KR102510931B1 - 반-능동 로봇 관절 - Google Patents

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KR102510931B1
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locking mechanism
joint
intermediate link
relative
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호마윤 카제루니
미네르바 브이. 필라이
웨인 이-웨이 퉁
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더 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

로봇 관절은 제1 링크, 중간 링크, 토크 발생기, 제2 링크 및 잠금 메카니즘을 포함한다. 중간 링크의 다른 끝단들은 제1 링크 및 제2 링크에 회동가능하게 결합된다. 토크 발생기는 제1 링크 및 제2 링크에 결합되고 또한 이들 링크 사이에 토크를 생성하도록 구성된다. 잠금 메카니즘은 잠금 상태 및 해정 상태 사이에서 전환할 수 있다. 해정 상태에서, 잠금 메카니즘은 제1 회동방향 및 제2 회동방향에서 중간 링크에 대해 제2 링크의 자유로운 회동을 허용한다. 잠금 상태에 있을 때, 잠금 메카니즘은 제1 회동방향에서 중간 링크에 대해 제2 링크의 회동을 방해하고 또한 제1 회동방향에 반대인 제2 회동방향에서 중간 링크에 대해 제2 링크의 회동을 허용하도록 구성된다.

Description

반-능동 로봇 관절
관련된 출원에 대한 크로스- 레퍼런스
본 발명은 이 출원에 인용된 모든 다른 레퍼런스들과 함께 전체적으로 모든 목적을 위해 레퍼런스로 합체되는 것으로, 2016년 6월 24일자로 출원된 미국 가특허출원 번호 62/354,263의 우선권 이익을 청구한다.
기술분야
개시된 장치는 외골격 다리에 합체되도록 구성된 동력적으로 수동인 외골격 무릎에 관한 것이다.
다리 외골격 기술은 의료 및 재활 분야에 이로운 쪽으로 조정되어 왔다. 외골격 디자인에서 기능적인 모듈방식은 개업의들로 하여금 착용자의 요구나 능력 쪽으로 조정될 수 있는 외골격을 권할 수 있도록 한다. 대부분의 모듈방식 무릎 외골격 기술은 의료 분야이거나 재활 분야에 살고 있다 하더라도, 스탠스 보조 무릎 외골격은 대퇴사두근의 기능이 저하되거나 무릎 약점을 가진 개인들은 물론 양쪽이 가능한 신체의 개인들에게도 이로울 수 있다.【특허문헌】US2006206043 A1(2006.09.14.), US2007123997 A1(2007.05.31.)
완전 수동 시스템은 낮은 비용이지만 제한된 기능성을 가진다. 동력 시스템은 다양한 기능성을 가지지만 비싸고 크다. 저항성 무릎을 제어하는 마이크로 제어기는 완전 수동 시스템보다 기능적으로 더 다양하지만, 단지 동작에 시스템 임피던스를 제공하나 비쌀 수 있다.
시스템을 제어하는 수동 마이크로 제어기는 낮은 비용과 기능적으로 재주가 많은 시스템으로 이끌 수 있다. 요구되는 기능성의 일부를 시스템의 기계적 하드웨어로 숨겨둠으로써 마이크로 제어기에의 부담 및 센서들의 필요를 줄일 수 있다.
동력적으로 수동인 로봇 관절의 약간의 실시예들이 여기에 개시된다. 이들 동력적으로 수동인 관절들은 다양한 외골격들, 기능회복훈련의 시스템들, 보철 기구들 및 로봇 보행 장치들에 사용될 수 있다. 이 실시예들은 비록 밧데리가 컴퓨터 사용 및 제어를 위해 마이크로-컴퓨터 및 연합된 센서들에 전력을 공급하기 위해 사용되더라도, 운동 에너지로 사용될 수 있는 어떠한 외부 동력도 사용하지 않는다. 이들 동력적으로 수동인 로봇 관절들은, 다른 작용 등에 더하여, 운동을 생성하기 위해 요구되는 두개의 유용한 특성을 나타낸다: 1) 그들은 관절이 하중을 받는 상태일 때(즉, 외골격 무릎 관절의 스탠스 단계)이더라도 항상 뻗음이 자유로운 동안 요구될 때 굽힘에 응답하여 적합한 저항을 나타낼 수 있다; 및 2) 그들은 요구될 때(즉, 외골격 무릎 관절의 흔들림 단계) 자유로운 굽어짐 및 뻗음을 나타낼 수 있다. 이들 두 단계 사이의 스위칭은 운동을 위해 요구되는 기초적 특성을 제공할 수 있다. 이들 동력적으로 수동인 로봇 관절의 기본적 작용은 전기기계 구성요소의 관념적 형태를 사용하여 개시된다. 잘 처리된 실시예들이 어떻게 이들 동력적으로 수동인 로봇 관절들이 외골격들, 기능회복훈련의 시스템들, 보철기구들 및 로봇 보행 장치들을 위한 인공 무릎으로서 디자인되고 만들어졌는지를 나타내도록 개시된다. 마지막으로, 약간의 실시예들이 외골격 기능회복훈련 다리를 위해 이들 동력적으로 수동인 로봇 관절의 이용을 교시하도록 개시된다.
도 1은 동력적으로 수동인 로봇 관절의 일 실시예의 도식적 묘사를 나타낸다.
도 2는 개시 실시예의 도식적인 설명이다.
도 3은 사람 아래 다리에 착용된 동력적으로 수동인 로봇 관절의 도식적인 설명이다.
도 4는 동력적으로 수동인 로봇 관절의 일 실시예를 묘사한다.
도 5는 도 4에 나타낸 실시예의 분해도이다.
도 6은 도 4에 나타낸 실시예의 부분 분해도이다.
도 7은 도 4에 나타낸 실시예의 부분 분해도이다.
도 8은 도 4에 나타낸 실시예의 부분 분해도이다.
도 9는 잠금 메카니즘이 잠금 상태에 있는 경우의 실시예를 나타낸다.
도 10은 잠금 메카니즘이 잠금 상태에 있는 경우의 실시예를 나타낸다.
도 11은 잠금 메카니즘이 해정 상태에 있는 경우의 실시예를 나타낸다.
도 12는 잠금 메카니즘이 해정 상태에 있는 경우의 실시예를 나타낸다.
도 13은 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 14는 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 15는 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 16은 컨트롤러 한정 상태 장치의 일 실시예를 나타낸다.
도 17은 착용자의 허벅지 각도를 나타낸다.
도 18은 소정의 최대 양(+)의 허벅지 각도 및 소정의 최소 음(-)의 허벅지 각도를 나타낸다.
도 19는 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 20은 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 21은 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 22는 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 23은 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 24는 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 25는 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 26은 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
도 27은 로봇 관절의 일 실시예를 포함하는 기능회복훈련 외골격의 일 실시예를 나타낸다.
아래의 개시에서, 다수의 특정한 상세는 제안된 개념의 완벽한 이해를 제공하기 위하여 설명된다. 제안된 개념은 이들 특정한 개념의 약간 또는 어느 것 없이도 실행될 수 있다. 다른 실례들에서 잘 알려진 공정 조작들은 개시된 개념을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 하기 위하여 구체적으로 설명하지 아니하였다. 일부 개념은 특정한 실시예와 함께 설명되겠지만, 이것은 이들 실시예들을 제한하려고 하는 것이 아나라는 것을 이해할 것이다.
