KR101820006B1 - 에너지 회수기능의 다리 달린 로봇 장치 - Google Patents

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사르코스 엘씨
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Abstract

레그를 가진 로봇장치가 공개된다. 레그를 가진 로봇장치는 인간의 다리가 가지는 자유도에 해당하는 복수 개의 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 서로 결합된 복수 개의 지지부재들을 포함할 수 있다. 상기 레그를 가진 로봇장치는 또한 상기 자유도에서 하중 또는 토크를 상기 지지 부재에 가하기 위해 액추에이터들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 레그를 가진 로봇장치는 상기 자유도에서 상기 지지 부재들의 상대운동에 의해 형성된 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터들을 보조하기 위해 보상 하중 또는 토크로서 상기 지지부재들에 대해 저장된 상기 포텐샬에너지의 적어도 일부분을 제공하도록 작동할 수 있고 상기 자유도와 관련한 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함한다. 한 가지 특징에 의하면, 탄성 포텐샬 에너지가 저장될 수 있다. 상기 포텐샬 에너지 저장기구의 스프링 비율 및/또는 영점이 동적으로 변화할 수 있다.

Description

에너지 회수기능의 다리 달린 로봇 장치 {ENERGY RECOVERING LEGGED ROBOTIC DEVICE}
본 출원은 본 명세서에서 전체 내용을 참고로 하고 2014년 5월 6일 출원된 미국 가출원 제61/989,427호를 우선권으로 주장한다.
다양한 외골격(exoskeleton), 휴머노이드(humanoid) 및 다른 다리 달린 로봇 시스템(legged robot system)이 공개되지만, 다수가 실제로 제조된 것은 아니다. 에너지 자율(energetic autonomy)과 관련한 상기 시스템에서 해결되어야 할 기본적인 기술적 문제는 파워(power)다. 두 개의 옵션이 이용될 수 있다. 에너지 고밀도 공급원(energy dense source)을 효율적으로 이용하고 로봇 시스템의 요건을 만족시키는 고출력 파워 공급을 이용하거나 상대적으로 작은 파워를 이용한다. 제 1 옵션은 휴대용 파워가 도전으로 남아있는 한 실용성이 부족하여 제 2 옵션을 남겨놓는다.
따라서, 존재하는 외골격 또는 보행기능의 로봇들은 연장된 시간동안 높은 하중과 속도 출력을 제공할 수 없다.
다시 말해, 파워 문제는 극복할 수 없는 장애로 존재해 왔으며 전형적인 해결방법은 시스템의 파워 출력 능력을 감소시키는 것이다.
본 발명의 특징들과 장점들은 본 발명의 예 및 특징들로서 도시되고 첨부된 도면들을 참고하여 하기 상세한 설명으로부터 이해될 것이다.
도 1A 및 도 1B는 본 공개내용의 예를 따르는 다리 달린 로봇 장치의 도면들.
도 2A는 본 공개내용의 예를 따르는 액추에이터 및 포텐샬 에너지 저장 기구의 구조를 도시한 도면.
도 2B는 본 공개내용의 또 다른 예를 따르는 액추에이터 및 포텐샬 에너지 저장 기구를 도시한 도면.
도 2C는 본 공개내용의 또 다른 예를 따르는 액추에이터 및 포텐샬 에너지 저장 기구를 도시한 도면.
도 3A는 본 공개내용의 또 다른 예를 따르는 다리 달린 로봇 장치의 유압 및/또는 공압 부품들을 제어하기 위해 이용될 수 있는 밸브 장치를 도시한 도면.
도 3B는 본 공개내용의 또 다른 예를 따르는 다리 달린 로봇 장치의 유압 및/또는 공압 부품들을 제어하기 위해 이용될 수 있는 밸브 장치를 도시한 도면.
도 3C는, 본 공개내용의 또 다른 예를 따르는 다리 달린 로봇 장치의 유압 및/또는 공압 부품들을 제어하기 위해 이용될 수 있는 밸브 장치를 도시한 도면.
도 4는, 무릎 토크와 무릎 각도사이의 관계를 도시한 무릎 조인트의 전형적인 인간 걷기 보조(walking gait) 사이클을 도시한 그래프.
도 5A 및 도 5B는, 본 공개내용의 또 다른 예를 따르는 다리 달린 로봇 장치의 도면들.
도시된 실시예들을 참고하며 실시예들을 설명하기 위해 구체적인 용어가 본 출원에서 이용된다. 그러나, 이러한 설명이 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것을 이해할 것이다.
본 출원에서 이용되는 것처럼, "실질적으로"는 완전하거나 거의 완전한 정도 또는 크기의 작용, 특징, 특성, 상태, 구조, 아이템 또는 결과를 나타낸다. 예를 들어, "실질적으로"를 포함한 대상은, 그 대상이 완전히 포함되거나 거의 완전하게 포함된 것임을 의미한다. 일부 경우들에서 절대적으로 완전함(completeness)으로부터 벗어나 정확한 허용 편차(degree of deviation)는 구체적인 문맥에 의존한다. 그러나, 일반적으로 완전에 근접(nearness of completion)한 것은 절대적이고 전체적인 완전함이 구해진 것처럼 동일한 전체 결과를 가지기 위한 것이다. "실질적으로"는 완전하거나 거의 완전히 부족한 작용, 특징, 특성, 상태, 구조, 아이템 또는 결과를 언급하기 위해 부정적인 의미로 이용될 때 동일하게 이용될 수 있다.
본 출원에서 이용되는 것처럼, "근접한"은 두 개의 구조체들 또는 구성요소들의 근접한 정도를 의미한다. 특히, "근접한" 것으로 확인되는 요소들은 인접하거나 연결될 수 있다. 상기 요소들은 반드시 서로 접촉하지 않고도 서로에 대해 근접하거나 인접할 수도 있다. 일부 경우들에서 정확한 근접한 정도는 구체적인 문맥에 의존한다.
기술 실시예에 관한 최초 검토가 아래에 제공되고 다음에 구체적인 기술 실시예들이 아래에서 더욱 상세하게 설명된다. 이러한 최초 요약은 독자들이 상기 기술을 더욱 신속하게 이해하는 것을 돕기 위한 것이며 기술의 핵심적 특징 또는 필수적인 특징을 확인하기 위한 것이 아니며 청구된 핵심 요지의 범위를 제한하기 위한 것도 아니다.
이용가능한 파워가 제한된 상태에서 외골격, 휴머노이드 또는 다른 다리 달린 로봇 시스템의 파워 출력 및 내구성능(endurance capabilities)을 개선하기 위하여, 상기 시스템의 효율은 개선의 핵심들 중 하나가 되어야 한다. 따라서, 전형적인 로봇 시스템에 비해 효율을 개선시키는 다리 달린 로봇 장치가 공개된다. 한 가지 특징에 의하면, 소실될 수 있는 에너지를 저장하고 저장된 에너지를 장치에서 이용하기 위해 제공되기 위해 포텐샬 에너지 저장 기구가 포함된다. 다리 달린 로봇 장치는 복수 개의 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 서로 결합되는 복수 개의 지지 부재들을 포함할 수 있고, 상기 복수 개의 자유도들 중 적어도 한 개는 인간 다리가 가지는 적어도 한 개의 자유도에 해당된다. 상기 다리 달린 로봇 장치는 또한 상기 적어도 한 개의 자유도를 가지며 지지 부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하기 위해 액추에이터(actuator)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 다리 달린 로봇 장치는, 상기 복수 개의 자유도들 중 적어도 한 개의 자유도를 가지며 상기 지지 부재의 상대 운동의 결과로서 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터를 보조하기 위해 보상력 또는 토크로서 상기 지지 부재들에 대해 상기 저장된 포텐샬 에너지 중 적어도 일부분을 제공하도록 작동하며 상기 복수 개의 자유도들 중 적어도 한 개와 관련된 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함할 수 있다. 상기 포텐샬 에너지 저장 기구가 가지는 스프링 비율(spring rate) 및/또는 영점 위치(zero position)는 동적으로 변화할 수 있다.
본 발명의 특징에 의하면, 인간 다리의 무릎(knee)가 가지는 자유도에 해당하는 제 1 자유도를 형성하는 상대운동을 위한 제 2 지지부재와 연결된 제 1 지지 부재를 포함하는 다리 달린 로봇 장치가 공개된다. 상기 다리 달린 로봇 장치는 상기 제 1 자유도에서 상기 제 1 및 제 2 지지부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하기 위한 제 1 액추에이터를 포함할 수 있다. 또한, 상기 다리 달린 로봇 장치는, 상기 제 1 자유도를 가지며 상기 제 1 및 제 2 지지부재의 상대 운동의 결과로서 포텐샬 에너지를 저장하고 제 1 액추에이터를 보조하기 위해 보상력 또는 토크로서 상기 제 1 및 제 2 지지 부재들에 대해 상기 저장된 포텐샬 에너지 중 적어도 일부분을 제공하도록 작동하며 상기 제 1 자유도 관련된 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함할 수 있다. 상기 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구가 가지는 스프링 비율 및/또는 영점 위치는 동적으로 변화할 수 있다.
