KR101709605B1 - 이동 보조기용 컨트롤 시스템 - Google Patents

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KR101709605B1
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파이잘 알메스페르
알란 존 그리머
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렉스 바이오닉스 리미티드
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Abstract

사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고, 사용자가 착용하는 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템이 개시된다. 본 컨트롤 시스템은 바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 사용자 인터페이스, 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 저장하는 메모리 컴포넌트, 및 각각의 명령에 대한 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 액츄에이터 컨트롤러를 포함하는데, 여기서 각각의 명령은 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관된다. 컨트롤 시스템은 또한 지형 경사 변화의 탐지시 액츄에이터 무브먼트를 조절하는 지형 서브 시스템, 및 하나 이상의 액츄에이터의 상대적 무브먼트 동안 외골격의 밸런스를 주기적으로 조절하는 밸런스 컨트롤 서브 시스템을 포함한다.

Description

이동 보조기용 컨트롤 시스템{CONTROL SYSTEM FOR A MOBILITY AID}
본 발명은 걷지 못하는 사용자를 지원하기에 적합한 이동 보조기 또는 보행보조기(WA, walking aid)를 위한 컨트롤 시스템에 관한 것이다.
하반신마비(paraplegia)를 앓고 있는 사람과 같은 걷지 못하는 사람은 종종 휠체어에 얽매이고, 이것이 그들의 유일한 이동 수단으로 역할한다. 휠체어에 의해 제공되는 이동성의 범위는 제한적이다. 또한, 오랜 기간 동안 휠체어에 얽매여 있는 것은 건강 문제를 일으킨다.
이러한 건강 문제를 방지하기 위해, 걷지 못하는 사람들이 근육량 유지와 혈액순환 증가를 돕기 위해 그들의 하지(lower limbs)를 운동시키는 것을 돕기 위한 다양한 트레이닝 시스템이 개발되어 왔다. 몇몇 이러한 트레이닝 시스템은 사용자가 이행 운동을 수행하는 것을 돕기 위해 사용자가 착용하는 비구동식 브레이스 시스템(non-motorised brace systems)을 포함한다.
더욱 최근에는, 걷지 못하는 사람들이 보행과 같이, 매일 기능적인 이행 활동을 수행하는 것을 돕기 위해 모터구동되는 또는 전력공급되는 브레이싱 시스템, 보행보조기, 및 걸음걸이형 이동발동기(gait-locomotor) 장치가 제안되었다. 이러한 시스템은 전형적으로 사용자에게 부착되는 외골격(exoskeleton)을 포함하고, 이는 엉덩이, 무릎, 및 발목 관절과 연결된 대응하는 허벅지, 정강이, 및 발을 가진 다리 부분을 포함한다. 다리 부분의 허벅지, 정강이, 및 발 부분을 움직이기 위한 액츄에이터가 제공되고, 이러한 액츄에이터는 사람 걸음걸이를 시행하기 위한 조이스틱 또는 다른 컨트롤 시스템에 의해 작동될 수 있다. 이러한 시스템은 특히 균일하지 않은 지형을 가로질러 이동할 때, 그리고 그들이 외골격에 상대적인 사용자 상체의 움직임을 포함한 다른 외부적 방해를 만난 때 안정성 문제에 직면한다. 안정성을 돕기 위해, 사용자는 전형적으로 전력공급된 보행보조기와 같은 것과 결합하여 목발을 사용할 것이 요구된다.
본 명세서에서, 특허 명세서, 다른 외부 문서, 또는 다른 소스의 정보에 대하여 참조하는데, 이는 본 발명의 특징을 설명하기 위한 배경지식을 제공할 목적이다. 구체적으로 언급되지 않았다면, 이러한 외부 문서의 참조가 이러한 문서 또는 이러한 정보 소스들이, 임의의 관할에서, 종래기술, 또는 종래의 공통의 일반적인 지식이라고 인정하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 목적은 작동 중일 때 사용자를 완전히 지지할 수 있는 안정적인 보행보조기를 제공하는 것, 또는 적어도 대중에게 유용한 선택을 제공하는 것이다.
제1 형태로서, 본 발명은 넓게 말해 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재와 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비한 사용자가 착용하는 외골격을 컨트롤하는 방법을 포함할 수 있다. 본 방법은 바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 단계; 적어도 상기 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 풋 착지 명령을 포함하는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 메모리로부터 획득하는 단계; 각각의 명령에 대하여 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계; 및 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터를 수신한 후 상기 풋 착지 명령을 조절하는 단계를 포함하고, 각각의 명령은 그 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있다. 상기 조절하는 단계는 최대 허용가능한 경사 각으로 풋 부재를 피벗시키기 위해 외골격의 착지하는 풋 부재와 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계; 및 풋 부재와 상기 경사의 나란함을 나타내는 입력을 수신한 후 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트를 종료하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 풋 부재는 풋 부재의 밑면의 모든 코너 영역에 적어도 하나의 접촉 센서를 포함하고, 여기서, 코어 영역은 가로 방향으로 실질적으로 나란한 코너 영역의 두 쌍, 및 세로 방향으로 실질적으로 나란한 코너 영역의 두 쌍을 형성한다.
바람직하게는, 접촉 센서는 촉각 센서이다. 대안으로서, 접촉 센서는 압력 센서이다.
바람직하게는, 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터는 착지하는 풋 부재의 밑면과 지형의 접촉시 코너 영역의 일부 만의 센서 또는 센서들로부터 트리거 신호가 수신된 때 수신된다.
바람직하게는, 지형 경사는 세로 성분과 가로 성분으로 이루어지고, 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터는 지형 경사의 세로 성분의 변화 또는 지형 경사의 가소 성분의 변화, 또는 이둘 모두를 나타낸다.
바람직하게는, 최대 허용가능한 경사 각은 경사와 세로방향으로 뻗어 있고 실질적으로 수평인 라인 사이의 최대 허용가능한 각, 또는 경사와 가로방향으로 뻗어 있고 실질적으로 수평인 라인 사이의 최대 허용가능한 가로 각 중 하나이다.
바람직하게는, 가로 방향으로 나란한 코너 영역의 두 쌍 중 하나의 쌍에만 연결된 적어도 하나의 접촉 센서로부터 트리거 신호를 수신하는 것은 지형 경사의 세로 성분의 변화를 나타내고, 세로 방향으로 나란한 코너 영역의 두 쌍 중 하나의 쌍에만 연결된 적어도 하나의 접촉 센서로부터 트리거 신호를 수신하는 것은 지형 경사의 가로 성분의 변화를 나타낸다.
바람직하게는, 최대 허용가능한 경사 각으로 풋 부재를 피벗시키기 위해 외골격의 착지하는 풋 부재와 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계는 수신된 트리거를 보냈던 나란한 코너 영역의 쌍을 통과하여 가로지르는 축을 중심으로 풋 부재를 피벗시키는 것을 포함한다.
바람직하게는, 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트를 종료하는 단계는 풋 부재와 지형의 경사의 나란함을 나타내는 피벗 축이 통과하여 가로지르는 쌍의 맞은 편의 나란한 코너 영역 쌍에 연결된 적어도 하나의 센서로부터 트리거 신호를 수신한 후 무브먼트를 종료하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 최대 허용가능한 경사 각은 사전 결정되고 메모리에 저장된다.
삭제
바람직하게는, 본 방법은 또한 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트를 종료시키는 단계 후에, 현재의 지형 경사를 나타내는 지형 상태 데이터를 저장하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 현재의 지형 경사를 나타내는 지형 상태 데이터를 저장하는 단계는 풋 부재의 각도, 및 풋 부재에 연결된 가속계로부터 입력 데이터의 평균을 구하는 단계; 및 현재의 지형 경사를 나타내는 데이터로서 상기 평균 각을 저장하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 본 방법은 또한 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계 이전에 그리고 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 획득한 이후에, 지형 경사를 나타내는 저장된 지형 상태 데이터에 따라 상대적인 액츄에이터 무브먼트를 갱신하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 각각의 액츄에이터를 작동시키는 단계는 액츄에이터의 길이를 변경하는 단계를 포함하고, 여기서 액츄에이터의 길이를 변경하는 단계는 외골격의 몸체 부재 사이에 형성된 연결된 조인트의 각도를 변경한다.
바람직하게는, 상기 실시예에 대하여, 최대 허용가능한 경사 각으로 풋 부재를 피벗시키기 위해 착지하는 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계는 풋 부재와 지형 경사를 나란하게 하기 위해 요구되는 피벗 축 및 피벗 방향을 식별하는 단계; 연결된 조인트 또는 조인트들의 각도를 각각의 액츄에이터 길이로부터 획득하는 단계; 풋 조인트의 각도를 사용하여 요구되는 피벗 축 및 피벗 방향과 연관된 외골격의 풋 조인트의 상대적 포지션을 계산하는 단계; 최대 허용가능한 경사 각으로 풋 부재의 피벗을 시행하기 위해 요구되는 착지하는 풋 부재와 연결된 풋 조인트의 바람직한 포지션을 결정하는 단계; 풋 조인트의 포지션에 영향을 미치는 각각의 조인트의 바람직한 포지션을 결정하기 위해 인버스 키네매틱스를 사용하는 단계; 풋 조인트의 포지션에 영향을 미치는 조인트의 바람직한 포지션으로부터 바람직한 조인트 각도를 결정하는 단계; 각각의 바람직한 조인트 각도와 연관된 각각의 액츄에이터의 길이의 바람직한 변화를 결정하는 단계; 및 액츄에이터의 길이의 바람직한 변화를 위해 각각의 바람직한 조인트 각과 연관된 각각의 액츄에이터의 길이를 변화시키는 단계를 포함한다.
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바람직하게는, 풋 부재는 지형과 풋 부재의 정렬을 위해 증가된 레졸루션을 제공하기 위해, 지형과 풋 부재의 중앙의 전방 및 후방 영역의 접촉 상태에 관한 정보를 제공하기 위한 2개의 중앙 영역 접촉 센서를 포함한다.
제2 형태로서, 본 발명은 넓게 말해 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고, 사용자가 착용하는 외골격을 컨트롤하는 방법으로 이루어질 수 있다. 본 방법은 바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 단계; 각각의 명령이 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 연결되어 있는, 상기 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 메모리로부터 획득하는 단계; 현재 지형 상태를 나타내는 저장된 조절 데이터에 따라 상대적인 액츄에이터 무브먼트를 갱신하는 단계; 및 각각의 명령에 대하여 갱신된 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함한다.
제3 형태로서, 본 발명은 넓게 말해 지형 경사의 변화에 대해 풋 부재를 조절하기 위해 적어도 사용자의 발에 대응하는 외골격의 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고, 사용자가 착용하는 외골격을 컨트롤하는 방법으로 이루어질 수 있다. 본 방법은 풋 부재와 연관된 착지 명령 실행 중 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터를 수신하는 단계; 최대 허용가능한 경사 각으로 풋 부재를 피벗시키기 위해 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계; 및 풋 부재와 경사의 나란함을 나타내는 입력을 수신할 때 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트를 종료하는 단계를 포함한다.
제4 형태로서, 본 발명은 넓게 말해 사용자의 신체 부분에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법으로 이루어질 수 있다. 본 방법은 바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 단계; 각각의 명령이 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있는, 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 메모리로부터 획득하는 단계; 각각의 명령에 대한 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계; 및 풋의 하나 이상의 영역에서의 압력을 나타내는 입력 압력 데이터를 기초로 외골격의 적어도 하나의 땅을 딛고 있는 풋 부재의 밑면에 실제적인 압력 중심 위치를 판정하고, 하나 이상의 액츄에이터가 그에 따라 작동하는 현재 명령에 연관된 바람직한 압력 중심 위치를 획득하고, 그리고 풋 아래의 실제 압력 중심을 현재 명령에 대한 바람직한 압력 중심을 향해 시프트하는 포지션으로 땅을 딛고 있는 풋 부재의 방향과 연관된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시킴으로써, 현재 명령에 따른 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트 동안 외골격을 주기적으로 밸런싱하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 외골격을 주기적으로 밸런싱하는 단계는 현재 명령 실행 중 소정의 시간 단계에서 실시한다.
바람직하게는, 외골격을 주기적으로 밸런싱하는 단계는 또한 현재 시간 단계에 대하여 실제 압력 중심 위치와 바람직한 압력 중심 위치 사이의 압력 중심 오차를 판정하는 단계; 땅을 딛고 있는 풋 부재의 방향과 연관된 각각의 액츄에이터에 대하여 후속 시간 단계에 대한 바람직한 액츄에이터 포지션을 판정하는 단계; 각각의 액츄에이터에 대한 오차를 기초로 후속 시간 단계에 대한 바람직한 액츄에이터 포지션을 조절하는 단계; 및 후속 시간 단계 동안 상기 조절된 액츄에이터 포지션을 향해 각각의 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 현재 시간 단계 동안의 바람직한 압력 중심 위치는 이전 시간 단계에서 실제 압력 중심 위치와 명령 실행 중 바람직한 압력 중심 위치 사이를 보간(interpolate)하고, 상기 보간으로부터 후속 시간 단계 동안 바람직한 압력 중심 위치를 판정함으로써 이전 시간 단계에서 판정된다.
바람직하게는, 후속 시간 단계에 대한 바람직한 액츄에이터 포지션을 판정하는 단계는 현재 명령에 대한 완료된 액츄에이터 무브먼트로부터 야기하는 실제 액츄에이터 포지션과 바람직한 액츄에이터 포지션 사이를 보간하는 단계; 및 후속 시간 단계 동안 바람직한 액츄에이터 포지션을 상기 보간으로부터 판정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 후속 시간 단계에 대한 바람직한 액츄에이터 포지션을 조절하는 단계; 압력 중심 오차를 사용하여 액츄에이터 포지션의 변화를 판정하는 단계; 및 후속 시간 단계 동안 바람직한 액츄에이터 포지션을 조절하기 위해 후속 시간 단계에 대한 바람직한 액츄에이터 포지션에 액츄에이터 포지션이 변화를 더하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 압력 중심 오차를 사용하여 액츄에이터 포지션의 변화를 판정하는 단계는 액츄에이터 포지션의 변화의 지시를 출력하도록 구성된 피드백 컨트롤러에 오차를 제공함으로써 달성된다. 바람직하게는 피드백 컨트롤러는 비례적분미분(PID) 컨트롤러이다.
바람직하게는, 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 것은 하나 이상의 액츄에이터의 길이를 변경하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 각각의 땅을 딛고 있는 풋 부재는 땅을 딛고 있는 풋의 밑면의 4 코너에 있는 적어도 하나의 압력 센서를 포함한다.
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제5 형태로서, 본 발명을 넓게 말해 소정의 명령을 수행하기 위해 외골격의 하나 이상의 액츄에이터의 상대적 무브먼트 동안 사용자가 착용하는 외골격을 밸런싱하는 방법으로 이루어진다. 본 밸런싱 방법은 풋의 하나 이상의 영역에서의 압력을 나타내는 입력 압력 데이터를 기초로 외골격의 적어도 하나의 땅을 딛고 있는 풋 아래의 실제 압력 중심을 계산하는 단계, 소정의 명령 실행 중 바람직한 압력 중심과 실제 압력 중심 사이의 압력 중심 오차를 판정하는 단계, 및 소정의 명령 실행 중 바람직한 압력 중심을 향해 풋 아래의 실제 압력 중심을 시프트함으로써 압력 중심 오차를 상쇄시키도록 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함한다.
제6 형태로서, 본 발명은 넓게 말해 사용자의 신체 부분에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템으로 이루어질 수 있다. 본 컨트롤 시스템은 바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 사용자 인터페이스, 각각의 명령이 명령을 수행하기 위해 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있는, 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 저장하는 메모리 컴포넌트, 각각의 명령 실행 중 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키기 위한 액츄에이터 컨트롤러, 지형 경사 변화의 탐지시 액츄에이터 무브먼트를 조절하는 지형 서브 시스템, 및 하나 이상의 액츄에이터의 상대적 무브먼트 동안 외골격의 밸런스를 주기적으로 조절하는 밸런스 컨트롤 서브 시스템을 포함한다.
바람직하게는, 컨트롤 시스템은 지형 경사의 변화를 탐지하기 위해 외골격의 풋 부재의 밑면의 4개의 코너 영역에 배열된 접촉 센서로부터 입력을 수신한다.
바람직하게는, 지형 서브 시스템은 최대 허용가능한 경사 각으로 풋 부재를 피벗시키기 위해 요구되는 외골격의 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트를 판정하고, 풋 부재와 경사의 나란함을 나타내는 입력을 수신할 때 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트를 종료하도록 구성된다.
바람직하게는, 밸런스 컨트롤 서브 시스템은 외골력의 풋 부재의 밑면의 적어도 4개의 코너 영역에 배열된 압력 센서로부터 입력을 수신한다.
바람직하게는, 압력 센서 입력은 밸런스 컨트롤 서브 시스템이 풋의 밑면에서의 압력 중심의 위치를 판정할 수 있게 하고, 그로 인해 특정한 명령에 대한 바람직한 압력 중심 위치를 향해 압력 중심의 위치를 시프트하기 위해 액츄에이터 무브먼트의 바람직한 조절을 판정할 수 있게 한다.
바람직하게는, 컨트롤 시스템은 청구항 제34-38항 중 임의의 항에 따르고, 이 때 컨트롤 시스템은 지형과 풋 부재의 정렬을 위해 증가된 레졸루션을 제공하기 위해 지형과 풋 부재의 중앙 전방 및 후방 영역의 접촉 상태에 관한 정보를 제공하기 위한 풋 부재의 중앙 영역 접촉 센서로부터 입력을 수신한다.
제7 형태로서, 본 발명은 넓게 말해 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고, 사용자가 착용하는 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템으로 이루어질 수 있다. 본 컨트롤 시스템은 바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 사용자 인터페이스; 각각의 명령이 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있는, 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 저장하는 메모리 컴포넌트; 각각의 명령에 대한 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 액츄에이터 컨트롤러; 및 지형 상태 변화의 탐지 시 액츄에이터 무브먼트를 조절하는 지형 서브 시스템을 포함한다.
제8 형태로서, 본 발명은 넓게 말해 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고, 사용자가 착용하는 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템으로 이루어질 수 있다. 본 컨트롤 시스템은 바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 사용자 인터페이스; 각각의 명령이 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있는, 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 저장하는 메모리 컴포넌트; 각각의 명령 실행 중 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 액츄에이터 컨트롤러; 및 하나 이상의 액츄에이터의 상대적인 무브먼트 동안 외골격의 밸런스를 주기적으로 조절하는 밸런스 컨트롤 서브 시스템을 포함한다.
바람직하게는, 외골격은 동작가능하게 사용자를 지지하기 위해 적어도 골반 지지 부재에 사용자를 고정시키기 위한 사용자 보호 배열부를 포함하는 강성의 골반 지지 부재; 제1 레그 구조 및 제2 레그 구조를 포함하고, 제1 레그 구조 및 제2 레그 구조 각각은 사용자의 각각의 다리와 인접한 작동 위치를 위해 상기 골반 지지 부재로부터 뻗어 있고, 골반 지지 부재에 연결되어 있다. 제1 레그 구조 및 제2 레그 구조는 각각 사용자의 상부 다리와 체결하기 위한 상부 레그 구조 부재; 사용자의 하부 다리와 체결하기 위한 하부 레그 구조 부재; 사용자의 발과 연결하기 위한 풋 부재; 앞/뒤 평면에서 상부 레그 구조 부재를 피벗시키는데 사용하기 위한, 히프 조인트 둘레로 골반 지지 부재에 상대적인 상부 레그 구조 부재의 회전을 액츄에이팅하도록 구성된 메인 히프 액츄에이터; 니(knee) 조인트 둘레로 상부 레그 구조 부재에 상대적인 하부 레그 구조 부재의 회전을 액츄에이팅하도록 구성된 니 액츄에이터; 니 조인트의 회전축과 실질적으로 평행한 회전 축을 중심으로 풋 조인트 둘레로 하부 레그 구조 부재에 상대적인 풋 부재의 회전을 액츄에이팅하도록 구성된 메인 풋 액츄에이터; 및 히프 액츄에이터, 니 액츄에이터, 및 메인 풋 액츄에이터로부터 선택된 적어도 하나의 상의 액츄에이터에 전력을 제공하도록 구성가능한 전원을 포함하고, 여기서 상부 레그 구조 부재는 히프 조인트에 의해 골반 지지 부재에 그 제1 끝부에서 피벗가능하게 연결되고, 상기 하부 레그 구조 부재 니 조인트에 의해 상부 레그 구조 부재의 제2 끝부와 자신의 제1 끝부에서 피벗가능하게 연결된다. 풋 부재는 풋 조인트에 의해 하부 레그 부재의 제2 끝부에 피벗가능하게 연결된다.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 용어 "앞쪽의"는 사람 사용자의 앞 또는 앞쪽에 대응하는 방향이고, 용어 "앞쪽으로"는 그에 맞게 해석되어야 한다.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 용어 "뒤쪽의"는 사람 사용자의 뒤 또는 뒤쪽에 대응하는 방향이고, 용어 "뒤쪽으로"는 그에 맞게 해석되어야 한다.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 용어 "앞/뒤 평면"은 사용자로부터 앞쪽으로 그리고/또는 뒤쪽으로 뻗어 있는 평면에 관한 것이다.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 용어 "내측의"는 사용자의 안쪽 팔에서부터 사용자의 신체를 향해 안쪽으로 뻗어 있는 방향에 관한 것이고, 용어 "내측으로"는 그에 따라 해석되어야 한다.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 용어 "측방향의"는 사용자의 신체에서부터 바깥쪽 옆으로 뻗어 있는 방향에 관한 것이고, 용어 "측방향으로"는 그에 따라 해석되어야 한다.
