KR102144737B1 - 적응형 외골격, 이를 제어하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

적응형 외골격, 이를 제어하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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알렉산다르 알렉소브
브라이언 에스. 도일
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인텔 코포레이션
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Abstract

외골격 기술이 본 명세서에서 설명된다. 이러한 기술은, 외골격, 외골격 제어기, 외골격을 제어하기 위한 방법 및 이들의 조합을 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아니다. 외골격 기술은 센서 요소, 처리/제어 요소, 및 작동 요소의 조합을 통해 사용자의 자연스런 이동성을 용이하게하거나, 향상시키거나, 및/또는 대체할 수 있다. 사용자 움직임은 사용자의 근육의 전기적 자극, 하나 이상의 기계적 컴포넌트의 작동, 또는 이들의 조합에 의해 유도될 수 있다. 일부 실시예에서, 외골격 기술은 사용자에 의해 생성된 모션 또는 전기 신호 등의 측정된 입력에 응답하여 조절될 수 있다. 이런 방식으로, 외골격 기술은 알려진 입력을 해석하고 새로운 입력을 학습할 수 있어서, 보다 매끄러운 사용자 경험으로 이어질 수 있다.

Description

적응형 외골격, 이를 제어하기 위한 장치 및 방법{ADAPTIVE EXOSKELETON, DEVICES AND METHODS FOR CONTROLLING THE SAME}
본 개시 내용은 일반적으로 외골격(exoskeleton), 외골격 제어기, 및 외골격을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
많은 사람들은, 나이, 질병, 외상성 손상(traumatic injury), 또는 다른 원인으로부터 발생할 수 있는 제한된 이동성으로 고생을 한다. 예를 들어, 사람은 나이가 들어감에 따라 뼈, 근육량, 및 힘을 잃을 수 있다. 그 결과, 사람의 이동성은 시간에 따라 점점 제한되게 될 수 있다. 다른 경우에, 사람은, 예를 들어, 팔이나 다리 등의 수족과 뇌 사이의 근육, 뼈, 및/또는 신경 경로의 손상/파괴에 의해 자신의 이동성을 제한하는 외상성 손상으로 고생을 할 수 있다. 이들 이유 및 다른 이유로 인해, 사람은 정신적으로는 기꺼이 움직일 수 있지만, 신체적으로는 그렇게 할 수 없을 것이다.
해가 갈수록, 나이 및/또는 외상성 손상으로 인해 소실된 인간 이동성을 향상 및/또는 회복하기 위한 많은 기술들이 개발되었다. 특히, 인간 이동성을 향상 및/또는 강화하기 위한 외골격 기술의 이용에 대한 관심이 증가되고 있다.
외골격 기술은 군사적 맥락에서 군인 및 지원 인력의 능력을 향상시키기 위해 개발되었다. 이러한 군사적 외골격은, 일반적으로 인간의 주요 관절(예를 들어, 무릎, 팔꿈치, 어깨 등)의 기능을 모방하도록 구성된 하나 이상의 유압식 분절형 관절(hydraulically articulating joint)을 갖는 강철 및 알루미늄 메인 프레임을 포함할 수 있다. 메인 프레임에 부착된 센서와 액츄에이터는 오퍼레이터에 의해(예를 들어, 오퍼레이터의 모션(motion)에 의해) 가해진 힘을 검출한다. 이러한 가해진 힘에 응답하여, 외골격의 관련 부분은 적절한 방식으로 움직인다. 따라서, 오퍼레이터가 하나의 또는 자신의 팔을 움직임으로써 센서에 힘을 가하면, 외골격의 대응하는 팔은 오퍼레이터의 팔의 모션을 모방하도록 적절한 방식으로 움직일 수 있다.
외골격은 또한 의약 및 치료 응용을 위해 개발되어 왔다. 일부 경우에, 이러한 외골격은 분절식 무릎 관절을 갖는 금속 메인 프레임에 의해 형성되는 "다리(leg)"를 포함할 수 있다. 사용자가 외골격을 착용한 후에, 치료사는 외골격이 인간의 자연스런 보행을 시뮬레이팅하는 방식으로 걷게끔 제어 시스템을 이용할 수 있다. 일부 경우에, 사용자는, 예를 들어, 휴대형 보행기/지팡이의 버튼을 누름으로써 외골격이 걸음(step)을 취하는 때를 제어할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 사용자는 힘 센서에 의해 검출가능한 방식으로 자신의 체중을 시프팅시킴으로써 외골격이 걷도록 촉구할 수 있다.
미국특허출원공개공보 2002-0198604호, (2002.12.26) 미국특허출원공개공보 2010-0280628호, (2010.11.04) 미국특허출원공개공보 2006-0206167호, (2006.09.14) 미국특허출원공개공보 2008-0161883호, (2008.07.03) 미국특허출원공개공보 2008-0009771호, (2008.01.10)
기존의 외골격들이 유용하긴 하지만, 이들은 종종, 신체에 묶여지거나 기타의 방식으로 부착된 기계적 관절 등의 기계적 컴포넌트들의 작동(actuation)으로 사용자의 자연스런 신체 모션을 향상시키거나 대체한다. 이러한 외골격은 사용자의 근육의 수축을 용이하게 하거나 가능케함으로써 이동성을 향상 및/또는 회복하지는 못할 수 있다. 게다가, 기존의 외골격은 종종 힘 센서 및/또는 외골격 움직임을 개시하는 하나 이상의 버튼에 의존한다. 즉, 이러한 외골격의 움직임은, 힘 센서에 검출가능한 힘을 가하는 사용자에 의해 이루어진 버튼 누름이나 모션에 응답하여 개시될 수 있다. 사용자가 요구되는 움직임을 생성하지 못하거나 필요한 힘을 가하지 못하면, 외골격은 응답하지 못할 수 있다.
청구된 주제의 실시예들의 특징 및 이점들은, 유사한 참조번호들이 유사한 부분들을 가리키는 도면을 참조하여, 이하의 상세한 설명을 진행함에 따라 명백해질 것이다.
도 1a, 도 1b, 및 도 1c는, 사용자가 착용하는, 본 개시내용에 따른 예시적 외골격의 정면, 측면, 및 배면도를 각각 도시한다.
도 2는 사용자의 무릎 주변에 배치된 본 개시내용과 일치하는 예시적인 부분적 외골격을 도시한다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는, 사용자가 착용하는, 본 개시내용에 따른 또 다른 예시적 외골격의 정면, 측면, 및 배면도를 각각 도시한다.
도 4는 사용자의 무릎 주변에 배치된 본 개시내용과 일치하는 또 다른 예시적인 부분적 외골격을 도시한다.
도 5는 본 개시내용과 일치하는 예시적인 외골격 제어 시스템의 블록도이다.
도 6은 본 개시내용과 일치하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 개시내용과 일치하는 예시적인 제어기 방법의 흐름도이다.
이하의 상세한 설명이 실시예를 참조하여 진행될 것이지만, 많은 대안, 수정, 및 그 변형이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다.
본 개시내용이 특정한 응용에 대한 실시예를 참조하여 본원에서 설명되지만, 이러한 실시예들은 단지 예시일 뿐이고 첨부하는 청구항에 의해 정의되는 본 발명은 이것으로 제한되지 않는다는 점을 이해해야 한다. 여기서 제공된 교시를 접하는 관련 분야(들)의 통상의 기술자라면, 본 개시내용의 범위 내의 추가의 수정, 응용, 및 실시예와, 본 개시내용의 실시예들이 유용한 추가의 분야를 이해할 것이다.
사용자의 자연스런 이동성을 야기, 보조, 및/또는 대신할 수 있는 외골격 기술이 본원에서 설명된다. 이러한 외골격 기술은, 외골격, 외골격 제어기, 및 외골격을 제어하기 위한 방법, 및 이들의 조합을 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아니다. 이하에서 상세히 설명되는 바와 같이, 본원에서 설명되는 외골격 기술은, 센서 요소, 처리/제어 요소, 및 작동 요소의 조합을 이용하여 사용자가 원하는 방식으로 이동하는 것을 가능하게 하거나 및/또는 보조할 수 있다. 이러한 움직임은, 사용자의 근육의 전기적 자극, 하나 이상의 기계적 컴포넌트들의 작동, 또는 이들의 조합을 통해 유도될 수 있다. 일부 실시예에서, 외골격 기술은, 사용자에 의해 생성된 모션 또는 전기 신호 등의, 측정된 입력에 응답하여 조절될 수 있다. 이런 방식으로, 외골격 기술은, 알려진 입력을 해석하고 새로운 입력을 학습하여, 보다 매끄러운(seamless) 사용자 경험을 야기할 수 있다.
본 개시내용의 목적을 위해, 용어 "전기적 근육 자극(electrical muscle stimulation)"("EMS")은 전기 임펄스의 인가에 의해 근육 수축이 유도되는 방법을 지칭하기 위해 사용된다. 제한하는 것은 아니지만, 이러한 임펄스는 사람이 자신의 신체의 전부 또는 일부의 움직임을 시작할 때 그 사람에 의해 생성되는 자연스런 전기적 임펄스를 시뮬레이팅하도록 구성될 수 있다. 더 구체적으로는, 전기적 임펄스는 체성 신경계(somatic nervous system)의 제어하에 있는, 즉, 자율적으로 제어되는 골격 근육의 수축 및/또는 이완을 유도하기 위해 사람에 의해 생성되는 전기적 임펄스를 모방하도록 구성될 수 있다.
구문 "관심대상 신체 영역"은, 본원에서 설명되는 외골격 기술이 적용되는 인체의 부분을 지칭하기 위해 여기서 사용된다. 관심대상 신체 영역은, 예를 들어, 인체의 하나 이상의 관절, 예를 들어, 발목, 무릎, 힙, 어깨, 팔꿈치, 손가락, 목, 턱, 이들의 조합 등, 및 이러한 관절의 작동에 참여하는 골격 근육을 포함할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 관심대상 신체 영역은, 몸통, 복부, 둔부, 대퇴부, 종아리 등, 이들의 조합 등의, 인체의 다른 영역들을 포함할 수 있다. 예시적인 목적을 위해, 본 개시내용은 사용자의 무릎에 적용될 때 본원에서 설명되는 외골격 기술의 이용에 중점을 둘 것이다. 이러한 설명은 예시일 뿐이고, 본원에서 설명되는 외골격 기술은 임의의 신체 영역 또는 관심대상 신체 영역의 조합에 적용될 수 있다는 점을 이해해야 한다.
도 1a, 1b, 및 1c는, 본 개시내용과 일치하는 예시적인 외골격 시스템(100)(이하에서는 "시스템(100)")의 정면, 측면, 및 배면도를 각각 제공한다. 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 외골격(102) 및 제어기(103)를 포함한다. 예시적인 목적을 위해, 사용자(101)가 착용하는 외골격(102)이 도시되어 있다. 외골격(102)은 센서(104) 및 근육 작동 인터페이스(105)를 포함한다.
본 개시내용은 센서(104)와 근육 작동 인터페이스(105)가 (예를 들어, 테이프, 접착제, 임플란트 등을 이용하여) 사용자의 신체 상에서 및/또는 신체 내에서 독립적으로 지지되는 실시예를 상정하고 있지만, 이러한 구성이 요구되는 것은 아니다. 일부 실시예에서, 센서(104) 및/또는 근육 작동 인터페이스(105)는, 도면들에서 음영을 이용하여 나타낸 바와 같이, 매트릭스(matrix)에 통합되거나 이에 의해 지지된다. 이용시에, 매트릭스는 센서(104) 및 액츄에이터(105)를 지지하기에 적합한 임의의 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 매트릭스는, 의류, 바디 수트(body suit), 탄성 밴드, 붕대, 테이프, 보호대(brace), 정형 스타킹(orthopedic tight), 이들의 조합 등의 제품일 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 매트릭스는 바람직하게는, 바디 수트, 관절용 보호대(예를 들어, 발목 보호대, 무릎 보호대, 팔꿈치 보호대, 어깨 보호대, 손목 보호대, 손가락 보호대, 목 보호대 등) 및/또는 복부 밴드의 형태이고, 이들 중 임의의 것 또는 모두는 탄성 재료로 형성될 수 있다. 매트릭스로서 이용될 수 있는 적합한 탄성 재료의 비제한적 예로서는, 에틸렌 프로필렌 고무(ethylene propylene rubber), 이소프렌 고무(isoprene rubber), 네오프렌 (폴리 클로로프렌) 고무(neoprene (polychloroprene) rubber), 라텍스(latex), 니트릴 고무(nitrile rubber), 폴리 부타디엔 고무(polybutadiene rubber), 스판덱스(spandex), 실리콘 고무(silicone rubber), 이들의 조합 등과 같은 탄성 중합체(elastic polymers)가 포함된다.
어쨌든, 매트릭스는 사용자의 신체의 전부 또는 일부를 편안하게 덮도록 구성될 수 있다. 이러한 개념이 도 1a 내지 도 1c와 도 2에서 음영으로 예시되어 있고, 이것은 각각 사용자의 신체의 전부(도 1a 내지 도 1c)와 사용자의 무릎(도 2)을 실질적으로 덮고 있는 매트릭스를 나타낸다. 이러한 스너그 핏(snug fit)은 매트릭스가 센서(104)와 근육 작동 인터페이스(105)를 지지하여 이들이 사용자의 신체와 접촉하도록 할 수 있다. 이런 방식으로, 매트릭스는 센서(104)와 액츄에이터(105) 사이의 접촉이 유지되는 것을 보장하여, 이러한 컴포넌트들이 그들 각각의 기능을 수행하는 것을 허용할 수 있다.
센서(104)는 일반적으로 사용자가 관심대상 신체 영역을 움직이거나 움직이려 할 때 사용자(101)에 의해 생성된 전기 신호 및/또는 기타의 정보를 검출하도록 기능한다. 예를 들어, 센서(104)는 사용자(101)에 의해 생성된 신경 활동 전위(neuronal action potential)(이하에서는, "신경 신호"라 함)를 검출할 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 센서(104)들 중 하나 이상은, 사용자(101)의 맥박, 혈압, 온도, 이들의 조합, 근육 반응 등을 검출할 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 센서(104)들의 전부 또는 일부는 바람직하게는 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호를 검출하도록 구성된다. 특히, 센서(104)는 사용자(101)가 하나 이상의 골격 근육 및/또는 근육군을 작동함으로써 자신의 신체의 일부를 움직이거나 움직이려 할 때 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호를 검출하도록 동작할 수 있다. 이러한 골격 근육 및/또는 근육군은, 팔, 다리, 복부, 목, 또는 사용자(101)의 신체의 또 다른 부분, 또는 이들의 조합에 위치할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 근육 및/또는 근육군은, 관심대상 신체 영역, 특히 인체의 관절의 움직임 및/또는 안정화에 참여할 수 있다.
