KR20150077413A - 인간의 움직임에 대한 보조를 위한 소프트 엑소슈트 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 양태에서, 복수의 앵커 요소와 복수의 앵커 요소 사이에 배치된 적어도 하나의 연결 요소를 가진 소프트 엑소슈트를 포함하는 하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 또한 적어도 하나의 연결 요소 또는 복수의 앵커 요소 중 적어도 하나의 힘을 결정하고, 힘에 관한 신호를 출력하기 위한 적어도 하나의 센서, 소프트 엑소슈트의 장력을 변경하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터, 및 적어도 하나의 센서로부터 출력된 신호를 수신하고, 수신된 신호에 응답하여 적어도 하나의 액추에이터를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 인간의 움직임을 보조하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히, 움직임에 대한 보조를 제공하고, 하나 이상의 움직임에 보조 에너지를 수동적 및/또는 능동적으로 추가함으로써 움직임(예를 들어, 걷기) 동안에 팽창하는 에너지를 감소시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2012년 9월 17일에 출원되고, 명칭이 "하체 움직임 역학 측정을 위한 소프트 착용 움직임 감지 슈트"인 미국 특허 가출원 번호 제61/701,970호, 2013년 5월 31일에 출원되고, 명칭이 "움직임을 보조하기 위한 방법 및 시스템"인 미국 특허 가출원 번호 제61/829,686호, 및 2013년 9월 4일에 출원되고, 명칭이 "인간의 움직임에 대한 보조를 위한 소프트 엑소슈트"인 미국 특허 가출원 번호 제61/873,433호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 전적으로 참조로 통합한다.
연방 정부 후원 연구 관련 진술서
본 발명의 일부 양태는 미군에 의해 수여된 그랜트 번호 W911QX-12-C-0084에 따라 정부 보조으로 이루어졌고, 이러한 정부는 본 발명의 이러한 양태에 대한 권리를 공유한다.
본 발명의 일부 양태는 국립 과학 재단(National Science Foundation)에 의해 수여된 NSF 그랜트 번호 CNS-0932015에 따라 정부 보조으로 이루어졌고, 이러한 정부는 본 발명의 이러한 양태에 대한 권리를 공유한다.
움직임을 보조하기 하기 위한 종래 기술의 시스템은 단단한 구성 요소(예를 들어 연결 장치(linkage)) 및 관절(예를 들어, 핀 관절)를 포함하고, 인접한 관절에 대한 자연 회전축과 이상적으로 동일 선상에 회전축을 갖도록 배치되는 외골격 관절와 함께 사용자의 신체에 부착되는 외골격을 이용한다. 예시적인 종래 기술의 외골격은 미국 공개 특허 출원 번호 제2007/0123997호 및 제2011/0040216로에 도시되어 있으며, 둘 다 Herr 등에 의한 것이고, 둘다 본 명세서에서 전적으로 참고로 통합된다. 이러한 단단한 외골격은 손실되거나 심하게 손상되며, 따라서 사용자의 안정성, 균형 및 안전성을 향상시키기 위해 설계되는 인간의 움직임을 대체할 수 있는 능력을 제공한다. 다른 단단한 외골격은 물리 치료 클리닉에서와 같은 임상 환경에서 물리 치료 세션을 제공하기 위한 플랫폼의 역할을 하거나, 더욱 오랜 기간 동안 작업을 더 쉽게 수행하기 위해 신체가 튼튼한 사용자를 보조하는 역할을 한다.
그러나, 이러한 단단한 외골격은 패드, 스트랩, 또는 다른 인터페이스 기술을 통해 선택 위치에서 신체에 결합되는 연결 장치의 단단한 프레임워크에 의존한다. 사용자가 자신의 팔다리를 구부리거나 연장할 경우, 이러한 단단한 링크는 팔다리와 평행하게 움직이고, 모터 또는 사용자에 의해 극복되어야 하는 움직임에 상당한 관성을 추가한다. 이러한 장치의 중량 및 프로파일을 감소시키기 위해 많은 노력이 행해졌지만, 이들은 여전히 사용자의 움직임을 상당히 제한하고, 특히 보행의 자연 역학 및 운동학에 상당한 임피던스를 추가한다. 걷기의 정상적인 운동학에 대한 이러한 변화는 이러한 외골격 시스템이 운동에 필요한 대사력을 감소시키지 않는 이유 중 하나이다. 외골격의 핀 관절가 복잡한 3차원 경로를 통해 움직이는 인간 관절의 축과 정확하게 일치하지 않기 때문에 단단한 링크는 또한 특히 움직임의 극단에서 어려움을 야기한다. 이것은 정상 움직임 동안 최대 10cm의 오정 정렬을 일으키고, 심지어 사용자에게 부상을 유발시킨다.
하나의 솔루션은 외골격이 착용자의 움직임에 대한 주요 영역에서 이동하고 변형할 수 있도록 여분의 수동적 자유도(redundant, passive degrees of freedom)를 포함하지만, 이것은 시스템에 추가의 무게를 부가한다.
본 발명은 사용자의 움직임을 보조하도록 구성되는 방법, 시스템 및 장치에 관한 것으로서, 특히, 소프트 엑소슈트에 관련한 방법, 시스템, 및 장치에 관한 것이며, 이러한 소프트 엑소슈트는 복수의 앵커(anchor) 지점 또는 앵커 영역(예를 들어, 장골(iliac crest), 어깨, 허벅지, 발목, 종아리 등)과, 특정 팔다리 또는 신체 부분으로 전달된 힘이 특정 팔다리 또는 신체 부분의 움직임에 유익한 시간에 선택된 신축성 부재에 장력을 선택적으로 생성하도록 구성된 하나 이상의 액추에이터 사이에 배치되는 복수의 비확장성 또는 반확장성 요소, 즉 신축성 연결 요소(예를 들어, 웨빙, 스트랩, 코드, 기능성 섬유, 와이어, 케이블, 복합체 또는 이들의 조합 등)를 포함한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 소프트 엑소슈트는 일반적으로 적어도 하나의 팔다리(예를 들어, 다리) 또는 팔다리의 부분(예를 들어, 발)에 보조 힘을 제공하기 위해 신축성 연결 요소를 이용하는 착용식 장치를 나타내고 착용식 장치를 포함한다. 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트는 복수의 팔다리(예를 들어, 두 다리) 또는 하나 이상의 팔다리의 복수의 부분(예, 두 발)에 보조 힘을 제공하기 위해 신축성 연결 요소를 이용한다. 적어도 일부 양태에서, 팔다리가 서로 다른 시간에 서로 다른 방향으로 이동하는 움직임(예를 들어, 걷기)을 용이하게 하기 위해 대향 다리 또는 대향 팔에서 하나 이상의 관절을 작동하는 것을 제외하고, 본 발명은 또한 한번에 하나 이상의 팔다리를 작동하는 것을 포함하고, 예를 들어, 다리를 서로에 결합하고, 다리 및 팔 움직임(같은 측 또는 반대 측)을 결합하고, 팔 움직임을 결합하거나, 잠재적 시너지 움직임을 이용하는 다른 신체 움직임을 결합하는 것을 포함한다.
종래 기술의 단단한 외골격에 비해, 소프트 엑소슈트는 여전히 움직임을 유익하게 보조할 수 있는 힘 또는 토크를 전달할 수 있으면서 더 가볍고, 착용하기가 더 편안하고, 관절 운동의 범위를 더욱 완벽하고 더욱 자연스럽게 허용한다. 본 발명에 따르면, 신축성 연결 요소는 선택적으로 단단하거나 반단단한 연결 요소와 조합하여 사용될 수 있으며, 모든 연결 요소가 유연할 필요는 없다.
본 발명의 적어도 일부 양태에서, 착용형 소프트 엑소슈트는 착용형 소프트 엑소슈트를 착용하는 사람의 제 1 신체 부분에서나 근처에 위치시키기 위해 구성된 제 1 앵커 요소와, 착용형 소프트 엑소슈트를 착용하는 사람의 제 2 신체 부분에서나 근처에 위치시키기 위해 구성된 제 2 앵커 요소를 포함한다. 소프트 엑소슈트는 또한 제 1 앵커 요소 및 제 2 앵커 요소 사이에 연장하는 복수의 연결 요소로서, 복수의 연결 요소 중 적어도 하나는 제 1 앵커 요소 및 제 2 앵커 요소 사이에 배치된 적어도 하나의 관절을 스패닝(spanning)하는 복수의 연결 요소, 적어도 하나의 액추에이터, 및 적어도 하나의 관절에 대한 유익한 모멘트를 생성하도록 적어도 하나의 관절의 움직임 중에 미리 정해진 시간에 적어도 하나의 액추에이터를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
본 발명의 적어도 일부 다른 양태에서, 하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템은 복수의 앵커 요소와 복수의 앵커 요소 사이에 배치된 적어도 하나의 연결 요소를 포함하는 소프트 엑소슈트, 적어도 하나의 연결 요소 또는 복수의 앵커 요소 중 적어도 하나의 힘을 결정하고, 힘에 관한 신호를 출력하기 위한 적어도 하나의 센서, 소프트 엑소슈트의 장력을 변경하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터, 적어도 하나의 센서로부터 출력된 신호를 수신하고, 수신된 신호에 응답하여 적어도 하나의 액추에이터를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트 연결 요소는 복수의 연결 요소가 상호 연결되고, 복수의 앵커 지점에 직간접적으로 연결되는 복수의 노드, 지점 또는 영역을 정의하는 착용형 매트릭스로 배치된다. 노드 상의 힘은 연결 요소의 구성(예를 들어, 노드에서 상호 연결된 연결 요소의 수, 노드에서 상호 연결된 연결 요소의 각각의 상대 각도 등)과 이러한 구성의 연결 요소의 각각을 따라 가해진 힘에 의해 부분적으로 제어된다. 움직임 동안, 소프트 엑소슈트는 선택적으로 연결 요소를 따라 장력력을 선택된 노드 및/또는 앵커 지점으로 가한다. 가해진 장력의 결과로서, 모멘트 힘은 하나 이상의 관절에서 생성된다. 이러한 모멘트가 근육에 의해 생성된 천연 모멘트와 동일한 방향에 있을 때, 이러한 모멘트는 유익한 모멘트로 간주되고, 움직임을 보조하고 (및/또는 힘을 흡수하고), 사용자로부터 에너지를 덜 필요로 하며, 움직임의 대사 비용을 절감한다.
각 관절에서 액추에이터 및 이에 결합된 연결 요소에 의해 가해지는 모멘트의 크기 및 방향은 관절의 회전축에 대한 연결 요소의 위치에 기초하여 결정된다. 모멘트의 크기는 관절의 회전축에 대한 장력의 오프셋에 기초하여 결정될 수 있으며, 이러한 오프셋은 사용자의 생체(natural body) 구조(예를 들어, 근육, 지방 등), 의류(예를 들어, 부츠) 및 중간 요소(예를 들어, 앵커 지점을 연결 요소에 연결하는 앵커 요소)에 의해 영향을 받는다. 적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트는 관절의 양측에 대칭적으로 전달하기 위해 연결 요소를 배치하고, 이에 의해 실질적으로 균형잡힌 힘을 관절의 각 측에 가함으로써 유익하지 않은 모멘트를 유리하게 감소시키도록 구성된다. 소프트 엑소슈트는 또한 오버라잉(overlying)하지 않을 경우 신축성 요소가 관절의 회전축에 가능한 가깝게 통과하는 소프트 엑소슈트를 구성함으로써 바람직하지 않은 모멘트를 줄일 수 있다. 익스텐션(extension)을 저지하는 소프트 엑소슈트의 요소는 소프트 엑소슈트 상의 지점(예를 들어, 노드 또는 다른 지점)이 요소가 연장하도록 하는 방향으로 움직이지 못하게 할 수 있다. 소프트 엑소슈트 상의 지점(예를 들어, 노드)의 주위에 이러한 여러 요소를 배치하는 것은 그 위에서 작용하는 많은 서로 다른 힘 벡터에도 불구하고 그 지점(예를 들어, 노드)이 움직이지 못하게 억제하여, 신체에 대한 그 지점의 움직임을 제한할 수 있다.
적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트는 하나 이상의 파라미터(예를 들어, 소프트 엑소슈트, 관절 각도, 발뒤꿈치 닿기 등의 생성된 강성도(resultant stiffness)), 및 바람직하게는 복수의 파라미터를 모니터링하여, 하나 이상의 액추에이터로부터의 힘의 인가를 선택된 신축성 연결 요소로 안내하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 인가된 힘은 보조될 움직임, 필요한 힘의 레벨, 편안함 및/또는 성능에 적절할 시에 간헐적으로 적용될 수 있다.
적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트의 강성도, 따라서 생성된 장력 변화를 생성시키기 위한 소프트 엑소슈트의 능력은 사용자의 해부학에 대한 소프트 엑소슈트의 적응도(예를 들어, 관절에 대한 노드의 배치 등), 소프트 엑소슈트 재료, 소프트 엑소슈트 요소 구성 강성도(예를 들어, 노드 및 앵커 지점의 배치) 및 사용자 신체 강성도(예를 들어, 사용자의 근육이 이완되기 보다는 수축되는 경우에 사용자의 신체 강성도가 더 높음)와 같지만, 이에 제한되지 않는 많은 여러 가지 요인에 의해 영향을 받는 변수이다. 예로서, 소프트 엑소슈트의 강성도는 선택적으로 관절에 걸쳐 비확장 또는 반확장 가능한 요소의 사용을 통해 향상될 수 있다. 다른 예로서, 적어도 하나의 양태에서, 관절에 걸쳐 비확장 또는 반확장 가능한 요소의 사용을 통한 이러한 강성도의 향상은 우선적으로 관절의 양측보다는 오히려 관절의 한측에서만 이루어지기 때문에, 관절가 최대 굽힘 또는 확장의 지점에 있을 때, 결과적으로, 소프트 엑소슈트는 관절가 최대 굽힘 또는 확장의 위치에 있지 않을 때 다른 구성 중에 신체의 구성의 결과로서 더욱 수축하게 되지만 느슨해진다. 또 다른 양태에서, 소프트 엑소슈트는 이러한 관절의 조합된 움직임으로 인해 다중 관절에 걸쳐 장력을 생성하도록 구성된 다관절 시스템(multi-articular system)을 사용하여 장력 조절된다. 슈트의 예비 장력(pre-tension)은 전체 시스템에서 생성된 장력을 증가시키는데 사용될 수 있고, 예를 들어 노드 및/또는 앵커 지점 사이(예를 들어, 엉덩이/그라운드와 허벅지 원추형 부분 사이)의 소프트 엑소슈트 연결 요소를 장력 조절(tensioning)하거나(예를 들어, 사용 전 및/또는 사용 중의 길이를 수동적으로 또는 능동적으로 변경하거나), 노드 및/또는 앵커 지점 사이의 연결 요소의 전체 길이를 감소시킴으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 양태에 따르면, 액추에이터는 작동 시에 소프트 엑소슈트 및 신체 위치와 함께 원하는 장력, 강성도 및 선택된 관절에 대한 모멘트를 제공하는 위치 또는 힘 프로파일을 제공할 수 있다. 제어 시스템은 액추에이터를 이용하여 노드 및 연결 부재와 같은 소프트 엑소슈트의 구성 부품을 선택적으로 장력 조절한다. 일 양태에서, 이러한 장력 조절은 하나 이상의 관절에 걸쳐 시스템의 장력을 동적으로 즉시 변경하는 데 사용된다. 일 양태에서, 이러한 장력 조절은, 보행(예를 들어, 걷거나 달릴 동안) 또는 자세(예를 들어, 서 있는)의 경우에 특정 모멘트 및/또는 특정 지점에서 가장 효과적인 엑소슈트 강성도를 식별하기 위해 액추에이터 유닛의 힘 및 변위를 측정함으로써 소프트 엑소슈트 성능, 편안함 및 착용감을 조정하기 위해 적용될 수 있다(예를 들어, 자동 장력 기능).
일반적으로, 개시된 소프트 엑소슈트는 사용자의 움직임에 대한 보조를 제공하도록 구성된다. 본 명세서에 기재된 실시예에서 주로 특징을 이루는 바와 같이 이러한 움직임 기반 보조는 걷거나 달리는 것으로 한정되지 않는다. 오히려, 본 명세서에 개시된 움직임 기반 보조는 광의적으로 예를 들어 하나만의 팔다리(예를 들어, 몸통에 대한 하나의 팔, 엉덩이에 대한 하나의 다리, 또는 대응하는 다리에 대한 하나의 발), 복수의 팔다리(예를 들어, 몸통에 대한 두 팔, 엉덩이에 대한 두 다리, 몸통에 대한 하나의 팔 및 엉덩이에 대한 하나의 다리 등), 머리 및/또는 몸통의 움직임을 포함하는 예를 들어 다른 신체 부분에 대한 임의의 하나 이상의 신체 부분의 움직임에 대한 보조를 포함할 수 있는 모든 움직임 기반 보조에 관한 것이다. 예로서, 소프트 엑소슈트의 상체 실시예는 움직임을 돕기 위해 휠체어 신세를 지는 개인에 의해 유리하게 이용될 수 있다.
일 구현에서, 소프트 엑소슈트는 하중을 가지거나 가지지 않고 걷는 사람의 움직임을 보조하기 위해 사용될 수 있으며, 이러한 보조는 사용자에 의해 에너지의 대사 소비 시에 유익한 감소를 제공하고, 관절(예를 들어, 인대, 근육 및 힘줄)에 걸친 연조직에 하중을 감소시켜, 또한 부상 및/또는 기존의 부상 또는 기존의 질병의 악화의 위험을 감소시킨다. 이것은 특히 하중을 갖고 걷는 군인에게 특히 유용할 수 있다. 또 다른 구현에서, 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트는 이동성을 증가시키고/시키거나 피로(예를 들어, 걷기, 상체 이동성, 회전 운동, 피봇 움직임 등)를 감소시키기 위해 부상자, 장애인 및 노인에 의해 사용될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트는 수동적이고, 액추에이터를 사용하지 않고 하나 이상의 관절(예를 들면, 엉덩이 등)에 대해 힘을 생성하도록 구성된다. 이러한 수동적인 소프트 엑소슈트에서, 소프트 엑소슈트는 상부 앵커 요소 및 복수의 하부 앵커 요소와, 상부 앵커 요소 및 복수의 하부 앵커 요소 사이에 배치되고, 힘을 전달하는 경로를 따라 배치되는 복수의 적어도 실질적으로 비확장성 연결 요소를 포함하며, 연결 요소는 허벅지를 중립 위치로 바이어스하기 위해 회복 토크(restorative torque)를 엉덩이에 제공하도록 구성된다. 슈트는 신체가 필요로 하는 확장 토크를 감소시키기 위해 근육과 병행하여 작용한다.
움직임 기반 보조 외에, 소프트 엑소슈트는 예컨대 보조 대신에 저항(resistance)을 제공하거나(예를 들어, 근육을 강화하고, 부적절한 움직임에 부정적인 피드백을 제공하기 위해), 훈련(예를 들어, 골프 스윙 훈련, 테니스 훈련 등)을 보조할 필요가 있는 경우에 교정 보조(corrective assistance)을 제공함으로써 움직임 평가, 재활 또는 보행 보조 활동, 및 움직임 훈련을 위해 더 이용될 수 있다.
또한, 소프트 엑소슈트는 움직임 기반 보조가 바람직하고, 개인 활동(예를 들어, 하이킹, 등산, 자전거 타기, 걷기, 카약, 카누, 스키 등) 또는 작업 활동(예를 들어, 건설 공사, 폐기물 수집, 화물 취급, 잔디 관리, 최초 대처자(first responder) 등)을 포함하는 활동에 종사하는 건강한 사람에 의해 사용될 수 있다. 게다가, 활동에 따라, 액추에이터 및/또는 전원 공급 장치의 중량 및 위치, 및 전원 공급 장치의 타입은 또한 설계 포락선(design envelope)의 변경에 따라 변화될 수 있다.
소프트 엑소슈트의 이들 및 다른 기능은 아래에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 제 1 예를 도시하는 도면이다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 소프트 엑소슈트의 일부에 대한 예시적인 힘 벡터를 도시하는 도면이다.
도 3a-3c는 보행 주기의 서로 다른 지점에서 작동하는 평균치 플러스 또는 마이너스 표준 편차를 도시한 도 1의 소프트 엑소슈트에 대한 보행 주기에 대하여 운동학적 테스트 데이터를 도시한다.
도 4는 도 1(a)의 소프트 엑소슈트에 대해 보행 주기 동안 6개의 서로 다른 액추에이터 턴온 시간에 대한 평균 대사력을 도시한다.
도 5는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 맥키번(McKibben) 액추에이터를 이용하는 공압 시스템에 대한 소프트 엑소슈트 제어 및 전원 시스템의 일례를 도시한다.
도 6a-6b는 액추에이터가 없는 소프트 엑소슈트의 커넥터 매트릭스와 액추에이터를 가진 소프트 엑소슈트의 커넥터 매트릭스를 도시한 도 1의 엑소슈트 소프트의 일례를 도시한다.
도 7은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 제 2 예의 정면도를 도시하는 다이어그램이다.
도 8은 보행 주기의 퍼센트로서 생성된 엉덩이, 무릎 및 발목 모멘트를 보여주는 그래프(좌측)와 보행 주기의 퍼센트로서 생성된 엉덩이, 무릎 및 발목 모멘트를 보여주는 그래프(우측)를 도시한다.
도 9a는 하나의 단계 또는 하나의 보행 주기를 통한 발목, 무릎 및 엉덩이에 대한 관절 모멘트의 그래프를 도시한다.
도 9b는 보행 주기 중에 허벅지와 발뒤꿈치 사이로 연장하는 스트랩(strap)의 움직임의 표현을 도시한다.
도 9c는 엉덩이 각도의 변화에 응답하는 보행 주기 동안 도 7의 소프트 엑소슈트의 신체를 따라 경로 길이의 변화의 표현을 도시한다.
도 9d는 길이 s1, s2 및 s3의 조합으로서 2개의 앵커 지점(도시된 예에서 엉덩이 및 발뒤꿈치) 사이의 경로 길이의 표현을 도시한다.
도 9e는 엉덩이, 무릎, 발목에서 모멘트를 나타내는데 사용되는 규칙(convention)을 도시한다.
도 10a-10b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 측면도의 표현, 및 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 사시도의 표현을 도시한 다이어그램이다.
도 11은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 소프트 엑소슈트의 주요 구성 요소를 묘사한 소프트 엑소슈트(V5)의 측면도이다.
도 12는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V5)에 대한 평면 패턴 레이아웃의 일례를 도시한다.
도 13은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 허리 벨트를 도시한다.
도 14a-14b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 상위 부분이 도 13에 도시된 소프트 엑소슈트(V5)의 정면도 및 배면도를 도시한다.
도 15는 골반에 대한 움직임의 범위의 그래프를 도시한다.
도 16은 개별 요소를 통해 전달되는 힘을 보여주는 본 발명에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 다이어그램을 도시한다.
도 17a-17b는 각각 허리 벨트 및 노드 1의 위치를 보여주는 골격 상에 중첩된 도 16의 소프트 엑소슈트, 및 허벅지 브레이스에 회힘을 생성시키는 노드 1의 수평 어긋남의 일례를 도시한다.
도 18은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 허벅지 브레이스의 위치를 도시한다.
도 19는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 종아리 스트랩의 각도를 도시한다.
도 20a-20b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 소프트 엑소슈트의 허벅지 브레이스를 따른 힘의 표현, 및 연결 요소가 허벅지 브레이스를 끊는 (1) 위치 및 (2) 각도로 행해질 수 있는 조정을 도시한다.
도 21은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 하부의 T-연결부의 도면을 도시한다.
도 22는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 종아리 스트랩에 부츠를 연결하는 부착 부재(T-커넥터)의 배면도를 도시한다.
도 23a-23b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 무릎 관절의 축에 따른 종아리 스트랩의 정렬을 도시한다.
도 24a-24b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 보행 주기를 통한 힘 요건 그래프를 도시한다.
도 25a-25b는 도 19의 소프트 엑소슈트의 종아리 스트랩에 작용하는 힘의 표현을 도시한다.
도 26a-26c는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 신발 부착의 일 실시예를 도시한다.
도 26d는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 신발 부착의 일 실시예의 도면을 도시한다.
도 26e-26g는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 신발 부착의 다른 실시예의 양태를 도시한다.
도 27은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 신발 부착의 일 실시예의 상세도를 도시한다.
도 28a-28b는 본 발명의 적어도 일부의 양태에 따라 각각 측면 및 저면으로부터 부츠 상의 힘 경로를 보여주는 소프트 엑소슈트 신발 부착의 일 실시예의 상세도를 도시한다.
도 29는 구동 박스 및 풀리 모듈을 보여주고, 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 위한 작동 시스템의 일 실시예의 일례를 도시한다.
도 30은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 위한 작동 시스템의 일 실시예의 일례의 블록도를 도시한다.
도 31은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 위한 감지 구성 요소에 대한 연결부의 다이어그램을 도시한다.
도 32는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 아날로그 및 디지털 I/O의 다이어그램을 도시한다.
도 33은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 위한 작동 시스템에 대한 모터 제어기 조립체의 다이어그램을 도시한다.
도 34는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 보행 주기의 부분 동안 소프트 엑소슈트의 제어된 작동의 표현을 도시한다.
도 35는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 보행 주기를 통한 모터에 대한 힘 입력의 근사치를 도시한다.
도 36은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 시간의 함수로서 케이블 변위의 플롯의 일례를 도시한다.
도 37은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 액추에이터 부착을 위한 바우덴(Bowden) 케이블 연결용 피팅(end fitting)을 도시한다.
도 38은 로드 셀(load cell) 배치가 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 풀리 모델과 이론적 입력-출력 힘의 그래프인 것을 도시한다.
도 39는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 케이블 장력 조절을 병렬 및 직렬 배치의 예, 및 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 케이블 장력을 측정하기 위한 편향 아이들러 풀리의 다이어그램을 도시한다.
도 40은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 사용자의 신발의 발목에서의 직렬 로드 셀 위치를 도시한다.
도 41a-41b는 각각 힘이 엉덩이 관절(앞쪽/뒤쪽)의 양측 또는 발목에 선택적으로 가해질 수 있는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 예를 도시한다.
도 42a-42g는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 액추에이터의 일례의 구성 요소 및 시스템의 예를 도시한다.
도 43a-43b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 타이밍 풀리 구성의 일례, 및 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 이용되는 웨빙(webbing)을 위한 아이들러 구성의 일례를 도시한다.
도 44a-44c는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V3.2)의 정면도, 배면도 및 측면도를 도시한다.
도 45a-45d는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V4)의 정면도, 배면도 및 측면도를 도시한다.
도 46a-46b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 사용자가 착용한 소프트 엑소슈트의 일례의 예의 정면도 및 배면도 사진을 도시한다.
도 47은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 초기 실시예의 진화(evolution)를 보여준 통계의 비교를 제시한다.
도 48은 발명자가 소프트 엑소슈트(V1)에서 소프트 엑소슈트(V3)로 기술을 개발하고 향상시킨 경우에 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 중량의 감소를 나타내는 막대 차트를 도시한다.
도 49는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 도 46a-46b에 도시된 소프트 엑소슈트에 대한 운동학적 결과를 도시한다.
도 50은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 도 46a-46b에 도시된 소프트 엑소슈트에 대해 발목 작동 성능에 대한 힘 대 시간 곡선을 도시한다.
도 51은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 도 46a-46b에 도시된 소프트 엑소슈트를 이용하는 서로 다른 대상(subject)에 대한 대사의 결과를 도시한다.
도 52a-52b는 각각 생물학적 대사력 원형 차트 및 슈트 대사 유용성 원형 차트를 도시한다.
도 53은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V3-V7)의 서로 다른 버전 사이의 소프트 엑소슈트 강성도의 진화를 도시한다.
도 54a-54e는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V7)의 양태를 도시한다.
도 55a-55b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 양태를 도시한다.
도 56a-56b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 허리 벨트의 양태를 도시한다.
도 57은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 다른 허리 벨트(V5)의 양태를 도시한다.
도 58은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 또 다른 허리 벨트(V5)의 양태를 도시한다.
도 59는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 또 다른 허리 벨트(V7.1)의 양태를 도시한다.
도 60은 도 59의 허리 벨트(V7.1)의 양태를 도시한다.
도 61은 도 59의 허리 벨트(V7.1)의 추가적인 양태를 도시한다.
도 62는 여러 관절의 작동을 위해 구성된 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 도시한다.
도 63a-63b는 여러 관절의 작동을 위해 구성된 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 예를 도시한다.
도 64a-64b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 여러 관절의 작동을 위해 구성된 소프트 엑소슈트에 대한 멀티-풀리를 도시한다.
도 65는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 허벅지 브레이스의 배면도를 도시한다.
도 66은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 바우덴 케이블 종단 지점을 도시한다.
도 67a-67d는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 액추에이터의 양태를 도시한다.
도 68은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 제어 기법의 양태를 도시한다.
도 69는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 제어 기법의 양태를 도시한다.
도 70은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 제어 기법의 양태를 도시한다.
도 71a-71h는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 실시예의 양태를 도시한다.
도 72는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 (a) 엉덩이 굽힘을 보조하는 수동적 엉덩이 시스템의 정면도 및 배면도, 및 (b) 전면에서 탄성 재료를 추가한 같은 시스템의 정면도 및 배면도를 도시한다.
도 73은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 (a) 엉덩이 굽힘을 보조하는 수동적 엉덩이 시스템의 정면도 및 배면도, 및 (b) 엉덩이 굽힘과 엉덩이 확장을 모두 보조하는 의류의 정면도 및 배면도를 도시한다.
도 74는 하부 다이어그램이 상부 도면에서 점선을 따른 슈트의 단면도인 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 슈트의 전면에서 탄성 요소를 가진 체결 시스템(fastening system)을 도시한다.
도 75는 레벨 걷기 동안 엉덩이 관절 토크를 도시한다.
도 76은 지상 레벨 걷기(ground level walking) 동안 프로파일, 모터 위치 및 풋 스위치 신호를 도시한다.
도 77은 보행 주기 동안 소프트 엑소슈트의 작동의 타이밍, 및 케이블 위치에 관한 대응하는 슈트 힘을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 78은 보행 주기 동안 소프트 엑소슈트의 작동의 타이밍, 및 케이블 위치에 관한 대응하는 슈트 힘을 나타내는 다른 그래프를 도시한다.
도 79는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 사용자의 피드백을 제공하기 위해 햅틱(haptic) 액추에이터를 포함하는 소프트 엑소슈트 구성 요소(여기서 신발 부착 요소)의 일례를 도시한다.
도 80은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 구성 요소의 일례를 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 소프트 엑소슈트의 일부에 대한 예시적인 힘 벡터를 도시하는 도면이다.
도 3a-3c는 보행 주기의 서로 다른 지점에서 작동하는 평균치 플러스 또는 마이너스 표준 편차를 도시한 도 1의 소프트 엑소슈트에 대한 보행 주기에 대하여 운동학적 테스트 데이터를 도시한다.
도 4는 도 1(a)의 소프트 엑소슈트에 대해 보행 주기 동안 6개의 서로 다른 액추에이터 턴온 시간에 대한 평균 대사력을 도시한다.
도 5는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 맥키번(McKibben) 액추에이터를 이용하는 공압 시스템에 대한 소프트 엑소슈트 제어 및 전원 시스템의 일례를 도시한다.
도 6a-6b는 액추에이터가 없는 소프트 엑소슈트의 커넥터 매트릭스와 액추에이터를 가진 소프트 엑소슈트의 커넥터 매트릭스를 도시한 도 1의 엑소슈트 소프트의 일례를 도시한다.
도 7은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 제 2 예의 정면도를 도시하는 다이어그램이다.
도 8은 보행 주기의 퍼센트로서 생성된 엉덩이, 무릎 및 발목 모멘트를 보여주는 그래프(좌측)와 보행 주기의 퍼센트로서 생성된 엉덩이, 무릎 및 발목 모멘트를 보여주는 그래프(우측)를 도시한다.
도 9a는 하나의 단계 또는 하나의 보행 주기를 통한 발목, 무릎 및 엉덩이에 대한 관절 모멘트의 그래프를 도시한다.
도 9b는 보행 주기 중에 허벅지와 발뒤꿈치 사이로 연장하는 스트랩(strap)의 움직임의 표현을 도시한다.
도 9c는 엉덩이 각도의 변화에 응답하는 보행 주기 동안 도 7의 소프트 엑소슈트의 신체를 따라 경로 길이의 변화의 표현을 도시한다.
도 9d는 길이 s1, s2 및 s3의 조합으로서 2개의 앵커 지점(도시된 예에서 엉덩이 및 발뒤꿈치) 사이의 경로 길이의 표현을 도시한다.
도 9e는 엉덩이, 무릎, 발목에서 모멘트를 나타내는데 사용되는 규칙(convention)을 도시한다.
도 10a-10b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 측면도의 표현, 및 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 사시도의 표현을 도시한 다이어그램이다.
도 11은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 소프트 엑소슈트의 주요 구성 요소를 묘사한 소프트 엑소슈트(V5)의 측면도이다.
도 12는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V5)에 대한 평면 패턴 레이아웃의 일례를 도시한다.
도 13은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 허리 벨트를 도시한다.
도 14a-14b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 상위 부분이 도 13에 도시된 소프트 엑소슈트(V5)의 정면도 및 배면도를 도시한다.
도 15는 골반에 대한 움직임의 범위의 그래프를 도시한다.
도 16은 개별 요소를 통해 전달되는 힘을 보여주는 본 발명에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 다이어그램을 도시한다.
도 17a-17b는 각각 허리 벨트 및 노드 1의 위치를 보여주는 골격 상에 중첩된 도 16의 소프트 엑소슈트, 및 허벅지 브레이스에 회힘을 생성시키는 노드 1의 수평 어긋남의 일례를 도시한다.
도 18은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 허벅지 브레이스의 위치를 도시한다.
도 19는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 종아리 스트랩의 각도를 도시한다.
도 20a-20b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 소프트 엑소슈트의 허벅지 브레이스를 따른 힘의 표현, 및 연결 요소가 허벅지 브레이스를 끊는 (1) 위치 및 (2) 각도로 행해질 수 있는 조정을 도시한다.
도 21은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 하부의 T-연결부의 도면을 도시한다.
도 22는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 종아리 스트랩에 부츠를 연결하는 부착 부재(T-커넥터)의 배면도를 도시한다.
도 23a-23b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 무릎 관절의 축에 따른 종아리 스트랩의 정렬을 도시한다.
도 24a-24b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 보행 주기를 통한 힘 요건 그래프를 도시한다.
도 25a-25b는 도 19의 소프트 엑소슈트의 종아리 스트랩에 작용하는 힘의 표현을 도시한다.
도 26a-26c는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 신발 부착의 일 실시예를 도시한다.
도 26d는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 신발 부착의 일 실시예의 도면을 도시한다.
도 26e-26g는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 신발 부착의 다른 실시예의 양태를 도시한다.
도 27은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 신발 부착의 일 실시예의 상세도를 도시한다.
도 28a-28b는 본 발명의 적어도 일부의 양태에 따라 각각 측면 및 저면으로부터 부츠 상의 힘 경로를 보여주는 소프트 엑소슈트 신발 부착의 일 실시예의 상세도를 도시한다.
도 29는 구동 박스 및 풀리 모듈을 보여주고, 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 위한 작동 시스템의 일 실시예의 일례를 도시한다.
도 30은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 위한 작동 시스템의 일 실시예의 일례의 블록도를 도시한다.
도 31은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 위한 감지 구성 요소에 대한 연결부의 다이어그램을 도시한다.
도 32는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 아날로그 및 디지털 I/O의 다이어그램을 도시한다.
도 33은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 위한 작동 시스템에 대한 모터 제어기 조립체의 다이어그램을 도시한다.
도 34는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 보행 주기의 부분 동안 소프트 엑소슈트의 제어된 작동의 표현을 도시한다.
도 35는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 보행 주기를 통한 모터에 대한 힘 입력의 근사치를 도시한다.
도 36은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 시간의 함수로서 케이블 변위의 플롯의 일례를 도시한다.
도 37은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 액추에이터 부착을 위한 바우덴(Bowden) 케이블 연결용 피팅(end fitting)을 도시한다.
도 38은 로드 셀(load cell) 배치가 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 풀리 모델과 이론적 입력-출력 힘의 그래프인 것을 도시한다.
도 39는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 케이블 장력 조절을 병렬 및 직렬 배치의 예, 및 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 케이블 장력을 측정하기 위한 편향 아이들러 풀리의 다이어그램을 도시한다.
도 40은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 사용자의 신발의 발목에서의 직렬 로드 셀 위치를 도시한다.
도 41a-41b는 각각 힘이 엉덩이 관절(앞쪽/뒤쪽)의 양측 또는 발목에 선택적으로 가해질 수 있는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 예를 도시한다.
도 42a-42g는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 액추에이터의 일례의 구성 요소 및 시스템의 예를 도시한다.
도 43a-43b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 타이밍 풀리 구성의 일례, 및 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에서 이용되는 웨빙(webbing)을 위한 아이들러 구성의 일례를 도시한다.
도 44a-44c는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V3.2)의 정면도, 배면도 및 측면도를 도시한다.
도 45a-45d는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V4)의 정면도, 배면도 및 측면도를 도시한다.
도 46a-46b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 사용자가 착용한 소프트 엑소슈트의 일례의 예의 정면도 및 배면도 사진을 도시한다.
도 47은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 초기 실시예의 진화(evolution)를 보여준 통계의 비교를 제시한다.
도 48은 발명자가 소프트 엑소슈트(V1)에서 소프트 엑소슈트(V3)로 기술을 개발하고 향상시킨 경우에 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 중량의 감소를 나타내는 막대 차트를 도시한다.
도 49는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 도 46a-46b에 도시된 소프트 엑소슈트에 대한 운동학적 결과를 도시한다.
도 50은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 도 46a-46b에 도시된 소프트 엑소슈트에 대해 발목 작동 성능에 대한 힘 대 시간 곡선을 도시한다.
도 51은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 도 46a-46b에 도시된 소프트 엑소슈트를 이용하는 서로 다른 대상(subject)에 대한 대사의 결과를 도시한다.
도 52a-52b는 각각 생물학적 대사력 원형 차트 및 슈트 대사 유용성 원형 차트를 도시한다.
도 53은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V3-V7)의 서로 다른 버전 사이의 소프트 엑소슈트 강성도의 진화를 도시한다.
도 54a-54e는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V7)의 양태를 도시한다.
도 55a-55b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 양태를 도시한다.
도 56a-56b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 허리 벨트의 양태를 도시한다.
도 57은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 다른 허리 벨트(V5)의 양태를 도시한다.
도 58은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 또 다른 허리 벨트(V5)의 양태를 도시한다.
도 59는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 또 다른 허리 벨트(V7.1)의 양태를 도시한다.
도 60은 도 59의 허리 벨트(V7.1)의 양태를 도시한다.
도 61은 도 59의 허리 벨트(V7.1)의 추가적인 양태를 도시한다.
도 62는 여러 관절의 작동을 위해 구성된 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트를 도시한다.
도 63a-63b는 여러 관절의 작동을 위해 구성된 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 예를 도시한다.
도 64a-64b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 여러 관절의 작동을 위해 구성된 소프트 엑소슈트에 대한 멀티-풀리를 도시한다.
도 65는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 허벅지 브레이스의 배면도를 도시한다.
도 66은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 바우덴 케이블 종단 지점을 도시한다.
도 67a-67d는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 액추에이터의 양태를 도시한다.
도 68은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 제어 기법의 양태를 도시한다.
도 69는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 제어 기법의 양태를 도시한다.
도 70은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 제어 기법의 양태를 도시한다.
도 71a-71h는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 실시예의 양태를 도시한다.
도 72는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 (a) 엉덩이 굽힘을 보조하는 수동적 엉덩이 시스템의 정면도 및 배면도, 및 (b) 전면에서 탄성 재료를 추가한 같은 시스템의 정면도 및 배면도를 도시한다.
도 73은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 (a) 엉덩이 굽힘을 보조하는 수동적 엉덩이 시스템의 정면도 및 배면도, 및 (b) 엉덩이 굽힘과 엉덩이 확장을 모두 보조하는 의류의 정면도 및 배면도를 도시한다.
도 74는 하부 다이어그램이 상부 도면에서 점선을 따른 슈트의 단면도인 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 슈트의 전면에서 탄성 요소를 가진 체결 시스템(fastening system)을 도시한다.
도 75는 레벨 걷기 동안 엉덩이 관절 토크를 도시한다.
도 76은 지상 레벨 걷기(ground level walking) 동안 프로파일, 모터 위치 및 풋 스위치 신호를 도시한다.
도 77은 보행 주기 동안 소프트 엑소슈트의 작동의 타이밍, 및 케이블 위치에 관한 대응하는 슈트 힘을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 78은 보행 주기 동안 소프트 엑소슈트의 작동의 타이밍, 및 케이블 위치에 관한 대응하는 슈트 힘을 나타내는 다른 그래프를 도시한다.
도 79는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 사용자의 피드백을 제공하기 위해 햅틱(haptic) 액추에이터를 포함하는 소프트 엑소슈트 구성 요소(여기서 신발 부착 요소)의 일례를 도시한다.
도 80은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 구성 요소의 일례를 도시한다.
본 발명은 걷기, 달리기, 계단 오르기(stepping up), 계단 내리기(stepping down) 등등과 같은 자연스러운 움직임을 가진 활동적인 보조를 제공하기 위해 액추에이터 시스템과 조합하여 사용될 수 있는 소프트 엑소슈트 시스템에 관한 것이다.
종래 기술의 단단한 외골격과는 대조적으로, 본 발명에 따른 소프트 엑소슈트는 특히 외골격 장치와 관련된 인간 요인 과제(human factors challenges)를 해결하기 위해 신축성 재료 및 액추에이터를 이용하고, 하중 지지(load bearing) 외골격을 갖지 않고, 힘을 가하고 하중을 전달하는 것을 보조하기 위해 사용자의 생체 골격에 의존한다.
소프트 엑소슈트는 단단한 구성 요소를 가진 기존의 외골격에 비해 기계적 임피던스 및 운동학적 제한을 크게 줄이고, 사용자의 자유도를 크게 제한하지 않는다. 이러한 시스템에 의해, 운동에 대한 보조를 제공하고, 움직임의 큰 제약 없이 움직임(예를 들어, 걷기/하중 전달)의 대사 비용을 감소시키기 위해 팔다리 위치의 직접 제어보다는 오히려 (예를 들어 보행 주기의 중요한 부분 중에) 에너지의 제어된 임펄스를 추가하는 것이 가능하다.
초기 설계 파라미터는 소프트 엑소슈트가 정상 걷기의 운동의 힘 및 범위를 에뮬레이션할 수 있어야 하는 사양으로 50% 남성에 대한 데이터를 이용했다. 도 1-6b에 도시된 소프트 엑소슈트(10)에 사용된 (작동 중 25% 수축하는 것으로 알려진) 맥키번(McKibben) 공압형 액추에이터(15)에 대한 선형 값으로 토크 및 회전 운동을 변환하기 위해, 모멘트 팔 및 총 필요한 이동을 추정하기 위해 각 관절에 대한 인체 값이 발견되었다. 관절 중심에 대한 위치를 추정함으로써, 모멘트 팔이 추정되었고, 운동의 범위를 알고 있음으로써, 필요한 힘 및 변위가 결정되었다. 이러한 초기 파라미터에서, 장치 사양은 개발되었고, 아래의 표 1에 도시되어 있으며, 이러한 표 1은 50%의 남성의 정상적인 걷기, 79kg 질량, 1.75m 높이 동안 범위, 모멘트, 힘을 도시한다.
| 자유도 | 운동의 범위(deg) | 모멘트(Nm) | 모멘트 팔(m) | 최대 힘(N) |
| 발목 발바닥 굽힘 | 25 | 100 | 0.06 | 1867 |
| 발목 발등 굽힘 | 10 | 5 | 0.06 | 67 |
| 무릎 굽힘 | 60 | 25 | 0.07 | 457 |
| 무릎 확장 | -5* | 25 | 0.07 | 457 |
| 엉덩이 굽힘 | 35 | 80 | 0.12 | 750 |
| 엉덩이 확장 | 10 | 50 | 0.12 | 367 |
* 최대 무릎 확장은 걷기 중에 0보다 적다(직선 다리).
도 1-6b에서 설명된 소프트 엑소슈트(10)의 실시예에서, 운동을 보조하기 위해 선택된 액추에이터는 맥키번(McKibben) 공압형 액추에이터(15)이었다. 압축된 공기가 공압형 액추에이터(15)로 펌핑되는 경우, 이들은 방사상 확장되고 길이가 짧아지며, 이에 의해 작동을 제공한다. 가해진 힘은 입력 압력을 변화시킴으로써 수정될 수 있다. 스트로크 길이는 액추에이터의 길이에 기초하여 결정된다. 200mm의(피팅 및 스틸 루프(steel loop)와 같은 최종 하드웨어(end hardware)를 제외한) 활성 길이를 가진 공압형 액추에이터(15)는 프로토타입(prototype)으로 되었고, 힘 대 변위 데이터는 1 내지 5 바(14.7 내지 73.5 psi) 입력 압력을 위한 인스트론(Instron) 5544 로드 프레임 시스템에 기록되었다. 이러한 프로토타입의 경우, 4 바(58.8 psi)는 실질적으로 작동력을 제공하고, 추가적인 안전 조치를 제공하며, 5 바의 설계 압력보다 40% 낮은 힘을 제공하기 위한 동작 압력으로 선택되었다. 도 5에 도시된 바와 같이. 레귤레이터(17)를 통해 압력원(16)으로부터 공압형 액추에이터(15)로의 공기 흐름은 인라인 솔레노이드 밸브(18)에 의해 제어되었고, 공기는 압축기로부터 3/8 인치 OD(1/4 ID) 튜브를 가진 시스템으로 공급되었고, 밸브로부터 각 액추에이터에 대해 개개의 1/4 인치 OD(1/8 ID) 튜브를 가진 액추에이터로 분산되었다.
보행을 보조하는 것과 같이 동적 운동을 적절히 보조하기 위해, 각 공압형 액추에이터(15)의 팽창 및 수축 시간은 액추에이터가 순간적으로 팽창하고 수축하지 않을 경우에 고려되어야 한다. 따라서, (예를 들어 보행 주기의 몇 퍼센트에서) 움직임 중에 힘의 인가의 정확한 지점은 이해되어야 하고, 힘이 팽창 중에 관절에 적절히 가해지는 것을 보장하고, 수축이 관절 운동을 제한하지 않도록 하기 위해 충분히 빠르게 일어나는 것을 보장하도록 정의되어야 한다. 일례로서, 도 1의 소프트 엑소슈트(10)에 이용된 맥키번 공압형 액추에이터(15)의 동적 성능을 평가할 시에, 힘 대 시간은 팽창 및 수축 동안 4 바에서 기록되었고, 힘 대 시간 곡선은 일반적으로 S자형이며, 여기서, 팽창의 경우, 최대 힘(235N)의 90%는 압력이 인가된 때로부터 0.316 초 후에 획득되었고, 수축의 경우, 힘은 0.098 초에서 최대 힘으로부터 최대 힘의 10%로 떨어졌다. 이러한 공압형 액추에이터(15)를 사용하여, 위의 표 1에 리스트된 힘 및 힘 요건은 각각의 자유도에 대해 액추에이터의 적절한 수를 선택함으로써 충족될 수 있다. 예를 들면, 4개의 액추에이터는 발목 발바닥 굽힘을 보조하기 위해 각각의 발목 관절에 병렬로 구성될 수 있다.