도 1은 동력적으로 수동인 로봇 관절(100)의 일 실시예를 나타낸다. 로봇 관절(100)은 제1 링크(102), 중간 링크(104), 토크 발생기(108), 제2 링크(110), 및 잠금 메카니즘(112)을 포함한다. 중간 링크(104)는 그의 제1 끝단(131)으로부터 제1 링크(102)에 회동가능하게 결합되며 여기에서 제1 조인트(106)는 제1 링크(102)에 대한 중간 링크(104)의 회동을 묘사한다. 토크 발생기(108)는 제1 링크(102)와 중간 링크(104) 사이에서 토크를 생성할 수 있다. 제2 링크(110)는 중간 링크(104)의 제2 끝단(133)에 회동가능하게 결합되며 여기에서 제2 조인트(114)는 제2 링크(110)에 대한 중간 링크(104)의 회동을 묘사한다. 잠금 메카니즘(112)은 제2 링크(110)가 중간 링크(104)에 대하여 굽어질 때 중간 링크(104)에 대한 제2 링크(110)의 회동 운동을 방해할 수 있다. 바꾸어 말하면, 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있을 때, 각도(154)는 쉽게 작아질 수 없으며 또한, 제한적으로 잠금 메카니즘(112)의 특성에 따라서, 각도(154)는 전혀 작아질 수 없다. 발명의 일 실시예에서, 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있을 때, 각도(154)는 쉽게 작아질 수 없으며 또한, 제한적으로 잠금 메카니즘(112)의 특성에 따라서, 각도(154)는 전혀 작아질 수 없으며, 항상 커질 수 있다. 바꾸어 말하면, 발명의 일부 실시예에서, 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있을 때, 중간 링크(104) 및 제2 링크(110)는 각도(154)가 작아지지 않고 항상 커질 수 있도록 서로에게 고정되게 된다. 잠금 메카니즘(112)이 그의 해정 상태에 있을 때, 중간 링크(104) 및 제2 링크(110)는 서로에 대하여 항상 회동할 수 있으며 각도(154)는 항상 커지거나 작아질 수 있다.
도 1의 개념에 대한 더 나은 이해를 위하여, 외골격 기능회복훈련 시스템에서 제1 링크(102)는 허벅지 링크이고 제2 링크(110)는 정강이 링크라고 가정한다. 또한 중간 링크(104)는 매우 짧은 길이를 가진다고 가정한다. 제1 방향(111) 및 제2 방향(113)은 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 회동운동을 묘사한다. 각도(153)의 감소 또는 각도(154)의 감소는 제1 방향(111) 내에서 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 회동에 의한 결과이다. 각도(153)의 증가 또는 각도(154)의 증가는 제2 방향(113)을 따라 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 회동에 의한 결과이다. 중간 링크(104) 및 제1 링크(102)는 각도(153)가 작아질 때 서로에 대해 굽어지고 있다. 각도(153)가 커질 때, 중간 링크(104) 및 제1 링크(102)는 서로에 대해 뻗고 있다. 각도(154)가 작아질 때, 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)는 서로에 대해 굽어지고 있다. 각도(154)가 커질 때, 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)는 서로에 대해 뻗고 있다. 제2 링크(110)가 제1 방향(111)을 따라 움직이고 있을 때, 제2 링크(110)는 제1 링크(102)에 대해 굽어지고 있는 것을 의미한다. 제2 링크(110)가 제2 방향(113)을 따라 움직이고 있을 때, 제2 링크(110)는 제1 링크(102)에 대해 뻗고 있는 것을 의미한다. 따라서, 일부 실시예에서, 잠금 상태에서, 잠금 메카니즘(112)은 제1 회동방향(111) 내에서 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 회동을 방해하도록 구성되어 있다. 일부 실시예에서, 해정 상태에서, 잠금 메카니즘(112)은 제1 방향(111) 및 제2 방향(113) 내에서 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 자유 회동을 허용한다. “자유 회동”은 오직 잔류 마찰력에 의해 방해되는 운동이라고 정의된다.
일부 실시예에서, 제2 링크(110)는 잠금 메카니즘(112)의 상태에 관계없이 제2 방향(113)을 따라 중간 링크(104)에 대해 항상 뻗을 수 있다.이것은 각도(154)는 잠금 메카니즘(112)의 상태에 관계없이 항상 커질 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 잠금 메카니즘(112)은 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있을 때 오직 중간 링크(104)에 대한 제2 링크(110)의 굽힘 운동만을 방해할 수 있다. 이것은 잠금 메카니즘(112)은 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있을 때 각도(154)가 작아지는 것을 실질적으로 방해할 수 있다는 것을 의미한다. 잠금 메카니즘(112)의 굽힘에 대한 이 저항의 수준은 변할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 잠금 메카니즘(112)은 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있을 때, 중간 링크(104)에 대한 제2 링크(110)의 회동 굽힘을 방해하기 위해 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)를 모두 고정할 수 있다. 그러나, 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)는 잠금 메카니즘(112)이 잠금 상태 또는 해정 상태에 있는지 여부에 관계없이 서로에 대해 뻗을 수 있다. 도 1에 나타낸 실시예는 아래에 개시되는 신규성을 가진다.
상기 실시예에서, 작동에서 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있을 때, 제2 링크(110)는 중간 링크(104)에 고정된다. 이 경우에 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)는 하나의 강체처럼 움직이며 서로에 대해 굽어질 수 없다. 그러나, 중간 링크(104) 및 제2 링크(110) 양자는 항상 서로에 대해 뻗을 수 있다. 잠금 메카니즘(112)이 서로에 대해 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)의 굽어짐을 방해할 때, 제1 링크(102)에 대해 전체로서 취해진 중간 링크(104) 및 제2 링크(110)의 회동 운동은 제1 방향(111)을 따라서 토크 발생기(108)에 의해 방해된다. 바꾸어 말하면, 함께 취해진 중간 링크(104) 및 제2 링크(110)는 제1 방향(1110을 따라서 제1 링크(102)에 대해 굽어지는 것이 자유롭지 않다. 그러나, 제2 링크(110)는 제2 방향(113)을 따라서 회동하기가 자유롭다(즉, 제2 링크(110)는 항상 제1 링크(102)에 대해 뻗을 수 있다). 잠금 메카니즘(112)이 그의 해정 상태에 있을 때, 제2 링크(110)는 제1 방향(111) 및 제2 방향(113)에 의해 나타내진 양 방향을 따라서 제1 링크(102)에 대해 자유롭게 회동한다. 그것은, 여기에 개시된 실시예는 잠금 메카니즘(112)의 상태에 좌우되어 제1 방향(111)을 따라서 제1 링크(102)에 대해 제2 링크(110)의 자유로운 운동이나 제한된 운동의 어느 쪽을 고려한다. 잠금 메카니즘(112)이 잠금 상태에 있을 때, 토크 발생기(108)는 제1 링크(102)와 제2 링크(110) 사이에 굽힘운동에 대한 저항을 제공하지만, 그러나 방해받지 않는 운동은 제1 링크(102)와 제2 링크(110) 사이에서 항상 허용된다. 잠금 메카니즘(112)이 해정 상태에 있을 때, 제1 링크(102)와 제2 링크(110) 사이에서 굽힘 및 신장 운동에 있어 저항은 없을 것이다. 이것의 중요성은 아래에서 더 개시된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 중간 링크(104)에 대한 제1 링크(102)의 회동축 및 중간 링크(104)에 대한 제2 링크(110)의 회동축은 서로에게 실질적으로 평행하다. 본 발명의 일부 실시예에서, 중간 링크(104)에 대한 제1 링크(102)의 회동축 및 중간 링크(104)에 대한 제2 링크(110)의 회동축은 서로에게 일치한다. 이것은 중간 링크(104)에 대해서는 영(0)의 길이로 이끈다. 도 2는 중간 링크(104)가 영의 길이를 가지는 로봇 관절(500)의 실시예를 나타낸다. 중간 링크(104)의 길이가 영으로 짧아졌기 때문에, 두 조인트(106) 및 (114)는 서로에 일치한다. 이 구조는 이것이 더 작은 로봇 관절로 이끌기 때문에 특별한 중요성을 가진다. 도 2에 나타낸 실시예는 사람에 의해 착용된 외골격 기능회복훈련 다리의 무릎 관절로서 큰 실용성을 가진다. 이것은 로봇 관절(500)이 사람 아래쪽 다리(502)에 착용된 경우로서 도 3에 나타낸다. 잠금 메카니즘(112)이 잠금 상태에 있을 때, 중간 링크(104)는 제2 링크(110)에 고정되게 된다. 