KR20150077439A - 하지들의 보조 및 재활을 위한 로봇 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하지(lower limb)(下肢)들의 보조 및 재활을 위한 로봇 디바이스에 관한 것으로, 보다 구체적으로 인간의 걸음을 지원하기 위한 외골격에 관한 것이다.

Description

하지들의 보조 및 재활을 위한 로봇 디바이스 {ROBOTIC DEVICE FOR ASSISTANCE AND REHABILITATION OF LOWER LIMBS}

본 발명은 하지(下肢)(lower limb)들의 보조 및 재활(rehabilitation)을 위한 로봇 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 디바이스는 인간의 걸음을 지원하는 외골격(exoskeleton)을 구성한다.

외골격들은 이하를 수행할 수 있는 웨어러블 로봇 구조들이다:

- 움직임(motion)들에 대한 보조;

- 재활 치료들의 관리;

- 운동 기능(motor skill)들의 증대;

- 사용자의 걸음과 관련된 운동학적이고 동적인 기질(nature)에 대한 정보를 기록(record)하여 대상의 성능들의 후속적인 평가를 허용.

하지들에 대한 외골격들은 이하의 것들일 수 있다:

- 구조화된 그리고 비-구조화된 환경들에서 유용한 휴대용 디바이스들;

- 트레드밀(threadmill)-연관 고정식(stationary) 시스템들.

휴대용 외골격들은, 예를 들어, 감소된 운동 기능들을 갖는 대상들을 보조하거나 또는 하반신 마비 환자의 걸음을 회복시키기 위하여 사용될 수 있다. 군사 관련 기술분야에서, 이들은 짐들을 나르거나 장거리를 걷는 상황에서의 군인들을 보조하도록 사용된다.

비-휴대용 외골격들은 본질적으로 의료 분야에서 사용되며, 이는 운동 기능에 대한 생리학적 쇠퇴(physiological decay) 또는 트라우마로 인하여 운동 기능에 대한 재활이 요구되는 환자들에 대한 재활의 목적으로 주로 사용된다. 이러한 분야에서, 외골격들은 예를 들어 특정한 재활 프로토콜의 효과를 정량적으로 그리고 객관적으로 평가하기 위하여 대상의 움직임(movement)들을 기록하기 위하여 사용될 수 있다.

운동능력(locomotion)을 보조하기 위하여 사용되는 대다수의 로봇 시스템들은 의인화된(anthropomorphic) 형태의 운동학적 구조를 가지고 있다: 작은 정렬 오류(small alignment error)들을 제외하고는 로봇 조인트(joint)들의 축들은 인간의 관절(articulation)들의 것들과 매칭된다.

의인화된 시스템들의 주요한 단점은, i) 로봇이 관절들로 잠재적으로 해로운 힘들을 가할 수 있다는 점 그리고 ii) 대상의 피부 상의 커프(cuff)들의 과도한 스크랩핑(scraping)이 발생할 수 있다는 점을 방지하기 위하여, 로봇 조인트들의 축들이 인간의 관절들의 것들과 정렬될 필요성에 의하여 나타난다. 이러한 결과로서, 대상의 다리(leg)들 상으로 의인화된 외골격을 장착시키는 것은 장시간 소요되는 예비 단계를 필요로 하며, 상기 예비 단계에서는 로봇 조인트들과 인간 관절들 간의 동축(coaxiality) 오류를 최소화하기 위한 시도들이 이루어진다.

더불어, 대부분의 기존 시스템들에서, 로봇 엑츄에이터(actuator)들은 엑츄에이팅될 조인트들과 공동-위치되는 구조 상에 배치되며, 특히 다리를 올리는 동안에 그리고 어드밴스(advance) 스테이지들(스윙 단계) 동안에, 이는 추가적인 중량들의 스윙(swing)과 관련된 관성 작용들의 증가를 수반한다. 과학 문헌들은 운동 기능들, (신경학적-)재활 및 일상생활의 도움에 대한 향상과 같은 적용들을 위하여 의도되는, 걸음에 대한 보조를 위한 웨어러블 로봇 시스템들에 대한 수많은 예시들을 제공한다.

이러한 디바이스들은 2개의 주요 카테고리들로 그룹화될 수 있다:

- 자율(Autonomous) 로봇 시스템들;

- 트레드밀-기반 로봇 시스템들.

자율 로봇 시스템들은, 기계적인 구조 및 파워 서플라이 및 제어 시스템이 충분히 컴팩트하고 착용자에 의해 운방되기에 가벼운 무게를 가지는 것과 같이, 비-구조화된 환경들에서 사용될 수 있다.

논문에서, 자율 시스템들의 예시들이 보고되며, 이들은 이하를 위하여 사용된다:

● 일반 및 군사 관련 분야에서의 건강한 대상의 수행능력의 향상(일반적으로 고 중량의 수송);

● 종종 척수(spinal cord) 부상으로 인한 이동 장애를 갖는 대상들에 대한 보조.

