KR20180123108A - 인간을 위한 외골격(Exoskeleton for a Human Being) - Google Patents

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KR20180123108A
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shoulder
flexible
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human
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KR1020187029584A
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Inventor
로버트 와이드너
젠스-피터 울프스버그
베른바르트 오텐
안드레 아르구비-월러슨
Original Assignee
엑소아이큐 게엠베하
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Abstract

물리적 노동을 수행하는 사람들의 만성 손상을 방지하고 활동들의 수행을 서포팅하기하기 위해, 회전 및 병진운동하는 인간 움직임을 구현하기 위한 디바이스를 구비하는 서포트 디바이스로 외골격이 제공된다. 사람의 적어도 하나의 몸 부분에 결합되는 외골격은 적어도 하나의 맨-테크놀로지 인터페이스, 회전 및 병진운동하는 인간 움직임을 구현하기 위한 디바이스, 및 특정 환경들 하에서 센서 시스템 및 제어기에 의해 보유되는 액츄에이팅 유닛을 포함한다.

Description

인간을 위한 외골격(Exoskeleton for a Human Being)
본 발명은 머리 높이에서 또는 그 이상에서 작업을 수행하는 경우에, 예를 들어, 생산 및 영업 분야에서 일하는 사람에게 발생할 수 있는 만성 근골격 손상(chronic musculoskeletal damage)의 방지를 위한 웨어러블 및 제어 가능한 디바이스 (외골격(exoskeleton)))에 관한 것으로, 이는 특별한 구성의 운동학적 구조체(kinematic structure)로 인해 고충실도(high fidelity)의 모션(회전 및 병진운동 자유도의 결합)을 특징으로 한다.
수많은 응용(application)들은, 예를 들어 품질 및 인체 공학(ergonomics)을 향상하기 위해서 인간의 활동들을 서포팅(support)하도록 설계된 기술적 시스템과 관련된다. 이 시스템들은 항공우주 산업과 같은 상이한 응용 상황(context)들에서 특히 힘의 증폭을 위해 사용된다. 팔이나 몸 전체와 같은 몸체의 상이한 부분들이 이들에 의해 서포팅될 수 있다.
본 발명의 주제는 운동학적 구조체 및 인체 부분, 특히 어깨 사이에 훨씬 더 집약적이고(intensive) 밀접한(closer), 그리고 일시적인 결합에 의해 식별될 수 있다. 이러한 기본적인 조건은 훨씬 더 슬림하고 더 컴팩트한 디바이스 설계로 이어진다. 컴팩트한 디바이스에서 회전 뿐만 아니라 병진운동 자유도도 반영(reflected)된다는 사실이 확인될 수 있다. 상당히 향상된 충실도의 모션이 이로써 실현될 수 있다.
인간의 움직임에서, 특히 인간이 머리 높이 이상에서 작업하는 경우에 인간을 서포팅하는 디바이스를 제공하는 것이 본 발명의 과제이다.
본 과제는 독립항의 특징들에 의해 해결된다. 본 발명의 추가적인 예시적인 실시예들은 종속항들 및 이하의 기술에서 설명된다.
본 발명의 제 1 양상은 인간을 위한 외골격(exoskeleton)에 관한 것이다. 상기 외골격은:
- 어깨 부재;
- 적어도 하나의 팔걸이;
- 골반 지지 부재;
- 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 후부(back part);
를 포함하고,
상기 후부는 제 1 및 제 2 단부를 가지는 적어도 제 1 플렉서블-영역 후방 부재(back member) 및 적어도 제 1 보강(stiffening) 수단을 포함하고, 제 1 플렉서블-영역 후방 부재는 그 제 1 단부가 상기 후부의 상기 제 1 단부와 마주하고 그리고 그 제 2 단부가 상기 후부의 상기 제 2 단부와 마주하도록 배치된다. 상기 후부의 제 1 단부는 상기 어깨 부재에 고정되고, 그리고 상기 제 2 단부는 상기 골반 지지 부재에 고정된다. 상기 팔걸이는 상기 어깨 부재에 직접적으로 또는 간접적으로 연결된다(articulated). 상기 제 1 보강 수단은 굴곡된 방향으로 이것이 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재를 특히 보강하도록 설계된다.
인간의 활동들에서, 특히 머리 높이 이상에서 작업하는 경우에 사용자, 또는 개별적인 인간을 서포팅하기 위하여, 본 발명은 외골격을 제공한다. 이 외골격은 특히 사용자의 팔에서 발생하는 힘을 사용자의 후방(back) 및 골반으로 전달함으로써 사용자를 서포팅하고 편안(relieve)하게 할 수 있다. 또한, 액츄에이터는 사용자의 움직임에서 사용자를 능동적으로 서포팅할 수 있다.
본 발명에 따른 외골격은 실질적으로 3 개의 모듈들로 구성될 수 있다. 참조되는 제 1 모듈은 사용자의 상완(upper arm)을 모사(replicate)하기 위한 어깨 어레인지먼트(shoulder arrangement)이다. 제 2 모듈은 상기 어깨 어레인지먼트와 연결될 수 있고 그리고, 적어도 부분적으로, 사용자의 후방에 맞닿아 있는 상기 후부이다. 제 3 모듈은 상기 골반 지지 부재이다. 이는 상기 어깨 어레인지먼트에 대향하여(opposite) 위치하는 상기 후부의 말단에 배치될 수 있다. 상기 후부는 사용자의 후방 및 골반으로 상기 골반 지지 부재를 통해 상기 어깨 어레인지먼트로부터의 힘을 인가(introduce)할 수 있다. 이러한 방식으로, 사용자는 사용자의 몸 상으로 과도한 부하을 가하거나 손상을 주지 않고 오래 작업하거나 및/또는 무거운 화물들을 처리할 수 있다.
상기 후부는 하나 이상을 부분들로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 후부는 보강 디바이스에 의해 굴곡 방향으로 특히 보강될 수 있는 적어도 하나의 플렉서블-영역 후방 부재를 포함한다. 상기 보강 디바이스는 플렉서블-영역 후방 부재의 보강이 바람직한 굴곡 방향으로 수행되도록 설계될 수 있다; 즉, 상기 보강은 예를 들어 플렉서블-영역 후방 부재의 굴곡 방향을 따라 발생한다. 환언하면, 사용자는 똑바로 있을 수 있고, 그러나 임의의 추가적인 후방의 굴곡은 방지된다. 이러한 방식으로, 사용자는 자세의 손상(postural damage)으로부터 보호받을 수 있고 그리고 사용자의 어깨에서 발생하는 힘이, 적어도 부분적으로, 사용자의 후방 및 골반으로 전달될 수 있다.
다른 실시예에서, 플렉서블-영역 후방 부재는 여러 보강 수단을 포함할 수 있다. 특히, 후부가 하나의 플렉서블-영역 부재만을 포함하는 경우, 복수의 상이한 보강 수단을 이것에 적용하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 하나의 보강 수단이 후방 쪽, 즉 사용자로부터 벗어나도록, 그리고 하나는 내부 쪽에 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 제 1 힘 작용 지점은 상기 어깨 부재의 측면 상의 상기 후부 상에 제공되고, 제 2 힘 작용 지점은 상기 골반 지지 부재의 측면 상의 상기 후부 상에 제공되고, 상기 제 1 보강 수단은 상기 굴곡력(bending force)이 한 방향으로 특히 증가되도록 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재의 굴곡된 선의 외측에 상기 제 1 힘 작용 지점 및 상기 제 2 힘 작용 지점 사이에서 조여지는 로프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 보강 디바이스들의 보강 수단은 조여진 로프일 수 있다. 이 로프는 보강되는 플렉서블-영역 후방 부재를 가로 질러 힘 작용 지점들 사이에서 조여질 수 있다. 상기 로프의 그 탄성 및 장력과 같은 상기 로프의 특성은 상기 플렉서블-영역 후방 부재의 강도(stiffness)의 레벨을 조정하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 로프는 일반적으로 상기 후부의 외측, 즉 사용자로부터 벗어나는 상기 후부의 측면을 따라 이동(run)하여, 사용자가 로프와 접촉하지 않도록 한다. 상기 로프는 또한 보다 큰 레버를 제공하기 위하여 플렉서블-영역 후방 부재와 이격하여 이동할 수 있다. 상기 로프와 플렉서블-영역 후방 부재의 직접 접촉은 또한 낮은 전체 높이를 이루도록 제공된다. 상기 힘 작용 지점들은 플렉서블-영역 후방 부재 뿐만 아니라, 어깨 부재 또는 커넥팅 부재와 같은 상기 후부의 다른 컴포넌트들에 직접적으로 통합될 수 있다.
로프의 상이한 유형들 및 강도들 이외에, 상기 보강 수단은 또한 스프링, 플라스틱, 금속, 공압 실린더(pneumatic cylinder), 댐퍼(damper), 고무 밴드, 전기 액츄에이터(electric actuator), 압전 액츄에이터(piezoelectric actuator) 또는 강철 로프로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 후부는 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 및 커넥팅 부재들을 추가적으로 포함한다. 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재의 상기 제 2 단부는 상기 커넥팅 부재에 의해 상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재의 상기 제 1 단부와 연결된다.
