KR20160119756A

KR20160119756A - 이동성 보조장치

Info

Publication number: KR20160119756A
Application number: KR1020167017514A
Authority: KR
Inventors: 리차드 리틀
Original assignee: 렉스 바이오닉스 리미티드
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2016-10-14
Also published as: CN115715736A; WO2015080596A1; CA3153774A1; EP3073976A4; EP3073976A1; CN111821145A; EP3073976B1; JP2016539775A; CA2931777C; CN105899177A; CA2931777A1; AU2013406157A1; WO2017208162A1; EP3463216A4; EP3463216A1; US20160270997A1; CN105899177B; CN111821145B

Abstract

본 발명의 바람직한 실시예의 이동성 또는 보행 보조장치(WA, Walking Aid)(100)는 외골격(500), 상기 외골격(500)의 이동을 제어하기 위한 제어 시스템(400), 및 상기 외골격(500) 및 관련된 제어 시스템(400)으로 전원을 공급하기 위한 전원(power source)을 포함한다. 상기 WA시스템(100)은 예를 들어, 대마비 환자(paraplegic)인 사용자를 완전히 지원하는 시스템으로 이루어지거나, 또는 이동성이 제한된 사용자(200)의 재활치료를 보조하도록 부분적으로 또는 완전히 지원하는 시스템으로 구성될 수 있다. 이동성 장애가 있는 사용자가 상기 WA를 착용하면, 상기 사용자는 그들의 관절들 및 근육들이 보행 이동 중 움직이게 된다. 따라서, 사용자의 생리작용(physiology)이 악화되는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.

Description

이동성 보조장치 {MOBILITY AID}

본 발명은 장애인 사용자를 지원하도록 이루어진 이동성 보조장치 또는 보행(walking) 보조장치에 관한 것으로서, 특히, 사용자의 보행을 보조하고 지원하는 로봇 외골격(exoskeleton)에 관한 것이다.

장애인 사용자를 완전히 또는 부분적으로 지원하고 도와주는 로보틱 외골격 형태의 이동성 보조장치는 공지되어 있다. 보조 외골격(assistive exoskeleton)의 일 예는 여기에 참조로서 통합된 PCT 특허 출원 PCT/NZ2008/000351에 기술된다. 도움이되는 외골격을 위한 컨트롤 시스템의 일 예는 여기에 참조로서 통합된 PCT 특허 출원 PCT/NZ2009/000130에 기술된다.

지체부자유자(physically impaired)를 위한 로보틱 보조장치의 발전하고 있는 분야에서, 보조 의학 장치들의 기능을 향상시키기 위한 지속적인 요구가 존재한다. 또한, 완전히 커스터마이징된 설정에 대한 요구를 완화시키기 위하여 장치의 다용성(versatility)을 향상시키기 위한 요구가 존재한다. 이것은 단일 장치가 다수의 사용자들 사이에서 공유되는 재활치료분야에서 특히 중요한 고려사항이다.

특허 명세서, 다른 외부 문서들 또는 다른 정보의 출처(sources)들 상에 기재된 참조들은 본 발명의 특징들을 기술하기 위한 목적으로 제공되었다. 특별히 다르게 기재된 사항이 없는 한, 이러한 외부 문서들의 참조는 이러한 문서들 또는 이러한 정보의 출처들은 어떠한 관할권에서(in any jurisdiction)도 종래 기술에 대한 인정(admission)으로서, 또는, 일반적인 기술 분야의 일부로서 이해되서는 안된다.

따라서, 본 발명의 목적은 향상된 이동성 보조장치, 또는 최소한 공공(public)에 도움이 되는 선택을 제공하는데 있다.

이하의 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 기술한다.
도 1은 본 발명의 보행 보조장치를 나타내는 측면도이다.
도 2는 사용자가 착용한 도 1의 보행 보조장치를 나타내는 정면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보행 보조장치의 외골격의 힙 관절을 근접하여 나타내고 있는 전면도 및 측면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보행 보조장치의 외골격의 다리 구조를 부분적으로 나타내는 분해도이다.
도 5 및 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보행 보조장치의 외골격의 발목관절(ankle joint)을 근접하여 나타내고 있는 측면도 및 배면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외골격의 측면도이다.
도 8은 도 7의 외골격의 내부 제어 시스템 전기장치들을 나타내도록 골반(pelvic) 지지부(support)로부터 후면 커버가 제거된 배면 사시도이다.
도 9는 도 7의 외골격의 배면 사시도이다.
도 10은 도 7의 외골격의 힙관절의 근접 사시도이다.
도 11은 도 7의 외골격의 다리 구조 및 무릎 관절(knee joints)을 나타내는 근접 사시도이다.
도 12는 도 7의 외골격의 조절가능한 다리 구조를 나타내는 근접 사시도이다.
도 13은 다리 구조의 조절가능한 상부 다리부재(leg member)의 상부 다리부를 나타내는 근접 사시도이다.
도 14는 다리 구조의 조절가능한 상부 다리부재의 하부 다리부를 나타내는 근접 사시도이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상부 및 하부 다리부재가 완전히 짧아진(shortened) 상태의 길이 조절가능한 다리 구조를 나타내는 사시도이다.
도 16은 릴리즈된(released) 상태의 조절가능한 다리부재들과 관련한 락킹 메카니즘의 근접 사시도이다.
도 17은 릴리즈된(released) 상태의 조절가능한 다리부재들과 관련한 락킹 메카니즘과 상기 다리부재의 길이를 증가시키기 위하여 서로 상대적으로 움직이는 다리부 들을 나타내는 근접 사시도이다.
도 18은 상기 다리부재의 연장(lengthening) 이후 로킹된 상태의 조절가능한 다리부재들과 관련한 락킹 메카니즘의 근접 사시도이다.
도 19는 로킹된 상태의 조절가능한 다리부재들과 관련한 락킹 메카니즘의 근접 사시도이다.
도 20은 릴리즈된 상태의 조절가능한 다리부재들과 관련한 락킹 메카니즘의 근접 사시도이다.
도 21은 조절가능한 다리부재들과 관련한 락킹 메카니즘의 근접 사시도이다.
도 22는 인접한 무릎 정지부를 갖는 무릎 관절의 근접 사시도이다.
도 23은 다리 커버들을 갖는 외골격의 바람직한 형태를 나타내는 사시도이다.
도 24 및 25는 다른 각도로부터 상부 다리 커버들을 나타내는 근접사시도이다.
도 26은 본 발명의 발 구조의 바람직한 형태를 나타내는 측면사시도이다.
도 27은 바람직한 형태의 발 구조의 배면 사시도이다.
도 28은 바람직한 형태의 발 구조를 나타내는 분해사시도이다.
도 29a 내지 29j는 WA의 제어 시스템의 바람직한 형태와 관련한 정적 스텝(static step) 이동 시퀀스 중인 외골격 모델을 나타낸다.
도 30a 내지 30e는 WA의 제어 시스템의 바람직한 형태와 관련한 좌측 동적 스텝(dynamic step) 이동 시퀀스 중인 외골격 모델을 나타낸다.
도 31a 내지 31e는 WA의 제어 시스템의 바람직한 형태와 관련한 우측 동적 스텝(dynamic step) 이동 시퀀스 중인 외골격 모델을 나타낸다.
도 32a 및 32b는 WA의 제어 시스템의 바람직한 형태와 관련한 앉은(sitting) 시퀀스 중인 외골격 모델을 나타낸다.
도 33a 및 33b는 WA의 제어 시스템의 바람직한 형태와 관련한 선(standing) 이동 시퀀스 중인 외골격 모델을 나타낸다.
도 34는 WA의 바람직한 형태아 관련한 제어 시스템의 전반적인 구조를 나타내는 다이어그램이다.

여기에 기술된 참조번호의 숫자 범위(예를 들어, 1 내지 10 등)는, 또한 해당 범위 내의 모든 유리수(rational number)(예를 들어, 1, 1.1, 2, 3, 3.9, 4, 5, 6, 6.5, 7, 8, 9 및 10 등), 그리고 해당 범위 내의 어떠한 유리수들의 범위(예를 들어, 2 내지 8, 1.5 내지 5.5 및 3.1 내지 4.7 등)을 포함하고, 따라서, 여기에 명확히 기술된 모든 범위의 모든 부-범위(sub-range)들은 명확하게 기술된 것으로 이해되어야 한다. 이것은 단지 명확히 이해되는 실시예에 해당하며, 열거된 최저값 및 최고값 사이의 숫자값들의 모든 가능한 조합들은 명확히 나타내기 위하여 이와 유사한 방법으로 적용되는 것으로 간주될 것이다.

본 발명의 상세한 설명 및 청구항에 사용된 “포함하는(comprising)”의 단어는 “최소한 일부분으로 이루어진(consisting at least in part of)”것 을 의미한다. “포함하는”의 단어를 포함하는 본 발명의 상세한 설명 및 청구항들의 각 표현들을 번역할 때, 그 외의 특징들 또는 문장으로 시작된 특징들이 존재할 수 있다. “포함하는” 및 “포함되는”과 같은 관련된 표현은 동일한 방식으로 통역되어야 한다.

“및/또는”의 기재는 “및”, “또는”, 또는 둘다를 의미한다.

명사 뒤에 기재된 (s)는 명사의 복수 및/또는 단일 형태를 의미한다.

본 발명은 상기 사항과 이하의 실시예들로서 주어진 구성들을 포함하여 이루어진다.

1. 개요

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예의 이동성 또는 보행 보조장치(WA, Walking Aid)(100)는 외골격(500), 상기 외골격(500)의 이동을 제어하기 위한 제어 시스템(400), 및 상기 외골격(500) 및 관련된 제어 시스템(400)으로 전원을 공급하기 위한 전원(power source)을 포함한다. 상기 WA시스템(100)은 예를 들어, 대마비 환자(paraplegic)인 사용자를 완전히 지원하는 시스템으로 이루어지거나, 또는 이동성이 제한된 사용자(200)의 재활치료를 보조하도록 부분적으로 또는 완전히 지원하는 시스템으로 구성될 수 있다. 이동성 장애가 있는 사용자가 상기 WA를 착용하면, 상기 사용자는 그들의 관절들 및 근육들이 보행 이동 중 움직이게 된다. 따라서, 사용자의 생리작용(physiology)이 악화되는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.

2. 외골격

상기 외골격(500)은 사용자의 외부에서 입는 전기기계적(electromechanical) 뼈대(skeletal) 구조이고, 최소한 사용자의 보행 이동에 도움을 주도록 사용자의 다리와 허리를 지지하도록 구성되었다. 상기 외골격(500)은 사용자의 각 다리를 수용하고(receive) 보유하는(retain) 한쌍의 다리 구조들(510, 520), 사용자의 각 발을 수용하고 보유하는 한쌍의 발 부재(530, 540), 및 사용자의 골반 및 엉덩이를 수용하고 보유하는 골반지지부재(pelvic support member) 또는 엉덩이(hip) 프레임(550)을 포함한다. 각 다리 구조(510/520)는 상부 다리부재(511/521) 및 하부 다리부재(512/522)를 포함한다. 상기 상부 및 하부 다리부재들은 상기 다리 구조의 무릎관절(513/523)에서 서로 이동가능하도록 결합된다(coupled). 각 상부 다리부재(511/521)는 또한 엉덩이관절(514/524)에서 엉덩이의 각 측면으로 이동가능하도록 연결되고, 각 하부 다리부재(512/522)는 상기 다리 구조의 발목관절(515/525)에서 각 발 부재(530/540)와 이동가능하도록 연결된다. 이 방법으로, 사람의 하반신(lower region)의 이동 능력들을 최소한 부분적으로 모방할 수 있는 구조가 제공된다.

2.1 다리 구조

상기 외골격은 한쌍의 이동가능한 다리 구조들(510, 520)을 포함하고, 상기 엉덩이 프레임(550) 및 발 부재(530/540)와 결합되며, 사용자의 다리들의 이동에 도움을 주도록 이루어진다. 각각의 다리 구조(510/520)는 상기 상부 및 하부 다리 부재들이 무릎관절(513/523)을 통하여 서로에 대하여, 엉덩이 관절(514/524)을 통하여 엉덩이 프레임(550)에 대하여, 및 발목 관절(515/525)을 통하여 대응하는 발 지지부재(530/540)에 대하여 이동하도록 상부 다리부재(511/521), 하부 다리부재(512/522) 및 관련된 액츄에이터들(570/580)을 포함한다. 상부(511/521) 및 하부(512/522) 다리 부재들 중 최소한 하나(바람직하게는 둘 다)는 사용자의 해부학적/다리 치수(dimensions)로 상기 외골격(500)을 커스터마이징(customise) 하도록 그 길이가 조절가능하도록 이루어진다.

엉덩이 및 무릎 관절

도3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 각 상부 다리 부재(511/521)는 상기 상부 다리부재(511/521)의 상단부(511a/521a)에서 상기 엉덩이 관절(514/524)에 의하여 엉덩이 프레임의 각 측면(side)에 회전가능하게(pivotally) 결합된다. 각 엉덩이 관절(514/524)은 상기 상부 다리부재(511/521)과 상기 엉덩이 프레임(550) 사이의 최소한 하나의 축(axis), 바람직하게는 실질적으로(substantially) 직교하는(orthogonal) 축들에 대한 상대 회전(relative rotation)을 가능하게 한다. 특히, 각 엉덩이 관절(514/524)은 상기 외골격 내의 엉덩이/다리의 굽힘(flexion) 및 엉덩이/다리의 연장(extension) 움직임들을 달성시키기 위하여 주축(primary axis)에 대한 상대 회전을 가능하게 한다.

따라서, 상기 주축(514A)은 전측(anterior)과 후측(posterior) 방향에서 사용자의 시상면(sagittal plane)을 따라 사용자의 엉덩이에 대한 다리의 움직임을 가능하게 한다.

각 엉덩이 관절(514/524)은 상기 외골격 내에서 다리 외전(外轉, abduction)과 다리 내전(adduction) 움직임을 달성하기 위하여 2차축(secondary axis)에 대한 회전을 가능하게 한다.

따라서, 상기 2차축(514B)은 사용자의 다리가 엉덩이에 대하여 측방향(lateral direction)과 안쪽방향(medial direction)에서 사용자의 관상면(Coronal plane)을 따라 이동 가능하게 한다.

바람직한 실시예에서, 상기 엉덩이 관절(514, 524)은 0 내지 20도의 엉덩이 연장 범위(hip extension range)와 0 내지 78의 엉덩이 굽힘 범위내에서 상기 상부 다리부재들(511, 521)과 상기 엉덩이 프레임(550) 사이의 상대적인 회전을 가능하게 한다.

이 범위들은 상기 외골격(50)의 요구된 움직임 범위에 따라 설정 가능하다는 것으로 이해될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 엉덩이 관절은 로즈 관절(rose joint) 형태로 이루어진다.

각 엉덩이 관절(514/524)는 상기 로즈 관절의 각 측면에 배치된 수평적으로 나란히 이루어진(aligned) 한쌍의 플라스틱(바람직하게는 아세틸(acetyl)) 부쉬들(bushes)에 의하여 측방향(lateral) 및 안쪽방향(medial) 움직임이 제한된다.

특히 도 3, 10 및 12를 참조하면, 상기 엉덩이 관절(514/524)의 수직으로 나란히 이루어진 플랜지(flange) 또는 견고한 클레비스(rigid clevis)(558)는 세로축에 대한 상기 다리부재(511/512)의 측방향(lateral) 및 안쪽방향(medial) 회전을 제한하거나 부분적으로 또는 완전히 방지하기 위하여 상기 상부 다리 구조상(structural) 부재(511/512)를 수평면(transverse plane) 내의 회전 움직임으로부터 제한하거나 부분적으로 또는 완전히 방지할 수 있다.

또한, 이 움직임은 관련된 각 상부 다리 액츄에이터들(571a,b/581a,b)의 길이방향 이동에 의하여 최소한 부분적으로 제한된다.

바람직한 실시예에서, 각 엉덩이 관절(514/524)는 전측(anterior)과 후측(posterior) 방향에서 사용자의 엉덩이가 회전하는 자연축(natural axis)에서 또는 상기 자연축에 근접하여 위치된 엉덩이 축(514A/524A)을 정의한다.

바람직한 실시예에서, 각 엉덩이 관절(514/524)는 그 회전축(514A/524A)이 0 과 10도 사이의 각, 더 바람직하게는 4도의 측방향(lateral direction)에서 하방으로 연장하는 상기 엉덩이 프레임(550)과 관련하여 구성된다.

회전축(514A/524A)의 경사도는 인간의 상부 다리 배열을 모방한다(mimic). 상기 경사도는 WA의 발 부재들이 서로 근접하여 존재하며, 이것은 걷기동작을 통하여 이동되도록 상기 WA가 제어될 때, 상기 발 부재들에 의하여 제공된 지지영역 내의 지점으로 무게중심(일반적으로 골반의 중심에 위치하는)의 보다 자연스러운 전환을 가능하게 한다는 것을 의미한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 각 상부 다리부재(511/521)과 반대되는 하단부(511b/521b)에서, 무릎 관절(513/523)는 상기 상부 다리 부재(511/521)를 각 하부 다리 부재(512/522)의 상단부(512a/522a)와 회전 가능하도록 연결한다.

각 무릎 관절(513/523)는 상기 상부 다리 부재(511/521)과 관련하여 하부 다리 연장 및 하부 다리 굽힘을 가능하게 하도록 단일축(513A/523A)에 대하여 각 상부 및 하부 다리 부재들 사이의 상대적인 회전을 가능하게 한다.

각 축(513A/523A)은 상기 엉덩이 관절 축(514A)과 사용자의 수평면 및 관상면(coronal plane)과 실질적으로 평행하고, 전측 및/또는 후측 방향의 회전을 가능하게 한다.

상기 무릎 관절(513, 523)는 상기 축(513A 및 523A)에 대한 0 내지 100도 범위의 하부 다리 굽힘을 가능하게 한다.