트레드밀에 의존하는 고정식 시스템들은 일반적으로 로봇 중량-밸런싱 시스템을 포함한다. 대상으로 하여금 트레드밀 상에서 걷도록 요구하는 이러한 시스템들은, 예를 들어, 뇌졸증 이후의(post-stroke) 대상들의 신경학적-재활과 같은 재활에서 사용된다.

과학 논문에서 설명되는 고정식 디바이스들은 필수적으로 의인화된 운동학적 구조로 구성된다.

엑츄에이션 시스템들(선형, 회전 엑츄에이터들 등) 및 드라이브 시스템들(벨트, 케이블 등)을 위해 채용되는 특정한 솔루션들 이외에, 종래의 디바이스들은, 체절(body segment)들(넓적다리, 다리, 발)과 본질적으로 유사한(parallel) 링크(link)들(보다 일반적으로 조인트들과 상호접촉하는 부분(segment)들) 및 몸의 조인트들(즉, 엉덩이, 무릎 및 발목 관절들)과 정렬되는 회전 조인트들을 엑츄에이팅시킨다.

상기 언급된 디바이스들의 추가적인 공통 특징은 인간의 사지(limb)(四肢)들에 따른 기계적 구조의 거의 균등한 분포이다. 엑츄에이터들은, 종종 해당 조인트(엉덩이, 무릎 및 발목)에 직접적으로 위치하거나 또는 대안적으로 엑츄에이팅된 조인트들의 움직임을 전달하는 적절한 시스템들과 함께, 인간의 다리들과 유사한 기계적 구조 상에 위치한다. 이러한 2개의 솔루션들은, 근위(proximal) 몸 영역들(몸통(trunk) 및 넓적다리)에서 뿐만 아니라 원위(distal) 영역들(다리 및 발)에서도 고중량 및 관성의 로컬화(localization)을 야기한다.

궁극적으로, 종래 기술에서는 이하와 같은, 하지(lower limb)들에 대한 보조를 위한 로봇 디바이스들이 존재하지 않는다:

● 인간의 다리의 운동학적 구조를 복제하는 것이 절대적으로 필요한 것보다 많은 수의 링크들 및 많은 수의 (엑츄에이팅되는 그리고 엑츄에이팅되지 않는) 조인트들을 가지며 엑츄에이팅된 회전 조인트들은 인간의 것들과 정렬되지 않는 비-의인화된 운동학적 구조를 갖는 로봇 디바이스;

● 즉, 스윙 단계 동안에 스윙하는, 원위 영역들에서의 중량 및 관성을 최소화시키기 위하여 상기 다리에 따라 비균등하게 기계적인 부분들을 분포시키는 로봇 디바이스.

따라서, 본 발명의 목적은 여기에서 제시되는 문제점들을 극복하기 위함이며, 이는 청구항 제1항에 의해 정의되는 로봇 디바이스에 의해 달성된다.

그러므로, 본 발명에 의해 해결되는 기술적인 문제는, 시스템 인체공학성 및 착용성을 강화시킴으로써 하지들과 웨어러블 로봇 사이의 양호한 운동학적 호환성을 보장하는 것에 있다. 이는 로봇의 운동학적 구조의 비-의인화된 특정에 의해 가능하게 이루어진다. 게다가, 상기 로봇은 상이한 인체측정 사이즈들을 갖는 사용자들에게 용이한 적응성을 허용한다. 로봇 구조 상에 엑츄에이터들을 배열하는데 있어서의 높은 자유도는 스윙되는 중량들의 움직임과 관련된 관성 효과들을 감소시킨다. 본 발명은, 종래 기술의 문제점들을 극복함으로써, 몇몇의 분명한 장점들을 가진다.

특히, 비-의인화된 운동학적 구조는 로봇과 인체 사이의 높은 운동학적 호환성을 보장하는 가능성을 가지며, 이는 시스템 인체공학성을 현저히 향상시킬 수 있다. (로봇과 인간) 조인트 축들 정렬에 대한 제한사항에 제거되기 때문에 그리고 상기 구조가 디바이스 착용 스테이지 동안에 발생되는 불가피한 미세-오류(micro-error)들을 본질적으로 보상하기 때문에, 전술한 점들이 가능해진다.

추가적으로, 조인트들뿐만 아니라 몸체 및 골반에 대하여 근위인 위치에 엑츄에이터들을 반드시 위치시키지 않아도 된다는 가능성은, 스윙되는 중량들 및 이에 후속하는 관성 효과들을 감소시킨다. 본 발명에 따라 제안되는 솔루션은, 대신에 뛰어난 운동학적 호환성을 보장하여, 매크로(macro) 및 마이크로(micro) 오정렬을 방지하고 시스템 인체공학성을 현저하게 향상시킨다.