상기 후부의 보다 특정한 보강 및 사용자에 대한 보다 나은 적응을 위해, 상기 후부는 또한 복수의 플렉서블-영역 후방 부재들을 포함할 수 있다. 상기 후부는, 특히 두 개 또는 세 개의 부분들로 구성될 수 있다. 상기 후부는, 플렉서블-영역 후방 부재 이외에, 논플렉서블-영역 후방 부재도 포함할 수 있다.
각각의 플렉서블-영역 후방 부재들의 보강은, 재료, 재료의 강도, 및 플렉서블-영역 후방 부재의 기하학적 구조 뿐만 아니라, 선택된 보강 수단 및 후부 및/또는 개별적인 플렉서블-영역 후방 부재로의 그들의 연결에 의해 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재는 제 2 보강 부재를 가지는 제 2 보강 수단을 포함하며, 상기 제 2 보강 수단은 굴곡 방향으로 상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재를 특히 보강하도록 설계된다. 상기 제 1 보강 수단 및 상기 제 2 보강 수단은 상이한 레벨의 강도를 가진다.
각각의 사용자에 대한 외골격의 개별적인 적응을 위해, 개별적인 플렉서블-영역 후방 부재들의 강도는 여러 플렉서블-영역 후방 부재들에 의해 서로 독립적으로 개별적인 상황에 적응될 수 있다. 환언하면, 사용되는 각각의 보강 수단은 상이한 정도로 개별적인 플렉서블-영역 후방 부재를 보강할 수 있고, 상기 보강 수단의 상기 보강 부재들은 상이한 장력들을 가질 수 있다. 상기 보강 수단은 서로 독립적으로 조정 및/또는 변형될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재들 및 상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재들 중 적어도 하나는 그 길이들이 조정될 수 있도록 그리고 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 및 상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 사이의 거리가 조정 가능하도록 상기 커넥팅 부재에 대해 배치된다.
상기 외골격을 개별적인 사용자 및 그 몸 크기로 조정하기 위하여, 상기 커넥팅 부재는 상기 커넥팅 부재에 고정되는 플렉서블-영역 후방 부재들 사이의 간격이 변화될 수 있도록 설계될 수 있다. 환언하면, 상기 커넥팅 부재는 상기 플렉서블-영역 후방 부재들을 위한 복수의 커넥팅 포인트(connecting point)들을 포함할 수 있다. 이에 의해, 플렉서블-영역 후방 부재가 이동 가능하거나 또는 모든 플렉서블-영역 후방 부재들이 이동 가능하게 배치될 수 있다. 또한, 이 기능은 타원형 홀(oval hole)들의 사용에 의해 제공될 수 있다. 바람직하게는, 상기 플렉서블-영역 후방 부재 및 상기 커넥팅 부재는 분리 가능한 방식으로, 즉 나사에 의해 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 적어도 하나의 돌출 유지 구조체(protruding retaining structure)는 상기 보강 수단이 상기 플렉서블-영역 후방 부재의 표면으로부터 떨어져 위치하도록 상기 보강 수단의 상기 보강 부재가 놓이는(rest) 상기 후부 (110)로부터 벗어나(facing away) 상기 플렉서블-영역 후방 부재의 표면 상에 배치된다.
보다 큰 레버 및 그리고 따라서 상기 플렉서블-영역 후방 부재의 보다 큰 강화를 생성하기 위하여, 상기 후부는 돌출하는 유지 구조체(projecting retaining structure)를 가질 수 있다. 각각의 플렉서블-영역 후방 부재에 대한 복수의 유지 구조체들 및/또는 각각의 플렉서블-영역 후방 부재에 대한 하나의 유지 구조체가 있을 수도 있다. 상기 로프는 유지 구조체 위로 또는 그들을 통해(이들이 홀들을 가지는 경우) 가이딩(guided)될 수 있다. 또한, 상기 유지 구조체는 상기 로프를 리다이렉트(redirect)하여 그리고 따라서 상기 플렉서블-영역 후방 부재에 대해 상기 로프의 다소 평행한 어레인지먼트를 이루도록 할 수 있다. 상기 돌출하는 유지 구조체는 상기 플렉서블-영역 후방 부재로 직접적으로 통합될 수 있지만, 이것은 상기 커넥팅 부재와 같은 상기 후부의 다른 컴포넌트들 상에 배치될 수도 있다. 상기 보강 수단은 또한 복수의 플렉서블-영역 후방 부재들을 가로 질러 연장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 적어도 제 1 보강 수단은 로프 장력을 변경하도록 설계된 로프-텐셔닝(rope-tensioning) 디바이스를 포함한다.
상기 플렉서블-영역 후방 부재의 보다 높은 강도가 요구되거나 필요한 경우, 상기 로프의 장력은 로프-텐셔닝 디바이스에 의해 증가될 수 있다. 상기 로프의 장력이 감소됨에 따라, 상기 플렉서블-영역 후방 부재의 강도도 감소된다. 독립된(separate) 로프-텐셔닝 디바이스가 각각의 보강 수단에 대해 제공될 수 있다. 상기 로프 보강 디바이스는 수동으로, 즉 사용자에 의해, 예를 들어 조정 나사(adjustment screw)에 의해 또는 자동으로 액츄에이터(actuator)에 의해 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 적어도 상기 제 1 보강 수단은 제 1 액츄에이터를 포함하고, 상기 로프-텐셔닝 디바이스는 상기 제 1 액츄에이터에 의해 로프 장력을 변경하도록 설계된다.
상기 로프-텐셔닝 디바이스에 의한 로프 장력의 수동적인 조정 이외에, 로프 장력의 자동 및/또는 서포팅되는 적응은 액츄에이터에 의해 수행될 수 있다. 이에 의해, 상기 액츄에이터는 로프-텐셔닝 디바이스에 통합되어, 개시(initiated) 및/또는 제어되는 경우에, 이것은 상기 로프의 장력을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 다른 바람직한 실시예에서, 상기 액츄에이터는 상기 외골격이 사용되는 동안에도 주어진 상항에 상기 로프-텐셔닝 디바이스를 적응시킬 수 있다; 즉, 장력은 다양한 상황들에 신속하게 적응하기 위하여 상기 사용자의 움직임 및/또는 활동 중에 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제 1 액츄에이터는 공압 실린더(pneumatic cylinder), 공압식 머슬(pneumatic muscle) 또는 전기 모터(electric motor)이다.
상기 외골격의 응용 영역에 따라, 상기 액츄에이터는 로프 장력의 조정을 위해 다양한 방식들로 구성될 수 있다; 즉, 상기 액츄에이터는 예를 들어 공압 실린더 또는 공압식 머슬과 같은 공압식으로, 전기적으로, 압전식으로(piezoelectrically) 또는 유압식으로(hydraulically) 작동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 외골격은
- 특히 각도 또는 힘을 측정하기 위한 센서 어레인지먼트(sensor arrangement); 및
- 제어기;
를 더 포함한다.
상기 제어기는, 상황에 따라, 상기 보강 수단의 로프 장력이 조정 가능하도록 상기 센서 어레인지먼트로부터의 센서 데이터에 기초하여 상기 로프-텐셔닝 디바이스의 상기 제 1 액츄에이터를 제어하도록 구성된다.
상기 플렉서블-영역 후방 부재의 강도의 특정한 적응을 위하여, 상기 로프-텐셔닝 디바이스의 상기 액츄에이터는 하나의 제어기 및 하나의 센서에 의해 증가될 수 있다. 상기 센서는 상기 외골격 상에 작용하는 힘, 특히 상기 외골격의 상기 팔걸이 상에 작용하는 힘 또는 상기 외골격에 대한 상기 사용자의 팔의 각도를 측정하도록 구성될 수 있다. 상기 사용자가 최고로 가능한 정도로 그의 움직임 및/또는 활동을 지원받도록 상기 제어기는 상기 센서에 의해 측정되는 값들에 기초하여 상기 액츄에이터를 제어하고 그리고 따라서, 상황에 따라, 상기 플렉서블-영역 후방 부재의 강도를 적응시키도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 사용자의 신체는 보호될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 후부 및 상기 골반 지지 부재는 상기 후부의 표면 상에 수직으로 위치하는 제 1 회전축 둘레로 회전 가능하게 연결된다.
상기 사용자의 측면 굴곡(flexion)을 보장하기 위해, 즉 상기 사용자가 옆으로 구부릴 수 있도록, 상기 후부는 제 1 회전축에 의해 상기 골반 지지 부재와 연결될 수 있다. 상기 제 1 회전축은 후부의 표면 상에 수직으로 위치할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 외골격에서 사용자의 모션의 자유는 훨씬 더 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 후부는 상기 후부의 영역에서 상기 후부의 주 방향에 대해 대각선으로(diagonal) 연장하는(run) 제 2 회전축에 의해 상기 골반 지지 부재와 회전 가능하게 연결된다.
상기 사용자가 앞으로 구부릴 수 있도록 보장하기 위하여, 제 2 회전축은 상기 후부 및 상기 골반 지지 부재 사이의 커넥션(connection)에 제공될 수 있다. 상기 제 2 회전축은 후부의 주 방향에 대해 대각선일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 외골격은 제 2 액츄에이터를 더 포함하며, 상기 제 2 액츄에이터는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함한다. 상기 제 2 액츄에이터의 상기 제 1 단부는 상기 후부와 연결되고 상기 제 2 액츄에이터의 상기 제 2 단부는 상기 골반 지지 부재와 연결되고, 상기 제 2 액츄에이터는 후방 및 골반 사이의 움직임을 서포팅하도록 구성된다.
