치된 샤프트(이후, “횡샤프트”라 한다)를 따라 이동하게 되는데, 횡샤프트에는 나사가 설치되어 있다. 횡샤프트의 말단에는 구동형 기어가 설치되어 회전 가능 하고, 횡샤프트의 회전에 의하여 이송형 너트가 이동하게 된다. 이송 너트가 포지셔너의 가장자리에 도달하게 되면, 이송 너트와 이송 유닛의 간격이 있어 이송 유닛이 포지셔너의 몸체 밖으로 나오게 되어 이송 유닛에 결합된 작업 디바이스가 메인 플랫폼에 장착할 수 있는 위치가 된다(도 37, 도 38 및 도 39 참조).
횡샤프트의 양 쪽 말단은 메인플랫폼의 중심축을 중심으로 회전하는 회전축과 연결 결합되어 있고, 이 회전축은 기어가 추가로 설치되어 구동 장치에 의하여 회전이 가능하게 설치할 수 있다. 상기 회전축은 포지셔너의 본체에 결합되어 있다.
회전축을 구동하는 모터는 각도 조절이 가능한 스탭 모터를 이용한다.
( iv ) 메인플랫폼 내에 위치한 포지셔너를 이용한 메인플랫폼 내의 스핀 샤프트가 없는 작업 디바이스의 이송
포지셔너는 실린더 형태로 메인플랫폼 내의 돌기와 맞물리는 홈이 형성되어 위치를 고정하여 상하 운동을 할 수 있는 구조로 되어 있어 메인플랫폼을 수납 가능하다. 포지셔너는 작업 디바이스 하방에 위치한다.
캡처가 설치된 이송 유닛은 포지셔너 내부의 일 측에 치우쳐 설치되어 있으며, 이송 유닛은 상하운동과 회전이 가능하다. 이송 유닛은 메인플랫폼의 중심축을 중심으로 회전하는 회전축에 결합된다(도 40 참조). 이 회전축의 회전은 회전 각도가 조절 가능한 스탭 모터에 의하여 구동된다.
이송유닛이 작업 디바이스의 함몰부위에 의하여 형성된 빈 공간으로 이동하여, 작업 디바이스의 상단 혹은 측면에서 작업 디바이스와 결합하고, 전진(메인플랫폼 중심축 방향)하여 작업 디바이스를 메인플랫폼의 외부로 이동시킨 후 이송 유닛의 중심축을 중심으로 180도 회전한 후 메인 플랫폼의 중심축을 중심으로 특정 각도를 회전한 후 후진하여 메인 플랫폼에 장착된다. 한편, 이송유닛의 중심축을 중심으로 하는 회전과 메인플랫폼의 중심축을 중심으로 하는 회전은 순서가 바뀔 수 있다.
Ⅲ. 기타 구성
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 메인플랫폼의 선단부 또는 작업 디바이스를 커버(cover)하기 위한 덮개를 추가적으로 포함할 수 있다. 덮개는 메인플랫폼의 선단부 또는 작업 디바이스의 형상과 유사하게 대략 원통형 형상으로 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 덮개는 개구부를 통과하여 작업 공간에 이르면, 후진을 하여 메인플랫폼의 선단부에 형성된 홀에 장착될 수 있다. 또한 덮개의 크기가 커지도록 구성하여 작업 디바이스가 장착되는 공간을 외부의 조직으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는, 작업 디바이스나 상기 메인플랫폼의 내부에 장착되며 상기 작업 디바이스의 조작을 가능케 하는 구동장치(driving device)를 추가적으로 포함할 수 있다. 구동장치를 구비함으로써 작업 디바이스가 작업 공간에 삽입되는 속도와 방향을 정밀하게 조절할 수 있게 한다. 예컨대, 본 발명의 장치가 내시경 장치로 사용되는 경우, 구동장치를 구비함으로써 인체에 삽입되는 내시경수술용 수술도구를 정밀하게 자동 제어하고, 인체에 삽입되는 수술기기의 속도와 방향을 정밀하게 조절하여 인체의 부상을 최소화 할 수 있다는 효과가 있다. 상기 구동 장치는 모터(motor) 또는 기어(gear)를 사용할 수 있다.
도 31은 스핀 샤프트에 동력을 전달하기 위하여 모터 또는 기어를 추가적으로 장착한 경우의 각각의 기어의 위치를 평면적으로 나타낸 모식도이며, 이들은 스핀 샤프트 또는 스핀 샤프트와 결합한 구동형 너트에 구동력을 전달한다. 연결 기어(CG; connecting gear)는 청색 곡선을 따라 이동하게 되며, 구동하려는 장치의 구동 기어(PG, N-T1 또는 N-T2; PG; 포지션너의 이동장치 기어, N-T1, N-T2; 각 작업 디바이스의 위치제어를 위한 이동장치의 구동형 너트에 형성된 기어)와 맞물리게 함으로써 원하는 장치를 움직이게 할 수 있다. 다양한 기어의 조합으로 각각의 작업 디바이스를 모터에 장착하지 않고, 최소한의 모터만 사용함으로써 작업 디바이스, 포지셔터 또는 스핀 샤프트 등에 구동력을 전달할 수 있다.
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 상기 메인플랫폼의 내부에 위치하고 있다가 상기 메인플랫폼의 외주면에 장착 가능한 작업 디바이스를 추가적으로 포함할 수 있다. 도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 메인플랫폼의 선단부에 결합되어 있다가 메인 플랫폼의 외주면에 장착된 작업 디바이스(노란색) 및 메인플랫폼의 내부에 위치하고 있다가 메인 플랫품의 외주면에 장착되는 작업 디바이스(녹색)가 함께 사용되도록 구성할 수 있다. 노란색 및 녹색의 작업 디바이스는 각각 구동하거나 기계적으로 결합하여 함께 구동 가능하며, 이 경우 보다 복잡하고 다양한 기능을 수행할 수 있다.
메인플랫폼의 내부에 장착되어 작업 공간으로 이동하는 작업 디바이스는 별도의 연결 부재로 스핀 샤프트와 연결되어 있고, 상기 연결 부재가 메인플랫폼에 형성된 별도의 스핀 샤프트 고정 홀(150) 및 내,외측 통로를 통하여 결합함으로써 작업 디바이스가 메인플랫폼에 장착될 수 있다(도 13 참조).
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 좁은 개구부를 통하여 작업 공간 내에 작업 디바이스를 삽입하여야 하는 모든 경우에 적용될 수 있으며, 예컨대, 내시경 장치 또는 수술기기를 포함한 내시경 장치에 적용될 수 있다. 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치가 내시경 장치인 경우, 작업 디바이스로서 카메라, 광원 또는 카메라 및 광원을 포함할 수 있다. 상기 카메라는 단일 또는 복수 개로 구성될 수 있으며, 렌즈, 이미지센서 및 렌즈 구동장치를 포함한다. 이미지 센서는 렌즈로부터 촬영되는 영상신호를 전기적인 디지털 영상신호로 변환시키는 역할을 하며, 렌즈 구동장치는 카메라의 줌(zoom) 및 포커스(focus) 기능을 위하여 렌즈를 구동시키는 역할을 한다. 한편, 상기 광원은 작업 공간 내를 촬영할 수 있도록 하기 위한 조명을 제공하는 역할을 한다. 상기 광원은 LED 및 반사경을 포함하며 스핀 샤프트 내부의 전력전달장치를 통해 전원을 공급받아 빛을 발생시킨다. 반사경은 LED로부터 발생되는 빛을 전방으로 반사시키는 역할을 하며, 전방 조명효과를 극대화하기 위하여 오목하게 설치될 수 있다.
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치가 내시경 장치인 경우, 작업 디바이스로서 수술 장치 또는 수술 보조 장치를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 가장 큰 특징은 최소한의 개구부 또는 투입구를 통하여 가능한 한 크고 많은 수의 작업 디바이스를 폐쇄된(또는 격리된) 작업 공간 내로 삽입하여 사용할 수 있다는 점이다. 예컨대, 본 발명의 장치에 의료용 치료도구를 장착하여 환자의 체내에 삽입하는 경우, 최소한의 절개로서 수술도구, 수술보조도구 및 카메라 등을 일시에 삽입할 수 있고, 특히 카메라의 경우 2 개 이상 삽입 가능하므로 3차원 입체 영상을 얻을 수도 있다. 종래의 기술과는 달리, 환자의 체내에 삽입되는 내시경 튜브 내에 치료도구를 장착하는 것이 아니라, 튜브의 선단부에 치료도구를 결합시킴으로써, 보다 큰 직경의 치료도구를 체내로 삽입할 수 있다. 즉, 본 발명의 장치를 사용하는 경우, 종래보다 내시경 튜브의 외벽 두께만큼 더 큰 직경의 치료도구를 환자의 체내로 삽입할 수 있는 것이다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 구성을 포함하는 메인플랫폼의 선단이나 내부에 종렬 연결된 작업 디바이스의 위치를 제어하는 위치제어장치(200)를 제공한다:
(a) 종렬 연결된 작업 디바이스의 상부 또는 하부에 장착 가능한 실린더 형상의 본체(210); 및
(b) 상기 본체 내에 형성되며 상기 작업 디바이스와 결합하여 작업 디바이스의 위치를 이동시키는 이송 유닛(transfer unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 위치제어 장치.
본 발명의 위치제어장치는 상술한 포지셔너(positioner)의 구성 및 구동 원리를 이용한 것으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
본 발명의 위치제어장치는 종렬 연결된 작업 디바이스의 위치를 제어하기 위하여 고안된 것으로서, 위치제어장치의 본체(210)는 종렬 연결된 작업 디바이스의 상부 또는 하부에 장착 가능하다. 상기 본체는 실린더 형상인 것으로 기재되어 있지만, 공지된 다양한 형상으로 변형이 가능하다.
상기 이송 유닛은 ( a ) 상기 작업 디바이스와 이송유닛을 연결하는 캡처(220), ( b ) 캡처의 회전을 위한 회전축, ( c ) 캡처의 상하 운동을 위한 구동축, ( d ) 구동형 또는 고정형 너트, ( e ) 실린더 형상의 튜브로서 T-스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어하는 가이딩 튜브(guiding tube), ( f ) 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성되며, 포지셔너 본체의 내부에 장착되며, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 가이딩 바(guiding bar), ( e ) 회전 및 상하 왕복운동이 가능한 T-스핀 샤프트(T-spin shaft)(250), 및 ( g ) 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택할 수 있으며, 하나 이상 설치할 수 있다.
본 발명의 위치제어장치는 상기 본체(210)에 결합 되어 있는 T 스핀 샤프트와 연결된 캡처(capturer)(220)를 포함한다. 캡처는 다양한 방식으로 작업 디바이스와 결합할 수 있으며, 예컨대, 캡처는 회전 운동 가능한 링크(link), 크랭크(crank) 또는 래칫(ratchet) 타입일 수 있으며, 보다 상세하게는 캡처의 내부에 작업 디바이스의 결합 돌기와 결합 가능한 홈(240)이 형성되고, 상기 결합 돌기가 홈에 끼워져 단순 결합하는 경우; 결합 돌기와 캡처가 래칫 방식으로 결합하는 경우; 결합 돌기와 캡처가 레크-피니언 방식으로 결합하는 경우; 결합 돌기와 캡처가 나사 결합하는 경우; 또는 결합 돌기와 캡처가 자석 결합하는 경우 등이 있다.
T 스핀 샤프트는 상기 작업 디바이스의 연동축으로 작동하고, 회전과 상하운동이 가능하다. 예컨대, T 스핀 샤프트는 상기 본체(201)의 내부에 장착되어, 상기 캡처와 함께 본체의 외부로 이동하여 상기 작업 디바이스의 위치를 조절할 수 있으며, 상기 작업 디바이스의 연동축(linkage axis)으로 작동할 수 있다.
본 발명의 위치제어장치는 하나 이상의 이송유닛을 포함할 수 있으며, 상기 이송유닛은 본체의 일 측에 치우쳐져 형성될 수 있다. 본 발명의 위치제어장치는 종렬로 연결된 카메라, 광원, 초음파 프로브(probe), 로봇 암, 위치 조절 장치, 수술 장치 또는 수술 보조 장치 등의 작업 디바이스 위치를 제어하는 데 사용될 수 있다.
