KR101798067B1

KR101798067B1 - 모듈식 외골격 힘 피드백 컨트롤 장치

Info

Publication number: KR101798067B1
Application number: KR1020157026796A
Authority: KR
Inventors: 월터 에이 아빌레스; 프랭크 이 조트라스
Original assignee: 페이스북, 인크.
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2017-11-15
Also published as: IL240625A0; CA2901793A1; EP3375574A1; BR112015020937A2; KR20150123307A; AU2014223161A1; CA2901793C; MX352726B; WO2014134499A1; IL240625A; US20160196727A1; US20140240109A1; JP2016519793A; EP2961575B1; EP2961575A1; US9299230B2; US9984541B2; CN105189050A; EP3375574B1; MX2015011294A

Abstract

사용자의 팔에 입혀지도록 설계된 휴대용 힘 피드백 컨트롤러(PFFC)는 사용자의 팔의 움직임을 추적하고, 힘 피드백 능력을 제공한다. 일부 실시예에서, PFFC는 빠르고 쉽게 연결 및 연결해제할 수 있는 교환가능한 모듈을 포함할 수 있어, PFFC가 특정 애플리케이션을 위해 쉽게 수정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 다양한 PFFC 모듈이 이동가능하게 연결되고 적어도 1의 자유도를 가져 PFFC가 정확하게 사용자의 팔의 자연스러운 움직임을 따라갈 수 있다.

Description

모듈식 외골격 힘 피드백 컨트롤 장치 {MODULAR EXOSKELETAL FORCE FEEDBACK CONTROL DEVICE}

본 발명은 일반적으로 힘 피드백 컨트롤러 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 모듈식 외골격 힘 피드백 컨트롤러에 대해 설명한다.

힘 피드백 컨트롤러(FFC)는 인간 조작자에 의한 움직임을 감지하고 그 조작자에게 힘을 전하는 타입의 인간/컴퓨터 인터페이스이다. FFC는 조작자의 촉각 지각을 끌기 위해 전해지는 힘을 사용할 수 있다. 비-컴퓨터 작업과 인터페이싱하는 사용자는 일상적으로 시각 및 촉각 피드백의 조합을 잘 활용한다(작업의 일면을 보며 다른 면을 느끼기). 이 감각적 조합을 인간-컴퓨터 인터페이스에 옮기는 것은 그러한 인터페이스를 더 효율적 및 사용자에게 더 직관적으로 만들고, 조작자를 컴퓨터 시뮬레이션에서 일어나는 사건에 몰두하게 만들며, 그러한 시뮬레이션을 보다 생생하게 느끼게 만드는 것을 포함하여 다양한 이점을 가진다.

일반적으로, FFC는 외부 환경의 일부(예컨대, 힘 피드백 조이스틱)이거나 조작자가 입는 것(예컨대, 힘 피드백 장갑)일 수 있다. 웨어러블 및 휴대용 FFC에서 달성될 수 있는 이점은 FFC가 힘의 풍부한 배열을 전하여 보다 뉘앙스 있는 촉각 지각을 생성할 수 있는 것이다. 하지만, 기존의 휴대용 FFC는 무겁고, 부피가 크고, 불편하고, 생산에 비용이 들고, 전할 수 있는 감각적 피드백이 제한되고 조작자의 몸의 특정 위치에 전해지는 힘을 정확하게 국한시킬 수 없는 점을 포함하여 다양한 면에서 부족하다.

한 구현예에서, 본 명세서는 힘 피드백 컨트롤러를 가리킨다. 힘 피드백 컨트롤러는 손목 모듈; 및 상기 손목 모듈과 연결되는 그립 모듈을 포함하고, 상기 손목 모듈은 힘 피드백 컨트롤러와 사용자의 팔을 연결하도록 구성된 제1 팔 부착부를 포함하고, 상기 그립 모듈은 상기 손목 모듈에 대해 제1 및 제2 방향으로 이동가능하고, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 실질적으로 수직이고, 상기 그립 모듈은: 그립 부착부를 가지는 선형 슬라이드 메커니즘으로서, 상기 그립 부착부는 상기 제1 및 제2 방향 중 적어도 하나에 실질적으로 수직인 제3 방향으로의 선형 운동으로 구속되고, 상기 그립 부착부는 상기 그립 모듈에 그립을 연결시키도록 구성되는 선형 슬라이드 메커니즘을 포함한다.

다른 실시예에서, 본 명세서는 힘 피드백 컨트롤러를 가리킨다. 힘 피드백 컨트롤러는 손목 모듈; 팔뚝 모듈; 및 제1 단부 및 제2 단부를 가지는 외골격 부재를 포함하고, 상기 손목 모듈은 사용자의 팔의 제1 부분에 연결되도록 구성된 제1 팔 부착부를 포함하고, 상기 팔뚝 모듈은 사용자의 팔의 제2 부분에 연결되도록 구성된 제2 팔 부착부를 포함하고, 상기 팔뚝 모듈은 상기 제1 단부에 연결되고, 상기 손목 모듈은 상기 제2 단부에 연결되고, 상기 외골격 부재는: 비틀림 모듈로서, 상기 비틀림 모듈은 상기 팔뚝 모듈과 상기 손목 모듈 간의 상대적 비틀림 운동을 가능하게 하고, 상기 팔뚝 모듈과 상기 손목 모듈 간의 상대적 축 운동을 실질적으로 방지하도록 구성된 비틀림 요소를 가지는 비틀림 모듈을 포함한다.

또 다른 실시예에서, 본 명세서는 힘 피드백 컨트롤러 외골격을 가리킨다. 힘 피드백 컨트롤러 외골격은 팔뚝 모듈, 손목 모듈 및 그립 모듈을 포함하고, 상기 팔뚝 모듈 및 상기 손목 모듈은 제거가능하게 함께 연결되어 힘 피드백 외골격 컨트롤러를 형성하고, 상기 그립 모듈은 이동가능하게 상기 손목 모듈에 연결되고 상기 손목 모듈에 대하여 적어도 1의 이동 자유도를 가지고, 상기 그립 모듈은 선형 슬라이드 메커니즘 및 상기 선형 슬라이드 메커니즘에 연결된 그립을 포함하고, 상기 그립은 상기 손목 모듈에 대하여 선형 방향의 이동에 속박된다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

본 발명을 설명하기 위한 목적으로, 도면은 본 발명의 하나 이상의 실시예의 측면을 도시한다. 하지만, 본 발명은 도면에 도시된 정확한 배치와 수단으로 제한되는 것이 아님을 이해하여야 한다.
도 1은 모듈식 및 휴대용 힘 피드백 컨트롤러의 예시를 도시한다.
도 2는 모듈식 및 휴대용 힘 피드백 컨트롤러의 다른 예시를 도시한다.
도 3은 팔 부착부의 사시도이다.
도 4는 회전식 구동 모듈을 도시한다.
도 5는 선형 구동 구성요소의 사시도이다.
도 6은 하부 팔 트위스트 모듈의 사시도이다.
도 7은 팔꿈치 모듈을 도시한다.
도 8은 사용시의 손목 모듈과 그립 모듈의 예시를 도시한다.
도 9는 사용시 그립 모듈에 연결된 인체 공학적 핸들 형태의 그립을 도시한다.
도 10은 사용시 그립 모듈에 연결된 권총 핸들 형태의 그립을 도시한다.
도 11은 하부 팔 트위스트 모듈의 예시를 도시한다.
도 12는 하부 팔 트위스트 모듈의 다른 예시를 도시한다.
도 13은 다심성 힌지를 가지는 팔꿈치 모듈을 도시한다.
도 14는 그립 및 손목 모듈 구성을 도시한다.
도 15는 팔뚝, 팔꿈치 및 상부 팔 모듈 구성을 도시한다.
도 16은 힘 피드백 컨트롤러 시스템 구조의 예시의 블록도이다.
도 17(도 17a 포함)은 도 16의 시스템 구조의 구현의 예시이다.
도 18(도 18a 포함)은 모터 구동 구성요소의 예시의 회로도이다.
도 19는 도 2의 모듈식 및 휴대용 힘 피드백 컨트롤러의 손목 및 그립 모듈의 부분의 사시도를 도시한다.