4.0 바, 게이지 압력에서 테스트 공압형 액추에이터(15)에 대한 공기 소비는 작동 당 공기의 0.60 그램(0.021mol)을 소비하도록 결정되었다.
주로 소프트 구성 요소의 소프트 엑소슈트(예를 들어, 10, 도 1)를 개발하기 위해, 본 발명자는 장력을 이용하여 하중을 사용자에게 인가하고, 시스템에 요구되는 어떤 압축, 굽힘, 전단 하중을 생성시키도록 사용자의 골격 구조에 의존하는 선택된 시간에서 선택된 근육을 증강시키는 방법을 개발하기 시작했다. 초기 인적 요인 설계 사양은 (1) 정상 보행 역학을 잠재적으로 방해할 수 있는 최소 관성이 추가되는 경량이고, (2) 모든 체제(body plan)에서 자연 관절 운동학을 방해하지 않도록 비제한적이며, (3) 편안한 소프트 엑소슈트를 제공하였다.
토크를 제 1 위치(예를 들어, 관절에서)에 적용하기 위해, 액추에이터(도 1-6b의 예에서의 공압형 액추에이터(15))는 반응력을 사용자의 신체의 하나 이상의 다른 부분에 인가해야 한다. 표 1에서 상술한 바와 같이, 움직임 중에 관절에 인가된 힘은 상당히 높을 수 있다(예를 들어, 250의 발목 발바닥 굽힘에 대한 1867 N). 따라서, 타이트한 스트랩 또는 피부 접착제가 착용형 장치의 위치를 유지하는데 사용될 수 있지만, 타이트한 스트랩 또는 피부 접착제는 팔다리를 작동하기 위해 필요한 힘을 적용하는데 사용되는 착용형 장치의 위치를 유지하기 위한 바람직한 수단은 아니다. 대신에, 현재, 타이트한 스트랩 또는 피부 접착제는 팔다리 작동력을 인가하지 않고 구성 요소의 중량과 같은 적은 하중을 보조하기 위해서만 사용되는 것이 바람직하다. 더욱이, 피부와 평행한 힘은 슬리피지(slippage), 피부 마찰, 불쾌감을 유발시키고, 작동을 비효과적으로 하는 변형 및/또는 슬리핑(slipping)하는 높은 가능성을 제시한다.
소프트 엑소슈트(10)(예를 들어, 도 1)와 관련하여, 반응력은 이점으로 어깨, 엉덩이의 장골, 및 발의 족저부(plantar aspect)와 같이 하중을 쉽게 지지하는 것으로 알려져 있지만, 이에 제한되지 않는 앵커 지점(12)에 대한 것으로 결정되었다. 이러한 앵커 지점은 피부의 표면 근처에 있는 큰 골표적(bony landmark)을 특징으로 하고, 큰 적용된 정상 또는 거의 정상 반응력에 견뎌낼 수 있다(예를 들어, 엉덩이에서, 장골 영역의 상단에서 견디는 하향 방향 하중이 엉덩이의 측면을 따라 견디는 전단의 힘에 바람직하다). 발명자는 관절 운동 중에, 피부 표면상의 일부 경로의 길이가 실질적으로 서로에 대해 변화하지만(고 변형 경로), 피부 표면상의 다른 경로는 약간의 상대 운동을 나타낸다는 것(비확장의 저 변형 경로 또는 라인)을 관찰하였다.
소프트 엑소슈트를 통한 운동 중에 엉덩이, 무릎 및/또는 발목 관절 중 하나 이상에 대해 모멘트를 인가하는 하나의 설계 목표로 다시 돌아가면, 발명자는 원하는 작동으로부터의 반응력이 원하는 작동 지점에서 커넥터의 매트릭스를 통해 비확장 라인을 따른 앵커 지점 중 하나 이상에 다시 향하게 되고, 앵커 지점 중 하나 이상에서 종료하도록 힘을 다시 향하게 하면서 운동의 정상 범위 중에 안정을 유지하기 위해 다른 커넥터와 삼각 측량해야 하는 것을 결정하였다(예를 들어, 도 1 참조). 소프트 엑소슈트의 이러한 구성은 원하는 작동 지점을 확고하게 제한하고, 운동의 범위에 대한 왜곡 효과를 최소화하고, 반응력을 이러한 반응력을 수용하는데 더 적합한 사용자의 신체의 일부로 전달한다. 이러한 개념에 따라, 소프트 엑소슈트(예를 들어, 도 1의 10)는 이점으로 엉덩이 굽힘 및 확장, 무릎 굽힘, 및 발목 발등 굽힘 및 발바닥 굽힘에 대한 비확장의 라인을 따라 선택된 삼각 경로를 형성하는 연결 요소(20)를 이용한다. 도 1의 예에서. 소프트 엑소슈트(10)는 공압형 액추에이터(15)의 말초부(distal end)를 발목에 연결하고, 공압형 액추에이터의 근위부(proximal end)는 가능한 넓게 힘을 분산하고, 적어도 실질적으로 피부에 정상인 힘을 유지하기 위해 매개 노드(30) 및 연결 요소(20)를 통해 엉덩이 및/또는 어깨에 연결된다.
위의 개념을 설하기 위해, 도 2a 내지 도 2d는 무릎 관절의 작동에 관여하는 힘의 일례를 도시한다. 도 2a는 좌측 무릎 관절의 대향 측에 제 1 노드 N1 및 제 2 노드 N2를 도시한다. 이러한 두 노드 사이에 인가된 장력은 확장 시에 무릎을 작동 (또는 작동을 보조)할 수 있다. 본 발명에 따르면, 노드 N1 및 N2는 기본 팔다리에 대해 움직이지 못하도록 원하고, 이에 따라 상당한 힘에 저항하도록 충분한 강성도로 엄격히 제한되거나 앵커된다(예를 들어, 위의 표 1 참조). 도 2b의 정면도로부터 노드(N1)를 보면, 안정화를 위해 발목에서 앵커 지점에 대한 대측성 경로(contralateral path)를 경로를 따라 추가적인 연결부가 필요한 것을 알 수 있다. 평형을 유지하고 앵커 전위를 피하기 위해, F1은 F2-1과 F2-2 커넥터 사이의 각도 내에 남아 있어야 한다. 비슷한 분석은 반응력을 (제공된다면) 허리 벨트 및/또는 어깨띠로 전달하고, 엉덩이의 장골(및/또는 어깨)을 따라 힘을 분산하는 공압형 액추에이터의 근위부에서의 앵커 지점에 적용한다.
도 1의 소프트 엑소슈트(10)는 도 6a-도 6b에 도시된다. 구성에서, 삼각 나사 링크(Quik-Links)를 포함하는 노드(30)는 연결 요소(20)의 매트릭스로 봉합되고, 나일론 스트래핑 재료로 형성되며, 노드를 하나 이상의 앵커 지점(15) 및/또는 다른 노드에 부착한다. 카라비너(carabiner), 스퀴즈-릴리스 버클(squeeze-release buckle) 및 타원형 Quick-Link는 소프트 엑소슈트의 도닝(donning) 및 도핑(doffing)을 용이하게 하기 위해 커넥터 스트랩의 부분 사이에서 필요에 따라 사용되었다. 액추에이터의 수량 및 길이는 보행 보조를 위해 설계된 엉덩이, 무릎 및 발목 관절 작동을 가진 소프트 엑소슈트에 대한 관련된 자유도에 필요한 원하는 힘 및 범위를 달성하기 위해 선택된다. 이것을 위하여, 도 6b의 소프트 엑소슈트(10)는 웨빙을 포함하고, 비확장의 레버리지 라인(leverage line)에 대한 단단하지 않은 연결 요소(20)의 네트워크를 통해 노드(30) 및 앵커 지점(12)에 부착된 12개의 맥키번 공압형 액추에이터(15)를 가지고 있다.
도 3a-6b에 표시된 프로토타입 엑소슈트 소프트(10)에서, 공압 밸브(18) 및 제어기(20)는 뒤쪽 장착형 조립체 내에 하우징되었다. 제어기(20)로부터의 신호는 결과적으로 공압형 액추에이터(18)를 동작시키는 솔레노이드 밸브(18)를 제어한 릴레이 보드(23)로 출력되었다. 제어기(20)로의 입력은 튜닝 박스(21) 및 풋 스위치(22)를 포함하였다. 튜닝 박스(21)는 손목에 장착되고, 사용자가 온셋 지연 및 작동 기간의 실시간 즉석(on-the-fly) 조정을 수행할 수 있도록 한다. 발뒤꿈치 닿기(heel strike)는 풋 스위치 계측 안창(footswitch-instrumented insoles)(B&L Engineering)을 통해 감지되었고, 신호를 Arduino Mega 2560 마이크로 제어기(http://arduino.cc/en/)로 전송한다. 발뒤꿈치 닿기를 감지하면, 제어기(20)는 팔다리에서 3개의 자유도를 작동하기 위한 타이밍 시퀀스를 개시하도록 구성되었다. 각 자유도는 프로그램 가능한 턴온 시간(발뒤꿈치 닿기 후의 액추에이터 턴온 시간) 및 작동 기간을 갖는다. 발뒤꿈치 닿기는 두 발에 대해 감지되었고, 독립적으로 지연 및 작동을 시작하는 데 사용되었다. 타이밍 시퀀스는 양쪽 다리가 대칭성을 유지하도록 동일하였지만, 보행 시에 임의의 사용자의 비대칭성을 고려하여 원하는 경우 독립적으로 조절될 수 있었다. 테스트 중에, 압축된 공기는 중앙 압축된 공기(점포 공기) 또는 고정/트레드밀(treadmill) 테스트에 대한 로컬 압축기를 통해 공급되었지만, 소프트 엑소슈트(10)는 대안적으로 306 바(4500 psi)에서 하나 이상의 뒤쪽 장착된 압축된 공기 탱크를 이용할 수 있다
도 6b의 소프트 엑소슈트(10)는 압축기에 묶여질 때의 7144g 및 단일 사용자 매개 압축된 공기 탱크를 사용할 때의 9121g의 총 질량을 갖는다. 소프트 엑소슈트(10) 자체는 3500g(슈트, 바지, 신발, 액추에이터, 보조 스트랩)만의 질량을 가지고, 대사 비용에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 말단 질량을 최소화한다. 밸브 박스 및 배터리의 질량은 3280g이고, 튜닝 박스(21)를 포함하는 제어 모듈은 364g이었다. 소프트 엑소슈트(10)는 보행 주기 당 공기의 0.166 몰(4.8g)을 소비하고, 1Hz의 스트라이드 주파수를 가정하면, 분당 9.94 몰을 소비한다. 이러한 가정 하에서, 64 in3, 4500 psi 압축된 공기 탱크는 공기의 41.3 몰(415g)을 포함하고, 일정한 걷기의 4.15 분 동안 지속한다.
도 6b의 소프트 엑소슈트(10)를 이용한 파일럿 연구는 푸시 오프 동안 발목 관절 토크를 향상시키기 위해 공압형 액추에이터(15)를 이용하여 보행을 보조할 시에 소프트 엑소슈트(10)의 성능을 조사하였다. 도 6b의 소프트 엑소슈트(10)의 모든 다른 액추에이터는 힘을 더 생성하지 않도록 작동 기간을 제로 밀리초까지 조정하였다. 운동학 및 대사 데이터는 소프트 엑소슈트 효능을 정량화하기 위해 Wyss Institute’s Motion Capture Laboratory에서 수집되었고, 관절 운동학 및 대사력에 대한 엑소 비복근(exo-gastrocnemius) 액추에이터의 연대 타이밍(engagement timing)의 효과는 보행 주기 내에서 액추에이터 턴온 시간을 달리하여 조사하였다. 6번의 액추에이터 턴온 시간은 보행 주기의 10%에서 보행 주기의 60%에 이르기까지 10% 씩 증가시켜 조사하였다. 제어로서, 관절 운동학 및 대사력은 또한 완전히 수동적 비힘 모드에서의 소프트 엑소슈트와, 소프트 엑소슈트를 착용하지 않은 대상으로 조사되었다. 동측 다리의 발 발뒤꿈치 닿기는 보행 주기의 0%로 정의되었다.
8개의 적외선 카메라(Oxford Metrics, Oxford, UK)를 가진 Vicon® 운동 분석 시스템은 한 건강한 남성 대상인 나이 42세, 65kg 및 키 1.73m의 운동학을 획득하기 위해 사용되었다. 참가자는 10m의 평지 걷기 길을 따라 1.5m/s로 걸었다. 3번의 허용 가능한 보행 테스트이 달성될 때까지 1.5 m/s의 ±5% 보다 큰 걷는 속도에 따른 테스트은 제외되었다. 운동 캡쳐 데이터는 120 Hz의 샘플링 속도로 수집되었다. 총 44 마커는 수정된 클리블랜드 클리닉 마커 세트에 기초하여 참가자에 부착되었다. 다음의 해부학적 지표(anatomical landmark): 양측 전방 상부 장골 척추, 장골의 양측 정점(bilateral apex), L5-성례의 인터페이스에서의 손등부, 외측 및 내측 대퇴과, 외측과 및 내측과, 제 1 및 5 중족 관절의 종골 결절 및 상부에 하체 마커가 위치되었다. 3인조 마커 클러스터가 대퇴골과 티배(tibae)에 배치되었다. 상체 마커는 이마, 왼쪽과 오른쪽 관자놀이, 제 7 경추 척추, 흉골, 견갑골 프로세스의 끝의 끝, 상완골 상과 및 요골과 척골 경상 돌기 프로세스 사이의 중간점에 배치하였다.
Opensim 3.0은 역 운동학적 분석을 수행하는데 이용되었다. OpenSim 23 자유도 머리, 몸통 및 하체 모델은 의인화된 측정에 기초하여 대상을 확장되었다. 일반 모델을 확장한 후, 해부학적 관절 각도는 3차원 마커 궤적에 기초하여 계산되었다. 보행 주기에 대한 발목, 무릎 및 엉덩이 관절 각도의 평균 및 표준 편차가 계산되었다. 도 3a-3b에 도시된 바와 같이. 시상면 엉덩이 및 무릎 관절 각도는 소프트 엑소슈트(10), 수동적 소프트 엑소슈트(미작동), 및 작동된 소프트 엑소슈트 조건 사이에서 유사하다. 모든 테스트 조건의 경우, 엉덩이 관절은 발뒤꿈치 닿기에서 초기 굽힘, 입각기 전역을 확장, 유각기 동안의 굽힘(도 3a)을 갖는 통상의 시상면 행위를 갖는다. 수동 및 작동 테스트 사례 둘 다에 대한 시상면 무릎 각도는 또한 초기에 하중 응답을 통해 발 발뒤꿈치 닿기에서 구부리고, 중간지지기(midstance)에서 발뒤꿈치 들기로 확장하고, 발뒤꿈치 들기에서 발끝 떼기(toe off)로 구부리며, 마지막으로 스윙하는 동안 확장하는 무릎에 따른 전형적인 패턴을 갖는다(도 3b). 그러나, 시상면 발목 관절 운동은 작동 소프트 엑소슈트(10)에 의해 영향을 받았다(도 3c). 입각기 동안 맥키번 공압형 액추에이터(15)를 통해 발목 관절에 추가적인 관절 토크를 제공하면은 발목이 하중 응답 중 더욱 발등 굽혀져, 말기 입각기의 끝에서 사전 스윙의 시작으로 더욱 발바닥 굽혀지도록 한다. 보행 주기의 10% 및 60%에서 액추에이터를 턴온하는 조건은 소프트 엑소슈트(10)를 착용하지 않고 기준 걷기에서 편차의 최대 약 15°를 갖는 발목 관절 운동에서 가장 큰 변화를 유발시켰다. 반대로, 비복근 액추에이터가 보행 주기의 30%에서 턴온한 경우, 시상면 발목 관절 운동은 소프트 엑소슈트(10)를 착용하지 않고 기준 걷기와 유사하고, 작동하지 않고 수동 슈트를 착용한 경우에 시상면 발목 관절 운동과 유사하였다(도 3c).
위의 테스트에 따르면, 대상의 대사력은 다음의 8개의 테스트 조건: 1) 움직이지 않고 서 있기; 2) 소프트 엑소슈트(10)를 착용하지 않으면서 걷기; 3) 전원이 공급되지 않는(수동적) 소프트 엑소슈트와 함께 걷기; 및 4-8) 10% 증가로 조정되는 10% 내지 60%의 액추에이터 턴온 시간을 가진 소프트 엑소슈트를 착용하면서 걷기에 대해 측정되었다. 각 테스트 케이스의 경우, 동일한 대상은 8 내지 10분 동안 1.5 m/s에서 레벨 트레드밀(level treadmill)로 걸었다. 코스메드(Cosmed) K4b2 심폐 운동 테스트 장치(COSMED USA, Concord, CA)는 테스트 시에 폐 가스 교환(VO2, VCO2)을 측정하는데 사용되었다. 4분 정상 상태의 간격에 걸친 평균 대사력(W)이 계산되고, 대사력의 표준 편차는 숨 간 변동에 따라 계산되었다.
도 4에 도시된 바와 같이. 전원이 공급된 소프트 엑소슈트(10) 조건에 대한 평균 대사력은 비복근 액추에이터가 보행 주기의 30%에서 턴온될 때에 최소화되었다. 이러한 액추에이터 타이밍에 의해, 걷는 동안 평균 대사력(±1 표준 편차)은 386.7 ± 4.4 W이었으며, 이는 소프트 엑소슈트를 전혀 착용하지 않을 때 평균 대사력(381.8 ± 6.0 W)과 거의 동일하고, 전원이 공급되지 않은 수동적 소프트 엑소슈트를 가지고 걷는 것(430.6 ± 8.6 W)보다 실질적으로 작다. 전원이 공급되고 최적으로 동조된 소프트 엑소슈트를 수동적이고 전원이 공급되지 않은 소프트 엑소슈트와 비교할 때 평균 대사력의 43.9W 또는 10.2%의 감소가 있었다. 공압형 액추에이터가 보행 주기의 20%에서 활성화되었을 때 가장 높은 평균 대사력(438.8 ± 3.4W)이 생성하였다.
액추에이터 턴온 시간의 적절한 전환을 통해, 소프트 엑소슈트(10)는 대사력을 최소화하면서 사용자의 운동을 상승적으로(편안하게) 강화하는 것이 결정되었다. 부적절하게 제공되는 전원이 공급된 관절 토크 보조는 보행 운동을 불리하게 변경하고, 대사력을 불리하게 증가시킨다는 것이 더 결정되었다. 본 명세서에 개시된 소프트 호환 엑소슈트 시스템은 장력을 통한 운동의 수동적 보조과, 수동적 운동을 이용하여 생성된 위의 추가적인 힘 생성을 제공할 수 있는 액추에이터 시스템을 이용하는 운동의 능동적 보조를 용이하게 하면서 구조적 지지체로서 사용자의 기본 골격 구조를 이용할 수 있다.
상술하고 본 명세서에 개시된 본 발명에 따른 소프트 엑소슈트는 기존의 단단한 로봇 외골격에 비해 많은 이점을 제공한다. 현재 개시된 소프트 엑소슈트는 직물, 줄, 와이어, 케이블, 웨브, 기능성 섬유 제품, 스트랩과 같지만, 이에 제한되지 않는 신축성 재료로부터 쉽게 구성될 수 있다. 본 발명의 적어도 일부 실시예에 따르면, 신축성 재료는 (예를 들어, 장력 하에 강성도를 제공하기 위해) 장력 상태에서 실질적으로 비탄성, (예를 들어, 에너지를 흡수하여 에너지를 사용자에게 반환하기 위해) 탄성, 및/또는 비탄성 및 탄성 신축성 재료의 조합인 연결 요소를 형성하는데 사용된다. 신축성 재료로부터 형성된 연결 요소는 기존의 딱딱한 외골격 요소보다 실질적으로 가볍고, 휴대하고 이동하기 위한 에너지를 덜 필요로 한다(예를 들어, 저 관성 충돌). 더욱이, 이러한 신축성 연결 요소는 사용자의 자연스러운 움직임과 운동학을 수용하고, 전형적으로 단단한 외골격 기반 시스템에서 발견되는 관절 오정렬과 관련된 문제를 피하는데 상당히 적합할 수 있다.
앵커 지점(12) 또는 지지 특징(support features)은, 소프트 엑소슈트가 피부(예를 들어, 엉덩이 뼈의 장골, 어깨, 등)에 가압될 때 낮은 변위 및 최소한의 순응도(minimal compliance)를 제공할 수 있는 피부의 비교적 얇은 층에 의해 덮여져 있는 신체의 뼈 및 돌출 부분을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이, 연결 요소(20)(예를 들어,신축성 스트랩 또는 웨빙)는 힘을 (예를 들어, 관련된 앵커 요소를 통해) 선택된 노드(30) 및/또는 앵커 지점(12)으로 전달하기 위해 사용된다. 더욱 높은 수준의 소프트 엑소슈트 강성도는 직접 경로 및/또는 간접 경로에서 연결 요소(20)를 앵커 지점(12) 내지 장력이 (예를 들어, 액추에이터에 의해) 적용될 수 있는 지점(예를 들어, 노드(30))으로 정렬함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 연결 요소는 소프트 엑소슈트에 생성된 장력의 결과로서 생성된 힘 벡터와 정렬될 수 있다. 대안적으로, 연결 요소(20) 및/또는 노드(30)는 소프트 엑소슈트(10)에 도입된 장력의 결과로서 생성된 힘 벡터가 장력과 정렬되지 않은 관절에 인가되도록 허용하기 위해 각도 및 위치에 배치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(100)의 실시예를 도시한다. 상술한 바와 같이, 소프트 엑소슈트(100)는 하나 이상의 연결 요소(예를 들어, 102-105, 107)를 사용하여 모멘트를 하나 이상의 관절(예를 들어,도 7에 도시된 바와 같은 엉덩이 관절 및 발목 관절)에 적용하도록 구성된다. 이러한 연결 요소는 장력이 관절에 보조 모멘트를 부과하도록 관절에 걸쳐 사전 장력이 걸릴 수 있다. 적어도 일부 실시예에 따르면, 사용자는 소프트 엑소슈트에서 사전 장력을 선택적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 사용자 선택적 사전 장력 수정의 이러한 특징은 (예를 들어, 하나 이상의 연결 요소의 기능적인 길이를 조정함으로써) 채널을 따라 장력을 조정하도록 구성되는 기계적 또는 전자 기계적 장력 장치에 의해 제어되는 하나 이상의 독립적인 채널(예를 들어, 좌/우 및/또는 앞/뒤를 위한 전체 슈트 및/또는 독립적인 제어)을 포함할 수 있다. 사전 장력은 또한 허용 가능한 사전 장력 편안함에 관하여 피드백을 제어기에 제공하는 사용자 입력을 가지거나 가지지 않고 선택적으로 소프트 엑소슈트 제어기에 의해 조정 및/또는 최적화될 수 있다. 또 다른 양태에서, 사용자는 이점으로 하나 이상의 연결 요소 또는 앵커 요소의 길이를 조정함으로써(예를 들어, 버클을 통해 웨빙을 루핑하고 부착을 위한 벨크로(Velcro) 영역을 사용함으로써) 하나 이상의 연결 요소 또는 앵커 요소의 장력을 조정할 수 있다.
도 7은 허리 벨트(110), 노드(115), 허벅지 브레이스(120)와, 허리 벨트 및 허벅지 브레이스를 연결하는 연결 요소(102,103)를 포함하는 소프트 엑소슈트(100)를 도시한다. 허리 벨트(110)는 허리를 둘러싸고, 장골을 지지 부재로서 관여시킨다. 하나 이상의 부가적인 지지 요소(예를 들어, 어깨 스트랩(도시되지 않음))는 또한 허리 벨트(110)에 더하여 이용되거나 대안적으로 이용될 수 있다. 허리 벨트(110)가 허리의 좁은 부분에서 신체에 타이트하게 따르도록 함으로써, 생체 특징은 허리 벨트를 위치에 유지하는 것을 돕는다. 허벅지 브레이스(120)는 엉덩이 관절을 통해 허벅지를 따라 연결 요소(102, 103)를 안내하고 정렬하기 위해 허벅지 상에 지지점 또는 노드를 제공하며, 허벅지의 테이퍼 형상으로 인해, 허벅지는 허벅지 브레이스에 인가되는 상향 장력을 레지스트(resist)시키는 지지점으로서 사용될 수 있다. 허리 벨트(110)와 허벅지 브레이스(120) 사이의 장력은 허리 벨트(110)만으로 달성되는 것보다 더 높은 초기 장력를 생성할 수 있다.
도 8은 보행 주기의 퍼센트로서 생성된 엉덩이, 무릎 및 발목 모멘트를 보여주는 그래프(좌측) 및 보행 주기의 퍼센트에 대해 생성된 운동의 엉덩이, 무릎 및 발목 범위를 보여주는 그래프(우측)를 도시한다. 연결 요소(102, 103)는 보행 시, 연결 요소(102, 103) 내의 장력이 엉덩이가 확장될 때의 시점에서 엉덩이 관절의 굽힘을 촉진하는 모멘트를 적용되도록 장력이 가해질 수 있다. 푸쉬오프(pushoff)(30%-50%) 바로 전의 보행 주기의 부분 동안, 엉덩이는 힘을 흡수한다. 소프트 엑소슈트는 엉덩이 확장에 저항하여 이 시간 동안 에너지의 흡수를 도울 수 있다. 이것 바로 후, 보행 주기 50-70%에서, 엉덩이는 긍정적인 힘을 제공한다. 소프트 엑소슈트는 보완 모멘트를 엉덩이에 인가하여 이러한 힘 생성을 또한 도울 수 있다. 또한, 연결 요소(102, 103)는 무릎 주변 아래로 연장하고, 종아리 아래의 다리의 뒤쪽에서 만나는 종아리 연결 요소(107)에 (예를 들어, 직간접적으로 허벅지 브레이스(120)를 통해) 연결될 수 있다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 다리의 뒤쪽에서, 종아리 연결 요소(107)는, 적어도 일부 실시예에서, 발(예를 들어, 상향 장력에 저항하는 앵커 지점)에 직접(예를 들어, 양말 또는 라이너와 사용자의 신발의 내부면 사이에서 사용자의 내부 신발) 또는 간접(신발을 통해)적으로 관여시키는 발뒤꿈치 부착 또는 앵커 요소에 연결된다. 연결 요소(107)는 또한 신발(예를 들어, 부츠)의 외부에 위치된 지점에 (예를 들어, 중간 앵커 요소를 통해) 직간접적으로 부착될 수 있거나, 대안적으로 부착될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트는 열등한(저급) 앵커 지점이 사용자의 발(또는 다리) 또는 사용자의 신발과 맞물리는 앵커 부재를 포함하는 사용자의 발 (또는 다리)에서 종료한다.
사용자의 발 또는 다리에서나 근처에서 소프트 엑소슈트를 앵커하는 위의 구성의 각각에서, 연결 요소는 소프트 엑소슈트의 강성도를 촉진할 뿐만 아니라 발바닥 굽힘(plantar flexion)에 필요한 모멘트를 생성하기 위해 발뒤꿈치에 힘을 효과적으로 인가하도록 (또는 사례별로 다를 수 있는 발바닥 굽힘을 보조하도록) 고정되거나 장력이 가해진다.
연결 요소(107)로부터의 힘이 사용자의 발 또는 신발에 적용되는 실시예에서, 힘은 예를 들어 발뒤꿈치를 포함하는 직물, 사용자의 발 아래 또는 사용자의 발에 고정된 깔창 인서트, 또는 양말 형상 웨빙 구조를 통해 종골(발뒤꿈치)에 인가될 수 있다. 힘은 발뒤꿈치 자체(또는 신발의 발뒤꿈치 부분)에 인가되어, 발등 굽힘을 보조할 수 있거나, 발바닥 굽힘을 보조하기 위해 하향 힘을 인가하도록 연결 요소, 직물, 웨빙 등(예를 들어, 적용에 적합한 케이블, 기어, 기어 트레인, 레버 등)을 통해 발뒤꿈치로부터 발의 윗면(또는 신발의 윗 부분)으로 다시 향해질 수 있다.
깔창 인서트는 예를 들어 발뒤꿈치 연결 요소를 통해 강성도 또는 반강성도 요소의 후면에 인가되는 힘을 가능하게 하는 강성도 또는 반강성도 요소를 포함할 수 있다. 그 다음, 연결 요소(102-105)로부터의 장력은, 깔창 인서트에 부착된 발뒤꿈치 연결 요소(또는 대안적으로 발뒤꿈치 또는 신발의 후방부 또는 발 위에 배치된 양말형 구조 또는 웨빙 구조의 발뒤꿈치 또는 후방부)에 대한 종아리 연결 요소에 적용될 수 있다. 발뒤꿈치 연결 요소는 발의 밑면을 따라 발뒤꿈치 아래로 연장하고, 발의 윗면을 둘러싸는 하나 이상의 연결 요소에 결합할 수 있기 때문에, 발뒤꿈치 연결 요소에 인가되는 장력은 발목 관절의 발바닥 굽힘(예를 들어, 발 푸쉬오프 운동(foot pushing off motion))을 일으킨다..
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트는 특정 역학적 활동(예를 들어, 걷기 등)을 위해 구성되고 설계되며 최적화된다. 신체가 걷기와 같은 보통의 비보조 운동을 실행하면, 근육은 신체의 뼈를 움직이고, 한 발에서 다른 발로 중량을 전달하여, 순방향 추진 및 반발 중력을 위한 에너지를 제공하기 위한 대사 에너지를 확대한다. 근육은, 도 9a에 나타낸 바와 같이, 발목, 무릎 및 엉덩이 관절에 대한 보행 비율의 함수로 표현되는 관절 모멘트(Nm/kg)에 의해 각각의 단계를 취하기 위해 시간 조정 방식으로 확장하고 플렉스(flex)하도록 한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트는 관절에 대하여 신체 움직임을 보조하거나 억제하기 위해 관절에서 모멘트 또는 토크를 적용하도록 구성될 수 있다. 모멘트가 유익하고, 운동을 보조하거나, 유해하고, 반대적이든, 운동은 적용된 운동의 타이밍의 함수 및 엑소슈트의 연결 요소의 구성일 수 있다. 운동은 일반적으로 관절 주위의 신체 부위의 움직임을 왕복 운동시키는 것을 포함하고, 적절한 시간에 특정 방향으로의 외부 모멘트의 적용은 운동을 보조하기 위해 근육에 의해 가해지는 힘을 보충할 수 있다. 관절이 대향 방향으로 잘 맞물릴 때 한번에 인가된 동일한 모멘트가 근육에 의해 가해진 힘에 대항하고, 운동에 대한 저항을 제시할 수 있다.
소프트 엑소슈트의 연결 부재는 생체 구조에 의한 관절의 회전 중심으로부터 자연스럽게 오프셋되어 있다(예를 들어, 직경이 큰 다리는 회전의 중심으로부터 더 멀리 소프트 엑소슈트를 변위시킨다). 본 발명의 적어도 일부 양태에서, 이러한 거리는, 소프트 엑소슈트와 착용자의 신체 사이의 거리를 증가시키거나 이러한 능동 요소의 경우에 소프트 엑소슈트와 착용자의 신체 사이의 거리를 동적으로 증가시키기 위해 스페이서(예를 들어, 직물, 발포체 요소, 패드 등)와 같은 수동 요소 또는 액추에이터와 같은 능동 요소의 사용을 통하여 증가될 수 있다. 더욱이, 관절이 서로에 대해 움직임에 따라, 하나 이상의 소프트 엑소슈트 연결 부재의 작용선은 관절에 대하여 변경할 수 있으며, 따라서 모멘트를 변경하는 것은 그 연결 부재를 따라 인가되는 힘이었다. 또한, 노드 및/또는 앵커 요소는 인가된 힘에 응답하여 또한 하나 이상의 소프트 엑소슈트 연결 부재의 작용선을 변경할 수 있는 소프트 엑소슈트의 동작 중에 움직일 수 있다. 관절의 움직임 동안 소프트 엑소슈트 연결 부재의 작용의 변경선에 대한 일례는 도 9a에 나타나 있으며, 도 9a는 허벅지 브레이스(120) 및 신발 연결 요소(130) 사이로 연장하는 연결 부재(107)(또한 도 7-8 참조)가 다리가 보행 주기의 30-70%를 통해 움직임에 따라 무릎 회전 축 "A"에 대해 위치를 변경할 수 있음을 보여준다. 연결 부재(107)의 위치에 상대적인 변화는 소프트 엑소슈트가 이러한 움직임의 단계 동안 무릎 관절에 적용할 수 있는 모멘트를 변경한다. 따라서, 장력이 보행 주기의 30-70% 사이에서 연결 부재(107)에 인가되면, 연결 부재(107)는 보행 주기의 30-40%에서 무릎을 연장하는 작은 모멘트를 제공하고, 보행 주기의 50%에서의 무릎에서는 거의 모멘트를 제공하지 않으며, 보행 주기의 60-70%에서는 큰 모멘트를 제공한다.
본 발명의 적어도 일부 양태에서, 종아리 연결 요소(107)는 서로에 대해 약간 비대칭으로 배치되도록 배치되며, 측(외부) 종아리 연결 요소(107)(예를 들어, 도 9b 참조)는 무릎 회전축 A 약간 뒤에 배치되고, 내측 종아리 연결 부재(107)는 측(외부) 종아리 연결 요소의 약간 전방 또는 무릎 회전 축의 약간 전방에 배치된다. 이러한 구성은 항상 무릎 회전 중심을 통해 장력의 지향(directing)을 용이하게 한다. 동적으로, 보행의 초기 단계에서, 내측 종아리 연결 요소(107)는 무릎 회전 중심의 약간 앞에 있고, 측 종아리 연결 요소(107)는 그것을 통하거나 그것의 약간 뒤에 있으며, 보행의 나중 단계에서, 이것은 무릎 주위에서 효과적인 모멘트 팔(및 모멘트)을 감소시킨다.
도 9c는 보행 주기의 서로 다른 부분을 통해 움직이는 사람을 도시한다. 보행 주기에 걸친 엉덩이 각도의 그래프가 또한 도시되어 있다. 이러한 예에서 알 수 있는 바와 같이, 엉덩이 각도는 보행 주기의 0% 및 100%에서 최대이고, 보행 주기의 50%에서 최저이다. 엉덩이의 각도 변화와 신체의 구조로 인해, 허리 벨트(110)와 허벅지 브레이스(120)의 상부 사이의 경로 길이 S는 신체가 보행 주기를 통해 움직임에 따라 변화한다. 따라서, 소프트 엑소슈트는 움직이는 동안 서른 다른 정도로 장력이 가해질 것이다. 연결 요소가 경로 길이(S)에 대응하여 제공되는 경우, 이러한 연결 요소는 움직임의 어떤 지점(예를 들어, 보행 주기의 50%)에서 팽팽하게 되고, 움직임의 다른 지점(예를 들어, 보행 주기의 0%)에서 슬랙 성장할 것이다. 연결 요소의 이러한 자연(비작동) 상태의 정도는 물론 예를 들어 사전 장력 및 재료 선택에 의해 영향을 받는다.
도 9D는 마찬가지로 여러 관절에 걸쳐 연장하고, 허리 벨트(100) (또는 등가의 허리 위치 연결 부재)를 통한 엉덩이 및 신발 연결 요소(130)를 통한 발뒤꿈치에서 앵커되는 소프트 엑소슈트의 일례를 도시한다. 본 명세서에 정의된 바와 같이, 신발 연결 요소(130)는 마모된 신발의 외측에 부착되고(예를 들어, 도 21-22, 26a-26c), 사용자의 발에 부착되며/되거나(도 26d), 마모된 신발 내에 배치되는(예를 들어, 도 26e-26f) 임의의 연결 요소를 포함한다. 이러한 예에서, 소프트 엑소슈트(100)의 구조는 자체가 길이(S2)를 갖도록 도시되는 허리 벨트(110)와 허벅지 브레이스(110) 사이의 길이(경로 S1)를 갖는 제 1 커넥터 요소(104)를 포함한다. 길이(경로 S3)를 갖는 제 2 커넥터 요소(107)는 허벅지 브레이스(110)의 하부에 부착되고, 측 방향 비복근을 따라 실행하고, 신발 연결 요소(130)에 연결된다. 제 1 커넥터 요소(104)(S1)는 움직이는 동안 엉덩이 각도의 변화에 따라 변화한다. 허벅지 브레이스(110)의 길이(S2)는 일반적으로 모든 관절을 통과하지 않는 신체의 부분을 통해 연장할 때 고정된다. 제 2 커넥터 요소(107)의 길이(S3)는 무릎과 발목 각도 사이의 상대적인 변화에 따라 변화한다. 전체적으로, 두 앵커 지점(엉덩이 및 발뒤꿈치) 사이의 거리는 길이(S1, S2 및 S3)의 조합이고, 소프트 엑소슈트의 선택적 장력은 바람직하게는 여러 관절의 결합된 효과를 고려한다.
본 발명에 따르면, 해당 세트 관절에 인가된 모멘트의 타이밍을 이해함으로써, 소프트 엑소슈트는 자연 근육의 움직임에 의해 생성된 모멘트를 보충하기 위해 시간 조정 방식으로 관절의 세트의 일부 또는 모두에 모멘트를 인가하고, 신체가 대사 에너지를 적게 소비하거나 감소된 근육 기능을 가진 사람에 대한 이동성을 복원하면서 동일한 속도로 움직이도록 구성될 수 있다. 이러한 모멘트는 수동적 또는 능동적 방식으로 생성될 수 있다. 수동적 구성에서, 자연 운동은 운동 주기 동안 특정 시간에 특정 관절에서 모멘트를 생성하기 위해 소프트 엑소슈트의 연결 요소와 지지 특징 사이에서 소프트 엑소슈트에 장력을 생성시킬 수 있다. 능동적 구성에서, 전원이 공급된 하나 이상의 액추에이터는 운동 주기 동안에 특정 시간에 특정 관절에서 모멘트를 생성하는 소프트 엑소슈트에 장력을 생성하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트는 근육에 의해 생성된 힘을 보충하는 신체에 힘을 능동적뿐만 아니라 수동적으로 생성하여, 신체가 작업을 적게 수행하고, 보조받지 않은 운동의 실행에 비해 주어진 운동의 대사 비용을 감소시키도록 구성될 수 있다. 이것은 조정 방식으로 장력을 소프트 엑소슈트에 능동적으로 인가하는 하나 이상의 액추에이터와 조합하여 생체 움직임을 사용하여 장력을 수동적으로 생성할 수 있는 소프트 엑소슈트 구성을 사용하여 달성될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트는 사용자의 근육이 사용자의 운동으로부터 에너지를 흡수하는 방식과 유사하게 사용자의 운동으로부터 에너지를 흡수하도록 구성된다. 보행 주기에서 여러 번, 예를 들면, 근육은 중력의 영향 하에서 전방으로 떨어지듯이 몸통의 운동을 저지하거나, 자세에 대비하여 다리를 느리게 하는 것과 같이 힘을 흡수한다. 이들 및 다른 시간 동안 힘을 흡수하기 위해, 근육은 편심으로 수축하고, 힘을 인가하면서 인가된 외력에 따라 연장할 수 있다. 근육이 이러한 상황에서 (또는 근육이 정적 수축할 때 힘이 근육/힘줄에 의해 흡수되는 상황에서) 가해야 하는 힘의 양을 감소하고/하거나, 연조직 손상의 가능성을 감소시키기 위해, 소프트 엑소슈트는 그렇지 않으면 잠재적으로 해로운 또는 최소한 유익함을 증명할 수 있는 신체로부터 힘을 흡수할 시에 언제든지 활성 근육과 평행하게 적용할 수 있다. 그 다음, 이러한 흡수된 힘은 에너지 저장 장치(예를 들어, 스프링 시스템, 탄성 부재 등)를 통해 획득될 수 있고, 이후의 어떤 시점에서(예를 들어, 보행 주기의 후속 시점에서) 신체로 복귀될 수 있다. 예로서, 흡수된 힘은 스프링을 압축하여 획득된 다음에, 인가된 압축력의 감소에 응답하여 확장할 것이다. 압축된 스프링은 에너지가 소프트 엑소슈트 시스템으로 반환될 때까지 압축된 상태의 스프링을 유지하기 위한 래치 또는 어떤 다른 메커니즘을 사용하여 선택적으로 임시 보유되거나 고정될 수 있다. 다른 예에서, 흡수된 힘은 그것을 전기 에너지로 변환하여, 에너지를 배터리에 저장함으로써 획득될 수 있다. 잠재적으로, 에너지는 유압, 공압, 또는 주어진 설계 엔벨로프에 적절한 화학적 에너지 저장 장치와 같은 다른 수단을 통해 저장될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 전원 흡수로부터의 에너지 저장은 슈트의 수동 및 능동 모드 모두에서 생성할 수 있다. 수동 모드에서, 에너지 저장 장치는 수동 메커니즘(예를 들어, 클러칭된 스프링 등)을 사용할 수 있지만, 능동 모드에서, 소프트 엑소슈트는 이러한 방식을 사용하거나, 저장된 에너지를 생성하기 위해 액추에이터에 직접 당기는, 예를 들어 다른 시간에 소프트 엑소슈트를 작동하는 데 사용되는 동일한 전기 모터를 백드라이브하는 방식을 추가적으로 사용할 수 있다.
예를 들면, 도 10a 및 도 25a에 도시된 바와 같이, 종아리 연결 요소(107)는 다리를 맞물리게 하는 신발 연결 요소(130)에 장력을 인가한다. 무릎 관절에 대하여 종아리 연결 요소(107)의 위치에 따라, 종아리 연결 요소(107)의 장력은 무릎 관절에 모멘트를 적용할 수 있다. 종아리 연결 요소(107)를 무릎 관절의 축의 전방에 위치시킴으로써, 종아리 연결 요소(107)의 장력은 무릎 관절의 굽힘을 촉진할 수 있고, 무릎 관절의 축 뒤에 종아리 연결 요소(107)를 위치시킴으로써, 종아리 연결 요소(107)의 장력은 무릎 관절의 굽힘을 촉진할 수 있다. 무릎 관절 축을 통해 종아리 연결 요소(107)를 정렬하는 것은 무릎 관절에 (유리하거나 해로운) 모멘트를 생성하지 않고 장력을 전달하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 수동적 구성 실시예에 따르면, 정상적인 보행 중에, 소프트 엑소슈트에서 생성된 장력이 적절한 시간에 다리 관절(예를 들어, 엉덩이, 무릎 및/또는 발목) 중 하나 이상에 적용될 유리한 모멘트가 자연적인 근육의 움직임을 보완할 수 있도록 종아리 연결 요소(107)는 발뒤꿈치 연결 요소에 비탄성 부재(예를 들어, 케이블, 스트랩 등) 또는 탄성 부재에 의해 연결될 수 있다. 예를 들면, 정상적인 보행은 보행 주기를 통해 약 절반(50%)에서 다리를 후방으로 연장한다. 결과적으로, 종아리 연결 요소(107)를 따라, 허벅지의 앞면에서, 무릎 주위와 발뒤꿈치 스트랩에 대한 다리의 뒤 아래로 허리 벨트(110)로부터 연결 요소(102-105) 아래로 연장하는 소프트 엑소슈트에서 장력이 생성된다. 장력은 엉덩이 익스텐션(extension)을 보조하여, 후속하여 이러한 장력으로 인해 저장된 에너지가 하나 이상의 액추에이터로부터의 활동력 이외에 잠재적으로 표출될 때 다리를 전방으로 플렉스하고 나아가게 하도록 보조하는 엉덩이 관절에 유익한 모멘트를 생성시킬 수 있다. 이러한 장력은 또한 발등 굽힘을 보조하고, 후속하여 하나 이상의 액추에이터에 의해 인가된 활동력 이외에 발목의 발바닥 굽힘을 보조하여, 발이 순방향으로 푸시오프하도록 하는 발목 관절에 유익한 모멘트를 생성할 수 있다.
본 발명의 활성 구성의 실시예에 따르면, 사용자의 운동은 발의 푸시오프 에너지를 높이기 위해 적절한 시간에 뒤꿈치 연결 요소를 능동적으로 당기는 하나 이상의 능동 구성 요소를 추가함으로써 더 보조될 수 있다. 이러한 실시예에서, 발뒤꿈치 연결 요소는 발뒤꿈치 대해 유익한 모멘트를 적용하기 위해 미리 정해진 시간에 발뒤꿈치 연결 요소를 당기는 작동 케이블 또는 다른 작동 부재에 연결될 수 있다. 작동 케이블 또는 다른 작동 부재는, 직접 또는 중간 동력 전달 장치를 통해, 미리 정의된 시간에 지정된 모멘트를 일으키기 위해 힘을 인가하도록 제어기에 의해 제어되는 모터 또는 다른 액추에이터에 연결된다. 일례에서, 케이블(예를 들어, 실질적으로 비압축성 시스를 포함하는 바우덴 케이블)은 다리의 뒤쪽에 있는 하나 이상의 신발 연결 요소(130)에 종아리 연결 요소(107)를 연결한다. 발목에서 푸시 오프를 보조하기 위해 적용된 이러한 힘은 또한 엉덩이에서 굽힘을 보조할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트는 앵커 지점의 역할을 하는 신체의 자연적 특징을 가진 소프트 엑소슈트의 맞물림을 허용하도록 앵커 지점에 배치된 복수의 앵커 요소를 제공하도록 구성된다. 그러나, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 하중의 인가가 일반적으로 바람직하지 않은 결과를 가져오는 경우에신체의 이러한 자연적인 특징이 없는 위치에 앵커 지점 또는 지지 지점을 확립하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 하나 이상의 연결 요소 또는 스트럿츠(struts)는 신체(예를 들어, 어깨, 장골 등)에서 자연적인 특징에 대응하는 하나 이상의 앵커 지점과 같이 원하는 위치에 배치된 지지 지점으로부터 힘을 서로 다른 위치로 전달하는데 이용될 수 있다.
예를 들면, 상술하고 도 10a에 도시된 바우덴 케이블 실시예에서, 바우덴 케이블 시스는 다리의 측면을 따라 사용자의 배낭 지점으로부터 종아리 뒤의 위치로 연장할 수 있다. 따라서, 바우덴 케이블은 다리의 뒤쪽에서 종아리 아래에서 만나는 지점에 있는 종아리 연결 요소(107)에 고정될 수 있고, 케이블 시스의 근단(proximal end)은 엑소슈트에 장력을 유지하는데 도움을 주기 위해 액추에이터의 하우징(예를 들어, 구동 모터 및 풀리 시스템을 포함하는 어깨에 멘 배낭)에 결합된다. 마찬가지로, 본 명세서의 어떤 다른 곳에서 언급된 바와 같이, 다른 케이블 유형 또는 작동 요소(예를 들어, 리본, 섬유 등)가 사용되어, 액추에이터로부터 힘이 인가되는 것이 바람직한 특정 위치로 (예를 들어, 소프트 엑소슈트에서 직물 또는 채널을 통해) 라우팅될 수 있다.