이것은 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 회동이 제1 방향을 따라서 토크 발생기(108)에 의해 방해되도록 하게 한다. 그러나, 제2 링크(110) 및 제1 링크(102)는 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)가 항상 자유롭게 뻗을 수 있기 때문에(잠금 메카니즘(112)은 오직 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)가 서로에 대해 굽어질 때만 양자를 고정한다) 서로에 대해 뻗을 수 있다. 이것은 로봇 관절(500)의 스탠스 단계를 의미하며, 여기에서 제1 링크(102)(사람의 허벅지(180)에 결합된)에 대한 제2 링크(110)(사람의 정강이(182))의 운동은 무릎 굽힘 동안 방해되나, 뻗는 것은 자유롭다. 잠금 메카니즘(112)이 해정 상태에 있을 때, 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 회동은 양 방향(111) 및 (113)에서 자유롭다. 이것은 로봇 관절(500)의 흔들림 단계를 의미하며, 여기에서 사람의 정강이(182)는 굽어지는 회동 및 뻗는 회동 모두에서 사람의 허벅지(180)에 대해 움직임이 자유롭다. 요약하면, 도 3에 나타낸 로봇 관절은 기능회복훈련 또는 보철용 다리를 위해 필요한 특성을 성공적으로 복제할 수 있다. 스탠스 단계가 끝나기 바로 전에, 잠금 메카니즘(112)은 중간 링크(104)를 제2 링크(110)로부터 해정한다. 이것은 흔들림 단계 동안 필요한 굽어짐 및 뻗음을 위한 중간 링크(104)에 대한 제2 링크(110)의 자유 운동을 일으킨다. 다리가 지면을 차기 바로 전에, 잠금 메카니즘(112)은 잠금 상태로 이동하며, 여기에서 제2 링크(110)는 중간 링크(104) 쪽으로 전혀 움직일 수 없다(즉, 제2 링크(110)는 중간 링크(104)에 대해 굽어질 수 없다). 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있을 때, 중간 링크(104)에 대한 제2 링크(110)의 뻗음은 가능하다. 이것은 로봇 관절(500)을 착용하는 사람은 잠금 메카니즘(112)의 상태에 관계없이 항상 뻗을 수 있다는 것을 의미한다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일부 실시에에서, 제1 링크(102)는 사람의 허벅지(180)와 일치하여 움직이도록 구성될 수 있고 제2 링크(110)는 사람의 정강이(182)와 일치하여 움직이도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 링크(102)는 사람의 허벅지(180)에 결합되도록 구성될 수 있고 제2 링크(110)는 사람의 정강이(182)에 결합되도록 구성될 수 있다. 아래에 개시된 바와 같이, 다양한 브레이스가 이 커플링을 고려하여 사용될 수 있다. 혹자는 반대 위치에서 로봇관절(500)을 사용할 수 있다; 이것은 일부 실시예에서, 제1 링크(102)는 사람의 정강이(182)와 일치하여 움직이도록 구성될 수 있고 제2 링크(110)는 사람의 허벅지(180)와 일치하여 움직이도록 구성될 수 있다는 것을 의미한다. 일부 실시예에서, 제1 링크(102)는 사람의 정강이(182)에 결합되도록 구성될 수 있고 제2 링크(110)는 상기 사람의 허벅지(180)에 결합되도록 구성될 수 있다. 다양한 브레이스가 이 커플링을 고려하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 이들 브레이스는 가죽끈, 강성 연접부, 반-강성 연접부 또는 이들 요소의 결합의 형태를 취하게 된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 토크 발생기(108)는 제1 링크(102)와 중간 링크(104) 사이에서 수동 저항토크를 생성하게 된다. 이들 실시예에서, 토크 발생기(108)는 운동을 전달하기 위해서 어떠한 외부 에너지원도 요구하지 않는다. 이 경우에, 혹자는 토크 발생기를 서로에 대해 제1 링크(102) 및 중간 링크(104)를 굽히려고 시도하는 외부 굽힘 토크 (즉, 착용자에 의해 야기되는 토크)에 저항하는 단순한 스프링으로 상상할 수 있다. 이들 실시예에서, 토크 발생기(108)는 수동 저항토크를 발생하는 일반적인 기구를 나타낸다. 토크 발생기(108)의 예로는 제한없이 공압 또는 수압 실린더 또는 수압 및 공압 부재를 가지는 실린더, 가스 스프링, 수압 댐퍼, 잠금가능 가스 스프링, 및 잠긍 가능 댐퍼를 포함한다. 일부 실시예에서, 토크 발생기(108)는 잠글 수 있으며, 그리하여 잠그어진 토크 발생기는 중간 링크(104)에 대한 제1 링크(102)의 모든 운동을 방해한다. 이들 실시예에서, 액튜에이터는 토크 발생기를 해정하기 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예에서 잠금 가능 토크 발생기(108)용 액튜에이터는 전기모터, 변속기를 가지는 전기모터, 솔레노이드, 수압 액튜에이터, 및 공압 액튜에이터로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 요소 또는 요소들의 조합을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 토크 발생기(108)는 제1 링크(102)와 중간 링크(104) 사이에서 임의의 토크를 생성할 수 있는 능동적인 요소이다. 이 경우에, 혹자는 토크 발생기(108)를 외부 토크에 관계 없이 제1 링크(102)와 중간 링크(104) 사이에서 굽음 및 뻗음 토크를 제공하는 액튜에이터로서 상상할 수 있다. 이들 실시예에서, 전기모터 및 액튜에이터들은 토크 발생기(108)에서 제어가능한 토크를 제공하기 위해 사용된다. 이것은 다양한 작업을 위하여 개개의 희망에 맞춰지도록 토크 발생기(108)의 토크 윤곽을 허용한다. 예를 들면, 걷기와 계단 오르기는 사람의 무릎에서 다른 토크 윤곽을 요구한다.
도 4는 위에서 개시되고 도 1, 도 2 및 도 3에 묘사된 실시예의 작동에 기초하여 설계된 로봇 관절(500)의 실시예를 나타낸다. 도 5는 도 4에 나타낸 로봇 관절(500)의 분해도를 나타낸다. 이 실시예에서, 제1 조인트(106) 및 제2 조인트(114)는 서로 일치하며 따라서 중간 링크(104)는 영의 길이를 가진다. 도4로부터 8을 참조하여 로봇 관절(500)이 아래에 개시된다. 로봇 관절(500)의 실시예는 제1 링크(102) 및 제1 링크(102)에 회동가능하게 결합된 중간 링크(104)를 포함한다. 중간 링크(104)는 영의 길이를 가지며 여기에서 길이는 도5에 나타낸 바와 같이, 제1 조인트(106)와 제2 조인트(114)와의 사이의 간격이다. 로봇 관절(500)은 제1 링크(102)와 중간 링크(104) 사이에서 저항 토크를 생성할 수 있는 토크 발생기(108)를 더 포함한다. 중간 링크(104)는 도5에 나타낸 바와 같이, 아암(155)과 아버(109)를 포함한다. 토크 발생기(108)는 그의 제1 끝단(57)으로부터 아암(155)(중간 링크의 부재)에 회동가능하게 결합되어 있다. 토크 발생기(108)는 그의 제2 끝단(59)으로부터 제1 링크(102)에 회동가능하게 결합되어 있다. 일부 실시예에서, 토크 발생기(108)는 가스 스프링이다. 일부 실시예에서 토크 발생기(108)는 압축 코일 스프링이다. 일부 실시예에서, 제1 링크(102)는 U자형 링크(159)(도7 및 도8에 나타냄)를 포함한다. U자형 링크(159)는 제1 링크(102)의 부분으로서 만들어질 수 있다. 토크 발생기(108)의 제2 끝단((59)로 나타냄)은 U자형 링크(159)에서 제1 링크(102)에 회동가능하게 결합되어 있다. 도 5는 또한 회로판(129) 상에 컨트롤러(120) 및 밧데리(127)를 나타낸다.
로봇 관절(500)은 중간 링크(104)에 회동가능하게 결합된 제2 링크(110)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 제2 링크(110)는 주축(156)을 포함한다. 제2 링크(110)와 디스크(118) 사이에서 커플링은 주축(156) 상의 비-원형 숫 보스(152)(도6에 나타냄)를 디스크(118) 상의 대응하는 비-원형 암 컷아웃(151) 및 구멍(157)을 통한 죔쇠(도시하지 않음)에 결합함으로써 얻어진다. 도 6에서 디스크(118)는 명확하게 하기 위해 단면도로서 나타내고 있다. 이 구조에 의하여, 도에 나타낸 바와 같이, 디스크(118) 및 제2 링크(110)는 서로 결합되고 같은 속도록 회동한다.
토크 발생기(108) 및 잠금 메카니즘(112)이 없으면, 제1 링크(102), 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)는 주축(156)의 축(145)을 따라서 독립적으로 회동한다. 구멍(157)을 통하여 죔쇠(도 7에 나타내지 않음)는 제2 링크(110), 제1 링크(102) 및 중간 링크(104)를 함께 포함하는 조립체를 보유한다. 또한 이들 조인트들 사이의 모든 회동 베어링은 명확하게 하기 위해 제거되었음을 주목해야 한다. 통상의 기술자는 제2 링크(110), 중간 링크(104) 및 제1 링크(102) 사이에 원활한 회동 운동을 위하여 베어링 표면(즉, 볼 베어링, 또는 롤러 베어링)이어야 한다는 점을 이해할 것이다.