또 다른 특징에 의하면, 인간 다리의 힙(hip)이 가지는 자유도에 해당하는 제 1 자유도를 형성하는 상대운동을 위한 제 2 지지부재와 연결된 제 1 지지 부재를 포함할 수 있는 다리 달린 로봇 장치가 공개된다. 상기 다리 달린 로봇 장치는 상기 제 1 자유도에서 상기 제 1 및 제 2 지지부재들에 대해 토크를 가하기 위한 제 1 액추에이터를 포함할 수도 있다. 또한, 상기 다리 달린 로봇 장치는, 상기 제 1 자유도를 가지며 상기 제 1 및 제 2 지지부재의 상대 운동의 결과로서 포텐샬 에너지를 저장하고 제 1 액추에이터를 보조하기 위해 보상 토크로서 상기 제 1 및 제 2 지지 부재들에 대해 상기 저장된 포텐샬 에너지 중 적어도 일부분을 제공하도록 작동하며 상기 제 1 자유도 관련된 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함할 수 있다. 상기 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구의 스프링 비율 및/또는 영점 위치는 동적으로 변화할 수 있다.
다리 달린 로봇 장치의 예가 도 1A 및 도 1B에 도시된다. 상기 다리 달린 로봇 장치(100)는 휴머노이드 로봇 또는 다른 다리 달린 로봇 장치로서 인체에 부착하기 위한 외골격 구조체로서 구성될 수 있고 군사용, 긴급 구조(first responders), 상업분야 등과 관련된 적용예들에서 이용될 수 있다. 상기 다리 달린 로봇 장치(100)는 본 출원에 설명된 개념에 따라 적합한 구조를 포함할 수 있다. 실시예에서, 도면에 도시된 것처럼, 상기 다리 달린 로봇 장치(100)는 복수 개의 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 서로 결합되는 복수 개의 지지부재(110a- g)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 지지부재(110a- g)들은 병진운동 자유도가 가능하더라도 한 개이상의 축(111a- g) 주위에서 회전운동 자유도를 형성하며 서로 회전가능하게 결합될 수 있다. 본 발명의 특징에 의하면, 두 개이상의 축(111a- g)들이 조인트에서 서로 연결될 수 있다. 조인트는 한 개이상의 자유도를 수용할 수 있다. 예를 들어, 지지부재(110b,110c)는 서로 연결되어 단일 자유도를 형성하고 상기 지지부재(110f, 110g)들은 (예를 들어, 유니버설 조인트 또는 볼 조인트에 의해) 서로 연결되어 축(111f,111g) 주위에서 자유도를 형성한다. 상기 단일 또는 다중 자유도 조인트들은 상기 장치(100)의 적합한 모든 위치에 제공될 수 있다. 축(111a-g) 주위에서 회전 자유도와 같은 한 개이상의 자유도는, 힙의 구부림/신장(hip flexion/extension), 힙의 외전/내전(abduction/adduction), 힙의 내측/측면(medial/lateral) 회전운동, 무릎의 구부림/신장, 발목의 구부림/신장, 발목의 내전/외전(inversion/eversion), 및 발목의 내측/측면 회전운동과 같은 인간 다리(101)가 가지는 한 개이상의 자유도에 해당한다.
예를 들어, 도면에 도시된 것처럼, 상기 지지 부재(110e)는 무릎의 자유도(즉, 무릎의 구부림/신장)에 해당되는 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 상기 지지부재(110d)와 연결될 수 있다. 상기 지지 부재(110c)는 힙의 자유도(즉, 힙의 내측/측면)에 해당되는 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 상기 지지부재(110d)에 연결될 수 있다. 상기 지지 부재(110b)는 힙의 자유도(즉, 힙의 구부림/신장)에 해당되는 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 상기 지지부재(110c)에 연결될 수 있다. 상기 지지 부재(110a)는 힙 자유도(즉, 힙의 외전/내전)에 해당되는 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 상기 지지부재(110b)에 연결될 수 있다.
인간 이용자 또는 작업자는 작업자의 다리를 상기 장치의 다리 부분(107) 속으로 배열하여 상기 다리 달린 로봇 장치(100)를 이용하거나 상호작용하고, 작업자의 다리는 해당 하중 센서와 접촉할 수 있다. 인간 작업자의 일부분들이 다리 달린 로봇 장치(100)의 여러 위치들에 배열된 하중 센서들과 접촉할 수 있다. 예를 들어, 상기 다리 달린 로봇 장치(100)의 힙 부분(102)은 작업자의 힙과 상호작용하도록 구성된 하중 센서를 가질 수 있다. 상기 작업자는 허리 스트랩(strap)(103) 또는 다른 적합한 결합장치에 의해 상기 다리 달린 로봇 장치(100)와 연결될 수 있다. 상기 작업자는 또한 다리 스트랩(104)에 의해 상기 다리 달린 로봇 장치(100)와 연결될 수 있다. 본 발명의 특징에 의하면, 작업자의 무릎과 근접한 위치에서 상기 다리 달린 로봇 장치(100)의 무릎 부분(105) 주위에 위치할 수 있다. 상기 다리 달린 로봇 장치(100)상의 특정 위치 또는 다리 달린 로봇 장치 근처의 특정 위치에 배열된 하중 센서들을 참고할 때, 상기 다리 달린 로봇 장치(100)의 적절한 작동을 용이하게 만들도록 하중 센서들은 전략적으로 상기 다리 달린 로봇 장치(100)에 또는 근처에서 다수의 위치들에 배열될 수 있다. 축(111a-g) 주위에서 모든 회전 자유도와 같이 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110a- g)들에 대해 하중 또는 토크를 가하기 위해 한 개이상의 액추에이터(112a-g)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 것처럼, 상기 액추에이터(112a)는 축(111a) 주위에서 자유도를 가지며 상기 지지부재(110a,110b)에 대해 하중 또는 토크를 가할 수 있다. 상기 액추에이터(112b)는 축(111b) 주위에서 자유도를 가지며 상기 지지부재(110b, 110c)에 대해 하중 또는 토크를 가할 수 있다. 액추에이터(112c)는 축(111c) 주위에서 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110c)에 대해 하중 또는 토크를 가할 수 있다. 상기 액추에이터(112d)는 축(111d) 주위에서 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110d)에 대해 하중 또는 토크를 가할 수 있다. 상기 액추에이터(112e)는 축(111e) 주위에서 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110e, 110f)에 대해 하중 또는 토크를 가할 수 있다. 상기 액추에이터(112f)는 축(111f) 주위에서 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110f,110g)에 대해 하중 또는 토크를 가할 수 있다. 상기 액추에이터(112g)는 축(111g) 주위에서 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110f,110g)에 대해 하중 또는 토크를 가할 수 있다.
또한, 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는 축(111a-g) 주위에서 모든 회전 자유도와 같이 상기 자유도들 중 한 개이상의 자유도와 관련된다. 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는, 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110a-g)의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터(112a-g)를 보조하기 위한 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지 부재(110a-g)에 제공하도록 작동할 수 있다. 예를 들어, 무릎의 구부림/신장에 해당되는 자유도와 관련한 도면들에 도시된 것처럼, 상기 축(111d) 주위에서 자유도와 관련된 포텐샬 에너지 저장 기구(113d)는 상기 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110d, 110e)의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터(112d)를 보조하기 위한 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지 부재(110d,110e)에 제공하도록 작동할 수 있다.
힙의 자유도에 해당하는 자유도와 관련하여, 상기 축(111c) 주위에서 자유도와 관련된 포텐샬 에너지 저장 기구(113c)는 상기 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110c,110d)의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터(112c)를 보조하기 위한 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지 부재(110c, 110d)에 제공하도록 작동할 수 있다. 상기 축(111b) 주위에서 자유도와 관련된 포텐샬 에너지 저장 기구(113b)는 상기 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110b,110c)의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터(112b)를 보조하기 위한 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지 부재(110b,110c)에 제공하도록 작동할 수 있다. 상기 축(111a) 주위에서 자유도와 관련된 포텐샬 에너지 저장 기구(113a)는 상기 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110a, 110b)의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터(112a)를 보조하기 위한 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지 부재(110a,110b)에 제공하도록 작동할 수 있다. 발목의 자유도에 해당하는 자유도와 관련하여, 상기 축(111e) 주위에서 자유도와 관련된 포텐샬 에너지 저장 기구(113e)는 상기 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110e,110f)의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터(112e)를 보조하기 위한 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지 부재(110e, 110f)에 제공하도록 작동할 수 있다. 상기 축(111f,111g) 주위에서 자유도와 관련된 포텐샬 에너지 저장 기구(113f, 113g)는 상기 자유도를 가지며 상기 지지 부재(110f, 110g)의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터(112f,112g)를 보조하기 위한 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지 부재(110f,110g)에 제공하도록 작동할 수 있다.