본 발명의 일부 측면은 향상된 인간-컴퓨터 인터페이싱 및 컴퓨터 시뮬레이션 제어를 위한 다양한 휴대용 FFC(PFFC) 장치 및 시스템을 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 PFFC는 인간 조작자의 정확성 및/또는 강도를 증강시키고, 조작자와 컴퓨터 시뮬레이션, 데이터 탐색 및 게임과 같은 애플리케이션에서의 합성 환경 사이의 상호작용의 효율 및 질을 향상시키는 것을 포함하여 다양한 응용에 사용될 수 있다. 또한 본 발명에서 설명되는 PFFC는 물리적 요법, 직업 요법, 스포츠 트레이닝 및 다른 치료적 및 훈련적 용도와 같은 시도를 위한 인간 조작자 움직임을 측정, 유도, 연습, 또는 강화를 돕기 위해 사용될 수 있다. 또한 인간 조작자에게 증가된 감각적 의식을 제공할 뿐만 아니라 원격 환경과의 원격 조정 및 텔레로봇 상호작용에서의 사용을 쉽게 하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 PFFC는 원격-감각 힘을 피드백하고, 그럼으로써 원격 조작자에 의한 원치 않는 크러싱 또는 충돌을 최소화함으로써 인간 조작자로 하여금 원격 조작 작업을 보다 정교하고 및/또는 보다 신속하게 수행할 수 있게 하여 원격 조작자의 움직의 보다 자연스럽고 직관적인 제어를 가능하게 한다.

보다 자세히 후술되는 바와 같이, 본 명세서에서 설명되는 PFFC는 상술한바와 같이 조작자의 움직임의 정확한 추적, 높은 정확도의 힘의 전달, 에너지 효율적, 부피 최소화, 경량화 및 장시간 사용을 가능하게 하는 편안함과 인체 공학과 같은 애플리케이션을 위한 향상된 해결책을 제공한다.

PFFC의 실시의의 예시는 물리적 모듈과 구성요소를 추가함으로써 연속하여 기능 및/또는 구조를 연속하여 추가할 수 있는 능력을 제공하는 모듈식 PFFC를 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 모듈식 PFFC는 다른 모듈에 부착되고 제거될 수 있는 모듈을 포함하고, 각 모듈은 신체의 특정 해부학적 부분에 입을 수 있게 조정될 수 있다. 모듈은 인접 모듈에 제거가능하게 부착되거나 걸치는 구조, 또는 두 모듈을 연결하기 위한 제거가능한 중간 연결 구성요소를 포함할 수 있다. 이러한 모듈성은 PFFC 시스템이 다양한 상이한 응용 및 사용 시나리오를 위해 신속하고 쉽게 변형될 수 있도록 한다. 예를 들어, 개복 수술 시뮬레이션은 손목 및 손만을 연결하는 PFFC가 가장 효과 있을 수 있는 반면, 가상 도구를 포함하는 장치 조립 시뮬레이션은 손, 손목 및 팔뚝을 연결하는 PFFC를 필요로 할 수 있다. 다른 예로서, 게임 또는 시뮬레이션에서 인간 조작자의 손, 손목, 팔뚝 및 팔꿈치 및/또는 어깨를 연결하여, 예컨대 가상 물체의 무게의 보다 실제적인 느낌을 전달하고 던지고 받기와 같은 복잡한 움직임을 위한 높은 정확도의 제어를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 모듈성은 특정한 사용 시나리오를 위해 설계된 사용자화 외골격 컨트롤러 같은 특정 선행기술 컨트롤러에 비해 중대한 이점을 제공한다. 사용자화 컨트롤러의 개발은 시간이 소비되고 비싼 프로세스이기 때문에, 조작자는 일반적으로 특정 하나의 컨트롤러가 설계된 용도 이외를 위하여는 차선의 컨트롤러 구성을 사용해야 한다.

본 명세서에서 설명되는 PFFC의 다양한 측면의 넓은 응용 가능성의 측면에서, 도 1은 조작자의 팔에 입혀지도록 설계되고 구성된 모듈식 외골격 PFFC 시스템(100)의 예시를 도시한다. PFFC(100)의 예시는 어깨 모듈(110), 상부 팔 모듈(112), 팔꿈치 모듈(114), 팔뚝 모듈(116), 손목 모듈(118) 및 그립 모듈(120)을 포함하여 6개의 모듈을 가진다. 각 모듈(110 내지 120)은 제거가능하게 인접 모듈에 연결될 수 있고, 각 모듈은은 빠르고 쉽게 기계적 및 전기적으로 다른 모듈에 연결될 수 있다. 각 모듈(110 내지 120)은 모듈을 특정 해부학적 위치에 부착하기 위한 편하고 인체공학적 특징을 가지는 경량 구조이고, 또한 넓은 응용 배열을 위한 적절한 구조적 일체성을 가진다. 또한 모듈(110 내지 120)은 PFFC(100)의 크기를 특정한 사용자의 치수에 맞게 조정하기 위한 조정 메커니즘을 가진다.

하나 이상의 모듈(110 내지 120)은 하나 이상의 자유도를 가지고 다른 모듈에 상대적인 움직임을 위해 구성되어 PFFC(100)이 사용자의 팔의 자연스러운 움직임을 따라갈 수 있고, 후술되는 바와 같이 사용자의 다양한 방향과 위치로 힘을 전달할 수 있다. 예를 들어, 팔꿈치 모듈(114)는 중심점(122)에 대하여 회전하도록 구성되어 제1 측면 부재(124)가 화살표(1A)로 도시된 방향으로 제2 측면 부재(126)에 상대적으로 회전할 수 있다. 팔뚝 모듈(116)은 화살표(1B) 방향으로 손목 모듈(118)에 상대적으로 비트는 움직임을 위해 구성될 수 있다. 유사하게, 손목 모듈(118)은 화살표(1C) 방향으로 팔뚝 모듈(116) 및 그립 모듈(120) 중 하나 또는 모두에 상대적으로 비트는 움직임을 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 모듈(116 및 118)이 상대적 비트는 움직임을 위해 구성될 수 있는 반면, PFFC(100)는 다른 방향으로의 상대적 움직임, 예컨대 화살표(1D) 방향으로의 상대적 선형 운동을 실질적으로 방지하는, PFFC의 작동을 위해 요구되는 구조적 일체성을 제공할 수 있는 구조적 특징을 가질 수 있다. 그립 모듈(120)은 하나 이상의 자유도로 사용자의 손목에 상대적으로 사용자의 손의 자연스러운 움직임을 따라가도록 구성될 수 있다. 그립 모듈(120)의 예시는 손목 모듈(118)에 상대적으로 화살표(1E) 방향의 피치(pithc)(손목의 방사상/척골의 일탈), 화살표(1G) 방향의 요우(yaw)(손목의 구부러짐/연장) 및 화살표(1G) 방향의 선형 축 운동을 포함하여 3의 자유도를 가진다. 후술되는 바와 같이, 화살표(1G) 방향의 선형 축 운동 능력은 그립 모듈(120)이 특정 사용자의 손에 크기로 조정될 수 있게 하고, 또한 화살표(1G) 방향으로의 촉각 힘의 전달 능력을 포함한다.

PFFC(100)에서 사용될 수 있는 다양한 위치 센서는 전역 및/또는 컴퓨터 시스템에 대한 각 모듈의 상대적인 위치를 통신하도록 설계됐다. 하나 이상의 가속도계, 자이로스코프 및/또는 자력계를 포함하는 관성 측량 구성요소(IMUs)를 포함하여 다양한 상이한 위치 센서 솔루션이 사용될 수 있다. PFFC(100)는 어깨 모듈(110)에 위치 센서(128), 팔꿈치 모듈(114)에 위치 센서(130 및 132), 팔뚝 모듈(116), 손목 모듈(118), 그립 모듈(120)에 위치 센서(134, 136 및 138)를 각각 포함한다. 각 위치 센서(128 내지 138)는 다른 모듈에 대한 각 모듈의 상대적인 위치를 설명하는 고해상도 위치 정보를 제공할 수 있다. 대안적인 실시예로, 회전식 광학 인코더와 같은 회전 센서가 하나 이상의 센서(128 내지 138)에 추가로 또는 그 대신 사용되어 하나 이상의 모듈의 회전 위치 정보를 제공할 수 있다.

