KR101959330B1 - 인간 신체 보강 시스템 - Google Patents
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Abstract
가요성 엑소수트는 착용자의 신체에 힘을 결합하도록 구성된 강성 및 가요성 엘리먼트들을 포함한다. 더욱이, 상기 가요성 엑소수트는, 상기 착용자의 신체의 세그먼트들 사이에 힘 및/또는 컴플라이언스를 인가 및/또는 변환하기 위하여, 가요성 선형 액추에이터들 및 클러치드 컴플라이언스 엘리먼트들을 포함한다. 상기 가요성 엑소수트는 또한, 전자 컨트롤러, 전원 및 센서들을 포함한다. 상기 가요성 엑소수트는, 다양한 애플리케이션들을 가능하게 하기 위해 상기 착용자의 신체에 힘을 인가하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트는 상기 착용자의 신체적 강도 및 내성을 보강하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트는 상기 착용자가 어떤 신체 작업을 수행하는 것을 훈련시키도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트는 상기 착용자의 신체 활동을 기록하도록 구성될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은, 이 애플리케이션의 이익을 주장하고 참조로서 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 가출원 제61/790,406호, 2013년 3월 15일자로 출원된 미국 가출원 제 61/789,872, 2013년 12월 18일자로 출원된 미국 가출원 제 61/917,820호 및 2013년 12월 18일자로 출원된 미국 가출원 제61/917829호의 우선권을 주장하며, 그들의 내용은 참조로서 본 명세서에 편입되어진다.
정부 승인
본 발명은, 미국 육군에 의해 수여된 계약 W911QX-12-c-0049에 따라 정부 지원으로 일부가 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 일정 권리를 갖는다.
[0001] 본 출원에서 달리 명시하지 않으면, 이 섹션에 기술된 자료들은, 본 출원에서의 청구항들에 대한 선행 기술이 아니고, 이 섹션에 포함됨으로써 선행 기술이라고 인정되지 않는다.
[0002] 많은 신체 활동은, 참가자로 하여금, 참가자의 지구력, 강인함, 조정력, 충격 내성, 또는 다른 신체적 변수를 테스트하면서, 자신의 신체 능력의 한계까지 수행하는 활동을 필요로 한다. 전사들은, 폭포, 불안정한 지형, 또는 기타 예기치 못한 물리적 충격에 기인한 손상의 위험을 무릅쓰고, 지구력의 과중한 부담을 지우면서, 먼 거리에 걸쳐 무거운 짐을 운반하는 것이 예상될 수 있다. 노인 또는 신체 장애인은, 감소된 지구력, 강인함, 상해 저항, 균형, 또는 다른 문제로, 일상 생활의 활동을 수행하는 데 어려움을 겪을 수 있다. 물품 운송인이나 육체 노동에 종사하는 기타 다른 사람들은, 여러 사람들 사이에서 육체적인 노고들을 조정하는 (예를들어, 대형 물체를 들어올리는) 어려움 및 장시간에 걸쳐 무거운 짐을 반복적으로 들어올리는데 기인한 부상의 위험이 증가할 수 있다. 선수들은, 상당한 일시적인 또는 영구적인 상해를 야기하기에 충분한 다른 힘, 관절 또는 힘줄(tendon: 건)에 노출될 수 있다. 수술 또는 불구로 만드는 부상에서 회복되는 개인은, 재활을 시작하는 데 필요한 최소한의 작업도 수행할 수 없을 수 있으며, 그리하여 회복이 허락되지 않을 수 있다. 다른 예에서는, 각각 그 집단의 구성원 또는 그 활동에의 참가자에게 유용한 것보다 더 많은 신체 능력을 필요로 할 수 있는 집단 혹은 활동이 존재한다.
[0003] 보조 장치들이, 이러한 문제 중 일부를 완화할 수 있다. 다양한 외골격 기반 장치를 포함하는 다양한 보조 장치가, 사용자의 강인함, 내 피로성, 조정력, 또는 다른 인자를 증가시키기 위해 개발되었다. 이러한 외골격 또는 다른 장치는, 전원이 공급되거나 또는 무동력일 수 있으며, 사용자 동작의 피드백에 의해 제어될 수 있거나, 피드-포워드 방식(feed-forward manner)으로 작동되거나, 혹은 완전히 수동적 (예, 탈장(hernia) 벨트, 리프팅 하니스(lifting harness)) 일 수 있다. 보조 장치는, 전기적 또는 기계적 액추에이터, 센서 및 컨트롤러를 포함할 수 있다. 다양한 보조 장치들이, 성공의 정도를 변화시키면서 몇몇의 상기 집단 및 활동에 적용되어 왔다.
[0004] 본 발명의 몇몇 실시예들은, 프로그램가능한(programmable) 신체 보강 시스템을 제공하는바, 프로그램가능한 신체 보강 시스템을 제공하는바, (i) 인간 신체의 적어도 일부에 걸쳐 착용되도록 구성되는 가요성 수트(flexible suit); (ⅱ) 상기 가요성 수트에 결합되는 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들; (ⅲ) 상기 가요성 수트에 결합된 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스(clutched-compliance) 엘리먼트들; 및 (ⅳ) 상기 가요성 수트 내에 배치된 컨트롤러; 를 포함하며, 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들은, 상기 인간 신체의 세그먼트들 사이에 힘을 인가하도록 동작가능하며, 그리하여 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들에 인가된 힘이 상기 인간 신체 내의 근육계에 의해 인가된 힘을 보강하도록 하며, 상기 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들은, 상기 인간 신체의 세그먼트들 사이에 제어된 레벨의 컴플라이언스를 제공하도록 동작가능하며, 상기 컨트롤러는, 상기 인간 신체의 세그먼트들 사이에 힘을 인가하는 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들을 동작시키기 위해, 및 복수개의 상이한 동작 모드들을 제공하는 복수개의 상이한 방식으로 상기 인간 신체의 세그먼트들 사이에 제어된 레벨의 컴플라이언스를 제공하도록 상기 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들을 동작시키기 위해, 컴퓨터 판독가능 프로그램들을 실행시키도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
[0005] 본 발명의 몇몇 실시예들은, (i) 인간 신체에 프로그램가능한 신체 보강 시스템을 결합하는 단계를 포함하는 방법을 제공하되, 상기 프로그램가능한 신체 보강 시스템은, (a) 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들; (b) 하나 이상의 클러치드 컴플라이언스(clutched-compliance) 엘리먼트들; 및 (c) 컨트롤러; 를 포함하며, 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들은, 상기 인간 신체의 세그먼트들 사이에 힘을 인가하도록 동작가능하며, 그리하여 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들에 인가된 힘이 상기 인간 신체 내의 근육계에 의해 인가된 힘을 보강하도록 하며, 상기 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들은, 상기 인간 신체의 세그먼트들 사이에 제어가능한 레벨의 컴플라이언스를 제공하도록 동작가능하며, 상기 컨트롤러는, 상기 인간 신체의 세그먼트들 사이에 힘을 인가하는 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들을 동작시키기 위해, 및 복수개의 상이한 동작 모드들을 제공하는 복수개의 상이한 방식으로 하나 이상의 클러치드 컴플라이언스(clutched-compliance) 엘리먼트들의 컴플라이언스를 제공하도록 상기 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들을 동작시키기 위해, 컴퓨터 판독가능 프로그램들을 실행시키도록 구성되며; (ⅱ) 상기 동작 모드들 중의 하나를 선택하는 단계; 및 (ⅲ) 상기 선택된 동작 모드에 관한 인간 신체의 하나 이상의 동작을 수행하는 단계; 를 더 포함하되, 상기 인간 신체의 하나 이상의 동작을 수행하는 단계는, 상기 컨트롤러가 상기 하나 이상의 동작에 관련된 인간 신체의 세그먼트들 사이의 컴플라이언스의 레벨을 제공하기 위해 상기 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들을 동작시키며, 인간 신체에 힘을 인가하기 위해 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들을 동작시키는 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
[0006] 본 발명의 몇몇 실시예들은, (i) 인간 신체에 프로그램가능한 신체 보강 시스템을 제공하는 단계를 포함하는 방법을 제공하되, 상기 프로그램가능한 신체 보강 시스템은, (a) 인간 신체의 적어도 일부에 걸쳐 착용되도록 구성되는 가요성 수트(flexible suit); (b) 상기 가요성 수트에 특정한 물리적 구조로 결합되며, 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들 및 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들을 포함하는 복수개의 신체-보강 엘리먼트들; 및 (c) 상기 가요성 수트에 배치된 컨트롤러; 를 포함하며, 상기 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들은, 인간 신체의 세그먼트들 사이에 제어가능한 레벨의 컴플라이언스를 제공하도록 동작 가능하고, 상기 컨트롤러는, 상기 클러치드 컴플라이언스 엘리먼트에 의해 제공된 컴플라이언스 및 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들에 의해 인가된 힘을 제어하기 위해 프로그램되어질 수 있으며, (ⅱ) 상기 프로그램가능한 신체 보강 시스템의 제1 동작 모드를 활성화하는 단계; 및 (ⅲ) 상기 프로그램가능한 신체 보강 시스템의 제2 동작 모드를 활성화하는 단계; 를 더 포함하되, 상기 제1 동작 모드는, 인간 신체의 제1 동작 타입에 관한 컴플라이언스를 제공하는 상기 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들 및 힘을 인가하는 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들을 수반하며, 상기 프로그램가능한 신체 보강 시스템의 상기 제1 동작 모드를 활성화하는 단계는, 신체-보강 엘리먼트들의 특정한 물리적 구조를 변경하지 않고 상기 제1 동작 모드에 기하여 상기 컨트롤러를 프로그래밍하는 단계를 포함하며, 상기 제2 동작 모드는, 인간 신체의 제2 동작 타입에 관한 컴플라이언스를 제공하는 상기 하나 이상의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들 및 힘을 인가하는 상기 하나 이상의 가요성 선형 액추에이터들을 수반하며, 상기 제2 동작 타입은 상기 제1 동작 타입과 상이하며, 상기 프로그램가능한 신체 보강 시스템의 상기 제2 동작 모드를 활성화하는 단계는, 신체-보강 엘리먼트들의 특정한 물리적 구조를 변경하지 않고 상기 제2 동작 모드에 기하여 상기 컨트롤러를 프로그래밍하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[0007] 이들 및 다른 태양, 이점 및 대안은, 첨부 도면을 적절하게 참조하면서, 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 당업자에게 명백해질 것이다.
[0008] 도 1a는 가요성 엑소수트(exosuit: 외골격 수트)를 도시한다.
[0009] 도 1b는 도 1a의 가요성 엑소수트의 일 단면을 상세히 도시한다.
[0010] 도 2a는 엑소텐던(exotendon: 외골격건)의 엘리먼트들을 도시한다.
[0011] 도 2b는 엑소텐던의 엘리먼트들을 도시한다.
[0012] 도 2c는 엑소텐던의 엘리먼트들을 도시한다.
[0013] 도 2d는 엑소텐던의 측면도이다.
[0014] 도 2e는 도 2d의 엑소텐던의 정면도이다.
[0015] 도 3a는 캡스턴(capstan) 주위를 부분적으로 감싸고 있는 엑소텐던의 개략도이다.
[0016] 도 3b는 캡스턴 주위를 감싸며 엑소텐던에 결합된 케이블의 개략도이다.
[0017] 도 4a는 꼬인 끈 액추에이터(twisted string actuator)를 도시한다.
[0018] 도 4b는 도 4a에 도시된 꼬인 끈 액추에이터의 엘리먼트들의 부분 절단 확대도이다.
[0019] 도 5a는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0020] 도 5b는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0021] 도 5c는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0022] 도 5d는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0023] 도 5e는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0024] 도 5f는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0025] 도 5g는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0026] 도 6a는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0027] 도 6b는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0028] 도 6c는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0029] 도 6d는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0030] 도 6e는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0031] 도 6f는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0032] 도 7a는 안착된 꼬인 끈을 도시한다.
[0033] 도 7b는 도 7a의 안착된 꼬인 끈의 안착되는 상태를 도시한다.
[0034] 도 7c 도 7a의 안착된 꼬인 끈의 평면도이다.
[0035] 도 8a는 전기점착 엘리먼트(electroadhesive element)의 개략 단면도이다.
[0036] 도 8b는 도 8a에 도시된 전기점착 엘리먼트의 평면도이다.
[0037] 도 8c는 전기점착 엘리먼트의 부분 정면도이다.
[0038] 도 9는 가요성 엑소수트의 일예의 기능 블럭도이다.
[0039] 도 10a는 스마트 텐던(smart tendon) 엑소머슬(exomuscle: 외골격근)의 개략 다이어그램이다.
[0040] 도 10b는 스마트 텐던 엑소머슬의 개략 다이어그램이다.
[0041] 도 10c는 스마트 텐던 엑소머슬의 개략 다이어그램이다.
[0042] 도 10d는 스마트 텐던 엑소머슬의 개략 다이어그램이다.
[0043] 도 11a는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0044] 도 11b는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0045] 도 11c는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0046] 도 11d는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0047] 도 11e는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0048] 도 11f는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0049] 도 11g는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0050] 도 11h는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0051] 도 11i는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0052] 도 12a는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0053] 도 12b는 도 12a에 도시된 가요성 엑소수트의 배면도이다.
[0054] 도 13a는 다리의 모델을 도시하는 개략도이다.
[0055] 도 13b는 다리의 모델을 도시하는 개략도이다.
[0056] 도 14는 도 13a에 도시된 다리 모델의 엘리먼트들의 동작 패턴을 도시한다.
[0057] 도 15a는 도 13a에 도시된 다리 모델의 동작 엘리먼트들에 사용될 수 있는 컨트롤러를 도시한다.
[0058] 도 15b는, 인간의 다리의 동작의 기록된 자연스러운 패턴과 도 13a에 도시된 다리 모델의 엘리먼트들의 동작 패턴 및 도 15a에 도시된 컨트롤러의 상태 전이를 나타내고 있다.
[0059] 도 16a는 착용자의 다리에 착용된 가요성 엑소수트의 개략적인 측면도를 보여준다.
[0060] 도 16b는 도 16a에 도시된 가요성 엑소수트의 엘리먼트들의 정면도를 보여준다.
[0061] 도 16c는 도 16a에 도시된 가요성 엑소수트의 엘리먼트들의 배면도를 보여준다.
[0062] 도 17은 착용자의 무기에 착용된 가요성 엑소수트의 개략도를 보여준다.
[0063] 도 18은 가요성 엑소수트와 통신하도록 구성된 시스템 및 가요성 엑소수트를 도시한다.
[0064] 도 19는 가요성 엑소수트를 위한 제어부의 개략도를 도시한다.
[0065] 도 20a는 가요성 엑소수트의 동작 프로세스의 일 예를 도시한다.
[0066] 도 20b는 가요성 엑소수트의 동작 프로세스의 일 예를 도시한다.
[0067] 도 21a는 가요성 엑소수트를 위한 사용자 인터페이스의 일 예를 도시한다.
[0068] 도 21b는 가요성 엑소수트를 위한 사용자 인터페이스의 일 예를 도시한다.
[0009] 도 1b는 도 1a의 가요성 엑소수트의 일 단면을 상세히 도시한다.
[0010] 도 2a는 엑소텐던(exotendon: 외골격건)의 엘리먼트들을 도시한다.
[0011] 도 2b는 엑소텐던의 엘리먼트들을 도시한다.
[0012] 도 2c는 엑소텐던의 엘리먼트들을 도시한다.
[0013] 도 2d는 엑소텐던의 측면도이다.
[0014] 도 2e는 도 2d의 엑소텐던의 정면도이다.
[0015] 도 3a는 캡스턴(capstan) 주위를 부분적으로 감싸고 있는 엑소텐던의 개략도이다.
[0016] 도 3b는 캡스턴 주위를 감싸며 엑소텐던에 결합된 케이블의 개략도이다.
[0017] 도 4a는 꼬인 끈 액추에이터(twisted string actuator)를 도시한다.
[0018] 도 4b는 도 4a에 도시된 꼬인 끈 액추에이터의 엘리먼트들의 부분 절단 확대도이다.
[0019] 도 5a는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0020] 도 5b는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0021] 도 5c는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0022] 도 5d는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0023] 도 5e는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0024] 도 5f는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0025] 도 5g는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0026] 도 6a는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0027] 도 6b는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0028] 도 6c는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0029] 도 6d는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0030] 도 6e는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0031] 도 6f는 꼬인 끈 액추에이터를 도시한다.
[0032] 도 7a는 안착된 꼬인 끈을 도시한다.
[0033] 도 7b는 도 7a의 안착된 꼬인 끈의 안착되는 상태를 도시한다.
[0034] 도 7c 도 7a의 안착된 꼬인 끈의 평면도이다.
[0035] 도 8a는 전기점착 엘리먼트(electroadhesive element)의 개략 단면도이다.
[0036] 도 8b는 도 8a에 도시된 전기점착 엘리먼트의 평면도이다.
[0037] 도 8c는 전기점착 엘리먼트의 부분 정면도이다.
[0038] 도 9는 가요성 엑소수트의 일예의 기능 블럭도이다.
[0039] 도 10a는 스마트 텐던(smart tendon) 엑소머슬(exomuscle: 외골격근)의 개략 다이어그램이다.
[0040] 도 10b는 스마트 텐던 엑소머슬의 개략 다이어그램이다.
[0041] 도 10c는 스마트 텐던 엑소머슬의 개략 다이어그램이다.
[0042] 도 10d는 스마트 텐던 엑소머슬의 개략 다이어그램이다.
[0043] 도 11a는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0044] 도 11b는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0045] 도 11c는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0046] 도 11d는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0047] 도 11e는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0048] 도 11f는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0049] 도 11g는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0050] 도 11h는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0051] 도 11i는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0052] 도 12a는 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 측면도이다.
[0053] 도 12b는 도 12a에 도시된 가요성 엑소수트의 배면도이다.
[0054] 도 13a는 다리의 모델을 도시하는 개략도이다.
[0055] 도 13b는 다리의 모델을 도시하는 개략도이다.
[0056] 도 14는 도 13a에 도시된 다리 모델의 엘리먼트들의 동작 패턴을 도시한다.
[0057] 도 15a는 도 13a에 도시된 다리 모델의 동작 엘리먼트들에 사용될 수 있는 컨트롤러를 도시한다.
[0058] 도 15b는, 인간의 다리의 동작의 기록된 자연스러운 패턴과 도 13a에 도시된 다리 모델의 엘리먼트들의 동작 패턴 및 도 15a에 도시된 컨트롤러의 상태 전이를 나타내고 있다.
[0059] 도 16a는 착용자의 다리에 착용된 가요성 엑소수트의 개략적인 측면도를 보여준다.
[0060] 도 16b는 도 16a에 도시된 가요성 엑소수트의 엘리먼트들의 정면도를 보여준다.
[0061] 도 16c는 도 16a에 도시된 가요성 엑소수트의 엘리먼트들의 배면도를 보여준다.
[0062] 도 17은 착용자의 무기에 착용된 가요성 엑소수트의 개략도를 보여준다.
[0063] 도 18은 가요성 엑소수트와 통신하도록 구성된 시스템 및 가요성 엑소수트를 도시한다.
[0064] 도 19는 가요성 엑소수트를 위한 제어부의 개략도를 도시한다.
[0065] 도 20a는 가요성 엑소수트의 동작 프로세스의 일 예를 도시한다.
[0066] 도 20b는 가요성 엑소수트의 동작 프로세스의 일 예를 도시한다.
[0067] 도 21a는 가요성 엑소수트를 위한 사용자 인터페이스의 일 예를 도시한다.
[0068] 도 21b는 가요성 엑소수트를 위한 사용자 인터페이스의 일 예를 도시한다.
[0069] 다음의 상세한 설명에서, 본원의 일부를 형성하는 첨부 도면에 참조부호가 매겨진다. 문맥이 달리 지시하지 않는 한, 도면에서, 유사한 부호는 전형적으로 유사한 엘리먼트를 나타낸다. 발명의 상세한 설명, 도면, 및 특허 청구 범위에 기재된 예시적인 실시예들이 본 발명을 제한하도록 의도되는 것이 아니다. 다른 실시예들이 활용될 수 있고, 다른 변형예들이 이하의 본 명세서의 주제의 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 이하에 일반적으로 기술된 바와 같이, 그리고 도면에 도시된 바와 같이, 본 명세서 등의 개시된 여러 태양들이, 이하에 명시적으로 의도된 모든 광범위하고 다양성을 갖는 상이한 구성으로, 배치, 치환, 결합, 분리 및 설계되어질 수 있는 것으로 기꺼이 이해되어져야 한다.
I. 개관
[0070] 본 발명의 몇몇 실시예들이, 착용자의 다양한 신체 활동을 가능하게 하도록, 다른 기능들 중에서, 착용자에 의해 착용되며 착용자에게 힘을 인가하도록 구성된 가요성 엑소수트(엑소수트) (경우에 따라, '엑소수트', '워리어 웹'(WarriorWeb), '강인한 수트' 및/또는 '프로그램가능한 신체 보강 시스템으로 언급되어진다)를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 이것은, 착용자의 신체의 근육조직에 의해 인가된 힘을 보강하기 위해 착용자의 신체의 세그먼트들 사이에 힘을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예는 엑소수트의 기능을 가능하게 하는 그러한 엑소수트로 내포되어질 수 있는 다양한 엘리먼트들을 제공한다. 본 발명의 몇몇 실시예는 그러한 엑소수트의 동작 모드 및 애플리케이션을 제공한다.
[0071] 도 1a 및 도 1b는, 착용자(110)에 의해 착용된 가요성 엑소수트(100)를 도시하고 있다. 도 1a 는 추가적으로, 착용자(110)의 무기에 장착된 및 착용자의 등에 착용된 짐(load: 120a 및 120b)을 도시하고 있다. 가요성 엑소수트(100)는, 착용자(110)의 하나 이상의 활동을 지원하도록, 착용자(110), 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트, 및/또는 로드 120a 및 120b 중 하나 또는 양측 모두에 힘을 인가하도록 구성된다. 예를들어, 가요성 엑소수트(100)는, 착용자(110)의 다리의 움직임에 에너지를 부가함으로써, 및/또는 이동의 임의의 일 단계 중에 착용자(110)의 다리로부터 에너지를 선택적으로 추출하여 활동의 다른 단계 중에 착용자(110)의 다리의 움직임을 지원하기 위해 상기 추출된 에너지의 일부를 주입함으로써, 이동 시에 상기 착용자(110)를 돕도록 동작될 수 있다. 다른 예에서, 가요성 엑소수트(100)는 추가적으로 혹은 대안적으로, 착용자(110) 자신이 운반할 수 있는 것보다 더 무거운 짐(120a, 120b)을 운반할 수 있도록 하거나 및/또는 착용자(110) 자신이 할 수 있는 것보다 더 멀리 짐(120a / 120b)을 전달할 수 있게 한다. 착용자(110)의 다른 활동이 가요성 엑소수트(100)에 의해 촉진될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트(100)는 다른 기능을 수행하도록 구성 및/또는 동작될 수 있다.
[0072] 가요성 엑소수트(100)는 여기에서 설명된 기능을 가능하게 하는 다수의 엘리먼트들을 포함한다. 가요성 엑소수트는, 착용자(110)의 조직 및 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트들 사이에 힘을 전달하도록 구성된 가요성 힘-전달 엘리먼트(flexible force-transmitting element: FFTE)(130)들을 포함한다. 가요성 엑소수트(100)는 추가적으로, 착용자(110)의 조직 및 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트들 사이 그리고 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트들 사이에 힘을 전달하도록 구성된 강성 힘-전달 엘리먼트(rigid force-transmitting element: RFTE)(140a, 140b, 140c) 들을 포함한다. 몇몇 실시예에서, RFTE는, 다른 엘리먼트 및/또는 착용자의 신체에 부착될 때 유연한 소자로 구성될 수도 있고, 기능적으로 단단하도록 구성될 수도 있다. 이러한 RFTE들은, 그들의 압축력 혹은 기타 다른 힘들의 견고한 전달이 착용자의 신체 및/또는 다른 엘리먼트들에 그들이 부착된 것을 조건으로 한다는 점에서, 조건부로 강성인 것으로 간주될 수 있다. 조건부로 강성인 RFTE들은, 대응하는 비-조건부로 강성인 힘-전달 엘리먼트들 보다 몇몇 애플리케이션에 의해 더 가볍고, 더 얇고, 혹은 그외 더 우수한 경우, 상기 대응하는 비-조건부로 강성인 힘-전달 엘리먼트들에 의해 전달되는 힘과 유사한 힘 (상기 제약사항들을 감안함) 을 전달하도록 구성될 수 있다. 기계적 힘은, 꼬인 끈, 전기 모터 (160) 및 엑소텐던(170a, 170b, 170c, 170d)에 의해 구동된 꼬인 끈 액추에이터(150a, 150b, 150c)를 포함한, 가요성 엑소수트(100)의 액추에이터에 의해, 다른 힘으로 변환되어진다. 액추에이터(150a-c, 170a-d 포함) 들은, 이하에서 기술되는 것처럼, 가요성 엑소수트(100)의 기능을 촉진하고 활성화하도록 착용자(110)의 표면이나 내부의 힘 (예를들면, 착용자(110)의 하나 이상의 조인트 주위의 조인트 토크) 을 생성, 저장, 혹은 그외 변조하기 위해, 힘-전달 엘리먼트(130, 140a-c) 들 사이의 힘을 생성, 흡수, 저장, 혹은 그외 변조할 수 있다. 가요성 엑소수트(100)는, 응용하기에 따라, 배터리, 컨트롤러, 센서, 사용자 인터페이스, 통신 장치, 또는 다른 컴포넌트들을 포함한 추가적인 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[0073] 꼬인 끈 액추에이터 (예를들면, 150a, 150b, 150c)는 그 길이를 따라 힘을 발생시킬 수 있는 유연한(가요성) 구조이다. 꼬인 끈 액추에이터는, 서로에 대해 꼬인 (두 개의 끈(string)이 있는 경우에는, 이러한 두 개의 스트링이 "꼬인 쌍"으로 지칭될 수 있다) 적어도 두 개의 가요성 "스트랜드" (예를들어, 와이어, 케이블, 밧줄, 섬유실) 를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 꼬인 끈의 제1 단부는 제1 작동 엘리먼트에 부착되고, 상기 제1 단부 반대편의 상기 꼬인 끈의 제2 단부는 제2 작동 엘리먼트에 부착되는바, 상기 제2 단부의 위치는 제2 작동 엘리먼트에 대해 직선이동되지 않으며, 상기 제2 단부는 회전 액추에이터 (예를들면 전기 모터(160)) 에 대해 회전되어질 수 있도록 되어 있다. 꼬인 끈 액추에이터는, 제1 및 제2 작동 엘리먼트 사이에서, 각각, 꼬인 끈의 제2 단부에 인가되는 회전이나 토크를 변위나 힘으로 변환시킨다. 꼬인 끈의 특성 (예를들어, 컴플라이언스, 꼬임 피치, 직경, 길이) 및 구동 회전 액추에이터의 특성 (예를들어, 가속도, 속도, 토크, 회전 관성)은, 응용하기에 따라 하나 이상의 특성을 갖는 꼬인 끈 액추에이터를 생성하도록 선택될 수 있는바, 예를들어, 상기 하나 이상의 특성은, 변위의 변화 속도가 높은 속도, 제1 및 제2 작동 엘리먼트 간에 인가되는 힘과 회전 액추에이터들 간의 높은 전송비, 특정 컴플라이언스, 또는 다른 특성들이 있을 수 있다. 또한, 꼬인 끈은 유연할 수 있고, 만곡된 형상으로 구현될 수 있다. 예를들어, 상술한 바와 같이, 조인트의 일측에서 각각의 작동 엘리먼트에 부착된 꼬인 끈의 각 단부와 함께, 착용자(110)의 조인트를 감싸는 단단한 튜브 (꼬인 끈과 단단한 튜브가 각각 내부 케이블 및 외부 하우징과 닮아 있는 관계인 경우에, 보우덴(Bowden) 케이블과 유사) 내에 수용될 수 있다. 그러한 꼬인 끈 액추에이터는 조인트를 가로지르는 제1 및 제2 작동 엘리먼트 사이에 힘을 인가하도록 작동될 수 있다. 더욱이, 상기 꼬인 끈과 단단한 튜브의 유연성은, 조인트가 이동함에 따라 혹은 착용자(110)나 가요성 엑소수트(100)의 다른 측면이 설정을 변경함에 따라, 상기 꼬인 끈 액추에이터로 하여금 착용자(110)의 표면에 근접한 상태를 유지하도록 허용할 수 있다. 꼬인 끈 액추에이터는 두 개 이상의 가요성 스트링을 가질 수 있으며, 다른 방식으로 작동 엘리먼트에 접속될 수 있으며, 다른 혹은 다수의 회전 액추에이터에 의해 구동될 수 있으며, 또는 다른 방법으로 이들 실시예와 서로 다르게 구성될 수 있다.
[0074] 엑소텐던 (예를들면, 170a, 170b, 170c, 170d)은 자신의 길이 방향으로 힘이 전달 가능하고 전기적 또는 다른 신호에 의해 제어되는 하나 이상의 기계적 특성 (예, 컴플라이언스) 을 가질 수 있는 구조이다. 엑소텐던은 유연한 또는 강성이될 수 있다. 엑소텐던은 얇고 유연하고 곡선 또는 평면 표면에 등각을 이루도록 될 수 있다. 예를들어, 엑소텐던은 특정 컴플라이언스를 갖는 구성요소 (예를들어, 스프링) 와 직렬 접속된 정전 클러치 (또는 기계적 클러치 일부 다른 타입) 를 포함할 수 있다. 상기 클러치는, 비활성시 제1 컴플라이언스 (클러치의 양 단부 사이를 결합하는 사실상 거의 완전한 기계적 디커플링에 대응하는, 가능한 한 매우 높은 컴플라이언스) 와 활성시 제2 컴플라이언스 (클러치의 양 단부 사이를 결합하는 사실상 비-순응성 기계적 커플링에 기인한 클러치의 개별 구성요소의 컴플라이언스에 대응하는, 가능한 한 매우 낮은 컴플라이언스) 를 가질 수 있다. 따라서, 엑소텐던은, 일종의 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트 (clutched-compliance element)로 간주될 수 있다. 클러치 및 특정화된-컴플라이언스 구성요소(specified-compliance component)는 이산적(discrete)일 수도 있으며, 상호 지간형(interdigitated), 개재형(intercalated), 또는 그외 엑소텐던을 형성하도록 근접하여 조립될 수 있다. 또한, 엑소텐던은, 다수의 특정화된-컴플라이언스 엘리먼트, 독립적으로 혹은 공통적으로 제어되는 클러치, 혹은 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엑소텐던의 전체 컴플라이언스는, 다수의 클러치들을 제어함으로써 다양한 이산적 또는 연속적 레벨로 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엑소텐던은, 일예로 신장된 특정화된-컴플라이언스 엘리먼트의 이완을 방지하도록 클러치를 결착시킴으로써, 기계적 에너지를 저장하도록, 및 나중에 저장된 기계적 에너지를 방출할 수 있도록 동작될 수 있다. 엑소텐던의 다른 구성 및 동작 방법이 이하에 설명된다.
[0075] 가요성 엑소수트(100)는, 추가의 전체적으로 또는 부분적으로 유연한 선형 액추에이터 (즉, 액추에이터가 선형의 힘 및/또는 변위를 생성하기 위해 동작될 수 있고 전체적으로 또는 부분적으로 유연함) 및/또는 전체적으로 또는 부분적으로 유연한 액추에이터의 다른 변종들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가요성 엑소수트(100)는 전기활성 고분자 인공 근육 (EPAM)을 포함하는 액추에이터를 포함할 수 있다. EPAM 액추에이터는 인가된 전기장에 응하여 크기나 형태를 변경한다. 역으로, 외력에 의한 야기된 EPAM 액추에이터의 크기나 형태 변경에 의해, EPAM 액추에이터 내에 혹은 상에 전기장이 전개되도록 야기할 수 있다. EPAM 액추에이터는 전기활성 고분자 물질과 (전기장의 방식으로) 상호 작용하도록 구성되는 두 개 이상의 전극을 포함할 수 있다. 전기활성 고분자 물질은, 유전체, 강유전체, 압전, 또는 다른 전기적 활성 분자, 크리스탈, 또는 고분자에 탑재되는 물질들을 포함할 수 있는바, 그리하여 전기장의 인가시, 상기 전기활성 물질들로 하여금 정열, 팽창(expand), 수축(contract), 또는 기타 전기장에 반응하도록 하여 상기 전기활성 물질로 하여금 크기나 형태에 변화를 야기하게 한다. 예를들어, 전기활성 고분자 물질은 정전 압축을 경험하도록 구성된 탄성 유전체로 구성될 수 있다. 전극 활성 물질 및 전극은, 전극 사이에 전기장 및 EPAM의 기계적 변형 사이의 바람직한 관련성을 가능하게 하도록 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 물질 및 전극은, EPAM 액추에이터가 전기장을 일 방향으로의 크기 변화로 변환하도록 구성될 수 앗으며, 그리하여 EPAM 액추에이터가 가요성 선형 액추에이터로서 작동되도록 할 수 있다. EPAM 액추에이터는 추가적으로 또는 대안적으로 기계 에너지로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가요성 엑소수트(100)는 운전 및/또는 하나 이상의 케이블에 장력을 인가 및/또는 구동하는 액추에이터를 포함할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트는 케이블에 부착된 선형 풀타입 솔레노이드를 포함할 수 있다. 선형 풀타입 솔레노이드는 제1 작동 엘리먼트에 부착될 수 있으며, 상기 솔레노이드에 부착된 케이블의 단부의 반대쪽의 케이블의 단부가 제2 작동 엘리먼트에 부착될 수 있다. 솔레노이드에 전류의 인가는 제1 및 제2 작동 엘리먼트의 변위 및/또는 그들 사이에 인가되는 힘으로 귀결될 수 있다. 가요성 엑소수트의 다른 전체적으로 또는 부분적으로 유연한 액추에이터가 예상된다.
[0076] 가요성 엑소수트(100)는 복합 액추에이터 (즉, 적어도 하나의 액추에이터를 포함하며 제1 작동 엘리먼트 및 제2 작동 엘리먼트 사이에 접속된 전체적으로 또는 부분적으로 유연한 어셈블리) 를 포함할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트(100)는 하나의 선형 액추에이터 및 적어도 하나의 클러치드 컴플라이언스 액추에이터 (즉, 특정화된 컴플라이언스를 갖는 컴포넌트와 직렬로 기계적 결합된 기계적 클러치를 포함하는 엘리먼트) 를 포함하는 스마트 텐던 엑소머슬(STEM) 액추에이터를 포함할 수 있다. 선형 액추에이터는 꼬인 끈 액추에이터일 수 있다. 클러치드 컴플라이언스 액추에이터는 본원에 기술된 바와 같이 엑소텐던과 유사하게 구성될 수 있다. STEM은, 제1 작동 엘리먼트에 접속된, 및 제2 작동 엘리먼트에 접속된 엑소텐던과 직렬로 기계적 결합된, 단일의 꼬인 끈 액추에이터를 포함할 수 있다. STEM은, 제1 및 제2 작동 엘리먼트 사이에 접속된, 제1 작동 엘리먼트에 접속된 단일 꼬인 끈 액추에이터 병렬로 접속된, 및 제2 작동 엘리먼트에 접속된 엑소텐던 직렬로 기계적 결합된, 엑소텐던을 포함할 수 있다. STEM은, 제1 작동 엘리먼트에 접속된, 및 제1 작동 엘리먼트에 또한 접속된 엑소텐던과 직렬로 기계적 결합된, 단일의 꼬인 끈 액추에이터를 포함할 수 있다. STEM은, 생물학적 액추에이터 (예를들면 근육과 힘줄) 에 의해 힘입은 토폴로지 및/또는 특성을 갖도록 구성될 수 있고, 더욱이 상기 생물학적 액추에이터의 동작을 모방하도록 동작될 수 있다. STEM의 다른 구성이 예상된다. STEM은, 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트들 사이에서 및/또는 가요성 엑소수트(100)의 착용자(110)에게로 및 착용자로부터 에너지 및 기계적 힘을 추출, 저장, 주입, 또는 그외 변환하도록 동작될 수 있다.
[0077] 힘이, 착용자(110)의 피부와 접촉하는 형태에 맞춘 직물 또는 의복과 접촉하여 및/또는 착용자(110)의 피부와 접촉하여 가요성 엘리먼트를 통해 착용자(110)의 조직 및 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트들 사이에 전달될 수 있다. 예를들면, 가요성 엑소수트(100)의 액추에이터는, 착용자(110)의 피부 안으로 차례차례 힘을 전달할 수 있는 가요성 힘-전달 엘리먼트(FFTE) (130) 안으로 힘을 전달할 수 있다. 착용자(110)의 피부 안으로 전달되는 힘은, 후술하는 바와 같이, 압축력, 전단력, 또는 다른 형태의 힘 및 힘들의 조합일 수 있다. 다수의 FFTE(130)는, 서로에 대해, 및 제약 또는 응용에 따라 착용자의 피부 속으로 힘이 전달되도록 하는 액추에이터에 대해 유연하게 또는 단단하게 결합될 수 있다. 예를들어, 다수의 FFTE(130)는, 액추에이터로부터의 전단력 및/또는 다수의 FFTE(130)와 피부 사이의 수직력이 착용자의 피부 영역에 균일하게 분산되는 방식으로 액추에이터에 접속되며, 함께 직조될 수 있다. 이 제약은, 상기 착용자(110) 혹은 몇몇 정형화된 및/또는 통계적으로 유추된 착용자의 해부학적 구조(anatomy)의 모델에 따라, 다수의 FFTE(130)의 구성을 특정하는 데 사용될 수 있다. 다수의 직조된 FFTE(130) 중의 개별 FFTE(130)는, 액추에이터에의 부착 점에서 멀어질수록 나선의 피치가 감소하도록 하면서, 착용자(110)의 해부학적 구조(몸)의 일부 (예를들어, 다리의 정강이) 의 주위를 나선형으로 감을 수 있다. 여러 액추에이터의 부착을 허용하도록 및/또는 여러 방향에서 힘의 전송을 허용하도록 다수의 FFTE(130)가 추가로 구성되어질 수 있다. 하나 이상의 액추에이터에 연결된 한 세트 이상의 다중 FFTE(130)가, 예를들어 서로의 위로 슬라이드하도록 그렇지 않으면 피부 내로 힘을 전달하는 동안 서로 간에 크게 힘을 전달하지 않도록 구성됨으로써, 착용자(110)의 피부의 동일한 영역에 여러 힘을 전달할 수도 있다.
[0078] 힘은 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트들 간에 및 추가적인 방법을 통해 착용자(110)에게 전송될 수 있다. FFTE(130) 및/또는 강성의 힘-전달 엘리먼트 (RFTE)(140a, 140b, 140c)가, 최소의 피부 스트레인 영역에서, 즉, 착용자(110)의 특정 동작 (예를들어, 걷기, 달리기, 점프, 리프팅) 도중에 상대적으로 변형(strain)을 거의 경험하지 않는 피부 영역에서, 피부에 부착 및/또는 피부로 힘을 전송하도록 구성되어질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, FFTE(130)가, 피부의 비-신장 라인을 따라, 즉, 착용자(110)의 특정 도중에 라인에 수직으로는 변형을 경험하나 라인에 평행하게는 실질적으로 전혀 변형을 경험하지 않는 라인을 따라, 피부에 부착 및/또는 피부로 힘을 전송하도록 구성되어질 수 있다. FFTE(130) 및/또는 RFTE(140a, 140b, 140c)가, 응용에 따라, FFTE(130) 및/또는 RFTE(140a, 140b, 140c)에 결합된 하나 이상의 비드(bead), 실린더, 혹은 기타 자유 회전 엘리먼트를 가짐으로써, 수직방향 힘이 하나 이상의 비드(bead), 실린더, 혹은 기타 자유 회전 엘리먼트를 통해 전달되도록 그리고 전단력이 하나 이상의 비드(bead), 실린더, 혹은 기타 자유 회전 엘리먼트의 회전 및 FFTE(130) 및/또는 RFTE(140a, 140b, 140c)의 변형으로 귀결되도록 하여, 실질적으로 피부 내로 전혀 전단력을 전달하지 않도록 구성되어질 수 있다. 스트랩, 부츠, 장갑(armor) 세그먼트 및 전기점착 패드를 포함하는, 착용자에게 및 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트 간의 힘을 전달하는 다른 방법들이, 예견된다.
[0079] 가요성 엑소수트(100)는, RFTE(140a, 140b, 140c)를 포함하여, 강성 엘리먼트들을 포함할 수 있다. RFTE(140a)는 부트(boot)와 함께 혹은 부트로서 작동하여 착용자(110)의 발에 힘을 결합시키도록 구성된 강성 엘리먼트이다. 꼬인 끈 액추에이터(150a) 및 엑소텐던(170a)에 의해 생성된 및/또는 전달된 힘의 일부 또는 모두가 RTFE (140a)로 전송된다. RTFE(140a)는 추가로 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다; 예를들어, 착용자의 활동상 효율이나 어떤 다른 인자 (일례로, 이동능력) 을 증가시키도록 착용자(110)의 발에 동작가능한 (일례로 착용자의 발에 에너지를 흡수 및/도는 전달한) 하나 이상의 EPAM 액추에이터를 포함할 수 있다. RFTE(140b)는, RFTE(140b)에 가장 근접한 착용자의 피부 및/또는 가요성 엑소수트(100)의 다른 엘리먼트 (일례로, FFTE(130)) 로 꼬인 끈 액추에이터 (150a) 및 엑소텐던(170a)에 의해 생성 및/또는 전송된 힘의 일부 또는 전부를 결합시키도록 구성된 강성 엘리먼트이다. RFTE(140c)는, 가요성 엑소수트(100)의 다른 엘리먼트로부터 착용자(110)의 몸통으로 힘을 결합시키도록 구성된 강성 엘리먼트이다. 꼬인 끈 액추에이터(150b, 150c) 및 엑소텐던(170b, 170c, 170d)에 의해 생성 및/또는 전송된 힘의 일부 또는 전부가 RTFE(140c)로 전송된다. RTFE(140c)는 FFTE(130)로/ FFTE(130)로부터 힘을 추가적으로 전송할 수 있다. RTFE(140c)는, 로드(load)(120b)로부터의 힘 (예를들면, 중력의 힘) 이 가요성 엑소수트(100)에 직접 전달될 수 있게 로드를 장착하도록 추가적으로 구성될 수 있는바, 그리하여 로드(120b)를 이송하는 데 필요한 힘의 일부 또는 전부가 착용자(110)의 엘리먼트 대신 가요성 엑소수트(100)에 의해 기인되도록 할 수 있다. 도 1b에 도시된 것 이외의 RTFE가, 가요성 엑소수트(100)에 포함될 수 있고, 애플리케이션에 따라 착용자(110)에게 및/또는 가요성 엑소수트(100)의 다른 구성요소들 사이에 힘을 전달하도록 구성될 수 있다.
[0080] 가요성 엑소수트(100)는, 착용자(110)의 본체의 엘리먼트에 비해 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트들의 위치를 유지시키도록 구성된 언더수트를 추가로 포함한다. 그 언더수트는 다양한 유연성 섬유, 직물 또는 기타 물질로 구성될 수 있으며, 다양한 가요성 엑소수트(100)의 기능을 수행할 수 있다. 예를들어, 상기 언더수트는, 투사물로부터 착용자(100)를 보호하기 위한 케블라(Kevlar), 착용자(110)의 피부에 의해 방출된 수분을 관리하는 고어텍스(Gore-Tex), 또는 다른 물질을 포함될 수 있다. 언더수트, RTFE (예를들면, 140a, 140b, 140c), FFTE(예를들어, 130), 및/또는 기타 가요성 엑소수트(100)의 비 전자적 동작가능 엘리먼트가 플렉시블 수트(suit)로 지칭될 수 있다. 전자적으로 작동가능한 엘리먼트 (예를들어, 엑소텐던(170a, 170b, 170c, 170d), 꼬인 끈 액추에이터(150a, 150b, 150c), 또는 다른 액추에이터 또는 가요성 엑소수트(100) 상에 또는 내에 배치된 다른 엘리먼트) 의 유연성 수트에 대한 결합은, 착용자(110)의 몸에 힘, 토크 및/또는 컴플라리언스를 인가하도록 전자적으로 작동가능한 엘리먼트의 동작을 가능하게 한다.
[0081] 가요성 엑소수트(100)는 추가적인 엘리먼트들을 포함한다. 가요성 엑소수트(100)는, 가요성 엑소수트로부터 동작하도록 구성된 하나 이상의 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는, 가요성 엑소수트(100) 내의 복수개의 센서로부터 데이터를 수신하며, 가요성 엑소수트(100)의 액추에이터(예를들어, 150a-c, 170a-d)를 동작시키기 위한 명령을 생성하도록, 혹은 다른 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 상기 컨트롤러는, 가요성 엑소수트(100) 내의 통신 소자들 (예컨대, 블루투스 무선 장치, 와이파이 무선 장치, LTE 또는 기타 셀룰러 무선 장치, 근거리 RF 통신 장치, 모뎀, 또는 다른 통신 장치들) 을 동작시키도록 구성될 수 있다. 상기 컨트롤러는, 그러한 통신 장치들로 하여금, 명령을 수신하고, 원격 측정(telemetry)을 보내고, 착용자(110)와 어떤 다른 사람들이나 시스템 간의 통신을 활성화하고, 혹은 어떤 다른 기능을 활성화하는 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 상기 컨트롤러는, 가요성 엑소수트(100) 내의 및/또는 가요성 엑소수트(100)와의 통신 시스템 내의 하나 이상의 사용자 인터페이스(UI)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 예를들어, 상기 컨트롤러는, 착용자(110)에게 가요성 엑소수트(100)의 동작에 관한 정보를 건네주도록 및/또는 착용자(110)로부터 명령을 (일례로, 가요성 엑소수트(100)의 기능을 변경하는 명령을) 수신하도록, 착용자(110)에 의해 착용된 소매 상에 또는 소매 내에 배치된 터치 스크린을 작동시킬 수 있다. 가요성 엑소수트(100) 내의 사용자 인터페이스(UI)는, 디스플레이, 터치 스크린, 터치 패드, 버튼, 슬라이더, 노브, 표시 등, 스피커, 헤드폰, 마이크, 또는 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[0082] 상기 컨트롤러는, 부가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트(110)의 센서 및/또는 액추에이터를 이용하여, 착용자(110)로부터 명령을 송신 및/또는 수신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 착용자(110)에 의해 수행되는 명령 제스처를 검출하도록 가요성 엑소수트(100)에 배치된 센서를 사용하고, 그러한 명령 제스쳐에 기초하여 가요성 엑소수트(100)의 기능을 변경하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 컨트롤러는, 착용자(110)에게 피드백을 제공하도록, 착용자에게 가요성 엑소수트(100)의 상태를 나타내주도록, 및/또는 착용자(110)에게 어떤 다른 정보를 제공하도록, 가요성 엑소수트(100)의 액추에이터나 다른 엘리먼트들을 사용할 수 있다. 예를들어, 상기 컨트롤러는, 착용자(110)가 더 웅크리는 자세를 채택해야함을 나타내기 위해 꼬인 끈 액추에이터 (150c)를 사용하여 펄스 또는 펄스 시퀀스를 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 가요성 엑소수트(100)는 하나 이상의 진동, 가열, 또는 전자자극 소자들을 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤러는, 착용자에게 가요성 엑소수트(100)의 상태를 표시해 주도록 및/또는 착용자(110)에게 어떤 다른 정보를 제공하도록 상기 진동, 가열, 또는 전자자극 소자들을 동작시킬 수 있다. 스트랩, 부츠, 장갑(armor) 세그먼트 및 전기점착 패드를 포함하는, 착용자에게 정보를 표시해 주기 위해 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트를 사용하여 및 가요성 엑소수트(100)의 엘리먼트들을 사용하는 다른 방법들이, 예견된다.
[0083] 가요성 엑소수트(100)는, 가요성 엑소수트(100)의 상태 및 동작, 착용자(110), 및/또는 착용자의 환경에 대한 정보를 검출하도록 구성된 복수개의 센서를 포함한다. 이들 센서는 다음과 같은 것들을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다: 힘 변환기 (예를들면, 로드 셀(load cells)), 변형 또는 변위 센서 (예를들어, 용량성 센서, 레이저 또는 초음파 거리 측정기, 리니어 인코더, 로터리-투-리니어 변환기나 트랜스미션의 로터리 엘리먼트 상의 로터리 인코더), 각도 센서 (예를들어, 자석과 자력계, 필터링된(filtered) 가속도계, 자력계, 및/또는 자이로스코프), 위치, 속도 및/또는 가속도 센서 (예를들어, GPS 수신기, 필터링된 혹은 필터링되지 않은 가속도계, 자력계, 및/또는 자이로스코프), 온도 센서, EMG 센서, ECG 센서, 맥박 센서, 혈압 센서, 갈바닉 피부 반응 센서, 습도 센서, 화학 센서 (예를들면, CO2, CO, O2 센서), 전리 방사선 센서, 카메라, SONAR, LIDAR, 근접 센서, 또는 기타 센서. 이들 센서들은 이산적인 것일 수 있으며, 혹은 이들 센서들은, 가요성 엑소수트(100)의 액추에이터 또는 다른 엘리먼트의 일부가 될 수 있다. 예를들어, 하나의 액소텐던이, 엑소텐던의 하나 이상의 속성 또는 엑소텐던의 환경을 검출하는데 (예를들면, 상기 엑소텐던의 한 쌍의 전극 간의 임피던스나 전압 및/또는 전극을 가로지르는 전류의 측정에 의해 상기 엑소텐던에 의해 경험되는 변형(strain) 및/또는 힘을 검출하는데) 사용되도록 구성될 수 있다.
[0084] 상기 센서는, 가요성 엑소수트(100)를 동작시키는데 사용될 수 있는 데이터를 생성하도록 동작시킬 수 있다. 상기 센서에 의해 생성된 데이터는, 어떤 기능을 수행하기 위한 액추에이터 (예를들어, 150a-c, 170a-d) 를 동작시키기 위해, 가요성 엑소수트(100)에 포함된 컨트롤러에 의해 사용될 수 있다. 예를들어, 상기 센서는, 착용자(110)가 이동(locomotion)에 관여하고 있었고, 착용자(110)가 정형적인 이동 사이클의 제1 특정화된 단계에 있었음을 나타내는 데이터를 생성할 수 있으며, 상기 컨트롤러는, 착용자(110)로부터 부정적인 업무를 추출하기 위해 상기 엑소텐던(170a-d)을 동작시키도록 그 데이터를 사용할 수 있다. 이후의 다른 시점에, 상기 센서는, 착용자(110)가 이동(locomotion)에 관여하고 있었고, 착용자(110)가 정형적인 이동 사이클의 제2 특정화된 단계에 있었음을 나타내는 데이터를 생성할 수 있으며, 상기 컨트롤러는, 착용자(110)의 다리에 에너지를 전달하여 착용자(110)의 이동을 돕도록 상기 엑소텐던(170a-d)을 동작시키도록 및/또는 착용자(110)의 다리에 에너지를 전달하기 위해 꼬인 끈 액추에이터(150a, 150b, 150c)를 동작시키도록, 그 데이터를 사용할 수 있다.
[0085] 가요성 엑소수트는, 팔, 혹은 기타 추가적인 혹은 대안적인 다리 이외의 착용자의 해부학적 구조에 대응하는 엘리먼트들 (도 1a 및 도 1b의 가요성 엑소수트(100)에 의해 도시된 바와 같이) 을 포함할 수 있다. 그러한 가요성 엑소수트는, 착용자의 상체 강도를 증가시키기 위해 및/또는 착용자의 팔로 로드(짐) 운반을 돕기 위해 구성될 수 있다. 착용자의 팔에 대응하는 엘리먼트들을 갖는 가요성 엑소수트는, 예를들어 착용자의 팔로부터 다리로 기계적 에너지의 전달 없이 사용자가 달성할 수 있는 것보다 더 먼 거리를 가로질러 이동을 가능하게 하도록, 착용자의 다리로부터 착용자의 팔로 및 팔로부터 다리로 기계적 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 가요성 엑소수트는, 착용자의 중심선에 걸쳐 대칭되도록 구성할 수 있으며 (즉, 착용자의 왼쪽 다리에 대해 배치된 엘리먼트들이 복제 및 미러링 배치 그리고 착용자의 오른쪽 다리에 대하여 배치됨), 혹은 응용에 따라 비대칭이 될 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트는 착용자의 부상당한 다리에 힘이 인가되도록, 그러나 반대쪽 다리에는 인가되지 않도록, 구성될 수 있다. 가요성 엑소수트의 다른 구성들이 예견된다.
[0086] 가요성 엑소수트는, 착용자의 단일의 관절이나 좌/우 관절 쌍에 힘 및/또는 토크를 인가하도록 구성될 수 있다. 이러한 가요성 엑소수트는, 상기 단일의 관절에서 먼 착용자의 일부분에 근접하여 커버링/배치된 엘리먼트들을 포함할 수 있거나, 혹은 상기 단일의 관절에 근접하여 커버링/배치된 엘리먼트들 만을 포함할 수 있다. 상기 단일의 관절에 힘/토크를 인가하도록 구성된 가요성 엑소수트의 엘리먼트들은, 상기 단일의 관절에 근접하여 배치될 수 있거나 그밖의 장소에 배치될 수 있으며, 일례로, 벨트, 케이블, 기어, 꼬인 끈 전송을 통해 및/또는 몇몇 다른 방법으로, 상기 단일의 관절에 기계적으로 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가요성 엑소수트는 착용자의 발목을 가로질러 힘을 인가하도록 구성될 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트는, 착용자의 다리의 뒤쪽에 배치된 및 착용자의 종아리와 발에 각각 기계적으로 결합된 두 개의 액추에이트된 엘리먼트 간에 힘을 인가 및/또는 전달하도록 구성된 스마트 텐던 액소머슬을 포함할 수 있다. STEM의 엘리먼트들 (예를들어, 꼬인 끈 전송을 구동하도록 구성된 모터) 은, 발목 근처에 (일례로, 종아리의 뒷면에), 또는 다른 위치에 배치될 수 있다 (예를들면, 착용자에 의해 착용된 벨트에 부착 및 꼬인 끈이나 케이블 전송에 의해 발목에 기계적으로 결합될 수 있다). 이러한 가요성 엑소수트는, 응용에 따라 배치된 추가의 엘리먼트들, 예를들어, 배터리, 컨트롤러, 센서를 포함할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트의 센서는, 걸음걸이 감지가 가능하도록 다리와 몸통에 걸쳐 배치될 수 있으며, 가요성 엑소수트에 전원공급을 하는 배터리가 착용자에 의해 착용된 벨트 등등에 위치될 수 있다.
[0087] 가요성 엑소수트 (예 : 100) 는 다양한 응용에 따라 다양한 기능 및 동작 모드를 활성화하도록 동작시킬 수 있다. 몇몇 애플리케이션에서, 가요성 엑소수트는, 착용자의 신체 활동 동안 피로를 감소, 모니터 및/또는 '투여'하도록 구성된 동작 모드를 가질 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트는, 착용자에 의해 확장된 운동 도중에 피로 현상을 감지 및/또는 방지하도록 동작될 수 있다. 가요성 엑소수트, 피로를 줄이기 위해 착용자의 다리로/다리로부터 에너지를 추출, 저장, 및/또는 주입할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트는, 제1 및 제2 기간 사이에 착용자가 경험하는 수고/피로의 양을 '레벨'화 하기 위하여, 제1 기간 동안 착용자로부터 에너지를 추출하고 제2 기간 동안 착용자에게 저장된 에너지를 도로 주입하도록 동작할 수 있다. 착용자의 이동, 기어오름, 짐 운반, 또는 다른 확장된 신체 활동 도중에 피로를 감소, 모니터, 및/또는 '투여'하도록 가요성 엑소수트의 다른 구성 및 동작 모드들이 예견된다.
[0088] 몇몇 애플리케이션에서, 가요성 엑소수트는 착용자의 강도를 증가시키도록 구성된 동작 모드를 가질 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트는 착용자와 몸통/다리 및 착용자의 팔 사이에 및/또는 착용자의 팔에 힘 및/또는 토크를 인가하는 엘리먼트를 포함하여, 상기 가요성 엑소수트는, 착용자가 자연스럽게 할 수 있는 것보다 더 무거운 물체를 들어올리는 것 및/또는 더 큰 힘을 인가하는 것을 착용자로 하여금 가능하게 하도록 동작할 수 있다. 상기 가요성 엑소수트는, 착용자가 자연스럽게 할 수 있는 것보다 더 높이 점프할 수 있음을 착용자에게 허용하도록, 착용자의 다리에 힘 및/또는 토크를 인가할 수 있다. 몇몇 애플리케이션에서, 상기 가요성 엑소수트는, 과도한 관절 및/또는 근육 운동이나 속도를 방지하기 위해, 착용자의 관절을 가로지르는 순응성 엘리먼트들에 클러치를 인가함으로써, 및/또는 착용자의 관절에 보호용의 힘 및/또는 토크를 인가함으로써, 착용자의 부상을 방지하도록 구성된 동작 모드를 가질 수 있다. 착용자의 부상을 방지하기 위한 가요성 엑소수트의 동작은, 착용자가 부상을 입을 가능성이 증가함을 나타내는 환경의 및/또는 착용자의 상태를 상기 가요성 엑소수트의 센서가 검출할 때 발생할 수 있으며, 및/또는 연속적으로 발생할 수도 있다. 몇몇 애플리케이션에서, 가요성 엑소수트는, 몇몇 다른 정보 소스와 혹은 가요성 엑소수트의 다른 착용자와, 그/그녀의 동작을 엮기(조정하기) 위해 착용자를 돕도록 구성되는 동작 모드를 가질 수 있다. 상기 가요성 엑소수트는, 착용자의 햅틱(haptic) 정보 (예를들면, 엑소수트의 진동 소자) 를 인가함으로써, 및/또는 조정 정보의 소스에 맞춰 착용자의 관절에 힘 및/또는 토크를 인가함으로써, 착용자의 활동을 조정할 수 있다.