센서(104)는 인간에 의해 생성된 전기 신호 및/또는 기타의 정보를 검출할 수 있다면 임의의 적절한 방식으로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 센서(104)는, 사용자의 피부와 접촉할 때, 사용자의 피부 및/또는 근육계 내에 매립될 때, 및/또는 사용자 내에 임플란트될 때 기능하도록 구성될 수 있다. 이러한 센서들의 성질과 구성은 의료 분야에서 잘 이해되고 있으므로, 본원에서는 상세히 설명되지 않는다. 일부 실시예에서, 센서(104)들 중 하나 이상은 사용자의 피부와 접촉하도록 배치될 때 센서가 신경 신호 및/또는 기타의 정보를 검출하는 것을 허용하는 피부 접촉 전극(skin contact electrode)을 포함한다. 제한하는 것은 아니지만, 이러한 센서들은, 사용자(101)의 말초/운동 신경, 중추 신경계, 또 다른 신경 또는 신체 경로, 이들의 조합 등으로부터의 신경 신호를 검출할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c의 실시예에서, 센서(104)는 사용자(101)의 신체 위에 넓게 분산된 것으로 도시되어 있다. 이러한 예시는 단지 예일 뿐이며, 센서(104)는 임의의 적절한 장소에 위치할 수 있다는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, 센서(104)는, 발목, 무릎, 엉덩이, 및 / 또는 어깨 관절 등의, 사람의 주요 관절들 중 하나 이상의 부근에 위치할 수 있다. 이러한 개념이 도 2에 예시되어 있고, 도 2는 사용자의 무릎 부근에 착용한 부분적 외골격을 포함하는 예시적 외골격 시스템을 도시한다. 따라서, 본원에서 설명되는 외골격 기술은 전체의 신체 또는 거의 전체의 신체 시스템으로 제한되지 않는다는 점을 이해해야 한다. 사실상, 신체의 개별 영역들(예를 들어, 무릎, 팔꿈치, 복부 등)에 대한 외골격은 본 개시내용에 의해 고려되고 포괄된다. 게다가, 본원에서 설명되는 외골격 기술은 모듈식일 수 있다. 즉, 이것은 처음에 사용자의 제1 신체 영역에 적용될 있고, 사용자의 필요성이 증가할 때 추가의 신체 영역에 후속해서 적용될 수 있다.
마찬가지로, 도 1a 내지 도 1c에 예시된 센서(104) 수는 단지 예시일 뿐이고, 임의의 개수의 센서(104)가 본원에서 설명된 외골격 기술에 이용될 수 있다. 일부 실시예에서, 외골격(102) 내의 센서(104)의 수는 정보가 수집되어야 하는 범위, 관심대상 신체 영역(들), 사용자의 신체의 영향받는 영역들, 및 기타의 요인에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 본원에서 설명된 외골격 기술은 약 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 50, 100, 또는 심지어 약 1000개의 센서를 이용할 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 약 1 내지 약 20개의 센서(104)가 본원에서 설명되는 외골격 센서에서 이용된다.
센서(104)들 중 하나 이상은, 외골격(102)이 사용자에 의해 착용될 때 관심대상 신체 영역 부근에 있도록 위치할 수 있다. 이러한 센서(들)은, 앞서 설명된 바와 같이, 매트릭스에 의해 이러한 위치에서 유지될 수 있다. 예를 들어, 센서(들)(104)은, 외골격(102)이 착용될 때 사용자의 피부와 접촉하거나 및/또는 매립되도록 가요성 보호대/밴드의 형태로 된 매트릭스 내에 매립될 수 있다. 관심대상 신체 영역 부근의 위치파악 센서(들)(104)은 이러한 신체 영역의 움직임에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군으로부터의 응답을 유도하기 위해 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호를 검출하는 것을 허용할 수 있다. 이런 방식으로, 센서(들)(104)은 관심대상 신체 영역에 "로컬"인 신경 신호를 검출할 수 있다.
예를 들어, 관심대상 신체 영역이 무릎 등의 관절일 때, 센서(104)는 무릎 근위의 및/또는 무릎 원위와 같이, 무릎 부근에 유지될 수 있다. 이러한 배치는 센서(104)가, 무릎의 모션에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군, 예를 들어, 슬괵근(hamstring muscle), 비장근(gastrocnemius muscle), 박근(gracilis muscle), 봉공근(sartorius muscle), 이들의 조합 등을 자극하는, 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호를 검출하는 것을 허용할 수 있다.
물론, 센서(104)들은 관심대상 신체 영역에 로컬이도록 위치할 필요는 없다. 일부 실시예에서, 사용자(101)는 관심대상 신체 영역으로의 신경 신호의 전송을 방지하는 마비 또는 또 다른 상태에 의해 영향받을 수 있다(이하에서는 "피영향 영역(affected region)"). 예를 들어, 사용자(101)는 하나 이상의 신경(예를 들어, 척수(spinal cord) 내, 상완신경총(brachial plexus) 내, 천골신경총(sacral plexus) 내 등)에 손상을 입어 두뇌로부터 피영향 영역으로의 신경 신호의 전송이 방해받을 수 있다. 이러한 경우에, 피영향 영역 상의 또는 여기에 대해 로컬로 배치된 센서(104)는 이러한 영역을 움직이려고 시도하는 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호를 검출하지 못할 수 있다.
이를 보상하기 위해, 센서(104)들 중 하나 이상은, 관심대상 신체 영역으로부터 먼 신체 영역으로부터 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호를 검출할 수 있도록 위치할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 센서(104)는, 사용자(101)의 척추(spinal column), 목, 및/또는 피영향 영역으로부터 먼 신경계 경로를 따른 한 지점 등의, 사용자(101)의 신경계의 손상된 영역의 "상류(upstream)"의 한 지점에서 신경 신호를 검출할 수 있다. 예를 들어, 센서(104)들 중 하나 이상은 사용자의 좌골(sciatic) 신경으로부터의 피영향 영역을 타겟으로 하는 신경 신호를 검출하도록 배치될 수 있다. 유사하게, 센서(104)들 중 하나 이상은, 사용자(101)의 머리 상에 또는 머리 내에 배치될 때 피영향 영역을 타겟으로 하는 신경 신호를 검출하도록 구성된 두개골 센서(cranial sensor)일 수 있다. 이런 방식으로, 하나 이상의 센서(104)는, 사용자(101)가 피영향 영역(관심대상 신체 영역)을 움직이려고 할 때 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호를, 비록 사용자(101)가 이러한 신호를 이러한 피영향 영역에 실제로 전송할 수 없더라도 검출하도록 배치될 수 있다. 그러면, 이러한 신경 신호 및/또는 작동 신호를 포함하는 데이터 신호는 (예를 들어, 후술되는 바와 같이, 제어기(103)를 이용하여) 피영향 영역으로 라우팅될 수 있고, 사용자(101)의 자연 신경계 경로를 이용하여 피영향 영역으로의 신경 신호의 전송을 방해할 수 있는 사용자(101)의 신체의 부분(들)을 바이패스(bypass)한다.
전술한 바와 같이, 센서(104)들 전부 또는 일부는 사용자(101)로부터의 신경 신호 이외의 정보를 검출하도록 구성될 수 있다. 이러한 다른 정보의 한 예는, 관심대상 신체 영역에 의해 생성된 근육 응답 정보를 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는 근육 응답 정보이다. 이러한 근육 응답 정보의 비제한적 예로서는, 근육의 활동 전위, 근육 수축 및/또는 팽창 정도, 모션의 범위, 이들의 조합 등이 포함된다. 제한하는 것은 아니지만, 센서(104)들 중 적어도 하나는 관심대상 신체 영역에서 근육 활동 전위를 검출한다. 후술되는 바와 같이, 근육 응답 정보는 외골격 시스템(100)에 의해(및 특정한 제어기(103)에서) 이용되어 인가된 자극, 즉, 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호, 제어기(103)에 의해 생성된 작동 신호, 또는 이들의 조합에 대한 관심대상 영역 내의 근육/근육군이 반응하는 정보를 판정할 수 있다.
센서(104)는 (도 1a 내지 도 1c에는 도시되지 않은) 데이터 신호를 제어기(103)에 전송할 수 있다. 따라서, 센서(104)는 제어기(103)와 유선 및/또는 무선 통신할 수 있다. 전자의 경우(유선 통신), 센서(104)는 와이어를 통해 또는 제어기(103)와의 기타의 물리적 접속을 통해 제어기(103)에 데이터 신호를 전송할 수 있다. 후자의 경우, 센서(104)로부터의 데이터 신호는 하나 이상의 미리결정된 무선 전송 프로토콜을 이용하여 제어기(103)에 무선으로 전송될 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 센서(104) 및 제어기(103)는 바람직하게는 서로 무선으로 통신할 수 있다.
센서(104) 및 제어기(103)가 통신하는 방식에 관계없이, 센서(104)에 의해 생성된 데이터 신호(들)은, 신경 신호 정보, 근육 응답 정보, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이러한 정보는 센서(104)들 중 하나 이상에 의해 검출된 정보에 대응할 수 있다. 예를 들어, 데이터 신호 내의 정보는, 검출된 신경 신호의 파형 및/또는 강도, 측정된 근육 활동 전위, 이들의 조합 등을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서(104)들 중 적어도 하나는 신경 신호 정보(예를 들어, 파형, 강도, 이들의 조합 등)를 포함하는 데이터 신호를 생성하고, 센서(104)들 중 적어도 하나는 근육 응답 정보를 포함하는 데이터 신호를 생성한다. 추가 실시예에서, 센서(104)들 중 적어도 하나는 신경 신호 정보와 근육 응답 정보 양쪽 모두를 포함하는 데이터 신호를 생성한다.
제어기(103)는 일반적으로 센서(104)로부터 데이터 신호를 수신하고 작동 신호(도 1a 내지 도 1c에는 미도시)를 외골격(102)의 액츄에이터(105)에 전송하도록 기능한다. 따라서, 제어기(103)는 액츄에이터(105)와 유선으로 또는 무선으로 통신할 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 제어기(103)는, 바람직하게는, 하나 이상의 미리결정된 무선 통신 프로토콜을 이용하여 액츄에이터들(105) 중 하나 이상에 무선으로 작동 신호를 전송하도록 구성된다.
제어기(103)에 의해 생성된 작동 신호는, 관심대상 신체 영역의 모션 및/또는 안정화에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군의 응답을 유도 및/또는 향상시키도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 작동 신호는, 사용자(101)가 관심대상 신체 영역을 움직이려 할 때 생성되는 자연 신경 신호를 모방, 복제, 또는 기타의 방식으로 시뮬레이팅하는 전자 근육 자극(EMS; electro muscle stimulation) 신호의 형태일 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(103)에 의해 생성된 작동 신호는, 사용자(101)가 하나 이상의 근육/근육군으로 관심대상 신체 영역을 움직이려 할 때 센서(104)에 의해 검출된 신경 신호를 반복(즉, 복제)할 수 있다.
근육 작동 인터페이스(105)는 일반적으로 제어기(103)로부터 작동 신호를 수신하고 이러한 작동 신호를 관심대상 신체 영역 내의 하나 이상의 근육/근육군에 인가하도록 기능한다. 특히, 근육 작동 인터페이스(105)는, 제어기(103)로부터의 작동 신호를, 예를 들어 하나 이상의 근육의 작동을 통해, 관심대상 신체 영역의 움직임에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군에 전송 또는 기타의 방식으로 전달하도록 기능할 수 있다. 이와 관련하여, 근육 작동 인터페이스(105)는, 관심대상 신체 영역의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 근육/근육군의 하나 이상의 운동 신경에 전기 신호를 전달하도록 동작할 수 있는 하나 이상의 전극의 형태일 수 있다. 이러한 전극들의 비제한적 예로서는, 근전도 검사(electromyography)에 이용될 수 있는 것들과 같은, 피부 접촉 전극, 매립형 전극(예를 들어, 바늘), 임플란트된 전극, 이들의 조합 등이 포함된다. 제한하는 것은 아니지만, 액츄에이터(105)는 바람직하게는 하나 이상의 피부 접촉 전극을 포함한다.
본원에서 설명되는 외골격 기술에 이용되는 근육 작동 인터페이스의 개수는 광범위하게 달라질 수 있다. 사실상, 본 개시내용은, 약 5, 10, 15, 20, 50, 100, 또는 심지어 1000개의 근육 작동 인터페이스 등의, 하나 이상의 근육 작동 인터페이스를 이용하는 외골격 시스템을 고려하고 있다. 근육 작동 인터페이스의 개수와 배치는, 제어기(103)에 의해 생성된 작동 신호를 이용하여 자극될 근육/근육군의 개수에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 외골격 기술은, 제어기로부터의 작동 신호로 자극될 수 있는 각각의 근육/근육군에 대한 적어도 하나의 근육 작동 인터페이스를 포함한다. 예를 들어, 여기서 이용되는 외골격 기술은 제어기로부터 관심대상 신체 영역의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군으로 작동 신호를 개별적으로 또는 집합적으로 전달하도록 동작할 수 있는 적어도 하나의 근육 작동 인터페이스를 포함할 수 있다.
예로서, 사용자(101)는 관절(예를 들어, 무릎, 팔꿈치 등)을 움직이기를 원하지만, 그렇게 할 수 없거나 약하게만 할 수 있을 수 있다. 이러한 경우에, 센서(104)는 사용자(101)가 관절을 움직이려 할 때 사용자(101)에 의해 생성된 신경 신호를 검출하도록 위치할 수 있다. 센서(104)는, 검출된 신경 신호에 관한 정보, 예를 들어, 그 강도, 파형 등을 포함하는 데이터 신호를 제어기(103)에 전송할 수 있다. 이러한 데이터 신호의 수신에 응답하여, 제어기(103)는, 검출된 신경 신호를 중계, 복제, 또는 기타의 방식으로 모방하는 작동 신호를 관절의 움직임/안정화에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군과 통신하는 근육 작동 인터페이스(105)에 전송할 수 있다. 이러한 작동 신호를 수신하는 근육 작동 인터페이스(105)는 이들이 통신하는 근육/근육군에 이러한 작동 신호를 능동적으로 또는 수동적으로 전송할 수 있다. 이러한 근육/근육군은, 예를 들어, 원하는 방식으로 수축 및/또는 이완됨으로써, 인가된 작동 신호에 응답할 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 작동 신호는 바람직하게는 제어기(103)에 의해 생성되고, 관심대상 신체 영역이 원한다면 조율된 방식으로 움직이거나 움직이지 않고 유지되도록 근육 작동 인터페이스(105)에 의해 인가된다.
상기에 의해 이해할 수 있는 바와 같이, 작동 신호의 인가는, 사용자(101)가 신경 신호를 이러한 신체 영역에 자연스럽게 전송할 수 없는 경우에도, 사용자(101)가 관심대상 신체 영역을 원하는 방식으로 움직일 수 있게 할 수 있다. 이런 방식으로, 본원에서 설명되는 외골격 기술은 관심대상 신체 영역의 움직임에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군으로의 (사용자 또는 제어기(103)에 의해 생성된) 신경 신호의 전달을 가능케하는 바이패스로서 역할할 수 있다. 다른 상황에서, 사용자(101)는 관심대상 신체 영역에 신경 신호를 전송할 수 있지만, 이러한 신체 영역의 움직임에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군은 단지 이러한 신호에 약하게 응답할 수 있다. 이러한 경우에, 본원에서 설명되는 외골격 기술은, 예를 들어, 이러한 근육/근육군의 전기 자극을 증가시킴으로써, 작동 신호의 인가를 통해 이러한 근육/근육군의 응답성을 향상시킬 수 있다.
사용자의 무릎에 적용될 때의 본원에서 설명되는 외골격 기술의 실시예를 나타내는 도 2를 이제 참조한다. 도시된 바와 같이, 외골격 시스템(200)은, 본 실시예에서는 가요성 무릎 보호대의 형태인 외골격(202)을 포함한다. 예시적인 목적을 위해, 외골격(202)은 사용자(201)의 무릎(210) 주변에 착용되는 것으로 도시되어 있다. 외골격 시스템(100)과 같이, 외골격 시스템(200)은, 제어기(203), 센서(204), 및 액츄에이터(205)를 더 포함한다. 센서(204) 및 액츄에이터(205)는 피부 접촉 타입 센서/액츄에이터이고, 무릎(210) 주변의 피부와 접촉하도록 (음영으로 나타낸) 가요성 매트릭스 내에서 지지된다.