또한, PFFC(100)는 각 모듈(114, 118 및 120)에 힘을 전달하도록 구성된 구동 모듈(140, 142 및 144)를 포함할 수 있다. 보다 자세히 후술되는 바와 같이, 구동 모듈(140, 142 및 144)는 PFFC(100)에 힘을 전달하도록 구성된 모터, 형상기억 합금 또는 초음파 액츄에이터와 같은 구성요소를 포함할 수 있고, 또한 PFFC(100)의 구조에 힘을 전달할 수 있는 대응되는 구조를 포함할 수 있다. 구동 모듈(140)은 팔꿈치 모듈(114)에 연결되고 제1 및 제2 측면 부재(124 및 126)에 힘을 전달하도록 구성되어, 팔꿈치 모듈이 화살표(1A) 방향으로 회전하도록 한다. 손목 모듈(18)은 화살표(1E 내지 G)에 도시된 화살표 중 하나 이상으로 그립 모듈(120)에 힘을 전달하도록 구성된 구동 모듈(142)을 포함할 수 있고, 그립 모듈(120)은 화살표(1E 내지 G)에 도시된 화살표 중 하나 이상으로 힘을 전달하도록 구성된 구동 모듈(144)을 포함할 수 있다. 따라서, 구동 모듈(140 내지 144)는 다양한 애플리케이션에서 사용될 수 있는, 높은 정확도와 국부화된 촉각 감각의 분산된 배열을 사용자의 팔을 가로질러 제공하도록 구성된다.

그립 모듈(120)은 다양한 구성을 가질 수 있고, 크게 조정 가능하여 PFFC(100)가 다양한 응용에서 사용 가능할 수 있다. 예를 들어, 그립 모듈(120)은 제거가능하게 기계적 및 전기적으로 하나 이상의 컨트롤러 또는 도구를 PFFC(100)에 연결시키기 위한 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시뮬레이션 애플리케이션에서, 그립 모듈(120)은 그립 모듈(120)에 연결된 그립의 타입을 감지하는 로직을 포함할 수 있고 컴퓨터 시뮬레이션에 대응하는 업데이트를 할 수 있다. 예를 들어, 화기 모델이 그립 모듈(120)에 연결됐을 때, 대응하는 화기의 제어와 촉각 힘의 제공을 위한 소프트웨어가 활성화될 수 있다. 의학적 또는 원격 조작 애플리케이션에서, 그립 모듈(120)에 연결된 도구 모델 타입은 상이한 기하학적 및 힘 정보의 라이브러리를 작동시켜 원격지에서의 도구의 움직임과 힘의 규모가 PFFC(100)의 주어진 움직임에 대하여, 그립 모듈에 연결된 도구에 의존하여 다양해질 수 있다.

도 2 내지 7은 사용자의 팔에 입혀지도록 설계되고 구성된 PFFC(200)의 예시를 도시한다. PFFC(100)과 유사하게, PFFC(200)는 상부 팔 모듈(210), 팔꿈치 모듈(212), 팔뚝 모듈(214), 손목 모듈(216) 및 그립 모듈(218)을 포함한다. 각 모듈(210 내지 218)은 도 3과 관련하여 더 자세하게 후술되는, 사용자의 팔의 각 위치에 각 모듈을 부착하는 팔 부착부(220)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 각 모듈(210 내지 218)은 넓은 범위의 크기로 조정가능하도록 설계되고 구성되어 각 팔 부착부(220)가 사용자의 팔의 임의의 부위에 단단히 연결될 수 있는, 동일한 타입의 팔 부착부(220)를 사용한다. 다른 실시예에서, 팔 부착부의 크기는 모듈 사이에서 다양할 수 있다. 팔 부착부(220)는 PFFC(200)의 편안한 장시간 사용을 가능하게 하는 경량 및 극도로 편안한 부착 메커니즘을 제공한다. 각 팔 부착부(220)는 슬라이드 가능하게 본 명세서에서 리시버(230, 232, 234)로도 언급되는 각 늘임 부재와 연결되어 각 팔 부착부(220)의 위치는 PFFC(200)을 각 사용자에 맞게 조절 가능하다. 한번 위치되면, 팔 부착부(220)는 설정 스크류(362)(도 3)를 조임으로써 위치에 고정될 수 있다.

각 모듈(210 내지 218)은 다른 모듈에 대해 상대적인 움직임을 위해 구성되어, PFFC(200)는 사용자의 팔의 자연스러운 움직임을 따라갈 수 있고 사용자에게 촉각 힘을 전달할 수 있게 구성된다. 예를 들어, 팔꿈치 모듈(212)의 제1 및 제2 측면 부재(240 및 242)는 중심점(244)에 대해 화살표(2A) 방향으로 회전할 수 있어 상부 팔 모듈(210)이 팔뚝 모듈(214)에 상대적으로 움직일 수 있고 사용자가 팔을 구부릴 수 있게 한다. 팔꿈치 모듈(212) 또한 팔꿈치 모듈(212)에 촉각 힘을 전달하도록 구성되고 제1 및 제2 측면 부재(240 및 242)아 화살표(2A) 방향으로 이동하게 하는 회전 구동 구성요소(250)을 가진다. 도 7과 관련하여 후술되는 바와 같이, 회전 구동 구성요소(250)의 예시는 힘을 생성하기 위한 모터(252) 및 힘을 모터로부터 측면 부재(240 및 242)로 전달하기 위한 벨트와 도르래 시스템(254)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 모터(252)는 역전 구동 가능한(back-drivable) DC 모터이다.

팔뚝 모듈(214) 및 손목 모듈(216)은 사용자의 팔꿈치와 손목 사이의 하부 팔 부분을 따라 비틀림 운동을 가능하게 하는 화살표(2B 및 2C) 방향의 각 비틀림 운동을 위해 구성되어 있다. 도시된 실시예에서, 그러한 상대적 비틀림 운동은 화살표(2D) 방향의 축 운동을 실질적으로 방지하는 한편 상대적 비틀림 운동을 가능하도록 설계되고 구성된 상부 팔 트위스트 모듈(260)로 가능해진다. 도 6과 관련하여 보다 자세히 설명되는 바와 같이, 하부 팔 트위스트 모듈(260)은 다른 자유도를 제한하는 한편 특정 자유도를 가능하게 하는 명쾌한 저비용 해결책을 제공한다. 그립 모듈(120)과 관련하여, 그립 모듈(218)은 손목 모듈(216)에 대하여 피치, 요우 및 선형 축 운동의 3의 자유도를 가진다. 도시된 실시예에서, 피치 및 요우는 두 회전 구동 구성요소(270 및 272) 각각으로 제공되고, 선형 축 운동은 본 명세서에서 Z-슬라이드(270)으로도 언급되는, 부분이 도 4 및 5에 더 도시되는 선형 슬라이드 메커니즘으로 제공된다. 팔꿈치 모듈(212)의 회전 구동 구성요소(250)과 관련하여, 도시된 회전 구동 구성요소(270 및 272)는 도 2에서 커버(276 및 278)에 가려진 모터(410)(도 4) 및 벨트와 도르래 시스템(412)(도 4)을 포함한다. 도시된 Z-슬라이드는 도 2에서는 커버(282)에 가려진 모터(510)(도 5)와 랙 및 피니언(512)(도 5)을 포함하는 선형 구동 구성요소(280)(도 5)에 선형 운동 및 촉각 힘 능력을 제공한다. 도시된 실시예에서, 모터(410 및 510)는 역전 구동 가능한 DC 모터이다.

또한 PFFC(200)은 하나 이상의 PFFC의 구성요소를 연결하고 신호 케이블 또는 무선 신호 전송 인터페이스를 통해 제어 기능을 제공하는 전자 상자(280)을 포함한다. 전자 상자(280)는 AC 전력을 다양한 구성요소에서 요구되는 바와 같은 DC 전력으로 변환하기 위한 정류기 및 관련 구성요소를 포함할 수 있고, 및/또는 배터리 팩을 포함할 수 있다. 대안적으로, DC 전력을 제공하는 전기 케이블은 전자 상자에 연결될 수 있다. 전자 상자(280) 및/또는 다른 케이블은 모듈(210 내지 280)을 하나 이상의 접합 상자(282) 또는 다양한 모듈로 신호를 수신 및/또는 전송하기 위한 다양한 포트를 포함하는 다른 인터페이스를 통하여 접속할 수 있다. 또한 접합 상자(282), 손목 모듈(216) 및 그립 모듈(218)은 구조의 위치, 운동, 속도, 가속도 및/또는 다른 운동-관련 측면에 관한 다양한 데이터를 수집하도록 구성된 IMU 위치 센서(도시되지 않음)을 포함한다.