[0089] 가요성 엑소수트는 착용자에게 정보를 제공 및/또는 착용자로부터 정보를 검출하는 동작 모드를 가질 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트의 액추에이터 (예를들면, 꼬인 끈 액추에이터, 엑소텐던, STEM, EPAM 액추에이터, 진동 소스)는, 착용자에게 어떤 정보를 표시하도록 동작될 수 있다. 일 예에서, 일련의 토크 펄스가, 엑소수트의 배터리 상태를 나타내기 위해, 또는 착용자가 통신 장치를 검사해야 함을 나타내기 위해, 착용자의 관절에 인가될 수 있다. 다른 예에서, 명령을 받았는데 그 명령을 받은 자세가 착용자가 어떤 객체를 만족시키는 (일례로, 웅크리거나 기립하고 있는 동안 피로를 최소화하기 위하는) 것처럼 여겨지는 자세일 경우, 가요성 엑소수트 내의 진동 모터는, 그 착용자가 포즈에서 벗어나고 있음을 나타낼 수 있다. 착용자의 모션, 힘, 또는 기타 기계적 출력이, 가요성 엑소수트의 센서 및/또는 액추에이터에 의해 검출될 수 있다. 상기 검출된 모션은 상기 가요성 엑소수트의 기능을 제어하는데 및/또는 상기 가요성 엑소수트와 통신하는 다른 시스템을 제어하는데 사용될 수 있다. 예를들어, 어떤 제스쳐 (일례로, 외발로 땅을 두번 가볍게 두드리는 동작) 가, 가요성 엑소수트에 의해 검출될 수 있고, 예를들어 착용자가 벽을 기어오르도록 돕기 위해 엑소수트를 준비하는, 혹은 원격 서버에 올-클리어(all-clear) 신호를 보내는, 명령으로 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 착용자에 대한 모션, 힘 및 다른 기계적 정보가, 추후 사용을 위해, 예를들면, 생체 역학 연구, 신체 훈련, 엔터테인먼트용 모션 캡처, 혹은 몇몇 다른 응용을 위해, 기록될 수 있다.
[0090] 가요성 엑소수트는, 심지어 착용자가 이동할 수 없는 경우나 착용자가 가요성 엑소수트에 의해 수행되는 이동에 반하는 방식으로 이동하고자 하는 경우에라도, 착용자의 이동을 야기하도록 구성되는 동작 모드를 가질 수 있다. 일 예에서, 착용자가 무력화될 수 있고, 가요성 엑소수트가 착용자를 안전한 곳으로 및/또는 응급 지원의 소스로 이동시키도록 동작할 수 있다. 다른 예에서, 착용자의 팔다리 또는 착용자의 다른 부위가 전체적으로 또는 부분적으로 마비될 수 있으며, 가요성 엑소수트가 착용자의 마비된 부위를, 착용자로 하여금 보행이 허용되도록 하기 위하여, 움직이게 하도록 동작할 수 있다. 가요성 엑소수트는, (예를들면, 착용자가 뇌졸중, 척수 손상, 신경 손상, 또는 몇몇 다른 부상 또는 질병 프로세스를 경험한 경우), 착용자의 약화된 운동력을 도움으로써 및/또는 착용자의 장애 운동을 해소시킴으로써, 착용자의 재활을 가능하게 작동할 수 있다.
[0091] 가요성 엑소수트는 어떤 다른 보철 시스템과 결합하여 운영될 수 있다. 예를들면, 착용자가 팔다리를 잃을 수 있고, 가요성 엑소수트는, 착용자에 의해 착용된, 및 잃은 팔다리의 기능의 일부를 대체하도록 구성된, 보철물과 결합하여 동작할 수 있다. 가요성 엑소수트는 보철물과 통합될 수 있고, 착용자에게 보철물을 탑재하도록 및/또는 보철물과 착용자 사이의 힘 및/또는 토크를 전송하도록 구성될 수 있다. 몇몇 예에서, 가요성 엑소수트의 센서들 및/또는 액추에이터를 이용하여 검출된 정보 (예를들면, 착용자의 다리의 자세와 이동에 대한 정보) (예를들어, 검출된 이동기(locomotor) 보행 타입, 페이스(phase), 속도, 혹은 착용자의 다리의 구조에 상보적인 구성을 가정하는 다리 보철물을 제어하는데 사용될 수 있는 착용자의 다리로부터의 기타 정보) 가, 상기 보철물을 동작시키는데 사용될 수 있다. 이러한 가요성 엑소수트는, (예를들면, 다리 보철물의 동작 패턴을 보완하기 위해 착용자의 다리의 보행 패턴을 변경하는 것과 같이) 활동 중에 보철물의 동작을 보완하는 착용자의 운동을 최적화하는데 추가적으로 동작되어질 수 있다.
II
. 인체와
메카트로닉
인터페이스를 위한 재구성가능한, 착용가능한 플랫폼
[0092] 본 명세서에서 설명한 바와 같이 가요성 엑소수트는, 다양한 메카트로닉스, 생물 의학, 휴먼 인터페이스, 교육, 재활, 통신, 및 다른 애플리케이션을 가능하게하는 표준의, 범용 플랫폼으로 동작할 수 있다. 가요성 엑소수트는, 센서, 전자적으로 실행되는 액추에이터, 또는 기타 엘리먼트들이나 가요성 엑소수트의 기능들을 만들 수 있는바, 이들은 가요성 엑소수트의 프로세서에 의해 수행되는 다양한 애플리케이션, 데몬(daemons), 서비스, 또는 그외 컴퓨터 판독가능한 프로그램 및/또는 가요성 엑소수트와 통신하는 원격 시스템에 유용하다. 가요성 엑소수트는, 표준 방식 (예를들어, API, 통신 프로토콜, 또는 기타 프로그래밍 인터페이스) 에 유용한 액추에이터, 센서, 또는 기타 엘리먼트들이나 기능들을 만들 수 있는바, 그리하여 애플리케이션, 데몬, 서비스, 또는 그외 컴퓨터 판독가능한 프로그램들이 다양한 상이한 구성을 갖는 다양한 가요성 엑소수트의 동작 모드 및/또는 애플리케이션에 인스톨되고, 그들에 의해 실행되며, 그들을 인에이블하도록 동작가능하게 생성되도록 한다. 가요성 엑소수트에 의해 유용하게 만들어진 상기 API, 통신 프로토콜, 또는 기타 프로그래밍 인터페이스는, 광범위한 다양한 상이하게 구성된 가요성 엑소수트의 동작 모드 및/또는 기능을 인에이블하도록 동작할 수 있는 그러한 컴퓨터 판독가능한 프로그램들의 생성을 가능하게 하도록, 가요성 엑소수트의 동작을 캡슐화하거나, 번역하거나, 그렇지 않으면 이끌어낼 수 있다.
[0093] 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트는, 그 하드웨어 구성에서 모듈식일 수 있다 (즉, 액추에이터, 센서, 또는 다른 엘리먼트가, 가요성 엑소수트의 애플리케이션, 기능 및/또는 동작 모드를 인에이블하기 위하여, 가요성 엑소수트에 추가되거나 가요성 엑소수트로부터 제외될 수 있다). 이러한 모듈식은, 가요성 엑소수트의 엘리먼트를 동작시키도록 구성된 프로세서, 오퍼레이팅 시스템 또는 다른 컨트롤러에 반영될 수 있다. 즉, 가요성 엑소수트의 컨트롤러는 동적으로 가요성 엑소수트의 하드웨어 구성을 결정할 수 있고 ("플러그-앤-플레이"에 가깝다), 가요성 엑소수트의 결정된 현재의 하드웨어 구성에 상대적으로 가요성 엑소수트의 동작을 조정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트의 컨트롤러가 가요성 엑소수트의 하드웨어 구성을 설명하는 정보와 함께 제공될 수 있다. 이 동작은, 표준화된 프로그래밍 인터페이스를 통해 가요성 엑소수트의 기능성을 액세스하는 컴퓨터 판독가능 프로그램 (예를들면 가요성 엑소수트의 동작 모드를 활성화하는 방법을 기술하는 컴퓨터 판독가능한 프로그램) 에 '인비지블(invisible)'한 방식으로 수행될 수 있다. 예를들어, 표준화된 프로그래밍 인터페이스를 통해, 가요성 엑소수트의 컨트롤러로, 특정 레벨의 토크기 가요성 엑소수트의 착용자의 발목에 인가되는 것을 나타낼 수 있다. 가요성 엑소수트의 컨트롤러는, 착용자의 발목에 특정 레벨의 토크를 인가하기에 충분한, 결정된 및/또는 제공된 가요성 엑소수트의 하드웨어 구성에 기초하여, 액추에이터의 동작 패턴을 책임감 있게 결정할 수 있다.
[0094] 더욱이, 전자적으로 작동 가능한 액추에이터 (예를들어, 꼬인 끈 액추에이터, EPAM 액추에이터 및/또는 햅틱(haptic) 피드백 엘리먼트, 엑소텐던, 정전 클러치, 전자 적층필름(eletrolaminates), 등) 의 사용은, 다양한 전문화된 애플리케이션 및/또는 구성에 따라 가요성 엑소수트의 동작 모드 및 기능을 인에이블하기 위해 표준화된 구동 전자 장치와 통신 및/또는 전력 버스들 및 상호접속의 사용을 가능하게 할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트의 개별 구성은 각각의 착용자, 환경, 애플리케이션 세트, 또는 다른 고려 사항과 관련하여 특화될 수 있다. 개별적인 가요성 엑소수트를 디자인하고 활성화하는 데 필요한 비용, 시간, 또는 다른 리소스들은, 가요성 엑소수트의 제작, 프로그래밍, 및 다른 동작을 가능하게 하는 표준화된 구동 전자 장치와, 통신 및/또는 전력 버스들, 및 전기적 및/또는 기계적 상호접속, 컨트롤러, 컴퓨터 판독가능한 제어 프로그램, 또는 다른 표준화된 태양을 이용함으로써 감소될 수 있다. 또한, 이러한 표준 하드웨어와 소프트웨어의 사용은, 다양한 각각의 구성을 갖는 다양한 가요성 엑소수트의 동작 모드 또는 기능을 인에이블하도록 생성되는 공통 애플리케이션, 서비스, 드라이버, 데몬(daemons) 또는 다른 컴퓨터 판독가능한 프로그램을 활성화할 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 가요성 엑소수트 (즉, 다양한 애플리케이션을 위한 표준화된 플랫폼 역할을 하는) 는, 가요성 엑소수트의 각각의 다양한 애플리케이션을 가능하게 하는, 서로 다른 다양한 동작 모드에 따라 동작할 수 있다. 예를들어, 다양한 동작 모드가, 착용자의 걷기(보행), 달리기(주행), 점프하기, 리프팅, 짐 운반하기, 오르기(등산), 사이클링(자전거 타기), 운동, 교육훈련, 가상 아바타를 제어하기, 원격 로봇 시스템을 제어하기, 또는 다른 애플리케이션이나 착용자의 활동을 제어하기에 대응할 수 있다. 몇몇 실시예에서, (활성화된, 일례로 가요성 엑소수트에 설치된 컴퓨터 판독가능한 프로그램에 의해 활성화된) 동작 모드는, 가요성 엑소수트의 하드웨어 구성과 호환되지 않을 수 있다. 예를들어, 상기 동작 모드는, 가요성 엑소수트에 결합된, 및 착용자의 발목에 일정 최소량의 토크를 인가하도록 구성된, 액추에이터를 필요로 할 수 있다. 만약 가요성 엑소수트의 제어 시스템이 상기 하드웨어 구성이 상기 동작 모드를 인에이블하기에 불충분하다고 판단한 경우, 상기 제어 시스템은 상기 동작 모드를 디제이블할 수 있으며 및/또는 감소된 레벨로 상기 동작 모드에 영향을 미칠 수 있다. 상기 제어 시스템은, 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 가요성 엑소수트의 하드웨어가, (예를들어, 가요성 엑소수트의 햅틱 엘리먼트나 다른 액추에이터를 동작시킴으로써) 상기 동작 모드를 완전히 인에이블할 수 없다는 점을 나타낼 수 있으며, 및/또는 상기 동작 모드를 인에이블하기 위해 상기 착용자가 획득하여 가요성 엑소수트 상에 인스톨한 액추에이터의 상세 내역 및 구성을 나타낼 수 있다. 가요성 엑소수트의 다른 동작 모드들과 구성 및 그 엘리먼트들이 예견된다.
III
.
엑소텐던
, 정전 클러치, 전자 적층필름(
eletrolaminates
), 제어가능한
컴플라이언스
엘리먼트
, 에너지 저장 및 복구
엘리먼트
, 및 기타 정전
메타
물질의 구성
[0095] 가요성 엑소수트는 장력하에 로딩될 수 있는 복수개의 가요성 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 몇몇 애플리케이션에서, 엘리먼트들이 전자적으로 모듈화될 수 있는 (일례로, 두 개 이상의 상태 간에 스위칭되거나 클러칭될 수 있는) 컴플라이어스를 갖는 그러한 장력하의 가요성 엘리먼트들을 포함하는 것이, 가요성 엑소수트에 대해 유용할 수 있다. 예를들어, 상기 엘리먼트들의 컴플라이언스는 그 엘리먼트의 전자적 동작에 따라, 둘 이상의 이산된 값 또는 연속적인 범위의 값을 가질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 인장성의 가요성 엘리먼트는, (즉, 실질적으로 길이 방향의 변형을 나타내지 않는 반면 길이 장력을 송신하는) 제로- 또는 로우- 컴플라이언스 상태, 및 (유효 변형이 무엇이 되었든 그것을 위해 요구되는지를 나타내는 반면 실질적으로 텐션을 전달할 수 없는) 인피니트- 또는 하이- 컴플라이언스 상태를 가질 수 있으며, 인장성의 가요성 엘리먼트는 그 엘리먼트의 전자적 동작에 따른 상태들을 변경할 수 있다. 이러한 전자 제어 컴플라이언스 인장성의 가요성 엘리먼트는, 정전 클러치 (즉, 클러치 소자들 간에 제어 가능한 힘을 생성하기 위해 정전 인력(electrostatic attraction)을 사용하도록 구성된 클러치) 를 사용하여 구현될 수 있으며, 및 본 명세서에서 엑소텐던으로 지칭된다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 엑소텐던은 애플리케이션에 따라 가요성 또는 강성의 엘리먼트들로 구현될 수 있다. 또한, 엑소텐던은 곡면 또는 평평한 표면에 얇고 균일한 것일 수 있다.
[0096] 도 2a는 예시적인 엑소텐던(200a)의 단면도이다. 상기 엑소텐던은, 애플리케이션에 따라, 어떤 다른 기구 또는 장치의 제1 및 제2 엘리먼트 (예를들면, 가요성 엑소수트의 가요성 및/또는 강성의 힘-전달 엘리먼트) 에 기계적으로 결합되도록 구성된 제1 및 제2 엔드 플레이트(210a, 220a)를 포함한다. 엑소텐던(200a)은, 제1 및 제2 엔드 플레이트(210a, 220a)에 각각 강성으로 결합된 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a)를 포함한다. 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a)는, 국부적으로 사실상 서로 평행하며, 오버랩 (250a)의 표면을 갖는다. 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트 (230a, 235a)는, 제1 및 제2 전도성 전극 (232a, 237a) 사이에 어떤 직접적인 하이-컨덕턴스 경로도 존재하지 않도록, 각각의 절연체 층 (234a, 239a)에 코팅된 각각의 전도성 전극(232a, 237a)을 추가로 포함한다. 엑소텐던(200a)은, 제2 엔드 플레이트(220a)에 제1 로우-컴플라이언스 시트(230a)를 및 제1 엔드 플레이트(210a)에 제1 로우-컴플라이언스 시트(230a)를 각각 연결하는 제1 및 제2 하이-컴플라이언스 엘리먼트(240a, 245a)를 추가로 포함한다. (예를들어, 국부적으로 평평한 시트 상에 배치된 전도성 전극을 포함함으로써) 정전기적으로 함께 클러치하도록 구성된 2개 이상의 국부적으로 평평한 시트의 유사한 구성이, 전자 적층필름으로 지칭될 수 있다.
[0097] 전극이 충전되지 않은 경우, 엑소텐던(200a)은, 제1 로우-컴플라이언스 시트(230a)와 제1 하이-컴플라이언스 엘리먼트(240a)의 직렬연결과 제2 로우-컴플라이언스 시트(235a)와 제2 하이-컴플라이언스 엘리먼트(245a)의 직렬연결이 병렬로 연결된 회로의 컴플라이언스에 대응하는 컴플라이언스를 갖는 컴플라이언스 엘리먼트로서 일반적으로 동작한다.
[0098] 제1 및 제2 전도성 전극 (232a, 237a) 사이의 높은 전압의 인가는, 오버랩(250a)의 표면을 가로질러 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a) 사이에 수직 항력을 인가시킴에 의해, 동시에 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a)를 '클러치'시키도록 작용하여, 전도성 전극(232a, 237a) 및/또는 엑소텐던(200a)의 다른 엘리먼트들 사이의 흡인력의 향상을 야기한다. 절연체 층 (234a, 239a)은, 전도성 전극(232a, 237a) 사이에 특정 레벨의 저 전류가 직접 흐르도록 허용하는 특정된 저항률을 갖는다. 이러한 방식으로 고전압으로 동작하면, 제1 및 제2 분획이 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a)의 오버랩의 정도와 관련될 경우, 상기 엑소텐던(200a)은, 제2 로우-컴플라이언스 시트(235a)의 컴플라이언스의 제2 분획과 제1 로우-컴플라이언스 시트(230a)의 컴플라이언스의 제1 분획의 직렬연결 회로에 대응하는 컴플라이언스를 갖는 비교적 비-컴플라이언스 소자로서 흔히 동작할 것이다.
[0099] 엑소텐던(200a)의 엘리먼트들 또는 다른 유사한 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들은, 다양한 방법으로 구성될 수 있고, 다양한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 엑소텐던(200a)의 층의 순서 및 존재 (즉, 제1 로우-컴플라이언스 시트(230a) > 제1 전도성 전극 (232a) > 제1 절연체 층 (234a) > 제2 절연체 층 (239a) > 제2 전도성 전극 (237a) > 제2 로우-컴플라이언스 시트 (235a)) 는, 예시하기 위한 것이다. 도전층, 로우-컴플라이언스 시트 및 절연체 층의 다른 개의 순서가 예견된다. 몇몇 실시예에서, 단지 하나의 절연체 층이 존재할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전도성 전극과 로우-컴플라이언스 시트는, 하나의 엘리먼트 (즉, 로우-컴플라이언스인 전도성 물질) 로 통합될 수 있다. 엑소텐던 층들(layers of exotendon)의 조성물, 차원 및 상대적인 순서는, 원하는 레벨의 클러치 힘 (일례로, 쿨롱 인력, Johnsen-Rahbek 효과, 또는 다른 물리 법칙으로 인한), 클러치된 및/또는 클러치되지 않은 전반적인 컴플라이언스, 혹은 다른 고려 사항들을 달성할 수 있도록 특정될 수 있다. 엑소텐던은 부가적으로 또는 대안적으로, 비틀림 컴플라이언스, 전단 컴플라이언스, 기계적 임피던스 또는 엑소텐던 일부 다른 기계적 특성을 클러치 및/또는 제어하도록 구성 및 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하이-컴플라이언스 엘리먼트(240a, 245a)는 엑소텐던의 보호 포장의 일부가 될 수 있거나 또는 함께 모두 생략될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 추가적인 층, 재료, 또는 다른 엘리먼트들이 포함될 수 있다. 예를들어, 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a)는 섬유 강화 접착 테이프나 기타 다양한 접착 테이프를 포함할 수 있거나/있으며 그들에 부착되어질 수 있다. 전도성 전극 (232a, 237a)은, 다양한 물질 (예를들면, 마일라 (Mylar), 폴리이미드, 탄소 섬유, 폴리머, 결정, 액정) 을 포함할 수 있는 해당 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a) 상에 다양한 방법 (예를들면, 화학 기상 증착 (CVD), 물리 기상 증착 (PVD), 스퍼터링, 접착제 본딩, 리소그래피) 에 의해 부착된 다양한 물질 (예를들면, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 은, 금, 도전성 카본 나노 튜브) 을 포함할 수 있다. 예를들어, 제1 전도성 전극 (232a) 및 제1 로우-컴플라이언스 시트 (230a)가 함께 알루미늄화 마일러의 시트일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 전도성 전극 (232a, 237a) 및 각각의 로우-컴플라이언스 시트 (230a, 235a)는 단일 물질(단체)일 수 있다. 예를들어, 제2 전도성 전극 (237a) 및 제2 로우-컴플라이언스 시트 (235a)가 함께 전도성 폴리이미드 시트 일 수 있다. 다른 예에서, 제2 전도성 전극 (237a) 및 제2 로우-컴플라이언스 시트 (235a)가 함께 전도성 기재 (예를들어 도전성 카본 나노 튜브 또는 다른 도전성 입자들) 에 함침된 폴리머 또는 기타 도전성 물질의 시트일 수 있다.
[00100] 절연체 층 (234, 239a)은 애플리케이션에 따라 다양한 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 절연체 층 (234, 239a)은 폴리 우레탄 또는 다른 폴리머 물질일 수 있다. 도전성 물질, 다이폴, 또는 다른 전기적 활성 엘리먼트가, 엑소텐던(200a)의 의 특정 속성 (예를들어, 오버랩 (250a)의 표면에서의 클러치 힘, 클러치 압력, 마찰 계수 또는 정지 마찰 정도) 을 발휘하기 위해, 상기 절연체 층 (234, 239a)의 지정된 특성 (예를들면, 비저항, 브레이크다운 전압, 비유전율, 오버랩(250a)의 표면에서의 전하 이동의 정도, 전도성 전극(232a, 237a)이 대전되었을 때에 오버랩(250a)의 표면에서의 하이 레벨의 표면 전하 밀도) 을 발휘하도록, 중합체 물질에 첨가될 수 있다. 예를들면, 절연체 층 (234, 239a)은 산화 금속 입자 또는 이들의 염 (예를들면, 테트라 부틸 암모늄 퍼클로레이트) 을 함유하는 폴리 우레탄 층이 될 수 있다.
[00101] 엑소텐던(200a)의 구성 및 동작은, 엑소텐던 (200a)의 엘리먼트들 및/또는 엑소텐던 (200a) 전체로서의 원하는 동작 특성에 의해 결정될 수 있다. 내구성, 강도, 실패에 대한 액추에이션 사이클의 횟수, 동작 전압, 클러치된 및 언클러치된 컴플라이언스 레벨, 클러치 강도 (예를들어, 엑소텐던이 클러치에 대해 동작시 엑소텐던 (200a)의 엘리먼트들 사이에 작용하는 압력), 절연체 층 저항률, 클러치 전환 시간 및 기타 속성들이, 엑소텐던(200a)의 애플리케이션에 따라 지정될 수 있다. 예를들면, 금속 산화물이 함침된 폴리 우레탄으로 절연체 층이 구성되는 경우, 엑소텐던(200a)은 전도성 전극에 인가되는 400 볼트 및 5 마이크로 암페어의 전압을 이용하여 클러치될 수 있으며, 이러한 인가 전압은 엑소텐던(200a)의 클러치의 양측 사이에 제곱 인치당 7.5 파운드의 압력으로 귀결될 수 있다. 또한, 엑소텐던(200a)은 20 밀리초 미만에 클러치된(clutched) 및 언클러치된(unclutched) 상태 사이를 스위칭할 수 있고, 스위칭의 실패하기 까지 1000000 번 이상 클러치한 후 언클러치하도록 동작될 수 있다.
[00102] 엑소텐던(200a)은, 애플리케이션에 따라 두 개 이상의 각각의 전반적인 컴플라이언스 레벨을 갖는 두 개 이상의 상태 사이에서 스위칭하면서, 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트로 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엑소텐던(200a)은, 가요성 엑소수트의 일부일 수 있으며, 이동의 특정 단계 동안 착용자의 조인트에 걸쳐 적절한 추가 컴플라이언스를 제공함으로써, 그리하여 착용자의 이동 효율을 향상시키기도록 동작될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 엑소텐던(200a)은, 일례로 낙하 중에, 착용자의 조인트를 보호하기 위해 엑소텐던의 컴플라이언스를 감소시키도록 동작될 수 있는바, 반면 다른 기간 중에는 조인트의 움직임에 간섭을 덜 주기 위해 더 높은 컴플라이언스를 갖도록 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 엑소텐던(200a)으로 하여금 스위칭 가능한 인장력 있는 가요성 엘리먼트로서 작동할 수 있도록 허용하면서, 하이-컴플라이언스 엘리먼트들(240a, 245a)은 매우 높은 컴플라이언스를 가질 수도 있고, 혹은 (따라서 사실상 '무한' 컴플라이언스를 갖도록) 생략될 수도 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트의 팔에 포함된 그러한 엑소텐던(200a)은 제1 시간 주기 동안 무제한 팔 운동을 허용하도록 (즉, 실질적으로 장력을 전혀 전달하지 않도록) 동작될 수 있다. 착용자가 짐을 운반하는데 에너지를 덜 소비하도록 팔에 의해 운반되는 짐의 일부를 운반하기 위해, 상기 엑소텐던(200a)은, 제2 시간 주기 동안 실질적으로 비순응적이도록 (즉, 제2 시간 주기 동안 길이 방향 힘을 전달할 수 있는 강성 엘리먼트로서 작용하면서) 동작될 수 있다. 제1 주기 동안의 엑소텐던(200a)의 컴플라이언스 및 제2 주기 동안의 엑소텐던(200a)의 컴플라이언스의 비율은 100보다 클 수 있다. 다른 애플리케이션, 구성 및 엑소텐던(200a)의 동작이 예견된다.
[00103] 몇몇 실시예에서, 상기 엑소텐던(200a)은 스프링과 직렬로 연결될 수 있는바, 상기 스프링으로 하여금, 제1 시간 주기 동안은 (착용자의 신체로/신체로부터) 힘을 전달하도록 그리고 제2 시간 주기 동안은 실질적으로 전혀 힘을 전달하지 않도록 클러치되는 것을 허용할 수 있다. 예를들어, 상기 엑소텐던(200a)은 착용자의 장딴지 및 다리 사이에 스프링과 직렬로 접속될 수 이는바, 그리하여 상기 엑소텐던(200a)과 스프링이 착용자의 발목에 신근(extensor) 토크를 인가하도록 동작될 수 있게 할 수 있다. 상기 엑소텐던(200a)은 이동하는 동안 지면과 사용자의 발 뒤꿈치의 접촉 후에 클러치될 수 있다. 그후 클러치된 스프링은 사용자가 그들의 발목을 이완시킴에 따라 탄성 포텐셜 에너지로 '충전'될 수 있다. '축적된' 탄성 포텐셜 에너지는, 착용자가 지면으로부터 자신의 발을 들어올리기 전에 자신의 발목을 확장시킴에 따라 착용자의 발목으로 방출될 수 있는바; 이러한 착용자의 발목으로부터/발목으로의 기계적 에너지의 저장 및 방출은 착용자의 이동의 효율을 증가시킬 수 있다. 상기 엑소텐던(200a)은 지면에서 착용자의 발을 들어올린 후에 언클러치될 수 있는바, 그리하여 착용자의 발이 지면과 접촉하지 않는 동안 상기 엑소텐던(200a)과 스프링이 착용자의 발목에서 회전력 및/또는 토크에 실질적으로 영향을 미치지 않도록 한다. 애플리케이션에 따라 엑소텐던과 직렬로 연결된 스프링의 사용에 대한 다른 구성 및 패턴이 예상된다. 또한, 엑소텐던과 직렬로 연결된 스프링이 엑소텐던의 어느 엘리먼트로서, 예를들면 엑소텐던(200a)의 하이-컴플라이언스 엘리먼트(240a, 245a)로서, 구현될 수 있다.
[00104] 상기 엑소텐던(200a)은 추가로 에너지를 방출하도록 동작될 수 있다. 인력이 전도성 전극(232a, 237a) 사이에 전개되도록, 고전압이 제1 및 제2 전도성 전극 (232a, 237a) 사이에 인가될 수 있다. 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a)가 부분적으로만 '클러치' 되도록, 고전압이 제어될 수 있다; 즉, 제1 및 제2 엔드 플레이트(210a, 220a) 사이에 인가되는 외력은, 제1 및 제2 엔드 플레이트 (210a, 220a) 간의 변위가 증가하도록 허용하면서, 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트 (230a, 235a)의 미끄러짐을 야기하는데 충분할 수 있다. 상기 프로세스에서, 제1 및 제2 엔드 플레이트 (210a, 220a) 간의 힘에 의해 엑소텐던 (200a)에 인가되는 에너지의 일부가, 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(230a, 235a)가 서로에 대해 미끄러짐에 따라 오버랩 (250a)의 표면의 마찰열에 의해 손실될 수 있다.
[00105] 도 2a에 도시된 엑소텐던(200a)은, 다양한 애플리케이션 및 장에 포함될 수 있는 '제어-컴플라이언스 엑소텐던'의 광범위한 클래스의 예로서 의도된다. 엑소텐던은 두 개 이상의 로우-컴플라이언스 시트를 포함할 수 있다. 엑소텐던은, 특정 애플리케이션을 가능하게 하도록 직렬 및/또는 병렬로 구성된 여러 엑소텐던을 포함할 수 있다. 엑소텐던은 길이 방향이 아닌 방향으로 가요성 및/또는 순응적일 수 있고, 만곡된 표면에 유연하게 일치하도록 구성될 수 있다.
[00106] 상기 엑소텐던(200a)은, 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 일부로서, 착용자에게 햅틱 정보(haptic information)를 전달하기 위해 동작될 수 있다. 상기 엑소텐던(200a)은, 어떤 공칭 인장력이 착용자의 신체의 세그먼트에 의해 및/또는 가요성 엑소수트의 엘리먼트들에 의해 인가되는 동안, 전도성 전극 (232b, 236b)에 인가되는 전압을 변화시킴으로써, 반복적으로 클러치 및 언-클러치 되도록 (및/또는 반복적으로 클러치 및 부분적으로 언-클러치 되도록) 동작될 수 있다. 가요성 엑소수트의 엘리먼트들에 의해 착용자의 피부 및/또는 신체 부분에 기계적으로 결합되는, 엑소텐던(200a)에 의해 전송되는 힘 및/또는 그의 컴플라이언스에 있어서의 반복되는 변화는, 착용자에게 햅틱 감각을 경험하도록 야기할 수 있다. 몇몇 예에서, 상기 엑소텐던(200a)은, 착용자에 의해 수행되어질 전체 작용을 표시하기 위해 및/또는 신체적 행동의 변화를 표시하도록 동작될 수 있다. 몇몇 예에서, 상기 엑소텐던(200a)은, 무릎이 그 일부가 되는 다리를 사용하여 어떤 스텝이 개시되어야 하는 한다는 점을 착용자에게 표시하기 위해, 착용자의 무릎을 통해 활성화될 수 있다. 또 다른 예에서, 착용자는 피로 및/또는 상해를 입을 가능성이 있는 걸음걸이를 사용하여 이동중일 수 있는바, 상기 착용자가 착용한 가요성 엑소수트의 엑소텐던은, 피로도 및/또는 상해 가능성을 줄이기 위해, 착용자가 자신의 걸음 걸이를 변경할 수 있는 방식들 (예를들어, 착용자가 '불량한' 모션으로부터 벗어나도록 자극하기 위해, '양호한' 모션 방향과 반대되는 조인트 토크의 방향으로 엑소텐던을 활성화하여) 을 표시할 수 있다.
[00107] 엑소텐던(200a)은, 엑소텐던 '200a'에서 처럼, 두 개의 로우-컴플라이언스 시트를 포함할 수 있으며, 혹은 더 많은 로우-컴플라이언스 시트를 포함할 수도 있다. 두 개 이상의 로우-컴플라이언스 시트 중의 일부는 양쪽에 전도성 전극 및/또는 절연 층을 가질 수 있다. 상기 두 개 이상의 로우-컴플라이언스 시트는 엑소텐던(200a)과 유사하게 동작될 수 있다. 추가적인 로우-컴플라이언스 시트가, 더 높은 전체적인 강도, 더 높은 슬립에 대한 변형, 또는 그러한 엑소텐던에 다른 속성들을 가능하게 할 수 있다. 로우-컴플라이언스 시트는 특정된 컴플라이언스를 가질 수 있으며, 상기 두 개 이상의 로우-컴플라이언스 시트 상의 전극들은 상기 두 개 이상의 로우-컴플라이언스 시트들 중의 부분집합만을 함께 클러치하도록 동작될 수 있다. 이러한 방식으로, 엑소텐던의 전체 컴플라이언스는, 상기 엑소텐던의 전체 컴플라이언스 값이 상기 두 개 이상의 로우-컴플라이언스 엘리먼트들 중에서 함께 클러치되는 것과 관련되는 경우, 많은 개수의 값들을 가질 수 있도록 전자적으로 작동되어질 수 있다. 엑소텐던의 다른 구성이 예상된다.
[00108] 도 2b는 예시적인 엑소텐던(200b)의 단면도이다. 상기 엑소텐던은, 애플리케이션에 따라, 몇몇 다른 메카니즘 혹은 장치의 제1 및 제2 엘리먼트 (일례로, 가요성 엑소수트의 가요성 및/또는 강성 힘-전달 엘리먼트) 에 기계적으로 결합되도록 구성된 제1 및 제2 엔드 플레이트(210b, 220b)를 포함한다. 엑소텐던 '200b'와 유사하게, 엑소텐던 '200b'도, 제1 및 제2 엔드 플레이트(210b, 220b)에 강성으로 각각 결합된 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(231b, 235b)를 포함한다. 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(231b, 235b)는 국부적으로 서로 사실상 평행하고, 오버랩 (250b)의 표면을 갖는다. 제1 및 제2 로우-컴플라이언스 시트(231b, 235b)는, 제1 및 제2 전도성 전극(232b, 236b) 사이에 어떤 직접적인 고-전도성 경로도 존재하지 않도록, 각 절연체 층(233b, 237b)에 코팅된 각각의 전도성 전극들(232b, 236b)을 추가로 포함한다. 엑소텐던(200b)은 추가로, 각각 제1 엔드 플레이트 (220b)에 대해 제1 로우-컴플라이언스 시트(231b)를 연결하고 상기 제1 엔드 플레이트(210b)에 대해 제2 로우-컴플라이언스 시트(235b)를 연결하는, 제1 및 제2 하이-컴플라이언스 엘리먼트(240b, 245b)를 포함한다. 엑소텐던(200b)은 유연하고, 막대 바(215b) 주위에 싸여있다. 그 결과, 엑소텐던(200b)은, 상기 막대 바(215b) 주위를 감싸며 상기 막대 바(215b)로 힘을 전달하여 제1 및 제2 엔드 플레이트(210b, 220b)에 결합된 외부 엘리먼트들 간에 평행하지 않은, 비-동일 선상의 힘을 전송하도록 동작할 수 있다.
[00109] 엑소텐던은 직렬로 접속된 복수의 독립적으로 작동되는 엑소텐던 (일례로, 엑소텐던 '200a')을 포함하도록 구성될 수 있다. 도 2c는 예시적인 엑소텐던 '200c'의 단면도이다. 엑소텐던은, 애플리케이션에 따라, 몇몇 다른 메카니즘 또는 장치의 제1 및 제2 엘리먼트 (예를들면, 가요성 엑소수트의 가요성 및/또는 강성의 힘-전달 엘리먼트) 에 기계적으로 결합되도록 구성된 제1 및 제2 엔드 플레이트(210c, 220c)를 포함한다. 엑소텐던(200c)은, 엑소텐던(200c)에 유사하게 구성된 및 시리즈 엔드플레이트(212c,(214c)에 의해 연결된 및 세 개의 독립적으로 작동가능한 서브-엑소텐던(201c, 203c, 205c)을 포함한다. 즉, 각 서브-엑소텐던(201c, 203c, 205c)은, 함께 정전기적으로 클러치 되도록 구성되는 두 개의 로우-컴플라이언스 시트가 포함한다. 또한, 각 로우-컴플라이언스 시트는, 특정 컴플라이언스를 갖는 엘리먼트를 통해 제2 대향 엔드플레이트에 간접적으로 그리고 제1 엔드플레이트에 직접적으로 연결된다. 제1 서브-엑소텐던(201c)은, 제1 특정 컴플라이언스 엘리먼트(251c)를 포함하고, 제2 서브-엑소텐던(203c)은 제2 특정 컴플라이언스 엘리먼트(252c)를 포함하며, 제3 서브-엑소텐던(205c)은 제3 특정 컴플라이언스 엘리먼트(253c)를 포함한다. 엑소텐던(200c)의 전체 컴플라이언스는, 직렬로 연결된 상기 세 개의 서브-엑소텐던(201c, 203c, 205c)의 컴플라이언스와 관련되어 있다.
[00110] 서브-엑소텐던(201c, 203c, 205c)의 각각은 독립적으로 클러치될 수 있다. 즉, 클러치될 때, 서브-엑소텐던은, 상기 클러치된 서브-엑소텐던의 로우-컴플라이언스 시트의 컴플라이언스와 실질적으로 관련된 제1 전체 컴플라이언스를 갖는다. 또한, 언클러치될 때, 상기 서브-엑소텐던은, 상기 서브-엑소텐던의 특정 컴플라이언스 엘리먼트의 컴플라이언스와 상기 서브-엑소텐던의 로우-컴플라이언스 시트의 컴플라이언스의 직렬접속의 것과 실질적으로 관련된 제2 전체 컴플라이언스를 갖는다. 따라서, 상기 세 개의 서브-엑소텐던(201c, 203c, 205c)의 작동에 기하여, 상기 엑소텐던(200c)의 전체 컴플라이언스는 8 개의 다른 값들 중 하나를 갖도록 제어될 수 있다.
[00111] 상기 엑소텐던(200c)은, 몇몇 다른 메카니즘 또는 장치의 제1 및 제2 엘리먼트들 (예를들면, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들) 사이의 특정 컴플라이언스를 행사하도록 동작될 수 있다 (즉, 서브-엑소텐던(201c, 203c, 205c)이 작동될 수 있다. 예를들면, 가요성 엑소수트의 착용자의 조인트를 가로질러 힘을 인가하도록 구성될 때, 상기 엑소텐던(200c)의 컴플라이언스는, 조인트의 임피던스를 최적화하여 착용자에 의한 이동의 효율을 증가시키도록 동작될 수 있거나, 몇몇 다른 애플리케이션에 따라 동작될 수 있다. 상기 설명된 엑소텐던(200c)은 직렬 접속된 독립적으로 작동가능한 서브-엑소텐던을 포함하는 엑소텐던의 일례 일 뿐이며; 일반적으로는, 하나의 엑소텐던이 세 개보다 많은 또는 세 개 미만의 서브-엑소텐던을 포함할 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 또한, 서브-엑소텐던은, 애플리케이션에 따라 서브-엑소텐던(201c, 203c, 205c)과 유사하게 또는 그들과 상이하게 구성될 수 있다. 하나의 엑소텐던이 N개의 독립적으로 작동가능한 서브-엑소텐던을 포함하는 경우, 서브-엑소텐던 각각의 특정 컴플라이언스 엘리먼트 및 로우-컴플라이언스 시트의 각각의 컴플라이언스에 기하여, 상기 엑소텐던의 전체 컴플라이언스가 2^N 개의 상이한 레벨 중 하나를 갖게 제어될 수 있도록 상기 서브-엑소텐던이 동작될 수 있다는 점에 주목하여야 한다.
[00112] 도 2d와 도 2e는, 착용자(230d)에 의해 착용중인 가요성 엑소수트(200d)의 힘-전달 엘리먼트(220d, 222d, 224d)에 연결된 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)들의 각각에 대한 단면도 및 정면도를 보여준다. 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)의 각각은, 이웃하는 힘-전달 엘리먼트(220d, 222d, 224d)에 기계적으로 연결된다. 상기 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)은, 본 명세서의 다른 부분 (예를들면, 200a, 200b, 200c)에 기재된 엑소텐던과 유사하게 구성 및/또는 동작될 수 있다. 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)은, 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)으로 하여금 착용자(230d)의 피부에 마찰을 주지 않도록 하기 위해 힘-전달 엘리먼트(220d, 222d, 224d)에 연결될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이는, 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)의 표면과 착용자(230d)의 피부 사이의 상대적인 운동을 방지하기 위해 스탠드오프(standoffs)로서 힘-전달 엘리먼트(220d, 222d, 224d)를 구성함으로써 달성될 수 있다. 상기 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)은, 가요성 엑소수트(200d)의 기능을 가능하게 힘-전달 엘리먼트들(220d, 222d, 224d) 사이에 힘이 전송되는 방식을 조절하도록 동작될 수 있다. 예를들어, 상기 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)은, 이동의 효율성, 오브젝트의 리프팅 또는 운반, 어떤 착용자의 다른 활동을 증진시키기 위해, 가요성 엑소수트(200) 및/또는 착용자(230)의 컴플라이언스를 변조하도록 동작될 수 있다. 상기 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d)은, 부가적으로 또는 대안적으로, 에너지의 저장 및 방출, 힘-전달 엘리먼트(220d, 222d, 224d)의 재배치, 또는 다른 기능을 위해 동작될 수 있다. 예를들면, 가요성 엑소수트(200d) 이외의 응용상 도 2d 및 도 2e에 도시된 것들과 유사하게 구성된 엑소텐던(210d, 212d, 214d, 216d) 및 힘-전달 엘리먼트(220d, 222d, 224d)와 같은; 이러한 엘리먼트들은, 로봇, 보조 장치, 보철, 동물에 의해 사용되도록 구성된 엑소수트, 어떤 다른 장치나 시스템의 일부분일 수 있다.
[00113] 본원에 기술된 엑소텐던은, 엑소텐던의 구성 및 애플리케이션을 전혀 한정하려고 의도되는 것이 아니다는 점에 주목하여야 한다. 엑소텐던의 둘 이상의 인접한, 국부적으로 평행한 정전 클러치 엘리먼트들은, 사각형 시트일 수 있거나 또는 어떤 다른 형태를 가질 수 있으며, 애플리케이션에 따라, 만곡형, 감싸는 형, 나선형, 원통형, 또는 어떤 다른 기하학적 형태일 수 있다. 국부적으로 평행한 정전 클러치 엘리먼트 상의 도전성 물질의 분포는, 균일할 수 있으며 (즉, 국부적으로 평행한 정전 클러치 엘리먼트를 가로질러 균일하게 분포됨), 혹은 어떤 패턴 (예를들면, 평행한 선형, 크로스 해칭, 프렉탈형(fractals), 또는 애플리케이션에 따른 어떤 다른 패턴) 을 가질 수도 있다. 상기 엑소텐던은, 국부적으로 평행한 시트가 아닌 클러치 엘리먼트들을 더 포함할 수 있다; 즉, 상기 엑소텐던은, 다른 정전 클러치 물질 및 물질의 구성을 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 엑소텐던은 고-컴플라이언스 기반 물질 상에 배치된 저-컴플라이언스 정전 래치들의 어레이를 포함할 수 있는바, 그리하여 상기 엑소텐던은, 상기 래치가 래칭되지 않을 때에 상기 베이스 물질의 컴플라이언스에 관련된 제1 전체 컴플라이언스를 가지며, 상기 래치가 래칭될 때에 상기 레치의 컴플라이언스에 관련된 제2 전체 컴플라이언스를 갖도록 한다. 예를들면, 엑소텐던이나 기타 정전기적으로 동작되는 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들은 미국 특허 제8,436,508호에 기재된 바와 같이 구성될 수 있다.
[00114] 엑소텐던은 어떤 특정된 클러칭력을 갖도록 구성될 수 있다; 즉, 엑소텐던이 클러치된 상태 (예를들어, 로우-컴플라이언스 상태) 인 것처럼 동작되고 있을 때 상기 엑소텐던에 인가되는 힘은 엑소텐던으로 하여금 길이 방향으로 증가하도록 하지 않을 것이며, 혹은 그렇지 않고 상기 인가된 힘이 상기 클러칭력(clutching force)보다 작은 크기를 가질 때는 미끄러지도록 할 것이다. 엑소텐던은, 상기 엑소텐던이 클러치된 상태로 동작될 때 클러칭력의 유효 크기를 증가시키기 위해 다른 엘리먼트들과 결합하여 동작될 수 있다. 예를들어, 상기 엑소텐던 및/또는 상기 엑소텐던에 연결된 케이블이나 기타 엘리먼트들 사이의 마찰은, 캡스턴(capstan) 효과를 채용함으로써, 상기 엑소텐던의 유효 클러칭력을 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
[00115] 도 3a는 원통형 캡스턴(324a) 주위를 감싸는 가요성 엑소텐던(310a)을 보여준다. 엑소텐던(310a)의 제1 단부가, 기계적으로 견고하게 상기 캡스턴(324a)에 연결되는 제1 작동 엘리먼트(322a)에 접속된다. 엑소텐던의 제2 단부는, 제2 작동 엘리먼트 (도시되지 않음) 에 케이블 (330a)을 통해 연결된다. 상기 엑소텐던(310a)이 클러치하도록 동작되고 있지 않은 때 (즉, 전압 엑소텐던(310a)의 전체 컴플라이언스가 높게 되도록 엑소텐던(310a) 내의 두 개 이상의 전도성 엘리먼트들 사이에 전압이 인가되지 않을 때), 엑소텐던(310a)의 길이는, 케이블(330a)에 인가되는 인장력에 의해 증가될 수 있다. 엑소텐던(310a)이 클러치하도록 동작되고 있을 때 (즉, 엑소텐던(310a)의 전체 컴플라이언스가 엑소텐던(310a)의 도전성 소자들 사이의 전압의 인가에 의해 낮아지도록 야기될 때), 캡스턴 파지력의 크기 미만의 크기를 갖는 상기 케이블 (330a)에 인가되는 힘은, 엑소텐던(310a)의 길이가 증가하도록 야기할 수 없다. 케이블(330a)에 인가되는 힘은, 엑소텐던(310a) 및 캡스턴(324a) 사이에 수직력의 증가를 야기한다. 이러한 증가된 수직력은, 마찰로 인한 그리고 상기 케이블(330a)에 인가되는 힘에 반대되는, 캡스턴(324a)과 엑소텐던(310a) 사이에 증가된 전단력으로 귀결된다. 캡스턴 파지력은, 엑소텐던(310a)의 클러칭력, 엑소텐던(310a)과 캡스턴(324a) 사이의 마찰 계수, 및 엑소텐던(310a)이 캡스턴(324a)의 표면과 접촉시 이를 가로 지르는 각도와 관련된다. 캡스턴 파지력은 엑소텐던(310a)의 클러칭력보다 클 수 있으며, 그리하여 엑소텐던(310a) 및 캡스턴(324a)은, 조합 시, 캡스턴(324a) 없이 엑소텐던(310a)이 저항할 수 있는 크기보다 더 큰 케이블(330a)에 인가되는 힘을 저항할 수 있다.
[00116] 도 3b는 가요성 엑소텐던(310b)를 보여준다. 엑소텐던(310b)의 제1 단부가, 원통형 캡스턴(324b)에 기계적으로 견고하게 연결되는 제1 작동 엘리먼트(322b)에 접속된다. 엑소텐던의 제2 단부는 제2 작동 엘리먼트 (도시되지 않음) 에 케이블(330b)을 통하여 접속된다. 케이블(330b)은 캡스턴(324b) 주위를 여러 번 감싸게 된다. 상기 엑소텐던(310b)이 클러치하도록 동작되고 있지 않은 때 (즉, 전압 엑소텐던(310b)의 전체 컴플라이언스가 높게 되도록 엑소텐던(310b) 내의 두 개 이상의 전도성 엘리먼트들 사이에 전압이 인가되지 않을 때), 엑소텐던(310b)의 길이는, 케이블(330b)에 인가되는 인장력에 의해 증가될 수 있다. 엑소텐던(310b)이 클러치하도록 동작되고 있을 때 (즉, 엑소텐던(310b)의 전체 컴플라이언스가 엑소텐던(310b)의 도전성 소자들 사이의 전압의 인가에 의해 낮아지도록 야기될 때), 캡스턴 파지력의 크기 미만의 크기를 갖는 상기 케이블 (330b)에 인가되는 힘은, 엑소텐던(310b)의 길이가 증가하도록 야기할 수 없다. 케이블(330b)에 인가되는 힘은, 케이블(330b) 및 캡스턴(324b) 사이에 수직력의 증가를 야기한다. 이러한 증가된 수직력은, 마찰로 인한 그리고 상기 케이블(330b)에 인가되는 힘에 반대되는, 케이블(330b)과 엑소텐던(310b) 사이에 증가된 전단력으로 귀결된다. 캡스턴 파지력은, 엑소텐던(310b)의 클러칭력, 케이블(330b)과 캡스턴(324b) 사이의 마찰 계수, 및 케이블(330b)이 캡스턴(324b)을 감는 횟수와 관련된다. 캡스턴 파지력은 엑소텐던(310b)의 클러칭력보다 클 수 있으며, 그리하여 엑소텐던(310b), 케이블(330b) 및 캡스턴(324b)은, 조합 시, 케이블(330b) 없이 엑소텐던(310b)이 저항할 수 있는 크기보다 더 큰 케이블(330b)에 인가되는 힘을 저항할 수 있다.
[00117] 도 3b의 엑소텐던(310b), 케이블(330b), 및 캡스턴(324b)의 조합된 캡스턴 파지력은, 캡스턴(324b)의 반경, 케이블(330b)이 캡스턴(324b)를 감는 횟수, 케이블(303b) 및 캡스턴(324b) 사이의 마찰 계수, 또는 다른 특징들을 선택함으로써 특정될 수 있다. 예를들어, 하나 이상의 케이블(330b)이 엑소텐던(310b)에 접속될 수 있고, 상기 캡스턴(324b)이나 어떤 다른 엘리먼트를 견고하게 감싸거나 혹은 그렇지 않으면 상기 제1 작동 엘리먼트(322b)에 연결될 수 있다.
[00118] 도 3a 및 도 3b에 도시된 구성은, 마찰 표면을 갖는 엑소텐던에 접속된 엘리먼트들 및 엑소텐던의 구성의 예시적인 예로서 의도되었는바, 이때 상기 마찰 표면에서의 전단력은 상기 엑소텐던의 클러칭력을 효과적으로 배가시키도록 이루어진다. 다른 구성들이 예상된다. 몇몇 실시예에서, 원통형 캡스턴 이외의 강성 엘리먼트들이 엑소텐던 및/또는 엑소텐던에 연결된 엘리먼트들과 마찰 접촉상태에 있을 수 있다. 예를들어, 엑소텐던은 가요성 엑소수트의 강성 힘-전달 엘리먼트(RFTE)의 곡면과 접촉될 수 있는바, 그리하여 상기 RFTE와 조합된 상기 엑소텐던이, 상기 RFTE와 접촉 상태가 아니라면 상기 엑소텐던이 저항할 수 있는 것보다 더 큰 힘을 저항하도록 동작되어질 수 있도록 한다. 그 다른 강성 엘리먼트들의 형상은, 엑소텐던의 클러칭력에 대한 캡스턴 유지력의 비율을 최대화하기 위해 또는 어떤 다른 고려 사항들에 따라 특정될 수 있다.
IV
. 기계 작동을 위한 꼬인 끈 전송
[00119] 많은 애플리케이션이, 두 개의 작동 엘리먼트들 사이의 변위에 있어서의 변화를 가져오고 및/또는 힘을 인가하도록 구성된 선형 액추에이터를 필요로 한다. 꼬인 끈 액추에이터는, 둘 이상의 가요성 스트랜드로 이루어진 끈(string)을 꼬아서, 토크 및/또는 회전을 힘 및/또는 변위로 변환하는 일종의 액추에이터이다. 대안적으로, 단일 스트랜드는, 반으로 접혀질 수 있으며, 그 자체에 대해 꼬여, 꼬인 끈 액추에이터에 통합될 수 꼬인 끈으로 귀결될 수 있다. 상기 끈의 회전은, 끈을 짧게 만들면서 및/또는 끈의 양 단부 사이에 힘이 생겨나게 하면서, 둘 이상의 스트랜드가 꼬이게 한다. 이러한 스트링은, 상기 스트링의 조각이나 단부의 회전을 (예를들면, 상기 스트링의 조각이나 단부에 결합된 모터에 의해) 제1 및 제2 작동 엘리먼트의 변위 및/또는 그들 사이의 힘으로 변환하기 위해, 제1 작동 엘리먼트에 접속된 제1 단부 및 제2 작동 엘리먼트에 (일례로, 트러스트 베어링을 통해) 접속된 제2 단부를 가질 수 있다. 더욱이, 꼬인 끈이 가요성일 수 있기 때문에, 꼬인 끈 액추에이터는 곡선 및/또는 가요성 엘리먼트 주위로 작동을 허용할 수 있다. 본원에 기재된 바와 같은 꼬인 끈 액추에이터는, 가요성 엑소수트의 기능을 활성화하는 가요성 엑소수트에 통합될 수 있거나, 다양한 다른 애플리케이션에 사용될 수 있다.
[00120] 도 4a는 착용자(405)의 발목을 가로질러 힘을 인가하도록 구성된 꼬인 끈 액추에이터(TSA)(400)를 도시하고 있다. TSA(400)에 의해 생성된 힘은, 착용자의 종아리 주위에 착용된 가요성 메쉬 손잡이(440) 및 착용자(405)의 발에 부착된 강성 발판(445)을 통해 착용자(405)에게 결합된다. TSA(400)는 액추에이터 헤드(410), 전송 튜브(420), 및 꼬인 끈(430)을 포함한다. 꼬인 끈(430)의 제1 단부 (433)는, 상기 꼬인 끈(430)을 통해 전송된 토크 및 힘 모두가 상기 강성 발판(445)으로 전송되도록, 상기 강성 발판(445)에 견고하게 결합된다. 상기 꼬인 끈(430)을 통해 전송된 힘이 액추에이터 헤드(410)를 통해 가요성 메쉬 그립(440) 및/또는 전송 튜브(420)로 전송되도록, 그리고 상기 꼬인 끈(430)을 통해 전송된 토크가 회전 액추에이터 (예를들어, 모터) 를 통한 액추에이터 헤드(410)로 회전자 또는 다른 엘리먼트를 통해 전송되도록, 상기 제2 단부 (도 4b의 435) 가 상기 액추에이터 헤드의 회전자 또는 다른 엘리먼트에 부착된다.
[00121] 따라서, TSA(400)는, 꼬인 끈(430)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가함으로써, 가요성 메쉬 손잡이(440)와 강성 발판(445) 사이의 변위의 감소를 유도하거나 및/또는 힘을 생성하도록 동작될 수 있다. 이 힘 및/또는 변위는, 착용자(405)의 발목으로 하여금, 착용자(405)의 환경에 대해 (예를들어, 착용자(405) 아래 지면에 대해) 힘 및/또는 토크를 인가 및/또는 연장시키도록 야기할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, TSA(400)는, 꼬인 끈(430)의 제2 단부에 가해지는 토크를 감소, 제거, 혹은 그렇지 않으면 변화시킴으로써, 가요성 메쉬 손잡이(440)와 강성 발판(445) 사이의 힘을 감소시키도록 작동될 수 있다.
[00122] TSA(400)는, 부가적으로 또는 대안적으로, 착용자(405)에 의해 가요성 메쉬 그립(440)과 강성 발판(445) 사이에 인가되는 운동, 힘 및/또는 토크에 의해 구동되도록 동작될 수 있다. 예를들면, 액추에이터 헤드(410)의 회전 액추에이터는, 가요성 메쉬 그립(440)과 강성 발판(445) 사이의 힘의 인가에 의해 야기되는 꼬인 끈(430)의 회전으로부터 에너지를 추출하도록 동작될 수 있다. 이 에너지는 회전 액추에이터에 연결된 어떤 다른 시스템에 의해 저장될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, TSA(400)는, (예를들어, 착용자(405)의 발목 관절의 움직임에 의해 유발되는) 가요성 메쉬 그립(440)과 강성 발판(445) 사이에 변위 변화에 대한 브레이크로서 작용하도록 동작할 수 있다.
[00123] 도 4a에 도시된 바와 같이, TSA(400)는, 가요성인 제1 작동 엘리먼트 (즉, 가요성 메쉬 그립(440)) 과 강체인 제2 작동 엘리먼트 (즉, 강성 발판(445)) 에 부착되며, 착용자 또는 405의 발목에 걸쳐 힘 및/또는 토크를 인가하도록 구성된다. 그러나, 범용 TSA는, 다른 관절에 걸쳐 동작하도록, 또는 선형이나 다른 작동을 필요로 하는 다른 애플리케이션에서 동작하도록 구성될 수 있다. 또한, 범용 TSA는, 강성, 가요성, 반 경질, 또는 (각각, 연질 및 경질의 제1 및 제2 작동 엘리먼트 이외의) 다른 구성된 작동 엘리먼트들의 다른 조합에 기계적으로 결합될 수 있다.
[00124] 전송 튜브(420)는 단일의, 직선의, 강성 튜브이다. 그러나, 아래에 상세히 설명하지만, 범용 TSA는 다르게 구성될 수 있다. 전송 튜브는 직선형, 곡선형, 구불구불한 형상의, 또는 애플리케이션에 따라 몇몇 다른 형상을 가질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전송 튜브는 어떤 방식에서는 가요성일 수 있다; 몇몇 실시예에서, 전송 튜브는 종 방향 힘을 견딜 수 있는 반면, 예를들어, TSA의 작동 중에 구부러지는 관절 주위에서는, 상기 전송 튜브가 구부러지는 것을 허용한다. 즉, 전송 튜브와 부분적으로 그 안에 포함된 꼬인 끈은, 각각 보우덴 케이블(Bowden cable)의 외부 하우징 및 내부 케이블과 유사하게 구성될 수 있다.