따라서, (예를 들어, 무릎 조인트에서 다리를 구부리는 것처럼) 에너지를 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)에 투입할 때, 상기 에너지의 적어도 일부분은 회수되고 부하에 가해진다. 예를 들어, 직립 위치 또는 비-에너지 공급(non- energized) 상태에서, 상기 부하가 상기 지지부재들을 통해 지면으로 전달될 때 사용자 또는 착용자는 상기 부하를 감지하지 못하게 될 것이다. 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)에 에너지가 공급될 때(예를 들어, 착용자가 아래로 구부릴 때) 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)로 에너지가 투입된다. 구속해제되거나 사용자가 직립할 때, 에너지는 회수되고 부하로 다시 투입된다. 이것은 로봇장치에 의해 수행되는 일량을 감소시키기 위해 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)가 이용될 수 있는 경우의 한 예이다. 다시 말해, 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)에 에너지를 투입하기 위해 사용자는 중력에 의해 유도(gravity induced)되는 그의 중량을 이용한다. 에너지를 되돌리는 것이 바람직하면, 사용자는 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)로부터 에너지를 추출하거나 에너지를 빼내기 위해 서있게 되거나 이동하여, 상기 사용자와 로봇 장치가 수행해야 하는 일의 양은 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)속으로 투입된 에너지량만큼 감소된다. 다르게 설명하면, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)속으로 투입된 에너지는 액추에이터(112a-g)를 보조하기 위해 되찾아오거나 회수될 수 있어서, 폐기될 수도 있는 가용 에너지를 저장하여 에너지 낭비를 감소시킨다. 그러므로, 상기 다리 달린 로봇 장치(100)에 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)를 제공하면 장치의 효율은 증가될 수 있다.
액추에이터(112a-g)는, 유압 액추에이터, 공압 액추에이터 및/또는 전기 액추에이터와 같은 적합한 모든 액추에이터를 포함할 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 액추에이터는 조인트 또는 상기 액추에이터가 하중 또는 토크를 제공하는 자유도에 대해 떨어져 위치할 수 있다. 예를 들어, 발목 자유도를 위한 액추에이터는 사용자의 골반 또는 넓적다리와 근접한 지지부재에 위치할 수 있고 발목의 자유도를 원격으로 작동시키기 위해 중간 자유도(예를 들어, 무릎의 구부림/신장)의 중립 축을 통해 중계(routed)되는 케이블과 같은 파워 전달 기구를 가질 수 있다. 상기 구조는 회전 중심(즉 힙) 근처에 액추에이터의 질량을 위치시켜서 다리 달린 로봇 장치가 가진 원위 질량과 관성 모멘트를 감소시킨다.
상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는 적합한 모든 형태의 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함하고 적합한 모든 형태로 에너지를 공급받을 수 있다. 한 가지 특징에 의하면 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는, 인장 스프링, 압축 스프링, 비틀림 스프링, 나선 비틀림 스프링, 공압 스프링(예를 들어, 공기 또는 질소 실린더), 캔틸레버 스프링, 일정 하중 스프링, 나가토 스프링(nagator spring), 탄성 중합체 재료, 볼류트(volute) 스프링, 코일 스프링, 플랫(flat) 스프링, 유압 저장기(accumulator), 자기 스프링 및/또는 보우(bow) 스프링과 같은 적합한 모든 스프링을 포함할 수 있다. 한가지 특징에 의하면, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는 포텐샬 에너지 저장과 회수를 용이하게 하는 적합한 모든 재료 또는 매체를 포함할 수 있다. 따라서, (예를 들어, 탄성중합체 재료 또는 스프링 강으로 제조된) 고형 탄성 부재 및/또는 가스를 이용하는 공압 스프링이 이용될 수 있다. 다시 말해, 에너지를 저장하고 액추에이터를 보조하거나 지지부재에 하중 및/또는 토크를 가하기 위해 상기 저장된 에너지를 제공할 수 있는 모든 형태의 스프링 요소가 이용될 수 있다. 하기 설명과 같이, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는, 탄성 포텐샬 에너지를 저장하도록 구성될 수 있고 주어진 적용예 또는 시나리오를 위해 바람직한 결과를 구하도록 동적으로 수정되거나 조정된 탄성 거동을 가질 수 있다. 또한, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)의 에너지 소산 특성은 동적으로 변화될 수 있다.
한 가지 특징에 의하면, 최대 부하 요건에 대해 한 개이상의 액추에이터(112a-g)는 포텐샬 에너지 저장 기구를 가지지 않는 액추에이터의 크기와 비교하여 더 작은 크기를 가질 수 있다(예를 들어, 필요한 것보다 작은 출력 성능(output capabilities)을 가진다). 본 출원에 설명된 것처럼 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)를 포함하고 이용하면, 액추에이터는 주어진 자유도에 관한 최대 하중 또는 토크 요구량의 대략 절반을 제공하는 크기를 가질 수 있다. 액추에이터의 능력이 이렇게 감소되면 액추에이터를 작동시키기 위해 요구되는 파워뿐만 아니라 액추에이터의 크기가 감소될 수 있다. 그러나, 적합한 모든 능력의 액추에이터들이 이용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 다리 달린 로봇 장치(100)의 다른 부품들(즉 전자장치) 및/또는 액추에이터에 파워를 공급하기 위한 파워 공급원(106)은, 예를 들어, 상기 다리 달린 로봇 장치(100)의 저장 또는 카고(cargo) 특징부내에 또는 부착된 골조상에 로봇장치 주위에서 지지될 수 있다.
한 가지 특징에 의하면, 각각의 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는 액추에이터와 결합되거나 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 액추에이터(112b) 및 포텐샬 에너지 저장 기구(113b)는, 사용자 다리의 힙 구부림/신장 자유도와 관련하여 힙에 위치할 수 있다. 사용자가 계단을 올라가기 위해 다리를 들어올려 힙 구부림을 형성할 때와 같이 포텐샬 에너지 저장 기구(113b)에 에너지를 공급하기 위해 액추에이터(112b)가 작동될 수 있다. 다시 말해, 상기 액추에이터(112b)가 다리를 들어 올리도록 작동할 때 에너지는 포텐샬 에너지 저장 기구(113b)속으로 투입되어 포텐샬 에너지 저장 기구(113b)속으로 에너지가 공급된다. 상기 에너지는 회수되어 상기 액추에이터(112b)가 힙에서 다리를 신장시키는 것을 용이하게 만들고 작업자와 장치(100)를 계단위로 들어올린다. 따라서, 에너지는 로봇의 다리와 사용자의 다리를 작동시키는 동안 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)속으로 투입될 수 있다. 상기 다리 달린 로봇 장치(100)는 오직 에너지 저장/회수기능을 제공하거나 작동과 함께 에너지 저장/회수기능을 제공하도록 구성되어 사용자가 더욱 효율적이고 강하게 만들 수 있다. 예를 들어, 사용자는 하중을 운반시 더욱 효율적이고 보행시 더욱 효율적이며 더욱 효율적으로 올라가며(climbing) 더욱 효율적으로 달리거나 그밖에 동작을 할 수 있다.
한 가지 특징에 의하면, 액추에이터 및 포텐샬 에너지 저장 기구는 상기 다리 달린 로봇 장치(100)의 지지 부재들의 원하는 조인트 또는 커플링에 배열되거나 위치할 수 있다. 예를 들어, 상기 액추에이터(112d) 및 포텐샬 에너지 저장 기구(113d)는 단일 유닛 또는 모듈속에 결합되거나 지지 부재들과 연결하기 위한 표준 인터페이스 및 공통의 하우징을 가질 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 액추에이터 및 포텐샬 에너지 저장 기구는 하기 설명과 같이, 다리의 특정 자유도에 해당하는 자유도를 가지며 이용하도록 구체적으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(112d) 및 포텐샬 에너지 저장 기구(113d)는 무릎의 구부림/신장에 해당하는 조인트의 자유도와 이용하도록 구체적으로 구성될 수 있다. 상기 모듈들은 힙 및 발목의 자유도에 맞춰져 형성될 수도 있다.
한 가지 특징에 의하면, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는 상기 다리 달린 로봇 장치(100)를 직립, 서있는 위치로 편향시키도록 구성되어 서있는 위치를 디폴트(default) 위치로 만들 수 있다. 따라서, 상기 장치가 파워 손실에 의해 쓰러지지 않게 되므로 더욱 편리하게 장치를 입고 벗을 수 있고 안전을 증가시킬 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 상기 액추에이터(112a-g)는 운동 및 사용자에 의해 제공되는 하중을 형성하도록 작동하거나 연결되도록 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)가 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 액추에이터(112a-g)는 쪼그리기 동작 및 사용자로부터 중력에 의해 작용하는 하향 하중을 형성하도록 작동하거나 연결되도록 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)가 구성될 수 있다. 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)가 가지는 상기 구조는, 시스템이 가지는 중량을 보상하기보다는 상기 액추에이터(112a-g)의 목표 출력 능력을 시스템의 전체 포텐샬 에너지의 변화 또는 관성 유도된 부하(inertially induced loads)를 보상하기 위해 필요한 능력으로 감소시킬 수 있다. 액추에이터들의 감소된 상기 출력 능력에 의해 액추에이터의 크기와 중량이 감소되고 관련 액추에이터 시스템(예를 들어, 유압 펌프, 밸브, 라인(lines) 등)이 축소되어 상기 다리 달린 로봇 장치(100) 전체가 가지는 중량을 최소화하거나 감소시키고 파워 소비를 감소시키며 효율을 개선시킨다.