위치제어장치의 본체(201) 외부에 결합된 스핀 샤프트 (도 29의 (1) 참조) 또는 본체(201) 내부에 결합된 스핀 샤프트는 필요에 따라 연질부, 경질부, 또는 연질부 및 경질부로 구성될 수 있다.
본 발명의 위치제어장치는 상기 작업 디바이스의 조작을 가능케 하는 구동장치를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 구동장치는 회전 및 각도 조절이 가능한 스탭 혹은 서브 모터, 모터, 렉앤 피니언 또는 기어 장치를 추가적으로 포함할 수있다.
본 발명에 따르면, 위치제어장치는 상기 이송유닛의 위치 제어를 위하여, 상기 이송유닛을 메인플랫폼의 횡축 방향 직선운동을 가능하게 하는 직선운동 유닛(예컨대, 횡샤프트(260)) 또는 직선운동 가이딩(guiding) 유닛(예컨대, 횡축 슬라이딩 채널)을 추가적으로 포함할 수 있다. 또한 위치제어 장치의 본체에 형성되어 직선 운동 유닛이나 직선 운동 가이딩 유닛과 결합하거나 이송장치에 결합하는 회전축을 추가적으로 포함한다. 상기 회전축의 중심은 메인 플랫폼의 중심축과 일치할 수 있다.
한편, 상기 위치제어장치는 상기 본체(210)의 이동장치(moving system)를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 이동장치는 (a) 구동형 또는 고정형 너트, (b) 실린더 형상의 튜브로서 스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어하는 가이딩 튜브(guiding tube), (c) 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성되며, 메인플랫폼의 외주면에 형성된 함몰 영역에 장착되며, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 가이딩 바(guiding bar), (d) 상기 본체(210)의 외부에 장착되고, 본체의 회전 및 직선 운동을 조절하며, 상기 본체의 연동축으로 작동하는 P-스핀 샤프트(P-spin shaft)(230) 및 (e) 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 위치제어장치는 상기 이송 유닛의 조작을 가능하게 하는 구동장치를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 구성을 포함하는 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)(300)를 제공한다:
(a) 작업 공간 내에 삽입되는 실린더 형상의 메인플랫폼(310)으로서, 상기 메인플랫폼의 외주면에 전기적 접촉 단자(340)가 형성되고; 및
(b) 상기 메인플랫폼의 외주면에 장착 가능한 실린더 형상의 작업 디바이스(320)로서, 상기 메인플랫폼의 외주면과 접촉하는 작업 디바이스의 접촉면에 전기적 접촉 단자(340)가 형성된다.
본 발명의 트랜스-플랫폼 장치(300)는 상술한 트랜스-플랫폼 장치(100)의 구성 및 구동 원리를 이용한 것으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
본 발명의 전기적 접촉 단자를 활용한 트랜스-플랫폼 장치(300)는 상술한 트랜스 플랫폼 장치(100)의 구동원리가 아닌 다른 구동 장치(예컨대, 대한민국 등록특허 제10-1150350호, “삼차원 내시경 수술장치”)에 의하여 메인플랫폼의 외부에 작업 디바이스가 장착되는 경우에도 적용 가능하다.
상기 트랜스-플랫폼 장치(300)는 트랜스-플랫폼 장치(100)과는 달리 스핀 샤프트 없이 포지셔너로만 위치를 제어할 수 있다는 특징이 있다.
상기 트랜스-플랫폼 장치(300)는 (ⅰ) 상기 메인플랫폼 또는 작업 디바이스의 일 측에 형성되고, 상기 작업 디바이스의 회전 및 직선 운동을 조절하며, 작업 디바이스의 연동축(linkage axis)으로 작동하는 스핀 샤프트(spin shaft)(330) 또는 (ⅱ) 상기 작업 디바이스의 메인플랫폼의 횡 방향 직선운동을 조절하는 직선운동 유닛 또는 직선운동 가이딩(guiding) 유닛을 추가적으로 포함할 수 있다. 예컨대, 직선운동 가이딩(guiding) 유닛으로서, 상기 메인플랫폼과 접촉하는 작업 디바이스의 상부면 또는 하부면에 형성되는 슬라이딩 채널(sliding channel)을 추가적으로 포함할 수 있다.
한편, 상기 트랜스-플랫폼 장치(300)는 작업 디바이스의 위치 제어를 위하여, 이송유닛을 추가적으로 포함할 수 있으며, 기본적으로 상기 이송유닛은 상술한 포지셔너에 포함된 이송유닛과 동일한 원리로 작동한다.
본 발명에 따르면, 상기 전기적 접촉 단자(340)는 (ⅰ) ‘ㄱ' 또는 ‘ㄴ’ 모양, (ⅱ) 점 모양, (ⅲ) 직사각형 모양, 또는 (ⅳ) 상기 모양들의 조합의 형태로 형성될 수 있다(도 36 참조).
한편, 상기 트랜스-플랫폼 장치(300)를 내시경 장치로서 구현하는 경우, 메인플랫폼은 인체 내부로 이동하기 때문에 필연적으로 생체 유체(biofluid) - 인체 내부에 존재하는 수분, 혈액, 침, 점액, 관절의 활액 등 -와 접촉하게 되고, 전기적 접촉단자는 전류가 흐르는 부위이므로, 상기 생체 유체와 전기적 접촉 단자의 접촉을 방지하기 위한 수단이 필요하다. 이를 위하여, 메인플랫폼의 외주면의 전체 또는 일부를 발수 물질로 코팅할 수 있다. 일부 코팅의 경우, 메인플랫폼 외주면에 형성된 전기적 접촉 단자(340)의 주위만을 발수코팅(water repellent coating) 할 수 있다. 상기 발수 코팅 물질은 왁스와 금속비누, 포름알데히드 화합물, 피리딘, 실리콘계 화합물, 불소계 화합물 등이 있으나, 본 발명의 장치는 포유류를 대상으로 사용되어야 하므로 상기 물질 들 중 생체적합성(biocompatibility) 물질이 선택되어 사용될 수 있다. 즉, 상기 발수 물질은 생체적합성(biocompatibility), 비전도성(nonconductive) 물질로서, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)의 불소 수지, 실리콘(silicone), 젤라틴 또는 고무 등을 이용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:
(a) 본 발명은 메인플랫폼 및 작업 디바이스를 포함하는 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus) 제공한다.
(b) 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치를 사용할 경우, 작업 공간 내에 최소한의 개구부를 통하여 최대 수/크기의 작업 디바이스를 삽입함으로써, 복합적이고 다양한 작업을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
(c) 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 스핀 샤프트에 별도의 연결부재를 사용하지 않아 구성이 더욱 단순화되고 조작이 더욱 간편하면서도, 작업 수단에 효율적으로 동력을 전달할 수 있다.
(d) 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치는 수술도구를 포함하는 수술용 내시경, 초음파 프로브가 장착된 초음파 보조 카테터 및 의료기기를 단일 메인플랫폼의 선단부에 장착한 다목적 로봇 암 등 다양한 의료기기 뿐 만 아니라, 엔진 룸 또는 라디에이터 내부 작업용 장치 등 다양한 분야에 적용 가능하다.
도 1은 종래의 3차원 내시경 수술 장치 및 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)의 사시도를 나타낸다.
본 발명의 ‘트랜스-플랫폼 장치’의 메인플랫폼(main platform)의 외경과 ‘3차원 내시경 수술장치’의 메인튜브(main tube)의 외경이 같다면, 각각의 선단부에 장착되는 작업 디바이스의 반지름은 다음과 같다: (1) 본 발명의 ‘트랜스-플랫폼 장치’의 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스의 반지름은 메인플랫폼의 반지름과 같으나, (2) 종래 ‘3차원 내시경 수술 장치’에 장착되는 작업 디바이스의 반지름은 메인튜브의 반지름에서 아우터 튜브(outer tube)와 이너 튜브(inner tube)의 두께 및 스핀 샤프트 홀의 지름을 제외한 길이이다. 본 발명의 장치는 메인플랫폼과 작업 디바이스의 직경이 같으므로, 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스의 직경이 ‘3차원 내시경 수술 장치’에 장착되는 작업 디바이스의 직경보다 크다.
도 2는 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스의 단면 및 입체도를 나타낸 것이다. 황색 도형은 작업 디바이스의 밑면이고, 황색 도형 안의 보라색 원은 스핀 샤프트(spine shaft)이다. 입체도는 각각 작업 디바이스를 아래에서 본 입체도 및 위에서 본 입체도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스 및 메인플랫폼의 입체도를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 트랜스-플랫폼 장치의 구성 및 각 구성의 결합 순서도를 나타낸다.
도 7은 작업 디바이스의 위치에 따른 이동을 평면적으로 나타낸 것으로서, 제 1 작업 디바이스(1st device)의 스핀 샤프트(spine shaft)와 제 2 작업 디바이스(2nd device)의 회전을 도시한 것이다. 제 1 작업 디바이스 및 스핀 샤프트의 후진 운동으로써 제 1 작업 디바이스가 메인플랫폼에 장착될 때, 제 2 작업 디바이스와 중첩되지 않아야 하므로. 제 1 작업 디바이스 및 제 1 작업 디바이스에 장착된 스핀 샤프트가 회전 및 상하 운동 가능한 일정 공간을 제외한 나머지 공간에 제 2 작업 디바이스를 위한 공간이 할당된다. 각 작업 디바이스와 메인플랫폼을 기계적으로 연결 고정하는 장치로서 스핀 샤프트 뿐 아니라, 다른 보조적인 장치를 추가적으로 포함할 수 있다.
도 8은 작업 디바이스의 위치에 따른 이동을 평면적으로 나타낸 것으로서, 제 1 작업 디바이스가 후진하여 메인 플랫폼에 장착하지 않고, 제 2 작업디바이스가 회전하는 것을 도시한 것이다. 제 1 작업 디바이스의 스핀 샤프트에 의한 회전을 방해 받지 않을 공간을 제하여 제 2 작업 디바이스의 횡단면을 설계한다.
도 9는 모든 작업 디바이스가 후진하지 않은 상태에서 회전한 후, 후진하여 메인 플랫폼에 장착하는 경우의 작업 디바이스의 횡단면과 스핀 샤프트를 도시한 것이다. 각각은 제 1 작업 디바이스(1st device)에 스핀 샤프트가 장착된 때의 평면도; 및 이전 작업 디바이스의 스핀 샤프트의 공간과 그의 회전 공간을 제외한 공간에 제 2 작업 디바이스(2nd device) 내지 제 5 작업 디바이스(5st device)의 스핀 샤프트가 장착된 때의 평면도를 나타낸다.
도 10은 각각의 작업 디바이스에 스핀 샤프트가 장착된 경우의 평면도를 나타낸 것이다. 메인플랫폼의 선단부에 장착되는 작업 디바이스는 장착되는 순서 즉 번호에 따라 순서대로 회전하여 장착되지 않을 수 있으며, 메인플랫폼의 선단부에 장착되는 모든 작업 디바이스의 스핀 샤프트의 크기는 각 작업 디바이스의 용도에 따라 달라질 수 있다. 도 10에서와 같이, 제 1 작업 디바이스와 제 2 작업 디바이스의 스핀 샤프트는 크고, 제 3 작업 디바이스 내지 제 5 작업 디바이스의 스핀 샤프트는 작으며, 회전하여 장착되는 순서가 제 2 작업 디바이스, 제 3 작업 디바이스, 제 4 작업 디바이스, 제 5 작업 디바이스 및 제 1 작업 디바이스인 경우, 각 작업 디바이스의 하부 평면도는 도 10과 같다.
도 11은 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 (a) 메인플랫폼 사시도, (b) 메인플랫폼의 상부 평면도 및 (c) 메인플랫폼의 상부 단면도를 나타낸 것이다. ( c )의 함몰된 부분에 직업 디바이스가 장착된다. 메인플랫폼의 선단부에 장착된 작업 디바이스를 스핀 샤프트를 통하여 스핀 샤프트 홀에 결합시킬 수 있다.