그 후, 바우덴 케이블 시스(144)가 소프트 엑소슈트에 부착하는 지점과 중앙 케이블(142)이 소프트 엑소슈트(100)에 부착하는 지점 사이에 장력이 생성될 수 있다. 결과적으로, 다리의 뒤쪽에 있는 발목 커넥터 요소(113)에 결합하는 바우덴 케이블 시스(144)의 단부에 있는 지지 지점과 허리 벨트(110) 사이의 소프트 엑소슈트(100)에 장력이 생성될 수 있다. 사용자가 걸을 때 배낭이 움직이고, 하부 다리를 행할 때 바우덴 케이블 시스(144)의 근단부와 소프트 엑소슈트의 하부 연결 부재에 연결 지점(113)을 제공하는 바우덴 케이블 시스의 말단부 사이의 거리를 변경한다는 의미에서 이러한 장력은 동적일 수 있다. 게다가, 엉덩이는 또한 움직이고, 엉덩이 상의 앵커 지점과, 사용시 소프트 엑소슈트의 장력에 영향을 미칠 수 있는 하부 다리에서의 앵커 지점 사이의 거리를 변경한다.
따라서, 소프트 엑소슈트의 유익한 모멘트는 근육 작용을 보충하기 위해 유익 모멘트를 생성할 수 있는 힘을 가하는 수동적 및/또는 능동적 구성 요소에 의해 향상될 수 있다. 보조되는 자연 운동 및 운동의 실행 시에 각 관절에 의해 소비되는 힘의 생체 역학을 분석함으로써, 보충 모멘트가 원하는 보조 레벨을 수신하기 위해 식별될 수 있다.
예를 들면, 정상적인 보행 동안, 신체를 앞으로 추진하는 과정에서의 하나의 다리를 다른 다리로 지지를 전환할 경우에 힘은 신체에 의해 소비된다. 이러한 힘의 상당 부분은 엉덩이 및 발목에 의해 제공된다. 도 9a는 하나의 단계 또는 하나의 보행 주기를 통해 발목, 무릎 및 엉덩이에 대한 관절 모멘트의 그래프를 도시한다. 그래프는 발목이 보행 주기를 통해 약 50% 또는 중간에서의 큰 포지티브(positive) 모멘트를 갖고 있음을 도시한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 보행 보조는 보행 주기의 약 35% 내지 60%에서의 포지티브 모멘트를 발목에 인가함으로써 제공될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 하나 이상의 관절(예를 들어, 발목)에 인가된 포지티브 모멘트가 유익할 수 있는 시간에 있거나 멀리 떨어지게 되는 지지 지점을 식별함으로써 소프트 엑소슈트(100)는 신체의 여러 부분의 자연스러운 운동을 이용하도록 설계될 수 있다. 소프트 엑소슈트(100)는 관절의 축에 대해 유익한 모멘트를 생성하도록 하나 이상의 노드 또는 앵커 지점를 사용하여 장력을 확립하기 위해 관절 주위로 연장하는 연결 요소로 구성될 수 있다. 도 10a의 예에서. 예를 들면, 소프트 엑소슈트(100)는 보행 주기 동안 적절한 시간에 발목에 유익한 발바닥 굽힘 모멘트를 생성하기 위해 (허리 벨트(110)를 통해) 엉덩이와 신발 연결 요소(130) 사이로 장력이 가해질 수 있다. 게다가, 소프트 엑소슈트의 장력은, 모멘트가 엉덩이 및/또는 무릎 운동에 유익할 때 보행 주기의 지점에서, 엉덩이 굽힘을 촉진하는 유익한 모멘트를 적용하는 엉덩이 관절, 및/또는 무릎 확장을 촉진하는 유익한 모멘트를 적용하는 무릎 관절을 통해 안내될 수 있다.
증가 또는 추가적인 유익한 모멘트를 제공하도록 소프트 엑소슈트(100)에서 증가 또는 추가적인 장력을 생성할 수 있는 하나 이상의 액추에이터를 제공함으로써 추가적인 대사 에너지는 저장될 수 있다. 예를 들면, 도 10a에 도시된 소프트 엑소슈트(100)에서, 액추에이터(142)는 발목 관절의 축으로부터 변위되는 몇 센티미터인 발뒤꿈치를 당겨 발목 관절에 포지티브 모멘트를 적용하기 위해 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서, 케이블은 실질적으로 비압축성 시스를 포함하는 바우덴 케이블이다. 다른 실시예에서, 시스 자체는 예컨대 에너지를 저장하고 방출하는 탄성 시스를 가지거나, 스프링 요소를 시스내로 통합함으로써 하여 저장하고 시스 탄성 에너지를 방출함으로써 동적 특성을 제공하도록 구성된다.
상술한 바와 같이, 액추에이터 케이블(142)의 말단부는, 도 10a의 예에 도시된 바와 같이, 발 아래의 발뒤꿈치 아래로부터 연장하여, 발등을 감싸는 앵커 요소에 (예를 들어, 연결 요소를 통해) 직간접적으로 부착된다. 구동 모터 및 풀리 시스템은 액추에이터 케이블(142)의 근 단부에 결합될 수 있고, 구동 모터는 운동 보조를 제공하도록 원하는 시간 주기 동안(예를 들어, 보행 주기의 35% 내지 60%) 액추에이터 케이블을 작동시키기 위해 온보드 제어기(예를 들어, 컴퓨터)에 의해 제어될 수 있다. 센서(예를 들어, 발 스트라이크 센서, 관절 각도 센서 등)는 이점으로 사용자의 보행 주기와 액추에이터 케이블(142)의 케이블 작동을 동기화하는데 사용된다. 일례로서, 장력은 하나 이상의 커넥터 요소, 노드 또는 앵커 요소에서 힘 센서에 의해 감지되고, 이러한 힘은 보행 주기를 추정하기 위해 제어기에 의해 모니터링되고 평가되며(예를 들어, 움직임의 여러 주기 동안), 이에 후행하여 제어기는 작동을 가능하게 하기 위해 사용자에 의해 지시 후에나 움직임의 몇 이상의 주기에 걸쳐 액추에이터와 점진적으로 맞물린다. 대안적으로, 제어기는 사용자로부터의 수동 입력 또는 스트랩 내의 힘 센서에 의해 감지되는 장력으로부터의 수동 입력과 같이 다른 피드백에 의해 사용자의 보행을 추론할 수 있으며(예를 들어, 제어기는 움직임의 여러 주기 동안 스트랩 내의 힘을 모니터링할 수 있으며), 이에 후행하여 작동을 가능하게 하기 위해 사용자에 의해 움직임의 몇 이상의 주기에 걸쳐 또는 지시 후에 작동은 점진적으로 램프 업(ramp up)할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 명세서에서의 소프트 엑소슈트는 활동의 특정 지점에서 보조를 제공하여 걷기와 같은 다양한 활동의 대사 비용을 줄이고, 관절에 걸친 연조직(근육, 힘줄 및 인대) 상의 하중을 감소시키기 위해 효율적으로 사용할 수 있다. 사용자가 활동(예를 들어, 걷기)에서 에너지를 덜 소비하는 경우, 사용자는 보조없는 사용자보다 덜 피로할 것이다. 피로는 결국 손상의 위험을 증가시킬 수 있는 성능 저하로 이어진다(예를 들어, 보행의 쇠약). 대사 비용의 감소는 피로 관련 손상의 위험을 감소시킬 수 있다. 본 발명의 적어도 일부 양태에 따르면, 소프트 엑소슈트 시스템은 소프트 엑소슈트없이 활동(예를 들어, 걷기)을 수행할 때 사용자가 경험하는 레벨 이하의 사용자의 대사를 감소시킬 수 있다. 소프트 엑소슈트는 또한 소프트 엑소슈트에 의해 생긴 각 관절에서의 힘의 일부를 가짐으로써 연 조직에 스트레스를 줄일 수 있다.
도 10a에 도시된 소프트 엑소슈트(100)는 예로서, 의류, 섬유, 또는 웨빙 (예를 들어, 합성 및/또는 천연 섬유, 케블라, 등), 의복의 아래 또는 위 착용을 포함하는 복수의 연결 요소를 포함한다. 액추에이터 유닛(200)은 (예를 들어, 어깨 매개 프레임에 부착되는 어깨 매개 배낭 등에서) 등(back), (예를 들어, 허리 벨트 등에 부착되는) 허리, 또는 사용자가 사용하는 장치(예를 들어, 자전거, 휠체어, 카약 또는 카누, 워커 등) 내 또는 상에 착용될 수 있다. 도 10a에서, 바우덴 케이블 유닛(140)은 액추에이터 유닛(200)로부터 연장하고, 소프트 엑소슈트(100)를 신발 연결 요소(130)에 연결한다. 액추에이터 유닛(200)이 사용자에 의해 이용된 장치에 의해 생성되는 구성에서, 바우덴 케이블 시스(144)는 이점으로 (허리 벨트(110)에서) 고정된 앵커 지점에 부착되고 나서 시스에 부착되고, 신발 연결 요소(130)에 부착하기 위해 전달되는 바우덴 케이블(142)에 부착될 수 있다. 상술한 바와 같이, 소프트 엑소슈트(100)는 하나 이상의 연결 요소(예를 들어, 102-105, 107), 노드(예를 들어, 113) 및 앵커 지점을 포함하여, 사용자의 신체를 따라 여기저기로 힘의 전달을 제어한다. 소프트 엑소슈트 시스템(100)은 또한 선택적으로 보행 중에 발에 적용된 힘을 감지하거나 그렇지 않으면 발뒤꿈치 닿기에 대응하는 실질적으로 최대 힘의 지점에서 작동하기 위해(스위치 온 또는 오프) 발 센서(150) 또는 작동 가능한 스위치를 포함한다. 보행의 결정을 보조하기 위해 사용될 수 있는 센서는 예를 들어 풋 스위치, 관성 측정 유닛(IMU), 가속도계, 근전도(EMG) 센서, 선택된 위치에서 사용자의 피부의 스트레인을 검출하기 위한 스트레인 센서, 슈트에서 장력 및/또는 전단력을 검출하기 위해 소프트 엑소슈트에 내장된 센서, 액추에이터 위치를 검출하기 위한 모터 또는 다른 액추에이터 내의 센서, 케이블 내의 힘을 검출하기 위해 바우덴 케이블 또한 바우덴 케이블 시스의 일부와 직렬인 센서, 또는 다른 센서를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트(100)는 바우덴 케이블 유닛(140)의 케이블(142)의 말단부가 시스(144)로 집어넣도록 하는 하나 이상의 액추에이터 유닛(200)(예를 들어, 도 10a-10b)을 포함할 수 있다. 케이블(142)의 말단부는 신발 연결 요소(130)에 연결될 수 있고, 바우덴 케이블 시스(144)의 말단부는 종아리의 뒤쪽에 있는 소프트 엑소슈트(100)에 연결될 수 있다. 케이블(142)이 집어 넣어지면, 케이블(142)은 신발 연결 요소(130)에서 상향으로 당기고, 시스(144)는 종아리의 뒤쪽에 있는 부착 지점으로부터 소프트 엑소슈트(100)를 하향으로 민다. 그 후, 소프트 엑소슈트(100)는 연결 요소(예를 들어, 도 7 참조)를 통해 힘을 허리 벨트(110)를 통해 사용자의 골반까지 전달한다. 그 후, 사용자의 뼈 구조는 힘을 다시 발목 관절로 전달하고 나서 발을 통해 지면으로 전달한다.
소프트 엑소슈트(100)에 의해 생성된 힘은 이점으로 사용자의 근육에 평행하게 작용하여 사용자의 근육을 보완하도록 구성되어 있다. 이것은 신체를 따라 미리 정의된 위치를 따라 연장하도록 연결 요소(예를 들어, 도 7-8의 102-105) 및 노드(예를 들어, 도 7의 노드 1)를 구성함으로써 달성된다. 그렇게 구성되면, 소프트 엑소슈트가 운동에 필요한 나머지 힘을 제공하기 때문에 사용자의 근육은 보행 주기의 특정 부분 동안에 덜 활성화될 수 있다. 이러한 근육 활성화의 감소는 사용자의 대사율을 낮추고, 시간이 지남에 따라 경험하게 되는 피로의 레벨을 감소시키는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 대사 감소는 근육이 힘을 생성하는 것과 동일한 시간에 신체에 힘을 가하고, 근육이 힘을 흡수하는 시간 동안에 신체로부터 힘을 흡수함으로써 달성된다. 발목은 한 발뒤꿈치 닿기에서 다음 발뒤꿈치 닿기로 연장하는 보행 주기에서 약 40-60% 사이의 힘의 큰 펄스를 생성한다. 다리가 신체를 지면으로 밀어낼 때 생성하는 발목에서의 이러한 힘의 입력은 보행 주기 동안 어떤 관절의 가장 큰 힘 버스트이다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 보조 힘 또는 모멘트는 근육이 효율적인 방식으로 대사 감소를 달성하기 위해 이러한 힘 스파이크를 생성하는 운동 주기 동안 그 지점에서 최대의 힘 스파이크를 경험하는 관절에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따르면, 관절 힘의 평가에 기초하여, 소프트 엑소슈트(100)는 보행 주기의 약 40-60% 사이에서 이러한 시점 동안 발목 관절에 보조 힘을 적용하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트(100)는 발목으로부터 골반까지 연장할 수 있으며, 추가적으로 또는 대안적으로, 무릎 및 엉덩이뿐만 아니라 발목에 모멘트를 생성할 수 있다. 다관절 시스템에서, 인가된 힘은 각 관절에 유익하게 영향을 주며, 이에 의해 더 효율적인 보조를 제공할 수 있다. 이러한 양태에 따르면, 소프트 엑소슈트(100)는 이러한 모멘트가 이러한 관절에 유익하게 영향을 주는 경우에 보행 주기 동안에 때로는 무릎 및/또는 엉덩이에 모멘트를 생성시킬 수 있다. 따라서, 하나의 위치/관절에서 소프트 엑소슈트의 장력 또는 변위를 생성하는 자연적인 움직임 및/또는 액추에이터는 둘 이상의 위치/관절을 유익하게 할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트(100)는 다수의 기능을 제공할 수 있다. 소프트 엑소슈트(예를 들어, 100)는 예를 들어 엉덩이 및/또는 발목 관절을 통해 정밀하게 제어된 유익한 모멘트를 생성할 수 있다. 상술한 바와 같이, 모멘트는 자연 근육을 보조하는 경우에 유익한 것으로 간주된다. 개시된 소프트 엑소슈트의 아키텍처 및 연결 요소의 토폴로지는 바람직하게는 가능한 최상으로 모방하도록 구성되고, 힘 벡터는 사용자의 근육에 의해 제공된 힘에 근사한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트는 (예를 들어, 신체의 앵커 부분에 있는 앵커 요소에 단단히 스트랩하는) 강성도를 최대화하기 위해 최적화되어 있다. 발목 외골격의 낮은 직렬 스프링 강성도의 경우, 필요한 힘은 1/k로 증가한다. 따라서, 보조 힘을 착용자에게 적용할 때 더욱 높은 힘 효율을 제공하기 위해 소프트 엑소슈트를 가능한 단단하게 하는 것이 바람직하다. 더욱이, 엑소슈트의 높은 강성도는 운동 동안 및/또는 작동 동안 사용자의 신체에 대한 소프트 엑소슈트의 변위를 감소시키며, 따라서 노드 및 연결 요소의 오정렬 위험을 감소시키고 쓸림을 감소시킬 것이다. 그러나, 다양한 응용은 강성도가 사용자의 활동에 기초하여 변화시키도록 (예를 들어, 보조가 필요하지 않은 경우에 강성도를 최소화하고 투명성을 향상시키며, 보조가 필요한 경우에 강성도를 최대화하도록) 할 수 있는 (예를 들어, 제어기에 의해 자동으로 변화되거나 수동으로 제어되는) 최소화 강성도 및/또는 가변 강성도를 선호할 수 있다는 것이 고려된다.
소프트 엑소슈트(100)의 착용감과 강성도 모두는 엑소슈트의 장력과 정렬에 의해 영향을 받을 수 있다. 소프트 엑소슈트가 사용하는 동안 초기 설정에 의해서든 소프트 엑소슈트(100)의 운동에 의해서든 부적절하게 정렬되면, 생성된 모멘트는 최적이 아닐 것이며, 특히, 모멘트는 필요한 경우에 생성하는 것을 중단하는 경우에 산만하거나 시간이 지남에도 해로운 것으로 증명할 수 있다. 소프트 엑소슈트 기능 또는 효율이 저하되지 않도록 소프트 엑소슈트(100)는 사용자가 움직이고 소프트 엑소슈트가 작동될 때에도 신체상의 정확한 위치에 유지하는 것이 바람직하다.
사용 중에 적절한 배치에서 소프트 엑소슈트(100)의 보유를 용이하게 하기 위해, 소프트 엑소슈트를 입고난 다음에 소프트 엑소슈트(예를 들어, 액추에이터 케이블, 연결 요소 등)에 미리 장력을 인가하는 것이 유리하다. 소프트 엑소슈트의 초기 장력은 (예를 들면, 스트랩, 버클, 피팅, 케이블, 복수의 구성 요소의 장력을 동시에 조정하는 제어부 등을 조정함으로써) 수동으로 조정되거나, 하나 이상의 액추에이터(예를 들어 모터 구동 메커니즘)를 사용하여 자동으로 조정될 수 있다.
도 7-8 및 10의 예에서, 사용자가 소프트 엑소슈트(100)를 입고있는 동안, 사용자는 소프트 엑소슈트를 편안하게 꼭 맞도록 하기 위해 연결 요소를 팽팽하게 조일 수 있다. 그리고 나서, (결과적으로 앵커 부재(130)에 부착되는) 커넥터(113)에 부착되는 케이블(142)은 시스(144)내로 들어가고, 시스(144)는 소프트 엑소슈트(100)를 끌어내리고, 앵커 부재(130)를 끌어올리고, 케이블(142)에서 어떤 슬랙을 제거하며, 시스템에 소량의 장력을 생성한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 사용자는 운동 중(예를 들어, 걷기) 엑소슈트의 존재를 간신히 검출하기 위해 장력을 설정할 수 있다. 그 후, 작동은 시스템 장력의 지점으로부터 소프트 엑소슈트(100)에 적용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 바우덴 케이블과 같은 액추에이터 작동 부재는 작동되는 발 및 발목 관절로부터 떨어져 작동 시스템(200)의 질량(mass)(도 10a)을 위치시키는데 사용된다. 이러한 작동 부재를 사용하여, 작동 시스템(200)은 사용자의 허리에 부착되거나 배낭으로 운반될 수 있다. 적어도 일부 양태에 따르면, 바우덴 케이블을 이용하는 작동 시스템(200)은 사용자의 운동에 불리하게 영향을 주지 않는 경로를 따라 케이블 시스의 라우팅을 허용한다. 바우덴 케이블의 시스(144)가 소프트 엑소슈트에 부착될 수 있는 다수의 방법이 존재한다. 예로서, 시스에 대한 하나의 부착 방식은 소프트 엑소슈트의 하나 이상의 지점에 배치되는 수형/암형 커넥터를 포함하고, 대응하는 수형/암형 커넥터는 케이블 시스의 적절한 부분을 따라 배치된다. 다른 구성에서, 케이블 시스(144)는 소프트 엑소슈트(예를 들어, 바느질, 결합제, 접착제 등)에 고정 부착되고, 소프트 엑소슈트에 형성된 채널을 통해 라우팅되고, 벨크로(Velcro) 부착 부재를 사용하여 소프트 엑소슈트에 부착되거나, 하나 이상의 타이형(tying) 부재와 함께 사용하여 소프트 엑소슈트에 부착될 수 있다.
작동 시스템(200)이 바우덴 케이블을 이용하는 경우, 예를 들어, 작은 기어드 모터(geared motor)는 풀리를 구동하기 위해 제공되거나, 대안적으로, 풀리를 직접 구동하는 큰 모터는 도 10a의 예에 도시된 바와 같이 발뒤꿈치에 보조 힘을 적용하기 위해 케이블(142)에 끌어당기는데 사용될 수 있다. 다른 구동 메카니즘은 물론 선형 모터 및 유압/공압형 액추에이터와 같이 사용될 수 있지마, 이에 제한되지 않는다. 작동 시스템(200)의 방식은 부분적으로 보조될 수 있는 운동과, 이러한 보조된 운동에 대한 특정 중량 및 성능 요건에 의존한다. 보행 도움에 관한 일부 양태에 따르면, 액추에이터 시스템(200)은 대사 이득을 유지하면서 소프트 엑소슈트(100)의 작동 시스템 (200)의 중량을 최소화하는 100W 미만의 평균 전력을 제공하도록 구성된 배터리 또는 복수의 배터리를 이용한다. 예를 들면, 사용자에 의해 운반되는 추가적인 질량은 (예를 들어, 뒤쪽에서 부가된 kg 당 약 0.9%의 비율로) 사용자의 대사에 대응하고 예측 가능한 증가를 야기하며, 그래서 작동 시스템(200)의 중량을 최소화하는 것이 사용자에 의해 부담될 경우에 일반적으로 유리하다.
도 11은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(100)의 일례를 도시한다. 소프트 엑소슈트(100)는, 도시된 바와 같이, 노드(1)를 통해 연결 요소(102, 103)에 의해 결과적으로 허벅지 브레이스(120)에 연결되는 연결 요소(104, 105)에 연결되는 허리 벨트(110)를 포함한다. 허벅지 브레이스(120)는 종아리 스트랩(107)에 의해 T-커넥터(113)에 연결된다. 소프트 엑소슈트(100)는 사용자의 자연스러운 운동을 수용하고, 작동 시스템(200) 및 케이블(142)에 의해 생성된 힘(예를 들어, 도 10a 참조)을 자연스러운 운동의 힘의 것으로 조정하기 위해 조절될 수 있다. 사용자가 걸을 때, 작동 시스템에 의해 생성되고 케이블로 전달된 힘은 걷는 동안 사용자의 근육 작업을 줄이기 위해 사용자의 발 뒤꿈치 부분에 적용된다.
걷고 달리는 동안, 다리의 근육은 사람의 질량 중심을 앞으로 추진하고, 직립 자세를 유지하도록 중력에 저항하기 위해 보행 주기 동안 엉덩이, 무릎 및 발목 관절에 모멘트(모멘트 힘)를 생성한다. 이러한 모멘트는 스윙을 밀어내기 위해 자세를 통해 발뒤꿈치 닿기와 중량 수용으로부터 사람을 안내하기 위해 이러한 관절 주위의 근육에 의해 생성되는 경우에 시간이 지남에 따라 크기 및 방향을 변경한다. 언급된 바와 같이, 본 발명의 양태에 따른 소프트 엑소슈트 시스템(100)은 바람직하게는 발목 관절에서 자연 모멘트를 보충하기 위해 작동 시스템(200) 및 케이블(142)에 의해 생성된 힘을 시간 측정하고, 대사성 부담을 줄여 운동성을 향상시킨다. 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트(100)의 구조는 보행 주기 동안 엉덩이 및 무릎에 유익한 모멘트를 제공하기 위해 엉덩이 및 무릎 관절 주변으로 또한 연장한다. 작동 시스템 (200)은 케이블(142)에 들어가고, 사용자의 발에 힘을 인가하면, 시스(144)는 또한 T 커넥터(113) 및 소프트 엑소슈트(100)상의 하향 힘을 인가하며, 이는 보행 주기 동안 엉덩이 또는 무릎에 유익한 모멘트를 적용할 수 있다.
일부 양태에 따르면, 소프트 엑소슈트(100)의 T-커넥터(113)에 인가된 힘은 T-커넥터(113)와 허리 벨트(110) 사이의 소프트 엑소슈트에 장력을 생성시킨다. 노드 1 및 허벅지 브레이스(120)는 각 관절에 유익한 모멘트를 제공하기 위해 무릎 및 엉덩이를 통해 장력을 정렬하는데 도움을 준다. 건강한 성인의 경우, 레벨 지상 힘(level ground power)에서 자기가 선택한 속도로 걷는 것은 대부분의 경우에 엉덩이와 발목에서 생성되고, 무릎에서 소멸된다, 결과적으로, 근육은 이러한 모멘트를 생성하기 위해 대사 에너지를 소비한다. 언급된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트의 양태의 이득 중 하나는 푸시 오프 동안 발바닥 굽힘을 보조하고, 나중 자세 중 엉덩이에서 에너지를 흡수하는 것을 보조하기 위해 발목에 에너지를 추가하고, 자세의 나중 부분 동안 에너지를 추가하여 보행의 대사 비용을 줄일 수 있다. 발목에서 에너지를 추가하면은 푸시 오프에 필요한 큰 발목 모멘트 및 힘을 생성시켜, 필요한 대사 비용을 저감하는데 필요한 근육의 활성화를 감소시킬 수 있다. 걷기의 대사 비용을 줄이기 위해, 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트는 이점으로 자연 보행 역학을 허용한다. 소프트 엑소슈트의 일부 양태에서, 발목에 적용된 에너지는 발뒤꿈치쪽으로 당기고, 발바닥 확장을 촉진하고/하거나 야기하는 케이블에 의해 제공된다. 케이블 시스(144)로부터의 힘은 소프트 엑소슈트(100)의 연결 요소를 통해 분산된다(예를 들어, 도 10a 참조).
도 11에서 알 수 있는 바 같은 소프트 엑소슈트(100)의 구조는 신발(예를 들어, 부츠, 구두 등) 연결 요소(130)에 연결되는 (사용자의 하부 허벅 다리에 고정된) 허벅지 브레이스(120)에 허리 벨트(110)를 연결한다. 허리 벨트(110) 및 허벅지 브레이스(120)는 사용자의 허벅지의 전면 및 중간 부분에서 노드(1)와 상호 작용하는 연결 요소(102, 103)에 의해 연결된다. 허벅지 브레이스(120) 및 신발 연결 요소(130)는 연결 요소(107) 및 발목에 액추에이터 힘을 인가하는 케이블(142)에 의해 연결된다. 허리 벨트와 노드(1) 사이의 연결 요소(102, 103) 및 노드(1)와 허벅지 브레이스(120) 사이의 연결 요소(104, 105)는 예를 들어 양측을 함께 끌어당겨 원하는 위치에서 벨크로와 연결하거나 효율적인 동작을 억제하는 시스템에서 어떤 슬랙을 제거하기 위해 다른 측 상의 슬라이드 또는 버클을 통과하는 한 측을 당김으로써 사전 장력이 가해질 수 있다. 연결 요소(104, 105) 내의 사전 장력은 예를 들어 노드(1)가 적소에 고정되고, 허벅지 브레이스가 사용자의 허벅지 주변에 위치되어 조여진 후에 수행될 수 있다. 따라서, 소프트 엑소슈트(100)는 형상이 모두 원추형이며, 따라서 인가된 사전 장력에 대한 저항을 제공하는 허벅지(허벅지 브레이스(120))와 골반(허리 벨트(110)) 사이에 사전 장력이 가해진다.
이러한 힘이 예컨대 도 10-11에 도시된 소프트 엑소슈트(100)에 의해 발목에 인가되는 경우, 장력은 또한 무릎과 엉덩이 관절을 통해 소프트 엑소슈트 내지 골반으로 재지향된다. 연결 요소가 (추가로) 장력을 받는 경우, 이들은 소프트 엑소슈트 대 사용자 접촉의 다양한 지점에서 사용자에 대한 수직력(normal force) 뿐만 아니라 엉덩이, 무릎 및 발목 주위에 모멘트를 생성한다. 일부 양태에 따르면, 소프트 엑소슈트(100)는 이점으로 사용자에 따르면 되고 정렬되어, 이러한 모멘트 및 힘은 사용자가 추가적인 대사 에너지를 소비하도록 하는 사용자의 자연스러운 보행에 악영향을 주지 않도록 보장한다. 연결 요소, 노드 및 앵커 지점의 배치 및 방향은 장력이 엑소슈트의 다양한 요소에 배치되는 경우에 해당 관절(예를 들어, 엉덩이, 무릎 및/또는 발목) 주위에 유익한 모멘트를 생성하도록 선택된다.
소프트 엑소슈트(100)의 강성도가 증가하는 경우, 소프트 엑소슈트는 소프트 엑소슈트의 구성 요소(예를 들어, 노드, 연결 요소 등)의 보조 및 최소 전위(minimal dislocation)의 원하는 레벨 모두를 제공하는 방식으로 사용자에게 작동력을 더 잘 전달할 수 있다. 언급한 바와 같이, 소프트 엑소슈트(100)는 이점으로 하위 및 안쪽/측면 힘을 분산하기 위한 해부학 레지(anatomical ledge)를 제공하는 장골의 상단에 허리 벨트(110)를 배치하여 골반이 부담하는 힘을 허용함으로써 엑소슈트 강성도를 향상시키기 위해 하나 이상의 앵커 지점(예를 들면, 골반, 어깨, 등)에 의존할 수 있다. 도 7의 예에 도시된 바와 같이, 소프트 엑소슈트(100)는 둘다 노드(1)로부터 유래하는 연결 요소(102, 103)를 통해 다리에 생성된 힘을 각 골반측으로 전달한다. (예를 들어, 각 다리의) 노드(1)로부터 골반의 양측으로 힘을 분산하기 위해 연결 요소(102, 103)를 제공하면, 동일한 측 골반 뼈에 앵커되고, 각각의 장골에 대한 피크 지점 힘을 감소시키며, 사용 중에 소프트 엑소슈트의 편안함을 향상시키는 전체 작동력과는 반대로 작동으로부터의 힘은 골반의 양측을 통해 분산될 수 있다. 더욱이, 노드(1)를 반대측 엉덩이에 연결하는 연결 요소(예를 들어, 도 7의 103)를 이용하여, 소프트 엑소슈트는 반대측 엉덩이에 부착하는 각도로 인해 대향 장골에 수평력뿐만 아니라 수직력을 생성할 수 있다. 이러한 수평력은 장골의 상단에 허리 벨트를 바이어스하는 것을 돕는 경우에 허리 벨트(110)가 아래로 미끄러지지 못하게 하는데 도움을 준다.
도 16에 도시된 바와 같이, 연결 요소(1)(허리 밴드)에 대한 힘은 신체 주위로 거의 수평으로 진행하지만, 연결 요소(3)에 대한 힘은 하향으로 경사진다. 함께 작용하는 이러한 두 연결 요소로부터의 생성된 힘 벡터는 이러한 두 벡터 사이에 있고, 신체의 시상면에서 관찰된 바와 같이 이러한 영역에서 라운딩되는 골반에 거의 수직이다. 신체로 정상적으로 당긴다는 것은 큰 하중을 인가하면서 연결 요소가 적소에 있게 할 수 있고, 불쾌감을 야기할 수 있는 접선 방향의 운동을 방지한다.
도 16에서의 노드(1)의 위치는 발목에서 오는 힘이 각각의 골반측으로 재지향되는 각각의 다리에 대한 하나의 지점으로 라우팅되도록 허용한다. 본 발명의 일부 양태에 따르면, 노드(1)를 허리 벨트(110)에 연결하는 연결 요소의 조정이 허리 벨트에 대한 힘의 방향을 조정하도록 허용함으로써 노드(1)는 소프트 엑소슈트(100)가 여러 관절에 생성하는 모멘트를 통한 제어를 허용한다.
허벅지 브레이스(120)는 종아리 연결 요소(107)(예를 들어, 도 7 참조)가 무릎의 회전 중심에 대해 자신의 위치를 수용하기 위해 약간 경팔다리도록 함으로써 소프트 엑소슈트(100)에 장력을 유지하도록 구성될 수 있다. 종아리 연결 요소(107)는 액추에이터 케이블(142)을 통해 신발 연결 요소(130)에 연결될 수 있다. 신발 연결 요소(130)는 신발(예를 들어, 부츠, 신 등)의 발 뒤꿈치의 주변에 하네스(harness)로서 작용할 수 있는 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다. 신발 연결 요소(130)는 사용자의 발을 뻣뻣한 연결부에 제공하고, 신발을 통해에 힘을 분산할 수 있다. 예를 들면, 액추에이터 케이블(142)이 신발 연결 요소(130)에 상향의 힘을 가하면, 힘은 요소 또는 재료를 발 바닥과 발 앞쪽에 연결하는 시스템을 통해 전달되며, 여기서 상향력은 발 뒤꿈치의 뒤쪽에 가해지고, 하향력은 앞발의 상단에 가해진다. 신발 연결 요소(130)는 효과적으로 발목에 힘을 가하기 위해 발뒤꿈치에서 뻣뻣한 부착 지점을 액추에이터 케이블(142)에 제공한다. 신발 연결 요소(130)는 또한 상향 작동력을 발 뒤꿈치의 뒷면과 발의 앞쪽으로 전달함으로써 푸시 오프시에 발바닥 굽힘 모멘트를 보조하며, 여기서 그것은 하향력을 발의 상부에 인가하며, 따라서 발목의 양측에 발바닥 굽힘을 보조하는 힘을 가한다.
적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트(100)는 절단되거나 그렇지 않으면 미리 정의된 크기로 형성되고 함께 꿰매지는 평평한 재료(예를 들어, 웨빙, 직물 등)로 구성된다. 도 12는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 평면 패턴 레이아웃의 일례를 도시한다. 허리 벨트(110)는 다양한 허리 지름을 가진 사람에게 허리 벨트를 조정하기 위해 통상의 벨트 고정 장치와 같이 오버랩되고 고정될 수 있는 부분에 형성될 수 있다. 예로서, 도 12에 도시된 부분 또는 패널은 하나 이상의 립 스톱(rip-stop) 나일론 층 및 가용성 인터페이싱 층으로부터 구성될 수 있거나, 하나 이상의 립 스톱 나일론 층 및 폼 패딩(예를 들어, 1/16" 내지 ½" 두께의 폴리우레탄 또는 에틸렌비닐 아세테이트(EVA)) 층으로부터 구성될 수 있다. 연결 요소는 예를 들어 ½"-3" 폴리에스테르 웨빙으로부터 구성될 수 있다. 일 양태에서, 연결 요소(102, 103)는 2" 폭의 폴리에스테르 웨빙으로부터 형성되지만, 나머지 연결 요소의 균형은 1" 폭의 폴리에스테르 웨빙으로부터 형성된다. 일부 연결 요소(예를 들어, 종아리 연결 요소(107)의 말단부)는 다른 연결 요소 또는 구조에 대한 연결을 용이하게 하기 위해 루프를 형성하도록 꿰매질 수 있다. 버클(예를 들어, 플라스틱 버클)은 연결 요소를 조여 고정하기 위해 사용될 수 있다. 허벅지 브레이스(120)는 하나의 부분 또는 두 부분을 포함할 수 있고, 적어도 일부 양태에서, 한 측에 궤매진 후크 및 루프 패스터(loop faster)(예를 들어, Velcro®)를 가진 스트레치 트윌(stretch twill) 재료(예를 들어, 코튼 폴리에스테르 블렌드)로부터 구성된다.
도 13은 본 발명의 적어도 일부 실시예에 따라 소프트 엑소슈트의 연결 요소가 배치되고 구성될 수 있는 방법의 예시적인 예를 제공한다. 도 13에서, 소프트 엑소슈트의 서로 다른 연결 요소는 스트랩을 포함하고, 아래 표 2에 번호가 매겨지고 명명된다.
| 스트랩 번호 | 이름/설명 |
| 1 | 허리 벨트 연결 요소 |
| 2 | 노드 1 내지 동일한 엉덩이 연결 요소 |
| 3 | 노드 1 내지 반대의 엉덩이 연결 요소 |
| 4 | 허벅지 연결 요소- 측면 |
| 5 | 허벅지 연결 요소- 안쪽 |
| 6 | 허벅지 연결 요소 내지 종아리 연결 요소- 측면 |
| 7 | 허벅지 연결 요소 내지 종아리 연결 요소- 안쪽 |
| 8 | 종아리 연결 요소- 측면 |
| 9 | 종아리 연결 요소- 안쪽 |
도 13에서, 허리 벨트는 사용자로부터 멀리 떨어진 측면을 제시하여 차츰 평평해지게 표시된다. 이러한 보기(view)는 허리 벨트와 그것에 직접 부착된 연결 요소의 개요를 제공한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 허리 벨트는 단부에서 연결 요소에 결합될 수 있는 상부 벨트 연결 요소 및 하부 벨트 연결 요소와, 허리 벨트와 신체 상의 어떤 접촉 지점(예를 들어, 장골) 사이에 배치되는 폼 또는 다른 패딩을 가진 사용자의 허리 주위에 허리 벨트가 고정될 수 할 수 있는 버클을 포함한다. 도 13의 연결 요소(2 및 3)는 허리 벨트(110)로부터 의존하고, 도 13 및 14b에 도시된 바와 같이, 노드(1)의 상부에 연결한다. 도 13의 연결 요소(4 및 5)는 노드(1)의 하부로부터 의존하고, 허벅지 브레이스(200)의 상부에 연결한다. 도 14a-14b에서, 부분적으로 도 13에 도시된 소프트 엑소슈트는 예시를 위한 마네킹에 도시된다.
허리 벨트(110)는 소프트 엑소슈트가 수직력 아래로 끌어내리지지 않도록 하거나, 허벅지 브레이스를 엑소슈트의 골반 부분에 부착하는 연결 요소의 각도의 결과인 수평력으로 인해 장골을 통해 미끄러지지 않도록 한다. 벨트는 또한 허리 벨트 연결 요소를 조여 골반 주위에 배치된 장력으로 인해 아래로 미끄러지는 것을 방지한다. 그것은 벨트의 일부가 엉덩이 뼈의 장골의 상부에 전달하는 골반 주위에 장력을 생성하여 이를 달성한다. 골반은 소프트 엑소슈트(100)의 연결 요소를 통해 발목에서의 T-커넥터(113)로부터 전달되는 힘에 대한 지지 또는 앵커 지점의 역할을 한다.
일부 실시예에 따르면, 골반은 무릎 및 어깨와 같은 다른 뼈 랜드마크에 비해 보행 주기 동안 운동의 비교적 작은 범위를 갖는다. 골반은 보행 주기 전반에 걸쳐 총 약 12°를 회전하는 가로 평면에서 가장 큰 움직임을 가지고 있다. 비교하면, 무릎은 시상면에서 약 50°움직이고, 어깨의 움직임은 임의의 주어진 시간에 사용자의 자세에 의해 크게 좌우된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 골반의 사용은 주로 보행 보조에 대한 본 발명에 따른 소프트 엑소슈트(110)의 실시예에 유리하다. 골반의 운동 범위와 보행 주기 동안 다양한 다리 세그먼트의 위치의 순환성은 보행 주기 동안 특정 시간에 소프트 엑소슈트(100) 장력을 유지할 수 있는 적절한 앵커 지점의 선택을 알리는 데 도움을 주는 보행 주기 동안 골반과 다양한 다리 세그먼트 사이의 거리를 상당히 예측 가능하게 한다. 더욱이, 골반 구조는 허리 벨트(110)가 수직력 및 수평력 모두를 앵커하도록 효과적으로 부착될 수 있는 레지를 형성한다.
소프트 엑소슈트(100)의 강성도는 부분적으로 사용자 소프트 엑소슈트 인터페이스의 컴플라이언스(compliance)에 의해 결정된다. 사용자와 소프트 엑소슈트(100) 사이의 인터페이스의 컴플라이언스가 낮을수록 동작 시에 소프트 엑소슈트의 강성도는 높다. 안정적이고 낮은 컴플라이언스 특징에 앵커함으로써, 소프트 엑소슈트는 더욱 높은 힘을 사용자의 신체로 전달할 수 있다. 게다가, 골반의 대칭성은 하중이 사용자의 신체에 고르게 분산될 수 있도록 한다. 작동력을 각각의 신체측으로 분산함으로써, 어느 한 시점에서 소프트 엑소슈트로부터 신체에 작용하는 수직력은 감소될 수 있고, 욕창, 마찰 및 러빙(rubbing)의 형성을 최소화하며, 이에 의해 슈트의 감지된 편안함을 증가시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 적어도 일부 양태에서, 작동력은 또한 신체(예를 들어 몸통, 어깨 등)상의 하나 이상의 다른 위치로 분산될 수 있거나 대안적으로 분산될 수 있다.
적어도 하나 이상의 양태에서, 허리 벨트(110)는 상부 벨트 연결 요소 및 하부 벨트 연결 요소를 포함하며, 상부 벨트 연결 요소는 관골의 상부에 배치되고(선택적으로 폼 패딩은 장골의 상부에 달려있는 위치에 상부 벨트 연결 요소 상에 제공되며), 하부 벨트 연결 요소는 장골 바로 아래에 놓이도록 배치된다. 이러한 2개의 연결 요소는 조합하여 안정된 부착 플랫폼을 제공한다.
장골에서의 골반은 소프트 엑소슈트의 컴플라이언스를 최소화하기 위한 적절한 앵커 지점을 제공한다. 언급한 바와 같이, 소프트 엑소슈트는 이점으로 허리 벨트가 놓여 있을 수 있는 장골에서 레지를 제공하는 골반의 기하학적 형상을 활용한다. 이것은 수직력 및 수평력 모두를 앵커할 수 있게 한다. 수평력은 또한 골반측을 둘러싸는 연결 요소(예를 들어, 하부 벨트 스트랩)에 의해 저항을 받을 수 있다. 컴플라이언스를 줄이는 것은 더 뻣뻣한 소프트 엑소슈트를 고려하며, 이러한 소프트 엑소슈트는 힘을 그것에 효과적으로 인가하며, 따라서 착용자에 인가하는데 유용할 수 있다. 소프트 엑소슈트가 어떤 수준의 강성도에 도달할 경우, 그것은 소프트 엑소슈트를 통해 자신에게 전달되는 힘으로부터 사용자를 보호하기 위해 유용할 수 있다. 계층식 직물 또는 폼 패딩과 같은 패딩은 사용자에 더 큰 표면적에 걸쳐 이러한 힘을 분산할 뿐만 아니라 이러한 힘의 영향을 감소시키는 감쇠 매체(damping medium)를 제공하는데 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 패딩은 시스템에서 컴플라이언스를 증가시킬 수 있으며, 따라서 효율 및 편안함의 균형을 달성하기 위해 컴플라이언스 및 강성도를 최적화하도록 제어하기 위한 다른 변수를 제공한다.
적어도 일부 양태에서, 노드 1(예를 들어, 도 7, 도 13, 도 14b 참조)은 각각의 다리에서 발목 작동으로부터 생성한 힘이 수렴하여, 각각의 사용자의 골반측으로 분산되도록 나누는 접합부로 구성될 수 있다. 사용자의 허벅지에 노드(1)의 위치를 조정하면은 힘의 균형 및 소프트 엑소슈트(100)의 장력을 유지하기 위해 유용할 수 있다. 힘은 허벅지 브레이스(120)를 소프트 엑소슈트의 허리 벨트(110)에 부착하는 하나 이상의 스트랩을 통해 분산될 수 있다.
예로서 도 7 및 도 14b, 도 16에 도시된 바와 같이, 노드(예를 들어, 도 14b의 노드(1))는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 정면에서 허벅지의 중간에 배치되고, 도 14a에 도시된 바와 같이 연결 요소(2) 및 연결 요소(3)에 의해 조정될 수 있다. 허벅지 상의 노드(1)의 수직 배치는 사용자의 크기 및 노드에서 허벅지의 상부까지의 거리에 따라 조정될 수 있으며, 이는 사용자마다 다르지만, 일반적으로 그것이 엉덩이 굽힘을 방해하지 않도록 충분히 아래에 있다.
노드 위치는 그것이 엉덩이 굽힘을 방해하는지의 여부를 확인하기 위해 설정된 후에 적절한 수직 배치는 소프트 엑소슈트를 착용한 사용자를 자신의 엉덩이을 굽히게 함으로써 검증될 수 있다. 노드의 배치는 본 발명의 일부 양태에 따라 힘 불균형으로 인해 회전하는 허벅지 브레이스(120)와 관련된 문제를 방지하거나 줄일 수 있는 소프트 엑소슈트(100)의 힘 경로(force paths)를 선택적으로 정렬하고 조정하는데 사용될 수 있다. 부적절하게 정렬된 힘 경로는 부자연스러운 운동, 근육의 피로와 통증을 생성할 수 있는 엉덩이 및 무릎에서 원치 않는 모멘트를 생성할 수 있다. 노드(1)의 사용을 통해(예를 들어, 도 13, 도 14b, 도 16 참조), 발목 작동으로부터 생성한 힘은 발목에서 허벅지의 전면으로 제어 및 선형 경로로 전송되며, 여기서 그것은 골반의 어느 한 측으로 더 분산될 수 있다. 이러한 방식으로 하나의 접합부(노드)로 전달하는 연결 요소에 의해, 엉덩이 및 무릎 주위의 장력 경로가 허용한다. 엑소슈트에 연결 요소의 조임, 풀림 또는 재위치 설정에 의해 더욱 일관되게 조정되도록 한다. 이것은 소프트 엑소슈트가 보행 주기 동안 엉덩이 및 무릎에 생성하는 모멘트의 더 큰 제어 및 미세 동조를 가능하게 한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 노드(1)를 이용하는 소프트 엑소슈트의 특정 구성은 훨씬 더 높은 엑소슈트 강성도를 달성할 수 있는 경우에 힘 경로를 각각의 골반 측에 앵커하기 때문에 달성 가능한 것보다 훨씬 더 높은 엑소슈트 강성도를 달성하는데 도움을 준다. 노드(1)의 사용은 소프트 엑소슈트(100)가 골반을 통해 힘을 분산하도록 할 수 있으며, 여기서 허리 벨트의 강성도는 훨씬 크고, 소프트 엑소슈트가 변위를 매우 작게 하면서 더욱 높은 힘을 유지할 수 있도록 한다. 노드(1)를 허리 벨트(110)에 연결하는 연결 요소는 내측 방향, 측 방향 및 수직 방향으로 제한되는 경우에 노드의 위치에 고정될 수 있다. 연결 요소(4 및 5)(예를 들어, 도 16 참조)는 허리 벨트(110)와 허벅지 브레이스(120) 사이의 소프트 엑소슈트에 프리텐션(pretension)을 확립하도록 장력이 가해질 수 있으며, 이러한 프리텐션은 그것을 골반 아래와 허벅지 위로 프리로딩(pre-loading)함을 통해 소프트 엑소슈트 강성도를 증가시킨다. 장력을 가한 연결 요소(4 및 5)로부터 생성한 정확한 프리로드는 사용자에 따라 달라질 수 있는 사용자의 편안함에 따라 조정될 수 있는 허벅지의 전면에 걸쳐 스너그 장력(snug tension)을 질적으로 생성함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 양태에 따르면, 허리 벨트(110)(예를 들어, 도 7 참조)는 장력이 허리 벨트에 유지될 때 최적으로 기능한다. 허리 벨트(110)가 적절하게 장력을 받지 않은 경우, 소프트 엑소슈트(100)는 작동이 적용될 때 약화될 것이다.