[00125] 또한, 전송 튜브(420) 및/또는 그에 부착된 엘리먼트들 (예를들면, 가요성 메쉬 그립(440))은 조절이 가능하도록 구성될 수 있는바, 그리하여 TSA(400)의 특성이 조절 가능하게 되도록 한다. 예를들어, 운동 범위, 전송비(transmission ratio), 또는 TSA(400)의 어떤 다른 특성을 제어하기 위해 전송 튜브(420)의 전체 길이 (즉, 꼬인 끈(430)이 모습을 드러내는 전송 튜브(420)의 단부 및 액추에이터 헤드(410) 사이의 길이) 가 변경 및 제어될 수 있도록, 상기 전송 튜브(420)는 잠금가능한 및/또는 작동되는 텔레스코핑 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 운동 범위, 전송비(transmission ratio), 또는 TSA(400)의 어떤 다른 특성을 제어하기 위해, 전송 튜브(420) 및/또는 가요성 메쉬 그립(440)은, 전송 튜브(420), 가요성 메쉬 그립(440), 및 강성 발판(445) 사이의 관계가 변경되는 것 (즉, 강성 발판(445)에 근접한 전송 튜브(420)의 상기 단부를 강성 발판(445)에 더 가깝게 가져 오는 것) 을 허용하도록 구성될 수 있다. TSA(400)의 재구성 및/또는 작동의 다른 방식 및 타입이 예상된다.
[00126] 도 4b는, 도 4a에 도시된 꼬인 끈 액추에이터(TSA)(400)의 액추에이터 헤드(410), 전송 튜브(420), 및 꼬인 끈(430)의 엘리먼트들의 확대 단면도이다. TSA(400)는, 전송 튜브(420)의 일부, 꼬인 끈(430)의 일부 (제1 및 제2 스트랜드(430a, 230b)를 포함; 도 4b는 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)를 도시함), 로드셀 및 인코더(445), 트러스트 베어링(440), 전송 블록(470), 슬립 클러치(455) 및 모터(450)를 내포하는 하우징(460)을 포함한다.
[00127] 하우징(460), 전송 튜브(420), 로드셀 및 인코더(445), 트러스트 베어링(440)의 고정자 엘리먼트들, 및 모터(450)의 고정자 엘리먼트들이, 기계적으로 견고하게 결합된다. 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435), 전송 블록(470), 및 슬립 클러치(455)의 제1 단부가, 기계적으로 견고하게 연결된다. 슬립 클러치(455)의 제2 단부 및 모터(450)의 회전자 엘리먼트들이 견고하게 연결된다.
[00128] 모터(450)는, TSA(400)의 결과, 하우징(460) 및 슬립 클러치(455)의 제2 단부 사이에 토크를 생성하도록 동작될 수 있다. 이 토크는, 슬립 클러치(455) 및 전송 블록(470)을 통해 꼬인 끈(430)으로 전송될 수 있는바, TSA(400)로 하여금 가요성 메쉬 그립(440) 및 강성 발판(445) 사이에 토크 및/또는 힘을 인가하도록 귀착될 것이다. 마찬가지로, 상기 모터(450)는, 상기 모터(450)의 회전자의 회전이 가요성 메쉬 그립(440) 및 강성 발판(445) 사이의 변위에 있어서의 변화로 귀결되도록, 동작될 수 있다.
[00129] 슬립 클러치는, 모터(450)와 전송 블록(470) 사이에서 전달되는 토크가 소정의 토크 레벨을 초과하지 않도록, 구성될 수 있다. 상기 지정된 토크 레벨은, 가요성 메쉬 그립(440) 및 강성 발판(445) 사이에 TSA(400)에 의해 인가되는 힘이 소정의 힘 레벨을 초과하지 않도록, 선택 또는 설정될 수 있다. 상기 지정된 힘 레벨은, 상기 꼬인 끈(430)의 스트랜드(430a, 430b)의 꼬임 피치 및 꼬인 끈(430)의 길이와 관련된 TSA(400)의 상기 지정된 토크 레벨과 전송비와 관련될 수 있다.
[00130] 로드셀 및 인코더(445)는, 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)의 회전 및 이를 통해 전달되는 힘을 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 로드셀은, 압전 소자, 스트레인 게이지 또는 다른 엘리먼트들 (꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)로부터 전송 튜브(420) 및 액추에이터(410)로 전송된 힘을, 그러한 전달력의 지표로서 사용될 수 있는 신호나 값 (예를들어, 전기 전압)으로 변조하도록 구성된 엘리먼트들) 을 포함할 수 있다. 상기 인코더는, 광학 소자 또는 다른 엘리먼트들 (상기 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)의 절대적 및/또는 상대적인 회전을 (예를들어, 전송 블록(470), 꼬인 끈(430), 및/또는 트러스트 베어링(440)의 회전자의 절대적 또는 상대적인 회전을 검출함으로써) 직접적 및/또는 상대적으로 측정할 수 있는 엘리먼트들) 을 포함할 수 있다.
[00131] 예를들어, 트러스트 베어링(440)의 회전자(440)는, 트러스트 베어링의 축 주위로 반경 방향으로 만곡되는 및 로드 셀 및 인코더(445) 내로 연장하는 격자를 포함할 수 있다. 상기 인코더는 적어도 하나의 광 발광기와 적어도 두 개의 광 검출기를 포함할 수 있는바, 이들은, 상기 트러스트 베어링(440)의 격자의 슬랫이 상기 적어도 두 개의 검출기 및 상기 적어도 하나의 발광기 사이에 개재되지 않는 한, 상기 적어도 하나의 발광기로부터의 광 빔이 상기 적어도 두 개의 검출기에 의해 검출될 수 있도록 배열되도록 한다. 시간이 지남에 따라 상기 적어도 두 개의 검출기의 맞물림(occlusion)의 패턴이 검출될 수 있으며, 상기 트러스트 베어링(440) 회전자의 회전 방향 및 각도 (및 프록시에 의해, 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)) 를 결정하는데 사용될 수 있다. 센서 및 회전 부재의 감지 소자의 다른 유형 (예를들면, 자기 센서, 광학 센서, 및 대응하는 도전성 트레이스 패턴에 접촉하는 전기 접점) 이 예상된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 모터(450)가, 모터(450)의 회전을 검출할 수 있도록 (예를들면, 모터(450)의 코일상에서 역기전력(back EMF)을 검출함으로써 및/또는 코일 활성화(coil activations) 개수 및 패턴을 카운트함으로써), 및 상기 모터(450)의 검출된 회전에 의해 상기 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)의 회전을 추론할 수 있도록, 동작될 수 있다.
[00132] 로드셀 및 인코더(445)로부터의 정보는, TSA(400)를 동작시키는데, 예를들면, 상기 TSA(400)를 피드백을 사용하여 동작하도록, 사용될 수 있다. 예를들어, 컨트롤러가 동작할 수 있는바, 상기 꼬인 끈에 일정한 힘을, 상기 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)의 일정한 회전을 또는 상기 TSA(400)의 어떤 다른 특정의 작동 패턴을 생성하도록 상기 로드셀 및 인코더(445)를 사용하여 검출된 힘 및/또는 회전에 기초하여 상기 모터(450)를 동작시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 컨트롤러가, TSA(420), 가요성 메쉬 그립(440) 및/또는 강성 발판(445)의 다른 검출 가능한 파라미터들을 도출하도록 구성될 수 있다. 예를들면, 저장된, 공지된, 혹은 그렇지 않으면 결정된 상기 꼬인 끈(430)의 현행 꼬임 길이 및/또는 정도에 기초하여, 상기 가요성 메쉬 그립(440) 및/또는 상기 강성 발판(445) 사이의 선형 변위의 특정 변화율에 대응하는 상기 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)의 회전 속도를 결정하도록, 상기 컨트롤러가 구성될 수 있다. 그후 상기 컨트롤러는, 상기 선형 변위의 변화율에 대응하는 회전 속도를 가져오기 위해, 상기 모터(450)를 동작시켜 상기 선형 변위의 특정 변화율을 달성하도록, 상기 TSA(400)를 동작시킬 수 있다. TSA(400)의 다른 동작 방법들이 예상된다.
[00133] 도 4a 및 도 4b에 도시된 상기 TSA(400)는, 상기 꼬인 끈(430)에 의해 전송된 힘의 방향이 상기 모터(450), 트러스트 베어링(44), 및 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)의 회전축의 방향이 되도록 및 그 회전축과 정렬된 방향이 되도록, 구성된 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 이러한 정렬은, 다른 구성에 비해 꼬인 끈 (430)의 마모와 피로를 줄일 수 있다. TSA는 추가로 그로밋(grommet) 또는 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있는바, 이는, 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)에 의해 전송된 힘의 방향이 상기 회전축의 방향에 있고 상기 회전축과 정렬된 사실을 보장하도록 구성되며, 상기 회전축을 따라 정해진 거리를 갖도록 한다. 액추에이터 헤드(410)에 비해 그로밋 상대적인 선단 측에 있는 꼬인 끈(430)의 부분에 의해 전송된 힘의 방향은 회전축 방향과 다를 수 있음을 유의하여야 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, TSA는 짐벌(gimbal)과 등속 또는 유니버설 조인트를 포함할 수 있고, 트러스트 베어링, 꼬인 끈의 제2 단부, 또는 TSA의 다른 회전 엘리먼트가 상기 짐벌에 결합되도록, 상기 TSA의 회전 엘리먼트의 회전축이 상기 꼬인 끈의 제2 단부에 의해 전송된 힘의 방향으로 정렬되도록 구성될 수 있다. 이 구성은 다른 구성에 비해 꼬인 끈의 마모와 피로를 감소시킬 수 있다.
[00134] 상기 TSA(400)는 부분적으로 분해되도록 구성될 수 있다. 예를들어, 모터(450) 및/또는 슬립 클러치(555)의 엘리먼트들은, 다른 엘리먼트들 (예를들어 꼬인 끈(430) 및 전송 블록(470)) 을 제거하지 않고 액추에이터 헤드(410)로부터 제거될 수 있다. 다른 예에서, 전송 블록(470), 슬립 클러치(455)와 트러스트 베어링(440)의 엘리먼트들, 꼬인 끈(430)이, 상기 TSA(400)를 완전히 분해하지 않고 제거될 수 있다. 이러한 부분 해체는, 손상된 엘리먼트들 (예를들면, 풀려버린, 스트레스를 받은, 피로가 쌓인, 혹은 그렇지 않으면 활용할 수 없는 꼬인 끈(430)) 로 하여금 신속하고 용이하게 교체되도록 (즉, 현장에서 제거되도록) 하는 것을 허용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 부분적인 분해는, 상이한 특성을 갖는 구성요소들로 하여금, 컨디션, 착용자들, 및/또는 애플리케이션에 따라 TSA (400)에서 교환될 수 있음을 허용할 수 있다. 예를들어, 꼬인 끈들의 세트는, 그 세트의 개개의 꼬인 끈들이 각각의 개별 착용자 (예를들면, 각각 다른 높이, 종아리 길이, 다리 길이, 또는 다른 특성을 갖는 착용자) 용으로 구성되도록 제조될 수 있다. 착용자(405)의 특성에 대응하는 해당 세트의 꼬인 끈이, 상기 TSA(400)에 신속하고 용이하게 장착될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 TSA(400)는, 광범위한 인구의 착용자들을 위해, TSA(400)의 기본 동작이 가능하도록 특성화된 특성 (전송비, 길이, 스트로크 길이) 을 갖는 제1 꼬인 끈을 사용하여 동작될 수 있다. 착용자(405)는 TSA(400)를 동작시킬 수 있으며, 센서들 (예를들면, 로드 셀(445), 인코더(440), 또는 다른 센서들) 이, 상기 TSA(400)의 최적의 전송비, 길이, 스트로크 길이, 또는 기타 속성을 결정하도록 동작될 수 있다. 상기 결정된 최적의 특성에 대응하는 특성을 갖는 제2 꼬인 끈은, 상기 TSA(400)에 신속하고 용이하게 장착될 수 있다. 모터(450), 슬립 클러치(455), 또는 다른 엘리먼트들이 상기 착용자(455)에게 유사하게 매칭될 수 있으며, 상기 TSA(400)에 신속하고 용이하게 장착될 수 있다.
[00135] 전송 블록(470)이, 액추에이터 헤드(410) 및/또는 전송 튜브(420) 내에서 TSA(400)의 다른 엘리먼트들에 대해 꼬인 끈(430)을 접속한다. 전송 블록(470)은, 꼬인 끈(430)으로부터 트러스트 베어링(440)과 로드셀 및 인코더(445)를 통해 전송 튜브(420) 및/또는 액추에이터 헤드(410)로 선형 힘을 전송한다. 전송 블록(470)은, 모터(450)로부터 (슬립 클러치(455)를 경유하여) 꼬인 끈(430)으로 토크를 전송한다. 힘, 특히 꼬인 끈(430)의 스트랜드(430a, 430b) 및 전송 블록(470) 사이에 인가되는, 시간에 따라 변하는(시변) 주기적 힘은, 상기 스트랜드(430a, 430b)로 하여금, 상기 스트랜드(430a, 430b)가 꼬인 끈(430)을 따라서 있는 다른 위치에서 실패하기 전에 상기 전송 블록(470) 내의 제2 단부(435)에서 혹은 전송 블록 근처에서 실패하도록 야기할 수 있다.
[00136] 꼬인 끈(430)의 각각의 스트랜드(430a, 430b)들이, 전송 블록(470)으로 진입하며, 접촉면(437)을 따라 전송 블록(470)과 접촉하게 된다. 상기 개별 스트랜드(430a, 430b)의 단부들이, 결착, 용접, 클램핑, 또는 기타의 방법으로, 상기 전송 블록(470)의 구조에 부착된다. 상기 접촉면(437)은, 상기 개별 스트랜드(430a, 430b) 및 전송 블록(470) 사이에서의 부하가 상기 접촉면(437)에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분포되도록, 곡면체의 전체 반경을 갖도록 한다. 개별 스트랜드(430a, 430b)가 상기 전송 블록(470)과 접촉하는 면은, 상기 곡면체의 반경과 같은 반경을 갖는 원호로 근사화될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 접촉면(437)은 삼차원적으로 보았을 때에 복합 곡선에 대응할 수 있다. 상기 접촉면 (437)의 형상이, 상기 전송 블록(470)의 다른 구성에 비해 상기 꼬인 끈(430)의 스트랜드(430a, 430b)의 실패 가능성 및/또는 피로의 속도를 저감시키도록 지정될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 상기 스트랜드(430a, 430b)는, 매듭 (예를들어, 단일 또는 트리플 어부의 매듭)를 사용하여 서로 묶일 수 있으며, 부드러운 강성 또는 반-강성 엘리먼트 (예를들어, 실린더) 의 주위에 루프지어질 수 있다. 부드러운 엘리먼트가 상기 전송 블록(470)의 위치에서 상기 TSA(400)에 통합될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 부드러운 엘리먼트는 전송 블록(470)에 통합될 수 있다.
[00137] 몇몇 실시예에서, 상기 스트랜드(430a, 430b)가 상기 스트랜드의 해당 절반에 대응하도록, 상기 꼬인 끈(430)이 반으로 접히도록 하고 그 자체에 대해 꼬여, 단일 스트랜드로부터 제작될 수 있다. 이들 실시예에서, 단일 스트랜드의 접힘 영역(430)은 꼬인 끈의 제2 단부(435)에 대응한다. 상기 단일 스트랜드의 절반이, 강성 발판(445)에 기계적으로 결합된 고정 엘리먼트(securing element) 주위로 접힐 수 있다. 상기 고정 엘리먼트는, 꼬인 끈의 스트랜드(430a, 430b)에 응력 집중을 최소화하도록 구성된, 실린더 또는 다른 부드러운 강성 또는 반-강성 엘리먼트가 될 수 있다. 실린더 또는 다른 부드러운 엘리먼트의 반경은, 상기 TSA(400)가 상기 꼬인 끈의 최대 비틀림을 야기시키도록 작동될 때, 상기 스트랜드(430a, 430b)가 실린더 또는 다른 부드러운 엘리먼트로 하여금 90도 이상의 각을 이루도록 남겨두기에 충분히 큰 특정 값이 될 수 있다.
[00138] 꼬인 끈(430) 및 꼬인 끈(430)의 개별 스트랜드(430a, 430b)의 속성은, 애플리케이션에 따라 몇 가지 제약 조건(들) 및/또는 몇 가지 특성(들)을 만족하도록 특정될 수 있다. 예를들어, 스트랜드(430a, 430b)의 직경 및 구성은, 꼬인 끈(430)이 특정 강도, 내 피로성, 전송비, 컴플라이언스, 또는 임의의 다른 속성 또는 속성들을 갖도록, 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 꼬인 끈의 스트랜드는 전체적으로 또는 부분적으로 초고 분자량(ultra-high-molecular-weight) 폴리에틸렌 또는 어떤 다른 높은 강도, 낮은 굽힘 반경, 낮은 내부 마찰, 고 강성 물질로 구성될 수 있다.
[00139] 꼬인 끈(430)은, 꼬인 끈(430)의 고장의 가능성 및/또는 피로의 속도를 감소시키는 추가 엘리먼트를 구성 및/또는 포함할 수 있다. 예를들어, 제2 단부(435) 근처의 개별 스트랜드(430a, 430b)는, 전송 블록코팅(470)과의 접촉 및 비접촉 사이의 천이를 원활하게 하기 위한 코팅 또는 클래딩(cladding)을 가질 수 있다. 예를들어, 개별 스트랜드(430a, 430b)의 단부는, 전체적으로 또는 부분적으로, PTFE, 다른 플루오로 중합체 및/또는 어떤 다른 저-마찰 물질 내에 보관되거나 및/또는 그것으로 코팅될 수 있다. 꼬인 끈(430)의 고장의 기회를 줄이기 위해 및/또는 피로를 감소시키기 위해, 저-마찰 물질, 또는 기타 보호 코팅 및/또는 클래딩이, 개별 스트랜드(430a, 430b)의 일부 도는 전체 길이를 따라 적용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 윤활유가, 예를들면, 실리콘 윤활유가, 꼬인 끈(430)에 적용될 수 있다. TSA(400)의 사용 중에 개별 스트랜드(430a, 430b) 사이의 마찰을 감소시키기 위해, 그리고 개별 스트랜드(430a, 430b)의 표면 거칠기 또는 다른 측면들이 개별 스트랜드(430a, 430b)를 손상시키지 않도록 하기 위해, 저-마찰 보호 물질이, 꼬인 끈(430)의 개별 스트랜드(430a, 430b) 사이에 개재될 수 있다. 예를들어, 테프론 시트 (또는 어떤 다른 저-마찰 물질)의 길고 좁은 스트립이 개별 스트랜드(430a, 430b) 사이에 개재될 수 있다.
[00140] 개별 스트랜드(430a, 430b) 및/또는 꼬인 끈(430)의 제조는, 꼬인 끈(430)의 스트랜드(430a, 430b)의 고장의 가능성 및/또는 피로의 속도를 감소시키는 방식으로 수행될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 꼬인 끈(430)이 '중간 스트로크'로 작동될 때 및 상기 꼬인 끈(430)으로 조립될 때, 상기 개별 스트랜드(430a, 430b)가 430b 최소 내부 변형을 경험하도록 헬리컬 형상을 갖도록 제조될 수 있다 (즉, 꼬인 끈(430)은, 꼬인 끈(430)의 길이가 비-트위스트 꼬인 끈(430)의 전체 길이와 꼬인 끈(430)의 어떤 최대 기능적 비틀림에 대응하는 길이 사이에서의 임의의 길이가 되도록 회전된다). 이는, 섬유 다발을 조립함으로써 달성될 수 있다. 제1 트위스트가 섬유 다발에 적용될 수 있다. 그후, 상기 섬유 다발은, 접힘 지점이 꼬인 끈(430)의 제2 단부(435)가 되도록, 부착 지점 (예를들면, 강성 발판(445)에 견고하게 결합된 매끄러운 실린더) 에 대해 절반으로 접힐 수 있다. 그후, 상기 두 개의 반 다발(halves of the bundle)(각각의 스트랜드(430a, 430b)와 동일함)은, 꼬인 끈(430)을 형성하도록 서로에 대해 꼬일 수 있다. 상기 다발의 단부가 함께 묶여서 전송 블록에 고정될 수 있다. 상기 꼬인 끈(430)의 섬유는, 어떤 레벨의 꼬임 및/또는 길이에서 최소의 변형을 나타낼 수 있는바; 이 레벨의 꼬임 및/또는 길이는, 상기 제1 비틀림의 크기에 관련될 수 있다. 따라서 제1 비틀림의 크기는, 제1 꼬임의 지정된 크기에 관련된 특정 전송율, 길이, 스트로크 길이, 또는 이들 특성들의 조합을 갖는 꼬인 끈을 제조하기 위해 특정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 스트랜드(430a, 430b)는 조립되어 상기 꼬인 끈(430)으로 될 수 있으며 (즉, 결착, 용접, 클램프 또는 그렇지 않으면 스트링 종결 엘리먼트(일례로 전송 블록(470))에 부착), 개별 스트랜드(430a, 430b)의 길이가 더 동일해지도록 상기 꼬인 끈(430)이 스트레치 및 가열될 수 있다.
[00141] 꼬인 끈 액추에이터(TSA)는, TSA(400)의 꼬인 끈(430)의 스트랜드(430a, 430b) 와 같은 두 개의 스트랜드를 가질 수 있으며, 또는 두 개 이상의 스트랜드를 포함할 수 있다. 둘 이상의 스트랜드의 배치가 제어 및/또는 지정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 두 개 이상의 스트랜드의 배치는, 전송 블록 (예를들어, 470) 의 구성에 의해, 혹은 전송 블록의 반대쪽 스트랜드의 단부들이 서로에 대해 및/또는 작동 엘리먼트에 대해 부착되는 방식에 의해 제어될 수 있다. 예를들어, 전송 블록이 구성되되, 상기 전송 블록이 정사각형 구성, 다이아몬드 구성, 삼각형 구성 (즉, 네 개의 스트랜드 중 세 개의 삼각형을 형성하고, 네 번째 스트랜드는 삼각형의 중앙에 유지됨), 또는 애플리케이션에 따라 어떤 다른 구성을 가정하는 전송 블록에 연결된 꼬인 끈의 네 개의 스트랜드를 야기하도록, 상기 전송 블록이 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 꼬인 끈은, 상기 꼬인 끈의 둘 이상의 스트랜드의 배치를 제어하기 위해 상기 꼬인 끈의 길이를 따라 하나 이상의 공간을 포함할 수 있다. 임의의 스페이서가, 꼬인 끈이 꼬임에 따라 꼬인 끈의 개별 스트랜드 사이의 마찰을 추가적으로 줄이기 위해 테프론 또는 다른 저-마찰 물질의 스트립을 포함할 수 있다.
[00142] TSA(400)는 본원에 기술된 바와 같이 꼬인 끈 액추에이터 (TSA)의 일 실시예다. 대안적인, 추가적인, 더 적은, 및/또는 상이하게 구성된 구성요소들을 포함하는 TSA의 다른 구성이, 예상된다. TSA는, 다수개의 꼬인 끈, 다른 개수의 스트랜드, 다수개의 모터, 두 개의 회전 액추에이터 (즉, 꼬인 끈의 각 단부에 결합된 회전 액추에이터)에 의해 작동되는 꼬인 끈, 하나 이상의 전송 튜브, 상이하게 구성된 전송 튜브, 작동 엘리먼트에 대한 상이한 위치 및/또는 부착 수단, 또는 애플리케이션에 따른 다른 구성을 포함할 수 있다. 예를들어, 5a-5g 는 꼬인 끈 액추에이터(TSAs)(500a-500g)의 다른 구성을 설명하는 도면이다.
[00143] 도 5a는, TSA(500a)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510a, 520a) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510a, 520a)에 부착된 TSA(500a)를 나타낸다. TSA(500a)는, 제1 작동 엘리먼트(510a)와 모터(540a)의 고정자에 견고하게 결합된 전송 튜브(550a)를 포함한다. 제1 작동 엘리먼트(510a)는, 전송 튜브(550a) 및 모터(540a) 사이의 연결부 근처에서 전송 튜브(550a) 및 모터 (540a)에 경고하게 부착된다. 꼬인 끈(530a)의 제1 단부는, 제2 작동 엘리먼트(520a)에 기계적으로 결합된다. 모터(540a)의 회전자가 꼬인 끈(530a)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(540a)가, TSA(500a)로 하여금 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510a, 520a) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 꼬인 끈(530a)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다.
[00144] 도 5b는, TSA(500b)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510b, 520b) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510b, 520b)에 부착된 TSA(500b)를 도시한다. 상기 TSA(500b)는, 제1 작동 엘리먼트(510b) 및 모터(540b)의 고정자에 견고하게 결합된 전송 튜브(550b)를 포함한다. 제1 작동 엘리먼트(510b)는, 모터(540b)의 반대쪽의 전송 튜브(550b)의 단부 근처의 전송 튜브(550b)에 견고하게 부착된다. 꼬인 끈(530b)의 제1 단부가 제2 작동 엘리먼트(520b)에 기계적으로 결합된다. 모터(540b)의 회전자가 꼬인 끈(530b)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(540b)가, TSA(500b)로 하여금 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510b, 520b) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 꼬인 끈(530b)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다.
[00145] 도 5c는, TSA(500c)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510c, 520c) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510c, 520c)에 부착된 TSA(500c)를 도시한다. 상기 TSA(500c)는, 제1 작동 엘리먼트(510c)에 견고하게 결합된 모터(540c)의 고정자를 포함한다. 전송 튜브(550c)의 제1 단부가 상기 모터(540c)의 회전자에 견고하게 결합된다. 꼬인 끈(530c)의 제1 단부가 제2 작동 엘리먼트(520c)에 기계적으로 결합된다. 꼬인 끈(530c)의 제2 단부가 전송 튜브(550c)의 제2 단부에 기계적으로 결합된다. TSA(500c)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510c, 520c) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 모터(540c)가, 전송 튜브(550c)를 통해 꼬인 끈(530c)의 제1 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있다.
[00146] 도 5d는, TSA(500d)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510d, 520d) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510d, 520d)에 부착된 TSA(500d)를 도시한다. 상기 TSA(500d)는, 가요성 전송 튜브(553d) 및 모터(540d)의 고정자에 견고하게 결합된 제1 강성 전송 튜브(551d)를 포함한다. 가요성 전송 튜브(553d)가, 그 길이를 따라 힘 및/또는 토크를 전송하도록 및 그 길이에 수직한 방향으로 가요성이도록 (보우 덴 케이블의 외부 하우징과 유사하게) 구성된다. 제1 작동 엘리먼트(510d)가 제2 강성 전송 튜브(552d)에 견고하게 부착되는바, 이는 결국, 상기 제1 강성 전송 튜브(551d)에 연결된 상기 가요성 전송 튜브(553d)의 단부의 반대쪽의, 상기 가요성 전송 튜브(553d)의 단부에 견고하게 결합된다. 꼬인 끈(530d)의 제1 단부가 제2 작동 엘리먼트(520d)에 기계적으로 결합된다. 모터(540d)의 회전자가 꼬인 끈(530d)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(540d)가, TSA(500d)로 하여금 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510d, 520d) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 꼬인 끈(530d)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. 상기 가요성 전송 튜브(553d)는, TSA(500d)로 하여금, 부분적으로 만곡된 표면 또는 다른 엘리먼트를 따라 순응적으로 동작되도록 (즉, 가요성 전송 튜브(553d)가 부분적으로 만곡된 표면의 만곡 형태에 순응적이도록), 및/또는 가요성 전송 튜브(553d)가 구부러지는 동안에 동작되도록 (예를들면, 가요성 전송 튜브(553d)는 조인트나 힌지를 가로지르며 상기 조인트나 힌지가 구부러지는 동안에 상기 TSA(500d)의 동작을 가능하게) 할 수 있다.
[00147] 도 5e는, TSA(500e)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510e, 520e) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510e, 520e)에 부착된 TSA(500e)를 도시한다. 상기 TSA(500e)는, 강성 전송 튜브(551e) 및 모터(540e)의 고정자에 견고하게 결합된 가요성 전송 튜브(552e)를 포함한다. 가요성 전송 튜브(552e)가, 그 길이를 따라 힘 및/또는 토크를 전송하도록 및 그 길이에 수직한 방향으로 가요성이도록 (보우 덴 케이블의 외부 하우징과 유사하게) 구성된다. 제1 작동 엘리먼트(510e)가, 상기 가요성 전송 튜브(552e)에 연결된 상기 강성 전송 튜브(551e)의 일 단부의 반대쪽에 있는 상기 강성 전송 튜브(551e)의 타 단부 근처에서, 상기 강성 전송 튜브(551e)에 견고하게 결합된다. 꼬인 끈(530e)의 제1 단부가 제2 작동 엘리먼트(520e)에 기계적으로 결합된다. 모터(540e)의 회전자가 꼬인 끈(530e)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(540e)가, TSA(500e)로 하여금 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510e, 520e) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 꼬인 끈(530e)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. 상기 가요성 전송 튜브(552e)는, TSA(500e)로 하여금, 부분적으로 만곡된 표면 또는 다른 엘리먼트를 따라 순응적으로 동작되도록 (즉, 가요성 전송 튜브(552e)가 부분적으로 만곡된 표면의 만곡 형태에 순응적이도록), 및/또는 가요성 전송 튜브(552e)가 구부러지는 동안에 동작되도록 (예를들면, 가요성 전송 튜브(552e)는 조인트나 힌지를 가로지르며 상기 조인트나 힌지가 구부러지는 동안에 상기 TSA(500e)의 동작을 가능하게) 할 수 있다.
[00148] 도 5f는, TSA(500f)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510f, 520f) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510f, 520f)에 부착된 TSA(500f)를 도시한다. 상기 TSA(500f)는, 제1 작동 엘리먼트(510f) 및 모터(540f)의 고정자에 견고하게 결합된 전송 튜브(550f)를 포함한다. 가요성 전송 튜브(550f)가, 그 길이를 따라 힘 및/또는 토크를 전송하도록 및 그 길이에 수직한 방향으로 가요성이도록 (보우 덴 케이블의 외부 하우징과 유사하게) 구성된다. 제1 작동 엘리먼트(510f)는, 모터(540f)의 반대쪽의 가요성 전송 튜브(550f)의 단부 근처의 가요성 전송 튜브(550f)에 견고하게 부착된다. 꼬인 끈(530f)의 제1 단부가 제2 작동 엘리먼트(520f)에 기계적으로 결합된다. 모터(540f)의 회전자가 꼬인 끈(530f)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(540f)가, TSA(500f)로 하여금 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510f, 520f) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 꼬인 끈(530f)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. 상기 가요성 전송 튜브(550f)는, TSA(500f)로 하여금, 부분적으로 만곡된 표면 또는 다른 엘리먼트를 따라 순응적으로 동작되도록, 및/또는 가요성 전송 튜브(552f)가 구부러지는 동안에 동작되도록 (예를들면, 가요성 전송 튜브(552f)는 하나 이상의 조인트나 힌지를 가로지르며 상기 조인트나 힌지가 구부러지는 동안에 상기 TSA(500f)의 동작을 가능하게) 할 수 있다.
[00149] 도 5g는, TSA(500g)와, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510g, 520g)을 도시한다. 상기 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510g, 520g)은 축(515g) 주위를 회전하도록 구성된다. 상기 TSA(500g)는, TSA(500g)로 하여금 상기 축(515g) 주위의 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510g, 520g) 사이의 각도를 변경하고 및/또는 토크를 인가하도록 동작될 수 있도록, 상기 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510g, 520g)에 부착된다. 상기 TSA(500g)는, 제1 작동 엘리먼트(510g) 및 모터(540g)의 고정자에 견고하게 결합된 제1 전송 튜브(551g), 및 제2 작동 엘리먼트(520g) 및 꼬인 끈(530g)의 제2 단부에 견고하게 결합된 제2 전송 튜브(552g)를 포함한다. 상기 TSA(500g)는, 꼬인 끈(530g)이 그 사이를 통과하는 그로밋(555g)에 연결된 및 상기 축(515g) 주위로 회전하도록 구성된 간격 부재(553g)를 포함한다. 모터(540g)의 회전자가 꼬인 끈(530g)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(540g)가, TSA(500g)로 하여금 상기 축(515g) 주위의 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(510g, 520g) 사이에 각도를 변경하고 및/또는 토크를 인가하도록, 꼬인 끈(530g)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다.
[00150] TSA는 하나 이상의 끈을 포함할 수 있다. TSA는, TSA의 하나 이상의 동작 특성을 개선 또는 제어하기 위한 및/또는 추가 기능을 가능하게 하는 다양한 방식으로 구성된 추가적인 끈을 포함할 수 있다. 예를들어. 상기 TSA에서의 추가 끈은, 강도, 스트로크 길이, 사용 가능한 수명, 용장성, 또는 TSA의 다른 특성을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 TSA는, TSA의 모터와 TSA의 선형 작동 간의 더 높은 전송비, 또는 다른 특성이나 동작 모드를 가능하게 하면서, TSA의 끈의 차동 동작을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 여러 끈을 포함하는 다양한 TSA가 도 6a - 6e에 도시되어 있다.
[00151] 도 6a는, TSA(600a)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610a, 620a) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610a, 620a)에 부착된 TSA(600a)를 나타낸다. 상기 TSA(600a)는, 제1 작동 엘리먼트(610a)에 견고하게 결합된 모터(630a)의 고정자를 포함한다. 상기 TSA(600a)는 추가로, 제2 작동 엘리먼트(620a)에 기계적으로 결합된 각각의 제1 단부를 갖는 제1 및 제2 꼬인 끈(640a, 645a)을 포함한다. TSA(600a)는 또한, 제1 작동 엘리먼트(610a)에 기계적으로 결합된 제1 및 제2 기어(642a, 647a)를 포함하는바, 상기 기어들(642a, 647a)은 제1 작동 엘리먼트(610a)를 기준으로 회전은 할 수 있지만 제1 작동 엘리먼트(610a)를 기준으로 병진운동은 할 수 없도록 되어 있다. 상기 기어들(642a, 647a)은, 하나의 기어의 회전이 다른 기어의 회전과 반대방향으로 및 실질적으로 동일한 회전 속도로 이어지도록, 서로 얽혀 있고 동일한 개수의 기어치를 가지고 있다. 제2 기어(647a)는 제2 꼬인 끈(645a)의 제2 단부에 기계적으로 결합되어 있다. 모터(630a)의 회전자가 제1 기어(642a) 및 제1 꼬인 끈(640a)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(630a)가, TSA(600a)로 하여금 상기 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610a, 620a) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 꼬인 끈(640a, 645a)의 제2 단부에 반대방향이면서 실질적으로 동일한 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다.
[00152] 도 6b는, TSA(600b)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610b, 620b) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610b, 620b)에 부착된 TSA(600b)를 나타낸다. 상기 TSA(600b)는, 제1 작동 엘리먼트(610b)에 견고하게 결합된 모터(630b)의 고정자를 포함한다. 상기 TSA(600b)는 추가로, 두 세트의 기어들을 포함한다. 제1 세트의 기어들은, 제1 작동 엘리먼트(610b)에 기계적으로 결합된 제1 및 제2 기어(642b, 647b)를 포함하는바, 상기 제1 세트의 기어들(642b, 647b)은 제1 작동 엘리먼트(610b)를 기준으로 회전은 할 수 있지만 제1 작동 엘리먼트(610b)를 기준으로 병진운동은 할 수 없도록 되어 있다. 상기 제1 세트의 기어들(642b, 647b)은, 하나의 기어의 회전이 상기 제1 세트의 기어들(642b, 647b)의 다른 기어의 회전과 반대방향으로 및 실질적으로 동일한 회전 속도로 이어지도록, 서로 얽혀 있고 동일한 개수의 기어치를 가지고 있다 (즉, 상기 제1 세트의 기어들(642b, 647b)은 동등한 기어비를 가지고 있다). 제2 세트의 기어들은, 제2 작동 엘리먼트(620b)에 기계적으로 결합된 제3 및 제4 기어(644b, 649b)를 포함하는바, 상기 제2 세트의 기어들(644b, 649b)은 제2 작동 엘리먼트(620b)를 기준으로 회전은 할 수 있지만 제2 작동 엘리먼트(620b)를 기준으로 병진운동은 할 수 없도록 되어 있다. 상기 제2 세트의 기어들(644b, 649b)은, 하나의 기어의 회전이 상기 제2 세트의 기어들(644b, 649b)의 다른 기어의 회전과 반대로 및 실질적으로 상이한 회전 속도로 이어지도록, 서로 얽혀 있고 상이한 개수의 기어치를 가지고 있다 (즉, 상기 제2 세트의 기어들(644b, 649b)은 비-동등한 기어비를 가지고 있다).
[00153] 상기 TSA(600b)는 추가로, 각각 상기 제3 및 제4 기어(644b, 649b)에 기계적으로 결합된 각각의 제1 단부를 갖는 제1 및 제2 꼬인 끈(640b, 645b)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 꼬인 끈(640b, 645b)은 추가로, 각각 상기 제1 및 제2 기어(642b, 647b)에 기계적으로 결합된 각각의 제2 단부를 갖는다. 모터(630b)의 회전자가 제1 기어(642b)에 결합되는바, 그리하여 모터(630b)가, 상기 꼬인 끈(640b, 645b)의 제2 단부에 반대방향이면서 실질적으로 동일한 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. 그러한 회전 및/또는 토크의 결과, 상기 제3 기어(644b)의 기어치 개수 및 제4 기어(649b)의 기어치 개수의 비율과 관련된 비율을 가지면서, 상기 꼬인 끈들(640b, 645b)의 제1 단부들은 서로 반대로 회전한다. 또한, 이들 회전은, TSA(600b)로 하여금, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610b, 620b) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하게 할 수 있다. TSA(600b)의 전송비는, 토크의 결과로서 제1 및 제2 작동 엘리먼트(610b, 620b) 사이에 인가되는 힘 및 상기 회전자(632b)에 의해 인가 토크 사이의 비율로 정의될 수 있다. TSA(600b)의 전송비는, 제2 세트의 기어들(644b, 649b)의 기어비, 및 꼬인 끈(640b, 645b)과 관련된 길이, 트위스트의 정도, 또는 다른 요인들과 관련될 수 있다. 이러한 구성은, 상기 꼬인 끈(640b, 645b)으로 하여금 상기 꼬인 끈(640b, 645b)의 꼬임의 정도보다 더 큰 어떤 회전 각도로 하도록 허용함으로써, 상기 제2 세트의 기어들(644b, 649b) 없이 달성될 수 있는 것보다 더 높은 전송비 (제1 및 제2 작동 엘리먼트(610b, 620b) 사이의 변위/힘의 변화 및 모터(632b)의 회전/토크 사이의) 를 가능하게 할 수 있다.
[00154] 몇몇 실시예에서, 제1 세트의 기어들(642b, 647b)이 비-동등한 기어비를 가질 수 있고, 제2 세트의 기어들(644b, 649b)이 동등한 기어비를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 세트의 기어들(642b, 647b) 및 제2 세트의 기어들(644b, 649b)은 모두, 동등하지 않은 각각의 기어비를 가질 수 있다. 제1 세트의 기어들(642b, 647b)의 기어비는 제2 세트의 기어들(644b, 649b)의 기어비의 역이 될 수 있다 (예를들면, 제1 세트의 기어들(642b, 647b)이 2:1의 기어비를 가지며, 제2 세트의 기어들(644b, 649b)이 1:2의 기어비를 가질 수 있다). 각 세트의 기어들의 기어비의 선택은 TSA(600b)의 엘리먼트들 간의 부하, 토크 또는 다른 고려사항을 균형잡기 위해 가역적으로 특정될 수 있다 (예를들면, 기어들과 해당 작동 엘리먼트들을 결합하는 트러스트 베어링에 의해 경험된 스트레인을 균형잡기 위해). TSA(600b)의 다른 구성들이 예상된다.
[00155] 본원에 기술된 하나 이상의 TSA (일예로, TSA (600a, 600b))와 유사하게 구성된 TSA가, 토크 및/또는 회전이 TSA의 모든 꼬인 끈에 공통으로 적용될 수 있도록 구성된 각각의 기어들과 추가의 꼬인 끈들을 포함할 수 있다. 추가의 꼬인 끈들이, TSA의 강도, 내 피로성, 수명, 용장성, 또는 일부 다른 특성을 증가시키기 위해 추가될 수 있다. TSA의 기어들은, TSA의 지정된 고정적 또는 가변적 전송비를 가져오도록, 하나 이상의 기어비를 가질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 TSA는, 토크 및/또는 회전이 꼬인 끈에 공통적으로 적용되지만 상기 끈에 연결된 기어들이 반드시 서로 직접 맞물리게 할 필요까지는 없도록, 추가적인 기어 또는 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 예를들어, TSA는, 상기 TSA(600a)와 유사하게 구성될 수 있지만, 일 기어의 회전이 상기 제1 기어의 회전과 동일한 방향으로의 상기 제2 기어의 실질적으로 동일한 회전에 의해 이어지도록, 구동 체인에 의해 연결되어있는 기어들을 포함할 수 있다. 다른 구성 및 추가의 엘리먼트들이 예상된다.
[00156] 도 6c는, TSA(600c)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610c, 620c) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610c, 620c)에 부착된 TSA(600c)를 나타낸다. 상기 TSA(600c)는 모터(630c)의 고정자를 포함한다. 상기 TSA(600c)는 추가로, 제2 작동 엘리먼트(620c)에 기계적으로 결합된 각각의 제1 단부들을 갖는 제1 및 제2 꼬인 끈(640c, 645c) 및 제1 작동 엘리먼트(610c)에 기계적으로 결합된 각각의 제1 단부들을 갖는 제3 및 제4 꼬인 끈(641c, 646c)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 꼬인 끈(640c, 645c)은 반대방향의 꼬임을 갖는다; 예를들면, 제1 꼬인 끈(640c)이 S-꼬임을 가질 수 있으며, 제2 꼬인 끈(645c)은 Z-꼬임을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제3 꼬인 끈(640c, 641c)은 반대방향의 꼬임을 가지며, 상기 제2 및 제4 꼬인 끈(645c, 646c)은 반대방향의 꼬임을 갖는다. 상기 TSA(600c)는, 제1 작동 엘리먼트(601c)에 기계적으로 결합된 제1 및 제2 기어(642c, 647c)를 더 포함하는바, 그리하여 상기 기어들(642c, 647c)은 모터(630c)의 고정자를 기준으로 회전은 할 수 있지만 모터(630c)의 고정자를 기준으로 병진운동은 할 수 없도록 되어 있다. 상기 기어들(642c, 647c)은, 하나의 기어의 회전이 다른 기어의 회전과 반대방향으로 및 실질적으로 동일한 회전 속도로 이어지도록, 서로 얽혀 있고 동일한 개수의 기어치를 가지고 있다. 제2 기어(647c)가, 제2 회전자(634c)를 통해 제2 및 제4 꼬인 끈(645c, 646c)의 각각의 제2 단부에 기계적으로 결합된다. 모터(632c)의 회전자는 제1 및 제3 꼬인 끈(640c, 641c) 각각의 제2 단부 및 제1 기어(642c)에 결합되는바, 그리하여 모터(630c)가, TSA(600c)로 하여금 상기 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610c, 620c) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 꼬인 끈(640c, 841c 및 645c, 646c)의 제2 단부에 반대방향이면서 실질적으로 동일한 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 회전자(634c)는 상기 모터(630c)의 회전자일 수 있으며, 상기 모터(630c)는 상기 회전자(632c) 및 상기 제2 회전자(634c) 모두를 구동하도록 구성될 수 있다. 또한, TSA( 600c)는, 상기 꼬인 끈(640c, 641c, 645c, 646c) 및/또는 회전자(632c) 및 제2 회전자(634c)에 의해 실질적으로 전송되는 그러한 힘 때문에, 상기 기어(642c, 647c)를 상기 모터(630c)의 고정자에 결합하는 트러스트 혹은 기타 베어링들이 실질적으로 길이 방향의 (즉, 꼬인 끈(640c, 641c, 645c, 646c)의 축 방향의) 힘을 전혀 전달하지 않도록, 구성될 수 있다. 이는, 모터(630c)에 포함된 베어링 상의 종 방향 힘에 의한 마찰 손실을 감소시켜, 더 낮은 마찰 베어링 및/또는 TSA(600c)의 더 고효율의 동작의 사용을 가능하게 할 수 있다.
[00157] 도 6d는, TSA(600d)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610d, 620d) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610d, 620d)에 부착된 TSA(600d)를 나타낸다. 상기 TSA(600d)는 전기자(650d)에 결합된 모터의 고정자(630d)를 포함하는바, 그리하여 상기 고정자(630d)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610d, 620d) 사이의 축을 따라 이동할 수 있으나, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610d, 620d)을 기준으로 회전하거나 그 축에 수직하게 병진운동을 실질적으로 할 수 없도록 되어 있다. 상기 TSA(600d)는 추가로, 상기 모터의 회전자(632d)에 기계적으로 결합된 각각의 제1 단부들 및 상기 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610d, 620d)에 각각 기계적으로 결합된 각각의 제2 단부들을 갖는 제1 및 제2 꼬인 끈(640d, 645d)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 꼬인 끈(640d, 645d)은 반대방향의 꼬임을 갖는다; 예를들면, 제1 꼬인 끈(640d)이 S-꼬임을 가질 수 있으며, 제2 꼬인 끈(645d)은 Z-꼬임을 가질 수 있다.
[00158] TSA(600d)는, 회전자(632d)를 사용하는 꼬인 끈(640d, 645d)의 제1 단부에 토크를 인가함으로써, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610d, 620d) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록 동작될 수 있다. 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610a, 620a) 사이의 변위의 변화 및 상기 회전자(632d)의 회전 사이의 전송비는, 꼬인 끈(640d, 645d)과 관련된 길이, 꼬임의 정도, 또는 다른 요인들과 관련될 수 있다. 같은 회전자(632d)에 의해 구동되는 두 개의 꼬인 끈(640d, 645d)을 포함하는 TSA(600d)가, 단일의 꼬인 끈을 가진 TSA (예를들어, TSA(600a) 처럼 구성된 유사한 재질 혹은 구성요소를 사용하여 달성하기에 어려울 수 있는 전송비, 스트로크 길이, 또는 다른 특성을 제공하는 애플리케이션에 채용될 수 있다. 상기 TSA(600d)는, 애플리케이션에 따라서 상기 TSA(600d)가 동작됨에 따라 (예를들면, 회전자(632d)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트(610a, 620a) 사이의 변위의 변화를 가져오도록 회전됨에 따라) TSA(600d)의 전송비가 변하도록, 및 TSA(600d)의 전송비가 특정 값이 되도록, 휴지 상태 또는 어떤 다른 디폴트 상태에서, 꼬인 끈(640d, 645d)들이 길이, 각도나 꼬임, 또는 다른 특성들을 갖도록 하기 위해, 구성될 수 있다. 예를들어, 꼬인 끈(640d, 645d)들이 완전히 꼬여있고, 꼬인 끈(640d, 645d)들이 회전자(632d)에 의해 회전됨에 따라 TSA(600d)의 전송비가 증가할 때, TSA (600d)의 전송비는 최소값이 될 수 있다.
[00159] 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 및 제2 꼬인 끈(640d, 645d)은 반대방향으로의 꼬임을 가질 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 TSA(600d)는, 회전자(632d)를 사용하는 꼬인 끈(640d, 645d)의 제1 단부에 토크를 인가함에 의해, 상기 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610d, 620d) 사이에 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하도록, 동작될 수 있다. 또한, TSA(600d)는, 꼬인 끈(640d, 645d) 및/또는 회전자(632d)에 의해 실질적으로 전송된 그러한 힘에 기하여, 회전자(632d)를 모터의 고정자(630d)에 결합하는 트러스트 혹은 다른 베어링이 실질적으로 어떤 길이방향으로의 (즉, 꼬인 끈(640d, 645d)의 축 방향으로의) 힘도 전달하지 않도록 구성될 수 있다. 이는, 모터(630d)에 포함된 베어링 상의 길이방향 힘에 의한 마찰 손실을 감소시킴으로써 TSA(600d)의 더 높은 작동 효율 및/또는 더 낮은 마찰 베어링의 사용을 가능하게 할 수 있다.
[00160] 도 6e는, TSA(600e)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610e, 620e) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610e, 620e)에 부착된 TSA(600e)를 나타낸다. 상기 TSA(600e)는 전기자(650e)에 결합된 제1 모터 고정자(630e) 및 제2 모터 고정자(635e)를 포함하는바, 그리하여 상기 고정자(630e, 635e)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610e, 620e) 사이의 축을 따라 이동할 수 있으나, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610e, 620e)을 기준으로 회전하거나 그 축에 수직하게 병진운동을 실질적으로 할 수 없도록 되어 있다. 상기 TSA(600e)는 추가로, 상기 제1 및 제2 모터 회전자(632e, 637e)에 각각 기계적으로 결합된 각각의 제1 단부들 및 상기 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610e, 620e)에 각각 기계적으로 결합된 각각의 제2 단부들을 갖는 제1 및 제2 꼬인 끈(640e, 645e)을 포함한다.
[00161] 제1 및 제2 모터(630e, 635e)는, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610e, 620e) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 가하기 위해, 각각의 꼬인 끈(640e, 645e)의 각각의 제2 단부에 각각의 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 꼬인 끈(640e, 645e)은, 꼬인 끈(640e, 645e)의 각각의 전송 비율이 상이하도록 각각의 상이한 길이, 각도나 꼬임, 또는 다른 특징들을 가질 수 있다. 제1 모터(630e, 632e)와 제2 모터(635e, 637e)가 꼬인 끈(640e, 645e)의 다른 특성에 비해 유리하게 구성 및/또는 동작될 수 있다. 예를들어, 제1 꼬인 끈(640e)은 제2 꼬인 끈(645e) 보다 더 높은 전송비를 가질 수 있으며, 제1 모터(630e, 632e)는 제2 모터(635e, 637e) 보다 더 높은 토크 용량 및 더 낮은 위치 대역폭을 가질 수 있다. 이러한 방식으로 구성 TSA(600e)는, 제1 꼬인 끈(640e) 및 모터(630e, 632e) 만을 포함하는 혹은 제2 꼬인 끈(645e) 및 모터(630e, 632e) 만을 포함하는 TSA 보다 (토크, 위치 대역폭, 또는 다른 운영 특성의 관점에서) 전반적으로 더 나은 성능을 가질 수 있다. TSA(600e)의 다른 구성 및 동작이 예상된다.
[00162] 도 6f는, TSA(600f)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610f, 620f) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610f, 620f)에 부착된 TSA(600f)를 나타낸다. 상기 TSA(600f)는 제1 작동 엘리먼트(610f)에 견고하게 결합된 모터의 고정자(630f)를 포함한다. 제1 꼬인 끈(640f)의 제1 단부가 풀리(642f)의 가장자리에 기계적으로 결합되면서 그 주위를 감싸게 된다. 상기 풀리는 자유롭게 회전하지만 제3 엘리먼트(650f)를 기준으로 병진운동은 할 수 없도록 구성되어 있다. 제2 꼬인 끈(645f)이 상기 풀리(642f)의 차축과 제2 작동 엘리먼트(620f) 사이에 접속된다. 모터(630f)의 회전자가 제1 꼬인 끈(640f)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 상기 TSA(600f)가 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(610f, 620f) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해, 제1 꼬인 끈(640f)이 상기 풀리(642f) 및 상기 제2 꼬인 끈(645f)의 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록, 상기 모터(630f)가 제1 꼬인 끈(640f)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있게 한다. TSA(600f)의 전송비 (즉, 모터(630f)에 의해 인가되는 토크 및 제1 및 제2 작동 엘리먼트(610f, 620f) 사이에 인가되는 최종 힘의 비 및/또는 모터(630f)의 회전자의 회전속도 및 제1 및 제2 작동 엘리먼트(610f, 620f) 사이의 변위에 있어서의 최종 변화율의 비) 는, 제1 꼬인 끈(640f)의 전송비와 제2 꼬인 끈(645f)의 전송비의 승산값일 수 있다. TSA(600f)에 유사하게 구성된 (즉, 풀리를 감싸는 꼬인 끈을 가지며, 풀리를 회전시키도록 구성된, 및 풀리의 회전에 의해 구동되는 다른 꼬인 끈들을 더 갖는) TSA는, 두 개 이상의 스테이지 (즉, 두 개 이상의 풀리와 거기에 부착된 꼬인 끈들) 를 가질 수 있으며, TSA의 꼬인 끈들의 모든 전송비들을 함께 곱한 승산값과 동일한 전송비를 가질 수 있다.
[00163] 또한, TSA의 꼬인 끈은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 상기 꼬인 끈은, 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 바와 같이, 또는 두 개의 스트랜드를 포함할 수 있으며, 혹은 두 개 이상의 스트랜드를 포함할 수 있다. 상기 꼬인 끈은, (상기 회전축이, (예를들어, 보우덴 케이블 하우징 내에 내포된 끈이면서, 또다른 물체 주위로 변형되거나 그렇지 않으면 직선이 아닌 끈과 같이) 직선이 아닌 끈을 위한 회전축일 경우) 상기 꼬인 끈의 두 개 이상의 스트랜드가 상기 끈의 회전축으로부터 같은 거리에 위치되도록 구성되어질 수 있다. 꼬인 끈의 스트랜드가 상기 끈의 회전축으로부터 같은 거리에 위치되는 것을 보증하기 위해 및/또는 다른 목적으로, 스페이서들이 상기 끈 내로 혼입되어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 스페이서들은, 도넛 형상이거나, 디스크 형상이거나, 그렇지 않으면 꼬인 끈의 스트랜드가 통과할 수 있는 스루 홀을 갖는 링 혹은 플레이트로 구성될 수 있다; 상기 홀의 크기, 형상 및 위치는, 상기 스트랜드가 꼬임의 각도를 변경할 수 있으나 (일예로, 상기 꼬인끈이 회전될 때), 서로에 대해 그들의 위치를 변경할 수 없도록 (즉, 그들이 상기 끈의 회전축으로부터 반경방향 거리를 유지하며, 서로 간에 각도 관계를 유지하도록) 될 수 있어야 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 꼬인 끈은, 상기 꼬인 끈의 스트랜드가 상기 끈의 회전축으로부터 같은 거리에 있는 것을 보장하는 및/또는 다른 목적을 위해, 중심 엘리먼트(central element)를 포함할 수 있다. 예를들어, 하나 이상의 구, 원통, 또는 다른 형태의 물체가 꼬인 끈의 (즉, 회전축을 중심으로) 중심에 위치설정될 수 있다. 상기 꼬인 끈의 중심에 물체의 위치설정은, 상기 꼬인 끈에 세 개 이상의 스트랜드를 가짐으로써 및/또는 상기 스트랜드와 물체 사이의 특정 관계를 보증하기 위해 상기 물체에 홈 또는 링을 포함함으로써, 유지될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 물체는, 꼬인 끈의 길이방향 힘을 전달하는 작용을 실질적으로 행하지 않는 추가적인 중심 스트랜드에 의해 제 위치에 유지될 수 있다.
[00164] 대안적으로, TSA의 꼬인 끈은, 부착 지점 근처에서 절반으로 접힌 단일 스트랜드를 포함할 수 있다. 그후, 상기 스트랜드의 두 개의 반쪽은 꼬인 끈을 형성하기 위해 서로의 주위에 꼬임(twist)을 형성한다.
[00165] 꼬인 끈의 스트랜드 및 가능한 윤활제의 물질 조성, 스페이서, 마찰 방지 코팅 또는 시임(shims), 또는 꼬인 끈의 다른 엘리먼트들이나 꼬인 끈과 관련된 다른 엘리먼트들은 애플리케이션에 따라 특정될 수 있다. 꼬인 끈의 물질 조성 및 구성, 그리고 이들의 엘리먼트들은, 특정 애플리케이션을 가능하게 하기 위해 및/또는 상기 꼬인 끈이 임의의 속성 (예를들면, 컴플라이언스 또는 피로 저항) 의 특정 값을 갖는 것을 보장하도록 특정될 수 있다. 일반적으로, 상기 꼬인 끈의 스트랜드는, 로우-컴플라이언스 (즉, 꼬인 끈이 끈에 길이 방향의 스트레스에 대한 응답으로 최소한의 변형함), 높은 강도 (즉, 꼬인 끈은 매우 높은 길이 방향의 응력에 노출되었을 때만 고장날 것임), 및 작은 굽힘 반경 (즉, 꼬인 끈의 스트랜드는 고장없이 작은 반경에 대해 매우 단단히 감길 수 있음) 을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 꼬인 끈의 스트랜드는, 낮은 외부 마찰 (즉, 상기 스트랜드는 외부 물체 (일예로, 낮은 마찰을 갖는 또다른 스트랜드) 에 대해 이동됨) 및 낮은 내부 마찰 (즉, 상기 스트랜드를 구성하는 서브-스트랜드, 섬유, 또는 다른 엘리먼트들이 낮은 마찰력을 가지고 서로에 대해 이동함) 을 갖도록 (어떤 물질 조성을 가짐으로써 및/또는 섬유에서 특정 방식으로 직조됨으로써) 구성될 수 있다.
[00166] 몇몇 실시예에서, 상기 스트랜드는 초고 분자량의 폴리에틸렌 ('Dyneema'라는 상품명으로 거래되는 화합물) 으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 꼬인 끈의 각각의 스트랜드는, 저-마찰 코팅, 표면 처리, 또는 클래딩을 포함할 수 있다. 예를들어, 개별 스트랜드는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE)으로 피복(cladding)될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 저-마찰 물질의 시트 (예를들면, PTFE 시트) 가, 가열에 대한 기계적 손실을 감소시키고 상기 스트랜드의 피로를 감소시키면서, 스트랜드들 사이의 마찰을 줄이기 위해, 꼬인 끈의 스트랜드들 사이에 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 꼬인 끈의 스트랜드 또는 다른 엘리먼트들이, 윤활제로 코팅, 윤활제에 함침, 또는 그렇지 않으면 윤활제에 노출될 수 있다. 예를들어, 꼬인 끈이 실리콘 윤활제로 코팅될 수 있다. 꼬인 끈의 다른 조성 및 구성이, TSA의 꼬인 끈의 애플리케이션에 따라 예상된다. 일 실시예에서, 꼬인 끈이 'Dynex 70' 또는 'Dynex 75'로 합성될 수 있고, 실리콘 그리스로 윤활(lubicate)되어질 수 있다.