본 명세서 및 청구항에서 사용된 문구 "내측/측방향 평면"은 사용자로부터 내측으로 그리고/또는 측방향으로 뻗어 있는 평면에 관한 것이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 "및" 또는 "또는", 또는 그 둘 모두를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 명사 뒤에 오는 "(들)"은 그 명사의 단수 및/또는 복수 형태를 의미한다.
본 명세서 및 청구항에 사용된 용어 "포함하는"은 "적어도 일부분을 구성하는"의 의미이다. 용어 "포함하는"이 기재된 본 명세서 및 청구항의 각각의 문장을 해석할 때, 그 용어 앞에 오는 것들 이외의 특징부들이 또한 존재할 수도 있다. "포함한다", 및 "포함하다"와 같은 관련 용어도 동일한 방식으로 해석되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 아래의 도면을 참조하여 단지 예시의 방법으로 설명된다.
도 1은 2차 히프 액츄에이터없는 제1 실시예에 도시된, 제공된 오소틱스를 구비한 WA의 일부를 형성하는 외골격의 측면도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 외골격 및 오소틱스의 일부분의 절단된 전면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 외골격 및 오소틱스의 전면도이다.
도 4는 사용자를 지지하고 있는 도 1의 WA의 전면도이다.
도 5는 풋 부재의 영역에서 도 1의 외골격의 일부분의 절단된 측면도이다.
도 6은 도 5의 후면도이다.
도 7은 히프 조인트의 영역 내에 2차 히프 액츄에이터를 포함하는 제2 실시예의 외골격의 일부분의 절단된 전면도이다.
도 8은 도 7의 측면도이다.
도 8a는 앞에서 본 외골격의 측방향 이동 액츄에이터의 개략적인 레이아웃을 도시한다.
도 9는 풋 부재의 좌측 투시도를 도시한다.
도 10은 도 9의 풋 부재의 부트의 도면을 도시한다.
도 11은 풋 부재의 우측 투시도를 도시한다.
도 12는 니 조인트의 오프셋을 보여주는 개략적인 형태의 니 조인트의 측면도를 도시한다.
도 13은 2차 히프 액츄에이터를 포함하는 WA의 다른 실시예에 의해 지지되고 있는 사람의 측면도이다.
도 14는 부착된 커버를 가진 WA에 의해 지지되는 사람의 측면도를 도시한다.
도 15는 외골격의 하부의 다리 구조 부재, 및 풋 부재의 절단된 후면 투시도를 도시한다.
도 16은 골반 브레이스에 대한 상부 신체의 움직임을 지지하기 위해 상부 신체 컨트롤 익스텐션을 포함하는 외골격의 상부 영역의 측면도를 도시한다.
도 17은 앞으로 걷고 있는 WA의 측면도를 도시한다.
도 18은 보조 히프 액츄에이터를 포함하는 WA의 후면도를 도시한다.
도 19는 외골격에 의해 사용자를 보호하기 위해 제공되는 브레이싱 및 서포트를 더욱 상세하게 도시하는 전면도를 도시한다.
도 20은 무릎 피벗 오프셋을 보여주는 외골격의 무릎 영역의 절단된 우측면도를 도시한다.
도 21을 바람직한 무릎 피벗 오프셋의 절단된 우측 후면도를 도시한다.
도 22는 무릎 피벗 오프셋의 절단된 우측 전면도를 도시한다.
도 23은 커버를 구비한 WA의 측면도를 도시한다.
도 24는 커버를 구비한 WA의 후면도를 도시한다.
도 25는 커버를 구비하고 탑승한 사용자를 지지하고 있는 WA의 전면도를 도시한다.
도 26은 걷는 포지션에 있는 제3 실시예의 WA의 전면 투시도를 도시한다.
도 27은 서 있는 포지션에 있는 사용자를 지지하는 제3 실시예의 WA의 전면 투시도를 도시한다.
도 28은 서 있는 포지션에 있는 사용자를 지지하는 제3 실시예의 WA의 측면도를 도시한다.
도 29는 제3 실시예의 WA의 전면도를 도시한다.
도 30은 도 26의 히프 조인트 부근의 영역의 후면도를 도시한다.
도 31은 도 26의 히프 조인트 부근의 영역의 측면도를 도시한다.
도 32는 도 26의 니 조인트 부근의 영역의 후면도를 도시한다.
도 33은 도 26의 니 조인트의 전면 투시도를 도시한다.
도 34는 도 26의 히프 조인트 부근의 영역의 전면 투시도를 도시한다.
도 35는 도 26의 니 조인트 부근의 영역의 측면도를 도시한다.
도 36은 커버가 없고 서 있는 포지션에 있는 제3 실시예의 WA의 측면도를 도시한다.
도 37은 커버가 없고 걷는 포지션에 있는 제3 실시예의 WA의 측면도를 도시한다.
도 38은 커버를 구비한 걷는 포지션에 있는 제3 실시예의 WA의 측면도를 도시한다.
도 39는 커버가 없고 앉은 포지션에 있는 제3 실시예의 WA의 전면 투시도를 도시한다.
도 40은 커버가 없고 앉은 포지션에 있는 제3 실시예의 WA의 전면도를 도시한다.
도 41은 풋 조인트 부근의 영역의 전면 투시도를 도시한다.
도 42는 WA의 풋 조인트 부근의 영역의 전면도를 도시한다.
도 43은 걷는 움직임 동안 스텝 사이에 WA 및 사용자의 무게 중심의 이동을 보여주는 개략적인 도면을 도시한다.
도 44는 쐐기형 폼 패킹 배열(foam packing arrangement)을 도시한다.
도 45a-45j는 WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태에 따른 정적 스탭 무브먼트 시퀀스를 수행하고 있는 외골격의 모델을 도시한다.
도 46a-46e는 WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태에 따른 좌측 동적 스탭 무브먼트 시퀀스를 수행하고 있는 외골격의 모델을 도시한다.
도 47a-47e는 WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태에 따른 우측 동적 스탭 무브먼트 시퀀스를 겪고 있는 외골격의 모델을 도시한다.
도 48a 및 48b는 WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태에 따른 앉은 움직임을 겪고 있는 외골격의 모델을 도시한다.
도 49a 및 49b는 WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태에 따른 서있는 움직임을 겪고 있는 외골격의 모델을 도시한다.
도 50은 WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태에 따른 지형 서브 시스템에 의해 수행되는 오퍼레이션 시퀀스의 플로우차트를 도시한다.
도 51은 도 50의 지형 서브 시스템에 의해 채용된 수학적 모델에 의해 수행되는 오퍼레이션 시퀀스의 플로우차트를 도시한다.
도 52a 및 52b는 지형 서브 시스템에 채용된 외골격의 모델에 대한 레퍼런스 조인트 각을 도시한다.
도 53a 및 53b는 지형 서브 시스템에 의해 계산될 수 있는 외골격 모델의 신체 포인트 레퍼런스 위치를 도시한다.
도 54-58은 외골격 모델에 대하여 세로방향으로 지형의 경사를 변경시키기 위한 외골격의 풋을 조절하는 것과 연관된 프로세스의 예를 도시한다.
도 59-63은 외골격 모델에 대하여 가로방향으로 지형의 경사를 변경시키기 위한 외골격의 풋을 조절하는 것과 연관된 프로세스의 예를 도시한다.
도 64는 WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태에 따른 지형 서브 시스템에서 지형 상태가 갱신되게 하는 프로세스의 흐름도를 도시한다.
도 65는 WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태에 따른 밸런스 서브 시스템에 대하여 주요한 다양한 영역의 위치 및 외골격의 풋의 모델을 도시한다.
도 66은 WA의 바람직한 형태의 컨트롤 시스템에 따라 밸런스 서브 시스템에 의해 수행되는 오퍼레이션 시퀀스의 플로우차트를 도시한다.
도 67a 및 67b는 밸런스 서브 시스템에 대하여 각각 압력 위치의 중심, 및 액츄에이터 포지션과 연관된 선형 보간의 그래프를 도시한다.
도 68은 WA의 풋과 연관된 압력 중심을 계산할 때 밸런스 서브 시스템에 의해 수행되는 오퍼레이션 시퀀스의 플로우차트를 도시한다.
도 69-72는 WA의 바람직한 형태의 컨트롤 시스템에 따라 밸런스 서브 시스템에 의해 판정된 풋의 압력 중심을 계산하는 것과 연관된 프로세스의 예를 도시한다.
도 73은 바람직한 형태의 WA에 따른 컨트롤 시스템의 개략적인 개요도를 도시한다.
앞선 도면을 참조하여, 유사한 특징부는 대체로 유사한 번호로 지시되었고, 하나의 형태로서 보행보조기(WA)일 수 있는 디바이스는 대체로 참조번호(100)로 지시되고, 컨트롤 가능한 보행보조기에서 사용하기에 적합한 외골격은 대체로 참조번호(500)로 지시된다. 용어 보행보조기 및 이동보조기는 본 명세서에서 상호치환가능하게 사용된다. 본 디바이스는 또한 다른 형태로서, 보행 또는 걷는 방식으로 사용자를 이동시킬 수 있든 아니든, 걸을 수 없는 사람들의 다리 또는 다리들의 걷지 못하는 부작용을 줄이는데 도움을 줄 수 있는 의료기기로 간주될 수 있다.
WA의 바람직한 실시예의 기계적 구조는 도 1-44를 참조하여 아래에 설명된다. 그 다음, WA의 바람직한 형태의 컨트롤 시스템은 도 45a-73을 참조하여 설명된다.
WA의 기계적 구조
도 1-44를 참조하면, WA(100)는 보행 동작에 관련된 하나의 세트의 무브먼트를 통해 이동하는 동안 걷지 못하는 장애인 사용자를 지지하는데 적합하다. WA(100)는 외골격(500), (도시되지 않은) 연결된 전력 공급 케이블과 (도시되지 않은) 배터리 팩 또는 다른 유사한 온보드 파워 팩 형태의 전원, 및 (도시되지 않은) 컨트롤 시스템을 포함한다.
외골격(500)은 강성의 골반 지지 부재 또는 골반 하네스(96)를 포함하는 히프 프레임(15), 및 한 쌍의 레그 구조(50)(제1 레그 구조 및 제2 레그 구조)를 포함한다. 히프 프레임(15)은 그 동작에 있어서 높은 경도 및 낮은 정도의 유연성을 가짐과 동시에 비교적 저중량일 것이 요구된다. 이러한 이유로, 히프 프레임(15)은 (도시되지 않은) 속이 빈 내부 공간을 가지는 단일 유닛으로 카본 섬유로 몰딩된다. 히프 프레임(15)은 또한 유리 섬유로 몰딩될 수도 있을 것으로 생각된다. 히프 프레임(15)은 또한 속이 빈 내구 공간을 가로질러 뻗어 있는 가로 방향 시어 웹(transverse shear webs)을 포함한다.
각각의 레그 구조(50)는 상부 레그 구조 부재(10), 하부 레그 구조 부재(11), 풋 부재(18), 메인 히프 액츄에이터(16), 니 액츄에이터(13), 및 메인 풋 액츄에이터(19)를 포함한다. 상부 레그 구조 부재(10)는 사용자(600)의 상부 다리(610)를 보호하기 위한 것이고, 상부 레그 구조 부재(10)는 히프 조인트(14)에 의해 히프 프레임(15)에 그 제1 끝부(10a)에서 피벗 가능하게 연결된다. 하부 레그 구조 부재(11)는 사용자(600)의 하부 다리(620)를 보호하기 위한 것이고, 하부 레그 구조 부재(11)는 니 조인트(12)에 의해 상부 레그 구조 부재(10)의 제2 끝부(10b)와 그 제1 끝부(11a)에서 피벗 가능하게 연결된다.
하나의 실시예에서, 니 조인트(12)가 단일 평면을 따라 상부 레그 구조 부재(10)와 하부 레그 구조 부재(11) 간의 상대적인 피벗 동작을 허용할 것으로 생각된다. 이를 달성하기 위해 (도시되지 않은) 롤러 베어링 배열을 사용하는 것이 바람직할 것이다. 그러나, 니 조인트(12)는 롤러 베어링 배열에 축방향 힘을 일으키는 큰 꼬임력(twisting forces) 또는 측방향 힘을 받을 수도 있다. 이러한 이유로, 니 조인트는 또한 니 조인트(12)에 가해지는 축방향 힘을 견디도록 구성된 (도시되지 않은) 스러스트(thrust) 베어링 배열을 포함할 것으로 생각된다.
상기 상부 레그 구조 부재(10) 및 하부 레그 구조 부재(11)는 각각 사용중 사용자(600)의 연결된 다리에 각각의 레그 구조(50)를 고정시키기 위해 조절가능한 파스너(46) 형태의 파스닝 배열을 포함한다. 파스너(46)가 플렉시블 웨빙(webbing) 또는 스트랩으로 이루어질 수도 있고, 버클을 통과하는 벨크로®와 같은 후크 앤 루프 파스닝 시스템을 가진 스트랩 형태일 수 있는 조절가능한 파스닝 배열(47)을 포함할 수 있을 것으로 생각된다. 대안으로서, 조절가능한 파스닝 배열은 전형적인 버클, 래칫 버클 또는 캐치 포메이션(catch formation)을 포함할 수 있다.
풋 부재(18)는 사용자(600)의 발(630)에 고정하기 위한 것이고, 풋 부재(18)는 풋 조인트(17)에 의해 하부 레그 구조 부재(11)의 제2 끝부(11b)에 피벗 가능하게 연결된다. 상기 풋 부재(18)는 각각 동작에 있어서 사용자의 발(630)의 움직임을 안내하기 위한 풋 부재 구조 컴포넌트(126)를 포함한다.
하나의 실시예에서, 상기 풋 부재(18)는 각각 풋 부재 구조 컴포넌트(126)와 탈착 가능하게 연결될 수 있고 사용자(600)가 발을 넣을 수 있는 신발(31)을 포함한다. 신발(31)은 클립 타입 포메이션(clip-type formation), 스냅-핏 타입 포메이션(snap-fit type formation), 바요넷-타입 포메이션(bayonet-type formation), 또는 임의의 다른 적합한 포메이션과 같은 고정 포메이션을 수단으로 하여 풋 부재 구조 컴포넌트(126)와 편리하게 탈착 가능하게 연결된다. 풋 부재 구조 컴포넌트(126)에 상대적인 신발(31)의 위치는 풋 조인트(17)의 회전축(17a)과 사용자의 발목의 정렬을 가능하게 하기 위해 조절가능할 것으로 생각된다.
다른 실시예에서, 각각의 풋 부재(18)는 사용자의 발(630)과 간접적으로(즉, 사용자가 신고 있는 신발을) 연결하기 위한 풋 연결 포메이션(34)을 포함한다. 풋 인게이징 포메이션(34)은 또한 사용자(600)의 발목의 위치조절을 가능하게 하기 위해 조절가능한 방식으로 풋 부재 구조 컴포넌트(126)에 연결된다.
메인 히프 액츄에이터(16)는 상기 히프 조인트(14) 둘레로 상기 히프 프레임(15)에 상대적인 상기 상부 레그 구조 부재(10)의 회전을 액츄에이팅하고, 그로 인해 (사용중) 사용자(600)의 앞/뒤 평면에서 상부 레그 구조 부재(10)를 피벗시키도록 구성되어 있다.
외골격(500)은 또한, 각각의 레그 구조(50)에 대하여, 보조 히프 액츄에이터(38)를 포함한다. 보조 히프 액츄에이터(38)는 사용중 사용자(600)에 상대적으로, 그리고 히프 프레임(15) 둘레로 내측/측방향 평면에서 상부 레그 구조 부재(10)의 회전을 액츄에이팅하도록 구성되어 있다.
바람직한 실시예에서, 보조 히프 액츄에이터(38)는 내측/측방향 평면에서 대략 29도 범위로, 더욱 바람직하게는 안쪽으로 대략 11도 및 바깥쪽으로 18도 범위로 상기 상부 레그 구조 부재(10)의 회전을 액츄에이팅하도록 구성된다. 대안의 실시예에서, 이러한 범위는 29도 미만으로 제한될 수 있고, 그리고/또는 특정한 애플리케이션에 의해 요구되는 바와 같이 적절하게 안쪽 및 바깥쪽 성분으로 분할될 수 있다.
니 액츄에이터(13)는 상기 니 조인트(12) 둘레로 상기 상부 레그 구조 부재(10)에 상대적인 상기 하부 레그 구조 부재(11)의 회전을 액츄에이팅하도록 구성된다.
메인 풋 액츄에이터(19)는 니 조인트(12)의 회전축(12A)과 실질적으로 평행한 회전축(17A) 둘레로 상기 풋 조인트(17) 둘레로 상기 하부 레그 구조 부재(11)에 상대적인 상기 풋 부재(18)의 회전을 액츄에이팅하도록 구성된다.
또한, 외골격(500)은, 각각의 레그 구조(50)에 대하여, 보조 풋 액츄에이터(39)를 포함한다. 보조 풋 액츄에이터(39)는 상기 풋 조인트(17)에 대하여 실질적으로 내측/측방향 평면에서 상기 풋 부재(18)의 회전을 액츄에이팅하도록 구성된다. 각각의 보조 풋 액츄에이터(39)는 내측/측방향 평면에서 대략 10 도의 범위로, 그리고 더욱 바람직하게는 수직의 양 사이드에 대하여 대략 6도의 범위로 연결된 상부 레그 구조 부재(10)의 회전을 액츄에이팅하도록 구성된다.
전원은 액츄에이터(16, 13, 19, 38, 39)에 전력을 제공하도록 구성 가능하다.
아래에 설명된 바와 같이, 컨트롤 시스템은 메인 히프 액츄에이터, 보조 히프 액츄에이터, 니 액츄에이터, 메인 풋 액츄에이터, 및 보조 풋 액츄에이터의 움직임을 컨트롤하도록 구성가능하다. 이는 보행보조기가 놓여진 지면에 상대적인 외골격(500)의 이동을 일으킬 것이다. 보행 동작은 컨트롤 시스템이 정확한 시퀀스로 액츄에이터들을 작동시킬 때 외골격에 의해 획득될 수 있다. 걷지 못하는 장애인 사용자(600)는 WA에 고정되고, 사용자(600)는 보행 동작을 통해 그들의 관절 및 근육들이 움직이게 될 것이고, 그로 인해 사용자(600) 생리(physiology)의 저하를 방지하는데 도움을 준다.
걷지 못하는 장애인 사용자가 스스로 설 수 없는 정도까지 지지될 필요가 있다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 이러한 환경에서, 걷지 못하는 장애인 사용자는 "완전히" 지지된다고 말할 수 있다. 그러나, 현재의 WA의 중요한 형태는 사용자 자신의 다리로 무게를 견딜 수 있도록 하여, 그들의 뼈가 스트레스를 받도록, 걷지 못하는 사용자를 하나의 포지션으로 지지하는 능력이다. 전형적으로, 걷지 못하는 장애인 사용자의 다리, 및 골반 뼈는 시간이 흐름에 따라 퇴보한다. 이는 그들의 뼈들이 일정한 스트레스를 받지 않을 때 그들의 뼈로부터 미네랄의 제거 또는 침출(leeching)에 의해 일어난다. 그들의 뼈의 약화와 더불어, 걷지 못하는 장애인 사용자는 신장결석과 같이 이러한 미네랄들이 신체의 다른 부위에서 형성될 수 있는 것과 같은, 이러한 미네랄 제거로 인한 다운스트림(downstream) 합병증을 겪을 수 있다.
걷지 못하는 사용자의 뼈에 (그렇지 않다면 받지 않았을) 스트레스를 주는 것은 사용자의 뼈의 퇴보를 막고, 사용자의 뼈로부터 제거된 미네랄이 사용자의 시스템 내의 다른 곳에서 형성되는 후속적인 합병증을 막는데 도움을 준다. 또한, 사용자의 다리를 움직이게 하는 것은 그들의 시스템을 통해 혈액순환을 자극하는데 도움을 주고, 이는 연관된 생리적 이점을 가능하게 한다.
도면을 참조하면, 도 1 및 3에 보행보조기(WA)(100)가 대체적으로 도시되어 있다. WA(100)는 사용자(600)가 효과적으로 지지되어 있는 이동가능한 기계 프레임 또는 외골격(500)을 포함한다. 이는 사용자(600)를 지지하고 운송할 수 있다.