포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)를 이용하는 것은, 사용자의 능력을 증가시키는 것과 관련한 폭넓은 범위를 가질 수 있다. 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는, 부하를 운반하는 사용자의 능력을 증가시키고 부하의 존재 유무에 따른 사용자의 인내력(endurance)을 증가시키며 사용자가 정상적으로 달리거나 더 빨리 달릴 수 있게 하고 더욱 효율적으로 걸어갈 수 있게 만드는 등을 위해 이용될 수 있다. 이러한 모든 변수들과 장점들은, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)가 상기 로봇 장치속으로 삽입될 수 있어서 제공된다. 또한, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)를 이용할 때 로봇은 가능한 빈도보다 더 높은 빈도로 에너지의 유출입 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 상기 액추에이터(112a-g) 및/또는 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는 상기 다리 달린 로봇 장치(100)의 지지 부재(110a-g)를 감속할 때, 특히 부하를 받을 때 이용될 수 있는 에너지를 회수하거나 에너지 추출을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 인간이 정상적으로 보행하는 동안 무릎 조인트는 무릎 조인트 토크 대 위치 궤적(도 4를 참고)을 따르고, 액추에이터 토크는 조인트 각도 및 선형 속도를 감속시킨다. 이때 브레이크(예를 들어, 클러치), 공압 기구, 유압기구 등과 같이 본 출원에서 설명되는 에너지 소산 기구에 의해 에너지가 소산(dissipation)될 수 있다. 선택적으로, 상기 에너지는 스프링, 공압기구, 유압기구 등과 같이 본 출원에서 설명되는 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)내에 저장되고 나중에 다시 이용되어 시스템 효율을 증가시킨다.
포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)는 로봇의 에너지 소비를 용이하게 감소시킨다. 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)가 없다면, 모든 에너지는 새롭게 만들어질 것이며 많이 폐기될 것이다. 본 공개내용의 다리 달린 로봇 장치(100)는 포텐샬 에너지 저장/회수 요소들로서 작동하는 힘줄(tendon)과 인대(ligament)를 가진 인체와 유사하다. 예를 들어, 사람이 점프할 때 에너지는 포텐샬 에너지 저장/회수 요소(힘줄과 인대 및 뼈)로부터 추출된다. 또한, 사람이 근육을 구부릴 때 에너지는 포텐샬 에너지 저장/회수 요소(힘줄, 인대 및 뼈)속으로 투입되고 나중에 추출된다. 이렇게 하여, 인체는 더욱 높은 속도(rate)와 부하 성능을 달성할 수 있다. 탄성 포텐샬 에너지를 어깨의 힘줄, 인대 및 근육으로 투입하고 볼을 더 빠른 속도로 던지는 동작을 최적화하기 위한 형태로 상기 작용의 한 예는 팔을 이동시킨다. 본 공개내용의 로봇이 유사하게 작동하도록 구성될 수 있다.
또 다른 특징에 의하면, 로봇은 다양한 체계(regime) 및 크로스 체계를 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 로봇은, 부하의 운반을 도와주기 위해 이용될 수 있고 보행을 위해 이용되는 포텐샬 에너지 저장 기구와 같이 다양한 체계들과 크로스 체계들에서 사용자의 능력에 맞춰진 포텐샬 에너지 저장 기구(113a-g)를 가지도록 구성된다. 일부 경우들에서, 고속운동을 용이하게 하는 포텐샬 에너지 저장 기구들은 상대적으로 낮은 속도의 운동에서 필요한 포텐샬 에너지 저장 기구들과 이용될 수 없어서, 로봇은 전략적인 갯수와 형태를 가진 포텐샬 에너지 저장 기구들을 포함하며 상기 기구들은 전략적으로 구성되고 배열될 수 있다는 것을 고려한다.
도 2A 내지 도 2C는 도 1A 및 도 1B의 다리 달린 로봇 장치(100)내에 이용될 수 있는 액추에이터와 포텐샬 에너지 저장 기구 구조의 여러 가지 예들을 도시한다. 예를 들어, 도 2A에 도시된 것처럼, 액추에이터(212) 및 포텐샬 에너지 저장 기구(213)는 병렬로 배열될 수 있다. 상기 구조는, 인간 사용자 주위에 상기 장치의 상대 위치에 의해 상기 다리 달린 로봇 장치가 가지는 모멘트를 상쇄하도록 예비부하 하중 또는 토크를 제공하도록 잘 맞는다. 한 가지 특징에 의하면, 지지부재들의 결합 위치들은 사용자 주위에 횡 방향으로 오프셋 배열되어 예를 들어, 결합 위치에서 모멘트를 유도할 수 있는 힙의 외전/내전 및 힙의 내측/측면(medial/lateral) 회전운동에 해당되는 자유도를 형성한다. 그러므로, 예비 부하 하중 또는 토크를 지지 부재에 제공하기 위해 포텐샬 에너지 저장 기구(213)를 이용하면 상대적으로 작은 압력에서 다리 달린 로봇 장치를 용이하게 작동 및/또는 상대적으로 작고 효율적인 액추에이터를 용이하게 이용할 수 있다. 상기 구조가 적합한 모든 위치에서 이용될지라도, 상기 구조는 힙의 구부림/신장, 힙의 외전/내전, 및/또는 힙의 내측/측면 회전운동에 해당하는 자유도에서 특히 유리하다. 아래에서 상세하게 설명되는 것처럼 상기 하중 또는 토크의 예비부하 하중 및, 포텐샬 에너지 저장 기구(213)의 컴플라이언스(compliance)는 원하는 결과를 달성하도록 동적으로 조정될 수 있다. 도 2A는, 본 출원에서 설명되는 적합한 모든 구조를 가질 수 있는 추가적이거나 선택적인 포텐샬 에너지 저장 기구(213')를 도시한다. 따라서, 포텐샬 에너지 저장 기구는 주어진 모든 조인트에서 액추에이터와 직렬 및/또는 병렬로 배열될 수 있다.
한 가지 특징에 의하면, 상기 액추에이터(212)는 피스톤(215)의 마주보는 측부들에서 챔버(214)에 대해 유체 커플링(A,B)들을 가진 양방향 작동식 액추에이터로서 구성될 수 있는 유압 액추에이터일 수 있다. 상기 액추에이터(212)의 작동을 제어하기 위해 도 3A 내지 도 3C에 예로서 도시된 한 개이상의 밸브들에 의해 상기 액추에이터(212)의 A 및 B 측부들이 제어될 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 상기 액추에이터(212)는, 밸브의 작동에 의해서와 같이 구속되지 않은 자유로운 운동을 위해 선택적으로 분리되거나 구성될 수 있다. 또 다른 특징에 의하면, 상기 유압 액추에이터는 선택적으로 유압 댐퍼로서 작동하도록 구성될 수 있다. 따라서, 동일한 장치와 부품이, 상기 다리 달린 로봇 장치의 자유도에서 지지 부재들의 운동을 제어하기 위해 액추에이터와 댐퍼로서 선택적으로 이용될 수 있다.
상기 포텐샬 에너지 저장 기구(213)는 적합한 모든 스프링의 모든 조합을 포함할 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 포텐샬 에너지 저장 기구(213)의 스프링 계수(spring rate)는 동적으로 변화할 수 있다. 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(213)의 스프링 계수는 적합한 모든 형태로 동적으로 변화될 수 있다. 예를 들어, 기계적 스프링의 구속위치는 상기 스프링 계수를 효과적으로 변화시키기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어, 지지부로부터 캔틸레버로 지지되는 스프링은 상기 지지부로부터 다양한 거리에 구속되어 스프링 계수를 변화시킬 수 있다. 나선형 비틀림 스프링은 스프링 계수를 변화시키기 위해 유사하게 구속될 수 있다. 특정 예에서, 포텐샬 에너지 저장 기구(213)는 조인트 축과 공축을 이루며 배열된 네가토(negato) 형태의 스프링을 포함할 수 있다. 상기 스프링은, 사용자가 상기 스프링 인장을 조정하여 주어진 부하에 대한 탄성 거동을 최적화할 수 있도록 조절가능한 인장력을 수용하는 장점을 가진다.
한 가지 특징에 의하면, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(213)의 영점 위치(zero position)는 동적으로 변화할 수 있다. 예를 들어, 앵커(anchor) 위치(223a, 223b)들 중 한 개 또는 모두는 포텐샬 에너지 저장 기구(213)의 영점 위치 또는 중립 위치를 조정하기 위해 이동할 수 있다. 상기 앵커 위치(223a, 223b)가 한 개이상의 액추에이터(220a,220b)들에 의해 제어될 수 있다. 그러므로 영점 위치를 동적으로 변화시키면, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(213)가 에너지를 저장하기 시작하는 위치 및 상기 저장된 에너지가 소진되는 위치가 변화될 수 있다. 그러므로, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(213)의 영점위치가 동적으로 변화하면, 지지 부재들의 상대운동이 영향을 받아서 상기 다리 달린 로봇 장치의 성능을 개선하도록 유리하게 조종될 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 상기 앵커 위치(223a, 223b)의 상대위치를 변화시키면 상기 지지부재의 상태운동과 무관하게 에너지를 저장하거나 방출할 수 있다. 또 다른 특징에 의하면, 앵커 위치(223a, 223b)의 상대위치가 변화하면, 포텐샬 에너지 저장 기구(213)내에서 예비부하(preload)가 변화될 수 있다. 따라서, 포텐샬 에너지 저장 기구(213)의 예비부하는 동적으로 변화될 수 있다.