[00167] 개별 꼬인 끈은, 복합 꼬인 끈을 형성하기 위해 함께 연결되고, 중첩(nest)될 수 있다. TSA 내로 혼입된 이러한 복합 꼬인 끈은, 단위 끈 길이 당 더 큰 스트로크 길이를 가지면서, 중첩되지 않은 꼬인 끈의 많은 이점을 갖는 액추에이터를 가능하게 할 수 있다. 도 7a, 도 7b 및 7c는, 외측 꼬인 끈(710), 내측 꼬인 끈(720) 및 실린더(730)를 포함하는 중첩된 꼬인 끈(700)(Nested Twisted String: NTS)을 도시한다. 상기 실린더(730)는, 실질적으로 아무 변형도 나타내지 않으면서, 실린더(730)의 일 단부에서 타 단부로, 압축 및 비틀림을 전송하도록 구성된다. 상기 외측 꼬인 끈(710)은, 네 개의 스페이서 링(718a, 718b, 718c, 718d)에 각각 연결된 세 개의 스트랜드(712, 714, 716)를 포함한다. 제1 스페이서 링(718a)은 상기 실린더(730)의 제1 단부에 연결되며, 제2 스페이서 링(718b)은 상기 제1 종단 블록 또는 상기 꼬인 끈(700) 내측으로 힘 및/또는 토크를 전송하도록 구성된 다른 엘리먼트에 연결될 수 있다. 상기 내측 꼬인 끈(720)은, 네 개의 스페이서 링(728a, 728b, 728c, 728d)에 각각 연결된 세 개의 스트랜드(722, 724, 726)를 포함한다. 제1 스페이서 링(728a)은 상기 제2 종단 블록 또는 상기 꼬인 끈(700) 내측으로 힘 및/또는 토크를 전송하도록 구성된 다른 엘리먼트에 연결될 수 있으며, 제2 스페이서 링(728b)은 상기 실린더(730)의 제2 단부에 연결된다.
[00168] 도 7a는, NTS(700)가 완전히 이완된 경우의 NTS(700)의 측면도를 도시한다; 즉, 외부 및 내측 꼬인 끈(710, 720)의 스트랜드(712, 714, 716, 722, 724, 726)가, 실질적으로 평행하며 꼬이지 않은 상태이다. 도 7b는, NTS(700)가 부분적으로 꼬여있는 경우인, NTS(700)의 측면도이다. 도 7b에 도시된 NTS(700)의 전체 길이는 도 7a에서의 NTS(700)의 전체 길이보다 작다. 도 7c는, 내측 꼬인 끈(720), 외측 꼬인 끈(710)과 실린더(730)가 NTS(700)의 회전축을 중심으로 어떻게 동축을 이루는가에 대한 방법을 보여주는, NTS(700)의 평면도를 도시한다.
[00169] 예시적인 NTS(700)는, 실질적으로 유사하게 구성되는 내부 및 외측 꼬인 끈(720, 710)을 포함한다; 즉, 그들의 길이와 스트랜드 및 스페이서 조성 및 구성은 실질적으로 동일하며, 상기 스페이서의 반경은, 실린더(730)를 수용하기 위한 및 NTS(700)가 꼬여 있을 때에 서로에 대해 내부 및 외측 꼬인 끈(720, 710)의 움직임을 수용하기 위한 약간의 차이를 제외하고는 동일하다. 그 결과, 꼬임에 반응하는 NTS(700)의 동작 (즉, 단축의 정도, 전송비) 은, 내부 및 외측 꼬인 끈(720, 710)의 길이의 합과 동일한 전체 길이를 갖는 상기 내부 및 외측 꼬인 끈(720, 710)의 어느 하나에 유사하게 구성된 또다른 꼬인 끈과 실질적으로 동일하다. 그 결과, NTS(700)는, 더 짧은 전체 길이를 가지면서 중첩되지 않은 꼬인 끈의 기능성을 제공할 수 있다.
[00170] NTS '700'은 TSA에 또는 다른 애플리케이션에 적용될 수 있는 중첩된 꼬인 끈의 설명을 위한 예시로만 의도될 뿐임에 주목하여야 한다. 꼬인 끈들의 상대적인 길이, 상대적인 반경, 스페이서의 개수, 스트랜드의 개수, 및 다른 특성들은 본원에 기술된 것들과 상이할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 꼬인 끈 하나 또는 모두는, 스페이서가 없을 수 있다. 예를들어, 내측 꼬인 끈(720) 및/또는 외측 꼬인 끈(710)이 단단하게 권취될 수 있다, 즉, 스페이서를 갖지 않을 수 있다. 또한, 내측 꼬인 끈(720)이 완전히 꼬인 경우, 실린더(730)의 내경은 내측 꼬인 끈(720)의 최대 유효 직경과 관련될 수 있다. 일부 예에서, NTS는 두 개 이상의 꼬인 끈을 포함할 수 있다. 예를들어, NTS는, 세 개의 꼬인 끈과 두 개의 실린더를 포함할 수 있다. 상기 꼬인 실린더는, (도시된 실린더(730)와 같은) 고체 실린더일 수 있거나, 또는 강성이거나 반-강성인(semi-rigid) 망(mesh), 바(bars)에 의해 연결된 고리, 또는 그 자체의 일 단부로부터 또다른 단으로 압축력 및 토크를 전달할 수 있는 어떤 다른 구조일 수 있다.
[00171] 본원에 기재된 바와 같이 구성된 TSA는, 고성능의 유연한 선형 액추에이션(즉, 가요성 또는 반-가요성 엘리먼트 (예를들어, 꼬인 끈) 의 단부들 사이의 선형적인 변위에서의 변화 및 인장력 발생) 을 가능하게 하여 다양한 응용을 가능하게 할 수 있다. 이러한 TSA는, 회전 액추에이터로부터 선형적인 변위로 92% 이상 에너지의 전환을 가능하게 할 수 있다. 이러한 TSA의 꼬인 끈을 구동하는 회전 액추에이터로서 고속의 전기 모터를 사용하면, 200 밀리 초 미만으로 최대 길이로부터 최소 길이까지 길이를 변경하는 (즉, TSA의 스트로크 길이만큼 길이를 변경하는) TSA의 작동이 가능하게 된다. 또한, 상기 TSA는, 스트로크 길이 정도의 수준에서 변위에 대해 5 헤르츠 이상 위치 대역폭을 달성하도록 동작될 수 있다. 이러한 고성능의 기능은, 예를들면, 착용자의 활동을 보강 또는 지원하기 위한 가요성 엑소수트의 액추에이션과 같은, 새로운 애플리케이션을 가능하게 한다.
V.
엑소수트
시스템의 액추에이터, 센서, 동력원(
power
sources
), 사용자 피드백 엘리먼트, 및 기타
엘리먼트
[00172] 가요성 엑소수트는, 다양한 액추에이터, 센서, 및 기타 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 상기 액추에이터는 상술한 엑소텐던과 꼬인 끈 액추에이터를 포함할 수 있으며, 또는 추가의 또는 대안적인 액추에이터를 포함할 수 있다. 가요성 엑소수트는 추가적으로, 착용자 및/또는 가요성 엑소수트의 엘리먼트 그리고 그 환경 에 대한 정보를 검출하고, 및 착용자 및/또는 어떤 다른 사람 혹은 가요성 엑소수트에 기계적 또는 전자적으로 연결된 시스템에 정보를 표시하기 위한, 피드백 및 제어 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[00173] 가요성 엑소수트는, 유압 및/또는 공압 액추에이터 및 그들 액추에이터의 사용을 가능하게 하는 기타 엘리먼트들 (예를들어, 유체 펌프, 레저버(reservoirs)) 을 포함할 수 있다. 가요성 엑소수트의 액추에이터는, 다양한 전송 방법에 의해 착용자의 조직 및/또는 가요성 엑소수트의 다른 엘리먼트들에 결합될 수 있다. 예를들어, 회전 액추에이터가, 구동 나사, 볼 나사, 구동 드럼을 감싸는 케이블, 또는 어떤 다른 방법에 의하여, 선형적인 힘으로 변환되는 회전 토크를 생성할 수 있다. 또한, 가요성 엑소수트의 일 위치로부터 다른 위치로 힘 및/또는 토크를 전달하는 전송이 가요성 엑소수트 내에 포함될 수 있다; 예를들면, 어떤 (아마도 보우덴-케이블 스타일의 피복체(sheath) 내에 배치된) 케이블이, 상기 케이블의 일 단부의 위치에서 상기 케이블의 타 단부의 다른 위치로 선형 작동을 전송하는데 이용될 수 있다. 예를들어, 하나의 엑소텐던이, 하나 이상의 보우덴-케이블 스타일의 피복체 내에 배치된 하나 이상의 케이블을 통해, 가요성 엑소수트의 둘 이상의 엘리먼트로, 혹은 상기 엑소텐던으로 하여금 상기 가요성 엑소수트의 둘 이상의 엘리먼트 사이에 컨트롤러 컴플라이언스를 인가하도록 하거나, 그 사이에 변위에서의 변화로부터 기계적 에너지를 저장하도록 하거나, 혹은 그렇지 않으면 그 사이에 힘을 인가하도록 하는 기타 시스템으로, 연결되도록 할 수 있다.
[00174] 가요성 엑소수트에 포함될 수 있는 액추에이터의 클래스는, 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하도록 구성된 전기활성 고분자(Electro-Active Polymers: EAPs)를 포함한다. EAP는, 배향가능하거나 또는 전기장에 영향을 받을 때 물리적 변화를 나타낼 수 있는 전기활성 분자, 결정, 또는 기타 물질을 함유하는 중합체 물질인바, 그리하여 상기 EAP 물질은 전기장에 노출될 때 변형되도록 된다. 반대로, 기계적 및 전기적 에너지의 양방향 전달을 허용하면서, 외력에 의해 변형될 때, 상기 EAP 물질은 전기장을 생성할 수 있다.
[00175] EAP는 전기활성 고분자 인공 근육(Electroactive Polymer Artificial Muscles: EPAMs)에 포함될 수 있다. EPAM은, 인가되는 전압 및/또는 전류에 의해 야기되는 전극 주위의 전기장에 의해 야기된 EAP의 변형에 기하여, 전극에 인가되는 전압 및/또는 전류를 기계적 힘/변위로 전환하도록 구성된 둘 이상의 전극 및 EAP 물질을 포함하는 액추에이터이다. 예시적인 구성에서, EAP의 얇은 시트가, 각 사이드에 배치된 전극을 갖는다 (즉, 전극들이 EAP의 단축을 따라 서로 대향하고 있다). 두 전극 사이에 높은 전압을 인가하는 것은, EAP 변형시키는바, 더 얇고 더 넓고/더 길게 된다. 상기 EAP는 또한, 인가된 전압에 기하여 더 두꺼워진다. 반대로, 외부로부터 인가된 기계적 힘 및 변형으로부터 상기 EPAM에서 에너지가 추출될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, EPAM 및/또는 EAP물질을 포함한 다른 엘리먼트가, 상기 기계적 변수를 상기 EPAM 또는 상기 EAP 물질을 포함하는 기타 엘리먼트의 전극에서 전압 및/또는 전류로 변환함으로써, 기계적 센서, 검출 스트레인, 힘, 또는 어떤 다른 기계적 변수로 구성 및 동작될 수 있다.
[00176] EPAM은, 착용자 및/또는 가요성 엑소수트의 엘리먼트들에 기계적 에너지를 주입 및/또는 그들로부터 기계적 에너지를 빼내기 위한 가요성 엑소수트에 포함될 수 있다. EPAM이, 꼬인 끈 액추에이터의 대안으로서 채용될 수 있거나 다른 용도로 채용될 수 있다. 예를들어, 화학적-연소 엔진이 EPAM 및/또는 EAP 물질을 포함할 수 있는바, 이는, EPAM 또는 EAP의 기계적 변형을, 가요성 엑소수트에 전력 공급하기 위해 또는 다른 전기 장치에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있는 전기 에너지로 변환함으로써, 연료의 연소로부터 (예를들어, 연료의 연소에 기인한 어느 체적에서 증가된 압력에 기인하여) 에너지 추출을 가능하게 한다. 부가적으로 또는 대안적으로, 다른 탄성 중합체들이, 이러한 화학적-연소 엔진에 포함될 수 있다.
[00177] EPAM이, 햅틱 엘리먼트로서 가요성 엑소수트에 채용될 수 있다. 즉, EPAM은, 상기 EPAM이 착용자의 피부에 직접 또는 간접적으로 기계적 접촉이 되도록, 가요성 엑소수트에 배치될 수 있다. 상기 EPAM에 대한 전기 에너지의 패턴의 인가는, 착용자에게 햅틱 감각을 경험하게 하면서, 착용자의 피부에 기계적으로 결합될 수 EPAM의 변형을 일으킬 수 있다. 이러한 햅틱(haptic) 표시는 착용자에게 다양한 정보를 전달하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 어떤 경고가, EPAM 햅틱 엘리먼트를 사용자에게 착용자에게 전송될 수 있다. 몇몇 실시예에서, EPAM 햅틱 엘리먼트가, 착용자에 의해 수행되어질 신체적 행동을 나타내기 위해 및/또는 그러한 신체적 행동에 있어서의 변화를 나타내도록 동작될 수 있다. 일 실시예에서, EPAM 햅틱 엘리먼트가, 무릎이 그 일부인 다리를 사용하여 스텝이 개시되어야 함을 착용자에게 나타내기 위해 착용자의 무릎에서 활성화되어질 수 있다. 또다른 실시예에서, 착용자는, 피로 및/또는 부상으로 귀결될 것 같은 걸음걸이를 사용하여 이동중일 수 있으며, 상기 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트의 EPAM 햅틱 엘리먼트는, 피로도 및/또는 부상의 가능성을 줄이기 위해, 착용자가 그들의 걸음걸이를 변경 수 있는 방식들 (예를들어, 착용자가 '불량한' 모션으로부터 벗어나도록 자극하기 위해, '양호한' 모션 방향과 반대되는 조인트 토크의 방향으로 EPAM 햅틱 엘리먼트를 활성화하여) 을 나타낼 수 있다.
[00178] EPAM 또는 가요성 엑소수트의 착용자에 대한 정보를 나타내는 다른 햅틱 엘리먼트들의 다른 동작들이 예상된다. 또한, EPAM 햅틱 엘리먼트들은, 가요성 엑소수트에서의 애플리케이션에 한정될 필요는 없고, 다양한 웨어러블 장치 (예를들어, 시계, 머리띠), 가상 현실 장치의 일부로서의 햅틱 피드백, 원격-로봇(tele-robotic) 시스템의 일부로서의 햅틱 피드백, 또는 기타 애플리케이션을 사용하는 표지를 포함하여, 다양한 애플리케이션을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 다른 장치들이, 가요성 액소수트 또는 햅틱 표지나 본원에 기술된 다른 기능을 가능하게 하는 다른 시스템 내로 통합될 수 있다. 예를들면, 압전 소자, 진동 소자 (예를들어, 편심 중량체를 구동하는 모터), 발열체, 인간의 피부 안으로 안전하고 검지가능한 전류를 주입하도록 구성된 전극들, 또는 다른 기계적 변환기들이나 액추에이터들. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트 또는 다른 시스템의 다른 액추에이터 (예컨대, 엑소텐던, TSA) 들이, 사용자에게 햅틱 피드백을 제공하도록 동작될 수 있다. 예를들어, 엑소텐던이 언-클러치하고 나서 재빨리 잇달아 수 회 재클러치할 수 있으며, 그리하여 엑소텐던을 포함하는 가요성 엑소수트의 착용자에 의해 검출될 수 있는 엑소텐던에 의해 전송된 힘에 있어서의 일련의 순간 변화의 결과로 귀결될 수 있다. 또한, EPAM은, (예를들어, 사용자가 손가락 끝을 사용하여 EPAM을 눌러서) 사용자에 의해 가해지는 힘을 가요성 엑소수트의 컨트롤러나 다른 시스템 혹은 기타 시스템에 의해 검출될 수 있는 전기 신호로 변환함으로써, 입력 장치로 사용될 수도 있다.
[00179] 가요성 엑소수트는, 스마트 소울(smart sole) 장치를 포함할 수 있다. 스마트 소울 장치는, 착용자의 발바닥에 기계적으로 결합되고, 상기 적어도 하나의 기계적 변환기(transducer)를 포함한다. 상기 기계적 변환기는, 착용자의 발바닥과 지면 사이의 힘을 감지하기 위하여, 착용자의 발바닥과 지면 사이의 상호 작용으로부터의 기계적인 에너지를 추출 및/또는 거기로 기계적 에너지를 주입하기 위하여, 스마트 소울의 컴플라이언스를 변조하기 위하여, 또는 다른 기계적인 기능을 위해, 동작될 수 있다. 상기 기계적 변환기는, EPAM 엘리먼트, 압전 소자, 유압 엘리먼트, 공압 엘리먼트, 또는 임의의 다른 엘리먼트들을 포함하는 다양한 변조 소자들을 포함할 수 있다. 상기 스마트 소울은, 다양한 방법으로 배열된 하나의 또는 많은 기계적 변환기들을 포함할 수 있다. 예를들어, 스마트 소울은, 착용자의 발바닥에 걸쳐 EPAM 변환기들의 육각 배열을 포함할 수 있다. 전자 적층필름 (예 엑소텐던) 역시, 스마트 소울의 기능을 가능하게 하기 위해, 예를들면, 스마트 소울의 컴플라이언스를 제어하기 위해, 스마트 소울에 포함될 수 있다. 스마트 소울은 다양한 애플리케이션을 사용하는 다양한 방법으로 동작될 수 있다.
[00180] 몇몇 실시예에서, 상기 하나 이상의 기계적 변환기가, 일 단계 동안 상기 소울과 지면 사이의 힘의 검출 분포를 생성하도록 동작될 수 있다. 이 정보는, 건강 상태를 진단하기 위해, 착용자가 어떤 어플리케이션에 따라 그들의 걸음걸이를 바꾸도록 하는 방법을 나타내기 위해 (예를들어, 착용자의 이동의 효율을 높이기 위해, 손상의 가능성을 줄이기 위해), 또는 몇몇 다른 애플리케이션에 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 하나 이상의 기계적인 변환기는, 착용자에 의해 수행되어질 신체 활동을 나타내기 위해, 및/또는 그러한 신체 활동에 있어서의 변화를 나타내기 위해 (예를들면, 일 단계 동안 착용자가 뒤꿈치에 인가하는 힘의 양을 감소시키기 위해, 힐 스트라이크의 정도를 감소시키기 위해, 일 단계 동안 착용자가 발바닥 외측 엣지에 인가하는 힘의 양을 줄이기 위해) 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 하나 이상의 기계적 변환기는, 착용자가 이동함에 있어서의 효율성을 증가시키기 위해 상기 하나 또는 그 이상의 기계적 변환기의 컴플라이언스를 변조하도록 (예를들면, 착용자의 발과 착용자가 이동하는 중에 있는 지면 사이의 임피던스를 일치시켜) 동작될 수 있다. 스마트 소울의 다른 동작 및 애플리케이션이 예상된다.
[00181] 가요성 엑소수트는, 매우 다양한 센서들을 포함할 수 있다. 상기 센서들은, 전기장, 전기 전류, 자기장, 기계적 응력, 기계적 스트레인, 압력, 습도, 전자기 방사선, 고 에너지 입자, 가속도, 변위, 회전 가속도, 회전 속도, 각 변위, 또는 기타 현상들을 포함하여 매우 다양한 물리 현상을 감지하도록 구성될 수 있다. 검출된 물리 현상은, 착용자에 대한, 가요성 엑소수트에 대한, 및/또는 상기 착용자와 가요성 엑소수트의 환경에 대한, 하나 이상의 특성과 관련될 수 있다. 상기 센서는 가요성 엑소수트 상의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를들어, 한 세트의 가속도계들이, 착용자의 신체의 세그먼트들의 가속도의 검출이 가능하도록 (그리고, 프록시, 위치 및 변위에 의해), 가요성 엑소수트 내에 배치될 수 있다. 상기 센서들은 가요성 엑소수트의 다른 엘리먼트들에 혼입될 수 있다. 예를들어, 엑소텐던의 전극은, 두 개의 전극 사이의 커패시턴스 검출에 의해 엑소텐던의 각 단부에 부착된 작동 엘리먼트들 사이의 변위 및/또는 힘을 검출하기 위해 사용될 수 있다. 두 전극 사이의 커패시턴스는 전극의 중첩의 정도에 관련될 수 있는바, 이는 결국, 길이, 힘, 스트레인, 또는 엑소텐던의 다른 특성과 관련될 수 있다. 또다른 실시예에서, 인코더는 TSA의 모터의 회전을 검출할 수 있다; 상기 모터의 회전은 TSA의 꼬인 끈에 관한 정보에 기초하여 상기 TSA의 길이를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
[00182] 상기 센서들은, 착용자 및/또는 가요성 엑소수트의 운동 상태(kinematic state)의 부분적 또는 전체적 판정을 허용하도록 구성 및/또는 배치될 수 있다. 즉, 상기 센서들은, 위치, 속도, 상대적인 배향, 상대적인 배향 속도, 및 착용자의 몸체의 세그먼트들 및/또는 가요성 엑소수트의 세그먼트들의 일부 또는 모두의 기타 특성들의 검출을 허용하도록, 구성될 수 있다. 상기 센서들은, 가속도계 및/또는 자이로스코프가 착용자의 신체의 일부의 움직임과 가속도를 감지할 수 있도록 구성된 가속도계 및/또는 자이로스코프를 포함할 수 있다. 상기 가속도계 및/또는 자이로스코프는, 마이크로 전자기계 시스템(microelectromechanical systems: MEMS) 또는 어떤 다른 종류의 시스템일 수 있다.
[00183] 상기 센서들은, 두 지점 사이의 (예를들면, 가요성 엑소수트의 두 엘리먼트들 사이의) 거리를 측정하기 위한 변위 센서를 포함할 수 있다. 상기 변위 센서는 다양한 방식으로 구현될 수 있다; 예를들어, 상기 센서는 서로에 대하여 자유롭게 이동하며, 각각의 측정되어질 위치에 연결되는 두 개의 실질적으로 평행 판들을 포함할 수 있다; 측정되어질 위치 사이의 변위는 평행 판들의 중첩의 정도와 관련될 수 있는바, 이는 결국, 측정되어질 위치 사이의 거리를 결정하도록 검출될 수 있는 상기 평행 판들 사이의 커패시턴스에 관련될 수 있다. 상기 평행 판들은, 엑소텐던의 일부가 될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, TSA 의해 작동되는 두 위치 사이의 변위는, TSA의 꼬인 끈의 회전을 검출함으로써 결정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 변위는, EPAM이 상기 변위에 있어서의 변화에 의해 변형됨에 따라, EPAM의 커패시턴스를 검출함으로써 검출될 수 있다. 관절 각도는, 상기 관절의 대향 측면 상의 두 위치 사이의 검출된 변위에 기초하여 결정될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 관절 각도는, 가요성 엑소수트에 포함된 측각기(goniometer)를 사용하여 검출될 수 있다.
[00184] 가요성 엑소수트는, 엑소수트의 착용자의 신체의 하나 이상의 특성을 검출하도록 구성된 바이오 센서를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가요성 엑소수트는, 생체전위(biopotentials)를 검출하기 위해 또는 착용자의 다른 특성들을 검출하기 위해 착용자의 피부에 배치된 두 개 이상의 전극을 포함할 수 있다. 예를들어, 전극은, 착용자의 피부 아래의 근육에 의해 생성된 근전도(EMG)를 검출하는데 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전극은, 심전도(ECG) 또는 각각 착용자의 심장 또는 눈(들)에 의해 생성된 안구전위도(electrooculogram: EOG)를 검출하는데 사용될 수 있다. 또한, 작은 전류가, 갈바닉 피부 반응(GSR), 임피던스 스펙트럼, 또는 피부의 몇몇 다른 속성을 감지하기 위해, 전극을 이용하여 착용자의 피부에 주입될 수 있다. 바이오 센서는, 착용자의 펄스 및/또는 혈액의 산소 레벨을 검출하도록 구성된 발광기 및 광 센서를 포함할 수 있다. 다른 바이오 센서가 가요성 엑소수트에 포함될 수 있다. 또한, 바이오 센서를 이용하여 검출된 착용자의 특성은, 건강상태 모니터링, 피로 투약(fatigue dosing) (즉, 착용자가 피로하게 되는 속도를 측정하기 위해 가요성 엑소수트의 동작을 변경함), 엑소수트의 제어 (예를들어, 사용자의 제어된 근육 경련을 검출함 및 가요성 엑소수트의 동작 모드를 변경하기 위해 검출을 이용함), 또는 다른 애플리케이션을 포함하여, 다양한 기타 애플리케이션들을 활성화하는 데 사용될 수 있다.
[00185] 가요성 엑소수트는 추가 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트는, 하나 이상의 액추에이터, 센서, 또는 가요성 엑소수트의 다른 엘리먼트들에 동작적으로 연결된 하나 이상의 컨트롤러를 포함할 수 있는바, 그리하여 상기 하나 이상의 컨트롤러가, 상기 하나 이상의 컨트롤러에 접근 가능한 하나 이상의 저장된 프로그램에 기초하여 상기 가요성 엑소수트를 조작할 수 있도록 한다. 상기 가요성 엑소수트는 추가적으로, 가요성 엑소수트를 작동하기 위한 전원을 공급하는 전지, 연료 전지, 엔진, 태양 전지, 또는 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 가요성 엑소수트는, 라디오, 블루투스 송수신기, 무선 송수신기, LTE 또는 기타 셀룰러 통신 장치, 위성 업-링크, 지그비(ZigBee) 송수신기, IRdA 또는 다른 광통신 소자, 또는 가요성 엘리먼트들 (예를들어, 컨트롤러) 및 일부 원격 시스템 사이의 통신을 가능하게 하도록 구성된 임의의 다른 구성요소들을 포함하는, 통신 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[00186] 가요성 엑소수트는, 전기점착 엘리먼트를 포함할 수 있다. 즉, 가요성 엑소수트는, 해당 엘리먼트들과 다른 오브젝트 사이의 정전 인력을 전기적 변조할 수 있는 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 상기 다른 오브젝트는, 엑소수트의 다른 엘리먼트, 엑소수트의 착용자의 피부, 또는 엑소수트의 주위의 엘리먼트 (예를들면, 바위 얼굴(rock face), 벽, 상자) 일 수 있다.
[00187] 도 8a는, 오브젝트(805)에 정전기적으로 부착되도록 동작되는 전기점착 소자(800)의 정면도이다. 상기 오브젝트(805)는 사실상 전기적으로 중성이다. 상기 전기점착 소자(800)는, 비전도성 기판(840)에 탑재된 제1 및 제2 도체(810, 820)를 포함한다. 절연층(830)이, 상기 오브젝트(805)에 대항하여 위치설정되는 전기점착 소자(800)의 표면에 배치된다. 제2 도체(820)에 비해 제1 도체(810)에 높은 양(+) 전압의 인가는, 오브젝트(807) 내의 양전하 및 음전하가 분리되도록 야기하고 제2 및 제1 도체(820, 810)를 정전기적으로 끌어당겨지게 한다. 이러한 정전 인력은, 전기점착 엘리먼트(800)로 하여금, 오브젝트(805)에 대한 수직력(normal force)을 경험하게 한다. 이러한 수직력은, 상기 오브젝트(805)와 전기점착 엘리먼트(800) 사이의 인가되는 연직방향 힘(perpendicular force)에도 불구하고, 전기점착 엘리먼트(800)로 하여금, 오브젝트(805)에 부착되는 것을 허용하며, 상기 오브젝트(805)에 대한 미끄러지지 않도록 한다. 미끄러짐 없이 인가될 수 있는 연직방향 힘의 크기는, 절연체 층(830)과 오브젝트(805)의 표면 사이의 마찰 계수 및 정전 수직력의 크기와 관련될 수 있다.
[00188] 전기점착 소자(800)는, 착용자의 피부 상의 가요성 엑소수트의 엘리먼트로 하여금, 가요성 엑소수트의 엘리먼트 (예, 엑소텐던, TSAs) 로부터의 힘을 착용자의 조직 내로 전달하게 하는 것을, 허용하도록 동작될 수 있다. 또한, 이러한 접착은, 가요성 엑소수트가 착용자의 조직으로 힘을 전송하지 않은 중에 상기 접착이 턴오프될 수 있도록 허용하면서, 전자적으로 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 전기점착 소자(800)는, 가요성 엑소수트에 오브젝트를 부착하는데 사용될 수 있다. 예를들어, 상기 전기점착 엘리먼트(800)는, 팩(pack), 무기, 또는 다른 장치를 가요성 엑소수트에 가역적으로 부착하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 전기점착 엘리먼트(800)는, 상기 착용자 및/또는 가요성 엑소수트로 하여금 상기 착용자와 가요성 엑소수트를 위쪽으로 들어올리는 것을 허용하면서 상기 착용자 및/또는 엑소수트가 전기점착 엘리먼트(800)를 통해 힘을 전달하는 동안, 상기 전기점착 엘리먼트(800)가 벽, 절벽, 또는 다른 표면에 부착되도록 조작함으로써, 가요성 엑소수트의 착용자가 상기 벽, 절벽, 또는 다른 표면을 기어오를 수 있도록 동작될 수 있다.
[00189] 도 8b는, 전기점착 소자(800)의 단면도를 보여준다. 비전도성 기판(840)은, 실질적으로 원형인 평면이며, 제1 및 제2 도체(810, 820)는 실질적으로 평행한 교호적인 막대 바 형상이다. 도 8c는, 전기점착 엘리먼트(800)와 유사하게 구성된 전기점착 스트랩(850)을 보여준다. 상기 전기점착 스트랩(850)은 비전도성 기판(880)을 포함하는바, 그 안에, 스트립(strips)처럼 구성되는, 평행하면서 교호적인 제1 및 제2 도체(860, 870)가 탑재되어 있다. 전기점착 스트랩(850)은 절연체 층 (미도시) 을 추가적으로 포함한다. 전기점착 스트랩(850)은, 전기점착 소자(800)와 유사하게 동작될 수 있고, 가요성 엑소수트의 가요성 또는 강성의 힘-전달 엘리먼트가 가요성 엑소수트의 착용자의 피부에 부착 가능하게 하고 착용자의 피부 내에 힘의 전달을 가능하게 하기 위해, 가요성 엑소수트의 가요성 또는 강성의 힘-전달 엘리먼트의 표면 상에 배치될 수 있다.
[00190] 전기점착 엘리먼트(800) 및 전기점착 스트랩(850) 그리고 본 명세서에 기술된 그들의 동작 및 애플리케이션들은 예시적인 실시예로서만 의도된다는 점에 주목하여야 한다. 전기점착 소자는, 가요성 엑소수트의 일부로서, 또는 오브젝트 또는 다른 장치나 시스템에 전기적으로 제어되는 접착을 가능하게 하는 어떤 다른 장치나 시스템의 일부로서, 배치될 수 있다. 전기점착 소자는, 원형, 스트랩(strap), 또는 실질적으로 평면이 될 수 있는 또는 애플리케이션에 따라 강성 또는 가요성의 만곡 표면을 가질 수 있는 임의의 다른 형상의 형태를 취할 수 있다. 더욱이, 전기점착 소자의 표면에 평행하게 교호적인 스트립(strips)과 같은 제1 및 제2 세트의 도체들의 구성은 예시적인 예로서 의도된다. 상기 스트립은, 원형, 사각형, 나선형, 다각형, 또는 다른 형상일 수 있으며, 그들은, 타일을 깔아 놓은 것처럼 될 수도 있고, 서로 사이에 끼워지거나, 또는 애플리케이션에 따라 어떤 다른 방식으로 서로 관련될 수 있다. 두 개 이상의 세트의 도체들이 있을 수 있다; 실제로, 전기점착 엘리먼트의 각 도체는 개별적으로 전자적으로 작동될 수 있다. 예를들어, 전기점착 소자의 특정 영역만이 오브젝트에 부착가능하도록 하기 위해, 높은 전압이, 전기점착 소자의 특정 영역 내의 전기점착 소자의 특정 컨덕터에 개별적으로 인가될 수 있다. 다른 동작 및 구성이 예상된다.
VI
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가요성
엑소수트
시스템 및 사용자 간의 힘 전달 구조
[00191] 가요성 엑소수트는, 둘 이상의 엘리먼트들 사이에서 힘을 생성, 전송, 변조, 또는 그렇지 않으면 제어할 수 있는, 액추에이터 (예를들면, 엑소텐던, TSAs) 를 포함할 수 있다. 가요성 엑소수트의 애플리케이션 (예를들면, 착용자의 신체 활동을 돕거나, 기록하거나, 그렇지 않으면 착용자의 신체 활동과 상호작용하기 위해, 착용자의 신체에 힘 및/또는 토크를 인가하는 것) 을 활성화하기 위해, 가요성 엑소수트는, 착용자의 피부 내에 힘을 전달하여 착용자의 조직 (예를들면, 착용자의 등뼈, 관절, 근육) 내로 힘을 전달하도록 구성될 수 있다. 전원이 공급되지 않을 때에는 강성의 외골격(exoskeleton)을 이용하여 착용자의 조인트를 가로질러 힘을 전달하는 것보다는 차라리, 착용자의 조직 내로 힘을 전달함으로써, 동력 공급이 없을 때 조차도, 상기 가요성 엑소수트는, 강성의 외골격보다, 더 경량화할 수 있고, (관절의 움직임을 포함하여) 착용자의 움직임에 덜 방해가 발생할 수 있다. 가요성 엑소수트는, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들 (예를들면, 액추에이터) 로부터 착용자의 피부 및/또는 가요성 엑소수트의 다른 엘리먼트들로 힘을 전달하는 강성 및 가요성 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 상기 가요성 엑소수트는, 스트랩(straps), 착용자의 신체 부위의 윤곽을 따르도록 구성된 플레이트(plates), 가요성 메쉬, 부츠, 하니스, 또는 다른 가요성, 강성 및 반 강성 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[00192] 가요성 엑소수트의 가요성 및/또는 강성 엘리먼트들은, 착용자의 피부의 섹션을 가로질러 균일하게 수직력(normal force) 및/또는 스트레스를 인가하도록 구성될 수 있다. 착용자의 피부의 섹션을 가로질러 균일하게 부하를 분배하는 것은, 힘이 피부에 인가될 때 착용자가 경험하는 불편함을 줄일 수 있으며, 착용자의 부상의 변화 (예를들어, 눈물 또는 피부 찰과상) 를 줄일 수 있다. 착용자의 피부에 인가되는 부하를 균일하게 분산하기 위해, 상기 가요성 엑소수트는, 피부에 장착되도록 구성된 가요성 엘리먼트들의 가요성 메쉬나 직조된 네트워크를 포함할 수 있다.
[00193] 예를들어, 가요성 엑소수트는, 착용자의 신체 (예를들면, 착용자의 허벅지) 의 형태에 맞도록 특정 형상을 갖는 직조된 가요성 스트랩으로 만들어진 커프(cuff)를 포함할 수 있다. 상기 커프는, 힘-전달 액추에이터 (예를들어, 엑소텐던 또는 TSA) 를 위한 일 부착점을 포함할 수 있으며, 상기 커프의 직조된 엘리먼트들은, 상기 액추에이터로부터 상기 커프로 전달된 힘이 결국 상기 직조된 엘리먼트들을 통해 직조된 엘리먼트들의 길이방향을 따라 균일하게 착용자의 피부 내로 전송되도록, 상기 부착점에 연결될 수 있다. 상기 직조된 엘리먼트의 컴플라이언스, 상기 직조 구조의 패턴, 및 상기 커프의 구성의 다른 형태는, 착용자의 신체의 형태 (예를들어, 허벅지) 에 대한 정보에 기초하여 특정될 수 있다. 예를들어, 착용자의 팔다리의 정강이에 탑재되도록 구성된 커프의 개별 직조된 엘리먼트의 패턴은, 팔다리의 정강이를 감싸는 상기 개별 직조된 엘리먼트로서 현수선(catenary) 패턴을 따를 수 있다. 상기 현수선 형태, 개별 직조된 엘리먼트들 사이의 상호 연결의 패턴 및 개별 직조된 엘리먼트들의 컴플라이언스는, 직조된 엘리먼트의 세그먼트와 그 세그먼트 아래의 피부 사이의 수직력이, 상기 세그먼트로 하여금, 상기 직조된 엘리먼트의 해당 다른 세그먼트 아래의 피부의 다른 영역으로 전송된 만큼의 전단력과 실질적으로 유사한 만큼의 전단력을 전송하기에 충분히 가능하도록 함을 보증하기 위해, 특정될 수 있다. 착용자의 피부 내로 전단력 및/또는 수직력을 전송하도록 그리고 착용자에 의해 착용되어지도록 구성된 가요성 및 반-가요성 커프의 다른 구성들이 예상된다.
[00194] 착용자의 피부 내로 힘을 전달하도록 구성되는 가요성 엘리먼트는, 피부의 비확장 라인을 따르도록 구성되거나, 거기에 부착되거나, 그에 대하 근사치를 계산하거나, 혹은 그렇지 않으면 그와 관련될 수 있다. 피부의 비확장 라인은 착용자의 피부 표면 상의 라인인바, 착용자의 정상적인 움직임 도중 그 라인을 따라서는 피부가 실질적으로 변형되지 않으며, 착용자의 정상적인 움직임 도중 피부가 그 라인에 대해 수직적으로는 실질적으로 변형되는 것이다. 가요성 스트랩 (즉, 상기 스트랩의 길이에 수직인 방향으로 높은 순응성을 갖도록 및 상기 스트랩의 길이를 따라서는 실질적으로 비순응적이도록 구성된 실질적으로 선형인 엘리먼트) 이, 비확장 라인을 따라 피부에 부착될 수 있으며, 착용자의 정상적인 움직임에 응하는 피부의 변형은, 상기 스트랩의 부착에 의해 실질적으로 영향을 받지 않을 수 있다. 따라서, 상기 스트랩은, 상기 스트랩이 피부 내로 힘을 전달하도록 사용되지 않을 때, 실질적으로 착용자의 정상적인 움직임을 저해하지 않는 방식으로 피부 내로 힘을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 피부의 비확장 라인을 따르는 가요성 엑소수트의 가요성 엘리먼트들을 구성하는 것은, 피부의 비확장 라인을 따르도록 및/또는 피부를 실질적으로 변형하도록 구성되지 않은 가요성 엘리먼트들의 사용에 비해, 피부의 상대적 마모를 줄일 수 있다.
[00195] 가요성 엑소수트의 엘리먼트들 (예를들면, 가요성 및/또는 강성의 힘-전달 엘리먼트들) 은, 다양한 방식으로 착용자의 피부에 부착될 수 있다. 화학 접착제가, 착용자의 피부에 가요성 엑소수트의 엘리먼트들을 결합하고 상기 엘리먼트들의 미끄러짐을 방지하기 위해, 적용될 수 있다. 착용자의 피부 내로 힘을 전달하고 및/또는 비 연장 라인에 접촉하도록 구성된 가요성 엑소수트의 엘리먼트들은, 전기점착 엘리먼트들을 포함할 수 있으며, 상기 전기점착 엘리먼트들은, 피부에 가요성 엑소수트의 엘리먼트들을 부착하도록 구성될 수 있다. 상기 전기점착 엘리먼트는, 애플리케이션에 따라 피부에 부착되며 피부에서 해제될 수 있도록 동작될 수 있다. 예를들어, 상기 전기점착 엘리먼트들은, 가요성 엑소수트의 액추에이터가 착용자의 신체에 힘을 인가하도록 동작 중일 때, 피부에 가요성 엑소수트의 엘리먼트들을 부착하도록 동작될 수 있다. 상기 전기점착 엘리먼트는, 에너지를 절약하기 위한, 착용자의 편안함을 증가시키기 위한, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들의 재배치를 허용하기 위한, 또는 다른 기능이나 애플리케이션을 가능하게 하기 위한, 다른 시점들에서, 착용자의 피부로부터 가요성 엑소수트의 엘리먼트들을 해제하도록 동작될 수 있다.
[00196] 착용자의 신체의 적어도 두 개의 세그먼트 (예, 착용자의 허벅지와 종아리) 에 걸쳐 피부 내로 힘을 전송하도록 구성된 엘리먼트들을 포함하는 가요성 엑소수트는, 상기 적어도 두 개의 세그먼트 사이의 관절(들)에 토크를 가져오거나 및/또는 영향을 미치기 위해 (예를들어, 착용자의 무릎에 토크를 인가하기 위해), 상기 적어도 두 개의 세그먼트 사이에 힘을 인가, 변조, 혹은 그렇지 않으면 전송하도록 구성된 액추에이터를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 그러한 가요성 엑소수트는, 일부 애플리케이션을 가능하게 하도록, 신체의 세그먼트들 사이로 부하 또는 다른 힘을 전송하도록 구성될 수 있다.
[00197] 착용자의 피부 내로 힘을 전달하도록 구성되는 가요성 엑소수트의 가요성 및/또는 강성 엘리먼트들은, 착용자에 의해 착용되는 다른 의복 및/또는 가요성 엑소수트의 다른 엘리먼트들 안으로, 그 위로, 및/또는 그 아래로, 통합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가요성 엑소수트는 컨포멀(conformal)한 언더수트를 포함한다. 가요성 엑소수트의 가요성 및/또는 강성 힘-전달 엘리먼트들이, 상기 언더수트 엘리먼트들의 꼭대기로 혼입되거나 및/또는 꼭대기 상에 배치될 수 있다. 힘-전달 엘리먼트들이 상기 언더수트의 엘리먼트들의 꼭대기에 배치되는 예에서, 상기 언더수트의 엘리먼트들은, 힘-전달 엘리먼트로부터 피부로 수직력 및/또는 전단력의 전송을 가능하게 하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 언더수트는, 힘-전달 엘리먼트가 피부 내로 상당한 힘을 전달하지 않는 중에 있을 때 (예를들면, 착용자의 움직임 도중에 피부의 불편함과 마모를 줄이기 위해), 상기 힘-전달 엘리먼트로 하여금 피부에 대해 이동하는 것을 허용할 수 있다. 상기 언더수트는, 가요성 엑소수트의 가요성 및/또는 강성의 힘-전달 엘리먼트와 착용자의 피부 사이의 힘의 전달을 촉진 및/또는 조절하는 전기점착 엘리먼트들 또는 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[00198] 상기 언더수트는, 추가 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 상기 언더수트의 물질은, 미생물의 성장을 방지하는 항균, 곰팡이 방지, 또는 다른 제제 (예를들어, 은 나노 입자) 를 포함할 수 있다. 상기 언더수트는, 착용자의 활동의 효율 및 편안함을 향상시키기 위해, 착용자로부터 열 및/또는 수분 (예를들어, 땀) 의 전송을 관리하도록 구성될 수 있다. 상기 언더수트는, 스트랩(straps), 솔기(seams), 벨크로(Velcro), 또는 착용자의 해부학적 형태와 가요성 엑소수트의 엘리먼트 사이의 특정 관계를 유지하도록 구성된 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 이는 추가적으로, 용이성 있는 착용자가 가요성 엑소수트를 입고 및/또는 벗고 할 때의 편리성을 증진시킬 수 있다. 상기 언더수트는 추가로, (예를들어, 케블라(Kevlar) 또는 다른 갑옷 물질을 포함한 가요성 엘리먼트 혹은 패널을 포함함으로써) 탄도 무기, 날카로운 모서리, 파편(shrapnel), 또는 다른 환경적인 위험으로부터 착용자를 보호하도록 구성될 수 있다.
VII
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엑소수트
시스템의 시스템 개관
[00199] 도 9는, 일 실시예에 따른, 가요성 엑소수트(900)의 구성요소들을 도시하는 단순화된 블록도이다. 엑소수트(900)는, 도 1에 도시된 가요성 엑소수트(100)의 형태를 취하거나 그와 유사할 수 있다. 그러나, 엑소수트(900)는 또한, 오직 다리, 몸통, 팔, 혹은 착용자의 이러 저러한 형태의 조합에만 걸쳐서 착용되도록 구성된 엑소수트와 같은, 다른 형태를 취할 수도 있다. 상기 엑소수트(900)는, 다른 센서, 액추에이터, 또는 본 명세서에 기술된 다른 엘리먼트들 (예를들면, 엑소텐던(200a-d), TSA(400)(500a-g)(600a-e), 전기점착 엘리먼트(800)(850), STEM(1000a-d)) 과 유사한 엘리먼트들을 포함할 수 있으며, 및/또는 애플리케이션에 따라 기타 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 더욱이, 상기 엑소수트(900)는, 본 명세서에 기술된 예시적인 관절-횡단(joint-crossing) 및/또는 관절-토크-인가(joint-torque-applying) 구조 (예를들어, (1100a-i), (1200)) 와 유사한 구조로 이루어지거나 그러한 구조를 포함할 수 있다. 상기 엑소수트(900) 또한, 보철 (예를들면, 인공 수족) 과 조합되어 사용되도록 구성된 엑소수트의 형태를 취할 수도 있다. 엑소수트(900)는 또한 다른 형태를 취할 수도 있다.
[00200] 특히, 도 9는, 컨트롤러(910)를 갖는 엑소수트(900), 생체 센서(920), 운동역학적(kinematic) 센서(930), 환경 센서(931), 사용자 인터페이스(들)(970), 배터리(들)(911), 및 통신 인터페이스(들)(980)를 갖는 엑소수트(900)의 일 예를 나타낸다. 상기 엑소수트(900)는, 상기 엑소수트(900)의 고전압 엑소텐던(들)(940) 및 햅틱 엘리먼트(들)(950)를 구동하도록 구성된 드라이버(들)(955)를 추가적으로 포함한다. 상기 엑소수트(900)는, TSA(860)의 엘리먼트들의 속성들 (예, 인가된 부하, 회전 속도 및 방향) 을 감지하도록 구성된 인코더(964) 및 로드 셀(들)(962)로부터의 정보를 사용하여 엑소수트(900)의 꼬인 끈 액추에이터(들)(960)(TSA(s))를 제어하도록 구성된 모터 컨트롤러(들)(965)를 더 포함한다.
[00201] 상기 엑소수트(900)는, 엑소수트(900)의 착용자에 의해 착용되도록, 그리고 엑소수트(900)의 엘리먼트들로 하여금 착용자의 신체에 힘을 인가하도록, 혹은 애플리케이션에 따라 엑소수트(900)의 다른 기능을 가능하게 하도록 구성되는, 가요성 및/또는 강성 엘리먼트들 (미도시) 을 추가적으로 포함한다. 엑소수트(900)의 구성요소들은, 엑소수트의 기능을 가능하게 하기 위해, 엑소수트(900)의 가요성 및/또는 강성 웨어러블 엘리먼트나 엑소수트(900) 기타 엘리먼트들 (예를들면, 보호 하우징, 가방 또는 주머니) 상에 배치되거나 혹은 그 안에 배치될 수 있다. 엑소수트(900)는 일 예로서 의도되고, 여기에 기재된 바와 같은 엑소수트들은 도 9에 도시된 것보다 많거나 적은 구성요소를 가질 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 예를들면, 하나의 엑소수트가, TSA, 엑소텐던, 및/또는 햅틱 엘리먼트들을 결여할 수 있고, 및/또는 전기점착 엘리먼트 또는 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다.
[00202] 생리학적 센서(920)는, 온도 센서(922), 심박 센서(924) (즉 ECG 센서, 광 펄스 센서, 마이크로폰, 또는 착용자의 펄스를 검출하도록 구성된 어떤 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있음), 및 갈바닉 피부 반응(GSR) 센서(928)를 포함한다. 상기 생리학적 센서(920)는 추가적인 또는 대안적인 센서들을 포함할 수 있다. 운동역학적 센서(930)는, 변형 센서(932), 힘 변환기(934), EMG(근전도) 센서(936), IMU(관성 측정 유닛) 센서(938)를 포함할 수 있다. 상기 운동역학적 센서(930)는, 가요성 엑소수트의 애플리케이션에 따른 각 타입의 센서들에서 하나 이상의 센서들을 포함할 수도 있다; 예를들면, 가요성 엑소수트가, 착용자의 신체의 각 세그먼트의 상대적 위치와 배향에 대한 정보를 포함하는 착용자의 신체 자세를 결정하기 위해 엑소수트(900)가 IMU(938)를 동작시킬 수 있도록, 상기 착용자의 신체의 각 세그먼트에 대해 IMU(938)를 포함할 수 있다. 상기 운동 센서(930)는 추가적인 또는 대체적인 센서들을 포함할 수 있다. 환경 센서(931)는, GPS 신호를 사용하여 지구 표면 상에 엑소수트(900)의 위치를 결정하도록 구성된 GPS(위성 위치 확인 시스템) 위치 수신기(933), 엑소수트(900)의 환경 하에서 오브젝트의 위치를 검출하도록 구성된 LIDAR(광 검출 및 레인징) 센서(935), 및 습도 센서(937)를 포함한다. 상기 환경 센서(931)는 추가적인 또는 대체적인 센서들을 포함할 수 있다.
[00203] 배터리(들)(911)는, 엑소수트(900)의 엘리먼트들에게 전력을 공급하도록 구성된다. 상기 배터리(들)(911)는, 충전가능할 수 있거나 또는 일회용일 수도 있다. 배터리(들)(911)는, 알칼리, 아연-공기(zinc-air), 아연-산화물(zinc-oxide), 니켈-카드뮴, 납-산(lead-acid), 리튬-폴리머, 및 니켈 금속 수화물을 포함하는 그러나 이에 한정되지 않는, 다양한 화학물질을 포함할 수 있다. 상기 배터리(들)(911)는, 애플리케이션에 따라 엑소수트(900) 상에 혹은 그 안에 배치된 하나의 배터리 또는 복수의 배터리들을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 엑소수트(900)는, 테더(tether) (예를들면, 메인 전원 그리드에 연결된 테더), 연료 전지, 화학 엔진 (예를들어, 상술한 바와 같이 전자-활성 폴리머를 포함하는 화학 엔진), 태양 전지, 또는 어떤 다른 전원 및 전원들의 조합에 의해 구동될 수 있다.
[00204] 컨트롤러(들)(910)는, 범용 프로세서(들), 특수 목적 프로세서(들) (예를들어, 디지털 신호 프로세서, 주문형 집적 회로, 등), 또는 이들의 조합일 수 있다. 하나 이상의 컨트롤러(910)가, 엑소수트(900)(미도시) 내에 배치되는 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된, 여기서 기술된 엑소수트(900)의 기능을 제공하기 위해 실행가능한, 컴퓨터 판독가능 프로그램을 실행하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 컨트롤러(들)(900)는, 통신 인터페이스(들)(980)를 사용하여 외부 시스템으로부터 수신된 명령을 실행할 수 있다. 상기 명령은, 상기 엑소수트(900)의 기능 (예를들어, 바이오 센싱, 액추에이션) 이, 일부 통신 채널 (예를들어, 통신 인터페이스(들)(980)를 통해 엑소수트(900)와 통신하는 스마트폰 애플리케이션) 을 통해 엑소수트와 통신하는 원격 시스템에 의해 모니터링되어 지도록, 개시되어 지도록, 변경되어 지도록, 혹은 그렇지 않으면 그 시스템과 상호작용되어 지도록, 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API) 또는 다른 프로토콜들을 포함할 수 있다.
[00205] 컨트롤러(들)(910)는, 애플리케이션에 따라 엑소수트(910) 내의 또는 엑소수트 상의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를들어, 컨트롤러(들) 중 하나는, TSA(들)(960)의 높은 대역폭, 낮은 지연 제어를 용이하게 하기 위해 모터 컨트롤러(들)(965) 내에 배치될 수 있다. 상기 컨트롤러(들)(910)는, 엑소수트(900) 내에서 그들의 위치 및/또는 기능에 관련되는 방식으로 구성될 수 있다. 예를들면, 모터 컨트롤러(들)(965) 내에 배치된 컨트롤러는 FPGA 또는 ASIC 일 수 있는 반면, 엑소수트(900)의 모든 엘리먼트를 조정하도록 구성된 컨트롤러 (즉, 920, 930, 931, 955, 965, 970, 980)는 보다 다중-목적의 프로세서 (예를들어, ARM, PIC, x86) 일 수 있다. 더욱이, 컨트롤러(들)(910)의 개별 컨트롤러에 의해 실행되는 프로그램 명령은 각각의 컨트롤러에 특정한 것일 수 있다. 예를들어, 사용자 인터페이스(들)(970)의 기능을 가능하게(enable) 하도록 배치된 컨트롤러는, 다른 컨트롤러로부터/ 다른 컴퓨터로 정보를 전달하기 위한 방법 및 사용자 인터페이스 엘리먼트들의 기재를 포함하는 프로그램 명령어들을 실행할 수 있는 반면, 액추에이터의 제어를 가능하게 하도록 배치된 컨트롤러는, 컨트롤러에 의해 생성된 임의의 액추에이터 제어 출력의 고정된 대기 시간 업데이트를 가능하게 하는 PID 컨트롤러 및 실시간 오퍼레이팅 시스템(RTOS)을 정의하는 프로그램 명령어들을 실행한다.
[00206] 상기 사용자 인터페이스(들)(970)는, 엑소수트(900)의 착용자에게 정보를 제시하거나 및/또는 상기 착용자로부터 명령을 수신하도록 구성된, 버튼, 스크린, 터치 패드, 표시 등, 조이스틱, 또는 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(들)(970)는, 사용자로 하여금, 엑소수트(900)의 동작 모드를 선택하는 것을, 엑소수트(900)의 하나 이상의 파라미터를 조정하는 것을, 엑소수트(900)의 기능을 개시하는 것을, 또는 그렇지 않으면 엑소수트(900)의 정보를 입력하는 것을, 허용하도록 동작될 수 있다. 예를들어, 사용자 인터페이스(들)(970)는, 착용자의 팔에 착용되도록 구성된 엑소수트(900)의 엘리먼트 상에 배치된 터치 스크린을 포함할 수 있다. 터치 스크린은, 사용자에게 엑소수트(900)의 많은 동작 모드들 (예를들어, 걷기, 전력 질주하기, 차렷 자세 취하기, 점프하기, 오브젝트 운반하기, 오브젝트 들어올리기) 및/또는 그 안에 설치된 애플리케이션들을 표시하도록, 터치 스크린 상에 착용자의 손가락의 존재 및 위치를 검출하도록, 착용자에 의해 선택된 동작 모드 및/또는 애플리케이션을 검출하도록, 및 또다른 시스템 (예를들어, 컨트롤러(910)) 으로 선택된 옵션의 ID를 통신하도록, 동작될 수 있다
[00207] 역으로, 인터페이스(들)(970)는, 사용자에게 정보를 표시하도록 동작될 수 있다. 예를들어, 인터페이스(들)(970)는, 엑소수트(900)의 모드 또는 속성, 엑소수트(900)의 구성요소, 엑소수트의 착용자, 또는 어떤 다른 정보를 나타내도록 구성된 디스플레이 스크린 (어쩌면, 전술한 바와 같이, 사용자 입력을 허용하도록 추가적으로 구성된 터치 스크린) 을 포함할 수 있다. 화면으로 표시된 예시적인 정보는, 엑소수트(900)에 전력을 공급하는 전지의 배터리 레벨, 생체 센서(920)에 의해 검출된 것과 같은 착용자의 맥박수, 엑소수트(900)의 동작 모드, 및 생리학적 센서(920), 환경 센서(931), 및/또는 운동역학적 센서(930)에 의해 감지된 것과 같은 엑소수트(900)의 착용자의 자세를 포함할 수 있다.
[00208] 통신 인터페이스(들)(980)는, 엑소수트(900)의 엘리먼트들 (예를들어, 컨트롤러(910)) 로 하여금, 어떤 다른 시스템이나 시스템들로 정보를 보내거나 및/또는 그로부터 정보를 수신하는 것을 가능하게 하도록 구성되는 임의의 구성요소나 구성요소들일 수 있다. 예를들어, 통신 인터페이스(들)(980)는, 원격 시스템으로 원격 데이터를 전송하도록 구성된 무선 트랜시버 (예를들어, 엑소수트(900) 동작, 착용자에 대한 생리학적 데이터) 를 포함할 수 있다. 또다른 예에서, 통신 인터페이스(들)(980)는, 착용자의 휴대폰 또는 태블릿과 통신하도록, 및 애플리케이션 및 컨트롤러(들)(910) 사이의 통신을 가능하게 하여 핸드폰이나 태블릿 상에 애플리케이션에 의한 엑소수트(900)의 제어를 용이하게 하도록, 구성될 수 있다. 통신 인터페이스(들)(980)는, 유선 및/또는 무선 매체를 통해 통신하도록 구성될 수 있다. 통신 인터페이스(들)(980)는, 라디오, 블루투스 송수신기, WiFi 송수신기, LTE 또는 기타 셀룰러 통신 장치, 위성 업 링크, 지그비 (ZigBee) 송수신기, IRdA 또는 다른 광통신 소자, 또는 엑소수트(900)의 엘리먼트들 (예를들어, 컨트롤러(910)) 및 일부 원격 시스템 사이의 통신을 가능하게 하도록 구성되는 몇몇 다른 구성요소들을 포함할 수 있다.
[00209] 통신 인터페이스(들)(980)는, 엑소수트(900) 및/또는 착용자에 대해 원격 측정의 전송, 착용자의 형태나 엑소수트(900)의 엘리먼트들에 대한 캘리브레이션 데이터의 전송 및/또는 수신, 원격 시스템 (예를들어, 온라인 애플리케이션 저장소) 로부터 프로그램 명령어들이나 다른 데이터를 수신 가능하도록 동작 될 수 있다. 더욱이, 통신 인터페이스(들)(980)는, 엑소수트 착용자(900) 및 어떤 다른 사람이나 시스템 간의 통신을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 예를들어, 엑소수트(900)는, 마이크로폰 및/또는 스피커를 포함할 수 있으며, 통신 인터페이스(들)(980), 마이크로폰, 및 착용자와 타인 사이의 구두로의 통신을 용이하게 하는 스피커를 동작시킬 수 있다.