도 12는 인플랫폼의 내측에 장착된 작업 디바이스가 고정되는 홀이 추가로 설치된 메인플랫폼의 형상을 나타낸 것이다. 각각 (a) 메인플랫폼 사시도, (b) 메인플랫폼의 상부 평면도 및 (c) 작업 디바이스 장착부위를 일부 제외한 메인플랫폼의 상부 단면도를 나타낸다. 메인플랫폼의 선단부에 장착된 작업 디바이스를 스핀 샤프트를 통하여 스핀 샤프트 홀(a)에 결합시킬 수 있으며, 메인플랫폼의 내부에 장착된 작업 디바이스는 스핀 샤프트 홀(b)에 결합시킬 수 있다. 스핀 샤프트 홀의 크기를 다양하게 제작할 수 있으며, 작업 디바이스의 형태에 따라 장착 부위의 크기와 형태가 달라 질 수 있다. 그림에서는 메인 플랫폼의 선단부에 위치하다 장착되는 디바이스의 장착부위는 함몰되어 있고, 메인 플랫폼 내부에 위치하다 장착되는 디바이스의 장착되는 부위는 함몰이 없고, 이 경우는 미도시하였지만 디바이스에 함몰이 있다. 스핀 샤프트가 없는 디바이스인 경우가 장착될 때는 스핀 샤프트 홀이 생략될 수 있다.
도 13은 도 12의 메인 플랫폼을 확대 한 것이다.
도 14는 메인플랫폼의 선단부에 결합된 작업 디바이스 및 메인플랫폼의 내측에 포함된 작업 디바이스를 모두 장착한 경우의 사시도를 나타낸 것이다. 청색은 메인플랫폼, 노란색은 메인플랫폼의 선단부에 장착된 작업 디바이스 및 녹색은 메인플랫폼의 내부에 포함된 작업 디바이스를 나타낸다. 노란색 및 녹색의 작업 디바이스는 각각 구동하거나 기계적으로 결합하여 함께 구동 가능하며, 이 경우 보다 복잡한 기능을 수행할 수 있다.
도 15 내지 도 17은 도 14의 형태가 완성되는 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 15 내지 도 17의 과정을 순서대로 설명하면 다음과 같다:
(1) “포지셔너(a) - 작업 디바이스 1(b: 노란색) - 작업 디바이스 2(c: 보라색) - 메인플랫폼(d)”으로 구성된 본 발명의 트랜스 플랫폼 장치이다.
(2)(3)(4) 1번 작업 디바이스의 결합 돌기(g)와 포지셔너 내의 이송유닛(f ; 캡처유닛과 T 스핀 샤프트 캡처의 그림은 생략함)이 결합하여 작업 디바이스가 180˚회전하였다.
(5)(6) 포지셔너의 이송유닛과 디바이스가 캡처 유닛(g)과 스핀 샤프트(f: T-스핀 샤프트)가 결합된 상태로 후진하여 메인플랫폼의 외주면에 작업 디바이스가 결합되고 장착된다. 작업 디바이스의 장착 후 작업 디바이스의 결합 돌기와 캡처 유닛의 결합은 해체된다(캡처 유닛(g), T-스핀 샤프트(f)).
(7) 캡처 유닛과 작업 디바이스의 결합 돌기가 분리되고, T-스핀 샤프트가 포지셔너 내부로 회수된다. 이후 2번 작업 디바이스의 결합돌기와 2번 캡처 유닛이 결합한다.
(8)(9)(10) 2번 작업 디바이스가 2번 T-스핀 샤프트의 회전에 의하여 회전한다.
(11) 2번 T-스핀 샤프트가 후진하여 2번 작업 디바이스를 후진시킨다.
(12) (11)의 동작으로 메인플랫폼의 원하는 위치에 2번 작업 디바이스를 장착하지 못하는 경우, 추가적으로 P 스핀 샤프트의 회전으로 포지셔너 자체를 후진하여 2번 작업 디바이스를 더 이동 시킬 수 있다. 이후 캡처 유닛과 2번 작업 디바이스의 결합 돌기가 분리된다.
(13) 2번 작업 디바이스와 결합한 T-스핀 샤프트가 포지셔너 내부로 회수된다.
(14)(15)(16) 메인플랫폼의 내부를 통하여 3번 작업 디바이스(h: 분홍색)를 이동시켜 포지셔너 하부에 위치시킨다. 3번 작업 디바이스의 결합돌기와 포지셔너 하부의 캡처 유닛을 결합시킨다.
(17)(18)(19) 3번 캡처 유닛과 3번 작업 디바이스가 결합한 상태로 T-스핀 샤프트가 회전하여 3번 작업 디바이스를 180˚ 회전시킨다. 이때 3번 작업 디바이스는 메인플랫폼 내부를 통과하여 나왔으므로, 작업 디바이스의 돌기와 캡처 유닛이 결합된 중심축으로 회전하면, 메인플랫폼의 외주면에 3번 작업 디바이스를 장착하기가 어렵다. 도면에 도시하지 않았지만, 3번 캡처 유닛과 3번 T-스핀 샤프트의 연결은 크랭크(crank) 타입으로 연결되어, 3번 T-스핀 샤프트가 180˚ 회전하면, 3번 작업 디바이스는 메인플랫폼의 외주면에 장착될 수 있는 위치가 된다.
(20);P-스핀 샤프트(e)의 나사운동을 통하여 포지셔너를 후진하여, 3번 작업 디바이스를 후진시키고, 메인플랫폼에 장착한다.
(21) 내지 (27) 상기 (14) 내지 (20)과 동일한 과정에 의해 4번 작업 디바이스(i: 녹색)가 메인플랫폼에 장착된다.
(28) 4번 캡처 유닛과 4번 작업 디바이스의 결합돌기의 결합이 풀린다.
(29)(30)(31) P-스핀 샤프트의 회전으로 포지셔너가 180˚회전한다.
(32) P-스핀 샤프트의 나사운동을 통하여, 포지셔너가 후진하여 메인플랫폼의 외주면에 장착된다.
도 18은 스핀 샤프트의 나사운동을 위한 구성 중 스핀 샤프트 및 너트의 결합을 나타낸 것이다. 스핀 샤프트(1)에는 수나사 산이 설치되어 있고, 가이딩 튜브에서 사용되는 유도 돌기가 형성되어 있다. 스핀 샤프트의 말단에는 필요 따라 동력 전달용 기어나 캡처 유닛 등이 결합될 수 있다. (2) 및 (3)은 너트의 입체도 및 단면도를 나타낸다. 너트의 내면은 암나사 산이 형성되고, 외면은 필요에 따라 기어가 설치되거나 다른 구조물에 결합될 수 있다. 도면에서는 기어가 설치되었다. (4)는 너트와 스핀 샤프트가 결합된 입체도를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 가이딩 튜브(guiding tube)로서, 유도 돌기가 이동 가능한 가이딩 그루브(guiding groove)가 형성되어 있다. 가이딩 그루브는 목적에 맞게 다양하게 형태를 만들 수 있다.
도 20은 이동장치(moving system)가 메인플랫폼 내에 형성되는 경우이며, 나사운동을 하는 스핀 샤프트와 너트 및 가이딩 튜브를 도시하였다. 스핀 샤프트의 상단은 작업 디바이스(미도시)나 포지셔너(미도시)가 결합되고, 너트와 가이딩 튜브는 메인 플랫폼에 위치하고, 너트는 메인 플랫폼에 위치하는 모터와 기어(미도시)를 통하여 구동된다. 구동형 너트를 회전시킴으로써 스핀 샤프트의 나사운동을 발생시키고, 스핀 샤프트의 회전 및 상하직선 운동은 가이딩 튜브에 의하여 결정된다. ( 1 )은 가이딩 튜브를 도시한 것이고, 적색(전면부)과 분홍색(후면부)으로 표시된 부분은 도형은 가이딩 그루브를 나타낸다. (2)는 초기 작업 디바이스나 포지셔너의 위치의 스핀 샤프트와 가이딩 튜브의 위치이고, 구동형 너트가 시계방향으로 회전하면, 스핀 샤프트가 위로 올라간다(3). 구동형 너트가 반 시계방향으로 회전하면, 스핀 샤프트는 다시 (2)의 위치에 도달하고, 계속 반 시계방향으로 회전하게 되면 (4)의 위치로 회전하게 되어 작업 디바이스나 포지셔너가 180도 회전하게 된다. 이후 구동형 너트가 계속 반 시계방향으로 회전하게 되면, 스핀 샤프트는 아래로 내려가 ( 5 )으 위치로 가게 되어 메인 플랫폼에 장착되게 된다. 위의 과정이 역순으로도 성립하여, 스핀 샤프트 및 스핀 샤프트에 결합된 작업 디바이스의 위치를 조절할 수 있다. 그리고 가이딩 글루브에 따라 회전과 전진과 후진의 거리를 조절할 수 있다.
도 21은 본 발명의 가이딩 바(guiding bar)의 입체도를 나타낸다. 가이딩 바는 대략 실린더 형태의 상부(a)와 하부(b)를 갖고 있고, 이 두 실린더를 연결하여 주는 두 개의 기둥(c)으로 구성되어 있다. 가이딩 바는 메인플랫폼에 형성된 함몰 영역에 장착되어 사용되므로 함몰 영역의 형상에 맞도록 설계된다. 따라서 가이딩 바는 완전한 실린더 형상이 아닌, 도 21에서와 같이 양 쪽 단부가 뾰족한 타원형 형상의 밑면을 가지는 대략 원기둥 형상이다. 이러한 설계는 작업 디바이스와 메인플랫폼이 밀착되는 형태에서 빈 공간의 공간 활용을 극대화 한 것이다.
상부 실린더는 스핀 샤프트가 통과하는 홀과 연결 쐐기(connection wedge)의 결합 부위가 형성된다. 하부 실린더에는 스핀 샤프트가 통과하는 홈이 있으며, 내부에는 스핀 샤프트 팁(spine shaft tip)이 위치할 수 있는 공간이 있다. 이로써, 가이딩 바는 스핀 샤프트와 결합되어 상하운동은 같이 하나, 스핀 샤프트의 회전 운동은 저해하지 않는다.
도 22는 가이딩 바의 하부 실린더 내부를 나타낸 것이다. 하부 실린더와 스핀 샤프트는 스핀 샤프트 팁을 하부 실린더가 감싸는 형태로 고정되어 있어, 직선 상하 운동은 맞물려 같이 움직이고, 스핀 샤프트의 회전운동은 하부실린더 내부에서 미끄러져 이루어지도록 설계한다.
도 23은 작업 디바이스에 스핀 샤프트, 연결 쐐기(connecting wedge) 및 회전 쐐기(rotation wedge)가 형성된 모식도이다. 연결 쐐기는 가이딩 바와 작업 디바이스를 연결하여 결합시키는 역할을 한다. 스핀 샤프트에 동력을 전달하기 위하여 모터 또는 기어를 추가적으로 장착할 수 있다. 모터 또는 기어는 스핀 샤프트 또는 스핀 샤프트와 결합한 구동형 너트에 회전력을 전달한다. 작업 디바이스에 형성된 함몰 영역은 가이딩 바와 맞물려 메인플랫폼에 결합하게 된다. 함몰영역에는 가이딩 바와 작업 디바이스를 기계적으로 연결해 주는 연결 쐐기가 형성될 수 있다. 스핀샤프트 팁은 가이딩 바의 하부 실린더와 결합한다.
도 24의 (1)은 가이딩 바와 스핀 샤프트가 통과하는 공간이 형성된 경우의 메인플랫폼의 형상을 나타낸 것이다(도 24의 (1) 참조). 도 24의 (2)는 가이딩 바 이외에 너트가 추가적으로 형성된 경우, 메인플랫폼의 내부를 나타낸다. 스핀 샤프트와 맞물리는 암나사가 형성된 너트가 메인플랫폼의 함몰영역에 형성되어 있다.
도 25 내지 도 26은 이동장치가 메인플랫폼 및 작업 디바이스에 복합적으로 형성되는 경우를 나타낸다. 메인플랫폼의 함몰영역에는 고정형 너트가 형성되고, 가이딩 바와 스핀 샤프트가 삽입되는 공간이 형성되어 있다. 작업 디바이스에는 회전쐐기 및 연결쐐기가 형성되어 있고, 작업 디바이스에 결합된 스핀 샤프트의 말단에는 스핀 샤프트 팁이 형성되어 있다. 도 25는 각각 (1) 메인플랫폼의 외형, (2) 가이딩 바(Guiding bar), (3) 작업 디바이스(회전 쐐기, 연결 쐐기, 스핀 샤프트, 스핀 샤프트 팁이 형성됨), 및 (4) 상기 (1),(2) 및 (3)이 결합된 모습을 나타낸다.
도 26은 도 25 (4)의 측면도이다. 스핀 샤프트는 스핀샤프트 기어와 결합되어 있고, 회전 가능하게 작업 디바이스에 고정 설치되고, 작업 디바이스에 설치된 구동 장치(미도시)에 의하여 스핀 샤프트는 회전하게 된다.
