KR101989215B1 - 비인체 모방형 외골격 장치의 히프 조인트 위치 - Google Patents

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커트 아먼드슨
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엑소 바이오닉스, 인크.
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Abstract

본 발명에 따른 외골격 장치(103; 113; 302; 402)는 외골격 장치(103; 113; 302; 402)의 착용자(101; 111; 301; 401)의 히프 피봇(133)의 위치에 대해 시상면에서 외골격 장치의 히프 피봇 위치(109; 119; 306; 407; 408; 410)를 선택적으로 조정할 수 있는 기능을 제공한다. 외골격 장치의 히프 피봇 위치(109; 119; 306; 407; 408; 410)는 착용자(101; 111; 301; 401)의 히프 피봇(133)에 대해 전방으로 또는 후방으로 시프트될 수 있으며, 외골격 장치 제어 시스템에 의해 자동으로 구동될 수 있거나 또는 외골격 장치의 착용자(101; 111; 301; 401)에 의해 수동으로도 구동될 수 있도록 구성된다. 본 발명은 특히 하중 또는 구동 조건 변경을 보상하기 위한 차동 히프 배치(differential hip placement)가 가능하도록 구성된다.

Description

비인체 모방형 외골격 장치의 히프 조인트 위치{NON-ANTHROPOMORPHIC HIP JOINT LOCATIONS FOR EXOSKELETONS}
상호 관련 참조
본 발명은 2014년 3월 14일 "비인체 모방형 외골격 장치의 히프 조인트 위치"의 제목으로 출원된 미국 가출원 번호 61/791,376의 이점을 우선권으로 주장한다.
기술분야
본 발명은 소정의 강도가 요구되는 작업을 수행하는 동안 사용자의 힘을 증강하고 부상 방지에 도움을 주기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명은 무거운 공구의 사용 또는 체중 지지 작업(weight bearing tasks)에 종사하는 사용자가 사용하기에 적합한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 착용자의 팔에 보다 큰 힘 및 지구력이 필요한(이에 한정되지 않음) 활동을 위해 또는 걷는 동안 더욱 많은 중량을 착용자에 의해 이송될 수 있도록 하기 위해, 사용자 몸의 일부에 대한 개선된 기능을 부여하기 위한 일련의 인공 사지(artificial limb) 및 관련 제어 시스템을 포함한다.
착용형 외골격 장치(wearable exoskeletons)는 현재까지 의료용, 상업용 및 군사용 용도로 디자인되어 왔다. 의료용 외골격 장치는 사용자의 운동성을 회복시키는데 도움을 주도록 디자인된다. 상업용 및 군사용 외골격 장치의 경우, 부상 방지 및 사용자의 힘을 증강하는데 도움을 줄 수 있다. 상업용 외골격 장치의 경우, 작업시 작업자가 받는 하중을 완화시키는데 사용됨으로써, 작업자의 부상을 방지하고 이들의 체력과 힘을 증가시킬 수 있다.
공구의 중량을 지지할 수 있는 공구 장착 암(tool holding arm)이 구비된 외골격 장치를 사용하여, 초기 시험이 수행되었다. 이러한 장치에 의해, 공구 보유 기능을 지원함으로써 사용자의 피로를 감소시킬 수 있다. 공구 장착 암은 사용자의 팔에 의해서가 아니라, 외골격 장치의 레그(leg)를 통해 공구의 보유에 필요한 수직력을 전송한다. 이러한 외골격 장치의 사용에 있어 한가지 문제점은, 공구가 외골격 장치 레그의 전방에 유지된다는 점이다. 이로 인해, 사용자가 견뎌야 할 외골격 장치의 히프 조인트에 대한 전방 하강 토크(forward falling torque)가 발생한다. 사용자의 몸에 불필요한 하중을 배치하는 이러한 전방 토크의 상쇄를 위해, 사용자는 과도하게 뒤로 기대려는 경향을 갖게 된다.
사용자의 몸에 가해지는 이러한 하중의 감소를 위해서는, 반작용 토크(counteracting torque)가 히프 조인트에 적용되어야 한다. 이러한 토크의 생성을 위해 스프링을 이용하면 스윙 단계(swing phase)에서 매우 큰 토크를 생성할 수 있다(스프링이 해제되지 않는 경우에 가능함, 그리고 이러한 메카니즘은 일반적으로 무겁고 복잡하다). 구동식 히프 조인트(actuated hip joint)를 사용하면 이러한 문제를 회피할 수 있으나, 이러한 디자인은 서있는 동안 일정한 전력 소비가 요구됨으로, 배터리가 무거워져 장점이 상쇄된다. 비구동식 히프 조인트가 구비된 외골격 장치의 경우에는, 무게가 사용자의 뒤쪽에 배치되어야만, 공구의 중량을 상쇄하고 사용자가 감지하는 하중을 최소화하는데 필요한 토크를 제공할 수 있다. 중량(weight)과 모멘트 암(moment arms)의 조합에 의해 상쇄 토크(counter torque)는 생성될 수 있으며; 중량이 가벼울수록 더 긴 모멘트 암을 필요로 하고, 중량이 무거울수록 보다 짧은 모멘트 암을 필요로 한다. 그러나 상쇄 중량을 더 무겁게 할수록 외골격 장치가 더 무거워지고 움직이기 어렵게 만들 수 있으며, 모멘트 암을 더 길게 하면 종종 행해지는 밀폐 작업 환경에서의 기동성을 감소시키기 때문에, 이러한 해결책은 바람직하지 않다.
적어도 이러한 이유로, 공구 장착 암이 구비된 외골격 장치의 전방 히프 토크(forward hip torque)를 감소시키기 위한 장치 및 방법의 개발에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은, 공구가 장착된 외골격 장치의 히프 조인트에서 전방 토크(forward torque)를 감소시킬 수 있는 신규 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은, 외골격 장치가 백팩(backpack)의 수하물을 지지하는데 사용되는 경우와 같이, 수하물이 사용자의 뒤쪽에 배치되는 외골격 장치의 히프 조인트에서 후방 토크(backwards torque)를 감소시킬 수 있는 신규 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은, 외골격 장치의 히프 조인트에서 전방 또는 후방 토크를 조정 가능한 방식으로 감소시킴으로써, 외골격 장치의 착용자 또는 외골격 장치 제어 시스템으로 하여금 외골격 장치의 히프 조인트에서 전방 또는 후방 토크를 감소시킬 수 있는 신규 장치 및 방법을 제공하는 것으로, 이는 다양한 움직임을 갖는 작업에 필요하거나 바람직하다.