[00210] 고전압 드라이버(들)(955)는, 엑소텐던(들)(940) 및/또는 전기중합체 인공 근육(EPAM: electropolymer artificial muscle) 햅틱 엘리먼트(들)(950)를 동작시키기 위해 높은 전압 신호를 생성하고 변조하도록 구성된다. 상기 고전압 드라이버(들)(955)는, 인덕터, 변압기, 플라이백(flybacks), 커패시터, 고전압 스위치, 발진기, 또는 생산, 저장, 변조, 게이팅(gating), 및 고전압 관련 다른 기능을 가능하게 하는 기타 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 상기 고전압은, 엑소텐던(들)(940) 및/또는 햅틱 엘리먼트(들)(950)의 구성에 따라, 수백 볼트, 또는 어떤 다른 전압의 전압일 수 있다. 일부 실시예에서, 고전압 드라이버(들)(955)는, 단일의 고전압 제너레이터, 및 상기 고전압 제너레이터에 의해 발생된 고전압을 한 세트의 해당 액추에이터 (예를들어, 엑소텐던(들)(940), 햅틱 엘리먼트(들)(950)) 로 게이트(gate)하도록 구성된 하나 이상의 고전압 스위치를 포함할 수 있다. 상기 고전압 드라이버(들)(955)는, 상기 엑소텐던(940)이 완전히 클러치되거나(미끄러지지 않음) 완전히 언클러치되기(자유 운동) 보다는 차라리 텐션(tension) 하에서 미끄러지도록, 중간 레벨의 액추에이터의 동작을 가능하게 하기 위해 (예를들어, 엑소텐던(940)을 동작시키기 위해), 전압의 중간 레벨을 액추에이터 (예를들면, 엑소텐던(들)(940), 햅틱 엘리먼트(들)(950)) 에 제공하도록 구성될 수 있다.
[00211] 상기 고전압 드라이버(들)(955)는, 다른 기능을 가능하게 하기 위해 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 고전압 드라이버(들)(955)는, 액추에이터(들)(940, 950)의 어떤 특성 또는 특성들의 검출을 허용하도록 구성될 수 있다. 예를들어, 상기 고전압 드라이버(들)(955)는, 엑소텐던(940)의 커패시턴스를 검출하도록 구성될 수 있으며, 상기 검출된 커패시턴스는 엑소텐던(940)에 대한 길이, 스트레인(strain), 또는 기타 정보를 결정하는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 상기 고전압 드라이버(들)(955)는, 폐 루프 제어를 수행하도록 구성될 수 있다; 예를들어, 상기 고전압 드라이버(들)(955)는, 텐션 하에 있는 엑소텐던(940)의 길이를 검출할 수 있고, 상기 엑소텐던(940)의 길이가 일정한 제어 속도로 또는 몇몇 다른 명령이나 제약에 따라 증가되도록, 상기 엑소텐던(940)에 전압을 인가하도록 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 고전압 드라이버(들)(955)는, 안전한 작동을 보장하도록, 예를들어, 과전압, 과전류, 착용자에 대한 부상, 엑소수트(900)의 엘리먼트에 대한 손상, 또는 (차단기, 바리스터, 전압 클램핑 다이오드, 또는 어떤 다른 엘리먼트 또는 엘리먼트들을 포함하여) 몇몇 기타 해로운 상태를 방지하도록, 구성될 수 있다. 상기 고전압 드라이버(들)(955)는 부가적으로, 고전압 드라이버(들)(955)에서 생성된 높은 전압에 의해 손상되지 않고 상기 고전압 드라이버(들)를 작동하도록, 구성요소들이 (955)보다 낮은 전압에서 동작하는 것을 가능하게 하는 레벨 시프트 회로 (예를들어, 컨트롤러(910)) 를 포함할 수 있다.
[00212] 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, TSA(들)(960)의 모터를 동작시키는 전압 및/또는 전류를 생성하고 변조하도록 구성된다. 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, 인덕터, 변압기, 플라이백(flybacks), 벅(buck) 컨버터, 부스트 컨버터, 콘덴서, 스위치, 발진기, 컨트롤러, 비교기, 또는 생성, 저장, 변조, 게이팅 및 모터 구동과 관련된 다른 기능들을 가능하게 하는 기타 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, TSA(들)의 모터 코일을 구동하는 전압 및/또는 전류를 생성하도록 구성될 수 있다. 예를들면, 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, 특정 펄스 폭을 갖는 전압 펄스들을 생성하도록 구성된 펄스 폭 변조(PWM) 스위치를 포함할 수 있는바, 그리하여 이러한 PWM 스위치에 연결된 모터의 코일이 특정 펄스 폭에 관련된 유효 전류를 경험하도록 한다. 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, 각각 인코더(들)(964) 및/또는 로드 셀(들)(962)을 이용하는 TSA(960)의 엘리먼트들의 회전 및/또는 그에 인가되는 힘을 감지하는 전자 기기 (예를들어, 비교기, ADC, 증폭기)들을 포함할 수 있다. 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, 상기 모터 내에 배치된 홀(Hall) 센서에 의해 검출된 자기장 및/또는 모터의 회전자의 검출 각도에 기초하여 모터의 코일에 인가되는 전압 및/또는 전류의 타이밍을 제어할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, 상기 모터 컨트롤러(들)(965)의 전류 센서를 이용하여 검출된 모터 코일을 통한 전류 및/또는 모터 코일로부터의 검출된 역기전력(back-eMF)에 기초하여 모터의 코일에 인가되는 전압 및/또는 전류의 타이밍을 제어할 수 있다. 또한, 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, TSA(들)(960)의 폐 루프 제어를 수행하도록 구성될 수 있다; 예를들어, 상기 모터 컨트롤러(들)(965)는, (예를들어, 로드 셀(들)(962)의 사용에 의해) TSA(960)에 인가되는 텐션(tension)을 검출할 수 있으며, 상기 텐션이 어떤 제어 속도로 또는 어떤 다른 명령이나 제한조건에 따라 증가/감소되도록, 상기 TSA(960)를 동작시킬 수 있다.
VIII
. 스마트
텐던
엑소머슬(
Smart
tendon
exomuscles
)
[00213] 엑소텐던, 꼬인 끈 액추에이터(TSAs), 기타 액추에이터들이, 두 개의 상이한 작동 엘리먼트들 사이에 힘을 개별적으로 인가 및/또는 전송하도록 동작될 수 있다. 엑소텐던, TSAs 및 다른 액추에이터들이, 두 개의 상이한 작동 엘리먼트들 사이에 힘을 인가 및/또는 전송하기 위한 복합 액추에이터에 대안적으로 통합되어질 수 있다. 엑소텐던 및 TSAs 포함한 복합 액추에이터들은, 그들 액추에이터들을 개별적으로 동작시킬 수 있는 어떤 방법에 있어서 우수한 방식으로 동작되도록 구성될 수 있다. 예를들면, 복합 액추에이터는, 독립적으로 구성되는 및/또는 동작되는 엑소텐던 및/또는 TSAs와 비교할 때, 우수한 컴플라이언스, 생물학적 액추에이터와의 유사성, 효율, 운동 범위, 스트로크 길이, 또는 몇몇 다른 특성을 가질 수 있다. 적어도 하나의 TSA 및 적어도 하나의 엑소텐던을 포함하는 복합 액추에이터가, 스마트 텐던 엑소머슬(STEM)로 본 명세서에서 지칭된다.
[00214] 도 10a는, STEM(1000a)이 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010a, 1020a) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010a, 1020a)에 부착된 STEM(1000a)를 나타낸다. 상기 STEM(1000a)은, 제1 작동 엘리먼트(1010a)에 견고하게 결합된 모터(1030a)를 포함한다. 꼬인 끈(1035a)의 제1 단부가 엑소텐던(1040a)의 제1 단부에 기계적으로 결합된다. 상기 엑소텐던(1040a)의 제2 단부가 제2 작동 엘리먼트(1020a)에 기계적으로 결합된다. 모터(1030a)의 회전자가 상기 꼬인 끈(1035a)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(1030a)가, 변위의 변경 및/또는 힘이 상기 제1 작동 엘리먼트(1010a) 및 상기 엑소텐던(1040a)의 제1 단부 사이에 인가되도록, 꼬인 끈(1035a)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. 엑소텐던(1040a)은, 스위칭되는 컴플라이언스 엘리먼트로서 동작하도록 구성되어, 적어도 두 개의 유효 컴플라이언스 (즉, 상기 엑소텐던(1040a)의 제1 및 제2 단부 사이에 인가되는 힘 및 상기 엑소텐던(1040a)의 스트레인 사이의 두 개의 상이한 상관관계) 중의 하나를 갖도록 전기적으로 동작될 수 있다. 상기 엑소텐던(1040a) 및 꼬인 끈 액추에이터(1030a, 1035a)는, 본 명세서에 각각 기술된 다른 엑소텐던 (예를들어, 200a, 200b, 200c, 200d) 및 TSA (예를들어, 400, 500a-g, 600a-e) 와 유사하게 구성될 수 있거나, 혹은 다른 방식으로 구성될 수도 있다.
[00215] 상기 엑소텐던(1040a)은, 언클러치될 때 매우 높은 컴플라이언스를, 클러치될 때 매우 낮은 컴플라이언스를 갖도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 엑소텐던(1040a)은, 제1 및 제2 작동 엘리먼트(1010a, 1020a)로부터 상기 TSA(1030a, 1035a)를 결합 및 분리하기 위해 작용하도록 구성될 수 있다. 상기 엑소텐던(1040a)은, 어떤 애플리케이션에 적용될 수 있는 TSA(1030a, 1035a)의 운동 범위를 허용하는 방식으로 동작될 수 있다. 상기 TSA(1030a, 1035a)의 이동 범위는, TSA(1030a, 1035a)가 꼬인 끈 (1035a)의 제2 단부를 회전시킴으로써 달성할 수 있는 제1 및 제2 작동 엘리먼트(1010a, 1020a) 사이의 변위의 전체 변화량이다.
[00216] 몇몇 실시예에서, STEM(1000a)은, 가요성 엑소수트의 일부일 수 있고, 제1 및 제2 작동 엘리먼트(1010a, 1020a)는, 상기 STEM이 착용자의 발목에 토크를 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 각각 착용자의 다리와 착용자의 발의 정강이(shank)일 수 있다. 제1 및 제2 작동 엘리먼트(1010a, 1020a)의 변위는, 착용자의 발목의 각도의 변화량에 대응될 수 있다. 착용자가 경험할 수 있는 발목 각도의 전체 범위에 대응되는 변위는, 상기 TSA(1030a, 1035a)의 이동 범위보다 클 수 있다. 이러한 상황에서, 상기 엑소텐던(1040a)은, 착용자가 자유롭게 발목 관절을 움직일 수 있도록 허용하기 위해, TSA(1030a, 1035a)를 언클러치하도록 동작될 수 있다. 일단 가요성 엑소수트가 착용자의 발목에 토크를 인가해야 한다고 결정되면, 상기 엑소텐던(1040a)은 TSA(1030a, 1035a)를 클러치하도록 동작 될 수 있고, TSA(1030a, 1035a)는 착용자의 발목에 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. 이러한 방식으로, STEM(1000a) 안으로의 통합은, 제1 및 제2 작동 엘리먼트(1010a, 1020a)로 하여금 TSA(1030a, 1035a)로부터 언클러치되고 재배치되는 것을 허용함으로써, TSA(1030a, 1035a)의 이동의 유효 범위를 증가시켰다고 말할 수 있다.
[00217] 몇몇 실시예에서, 엑소텐던(1040a)은, 클러치될 수 있다 (즉, 비교적 낮은 컴플라이언스를 갖도록 동작될 수 있다). 몇몇 애플리케이션에 따라서, STEM(1000a)을 포함하는 가요성 엑소수트는, TSA(1030a, 1035a) 및 센서들 (예를들면, 로드 셀(들), 인코더(들), 가속도계(들)) 을 동작시킬 수 있다. 상기 가요성 엑소수트는, 상기 애플리케이션에 비해, TSA(1030a, 1035a)의 최적의 전송비, 길이, 스트로크 길이, 또는 다른 특성이나 특성들을 결정하기 위해, 상기 TSA(1030a, 1035a) 및 센서들을 동작시킬 수 있다. 상기 가요성 엑소수트는, 그후, 상기 TSA(1030a, 1035a)의 상기 결정된 최적의 특성이나 특성들에 대응되는 상기 TSA(1030a, 1035a)의 전송비, 길이, 스트로크 길이, 또는 다른 특성이나 특성들을 조절하기 위해, 상기 엑소텐던(1040a)을 클러치 및 언클러치 시킬 수 있다.
[00218] 예를들어, 착용자의 발목을 가로질러 힘을 인가하도록 구성된 STEM에 포함된 TSA의 전송비는, 착용자 및/또는 STEM의 중량, 형상, 또는 다른 특성들과 관련될 수 있다. STEM을 포함한 가요성 엑소수트는, 착용자의 발목에 힘을 인가하기 위해, TSA의 최적의 전송비를 결정하기 위해, 그리고 TSA의 전송비가 상기 결정된 최적의 전송비에 대응됨을 야기하도록 STEM을 동작시키기 위해, 상기 STEM을 동작시킬 수 있다. 따라서, 상기 엑소텐던을 언클러치하는 단계, 그후 상기 STEM의 꼬인 끈의 트위스트를 변경하기 위해 STEM의 모터를 동작시키는 (따라서 TSA의 전송 비율을 변경하는) 단계, 및 그후 상기 엑소텐던을 클러치하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트는, TSA의 특성에 있어서의 변화를 용이하게 하기 위해 착용자에 의해 수행되어질 동작을 (사용자 인터페이스, 햅틱 엘리먼트, STEM의 조작, 또는 어떤 다른 방법을 사용하여) 착용자에게 나타내어줄 수도 있다 (예를들면, 상기 TSA가, 상기 TSA의 특성을 변경하기 위해 동작될 수 있도록 상기 엑소텐던이 언클러치 되는 동안 상기 착용자에게 정적수축의 힘(isometric force)을 발휘하도록 지시하여; 상기 엑소텐던은 사실상, 동적 및/또는 정적 힘을 인가함에 있어 상기 TSA가 착용자의 근육을 지원할 수 있도록 클러치할 수 있다).
[00219] STEM(1000a)은, 부가적으로 또는 대안적으로, 생체 모방 방식으로 동작될 수 있다. 즉, 엑소텐던(1040a)의 컴플라이언스 및 TSA(1010a, 1015a)의 힘 및/또는 변위는, 더 효율적이고, 제1 및 제2 작동 엘리먼트(1010a, 1020a)에 부착된 시스템이나 착용자에게 덜 손상 또는 부상을 주도록, 또는 애플리케이션에 따라 개별 TSA 및/또는 엑소텐던을 동작시키기에 우수한 어떤 다른 방식으로, 상기 제1 및 제2 작동 엘리먼트(1010a, 1020a) 사이에 힘을 인가 및/또는 전송하는 것이 가능하도록 제어될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 엑소텐던(1040a)은, 하나 이상의 스프링 또는 다른 순응성 엘리먼트들을 포함하여, 기계적 에너지를 추출, 삽입, 및/또는 저장하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 STEM(1000a)은, 상기 엑소텐던(1040a)에 대해 힘과 변위를 인가하는 TSA(1010a, 1015a)를 동작시켜, 이러한 상기 엑소텐던(1040a)이 탄성 포텐셜 에너지로 '충전'될 수 있도록 동작할 수 있다. 상기 엑소텐던(1040a)은, 그후, 상기 저장된 탄성 포텐셜 에너지를 방출하도록 작동될 수 있다. 예를들어, 상기 엑소텐던(1040a)은, STEM(1000a)을 포함하는 가요성 엑소수트의 착용자로 하여금, 착용자 및/또는 TSA(1010a, 1015a)가 엑소텐던(1040a)에 저장된 탄성 포텐셜 에너지 없이 달성할 수 있었던 것보다 더 높이 점프하는 것을 달성할 수 있도록 허용하기 위해, 상기 저장된 탄성 포텐셜 에너지를 방출하도록 동작될 수 있다.
[00220] STEP(1000a)에 유사하게 구성된 STEM이, 자급식(self-contained), 가요성 유닛으로서 구성될 수 있다. 도 10b는, STEM(1000b)이 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010b, 1020b) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010b, 1020b)에 부착된 STEM(1000b)를 나타낸다. 상기 STEM(1000b)은, (보우덴 케이블의 외부 하우징과 유사하게) 그 길이에 수직한 방향으로 구부러질 수 있고, 및 그 길이를 따라 토크 및/또는 힘을 전송하도록 구성된 가요성 전송 튜브(1035b)의 제1 단부에 견고하게 결합되어 있다. 상기 가요성 전송 튜브(1035b)의 제2 단부는, 제1 작동 엘리먼트(1010b)에 견고하게 결합되어 있다. 꼬인 끈(1037b)의 제1 단부가 엑소텐던(1040b)의 제1 단부에 기계적으로 결합된다. 상기 엑소텐던(1040b)의 제2 단부가 제2 작동 엘리먼트(1020b)에 기계적으로 결합된다. 상기 꼬인 끈(1037b)이 부분적으로 가요성 전송 튜브(1035b) 안에 내포되며, 그에 의해 보호된다. 모터(1030b)의 회전자가 상기 꼬인 끈(1037b)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(1030b)가, 변위의 변경 및/또는 힘이 상기 제1 작동 엘리먼트(1010b) 및 상기 엑소텐던(1040b)의 제1 단부 사이에 인가되도록, 꼬인 끈(1037b)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. 엑소텐던(1040b)은, 스위칭되는 컴플라이언스 엘리먼트로서 동작하도록 구성되어, 적어도 두 개의 유효 컴플라이언스 중의 하나를 갖도록 (즉, 상기 엑소텐던(1040b)의 제1 및 제2 단부 사이에 인가되는 힘 및 상기 엑소텐던(1040b)의 스트레인 사이의 두 개의 상이한 상관관계를 갖도록) 전기적으로 동작될 수 있다. 상기 엑소텐던(1040b) 및 꼬인 끈 액추에이터(1030b, 1035b)는, 본 명세서에 각각 기술된 다른 엑소텐던 (예를들어, 200a, 200b, 200c, 200d) 및 TSA (예를들어, 400, 500a-g, 600a-e) 과 유사하게 구성될 수 있거나, 혹은 다른 방식으로 구성될 수도 있다.
[00221] 도 10c는, STEM(1000c)이 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010c, 1020c) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010c, 1020c)에 부착된 STEM(1000c)를 나타낸다. 상기 STEM(1000c)은, 제1 작동 엘리먼트(1010c)에 견고하게 결합된 모터(1030c)를 포함한다. 꼬인 끈(1035c)의 제1 단부가 엑소텐던(1040c)의 제1 단부에 기계적으로 결합된다. 엑소텐던(1040c)의 제2 단부는 제1 작동 엘리먼트들(1010c)에 기계적으로 결합된다. 상기 엑소텐던(1040c)은, 가요성이며, 제2 작동 엘리먼트(1020c)에 견고하게 결합된 막대 바(1025c)를 둘러싸고 있다. 모터(1040c)의 회전자가 꼬인 끈(1035c)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(1040c)가, 변위의 변경 및/또는 힘이 상기 제1 작동 엘리먼트(1010c) 및 상기 엑소텐던(1040c)의 제1 단부 사이에 인가되도록, 꼬인 끈(1035b)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. 엑소텐던(1040c)은, 스위칭되는 컴플라이언스 엘리먼트로서 동작하도록 구성되어, 적어도 두 개의 유효 컴플라이언스 (즉, 상기 엑소텐던(1040c)의 제1 및 제2 단부 사이에 인가되는 힘 및 상기 엑소텐던(1040c)의 스트레인 사이의 두 개의 상이한 상관관계) 중의 하나를 갖도록 전기적으로 동작될 수 있다. 상기 엑소텐던(1040c) 및 꼬인 끈 액추에이터(1030c, 1035c)는, 본 명세서에 각각 기술된 다른 엑소텐던 (예를들어, 200a, 200b, 200c, 200d) 및 TSA (예를들어, 400, 500a-g, 600a-e) 과 유사하게 구성될 수 있거나, 혹은 다른 방식으로 구성될 수도 있다. STEM(1000c)은 STEM(1000b)과 유사하게 동작될 수 있다.
[00222] 도 10d는, STEM(1000d)이 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010d, 1020d) 사이의 변위를 변경하고 및/또는 힘을 인가하기 위해 동작될 수 있도록, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010d, 1020d)에 부착된 STEM(1000d)를 나타낸다. 상기 STEM(1000d)은, 제1 작동 엘리먼트(1010d)에 견고하게 결합된 모터(1030d)를 포함한다. 꼬인 끈(1035d)의 제1 단부가 제1 엑소텐던(1040d)의 제1 단부에 기계적으로 결합된다. 제1 엑소텐던(1040d)의 제2 단부는 제2 작동 엘리먼트(1010d)에 기계적으로 결합된다. 모터(1030d)의 회전자가 꼬인 끈(1035d)의 제2 단부에 결합되는바, 그리하여 모터(1030d)가, 변위의 변경 및/또는 힘이 상기 제1 작동 엘리먼트(1010d) 및 상기 엑소텐던(1040d)의 제1 단부 사이에 인가되도록, 꼬인 끈(1035b)의 제2 단부에 토크 및/또는 회전을 인가하도록 동작될 수 있도록 한다. STEM(1000d)은, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010d, 1020d)에 각각 견고하게 결합된 두 개의 단부들을 갖는 제2 엑소텐던(1045d)을 추가적으로 포함한다. 상기 엑소텐던들(1040d, 1045d)은, 스위칭되는 컴플라이언스 엘리먼트로서 동작하도록 구성되어, 적어도 두 개의 유효 컴플라이언스 (즉, 상기 엑소텐던(1040d, 1045d)의 제1 및 제2 단부 사이에 인가되는 힘 및 상기 엑소텐던(1040d, 1045d)의 스트레인 사이의 두 개의 상이한 상관관계) 중의 하나를 각자가 갖도록 전기적으로 독립적으로 동작될 수 있다. 상기 엑소텐던(1040d, 1045d) 및 꼬인 끈 액추에이터(1030d, 1035d)는, 본 명세서에 각각 기술된 다른 엑소텐던 (예를들어, 200a, 200b, 200c, 200d) 및 TSA (예를들어, 400, 500a-g, 600a-e) 과 유사하게 구성될 수 있거나, 혹은 다른 방식으로 구성될 수도 있다. STEM(1000d)은 STEM(1000b)과 유사하게 동작될 수 있다.
[00223] STEM(1000d)은, 가요성 엑소수트의 일부 애플리케이션 또는 동작을 제공하도록 동작될 수 있다. 몇몇 예에서, 제2 엑소텐던(1045d)은, 제1 시간 주기 동안 (예를들면, 착용자의 신체로/신체로부터) 의 힘을 전송하도록, 및 제2 시간 주기 동안 실질적으로 힘을 전송하지 않도록, 스프링으로 하여금 클러치되는 것을 허용하기 위해, 상기 스프링과 직렬로 연결될 수 있다. 예를들어, 엑소텐던(1045d)은 스프링과 직렬로 연결될 수 있으며, 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010d, 1020d)은 착용자의 종아리 및 발일 수 있는바, 그리하여 상기 STEM(1000d)은 착용자의 발목 신근(extensor) 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. 제2 엑소텐던(1045d)이, 이동하는 동안 지면과 사용자의 발 뒤꿈치의 접촉 후에 클러치될 수 있다. 그후 클러치된 스프링은 사용자가 그들의 발목을 이완(flex)시킴에 따라 탄성 포텐셜 에너지로 '충전'될 수 있다. '축적된' 탄성 포텐셜 에너지는, 착용자가 지면으로부터 자신의 발을 들어올리기 전에 자신의 발목을 확장시킴에 따라 착용자의 발목으로 방출될 수 있는바; 이러한 착용자의 발목으로부터/발목으로의 기계적 에너지의 저장 및 방출은 착용자의 이동의 효율을 증가시킬 수 있다. 상기 제2 엑소텐던(1045d)은 지면에서 착용자의 발을 들어올린 후에 언클러치될 수 있는바, 그리하여 착용자의 발이 지면과 접촉하지 않는 동안 상기 제2 엑소텐던(1045d)과 스프링이 착용자의 발목에서 회전력 및/또는 토크에 실질적으로 영향을 미치지 않도록 한다. 이와 병행하여, 제1 엑소텐던(1040d)은, 상기 스프링이 상기 저장된 탄성 포텐셜 에너지를 방출하기 시작하는 시점에서 클러치될 수 있으며, 지면에서 착용자의 발을 들어올린 후에 언클러치될 수 있다. 제1 엑소텐던(1040d)이 클러치되는 동안, TSA(1030d, 1035d)는, 착용자의 발을 통해 지면에 대해 힘을 인가함에 있어 착용자의 근육 및 스프링을 도우면서, 착용자의 발목에 신근 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. STEM(1000d)의 다른 구성 및 사용 패턴이 애플리케이션에 따라 예상된다. 또한, 엑소텐던과 직렬로 연결된 스프링이 엑소텐던의 엘리먼트로서 구현될 수 있다.
[00224] 몇몇 실시예에서, 엑소텐던(1040d, 1045d) 및/또는 STEM(1000d)에 포함되는 추가적인 엑소텐던 (도시 생략) 은, 더 큰 힘이 제1 및 제2 작동 엘리먼트들(1010d, 1020d) 사이에서 발생되는 및/또는 그 사이에 인가되는 것을 허용하도록, 교번 방식으로 클러치 및 언클러치될 수 있다. 예를들어, 엑소텐던(1040d, 1045d)은, 점진적으로 기계적으로 에너지를 스프링에 추가하기 위해 (엑소텐던 (1040d, 1045d)에 포함 및/또는 표시되지 않음), 힘-인가 및/또는 힘-생성 엘리먼트들 (착용자의 몸, TSA(1030d, 1035d)) 에 그것을 기계적으로 연결하면서, 스프링을 '래칫'하도록 동작할 수 있다. STEM(1000d)의 기타 반복되는, 기계적인 추가 동작들이 예상된다.
[00225] 여기에 설명된 STEM (예, 1000a, 1000b, 1000c, 1000d)은, 비 제한적인 설명을 위한 예로 의도된다는 점을 주목하여야 한다. STEM의 다른 구성과 동작들이 예상된다. 또한, 여기에서의 임의의 예시적인 STEM의 TSA는, 어떤 다른 선형 액추에이터 (예를들어, EPAM) 로 대체될 수 있다.
IX
. 단일 조인트에 힘 및/또는 토크를 인가하기 위한
가요성
엑소수트
엘리먼트들의
구성
[00226] 가요성 엑소수트의 강성 및 가요성 힘-전달 엘리먼트 및 액추에이터의 구성은, 착용자의 신체의 제1 세그먼트로부터 제2 세그먼트로의 힘 전달을 가능하게 할 수 있다. 이는, 상기 가요성 엑소수트가 상기 제1 및 제2 세그먼트의 상대 운동에 최소한으로 지장을 주기 위해 상기 액추에이터를 작동할 수 있도록, 전기적으로 작동되는 엘리먼트들을 사용하여 달성될 수 있다. 도 11a-11i는, 토크가 각각의 발목(1107a-i)에 인가되도록, 각각의 착용자의 발과 종아리 사이에 힘을 선택적으로 전송하도록 구성된 가요성 엑소수트들(1100a-i)을 각각 보여주는 개략 측면도들을 도시하고 있다.
[00227] 도 11a는, 착용자(1105a)의 발목(1107a)에 신근 토크를 및/또는 착용자(1105a)의 발과 종아리 사이에 인장력을 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100a)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100a)는 제1 힘-전달 엘리먼트(Force Transmitting Element: FTE)(1130a)에 견고하게 결합되는 모터(1110a)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130a)는, 가요성 엑소수트(1100a)가 착용자의 신체에 신근 토크 및/또는 인장력을 인가하도록 동작될 때, 착용자(1105a)의 종아리에 대한 모터(1110a)의 위치가 상당히 변경되지 않도록, 착용자(1105a)의 종아리에 모터(1110a)를 결합시키도록 구성된다. 또한, 제1 FTE(1130a)는, 착용자(1105a)의 종아리에 대한 모터(1110a)의 위치가 착용자(1105a)의 종아리 뒤가 되도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100a)는 추가로, 꼬인 끈(1112a)의 제1 단부를 착용자(1105a)의 발에 연결하도록 구성된 제2 FTE(1120a)를 포함한다. 꼬인 끈(1112a)의 제2 단부가 모터(1110a)의 회전자에 연결된다.
[00228] 모터(1110a)의 작동은, 신근 토크가 착용자(1105a)의 발목에 인가되어지도록 한다. 그러한 신근 토크를 인가하기 위한 가요성 엑소수트(1100a)의 동작은, 착용자(1105a)의 종아리에 대해 제1 FTE(1130a)의 위치를 유지하기 위해 구성된 및 제1 FTE(1130a)에 연결된 스트랩(1132a)에 인가된 착용자(1105a)의 종아리의 후방에 인가되는 수직력으로 또한 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하기 위한 가요성 엑소수트(1100a)의 동작은, 발목(1107a)의 상당한 압축 부하로 더욱 귀결될 수 있다.
[00229] 도 11b는, 착용자(1105b)의 발목(1107b)에 신근 토크를 및/또는 착용자(1105b)의 발과 종아리 사이에 인장력을 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100b)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100b)는 제1 FTE(1130b)에 견고하게 결합되는 모터(1110b)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130b)는, 가요성 엑소수트(1100b)가 착용자의 신체에 신근 토크 및/또는 인장력을 인가하도록 동작될 때, 착용자(1105b)의 종아리에 대한 모터(1110b)의 위치가 상당히 변경되지 않도록, 착용자(1105b)의 종아리에 모터(1110b)를 결합시키도록 구성된다. 또한, 제1 FTE(1130b)는, 착용자(1105b)의 종아리에 대한 모터(1110b)의 위치가 착용자(1105b)의 종아리 앞이 되도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100b)는 추가로, 꼬인 끈(1112b)의 제1 단부를 착용자(1105b)의 발에 연결하도록 구성된 제2 FTE(1120b)를 포함한다. 꼬인 끈(1112b)의 제2 단부가 모터(1110b)의 회전자에 연결된다.
[00230] 모터(1110b)의 작동은, 신근 토크가 착용자(1105b)의 발목에 인가되어지도록 한다. 그러한 신근 토크를 인가하기 위한 가요성 엑소수트(1100b)의 동작은, 착용자(1105b)의 종아리에 대해 제1 FTE(1130b)에 의해 착용자(1105b)의 종아리의 전방에 인가되는 상당한 하향 전단력으로 또한 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하기 위한 가요성 엑소수트(1100b)의 동작은, 발목(1107b)의 상당한 압축 부하로 더욱 귀결될 수 있다.
[00231] 도 11c는, 착용자(1105c)의 발목(1107c)에 신근 토크를 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100c)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100c)는 제1 FTE(1130c)에 견고하게 결합되는 모터(1110c)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130c)는, 가요성 엑소수트(1100c)가 착용자의 신체에 신근 토크 및/또는 인장력을 인가하도록 동작될 때, 착용자(1105c)의 종아리에 대한 모터(1110c)의 위치가 상당히 변경되지 않도록, 착용자(1105c)의 종아리에 모터(1110c)를 결합시키도록 구성된다. 또한, 제1 FTE(1130c)는, 착용자(1105c)의 종아리에 대한 모터(1110c)의 위치가 착용자(1105c)의 종아리 앞이 되도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100c)는 추가로, 꼬인 끈(1112c)의 제1 단부를 착용자(1105c)의 발에 연결하도록 구성된 제2 FTE(1120c)를 포함한다. 제2 FTE(1120c)는, 착용자(1105c)의 뒤꿈치로부터 꼬인 끈(1112c)의 제1 단부로 연장되는 적어도 하나의 강성 부재 (즉, 인장력에 더하여 압축 힘 및 토크를 전달 가능한 부재) 를 포함한다. 꼬인 끈(1112c)의 제2 단부가 모터(1110c)의 회전자에 연결된다.
[00232] 모터(1110c)의 작동은, 신근 토크가 착용자(1105c)의 발목에 인가되어지도록 한다. 그러한 신근 토크를 인가하기 위한 가요성 엑소수트(1100c)의 동작은, 착용자(1105c의 종아리의 전방과 제1 FTE(1130c) 사이에 아주 작은 전단력의 인가로 귀결될 수 있다. 제2 FTE(1120c)의 강성 부재의 이동은, 다른 오브젝트들이 존재하지 않도록, 착용자(1105c)의 종아리 뒤에 상당한 볼륨을 요구할 수 있다.
[00233] 도 11d는, 착용자(1105d)의 발목(1107d)에 신근 토크를 및/또는 착용자(1105d)의 발과 종아리 사이에 힘을 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100d)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100d)는 제1 FTE(1130d)에 견고하게 결합되는 모터(1110d)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130d)는, 착용자(1105d)의 종아리에 힘을 연결하도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100d)는 또한, 제1, 제2, 및 제3 강성 힘-전달 엘리먼트들(Rigid Force Transmitting Elements: RFTEs)(1140d, 1150d, 1160d)을 포함한다. 제1 RFTE(1140d)는, 각각 베어링(1132d)(1142d)을 통해 제1 FTE(1130d) 및 제2 RFTE(1150d)에 접속된다. 제3 RFTE(1160d)는, 각각 베어링(1152d)(1162d)을 통해 제2 RFTE(1150d) 및 제2 FTE(1120d)에 접속된다. 제2 FTE(1120d)는, 베어링(1162d)으로부터 착용자(1105d)의 발로 힘을 연결하도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100d)는 추가적으로, 그 길이를 따라 토크 및/또는 힘을 전달하도록 및 그 길이에 수직한 방향으로 가요성이도록 (보우덴 케이블의 외부 하우징과 유사) 구성되는 가요성 전송 튜브(1114d)를 포함한다. 가요성 전송 튜브(1114d)의 단부는, 모터(1110d) 및 제2 RFTE(1150d)에 접속된다. 꼬인 끈(1112d)이 부분적으로 가요성 전송 튜브(1114d) 내에 배치되고, 상기 모터(1110d)의 회전자 및 제3 RFTE(1160d)에 접속된다.
[00234] 모터(1110d)의 작동은, 제2 RFTE(1150d) 및 제3 RFTE(1160d)의 뒤쪽 단부들 사이에 힘이 인가되도록 하는바, 그리하여 베어링 (1142d) 및 (1162d)이 서로 멀어지는 것이 강제되도록 한다. 이는, 착용자(1105d)의 발목에 인가되어질 신근 토크로 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100d)의 동작은 또한, 제1 FTE(1130d)에 의해 착용자(1105d)의 종아리의 전면으로 인가되어질 상당한 상향 전단력으로 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100d)의 동작은 추가로, 발목(1107d)의 감소되는 압축 하중으로 귀결될 수 있다.
[00235] 도 11e는, 착용자(1105e)의 발목(1107e)에 신근 토크를 및/또는 착용자(1105e)의 발과 종아리 사이에 힘을 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100e)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100e)는 제1 FTE(1130e)에 견고하게 결합되는 모터(1110e)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130e)는, 착용자(1105e)의 종아리에 힘을 연결하도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100e)는 또한, 제1 및 제2 강성 힘-전달 엘리먼트들(Rigid Force Transmitting Elements: RFTEs)(1140e, 1150e)을 포함한다. 제1 RFTE(1140e)는, 각각 베어링(1132e)(1142e)을 통해 제1 FTE(1130e) 및 제2 RFTE(1150e)에 접속된다. 제2 RFTE(1150e)는, 베어링(1152e)을 통해 제2 FTE(1120e)에 접속된다. 제2 FTE(1120e)는, 베어링(1152e)으로부터 착용자(1105e)의 발로 힘을 연결하도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100e)는 추가적으로, 모터(1110e)의 회전자 및 제1 RFTE(1140e)에 접속된 꼬인 끈(1112e)을 포함한다.
[00236] 모터(1110d)의 작동은, 베어링 (1142e) 및 (1162e)이 서로 멀어지는 것이 강제되도록 인가되는 힘이 야기되도록 한다. 이는, 착용자(1105e)의 발목에 인가되어질 신근 토크로 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100e)의 동작은 또한, 제1 FTE(1130e)에 의해 착용자(1105e)의 종아리의 전면으로 인가되어질 상당한 상향 전단력으로 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100e)의 동작은 추가로, 발목(1107e)의 감소되는 압축 하중으로 귀결될 수 있다.
[00237] 도 11f는, 착용자(1105f)의 발목(1107f)에 신근 토크를 및/또는 착용자(1105f)의 발과 종아리 사이에 힘을 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100f)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100f)는 제1 FTE(1130f)에 견고하게 결합되는 액추에이터(1110f)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130f)는, 착용자(1105f)의 종아리에 액추에이터(1110f)를 연결하도록 구성되는바, 그리하여 가요성 엑소수트(1100f)가 착용자(1105f)의 신체에 신근 토크 및 힘을 인가하도록 동작될 때 착용자(1105f)의 종아리에 대한 액추에이터(1110f) 위치가 상당히 변경되지 않도록 한다. 더욱이, 제1 RFTE(1140f)는, 착용자(1105f)의 종아리에 대한 액추에이터(1110f) 위치가 착용자(1105f)의 종아리 전방에 있도록, 구성될 수 있다. 가요성 엑소수트(1100f)는 추가적으로, 강성 힘-전달 엘리먼트(1140f)(RFTE)의 제1 단부를 베어링(1142f)을 통해 착용자(1105f)의 발에 연결하도록 구성된 제2 FTE(1120f)를 포함할 수 있다. 상기 RFTE(1140f)는 액추에이터(1110f)에 의해 동작되도록 구성된다.
[00238] 액추에이터(1110f)의 동작은, 베어링(1142f) 및 제1 FTE(1130f)가 서로 멀어지는 것이 강제되도록 인가되는 힘을 야기한다. 이는, 착용자(1105f)의 발목에 인가되어질 신근 토크로 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100f)의 동작은 또한, 제1 FTE(1130f)에 의해 착용자(1105f)의 종아리의 전면으로 인가되어질 상당한 상향 전단력으로 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100f)의 동작은 추가로, 발목(1107f)의 감소되는 압축 하중으로 귀결될 수 있다. 상기 액추에이터(1110f) 및 RFTE(1140f)는, 랙-피니언, 볼 스크류, 및/또는 스크류 드라이브 (즉, 액추에이터(1110f)가 제1 FTE(1130f)에 대하여 RFTE(1140f)로 하향 힘 및/또는 변위를 인가할 수 있도록, RFTE(1140f)의 일부가 나사산이 형성되거나, 오톨도톨한 것이 붙어있거나, 그렇지 않으면 톱니가 형성되어 있음) 로서 작동하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 액추에이터(1110f)는 꼬인 끈 액추에이터일 수 있고, 상기 액추에이터(1110f)의 꼬인 끈은 상기 액추에이터(1110f)로부터 베어링(1142f) 맞은 편의 RFTE(1140f)의 단부까지 연장할 수 있는바, 그리하여 상기 꼬인 끈 액추에이터(1110f)의 동작이, 제1 FTE(1130f)에 대하여 상기 RFTE(1140f)로 인가되는 하향 힘 및/또는 변위를 야기할 수 있다. 다른 구성들이 예상된다.
[00239] 도 11g는, 착용자(1105g)의 발목(1107g)에 신근 토크를 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100g)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100g)는 제1 FTE(1130g)에 견고하게 결합되는 모터(1110g)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130g)는, 착용자(1105g)의 종아리에 힘을 연결하도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100g)는 또한, 제1 및 제2 강성 힘-전달 엘리먼트들(Rigid Force Transmitting Elements: RFTEs)(1140g, 1150g)을 포함한다. 제1 RFTE(1140g)는, 각각 베어링(1132g)(1142g)을 통해 제1 FTE(1130g) 및 제2 RFTE(1150g)에 접속된다. 제2 RFTE(1150g)는, 베어링(1152g)을 통해 제2 FTE(1120g)의 앞쪽에 접속된다. 제2 FTE(1120g)는, 제2 FTE(1120g)의 후방에 연결되는 제1 꼬인 끈(1112g)으로부터 및 베어링(1152g)으로부터 착용자(1105g)의 발로 힘을 연결하도록 구성되어 있다. 제1 꼬인 끈(1112g)은 추가적으로 모터(1110g)의 엘리먼트들에 연결되는바, 그리하여 상기 모터가 제1 꼬인 끈(1112g)의 일단을 회전시키도록 작동될 수 있도록 된다. 가요성 엑소수트(1100g)는 추가적으로, 제1 RFTE(1140g) 및 모터(1110g)의 엘리먼트들에 연결된 제2 꼬인 끈(1114g)을 포함하는바, 그리하여 상기 모터(1110g)가 제2 꼬인 끈(1114g)의 일단을 회전시키도록 작동될 수 있도록 된다.
[00240] 모터(1110g)의 동작은, 베어링 (1132g) 및 (1152g)가 서로 멀어지는 것이 강제되도록 및 제2 FTE(1120g)의 후방이 상기 모터(1110g) 쪽으로 위로 향하도록 인가되는 힘을 야기한다. 이는, 착용자(1105g)의 발목에 인가되어질 신근 토크로 귀결될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1100g)는, 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100g)의 동작이, 제1 FTE(1130g) 및 착용자(1105g)의 종아리 사이로 두드러지게 전단력으로 귀결되지 않도록, 구성될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100g)의 동작은 추가로, 착용자(1105g)의 종아리에 대해 제1 FTE(1130g)의 위치를 유지하기 위해 구성된 및 제1 FTE(1130g)에 결합된 스트랩(1132g)에 의해 인가되는 착용자(1105g)의 종아리의 후방에 인가되는 수직력으로 귀결될 수 있다. 모터(1110g)를 이용한 제1 및 제2 꼬인 끈(1112g, 1114g)을 구동하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100g)는, 기어들이 모터(1110g)에 의해 구동되도록 구성되는 및 두 개의 기어들이 각각의 꼬인 끈(1112g, 1114g)을 구동하도록 구성되는, 그러한 한 세트의 기어들을 포함하여, 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트(1100g)는, 각각의 꼬인 끈(1112g, 1114g)을 구동하도록 구성된 두 개의 모터를 포함할 수 있다.
[00241]
[00242] 도 11h는, 착용자(1105h)의 발목(1107h)에 신근 토크를 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100h)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100h)는 제1 FTE(1130h)에 견고하게 결합되는 모터(1110h)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130h)는, 착용자(1105h)의 종아리에 힘을 연결하도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100h)는 또한, 제1 및 제2 강성 힘-전달 엘리먼트들(Rigid Force Transmitting Elements: RFTEs)(1140h, 1150h)을 포함한다. 제1 RFTE(1140h)는, 각각 베어링(1132h)(1142h)을 통해 제1 FTE(1130h) 및 제2 RFTE(1150h)에 접속된다. 제2 RFTE(1150h)는, 베어링(1152h)을 통해 제2 FTE(1120h)의 앞쪽에 접속된다. 제2 FTE(1120h)는, 제2 FTE(1120h)의 후방에 연결되는 제1 꼬인 끈(1112h)으로부터 및 베어링(1152h)으로부터 착용자(1105h)의 발로 힘을 연결하도록 구성되어 있다. 제1 꼬인 끈(1112h)은 추가적으로 모터(1110h)의 엘리먼트들에 연결되는바, 그리하여 상기 모터가 제1 꼬인 끈(1112h)의 일단을 회전시키도록 작동될 수 있도록 된다. 제1 꼬인 끈(1112h)은 추가적으로 제 FTE(1130h)에 연결되어 풀리(1134h) 상에서 슬라이딩하도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100h)는 추가적으로, 제1 RFTE(1140h)의 후방에 및 모터(1110h)의 엘리먼트들에 연결된 제2 꼬인 끈(1114h)을 포함하는바, 그리하여 상기 모터(1110h)가 제2 꼬인 끈(1114h)의 일단을 회전시키도록 작동될 수 있도록 된다.
[00243] 모터(1110h)의 동작은, 베어링 (1132h) 및 (1152h)가 서로 멀어지는 것이 강제되도록 및 제2 FTE(1120h)의 후방이 상기 모터(1110h) 쪽으로 위로 향하도록 인가되는 힘을 야기한다. 이는, 착용자(1105h)의 발목에 인가되어질 신근 토크로 귀결될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1100h)는, 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100h)의 동작이, 제1 FTE(1130h) 및 착용자(1105h)의 종아리의 전방 사이로 두드러지게 전단력으로 귀결되지 않도록, 구성될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100h)의 동작은 추가로, 착용자(1105h)의 종아리에 대해 제1 FTE(1130h)의 위치를 유지하기 위해 구성된 및 제1 FTE(1130h)에 결합된 스트랩(1132h)에 의해 인가되는 착용자(1105h)의 종아리의 후방에 인가되는 수직력으로 귀결될 수 있다. 모터(1110h)를 이용한 제1 및 제2 꼬인 끈(1112h, 1114h)을 구동하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100h)는, 기어들이 모터(1110h)에 의해 구동되도록 구성되는 및 두 개의 기어들이 각각의 꼬인 끈(1112h, 1114h)을 구동하도록 구성되는, 그러한 한 세트의 기어들을 포함하여, 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트(1100h)는, 각각의 꼬인 끈(1112h, 1114h)을 구동하도록 구성된 두 개의 모터를 포함할 수 있다.
[00244] 가요성 엑소수트(1100H)는 또한, 제1 FTE(1130h) 및 제2 FTE(1120h)의 전방 사이에 접속된 제1 엑소텐던(1162h), 및 제1 RFTE(1140h)의 후방 끝 및 제2 FTE(1120h)의 후방 끝 사이에 연결된 제2 엑소텐던(1164h)을 포함한다. 제1 및 제2 엑소텐던(1162h, 1164h)은, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 착용자의 이동 도중이나 또는 착용자의 다른 활동 중에 가요성 엑소수트(1100H)의 엘리먼트들의 임피던스를 변조하기 위한 및/또는 탄성 포텐셜 에너지를 저장 및 방출하기 위한, 상기 엑소텐던(1162i, 1164i)에 포함되는 지정된 컴플라이언스를 갖는 엘리먼트 (예를들면, 스프링, 스트랩) 들을 클러치 및 언클러치하도록 조작될 수 있다.
[00245] 도 11i는, 착용자(1105i)의 발목(1107i)에 신근 토크를 인가하도록 구성되는 가요성 엑소수트(1100i)의 엘리먼트를 도시한다. 가요성 엑소수트(1100i)는 제1 FTE(1130i)에 견고하게 결합되는 모터(1110i)를 포함한다. 제1 힘-전달 엘리먼트(1130i)는, 착용자(1105i)의 종아리에 힘을 연결하도록 구성된다. 가요성 엑소수트(1100i)는 또한, 제1, 및 제2 강성 힘-전달 엘리먼트들(Rigid Force Transmitting Elements: RFTEs)(1140i, 1150i)을 포함한다. 제1 RFTE(1140i)는, 각각 베어링(1132i)(1142i)을 통해 제1 FTE(1130i) 및 제2 RFTE(1150i)에 접속된다. 제2 RFTE(1150i)는, 각각 베어링(1152i)을 통해 제2 FTE(1120i)에 접속된다. 제2 FTE(1120i)는, 베어링(1162i) 및 제2 FTE(1120i)의 후방에 접속된 꼬인 끈(1112i)으로부터 착용자(1105i)의 발로 힘을 연결하도록 구성된다. 꼬인 끈(1112i)은 또한 상기 모터(1110i)의 회전자에 접속된다.
[00246] 모터(1110i)의 작동은, 제2 FTE(1120i) 뒤쪽이 상기 모터(1110i) 쪽으로 당겨지도록 인가되는 힘을 야기한다 단부들 사이에 힘이 인가되도록 하는바, 그리하여 베어링 (1142i) 및 (1162i)이 서로 멀어지는 것이 강제되도록 한다. 이는, 착용자(1105i)의 발목에 인가되어질 신근 토크로 귀결될 수 있다. 그러한 신근 토크를 인가하는 가요성 엑소수트(1100i)의 동작은, 제1 FTE(1130i)에 의해 착용자(1105i)의 종아리의 피부 내로 전송되어질 전단력 및/또는 수직력, 그리고 발목(1107i)의 상당한 압축 하중으로 귀결될 수 있다.
[00247] 가요성 엑소수트(1100i)는 또한, 제1 FTE(1130i) 및 제2 FTE(1120i) 사이에 접속된 제1 엑소텐던(1162i), 및 제1 RFTE(1140i)의 후방 끝 및 제2 FTE(1120i)의 후방 끝 사이에 연결된 제2 엑소텐던(1164i)을 포함한다. 제1 및 제2 엑소텐던(1162i, 1164i)은, 본 명세서에 기술된 바와 같이, 착용자의 이동 도중이나 또는 착용자의 다른 활동 중에 가요성 엑소수트(1100i)의 엘리먼트들의 임피던스를 변조하기 위한 및/또는 탄성 포텐셜 에너지를 저장 및 방출하기 위한, 상기 엑소텐던(1162i, 1164i)에 포함되는 지정된 컴플라이언스를 갖는 엘리먼트 (예를들면, 스프링, 스트랩) 들을 클러치 및 언클러치하도록 조작될 수 있다.
[00248] 도 11a-11i는, 각각의 가요성 엑소수트(1100a)-1100i)의 엘리먼트들의 단순화된 단면 개략도를 보여준다는 점에 주목하여야 한다고. 가요성 엑소수트의 일부의 또는 모든 엘리먼트들(1100a-1100i)은 복제될 수 있으며, 원래의 및 복제된 엘리먼트들이 각 착용자(1105a-1105i)의 다리의 대향하는 측면 상에 배치될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들(1100a-1100i)은, 각 착용자(1105a-1105i)의 신체의 부분들과 엘리먼트들 사이 및/또는 엘리먼트들의 사이에 전송된 힘 및/또는 토크가, 각 착용자(1105a-1105i)의 신체의 국부적 엘리먼트들 (예를들어, 관절) 을 양분하는 평면을 따라 (예를들어, 도시된 실시예에서 다리의 정중 시상면(mid-sagittal plane)을 따라) 실질적으로 인가될 수 있도록, 각 착용자(1105a-1105i)의 신체의 부분들을 전체적으로 혹은 부분적으로 둘러싸도록 구성될 수 있다. 또한, '베어링'들로 기술된 엘리먼트들 (예, 1132d,e,g,h,i, 1142d,e,g,h,i, 1162d) 은, 임의의 다양한 베어링 (예를들어, 일반 베어링, 볼 베어링, 롤러 베어링, 유체 베어링) 일 수 있거나, 또는 애플리케이션에 따라, 엘리먼트들 사이의 회전은 허용하나 병진운동은 허용하지 않도록 구성된 다른 엘리먼트들 (예를들어, 볼-및-소켓 조인트) 일 수 있다. 또한, 도시된 '베어링'들 (예를들어, 1132d,e,g,h,i, 1142d,e,g,h,i, 1162d) 은, 착용자의 신체의 형태의 마주보는 양측 상에 복제된 쌍을 이루는 엘리먼트들 (전술 한 바와 같이) 을 강하게 결합시키도록 구성된 막대 봉 또는 핀을 포함할 수 있다. 또한, 막대 바 및/또는 핀이 도시되는 경우, 그외 회전 조인트나 기타 조인트가 애플리케이션에 따라 사용될 수 있음에 유의하여야 한다. 예를들어, 힌지 조인트, 볼-소켓 조인트, 하디-스파이(Hardy-Spicer) 조인트, 또는 다른 조인트가, 하나 이상의 차원에서 회전할 수 있으나 병진운동은 할 수 없는 두 개의 엘리먼트들을 필요로 하는 애플리케이션에 따라 사용될 수 있다.
[00249] 가요성 엑소수트 내의 강성 및 가요성 힘 전달 엘리먼트 및 액추에이터가, 착용자의 신체의 제1 세그먼트로부터 제2 세그먼트로 압축력의 전송을 추가적으로 가능하게 할 수 있다. 이는, 가요성 엑소수트가, 상기 액추에이터로 하여금, 제1 및 제2 세그먼트의 상대 운동에 최소한으로만 지장을 주기 위해 작동할 수 있도록, 전기적으로 작동되는 엘리먼트들을 사용하여 달성될 수 있다. 도 12a 및 도 12b는, 착용자(1205)의 허벅지와 종아리 사이에 압축력을 선택적으로 전송하도록 구성된 가요성 엑소수트(1200)의 부분들의, 측면도 및 배면도를, 각각 도시한다.
[00250] 가요성 엑소수트(1200)는, 제1 및 제2 강성 힘-전달 엘리먼트들(RFTEs)(1210, 1220)을 포함한다. 제1 및 제2 RFTE(1210, 1220)는, 상기 제1 및 제2 RFTE(1210, 1220)가 서로에 대해 회전하는 것을 허용하도록 구성된 베어링(1216, 1217)에 의해 서로 연결된다. 가요성 엑소수트(1200)가 (도 12a에 도시된 바와 같이) 착용자(1205)에 의해 착용될 때, 베어링(1216, 1217)의 회전축은, 반드시 동축일 필요는 없으나, 상기 착용자(1205)의 무릎(1207)의 회전 축과 근접하게 위치된다. 가요성 엑소수트(1200)는, 착용자(1205)의 허벅지와 종아리 사이에 압축력을 송신하는 가요성 엑소수트(1200)의 동작 및/또는 착용자(1205)의 무릎의 비교적 방해가 없는 움직임이, 무릎(1207)의 회전축 및 베어링(1216, 1217)의 회전축의 정확한 정렬을 조건으로 하지 않도록 구성된다. 상기 제1 및 제2 RFTE(1210, 1220)는, 각각 제1 및 제2 부착지점(1214, 1224)에서, 각각 제1 및 제2 힘-접속 엘리먼트(Force Coupling Elements: FCEs)(1212, 1222)에 연결된다. 상기 FCE(1212, 1222)는, 본 발명의 다른 곳에서 설명되고 있듯이 강성 및/또는 가요성 엘리먼트들을 포함할 수 있으며, 각각 착용자(1205)의 허벅지와 종아리 내로, 각각 상기 제1 및 제2 부착지점(1214, 1224)을 통해, 상기 RFTE(1210, 1220)로부터 상기 FCE(1212, 1222)로 전송되는 힘을 전송하도록 구성될 수 있다.
[00251] 가요성 엑소수트(1200)는, 상기 제2 RFTE(1220) 상의 각각의 풀리(1234, 1235) 주위를 감싸는 각각의 케이블(1232, 1233)에 접속된 제2 단부 및 상기 제2 RFTE(1220)에 견고하게 접속된 제1 단부를 갖는 엑소텐던(1230, 1231)을 포함한다. 상기 케이블(1232, 1233)은, 그후, 상기 제1 RFTE(1210) 상의 상기 부착지점(1214, 1224)에 각각 접속된다. 상기 엑소텐던(1230, 1231)이 언클러치될 때, 상기 RFTE(1210, 1220)는 착용자(1205)의 무릎의 움직임에 응하여 서로의 주위를 회전할 수 있다. 상기 엑소텐던(1230, 1231)이 클러치될 때, 상기 베어링(1216, 1217) 주위로의 상기 RFTE(1210, 1220)의 회전은, 상기 케이블(1232, 1233)에 의해 상기 RFTE(1210, 1220) 사이로 전송되는 인장력에 의해 금지될 수 있다. 그 결과, 압축력이, 상기 엑소텐던(1230, 1231)이 클러치될 때, 상기 부착지점(1214, 1224)을 통해 상기 착용자(1205)의 허벅지와 종아리 사이로 상기 가요성 엑소수트(1200)에 의해 전송되어질 수 있다.
[00252] 상기 가요성 엑소수트(1200)의 도시된 엘리먼트들은, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들이, 어떻게 상기 가요성 엑소수트의 엘리먼트들이, 제1 및 제2 신체 세그먼트들의 상대적 움직임을 실질적으로 방해하지 않도록 동작될 수 있으면서, 착용자의 신체의 제1 세그먼트로부터 제2 세그먼트로 압축력의 전송을 허락하도록 구성될 수 있는지에 대한 일 예에 단지 불과하다. 몇몇 실시예에서, 상기 액추에이터는, 꼬인 끈 액추에이터, 또는 어떤 다른 가요성 또는 강성 선형 액추에이터, 회전 액추에이터 (예를들면, 모터, 클러치) 를 포함할 수 있으며, 또는 액추에이터의 조합 (예를들어, STEM) 을 포함할 수 있다. 예를들어, 도 12a 및 도 12b에 도시된 엑소텐던, 케이블, 및 풀리 시스템 대신, 기계적인 클러치가 RFTE(1210, 1220)의 상대 운동을 방지하기 위해 베어링(1216, 1226) 상에 또는 근처에 위치될 수 있다. 상기 기계적인 클러치는, 가요성 엑소수트(1200)로 하여금 압축력 및 인장력 모두를 전송할 수 있도록 허용하면서, 어느 일 방향으로의 베어링의 회전을 방지하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 추가적인 케이블, 풀리 및 다른 엘리먼트들이, 가요성 엑소수트(1200)로 하여금 사용자의 세그먼트들 사이로 압축력 및/또는 인장력을 전송할 수 있도록 허용하면서, 적어도 하나의 엑소텐던이 어느 일 방향으로 또는 양 방향으로 베어링(1216, 1226)의 회전을 방지하도록 하게 할 수 있다.
[00253] 또한, 상기 도시된 가요성 엑소수트(1200)는, 추가 기능을 가능하게 하기 위해 추가적인 또는 대안적인 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 가요성 스트랩 또는 다른 엘리먼트들이, 가요성 엑소수트(1200)로 하여금 착용자(1205)의 허벅지와 종아리의 상대 운동을 실질적으로 방해하지 않도록 동작될 수 있게 하면서, 상기 RFTE(1210, 1220)가 착용자(1205)의 다리와 근접하게 유지되도록 및/또는 무릎(1207)의 회전축과 베어링(1216, 1217)의 회전축 사이에 어떤 최소한의 정렬이 유지되도록, 상기 RFTE(1210, 1220)에 접속될 수 있다. 제2 RFTE(1220)의 형상, 제2 RFTE(1220) 및/또는 엑소텐던(1230, 1231)의 표면 코팅 조성물, 또는 몇몇 기타 가요성 엑소수트(1200)의 측면들이, 캡스턴 효과를 통해 엑소텐던(1230, 1231)의 클러칭력을 향상시키기 위해, 특정될 수 있다. 즉, 가요성 엑소수트(1200)는, 상기 RFTE(1210, 1220)들 사이로 상기 케이블(1232, 1233)에 의해 전송된 힘의 상당 부분이, 엑소텐던(1230, 1231) 및/또는 상기 케이블(1232, 1233)의 표면과 제2 RFTE(1220)의 표면 (및/또는 제2 RFTE(1220)에 견고하게 기계적으로 결합된 어떤 엘리먼트의 표면) 사이에서 마찰을 통한 상기 제2 RFTE(1220) 내로 전송되도록, 구성될 수 있다. 착용자의 신체 세그먼트들 사이로 압축력을 전송하도록 구성된 가요성 엑소수트의 다른 구성들이 예상된다.