허리 벨트(110)의 적절한 수직 배치는 적절한 소프트 엑소슈트 강성도를 유지하는데 바람직하다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트(100)는 사용자에 작용하는 힘의 대부분을 위한 앵커로서 골반의 장골을 이용한다. 허리 벨트(110)가 장골에 의해 지지되지 않는 경우, 소프트 엑소슈트(100)는 신체의 다른 특징에 의해 지지되지 않으면 많은 초기 강성도로서 제공할 수 없다. 허리 벨트(110)의 위치가 너무 낮게 설정하거나, 사용시 너무 낮아지게 되면, 그것은 사용자의 엉덩이의 운동을 방해하여, 불편(예를 들어, 엉덩이 굴근의 통증)을 유발하고, 소프트 엑소슈트 기능을 저하시킬 수 있다.
소프트 엑소슈트의 양태를 평가하는 동안, 그것은 초기 중간 지지기 동안 엉덩이에 걸쳐 생성된 장력이 엉덩이 굴근과 중둔근 근육에 근육 피로로 이어질 수 있다는 것을 발명자가 발견하였다. 초기 중간 지지기에서, 엉덩이는 굽혀지고, 따라서 이러한 굽힘에 저항하는 모멘트를 생성하기 위해, 장력은 엉덩이의 회전 중심 뒤 및 그것의 아래에서 허벅지의 전면으로 통과하는데 필요로 된다. 따라서, 도 13 또는 도 14b의 연결 요소(2)가 엉덩이의 회전 중심 아래로 통과하는 경우, 그것은 이러한 모멘트를 생성할 수 있다. 이러한 모멘트를 생성하는 연결 요소(2)로 이어질 수 있는 2가지 가능한 방식이 있다. 제 1는 노드(1)가 허벅지에 너무 낮게 위치되는 것이다. 제 2는 연결 요소(2)가 추가로 허리 벨트 뒤에 부착되는 것이다. 연결 요소(2)는 노드(1)(도 13 또는 도 14b 참조)가 허벅지의 중심에 대하여 정확하게 위치 설정되면 (예를 들어, Velcro®를 통해) 허리 벨트에 직접 부착될 수 있다. 노드(1)가 정확하게 배치되면, 그것은 노드(1)로부터 직선으로 연결 요소(2)를 허리 벨트로 연장하고(즉, 연결 요소가 부드럽고 착용자와 같은 높이로 있는 것을 확인하고), 연결 요소(2)가 허리 벨트에 대한 부착의 적절한 각도를 갖는 것을 보장함으로써 연결 요소(2)를 허리 벨트(110)에 부착하여 고정될 수 있다. 일반적으로, 노드(1)는 허벅지의 중심에서, 골반(예를 들어, 장골)의 약 10cm 내측에 슬개골 바로 위에 횡방향으로 위치되고, 허벅지와 몸통 사이의 주름 바로 아래에 수직으로 위치될 수 있다. 연결 요소(2 및 3)는 각각 신체의 동일 측과 반대 측에서 이러한 지점으로부터 골반의 측(장골의 측)으로 상방으로 경사져 연장할 수 있다. 외부 연결 요소(2)는 수평 방향에 대해 약 40-650 사이에서 각을 이루게 될 수 있고, 외부 연결 요소(3)는 이에 대응하여 수평 방향에 대해 약간의 각을 이룰 수 있다.
노드(1)가 부정확한 수평 위치에 배치되면, 그것은 엑소슈트의 불리한 회전을 생성한다. 도 17b에 도시된 바와 같이. 노드(1)가 허벅지의 중간의 왼쪽 또는 오른쪽에 배치되면, 소프트 엑소슈트의 장력은 다리의 대칭성에 대하여 불균형을 이루게 될 것이다. 이 경우, 노드(1)는 연결 요소(2 및 3)에 의해 제한되고, 따라서 이의 위치에 고정될 것이다. 연결 요소(4 및 5)는 회전력을 허벅지 브레이스에 가하기 시작할 것이며, 이때 소프트 엑소슈트(100)는 다리의 대칭의 라인에 따라 시작하는 것과는 반대로 다리의 대칭의 라인의 한 측 또는 다른 측으로 지향되는 힘 경로 때문에 작동된다. 회전은 소프트 엑소슈트(100)가 작동될 때 불균형이 이루어지는 어떤 측으로 끌어당기는 허벅지 브레이스(120)에 의해 유발된다. 소프트 엑소슈트(100)의 장력이 작동 후에 풀리면, 허벅지 브레이스(120)는 사용자에 다시 아래로 정착하지만, 불균형을 향한 방향으로 약간 바뀔 경우에 원래의 위치로 돌아 가지 않는다. 이것은 연결 요소(4 및 5)가 노드(1)와의 대칭을 회복할 때까지 매 작동 주기 동안에 반복할 것이다. 이 지점에서, 허벅지 브레이스(120)는 종아리 연결 요소(107)가 더 이상 무릎의 회전 중심과 정확하게 정렬하지 않고, 소프트 엑소슈트가 이제 사용자의 부정확한 모멘트를 생성하도록 회전할 것이다.
본 발명의 적어도 일부 양태에서, 도 17a에서 예로서 도시된 바와 같이 노드(1)는 허벅지의 중심에서 허벅지의 굽힘 지점 아래의 몇 센티미터에 직접 배치된다. 노드는 노드(1)가 어떤 식으로든 자신의 엉덩이 굽힘을 방해하는지를 확인하기 위해 배치되었다면 대략 수직 위치는 착용자가 자신의 엉덩이를 굽힘으로써 결정될 수 있다. 명목상, 노드(1)는 굽힘 지점에 가깝게 배치되지만, 엉덩이 굽힘을 방해할 정도로 가깝지 않다. 수평 오정렬이 소프트 엑소슈트가 바람직하지 않게 회전하도록 유발시킬 경우에, 노드(1)는 허벅지의 중심에 수평으로 위치되어야 한다. 노드(1)가 허벅지에 대하여 정확하게 위치되면, 먼저 연결 부재(2)를 노드(1)로부터 허리 벨트로 직선으로 연장하여 연결 부재(2)를 허리 벨트에 부착함으로써 고정되며, 이것은 연결 부재(2)가 허리 벨트에 대한 부착의 적절한 각도를 갖고, 제 2 연결 부재(3)가 노드(1)의 버클을 통해 루프되고, 연결 부재(3)를 고정할때 노드 중심 위치가 시프트하지 않는 것을 보장할 주의를 이용하여 부착되는 것을 확실히 한다. 노드(1)의 수직 배치는 수평 배치처럼 소프트 엑소슈트의 기능에 관해서는 중요하지 않다. 노드(1)가 허벅지 위에 너무 높게 위치되는 경우에는 사용자의 엉덩이 굽힘을 방해하고 명백할 것이다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 허벅지 브레이스(120)는 하부 허벅지 주변을 둘러쌀 수 있다. 일 양태에서, 허벅지 브레이스(120)는 서로 결합되는 2개의 부분, 사용자에게로 향한 후크 및 루프 패스너(예를 들어, Velcro®)를 가질 수 있는 전면 부분과, 사용자로부터 떨어진 후크 및 루프 패스너(예를 들어, Velcro®)를 가질 수 있는 후면 부분을 포함한다. 종아리 연결 요소(107)는 2개의 층 사이에 개재될 수 있고, 후크 및 루프 패스너(예를 들어, Velcro®)에 의해 적소에 고정될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 실시예에 따르면, 허벅지 브레이스(120)의 하부는 도 18에 도시된 바와 같이 슬개골의 상부 위에서 대략 3-6cm 사이(바람직하게는 약 4-5cm 사이)에 배치되지만, 이러한 거리는 사용자의 생리에 따라 달라질 수 있다. 바람직하게는, 허벅지 브레이스(120)는 종아리 연결 요소(107)에 대해 상당한 범위의 조정 가능성을 고려하도록 더 높게 위치된다. 낮은 내지 중간 근육 질량을 가진 마른 내지 중간 크기의 사용자의 경우, 허벅지 브레이스(120)는 슬개골의 4cm 위에 배치될 수 있다. 큰 허벅지 직경을 가진 사용자의 경우, 허벅지 브레이스(120)는 종아리 연결 요소(107)의 정확한 위치 설정을 허용하도록 슬개골의 5 또는 6cm 위에 배치될 수 있다. 무릎 위의 허벅지 브레이스(120)의 위치는 허벅지 브레이스(120)에 부착되는 종아리 연결 요소(107)의 적절한 배치를 위해 제공하고, 종아리 연결 요소(107)가 무릎의 운동의 범위를 확실히 방해하지 않도록 선택될 수 있다. 더욱이, 전형적으로 다리 위로 더 큰 직경을 갖는 허벅지에 의해, 이것은 종아리 연결 요소가 무릎 영역과의 접촉을 피하도록 하고, 이에 의해 무릎 영역의 마찰을 피하도록 한다.
도 19에 도시된 바와 같이, 종아리 연결 요소(107)가 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 위치 및 각도는 조정될 수 있다. 이러한 조정 가능성은 사용자가 무릎의 회전의 중심에 대해 종아리 연결 요소(107)를 적절히 배치하면서 특정 생리학 및 근육계를 수용하기 위해 소프트 엑소슈트를 조정하도록 허용한다. 무릎의 회전의 중심에 대한 종아리 연결 요소(107)의 배치에 대한 조정은 정확한 모멘트가 무릎에서 생성되도록 보장하는데 사용된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 허벅지 브레이스(120)는 소프트 엑소슈트가 장력을 받을 때 수평 하중을 균형을 이루게 함으로써 엑소슈트 강성도에 기여할 수 있다. 이러한 수평 하중은 도 19 및 도 20a-20b에 도시된 바와 같이 발목에서 골반으로 이동할 경우에 약간 각을 이루는 소프트 엑소슈트의 하중 경로의 결과일 수 있다. 방향의 변화는 무릎의 회전의 중심에 대하여 종아리 연결 요소(107)의 정확한 배치를 수용하도록 허벅지 브레이스(120)에서 일어난다. 소프트 엑소슈트가 작동될 때 장력이 무릎 관절에 걸쳐 생성되기 때문에 종아리 연결 요소(107)의 정확한 배치가 바람직하다. 종아리 연결 요소(107)가 무릎의 회전의 중심에 대해 위치되는 곳에 따라, 이러한 장력에 응답하여 생성된 모멘트는 사용자를 돕거나 방해 할 수 있다. 소프트 엑소슈트 장력이 사용자의 자연스러운 무릎 모멘트에 악영향을 주지 않도록 하기 위해, 장력은 작동 시에 무릎의 회전의 중심에 따를 수 있거나 이러한 중심의 약간 앞에 있을 수 있다. 허벅지 브레이스(120) 상의 종아리 연결 요소(107)의 위치 및 그것이 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 각도는 장력이 무릎의 회전의 중심에 따를 수 있거나 이러한 중심의 앞에 있도록 조정될 수 있다.
도 19는 힘이 T-커넥터에 인가되고, (도시되지 않은) 다리의 다른 측 상에서 내측 종아리 연결 요소(107)에 생성할 경우에 횡측 종아리 연결 요소(107)의 장력을 도시한다. 도 20a-20b는 내측 및 횡측 종아리 연결 요소(107)가 허벅지 브레이스(120)에 수렴하는 방법을 도시한다. 종아리 연결 요소(107)는 각각 보안 부착 (예를 들어, Velcro®)을 통해 허벅지 브레이스(120)에 연결된다. 종아리 연결 요소(107)에서 작용하는 힘의 방향은 이들을 서로 잡아당겨 따로 떼어 놓고, 두 종아리 연결 요소(107)의 부착 지점 사이의 직물에 장력을 허벅지 브레이스(120)에 두고 있다. 생성된 장력 프로파일은 도 20a에서 도 16a의 수평 벡터에 의해 도시되고, 허벅지 브레이스(120)에서 가장 높은 장력(최대 벡터)은 허벅지 브레이스의 하부에 있고, 허벅지 브레이스의 하부로 부터의 높이의 증가에 따라 장력(보다 작은 벡터)을 감소시킨다. 어떤 사용자에 대해, 수평력은 인가되는 힘의 방향과, 종아리 연결 요소(107)가 허벅지 브레이스(120)에 대해 각을 이루는 방법 모두에 의존하는 경우에 허벅지 브레이스(120)의 상부에서 부호를 반전시킬 수 있다.
종아리 연결 요소(107)는 허벅지 브레이스(120)에 부착하여, 종아리 근육의 벌크의 아래에서 생크(shank)의 뒤쪽에 서로 결합할 수 있다. 두 스트랩이 종아리 근육의 벌크의 아래에서 만나는 접합부는 바우덴 케이블의 시스(144)가 소프트 엑소슈트(100)에 부착될 수 있는 지점이다. 상술한 바와 같이, 본 발명 중 적어도 일부의 양태에서, 종아리 연결 요소(107)의 길이, 각도 및 허벅지 브레이스(120)에 대한 연결 위치는 모두 상이한 생리학의 사용자를 수용하도록 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, 종아리 연결 요소(107)의 정확한 위치를 제공하는 4개의 조정 요인이 존재하고, 이들 변수의 각각에 대한 지배적인 목적은 사용자의 무릎의 회전 중심에 대하여 종아리 연결 요소(107)를 정확하게 위치시키는 것이다. 제 1 요인은 종아리 연결 요소(107)가 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 위치이고(도 20b), 제 2는 종아리 연결 요소(107)가 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 각도이고(도 19), 세 번째는 슬개골 위의 허벅지 브레이스의 수직 위치이며, 네 번째는 생크에 대한 바우덴 케이블 T 부착물의 수직 위치이다.
상술한 요인은 허벅지 둘레와 사용자의 허벅지 길이에 대하여 조정될 수 있다. 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 실시예가 이러한 요인 중 하나 이상에서 이러한 가변성을 가능하게 하는 경우(예를 들어, 특정 사용자에 대해 설계되거나 꼭 맞는 슈트에서, 소프트 엑소슈트는 이러한 후속 조정 가능성을 위해 제공할 필요가 없음), 종아리 연결 요소(107)의 최적의 배치는 종아리 연결 요소(107)가 장력을 받을 때 사용자의 자연스러운 보행 주기에 부정적인 영향을 미칠 무릎에 모멘트를 생성시키지 않도록 한다. 종아리 연결 요소(107)가 사용자의 자연스러운 보행 주기에 부정적인 영향을 미칠 무릎에 모멘트를 확실히 생성시키지 않도록 하는 한 가지 방법은 장력을 무릎의 회전 중심을 통과시키는 것이며, 따라서 소프트 엑소슈트가 무릎에 모멘트를 확실히 생성시키지 않는다. 그러나, 무릎이 끊임없이 변화하는 순간 회전 중심에 따라 보행 주기에 걸쳐 넓은 운동 범위에 통해 굽혀지고 연장하기 때문에, 이러한 접근 방식은 실현하기가 어렵다. 이러한 목적을 달성하기 위한 더욱 실용적인 다른 방법은 사용자의 자연스러운 보행에 부정적인 영향을 미치지 않는 모멘트의 생성을 허용하는 것이다.
정확한 종아리 연결 요소(107) 배치를 더 예시하기 위해, 무릎 및 발목 역학에 대한 이해가 도움이 된다. 본 발명의 적어도 일부 양태에서, 보행 운동을 보조하도록 구성된 소프트 엑소슈트는 보행 주기의 약 30% 내지 보행 주기의 62%를 생성시키는 말기 입각기 및 사전 유각기 동안에 작동된다. 말기 입각(30% 보행 주기)의 시점에서, 비복근(종아리 근육) 및 가자미근(내측 종아리 근육)은 성장하는 발바닥 앞꿈치 굴근 모멘트에 대항할 뿐만 아니라, 신체가 앞으로 떨어질 때에 일어나는 발뒤꿈치 리프트/푸시오프 동안 회복하기 위해 근육 및 건조직(tendon tissue)에 탄성 에너지를 저장하기 위해 자신의 수축을 점진적으로 증가시킨다. 이러한 동작은 발목이 발 뒤꿈치가 나오고, 피벗 지점이 앞발로 이동하는 경우에 발바닥 굽힘을 시작함에 따라 증가한다. 추가적으로, 이것이 일어나는 경우, 무릎 굽힘은 가장 낮은 지점(40%에서 약 5°)에 도달한다. 이러한 굽힘의 감소는 신체의 질량이 이제 무릎의 수동적 확장을 유발시키는 무릎의 회전 중심의 앞에 떨어지는 신체의 힘 벡터를 배치하는 앞발에서 전방으로 떨어질때 발생한다. 그러나, 이러한 확장은 이미 무릎과 발목에서의 행동 뿐만 아니라 무릎 관절을 가로 질러 놓여 있는 슬와근으로 인해 긴장된 후방 근육의 작용, 즉 비복근에 의해 저항을 받는다. 최소 굽힘 각도가 도달함에 따라(40% 보행 주기), 무릎은 그 지점에서 무릎 관절이 발뒤꿈치 들기로 인해 신체 벡터 앞에 이동할 때 즉시 굽혀지기 시작한다. 이 지점에서, 무릎 확장에 저항하도록 동작하는 후방 근육은 이제 무릎 굽힘뿐만 아니라, 이제 무릎의 회전 중심보다 뒤에 있는 신체 벡터를 촉진하며, 따라서 무릎 굽힘을 수동적으로 촉진한다. 말기 입각기는 반대측 팔다리의 초기 접촉(50% 보행 주기)으로 끝난다. 사전 스윙의 시작으로(50% 보행 주기), 중량은 무릎이 아킬레스 힘줄의 탄성 반동으로부터 생성하는 것을 자유롭게 굽히도록 하는 다른 다리로 시프트하며, 후방 근육의 작용 및 신체 벡터의 수동적 작용은 무릎의 회전 중심보다 뒤에 있다. 그러나, 무릎 굽힘이 너무 빨리 생성하는 경우, 대퇴 직근은 무릎에서 확장 모멘트를 유발시키는 무릎을 감속시키며, 따라서 사전 스윙하는 동안 확장 모멘트는 항상 존재하지 않고, 다리가 굽힘으로 전환하는 방법에 따라 달라진다,
위의 설명으로부터, 세 지점은 작동 단계 동안 무릎 관절에 걸쳐 소프트 엑소슈트의 장력에 대해 형성되어야 한다. 첫째로 이러한 장력이 보행 주기의 30%와 40% 사이의 무릎의 회전 중심의 앞에 존재하는 경우, 이것은 후방 근육(비복근 및 슬와근)이 굽힘의 감소를 줄이기 위해 더욱 어렵게 작업하도록 할 것이다. 이것은 종아리 연결 요소(107)를 허벅지 브레이스(120) 상의 더욱 후방 위치로 이동시킴으로써 해결될 수 있는 엑소슈트를 입은 것들로부터 "너무 많은 장력(too much tension)"의 느낌을 생성한다. 둘째로, 장력이 보행 주기의 40% 내지 50%에서 무릎의 앞에 있을 경우, 이것은 그 지점에서 회전 중심 뒤에 있는 신체 벡터로 인해 수동적으로 생성할 뿐만 아니라 후방 근육으로 인해 능동적으로 생성하는 무릎 굽힘에 저항할 것이다. 이 지점에서, 그것은 종아리 연결 요소(107)를 무릎의 회전 중심 앞에 배치하는 것이 후방 근육을 과로하게 할 가능성이 있을 경우에 종아리 연결 요소(107)를 무릎의 회전 중심에 따르거나 뒤에 배치하는 것이 유익할 것이다. 셋째로, 장력이 보행 주기의 50% 내지 62%에서 무릎의 앞에 있을 경우, 그것은 아킬레스 건의 반동으로 인해 수동적으로 생성하는 무릎의 굽힘 운동뿐만 아니라 후방 근육의 직접 근육 작용에 저항할 것이다. 무릎의 굽힘 모멘트가 때때로 프리스윙 동안 대퇴 직근에 의해 저항을 받지만, 이것은 항상 그런 경우는 아니며, 보행 주기의 이러한 부분에 대해 예상될 수 있는 확장 모멘트가 반드시 생성하는 것은 아니다.
무릎의 모멘트 및 대응하는 운동을 관찰하고, 소프트 엑소슈트의 서로 다른 구성의 광범위한 실험실 테스트의 결과를 분석함으로써, 본 발명자는 사용자 생리학의 넓은 범위 동안 사용자의 자연스러운 보행 주기를 방해하지 않는 모멘트를 생성하기 위해 장력이 가해지거나 가해질 수 있는 종아리 연결 요소(107)의 구성을 개발하였다. (예를 들어, 몇개의 예를 들어보자면, 중량, 힘, 대사 효과, 편안함 및 다양한 생리학의 가변성의 균형을 달성하기 위해) 적절한 소프트 엑소슈트 연결 요소의 위치를 결정하기 위한 제 1 과제는 단순히 큰 개인 대 개인 차원의 차이였다. 제 2 과제는 무릎이 작동 단계의 끝 부근에 우측 주위로 밀어 굽힘으로(50% 보행 주기) 확장되는 것으로부터 진행하는 비율이었다. 스트랩이 너무 일찍 무릎의 회전 중심 뒤로 이동하는 경우, 이것은 사용자의 자연스러운 보행을 저해하는 원치않은 굽힘 모멘트를 유발시킬 것이다. 이 지점부터, 사용자에게 부정적인 영향을 주지 않도록 하기 위해 무릎의 회전 중심에 따르거나 뒤에 있도록 종아리 연결 요소(107)를 이동시키는 것이 유익할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 종아리 연결 요소(107)의 바람직한 배치는 착용자가 직립 위치에 있을 때 무릎의 효과적인 회전 중심을 통해 자신의 동작 라인을 통과시킴으로써 상술한 문제를 피하는 도 23a-23b에 도시된다. 이러한 위치는 각 경골측의 대퇴골과 경골 사이의 접합부를 찾아 표면 해부학을 관찰함으로써 결정될 수 있으며, 적절한 위치는 각각 대퇴골 및 경골의 뼈 돌기에 의해 식별되고, 그 사이에 전후방 방향으로 실행하는 "밸리(valley)" 또는 우울증이 있다. 이러한 측으로부터 무릎을 살피면, 종아리 연결 요소(107)가 명목상 통과하는 위치는 무릎의 뒤면 측(후방)으로부터 거리의 약 30%-40%이다. 어떤 사람의 경우에는 이것은 정확히 그런 경우이다. 다른 사람(예를 들어, 큰 사람, 근육 사람)의 경우에, 정확한 위치는 근사 시행 착오 방법을 사용하여 사례별로 결정된다.
도 24a-24b는 본 발명의 양태에 따른 소프트 엑소슈트(100)의 일 실시예에 대한 하나의 보행 주기에 걸쳐 작동 단계를 도시한다. 작동 단계(190)는 무릎 모멘트(도 24a) 및 운동 범위(도 24b) 그래프 모두에서 강조된다. 좌측 부분(191)은 소프트 엑소슈트(100)가 무릎 주위에 확장 모멘트를 생성할 때를 나타내고, 우측 부분(192)은 무릎이 무릎 주변에 굽힘 운동을 생성할 때를 나타낸다. 바람직하게는, 소프트 엑소슈트가 착용자에 위치하는 모멘트는 착용자에 의해 자연스럽게 생성된 것을 미러(mirror)한다(즉, 운동 중에 자연 생물학적 모멘트에 가능한 한 가깝게 동일한 관절에 대한 모멘트임). 소프트 엑소슈트(100)로부터의 관절 모멘트가 주어진 시간에 운동을 위한 자연 모멘트로부터 반전될 수 있는 상황에서, 소프트 엑소슈트(100)는 바람직하게는 (예를 들어, 무릎 회전 중심을 통해 연결 요소(107)를 위치시킴으로써 무릎 모멘트를 가능한 한 작게 하도록) 관절에 대한 모멘트 팔을 최소화한다.
도 25a에 도시된 바와 같이, 바우덴 케이블 시스(144)가 소프트 엑소슈트에 연결하는 경우(도시하지 않음)에 종아리 연결 요소(107)는 T 커넥터(113)에서 종료한다. 일부 실시예에 따르면, T 커넥터(113)는 종아리 근육의 벌크 아래에 위치된다. 종아리 근육은 유연하고 돌출하며, 따라서, T 커넥터(113)가 작동 시에 그 위에 배치되는 경우, 그것은 근육으로 파고들어 시스템에 컴플라이언스를 증가시키고 사용자의 자극을 일으킨다. 종아리 근육 아래의 공간은 훨씬 덜 유연하고, 또한 종아리 연결 요소(107)가 종아리의 벌크를 수용하기 위해 더 깊게 각을 이루는 것과 대향되듯이 직선형 경로로 생크 아래로 내려오도록 한다. 종아리 연결 요소(107)가 수직에 대한 더 큰 각도로 생크에 내려오는 경우, 그것이 장력을 받을 때 똑바르게 되기를 원할 때 이것은 소프트 엑소슈트의 힘 경로를 덜 효율적이게 한다.
도 25a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 측면도로부터 종아리 연결 요소(107)에 작용하는 힘을 도시한다. 점선 벡터(200)(상하 화살표)는 작동력 경로를 나타내고, 실선 벡터(201)는 종아리 연결 요소(107) 및 T 커넥터의 하부와, 이들이 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 상부에서의 반응 분력(component forces)을 나타낸다. 종아리 연결 요소(107)를 따라 작용하는 점선 벡터(202)는 작동으로부터 생성하는 도시된 종아리 연결 요소(107)의 장력을 나타낸다. 사용자에 작용하는 수평 분력(203)이 또한 도시된다.
도 25b는 착용자의 종아리에 대하여 T 커넥터 배치를 도시한다. 도 25c는 수직 배치(1) 및 (2)에 대하여 수직에 대한 각도의 차이를 도시한다. 배치(1)로부터 생성된 큰 각도는 T 커넥터가 착용자의 종아리로 밀어 넣도록 하는 큰 수평력 성분을 생성하는 효과를 가질 것이다. 종아리 연결 요소(107)의 정확한 위치 결정은 종아리의 벌크를 회피하여 시스템의 전체 컴플라이언스에 기여한다. 종아리 근육 아래의 영역은 주로 피부와 뼈이며, 따라서 비교적 낮은 컴플라이언스를 제공한다. 종아리 근육을 우회하면은 종아리 연결 요소(107)는 수직에 대하여 직선으로 생크에 내려오도록 할 수 있다. 종아리 연결 요소(107)가 종아리의 상부에서 종료되면, 두 부작용이 따를 것이다. 첫째로, 종아리 연결 요소(107)는 수직에 대하여 큰 각도로 생크에 내려오고, 장력을 받을 때에 똑바르기를 원할 때에 소프트 엑소슈트의 힘 경로는 덜 효율적이게 한다. 둘째로, 종아리의 컴플라이언스로 인해, 종아리 스트랩이 수직에 대하여 똑바르게 되도록 하는 경향은 T 커넥터 (113)가 종아리를 파고들어가게 하며, 이는 액추에이터가 이러한 추가적인 변위를 보상할 필요가 있을 때에 소프트 엑소슈트의 강성도를 줄인다. 종아리 연결 요소(107)의 단부에서의 T 커넥터(113)는 T 커넥터(113)를 발 뒤꿈치의 중심선과 바로 일치하게 배치하여 수평에 대해 정확하게 위치될 수 있다. 수직에 대하여 종아리 연결 요소(107)를 정확하게 위치시키기 위하여, T-부착물이 신발의 상부에(착용 경우) 또는 명목상 위치되기 때문에, T 커넥터(113)가 종아리 근육의 벌크 아래에 위치되어 종아리 스트랩이 종아리의 무른 벌크(mushy bulk)를 성공적으로 우회하도록 한다. 일부 실시예에 따르면, 보다 경질인 성분의 일부는 더 부드럽고 유순한 것으로 대체될 수 있다.
신발 연결 요소(130)는 사용자의 발을 뻣뻣한 인터페이스에 제공한다. 적어도 일부 양태에서, 각각 부츠의 측면, 후면과 밑면도를 도시한 도 26a-26c에서 예로서 도시된 바와 같이, 신발 연결 요소(130)는 부츠 주위에 배치된 하네스의 형태를 취한다. 도 27(측면도)은 도시된 예시적인 신발 연결 요소(130)에 제공된 3개의 조정 지점을 도시하며, 이러한 조정 지점은 흰색 점선으로 원형을 이룬다. 아래의 표 3은 각 조정 지점의 기능을 나타낸다. 도 28a에 도시된 바와 같이 하향력을 인가할 경우에 신발 연결 요소(130)는 발뒤꿈치에서의 작동으로 인한 상향력을 발 앞쪽으로 릴레이한다. 이러한 방식으로 상향 수평력을 발 앞쪽으로 전달하는 것은 생성되는 우대(complimentary) 모멘트에 의해 발목 발바닥 굽힘을 촉진하는데 도움을 준다. 도 28b는 부츠의 하부 상의 신발 연결 요소(130)의 힘 경로를 도시한다.
연결 부재의 위치 결정에 관하여, 도 26a-26c의 연결 부재(1)는 도시된 바와 같이 신발의 중간을 감싼다. 그것은 발 뒤꿈치와 앞발 사이의 홈에 배치되어야 한다. 연결 부재(1)는 미끄러짐을 방지하기 위해 부착 메커니즘(예를 들어, Velcro®)에 의해 고정되어야 한다. 연결 부재(2)는 도시된 예에서 넓은 부부분을 포함하고, 다리의 상부의 연결 부재(1)의 중앙부에 연결된다. 연결 부재(3)는 도시된 바와 같이 발목 주변을 감싸고, 신발 연결 요소(130)가 발 뒤꿈치를 미끄러져 더 큰 강성도를 제공하기 위해 상향으로 장력이 가해지지 못하게 하기 위한 제약 조건을 제공한다. 연결 부재(4)는 신발 연결 요소(130)가 내측 및 측 방향으로 미끄러지는 것을 제한한다. 연결 부재(4)의 하부 가장자리는 이점으로 후면에서 부츠의 가장자리에 대해 약 0.5cm에 배치될 수 있다. 연결 부재(4)의 위치 결정은 노드(2)의 정확한 위치 결정으로부터 이루어질 것이다. 연결 부재(5)는 액추에이터 케이블 부착 지점이고, 연결 부재(6)는 작동력을 발뒤꿈치로 전달한다. 노드(2)는 바람직하게는 수직 방향으로 가능한 발 뒤꿈치의 바닥에 가깝게 배치되고, 내측-횡측 방향으로 발 뒤꿈치의 중간에 직접 배치된다. 노드(3)는 풋솔(foot-sole)의 중간의 약간 뒤에 배치되고, 이의 위치는 노드(2)의 배치에 의해 결정된다.
부츠 부착물을 정확하게 걸치는 방법의 일례에서, 노드(2)는 먼저 발 뒤꿈치에 배치되고나서, 도 26a-26c에 도시된 바와 같이 연결 부재(1 및 6)는 도시된 바와 같이 자신의 정확한 위치에서 부츠 아래에 배치된다. 이 지점에서, 착용자가 부츠에 일어서서, 연결 부재(1 및 6)를 적소에 고정하는데 효과적일 가능성이 있다. 공칭 위치에 유지된 이러한 연결 부재로, 연결 부재(1)는 필요에 따라 조정되고(예를 들어, 장력이 인가되고 느슨해지고), 마지막으로 연결 부재(4)는 필요에 따라 조정되고(예를 들어, 장력이 인가되고 느슨해지고), 이러한 순서로 이루어진다.
| 부츠 스트랩 | 기능 |
| 1 | 부츠 부착물을 부츠의 전면으로 제한할 뿐만 아니라 작동으로부터의 힘을 그것이 연결 부재 상에 끌어내리는 경우에 발의 전면으로 전달함, 발의 전면의 이러한 하향력은 발목 관절에 대한 모멘트의 생성에 기여한다. 이러한 메커니즘은 발 뒤꿈치를 더욱 효과적으로 들어올리는 시스템의 강성도를 증가시키는 데 도움을 준다. |
| 2 | 힘을 확산하기 위한 넓은 웨빙은 연결 부재(1)가 발의 전면에 걸쳐 장력을 가할 경우에 발의 상부에 작용한다. |
| 3 | 부착물이 발 뒤꿈치를 미끄러지도록 하지 못하게 하기 위해 제약 조건을 제공한다. 장력이 가해진 연결 부재(3)를 유지함으로써 케이블이 당겨지기 시작할 때 부츠 부착물에 슬랙이 거의 없도록 수직 방향으로 부츠 부착물에 미리 장력을 가함으로써 시스템의 강성도를 보장한다. |
| 4 | 부착물이 내측 및 횡측 방향으로 미끄러지지 않도록 제한한다. |
| 5 | 케이블 부착 |
| 6 | 작동으로부터의 힘을 발 뒤꿈치로 전달한다 |
| 노드 2 | 연결 부재(3, 4, 5 및 6)를 연결한다. 이러한 지점은 소프트 엑소슈트가 작동될 때 신발 연결 요소(130)가 미끄러지지 못하도록 하기 위해 부츠 부착물에 힘을 균등하게 하도록 작용한다. |
| 노드 3 | 연결 부재(1 및 6)를 연결한다. 작동 장력의 연결 부재(6)로부터의 힘으로서, 장력은 부츠의 측을 이동하고, 발의 상부에 하향력을 생성하는 경우에 노드(3)를 통해 연결 부재(1)로 릴레이된다. |
다른 실시예에서, 신발 연결 요소(130)는 양말처럼 입게 될 수 양말형 구조를 포함할 수 있다(예를 들어, 도 26d, 도 79 참조). 선택적으로, 신발 연결 요소(130)는 착용자의 다리 주위의 신발 연결 요소를 고정하도록 (예를 들어, Velcro®를 사용하는 것과 같이, 단단히 조이거나 맴으로써) 조절될 수 있는 하나 이상의 패스너를 포함한다. 대안적으로, 신발 연결 요소(130)는 발을 감싸도록 위로 접혀질 수 있는 스텝 인투(step-into) 구조를 포함할 수 있으며, 어떤 지점에서 하나 이상의 패스너는 착용자의 다리 주위의 신발 연결 요소(130)를 고정하도록 단단히 조이거나 매어진다(예를 들어, Velcro®). 이러한 신발 연결 요소(130)의 예는 도 26d의 패널에 도시되며, 도 26d는 발에 대한 인부츠(in-boot) 부착물의 도면을 도시하고, 중립 위치(왼쪽)의 발, 발(중심)에 대한 팽팽한 부착물을 가진 발바닥 굽힘의 발, 부착 슬랙(오른쪽)을 가진 발등 굽힘의 발로 도시되며, 하부에서는 이의 구성을 도시한 발 부착물의 보기로 도시된다. 도 26d의 신발 연결 요소(130)는 웨빙이 착용자의 발 뒤꿈치 밑과 앞발 위로 연장하는 간단한 섬유 기반 구조이다. 도시된 바와 같이, 웨빙은 앞발 위에 Velcro®로 부착하지만, 이것은 하나의 부분으로 봉합될 수 있다. 도 26d의 신발 연결 요소(130)는 신발 연결 요소를 적소에 보유하는 데 사용될 수 있는 착용자의 발목 주변에 연결하도록 구성된 연결 요소를 포함한다.
도 26e-26g는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 신발 부착물(130)의 다른 실시예의 양태를 도시한다. 도 26a-26c에서 언급된 설계는 연결 지점을 바우덴 케이블(142)의 액추에이터에 제공한 부츠 또는 신 위에 배치된 하네스의 형태로 신발 연결 요소(130)에 초점을 맞추었다. 이러한 솔루션은 케이블(142)이 발 뒤꿈치에 대해 상향으로 힘을 부츠 발 뒤꿈치에 생성하도록 끌어당기는 "아웃 오프 부츠(out of boot)" 솔루션이다. 발목 관절에 대한 모멘트를 생성하도록 (도 26e-26g에 도시된 것과 같은) "인사이드 더 부츠(inside the boot)" 힘 액추에이터를 이용하는 신발 연결 요소(130)의 경우, 두 부분, 즉 케이블 부착 깔창 및 케이블 가드가 이용된다. 힘을 착용자에게 적용하기 위하여, 도 26e에 도시된 바와 같이, 케이블은 신(A) 외부의 액추에이터에 고정된 한 단부와 착용자의 발(B) 깔창 아래의 신 내부에 물체에 부착된 다른 단부를 가진 착용자의 신 또는 부츠 내로 연장해야 한다.
다른 양태에서, 플라스틱 또는 폼 요소(131)는 선택적으로, 도 26g(a)에서 예로서 도시된 바와 같이 웨빙이 단독으로 사용된 경우보다 더 고르게 발의 상부에 압력을 분산하도록 앞발 위의 웨빙(133)과 착용자의 발 사이에 삽입된다. 다른 양태에서, 도 26g(b)에 도시된 바와 같이, 미드솔(132)은 토크가 발로 전달하도록 추가적인 경로를 제공하기 위해 발 및/또는 발목의 상부에 웨빙(및 선택적으로 상술한 바와 같은 폼 또는 플라스틱)과 조합될 수 있다.
도 26e-26f에 도시된 것과 같이 깔창 요소(130)의 후방 부분에 케이블 또는 웨빙을 부착하는 것은 케이블 또는 웨빙 상의 지점에 인가된 힘이 시상면에서 발목 관절에 가까운 착용자의 발 뒤꿈치로 이동되도록 지점 B를 고정하는 방법을 제공한다. 이러한 깔창은 부분 또는 전체 깔창일 수 있다. 깔창은 하중을 발 뒤꿈치로 분산하기 위해 탄소 섬유와 같은 일부 보강 요소를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 보강 요소가 사용되는 경우, 깔창은 이점으로 발의 볼 상의 최대 운동 범위를 허용하도록 분할될 수 있다. 케이블 가드는 하부 다리의 뒤쪽 부분에 제공된다(예를 들어, 도 26f 참조). 작동의 경우, 케이블은 수축할 필요가 있다. 케이블이 부츠와 착용자의 다리 사이에서 압축되는 상황에서, 케이블 착용자와 부츠 사이의 마찰에 로 인해 마모 뿐만 아니라 효율성의 손실이 생길 수 있다. 따라서, 케이블이 자유롭게 움직이기 위해 개방 채널을 제공하는 시스템이 바람직하다.
일단 착용자의 발에 고정되면, 양말형 신발 연결 요소(130)는 연결 요소(예를 들어, 웨빙)를 통해 소프트 엑소슈트(100)에 연결되며, 이러한 연결 요소는 양말형 구조의 상부에 부착하고, 종아리 연결 요소(107)의 하부까지 직접 진행한다. 또 다른 실시예에서, 신발 연결 요소(130)는 발 뒤꿈치(예를 들어, 착용자의 발 뒤꿈치, 신발의 발 뒤꿈치)를 둘러싸도록 구성된 발 뒤꿈치 컵을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 신발 연결 요소(130)는 착용자의 발의 부분(예를 들어, 발뒤꿈치) 또는 전체 발 밑의 신발로 진행하는 깔창 삽입물을 포함하며, 이러한 깔창 삽입물 또는 상술한 발 뒤꿈치 컵은 신발을 빠져나가고, 후방 부분 및/또는 후방 횡측 부분에서 소프트 엑소슈트 액추에이터 케이블에 부착하는 연결 부재(예를 들어, 웨빙)에 부착한다. 바람직하게는, 신발 내에 배치된 어떤 연결 부재는 착용자에 대한 마찰을 최소화하도록 저 마찰 시스, 저 마찰 코팅 또는 저 마찰 재료를 포함한다. 또 다른 양태에서, 신발 연결 요소(130)는 신발의 밑창의 일부(예를 들어, 바로 발 뒤꿈치) 또는 신발의 전체 밑창 아래로 넣는 밑창 삽입물을 포함한다. 연결 부재(예를 들어, 웨빙, 케이블 등)는 소프트 엑소슈트의 액추에이터 케이블에 부착하는 연결 부재에 연결하기 위해 밑창 삽입물의 후방 부분 및/또는 후방 횡측 부분에 제공된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 액추에이터(200)는 또한 본 발명에 따른 소프트 엑소슈트(100)를 착용하면서 걷기(또는 다른 운동 또는 활동)의 대사 비용을 줄이는데 사용될 수 있다. 액추에이터(200)는 발목 근육이 최대의 힘을 생성할 때 보행 주기의 발가락 푸시 오프 부분 동안에 발목에 대한 힘을 보충하는 (걷기에 대한) 것과 같은 원하는 모멘트의 힘을 보충하는 데 사용된다. 예로서, 이러한 동작을 수행하기 위해, 모터는 바우덴 케이블(142)에 필요한 힘/변위를 생성하는 데 사용될 수 있으며, 센서(150)는 관절의 위치를 감지하여 작동 타이밍을 결정하는데 사용될 수 있다.
액추에이터(200)는 사용자의 부츠의 지점과 소프트 엑소슈트의 하부 사이의 거리를 변경하기 위해 케이블을 사용하여(예를 들어, 도 21-22 참조) 사용자의 신발(예를 들어, 부츠)로 전달될 수 있는 힘을 생성한다. 최소 확장 가능한 소프트 엑소슈트에 의해, 이러한 수축성이 있는(contracting) 거리는 소프트 엑소슈트(100), 신발 연결 요소(예를 들어, 부츠 부착물) 및 케이블(142)에 장력을 생성한다. 이러한 장력은 발목 관절의 축으로부터 오프셋된 위치에 인가되어, 관절에 대한 모멘트를 생성한다.
일례로서, 신축성 바우덴 케이블(142)은 시스템(100)에 의해 액추에이터 유닛(200) 내의 액추에이터로부터 소프트 엑소슈트(100)로 힘을 전달하는데 사용될 수 있다. 경질 및/또는 중질 액추에이터(200)는 도 10a에 도시된 바와 같이 (예를 들어, 하체에서 떨어진 배낭에) 원격적으로 또는 말단으로 장착될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 양태에서, 각각의 팔다리(예, 다리)는 하나 이상의 액추에이터를 포함할 수 있는 자체 액추에이터 유닛(200)에 의해 구동될 수 있다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 각각의 관절은 하나 이상의 액추에이터를 포함할 수 있는 자체 액추에이터 유닛(200)에 의해 개별적으로 구동될 수 있다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 복수의 관절은 하나 이상의 액추에이터를 포함할 수 있는 액추에이터 유닛(200)에 의해 구동될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 각각의 액추에이터(200)는 도 29에 도시되어 있는 바와 같이 같은 구동 모터(222) 및 풀리 모듈(224)을 포함한다. 액추에이터 유닛(200)은 바우덴 케이블(142)을 구동시키고, 발뒤꿈치 닿기 접촉을 측정하여 사용자의 보행을 감지하는데 사용된다(도 30의 풋 스위치 참조). 바우덴 케이블(142)은 풀리 모듈(224) 내의 풀리 휠(225)에 부착되고, 풀리 휠(125)의 회전에 의해 들어간다. 일부 실시예에 따르면, 구동 모터(222)는 사용자의 운동에 보조를 제공하는 바우덴 케이블(142)를 구동하기 위해 풀리 모듈(224)에 결합된 출력 샤프트의 구동 토크를 증가시키기 위한 기어링(예를 들어, 도 29에 도시된 바와 같은 기어 박스)을 포함한다. 다른 양태에서, 모터(222)는 중간 기어링 없이 풀리 모듈(224)에 직접 연결된다.
구동 모터(222)는 이점으로 모터의 출력 샤프트의 회전 위치를 나타내도록 구성된 (도시되지 않은) 인코더 또는 다른 위치 센서를 포함한다. 구동 모터(222)(및 제공될 경우 인코더)는 구동 모터(222)의 힘, 속도 및 방향을 제어하는데 사용되는 모터 제어기(228)에 연결된다. 본 발명의 일부 양태에 따르면, 중앙 집중식 모터 제어기는 둘 이상의 모터를 제어하기 위해 제공된다. 대안적으로, 각각의 액추에이터 유닛(200)은 센서 입력을 수신하고, 액추에이터 유닛에 대한 구동 모터(222)의 동작을 제어하기 위해 모터 제어기(228)와 통신하도록 구성된 자체 상주 시스템 제어기(226)를 포함한다. 시스템 제어기(226)(또는 선택적으로 중앙 집중식 모터 제어기)는 PC/104 표준에 기초한 것과 같지만, 이에 제한되지 않는 컴퓨터 또는 마이크로 프로세서 기반 시스템을 포함할 수 있다. 구동 모터(222)는 바우덴 케이블(142)의 기단부를 맞물리게 하는 풀리 휠(225)을 포함하는 풀리 모듈(224)에 (예를 들어, 기어 트레인을 통해) 직간접적으로 결합된다.
풀리 휠(225)이 제 1 방향으로 회전될 때, 바우덴 케이블(142)은 바우덴 케이블의 말단부가 바우덴 케이블 시스(144)의 말단부로 들어가도록 하는 풀리를 감싸고, 풀리가 제 2 방향으로 회전될 때, 바우덴 케이블은 풀리로부터 풀려져 바우덴 케이블(142)의 말단부가 바우덴 케이블 시스(144)로부터 연장하도록 풀리 모듈(224)은 바우덴 케이블 시스(144)를 맞물리게 하도록 구성된 하우징(230)을 포함한다. 적어도 일부 실시예에서, 풀리(225)는 제 2 방향으로 회전될 때, 케이블(142)이 구동되어 확장 힘을 인가할 수 있도록 하우징 내에 둘러싸인다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 적어도 일부 양태에서, 단일 액추에이터 유닛(200)은 하나 이상의 팔다리 및/또는 하나 이상의 관절에 에너지를 제공하는데 사용될 수 있다. 일례로서, 별도의 팔다리로의 대안적인 힘 전달은 팔다리 사이로의 클러치 스위칭 힘 전달을 통해 달성될 수 있으며, 이는 대향 팔다리의 반대 위상 움직임을 이용한다(예를 들어, 다리는 전형적으로 걷는 동안에는 반대 위상이다).