도 3은 팔 부착부(220)를 보다 자세하게 도시한다. 상술한 바와 같이, 도시된 실시예에서, 생산의 용이성과 비용 절감이 각 모듈(220, 214 및 216)(도 2)를 사용자의 팔에 부착시기기 위하여 동일한 팔 부착부(220)를 사용함으로써 실현된다. 대안적인 실시예에서, 하나 이상의 모듈(220, 214 및 216)은 특정한 해부학적 위치에 맞는 수치의 크기의 특정 팔 부착부를 가질 수 있다. 팔 부착부(220)의 설계 및 구성은 PFFC(200)의 성공적인 작동에 대단히 중요한데, PFFC(200)은 넓은 범위의 사용자에게 편안해야 하고, 또한 PFFC(200)를 사용자에게 단단히 연결하여 PFFC에서 생성된 촉각 힘이 적절한 해부작적 위치에서 느껴져야 하기 때문이다. 예를 들어, 만약 부착 구조가 적절하게 설계되지 않아서 사용자의 팔의 형태에 적절하게 맞지 않고, 구조가 너무 느슨할 수 있고, 예컨대 사용자의 손이나 팔꿈치 부위에 느껴지도록 의도된 촉각 힘이 대신 컨트롤러의 구조를 따라 전달되어 부착 구조가 위치한 사용자의 피부에 불편한 강한 감각으로 느낄 수 있다. 또한, 그런 편하지 않은 팔 부착부를 사용자에게 적절히 고정하기 위하여, 팔 부착부는 불편하게 조이고, 예컨대 편안한 장시간 사용을 막는 핀치 포인트를 만들어낼 수 있다.

반면, 팔 부착부(220)는 경량이고 편한 PFFC(200)(도 2)를 위한, PFFC의 편한 장시간 사용을 가능하게 하는 부착 메커니즘을 제공한다. 팔 부착부(220)는 베이스(312)에 연결된 쉘(310)을 포함한다. 쉘(310)은 사용자의 팔을 감싸고 연결하도록 구성된 상부 부분(314)과 하부 부분(316)으로 이루어진다. 상부 부분(314)은 회전가능하고 슬라이드가능하게 하부 부분(316)과 연결되어 넓은 배열의 팔의 단면 형태에 쉘(310)의 형태를 맞출 수 있고, 이로써 아주 잘 맞는 고정과 편안하게 맞는 결과가 된다. 도시된 실시예에서, 상부 부분(314)은 슬롯(318, 320)을 상부 부분(314)의 제1 및 제2 단부(322, 324)에 결합시킴으로써 회전가능하고 슬라이드가능하게 하부 부분(316)에 연결된다. 각 슬롯(318, 320)은 핀(326, 328)(하나만 도시됨)과 슬라이드가능하고 회전가능하게 연결되는 크기로 구성되어 제1 및 제2 단부(322, 324)가 독립적으로 화살표(3A 및 3B) 방향으로 슬라이드할 수 있다. 또한 상부 부분(314)는 더 조정가능하게 하기 위해 핀(326, 328)에 대해 화살표(3C) 방향으로 회전하도록 구성된다.

하부 부분(316)은 그들 사이에 상부 부분(314)의 제1 및 제2 단부(322, 324)의 슬라이드 수납을 위한 크기로 구성된 내부 및 외부 벽(330 및 332)를 포함하는 이중-벽 설계를 가진다. 이러한 이중-벽 구성은 상부 부분(314)과 하부 부분(316)의 방해받지 않는 슬라이드 결합을 가능하게 하고 조정을 용이하게 한다. 도시된 팔 부착부(220)는 슬라이드 가능하게 상부 부분(314)의 위치를 조정하고 상부 부분을 하부 부분(316)에 고정하도록 설계된 라인-및-스풀(line-and-spool) 부착 시스템(340)을 사용한다. 라인-및-스풀 시스템(340)은 제1 및 제2 단부(322, 324)에 연결되는 라인(342, 344)(하나만 도시됨)과 스플울 회전시킴으로써 라인(342, 344)(하나만 도시됨)의 길이를 조정하고, 라인을 베이스(312)에 고정시키기 위해 사용될 수 있는 스풀(346)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 베이스(312)로부터 화살표(3D) 방향으로 당겨질 때 스풀(346)은 라인(342, 344)를 풀어주고 베이스로 밀어질 때 라인을 결합시키도록 구성된다. 라인(342 및 344)는 조여지거나 풀어질 수 있고 그럼으로써 스풀(346)을 시계 방향 또는 시계반대 방향으로 회전시켜 쉘(310)을 조이거나 풀 수 있다. 도시된 스풀(346)은 라체팅 메커니즘을 가져 조여진 이후 그 위치에 남고, 그럼으로써 라인(342 및 344)과 쉘(310)을 고정시킨다. 라인(342, 344)은 스펙트럼 케이블 등의 폴리에틸렌 섬유와 같은 중합체 섬유를 포함하여 다양한 물질로 만들어질 수 있다. 쉘(310)의 도시된 실시예는 저비용 물질에서 적절한 탄력성과 강도를 제공하는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)로 이루어진다. 대안적인 실시예는 나일론, 폴리프로필렌 및 다른 내구성 있고 탄력 있는 플라스틱과 같은 다양한 다른 물질로 만들어질 수 있다.

또한 팔 부착부(220)는 쉘(310)의 내부 표면 부분에 위치한 쿠션 물질(350)을 가진다. 도시된 실시예에서, 쿠션 물질(350)은 팔 부착부(220)의 사용에 적합한 독특한 특성을 가지는 점탄성 폼이다. 구체적으로, 쿠션 물질(350)은 쿠션 물질이 사용자의 팔의 형태에 편하게 맞추지만, PFFC(200)에 의해 생성된 힘 등 순간적 힘과 같은 갑작스런 힘을 받았을 때 형태의 변화에 저항하는 물질 특성을 가진다. 그러한 물질 특성은 팔 부착부(220)이 편하게 단단하게 사용자의 팔에 부착되어 PFFC(200)에 의해 촉각 힘이 생성됐을 때 PFFC가 사용자의 팔에 단단히 연결되고 힘이 사용자의 손과 같이 의도된 위치에서 느껴지도록 돕는다.

또한 팔 부착부(220)는 베이스(312)를 포함한다. 베이스(312)는 개구(360)에 늘임 부재의 하나를 슬라이드함으로써 늘임 부재(230, 232, 234)(도 2)와 같은 PFFC(200) 구조와 슬라이드가능하게 연결되도록 설계된 실질적으로 원통형 돌출부이다. 도시된 베이스(312)는 늘임 부재(230, 232, 234)와 같은 PFFC 구조(200)의 각 플랫과 맞아서 팔 부착부(220)의 늘임 부재에 대한 회전을 막는 적어도 하나의 플랫(362)를 포함한다. 또한 베이스(312)는 팔 부착부를 늘임 부재에 조임으로써 각 팔 부착부의 PFFC(200)로의 빠르고 쉬운 부착을 가능하게 하는 설정 스크류(362)를 포함한다.

도 4는 그립 모듈(218)(도 2)의 손목 모듈(216)(도 2)에 대한 피치 운동을 가능하게 하고 또한 피치 방향의 촉각 힘을 제공하는 회전 구동 구성요소(270)(도 2)를 도시한다. 요우 운동을 가능하게 하고 요우 방향으로 촉각 힘을 생성하는 회전 구동 구성요소(272)(도 2)는 회전 구동 구성요소(270)과 유사한 구성을 가진다. 회전 구동 구성요소(270)는 도시된 실시예에서 역전 구동 가능한 DC 모터인 모터(410)를 포함한다. 모터(410)에 의해 생성된 힘은 그립 모듈(218)(도 2)로 구동 도르래(414), 구동 도르래(416), 벨트(418) 및 한 쌍의 텐셔너(420)를 포함하는 벨트-및-도르래 시스템(412)을 통해 전달된다. 도시된 실시예에서, 벨트(418)은 톱니 벨트이다. 도 2에도 도시되어 있듯이, 회전 구동 구성요소(272)는 PFFC(200)에 구조 부재(422)에 의해 고정된다. 회전 구동 구성요소(270)에 의해 생성된 힘은 Z-슬라이드(274)(도 2)의 중심 단부와 연결된 구조 부재(428)에 의해 그립 모듈(281)로 전달된다(도 2, 9 및 10에도 도시되어 있음). 그러므로, 회전 구동 구성요소(270 및 272)는 그립 모듈(218)을 위한 2의 자유도를 구조 부재(422)가 회전 구동 구성요소(272)에 연결되는 손목 모듈(216)과의 접촉 단일점에서 제공하는 두 L 형상 구조 부재(422 및 428)로 둘러싸인 작은 공간 높은 신뢰성과 강력한 설계로 설계되고 구성된다. 나아가, 부재(428)는 또한 전방-오프셋으로 구성되어 부재(428)의 말단 단부(1050)(도 10 및 19)와 연결되는 Z-슬라이드(274)의 중심 단부(1056)(도 10 및 19)가 떨어져 그립(1000)(도 10)과 같이 그립을 사용자의 손바닥과 정렬하는 한편, 부재(428)의 말단 단부(1050)(도 10 및 19)가 부재의 중심 단부(452)(도 4)의 먼 쪽이 되고, 피치 회전점(454)(도 4, 19)가 사용자의 손목 상의 피치 회전의 자연 위치에 인접할 수 있다. 이러한 설정은 그립 모듈(218)의 보다 자연스러운 움직임을 특히 피치 방향으로 가능하게 하고, Z-슬라이드의 중심 단부(1056)가 사용자의 손바닥의 위치와 보다 가깝게 위치할 수 있기 때문에 보다 간편한 Z-슬라이드(274) 설계를 가능하게 한다.