본원에 개시된 발명은, 외골격 장치의 중량 분포에 대해 시상면(sagittal plane)에서 외골격 장치의 히프 조인트에 대한 배치를 개선함으로써, 외골격 장치의 히프 조인트에서 전방 또는 후방 토크를 감소시킬 수 있는 장치 및 방법을 포함한다. 이러한 외골격 장치 히프 조인트의 배치에 대한 개선은 현존하는 외골격 장치의 기술에 기초하여 이루어지며, 외골격 시스템으로 하여금 다음과 같은 다양한 파라메터들(이에 한정되지 않음), 즉 감소된 외골격 장치 착용자의 히프(hip) 토크 입력치(torque input), 감소된 외골격 장치의 히프 조인트 액추에이터의 토크 입력치, 증가된 공구 중량, 증가된 수하물 중량, 감소된 후방 카운터웨이트 질량(rear counterweight mass), 줄어든 모멘트 암, 또는 이들 파라메터들의 일부 조합을 변경할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 제 1실시예는 외골격 장치 착용자의 히프 피봇(hip pivot)에 대해, 외골격 장치의 히프 조인트 피봇을 시상면에서 전방으로 오정렬(misalign)하는 기계적 디자인을 갖는 외골격 장치를 포함한다. 공구가 장착된 외골격 장치에 적용되는 경우, 이러한 기계적 디자인에 의해 공구를 적절히 보유하는데 필요한 상쇄 토크를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제 2실시예는 외골격 장치 착용자의 히프 피봇에 대해, 외골격 장치의 히프 조인트 피봇을 시상면에서 후방으로 오정렬하는 기계적 디자인을 갖는 외골격 장치를 포함한다. 백팩 수하물(backpack load)을 지지하도록 구성된 외골격 장치에 적용되는 경우, 이러한 기계적 디자인에 의해 수하물을 적절히 보유하는데 필요한 상쇄 토크를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제 3실시예는 외골격 장치 착용자의 히프 피봇 위치에 대해, 외골격 장치의 히프 조인트 피봇 위치를 시상면에서 조정 가능하도록 변경하는 기계적 디자인을 갖는 외골격 장치를 포함한다. 이 장치는 외골격 장치 제어 시스템에 의해 자동으로 구동될 수도 있고 또는 착용자에 의해 수동으로도 조정 가능함으로써, 차동 히프 배치(differential hip placement)를 구현하는 한편, 이에 의해 하중 또는 구동 조건 변경을 보상할 수 있도록 구성된다. 공구가 장착된 외골격 장치에 적용되는 경우, 이러한 기계적 디자인에 의해, 서있는 동안에는 히프 피봇을 전방으로 시프트함으로써 공구를 적절히 보유하는데 필요한 상쇄 토크를 감소시키는 한편, 보행시 또는 기동시에는 히프 피봇을 후방으로 시프트함으로써 외골격 장치의 이동성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 추가의 목적, 특징 및 장점은 도면과 결부된 본 발명의 특정 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
본 발명에 따라, 공구가 장착된 외골격 장치의 히프 조인트에서 전방 토크를 감소시킬 수 있는 신규 장치 및 방법이 제공된다.
또한 본 발명에 따라, 외골격 장치가 백팩의 수하물을 지지하는데 사용되는 경우와 같이, 수하물이 사용자의 뒤쪽에 배치되는 외골격 장치의 히프 조인트에서 후방 토크를 감소시킬 수 있는 신규 장치 및 방법이 제공된다.
또한 본 발명에 따라, 외골격 장치의 히프 조인트에서 전방 또는 후방 토크를 조정 가능한 방식으로 감소시킴으로써, 외골격 장치의 착용자 또는 외골격 장치 제어 시스템으로 하여금 외골격 장치의 히프 조인트에서 전방 또는 후방 토크를 감소시킬 수 있는 신규 장치 및 방법이 제공되며, 이는 다양한 움직임을 갖는 작업에 필요하거나 바람직하다.
도 1a는 종래 기술에 따른, 작업자가 그의 머리 위로 공구를 보유하고 있는 상황에 대한 정면도를 도시한다.
도 1b는 본 발명에 따른 공구 장착 외골격 장치를 착용한 작업자가 그의 머리 위로 공구를 보유하고 있는 상황에 대한 정면도를 도시한다.
도 2a는 공구 장착 외골격 장치를 착용한 작업자에 대한 개략적인 측면도를 도시한다.
도 2b는 전방으로 시프트된 히프 조인트가 구비된 공구 장착 외골격 장치를 착용한 작업자에 대한 개략적인 측면도를 도시하는 제 1실시예를 나타내는 도면이다.
도 2c는 공구, 카운터웨이트(counterweight) 및 지면에 의해 가해지는 힘, 및 외골격 장치 착용자의 하향 힘과 히프 사이의 거리를 도시하는 공구 장착 외골격 장치를 착용한 작업자에 대한 개략적인 측면도이다.
도 2d는 공구, 카운터웨이트 및 지연에 의해 가해지는 힘, 및 이러한 수직력과 외골격 장치의 히프 사이의 거리를 도시하는, 외골격 장치 착용자의 히프에 대해 전방으로 시프트된 히프 조인트가 구비된 공구 장착 외골격 장치를 착용한 작업자에 대한 개략적인 측면도를 나타내는 제 1실시예에 대한 도면이다.
도 2e는 도 2c 및 도 2d에 도시된 다양한 히프 피봇 위치에 필요한 계산된 카운터웨이트 거리 및 중량을 도시하는 그래프이다.
도 3a는 외골격 장치 착용자의 히프에 대해 후방 시프트된 외골격 장치의 히프 조인트 및 수하물 지지 백팩이 구비된 외골격 장치를 착용한 작업자에 대한 개략적인 측면도를 나타내는 제 2실시예에 대한 도면이다.
도 3b는 백팩 및 지면에 의해 가해지는 힘, 백팩 하향 힘과 외골격 장치 착용자의 히프 사이의 거리, 및 외골격 장치의 히프로부터 외골격 장치 착용자의 히프까지의 옵셋(offset) 거리를 도시하는, 외골격 장치 착용자의 히프에 대해 후방으로 시프트된 히프 조인트 및 수하물 지지 백팩이 구비된 외골격 장치를 착용한 작업자에 대한 개략적인 측면도를 도시하는 제 2실시예에 대한 도면이다.
도 4a는 전방 위치에 배치된 조정 가능식 외골격 장치 히프 조인트에 의해, 외골격 장치의 히프 조인트 위치를 조정할 수 있는 공구 장착 외골격 장치를 착용한 작업자에 대한 개략적인 측면도를 도시하는 제 3실시예에 대한 도면이다.
도 4b는 후방 위치에 배치된 조정 가능식 외골격 장치 히프 조인트에 의해, 외골격 장치의 히프 조인트 위치를 조정할 수 있는 공구 장착 외골격 장치를 착용한 작업자에 대한 개략적인 측면도를 도시하는 제 3실시예에 대한 도면이다.