센서(204)는, 사용자(201)가 무릎(210)을 구부리고 및/또는 펴려고 할 때 사용자(201)에 의해 생성되는 신경 신호(A)를 검출하도록 배치될 수 있다. 이러한 개념이 전반적으로 도 2에서 무릎(210)의 관절 주변의 센서(204)의 배치로 예시되어 있다. 물론, 센서(204)의 예시된 개수와 배치는 예시일 뿐이고, 센서(204)들 중 하나 이상은 무릎(210)으로부터 원격으로, 예를 들어, 사용자(201)의 척추, 머리 등을 따라 위치할 수 있다. 어쨌든, 센서(204)는, 무릎(210)의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 하나 이상의 근육/근육군, 예를 들어, 사용자(101)의 슬괵근, 대퇴사두근(quadriceps), 박근 등, 이들의 조합 등에 전송된 신경 신호를 검출하도록 동작할 수 있다.
신경 신호(A)를 검출하는 것에 대한 대안으로서 또는 추가적으로, 센서(204)들 중 하나 이상은, 그들과 연관된 근육/근육군 내의 근육 활동 전위를 포함하지만, 이것으로 제한되지 않는 근육 응답 정보를 검출하도록 구성될 수 있다. 이러한 근육 활동 전위는, 사용자(201)에 의해 생성된 신경 신호, 제어기(203)에 의해 생성된 작동 신호, 또는 이들의 조합에 응답하여 무릎(210)의 근육/근육군에서 생성될 수 있다. 이런 방식으로, 센서(104)는, 이러한 근육/근육군에 전송된 신경 신호 뿐만 아니라, 이러한 신경 신호에 대한 이러한 근육/근육군의 응답을 검출할 수 있다.
동작시, 센서(204)는, 신경 신호(A)에 관한 정보 및/또는 사용자(201)가 무릎(210)을 움직이거나 움직이려 할 때 검출되는 근육 응답 정보를 포함하는 데이터 신호(B)를 제어기(103)에 전송할 수 있다. 데이터 신호(B)는, 검출된 신경 신호(A)의 파형, 강도, 주파수 등에 관한 정보를 포함할 수 있다. 또한, 데이터 신호(B)는, 무릎(210)의 움직임에 참여하는 근육/근육군에 의해 생성된 근육 활동 전위를 포함할 수 있다.
데이터 신호(B)의 수신에 응답하여, 제어기(203)는 하나 이상의 작동 신호(C)를 근육 작동 인터페이스(205)에 전송할 수 있다. 도 1a 내지 도 1c와 일치하여, 작동 신호(C)는, 하나 이상의 근육 작동 인터페이스(205)와 통신하는 하나 이상의 근육/근육군으로부터 원하는 응답을 유도하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 작동 신호(C)는, 센서(104)에 의해 검출된 신경 신호를 중계, 복제, 또는 기타의 방식으로 모방하는 EMS 신호의 형태일 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 하나 이상의 작동 신호(C)는 바람직하게는 센서(104)에 의해 검출된 신경 신호이거나 그 복제판을 포함한다.
제어기(203)는 근육 작동 인터페이스(205)의 임의의 것 또는 전부로의 작동 신호(C)의 전송을 타겟으로 하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(203)는 근육 작동 인터페이스(205)들 모두에 작동 신호를 전송하여, 액츄에이터(205)가 통신하는 모든 근육/근육군의 자극을 야기한다. 대안으로서 또는 추가적으로, 제어기(203)는, 단일의 근육 작동 인터페이스(205) 또는 근육 작동 인터페이스(205)들의 서브셋에 작동 신호를 전송할 수 있다. 후자의 경우, 제어기(203)는, 센서(204)에 의해 검출된 신경 신호의 타겟이 되는 근육/근육군이 어느 것인지를 판정하기 위해 데이터 신호(B)를 처리하도록 구성될 수 있다. 일단 타겟 근육/근육군이 식별되고 나면, 제어기(203)는 적절한 작동 신호(C)를 이러한 근육군과 통신하는 근육 작동 인터페이스(205)에 전송할 수 있다.
예를 들어, 센서(204)는, 사용자가 무릎(210)을 움직이거나 움직이려 할 때 생성될 수 있는 복수의 상이한 신경 신호(A)를 검출할 수 있다. 각각의 검출된 신경 신호(A)는 무릎(210)의 움직임 및/또는 안정화에 참여할 수 있는 하나 이상의 근육/근육군을 타겟으로 할 수 있다. 예를 들어, 검출된 신경 신호(A) 중 일부는 슬괵근을 타겟으로 하는 반면, 다른 것들은 비장근을 타겟으로 할 수 있다.. 이해할 수 있겠지만, 상이한 근육/근육군을 타겟으로 하는 신경 신호(A)는 별개의 특성(파형, 강도 등)을 가질 수 있고, 그에 따라 서로 구분될 수 있다. 이러한 경우에, 데이터 신호(B)는 센서(204)에 의해 검출된 신경 신호(A)들 중 임의의 것 또는 모두에 대한 정보를 포함할 수 있다.
제어기(204)는 검출된 신경 신호(A)를 서로 구분하기 위해 데이터 신호(B)를 처리할 수 있다. 예를 들어, 제어기(204)는, 검출된 신경 신호를 서로 구분하기 위해, 캘리브레이션 프로파일(calibration profile), 베이스라인(baseline) 데이터 등을 이용할 수 있다. 이러한 캘리브레이션 및/또는 베이스라인 데이터는, 예를 들어, 외골격(202)의 사용자에 관해 수행된 근전도학적 측정으로부터 이전에 결정되었을 수 있다.
일단 다양한 검출된 신호(A)들을 서로 구분하고 나면, 제어기(203)는 각각의 신경 신호(A)가 타겟으로 하는 것이 어느 근육/근육군인지, 및 어느 근육 작동 인터페이스(205)가 이러한 근육/근육군과 통신하는지를 판정할 수 있다. 이와 관련하여, 제어기(203)는, 특정한 근육/근육군 뿐만 아니라 이러한 근육/근육군과 통신하는 액츄에이터(205)와 신경 신호 타입들을 상관시키는 로컬로 또는 원격으로 저장된 데이터베이스에 질의할 수 있다. 이 데이터베이스를 이용하여, 제어기(103)는, 어느 신경 신호(A)가 특정의 근육/근육군을 타겟으로 하는지, 및/또는 어느 근육 작동 인터페이스(205)가 이러한 근육/근육군과 통신하는지를 판정할 수 있다. 그 다음, 제어기(203)는 이러한 근육 작동 인터페이스(205)에 적절한 작동 신호(C)를 전송할 수 있다.
대안으로서 또는 추가로, 센서(들)(104)은, 신경 신호가 관심대상 신체 영역 내의 하나 이상의 근육에 도달할 때 신경 신호를 검출하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 센서는, 사용자에 의해 생성된 신경 신호들이 관심대상 신체 영역 내의 근육의 운동 신경에 도달할 때 신경 신호를 검출하도록 배치될 수 있다. 이러한 경우에, 제어기(203)는, 관련 센서가 검출하기 위해 위치한 근육(들) 뿐만 아니라 이러한 근육(들)과 통신하는 근육 작동 인터페이스를 알고 있을 수 있다. 이 정보를 이용하여, 제어기(203)는 검출된 신호를 적절한 근육 작동 인터페이스와 상관시킬 수 있다. 이러한 방법은, 관심대상 영역으로의 신경계 경로가 온전하지만, 치료, 체력 훈련, 또는 다른 이유로 근육 응답의 향상이 바람직할 때 특히 유용할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어기(203)는, 검출된 신경 신호들을 구분하고 상호 머신-인간 학습을 이용하여 그들 각각의 타겟을 식별하도록 프로그램될 수 있다. 이러한 경우, 제어기는 처음에, 앞서 설명된 바와 같이, 캘리브레이션, 데이터베이스 등을 이용하여, 신경 신호를 구분하고 적절한 타겟을 식별하려고 할 수 있다. 제어기(203)가 신경 신호들 및/또는 그들 각각의 타겟을 잘못 구분하는 경우, 이러한 에러는 사용자(201) 및/또는 의사 등의 제3자에 의해 이루어진 입력에 의해 보정될 수 있다.
예를 들어, 제어기(203)는 데이터 신호(B) 및 앞서 언급된 데이터베이스로부터 센서(204)들이 각각 제1 근육 및 제2 근육을 타겟으로 하는 제1 및 제2 신경 신호(A)를 검출했고, 제1 및 제2 근육/근육군이 각각 제1 및 제2 근육 작동 인터페이스와 통신하고 있다고 판정할 수 있다. 이 정보에 기초하여, 제어기(203)는, 제1 작동 신호(C)를 제1 액츄에이터에, 제2 작동 신호(C)를 제2 액츄에이터에 전송할 수 있다. 제1 및 제2 작동 신호(C)는 각각 제1 및 제2 근육으로 향하는 신경 신호(A)를 복제 또는 기타의 방식으로 모방할 수 있다. 이런 방식으로, 제어기(203)는, 외골격(202)의 사용자(201)에 의해 자연적으로 생성되는 신경 신호(A)와 같거나 유사한 작동 신호(C)를 이용하여 제1 및 제2 근육을 자극할 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 근육은, 사용자에 의해 생성되는 자연 신경 신호에 응답할 때와 동일하거나 유사한 방식으로, 각각, 제1 및 제2 작동 신호에 응답할 수 있다.
일부 실시예에서, 제어기(203)는 "반복기 모드"에서 동작할 수 있고, 여기서, 제어기(203)는 센서(204)로부터 데이터 신호(B)를 수신할 때마다 작동 신호(C)를 적절한 근육 작동 인터페이스(205)에 전송한다. 이러한 모드는 사용자(201)가 무릎(210)이나 또 다른 관심대상 신체 영역에 신경 신호를 자연스럽게 전송할 수 없는 경우에 유용할 수 있다.
예를 들어, 사용자(201)의 무릎(210)은, 마비나, 사용자(201)의 두뇌로부터 무릎(210)으로의 신경 신호의 전송을 방해하는 또 다른 상태에 의해 영향받을 수 있다. 그 결과, 사용자(201)는 정신적으로는 기꺼이 무릎(210)을 구부릴 수 있지만, 그렇게 할 수 없을 것이다. 이러한 경우에, 센서(204)의 적어도 일부는, 이들이 무릎(210)의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 근육/근육군을 타겟으로 하는 신경 신호(A)를 검출할 수 있도록, 무릎(210)으로부터 먼 영역, 예를 들어, 사용자(201)의 척수, 두개골 등을 따라 배치될 수 있다. 센서(204)는 이러한 신경 신호에 관한 정보를 포함하는 데이터 신호(B)를 제어기(203)에 전송할 수 있다. 제어기(203)는, 앞서 설명된 바와 같이, 신경 신호들을 서로 구분하고 그들 각각의 타겟 근육/근육군을 판정하기 위해 데이터 신호(B)를 처리할 수 있다.
그러면 반복기 모드에서의 제어기(203)는 이러한 신경 신호가 타겟으로 하는 근육/근육군과 연관되어 있는 근육 작동 인터페이스(205)에 신경 신호(A)의 복제판인(즉, 이것을 반복하는) 작동 신호(C)를 전송할 수 있다. 즉, 제어기(203)는, 사용자(201)가 무릎(210)을 움직이려 할 때 사용자(201)에 의해 생성되는 자연 신경 신호(A)를 작동 신호(들)(C)에서 "반복"하고, 이러한 작동 신호(들)(C)을 하나 이상의 근육 작동 인터페이스(205)를 통해 이러한 신경 신호(A)가 타겟으로 하는 근육/근육군에 전송할 수 있다. 이런 방식으로, 제어기(203)는 (센서(204) 및 근육 작동 인터페이스(205)와 조합하여) 사용자(201)의 신경계의 손상된 부분을 바이패스하고, 사용자(201)가 마비나 어떤 다른 상태로 인해 자연스럽게 전달할 수 없는 근육 내지 근육군으로의 신경 신호의 전달을 허용할 수 있다.
다른 실시예에서, 제어기(203)는 '적응 모드"에서 동작하도록 구성될 수 있다. 적응 모드에서, 제어기(203)는 작동 신호(들)(C)이 생성되어 근육 작동 인터페이스(205)에 전송되어야 할 때와 전송되어야 하는지를 판정할 수 있다. 이러한 모드는, 사용자가 관심대상 신체 영역(예를 들어, 도 2의 무릎(210))의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 근육/근육군에 신경 신호를 전송할 수 있지만, 이러한 근육/근육군이 이러한 신호에 원하는 정도로 응답하지 못할 수 있는 경우에 특히 유용하다. 예를 들어, 무릎(210)의 움직임 및/또는 안정화를 책임지는 근육들은 외골격(201)의 사용자에 의해 생성되는 신경 신호에 응답할 수 있지만, 불충분하거나 바람직하지 않은 정도이거나 및/또는 불충분한 강도일 수 있다.
적응 모드에서 동작할 때, 제어기(203)는 이러한 근육들의 자극(및 그에 따라, 응답)을 향상시키는, 잠재적으로는 원하는 기능(예를 들어, 강도, 모션 범위 등)을 복구하도록 구성된 작동 신호(C)를 무릎(210)이나 또 다른 관심대상 신체 영역에 전송할 수 있다. 이와 관련하여, 제어기(203)는, 작동 신호(C)들에 의해 제공된 근육 자극의 강도를, 예를 들어, 그들의 구성 및/또는 특성을 변경시킴으로써 변동시킬 수 있다. 예를 들어, 제어기(203)는, 그들의 파형의 변경, 그들의 전력/진폭의 증가/감소, 이들의 조합 등을 수행할 수 있다. 비교적 낮은 전력/진폭의 작동 신호(C)는, 비교적 높은 전력/진폭의 작동 신호에 의해 유도되는 응답에 비해, 작동 신호(C)가 인가되는 근육/근육군으로부터의 더 적은 응답을 유도할 수 있다.
따라서, 적응 모드의 제어기(203)는 타겟 근육/근육군으로부터의 원하는 응답 레벨을 유도하도록 작동 신호(C)의 진폭/전력을 설정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(203)는, 사용자가 적절한 근육 응답을 생성하기 위해 더 적은 보조를 요구/원하는 경우에 비교적 낮은 전력/진폭의 작동 신호(C)를 전송하도록 구성될 수 있다. 대조적으로, 제어기(203)는, 사용자가 적절한 근육 응답을 생성하기 위해 비교적 더 많은 보조를 요구/원하는 경우에 비교적 높은 전력/진폭의 작동 신호(C)를 전송할 수 있다. 일부 실시예에서, 제어기(203)는 외골격(202)의 사용자에 의해 자연스럽게 생성되는 신경 신호와 실질적으로 동일한 전력/진폭을 갖는 작동 신호(C)를 전송할 수 있다.
제어기(203)는 일부 실시예에서, 센서(204)들 중 하나 이상에 의해 검출되는 근육 응답 정보에 기초하여 작동 신호(C)의 전력/진폭을 조절할 수 있다. 예를 들어, 센서(204)들 중 하나 이상은 타겟 근육 및/또는 근육군 내에서 생성되는 근육 작동 전위를 검출할 수 있다. 도 2의 실시예에서, 예를 들어, 센서(204)들 중 하나 이상은 무릎(210)의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 근육이 검출된 신경 신호(A) 및/또는 작동 신호(C)에 응답하는 정도를 검출할 수 있다. 검출된 근육 응답 정보에 기초하여, 제어기(203)는, 원하는 근육 응답 레벨을 달성하도록, 작동 신호의 전력/진폭을 상향 또는 하향 조절할 수 있다.