상기 사용자의 하부 요추 영역(lower lumbar spine area)의 최고로 가능한 지지를 위해, 상기 골반 지지 부재 및 상기 후부 사이의 움직임들을 서포팅하는 제 2 액츄에이터가 제공될 수 있다. 또한, 2 개의 액츄에이터들이 상기 하부 요추 영역을 서포팅하도록 상기 사용자의 척추 옆에 평행하게 배치될 수 있다. 상기 제 2 액츄에이터는 센서에 의해 측정되는 데이터에 기초하여 상기 액츄에이터를 제어하는, 제어기에 의해서도 제어될 수 있다. 상기 제 2 액츄에이터는 공압식으로, 전기적으로, 압전식으로 또는 유압식으로 작동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 적어도 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재는 탄소-섬유-강화 플라스틱(carbon-fiber-reinforced plastic)으로 제조될 수 있다.
또한, 다른 플렉서블-영역 후방 부재들은 탄소-섬유-강화 플라스틱으로도 제조될 수 있다. 추가적으로, 상기 플렉서블-영역 후방 부재는 플라스틱, 유리-섬유-강화 플라스틱, 금속, 직물들(메쉬), 또는 전술한 재료들의 혼합과 같은 다른 재료들로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 외골격은 어깨 어레인지먼트를 포함하고, 어깨 어레인지먼트는 상기 어깨 부재, 제 1 어깨 커플링 부재, 제 2 어깨 커플링 부재, 및 상기 팔걸이를 포함한다. 상기 제 1 어깨 커플링 부재는 제 1 회전축에 의하여 상기 어깨 부재에 연결된다. 상기 제 1 어깨 커플링 부재 및 상기 제 2 어깨 커플링 부재는 제 2 회전축에 의하여 서로 연결된다. 상기 제 2 어깨 커플링 부재 및 상기 팔걸이는 제 3 회전축에 의하여 연결된다. 상기 제 1 회전축 및 상기 제 2 회전축은 서로 떨어지고 그리고 서로 직각으로 배치된다. 상기 제 2 회전축 및 상기 제 3 회전축은 교차한다.
상기 외골격은 상기 사용자의 왼쪽 어깨 및 상기 사용자의 오른쪽 어깨에 대한 2 개의 어깨 어레인지먼트들을 포함할 수도 있다. 또한, 액츄에이터는 상기 제 2 어깨 커플링 부재 및 상기 팔걸이 사이에 제공될 수 있어, 이는 상기 제 3 회전축 둘레로 회전을 서포팅할 수 있게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 어깨 어레인지먼트는 어깨 부재를 따르는 병진운동 축을 더 포함하며, 상기 제 1 어깨 커플링 부재는 이 병진운동 축을 따라 이동 가능하다.
사용자에 대해 그리고 특히 사용자의 어깨 너비로 상기 외골격을 조절하기 위하여, 병진운동 축이 어깨 부재에 제공될 수 있다. 상기 병진운동 축은 상기 제 1 어깨 커플링 부재가 상기 어깨 부재를 따라 이동되도록 허용한다. 일 실시예에서 상기 사용자의 어깨 너비가 설정되어 상기 제 1 어깨 커플링 부재가 상기 병진운동 축을 따라 더 이상 이동될 수 없도록 상기 병진운동 축은 정지(arrested)될 수 있다. 이러한 정지는 다른 사용자에 대해 조정이 가능하도록 취소될 수 있다. 대안적으로, 추가적인 자유도가 어깨 어레인지먼트에 부가될 수 있도록 상기 병진운동 축은 정지없이 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제 1 회전축은 0 ° 내지 50 ° 사이의 각도로 기울어 질 수 있는 팁핑 축(tipping axis)이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제 2 회전축 및 상기 제 3 회전축 사이의 각도는 0 ° 내지 90 ° 사이이며, 그리고 특히 상기 제 2 회전축 및 상기 제 3 회전축 사이의 각도는 85 °+ 5 °이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 외골격은 제 3 액츄에이터를 더 포함한다. 상기 제 3 액츄에이터는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하며, 상기 제 3 액츄에이터의 상기 제 1 단부는 상기 팔걸이와 연결되고 상기 제 3 액츄에이터의 상기 제 2 단부는 상기 제 2 어깨 커플링 부재와 연결된다. 상기 제 3 액츄에이터는 어깨의 움직임을 서포팅하도록 구성된다.
상기 사용자는 상기 팔걸이 및 상기 제 2 어깨 커플링 부재 사이에 제 3 액츄에이터를 사용하여 그의 움직임을 서포팅받을 수 있다. 서포트는 넓은 어깨 각도들의 경우 또는 머리 높이에서 또는 그 이상에서 작업을 수행하는 경우에서 특히 제공될 수 있다. 상기 외골격은 또한 상기 제 3 액츄에이터에 의해 제공되는 서포트에 따라 상기 후부의 보강을 제어하도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 사용자의 어깨 및/또는 상완의 서포트가 높을수록, 상기 플렉서블 후방 부재는 더 보강될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 상기 제 1 액츄에이터, 상기 제 2 액츄에이터 및 상기 제 3 액츄에이터의 제어는 상기 제어기에 의해 수행될 수 있다. 상기 제어기는 제어를 위해 개별적으로 센서 또는 센서들에 의해 측정된 데이터를 고려할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 디바이스는 예상되는 변형(strain)을 서포팅하기 위하여, 즉 적어도 하나의 인간 몸체 영역, 바람직하게는 말단에 힘을 증가시키고 그리고 전달하도록(channel) 각각의 몸 치수에 적응될 수 있다. 상기 사용자는 이 디바이스 또는 상기 외골격을 착용할 수 있고, 이는 부드럽거나 또는 부드러우면서 단단한 물질들로 제조될 수 있다. 특히 상기 플렉서블-영역 후방 부재는 단단하거나 또는 플렉서블한 물질로 제조되어 사용자 및 그 몸에 보다 더 적응할 수 있다. 부드러운 컴포넌트들은 상기 사용자 및 테크놀로지(technology) 사이에 접촉이 있는 영역들에서 특히 사용될 수 있다.
본 발명과 관련하여, 용어 디바이스는 예를 들어, 팔걸이 또는 골반지지 부재(힘을 흡수하여 그리고 따라서 인간의 신체 부위로부터 기술적 시스템으로 힘을 그리고 기술적 시스템으로부터 인간의 신체 부위로 힘을 전달하기 위한), 연결 부재들과 같은 맨-테크놀로지 인터페이스, 및/또는 어깨-팔 유닛(메카닉스(mechanics)라고도 지칭됨), 센서들, 및 액츄에이터들과 같은 인간의 신체 부위들에서 회전 또는 병진운동 움직임들의 실현을 위한 디바이스들과 같은 상이한 시스템 컴포넌트들을 가지는 기술적 시스템으로 이해되어야 한다. 회전 및/또는 병진운동하는 움직임들의 실현을 위한 상기 디바이스는 서포팅되는 사람의 대응하는 부분(counterpart), 즉 사람의 어깨와 가능한 유사하게 본 개시 내용과 관련하여 설계되어야 한다; 그러므로 이는 의인화적으로(anthropomorphically) 설계되어야 한다. 사람의 움직임들을 실현하기 위한 상기 디바이스는 힘을 흡수하기 위해, 즉 상완과 같은 인간의 신체 부위로부터 기술적 시스템으로 힘을 전달하기 위한 맨-테크놀로지 인터페이스를 구비하여야 한다. 또한, 상기 디바이스는 기술적 시스템으로부터 인간 몸의 구조들, 예를 들어 등(back), 가슴 및/또는 골반으로 힘을 전달하는 맨-테크놀로지 인터페이스를 가져야 한다. 이러한 맨-테크놀로지 인터페이스는, 예를 들어, 3D 프린트에 의하여 독립적으로 생성되는, 상기 사용자에 따라 적응되는 힘 유도 지점(force induction point)들을 가지는, 필수적으로 커스터마이즈(customized)되지 않는, 인간 몸통를 모방한 기술적 디바이스(이하, 몸통 골격(torso skeleton)이라 지칭됨)일 수 있다. 상기 몸통 골격은 여기서 상이하게 구성될 수 있다. 이에 대한 상이한 변형들의 설명은 아래에 제공된다. 상기 몸통 골격은 예를 들어 인체와 관련된 백팩(backpack)과 같은 벨 시스템(bell system)에 적용될 수 있다. 또한, 인간의 움직임들의 실현을 위한 상기 디바이스는 구동 메커니즘(drive mechanism)을 포함한다. 이와 관련하여 다양한 수동적 및 능동적 실현 옵션들이 존재한다; 활성화되는 경우, 제어기 및 센서들의 시스템이 요구될 수도 있다. 상기 구동 메커니즘은 인간의 움직임들을 서포팅하고 모방하는데 필요한 디바이스에서 힘과 운동량들을 생성하기 위하여 사용된다. 수동적으로, 이는 예를 들어 기계적 스프링, 가스-압축 스프링, 또는 탄성 밴드들과 같은 특정한 성질들을 고려하여 실현될 수 있다. 능동적인 서포트를 위해, 전기 모터들, 공압 및 유압 액츄에이터, 또는 인공 머슬들이 사용될 수 있다. 이들 능동적인 구동 옵션들은 상이한 특성(characteristic)들을 가진다. 상기 구동 옵션들의 어레인지먼트는 인간의 움직임들을 실현하기 위하여 상기 디바이스의 회전 또는 직선 축 상에 직접적으로 위치할 수 있다. 그러나, 구동 유닛들을 분산되는(decentralized) 방식으로 위치시키거나, 그리고 예를 들어 풀리 메카니즘(pulley mechanism)에 의한 작동(actuation)을 실현하는 것도 가능하다.