본 발명은 소정의 강도가 필요한 작업을 수행하는 동안 사용자의 힘을 보강하고 부상을 방지할 수 있는 전동 교정 장치(powered orthotic device)와 함께 사용된다. 특히 본 발명은 무거운 공구를 사용하거나 또는 체중 지지 작업(weight bearing tasks)에 종사하는 사용자가 사용하기에 적합한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 착용자의 팔에 보다 큰 힘 및 지구력이 필요한 활동을 위해 또는 걷는 동안 더욱 많은 중량이 이송될 수 있도록(이에 한정되지 않음), 사용자 몸의 일부에 대한 개선된 기능을 부여하기 위한 전동 교정 시스템(motorized system of braces) 및 관련 제어 시스템을 포함한다.
공지된 구성을 나타내는 도 1a에 도시된 바와 같이, 작업자(100)는 지지면(151)에 서서 작업을 수행하는 동안 그의 머리 위로 무거운 공구(102)(그림에서는 무거운 그라인더로 도시됨)를 들고 있다(전체적으로 명확성을 위해 다른 그림들은 생략됨). 작업을 수행하는 동안 무거운 공구(102)의 무게는 전적으로 작업자(101)에 의해 지지된다. 도 1b는 외골격 장치(103)를 착용하고 있는 작업자(101)를 도시하며, 본 발명에 따른 외골격 장치는 외골격 스트래핑(105, person-exoskeleton strapping)에 의해 작업자(101)의 몸체(104)에 부착된다. 상업적 외골격 장치(103)에는 무거운 공구(102)의 중량을 지지하기 위한 공구 장착 암(106)이 장착된다. 도 1b에 도시된 작업을 수행하는 동안, 공구 장착 암(106)은 무거운 공구(102)에 대한 중량의 일부 또는 전부를 지지하고, 외골격 장치는 사용자의 하부 사지에 결합되도록 구성되는 한편 서있는 자세에서 지지면으로 받쳐지는 외골격 레그(107)에 의해 지지되며, 이러한 중량은 외골격 장치(103)로 전송되도록 구성된다. 본 발명의 목적은 히프 아래쪽의 외골격 레그에 대한 특수 디자인에 있는 것이 아니라, 일련의 외골격 레그 디자인에 대한 적용에 있으므로, 레그 디자인에 대한 내용은 추가로 설명되지 않는다. 이러한 방식으로 외골격 장치(103)로 하여금 무거운 공구(102)의 중량을 지지하고 작업자(101)로 하여금 부과된 작업을 보다 오랫동안, 보다 적은 피로를 갖고 수행할 수 있게 함으로써, 도 1a의 작업자(100)와 비교하여 생산성 증가와 함께 부상 방지 감소의 효과를 유발할 수 있다.
전술한 바와 같은 공구의 중량을 지지할 수 있는 공구 장착 암이 장착된 외골격 장치를 사용하여, 테스트가 수행되었다. 공구 장착 암이 공구 보유에 필요한 수직력을 사용자의 팔이 아니라 외골격 장치의 레그를 통해 이송되도록 하는 공구 보유 지원 기능에 의해, 이러한 장치로 하여금 사용자의 피로를 감소시킬 수 있다. 이러한 장치에 있어 한가지 문제점은 공구가 외골격 레그의 전방에 유지된다는 점이다. 이에 의해 외골격 장치의 히프 조인트에 대한 전방 낙하 토크(forward falling torque)가 발생하는데, 이는 외골격 장치의 착용자가 견뎌야만 한다. 착용자의 몸에 가해지는 불필요한 하중을 배치하는 이러한 전방 토크의 상쇄를 위해, 외골격 장치의 착용자는 뒤쪽으로 과도하게 기대려는 경향을 갖게 된다. 착용자의 몸에 가해지는 이러한 하중을 감소시키기 위해서는, 외골격 히프 조인트에 반작용 토크(counteracting torque)가 적용되어야 한다. 이러한 방안은 구동식 외골격 히프 조인트에 의해 수행 가능하나, 이러한 디자인은 서있는 동안 일정한 전력의 소비를 필요로 한다. 비구동식 히프 조인트가 구비된 외골격 장치의 경우, 공구의 중량을 상쇄하고 사용자가 느끼는 하중을 최소화하도록 필요한 토크를 제공하기 위해서는, 중량이 사용자의 뒤쪽에 배치되어야만 한다. 상쇄 토크(counter torque)는 일련의 중량(weight)과 모멘트 암(moment arms)의 조합에 의해 생성될 수 있으며; 중량이 가벼울수록 더 긴 모멘트 암을 필요로 하고, 반면에 중량이 무거울수록 보다 짧은 모멘트 암을 필요로 한다. 그러나 상쇄 중량을 더 무겁게 할수록 외골격 장치가 더 무거워지고 움직이기 어렵게 만들수 있으며, 모멘트 암을 더 길게 하면 종종 행해지는 밀폐 작업 환경에서의 기동성을 감소시키기 때문에, 이러한 해결책은 바람직하지 않다.
본 발명의 제 1실시예는 외골격 장치 착용자의 히프 피봇에 대해 외골격 장치의 히프 피봇을 시상면(sagittal plane)에서 전방으로 오정렬(misalign)하는 기계적 디자인을 가진 외골격 장치를 포함한다. 공구 장착 외골격 장치에 적용되는 경우, 이러한 디자인에 의해 공구를 적절히 보유하는데 필요한 상쇄 토크를 감소시킬 수 있다.
기존의 외골격 장치의 히프 피봇은, 사용자의 운동에 대한 범위를 제한하지 않는 한편, 외골격 장치와 사용자 간의 상대적인 운동을 최소화 하기 위해 가능한 한 사용자의 히프에 최대한 가깝게 정렬된다. 그러나 큰 범위의 히프 운동이 자주 필요하지 않은 적용 분야에서는, 이러한 규칙에 예외가 허용되는 것으로 밝혀졌다. 그러한 분야 중 하나가 공구가 장착된 외골격 장치로서, 사용자는 대부분의 시간을 서 있고, 사용자와 외골격 장치 간에 상대적인 운동을 야기할 수 있는 충분히 큰 범위의 운동을 통한 히프 이동이 거의 없도록 구성된다. 따라서 외골격 장치의 히프 피봇 위치는 이러한 적용 분야에 보다 잘 매칭되도록 재배치된다. 외골격 장치의 히프 피봇을 사용자의 히프 피봇 전방으로 이동시킴으로써, 공구의 무게 중심 평형에 필요한 카운터웨이트(counterweight)를 감소시킬 수 있다. 사용자의 히프 피봇에 대해 시상면에서 유사한 위치에 배치된 히프 피봇을 갖는 외골격 장치, 및 사용자의 히프 피봇에 대해 전방으로 배치된 히프 피봇을 갖는 외골격 장치에 대한 실시예가 도 2a 및 도 2b, 그리고 도 2c 및 도 2d에 각각 도시되어 있다.