예컨대, 힌지(hinge)들에 의해 단부(end)들에서 제한되고, 본질적으로 체절들 또는 사지 축에 수직인, 수동적(passive) 링크들의 존재는, 디바이스의 보다 간단하고 빠른 착용성을 보장하고, 간섭력(interaction force)이 체절들 또는 사지 축에 본질적으로 수직이 되도록 보장하여, 사용자의 잠재적인 불편함의 원인이고 움직임 생성의 단부들에 비효율적인 평행력들을 최소화시킬 수 있다. 동일한 수동적 링크들은, 이들의 단부들에서 이들을 제한하는 힌지들에 관하여 자유롭게 회전하게 됨으로써, 상이한 체형의 사용자들에게 로봇이 본질적으로 적응될 수 있도록 허용한다.

로봇의 수동적 조인트들의 위치 및 링크들의 길이와 기울기(tilt)를 수동적으로 변경시킬 수 있다는 가능성은 상이한 인체측정 크기를 갖는 충분한 수의 사용자들에게 상기 디바이스에 대한 사용을 보장한다.

추가적으로, 로봇의 임의의 하나의 지점에 엑츄에이터들을 위치(심지어 원격으로)시키는 가능성은, 골반의 레벨에서의 근위 위치에 엑츄에이터를 위치시킴으로써 설계 단계에서 현저한 유연성(flexibility)을 보장하여, 엉덩이로부터 원위 위치에 위치되는 중량들로 인하여, 걸어다니는 동안에 사용자에 의해 인식되는 관성이 현저하게 감소될 수 있다.

본 발명의 사용 모드 및 특징들에 따른 이러한 그리고 다른 장점들은, 이하의 바람직한 실시예들에 대한 구체적인 설명에서 명백해질 것이며, 이는 한정하기 위한 목적이 아닌 예시적인 방식으로 제시된다. 첨부된 도면들의 도시에 대한 참조가 이루어질 것이다:
도 1a, 1b 및 1c는 각각 본 발명에 따른 디바이스의 사시도, 정면도 및 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따라서 디바이스를 착용한 대상의 체절(body segment)들에 대하여 작용되는 힘들에 대한 묘사를 나타낸다.
도 3a, 3b 및 3c는 본 발명에 따라서 디바이스의 실현을 위한 선택된 토폴로지들의 형태학적 묘사를 나타낸다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따라 디바이스에서 채용될 수 있는 가능한 운동학적 체인들에 대한 개략적인 묘사를 나타낸다.
도 5a 내지 5d는 본 발명에 따라 디바이스에서 표현되는 조정(adjusting) 메커니즘들 중 일부를 구체적으로 도시한다.
도 6a 내지 6c는 본 발명에 따라 디바이스에 대한 가능한 엑츄에이터의 도시들을 나타낸다.
도 7a 내지 7c는 본 발명에 따라, 엑츄에이터들의 배치에 대한 대안적인 구성들을 도시한다.
본 발명은 상기 표시된 도면들에 대한 참조를 위하여 이하에서 보다 구체적으로 설명될 것이다.

특히, 본 발명에 따른 로봇 디바이스(1)가 도 1에서 도시된다.

디바이스(1)는 걸음 및 이동 재활에 대한 보조를 위한 웨어러블 로봇이며, 이는 시상면(sagittal plane)에서의 엉덩이 및 무릎의 굽히고 피는 움직임들을 보조할 수 있다. 더불어, 제안된 디바이스는 움직임을 모니터링하기 위한 디바이스로서 그리고 "인체 능력 강화(human augmentation)" 도구로서 사용될 수 있다.

상기 로봇은 2개의 자유도(Degrees of Freedom:DoF)를 갖는 평면적 운동학적 구조를 구비한다. 상기 구조는 하지들에 평행하게 결합된 운동학적 체인으로 구성된다. 인간-로봇 시스템은 최적의 보조를 보장하기 위하여 걸음의 움직임의 특징적 범위와 호환가능한 상이한 구성들을 가정해야만 한다.

상기 디바이스는 골반 커프(cuff)를 포함하며, 여기서 제 1 엑츄에이터와 대응되는 제 1 골반 조인트 및 제 2 엑츄에이터와 대응되는 제 2 골반 조인트가 실현된다. 상기 골반 커프는, 전두면(frontal plane)에서의 사지 움직임들을 허용하기 위하여, 예를 들어, 탄소 섬유와 같은 유연한 재료들로 이루어진다.

운동학적 체인은 2개의 조인트들과 회전가능하게 연결되는 제 1 연결 세그먼트(링크) 및 중간(intermediate) 조인트와 회전가능하게 연결되는 제 2 연결 세그먼트를 포함한다.

넓적다리 세그먼트(thigh segment)는 상기 세그먼트와 이의 단부들 중 하나에서 회전가능하게 연결되며 그리고 넓적다리 커프와 회전가능하게 연결되는 맞은편 단부(opposite end)를 포함한다.