이 범위들은 상기 외골격(50)의 요구된 동작 범위에 따라 조절가능한 것으로 이해될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 무릎 관절은 롤러 베어링 방식(roller bearing arrangement)으로 이루어진다.

각 무릎 관절(513/523)는 상기 롤러 베어링 방식 상의 축력(axial forces)을 야기하는 큰 비틀림 포스(twisting force) 또는 사이드웨이 포스(sideways force)의 대상이 될(be subject to) 수 있다.

이러한 이유로, 각 무릎 관절은 상기 무릎 관절(513/523)상의 축력에 저항하도록 구성된 스러스트 베어링 방식(thrust bearing arrangement)를 포함할 수 있다.

특히, 상기 무릎 관절(513/523)의 각 측면상에 두개의 스러스트 베어링들(513a,b/523a,b)이 제공된다.

상기 스러스트 베어링들(513a,b/523a,b)은 무릎 핀(knee pin)(513c/523c) 및 너트(513d/523d) 방식과 무릎 로킹 스크류(knee locking screw)(513e/523e)에 의하여 고정된다.

바람직한 실시예에서, 각 상부 다리 부재(511/521)의 세로축은 관련된 무릎 관절(513/523)의 회전 축(513A/523A)으로부터 오프셋(offset)이다.

각 축(513A/523A)은 관련된 상부 다리 부재(511/521)의 세로축 뒤(사용자의 이동방향 전방)에 위치된다.

상기 각 하부 다리 부재(512/522)의 세로축은 관련된 무릎 관절(513/523)의 회전축(513A/523A)을 통과하여 돌출된다(project).

무플 관절들을 갖는 상기 상부 다리 부재들의 오프셋은 상기 외골격의 무릎 관절들과 함께 각 사용자의 무릎 관절들을 정확하게 정렬시키고, 따라서, 사용자의 무릎 관절에 인가되는 스트레스들을 회피하고, 사용자의 무릎 손상을 완화(alleviating) 또는 방지하도록 인간의 뼈(human skeleton)의 형태를 모방한다(replicate).

도 5 및 6을 참조하면, 각 하부 다리 부재(512/522)의 하단부(512b/522b)는 발목 관절(ankle joint)에 의하여 각 발 부재(530/540)에 회전가능하도록 결합된다.

이와 관련된 사항은 발목구조 섹션에서 후술하도록 한다.

각 발목 관절(515/525)는 최소한 하나, 바람직하게는 두개의 실질적으로 직교하는 축(orthogonal axes)에 대하여 각 하부 다리 부재들 및 발 부재들 사이의 상대적인 회전을 가능하게 한다.

특히, 발목/발 발등굽힘(dorsiflexion) 및 발목/발 발바닥굽힘(plantar flexion) 동작을 달성하기 위하여 각 발목 관절은 주축(515A/525A)에 대한 상대 회전을 가능하게 한다.

상기 주축(515A/525A)은 엉덩이 및 무릎 관절 축(514A, 513A/523A), 그리고, 사용자의 수평면 및 광상면들과 실질적으로 평행하고, 더 높은 및 더 낮은 방향(superior and inferior direction)으로의 회전을 가능하게 한다.

바람직하게는 각 발목 관절은 발목/발 내번(inversion) 및 발목/발 외번(eversion) 동작을 달성하도록 상기 주축(513A/523A)과 실질적으로 수직인 2차축(515B/525B)에 대한 상대 회전을 가능하게 한다.

상기 2차축(515B/525B)은 사용자의 수평면과 시상면과 실질적으로 평행하고, 측방향(lateral) 및 안쪽방향(medial)의 회전을 가능하게 한다.

각 발목 관절(515/525)는, 상기 발 부재(530/540)의 중립 포지션(neutral position)의 각 측면의 대략 0 내지 30도의 범위 내에서 주축(515A/515B)에 대한, 그리고, 상기 발 부재(530/540)의 중립 포지션(neutral position)의 각 측면의 대략 0 내지 10도, 바람직하게는 0 내지 6도의 범위 내에서 2차축(515B/525B)에 대한 상기 하부 다리 부재(512/522)와 관련된 발 부재(530/540) 사이의 상대 회전을 가능하게 한다.

바람직한 실시예에서, 상기 발목 관절은 로즈 관절 형태로 이루어진다. 각 발목 관절(515/525)는 상기 로즈 관절의 각 측면에 배치된 수평으로 배열된 한쌍의 플라스틱, 바람직하게는, 아세틸, 부쉬에 의하여 측방향 및 안쪽방향 이동이 제한된다.

바람직한 실시예에서, 각 발목 관절(515/525)는 회전 주축(515A/ 525A)이 0 과 6도 사이의 각, 더 바람직하게는 4도의 측방향(lateral direction)에서 하방으로 연장하도록 이루어진다.

다른 실시예에서, 상기 엉덩이(514/524), 무릎(513/523) 및 발목 관절(515/525)은 상기 WA(100)의 요구된/필요한 복잡성(complexity) 단계 및/또는 관련된 인간 관절의 요구된/필요한 유사성 단계에 따라 사용자의 시상면, 관상면 및/또는 수평면들 중 어떠한 조합을 따르는 관련된 부분들 사이의 상대 회전이 가능하도록 이루어질 수 있다는 것으로 이해될 수 있다.

예를 들어, 다른 실시예에서, 상기 무릎 관절들(515, 525)은 하부 다리의 상대적인 회전 외전(abduction)과 내전(adduction)을 가능하게 할 수 있거나, 및/또는 상기 엉덩이 관절들(514, 524)은 또한 수평 외전/내전 및/또는 측방향/안쪽방향 회전을 달성하기 위한 상대 회전을 가능하게 할 수 있다.

이 평면들 중 하나 이상을 따르는 동작 또는 회전 정도(degree)는 관련된 인간의 관절의 능력(capabilities)에 따라 하나 이상의 방향들 내에서 제한될 수 있다.

다리 액츄에이터들

도 3a, 3b, 7 and 10을 참조하면, 바람직한 실시예의 각 상부 다리부재(511/521)와 대응하는 엉덩이 프레임(550)은 한쌍의 관련된 상부 다리 액츄에이터들(571a,b/581a,b)과 작동가능하도록(operatively) 결합된다.

1차(primary) 전기기계식 액츄에이터(571a/581a)는 일단에서 상기 상부 다리부재(511/521) 상의 연결 포인트로, 그리고, 타단에서 상기 엉덩이 프레임(550) 상의 연결 포인트로 작동가능하도록 결합되고, 액츄에이션 중 상기 상부 다리부재(511/521)를 상기 엉덩이 관절(514/524)의 주축(514A)에 대한 상기 엉덩이 프레임(550)과 관련하여 회전시키도록 이루어진다.

2차 전기기계식 액츄에이터(571b/581b)는 일단에서 상기 상부 다리부재(511/521) 상의 연결 포인트로, 그리고, 타단에서 상기 엉덩이 프레임(550)의 각 측면 상의 연결 포인트로 작동가능하도록 결합되고, 상기 상부 다리부재(511/521)를 상기 엉덩이 관절(514/524)의 2차축(514B)에 대한 엉덩이 프레임(550)과 관련하여 회전시키도록 이루어진다.

상기 연결 포인트들은 각각 상기 상부 다리부재와 상기 엉덩이 관절과 관련한 위치에 고정된다.

상기 1차 및 2차 액츄에이터들(571a,b/581a,b)은 선형(linear) 액츄에이터들이다.

각 액츄에이터 암(arm)의 연장은 상기 다리부재(511/521)를 각 축에 대하여 일측 방향으로 회전시키고, 상기 액츄에이터의 수축(retraction)은 상기 다리부재(511/521)를 각 축에 대하여 반대 방향으로 회전시킨다.

상기 액츄에이터들의 선형 동작은 상기 엉덩이 관절들(514, 524)의 작동에 의한 다리들의 회전동작으로 바뀐다(translated).

낮은 자세의 외골격(low profile exoskeleton)(500)을 제공하기 위하여, 각 선형 액츄에이터는 대응하는 상부 다리부재와 실질적으로 평행하게 배열된다.

각 1차 액츄에이터(571a/581a)는 상기 엉덩이 관절(514/524)의 뒤에서(상기 외골격의 전방에서) 상기 엉덩이 프레임(550)의 각 측면 상의 연결 포인트로 회전가능하도록 결합되고, 예를 들어, 후측 및 전측 방향의 시상면 내에서, 그리고, 측방향 및 안쪽방향의 수평면 내에서 이동하도록, 실질적으로 수직인 두 축들에 대하여 회전하도록 이루어진다.

각 2차 액츄에이터(571b/581b)는 엉덩이 관절(514/525)의 측면 상의 각 연결 포인트로 회전가능하도록 결합되고, 더 높은 및 더 낮은 방향(superior and inferior direction)의 관상면 내에서 이동하도록 상기 1차 액츄에이터의 두개의 축들과 실질적으로 수직인 3차축에 대하여 회전(pivot/rotate)하도록 이루어진다.

도 7을 참조하면, 바람직한 실시예의 상부 다리부재(511/521), 하부 다리 부재(512/522) 및 무릎 관절(513/523)은 관련된 무릎 관절들(572, 582)을 갖는다.

각 다리 구조(510/520)는 상기 다리 구조(510/520)의 상부 다리부재(511/521) 및 하부 다리 부재(512/522)들과 작동가능하도록 결합되는 무릎 액츄에이터(581/582)를 포함한다.

상기 무릎 액츄에이터(572/582)의 동작은 대응하는 하부 다리부재(512/522)를 관련된 무릎 관절(513/523)에 대하여 상기 상부 다리부재(511/521)와 관련하여 회전시킨다.

각 전기기계적 무릎 액츄에이터(572/582)는 일단에서 상기 상부 다리부재(511/521)상의 연결 포인트와 작동가능하도록 결합되고, 타단에서 상기 하부 다리부재(512/522) 상의 연결포인트와 작동가능하도록 연결되며, 무릎 관절(513/523)의 축(513A/523A)에 대한 상기 하부 다리부재(512/522)를 동작시키도록 이루어진다.

상기 연결 포인트들은 상기 상부 다리부재와 상기 무릎 관절과 관련하여 제 위치에 각각 고정된다. 각 무릎 액츄에이터(572/582)는 선형 액츄에이터이다.

상기 액츄에이터(572/582)의 연장은 대응하는 하부 다리부재(512/522)를 축(513A/523A)에 대하여 한 방향으로 동작시키고, 상기 액츄에이터의 수축은 상기 다리부재를 축(513A/523A)에 대하여 반대 방향으로 동작시킨다.

상기 액츄에이터들(572, 582)의 선형 이동은 상기 무릎 관절들(513, 523)각각의 작동에 의하여 상기 하부 다리부재들(512, 522)의 회전 동작으로 바뀐다.

낮은 자세의 외골격(low profile exoskeleton)(500)을 제공하기 위하여, 각 선형 무릎 액츄에이터(572/582)는 관련한 상부 및 하부 다리부재들(511,512/521,522)과 실질적으로 평행하게 배열된다.

각 액츄에이터(572/582)는 상기 무릎 관절의 축과 실질적으로 평행한 축에 대하여 회전하도록 상기 각각의 하부 다리부재(512/522)의 상단부(512a/522a)와 회전가능하도록 결합된다.

사용된 선형 액츄에이터들은, 바람직하게는, 액츄에이터내의 센서를 통한 위치 피드백을 갖는 저전압 직류(low voltage Direct Current) 액츄에이터이다. 일반적으로, 각 액츄에이터는 상기 액츄에이터 암을 연장 또는 수축시키는 웜기어(미도시)를 가동시키는(driving) 전기모터(미도시)에 의하여 동작된다.

다른 실시예에서, 본 명세서 상의 관절 섹션에 기술된 바와 같은 상기 상부 및 하부 다리부재들의 요구된 회전 동작들을 달성하기 위하여, 액츄에이터의 개수, 방식, 및 구성은 해당 기술분야의 기계 기술자에 의하여 임의로 선택되어 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

크기 조절

도 12 내지 21에 도시된 바와 같이, 안전항 방법으로 사용자가 상기 WA를 착용하기 위하여,

상기 엉덩이 관절들(514/524), 무릎 관절들(513/523), 및 발 관절들(515/525) 사이를 적절하게 이격시키는 것이 중요하다. 이러한 관절들의 적절한 위치선정은 사용자의 대응하는 자연적인 관절들의 배열과 가능한 가깝도록 배열하는 것이 바람직하다. 상기 엉덩이 관절들, 무릎 관절들 및 발목 관절들의 위치 조절은 상기 상부 다리 구조 부재들(511/521)과 상기 하부 다리 구조 부재들(512/522)의 효과적인 길이 조절에 의하여 달성된다.

따라서, 각각의 조절가능한 다리 부재들(511/512/521/522)로 조절 메커니즘이 제공된다.

하나 이상의 이러한 부재들(511/512/521/522)이 조절가능하거나 또는 조절 메커니즘과 함께 제공될 수 있다는 것으로 이해될 것이다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 각각의 부재는 후술하는 바와 같이, 외골격(500)의 유용성(utility)과 다양성(versatility)을 향상시키기 위하여 조절가능한는 것으로 이해될 것이다.

다리 부재(511/512/521/522)의 길이의 조절은 대응하는 액츄에이터들(571 내지 573/581 내지 583)의 연결점들의 재배치(relocation)를 야기한다.

다리 부재의 조절에 맞춘 액츄에이터들의 길이 조절에 대한 필요성을 완화하기 위하여, 대응하는 액츄에이터들 연결 포인트들의 각 쌍들 사이의 일정한 거리가 다리 부재의 길이 조절 중에 유지되는 메커니즘이 제공된다.

다시말해서, 다리 부재 상의 연결 포인트와 상기 외골격의 다른 부재(예를 들어, 엉덩이 프레임, 발 부재, 또는 다른 다리 부재) 상의 연결 포인트를 갖는 각 액츄에이터를 위하여, 상기 다리 부재의 길이 조절은 상기 다리 부재의 액츄에이터 연결 포인트들(또는 상기 다리 부재 상의 상기 액츄에이터 연결 포인트 및 대응하는 회전 관절(pivot joint))의 쌍들 사이에 존재하는 부분의 길이에 영향을 주지 않는다.

따라서, 상기 다리부재의 길이의 조절은 대응하는 액츄에이터 연결 포인트들의 쌍들 사이의 다리 부재의 영역에 국한된다(confined). 이것은 각각의 다리 부재에 대응하는 모든 액츄에이터들의 경우에서 바람직하다.

바람직한 실시예에서, 각 다리부재는 조절 라인을 따라 서로 상대적으로 축방향(axially) 슬라이드 가능한 제1 및 제2 다리부 들을 포함한다.

상기 제1 및 제2 다리부 들은 하나 이상의 상대적인 축 위치 고정가능하다.

조절 메커니즘 또는 시스템은 조절 라인을 따라 고정된상태로(fixedly) 상대적인 위치를 조절하도록 제공되고, 상기 제1 다리부와 상기 제2 다리부의 상대적인 위치를 더욱 고정시키거나, 또는 상기 조절 메커니즘이 상대적인 위치들을 변경하도록 그들을 해제하는 조절 방법에서 독립한 분리 로킹 메커니즘을 포함한다.

상기 조절 메커니즘은 제1 또는 제2 다리부 중 하나와 일단이 연결되고, 다른 제2 또는 제1 다리부의 소켓과 타단이 연결된 샤프트를 포함하며, 상기 소켓 내에서 샤프트의 상대적인 축 위치를 조절하기 위하여 메커니즘은 상기 샤프트, 상기 소켓 또는 둘 다를 다룬다(manipulate).

상기 제1 다리부 및 상기 제2 다리부는 체결 레일 부재(engaging rail member)들을 포함하고, 상기 로킹 메커니즘은 상기 레일 부재들을 함께 가압하는 제1 상태와 상기 레일 부재들이 보다 자유롭게 슬라이드 되는 제2 상태 사이에서 다루어진다.

바람직한 실시예에서,각각의 상부 다리 부재들(511/521)은 제1 상부다리부(511a/521a)와 제2 상부다리부(511b/521b)를 포함한다.

상기 제1 및 제2 상부 다리부들(511a,b/521a,b)은 동작가능하도록 서로 결합되고, 바람직하게는 상기 부분들(parts)의 세로축을 따라 그들의 상대적인 위치를 조절하도록 슬라이드 가능하게 체결가능하다.

상기 제1 및 제2 상부다리부들(511a,b/521a,b)의 상대 위치의 조절은 대응하는 상부 다리부재(511/521)의 전체 길이의 조절을 야기한다. 이 방법으로, 상기 외골격(500)은 사용자의 하반신 체적(dimensions)에 알맞게 조절될 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예의 각 상부 다리 액츄에이터(571a,b/581a,b)는 상기 상부 다리 부재들의 각 상부 다리부(511a/521a) 및 상기 엉덩이 프레임(550)과 작동가능하도록 결합된다.

각 상부 다리부재(511/521)의 효과적인 길이 조절에 있어서, 상기 상부 다리부가 상기 엉덩이 프레임(550)과 관련한 위치에 고정된 상태로 있는 동안, 하부 다리부(511b/521b)의 위치는 상기 상부 다리부(511a/521a)와 관련하여 조절된다.

따라서, 각 상부 다리부재(511/521)의 전체적인 길이 조절은 상기 엉덩이 프레임(550) 상의 액츄에이터 연결과 상기 상부 다리부(511a/521a) 사이의 거리에 영향을 주지 않는다. 이것은 상기 상부 다리부재들(511, 521)의 길이 조절에 맞추기 위하여 상기 액츄에이터들(571a, b 및 581a, b)의 길이를 조절해야할 필요성을 완화시킨다.

도 13에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예에서, 각 무릎 액츄에이터(572/582)는 상기 상부 다리부재(511/521)의 개별적인 하부 다리부(511b/521b)와 상기 하부 다리부재(512/522)의 상부다리부(512a/522a)에 작동가능하도록 결합된다.