WA(100)는 사용자(600)에 의해 외부적으로 착용되는 골격 구조인 외골격(500)을 포함한다. WA는 자동차 또는 임의의 가정용 파워 소켓과 같은 전원으로부터 바람직하게 충전가능한 (도시되지 않은) 온보드 파워 팩에 의해 전력을 공급받을 수 있다.
사용자는 외골격(500)에 묶여 지고, 외골격에 의해 지지된다. WA(100)가 사용자(600)를 이동시킬 수 있는 자가 지지 구조인 것으로 생각된다. WA(100)는 히프 프레임(15)에 사용자(600)의 히프를 편안하게 고정시키기 위해, 브레이스(braces), 테더(tethers), 스트랩핑(strapping), 하네스(harness), 또는 웨빙을 포함하는 골반 하네스(96) 형태의 사용자 고정 배열부, 및 레그 구조(50)에 사용자의 다리 및/또는 발을 고정시키기 위한 오소틱스(orthotics) 또는 조절가능한 파스너중 하나를 포함한다. 하나의 실시예에서, 브레이스는 사용자 사지 및 관절의 정확한 정렬을 보장하도록 위치되고, 구성되고, 그리고 설계된 오소틱스(4)를 포함하고, 스트랩 또는 웨빙도 포함할 수 있다.
바람직한 형태에서, WA는 통상적으로 허리 높이에 위치하는 조이스틱(2) 및 키패드(3)를 통해 사용자에 의해 컨트롤된다. 키패드(3) 및 조이스틱(2)은 암(5)에 의해 지지될 수 있다. 이는 (예컨대, 사용중 수평으로 뻗거나 또는 수직 아래를 가리키는) 적어도 하나의 동작 포지션과 (예컨대, 수직으로 뻗은) 정지(retired) 포지션 사이에서 움직이도록 피벗 가능할 수 있다.
아래에 서술된 바와 같이, WA의 컨트롤 시스템은 명령을 수신하도록 프로그래밍될 수 있고, WA를 움직이기 위해 이러한 명령에 따라 행동을 취한다. WA는 앞으로 걷기 및 뒤로 걷기, 및 걸으며 회전하기, 제자리에서 회전하기, 및 옆으로 걷기 등을 시행하도록 움직일 수 있다. WA는 또한 앉기 및 일어서기를 가능하게 할 수 있다. WA는 또한 하나 이상의 평면을 통해 경사진 면을 올라가거나 내려오는 것을 가능하게 할 수 있다. WA의 정적인 오퍼레이션 및 동적인 오퍼레이션 동안, WA는 사용자가 균형잡힌 상태로 유지됨을 보장하도록 컨트롤된다. 아래에 서술된 바와 같이, WA는 또한 특히, 예컨대, 자동으로 지형의 경사에 대하여 조절할 수 있음을 보장하는 특징을 포함한다.
도 1-3을 참조하면, 외골격(500)은 상부 레그 구조 부재(10) 및 하부 레그 구조 부재(11)를 포함한다. 이들은 상부 레그 구조 부재(10)와 하부 레그 구조 부재(11)가 서로에 대하여 피벗하는 것을 가능하게 하기 위한 피벗 축(12A)을 형성하는 니 조인트(12)에 의해 연결된다. 피벗 축(12A)은 상부 레그 부재와 하부 레그 부재가 서로에 대하여 상대적으로, 그러나 하나의 축을 중심으로만 회전할 수 있음을 보장한다.
상부 레그 부재와 하부 레그 부재의 니 축(12A) 둘레로의 움직임은 니 액츄에이터(13)에 의해 액츄에이팅될 수 있다. 니 액츄에이터(13)는 상부 레그 부재(10)와 하부 레그 구조 부재(11) 사이의 상대적인 회전 동작을 액츄에이팅할 목적으로 상부 레그 부재와 하부 레그 부재의 일부분 사이로 뻗어 있다.
니 조인트(12)는 상부 레그 부재(10)의 말단의 제1 끝부(10a)에 위치하는 것이 바람직하다. 상부 레그 부재(10)의 제1 끝부(10a)에 히프 프레임(15)과 상부 레그 부재(10)를 피벗 가능하게 연결하는 히프 조인트(14)가 있다. 히프 조인트(14)는 사용중 앞/뒤 방향의 움직임에서 히프 회전의 자연적 축에서 또는 그 부근에서 사용자(600)와 상대적으로 위치되는 히프 축(14A)을 형성한다. 바람직한 실시예에서, 각각의 히프 조인트(14)는 히프 프레임(15)에 대하여 구성되며, 회전축(14A)은 0도 내지 10도 사이의 각도로, 그리고 더욱 바람직하게는 대략 4도의 각도로 측방향으로 아래쪽으로 뻗어 있다. 회전축(14A)의 경사는 사람의 상부 다리 정렬을 모방한 것이며, 도 30에서 각도 α로 도시되어 있다. 이러한 경사는 WA(100)의 풋 부재들이 함께 더 근접되어 있고, WA(100)가 보행 동작을 통해 이동하도록 컨트롤될 때 풋 부재(18)에 의해 제공되는 지지 영역 내의 하나의 포인트로 (대체로 대략 골반 중심에 위치하는) 무게 중심의 더 자연스러운 이동을 가능하게 함을 의미한다. 이는 또한 도 43에 도시되어 있는데, WA(100)와 사용자의 (포인트(C)로 도시된) 결합된 무게 중심의 이동이 (절단된 선으로 도시된) 히프 조인트의 그러한 회전 축의 경사를 가지지 않는 WA와 달리, 보행 이동에서 각각의 걸음 사이에 측방향 움직임이 감소되어 어떻게 이동하는지 보여준다.
히프 조인트(14)는 상부 레그 부재(10)와 히프 프레임(15) 사이의 상대적 회전을 가능하게 한다. 이러한 회전은 주로 니 축(12A)과 평행한 축을 중심으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 히프 조인트(14)는 또한 내측/측방향 평면 방향으로 히프 프레임(15)에 상대적인 상부 레그 부재(10)의 회전을 가능하게 하고, 이는 동작중 내측/측방향 평면을 따른 사용자(600) 다리의 움직임(예컨대, 다리를 바깥쪽으로 벌리는 것)을 야기할 것이다. 이러한 멀티 축 피벗팅 능력은 히프 조인트(14)를 형성하기 위해 로즈 조인트(rose joint)를 사용함으로써 용이하게 될 수 있다. (로즈 조인트 형태의) 히프 조인트(14)가 한 쌍의 수평으로 나란한 플라스틱, 및 바람직하게는 강성의 플라스틱(예컨대, 테프론 또는 고밀도 폴리에틸렌), 로즈 조인트의 양 사이드에 배치된 (도시되지 않은) 부시(bush)에 의해 그 움직임이 제한될 수 있다. 상부 레그 구조 부재(10)에 연결된 (도시되지 않은) 수직으로 나란한 플랜지는 이러한 방식으로 수평 평면에서의 피벗 동작으로부터 차단될 수 있고, 적어도 부분적으로 그 세로축을 중심으로 한 상부 레그 구조 부재(10)의 피벗 동작을 방지한다.
히프 조인트(14)에서, 니 축(12A)과 평행한 축을 중심으로 하는 상부 레그 부재(10)에 상대적인 히프 프레임(또는 본 명세서에서 골반 하네스(15)라고도 함)의 회전은 메인 히프 액츄에이터(16)의 사용에 의해 달성될 수 있다.
풋 부재(18)는 하부 레그 구조 부재(11)의 제2 말단 끝부(11b)(니 조인트로부터 먼 끝부)에 배치된다. 풋 부재(18)는 풋 조인트(17)에 의해 하부 레그 구조 부재(11)에 상대적으로 회전할 수 있다. 풋 조인트(17)는 니 축(12A)과 평행하게 뻗은 피벗 축(17a)을 형성하는 것이 바람직하다. 앞/뒤 평면에서 하부 레그 구조 부재(11)에 상대적인 풋 조인트(17) 둘레로의 풋 부재(18)의 피벗 동작은 풋 액츄에이터(19)에 의해 시행될 수 있다. 풋 조인트(17)는, 히프 조인트와 마찬가지로, 멀티 축 피벗팅 능력을 용이하게 하기 위한 로즈 조인트일 수 있다. 풋 조인트(17)는 풋 부재(18)가 하부 레그 구조 부재(11)에 상대적인 복수의 각도(degree)의 회전 동작을 가지게 할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 풋 조인트(17)가 그 세로축을 중심으로 하는 풋 부재(18)에 상대적인 하부 레그 구조 부재(11)의 피벗 동작을 적어도 부분적으로 방지함과 동시에, 상기 풋 부재(18) 둘레로 내측/측방향 평면, 및 앞/뒤 평면에서의 하부 레그 구조 부재(11)의 피벗 동작을 제공하도록 구성될 수 있을 것으로 생각된다. 피벗 또는 트위스팅 움직임에 대한 이러한 제한은 히프 조인트(14) 경우와 유사한 방식으로, 즉 로즈 조인트의 양 사이드에 강성의 플라스틱 재료로 만들어진 부시의 삽입에 의해 달성된다. 바람직한 실시예에서, 각각의 풋 조인트(17)는 0 내지 6도의 각도로, 그리고 더욱 바람직하게는 대략 4도의 각도로 측방향으로 아래쪽으로 뻗어 있는 회전 축(17A)을 가지도록 구성될 것으로 생각된다.
보조 풋 액츄에이터(39)가 제공될 수 있고, 메인 풋 액츄에이터(19)가 회전 동작을 컨트롤할 수 있는 방향을 실질적으로 가로지르는 방향으로, 그리고 실질적으로 내측/측방향 평면을 따라 풋 부재의 회전 동작을 컨트롤하도록 풋 부재(18)에 연결된다. 보조 풋 액츄에이터(39)는 이러한 피벗 동작을 용이하게 하기 위해 풋 부재(18)의 차축 또는 레버 암(40)에 연결될 수 있다.
도 5-6을 참조하면, 디바이스의 풋 부재(18), 풋 조인트(17), 및 하부 레그 구조 부재(11)의 확대된 도면이 도시되어 있고, 여기서 풋 부재(18)가 2차 풋 액츄에이터(39)의 작동의 결과로서 회전할 수 있는 2차 축(17b)이 제공되어 있음을 알 수 있다.
도 7-8을 참조하면, 주 회전축은 대략 축(14a)이고, 보조 축은 축(14b)에 의해 형성되고, 그 축을 중심으로 하는 움직임은 보조 히프 액츄에이터(38)에 의해 컨트롤될 수 있음을 알 수 있다.
사용자가 안전한 방식으로 디바이스를 작동할 수 있도록 WA(100)가 사용자에게 피팅되게 하기 위해, 히프 조인트(14), 니 조인트(12), 및 풋 조인트(17) 사이의 공간이 적절함을 보장하는 것이 중요하다. 적절한 포지셔닝은 이러한 조인트들이, 가능한 근접하게 사용자의 대응하는 자연 관절과 나란한 위치여야 한다.
외골격(500)은, 사용자가 착용했을 때, 팩터들의 조합에 의해 정의된 위치에 사용자(600)에 상대적으로 앉을 것이다. 사용자는 외골격에 연결되는 (아래에 더욱 상세하게 서술될) 오소틱스를 사용함으로써 외골격에 바람직하게 고정된다. 히프 조인트, 니 조인트, 및 풋 조인트의 위치 조절은 상부 레그 부재(10) 및 하부 레그 구조 부재(11)의 유효 길이를 조절함으로써 달성된다. 이러한 조절은 하부 레그 구조 부재(11)의 제2 말단 끝부에 위치될 수 있는 턴 버클 스타일의 조절 수단(20), 및 상부 레그 부재(10) 의 제1 말단 끝부에 있는 턴 버클(21)에 의해 달성될 수 있다. 턴 버클(21)은 히프 조인트(14)와 니 조인트(12) 사이의 거리 변화를 허용할 수 있고, 턴 버클(20)은 니 조인트와 풋 조인트(17) 사이의 거리 변화를 허용할 수 있다. 대안의 실시예에서, 길이 조절은 상부 및 하부 레그 구조 부재(10, 11)로 나사결합될 수 있는 길이조절 인서트의 삽입에 의해 달성될 수 있다. 조절 특징은 다른 방식으로 제공될 수도 있으며, 또한, 스냅 핏 배열, 바요넷 타입 배열, 조인트 사이의 거리를 설정하는 신축성 또는 다른 수단의 형태와 같은 다른 형태로 시행될 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 조절은 하나의 디바이스가 상이한 체형 또는 사이즈일 수 있는 상이한 사용자에 의해 사용되는 것을 가능하게 할 수 있다.
도 12를 참조하면, 옆에서 본 니 조인트(12)의 도면이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 상부 레그 부재(10)는 그 길쭉한 방향으로 니 조인트(12)의 피벗 축(12a)으로부터 벗어나 있다. 하부 레그 구조 부재(11)는 축(12a)을 통해 투영된다. 이는 사용자(600) 무릎 손상을 방지하기 위해 사용자의 무릎 관절에 무릎 피벗 조인트를 정확하게 정렬시킨다. 축(12a)은 상부 레그 부재(10)가 투영하는 위치의 (사용자의 진행의 앞쪽 방향에서) 뒤쪽 위치에 있다. WA 니 조인트의 이러한 오프셋은 사람 뼈의 형태를 모방하고 그와 나란하게 정렬시켜, 사용자의 무릎 관절에 임의의 스트레스 또는 손상을 피한다.
도 2에는 외골격의 일부분만 도시되어 있고, 도 3을 참조하면 모든 외골격이 도시되어 있고 두 레그 구조(50a 및 50b)가 도시되어 있다. 레그 구조(50)는 히프 프레임(15)에 의해 함께 고정된다. 히프 프레임(15)은 히프 조인트(14)의 일부분에 고정되고, 그로 인해 서로에 대하여 히프 조인트(14)의 고정된 간격을 설정한다. 히프 프레임(15)은 사용자 허리의 일부분 둘레에 앉을 수 있는 강성의 부재인 것이 바람직하다. 바람직하게는, 히프 프레임(15)은 사용자(600)의 히프 영역 뒷부분의 실질적으로 둘레로 뻗어 있다. 히프 프레임(15)은 또한 사용자의 허리 일부분의 둘레로 뻗을 수 있다.
사용자는 사용자의 다리 둘레로 뻗어 있고, 사용자에 의해 적절하게 고정되고 해제될 수 있는 조절가능한 스트랩 또는 웨빙을 포함할 수 있는 골반 하네스(96)에 의해 히프 프레임에서 지지된다. 이러한 웨빙은 길이 조절가능할 수 있다. 이는 사용자에 의해 WA에 들어가고 나가는 것을 용이하게 하기 위한 벨크로®와 같은 후크 앤 루프 파스닝 시스템 등을 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, 하네스가 웨빙(23)을 포함할 수 있음을 알 수 있다. 사용자(600)는 사용자가 히프 프레임(15)에 단단히 고정되어 유지됨을 보장하기 위해 사용자 허리 둘레의 웨빙(23)에 의해 히프 프레임(15)에 묶여질 수 있다. 또한, 웨지형 폼 또는 발포 플라스틱과 같은 재료로 이루어진 패킹 배열(101)이 히프 프레임(15)에 사용자에 의한 편안한 핏(fit)을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 패킹 배열(101)이 (도시되지 않은) 팽창가능한 얇은 벽의 압력 용기일 수도 있을 것으로 생각된다.
사용자에 대한 추가적인 지지는 앞서 서술한 조절가능한 파스너(46)의 대안으로서 또는 부가적으로 오소틱스에 의해 제공된다. 오소틱스는 사용자(600)가 지지되고 있음은 물론, 사용자(600)의 사지 또는 관절을 손상시키기 않기 위해 외골격 내에 정확하게 정렬되어 있음을 보장하는 것을 돕는 오소틱 디자인의 브레이스이다. 오소틱스는 오소틱스의 형성된 부분에 상대적인 위치에 사용자를 고정시키기 위한 웨빙 또는 스트랩을 포함할 수 있다. 웨빙(23)은 또한 조절가능한 피팅과, WA(100)로부터 사용자를 해제하는 것을 용이하게 할 수 있다.
오소틱 브레이스는 외골격에 바람직하게는 연결되어 있거나, 그리고/또는 탈착가능하게 연결될 수 있다. 도 3을 참조하면, 오소틱스는 상부 레그 오소틱스(26) 및 하부 레그 오소틱스(27)를 포함할 수 있다. 이들은 서로 직접 결합될 수도 있고, 또는 외골격에 의해 서로 간접적으로 결합될 수도 있다. 예컨대, 도 3을 참조하면, 상부 레그 오소틱스(26)와 하부 레그 오소틱스(27)는 조인트(28)에서 결합될 수 있다. 오소틱스는 커넥터(29)를 통해 외골격(500)에 연결가능하다.
커넥터(29)는 외골격에 오소틱스를 단단하게 고정시킨다. 커넥터(29)는 외골격(500)에 오소틱스의 탈착가능한 연결을 용이하게 할 수 있다. 이는 통상적으로 오소틱스를 착용하는 사용자(600)에게 이로울 수 있다. 이는 사용자가 자신을 외골격(500)에 더욱 신속하게 연결할 수 있게 한다. 이는 또한 오소틱스(4)가 이미 적절한 위치에서 사용자와 연결되어 있으므로, 사용자가 더 편안한 방법으로 외골격(500)에 연결되는 것을 가능하게 한다. 그러므로, 사용자(600)는 WA(100)에 함께 공급된 조절가능한 파스너(46)를 사용할 수 있고, 또는 사용자의 오소틱스 전문가가 사용자 브레이스에 맞춤시킬 수 있는 공급된 인터페이스를 사용함으로써 자신의 브레이스를 사용할 수 있다. 많은 사용자(600)들이 특수한 오소틱스 요구사항을 가지고 일반적인 브레이스를 착용할 수 없다는 점을 감안하면, 사용자가 WA(100)와 인터페이싱할 수 있는 것이 필수적이다.
WA(100)로부터 오소틱스 브레이스를 분리시키고, 일반적인 브레이스를 착용할 수 있는 것은 사용자가 브레이스를 변경할 필요없이 신속하게 디바이스에서 나가거나 디바이스로 들어올 수 있게 한다.
커넥터(29)는 사용자의 다리 상부 및 하부의 정확한 정렬이 외골격과 결합된 후 달성되도록 하는 형상 및 구성을 가진다. 커넥터(29)는 외골격과 오소틱스의 신속한 연결 및 분리를 용이하게 하기 위해 도브 테일(dove tail) 구성 또는 스냅 락(snap lock) 구성일 수 있다.
사용자(600)는 각각의 풋 부재(18)의 플랫폼(30) 상에 놓일 수 있는 자신의 신발을 착용한 채로 외골격에 연결될 수 있다. 대안으로서, 외골격은 사용자(600)가 자신의 발(630)을 놓을 수 있는 신발(31)과 같은 풋웨어를 포함한다. 풋웨어(31)는 외골격(500)과 영구적으로 체결되어 유지될 수 있고, 사용자는 자신의 발을 풋웨어에 넣을 수 있다. 신발(31)은 정밀한 키홈(keyway)을 가진 바깥쪽 에지 상에 강성의 프레임을 가지는 것이 바람직하다. 상기 키홈의 네거티브가 WA(100) 상에 있다. 이러한 두 부분은 정확하게 위치된 때 자동 잠금 핀이 체결되도록 하나의 부분을 다른 부분으로 슬라이딩시킨다. 고정부의 뒷부분은 신발 내에 포함된 센서를 위한 모든 전기적 연결을 포함한다. 신발의 정확한 정렬은 완전한 연결을 보장한다. 자동 핀은 수동적으로 또는 전기적으로 해체될 수 있다.
사용된 선형 액츄에이터는 액츄에이터 내의 센서를 통해 포지션 피드백을 가지는 저전압 DC 액츄에이터인 것이 바람직하다. 액츄에이터의 저전압 특성은 사용중 안전성과, 고장 난 경우에 사용자를 다치게 하지 않기 위해 중요하다. 피드백 센서는 임의의 시간에 사지의 포지션의 인식을 시스템에 제공하고, 컨트롤 시스템에 의해 채용된 사전 프로그래밍된 시퀀스로 소정의 고정된 포지션으로 사지를 움직이게 하기 위해 사용될 수 있다는 점과 관련된 것이고, 이는 아래에 설명된다. 전형적으로, 액츄에이터는 액츄에이터를 늘어나게 하거나 수축시키는 (도시되지 않은) 웜 기어를 구동시키는 (도시되지 않은) 전기 모터에 의해 작동될 수 있다.
도 16을 참조하면, 디바이스를 상체의 힘 및/또는 기능이 부족한 사용자에게 적합하게 하는 본 발명의 추가적인 형태의 WA가 도시되어 있다.