다리 세그먼트(leg segment)는 상기 세그먼트와 이의 단부들 중 하나에서 회전가능하게 연결되며 그리고 다리 커프와 회전가능하게 연결되는 맞은편 단부를 포함한다.

바람직하게, 제 2 세그먼트는 180°와 상이한 각을 형성하기 위하여 하나의 각도 포인트(angle point)에서 강성(stiffly) 연결되는 2개의 선형 부분들을 포함하며, 그리고 상기 넓적다리 세그먼트는 상기 각도 포인트에서 제 2 세그먼트와 힌지결합된다.

이하에서 보다 양호하게 설명될 바와 같이, 상기 디바이스는 상이한 인체측정 사이즈들에 대한 적응을 위한 복수의 조절 메커니즘들을 제공한다.

상기 설명된 본 발명의 목적에 도달하기 위하여 선택되는 운동학적 구조는 비-의인화된 구조이다. 이러한 타입의 구조는, 사실상, 사용자에 의한 디바이스의 보다 양호한 착용성을 보장하며, 이는 인간 조인트 축들과 로봇 조인트 축들을 정렬할 필요가 없기 때문이다. 의인화된 구조들에서, 사실상, 이러한 축들의 불완전한 정렬은, 디바이스와 사지들 간의 인터페이스의 레벨에서 전단력(shear force)들(즉, 체절들에 평행한 힘들)의 발생을 야기하며; 이러한 힘들은 걸음걸이에 대한 보조를 위하여 유용하지 않으며 그리고 사용자에 대하여 불편한 감각 또는 심지어 고통을 형성할 수 있다.

도 2에서는 대상이 상기 설명된 운동학적 로봇 구조를 착용하는 경우 체절들 상에 작용되는 힘들이 도시된다. 간섭력(interaction force)들 중 2개의 컴포넌트들 중에서, 오직 체절들에 수직인 힘(Fd)들은, 움직임의 보조에 대한 목적으로 유용하다. 체절들에 평행한 길이방향의 컴포넌트들(Fu)은 보조의 목적으로 비효율적이고 해로운 전단력들과 대응되며, 이는 연결 커프들의 스크랩핑들 이후 사용자에게 관절에 대한 트라우마들 및 불편함을 잠재적으로 야기할 수 있다.

상기 힘(Fu)이 힘(Fd)과 관련하여 어떻게든 무시가능하게 되거나 또는 없어지게되는 것을 보장하기 위한 방법은 이하의 단계들로 구성된다:

- 양 단부들에서 힌지결합된 로봇 세그먼트들과 커프들을 연결시키는 단계;

- 운동학적 구조를 디멘셔닝(dimensioning)하여, 걷는 동안에 연결 세그먼트들(링크들)이 관련 커프가 연결되는 체절들에 실질적으로 수직이되도록 하는 단계.

독립적으로 엉덩이 및 무릎 조인트들을 보조할 수 있는 운동학적 구조들의 모든 가능한 토폴로지들의 분석으로부터, 이들 중 오직 세가지(도 3a, 3b 및 3c 참조)만이 상기 언급된 2개의 제한사항들(즉, 양 단부들에서의 힌지들을 갖는 링크들에 연결된 커프들, 걸음걸이(gait) 사이클 동안에 연관 체절들에 본질적으로 수직이 되도록 유지되는 링크들)을 만족시키는 구체적인 형태론들을 발명할 수 있다.

상기 3개의 토폴로지들은 4개의 링크들(3개의 조건(ternary) 중 하나) 및 6개의 회전 조인트들로 구성되며, 이들 중 2개는 엑츄에이트되며 4개는 수동형이다. 모든 3개의 경우들에서, 수직 방향에 따른 힘(Fd)들을 전달하는 것이, 이들의 양 단부들에서 힌지결합된 링크들의 존재에 의하여 구체적인 디멘셔닝들을 위해, 보장되며, 상기 링크들은 넓적다리 및 다리에 수직하게 되어 있어서, 엉덩이 및 무릎의 구부리고 펴는 동작을 보조하는 힘들의 최적의 전달을 가능케한다 (Fd = O 및 어떻게든 Fd<<Fu).

본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 디바이스는 도 3a에서 도시되는 형태의 토폴로지를 실현한다.

대응되는 운동학적 체인은 도 4a 및 4b에서 도시된다.

이러한 도면들에서, 조인트들(A 및 D)은 엑츄에이팅되는 로봇 조인트들인 반면에, 다른 4개의 로봇 조인트들은 수동적이다. 링크들(BE 및 CF)은 넓적다리 및 다리에 각각 실질적으로 수직이다. 링크(DEF)는 셋으로 이루어진(ternary) 링크를 의미한다. 넓적다리 상의 로봇의 부착 지점과 골반 조인트(H) 간의 거리는 양(HB)에 의해 정의되며, 다리 상의 로봇의 부착 지점과 무릎 조인트(K) 간의 거리는 양(KC)에 의해 정의된다.