제어기(203)는 일부 실시예에서 임계 근육 응답 레벨에 기초하여 작동 신호(C)를 생략 또는 전송하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 제어기(203)는, 사용자에 의해 생성된 신경 신호(A)가 이러한 근육/근육군으로부터 임계 근육 응답 레벨을 만족 및/또는 초과하는 근육 응답을 유도한다면 근육/근육군과 연관된 근육 작동 인터페이스(205)에 작동 신호(C)를 전송하는 것을 생략할 수 있다. 대조적으로, 제어기(203)는, 신경 신호(A)가 이러한 근육/근육군으로부터 임계 근육 응답 레벨보다 작은 근육 응답을 유도하는 경우 근육/근육군과 연관된 근육 작동 인터페이스에 작동 신호(C)를 전송할 수 있다. 센서(204)는 이 프로세스 전체에 걸쳐 근육 응답 정보를 계속 보고할 수 있고, 이로써 원하는 근육 응답 레벨이 달성될 때까지 작동 신호(C)의 전력/진폭에 대한 동적 조절을 행하기 위해 제어기(203)에 의해 이용될 수 있는 피드백 루프(feedback loop)를 구축할 수 있다. 일부 경우에, 제어기(203)는, 임계 근육 응답 레벨의 미리결정된 마진, 예를 들어, 임계 근육 응답 레벨의 +/- 약 15, 약 10, 약 5 또는 심지어 약 1% 내에서 측정된 근육 응답을 유지하도록 구성될 수 있다.
임계 근육 응답 레벨은, 미리결정된 근육 활동 전위, 미리결정된 모션 범위, 이들의 조합 등(집합적으로, "베이스라인 근육 응답 정보")에 상관될 수 있다. 이러한 베이스라인 근육 응답 정보는 임의의 적절한 방식으로 취득 및/또는 판정될 수 있다. 일부 실시예에서, 베이스라인 근육 응답 정보는, 사용자에게 만족스러운 방식으로 동작하고 있었을 때(예를 들어, 부상 이전)의 관심대상 신체 영역 상에서 취해진 근육 활동 전위, 모션의 범위 등의 측정에 기초하여 설정된다. 대안으로서 또는 추가로, 베이스라인 근육 응답 정보는 사용자 및/또는 의사에 의해 결정된 값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 베이스라인 근육 응답 정보는, 본원에서 설명된 외골격의 사용자와 유사한 나이, 능력, 및/또는 건강 상태의 개인들로부터 측정된 근육 응답에 기초하여 설정될 수 있다.
베이스라인 근육 응답 정보는, 작동 신호(C)를 전송할지를 판정하고, 전송한다면, 이러한 작동 신호의 전력/진폭을 결정하기 위해 제어기(203)에 의해 이용되는 임계 근육 응답 레벨을 설정하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 임계 근육 응답 레벨은 베이스라인 근육 작동 전위에 대응할 수 있다. 어쨌든, 제어기(203)는 센서(204)에 의해 보고된 근육 응답 정보를 모니터링하고 베이스라인 근육 활동 전위보다 높은지, 낮은지, 같은지를 판정할 수 있다. 그 다음, 제어기는, 위에서 개괄적으로 설명된 바와 같이, 센서(204)에 의해 측정된 근육 활동 전위를 베이스라인 근육 활동 전위와 비교함으로써 작동 신호(C)를 특정한 근육/근육군에 전송할지의 여부를 판정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어기(203)는 데이터 신호(B) 내의 근육 응답 정보를 모니터링하고 원하는 근육 응답이 달성될 때까지 작동 신호(C)의 전력/진폭을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 작동 신호(C)의 전력/진폭은, 외골격(202)의 위치, 사용자의 나이, 사용자의 건강, 사용자의 통증 내성, 사용자의 측정된 모션 범위 등의 정황적 인자들 중 하나에 비추어 제어기(203)에 의해 조절될 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다. 이러한 정보는, 예를 들어, 사용자, 의사, 또는 또 다른 엔티티에 의해 제어기(203)에 미리로딩될 수 있다. 이러한 정보는, 도 5와 연계하여 이하에서 기술되는 바와 같이, 사용자 프로파일에 포함될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 개시내용의 외골격 기술은, 원하는 근육 응답을 유도하도록, 사용자의 근육을 자극하는 하나 이상의 근육 작동 인터페이스와 제어기를 이용할 수 있다. 이런 방식으로, 외골격 기술은, 관심대상 신체 영역의 움직임을 이러한 신체 영역 내의 사용자 자신의 근육계를 자극함으로써 가능하게 할 수 있고 및/또는 향상시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 본 개시내용의 외골격 기술은, 단독으로 또는 사용자의 근육계의 자극과 연계하여, 하나 이상의 기계적 액츄에이터를 통해 신체 영역의 움직임을 가능하게 할 수 있고 및/또는 향상시킬 수 있다. 이와 관련하여, 본 개시내용에 따른 또 다른 예시적 외골격 시스템을 도시하는 도 3a 내지 도 3c를 참조한다. 도시된 바와 같이, 외골격 시스템(300)은 외골격(302) 및 제어기(303)를 포함한다. 예시적인 목적을 위해, 사용자(301)가 착용할 때의 외골격(302)이 도 3a 내지 도 3c에 도시되어 있다. 일반적으로, 외골격 시스템(302)은, (음영으로 예시된) 매트릭스에서 지지될 수 있는 센서(304)를 포함한다. 이러한 센서 및 매트릭스는 도 1a 내지 도 1c 및 도 2와 연계하여 전술된 센서(104, 204) 및 매트릭스와 실질적으로 동일한 방식으로 구성 및 기능한다. 따라서, 이러한 컴포넌트의 성질과 기능은 여기서는 반복되지 않는다. 명료성을 위해, 센서(304)와 매트릭스의 조합은 여기서는 "연성 외골격(soft exoskeleton)"이라 부른다.
연성 외골격 외에도, 외골격(302)은, 경성 외골격(307) 등의, 하나 이상의 "경성" 외골격 요소를 포함할 수 있다. 경성 외골격(307) 각각은, 하나 이상의 기계적 액츄에이터(308)에 접속될 수 있는 하나 이상의 프레임 부재(308)를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 경성 외골격(307)은, 각각의 기계적 액츄에이터(309)에 접속되는, 2개의 프레임 부재(308)를 포함한다. 경성 외골격(307)은, 경성 외골격(307)을 사용자(301)의 관심대상 신체 영역에 물리적으로 접속할 수 있는, 커넥터(310)를 더 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 커넥터(310)는 사용자(301)의 팔꿈치와 무릎의 위와 아래의 영역에서 프레임 부재(308)를 사용자(301)에 접속한다. 물론, 경성 외골격은 임의의 관심대상 신체 영역에 적용될 수 있고, 도 3a 내지 도 3c에 예시된 바와 같이, 팔꿈치와 무릎 양쪽 모두에 적용될 필요는 없다. 게다가, 본원에서 설명되는 경성 외골격의 성질과 구성은 예시이고, 임의의 타입과 구성의 경성 외골격이 이용될 수 있다..
기계적 액츄에이터(309)는, 예를 들어, 관심대상 신체 영역의 움직임을 자극하기 위해, 프레임 부재(308)들을 서로에 관해 움직이도록 동작할 수 있다.. 예시된 실시예에서, 기계적 액츄에이터(309)는 프레임 부재(308)를 아치형 또는 기타의 경로를 따라 움직여, 사용자(301)의 팔꿈치 및/또는 무릎의 구부림 및/또는 폄을 시뮬레이팅하도록 기능할 수 있다. 프레임 부재가 이러한 경로를 따라 순회(traverse)할 때, 커넥터(310)를 통해 사용자(301)의 팔 및/또는 다리 부분에 힘이 인가될 수 있다. 따라서, 사용자(301)의 팔 및/또는 다리의 요소들은 프레임 부재(308)의 모션을 따를 수 있다.
경성 외골격(307)의 요소들은 임의의 적절한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 경성 외골격은 로봇 작동형 관절의 형태일 수 있다. 이러한 관절은, 도 3a 내지 도 3c에 개괄적으로 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 기계적 액츄에이터(309)에 접속된 2개 이상의 프레임 부재(308)를 포함할 수 있다. 프레임 부재(308)는 임의의 적절한 기하학적 구조일 수 있다. 예를 들어, 프레임 부재(308)는 사실상 막대형일 수 있고, 원형, 6각형, 또는 기타의 단면을 가질 수 있다.. 프레임 부재를 형성하기 위해, 강철, 알루미늄, 철, 티타늄, 탄소 섬유, 폴리머, 이들의 조합 등을 포함하는 임의의 적절한 강성 재료가 이용될 수 있으나 이것으로 제한되는 것은 아니다.
이러한 액츄에이터가 입력 에너지/힘을 선형(linear), 회전(rotary), 진동(oscillatory), 및/또는 아치형(arcuate) 모션으로 변환할 수 있는 한, 임의의 타입의 기계적 액츄에이터가 본 개시내용의 경성 외골격에 이용될 수 있다. 적절한 기계적 외골격의 비제한적 예는, 유압(hydraulic) 액츄에이터, 공압(pneumatic) 액츄에이터, 전기 액츄에이터, 및 일 형태의 모션(예를 들어, 회전/선형/아치형/등)을 또 다른 형태의 모션으로 변환하는 액츄에이터를 포함한다. 제한하는 것은 아니지만, 여기서 이용되는 기계적 액츄에이터는, 바람직하게는, 전기 액츄에이터, 예를 들어, 전기 에너지를 기계적 토크로 변환하여, 선형, 회전, 진동, 및/또는 아치형 모션을 생성하는 액츄에이터이다. 이러한 액츄에이터는, 하나 이상의 프레임 부재와 조합하여, 인체의 하나 이상의 관절의 움직임을 시뮬레이팅하는 모션을 생성하도록 구성될 수 있다.
센서(104, 204)와 같이, 센서(304)는, 사용자(301)가 관심대상 신체 영역, 이 경우에는 경성 외골격(307)이 부착되어 있는 팔이나 다리를 움직이거나 움직이려 할 때 생성되는 신경 신호(미도시) 및/또는 기타의 정보를 검출할 수 있다. 센서(304)는 데이터 신호(미도시)를 제어기(303)에 전송할 수 있다. 센서(104, 204)에 의해 전송된 데이터 신호처럼, 센서(304)에 의해 전송된 데이터 신호는 검출된 신경 신호에 관한 정보(진폭, 파형 등) 뿐만 아니라, 관심대상 신체 영역에서 검출된 근육 작동 전위 등의 기타의 정보를 포함할 수 있다. 제어기(303)는 데이터 신호를 처리하여 검출된 신경 신호가 타겟으로 하는 관심대상 신체 영역을 식별할 수 있다. 일단 신체 영역이 판정되고 나면, 제어기(303)는 관련 신체 부분에 부착된 경성 외골격(307) 내의 기계적 액츄에이터(309)에 작동 신호를 전송할 수 있다. 예를 들어, 센서(304)에 의해 검출된 신경 신호가 사용자(301)의 무릎을 타겟으로 한다고 제어기(303)가 판정하면, 제어기는 작동 신호를 사용자(301)의 다리에 부착된 경성 외골격 내의 기계적 액츄에이터(309)에 전송할 수 있다. 이러한 작동 신호에 응답하여, 기계적 액츄에이터는, 사용자(301)의 무릎의 구부림 및/또는 폄을 시뮬레이팅하도록, 프레임 부재(308)가 서로에 관해 움직이게 할 수 있다.
제어기(103, 203)처럼, 제어기(303)는 "반복기 모드"에서 동작할 수 있다. 이러한 모드에서, 제어기(303)는, 센서(304)에 의해 검출된 신경 신호가 관심대상 신체 영역을 타겟으로 한다고 판정할 때마다 작동 신호를 기계적 액츄에이터(들)(309)에 전송할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 3의 제어기(303)는, 센서(304)에 의해 검출된 신경 신호가 이러한 무릎을 타겟으로 한다고 판정할 때마다 작동 신호를 사용자(301)의 무릎 내의 기계적 액츄에이터(309)에 전송할 수 있다.
마찬가지로, 제어기(303)는 "적응 모드"에서 동작할 수 있다.. 이 모드에서, 제어기(303)는, 전술된 바와 같이, 적응 모드에서 동작하는 제어기(203 및 103)와 동일한 방식으로 행동할 수 있다. 그러나, 사용자(301)의 근육에 전송된 작동 신호의 전력/강도를 조절하는 것 대신에, 제어기(303)는 기계적 액츄에이터(들)(309)에 전송된 작동 신호의 전력/강도 또는 기타의 특성을 조절할 수 있다.. 이러한 변경은 기계적 액츄에이터(들)(309)이 응답하는 방식을 바꿀 수 있다. 이런 방식으로, 제어기(303)는 기계적 액츄에이터(들)(309)이 응답하는 정도를 동적으로 조절할 수 있다.
예를 들어, 사용자(301)는 관심대상 신체 영역(예를 들어, 도 3에 도시된 팔꿈치 또는 무릎)의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 근육/근육군에 신경 신호를 전송할 수 있지만, 이러한 근육/근육군이 이러한 신호에 원하는 정도로 응답하지 못할 수 있는 경우에 특히 유용하다. 예를 들어, 사용자(301)의 무릎의 움직임 및/또는 안정화를 책임지는 근육들은 사용자(301)에 의해 생성되는 신경 신호에 응답할 수 있지만, 불충분하거나 바람직하지 않은 정도이거나 및/또는 불충분한 강도일 수 있다.
이 개념을 예시하기 위해, 외골격 시스템(300)이 사용자(301)의 무릎(410)에 적용되는 실시예를 도시하는 도 4를 참조한다. 도시된 바와 같이, 외골격 시스템(300)은, 무릎(410) 부근의 하나 이상의 센서(304)를 지지하는 (음영으로 나타낸) 매트릭스로 구성된 연성 외골격(라벨링되어 있지 않음)을 포함한다. 이 실시예에서, 센서(304)는 피부 접촉 센서일 수 있다. 센서(304)들 중 적어도 하나는 사용자(301)가 무릎(410)을 움직이거나 움직이려 할 때 사용자(301)에 의해 생성되는 신경 신호(A)를 검출하도록 동작한다. 또한, 센서(304)들 중 적어도 하나는, 신경 신호(A)에 응답하여 무릎(410)의 움직임에 참여하는 근육들에 의해 생성되는 근육 응답 정보(예를 들어, 근육 활동 전위) 등의, 사용자(301)가 무릎(410)을 움직이거나 움직이려 할 때 생성되는 기타의 정보를 검출할 수 있다.
적응 모드에서 동작할 때, 제어기(303)는 센서(304)로부터 데이터 신호(B)를 수신할 수 있다. 전술한 바와 같이, 데이터 신호(B)는 근육 응답 정보 등의 센서(304)에 의해 검출된 신경 신호에 관한 정보를 포함할 수 있다. 제어기(303)는 데이터 신호(B)를 분석하고 어느 신경 신호가 무릎(410)의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 근육/근육군을 타겟으로 하는지를 판정할 수 있다. 또한, 제어기(303)는 데이터 신호(B)를 분석하여 이러한 근육/근육군이 검출된 신경 신호에 응답하는 정도를 판정할 수 있다. 이러한 근육/근육군의 응답이 충분하다고 제어기(303)가 판정한다면, 제어기(303)는 기계적 액츄에이터(309)에 작동 신호를 전송하는 것을 생략할 수 있다. 대안으로서, 제어기(303)는 이러한 근육의 응답이 불충분하거나 바람직하지 않다고 판정할 수 있다. 이러한 경우에, 제어기(303)는 기계적 액츄에이터(309)에 작동 신호(C)를 전송할 수 있다. 작동 신호(C)의 수신시, 액츄에이터는, 프레임 부재(308)가, 무릎(410)의 자연스러운 구부림과 폄 동안에 바람직하게는 사용자(301)의 경골(tibia), 무릎, 대퇴골(femur)의 자연 경로를 따라, 서로에 관해 움직이도록 야기할 수 있다. 이런 방식으로, 본원에서 설명되는 외골격 기술은 하나 이상의 기계적 액츄에이터를 이용하여 관심대상 신체 영역의 자연스런 움직임을 가능하게 하거나, 향상시키거나 대체할 수 있다.