[00254] 도 11a-11i에서와 같이, 착용자의 발과 종아리 사이에, 혹은 도 12a-12b에서와 같이, 착용자의 종아리와 허벅지 사이에, 힘을 인가하도록 구성된 가요성 엑소수트의 엘리먼트들의 설명은, 예시하기 위한 것으로 의도된다. 가요성 엑소수트는, 착용자의 신체의 상이한 세그먼트들 사이에 및/또는 착용자의 신체의 상이한 관절들을 가로질러, 압축력 및/또는 인장력을 전송하기 위해 유사한 구조를 포함할 수 있다. 예를들어, 도 11a-11i 및/또는 도 12a-12b에 도시된 것과 유사한 구조는, 최소한의 변형으로, 착용자의 팔꿈치, 손목, 어깨, 엉덩이, 무릎, 발목, 및/또는 다른 관절 및/또는 관절의 조합에 토크를 인가하도록 구성될 수 있다. 또한, 도 11a-11e 및 11g-11i 에서의 꼬인 끈 액추에이터의 사용 및 도 11h-i 및 도 12a-b 에서의 엑소텐던의 사용은, 액추에이터의 예시적인 예로서 의도된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 가요성 선형 액추에이터, 꼬인 끈 액추에이터, 엑소텐던, EPAM, STEM, 모터-드럼-구동 케이블, 서보 모터, 공압 또는 유압 피스톤, 랙 및 피니언, 전동 나사 드라이버 또는 볼 스크류, 또는 다른 액추에이터들이, 애플리케이션에 따라 예시된 꼬인 끈 액추에이터 또는 엑소텐던 대신 사용될 수 있다.
X. 하측 팔다리 이동에 대한 엔도-
헤르
모델(
Endo
-Herr
model
)
[00255] 도 13a는, 사람의 다리(1300)의 엔도-헤르 모델의 개략도를 도시한다. 즉, 상기 모델은, 감소된 세트의 액추에이터 (즉, 3개의 활성 힘 변환기 및 7개의 엑소텐던) 를 이용하여 다리의 이동을 시뮬레이션하는데 사용될 수 있다. 상기 모델은, 다리와 몸통의 뼈들을 나타내는 강성 엘리먼트들을 포함한다; 특히, 이 모델은 발(1310a), 경골(1310b), 대퇴골(1310c), 그리고 몸통과 골반(1310d)을 포함한다. 상기 모델은 추가적으로, 발목(1315a), 무릎(131b), 및 엉덩이(1315c)를 포함한 다리 관절의 평면상의 움직임을 나타내는 핀 조인트를 포함한다. 뼈와 관절은, 질량, 관성 모멘트, 마찰 및 감쇠 계수, 또는 다른 속성들을 포함하여 인체 해부학에 관한 그들의 상사 엘리먼트들에 따라 시뮬레이션된 특성을 포함할 수 있다.
[00256] 상기 모델(1300)은, 스프링과 직렬로 접속된 힘-발생 엘리먼트를 포함하는 힘 변환기를 포함한다. 이들 힘 변환기는, 이동 중에 다리에 에너지를 추가할 수 있는 기능을 포함하여 근육의 몇몇 성질들을 시뮬레이션하도록 의도되어 진다. 상기 힘 변환기는, 경골(1310b)들 사이에 접속되는 발목 발바닥 굴근(plantar flexor)(1330a) 및 결국 발(1310a)에 연결되는 스프링(1325)을 포함하는바, 그리하여 상기 발바닥 굴근(1330a) 및 스프링(1325)이 함께 발목(1315a)을 가로지르도록 된다. 상기 힘 변환기는 추가로, 엉덩이(1315c)를 가로질러 몸통과 골반(1310d) 및 대퇴골(1310c) 사이에 연결된 고관절 신근(hip extensor)(1330b) 및 고관절 굴근(hip flexor)(1330c)을 포함한다. 힘 변환기(1330a, 1330b, 1330c)의 특성들이, 인체 해부학의 엘리먼트들, 활용가능한 인공 변환기들을 나타내기 위해, 또는 어떤 다른 제약조건이나 애플리케이션에 따라, 선택될 수 있다.
[00257] 상기 모델(1300)은, 스프링과 직렬로 연결된 클러치를 포함하는 엑소텐던을 포함한다. 이들 엑소텐던은, 이동 중에 다리로부터 에너지를 저장하는, 다리로부터 에너지를 발산하는, 및/또는 다리로부터 저장된 에너지를 방출하기 위한, 능력을 포함하여, 엑소텐던의 몇몇 특성들을 시뮬레이션하도록 의도된다. 상기 엑소텐던은 추가적으로, 더 효율적인 이동능력을 가능하게 하도록 시뮬레이션된 다리의 움직임 도중에 변조되어질 엑소텐던의 컴플라이언스 및/또는 에너지 저장을 가능하게 하는, 클러치를 포함할 수 있다. 상기 엑소텐던은, 무릎(1315b)을 가로질러 대퇴골(1310c) 및 경골(1310b) 사이에 연결된 무릎 신근(1320c)과 무릎 굴근(1320f)을 포함한다. 상기 엑소텐던은 추가로, 엉덩이(1315c)와 무릎(1315b) 모두를 가로질러 몸통과 골반(1310d) 및 경골(1310b) 사이에 연결된 전방 대퇴골 엑소텐던(1320b) 및 후방 대퇴골 엑소텐던(1320g)을 포함할 수 있다. 상기 엑소텐던은 추가로, 엉덩이(1315c)를 가로질러 몸통과 골반(1310d) 및 대퇴골(1310c) 사이에 연결된 또다른 고관절 굴근(1320a)을 포함한다. 상기 엑소텐던은 추가로, 발목(1315a)을 가로질러 경골(1310b)과 발(1310a) 사이에 연결된 발목 배굴근(dorsiflexor)(1320d)을 포함한다. 상기 엑소텐던은 추가로, 결국 발(1310a)에 연결되어 있는 스프링(1325) 및 대퇴골(1310c) 사이에 연결되는 후방 경골 엑소텐던(1320e)을 포함하는바, 그리하여 상기 후방 경골 엑소텐던(1320e) 및 스프링(1325)이 함께 발목(1315a) 및 무릎(1315b)을 가로지르도록 되어 있다. 상기 엑소텐던(1320a, 1320b, 1320c, 1320d, 1320e, 1320f, 1320g) 및 스프링(1325)의 특성들은, 인체 해부학의 엘리먼트들, 활용가능한 인공 변환기들 또는 다른 클러치된 컴플라이언스 구성요소들을 나타내기 위해, 또는 어떤 다른 제약조건이나 애플리케이션에 따라, 선택될 수 있다.
[00258] 상기 모델(1300)은, 다리(leg) 상의 상기 힘 변환기의 힘-발생 엘리먼트 및/또는 상기 엑소텐던의 클러치의 일련의 활동 효과를 시뮬레이션하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 일련의 시뮬레이션은, 엑소텐던 특성, 힘 변환기 특성, '클러치 및 힘-발생 엘리먼트 활성화 타이밍', 및/또는 일부 메트릭을 최적화하기 위한 다른 모델 특성의 세트를 개발하기 위해 사용될 수 있다. 예를들어, 상기 모델을 사용하는 시뮬레이션은, 최소한의 에너지를 이용하여 시뮬레이션된 이동을 가능하게 하는, 한 세트의 '클러치 및 힘-발생 엘리먼트 활성화 타이밍'을 개발하기 위해 사용될 수 있다. 기타 메트릭들이, 시스템 안정성, 섭동 허용, 세그먼트 저크(segment jerk), 관절 각 가속, 순간 전력 사용, 또는 다른 요인들을 포함하여, 최적화될 수 있다.
[00259] 상기 모델(1300)은, 가요성 엑소수트, 보철, 보조 장치, 또는 기타 인간의 다리의 애플리케이션이나 다른 인간의 다리와 관련된 장치를 위한 제어 알고리즘을 개발하는데 사용될 수 있다. 예를들어, 보철 다리(의족)가, 상기 모델(1300)에서 엘리먼트들의 구성을 반영하기 위해 (즉, 힘 변환기와 같은 엘리먼트 및 엑소텐던과 같은 엘리먼트를 포함하기 위해) 구성될 수 있다. 그후, 상기 의족은, 상기 모델(1300) (예를들면, 한 세트의 '클러치 및 힘-발생 엘리먼트 활성화 타이밍') 의 출력에 따라 이동되어지도록 동작될 수 있다. 다른 예에서, 상기 모델(1300)은, 상기 모델(1300)에서의 엘리먼트들의 구성 (예를들면, 상기 보철, 또는 가요성 엑소수트) 을 반영하기 위해 구성되는 장치를 위한 컨트롤러를 테스트 및/또는 훈련하는데 사용될 수 있다. 즉, 컨트롤러의 이득, 타이밍, 토폴로지, 또는 다른 측면은, 상기 모델을 사용하여 수행된 시뮬레이션에 기초하여, 최적화되거나, 훈련되거나, 검증되거나, 또는 기타 특정화될 수 있다. 상기 모델(1300)의 다른 용도 및 애플리케이션이 예상된다.
[00260] 몇몇 실시예에서, 상기 모델(1300)은, 관절 각도, 관절 각속도, 관절 토크, 및 정형화된 이동 사이클에 걸친 기타 이동 변수를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이 정형화된 이동 사이클은, 상기 모델의 동작에 대한 추가적인 제약조건들을 포함함으로써, 예를들면, 안정적인, 최대한 효율적인 이동 사이클의 개발을 시도함으로써, 결정될 수 있다. 상기 정형화된 이동 사이클에 관한 상기 결정된 정보로부터, 한 세트의 관절 각, 한 세트의 관절 각속도, 운동 위상(locomotive phase), 및/또는 한 세트의 관절 토크 사이의 매핑 혹은 기타 관련성이 얻어진다. 예를들어, 한 세트의 관절 각 및 관절 각속도가 주어지면, 대응되는 운동 위상 (예를들면, 정형화된 운동 위상의 시작으로부터 60 % 포인트) 을 결정할 수 있다. 그후, 상기 결정된 운동 위상에 대응하는 한 세트의 관절 토크를 결정할 수 있다.
[00261] 엔도-헤르 모델(1300) 또는 엔도-헤르 모델(1300)을 포함한 몇몇 다른 모델은, 가요성 엑소수트, 보철, 보조 장치, 또는 인간의 다리와 관련된 다른 디바이스의 컨트롤러의 일부로서 구현될 수 있다. 예를들어, 어떤 컨트롤러는, 인간의 다리에 관한 검출된 정보 (예를들면, 관절 각도, 관절 속도, 관절 토크, 다리의 소유자로부터의 사용자 인터페이스 명령, 등) 에 기초하여, 상기 모델(1300) 내의 힘-발생 엘리먼트 및 클러치를 위한 한 세트의 활성화를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 모델(1300)의 구현은, 상기 컨트롤러에 포함될 수 있으며, 상기 생성된 세트의 활성화에 기초하여 시뮬레이션된 세트의 관절 토크를 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 컨트롤러의 다른 엘리먼트들이, 상기 모델(1300)의 구현에 의해 생성된 상기 세트의 시뮬레이션된 관절 토크의 세트를 근사화시키는 인간의 다리에 대한 토크를 생성하기 위해, 인간의 다리와 상호작용하는 가요성 엑소수트 또는 기타 장치를 동작시키도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 어떤 컨트롤러는, 인간의 다리에 관한 검출된 정보에 기초하여, 인간의 다리를 위한 한 세트의 관절 토크를 생성하도록 구성될 수 있다. 힘-발생 엘리먼트 및 클러치를 위한 한 세트의 활성화를 생성하도록 및 상기 생성된 세트의 활성화에 기초하여 인간의 다리와 상호작용하는 가요성 엑소수트 또는 기타 장치를 동작시키도록, 상기 모델(1300)의 역 구현(inverse implementation)이 상기 컨트롤러에 포함될 수 있다. 상기 엔도-헤르 모델(1300) 또는 상기 엔도-헤르 모델(1300)을 포함하는 어떤 다른 모델의 기타 용도 및 구현이 예상된다.
[00262] 상기 엑소텐던(1320a, 1320b, 1320c, 1320d, 1320e, 1320f, 1320g), 스프링(1325), 및 힘 변환기(1330a, 1330b, 1330c)의 속성 및 동작 패턴이, 인간으로부터 기록된 힘, 모멘트, 운동력, 또는 다른 운동 특성을 모방하기 위해 선택될 수 있다. 예를들어, 인간의 보행 중에 인간의 뼈에 대해 인간의 근육에 의해 인가되는 토크의 패턴이 기록될 수 있다. 상기 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트 (예를들어, 1320a-g, 1325, 1330a-c) 의 작동의 특성과 패턴은 특정화될 수 있는바, 그리하여 상기 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트(1320a-g, 1325, 1330a-c)에 의해 상기 시뮬레이션된 골격(1310a-d)의 관절(1315a-c)에 인가된 토크가, 상기 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트(1320a-g, 1325, 1330a-c)에 의해 수행된 상기 시뮬레이션된 작업 및/또는 상기 기록된 토크에 관련된 어떤 코스트 기능(cost function)을 최대화 및/또는 인간으로부터 기록된 토크를 모방하도록 한다.
[00263] 도 14는, 이동하는 동안 인간으로부터 기록된 관절 토크의 패턴을 모방하는 엑소텐던(1320a-g) 및 힘 변환기(1330a-c)를 동작시키는 타이밍 패턴(1400)을 도시한다. 상기 타이밍 패턴(1400)은, 정규화된 전위 주기(normalized locomotor cycle)에 대한 엑소텐던(1320a-g) 및 힘 변환기(1330a-c)의 활성화 타이밍을 나타내는바, 즉, 정규화된 전위 주기는, 보행이나 주행의 0 % (발 뒤꿈치가 지면을 가격하는 순간으로서 정의됨, 제1 뒤꿈치 가격)(1401) 로부터 100 % (후속되는 뒤꿈치 가격의 순간으로서 정의됨, 제2 뒤꿈치 가격)(1403) 까지이다. 발이 지표면으로부터 올라가는 순간 (스윙의 시작(1407)) 이 또한 도시된다. 블랙 바(black bar)는, 각각의 액추에이터가 활동적인 상기 정규화된 전위 주기의 기간, 즉, 엑소텐던(1320a-g)이 클러치되거나 또는 힘 변환기(1330a-c)가 인장력을 생성하도록 작동 중인 때를 나타낸다.
[00264] 힘 변환기(각각, 1330a-c)의 활성화 레벨 (미도시) 및 활성화 타이밍(1430a-c)이, 상기 기록된 토크를 모방하는 발목(1315a)에서 및 엉덩이(1315c)에서 시뮬레이션된 토크를 생성하도록 ('1430b' 및 '1430c'를 사용), 특정화될 수 있다. 상기 시뮬레이션된 힙 토크(hip torques)는, 독립적인 고관절 신근(1330c) 및 고관절 굴근(1330b) 힘 액추에이터의 존재에 기하여, 정확하게 상기 기록된 토크를 모방한다. 상기 시뮬레이션된 발목 토크(1411)는, 상기 발목 신근 힘 액추에이터(1330a)에 의해 부분적으로 생성되고, 상기 기록된 발목 토크와 밀접하게 매칭된다.
[00265] 각각의 엑소텐던(1320a-g)의 액추에이션(1420a-g)의 특정된 컴플라이언스 및 타이밍은, 힘 변환기(1330a-c)에 의해 사용되는 시뮬레이션된 에너지에 대해, 또는 어떤 다른 코스트 기능, 코스트 기능의 조합, 또는 어떤 다른 제약조건 및/또는 고려사항에 따라, 상기 시뮬레이션된 관절 토크(1411, 1413) 및 기록된 관절 토크 사이의 일치성(correspondence)을 극대화하기 위한 최적화 프로세스를 사용하여 특정된다. 기록된 토크 패턴들은, 한 개인으로부터, 개개인들의 전체 주민으로부터, 또는 어떤 다른 소스로부터 (예를들면, 인간의 웅크린 운동, 점핑, 런닝, 혹은 어떤 다른 하체의 애플리케이션을 위해 적합한 어떤 방식이도록 어떤 모델이나 시뮬레이션으로부터 결정된 토크 패턴으로부터), 유래할 수 있다. 또한, 액추에이터 활성화(1400)의 레벨 및 패턴을 생성하는데 사용되는 엔도-헤르 모델(1300)의 파라미터들은, 특정 개인 (예를들어, 신체 세그먼트(1310a-d)의 중량은 일 개인의 중량과 관련될 수 있음) 및/또는 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트들의 특정화된 물리적 구현 (예를들어, 엑소텐던(1320a-g)의 컴플라이언스는 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트들의 구성을 모방하도록 구성된 가요성 엑소수트의 대응되는 엑소텐던의 컴플라이언스에 기초하여 특정될 수 있음) 에 기초하여 지정될 수 있다. 특정 개인 및/또는 엔도-헤르 모델(1300)의 물리적 구현을 위해 특정화된 파라미터들을 갖는 모델로부터 생성된 액추에이터 활성화(1400)의 레벨 및 패턴은, 상기 특정 개인에게 힘 및/또는 토크를 인가하는데 사용되는 엔도-헤르 모델의 특정 물리적 구현의 엘리먼트들을 동작시키는데 사용될 수 있다.
[00266] 어떤 시뮬레이션된 행동이나 목적을 가능하게 하는 엔도-헤르 모델(1300)의 시뮬레이션된 엘리먼트들의 제어에 대한 더 복잡한 방법들이, 구현될 수 있다. 컨트롤러는, 상태 머신, 피드백 루프, 피드 포워드(feed-forward) 컨트롤러, 룩업 테이블(LUT), 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러, 역 기구학(kinematic) 모델, 상태-공간 컨트롤러, 뱅-뱅(bang-bang) 컨트롤러, 선형-이차-가우시안(linear-quadratic-gaussian: LQG) 컨트롤러, 기타 컨트롤러 및/또는 컨트롤러들의 조합을 포함할 수 있다. 컨트롤러의 파라미터, 토폴로지, 또는 기타 구성적 측면은, 특정 개인에게 힘 및/또는 토크를 인가하는데 사용되는 엔도-헤르 모델의 특정 물리적 구현 및/또는 어떤 다른 애플리케이션을 제어하는데 사용되기 전의 시뮬레이션에 있어서 (상기 코스트 기능 및 상기 약술된 제약조건에 유사한 어떤 제약조건이나 코스트 기능에 따라서, 또는 몇몇 다른 애플리케이션에 따라서), 최적화될 수 있다. 컨트롤러의 동작을 시뮬레이션하기 위해 사용되는 엔도-헤르 모델(1300)의 파라미터들은, 특정 개인 및/또는 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트들의 특정 물리적 구현에 기초하여, 특정화될 수 있다.
[00267] 도 15a는, 엔도-헤르 모델(1300)의 엑소텐던(1320a-g) 및 시뮬레이션된 힘 변환기(1330a-c)를 동작시키도록 구성된 한 세트의 상태 머신 컨트롤러(1510, 1520, 1530)를 도시한다. 상기 상태 머신 컨트롤러(1510, 1520, 1530)의 각각은, 상기 전위 주기(locomotor cycle)에서 각각의 이벤트에 기초하여 상태를 변화시킨다. 또한, 상기 상태 머신 컨트롤러(1510, 1520, 1530)의 각각은, 해당 관절의 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트들을 동작시키도록 구성된다; 즉, '1510'은 관절(1315a)과 관련된 엘리먼트들(1330a, 1320d)을 제어하고, '1520'은 무릎(1315b)과 관련된 엘리먼트들(1320b, 1320c, 1320e, 1320f, 1320g)들 제어하며, '1530'은 엉덩이(1315c)와 관련된 엘리먼트들(1330b, 1330c)을 제어한다. 많은 개수의 동적 컨트롤러들 (미 도시됨) 이, 힘 변환기(1330a-c)에 의해 생성된 힘의 크기를 제어하는 상태 머신 컨트롤러(1510, 1520, 1530)에 의해 활성화될 수 있다. 또한, 상기 엑소텐던(1320b-g)은, 각각의 상태 머신 컨트롤러(1510, 1520, 1530)의 특정된 전이 도중 클러치하도록, 및 각각의 엑소텐던(1320b-g)에 의해 전송되는 힘이 클러치에 뒤이어 실질적으로 제로가 될 때에 언클러치하도록 구성되어 있다.
[00268] 발목 상태 머신 컨트롤러(1510)는, 제1, 제2 및 제3 상태(1511, 1513, 1515)를 갖는다. 발목 상태 머신 컨트롤러(1510)는, 발(1310a)이 처음 지면과 접촉할 때 (또한, '뒤꿈치 가격'(heal strike)이라고도 함) 제3 상태(1515)로부터 제1 상태(1511)로 전이하며; 이 전이는 엑소텐던(1520d)의 클러칭으로 귀결된다. 발목 상태 머신 컨트롤러(1510)는, 발(1310a)이 처음 지면에서 편평하게 될 때 제1 상태(1511)로부터 제2 상태(1513)로 전이하며; 이 전이는, 발(1310a)과 지면 사이의 지면의 반작용력이 어떤 설정 레벨이 되도록 하는 힘을 생성하기 위해 발목 힘 변환기(1330a)를 작동시키도록 구성되는 힘-피드백 컨트롤러에 의해 제어되는 발목 힘 변환기(1330a)로 귀결된다. 제1 및 제2 상태(1511, 1513)는, 인간 운동의 입각기(stance phase)에 유사한 것으로 간주될 수 있다. 발목 상태 머신 컨트롤러(1510)는, 발(1310a)이 처음 지면과 접촉에서 떠나게 될 때 제2 상태(1513)로부터 제3 상태(1515)로 전이하며; 이 전이는, 발목 관절(1315a)의 각도가 어떤 설정된 레벨이 되도록 하는 힘을 생성하기 위해 발목 힘 변환기(1330a)를 작동시키도록 구성되는 '로우-게인 비례-미분(Proportional-derivative: PD) 컨트롤러'에 의해 제어되는 발목 힘 변환기(1330a)로 귀결된다. 상기 설정 레벨은, 발(1310a)이 뒤꿈치를 먼저 지면에 접촉시키게 만들도록 특정될 수 있다. 제3 상태(1515)는, 인간 운동의 유각기(swing phase)와 유사한 것으로 간주될 수 있다.
[00269] 고관절 상태 머신 컨트롤러(1530)는, 제1 및 제2 상태(1531, 1533)를 갖는다. 고관절 상태 머신 컨트롤러(1510)는, 발(1310a)이 처음 지면과 접촉할 때 (또한, '뒤꿈치 가격'(heal strike)이라고도 함) 제2 상태(1533)로부터 제1 상태(1531)로 전이하며; 이 전이는, 고관절(1315c)의 각도가 어떤 설정된 레벨이 되도록 하는 힘을 생성하기 위해 고관절 힘 변환기(1330b, 1330c)를 작동시키도록 구성되는 '제1 PD 컨트롤러'에 의해 제어되는 고관절 힘 변환기(1330b, 1330c)로 귀결된다. 상기 설정 레벨은, 전방 이동을 가능하게 하기 위해 각 시뮬레이션된 전위 주기 동안 충분히 엔도-헤르 모델(1300) 다리의 엘리먼트들이 앞쪽으로 스윙하도록 특정될 수 있다. 고관절 상태 머신 컨트롤러(1510)는, 유각기 도중 무릎(1315b)이 최대로 신장하기에 이를 때 (즉, 발목 상태 머신 컨트롤러(1510)가 제3 상태(1515)를 차지할 때) 제1 상태(1531)로부터 제2 상태(1533)로 전이하며; 이 전이는, 몸통과 골반(1310d) 세그먼트 및 중력 사이의 각도와 어떤 설정된 레벨이 되도록 하는 힘을 생성하기 위해 고관절 힘 변환기(1330b, 1330c)를 작동시키도록 구성되는 '제2 PD 컨트롤러'에 의해 제어되는 고관절 힘 변환기(1330b, 1330c)로 귀결된다. 상기 설정 레벨은, 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트들이 안정되도록 (즉, 상기 엘리먼트들이 갑자기 중단되지 않도록) 특정될 수 있다.
[00270] 무릎 상태 머신 컨트롤러(1520)는, 제1, 제2, 제3 및 제4 상태(1521, 1523, 1525, 1527)를 갖는다. 무릎 상태 머신 컨트롤러(1520)는, 무릎(1315b)이 입각기 도중 최대 굴곡 상태에 다다를 때 (즉, 발목 상태 머신 컨트롤러(1510)가 제1 및 제2 상태(1511, 1513) 중의 어느 하나를 차지할 때) 제4 상태(1527)로부터 제1 상태(1521)로 전이하며; 이 전이는 엑소텐던(1520e)의 클러칭으로 귀결된다. 무릎 상태 머신 컨트롤러(1520)는, 발(1310a)이 처음 지면과 접촉에서 떠나게 될 때 제1 상태(1521)로부터 제2 상태(1523)로 전이하며; 이 전이는, 엑소텐던(1520b)의 클러칭으로 귀결된다. 무릎 상태 머신 컨트롤러(1520)는, 무릎(1315b) 각도가 유각기 도중 최대 무릎 굴곡 상태에 뒤이어 48도와 같아질 때 (즉, 발목 상태 머신 컨트롤러(1510)가 제3 상태(1515)를 차지할 때) 제2 상태(1523)로부터 제3 상태(1525)로 전이하며; 이 전이는 엑소텐던(1520f, 1520g)의 클러칭으로 귀결된다. 무릎 상태 머신 컨트롤러(1520)는, 무릎(1315b)이 유각기 도중 최대 신장상태에 다다를 때 (즉, 발목 상태 머신 컨트롤러(1510)가 제3 상태(1515)를 차지할 때) 제3 상태(1525)로부터 제4 상태(1527)로 전이하며; 이 전이는, 엑소텐던(1520c)의 클러칭으로 귀결된다.
[00271] 도 15b는, 전술한 바와 같은 상태 머신 컨트롤러(1510, 1520, 1530)를 사용하여 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트들의 동작으로부터 결과하는 정규화된 전위 주기에 걸쳐서, 상태 머신 컨트롤러의 상태(1551, 1553, 1555)(제1, 제2, 및 제3 상태 머신 컨트롤러(1510, 1520, 1530), 각각), 시뮬레이션된 관절 각도(1561b, 1563b, 1565b)(발목(1315a), 무릎(1315b), 및 엉덩이(1315c), 각각), 및 시뮬레이션된 관절 토크(1571b, 1573b, 1575b)(발목(1315a), 무릎(1315b), 및 엉덩이(1315c), 각각) 의 시간 경과(time course)를 보여줍니다. 또한, 관절 각도(1561a, 1563a, 1565a)(발목(1315a), 무릎(1315b), 및 엉덩이(1315c), 각각), 및 관절 토크(1571a, 1573a, 1575a)(발목(1315a), 무릎(1315b), 및 엉덩이(1315c), 각각)가 도 5b에 보여지는바, 상기 상태 머신 컨트롤러(1510, 1520, 1530)가 생태정확도(biofidelic) 방식으로 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트들을 동작시킬 수 있음을 보여주기 위함이다; 즉, 상기 패턴과 유사하게 사람은 운동에 영향을 미치기 위해 근육을 사용한다.
[00272] 상기 엔도-헤르 모델(1300)은 대형 모델의 일부로서 구현될 수 있다. 도 13b는, 엔도-헤르 모델(1300)의 엘리먼트들에 대응하는 엘리먼트들(엘리먼트 1310a-d, 1315a-c, 1320a-g, 1325, 1330a-c)의 각각에 대응하는, 엘리먼트들(1312a-d, 1317a-c, 1322a-g, 1327, 1332a-c)을 포함하는 조합 모델(1350)을 보여준다. 발, 경골, 대퇴골, 및 몸통과 골반에 대응되는 강성 엘리먼트들(1312a, 1312b, 1312c, 및 1312d, 각각)은, 엔도-헤르 모델(1300)의 해당 엘리먼트들(1310a, 1310b, 1310c, 및 1310d)의 특성에 추가하여 기하학적 범위 및 기타 특성을 가지고 있다. 상기 강성 엘리먼트들(1312a, 1312b, 1312c, 및 1312d)의 기하학적 범위와 상대적 위치는, 개별적인 인간, 해부학적 데이터베이스, 이상화된 '평균' 인간의 골격에 대한 설명, 또는 어떤 다른 소스로부터의 해부학적 데이터에 기초할 수 있다. 상기 힘 변환기(1332a, 1332b, 1332c), 상기 엑소텐던(1322a, 1322b, 1322c, 1322d, 1322e, 1322f, 1322g), 및 스프링(1325)의 특성들이, 보철, 가요성 엑소수트, 활용가능한 인공 변환기의 엘리먼트들을 나타내기 위해, 혹은 어떤 다른 제약 조건 또는 애플리케이션에 따라서, 선택될 수 있다.
[00273] 상기 조합 모델(1350)은 추가적으로 시뮬레이션된 근육(1352)을 포함할 수 있다. 시뮬레이션된 근육의 위치, 기원, 삽입, 행동, 생물-역학적(biomechanocal) 특성, 여유(slack) 길이, 힘-속도 곡선, 및 기타 특성들이, 개별 인간으로부터의 생리적 및 해부학적 데이터, 다수개의 인간들로부터의 생리학적 및/또는 해부학적 데이터베이스, 다수개의 인간들로부터의 생리학적 및/또는 해부학적 데이터베이스로부터 산출된 통계값, 또는 어떤 다른 소스에 기초할 수 있다.
[00274] 상기 조합 모델(1350)은, 이동 도중 혹은 다른 테스크 도중에, 가요성 엑소수트 또는 다른 보조 장치의 착용자를 모델링하는데 사용될 수 있다. 상기 시뮬레이트션된 근육(1352)의 활성화, 상기 강성 엘리먼트들(1312a, 1312b, 1312c, 1312d)의 움직임, 및 이러한 시뮬레이션의 다른 측면들이, 개별 사용자로부터 수집 된 데이터에 의해 정의될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 강성 엘리먼트들(1312a, 1312b, 1312c, 1312d)의 움직임, 및 이러한 시뮬레이션의 다른 측면들이, 이러한 시뮬레이션의 지속적인 특성에 기초할 수 있다; 예를들어, 시뮬레이션 된 근육(1352) 활성화는, 시뮬레이션 신경계 또는 상기 조합 모델(1352)의 상태에 기초된 다른 컨트롤러에 의해 생성될 수 있으며, 및/또는 상기 강성 엘리먼트들(1312a, 1312b, 1312c, 1312d)의 위치는, 상기 조합 모델(1352)의 운동역학(kinematics), 토크 혹은 기타 출력에 기초할 수 있다. 상기 조합 모델(1352)을 사용하는 시뮬레이션은, 상기 시뮬레이션된 몸통과 골반(1312d)에 견고하게 혹은 기타 방식으로 부착된 시뮬레이션된 부하의 존재를 포함할 수 있다.
[00275] 상기 조합 모델(1350)은, 가요성 엑소수트, 보철, 보조 장치, 또는 다른 인간 다리의 기타 애플리케이션이나 인간 다리에 관한 기타 장치에 대한 제어 알고리즘을 개발하는데 사용될 수 있다. 예를들어, 상기 모델(1350)은, 상기 모델(1350)의 비-해부학적 엘리먼트 (예를들면, 가요성 엑소수트) 의 구성을 반영하도록 구성된 장치를 위한 컨트롤러를 테스트 및/또는 훈련하는데 사용될 수 있다. 즉, 어떤 컨트롤러의 이득, 타이밍, 토폴로지, 또는 다른 측면들이, 상기 조합 모델(1350)을 사용하여 수행된 시뮬레이션에 기초하여, 최적화, 훈련, 검증, 또는 그렇지 않으면 특정화가 될 수 있다. 상기 조합 모델(1350)은, 어떤 활동 (일예로, 이동, 점핑) 을 수행하기 위해 및/또는 어떤 식으로든 더 적합한 방식으로 (일예로, 더 효율적으로) 정렬 작업을 수행하기 위해, 상기 장치의 착용자의 시뮬레이션되지 않은 다리를 지원하는 디바이스의 엘리먼트들을 활성화하는 컨트롤러를 훈련하는데 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 조합 모델(1350)은, 다리를 사용하는 상기 착용자가 비교적 방해받지 않으면서, 상기 장치의 착용자의 시뮬레이션되지 않은 다리의 부상을 방지하는 디바이스의 엘리먼트들을 활성화하는 컨트롤러를 훈련하는데 사용될 수 있다. 상기 조합 모델(1350)의 다른 용도와 애플리케이션이 예상된다.
XI
.
가요성
엑소수트의
액추에이터의 구성
[00276] 가요성 엑소수트는, 다양한 애플리케이션에 따라 다양한 방법으로 구성될 수 있다. 실제로, 상기 엑소수트를 다양한 애플리케이션을 위한 인간 보강 플랫폼으로서 수립하는 소프트웨어 및 엘리먼트의 선택에 있어서 이러한 융통성이 존재하고 있다. 또한, 가요성 엑소수트는 전체 토폴로지에 따라 구성될 수 있고 (예를들면, 착용자의 무릎에 굴근 토크를 인가하도록 구성 꼬인 끈 액추에이터 및 착용자의 발목에 신근 토크를 인가하도록 구성된 엑소텐던을 가짐), 개별 착용자에 따라 특정화된 특정 파라미터나 측정값을 가질 수 있으며, 및/또는 개별 착용자를 수용하기에 조절가능한 하나 이상의 파라미터나 측정값을 갖도록 구성될 수도 있다. 가요성 엑소수트는, 하체, 상체, 몸통 또는 착용자의 이들 부분들의 일부 또는 전부의 조합으로, 힘을 인가하도록 구성될 수 있다. 가요성 엑소수트는, (착용자의 신체의 일측에 대해, 반대측에 대해서 만큼, 동일한 타입의 힘 및 토크를 인가할 수 있는) 대칭일 수도 있으며, (일측 팔다리에 부상을 경험했으나 타측 팔다리에는 그렇지 않은 착용자에게 보강 및/또는 재활을 가능하게 하기 위해) 비대칭일 수도 있다. 가요성 엑소수트의 구성의 다른 전체 토폴로지들은, 가요성 엑소수트의 각각의 애플리케이션에 대응될 수 있거나, 및/또는 그에 의해 특정화될 수 있다.
[00277] 도 16a, 16b, 및 16c는, 착용자(1605)의 몸통 및 하부 팔다리에 착용자(1605)에 의해 착용되는 가요성 엑소수트(1600)를 도시하는 개략 측면도, 전면도, 및 후면도를 각각 보여준다. 착용자(1605)의 발목(1615a), 무릎(1615b), 엉덩이(1615c)가, 착용자(1605)의 관절들이 가요성 엑소수트(1600)의 개별 액추에이터( 1620a-g, 1630a-c)에 의해 크로스되는 것을 나타내기 위해, 도시되고 있다. 상기 가요성 엑소수트는, 각각, 발목(1615a)에 신근 토크를, 엉덩이(1615c)에 신근 토크를, 엉덩이(1615c)에 굴곡 토크를 인가하도록 구성된 가요성 선형 액추에이터(1630a, 1630b, 1630c) (예를들어, 꼬인 끈 액추에이터(TSA)) 를 포함한다. 상기 가요성 엑소수트(1600)는 추가적으로, 각각, 착용자(1605)의 하부 팔다리/하부 등에 굴근 힘을, 엉덩이(1615c)에 굴근 토크 및 무릎(1615b)에 신근 토크를, 무릎(1615b)에 신근 토크를, 발목(1615a)에 굴근 토크를, 무릎(1615b)에 굴근 토크 및 발목(1615a)에 신근 토크를, 무릎(1615b)에 굴근 토크를, 엉덩이(1615c)에 신근 토크 및 무릎(1615b)에 굴근 토크를, 인가하도록 구성된 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들(1620a, 1620b, 1620c, 1620d, 1620e, 1620f, 1620g) (예를들어, 엑소텐던) 포함한다. 상기 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들은, 상이한 컴플라이언스 레벨들 간의 스위칭이 가능하도록 및/또는 기계적 에너지의 저장 및 그 후의 방출이 가능하도록, 구성될 수 있다.
[00278] 상기 가요성 엑소수트(1600)는, 기타 엘리먼트 및 액추에이터 (도시 생략)를 포함할 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1600)는, 가요성 엑소수트(1600)의 하나 이상의 특성, 착용자(1605), 및/또는 가요성 엑소수트(1600)의 환경을 검지하는 센서를 포함할 수 있다. 상기 센서들은, 이산적일 수 있거나, 혹은 액추에이터들(1620a-g, 1630a-c)의 어셈블리 내에 내포 또는 그들의 일부로서 통합될 수 있다. 상기 센서는, 가속도계, 자이로스코프, 스트레인 게이지, 로드 셀, 인코더, 변위 센서, 커패시턴스 센서, 바이오 센서, 온도계, 또는 센서의 다른 유형을 포함할 수 있다. 가요성 엑소수트(1600)는, 착용자(1605)의 정보를 표시하도록 동작될 수 있는 햅틱 피드백 엘리먼트를 포함하여, 피드백 엘리먼트를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 액추에이터(1620a-g, 1630a-c)는, 착용자(1605)의 햅틱 정보를 표시하도록 동작될 수 있다. 가요성 엑소수트는 추가적으로, 컨트롤러, 배터리, 엔진, 연료 전지, 통신 장치, 사용자 인터페이스, 또는 본원에 기재된 바와 같이 혹은 가요성 엑소수트(1600)의 기능 및 애플리케이션을 가능하게 하기 위해 당업자에게 익숙한 다른 엘리먼트들을 포함할 수도 있다.
[00279] 가요성 엑소수트는, 상기 가요성 엑소수트에 의해 커버되는 착용자의 신체의 자유도 또는 각 관절의 독립적인 액추에이션이 반드시 가능할 필요는 없다는 점에 주목하여야 한다. 즉, 상기 가요성 엑소수트는 언더-액추에이트(under-actuate)될 수 있고, 액추에이트된 착용자의 신체의 자유도가 가요성 엑소수트의 애플리케이션에 따라 특정될 수 있다. 예를들어, 도 16a-c에 도시된 가요성 엑소수트(1600)는 언더-액추에이트된 것이며, 즉, 상기 가요성 엑소수트(1600)는 착용자(1605)의 하부 팔다리의 모든 관절(1615a, 1615b, 1615c)의 독립적으로 액추에이트 (예를들어, 텐션-발생 액추에이터(1630a, 1630b, 1630c)를 사용하여 독립적인 토크를 인가) 할 수 없다. 가요성 엑소수트(1600) 내의 액추에이터의 구성은, 효율적인 이족 보행의 '엔도-헤르 감소된 모델'에서 시뮬레이션된 액추에이터의 패턴에 관련되어 있다.
[00280] 가요성 엑소수트(1600)는, 상기 가요성 엑소수트(1600)의 다양한 애플리케이션 및 용도를 가능하게 하기 위하여 충분히 액추에이트된다. 상기 가요성 엑소수트는, 착용자(1605)의 다리로/다리로부터 에너지를 추출, 저장, 및/또는 주입함으로써, 착용자에 의한 연장된 이동 도중에 피로의 진행을 방지하도록 동작될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1600)는, 피로의 진행을 줄이기 위해 착용자(1605)의 관절(1615a-c)의 유효 임피던스를 변조하기 위해 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들(1620a-g)을 동작시킴으로써 및/또는 착용자(1605)의 다리의 관절 신근 토크를 추가함으로써, 착용자(1605)에 의해 운반되는 최대 하중을 증가시키도록 동작될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1600)는, 예를들어, 토크, 힘, 및/또는 각도 변위의 부상 유도량을 막 경험하려고 하는 관절의 운동 범위를 제한함으로써 및/또는 유효 관졸 임피던스를 증가시킴으로써, 착용자(1605)의 부상을 방지하도록 동작될 수 있다.
[00281] 도 17은, 착용자(1705)의 몸통과 상측 팔다리 상에 착용자(1705)에 의해 착용되는 가요성 엑소수트(1700)의 액추에이터를 도시하는 개략도를 보여준다. 착용자(1705)의 관절이 가요성 엑소수트(1700)가 개별 액추에이터(1720a-b, 1730)에 의해 크로스되는 것을 표시하도록, 착용자(1705)의 어깨(1715a), 팔꿈치(1715b), 및 손목(1715c)이 도시된다. 상기 가요성 엑소수트는, 착용자(1705)의 상측 몸통에 신근 토크를 인가하도록 구성된 가요성 선형 액추에이터(1730) (예를들면, 꼬인 끈 액추에이터 (TSA)) 를 포함한다. 상기 가요성 엑소수트(1700)는 추가적으로, 착용자(1705)의 어깨 및/또는 상측 몸통에 대해 착용자(1705)의 손에 쥐어진 부하로 지지력을 전송하도록 구성된 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들(1720a, 1720b) (예를들어, 엑소텐던) 을 포함한다. 상기 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트들은, 상이한 레벨의 컴플라이언스들 사이에서 스위칭이 가능하도록 및/또는 기계적 에너지의 저장 및 기계적 에너지의 이후 방출을 가능하게 하도록. 구성될 수 있다.
[00282] 상기 가요성 엑소수트(1700)는, 장기적인 시간 주기 동안 짐을 운반하면서, 착용자의 팔에서 피로의 진행을 감소시킴에 있어 및/또는 무거운 짐을 운반함에 있어, 착용자(1705)를 돕기 위해 동작될 수 있다. 예를들어, 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트(1720a, 1720b)은, 착용자(1705)가 짐을 운반하지 않을 때, 비활성화 (즉, 실질적으로 느슨해짐, 하이-컴플라이언스, 및 착용자(1705)의 동작과의 비간섭) 될 수 있다. 착용자(1705)가 짐을 운반할 때, 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트(1720a, 1720b)는, 상기 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트(1720a, 1720b)가 실질적으로 비-순응적이도록 활성화될 수 있는바, 그리하여 짐을 운반하는데 필요한 힘이, 근육에 의하는 대신 가요성 엑소수트(1700)에 의한 착용자의 상측 몸통 및 착용자(1705)의 팔의 기타 활동적인, 대사-에너지-소비성의(metabolic-energy-comsuming), 지치기 쉬운(fatigue-able) 엘리먼트들 사이로 전송될 수 있도록 한다. 상기 가요성 엑소수트(1700)는 추가적으로 또는 대안적으로, 다른 기능을 가능하게 하도록 동작될 수 있다; 예를들어, 액추에이터(1720a-b, 1730)가 착용자(1705)의 팔의 특정 자세를 가져오도록 (무기(weapon)의 동작에 있어서 더 큰 정확성을 가져오도록) 동작될 수 있다. 다른 예에서, 상기 가요성 엑소수트(1700)는, 기어오르는데 있어서 착용자(1705)를 도울 수 있도록 (예를들면, 텐션-발생 액추에이터(1730)를 사용하여 착용자(1705)를 도움으로써), 동작될 수 있다.
[00283] 도 16a-b 및 도 17에서 가요성 엑소수트의 엘리먼트들의 도시는, 일 예로서 의도된 것이다. 가요성 엑소수트는, 애플리케이션에 따라 유사하거나 상이한 배열에서의 액추에이터를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들은, 착용자의 신체의 팔과 다리가 제어가능하게 기계적으로 결합되는 것을 허용할 수 있다. 예를들어, 엑소텐던은, 착용자의 다리의 움직임에 착용자의 팔의 움직임을 연결하기 위해 하나의 엑소수트에 배치될 수 있다. 이 구성은, 걷기, 달리기, 역주, 등산, 또는 어떤 다른 활동에 있어서, 착용자의 다리를 돕고자, 착용자가 착용자의 팔을 사용하여 이를 행할 수 있게 한다. 가요성 엑소수트의 기타 대안적인 구성 및 애플리케이션이 예상된다. 추가적으로, 도시된 꼬인 끈 액추에이터 및 엑소텐던은, 액추에이터의 예시적인 예로서 의미가 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 꼬인 끈 액추에이터, 엑소텐던, EPAM, STEM, 모터-및-드럼-구동 케이블, 서보 모터, 공압 또는 유압 피스톤, 랙과 피니언, 동력 나사 드라이브나 볼 스크류, 또는 다른 액추에이터들이, 애플리케이션에 따라 도시된 꼬인 끈 액추에이터 또는 엑소텐던 대신에 사용될 수 있다.
XII
.
엑소수트의
애플리케이션 및 제어 방법
[00284] 가요성 엑소수트 또는 유사한 메카트로닉 시스템은, 가요성 엑소수트와 무선 또는 유선 통신 중인, 또는 가요성 엑소수트 상에 또는 내에 배치된 전자 컨트롤러에 의해 작동될 수 있다. 상기 전자 컨트롤러는, 가요성 엑소수트를 작동시키고 가요성 엑소수트의 기능을 활성화하기 위해 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 상기 전자 컨트롤러는, 액소수트의 엘리먼트 내에 혹은 액세스 엑소수트와 직접 또는 간접 통신에 있는 기타 시스템 내에 저장되어 있는 '컴퓨터 판독가능 프로그램'을 액세스 및 실행할 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능 프로그램은, 가요성 엑소수트를 동작시키기 위한 방법을 설명할 수 있거나, 또는 가요성 엑소수트 또는 가요성 엑소수트의 착용자에 관련된 다른 동작을 설명할 수 있다.
[00285] 도 18은, 가요성 엑소수트(1800)의 기능을 활성화하는 가요성 엑소수트(1800)의 엘리먼트들 (일례로, 1801, 1803) 을 동작시키도록 구성된, 액추에이터(1801), 센서(1803), 및 컨트롤러를 포함하는 예시적인 가요성 엑소수트(1800)를 도시하다. 상기 컨트롤러(1805)는, 사용자 인터페이스(1810)와 무선으로 통신하도록 구성된다. 상기 사용자 인터페이스(1810)는, 사용자 (예를들어, 가요성 엑소수트(1800)의 착용자) 에게, 및 가요성 엑소수트(1805)에게 또는 다른 시스템에게 정보를 제공하도록 구성된다. 상기 사용자 인터페이스(1810)는, 가요성 엑소수트(1800)의 엘리먼트들 (예를들어, 101, 1803) 로부터 정보를 제어 및/또는 액세스 함에 있어 관여될 수 있다. 예를들어, 사용자 인터페이스(1810)에 의해 실행되는 애플리케이션은, 센서(1803)로부터 데이터를 액세스할 수 있고, 액추에이터(1801)의 동작명령 (예를들어, 200 밀리초 동안 착용자의 무릎에 50 뉴톤-미터의 토크를 인가함) 을 연산할 수 있고, 및 연산된 동작명령을 가요성 엑소수트(100)로 전송할 수 있다. 상기 사용자 인터페이스(1810)는 추가적으로, 다른 기능을 가능하게 하도록 구성될 수 있는바; 예를들어, 사용자 인터페이스(1810)는 셀룰러 전화기, 휴대용 컴퓨터, 엔터테인먼트 장치로서 사용되거나, 또는 다른 애플리케이션에 따라 동작하도록, 구성될 수 있다.
[00286] 상기 사용자 인터페이스(1810)는, 가요성 엑소수트(1800)에 착탈가능하게 장착되도록 구성될 수 있다 (예를들면, 스트랩, 자석, 매직 테이프(Velcro), 충전 및/또는 데이터 케이블에 의해). 대안적으로, 상기 사용자 인터페이스(1810)는, 가요성 엑소수트(1800)의 일부로서 구성될 수 있으며, 그리고 정상 동작 동안은 제거되지 않아야 한다. 몇몇 실시예에서, 사용자 인터페이스(1810)는, 가요성 엑소수트(1800)의 일부 (예, 가요성 엑소수트(1800)의 슬리브 내로 통합된 터치 스크린) 로 편입될 수도 있으며, 가요성 엑소수트(1800)에 대한 정보를 제어 및/또는 액세스하기 위해 사용자 인터페이스(1810)의 사용에 추가하여 가요성 엑소수트(1800)에 대한 정보를 제어 및/또는 액세스하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 컨트롤러(1805) 또는 가요성 엑소수트(1800)의 다른 엘리먼트는, 표준 프로토콜 (예를들어, 블루투스, 지그비(ZigBee), 무선 랜, LTE 또는 기타 셀룰러 표준, IRdA, 이더넷) 에 따라 유선 또는 무선 통신이 가능하도록 구성되는바, 그리하여 그러한 기능성을 사용가능하도록 상보적인 통신 엘리먼트들 및 컴퓨터 판독가능한 프로그램으로 구성될 때에 다양한 시스템 및 디바이스가 사용자 인터페이스(1810)로서 동작하도록 만들어질 수 있도록 한다.
[00287] 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 본 명세서에서 예시적인 실시예로 또는 애플리케이션에 따라 다른 방식으로 설명된 바와 같이 구성될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 다양한 애플리케이션을 활성화하도록 동작될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800)는, (예를들어, 센서(1803)를 사용하여) 착용자의 움직임을 검출하여 및 (예를들어, 액추에이터(1801)를 사용하여) 착용자의 신체에 응답하여 토크 및/또는 힘을 인가하여, 착용자의 강도를 향상시키도록, 그리고 착용자가 그의/그녀의 신체 및/또는 환경에 인가할 수 있는 힘을 증가시키도록, 동작될 수 있다. 이는, 착용자로 하여금, 가요성 엑소수트를 착용하지 않았을 시에 착용자가 할 수 있는 것보다 더 무거운 물체를 들어올리거나 더 높이 점프하도록 인에이블하는 것을 포함한다. 이는, 착용자로 하여금, 이동 중에 지면의 반작용력의 어떤 분획(fraction) 또는 착용자가 발생시키는 다른 힘 및/또는 토크를 제공함으로써, 가요성 엑소수트를 착용하지 않았을 시에 착용자가 할 수 있는 것보다 더 방해를 받지 않으면서 혹은 짐을 운반하면서 보행 또는 주행을 허용하는 것을 포함할 수 있다. 더욱이, 가요성 엑소수트(1800)의 엘리먼트들은, 착용자가 액추에이터(1801)를 청하여 힘 및/또는 토크의 특정 분획을 가지고 발생시킨 힘 및/또는 토크를 보완함에 의해, 착용자의 피로를 감소 및/또는 측정시키도록 동작될 수 있다. 상기 특정 분획은, 일정할 수도 있고, 착용자의 검출된 (예를들어, 센서(1803)를 사용하여 검출된) 피로 상태와 관련될 수도 있으며, 또는 어떤 다른 고려 사항에 기초할 수도 있다.
[00288] 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자가 경험한 부상을 회피 및/또는 감소시키도록 작동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 착용자가 경험한 피로를 줄여 (태스크를 수행하여 착용자에 의해 생성된 힘을 보완하기 위해, 혹은 다른 애플리케이션에 따라, 본 명세서에 기술된 바와 같이 수트(suit)를 동작시킴으로써), 착용자가 관절 손상, 염좌(sprains), 스트레인(strains), 또는 다른 부상을 경험할 가능성을 감소시킬 수 있다. 상기 액추에이터(1801) (예, 엑소텐던)는, 추락 또는 다른 손상 유발 이벤트 중, 관절에 의해 경험되는 힘 및/또는 토크를 줄이기 위해, 착용자의 관절의 유효 임피던스를 증가시키도록 작동될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트(1800)의 액추에이터(1801)는, 착용자의 관절이 어떤 방향으로는 자유롭게 움직일 수 있지만 다른 방향으로는 부상으로 귀결될 것 같지 않음 (예를들면, 발목이 배측 굴곡(dorsiflex) 및/또는 족저 굴곡(plantarflex)에 대해서 자유롭게 움직일 수 있지만, 상기 배측 굴곡/족저 굴곡 방향 이외의 방향으로는 회전하지 않음 (일례로, 내전(adduction)/외전(abduction))) 을 보장하도록, 혹은 관절 움직임의 속도 및/또는 정도가 어떤 안전 임계치를 넘지 않음을 보장하도록, 동작될 수 있다.
[00289] 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 연속적으로 액추에이터(1801)를 동작시킴으로써 (예를들어, 착용자의 관절의 유효 임피던스를 감소시키기 위해 연속적으로 액추에이터를 동작시킴에 의해) 착용자가 경험하는 부상을 회피 및/또는 감소시키도록 동작될 수 있으며, 또는 (예를들어, 센서(1803)에 의해) 검출된 상태에 응하여 액추에이터(1803)를 동작시킬 수 있다. 예를들어, 상기 센서(1803)는, 관절 이동 속도가 임계치 이상이라고 검출할 수 있고, 상기 액추에이터(1801)가, 이에 응하여 관절의 유효 임피던스를 증가시키도록 작동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 액추에이터(1803)로 하여금, 불안정하거나 그렇지 않으면 위험한 지형 또는 다른 위험한 환경 조건의 존재에 응하여 부상의 발생을 회피 및/또는 감소시키도록 동작할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트(1800)는, LIDAR, 레이더, 초음파 거리 측정기, 또는 착용자 앞의 지형이 고르지 않다는 점을 검출하도록 구성된 기타 센서들을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자의 앞 지형에 관하여 서버(1830)로부터 정보를 수신할 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 그후, 상기 지형이 고르지 않다는 점을 나타내는 정보에 응하여 착용자에게 부상의 발생을 회피 및/또는 감소 시키도록 작동될 수 있다.
[00290] 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 특정 신체 활동을 수행하기 위해 착용자를 훈련시키도록 동작될 수 있다. 예를들어, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자의 재활 치료를 가능하게 하도록 동작될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자로 하여금 재활 치료 프로그램을 성공적으로 완료하는 것을 가능하게 하기 위해 착용자 경험 요법(undergoing-therapy)에 의해 생성된 동작 및/또는 힘을 증폭시키도록 동작될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자의 무질서한 운동을 금지하도록, 및/또는 수행하는 동작이나 행동, 및/또는 수행되어서는 안 되는 혹은 종결되어야 하는 동작이나 행동을 착용자에게 표시하기 위해 액추에이터(1801) 및/또는 기타 엘리먼트들 (예를들어, 햅틱 피드백 엘리먼트) 을 사용하도록, 동작될 수 있다. 마찬가지로, 신체 훈련의 다른 프로그램들 (예를들어, 춤, 스케이트, 기타 체육 활동, 직업 훈련) 은, 착용자에 의해 생성된 동작, 토크, 또는 힘을 감지하는 것 및/또는 착용자에게 힘, 토크, 또는 다른 햅틱 피드백을 인가하는 것이, 가요성 엑소수트(1800)의 동작에 의해 가능하게 될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800) 및/또는 사용자 인터페이스(1810)의 다른 애플리케이션이 예상된다.
[00291] 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자가 다양한 작업을 수행하는 동안, 상기 기술된 기능들 (예를들어, 훈련, 부상 방지, 피로 감소) 중 어느 것이라도 수행하도록 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 체육 활동에 종사하는 착용자가 착용할 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 사이클링에 종사하는 착용자에 의해 착용될 수 있다; 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 보다 효과적인 페이싱(facing), 또는 몇몇 다른 애플리케이션에 종사하는 착용자를 돕기 위해, 더 유효한 스트로크를 사용하여 착용자를 훈련시키도록 작동될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 걷거나 달리거나 그렇지 않으면 운동하는(locomoting) 착용자에 의해 착용될 수 있으며, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자의 운동의 효율을 증가시키도록 작동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 착용자는 착용자에게 친숙하지 않은 및/또는 어떤 위험을 포함하고 있는 환경에서 보행 중일 수 있으며, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 상해의 가능성을 최소화하는, 효율성, 속도, 또는 다른 제약조건을 최대화하는 방식으로 그 착용자가 보행하는 것을 훈련시키기 위해, 부상으로부터 그 착용자를 보호하기 위해, 또는 몇몇 다른 애플리케이션에 따라, 작동될 수 있다. 예를들어, 상기 착용자가 눈 덮인 지형을 가로질러 걷도록 스노우 슈즈를 사용할 수 있고, 가요성 엑소수트(1800)는, 눈 덮인 지형을 가로지르는 위치이동을 위한 효율적인 걸음걸이로 착용자를 훈련시키도록 동작될 수 있고, 및/또는 위치이동시 착용자를 돕기 위해 힘 및/또는 토크를 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자로 하여금 최적의 궤적, 타이밍, 또는 기타 속성을 갖는 골프 스트로크를 수행하도록 가르치기 위해, (일례로, 햅틱 피드백 엘리먼트, 엑소텐던, TSA를 사용하여) 착용자의 움직임을 안내하여, '골프 코치'로 활동할 수 있다. 상기 착용자는, 골프 스트로크를 반복적으로 수행하는 움직임을 수행할 수 있고, 상기 가요성 엑소수트(1800)의 지도로부터 적절한 기술을 배울 수 있다.