도 19는 손목 모듈(216)과 그립 모듈(218)의 구성을 더 도시한다. 도시를 위하여, 손목 모듈(216)과 그립 모듈(218)의 구성요소의 몇몇은 도 19에서 제거되었다. 도시된 바와 같이, 회전 구동 구성요소(272)는 손목 모듈(216)의 바닥 부분에 위치하고, 하부 커버(278)는 회전 구동 구성요소(270)(도 4)의 모터(410)와 벨트와 도르래 시스템(412)과 유사한 모터와 벨트와 도르래 시스템(도시되지 않음)이다. 회전 구동 구성요소(272)는 구조 부재(422)의 19A 방향의 운동에 의하여 요우 운동과 요우 방향의 힘을 제공한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 회전 구동 구성요소(270)과 그립 모듈(218)은 구조 부재(422)에 연결되어 회전 구동 구성요소(272)가 구조 부재(422)를 움직일 때 회전 구동 구성요소(270)과 그립 모듈 양자가 요우 방향으로 움직인다. 회전 구동 구성요소(270)는 그립 모듈(218)을 피치 방향으로 움직이는 구조 부재(426)의 19B 방향의 운동에 의하여 피치 운동과 피치 방향의 힘을 제공한다.

간편한 설계를 가능하게 하기 위하여, 모터(410)는 모터가 힘을 전달하도록 구성된 운동의 평면과 평행한 관계로 배열된다. 예를 들어, 모터(410)는 PFFC 구조(422)와 실질적으로 수직적 구성으로 연결되고 그립 모듈(218)(도 2)가 피치 방향, 또는 수직 평면으로 움직이게 한다. 한 쌍의 베벨 기어(430)는 그러한 간편한 배열을 가능하게 한다. 또한 회전 구동 구성요소(272)는 모터(410)의 하우징에 고정되고, 그립 모듈(218)의 위치를 나타내는 신호를 생성하기 위해 사용될 수 있고, 예컨대 PFFC 컨트롤 시스템에 의하여 후술되는 바와 같이 사양될 수 있는 회전 위치 센서(432)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 회전 위치 센서(432)는 회전식 광학 인코더이다. 따라서, 회전 구동 구성요소(272 및 270)는 간편하고, 저비용이고, 신뢰성 있는 설계를 가지고 그립 모듈(218)(도 2)에 2의 자유도와 2도의 토크 피드백 능력을 제공한다.

도 5는 Z-슬라이드(274)(도 2)의 선형 구동 구성요소(500)의 부분을 도시한다. 상술한 바와 같이, Z-슬라이드(274)는 그립 모듈(218)(도 2)에 축 선형 자유도를 제공하도록 구성되고 또한 같은 방향으로 촉각 힘을 제공하도록 구성된다. Z-슬라이드(274)는 유일하게 그립 모듈(218)이 자동으로 다양한 길이의 손을 수용하도록 하고, 그립 모듈(218)에 연결된 그립의 위치뿐만 아니라 사용자의 손에 전달된 힘을 감지하도록 한다. Z-슬라이드(274)는 도시된 실시예에서, 역전 구동 가능 DC 모터인 모터(510)를 포함한다. 모터(510)에 의해 생성된 힘은 랙-및-피니언 시스템(512)을 통해 그립 모듈(218)(도 2)에 전달된다. 회전 구동 구성요소(270, 272)과 같이, Z-슬라이드(274)는 모터(510)가 Z-슬라이드(274)와 평행하게 함으로써 간편하고 신뢰성 있는 설계를 제공하기 위하여 한 쌍의 베벨 기어(514)를 사용한다. 따라서 Z-슬라이드(274)는 후술되는 바와 같이 다양한 애플리케이션에서 PFFC(200)의 힘-피드백 능력을 강화하기 위해 사용될 수 있는 촉각 힘을 축 방향으로 제공할 수 있다. 또한 Z-슬라이드(274)는 모터(510)에 고정되고 도시된 실시예에서 회전식 광학 인코더인 회전 위치 센서(516)를 포함한다. 대안적인 실시예에서, Z-슬라이드 위치 정보는 대안적인 회전 센서 및 또는 랙-및-피니언(512)에 연결된 선형 위치 센서로 획득될 수 있다. PFFC의 대안적인 실시예는 아무런 센서, 디스플레이 또는 작동 능력을 가지지 않는, 그립 모듈(218)이 수동 운동을 통해 자동적으로 상이한 사용자 손 크기에 조절할 수 있도록 주요하게 구성된 Z-슬라이드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, Z-슬라이드 없는 그립이 직접 손목 모듈(216)(도 2)에 결합될 수 있다.

도 6은 하부 팔 트위스트 모듈(260)(도 2)를 도시한다. 상술한 바와 같이, 하부 팔 트위스트 모듈(260)은 다른 자유도를 제한하는 한편 특정 자유도를 가능하게 한다. 구체적으로, 하부 팔 트위스트 모듈(260)은 상대적 축 운동을 실질적으로 막는 한편 팔뚝 모듈(214)과 손목 모듈(216) 간의 상대적 꼬임 운동을 가능하게 하여 축 힘이 팔뚝과 손목 모듈 간에서 전달될 수 있고 팔뚝 모듈에서 사용자의 팔을 미끄러는 것을 방지한다. 하부 팔 트위스트 모듈(260)은 커넥터 링(612, 614) 사이에서 연장하는, 설정 스크류(622, 624)에 의하여 튜브(616, 620)를 연결하는 탄성 중합체 요소(610)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 탄성 중합체 요소(610)는 HDPE로 만들어진다. 이 배열은 사용자의 손목과 팔뚝 간의 회전/꼬임 운동의 상당한 자유를 제공하면서도 PFFC(200)을 따라 힘을 전달하기에 팔을 따라 충분한 단단함을 가진다. 튜브(616 및 620)는 손목 모듈(216)과 팔뚝 모듈(214) 간의 경로의 배선(626)을 위한 도관뿐만 아니라 구조 부재의 이중 목적을 제공한다.

도 7은 팔뚝 모듈(212)(도 2)을 더 도시한다. 팔뚝 모듈(212)은 제1 측면 부재(240)와 제2 측면 부재(242)가 회전점(244)에 대하여 회전하도록 함으로써 PFFC(200)이 사용자의 팔의 자연스런 움직임을 따르게 하도록 구성된다. 또한 팔꿈치 모듈(212)는 제1 측면 구성요소(240)와 제2 측면 구성요소(242)에 회전점(2244)에서 힘을 전달하도록 구성된 구동 구성요소(250)를 포함한다. 구동 구성요소(250)는 모터(252)와 벨트-및-도르래 시스템(254)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 모터(252)는 역전 구동 가능한 DC 모터이다. 벨트 및 도르래 시스템(254)는 구동 도르래(710), 피구동 도르래(712), 두 쌍의 텐셔너(714, 716) 및 톱니 벨트(718)를 포함한다. 대안적인 작동 장치는 형상기억 합금과 초음파 액츄에이터를 포함할 수 있다. 또한 팔꿈치 모듈(212)는 사용자의 팔꿈치 각도를 감지하기 위한 회전 위치 센서, 회전식 광학 인코더(720)와 같은 모터(252)에 위치한 특징, 또는 사용자의 팔꿈치 관절에서 위치, 회전 및 힘 데이터를 감지하기 위한 다른 센서를 포함한다. 추가적 또는 대안적인 센서는 전위차계 또는 다른 가변 저항 요소 및/또는 팔꿈치 모듈(214)에 부착된 가속도계, 자이로스코프 및/또는 자력계와 같은 IMU를 포함할 수 있다.

또한, 팔꿈치 모듈(212)은 팔뚝 모듈(214)와 상부 팔 모듈(210) 지지 및/또는 연결하고 모듈들이 상이한 팔 크기를 수용하도록 조정되도록 치수화, 위치 또는 다르게 구성되고 리시버(724, 726)를 포함한다. 또한 팔꿈치 모듈(212)은 다양한 입력 인자에 기반하여 운동에 대한 저항을 변화시키기 위하여 마찰 브레이크 패드에 대해 압력을 구동시키는 가변 저항 요소를 포함한다. 다른 변화는 두 자기적 판 사이의 운동에 전가기적 저항을 제공하는 구조, 또는 전기적 또는 기계적으로 제어되는 흐름 밸브를 통해 강제되는 수압식 또는 기압에 의해 제어되는 바와 같이 운동에 저항을 제공하는 구조를 포함한다.