제어 시스템(226)은 사용자의 보행을 감지하거나 결정하여, 보행 주기의 특정 시간에 바우덴 케이블을 잡아 당기기 위해 구동 모터(222)를 작동시키거나, 보행 주기(또는 다른 움직임)의 특정 시간에 힘을 도입하도록 구성된 다른 작동 시스템을 작동시키도록 구성된다. 보행 주기 동안 미리 정의된 지점에서 구동 모터(222)를 작동하는 것은 걷을 시에 도움을 주는 발목에 대해 힘을 적용하는 소프트 엑소슈트(100)에 미리 정의된 장력을 생성할 수 있다. 사용자에 의해 착용된 하나 이상의 센서(예를 들어, 하나 이상의 풋 스위치, 하나 이상의 관절 각도 센서 등)는 신호를 제어 시스템(226)으로 전송하기 위해 제공되고, 제어 시스템(226)이 사용자의 보행 주기(또는 다른 움직임)와 모터 작동을 동기화시킬 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 센서는 특정 관절의 각도 위치를 감지하는 센서를 포함한 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 일반적으로 소유된 WO 2013/044226 A2를 참조하며, 이는 전적으로 참고로 통합된다. 일부 양태에 따르면, 센서는 보행 주기, 예를 들어, 발뒤꿈치 닿기 중에 발의 압력을 감지하는 압력 센서 또는 간단한 온/오프 스위치를 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 하나 이상의 센서는 특정 위치에서의 근육 활성화를 감지하는 EMG 센서의 형태를 취할 수 있다. 이러한 활성화의 패턴 및 규모는 보행 주기(패턴) 또는 (규모에 따라) 필요한 보조의 양을 결정할 수 있다. 지면에 대해 또는 착용자의 지점에 대하여 관절 위치를 상대 또는 절대적으로 검출하는 다른 센서는 보행 패턴을 결정하는데 사용될 수 있고, 따라서 액추에이터의 활성화를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 다른 센서는 하이퍼 탄성 스트레인 센서, 가속도계, 관성 측정 유닛, 내부 측정 유닛(IMU) 및/또는 고니오미터(Goniometer) 센서를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 이러한 센서 또는 다른 센서는, 단독으로 또는 조합하여, 신체 위치를 나타내는 운동을 검출할 수 있다. 사용되는 센서에 따라, 소프트 엑소슈트(100)가 결과적으로 적절한 시간에 추정된 근력에 비례하여 힘을 적용하도록 구성될 수 있도록 해당 시스템에 특정 추론은 신체의 근육이 (예를 들어, 발목, 무릎, 또는 엉덩이와 같은) 관절에 힘을 적용하는 시기를 결정하기 위해 전개될 수 있다. 예를 들면, 하나의 가능한 방식은 관절의 각각의 속도를 추정하고, 착용자의 거의 강체 모델을 사용하여 각 관절에서의 토크를 추정함으로써 사용자의 신체의 역학을 추정하는 것이며, 이로부터 합력의 유익한 토크를 생성하기 위한 적절한 장력이 결정된다.
대안적인 방식은 트레이닝 단계에서 EMG 측정 기록 및 센서를 포함한다. 이러한 데이터가 수집된 후에, 기계 학습 알고리즘은 근육이 센서 입력의 함수로서 수축될 때 예측하는데 사용된다. 그 후, 실제로, EMG 센서는 사용되지 않을 것이고, 대신에 트레이닝된 알고리즘은 센서에 기초하여 근육의 활성화를 예측하고, 적절한 근육이 활성화될 때 소프트 엑소슈트에 장력을 인가할 것이다.
다른 방식은 EMGS, 근육 직경을 검출하는 센서, 또는 어떤 다른 수단을 이용하여 근육의 활성화를 직접 측정하는 것을 포함한다. 그 후, 소프트 엑소슈트(100)는 특정 근육 또는 근육의 조합의 활성화에 비례하여 장력이 가해질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 하나 이상의 풋 스위치는 사용자의 보행 주기의 속도의 측정을 제공하기 위해 발뒤꿈치 닿기를 감지하도록 발과 부츠의 밑창 사이에 위치된다. 풋 스위치 또는 센서는 각 발의 발 뒤꿈치가 먼저 보행 주기 동안 지면에 닿을 때 모멘트를 검출하는 데 사용되며, 제어 시스템(226)은 보행 주기를 계산하기 위해 풋 스위치로부터의 신호를 사용한다. 보행 주기 동안 임의의 지점에서의 발목의 위치는 (평지 및 공칭 게이트를 추정하는) 알려진 발목 위치 대 시간 곡선에 기초하여 추정될 수 있다. 추정된 발목 위치는 바우덴 케이블(142)을 수축하고, 소프트 엑소슈트(100)에 장력을 가할 시기를 결정하는데 사용될 수 있다. 장력이 가해진 소프트 엑소슈트(100)는 근육에 공급된 힘을 보충하고, 사용자에 의해 소비되는 에너지를 줄이기 위해 보행 주기의 발가락 푸시 오프 부분 동안 발목에 대한 모멘트를 제공할 수 있다.
일부 양태에서, Velcro® 또는 일부 다른 부착 메커니즘는 수동으로 원하는 장력을 끌어당긴 후에 소프트 엑소슈트(100)의 한 부분을 다른 부분에 연결하는 데 사용된다. 예를 들면, 노드(1)(예를 들어, 도 7 참조)는 연결 요소를 이용하여 허리 벨트(110) 및 허벅지 브레이스(120)에 연결되고, Velcro® 패스너를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 16에서, 연결 요소(4 및 5)는 하부에서 허벅지 브레이스(120)의 버클을 통해 루프하여, 상향으로 당겨지고, 자신들을 Velcro® 또는 다른 고정 구성 요소로 고정될 수 있다. 대안적으로, 연결 요소(2 및 3)는 각각 버클 통해 루핑 없이, 또는 다른 고정 부재 또는 요소에 의해 허리 벨트(110)에서 Velcro®와 직접 고정될 수 있다. 다른 선택 사항은 장력이 가해진 후에 백아웃(back out)하는 것을 방지하여, 웨빙의 돌출 단부를 수동으로 팽팽하게 당기는 피드 스루(feed-through) 버클을 통과하는 웨빙의 부분을 사용하는 것이다.
일부 양태에 따르면, 힘 센서는 연속적으로 각각의 바우덴 케이블(142)에서 장력을 측정하는데 사용된다. 아이들러 풀리(232)(예를 들어, 도 29, 30, 34 참조)는 바우덴 케이블(142)에 대해 바이어스되고, 로드 셀(234)(예를 들어, 도 29 참조)은 케이블(142)의 장력을 감지하는데 사용될 수 있다. 이러한 측정은 로그되어, 적절한 레벨로 소프트 엑소슈트에 자동으로 장력을 가하는 데 사용된다. 일부 양태에 따르면, 소프트 엑소슈트 제어기(예를 들어, 시스템 제어기(226))는 생체 운동으로 인해 소프트 엑소슈트의 장력의 증가를 검출하고, 이러한 신호에 기초하여 작동을 적용한다. 일 양태에서, 소프트 엑소슈트 제어기는 엑소슈트에서의 힘을 연속적으로 모니터링한다. 소프트 엑소슈트가 사용자의 위치의 기하학적인 변화 때문에 일부 소량으로 장력이 인가되는 경우, 제어기는 장력을 적절하게 증가시키거나 감소시키기 위해 소프트 엑소슈트에 (작은) 힘을 가하고 작동시키는 것을 감지할 수 있다. 걷는 동안, 소프트 엑소슈트 장력은 예를 들어 제어 시스템(226)으로부터 모터 위치 신호에 일정한 오프셋을 적용함으로써 달성될 수 있다(예를 들어, PC/104).
일부 양태에서, 액추에이터 유닛(200)은 이더넷(예를 들어 유선 또는 무선-와이파이), 불루투스, 12C, 또는 다른 오픈 또는 독점 통신 채널과 같은 통신 채널을 통해 로컬 또는 원격 외부 컴퓨터(예를 들어, 데스크탑 또는 랩탑 컴퓨터, 태블릿 또는 스마트폰)와 통신하도록 구성된다. 외부 컴퓨터는, 예를 들어, 처음 가동할 시에 액추에이터 시스템 제어 프로그램을 부팅하고, 엑소슈트 장력과 같은 제어 파라미터를 조정하고, 진단 체크를 실행하며, 소프트웨어를 전송하거나, 액추에이터 유닛(200)를 원격적으로 제어하는 데 사용될 수 있다. 적어도 일부 양태에서, 제어 시스템(226)은 가동 시에 자동으로 부팅하고, 액추에이터 유닛(200)의 외부 또는 핸드헬드 유선 또는 무선 원격 제어 또는 전자 장치(예를 들어, 스마트 폰 앱)에서의 스위치로부터 제어 입력을 수신한다. 다른 양태에서, 제어 시스템은 사용자의 의도 또는 행동을 감지하거나 예상하고, 적절한 보조를 적용하는 미리 프로그래밍된 알고리즘에 기초하여 자율적으로 동작한다.
적어도 일부 양태에서, 도 29-30의 예에 도시된 바와 같이, 액추에이터 유닛(200)은 다이아몬드 시스템 MM-32DX-AT 아날로그 및 디지털 I/O 확장 보드에 연결된 PC/104 폼 팩터에서 다이아몬드 시스템 오로라 단일 보드 컴퓨터(250)에 의해 제어된다. PC/104 컴퓨터(250)는 다이아몬드 시스템 쥬피터(Jupiter) 힘 조절 보드를 통해 4 셀(14.8-16.8V) 리튬 폴리머 배터리로부터 가동될 수 있다. 물론, 소형 및 경량 배터리 및/또는, 기술이 향상됨에 따라 더 높은 힘 밀도를 가진 배터리 뿐만 아니라 (예를 들어, 더욱 작고 빠른) 개선된 프로세서를 이용하는 것이 예상된다. 도. 29-30은 본 발명의 일 양태에 따른 풀리 모듈(224) 및 구동 박스(223)의 일례를 도시한다. 바우덴 케이블(142)의 장력은 풀리 모듈(224) 내의 아이들러 풀리(232)에 장착된 50 kg 빔 스타일 로드 셀(234)(Phidgets, 제품 코드 3135)로 감지될 수 있다. 로드 셀(234) 상의 풀 브리지 스트레인 게이지는 전기 인터페이스(예를 들어, 포고 핀(pogo pin))를 통해 신호 증폭기(242)(예를 들어, Futek CSG110)에 연결된다. 각 증폭기/ 로드 셀 쌍은 알려진 로드를 로드 셀(234)에 인가하면서 증폭기(242)의 출력을 조정하여 교정된다. 증폭기(242)는 로드 셀(234) 상의 힘에 대응하는 0-10V로부터의 DC 전압을 출력한다. 증폭기(242)는 자신의 온보드 전력 조절기를 통해 PC/104의 14.8V 배터리에 의해 가동될 수 있다.
본 발명의 일부 양태에 따르면, 발 뒤꿈치 닿기는 B&L Engineering(제품 코드 FSW)로부터의 풋 스위치와 같은 풋 스위치(150)로 감지될 수 있다(도 30). 풋 스위치(150)는 풋솔 형상의(foot-sole-shaped) 힘에 민감한 저항기일 수 있다. 도 31에 도시된 바와 같이, 각각의 풋 스위치(150)의 발뒤꿈치 부분의 단자는 각각 MM-32DX-AT의 접지 및 디지털 입력 핀에 연결된다. 각 풋 스위치 디지털 입력 및 + 5V 레일 사이에서 병렬인 1KΩ 및 10kΩ 저항기는 디지털 핀을 끌어올릴 수 있다. 발뒤꿈치 닿기가 생성하면, 풋 스위치(150)의 두 단자 사이의 저항은 강하하고, 디지털 핀에서의 전압은 대략 0으로 감소하고, 상태의 변화는 MM-32DX-AT I/O 보드에 의해 판독될 수 있다. 풋 스위치(150)는 스테레오 케이블로 플러그하는 3.5 mm 오디오 잭과, 풀리 모듈(224) 내의 대응하는 3.5 mm 오디오 잭에 연결될 수 있다. 풋 스위치(150)에 대한 전기적 연결부는 포고 핀(pogo pin) 인터페이스를 통해 PC/104 컴퓨터(250)로 통과될 수 있다. 오디오 잭은 소프트 엑소슈트(100)를 입고 벗는 것을 용이하게 하는 엑소슈트의 나머지 부분으로부터 풋 스위치의 분리를 쉽게 허용한다.
도 32는 본 발명의 일부 실시예에 따른 PC/104 컴퓨터(250) 및 MM-32DX AT-I/O 보드에 대한 연결부를 도시한다. PC/104 컴퓨터(250)는 구동 박스(223)의 외부의 스위치를 제어하도록 연결된다. 전력 스위치는 각 구동 박스가 PC/104 및 모터 제어기 배터리의 양극 전압 라인을 브레이크하기 위해 제공된다. 2개의 순간적인 토글(momentary toggle) 스위치 및 로커 스위치는 사용자 입력을 PC/104 컴퓨터(250)에서 실행하는 제어 알고리즘에 제공한다. 로커 스위치는 제어 알고리즘의 걷기 모드를 작동하는데 사용될 수 있고, 순간적인 토글 스위치는 걷기 전에 소프트 엑소슈트에 장력을 인가하기 위해 왼쪽 또는 오른쪽 모터를 회전시키는 데 사용될 수 있다. 이러한 3개의 사용자 인터페이스 스위치는 10kΩ 풀업 저항기를 가진 MM-32DX-AT 상의 디지털 입력 핀에 연결되고, PC/104와 공통 접지를 공유하고 있다. 각각의 스위치가 활성화되면, 디지털 입력은 접지에 연결되고, 핀은 낮게 끌어당겨진다. 부가적으로 또는 대안적으로, 박스에 장착된 스위치, 작은 핸드헬드형 유선 또는 무선 원격부(미도시)가 제공될 수 있다. 원격부의 스위치는 박스의 스위치와 병렬로 연결되고, 중복 기능을 제공할 수 있다. 사용자 입력 스위치 이외에 또는 대신에, 다른 사용자 인터페이스 시스템은 음성 제어, 터치 스크린, 착용형 컴퓨터, 또는 헤드업 디스플레이(예를 들어, 무선으로 연결된 트랙 패드 또는 소프트 키와 같이 망막 감지 또는 다른 입력을 가진 구글 안경 또는 착용 가능한 디스플레이)를 포함하는 소프트 엑소슈트에 통합될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 모터(246), 모터 인코더(248), 및 모터 제어기 조립체는 도 33에 도시된다. 각 EC-4극 30 맥슨 모터(246)는 Copley Controls Accelnet Panel ACP 모터 제어기(260)에 연결된다. RS-422 디지털 신호와 회전 당 500 카운트를 가진 HEDL 5540 3 채널 인코더(248)는 피드백에 사용된다. 각각의 모터 제어기(260)는 예로서 총 +29.6-33.6V에 대해 직렬인 2개의 4 셀(+14.8-16.8V) 리튬 폴리머 배터리에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 도시된 예에서, 모터 제어기(260)는 최대 +24V를 모터에 공급한다. Accelnet 패널 모터 제어기(260)는 -10와 10V 사이의 DC 전압을 수용하여, 풀리와 장력의 각도 방위를 변경하거나 케이블(142)을 약간 풀 수 있다. -10V 신호는 가동 시에 시작 지점으로부터 시계 반대 방향으로 풀리의 한바퀴 회전을 움직일 수 있고, +10V 신호는 풀리를 시계 방향으로 회전시킬 수 있다. 일부 양태에 따르면, 동작 시에, 모터 제어기(260)는 케이블(142)이 가능한 멀리 연장되는 경우에만 전원이 켜지기 때문에 음의 전압은 사용되지 않는다. 소프트웨어에서, 제어 신호는 모터를 물리적 정지로 실행하여 시스템 손상을 방지하기 위해 양인 것으로 제한될 수 있다.
제어 전압은 MM-32DX-AT의 아날로그 아웃 핀 중 하나로부터 생성될 수 있다. 부드러운 모터 작동을 보장하기 위해, 전압 신호는 저역 통과 필터를 통해 송신된다. 이러한 필터는 R = 68Ω 및 C = 47μF를 가진 RC 단극 구조를 포함하고, 48.9 Hz의 차단 주파수를 제공할 수 있다. 신호는 추가적으로 아날로그 입력상에서 디지털 필터 동작을 구현 모터 제어기에 의해 필터링될 수 있다.
본 발명의 일부의 양태에 따르면, 각 풀리 모듈(224)은 시스템 상태(예를 들어, 풀리 모듈이 구동 박스(223))에 정확히 연결되는 경우의 녹색 조명)의 다양한 상태를 나타내기 위해 조명하는 청색, 녹색 및/또는 적색 LED와 같은 하나 이상의 표시기를 포함한다. LED에 대한 전력 및 접지는 PC/104의 배터리로부터 포고 핀 인터페이스를 통과할 수 있다. 1 kΩ 저항은 배터리로부터의 전압을 적절한 구동 전류로 낮추는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 양태에 따르면, 바우덴 케이블(142)은 내부 회로에 대한 접지 역할을 하는 금속 풀리 박스(224) 및 구동 박스(223) 쉘을 통해 접지된다. 바우덴 케이블(142)을 접지하는 것은 이점으로 바우덴 케이블이 안테나처럼 작용하는 것을 방지하고, 전기적 노이즈를 로드 셀 및 시스템의 다른 부품으로 전송하는 것을 방지한다.
본 발명의 일부의 양태에 따르면, 액추에이터 유닛(200)은 보조 궤적를 통해 풀리(225)와 케이블(142)을 움직이도록 (감소된 듀티 주기에서 동작하는) 200W 브러시리스 모터(222)를 사용한다. 풀리(225)는 케이블을 통해 발목에 인가될 수 있는 힘과 변위로 모터 토크와 회전 속도를 변환한다(도 34).
액추에이터 유닛에 의해 제공되는 보조는 테스트 하에 소프트 엑소슈트에서 100W인 예를 들어 모터 공급 전력에 의해 제한될 수 있지만, 기능적 제한은 아니다. 테스트된 소프트 엑소슈트에서, 모터(246)의 듀티 주기는 주기의 일부에 대해 대략 200W까지 제공되어, 테스트를 위해 선택된 작업 100W 요건 이하에서 평균 전력 소비를 유지하면서 주기의 나머지에 대해 낮은 전력 드로우(draw)로 반환한다(도 35).
본 발명의 일부의 양태에 따르면, 맥슨 모터에 의해 EC-4극 30 브러시리스 모터(246)는 고 전력을 중량비 및 콤팩트 사이즈에 제공하는 고 효율 모터이기 때문에 사용될 수 있다. 다른 모터는 시스템의 성능 요건에 따라 이용될 수 있다. 회전 모터가 위의 다양한 예에서 사용되었지만, 전기 기계 액추에이터(예컨대, 모터, 솔레노이드 등), 공압 액추에이터(예를 들어, 공압 실린더, McKibben형 액추에이터 등) 및 유압 액추에이터(예를 들어, 유압 실린더 등)를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다른 액추에이터가 또한 사용될 수 있다. 본 발명의 또 다른 양태에서, 감속기가 필요 없고, 결과적으로 체중 감소, 노이즈 감소 및 효율 개선을 제공하는 서로 다른 유형의 모터(예를 들어, 높은 토크 및 저속)가 이용될 수 있다.
더욱이, 이전의 예가 바우덴 케이블의 움직임을 제어하는 풀리 시스템(224)을 포함하는 것으로 케이블 액추에이터(142) 시스템을 개시하지만, 다른 액추에이터는 이점으로 소프트 엑소슈트와 함께 사용될 수 있다. 예로서, 시스(바우덴 케이블)를 갖거나 갖지 않는(상술한 프리(Free) 케이블) 2개의 지점 사이에 연결된 케이블 또는 코드의 길이를 단축할 수 있는 임의의 액추에이터가 사용될 수 있다. 이러한 액추에이터는 보조될 움직임, 이러한 운동의 콘텍스트, 금기(contraindications), 대안적인 작동 배치의 가용성에 따라 사람을 어느 곳에 올려놓거나 올려놓지 않을 수 있다. 액추에이터는 상술한 바와 같이 소프트 엑소슈트 시스템의 적절한 위치에 부착된 액추에이터 출력 송신 요소(예를 들어, 신발 부착 요소(130))(예컨대, 케이블)의 근위 단부에 (예를 들어, 사용자의 어깨가 부담하는 배낭) 말단에 위치될 수 있다. 대안적으로, 하나 이상의 액추에이터는 앵커 지점, 연결 요소 및/또는 노드 사이에, 또는 케이블의 말단 사이의 길이의 일부 위에 배치될 수 있다. 다른 유형의 액추에이터의 예는 하나 이상의 공압 또는 유압 선형 액추에이터, 유압 로터리 액추에이터, 볼 또는 리드 스크루 액추에이터 벨트 또는 케이블 구동 액추에이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 단말 사이의 길이를 감소시키는 액추에이터가 사용되고, 자기 또는 기계식 클러치와 같은 하나 이상의 반수동 액추에이터를 포함한다. 이러한 액추에이터는 보조가 제공되어야 할 때(예를 들어, 무릎이 구부러질 때) 지점 간의 길이가 보다 짧은 보행의 지점에서 작동한다. 그것이 장력의 최소 레벨을 갖도록 케이블의 접이식 길이와 함께, 다리가 자연스럽게 확장될 때, 소프트 엑소슈트 및 케이블의 스트레치로 인해 힘이 생성되도록 클러치는 더욱 짧은 상태에서 길이를 로크한다. 이것은 반수동 시스템으로 분류되고, 능동 시스템보다 낮은 에너지 레벨을 필요로 할 것으로 예상된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 다양한 메커니즘이 소프트 엑소슈트에서의 장력을 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 소프트 엑소슈트를 작동하는 동일한 메커니즘은 또한 엑소슈트의 장력을 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 별도의 메커니즘은 액추에이터 단독으로 또는 함께 소프트 엑소슈트에 장력을 인가하는데 사용될 수 있다. 소프트 엑소슈트는 슈트 상의 두 지점 사이의 길이를 감소시키는 액추에이터를 사용하여 능동적으로 단축될 수 있다. 이를 달성할 수 있는 한 메커니즘은 바우덴 케이블을 당기는 모터이며, 바우덴 케이블의 시스는 소프트 엑소슈트 상의 한 지점에 연결되고, 이의 중심은 슈트 상의 다른 지점에 연결된다. 이것은 기계적 공압, 유압, 또는 다른 액추에이터를 이용하여 달성될 수 있다.
물론, 상술한 바와 같이, 장력은 (예를 들어, 버클 및/또는 Velcro®를 이용하여 스트랩을 조정하고, 드로스트링(drawstring), 와이어 또는 케이블에 장력을 인가하며, 그것을 적소에 잠그는) 연결 요소, 앵커 지점 및 노드의 상대 위치에 대한 물리적 조정에 의해 하나 이상의 지점에서 수동으로 조정될 수 있다. 다른 예로서, 착용자는 출시(release) 후 웨빙 스트랩을 고정하는 잠금 버클을 통과하는 웨빙 스트랩을 당길 수 있다. 다른 예에서, 착용자는 웨빙의 부분(예를 들어, 연결 요소)를 당길 수 있으며, Velcro®를 가진 웨빙을 슈트의 일부에 고정할 수 있다.
착용자는 래칫(ratchet) 메커니즘(예를 들어, 허리 벨트(110)에 배치되는 보아 테크놀로지 회사에 의해 만들어진 회전 래칫 메커니즘)을 통과하는 케이블, 또는 설정된 장력에서 케이블을 적소에 고정하도록 구성되는 잠금 가능한 스풀(spool)을 당기거나 장력을 인가할 수 있다. 래칫 메커니즘 또는 스풀은 (예를 들어, 래칫 메커니즘이 엉덩이에 장착된 케이블의 상부에서) 바우덴 케이블의 한 단부에 부착되고, 이의 다른 단부는 이들 사이의 거리를 줄이기 위해 소프트 엑소슈트 상의 두 위치에 연결되고, 상호 작용하는 요소(예를 들어, 폴(pawl) 요소, 래칫 요소)는 해제 가능한 고정부(releasable securement)를 제공한다. 착용자는 또한 케이블이 래핑되는 중앙 허브를 회전하여 래칫 메커니즘을 진행하거나, 최종 위치로 잠겨지는 나사 메커니을 가진 소프트 엑소슈트에 장력을 인가할 수 있었다. 장력은 래칫 메커니즘의 상호 작용 요소를 해제하기 위해(예를 들어, 래칫 기어 이빨에서 떨어져 레버를 움직이게 하기 위해) 버튼을 눌러 해제될 수 있다. 래칫 메커니즘 또는 스풀은 소프트 엑소슈트 착용자 또는 액추에이터, 예를 들어 기어드 모터에 의해 (장력 또는 해제 장력을 인가하기 위해) 수동으로 돌려질 수 있다. 소프트 엑소슈트가 보조 시스템으로 작동되지 않는 곳에서도, 소프트 엑소슈트는 여전히 장력이 가해진 모드로 착용될 수 있다. 다양한 구성에서, 래칫 메커니즘은 (걷거나 달리면서 조정을 용이하게 하기 위하여) 착용자의 허리 또는 엉덩이에, 발목 부근, 또는 착용자의 몸통 주변의 잠재적인 어떤 곳에 위치될 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 소프트 엑소슈트에 장력을 인가하기 위한 메커니즘은 나사 요소를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 캐리지 요소는 바우덴 케이블의 단부에 연결되고, 나사 요소가 배치되는 나사부에 의해 상하로 움직이도록 구성된다. 지지 구조체는 케이블 시스에 대한 적소에 캐리지 요소를 보유하고, 나사의 상부는 나사의 회전을 허용하도록 사용자에게 노출된다. 나사의 회전은 캐리지 및 부착된 바우덴 케이블 단부의 선형 움직임을 유발시켜, 각각 소프트 엑소슈트의 장력을 증가시키거나 감소시킨다. 선택적인 잠금 요소는 설정의 풀림에 대한 가능성을 최소화하기 위해 제공된다. 일 양태에서, 나사는 나사산을 회전하기 위해 소형 모터 또는 다른 액추에이터에 의해 제어될 수 있으며, 어떤 경우에는 잠금 요소가 필요하지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 소프트 엑소슈트는 선택적으로 엑소슈트 소프트의 사용자가 움직일 경우에 프로그램에 따라 능동적으로 장력이 인가될 수 있다(예를 들어, 케이블이 단축되거나 연장된다). 대안적으로, 다른 양태에서, 소프트 엑소슈트는 하나 이상의 액추에이터를 사용하여 자동으로 장력이 인가되고, 하나 이상의 설정된 장력(예를 들어, 고정된 값, 고정된 값의 범위, 서로 다른 움직임의 부분에 대한 서로 다른 값 또는 값의 범위, 공칭 평균값, 공칭 피크 값 등)에 유지되며, 이의 설정된 지점은 사용자에 의해 조정될 수 있다. 이러한 양태에서, 시스템은 장력을 제어하는 제어기에 적절한 입력을 제공하기 위해 소프트 엑소슈트의 장력을 감지하도록 구성된다.
이러한 메커니즘의 모두에 의해, 소프트 엑소슈트는 소프트 엑소슈트를 벗는 것을 용이하게 하기 위해 이러한 장력 메커니즘을 해제함으로써 착용자에 헐렁한 것으로 이루어질 수 있다. 그러한 장력(또는 장력 해제) 장치는 예를 들어 사용자가 소프트 엑소슈트의 특정 지점과 (제 1 장력보다 더 높거나 낮은) 제 2 장력의 레벨 사이에 제 1 장력의 레벨을 유지하도록 한다. 소프트 엑소슈트는 이점으로 동시에 동작할 수 있는 다수의 장력 메커니즘을 포함한다.
보행 주기 동안, 모터(246)는 원하는 케이블(142)의 궤적을 달성하기 위해 토크 및 속도의 범위에 걸쳐 동작할 수 있다. 모터의 고 효율이 높은 속도와 낮은 토크에서 생성하기 때문에, 본 발명의 일부 실시예는 보행 주기 동안 가능한 한 최대 효율에 가깝게 모터를 동작시키는 풀리 및 기어 박스를 가진 모터를 포함하는 조합을 선택할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 맥슨 EC-4극 30은 15,900 RPM의 공칭 연속 속도를 가지고 있다. 그러나, 본 실시예에서, 모터는 인코더의 최고 속도: 12,000 RPM에 의해 제한된다. 대안적인 인코더(Line Driver Maxon #225778와 함께 MR, Type ML, 500 CPT, 3 Channels)는 최대 모터 속도를 증가시키는 액추에이터 시스템에 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 이러한 시스템에 대한 더 양호한 모터는 높은 토크에 대한 낮은 공칭 연속 속도를 갖는다. 낮은 동작 속도는 기어박스에서 필요한 단계의 수를 줄이고, 높은 전체 효율을 생성한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 풀리(225) 및 기어 박스(244)는 모터의 빠른 회전을 풀리 휠(225)의 움직임을 연장 및 단축하는 케이블(142)로 변환한다. 풀리 휠(225) 및 기어 박스(244)는 함께 주어진 하중 상태에 대한 최대 케이블 이동 및 최대 케이블 속도를 결정한다. 풀리 휠(225)의 직경 및 기어 감속는 필요한 최소 케이블 이동 및 생체 역학 및 엑소슈트 강성도의 요구를 충족시키기 위해 필요한 최대 케이블 속도로부터 역행 방식(working backwards)에 의해 결정될 수 있다. 총 보조량은 이러한 두 한계치뿐만 아니라 전력 버짓에 의해 구동되었다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 풀리 휠(225)은 하나의 랩 디자인일 수 있지만, 다른 실시예에서는 풀리는 다수의 랩 디자인일 수 있다. 하나의 랩 디자인으로, 풀리 휠(225)의 둘레는 케이블 이동 거리보다 작지 않을 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 케이블 이동은 소프트 엑소슈트(100)의 구조 및 사용자의 걷기의 생체 역학에 기초할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 케이블 이동은 3개의 길이: 케이블 당김 길이, 엑소슈트 장력 길이, 및 바닥(bottoming out)을 방지하기 위한 안전 마진 (margin of safety)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 케이블 이동에는 디자인 파라미터 및 사용자 변동성의 불확실성으로 인해 상당한 안전 길이가 주어졌다. 케이블 당김 길이 및 케이블 장력 길이는 5'8" 내지 6'5"의 높이 범위의 참가자와 함께 소프트 엑소슈트 및 이전 액추에이터 시스템으로부터 측정되었다. 세 길이 및 계산된 풀리 직경은 표 4에서 알 수 있다.
| 케이블 당김 길이(Lp) | 8cm | 부츠의 뒷 + 소프트 엑소슈트 강성도에 대한 레버 팔이 주어 진 발을 보조하는데 필요한 길이 |
| 케이블 장력 길이(Lt) | 5cm | 걷기 전에 소프트 엑소슈트에 장력을 인가하는데 필요한 길 이. 착용자의 차이로 인해 시스템에서 슬랙을 줄임 |
| 케이블 안전 길이(Ls) | 7cm | 바닥을 방지하고, 다양한 크기의 사람 또는 부가된 당김 길 이를 수용하기 위해 이동의 끝에 필요한 길이 |
| 총 길이(Lcirc) | 20cm | |
| 풀리 직경 | 70cm | 작업 회전수를 곱한 둘레에 걸친 거리 |
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 하나의 랩 풀리의 사용은 3400의 사용 가능한 각도(0.94 회전수)를 초래했다. 약 70mm의 선택된 풀리 직경은 적절한 케이블 길이를 제공했다. 일반적으로, 큰 풀리 및 큰 굽힘 반경은 적은 마모 및 감소된 케이블 스트레스를 제공한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 기어박스(244)는 케이블 당김 중에 필요한 최대 속도를 충족하고, 발목을 보조하는 경우에 해제하도록 선택된다. 도 36에서 알 수 있는 바와 같이, 최대 보조 케이스에 대한 케이블 변위는 주기의 활성 부분에 걸쳐 동작하는 삼각형으로 처리될 수 있다. 선행 라인은 센티미터 단위의 명령된 모터 위치 신호이고, 후행 라인은 CME-2 모터 제어기의 소프트웨어 범위(software scope)에 의해 측정된 바와 같이 생성된 모터 위치이다. 양의 변위는 케이블의 후퇴에 대응하고, 신호 명령 및 모터 운동 사이의 지연은 모터 제어기의 가속 한계로부터 유래한다.
본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 기어 감속 계산을 도시한 표 5에서 알 수 있는 바와 같이, 케이블의 최대 속도는 미리 정해진 풀리 직경(70mm) 및 모터의 최대 속도에 대해 37cm/sec인 것으로 발견되었다. 케이블의 최대 속도로부터, 필요한 기어 감속은 107:1인 것으로 발견되었고, 111:1의 감속을 가진 기어 박스가 선택되었다.
| 변수 | 값 |
| 보행 주기(T) | 1 sec |
| 듀티 주기(p1 - p2) | 40% 내지 83% |
| 듀티 주기에 걸친 당김 및 해제의 길이(Lp) |
8cm |
| 케이블의 최대 속도 (Vcable) | 1LP/T(p2-p1)=37cm/s |
| 풀리 직경 (D) | 7cm |
| 모터의 최대 속도 제한 | 12000 RPM |
| 기어 감속 (R : 1) | R = (Mspeed/60)/(Vcable/Lcirc) = (107) |
| 선택된 기어박스 감속 | 가장 근접한 기어 갑속은 111:1임 |
모터는 속도-토크 곡선 내에서 동작하고, 고속 당김 동안에 인가된 힘이 모터의 수명을 유지하기 위해 모터의 한계를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 비신축성 시스 내부로 옮기는 비신축성 케이블을 포함하는 바우덴 케이블이 이용된다. 바우덴 케이블(142)은 (신발 연결 요소(130)로 전달된 힘을 통해) 액추에이터 유닛(200)으로부터 발목으로 힘을 전달한다. 바우덴 케이블의 시스(144)는 소프트 엑소슈트 및 액추에이터 유닛(200)에 부착되고, 케이블(142)은 신발 연결 요소(130)에 앵커된다(도 21-22). 다른 실시예에서, 웨빙 또는 케이블은 직물 내의 가이드를 통해 라우팅될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 많은 타입의 바우덴 케이블이 시스템에서 사용될 수 있다. 표준 바우덴 케이블 이외에, Nokon® 브랜드 케이블과 같은 비표준 및 유사한 동작 케이블이 사용될 수 있다. Nokon® 케이블은 기존의 바우덴 케이블보다 증가된 효율을 제공할 수 있다. 보다 효율적인 케이블은 더 많은 힘이 주어진 입력 힘 당 발목로 전달되도록 할 수 있다. 이것은 제한된 힘 버짓을 가진 시스템에 이점을 제공할 수 있다. Nokon® 시스템 내의 감긴 와이어 케이블은 직경이 1.5mm이고, 2200N의 최대 장력 강도를 갖는다.
도 37은 바우덴 케이블(144) 상의 단부 피팅(end fittings)을 도시한다. 이러한 페룰 단부 피팅(146)은 액추에이터 유닛(200)과 소프트 엑소슈트 모두와 통합할 수 있다. T-커넥터는 종아리 스트랩 및 부츠 부착물에서 루프의 봉합을 통해 소프트 엑소슈트와 인터페이스하는 T-커넥터가 생성될 수 있다. 다른 실시예에서, T-커넥터에 대한 대안은 벨크로 부착물, 즉 버클일 수 있다. 일부 실시예에서, T-커넥터는 제거될 수 있고, 조정 가능한 슬라이더를 가진 연속 웨빙은 적소에 사용된다.
케이블의 단부 상의 페룰은 모두 풀리와 맞물리고, 케이블을 하부 T-커넥터에 고정할 수 있다. 이러한 페룰은 또한 기계적인 퓨즈로서 작용하고, 미리 정의된 힘(예를 들어, 600-650N)이 T-커넥터에 적용될 때 케이블에서 제거되며, 따라서, 시스템이 사용자에게 적용할 수 있는 힘을 제한하는 안전 특징을 제공할 수 있다. 근단부에서, Nokon® 케이블은 풀리 모듈 상의 구멍에 맞을 수 있고, 세트 스크류(set screw)에 의해 고정될 수 있는 확장된 알루미늄 하우징을 포함할 수 있다. 바우덴 케이블의 다른 단부 피팅은 예를 들어 버튼 탭을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 리벳 또는 그로멧은 케이블이 외부 시스를 억제하면서 통과하도록 허용하는 웨빙에 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 압축 피팅은 외부 시스를 웨빙으로 클램프한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 케이블 내의 현재 시스템 장력은 걷기 전에 소프트 엑소슈트를 데이터 로그하고 미리 장력을 인가하기 위해 제어 시스템으로 입력될 수 있다. 케이블 내의 감지 장력은 또한 보행 제어 알고리즘에 사용될 수 있다. 풀리 모듈의 로드 셀은 박스의 외부에서 풀리로 통과할 때 작은 각도만큼 케이블을 편향시키는 작은 아이들러 휠에 장착될 수 있다. 일반적으로, 도 38에서 참조 번호(167)로 도시된 바와 같이, 80 케이블 각도에 대해 케이블을 편향시키도록 요구된 힘은 케이블 내의 장력에 따라 선형적으로 증가한다. 풀리 시스템(224)의 본 실시예에서의 시스템 장력의 일반적인 범위는 약 150 N의 로드 셀 힘 및 약 500 N의 케이블 장력을 보여주는 동작 엔벨로프(166)로 나타낸다. 50kg 빔 로드 셀은 시스템으로 가능한 케이블 장력에 대한 전체 범위를 측정하도록 80 굽힘 각도와 함께 사용될 수 있다. 참조 번호(168)는 케이블 파괴 강도를 나타낸다.
본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 도 39-40은 직렬 장착 및 병렬 장착된 힘 센서와 하이브리드 조합 사이의 차를 도시한다. 편향 아이들러 휠(232) 기하학적 형상은 아이들러 휠이 케이블 이동을 제한하지 않기 때문에 인라인 힘 센서 셋업 대신에 사용될 수 있다(도 39 및 도 40의 시리즈 힘 센서(275) 참조). 그러나, 인라인 시리즈 센서(275)는 힘의 직접적인 측정을 제공할 수 있고, 발목에서나 근처에 배치될 수 있으며, 이는 바우덴 케이블(142)의 마찰로 인해 측정 오차를 제거한다. 다른 실시예는 바우덴 케이블 시스에 부착된 바우덴 케이블 시스(144)의 말단부에 위치에 위치된 힘 센서(예를 들어, 275) 및 연결 요소를 갖는다. 이것은 센서의 말단 위치로 인해 무제한 케이블 이동 및 우수한 측정을 허용한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, B&L Engineering 풋 스위치는 부츠에 장착될 수 있고, 평균 성인에 우측 감도를 제공한다(풋 스위치는 선택적으로 사용자의 중량 또는 동작 중량 범위에 대해 최적화될 수 있다). 압축되지 않은 경우, 풋 스위치는 수백 메가 오옴의 공칭 저항을 가져, 효과적인 폐쇄 회로를 생성한다. 저항은 발뒤꿈치 닿기 동안 14Ω(힘의 약 300 lbs), PC/104 디지털 핀을 낮게 당기는 909Ω 풀업 저항보다 훨씬 작은 값(10kΩ와 병렬인 1KΩ) 아래로 떨어진다. 1KΩ 저항은 발뒤꿈치가 닿을 때와 발 뒤꿈치가 들어 올려질 때와 같이 전환 운동 중 온/오프 토글링을 최소화하기 위해 10kΩ의 저항과 병렬로 추가되었다.
소프트 엑소슈트의 테스트 구성에 구성된 바와 같이, 1.6 GHz 인텔 아톰 CPU, RAM의 2GB를 갖는 다이아몬드 시스템 오로라 PC/104 컴퓨터(250)가 사용되었고, 4 GB SSD 디스크로부터의 실시간 커널로 MS-DOS를 부팅하였다. MS-DOS 설치는 시작 시에 실행 가능한 xPC 타겟 바이너리를 론치하도록 구성될 수 있다. xPC 타겟 애플리케이션은 호스트 컴퓨터로부터의 연결을 기다리고, 호스트 컴퓨터 상의 MATLAB/Simulink로부터 컴파일된 프로그램을 수신하여, 프로그램을 실행한다. 오로라 PC/104는 입력 또는 출력으로 할당 가능한 32 아날로그 입력, 4개의 아날로그 출력 및 24개의 디지털 핀을 제공하기 위해 다이아몬드 시스템 MM-32DX-AT I/O 확장 보드와 쌍을 이룰 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, PC/104 xPC 타겟 조합은 유용한 양의 처리 전력 및 유연성을 제공하였다. PC/104는 48.2 FLOPS 및 RAM의 2GB가 가능한 데스크탑 CPU를 가지며, 제어 알고리즘은 메모리 또는 속도에 대한 걱정없이 본 발명에 사용하기 위해 개발될 수 있다. 작은 크기 및 낮은 전력 소모는 PC/104를 휴대용 시스템에 사용하는데 적합하게 한다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, Copley Controls Accelnet Panel ACP 모터 제어기는 속도 제어 및 위치 제어를 할 수 있는 고성능 제어 제어기이다. 그것은 다수의 명령 입력(RS232 시리얼, CAN, PWM, 아날로그 전압)을 갖는다. Copley Controls 소프트웨어는 제어 이득의 기본 자동 조정 및 계산을 할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, Futek CSG110은 풀 브리지 스트레인 게이지에 대한 범용 증폭기로서 사용되었다. Futek CSG110은 여기 전압 및 mV/V 센서 범위를 설정하기 위한 DIP 스위치 뿐만 아니라 각각의 특정 로드 셀로의 출력되는 DC 전압의 영점 및 스팬을 교정하기 위한 회전식 전위차계를 갖는다. Futek CSG110 증폭기는 로드 셀이 PC/104와 인터페이스되도록 한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 5개의 배터리가 이러한 시스템을 가동하는데 사용된다. 4개의 Gens Ace 14.8V 4S1P 5000mAh 40C 리튬 폴리머 배터리는 모터 제어기 및 모터, 2개의 구동 박스(팔다리 당 하나의 구동 박스)를 가동하는데 사용된다. 배터리의 각 쌍은 29.6V DC를 모터 제어기에 공급하기 위해 직렬로 연결된다. 제 5 배터리는 PC/104 컴퓨터, 두 Futek 증폭기, 풀리 모듈 LED 및 각 구동 박스 내의 냉각 팬을 가동시키는데 사용되는 리튬 폴리머 Gens Ace 14.8V 2S1P 4000mAh 25C이다. PC/104 배터리는 모터 제어기 배터리 쌍 및 시스템의 모든 구성 요소와 공통 접지를 공유할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따른 배터리는 시스템에 대한 부착물일 수 있다. 이러한 배터리는 200W보다 큰 것을 반송할 수 있는 적어도 2개의 전기적 커넥터 블레이드와 접촉하는 단자 커넥터를 가진 하우징에 포함될 수 있다. 이러한 블레이드는 모터를 가동할 수 있는 전력 연결을 형성하기 위해 모터 내부의 메이팅(mating) 커넥터와 인터페이스할 수 있다. 배터리 하우징 및 모터 하우징은 퀵 릴리스(quick release) 교환 가능한 시스템을 형성한 하우징을 고정하기 위한 래치와 같은 메이팅 유지 특징을 가질 수 있다.
리튬 폴리머 배터리는 본 출원에서 허용 가능한 성능을 제공하기 때문에 선택되었다. 리튬 폴리머 화학적 구조는 최고 에너지 저장 대 중량비 중 하나를 제공하고, 리튬 이온보다 더 강력하고 안전하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 소프트 엑소슈트는 슈트를 가동하는데 필요한 전체 배터리 크기를 감소시키기 위해 (예를 들어 태양, 바람, 생체 운동, 체온, 진동, 충전 스테이션과의 유도 결합, 유선 리튬 배터리 충전 포트 등으로부터) 에너지 하베스트 요소(harvest element)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 도 29에 도시된 풀리 모듈은 5개의 부분으로 만들어질 수 있다. 풀리 하우징(230)은 풀리 모듈(224)을 보조하기 위한 기계적 구조를 제공할 수 있고, 내부 쉘(예를 들어, Delrin) 및 외부 쉘(예를 들어, Delrin)을 갖는 풀리 하우징(예를 들어, 알루미늄)을 포함한다. 풀리 하우징(230)은 바우덴 케이블 상의 풀리에 의해 생성된 하중에 저항하고, 추가적인 보조를 모터 샤프트에 제공하고, 풀리 시스템을 구동 박스에 정렬하고 부착하고, 선택적으로 풀리 시스템의 육안 검사 및 움직임을 허용하는 윈도우를 포함하고, 선택적으로 밀고 당기는 케이블 작동을 허용하도록 인클로저(enclosure)에 케이블을 유지하는 가이드 슬롯 또는 채널을 포함하고, 선택적으로 풀리의 과다 회전 또는 역방향 회전을 방지하기 위한 정지부를 제공하고, 선택적으로 풀리 모듈 서브시스템의 "퀵 릴리스(quick release)”제거를 허용하는 2개의 나사에 의해 구동 박스에 부착하며, 풀리 모듈이 구동 박스에서 분리될 때 풀리에 2차 베어링 표면을 제공한다. 1차 베어링 표면은 모터 샤프트에 의해 제공되고, 풀리 모듈이 구동 박스로부터 분리될 때, 풀리 플랜지는 메이팅 하우징 표면에 의해 지지될 수 있다. 다른 예에서, 베어링은 회전 축에 수직인 모멘트 힘을 줄이기 위해 풀리 케이블 홈 아래에서 중앙에 위치될 수 있다. 이러한 중앙에 위치된 베어링은 캔틸레버식 표면(cantilevered surface)을 통해 풀리 하우징에 고정된다. 이러한 구성은 최소 횡력이 모터 베어링에 작용하도록 허용한다. 추가적으로, 풀리 모듈은 래치를 이용하여 모터 하우징에 고정하고, 퀵 릴리스 메커니즘을 제공할 수 있다.
풀리 휠(225)은 케이블(142)을 안내하고, 다음과 같은 추가적인 특징: 1) 트러블 슈팅(trouble shooting) 목적을 위해 보기(view) 윈도우 내에 절대 위치를 제공하기 위한 번호/색상 표시, 2) 풀리 관성을 줄이도록 경량 디자인을 제공하기 위한 중량 감소 웨빙, 3) 밀고 당김 작동 중에 케이블을 적소에 유지하기 위한 페룰 캡처 나사, 4) 풀리 이동을 제한하도록 풀리 하우징과 상호 작용하기 위한 정지 핀의 일부 또는 모두를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 풀리 모듈의 일부를 고려하면서 모터 마운트는 구동 박스에 위치되고, 풀리 모듈이 구동 박스 상에서 적소에 모터에 고정되도록 하기 위한 위치 및 체결(fastening) 지점을 제공할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 제어 구조는 센서로부터의 입력에 기초하여 모터를 움직이는 방법을 결정하는 프로세스를 포함할 수 있다. 제어 방식은 PC/104 내장형 시스템에서 실행하는 코드로 구현될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 제어 방식은 Simulink 블록 및 MATLAB 코드로 기록될 수 있다. MM-32DX-AT 아날로그 확장 보드용 Simulink 블록은 입력 및 출력(예를 들어, I/O)을 처리할 수 있다. 하나의 Simulink 블록은 모든 센서에 대한 값을 판독하는데 사용될 수 있고, 다른 Simulink 블록은 위치 값을 모터 제어기로 전송하는데 사용될 수 있다. 추가적인 Simulink 블록은 데이터를 캡처하여, 그것을 PC/104의 디스크에 저장하거나 저장 또는 디버깅을 위해 호스트 컴퓨터로 전송하기 위해 사용될 수 있다. 대부분의 처리는 Simulink 블록 내장된 MATLAB 스크립트에 의해 달성될 수 있다. 이러한 MATLAB 스크립트는 원하는 모터 위치를 계산하기 위해 풋 스위치 상태, 사용자 인터페이스 버튼 및 현재 시간 단계를 사용할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, Simulink 블록도는 PC/104 상에서 0.001 초(1 밀리초)의 고정 시간 단계에서 실행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 각 다리에 대한 모터(246)의 출력은 실행 시간 전에 생성된 사다리꼴 궤적으로부터 계산될 수 있다. 이러한 궤적은 단위의 폭과 원하는 작동의 레벨(예를 들어, 4cm 진폭을 가진 펄스, 6cm 진폭을 가진 펄스)에 대응하는 가변 피크 높이를 갖는다. 사용자의 보행의 케이던스(cadence)는 여러 발뒤꿈치 닿기 사이의 타이밍으로부터 계산될 수 있다. 특히, 보행 주기는 미리 정의된 수의 단계, 예를 들어 이전의 20 단계 동안에 기록될 수 있고, 평균을 취할 수 있다. 20 단계의 움직임 평균은 저역 통과 필터에 대한 충분한 입증되었다. 이러한 평균 보행 주기는 각 다리에 대해 하나의 완전한 보행 주기에 걸쳐 사다리꼴 궤적을 스케일링하는데 사용될 수 있다. 각 다리는 독립적으로 처리될 수 있고, 각 다리에 대한 파형은 독립적으로 계산될 수 있다. 일부 실시예에서, 양쪽 다리는 동일하게 처리될 수 있고, 계산된 동일한 파형은 각 다리에 사용될 수 있다.