보다 구체적으로는 도 2a를 참조하면, 작업자(101)는 상업적 외골격 장치(103)를 착용하고 있으며, 외골격 장치는 외골격 스트래핑(105)에 의해 작업자(101)의 몸통(104)에 부착된다. 상업적 외골격 장치(103)에는 공구 장착 암(106)이 장착된다. 외골격 장치는 히프 피봇(109)에 의해 외골격 장치(103)와 연결된 외골격 레그(107)에 의해 지지되도록 구성되며, 공구 장착 암(106)의 중량은 상업적 외골격 장치(103)로 전송된다. 공구 장착 암(106)의 중량에 의해 외골격 장치(103)의 밸런스가 전방으로 시프트되어 히프 피봇(109)에 전방 토크를 가함에 따라, 외골격 장치(103)에 카운터웨이트(108)를 장착하여 히프 피봇(109)에 후방 토크를 가함으로써 히프 피봇(109)의 전방 토크를 상쇄할 수 있도록 구성된다.
도 2b를 참조하면, 작업자(111)는 상업적 외골격 장치(113)를 착용하고 있으며, 외골격 장치는 외골격 스트래핑(115)에 의해 작업자(111)의 몸통(114)에 부착된다. 상업적 외골격 장치(113)에는 공구 장착 암(116)이 장착된다. 외골격 장치는 전방 시프트된 히프 피봇(119)에 의해 외골격 장치(113)에 연결된 외골격 레그(117)에 의해 지지되도록 구성되며, 공구 장착 암(116)의 중량은 상업적 외골격 장치(113)로 전송된다. 150번으로 표기된 화살표는 시상면에서 볼 때 앞쪽 방향을 나타내며, 본원에서는 일반적으로 "전방"으로 언급된다. 공구 장착 암(116)의 중량에 의해 외골격 장치(113)의 밸런스가 전방으로 시프트되어 히프 피봇(119)에 전방 토크를 가함에 따라, 외골격 장치(113)에 카운터웨이트(118)를 장착하여 전방 시프트된 히프 피봇(119)에 후방 토크를 가함으로써 전방 시프트된 히프 피봇(119)의 전방 토크를 상쇄할 수 있도록 구성된다.
도 2c를 참조하면, 작업자(101)는 상업적 외골격 장치(103)를 착용하고 있으며, 작업자(101) 및 외골격 장치의 히프 피봇은 모두 시상면에 공통 배치된다. 공구 암의 중량 및 수하물에 의한 외골격 장치(103)의 히프 피봇(109)에 대한 토크는 하향 힘(121)과 레버 암(lever arm, 122)에 의해 생성된다. 테스트를 거쳐 밝혀졌는데, 작업자(101)는 수하물에 대해서는 무시할만한 힘을 가하고, 반면에 그들의 손으로 수하물을 안정화시키는 것이 일반적이므로, 따라서 작업자는 수하물이나 공구 암에 대해 힘을 가하지 않는다고 가정하는 것이 합리적이다. 카운터웨이트 토크(counterweight torque)는 또한 외골격 장치(103)의 히프 피봇(109)에 대해 작용한다. 카운터웨이트 토크는 레버 암(125)에 걸쳐 작용하는 카운터웨이트(108) 상의 중력에 의한 힘(124)에 의해 생성된다. 레그(107)의 반작용 힘(126)은 히프 피봇(109)에서 작용한다. 카운터웨이트(108)가 소정의 레버 암(122)에서 소정의 하중을 완전하게 평형시키도록 선택될 경우, 정적 평형(static balance)은 다음과 같이 기재될 수 있다:
(1) F121 X L122 = F124 X L125
여기서, Fxxx는 하향 힘을 나타내고, Lyyy는 레버 암의 길이를 나타낸다.
도 2d를 참조하면, 작업자(111)는 상업적 외골격 장치(113)를 착용하고 있으며, 작업자(111)의 히프 피봇은 작업자의 히프 피봇(133)에 배치되고, 외골격 장치(113)의 히프 피봇(119)은 소정의 거리(137)를 두고 작업자의 히프 피봇(133) 전방에 배치되도록 구성된다. 공구 암 중량에 의한 외골격 장치(113)의 히프 피봇(119)에 대한 토크는 하향 힘(131)과 소정의 거리(137)만큼 차감된 레버 암(132)에 의해 생성된다. 외골격 장치(103)의 히프 피봇(119)에 대한 카운터웨이트 토크는 또한 카운터웨이트(118) 상의 중력 및 소정의 거리(137)만큼 증가된 레버 암(135)에 따른 힘(134)에 의해 생성된다. 레그(117)의 반작용 힘(136)은 작업자의 히프 피봇(133)으로부터 소정의 거리(137)만큼 옵셋된 외골격 장치(103)의 히프 피봇(109)에서 작용한다. 카운터웨이트(124)가 소정의 레버 암(122)에서 소정의 하중을 완전하게 평형시키도록 선택될 경우, 정적 평형(static balance)은 다음과 같이 기재될 수 있다:
(1) F131 X (L132 - L137) = F134 X (L135 + L137)
여기서, Fxxx는 하향 힘을 나타내고, Lyyy는 레버 암의 길이를 나타낸다.
공구 장착 암의 구성이 도 2c와 일반적으로 동일한 경우, 즉 F131 = F121, L132 = L122, L125 = L135 인 경우, F134의 실질적 감소와 함께, 카운터웨이트(124)의 질량도 또한 실질적으로도 감소됨에 따라, 외골격 장치의 전체 중량 및 외골격 레그(117)에 가해지는 힘도 모두 감소될 수 있다. 또는 디자인에 따라 다르나, 카운터웨이트 레버 암(135)의 길이를 실질적으로 감소시킴으로써, 상업적 외골격 장치(113)의 기동성을 향상시킬 수 있다. 일부 실시예에서는, 카운터웨이트의 중량 및 카운터웨이트 레버 암의 길이를 모두 다소 감소시킬 수 있는 디자인을 목표로하고 있다.
도 2a, 2b, 2c 및 2d에 도시된 바와 같이, 외골격 장치 착용자의 히프 피봇에 대해 시상면에서 외골격 장치의 히프 피봇을 전방 시프트시킴으로써, 감소된 전방 히프 토크에 의해 최종적으로 공구 중량을 감소시킬 수 있는 공구 장착 외골격 장치가 제공될 수 있다. 예컨대, 히프 피봇이 공구 위치만큼 전방으로 이동될 경우 카운터웨이트는 필요하지 않으나, 이로 인해 대부분의 실시예들에서, 심지어 작은 범위의 운동에 대해서 조차도 외골격 장치와 외골격 장치 착용자 사이에 터무니없는 양의 상대적 운동을 야기할 수 있다. 히프 피봇의 위치는, 외골격 장치의 착용자가 주어진 작업을 위해 충분한 유연성을 유지하고, 허용 가능한 카운터웨이트 토크를 필요로 하는 동안 외골격 장치의 착용자 몸과 장치 간의 상대적 운동을 조절할 수 있도록 선택된다.