제어기(103 및 203)처럼, 제어기(303)는, 기계적 액츄에이터(309)로부터 원하는 응답을 유도하게끔 작동 신호(C)의 진폭/전력(또는 기타의 특성)을 설정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(303)는, 작동 신호(C)가 기계적 액츄에이터(309)로 하여금 프레임 부재(308)를 특정한 정도, 원하는 레이트, 및/또는 원하는 양의 힘으로 움직이게 하도록, 작동 신호(C)를 조절할 수 있다. 따라서, 제어기(303)는, 사용자(301)가 무릎(410)을 움직이거나 움직이려 할 때 작동 신호(C)가 기계적 액츄에이터로 하여금 사용자(301)에게 원하는 양의 보조를 제공하게끔 작동 신호(C)를 조절할 수 있다.
또한, 제어기(103 및 203)처럼, 제어기(303)는 일부 실시예에서, 센서(304)들 중 하나 이상에 의해 검출되는 근육 응답 정보에 기초하여 작동 신호(C)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 센서(304)들 중 하나 이상은 타겟 근육 및/또는 근육군 내에서 생성되는 근육 작동 전위를 검출할 수 있다. 도 3의 실시예에서, 예를 들어, 센서(304)들 중 하나 이상은 무릎(410)의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 근육이 검출된 신경 신호(A) 및/또는 작동 신호(C)에 응답하는 정도를 검출할 수 있다. 검출된 근육 응답 정보에 기초하여, 제어기(303)는 기계적 액츄에이터(309)에 의해 생성되는 움직임의 정도, 레이트, 및 힘을 제어하도록 작동 신호(C)를 조절할 수 있다.
또한 제어기(103 및 203)처럼, 제어기(303)는 일부 실시예에서 임계 근육 응답 레벨에 기초하여 작동 신호(C)를 생략 또는 전송하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 제어기(303)는, 사용자에 의해 생성된 신경 신호(A)가 이러한 신체 영역 내의 근육/근육군으로부터 임계 근육 응답 레벨을 만족 및/또는 초과하는 응답을 유도한다면 관심대상 신체 영역과 연관된 기계적 액츄에이터(309)에 작동 신호(C)를 전송하는 것을 생략할 수 있다. 대조적으로, 제어기(303)는, 신경 신호(A)가 근육/근육군으로부터 임계 근육 응답 레벨보다 작은 근육 응답을 유도하는 경우 관심대상 신체 영역과 연관된 기계적 액츄에이터(309)에 작동 신호(C)를 전송할 수 있다. 센서(304)는 이 프로세스 전체에 걸쳐 근육 응답 정보를 계속 보고할 수 있고, 이로써 임계 근육 응답에 도달하거나 신체 영역이 원하는 방식으로 움직일 때까지 작동 신호(C)의 전력/진폭에 대한 동적 조절을 행하기 위해 제어기(303)에 의해 이용될 수 있는 피드백 루프를 구축할 수 있다. 임계 근육 응답 정보는, 앞서 설명된 바와 같이, 베이스라인 근육 응답 정보 및/또는 정황 정보에 의해 설정될 수 있다.
상기 설명은, 본원에서 설명된 외골격 기술이 연성 골격의 근육 작동 인터페이스 또는 경성 외골격의 기계적 움직임을 통해 인가되는 EMS(electro muscle stimulation)를 이용하여 관심대상 신체 영역의 움직임을 가능케하거나 보조하는 실시예에 중점을 두었다. 이러한 실시예들이 유용하지만, 본 개시내용은 경성 외골격의 기계적 움직임 또는 EMS를 이용하는 외골격 기술로 제한되지 않는다. 사실상, 본 개시내용은, 관심대상 신체 영역의 움직임을 가능케하거나, 향상시키거나, 및/또는 대체하는 경성 외골격의 기계적 움직임 및 EMS의 조합을 이용하는 외골격 기술을 고려하고 있다.
이 개념을 예시하기 위해, 도 3a 내지 도 3c와 도 4를 다시 참조한다. 앞서 설명된 바와 같이, 이러한 도면들은 외골격 시스템(300)을 (매트릭스와 센서(304)를 포함하는) 연성 외골격 및 (프레임 부재(308), 기계적 액츄에이터(309) 및 커넥터(311)를 포함하는) 경성 외골격을 포함하는 것으로 도시하고 있다. 이러한 컴포넌트들 외에도, 외골격 시스템은 선택사항으로서 근육 작동 인터페이스(305)를 포함할 수 있다. 이용시에, 액츄에이터(305)는, 예를 들어, EMS를 이용하여 관심대상 신체 영역의 움직임 및/또는 안정화에 참여하는 근육을 자극하도록 제어기(303)에 의해 생성된 하나 이상의 작동 신호(C)를 인가하도록 동작할 수 있다. 즉, 근육 작동 인터페이스(305)는, 도 1a 내지 도 1c와 도 2에 관하여 위에서 논의된 바와 같이, 근육 작동 인터페이스(105 및 205)와 실질적으로 동일한 방식으로 기능할 수 있다.
이해할 수 있는 바와 같이, 근육 작동 인터페이스(305) 및 기계적 액츄에이터(309)의 조합의 이용은, 관심대상 신체 영역의 자연스런 움직임을 가능케하거나, 향상시키거나, 및/또는 대체하기 위한 수 많은 옵션을 열어 놓을 수 있다. 이와 관련하여, 제어기(303)는, 앞서 설명된 바와 같이, 반복기 모드 또는 적응 모드에서 동작할 수 있다. 반복기 모드에서, 제어기는, 센서(304)에 의해 검출된 신경 신호(A)가 관심대상 신체 영역, 예를 들어, 무릎(410) 내의 근육/근육군을 타겟으로 하고 있다고 판정할 때마다, 작동 신호(C)를 근육 작동 인터페이스(305)와 기계적 액츄에이터(309) 양쪽 모두에 전송한다. 앞서 설명된 바와 같이, 근육 작동 인터페이스(305)에 전송되는 작동 신호(C)는, 도 4의 무릎(410) 등의, 관심대상 신체 영역의 움직임에 참여하는 하나 이상의 근육을 자극하는 EMS 신호의 형태일 수 있다. 이러한 EMS 신호는 원하는 수준의 근육 응답을 유도하도록 전력/진폭에서 달라질 수 있다. 유사하게, 기계적 액츄에이터(309)에 전송되는 작동 신호(C)는, 프레임 부재(308)의 원하는 움직임을 생성하도록 구성될 수 있다. 이런 방식으로, 외골격 시스템(300)은, (예를 들어, 기계적 액츄에이터(들)(309)을 통해) 경성 외골격의 기계적 움직임과 (근육 작동 인터페이스(305)를 통해 인가된) EMS의 조합으로 관심대상 신체 영역의 자연스런 움직임을 가능케하거나, 향상시키거나, 또는 대체할 수 있다.
적응 모드로 구성될 때, 제어기(303)는, 근육 작동 인터페이스(305)와 기계적 액츄에이터(309) 중 하나 이상에 작동 신호(C)를 전송할지를 판정할 수 있다. 제어기(303)가 작동 신호가 전송될 수 있다고 판정하면, 제어기(303)는 또한, 이러한 신호가 어느 근육 작동 인터페이스와 어느 기계적 액츄에이터에 전송될 것인지를 판정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(303)는, 작동 신호를, 양쪽 모두가 이용가능하더라도, 근육 작동 인터페이스(305)에만 또는 기계적 액츄에이터(309)에만 전송할 수 있다. 다른 실시예에서, 제어기(303)는 작동 신호를 근육 작동 인터페이스(305) 및 기계적 액츄에이터(309) 양쪽 모두에 전송할 수 있다. 어느 경우든, 제어기는 관심대상 신체 영역의 원하는 모션을 생성하도록 근육 작동 인터페이스(305)와 기계적 액츄에이터(309)에 전송된 제어 신호를 조절할 수 있다.
제어기(303)는, 사용자의 개별 요구 및/또는 센서(304)에 의해 검출된 기타의 정보에 기초하여 작동 신호(C)를 근육 작동 인터페이스(305)와 기계적 액츄에이터(309) 중 어느 것에 전송할 것인지를 판정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(303)는 초기에 EMS를 이용하여, 즉, 근육 작동 인터페이스(305)에 작동 신호를 전송함으로써, 관심대상 신체 영역의 원하는 모션을 유도하려고 시도할 수 있다. 이러한 작동 신호는 관심대상 신체 영역의 모션에 참여하는 하나 이상의 근육으로부터 응답을 유도할 수 있다. 제어기(303)는, 센서(304)로부터 수신된 데이터 신호에 포함된 근육 응답 정보를 모니터링함으로써 작동 신호의 유효성을 모니터링할 수 있다. 근육 작동 인터페이스(305)에 전송된 작동 신호가 적절한 근육 응답을 유도한다면, 제어기는 EMS/근육 작동 인터페이스(305)를 계속 이용할 수 있고, 기계적 액츄에이터(309)에 작동 신호를 전송하지 않을 수 있다.. 근육 작동 인터페이스(305)를 통한 EMS 자극이 충분한 응답을 생성하지 않는다면, 제어기(303)는, 예를 들어, 기계적 액츄에이터(309)에 작동 신호를 전송함으로써, 이러한 자극을 경성 외골격의 기계적 움직임으로 보충 또는 대체할 수 있다.
따라서 제어기(303)는, 예를 들어, 근육 작동 인터페이스(305)와 기계적 액츄에이터(309) 중 하나 또는 양쪽 모두에 작동 신호를 보냄으로써, 관심대상 신체 영역에 제공되는 보조의 타입을 동적으로 조절할 수 있다. 제어기(303)는 또한, 이러한 액츄에이터에 전송되는 작동 신호의 진폭, 전력, 또는 기타의 특성을 조절함으로써, (근육 작동 인터페이스(305)를 통한) EMS와 (기계적 액츄에이터(309)를 통한) 기계적 모션에 의해 제공되는 보조의 정도를 동적으로 조절할 수 있다.
이제, 본 개시내용과 일치하는 제어기의 예시적 시스템 아키텍쳐를 도시하는 도 5를 참조한다. 도시된 바와 같이, 제어기(103)는 장치 플랫폼(501)을 포함한다. 단지 예시적인 목적을 위해, 제어기(503)는 모바일 장치로서 도시되어 있고, 따라서, 플랫폼(501)은 모바일 장치 플랫폼일 수 있다. 적합한 모바일 장치 플랫폼의 비제한적 예로서는, 셀 전화 플랫폼, 스마트폰 플랫폼, 태블릿 개인용 컴퓨터 플랫폼, 랩탑 컴퓨터 플랫폼, 넷북 플랫폼, 및 이들의 조합이 포함된다. 이러한 플랫폼들이 선호될 수 있지만, 이들은 단지 예시일 뿐이고 장치 플랫폼은 데스크탑 컴퓨터 플랫폼을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 임의의 적절한 플랫폼일 수 있다는 점을 이해해야 한다.
장치 플랫폼(501)은, 임의의 적절한 타입의 프로세서일 수 있는 적어도 하나의 호스트 프로세서(502)를 포함한다. 예를 들어, 호스트 프로세서(502)는, 단일 또는 다중-코어 프로세서, 범용 프로세서, 주문형 집적 회로, 이들의 조합 등일 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 호스트 프로세서(502)는 바람직하게는 INTEL™사에 의해 판매용으로 제공되는 하나 이상의 프로세서이다.
장치 플랫폼은 입력/출력(I/O) 컴포넌트(502)를 더 포함한다. I/O 컴포넌트(502)는, 제어기(103)로부터/로의 데이터 신호를 수신하고 작동 신호를 전송할 수 있는 임의의 타입의 컴포넌트일 수 있다. 예를 들어, I/O 컴포넌트(502)는, 안테나, 송신기, 수신기, 트랜시버, 트랜스폰더(transponder), 네트워크 인터페이스 장치(예를 들어, 네트워크 인터페이스 카드), 이들의 조합 등일 수 있다. I/O 컴포넌트(502)는, 하나 이상의 유선 또는 무선 통신 프로토콜을 이용하여 데이터/작동 신호를 전송 및/또는 수신할 수 있다. 일부 실시예에서, I/O 컴포넌트(502)는, BLUETOOTH™, 근접장 통신(NFC), 무선 네트워크, 셀룰러 전화 네트워크, 이들의 조합 등의, 하나 이상의 유선 및/또는 무선 통신 기술을 이용하여 이러한 신호를 전송/수신하도록 동작할 수 있다.
호스트 프로세서(502)는 소프트웨어(504)를 실행하도록 구성될 수 있다. 소프트웨어(504)는, 예를 들어, 하나 이상의 운영 체제 및 애플리케이션(양쪽 모두 미도시)을 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 소프트웨어(504)는 외골격 제어 모듈(ECM)(505)을 포함한다.
일반적으로, ECM(505)은, 제어기(103)의 (도시되지 않은) 메모리 내에 저장될 수 있는 컴퓨터 판독가능한 명령어의 형태이다. 예를 들어, ECM(505)은, 호스트 프로세서(502)에 로컬인 메모리에 및/또는 제어기(103) 내의 또 다른 메모리에 저장될 수 있다. 이러한 메모리는 다음과 같은 타입의 메모리들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 반도체 펌웨어 메모리, 프로그램가능한 메모리, 비휘발성 메모리, 판독 전용 메모리, 전기적으로 프로그램가능한 메모리, 랜덤 액세스 메모리, (예를 들어, NAND 또는 NOR 타입 메모리 구조를 포함할 수 있는) 플래시 메모리, 자기 디스크 메모리, 및/또는 광 디스크 메모리. 추가로 또는 대안으로서, 이러한 메모리는, 기타의 및/또는 나중에 개발된 타입의 컴퓨터-판독가능한 메모리를 포함할 수 있다.
따라서, ECM(505)은 컴퓨터 판독가능한 매체에 저장되고 실행될 때 제어기(103)로 하여금 본 개시내용과 일치하는 제어기 동작을 수행하게 하는 명령어의 형태일 수 있다는 점을 이해해야 한다. 예를 들어, ECM(505)은 실행될 때 제어기(103)로 하여금 센서로부터 수신된 데이터 신호를 모니터링하고, 이러한 데이터 신호를 분석하며, 작동 신호를 적절한 근육 작동 인터페이스 및/또는 기계적 액츄에이터에 전송하게 할 수 있다. 이러한 동작은 앞서 논의된 제어기들(103, 203, 및 303)의 기능과 일치하므로, 여기서는 반복하지 않는다.