히프 프레임(15)에 부착된 하나 이상의 토르소(torso) 하네스 또는 상체 브레이스(92)가 제공될 수 있다. 상체 브레이스(92)는 상체 컨트롤이 제한된 사용자(600)에게 제공될 수 있다. 상체 브레이스(92)는 사용자들이 균형 잡는 것을 돕기 위해 사용자의 상체(640)를 움직이도록 액츄에이팅되는 프레임 또는 코르셋을 포함할 수 있다. (도시되지 않은) 하나의 실시예에서, 토르소 하네스(92)는 골반 하네스(96)에 연결된다. 외골격(500)의 컴포넌트 중 일부 또는 모두는 (도 14, 23, 25, 및 38에 도시된) 커버(98)에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 커버될 수 있다. 이러한 커버(98)는 안전성, 방수, 방진(dust-proofing), 및 심미적 목적으로 제공되고, 상기 커버(98)는 지지를 위해 커버를 사용함으로써 사용자(600)가 WA에 타고 내리는 것을 가능하게 하기에 충분한 강도 및 안정성을 가질 수 있다. 하나의 실시예에서, 사용자(600)가 외골격(500)에 타고 내리는 것을 용이하게 하기 위해 커버(98)에 핸들이 부착될 수 있다.
하나의 실시예에서, 외골격(500)은 (도 39 및 40에 도시된) 앉은 포지션으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 외골격(500)이 앉은 포지션일 때, (예컨대, 앉은 포지션은 아니지만, 도 23에 도시되어 있는) 커버의 표면(99)은 실질적으로 수평적으로 뻗을 것이다. 시트 상에 위치된 WA(100)는 그 다음 사용자에게 사용자가 디바이스에 타고 내리는 목적으로 의존하기 위한 단단한 면을 제공할 것이다. 커버(98)는 강성의 방식으로 그리고 커버가 외골격 대하여 안정적임을 보장하는 방식으로 외골격에 연결되는 것이 바람직하다. 커버(98)는 또한 (또는 그 대신에) 유사한 목적으로 사용자에게 손잡이를 제공할 수 있는 기능적 형상의 피처를 포함할 수 있다.
오소틱 지지대의 사용을 통해, 사용자는 외골격 구조에 상대적인 움직임이 매우 제한되거나 차단된다. 사용자는 외골격 구조에 상대적으로 자신의 다리를 회전시킬 수 없고, 외골격 구조에 상대적으로 자신의 다리를 세로방향으로 또는 측방향으로 움직이는 것이 차단된다.
도 10을 참조하면, 하나의 실시예에서, 각각의 풋 부재(18)는 풋 부재의 바닥에 촉각 센서 또는 압력 센서(또는 이둘 모두)와 같은 하나 이상의 접촉 센서가 함께 제공된다. 이러한 센서는 외골격(500)의 움직임을 컨트롤하는 것을 용이하게 하기 위해 컨트롤 시스템에 정보를 제공하도록 구성가능하다. 센서들은 전형적으로 감지되어야할 특정한 특성을 감지하고, 그 특성을 나타내는 신호를 발생시키고, 그리고 그 신호를 외골격(500)의 움직임의 컨트롤을 용이하게 하기 위해 컨트롤 시스템으로 전송함으로써 이를 수행할 것이다. 예를 들어, 촉각 또는 압력 센서는 컨트롤 시스템의 지형 서브 시스템에 접촉 정보를 제공하고, 압력 센서는 대안으로서/부가적으로 컨트롤 시스템의 밸런스 서브 시스템에 정보를 공급하며, 이는 아래에 더욱 상세하게 설명될 것이다.
바람직한 형태에서, 풋 부재의 바닥은 각각이 바닥의 각각의 코너 영역에 또는 코너 영역을 향해 있는 4개의 촉각 센서(66, 67, 68, 69)와 함께 제공된다. 예를 들어, 각각의 풋 부재는 전방 좌측 접촉 센서(66), 전방 우측 접촉 센서(67), 후방 좌측 접촉 센서(68), 후방 우측 접촉 센서(69)를 포함한다. 각각의 촉각 센서는 바닥의 각각의 코너가 지면과 접촉할 때 트리거하도록 배열된 적어도 하나의 촉각 또는 접촉 스위치를 포함한다. 도시된 바람직한 형태에서, 각각의 촉각 센서는 병렬로 배선된 3개의 개별 촉각 스위치에 의해 통합적으로 형성된다. 각각의 촉각 센서가 오직 하나의 촉각 스위치와 함께 작동할 수 있으나, 병렬로 배선된 복수의 스위치를 사용하는 것이 스위치 오류 또는 고장의 경우에 리던던시를 제공하는 것임이 이해될 것이다. 이와 유사하게, 각각의 풋 부재는 또한 발바닥의 각각의 코너 영역에 하나씩 4개의 압력 센서와 함께 제공된다. 바람직한 형태에서, 각각의 압력 센서는 각각의 촉각 센서 뒤에 설치된다. 이러한 압력 센서들은 풋 부재(18)의 각각의 코너 영역에 의해 표면에 가해지고 있는 압력의 정도, 또는 심지어 풋 부재(18)의 바닥을 가로질러 지면에 가해지는 압력 변화를 탐지하도록 배열된다. 바람직한 실시예에서, 풋 부재(18) 상의 촉각 및 압력 센서는 (도시되지 않은) 방수 커버에 의해 밀봉된다.
대안의 형태에서, 컨트롤 시스템에, 그리고 (아래에 더욱 상세하게 서술된 바와 같이) 특히 컨트롤 시스템의 지형 및 밸런스 서브 시스템에 (지면과의 접촉시 트리거하는) 요청된 접촉 신호 및 압력 신호(각각의 영역에서의 압력의 정도)를 모두 제공하는 압력 센서만(즉, 촉각 센서 없이) 제공된다.
도 10에 도시된 바람직한 형태에서, 풋 부재(18)의 바닥은 또한 지면 또는 아래의 지형과 접촉할 때 트리거하도록 배열된 하나 이상의 중앙 영역 접촉 센서(71, 72)를 포함한다. 중앙 영역 접촉 센서(71, 72)는 적어도 하나의 촉각 또는 압력 센서를 포함하고, 병렬로 배선된 3개의 촉각 또는 압력 센서의 시리즈 또는 로우(row)에 의해 바람직하게 형성된다. 2개의 중앙 영역 접촉 센서(71, 72)는 실질적으로 풋 부재의 중앙 세로축을 따라 위치하는 것이 바람직하다. 바람직한 형태에서, 하나의 접촉 센서(71)는 중앙 가로 축(AA) 둘레로 바닥의 뒷쪽 절반부에 제공되고, 다른 접촉 센서(72)는 바닥의 앞쪽 절반부에 제공된다. 그 동작에 있어서, 중앙 영역 접촉 센서의 센서 출력이 아래의 지형과 풋 부재의 바닥의 접촉 분포 및 정렬을 위해 추가적인 레졸루션으로 지형 서브 시스템에 제공된다. 이러한 추가적인 접촉 정보는 특히 오르막(inclined) 지형에서 평평한 지형으로, 그리고 평평한 지형에서 내리막(declined) 지형으로의 전환에서, 아래의 지형에 부합하도록 외골격 무브먼트 시퀀스를 조절하는데 도움을 주기 위해 지형 서브 시스템에 의해 사용될 수 있다. 특히, 중앙 영역 접촉 센서에 의해 제공되는 추가적인 접촉 정보는 풋 부재가 지형 전환을 통과한 정도, 즉, 예컨대, 여전히 오르막-평평한 지형 전환에서 평평한 지형보다 발 아래에 더 많은 오르막 지형이 존재하는지, 또는 거의 그 전환을 통과하여 발 아래에 평평한 지형이 더 많이 존재하는지 판정하는 것을 돕기 위해 지형 서브 시스템에 의해 사용된다. 동일한 정보는 평평한-내리막 전환에 대하여 획득될 수 있다. 중앙 영역 접촉 센서(71, 72)가 컨트롤 시스템에 필수적인 것은 아니지만, 지형 전환이 빈번하기 쉬운 애플리케이션에 대하여 추가적인 풋 접촉 정보 및 레졸루션을 제공함이 이해될 것이다.
WA는 또한 사용자에 의해 WA에 가해지는 힘을 탐지하기 위한 (도시되지 않은) 시트 센서를 포함할 수 있다. 이들은 (도시되지 않은) 스트레인 게이지 등의 형태일 수 있을 것으로 생각된다. WA(100)의 뒷쪽 각각의 "허벅지" 영역에 하나씩 2개의 시트 센서가 존재한다.
(도시되지 않은) WA 컨트롤 시스템은 사람이 컨트롤 시스템과 인터페이싱하고, 소리, 빛, 또는 진동과 같은 감각 신호를 통해 정보를 입력하고 정보를 수신할 수 있는 휴먼 인터페이스 디바이스(1601)를 통해 사용자 입력을 수신하도록 구성될 것으로 생각된다. 이러한 휴먼 인터페이스 디바이스의 몇 가지 예는 (도시되지 않은) 컨트롤 패드, 키패드(3), 조이스틱(2), 터치 스크린/LCD 스크린 등이다.
컨트롤 시스템은 휴먼 인터페이스 디바이스(1601)를 포함한다. 서술된 바와 같이, 액츄에이터 내의 센서를 포함한 다양한 센서들은 액츄에이터의 컨트롤을 용이하게 하기 위해 컨트롤 시스템에 의해 사용될 수 있는 피드백 신호를 제공하도록 구성가능하다.
바람직한 실시예에서, 컨트롤 패드(4)는 휴먼-머신 인터페이싱을 위해 사용될 것이다. 컨트롤 패드는 스윙 암(5) 상에서 피벗가능할 것이다. 하나의 실시예에서, 컨트롤 패드(7)는 멤브레인 키패드(membrane keypad)(3), (도시되지 않은) 발광 다이오드(LED) 라이트, 조이스틱(2), 및 (도시되지 않은) 배터리 미터를 포함할 것으로 생각된다. 다른 적합한 휴먼 머신 인터페이싱 컨트롤도 사용될 수 있다. 예컨대, (도시되지 않은) 터치 스크린이 컨트롤 패드를 대체할 수 있다.
바람직한 실시예의 키패드(3)는 또한 경고, 및 입력의 선택, 및/또는 컨트롤 시스템의 기능을 나타내기 위한 청각적 버저를 포함할 수 있다. LED가 오류 표시, 파워 서플라이의 충전을 나타내는 것, 또는 (도시되지 않은) 긴급 파워 서플라이가 사용되고 있음을 나타내는 것을 포함하는 다양한 기능을 위해 사용될 수 있을 것으로 생각된다. LED는 또한 배터리가 완전히 충전되었음을 의미하는 모든 LED가 켜진 것부터, 배터리가 충전이 필요함을 의미하는 모든 LED가 꺼진 것까지의 범위로, 메인 배터리 팩 내의 사용가능한 파워의 표시를 제공하기 위해 배터리 미터로서 사용될 수 있다.
대안의 실시예에서, LCD 스크린은 LED 지시기를 대체하기 위해 제공되고, 배터리 미터 및 다른 앞서 언급한 표시와 같은 적절한 디바이스 상태 정보를 디스플레이한다.
조이스틱(2)은 컨트롤 시스템에 컨트롤 명령을 입력하기 위한 사용자 입력 수단으로 사용될 수 있다.
WA는 (도시되지 않은) 온보드 배터리 팩에 의해 전력공급된다. 바람직한 실시예에서, 배터리 팩은 히프 프레임의 뒤에 위치한다. 대안으로서, 배터리 팩은 다리 커버(98) 내의 "정강이"의 앞쪽에 그리고 히프 프레임 내의 "콩팥"에 위치될 수 있다. 배터리 시스템은 저전압 DC 시스템이고, 배터리 팩은 가정용 파워 서플라이 또는 차량용 파워 서플라이로부터 재충전가능하다. 적어도 액츄에이터는 액츄에이터가 액츄에이팅 하게 하기 위해 배터리 팩으로부터 전력을 요구한다. 배터리 팩은 유사한 용량 또는 더 큰 용량의 다른 배터리 팩으로 신속한 교체를 위해 제거가능하다. 배터리 팩은 WA에 탑재된 상태로, 또는 특별하게 설계된 충전기에서 외부적으로 충전될 수 있다.
전형적으로 배터리 팩 중 하나의 색션만 사용될 것이고, 배터리가 고갈되고 있는 경우에, 청각적 알람이 소리를 내는 것은 물론, 컨트롤 패널 상의 시각적 배터리 충전 지시기가 낮은 배터리 파워 상황을 사용자에게 경고할 것이고, WA는 예비 배터리 부분으로 파워를 자동적으로 스위칭할 수 있을 것이다. 대안으로서 그리고 다른 바람직한 실시예에서, 컨트롤 패널은 단지 사용자에게 낮은 파워 상황을 경고하고, 예비 배터리 팩은 무게를 줄이기 위해 제공되지 않을 것이다. WA(100)가 걸을 수 없는 사용자에게 기본적인 이동성을 회복하는데 도움을 줄 것으로 생각된다.
WA는 온보드 파워 및 컨트롤 시스템을 통해 자급자족하고, 자동차 충전기 또는 가정용 파워 서플라이를 사용하여 재충전될 수 있다.
WA의 컨트롤 시스템
WA의 컨트롤 시스템의 바람직한 형태는 이제 도 45a-73을 참조하여 설명될 것이다. 예를 들어, 컨트롤 시스템은 도 1-44를 참조하여 설명된 외골격의 바람직한 실시예를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 컨트롤 시스템 구성, 방법, 및 기술, 및 특히 지형 및 밸런스 서브 시스템이 유사한 컨트롤 기능 및 안정성 요구사항을 가지는 다른 보행 보조기 및 외골격 시스템에 적용되고 조절될 수 있음이 이해될 것이다.
컨트롤 시스템이 임의의 적합한 하드웨어 시스템, 플랫폼, 또는 아키텍처 상에 구현될 수 있음이 이해될 것이다. 하드웨어 시스템은 WA에 탑재되어 제공되고, 바람직하게는 적어도 컨트롤 시스템 알고리즘을 실행하는 프로세서, 컨트롤 시스템 알고리즘 및 데이터를 저장하는 메모리, 및 센서 신호를 수신하고 외골격 액츄에이터를 작동시키는 것과 같이 다른 WA 컴포넌트와 통신하고 작동시키는 인터페이스 회로를 포함한다. 프로세서가 CPU, 디지털 신호 프로세서, 현장 프로그래밍 가능한 게이트 어레이(Field-Programmable Gate Array), 마이크로컨트롤러, 주문형반도체 등의 임의의 형태의 프로그래밍 가능한 하드웨어 디바이스일 수 있음이 이해될 것이다.
컨트롤 시스템은 지형 변화와 같은 환경적 팩터 및 WA 밸런싱을 탐지하는 센서 입력 및 휴먼 디바이스 인터페이스를 통한 사용자 입력을 기초로 외골격의 액츄에이터의 행동 및 동작을 컨트롤한다. 전력이 공급된 때, WA 컨트롤 시스템은 그 현재 포지션을 유지하는 아이들(idle) 상태를 유지하고, 컨트롤 패드를 통한 사용자 입력을 대기한다. 사용자 입력은 하나 세트의 모터 컨트롤러와 같은 액츄에이터 컨트롤러를 통해 액츄에이터의 무브먼트의 사전 프로그래밍된 시퀀스를 트리거하는 하나의 세트의 커맨드 값으로 변환된다. 바람직한 형태의 컨트롤 시스템은 하나의 시리즈의 사전 프로그래밍된 시퀀스를 저장하는데, 각각의 시퀀스는 걷기, 앉기, 및 일어서기와 같은 상이한 무브먼트를 시행하도록 구성되어 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 각각의 사전 프로그래밍된 시퀀스는 현재 환경에 대하여 조절하기 위해 사전 프로그래밍된 시퀀스를 변경하도록 배열된 별개의 밸런스 및 지형 감지 서브 시스템으로부터의 환경 변수에 의해 중단되고 조절될 수 있다.
사전 프로그래밍된 시퀀스는 액츄에이터의 물리적 위치, 및/또는 환경 센서로부터 적절한 신호에 의해 완료되는 것으로 판정되는 이벤트 또는 이벤트/명령의 시퀀스까지 구동된다. 사전 프로그래밍된 시간 및 포지션 시퀀스를 가지고, 환경에 대하여 조절함으로써, 계산상의 시간 및 전력이 절약된다.
도 73을 참조하면, 바람직한 형태의 컨트롤 시스템은 휴먼 머신 인터페이스(1601), 지형 감지 서브 시스템(1640), 밸런스 서브 시스템(1630), 및 모터 컨트롤 서브 시스템(1620)을 포함한다. 모터 컨트롤 서브 시스템(즉, 액츄에이터 컨트롤러)은 액츄에이터(1612)에 연결된다. 액츄에이터(1612) 내의 센서를 포함한 다양한 센서(1610, 1611)들은 액츄에이터의 포지션과 같은 피드백을 제공한다.
컨트롤 패널(1601)을 통한 사용자 입력은 컨트롤 시스템(1690)에 의해 사전 프로그래밍된 커맨드로 변환된다. 사전 프로그래밍된 커맨드는 모터 컨트롤러(1620)에 액츄에이터(1612)를 작동시키도록 명령한다. 액츄에이터 센서(1616)는 액츄에이터의 정확한 무브먼트를 보장하기 위해 컨트롤 시스템에 피드백을 제공한다. 사전 프로그래밍된 커맨드는 센서 입력에 따라 밸런스 서브 시스템(1630) 및/또는 지형 서브 시스템(1640)에 의해 변경될 수 있다. 각각의 서브 시스템은 다른 서브 시스템으로부터 분리되어 작동하지만, 서브 시스템 간의 통신은, 예컨대, 하나의 네트워크 또는 버스를 통해 이루어질 수 있다.
다양한 서브 시스템 및 사전 프로그래밍된 커맨드의 예들이 아래에 더욱 상세하게 설명된다.
휴먼 머신 인터페이스
바람직한 실시예에서, 컨트롤 패드는 휴먼 머신 인터페이싱을 위해 사용될 것이고, 12개의 멤브레인 키패드 버튼, 3개의 LED, 조이스틱, 및 배터리 미터를 포함한다. 다른 적합한 휴먼 머신 인터페이싱 컨트롤이 사용될 수도 있다. 예컨대, 터치 스크린은 컨트롤 패드를 대체할 수 있다. 다른 대안으로서, LCD 스크린이 LED 및 배터리 미터를 대체할 수 있고, 디바이스와 관련된 다른 적합한 상태 정보를 디스플레이할 수 있다.
바람직한 실시예의 키패드는 WA를 켜고 끄기 위해 사용될 '온/오프' 버튼, WA를 앉게 하기 위해 사용될 '시트' 버튼, WA를 일어서게 하기 위해 사용될 '스탠드' 버튼, 및 메인 파워 서플라이가 다 소모된 후 비상 배터리가 WA에 전력을 공급하게 하는 '비상 배터리 서플라이'를 포함한다. 선택된 기능을 취소하기 위한 취소 버튼이 존재할 수 있다. 앉은 포지션에서 사용하기 위한 '피트 상승' 및 '피트 하강' 기능이 존재할 수 있다. 경고 및 특정한 기능의 선택을 지시하기 위한 청각 버저가 존재할 수 있다.
키패드는 3개의 LED를 포함하는데, 하나의 LED는 WA에 오류가 있을 때 일정한 속도로 깜박일 것이고, 하나의 LED는 디바이스가 충전되고 있을 때 점등될 것이고, 하나의 LED는 비상 파워 서플라이가 사용되고 있을 때 점등될 것이다.
배터리 미터는 LED의 어레이일 수 있고, 배터리가 완전히 충전되었음을 의미하는 모든 LED의 점등에서 배터리가 충전이 필요함을 의미하는 모든 LED의 소등까지의 범위로 사용가능한 파워의 지시를 제공할 수 있다.
앞선 대안의 실시예에 대하여 언급한 바와 같이, LED는 유사한 방법으로 또는 대안의 방법으로 LED에 의해 제공되는 정보를 디스플레이하는 LCD 스크린으로 대체될 수 있다.
조이스틱은 WA의 보행 동작을 컨트롤하기 위해 사용될 것이다. 앞 또는 뒷 방향으로 조이스틱을 선택하고 신속하게 놓는 것은 각각 WA가 앞으로 또는 뒤로 정적으로 걷게 할 것이고, 조이스틱을 앞으로 또는 뒤로 오랫동안 유지하는 것은 각각 WA가 앞으로 또는 뒤로 동적으로 걷게 할 것이다. 조이스틱을 좌측 또는 우측으로 미는 것은 각각 WA가 좌측 또는 우측으로 걷게 할 것이다. 조이스틱을 앞 또는 뒤로 그리고 동시에 좌측 또는 우측으로 대각선방향으로 미는 것은 WA가 대응하는 방향으로 회전하게 할 것이다.