히프 피봇의 전방 이동에 의해, 필요한 카운터웨이트 토크는 외골격 장치 히프 피봇에서 공구까지의 히프 옵셋(hip offset, 도 2d에서 137로 표기)의 양만큼 거리를 감소시킴으로써 줄어들 수 있다. 공구 중량에 의해 사용자에 가해지는 토크는, 외골격 장치 착용자에 가해지는 하중을 증가시키지 않고 카운터웨이트 토크를 감소시킴으로써 줄어들 수 있다. 카운터웨이트 토크는 중량과 사용자 간의 거리를 감소시키거나 또는 사용되는 질량을 감소시킴으로써 줄어들 수 있다. 도 2e는 다양한 히프 피봇 위치에 대한 카운터웨이트 거리 대 카운터웨이트 중량 간의 상관 관계를 도시한다. 본 그래프에 적용된 공구의 중량은 25파운드이고 공구를 배치시키는 암의 중량은 14파운드로, 본 해석에서 일관되게 유지된다. 속이 빈 원 기호로 이어진 141번의 라인은 사용자의 히프 피봇에 정렬된 외골격 장치의 히프 피봇에 대한 중량 대 거리의 관계를 나타내며, y축(145)은 외골격 장치 착용자로부터 카운터웨이트까지의 거리를, x축(146)은 카운터웨이트의 중량을 각각 나타낸다. 히프 옵셋이 증가됨에 따라, 곡선은 더 적은 중량 및 더 적은 거리를 필요하도록 다음과 같이 시프트하는데, 삼각형 기호로 이어진 142번 라인의 외골격 장치는 1인치 히프 옵셋되고, 역삼각형 기호로 이어진 143번 라인의 외골격 장치는 2인치 히프 옵셋되며, 사각형 기호로 이어진 144번 라인의 외골격 장치는 3인치 히프 옵셋된다. 외골격 사용자로부터 카운터웨이트까지의 거리를 고정시킬 경우, 히프 피봇 옵셋의 거리가 증가됨에 따라 필요한 카운터웨이트의 양은 감소된다. 마찬가지로, 카운터웨이트의 양을 고정시킬 경우, 히프 피봇 옵셋의 거리가 증가됨에 따라 외골격 사용자로부터 카운터웨이트까지의 필요 거리는 감소된다. 또한 도 2e에서, 검은 원 기호로 이어진 148번 라인은, 카운터웨이트의 중량이 x축(146)을 따라 증가함에 따라, y축(147) 상의 외골격 레그에 의해 지지되는 수직 컴포넌트 힘(vertical component force)도 증가되는 것을 나타낸다.
이러한 전방 배치된 히프 피봇 디자인에 의해 특수한 공구 보유 기능을 갖도록 구성된 외골격 장치가 제공될 수 있다. 전방 배치된 히프 피봇에 의해, 카운터웨이트가 사용자로부터 돌출되는 거리를 감소시킴으로써 사용자의 이동성을 증가시킬 수 있다. 밀폐 공간에서 사용자의 크기에 대한 임의의 증가는 바람직하지 않다. 다른 장점으로는 카운터웨이트의 질량 감소에 의해 장치 내에서 걷는 동안 사용자의 피로를 저감시킬 수 있는 점을 들 수 있다. 구동식 히프 조인트가 구비된 외골격 장치의 경우, 전방 배치된 히프 피봇에 의해 외골격 장치의 히프 액츄에이터에 대한 토크 입력치를 감소시킴으로써 전력 소비를 감소시킬 수 있다.
주요 실시예들 중 일실시예에서, 공구 장착 외골격 장치가 밀폐된 공간에서의 사용을 위해 디자인되고, 소정의 카운터웨이트 중량을 가진 경우, 외골격 장치 사용자로부터의 카운터웨이트의 거리는 감소될 수 있다. 도 2e에 도시된 그래프에 기초하여, 27.5 파운드의 카운터웨이트를 갖고 히프 옵셋이 없는 외골격 장치의 경우 외골격 장치 착용자로부터 카운터웨이트까지 15인치의 거리가 필요하나, 27.5 파운드의 카운터웨이트를 갖고 3인치의 히프 옵셋이 있는 외골격 장치의 경우에는 외골격 장치 착용자로부터 카운터웨이트까지 단 8인치의 거리만 필요하다는 것을 알 수 있다. 이러한 짧아진 카운터웨이트의 거리는 밀폐된 공간에서 외골격 장치를 사용하는 경우 기동성 면에서 큰 장점을 갖는다.
본 발명의 제 2실시예는 외골격 장치 착용자의 히프 피봇에 대해 시상면에서 외골격 장치의 히프 피봇을 후방으로 오정렬하는 기계적 디자인을 가진 외골격 장치를 포함한다. 수하물이 사용자의 전방에 있을 때 히프 피봇이 사용자의 전방에 배치되듯이, 백팩의 수하물을 지지하도록 구성된 외골격 장치에 적용되는 경우, 이러한 기계적 디자인에 의해 수하물을 적절히 유지하는데 필요한 상쇄 토크를 감소시킬 수 있으며, 외골격 장치의 피봇이 허용 가능한 수하물의 무게 중심 부근에 배치될 경우 사용자는 보다 직립 자세를 채택할 수 있을 것이다. 비인체 모방형 외골격 장치의 히프 위치에 대한 이러한 등급은 사용자의 히프 조인트(고관절)의 성질에 대한 통찰에 기초하며, 히프 조인트는 일반적으로 히프 조인트가 견딜 수 있는 수하물의 무게 중심에 맞춰 일렬로 배치됨으로써, 히프에 대해 토크가 필요치 않도록 구성된다. 방금 전의 실시예에서와 같이, 히프 피봇을 수하물에 맞춰 직접 배치하는 것이 실용적이지 못한 경우, 히프 피봇을 단순히 충분히 실현 가능한 만큼만 가까이 이동시키는 것으로 충분한 효과가 있다. 이러한 실시예에서는 사용자의 중량이 외골격 장치 없이 지면으로 전달된다는 점, 즉 외골격 장치는 외골격 장치의 히프 피봇을 통해 사용자의 체중을 견디지 못한다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 그러나, 사용자가 외골격 장치의 트렁트에 단단히 연결됨으로서 사용자의 체중이 외골격 장치로 및 외골격 장치의 히프 피봇을 통해 전달되는 경우, 이상적인 외골격 장치의 피봇 위치는 외골격 장치의 몸통, 사용자의 몸통 및 수하물이 조합된 무게 중심에 있을 것이다. 후방 시프트된 히프에 의해 수하물을 지지할 수 있도록 구성된 외골격 장치에 대한 실시예가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 작업자(301)는 상업적 외골격 장치(302)를 착용하고 있으며, 외골격 장치는 외골격 스트래핑(305)에 의해 작업자(301)의 몸통(304)에 부착된다. 상업적 외골격 장치(302)에는 수하물 지지 백팩(303) 및 히프 액츄에이터(313)가 장착되며, 이들은 후방 시프트된 히프 피봇(306)에 대한 토크를 생성하도록 구성된다. 후방 시프트된 히프 피봇은 작업자(301)의 히프 피봇으로부터 옵셋 거리(309)만큼 뒤쪽으로 시프트된다. 외골격 장치는 후방 시프트된 히프 피봇(306)에 의해 외골격 장치(302)에 연결된 외골격 레그(307)에 의해 지지되며, 수하물 지지 백팩(303)의 중량은 외골격 장치(302)로 전송된다.