상기 몸통 골격은 상이한 구성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 고려 가능한 것은 단순한 기술적 기능들(예를 들어, 변경된 사용자 프로파일(profile)에 대한 용이하고 빠른 조정)을 제공하기 위한 프로파일들의 시스템으로부터 제조되는 순전한 "기계와 유사한 설계(machine-like design)"이다. 또 다른 옵션은 최적의 힘의 흐름을 달성하기 위하여 몸통 구조체가 인간의 척추에 적응하는 구성이다. 이 구조는 이하에서 S 프로파일 시스템으로 지칭된다.
암-테크놀로지(arm-technology) 인터페이스의 설계는 상이할 수 있다. 폐쇄되거나 그리고 개방되거나, 단단하거나 그리고 부드러운 구조체가 모두 가능하다.
상기 디바이스는 이를 착용하는 사람의 적어도 두 개의 몸체 부분들에 직접 연결되며 그리고 예를 들어 인간으로부터 기술적 시스템으로 힘을 전달하기 위하여 그리고 서포팅 기능을 달성하기 위하여 팔뚝 뿐만 아니라 기술적 시스템으로부터 인간의 구조 및/또는 인간의 몸으로 힘을 다시 전달하는 골반 지지 부재에 의해 골반과 상호작용한다. 커넥션(connection)은 바람직하게는 기계적(mechanical)이며, 이는 사용자가 인체의 적어도 2 개의 특정 부분들과 직접적으로 그리고 밀접하게 연결되는 디바이스를 착용할 수 있음을 의미한다. 여기서, 한편으로는 인체의 특히 사용되는 영역들 주위에 힘을 전달하고 그리고 다른 한편으로는 특정한 힘의 생성 및 증폭에 의해 다른 서포트 및 움직임의 기능들을 제공함으로써, 상기 디바이스는 인간의 적어도 하나의 활동, 주로 리프팅 및 핸들링 작업들을 직접적으로 서포팅할 수 있다. 이는 상기 시스템이 힘을 흡수하고, 전달하고, 증폭하고, 그리고 인가(introduce)하고 그리고 따라서 예를 들어 인간의 상지에 대한 일종의 서포트 디바이스로 볼 수 있음을 의미한다.
상기 서포트 디바이스는 이를 착용하는 사람에 의해 수행되는 다양한 움직임들에 대한 서포트를 제공할 수 있고 그리고 머리 높이에서 또는 그 이상에서 수행되는 작업 중에 예를 들어 인간의 상지(upper extremity) 상에 잘못된 변형을 방지하기 위한 것이다. 그러나 상기 디바이스는 각기 이를 착용하는 사람 또는 사용자의 모든 작업을 수행하거나 모든 변형을 처리(take over)하기 위한 것이 아니다. 상기 시스템이 일시적으로 또는 영구적으로 켜질 수 있다(turned on). 또한, 여러 레벨의 지능(intelligence)이 가능하다. 변형 1은 시스템을 켜거나 또는 끌 수 있는 옵션을 제공하지 않는다. 따라서 (사용자가 착용하고 있는 경우), 이는 항상 켜져 있다. 변형 2는 사용자가 시스템을 켜거나 또는 끌 수 있도록 허용한다(예를 들어 활성화 버튼 누름에 의함). 변형 3은 센서 및 센서에 의해 생성된 데이터를 처리하기 위한 제어기 및 센서들의 통합을 제공한다. 이러한 정보에 의해, 변형 데이터는 변형의 레벨에 따라 EMG 또는 힘 센서들에 의해 상기 시스템을 제어하는데 사용된다. 예를 들어, 사소한 변형의 경우 시스템은 비활성이고 변형이 임계 값을 초과하는 즉시 적극적으로(actively) 추가된다.
상이한 시나리오들이 본 발명의 주제에 의해 처리(covered)된다. 이들은 사용 케이스들에 대해 아래에서 기술된다.
사용 케이스 1은 예를 들어 어깨-팔 영역에 과도한 변형을 방지하기 위한 상기 시스템의 사용을 제공한다. 이 경우, 상기 디바이스는 힘을 전달하기 위해 사용된다. 실시예에 따라, 상기 시스템은 영구적으로 또는 일시적으로 사용된다. 상기 시스템이 지능을 가지는 경우, 생리학적으로 견딜 수 레벨의 변경으로 되돌아가기 위해 요구되는 임계량에 의해 건강 상에 부정적인 효과(이른 관절의 마모 등)들을 가지는 과도한 변경의 경우에 상기 시스템은 상기 디바이스를 착용하는 사람에 대한 과도한 변경을 감소시킨다. 따라서 상기 시스템의 목적은 상기 디바이스를 착용하는 사람에 대한 과도한 변형의 제어된 감소이고 상기 변형의 완전한 제거가 아니다. 상기 디바이스를 착용하는 사람의 생리학적으로 견딜 수 있는 변형은 상기 디바이스를 착용하는 사람의 건강 상에 긍정적인 효과(건강 유지)로 인해 명백하게 요구된다. 일반적으로, 상기 디바이스가 사용자에게 최적으로 적응되는 경우에, 상기 디바이스는 인간의 움직임을 제한하지 않는다; 인간과 테크놀로지는 시간 및 공간 면에서 동기화되어 함께 움직임을 수행한다. 과도한 변형의 경우, 변형을 겪는 인체의 영역에 평행하게 배치되는 상기 디바이스는 특히 힘을 전달할 것이다. 인간의 움직임들 및 변형 프로파일 변화 동안의 상기 디바이스의 제어는 전술한 바와 같이 다양한 방식으로 발생할 수 있다. 상기 디바이스의 구성은 수행되는 작업 및 이를 착용하는 사람에 따라 적응된다.
사용 케이스 2는 사용자가 작업을 잘 수행할 수 있도록 하기 위한, 머리 높이 또는 그 이상에서의 작업과 같은 인체 공학적으로 어려운 작업에 대한 힘을 증가시키고 안정화하기 위한 목적만을 위한 시스템의 사용을 제공한다. 이 경우 상기 디바이스는 주로 움직임을 증폭시키거나 또는 특히 안정화시키기 위해 사용되는 힘을 생성하도록 사용된다. 두 번째로, 힘이 전달된다(사용 케이스 1 참조). 실시예에 따라, 상기 시스템은 또한 영구적으로 또는 때때로 활성화된다. 상기 시스템이 어느정도 지능을 가지는 경우, 상기 시스템은 어려운 작업들만 도움을 제공하고 그리고 서포트가 절대적으로 필요한 것이 아닌 경우에 최소한으로 서포트를 감소시켜야 한다. 따라서 상기 시스템의 목적은 상기 시스템을 착용하는 사람의 움직임의 제어된 서포트이다. 예를 들어 팔을 올리거나 어깨를 올리거나 낮추거나 회전시키기 위한 인간의 움직임의 경우, 인간의 변형되는 부분(region)에 평행하게 배치되는 상기 디바이스는 움직임을 위해 요구되는 힘(지능적인 시스템의 경우 필요한만큼만)을 제공하고 그리고, 움직임이 아주 작은 경우, 안정화를 위해 요구되는 힘을 제공할 것이다. 전술한 바와 같이, 상기 디바이스는 사람의 움직임 동안에 제어될 수 있고, 그리고 변경 프로파일(strain profile)은 다양한 방식으로 변화된다. 상기 디바이스의 구성은 수행되는 작업 및 상기 시스템을 착용하는 사람에 따라 적응된다.
본 발명의 주제는 상기 디바이스가 몸체에 가깝다는 점에 기인하여 어깨의 올림 및 낮춤 또는 회전과 같은 제한없이 인간의 회전 및 선형 움직임들을 허용하는 상기 디바이스의 운동학적인 구조체를 특히 특징으로 한다.
일반적으로, 수평 방향으로의 움직임을 위한 액츄에이팅 엘리먼트 및 센서들(후자는 주로 능동적인 시스템을 위함)에 대한 요구사항들을 최소화하는 수직 방향의 움직임이 고려되기 때문에, 전체 컨셉(concept)은, 특히 회전 및 병진운동하는 인간의 움직임들을 생성하기 위한 상기 디바이스에 대한 복잡성을 감소시킨다.
또 다른 특별한 특징은 제어기이다. 선택되는 제어의 유형에 따라, 상기 시스템은 사용 케이스에 따라, 작업을 수행하기 위해 서포트가 필요하거나 또는 과도한 변형이 방지되어야 하는 경우에 상기 시스템이 활성화된다. 과도한 변형의 방지를 위한 하나의 예는 시스템을 착용하는 사람이 과도한 변형을 인식하여 상기 시스템을 능동적으로 시작하거나 또는 상기 시스템이 과도한 변형을 자동으로 감지하도록 구성되어 있는 경우, 화물들의 수동적인 처리(handling)이다. 머리 높이에서 또는 그 이상의 활동들을 위해 제공되는 서포트는 작업의 실행에서 제공되는 서포트에 대한 하나의 예이다. 이 접근법은 제 1 예와 동등하다.