도 27은 상기 작업 디바이스 이동장치가 메인플랫폼 및 작업 디바이스에 복합적으로 형성되는 경우, 작업 디바이스의 구동을 모식적으로 나타낸 것이다. (A-1) 내지 (A-2)는 스핀 샤프트가 회전함으로써 메인 플랫폼 선단에서 작업 디바이스가 전진과 후진하는 그림으로, 작업 디바이스, 스핀 샤프트, 가이딩 바, 연결쐐기가 결합되어 함께 움직이는 것을 나타낸다. 가이딩 바는 스핀 샤프트의 회전력을 방해하여 직선 운동을 하게 하며, 연결쐐기는 작업 디바이스가 임의로 회전하지 않도록 가이딩 바와 작업 디바이스를 기계적으로 결합시키는 역할을 한다. 이로써 작업 디바이스는 회전운동 없이 전진과 후진 운동을 할 수 있다. (A-3)은 작업 디바이스를 메인플랫폼의 외주면에 장착하기 위해, 연결쐐기를 가이딩 바이서 분리한 것을 나타낸다. 이로써 스핀 샤프트는 회전운동이 가능하다. (A-4)는 작업 디바이스가 180도 회전하게 되면, 회전쐐기가 메인플랫폼의 외주면에 닿게 되어 회전이 멈춘다. 스핀 샤프트의 나사운동은 다시 직선운동으로 변환되어, 작업 디바이스는 180도 회전한 채로 메인플랫폼의 장착부를 따라 후진하게 된다. 작업 디바이스가 후진하여 (A-5)의 위치에 이르는 경우 메인플랫폼의 외주면에 완전히 장착된다. 이후 작업 디바이스를 회수하는 것은 (A-1) 내지 (A-5)가 역순으로 진행된다.
도 28은 회전 쐐기가 회전 각도를 조절하는 메카니즘을 평면적으로 나타낸 모식도이다. 메인플랫폼의 외주면과 접촉하는 포지셔너의 일 측에 회전 쐐기가 형성될 수 있다. 회전 쐐기의 높이는 최소한으로 하여 포지셔너의 회전 시 다른 구조에 영향을 주거나, 방해받지 않도록 한다. (2)는 회전하기 전의 상태이고, (3) 내지 (8)은 포지셔너(파란색)의 위치변화를 위에서 본 그림을 나타낸다. 포지셔너는 스핀 샤프트를 중심축으로 시계 방향으로 회전한다. 포지셔너가 180도 회전 하였을 때 메인 플랫폼의 외벽에 회전 쐐기가 걸려 회전을 멈추게 된다(8). 위 메카니즘은 작업 디바이스에서도 적용된다.
도 29는 본 발명의 포지셔너의 입체도 및 정면도를 나타낸다. 포지셔너에 P 스핀 샤프트, 연결 쐐기(connecting wedge), 회전 쐐기(rotation wedge) 및 캡처(capture)가 결합되어 있다. 캡처는 일반적으로 실린더 형상일 수 있지만, 도 29에 나타난 것처럼 회전 운동 가능한 링크(link) 또는 크랭크(crank) 타입일 수 있다. 캡처는 작업 디바이스의 상부 면에 형성된 결합 돌기와 결합된다. 도면에 도시하지 않았지만, 캡처의 상부에는 T-스핀 샤프트가 결합되어 있다.
도 30은 캡처 유닛의 작동 순서를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 31은 스핀 샤프트에 동력을 전달하기 위하여 모터 또는 기어를 추가적으로 장착한 경우의 각각의 기어의 위치를 평면적으로 나타낸 모식도이며, 이들은 스핀 샤프트 또는 스핀 샤프트와 결합한 구동형 너트에 구동력을 전달한다. 연결 기어(CG; connecting gear)는 청색 곡선을 따라 이동하게 되며, 구동하려는 장치의 구동 기어(N-T1 또는 N-T2; 각 작업 디바이스의 위치제어를 위한 이동장치의 구동형 너트에 형성된 기어)와 맞물리게 함으로써 원하는 장치를 움직이게 할 수 있다. 다양한 기어의 조합으로 각각의 작업 디바이스에 모터를 장착하지 않고, 최소한의 모터만 사용함으로써 작업 디바이스, 포지셔터 또는 스핀 샤프트 등에 구동력을 전달할 수 있다. 스핀 샤프트의 기어는 구동 모터의 기어(connecting gear, CG)와 연결되거나(도 31b 참조) 또는 너트 자체의 구동에 의하여 나사운동이 가능하다(도 31a 그림 참조). 각각의 기어는 한 평면에 있는 것처럼 도시되어 있지만, 실질적으로 각 기어는 서로 다른 높이에 위치할 수 있으며, 예컨대, 감속 기어와 모터기어는 같은 높이에 위하고, 포지셔너 기어나 이송장치 기어는 서로 다른 높이에 위치하고 있다가 감속기어와 같은 높이에 위하게 되면 서로 맞물려 동력을 전달 받게 된다. PG (positioner gear): 포지셔너 스핀 샤프트의 기어, MG (motor gear): 모터 기어, RG (reducing gear): 감속 기어, CG (connecting gear): 연결 기어, N-T1 및 N-T2 (Nut-transfer 1, Nut-transfer 2): 1번 및 2번 작업 디바이스의 이송용 장치의 구동 너트.
도 32는 2번 작업 디바이스 및 포지셔너의 2번 캡처 유닛이 결합한 모습을 나타낸다. 작업 디바이스가 캡처 유닛에 선택적으로 결합하는 방법은 작업 디바이스의 결합 돌기와 캡처 유닛의 위치에 의하여 결정된다.
도 33a, 33b 및 33c는 전기적 접촉 단자가 형성된 장치를 모식적으로 나타낸 것이다. 노란색 선은 메인플랫폼의 외벽의 내부로서 함몰 또는 절연체로 코팅될 수 있으며, 적색선은 외부로 노출되어 있다. 메인플랫폼의 외측에 전기적 신호를 전달하는 도체를 형성하여 외부에 전기적 신호를 작업 디바이스 등에 전달하게 하고, 작업 디바이스와 밀착 결합하는 부위에도 전기적 접촉 단자를 형성하여 작업 디바이스에 전기 신호를 전달할 수 있다. 도 33a는 스핀 샤프트가 있는 작업 디바이스가 메인 플랫폼의 선단부에 위치하는 경우의 전기적 접촉단자를 나타낸다. 메인플랫폼의 외측에 전기적 신호를 전달하는 도체를 삽입하여 외부로부터의 전기적 신호를 전달하게 하고, 작업 디바이스와 밀착 결합하는 부위에 전기적 신호를 전달할 수 있다. 도 33b는 스핀 샤프트가 없는 작업 디바이스가 메인 플랫폼의 내부에 위치하는 경우의 예시를 나타낸다. 도 33c는 스핀 샤프트가 있는 작업 디바이스가 메인 플랫폼 내부에 위치하는 경우의 예시를 나타낸다.
도 34는 수동형 디바이스를 이송하는 이송 유닛(transfer unit) 및 이의 구동 모습을 나타낸 것이다. 이송 유닛은 가이딩 그루브(groove)가 형성된 가이딩 튜브, 유도 돌기가 형성된 수동형 디바이스 이송용 스핀 샤프트(T 스핀 샤프트), 구동형 너트 및 캡처로 이루어져 있다.
도 35는 내부에 고정형 이송 유닛(도 34의 이송 유닛)을 포함하는 위치 제어 장치(200)의 예를 나타낸다. 이는 스핀 샤프트가 있는 수동형 작업 디바이스의 이송을 하는 장치이다.
도 36은 내부에 이동형 이송 유닛(도 34의 이송 유닛)을 포함하는 위치 제어 장치의 예를 나타낸다. 이송 유닛은 본체에 형성된 회전축에 연결 결합되어 있어, 이송 유닛은 원호(청색선)을 따라 이동 가능하며, 각각의 위치에서 작업 디바이스와 캡처를 결합시켜 작업 디바이스의 위치를 변경할 수 있다.
도 37은 위치 제어 장치(200)의 내부에서 (1) 나사가 설치된 횡샤프트(a) 및 횡샤프트에 맞물려 있는 이송너트(b)가 설치된 모습; 횡샤프트(a)는 구동 장치(미도시)와 연결 되어 있고, 또한 위치 제어 장치에 설치된 회전축(미도시)과 연결되어 있다. 청색의 원호는 회전축을 중심으로 회전하여 횡샤프트가 지날 수 있는 원호를 표시한 것이다. 대략적으로 위치제어 장치에 있는 함몰된 부분이 원에서 제한 원호상이다. (2) 연결부재(c)가 설치된 모습; 연결 부재의 말단의 하늘색의 원형의 위치에 이송 유닛과 결합하고, 다른 말단의 반대 면에는 이송너트와 결합한다. 및 (3) 이송 유닛(d)이 설치된 모습; 이송유닛은 연결부재의 말단에 결합하고, 횡샤프트의 종축방향과 이송유닛의 종축 방향이 수직이 되게 결합 한다.
도 38은 도 37의 (3)의 확대된 그림이고, 도 37과 38의 캡처의 형태는 도 36의 형태와 다른 것은 디바이스의 형태에 따라 적절한 캡처의 형태를 갖는 것을 보여 준다.
도 39는 횡샤프트가 설치된 이동형 이송 유닛이 장착된 위치제어 장치의 입체도와 상기 위치 제어장치가 설치된 트랜스 플랫폼 장치에서 작업 디바이스, 위치제어 장치의 이송 너트에 설치되는 연결 부재와 메인 플랫폼을 종축에서 바라보는 위치를 오버랩하여 표현 하였다. 연결부재에 이송유닛이 결합되는 위치와 이송너트가 결합되는 위치를 표시하여 입체적인 이해를 돕고자 하였다. (1)은 위치제어장치와 작업 디바이스가 결합된 초기 상태로, 이 상태로 메인플랫폼 내부의 작업 디바이스를 상승시켜 메인플랫폼 외부로 이동시킨다. 이때 연결부재의 이송 너트의 결합부위는 위치제어장치의 일측에 치우쳐 있고, 이송유닛의 결합부위는 좀 더 안쪽에 위치하여 위치제어장치의 가이딩바의 위치와 겹치지 않게 된다. (2)는 그림 (1)의 화살표 방향으로 이송너트가 이동하여 이송너트가 횡샤프트의 말단까지 도달한 모습이다. 이송너트에 연결된 연결부재의 이송유닛의 결합부위가 메인플랫폼의 횡단면 밖으로 나가게 된다. 즉 이송유닛이 위치제어장치의 밖으로 이동하고, 회전축을 중심으로 회전할 경우 위치제어장치에 걸리지 않게 된다. (3)는 그림 (2)의 화살표 방향으로 이송유닛이 회전한 결과이다. 이송유닛의 회전은 횡샤프트에 연결된 회전축이 메인플랫폼의 중심축을 중심으로 하여 회전하게 되어 일어난다. 회전의 결과로 작업디바이스가 메인플랫폼에 장착할 수 있는 위치로 이동하게 된다. 이후 이송유닛의 하향 직선 운동을 통하여 작업디바이스를 메인플랫폼에 장착하게 된다. 작업디바이스를 메인플랫폼에서 제거할 경우는 역순으로 진행하여 제거가 가능하다.
도 40은 메인플랫폼 내에 위치제어장치와 스핀 샤프트가 없는 작업 디바이스가 위치하는 경우, 위치제어 장치가 작업 디바이스 하방에서 위치제어를 하는 것을 종축 방향에서 본 평면도이다. 상기 위치제어장치는 일측에 회전이나 상하운동이 가능한 이송유닛이 설치되어 있고, 상기 이송유닛은 위치제어장치에 설치된 회전축에 연결결합 되어 있다. (a) 작업 디바이스와 이송 유닛이 결합한 상태로, 위치제어장치의 본체는 작업 디바이스에 가려 보이지 않는다. 이 상태로 전진하여 메인플랫폼 밖으로 작업 디바이스를 이동시키고(청색 원: 메인플랫폼, 적색 도형: 작업 디바이스, 황색 원: 이송 유닛, 청색 도형: 캡처); (b) 이송 유닛을 180도 회전한 상태로 작업 디바이스의 장착면이 메인 플랫폼의 중심축을 중심으로 회전 시킬 경우 항상 메인플랫폼의 장착면이 서로 밀착할 수 있는 위치가 된다.; 및 (c) 이송 유닛이 연결된 회전축을 일정 각도(90도) 회전한 상태로, 작업디바이스의 장착면과 메인플랫폼의 장착면이 동일 종축상에 위치하게 된다. 이때 회전의 중심은 메인플랫폼의 중심축이다. 이후 이송유닛을 후진하여 작업 디바이스를 메인플랫폼에 장착한다. 90도 뿐 아니라 어떤 각도로 회전 하여도 메인 플랫폼에 후진하여 장착 가능한 위치가 되어 작업 디바이스를 적절한 위치에 장착할 수 있다.