한 가지 특징에 의하면, 액추에이터(220a,220b)들 중 한 개 또는 모두는 자유도를 가진 지지부재들의 운동을 저항하는 댐퍼(damper)로서 이용되거나 댐퍼를 형성할 수 있다. 유압 댐퍼, 공압 댐퍼, 기계식 댐퍼 및/또는 전기식 댐퍼(예를 들어, 전기적 제너레이터(generator))와 같은 적합한 모든 댐퍼가 이용될 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 상기 댐퍼가 가지는 감쇄(dmaping) 계수는 예를 들어, 한 개이상의 밸브에 의해 상기 댐퍼를 통과하는 유동을 제어하여 동적으로 변화할 수 있다. 상기 액추에이터(212)와 포텐샬 에너지 저장 기구(213)의 특성과 기능을 동적으로 변화시키는 능력에 의해 조정가능한 에너지 저장/회수 및 작동 성능이 가능해진다.
도 2B에 도시된 것처럼, 포텐샬 에너지 저장 기구(313)는 클러치(314)와 직렬로 배열될 수 있다. 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(313)와 클러치(314)는 액추에이터(312)와 병렬로 배열될 수 있다. 보행 사이클의 일부분 동안 포텐샬 에너지가 저장되고 회수될 수 있게 하고 상기 지지부재들이 (예를 들어, 다리의 스윙(swing)운동하는 동안) 준 탄도 (quasi ballistic)(수동적 동역학) 토크 대 조인트 각도 궤적을 따르는 것을 허용하도록 상기 구조가 이용될 수 있다. 상기 구조가 적합한 모든 위치에서 이용될 수 있더라도, 용이하게 동적으로 상기 구조와 컴플라이언스를 조정하기 때문에 무릎의 구부림/신장, 및/또는 힙의 구부림/신장에 해당하는 자유도를 위해 상기 구조가 효과적으로 이용될 수 있다. 본 출원에 설명된 적합한 모든 구조를 가질 수 있고 상기 액추에이터(312)와 직렬로 배열된 추가적이거나 선택적인 포텐샬 에너지 저장 기구(313')가 도 2B에 도시된다. 따라서 포텐샬 에너지 저장 기구는 주어진 모든 조인트에서 액추에이터와 직렬 및/또는 병렬로 배열될 수 있다.
한 가지 특징에 의하면, 상기 클러치(314)는 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(313)를 선택적으로 연결하거나 분리하기 위해 이용될 수 있다. 상기 액추에이터(312)는 구속되지 않은 자유로운 운동을 위해 선택적으로 분리되거나 구성될 수 있다. 예를 들어, 유압 액추에이터는 상기 유압 액추에이터(312)의 챔버(314)내에서 피스톤(315)의 자유로운 운동을 용이하게 하여 선택적으로 상기 유압 액추에이터를 분리시키도록 구성될 수 있다. 따라서 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(313)와 유압 액추에이터의 선택적인 분리에 의해 상기 지지부재는 자유도를 가지며 자유로운 상대운동을 할 수 있다.
상기 클러치는 적합한 모든 형태의 클러치일 수 있다. 도면에서 명확하게 도시되지 않더라도, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(313)의 스프링 계수, 영점 위치 및/또는 예비 부하는 도 2A를 참고하여 설명한 것처럼 변화될 수 있다.
도 2C는 병렬로 배열된 포텐샬 에너지 저장 기구(413)와 액추에이터(412)를 도시한다. 다른 예들에서와 같이, 상기 액추에이터(412)는, 한 개이상의 밸브에 의해 제어되는 유체를 이용하여 챔버(414)내부의 피스톤(415)운동을 제어하는 것과 같은 댐퍼로서 이용 및/또는 구속되지 않은 자유로운 운동을 위해 구성되거나 선택적으로 분리될 수 있는 유압 액추에이터일 수 있다. 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(413)는 공압 스프링으로서 도시된다. 상기 공압 스프링은 피스톤(417)의 마주보는 측부들에서 챔버(416)에 대한 유체 커플링을 가진 것으로 구성될 수 있다. 한 개이상의 밸브(424,425)를 이용하여 상기 챔버(416)로부터 가스가 배출되거나 유입될 수 있다. 상기 밸브(424)는 상기 공압 스프링을 압력 공급원 및 귀환 탱크에 연결시키는 3-웨이 밸브일 수 있다. 상기 밸브(425)는 상기 챔버(416)의 한쪽 측부로 가스의 유입 및 유출을 제어할 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 포텐샬 에너지 저장 기구(413)내에서 상기 피스톤(417)의 마주보는 측부들에 대해 가스의 유입과 유출은 도 3A 내지 도 3C에 도시된 예시적인 밸브들에 의해 제어되어 포텐샬 에너지 저장 기구(413)의 특성을 변화 및/또는 다른 용도 또는 기능을 위해 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(413)를 재구성할 수 있다.
따라서 한 가지 특징에 의하면, 포텐샬 에너지 저장 기구(413)의 스프링 계수는 상기 밸브(424,425)들을 제어하여 상기 챔버내부의 가스 압력을 변화시켜서 동적으로 변화할 수 있다. 일단 원하는 압력 또는 스프링 계수가 달성되면 상기 밸브(424,425)들 모두는 밀폐되어 원하는 시간동안 긴 시간동안 압력을 유지할 수 있다. 또 다른 특징에 의하면, 포텐샬 에너지 저장 기구(413)의 영점 위치는 상기 밸브(424,425)들을 제어하여 동적으로 변화하여 피스톤을 상기 챔버내부의 원하는 위치로 이동시킬 수 있다. 또 다른 특징에 의하면, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(413)는 상기 밸브(424,425)들을 이용하여 상기 챔버로부터 가스의 방출을 제어하여 공압 댐퍼로서 이용할 수 있다. 또한, 상기 공압 스프링은 상기 밸브(424,425)들을 제어하여 챔버내부의 피스톤을 이동시켜서 공압 액추에이터로서 선택적으로 작동하도록 구성될 수 있다. 따라서 상기 공압 액추에이터가 이용될 때 공압 액추에이터는 일차 액추에이터(412)를 보조하도록 이용될 수 있다. 또한 상기 공압 스프링은 밸브 제어에 의해 상기 피스톤의 자유로운 운동을 용이하게 하여 선택적으로 상기 공압 스프링/액추에이터/댐퍼를 분리할 수 있다. 그러므로, 조정된 상기 밸브(424,425)들의 작동은 공압스프링을 제어하여 다양한 방법으로 작동하게 만든다. 액추에이터와 함께 공압 스프링 및 밸브 구조는 도 2A 및 도 2B를 참고하여 앞서 설명한 기능과 유사한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 유압 액추에이터 및 공압 스프링은 모두 걷기 보조(walking gait)의 스윙 과정과 같이, 지지부재들을 서로에 대해 자유롭게 이동시키도록 분리될 수 있다.
따라서, 유압 액추에이터와 공압 스프링내에서 유체를 이용하면, 주어진 모든 적용예 또는 요구 시나리오와 일치하는 포텐샬 에너지 저장/회수 및 작동을 최적으로 제공하기 위한 동적 리쿠르팅(recruiting) 및 조정(예를 들어, 에너지 입력 능력)이 용이해 질 수 있다.
도 2B에서와 같이, 보행 사이클의 일부분 동안 포텐샬 에너지가 저장되고 회수될 수 있게 하고 상기 지지부재들이 (예를 들어, 다리의 스윙(swing) 운동하는 동안) 준 탄도 (quasi ballistic)(수동적 동역학) 토크 대 조인트 각도 궤적을 따르는 것을 허용하도록 도 2C의 구조가 이용될 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 단일 보행 사이클동안 원하는 결과를 달성하도록 스프링 특성, 댐핑 특성 및/또는 에너지 입력/추출이 조정될 수 있다. 상기 구조가 적합한 모든 위치에서 이용될 수 있더라도, 용이하게 동적으로 상기 구조와 컴플라이언스를 조정하기 때문에 무릎의 구부림/신장, 및/또는 힙의 구부림/신장에 해당하는 자유도를 위해 상기 구조가 효과적으로 이용될 수 있다. 본 출원에 설명된 적합한 모든 구조를 가질 수 있고 상기 액추에이터(412)와 직렬로 배열된 추가적이거나 선택적인 포텐샬 에너지 저장 기구(413')가 도 2C에 도시된다. 따라서, 포텐샬 에너지 저장 기구는 주어진 모든 조인트에서 액추에이터와 직렬 및/또는 병렬로 배열될 수 있다.
한 가지 특징에 의하면, 본 출원에 공개된 액추에이터와 포텐샬 에너지 저장 기구는, 댐핑, 에너지 저장/회수 및 작동의 조합이 가지는 특성을 동적으로 변화시켜서 주어진 모든 경우 또는 부하 시나리오에 적하는 능력을 제공하여 상기 다리 달린 로봇 장치를 위한 최적의 부하운반 능력을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 다리 달린 로봇 장치의 액추에이터 및 포텐샬 에너지 저장 기구가 가지는 에너지 회수 및 파워 감소 능력을 이용할 수 있는 제어 계획(policies) 및 소프트웨어가 이용될 수 있다.