도 8은 그립(810)의 예시가 제거가능하게 연결되는 그립 모듈(218) 및 손목 모듈(216)(도 2)을 도시한다. 상술한 바와 같이, 그립 모듈(218)은 회전 구동 구성요소(270, 272)(도 8에 하나만 도시됨) 및 Z-슬라이드(274)를 포함한다. 그립 모듈(218)의 위치는 회전 구동 구성요소 및 선형 구동 구성요소(270, 272, 280)의 모터에 위치한 회전식 광학 인코더로부터 결정될 수 있고, 또는 그립 모듈(218)에 IMU 센서의 부가와 같은 다른 방법으로 결정될 수 있다. 또한 그립 모듈(218)은 그립(810)의 예시를 Z-슬라이드(274)에 제거가능하게 연결하도록 설계된 그립 부착부(812)를 포함한다. 그립 부착부(810)는 기계적 및 전기적으로 그립(810)과 같은 다양한 그립을 그립 모듈(218)에 쉽고 빠르게 연결하도록 구성되어 사용자가 사용 중에 쉽게 그립을 교체할 수 있다. 도시된 실시예에서, 그립 부착부(812)는 그립과 인쇄 회로 기판(PCB) 전기적 커넥터 및 발포재 및 발포재 내에 위치한 전도성 요소를 포함하는 전도성 탄성 중합체 요소를 통해 전기적 연결을 형성하도록 설정된다. 전도성 탄성 중합체 요소는 그립 부착부(812) PCB와 그립에 위치한 PCB 간에 위치하도록 구성되고 이에 의하여 전기적 연결을 형성한다. 그립(810)의 예시는 Z-슬라이드(274)에 고정된 손재주 핸들 구조(820)를 포함한다. 도시된 바와 같이, Z-슬라이드(274)와 그립(810)은 사용자의 손목과 떨어져 위치하고, 회전 구동 구성요소(270, 272)(도 8에 하나만 도시된)와 떨어져 있다. 사용 중, 손재주 핸들 구조(820)는 사용자의 손에 장갑 형상 직물 구조(822)와 같은 부작 구조를 사용하여 사용자의 손바닥 부위를 가로질러 부착되고 스트랩을 사용하여 조정될 수 있다. 그립(810)의 예시는 PFFC(200)을 입은 동안 사용자가 물체를 집고 조작할 수 있게 한다. 그립 모듈(218)에 연결될 수 있는 그립의 다른 실시예는 도 8에 도시된 바와 같이 사용자의 손등에 인접하도록 설계된 손재주 핸들 구조(820)와 같은 사용자의 손에 의해 잡히게 설계되지 않은 구조를 포함하여 그립 모듈을 사용자의 손에 기계적으로 연결하는 임의의 구조를 포함한다.

도 9 및 10은 제거가능하게 그립 모듈(218)에 연결된 대안적 그립(900 및 1000)을 도시한다. 그립 모듈(218) 및 Z-슬라이드(274)는 다양한 능동적(예컨대 다양한 센서, 디스플레이 및 작동 능력을 가진) 또는 수동적 그립을 수용할 수 있다. 그립(900)(도 9)는 Z-슬라이드(274)에 연결된 컨트롤 스틱 형상 인체공학 핸들(910)을 포함한다. 핸들(910)은 PFFC 애플리케이션에 입력을 제공하도록 구성된 4 위치 햇 스위치(912)뿐만 아니라 사용자가 핸들을 잡고 있을 때를 감지하기 위한 적외선 근접 센서(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 그립(900)의 가능한 응용은 차량 제어 및 비행 시뮬레이션이다. 그립(1000)(도 10)은 Z-슬라이드(274)에 연결된 권총 핸들(1002)을 포함한다. 권총 핸들(1002)는 그립(1000)의 측면을 따르는 버튼(1006)과 같은 임의의 수의 설정 버튼뿐만 아니라 방아쇠-작동 스위치(1004)를 포함할 수 있다. 그립(1000)은 예컨대 게임뿐만 아니라 무기 훈련 시뮬레이션에 사용될 수 있다. 도시된 실시예에서, Z-슬라이드(274)는 총이 발사될 때 반동 힘과 같은 그립(1000)으로 특정된 촉각 힘 피드백 능력을 제공할 수 있다. 일실시예에서, 권총 핸들(1002)는 또한 Z-슬라이드(274)에 의해 생성된 힘에 더하여 추가적인 충동적 반응 힘을 제공함으로써 가상 권총을 발사하는데 추가적인 촉각 사실감을 더할 수 있는 내부 솔레노이드(도시되지 않음)을 가질 수 있다.

도 11 및 12는 인접한 모듈 간 상대적 비틀림 운동을 할 수 있게 하기 위해 사용될 수 있는 트위스트 모듈의 대안적인 실시예를 도시한다. 예를 들어, 트위스트 모듈(1100) 또는 트위스트 모듈(1200)은 하부 팔 트위스트 모듈(260)(도 2 및 6) 대신 사용될 수 있다. 트위스트 모듈(1100)은 인접한 모듈 간 상대적 운동을 가능하게 하는 포개지는 구조(1106) 및 관절(1108 및 1110)을 연결하는 두 측면 팔 부재(1102, 1104)를 포함한다. 트위스트 모듈(1100)의 전체 길이는 포개지는 부분(1106)의 나사선 있는 외부 샤프트(1112)를 나사선 있는 내부 샤프트(1114)에 대해 회전시킴으로써 예컨대, 사용자의 팔의 길이에 맞게 조절될 수 있다. 전기적 케이블은 튜빙(1120 및 1122)의 내부 루멘을 통해 전송될 수 있다. 트위스트 모듈(1200)(도 12)는 관절(1206)에서 결합되는, 각도 운동뿐만 아니라 상대적 회전 운동을 가능하게 하지만, 실질적으로 축 운동은 막는 제1 팔 부재(1202) 및 제2 팔 부재(1204)를 포함한다. 관절(1200)은 조작자의 하부 팔의 꼬임의 고해상도 감지를 제공할 수 있는 고해상도 회전 공학 인코더를 포함할 수 있다.

도 13은 팔꿈치 모듈(212)과 같은 팔꿈치 모듈에서 사용될 수 있는 대안적인 힌지 메커니즘(1300)을 도시한다. 힌지(1300)는 다중-중심 힌지(1306)와 회전가능하게 연결된 제1 및 제2 측면 부재(1302, 1304)를 포함한다. 다중-중심 힌지(1306)는 1:1 또는 1:1 이외의 제1 및 제2 측면 부재(1302, 1304)) 간의 각 운동의 비율을 제공할 수 있는 기어식 메커니즘이다. 예를 들어, 주어진 양의 제1 측면 부재(1302)의 다중-중심 힌지(1306)에 대한 각 운동에 대하여, 제2 측면 부재(1304)는 상이한 양을 움직일 수 있다. 이러한 관계는 팔 부착부와 사용자의 팔 사이의 원치 않는 상대적 축 운동을 막는, 사용자의 팔의 자연스러운 움직임을 보다 가깝게 따르는 팔꿈치 모듈을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, PFFC의 예시적인 실시예는 모듈식 PFFC를 포함하고, PFFC는 상이한 애플리케이션을 위해 쉽게 연결되고 제거될 수 있는 교환가능한 모듈로 이루어진다. 그러므로, 모듈의 서브셋이 특화된 목적을 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 사용가능한 PFFC 모듈의 서브셋이 특정 목적을 위해 사용될 수 있다. 이것은 PFFC가 필요한 기능을 위하여 최적으로 재구성될 수 있게 한다. 예시적인 실시예는 전기적 데이터 및 전력 커넥터뿐만 아니라 표준화된 기계적 맞춤 특징의 사용을 통하여 이 구성가능성을 지원한다. 예를 들어, 일실시예에서, 이중 플랫을 가진 ½" (또는 다른 크기의) 알루미늄 튜브 또는 다른 배선 전달 구조가 PFFC와 그 모듈의 구조에서 널리 사용될 수 있다. 모듈들은 쉽게 이들 튜브 또는 다른 배선 전달 구조에 적절한 맞춤 구성요소(예컨대 핀-및-리셉터클)로 부착될 수 있고 구조에 설정-스크류로 부착될 수 있고, 또는 적절하게 구조에 따라 남겨질 수 있다. 일실시예에서, 원형의 푸시-풀, 자기-잠금(self-latching), 퀵-연결해제 커넥트가 모듈들 간의 데이터 및 전력 연결이 재구성을 위하여 빠르게 형성되거나 해제되도록 사용될 수 있다. 도 14 및 15는 PFFC(200)의 모듈성과 같은 PFFC의 성능을 도시한다. 예를 들어, 도 14는 어떻게 무기 훈련 또는 게임을 위한 높은 휴대성의 컨트롤러를 제공할 수 있는 손목 모듈(216)과 그립 모듈(218)이 다른 모듈에 독립적으로 사용될 수 있는지 도시한다. 도 15는 팔뚝 모듈(214), 팔꿈치 모듈(212) 및 상부 팔 모듈(210)이 팔꿈치 운동 또는 물리 요법과 같은 다양한 애플리케이션을 위하여 다른 모듈에 독립적으로 사용될 수 있는 다른 예시를 도시한다.