도 3a 및 도 3b를 추가로 참조하면, 작업자(301)는 상업적 외골격 장치(302)를 착용하고 있으며, 작업자(301)의 히프 피봇은 시상면에서 점선 라인(310) 상에 배치되고, 외골격 장치(302)의 히프 피봇은 시상면에서 점선 라인(310)으로부터 옵셋 거리(309)만큼 후방으로 배치된다. 수하물 지지 백팩(303)의 하중에 의한 히프 피봇(306)의 토크는 중력(308) 및 옵셋 거리(309)만큼 차감된 레버 암(311)에 따른 힘에 의해 생성된다. 외골격 장치의 히프 옵셋 거리(309)로 인해, 중력(308)에 의한 힘에 의해 생성된 토크를 상쇄하도록 액츄에이터(313)에서 제공되어야만 하는 토크는 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 상업적 외골격 장치(302)의 후방 옵셋된 히프 피봇에 의해, 히프 엑츄에이터에 요구되는 사항들을 감소시킬 수 있다.
제 2실시예의 다른 변형에서, 백팩 타입의 상업적 수하물 지지 외골격 장치가 작업자로 하여금 일정한 거리에 걸쳐 무거운 품목을 이송하는 데 사용되고 외골격 장치에 어떠한 구동식 히프 장치(즉, 히프 엑츄에이터[313])를 구비하지 않은 경우, 수하물 지지 외골격 장치의 히프 조인트 위치를 후방으로 시프트함으로써, 후방 시프트된 히프가 없는 유사한 외골격 장치와 비교하여 외골격 장치의 수하물에 의해 발생한 후방 토크를 지지하는데 있어, 작업자의 물리적 입력/에너지가 덜 소요되도록 할 수 있다. 후방 시프트된 히프가 구비된 외골격 장치를 착용하는 과정에서 작업자에 부과되는 번거로움과 어려움을 감소시킴으로써, 작업자로 하여금 동일한 중량을 더 멀리 이송하거나 또는 같은 거리에 더 많은 중량을 이송하거나 또는 동일한 작업 수행시 피로 및 부상 위험을 감소시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 구동식 외골격 장치의 경우 히프 피봇에 대해 실질적인 넷 토크(net torque)를 생성하는데, 이러한 장치에 대한 실시예가 본원에 참조로 인용된 미국 특허 출원번호 12/468,487에 개시되어 있다. 이 장치에서는, 외골격 장치에 후방 하중이 있는 것처럼, 동일한 방향에 있는 액츄에이터에 의해, 히프 피봇에 대해 큰 토크가 생성됨으로써, 외골격 장치가 추진을 보조할 수 있도록 구성된다. 그 결과, 작업자는 외골격 장치의 몸통으로부터 작업자의 몸통으로 전달된 토크를 평형시키기 위해 전방으로 기대야 하며, 외골격 장치로부터의 토크는 액츄에이터 토크 및 외골격 장치의 전후방 양쪽에 있는 임의의 하중의 조합으로 구성된다. 전형적인 하중 조건 및 액츄에이터의 토크가 공지되어 있는 경우, 본 발명에 따라 히프 피봇을 일반적인 인체모형 위치로부터 적절한 거리를 이동시킴으로써 히프 피봇에 대한 하중을 평형시킬 수 있다. 일반적으로 이러한 실시예에서, 외골격 장치의 전방에 가해지는 하중이 대단히 크지 않다면, 피봇은 후방으로 이동할 것이다.
본 발명의 제 3실시예는 외골격 장치 착용자의 히프 피봇 위치에 대해, 외골격 장치의 히프 피봇에 대한 위치를 시상면에서 조정 가능하도록 변경할 수 있는 기계적 디자인을 갖는 외골격 장치를 포함한다. 이 장치는 외골격 장치 제어 시스템에 의해 자동으로 구동될 수도 있고 또는 외골격 장치 착용자에 의해 수동으로 조정가능함으로써, 하중 또는 구동 조건에 대한 변경을 보상하기 위한 차동 히프 배치(differential hip placement)가 가능하도록 구성된다. 공구 장착 외골격 장치가 적용되는 경우, 이러한 기계적 디자인에 의해, 서있는 동안 히프 피봇의 전방 시프트에 의해 공구를 적절히 보유하는데 필요한 상쇄 토크를 감소시키는 한편, 보행시 또는 기동시 히프 피봇의 후방 시프트에 의해 외골격 장치의 이동성을 증가시킬 수 있다. 이러한 외골격 장치에 대한 예가 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다.
도 4a를 참조하면, 작업자(401)는 상업적 외골격 장치(402)를 착용하고 있으며, 외골격 장치는 외골격 스트래핑(404)에 의해 작업자(401)의 몸통(403)에 부착된다. 상업적 외골격 장치(402)에는 공구 장착 암(405) 및 카운터웨이트(400)가 장착된다. 외골격 장치는 조정 가능한 히프 피봇(407)에 의해 외골격 장치(402)에 연결된 외골격 레그(409)에 의해 지지되며, 공구 보유 암(405) 및 수하물의 중량은 상업적 외골격 장치(402)로 전송된다. 공구 보유 암(405) 및 조정 장치(406)에 의해 외골격 장치(402)의 평형이 전방으로 시프트되므로, 조정 가능한 히프 피봇(407)은 카운터웨이트(400), 암(405) 및 수하물(415)에 의해 생성된 토크를 평형시키기 위해 전방의 조정 가능한 히프 피봇 위치(408)로 이동된다.
일부 실시예의 외골격 장치에서는, 전자 제어 제스템을 사용하여 조정 장치(406)를 자동으로 이송할 수 있는 반면, 다른 실시예에서는 작업자가 조정 장치(406)를 수동으로 이동할 수 있도록 구성된다. 일부 실시예에서, 피봇은 불연속 위치를 갖는 반면, 다른 실시예에서는 피봇의 위치가 연속적으로 조정 가능하도록 구성된다.