[00292] 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자가 어떤 태스크 (예를들어, 착용자에게 유해할 수 있는 작업) 를 수행하는 것을 더 어렵게 만들도록 작동될 수 있다. 즉, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 상기 가요성 엑소수트(1800)가 그와 같은 방식으로 동작되지 않을 경우에 착용자가 기울여야 하는 것보다, 착용자가 그 작업 (예를들면, 걷기, 달리기, 등산) 을 수행하기 위해 더 많은 노력을 기울여야만 하도록, 착용자의 신체에 힘 및/또는 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800)의 이러한 동작은, 더 효과적인 강도 및/또는 심혈관(cardiovascular) 훈련을 가능하게 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자가 운동 장비 (예를들면, 디딜 방아, 타원형 기계) 와 상호 작용하는 것처럼 상기 가요성 엑소수트(1800)에 의해 생성된 힘 및/또는 토크에 대해 운동의 수행을 착용자에게 허용하도록 하면서, '가상 체육관'의 역할을 하도록 작동될 수 있다. 예를들어, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자에 의해 사용되는 프리-중량체의 존재를 시뮬레이션하도록, 착용자의 팔에 힘을 인가하도록 동작될 수 있다. 또한, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 독립적인(standalone) 체육관 장비를 사용하여 구현하기가 비싸거나 불가능할 운동 요법을 가능하게 하도록 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 다른 환경을 시뮬레이션하기 위해 착용자의 신체에 힘 및/또는 토크를 인가하도록 동작될 수 있다. 예를들어, 상기 힘 및/또는 토크는, 착용자를 위해 수중에서 (또는, 어떤 다른 유체에서, 착용자가 수중에서 경험하게 될 증가된 항력을 모의로 경험함으로써), 세찬 바람 가운데서 (예를들면, 시뮬레이션된 바람의 방향으로 착용자의 동작을 보조하는, 및 반대 방향으로 동작을 저해하는), 상이한 중력장에서 (예를들면, 달에서, 지구보다 더 높은 중력을 갖는 세계에서), 혹은 기타 환경에서의 수행의 경험을 시뮬레이션할 수 있다.
[00293] 상기 사용자 인터페이스(1810)는 부가적으로, 통신 네트워크(들)(1820)와 통신할 수 있다. 예를들어, 상기 사용자 인터페이스(1810)는, WiFi 라디오, LTE 송수신기 또는 기타 셀룰러 통신 장치, 유선 모뎀, 또는 상기 사용자 인터페이스(1810)와 가요성 엑소수트(1800)가 인터넷과 통신하는 것을 가능하게 하는 임의의 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(1810)는, 서버(1830)와 통신 네트워크(1820)를 통해 통신할 수 있다. 서버(1830)와의 통신은, 사용자 인터페이스(1810) 및 웨어러블 엑소수트(1800)의 기능을 인에이블할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 사용자 인터페이스(1810)는, 서버(1830)로 원격 측정 데이터 (예를들어, 위치, 가요성 엑소수트(1800)의 엘리먼트들(1801, 1803)의 구성, 가요성 엑소수트(1800)의 착용자에 대한 생리학적 데이터) 를 업로드할 수 있다.
[00294] 몇몇 실시예에서, 서버(1830)는, 상기 가요성 엑소수트(1800)의 몇몇 애플리케이션을 인에이블하기 위해 가요성 엑소수트(1800)의 엘리먼트 (예를들면, 1803 1801) 로부터 정보를 제어 및/또는 액세스하도록 구성될 수 있다, 예를들어, 서버(1830)는, 착용자가 부상을 당했거나 의식이 없거나 혹은 그렇지 않으면 자신을 이동시킬 수 없는 경우에 위험한 상황으로부터 착용자를 이동시키도록 가요성 엑소수트(1800)의 엘리먼트들을 동작시킬 수 있으며, 및/또는 그러한 위험한 상황으로부터 자신을 이동시키기 위해 상기 엑소수트(1800) 및 사용자 인터페이스(1810)를 동작시킬 수 있다. 가요성 엑소수트와의 통신에 있어서 서버의 다른 애플리케이션이 예상된다.
[00295] 상기 사용자 인터페이스(1810)는, 제2 가요성 엑소수트(1840)와 통신하는 제2 사용자 인터페이스(1845)와 통신하도록 구성될 수 있으며, 상기 제2 가요성 엑소수트(1840)를 동작시키도록 구성될 수 있다. 그러한 통신은 직접적일 수 있다 (예를들어, 무선 송수신기, 혹은 상기 사용자 인터페이스(1810) 및 제2 사용자 인터페이스(1845) 간의 직접적인 무선 링크나 유선상의 링크를 통해 정보를 송신 및 수신하는 기타 엘리먼트들을 사용함). 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 사용자 인터페이스(1810) 및 제2 사용자 인터페이스(1845) 간의 통신은, 통신 네트워크(들)(1820), 및/또는 상기 통신 네트워크(들)(1820)를 통해 상기 사용자 인터페이스(1810) 및 제2 사용자 인터페이스(1845)와 통신하도록 구성된 서버(1830)에 의해 촉진될 수 있다.
[00296] 상기 사용자 인터페이스(1810) 및 제2 사용자 인터페이스(1845) 간의 통신은, 상기 가요성 엑소수트(1800) 및 제2 가요성 엑소수트(1840)의 애플리케이션을 가능하게 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 가요성 엑소수트(1800) 및 제2 가요성 엑소수트(1840)의, 및/또는 상기 가요성 엑소수트(1800) 및 제2 가요성 엑소수트(1840)의, 동작은, 조정될 수 있다. 예를들어, 상기 가요성 엑소수트(1800) 및 제2 가요성 엑소수트(1840)는, 착용자가 중량물의 승강을 조정하도록 동작될 수 있다. 리프트 타이밍, 및 착용자 및/또는 상기 가요성 엑소수트(1800) 및 제2 가요성 엑소수트(1840) 각각에 의해 제공된 지지의 정도는, 중량물을 운반되는 안정성을 증가시키기 위해, 착용자의 부상의 위험을 감소시키기 위해, 혹은 어떤 다른 고려 사항에 따라, 제어될 수 있다. 상기 가요성 엑소수트(1800) 및 제2 가요성 엑소수트(1840)의, 및/또는 그 착용자의, 동작의 조정은, 상기 착용자 및/또는 상기 착용자의 환경의 엘리먼트들에게 (시간, 크기 또는 기타 특성에 있어서) 조정된 힘 및/또는 토크를 인가하는 것을, 및/또는 상기 조정된 방식으로 동작하는 쪽으로 착용자를 가이드하기 위해 착용자에게 햅틱 피드백을 (엑소수트(1800, 1840)의 액추에이터를 통해, 전용 햅틱 피드백 엘리먼트를 통해, 또는 기타 방법을 통해) 인가하는 것을, 포함할 수 있다.
[00297] 상기 가요성 엑소수트(1800) 및 제2 가요성 엑소수트(1840)의 조정 동작은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나의 가요성 엑소수트 (및 그 착용자) 는, 그러한 엑소수트(1800, 1840)의 동작이 조정되도록, 다른 가요성 엑소수트에게 명령 또는 기타 정보를 제공하는 마스터 역할을 할 수 있다. 예를들어, 상기 엑소수트(1800, 1840)는, 조정된 방식으로, 착용자로 하여금 춤을 추는 것이 가능하도록 (또는 어떤 다른 운동 활동에 참여하도록) 동작될 수 있다. 가요성 엑소수트 중 하나는 "리드(lead)"로서 역할을 할 수 있는바, 상기 "리드(lead)" 착용자에 의해 수행된 동작에 관한 타이밍이나 기타 정보를 다른 가요성 엑소수트에게 전송하며, 조정된 댄싱 동작이 다른 착용자에 의해 수행되는 것을 인에이블할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 엑소수트의 제1 착용자는 트레이너로서 역할을 할 수 있는바, 제2 엑소수트의 제2 착용자가 수행하여 배울 수 있는 움직임 또는 다른 신체 활동을 모델링한다. 제1 엑소수트는, 제1 착용자에 의해 수행된 움직임, 토크, 힘, 또는 다른 신체 활동을 감지할 수 있고, 제2 엑소수트에게 상기 감지된 활동에 관련된 정보를 전송할 수 있다. 그후, 제2 엑소수트는, 제2 착용자가 제1 착용자에 의해 모델링된 움직임이나 다른 신체 활동을 배울 수 있게 하기 위해, 제2 착용자의 신체에 힘, 토크, 햅틱 피드백, 또는 기타 정보를 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 서버(1830)는, 상기 엑소수트(1800, 1840)의 조정 동작이 가능하도록 상기 엑소수트(1800, 1840)로 명령 또는 기타 정보를 보낼 수 있다.
[00298] 두 개 이상의 도시된 가요성 엑소수트(1800, 1840)는, 조정된 방식으로 동작될 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 몇몇 실시예에서, 다수의 가요성 엑소수트들 혹은 기타 메카트로닉이나 기타 시스템이, 어떤 어플리케이션을 가능하게 하도록 조정된 방식으로 동작될 수 있다. 예를들어, 발레 댄서의 극단, 축구 선수의 팀, 싱크로나이즈된 스케이터의 팀, 마칭(marching) 밴드, 마임 극단, 또는 운동 선수들이나 연예인들의 기타 그룹들이, 시간에 맞춰 그들의 움직임을 조정하기 위해 구성된 가요성 엑소수트들을 착용하고 있을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 제1 엑소수트의 제1 착용자는 트레이너나 코치로서 역할을 할 수 있는바, 각각의 가요성 엑소수트의 많은 착용자들이, 어떤 수행을 배울 수 있는 움직임이나 기타 신체 활동을 모델링하게 된다. 제1 엑소수트는, 제1 착용자에 의해 수행된 움직임, 토크, 힘, 또는 다른 신체 활동을 감지할 수 있고, 많은 다른 가요성 엑소수트에게 상기 감지된 활동과 관련된 정보를 전송할 수 있다. 다른 많은 엑소수트들이, 그후, 착용자들로 하여금, 제1 착용자에 의해 모델링된 움직임이나 기타 신체 활동을 배울 수 있게 하기 위하여, 각각의 착용자의 신체에 힘, 토크, 햅틱 피드백, 또는 기타 정보를 인가할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나의 서버가, 다수개의 엑소수트들의 조정된 동작을 가능하게 하기 위해 상기 다수개의 엑소수트들로 명령 또는 다른 정보를 전송할 수 있다. 다수개의 가요성 엑소수트들의 조정된 동작을 포함하는 다른 애플리케이션들이 예상된다.
[00299] 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자의 동작에 대한 정보, 착용자의 환경에 대한 정보, 또는 가요성 엑소수트(1800)의 착용자에 대한 기타 정보를 전송 및/또는 기록하도록 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 착용자의 동작 및/또는 활동에 관한 운동역학은, 서버에 기록 및/또는 서버(1830)로 전송되어질 수 있다. 이들 데이터는, 의료, 과학, 엔터테인먼트, 소셜 미디어, 또는 다른 애플리케이션을 위해 수집될 수 있다. 상기 데이터는 시스템을 작동하는데 사용될 수 있다. 예를들어, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 사용자에 의해 생성된 운동, 힘, 및/또는 토크를 로봇 시스템 (예를들면, 로봇 팔, 다리, 몸통, 휴머노이드 바디, 또는 몇몇 다른 로봇 시스템) 으로 전송하도록 구성될 수 있으며, 상기 로봇 시스템은, 착용자의 활동성을 모방하도록 및/또는 로봇 시스템의 엘리먼트들의 동작, 힘 또는 토크를 착용자의 활동성에 매핑시키도록, 구성될 수 있다. 다른 예에서, 상기 데이터는, 착용자의 가상 아바타를 조작하는데 사용될 수 있는바, 그리하여 아바타의 움직임이 착용자의 동작에 관련하여 어떻게든 미러링되거나 또는 관련되도록 한다. 상기 가상 아바타는, 가상 환경에서 예시될 수 있거나, 착용자가 통신하고 있는 개체 혹은 시스템에 제시되거나, 또는 몇몇 다른 애플리케이션에 따라 구성 및 동작될 수 있다.
[00300] 반대로, 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 착용자에게 햅틱 또는 다른 데이터를 제시하도록 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 액추에이터(1801) (예를들어, 꼬인 끈 액추에이터, 엑소텐던) 및/또는 햅틱 피드백 엘리먼트 (예, EPAM 햅틱 엘리먼트)가, 착용자에 대한 기계적 또는 기타 정보를 나타내기 위해 착용자의 신체에 인가된 힘을 인가 및/또는 조절하도록 동작될 수 있다. 예를들어, 상기 가요성 엑소수트(1800)의 특정 위치에 배치된 상기 가요성 엑소수트(1800)의 햅틱 엘리먼트의 특정 패턴에 있어서의 활성화는, 착용자가 호출, 이메일 또는 다른 통신을 수신했다고 나타낼 수 있다. 다른 예에서, 어떤 로봇 시스템이, 착용자에 의해 생성된 동작, 힘, 및/또는 토크를 사용하여 작동될 수 있으며, 가요성 엑소수트에 의해 로봇 시스템으로 전송될 수 있다. 상기 착용자로 하여금, 로봇 시스템의 착용자의 동작에 관련된 힘-피드백 또는 기타 햅틱 감각을 체험하게 하도록 하기 위해, 상기 로봇 시스템의 힘, 모멘트, 및 동작과 환경의 다른 측면들이, 상기 가요성 엑소수트(1800)로 전송될 수 있고, 착용자에게 (액추에이터(1801) 또는 다른 햅틱 피드백 엘리먼트들을 사용하여) 제시될 수 있다. 다른 예에서, 착용자에게 제시된 햅틱 데이터는 가상 환경 (예를들면, 가요성 엑소수트(1800)에 의해 검출된 착용자에 관련된 운동이나 기타 데이터에 기초하여 동작되는, 착용자의 아바타를 포함하는 환경) 에 의해 발생될 수 있다.
[00301] 본 명세서에 기술된 또는 다른 애플리케이션에 따르는 가요성 엑소수트(1800)의 기타 동작들이, 동시적으로 수행될 수 있다는 점에 주목하여야 한다. 예를들어, 가요성 엑소수트는, 착용자의 근육에 의해 생성되는 힘 및/또는 토크를 보완하여 착용자의 피로를 감소 시키도록 작동될 수 있다. 가요성 엑소수트가 착용자의 피로를 감소시키도록 작동되는 동안, 상기 엑소수트 또는 다른 시스템 내의 센서 (예를들어, 원격 서버, 드론) 들은, 착용자의 전방의 지면이 불안정하다는 것에 대한, 가요성 엑소수트에의 표시를 제공할 수 있다. 상기 가요성 엑소수트는, 불안정한 지상의 위치이동으로 인한 발목 염좌 또는 변형을 착용자의 경험할 가능성을 감소시키기 위해, 착용자의 발목의 유효 임피던스를 반응적으로 증가시키도록 작동될 수 있다. 동시적인 동작은, 다수의 애플리케이션 (예를들면, 피로 감소, 부상 방지) 에 따라 생성된 액추에이터 명령들을 선형적으로 또는 비선형적으로 합산하는 단계, 제1 애플리케이션이 특정 액추에이터를 동작시키는데 요구되는 시간 주기 동안 제1 애플리케이션에 의해 요구되는 특정 액추에이터의 제2 애플리케이션에 의한 동작을 제1 애플리케이션이 차단하는 단계, 또는 동시적으로 다수의 애플리케이션에 따른 엑소수트의 동작의 기타 운영 계획을 포함할 수 있다.
[00302] 도 18에 도시된 상기 가요성 엑소수트(1800)는, 본원에 기술된 전자 제어 장치, 소프트웨어, 또는 알고리즘에 의해 동작될 수 있는 가요성 엑소수트의 단지 하나의 예임을 유의하여야 한다. 본원에 기재된 바와 같은 전자 제어 장치, 알고리즘은, 가요성 엑소수트나 기타 메카트로닉스, 및/또는 더 많거나 더 적은, 또는 상이한, 액추에이터나 센서 또는 다른 엘리먼트들을 갖는 로봇 시스템을 제어하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 본원에 기술된 바와 같은 전자 제어 장치, 소프트웨어, 또는 알고리즘은, 상기 도시된 가요성 엑소수트(1800)와 유사하게 구성된 혹은 다르게 구성된 가요성 엑소수트들을 제어하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 본원에 기술된 바와 같은 전자 제어 장치, 소프트웨어, 또는 알고리즘은, 재구성 가능한 하드웨어를 갖는 가요성 엑소수트 (즉, 액추에이터, 센서, 또는 추가되거나 제거된 기타 엘리먼트들을 가질 수 있는 엑소수트) 를 제어하도록, 및/또는 다양한 방법을 사용하여 현재의 하드웨어 구성을 검출하도록, 구성될 수 있다.
가요성
엑소수트의
제어용 소프트웨어 계층
[00303] 컨트롤러에 의해 실행되는 가요성 엑소수트 및/또는 컴퓨터 판독가능 프로그램의 컨트롤러는, 가요성 엑소수트의 기능 및/또는 구성요소들의 캡슐화를 제공하도록 구성될 수 있다. 즉, 컨트롤러의 일부 엘리먼트들 (예, 서브루틴, 드라이버, 서비스, 데몬(daemons), 기능(functions)) 은, 가요성 엑소수트의 특정 엘리먼트들 (예를들어, 꼬인 끈 액추에이터, 햅틱 피드백 엘리먼트) 을 동작시키도록, 및 컨트롤러의 다른 엘리먼트들 (예를들어, 다른 프로그램) 로 하여금 상기 특정 엘리먼트들을 동작시키는 것 및/또는 상기 특정 엘리먼트들에 추상화된 액세스(abstracted access)를 제공하는 것 (예를들어, 하나의 명령된 방향으로 액추에이터를 배향하기에 충분한 일련의 명령어들 내로, 상기 하나의 명령된 방향으로 액추에이터를 배향하기 위한 명령어를 트랜슬레이션(translation)하는 것) 을 허용하도록, 구성될 수 있다. 이 캡슐화는, 다양한 서비스, 드라이버, 데몬, 또는 다른 컴퓨터 판독가능 프로그램들이, 가요성 엑소수트의 다양한 애플리케이션을 위해 개발될 수 있도록 허용할 수 있다. 또한, 포괄적인 접근 방법으로 가요성 엑소수트의 기능의 캡슐화를 제공함으로써 (예를들어, 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스 (API) 또는 다른 인터페이스 표준을 특정화 및 구현시킴으로써), 컴퓨터 판독가능 프로그램들이 포괄적인 캡술화된 기능과 인테페이스하도록 생성될 수 있는바, 그리하여 상기 컴퓨터 판독가능 프로그램들은, 싱글 타입이나 모델의 가요성 엑소수트보다는 차라리, 다양한 상이하게 구성된 가요성 엑소수트들을 위한 동작 모드나 기능을 인에이블할 수 있도록 한다. 예를들어, 가상 아바타 통신 프로그램이, 표준 엑소수트의 API에 액세스하여 가요성 엑소수트의 착용자의 자세에 대한 정보를 액세스할 수 있다. 상이하게 구성된 엑소수트들이, 상이한 센서들, 액추에이터들, 및 다른 엘리먼트들을 포함할 수 있지만, 상기 API에 따라 동일한 포맷의 자세 정보를 제공할 수 있다. 가요성 엑소수트의 기타 기능들과 특징들, 또는 다른 로봇의, 외골격의, 보조적인, 햅틱의, 또는 기타 메카트로닉의 시스템들이, API에 의해 혹은 어떤 다른 표준화된 컴퓨터 액세스 및 제어 인터페이스 운영방식에 따라, 캡슐화될 수 있다.
[00304] 도 19는, 가요성 엑소수트(1900)의 엘리먼트들 및 가요성 엑소수트(1900)를 제어 및/또는 동작시키는 계층을 도시하는 개략도이다. 상기 가요성 엑소수트는, 각각, 상기 가요성 엑소수트(1900), 상기 가요성 엑소수트(1900)의 착용자, 및/또는 상기 착용자의 환경에 힘 및/또는 토크를 인가하도록, 그리고 그들의 하나 이상의 특징을 검출하도록 구성된, 액추에이터(1920) 및 센서(1930)를 포함한다. 상기 가요성 엑소수트(1900)는 추가적으로, 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)를 이용하여 액추에이터(1920) 및 센서(1930)를 동작시키도록 구성된 컨트롤러(1910)를 포함한다. 상기 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, 액추에이터(1920) 및 센서(1930)를 동작시키는데 사용되는 신호와 함께 상기 컨트롤러(1910)로부터의 및 컨트롤러로의 신호를 인터페이스하도록 구성된 전자장치들을 포함한다. 예를들어, 상기 액추에이터(1920)는 엑소텐던을 포함할 수 있으며, 상기 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, 고전압 발생기, 고전압 스위치, 및 상기 엑소텐던을 클러치 및 언클러치하고 상기 엑소텐던의 길이를 보고하는 고전압 커패시턴스 미터기를 포함할 수 있다. 상기 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, 전압 조정기, 고전압 발생기, 증폭기, 전류 감지기, 인코더, 자력계, 스위치, 정전류 전원, DAC, ADC, 피드백 컨트롤러, 브러쉬리스 모터 컨트롤러, 또는 기타 전자장치 및 메카트로닉 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[00305] 상기 컨트롤러(1910)는 추가적으로, 가요성 엑소수트(1900)의 착용자 및/또는 사용자에게 정보를 제시하도록 구성되는 사용자 인터페이스(1950), 및 (예를들면, 무선 신호를 송신함으로써) 컨트롤러(1910)와 일부 다른 시스템 간의 정보 전달을 용이하게 하도록 구성된 통신 인터페이스(1960)를 동작시킨다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 사용자 인터페이스(1950)는, 상기 통신 인터페이스(1960)를 이용하여 컨트롤러(1910)로/ 컨트롤러로부터 사용자 인터페이스 정보를 송/수신하도록 구성되는 별도의 시스템의 일부일 수 있다 (예를들어, 상기 사용자 인터페이스(1950)는 휴대폰의 일부일 수 있다).
[00306] 상기 컨트롤러(1910)는, 가요성 엑소수트(1912)의 기능을 기술하는 컴퓨터 판독가능한 프로그램을 실행하도록 구성된다. 상기 컨트롤러(1910)에 의해 실행되는 컴퓨터 판독가능 프로그램 중에, 오퍼레이팅 시스템(1912), 애플리케이션(1914a, 1914b, 1914c), 및 캘리브레이션 서비스(1916)가 있다. 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 컨트롤러(1910)의 하드웨어 자원 (예를들면, I/O 포트, 레지스터, 타이머, 인터럽트, 주변 장치, 메모리 관리 유닛, 직렬 및/또는 병렬 통신 장치) 을 관리하며, 확장에 의해, 가요성 엑소수트(1900)의 하드웨어 자원을 관리한다. 상기 오퍼레이팅 시스템(1900)은, 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)에, 확장에 의해, 가요성 엑소수트(1900)의 액추에이터(1920) 및 센서(1930)에 직접 액세스할 수 있는, 컨트롤러(1910)에 의해 실행되는 유일한 컴퓨터 판독가능 프로그램이다.
[00307] 상기 애플리케이션들(1914a, 1914b, 1914c)은, 가요성 엑소수트(1900)의 일부 기능(들) 또는 동작 모드(들)를 설명하는 컴퓨터 판독가능 프로그램들이다. 예를들면, 어플리케이션(1914a)은, 오퍼레이팅 시스템(1912)으로부터 착용자의 자세에 대한 정보를 액세스하는 단계, 상기 통신 인터페이스(1960)를 사용하여 원격 시스템과의 통신을 유지하는 단계, 자세 정보를 포맷하는 단계, 및 원격 시스템으로 자세 정보를 전송하는 단계를 포함하는 착용자의 가상 아바타를 업데이트하기 위해, 착용자의 자세에 대한 정보를 전송하는 프로세스를 기술할 수 있다. 상기 캘리브레이션 서비스(1916)는, 착용자, 가요성 엑소수트(1900)의 액추에이터(1920), 및/또는 센서(1930)의 특성을 기술하는 파라미터를 저장하기 위한, 착용자가 가요성 엑소수트(1900)를 사용 중인 때에 액추에이터(1920) 및/또는 센서(1930)의 동작에 기초하여 이들 파라미터들을 갱신하기 위한, 오퍼레이팅 시스템(1912) 및/또는 애플리케이션(1914a, 1914b, 1914c)에 활용가능한 파라미터들을 만들기 위한, 및 상기 파라미터들에 대한 다른 기능들을 위한, 프로세스를 기술하는 컴퓨터 판독가능한 프로그램이다. 상기 애플리케이션들(1914a, 1914b, 1914c) 및 캘리브레이션 서비스(1916)는 가요성 엑소수트(1900)의 기능 동작 모드를 활성화하는 컨트롤러(1910)의 오퍼레이팅 시스템(1912)에 의해 실행될 수 컴퓨터 판독가능 프로그램의 예로서 의도된다는 점에 유의하여야 한다.
[00308] 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 하드웨어 (예를들어, 1920, 1930, 1940)의 로우-레벨의 제어 및 관리를 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 오퍼레이팅 시스템(1912) 및/또는 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, 지정된 일정 속도로 하나 이상의 센서(1930)로부터 가요성 엑소수트(1900), 착용자, 및/또는 착용자의 환경에 대한 정보를 검출할 수 있다. 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 상기 검출된 정보를 이용하여 가요성 엑소수트(1900)나 그의 구성요소들의 하나 이상의 상태들 또는 속성들의 추정치를 생성할 수 있다. 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 상기 지정된 일정 속도와 동일한 속도로 또는 더 낮은 속도로 상기 생성된 추정치를 업데이트할 수 있다. 상기 생성된 추정치는, 노이즈를 제거하기 위해, 간접 검출된 특성의 추정치를 생성하기 위해, 필터를 사용하여 상기 검출된 정보로부터 생성될 수 있으며, 또는 몇몇 다른 애플리케이션에 따를 수도 있다. 예를들어, 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 노이즈를 제거하기 위해, 및 하나 이상의 센서를 사용하여 상기 가요성 엑소수트(1900), 착용자, 및/또는 착용자의 환경에 대한 단일의 직/간접적으로 검출된 특성의 추정치를 생성하기 위해, 칼만(Kalman) 필터를 사용하여 상기 검출된 정보로부터 상기 추정치를 생성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 오퍼레이팅 시스템은, 제 시간에 여러 지점에서 검출된 정보에 기초하여 착용자 및/또는 가요성 엑소수트(1900)에 대한 정보를 결정할 수 있다. 예를들어, 상기 오퍼레이팅 시스템 (1900)은, 검출된 관절 각도, 인체 분획 위치, 액추에이터 로드, 또는 제 시간에 과거 여러 시점에서 검출된 기타 정보에 기초하여 착용자가 위치이동 중일 때에, 걸음걸이 위상(gait phase) (예를들어, 입각기(stance ~), 유각기(swing ~), 뒤꿈치 가격(heel strike), 발끝 이탈(toe-off)) 및/또는 걸음걸이 위상 퍼센트를 결정할 수 있다,
[00309] 몇몇 실시예에서, 오퍼레이팅 시스템(1912) 및/또는 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, 액추에이터(1920)의 동작에 관련된 서비스를 작동 및/또는 제공할 수 있다. 즉, 상기 액추에이터 (1920)의 동작이 일 시간 주기에 걸친 제어신호의 생성, 액추에이터(1920)의 상태(들)에 관한 지식, 또는 기타 고려 사항들을 요구할 경우에, 상기 오퍼레이팅 시스템(1912) 및/또는 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, 액추에이터(1920)를 조작하는 간단한 명령들 (예를들어, 액추에이터(1920)의 꼬인 끈 액추에이터(TSA)을 사용하여 특정 레벨의 힘을 생성하기 위해 명령) 을, 상기 간단한 명령을 가능하게 하는데 필요한 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940) 및/또는 액추에이터(1920)에 대한 복잡한 및/또는 상태-기반의 명령들 (예를들면, 오퍼레이팅 시스템(1910 의해 결정되고 저장된 회전자의 시작 위치, 인코더를 사용하여 검출된 모터의 상대적인 위치, 및 로드 셀을 이용하여 검출된 TSA에 의해 생성된 힘에 기초하여, TSA의 모터의 권선에 인가되는 전류의 시퀀스) 로 번역할 수 있다.
[00310] 몇몇 실시예에서, 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 시스템 레벨의 간단한 명령 (예를들면, 착용자의 무릎에 인가된 토크의 명령된 레벨) 을, 가요성 엑소수트의 구성(1900)에 따라, 다수의 액추에이터의 명령들 (예를들어, 상기 토크의 명령된 레벨이 착용자의 무릎에 인가되도록, 착용자의 무릎을 가로지르는 TSA 및 엑소텐던으로 하여금 착용자의 신체에 힘을 인가하는 것을 야기하기에 충분한 명령 신호들) 로 번역하여, 가요성 엑소수트(1900)의 동작을 더 캡슐화할 수 있다. 이 캡슐화는, 엑소수트의 특정 모델 또는 유형을 동작시키도록 구성되지 않으면서 (예를들어, 상기 오퍼레이팅 시스템(1912) 및 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)가 상기 명령된 토크 프로파일을 발목에 인가하는 것을 야기하기에 충분한 액추에이터 명령으로 번역할 수 있는, 간단한 발목 토크 프로파일을 생성하도록 구성됨으로써), 액소수트의 기능을 달성할 수 있는 (예를들어, 엑소수트의 착용자가 더 높이 점프하도록 허용하는), 범용 애플리케이션의 생성을 가능하게 한다.
[00311] 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 다양한 메카트로닉스, 바이오메디칼, 휴먼 인터페이스, 훈련, 재활, 통신, 및 기타 애플리케이션을 가능하게 하는 다양한 상이한 하드웨어 구성들을 갖는 다양한 가요성 엑소수트의 사용을 가능하게 하여, 표준적인 다중-목적의 플랫폼으로서 역할을 할 수 있다. 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 센서(1930), 액추에이터(1920), 또는 가요성 엑소수트(1900)의 기타 기능이나 엘리먼트들로 하여금, 가요성 엑소수트(1900) 및/또는 다양한 애플리케이션, 데몬, 서비스, 또는 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)에 의해 실행되는 기타 컴퓨터 판독가능 프로그램들과 통신함에 있어 (예를들면, 통신 인터페이스(1960)를 사용하여), 원격 시스템에 활용가능하게 만들 수 있다. 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 상기 액추에이터, 센서, 또는 기타 기능이나 엘리먼트들로 하여금, (예를들어, API, 통신 프로토콜, 또는 기타 프로그래밍 인터페이스를 통해) 표준 방식에서 유용하게 만들 수 있는바, 그리하여 애플리케이션, 데몬, 서비스, 또는 다른 컴퓨터 판독가능한 프로그램들이 생성되어, 인스톨되고, 실행되고, 및 다양한 상이한 구성들을 갖는 다양한 가요성 엑소수트의 동작 모드 및 기능을 활성화하기 위해 동작되도록 된다. 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)에 의해 활용가능하도록 만들어진, 상기 API, 통신 프로토콜, 또는 기타 프로그래밍 인터페이스는, 가요성 엑소수트(1900)의 동작을 캡슐화, 번역, 그렇지 않으면 추상화하여, 광범위하게 다양한 상이하게 구성된 가요성 엑소수트들의 기능을 활성화하도록 동작될 수 있는 그러한 컴퓨터 판독가능 프로그램의 생성을 가능하게 한다.
[00312] 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 모듈러 가요성 엑소수트 시스템 (즉, 액추에이터, 센서, 또는 다른 엘리먼트들이, 가요성 엑소수트의 동작 모드 또는 기능을 가능하게 하도록, 가요성 엑소수트에 추가되거나 그로부터 공제될 수 있는, 그러한 가요성 엑소수트 시스템) 을 동작시키도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 가요성 엑소수트 (1900)의 하드웨어 구성을 동적으로 결정할 수 있고, 가요성 엑소수트의 상기 결정된 현행 하드웨어 구성에 상대적인 가요성 엑소수트(1900)의 동작을 조정할 수 있다. 이러한 동작은, 오퍼레이팅 시스템(1912)에 의해 제시된 표준 프로그래밍 인터페이스를 통해 가요성 엑소수트(1900)의 기능성에 액세스하는 컴퓨터 판독가능한 프로그램 (예를들어, 1914a, 1914b, 1914c)에 '비가시적'인 (invisible) 방식으로 수행될 수 있다. 예를들어, 상기 컴퓨터 판독가능 프로그램은, 오퍼레이팅 시스템(1912)에 대해, 표준화된 프로그래밍 인터페이스를 통해서, 특정 레벨의 토크가 가요성 엑소수트(1900)의 착용자의 발목에 인가되었다는 사실을 나타낼 수 있다. 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 착용자의 발목에 상기 특정 레벨의 토크를 인가하기에 충분한, 상기 가요성 엑소수트(1900)의 상기 결정된 하드웨어 구성에 기초하여, 상기 액추에이터(1920)의 동작 패턴을 책임성있게 결정할 수 있다.
[00313] 몇몇 실시예에서, 상기 오퍼레이팅 시스템(1912) 및/또는 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, 상기 가요성 엑소수트(1900)가, 상기 착용자로 하여금 직접 부상을 당하는 일이 야기되도록 및/또는 상기 가요성 엑소수트(1900)의 엘리먼트들로 하여금 직접 손상을 당하는 일이 야기되도록은, 동작시키지 않는다는 것을 보증하도록, 상기 액추에이터(1920)를 동작시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이는, 착용자의 신체에 어떤 최대 임계치를 초과하는 힘 및/또는 토크를 인가하도록 상기 액추에이터(1920)를 동작시키지는 않는 단계를 포함할 수 있다. 이는, 액추에이터(1920)에 의해 인가되는 힘을 모니터링 하도록 (예를들면, 액추에이터(1920)로, 및/또는 센서(1930)를 사용하여 검출된 힘이나 기타 특성들의 모니터링 측정장치로 보내진 명령들을 모니터링함으로써), 및 착용자의 부상을 방지하기 위한 액추에이터(1920)의 동작을 디제이블 및/또는 변경하도록, 구성될 수 있는 (컨트롤러(1910)에 의해 실행될 때), 어떤 다른 컴퓨터 판독가능 프로그램 혹은 와치독(watchdog) 프로세스로서 구현될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, (예를들면, TSA에 의해 발생된 힘을 측정하도록 구성되는 비교기로 로드셀의 출력을 흘려보내고, 상기 힘이 특정 레벨을 초과할 때, 상기 비교기로 하여금 상기 TSA의 모터로 가는 파워를 차단하도록 구성함으로써) 과잉의 힘 및/또는 토크가 착용자에게 인가되는 것을 방지하는 회로망을 포함하여 구성될 수 있다.
[00314] 몇몇 실시예에서, 가요성 엑소수트(1900)가 그 자체를 손상시키지 않음을 보장하기 위한 상기 액추에이터(1920)의 동작을 위해, 상기 가요성 엑소수트(1900)의 엘리먼트들의 손상으로 귀결될 수 있는 과전류, 과부하, 과회전, 또는 기타 상태조건들이 발생하는 것을 방지하도록 구성된 회로망 또는 와치독 프로세스를 포함할 수 있다. 예를들면, 상기 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940)는, 모터의 권선에 인가되는 전압 및/또는 전류를 제한하도록 구성된 금속 산화물 바리스터, 차단기, 션트 다이오드, 또는 기타 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[00315] 오퍼레이팅 시스템(1912)에 의해 인에이블되는 것으로 기술된 상기 기능들은, 상기 컨트롤러(1900)에 의해 실행되는 애플리케이션(1914a, 1914b, 1914c), 서비스, 드라이버, 데몬, 또는 기타 컴퓨터 판독가능한 프로그램들에 의해 추가적으로 또는 대안적으로 구현될 수 있다는 점에 유의하여야 한다. 상기 애플리케이션, 드라이버, 서비스, 데몬, 또는 기타 컴퓨터 판독가능한 프로그램들은, 상기 기능들을 인에이블하기 위한 그들의 사용을 용이하게 하는 특수 보안 권한 또는 기타 특성들을 가질 수 있다.
[00316] 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940), 액추에이터(1920), 및 센서(1930)의 기능들을 캡슐화할 수 있는바, 이는, 기타 컴퓨터 판독가능한 프로그램들 (예를들어, 애플리케이션(1914a, 1914b, 1914c), 캘리브레이션 서비스(1916)) 에 의한, 사용자에 의한 (사용자 인터페이스(1950)를 통한), 및/또는 어떤 다른 시스템 (즉, 통신 인터페이스(1960)를 통해 컨트롤러(1910)와 통신하도록 구성된 시스템) 에 의한, 사용을 위해 필요하다. 상기 가요성 엑소수트(1900)의 기능의 캡슐화는, 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API)의 형태 (즉, 컨트롤러(1910) 상에서 실행되는 애플리케이션이 가요성 엑소수트(1900)의 엘리먼트들의 기능성에 액세스하는 데 사용할 수 있는 여러 세트의 기능 호출 및 프로시저) 를 취할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 컨트롤러(1910)에 의해 수행되는 애플리케이션들에 대해 표준 '엑소수트 API'를 활용가능하게 만들 수 있다. 상기 '엑소수트 API'는, 복잡한 시간 종속적인 신호들이 가요성 엑소수트(1900)의 엘리먼트들 (예를들면, 액추에이터(1920), 센서(1930)) 을 동작시키는데 필요한 것이면 무엇이든지, 그것을 생성하도록 구성되는 그들 애플리케이션들(1914a, 1914b, 1914c)을 요구하지 않으면서, 상기 애플리케이션들(1914a, 1914b, 1914c)로 하여금 상기 엑소수트 (1900)의 기능을 액세스하도록 인에이블할 수 있다.
[00317] 상기 '엑소수트 API'는, 애플리케이션들(1914a, 1914b, 1914c)로 하여금, 오퍼레이팅 시스템에 간단한 명령 (예를들어, '착용자의 발이 지면과 접촉할 때 착용자의 발목으로부터 기계적 에너지를 저장하기 시작하라') 을 보내는 것을 허용할 수 있는바, 그러한 점에서, 상기 오퍼레이팅 시스템(1912)은, 그들 명령을 인터럽트할 수 있고, 상기 애플리케이션들(1914a, 1914b, 1914c)에 의해 생성된 (예를들면, 센서(1930)에 의해 검출된 정보에 기초하여 착용자의 발이 지면과 접촉했는지 여부를 결정하는, 이용자의 발목을 가로지르는 엑소텐던에 고전압을 반응적으로 인가하는) 간단한 명령들을 달성하기에 충분한 하드웨어 인터페이스 전자장치(1940) 또는 가요성 엑소수트(1900)의 다른 엘리먼트들로 명령 신호를 발생시킬 수 있다.
[00318] 상기 '엑소수트 API'는, 산업 표준 (예를들면, ISO 표준), 독점적인 권리를 갖는 표준, 오픈 소스 표준, 또는 그렇지 않으면 엑소수트용 애플리케이션을 그후 생성할 수 있는 개인에게 활용가능하게 만들어진 것일 수 있다. 상기 '엑소수트 API'는, 다양한 엑소수트의 상이한 유형 및 구성에 의해 구현되는 표준 '엑소수트 API'와 인터페이싱하도록 구성됨으로써, 상기 다양한 엑소수트의 상이한 유형 및 구성을 동작시킬 수 있는 애플리케이션, 드라이버, 서비스, 데몬, 혹은 기타 컴퓨터 판독가능한 프로그램들이 생성되는 것을 허용할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 '엑소수트 API'는, 개별 엑소수트-특정 액추에이터 (즉, 상이하게 구성된 엑소수트들이 동일한 특정 신체 분획에 힘을 인가하는 액추에이터를 포함할 수 없는 경우에, 상기 특정 신체 분획에 힘을 인가하는 액추에이터) 들의 표준 캡슐화를 제공할 수 있으며, 어떤 가요성 엑소수트가 상기 '엑소수트 API'를 제공하고 있던지, 그의 구성에 관한 정보를 액세스하기 위한 표준 인터페이스를 제공할 수 있다. 상기 '엑소수트 API'를 액세스하는 애플리케이션이나 기타 프로그램은, 상기 가요성 엑소수트의 구성 (예를들면, 액추에이터, 액추에이터의 사양, 센서의 위치 및 사양에 의해 생성된 신체 분획들 간의 위치 및 힘) 에 관한 데이터를 액세스할 수 있으며, 상기 애플리케이션에 의해 생성된 가요성 엑소수트의 모델에 기초하여 및 가요성 엑소수트의 구성에 관한 상기 액세스된 데이터에 관한 정보에 기초하여, 개별 액추에이터들을 위한 간단한 명령들 (예를들어, 50 밀리초 동안 30 뉴턴의 힘을 생성하라) 을 생성할 수 있다. 추가적인 또는 대안적인 기능성이, 애플리케이션에 따라 '엑소수트 API'에 의해 캡슐화될 수 있다.
[00319] 애플리케이션(1914a, 1914b, 1914c)들이, 본 명세서에 기재된 가요성 엑소수트의 기능 및 동작 모드의 전부 또는 일부를 개별적으로 인에이블할 수 있다. 예를들어, 어떤 애플리케이션은 로봇 시스템의 햅틱 제어를 인에이블할 수 있는바, 이는, 가요성 엑소수트(1900) 착용자의 활동성에 관한 자세, 힘, 토크, 및 기타 정보를 전송함으로써, 그리고 상기 로봇 시스템으로부터 수신된 힘 및 토크를 착용자에게 인가되는 햅틱 피드백 (즉, 액추에이터(1920) 및/또는 햅틱 피드백 엘리먼트에 의해 착용자의 신체에 인가되는 힘 및 토크) 으로 변환함으로써 이루어진다. 또 다른 예에서, 어떤 애플리케이션은, 가요성 엑소수트(1900)의 액추에이터(1920)가 이용자의 움직임을 돕고 착용자의 위치이동의 페이스로부터 네거티브한 작업을 추출하고 상기 저장된 작업을 착용자의 위치이동의 다른 페이스로 주입하도록, (예를들어, API를 통해) 오퍼레이팅 시스템(1912)에 명령을 제출하고 오퍼레이팅 시스템으로부터 데이터를 수신함으로써, 혹은 가요성 엑소수트(1900)의 기타 동작 방법에 의해, 착용자로 하여금 더 효율적으로 위치이동하는 것을 가능하게 할 수 있다. 애플리케이션들은, 다양한 방법에 의해 가요성 엑소수트(1900)에 내포된 컴퓨터 판독가능 저장매체 상에 및/또는 컨트롤러(1910) 상에 인스톨되어질 수 있다. 애플리케이션들은, 통신 인터페이스(1960)를 통해 컨트롤러(1910)와 통신하는 시스템으로부터 혹은 이동식 컴퓨터 판독가능 저장매체로부터 인스톨되어질 수 있다. 일부 예에서는, 상기 애플리케이션들이, 웹 사이트, 인터넷 상의 컴파일된 또는 컴파일되지 않은 프로그램의 저장소, 온라인 상점 (예를들어, 구글 플레이, 아이튠즈 앱 스토어), 또는 다른 소스로부터 인스톨되어질 수 있다. 또한, 상기 애플리케이션들의 기능은, (예를들어, 현재의 환경 조건에 대한 정보를 제공하는 애플리케이션을 인증, 업데이트를 수신하는) 원격 시스템과 연속적으로 또는 주기적으로 통신하고 있는 컨트롤러(1910)에 따르게 된다.
[00320] 도 19에 도시된 가요성 엑소수트(1900)는 예시적인 예로서 의도된다. 가요성 엑소수트의 기타 구성 및 오퍼레이팅 시스템, 커널, 애플리케이션, 드라이버, 서비스, 데몬, 또는 기타 컴퓨터 판독가능 프로그램의 다른 구성이 예상된다. 예를들어, 가요성 엑소수트를 동작시키도록 구성된 오퍼레이팅 시스템은, 가요성 엑소수트의 엘리먼트를 동작시키는 로우-레벨 명령을 생성하도록 구성된 실시간 오퍼레이팅 시스템 구성요소, 및 가요성 엑소수트에 저장된 컴퓨터 판독가능한 프로그램을 업데이트하는, 사용자 인터페이스 상의 시계와 같은, 시간 민감도가 적은 기능을 가능하게 하는 비-실시간 구성요소, 혹은 기타 기능을 포함할 수 있다. 가요성 엑소수트는, 하나 이상의 컨트롤러를 포함할 수 있다; 또한, 이들 컨트롤러의 일부는, 실시간 애플리케이션, 오퍼레이팅 시스템, 드라이버, 또는 다른 컴퓨터 판독가능한 프로그램 (예를들면, 이러한 컨트롤러들은, 매우 짧은 인터럽트 서비스 루틴, 매우 빠른 스레드 스위칭, 또는 대기시간-민감형 컴퓨테이션에 관한 다른 특성 및 기능을 가지도록 구성되었다) 을 실행하도록 구성될 수 있는 반면, 다른 컨트롤러들은, 가요성 엑소수트의 시간-민감성 기능이 덜 활성화되도록 구성되어 있다. 가요성 엑소수트의 추가 구성과 작동 모드가 예상된다. 더욱이, 본원에 기술된 바와 같은 제어 시스템은, 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트 이외의 디바이스 및 시스템의 동작을 인에이블하도록 구성될 수 있다; 예를들어, 본원에 기술된 바와 같은 제어 시스템은, 로봇, 강성 엑소수트나 엑소스켈레톤(외골격), 보조 장치, 보철, 또는 다른 메카트로닉 장치를 동작시키도록 구성될 수 있다.
가요성
엑소수트의
기계적 동작의 제어
[00321] 가요성 엑소수트의 액추에이터의 제어는, 다양한 제어 운영방식에 따라 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 일반적으로, 하나 이상의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 컨트롤러가, 가요성 엑소수트 상에 또는 내에 배치된 센서로부터 및/또는 가요성 엑소수트와 통신하는 원격 시스템으로부터, 가요성 엑소수트의 상태, 가요성 엑소수트의 착용자, 및/또는 가요성 엑소수트의 환경에 대한 정보를 수신할 수 있다. 상기 하나 이상의 하드웨어 및/또는 소프트웨어 컨트롤러는, 가요성 엑소수트의 명령된 상태를 달성하도록 및/또는 몇몇 다른 애플리케이션을 인에이블하도록, 가요성 엑소수트의 액추에이터에 의해 실행될 수 있는 제어 출력을 생성할 수 있다. 하나 이상의 소프트웨어 컨트롤러는, 오퍼레이팅 시스템의 일부, 커널, 드라이버, 애플리케이션, 서비스, 데몬 또는 가요성 엑소수트에 포함된 프로세서에 의해 실행되는 컴퓨터 판독가능 프로그램으로서 구현될 수 있다.
[00322] 도 20a는, 가요성 엑소수트의 상태를 검출하는 단계(2010a), 컨트롤러를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020a), 및 상기 결정된 출력에 따라 가요성 엑소수트를 동작시키는 단계(2030a)를 포함하는 가요성 엑소수트를 동작시키기 위한 예시적인 프로세스(2000a)를 나타낸다. 가요성 엑소수트의 상태를 검출하는 단계(2010a)는, 가요성 엑소수트에 배치된 센서를 이용하여 가요성 엑소수트 및/또는 그 착용자의 하나 이상의 특성을 측정하는 단계, 가요성 엑소수트의 저장 상태를 액세스하는 단계, 필터 (예를들어, 칼만 필터) 를 적용하는 단계 혹은 그렇지 않으면 상기 측정된 하나 이상의 특성 및/또는 액세스하여 저장된 상태를 처리하는 단계, 혹은 상기 가요성 엑소수트의 상태 (즉, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들에 관한 위치, 배향, 구성, 및/또는 기타 정보) 가 전부 또는 부분적으로 결정되도록 하는 기타 프로세스들을 포함할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트의 상태를 검출하는 단계(2010a)는, 가요성 엑소수트의 하나 이상의 강성 또는 반 강성의 세그먼트 및/또는 가요성 엑소수트의 착용자의 신체의 하나 이상의 세그먼트의 상대적인 위치 및 배향을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
[00323] 컨트롤러를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020a)는, 상기 검출된 상태, 캘리브레이션 정보, 과거 검출된 상태에 관한 정보, 컨트롤러 파라미터, 또는 하나 이상의 출력 명령을 결정하기 위한 기타 정보에 대해 연산을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 연산은, 애플리케이션에 따라, 서로 다른 다양한 컨트롤러 중 하나를 구현할 수 있다. 상기 컨트롤러는, 상태 머신, 피드백 루프, 피드-포워드 컨트롤러, 룩업 테이블(LUT), 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러, 파라메트릭 컨트롤러, 모델-기반 컨트롤러, 역 운동역학적 모델-기반의 컨트롤러, 상태-공간 컨트롤러, 뱅-뱅 컨트롤러, 선형-쿼드릭-가우시안(LQG) 컨트롤러, 기타 컨트롤러 및/또는 컨트롤러들의 조합을 포함할 수 있다. 컨트롤러의 구성의 파라미터, 토폴로지, 또는 기타 양태는, 가요성 엑소수트를 제어하기 위해 사용되기 전에, 최적화, 훈련, 또는 그렇지 않으면 시뮬레이션에서 검증될 수 있다. 컨트롤러 및/또는 컨트롤러를 검증하는 데 사용되는 시뮬레이션의 파라미터는, 캘리브레이션 파라미터 또는 가요성 엑소수트의 모형 또는 타입과 관련된 기타 데이터, 개별 가요성 엑소수트, 가요성 엑소수트의 개별 착용자, 또는 가요성 엑소수트가 작동될 수 있는 환경에 관련될 수 있다. 상기 컨트롤러는, 어떤 메트릭에 따른 성능 향상을 위해 개선, 적합화, 또는 그렇지 않으면 재구성하도록 구성될 수 있다. 이러한 개선, 적합화, 또는 재구성은, 가요성 엑소수트 및/또는 그 착용자의 특성, 착용자에 의한 가요성 엑소수트의 사용 패턴, 걸음걸이 패턴 또는 착용자에 의한 개입된 신체 활동이나 운동의 기타 패턴, 또는 기타 정보에 있어서의 검출되거나 특정된 변화에 관련이 있을 수 있다.
[00324] 상기 결정된 출력에 따라 가요성 엑소수트를 동작시키는 단계(2030a)는, 꼬인 끈 액추에이터(TSA), 엑소텐던, 전자중합체(electropolymer) 인공 근육(EPAM) 액추에이터, 또는 가요성 엑소수트의 엘리먼트, 착용자의 신체, 및/또는 가요성 엑소수트의 환경에 힘 및/또는 토크를 인가하는 기타 메카트로닉스 엘리먼트를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 결정된 출력은, TSA가 특정된 속도로 단축되며, 상기 결정된 출력에 따라 가요성 엑소수트를 동작시키는 단계(2030a) 는, 상기 TSA의 모터의 권선에 전압 및/또는 전류를 인가하는 단계, 모터의 회전 속도 및/또는 화전 각도를 검출하는 단계, 또는 상기 TSA가 상기 특정 속도로 단축되도록 하는 기타 프로세스들을 포함할 수 있다는 것을 상술할 수 있다. 다른 예에서, 상기 결정된 출력은, 어떤 토크 레벨이 상기 착용자의 관절에 인가되며, 상기 결정된 출력에 따라 가요성 엑소수트를 동작시키는 단계(2030a)는, 상기 착용자의 관절에 특정 레벨의 토크를 인가하기 위해 가요성 엑소수트의 하나 이상의 액추에이터를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다는 것을 상술할 수 있다. 또한, 상기 가요성 엑소수트의 엘리먼트들을 작동시키기 위해 상기 결정된 출력과 신호들 간의 변환은, 상기 액추에이트된 엘리먼트들에 관한 캘리브레이션 데이터 및/또는 상기 가요성 엑소수트의 기타 엘리먼트들이나 양태들에 기초될 수 있다. 예를들어, 특정 속도로 단축되는 TSA를 동작시키는 단계는, TSA의 전송 속도를 포함하는 캘리브레이션 데이터에 기초하여 TSA의 모터를 회전시키도록 회전 속도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 다른 시나리오 및 프로세스들이 예상된다.
[00325] 모델-기반 컨트롤러는, 상기 컨트롤러에 의해 제어되는 시스템의 기계적이거나 그외 모델에 기초한 혹은 거기서 영감을 얻는, 구조, 조직, 또는 기타 특성을 갖는 컨트롤러이다. 예를들어, '인버티드 펜듈럼'(inverted pendulum)의 모델-기반 컨트롤러는, 입력을 제어하도록 '인버티드 펜듈럼'의 응답 모델 (즉, '인버티드 펜듈럼'의 상태들의 진전) 을 인버팅 혹은 그렇지 않으면 조작함에 기초하여 생성될 수 있는바, 그리하여 상기 인버팅된 혹은 그렇지 않으면 조작된 모델이, '인버티드 펜듈럼'의 검출 상태에 기초하여 '인버티드 펜듈럼'의 명령받은 상태를 수행하기 위해, 상기 '인버티드 펜듈럼' (예, 베이스 힘(base forces)) 를 제어하여 출력을 생성하도록 한다. 몇몇 실시예에서, 상기 모델-기반 컨트롤러는, 제어되어질 시스템의 모델을 포함하며, 상기 시스템의 모델로 잠재적인 및/또는 현재의 제어 출력을 인가하여, 상기 제어 출력에 응하여 상기 시스템의 출력을 예측하거나, 에러 신호를 생성하거나, 혹은 어떤 다른 애플리케이션을 인에이블하게 된다. 몇몇 실시예에서, 모델-기반 컨트롤러는, 상기 모델에 의해 제시되는 시스템의 시뮬레이션을 사용하는 어떤 비용 함수나 제한조건에 따라서 훈련된 혹은 그렇지 않으면 최적화된 파라미터들을 갖는 더 포괄적인 타입의 컨트롤러 (예를들어, PID 컨트롤러, 상태-공간 컨트롤러, 뱅-뱅 컨트롤러, 선형-쿼드릭-가우시안(LQG) 컨트롤러) 일 수 있다.
[00326] 모델 기반 컨트롤러의 사용은, 가요성 엑소수트의 컨트롤로 하여금, 훈련 기간없이 다른 착용자, 환경 및 조건에 적합화되는 것을 허용할 수 있다. 즉, 모델 파라미터들이, 상기 모델 파라미터들에 대응하는 가요성 엑소수트, 착용자, 및/또는 환경의 특성에 있어서의 검출된 변화에 기초하여 업데이트될 수 있다. 예를들어, 단일의 모델 및/또는 모델-기반 컨트롤러가, 특정화된 구성을 갖는 (예를들면, 엔도-헤르 모델의 시뮬레이션된 액추에이터 (즉, 힘 변환기, 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트) 에 대응하는 액추에이터 (즉, TSA, 엑소텐던) 를 포함하도록 구성된) 가요성 엑소수트를 제어하기 위해 생성될 수 있다. 상기 모델-기반 컨트롤러의 특정 파라미터들은, 가요성 엑소수트의 착용자 및/또는 엘리먼트의 특성에 대응할 수 있다. 예를들면, 착용자의 신체 세그먼트의 중량, 클러치된 상태에서의 엑소텐던의 컴플라이언스, 개별 TSA의 힘 길이 특성, 또는 다른 특성들이, 모델-기반 컨트롤러의 파라미터들에 해당할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트의 상이한 동작 모드들 (및 대응하는 애플리케이션, 서비스, 또는 기타 컴퓨터 판독가능 프로그램) 이, 상이한 착용자, 환경 및 조건에 대응할 수 있다. 예를들어, 제1 착용자는 제1 구성 서비스 (즉, 제1 착용자에 관한 정보에 대한 컨트롤러, 애플리케이션, 드라이버, 구성 파라미터, 동작 모드, 애플리케이션, 또는 기타 정보를 업데이트하는 서비스) 를 사용하여 가요성 엑소수트를 동작시킬 수 있고, 제2 착용자는, 제2 구성 서비스를 사용하여 가요성 엑소수트를 동작시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 모델 파라미터들을 변경하는 업데이트는, 착용자 및/또는 가요성 엑소수트의 상태에 있어서의 질적 변화를 나타낼 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 지시된 질적 변화는, 가요성 엑소수트의 엘리먼트가 교체될 필요가 있거나 및/또는 실패할 가능성이 있음에 대한 표지일 수 있다. 예를들어, TSA에 대응하는 모델 파라미터의 업데이트는, 상기 TSA의 꼬인 끈이 현저하게 피로화되어 있으며, 절단될 가능성이 있으며 및/또는 상기 TSA가 준-적합의 방식으로 동작되도록 야기할 가능성이 있음을 나타낼 수 있다. 이 표지는, 가요성 엑소수트의 사용자 인터페이스를 통해 착용자에게 전달될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 표지는, 원격의 시스템 또는 인간 (예를들면, 수리 기술자, 의료 기술자, 부품 관리자) 에게 전달될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 표지된 질적 변화는, 상기 착용자가 현저하게 신체적 및/또는 정신적으로 피로하게 되었음을 나타내는 것일 수 있다. 이 표지는, 가요성 엑소수트의 사용자 인터페이스를 통해 착용자에게 전달될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 표지는, 가요성 엑소수트가 그 착용자의 활동성을 증가시키고 및/또는 그 착용자의 잠재적으로 해로운 작업 또는 움직임을 억제하는 정도 또는 퍼센트를 증가시켜, 상기 가요성 엑소수트로 하여금 그 동작을 변경시킬 수 있도록 야기한다.
[00327] 몇몇 실시예에서, 모델-기반 컨트롤러의 사용은, 가요성 엑소수트의 지속적으로 변화하는 특성에 기초하여, 가요성 엑소수트의 제어를 가능하게 할 수 있다. 즉, 상기 엑소수트의 제어는, 지속적으로 가요성 엑소수트의 엘리먼트의 특성에 있어서의 변화 (예를들면, 가요성 엑소수트 주변의 습도가 변함에 따른 엑소텐던의 컴플라이언스, TSA의 힘/길이/토크 특성) 에 적응할 수 있다. 가요성 엑소수트의 센서는, 시간이 지남에 따라, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들의 캘리브레이션 파라미터 (엑소텐던의 컴플라이언스, TSA의 힘/길이/토크 특성) 들을 업데이트하기에 충분한 측정치들을 생성할 수 있다. 이러한 캘리브레이션 프로세스는, 동작 모드들을 달성하기 위한 가요성 엑소수트의 동작 중에 및/또는 캘리브레이션 파라미터들을 결정하는 쪽으로 특별히 지시된 가요성 엑소수트의 동작 중에, 가요성 엑소수트의 컨트롤러에 의해 실행되는 컴퓨터 판독가능 프로그램 (예를들면, 캘리브레이션 서비스(1916)) 에 의해 주기적으로 수행될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 가요성 엑소수트의 개별 엘리먼트는 교체될 수 있고, 교체용 엘리먼트에 대응하는 캘리브레이션 파라미터는, 상기 교체용 엘리먼트로 대체되는 어떤 엘리먼트를 위해 저장된 캘리브레이션 파라미터를 대체할 수 있는바, 그리하여 상기 가요성 엑소수트가 상기 가요성 엑소수트의 엘리먼트의 특성에 관한 업데이트된 캘리브레이션 파라미터를 저장하도록 한다. 상기 캘리브레이션 파라미터들은, 모델-기반 컨트롤러의 파라미터들, 및 가요성 엑소수트의 현재 상태에 대응하는 갤리브레이션 파라미터들 (예를들어, 캘리브레이션 프로세스에 의해 및/또는 교체된 엘리먼트에 대응하는 캘리브레이션 파라미터를 교체용 엘리먼트에 대응하는 파라미터들로 대체하여, 생성된) 에 대응될 수 있다.