각 상부 다리부재(511/521)의 효과적인 길이 조절에 있어서, 상기 상부 다리부재(511/521)의 하부 다리부(511b/521b)는 상기 하부 다리부재(512/522)의 상부 다리부(512a/522a)와 관련하여 그의 위치를 변경하지 않는다.

따라서, 각 상부 다리부재(511/521)의 전체적인 길이 조절은 상기 무릎 액츄에이터 연결들 사이의 거리에 영향을 주지 않는다. 이것은 상기 상부 다리부재들(511, 521)의 길이 조절에 맞추기 위하여 상기 무릎 액츄에이터(572, 582)의 길이를 조절해야할 필요성을 완화시킨다.

바람직한 실시예에서, 각 발목 액츄에이터(573a,b/583a,b)는 상기 하부 다리부재(512/522)의 개별적인 하부 다리부(511b/521b)와 발 부재(530/540)에 작동가능하도록 결합된다.

각 하부 다리부재(512/522)의 효과적인 길이 조절에 있어서, 상기 하부 다리부(512b/522b)는 상기 발 부재(530/540)과 관련하여 그의 위치를 변경하지 않는다.

따라서, 각 하부 다리부재(512/522)의 전체적인 길이 조절은 상기 발목 액츄에이터 연결들 사이의 거리에 영향을 주지 않는다. 이것은 상기 하부 다리부재들(512, 522)의 길이 조절에 맞추기 위하여 상기 발목 액츄에이터(573a,b/583a,b)의 길이를 조절해야할 필요성을 완화시킨다.

각 상부 다리부재(511/512)의 제1 및 제2 상부다리부(511a,b/521a,b) 사이에 조절 메커니즘(800)이 제공되고, 각 하부 다리부재(512/522)의 제1 및 제2 하부다리부(512a,b/522a,b) 사이에 조절 메커니즘(800)이 제공된다. 상기 조절 메커니즘은 설명의 편의상 다리부재(511)를 참조로 하여 기술하도록 한다. 그러나, 동일한 원칙으로 다른 다리 부재들(521/512/522)에 적용될 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.

도 21을 참조로 하면, 상기 조절 메커니즘(800)은 상기 두 부분들(511a, 511b)사이의 상대적인 축 위치들을 변경하도록 이루어진다.

상기 조절 메커니즘은 그 일단에서 상기 제1 또는 제2 다리부 들 중 하나, 바람직하게는 상기 제1 다리부(511a)와 연결되고, 타단에서는 다른 다리부(바람직하게는 제2 다리부(511b))의 소켓(813)과 연결되는 샤프트(812), 바람직하게는 리드 스크류 형태의 샤프트(812)를 포함한다.

상기 샤프트(812), 상기 소켓 도는 둘 다는 상기 소켓 내에서 상기 샤프트(812)의 상대적인 축 위치를 조절가능하고, 따라서, 상기 다리부들(511a, 511b)의 축 위치들 조절가능하도록 이루어진다.

바람직한 실시예에서, 상기 메커니즘은 상기 소켓에서 상기 샤프트(812)를 회전시키도록 연결된 웜(worm) 및 웜휠(worm wheel)을 회전시키는 회전가능한 입력을 갖는 웜 드라이브(worm drive)(813)를 포함한다. 여기에서 상기 웜은 웜휠에 체결된다.

상기 리드 스크류(812)의 일단은 스레드가능하도록(threadably) 상기 제1 상부 다리부(511a)의 말단부와 체결되고, 타단은 상기 웜 기어(813)과 스레드가능하도록 체결된다.

상기 웜 기어의 회전은 회전 방향에 따라 상기 제1 상부 다리부(511a)의 각 말단부를 당기거나 또는 밀도록 상기 리드 스크류(812)를 회전시키고, 따라서, 상기 제1 상부 다리부(511a)를 상기 제2 상부 다리부(511b)에 대하여 대응하는 선형 방향(linear direction)으로 슬라이드 시킨다.

상기 부분들(511a, 511b)을 서로에 대하여 동작/슬라이드시키기도록 베어링을 통한 상기 웜 기어(813)의 수동 회전을 위한 도구의 삽입을 가능하게 하기 위하여, 도구 또는 육각 도구를 수용하기 위한 구멍(aperture), 바람직하게는 육각 형태의 구멍을 갖는 베어링(814)이 상기 웜 기어(813)에 결합된다.

바람직한 실시예에서, 상기 리드 스크류(812)는 상기 웜 기어(813)의 회전 없이 서로에 대한 상기 부분들(511a, 511b)의 슬라이드 가능한 동작 또는 움직임을 방지한다. 따라서, 이 조절 메커니즘(800)은 상기 다리부재(511)의 길이 변경을 위한 부분들의 관련된 축 위치를 고정적으로(fixedly) 조절하기 위한 방법을 제공하면서 상기 두 다리부(511a, 511b)를 서로에 대하여 고정시킨다(secures)

도 15를 참조하면, 바람직한 실시예의 조절 메커니즘(800)은 각각의 제1 및 제2 다리부가 상대적인 이동을 방지하도록 서로 로킹/고정되는 로킹/고정 조건(condition)/상태(state) 및 상기 두 부분들 사이의 세로/축 위치의 상대적인 변화, 및 각각의 제1 및 제2 다리부가 상대적인 이동을 가능하게 하도록 완전히 고정된 체결로부터 해제된(released) 해제/이동가능 조건(condition)/상태(state) 및 상기 두 부분들 사이의 세로/축 위치의 상대적인 변화 사이에서 작동되도록 이루어진 추가적인 로킹 메커니즘과 함께 제공된다.

예를 들어, 도 16은 해제된 조건의 상기 상부 다리부(511)의 제1 및 제2 상부 다리부(511a, 511b)의 로킹 메커니즘을 나타내며, 도 18은 로킹된 조건의 동일한 조절 메커니즘(800)을 나타낸다.

이하, 도 16 내지 21을 참조하여, 상기 상부 다리부재(511)의 제1 및 제2 상부 다리부들(511a, 511b)을 참조로 하여 상기 구성요소들과 상기 로킹 메커니즘의 작동을 보다 상세히 기술한다.

상기 제1 상부 다리부(511a)는 결합 상태에서 상기 제2 상부다리부(511b)의 대향하는 체결면 또는 레일 부재(802)와 슬라이드 체결되도록 이루어진 체결면(engagement surface) 또는 레일 부재(rail member)(들)(801)을 포함한다.

상기 체결면들(801, 802)은 바람직하게는, 실질적으로 평면이나, 다른 실시예에서는, 슬라이드 체결을 가능하게 하기 위한 복잡한 형태(예를 들어, 립(rib) 및 그루브 어레인지먼트(groove arrangement))를 포함할 수 있다.

상기 로킹 메커니즘은 상기 레일 부재들을 서로 가압(press)하는 제1 조건과 상기 레일 부재들이 서로 자유롭게 슬라이드되는 제2 조건을 다룰 수 있다(manipulable)

상기 로킹 메커니즘은 상기 제2 다리부(511b)에 의하여 운반되고(carried), 상기 제1 다리부(511a)를 향하는 베어링 표면(bearing surface), 및 그리고, 이동가능한 조건에 대응하는 제1 위치와 락킹된 조건에 대응하는 제2 위치 사이에서 작동되는 최소한 하나의 레버(810)를 포함한다.

상기 레버(810)를 상기 제1 위치에서 제2 위치로 조종(manipulation)하는 것은 상기 베어링 표면을 상기 제1 다리부에 대향하게 한다(urge)..

상기 레버는 오버 센터 메커니즘(over centre mechanism)을 포함함으로써, 언락 위치에서 락 위치로 상기 레버를 닫는 움직임에 필요한 힘은 처음에는 증가하고, 이후 감소한다.

바람직한 실시예에서, 상기 제1 상부 다리부(511a)는 상기 락킹 메커니즘의 대응하는 파스너(fastener)(804)를 수용하도록 각각 이루어진 4개의 구멍(aperture)들(803)(그러나, 이에 한정하는 것은 아니며, 하나 이상의 어떠한 개수로도 이루어질 수 있다)을 더 포함한다.

각 구멍(803)은 상기 다리부(511a)를 통하여 상기 체결면(801)로부터 상기 제1 다리부(511a)의 타측(opposing)면(805)으로 연장한다.

바람직한 실시예에서, 구멍들(803a)의 제1 쌍이 상기 제1 상부다리부(511a)의 일측면 상에 주어지고, 구멍들(803b)의 제2 쌍이 상기 제1 상부다리부(511a)의 타측면 상에 주어진다.

상기 제2 상부 다리부(511b)는 상기 두 쌍의 구멍들(803a, 803b)에 각각 대응하는 한쌍의 연장 채널들(elongate channel)(806a, 806b) (그러나, 대응하는 구멍들(803)의 개수 및 위치에 따라 하나 이상의 채널들)을 포함한다.

특히, 상기 두 부분들의 표면(801, 802)이 체결될 때 채널 806a는 구멍(803a)에 맞춰 조절되고, 상기 두 부분들의 표면(801, 802)이 체결될 때 채널 806b는 구멍(803b)에 맞춰 조절된다.

상기 채널들(806a, 806b)은 실질적으로 평행하고, 상기 제2 상부 다리부(511b)를 따라 연장한다.

상기 채널들의 길이는 상기 외골격의 상부 다리부(511)에 의하여 제공된 길이 조절 범위를 규정한다.

파스터(804)는 각 채널(806a 또는 806b)을 통과하여 상기 제2 상부 다리부(511b)로부터 상기 제1 상부 다리부(511a)의 표면(805)으로 연장한다.

상기 메커니즘(800)에 의하여 제공된 길이 조절 범위를 한정하기 위하여 하나 이상의 접합부(abutments)들이 상기 부분들(511a 및 511b) 중 하나 이상에 제공될 수 있다.

상기 제1 및 제2 상부 다리부(511a, 511b)의 상대적인 위치를 정위치(in place)에 락킹(lock)하기 위하여, 상기 락킹 메커니즘은 각 파스너(804)의 각 말단부에서 파스너 헤드 상에 외측 텐션을 인가함으로써, 두개의 부분들을 함께 클램핑하도록(clamp) 작동된다.

이것은 상기 파스너들(804)을 개별 채널들(806) 내의 정위치에 고정시킨다.

상기 두 부분들의 견고한 연결을 해제하고 상대 위치의 조절을 가능하게 하기 위하여, 상기 락킹 메커니즘은 상기 파스너 헤드 상의 텐션을 해제하고, 따라서, 상기 각 채널들(806)을 따른 상기 파스너(804)의 이동을 허용하도록 작동된다.

도 19, 20을 참조하면, 조절 메커니즘(800)의 바람직한 형태는 각 파스너(804)에 대응하는 웨지(wedge)(807)와 워셔(washer)(808)을 포함한다.

결합된 상태에서, 상기 웨지(807)는 체결면(802)에 대향하고 개별 채널(806)에 인접하거나 브리징(bridging)된 상기 제2 상부 다리부재(511b)의 표면(809)에 대향하여 위치되고, 상기 워셔(808)는 상기 웨지(807)와 상기 파스너(804)의 헤드(804a) 사이에 위치된다.

상기 웨지(807)는 그 세로축을 따라 상대적으로 큰 말단부(807a)로부터 상대적으로 작은 말단부(807b)까지 경사를 형성한다(ramped).

도 20에 도시된 바와 같이, 상기 레버(810)의 해제된 위치에서, 상기 웨지(807)는 상기 워셔(808)에 인접한 상대적으로 작은 말단부(807b)에 위치된다.

이것은 각각의 채널들(806)을 따라 상기 제2 상부 다리부(511b)에 상대적으로 이동시키기 위하여 상기 파스너(804) 및 상기 제1 상부 다리부(511a)가 상기 파스너(804)에 연결되도록 상기 파스너(804)의 헤드(804a)와 제1 상부 부분(511b)의 표면(809)사이의 효과적인 텐션을 해제한다.

도 19에 도시된 바와 같이, 상기 레버(810)의 락킹된 위치에서, 상기 웨지(807)는 상기 워셔(808)에 인접한 상대적으로 큰 말단부(807a)와 함께 위치된다.

이것은 상기 파스너(804) 및 상기 제1 상부 다리부(511a)가 각각의 채널들(806)을 따라 상기 제2 상부 다리부(511b)와 관련하여 이동하는 것을 차단하도록 상기 파스너(804)의 헤드(804a)와 제1 상부 부분(511b)의 표면(809)사이의 효과적인 텐션을 증가시킨다.

클램핑 암(clamping arm)들 또는 레버들(810)은 상기 표면(face)(809)와 인접한 상기 제1 상부 다리부(511b)에 회전가능하도록 결합된다.

각 클램핑 암(810)은 상기 두 부분들을 각각 락킹하고 해제하도록 락킹된 위치 및 해제된 위치 사이에서 상기 제2 상부 다리부(511b)에 상대적으로 회전가능하다.

바람직한 실시예에서, 락킹 위치에서 상기 레버(810)는 상기 채널(806)과 인접하여 위치된 자유단(810b)을 갖고, 해제된 위치에서 상기 레버는 상기 채널(806)과 이격되어 위치된 자유단(810b)을 갖는다.

이 두 위치들 사이의 각 암(810)의 회전 동작은 각각의 웨지(807)들이 락킹된 위치 및 해제된 위치들에 대응하게 한다.

각 웨지(807)에 대응하는 링크 암(811)은 일단에서 상기 웨지(807)로(바람직하게는 상기 웨지(807)의 큰 말단부(807a)) 회전가능하도록 결합되고, 타단에서 인접한 레버(810)로 결합된다.

상기 레버가 해제된 위치로부터 락킹된 위치로 회전되는 것과 같이, 각 링크 암(811)은 각 웨지(807)의 큰 말단부를 상기 워셔(808) 및 파스너(804)쪽으로 회전시키고 밀도록 유도된다.

상기 레버가 락킹된 위치에서 해제된 위치로 회전되는 것과 같이, 각 링크 암(811)은 각 웨지(807)의 큰 말단부(807a)를 상기 워셔(808) 및 파스너(804)로부터 당기도록 하기 위하여 반대 방향으로 회전하도록 유도된다.

바람직하게는 상기 두 레버들(810)은 모든 네개의 파스너들 상의 텐션을 해제하고, 상기 두 부분들(511a, 511b)을 언락시키도록 서로를 향하는 반대의 방향으로 회전하도록 이루어지고, 모든 네개의 파스너들 상의 텐션을 증가시키기고, 상기 두 부분들(511a, 511b)을 함께 락킹하도록 서로에 대하여 멀어지는 반대의 방향으로 회전하도록 이루어진다.

바람직하게는, 각 링크 암(811)의 각 말단부 상의 회전축, 및 각 레버의 회전축은 서로에 대하여 실질적으로 평행으로 이루어지고, 상기 제2 상부 다리부(511b)의 세로축에 대한 가로축을 따라 실질적으로 수직으로 이루어진다.

상기 락킹 메커니즘(800)의 해제된/이동가능한 조건을 나타내는 도 21을 참조하면, 상기 상부 및 하부 다리부(511a, 511b)는 조절 메커니즘(800)을 통하여 서로에 대하여 슬라이드되어 이동하도록 이루어진다.

그러나, 다른 실시예에서, 이 이동은 어떠한 추가적인 조절 메커니즘(800) 없이 하나 또는 두 부분들(511a 및 511b)을 직접 이동시킴으로써 수동으로 달성될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

그러나, 바람직한 실시예에서, 추가 락킹 메커니즘을 포함하는 조절 메커니즘(800)의 조합은 상기 두 부분들(511a 및 511b)을 보다 견고하고 단단하게 고정시키는 것과 같이 추가적인 안정성(security)을 제공한다.

작동 중, 상기 상부 다리부(511a)의 전체 길이를 조절하기 위하여, 두 레버들이 락킹된 위치로부터 해제된 위치로 이동된다(도 17).

상기 제1 및 제2 상부 다리부재들(511a 및 511b)은 상기 웜 기어(813)의 회전을 통하여 부재(511)의 전체 길이를 조절하기 위하여 서로에 대하여 보다 자유롭게 슬라이드된다.

요구된 전체 길이가 달성되면, 상기 레버들은 상기 두 부분들(511a, 511b)의 상대적인 위치를 고정시키기 위하여 락킹된 위치로 이동한다(도 18).

바람직한 실시예에서, 상기 상부 다리부재(511)의 제1 및 제2 상부 다리부(511a, 511b)를 참조하여 상술한 바와 유사한 조절 및 락킹 메커니즘(800)이 상기 상부 다리부재(521)의 제1 및 제2 상부 다리부(521a, 521b), 상기 하부 다리부재(512)의 제1 및 제2 하부 다리부(512a, 512b), 및 상기 하부 다리부재(522)의 제1 및 제2 하부 다리부(522a, 522b)에 제공된다.

무릎 과신전(Knee Hyperextension)의 방지

도 22를 참조하면, 바람직한 실시예에서, 축(513A/523A)에 대한 연장(extension) 방향 내의 상부 다리부재(510/520)에 대한 상기 하부 다리부재(520)의 회전 동작을 제한하기 위하여 실질적으로 견고한(rigid) 기계적 멈춤부(595)가 제공된다.

상기 기계적 멈춤부(595)는 대응하는 무릎의 과신전을 방지하기 위하여 각 다리 구조에 제공된다.

상기 기계적인 멈춤부는 이러한 움직임을 제한하기 위하여 임의의 개수 및 형태로 이루어질 수 있다.

바람직한 실시예에서, 최소한 하나의 실질적으로 견고한 교대(橋臺)(595)는 후측방향 내에서 무릎 관절(53/523)과 인접한 각 상부 다리 부재(511/521) (특히, 상기 상부 다리부재(511/521)의 하부 부분(511b/521b))로부터 바깥쪽으로 돌출된다.