사전 프로그래밍된 커맨드/시퀀스
WA는 휴먼 머신 인터페이스를 통해 사용자에 의해 컨트롤된다. 앞서 서술한 바와 같이, 바람직한 실시예의 휴먼 머신 인터페이스는 키패드이다. 키패드 상에 액션을 수행하는 것은 사전 프로그래밍된 시퀀스의 이벤트를 트리거한다. 이러한 시퀀스는 사용자를 균형잡힌 상태로 일정하게 유지하는 시간조절된 각 모션의 시리즈이고, 이러한 균형잡힌 상태가 외부적인 환경적 힘 또는 심지어 사용자 움직임에 의해 깨어지면, 디바이스 서브 시스템은 사전 프로그래밍된 시퀀스를 중단시키고, 환경적 요인에 대하여 조절하기 위한 입력 변수를 통해 갱신한다.
그러므로, 사전 프로그래밍된 시퀀스는 평평한 지형, 즉 이동 방향에 대하여 세로 또는 가로 방향으로 기울어지지 않은 지형을 가정한다. 각각의 사전 프로그래밍된 무브먼트 시퀀스는 원하는 무브먼트를 수행하기 위해 요구되는 다수의 순차적 명령과 연관된다. 이러한 순차적 명령은 특정한 무브먼트 시퀀스를 수행하기 위해 사람 관절에 의해 요구되는 무브먼트 단계를 어느 정도까지 각각 모방한다. 모든 명령은 원하는 명령을 수행하는 특정한 세트의 상대적 액츄에이터 무브먼트와 연관된다. 그러므로, 컨트롤 시스템은 모든 사전 프로그래밍된 시퀀스에 대하여 그 시퀀스와 연관된 명령, 및 모든 명령에 대하여 요구되는 액츄에이터 무브먼트를 저장해야 한다.
도 45a-49b는 사전 프로그래밍된 무브먼트 시퀀스, 이러한 시퀀스와 연관된 명령, 및 이러한 특정한 명령을 수행하기 위해 요구되는 상대적 액츄에이터 무브먼트의 예를 제공한다. 아래의 예에서, 도 1-44의 외골격(500)의 모델(700)은 명료함을 위해 개략적인 형태로 도시된다. 도시된 화살표는 이전 명령에 상대적인 액츄에이터의 무브먼트(또는 최초 명령인 경우 서있는 컨트롤된 포지션으로부터의 무브먼트)에 대응한다.
도 1-44의 외골격(500)에 대하여 서술한 바와 같이, 외골격의 조인트 각은 특정한 조인트와 연관된 액츄에이터의 길이를 변경함으로써 변경된다. 그러므로, 액츄에이터(701-710)는 특정한 명령 실행 중 (원하는 무브먼트를 수행하기 위해 연결된 조인트를 변경시키는) 액츄에이터가 길어질 것인지 짧아질 것인지를 보여주기 위해 화살표로 표현된다. 액츄에이터(701-710)는 각각 아래의 표 1에 도시된 바와 같이 (조인트(17, 12, 및 14)에 연결된) 외골격(500)의 액츄에이터(19, 39, 13, 16, 및 38) 중 하나에 대응한다.
모델(700) 액츄에이터 대응하는 외골격(500) 액츄에이터
액츄에이터(701) 메인 좌측 풋 액츄에이터(19)
액츄에이터(702) 메인 우측 풋 액츄에이터(19)
액츄에이터(703) 보조 좌측 풋 액츄에이터(39)
액츄에이터(704) 보조 우측 풋 액츄에이터(39)
액츄에이터(705) 좌측 니 액츄에이터(13)
액츄에이터(706) 우측 니 액츄에이터(13)
액츄에이터(707) 메인 좌측 히프 액츄에이터(16)
액츄에이터(708) 메인 우측 히프 액츄에이터(16)
액츄에이터(709) 보조 좌측 히프 액츄에이터(38)
액츄에이터(710) 보조 우측 히프 액츄에이터(38)
아래의 도 45-49의 예시적인 무브먼트 시퀀스에 대하여, 액츄에이터(701-710)에 대하여, 특히 도면의 연관된 화살표로 표현된 액츄에이터의 길이 변화에 대한 참조가 이루어질 것이다.
보행 - 정적 스텝
정적 스텝 무브먼트 시퀀스는 도 45a-j에 도시되어 있다. 정적 스텝은 각각의 다리에 의해 취해지는 하나의 스텝을 필요로 하고, 양다리가 서로 (인접하게) 일직선을 이룬 채, (좌측 또는 우측으로 기대지 않고) 외골격(700)이 컨트롤된 포지션으로 서있게 한다. 스텝을 취하기 전에, WA는 자신이 스탠딩 포지션에 있는지 체크할 것이다. WA 및 사용자의 결합된 무게 중심이 먼저 하나의 발 바로 위의 사이드로 시프트된다. 본 시스템은 무게 중심이 발 바로 위에 있음을 보장할 것이다. 다른 다리가 들어 올려지고, 앞으로 이동된 후, 첫번째 발의 앞쪽 위치의 지면 위에 놓여진다. WA 및 사용자의 결합된 무게 중심은 앞쪽의 발 바로 위의 사이드로 다시 시프트되고, 그 다음 다른 발이 들어 올려지고 첫번째 발과 일직선인 위치로 앞으로 이동되고, 그 위치에서 지면에 내려진다.
도 45에 도시된 특정한 예는 우측 다리를 앞으로 내딛는 정적 스텝을 보여준다. 좌측 다리를 내딛는 무브먼트에 대하여 유사한 프로그래밍된 시퀀스가 또한 몇몇 명령의 순서를 단순히 변경함으로써 시스템에 의해 저장될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 도시된 예는 앞으로 걷는 것에 대한 것이지만, 뒷쪽으로 걷는 것 또한 당업자들에게 명백한 바와 같이 명령을 그에 따라 변경함으로써 사전 프로그래밍될 수 있음이 이해될 것이다.
그러므로, 아래의 명령들은 도 45의 정적 스텝의 프로그래밍된 시퀀스(우측 다리를 내딛는 앞으로 걷기)를 위해 저장된다.
i) 좌측으로 외골격(700)을 기울인다(도 45a)
ii) 좌측으로 골반을 기울인다(도 45b)
iii) 우측 다리를 들고 앞으로 이동시킨다(도 45c)
iv) 우측 다리가 좌측 다리 앞쪽에 있도록 우측 다리를 지면 위에 놓는다(도 45d)
v) (사용자가 탑승한) 외골격(700)의 무게를 외골격(700)이 컨트롤된 위치에 있는 위치로 우측으로 이동시킨다(도 45e)
vi) 외골격(700)이 우측 위치에 있는 위치로 무게를 우측으로 계속 이동시킨다(도 45f)
vii) 외골격(700)의 골반을 우측으로 기울인다(도 45g)
viii) 좌측 다리를 들어올리고 앞으로 이동시킨다(도 45h)
ix) 좌측 다리가 우측 다리와 인접하게 있도록 지면에 좌측 다리를 내려놓는다(도 45i)
x) 외골격(700)을 컨트롤된 위치로 이동시키기 위해 (사용자가 탑승한) 외골격(700)의 무게를 좌측으로 이동시킨다(도 45j)
시스템 온보드 메모리는 그러므로 각각의 무브먼트 시퀀스에 대하여 각각의 상기 명령에 대한 상대적인 액츄에이터 무브먼트를 저장한다. 길이가 변하는 액츄에이터만 도 45a-j에 도시되어 있다. 양끝 화살표는 연결된 액츄에이터의 길이의 증가/팽창을 나타내고, 서로 마주보는 2개의 화살표는 연결된 액츄에이터의 길이의 축소/수축을 나타낸다. 정적 스텝 무브먼트 시퀀스에 대하여 좌측으로 기울이는 명령 i)을 시행하기 위해, 액츄에이터(701-710)는 액츄에이터(701 , 702, 704, 706 및 709)를 길어지게 하고, 액츄에이터(703, 705, 707, 708, 및 710)를 짧아지게 함으로써, 그들의 컨트롤된 포지션/스탠딩 상태(즉, 예컨대, 도 45j에 도시된 명령 후 도달된 상태)에 상대적으로 움직일 필요가 있다.
이와 유사하게, 정적 스텝 시퀀스의 상기 나머지 명령(ii)-(x)은 도 45b-j에 도시된 바와 같은 (앞선 명령으로 인한 액츄에이터의 결과적인 길이에 상대적인) 액츄에이터 무브먼트를 요구한다.
오직 예시의 방법으로, 아래의 표 2는 도 45의 정적 스텝 무브먼트 시퀀스 동안 10개의 액츄에이터(701-710)의 길이의 상대적 변화를 보여준다. 이러한 길이 변화를 나타내는 변수는 각각의 명령에 대하여 저장되고, 정적 스텝 무브먼트 시퀀스가, 예컨대, 사용자 인터페이스를 통해 사용자에 의해 개시된 때 각각의 순차적 명령 호출을 통해 모터 컨트롤 시스템으로 전송될 것이다.
표 2에서 음의 값은 이전 명령의 끝에서의 그 길이에 비해 액츄에이터가 짧아짐을 나타내고, 양의 값은 (이전 명령의 끝에서의 그 길이에 비해) 액츄에이터가 길어짐을 나타낸다.
Figure 112012008324554-pct00001
보행 - 동적 스텝
좌측 동적 스텝 무브먼트 시퀀스는 도 46a-e에 도시되어 있고, 우측 동적 스텝 무브먼트 시퀀스는 도 47a-e에 도시되어 있다. 동적 스텝 시퀀스는 사용자가 한걸음이 아니라 연속적으로 걷고자 할 때 사용된다(예컨대, 사용자는 사용자 인터페이스의 조이스틱을 앞으로 유지함으로써 이러한 시퀀스를 명령할 수 있다). 컨트롤 시스템은 좌측 및 우측 동적 스텝을 번갈아 수행함으로써 동적 스텝 시퀀스를 실행한다.
스텝을 취하기 전에, WA는 자신이 스탠딩 포지션에 있는지 체크할 수 있다. WA 및 사용자의 결합된 무게 중심이 먼저 하나의 발 바로 위의 사이드로 시프트된다. 다른 다리가 들어 올려지고 앞으로 이동된 후, 첫번째 발 앞쪽 위치의 지면 상에 놓여 진다. WA 및 사용자의 결합된 무게 중심은 앞쪽의 발 바로 위의 사이드로 다시 시프트되고, 그 다음 다른 발이 들어 올려지고 첫번째 발 앞쪽 위치를 향해 앞으로 이동되고, 그 위치에서 지면으로 내려진다. 이러한 시퀀스는 사용자가 적절한 커맨드 포지션에 조이스틱을 유지하는 동안 반복되고, 조이스틱이 놓여진 때, 그 다음 내려놓는 발이 앞쪽의 발과 (인접하게) 일직선이 되어 사용자는 양 발이 일직선이 되는 정지된 스탠딩 포지션이 된다.
도 46a-e에 도시된 좌측 동적 스텝은 아래의 순차적 명령의 세트를 포함한다.
(i) (사람이 탑승한) 외골격(700)의 무게를 외골격(700)을 좌측으로 기울어진 포지션으로 포지셔닝하기 위해 좌측으로 이동시킨다(도 46a)
(ii) 외골격(700)의 골반을 좌측으로 기울인다(도 46b)
(iii) 우측 다리를 들어올리고 앞으로 이동시킨다(도 46c)
(iv) 우측 다리가 좌측 다리의 앞쪽에 있도록 우측 다리를 지면 위에 내려놓는다(도 46d)
(v) (사용자가 탑승한) 외골격(700)의 무게를 외골격(700)을 컨트롤된 위치로 포지셔닝하기 위해 우측으로 이동시킨다(도 46e)
도 46a-e는 각각 앞선 좌측 동적 명령을 시행하기 위해 요구되는 상대적 액츄에이터 무브먼트를 도시한다.
도 47a-e에 도시된 우측 동적 스텝은 아래의 순차적 명령의 세트를 포함한다.
(i) 외골격(700)의 무게를 외골격(700)을 우측 포지션으로 포지셔닝하기 위해 우측으로 이동시킨다(도 47a)
(ii) 외골격(700)의 골반을 우측으로 기울인다(도 47b)
(iii) 좌측 다리를 들어올리고 앞으로 이동시킨다(도 47c)
(iv) 좌측 다리가 우측 다리와 인접하도록 좌측 다리를 지면 위에 내려놓는다(도 47d)
(v) (사용자가 탑승한) 외골격(700)의 무게를 외골격(700)을 컨트롤된 포지션으로 포지셔닝하기 위해 좌측으로 이동시킨다(도 47d)
도 47a-e는 각각 상기 우측 동적 명령(i)-(v)을 시행하기 위해 요구되는 상대적인 애플리케이션 무브먼트를 도시한다.
아래의 표 3은 하나의 동적 스텝 스퀀스(우측 동적 스텝에 이은 좌측 동적 스텝)에 대한 상대적인 액츄에이터의 길이 변화의 예를 보여준다.
Figure 112012008324554-pct00002
앉기
시트 시퀀스가 활성화되기 전에, WA는 자신이 스탠딩 포지션에 있는지 체크할 수 있다. 사용자가 시트 시퀀스를 활성화한 때, 시트 센서가 활성화될 수 있다. 액츄에이터는 안정성을 보장하기 위해 발 바로 위에 WA와 사용자의 결합된 무게 중심을 유지함과 동시에 천천히 낮아진다. WA는 그 다음 후방 커버/시트 센서가 시트의 표면과 접촉할 때까지 천천히 낮아진다.
도 48a 및 48b는 시트 커맨드와 연관된 명령을 도시한다.
(i) 앞쪽으로의 무게 중심의 낮추는 것(도 48a), 및
(ii) (도 48의 시팅 포지션에서 끝나는) 시트 상으로 무게 중심을 시프트하는 것이 존재한다.
아래의 표 4는 상기 명령 (i) 및 (ii)에 의해 정의된 시트 시퀀스를 수행하기 위해 요구되는 (스탠딩 위치에서 시작하는) 상대적인 액츄에이터 무브먼트를 보여준다.
일어서기
스탠딩 시퀀스가 활성화되기 전에, WA는 자신이 앉은 포지션에 있는지 체크할 수 있다. 사용자가 스텐딩 시퀀스를 활성화한 때, 시트 센서가 활성화될 수 있다. 액츄에이터는 후방 커버 센서가 시트 표면과 더 이상 접촉하지 않을 때까지 사용자의 허벅지를 들어올리기 위해 사용될 것이다. 그 다음, 액츄에이터는 WA와 사용자의 결합된 무게 중심을 사용자의 발 바로 위로 시프트하기 위해 사용될 것이다. WA는 그 다음 WA 안정함을 보장하기 위해 WA와 사용자의 결합된 무게 중심을 항상 사용자의 발 바로 위에 유지하면서, 스탠딩 포지션으로 똑바르게 펴질 것이다.
도 49a 및 49b는 스탠딩 커맨드와 연관된 명령을 도시한다.
(iii) 무게중심을 시트를 벗어나도록 시프팅하는 것(도 49a) 및
(iv) 도 49b의 스탠딩 포지션에서 끝나는) 무게 중심을 앞으로 들어올리는 것을 포함한다.
아래의 표 5는 상기 명령 (i) 및 (ii)에 의해 정의된 스탠딩 시퀀스를 수행하기 위해 요구되는 (시팅 포지션에서 시작하는) 상대적인 액츄에이터 무브먼트를 보여준다.
Figure 112012008324554-pct00003
Figure 112012008324554-pct00004
상기 표 2-5는 앞서 언급한 무브먼트 시퀀스의 특정한 명령을 수행하기 위해 요구되는 상대적 액츄에이터 길이의 예를 보여준다. 이러한 길이를 나타내는 값/변수와 같은 데이터는 WA의 컨트롤 시스템을 사전 프로그래밍하기 위해 각각의 무브먼트 시퀀스에 대한 각각의 연관된 명령에 대하여 저장될 것이다. 특정한 무브먼트 시퀀스를 호출한 후, 그 시퀀스의 제1 명령과 연관된 값/변수는 그에 따라 액츄에이터(701-710)의 길이를 변경함으로써 요구되는 명령을 수행하는 모터 컨트롤 시스템으로 전송될 것이다. 제1 명령의 완료 후, 제2 명령에 대한 액츄에이터 길이와 연관된 변수/값들은 그에 따라 요구되는 명령을 다시 수행할 모터 컨트롤 시스템으로 전송된다. 이러한 프로세스는 시퀀스 내의 모든 명령에 대하여 반복된다. 명령과 연관된 값/변수의 윗부분에, WA는 다음 명령이 발행되기 전에 각각의 명령에 할당된 시간을 나타내는 시간 데이터를 저장한다.
상기 표에 제공된 액츄에이터 길이는 단지 예시일 뿐이며, WA의 특정한 치수 및 애플리케이션에 따라 변할 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 사전 프로그래밍된 시퀀스의 개념은 셔플(shuffle) 및 (계단) 오르기/내리기와 같은 다수의 다른 무브먼트 시퀀스에 적용될 수 있고, 이러한 다른 시퀀스들은 본 발명의 범위에서 배제되도록 의도되지 않았다. 이러한 다른 시퀀스에 대하여 사람 신체의 자연적 걸음을 각각 모방하는 명령 및 연관된 액츄에이터 무브먼트는 외골격의 확장성(versatility)을 증가시키기 위해 오프라인으로 판정될 수 있고, WA에 프로그래밍될 수도 있다.
지형 및 밸런스 서브 시스템
바람직한 형태의 컨트롤 시스템은 2개의 서브 시스템, 즉 지형 서브 시스템 및 밸런스 서브 시스템을 포함한다. 지형 서브 시스템은 WA가 이동할 때, 예컨대, 평평하지 않거나 경사진 지형 위를 걸을 때, WA를 안정화시키기 위해 사전 프로그래밍된 시퀀스를 수정한다. 밸런스 서브 시스템은 WA의 압력 중심이 걷는 시퀀스 동안 지지 다각형(support polygon) 내에 있음을 보장하기 위해 실시간으로 액츄에이터 포지션을 수정한다. 지형 및 밸런스 서브 시스템의 바람직한 형태의 아키텍처는 이제 각각 개별적으로 서술될 것이지만, 이들이 바람직한 형태의 컨트롤 시스템에서 동시에 작동할 수도 있음을 이해해야 한다.
지형 서브 시스템
도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 바람직한 형태의 외골격은 WA 아래의 지형을 검사하기 위해 WA의 각각의 풋 부재의 바닥에, 촉각 센서(모멘터리 온 스위치)와 같은, 4개의 접촉 센서를 채용한다. 촉각 센서는 디바이스 상의 설정 포인트가 지면과 접촉한 때 트리거한다. 바람직한 형태에서, 풋의 전방 좌측 부분에 하나, 후방 좌측 부분에 하나, 전방 우측 부분에 하나, 그리고 후방 우측 부분에 하나씩, 각각의 풋에 연결된 4개의 촉각 센서가 존재한다. 이러한 4개의 센서는 풋의 방향에 상대적인, 풋 아래의 지면의 경사의 지시를 제공한다. 코너 영역은 가로 방향으로 실질적으로 나란한 코너 영역의 두 쌍, 및 세로 방향으로 실질적으로 나란한 코너 영역의 두 쌍을 형성한다. 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터는 트리거 신호가 지형과 착지하는 풋 부재의 밑면의 접촉시 코너 영역의 일부만의 센서 또는 센서들로부터 수신될 때 수신된다. 예를 들어, 모든 4개의 센서가 지면에 풋을 놓을 때 트리거한다면, 풋의 방향은 그 지면과 동일한 경사이고(즉, 풋의 방향은 지형 경사의 가로 성분 및 세로 성분과 나란하고), WA는 지형을 위해 조절될 필요가 없다. 그러나, 다리가 지면에 내려진 때 2개의 전방 센서만 트리거된다면, 지면의 경사는 풋의 방향의 각도보다 세로 방향으로 더 크고, 풋은 지형에 대하여 조절될 필요가 있다. 대안의 실시예에서, 특정한 애플리케이션에서 바람직하다면, 풋의 각 부분에서 하나 이상의 센서가 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
도 10을 참조하여 설명한 바와 같이, 바람직한 형태의 풋 부재(18)는 또한 2개의 중앙 영역 접촉 센서를 포함할 수 있다. 이러한 센서는 아래의 지면과 각각의 풋 부재의 중간 또는 중앙의 전방 및 후방 영역의 접촉 상태에 관한 정보를 제공한다. 중간 영역 접촉 센서에 의해 제공되는 추가적인 접촉은 아래의 지형과 풋 부재의 정렬을 위해 지형 서브 시스템에 증가된 레졸루션을 제공한다. 이러한 정보는 지형 서브 시스템이 풋 부재가 지형 전환, 예컨대, 오르막-평지, 또는 평지-내리막을 통과하는 거리를 계산하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 중간 영역 접촉 센서가 트리거 됨에 따라, 지형 서브 시스템은 풋 부재가 지형 전환의 시작에 있는지, 중간인지, 또는 끝에 있는지 판정할 수 있다. 이러한 정보는 지형 전환을 더 효과적으로 처리하도록 무브먼트 시퀀스를 조절하기 위해 지형 서브 시스템에 의해 사용될 수 있고, 몇몇 형태의 컨트롤 시스템에 채용될 수 있다.