본 발명의 ‘트랜스-플랫폼 장치’의 메인플랫폼(main platform)의 외경과 ‘3차원 내시경 수술장치’의 메인튜브(main tube)의 외경이 같다면, 각각의 선단부에 장착되는 작업 디바이스의 반지름은 다음과 같다: (1) 본 발명의 ‘트랜스-플랫폼 장치’의 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스의 반지름은 메인플랫폼의 반지름과 같으나, (2) 종래 ‘3차원 내시경 수술 장치’에 장착되는 작업 디바이스의 반지름은 메인튜브의 반지름에서 아우터 튜브(outer tube)와 이너 튜브(inner tube)의 두께 및 스핀 샤프트 홀의 지름을 제외한 길이이다. 본 발명의 장치는 메인플랫폼과 작업 디바이스의 직경이 같으므로, 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스의 직경이 ‘3차원 내시경 수술 장치’에 장착되는 작업 디바이스의 직경보다 크다.
도 2는 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스의 단면 및 입체도를 나타낸 것이다. 황색 도형은 작업 디바이스의 밑면이고, 황색 도형 안의 보라색 원은 스핀 샤프트(spine shaft)이다. 입체도는 각각 작업 디바이스를 아래에서 본 입체도 및 위에서 본 입체도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 메인플랫폼에 장착되는 작업 디바이스 및 메인플랫폼의 입체도를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 트랜스-플랫폼 장치의 구성 및 각 구성의 결합 순서도를 나타낸다.
도 7은 작업 디바이스의 위치에 따른 이동을 평면적으로 나타낸 것으로서, 제 1 작업 디바이스(1st device)의 스핀 샤프트(spine shaft)와 제 2 작업 디바이스(2nd device)의 회전을 도시한 것이다. 제 1 작업 디바이스 및 스핀 샤프트의 후진 운동으로써 제 1 작업 디바이스가 메인플랫폼에 장착될 때, 제 2 작업 디바이스와 중첩되지 않아야 하므로. 제 1 작업 디바이스 및 제 1 작업 디바이스에 장착된 스핀 샤프트가 회전 및 상하 운동 가능한 일정 공간을 제외한 나머지 공간에 제 2 작업 디바이스를 위한 공간이 할당된다. 각 작업 디바이스와 메인플랫폼을 기계적으로 연결 고정하는 장치로서 스핀 샤프트 뿐 아니라, 다른 보조적인 장치를 추가적으로 포함할 수 있다.
도 8은 작업 디바이스의 위치에 따른 이동을 평면적으로 나타낸 것으로서, 제 1 작업 디바이스가 후진하여 메인 플랫폼에 장착하지 않고, 제 2 작업디바이스가 회전하는 것을 도시한 것이다. 제 1 작업 디바이스의 스핀 샤프트에 의한 회전을 방해 받지 않을 공간을 제하여 제 2 작업 디바이스의 횡단면을 설계한다.
도 9는 모든 작업 디바이스가 후진하지 않은 상태에서 회전한 후, 후진하여 메인 플랫폼에 장착하는 경우의 작업 디바이스의 횡단면과 스핀 샤프트를 도시한 것이다. 각각은 제 1 작업 디바이스(1st device)에 스핀 샤프트가 장착된 때의 평면도; 및 이전 작업 디바이스의 스핀 샤프트의 공간과 그의 회전 공간을 제외한 공간에 제 2 작업 디바이스(2nd device) 내지 제 5 작업 디바이스(5st device)의 스핀 샤프트가 장착된 때의 평면도를 나타낸다.
도 10은 각각의 작업 디바이스에 스핀 샤프트가 장착된 경우의 평면도를 나타낸 것이다. 메인플랫폼의 선단부에 장착되는 작업 디바이스는 장착되는 순서 즉 번호에 따라 순서대로 회전하여 장착되지 않을 수 있으며, 메인플랫폼의 선단부에 장착되는 모든 작업 디바이스의 스핀 샤프트의 크기는 각 작업 디바이스의 용도에 따라 달라질 수 있다. 도 10에서와 같이, 제 1 작업 디바이스와 제 2 작업 디바이스의 스핀 샤프트는 크고, 제 3 작업 디바이스 내지 제 5 작업 디바이스의 스핀 샤프트는 작으며, 회전하여 장착되는 순서가 제 2 작업 디바이스, 제 3 작업 디바이스, 제 4 작업 디바이스, 제 5 작업 디바이스 및 제 1 작업 디바이스인 경우, 각 작업 디바이스의 하부 평면도는 도 10과 같다.
도 11은 본 발명의 트랜스-플랫폼 장치의 (a) 메인플랫폼 사시도, (b) 메인플랫폼의 상부 평면도 및 (c) 메인플랫폼의 상부 단면도를 나타낸 것이다. ( c )의 함몰된 부분에 직업 디바이스가 장착된다. 메인플랫폼의 선단부에 장착된 작업 디바이스를 스핀 샤프트를 통하여 스핀 샤프트 홀에 결합시킬 수 있다.
도 12는 인플랫폼의 내측에 장착된 작업 디바이스가 고정되는 홀이 추가로 설치된 메인플랫폼의 형상을 나타낸 것이다. 각각 (a) 메인플랫폼 사시도, (b) 메인플랫폼의 상부 평면도 및 (c) 작업 디바이스 장착부위를 일부 제외한 메인플랫폼의 상부 단면도를 나타낸다. 메인플랫폼의 선단부에 장착된 작업 디바이스를 스핀 샤프트를 통하여 스핀 샤프트 홀(a)에 결합시킬 수 있으며, 메인플랫폼의 내부에 장착된 작업 디바이스는 스핀 샤프트 홀(b)에 결합시킬 수 있다. 스핀 샤프트 홀의 크기를 다양하게 제작할 수 있으며, 작업 디바이스의 형태에 따라 장착 부위의 크기와 형태가 달라 질 수 있다. 그림에서는 메인 플랫폼의 선단부에 위치하다 장착되는 디바이스의 장착부위는 함몰되어 있고, 메인 플랫폼 내부에 위치하다 장착되는 디바이스의 장착되는 부위는 함몰이 없고, 이 경우는 미도시하였지만 디바이스에 함몰이 있다. 스핀 샤프트가 없는 디바이스인 경우가 장착될 때는 스핀 샤프트 홀이 생략될 수 있다.
도 13은 도 12의 메인 플랫폼을 확대 한 것이다.
도 14는 메인플랫폼의 선단부에 결합된 작업 디바이스 및 메인플랫폼의 내측에 포함된 작업 디바이스를 모두 장착한 경우의 사시도를 나타낸 것이다. 청색은 메인플랫폼, 노란색은 메인플랫폼의 선단부에 장착된 작업 디바이스 및 녹색은 메인플랫폼의 내부에 포함된 작업 디바이스를 나타낸다. 노란색 및 녹색의 작업 디바이스는 각각 구동하거나 기계적으로 결합하여 함께 구동 가능하며, 이 경우 보다 복잡한 기능을 수행할 수 있다.
도 15 내지 도 17은 도 14의 형태가 완성되는 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 도 15 내지 도 17의 과정을 순서대로 설명하면 다음과 같다:
(1) “포지셔너(a) - 작업 디바이스 1(b: 노란색) - 작업 디바이스 2(c: 보라색) - 메인플랫폼(d)”으로 구성된 본 발명의 트랜스 플랫폼 장치이다.
(2)(3)(4) 1번 작업 디바이스의 결합 돌기(g)와 포지셔너 내의 이송유닛(f ; 캡처유닛과 T 스핀 샤프트 캡처의 그림은 생략함)이 결합하여 작업 디바이스가 180˚회전하였다.
(5)(6) 포지셔너의 이송유닛과 디바이스가 캡처 유닛(g)과 스핀 샤프트(f: T-스핀 샤프트)가 결합된 상태로 후진하여 메인플랫폼의 외주면에 작업 디바이스가 결합되고 장착된다. 작업 디바이스의 장착 후 작업 디바이스의 결합 돌기와 캡처 유닛의 결합은 해체된다(캡처 유닛(g), T-스핀 샤프트(f)).
(7) 캡처 유닛과 작업 디바이스의 결합 돌기가 분리되고, T-스핀 샤프트가 포지셔너 내부로 회수된다. 이후 2번 작업 디바이스의 결합돌기와 2번 캡처 유닛이 결합한다.
(8)(9)(10) 2번 작업 디바이스가 2번 T-스핀 샤프트의 회전에 의하여 회전한다.
(11) 2번 T-스핀 샤프트가 후진하여 2번 작업 디바이스를 후진시킨다.
(12) (11)의 동작으로 메인플랫폼의 원하는 위치에 2번 작업 디바이스를 장착하지 못하는 경우, 추가적으로 P 스핀 샤프트의 회전으로 포지셔너 자체를 후진하여 2번 작업 디바이스를 더 이동 시킬 수 있다. 이후 캡처 유닛과 2번 작업 디바이스의 결합 돌기가 분리된다.
(13) 2번 작업 디바이스와 결합한 T-스핀 샤프트가 포지셔너 내부로 회수된다.
(14)(15)(16) 메인플랫폼의 내부를 통하여 3번 작업 디바이스(h: 분홍색)를 이동시켜 포지셔너 하부에 위치시킨다. 3번 작업 디바이스의 결합돌기와 포지셔너 하부의 캡처 유닛을 결합시킨다.
(17)(18)(19) 3번 캡처 유닛과 3번 작업 디바이스가 결합한 상태로 T-스핀 샤프트가 회전하여 3번 작업 디바이스를 180˚ 회전시킨다. 이때 3번 작업 디바이스는 메인플랫폼 내부를 통과하여 나왔으므로, 작업 디바이스의 돌기와 캡처 유닛이 결합된 중심축으로 회전하면, 메인플랫폼의 외주면에 3번 작업 디바이스를 장착하기가 어렵다. 도면에 도시하지 않았지만, 3번 캡처 유닛과 3번 T-스핀 샤프트의 연결은 크랭크(crank) 타입으로 연결되어, 3번 T-스핀 샤프트가 180˚ 회전하면, 3번 작업 디바이스는 메인플랫폼의 외주면에 장착될 수 있는 위치가 된다.
(20);P-스핀 샤프트(e)의 나사운동을 통하여 포지셔너를 후진하여, 3번 작업 디바이스를 후진시키고, 메인플랫폼에 장착한다.
(21) 내지 (27) 상기 (14) 내지 (20)과 동일한 과정에 의해 4번 작업 디바이스(i: 녹색)가 메인플랫폼에 장착된다.
(28) 4번 캡처 유닛과 4번 작업 디바이스의 결합돌기의 결합이 풀린다.
(29)(30)(31) P-스핀 샤프트의 회전으로 포지셔너가 180˚회전한다.
(32) P-스핀 샤프트의 나사운동을 통하여, 포지셔너가 후진하여 메인플랫폼의 외주면에 장착된다.
도 18은 스핀 샤프트의 나사운동을 위한 구성 중 스핀 샤프트 및 너트의 결합을 나타낸 것이다. 스핀 샤프트(1)에는 수나사 산이 설치되어 있고, 가이딩 튜브에서 사용되는 유도 돌기가 형성되어 있다. 스핀 샤프트의 말단에는 필요 따라 동력 전달용 기어나 캡처 유닛 등이 결합될 수 있다. (2) 및 (3)은 너트의 입체도 및 단면도를 나타낸다. 너트의 내면은 암나사 산이 형성되고, 외면은 필요에 따라 기어가 설치되거나 다른 구조물에 결합될 수 있다. 도면에서는 기어가 설치되었다. (4)는 너트와 스핀 샤프트가 결합된 입체도를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 가이딩 튜브(guiding tube)로서, 유도 돌기가 이동 가능한 가이딩 그루브(guiding groove)가 형성되어 있다. 가이딩 그루브는 목적에 맞게 다양하게 형태를 만들 수 있다.