무릎 관절(513/523)에 인접한 각 하부 다리부재(512/522) (특히, 상기 하부 다리부재(512/522)의 상부 부분(512a/522a)의 실질적으로 견고한 연장된 말단부(596)는 상기 하부 다리부재(512/522)가 상기 무릎 관절(513/523)에 대하여 상기 상부 다리부재(511/521)의 방향과 실질적으로 평행한 방향으로 연장될 때, 예를 들어, 상기 상부 및 하부 다리부재들의 각도가 대략 180도일 때, 상기 교대(595)를 체결하도록 이루어진다.

이런 식으로, 상기 하부 다리 부재(512/522)는 바깥측으로의 상기 무릎 관절(513A/523A)의 과신전(hyper extending)을 방지한다.

바람직하게는, 각 다리부재(510/520)의 무릎 관절(513/523)에서 서로 인접하여 돌출된 실질적으로 견고한 교대(595a 및 595b)가 존재한다.

각 교대(595a/595b)는 상기 하부 다리부재(512/522)의 클레비스(clevis)(596)의 대응하는 실질적으로 견고한 측면에 체결된다. 상기 클레비스(596)는 무릎 액츄에이터(572/582)의 말단부에 연결되도록 이루어진다.

바람직하게는, 상기 교대 또는 교대들(595)은 상기 다리부재(511/521)와 함께 완전하게 형성된다.

다른 실시예에서, 상기 교대 또는 교대들(595)은 연장 방향에서의 상기 하부 다리부재의 회전 정도를 제한하기 위하여 적절한 다리부 또는 상기 외골격 상의 위치에 제거가능하게 또는 고정되게 결합될 수 있는 분리된 구성요소이다.

다른 실시예에서, 기계적 멈춤부는 연장 방향 내에서 상기 무릎 관절들(513, 523)에 대한 상기 하부 다리 부재들(512, 522)의 회전 동작을 제한하기 위하여 상기 다리 부재들(510, 520) 상의 다른 위치에 제공될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

예를 들어, 다른 실시예에서, 기계적 멈춤부는 상기 무릎 관절(513/523)에 대한 상기 하부 다리부재(512/522)의 과신전을 방지하기 위하여 액츄에이터에 의하여 달성될 수 있는 수축 길이(또는, 대응하는 하부 다리부재(512/522)의 연장을 달성하는 액츄에이터의 방향의 경우, 연장 길이)를 제한하도록 각 무릎 액츄에이터(572/582) 내에 제공된다.

외측 커버의 보호

도 23 내지 25를 참조하면, 바람직한 실시예에서 상기 다리구조들(510, 520)에 상기 상부 및 하부 다리부재들, 액츄에이터들 및 관절들을 포함하는 다리 구조의 구성요소들을 보호하고 시각적으로 감추기 위하여 외측 커버들(600)이 제공된다.

각 다리 구조(510/520)에는 실질적으로 상기 구조(510/520)의 상부 및 하부 다리부재들, 액츄에이터들 및 관절들을 하우징하도록/감싸도록 이루어진 한 세트의 할로우 커버(hollow cover)(610/620)가 제공된다.

커버들(610/620)의 각 세트는 상부 커버부재(611/621) 및 하부 커버부재(612/622)를 포함한다.

상기 상부 및 하부 커버부재들은 상기 커버들의 관절(613/623)에 대하여 서로 힌지/회전 결합된다.

상기 관절(613/623)은 상기 상부 커버부재(611/621)의 하단부(611b/621b)와 상기 하부 커버부재(612/622)의 상단부(612a/622a) 사이의 교차점(intersection)에 존재한다.

상기 커버들이 결합된 상태에서 관절(613/623)은 다리 구조(510/520)의 각 무릎 관절(513/523)에 대하여 위치하고 하우징되도록 이루어진다.

상기 상부 및 하부 커버부재들은 실질적으로 연장하거나, 실질적으로 원통형을 갖는 중공(hollow) 구조로 이루어지거나, 또는 상기 각 다리부재들을 감싸기 위한 다른 연장하는 프리즘 유사 형상으로 이루어진다.

바람직한 실시예에서, 각 상부 다리 커버부재(611/621)는 상부 커버부(611a/621a) 및 하부 커버부(611b/621b)를 포함한다.

상기 상부 및 하부 커버부들은 상기 상부 커버부재(611/621)의 크기 조절을 가능하게 하도록 텔레스코핑적으로(telescopingly) 체결된다.

상기 커버부들은 상기 상부 다리 커버부재(611/621)의 길이를 늘리거나 줄이도록 상대적으로 연장 또는 수축(retracted)할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 상부 커버부(611a/621a)는 상대적으로 작은 외부 지름(diameter)/크기로 이루어지고, 상기 플랜지 구역의 외부 지름/크기 보다 상대적으로 큰 내부 지름/크기를 갖는 상기 중공 하부 커버부(611b/621b) 내에 텔레스코프적으로 수신되도록 이루어진 플랜지 구역(flanged section) 또는 연장부(extension)(611c/621c)를 포함한다.

상기 상부 커버부재(611/621)는 상기 상부 커버부와 인접한 말단부에서 상기 하부 커버부(611b/621b)의 외부 지름/크기와 실질적으로 유사한 상대적으로 큰 외부 지름/크기 구역(611d/621d)을 포함한다.

이런식으로, 상기 상부 다리 커버부재(611/621)의 낮은 크기 제한을 규정하도록, 상기 상부 커버부의 큰 섹션(611d/621d)과 상기 하부 커버부(611b/621b)의 말단부 사이에 제한부(limit) 또는 멈춤부(stop)가 제공된다.

이 낮은 크기 제한은 상부 다리 커버부재(621)내에 보여진다.

또한, 상기 커버부들(611a/621a 및 611b/621b)의 다른 방향으로의 상대적인 이동 정도를 제한하기 위하여 교대, 멈춤부 또는 제한부가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버부재(611/621)의 길이를 증가시킴으로써, 높은 크기의 한계점(threshold)을 제공할 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 하부 커버부는 상기 상부 커버부 내에 텔레스코프적으로 수신된 섹션을 포함할 수 있다.

상기 상부 커버부(611a/621a)는 상기 상부 다리부재(511/521)의 상부 다리부(511a/521a) 에 결합(바람직하게는 구역(611c/621c)에서)되고, 상기 하부 커버부(611b/621b)는 상기 상부 다리부재(511/521)의 하부 다리부(511b/521b)에 결합된다.

이런식으로, 상기 상부 다리부재(511/521)의 길이 조절은 상기 상부 커버부재(611/621)의 상부(611a/621a) 및 하부 커버부(611b/621b)의 이동을 야기한다.

따라서, 상기 커버부재(611/621)는 사용시 대응하는 다리부재(511/521)의 조절에 맞춰 스스로 조절가능하도록 이루어진다.

상기 상부 및 하부 커버부들은 각각 각 커버부를 형성하기 위하여 결합된 하나 또는 다수의 부분들로서 형성될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 상부(611a/621a) 및 하부 커버부들(611b/621b)은 상기 메커니즘으로의 사용자의 접근을 가능하게 하기 위하여 최소한 상기 락킹 메커니즘(800)의 레버들(810)을 노출시키기 위하여 상기 상부 다리부재(511/521)의 락킹 메커니즘(800)과 인접하여 위치되도록 이루어진 오목부(recesses)들을 포함한다.

또한, 상기 하부 커버부(611b/621b)는 상기 상부 다리부재(511/521)의 크기를 조절하기 위한 도구를 수용하기 위하여 상기 메커니즘(800)의 조절 베어링(814)의 구멍에 인접하여 위치되도록 이루어진 오목부를 포함한다.

다리부재(511/521)의 크기 정보를 제공하기 위하여 텔레스코핑 구역(611c/621c)에 지표(indicia)(631)가 제공될 수 있다.

지표(631)는 상기 다리부재(511/521)의 상대적인 크기들을 표시하기 위하여 구역(611c/621c)을 따라 축방향으로 프린트되거나 또는 다른 방법으로 도시된 정보를 포함한다.

상기 커버부들(611a/621a 및 611b/621b)이 서로에 대하여 상대적으로 이동되는 것과 같이, 상기 지표 중 일부 또는 전부는 사용자에게 상기 다리부재(511/521)의 대응하는 크기를 표시하기 위하여 보여지거나 숨겨진다.

바람직한 실시에에서, 각 하부 다리 커버부재(612/622)는 상부 커버부(612a/622a) 및 하부 커버부(612b/622b)를 포함한다.

상기 상부 및 하부 커버부들은 상기 하부 커버부재(612/622)의 크기 조절을 가능하게 하도록 텔레스코프적으로 체결된다.

상기 커버부들은 상기 하부 커버부재(612/622)를 늘리거나 줄이기 위하여 상대적으로 연장 또는 수축될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 하부 커버부(612b/622b)는 상대적으로 작은 지름을 갖는 섹션 또는 연장부(612c/622c)를 포함하고, 상기 플랜지 구역의 외부 지름/크기보다 상대적으로 큰 내부 지름/크기를 갖는 중공 상부 커버부(612a/622a) 내에 텔레스코프적으로 수신되도록 구성된다.

상기 하부 커버부재(611/621)는 하부 커버부와 인접한 말단부에서 상기 상부 커버부(612a/622a)의 외부 지름/크기와 크기가 실질적으로 유사한 상대적으로 큰 외부 지름/크기 구역(612d/622d)을 포함한다.

이런식으로, 상기 상부 다리 커버부재(612/622)의 낮은 크기 제한을 규정하도록, 상기 상부 커버부의 큰 섹션(612d/622d)과 상기 상부 커버부(612a/622a)의 말단부 사이에 제한부(limit) 또는 멈춤부(stop)가 제공된다.

이 낮은 크기 제한은 하부 다리 커버부재(622)내에 보여진다.

또한, 상기 커버부들(612a/622a 및 612b/622b)의 다른 방향으로의 상대적인 이동 정도를 제한하기 위하여 교대, 멈춤부 또는 제한부가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버부재(612/622)의 길이를 증가시킴으로써, 높은 크기의 한계점(threshold)을 제공할 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 상부 커버부는 상기 하부 커버부 내에 텔레스코프적으로 수신된 섹션을 포함할 수 있다.

상기 상부 커버부(612a/622a)는 상기 하부 다리부재(512/522)의 상부 다리부(512a/522a)에 결합되고, 상기 하부 커버부(612b/622b)는 상기 하부 다리부재(512/522)의 하부 다리부(512b/522b)에 결합된다(바람직하게는 구역(612c/622c)에서).

이런식으로, 상기 하부 다리부재(512/522)의 길이 조절은 상기 하부 커버부재(612/622)의 상부(612a/622a) 및 하부 커버부(612b/622b)의 이동을 야기한다.

따라서, 상기 커버부재(612/622)는 사용시 대응하는 다리부재(512/522)의 조절에 맞춰 스스로 조절가능하도록 이루어진다.

바람직한 실시예에서, 상기 상부(612a/622a) 및 하부 커버부들(612b/622b)은 상기 메커니즘으로의 사용자의 접근을 가능하게 하기 위하여 최소한 상기 락킹 메커니즘(800)의 레버들(810)을 노출시키기 위하여 상기 하부 다리부재(512/522)의 락킹 메커니즘(800)과 인접하여 위치되도록 이루어진 오목부(recesses)들을 포함한다

또한, 상기 상부 커버부(612b/622b)는 상기 하부 다리부재(512/522)의 크기를 조절하기 위한 도구를 수용하기 위하여 상기 메커니즘(800)의 조절 베어링(814)의 구멍에 인접하여 위치되도록 이루어진 오목부를 포함한다.

다리부재(511/521)의 크기 정보를 제공하기 위하여 텔레스코핑 구역(612c/622c)에 지표(indicia)(631)가 제공될 수 있다.

지표(631)는 상기 다리부재(511/521)의 상대적인 크기들을 표시하기 위하여 구역(612c/622c)을 따라 축방향으로 프린트되거나 또는 다른 방법으로 도시된 정보를 포함한다.

상기 커버부들(612a/622a 및 612b/622b)이 서로에 대하여 상대적으로 이동되는 것과 같이, 상기 지표 중 일부 또는 전부는 사용자에게 상기 다리부재(512/522)의 대응하는 크기를 표시하기 위하여 보여지거나 숨겨진다.

도 23은 완전히 연장된 다리 구조(510)의 외부 커버(610)와 완전히 축소된 다리 구조(520)의 외부 커버(620)를 나타낸다.

고정 메커니즘

도 2를 참조하면, 각각의 상부 다리부재들(511/521)과 하부 다리 부재들(512/522)은 각각의 다리 구조들로 사용자의 대응하는 다리들을 체결하기(fastening)위한 조절가능한 파스너(fastener)들(591/592)의 형태로 이루어진 파스닝 어레인지먼트(fastening arrangement)를 포함한다.

상기 파스너들(591/592)은 바람직하게는 크기 조절이 가능하도록 이루어진다.

상기 파스너들(591/592)이 유연한(flexible) 웨빙(webbing) 또는 스트랩(strap)을 포함하여 이루어지고, 버클을 통과하는 후크 및 루프 파스너 메커니즘이 될 수 있는 조절가능한 체결 어레인지먼트를 포함할 수 있다는 것으로 여겨진다.

또한, 조절가능한 체결 어레인지먼트는 일반적인 버클, 라쳇 버클(ratchet buckle) 또는 캐치 포메이션(catch formation)을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 고정 어레인지먼트는 사용자들의 사지들(limbs)과 관절들에 알맞은 배열을 확립하도록 위치, 구성 및 설계된 보장구(orthotics)를 포함하고, 상술한 스트랩들 또는 웨빙을 더 포함할 수 있다.

2.3 발 구조

발목 관절

도5 및 도 6을 참조하면, 각 하부 다리 부재(512/522)의 하단부(512b/522b)는 발목 관절(515/525)에 의하여 각각의 발 부재(530/540)에 회전가능하게(pivotally) 연결된다. 각 발목 관절(515/525)은 상기 각각의 하부 다리 및 발 부재들 사이의 최소한 하나의 축(axis), 바람직하게는 실질적으로(substantially) 직교하는(orthogonal) 두개의 축들에 대한 상대 회전(relative rotation)을 가능하게 한다.

특히, 각 발목 관절은 발목/발의 발등굽힘(dorsiflexion) 및 발목/발의 발바닥굽힘(plantar flexion) 움직임들을 달성시키기 위하여 주축(primary axis)(515A/525A)에 대한 상대 회전을 가능하게 한다.

상기 주축(515A/525A)은 엉덩이 및 무릎 관절 축들(514A, 513A/523A) 및 사용자의 수평면 및 관상면 과 실질적으로 평행하고, 더 높은 및 더 낮은 방향(superior and inferior direction)으로의 회전을 가능하게 한다.

바람직하게는 각 발목 관절은 발목/발 내번(inversion) 및 발목/발 외번(eversion) 동작을 달성하도록 상기 주축(513A/523A)과 실질적으로 수직인 2차축(515B/525B)에 대한 상대 회전을 가능하게 한다. 상기 2차축(515B/525B)은 사용자의 수평면과 시상면과 실질적으로 평행하고, 측방향(lateral) 및 안쪽방향(medial)의 회전을 가능하게 한다. 각 발목 관절(515/525)는, 상기 발 부재(530/540)의 중립 위치(neutral position)의 각 측면의 대략 0 내지 30도의 범위 내에서 주축(515A/515B)에 대한, 그리고, 상기 발 부재(530/540)의 중립 위치(neutral position)의 각 측면의 대략 0 내지 10도, 바람직하게는 0 내지 6도의 범위 내에서 2차축(515B/525B)에 대한 상기 하부 다리 부재(512/522)와 관련된 발 부재(530/540) 사이의 상대 회전을 가능하게 한다. 바람직한 실시예에서, 상기 발목 관절은 로즈 관절 형태로 이루어진다. 각 발목 관절(515/525)는 상기 로즈 관절의 각 측면에 배치된 수평으로 배열된 한쌍의 플라스틱, 바람직하게는, 아세틸, 부쉬에 의하여 측방향 및 안쪽방향 이동이 제한된다.

다른 실시예에서, 상기 발목 관절(515/525)은 상기 WA(100)의 요구된/필요한 복잡성(complexity) 단계 및/또는 관련된 인간 관절의 요구된/필요한 유사성 단계에 따라 사용자의 시상면, 관상면 및/또는 수평면들 중 어떠한 조합을 따르는 관련된 부분들 사이의 상대 회전이 가능하도록 이루어질 수 있다는 것으로 이해될 수 있다.

예를 들어, 다른 실시예에서, 상기 무릎 관절들(515, 525)은 주축 및/또는 2차축(515A/525A 또는 515B/525B)에 더불어, 측방향 및 안쪽방향에서 시상면과 관상면에 실질적으로 평행한 축에 대한 발의 상대적인 회전 외전(abduction)과 내전(adduction)을 가능하게 할 수 있다.

액츄에이터들

도 5 내지 7을 참조하면, 상기 외골격은 상기 다리 구조들(510, 520) 각각에 결합되고 사용자의 발의 이동에 도움을 주도록 구성된 한쌍의 이동가능한 발 부재들(530, 540)을 포함한다.

각 발 부재(530/540)는 대응하는 하부 다리부재(512/522)와 관련하여 발 지지부재(531/541)의 이동에 영향을 주도록 하기 위하여 발 지지부재(531/541)와 대응하는 액츄에이터들(573/583)을 포함한다.

상기 발 부재들(530, 540)은 각각 대응하는 발목 관절(515/525)과 관련하여 사용자의 발의 위치를 조절하기 위한 조절 메커니즘을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 각 하부 다리 부재(512/522)는 대응하는 한쌍의 발목 액츄에이터들(573a,b/583a,b)에 작동가능하도록 결합된다.

1차(primary) 전기기계식 액츄에이터(573a/583a)는 일단에서 상기 하부 다리부재(512/522) 상의 연결 포인트로, 그리고, 타단에서 상기 발 부재 프레임(530/540) 상의 연결 포인트로 작동가능하도록 연결되고, 축(515A/525A)에 대한 상기 발 부재(530/540)의 발등굽힘 및 발바닥굽힘 이동을 달성하도록 상기 발 부재를 상기 발목 관절(515/525)에 대하여 이동시키도록 이루어진다.