대안의 실시예에서, 접촉 센서는 상기 촉각 센서에 대하여 서술된 것과 유사한 구성으로 배열된 압력 센서일 수 있다. 압력 센서는 풋의 바닥(밑면)과 지면간의 접촉을 나타내는 출력을 제공할 수 있다. 지형 서브 시스템의 아래의 설명에서, 촉각 센서 또는 모멘터리 온 스위치에 대하여 참조할 것이지만, 대안의 압력 센서 형태가 컨트롤 서브 시스템의 작동 방법을 변경하지 않고 그 대신 채용될 수 있음이 이해될 것이다.
도 50은 바람직한 형태의 컨트롤 시스템의 지형 서브 시스템과 연관된 프로그램 플로우(800)를 개략적으로 도시한다. WA의 정상 작동 동안, 사용자는 앞서 서술된 사용자 인터페이스를 통해 특정한 무브먼트 시퀀스를 선택하는 옵션을 가진다. 사용자가 단계(805)에서 원하는 무브먼트를 선택한 후, 일련의 시스템 검사가 WA 시스템에 의해 수행된다(또는 대안으로서 오류 탐지 서브 시스템 또는 이러한 검사를 수행하기 위한 유사한 서브 시스템에 일시적으로 인계할 수 있다). 단계(810)의 시스템 검사는 다음 중 하나 이상을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
● 시스템 오류 상태 체크.
● 배터리 레벨이 커맨드를 완료할만큼 충분한지 체크.
● WA 및 특히 액츄에이터의 현재 위치 체크.
● 현재 물리적 상태의 타당성 체크.
● 현재 원하는 무브먼트 시퀀스에 대하여 요구되는 센서 출력의 타당성 체크.
시스템 체크가 채용될 수 있는 시스템의 복잡도에 따라 또는 사용자에 의해 선택된 특정한 무브먼트 시퀀스에 따라 다른 시스템 체크가 수행될 수 있다.
오류가 없고, 시스템이 선택된 특정한 무브먼트 시퀀스가 중대한 오류 위험 없이 적절하게 수행될 수 있을 것이 충족되면, 명령(예컨대, 앞서 서술한 바와 같이, 앉기, 일어서기, 걷기, 및 셔플)의 대응하는 무브먼트 맵 또는 시퀀스를 포함하는 사전 프로그래밍된 데이터가 메모리로부터 모터 컨트롤 서브 시스템으로 로딩된다(815). 일련의 명령이 모터 컨트롤러로(또는 모터 컨트롤 시스템이 채용되지 않았다면, 액츄에이터로 직접적으로) 전송되기 전에, 명령은 현재 지형 상태를 기초로 조절된다(단계(820)). 사전 프로그래밍된 무브먼트 시퀀스 데이터는 평평한 지형을 가정한다. 지형 서브 시스템은 무브먼트 시퀀스 데이터를 갱신하고, 현재의 지형에 부합하도록 조절하기 위해, 현재 지형 상태를 갱신하고 저장한다.
현재 지형 상태는 평평한 지형 포지션에 상대적인 오프셋 데이터(각도)로 저장된다. 평평한 지형에 상대적인 현재 지형의 방향은 (외골격의 이동 방향을 따른) 세로 방향의 오프셋 각도, 및 (외골격의 이동 방향에 대략 직각인 각도로) 가로 방향의 오프셋 각도로 표현될 수 있다. 최초 또는 후속 명령이 모터 컨트롤 시스템으로 발행되기 전에, 현재 저장된 오프셋 지형 데이터는 각도에서 대응하는 액츄에이터 길이로 변환된다. 이러한 변환은 지형 서브 시스템 내에 저장된 액츄에이터 길이와 각도 관계를 사용하여 수행된다. 바람직한 형태의 외골격에서, (도 45-49로부터) 액츄에이터(703, 704, 709, 및 710)은 가로방향 지형 상태로(가로방향의 오프셋 각도로) 수정되고, 액츄에이터(701 및 702)는 새로방향의 지형 상태(세로방향의 오프셋 각도)로 수정된다. 액츄에이터(705, 706, 707, 및 708)은 변하지 않을 것이다. 현재 지형이 평평하다면, 오프셋 데이터는 0으로 설정될 것이고, 또는 갱신이 필요하지 않음을 나타내도록 설정될 수 있다. 명령 값이 조절된 후(또는 갱신이 필요하지 않은 경우 갱신이 필요없다는 플래그가 반환된 후), 그들은 모터 컨트롤러로, 또는 갱신 명령을 수행하는 액츄에이터로 직접적으로 전송된다(825). 액츄에이터로 전송된 명령 데이터는 10개의 액츄에이터에 대한 바람직한 위치(또는 액츄에이터 길이 변화), 및 명령을 수행하기 위해 바람직한 시간 기간을 포함하는 것이 일반적이다.
사전 프로그래밍된 시퀀스 데이터는 전체 무브먼트 시퀀스에 대한 일련의 명령을 포함한다. 또한, 각각의 명령과 함께, 시간 및 바람직한 액츄에이터 위치와 더불어, 고정된 풋 및 레그 다운 플래그(또는 풋 착지 명령 플래그)가 포함된다. 고정된 풋 플래그는 좌측 풋 또는 우측 풋 또는 이둘 모두가 지면에 고정되었는지 여부를 나타내고, 아래에 더 상세하게 서술된 바와 같이 WA 모델 계산을 위해 사용된다. 레그 다운 플래그(또는 풋 착지 명령)은 그 명령이 다리가 내려오고 있는 것인지 신호를 보낸다. 레그 다운 플래그가 참이면(단계(830)), 지형 서브 시스템이 활성화된다.
(고정 풋 플래그에 의해 판정된) 고정되지 않은 풋의 하나 이상의 촉각 센서가 트리거할 때, 지형 서브 시스템은 WA 상의 모든 액츄에이터를 정지시킨다. 고정되지 않은 풋이 평평하다면, 즉, 모든 코너의 모든 촉각 센서가 풋이 세로 및 가로 방향으로 모두 아래의 지형과 나란하도록 동시에 트리거되면, 지형 상태를 변경할 필요가 없고, WA는 지형 서브 시스템을 빠져나가고, 액츄에이터를 계속 이동시키고, 명령을 완료한다. 그러나, 풋이 평평하지 않으면(835)(즉, 모든 촉각 센서가 풋이 아래의 지형과 완전히 나란하지 않음을 나타내도록 동시에 트리거되지 않으면), 액츄에이터 무브먼트는 정지되고, 모든 액츄에이터의 현재 포지션이 저장되고, WA 수학적 모델로 전달된다.
지형 경사는 세로 성분 및 가로 성분으로 이루어지고, 지형 경사의 변화를 나타내는 촉각 센서로부터 수신된 데이터는 지형 경사의 세로 성분의 변화, 또는 지형 경사의 가로 성분의 변화, 또는 이둘 모두의 변화를 나타낼 것이다. 가로방향으로 나란한 두 쌍의 코너 영역 중 하나의 쌍에만 연결된 적어도 하나의 접촉 센서로부터 트리거 신호를 수신하는 것은 지형 경사의 세로 성분의 변화를 나타낸다. 이와 유사하게, 세로 방향으로 나란한 두 쌍의 코너 영역 중 하나의 쌍에만 연결된 적어도 하나의 접촉 센서로부터 트리거 신호를 수신하는 것은 지형 경사의 가로 성분의 변화를 나타낸다. 풋은 변경된 경사의 성분과 풋을 나란하게 하기 위해, 그로부터 트리거 신호가 수신되는 나란한 코너 영역의 쌍을 가로지르는 축을 중심으로 최대 허용가능한 각도로 피벗된다. 최대 허용가능한 경사 각도는 경사의 어떤 성분이 변경되었는지에 따라, 경사와 세로방향으로 뻗어 있고 실질적으로 수평인 선 사이의 최대 허용가능한 각도, 또는 경사와 가로 방향으로 뻗어 있고 실질적으로 수평인 선 사이의 최대 허용가능한 가로 방향 각도 중 하나이다. 그 다음, 풋의 피벗 무브먼트는 나란한 코너 영역의 반대 쌍에 연결된 적어도 하나의 센서로부터 피벗 축이 가로지르는 쌍으로의 트리거 신호를 수신한 후 종료한다. 이는 풋 부재와 지형의 경사의 나란함을 나타낸다.
WA 수학 모델(840)은 모든 4개의 촉각 센서가 트리거할 때까지(즉, 풋이 평평할 때까지(845)) (가로 또는 세로 방향으로 또는 두 방향으로 모두) 최대 허용가능한 지형 경사를 향해 고정되지 않은 풋을 조절하기 위해 액츄에이터를 컨트롤하는데 사용될 것이다. 그 다음, (풋이 지형에 대하여 평평한 때) 새로운 액츄에이터 길이는 각도로 변환되고, 풋의 각도는 현재의 경사 각도를 의미한다. 현재 지형 상태는 그러므로 새로운 경사 값으로 갱신될 수 있다(850).
바람직한 실시예에서, 풋 각도로부터 계산된 경사 값과 더불어, 가속계 틸트 리딩이 또한 세로 및 가로 방향으로 풋으로부터 판독될 수 있고, 지형 상태를 더 정밀하게 갱신하기 위해 세로 및 가로 경사 계산을 통해 평균이 구해진다.
지형 상태가 갱신된 후, WA는 액츄에이터가 현재의 명령 수행을 종료할 때까지 대기하고(855), (존재한다면) 그 다음 명령을 수행한다(860). 다음 명령 실행 중 , 새로 갱신된 지형 상태 데이터가 그 명령의 사전 프로그래밍된 액츄에이터 길이 데이터를 조절하기 위해 사용된다(820).
바람직한 형태의 WA 수학 모델은 이제 도 51의 플로우차트 및 도 52-63의 예시적인 시나리오를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
WA 수학 모델
도 51은 지형에 대해 풋을 조절하기 위한 바람직한 방법의 플로우차트(900)를 도시한다. (단계(835)에서 앞서 서술된 바와 같이) 액츄에이터가 정지된 후, 지형 서브 시스템은 4개의 센서 중 어떤 것이 트리거되는지 식별한다(단계(911)). 이는 풋이 지형의 경사와 나란하도록 풋을 회전시키기 위해 요구되는 방향 또는 방향들의 지시를 제공한다. 예를 들어, 오직 2개의 전방 센서가 트리거되었다면, 풋은 시계 방향으로 풋의 앞부분을 중심으로 회전할 필요가 있다. 이와 유사하게, 2개의 좌측 센서만 트리거되었다면, 풋은 시계 방향으로 풋의 좌측을 중심으로 회전될 필요가 있다. 풋이 회전하는 정도는 모든 4개의 센서로부터 신호룰 수신한 후 회전을 단순히 멈춤으로써 결정된다. 즉, 지금 지형 경사와 나란한 평평한 풋을 나타내는, 모든 4개의 센서가 트리거될 때까지 풋이 회전된다. 풋이 지형 경사의 변화에 따라, 세로방향, 가로방향, 또는 두 방향으로 모두 회전될 필요가 있을 수 있음이 이해될 것이다.
적절하게 풋을 회전시키기 위해, WA 수학 모델은 외골격 내의 10개의 조인트의 각도를 먼저 획득할 필요가 있다(단계(915)). 도 52a 및 52b는 도 1-40의 외골격(500)의 모델, 및 계산될 필요가 있는 10개의 조인트 각(901-910)을 도시한다. 도 52a는 한 사이드로부터의 외골격 및 조인트가 세로 방향으로 형성하는 각도를 도시한다. 도 52b는 뒤쪽에서부터의 외골격 및 조인트가 가로방향으로 형성하는 각도를 도시한다. 아래의 표 6은 도 52a 및 52b의 조인트 각도(901-910) 및 (도 1-40의) 외골격(500)의 대응하는 조인트 및 그러한 각을 만들기 위해 그들이 둘레로 회전하는 축 사이의 관계를 도시한다.
조인트 각 대응하는 조인트와 회전 축
901 축(17a)에 대하여 회전하는 (17)(좌측 풋 - 도 5 참조)
902 축(17a)에 대하여 회전하는 (17)(우측 풋 - 도 5 참조)
903 축(17b)에 대하여 회전하는 (17)(좌측 풋 - 도 6 참조)
904 축(17b)에 대하여 회전하는 (17)(우측 풋 - 도 6 참조)
905 축(12a)에 대하여 회전하는 (12)(좌측 레그 - 도 2 참조)
906 축(12a)에 대하여 회전하는 (12)(우측 레그 - 도 2 참조)
907 축(14a)에 대하여 회전하는 (14)(좌측 히프 - 도 7 참조)
908 축(14a)에 대하여 회전하는 (14)(우측 히프 - 도 7 참조)
909 축(14b)에 대하여 회전하는 (14)(좌측 히프 - 도 8 참조)
910 축(14b)에 대하여 회전하는 (14)(우측 히프 - 도 8 참조)
조인트 각(901-910)은 간단한 선형 관계를 사용하여 액츄에이터(701-710)의 길이로부터 계산될 수 있다. 아래의 표 7은 이러한 관계의 예를 제공하지만, 사용되는 값들이 외골격 시스템 컴포넌트(즉, 조인트 및 액츄에이터의 타입 및 치수)에 의존함을 이해할 것이다.
조인트 각 변화 율(조인트 각도 당 액츄에이터 치수(mm)
901 및 902 1.1664(액츄에이터(701 및 702))
903 및 904 0.902(액츄에이터(703 및 704))
905 및 906 1.146(액츄에이터(705 및 7026)
907 및 908 1.0581(액츄에이터(707 및 708))
909 및 910 0.8623(액츄에이터(709 및 710))
WA 수학 모델이 액츄에이터 길이로부터 조인트 각을 계산한 후, 글로벌 X, Y, Z 좌표들이 외골격의 특정한 몸체 포인트에 대하여 반복적 방식으로 계산된다(단계(930)). 도 53a 및 53b는 몸체 포인트(971-981)가 라벨링되어 있는 도 52a 및 52b와 동일한 모델을 도시한다. 이러한 특정한 예에서, 몸체 포인트(977-981)의 XYZ 좌표는 액츄에이터가 정지된 때 고정되지 않은 풋의 현재 포지션을 나타내기 위한 것이다. 몸체 포인트(972-981)의 XYZ 좌표는 고정된 풋 몸체 포인트(971)에 상대적으로 계산된다. 계산 방법은 반복적이고, (지면에) 고정된 몸체 포인트(971)인 풋에 상대적인 몸체 포인트(972-981)의 XYZ 좌표를 계산한다.
'글로벌' X, Y, Z 좌표를 계산하는 방법은 쿼터니온(Quaternion's)을 사용하여 달성된다. 계산은 레그의 발목 조인트에 위치하고 턴 온된 '고정 풋 플래그'를 가진 XYZ(1)로 시작한다. 이것은 도 53a에서 제1 몸체 포인트(971)이다. XYZ(1)는 글로벌 X,Y,Z 좌표 시스템의 기준 0 좌표, 즉, X = 0, Y = 0 및 Z = 0으로 초기화된다. 백터 형태로, 이것은
Figure 112012008324554-pct00005
이다.
몸체 포인트(972)는 현재 포지션에 도달하기 위해 2번의 회전, 즉, (액츄에이터(701)에 의해 만들어지는) 각(901)의 회전, 및 (액츄에이터(703)에 의해 만들어지는) 각(903)의 회전을 거친다. 각(901 및 903)은 도 52a 및 52b에서 볼 수 있다.
n번째 몸체 포인트의 위치(몸체 포인트(971)는 제1 몸체 포인트이고, 몸체 포인트(972)는 제2 몸체 포인트인 것과 같은 방식)는 각도 θ로 회전된 후, 아래와 같이 주어진다.
Figure 112012008324554-pct00006
여기서,
n= n번째 몸체 포인트를 나타낸다
i= 조인트 각 번호
W= cos(θi/2)
X= i*sin(θi/2)
Y= j*sin(θi/2)
Z= k*sin(θi/2)
i= X 방향의 단위 백터
j= Y 방향의 단위 백터
k= Z 방향의 단위 백터
식 1.1은 제2 몸체 포인트(972)에 대하여 두 번 적용되는데, 각각 조인트 각(901 및 903)에 대하여 한번은 i=901이고, 한번은 i=903이다. n은 몸체 포인트(972)의 새로운 XYZ 포지션을 계산한 후 증가한다. 이러한 프로세스는 마지막 몸체 포인트(몸체 포인트(980))에 도달한 후 종료한다. 그 다음, 몸체 포인트(981)는 각(904 및 902)을 사용하여 몸체 포인트(979)에 대하여 계산될 수 있다.
모든 몸체 포인트(971-981)의 위치가 X, Y, 및 Z 좌표 프레임에서 계산된 후, 지형 경사와 접촉하는 풋(도 53에서 몸체 포인트(976, 977, 978, 979, 980, 및 981))의 XYZ 좌표는 최대 허용가능한 지형 경사를 달성하도록 조종된다. 외골격이 이동할 수 있는 최대 허용가능한 지형은 외골격 파라미터 및 용량에 따라 사전 설정된다. 바람직한 형태에서, 최대 허용가능한 지형은 2개의 파라미터로 이루어지는데, 하나는 세로 방향으로 허용가능한 최대 각도를 나타내고, 다른 하나는 가로방향으로 허용가능한 최대 각도를 나타낸다. 아래에 최대 허용가능한 지형이 달성되는 예시의 방법의 설명을 제공한다. 그러나, 이러한 기술이 컨트롤 시스템에 의해 상황에 따라 적절하게 적용될 수 있으며, 서술된 변수의 값은 예시의 방법으로 제공된 것임이 이해될 것이다.
최대 세로 각 달성
세로 경사의 변화는 전방 스위치 또는 후방 스위치 중 하나가 활성화된 때 탐지되고, 모두 활성화된 때는 탐지되지 않는다. 이론적으로, 두 시나리오에 대한 최대 세로 각을 달성하기 위해 요구되는 이벤트의 시퀀스는 동일하다.
도 54는 내려놓는 풋과 지형의 세로 경사 사이의 각의 차이로 인해 전방 스위치(중 하나 또는 모두)가 활성되고 후방 스위치는 활성화되지 않은 하나의 예를 도시한다. 앞서 언급한 바와 같이, 촉각 스위치가 활성화되고, 액츄에이터는 정지한다. 몸체 포인트(976, 977, 및 978)의 XYZ 좌표는 도 54에 도시된 바와 같은 2개의 백터, V1 및 V2를 정의하기 위해 지형 서브 시스템에 의해 사용된다(도 51의 단계(935)). V1 및 V2는 지형 표면과 접촉하는 풋의 포인트에 원점을 가진다. 도 54의 경우에, 이것은 몸체 포인트(978)이다. 이 백터는 세로 방향으로 뻗어 있는데, V1은 발목 부분(본 예에서 몸체 포인트(976))에서 끝나고, V2는 풋의 다른 끝부(본 예에서 몸체 포인트(977))에서 끝난다.
몸체 포인트 좌표에 대하여 백터 표시를 사용함으로써, 상기 수학적 모델은 아래와 같이 정의할 필요가 있다.
Figure 112012008324554-pct00007
두 백터가 결정된 후, 수학적 모델은 이 백터를 최대 허용가능한 각도로 회전하고자 할 것이다. 단위 백터의 세트, i, j, 및, k는 백터 V1 및 V2에 대한 회전 축을 정의하기 위해 이 모델에 의해 사용된다(도 54의 백터 j는 페이지 안쪽방향이다). 이러한 백터들은 풋의 어떤 코너가 지형과 접촉하는지에 따라 설정된다. 단위 백터가 예컨대, i=0, j=-l 및 k=0으로 설정된 때, 몸체 포인트(978)는 V1 및 V2의 회전을 위한 피벗 포인트로서 역할한다. 회전 방향은 또한 풋의 어떤 부분이 지형과 접촉하는지를 기초로 결정된다. 즉, 전방 센서가 트리거하면, 회전은 세로 방향으로 시계 방향이고, 후방 센서가 트리거하면, 회전은 반시계 방향이다.
각, θrotate는 세로방향의 최대 허용가능한 각이 V2의 각, θv2와 (도 54에 도시된 수평/평평한 지형에 상대적인 세로 방향의 최대 허용가능한 경사 각을 정의하는) 사전 저장된 θmax _ long를 차별화함으로써 판정되도록 백터 V1 및 V2를 회전시키기 위해 필요하다. 그러므로, θrotate=θmax _ long-θv2이다.