발뒤꿈치 닿기 시에, 제어 방식은 룩업 테이블을 사용하여 필요한 모터 당김을 생성할 수 있다. 보행 주기(GC)의 0-40%의 플랫 궤적은 지연(delay)으로 작용하고, 발이 지면에 놓고, 사용자의 엉덩이가 발 위의 위치로 회전할 때에 소프트 엑소슈트를 슬랙하게 유지한다. 40%에서 시작하면, 모터는 케이블을 당기고, 토 오프(toe off)가 일어날때 62.5% GC에서 최대 레벨로 소프트 엑소슈트에 장력을 인가한다. 보유 기간 후, 모터는 케이블을 83% GC에서 다시 제로까지 풀어 새로운 주기에 대해 재설정한다.
궤적은 모터(246), 기어 박스(244) 및 바우덴 케이블(142)의 물리적 성능에 의해 제한될 수 있다. 궤적의 하향 기울기는 모터의 최대 슬루 레이트(slew rate)를 따를 수 있다. 추가적으로, 모터 제어기는 모터의 최대 가속을 2500 회전/sec2로 제한하고, 모터의 최대 속도를 11500 rpm으로 제한하고, 사다리꼴 궤적의 날카로운 모서리를 효과적으로 라운딩하여,약간 우측(~3%)으로 시프트할 수 있다. 마지막으로, 이러한 궤적은 발뒤꿈치가 먼저 지면에 닿을 때 시작하는 발목 위치 대 시간에 기초하여 생성될 수 있다. 이러한 시스템에서 사용되는 풋 스위치는 트리거에 대한 상당한 압력의 양을 필요로 하고, 따라서 발뒤꿈치가 지면에 있고, 사용자의 중량이 발을 로드하기 시작할 때까지 발뒤꿈치 닿기가 감지되지 않는다. 이것은 공칭 보행 주기 2-6 %, 대부분 2-3% 사이의 어딘가에서 생성한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 사용자 인터페이스 스위치는 제어 방식이 기능하는 방법을 수정하기 위해 구동 박스(223)의 외측, 핸드헬드 원격부 상에 또는 무선 장치를 통해 제공된다. 걷기 스위치가 분리되면, 제어 방식은 선택적으로 계속 실행하지만, 발뒤꿈치 닿기 후에 펄스 신호를 출력하지 않는다. 각각의 장력 토글은 사다리꼴 궤적으로부터 조사된 모터 위치로 오프셋(offset)을 추가하거나 뺀다. 오프셋은 장력 토글이 얼마나 오래 유지되는가에 따라 크기가 성장한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 힘 센서의 값은 데이터 로그되고, 사다리꼴 궤적의 크기를 조정하는 데 사용되지만, 원하는 모터 위치를 계산하기 위해 사용되지 않을 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 힘 센서는 원하는 모터 위치 대신에 보행 주기를 통해 원하는 힘 궤적을 따르도록 피드백 루프에 통합될 수 있다.
본 발명의 일부 양태에 따르면, 직통 케이블은 바우덴 케이블 대신에 사용될 수 있다. 직통 케이블은 액추에이터로부터 동작의 지점까지의 프리(free) 케이블을 포함할 수 있다. 이것은 두 단부 지점 사이의 케이블에 따라 힘을 생성할 것이다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 다지점 케이블 시스템이 사용된다. 예를 들면, 다지점 케이블 시스템은 경로를 따라 각도 전환 지점(angle transition points)을 통해 말단부로 통과하고, 단부를 포함하는 전환 지점의 일부 또는 전부를 통해 길이를 따라 힘 및 변위를 전달하는 액추에이터(120)로부터 프리 케이블을 포함할 수 있다. 케이블의 단부 사이의 각각의 관절에 대한 모멘트는 프리 케이블의 전환 지점에 대한 자신의 위치에 의존한다. 케이블 또는 웨빙은 케이블이 단부에서 빠져나갈 때까지 차폐되는 바우덴 케이블과 달리 전환 지점 및 착용자에 대하여 슬라이딩하도록 구성될 수 있다. 다점 케이블 및/또는 직접 케이블은 소프트 엑소슈트 재료, 탄성 요소(예를 들어, 고무) 또는 임의의 다른 신축성 힘 전달 요소와 같이 와이어 또는 필라멘트 로프, 웨빙 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 바우덴 케이블(142) 시스템은 솔레노이드 또는 (예를 들어, 사용자가 지탱하는 배낭에서) 원격으로 또는 (예를 들어, 에너지를 무릎 또는 발목에 추가하는데 사용되는 허벅지 기반 액추에이터 또는 에너지를 발목에 추가하기 위한 비복근 기반 액추에이터와 같은 보조된 팔다리 상에서) 국소적으로 배치된 다른 타입의 액추에이터로 교체될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 유압 피스톤 변환기가 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 선형 피스톤은 바우덴 케이블의 하부를 교체할 수 있고, 유압 튜브를 통해 유압 및 흐름의 소스에 연결될 수 있다. 변환기는 엑소슈트를 작동하기 위해 길이를 줄이는 피스톤 및 실린더를 포함한다. 대안적인 실시예에서, McKibbon 액추에이터와 같은 공압 변환기는 바우덴 케이블의 하부를 교체하고, 공압 튜브를 통해 공기 압력 및 흐름의 소스에 연결될 수 있다. 변환기는 실린더 및 피스톤 또는 팽창할 때 길이를 줄이는 팽창 블래더(bladder)를 포함할 수 있다.
설명된 케이블 액추에이터는 바우덴 케이블에 연결하는 풀리 시스템을 구동한 모터를 포함한다. 다른 액추에이터는 모터 대신에 사용될 수 있다. 대안적인 액추에이터는 시스를 갖거나(바우덴 케이블) 시스를 갖지 않는(예를 들어, 프리 케이블) 두 지점 사이에 연결된 케이블 또는 코드의 길이를 짧게 하는데 사용될 수 있는 액추에이터 또는 모터를 포함할 수 있다. 이러한 액추에이터는 케이블의 단자 단부 사이의 길이의 일부에 걸쳐 상술한 바와 같이 또는 어떤 경우에 근단부에 배치될 수 있다. 이러한 액추에이터는 하나 이상의 공압 또는 유압 선형 액추에이터, 유압 로터리 액추에이터, 볼 또는 리드 스크루 엑츄에이터, 및 벨트 또는 케이블 구동 액추에이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 직물 기반의 힘 센서는 두 지점 A와 B 사이의 직조된 직물 웨빙의 선형 변위를 측정하는데 사용될 수 있다. 이러한 선형 변위 측정은 계산된 힘 측정에 대한 직조 기재(woven substrate)의 특성(예를 들어, 탄성 특성)과 조합될 수 있다. 힘은 지점 A 및 B에 의해 형성된 공선(collinear line)을 따라 측정 될 수 있고, 직물이 다른 커넥터를 충족하는 선의 끝점에서 종료할 수 있다. 직조 웨빙은 일반적으로 리본 형태(예를 들어, 길이, 폭 및 두께)로 전형적으로 만들어진 강한 내구성 직물을 제공한다. 직물의 길이를 따라 선형으로 힘을 적용하는 것은 직물의 신축성(스트레인)를 야기한다. 이러한 신축성은 측정되었고, 직물에 적용된 힘이 특정 스트레인 측정을 초래하도록 비교적 일관적이다. 이러한 특성을 이용하여, 직물 기반 힘 센서는 0.05 내지 5% 범위에 대한 스트레인을 측정할 뿐만 아니라 매우 낮은 강성도를 가질 수 있어야 한다. 0.05 내지 5%의 범위에 대한 필요성은 웨빙의 재료 특성에 기초한다. 낮은 강성도에 대한 필요성은 힘 센서가 웨빙 강성도에 크게 기여하지 않도록 한다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 직물 기반의 힘 센서는 하나 이상의 엑소슈트 액추에이터의 제어에 도움을 주기 위해 사용될 수 있다. 액추에이터 위치 측정 및 힘 변위 프로파일과 조합된 힘 측정은 제어 시스템에 의해 운동을 감지하고 피드백을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 그것은 또한 (강성도 측정을 통해) 슈트 요소의 정확한 위치를 결정하는데 도움을 준다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 직물 기반의 힘 센서는, 소프트 엑소슈트의 특정 영역의 힘을 측정함으로써 발전을 돕고, 관절 각도를 측정함으로써 손상을 검출하며, 제어 또는 데이터 분석에 대한 관절 각도를 검출하도록 임의의 활동 동안에 소프트 엑소슈트 요소에 힘을 기록하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 센서는 소프트 엑소슈트 상의 다양한 위치에 배치될 수 있다. 일 양태에서, 표면 기반 센서는 연결 요소 또는 다른 요소의 길이를 따른 두 지점에서 연결 요소(예를 들어, 직조 웨빙 직물) 또는 다른 요소에 부착된다. 다른 양태에서, 전체 표면 센서는 연결 요소 또는 다른 요소의 영역에 걸친 두 지점에서 연결 요소(예를 들어, 직조 웨빙 직물) 또는 다른 요소에 부착된다. 다른 양태에서, 포켓은 연결 요소 또는 다른 요소(직조 재료에 대해)에 형성되거나 직조되고, 센서는 포켓에 배치된다(포켓의 재료 특성은 힘을 계산할 때 사용될 필요가 있다). 또 다른 양태에서, 센서는 웨빙으로 직접적으로 구성된다. 또 다른 양태에서, (어떤 타입의) 하나 이상의 센서 요소를 지닌 연결 요소 또는 다른 요소는 적층 재료 또는 복합 재료이고, 센서는 적층 또는 복합 재료의 층 사이에 내부적으로 배치된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 선형 변위를 측정하는 센서는 시스템에 사용될 수 있다. 바람직하게는, 센서는 현재 웨빙에 대해 약 0.05-5%의 범위 내의 스트레인을 측정할 수 있다. 중간 스트레인 범위를 가진 통상의 스트레인 센서는 일반적으로 스트레인 범위 0%-10%를 가진 센서를 포함한다. 다른 센서는 큰 스트레인 범위를 가진 하이퍼 탄성 센서(예를 들어, 여기에 전적으로 참조로 통합되는 WO2013/044226 A2에 개시된 바와 같은 액체 금속)를 포함한다. 대안적으로, 저 스트레인 범위를 가진 통상의 스트레인 센서는 웨빙 스트레인을 낮추도록 스트레인 센서가 부착되는 영역을 매우 뻣뻣하게 함으로써 사용될 수 있다.
도 41a-41b는 액추에이터(200)가 힘을 엉덩이 관절(도 41a)의 양측 또는 발목(도 41b)에 적용하는 본 발명의 대안적인 실시예를 도시한다. 액추에이터는 도 41a에서 허벅지의 전방 및 후방에 도시된 블록의 두 단부가 함께 움직이도록 하는 임의의 장치일 수 있다. 액추에이터는 예를 들어 공간에 걸쳐 연결된 바우덴 케이블, 호스에 의해 제어된 공압 액추에이터, 또는 변위 플런저를 갖는 전자기 액추에이터를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 작동은 움직임, 특히 걷기, 달리기 및 점프를 보조하기 위해 엉덩이 관절에 제공될 수 있다. 또한 엉덩이 관절이 몸통 부근에 있을 경우, 힘은 몸통에 장착된 액추에이터로부터 엉덩이 관절 자체로 직접 전달될 수 있다. 이것은 케이블, 웨빙의 부분, 리본 등과 같은 장력 요소로 엉덩이를 당김으로써 달성될 수 있다. 이러한 장력 요소에 시스가 필요하지 않음에 따라, 마찰이 매우 낮고, 따라서 시스템의 효율이 높을 것이다. 몸통 가까이에 위치되는 엉덩이 관절의 이점 중 하나는 소프트 엑소슈트를 입고 벗는 것이 쉽게 달성된다는 것이다. 액추에이터는 사용자의 의복의 위에 배낭 또는 패니 팩 구조에 위치되고, 장력 요소는 신체의 외부에 유지하고, 또한 의복의 외부에 있으며, 따라서 허벅지에 부착하고 제거하기 쉬운 로우-프로파일 장치에 제공하는 브레이스를 가진 허벅지에 고정될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부에 따르면, 소프트 엑소슈트(100)는 웨빙의 길이, 스트래핑, 케이블, 또는 그것으로부터 연장하고 엉덩이에 부착하는 (이하, "리본"이라고 하는)장력을 인가하는 다른 수단을 가진 액추에이터 유닛을 포함한다. 동작 시에, 액추에이터 유닛(120)은 리본을 오므려 엉덩이가 확장하도록 하는 힘을 생성하고, 리본이 느슨해지도록 리본을 확장할 수 있다.
본 명세서에서 논의된 바와 같이, 액추에이터 유닛(120)은 예컨대 허리 벨트 또는 배낭에 의해 사람에게 부착될 수 있다. 다른 구성 요소는 (예를 들어, 후방 측, 전방 측, 또는 후방 및 전방 측 둘다에 대해 분산된 측에서) 사용자에 대하여 액추에이터를 고정시키는데 사용될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 액추에이터는 장치의 양측에서 발견될 수 있고, 어느 한 방향으로 향하는 유닛을 부착하기 위한 선택 사항을 제공하는 2개의 나사에 의한 부착물일 수 있고, 리본은 사람에 근접한 장치로부터 연장할 수 있거나 사람으로부터의 어떤 오프셋으로 연장할 수 있다. 이러한 장치는 또한 사용자의 뒷면 위에 더 설치될 수 있고, 리본은 얼마간의 거리에 대해 뒷면과 병렬로 실행한다. 일부 양태에서, 액추에이터 유닛(120)으로부터 연장하는 리본은 엉덩이를 교차하도록 사용자의 둔부 영역 주위를 싸거나 확장할 수 있다. 리본의 하부 단부는 허벅지 주위의 브레이스에 부착할 수 있으며, 이는 잠재적으로 무릎 주위로 확장하고, 일부 실시예에서 지지를 증가하기 위해 발목 아래로 완전히 확장할 수 있다.
액추에이터 유닛(120)이 리본을 오므리면, 리본은 엉덩이가 리본의 각도의 변화로 인해 굽혀질 경우에 둔부 영역으로 푸시하는 경향이 있을 것이다. 이러한 구성으로부터 불편함을 방지하기 위해 여러 가지 솔루션이 가능하다. 하나는 도면 위의 좌측 중심에 도시된 바와 같이 액추에이터 단부에서 어느 정도 신체로부터 리본을 오프셋하는 것이다. 이것은 리본이 둔근으로 밀어 넣기 전에 도달될 수 있는 엉덩이 각도를 증가시킬 것이다. 다른 선택 사항은 착용자의 압력을 최소화하기 위해 넓은 리본(예를 들어, 2")을 갖는 것이다. 낮은 마찰 재료는 또한 마찰을 줄이고, 신체에 대해 움직이는 리본의 편리함을 증가시키도록 둔부 영역에 착용될 수 있다 시스는 또한 리본의 큰 길이에 걸쳐 사용될 수 있으며, 즉 바우덴 케이블이 리본의 움직임으로부터 신체를 보호하기 위해 사용될 수 있다. 신체 상의 압력을 감소시키는 대안적인 수단은 허벅지 부착물에서 리본의 말단부를 오프셋하는 것이다. 이것은 허벅지부터 리본 연결 지점에 대한 오프셋을 제공하기 위해 "스퍼(spur)"로서 후방으로 연장할 수 있는 허벅지 브레이스에 부착된 강성 또는 반 강성 구성 요소로 달성될 수 있다. 예를 들면, 엉덩이 부착 시스템의 일 실시예에서, 직물의 부분은 전면에서 Velcro로 허벅지 주변에 고정될 수 있다. 액추에이터는 2" 넓이의 리본로 허벅지 브레이스에 부착할 수 있으며, 이러한 리본의 상부는 상방으로 당겨질 수 있다. 허벅지 브레이스는 허벅지의 원뿔 형상으로 인해 사용자의 다리가 움직이지 못하게 제한된다. 또한, 원뿔 형상으로 인해, 허벅지 브레이스가 하향으로 거의 움직이지 못하게 하여, 그것은 상향으로 당기는 리본에 장력이 없을 경우에 다리를 아래로 미끄러지게 하는 경향을 가질 수 있다. 허벅지 브레이스는 그것에 연결된 다른 요소에 의해 허리 벨트에 상향으로 유지될 수 있거나 다른 수단에 의해 유지될 수 있다.
일부 양태에서, 액추에이터 유닛(120)의 리본(웨빙, 케이블 등)은 사용자의 둔부 영역에 걸쳐 아래로 연장하고, 허벅지(예를 들어, 허벅지 브레이스)와 맞물리는 소프트 요소에 직접 또는 간접적으로 연결한다. 일 양태에서, 강성 또는 반강성 스퍼는 허벅지의 뒤쪽에서 오프셋을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일례에서, 반강성 요소는 허벅지의 뒤쪽에 연결되어 있고, 힘이 리본을 통해 반강성 요소의 하부에 인가될 때, 그것은 허벅지에서 외측으로 굽혀, 허벅지에서 오프셋(및 모멘트)를 증가시킨다. 이것은 사용하지 않을 때에는 신체에 대하여 접어지는 낮은 프로파일 슈트를 생성하고, 큰 힘이 필요한 경우 더 큰 모멘트 팔을 생성하는 데 유용할 수 있다. 중간 힘에서, 모멘트 팔은 중간 위치에 있을 수 있다. 각각 서로 다른 양의 강성도를 갖는 다른 많은 요소의 구성은 소프트, 신축성, 강성 및 반강성 요소의 다양한 배치를 포함하는 하나의 시스템에서 사용될 수 있다. 스프링 및 다른 탄성 요소는 또한 재생 목적을 위한 시스템의 구성 요소로서 포함될 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 액추에이터 유닛(120)은 제어 시스템으로부터의 제어 신호에 응답하여 리본과 맞물리고 리본을 감도록 구성된 모터가 구동된 구동 풀리를 포함한다. 구동 모터는 변속기를 이용하여 구동 풀리에 연결될 수 있다. 변속기는 구동 모터로부터 구동 풀리로 동력을 전달하는 타이밍 벨트 및 타이밍 기어 또는 기어 세트를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 구동 샤프트 및 하나 이상의 기어 또는 타이밍 풀리는 또한 운동 보조를 제공하도록 미리 정의된 속도로 리본을 감고 풀기 위해 구동 모터를 구동 풀리에 연결하는 데 사용될 수 있다. 액추에이터는 또한 리본에 맞물리고, 아이들러에 가해지는 힘을 측정하는 아이들러 풀리를 포함할 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 스트레인 게이지에 의해 제공되는 힘 신호는 리본의 작동을 제어하기 위해 액추에이터 제어기로 전달될 수 있다. 추가적인 센서는 운동을 감지하고, 보조를 제공하도록 액추에이터를 제어하기 위해 사용자의 엉덩이 또는 다른 관절에 제공될 수 있다. 예를 들면, 엉덩이의 굽힘은 사용자가 움직이기 시작하는 표시일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면, 상술한 바와 같이, 제어 시스템은 액추에이터를 제어하고, 운동을 감지하는 센서로부터 신호를 수신하고, 액추에이터 힘을 조정하여 이를 운동으로 조정하기 위해 하나 또는 두 다리에 제공될 수 있다.
도 42a에 도시된 바와 같이, 가볍고 작은 빠르게 구축된 프로토타입(prototype)으로 구성된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모든 시스템의 구성 요소는 2개의 알루미늄 측판(400) 사이 및/또는 상에 장착되며, 이의 정렬은 다월 핀(dowel pin)에 의해 실현된다. 측판(400)은 전체 시스템을 경량화하고/하거나 시스템의 특정 부분에 대한 액세스를 제공하기 위한 컷아웃(402)을 포함한다. 도시된 예에서, 액추에이터(200)는 사람의 엉덩이에 대한 모멘트를 적용하도록 사용자의 허벅지의 뒤쪽에 힘을 전달하기 위해 2" 웨빙을 구동하도록 구성된 풀리(235)를 사용하고; 유사하게 구성된 다른 예는 원한다면 서로 다른 폭의 웨빙을 이용할 수 있다. 이전의 실시예 및 예에서 도시된 바우덴 케이블 대신에 넓은 리본의 사용은 재료가 절단 또는 절개 없이 사용자의 신체에 접촉하도록 한다. 그러나, 보다 좁은 웨빙 크기 또는 케이블은 이점으로 마찰하고, 절단하거나 절개하는 웨빙의 능력을 유사하게 감소시키는 강화 직물, 요소(예를 들어, 패딩, Delrin 등) 또는 가이드와 조합하여 사용될 수 있다.
엉덩이 시스템은 특히 사람이 웅크림 또는 계단 오르기와 같은 운동을 할 때 둔부 영역을 터치하는 경향이 있다. 리본 이동은 웅크림과 같은 활동을 용이하게 하는 약 200mm(8")이다. 넓은 웨빙 및 스풀을 이용함으로써, 리본은 추가적인 가이드 특징에 대한 필요 없이 스풀의 다수의 회전 동안에 권취될 수 있다. 라운드 케이블을 감기 위해, 스풀은 추가적인 홈과, 아마도 홈 내에 케이블을 위치시키기 ㅇ위한 어떤 종류의 피더를 가질 필요가 있다. 더욱이, 바우덴 케이블의 손실은 리본을 사용할 때 경험하는 손실에 비해 더 높다. 넓은 웨빙을 갖는 주요 단점은 엉덩이가 3개의 자유도를 가지고 있기 때문에 그 자체에 꺾일 수 있다는 것이다. 접힘을 방지하기 위해, 플랜지는 리본을 안내하는 풀리에 부착될 수 있다.
엉덩이 속도의 초기 측정은 약 0.325 m/s의 선형 속도가 걷기, 조깅, 점프, 및 웅크림 동안 최대 속도로 엉덩이를 작동하는 데 필요한 것으로 나타났다. 이러한 선형 속도는 인해 둔근 근육 주위의 장력 요소의 오프셋, 약 8cm의 거리와 조합한 엉덩이 관절의 각속도로 인한 것이다. 시스템은 23:1 기어비를 가진 모터 기어 박스 및 3.333:1 변속비를 가진 타이밍 벨트를 이용한다. 그래서, 전체 기어비는 약 77:1이다. 스풀 직경은 또한 리본 속도에 상당한 영향을 미치며, 따라서 시스템이 리본 속도에 관해 유연하게 사용할 수 있다.
콤팩트 시스템을 설계할 시의 하나의 과제는 착용자의 움직임을 과도하게 제한하지 않는 모터(246), 기어 박스(244) 및 인코더(248)의 최적의 위치를 찾는 것이다. 이러한 부품의 조립체는 약 150mm 길이를 갖는다. 일부 양태에서, 스퍼 기어 또는 베벨 기어는 90°각도에서 구동 유닛을 부착하기 위해 사용될 수 있다. 타이밍 벨트(270)(도 42b, 43a 참조)는 구동 유닛(223)의 위치에 대해 높은 유연성을 제공한다(도 30). 타이밍 벨트(270)는 구동 유닛(223)의 위치를 변경하지 않고 타이밍 풀리의 직경을 변경하여 시스템 전송의 신축성 적응을 허용한다. 스퍼 기어 또는 베벨 기어를 이용함으로써 쉽게 변경될 수 없는 고정된 위치에 유닛이 설정된다. 적어도 일부 양태에서, 타이밍 벨트(270)의 설계는 두 타이밍 풀리(271, 272)와 프리텐션을 시스템에 인가하는 아이들러(273)를 포함한다. 최대 벨트의 힘은 기어 박스 샤프트에 허용된 힘과 일치하는 약 300N이다.
도 42f에 도시된 바와 같이, 구동 샤프트(265), 즉 기성품(off-the-shelf) Misumi 부품은 짧은 단부(왼쪽) 상의 12mm의 직경과 긴 단부(오른쪽) 상의 10mm의 직경을 가지며, 이는 선택된 타이밍 풀리(271)에 대한 12mm 최소 내경에 맞도록 선택된다. 게다가, 도 42b-42c에 도시된 프리텐션 아이들러(273)의 플랜지(274)는 벨트(270)가 미끄러져 내리는 것을 방지한다. 큰 타이밍 풀리(271)는 이점으로 부품의 중량을 감소시키기 위한 선택적인 골격 구조를 포함한다. 도 42e에 도시된 바와 같이, 프리텐셔너는 보유 링에 두 베어링과 샤프트로 구성된다.
도 43b의 예에 도시된 바와 같이, 여러 아이들러(232 및 275-276)는 본 발명의 일부 양태에서 사용되는 넓은 웨빙을 가이드하는 데 사용된다. 시스템 내에서 힘을 측정하기 위해, 2개의 로드 셀(234)이 사용된다. 힘이 리본에 인가될 때, 2개의 로드 셀(234)은 인가된 힘에 비례하는 로드 셀의 용량 변화를 야기하는 방향으로 당겨진다. 리본이 항상 힘 측정 아이들러(232)를 따라 동일한 각도를 갖는 것을 보장하기 위해, 하나 이상의 추가적인 아이들러(예를 들어, 275-276)가 사용된다. 일부 양태에서, 힘을 측정하기 위한 각도는 약 13°이다. 도 43b에 도시된 바와 같이, 메커니즘은 (도시되지 않은) 리본의 움직임을 제어하고, 또한 각도를 힘 센서에 일정하게 유지한다.
본 명세서에서 설명된 액추에이터는 다수의 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 그것은 스풀이 자유롭게 오므리도록 하지만 클러치에 의해 해제될 경우를 제외하고 확장에 저항하기 위한 래칫 스풀 및 클러치를 포함할 수 있다. 이것은 액추에이터가 단순히 추가의 확장에 저항하고, 신체에 인가된 임의의 힘이 신체의 이전의 운동으로부터 저장된 힘인 매우 낮은 힘 솔루션을 제공할 수 있다. 이러한 메커니즘은 또한 에너지 저장 및 에너지 반환을 허용하도록 리본과 직렬인 스프링을 포함할 수 있다.
대안적으로, 액추에이터는 가벼운 힘으로 웨빙을 지속적으로 오므리는 역할을 하는 장력 스프링에 의해 가동되는 메커니즘을 포함할 수 있다. 백 구동 가능한 액추에이터 또는 래칫 메커니즘과 함께, 이것은 액추에이터를 사용할 필요없이 리본이 엉덩이의 운동을 연속적으로 추적하도록 허용한다. 그리고 나서, 필요한 경우에 액추에이터는 힘을 리본에 적용할 수 있다.
래칫 메커니즘는 모터가 단지 리본에서 일 방향으로 당기는 힘을 적용하기 때문에 모터에 스풀을 연결하는데 사용될 수 있다. 이것은 스풀을 권취하는 가벼운 장력 스프링과 조합하여 사용될 수 있다. 모터가 일 방향으로 회전하면, 그것은 래칫 메커니즘과 맞물리고, 토크를 스풀로 전달할 수 있다. 엉덩이는 너무 빨리 액추에이터가 움직임을 따라가지 못할 정도로 확장하여 이동된 경우, 래칫 메커니즘은 스풀이 모터보다 더 빠르게 움직이고, 리본을 계속 감도록 허용한다. 엉덩이가 굽혀졌다면, 모터는 래치를 해제하기 위해 작은 거리를 회전할 수 있으며, 어떤 지점에서 엉덩이는 모터가 움직임에 저항하지 않고 자유롭게 움직인다. 대안적으로, 작은 클러치 메커니즘은 스풀로부터 모터를 맞물리게 하거나 분리하는데 사용될 수 있다.
도 44a-44c는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 (V3.2)의 정면도, 배면도 및 측면도를 도시한다. 연결 요소(1)는 앵커 지점을 고정하고, 소프트 엑소슈트가 하향력이 그것에 인가될 경우에 축 처지는 것을 방지하는 허리 벨트의 양측을 서로 연결한다. 연결 요소(2)는 허리 벨트와 허벅지 브레이스 사이의 장력을 유지한다. 허벅지 측에서의 위치는 그것이 입각기에 걸쳐 일정한 장력을 유지하도록 한다. 연결 요소(3)는 하향 및 내측 방향으로 노드(1)을 제한한다. 연결 요소(4)는 연결 요소(7)로부터의 장력의 반작용에 의해 허벅지 브레이스에서 힘의 균형을 이루게 하는 역할을 하고, 더욱이, 슈트가 수직력을 허벅지 브레이스에 넣어 미리 장력이 인가되도록 한다. 연결 요소(5)는 또한 노드(1)를 아래쪽으로 수직 방향 및 횡 방향으로 제한한다. 연결 요소(6)는 허벅지의 전면에 걸쳐 장력을 증가시키기 위해 추가되었다. 연결 요소(7)는 허벅지 브레이스에 인가된 상향력을 고르게 하기 위해 허벅지 브레이스의 내부에 상향력을 인가한다. 종아리 연결 요소(8-9)는 작동 중에 생성된 장력이 무릎 주위에 유익한 모멘트를 생성하도록 무릎 앞에 부착된다.
도 45a-45d는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 (V4)의 정면도, 배면도 및 측면도를 도시한다. 도 44a-44c에 관련하여, 연결 요소(4 및 6)는 노드(2)를 아래쪽으로 수직 방향 및 횡 방향으로 제한하도록 추가되었고, 연결 요소(8-9)는 (허벅지 브레이스의 회전량을 감소시킨 양호한 힘의 분산를 허용하기 위해) 허벅지의 앞면에 연결 요소를 대체하도록 추가되었으며, 연결 요소(10)는 종아리 스트랩 배치의 조정 가능성을 증가시키도록 추가되었다. 연결 요소(12)는 약간 비스듬히 있는 연결 요소(10)의 하부에 부착된다. 연결 요소(10)는 연결 요소(12)가 무릎의 회전 중심에 대해 정확하게 배치되도록 허벅지 브레이스 층 사이에 정렬되고 고정된다. 연결 요소(4 및 6)의 기하학적 형상은 노드(2)와 골반 사이에 매우 높은 강성도 경로를 생성시켜, 결과적으로 높은 하중 하에서 노드(2)를 매우 약간 편향시키는 것으로 발견되었다. 연결 요소(8-9)는 또한 노드(2)와 허벅지 브레이스 사이로 하중을 효과적이고 균일하게 분산하여, 허벅지 브레이스 회전을 제거하는 것으로 발견되었다.
도 46a-46b는 각각 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 사용자가 착용한 소프트 엑소슈트의 일례의 정면도 및 배면도를 도시한다.
도 47은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 초기 실시예의 진화를 보여준 통계의 비교를 제시한다. 소프트 엑소슈트(100)의 제 1 버전 (V1)에서, 최대 걷기 속도는 1.25 m/s(2.8 mph)이였고, 59.2W의 전체 전력 드로우(power draw), 4.1 시간의 배터리 지속 시간(배터리 2.5 kg), 150N의 최대 출력 힘, 및 3500 N/m의 100N에서의 강성도를 갖는다. 소프트 엑소슈트의 제 2 버전(V2)에서, 최대 걷기 속도는 1.5 m/s(3.4 mph)이였고, 59.2W의 전체 전력 드로우, 4.1 시간의 배터리 지속 시간(배터리 2.5 kg), 200N의 최대 출력 힘, 및 4000 N/m의 100N에서의 강성도를 갖는다. 소프트 엑소슈트의 제 2 버전(V3)에서, 최대 걷기 속도는 2.0 m/s(4.5 mph)이였고, 50W의 전체 전력 드로우, 5.5 시간의 배터리 지속 시간(배터리 2.5 kg), 270N의 최대 출력 힘, 및 5000 N/m의 100N에서의 강성도를 갖는다. 도 48에 도시된 바와 같이 이러한 성능의 개선은 또한 소프트 엑소슈트(100)(엑소슈트, 액추에이터, 전자 장치, 배터리 등)의 전체 중량의 감소를 수반 하였으며, 도 48은 소프트 엑소슈트 V1(12.2kg)로부터 소프트 엑소슈트 V2(10.00 kg) 및 소프트 엑소슈트 V3(6.53 kg)로 소프트 엑소슈트의 중량의 감소를 나타내는 막대 그래프를 도시한다.
도 49는 도 46a-46b에 도시된 소프트 엑소슈트(100)에 대한 운동학적 결과를 도시한다. 도 49는 보행 주기(상부 좌측)의 비율의 함수로서의 우측 발목 각도, 보행 주기(상부 우측)의 비율의 함수로서의 우측 무릎 각도, 및 보행 주기(하부 좌측)의 비율의 함수로서의 우측 엉덩이 각도를 도시한다. 이러한 그래프의 각각에서, 제 1 플롯(301)은 소프트 엑소슈트(100)가 움직임 중에 "슬랙" 비작동 상태에 있을 때 각각의 운동학적 각도를 도시하고, 제 2 플롯(302)은 소프트 엑소슈트(100)가 신발 연결 요소(130)에 인가된 150 N 보조 힘의 레벨에서 움직임 중에 작동될 때 각각의 운동학적 각도를 도시한다. 특히, 슬랙 상태와 작동 상태 사이로서 관절의 각각에 대한 운동학적 각도에서의 밀접한 일치(close correspondence)는 소프트 엑소슈트(100)의 동작이 보행에 현저하게 또는 부정적으로 영향을 주지 않는다는 것을 보여준다. 마찬가지로, 도 50은 도 46a-46b에 도시된 소프트 엑소슈트(100)에 대한 발목 작동 성능에 대한 힘 대 시간 곡선을 도시한다. 소프트 엑소슈트(100)가 움직임 중에 "슬랙" 비작동 상태에 있을 때의 힘(그래프(301))과 비교되듯이, 데이터는 대상이 1.25 m/s에서 그래프(302)(작동)에서 나타낸 300N까지의 로컬 피크 힘으로 걷는 동안에 기록되었다. 다시 말하면, 도 50의 그래프(301, 302)는 소프트 엑소슈트(100)의 슬랙 상태와 작동 상태 사이에서 처럼 밀접한 일치를 도시한다.
도 51은 유사한 테스트 조건 하에서 도 46a-46b에 도시되고, 도 49-50에 나타낸 소프트 엑소슈트(100)를 이용하는 서로 다른 대상에 대한 대사의 결과를 도시한다. 대상 1의 경우, 대상 1은 "슬랙" 비작동 상태에서 소프트 엑소슈트(100)를 착용하면서 움직임 동안에 에너지의 710W를 소비하지만, 소프트 엑소슈트(100)를 착용하면서 유사한 움직임 동안에 에너지의 610W만을 소비하였으며, 여기서 발목은 99W의 소비 에너지의 감소(소비 에너지 14% 감소)를 위해 움직임 동안 활성화되었다. 대상 2는 "슬랙" 비작동 상태에서 소프트 엑소슈트(100)를 착용하면서 움직임 동안에 에너지의 530W를 소비하지만, 소프트 엑소슈트(100)를 착용하면서 유사한 움직임 동안에 에너지의 460W만을 소비하였으며, 여기서 발목은 70W의 소비 에너지의 감소(소비 에너지 13% 감소)를 위해 움직임 동안 활성화되었다. 마찬가지로, 적지만, 이득이 대상 3-5에 의해 실현되었다. 이러한 샘플에 기초하여, 소비 에너지의 평균 감소는 53W, 소비 에너지의 9% 감소했다.
도 52는 1.25 m/s의 걷기 속도에서의 총 관절 활성 힘이 발목에서의 46% 기여, 엉덩이에서의 40% 기여, 및 무릎에서의 14%의 기여를 포함하는 것을 나타내는 생물학적 대사 힘 원형 차트를 도시한다. 소프트 엑소슈트(100)의 대사 이점은, 지금까지 테스트에서, 엉덩이에서의 최대 12% 및 발목에서의 14%의 대사 이득(소비 에너지의 감소)를 보여주었다.
도 53은 본 발명의 다양한 양태에 따른 소프트 엑소슈트(v3-v7)의 서로 다른 버전 사이의 소프트 엑소슈트(100)의 강성도의 진화를 도시한다. 대상은 V3, V3.1, V3.2(도 44a-44c 참조), V5(예를 들어, 도 14a-14b, 도 46a-46b 참조) 및 V7(도 54a-54e 참조)를 포함하는 소프트 엑소슈트(100)의 다수의 서로 다른 버전을 착용하였다. V3 내지 V7의 개시된 소프트 엑소슈트(100)의 진화를 통해, 소프트 엑소슈트(100)의 생성된 강성도는 현저하고 비선형적으로 증가하였다.
도 54a-54e는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(V7)의 양태를 도시한다. 도 54a-54e의 각각에서, 다음의 참조 번호: (1) 웨빙 또는 스트래핑 재료와 같은 연결 요소; (2) 비확장 가능한 직물; (3) 착용자의 허리를 고정하기 위해 슈트의 허리 부분의 상부에 연결된 1" 웨빙; (4) 케이블 및 종아리 스트랩 웨빙에 대한 라우팅 포켓; (5) 케이블(예를 들어, 바우덴 케이블); (6) 스판덱스 베이스 재료; 및 (7) 소프트 엑소슈트에 대한 바우덴 케이블 연결의 슬라이드 가능한 부분이 사용된다. 전체적으로, 도 54a-54e의 소프트 엑소슈트(100)는 2개의 레깅스 부분(400) 및 허리를 둘러싸는 허리 부착물(3)을 포함한다. 허리 부착물(3)은 (예를 들어, 후면, 측면 또는 전면에서) 조정 가능하고, 높은 응력 영역에서 직물을 강화하는 웨빙을 갖는다는 점에서 상술한 허리 벨트(110)와 유사하다(도 13 참조),
일 양태에서, 허리 부착물에 위한 웨빙의 제 1 부분은 다리의 양쪽 상의 장골의 상부로부터 연장하고, 대향 다리 위에 교차하며, 웨빙의 제 2 부분은 동일한 쪽 상에서 엉덩이 주변으로 연장한다. 1" 벨트는 (선택적으로 바느질, 스트랩, 루프, 스냅 또는 다른 고정 수단에 의해 고정되는) 허리 부착물(3)에 제공되어, 슈트가 (예를 들어, 소프트 엑소슈트의 나머지가 단단히 조여질 동안에 느슨하게 고정되고, 사용 중에 편안하게 고정되는) 허리 주변에 고정되도록 한다. 일 실시예에서, 플라이형 개구는 (예를 들어, 중심에서 또는 중심으로부터의 오프셋에서) 슈트의 전면에 제공되며, 여기서 양측은 용이하게 될 수 있지만, (예를 들어, Velcro®, 지퍼, 버튼 등을 통하여) 연결되거나 분리된다. Velcro® 기반 플라이형 개구는 소프트 엑소슈트(100)가 다양한 생리학에 맞게 잘 구성되도록 한다. 전체 허리 부분은 주로 비신축성 직물로 구성되고, Velcro®로 강화된다. 폼 삽입물은 바람직하게는 편안함을 위해 추가적인 패딩을 제공하도록 골반의 장골 영역 위에 위치된다.
도 54c의 하부 좌측 패널과 비교될 수 있는 도 54c의 하부 우측 패널에 도시된 바와 같이 허리 부착물(3)은 Velcro®의 큰 패치를 통해 레깅스 부분(400)에 연결하며, 좌측 다리(2)의 동일한 부분은 Velcro®의 큰 패치(2)에 의해 연결된다. 이러한 Velcro®의 패치는 허벅지의 전면의 비신축성 직물(2)의 큰 패치의 상부에 있다. 레깅스 부분의 나머지는 신축성 있는 스판덱스 재료(6)로 구성되어 있다. 이러한 구조는 허벅지의 전면이 하중이 슈트에 적용될 때 늘어나는 것을 방지한다. 넓은 직물 영역은 허벅지에 걸쳐 하중을 분산하고, 변위 및 압력을 최소화한다. 이러한 넓은 직물 영역은 슈트의 뒷면 주위 스판덱스로 허벅지에 밀접하게 유지된다. 스판덱스는 늘려지고, 그것이 소프트 엑소슈트 동작 중 움직이는 것을 방지하기 위해 비신축성 직물을 허벅지에 단단히 당겨야 한다.
또한 허벅지의 앞면의 Velcro®에는 (도 14a-14b에 도시된 연결 요소(107)와 유사한) 무릎을 통해 허벅지의 앞면에서 종아리의 뒤쪽으로 연장하는 2개의 연결 요소(예를 들어, 스트랩)가 부착된다. 이러한 연결 요소의 하부는 도 54e에서 참조 번호 1로서 도시된다. 이러한 연결 요소는 무릎의 바로 위에서 종아리의 베이스로 연장하는 소프트 엑소슈트 쪽에 스판덱스 포켓을 통과한다. 연결 요소와 피부 사이의 포켓의 베이스에서의 스판덱스는 피부의 연결 요소에서 마찰 및 비비기를 방지하는데 도움을 준다. 연결 요소를 둘러싸는 포켓의 상부의 스판덱스는 연결 요소를 다리에 평평하게 놓이게 유지하여 강성도를 증가시키고, 연결 요소가 찢어지는 위험을 방지할 수 있다. 허벅지의 전면에서의 Velcro® 부착물은 연결 요소의 유효 길이가 변경되도록 하여 슈트가 착용자의 서로 다른 높이에 대해 조정할 수 있을 뿐만 아니라 적절한 수준으로 슈트에 장력을 인가할 수 있다. 이러한 조정은 스트래핑 및 버클, 끈, 또는 임의의 다른 수단에 의해 달성될 수 있다.
다른 구성에서, 도 54a-54e의 연결 요소(1)를 포켓 내에 슬라이드하는 대신에, 이들은 비신축성 직물의 일부를 만들기 위해 의류에 봉합할 수 있다. 따라서 일반적으로, 소프트 엑소슈트(100)는 소프트 엑소슈트가 늘리지 않고 힘을 전달하는 경로를 만들기 위해 봉합된 비신축성 직물의 영역을 가진 스판덱스 하부층을 포함하는 것이다. 대안적으로, 소프트 엑소슈트는 직물로 직조된 비신축성 섬유로 강화된 영역을 가진 스판덱스 직물을 포함할 수 있다.
일반적으로, 레깅스(400)는 단일 팬티 구조로 조합될 수 있으며, 이러한 팬티 구조는 상부에서 스판덱스를 추가하여 기존의 팬츠 형으로 함께 봉합된 두 레깅스로 구성되고, 착용자의 둔부와 사타구니 영역을 커버한다. 이러한 팬티 구조는 허리 부착 구조 하에서 진행할 것이다.
도 54e에 도시된 바와 같이, 종아리의 뒤쪽으로 진행하는 연결 요소(1)를 포함하는 포켓에 인접한 상부에는 종아리의 뒤쪽으로 내려가는 바우덴 케이블을 포함하는 제 2 포켓이 봉합된다.
스판덱스 포켓에서 이용되는 연결 요소는 예를 들어 종아리에 대하여 큰 표면적을 제공하고, 스트레인을 최소화하도록 하기 위해 상부 및 하부에서의 2" 폭, 및 무릎의 위치에 대응하는 중앙 섹션의 1" 폭인 웨빙 스트랩을 포함할 수 있다. 이러한 구성은 현재 웨빙의 상이한 폭을 함께 봉합함으로써 달성되지만, 이러한 구조는 대안적으로 웨빙의 맞춤 직조된(custom-woven) 부분을 생성함으로써 달성될 수 있다. 걷기의 유각기 동안에 일어나는 것과 같이 무릎이 구부려질 때 웨빙은 웨빙이 상당량 외측으로 튀어나오는 것을 방지하도록 무릎 주위의 1" 폭으로 테이퍼한다. 스트랩이 계속 2" 폭이면, 웨빙은 걷는 동안에 반대 다리를 문지를 수 있는 시간에 1cm 이상 튀어나온다.
도 54e에 도시된 바와 같이, 바우덴 케이블(5)은 슬라이딩 부착물을 통해 다리 쪽 아래로 연장하는 연결 요소(1)에 부착한다. 연결 요소는 다리의 한 쪽으로 넘어진 후 다시 다리까지 확장하기 전에 금속 슬라이드(웨빙 버클)를 통해 루프한다. 이것은 힘이 케이블에 적용될 때 오른쪽 및 왼쪽의 연결 요소의 길이가 균등하도록 한다. 이러한 슬라이딩 메커니즘으로, 내부 케이블(5)의 단부가 발 뒤꿈치의 때문에, 연결 요소(1)를 따라 운동한다 발 뒤꿈치의 뒤쪽에 고정되기 때문에, 바우덴 케이블(5)은 종아리의 중심에 있는 경향이 있는 최소 에너지의 위치에 도달할 때까지 연결 요소(1)를 따라 움직인다.
도 55a-55b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(100)의 양태를 도시한다. 도 55a-55b의 소프트 엑소슈트(100)는 엉덩이 굽힘과 확장을 수반하도록 평행 힘을 생성하기 위해 바우덴 케이블을 사용하여 엉덩이 굽힘과 확장에 적절한 보조를 제공하고, 도 41a에 도시된 실시예에 대한 개념과 유사하다. 본 발명의 이러한 양태에서, 소프트 엑소슈트는 허리 벨트(1), 바우덴 케이블에 대한 앵커 지점의 말단부를 유지하는 허벅지 브레이스(2), 및 바우덴 케이블에 대한 앵커 지점의 근단부를 형성하는 연결 요소(예를 들어, 웨빙 스트랩)(3), 및 허벅지 브레이스가 낙하하지 못하게 유지하기 위한 다리 쪽 상의 2개의 신축성 측 연결 요소(예를 들면, 웨빙 스트랩)(4)를 포함한다. 엉덩이 굽힘에 대한 다리의 전면 상의 앵커 지점은 도 55a-55b에서 지점(5 및 7)으로 표시되고, 엉덩이 확장에 대한 앵커 지점은 다리의 뒷쪽에서 지점(6 및 8)로 표시되어 있다. 엉덩이 굽힘 및 확장에 대한 근위 앵커 지점(5, 6)은 각각 엉덩이 관절의 우측 위이지만, 말단 앵커 지점(7, 8)은 허벅지 브레이스(2)의 상부 쪽에 있으며, 이는 또한 각각 (5 및 6)과 동일한 시상면에 있다.