도 8에 나타낸 잠금 메카니즘(112)은 랩(wrap) 스프링(117), 디스크(118) 및 액튜에이터(115)를 포함한다. 랩 스프링(117)의 제1 끝단(158)은 제2 링크(110)에 결합된다. 이 커플링은 다양한 기계적 방법에 의해 이룰 수 있다; 그러나, 이 커플링의 실시예는 도 8을 참조하여 아래에 개시된다. 제2 링크(110)에의 랩 스프링(117)의 커플링은 디스크(118) 및 죔쇠(116)를 사용함으로써 촉진된다. 랩 스프링(117)의 제1 끝단(158)은 디스크(118)의 주위에 장착된다. 죔쇠(116)는 랩 스프링(117)의 제1 끝단(158)을 디스크(118)에 죈다. 일부 실시예에서, 죔쇠(116)는 랩 스프링(117)의 하나 이상의 코일을 디스크(118)에 죄게 된다. 위에서 개시되고 도 7에 나타낸 바와 같이, 디스크(118)및 제2 링크(110)는 서로 결합되고 같은 속도로 회동한다. 제2 링크(110)와 디스크(118) 사이에서 커플링은 제2 링크(110) 상의 비-원형 숫 보스(152)(도 6에 나타냄)를 디스크(118) 상의 대응하는 비-원형 암 컷아웃(151) 및 구멍(157)을 통한 죔쇠(도시하지 않음)에 결합함으로써 얻어진다. 랩 스프링(117)의 제2 끝단(119)은 아버(109)의 원통형 표면이 그의 주축이 랩 스프링(117)의 주축(145)에 실질적으로 평행하면서 실질적으로 랩 스프링(117) 안쪽에 위치되도록 하여 중간 링크(104)의 아버(109)의 원통형 표면 주위를 감싼다. 잠금 메카니즘(112)은 제2 링크(110)에 결합되는 액튜에이터(115)를 더 포함한다. 액튜에이터(115)는 중간 링크(104)의 아버(109)의 원통형 표면과 랩 스프링(117)의 내면(150) 사이에 압력을 제공하도록 랩 스프링(117)의 제2 끝단(119)을 움직일 수 있다. 이 압력은 아버(109)의 원통형 표면과 랩 스프링(117) 사이에 저항 토크를 야기한다. 결론적으로, 중간 링크(104)와 제2 링크(110) 사이의 저항 토크는 랩 스프링(117)의 제2 끝단(119)을 제어함으로써 제어될 수 있다. 디스크(118)는 제2 링크(110)(그들은 함께 회동한다)에 결합되고 랩 스프링(117)의 제1 끝단은 디스크(118)에 결합되는 점을 주목해야 한다. 제2 끝단(119)은 액튜에이터(115)의 도움으로 화살표(146)(도 9)를 따라 움직이므로, 중간 링크(104)와 제2 링크(110) 사이의 저항 토크는 증가한다. 제2 끝단(119)은 액튜에이터(115)의 도움으로 화살표(147)(도 11)를 따라 움직이므로, 중간 링크(104)와 제2 링크(110) 사이의 저항 토크는 실질적으로 감소한다.
도 9 및 도 10은 토크 발생기(108)가 가스 스프링의 형태를 취하는 경우의 실시예를 나타낸다. 만약 액튜에이터(115)가 화살표(146)를 따라 제2 끝단(119)을 움직이면, 잠금 메카니즘(112)은 잠금 상태이다. 이 잠금 상태에서, 제2 링크(110) 및 중간 링크(104)는 서로 고정되며 서로에 대해 굽어질 수 없다. 이 상태에서, 제1 방향(111)을 따라서 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 운동은 가스 스프링 토크 발생기(108)를 압축함으로써 일어난다. 토크 발생기(108) 압축은 도 10 에서 보여진다. 바꾸어 말하면, 액튜에이터(115)가 화살표(146)를 따라 제2 끝단(119)을 움직일 때, 서로에 대한 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)의 굽어짐에 대한 저항이 있게 된다. 그러나, 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)는 항상 제2 끝단(119)이 화살표(146)를 따라 이동되었을 때조차 서로에 대해 자유롭게 뻗는다. 만약 액튜에이터(115)가 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같이, 화살표(147)를 따라 제2 끝단(119)을 움직이면, 잠금 메카니즘(112)은 해정 상태 내에 있다. 이 상태에서, 제1 방향(111)을 따라서 제1 링크(102)에 대한 제2 링크(110)의 운동은 임피던스 없이(가스 스프링 압축 없음) 계속 일어난다. 바꾸어 말하면, 액튜에이터(115)가 화살표(147)를 따라 제2 끝단(119)을 움직일 때, 서로에 대한 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)의 굽어짐에 대한 저항은 없게 된다. 이 상황에서, 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)는 서로에 대해 항상 자유롭게 뻗는다.
본 발명의 일부 실시예에서, 액튜에이터(115)는 전기모터, 변속기를 가지는 전기모터, 솔레노이드, 수압 액튜에이터, 공압 액튜에이터 및 수동 기계 기구로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 요소 또는 요소들의 조합을 포함한다.
잠금 메커니즘(112)은 잠금 메카니즘(112)이 잠금 상태일 때 중간 링크(104)와 제2 링크(110) 사이의 운동을 방해하는 일반적인 장치를 의미한다. 도 8의 실시예에서 잠금 메카니즘(112)은 랩 스프링(117)과 아버(109)를 사용한다. 이 실시예에서, 잠금 메카니즘(112)은 두 표면 사이의 마찰힘의 이용에 의해 중간 링크(104)에 대한 제2 링크(110)의 회동을 방해하도록 구성된다. 이 실시예에서, 랩 스프링(117)이 사용된, 잠금 메카니즘(112)에서 작은 액튜에이터(115)가 잠금 메카니즘(112)의 상태를 바꾸기 위해 이용될 수 있다. 통상의 기술자는 잠금 메카니즘(112)의 작정된 기능을 제공하도록 표면 사이의 마찰힘을 이용하는 다른 방법들이 있다는 것을 이해할 것이다. 잠금 메카니즘(112)의 예들은 제한없이 캘리퍼 브레이크, 디스크 브레이크, 밴드 브레이크, 라쳇과 폴 조립체, 쌍안정 링키지 조립체를 포함하는 링키지 조립체를 포함한다.
도 13은 사람의 무릎에 결합되는 로봇 관절(500)의 실시예를 나타내며 여기에서 제1 링크(102)는 사람의 허벅지(180)에 결합되고 제2 링크(110)는 사람의 정강이(182)에 결합된다. 제1 방향(111)은 무릎 굽힘 운동을 표시하고 제2 방향(113)은 무릎 뻗음 운동을 표시한다. 사람의 무릎 관절은 로봇 관절(500)의 단일 회동축(145)과 실질적으로 일치한다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예에서, 로봇 관절(500)은 사람의 무릎에 결합되며 여기에서 제1 링크(102)는 사람의 허벅지(180)와 일치하여 움직이도록 구성되고 제2 링크(110)는 상기 사람의 정강이(182)와 일치하여 움직이도록 구성된다. 일부 실시예에서, 로봇 관절(500)은 사람의 정강이(182)에 결합을 허용하는 정강이 연결기(132)를 더 포함한다. 일부 실시예에서 허벅지 연결기(132) 및 정강이 연결기(134)는 브레이스를 포함한다. 비록 브레이스들이 도 13에서 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)의 사람의 허벅지(180) 및 정강이(182)에의 결합을 입증하기 위해 사용되었다 하더라도, 통상의 기술자는 제2 링크(110) 및 제1 링크(102)가 사람의 정강이(182) 및 허벅지(18)와 일치하여 움직이도록 하게 하는 많은 방법 및 장치들이 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 정강이 브레이스 및 허벅지 브레이스를 통한 결합은 제1 링크(102)와 사람의 허벅지(180) 및 제2 링크(110)와 사람의 정강이(182)의 일치된 움직임을 야기하는 단지 하나의 방법이다.