도 55는 이러한 회전 후(도 51의 단계(540)의 결과) 백터 V1 및 V2의 이론적 위치를 도시한다. 도시된 바와 같이, V1 및 V2, 및 외골격의 더욱 중요한 몸체 포인트(976-978)는 이제 최대 허용가능한 세로 경사의 방향으로 표현되어 있다. 회전된 V1 및 V2는 이제 몸체 포인트(976-978)의 바람직한 포지션을 형성한다. 이러한 바람직한 포지션을 달성하기 위해, 니 조인트(또는 본 예에서 몸체 포인트(975))는 도 56에 도시된 위치에서부터 도 57에 도시된 (새로운) 975로 라벨링된 새로운 위치로 이동할 필요가 있다. 이러한 몸체 포인트(975)의 새로운 바람직한 포지션(975)을 계산하기 위해, 인버스 키네매틱스(inverse kinematics)가 수학적 모델에 의해 사용된다(도 51의 단계(945)).
도 56에서 볼 수 있는 바람직한 형태에서, 원교차법은 하지(lower limb) 아래 부분을 몸체 포인트(976)에 연결하기 위해 사용되고, (새로운) 몸체 포인트(975)에 대하여 푼다. (새로운)975의 XYZ 좌표는 X 좌표에 더 큰 값을 가지는 (몸체 포인트(974 및 975)에 중심을 가지고, 각각 길이(974-975, 및 975-976)로 정의된 반경을 가지는) 2개의 원 간의 교차점으로 얻어진다. 이는 니 조인트가 인간의 생체역학적 한계 내에 머무름을 보장한다. 이는 (새로운)975에 대하여 풀기 위해 사용될 수 있는 하나의 주지된 인버스 키네매틱스 방법이지만, 당업자들에게 주지된 다른 방법이 대안으로서 모델에 의해 적용될 수 있음이 이해될 것이다.
본 스테이지에서의 수학적 모델은 세로 방향의 최대 허용가능한 경사와 일치하는 풋의 방향을 달성하는 몸체 포인트(975-978)의 (XYZ 좌표 내의) 새로운 이론적 또는 바람직한 포지션을 결정한다. XYZ 좌표 내의 이러한 이론적 포지션은 (도 51의 단계(510)에서 앞서 서술된 식 1.1을 사용하여) 조인트 각으로 변환되고, 이러한 조인트 각은 그 다음 (앞서 서술된 선형 관계를 사용하여) 도 51의 단계(955)에서 액츄에이터 길이로 변환된다. (최대 허용가능한 풋 방향을 달성하는) 액츄에이터 길이는 그 다음 모터 컨트롤러로(또는 액츄에이터로 직접) 전송된다. 액츄에이터는 세로 방향에 대하여 지형과 나란하게 풋을 이동시키기 위해 후방 센서가 지형 표면과 접촉할 때까지 이러한 바람직한 길이를 향해 조절하도록 활성화될 것이다(도 51의 단계(960)). 본 스테이지에서, 액츄에이터는 세로 방향의 풋의 각이 도 58에 도시된 경사 각과 매칭할 때 액츄에이터의 모션을 멈춘다(도 51의 단계(965)). 세로 방향의 풋의 각도는 현재의 지형 상태의 세로 성분을 갱신하기 위해 현재 액츄에이터 길이로부터 계산된다.
최대 세로 각 달성
외골격을 가로방향의 경사 변화에 따라 조절하는 방법은 세로방향에 대하여 앞서 서술한 방법과 유사하다. 그러나, 명료함을 위해 하나의 예가 주어진다.
가로 경사의 변화는 좌측 스위치 또는 우측 스위치 중 하나가 활성화된 때 탐지되지만, 모두 활성화된 때는 탐지되지 않는다. 이론적으로, 두 시나리오에 대한 최대 가로 각을 달성하기 위해 요구되는 이벤트의 시퀀스는 동일하다.
도 59는 내려놓는 풋과 지형의 세로 경사 사이의 각도 차이로 인해, 우측 스위치(중 하나 또는 모두)가 활성화되고, 좌측 스위치는 활성화되지 않은 하나의 예를 도시한다. 앞서 언급한 바와 같이, 촉각 스위치가 활성화되고, 액츄에이터는 정지된다. 몸체 포인트(979, 980, 및 981)의 XYZ 좌표는 도 59에 도시된 두 개의 백터 V1 및 V2를 정의하기 위해 지형 서브 시스템에 의해 사용된다(도 51의 단계(935)). V1 및 V2는 지형 표면과 접촉하는 풋의 포인트에 원점을 가진다. 도 59의 경우에, 이는 몸체 포인트(980)이다. 이 백터는 가로방향으로 뻗어 있는데, V1은 발목 부분(본 예에서 몸체 포인트(979))에서 끝나고, V2는 풋의 다른 끝부(본 예에서 몸체 포인트(981))에서 끝난다.
몸체 포인트 좌표에 대하여 백터 표시를 표시함으로써, 상기 수학적 모델은 아래와 같이 정의될 필요가 있다.
Figure 112012008324554-pct00008
두 백터가 결정된 후, 수학적 모델은 이 백터들을 최대 허용가능한 각도로 회전시키려 할 것이다. 단위 백터의 세트 i, j, 및 k는 백터 V1 및 V2에 대한 회전 축을 정의하기 위해 모델에 의해 사용된다(도 59에서 백터 i는 페이지 안쪽 방향이다). 이 백터는 풋의 어떤 코너가 지형과 접촉하는지에 따라 설정된다. 단위 백터가, 예컨대, i=l, j=0, 및 k=0으로 설정된 때, 몸체 포인트(978)는 V1 및 V2의 회전에 대한 피벗 포인트로서 역할한다. 회전 방향은 또한 풋의 어떤 부분이 지형과 접촉하는지를 기초로 결정된다. 즉, 우측 센서가 트리거되면 회전은 가로방향으로 반시계방향이고, 좌측 센서가 트리거되면 회전은 시계방향이다.
각 θrotate는 가로방향의 최대 허용가능한 각이 (주지된 수학적 기술을 사용하여 결정될 수 있는) V2의 각, θv2와 (도 59에 도시된 수평/평평한 지형에 상대적인 가로 방향의 최대 허용가능한 경사 각을 정의하는) 사전 저장된 θmax _ trans를 차별화함으로써 결정되도록 백터 V1 및 V2를 회전시키기 위해 필요하다. 그러므로, θrotate=θmax _ trans-θv2이다.
도 60은 이러한 회전(도 51의 단계(940)의 결과) 후 백터 V1 및 V2의 이론적 위치를 도시한다. 도시된 바와 같이, V1 및 V2, 및 외골격의 더욱 중요한 몸체 부분(979-981)은 이제 최대 허용가능한 가로 경사의 방향인 것으로 표현되어 있다. 회전된 V1 및 V2는 이제 몸체 포인트(979-981)의 바람직한 포지션을 형성한다. 이러한 바람직한 포지션을 달성하기 위해, 히프 조인트(또는 본 예에서 몸체 포인트(974))는 도 61에 도시된 포지션에서 도 62에 도시된 (새로운) 974로 라벨링된 새로운 포지션으로 이동할 필요가 있다. 몸체 포인트(974)의 새로운 바람직한 포지션(974)을 계산하기 위해, 인버스 키네매틱스가 수학적 모델에 의해 사용된다(도 51의 단계(945)).
도 61에 도시된 바와 같이, 원 교차법은 하지(lower limb) 아래 부분을 몸체 포인트(979)에 연결하기 위해 사용되고, (새로운) 몸체 포인트(974)에 대하여 푼다. (새로운)974의 XYZ 좌표는 Y 좌표에 더 큰 값을 가지는 (몸체 포인트(973 및 974)에 중심을 가지고, 각각 길이(973-974, 및 974-979)로 정의된 반경을 가지는) 2개의 원 간의 교차점으로 얻어진다. 이는 히프 조인트가 인간의 생체역학적 한계 내에 머무름을 보장한다. 이는 (새로운) 974에 대하여 풀기 위해 사용될 수 있는 하나의 주지된 인버스 키네매틱스 방법이지만, 당업자들에게 주지된 다른 방법이 대안으로서 모델에 의해 적용될 수 있음이 이해될 것이다.
본 스테이지에서의 수학적 모델은 가로 방향의 최대 허용가능한 경사와 일치하는 풋의 방향을 달성하는 몸체 포인트(974 및 979-981)의 (XYZ 좌표 내의) 새로운 이론적 포지션을 결정한다. XYZ 좌표 내의 이러한 이론적 포지션은 (도 51의 단계(950)에서 앞서 서술된 식 1.1을 사용하여) 조인트 각으로 변환되고, 이러한 조인트 각은 그 다음 (앞서 서술된 선형 관계를 사용하여) 도 51의 단계(955)에서 액츄에이터 길이로 변환된다. (최대 허용가능한 풋 방향을 달성하는) 액츄에이터 길이는 그 다음 모터 컨트롤러로(또는 액츄에이터로 직접) 전송된다. 액츄에이터는 좌측 센서가 지형 표면과 접촉할 때까지 이러한 바람직한 길이를 향해 조절하도록 활성화될 것이다(도 51의 단계(960)). 본 스테이지에서, 액츄에이터는 가로 방향의 풋의 각이 도 63에 도시된 경사 각과 나란할 때 액츄에이터의 모션을 멈춘다(도 51의 단계(965)). 가로 방향의 풋의 각도는 현재의 지형 상태의 가로 성분을 갱신하기 위해 현재 액츄에이터 길이로부터 계산된다.
지형 상태 갱신
도 64는 풋이 새로운 지형에 부합하도록 조절된 후 발생하는 지형 상태 갱신 시퀀스의 기본적이고 개략적인 플로우차트를 도시한다. WA의 풋이 도 58 또는 63에 도시된 바와 같이 경사와 완전히 접촉한 때(모든 촉각 스위치가 트리거할 때), WA는 새로운 액츄에이터 길이로 로딩(loaded)된다. 이러한 길이는 표 7의 선형 관계를 사용하여 각도로 변환된다. (각각 세로 및 가로 방향의 지형의 각도인) 세로 및 가로 방향의 풋의 각도는 그 다음 조인트 각도로부터 계산된다(단계(990)).
가속계 틸트 리딩은 또한 세로 및 가로 방향으로 풋으로부터 판독된다(단계(991)). WA 계산된 풋 각도 및 가속계 결과 모두의 평균이 구해지고(단계(992)), 후속 명령과 함께 사용하기 위해 각각의 가로 및 세로의 지형 데이터 상태로 로딩된다(단계(993)).
밸런스 서브 시스템
밸런스 서브 시스템은 압력 중심(CoP)이 무브먼트 시퀀스 동안 지지 다각형 내에 있음을 보장하기 위해 실시간으로 액츄에이터 포지션을 수정한다. 정적인 시퀀스에 대하여, 이란적으로 안정성 및 밸런스를 유지하기 위해 각각의 풋의 CoP를 지지 다각형 내에 있게 하는 것으로 충분하다. 무브먼트 시퀀스를 겪고 있는 동적 시스템에 대하여, 또한 시퀀스 내의 각각의 명령에 대하여 특정한 CoP 위치를 지지 다각형 내에 있게 하는 것이 필요하다. 이는 무브먼트 시퀀스가 변형되는 것을 방지한다(즉, 동적 시스템에서 정적 밸런스만 가지는 것은 충분하지 못하다). 외골격이 각각의 명령 실행 중 각각의 풋 내에 바람직한 CoP를 유지한다면, 본 시스템은 밸런스를 잃거나 변경하지 않고 필요한 무브먼트 시퀀스를 적절하게 수행할 수 있다.
상기 요구조건을 달성하기 위해, CoP 위치의 오프라인 계산은 각각의 사전 프로그래밍된 명령에 대하여 각각의 풋 상에 타겟 xy 포지션의 세트를 제공한다. 각각의 명령에 대한 CoP(1300)는 여전히 지지 다각형(1310) 내에 그리고 밸런싱될 시스템에 대하여 도 65에 도시된 바와 같이 각각의 풋 둘레에 형성된 데드 밴드(1320) 내에 놓일 필요가 있다. 데드 밴드는 언밸런싱되는 포인트를 결정하기 위해 상이한 각도로 외골격을 밸런싱 함으로써 찾아진다(시행착오법).
일반적으로, 밸런스 서브 시스템은 풋의 하나 이상의 영역에서의 압력을 나타내는, 압력 센서로부터의 입력 압력 데이터를 기초로 외골격의 땅을 딛고 있는 풋 부재의 바닥에서 실제 압력 중심의 위치를 먼저 판정함으로써, 현재 명령에 따른 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트 동안 주기적으로 외골격을 밸런싱할 것이다. 그 다음, 현재 명령과 연관된 바람직한 압력 중심 위치를 획득하고, 각각의 땅을 딛고 있는 풋 부재의 방향과 연관된 액츄에이터를, 현재 명령에 대한 바람직한 압력 중심을 향해 풋 아래의 실제 압력 중심을 시프트하는 포지션으로 이동시킨다.
비례 적분 미분(PID, A proportional integral derivative) 컨트롤러는 (도 65에 도시된 바와 같이 k의 허용공차를 가지고) 명령 실행 중 CoP의 임의의 변화를 보정하기 위해, (도 45-49에서 모델(700)의) 각각의 풋 액츄에이터(701, 702, 703, 및 704)에 대하여 사용된다. 특정한 명령의 시간 인스탠스(instance) 동안 사전 프로그래밍된 CoP와 실제 CoP 사이의 오차는 아래의 형태를 가지는 PID에 제공된다.
Figure 112012008324554-pct00009
여기서,
n = 액츄에이터 번호 701 - 704
t = 시간
en = DCoPn - ACoPn
DCoPn = 바람직한 압력 중심
ACoPn = 실제 압력 중심
Kp = 비례 이득 상수(시행착오법)
Ki = 적분 이득 상수(시행착오법)
Kd = 미분 이득 상수(시행착오법)
un의 출력은
Figure 112012008324554-pct00010
형태이고, 밸런스 컨트롤 메카니즘으로의 입력이다.
도 66은 밸런스 컨트롤 서브 시스템과 연관된 프로그램 플로우(1000)를 도시한다. 단계(1005)에서, 외골격의 사용자는 원하는 특정한 무브먼트 시퀀스를 선택한다. 그 다음 제1 명령이 로딩되고, 액츄에이터는 그 명령을 수행하기 위해 작동하기 시작한다(단계(1010)). 특정한 명령을 수행하기 위해 요구되는 시간은 일련의 시간 단계로 분할된다. 이러한 시간 단계는 시행착오를 통해 획득된 값이며, 밸런스 서브 시스템이 시간에 걸쳐 얼마나 자주 호출되는지 지정한다. 밸런스 서브 시스템이 임의의 프리셋 주기로 무브먼트 시퀀스 동안 주기적으로 실행할 수 있음이 이해될 것이다.
시퀀스를 개시한 후, 각각의 땅을 딛고 있는 풋의 CoP는 액츄에이터가 이동을 계속하는 동안 각각의 시간 단계에서 계산된다(단계(1015)). 각각의 시간 단계 후, (아래에 더욱 상세하게 서술된) 그 특정한 시간 단계에 대한 현재 계산된 CoP와 바람직한 CoP 위치 사이의 오차가 계산되고(단계(1020)), 그 오차를 보정하기 위해 요구되는 액츄에이터 길이의 변화를 획득하기 위해 PID 컨트롤러에 제공된다(단계(1025)).
밸런스 서브 시스템은 그 다음 도 67a에 도시된 바와 같이, 명령의 끝부분에서 바람직한 액츄에이터 위치와 현재 시간 단계에서의 실제 액츄에이터 위치 사이에 선형적 표현을 보간한다. 이러한 보간은 후속 시간 단계에서의 액츄에이터 포지션이 예측될 수 있게 한다(단계(1035)). PID의 출력(액츄에이터 길이 변화)은 후속 시간 단계에 대한 바람직한 액츄에이터 포지션을 제공하기 위해 이러한 액츄에이터 포지션 예측에 추가된다. 이러한 방식으로, 액츄에이터는 명령에 대한 최종적인 바람직한 액츄에이터 포지션을 향해 계속 이동하고, 또한 현재 시간 단계에서 계산된 CoP 오차에 대하여 보정한다.
본 메카니즘은 또한 도 67b에 도시된 명령의 끝부분에서의 바람직한 CoP 위치와 실제 CoP 사이에 선형적 표현을 보간한다. 이는 후속 시간 단계에서의 바람직한 CoP 위치가 판정될 수 있게 한다(단계(1050)). 후속 시간 단계에서의 바람직한 CoP 위치 및 후속 시간 단계에서의 바람직한 액츄에이터 포지션은 그 다음 액츄에이터로 전송된다(단계(1055)). 후속 시간 단계에서, 액츄에이터는 이러한 수신된 액츄에이터 포지션을 향해 조절되고(단계(1060)), 수신된 CoP 포지션은 단계(1020)에서 오차를 계산하기 위해 사용될 것이다. 명령이 완료된 후(모든 시간 단계가 완료된 후), (시퀀스 내에 여전히 명령이 있다면) 후속 명령이 호출되고, 본 프로세스는 새로운 명령의 바람직한 액츄에이터 길이 및 CoP 포지션에 대하여 반복된다. 본 방법은 WA의 CoP를 유지하고, 그러므로 시스템을 밸런싱된 상태로 유지한다.
압력 중심 계산
풋의 CoP를 계산하는 바람직한 방법이 도 68의 플로우차트(1100)를 참조하여 이제 설명될 것이다. 풋의 베이스를 따른 CoP의 X 및 Y 포지션을 계산하기 위해(풋의 베이스는 지지 다각형으로 간주된다), 4개의 센서(P1-P4)가 도 69의 풋 모델(1200)에 도시된 바와 같이 각각의 풋의 4개의 코너에 사용된다. CoP는 삼각형의 기하학적 특성을 사용하여 계산되는데, 4개의 코너에서 탐지된 압력으로 표현되는 무게 팩터를 기초로 더 큰 삼각형 내에 삼각형이 형성된다.
WA의 풋을 나타내는 직사각형(1205)은 도 69에 도시된 바와 같이 2개의 큰 삼각형(1210 및 1215)으로 나누어진다(도 68의 단계(1110)). x 방향으로의 삼각형(1210)의 무게중심(1210a)은 식 2.1을 사용하여 계산되고, y 방향으로의 삼각형(1210)의 무게중심(1210a)은 식 2.2을 사용하여 계산된다. 이와 유사하게, x 방향으로의 삼각형(1215)의 무게중심(1215a)은 식 2.3을 사용하여 계산되고, y 방향으로의 삼각형(1215)의 무게중심(1215a)은 식 2.4을 사용하여 계산된다(도 68의 단계(1115)).
Figure 112012008324554-pct00011
여기서,
CTnx =, n= 1,2에 대하여, x 방향으로의 큰 삼각형 n의 무게중심
CTny = n= 1,2에 대하여, y 방향으로의 큰 삼각형 n의 무게중심
FCx = x 방향으로의 풋의 무게중심
FCy = y 방향으로의 풋의 무게중심
Pn =, n = 1,2,3,4에 대하여, 센서 Pn으로부터의 압력 판독값;
PT1 = P1 + P2 + P4
PT2 = P2 + P3 + P4
IPnx =, n = 1,2,3,4에 대하여 , 압력 센서 Pn의 x 좌표
lPny =, n = 1,2,3,4에 대하여 , 압력 센서 Pn의 y 좌표
그 다음, 작은 삼각형(1211, 1216)이 도 70에 도시된 바와 같이 큰 삼각형(1210, 1215)의 무게중심 둘레에 형성된다(도 68의 단계(1120)). 작은 삼각형(1211 및 1216)의 좌표는 풋 상의 전체 압력에 걸친 각각의 압력 센서의 무게, 및 큰 삼각형의 무게중심과 풋의 각각의 코너 사이의 거리를 사용하여 찾아진다. 내부 삼각형을 구성하는 꼭지점(T11, T12, T13, T21 , T22, T23)의 X 좌표는 각각 식 2.5-2.10을 통해 계산되고, 내부 삼각형을 구성하는 꼭지점(T11, T12, T13, T21 , T22, T23)의 Y 좌표는 각각 식 2.11-2.16을 통해 계산된다.
Figure 112012008324554-pct00012
내부 삼각형(1211 및 1216)의 무게중심(1211a 및 1216a)은 그 다음 삼각형의 코너에 존재하는 압력에 의해 가중치가 부여되는 팩터 및 두 삼각형의 중심(풋의 중심)과 및 내부 삼각형의 무게중심(1211a 및 1216a) 사이의 거리를 기초로 계산된다(도 68의 단계(1125)). 이는 도 71에 도시되어 있다. 내부 삼각형(1211) 및 내부 삼각형(1216)의 무게중심(1211a 및 1216a)의 X 좌표는 각각 식 2.17 및 2.18을 사용하여 계산된다. 내부 삼각형(1211) 및 내부 삼각형(1216)의 무게중심(1211a 및 1216a)의 Y 좌표는 각각 식 2.19 및 2.20을 사용하여 계산된다.
Figure 112012008324554-pct00013
도 72는 마지막으로 풋의 CoP(1300)를 도시한다. CoP(1300)의 X 및 Y 좌표(CoP_X 및 CoP_Y)는 각각 식 2.21 및 2.22에 적용된 바와 같은, 내부 삼각형의 무게중심(1211a 및 1216a)의 X 및 Y 좌표를 사용하여 계산된다(도 68의 단계1130)).