도 16 내지 18은 다양한 PFFC 실시예에서 사용될 수 있는 컴퓨터와 전기 시스템 구조의 예시를 도시한다. 시스템 구조(1600)의 예시는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있는 프로세싱 구성요소(1602), 외부 통신 구성요소(1604), 내부 통신 구성요소(1606), 모터 구동 구성요소(1608) 및 인코더 인터페이스 구성요소(1610)를 포함한다. 외부 통신 구성요소(1604)는 송신기, 수신기, 송수신기, 통신 포트 또는 PFFC 전자 장치와 온보드 또는 원격 호스트 컴퓨터 간의 통신을 다루도록 구성된 다른 통신 장치일 수 있다. 다양한 유선 또는 무선 통신 프토로콜이 외부 통신 구성요소(1604)에 의해 다뤄질 수 있다. 내부 통신 구성요소(1606)는 그립 모듈에 부착된 그립과의 통신과 같은 PFFC의 모듈 및 구성요소 간의 데이터 통신을 다룰 수 있다.

모터 구동 구성요소(1608)는 프로세싱 구성요소(1602)가 하나 이상의 모터의 토크를 제어할 수 있도록 하는 인코더 또는 구동 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어는 두 펄스 폭 변조(PWM) 제어 신호의 사용 및 지시 신호를 포함할 수 있다. DC 모터에서 사용되는 전류에 직접 비례하는 아날로그 신호가 프로세싱 구성요소(1602)에 제공되어 토크 제어가 모터에 영향을 받을 수 있다. 다양한 모터가 모터 구동 구성요소(1608)에 의해 작동될 수 있다. 임의의 모듈이 모터 및 모터 구동 구성요소를 포함할 수 있다. 임의의 모듈을 위한 모터 구동 구성요소(1608)는 각 모듈의 모터를 구동시킬 수 있고 따라서 사용자에게 힘 피드백을 제공한다. 추가적인 감지 능력 및 선택적인 브레이킹 저항 또는 토크 모터 구동 구조가 임의의 모듈 및/또는 그 구성요소에 포함될 수 있다.

인코더 인터페이스 구성요소(1610)는 임의의 모듈의 구동 구성요소로부터의, 구형(quadrature) 포맷으로 제공되는 등의 선형 및 회전 센서 정보를 수신 및/또는 처리할 수 있다. 인코더 인터페이스 구성요소(1610)는 센서와의 기초적 인터페이싱을 다룰 수 있고 해당되는 인코더 "틱" 카운터를 하드웨어로 구현할 수 있다. 프로세싱 구성요소(1602)는 판독되고 카운터를 리셋할 수 있다. 모터, 모터 구동 구성요소(1608) 및 인코더 인터페이스 구성요소(1610)의 수는 PFFC의 특정 구성에 기반하여 다양할 수 있다.

도 17(도 17a 포함)은 PFFC의 전자적 구조가 어떻게 모듈식 시스템으로 설계되어 모듈식 PFFC의 모듈성을 가능하게 할 수 있는지를 보여주는 구조(1600)의 응용(1700)의 예시를 도시한다. 전자적 구성요소는 그들이 단일 인쇄 회로 기판에 함께 상주하도록, 또는 모듈성 및/또는 포장을 고려하여 다수의 인쇄 회로 기판에 걸쳐 분산되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 모듈은 유닐한 회로 기판을 포함할 수 있고, 또는 하나 이상의 다른 모듈 또는 구성요소와 회로 기판을 공유할 수 있다. 도 17에 도시된 일실시예에서, PFFC 전자 장치는 단일 인쇄 회로 기판 조립에 호스트된다. 도시된 실시예는 고성능 디지털 신호 프로세서의 형태의 프로세싱 구성요소(프로세싱 구성요소(1602)에 대응), 도시된 바와 갈이 복합 프로그래머블 논리 소자(CPLD)를 사용하여 구현될 수 있는 7개의 인코더 인터페이스(인코더 인터페이스 구성요소(1610)에 대응), 6개의 모터 구동 구성요소(모터 구동 구성요소(1608)에 대응)를 포함한다. 외부 통신 구성요소(외부 통신 구성요소(1606)에 대응)는 유선 USB 2.0 및/또는 통신 프로토콜을 포함할 수 있다. 내부 통신 구성요소(내부 통신 구성요소(1606)에 대응)는 양방향 직렬 통신, 단일 인코더를 위한 구형 인터페이스, 단일 DC 모터를 위한 모터 구동 신호 및 그립 버스(Grip Bus)로의 전력 공급 DC 전력을 포함할 수 있다.

도 18(도 18a 포함)은 모터 구동 구성요소(1800)(모터 구동 구성요소(1608)에 대응)의 예시를 도시한다. PFFC 전자 장치는 예컨대 변압기를 가진 AC 어댑터 또는 배터리의 DC 전력원으로부터 전력공급 받을 수 있다. 일실시예에서, PFFC 전자 장치는 12V 내지 30V DC 전력원으로부터 전력공급 받을 수 있다. 일실시예에서, 그들은 22V, 2.5 앰프 DC 전력원으로부터 전력공급 받을 수 있다. 다른 실시예에서, PFFC 전자 장치는 14.8V, 800mAh 리튬 폴리머 배터리로부터 전력공급 받을 수 있다.

나아가, MPEFFC 일렉트로닉스는 일반적인 소비자, 연구실 및 공업적 환경에서 수동적 냉각만이 필요하도록 설계될 수 있다(예컨대 섭씨 5 내지 38도).

본 명세서에 설명된 PFFC는 신체 위치를 감지하고 신체의 하나 이상의 부분에 촉각 자극(예컨대 운동 저항, 촉각 모터 힘, 모터를 통한 진동, 초음파 진동 또는 만약 임의의 모듈에 열 또는 냉각 요소가 포함되어 있다면 열이나 냉기) 및/또는 비-촉각적 자극(시각적 디스플레이, 소리, 냄새 중 하나 이상을 의미할 수 있음)을 가할 수 있다. PFFC 모듈은 서로 부착할 수 있고, 서로 순차적으로 작동하거나 서로 독립적으로 작동하여 사용자가 다양한 외골격 부착물을 함께 또는 개별적으로 구입하게 할 수 있다.

본 명세서에 설명된 PFFC는 원격 컴퓨터, 온보드 컴퓨터 및/또는 스마트폰이나 태블릿과 같은 휴대용 전자 기기에 의해 제어될 수 있다. 시스템이 콘솔로서 혹은 테이블 위에 독립적이거나, 백팩 안에 있거나, 외골격의 일부로서 포함되어 있거나, 휴대용 전자 기기이든, 다양한 실시예에서 PFFC에 하드웨어 내장되거나 PFFC와 무선 연결을 가질 수 있다. 이 통신은 컴퓨터가 위치 또는 다른 센서를 판독할 수 있고, 촉각적 또는 비-촉각적 자극을 PFFC 또는 애드-온 부착물을 통해 가할 수 있게 한다.