도 4b를 참조하면, 작업자(401)는 상업적 외골격 장치(402)를 착용하고 있으며, 외골격 장치는 외골격 스트래핑(404)에 의해 작업자(401)의 몸통(403)에 부착된다. 상업적 외골격 장치(402)에는 공구 장착 암(405)이 장착되나 임의의 수하물은 없다. 외골격 장치는 조정 가능한 히프 피봇(407)에 의해 외골격 장치(402)에 연결된 외골격 레그(409)에 의해 지지되며, 공구 보유 암(405)의 중량은 상업적 외골격 장치(402)로 전송된다. 임의의 수하물이 없어 외골격 장치(402)의 평형이 후방으로 시프트되므로, 조정 가능한 히프 피봇(407)은 카운터웨이트(400) 및 암(405)에 의해 생성된 생성된 토크를 평형시키기 위해 후방의 조정 가능한 히프 피봇 위치(410)로 이동된다. 물론 도시되지 않은 추가의 유사한 구성에서, 도 3에 도시된 장치의 히프 피봇 위치는 여기에 언급된 것과 동일한 방법으로 조정 가능함으로써, 장치의 뒷면에 배치된 하중에 기초하여 설정된 히프 피봇 위치의 조정할 수 있도록 구성된다.
조정 가능한 히프 피봇(407)의 조정에 의해, 앞서 설명한 수식 2의 레버 암 길이는 이제 변동될 수 있다. 구체적으로, 다시 도 2d 및 수식 2를 참조하면, L137을 이송된 하중에 맞도록 변화시킴으로써, 외골격 장치 또는 사용자로 하여금 사용자가 하중을 실시간으로 평형시키기 위해 그들의 히프에 적용해야만 하는 토크를 줄일 수 있도록 구성된다.
본원에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명되었지만, 다양한 변경 및/또는 변형이 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 당연히 외골격 장치 착용자의 히프에 대해 외골격 장치의 히프 피봇에 대한 옵셋을 변경할 수 있는 가능한 방법은 많이 존재한다. 예컨대, 외골격 장치의 골반부는, 나사에 연결된 핸들의 조정에 의해, 착용자로 하여금 골반의 깊이를 수동으로 조절할 수 있는(즉, 장치의 뒤쪽에서 히프 피봇까지의 거리를 변화시킬 수 있는) 나사 기구(screw mechanism)를 구비할 수 있다. 대안적으로 장치는 나사에 연결된 모터의 구동에 의해 이러한 위치를 자동으로 조정할 수 있도록 구성된다. 매우 간단한 실시예에서, 사용자의 몸통과 외골격 장치의 뒤쪽 사이에 상이한 두께의 패드를 배치시킴으로써, 외골격 장치와 사용자 히프 피봇 간의 상대 거리가 패드의 두께에 기초하여 변화되도록 할 수 있다.
상기 3개 실시예중 하나에서, 작업자는 히프 피봇의 위치를 조정할 수 있는 기능이 구비된 공구 장착 외골격 장치를 착용하고 있다. 작업자가 장시간에 걸쳐 무거운 공구를 작동하는 동안, 외골격 장치의 히프 피봇에서의 전방 토크를 감소시키기 위해, 외골격 장치의 히프 피봇은 작업자의 히프에 대해 전방에 위치한다. 작업자가 이러한 공구 사용 작업을 할 때, 작업자는 모터에 결합된 스위치를 플립시켜 조정 가능한 히프 피봇을 작업자의 히프에 정렬된 위치인 후방으로 변동시킨다. 이러한 정렬 위치에 있는 히프 피봇이 구비된 외골격 장치에 의해, 작업자는 외골격 장치에서 보다 쉽게 도보 및 기동 가능함으로써, 공구 장착 외골격 장치를 공구 사용이 필요한 다음 위치로 재배치할 수 있다. 작업자가 작업이 필요한 새로운 위치에 도달하면, 작업자는 모터에 결합된 스위치를 다시 플립하여 히프 피봇을 외골격 장치의 평형 관점에서 확장된 도구 사용에 가장 적합한 위치인 전방 위치로 조정한다.
다른 실시예에서, 시상면에서 외골격 장치 착용자 히프의 전방 또는 후방으로 모두 시프트될 수 있는 조정 가능한 외골격 히프를 구비하는 것은 장점을 갖는다. 이에 의해 전방 또는 후방 토크를 모두 감소시킬 수 있으며, 구동식 히프가 구비된 외골격 장치와 같이, 지게차와 같은 무거운 물건의 적재, 하역, 재배치 또는 선적 작업을 수행하기 위한, 앞쪽에 배치된 매우 무거운 적재 하물을 일시적으로 들어올리도록 디자인된 외골격 장치에 유리할 수 있다. 이러한 외골격 장치에는 대단히 무거운 후방 카운터웨이트가 장착됨으로써, 전방 선적 또는 하물 이송 작업의 발생시 전방 히프 토크를 상쇄하도록 구성되며, 외골격 장치의 전방에 적재 하물이 로딩되지 않는 경우 심각한 후방 토크가 발생할 것이다. 전방 적재 하물 로딩시 외골격 장치의 히프 피봇을 전방으로 조정하고, 적재 하물 로딩이 없는 경우 외골격 장치의 히프 피봇을 후방으로 조정함으로써, 히프 토크의 감소 및 히프 토크를 상쇄하기 위한 관련 외골격 장치의 액츄에이터에 대한 전력 요구조건의 완화 등의 장점이 발생할 수 있다. 어떠한 경우에 외골격 장치의 히프 피봇은, 몸통과 레그 서포트(leg supports) 사이의 약간의 각도 범위에 걸쳐 사용자의 히프 피봇에 정렬되지 않는다.
다른 실시예에서 히프 피봇은 다중심적(polycentric)으로 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 다중심 조인트란, 입력과 출력 링크 사이의 각도가 이동함에 따라 조인트 센터(joint center)가 이동하는 조인트를 말한다. 본 기술분야에서 가장 이해가 쉬운 간단한 예는 4절 링크(four bar linkage)이다. 히프 피봇으로 4절 링크를 디자인 및 사용함으로써, 전술한 제 1실시예에서 바람직할 것으로 예상되듯이, 외골격 장치 착용자가 수직으로 직립한 경우에는 히프 피봇이 일반적으로 외골격 장치의 전방에 놓이도록 구성하는 반면, 작업자가 앉거나 웅크리고 있을 때와 같이 히프 각도가 보다 커짐에 따라 히프 피봇이 일반적으로 인체모형 위치의 전방 또는 후방으로 이동하도록 구성하는 것이 가능하다. 이러한 실시예는, 가만히 서 있는 동안에는 전방 히프 피봇을 제공하는 반면, 움직임이 큰 경우에는 히프 피봇을 인체 모형 위치로 이동시킴으로써, 기동시 외골격 장치와 사용자 간의 움직임이 크지 않도록 구성할 수 있는 장점이 있다. 본 실시예는 히프 피봇의 위치가 조정 가능한 외골격 장치 또는 구동식 외골격 장치를 포함하는, 본원에 개시된 다른 실시예들과 함께 사용 가능하다는 것이 이해되어야 한다. 다중심 링크에 대한 세부 내용은 본원에 개시되지 않으나, 당업자는 본 명세서에 기초하여 히프 피봇을 히프 각도에 따라 상이한 위치 사이로 지속 이동시킬 수 있는 링크를 용이하게 디자인함으로써, 다양한 최적의 설정을 구현할 수 있다(즉, 하중이 전방에 있는 외골격 장치의 경우 피봇은 서있는 동안 전방으로 이동하고, 하중이 후방에 있는 외골격 장치의 경우 피봇은 서있는 동안 후방으로 이동할 수 있음).