2차 전기기계식 액츄에이터(573b/583b)는 일단에서 상기 하부 다리부재(512/522) 상의 연결 포인트로, 그리고, 타단에서 상기 발 부재(530/540)의 각 측면 상의 연결 포인트로 작동가능하도록 연결되고, 2차축(515B/525B)에 대한 내번 및 외번 이동을 달성하도록 발목 관절(530/540)에 대하여 상기 발 부재를 이동시키도록 이루어진다. 상기 연결 포인트들은 각각 상기 상부 다리부재와 상기 엉덩이 관절과 관련한 위치에 고정된다.

상기 1차 및 2차 액츄에이터들(573a,b/583a,b)은 선형(linear) 액츄에이터들이다. 각 액츄에이터의 연장은 대응하는 발 부재(530/540)를 대응하는 방향 내의 대응하는 평면을 따라 이동시키고, 상기 액츄에이터의 수축(retraction)은 상기 발 부재(530/540)를 반대 방향 내의 평면을 따라 이동시킨다. 상기 액츄에이터들(573, 583)의 선형 동작은 상기 발목 관절들(515, 525)의 작동에 의한 발 부재들(530, 540)의 회전동작으로 바뀐다(translated).

낮은 자세의 외골격(low profile exoskeleton)(500)을 제공하기 위하여, 각 선형 액츄에이터는 대응하는 하부 다리부재와 실질적으로 평행하게 배열된다.

각 1차 액츄에이터(573a/583a)는 상기 발목 관절(515/525)의 뒤에서(상기 외골격의 전방에서) 상기 발 부재(530/540)와 회전가능하도록 결합되고, 예를 들어, 후측 및 전측 방향의 시상면을 따라, 그리고, 측방향 및 안쪽방향의 수평면을 따라, 실질적으로 수직인 두 축들에 대하여 회전하도록 이루어진다. 각 2차 액츄에이터(573b/583b)는 발목 관절(515/525)의 측면으로 회전가능하도록 결합되고, 상기 1차 액츄에이터의 두개의 축들과 실질적으로 수직인 축에 대하여 회전(pivot)하도록 이루어진다.

다른 실시예에서, 본 명세서 상의 관절 섹션에 기술된 바와 같은 상기 발 부재들의 요구된 회전 동작들을 달성하기 위하여, 액츄에이터의 개수, 방식, 및 구성은 해당 기술분야의 기계 기술자에 의하여 임의로 선택되어 사용될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

조절

도 26 내지 28을 참조하면, 바람직한 실시예의 각 발 부재(530/540)는 상기 외골격(500)의 발목 관절(515/525)의 위치와 함께 사용자의 발목 관절의 위치를 적절히 정렬하는 조절 메커니즘(900)을 포함한다.

상기 조절 메커니즘은 상기 발목 관절의 회전축(515A/525A 및 515B/525B) 중 하나, 바람직하게는 둘 다(예를 들어, 발목 관절의 두 회전축들의 교차점과 함께 사용자의 발목을 정렬한다)와 함께 사용자의 발목을 실질적으로 정력하기 위한 조절을 가능하게 한다.

상기 조절 메커니즘은 상기 발목 관절(515/525)과 관련하여 가로 또는 세로로, 바람직하게는 가로 및 세로 둘 다로 사용자의 발목의 위치를 조절 가능하게 한다.

상기 조절 메커니즘(900)은 상기 발 부재(530)과 관련하여 이하 기술된다.

상기 발 부재는 사용자의 발이 수용되는 위치 내에 제한 영역(535)을 포함한다.

상기 제한 영역(535)은 상기 발 부재(530) 상의 사용자의 발의 위치를 규정하는데 적합하다.

상기 영역(535)는 모든 측면들이 실질적으로 감싸지(enclosed)거나, 또는 몇몇 측면들이 개방되거나, 또는 하나 이상의 측면만이 감싸질 수 있다.

특히, 상기 제한 영역(535)은 베이스(base)(531)와 상기 발 부재(530) 상의 사용자의 발의 위치를 규정하기 위하여 상기 베이스로부터 연장하는 최소한 하나 이상의 격벽(wall)을 필요로 한다.

바람직한 실시예에서, 상기 발 부재(530)는 사용자의 발을 지지하도록 이루어진 지지면(support surface)(531a)을 갖는 베이스(31)를 포함한다.

바람직하게는, 상기 베이스(531)는 실질적으로 직각형(rectangular)으로 이루어지나, 특정 어플리케이션을 위하여 요구된/필요한 다른 다각형 형상으로 이루어질 수 있다.

도 28에 도시된 바와 같이, 상기 베이스는 하나 이상의 플레이트들과 댐핑(dampened) 구조를 제공하기 위하여 상기 베이스의 플레이트들 사이에 하나 이상의 스프링 부재들을 포함할 수 있다.

이동 시퀀스 또는 명령(instruction)의 실행 중 발 구조의 상태를 분석하기 위하여 상기 베이스의 저면(under surface)에 제어 시스템을 위한 압력 및/또는 촉각(tactile) 센서들이 제공될 수 있다.

상기 압력 센서들은 대응하는 제어 시스템으로 관련(relevant) 정보를 제공하기 위하여 상기 표면 내의 영역에 배치될 수 있다.

반대된 한쌍의 보유(retention) 격벽들(901, 902)은 비스듬히(laterally) 그리고 실질적으로 수직으로 상기 베이스(531)의 측면들(531a 및 531b)에서 상기 베이스(531)로 연장한다.

사용상, 사용자의 발은 상기 베이스(531) 상에서 지지된다. 그리고, 최소한 상기 보유 격벽들(901, 902)의 제한으로 수평적으로 제한된다.

측방향 힐 지지부재(lateral heel support)(903)는 상기 베이스(531)의 일단(531c)(후단부)으로부터 사용자의 발을 제한하도록 연장한다.

상기 힐 지지부재(903)는 사용자의 뒷꿈치(heel)을 수용하고 고정시키기 위한 오목부(recess)(904)를 포함한다.

상기 오목부(904)는 표면에서 사용자의 뒷꿈치가 편안히 감싸지도록 이루어진 부드럽고 오목한(concave) 표면을 포함한다.

상기 지지 표면(531a), 상기 보유 격벽들(901, 902) 및 상기 힐 지지부재(903)의 조합은 사용자의 발을 수용하고 고정시키기 위한 제한 영역(535)의 경계(boundaries)를 규정한다.

클레비스(905)를 포함하는 커넥터는 상기 발 부재(530)를 대응하는 다리 구조(510) 및 액츄에이터들(573a, b)로 결합시키기 위하여 상기 힐 지지부재(903)의 외표면에 인접하여 상기 베이스(531)로부터 측방향으로 연장한다.

상기 커넥터(905)는 상기 발목 관절(515)의 고정된 위치를 규정한다. 상기 커넥터 상의 제2 클레비스(905b)는 상기 1차 발목 액츄에이터와의 연결 포인트를 규정한다.

조절 메커니즘(900)이 상기 발목 관절(515)과 관련하여 제한 영역(535)의 위치를 고정적으로(fixedly) 조절하기 위하여 제공된다.

특히, 상기 힐 지지부재(903) 및/또는 상기 지지면(531a)을 포함하는, 상기 영역(535)의 최소한 하나의 경계는 제한 영역(535)을 이동시키기(relocate) 위하여 최소한 하나의 축 내에서 상기 발목 관절과 관련하여 위치를 조절가능하다

바람직한 실시예에서, 상기 힐 지지부재(903)는 상기 발 부재(530)를 따라 축방향으로 조절가능하도록 이루어지고, 상기 지지면(531a)은 실질적으로 수직 방향을 따라 측방향으로 조절된다.

상기 힐 지지부재(903)는 상기 커넥터(905)와 관련하여 위치를 조절가능하도록 이루어진다.

바람직한 실시예에서, 상기 힐 지지부재(903)의 위치는 상기 커넥터(905)와 관련하여 상기 힐 지지부재(903)의 위치를 조절하기 위하여 상기 발 부재(530)의 세로 길이를 따라 조절가능하도록 이루어진다.

상기 베이스부(portion)는 상기 베이스(531)의 후단부(531c)로부터 사전설정된 한계점(threshold) 위치를 향하여 실질적으로 서로 평행하고 실질적으로 세로로 연장하는 최소한 하나, 바람직하게는 한쌍의 직교하는 가이드 채널들(906, 907)을 포함한다.

상기 힐 지지부재(903)의 베이스(908)는 파스너들(909)를 통하여 상기 채널들(906, 907)과 함께 각 측면 상에서 슬라이드 가능하게 체결된다.

두 연장된(elongate) 채널들(906, 907) 가운데에서 연장된 조절 채널(910)이 상기 후단부(531c)로부터 사전설정된 위치를 향하여 세로로 연장한다.

상기 힐 지지부재(903)의 베이스(908)는 상기 발 부재(530)의 베이스(531)를 슬라이드 가능하게 체결하고, 상기 채널(910)과 가이드 채널들(906, 907)을 따라 상기 힐 지지부재(903)의 위치 조절을 가능하게 하도록 상기 조절 채널(910)과 이동가능하도록 결합된다.

이것은 상기 힐 지지부재(903)의 발목 관절(515)과 관련한 세로 방향의 위치 조절을 제공한다.

상기 베이스(531)와 관련한 이동을 방지하도록 상기 베이스(531)에 대한 힐 지지부재(903)를 락킹하기 위하여, 또는, 상기 베이스(531)와 관련한 이동을 가능하게 하도록 상기 베이스(531)에 대한 고정된 체결로부터 상기 힐 지지부재(903)을 해제하기 위하여 파스너(911)가 제공된다.

상기 파스너(911)는 상기 채널(910)과 관련한 위치에서 상기 힐 지지부재(903)을 고정시키기 위하여 락킹 위치에서 상기 힐 지지부재(903)의 베이스(908)와 상기 발 부재(530)의 베이스(531) 사이의 텐션을 제공하거나, 또는 해제 위치에서 상기 채널(910)과 관련하여 상기 힐 지지부재(903)를 이동시키기 위하여 상기 힐 지지부재(903)의 베이스(908)와 상기 발 부재(530)의 베이스(531) 사이의 텐션을 해제한다.

상기 채널(910)을 따르는 상기 힐 지지부재(903)의 상대적인 위치에 대응하는 인접 값들을 표시하기 위하여 인접 채널(910)과 인접하여 지표(912)가 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 상기 가이드 채널들(906, 907)이 제공되지 않지만, 바람직한 실시예에서의 실질적으로 수직인 축에 대한 상기 힐 지지부재(903)의 회전을 방지함에 따른 장점을 제공할 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 지지면(531a)은 상기 발목 관절(515)과 관련하여 최소한 실질적으로 수직인 축에서 위치를 조절가능하도록 이루어진다. 상기 지지면(531a)은 상기 지지면(531a)의 높이(elevation) 단계의 조절을 통하여 조절될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 지지면(531a)의 높이 조절 및 이에 따른 상기 외골격(500)의 발목 관절(515)와 관련한 사용자의 발의 높이 조절을 가능하게 하기 위하여 하나 이상의 포장 요소(packer element)들 또는 플레이트들(920)이 제공된다.

특히, 두께가 동일하거나 또는 변하는 하나 이상의 포장부재(packer)(920)는 상기 발 부재의 베이스(531)의 높이를 증가시키기 위하여 제한 격벽(901, 902) 내에서 제한될(retained) 수 있다.

바람직하게는, 각 포장부재의 외부 주변부(periphery)는 상기 포장부재들과 상기 제한 격벽들 사이의 고정된 체결을 제공하기 위하여 제한 격벽들(901, 902)의 내부 주변부(901a 및 902a)와 상호보완적(complementary)으로 이루어진다.

상기 포장부재들(920)은 대략 0.1 내지 20mm의 두께, 예를 들어, 그리고, 보다 바람직하게는, 대략 0.5 내지 15mm, 더 바람직하게는, 1 내지 10mm의 두께로 이루어질 수 있다.

예를 들어, 상기 포장부재들은 대략 8, 4, 2, 또는 1mm의 두께가 될 수 있다.

사용자의 발 위치를 상기 발목 관절(515)와 관련하여 측방향으로 조절하기 위하여 상기 발 부재(530)의 상기 베이스(531)의 높이를 증가시키도록 하나 이상의 포장부재들(920)의 어떠한 조합이라도 사용될 수 있다.

바람직하게는, 상기 포장부재(920)는 실질적으로 부드러운 플라스틱 물질, 예를 들어, 저밀도 내지 중밀도 폴리에틸렌(Polyethylene)로 형성될 수 있다.

견고한 플라스틱들 또는 금속 물질과 같은 다른 물질들이 상기 포장부재(920)을 위하여 사용될 수 있다. 그러나, 착용자에게 편안한 충분히 부드럽고 탄성을 갖는(resilient) 물질이 가장 바람직하다.

사용자의 발을 상기 발목 관절(525)과 관련하여 조절할 수 있도록 발 지지부재(540)에 유사한 조절 메커니즘(900)이 제공된다.

2.4 엉덩이 프레임

도 7 내지 12를 참조하면, 바람직한 실시예의 엉덩이 프레임(550)은 상기 외골격(500)의 작동 중 굽힘(flexing)을 최소화 하기 위하여 상대적으로 낮은 무게로 이루어지고 상대적으로 높은 강성(rigidity) 을 갖도록 이루어진다.

바람직하게는, 상기 엉덩이 프레임(550)은 단일 유닛으로서 탄소 섬유(carbon fibre)로부터 몰딩된다.

상기 엉덩이 프레임(550)은 중공(hollow)의 공간을 가로질러 연장하는 가로의 전단망(shear webs)을 포함하는 내부의 중공 공간(미도시)를 포함한다.

또한, 상기 엉덩이 프레임(550)은 유리섬유로 이루어질 수도 있으며, 다른 실시예에서는 공지된 적절한 소재로부터 형성될 수 있다.

상기 엉덩이 프레임(550)은 사용자의 후측(posterior)을 지지하도록 이루어지고, 등 지지부재(back support)(551) 및 상기 등 지지부재(551)의 각 측면으로부터 가로로 연장하는 한쌍의 제한 암(552, 553)을 포함한다.

상기 등 지지부재(551) 및 암들(552, 553)은 사용자의 하부 등과 엉덩이 영역을 수용하고 유지하도록 구성된 내부 오목부(recess)를 제공하기 위하여 단면이 상기 프레임(550)의 폭을 가로지르는 U자 형상(U-shaped) 프레임(550)을 형성한다.

바람직한 실시예에서, 상기 등 지지부재(551)는 사용자의 골반 또는 경추(cervical) 영역을 받치도록(brace) 구성된 (연장된)말단부(554)로부터 사용자의 요추(lumbar) 또는 하부 흉부(thoracic) 영역(중-하부 등 영역)을 받치도록 구성된 반대쪽 말단부(555)로 연장하도록 이루어진다.

상기 암(552, 553)들은 각각 사용자가 그들의 팔을 휴식하도록 하기 위한 인체공학적 상부면(556, 557)과 함께 형성된다.

각 암의 반대쪽 말단부에서 견고한 형태(rigid formation)(558, 559)가 대응하는 다리 구조의 엉덩이 관절(514/524)의 결합을 위한 상부면(556/557)으로 제공된다.

대응하는 엉덩이 관절(514/524)과 상기 1차 액츄에이터(571a/581a)의 대응하는 말단부를 회전가능하도록 유지하기 위한 각각의 한쌍의 클레비스를 형성하기 위하여 채널 또는 오목부(558/559)가 각 암(552/553)의 저면 상에 제공된다.

도 2를 참조하면, 사용자를 대응하는 엉덩이 프레임(550) 내에 잡아두기(hold) 위한 골반 띠(harness)가 제공될 수 있다.

상기 띠는 사용자의 엉덩이를 상기 엉덩이 프레임(550)에 안락하게 잡아두기 위하여 멜빵(braces), 줄(tethers), 스트랩(strapping), 띠, 또는 웨빙을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 띠(560)는 사용자의 다리와 관련하여 연장하고, 사용상 사용자에 의하여 적절하게 메거나 풀(fastened and released) 수 있는 조절가능한 스트랩 또는 웨빙을 포함한다.

상기 웨빙은 사용자에 따라 제한 크기와 레벨을 변경하도록 길이를 조절가능하도록 이루어진다.

상기 웨빙은 상기 외골격(500)으로 들어가거나 나오는 것을 가능하게 하는 클립 커넥터 및/또는 후크 및 루프 체결부를 포함하는 어떠한 적절한 체결 시스템이라도 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 세개의 해제가능한(releasable) 스트랩들 또는 웨빙이 제공된다. 제1 스트랩은 사용자의 허리를 가로질러 연장하도록 이루어지고, 각 말단부에서 상기 엉덩이 프레임(550)의 암들(552, 553)과 결합된다.

상기 스트랩은 상기 스트랩의 두개의 스트랩 세그먼트들을 해제하고 체결하도록 하기 위한 중간(intermediate) 커넥터를 포함한다.

또한, 각각 사용자의 넓적다리(thigh)의 안쪽을 가로질러 각각의 엉덩이까지 가로지르도록 이루어진 한쌍의 상부 다리 스트랩들이 제공된다.

상기 스트랩을 상기 프레임(550)에 해제가능하도록 체결하고 사용자의 다리를 고정하기 위하여 상기 엉덩이 프레임(550)의 인접한 암(552/553) 상에 대응 커넥터가 제공된다.

웨지 형상의 폼(foam) 또는 다공성 플라스틱(foamed plastic)과 같은 물질로 구성된 포장부재 어레인지먼트가 제공될 수 있고, 선택적으로, 상기 엉덩이 프레임(550)내에서 사용자에 의하여 스너그핏(snug fit)을 확립하기 위하여 사용될 수 있다.