도 20은 이동장치(moving system)가 메인플랫폼 내에 형성되는 경우이며, 나사운동을 하는 스핀 샤프트와 너트 및 가이딩 튜브를 도시하였다. 스핀 샤프트의 상단은 작업 디바이스(미도시)나 포지셔너(미도시)가 결합되고, 너트와 가이딩 튜브는 메인 플랫폼에 위치하고, 너트는 메인 플랫폼에 위치하는 모터와 기어(미도시)를 통하여 구동된다. 구동형 너트를 회전시킴으로써 스핀 샤프트의 나사운동을 발생시키고, 스핀 샤프트의 회전 및 상하직선 운동은 가이딩 튜브에 의하여 결정된다. ( 1 )은 가이딩 튜브를 도시한 것이고, 적색(전면부)과 분홍색(후면부)으로 표시된 부분은 도형은 가이딩 그루브를 나타낸다. (2)는 초기 작업 디바이스나 포지셔너의 위치의 스핀 샤프트와 가이딩 튜브의 위치이고, 구동형 너트가 시계방향으로 회전하면, 스핀 샤프트가 위로 올라간다(3). 구동형 너트가 반 시계방향으로 회전하면, 스핀 샤프트는 다시 (2)의 위치에 도달하고, 계속 반 시계방향으로 회전하게 되면 (4)의 위치로 회전하게 되어 작업 디바이스나 포지셔너가 180도 회전하게 된다. 이후 구동형 너트가 계속 반 시계방향으로 회전하게 되면, 스핀 샤프트는 아래로 내려가 ( 5 )으 위치로 가게 되어 메인 플랫폼에 장착되게 된다. 위의 과정이 역순으로도 성립하여, 스핀 샤프트 및 스핀 샤프트에 결합된 작업 디바이스의 위치를 조절할 수 있다. 그리고 가이딩 글루브에 따라 회전과 전진과 후진의 거리를 조절할 수 있다.
도 21은 본 발명의 가이딩 바(guiding bar)의 입체도를 나타낸다. 가이딩 바는 대략 실린더 형태의 상부(a)와 하부(b)를 갖고 있고, 이 두 실린더를 연결하여 주는 두 개의 기둥(c)으로 구성되어 있다. 가이딩 바는 메인플랫폼에 형성된 함몰 영역에 장착되어 사용되므로 함몰 영역의 형상에 맞도록 설계된다. 따라서 가이딩 바는 완전한 실린더 형상이 아닌, 도 21에서와 같이 양 쪽 단부가 뾰족한 타원형 형상의 밑면을 가지는 대략 원기둥 형상이다. 이러한 설계는 작업 디바이스와 메인플랫폼이 밀착되는 형태에서 빈 공간의 공간 활용을 극대화 한 것이다.
상부 실린더는 스핀 샤프트가 통과하는 홀과 연결 쐐기(connection wedge)의 결합 부위가 형성된다. 하부 실린더에는 스핀 샤프트가 통과하는 홈이 있으며, 내부에는 스핀 샤프트 팁(spine shaft tip)이 위치할 수 있는 공간이 있다. 이로써, 가이딩 바는 스핀 샤프트와 결합되어 상하운동은 같이 하나, 스핀 샤프트의 회전 운동은 저해하지 않는다.
도 22는 가이딩 바의 하부 실린더 내부를 나타낸 것이다. 하부 실린더와 스핀 샤프트는 스핀 샤프트 팁을 하부 실린더가 감싸는 형태로 고정되어 있어, 직선 상하 운동은 맞물려 같이 움직이고, 스핀 샤프트의 회전운동은 하부실린더 내부에서 미끄러져 이루어지도록 설계한다.
도 23은 작업 디바이스에 스핀 샤프트, 연결 쐐기(connecting wedge) 및 회전 쐐기(rotation wedge)가 형성된 모식도이다. 연결 쐐기는 가이딩 바와 작업 디바이스를 연결하여 결합시키는 역할을 한다. 스핀 샤프트에 동력을 전달하기 위하여 모터 또는 기어를 추가적으로 장착할 수 있다. 모터 또는 기어는 스핀 샤프트 또는 스핀 샤프트와 결합한 구동형 너트에 회전력을 전달한다. 작업 디바이스에 형성된 함몰 영역은 가이딩 바와 맞물려 메인플랫폼에 결합하게 된다. 함몰영역에는 가이딩 바와 작업 디바이스를 기계적으로 연결해 주는 연결 쐐기가 형성될 수 있다. 스핀샤프트 팁은 가이딩 바의 하부 실린더와 결합한다.
도 24의 (1)은 가이딩 바와 스핀 샤프트가 통과하는 공간이 형성된 경우의 메인플랫폼의 형상을 나타낸 것이다(도 24의 (1) 참조). 도 24의 (2)는 가이딩 바 이외에 너트가 추가적으로 형성된 경우, 메인플랫폼의 내부를 나타낸다. 스핀 샤프트와 맞물리는 암나사가 형성된 너트가 메인플랫폼의 함몰영역에 형성되어 있다.
도 25 내지 도 26은 이동장치가 메인플랫폼 및 작업 디바이스에 복합적으로 형성되는 경우를 나타낸다. 메인플랫폼의 함몰영역에는 고정형 너트가 형성되고, 가이딩 바와 스핀 샤프트가 삽입되는 공간이 형성되어 있다. 작업 디바이스에는 회전쐐기 및 연결쐐기가 형성되어 있고, 작업 디바이스에 결합된 스핀 샤프트의 말단에는 스핀 샤프트 팁이 형성되어 있다. 도 25는 각각 (1) 메인플랫폼의 외형, (2) 가이딩 바(Guiding bar), (3) 작업 디바이스(회전 쐐기, 연결 쐐기, 스핀 샤프트, 스핀 샤프트 팁이 형성됨), 및 (4) 상기 (1),(2) 및 (3)이 결합된 모습을 나타낸다.
도 26은 도 25 (4)의 측면도이다. 스핀 샤프트는 스핀샤프트 기어와 결합되어 있고, 회전 가능하게 작업 디바이스에 고정 설치되고, 작업 디바이스에 설치된 구동 장치(미도시)에 의하여 스핀 샤프트는 회전하게 된다.
도 27은 상기 작업 디바이스 이동장치가 메인플랫폼 및 작업 디바이스에 복합적으로 형성되는 경우, 작업 디바이스의 구동을 모식적으로 나타낸 것이다. (A-1) 내지 (A-2)는 스핀 샤프트가 회전함으로써 메인 플랫폼 선단에서 작업 디바이스가 전진과 후진하는 그림으로, 작업 디바이스, 스핀 샤프트, 가이딩 바, 연결쐐기가 결합되어 함께 움직이는 것을 나타낸다. 가이딩 바는 스핀 샤프트의 회전력을 방해하여 직선 운동을 하게 하며, 연결쐐기는 작업 디바이스가 임의로 회전하지 않도록 가이딩 바와 작업 디바이스를 기계적으로 결합시키는 역할을 한다. 이로써 작업 디바이스는 회전운동 없이 전진과 후진 운동을 할 수 있다. (A-3)은 작업 디바이스를 메인플랫폼의 외주면에 장착하기 위해, 연결쐐기를 가이딩 바이서 분리한 것을 나타낸다. 이로써 스핀 샤프트는 회전운동이 가능하다. (A-4)는 작업 디바이스가 180도 회전하게 되면, 회전쐐기가 메인플랫폼의 외주면에 닿게 되어 회전이 멈춘다. 스핀 샤프트의 나사운동은 다시 직선운동으로 변환되어, 작업 디바이스는 180도 회전한 채로 메인플랫폼의 장착부를 따라 후진하게 된다. 작업 디바이스가 후진하여 (A-5)의 위치에 이르는 경우 메인플랫폼의 외주면에 완전히 장착된다. 이후 작업 디바이스를 회수하는 것은 (A-1) 내지 (A-5)가 역순으로 진행된다.
도 28은 회전 쐐기가 회전 각도를 조절하는 메카니즘을 평면적으로 나타낸 모식도이다. 메인플랫폼의 외주면과 접촉하는 포지셔너의 일 측에 회전 쐐기가 형성될 수 있다. 회전 쐐기의 높이는 최소한으로 하여 포지셔너의 회전 시 다른 구조에 영향을 주거나, 방해받지 않도록 한다. (2)는 회전하기 전의 상태이고, (3) 내지 (8)은 포지셔너(파란색)의 위치변화를 위에서 본 그림을 나타낸다. 포지셔너는 스핀 샤프트를 중심축으로 시계 방향으로 회전한다. 포지셔너가 180도 회전 하였을 때 메인 플랫폼의 외벽에 회전 쐐기가 걸려 회전을 멈추게 된다(8). 위 메카니즘은 작업 디바이스에서도 적용된다.
도 29는 본 발명의 포지셔너의 입체도 및 정면도를 나타낸다. 포지셔너에 P 스핀 샤프트, 연결 쐐기(connecting wedge), 회전 쐐기(rotation wedge) 및 캡처(capture)가 결합되어 있다. 캡처는 일반적으로 실린더 형상일 수 있지만, 도 29에 나타난 것처럼 회전 운동 가능한 링크(link) 또는 크랭크(crank) 타입일 수 있다. 캡처는 작업 디바이스의 상부 면에 형성된 결합 돌기와 결합된다. 도면에 도시하지 않았지만, 캡처의 상부에는 T-스핀 샤프트가 결합되어 있다.
도 30은 캡처 유닛의 작동 순서를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 31은 스핀 샤프트에 동력을 전달하기 위하여 모터 또는 기어를 추가적으로 장착한 경우의 각각의 기어의 위치를 평면적으로 나타낸 모식도이며, 이들은 스핀 샤프트 또는 스핀 샤프트와 결합한 구동형 너트에 구동력을 전달한다. 연결 기어(CG; connecting gear)는 청색 곡선을 따라 이동하게 되며, 구동하려는 장치의 구동 기어(N-T1 또는 N-T2; 각 작업 디바이스의 위치제어를 위한 이동장치의 구동형 너트에 형성된 기어)와 맞물리게 함으로써 원하는 장치를 움직이게 할 수 있다. 다양한 기어의 조합으로 각각의 작업 디바이스에 모터를 장착하지 않고, 최소한의 모터만 사용함으로써 작업 디바이스, 포지셔터 또는 스핀 샤프트 등에 구동력을 전달할 수 있다. 스핀 샤프트의 기어는 구동 모터의 기어(connecting gear, CG)와 연결되거나(도 31b 참조) 또는 너트 자체의 구동에 의하여 나사운동이 가능하다(도 31a 그림 참조). 각각의 기어는 한 평면에 있는 것처럼 도시되어 있지만, 실질적으로 각 기어는 서로 다른 높이에 위치할 수 있으며, 예컨대, 감속 기어와 모터기어는 같은 높이에 위하고, 포지셔너 기어나 이송장치 기어는 서로 다른 높이에 위치하고 있다가 감속기어와 같은 높이에 위하게 되면 서로 맞물려 동력을 전달 받게 된다. PG (positioner gear): 포지셔너 스핀 샤프트의 기어, MG (motor gear): 모터 기어, RG (reducing gear): 감속 기어, CG (connecting gear): 연결 기어, N-T1 및 N-T2 (Nut-transfer 1, Nut-transfer 2): 1번 및 2번 작업 디바이스의 이송용 장치의 구동 너트.
도 32는 2번 작업 디바이스 및 포지셔너의 2번 캡처 유닛이 결합한 모습을 나타낸다. 작업 디바이스가 캡처 유닛에 선택적으로 결합하는 방법은 작업 디바이스의 결합 돌기와 캡처 유닛의 위치에 의하여 결정된다.