설계에 따라, 상기 디바이스는 다양한 부재들 및 상이한 수들의 이들 부재를 포함할 수 있다. 상기 구성, 즉 상기 부재들이 전체 시스템 및/또는 디바이스를 생성하기 위해 함께 결합되는 방식 및 부재의 선택은 주로 상기 시스템의 사용자 및 작업에 의해 제공되는 요구사항들 따라 이루어진다. 상기 시스템 및 사용자 사이의 연결(coupling)은 다양한 방식들로, 예를 들어 백팩(backpack), 케링 케이스(carrying case) 또는 의류 피스(piece of clothing)로 실행될 수 있다. 한편으로, 상기 시스템은 인체의 부분들 상에 작용하는 힘들을 전달함으로써 과도한 변형으로부터 신체 부위들을 보호할 수 있다. 다른 한편으로, 상기 시스템은 인간의 움직임을 서포트하고 그리고/또는 용이하게하며 그리고 자세를 안정시킬 수 있다. 여기서의 일반적인 작업은 산업적인 생산 또는 거래(trade)들에서 머리 높이에서 또는 그 이상에서 작업하는 것이다. 상기 시스템은 적어도 생체 역학(biomechanical) 및 병진운동의 움직임들의 실현을 위한 디바이스 및 인간의 움직임 및 적어도 2 개의 휴먼-테크놀로지 인터페이스들(힘을 흡수하기 위한, 즉 인간 구조로부터 기술적 시스템으로 힘을 전달하기 위한 하나, 및 기술적 시스템으로부터 인간 구조로 힘을 전달하기 위한 하나) 뿐만 아니라 액츄에이팅 유닛 또는 액츄에이터로 구성된다. 예를 들어 센서 및 제어 유닛을 부가하기 위한, 예를 들어 능동적인 구동 유닛들을 구비하는 특정 변형예들이 가능하거나 그리고 종종 필수적일 수 있다.
상기 디바이스는 오랜 시간 동안에 인체 공학적으로 어렵거나 반복적인 작업들을 수행해야하는 사람을 서포트하는데 특별히 사용될 수 있다. 또한, 중기적으로, 상기 시스템은 적어도 여러 탄성 또는 플렉서블한 기술적 부재들 또는 기술적 조인트들의 안정화를 위해 또는 다른 라이프 형태(form of life)들의 지원을 위해 사용되도록 의도되었다.
따라서, 본 발명은 힘을 전달하고 증폭시킴으로써 인간 또는 다른 생물체 또는 기술적 시스템(산업용 로봇과 같은)의 몸체의 적어도 일부를 보조 및/또는 보존하는 디바이스를 생성했다.
운동학적 환경들, 특히 작업 및 사용자의 관련 신체 부위의 해부학(anotomy)은 상기 디바이스의 설계, 구축(construction) 및 구성을 고려해야 한다. 특히 2 개의 유형의 맨-테크놀로지 인터페이스들, 회전 및 병진운동하는 인간의 움직임들의 실현을 위한 디바이스, 그리고 제어기를 포함하는 액츄에이터들 및 가능한(maybe) 센서들이 여기서 고려되어야 하고, 이는 상기 디바이스의 성능에 중요하다. 이러한 엘리먼트들은 상기 디바이스가 다양한 자유도들을 가질 수 있도록 고정된 또는 플렉서블한 방식으로 연결된다. 모든 유형의 기하학적 설계의 가능성들이 존재한다.
본 발명의 주제는, 운동학적 구조체가 상기 서포트 디바이스를 사용하는 사람의 생체 역학에 적응되기 때문에 (사용자와 함께 유지되어 높은 수용력으로 이어짐), 오직 맨-머신 인터페이스들에서 약간의 반작용력(reactive force)들을 초래한다. 그 구조로 인해, 상기 시스템은 기술적 시스템으로 특정한 힘의 전달, 중요한 인간 구조들 주위의 특정한 힘의 전달, 및 기술적 시스템로부터 기술적 시스템으로 특정한 힘의 인가를 허용한다. 여기서, 본 발명의 핵심은 인간 생체 역학과 평행하게 변하며(move) 그리고 바람직하게는 의인화된 방식으로 설계된다. 그러나, 다른 설계도 가능하다. 특히 강조되는 것은 상기 시스템이 척추의 생리학적 double-S 형상에 적응되며, 그리고 따라서 요추 전만(lumbar lordosis) 및 흉부 후만증(thoracic kyphosis)의 어레인지먼트에 적응될 수 있다는 점을 보장하는 기술적인 몸통의 골격(S 프로파일 시스템으로 지칭됨)에 대한 가능한 실시예이다.
요약하면, 상기 디바이스는 제어 유닛 및 센서 디바이스를 가지는 능동적인 케이스에서, 수동적인 및/또는 능동적인 구동 메커니즘 그리고 회전 및 병진운동하는 인간 움직임들(예를 들어, 어깨의)의 생성을 위한 하나 이상의 수단과 함께, 상기 디바이스 및 상기 사용자 (바람직하게는 2 개) 사이에 하나 이상의 인터페이스들을 구비한다. 상기 디바이스는 한편으로는 예를 들어 머리 높이에서 또는 그 이상의 높이에서 인체 공학적으로 수동적인 작업의 보다 나은 수행을 허용하며, 다른 한편으로 육체적으로 격렬하거나 또는 위험한 작업의 수행을 가능하게 한다. 상기 시스템은 특히 상지들에 서포트를 제공함으로써 사용자에 의해 들리는 물체들의 무게의 균형을 맞출 수 있다. 회전 및 병진운동하는 인간의 움직임들의 생성을 위한 상기 디바이스의 적어도 일부의 능동적으로 구동되며 그리고 수동적인 자유도의 특정한 어레인지먼트로 인해, 수직으로 작용하는 힘을 특히 상지로부터 몸통으로 전달하기 위한 생각할 수 있는 실시예가 가능하며, 여기서 사용자는 수평 방향으로만 다소 제한된다. 따라서 핸들링(handling)에 중요하며 그리고 건강상의 이유로 유용한, 수평 레벨 상의 움직임들로부터의 무게에 의한 유해한 변형을 구조적으로(constructively) 분리하는 것이 가능하다.
이러한 유형의 시스템들은 이른 마모 및 찢어짐이 감소될 수 있으며 그리고 이러한 시스템들이 물리적 성능의 저하를 막을 수 있기 때문에 이들 작업 분야에서 다양한 적용 상황(application context)들에 작업자(employees)를 참여시킬 수 있게 한다. 상기 시스템은 예를 들어 리프팅 및 운반 작업들과 같은 전문적인 분야, 및 개인적인 분야, 예를 들어 램프 설치 또는 페인팅하는 경우 모두에 사용될 수 있다.
본 발명의 주제는 과도한 변형에 의한 손상을 방지하기 위한 그리고 인체 공학적으로 어려운 활동들에 대한 서포트를 제공하기 위한 휴대가능한, 특히 웨어러블 시스템이다. 상이한 변형들이 상기 시스템의 특정한 설계에 대해 고려될 수 있다. 사용자의 이동성(mobility), 즉 인간의 움직임은 일반적으로 손상되거나 영향을 받지 않는다. 알루미늄, 직물들, GRP, CFP, 또는 플라스틱과 같이 부드럽거나 단단할 수 있는 다양한 유형의 물질들이 상기 시스템의 구조체에 사용될 수 있다.
요약하면, 본 발명의 주제는 특히 다음 양상들에 의해 특징화된다:
-운동학적 구조체에서 회전 및 병진운동 자유도의 특정한 결합은 서포트 시스템의 매우 고충실도의 움직임으로 이어진다.
- 상기 디바이스의 또 다른 중요한 장점은 훨씬 쉽고, 보다 작고, 그리고 보다 비용-효율적인 설계이다.
- 몸체에 착용되거나 근접하는 상기 시스템에 대한 의인화된 설계를 생성하기 위한 운동학적 구성에 대한 특별한 방법들(특히 생채역학적 분석들)이 고려되었다. 이는 자유도의 감소에도 불구하고 움직임의 충실도가 매우 잘 재현되도록 한다.
- 모듈식 구조 및 특별히 제공되는 적응 옵션들은 본 발명에 따른 디바이스의 최적의 사용을 용이하게 한다.
주로 무게의 힘 뿐만 아니라 매우 좋은 적응 옵션 및 몸체에 매우 가깝고 컴팩트한 상기 시스템의 설계를 보상하는, 액츄에이팅 엘리먼트들 및/또는 운동학적 구조로 인해 무시할 수 있는 구속력(constraining forces) (상기 시스템을 사용하는 선택이 사용자에게 있음을 의미함)은 높은 수용력으로 이어진다.