장치 플랫폼(501)은 사용자 프로파일(506)을 더 포함할 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 사용자 프로파일(506)은 장치 플랫폼(501)의 메모리에 저장된 데이터베이스일 수 있고, 제어기(103)의 동작을 지배하기 위해 적용될 수 있는 하나 이상의 정황 인자(contextual factors)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자 프로파일(506)은, 해당 외골격의 위치, 동작 모드, 사용자의 나이, 사용자의 건강, 사용자의 통증 내성, 베이스라인 모션 범위, 베이스라인 근육 응답, 위치 등에 관한 정보를 포함할 수 있다. 실행될 때, ECM(505)은 프로세서(502)로 하여금 사용자 프로파일(506)에 저장된 정보에 비추어 하나 이상의 작동 신호의 전력/진폭 및/또는 기타의 특성을 조절하게 할 수 있다. 예를 들어, 사용자 프로파일(506)은, 사용자의 베이스라인 근육 응답이 사용자와 유사한 개인 집단에 대한 평균 베이스라인 근육 응답보다 작다고 표시할 수 있다. 이러한 경우에, ECM(505)은 프로세서(503)로 하여금 제어기(103)에 의해 생성되는 작동 신호의 전력/진폭을, 이러한 격차(disparity)를 보상 또는 감안하도록, 상향 또는 하향 조절하게 할 수 있다.
다른 실시예에서, ECM(505)은 실행될 때 프로세서(502)로 하여금 사용자 프로파일(506) 내의 위치 정보를 적용하여 제어기(103)에 의해 생성되는 작동 신호에 적절한 수정을 가하게 할 수 있다. 예를 들어, 사용자 프로파일(506)은, 사용자(502)가 추가의 보조가 바람직한 위치에, 예를 들어, 도로에, 군중속 등에 있다고 표시할 수 있다. 이러한 경우에, ECM(505)은 실행될 때, 사용자의 근육으로부터(예를 들어, 근육 작동 인터페이스를 통한 자극을 통해) 및/또는 기계적 액츄에이터로 생성된 기계적 움직임으로부터 더 큰 응답을 유도하도록 프로세서(502)로 하여금 제어기(103)에 의해 생성되는 작동 신호의 전력/진폭을 증가시키게 할 수 있다.
본 개시내용의 또 다른 양태는 외골격 및 외골격 기술을 제어하는 방법에 관한 것이다. 이와 관련하여, 제어기가 반복기 모드에서 동작하는 본 개시내용과 일치하는 예시적 제어기 방법을 도시하는 도 6을 참조한다. 도시된 바와 같이, 제어기 방법은 블록(600)에서 시작한다. 블록(601)에서, 예를 들어, 앞서 설명된 바와 같이, 하나 이상의 센서를 이용하여, 관심대상 신체 영역을 타겟으로 하는 신경 신호가 검출된다. 블록(602)에서, 검출된 신경 신호에 대한 정보를 포함하는 데이터 신호(들)이 제어기에 전송된다. 블록(603)에서, 제어기가 데이터 신호(들)을 처리한다. 이러한 처리를 통해, 제어기는, 검출된 신경 신호들을 서로 구분하고 및/또는 이러한 신호가 어느 근육/근육군을 타겟으로 하는지를 판정할 수 있다.
이 방법은 블록(604)로 진행하고, 여기서, 제어기는 근육 작동 인터페이스 및/또는 기계적 액츄에이터에 작동 신호를 전송한다. 앞서 설명된 바와 같이, 제어기는 자신이 통신하고 있는 근육 작동 인터페이스 및 기계적 액츄에이터들의 전부 또는 서브셋에 이러한 작동 신호를 전송할 수 있다. 제한하는 것은 아니지만, 제어기는 바람직하게는 작동 신호를 검출된 신경 신호가 타겟으로 하는 근육/근육군과 통신하고 있는 근육 작동 인터페이스에 전송한다. 어쨌든, 작동 신호는 블록(602)에서 하나 이상의 센서에 의해 검출된 신경 신호의 반복(즉, 복제판)을 포함할 수 있다. 제어기가 작동 신호를 특정한 근육 작동 인터페이스 및/또는 기계적 액츄에이터를 타겟으로 하는 경우에, 제어기는 이러한 작동 신호 내의 신경 신호 정보를 근육 작동 인터페이스 또는 기계적 액츄에이터가 통신하고 있는 근육/근육군 및/또는 신체 영역과 관련있는 정보로 제한할 수 있다.
예를 들어, 센서는 각각 슬괵근 및 박근을 타겟으로 하는 제1 및 제2 신경 신호를 검출할 수 있다. 이러한 경우에, 제어기는, 타겟으로 된 슬괵근 및 박근과 통신하는 제1 및 제2 근육 작동 인터페이스에 작동 신호를 전송할 수 있다. 이러한 작동 신호는 제1 및 제2 작동 신호의 하나 또는 양쪽 모두의 복제판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어기에 의해 제1 근육 작동 인터페이스에 전송된 작동 신호는, 제1 신경 신호의 복제판을 포함할 수 있고, 제2 근육 작동 인터페이스에 전송된 작동 신호는 제2 신경 신호의 복제판을 포함할 수 있다.
이 방법은 선택사항적 블록(605)으로 진행할 수 있고, 여기서, 하나 이상의 근육/근육군의 응답이 (예를 들어, 하나 이상의 센서에 의해) 모니터링되어 제어기에 보고될 수 있다. 이러한 근육 응답의 모니터링은 일부 실시예에서 작동 신호를 수신하는 하나 이상의 근육 작동 인터페이스 및/또는 기계적 액츄에이터와 통신하는 근육/근육군으로 제한될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 액츄에이터와 통신하는 각각의 근육/근육군에 대해 근육 응답이 모니터링되고 보고될 수 있다. 이러한 모니터링 및 보고는, 지속적으로, 간헐적으로, 및/또는 지정된 시간 기간 또는 간격으로 수행될 수 있다. 일부 경우에, 근육 응답은 액츄에이터로의 작동 신호의 전송 직후에 모니터링될 수 있다. 이런 방식으로, 본원에서 설명된 외골격 기술은 원하는 근육/기계적 응답을 유도하는데 있어서 인가된 작동 신호의 유효성을 모니터링할 수 있다.
어쨌든, 이 방법은 블록(606)으로 진행할 수 있고, 추가의 신경 신호가 검출되는지에 관해 판정이 이루어진다. 만일 그렇다면, 이 방법은 블록(602)에서 루프백되고 반복한다. 만일 그렇지 않다면, 이 방법은 블록(607)로 진행하고 종료한다.
도 7은 본 개시내용에 따른 또 다른 예시적 제어기 방법을 도시하며, 여기서, 제어기는 적응 모드에서 동작된다. 도시된 바와 같이, 이 방법은 블록(700)에서 시작한다. 블록(701)에서, 본원에서 설명된 외골격 기술의 사용자에 의해 생성된 신경 신호가 하나 이상의 센서로 검출된다. 블록(702)에서, 하나 이상의 센서는 검출된 센서 신호에 대한 사용자의 근육 응답을 모니터링한다. 블록(703)에서, 하나 이상의 센서는 데이터 신호를 외골격 제어기에 전송할 수 있다. 이러한 데이터 신호는, 앞서 설명된 바와 같이, 신경 신호 정보 및 근육 응답 정보를 포함할 수 있다.
블록(704)에서, 제어기는 하나 이상의 센서로부터 수신된 데이터 신호를 처리하여, 예를 들어, 다양한 검출된 신경 신호들을 서로 구분하고, 그들 각각의 타겟을 판정하며, 및/또는 이들을 특정한 측정된 근육 응답 정보와 연관시킨다. 이 때, 이 방법은 블록(705)으로 진행할 수 있고, 여기서, 검출된 신경 신호에 의해 유도된 근육 응답이 임계값을 초과하는지에 관해 판정이 이루어진다. 근육 응답이 임계값을 초과하면, 이 방법은 블록(706)으로 진행할 수 있고, 여기서 우선적용(override)이 가능한지에 관해 판정이 이루어진다. 이러한 우선적용은, 예를 들어, 임계 근육 응답이 불충분한 것으로 판정되었을 때, 및/또는 본원에서 설명된 외골격 기술이 사용자의 능력에 관계없이 모션/이동성을 향상시키기 위해 이용되고 있다면, 특히 유용할 수 있다. 이와 관계없이, 우선적용이 가능하지 않다면, 방법은 블록(701)으로 루프백하여 반복되거나, 블록(713)으로 진행하여 종료한다.
임계 근육 응답이 검출되지 않거나 우선적용이 가능하지 않다면, 이 방법은 블록(707)으로 진행할 수 있고, 여기서, 사용자 프로파일이 이용가능한지에 관해 판정이 이루어지고, 이용가능하다면, 그 내부의 하나 이상의 인자가 적용되어야 하는지에 관해 판정이 이루어진다. 사용자 프로파일이 적용가능하고 적용될 예정이라면, 이 방법은, 블록(708)으로 진행할 수 있고, 여기서, 제어기는, 사용자 프로파일에 명시된 조건을 감안하여, 하나 이상의 작동 신호를 하나 이상의 근육 작동 인터페이스 및/또는 기계적 액츄에이터에 전송한다. 어떠한 사용자 프로파일도 이용가능하지 않거나, 하나가 이용가능하지만 적용되지 않을 것이라면, 이 방법은, 블록(709)으로 진행할 수 있고, 여기서, 제어기는, 디폴트 제어기 프로파일에 기초하여, 하나 이상의 작동 신호를 하나 이상의 근육 작동 인터페이스 및/또는 기계적 액츄에이터에 전송한다. 일부 실시예에서 이러한 디폴트 제어 프로파일은 검출된 근육 응답과 임계 근육 응답 사이의 부족을 보상하도록 설정될 수 있다.
제어기가 사용자 프로파일 또는 디폴트 제어기 프로파일에 기초하여 작동 신호를 전송하는지에 관계없이, 이 방법은 블록(710)으로 진행할 수 있고, 여기서, 제어기는 하나 이상의 센서를 통해 작동 신호를 수신하는 근육의 응답을 모니터링한다. 이 방법은 블록(711)으로 진행할 수 있고, 여기서 작동 신호에 대한 만족스런 근육 응답이 검출되는지에 관해 판정이 이루어진다. 이러한 만족스런 근육 응답은, (예를 들어, 블록(705)에서 이용되는) 임계 근육 응답이나 (사용자 프로파일에서 설정될 수 있는) 또 다른 근육 응답 레벨과 동등할 수 있다. 만족스런 근육 응답이 검출되지 않으면, 이 방법은 블록(712)으로 진행할 수 있고, 여기서, 제어기는, 진폭, 전력 등의 작동 신호의 하나 이상의 특성을 조절하고, 조절된 작동 신호를 하나 이상의 액츄에이터에 전송한다. 그 다음, 이 방법은 블록(710 및 711)으로 루프백할 수 있고, 여기서, 조절된 작동 신호(들)에 대한 근육 응답이 모니터링되고 조절된 신호가 만족스런 근육 응답을 생성했는지에 관해 판정이 이루어진다. 일단 만족스런 근육 응답이 검출되고 나면, 이 방법은 블록(701)으로 루프백하거나, 블록(713)으로 진행하여 종료할 수 있다.
따라서, 본 개시내용의 한 예는 외골격 시스템에 관한 것이다. 외골격 시스템은, 센서, 근육 작동 인터페이스, 및 제어기를 포함한다. 센서는 사람의 신체 영역 내의 제1 근육으로부터의 제1 응답을 유도하도록 사람에 의해 생성된 제1 신경 활동 전위를 검출하고 제1 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호를 제어기에 전송하도록 동작할 수 있다. 제어기는 데이터 신호를 수신 및 처리하고 제1 작동 신호를 근육 작동 인터페이스에 전송하도록 동작할 수 있다. 마지막으로, 근육 작동 인터페이스는 상기 제1 작동 신호를 제1 근육에 인가하도록 동작할 수 있고, 여기서, 제1 작동 신호는 제1 근육으로부터 제2 응답을 유도하도록 구성되며, 제2 응답은 제1 응답에 비례한다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제1 작동 신호는 제1 신경 활동 전위의 복제판을 포함한다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 센서는 또한, 신체 영역 내의 제2 근육으로부터 제3 응답을 유도하도록 사람에 의해 생성된 제2 신경 활동 전위를 검출하고 제1 및 제2 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호를 제어기에 전송하도록 동작할 수 있다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제어기는, 제1 및 제2 신경 활동 전위가, 각각, 제1 및 제2 근육을 타겟으로 한다고 판정하고; 제1 작동 신호가 제1 근육에 인가되어 제1 근육으로부터 제2 응답을 유도하도록 구성되고 제2 작동 신호가 제2 근육에 인가되어 제2 근육으로부터 제4 응답 - 제2 및 제4 응답은 각각 제1 및 제3 응답에 비례함 - 을 유도하도록 구성되게끔, 제1 작동 신호 및 제2 작동 신호를 근육 작동 인터페이스에 전송하게끔 동작가능하다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 센서는 제1 응답을 검출하여 제1 응답을 나타내는 제1 응답 정보를 데이터 신호에 포함하도록 동작가능하고; 제어기는 제1 응답 정보를 임계값과 비교하도록 동작가능하며; 제1 응답 정보가 임계값보다 작을 때, 제어기는 제1 작동 신호를 근육 작동 인터페이스에 전송하고; 제1 응답 정보가 임계값 이상일 때, 제1 작동 신호를 전송하지 않는다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제1 임계값은 임계 근육 응답 레벨이고, 제1 응답 정보는 제1 신경 신호에 응답한 제1 근육의 근육 응답 레벨이다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제2 응답은 제1 응답 정보와 제1 임계값 사이의 차이보다 작은, 같은, 또는 큰 양만큼 제1 응답을 향상시킨다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 센서는 제1 및 제3 응답을 검출하고 제1 및 제3 응답 정보를 데이터 신호에 포함하도록 동작가능하고, 제1 및 제3 응답 정보는 각각 제1 및 제3 응답을 나타내며; 제어기는 제1 및 제3 응답을 각각 제1 및 제2 임계값과 비교하도록 동작가능하며; 제어기는 제1 응답 정보가 제1 임계값보다 작을 때 제1 작동 신호를 전송하도록 동작가능하고; 제어기는 제3 응답 정보가 제2 임계값보다 작을 때 제2 작동 신호를 전송하도록 동작가능하며; 제1 응답 정보가 제1 임계값 이상일 때, 제어기는 제1 작동 신호를 전송하지 않고; 제3 응답 정보가 제2 임계값 이상일 때, 제어기는 제2 작동 신호를 전송하지 않는다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제1 근육은 사람의 수족에 위치하고; 센서는 사람의 척추로부터 신경 활동 전위를 검출하도록 동작가능하며; 근육 작동 인터페이스는 제1 작동 신호를 제1 근육에 인가하도록 동작가능하다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제1 작동 응답 정보가 미리결정된 양보다 많은 양만큼 임계값과 상이하면, 제어기는 제1 작동 응답 정보가 미리결정된 양보다 작은 양만큼 임계값과 상이할 때까지 제1 작동 신호의 적어도 하나의 특성을 조절하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제1 작동 응답 정보가 제1 미리결정된 양보다 많은 양만큼 제1 임계값과 상이하면, 제어기는, 제1 작동 응답 정보가 상기 제1 미리결정된 양보다 작은 양만큼 제1 임계값과 상이할 때까지 제1 작동 신호의 적어도 하나의 특성을 조절하도록 구성되고; 제2 작동 응답 정보가 제2 미리결정된 양보다 많은 양만큼 제2 임계값과 상이할 때, 제어기는, 제2 작동 응답 정보가 상기 제1 미리결정된 양보다 작은 양만큼 제2 임계값과 상이할 때까지 제2 작동 신호의 적어도 하나의 특성을 조절하도록 구성된다.