상기 포장부재 어레인지먼트는 팽창가능한 박판(thin walled) 압력 용기(vessel)가 될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 상기 외골격(500)에 상기 엉덩이 프레임(550)에 부착되는 하나 이상의 몸통(torso) 띠(harnesses) 또는 상체 멜빵(braces)이 더 제공될 수 있다.

상기 상체 멜빵은 예를 들어, 상체의 움직임이 제한된 사용자들을 위하여 제공될 수 있다.

이 상체 멜빵은 사용자의 상체의 움직임의 균형에 도움을 주는 프레임 또는 코르셋을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 몸통 띠는 상기 골반 띠(560)와 연결될 수 있다.

사용자 제어

상기 WA는 주로 허리 높이에 위치된 조이스틱(593) 및 키패드(594)에 의하여 사용자에 의하여 제어된다. 상기 조이스틱(593) 및 키패드(594)는 암(595)에 의하여 지지될 수 있다.

상기 암(595)은 최소한 하나 이상의 작동가능 위치와 최소한 하나 이상의 중단(retired) 위치 사이를 이동하도록 상기 외골격과 관련하여 회전가능하도록 이루어질 수 있다.

상기 작동가능 위치는 상기 암이 허리 높이의 키패드 및 조이스틱과 함께 실질적으로 수평으로 연장하는 위치 및/또는 사용자의 상부 다리와 인접한 키패드 및 조이스틱과 함께 실질적으로 수직으로 연장하는 위치가 될 수 있다. 중단 위치는 상기 암이 실질적으로 수직으로 연장하는 위치가 될 수 있다.

3. 제어 시스템

WA의 제어 시스템의 바람직한 형태는 도 29a 내지 34에 도시된다.

한 예로서, 제어 시스템은 도 1 내지 28에 기술된 외골격의 바람직한 실시예를 참조로 하여 기술된다.

그러나, 상기 제어 시스템 구조, 방법 및 기술은 유사한 제어 기능 및 이에 따른(fitting) 요구사항들을 갖는 다른 이동성 보조장치 및 외골격 시스템들에도 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

상기 제어 시스템은 어떠한 하드웨어 시스템, 플랫폼 또는 아키텍쳐 상에 적용될 수 있다는 것으로 이해되어야 한다.

상기 하드웨어 시스템은 상기 WA에 탑재되고, 바람직하게는, 제어 시스템 알고리즘을 수행하기 위한 최소한 하나 이상의 프로세서, 제어 시스템 알고리즘 및 데이터를 저장하기 위한 메모리, 및 예를 들어, 센서 신호들을 수신하고, 외골격 액츄에이터들을 작동시키는 것과 같은, 다른 WA 요소들과 통신하고 작동시키기 위한 인터페이스 회로를 포함하여 이루어진다.

상기 프로세서는 CPU, 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(Field-Programmable Gate Array), 마이크로 컨트롤러, 주문형 집적회로(Application-Specific Integrated Circuit), 등의 어떠한 프로그램가능한 하드웨어 장치 형태로도 이루어질 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제어 시스템은 상기 골반 지지부재(550) 내에 하우징되고, 그 뒤를 통하여 접근가능하도록 이루어진다.

상기 제어 시스템은 HID(human device interface)를 통하여 사용자의 입력, WA의 균형을 감지하는 센서 입력 및 지형 변화와 같은 환경적 요인들에 기반하는 상기 외골격(500)의 액츄에이터의 행동 및 이동을 제어한다.

전원이 입력되면, 상기 WA 제어 시스템은 아이들 상태에서 현재 위치를 유지하고 컨트롤 패드(control pad)를 통한 사용자 입력을 대기한다.

상기 사용자 입력은 한 세트의 모터 컨트롤러들과 같은 액츄에이터 컨트롤러를 통하여 상기 액츄에이터들의 사전-프로그램된 이동 시퀀스를 트리거(trigger)하는 한 세트의 명령값으로 변환된다.

제어 시스템의 바람직한 형태는 일련의 사전-프로그램된 시퀀스들을 저장하고, 각 시퀀스는 걸음, 앉은(sitting), 및 일어선(standing)과 같은(그러나, 이에 한정하는 것은 아니다) 다른 동작들에 영향을 주도록 이루어진다.

각 사전-프로그램된 시퀀스는 사용자에 의하여 사전-프로그램된 시퀀스를 변경하도록 캘리브레이션 중 변경사항들을 결정함으로써 조절될 수 있다.

상기 사전-프로그램된 시퀀스는 상기 액츄에이터들의 물리적 위치 및/또는 환경 센서들로부터의 적절한 신호들에 의하여 완성되어 결정된 이벤트 또는 이벤트/명령의 시퀀스를 수행하도록 구동된다(driven).

시간 및 위치 시퀀스들을 사전-프로그램함에 의하여, 컴퓨터를 사용하는(computational) 시간 및 전력이 절약된다.

도 34를 참조하면, 제어 시스템의 바람직한 형태는 인간 기계 인터페이스(human machine interface)(1601), 무선 인터페이스(1640), 캘리브레이션 서브-시스템(1630) 및 모터 제어 서브시스템(1620)을 포함한다.

상기 모터 제어 서브시스템(예를 들어, 액츄에이터 컨트롤러)은 액츄에이터들(1612)에 연결된다. 상기 액츄에이터들(1612) 내에 센서들을 포함하는 다양한 센서들(1610, 1611)은 상기 액츄에이터들의 위치와 같은 피드백(feedback)을 제공한다.

상기 컨트롤 패널(1601)을 통한 및/또는 무선 인터페이스(1640)을 통한 사용자 입력은 상기 제어 시스템(1690)에 의하여 사전-프로그램된 명령으로 변환된다.

상기 프로그램된 명령들은 상기 모터 컨트롤러(1620)가 상기 액츄에이터(1612)를 동작하도록 명령한다.

상기 사전-프로그램된 명령들은 사용자의 크기/구조(예를 들어, 키 및/또는 몸무게)에 따른 캘리브레이션 단계(1630) 중에 또는 후에 변경될 수 있다.

3.1 인간 기계 인터페이스

바람직한 실시예에서, 12개의 멤브레인 키패드 버튼들, 3개의 LED들, 조이스틱 및 배터리 미터를 포함하는 컨트롤 패드는 인간 기계 인터페이스를 위하여 사용될 수 있다.

다른 적절한 인간 기계 인터페이싱 컨트롤이 사용될 수 있다. 예를 들어, 터치 스크린이 컨트롤 패드 대신 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, LCD 스크린이 LED들과 배터리 미터를 대신하여 장치와 관련한 다른 적절한 상태 정보를 표시할 수 있다.

바람직한 실시예의 키패드는 상기 WA의 on과 off를 전환하는데 사용하는 ON/OFF 버튼, 상기 WAW를 앉게 하는데 사용되는 ‘앉기’ 버튼, 상기 WA를 일어서게 하는데 사용되는 ‘일어서기’ 버튼, 및 상기 WA의 주 전원이 방전되면 전원 공급을 위한 긴급 배터리를 사용하도록 하는 ‘긴급 전원’을 포함한다.

선택된 기능을 취소하는 취소 버튼이 존재할 수 있다. 앉은 위치에서 사용되는 ‘발 들기’ 및 발 내리기(lower feet) 기능이 존재할 수 있다. 경고 및 기능의 선택을 표시하는 소리가 나는 버저(buzzer)가 존재할 수 있다.

상기 키패드는 상기 WA에 오류가 있을 때 일정 비율로 깜빡이는 하나의 LED, 장치가 충전될 때 켜지는 하나의 LED, 긴급 전원이 사용될 때 켜지는 하나의 LED를 포함하는 세개의 LED들을 포함한다.

상기 배터리 미터는 LED 배열로 이루어질 수 있고, 주 전원 팩의 사용가능한 전원을 표시할 수 있다. 예를 들어, 모든 LED가 켜지면 상기 배터리가 완충된 상태, 모든 LED가 꺼지면 상기 배터리의 충전이 필요한 상태를 표시한다.

상술한 다른 실시예에서, 상기 LED들은 상기 LED들 및 다른 유사한 방법으로 제공된 정보를 표시하는 LCD 스크린으로 대체될 수 있다.

상기 조이스틱은 상기 WA의 걸음 동작을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.

상기 조이스틱을 전방 또는 후방으로 선택한 후 빠르게 해제하는 것은 상기 WA를 전방 또는 후방 각각으로 정적 걸음(static step)을 걷게 하고, 상기 조이스틱을 전방 또는 후방으로 긴 기간 동안 유지(holding)하는 것은 상기 WA를 전방 또는 후방 각각으로 동적 걸음을 걷게 한다.

상기 조이스틱을 좌측 또는 우측으로 미는(pushing)것은 상기 WA를 좌측 또는 우측 각각으로 걷게 한다.

상기 조이스틱을 비스듬하게 전방 또는 후방으로, 그리고 동시에 좌측 또는 우측으로 미는 것은 상기 WA를 대응하는 방향으로 전환(turn)시킨다.

3.2 무선 제어

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 WA는 무선 원격측정 장치(telemetry)를 통하여 대응하는 트랜스미터를 갖는 원격 컴퓨터 또는 다른 원격 전기장치로부터 전송된 입력 데이터/신호들을 수신하고 처리하도록 이루어진 무선 리시버를 포함한다.

상기 입력 데이터는 예를 들어, 상기 외골격의 원격 제어를 위한 하나 이상의 제어 신호들을 나타낼 수 있다.

원격 장치는 데스크톱, 랩톱, 노트북, 태블릿 또는 모바일 장치를 포함하나 이에 한정하는 것은 아니다.

“모바일 장치”는 무선 장치, 모바일 폰, 모바일 통신 장치, 사용자 통신 장치, 개인 디지털 조수(assistant), 모바일 핸드-헬드 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 전기 책 리더 및 전자 컨텐츠들을 판독가능한 판독 장치 및/또는 개별적으로 이동되거나 무선 통신 기능(예를 들어, 무선, 적외선, 근거리 주파수, 등)의 몇몇 형태를 갖는 다른 방식의 모바일 장치들을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 무선 리시버는 주파수로 알려진 방사(radiation) 신호들을 수신하도록 이루어진 안테나 및 상기 안테나에 결합된 프로세서를 포함할 수 있다.

상기 프로세서는 대응하는 무선 프로토콜과 관련하여 안테나에 의하여 수신된 신호들을 처리하도록 이루어진다.

공지의 어떠한 무선 검침 방법(wireless telemetry methodology)이라도 본 발명의 상기 WA 시스템에 사용될 수 있는 것으로 이해되어야한다.

예를 들어, 원격 장치와 본 발명의 무선 리시버/인터페이스(1640) 사이의 무선 통신을 달성하는데 2.4GHz ISM 밴드가 사용될 수 있다. 그리고, 주파수 호핑 스프레드 스펙트럼 프로토콜 또는 공지의 다른 적절한 주파수 및 프로토콜 조합을 사용할 수 있다.

상기 무선 리시버는 상기 WA의 제어 시스템에 통합될 수 있다. 또는 상기 WA상에 주어진 적절한 포트(port)에 연결될 수 있는 분리된 모듈로 이루어질 수 있다.

후자의 경우, 상기 제어 시스템은 상기 모듈의 접속을 식별하도록 이루어지고, 상기 모듈에 의하여 수신된 정보를 처리하기 위하여 상기 모듈과 통신하도록 이루어진다.

입력 인터페이스는 사용자가 하나 이상의 제어 및/또는 명령 신호들을 나타내는 데이터를 입력하게 하고, 상기 제어 및/또는 명령 신호들을 무선으로 상기 외골격으로 전송하도록 원격 장치에 의하여 제공된다.

상기 원격 장치로부터 무선 리시버로 전송될 수 있는 명령 신호들의 예는 이하와 같다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.

? 상기 WA를 on시키는 on 명령

? 상기 WA를 off시키는 off 명령

? 상기 WA를 앉게하는 ‘앉기(sit)’ 명령

? 상기 WA를 서게하는 ‘일어서기(stand)’ 명령

? 상기 WA의 주 전원이 방전되면 상기 WA로 전원을 공급하기 위하여 긴급 배터리를 사용하도록 하는 ‘긴급 전원’ 명령

? 상기 외골격이 앉은 위치에서 발을 들고 내리도록 하는 ‘발 들기’ 및 ‘발 내리기’ 명령

? 상기 외골격을 전방, 후방, 좌측 또는 우측으로 각각 한걸음 걷게 하는 ‘전방 정적 걸음’, ‘후방 정적 걸음’, ‘좌측 정적 걸음’, 및 ‘우측 정적 걸음’ 명령

? 상기 외골격을 전방, 후방, 좌측 및 우측으로 각각 연속적으로 걷게하는 ‘전방 동적 걸음’, ‘후방 동적 걸음’, ‘좌측 동적 걸음’, 및 ‘우측 동적 걸음’ 명령

? 상기 외골격을 좌측 및 우측을 각각 돌게 하는 ‘좌측으로 돌기’ 및 ‘우측으로 돌기’ 명령

상기한 명령 신호들은 상기 WA의 무선 리시버에 의하여 수신되고, 이후의 처리를 위하여 상기 제어 시스템으로 공급된다. 상기 원격 장치들로부터 상기 외골격으로 전송되는 명령 신호들은 명령에 대응하는 이벤트(후술됨)들의 사전-프로그램된 시퀀스를 트리거(trigger)한다.

몇몇 실시예에서, 무선 리셉션 모듈(wireless reception module)은 하나 이상의 특정 액츄에이터들의 요구된 상대적인 이동들을 표시하는 명령 신호들을 수신하도록 이루어질 수 있다.

이 경우, 제어 시스템은 이 신호들을 수신하고, 대응하는 액츄에이터를 위한 요구된 이동을 달성하기 위하여 그것들을 모니터 컨트롤러로 직접 전송한다.

상기 무선 리시버는 모터, 액츄에이터 및/또는 배터리 상태 신호들과 같은 상기 원격 장치로 전송하는 신호들로 이루어지는 트랜시버(transceiver)일 수 있다.

3.3 사전 프로그램된 명령들/시퀀스들

상기 WA는 인간 기계 인터페이스를 통하여 사용자에 의하여 제어된다. 상술한 바와 같이, 바람직한 실시예의 인간 기계 인터페이스는 키패드이다. 상기 키패드를 작동하는 것은 이벤트들의 사전-프로그램된 시퀀스를 트리거한다. 또한, 상기 WA는 원격 장치의 인간 기계 인터페이스를 통하여 무선으로 제어될 수 있다. 유사하게 상기 원격 장치로부터 상기 외골격으로 전송되는 명령 신호들은 이벤트들의 사전-프로그램된 시퀀스를 트리거한다.

이 시퀀스들은 사용자를 균형 상태에서 일정하게 유지하는 시간이 정해진(timed), 동작의 각도(angular) 시리즈들로 이루어진다. 만일 이 균형 상태가 외력 또는 사용자의 움직임에 의하여 깨지면(upset), 상기 장치 서브시스템들은 환경적 용인들을 조절하기 위한 입력 변수(variables)들과 함께 사전-프로그램된 시퀀스들을 중단하고 업데이트한다.

따라서, 상기 사전-프로그램된 시퀀스들은 평지(flat terrain), 예를 들어, 이동 방향에 대한 세로 또는 가로 방향에 경사가 이루어지지 않는 것으로 추정한다.

각 사전-프로그램된 이동 시퀀스는 요구된 이동을 수행하기 위하여 필요한 시퀀셜 명령들(sequential instruction)의 개수에 대응한다.

상기 시퀀셜 명령들은 특정 이동 시퀀스를 수행하기 위하여 인간 관절들에 요구되는 이동을 위한 걸음들의 몇몇 정도(extent)를 모방한다.

모든 명령들은 요구된 명령을 수행하는 액츄에이터들의 이동과 관련한 특정 세트에 대응한다.

따라서, 상기 제어 시스템은 모든 사전-프로그램된 시퀀스, 상기 시퀀스에 대응하는 명령들 및 모든 명령들에 요구되는 액츄에이터 이동을 저장해야 한다.

도 29a 내지 33b는 사전-프로그램된 이동 시퀀스들, 이 시퀀스들에 대응하는 명령들, 및 이러한 특정 명령들에 요구되는 상대적인 액츄에이터 이동들을 제공한다.

이하의 실시예들에서, 도 1 내지 44의 외골격의 모델(700)이 이해를 쉽도록 개략적으로 도시된다.

이전의 명령에 대한 상기 액츄에이터들의 이동(최초의 명령의 경우, 일어서는(upstanding) 제어 위치로부터의 이동)에 대응하여 화살표가 도시되었다.

도 1 내지 44의 외골격(500)을 위하여 기술된 바와 같이, 상기 외골격의 관절각들은 특정 관절에 대응하는 액츄에이터들의 길이를 변화시킴으로써 변경된다.

따라서, 액츄에이터들(701 내지 710)은 특정 명령 중에 길어지거나 짧아지는 것을 나타내는 화살표로 표시된다.

각각 외골격(500)의 액츄에이터들(19, 39, 13, 16 및 38) (관절들 17, 12 및 14에 대응하는)에 대응하는 액츄에이터(701 내지 710)는 이하의 표 1에 도시된다.

[표 1]

도 29 내지 33의 이동 시퀀스들의 실시예에서, 액츄에이터(701 내지 710)에 참조번호가 기재되었으며, 특히, 도면들의 대응하는 화살표의 표시 길이의 변화가 기재되었다.

걷기 - 정적 걸음

정적 걸음 이동 시퀀스가 도 29(a) 내지 (j)에 도시된다.

정적 걸음은 각 다리에 의하여 이루어지는 한걸음(one step)을 필요로 하며, 상기 외골격(700)을 제어된 포지션에서 두 다리가 (인접하여) 나란히 서있게(좌측 또는 우측으로 기울어지지 않음) 한다.

걷기 전, 상기 WA는 일어서기 포지션인지 체크할 수 있다.

상기 WA 및 사용자의 합쳐진 무게 중심은 먼저 한 발 위의 측면으로 이동된다.