마지막으로 모든 실시예에서, 외골격 장치는 사용자의 무게를 견딜 수 있는 것으로 인식되어야 한다. 대안적으로 모든 실시예에서, 외골격 장치는 외골격 장치 및 공구 또는 하물의 무게만을 지지할 수 있는데, 이는 외골격 장치를 적용하는 경우에 바람직하다. 또한 모든 실시예에서, 외골격 장치는 고관절 또는 무릎 관절을 포함하는(그러나 이에 한정되지 않음) 하나 이상의 구동식 조인트를 구비할 수 있다. 이러한 구동식 조인트는 외골격 장치 및 외골격 장치 착용자의 추진을 보조할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

Claims (20)

  1. 사용자와 결합되도록 구성된 외골격 장치(exoskeleton)에 있어서, 상기 장치는:
    사용자의 하부 사지에 결합되도록 구성되고, 직립 상태에서 지지면(support surface)으로 받쳐지는 제 1 및 제 2 외골격 레그; 및 사용자의 상부 몸체에 결합되도록 구성된 외골격 몸통;을 포함하며,
    상기 외골격 몸통은 각 외골격 장치 히프 피봇의 제 1 및 제 2 외골격 레그에 각각 상호 연결됨으로써, 제 1 및 제 2 외골격 레그와 외골격 몸통의 사이에서 각 외골격 장치의 히프 피봇에 대해 굴절 및 신장이 가능하도록 구성되고,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 사용자의 히프 피봇에 정렬되지 않고, 사용자의 히프 피봇에 대해 선택적으로 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 장치는:
    외골격 장치에 연결된 수하물(load)을 더 포함하고,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 사용자의 히프 피봇에 대해 상기 외골격 장치에 연결된 수하물의 방향으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 장치는:
    사용자의 앞쪽에 있는 수하물을 보유하도록 구성되고 및 상기 외골격 몸통과 결합하도록 구성된 공구 장착 암을 더 포함하며,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 사용자의 히프 피봇의 전방으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 장치는:
    사용자의 뒤쪽에 있는 수하물을 보유하도록 구성되고 및 상기 외골격 몸통과 결합하도록 구성된 공구 장착 암을 더 포함하며,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 사용자의 히프 피봇의 후방으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 상기 외골격 몸통에 대해 이동 가능하도록 구성됨으로써, 외골격 장치의 히프 피봇이 사용자의 히프 피봇에 선택적으로 오정렬(misalign)될 수 있는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    외골격 장치의 히프 피봇은 사용자의 히프 피봇의 전방 또는 후방으로 선택적으로 배치될 수 있는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 상기 외골격 몸통과 상기 제 1 및 제 2 외골격 레그 사이에서 각도의 일정 범위를 벗어나서 사용자의 히프 피봇에 정렬되지 않는것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 다중심적(polycentric)으로 구성되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  9. 사용자의 하부 사지에 결합되도록 구성되고, 직립 상태에서 지지면으로 받쳐지는 제 1 및 제 2 외골격 레그; 및 사용자의 상부 몸체에 결합되도록 구성된 외골격 몸통;을 포함하며, 상기 몸통은 각 외골격 장치 히프 피봇의 제 1 및 제 2 외골격 레그에 각각 상호 연결됨으로써, 제 1 및 제 2 외골격 레그와 외골격 장치 몸통 사이에서 각 외골격 장치의 히프 피봇에 대해 굴절 및 신장이 가능하도록 구성된 외골격 장치의 히프 형상(hip geometry) 제어 방법에 있어서, 상기 방법은:
    상기 제 1 및 제 2 외골격 레그가 상기 지지면으로 받쳐질 때, 수하물에 의해 생성된 토크를 상기 외골격 장치의 히프 피봇에 대해 감소시킬 수 있도록, 상기 외골격 장치의 각 히프 피봇에 대한 위치를 상기 외골격 장치 몸통에 대해 변화시키는 단계를 포함하는
    외골격 장치의 히프 형상 제어 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    외골격 장치의 히프 피봇은 외골격 장치의 몸통에 대해 전방으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치의 히프 형상 제어 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    외골격 장치의 히프 피봇은 외골격 장치의 몸통에 대해 후방으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치의 히프 형상 제어 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    외골격 장치의 히프 피봇은 외골격 장치의 몸통에 대해 자동으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치의 히프 형상 제어 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    외골격 장치의 히프 피봇은 외골격 장치 몸통에 대해 수동으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치의 히프 형상 제어 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 외골격 장치와 결합된 사용자의 히프 피봇에 정렬되지 않도록 시프트되는 한편, 외골격 장치의 히프 피봇이 각도의 일정 범위를 벗어나서 선택적으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치의 히프 형상 제어 방법.
  15. 사용자와 결합되도록 구성된 외골격 장치에 있어서, 상기 장치는:
    사용자의 하부 사지에 결합되도록 구성되고, 직립 상태에서 지지면으로 받쳐지는 제 1 및 제 2 외골격 레그; 및 사용자의 상부 몸체에 결합되도록 구성된 외골격 몸통;을 포함하며,
    상기 외골격 몸통은 각 외골격 장치 히프 피봇의 제 1 및 제 2 외골격 레그 에 각각 상호 연결됨으로써, 제 1 및 제 2 외골격 레그와 외골격 몸통의 사이에서 각 외골격 장치의 히프 피봇에 대해 굴절 및 신장이 가능하도록 구성되고,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 사용자의 히프 피봇의 전방에 배치되는 한편, 사용자의 히프 피봇에 정렬되지 않는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 장치는:
    사용자의 앞쪽에 있는 외골격 장치에 연결된 수하물을 더 포함하고,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 사용자의 히프 피봇에 대해 상기 외골격 장치에 연결된 수하물에 기초하여, 수하물의 방향으로 시프트되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    사용자의 앞쪽에 있는 수하물을 보유하도록 구성되고 및 상기 외골격 몸통과 결합하도록 구성된 공구 장착 암을 더 포함하는
    외골격 장치.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 상기 외골격 몸통에 대해 이동 가능하도록 구성됨으로써, 외골격 장치의 히프 피봇이 사용자의 히프 피봇에 선택적으로 오정렬될 수 있는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 상기 외골격 몸통과 상기 제 1 및 제 2 외골격 레그 사이에서 각도의 일정 범위를 벗어나서 사용자의 히프 피봇에 정렬되지 않는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 외골격 장치의 히프 피봇은 다중심적으로 구성되는 것을 특징으로 하는
    외골격 장치.
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