본 발명의 예시적인 실시예들이 도면에 도시되며, 이하에서 보다 상세히 기술된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 측면으로부터의 외골격의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 측면으로부터의 이격된 보강 수단을 구비하는 외골격의 개략도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 평행 투시로부터의 이격된 보강 수단을 구비하는 외골격의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측면으로부터의 이격된 보강 수단을 구비하는 외골격의 개략도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 어깨 어레인지먼트를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 틸팅 축인 제 1 회전축을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 등각 투영에서의 어깨 어레인지먼트를 도시한다.
도 8은 몸체의 측면도로부터의 머리 높이에서 또는 그 이상에서 작업을 수행하는 경우에 사람과 상호작용하는, 본 발명에 따른 서포트 디바이스의 제 1 실시예를 도시한다.
도 9는 몸체의 후방을 보이고 있는 경우에 사람과 상호작용하는, 본 발명에 따른 서포트 장치의 제 1 실시예를 도시한다.
도 10은 몸체의 후방을 보이고 있는 경우에 사람과 상호작용하는, 본 발명에 따른 서포트 장치의 제 2 실시예를 도시한다.
도 11은 몸체의 후방을 보이고 있는 경우에 사람과 상호작용하는, 본 발명에 따른 서포트 장치의 제 3 실시예를 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명에 따른 디바이스의 분해도를 도시한다.
본 발명에 따른 서포트 디바이스의 바람직한 응용 영역은 자동차 및 항공 우주 산업에서 기술자들에 의해 수행되는 설치 및 조립 작업들과 같은 머리 높이에서 또는 그 이상에서 수행되는 작업들과 같은 인체 공학적으로 위험한 작업들에 개인적인 그리고 전문적인 환경에서 물리적으로 작업하는 사람들의 서포트이다. 이들은 현재 현재 또한 앞으로도 여전히 인간에 의해 바람직하게 수행될 모든 작업들이다. 이러한 요구는 보다 복잡하고 보다 커스터마이즈된(customized) 제품들로 인한 생산 환경에서의 요구 사항들의 증가 및 인구학적인(demographic) 변화들로 인해 지속적으로 증가하고 있다. 본 발명에 따른 서포트 디바이스는 특정한 안심(relief) 및 도움으로 인해 이전보다 긴 시간 동안 작업이 수행될 수 있도록 보장하여, 장시간에 걸쳐 과도한 변형으로 인한 손상을 감소시킨다. 이는 또한 특수한 기술들을 요구하는 특정 작업을 가능하게 한다(예를 들어, 중량의 화물들의 처리). 또한, 이는 이전에 이러한 유형의 작업에 대해 최적으로 준비되지 못한 사람들의 그룹들을 위해 작업을 보다 용이하게 할 수 있다. 이러한 응용 예시들은 이러한 사안이 중요한 사회적 관련성(개인적 및 전문적 환경에서 인적 자원의 지속적인 사용)있다는 것을 나타낸다. 타겟화된 서포트를 위한 필요한 시스템 기술의 간격은 기술적 시스템을 이용하여 인간을 대체하지 않고 상기 서포트 디바이스에 의해 감소될 수 있다. 결과적으로, 작업자 당 병가(sick days)가 부정확한 변형의 방지로 인해 감소될 수 있기 때문에 전체적인 경제성은 강화된다.
본 발명의 주제는 적어도 하나의 인체 신체 부위에 평행하게 배치되고 다양한 방식으로 제어될 수 있으며 그리고 전체적으로 서포트 디바이스를 구성하는 엘리먼트들을 포함하는 웨어러블 서포트 디바이스를 사용하여 사용자를 서포팅한다. 이는 디바이스 엘리먼트들 및 임의의 요구되는 센서들을 조정 및 제어하기 위한 기능들이 포함될 수 있다.
이하, 실시예들은 본 발명에 따른, 머리 높이에서 또는 그 이상에서 작동하는, 사용 케이스에 기초하여 설명될 것이다.
도 1은 측면으로부터의 외골격을 도시한다. 도 1의 외골격 (100)은 후부 (110), 어깨 어레인지먼트 (200), 및 골반 지지 부재 (150)를 포함하는 여러 모듈들을 포함한다. 여기서 후부 (110)는 골반 지지 부재 (150)를 어깨 어레인지먼트 (200)와 연결한다. 어깨 어레인지먼트 (200)는 적어도 하나의 팔걸이 (240) 및 하나의 어깨 부재 (210)를 포함한다. 후부 (110)는 적어도 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)를 포함한다. 이는 사용자가 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)를 구부릴 수 있도록 주된 연장 방향에 수직으로 유연하게 설계된다. 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)는 직접적으로 또는 간접적으로 골반 지지 부재 (150)와 직접적으로 또는 간접적으로 연결되며 그리고 어깨 어레인지먼트 (200)와 연결된다. 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111) 및 골반 지지 부재 (150) 사이의 간접적인 연결의 경우, 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 (112) 및/또는 커넥팅 부재 (140)는 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111) 및 골반 지지 부재 (150) 사이에 연결을 생성할 수 있고, 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111) 및 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 (112) 사이의 거리는 커넥팅 부재 (140)에 의해 조정 가능하다. 따라서, 외골격 (100)은 상이한 신체 형상들을 가지는 사용자들에게 적응될 수 있다. 제 1 보강 수단 (130)은 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)에 적용될 수 있고, 이는 플렉서블-영역 후방 부재 (111)를 굴곡 방향으로 특히 보강할 수 있게 한다. 제 1 보강 수단 (130)은 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111) 상의 사용자의 후방에 대해 외측에 적용될 수 있다. 제 1 보강 수단 (130)은 2 개의 힘 작용 지점 (121, 122)들에 의해 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)와 연결된다. 여기서 제 1 힘 작용 지점 (121)은 어깨 어레인지먼트의 측면 상에 배치되며 그리고 제 2 힘 작용 지점 (122)은 골반 지지 부재의 측면 상에 배치된다.
내부의 보강 수단 (130a)은 도 1의 플렉서블- 영역 후방 부재 (111)의 내부 상에도 적용되어서, 제 2 굴곡 방향이 특히 보강될 수 있다. 또한, 제 1 보강 수단 (130) 및 내부의 보강 수단 (130a)의 영역은 중첩되어서 제 1 플렉서블-영역 후방 부재가 제 1 및 제 2 굽힘 방향 모두에서 보강된다.
도 2는 본질적으로 도 1의 외골격 (200)을 도시한다. 도 2에서, 외골격은 팔걸이 (240) 및 어깨 부재 (210)를 가지는 어깨 어레인지먼트(200)를 배치한다. 또한, 외골격 (100)은 후부(110) 및 골반 지지 부재 (150)를 포함하며, 후부 (110)는 골반 지지 부재 (150)를 어깨 어레인지먼트 (200)와 연결한다. 도 1과는 달리, 도 2는 상이한 유형의 보강 디바이스 (130)를 가진다. 보강 디바이스 (130)는 보강 수단 (135)을 더 포함하며, 이것은 도 2에서 제 1 힘 작용 지점 (121) 및 제 2 힘 작용 지점 (122) 사이에 배치된다. 제 1 힘 작용 지점 (121)은 어깨 부재 (210) 상에 위치한다. 제 2 힘 작용 지점 (122)은 커넥팅 부재 (140) 상에 위치한다. 또한, 돌출 유지 구조체 (160, 161)들은 보강 수단 (135)이 위치한 제 1 플렉서블-영역의 후방 부재 (111) 상에 고정된다. 보강 수단 (135)은 예를 들어 타이트한(tight) 로프 또는 스프링일 수 있다. 유지 구조체 (160, 166)들로 인해, 보강되는 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111) 및 보강 수단 (135) 사이의 거리가 조정되어 제 1 플렉서블-영역의 보다 구체적인 보강이 보장될 수 있다. 또한, 보강 디바이스 (130)는 로프-텐셔닝 디바이스 (170)를 포함한다. 이러한 로프-텐셔닝 디바이스 (170)는 로프 장력 및/또는 스프링 장력을 조정할 수 있게 한다. 조정은 수동 또는 자동으로 이루어질 수 있다. 로프 장력은 바람직하게는 사용자의 필요에 따라, 예를 들어 그 신체 사이즈, 근력 및 수행되는 작업에 따라 조정될 수 있다. 로프 장력의 자동적인 조정을 위해, 액츄에이터는 로프-텐셔닝 디바이스 (170)에 제공될 수 있다. 이것은 예를 들어 공압 실린더, 유압 실린더, 공압 머슬, 압전 소자 또는 전기 모터일 수 있다. 또한, 액츄에이터의 제어를 위한 센서 어레인지먼트 및 제어기를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 액츄에이터는 개별적인 상황에 적응될 수 있다: 즉, 작동중인 힘 및/또는 외골격 (100)의 각도에 따라, 보강 디바이스 (130)의 보강이 적응될 수 있다. 결과적으로, 후부 (110)의 강도는 서포팅되는 사용자에 따라 독립적으로 적응될 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 평행 투시 또는 측면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 외골격 (100)을 도시한다. 도 1 및 도 2와는 대조적으로, 도 3의 후부 (110)는 3 개의 부분을 가진다: 즉, 2 개의 커넥팅 부재 (140a, 140b)들에 의해 연결되는 3 개의 플렉서블-영역 후방 부재 (111, 112, 113)가 있다. 커넥팅 부재 (140a, 140b)들은 연결된 플렉서블 -영역 후방 부재들 사이의 거리를 변화시킬 수 있도록 하여 개별적인 사용자에 따라 높이가 조정될 수 있다. 또한, 도 3은 사용자의 어깨들 상에 외골격을 편안하게 위치시키기 위해 사용되는 어깨 패드 (180)를 가진다. 제 3 플렉서블-영역 후방 부재 (113) 및 골반 지지 부재 (150) 사이의 연결은 제 1 회전축 (151) 및 제 2 회전축 (152)을 포함하는 어레인지먼트에 의해 생성된다. 제 1 회전축 (151)은 사용자가 측면으로 그의 등을 구부리도록, 즉 후방의 측면 굴곡을 수행하도록 허용한다. 제 2 회전축 (152)은 사용자가 앞으로 구부리도록, 즉 제 3 플렉서블-영역 후방 부재 (113)에 대해 골반 지지 부재 (150)의 굴곡을 허용한다. 도 3에서, 제 1 보강 디바이스 (130)는 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111) 위에 매달린(suspended) 2 개의 평행한 보강 수단(135a, 135b)들을 가진다. 이 경우, 보강 수단 (135a, 135b)들은 타이트한 로프들이다. 제 1 힘 작용 지점 (121)은, 도 2에서와 같이 어깨 부재 (210)에 위치한다. 제 1 보강 디바이스 (130)의 제 2 힘 작용 지점 (122)은 보강 수단 (140a) 상에 위치한다. 보강 수단 (135a, 135b)들은 제 1 힘 작용 지점 (121) 및 제 2 힘 작용 지점 (122) 사이의 연결을 생성하기 위해 유지 구조체 (160)를 통과한다. 또한, 유지 구조체 (160)는 제 1 플렉서블 후방 부재 (111)의 보강 수단 (135a, 135b)들 사이의 거리를 생성한다. 이러한 어레인지먼트로 인해, 제 1 보강 디바이스 (130)는 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)를 특히 보강할 수 있다. 제 2 보강 디바이스 (131)는 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 (112) 위에 배치된다. 제 2 보강 디바이스 (131)는 또한 2 개의 평행한 보강 수단 (136a, 136b)들을 포함한다. 보강 수단 (136a, 136b)들은 2 개의 커넥팅 부재 (140a, 140b)들 사이에 연결되며(strung) 그리고 제 2 플렉서블 영역 후방 부재 (112)를 특히 보강하도록 설계된다. 다양한 보강 수단 (135a, 135b, 136a, 136b)들의 로프 장력은 상이하게 뿐만 아니라, 유사하게 설계될 수 있다. 또한, 도 3은 어깨 어레인지먼트 (200)를 포함하며, 이는 도 5 내지 7에서 더 상세히 기술된다.