상기 시스템은 무게 중심이 해당 발 위에 바로 위치하게 한다.

다른 다리는 들어올려지고 전방으로 이동되고, 이후, 첫번째 발 앞의 위치의 지면상에 내려진다.

그다음, 상기 WA 및 사용자들의 합쳐진 무게 중심은 앞발(forward foot)의 바로 위의 측면으로 이동되고, 이후, 다른 발이 올려지고 상기 첫번째 발과 나란히 위치하도록 이동된다. 그리고, 이 위치에 내려진다.

도 29의 특정 실시예는 정적 걸음을 하는 우측 다리를 도시한다.

몇몇 명령들의 명령(order)을 간단히 변경하는 것으로부터 좌측 다리의 이동을 위한 유사한 프로그램된 시퀀스가 상기 시스템에 의하여 저장될(stored) 수 있다.

또한, 실시예는 전방 걸음을 도시하였으나, 후방 걸음과 관련하여 상기 명령(instruction)들을 변경하여 사전-프로그램될 수 있다는 것은 해당 기술 분야의 기술자에게 자명한 사항이다.

이하의 명령들은 정적 걸음 프로그램된 시퀀스(우측 다리가 선행(leading)하는 전방 걸음)를 위하여 저장된다.

i) 외골격(700)이 좌측으로 기울어짐(도 29a)

ii) 골반을 좌측으로 기울임(도 29b)

iii) 우측다리를 들어올리고 전방으로 이동시킴(도 29c)

iv) 우측 다리가 좌측 다리의 앞에 위치되도록 우측 다리를 지면으로 내림(도 29d)

v) 상기 외골격(700)의 무게(사용자 포함)를 우측으로 이동시키고, 상기 외골격(700)은 제어된 포지션에 존재한다(도 29e)

vi) 상기 외골격(700)의 무게를 우측으로 계속 이동시킴(도 29f)

vii) 상기 외골격(700)의 골반을 우측으로 기울임(도 29g)

viii) 좌측 다리를 전방으로 이동시킴(도 29h)

ix) 좌측 다리가 우측 다리와 인접하도록 지면으로 내림(도 29i)

x) 상기 외골격(700)의 무게(사용자 포함)를 좌측으로 이동시키고, 상기 외골격(700)은 제어된 포지션에 존재한다(도 29j)

메모리가 온보드(onboard)된 시스템은 각 이동 시퀀스에 대하여 상술한 명령들을 위한 상대적인 액츄에이터의 이동을 저장한다.

길이를 변경하는 이 액츄에이터들은 도 29a 내지 29j에만 도시된다.

양단부가 화살표인 표시는 대응하는 액츄에이터의 길이 증가/확장을 나타내고, 화살표가 마주보는 표시는 대응하는 액츄에이터의 길이 감소/수축을 나타낸다.

예를 들어, 정적 걸음 이동 시퀀스를 위한 좌측 기울어짐 명령(i)를 수행하기 위하여, 액츄에이터들(701 내지 710)은 제어된 포지션/일어선 상태(예를 들어, 도 29j에 도시된 명령 이후의 상태)와 관련하여 아래와 같이 상대적으로 이동될 필요가 있다.

연장 액츄에이터(701, 702, 704, 706 및 709)

수축 액츄에이터(703, 705, 707, 708 및 710)

유사하게, 정적 걸음 시퀀스의 나머지 명령들(ii 내지 x)은 도 29b 내지 도 29j에 도시된 바와 같이 액츄에이터의 이동(이전의 명령에 의하여 야기된 액츄에이터의 길이에 대한)을 필요로 한다.

예를 들어, 이하에 도시된 표 2는 도 29의 정적 걸음 이동 시퀀스 중의 10개의 액츄에이터들(701 내지 710)의 길이의 상대적인 변화를 보여준다.

이러한 길이 변화들의 변화는 각 명령에 대하여 저장되고, 정적 걸음 이동 시퀀스가 초기화되면 예를 들어, 사용자 인터페이스를 통하여 사용자에 의하여 각 시퀀셜 명령 콜(call)과 함께 모터 제어 시스템으로 전송된다.

도 2의 음의 값(negative value)은 이전의 명령에서의 말단부의 길이에 대한 액츄에이터의 수축을 나타낸다. 그리고, 양의 값(positive value)은 이전의 명령에서의 말단부의 길이에 대한 액츄에이터의 연장을 나타낸다.

걷기 - 동적 걸음

좌측 동적 걸음 이동 시퀀스가 도 30(a) 내지 (e)에 도시되고, 우측 동적 걸음 이동 시퀀스가 도 31(a) 내지 (e)에 도시되고,

동적 걸음 시퀀스는 사용자가 단일 걸음을 걷기 보다는 연속적으로 걷기를 원할 때 사용된다(예를 들어, 사용자는 사용자 인터페이스의 조이스틱을 전방 위치로 잡고 유지함으로써 이 시퀀스를 명령할 수 있다). 상기 제어 시스템은 좌측 및 우측 동적 걸음들을 바꾸며 동적 걸음 시퀀스를 진행한다.

걸음을 걷기 전, 상기 WA는 일어서기 포지션인지 체크할 수 있다.

그다음, 상기 WA 및 사용자들의 합쳐진 무게 중심은 앞발(forward foot)의 바로 위의 측면으로 이동되고, 이후, 다른 발이 올려지고 상기 첫번째 발 앞의 위치로 이동된다. 그리고, 이 위치에 내려진다.

이 시퀀스는 사용자가 조이스틱을 적절한 명령 위치로 잡고있는 동안 반복되고, 상기 조이스틱이 해제되면, 그 다음의 발은 사용자를 두 발이 나란히 위치한 일어서기 포지션으로 멈추게 하도록 사용자의 전방에 위치된 발과 나란히 내려진다.

도 30a 내지 30e에 도시된 바와 같이 좌측 동적 걸음은 이하의 시퀀셜 명령들의 세트를 포함한다.

(i) 상기 외골격(700)을 좌측 기울어진 포지션을 취하도록 상기 외골격(700)의 무게(사용자 포함)를 좌측으로 이동시킴(도 30a)

(ii) 외골격(700)을 좌측으로 기울임(도 30b)

(iii) 우측다리를 들어올리고 전방으로 이동시킴(도 30c)

(iv) 우측 다리가 좌측 다리의 앞에 위치되도록 우측 다리를 지면으로 내림(도 30d)

(v) 상기 외골격(700)의 무게(사용자 포함)를 우측으로 이동시키고, 상기 외골격(700)은 제어된 포지션에 존재한다(도 30e)

도 30a 내지 30e는 상기한 각각의 좌측 동적 명령들(i) 내지 (v)을 수행하는데 필요한 상대적인 액츄에이터 이동들을 나타낸다.

도 31a 내지 31e에 도시된 바와 같이 우측 동적 걸음은 이하의 시퀀셜 명령들의 세트를 포함한다.

(i) 상기 외골격(700)을 우측 포지션을 취하도록 상기 외골격(700)의 무게를 우측으로 이동시킴(도 31a)

(ii) 외골격(700)을 우측으로 기울임(도 31b)

(iii) 좌측다리를 들어올리고 전방으로 이동시킴(도 31c)

(iv) 좌측 다리가 우측 다리에 인접하도록 좌측 다리를 지면으로 내림(도 31d)

(v) 상기 외골격(700)의 무게(사용자 포함)를 좌측으로 이동시키고, 상기 외골격(700)은 제어된 포지션에 존재한다(도 31e)

도 31a 내지 31e는 상기한 각각의 우측 동적 명령들(i) 내지 (v)을 수행하는데 필요한 상대적인 액츄에이터 이동들을 나타낸다.

표 3은 하나의 동적 걸음 시퀀스(우측 동적 걸음에 따른 좌측 동적 걸음)의 액츄에이터의 상대적인 길이 변화의 일 실시예를 나타낸다.

앉기

앉기 시퀀스 전, 상기 WA는 일어서기 포지션인지 체크할 수 있다.

사용자가 앉기 시퀀스를 활성화하면, 시트(seat) 센서들이 활성화될 수 있다.

상기 액츄에이터들은 안정성을 확립하기 위하여 발의 바로 위에 상기 WA 및 사용자의 합쳐진 무게 중심을 유지한 상태로 천천히 자세를 낮춘다. 상기 WA는 이후 후방 커버/시트 센서들을 상기 시트의 표면과 접촉할 때 까지 천천히 낮춰진다.

도 32a 및 32b는 앉기 명령에 대한 명령들을 아래와 같이 나타낸다.

(i) 무게 중심을 전방으로 낮춤(도 32a)

(ii) 무게 중심을 상기 시트 상으로 이동(도 32b의 앉기 포지션의 말단부(ending))

아래의 표 4는 상기 명령 (i) 및 (ii)에 의하여 정의되는 앉기 시퀀스를 수행하는데 필요한 상대적인 액츄에이터 이동들(일어서기 포지션으로부터 시작하는)을 나타낸다.

일어서기

일어서기 시퀀스 전, 상기 WA는 앉기 포지션인지 체크할 수 있다.

사용자가 일어서기 시퀀스를 활성화하면, 시트(seat) 센서들이 활성화될 수 있다.

액츄에이터들은 후방 커버 센서들이 더 이상 상기 시트의 표면과 접촉하지 않을 때 까지 사용자의 넓적다리들(thighs)을 올리는데 사용될 수 있다. 액츄에이터들은 상기 WA 및 사용자의 합쳐진 무게 중심을 사용자의 발의 바로 위로 이동시킬 수 있다.

이후, 상기 WA는 안정성을 확립하기 위하여 매 순간 발의 바로 위에 상기 WA 및 사용자의 합쳐진 무게 중심을 유지한 상태로 일어서기 포지션으로 똑바로 펴진다.

도 33a 및 33b는 일어서기 명령에 대한 명령들을 아래와 같이 나타낸다.

(iii) 무게 중심을 상기 시트로부터 이격시킴(도 33a)

(iv) 무게 중심을 전방으로 올림(도 33b의 일어서기 포지션의 말단부(ending))

아래의 표 5는 상기 명령 (iii) 및 (iv)에 의하여 정의되는 일어서기 시퀀스를 수행하는데 필요한 상대적인 액츄에이터 이동들(앉기 포지션으로부터 시작하는)을 나타낸다.

[표 4]

[표 5]

표 2 내지 5는 상기한 이동 시퀀스들의 특정 명령들을 수행하는데 요구되는 액츄에이터들의 상대적인 길이의 예를 나타낸다.

이 길이들을 나타내는 값들/변수들은 상기 WA의 제어 시스템을 사전-프로그램하기 위하여 각 이동 시퀀스들을 위한 각각의 대응하는 명령에 대하여 저장될 수 있다.

특정 이동 시퀀스들을 부름(calling)에 따라, 상기 시퀀스의 첫번째 명령과 관련된 값들/변수들은 액츄에이터들(701 내지 710)의 길이를 변경함으로써, 요구된 명령을 수행할 수 있는 모터 컨트롤 시스템으로 전송될 수 있다.

상기 첫번째 명령을 완료함에 따라, 두번째 명령을 위한 상기 액츄에이터 길이에 대한 값들/변수들은 요구된 명령을 다시 수행할 수 있는 상기 모터 컨트롤 시스템으로 전송된다.

이 절차는 시퀀스 내의 모든 명령들을 위하여 반복된다. 상기 명령에 대한 최고의 값들/변수들 상에서, 상기 WA는 각 명령에 할당된 시간을 나타내는 시간 데이터를 그 다음의 것을 발행(issue)하기 전에 저장한다.

상기 표들 내의 액츄에이터 길이는 실시예에 불과하며, 상기 WA의 특정한 치수(dimension) 및 적용에 따라 변경될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 사전-프로그램된 시퀀스들의 컨셉은 느리게 걷기(shuffle) 및 걸어올라가기/걸어내려가기(계단에서의)와 같은 다수의 다른 이동 시퀀스들에 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 그리고 이러한 다른 시퀀스들은 본 발명의 관점으로부터 벗어나는 것으로 여겨져서는 안된다.

이러한 다른 시퀀스들을 위한 인체의 자연적인 걸음을 모방하는 불연속적인 명령들 및 액츄에이터의 이동들은 상기 외골격의 다양성(versatility)을 증가시키기 위하여 오프라인(offline)으로 결정되고 상기 WA에 프로그램될 수 있다.

3.4 사전-프로그램된 시퀀스들의 캘리브레이션

사용자의 해부학적 구조(anatomy)는 상기 WA의 작동에 영향을 줄 수 있다.

예를 들어, 사용자의 키 및/또는 무게를 포함하는 크기 또는 다른 해부학적 구조 또는 치수들의 조합은, 동작 중의 상기 외골격의 전체적인 균형에 영향을 줄 수 있다.

크기의 변경은 사용자의 무게중심의 위치에 영향을 준다.

사용자의 무게중심의 위치는 상기 외골격 시스템의 역학(dynamics)에 영향을 줄 수 있다.

예를 들어, 상대적으로 높은 무게중심을 갖는 사용자는 균형을 유지하도록 전방 걸음 중 (상대적으로 낮은 무게중심을 갖는 사용자 보다) 적은 측방 기울임(lean)을 필요로 할 수 있다. 또는 키가 큰 사용자는 키가 작은 사용자 보다 넓은 일어서기 자세를 필요로 할 수 있다.

또한, 다른 사용자들은 이동을 시작할 때 다른 특성들 또는 다른 능력들을 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 사용자들은 걸음 중 엉덩이 기울임 보조에 대한 요구가 적을 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 WA의 제어시스템은 사용자 캘리브레이션 정보에 대응하여 적절한 프로그램된 시퀀스들을 캘리브레이팅 하는 능력을 제공하는 캘리브레이션 서브-시스템(1630)을 포함한다.

사용자 캘리브레이션 정보는 대부분(predominantly) 사용자의 신체 구조 또는 해부학적 구조 및/또는 하나 이상의 사용자 선호도(preference)들 또는 능력들의 레벨에 관련한다.

바람직한 실시예에서, 상기 사용자의 해부학적 구조와 관련한 정보는 사용자의 크기(size)를 포함한다.

사용자의 크기는, 바람직하게는, 예를 들어, 키 또는 사용자의 전체 다리 길이, 그리고 사용자의 무게 와 같은 최소한 하나 이상의 해부학적 치수(anatomical dimension)에 의하여 대표된다.

상기 크기는 다리 길이, 무게 및/또는 높이와 같은 다른 해부학적 또는 사지(limb)의 치수 중 하나 이상의 조합으로 대표될 수 있다.

사용자의 선호도 또는 능력과 관련한 정보는 사용자가 엉덩이를 충분히 기울이거나(tilt) 또는 충분히 기울이지 않은 상태 중 어떤 상태로 상기 외골격을 사용하는 것을 선호하는지와 같은 사용자의 걸음걸이(gait) 선호도 또는 능력과 관련한다. 몸통 영역(trunk region)의 제어가 어려운(less control) 사용자는 그렇지 않은 사용자 보다 더 높은 엉덩이 기울임 보조(assistance)가 필요할 수 있다.

상기 WA는 사용자 캘리브레이션 정보에 대하여 사전-프로그램된 시퀀스들을 캘리브레이션 하도록 이루어질 수 있다.

특히, 상기 WA는 특정 이동들이 불편하거나 또는 불균형한 시스템을 야기하도록 하지 않기 위하여 사용자의 크기 및/또는 하나 이상의 걸음걸이 선호도에 의존하는 하나 이상의 사전-프로그램된 시퀀스들의 이동 맵(map)들을 캘리브레이션 하도록 이루어질 수 있다.

캘리브레이션 중, 상기 시스템은 사용자의 해부학적 구조에 대한 또는 사용자의 해부학적 구조를 나타내는 입력 데이터, 바람직하게는 사용자의 크기 및/또는 다른(other) 사용자의 걸음걸이 선호도들을 나타내는 입력 데이터를 수신하도록 이루어질 수 있다.

캘리브레이션 중 수신되는 입력 데이터는 사용자에 의하여 제공된 캘리브레이션 정보에 의하여 영향을 주는 각 이동 시퀀스에 사용되기 위한 적절한 이동 맵을 결정하기 위하여 처리된다.

이것은 사용자의 크기, 해부학적 구조 또는 걸음걸이 선호도에 의하여 영향을 줄 수 있는 하나 이상의 이동 시퀀스들의 하나 이상의 정보들에 대한 하나 이상의 상대적인 액츄에이터들을 위한 상대적인 이동 값들의 결정을 수반한다.

예를 들어, 도 29의 정적 걸음 프로그램된 시퀀스(우측 다리가 리딩(leading)하는 전방 걸음)의 명령 세트들은 이하와 같다.

i) 외골격(700)이 좌측으로 기울어짐(lean)(도 29a)

ii) 골반을 좌측으로 기울임(도 29b)

iii) 우측다리를 들어올리고 전방으로 이동시킨다(도 29c)

iv) 우측 다리가 와측 다리의 앞에 위치되도록 우측 다리를 지면으로 내리고(도 29d), 상기 외골격(700)의 무게(사용자 포함)를 우측으로 이동시키고, 상기 외골격(700)은 제어된 포지션에 존재한다(도 29e), 그리고, 상기 외골격(700)의 무게를 우측으로 계속 이동시킨다(도 29f).

vii) 상기 외골격(700)의 골반을 우측으로 기울인다(도 29g)

viii) 상기 좌측 다리를 앞쪽으로 이동시킨다(도 29h)

ix) 좌측 다리가 우측 다리와 인접하도록 지면으로 내린다(도 29i)

상기 이동 시퀀스의 상기한 명령들 각각을 실행하는 중의 상기 외골격의 균형은 사용자의 크기에 영향을 준다.

따라서, 각 명령은 적절한 안정된(balanced) 시스템을 유지하기 위하여 사용자의 크기에 따른 명령에 대한 하나 이상의 액츄에이터들의 상대적인 액츄에이터 이동 값을 필요로 한다.