도 14는 로봇 관절(500)이 도 13에서 어떻게 사용되는 가를 거울에 비춘 것 같은 방법으로 이용되는 실시예를 나타낸다. 도 14는 로봇 관절(500)이 사람의 무릎에 결합되는 실시예를 나타내며 여기에서 제1 링크(102)는 사람의 정강이(182)에 결합되고 제2 링크(110)는 사람의 허벅지(180)에 결합된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 로봇 관절(500)은 사람의 무릎에 결합되며 여기에서 제1 링크(102)는 사람의 정강이(182)와 일치하여 움직이도록 구성되고 제2 링크(110)는 사람의 허벅지(180)와 일치하여 움직이도록 구성되며 여기에서 제1 방향(111)은 무릎 굽힘 방향이고 제2 방향은 무릎 뻗음 방향이다. 통상의 기술자는 도 13에서의 실시예의 오리엔테이션을 거울에 비추듯이 하면 도 14에서의 실시예가 만들어진다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 오직 도 13의 실시예의 오리엔테이션에서의 개시를 논하는 모든 앞으로의 논의는 도 14의 오리엔테이션에 대해 연장될 수 있다.
도 15는 사람의 다리에 결합되도록 구성된 로봇 관절(500)의 실시예를 나타낸다. 로봇 관절(500)은 컨트롤러(120)(도 5에 도시됨)와 다리 신호(121)를 생각할 수 있는 적어도 하나의 다리 센서(123)를 더 포함한다. 다리 신호(121)는 잠금 메카니즘(112)의 잠금 및 해정 상태를 제어하기 위해 컨트롤러(120)에 의해 이용된다. 다리 센서(123)의 예로는, 제한 없이, 회전식 전위차계, 선형 전위차계, 자기 인코더, 광학 인코더, 선형 가변 차동 변합기, 용량성 변위 센서, 맴돌이 전류 근접 센서, 가변-인덕턴스 근접 센서, 로커 스위치, 슬라이드 스위치, 가속도계, 관성 측정 유닛, 자이로스코프 및 이들의 조합을 포함한다.
다리 신호(121)의 예로는, 제한 없이, 사람의 허벅지(180)에 결합된, 일부 실시예에서는 제1 링크(102)이고 다른 실시예에서는 제2 링크(110)인, 링크의 수직 중력선(140) 또는 지면(144)에 대한 절대 각도를 나타내는 신호, 지면(144) 또는 중력선(140)에 대한 사람의 허벅지(180)에 결합된 링크의 속도를 나타내는 신호, 사람의 허벅지(180)에 결합된 링크의 속도를 나타내는 신호, 지면(144) 또는 중력선(140)에 대한 사람의 허벅지(180)에 결합된 링크의 가속도를 나타내는 신호, 사람의 몸통(181)(사람의 몸통은 도 21에 도시됨)과 허벅지(180)에 결합된 링크 사이의 각도를 나타내는 신호, 사람의 몸통(181)에 대한 허벅지(180)에 결합된 링크의 속도를 나타내는 신호, 사람의 몸통(181)에 대한 허벅지(180)에 결합된 링크의 가속도를 나타내는 신호 및 이들의 조합을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 컨트롤러(120)는 제2 링크(110)에 결합된다. 로봇 관절(500)의 일 실시예에서, 다리 신호(121)는 도 15에 나타낸 바와 같이 수직 중력선(140)에 대한 제1 링크(102)의 절대 각도를 나타내는 신호이다. 일부 실시예에서, 다리 신호(121)는 수직 중력선(140)과 사람의 몸통과 실질적으로 평행한 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 대한 사람의 허벅지(180)의 절대 각도를 나타낸다. 일부 실시예에서, 다리 신호(121)는 수직 중력선(140)과 사람의 몸통과 실질적으로 평행한 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 대한 사람의 허벅지(180)에 결합된 제1 링크(102) 또는 제2 링크(110)의 하나의 절대 각도를 나타낸다.
수직 중력선(140)은 중력에 평행하다. 도 15의 실시예에서, 관성 측정 유닛(IMU) 센서는 사람의 허벅지(180)에 안전하게 보존될 수 있으며 수직 중력선(140)에 대한 사람의 허벅지(180) 또는 허벅지에 결합된 링크(도 13에 나타낸 실시예에서의 제1 링크 또는 도 14에 나타낸 제2 링크(110))의 절대 각도를 생성한다. 사람의 허벅지(180) 및 제1 링크(102)는 서로 일치하여 움직이므로, 다리 센서(123)는 사람의 허벅지(180) 또는 제1 링크(102)의 어느 쪽에 안전하게 보존될 수 있다.
도 16은 일부 실시예에 따라서 두개의 주된 상태를 가지는 컨트롤러 유한 상태 기계(700)의 도식적인 설명이다. 이들 상태는 잠금 상태(200) 및 해정 상태(201)를 포함한다. 해정 상태(201)는 잠금 메카니즘(112)은 그의 해정 상태에 있으며 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)는 뻗음과 굽음 동안에 서로에 대해 자유로운 상태를 나타낸다. 잠금 상태(200)는 잠금 메카니즘(112)은 제1 링크(102) 및 제2 링크(1100의 굽어짐이 토크 발생기(108)에 의해 방해되는 그의 잠금 상태에 있는 상태를 나타낸다.
일부 실시예에서, 컨트롤러(120)는 초기에는 잠금 상태(200) 일지 모른다. 잠금 상태(200)에서, 만약 수직 중력선(140)에 대한 사람의 허벅지 또는 사람의 허벅지(180)에 결합된 링크(제1 링크(102) 또는 제2 링크(110) 어느 쪽 하나)의 절대 각도로 나타내는 신호인 음(-)의 허벅지 각도(143)(도 17)에 의해 나타낸 다리 신호(121)가 소정의 최소 음의 허벅지 각도(166) 보다 작으면 컨트롤러(120)는 해정 상태(201)로 들어가게 된다. 소정의 최소 음의 허벅지 각도(166)는 도 18에 나타낸다. 이것은 만약 로봇 관절(500)이 그의 잠금 상태(즉, 잠금 메카니즘(112)이 그의 잠금 상태에 있다)에 있으면, 그리고 만약 음의 허벅지 각도(143)의 측정치가 소정의 음의 허벅지 각도(166) 보다 작아지면, 유한 상태 기계(700)는 해정 상태(201)로 움직여 들어갈 것이라는 것을 의미한다. 이 경우에, 잠금 메카니즘(112)은 그의 해정 상태(201)로 들어가게 되며 제2 링크(110)가 제1 링크(102)에 대해 자유롭게 굽히고 뻗고 하게 한다.
일부 실시예에서, 컨트롤러(120)가 해정 상태(201)에 있을 때, 만약 양(+)의 허벅지 각도(142)(도 17)에 의해 나타낸 다리 신호(121)가 소정의 최대 양의 허벅지 각도(165) 보다 커지면, 컨트롤러(120)는 잠금 상태(200)로 들어가게 된다. 소정의 최대 양의 허벅지 각도(165)는 도 18에 나타낸다. 이것은 착용자의 다리가 흔들림 단계에 있고 수직선(140)으로부터의 양의 허벅지 각도가 소정의 최대 양의 허벅지 각도(165) 보다 커질 때, 잠금 메카니즘(112)은 잠금 상태(200)로 움직여 들어갈 것이라는 것을 의미한다. 이 상황에서, 도 15의 로봇 관절(500)은 자유롭게 뻗을 수 있으나, 토크 발생기(108)는 서로에 대해 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)의 굽어짐에 대한 저항을 제공할 것이다. 이 저항은 로봇 관절(500)이 접히지 않도록 하며 걷기의 스탠스 단계 동안 착용자의 다리를 지지한다.
컨트롤러는 또한 다리 센서(123)에 의해 생성된 다리 신호(121)와는 다른 외부 입력의 결과로서 해정 상태(201) 및 잠금 상태(200)로 움직일 수 있다.
일부 실시예에서, 로봇 관절(100) 또는 (500)은 예를 들면 도 15에 나타낸 바와 같이, 수동 잠금 기구(208)를 포함한다. 수동 잠금 기구(208)는 컨트롤러(120)용 잠금 신호(206)를 생성하도록 구성된다. 수동 잠금 기구(208)가 동작 동안 작동되고 컨트롤러(120)가 잠금 신호(206)를 받을 때, 유한 상태 컨트롤러는 잠금 상태(200)로 움직여 들어간다. 상술한 바와 같이, 잠금 상태(200)에서, 잠금 메카니즘(112)은 그의 잠금 상태에 있고 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)의 굽힘 운동은 토크 발생기(108)에 의해 방해된다. 이 경우에 제2 링크(110)에 대한 제1 링크(102)의 뻗음 운동은 자유로우며 방해되지 않는다. 본 발명의 일부 실시예에서, 토크 발생기(108)의 특성에 따라서, 제2 링크(110)에 대한 제1 링크(102)의 뻗음 운동은 지원된다.