본 개시내용의 또 다른 예는, 센서, 기계적 액츄에이터, 및 제어기를 포함하는 외골격 시스템에 관한 것이다. 센서는 사람의 신체 영역에서 근육 응답을 유도하도록 사람에 의해 생성된 신경 활동 전위를 검출하고 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호를 제어기에 전송하도록 동작할 수 있다. 제어기는 데이터 신호를 수신 및 처리하고 작동 신호를 기계적 액츄에이터에 전송하도록 동작할 수 있다. 마지막으로, 기계적 액츄에이터는 적어도 하나의 커넥터를 포함하는 적어도 하나의 프레임 부재에 결합되고, 작동 신호에 응답하여 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 근육 응답의 적어도 일부를 에뮬레이팅하도록 동작가능하다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신체 영역은 사람의 관절이고, 근육 응답은, 관절의 구부림, 관절의 폄, 관절의 회전, 및 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하고, 기계적 액츄에이터는 작동 신호에 응답하여 적어도 하나의 프레임 부재에 의해, 구부림, 폄, 회전, 또는 이들의 조합 중 적어도 일부를 에뮬레이팅하도록 동작가능하다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신체 영역은 무릎이고, 기계적 액츄에이터는 작동 신호에 응답하여 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 무릎의 구부림, 폄, 및 회전 중 적어도 하나를 에뮬레이팅하도록 동작가능하다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 센서는 신체 영역 내의 근육이 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 검출하여 그 응답 정보를 데이터 신호에 포함하도록 동작가능하고; 제어기는 응답 정보를 임계값과 비교하도록 동작가능하며; 응답 정보가 임계값보다 작을 때, 제어기는 제1 작동 신호를 기계적 액츄에이터에 전송하도록 구성되고; 응답 정보가 임계값 이상일 때, 제어기는 제1 작동 신호를 전송하지 않도록 구성된다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 응답 정보는 근육 응답 레벨, 근육 활동 전위, 모션의 범위, 힘, 또는 이들의 조합이다.
본 개시내용의 또 다른 예는, 센서, 제어기, 근육 작동 인터페이스, 및 기계적 액츄에이터를 포함하는 외골격이다. 센서는 사람의 신체 영역에서 제1 근육 응답을 유도하도록 사람에 의해 생성된 신경 활동 전위를 검출하고 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호를 제어기에 전송하도록 동작할 수 있다. 제어기는, 데이터 신호를 수신하고 근육 작동 인터페이스로의 근육 작동 신호와 기계적 액츄에이터로의 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 전송하도록 동작가능하다. 근육 작동 인터페이스는 적어도 하나의 근육을 근육 작동 신호로 전기적으로 자극하도록 동작가능하고, 근육 작동 신호는 제1 근육 응답에 비례하는 신체 영역의 제2 근육 응답을 유도하도록 구성된다. 마지막으로, 기계적 액츄에이터는 적어도 하나의 프레임 부재에 결합되고, 기계적 작동 신호에 응답하여 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 제1 근육 응답의 적어도 일부를 에뮬레이팅하도록 동작가능하다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제어기는, 데이터 신호의 수신에 응답하여 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호를 각각 근육 작동 인터페이스와 기계적 액츄에이터에 전송하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 데이터 신호는 신체 영역 내의 근육이 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 더 포함하고; 제어기는 응답 정보를 임계값과 비교하고, 응답 정보가 미리결정된 양 이상으로 임계값과 상이하다면 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호 중 적어도 하나의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 임계값은 임계 근육 활동 전위값이고, 응답 정보는 신체 영역 내의 근육으로부터의 센서에 의해 검출된 근육 활동 전위를 포함한다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 미리결정된 값은 임계 근육 활동 전위값의 약 +/- 5% 이상이다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제어기는, 센서에 의해 검출된 근육 활동 전위가 약 25% 이상 임계 근육 활동 전위값보다 작을 때 기계적 작동 신호를 기계적 액츄에이터에 전송하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 외골격 시스템은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 센서는 응답 정보를 모니터링하여 응답 정보를 데이터 신호로 제어기에 보고하고; 제어기는 응답 정보에 비추어 기계적 작동 신호와 근육 작동 신호의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 동적으로 조절하도록 구성된다.
본 개시내용의 또 다른 예는 외골격 제어 방법이고, 사용자의 신체 영역으로부터 제1 근육 응답을 유도하도록 사람에 의해 생성된 신경 활동 전위를 검출하는 단계; 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호를 제어기에 전송하는 단계; 데이터 신호에 응답하여, 작동 신호를 제어기로부터 외골격의 작동 인터페이스로 전송하는 단계를 포함하고; 여기서, 작동 신호는, 작동 인터페이스에 인가될 때 제1 근육 응답을 향상, 에뮬레이팅, 또는 에뮬레이팅 및 향상시키도록 구성된다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 작동 신호는 근육 작동 신호를 포함하고, 작동 인터페이스는 근육 작동 인터페이스를 포함하며, 이 방법은, 근육 작동 신호를 제어기로부터 근육 작동 인터페이스로 전송하는 단계 - 근육 작동 신호는 신체 영역 내의 적어도 하나의 근육을 전기적으로 자극하도록 구성됨 - ; 및 신체 영역 내의 제2 근육 응답을 생성하도록 적어도 하나의 근육을 근육 작동 신호로 자극하는 단계 - 제2 근육 응답은 제1 근육 응답에 비례함 - 를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제1 근육 응답은, 신체 영역의 구부림, 폄, 및 회전 중 적어도 하나를 포함하고; 제2 근육 응답은, 신체 영역의 구부림, 폄, 및 회전 중 적어도 하나를 향상, 에뮬레이팅, 또는 향상 및 에뮬레이팅한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은, 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 전부를 포함하고, 신체 영역은 인체의 관절이다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신경 활동 전위는 신체 영역 내의 제1 및 제2 근육을 타겟으로 하는 제1 및 제2 신경 신호를 포함하고, 이 방법은, 제1 및 제2 신경 신호를 구분하고 그들 각각의 근육 타겟을 판정하기 위해 데이터 신호를 처리하는 단계; 근육 작동 인터페이스 내의 제1 및 제2 전기 통신 경로에 제1 및 제2 근육 작동 신호를 전송하는 단계를 포함하고, 제1 및 제2 전기 통신 경로는 각각 제1 및 제2 근육과 전기적으로 통신하며, 제1 및 제2 근육 작동 신호는 제1 및 제2 근육을 자극하여 제2 근육 응답을 생성하도록 구성된다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 적어도 하나의 근육으로부터의 작동 응답을 모니터링하는 단계 - 작동 응답은 적어도 하나의 근육이 근육 작동 전위로 자극하는 것에 응답하는 정도를 나타냄 - ; 작동 응답을 임계값과 비교하는 단계; 및 작동 응답이 미리결정된 양 이상으로 임계값과 상이할 때, 작동 응답이 임계값과 같거나 미리결정된 양보다 작은 양만큼 임계값과 상이할 때까지 근육 작동 신호의 전력 및 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 근육 작동 신호의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하기 위해 사용자 프로파일을 적용하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 작동 신호는 기계적 작동 신호를 포함하고, 작동 인터페이스는 적어도 하나의 프레임 부재가 결합되어 있는 기계적 액츄에이터를 포함하며, 이 방법은, 근육 작동 신호를 제어기로부터 기계적 액츄에이터로 전송하는 단계; 및 근육 작동 신호의 수신에 응답하여, 기계적 액츄에이터가 적어도 하나의 프레임 몸체로 제1 근육 응답을 에뮬레이팅하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신체 영역은 사람의 관절이고, 근육 응답은, 관절의 구부림, 관절의 폄, 관절의 회전, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하고, 기계적 액츄에이터는 기계적 작동 신호에 응답하여 적어도 하나의 프레임 부재에 의해, 구부림, 폄, 회전, 또는 이들의 조합 중 적어도 일부를 에뮬레이팅하도록 동작가능하다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신체 영역은 무릎이고, 기계적 액츄에이터는 기계적 작동 신호에 응답하여 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 무릎의 구부림, 폄, 및 회전 중 적어도 하나를 에뮬레이팅하도록 동작가능하다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 신체 영역 내의 근육이 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 검출하는 단계; 응답 정보를 임계값과 비교하는 단계; 응답 정보가 임계값보다 작을 때, 기계적 작동 신호를 제어기로부터 기계적 액츄에이터로 전송하는 단계; 및 응답 정보가 임계값 이상일 때, 기계적 작동 신호를 전송하지 않는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 작동 신호는 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 포함하고, 작동 인터페이스는 근육 작동 인터페이스와 적어도 하나의 프레임 부재가 결합되어 있는 기계적 액츄에이터를 포함하고, 이 방법은, 제어기로 근육 작동 인터페이스로의 근육 작동 신호와 기계적 액츄에이터로의 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 전송하는 단계; 근육 작동 인터페이스가 근육 작동 신호를 수신할 때, 신체 영역 내의 적어도 하나의 근육을 근육 작동 신호로 전기적으로 자극하는 단계; 및 기계적 액츄에이터가 기계적 작동 신호를 수신할 때, 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 제1 근육 응답의 적어도 일부를 에뮬레이팅하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 데이터 신호에 응답하여, 제어기는 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호를 각각 근육 작동 인터페이스와 기계적 액츄에이터에 전송한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 데이터 신호는 신체 영역 내의 근육이 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 더 포함하고; 이 방법은, 응답 정보를 임계값과 비교하는 단계; 및 응답 정보가 미리결정된 양 이상으로 임계값과 상이하다면 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호 중 적어도 하나의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 임계값은 임계 근육 활동 전위값이고, 응답 정보는 근육 활동 전위를 포함하며, 이 방법은 신체 영역 내의 근육으로부터 응답 정보를 검출하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 미리결정된 값은 임계 근육 활동 전위값의 약 +/- 5% 이상이다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신체 영역 내의 근육으로부터 검출된 근육 활동 전위가 약 25% 이상 임계 근육 활동 전위값보다 작을 때 기계적 작동 신호를 제어기로부터 기계적 액츄에이터에 전송하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 또 다른 예시적인 외골격 제어 방법은 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 제어기는 응답 정보에 비추어 기계적 작동 신호와 근육 작동 신호의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 동적으로 조절한다.
본 개시내용의 또 다른 예는, 프로세서; 및 ECM(exoskeleton control module) 명령어를 저장하고 있는 메모리를 포함하는, 외골격 시스템을 위한 제어기이다. ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 다음과 같은 동작들을 수행하게 하며, 이 동작들은, 사용자의 신체 영역으로부터 제1 근육 응답을 유도하도록 사람에 의해 생성된 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호의 수신에 응답하여, 외골격의 작동 인터페이스에 작동 신호를 전송하는 것을 포함하고, 작동 신호는 작동 인터페이스에 인가될 때 제1 근육 응답을 향상, 에뮬레이팅, 또는 에뮬레이팅 및 향상시키도록 구성된다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 작동 인터페이스는 근육 작동 인터페이스를 포함하고, 신호는, 신체 영역에서 제2 근육 응답을 생성하도록 신체 영역 내의 적어도 하나의 근육을 전기적으로 자극하도록 구성되며, 제2 근육 응답은 제1 근육 응답에 비례한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신경 활동 전위는 신체 영역 내의 상이한 근육들을 타겟으로 하는 복수의 신경 활동 전위들을 포함하고, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 복수의 신경 활동 전위들을 서로 구분하고 그들 각각의 근육 타겟을 판정하기 위해 데이터 신호를 처리하는 것; 복수의 근육 활동 신호를 생성하는 것 - 각각의 근육 활동 신호는 복수의 신경 활동 전위의 각각의 신경 활동 전위에 대응함 - ; 및 각각의 근육 활동 신호가 근육 타겟을 그 대응하는 신경 활동 전위로 자극하도록, 근육 활동 인터페이스에 복수의 근육 활동 신호를 전송하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 적어도 하나의 근육으로부터의 작동 응답을 모니터링하는 것 - 작동 응답은 적어도 하나의 근육이 근육 작동 신호에 의한 자극에 응답하는 정도를 나타냄 - ; 작동 응답을 임계값과 비교하는 것; 및 작동 응답이 미리결정된 양 이상으로 임계값과 상이할 때, 작동 응답이 임계값과 같거나 미리결정된 양보다 작은 양만큼 임계값과 상이할 때까지 근육 작동 신호의 전력 및 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 사용자 프로파일은 메모리에 저장되고, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은 사용자 프로파일 내의 적어도 하나의 파라미터에 비추어 근육 작동 신호의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 작동 신호는 기계적 작동 신호를 포함하고 작동 인터페이스는 적어도 하나의 프레임 부재가 결합되어 있는 기계적 액츄에이터를 포함하며, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 기계적 액츄에이터가 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 제1 근육 응답을 에뮬레이팅하도록 기계적 액츄에이터에 근육 작동 신호를 전송하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신체 영역은 사람의 관절이고, 제1 근육 응답은, 관절의 구부림, 관절의 폄, 관절의 회전, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하고, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 기계적 액츄에이터로 하여금, 적어도 하나의 프레임 부재에 의해, 구부림, 폄, 회전, 또는 이들의 조합 중 적어도 일부를 에뮬레이팅하게 하도록 동작가능하게끔 기계적 작동 신호를 구성하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 신체 영역은 무릎이고, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 기계적 액츄에이터로 하여금, 적어도 하나의 프레임 부재에 의해, 무릎의 구부림, 폄, 및 회전 중 적어도 하나를 에뮬레이팅하게 하도록 동작가능하게끔 기계적 작동 신호를 구성하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 신체 영역 내의 근육이 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 임계값과 비교하는 것; 응답 정보가 임계값보다 작을 때, 기계적 작동 신호를 제어기로부터 기계적 액츄에이터로 전송하는 것; 및 응답 정보가 임계값 이상일 때, 기계적 작동 신호를 전송하지 않는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 작동 신호는 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 포함하고, 작동 인터페이스는 근육 작동 인터페이스와 적어도 하나의 프레임 부재가 결합되어 있는 기계적 액츄에이터를 포함하고, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 근육 작동 인터페이스로의 근육 작동 신호와 기계적 액츄에이터로의 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 전송하는 것을 포함하고, 근육 작동 신호는 신체 영역 내의 적어도 하나의 근육을 전기적으로 자극하도록 동작가능하고, 기계적 작동 신호는, 기계적 액츄에이터로 하여금 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 제1 근육 응답의 적어도 일부를 에뮬레이팅하게 하도록 동작가능하다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 데이터 신호의 수신에 응답하여, 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호를 각각 근육 작동 인터페이스와 기계적 액츄에이터에 전송하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 데이터 신호는 신체 영역 내의 근육이 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 더 포함하고, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 응답 정보를 임계값과 비교하는 것; 및 응답 정보가 미리결정된 양 이상으로 임계값과 상이할 때, 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호 중 적어도 하나의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 임계값은 임계 근육 활동 전위값이고, 응답 정보는 신체 영역 내의 근육으로부터 검출된 근육 활동 전위를 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, 미리결정된 값은 임계 근육 활동 전위값의 약 +/- 5% 이상이다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 이하의 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 신체 영역 내의 근육으로부터 검출된 근육 활동 전위가 약 25% 이상 임계 근육 활동 전위값보다 작을 때 기계적 작동 신호를 제어기로부터 기계적 액츄에이터에 전송하는 것을 포함한다.
본 개시내용과 일치하는 외골격 시스템을 위한 또 다른 예시적인 제어기는 상기 컴포넌트들 중 임의의 것 또는 모두를 포함하고, 여기서, ECM 명령어는 실행될 때 제어기로 하여금 동작들을 더 수행하게 하고, 이 동작들은, 응답 정보에 비추어 기계적 작동 신호와 근육 작동 신호의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 동적으로 조절하는 것을 포함한다.