유사하게, 편안한 WA시스템을 달성하기 위하여, 단계 ii) 및 vii)는 사용자에 의하여 요구된 엉덩이 기울임 정도에 기반하여 실시되어야 한다.

몇몇 실시예들에서, 몇몇 이동 시퀀스들의 몇몇 명령들은 변하지 않거나, 또는 사용자의 크기 또는 사용자의 (걸음걸이) 선호도에 영향을 받지 않을 수 있다. 따라서, 대응하는 이동 맵들은 상기 캘리브레이션 단계에서 영향을 받지 않을 수 있다.

바람직한 실시예에서, 일어서기 이동 맵 분만 아니라, 동적 및 정적 걸음 이동 시퀀스들은 사용자의 크기 및/또는 사용자의 걸음걸이 선호도에 영향을 받는다. 따라서, 사용자의 입력 캘리브레이션 정보에 기반하여 다른 이동 맵이 요구된다.

바람직한 실시예에서, 사용자의 크기에 의하여 영향을 받는 이동 시퀀스들 및/또는 엉덩이 기울임에 대한 사용자의 선호도에 따라 영향을 받는 이동 시퀀스들을 위하여, 안정된 또는 편한한 시스템을 유지하기 위하여 요구되는 상대적인 액츄에이터 이동 값들은 대응하는 명령 세트를 수행하는 동안 오프라인으로 결정된다.

이것은 사전 설정된 둘 이상의 크기들 또는 크기 범위들에 기반하여 완료되거나, 또는 엉덩이 기울임의 두 비율(two degrees)에 기반하여 완료된다.

특정 이동 시퀀스를 위하여, 그리고, 특정 크기 및/또는 기울임 선호도를 위하여 결정된 상기 이동 맵은 상기 WA를 작동하는 중에 적용하기 위하여 상기 WA의 대응하는 메모리 내에 저장된다.

또한, 적절한 상대적인 액츄에이터 이동 값들을 결정하기 위한 알고리즘이 상기 WA에 대응하는 메모리 내에 저장되고, 이 값들은 캘리브레이션 중 사용자에 의하여 수신된 크기 정보 및/또는 기울임 선호도 정보에 대응하는 이동 시퀀스들에 대하여 결정된다.

상기 값들은 이후, 적절한 이동 맵들을 위한 메모리 내에 저장된다.

캘리브레이션 중, 상기 제어 시스템은 사용자의 크기 및/또는 기울임 선호도와 관련한 정보를 수신하고, 이 정보에 기반하여, 상기 WA의 작동 중, 선택된 이동 시퀀스를 위하여 실행될 특정 이동 맵을 선택한다.

바람직한 실시예에서, 캘리브레이션 하는 중에 사용자의 크기는 상기 시스템 내에 사전-저장된 크기 범위로부터 선택된다.

바람직하게는, 상기 사전-저장된 크기들은 사용자의 다리 길이 및 무게를 포함한다.

또한, 캘리브레이션 중, 사용자의 기울임 선호도는 엉덩이 기울임과 함께, 또는, 엉덩이 기울임을 제외한 두개의 정도(degree)로부터 선택가능하다.

예를 들어, 표 6은 사용자의 전체 다리 길이(3 범위), 무게(2 범위) 및 엉덩이 기울임 선호도(2 범위)의 조합에 기반하여 사전-저장된 12개의 캘리브레이션 세팅들의 세트를 갖는 시스템을 나타낸다.

상기 시스템의 사용자는 엉덩이 기울임의 제공된 범위 및 요구된 정도로부터 사용자의 실제 크기와 가장 근접한 사이즈를 선택한다.

이후, 상기 시스템은 이 속성(attributes)들에 영향을 받는 이동 시퀀스들의 사용을 위한 대응하는 이동 맵을 자동으로 선택한다.

원하는 해상도(resolution), 메모리 용량 또는 다른 디자인 고려사항에 기반하여 어떠한 개수의 사전-저장된 크기들, 기울임 선호도 또는 다른 해부학적 구조 또는 사용자 선호도라도 제공될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

[표 6]

몇몇 이동 시퀀스들을 위한 이동 맵은 다양한 캘리브레이션 세팅들(A1 내지 C4)에 기반하여 변경될 수 있다.

표 7 내지 18은 단계(step) 시퀀스들을 실행하는 동안 시스템의 균형/편안함을 유지하기 위하여 서로다른 세팅들(A1-C4)에서 동적 걸음 시퀀스를 위한 이동 맵들을 보여준다.

표 19 내지 24는 명령을 실행하는 동안 시스템의 균형/편안함을 유지하기 위하여 서로다른 캘리브레이션 세팅들에서 일어서기 명령을 위한 이동 맵들을 보여준다.

다른 실시예에서, 상기 WA는 적절한 이동 맵들을 결정하는데 사용되는 사용자의 실제 크기 및/또는 걸음걸이 선호도의 변하는 정도와 관련한 입력 데이터를 수신하도록 이루어질 수 있다.

예를 들어, 상기 WA는 사전-저장된 크기들의 범위로부터 사용자에 의하여 입력된 실제 크기와 가장 근접한 표시(indicative) 크기를 선택할 수 있고, 이후, 표시 크기에 기반하여 실행되기 위한 적절한 이동 맵들을 선택할 수 있다.

또한, 상기 시스템은 사용자의 해부학적 구조 및/또는 걸음걸이 선호도와 관련한 입력 캘리브레이션 데이터로부터 적절한 이동 맵들을 선택하기 위하여 하나 이상의 사전-저장된 알고리즘들을 사용할 수 있다.

캘리브레이션 단계는, 예를 들어, 전원이 인가되는(power up) 동안 자동으로, 또는 입력 인터페이스를 통하여, 또는 원격 장치로부터 무선으로 사용자에 의하여 초기화될 수 있다.

4. 전원

상기 WA는 온보드 배터리 팩들(미도시)에 의하여 전원이 공급될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 상기 배터리 팩들은 상기 엉덩이 프레임의 뒤쪽에 위치된다.

상기 배터리 시스템은 저전압 DC 시스템이고 상기 배터리 팩들은 가정용 전원(domestic power supply) 또는 자동차 전원(vehicle power supplies)들로부터 재충전 가능하도록 이루어진다.

배터리 백(back)들은 빠른 교체를 위하여 탈착 가능하도록 이루어진다. 상기 배터리 백들은 상기 WA 상에서 또는 탈착후 외부적으로 충전될 수 있다.

상기 제어 시스템, 모터 컨트롤러들, 전원들 및/또는 다른 전기장치들을 포함하는 시스템 전기장치들은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 엉덩이프레임(550)의 후방을 통하여 접근가능하도록 하우징 될 수 있다.

상술한 발명의 상세한 설명들은 바람직한 형태를 포함한다. 청구항들에 의하여 정의된 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 수정이 이루어질 수 있다.

Claims

다리 부재 및 제1 다른 부재 사이에 연결된 선형 액츄에이터와 함께 제1 회전 위치에서 제1 다른(other) 부재에 회전 가능하도록 연결되어 상기 액츄에이터의 연장 또는 수축이 상기 제1 다른 부재에 대한 상기 다리 부재의 상대적인 회전을 야기하는 길이 조절가능한 다리 부재를 포함하고, 상기 액츄에이터는 상기 다리 부재를 따라 제1 피벗 위치로부터 이격된 위치의 액츄에이터 연결 위치에서 상기 다리 부재와 연결되며, 상기 다리 부재의 길이 조절이 상기 다리 부재의 상기 액츄에이터 연결 위치와 상기 제1 회전 위치 사이의 부분(portion)의 길이에 영향을 주지 않는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 1항에 있어서,
상기 다리 부재는 제2 위치에서 제2 다른 부재와 회전가능하도록 연결되고, 제2 선형 액츄에이터는 상기 다리 부재 상의 제2 액츄에이터 연결 위치와 상기 제2 다른 부재 사이에 연결되며
상기 다리 부재의 길이 조절이 상기 다리 부재의 상기 제2액츄에이터 연결 위치와 상기 제2 회전 위치 사이의 부분(portion)의 길이에 영향을 주지 않는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 2항에 있어서,
상기 다리 부재는 제1 다리부 및 제2 다리부를 포함하고, 상기 제1다리부는 제1회전위치 및 액츄에이터 연결 위치를 포함하고, 상기 제2다리부는 제2 회전위치 및 제2 액츄에이터 연결 위치를 포함하며, 상기 제1 및 제2 다리부들은 상기 제1 및 제2 회전 위치들 사이의 분리(separation)를 다르게하기(vary) 위하여 하나 이상의 상대(relative) 위치에 고정가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
두개의 다리 구조들을 포함하고, 각 다리 구조는 길이 조절가능한 다리 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
길이 조절가능한 최소한 하나의 다리 부재를 포함하는 다리 구조를 포함하고, 각 다리 부재는 그 일단에서 외골격의 제1 다른 부재와 회전가능하도록 연결되고, 그 타단에서 상기 외골격의 제2 다른 부재와 회전가능하도록 연결되며, 각 다리 부재를 위하여, 선형 액츄에이터는 상기 제1 다른 부재로부터 상기 다리 부재의 제1 액츄에이터 연결 위치로 연결되고, 선형 액츄에이터는 상기 다리부재의 제2 액츄에이터 연결 위치로부터 상기 제2 다른 부재로 연결되며, 상기 다리부재의 길이 조절은 상기 제1 및 제2 액츄에이션 연결 위치들 사이의 상기 다리 부재의 영역에 국한되는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 5항에 있어서,
상기 다리 구조는, 길이 조절 가능한 상부 다리부재와 길이 조절 가능한 하부 다리부재를 포함하고, 상기 상부 다리부재는 일단에서 골반 지지부재와 회전가능하도록 연결되고, 타단에서 상기 하부 다리부재와 연결되며, 상기 하부 다리부재는 일단에서 상기 상부 다리부재와 회전가능하도록 연결되고, 타단에서 발 부재와 연결되는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 6항에 있어서,
길이 조절 가능한 상부 다리부재 및 길이 조절 가능한 하부 다리부재를 갖는 제2다리구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
길이 조절가능한 사지(limb) 부재를 포함하고, 상기 사지부재는 조절 라인을 따라 서로간에 슬라이드 가능하도록 형성된 제1 회전 연결 위치를 갖는 제1 다리부 및 제2 회전 연결 위치를 갖는 제2 다리부를 포함하고, 조절 라인을 따라 상대적인 위치를 고정적으로 조절하는 조절 메커니즘, 및 상기 조절 메커니즘과 독립적이고, 상기 제1 다리부 및 상기 제2 다리부의 위치를 상대적으로 고정하는 락킹 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 8항에 있어서,
상기 조절 라인은 일직선인 것을 특징으로 하는 외골격.
제 8항 또는 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조절 메커니즘은 일단에서 상기 제1 또는 제2 다리부들 중 어느 하나와 연결되고, 타단에서 상기 제1 또는 제2 다리부의 소켓과 연결되는 샤프트, 및 상기 소켓 내의 상기 샤프트의 상대 축 위치를 조절하기 위하여 상기 샤프트 또는 소켓 중 하나 이상을 다루는 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 10항에 있어서,
상기 메커니즘은 상기 소켓 및 상기 샤프트 사이의 힘에 반응하지(respond) 않는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 11항에 있어서,
상기 메커니즘은 웜을 회전시키기 위한 회전가능한 입력, 샤프트를 회전시키기 위하여 연결된 웜 휠, 상기 웜 휠에 체결된 웜을 갖는 웜 드라이브인 것을 특징으로 하는 외골격.
제 8항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 다리부 및 제2 다리부는 체결 레일 부재들, 사용상 상기 체결된 레일 부재들 사이에서 전송되는 굽힘 힘(bending force)을 포함하고,
상기 락킹 메커니즘은 상기 레일 부재들을 서로 미는 제1 상태와 상기 레일 부재들의 슬라이드가 보다 자유로운 제2 상태를 다룰 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 13항에 있어서,
상기 락킹 메커니즘은 상기 제1 다리부에 의하여 운반되고, 상기 제2 다리부를 향하는 베어링 표면과 제1위치 및 제2위치 사이에서 작동가능한 레버를 포함하며, 상기 제1위치는 슬라이드 가능한 상태에 대응하고, 상기 제2 위치는 락킹된 위치에 대응하며, 상기 제1위치에서 상기 제2위치로 상기 레버를 다루는 것은 상기 베어링 표면을 상기 제2 다리부를 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 13항에 있어서,
상기 락킹 메커니즘은 상기 제1 다리부의 락킹 영역으로부터 연장하고, 상기 베어링 표면은 상기 제1 다리부의 락킹 영역을 향하며, 제2 다리부의 부분이 상기 베어링 표면과 상기 제1 다리부의 락킹 영역 사이에 위치되는 것을 특징으로 하는 외골격.
제 15항에 있어서,
상기 레버는 언락된 위치로부터 락킹된 위치로 상기 레버를 닫는 이동에 필요한 힘이 처음에는 증가하고, 이후 감소하는 오버 센터 메커니즘(over centre mechanism)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
A walking aid suitable for supporting a mobility impaired disabled user comprising : an exoskeleton comprising :
a rigid pelvic support member for supporting the user's hip region, a first leg structure and a second leg structure, each of the first leg structure and the second leg structure coupled to and extending from said pelvic support for supporting a respective leg of the user, and each of the first leg structure and the second leg structure comprising :
an upper leg structural member for engaging with the upper leg of the user, the upper leg structure member being pivotally engaged at a first end thereof to the pelvic support member by a hip joint,
a lower leg structural member for engaging with the lower leg of the user, the lower leg structural member being pivotally engaged at a first end thereof to a second end of the upper leg structural member by a knee joint, and
a foot member for engaging with the foot of a user, the foot member being pivotally engaged to a second end of the lower leg structural member by an ankle joint,
a main hip actuator coupled at one end to a connection point on the pelvic support and at another end to a first connection point on the upper leg structural member for actuating rotation of said upper leg structural member relative to the pelvic support member about the hip joint,
a knee actuator coupled at one end to a second connection point on the upper leg structural member and at another end to a first connection point on the lower leg structural member for actuating rotation of said lower leg structural member relative to the upper leg structural member about the knee joint,
a main foot actuator coupled at one end to a second connection point on the lower leg structural member and at another end to a connection point the foot member for actuating rotation of the foot member relative to the lower leg structural member about the foot joint,
an adjustment mechanism associated with the upper leg structural member configured to adjust the length of the upper leg structural member without altering a distance between the connection point on the pelvic support and the first connection point on the upper leg structural member associated with hip actuator, and without altering a distance between the second connection point on the upper leg structural member and the first connection point on the lower leg structural member associated with the knee actuator, and
an adjustment mechanism associated with the lower leg structural member configured to adjust the length of the lower leg structural member without altering a distance between the second connection point on the lower leg structural member and the connection point on the foot member associated with foot actuator.
이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재에 있어서,
사용자의 발을 수용하기 위한 발 지지 영역을 포함하고,
상기 발 지지 영역은 최소한 하나 이상의 축을 따라 상기 발목 관절을 사용자의 발목과 정렬하도록 상기 외골격의 발목 관절과 상대적으로 위치를 조정가능한 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 18항에 있어서,
상기 발 지지 영역은 상기 외골격의 발목 관절의 회전축에 대하여 사용자의 발목을 상기 발목 관절과 상대적으로 정렬하기 위하여 고정되게(fixedly) 위치를 조정가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 19항에 있어서,
상기 발 지지 영역은 상기 발목 관절의 제1 실질적 수평 회전축에 대하여, 또는 제2 실질적 수직 회전축에 대하여 사용자의 발목을 상기 발목 관절과 상대적으로 정렬하기 위하여 고정되게(fixedly) 위치를 조정가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 18항 내지 20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발 지지 영역은 두개의 실질적 수직 축들을 따라 상기 발목 관절과 상대적으로 고정되게(fixedly) 위치를 조정가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 18항 또는 21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발 지지 영역은 상기 발 부재의 세로축을 따라 상기 발목 관절에 상대적으로 조정가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 18항 또는 22항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발 지지 영역은 상기 발 부재의 수직축을 따라 상기 발목 관절에 상대적으로 조정가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 18항 또는 23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발 지지 영역은
최소한 하나 이상의 측면 격벽 부재에 의하여 고정되고, 상기 격벽 부재는 상기 발 부재의 최소한 하나의 축을 따라 상기 발목 관절에 상대적으로 조정가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 24항에 있어서,
상기 측면 격벽 부재로부터 연장하는 베이스를 더 포함하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 25항에 있어서,
상기 격벽 부재는,
상기 베이스의 일단에 위치되는 힐 지지부재인 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 26항에 있어서,
상기 힐 지지부재는 상기 베이스의 세로 축을 따라 위치 조정이 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 25항 내지 27항 중 어느 한 항 에 있어서,
상기 힐 지지부재는 상기 발 부재의 베이스 내에 이동가능하도록 체결되는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 28 항에 있어서,
상기 힐 지지부재는 상기 발 부재의 베이서 내에 슬라이드 가능하도록 체결되는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재
제 29항에 있어서,
상기 힐 지지부재가
상기 발목 관절과 상대적으로 상기 힐 지지부재의 위치를 세로로 변경하도록 상기 베이스에 대하여 자유롭게 슬라이드 되는 제1 상태와 상기 힐 지지부재가 상기 발목 관절에 상대적으로 위치가 락킹된 제2상태 사이에서 작동되는 파스너를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 18항 내지 제 30항에 있어서,
상기 발 지지부재 영역은
사용자의 발을 수용하기 위한 지지면에 의하여 고정되고,
상기 지지면은 최소한 하나 이상의 축을 따라 상기 발목 관절과 관련하여 위치 조절가능한 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 32항에 있어서,
상기 지지면은 실질적 수직 축을 따라 위치조절 가능한 것을 특징으로 하는 이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.
제 32항에 있어서,
하나 이상의
이동성이 제한된 장애인을 위한 걸음 보조장치의 외골격을 위한 구조적 발 부재.