일부 실시예에서, 로봇 관절(100) 또는 (500)은 예를 들면 도 15에 나타낸 바와 같이, 수동 해정 기구(209)를 포함한다. 수동 해정 기구(209)는 컨트롤러(120)용 수동 해정 신호(203)를 생성하도록 구성된다. 수동 해정 기구(209)가 작동되고 컨트롤러(120)가 해정 신호(203)를 받을 때, 로봇 관절(100) 또는 (500)은 해정 상태(201)로 움직여 들어간다. 해정 상태(201)에서, 잠금 메카니즘(112)은 그의 해정 상태에 있고 제1 링크(102) 및 제2 링크(110)는 서로에 대해 굽히거나 뻗기에 자유롭다.
본 발명의 일부 실시예에서, 로봇 관절(100) 또는 (500)은 수동 착석 기구(207)를 포함한다. 수동 착석 기구(207)는 컨트롤러(120)용 척석 신호(205)를 생성하도록 구성된다. 동작에 있어서, 착석 기구(207)가 작동되고 컨트롤러(120)가 착석 신호(205)를 받을 때, 로봇 관절(100) 또는 (500)은 해정 상태(201)로 움직여 들어간다. 이것은 착용자로 하여금 어떠한 저항도 없이 의자에 편안하게 앉을 수 있게 한다.
일부 실시예에서, 도 15에 나타낸 바와 같이, 소정의 최소 음의 허벅지 각도(166) 및 소정의 최대 양의 허벅지 각도(165)는 사용자 인터페이스(126)를 이용하여 컨트롤러(120)에 부여된다. 일부 실시예에서, 사용자 인터페이스(126)는 다리 신호(121)를 눈에 잘 띄게 하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 사용자 인터페이스(126)는 제한 없이 푸시 버튼, 스위치, 순간 스위치, 슬라이딩 스위치, 노브, 전위차계, 인코더 또는 이들의 조합과 같은 어느 신호 발생기로 이루어진다. 그래픽 착용자 인터페이스(126)의 일부 예로는, 제한 없이, 휴대폰, 태블릿, 랩탑, 데스크탑, 모니터 및 이들의 조합을 포함한다. 사용자 인터페이스(126)는 잠금 신호(206), 해정 신호(203), 및 착석 신호(205)를 생성하고 신호들(및 다른 정보)을 컨트롤러(120)에 전달하도록 구성된다.
잠금 신호(206)는 컨트롤러를 어느 상태로부터 그의 잠금 상태(200)로 움직일 수 있다. 해정 신호(203)는 컨트롤러(120)를 어느 상태로부터 해정 상태(201)로 움직일 수 있다. 착석 신호(205)는 컨트롤러(120)를 어느 상태로부터 잠금 상태(200)로 움직일 수 있다. 일부 실시예에서, 사용자 인터페이스(126)는 무선 프로토콜에 의해 무선으로 컨트롤러(120)와 통신된다. 일부 실시예에서, 사용자 인터페이스(126)는 유선 상에서 컨트롤러(120)와 통신한다.
로봇 관절(100) 또는 (500)은 다양한 구성으로 사용될 수 있다. 도 19는 로봇 관절(500)을 포함하는 외골격(300)의 실시예를 나타낸다. 도 19에 나타낸 실시예에서, 제1 링크(102)는 사람의 허벅지(180)에 결합되고 제2 링크(110)는 사람의 정강이(182)에 결합된다. 사람의 무릎 관절은 단일 회동축(145)에 실질적으로 일렬로 늘어 놓인다. 제2 링크(110)는 지면을 향하여 뻗고 발 링크(103)가 발목 조인트(101)에 관하여 제2 링크(110)에 대해 회동할 수 있도록 발 링크(103)에 결합된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 발 링크(103)는 사람의 발(183)에 결합된다. 발 링크(103)는 다양한 형태의 스트랩핑이나 브레이싱을 이용하여 사람의 발(183)과 일치하여 움직이도록 착용자에게 결합된다. 일부 실시예에서, 발 링크(103)는 신발(184) 속에 숨겨진다. 일부 실시예에서, 발 링크(103)는 착용자 신발 밖에 착용된다. 일부 실시예에서, 발 링크(103)는 착용자 신발 안에 착용된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 도 19에 나타낸 실시예처럼, 외골격(300)은 로봇 관절(500)과 사람의 발(183)에 결합되는 것이 가능한 발목 외골격(402)을 포함한다. 일부 실시예에서, 발목 외골격(402)은 제2 링크(110)에 연결 가능하다. 일부 실시예에서, 도 19에 나타낸 바와 같이, 발목 외골격(402)은 착용자의 신발(184) 밖에 착용된다.
도 20-22는 로봇 관절(500)이 다양한 발목-발-정형용 지지대와 함께 다양한 구성으로 이용될 수 있는 본 발명의 실시예를 묘사한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 도 20에 나타낸 바와 같이, 외골격(400)은 로봇 관절(500) 및 발목-발-지지대(404)를 포함한다. 이 실시예에서 발목-발-지지대(404)는 구두 안창처럼 착용자의 구두 안쪽에 착용된다(착용자의 구두는 명쾌하게 하기 위해 나타내지 아니함). 통상의 기술자는 로봇 관절(100) 또는 (500)과 함께 사용될 수 있는 많은 형태의 내부 및 외부 발목-발-지지대를 알 수 있게 된다.
도 20은 발목-발-지지대(404)가 표준 고체 발목-발-지지대인 외골격(400)의 실시예를 나타낸다. 이 형태의 발목-발-지지대는 발바닥 만곡을 중지시키고 또한 등쪽 굽힘을 중지 또는 제한한다.
도 21은 로봇 관절(500)과 고정(그러나 때로는 조절 가능한) 힌지를 가지는 표준의 짧은 다리 발목-발-지지대(AFO)인 발목-발-지지대(406)를 포함하는 외골격(450)의 실시예를 나타낸다. 이 형태의 AFO는 비교적 가볍고 구두 안에 착용하기가 쉽다. 발목-발-지지대(406)는 발 링크(210)를 포함한다.
도 22는 로봇 관절(500)과 발바닥 만곡 중지 AFO 인 발목-발-지지대(408)를 포함하는 외골격(600)을 나타낸다. 이 AFO는 발 링크(211)를 아래를 향하여 가리키도록 두지 아니함으로써 발바닥 만곡이 중지되도록 작용한다. 이 형태의 AFO는 발의 통상적인 등쪽 굽힘을 허용하는 발목 조인트(101)를 가진다.
비록 다른 발목-발-지지대의 특별한 예들이 나타내지었다 하더라도, 본 발명에 이용될 수 있는 다른 형태의 발목-발-지지대들이 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 발목-발-지지대는 등쪽 굽힘 보조 AFO(나타내지 않음)이다. 이 형태의 AFO는 도 21에 나타낸 AFO와 유사하지만 발이 땅에 닿았을 때 발을 들어올리도록 작용하는 스프링-같은 힌지를 가진다. 일부 실시예에서, 발목-발-지지대는 표준 포스테리어(Posterior) 판 스프링 발목-발-지지대이다. 일부 실시예에서, 발목-발-지지대는 에너지 복귀 발목-발-지지대이다. 이 형태의 AFO는 등쪽 굽힘에 도움을 제공하도록 AFO의 재질에 만들어진 자연 상태의 굽힘을 이용한다. 이들 기구들은 때로 흑연 재질로 만들어진다. 일반적으로, 본 발명의 발목-발-지지대는 지정된 기능들을 수행할 수 있는 어느 기구 또는 내부 또는 외부 발목-발-지지대의 조합을 포함한다. 외부 또는 내부 발목-발-지지대의 예로는, 제한 없이, 굽어질 수 있는 AFO, 강성 AFO, 미국 잎갈나무 만곡을 가지는 AFO, 대항-복사뼈(anti-talus)를 가지는 AFO, AFO 대항-복사뼈(전면 껍데기 또는 앞쪽에서의 껍데기), 자유-운동 발목 조인트를 가지는 AFO, 조절 가능한 강성 발목 조인트를 가지는 AFO, 스프링-하중 발목 조인트를 가지는 AFO, 조절 가능한 스프링-하중 발목 조인트를 가지는 AFO 및 이들의 조합을 포함한다.