여기서 채용된 용어와 표현들은 제한이 아닌 설명의 관점으로서 사용된 것이고, 이러한 용어와 표현의 사용에 있어서, 도시되고 설명된 피쳐들(또는 그 일부)의 임의의 균등물을 배제하려는 의도는 없으며, 특허청구범위의 범주 내에서 다양한 수정이 가능하다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 특허청구범위는 모든 이러한 균등물들을 포괄하도록 의도된 것이다. 다양한 피쳐들, 양태들, 및 실시예들이 본원에서 설명되었다. 피쳐들, 양태들, 및 실시예들은, 통상의 기술자라면 이해하겠지만, 또 다른 것들과 조합되기 쉬울 뿐 아니라 변형 및 수정되기 쉽다. 따라서, 본 개시내용은 이러한 조합, 변형 및 수정을 포괄하는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (57)

  1. 외골격 시스템(exoskeleton system)으로서,
    센서;
    근육 작동 인터페이스; 및
    제어기
    를 포함하고,
    상기 센서는 사람의 신체 영역 내의 제1 근육으로부터의 제1 응답을 유도하도록 상기 사람에 의해 생성된 제1 신경 활동 전위(neuronal action potential)를 검출하고 상기 제1 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호를 상기 제어기에 전송하도록 동작가능하며;
    상기 제어기는 상기 데이터 신호를 수신 및 처리하여 제1 작동 신호를 상기 근육 작동 인터페이스에 전송하도록 동작가능하고;
    상기 근육 작동 인터페이스는 상기 제1 작동 신호를 상기 제1 근육에 인가하도록 동작가능하고, 상기 제1 작동 신호는 상기 제1 근육으로부터 제2 응답을 유도하도록 구성되며, 상기 제2 응답은 상기 제1 응답에 비례하는, 외골격 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서는, 상기 신체 영역 내의 제2 근육으로부터 제3 응답을 유도하도록 사용자에 의해 생성된 제2 신경 활동 전위를 검출하고 상기 제1 및 제2 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호를 상기 제어기에 전송하도록 더 동작가능한, 외골격 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 제1 응답을 검출하고 상기 제1 응답을 나타내는 제1 응답 정보를 상기 데이터 신호에 포함시키도록 동작가능하고;
    상기 제어기는 상기 제1 응답 정보를 임계값과 비교하도록 동작가능하고;
    상기 제1 응답 정보가 상기 임계값보다 작을 때, 상기 제어기는 상기 제1 작동 신호를 상기 근육 작동 인터페이스에 전송하며;
    상기 제1 응답 정보가 상기 임계값 이상일 때, 상기 제어기는 상기 제1 작동 신호를 전송하지 않는, 외골격 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 임계값은 임계 근육 응답 레벨이고, 상기 제1 응답 정보는 상기 제1 신경 신호에 응답하는 상기 제1 근육의 근육 응답 레벨인, 외골격 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 응답은 상기 제1 응답 정보와 상기 임계값 사이의 차이보다 작거나, 같거나, 또는 큰 양만큼 상기 제1 응답을 향상시키는, 외골격 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 센서는 상기 제1 및 제3 응답을 검출하고 제1 및 제3 응답 정보를 상기 데이터 신호에 포함시키도록 동작가능하며 - 상기 제1 및 제3 응답 정보는 상기 제1 및 제3 응답을 각각 나타냄 - ;
    상기 제어기는 상기 제1 및 제3 응답을 각각 제1 임계값 및 제2 임계값과 비교하도록 동작가능하고;
    상기 제어기는 상기 제1 응답 정보가 상기 제1 임계값보다 작을 때 상기 제1 작동 신호를 전송하도록 동작가능하며;
    상기 제어기는 상기 제3 응답 정보가 상기 제2 임계값보다 작을 때 제2 작동 신호를 전송하도록 동작가능하고;
    상기 제1 응답 정보가 상기 제1 임계값 이상일 때, 상기 제어기는 상기 제1 작동 신호를 전송하지 않고;
    상기 제3 응답 정보가 상기 제2 임계값 이상일 때, 상기 제어기는 상기 제2 작동 신호를 전송하지 않는, 외골격 시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기 제1 응답 정보가 미리결정된 양보다 많은 양만큼 상기 임계값과 상이하면, 상기 제어기는 상기 제1 응답 정보가 상기 미리결정된 양보다 작은 양만큼 상기 임계값과 상이할 때까지 상기 제1 작동 신호의 적어도 하나의 특성을 조절하도록 구성되는, 외골격 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 응답 정보가 제1 미리결정된 양보다 많은 양만큼 상기 제1 임계값과 상이하면, 상기 제어기는, 상기 제1 응답 정보가 상기 제1 미리결정된 양보다 작은 양만큼 상기 제1 임계값과 상이할 때까지 상기 제1 작동 신호의 적어도 하나의 특성을 조절하도록 구성되고;
    상기 제2 응답 정보가 제2 미리결정된 양보다 많은 양만큼 상기 제2 임계값과 상이하면, 상기 제어기는, 상기 제2 응답 정보가 상기 제1 미리결정된 양보다 작은 양만큼 상기 제2 임계값과 상이할 때까지 상기 제2 작동 신호의 적어도 하나의 특성을 조절하도록 구성되는, 외골격 시스템.
  9. 외골격 제어 방법으로서,
    사람의 신체 영역으로부터 제1 근육 응답을 유도하도록 상기 사람에 의해 생성된 신경 활동 전위를 검출하는 단계;
    상기 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호를 제어기에 전송하는 단계; 및
    상기 데이터 신호에 응답하여, 상기 제어기로부터의 작동 신호를 외골격의 작동 인터페이스에 전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 작동 신호는, 상기 작동 인터페이스에 인가될 때 상기 제1 근육 응답을 향상, 에뮬레이팅, 또는 에뮬레이팅 및 향상시키도록 구성되는, 외골격 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 작동 신호는 근육 작동 신호를 포함하고, 상기 작동 인터페이스는 근육 작동 인터페이스를 포함하며, 상기 방법은,
    상기 제어기로부터의 상기 근육 작동 신호를 상기 근육 작동 인터페이스에 전송하는 단계 - 상기 근육 작동 신호는 상기 신체 영역 내의 적어도 하나의 근육을 전기적으로 자극하도록 구성됨 - ; 및
    상기 적어도 하나의 근육을, 상기 신체 영역에서 제2 근육 응답을 생성하도록 상기 근육 작동 신호로 자극하는 단계 - 상기 제2 근육 응답은 상기 제1 근육 응답에 비례함 -
    를 더 포함하는 외골격 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 신경 활동 전위는, 상기 신체 영역 내의 제1 및 제2 근육을 타겟으로 하는 제1 및 제2 신경 신호를 포함하고, 상기 방법은,
    상기 제1 및 제2 신경 신호를 구분하고 그들 각각의 근육 타겟을 판정하기 위해 상기 데이터 신호를 처리하는 단계; 및
    상기 근육 작동 인터페이스 내의 제1 및 제2 전기 통신 경로에 제1 및 제2 근육 작동 신호를 전송하는 단계 - 상기 제1 및 제2 전기 통신 경로는 각각 상기 제1 및 제2 근육과 전기적으로 통신함 -
    를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 근육 작동 신호는 상기 제1 및 제2 근육을 자극하여 상기 제2 근육 응답을 생성하도록 구성되는, 외골격 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 근육으로부터의 작동 응답을 모니터링하는 단계 - 상기 작동 응답은 상기 적어도 하나의 근육이 상기 근육 작동 전위에 의한 상기 자극에 응답하는 정도를 나타냄 - ;
    상기 작동 응답을 임계값과 비교하는 단계; 및
    상기 작동 응답이 미리결정된 양 이상만큼 상기 임계값과 상이하면, 상기 작동 응답이 상기 임계값과 같거나 상기 미리결정된 양보다 작은 양만큼 상기 임계값과 상이할 때까지, 상기 근육 작동 신호의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 단계
    를 더 포함하는, 외골격 제어 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 작동 신호는 기계적 작동 신호를 포함하고, 상기 작동 인터페이스는 적어도 하나의 프레임 부재가 결합되어 있는 기계적 액츄에이터를 포함하며, 상기 방법은,
    상기 제어기로부터의 상기 기계적 작동 신호를 상기 기계적 액츄에이터에 전송하는 단계; 및
    상기 기계적 작동 신호의 수신에 응답하여, 상기 기계적 액츄에이터가 상기 적어도 하나의 프레임 바디에 의해 상기 제1 근육 응답을 에뮬레이팅하는 단계를 더 포함하는 외골격 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 신체 영역 내의 근육들이 상기 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 검출하는 단계;
    상기 응답 정보를 임계값과 비교하는 단계;
    상기 응답 정보가 상기 임계값보다 작을 때, 상기 제어기로부터의 상기 기계적 작동 신호를 상기 기계적 액츄에이터에 전송하는 단계; 및
    상기 응답 정보가 상기 임계값 이상일 때, 상기 기계적 작동 신호를 전송하지 않는 단계
    를 더 포함하는 외골격 제어 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 작동 신호는 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 작동 인터페이스는 근육 작동 인터페이스와 적어도 하나의 프레임 부재가 결합되어 있는 기계적 액츄에이터를 포함하며, 상기 방법은,
    상기 제어기를 이용하여, 상기 근육 작동 인터페이스로의 상기 근육 작동 신호와 상기 기계적 액츄에이터로의 상기 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 전송하는 단계;
    상기 근육 작동 인터페이스가 상기 근육 작동 신호를 수신할 때, 상기 신체 영역 내의 상기 적어도 하나의 근육을 상기 근육 작동 신호로 전기적으로 자극하는 단계; 및
    상기 기계적 액츄에이터가 상기 기계적 작동 신호를 수신할 때, 상기 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 상기 제1 근육 응답의 적어도 일부를 에뮬레이팅하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 데이터 신호는, 상기 신체 영역 내의 근육들이 상기 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 더 포함하고, 상기 방법은,
    상기 응답 정보를 임계값과 비교하는 단계; 및
    상기 응답 정보가 미리결정된 양 이상만큼 상기 임계값과 상이하다면 상기 근육 작동 신호와 상기 기계적 작동 신호 중 적어도 하나의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 단계
    를 더 포함하는 외골격 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 임계값은 임계 근육 활동 전위값이고, 상기 응답 정보는 근육 활동 전위를 포함하고, 상기 방법은 상기 신체 영역 내의 상기 근육들로부터 상기 응답 정보를 검출하는 단계를 더 포함하는 외골격 제어 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 응답 정보에 비추어 상기 기계적 작동 신호와 상기 근육 작동 신호의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 동적으로 조절하는, 외골격 제어 방법.
  18. 외골격 시스템을 위한 제어기로서,
    프로세서; 및
    외골격 제어 모듈(ECM; exoskeleton control module) 명령어들을 저장하고 있는 메모리
    를 포함하고,
    상기 ECM 명령어들은 실행될 때 상기 제어기로 하여금,
    사람의 신체 영역으로부터 제1 근육 응답을 유도하도록 상기 사람에 의해 생성된 신경 활동 전위를 나타내는 데이터 신호의 수신에 응답하여, 외골격의 작동 인터페이스에 작동 신호를 전송하는 것 - 상기 작동 신호는 상기 작동 인터페이스에 인가될 때 제1 근육 응답을 향상, 에뮬레이팅, 또는 에뮬레이팅 및 향상시키도록 구성됨 -
    을 포함하는 동작들을 수행하게 하는 제어기.
  19. 제18항에 있어서, 상기 작동 인터페이스는 근육 작동 인터페이스를 포함하고, 상기 신호는, 상기 신체 영역에서 제2 근육 응답을 생성하도록 상기 신체 영역 내의 적어도 하나의 근육을 전기적으로 자극하도록 구성된 근육 작동 신호를 포함하고, 상기 제2 근육 응답은 상기 제1 근육 응답에 비례하는, 제어기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 ECM 명령어들은 실행될 때 상기 제어기로 하여금,
    상기 적어도 하나의 근육으로부터의 작동 응답을 모니터링하는 것 - 상기 작동 응답은 상기 적어도 하나의 근육이 상기 근육 작동 신호를 이용한 자극에 응답하는 정도를 나타냄 - ;
    상기 작동 응답을 임계값과 비교하는 것; 및
    상기 작동 응답이 미리결정된 양 이상만큼 상기 임계값과 상이하면, 상기 작동 응답이 상기 임계값과 같거나 상기 미리결정된 양보다 작은 양만큼 상기 임계값과 상이할 때까지, 상기 근육 작동 신호의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 것
    을 포함하는 동작들을 더 수행하게 하는, 제어기.
  21. 제18항에 있어서, 상기 작동 신호는 기계적 작동 신호를 포함하고, 상기 작동 인터페이스는 적어도 하나의 프레임 부재가 결합되어 있는 기계적 액츄에이터를 포함하며, 상기 ECM 명령어들은 실행될 때 상기 제어기로 하여금,
    상기 기계적 액츄에이터가, 상기 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 상기 제1 근육 응답을 에뮬레이팅하게 하도록, 상기 기계적 액츄에이터에 상기 기계적 작동 신호를 전송하는 것을 포함하는 동작들을 더 수행하게 하는, 제어기.
  22. 제21항에 있어서, 상기 ECM 명령어들은 실행될 때 상기 제어기로 하여금,
    상기 신체 영역 내의 근육들이 상기 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 임계값과 비교하는 것;
    상기 응답 정보가 상기 임계값보다 작을 때, 상기 제어기로부터의 상기 기계적 작동 신호를 상기 기계적 액츄에이터에 전송하는 것; 및
    상기 응답 정보가 상기 임계값 이상일 때, 상기 기계적 작동 신호를 전송하지 않는 것
    을 포함하는 동작들을 더 수행하게 하는, 제어기.
  23. 제18항에 있어서, 상기 작동 신호는 근육 작동 신호와 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 작동 인터페이스는 근육 작동 인터페이스와 적어도 하나의 프레임 부재가 결합되어 있는 기계적 액츄에이터를 포함하며, 상기 ECM 명령어들은 실행될 때 상기 제어기로 하여금,
    상기 근육 작동 인터페이스로의 상기 근육 작동 신호와 상기 기계적 액츄에이터로의 상기 기계적 작동 신호 중 적어도 하나를 전송하는 것을 포함하는 동작들을 더 수행하게 하고,
    상기 근육 작동 신호는 상기 신체 영역 내의 적어도 하나의 근육을 전기적으로 자극하도록 동작가능하고, 상기 기계적 작동 신호는 상기 기계적 액츄에이터가 상기 적어도 하나의 프레임 부재에 의해 상기 제1 근육 응답의 적어도 일부를 에뮬레이팅하게 하도록 동작가능한, 제어기.
  24. 제23항에 있어서, 상기 데이터 신호는 상기 신체 영역 내의 근육들이 상기 신경 활동 전위에 응답하는 정도를 나타내는 응답 정보를 더 포함하고, 상기 ECM 명령어들은 실행될 때 상기 제어기로 하여금,
    상기 응답 정보를 임계값과 비교하는 것; 및
    상기 응답 정보가 미리결정된 양 이상만큼 상기 임계값과 상이할 때, 상기 근육 작동 신호와 상기 기계적 작동 신호 중 적어도 하나의 전력과 진폭 중 적어도 하나를 조절하는 것
    을 포함하는 동작들을 더 수행하게 하는, 제어기.
  25. 제24항에 있어서, 상기 ECM 명령어들은 실행될 때 상기 제어기로 하여금,
    상기 응답 정보에 비추어 상기 기계적 작동 신호와 상기 근육 작동 신호의 상기 전력과 진폭 중 적어도 하나를 동적으로 조절하는 것을 포함하는 동작들을 더 수행하게 하는, 제어기.
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