도 33a, 33b 및 33c는 전기적 접촉 단자가 형성된 장치를 모식적으로 나타낸 것이다. 노란색 선은 메인플랫폼의 외벽의 내부로서 함몰 또는 절연체로 코팅될 수 있으며, 적색선은 외부로 노출되어 있다. 메인플랫폼의 외측에 전기적 신호를 전달하는 도체를 형성하여 외부에 전기적 신호를 작업 디바이스 등에 전달하게 하고, 작업 디바이스와 밀착 결합하는 부위에도 전기적 접촉 단자를 형성하여 작업 디바이스에 전기 신호를 전달할 수 있다. 도 33a는 스핀 샤프트가 있는 작업 디바이스가 메인 플랫폼의 선단부에 위치하는 경우의 전기적 접촉단자를 나타낸다. 메인플랫폼의 외측에 전기적 신호를 전달하는 도체를 삽입하여 외부로부터의 전기적 신호를 전달하게 하고, 작업 디바이스와 밀착 결합하는 부위에 전기적 신호를 전달할 수 있다. 도 33b는 스핀 샤프트가 없는 작업 디바이스가 메인 플랫폼의 내부에 위치하는 경우의 예시를 나타낸다. 도 33c는 스핀 샤프트가 있는 작업 디바이스가 메인 플랫폼 내부에 위치하는 경우의 예시를 나타낸다.
도 34는 수동형 디바이스를 이송하는 이송 유닛(transfer unit) 및 이의 구동 모습을 나타낸 것이다. 이송 유닛은 가이딩 그루브(groove)가 형성된 가이딩 튜브, 유도 돌기가 형성된 수동형 디바이스 이송용 스핀 샤프트(T 스핀 샤프트), 구동형 너트 및 캡처로 이루어져 있다.
도 35는 내부에 고정형 이송 유닛(도 34의 이송 유닛)을 포함하는 위치 제어 장치(200)의 예를 나타낸다. 이는 스핀 샤프트가 있는 수동형 작업 디바이스의 이송을 하는 장치이다.
도 36은 내부에 이동형 이송 유닛(도 34의 이송 유닛)을 포함하는 위치 제어 장치의 예를 나타낸다. 이송 유닛은 본체에 형성된 회전축에 연결 결합되어 있어, 이송 유닛은 원호(청색선)을 따라 이동 가능하며, 각각의 위치에서 작업 디바이스와 캡처를 결합시켜 작업 디바이스의 위치를 변경할 수 있다.
도 37은 위치 제어 장치(200)의 내부에서 (1) 나사가 설치된 횡샤프트(a) 및 횡샤프트에 맞물려 있는 이송너트(b)가 설치된 모습; 횡샤프트(a)는 구동 장치(미도시)와 연결 되어 있고, 또한 위치 제어 장치에 설치된 회전축(미도시)과 연결되어 있다. 청색의 원호는 회전축을 중심으로 회전하여 횡샤프트가 지날 수 있는 원호를 표시한 것이다. 대략적으로 위치제어 장치에 있는 함몰된 부분이 원에서 제한 원호상이다. (2) 연결부재(c)가 설치된 모습; 연결 부재의 말단의 하늘색의 원형의 위치에 이송 유닛과 결합하고, 다른 말단의 반대 면에는 이송너트와 결합한다. 및 (3) 이송 유닛(d)이 설치된 모습; 이송유닛은 연결부재의 말단에 결합하고, 횡샤프트의 종축방향과 이송유닛의 종축 방향이 수직이 되게 결합 한다.
도 38은 도 37의 (3)의 확대된 그림이고, 도 37과 38의 캡처의 형태는 도 36의 형태와 다른 것은 디바이스의 형태에 따라 적절한 캡처의 형태를 갖는 것을 보여 준다.
도 39는 횡샤프트가 설치된 이동형 이송 유닛이 장착된 위치제어 장치의 입체도와 상기 위치 제어장치가 설치된 트랜스 플랫폼 장치에서 작업 디바이스, 위치제어 장치의 이송 너트에 설치되는 연결 부재와 메인 플랫폼을 종축에서 바라보는 위치를 오버랩하여 표현 하였다. 연결부재에 이송유닛이 결합되는 위치와 이송너트가 결합되는 위치를 표시하여 입체적인 이해를 돕고자 하였다. (1)은 위치제어장치와 작업 디바이스가 결합된 초기 상태로, 이 상태로 메인플랫폼 내부의 작업 디바이스를 상승시켜 메인플랫폼 외부로 이동시킨다. 이때 연결부재의 이송 너트의 결합부위는 위치제어장치의 일측에 치우쳐 있고, 이송유닛의 결합부위는 좀 더 안쪽에 위치하여 위치제어장치의 가이딩바의 위치와 겹치지 않게 된다. (2)는 그림 (1)의 화살표 방향으로 이송너트가 이동하여 이송너트가 횡샤프트의 말단까지 도달한 모습이다. 이송너트에 연결된 연결부재의 이송유닛의 결합부위가 메인플랫폼의 횡단면 밖으로 나가게 된다. 즉 이송유닛이 위치제어장치의 밖으로 이동하고, 회전축을 중심으로 회전할 경우 위치제어장치에 걸리지 않게 된다. (3)는 그림 (2)의 화살표 방향으로 이송유닛이 회전한 결과이다. 이송유닛의 회전은 횡샤프트에 연결된 회전축이 메인플랫폼의 중심축을 중심으로 하여 회전하게 되어 일어난다. 회전의 결과로 작업디바이스가 메인플랫폼에 장착할 수 있는 위치로 이동하게 된다. 이후 이송유닛의 하향 직선 운동을 통하여 작업디바이스를 메인플랫폼에 장착하게 된다. 작업디바이스를 메인플랫폼에서 제거할 경우는 역순으로 진행하여 제거가 가능하다.
도 40은 메인플랫폼 내에 위치제어장치와 스핀 샤프트가 없는 작업 디바이스가 위치하는 경우, 위치제어 장치가 작업 디바이스 하방에서 위치제어를 하는 것을 종축 방향에서 본 평면도이다. 상기 위치제어장치는 일측에 회전이나 상하운동이 가능한 이송유닛이 설치되어 있고, 상기 이송유닛은 위치제어장치에 설치된 회전축에 연결결합 되어 있다. (a) 작업 디바이스와 이송 유닛이 결합한 상태로, 위치제어장치의 본체는 작업 디바이스에 가려 보이지 않는다. 이 상태로 전진하여 메인플랫폼 밖으로 작업 디바이스를 이동시키고(청색 원: 메인플랫폼, 적색 도형: 작업 디바이스, 황색 원: 이송 유닛, 청색 도형: 캡처); (b) 이송 유닛을 180도 회전한 상태로 작업 디바이스의 장착면이 메인 플랫폼의 중심축을 중심으로 회전 시킬 경우 항상 메인플랫폼의 장착면이 서로 밀착할 수 있는 위치가 된다.; 및 (c) 이송 유닛이 연결된 회전축을 일정 각도(90도) 회전한 상태로, 작업디바이스의 장착면과 메인플랫폼의 장착면이 동일 종축상에 위치하게 된다. 이때 회전의 중심은 메인플랫폼의 중심축이다. 이후 이송유닛을 후진하여 작업 디바이스를 메인플랫폼에 장착한다. 90도 뿐 아니라 어떤 각도로 회전 하여도 메인 플랫폼에 후진하여 장착 가능한 위치가 되어 작업 디바이스를 적절한 위치에 장착할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
실시예
1 : 내시경 장치의 제작
본 발명의 내시경 장치는 대략 튜브형상의 연성형 내시경으로서, 작업 공간인 환자의 체내에 삽입되는 메인튜브(110); 및 상기 메인튜브의 선단부에 장착 가능하고, 스핀 샤프트(130)에 의해 회전 가능한 작업 디바이스(120)를 포함한다. 작업 디바이스는 상기 메인튜브와 작업 디바이스를 연결하는 연결수단으로서, 상기 메인튜브의 내측 및 작업 디바이스의 내측에 삽입 설치되며, 상기 작업 디바이스의 회전축으로 작동하는 스핀 샤프트(spin shaft)(130)를 포함한다.
내시경 장치에서 메인튜브의 횡단면과 작업 디바이스의 횡단면이 일치하도록 제작하였으며, 상기 메인튜브의 선단부에는 도 4 내지 도 6과 같이 복수 개의 작업 디바이스를 장착하였다. 상기 작업 디바이스는 메인튜브와 횡단면이 일치하도록 대략 원통형의 실린더 형상이다. 상기 작업 디바이스가 복수 개인 경우, 스핀 샤프트가 회전 가능한 공간이 형성되어야 하고 도 14와 같이 작업을 위한 최종 상태에 이르렀을 때의 각각의 작업 디바이스의 적절한 공간 배치를 위하여, 최선단의 작업 디바이스를 제외한 작업 디바이스는 완전한 실린더 형상이 아닌 측면에 오목한 홈이 형성되도록 제작하였다(도 2 참조).
상기 작업 디바이스로서, 카메라, 초음파 프로브(probe), 로봇 암, 수술장치 또는 수술 보조 장치를 장착하여 사용할 수 있으며, 이들은 스핀 샤프트를 통하여 메인튜브에 결합된다. 메인플랫폼의 선단부에는 스핀 샤프트가 끼움 결합될 수 있도록 대략 원통형 형상의 홀(hole)이 형성되어 있으며, 작업 디바이스에 장착된 스핀 샤프트는 이러한 홀에 끼움 결합된다. 메인플랫폼의 선단부에 형성된 홀의 크기 및 형상은 스핀 샤프트의 길이 및 형상에 따라 달라질 수 있으며, 스핀 샤프트는 작업 디바이스의 용도, 작업 디바이스에의 동력전달방법 또는 작업 디바이스의 배치순서 등에 따라 변경 제작할 수 있다. 예컨대, 스핀 샤프트는 용도에 맞게 길이를 다양하게 조절할 수 있다.
상기 스핀 샤프트는 상기 작업 디바이스 외부의 일측에 형성되며, 180도 회전 가능하며, 메인튜브의 외측에 삽입 장착되도록 제작된다. 또한, 상기 스핀 샤프트의 유연성은 부분적으로 다르게 구성할 수 있으며, 예컨대, 메인튜브의 내측에 삽입되는 부분은 경질부로 구성하고, 작업 디바이스와 결합하는 부분을 연질부로 구성할 수 있다. 스핀 샤프트는 전진, 후진 및 회전운동이 가능하도록 제작되어야 하므로 메인튜브의 내측에 삽입되는 부분은 구동이 비교적 쉬운 경질부로 구성할 수 있는 것이다.
한편, 스핀 샤프트는 매끈한 원통형 형상일 수 있지만, 작업 디바이스의 용도 및 스핀 샤프트의 구동장치에 따라 스핀 샤프트의 외주면에 나사 홈 또는 위치 고정용 돌출 쐐기가 형성될 수 있다.
본 발명의 내시경 장치는 작업 디바이스를 메인튜브에 장착시키는 포지셔너(positioner)(140)를 추가적으로 포함할 수 있다(도 29 참조). 포지셔너는 전진 후진의 왕복운동 및 회전 운동을 하여 작업 디바이스를 메인튜브에 장착시키는 역할을 하며, 메인튜브의 선단부에 설치되거나 메인튜브의 내부에 설치될 수 있다. 포지셔너가 메인튜브의 내부에 설치되는 경우, 메인튜브 내에 위치한 작업 디바이스를 회전시켜 정해진 위치에 장착시킨다. 포지셔너의 구동을 위하여 동력전달장치가 연결될 수 있다.
실시예
2 :
포지셔너(positioner)가
장착된 트랜스-플랫폼 장치의 제작
본 발명의 포지셔너는 상하 왕복운동과 회전 운동 혹은 크랭크 회전 운동을 하여 포지셔너에 결합된 작업 디바이스를 특정 위치에 장착시키는 위치제어장치이다. 포지셔너는 종렬 연결된 작업 디바이스의 위치를 제어하는 위치제어장치(200)로서 설명될 수 있다(도 29 참조). 포지셔너는 (a) 종렬 연결된 작업 디바이스의 상부에 장착 가능한 실린더 형상의 본체(210); (b) 상기 본체(201)의 하부에 형성되며, 상기 작업 디바이스와 본체를 연결하는 캡처(capturer)(220); 및 상기 작업 디바이스의 연동축(linkage axis)으로 작동하는 스핀 샤프트(spin shaft)로 구성된다.
상기 캡처는 상기 본체(201)의 내부에 장착된 스핀 샤프트와 결합되고 상기 캡처의 내부에는 작업 디바이스의 결합 돌기와 결합 가능한 홈(240)이 형성되며, 상기 스핀 샤프트는 본체(201)의 내부에 장착되고, 상기 캡처(220)와 함께 본체의 외부로 이동하여 상기 작업 디바이스의 위치를 조절한다. 이 스핀 샤프트는 포지셔너 내부에 설치된 가이딩 튜브 내에 위치하고 구동형 너트에 결합되어 있다.