도 3A 내지 도 3C는 본 출원에 공개된 것처럼 다리 달린 로봇 장치의 유압 및/또는 공압 부품들을 제어하기 위해 이용될 수 있는 밸브 장치의 여러 가지 예들을 도시한다. 다른 밸브 구조들과 장치들이 가능하며 적합한 모든 밸브 구조와 장치가 이용될 수 있다. 도 3A는 챔버내부에서 피스톤의 마주보는 측부(A,B)들로 유동제어 및 압력 공급원과 귀환부사이에서 유체 유동을 제어하기 위해 한 쌍의 3 웨이 밸브(520,521)들을 이용하는 구조를 도시한다. 이 경우, 상기 3 웨이 밸브(520,521)들은 압축된 유체를 유압 액추에이터 또는 공압식 포텐샬 에너지 저장 기구의 A 및/또는 B 측부들로 원하는 대로 공급할 수 있다. 상기 3 웨이 밸브(520,521)들은 댐핑 기능을 제공하기 위해 상기 A 및 B 측부들로부터 유체 유동을 제어하고 상기 포텐샬 에너지 저장 기구의 영점 위치를 수정하며 상기 액추에이터 또는 포텐샬 에너지 저장 기구를 용이하게 분리하여 지지부재들 등의 자유로운 스윙운동을 하게 할 수 있다.
도 3B는, 챔버내부에서 피스톤의 마주보는 측부(A,B)들로 유동제어 및 압력 공급원과 귀환부사이에서 유체 유동을 제어하기 위해 한 쌍의 3 웨이 밸브(620,621)들 및 2 웨이 밸브(622)를 이용하는 구조를 도시한다. 상기 구조는 추가로 상기 2 웨이 밸브(622)를 가지며 도 3A에 도시된 구조와 유사하다. 따라서, 상기 3 웨이 밸브(620,621)들은 압축된 유체를 유압 액추에이터 또는 공압식 포텐샬 에너지 저장 기구의 A 및/또는 B 측부들로 원하는 대로 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 3 웨이 밸브(620,621)들을 폐쇄하여, 상기 2 웨이 밸브(622)는 댐핑 기능을 제공하기 위해 상기 A 및 B측부들사이에서 유체 유동을 용이하게 하고 상기 포텐샬 에너지 저장 기구의 영점 위치를 수정하며 상기 액추에이터 또는 포텐샬 에너지 저장 기구를 용이하게 분리하여 지지부재들 등의 자유로운 스윙운동을 하게 할 수 있다.
도 3C는, 챔버내부에서 피스톤의 마주보는 측부(A,B)들로 유동제어 및 압력 공급원과 귀환부사이에서 유체 유동을 제어하기 위해 4 웨이 밸브(723) 및 2 웨이 밸브(722)를 이용하는 구조를 도시한다. 이 경우, 상기 4 웨이 밸브(723)는 압축된 유체를 유압 액추에이터 또는 공압식 포텐샬 에너지 저장 기구(예를 들어, 포텐샬 에너지 저장 기구로서 작동할 수도 있는 공압식 액추에이터)의 A 및/또는 B 측부들로 원하는 대로 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 4 웨이 밸브(723)를 폐쇄하여, 상기 2 웨이 밸브(722)는 댐핑 기능을 제공하기 위해 상기 A 및 B 측부들사이에서 유체 유동을 용이하게 하고 상기 포텐샬 에너지 저장 기구의 영점 위치를 수정하며 상기 액추에이터 또는 포텐샬 에너지 저장 기구를 용이하게 분리하여 지지부재들 등의 자유로운 스윙운동을 하게 할 수 있다.
각각의 상기 밸브구조들에 의해 유체는 방향 전환되도록 제어되어 지지부재들은 자유롭게 스윙 운동할 수 있다. 또한, 상기 밸브 구조들은 가압 유체 공급원으로부터 파워를 끌어오지 않고도, 상기 지지부재들을 서로에 대해 용이하게 구속하고, 에너지 소산을 제어하며(즉, 댐퍼로서 작동하여) 및/또는 포텐샬 에너지 저장 기구내에 에너지를 저장할 수 있으므로, 조인트 주위에서 상기 지지부재를 가속 또는 감속하기 위해 가압 유체에 의해 작업이 수행되는 유압 작동식 조인트에서 파워/유체 유동을 조절하기 위해 이용되는 종래기술의 4-웨이 밸브와 다르다. 본 출원에 공개된 상기 밸브 구조가 가지는 장점에 의하면, 파워 이용을 감소시키기 위해 상기 로봇 장치가 가지는 동역학적 특징(natural dynamics)이 이용될 수 있다. 본 출원에 공개된 상기 밸브 구조가 가지는 또 다른 장점에 의하면, 디지털 전송(digital transmission)기능을 하는 밸브를 가진 액추에이터가 실시간으로 이용되어 파워 효율의 개선에 기여할 수 있다.
도 4는 무릎 조인트에 관한 전형적인 인간 걷기 보조(walking gait) 사이클을 도시하고 특히, 무릎 토크와 무릎 각도사이의 관계를 도시한 그래프이다( 예를 들어, K. Shamaei, G.S. Sawichi 및 P.M. Dollar, PLOS ONE, Vol. 8(3):e59993(2013))을 참고한다). 점(A)에서 시작 및 종료점은 동일한 다리의 연속적인 힐 스트라이크(heel strike)에 해당한다. 자세 위상(stance phase) 동안 조인트 토크 대 조인트 각도는 충격 흡수기로서 작용하는 무릎에 의해 스프링과 같은 거동부분을 가지며, 스윙 위상동안 상기 무릎은 힐 스트라이크 이전에 발생하는 마지막 신장 동안 약간의 감쇄를 가지며 준 탄도(수동적 동역학) 응답을 가진다. (점(A)에서 힐 스트라이크로부터 점(D)에서 토-롤(toe- roll)/ 터미널 자세까지) 자세 위치동안 상기 토크 조인트 프로파일은 준- 탄성 거동을 가진다. 동적 강성(dynamic stiffness)은 부하 및 보행 또는 러닝(running) 속도에 따라 변화하지만, 스프링과 같은 거동은 질적으로 유지된다. (점(D)에서 롤/터미널 자세로부터 점(A)에서 힐스트라이크까지) 보행 사이클의 스윙 위상동안, 상기 궤적은 준 탄도와 같고 무릎은 기본적으로 제어된 댐퍼와 같이 작동한다. 본 출원에 공개된 기술은, 파워가 공급된 액추에이터들에 대한 요구를 최소화하고 전체 파워 사용을 감소시키기 위해 상기 특징들을 이용하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 보행 자세 위상동안 무릎의 준 탄성 응답을 이용하고 경량을 가지며 효율적인 작동 시스템을 형성하기 위해 힙과 넓적 다리 조인트의 다른 고유특성을 이용할 수 있다. 무릎 구부림/신장에 해당하는 자유도는, 상기 도 2B 및 도 2C에 도시된 것처럼 일차(조정가능한) 유압 액추에이터와 병렬로 작동하는 조정가능한 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함하고 도 4에 도시된 걷기 보조 사이클과 유사하게 작동할 수 있다. 예를 들어, 포텐샬 에너지 저장 기구와 유압 액추에이터는 동적으로 조정되거나 조절되어 자세 위상의 스프링과 같은 거동 특성을 제공하고 스윙위상의 자유 스윙 및 감쇄 특성을 제공할 수 있다.
도 5A 및 도 5B는 본 공개내용의 또 다른 예를 따르는 다리 달린 로봇 장치(800)를 도시한다. 다리 달린 로봇 장치(800)는, 인간 다리의 힙이 가지는 자유도에 해당하는 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 지지 부재(810b)와 연결된 지지부재(810a)를 포함할 수 있다. 상기 지지부재(810a, 810b)들은 서로 회전가능하게 연결되고 힙의 구부림/신장 자유도에 해당할 수 있는 축(811a) 주위의 회전 자유도를 형성할 수 있다. 상기 다리 달린 로봇 장치(800)는, 축(811a) 주위에서 자유도를 가지며 상기 지지부재(810a, 810b)에 토크를 가하기 위해 액추에이터(812a)를 포함할 수도 있다. 또한, 포텐샬 에너지 저장 기구(813a)는, 축(811a) 주위에서 자유도와 관련되고 자유도를 가지며 상기 지지부재(810a, 810b)의 상대운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터(812a)를 보조하는 보상 토크로서 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지부재(810a, 810b)로 제공하도록 작동할 수 있다. 상기 포텐샬 에너지 저장 기구(813a)의 스프링 계수 및/또는 영점 위치는 동적으로 변화할 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 상기 지지부재(810b)는, 무릎 구부림/신장과 같은 인간 다리가 가지는 무릎의 자유도에 해당하는 자유도를 형성할 정도의 탄성적 가요성(resiliently flexible)을 가질 수 있다. 탄성적 가요성을 가진 지지부재(810b)는 상기 지지부재(810b)의 굽힘에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 지지부재(810b)를 직선으로 펴기 위해 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 제공하도록 작동할 수 있다.