도 5 내지 도 7은 어깨 어레인지먼트 (200)를 도시한다. 어깨 어레인지먼트 (200)는 다음과 같은 컴포넌트들을 포함한다: 어깨 부재 (210, 210a), 제 1 어깨 커플링 부재 (220), 제 2 어깨 커플링 부재 (230), 및 팔걸이 (240). 어깨 부재 (210)는 제 1 부분 (210) 및 제 2 부분 (210a)을 포함하는 2 개의 부분일 수 있다. 이러한 방식으로, 하나의 부분은 사용자의 어깨 너비로 외골격을 조정하기 위해 다른 부분으로 삽입될 수 있어, 병진운동 축 (205)이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 병진운동 축 (205)은 사용 중에 이동하지 않고 그리고 힘이 후부 및 골반 지지 부재로 효과적으로 전달될 수 있도록 설정(set)된 이후에 정지될 수 있다. 어깨 부재 (210 또는 210a)는 회전 방식으로 제 1 어깨 커플링 부재 (220)에 연결되어 제 1 회전축 (215)이 생성된다. 제 1 회전축 (215)은 틸팅 축으로서 설계될 수 있고, 이는 도 6에서 더 상세히 기술된다. 제 1 어깨 커플링 부재 (220)는 제 2 회전축 (225)에 의해 제 2 어깨 커플링 부재 (230)와 연결된다. 제 2 어깨 커플링 부재 (230)는 제 3 회전축 (235)에 의해 팔걸이 (240)와 연결된다. 제 2 회전축 (225) 및 제 3 회전축 (235)은 0 ° 내지 90 ° 사이의 각도로, 특히 85° + 5°의 각도로 교차한다. 제 2 회전축 (225) 및 제 1 회전축 (215)은 제 1 어깨 커플링 부재 (220)가 후방으로 그리고 측 방향으로 모두 돌출하기 때문에 직접적으로 교차하지 않는다. 따라서, 이들 두 회전축들은 서로 직각을 이루지만 서로 이격한다. 총 3 개의 회전축 (215, 225, 235)들을 가지는 전술한 어깨 어레인지먼트 (200)는 사용자의 어깨 영역에서 고도의 이동성을 허용한다. 액츄에이터 (250)는 팔걸이 (240) 및 제 2 어깨 커플링 부재 (230) 사이에 배치될 수 있다. 이는 사용자의 팔을 서포트하도록 설계될 수 있다. 결과적으로, 사용자는 도구들과 함께 보다 오랜 작업 및/또는 머리 높이에서 보다 나은 작업을 수행할 수 있다. 또한, 센서는 이상적인 사용자 서포트를 제공하도록 액츄에이터 (250)를 제어하기 위한 각도 또는 힘을 측정할 수 있다.
도 6은 제 1 회전축 (215)의 단면도를 도시한다. 또한, 도 6은 제 1 어깨 커플링 부재 (220) 및 어깨 부재 (210a)를 도시한다. 제 1 회전축 (215)은 틸팅 축이며, 이는 50 °의 각도로 기울어 질 수 있다. 상기 설계는 원하는 각도 (여기서는 50 °)가 두개의 정지점(stop)들에 의해 설정될 수 있도록 한다. 이러한 방식으로, 인간의 과도한 스트레칭이 방지된다.
도 8 내지 도 11은 각각 머리 높이에서 또는 그 이상에서 응용 상황에 대한 외골격 또는 서포트 디바이스의 가능한 실시예를 도시한다. 이러한 응용은 인체 공학적으로 매우 중요한 사용 케이스이다. 이러한 응용은 작업자, 특히 생산 작업자들이 이들의 어깨 영역에 만성 손상을 피할 수 있게 하거나 또는 머리 높이에서 또는 그 이상에서 작업을 수행하는 것을 가능하게 한다 (사용 케이스 2 힘 증가).
도 8은 사용자 (101) 및 시스템 엘리먼트들 간에 상호 작용하는 서포트 디바이스 (100)에 대한 제 1 예를 개략적으로 도시한다. 서포트 디바이스 (100)는 2 개의 맨- 테크놀로지 인터페이스에 의해 사용자 (10)와 결합된다:
기술적 시스템 및 인간 팔 사이에 인터페이스(암-시스템 인터페이스 241)로 식별되는, 예를 들어 팔걸이인 사용자 (1020)의 상완 및 서포트 디바이스 (100) 사이의 하나의 인터페이스, 및 기술적 시스템 및 인간 몸통(시스템-몸통 인터페이스 105), 예를 들어 골반 지지 부재 사이에 인터페이스로 식별되는 인간 몸통 (1040) 및 서포트 디바이스 사이에 하나의 인터페이스. 시스템-몸통 인터페이스 (105)는 착용자/연결 시스템 (106)을 구비한다. 또한, 시스템-몸체 인터페이스 (105)는 특히 사용자 (101)에 적응되어야 하는 인간 골반 (107)과의 연결 지점을 가진다. 또한, 서포트 디바이스 (100)는 시스템-몸통 인터페이스 (105) 및 암-시스템 인터페이스 (241) 사이에 배치되는, 특히 회전하는 인간 움직임 (201)들을 생성하기 위한 디바이스를 가진다. 인간의 움직임 (241)들의 생성을 위한 디바이스의 이러한 가능한 구성은 3 자유도를 가진다. 액츄에이터 유닛 또는 액츄에이터는 도 8에는 도시되지 않지만 요구될 수도 있다. 액츄에이터 유닛 및 추가적인 능동적인 액츄에이터에 대해 요구되는 제어기 및 센서들을 위한 가능한 실시예들이 위에 도시된다.
도 9는 회전 및 병진운동하는 인간의 움직임 (201)을 생성을 위한 디바이스의 특히 상이한 구성을 가지는 본 발명에 따른 서포팅 장치 (100)의 다른 실시예의 제 2 도면을 도시하며, 도 8의 구성은 우측 상에 그리고 새로운 변형은 좌측 상에 도시된다. 좌측 상의 실시예(부분적으로 평행한 운동기구(kinematics))는 회전하는 인간 움직임의 생성 뿐만 아니라 병진운동하는 인간 움직임의 생성을 허용한다. 디바이스의 운동기구의 이러한 특수한 부분은 인간의 어깨 (109) 위에 배치된다.
서포트 디바이스 (100)의 다른 실시예가 도 10에 도시된다. 여기서 가장 주요한 차이점은 회전 및 병진 운동하는 인간의 움직임 (201)들의 생성을 위한 디바이스에 있다. 도 8 및 도 9의 실시 예들과 비교되는 이러한 디바이스의 구성은 움직임의 충실도를 향상시키기 위해 근본적으로 상이하다. 사용자의 등 상부에 배치되는 평행한 운동기구 (222)는 인간 움직임의 생성을 위한 디바이스에서 "어깨들을 리프팅/풀업(pull up)"하는 기능 (2 차원 움직임)을 나타낸다.