[00328] 캘리브레이션 파라미터들은 추가적으로, 가요성 엑소수트의 착용자의 속성 및/또는 착용자에 의해 및/또는 가요성 엑소수트에 의해 운반되는 부하 또는 기타 오브젝트의 속성을 기술할 수 있다. 예를들어, 모델-기반 컨트롤러들의 파라미터는, 착용자의 엉덩이에 대한 상기 착용자의 질량 (즉, 착용자의 몸통, 머리, 및 팔의 질량, 그리고 착용자의 신체의 이러한 세그먼트들에 의해 운반되거나 그들에 부착되는 어떤 로드의 질량) 에 대응할 수 있다. 가요성 엑소수트의 센서 및/또는 액추에이터는, 착용자의 엉덩이에 대한 상기 착용자의 질량을 연속적으로 또는 주기적으로 추정하도록 동작될 수 있다. 그 질량에 대응하는 상기 모델-기반 컨트롤러의 파라미터는 착용자의 엉덩이에 대한 상기 착용자의 추정 질량에 기초하여 업데이트될 수 있는바, 그리하여 상기 모델-기반 컨트롤러의 질량 파라미터를 업데이트 한 후, 컨트롤러에 의해 결정된 제어 출력이 상기 업데이트된 질량 파라미터에 대응하는 착용자의 엉덩이에 대한 상기 착용자의 현재의 질량을 고려하도록 한다. 예를들면, 상기 착용자의 신체에 액추에이터에 의해 인가된 결정된 출력 힘은, 상기 착용자의 엉덩이에 대한 상기 착용자의 질량에 있어서의 증가를 보상하기 위해 증가될 수 있다.
[00329] 캘리브레이션 파라미터들은, 상기 가요성 엑소수트와 통신함에 있어 원격 시스템으로 업로드될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 캘리브레이션 파라미터들은, 상기 가요성 엑소수트와 통신함에 있어 상기 원격 시스템으로부터 다운로드될 수 있다. 캘리브레이션 파라미터들의 세트는, 특정된 가요성 엑소수트, 착용자, 가요성 엑소수트의 엘리먼트, 또는 이들의 조합과 연관될 수 있다. 특정된 착용자 및/또는 특정된 착용자에 의해 사용되는 가요성 엑소수트와 관련된 캘리브레이션 파라미터는, 상기 특정 착용자가 통신 네트워크 (예를들어, 인터넷) 를 통해 상기 저장된 캘리브레이션 파라미터를 액세스할 수 있도록 사용자 이름, 패스워드, 또는 기타 크리덴셜(credential)과 연관될 수도 있다. 이러한 방식으로 상기 특정 착용자의 캘리브레이션 파라미터를 액세스하는 것은, 상기 특정 착용자로 하여금, 상기 특정 착용자의 신체적 특성, 상기 특정 착용자에 사용되는 애플리케이션들 및/또는 애플리케이션, 상기 특정 착용자에 의해 사용되는 컨트롤러들 및/또는 컨트롤러, 및/또는 가요성 엑소수트의 상기 특정 착용자 및/또는 상기 특정 착용자의 동작과 관련된 사용(법), 걸음걸이 또는 기타 패턴들을 기술하는 캘리브레이션 파라미터들에 대한 쉬운 접근을 유지하면서, 다수의 가요성 엑소수트들을 사용하는 것을 가능하게 한다. 사용자 이름, 패스워드, 또는 기타 크리덴셜은, 캘리브레이션 파라미터들이나 착용자에 대한 다른 정보가, 상기 착용자가 아닌 사람이나 시스템에 의해 액세스되는 것으로부터 보호할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트는, 상기 착용자에 대한 어떤 정보 (예를들어, 걸음걸이 패턴, 착용자에 의해 만들어진 제스처) 를 전송할 수 있으며, 상기 정보는 하나의 크리덴셜 (예를들면, 생체 식별자로서) 로 사용될 수 있다.
[00330] 도 20b는, 가요성 엑소수트의 상태를 검출하는 단계(2010b), 참조 함수를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020b), 및 상기 결정된 출력에 따라 가요성 엑소수트를 동작시키는 단계(2030b)를 포함하는 가요성 엑소수트를 동작시키기 위한 예시적인 프로세스(2000b)를 나타낸다. 가요성 엑소수트의 상태를 검출하는 단계(2010b)는, 가요성 엑소수트에 배치된 센서를 이용하여 가요성 엑소수트 및/또는 그 착용자의 하나 이상의 특성을 측정하는 단계, 가요성 엑소수트의 저장 상태를 액세스하는 단계, 필터 (예를들어, 칼만 필터) 를 적용하는 단계 혹은 그렇지 않으면 상기 측정된 하나 이상의 특성 및/또는 액세스하여 저장된 상태를 처리하는 단계, 혹은 상기 가요성 엑소수트의 상태 (즉, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들에 관한 위치, 배향, 구성, 및/또는 기타 정보) 가 전부 또는 부분적으로 결정되도록 하는 기타 프로세스들을 포함할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트의 상태를 검출하는 단계(2010b)는, 가요성 엑소수트의 하나 이상의 강성 또는 반 강성의 세그먼트 및/또는 가요성 엑소수트의 착용자의 신체의 하나 이상의 세그먼트의 상대적인 위치 및 배향을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
[00331] 참조 함수를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020b)는, 상기 검출된 상태에 기초하여 몇몇 연산을 수행하는 단계를 포함하는바, 상기 연산은 결정된 출력으로 귀결된다. 몇몇 실시예에서, 참조 함수를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020b)는, 상기 검출된 상태를 변형하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 검출된 상태를 변형하는 단계는, 상기 검출된 상태의 특정 엘리먼트들을 선택하는 단계 및 다른 엘리먼트들을 폐기하는 단계를 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 참조 함수는, 착용자의 검출된 발목 각도의 함수일 수 있으며, 발목 각도가 아닌 상기 검출된 상태에서의 정보 (예를들면, 다른 관절의 각도, 인체 세그먼트 속도, 관절 토크) 는, 폐기될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 검출된 상태를 변형하는 단계는, 상기 검출된 상태의 하나 이상의 변수를 스케일링, 시프팅, 인버팅, 또는 양자화하는 단계들을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 검출된 상태를 변형하는 단계는, 상기 검출된 상태의 차원을 감소시키는 단계; 즉, 상기 검출된 상태의 변수들의 제1 개수를 상기 제1 개수 보다 적은 변수들의 제2 개수로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 검출된 상태의 변수들은, 주 성분 분석, 독립 성분 분석, 인자 분석, 베리맥스(varimax) 회전, 넌-네가티브 행렬 분해, 아이소맵(isomap), 또는 몇몇 다른 차원 축소 프로세스의 대상일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 검출된 상태를 변형하는 단계는, (예를들어, 칼만(Kalman) 필터, 위너(Wiener) 필터, 또는 몇몇 다른 선형 또는 비선형 필터를 사용하여) 상기 검출된 상태를 필터링 하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 검출된 상태를 변형하는 단계는, 분류기(classifier)로 상기 검출된 상태를 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 검출된 상태의 하나 이상의 변수는, 서포트 벡터 머신, K-니어리스트-네이버 분류기(K-nearest-neighbors classifier), 또는 상기 검출된 상태의 하나 이상의 변수를 한정된 개수의 출력 클래스 중의 하나로 변형하는 패턴 매칭 알고리즘의 어떤 다른 분류기로 인가될 수 있다.
[00332] 몇몇 실시예에서, 상기 검출된 상태를 변형하는 단계는, 걸음걸이 정보를 결정하기 위해 상기 검출된 상태를 이용하는 단계를 포함한다. 예를들어, 상기 검출된 상태는, (즉, 가요성 엑소수트의 착용자가 현재 시점에서 시간이 지나서, 전위 사이클(locomotion cycle)을 통해, 얼마나 멀리, 퍼센트, 비율, 또는 프랙션으로서) 보행 사이클 퍼센트를 결정하는 데, 또는 보행 주기(gait phase) (예를들면, 입각기, 유각기, 발뒤꿈치 가격, 발끝 이탈) 를 결정하는 데 사용될 수 있다. 보행 사이클 퍼센트 및/또는 보행 주기는, 착용자의 검출된 관절 각도 및/또는 관절 토크에 기초하여 결정될 수 있다. 예를들어, 상기 검출된 상태의 측정된 관절 각도는, 기록된 관절 각도(1561a, 1563a, 1565a), 시뮬레이션된 관절 각도(1561b, 1563b, 1565b), 기록된 관절 토크(1571a, 1573a, 1575a), 및/또는 시뮬레이션된 관절 토크(1571b , 1573b, 1575b)의 패턴과 비교될 수 있다. 보행 사이클 퍼센트 및/또는 보행 주기를 결정하기 위해 상기 검출된 상태가 비교되는 기록된 및/또는 시뮬레이션된 패턴들은, 상기 가요성 엑소수트의 특정 착용자와 관련될 수 있거나, 또는 착용자들 또는 다른 사람들의 인구 집단 (예를들어, 상기 패턴들은, 사람들의 인구 집단으로부터 기록된 데이터로부터 생성된 모집단과 관련될 평균 패턴일 수 있다) 과 관련될 수 있다.
[00333] 몇몇 예에서, 참조 함수를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020b)는, 매끄러운 참조 함수로 상기 결정된 상태 및/또는 상기 결정된 상태의 변형된 버전을 인가하는 단계 및 상기 출력을 결정하기 위해 상기 매끄러운 참조 함수의 출력을 연산하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 매끄러운 참조 함수는, 일변수(univariate), 이변수(bivariate), 혹은 다변수(multivariate) 함수일 수 있으며, 상기 검출된 상태에 기초하여 하나 이상의 결정된 출력에 대응하는 하나 이상의 출력을 가질 수 있다. 상기 매끄러운 참조 함수는, 다항식, 유리 함수, 지수 함수, 사인 곡선, 다른 평활 함수, 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 형상 및/또는 파라미터는, 가요성 엑소수트의 함수나 일부 엘리먼트의 모델에 기초할 수 있다. 예를들어, 상기 매끄러운 참조 함수는, 안정적 시뮬레이션된 위치이동을 생성하기 위해 엔도-헤르 모델(1300)의 일부로서 시뮬레이션된 힘 변환기에 의해 생성된 힘 프로파일에 근접하도록 선택될 수 있다. 상기 형상 및/또는 파라미터는, 가요성 엑소수트의 착용자 및/또는 다른 사람들의 인구집단 및/또는 가요성 엑소수트의 착용자로부터 기록된 데이터에 기초할 수 있다.
[00334] 몇몇 예에서, 참조 함수를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020b)는, 하나 이상의 이산적 입력 변수를 생성하기 위해 상기 검출된 상태로 임의의 변형을 인가하는 단계 및 상기 하나 이상의 이산적 입력 변수에 대응하는 룩-업 테이블의 셀의 내용에 기초하여 출력을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 검출된 상태는, 네 가지 보행 단계 중 하나 (예를들면, 발뒤꿈치 가격, 보각기, 발끝 이탈, 또는 유각기) 로 변형될 수 있으며, 네 가지 보행 단계의 각각은, 대응하는 세트의 출력들을 가질 수 있다 (예를들어, 각 보행 단계는, 클러치하는 엑소텐던의 각 세트를 가질 수 있다). 상기 룩업 테이블은, 하나, 둘 또는 그 이상의 이산적 입력 변수들을 가질 수 있으며, 상기 하나 이상의 이산적 입력 변수들의 값들의 각 조합에 대해 하나 이상의 출력 상태를 상술할 수 있다. 하나 이상의 이산적 입력 변수는, 상기 검출된 상태의 이산화된 및/또는 양자화된 연속적인 값들일 수 있다; 예를들어, 상기 입력 변수 중 하나는 50 빈스(bins)로 이산화된 관절 발목일 수 있는바, 그리하여 상기 입력 변수는 50 개의 상이한 이산적 상태들을 가질 수 있도록 그리고 상기 이산적 상태들은 상기 이산적 상태들에 대응하는 각도의 상대적인 크기에 따라 정렬될 수 있도록 한다. 상기 룩업 테이블의 셀에 대응하는 출력 값은, 가요성 엑소수트의 일부 엘리먼트 또는 기능의 모델에 기초될 수 있다. 상기 룩업 테이블의 셀의 조직 및 컨텐츠, 그리고 상기 룩업 테이블의 어느 셀이 주어진 검출된 상태에 대한 액세스를 결정하는 데 사용되는 하는 상기 변형은, 상기 가요성 엑소수트의 착용자 및/또는 다른 사람들의 인구집단 및/또는 가요성 엑소수트의 착용자로부터 기록된 데이터에 기초될 수 있다.
[00335] 상기 참조 함수의 하나 이상의 특성이, 가요성 엑소수트의 모델, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들, 및/또는 가요성 엑소수트의 착용자에 기초될 수 있다. 몇몇 예에서, 상기 참조 함수는, 착용자의 위치이동의 효율을 높이기 위한, 착용자의 부상의 가능성을 감소시키기 위한, 혹은 어떤 제한 조건을 최대화, 최소화 및/또는 만족시키기 위한, 모델을 사용하여 생성된 상기 가요성 엑소수트의 일부 엘리먼트의 활성화 패턴일 수 있다. 예를들어, 상기 참조 함수는, 보행 사이클 퍼센트의 함수로서 클러칭하는 엑소텐던 (예를들어, 1400) 의 패턴일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 모델로부터 참조 함수를 생성하는 단계는, 계산적으로 고가일 수 있다. 예를들어, 상기 참조 함수를 생성하는 단계는, 그래디언트 강하, 유전적 알고리즘, 및/또는 상기 모델의 하나 이상의 시뮬레이션의 계산을 필요로 할 수 있다. 이러한 예에서, 상기 참조 함수는, 상기 참조 함수를 생성하는 계산적인 비용과 관련된 낮은 속도로 모델을 이용하여 생성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 참조 함수는, 수동 입력 혹은 그렇지 않으면 모델 변경의 특정된 파라미터를 결정할 때에만 재-계산될 수 있다.
[00336] 일 예에서, 참조 함수를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020b)는, 착용자의 검출된 관절 각도에 기초하여 보행 사이클 퍼센트를 결정하는 단계 및 엔도-헤르 모델(1300)을 사용하여 발생된 클러치드-컴플라이언스 엘리먼트 (예를들어, 1400) 의 활성화 패턴에 따라 가요성 엑소수트의 엑소텐던을 작동하는 단계를 포함한다. 다른 예에서, 참조 함수를 사용하여 상기 검출된 상태에 기초하여 출력을 결정하는 단계(2020b)는, (1210, 1220, 1230)과 유사하게 구성된, 및/또는 TSA 컨트롤러를 동작시키고 엑소텐던을 액추에이트시키는, 보행 주기 (예, 발끝 이탈(toe-off), 발꿈치 가격(heel strike), 발바닥 닿기(feet-flat)) 에 관련된 상태 전이를 갖는 관절 관련 상태 머신 컨트롤러를 동작시키는 단계를 포함한다. 상기 결정된 출력에 따라 가요성 엑소수트를 동작시키는 단계(2030b)는, 꼬인 끈 액추에이터(TSA), 엑소텐던, 전자 중합체 인공 근육(EPAM) 액추에이터, 혹은 가요성 엑소수트의 엘리먼트, 착용자의 신체, 및/또는 가요성 엑소수트의 환경에 힘 및/또는 토크를 인가하는 기타 메카트로닉스 엘리먼트를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를들어, 상기 결정된 출력은, TSA가 특정 속도로 단축되고, 및 상기 결정된 출력에 따라 가요성 엑소수트를 동작시키는 단계(2030b)는, TSA의 모터의 권선에 전압 및/또는 전류를 인가하는 단계, 모터의 회전 속도 및/또는 각도를 검출하는 단계, 혹은 상기 TSA가 상기 특정 속도로 단축되도록 하는 기타 프로세스를 포함할 수 있다는 사실을 상술할 수 있다. 다른 예에서, 상기 결정된 출력은, 어느 레벨의 토크가 착용자의 관절에 인가되고, 및 상기 결정된 출력에 따라 가요성 엑소수트를 동작시키는 단계(2030b)는, 착용자의 관절에 특정 레벨의 토크를 인가하기 위해 가요성 엑소수트의 하나 이상의 액추에이터를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다는 사실을 상술할 수 있다. 또한, 상기 가요성 엑소수트의 엘리먼트들을 작동시키기 위한 상기 결정된 출력들과 신호들 간의 변환은, 상기 액추에이트된 엘리먼트들에 관한 캘리브레이션 데이터 및/또는 상기 가요성 엑소수트의 기타 측면들이나 엘리먼트들에 기초될 수 있다. 예를들어, 특정 속도로 단축시키는 TSA를 동작시키는 단계는, 상기 TSA의 전송비를 포함하는 캘리브레이션 데이터에 기초하여 상기 TSA의 모터를 회전시키는 회전 속도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 기술된 바와 같은 다른 시나리오 및 프로세스들이 예상된다.
[00337] 다수의 컨트롤러 및/또는 참조 함수들이, 엑소수트의 검출된 상태에 기초하여 출력(들)을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예를들어, 제1 컨트롤러는 제1 시간 주기 동안 출력을 결정하는데 이용될 수 있고, 제2 컨트롤러는 제2 시간 주기 동안 출력을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 컨트롤러는, 제1 세트의 액추에이터, 관절, 또는 가요성 엑소수트 및/또는 그의 착용자에 대응하는 출력을 결정하는데 이용될 수 있으며, 제2 컨트롤러는, 제1 세트와 공통원소를 갖지 않는 제2 세트의 액추에이터, 관절, 또는 가요성 엑소수트 및/또는 그의 착용자에 대응하는 출력을 결정하는데 이용될 수 있다. 게다가, 하나 이상의 컨트롤러, 분류기, 또는 기타 알고리즘들이, 한 세트의 컨트롤러들 중에서 어느 컨트롤러가 출력(들)을 발생시키는데 사용되어야 하는 것인지 및/또는 가요성 엑소수트의 엘리먼트를 작동하는 데 사용될 수 있는 제1 결합된 출력(들)을 생성하기 위해 상기 세트의 컨트롤러들로부터 상기 출력된 출력(들)을 결합하는 방법을 결정하는 데 사용될 수 있다.
[00338] 몇몇 실시예에서, 최종 결합된 출력(들)을 발생시키는 단계는, 한 세트의 컨트롤러들로부터 발생된 출력들의 선형 결합을 생성하는 단계를 포함한다. 예를들어, 제1 컨트롤러는, 상기 착용자의 근육에 의해 생성되는 힘 및/또는 토크를 보완하여 착용자의 피로를 줄이기 위하여 출력(들)을 생성하도록 구성될 수 있다. 제2 컨트롤러는, 상기 검출된 상태에 기초하여, 착용자 앞의 지면이 불안정한 것이라는, 판정에 응하여, 발목의 유효 임피던스를 증가시키는 출력(들)을 생성하도록 구성될 수 있다. 상기 두 컨트롤러의 상기 발생된 출력(들)을 결합하는 단계는, 상기 발생된 출력(들)의 선형 또는 비선형 합산 액추에이터 명령들을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 제2 컨트롤러로부터 상기 생성된 출력(들)은, 제1 컨트롤러보다 더 높은 우선 순위를 갖는 상기 제2 컨트롤러 때문에, 제1 컨트롤러로부터 상기 생성된 출력(들)을 대체할 수 있다. 우선 순위가, 애플리케이션에 따라 컨트롤러들에 할당될 수 있으며 (예를들면, 부상 방지에 관한 출력(들)을 생성하는 컨트롤러들은 다른 컨트롤러들 보다 더 높은 우선 순위를 가질 수 있다), 및/또는 우선 순위는 상황 종속적 (즉, 가요성 엑소수트, 착용자들, 및/또는 가요성 엑소수트의 검출된 상태에 종속적) 일 수 있다.
[00339] 일부 예에서, 생성된 출력(들)은, 상기 가요성 엑소수트의 하나 이상의 상태 변수에 의해 조절될 수 있다. 예를들면, 상기 가요성 엑소수트의 전원이 거의 고갈될 때, 상기 가요성 엑소수트에 의해 생성된 힘 및/또는 토크가 배터리 방전 레벨과 관련된 일부 분획에 의해 감소되어질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 착용자의 피로 레벨이 검출될 수 있고, 상기 가요성 엑소수트에 생성된 힘 및/또는 토크는 상기 검출된 피로 레벨과 관련될 수 있다. 예를들어, 착용자가 피로할 때, 힘 및/또는 토크가 증가될 수 있는바, 그리하여 착용자를 돕고, 착용자로 하여금 여전히 신체 활동에 참여하면서 피로부터 회복될 수 있도록 하며, 및/또는 착용자가 피로 관련 부상을 경험할 가능성을 감소시킨다. 추가적으로 또는 대안적으로, 착용자의 상기 검출된 피로에 대한 힘 및/또는 토크의 조절은, 어떤 다른 운영방식 (예를들면, 시간이 지남에 따라 착용자가 쌓은 피로를 '투여'함으로써 착용자가 행진할 수 있는 거리를 최대화하도록 구성된 패턴) 에 따라 구현될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가요성 엑소수트에 의해 착용자에게 인가된 힘 및/또는 토크는, 착용자에 의해 특정된 설정에 따라 조절될 수 있다. 예를들어, 사용자 인터페이스는, 착용자로 하여금, 착용자의 편안함에 따라 상기 가요성 엑소수트가 착용자의 신체에 인가할 수 있는 장비 및/또는 보강의 수준을 선택하게 할 수 있다.
[00340] 상기 기술된 컨트롤러, 모델, 변환, 필터, 참조 함수, 및 기타 엘리먼트와 프로세스들은, 컴퓨터 판독가능한 프로그램으로 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독가능 프로그램은, 가요성 엑소수트의 오퍼레이팅 시스템의 일부일 수 있으며 (일예로, 1912), 또는 가요성 엑소수트에 의해 실행되며 오퍼레이팅 시스템과 연계하여 동작하는 애플리케이션 (일예로, 1914a-c) 으로서 구현될 수 있다. 애플리케이션, 서비스, 데몬, 또는 기타 컴퓨터 판독가능 프로그램은, 오퍼레이팅 시스템에 의해 제공되는 API를 통해 가요성 엑소수트의 기능을 액세스할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 애플리케이션, 서비스, 데몬, 또는 기타 컴퓨터 판독가능 프로그램은, 다른 컴퓨터 판독가능 프로그램에 의해, 상기 애플리케이션, 서비스, 데몬, 또는 기타 컴퓨터 판독가능 프로그램의 기능에 대한 액세스를 가능하게 하도록 구성된 추가적인 API 혹은 기타 메커니즘을 제공함으로써, 다른 컴퓨터 판독가능 프로그램에 기능성을 제공할 수 있다.
가요성
엑소수트의
동작의 사용자 제어
[00341] 가요성 엑소수트의 동작은, 사용자 인터페이스와 상호 작용하여 상기 가요성 엑소수트의 사용자 및/또는 착용자에 의해 입력된 정보와 관련될 수 있다. 상기 사용자 인터페이스는, 상기 가요성 엑소수트 (예를들면, 가요성 엑소수트의 슬리브 내에 제거 가능하게 또는 제거 불가능하게 배치된 터치 스크린) 에 혼입될 수 있거나, 또는 별도의 장치 (예를들면, 태블릿) 의 일부가 될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 가요성 엑소수트의 상기 사용자 인터페이스의 일부 또는 전부는, 어떤 다른 장치 (예를들어, 랩톱 컴퓨터 또는 휴대폰) 에 구현될 수 있다. 착용자의 사용자 인터페이스와의 상호 작용은, 상기 가요성 엑소수트의 설정이나 파라미터들을 변경할 수 있거나, 상기 가요성 엑소수트로 하여금 동작 모드를 변경하도록 야기할 수 있거나, 상기 가요성 엑소수트 상에 인스톨된 애플리케이션의 가산, 감산, 또는 재구성으로 귀결되거나, 또는 상기 가요성 엑소수트의 다른 기능 또는 동작 모드를 인에이블할 수 있다.
[00342] 도 21a는, 가요성 엑소수트를 위한 사용자 인터페이스(2100a)의 예를 나타낸다. 상기 사용자 인터페이스(2100a)는, 상태 변수 표시부(2110a), 정보제공 도식부(2120a), 및 파라미터 설정 인터페이스(2130a)를 포함한다. 상기 사용자 인터페이스(2100a)는, 가요성 엑소수트 내에 (예를들면, 가요성 엑소수트의 슬리브에) 배치된 터치 스크린에 의해 제공될 수 있거나, 상기 가요성 엑소수트와 통신하는 어떤 다른 시스템 (예를들어, 핸드폰) 에 의해 제공될 수 있다. 상기 상태 변수 표시부(2110a)는, 착용자에게 사용자가 선택할 수 있는 변수값 (예를들면, 가요성 엑소수트의 전지 수명, 가요성 엑소수트의 센서에 의해 검출된 바와 같은 착용자의 심박수) 을 나타내 준다. 상기 정보제공 도식부(2120a)는, 가요성 엑소수트의 단순화된 개략도를 표시한다. 상기 정보제공 도식부(2120a)는 추가로, 수트에 대한 정보를 표시할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트의 엘리먼트가 현재 가요성 엑소수트 의해 작동되고 있는지 여부가, 상기 작동 엘리먼트에 대응하는 정보제공 도식부(2120a)의 엘리먼트의 색의 변화에 의해 표시될 수 있다.
[00343] 상기 파라미터 설정 인터페이스(2130a)는, 가요성 엑소수트의 동작에 관련된 하나 이상의 파라미터를 수동으로 설정하기 위한, 착용자용 메커니즘을 제공한다. 도 21a의 예에서, 상기 파라미터 설정 인터페이스(2130a)는, 보행 사이클 퍼센트에 대한 액추에이터 힘의 패턴(2142a)을 표시한다. 상기 파라미터 설정 인터페이스(2130a)는 추가적으로, 액추에이터 힘(2142a)의 크기를 변경하는 착용자에 의해 작동되도록 구성된 슬라이더(2140a)를 표시하고 있다. 상기 착용자는, 착용자에게 편안한 액추에이터 힘의 레벨에 대응하는 레벨로 슬라이더(2140a)를 드래그할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 착용자는, 어떤 다른 고려 사항 또는 고려 사항들의 조합에 따른 힘의 레벨을 선택하기 위해 슬라이더(2140a)를 사용할 수 있는바; 예를들면, 상기 착용자는 가요성 엑소수트의 배터리 에너지를 절약하기 위해 액추에이터 힘의 레벨을 감소시킬 수 있다.
[00344] 도 21b는, 상기 가요성 엑소수트를 위한 사용자 인터페이스(2100b)의 다른 예를 도시한다. 상기 사용자 인터페이스(2100b)는, 상태 변수 표시부(2110b), 정보제공 도식부(2120b), 및 파라미터 설정 인터페이스(2130b)를 포함한다. 상기 사용자 인터페이스(2100b)는, 가요성 엑소수트 내에 (예를들면, 가요성 엑소수트의 슬리브에) 배치된 터치 스크린에 의해 제공될 수 있거나, 상기 가요성 엑소수트와 통신하는 어떤 다른 시스템 (예를들어, 핸드폰) 에 의해 제공될 수 있다. 상기 상태 변수 표시부(2110b)는, 착용자에게 사용자가 선택할 수 있는 변수값 (예를들면, 가요성 엑소수트의 전지 수명, 가요성 엑소수트의 센서에 의해 검출된 바와 같은 착용자의 심박수) 을 나타내 준다. 상기 정보제공 도식부(2120b)는, 가요성 엑소수트의 단순화된 개략도를 표시한다. 상기 정보제공 도식부(2120b)는 추가로, 수트에 대한 정보를 표시할 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트의 엘리먼트가 현재 가요성 엑소수트 의해 작동되고 있는지 여부가, 상기 작동 엘리먼트에 대응하는 정보제공 도식부(2120b)의 엘리먼트의 색의 변화에 의해 표시될 수 있다.
[00345] 파라미터 설정 인터페이스(2130b)는, 가요성 엑소수트의 동작에 관련된 하나 이상의 파라미터를 수동으로 설정하기 위한, 착용자용 메커니즘을 제공한다. 도 21b의 예에서, 상기 파라미터 설정 인터페이스(2130b)는, 상기 착용자가 착용자의 좌우측 발목을 가로질러 동작하는 가요성 엑소수트의 액추에이터의 동작 범위를 설정하도록 동작될 수 있는 인터페이스 엘리먼트와 착용자를 나타내고 있다. 제1 슬라이더(2141b)는, 우측 발목 액추에이터의 최대 스트로크 길이를 설정하기 위해 (즉, 우측 발목 액추에이터가 발생할 수 있음을 허용하는 우측 발목의 배측 굴곡의 최대치를 설정하기 위해) 착용자에 의해 조작될 수 있다. 제2 슬라이더(2143b)는, 우측 발목 액추에이터의 최소 스트로크 길이를 설정하기 위해 (즉, 우측 발목 액추에이터가 우측 발목에 대해 부과할 수 있는 우측 발목의 족저 굴곡의 최대치를 설정하기 위해) 착용자에 의해 조작될 수 있다. 제3 슬라이더(2145b)는, 좌측 발목 액추에이터의 최대 스트로크 길이를 설정하기 위해 (즉, 좌측 발목 액추에이터가 발생할 수 있음을 허용하는 좌측 발목의 배측 굴곡의 최대치를 설정하기 위해) 착용자에 의해 조작될 수 있다. 제4 슬라이더(2147b)는, 좌측 발목 액추에이터의 최소 스트로크 길이를 설정하기 위해 (즉, 좌측 발목 액추에이터가 좌측 발목에 대해 부과할 수 있는 좌측 발목의 족저 굴곡의 최대치를 설정하기 위해) 착용자에 의해 조작될 수 있다. 상기 착용자는, 착용자에게 편안한 발목 액추에이터 동작에 대응하는 레벨로 상기 슬라이더들(2141b, 2143b, 2145b, 2147b) 중의 하나 이상을 드래그할 수 있다. 예를들면, 상기 착용자는 그들의 우측 발목이 부상으로부터 회복 중일 수 있다. 상기 착용자는, 착용자의 우측 발목이 더 민감하고 및/또는 부상으로 인하여 착용자의 좌측 발목보다 더 작은 움직임의 범위를 갖는다는 사실을 반영하기 위해, 제4 슬라이더(2147b)보다 낮은 레벨로 제2 슬라이더(2143b)를 설정할 수 있다.
[00346] 파라미터 설정 인터페이스(2130a, 2130b)는, 상기 착용자에게, 추가적인 또는 대안적인 설정, 파라미터, 제어, 또는 기타 사용자 인터페이스 엘리먼트를 제시하도록 구성될 수 있다. 예를들어, 상기 파라미터 설정 인터페이스(2130a, 2130b)는, 상기 가요성 엑소수트로 하여금, (예를들면, 착용자의 위치이동의 효율성을 증가시키는, 착용자의 힘을 강화시키는, 착용자로 하여금 더 높이 점프하는 것을 허용하는, 또는 기타 기능들의) 상기 수트의 동작 모드를 인에이블하도록 동작시키기 위해, 수행될 수 있는 다양한 컨트롤러 및/또는 애플리케이션들을 사용자에게 제기할 수 있다. 또한, 상기 파라미터 설정 인터페이스(2130a, 2130b)는, 상기 가요성 엑소수트에 의해 실행되는 컨트롤러 및/또는 애플리케이션에 대한 각각의 사용자-설정-가능한 파라미터들을 제공할 수 있다. 예를들어, 상기 파라미터 설정 인터페이스(2130a, 2130b)는, 착용자가 점프하는 것을 지원하기 위해 착용자의 발목에 가해지는 힘의 크기를 착용자로 하여금 설정할 수 있도록 허용한다. 착용자는, 착용자가 점프하고자 하는 거리, 착용자에 의해 운반되는 짐의 질량, 또는 어떤 다른 고려 사항에 따라, 그러한 설정을 설정할 수 있다. 파라미터 설정 인터페이스(2130a, 2130b)의 기타 파라미터들과 구성들이 예상된다.
[00347] 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)의 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)는, 도 21a 및 도 21b의 실시예에 도시된 심박수 및 배터리의 상태에 대한 추가적인 또는 대안적인 정보를 나타낼 수 있다. 예를들면, 착용자의 대사율, 착용자가 어떤 집결지로부터 여행한 거리, 착용자가 아직 목적지까지 여행해야 하는 거리, 가요성 엑소수트의 동작 모드, 또는 몇몇 다른 정보가, 상기 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)에 의해 착용자에게 제공될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)에 의해 표시되는 정보 및 상기 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)의 다른 특성들이, 착용자에 의해 제어될 수 있다. 예를들면, 상기 착용자는, 사용자 인터페이스의 일부 엘리먼트(도시 생략)를 통해, 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)에 의해 어떤 정보가 표시될지를 선택할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)에 의해 표시되는 정보는, 가요성 엑소수트의 현재의 동작 및/또는 상태, 착용자, 및/또는 착용자의 환경에 관련될 수 있다. 예를들어, 사용자가 점프하는 것을 지원하기 위해 사용자가 가요성 엑소수트를 조작하는 경우, 가요성 엑소수트가 착용자를 지원하기 위해 필요한 힘 및/또는 토크를 인가할 때, 상기 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)는, 착용자의 점프를 지원하는데 필요한 힘 및/또는 토크를 상기 가요성 엑소수트가 인가할 때까지의 카운트 다운을 표시할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)에 의해 나타내어지는 정보를 누르면, 눌린 표시된 정보와 관련된 윈도우나 애플리케이션이 오픈되도록 야기할 수 있다. 예를들어, 착용자가 착용자의 심박수의 표시를 누를 경우, 윈도우가 착용자의 ECG 및 착용자에 대한 기타 건강 및/또는 생리 정보가 디스플레이될 수 있다. 상기 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)에 의해 디스플레이되어질 기타 정보 및 상기 상태 변수 표시부(2110a, 2110b)와 상호 작용하는 착용자의 방식들이 예상된다.
[00348] 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)의 정보제공 도식부(2120a, 2120b)는, 가요성 엑소수트에 대한 착용자에 대한 다양한 정보를 나타낼 수 있고, 다양한 애플리케이션에 따라 동작되도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)에 관한 형상, 색, 크기 애니메이션, 또는 기타 정보는, 가요성 엑소수트의 대응하는 엘리먼트에 대한 다양한 정보를 나타낼 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)는, 가요성 엑소수트의 엘리먼트가 사용 중임, 캘리브레이션을 필요로 하는 중임, 손상됨, 교체의 필요성이 있음, 또는 기타 정보를 나타내기 위해서 동작될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)에서 상기 가요성 엑소수트를 나타내는 개략도(schematic)는 애플리케이션으로 될 수 있고, 상기 애니메이션은 가요성 엑소수트의 동작 모드를 나타낼 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 가요성 엑소수트를 나타내는 개략도는, 상기 가요성 엑소수트 및/또는 상기 착용자의 움직임 및/또는 구성을 반영하도록 애니메이션으로 될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 착용자가, 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)의 엘리먼트들을 누를 수 있는바, 누르면, 착용자에 의해 눌린 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)의 엘리먼트와 관련된 더 많은 정보 및/또는 파라미터 설정, 제어, 또는 애플리케이션이 액세스 가능하다. 예를들면, 발목 액추에이터에 대응하는 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)의 엘리먼트들을 누르면, 도 21b에 도시된 파라미터 설정 인터페이스(2130b)가 디스플레이되도록 야기할 수 있다. 예를들면, 센서에 대응하는 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)의 엘리먼트들을 누르면, 상기 센서를 이용하여 만들어진 현재 및/또는 과거의 측정치들의 표시가 디스플레이되도록 야기할 수 있다. 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)에 의해 디스플레이되어질 기타 정보 및 상기 정보제공 도식부(2120a, 2120b)와 상호 작용하는 착용자의 방식들이 예상된다.
[00349] 가요성 엑소수트의 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)는, 추가적인 정보 및/또는 기능성을 제공하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)는, 착용자 또는 어떤 다른 사람 또는 시스템으로 하여금, 가요성 엑소수트, 착용자, 가요성 엑소수트의 환경, 착용자와 가요성 엑소수트 간의 상호 작용, 또는 가요성 엑소수트에 관한 어떤 다른 정보에 관련된 하나 이상의 측정치를 장부화(log) 또는 기록하도록 인에이블할 수 있다. 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)는, 상기 착용자가 상기 기록된 정보를 열람 및/또는 상기 기록된 정보에 대한 분석을 수행하도록 허용할 수 있다. 예를들면, 상기 착용자는, 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)를 동작시킬 수 있는바, 그리하여 주행 중의 상기 착용자의 걸음걸이에 관한 정보를 기록하도록 하며, 또한 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)를 사용할 수 있도록 하는바, 그리하여 착용자의 주행 기법을 개선하기 위해 착용자의 걸음걸이에 대한 분석을 행하도록 한다. 상기 착용자는, 다른 사람이나 시스템에 활용가능한 기록된 정보를 작성하기 위해 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)를 사용할 수 있다. 예를들어, 상기 착용자는, 교사, 코치, 외과의사, 또는 다른 개인에게 활용가능한 기록된 정보를 작성할 수 있다.
[00350] 몇몇 실시예에서, 착용자는, 가요성 엑소수트, 착용자, 가요성 엑소수트의 환경, 및/또는 착용자와 가요성 엑소수트 사이의 상호 작용에 관한 이전에 기록된 정보를 액세스하기 위해, 및 가요성 엑소수트의 동작에 영향을 주는 이전에 기록된 정보를 사용하기 위해, 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)를 동작시킬 수 있다. 예를들어, 상기 액세스된 데이터는, 상기 착용자로 하여금, 착용자의 현재의 업무 수행능력을 상기 액세스된 데이터에 의해 나타난 그 착용자의 과거의 상기 업무에 대한 수행능력과 비교하는 것을 인에이블하도록, 비교 기준으로 사용될 수 있다. 즉, 상기 착용자는, 착용자의 업무 학습의 진전도를 비교하기 위한 및/또는 착용자의 신체적 능력에 있어서의 변화를 결정하기 위한, 분석을 수행할 수 있다. 다른 예에서, 상기 가요성 엑소수트는, 상기 액세스된 데이터에 의해 표현된 활동 또는 동작을 다시 재수행함에 있어 그 착용자를 안내하도록 동작될 수 있다.
[00351] 몇몇 실시예에서, 이전에 기록된 데이터는, 애플리케이션들, 컨트롤러, 기타 서비스, 드라이버, 데몬, 또는 가요성 엑소수트를 동작시키는 데 사용되는 그외 컴퓨터 판독가능 프로그램의 파라미터 또는 기타 구성 데이터를 업데이트하기 위해 사용될 수 있다. 예를들어, 상기 파라미터 또는 기타 구성 데이터는, 보행시 상기 착용자의 특정 패턴을 반영하도록 업데이트될 수 있으며, 상기 업데이트된 파라미터 또는 기타 구성 데이터는, 컴퓨터 판독가능한 프로그램에 의해 사용될 수 있는바, 그리하여 보행 중에 사용자의 움직임의 타이밍을 더 정확히 반영하기 위해 상기 가요성 엑소수트의 엘리먼트의 액추에이터의 타이밍을 변경할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 이전에 기록된 데이터는, 착용자의 피로해짐과 연관될 수 있고, 상기 가요성 엑소수트는, 착용자의 동작의 현재 특성이 착용자가 피로해지고 있음과 관련된 상기 이전에 기록된 데이터에 나타난 상기 착용자의 동작과 유사하다는 점을 검출함으로써, 착용자가 피로해지고 있다는 것을 검출하도록 동작될 수 있다. 가요성 엑소수트의 동작은 그러한 판정에 응하여 변경될 수 있다; 예를들어, 상기 가요성 엑소수트가 착용자의 동작을 보조하기 위해 가요성 엑소수트의 액추에이터를 동작시키는 크기는 증가될 수 있고, 및/또는 가요성 엑소수트는, 착용자가 피로해지고 있다는 점을 착용자 또는 가요성 엑소수트와 통신하고 있는 원격 사용자 또는 시스템에 나타낼 수 있다. 가요성 엑소수트, 착용자, 가요성 엑소수트의 환경, 및/또는 가요성 엑소수트를 동작시키는 및/또는 가요성 엑소수트의 다른 동작 모드를 행하는 착용자와 가요성 엑소수트 간의 상호 작용에 관한 이전에 기록된 정보의 기타 애플리케이션들이 예상된다.
[00352] 몇몇 실시예에서, 착용자는, 가요성 엑소수트, 착용자, 가요성 엑소수트의 환경, 및/또는 착용자와 가요성 엑소수트 간의 상호 작용에 관한 기록된 정보를 제공하기 위하여, 그리고 이전에 기록된 정보를 원격 시스템 (예를들어, 서버) 에로 사용하기 위해, 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)를 동작시킬 수 있다. 상기 원격 시스템은, 가요성 엑소수트의 다수개의 착용자들로부터 그러한 기록된 정보를 수신할 수 있고, 상기 수신된 기록된 정보로부터 기준 데이터 세트를 생성할 수 있다. 상기 원격 시스템은, 상기 기준 데이터 세트 상에서 분석 또는 기타 연산을 수행할 수 있다. 상기 기준 데이터 세트 상의 분석 또는 기타 연산의 수행된 결과는, 개별 가요성 엑소수트의 동작을 개선하기 위해 (예를들어, 애플리케이션, 컨트롤러, 다른 서비스, 드라이버, 데몬, 또는 상기 개별 가요성 엑소수트를 동작시키는 데 사용되는 기타 컴퓨터 판독가능한 프로그램의 파라미터 또는 기타 구성 데이터를 업데이트하기 위해), 상기 개별 가요성 엑소수트로 제공될 수 있다. 예를들어, 상기 원격 서버는, 개별 착용자가 상기 현재의 기준 데이터 세트에 의해 표시되는 작업의 수행능력보다 더 낫게 그 작업을 수행하고 있다는 것을 결정할 수 있고, 및 상기 원격 서버는 상기 개별 착용자에 의해 착용된 가요성 엑소수트로부터 수신된 데이터를 반영하기 위해 상기 기준 데이터 세트를 책임성있게 업데이트할 수 있다. 복수개의 가요성 엑소수트와 통신하는 원격 시스템의 기타 애플리케이션 및 동작들이 예상된다. 가요성 엑소수트의 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)는 추가적인 정보 및/또는 기능성을 제공하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)는 착용자에게 홈 스크린을 제시할 수 있다. 상기 홈 스크린은, 착용자가 누를 수 있는 아이콘으로, 가요성 엑소수트의 다양한 애플리케이션, 동작 모드, 기능, 및 설정을 표시할 수 있다. 아이콘을 누르면, 애플리케이션, 프로그램, 또는 다른 기능이 실행되도록 할 수 있다. 예를들어, 점프 애플리케이션에 대한 버튼을 누르면, 점프 애플리케이션의 실행을 시작시킬 수 있고, 상기 점프 애플리케이션이 착용자의 점프를 돕기 위해, 가요성 엑소수트의 엘리먼트를 동작시킬 수 있다. 상기 점프 애플리케이션은 추가적으로, 점프 애플리케이션의 여러 측면들 (예를들면, 점프 타이밍, 점프 놈이, 점프 파워, 점프 대칭성, 또는 점프 애플리케이션을 제어하는 기타 방법들) 을 제어하기 위한 방법을 포함하는 인터페이스를 착용자에게 제공할 수 있다. 상기 홈 스크린은 추가적으로, 착용자가, 실행 중인 애플리케이션, 실행 중인지 여부와 어느 애플리케이션이 실행 중인지를 결정하는 애플리케이션, 혹은 기타 기능의 애플리케이션을 정지시키는 방법을 제공할 수 있다. 기타 애플리케이션, 착용자에게 홈 스크린과 상호작용 및/또는 홈 스크린을 제시하는 방법, 홈 스크린으로부터 혹은 어떤 다른 방법이 의해 액세스 가능한 메뉴, 가요성 엑소수트와 착용자 간의 상호작용하는 방법, 및 가요성 엑소수트의 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)의 기타 구성 및 애플리케이션들이 예상된다.
[00353] 가요성 엑소수트의 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)는 추가적으로, 착용자가, 가요성 엑소수트 용 애플리케이션을 검색하는, 엑소수트 애플리케이션을 구입하는, 엑소수트 애플리케이션을 다운로드하는, 엑소수트 애플리케이션을 인스톨하는, 엑소수트 애플리케이션을 구성하는, 엑소수트 애플리케이션을 언인스톨하는, 또는 가요성 엑소수트에 의해 수행되도록 구성된 애플리케이션들에 관한 기타 기능을 위한 방법들을 제공할 수 있다. 상기 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)는, 착용자가 그 착용자에 관한 프로파일이나 계정에 액세스하는 것 및 엑소수트 애플리케이션의 구입, 인스톨, 업데이트, 및 개인화(personalization)하는 것을 허용할 수 있다. 기타 애플리케이션, 착용자에게 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)와 상호작용 및/또는 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)를 제시하는 방법, 가요성 엑소수트의 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)와 착용자 간의 상호작용하는 방법, 및 가요성 엑소수트의 사용자 인터페이스(2100a, 2100b)의 기타 구성 및 애플리케이션들이 예상된다.
결론
[00354] 본 명세서에 기재된 실시예들은, 가요성 엑소수트의 예시적이며 비 제한적 예로서 의도된다. 더욱이, 본 명세서에 기술된 엘리먼트, 액추에이터, 센서, 의복, 또는 다른 시스템 및 디바이스들은, 가요성 엑소수트의 엘리먼트들로서의 그들의 사용과 관련하여, 추가적으로 또는 대안적으로, 다른 애플리케이션들을 활성화하는 데 사용될 수 있다. 예를들어, 본 명세서에 기재된 액추에이터, 센서, 및 기타 디바이스 및 시스템은, 로봇, 보조 장치, 차량, 완구, 가전 제품, 보철물, 또는 기타 전자기계 시스템이나 디바이스의 일부로서 사용하기 위해 구성될 수 있다.
[00355] 본원에 기술된 바와 같은 가요성 엑소수트는, 다양한 애플리케이션에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 가요성 엑소수트는, 착용자의 하체, 상체, 몸통, 또는 이들 신체부분들의 일부 또는 전부의 조합으로, 힘을 인가하도록 구성될 수 있다. 가요성 엑소수트는, (착용자의 신체의 일측에 대한 힘 및 토크의 동일한 유형을 반대측에 대해서도 인가할 수 있는) 대칭적일 수 있거나, (예를들어, 일측 팔다리에 부상을 경험했으나 타측 팔다리에는 그렇지 않은 착용자에게 보강 및/또는 재활을 가능하게 하기 위해) 또는 비대칭적일 수도 있다. 가요성 엑소수트의 구성의 상이한 전체 토폴로지가, 가요성 엑소수트의 각각의 애플리케이션에 대응할 수 있고, 및/또는 그에 의해 지정될 수 있다.
[00356] 본원에 기술된 바와 같은 가요성 엑소수트의 치수, 구성, 액추에이터의 세트, 또는 기타 속성은, 다양한 사용자에 의해 사용되도록 구성될 수 있거나 (예를들면, 원-사이즈-피트-올(one-size-fits-all) 디바이스, 스트랩을 포함하는 디바이스, 단추, 잠금 장치, 착용자의 크기나 기타 속성에 맞추기 위한 기타 수단), 또는 사용자 맞춤형일 수 있거나, 또는 개별 사용자를 위해 특별히 제조될 수 있다. 가요성 엑소수트의 일부 엘리먼트들 (예를들면, TSA, 사용자 인터페이스) 은, 다양한 사용자들을 위한 단일 크기 및/또는 구성을 가질 수 있는 반면, 다른 엘리먼트들 (예, 언더수트, 강성 힘-전달 엘리먼트, 가요성 힘-전달 엘리먼트) 은, 상기 선택된 엘리먼트들이 착용자와 매칭된 크기를 갖도록 크기의 범위를 갖는 엘리먼트들의 세트로부터 선택될 수 있다. 3d 인쇄, 신속한 프로토타이핑, 또는 기타 맞춤형의 제조 방법들이, 특정 착용자에 의해 착용 및/또는 사용 되도록 특별히 구성된 가요성 엑소수트의 엘리먼트들을 생산하기 위해 사용될 수 있다.
[00357] 본원에 기술된 바와 같은 가요성 엑소수트는, 다양한 애플리케이션에 따라 동작될 수 있다. 본원에 기술된 바와 같은 가요성 엑소수트의 애플리케이션은, 본 명세서에 열거된 기능 또는 동작 모드에 한정되지 않고, 착용자의 신체에 힘 및/또는 토크를 인가하도록 구성되는 재구성 가능한 시스템을 사용하여 가능하게 된 다른 애플리케이션들을 포함할 수 있다. 애플리케이션들은, 재활, 보강, 교육훈련, 엔터테인먼트, 몰입형 가상 현실, 운동, 통신을 포함할 수 있지만, 그에 한정되는 것은 아니다.
[00358] 본원에 설명된 바와 같은 가요성 엑소수트는, 해부학적으로 전형적인 인간 착용자 또는 비정형 인간 착용자에 의해 사용하도록 구성될 수 있다. 가요성 엑소수트는, 자신의 신체의 일부 (예를들어, 팔, 다리) 를 상실한, 외과 수술로 인하여 해부학적인 것의 일부 변경 (예를들어, 텐던(tendon) 이식) 을 경험한, 또는 해부학으로 비정형 상태인 인간 착용자에 의해 착용되고 운영되도록 구성될 수 있다. 상기 기술된 바와 같은 인간 착용자에 의한 사용 및/또는 동작을 위한 가요성 엑소수트의 구성은, (예를들어, 착용자의 상실된 팔다리에 대응하는 표준 엑소수트의 엘리먼트들을 생략하는) 하드웨어 구성 및/또는 (예를들어, 착용자가 사지마비(tetraplegia)로 인해 그/그녀의 삼두근 근육을 활용할 수 없음을 고려하기 위해 가요성 엑소수트의 컨트롤러 또는 기타 컴퓨터 판독가능 프로그램을 변경하는) 소프트웨어 구성을 포함할 수 있다.
[00359] 본원에 기술된 바와 같은 가요성 엑소수트는, 인간이 아닌 동물에 의한 사용을 위해 구성될 수 있다. 예를들어, 가요성 엑소수트는, 인간이 아닌 영장류, 개, 말, 또는 애플리케이션 (예를들면, 동물의 훈련) 에 따른 어떤 다른 동물에 의해 착용되도록 구성될 수 있다.
[00360] 상기 도면에 도시된 특정 배치는 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 다른 실시예들이 주어진 도면에 보여진 더 많거나 적은 각 엘리먼트를 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 도시된 엘리먼트들 중 일부는, 결합되거나 생략될 수 있다. 더 나아가, 어떤 예시적인 실시예가, 상기 도면에 도시되지 않은 엘리먼트들을 포함할 수 있다.
[00361] 추가적으로, 다양한 측면들 및 실시예들이 본 명세서에 개시되었지만, 다른 측면 및 실시예들이 당업자에게 명백할 것이다. 본원에 개시된 다양한 측면들 및 실시예들은 예시의 목적이며 제한하기 위한 것은 아니며, 진정한 권리범위 및 기술사상은 다음의 청구 범위에 의해 지시된다. 본 명세서에 제시된 주제의 기술사상 또는 범위를 벗어나지 않고, 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 다른 변경들이 만들어질 수 있다. 본 명세서에서 일반적으로 설명되고 상기 도면에 도시되었듯이, 본 개시된 내용의 측면들은 광범위하게 다양한 상이한 구성으로 배치, 치환, 결합, 분리, 및 디자인될 수 있으며, 그 모든 것이 본원에서 고려된다는 점이 기꺼이 이해될 수 있을 것이다.
100 : 가요성 엑소수트
110 : 착용자
120a,120b : 짐
130 : 가요성 힘-전달 엘리먼트(FFTE)
140a~140c : 강성 힘-전달 엘리먼트(RFTE)
150a~150c : 꼬인 끈 액추에이터
160 : 전기 모터
170a~170d : 엑소텐던
200a~200d : 엑소텐던
201c~205c: 제1 ~ 제3 서브-엑소텐던
210a~210d : 제1 엔드 플레이트
212c,214c: 직렬 엔드 플레이트
220a~220d : 제2 엔드 플레이트
230a : 제1 로우-컴플라이언스 시트
235a : 제2 로우-컴플라이언스 시트
40a:제1 하이-컴플라이언스 엘리먼트
245a:제2 하이-컴플라이언스 엘리먼트
310a~31b : 엑소텐던 330a~b : 케이블
400 : TSA 410 : 액추에이터 헤드
420 : 전송 튜브 430 : 꼬인 끈
440 : 트러스트 베어링 450 : 모터
460 : 하우징 470 : 전송 블록
500a~g : TSA 600a~f : TSA
710 : 외측 꼬인 끈 720 : 내측 꼬인 끈
800 : 전기점착 엘리먼트 900 : 엑소수트
1000a~d : STEM
1100a~i : 가요성 엑소수트의 엘리먼트들
1200, 1600, 1700, 1800, 1900 : 가요성 엑소수트
2100 : 사용자 인터페이스
110 : 착용자
120a,120b : 짐
130 : 가요성 힘-전달 엘리먼트(FFTE)
140a~140c : 강성 힘-전달 엘리먼트(RFTE)
150a~150c : 꼬인 끈 액추에이터
160 : 전기 모터
170a~170d : 엑소텐던
200a~200d : 엑소텐던
201c~205c: 제1 ~ 제3 서브-엑소텐던
210a~210d : 제1 엔드 플레이트
212c,214c: 직렬 엔드 플레이트
220a~220d : 제2 엔드 플레이트
230a : 제1 로우-컴플라이언스 시트
235a : 제2 로우-컴플라이언스 시트
40a:제1 하이-컴플라이언스 엘리먼트
245a:제2 하이-컴플라이언스 엘리먼트
310a~31b : 엑소텐던 330a~b : 케이블
400 : TSA 410 : 액추에이터 헤드
420 : 전송 튜브 430 : 꼬인 끈
440 : 트러스트 베어링 450 : 모터
460 : 하우징 470 : 전송 블록
500a~g : TSA 600a~f : TSA
710 : 외측 꼬인 끈 720 : 내측 꼬인 끈
800 : 전기점착 엘리먼트 900 : 엑소수트
1000a~d : STEM
1100a~i : 가요성 엑소수트의 엘리먼트들
1200, 1600, 1700, 1800, 1900 : 가요성 엑소수트
2100 : 사용자 인터페이스
Claims (11)
- 인간 신체의 적어도 일부에 걸쳐 착용되도록 구성되는 가요성 수트;
상기 가요성 수트에 결합되는 적어도 하나의 스프링 부재; 및
상기 가요성 수트 및 상기 적어도 하나의 스프링 부재에 결합되는 전자 적층필름(eletrolaminate);
을 포함하며,
상기 전자 적층필름은, 제1 전자 적층필름층과, 상기 제1 전자 적층필름층에 인접하여 배치된 제2 전자 적층필름층을 포함하며,
상기 제1 전자 적층필름층 및 제2 전자 적층필름층은, 상기 전자 적층필름이 제1 상태에 있을 때에 기계적으로 결합이 풀리며, 상기 전자 적층필름이 제2 상태에 있을 때에 상호 기계적으로 결합되며,
상기 적어도 하나의 스프링 부재에 저장된 포텐셜 에너지의 충전 및 방출을 제어하기 위해 상기 제1 상태 및 상기 제2 상태 사이에서의 전이를 제어하도록 동작하는 제어 회로; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 전자 적층필름층 및 제2 전자 적층필름층은 각각의 전극을 포함하며, 상기 전자 적층필름은, 상기 전극에 인가되는 전압에 응하여, 상기 제1 전자 적층필름층 및 제2 전자 적층필름층이 상호 클러칭되도록 하면서, 상기 제1 상태에서 상기 제2 상태로 전이하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 전자 적층필름은, 상기 전극에 인가되는 전압의 제거에 응하여, 상기 제1 전자 적층필름층 및 제2 전자 적층필름층이 서로에 대해 클러칭이 풀리도록(to un-clutch) 하면서, 상기 제2 상태에서 상기 제1 상태로 전이하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 제1 전자 적층필름층 및 제2 전자 적층필름층은, 상기 인가된 전압이 제거된 후 20 밀리초 미만에, 서로에 대해 클러칭이 풀리도록(to un-clutch) 하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 인간 신체의 움직임을 모니터링하도록 동작하는 적어도 하나의 IMU(관성 측정 유닛) 센서;
를 더 포함하며,
상기 제어 회로는, 상기 모니터링된 움직임에 기초하여 상기 제1 상태 및 제2 상태 사이의 전이를 제어하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 인간 신체의 적어도 일부는 발을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 제어 회로는,
상기 발이 지면과 접촉할 때 상기 제2 상태로의 전이; 및
상기 발이 지면과의 접촉으로부터 이탈할 때 상기 제1 상태로의 전이; 에 대하여 동작하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 제어 회로는, 상기 발이 지면과 접촉하는 동안 상기 제2 상태로 유지되도록 동작하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 인간 신체의 적어도 일부는 무릎 또는 엉덩이를 포함하고, 상기 적어도 하나의 IMU는 발의 움직임과 관련된 데이터를 획득하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 제어 회로는,
상기 발이 지면과 접촉할 때 상기 제2 상태로의 전이; 및
상기 발이 지면과의 접촉으로부터 이탈할 때 상기 제1 상태로의 전이; 에 대하여 동작하는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 전자 적층필름은, 상기 적어도 하나의 스프링 부재와 직렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 인간 신체 보강 시스템.
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