한 가지 특징에 의하면, 탄성적 가요성을 가진 지지부재(810b)는 굽힘 가능한 스프링( 보우(bow) 스프링) 형태를 가진 포텐샬 에너지 저장 기구로서 이용되고, 상기 지지부재는 지지부재가 연결되는 힙 조인트로부터 다리 아래로까지 연장될 수 있으며 수직 부하를 지지하고 수직부하를 하부를 통해 다리 아래로 전달할 수 있다. 한 가지 특징에 의하면, 상기 탄성적 가요성을 가진 지지부재(810b)는 전방 예비- 굽힘부(forward pre- bend)를 가져서 사용자의 무릎과 근접한 위치와 같은 원하는 위치 및 원하는 방향으로 용이하게 구부러질 수 있다. 직립 위치 또는 에너지 공급 없는 상태에서, 부하가 상기 지지부재(810b) 또는 포텐샬 에너지 저장 기구를 통해 지면으로 전달됨에 따라 사용자 또는 착용자는 상기 부하를 감지하지 못한다. 상기 지지부재(810b) 또는 포텐샬 에너지 저장 기구에 에너지가 공급될 때(예를 들어, 착용자가 아래로 구부릴 때), 에너지가 상기 포텐샬 에너지 저장 기구로 투입된다. 구속해제되거나 사용자가 직립으로 일어날 때 에너지는 회수되고 부하도 다시 투입된다. 이것은, 로봇 장치에 의해 수행되는 작업량을 감소시키기 위해 포텐샬 에너지 저장 기구가 이용될 수 있는 경우의 한 예이다. 다시 말해, 사용자는 중력에 의해 유도되는 그의 중량을 이용하여 에너지를 포텐샬 에너지 저장 기구로 투입한다. 에너지를 되돌려받으려고 할 때, 사용자는 일어나거나 그렇지 않으며 포텐샬 에너지 저장 기구의 에너지를 빼내기 위해 이동하여, 사용자가 수행해야 하는 작업량은 상기 포텐샬 에너지 저장 기구로 투입된 에너지량만큼 감소된다.
?한 가지 특징에 의하면, 상기 다리 달린 로봇 장치(800)는 케이블과 같은 힘줄(830)을 포함하고 상기 힘줄은 일련의 아이렛(eyelets(831a-c)에 의해 탄성 가요성을 가진 지지부재(810b)와 연결되고 상기 탄성 가요성을 가진 지지부재(810b)로부터 연장된 레버리지 암(leverage arm)(832)에서 종료된다. 상기 힘줄(830)은 사용자의 힙과 근접한 액추에이터(812b) 및/또는 액추에이터(812a)에 연결될 수 있다. 상기 액추에이터(812b)는 본 출원에서 설명된 적합한 모든 형태의 액추에이터일 수 있다. 상기 액추에이터(812b)는 상기 힘줄(830)에서 당겨질 수 있고 연속해서 상기 레버리지 암(832)에서 당겨져서 무릎 구부림/신장에 해당하는 자유도를 가지며 상기 탄성 가요성을 가진 지지부재(810b)를 구부릴 수 있는 토크를 발생시킨다. 따라서 상기 아이렛(831a-c)의 갯수와 위치 및 상기 레버리지 암(832)의 길이와 위치는, 상기 힘줄(830) 내부에 주어진 인장력 크기를 위해 탄성 가요성의 지지부재(810b)의 목표 굽힘량을 발생시키고 원하는 위치에서 상기 탄성 가요성을 가진 지지부재(810b)를 구부러지도록 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 다리 달린 로봇 장치의 액추에이터를 보조하기 위해 보상 토크를 제공하기 위한 방법이 공개된다. 상기 방법은, 복수 개의 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 서로 결합된 복수 개의 지지부재들을 제공하는 단계를 포함하고, 복수 개의 자유도들 중 적어도 한 개는 인간 다리가 가지는 적어도 한 개의 자유도에 해당한다. 상기 방법은 또한, 상기 복수 개의 자유도들 중 적어도 한 개의 자유도를 가지며 상기 지지부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하기 위한 액추에이터를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은, 상기 복수 개의 자유도들 중 적어도 한 개와 관련되며 상기 복수 개의 자유도들 중 적어도 한 개의 자유도를 가지며 상기 지지부재들의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터를 보조하기 위해 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 적어도 일부분을 상기 지지 부재들로 공급하기 위해 작동할 수 있는 포텐샬 에너지 저장 기구를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구의 스프링 계수와 영점 위치 중 적어도 한 개는 동적으로 변화할 수 있다. 일반적으로 실시예에서 상기 방법의 단계들이 순차적으로 수행될 수 있지만 상기 방법에서 특정 순서가 요구되는 것이 아니라는 것을 이해한다.
본 발명의 한 가지 특징에 의하면, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구가 존재하지 않고도 상기 액추에이터의 크기는 최대 부하 요건을 위해 축소될 수 있다. 본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 인간 다리가 가지는 적어도 한 개의 자유도는, 힙의 구부림/신장, 힙의 외전/내전, 힙의 내측/측면 회전운동, 무릎의 구부림/신장, 발목의 구부림/신장, 발목의 내전/외전, 및 발목의 내측/측면 회전운동 중 적어도 한 개를 포함할 수 있다. 본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구는, 인장 스프링, 압축 스프링, 비틀림 스프링, 나선 비틀림 스프링, 공압 스프링, 캔틸레버 스프링, 일정 하중 스프링, 나가토 스프링, 탄성 중합체 재료, 볼류트 스프링, 코일 스프링, 플랫 스프링, 보우(bow) 스프링 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
공개된 발명의 상기 실시예들은 본 출원에 공개된 특정 구조, 공정 단계들 또는 재료들로 한정되는 것이 아니며 당업자들에 의해 인식될 수 있는 동등한 것들로 확대된다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 출원에서 이용되는 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위해 이용되며 한정하기 위한 것이 아니다는 것을 이해해야 한다.
본 명세서에 걸쳐서 "한 실시예" 또는 "실시예"는, 상기 실시예와 관련하여 설명된 특정 구조, 구성 또는 특징이 본 발명을 따르는 적어도 한 개의 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에 여러 곳에 걸쳐서 "한 실시예에서" 또는 "실시예에서"라는 용어가 반드시 동일한 실시예를 가리키는 것은 아니다.
본 출원에서 이용되듯이, 복수 개의 부품들, 구성요소들, 구조적 요소들 및/또는 재료들이 편의를 위해 공통의 리스트로 제공될 수 있다. 그러나 이러한 리스트는, 리스트의 각 요소가 별도의 고유한 요소로서 개별적으로 인식되는 것처럼 해석되어야 한다. 따라서, 상기 리스트의 개별 요소는 반대 의미를 가지지 않는다면 공통 그룹에 제시된 것을 기초하여 동일한 리스트의 다른 요소의 사실상 동등한 것으로 해석되지 말아야 한다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들과 예들은 본 출원에서 다양한 구성요소들의 대체요소들과 함께 참고할 수 있다. 상기 실시예들, 예들 및 대체 예들은 서로 사실상 동등한 것으로 해석되지 않지만 본 발명의 개별적이고 독립적인 표현으로서 고려되어야 한다는 것을 이해한다.
또한, 상기 특징, 구조 또는 구성들은 한 개이상의 실시예들에서 적합한 모든 방법으로 조합될 수 있다. 설명에서, 본 발명의 실시예들을 완전하게 이해하도록 길이, 폭, 형상 등의 예들과 같은 다양한 구체적인 세부사항들이 제공된다. 그러나 당업자는, 본 발명이 한 개이상의 구체적인 세부사항들 없이 다른 방법, 구성부품들, 재료 등을 가지고 실시될 수 있다는 것을 이해한다. 다른 예들에서, 잘 알려진 구조, 재료 또는 작동이 본 발명의 특징들을 불명확하게 만드는 것을 피하기 위해 상세히 설명되거나 도시되지 않는다.
상기 예들이 한 개이상의 특정 적용예들에서 본 발명의 원리를 설명할지라도, 당업자들은 실시예의 형태, 용도 및 세부사항에 관한 다수의 변형들이 창의적 재능을 실시하지 않고 본 발명의 원리와 개념으로부터 벗어나지 않고도 수행될 수 있다는 것을 이해한다. 따라서, 본 발명은 하기 청구범위를 제외하곤 제한되지 않는다.
100,800...다리 달린 로봇 장치,
110a-g...지지부재,
111a-g...축,
831a-c...아이렛,
830....힘줄,
832....레버리지 암(leverage arm),
812b.....액추에이터.