도 23은 외골격(610)이 외골격 트렁크(350)를 더 포함하는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 외골격 트렁크(350)는 사람의 상체(181)에 결합되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 외골격 트렁크(350)는 몸통 연결자(353)를 이용하여 사람의 상체(181)에 결합된 몸통 링크(130)를 결합한다. 일부 실시예에서, 외골격 트렁크(350)는 백팩(나타내지 않음) 처럼 사람에게 결합된다. 일부 실시예에서, 외골격 트렁크(350)는 예를 들어, 도 23에 묘사된 바와 같이, 벨트처럼 사람에게 결합된다. 외골격 트렁크(350)는 사람의 상체 및 몸통에 결합되기가 가능한 몸통 링크(130)를 포함한다. 외골격 트렁크(350)는 사람의 허벅지(180)에 결합되도록 구성된 허벅지 링크(107)를 더 포함한다. 허벅지 링크(107)는 사람의 허벅지(180)와 일치하여 움직이도록 결합된다. 일부 실시예에서, 외골격 트렁크(350)의 허벅지 링크(107)는 로봇 관절(500)의 제1 링크(102)에 결합된다. 일부 실시예에서, 외골격 트렁크(350)의 허벅지 링크(107)는 로봇 관절(500)의 제2 링크(110)에 결합된다. 본 발명의 일부 실시예에서 외골격 트렁크(350)와 로봇 관절(500)은 서로 결합되지 않는다. 외골격 트렁크(350)는 허벅지 링크(107)를 몸통 링크(130)에 회동가능하게 결합하도록 구성될 수 있는 트렁크 허벅지 링크(351)를 더 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 트렁크 허벅지 링크(351)는 허벅지 링크(107)에 결합된다. 일부 실시예에서, 트렁크 허벅지 링크(351)는 허벅지 링크(107)에 결합되지 않는다. 나타내지 않은 한쪽의 실시예에서, 트렁크 허벅지 링크(351)는 사람의 허벅지(180)에 결합된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 외골격 트렁크(350)는 몸통 링크(130)와 트렁크 허벅지 링크(351) 사이에 토크를 제공할 수 있는 액튜에이터(358)를 더 포함한다. 축(352)은 엉덩이 굽힘 뻗음 축이다. 컨트롤러 상자(367) 및 액튜에이터용 밧데리(369)는 도 23에 나타내어진다. 본 발명의 일부 실시예에서, 다리 신호(121)는 수직 중력선(140)에 대한 또는 지면(144)에 대한 제1 링크(102)의 절대 각도를 나타낸다. 본 발명의 일부 실시예에서, 다리 신호(121)는 수직 중력선(140)에 대한 또는 지면(144)(나타내지 않음)에 대한 트렁크 허벅지 링크(351)의 절대 각도를 나타낸다. 일부 실시예에서, 다리 신호(121)는 실질적으로 사람의 몸통과 평행인 몸통 링크(130)에 대한 트렁크 허벅지 링크(351)의 각도를 나타낸다.
도 24-27은 외골격 트렁크(350)와 발목 외골격 또는 발목-발-지지대(즉, (402),(404),(406), 및 (408)) 양쪽을 포함하는 본 발명의 실시예(외골격들 (620), (630),(640), 및 (650))들을 묘사한다. 나타낸 실시예에서, 개시된 발목-발-지지대((404),(406),(408))는 사람의 발(183)에 결합되기가 가능하며 제2 링크(110)와 같이 정강이(182)에 결합된 링크에 연결 가능하다. 도 24의 실시예에서, 외골격 트렁크(350)는 어깨 끈(188)으로 사람에게 결합된다.

Claims (30)

  1. 제1 링크;
    제1 끝단 및 제2 끝단을 포함하는 중간 링크, 여기에서 중간 링크의 제1 끝단은 제1 조인트에서 제1 링크에 회동가능하게 결합되며;
    오직 제1 링크 및 중간 링크에 직접 부착되고 제1 링크 및 중간 링크 사이에서 토크를 생성하도록 구성된 토크 발생기;
    제2 조인트에서 중간 링크의 제2 끝단에 회동가능하게 결합된 제2 링크;
    제2 링크와 중간 링크에 결합된 잠금 메카니즘,
    여기에서 잠금 메카니즘은 토크 발생기의 토크에 독립적으로 잠금 상태 및 해정 상태 사이에서 전환할 수 있으며,
    여기에서, 잠금 메카니즘이 해정 상태에 있고 그리하여 중간 링크에 대해 제2 링크의 회동을 방해하지 않을 때, 잠금 메카니즘은 제2 조인트에 대하여 제1 회동방향 및 제2 회동방향에서 제1 링크에 대해 제2 링크의 자유로운 회동을 허용하며, 및
    여기에서, 잠금 메카니즘이 잠금 상태에 있고 그리하여 제1 회동 방향에서 중간 링크에 대해 제2 링크의 회동을 방해할 때, 토크 발생기는 중간 링크에 대항하여 토크를 적용함으로써 제1 조인트에 대하여 제1 회동 방향에서 제1 링크에 대해 제2 링크의 회동을 방해하는 잠금 메카니즘을 포함하는
    로봇 관절.
  2. 제 1항에 있어서,
    중간 링크에 대한 제1 링크의 회동축 및 중간 링크에 대한 제2 링크의 회동축은 서로에게 실질적으로 평행인 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  3. 제 1항에 있어서,
    중간 링크에 대한 제1 링크의 회동축 및 중간 링크에 대한 제2 링크의 회동축은 서로 일치하는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  4. 제 1항에 있어서,
    잠금 메카니즘이 잠금 상태에 있을 때, 잠금 메카니즘은 제1 회동방향에서 중간 링크에 대해 제2 링크를 고정하고 또한 제1 회동방향에 반대인 제2 회동방향에서 중간 링크에 대해 제2 링크의 회동을 허용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  5. 제 1항에 있어서,
    액튜에이터를 더 포함하며,
    여기에서 잠금 메카니즘은 액튜에이터에 의해 중간 링크를 제2 링크에 고정하는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  6. 제 5항에 있어서,
    액튜에이터는 전기모터, 변속기를 가지는 전기모터, 솔레노이드, 수압 액튜에이터, 및 공압 액튜에이터로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 요소 또는 요소들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  7. 제 1항에 있어서,
    토크 발생기는 공압 실린더, 수압 실린더, 수압 부재를 가지는 실린더, 공압 부재를 가지는 실린더, 가스 스프링, 에어 스프링, 수압 댐퍼, 잠금가능 가스 스프링, 잠금가능 댐퍼, 압축 스프링, 인장 스프링, 및 코일 스프링으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  8. 제 1항에 있어서,
    여기에서 로봇 관절은 기능회복훈련 다리의 부분이고 또한 기능회복훈련 다리의 무릎 관절로서 작동할 수 있으며,
    여기에서 제1 링크 및 제2 링크의 하나는 사람의 허벅지에 결합되도록 구성될 수 있으며,
    여기에서 제1 링크 및 제2 링크의 다른 하나는 사람의 정강이에 결합되도록 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  9. 제 1항에 있어서,
    여기에서 로봇 관절은 기능회복훈련 다리의 부분이고 또한 기능회복훈련 다리의 무릎 관절로서 작동할 수 있으며,
    여기에서 제1 링크 및 제2 링크의 하나는 사람의 허벅지와 일치하여 움직이도록 구성될 수 있으며,
    여기에서 제1 링크 및 제2 링크의 다른 하나는 사람의 정강이와 일치하여 움직이도록 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  10. 제 1항에 있어서,
    여기에서 잠금 메카니즘은 제1 마찰 표면 및 제2 마찰 표면 사이의 마찰력을 이용함으로써 제1 회동방향에서 중간 링크에 대한 제2 링크의 자유 회동을 방해하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  11. 제 10항에 있어서,
    전기 액튜에이터를 더 포함하며,
    여기에서 제1 마찰 표면은 중간 링크에 결합된 아버의 외부 표면이며,
    여기에서 제2 마찰 표면은 랩 스프링의 제1 끝단으로부터 제2 링크에 결합된 랩 스프링의 내부 표면이며,
    여기에서 전기 액튜에이터는, 랩 스프링의 제2 끝단을 움직이게 함으로써, 아버의 외부 표면과 랩 스프링의 내부 표면 사이에 압력을 가하는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  12. 제 1항에 있어서,
    로봇 관절로부터 적어도 하나의 다리 신호를 받도록 작동가능한 적어도 하나의 컨트롤러를 더 포함하며, 여기에서 컨트롤러는 적어도 하나의 다리 신호에 기초하여 로봇 관절을 잠금 상태로 움직이도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  13. 제 12항에 있어서,