Figure 112012008324554-pct00014
다른 입력-압력 패드
시트 센서 - WA의 뒤쪽에 각각의 "허벅지" 영역에 하나씩 2개의 센서가 존재한다. 사용자가 '앉기' 또는 '일어서기' 기능을 활성화한 때, 이 센서들이 활성화된다. 앉기 기능이 활성화된 때, 이 센서들은 사용자의 무게가 시트로 이동되는 때를 판정할 것이고, 앉기 기능을 종료시킬 것이다. 일어서기 기능이 활성화된 때, 이 센서들은 일어서기 기능을 계속하도록 사용자의 무게가 시트에 의해 더 이상 지지되지 않는 때를 판정할 것이다.
본 발명의 앞선 설명들은 본 발명의 바람직한 형태를 포함한다. 첨부된 청구항에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (42)

  1. 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법으로서,
    바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 단계;
    각각의 명령이 상기 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있고, 적어도 상기 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 필요한 풋 착지 명령을 포함하는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 메모리로부터 획득하는 단계;
    각각의 명령에 대한 상기 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계; 및
    풋 착지 명령 실행 중, 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터를 수신할 때 상기 풋 착지 명령을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 조절하는 단계는
    최대 허용가능한 경사각으로 풋 부재를 피벗시키기 위해 상기 외골격의 착지하는 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계; 및
    상기 풋 부재와 상기 경사의 정렬을 나타내는 입력을 수신할 때 상기 풋 부재에 연결된 상기 하나 이상의 액츄에이터의 작동을 종료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 풋 부재는 상기 풋 부재의 밑면의 모든 코너 영역에 적어도 하나의 접촉 센서를 포함하고, 상기 코너 영역은 가로 방향으로 실질적으로 나란한 두 쌍의 코너 영역 및 세로 방향으로 실질적으로 나란한 두 쌍의 코너 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 각각의 접촉 센서는 촉각 센서인 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서, 각각의 접촉 센서는 압력 센서인 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터는 상기 지형과 상기 착지하는 풋 부재의 상기 밑면의 접촉시 상기 코너 영역의 일부만의 상기 센서 또는 센서들로부터 트리거 신호가 수신될 때 수신되는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 지형 경사는 세로 성분과 가로 성분으로 이루어져 있고, 상기 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터는 상기 지형 경사의 상기 세로 성분의 변화, 또는 상기 지형 경사의 상기 가로 성분의 변화, 또는 이둘 모두를 나타내는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 최대 허용가능한 경사각은 지형 경사의 변화에 따라, 세로방향으로 뻗어 있고 실질적인 수평인 선과 상기 경사 사이의 최대 허용가능한 각, 또는 가로 방향으로 뻗어 있고 실질적으로 수평인 선과 상기 경사 사이의 최대 허용가능한 가로방향 각 중 하나인 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 가로방향으로 나란한 두 쌍의 코너 영역 중 한 쌍에만 연결된 적어도 하나의 접촉 센서로부터 트리거 신호를 수신하는 것은 상기 지형 경사의 상기 세로 성분의 변화를 나타내고, 상기 세로방향으로 나란한 두 쌍의 코너 영역 중 한 쌍에만 연결된 적어도 하나의 접촉센서로부터 트리거 신호를 수신하는 것은 상기 지형 경사의 상기 가로 성분의 변화를 나타내는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 최대 허용가능한 경사각으로 상기 풋 부재를 피벗시키기 위해 상기 외골격의 착지하는 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계는 트리거 신호가 수신된 나란한 코너 영역의 쌍을 가로지르는 축을 중심으로 상기 풋 부재를 피벗시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 하나 이상의 액츄에이터의 작동을 종료하는 단계는 상기 지형의 상기 경사와 상기 풋 부재의 나란함을 나타내는, 상기 피벗 축이 가로지르는 상기 가로방향으로 나란한 두 쌍의 코너 영역 중 한 쌍 또는 상기 세로방향으로 나란한 두 쌍의 코너 영역 중 한 쌍의 맞은 편의 나란한 코너 영역 쌍에 연결된 적어도 하나의 센서로부터 트리거 신호를 수신할 때, 상기 작동을 종료시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최대 허용가능한 경사각은 사전 결정되고 메모리에 저장되어 있는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 또한 상기 하나 이상의 액츄에이터의 작동을 종료하는 단계 후, 상기 지형의 현재 경사를 나타내는 지형 상태 데이터를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 지형의 현재 경사를 나타내는 지형 상태 데이터를 저장하는 단계는
    상기 풋 부재에 연결된 가속계로부터의 입력 데이터와 상기 풋 부재의 각도의 평균을 구하는 단계; 및
    상기 지형의 상기 현재 경사를 나타내는 데이터로서 상기 평균 각도를 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키기 전 그리고 상기 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 획득한 후에, 상기 지형의 경사를 나타내는 저장된 지형 상태 데이터에 따라 상기 상대적인 액츄에이터 무브먼트를 갱신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 액츄에이터를 작동시키는 단계는 상기 액츄에이터의 길이를 변경하는 단계를 포함하고, 상기 액츄에이터의 길이의 변경은 상기 외골격의 몸체 부재 사이에 형성되고, 상기 액츄에이터에 연관된 조인트의 각도를 변경하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 최대 허용가능한 경사각으로 상기 풋 부재를 피벗시키기 위해 상기 착지하는 풋 부재에 연결된 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계는
    상기 지형의 경사와 상기 풋 부재를 정렬시키기 위해 요구되는 피벗 축 및 피벗 방향을 식별하는 단계;
    상기 액츄에이터에 연관된 조인트 또는 조인트들의 각도를 각각의 액츄에이터의 길이로부터 획득하는 단계;
    풋 조인트의 각을 사용하여 상기 요구되는 피벗 축 및 피벗 방향과 연관된 상기 외골격의 상기 풋 조인트의 상대적 위치를 계산하는 단계;
    최대 허용가능한 경사각으로의 상기 풋 부재의 피벗을 시행하기 위해 요구되는 상기 착지하는 풋 부재에 연결된 상기 풋 조인트의 바람직한 위치를 판정하는 단계;
    상기 풋 조인트의 위치에 영향을 미치는 각각의 조인트의 바람직한 위치를 판정하기 위해 인버스 키네매틱스를 사용하는 단계;
    상기 풋 조인트의 위치에 영향을 미치는 상기 조인트의 상기 바람직한 위치로부터 바람직한 조인트 각을 판정하는 단계;
    각각의 바람직한 조인트 각과 연관된 각각의 액츄에이터의 바람직한 길이 변화를 판정하는 단계; 및
    상기 액츄에이터의 바람직한 길이 변화를 위해 각각의 바람직한 조인트 각과 연관된 각각의 액츄에이터의 길이를 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풋 부재는 상기 지형과 상기 풋 부재의 정렬을 위해 증가된 레졸루션을 제공하기 위해, 상기 지형과 상기 풋 부재의 중앙의 앞 및 뒤 영역의 접촉 상태에 관한 정보를 제공하기 위한 중앙부 접촉 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  18. 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법으로서,
    바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 단계;
    각각의 명령이 상기 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있고, 상기 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 메모리로부터 획득하는 단계;
    현재 지형 상태를 나타내는 저장된 조절 데이터에 따라 상기 상대적인 액츄에이터 무브먼트를 갱신하는 단계; 및
    각각의 명령에 대하여 상기 갱신된 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  19. 사용자의 발에 대응하는 외골격의 적어도 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법으로서, 상기 방법은:
    풋 착지 명령 실행 중 지형 경사의 변화를 나타내는 데이터를 수신할 때 상기 풋 부재에 연관된 풋 착지 명령을 조절하는 단계;를 포함하고,
    상기 조절하는 단계는,
    최대 허용가능한 경사각으로 상기 풋 부재를 피벗시키기 위해 상기 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계; 및
    상기 풋 부재와 상기 경사의 나란함을 나타내는 입력을 수신할 때 상기 풋 부재에 연결된 상기 하나 이상의 액츄에이터의 작동을 종료하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적어도 지형 경사의 변화에 따라 풋 부재를 조절하기 위해 사용자의 발에 대응하는 외골격의 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  20. 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법으로서,
    바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 단계;
    각각의 명령이 상기 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있고, 상기 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 필요한 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 메모리로부터 획득하는 단계;
    각각의 명령에 대하여 상기 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계; 및
    풋의 하나 이상의 영역의 압력을 나타내는 입력 압력 데이터를 기초로 하여 상기 외골격의 적어도 땅을 딛고 있는 풋 부재의 밑면에서 실제 압력 중심 위치를 판정하고, 상기 하나 이상의 액츄에이터가 그에 따라 작동하는 현재 명령과 연관된 바람직한 압력 중심 위치를 획득하고, 그리고 상기 현재 명령에 대한 상기 바람직한 압력 중심을 향해 상기 풋 아래의 상기 실제 압력 중심을 시프트하는 위치로 상기 땅을 딛고 있는 풋 부재의 방향과 연관된 하나 이상의 액츄에이터를 작동시킴으로써, 현재 명령에 따른 상기 하나 이상의 액츄에이터의 작동 동안 상기 외골격을 주기적으로 밸런싱하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 외골격을 주기적으로 밸런싱하는 단계는 상기 현재 명령 실행 중 소정의 시간 단계에서 실시하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 외골격을 주기적으로 밸런싱하는 단계는 또한
    현재 시간 단계에 대한 바람직한 압력 중심 위치와 실제 압력 중심 위치 사이의 압력 중심 오차를 판정하는 단계;
    상기 땅을 딛고 있는 풋 부재의 방향과 연관된 각각의 액츄에이터에 대하여 후속 시간 단계 동안 바람직한 액츄에이터 위치를 판정하는 단계;
    각각의 액츄에이터에 대한 상기 오차를 기초로 상기 후속 시간 단계에 대한 상기 바람직한 액츄에이터 위치를 조절하는 단계; 및
    상기 후속 시간 단계 동안 상기 조절된 액츄에이터 위치를 향해 각각의 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 현재 시간 단계에 대한 바람직한 압력 중심 위치는
    상기 명령 실행 중 상기 바람직한 압력 중심 위치와 이전 시간 단계에서의 실제 압력 중심 위치 사이를 보간하고, 그리고
    후속 시간 단계에 대한 바람직한 압력 중심 위치를 상기 보간으로부터 판정함으로써,
    이전 시간 단계에서 판정되는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 후속 시간 단계에 대한 바람직한 액츄에이터 위치를 판정하는 단계는
    상기 현재 명령에 대한 완료된 액츄에이터 무브먼트에 의해 초래된 바람직한 액츄에이터 위치와 실제 액츄에이터 위치 사이를 보간하는 단계; 및
    상기 후속 시간 단계에 대한 상기 바람직한 액츄에이터 위치를 상기 보간을 통해 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  25. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 상기 후속 시간 단계에 대한 바람직한 액츄에이터 위치를 조절하는 단계는
    상기 압력 중심 오차를 사용하여 액츄에이터 위치의 변화를 판정하는 단계; 및
    상기 후속 시간 단계 동안 상기 바람직한 액츄에이터 위치를 조절하기 위해 상기 후속 시간 단계에 대한 상기 바람직한 액츄에이터 위치에 실제 위치의 변화를 더하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 압력 중심 오차를 사용하여 액츄에이터 위치의 변화를 판정하는 단계는 액츄에이터 위치의 변화의 지시를 출력하도록 구성된 피드백 컨트롤러에 상기 오차를 공급함으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 피드백 컨트롤러는 비례 적분 미분(PID) 컨트롤러인 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  28. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계는 상기 하나 이상의 액츄에이터의 길이를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  29. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 땅을 딛고 있는 풋 부재는 상기 땅을 딛고 있는 풋의 밑면의 4개의 코너에 적어도 하나의 압력 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 방법.
  30. 소정의 명령을 수행하기 위해 외골격의 하나 이상의 액츄에이터의 상대적 무브먼트 동안 사용자가 착용한 외골격을 밸런싱하는 방법으로서,
    풋의 하나 이상의 영역의 압력을 나타내는 입력 압력 데이터를 기초로 상기 외골격의 적어도 하나의 땅을 딛고 있는 풋 아래의 실제 압력 중심을 계산하는 단계,
    상기 소정의 명령에 대한 바람직한 압력 중심과 상기 실제 압력 중심 사이의 압력 중심 오차를 판정하는 단계, 및
    상기 소정의 명령에 대한 상기 바람직한 압력 중심을 향해 상기 풋 아래의 상기 실제 압력 중심을 시프트함으로써 상기 압력 중심 오차를 상쇄시키도록 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소정의 명령을 수행하기 위해 외골격의 하나 이상의 액츄에이터의 상대적 무브먼트 동안 사용자가 착용한 외골격을 밸런싱하는 방법.
  31. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 18 항, 제 19 항, 제 20 항 내지 제 23 항, 및 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외골격은
    i) 상기 사용자를 동작적으로 지지하기 위해 사용자를 적어도 골반 지지 부재에 고정시키기 위한 사용자 고정 배열부를 포함하는 강성의 골반 지지 부재; 및
    ii) 제1 레그 구조 및 제2 레그 구조; 및
    iii) 메인 히프 액츄에이터, 니(knee) 액츄에이터, 및 메인 풋 액츄에이터로부터 선택된 적어도 하나 이상의 액츄에이터에 전력을 공급하도록 구성가능한 전원을 포함하고,
    상기 제1 레그 구조 및 상기 제2 레그 구조는 각각 사용자의 각각의 다리와 인접한 동작 위치를 위해 상기 골반 지지 부재에 연결되어 있고 상기 골반 지지 부재로부터 뻗어 있고,
    상기 제1 레그 구조 및 상기 제2 레그 구조는 각각:
    히프 조인트에 의해 상기 골반 지지 부재에 상부 레그 구조 부재의 제1 끝부에서 피벗가능하게 연결되어 있는, 상기 사용자의 상부 다리에 연결하기 위한 상부 레그 구조 부재;
    니 조인트에 의해 상기 상부 레그 구조 부재의 제2 끝부에 하부 레그 구조 부재의 제1 끝부에서 피벗가능하게 연결되어 있는, 상기 사용자의 하부 다리에 연결하기 위한 하부 레그 구조 부재;
    풋 조인트에 의해 상기 하부 레그 부재의 제2 끝부에 피벗가능하게 연결되어 있는, 사용자의 발에 연결하기 위한 풋 부재;
    앞/뒤 평면으로 상기 상부 레그 구조 부재를 피벗시키는데 사용하기 위해 상기 히프 조인트 둘레로 상기 골반 지지 부재에 상대적인 상기 상부 레그 구조 부재의 회전을 활성화시키도록 구성된 메인 히프 액츄에이터;
    상기 니 조인트 둘레로 상기 상부 레그 구조 부재에 상대적인 상기 하부 레그 구조 부재의 회전을 활성화시키도록 구성된 니 액츄에이터; 및
    상기 니 조인트의 회전축과 실질적으로 평행한 회전축을 중심으로 상기 풋 조인트 둘레로 상기 하부 레그 구조 부재에 상대적인 상기 풋 부재의 회전을 활성화시키도록 구성된 메인 풋 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템으로서,
    바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하기 위한 사용자 인터페이스,
    각각의 명령이 상기 명령을 수행하기 위한 상대적 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있고, 상기 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 저장하기 위한 메모리 컴포넌트,
    각각의 명령에 대한 상대적 액츄에이터 무브먼트에 따라 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키기 위한 액츄에이터 컨트롤러,
    지형 상태 변화의 탐지시 상기 액츄에이터 무브먼트를 조절하기 위한 지형 서브 시스템, 및
    상기 하나 이상의 액츄에이터의 상대적 무브먼트 동안 상기 외골격의 밸런스를 주기적으로 조절하기 위한 밸런스 컨트롤 서브 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 컨트롤 시스템은 지형 경사의 변화를 탐지하기 위해 상기 외골격의 풋 부재의 밑면의 적어도 4개의 코너 영역에 배열된 접촉 센서로부터 입력을 수신하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
  34. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 상기 지형 서브 시스템은 최대 허용가능한 경사각으로 풋 부재를 피벗시키기 위해 요구되는 상기 외골격의 풋 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트를 판정하고, 상기 풋 부재와 상기 경사의 나란함을 나타내는 입력을 수신할 때 상기 풋 부재에 연결된 상기 하나 이상의 액츄에이터의 무브먼트를 종료하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
  35. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 상기 밸런스 컨트롤 서브 시스템은 상기 외골격의 풋 부재의 밑면의 적어도 4개의 코너 영역에 배열된 압력 센서로부터 입력을 수신하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 압력 센서 입력은 상기 밸런스 컨트롤 서브 시스템이 상기 풋의 밑면에서의 압력 중심의 위치를 판정하고, 그로 인해 특정한 명령에 대한 바람직한 압력 중심 위치를 향해 상기 압력 중심의 위치를 시프트하기 위해 상기 액츄에이터 무브먼트의 요구되는 조절을 판정할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
  37. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 상기 컨트롤 시스템은 상기 지형과 풋 부재의 정렬을 위한 증가된 레졸루션을 제공하기 위해 상기 지형과 상기 풋 부재의 중앙 전방 및 후방 영역의 접촉 상태에 관한 정보를 제공하는 상기 풋 부재의 중앙 영역 접촉 센서로부터 입력을 수신하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
  38. 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템으로서,
    바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하기 위한 사용자 인터페이스;
    각각의 명령이 상기 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있고, 상기 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 저장하기 위한 메모리 컴포넌트;
    각각의 명령에 대한 상기 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키기 위한 액츄에이터 컨트롤러; 및
    지형 상태 변화의 탐지시 상기 액츄에이터 무브먼트를 조절하기 위한 지형 서브 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
  39. 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템으로서,
    바람직한 무브먼트 시퀀스를 나타내는 입력 데이터를 수신하는 사용자 인터페이스;
    각각의 명령이 상기 명령을 수행하기 위한 상대적인 액츄에이터 무브먼트와 연관되어 있고, 상기 무브먼트 시퀀스를 시행하기 위해 요구되는 하나 이상의 순차적 명령을 나타내는 사전 프로그래밍된 무브먼트 데이터를 저장하는 메모리 컴포넌트;
    각각의 명령에 대한 상기 상대적인 액츄에이터 무브먼트에 따라 상기 하나 이상의 액츄에이터를 작동시키는 액츄에이터 컨트롤러; 및
    상기 하나 이상의 액츄에이터의 상대적 무브먼트 동안 상기 외골격의 밸런스를 주기적으로 조절하는 밸런스 컨트롤 서브 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
  40. 제 32 항, 제 33 항, 제 38 항, 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    i) 상기 사용자를 동작적으로 지지하기 위해 적어도 골반 지지 부재에 사용자를 고정시키기 위한 사용자 보호 배열부를 구비한 강성의 골반 지지 부재;
    ii) 제1 레그 구조 및 제2 레그 구조; 및
    iii) 메인 히프 액츄에이터, 니 액츄에이터, 및 메인 풋 액츄에이터로부터 선택된 적어도 하나의 이상의 액츄에이터에 전력을 공급하도록 구성된 전원을 포함하고,
    상기 제1 레그 구조 및 제2 레그 구조는 각각 사용자의 각각의 다리와 인접한 동작 위치를 위해 상기 골반 지지 부재에 연결되어 있고 상기 골반 지지 부재로부터 뻗어 있고,
    상기 제1 레그 구조 및 제2 레그 구조는 각각
    히프 조인트에 의해 상기 골반 지지 부재에 상부 레그 구조 부재의 제1 끝부에서 피벗가능하게 연결되어 있고, 사용자의 상부 다리에 연결하기 위한 상부 레그 구조 부재;
    니 조인트에 의해 상기 상부 레그 구조 부재의 제2 끝부에 하부 레그 구조 부재의 제1 끝부에서 피벗가능하게 연결되어 있고, 상기 사용자의 하부 다리에 연결하기 위한 하부 레그 구조 부재;
    풋 조인트에 의해 상기 하부 레그 부재의 제2 끝부와 피벗가능하게 연결되어 있고, 사용자의 발과 연결되는 풋 부재;
    앞/뒤 평면으로 상기 상부 레그 구조 부재를 피벗시키는데 사용하기 위해, 상기 히프 조인트 둘레로 상기 골반 지지 부재에 상대적인 상기 상부 레그 구조 부재의 회전을 활성화하도록 구성된 메인 히프 액츄에이터;
    상기 니 조인트 둘레로 상기 상부 레그 구조 부재에 상대적인 상기 하부 레그 구조 부재의 회전을 활성화하도록 구성된 니 액츄에이터; 및
    상기 니 조인트의 회전 축과 실질적으로 평행한 회전 축을 중심으로 상기 풋 조인트 둘레로 상기 하부 레그 구조 부재에 상대적인 상기 풋 부재의 회전을 활성화하도록 구성된 메인 풋 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 다양한 몸체 부재에 연결된 하나 이상의 액츄에이터를 구비하고 있고 사용자가 착용한 외골격을 컨트롤하는 컨트롤 시스템.
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