상기 넓적다리 및/또는 다리 세그먼트들 각각(BE 및 CF)은, 각각의 탄성 부분(elastic portion)을 포함할 수도 있다.

다시 말하면, 상기 세그먼트들은, 도 4b에서 개략적으로 도시되는 바와 같이, 강성(stiff) 엘리먼트들(힌지결합되는 막대(rod)들) 또는 유연한 엘리먼트들(유연한 막대들 또는 탄성 힌지들에 의해 이들의 단부들에서 지지되는 막대들)을 통하여 구현될 수 있다.

테이블 1에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디바이스에 대한 다양한 로봇 링크들의 길이에 대한 값들이 표시된다.

세그먼트들	AD [mm]	DE [mm]	EF [mm]	EDF [Degrees]	BE [mm]	CF [mm]
치수들	218.5	184.5	316.5 내지 381.5	10	81	100

물론, 상기 표시된 바람직한 치수들은 필수적인 것으로 고려되는 것은 아니다.

특히, 제 1 선형 부분(DE)은 약 135-235 mm의 길이를 갖는다.

제 2 선형 부분(EF)은 약 300-400 mm의 길이를 갖는다.

각도(EDF)는 약 1°내지 약 30°이며, 이에 따라 상기 각도 포인트에서, 2개의 선형 부분들은 약 120°에서 약 180°의 각도를 형성할 수 있다.

넓적다리 세그먼트(BE)는 약 30 내지 130 mm의 길이를 갖는다.

다리 세그먼트(CF)는 약 50 내지 150 mm의 길이를 갖는다.

상기 디바이스는 상이한 체형(160cm 내지 190cm의 범위의 키)의 사용자들에 적응될 수 있다. 이는, 도 5a 내지 5d에서 도시되는 바와 같이, 적어도 3개의 가능한 조절들의 존재에 의하여 가능해질 수 있다.

도 5a는 슬롯(slot)들에 의하여, 커프들 상의 로봇 조인트들의 위치를 조절하기 위한 제 1 메커니즘을 도시한다. 이러한 조절 메커니즘은 상기 디바이스의 모든 3개의 커프들에 대하여 이롭게 제공될 수 있다.

도 5b는 슬롯들에 의하여 링크(DEF)의 길이를 조절하기 위한 메커니즘, 및 전두면에서의 링크들에 대한 각도 조절을 위한 메커니즘을 도시한다.

도 5c는 관절 커프의 레벨에서, 전두면에서의 인체로부터 로봇까지의 거리를 조절하기 위한 메커니즘을 도시한다.

도 5d는 넓적다리 커프의 레벨에서 존재하는, 전두면에서의 인체로부터 로봇까지의 거리를 조절하기 위한 제 2 메커니즘을 도시한다. 전두면에서 인체로부터 로봇까지의 거리를 조절하기 위한 이러한 메커니즘은 또한 다리 커프의 레벨에서 존재한다.

이롭게, 상기 로봇은, 도 5d에서 도시되고 그리고 넓적다리 커프에서 존재하는 기계적인 중단부(stop)들을 구비할 수 있으며, 무릎 조인트의 과신장(hyperextension)을 방지할 수 있으며 이에 따라 사용자에 대한 가능한 트라우마를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 디바이스는, 각각의 다리에 대하여, 도 4의 조인트 A 및 도 4의 조인트 D 각각을 엑츄에이팅시키기 위하여 어셈블링되는 2개의 엑츄에이터들을 포함한다. 더불어, 상기 엑츄에이터들을 제어하고 구동하기 위한 수단이 제공된다.

도 1에서 도시되는 바와 같이, 이러한 구성에서, 엑츄에이터들은 모두 사용자의 골반 및 몸체의 레벨에서 배열되어, 걷는 동안에 스윙되는 중량들로 인한 관성 효과들을 줄일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 엑츄에이터들은, 감소된 메커니즘과 부하(load) 사이에 직렬로 끼워진 탄성 엘리먼트를 구비한 기어모터(gearmotor)들이다.

본 발명에서 사용되기에 적합한 엑츄에이터에 대한 서술은 도 6에서 제시된다.

특히, 각각의 엑츄에이터에 대하여, 전기 모터(1)(예컨대, 브러시리스 직렬 모터(brushless DC))는 도 4의 세그먼트(AD)와 병렬적으로 배치된다. 감소 시스템은 바람직하게, 유성(planetary) 감소 기어(2) 및 원뿔 또는 하이포이드(hypoid) 기어(6)을 포함하며, 여기서 후자는, 엑츄에이팅될 인체 조인트들에 평행한 하나로 시상면에 놓여있는 축으로부터의 움직임을 전달한다.