    여기에서 적어도 하나의 신호는 수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여 사람 허벅지에 결합되도록 구성되는 제1 링크 또는 제2 링크의 하나의 절대 각도를 나타내는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  14. 제 12항에 있어서,
    여기에서 적어도 하나의 신호는 수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여 사람 허벅지의 절대 각도를 나타내는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  15. 제 14항에 있어서,
    여기에서 컨트롤러는 적어도 하나의 다리 신호가 수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여 사람 허벅지의 절대 각도는 소정의 최대 양(+)의 허벅지 각도보다 더 크다는 것을 나타낼 때 로봇 관절을 잠금 상태로 움직이도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  16. 제 14항에 있어서,
    여기에서 컨트롤러는 적어도 하나의 다리 신호가 수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여 사람 허벅지의 절대 각도는 소정의 최소 음(-)의 허벅지 각도보다 더 작다는 것을 나타낼 때 로봇 관절을 해정 상태로 움직이도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  17. 제 13항에 있어서,
    여기에서 컨트롤러는 적어도 하나의 다리 신호가 수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여, 사람 허벅지에 결합되도록 구성되는 제1 링크 또는 제2 링크의 하나의 절대 각도는 소정의 최대 양(+)의 허벅지 각도보다 더 크다는 것을 나타낼 때 로봇 관절을 잠금 상태로 움직이도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  18. 제 13항에 있어서,
    여기에서 컨트롤러는 적어도 하나의 다리 신호가 수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여, 사람 허벅지에 결합되도록 구성되는 제1 링크 또는 제2 링크의 하나의 절대 각도는 소정의 최소 음(-)의 허벅지 각도보다 더 작다는 것을 나타낼 때 로봇 관절을 해정 상태로 움직이도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  19. 제 12항에 있어서,
    적어도 하나의 컨트롤러를 위해 수동 잠금 신호를 생성하도록 작동가능한 수동 잠금 기구를 더 포함하며, 여기에서 수동 잠금 기구가 사람에 의해 작동될 때 잠금 메카니즘은 잠금 상태로 움직이는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  20. 제 12항에 있어서,
    적어도 하나의 컨트롤러를 위해 수동 해정 신호를 생성하도록 작동가능한 수동 해정 기구를 더 포함하며, 여기에서 수동 해정 기구가 사람에 의해 작동될 때 잠금 메카니즘은 해정 상태로 움직이는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  21. 제1 링크;
    제1 끝단 및 제2 끝단을 포함하는 중간 링크, 여기에서 중간 링크의 제1 끝단은 제1 조인트에서 제1 링크에 회동가능하게 결합되며;
    오직 제1 링크 및 중간 링크에 직접 부착되고 제1 링크 및 중간 링크 사이에서 토크를 생성하도록 구성된 토크 발생기;
    제2 조인트에서 중간 링크의 제2 끝단에 회동가능하게 결합된 제2 링크;
    수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여 사람 허벅지의 절대 각도를 나타내는 다리 신호를 생성하도록 작동가능한 적어도 하나의 다리 센서;
    제2 링크와 중간 링크에 결합된 잠금 메카니즘, 여기에서 잠금 메카니즘은 토크 발생기의 토크에 독립적으로 잠금 상태 및 해정 상태 사이에서 전환할 수 있으며,
    여기에서, 잠금 메카니즘이 해정 상태에 있을 때, 잠금 메카니즘은 제1 회동방향 및 제2 회동방향에서 제1 링크에 대해 제2 링크의 자유로운 회동을 허용하며, 여기에서, 잠금 메카니즘이 잠금 상태에 있을 때, 잠금 메카니즘은 제2 링크가 중간 링크에 대항하여 토크를 적용함으로써 제1 조인트에 대하여 제1 회동 방향에서 회동될 때 상기 토크 발생기가 토크를 부과하게 하는 제1 회동방향에서 제1 링크에 대해 제2 링크의 회동을 방해하도록 구성되며; 및
    잠금 메카니즘과 통신하는 컨트롤러, 여기에서 컨트롤러는 적어도 하나의 다리 센서에 의해 생성되는 다리 신호의 측정에 기초하여 잠금 메카니즘을 잠금 상태 및 해정 상태로 움직이게 하도록 구성되는 컨트롤러를 포함하는
    로봇 관절.
  22. 제 21항에 있어서,
    여기에서 컨트롤러는 로봇 관절이 잠금 상태에 있고 또한 다리 신호가 수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여 사람 허벅지의 절대 각도는 소정의 최소 음(-)의 허벅지 각도보다 더 작다는 것을 나타낼 때 로봇 관절을 해정 상태로 움직이도록 적응되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  23. 제 21항에 있어서,
    여기에서 컨트롤러는 로봇 관절이 해정 상태에 있고 또한 다리 신호가 수직 중력선 및 사람의 몸통과 실질적으로 평행인 선으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 선에 관하여 사람 허벅지의 절대 각도는 소정의 최대 양(+)의 허벅지 각도보다 더 크다는 것을 나타낼 때 로봇 관절을 잠금 상태로 움직이도록 적응되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  24. 제 21항에 있어서,
    중간 링크에 대한 제1 링크의 회동축 및 중간 링크에 대한 제2 링크의 회동축은 서로 일치하는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  25. 제 21항에 있어서,
    잠금 메카니즘이 잠금 상태에 있을 때, 잠금 메카니즘은 제1 회동방향에서 제2 링크에 대해 중간 링크를 고정하고 또한 제1 회동방향에 반대인 제2 회동방향에서 제2 링크에 대해 중간 링크의 회동을 허용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  26. 제1 링크;
    제1 끝단 및 제2 끝단을 포함하는 중간 링크, 여기에서 중간 링크의 제1 끝단은 제1 조인트에서 제1 링크에 회동가능하게 결합되며;
    오직 제1 링크 및 중간 링크에 직접 부착되고 제1 링크 및 중간 링크 사이에서 토크를 생성하도록 구성된 토크 발생기;
    제2 조인트에서 중간 링크의 제2 끝단에 회동가능하게 결합된 제2 링크; 및
    토크 발생기의 토크에 독립적으로 잠금 상태 및 해정 상태 사이에서 전환할 수 있는 잠금 메카니즘, 여기에서 잠금 메카니즘은, 잠금 상태에서, 제1 회동 방향에서 중간 링크에 대해 제2 링크의 회동을 방해하며,
    여기에서, 잠금 메카니즘이 해정 상태에 있을 때, 잠금 메카니즘은 제2 조인트에 대하여 제1 회동방향 및 제2 회동방향에서 제1 링크에 대해 제2 링크의 자유로운 회동을 허용하며, 및
    여기에서, 잠금 메카니즘이 잠금 상태에 있을 때, 잠금 메카니즘은 중간 링크에 대항하여 토크를 적용함으로써 제1 조인트에 대하여 제1 회동방향에서 제2 링크에 대해 제1 링크의 회동을 방해하도록 구성되는 잠금 메카니즘을 포함하는
    로봇 관절.
  27. 제 26항에 있어서,
    토크 발생기는 공압 실린더, 수압 실린더, 수압 부재를 가지는 실린더, 공압 부재를 가지는 실린더, 가스 스프링, 에어 스프링, 수압 댐퍼, 잠금가능 가스 스프링, 잠금가능 댐퍼, 압축 스프링, 인장 스프링, 코일 스프링, 전기 모터, 변속기를 가지는 전기 모터, 및 수압 모터로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.
  28. 제 26항에 있어서,
    중간 링크에 대한 제1 링크의 회동축 및 중간 링크에 대한 제2 링크의 회동축은 서로 일치하는 것을 특징으로 하는
    로봇 관절.












  29. 삭제
  30. 삭제
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