도 55a 및 도 55b의 각각은 또한 여기에 인접하여 바우덴 케이블(142) 및 로드 셀(425) 부착물을 보여주는 상세 도면을 도시한다. 바우덴 케이블의 시스(144)는 근단부 앵커 지점(5,6)에 연결되고, 중간에 로드 셀(425)을 가진 내측 케이블(142)은 허벅지 브레이스(120) 상의 말단부 앵커 지점(7,8)에 부착된다. 엉덩이 관절을 보조하기 위해, 소프트 엑소슈트(100)는 이러한 앵커 지점(5-8)을 서로에 더욱 근접하게 하도록 바우덴 케이블(142)를 작동하여 수축력을 생성하며, 따라서 각각 엉덩이 굴근과 신근으로 상향 평행력을 생성한다. 앵커 지점이 엉덩이 회전 중심에서 몇 센티미터 떨어져 있기 때문에, 바우덴 케이블(142)의 수축은 엉덩이 굽힘 및 확장 토크를 생성한다. 오른쪽 타이밍에서 바우덴 케이블(142)의 작동을 구현함으로써, 소프트 엑소슈트에 의해 생성된 토크는 걷기(또는 달리기) 동안 착용자의 추진 및 스윙으로 도움을 주기 위해 엉덩이 근육과 동기화하며, 따라서 착용자의 에너지 소비를 감소시키고, 대사력을 향상시킨다.
적어도 일부 양태에서, 도 55a-55b에 도시된 허벅지 브레이스(2)는 허벅지를 감싸고, Velcro®로 고정되는 낮은 스트레치 코튼 또는 다른 낮은 스트레치 재료를 포함한다. 4개의 낮은 스트레치 폴리에스테르 웨빙은 바우덴 케이블(142)을 위한 2개의 말단 앵커 지점을 형성하고, 슈트가 작동될 때 허벅지 브레이스(2)의 주위로 장력을 분산하도록 낮은 스트레칭 코튼 외부로 워핑된다. 낮은 스트레치 코튼으로 봉합되거나 그렇지 않으면 통합되는 것은 2" 폴리에스테르 웨빙의 4개의 스트랩이다. 엉덩이 확장을 보조하는 경우, 이러한 2개의 스트랩은 허벅지 스트랩의 후방의 상부에서 생성하고, 2개가 교차하는 앞쪽에 대각선으로 감싸, 이들이 Velcro®를 이용하여 서로의 상부에 고정되는 후방으로 다시 감싼다. 신축성 측 웨빙 스트랩 4는 양 단부 상에 Velcro®를 가진 1" 폭, 18" 길이의 신축성 코튼이고, 슈트가 작동되지 않을 때의 위치에 허벅지 브레이스를 유지하기 위해 허리 벨트(1)와 허벅지 브레이스(2)를 연결한다.
도 56a-56b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 허리 벨트(110)의 양태를 도시한다. 도시된 예에서, 허리 벨트(110)는 백 패드(9), 2개의 사이드 패드(10), 및 2개의 대각선 연결 요소(예를 들어, 스트랩, 웨빙)(11)를 포함한다. 허리 벨트(110)는 대각선 스트랩을 통해 (도 56a-56b에 도시되지 않은) 바우덴 케이블(142)로부터 장골 및 허리 주위로 힘을 분산하도록 설계되었다. 바우덴 케이블(142)이 작동될 때, 허리 벨트(110) 상의 하향력은 엉덩이 관절 우측 위의 대각선 연결 요소(11)에서 시작한다. 이러한 구성으로 인해, 바우덴 케이블(142)의 장력에 의해 생성된 수직력은 원하는 굽힘 또는 확장 보조에 영향을 미치도록 여분의 토크를 추가하지 않고, 하향력은 4" 인치 폭 허리 벨트(110)의 주위로 분산된다.
도 57은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 다른 허리 벨트(110)(V5)의 양태를 도시한다. 도 57에서, 라벨은 오른쪽 다리에서 골반으로 힘을 전달하는 구성 요소를 나타낸다. 이러한 버전에서, 각각의 다리에 대해, 하나의 연결 요소(5)(예를 들어, 웨빙 스트랩)는 골반의 반대측에 부착하기 위해 골반의 앞쪽을 교차하고, 하나의 연결 요소(2)(예를 들어, 웨빙 스트랩)는 다리와 동일한 측에서 골반 측 주위를 감싼다. 연결 요소(5)는 골반의 장골의 상부에 종단한다. 연결 요소(2)는 장골 아래의 엉덩이 주위를 감싼다. 그 다음 두 연결 요소(2,5)는 사람의 뒤로 향하고, 자신의 등과 등 내의 골반의 작은 부분에 위치하는 넓은 허리 벨트(110)에 연결한다(또한, 등에서 유사한 구성을 갖는 도 58의 참조 번호(9,10,11) 참조). 이러한 구성은 (크로스 스트랩이 종단하는) 골반의 상부가 하향 옆 힘에 저항하는 레지의 역할을 하기 때문에(삽입 사진 참조) 높은 힘이 허리에 전달되도록 한다. 동일한 측에서, 엉덩이는 엉덩이 측 주위를 감싸는 스트랩에 의해 생성된 내향력에 저항하는 스티프(stiff)이다. 스트랩의 하향력은 등과 골반의 등의 작은 부분에 의해 저항된다.
또 다른 양태에서, 동일한 힘 하에서 덜 변위하는 연결 요소의 다른 시스템은 도 57과 동일한 구성 요소의 번호를 갖는 도 58에 도시된 토폴로지에 의해 달성될 수 있다. 도 58은 소프트 엑소슈트에 대한 또 다른 허리 벨트(V5)의 양태를 도시하고, 힘을 우측 다리에 인가하기 위한 허리 벨트 부착물을 도시하며, 상부 행은 허리 벨트의 구성 요소를 보여주고, 하부 행은 사진에 그려진 호에 의해 표시되는 골반의 장골에 대해 위치되는 방법을 보여준다. 도 58에서, 연결 요소(예를 들어, 웨빙 스트랩)(2 및 5) 이외에, V 형상을 형성하는 연결 요소(1 및 4)는 연결 요소(1 및 4)를 연결 요소(2 및 5)에 연결하는 연결 요소(6)와 같이 추가된다. 연결 요소(1)는 하중이 인가되는 것처럼(도시된 바와 같이, 우측) 골반의 동일 측에서 장골 위로 향한다. 연결 요소(4)는 골반의 반대 측에서 장골 위로 향한다. 그 후, 연결 요소(1) 및 연결 요소(4)의 접합부는 연결 요소(6)를 통하여 연결 요소(2) 및 연결 요소(5)의 접합부에 연결된다. 이러한 구성에서, 연결 요소(1 및 4)는 일부 하중를 지지하지만, 연결 요소(1)는 높은 힘 하에 장골 측을 통해 미끄러질 것이다. 그러나, 연결 요소(2 및 5)와 함께, 이것은 골반에 인가될 수 있는 최대 힘을 증가시키기 위해 사용될 수 있거나, (연결 요소(6)의 하부 아래로 당겨, 인가된 힘 대 그 지점의 생성된 변위를 기록하여 측정되는) 신체에 대한 부착의 강성도를 증가시킬 수 있다.
이러한 연결 요소 사이의 이상적인 하중 분담을 달성하기 위하여, 장력은 연결 요소(1,2,4,5 및 6)에 설정되며, 그래서 이들은 모두 대략 동일하다. 대안적으로, 연결 요소(2 및 5)가 연결 요소(1 및 4)보다 높은 힘을 가지고 있기 때문에, 연결 요소(2 및 5)의 장력은 연결 요소(1 및 4)보다 높은 장력을 가질 수 있거나, 연결 요소(6)는 연결 요소(2 및 5)가 팽팽하게 그리기 위해 약간 변위시킬 필요가 있도록 낮은 장력을 갖도록 생성될 수 있다.
또한 도 58에서, 연결 요소(1 및 2) 사이의 갭은 참조 번호("3")로 표시된다. 장골의 대부분은 이러한 갭에 돌출한다. 이것이 또한 어떠한 직물도 덮지 못하게 될 수 있지만, 그것은 연결 요소(1 및 2)를 연결하는 스판덱스 신축성 재료에 의해 덮여진다. 재료는 연결 요소(2)의 하향 운동이 장골의 가장자리 위에 연결 요소(1)를 당기지 않도록 탄력적이다(예를 들어, 연결 요소(1 및 2)가 수직 방향으로 서로에 대해 움직이도록 한다). 도 58은 또한 버클(8)에 의해 앞에 연결된 허리 벨트(7)를 도시한다. 허리 벨트(7)는 연결 요소를 장골에 편안하게 당겨, 연결 요소가 조여지는 동안 전체 구조를 유지하는 데 유용하다.
일반적으로, 약 20% 미만으로 늘어나고, 이상적으로는 약 5% 미만으로 늘어나는 직물은 이들 및 다른 도면에서의 연결 요소 중 어느 하나 대신에 사용될 수 있다.
도 59는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 또 다른 허리 벨트(110)(V7.1)의 양태를 도시한다. 도 59는 허리 벨트 내에서 힘의 균형을 이루기 위해 유연한(compliant) 요소로서 직물을 이용하는 허리 벨트 부착물을 도시하며, 상부 행은 허리 벨트의 구성 요소를 보여주고, 하부 행은 사진에 그려진 호에 의해 나타내는 골반의 장골에 대해 위치되는 방법을 보여준다. 도 59의 예에서, 사용된 참조 번호는 광범위하게 도 57-58에서와 같이 동일한 구성 요소를 나타낸다. 여기에서, 연결 요소(2 및 5)는 신체의 반대 측의 장골 위를 연결하고, 힘이 허리 벨트 하향으로 인가되는 것과 신체의 동일한 측의 장골 아래를 연결하는 도 57-58의 연결 요소와 유사하다. 이제, 연결 요소(1, 4 및 6)는 골반의 앞면을 도 58에서의 웨빙보다 더 많은 표면적으로 덮는 직물로 대체되었다. 또한, 직물은 연결 요소 재료보다 더 확장 가능하다.
도 59의 예에서, 직물은 섬유에 평행하게 하중을 받을 때 300N의 하중으로 5% 늘어나고, 연결 요소 재료(2" 폭 안전 벨트 웨빙)는 300N의 하중으로 0.2%를 늘어났다. 따라서, 하중이 요소(6)의 하부에 하향 인가될 때, 연결 요소(2 및 5)는 직물(1 및 4)보다 주어진 하중에 대해 덜 변위할 것이다. 이것은 연결 요소(1 및 4)에 의해 지지된 힘이 비교적 높은 컴플라이언스(compliance)로 인해 연결 요소(2 및 5)에 의해 지지되는 힘보다 작아야 한다는 것을 의미한다. 이것은 슈트가 쉽게 조정되도록 하여, 그것이 착용자가 수직으로 서 있고, 힘이 자동으로 두 부분 사이에 분산될 때 착용자의 전면에 평평하게 놓인다. 일반적으로, 허리 벨트의 구성은 꼭 맞게 조정하기 어려움을 희생하고 완전히 동일한 타입의 직물로 구성될 수 있다.
도 59의 요소(3)는 스판덱스 직물을 포함한다. 직물이 복부의 상부 부분을 적절히 덮고, 허리 벨트를 골반에 고정하기 때문에 본 실시예에는 허리 벨트가 없다. 허리 벨트는 선택적으로 추가될 수 있다. 일반적으로, 도 59에 도시된 요소(연결 요소 및 직물)에 더하여, 추가적인 요소가 사용될 수 있다. 골반의 반대 측에서 장골 아래에 연결하기 위해 연결 요소 또는 직물을 배치하는 것이 가능하다. 예를 들면, 연결 요소(5)가 사람의 정중선(midline)을 교차한 후, 그것은 "Y"와 같이 2개의 세그먼트로 분할할 수 있으며, 이 중 하나는 장골 위로 진행하고, 다른 하나는 그것 아래로 진행한다.
도 59의 예에서, 허리 벨트 원리는 개별적으로 각각의 다리에 대해 유지될 수 있도록 허리 벨트가 구성되어 있다. 이것은 직물의 두 부분을 연결하는 패스너가 컴플라이언스 또는 히스테리시스(hysteresis)를 도입하려고 하기 때문에 높은 강성도를 허용한다. 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트의 양태 중 어느 하나에서, 소프트 엑소슈트는 이점으로 히스테리시스를 갖도록 구성될 수 있다는 것이 주목되어야 한다. 이것은 액추에이터(200)가 (예를 들어, 보행 주기의 40-50% 동안) 슈트를 당길 때에 힘을 인가하기 위해 움직일 수 있기 때문에 유용할 수 있으며, 이는 고속 운동을 필요로 할 수 있어, (예를 들어, 보행 주기의 60-80% 동안) 나중에 원래의 위치로 다시 돌아가기 위해 더 느리게 움직일 수 있다.
도 59의 허리 벨트를 차는 것에 관해, 도 61이 예시적이다. 도 61에서의 좌측 2개의 이미지는 우측 허벅지 위에 위치하는 소프트 엑소슈트의 일부이고, 우측 2개의 이미지는 좌측 허벅지 위에 위치하는 소프트 엑소슈트의 일부이다. 각각의 경우에, 이미지는 소프트 엑소슈트를 착용할 때 사람으로부터 반대로 보는 슈트 측을 보여준다. 소프트 엑소슈트를 입기 위해, 먼저 우측 허벅지를 통해 하향력을 보조하는 슈트의 일부가 연결된다. 연결 요소(2)는 좌측 장골을 통해 신체의 좌측으로부터 연장하는 연결 요소(4)의 단부에 슬라이드(웨빙 버클)를 통해 배치된다. 그 다음, 연결 요소(2)는 자체에 Velcro®로 다시 고정된다. 그 다음, 좌측 다리에 힘을 보조하는 소프트 엑소슈트의 부분이 연결된다. 연결 요소(3)는 우측 장골을 통해 신체의 우측으로부터 연장하는 연결 요소(1)의 단부에 슬라이드를 통해 배치된다. 그 후, 연결 요소(3)는 자체에서 둘로 접혀지고, Velcro®로 고정된다. 이러한 방식으로, 우측 다리를 보조하는 허리 벨트 구조는 좌측 다리를 보조하는 허리 벨트 구조 아래에 있고, (이들이 허리 부착물을 더 고정시킬 수 있지만) 이들은 중간에 서로 연결되지 않는다. 허리 둘레의 장치의 부착에 따라, 신체의 좌측에 연결 요소(7)와 Velcro®(8), 및 신체의 우측에 유사한 스트랩 및 Velcro® 부착물을 이용하여 더 장력이 인가된다. 도 61에서의 연결 요소(7)는 도 59에서의 연결 요소(2)에 대응한다.
도 60은 도 59의 허리 벨트(V7.1)의 양태를 도시하고, 직물의 그레인 방향을 보여준다. 양방향 화살표로 나타낸 방향은 이러한 직물의 부분이 비교적 비신축적인 방향이다. 이음매(seam)는 원하는 경로를 통해 힘 전달을 제공하기 위해 이러한 직물의 부분을 연결한다. 그레인 방향의 이러한 정렬은 최고의 강성도를 제공하기 위해 결정되었다. 일반적으로, 직조 직물은 직물이 직기에 장착될 때 주축인 경위사 방향(warp and weft direction)을 갖는다. 직조 직물은 이러한 축을 비교적 비신축적이고, 경위사 축으로부터 45°회전된 축의 세트를 따라 비교적 신축적인 경향이 있다. 이와 같이, 허리 벨트 직물의 높은 강성도를 생성하기 위해, 도시된 바와 같이 직물은 봉합되고, 직물의 세 부분은 상이한 방향으로 지향되어, (화살표로 나타낸) 최저 스트레치의 축은 직물 부분이 유지하는 힘 경로에 따라 지향된다. 이음매는 선택적으로 낮은 스트레치 재료의 추가적인 라인을 제공하기 위해 테이프로 붙여질 수 있다.
도 62는 여러 관절의 작동을 위해 구성된 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 양태를 도시한다. 좌측 이미지에서, 서로 다른 관절(예를 들어, 발목, 엉덩이)에 보조력을 별도로 제공하기 위해 바우덴 케이블(142)의 다수의 세트를 작동하도록 구성된 풀리(224)를 갖는 액추에이터(200)가 도시된다. 우측 이미지에서, 소프트 엑소슈트는 관절 운동을 측정하기 위한 센서(350)를 통합하기 위해 도시된다. 예시적인 센서는 WO 2013/044226 A2, WO 2012/050938 A2, WO 2012/050938 A2, 및 US 8,316,719 B2에 개시되어 있으며, 이의 각각은 본 명세서에서 전적으로 참조로 통합된다. 더욱이, 본 발명의 임의의 양태는 WO 2011/008934 A2 또는 WO 2013/033669 A2에 개시된 것과 같이 능동적으로 제어된 다른 재료를 더 통합할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이의 각각은 본 명세서에서 전적으로 참조로 통합된다. 예로서, 개시된 임의의 양태에 따른 소프트 엑소슈트는 시상면에서 인간의 생물학적 관절 회전을 측정하기 위해 예로서 (각각의 관절의 양측에 부착되는) 발목, 무릎 및 엉덩이 중 어느 하나 이상에 위치되는 고탄성 스트레인 센서를 포함할 수 있다. 생성된 소프트 엑소슈트는 매우 가볍고, 비용 효율적이며, 입고 벗기가 쉽다.
도 63a-63b는 여러 관절의 작동을 위해 구성된 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트의 예를 도시한다. 이러한 소프트 엑소슈트는 하부 팔다리의 관절에 걸쳐 힘을 인가할 수 있는 신축성 또는 비신축성 직물 또는 재료의 조합으로부터 형성된다. 예시된 예에서 힘은 관절 위에서 슈트에 고정된 제 1 단부 및 관절 아래에 고정된 제 2 단부로 케이블을 체결하여 생성된다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 체결(contracting) 케이블(예를 들어, 바우덴 케이블)은 하중을 운반하기 위해 소프트 엑소슈트의 비신축성 부재를 통해 힘을 다양한 앵커 지점으로 전달한다. 이와 같이 구성되면, 소프트 엑소슈트는 여러 관절이 아래에 설명되는 바와 같이 멀티 풀리와 구동 박스를 사용하여 유리한 방법으로 동시에 동작되도록 한다. 이점으로, 소프트 엑소슈트는 하나 이상의 관절, 바람직하게는 3개의 관절(엉덩이, 무릎, 발목)의 관절 각도를 측정할 수 있는 센서 시스템을 포함한다. 센서는 도 62와 관련하여 상술한 센서를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않으며, 관절 각도를 측정할 수 있는 서로 다른 타입의 어떤 센서 또는 동일한 타입을 포함할 수 있다.
도 62 및 63a-63b의 예가 해당 활동이 걷거나 달리는 다리에 관계하지만, 본 발명은 걷기 또는 달리기와 다른 운동, 및 다리(예를 들어, 팔)와 다른 팔다리를 포함한다. 이에 대응하여, 멀티 풀리와 구동 박스는 또한 (즉, 상술한 것에 부가하여), 또는 대안적으로 (상술한 바와 별도로) 팔 움직임에 대한 보조를 제공할 수 있다.
도 64a-64b는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 여러 관절의 작동을 위해 구성된 소프트 엑소슈트(100)의 멀티 풀리의 일례를 도시한다. 도 62 및 63a-63b의 예를 계속하면, 다관절 작동 능력은 1-N 풀리(여기서 N은 정수임)를 활성화하도록 구성되는 단일 구동 장치에 의해 제공된다. 구동 유닛은 복수의 풀리를 직간접적으로(예를 들어, 하나 이상의 기어를 통해) 구동하도록 구성된 단일 입력(예를 들어, 샤프트)을 포함한다. 협력하여 동작하는 엉덩이 굽힘 및 발목 굽힘과 같은 관절의 경우, 2개의 풀리는 동시에 활성화될 수 있다. 둘 이상의 풀리를 활성화하는 것은 하나 이상의 풀리를 동시에 맞물리게 하는 풀리 사이의 영구적 연결부 또는 선택기를 통해 행해질 수 있다. 각 작동 지점에 대한 풀리는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 풀리 직경의 비는 하나의 입력이 서로 다른 힘 및 속도의 요건을 가질 수 있는 각 관절에서 액추에이터를 구동할 수 있도록 한다.
도 65는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 허벅지 브레이스의 배면도를 도시한다. 선택적 단일 피스 구조로 도시된 허벅지 브레이스는 가변 허벅지 크기를 수용하고, 타이트 피트(tight fit)를 허용하기 위한 무릎 위에 조정 지점을 제공할 뿐만 아니라, 최적의 원뿔형 일치를 위한 조정을 허용하도록 구성된다. 측면 컷아웃 및 허벅지 뒤쪽에서의 최소화 높이는 테이퍼 단부에 제공되는 Velcro®을 통해 충분한 고정을 제공하면서 움직임 및 편안함을 용이하게 한다. 원주 조정은 Velcro® 부착을 풀어주고, 허벅지 브레이스 고정의 한 단부를 유지하면서 원하는대로 허벅지 브레이스에 장력을 인가하며, Velcro® 부착을 고정하는 간단한 문제이다.
도 66은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 바우덴 케이블 (100)의 종단 지점을 도시한다. 상술한 바와 같이, 바우덴 케이블 액추에이터는 2개의 고정 지점 사이의 거리를 줄임으로써 작용한다. 본 명세서에서 동작되는 고정 지점은 슈트에 대한 부착물이고, 슈트를 통해 힘은 관절이 작용되는 신체 위아래로 그라운드(ground)된다. 이러한 그라운드된 힘은 관절에 모멘트를 생성한다. 엉덩이 굽힘 모멘트는 바우덴 케이블(1)의 슬리브 상단 부분을 관상면 전방의 장골 위의 슈트로 그라운드하고, 케이블(2)을 장골 아래로 그라운드하여 생성된다. 소프트 엑소슈트는 이러한 케이블의 수축이 허벅지의 원추형 부분과 허리 벨트 주위에 비신축성 직물을 통해 일어날 때 생성된 힘을 그라운드한다. 엉덩이 확장 모멘트는 바우덴 케이블(3)의 슬리브 상단 부분을 관상면 후방의 장골 위의 소프트 엑소슈트로 그라운드하고, 케이블(4)을 장골 아래로 그라운드하여 생성된다. 소프트 엑소슈트는 이러한 케이블의 수축이 허벅지의 원추형 부분과 허리 벨트 주위에 비신축성 직물을 통해 일어날 때 생성된 힘을 그라운드한다. 발목 확장 모멘트는 바우덴 케이블(5)의 슬리브 상단 부분을 착용자 부츠 위의 종아리 상의 지점으로 그라운드하고, 케이블(6)을 착용자의 발 뒤꿈치 아래로 그라운드하여 생성된다. 소프트 엑소슈트는 이러한 케이블의 수축이 허리 벨트에서 비신축성 직물을 통해 일어날 때 생성된 힘을 그라운드한다.
도 67a-67d는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대한 액추에이터(200)의 양태를 도시한다. 도 46a-46b 및 도 62에서와 같이 예로서 도시된 바와 같이, 배낭 부담 액추에이터는 소프트 엑소슈트 작동 시스템의 유리한 일 구현이다. 그러나, 크기와 무게의 현재 작동 시스템으로 인해, 착용자가 배당을 신속히 내리고 그것에서 멀리 이동할 필요가 있을 경우에 벗기가 어색할 수 있다. 바우덴 케이블이 힘 및 구동 유닛 뿐만 아니라 전기 연결부에 고정되는 경우, 이것은 이러한 작전에 장애를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 적어도 일부 양태에서, 액추에이터(200)는 작동 시스템을 소프트 엑소슈트에 테더(tether)하는 시스템의 일부의 신속한 제거를 허용하기 위해 빠른 해제 특징을 포함할 수 있다. 예로서, 도 67a-67d에 도시된 바와 같이, 퀵 릴리즈는 기본 드라이브(500)(및 전력 박스)로부터 작은 풀리 카세트(510)의 빠른 분리를 허용하도록 구성되어 있다. 풀리 카세트(510)는 바우덴 케이블 메이팅 특징을 가진 풀리 뿐만 아니라 소프트 엑소슈트의 전기 연결부로 구성되어 있다. 따라서, 착용자가 배낭에서 꺼내려고 할 경우에, 자신은 단순히 2개의 고정 래치에 부착되는 코드 또는 핀/스큐어(skewer)를 끌어 당기고, 래치는 열려 카세트가 구동 스플라인을 꺼내도록 한다. 다른 기존의 퀵 릴리스 메커니즘(QRM)은 또한 기본 드라이브(500)로부터 풀리 카세트(510)를 해제 가능하게 연결하는 데 사용될 수 있다.
도 67a-67d의 예에 따르면, 개시된 카세트 풀리(510)의 준비된 분리 가능성(ready detachability)은 카세트 풀리에서 대응하는 메이팅 특징과 메이팅하는 모터 유닛(500) 상의 스플라인 드라이브를 이용하여 용이하게 된다. 큰 슬림 베어링은 구동 박스(500)의 모터와 카세트 풀리(510) 사이의 중앙 스플라인 맞물림의 이용을 더 용이하게 한다. 구동 박스(500)의 모터에 대한 카세트 풀리(510)를 유지하는 클립은 열릴 때 유닛이 자유롭게 되도록 하는 임의의 종래의 클립을 포함할 수 있다. 스프링 클립은 현재 바람직하지만 필요하지 않다. 게다가, 모터 토크에 저항하는 키잉 핀 또는 특징 및/또는 정렬 특징은 모터 동력이 유닛이 연결되어 있는 경우에 풀리로 전달되도록 한다.
접촉 스프링 핀(예를 들어, POGO 핀)의 사용은 양방향 신호를 허용하는 구동 박스(500)와 카세트 풀리(510) 사이의 안정된 전기적 연결부, 및/또는 영구적 연결 없이 소프트 엑소슈트(100)와 구동 박스(500) 사이의 양방향 동력 전달부(예를 들어, 재생 동력 전달부)의 확립을 허용한다. 카세트 풀리(510)가 배출될 때, 전기적 연결부는 일시적으로 단절된다. 퀵 커넥트의 유사한 시스템은 임의의 온보드 소프트 엑소슈트 시스템(예를 들어, 작동 등)을 위한 유체 또는 공기 연결부를 이용하는 임의의 소프트 엑소슈트에 대해 구현될 수 있다. 카세트 풀리(510)가 배출되면, 아무것도 소프트 엑소슈트의 착용자를 액추에이터(200) 및/또는 관련된 시스템을 지닌 배낭(또는 패니팩)에 연결하지 않고, 배낭은 장애 없이 신속히 제거될 수 있다. 카세트 풀리(510)는 손에 보유되고, 행 프리로 드롭될 수 있거나(dropped to hang free), (예를 들어, 소프트 엑소슈트가 의류 하에 착용될 경우) 착용자의 의류에 파우치 또는 주머니, 또는 제공되고 접근 가능할 경우에 소프트 엑소슈트의 파우치 또는 주머니에 빠르게 삽입될 수 있다.
도 67a-67b의 액추에이터(200)에 대해 다른 선택적이지만, 유익한 특징은 통합된 빠른 교환 가능한 배터리 시스템을 포함한다. 이것은 고갈되거나 불충분하게 충전된 배터리의 신속한 제거와, 새로운 배터리의 교체, 및/또는 소프트 엑소슈트의 동작적 엔벨로프를 변경하기 위해 (예를 들어, 배터리 사용 시간을 증가시키고, 낮은 용량 및 가벼운 배터리가 임무 특정 또는 작업 특정 목표 등을 만족하는 시스템 중량을 감소시키기 위해) 크거나 작은 배터리를 위한 기존의 배터리 교체를 허용한다. 도 67c-67d는 구동 박스(500)로부터 제거되고 구동 박스(500) 아래의 배터리 박스를 도시하고, 구동 박스로부터 배출된 카세트 풀리(510)를 추가로 도시한다.
도시된 바와 같이, 구동 박스(500)는 수동적 냉각 시스템(즉, 공기 냉각)을 포함한다. 일부 양태에서, 냉각 팬이 적절한 온도 동작 범위 내에 모터를 유지하는데 적절히 사용될지라도, 일부 작업 및 동작 조건은 공기 냉각 시스템으로부터 이득을 얻는다. 이러한 양태에서, 모터는 도전성 열 전달을 모터에서 대류에 의해 열을 핀에서 대기로 전달하는 방사 핀 시스템의 도전성 베이스 및 핀으로 허용하기 위해 모터의 표면(예를 들어, 모터의 상부 절반) 위에 배치되는 방사 핀 시스템(예를 들어, 외향으로 돌출하는 복수의 핀을 갖는 도전성 베이스를 포함하는 가공된 알루미늄 블록)에 의해 냉각된다. 이러한 핀 시스템은 조용한 냉각의 장점을 가지며, 장치의 밀봉을 허용한다. 공기 냉각 시스템은 이점으로 조용하고, 액추에이터 시스템의 전체 전력 요구 사항을 감소시키며, 폐열이 (생략된) 냉각 팬에 의해 배출될 수 있는 액추에이터 시스템의 개구를 방지한다.
도 68-70은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트에 대해 구현될 수 있는 제어 방식의 다양한 양태를 도시한다. 이러한 제어 방식은 유연하고, 특정 슈트 및 응용에 대해 필요에 따라 구성될 수 있다. 예로서, 도 68의 소프트 엑소슈트(100)는 슈트 강성도 및 압력을 측정하기 위해 (WO 2013/044226 A2에 개시된 것과 같은) 복수의 고탄성 스트레인 센서를 포함한다. 예로서, 이러한 고탄성 스트레인 센서는 비독성 공융 갈륨 인듐(eGaIn)의 도전성 액상 마이크로채널이 내장된 스트레치 가능한 실리콘 고무(예를 들어, EcoFlex 0030, SmoothOn; PDMS, Dow Corning) 시트를 포함할 수 있으며, 채널의 변형은 (결과적으로 관절의 회전과 관련될 수 있는) 길이의 변화에 대응하는 전기 저항의 변화를 야기한다. 도시된 바와 같이, 고탄성 스트레인 센서는 모니터링된 관절 각도의 변화를 측정하기 위해 발목, 무릎 및 엉덩이에 걸쳐 배치된다. 고탄성 스트레인 센서는 도 68에 도시된 바와 같이 실시간 슈트 변형을 측정하기 위해 능동 슈트의 힘 경로와 병렬로 배치될 수 있다.
제어 시스템은, 인간의 운동 패턴 검출 알고리즘 또는 룩업 테이블을 통해, 수준면(level surface)에서의 걷기, 경사면에서의 걷기, 내리막에서의 걷기, 수준면에서의 달리기, 경사면에서의 달리기, 내리막에서의 달리기, 계단 오르기, 계단 내리기, 크라우칭, 크롤링, 점프, 절뚝거림, 다른 것을 통한 하나의 팔다리 선호 등과 같은 복수의 서술된 활동 중 하나에 대한 (예를 들어, 각도의 절대 변화에서만 찾고, 시간, 속도 및/또는 가속 등과 관련된 각도의 변화를 찾는) 관절의 감지된 움직임에 관련될 수 있다. 이러한 운동 데이터에 기초하여, 제어 시스템은 (1) 로컬 물리적 저장 매체에 데이터를 저장하고, (2) 온보드 통신 시스템을 통해 데이터를 다른 로컬 또는 원격 장치로 무선으로 전송하고, (3) 유선 연결부(예를 들어, 통신 케이블)를 통해, 데이터를 온보드 통신 시스템을 경유하여 다른 로컬 또는 원격 장치로 전송하며/하거나, (4) 슈트를 활동 및 환경의 착용자의 상태에 원활하게 적응시키도록 실시간 힘 보조 제어를 제공하기 위한 데이터를 사용할 수 있다. 예를 들면, 소프트 엑소슈트 측정 관절 변형이 편안함(예를 들어, 사용자 선호) 및/또는 슈트의 기계적 능력 고려 사항에 기초하여 정의된 임계값을 초과하면, 제어 시스템은 이러한 변형이 원하는 동작 영역 내에 다시 있을 때까지 자동으로 보조 레벨을 감소하도록 구성될 수 있다. 추가적으로, 소프트 엑소슈트는 능동적 착용 가능한 외골격과 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 구현에서, 측정 데이터는 무선 또는 유선 연결부를 통해 외골격의 제어기로 전송되어, 외골격이 보조 레벨에 적응하도록 할 수 있다. 더욱이, 소프트 고탄성 센서는 편안한 고려 사항에 기초하여 보조 레벨의 온라인 적응에 사용될 수 있는 착용자와 소프트 엑소슈트 사이의 인터페이스의 임의의 지점과 관련하여 압력을 측정하는데 사용될 수 있다.
추가적인 제어 방식은 힘 센서가 케이블(예를 들어, 인라인 센서)에서의 장력을 측정하는데 사용되는 경우에 소프트 엑소슈트와 함께 사용될 수 있다. 소프트 엑소슈트는 걷기의 생체 역학으로 인해 수동적으로 장력을 생성한다. 주어진 다리에 대해, 이러한 장력은 소프트 엑소슈트가 조정되는 방법에 따라 보행 주기의 약 15-35%를 시작하고, 다리가 지면으로부터 밀어낼 때 상승한다. 이러한 상승 힘은 제어 시스템에 대한 입력으로서 사용될 수 있고, 소프트 엑소슈트가 작동되어야 하는 시기 및/또는 방법(예를 들어, 힘 프로파일, 힘 타이밍 등)에 대한 정보를 제공한다.
이러한 정보로부터의 하나의 제어 방식은 먼저 평지 걷기 중에 피크 힘이 어떤 임계값 크기(예를 들어, Fpeak)에 있는 지점에 슈트에 장력을 인가하는 것을 포함한다. 슈트가 이러한 방식으로 미리 장력이 인가되면, 케이블의 힘이 보행 주기의 동일한 지점에서 임계값을 예측 가능하게 교차하기 때문에 케이블의 힘은 모니터링되고, 보행 주기에서 사용자가 있는 곳이나 있을려고 하는 곳을 예측하는데 사용될 수 있다. 이와 관련하여. 도 77은 보행 주기 동안 소프트 엑소슈트(100)의 작동의 타이밍 및 두 조건 하에서, 즉 슈트에 장력이 인가될 때(800)와 슈트가 작동될 때(810) 대응하는 슈트의 힘을 나타낸 그래프를 도시한다. 장력이 인가된 그래프(800)는 슈트가 어떤 길이로 설정되어, 길이가 보행 주기 내내 고정 유지된다는 것을 의미한다. 작동된 그래프(810)는 슈트 내의 장력이 발목에서 바우덴 케이블 등과 함께 당겨 변경되는 것을 의미한다. 그래프(800)에서, 슈트 내의 장력은 (도 9d에서와 같이) 관절의 다양한 운동으로 인해 보행 주기 내내 변화한다. 도 78은, 작동된 그래프(810)에 대해, 케이블 위치의 상대적인 타이밍 및 슈트 힘을 도시하며, 특히, 보행 주기 동안(보행 주기의 비율로서) 소프트 엑소슈트의 작동 타이밍과 케이블 위치(그래프(820))와 관련하여 대응하는 슈트 힘(그래프(830))을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 77의 그래프에서, 장력이 인가된 힘은 여러 단계에 걸쳐 반복적인 걷기 주기의 40%에서 50 N 교차한다. 이러한 힘은 작동이 각 주기를 시작하기 전에 생성하며, 따라서 이러한 정보는 케이블이 작동되는지의 여부에 관계없이 획득될 수 있다. 따라서, 도 77의 예에 대해, 제어 시스템이 임계 력 Fthresh에 접근하는 (또는 선택적으로 같거나 초과하는) 작동 케이블의 힘을 측정하며, 제어 시스템은 하나 이상의 동작을 취하기 위해 (예를 들어, 즉시 또는 지연 후에 작동하기 위해) 보행 주기에서 착용자의 위치의 이러한 정보를 이용할 수 있다. 예를 들면, 제어기는 힘이 2개의 연속 단계 또는 수개의 연속 단계에서 임계값을 교차할 때 사이에서 경과된 시간을 보고, 평균하여 사람의 보행 주기의 추정치를 얻을 수 있다.
더욱이, 임계 케이블 힘의 크기 및/또는 임계 힘 크기를 교차하는 것을 나타내는 플래그에 대한 이러한 정보로부터, 제어기는 또한 사람이 그 때에 자신이 보행하고 있는 곳을 알고 있다. 예를 들면, 제어기는 보행 주기의 40%에서 케이블에 위치 제어 당김을 시작하도록 설정될 수 있다. 이 경우, 제어기가 힘이 보행 주기의 40%에 대응되는 임계값을 교차함을 검출할 때마다, 제어기는 당김을 즉시 시작할 수 있다. 제어기는 보행 주기의 43%에서 위치 제어 당김을 시작하는 것으로 되어 있으면, 제어기는 보행 주기의 40%와 보행 주기의 43% 사이의 지연을 계산하고, 계산 지연의 경과 후에만 당김을 예측 가능하게 시작하기 위해 보행 주기를 이용한다.
더욱이, 사람이 자신의 보행 주기에 있는 곳의 더 정확한 평가를 얻기 위해, 제어기는 또한 시간에 따른 장력 힘을 모니터링하고, 서로 다른 힘 임계값을 교차하는 여러 지점에서 볼 수 있다. 일반적으로, 힘 대 시간의 패턴은 사람의 걷기 속도에 따라 변화할 것이다. 힘 대 시간 곡선의 기울기는 또한 사람의 걷기 속도(또는 보행 주기)를 추정하는데 사용될 수 있다. 기울기는 또한 피크 장력 힘이 사람의 걷기 속도의 함수이기 때문에 사람이 보행 주기에 있는 곳을 예측하는데 사용되어야 하며, 여기서 장력은 걷기 속도가 증가함에 따라 감소한다. 요약하면, 제어기는 다음을 추정하는 것으로 구성될 수 있다:
(Current%InGait, GaitPeriod) = f(CableForce(t), CableForce(t-1),
… , CableForce(t-N))
여기서 f()는 함수이고, N은 시간이 지남에 케이블의 힘을 추적하는 데 사용된 샘플의 수이다. N은 힘 센서의 샘플 레이트에 따라 (기울기를 추정하기 위해 2개의 샘플을 사용하여) 1만큼 작거나 100-1000만큼 클 수 있다. 기울기의 양호한 추정을 획득하기 위해, 힘은 보행 주기의 약 5-10%의 기간 동안 조사되어야 한다. 즉, 보행 주기가 기울기를 추정하기 위해 1초이면, 제어기는 현재 시간에서 현재 시간 전의 0.05초 또는 0.l초까지의 샘플을 사용해야 한다.
또한, 케이블(예를 들어, 바우덴 케이블(142)) 또는 (예를 들어, 다관절 활성화 소프트 엑소슈트에 대한) 케이블을 위치 프로파일(보행의 %)로 당기는(방출)하는 대신에, 다른 제어 선택 사항이 있다. 어떤 피크 힘이 도달될 때까지 모터는 어떤 특정 속도로 당길 수 있다. 모터는 또한 발목에서의 힘이 어떤 규정된 힘의 궤적를 따르도록 당길 수 있다. 모터는 또한 걷기의 생체 역학으로 인해 힘 감소를 감지할 때까지 어떤 특정 속도로 당길 수 있다. 걷기의 생체 역학 및 소프트 엑소슈트 변화 길이로 인해 보행 주기의 15-35%에서 소프트 엑소슈트 및 케이블의 장력이 증가하는 방법과 마찬가지로, 소프트 엑소슈트 및 케이블의 장력은 또한 소프트 엑소슈트가 느슨해지도록 하는 신체의 구성으로 인해 보행 주기의 약 60-65%에서 감소할 것이다. 특히, 보행 주기의 약 60-65%에서의 발목 올리기 및 무릎 굽혀 펴기는 소프트 엑소슈트가 케이블이 고정된 길이로 유지되거나 중간 또는 느린 속도로 모터에 의해 당겨지는 경우에도(길이의 감소의 경우에도) 느슨해지도록 한다. 생체 역학으로 인한 힘의 이러한 감소는 케이블이 풀려져 다시 공급되어야 할 때를위한 트리거로서 사용될 수 있다. 그 시점에서, 케이블은 어떤 특정 속도로 풀려ㅓ져야 하거나 다시 공칭 장력 지점으로의 어떤 힘 궤적를 따라야 한다.
일반적으로, 케이블에 장력을 인가하고 해제하는 프로세스는 힘 궤적, 위치 궤적, 속도 궤적, 이들의 어떤 조합, 또는 어떤 다른 방식을 따라 행해질 수 있다.
상술한 바와 같이, 착용형 스트레인 센서(예를 들어, 액체 금속 도체, 비도전 신축성 직물과 통합된 도전성 섬유를 포함하는 고탄성 스트레인 센서) 또는 다른 타입의 센서(예를 들면, 관성 시스템, 서로 다른 팔다리 부분에 부착된 복수의 자이로스코프/가속도계로부터 측정된 각속도 등)를 사용하는 인간의 생물학적 관절 각도의 실시간 측정은 도 69에 나타낸 바와 같이 일상 생활 또는 필드 작업을 수행할 때 소프트 엑소슈트 및/또는 보조 외골격을 제어 시스템에 알리기 위해 사용될 수 있다. 이러한 스트레인 센서(또는 위치 데이터 또는 이의 파생 데이터를 제공하는 다른 센서)에 의해 제공되는 정보는 적절한 베이스라인이 착용자 또는 착용자와 유사한(예를 들어, 해부학적으로 유사한) 인구 중 어느 하나에 대해 확립되면 걷기, 계단 오르기 또는 계단 내리기, 경사면에서의 걷기, 크라우칭, 크롤링, 정지, 점프 등과 같은 서로 다른 인간 운동을 분류하는 데 사용될 수 있다. 인간의 운동의 실시간 분석은 사람이 실세계 응용(즉, out-of-lab)에서 착용 가능한 외골격 또는 보조 장치를 착용할 경우에 매우 중요하다. 이러한 다양한 활동을 수행하는 데 필요한 보조는 전체적으로 서로 다르며, 걷기를 위해 잘 행하는 전략은 사용자에게 유익하지 않거나, 사용자가 동일한 태스크(경사 걷기)의 변형을 수행하거나 다른 운동을 수행하는 경우에도 사용자의 운동을 불안정하게 할 수 있다. 본 발명의 적어도 일부 양태에 따르면, 소프트 엑소슈트 내에 통합된 센서(예를 들어, 스트레인 센서, 압력 센서, 자이로스코프 센서, 가속도계 등)는 하나 이상의 관절 회전 또는 팔다리 운동(예를 들어, 엉덩이, 무릎 및/또는 발목의 회전)을 측정하는 데 사용되거나, 하나 이상의 관절 회전 또는 팔다리 운동의 결정을 허용하는 데 사용되며, 이러한 정보는, 운동학 및/또는 다른 운동 특성을 결정하기 위해 소프트 엑소슈트의 착용자에 대한 데이터(예를 들어, 착용자 베이스라인 데이터) 또는 유사한 특성(예를 들어, 룩업 테이블, 알고리즘 등)을 가진 인구에 대한 데이터를 참조하기 위해 비교된다. 그 후, 결정된 운동은 소프트 엑소슈트 제어 시스템에 의해 온보드 시스템(예를 들어, 단일 관절형에 대한 작동 시간 및/또는 크기, 복수의 관절형에 대한 작동 시간 및/또는 크기 등)에 영향을 주거나, 로컬 또는 원격 외부 시스템(예를 들어, 마모된 외골격)과 통신하고/하거나 영향을 주는데 사용될 수 있다. 따라서, 인간 운동의 획득된 분류는 착용자가 수행하는 어떤 운동에 관해 제어 시스템에 알리기 위해 실시간으로 업데이트하는 상태 머신을 정의하기 위해 사용될 수 있다.
더욱이, 복수의 소프트 엑소슈트가 복수의 사용자(예를 들어, 군인의 분대) 사이에 배치되는 경우, 복수의 소프트 엑소슈트로부터의 운동 데이터는, 전체적으로 그룹의 운동 및 이러한 운동의 특성을 결정하고, 기대 값으로부터의 편차에 대한 원인을 추론하고, 시정 조치(corrective actions)를 시작하거나 이러한 운동의 특성에 반응하여 적절하다고 생각되는 다른 로컬 또는 원격 시스템에 맞물리도록 하나 이상의 로컬 또는 원격 외부 시스템 및 분석된 운동 데이터(단독으로 또는 각각의 착용자, 호흡, 심장 박동 등에 대한 위치 데이터와 같은 다른 측정 데이터와 조합하여) 실시간으로 통신된다. 예로서, 군인의 분대가 길을 따라 걷고 있을 것으로 예상되고, 군인에 대한 GPS 데이터는 길의 반대쪽으로 움직이는 군인을 나타내고, GPS 데이터만은 군인이 호에 숨고 있거나 차량이 간단히 통과하도록 하는지를 나타내지 못한다. 그러나, 동일한 GPS 데이터가 추정된 엎드린 또는 반엎드린 위치와 조합된 군인의 각각의 빠른 움직임을 나타낸 정보와 조합되는 경우, 원격 제어 시스템에 실시간으로 전송되는 이러한 정보는 분대가 아마도 적에 의해 교전되었고, 근처 자산에 대한 데이터가 적절한 결정 마커를 원격적으로 또는 현장에서 자동으로 라우팅될 수 있는 경고를 자동으로 개시할 수 있다. 따라서, 소프트 엑소슈트 센서 데이터는 개별 사용자에 대한 소프트 엑소슈트 제어 시스템에 의해 이용 가능할뿐만 아니라, 단일 채널(예를 들어, 하나의 소프트 엑소슈트) 또는 다수의 채널(예를 들어, 복수의 소프트 엑소슈트)로부터의 제어 입력 데이터를 이용할 수 있는 외부(명령 및) 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다.
센서 데이터의 상술한 사용에 따르면, 이러한 센서 데이터는 또한 보행 단계, 속도 및 진폭과 같이 사용자의 보행에 대한 소프트 엑소슈트 제어 시스템 정보에 제공하는데 사용될 수 있다. 이러한 파라미터는 액추에이터(200)에 의해 걷는 동안에 사용자 생물학적 관절로 전달되는 힘 프로파일이 실시간으로 적응되어 보조의 효율을 증가시킬 것이다. 예로서, 센서 데이터의 이러한 이용은 불필요하게 되는 상술한 풋 스위치 센서와 같은 다른 센서의 제거를 허용할 수 있다.