상기 듀얼 스테이지는, 적합한 역행 움직임을 허용하기 위하여 a>50%의 운동학적 효율성을 갖도록 실현될 수 있어서, 심지어 모터들이 파워-온되지 않을 때라도, 외부로부터의 움직임을 가능케하고, 그리고 로봇 안전을 본질적으로 개선시킨다 (사실상, 상기 대상은 강성 상기 대상의 다리들을 이동시킴으로써 로봇을 움직일 수 있으며; 상기 로봇은 강성 디바이스로 인지되지는 않는다).

비틀림 스프링(torsion spring) 7이 존재하는 하이포이드 감소 기어의 다운스트림은 기어모터에 의해 전달되는 최대 토크보다 큰 최대 토크를 견뎌내도록 설계된다. 이는 층상 기하학(lamellar geometry)을 구현함으로써 설계되고, 그리고 연속하는 구성에서 배열되는, 2개의 비틀림 순응 엘리먼트들을 포함한다.

엑츄에이터들을 제어하고 구동하기 위한 수단은 엑츄에이터의 각 위치(angular position)를 검출하기 위한 센서들을 포함한다.

특히, 상기 센서들은 3개의 인코더들을 포함한다: 하나의 인코더는(예를 들어, 약 0.04 degree의 해상도) 와인딩(winding)들 상의 현재 전류의 단부들에 대한 구동축(drice shaft) 회전을 측정하고; 증가(incremental) 또는 절대(absolute) 타입의 2개의 인코더들(10)(예를 들어, 약 0.01 degree의 해상도)은 비틀림 스프링의 회전 업스트림 및 다운스트림을 측정한다. 상기 2개의 절대 인코더들은 원통형 기어들(예를 들어, 0.2 모듈)에 의해 상기 스프링으로 연결되어, 인코더들에 의해 획득되는 회전들에 대한 배율기(multiplier)들(예컨대 2:1)로서 동작한다.

상기 센서들은 각각의 엑츄에이터에 장착된 탄성 엘리먼트의 변형을 측정하는 것을 허용한다. 동일한 탄성 엘리먼트들의 강성도에 의해 증가되는(multiplied)상기 변형도는, 대응되는 엑츄에이팅된 로봇 조인트로 적용되는 토크의 측정을 제공한다. 동일한 토크 값이 상기 엑츄에이터의 토크 제어를 위한 피드백 신호로서 사용될 수 있다.

체절들과 인터페이싱하는 커프들은 도 1에서 개략적으로 도시되는 바와 같이, 골반, 넓적다리 및 다리의 레벨에서 존재한다.

골반의 레벨에서 인간-로봇 인터페이스를 표현하는 골반 커프는, 시상면의 외부의 다리 움직임들을 허용하기 위하여 적어도 부분적으로 순응되어, 걷는 동안에 사용자에 대한 가능한 트라우마 또는 불편함을 방지할 수 있다.

넓적다리 및 다리 커프들은 디바이스로부터 사용자로의 힘들의 전달을 가능케한다. 예를 들어, 탄소 섬유들 또는 폴리머 물질들로 이루어지는 이러한 커프들은, 대상에 대한 보조를 위하여 필요한 힘들을 전달하기 위한 것과 같이 강성도에 따라 좌우되며 그리고 착용성을 허용하기 위하여 충분한 유연성이 있어야 한다. 이러한 커프들 상에서, 로봇의 회전 조인트들에 대한 연결을 위한 메커니즘이 존재한다. 상기 커프들은 상이한 체형의 사용자들에 의해 착용가능하게 되도록, 상이한 사이즈들로 실현될 수 있다.

도 7a 및 7b는 로봇의 다른 가능한 구성들을 도시한다.

이러한 예시들에서, 구조의 4개의 총 자유도들을 엑츄에이팅하기 위해 필요한 4개의 엑츄에이터들의 3가지의 상이한 배열들이 도시된다(2개의 엉덩이 조인트들 및 2개의 무릎 조인트들에 대한 굽힘/폄).

도 7a에서, 골반 조인트들을 엑츄에이팅하는 모터들이 골반 커프의 뒷부분 상에 수직하게 배치되며; 움직임은 동시발생하는 벨트들/도르래들에 의하여 엑츄에이터 출력으로부터 골반 조인트로 전달된다. 대신에 중간 조인트들을 엑츄에이팅하는 상기 2개의 엑츄에이터들은 넓적다리 커프 상에 배치된다.

도 7b에서, 골반 조인트들을 엑츄에이팅시키는 모터들이 골반 커프의 뒷부분에 수평적으로 배치되며, 움직임은 (원뿔 또는 하이포이드) 기어 메커니즘에 의하여 또는 리드 스크류(lead screw) 시스템에 의하여 엑츄에이터 출력으로부터 골반 조인트로 전달된다. 대신에 중간 조인트들을 엑츄에이팅시키는 상기 2개의 엑츄에이터들은 넓적다리 커프 상에 배치된다.

도 7c에서, 조인트들(골반 및 중간 조인트들 모두)을 엑츄에이팅시키는 모터들은 모두 골반 커프 상에 수직하게 배치되며, 움직임은 케이블(cable) 시스템에 의하여 엑츄에이터 출력으로부터 조인트들로 전달된다.