상기 포지셔너는 하나 이상의 캡처 또는 복수 개의 스핀 샤프트를 포함할 수 있으며, 상기 캡처는 본체의 일 측에 치우쳐져 형성된다. 본 발명의 포지셔너로서, 종렬 연결된 카메라, 광원, 초음파 프로브(probe), 로봇 암, 위치 조절 장치, 수술 장치 또는 수술 보조 장치 등의 작업 디바이스의 위치를 제어할 수 있다.
포지셔너의 외부에 결합된 스핀 샤프트 (도 29의 (1) 참조) 또는 포지셔너 내부에 결합된 스핀 샤프트는 필요에 따라 연질부, 경질부, 또는 연질부 및 경질부로 구성된다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
100: 트랜스-플랫폼 장치
110: 메인플랫폼
120: 작업 디바이스
130: 스핀 샤프트
140: 스핀 샤프트 홀
150: 추가적인 작업 디바이스가 장착 가능한 스핀 샤프트 홀
200: 위치제어장치
210: 본체
220: 캡처(capturer)
230: P-스핀 샤프트(P-spin shaft)
240: 홈
250: T-스핀 샤프트(T-spin shaft)
260: 횡샤프트
300: 트랜스-플랫폼 장치
310: 메인플랫폼
320: 작업 디바이스
330: 스핀 샤프트
340: 전기적 접촉 단자
110: 메인플랫폼
120: 작업 디바이스
130: 스핀 샤프트
140: 스핀 샤프트 홀
150: 추가적인 작업 디바이스가 장착 가능한 스핀 샤프트 홀
200: 위치제어장치
210: 본체
220: 캡처(capturer)
230: P-스핀 샤프트(P-spin shaft)
240: 홈
250: T-스핀 샤프트(T-spin shaft)
260: 횡샤프트
300: 트랜스-플랫폼 장치
310: 메인플랫폼
320: 작업 디바이스
330: 스핀 샤프트
340: 전기적 접촉 단자
Claims (49)
- 다음을 포함하는 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)(100):
(a) 작업 공간 내에 삽입되는 실린더 형상의 메인플랫폼(110);
(b) 상기 메인플랫폼의 외측 선단부 또는 중간부에 장착된 실린더 형상의 작업 디바이스(120)로서, 상기 작업 디바이스는 회전 운동 또는 직선운동을 통하여 상기 메인플랫폼의 외주면에 장착 가능하다.
- 제 1 항에 있어서, 상기 메인플랫폼 및 상기 작업 디바이스는 횡단면(cross-section)의 윤곽(outline)이 일치하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 횡단면은 원형, 타원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 하나 이상의 작업 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 작업 디바이스는 상기 메인플랫폼과 종렬로 연결된 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 (ⅰ) 메인 플랫폼의 외주면에 상기 작업 디바이스가 장착 가능한 함몰 영역을 포함하거나, (ⅱ) 메인 플랫폼의 외주면에 장착되기 위하여 상기 작업 디바이스의 외주면에 함몰 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 상기 메인 플랫폼 및 작업 디바이스의 접촉면에 전기적 접촉 단자가 형성되는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 작업 디바이스는 회전 쐐기(rotation wedge) 또는 연결 쐐기(connection wedge)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 작업 디바이스는 카메라, 광원, 초음파 프로브(probe), 로봇 암, 위치 조절 장치, 수술 장치 또는 수술 보조 장치인 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 메인플랫폼의 선단부 또는 작업 디바이스를 커버(cover)하기 위한 실린더 형상의 덮개를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 상기 메인플랫폼의 내부에 장착되어 작업 공간 내로 이동하며, 상기 메인플랫폼의 외주면에 장착 가능한 작업 디바이스를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 11 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 상기 메인플랫폼의 선단부에 상기 추가적인 작업 디바이스가 장착 가능한 스핀 샤프트 홀(150)이 형성되는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 상하 운동 및 회전 운동이 가능하며 상기 작업 디바이스의 위치를 제어하는 포지셔너(positioner)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 포지셔너는 메인플랫폼의 선단부 또는 중간부에 장착되는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 포지셔너는 스핀 샤프트 및 연결 쐐기(connection wedge)를 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 13 항에 있어서, 상기 포지셔너는 회전 쐐기(rotation wedge)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 작업 디바이스 이동장치(moving system)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 17 항에 있어서, 상기 이동장치는 (ⅰ) 상기 메인플랫폼 또는 작업 디바이스의 일 측에 형성되고, 작업 디바이스의 회전 및 직선 운동을 조절하며, 작업 디바이스의 연동축으로 작동하는 스핀 샤프트(spin shaft)(130), (ⅱ) 메인플랫폼 또는 작업 디바이스의 일 측에 형성되고, 작업 디바이스와 결합 가능한 캡처(capturer), (ⅲ) 상기 메인플랫폼 또는 작업 디바이스의 일 측에 형성되고, 상기 작업 디바이스의 메인플랫폼 중심축의 횡 방향 직선운동을 조절하는 직선운동 유닛 또는 직선운동 가이딩(guiding) 유닛 및 (ⅳ) 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 18 항에 있어서, 상기 스핀 샤프트는 상기 메인플랫폼에 끼움 결합 또는 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 18 항에 있어서, 상기 스핀 샤프트는 연질부 및 경질부로 구성된 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 18 항에 있어서, 상기 스핀 샤프트는 전력전달장치, 유체 전달관 또는 동력전달장치를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 18 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 메인 플랫폼의 외측에 스핀 샤프트의 회전 운동이 가능한 공간 및 스핀 샤프트 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 17 항에 있어서, 상기 이동장치는 (a) 구동형 또는 고정형 너트, (b) 실린더 형상의 튜브로서 스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어하는 가이딩 튜브(guiding tube), (c) 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성되며, 메인플랫폼의 외주면에 형성된 함몰 영역에 장착되며, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 가이딩 바(guiding bar), (d) 스핀 샤프트 및 (e) 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 구성을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 23 항에 있어서, 상기 가이딩 튜브는 가이딩 그루브(guiding groove)가 형성된 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 23 항에 있어서, 상기 가이딩 바는 양 쪽 단부가 뾰족한 타원형 형상의 밑면을 가지는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 23 항에 있어서, 상기 가이딩 바의 상부 실린더는 작업 디바이스에 결합된 스핀 샤프트가 통과 가능한 홀이 형성되어 있으며, 하부 실린더는 스핀 샤프트를 삽입할 수 있는 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 23 항에 있어서, 상기 가이딩 바의 본체는 상하부 실린더를 연결하는 두 개의 기둥인 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 상기 작업 디바이스의 조작을 가능케 하는 구동장치를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 28 항에 있어서, 상기 구동 장치는 모터(motor) 또는 기어(gear)인 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 메인플랫폼의 선단이나 내부에 종렬 연결된 작업 디바이스의 위치를 제어하는 위치제어장치(200)로서,
(a) 종렬 연결된 작업 디바이스의 상부 또는 하부에 장착 가능한 실린더 형상의 본체(210); 및
(b) 상기 본체 내에 형성되며 상기 작업 디바이스와 결합하여 작업 디바이스의 위치를 이동시키는 이송 유닛(transfer unit)을 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 위치제어 장치.
- 제 30 항에 있어서, 상기 이송 유닛은 ( a ) 상기 작업 디바이스와 이송유닛을 연결하는 캡처(220), ( b ) 캡처의 회전을 위한 회전축, ( c ) 캡처의 상하 운동을 위한 구동축, ( d ) 구동형 또는 고정형 너트, ( e ) 실린더 형상의 튜브로서 T-스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어하는 가이딩 튜브(guiding tube), ( f ) 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성되며, 포지셔너 본체의 내부에 장착되며, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 가이딩 바(guiding bar), ( e ) 회전 및 상하 왕복운동이 가능한 T-스핀 샤프트(T-spin shaft)(250), 및 ( g ) 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 31 항에 있어서, 상기 캡처는 상기 작업 디바이스에 끼움 결합, 나사 결합, 래칫(ratchet) 방식 결합, 레크-피니언(rack-pinion) 방식 결합 또는 자석 결합되는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 31 항에 있어서, 상기 캡처는 왕복 또는 회전 운동이 가능한 크랭크(crank)를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 30 항에 있어서, 상기 이송 유닛은 메인플랫폼의 횡축 방향 직선운동을 조절하는 직선운동 유닛 또는 직선운동 가이딩(guiding) 유닛을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 30 항에 있어서, 상기 위치제어장치는 상기 본체(210)의 이동장치(moving system)를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 35 항에 있어서, 상기 이동장치는 (a) 구동형 또는 고정형 너트, (b) 실린더 형상의 튜브로서 스핀 샤프트의 직선 및 회전 운동을 제어하는 가이딩 튜브(guiding tube), (c) 상부 실린더, 하부 실린더 및 상부 실린더 및 하부 실린더를 연결하는 본체로 구성되며, 메인플랫폼의 외주면에 형성된 함몰 영역에 장착되며, 작업 디바이스의 직선운동을 가이딩하는 가이딩 바(guiding bar), (d) 상기 본체(210)에 장착되고, 본체의 회전 및 직선 운동을 조절하며, 상기 본체의 연동축으로 작동하는 P-스핀 샤프트(P-spin shaft)(230) 및 (e) 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 36 항에 있어서, 상기 가이딩 튜브는 가이딩 그루브(guiding groove)가 형성된 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 36 항에 있어서, 상기 가이딩 바는 양 쪽 단부가 뾰족한 타원형 형상의 밑면을 가지는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 36 항에 있어서, 상기 가이딩 바의 상부 실린더는 작업 디바이스에 결합된 스핀 샤프트가 통과 가능한 홀이 형성되어 있으며, 하부 실린더는 스핀 샤프트를 삽입할 수 있는 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 36 항에 있어서, 상기 가이딩 바의 본체는 상하부 실린더를 연결하는 두 개의 기둥인 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 31 항 또는 제 36 항에 있어서, 상기 스핀 샤프트는 연질부 및 경질부로 구성된 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 30 항에 있어서, 상기 작업 디바이스는 카메라, 광원, 초음파 프로브(probe), 로봇 암, 위치 조절 장치, 수술 장치 또는 수술 보조 장치인 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 제 35 항에 있어서, 상기 위치제어장치는 상기 이송 유닛 또는 이동 장치의 조작을 가능하게 하는 구동장치를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 위치제어장치.
- 다음을 포함하는 트랜스-플랫폼 장치(Trans-Platform Apparatus)(300):
(a) 작업 공간 내에 삽입되는 실린더 형상의 메인플랫폼(310)으로서, 상기 메인플랫폼의 외주면에 전기적 접촉 단자(340)가 형성되고; 및
(b) 상기 메인플랫폼의 외주면에 장착 가능한 실린더 형상의 작업 디바이스(320)로서, 상기 메인플랫폼의 외주면과 접촉하는 작업 디바이스의 접촉면에 전기적 접촉 단자(340)가 형성된다.
- 제 44 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 (ⅰ) 상기 메인플랫폼 또는 작업 디바이스의 일 측에 형성되고, 상기 작업 디바이스의 회전 및 직선 운동을 조절하며, 작업 디바이스의 연동축(linkage axis)으로 작동하는 스핀 샤프트(spin shaft)(330), 또는 (ⅱ) 상기 작업 디바이스의 메인플랫폼 중심축의 횡 방향 직선운동을 가능하게 하는 직선운동 유닛 또는 직선운동 가이딩(guiding) 유닛을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 44 항에 있어서, 상기 전기적 접촉 단자(340)는 (ⅰ) ‘ㄱ' 또는 ‘ㄴ’ 모양, (ⅱ) 점 모양, (ⅲ) 직사각형 모양, 또는 (ⅳ) 상기 모양들의 조합의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 44 항에 있어서, 상기 메인플랫폼은 외주면의 전체 또는 일부가 발수 코팅(Water repellent coating)되는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 44 항에 있어서, 상기 트랜스-플랫폼 장치는 상기 메인플랫폼의 외주면에 형성된 전기적 접촉 단자(340)의 주위가 발수 코팅되는 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
- 제 47 항에 있어서, 상기 메인플랫폼의 외주면은 불소 수지, 실리콘(silicone), 젤라틴 또는 고무로 발수 코팅된 것을 특징으로 하는 트랜스-플랫폼 장치.
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