Claims (32)

  1. 복수 개의 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 서로 연결된 복수 개의 지지부재들을 포함하고, 상기 복수 개의 자유도들 중 하나 이상은 인간 다리가 가지는 하나이상의 자유도에 해당하며,
    상기 복수 개의 자유도들 중 하나이상의 자유도를 가지며 상기 지지부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하는 액추에이터를 포함하고,
    상기 복수 개의 자유도들 중 하나이상과 관련되며 상기 복수 개의 자유도들 중 하나이상의 자유도를 가지며 상기 지지부재들의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터를 보조하기 위해 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 일부분을 상기 지지 부재들로 공급하기 위해 작동할 수 있는 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함하며, 포텐샬 에너지 저장 기구가 에너지를 저장하기 시작하는 위치 및 상기 저장된 에너지가 소진되는 위치가 변화될 수 있도록 하여 상기 포텐샬 에너지 저장 기구의 영점 위치를 동적으로 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구가 존재하지 않고도 상기 액추에이터의 크기는 최대 부하 요건을 위해 축소되는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 인간 다리가 가지는 하나 이상의 자유도는, 힙의 구부림/신장, 힙의 외전/내전, 힙의 내측/측면 회전운동, 무릎의 구부림/신장, 발목의 구부림/신장, 발목의 내전/외전, 및 발목의 내측/측면 회전운동 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 액추에이터는 유압 액추에이터, 공압 액추에이터, 전기식 액추에이터 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 액추에이터와 포텐샬 에너지 저장 기구는 병렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 액추에이터는 유압 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 유압 액추에이터는 유압 댐퍼로서 선택적으로 작동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구를 선택적으로 연결하고 분리하기 위해 상기 포텐샬 에너지 저장 기구와 직렬로 배열된 클러치를 추가로 포함하고, 상기 유압 액추에이터는 상기 유압 액추에이터를 선택적으로 분리하기 위해 상기 유압 액추에이터의 피스톤의 자유로운 운동을 용이하도록 구성되며, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구와 유압 액추에이터의 선택적인 분리에 의해 상기 지지부재들은 복수 개의 자유도들 중 하나이상의 자유도를 가지며 자유로운 상대운동을 하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구는 공압 스프링을 포함하고, 상기 공압 스프링은 상기 공압 스프링을 선택적으로 분리하기 위해 상기 공압 스프링의 피스톤의 자유운동을 용이하도록 구성되며, 상기 유압 액추에이터를 선택적으로 분리하기 위해 상기 유압 액추에이터의 피스톤의 자유운동이 용이하도록 유압 스프링이 구성되고, 상기 공압 스프링과 유압 액추에이터의 선택적인 분리에 의해 상기 지지부재들은 복수 개의 자유도들 중 하나 이상의 자유도를 가지며 자유로운 상대운동을 하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 공압 스프링의 피스톤과 상기 유압 액추에이터의 피스톤 중 하나 이상의 자유운동은 하나 이상의 밸브에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구는 공압 액추에이터와 공압 댐퍼 중 하나 이상으로 선택적으로 작동하도록 구성된 공압 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 공압 스프링은 스프링 계수, 영점 위치 및 예비 부하 중 하나 이상을 용이하게 변화시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 스프링은, 인장 스프링, 압축 스프링, 비틀림 스프링, 나선 비틀림 스프링, 공압 스프링, 캔틸레버 스프링, 일정 하중 스프링, 나가토 스프링, 탄성 중합체 재료, 볼류트 스프링, 코일 스프링, 플랫 스프링, 보우(bow) 스프링, 유압 저장기, 자기 스프링 중의 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 스프링에 대한 예비부하는 동적으로 변화할 수 있는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 한 개이상의 자유도를 가지는 지지부재들의 운동에 저항하기 위해 댐퍼를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 댐퍼는 유압 댐퍼, 공압 댐퍼, 기계식 댐퍼, 전기식 댐퍼 중의 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 댐퍼의 감쇄 계수는 동적으로 변화할 수 있는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 액추에이터에 파워를 공급하기 위해 상기 로봇 장치 주위에서 지지되는 파워 공급원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 다리 달린 로봇 장치는 인체에 부착하기 위한 외골격 구조체로서 구성되는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 다리 달린 로봇 장치는 휴머노이드 로봇으로서 구성되는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  22. 인간 다리의 무릎이 가지는 자유도에 해당하는 제 1 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 제 2 지지부재와 연결된 제 1 지지부재를 포함하고,
    상기 제 1 자유도를 가지며 상기 제 1 및 제 2 지지부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하는 제 1 액추에이터를 포함하며,
    상기 제 1 자유도와 관련되며 상기 제 1 자유도를 가지며 상기 제 1 및 제 2 지지부재들의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 제 1 액추에이터를 보조하기 위해 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 일부분을 상기 제 1 및 제 2 지지 부재들로 공급하기 위해 작동할 수 있는 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함하며, 상기 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구가 에너지를 저장하기 시작하는 위치 및 상기 저장된 에너지가 소진되는 위치가 변화될 수 있도록 하여 상기 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구의 영점 위치가 동적으로 변화할 수 있는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    인간 다리의 힙이 가지는 자유도에 해당하는 제 2 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 제 2 지지부재에 연결된 제 3 지지부재를 추가로 포함하고,
    제 2 자유도를 가지며 상기 제 2 및 제 3 지지부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하기 위해 제 2 액추에이터를 추가로 포함하며,
    상기 제 2 자유도와 관련되며 상기 제 1 자유도를 가지며 상기 제 2 및 제 3 지지부재들의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 제 2 액추에이터를 보조하기 위해 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 일부분을 상기 제 2 및 제 3 지지 부재들로 공급하기 위해 작동할 수 있는 제 2 포텐샬 에너지 저장 기구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 힙의 자유도는 힙의 구부림/신장, 힙의 외전/내전, 힙의 내측/측면 회전운동 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    힙의 제 2 자유도에 해당하는 제 3 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 제 3 지지부재에 연결된 제 4 지지부재를 추가로 포함하고,
    제 3 자유도를 가지며 상기 제 3 및 제 4 지지부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하기 위해 제 3 액추에이터를 추가로 포함하며,
    상기 제 3 자유도와 관련되며 상기 제 3 자유도를 가지며 상기 제 3 및 제 4 지지부재들의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 제 3 액추에이터를 보조하기 위해 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 일부분을 상기 제 3 및 제 4 지지 부재들로 공급하기 위해 작동할 수 있는 제 3 포텐샬 에너지 저장 기구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    힙의 제 3 자유도에 해당하는 제 4 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 제 4 지지부재에 연결된 제 5 지지부재를 추가로 포함하고,
    제 4 자유도를 가지며 상기 제 4 및 제 5 지지부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하기 위해 제 4 액추에이터를 추가로 포함하며,
    상기 제 4 자유도와 관련되며 상기 제 4 자유도를 가지며 상기 제 4 및 제 5 지지부재들의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 제 4 액추에이터를 보조하기 위해 보상력 또는 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 일부분을 상기 제 4 및 제 5 지지 부재들로 공급하기 위해 작동할 수 있는 제 4 포텐샬 에너지 저장 기구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  27. 인간 다리의 힙이 가지는 자유도에 해당하는 제 1 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 제 2 지지부재와 연결된 제 1 지지부재를 포함하고,
    상기 제 1 자유도를 가지며 상기 제 1 및 제 2 지지부재들에 대해 토크를 가하는 제 1 액추에이터를 포함하며,
    상기 제 1 자유도와 관련되며 상기 제 1 자유도를 가지며 상기 제 1 및 제 2 지지부재들의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 제 1 액추에이터를 보조하기 위해 보상 토크로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 일부분을 상기 제 1 및 제 2 지지 부재들로 공급하기 위해 작동할 수 있는 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구를 포함하며, 상기 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구가 에너지를 저장하기 시작하는 위치 및 상기 저장된 에너지가 소진되는 위치가 변화될 수 있도록 하여 상기 제 1 포텐샬 에너지 저장 기구의 영점 위치가 동적으로 변화할 수 있는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 제 2 지지부재는 인간 다리의 무릎이 가지는 자유도에 해당하는 제 2 자유도를 형성하기 충분한 탄성적 가요성을 가지며, 상기 탄성적 가요성을 가진 제 2 지지부재는 상기 제 2 지지부재의 굽힘에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 제 2 지지부재를 직선으로 펴기 위해 상기 저장된 포텐샬 에너지의 일부분을 제공하도록 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 다리 달린 로봇 장치.
  29. 다리 달린 로봇 장치의 액추에이터를 보조하기 위해 보상 토크를 제공하기 위한 방법에 있어서,
    복수 개의 자유도를 형성하는 상대운동을 위해 서로 연결된 복수 개의 지지부재들을 구성하는 단계를 포함하고, 상기 복수 개의 자유도들 중 하나 이상은 인간 다리가 가지는 하나 이상의 자유도에 해당하며,
    상기 복수 개의 자유도들 중 하나 이상의 자유도를 가지며 상기 지지부재들에 대해 하중 또는 토크를 가하기 위한 액추에이터를 구성하는 단계를 포함하고,
    상기 복수 개의 자유도들 중 하나 이상과 관련되며 상기 복수 개의 자유도들 중 하나 이상의 자유도를 가지며 상기 지지부재들의 상대 운동에 의해 포텐샬 에너지를 저장하고 상기 액추에이터를 보조하기 위해 보상력으로서 상기 저장된 포텐샬 에너지의 일부분을 상기 지지 부재들로 공급하기 위해 작동할 수 있는 포텐샬 에너지 저장 기구를 구성하는 단계를 포함하며, 포텐샬 에너지 저장 기구가 에너지를 저장하기 시작하는 위치 및 상기 저장된 에너지가 소진되는 위치가 변화될 수 있도록 하여 상기 포텐샬 에너지 저장 기구의 영점 위치가 동적으로 변화할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구가 존재하지 않고도 상기 액추에이터의 크기는 최대 부하 요건을 위해 축소되는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 29 항에 있어서, 인간 다리가 가지는 하나 이상의 자유도는, 힙의 구부림/신장, 힙의 외전/내전, 힙의 내측/측면 회전운동, 무릎의 구부림/신장, 발목의 구부림/신장, 발목의 내전/외전, 및 발목의 내측/측면 회전운동 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 29 항에 있어서, 상기 포텐샬 에너지 저장 기구가 스프링을 더 포함하여 구성되고, 상기 스프링은 인장 스프링, 압축 스프링, 비틀림 스프링, 나선 비틀림 스프링, 공압 스프링, 캔틸레버 스프링, 일정 하중 스프링, 나가토 스프링, 탄성 중합체 재료, 볼류트 스프링, 코일 스프링, 플랫 스프링, 보우(bow) 스프링 중의 하나 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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