예시적인 실시예는 상술되고 동반되는 도면에 도시되었다. 이 분야의 통상적인 기술자는 다양한 변화, 생략 및 부가가 본 명세서에 명시적으로 개시된 것에 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어남 없이 만들어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims

손목 모듈; 및
상기 손목 모듈과 연결되는 그립 모듈을 포함하고,
상기 손목 모듈은 힘 피드백 컨트롤러와 사용자의 팔을 연결하도록 구성된 제1 팔 부착부를 포함하고,
상기 그립 모듈은 상기 손목 모듈에 대해 제1 및 제2 방향으로 이동가능하고, 상기 제1 방향은 상기 제2 방향에 실질적으로 수직이고,
상기 그립 모듈은:
그립 부착부를 가지는 선형 슬라이드 메커니즘을 포함하며, 상기 그립 부착부는 상기 제1 및 제2 방향 중 적어도 하나에 실질적으로 수직인 제3 방향으로의 선형 운동으로 구속되고, 상기 그립 부착부는 상기 그립 모듈에 그립을 연결시키도록 구성되는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 선형 슬라이드 메커니즘은 상기 그립 부착부에 힘을 전달하도록 구성된 선형 구동 구성요소를 더 포함하는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 그립 모듈에 상기 제1 방향으로 힘을 전달하도록 구성된 제1 회전 구동 구성요소를 더 포함하는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 그립 모듈에 상기 제2 방향으로 힘을 전달하도록 구성된 제2 회전 구동 구성요소를 더 포함하는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 1에 있어서,
제2 팔 부착부를 가지는 상부 팔 모듈; 및
제3 팔 부착부를 가지는 팔뚝 모듈을 더 포함하고,
상기 제2 팔 부착부는 사용자의 상부 팔에 연결되도록 구성되고,
상기 제3 팔 부착부는 사용자의 팔뚝에 연결되도록 구성되고,
상기 제1 및 제2 팔 부착부는 실질적으로 상기 제1 팔 부착부와 동일한 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 팔 부착부는:
상부 부분 및 하부 부분을 가지는 쉘; 및
상기 쉘의 크기를 조정하도록 구성된 조정 메커니즘을 포함하고,
상기 상부 부분은 회전가능 및 슬라이드가능하게 상기 하부 부분에 연결되는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 팔 부착부는 상기 쉘의 적어도 일부에 위치한 점탄성 폼(foam)을 더 포함하고, 상기 점탄성 폼은 사용자의 팔의 윤곽에 맞고 충동 힘(impulse force)에 노출될 때 변형에 저항하도록 구성되는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 그립 부착부는 제1 인쇄 회로 기판 전기적 커넥터 및 전도성 탄성 중합체 요소를 포함하고, 상기 제1 인쇄 회로 기판 전기적 커넥터 및 전도성 탄성 중합체 요소는 상기 그립 모듈과 연결된 그립의 제2 인쇄 회로 기판 전기적 커넥터와 전기적 연결을 형성하도록 설계되고 구성되는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 방향은 제1 축에 대한 회전을 포함하고, 상기 제2 방향은 제2 축에 대한 회전을 포함하고, 상기 제2 축은 상기 제1 축과 비-평행하고, 상기 제3 방향은 상기 제1 축 및 상기 제2 축 중 적어도 하나와 실질적으로 수직인 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 축, 상기 제2 축 및 상기 제3 방향은 서로에 대하여 실질적으로 직교하는 힘 피드백 컨트롤 장치.
손목 모듈;
팔뚝 모듈; 및
제1 단부 및 제2 단부를 가지는 외골격 부재를 포함하고,
상기 손목 모듈은 사용자의 팔의 제1 부분에 연결되도록 구성된 제1 팔 부착부를 포함하고,
상기 팔뚝 모듈은 사용자의 팔의 제2 부분에 연결되도록 구성된 제2 팔 부착부를 포함하고,
상기 팔뚝 모듈은 상기 제1 단부에 연결되고, 상기 손목 모듈은 상기 제2 단부에 연결되고,
상기 외골격 부재는:
상기 팔뚝 모듈과 상기 손목 모듈 간의 상대적 비틀림 운동을 가능하게 하고, 상기 팔뚝 모듈과 상기 손목 모듈 간의 상대적 축 운동을 실질적으로 방지하도록 구성된 비틀림 요소를 가지는 비틀림 모듈을 포함하고,
상기 제1 및 제2 팔 부착부 중 적어도 하나는:
탄력성 있는 제1 부분 및 이중 벽을 가지는 제2 부분을 가지는 쉘; 및
상기 탄력성 있는 제1 부분을 상기 제2 부분에 대해 고정함으로써 상기 팔 부착부를 사용자의 팔에 단단히 연결하는 조정 메커니즘을 포함하고,
상기 탄력성 있는 제1 부분은 제1 단부 및 제2 단부를 가지고, 상기 이중 벽을 가지는 제2 부분은 그 사이에 공간을 정의하는 제1 및 제2 벽을 가지고, 상기 제1 단부 및 상기 제2 단부는 각각 슬라이드가능하게 상기 공간에 배치되는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 팔 부착부는 상기 쉘의 적어도 일부에 위치한 점탄성 폼(foam)을 더 포함하고, 상기 점탄성 폼은 사용자의 팔의 윤곽에 맞도록 구성되는 힘 피드백 컨트롤 장치.
손목 모듈;
팔뚝 모듈;
제1 단부 및 제2 단부를 가지는 외골격 부재; 및
상기 팔뚝 모듈에 제거가능하게 연결되도록 구성된 팔꿈치 모듈을 포함하고,
상기 손목 모듈은 사용자의 팔의 제1 부분에 연결되도록 구성된 제1 팔 부착부를 포함하고,
상기 팔뚝 모듈은 사용자의 팔의 제2 부분에 연결되도록 구성된 제2 팔 부착부를 포함하고,
팔뚝 모듈은 상기 제1 단부에 연결되고, 상기 손목 모듈은 상기 제2 단부에 연결되고,
상기 외골격 부재는:
상기 팔뚝 모듈과 상기 손목 모듈 간의 상대적 비틀림 운동을 가능하게 하고, 상기 팔뚝 모듈과 상기 손목 모듈 간의 상대적 축 운동을 실질적으로 방지하도록 구성된 비틀림 요소를 가지는 비틀림 모듈을 포함하고,
상기 팔꿈치 모듈은:
제2 측면 부재에 회전가능하게 연결된 제1 측면 부재;
상기 제1 및 제2 측면 부제에 회전 힘을 전달하도록 구성된 회전 구동 메커니즘을 포함하고,
상기 제1 및 제2 측면 부재 각각은 제3 및 제4 팔 부착부에 슬라이드가능하게 연결되도록 설계되고 구성된 부착부를 가지고,
상기 회전 구동 메커니즘은 상기 제1 및 제2 측면 부재 중 하나에 연결된 전기적 모터를 포함하는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 팔꿈치 모듈은 상기 제1 측면 부재가 상기 제2 측면 부재에 대해 회전 가능하도록 구성된 회전 메커니즘을 더 포함하고, 상기 회전 메커니즘은 다중-중심 힌지를 포함하는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 팔꿈치 모듈은 상기 제1 측면 부재가 상기 제2 측면 부재에 대해 회전 가능하도록 구성된 회전 메커니즘을 더 포함하고, 상기 회전 메커니즘은 상기 제1 측면 부재를 상기 제2 측면 부재에 대하여 회전시키기 위하여 제어가능하게 저항을 조절하도록 구성된 가변 저항 요소를 포함하는 힘 피드백 컨트롤 장치.
청구항 15에 있어서,
상기 가변 저항 요소는 1) 마찰 요소 및 2) 전자기적 요소로 이루어진 그룹에서 선택되는 힘 피드백 컨트롤 장치.
팔뚝 모듈, 손목 모듈 및 그립 모듈을 포함하고,
상기 팔뚝 모듈 및 상기 손목 모듈은 제거가능하게 함께 연결되어 힘 피드백 컨트롤러 외골격을 형성하도록 설계되고 구성되며, 상기 그립 모듈은 상기 손목 모듈에 연결되고 상기 손목 모듈에 대하여 제1 방향으로 이동가능하고,
상기 그립 모듈은 선형 슬라이드 메커니즘 및 상기 선형 슬라이드 메커니즘에 연결된 그립을 포함하고, 그립은 선형 슬라이드 메커니즘을 통하여 제1 방향과 실질적으로 수직인 방향으로 이동가능한 힘 피드백 컨트롤러 외골격 장치.
청구항 17에 있어서,
제거가능하게 상기 팔뚝 모듈에 연결되도록 구성된 팔꿈치 모듈을 더 포함하고, 상기 팔꿈치 모듈은:
늘임 리시버 및 상기 늘임 리시버에 슬라이드가능하게 연결된 상부 팔 모듈;
제2 측면 요소에 회전가능하게 연결된 제1 측면 요소; 및
상기 제1 측면 요소를 상기 제2 측면 요소에 상대적으로 구동하도록 구성된 구동 메커니즘을 포함하고,
상기 상부 팔 모듈은 상기 팔꿈치 모듈을 사용자의 팔에 부착하도록 구성되는 힘 피드백 컨트롤러 외골격 장치.
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