도 70은 검출된 소프트 엑소슈트 착용자의 운동에 기초하여 소프트 엑소슈트 보조를 변경하도록 구성된 하나의 예시적인 개선된 제어 구조의 일례를 도시한다. 서로 다른 운동을 수행하는 동안 각각의 관절이 필요로 하는 보조 힘이 완전히 상이하기 때문에, 제어 시스템은 서로 달리 고려된 활동 중에 적절한 보조력을 사용자에게 제공하도록 구성되어야 한다. 도 70에서, 일반적으로 도 68 내지 도 69와 관련하여 상술한 바와 같은 인간의 운동 패턴 인식 알고리즘의 출력은 사용자에게 전달되는 기준 궤적력을 결정하기 위해 제어 장치에 통지한다. 경사진 지형에서의 걷기, 달리기 등과 같은 서로 다른 운동을 수행할 때 인간은 자신의 팔다리의 생물학적 임피던스에 적응한다. 입력(FRef)으로 힘으로 위치 기반 어드미턴스 제어를 구현하는 것은 내측 위치 제어 루프가 동적 및 마찰 구성 요소를 보상할 경우에 작동(FSu it) 동안 사용자가 느끼는 가상 임피던스(관성, 감쇠 및 강성도)를 정의하는 것을 허용한다. 따라서, 온보드 소프트 엑소슈트 센서의 사용은 도 70에 도시된 바와 같이 사용자의 움직임에 기초하여 사용자와 작업하기 위해 소프트 엑소슈트에 적응할 어드미턴스 제어 구조와 조합하여 감지된 운동의 이용을 허용하여, 보다 자연스럽고 효율적인 작동을 제공한다. 인간의 운동 패턴 인식은 능동적 외골격의 보조력을 변경하여, 사용자에게 전달된 가상 임피던스를 변경하기 위해 사용된다.
도 71a-71h는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트(100)의 양태를 도시한다. 도 29-43b에서 상술한 바와 같은 액추에이터 시스템(200)과 관련하여, 도 71a-71h에 도시된 액추에이터 시스템(200)은 이에 대한 많은 유리한 개선 사항(예를 들어, 추가의 중량 감소, 증가된 신뢰성 등)을 나타낸다. 예로서, 4-플레이트 프레임(500)의 높은 강성도는 벽 두께를 감소시킬 수 있고, 그 자체를 1.5 kg의 중량을 생성시키는 더 많은 재료를 절단하게 할 수 있다. 도 71a-71h에 도시된 액추에이터(200)는 또한 하부 풀리(510)에 대한 서로 다른 설계를 포함한다. 하부 풀리의 종래 설계가 케이블 잼을 절대적으로 방지하지 않는 경우에, 도 71a-71h에 도시된 설계는 케이블 잼을 불가능하게 한다. 플랜지 반경이 증가하고, 추가적인 부분(520), 가이드 구조는 웨빙이 인접한 회전부 사이에 로지(lodge)되지 못하도록 하기 위해 단지 작은 공차로 회전하는 풀리 사이에 직접 측면 플레이트에 장착하여 각각의 측면 상에 부가된다. 다른 개선 사항으로서, 로드 셀 설계는 높은 품질(예를 들어, 저잡음), 시장 기반 로드 셀의 사용을 허용할 뿐만 아니라 변경된다. 상술한 바와 같이, 빔 로드 셀 대신에, 도 71c의 설계는 버튼 로드 셀(530)를 사용한다. 도 71a-71h는 또한 참조를 위해 타이밍 풀리(271), 풀리 휠(225), 및 도 29-43b에 대해 위에 도시된 컷아웃(402)을 다양하게 도시한다.
상술한 바와 같이, 도 71d-71h는 허벅지 브레이스(120)와 연결 요소(800)를 이용하여 엉덩이 작동을 제공하도록 구성된 액추에이터(200)를 갖는 소프트 엑소슈트(100)의 이미지를 도시한다. 도시된 바와 같이, 액추에이터(200)는 특정 신체의 쪽(왼쪽/오른쪽)을 작동하도록 구성되는 각각의 2개의 액추에이터를 포함한다. 도 71h에서, 액추에이터(200)의 왼쪽 채널은 제거되었다.
도 72-74는 엉덩이 굽힘 및/또는 엉덩이 확장을 보조하도록 구성된 수동형 시스템을 포함하는 소프트 슈트(600)의 몇몇 가능한 구성을 도시한다. 소프트 슈트(600) 및 개시된 수동형 시스템은 본 명세서에 기재된 소프트 엑소슈트(100)와 조합하여 사용될 수 있거나, 전적으로 이로부터 별도로 독립형 시스템으로 사용될 수 있다. 더욱이, 소프트 슈트(600)는 이점으로 모니터링된 관절(예를 들어, 엉덩이)의 각도의 변화 또는 소프트 슈트 변형의 변화를 측정하도록 (WO 2013/044226 A2에 개시된 바와 같은) 복수의 고탄성 스트레인 센서와 같은 센서를 통합할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이러한 데이터 및/또는 다른 센서로부터로부터의 다른 센서 데이터는 로컬 저장 장치(예를 들어, 고체 상태 메모리 장치)로 출력되고/되거나 로컬 장치(예를 들어, 블루투스 등을 통해) 또는 저장 및/또는 처리를 위한 원격 장치로 무선으로 전송될 수 있다.
도 72(a)를 참조하면, 수동형 소프트 슈트(600)는 어떤 경로를 의류에서 비신축적이게 하도록 추가된 재료를 가진 스판덱스 쇼트에 기초한 의복이다. 도 72(a)에서, 라벨(1)은 오른쪽 다리에 힘을 제공하는 비신축성 직물이고, 라벨(2)은 왼쪽 다리에 힘을 제공하는 비신축성 직물이다. 요소(3)는 가장자리를 따른 비신축성 직물에 연결(예를 들어, 봉합)되거나, 다른 모든 요소 아래에 베이스 층으로서 제공되는 신축성 스판덱스 재료이다. 선택적인 요소(4)는 소프트 슈트(600)가 허리 주위에 밀접하게 맞도록 허용하는 탄성 영역이지만, 선택적인 요소(5)는 소프트 슈트가 허벅지 주위에 밀접하게 맞도록 허용하는 탄성 영역이다. 선택적인 요소(4) 및 선택적인 요소(5)는 모두 스판덱스를 포함할 수 있거나 스판덱스와 다른 강성도 및/또는 히스테리시스를 가진 상이한 재료를 포함할 수 있다. 도 72(a)의 요소(4 및 5)가 포함되지 않은 경우, 비신축성 직물(1 및 2)은 이러한 영역에서 함께 연결해야 한다. 요소(4, 5)는 대안적으로 스냅 후크, Velcro®, 지퍼, 신발 끈 또는 줄에 기초한 레이싱 시스템, 스트랩에 기초한 장력 시스템, 또는 다양한 다른 폐쇄 장치를 포함할 수 있다. 중요한 양태는 이러한 영역이 소프트 슈트(600)가 허리 및 다리 주위에 밀접하게 부착하도록 허용한다는 것이다. 허벅지 및 허리 뒤쪽에 위치되는 요소(4, 5) 대신에 또는 이에 더하여, 이것은 소프트 슈트 상의 다양한 다른 위치에서, 다른 위치 중에, 예를 들어 (요소(4)를 대체하기 위한) 허리 측, (요소(4)를 대체하기 위해) 각을 이룬 스트랩 상의 복부의 앞, 비신축성 직물이 "X"를 만드는 허벅지 측, (요소(5)를 대체하기 위한) 허벅지 측 상에 뷔치될 수 있다. 추가적인 허리 벨트(600)는 선택적으로 소프트 슈트(600)의 상부 주위에 추가된다. 이러한 허리 벨트(600)는 또한 탄성, Velcro, 레이싱, 다양한 다른 종래의 고정 바법 중 어느 하나와 중심에 고정해야 한다.
마찬가지로, 비신축성 직물 요소(1, 2)는은 스판덱스보다 단단하지만 여전히 신축성 직물을 포함하는 다양한 재료를 포함할 수 있다. 이 경우에, 전체 소프트 슈트(600)가 착용자를 편안하게 맞도록 하기 위해 팽창 및 수축할 수 있기 때문에 요소(4, 5)는 필요하지 않을 것이다. 상술한 바와 같이, 요소(1,2)가 취하는 특정 경로는 힘을 전달하는 경로 중 어느 하나를 따를 수 있다. 예를 들면, 요소(1,2)는 이상적으로 신체의 반대측의 골반의 장골의 상부로 확장해야 하지만, 신체의 동일 측에서 이들이 장골 아래의 신체 주위를 감쌀 수 있거나, 한 브랜치를 장골 아래로 진행하게 하고, 한 브랜치를 장골 위로 진행하게 한다. 이러한 소프트 슈트(600)는 뒤쪽으로 확장될 때 허벅지 앞쪽으로 당겨, 소프트 슈트를 입을 때의 소프트 슈트(600)의 위치 또는 이에 후속하는 소프트 슈트의 움직임에 의해 영향을 받는 중립 위치에 다리의 반환을 도울 수 있는 엉덩이 주위에 토크를 생성함으로써 기능을 한다.
도 72(b)는 착용자의 허벅지와 복부 사이의 주름 위에 위치된 추가적인 요소(6)를 가진 도 72(a)의 소프트 슈트(600)를 도시한다. 이러한 요소(6)는 이 경우에 주로 비신축적인 요소(1,2)와 관련하여 미리 정해진 강성도를 제공하기 위한 탄성 재료를 포함할 수 있다. 탄성 요소(6)를 추가하는 것은 소프트 슈트 (600)의 강성도를 감소시키고, 이에 의해 둔부의 소정 각도 변위에 대한 엉덩이 주위의 작은 토크를 제공한다. 그러나, (고무, 실리콘, 서로 다른 타입의 스판덱스, 여러 층의 스판덱스, 탄성 스트래핑 또는 다른 재료를 포함할 수 있는) 탄성 요소를 추가하는 것은 전체 시스템의 히스테리시스를 감소시켜, 착용자의 다리가 굽힐 시에 편향되어 다시 전방으로 움직일 경우에 더 많은 에너지를 착용자의 다리로 반환할 수 있다.
도 73(a)는 도 73(a)에 도시된 구성이 엉덩이 확장을 보조하기 위해 설계된 것을 제외하고는 72(b)에서의 것과 유사한 소프트 슈트(600)를 도시한다. 이 경우에, 착용자가 자신의 무릎을 앞으로 움직이면, 소프트 슈트(600)는 허벅지를 수직 방향으로 반환하려고 하기 위해 허벅지의 전면에 끌어 당길 것이다. 이것은 엉덩이가 토크의 양을 증가시키는 내리막 길을 걸을 때와 같은 여러 경우에 도움이 될 수 있다. 이 경우에, 소프트 슈트(600)는 그 힘의 일부를 제공하여 근육이 작업을 적게 할 수 있다. 소프트 슈트(600)에 대한 다른 가능한 사용은 누군가가 무거운 배낭을 들고서 오르막을 걷는 경우일 것이다. 이 경우에, 사람이 한쪽 다리로 자신의 전체 체질량 및 배낭 질량을 들어올릴 때 보행 주기의 시점에서 엉덩이에 대한 큰 모멘트가 있다. 사용자가 엉덩이 확장을 보조하도록 구성된 소프트 슈트(600)를 착용한 경우, 이들은 여전히 다리를 지면에 놓기 전에 다리를 들어올리는 추가적인 에너지를 소비해야 하지만, 이러한 추가적인 에너지는 슈트를 스트레칭한다(예를 들어, 뒤쪽 허벅지의 주름에 있는 요소(6)를 스트레칭한다). 착용자가 자신의 발을 지면에 놓으면, 소프트 슈트(600)는 자신의 대둔근 근육과 병렬로 힘을 인가하여, 이들이 자신의 질량 및 배낭의 질량을 들어 올릴 때 보행의 부분 중에 적은 일을 하도록 허용할 수 있다. 마지막으로, 도 73(b)는 도 72(a) 및 도 73(a)의 시스템을 조합하여 엉덩이 굽힘 및 엉덩이 확장 모두를 보조하도록 구성된 소프트 슈트(600) 시스템을 도시한다.
도 74는 도 72-73의 소프트 슈트(600)가 허벅지의 앞에 있는 탄성 요소(6)를 포함하는 다른 가능한 구성을 도시하고, 허벅지의 앞에 있는 슈트의 길이를 조절하는 방법을 더 도시한다. 이 경우, 착용자는 자신의 선호에 맞도록 (예를 들어, 요소(6)의 상부 가장자리에 있는 Velcro®를 소프트 슈트의 전면의 상위 또는 하위에 고정함으로써) 소프트 슈트(600)를 단단하게 하거나 느슨하게 할 수 있다. 이 경우에, 요소(6)는 하부 스판덱스로부터 분리되어, 소프트 슈트(600)의 전면의 상위 또는 하위에 고정되도록 위아래로 움직일 수 있다. 요소(6)의 상부 가장자리에 있는 비신축성 직물은 요소(6)를 아래에 고정하는 보완 수단을 가질 것이다, 예를 들면, 요소(6)는 상부 가장자리로 아래로 향하는 후크 Velcro®를 가질 수 있다. 밑에 있는 비신축성 직물은 요소(6)의 공칭 위치 위아래의 어떤 거리 위로 향하는 루프 Velcro®를 가질 수 있다. 도 72 및 73의 요소(4 및 5)는 또한 이러한 구조를 가질 수 있다.
도 72a에 도시된 소프트 엑소슈트(600)의 실시예에 대해. 정상 걷기, 보행 주기의 약 30-70% 동안, 엉덩이는 확장한다. 초기에, 엉덩이는 보행 주기의 30-50%로부터 힘을 흡수하여, 50-70%로부터 힘을 생성한다. 소프트 엑소슈트(600)의 도 72a-72b의 실시예를 착용한 경우, 소프트 엑소슈트는 기간 동안 힘을 흡수하고 생성할 시에 근육의 기능의 일부를 대신할 것이다. 도 73a에서의 소프트 엑소슈트(600)의 실시예는 특히 오르막 길 또는 내리막 길을 가는 다양한 지형(예를 들어, 험악한 지역, 등산 등)을 통해 움직임에 유익할 수 있다. 오르막 길 및 내리막 길을 걷는 동안, 엉덩이는 확장 방향으로 증가된 토크를 보조한다. 내리막 길을 걷는 동안, 도 73a의 소프트 엑소슈트(600)는 필요한 근육 활동을 줄이기 위해 수동적으로 엉덩이에 보조를 제공할 것이다. 오르막 길을 걷는 동안, 도 73a의 소프트 엑소슈트(600)는 발이 지면에 배치될 때 무릎을 들어 올려 미리 스트레칭되어야 한다. 그 후, 슈트는 신체가 필요로 하는 확장 토크를 줄이기 위해 근육과 병렬로 작용할 것이다.
도 72-73에서 소프트 엑소슈트(600)의 주요 기능 요소가 도시되지만, 추가적인 요소가 포함될 수 있다. 예를 들면, 기능성 직물(예를 들어, 비신축성 직물, 신축성 직물 등)은 또한 다리 측으로 연장하는 것과 같이 도시된 것과 다른 영역에 통합될 수 있다.
소프트 엑소슈트(100)의 상술한 실시예를 다시 참조하면, 이러한 실시예는 이점으로 의료 응용, 스포츠 또는 오락 응용 및/또는 제어 시스템 입력을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다양한 서로 다른 응용에 이용될 수 있다. 의료 응용에 관해서는, 소프트 슈트(100)는 재활 치료(예를 들어, 뇌중풍 재활, 물리적 재활 등)동안 및 후에 모두 환자 결과의 개선된 평가(예를 들어, 운동 범위)를 허용하기 위해 비용 효율적이고, 사용하기 쉬우며(예를 들어, 입고 벗기 쉬우며), 편안한 감지 슈트를 제공하고, 병원 및/또는 환자의 집에서 사용될 수 있다. 감지된 데이터(예를 들어, 관절 각도, 물리 치료의 추천된 반복 성능 등)는 치료 섭생에 대한 변경을 위한 입력으로 사용하기 위한 과정을 추적하기 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라 환자가 자신의 복지를 보장하기 위해 자들의 부분을 확실히 행하고 있음을 추구하는 건강 보험 회사에 의해 컴플라이언스를 보장하는데 사용될 수 있다(또는 사용될 필요가 있을 수 있다).
소프트 슈트(100)의 적어도 일부 양태에 따르면, 감지된 데이터는 이점으로 사용자의 가정용 컴퓨터에 삽입될 수 있는 물리적 메모리 장치(예를 들어, 고체 상태 메모리), 무선 장치, 또는 기록 및/또는 송신을 위한 홈 헬스 케어 모니터링 장치(예를 들어, 데이터로거 및/또는 무선 통신 장치)에 국부적으로 저장될 수 있다. 일부 양태에서, 소프트 슈트(100)의 센서는 이점으로 스마트 워치, 스마트 폰, 또는 헤드업 표시 장치와 같은 사용자의 장치로 (예를 들어, 블루투스 또는 다른 주파수 호핑 확산 스펙트럼(FHSS) 시스템을 통해) 네트워크화된다.
소프트 엑소슈트(100), 및 특히 정상 동안 및 오르막 길/내리막 길을 걷는 동안 모두 엉덩이 확장을 보조하기 위해 구축된 시스템을 참조하면, 도 75는 소프트 엑소슈트가 보행 주기의 약 0% 내지 약 25% 사이에서 작동하고, 보행 주기의 약 25% 내지 약 75% 사이에서 작동하지 않고, 보행 주기의 약 75% 내지 약 100% 사이에서 다시 작동하는 평지 보행(level walking) 동안 엉덩이 관절 토크를 도시한다. 양의 토크는 엉덩이 확장(작동과 관련된 곡선의 부분)에 대응하는 반면에, 음의 토크는 엉덩이 굽힘(작동하지 않는 것과 관련된 곡선의 부분)에 대응한다. 2개의 제어 방식은 이러한 보조, 위치 기반 제어 및 힘 기반 및 어드미턴스 제어를 제공할 시에 유용하다.
위치 기반 제어에 관해, 정상 보행 동안, 엉덩이 확장은 발뒤꿈치 닿기가 일어나기 전에 시작한다. 위치 기반 제어 방식은 이러한 특성을 고려할 필요가 있다. 정상 보행 동안 스텝 빈도(step frequency)에 대한 정보를 획득하기 위해, 풋 스위치는 발뒤꿈치 닿기를 검출하기 위해 사용된다. 한 스텝에 대한 시간은 이전의 스템에 대한 시간에서 마지막 발뒤꿈치 닿기에 대한 시간을 감산하여 측정된다. 그 후, 이러한 정보는 결과적으로 스텝 빈도를 포함하는 버퍼에 저장된다. 버퍼 내에 저장된 스텝 데이터, 또는 그로부터 도출된 데이터를 평균화함으로써, 다음의 발뒤꿈치 닿기는 마지막 발뒤꿈치 닿기 이벤트에 특정 시간을 가산함으로써 예측될 수 있다. 이런 맥락에서, 위치 제어는 시스템 시간이 다음 발뒤꿈치 닿기를 위한 예측 시간에 도달할 경우에 고정된 궤적이 재생된다는 것을 의미한다. 위치 제어기를 서로 다른 속도로 적응시키기 위해, 고정된 궤적은 시간 스케일링되고, 이는 궤적의 피크가 결코 변화하지 않지만, 모터가 최대치에 도달하는 시간은 측정된 스텝 빈도에 따라 변화할 수 있다는 것을 의미한다.
도 76은 힘 프로파일, 모터 위치 및 풋 스위치 신호에 대한 곡선을 묘사한 지상 걷기 동안에 기록된 데이터의 추출을 도시한다. 곡선(710)에 의해 도시된 바와 같이 모터가 발뒤꿈치 닿기가 일어나기 전에 스피닝을 시작하는 곡선(705)으로부터 알 수 있다. 스케일링된 모터 궤적을 재생함으로써, 곡선(715)에 의해 도시된 바와 같이, 대응하는 힘이 생성된다. 힘은 케이블의 힘이고, 실제 엉덩이 모멘트가 아니다. 이러한 위치 기반 제어의 주요 단점은 궤적이 원하는 힘을 인가하기 위해 재생되도록 허용하기 위해 시스템에 적어도 약간 미리 장력이 인가될 필요가 있다는 것이다. 그렇지 않으면, 시스템은 주로 느슨한 케이블을 감아 죌 것이고, 결과적으로 인가된 힘을 낮출 것이다.
힘 기반 및 어드미턴스 제어에 관해, 힘 기반 제어는 이점으로 엉덩이 운동을 추적하는 데 사용될 수 있다. 항상 케이블 내에 약간(<5N)의 장력을 가짐으로써, 제어기는 위치 기반 제어기의 주요 단점을 제거하는 엉덩이 운동을 따를 수 있다. 위치 기반 제어가 인가된 모멘트 및 사용자를 보조하기 위한 양호한 결과를 보였기 때문에, 어드미턴스 제어는 시스템을 위한 진보된 제어로서 선택된다. 모터는 여전히 위치 제어되어 내부 제어 루프를 형상화한다. 효율적인 위치 제어기를 개발함으로써, 관성과 마찰과 같은 물리적 시스템의 특성은 무시될 수 있다. 외부 어드미턴스 제어 루프를 추가함으로써, 시스템 행위는 시뮬레이션될 수 있고, 이에 따라 물리적 시스템에 형상화될 수 있다. 제어기 설정 지점, 원하는 값 및 에러는 이제 특정 경우에는 힘이 된다.
엉덩이 확장을 위한 정확한 토크 프로파일을 따르기 위해(도 75 참조), 풋 스위치는 먼저 제어기를 동기화하기 위해 사용된다. 똑같은 원리는 위치 제어기에 관해 사용된다. 어드미턴스 제어기를 사용하여 허리의 운동을 추적하는 것은 시스템이 또한 풋 스위치없이 작업하도록 할 수 있다. 풋 스위치는 발뒤꿈치 닿기가 생성하는 시간만을 제공할 수 있다. 유사한 정보는 모터 인코더를 판독하여 확장이 굽힘으로 변경하는 지점을 표시함으로써 획득될 수 있다. 특정 지점를 알게 됨으로써, 동일한 원리가 풋 스위치를 사용하는 것에 관해 적용될 수 있다. 언급된 바와 같이, 모터의 인코더 신호는 엉덩이 각도를 추정하는 데 사용된다. 제어기를 보행과 동기화하기 위해 필요한 정보만이 확장과 굽힘 사이의 변화이기 때문에 정확한 각도를 알 필요는 없다.
소프트 엑소슈트(100) 또는 소프트 슈트(600)에 관한 위의 개념이 일반적으로 걷기, 달리기, 또는 재활과 같은 활동에 대해 일반적으로 적응된 지면 기반 응용의 관점에서 설명되었지만, 소프트 엑소슈트 및 소프트 슈트는 모두 적절한 재료, 인클로저, 및 활동에 적합한 연결부를 사용하여 습식 또는 잠재적으로 습식 환경(예를 들어, 크로스 컨트리 스키, 스쿠버 다이빙 등)에서 이용에 적합할 수 있다. 예로서, 소프트 엑소슈트(100) 또는 소프트 슈트(600)는 습식 슈트, 또는 건식 슈트에 통합될 수 있으며, 작동 시스템(200)은 다이버가 공기 탱크에 부착할 수 있는 중성 부력 건조 백 안에 포함된다.
소프트 엑소슈트(100) 또는 소프트 슈트(600)가 무선으로 원격 컴퓨터 또는 원격 제어 시스템(및/또는 명령 및 제어 시스템)과 통신하는 것이 바람직한 응용에서, 착용 가능한 안테나는 이점으로 Pharad(Hanover, MD) 착용 가능한 안테나 제품(활동에 대해 적절히 선택된 빈도 및 응용) 또는 Patria(Helsinki, Finland) 워셔블(washable) 착용 가능한 안테나와 같이 소프트 엑소슈트(100) 또는 소프트 슈트(600)에 통합될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
다른 실시예는 본 발명의 범위 및 사상 내에 있다. 예를 들면, 소프트웨어의 특성으로 인해, 위에서 설명된 기능은 소프트웨어, 하드웨어, 펌웨어, 하드와이어링 또는 이들의 결합을 이용하여 구현될 수 있다. 기능을 구현하는 특징은 또한 기능의 일부가 상이한 물리적 위치에서 구현되도록 분산되는 것을 포함하는 다양한 위치에 물리적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 양태에 따르면, 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트는 이점으로 소프트 엑소슈트가 옷 아래에 착용되도록 허용하기 위해 충분히 유연 하고 가볍다. 적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트 연결 요소, 노드 및 선택적으로 앵커 요소는 착용 가능한 속옷에 통합된다.
또한, 본 발명의 개시된 임의의 양태에 따른 소프트 엑소슈트(100)는 다양한 다른 사용자 장치와 무선으로 상호 작용하고/하거나 유선 연결부를 통해 다양한 다른 사용자 장치와 상호 작용하도록 더 구성될 수 있다. 예로서, 여분에 대한 소프트 엑소슈트의 힘이 충분히 있어야 하는 경우에, 소프트 엑소슈트(100)는 소프트 엑소슈트로부터의 전력 공급의 이용이 필요가 생길 수 있을 때(예를 들어, Tier-1 환경에서의 동작) 하나 이상의 다른 외부 장치(예를 들어, 통신 장치, 야간 투시경, GPS 장비 등)를 가동할 수 있도록 구성된 포트 및 커넥터를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 포트 및 커넥터는 외부 소스(예를 들어, 차량 배터리, 고정식 배터리, 휴대용 태양 전지, 착용형 태양 전지, 전력 그리드 전압/주파수에 적절한 어댑터와 조합한 AC 전력 콘센트 등)로부터 소프트 엑소슈트 배터리 시스템의 재충전을 가능하게 하기 위해 제공될 수 있다.
도 79는 본 발명의 적어도 일부 양태에 따라 입력을 착용자에게 제공하기 위해 햅틱 액추에이터(예를 들어, 압전 액추에이터, Piezo Fibers, Bimorph Piezo, Non-Rigid Piezo, Electroactive Polymers 등)를 포함하는 소프트 재료(예를 들어, 네오프렌)으로 만들어진 소프트 엑소슈트 구성 요소(여기에서 신발 부착 요소)의 일례를 도시한다. 적어도 일 양태에서, 작은 햅틱 액추에이터는 이점으로 소프트 엑소슈트(100)의 하나 이상의 영역(예를 들어, 연결 요소 아래, 허벅지 브레이스(120) 등의 아래에서 도 54a에서 직물로 덮혀지는 어떤 곳)으로 통합된다. 이러한 햅틱 액추에이터는 확률적 공명(SR) 효과 또는 역치상(supra-threshold)(그래서 사람이 진동을 느낌)에 대해 하위 역치(그래서 사람이 진동을 느끼지 못함)일 수 있고, 착용자가 어떤 것을 정확하게 또는 부정확하게 행하는(예를 들어, 움직임을 정확하게 수행하고, 음직임을 부정확하게 수행하고, 미리 설정된 한계에 접근하고, 미리 설정된 한계를 초과하며, 관절의 최소 요구된 운동을 수행하는)지에 관해 사용자에게 알릴 수 있는 사용자-기계 인터페이스를 제공할 수 있다. 도 79의 예에서, 절연 코팅을 갖는 압전 액추에이터는 발목 브레이스의 안쪽에서 직물 주머니에 내에 포함된다. 절연 케이블은 동봉된 전자 상자를 압전 액추에이터에 연결한다.
이러한 햅틱 액추에이터는 인간 균형을 위한 피드백 제어 시스템의 역할을 할 수 있다. 이러한 피드백 루프에서, 외부 자극은 자극에 대한 정보를 중추 신경계로 보내도록 신체의 수용기, 기계적 수용기를 트리거하여, 근육에 신호를 보낸다. 균형을 위한 기계적 수용기는 피부, 근육, 힘줄, 및 하위 팔다리의 다른 연조직에서 발견된다. 감각 신경 세포가 신호를 보낼 경우, 자극이 피로 또는 부상으로 증가할 수 있는 최소 감각 역치를 초과해야 한다. 노이즈의 특정 하위 역치 레벨의 존재는 효과적으로 감각 역치를 낮추고, 신호 인식 및 검출(SR)을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 하위 역치 또는 역치상인지에 대한 햅틱 장치는 소프트 엑소슈트(100)의 착용자에 대한 정적 및 동적 균형 활동의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 적어도 일부 양태에서, 소프트 엑소슈트 구성 요소 중 하나 이상은 가역적 접착제(예를 들어 나노 폴리머 필라 어레이와 같은 나노 스케일 표면 특징을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 "게코 스타일(gecko style)" 접착제)를 포함하는 내부 라이닝(및/또는 선택적으로 외부 라이닝)을 할 수 있다. 이러한 가역적 접착제는 소프트 엑소슈트의 유지가 신체에 대해 고정된 위치임을 용이하게 할 수 있다. 대안적으로, 다른 표면 처리는 선택적 소프트 엑소슈트의 내부 또는 외부의 표면 특성을 향상시키기 위해 적용될 수 있다.
도 80은 본 발명의 적어도 일부 양태에 따른 소프트 엑소슈트 구성 요소의 일례를 도시한다. 도시된 소프트 엑소슈트(100)는 발목 주위의 발바닥 굽힘 토크 및 엉덩이에 대한 확장 토크 뿐만 아니라 무릎 주위의 확장 토크를 제공하도록 구성된다. 움크림 또는 내리막길 걷기 동안, 발목, 무릎 및 엉덩이는 기울기의 경사 및 사람의 보행에 따라 보행 주기의 15-40% 또는 15-60%의 이러한 토크를 가지고 있다. 도 80(a)에서, 소프트 엑소슈트(100)는 각각 허벅지의 전면 및 정강이의 전면 위에 허벅지 및 직물 영역(2,3)의 상부에 둔부 영역에 걸쳐 연장하는 플랩을 포함하는 허리 벨트(1)를 포함하도록 도시되어 있다. 소프트 엑소슈트(100)는 또한, 힘을 더욱 균일하게 분산하도록 발 영역에 더욱 접촉하는 것을 제외하고, 도 26a-26f에서 요소(130)와 동일한 기능을 갖는 부착물로서 다리를 둘러싸는 요소(4)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 직물 영역(2, 3)은 굵은 선으로 그려지고, 다리의 외부(횡 방향 양태)의 요소(5, 6)로 표시되는 이러한 영역의 측면상의 바우덴 케이블 시스의 스트레치에 의해 경계를 이루게 된다. 다리의 내부(내측 양태)는 도 80에 도시되지 않지만 요소(2, 3)의 가장자리에 유사한 시스를 갖는다.
케이블(7)은 허리 벨트(1) 및 발 부착물(4)을 연결하고, 다리의 내부 및 외부에서 이러한 케이블 시스(5, 6)를 통과한다. (도시되지 않은) 제 2 케이블은 허리 벨트(1)로부터 다리의 내부의 발뒤꿈치로 전달한다. 직물 영역(2,3)의 가장자리에서의 케이블(7) 단부 및 시스(5, 6)의 위치 결정은 케이블이 엉덩이 관절의 뒤에, (도 80에서 8로 표시된) 무릎 관절의 앞에, 허벅지 관절의 후방에서 연장하도록 한다. 이와 같이, 케이블(7) 내에 장력이 있는 경우, 적절한 토크는 이러한 관절에 대해 생성된다. 케이블(7)은 추가적인 에너지 저장 또는 흡수를 허용하도록 스프링 또는 다른 탄성 또는 신축성 재료를 포함할 수 있다. 도 80(a)에서, 도시된 시스템은 내리막 보행이 시작되기 전에 케이블(7)이 적절한 레벨로 장력이 인가될 수 있는(예를 들어 수동으로) 수동형 시스템이다. 그 다음, 케이블(7)은 오르막 길 또는 평지 보행 또는 다른 활동을 위해 느슨해질 수 있다.
도 80(b)는 바우덴 케이블 시스(9) 및 액추에이터의 다른 세그먼트, 클러치 또는 댐퍼 유닛(10)의 추가를 제외하면 도 80(a)에서와 동일한 슈트를 도시한다. 소프트 엑소슈트가 이러한 관절 주위에 생성하는 모멘트를 증가시키거나, 착용자가 (예를 들어, 가속도계 데이터, GPS 데이터, 발뒤꿈치 닿기 힘 등을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 내리막 길 보행을 나타내는 데이터를 제어기에 제공하는 하나 이상의 센서를 통해) 내리막 길을 걷는 것이 검출되면 기본 레벨에 대한 장력을 바로 증가시키기 위해 (예를 들어 걷기 보행 주기에 대한 약 15-40% 사이에서) 보행 주기의 적절한 지점에서 케이블(7)에 장력을 생성시킬 수 있다. 대안적으로, 클러치 유닛(예를 들어, 10)은 (예를 들어, 보행 주기의 일부 또는 대부분을 통한 낮은 힘을 가진) 케이블(7)에 당길 수 있고, 보행 주기의 적절한 지점 동안 슈트에 힘을 생성하기 위해 케이블을 적소에 유지할 수 있다. 다른 양태에서, 이러한 클러치 유닛(예, 10)은 가벼운 스프링을 가진 케이블에 연속적으로 당기도록 구성될 수 있고, 케이블(7)이 걷기의 생물 역학으로 인해 당겨졌을 경우, 클러치 유닛은 감쇠력을 케이블에 적용하고, 사용자에게 이득을 주는 슈트에 과도한 힘을 생성시킨다.
더욱이, 위의 설명은 본 발명에 관한 것이지만, 설명은 둘 이상의 발명을 포함할 수 있다. 이러한 실시예 및 이의 명백한 변형의 각각은 청구된 발명의 사상 및 범위 내에 있는 것으로 고려되며, 이들 중 적어도 일부 양태는 다음의 청구 범위에서 설명된다.
Claims (39)
- 착용형 소프트 엑소슈트(wearable soft exosuit)에 있어서,
상기 착용형 소프트 엑소슈트를 착용하는 사람의 제 1 신체 부분에서나 근처에 위치시키기 위해 구성된 제 1 앵커 요소(first anchor element);
상기 착용형 소프트 엑소슈트를 착용하는 사람의 제 2 신체 부분에서나 근처에 위치시키기 위해 구성된 제 2 앵커 요소;
상기 제 1 앵커 요소 및 상기 제 2 앵커 요소 사이에 연장하는 복수의 연결 요소로서, 상기 복수의 연결 요소 중 적어도 하나는 상기 제 1 앵커 요소 및 상기 제 2 앵커 요소 사이에 배치된 적어도 하나의 관절을 스패닝(spanning)하는 상기 복수의 연결 요소;
적어도 하나의 액추에이터; 및
적어도 하나의 관절에 대한 유익한 모멘트를 생성하도록 상기 적어도 하나의 관절의 움직임 중에 미리 정해진 시간에 상기 적어도 하나의 액추에이터를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 연결 요소 중 적어도 일부는 적어도 하나의 노드를 형성하도록 연결되는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 앵커 요소 및 상기 제 2 앵커 요소의 각각은 신발 앵커 요소, 허리 벨트 앵커 요소, 어깨 스트랩 앵커 요소, 또는 노드 중 적어도 하나를 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 앵커 요소 및 상기 제 2 앵커 요소 중 적어도 하나는 웨빙(webbing), 스트랩, 코드(cord), 기능성 섬유, 직물, 와이어, 케이블, 또는 복합 재료 중 적어도 하나로부터 형성되는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 연결 요소의 각각은 웨빙, 스트랩, 코드, 기능성 섬유, 직물, 와이어, 케이블, 또는 복합 재료를 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 액츄에이터는 적어도 하나의 모터 구동 액츄에이터, 적어도 하나의 공압 액츄에이터, 또는 적어도 하나의 유압 액추에이터를 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 6 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 액츄에이터는 상기 제 1 앵커 요소 및 상기 제 2 앵커 요소 사이, 상기 적어도 하나의 노드와 상기 제 1 앵커 요소 또는 상기 제 2 앵커 요소 중 하나 사이, 두 노드 사이, 또는 상기 복수의 연결 요소 중 둘 사이에 배치되는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 6 항에 있어서,
적어도 하나의 허벅지 브레이스(brace)를 더 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 2 앵커 요소는 신발 앵커 요소를 포함하고,
상기 제 1 앵커 요소는 허리 벨트 앵커 요소를 포함하며,
상기 적어도 하나의 액츄에이터는 신축성 리본(flexible ribbon) 또는 신축성 케이블(flexible cable)을 통해 장력을 상기 제 2 앵커 요소에 인가하도록 구성되는 모터 구동 액추에이터를 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 9 항에 있어서,
상기 복수의 연결 요소는 상기 허리 벨트로부터 상기 착용자의 제 1 허벅지의 중심에 인접하는 위치로 연장하도록 구성된 상기 허리 벨트의 앵커 요소의 제 1 측 상의 제 1 연결 요소, 상기 허리 벨트로부터 상기 착용자의 제 2 허벅지의 중심에 인접하는 위치로 연장하도록 구성된 상기 허리 벨트의 앵커 요소의 제 1 측 상의 제 2 연결 요소, 상기 허리 벨트로부터 상기 착용자의 제 2 허벅지의 중심에 인접하는 위치로 연장하도록 구성된 상기 허리 벨트의 앵커 요소의 제 2 측 상의 제 3 연결 요소, 및 상기 허리 벨트로부터 상기 착용자의 제 1 허벅지의 중심에 인접하는 위치로 연장하도록 구성된 상기 허리 벨트의 앵커 요소의 제 2 측 상의 제 4 연결 요소를 포함하고,
상기 제 1 연결 요소 및 상기 제 4 연결 요소는 상기 착용자의 제 1 허벅지의 중심에 인접하는 위치에 있는 제 1 노드를 형성하도록 연결되고,
상기 제 2 연결 요소 및 상기 제 3 연결 요소는 상기 착용자의 제 2 허벅지의 중심에 인접하는 위치에 있는 제 2 노드를 형성하도록 연결되는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 10 항에 있어서,
상기 착용자의 제 1 허벅지에 대한 제 1 허벅지 브레이스;
상기 착용자의 제 2 허벅지에 대한 제 2 허벅지 브레이스;
상기 제 1 노드를 상기 제 1 허벅지 브레이스에 연결하는 하나 이상의 연결 요소; 및
상기 제 2 노드를 상기 제 2 허벅지 브레이스에 연결하는 하나 이상의 연결 요소를 더 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 1 허벅지 브레이스에 연결된 제 1 횡측 종아리 연결 요소(first lateral calf connection element);
상기 제 1 허벅지 브레이스에 연결된 제 1 내측 종아리 연결 요소(first medial calf connection element);
상기 제 2 허벅지 브레이스에 연결된 제 2 횡측 종아리 연결 요소; 및
상기 제 2 허벅지 브레이스에 연결된 제 2 내측 종아리 연결 요소를 더 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 12 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 액츄에이터는 착용자의 제 1 발 상의 제 1 신발 앵커 요소에 부착된 제 1 케이블을 구동하고, 착용자의 제 2 발 상의 제 2 신발 앵커 요소에 부착된 제 2 케이블을 구동하도록 구성된 모터 구동 액추에이터를 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 신발 앵커 요소 및 상기 제 2 신발 앵커 요소는 케이블 채널을 정의하는 신발 안창 인서트(footwear insole insert)를 포함하고,
상기 제 1 케이블의 말단부(distal end)는 상기 제 1 케이블이 작동될 때 상기 제 1 발목 주위에 토크를 생성하도록 상기 발목 관절에 인접한 위치에 있는 상기 제 1 신발 앵커 요소에 고정되며,
상기 제 2 케이블의 말단부는 상기 제 2 케이블이 작동될 때 상기 제 2 발목 주위에 토크를 생성하도록 상기 발목 관절에 인접한 위치에 있는 상기 제 2 신발 앵커 요소에 고정되는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 1 항에 있어서,
적어도 하나의 관절에 대한 관절 각도 정보를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 더 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 1 항에 있어서,
상기 소프트 엑소슈트의 착용자에 보행 정보를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 더 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 제 16 항에 있어서,
상기 보행 정보는 발뒤꿈치 닿기(heel strike)를 포함하는 착용형 소프트 엑소슈트. - 하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템에 있어서,
복수의 앵커 요소와 상기 복수의 앵커 요소 사이에 배치된 적어도 하나의 연결 요소를 포함하는 소프트 엑소슈트;
상기 적어도 하나의 연결 요소 또는 상기 복수의 앵커 요소 중 적어도 하나의 힘을 결정하고, 상기 힘에 관한 신호를 출력하기 위한 적어도 하나의 센서;
상기 소프트 엑소슈트의 장력을 변경하도록 구성된 적어도 하나의 액추에이터; 및
상기 적어도 하나의 센서로부터 출력된 신호를 수신하고, 수신된 신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 액추에이터를 작동하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함하는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 제 18 항에 있어서,
상기 복수의 앵커 요소 사이에 배치된 복수의 연결 요소를 더 포함하며,
상기 적어도 하나의 센서는 상기 복수의 연결 요소 중 적어도 하나 또는 상기 복수의 앵커 요소 중 적어도 하나에서 힘을 결정하여, 상기 힘에 관한 신호를 출력하도록 구성되는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 제 19 항에 있어서,
상기 복수의 앵커 요소 중 적어도 하나는 웨빙, 스트랩, 코드, 기능성 섬유, 직물, 와이어, 케이블, 또는 복합 재료 중 적어도 하나로부터 형성되고,
상기 복수의 연결 요소 중 적어도 하나는 웨빙, 스트랩, 코드, 기능성 섬유, 직물, 와이어, 케이블, 또는 복합 재료 중 적어도 하나로부터 형성되는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 제 20 항에 있어서,
상기 복수의 앵커 요소는 신발 앵커 요소, 허리 벨트 앵커 요소, 어깨 스트랩 앵커 요소, 또는 노드 중 적어도 하나를 포함하는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 제 21 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어기는 미리 정해진 임계 레벨을 초과하는 수신된 신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 액츄에이터를 작동하도록 구성되는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 제 22 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어기는 상기 수신된 신호가 상기 미리 정해진 임계 레벨을 초과한다는 결정에 따라 미리 결정된 지연 후 또는 미리 정해진 지연의 범위 내에서 상기 적어도 하나의 액츄에이터를 작동하도록 구성되는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 제 19 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 연결 요소 중 적어도 하나 또는 상기 복수의 앵커 요소 중 적어도 하나에서 측정된 힘은 인장력(tensile force)인
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 제 19 항에 있어서,
상기 복수의 연결 요소는 기능성 섬유 또는 직물의 복수의 세그먼트를 포함하고,
기능성 섬유 또는 직물의 상기 복수의 세그먼트 중 적어도 일부는 상기 소프트 엑소슈트의 사용 중에 상기 세그먼트가 장력을 받는 방향을 따라 지향되는 최저 스트레치의 축으로 지향되는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 제 25 항에 있어서,
기능성 섬유 또는 직물의 상기 복수의 세그먼트 중 적어도 일부는 서로 결합되는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 시스템. - 팔다리(limb)를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법에 있어서,
제 1 앵커 요소, 제 2 앵커 요소, 상기 제 1 앵커 요소와 상기 제 2 앵커 요소 사이로 연장하고, 적어도 하나의 관절을 횡단하는 적어도 하나의 연결 요소, 상기 적어도 하나의 연결 요소 또는 상기 제 1 또는 제 2 앵커 요소 중 적어도 하나에서의 힘을 감지하여, 상기 힘에 관련된 신호를 출력하도록 구성된 센서, 및 적어도 하나의 제어기를 포함하는 소프트 엑소슈트를 입는 단계;
상기 적어도 하나의 연결 요소 또는 상기 제 1 또는 제 2 앵커 요소 중 적어도 하나에서의 힘을 감지하여, 상기 힘에 관련된 신호를 상기 적어도 하나의 제어기로 출력하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 액츄에이터의 작동이 수신된 신호에 응답하여 상기 소프트 엑소슈트의 장력을 변경하도록 유발시키기 위해 상기 적어도 하나의 제어기를 사용하는 단계를 포함하는
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 제 27 항에 있어서,
상기 소프트 엑소슈트는 상기 복수의 앵커 요소 사이에 배치된 복수의 연결 요소를 포함하고, 상기 적어도 하나의 센서는 상기 복수의 연결 요소 중 적어도 하나 또는 상기 복수의 앵커 요소 중 적어도 하나에서의 힘을 결정하여, 상기 힘에 관련된 신호를 출력하도록 구성되는
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 제 28 항에 있어서,
상기 제 1 또는 제 2 앵커 요소 중 적어도 하나는 웨빙, 스트랩, 코드, 기능성 섬유, 직물, 와이어, 케이블, 또는 복합 재료 중 적어도 하나로부터 형성되고,
상기 복수의 연결 요소 중 적어도 하나는 웨빙, 스트랩, 코드, 기능성 섬유, 직물, 와이어, 케이블, 또는 복합 재료 중 적어도 하나로부터 형성되는
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 제 29 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 앵커 요소는 신발 앵커 요소, 허리 벨트 앵커 요소, 어깨 스트랩 앵커 요소, 또는 상기 복수의 연결 요소 중 하나 이상의 사이의 연결 영역 중 적어도 하나를 포함하는
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 제 30 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어기는 미리 정해진 임계 레벨을 초과하는 수신된 신호에 응답하여 상기 적어도 하나의 액츄에이터를 작동하도록 구성되는
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 제 31 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제어기는 상기 수신된 신호가 상기 미리 정해진 임계 레벨을 초과한다는 결정에 따라 미리 결정된 지연 후 또는 미리 정해진 지연의 범위 내에서 상기 적어도 하나의 액츄에이터를 작동하도록 구성되는
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 제 28 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 연결 요소 중 적어도 하나 또는 상기 제 1 또는 제 2 앵커 요소 중 적어도 하나에서 측정된 힘은 인장력인
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 제 28 항에 있어서,
상기 복수의 연결 요소는 기능성 섬유 또는 직물의 복수의 세그먼트를 포함하고,
기능성 섬유 또는 직물의 상기 복수의 세그먼트 중 적어도 일부는 상기 소프트 엑소슈트의 사용 중에 상기 세그먼트가 장력을 받는 방향을 따라 지향되는 최저 스트레치의 축으로 지향되는
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 제 34 항에 있어서,
기능성 섬유 또는 직물의 상기 복수의 세그먼트 중 적어도 일부는 서로 결합되는
팔다리를 움직이는 사람을 보조하기 위한 방법. - 하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 수동적인 소프트 엑소슈트에 있어서,
상부 앵커 요소 및 복수의 하부 앵커 요소, 및
상기 상부 앵커 요소 및 상기 복수의 하부 앵커 요소 사이에 배치되고, 힘을 전달하는 경로를 따라 배치되는 복수의 적어도 실질적으로 비확장성(inextensible) 연결 요소를 포함하며,
상기 연결 요소는 허벅지를 중립 위치로 바이어스하기 위해 회복 토크를 엉덩이에 제공하도록 구성되는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 수동적인 소프트 엑소슈트. - 제 36 항에 있어서,
탄성 요소는 상기 소프트 엑소슈트의 히스테리시스를 감소시키고, 착용자의 다리에 더 많은 에너지를 반환하도록 상기 연결 요소의 적어도 일부 사이에 배치되는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 수동적인 소프트 엑소슈트. - 제 36 항에 있어서,
상기 상부 앵커 요소는 허리 벨트를 포함하는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 수동적인 소프트 엑소슈트. - 제 38 항에 있어서,
상기 복수의 하부 앵커 요소의 각각은 허벅지 브레이스를 포함하는
하나 이상의 관절에 대해 힘을 생성하기 위한 수동적인 소프트 엑소슈트.
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