순차적인 순응 엘리먼트를 구비한 기어모터로 구성되는 엑츄에이터들의 아키텍쳐는, 이하와 같은 다양한 장점들을 수반한다: i) 모터들과 인체 간의 결합(coupling)에 있어서 보다 안전함을 위하여 비틀림 스프링에 의해 보장되는 고유 컴플라이언스(intrinsic compliance), ii) 걷는 동안에 지면과의 뒷꿈치(heel) 충돌로 인한 충격을 흡수하기 위한 역량, iii) 전체적인 무게 및 복잡성의 감소를 수반하고, 추가적인 센서들의 사용 없이, 스프링 편향 판독(spring deflection reading)에 기초하여, 전달된 토크를 측정하는 가능성, iv) 토크 제어기의 안정성 및 신뢰성의 증가, 및 v) 엑츄에이터의 마찰 및 비-선형성의 감소.

예컨대, 임피던스의 적절한 제어를 통하여 엑츄에이터를 제어함으로써 또는 가변 강성도 및 감쇠(damping) 값들을 통하여 점탄성(viscoelastic) 토크들을 생성함으로써 보조(assistance)가 제공된다. 이러한 솔루션은 대상의 동작에 순응하는 시스템을 허용하여, 대상의 하지들이 딱딱하게 이동하는 것을 회피할 수 있다.

걸음걸이 보조 및 재활을 위한 디바이스들의 시장(market)은 지속적으로 확대되고 있다. 이러한 디바이스들의 적용분야들은 보조 및 재활에 대한 임상 분야들이며, 여기서 이러한 디바이스들은 이동하는데에 장애를 가진 사람들의 생리학적 걸음의 회복을 보장하기 위하여 활용된다. 이러한 디바이스들에 대한 가능한 사용자들은, 노령화에 따라 이동하는데 있어서 생리적인 감퇴를 나타내는 사람들, 특정 병리학에 따라 생리학적 걸음의 문제가 있는 사람들, 또는 휠체어를 타는 대마비 환자들이다.

사실상, 세계 보건 기구(WHO) 통계 데이터는 평균 인구 노령화 정도가 지속적으로 증가하고 있음을 입증한다. 2000년대에서, 유럽의 65세 이상의 연령의 사람들은 약 6천만명(유럽 인구의 16.4%)이었다. 이러한 숫자들은 증가 추세를 보이고 있으며, 2050년 까지 전체 유럽 인구의 최대 37%의 노령화 인구의 증가가 예상된다. 이동 성능의 생리학적인 감퇴(특히, 노령화된 사람의 걸음걸이-관련된 성능의 감퇴)는 물론 이러한 디바이스의 사용을 필요로 할 수 있다.

더불어, WHO 분석들에 따라서, 한해 1500만명의 사람들이 뇌졸중으로 고통을 받고 있다. 이들 중 5백만명은 영구적으로 장애를 입고 있다. 유럽에서, 각각의 해마다 약 45만명의 사람들이 발작(ictus)을 겪으며 재활 이동 치료를 필요로 하고 있으며; 유럽에서 2000개 이상의 임상 센터들은 이러한 타입의 환자에 대한 신경학적 재활 치료들을 제공하고 있다.

마침내, 미국 및 유럽에서, 50만명의 대마비로 고려되는 SCI(Spinal Cord Injured:척수손상) 환자들이 존재하며 그리고 약 2만명의 새로운 SCI 환자들이 해마다 존재하고 있다.

본 특허의 잠재적인 시장은 재활 센터들에서의 이러한 디바이스들의 사용 또는 일반인들에 의한 디바이스의 걸음의 보조로서의 사용을 포함한다.

재활 센터들의 경우에서, 이러한 디바이스는 환자의 참여 및 관여를 증대시킴으로써 뇌졸중 후 재활 치료들의 효과를 증대시킬 수 있다. 하루 단위의 치료들의 수 및 이에 따라 이러한 센터들에 의해 공급될 수 있는 서비스 총 비용은 감소될 수 있으며, 이는 재활 세션의 기간 및 재활 세션에 관여하는 치료사들의 수가 감소될 수 있기 때문이다.

대마비 환자들의 경우에서, 이러한 대마비 환자들이 다시 걸을 수 있게 할 수 있도록 하는 디바이스에 의해 제공되는 장점들은 무수히 많다. 이러한 환자들이 휠체어 상에서 살도록 하지 않고 보통의 일상 활동들을 수행할 수 있도록 하는 장점은 막대하다. 이러한 타입의 디바이스들은 수동식 그리고 모터화된 휠체어들을 대체할 수 있으며, 실제적으로 2011년의 휠체어 시장은 약 3억 달러로 추정되었으며 2018년에는 7억 달러에 도달될 것으로 추정된다.

이러한 종류의 디바이스들은, 장거리를 통하여 무거운 짐들을 나를 필요가 있는 사람들 또는 임무중인 군인들과 같은 건강한 사용자들의 특정 카테고리들에 대한 이동 성능들을 증대시키기 위해서도 널리 활용된다.

본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 여기에서 설명되었다. 예시적으로 여기에서 설명된 바람직한 실시예들에서 구현되는 기술적인 솔루션들 중 각각은, 바람직하게, 이후에 제시되는 청구항의 보호 범위 내에 포함되는 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않고, 다른 실시예들을 구체적으로 설명하기 위하여 서로서로 상이하게 결합될 수 있다.

Claims (16)

1. 대상(subject)의 하지(lower limb)(下肢)들의 보조 및/또는 재활을 위한 비-의인화된(non-anthropomorphic) 외골격(exoskeletal) 로봇 디바이스로서,
   상기 외골격 로봇 디바이스는, 착용자의 골반에서 상기 대상에 의하 착용가능한 골반 커프(cuff), 및 각각의 사지(limb)(四肢)에 대한 운동학적 체인(kinematic chain)을 포함하며,
   상기 운동학적 체인은:
   골반 조인트(joint)를 실현하기 위하여 단부들 중 하나의 단부에서 상기 골반 커프와 힌지결합되는 제 1 세그먼트 ― 상기 제 1 세그먼트는 중간(intermediate) 조인트를 실현하기 위하여 제 2 세그먼트의 단부에서 힌지결합되는 맞은편 단부(opposite end)를 포함함 ―;
   상기 제 2 세그먼트와 회전가능하게 연결되는 하나의 단부 및 넓적다리(thigh) 커프와 회전가능하게 연결되는 맞은편 단부를 포함하는 넓적다리 세그먼트; 및
   상기 제 2 세그먼트와 회전가능하게 연결되는 하나의 단부 및 다리(leg) 커프와 회전가능하게 연결되는 맞은편 단부를 포함하는 다리 세그먼트;
   를 포함하며,
   상기 넓적다리 및 다리 세그먼트들은 상기 디바이스의 동작 동안에 대응되는 사지 세그먼트들에 실질적으로 직각이 되도록 배치되며, 그리고
   상기 디바이스는, 상기 운동학적 체인 각각에 대하여, 상기 골반 조인트의 제 1 엑츄에이터 및 상기 중간 조인트의 제 2 엑츄에이터를 더 포함하는,
   외골격 로봇 디바이스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 엑츄에이터들을 제어하고 구동하기 위한 수단을 더 포함하는,
   외골격 로봇 디바이스.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 세그먼트들에 대한 복수의 조절(adjusting) 메커니즘들을 더 포함하는,
   외골격 로봇 디바이스.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 엑츄에이터들 각각은,
   감소(reduction) 메커니즘 및 상기 감소 메커니즘을 통하여 직렬적으로 연결되는 탄성(elastic) 엘리먼트를 포함하는,
   외골격 로봇 디바이스.
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제어하고 구동하기 위한 수단은,
   상기 엑츄에이터들의 각 위치(angular position)을 검출하기 위한 센서들을 포함하는,
   외골격 로봇 디바이스.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 및 제 2 엑츄에이터들은, 상기 골반 커프의 측부분(lateral portion)과 일체형으로 이루어지며, 골반부(pelvis)에 배치되는,
   외골격 로봇 디바이스.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 엑츄에이터들 중 하나 이상은, 상기 골반 커프의 후방부(rear portion)과 연결되며, 골반부에 배치되는,
   외골격 로봇 디바이스.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 넓적다리 세그먼트 및/또는 상기 다리 세그먼트는 탄성 부분을 포함하는,
   외골격 로봇 디바이스.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 세그먼트는, 약 165 mm 내지 170 mm의 길이를 갖는,
   외골격 로봇 디바이스.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 세그먼트는,
    180°와 상이한 각도를 형성하기 위하여 하나의 각도 포인트(angle point)에서 강성 연결되는(stiffly connected) 2개의 선형 부분들을 포함하는,
    외골격 로봇 디바이스.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 넓적다리 부분은 상기 각도 포인트에서 상기 제 2 세그먼트와 힌지결합되는,
    외골격 로봇 디바이스.
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 2개의 선형 부분들 중 제 1 부분은, 약 135-235 mm의 길이를 갖는,
    외골격 로봇 디바이스.
13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2개의 선행 부분들 중 제 2 부분은 약 300-400 mm의 길이를 갖는,
    외골격 로봇 디바이스.
14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각도는 약 120°내지 약 180°인,
    외골격 로봇 디바이스.
15. 제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허벅지 세그먼트는 약 30 내지 130 mm의 길이를 갖는,
    외골격 로봇 디바이스.
16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다리 세그먼트는 약 50 내지 150 mm의 길이를 갖는,
    외골격 로봇 디바이스.
    

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