인간 움직임 (201)들의 생성을 위한 디바이스의 제 4 실시예가 도 11에 개략적으로 설명된다. 이 실시예는 특히 회전하는 인간 움직임들의 생성을 위한, 2 개의 자유도를 가진다. 인간의 움직임들의 생성을 위한 디바이스(211)의 상이한 설계로 인해, 특히 인간의 어깨 (109) 위에 상이하게 설계된 시스템-몸통 인터페이스 (105)가 요구된다.
4 개의 대략적으로 스케치된 서포팅 디바이스들 또는 외골격 (100) 모두는 도면에서 인터페이스에 의해 서포팅 디바이스 (100)와 직접적으로 결합되는 사용자 (101)의 적어도 하나의 팔(특히 상완 (102))을 서포팅한다. 회전 및 병진운동하는 인간 움직임들의 생성을 위한 디바이스(211)에 대한 상이한 변형들이 개략적으로 설명되었다. 액츄에이팅 유닛 및, 능동적인 시스템들의 경우, 센서 및 제어 유닛의 통합 및 구성을 위한 변형 및 실시예는 도시되지 않았다. 실시예들은 위에서 기술되었다.
또 다른 옵션이 도 12에 도시된다. 여기서, 후부 또는 후방의 구성이 상이하다. 이는 상부 후방 부재 (111), 중간 후방 부재 (112) 및 하부 후방 부재 (113)로 구성된다. 이에 관한 특별한 점은 이러한 설계가 모든 유저의 키에 조정될 수 있도록 하는 조정을 제공한다는 점이다. 후방은 S-형 프로파일 (척추를 반영하기 위한)을 가진다. 후방 부재는 플라스틱, 탄소-섬유-강화 플라스틱, 유리-섬유-강화 플라스틱, 또는 금속과 같은 상이한 물질들로 제조될 수 있다. 그러나 특히 탄소-섬유-강화 플라스틱은 이러한 물질들이 방향성 보강 특성(directional stiffness property)들에 보다 용이하게 적응할 수 있기 때문에 이와 관련하여 적합하다고 고려된다. 이 경우, 후방이 구부러지도록 허용하지만 여전히 발생하는 힘을 전달할 수 있게 하는 매우 부드러운 구조를 구축하는 것이 가능하다. 상단 후방 부재 (111)는 단지 어깨를 겨우 덮는다. 여기에 어떠한 힘들이 흡수 및/또는 전달되지 않기 때문에 추가적인 보상(coverage)이 요구되지 않는다. 이 영역에서, 참조(referencing) 및 정지(arresting)만이 가능해야 한다. 후방 부재들은 예를 들어 나사들에 의해 연결된다.
또한, 후방 시스템은 백팩 홀더(backpack holder)를 구비한다.
특수 엘리먼트 (140)들은 하나의 연결면에 대해 제공된다.
여기서 참조 및 정지를 위해서 뿐만 아니라 힘의 전달을 위해 사용자의 가슴 끈을 포함하는 가슴 보호대(chest restraint)를 위해 다른 커넥팅 부재가 요구된다. 하부 후방 부재 (113)는 차례로 골반 끈 (미도시)과 연결된다. 상부 후방 부재 (111)에, 다른 시스템 부분들과의 연결을 허용하는 커넥팅 부재 (140)가 부착된다. 이들은 한 쪽에는 팔 운동기구(arm kinematics) 그리고 다른 쪽에는 머리 받침 (117)을 포함한다. 팔 운동기구와의 기본적인 연결은 커넥팅 부재 (140)와 연결되는 디플렉션 보우(deflection bow) (118)에 의해 제공된다. 하나 또는 두 개의 팔 부재들이 이 디플렉션 보우에 부착될 수 있다. 이들 팔 부재들은 4 개의 기계적인 엘리먼트들, 맨-테크놀로지 인터페이스, 및 액츄에이터 (미도시)로 구성된다. 4 개의 엘리먼트는 암-디플렉션 보우 연결부 (211a), 포크 브릿지(fork bridge) (221), 90 ° 디플렉션 보우 (231) 및 암 레버 (242)를 포함한다. 액츄에이터는 암 레버 (242) 및 90 ° 디플렉션 보우 (231) 사이에서 보강된다(braced). 가스-압축 스프링, 공압 액츄에이터 또는 전기 모터가 액츄에이터로 사용될 수 있다. 또한, 센서들이 타겟 값의 계산을 위해 통합될 수 있다. 맨-테크놀로지 인터페이스 (243)는 암 레버 (242) 상에 설치된다. 위치는 제어에 의해 결정될 수 있다.
도 8 내지 도 11에 도시된 서포팅 디바이스가 사용될 수 있는 상황에 대해, 사용자는 자신의 말단들의 무게 및 홀딩되는 도구들의 무게를 견디지 않아도 된다는 점이 중요하다. 특히 정적인 상태들에서, 인간의 근육들은 감소되는 혈액 순환으로 인해 역동적인 변경(dynamic strain)이 되는 경우에 그 성능이 제한된다. 그러나, 일반적으로 포지셔닝(positioning)에 사용자를 서포트하거나 수평 방향으로 다이내믹스(dynamics)를 증가시킬 필요는 없다. 따라서, 여기에서 기술된 개념의 설계 및 구성은 특히 수직 방향으로 서포팅하고, 반면에 가능한 한 적은 힘이 수평 방향으로 사용자에게 전달된다. 이는 수동적으로 설계된 회전축이 중력 방향과 평행하게 움직이기(run) 때문에 달성된다. 능동적 또는 수동적으로 구동되는 회전축은 바닥과 평행하게 움직인다(run). 회전축에서의 토크는 최대 토크가 가장 큰 레버 암의 지점에 도달하는 방식으로 서포팅되는 몸체부에 평행하게 움직이는 기계적 구조체의 종방향 축 및 몸체의 종방향 축 사이의 각도에 따라 선택된다. 상완에 부착되는 서포팅 시스템의 경우, 이러한 원리는 몸체의 종방향 축 및 상완 사이의 각도 phi Upperarm 를 가지는 미리 설정된 최대 서포트 토크 M Drive,maximum 으로부터
M Drive = sin( phi Upperarm ) * M Drive,maximum
의 구동 토크로 이어진다. 각도 phi Upperarm 이외에, 조인트 각도 위의 최대 근력의 경로(근육 강도의 경로)와 같은 추가적인 생리적인 매개 변수가 서포팅 힘이 작업의 수행을 위해 요구되는 힘 보다 작다는 것을 보장하기 위한 계산에 포함될 수 있다. 이는 시스템이 사용자를 이동시키지 않는다는 것을 의미한다. 사용자는 항상 힘을 가해야 한다. 다른 몸체 조인트들의 경우, 조인트 각도 및 서포팅 힘 사이에 동등한 관계들이 생성될 수 있다. 적절한 조합은 무게에 의한 유해한 어느 정도의 변형이 사용자로부터 제거되는데 반해, 모션의 자유는 그대로 유지되는 것을 보장하는 것을 가능하게 한다.
특히 어깨 끈에서 발생하는 것과 같은 병진운동의 움직임에 대해, 다른 움직임 패턴들도 고려 가능하다. 생리학적 이유로, 몸체의 종방향 축 및 상완 사이에 90 °의 각도가 초과되는 경우 중력에 대항하는 힘을 일으키는 것이 여기서 의미가 있다.
추가적인 센서들(EMG 센서와 같은)이 사용자의 의도를 감지하기 위해 통합될 수 있다. 중력 영향의 특수한 보상의 개념은 최대 서포팅 힘 M Drive,maximum 의 상황적인 영향을 주는 것에 의해 유지되고 확장된다.
기술된 설계 구조는 단순화된 방식으로 포텐셜 에너지(예를 들어, 스프링들 또는 압축 공기에서의 탄성 에너지로)를 저장하거나 필요에 따라 사용자에게 반환하는 것을 가능하게 한다.
이러한 고정된 몸체의 고려 이외에도, 서포팅 디바이스는 플렉서블 엘리먼트들(특히 후방 영역에서)로 구성된다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 이들은 주된 서포팅 힘의 방향에 대해 강성(stiff)이지만, 다른 방향으로는 플렉서블한 방식으로 적용된다. 이러한 방식으로, 그들은 움직임 및 몸체의 형태(특히, 등의 굴곡, 도 1의 시스템-몸통 인터페이스 (105)를 참조)에 적응할 수있다. 전체적으로, 이는 몸체에 근접한 평평한 구조체들을 사용함으로써 달성된다. 개별적인 몸 부분 주위에 직물 패스너들 (도 9의 착용자/커넥팅 시스템 (106) 참조)를 사용함으로써, 구조체는 신체 부위에 적응하고 변형이 종축에 평행하게 적용되는 경우에 끊어지지(break off) 않는다.
100 외골격 또는 서포팅 디바이스
101 사용자
102 사용자의 상완
104 인간 몸통
105 시스템-몸통 인터페이스
106 착용자/연결 시스템
107 인간 골반
109 인간 어깨
110 후부
111 제 1 후방 부재
112 제 2 후방 부재
113 제 3 후방 부재
114 백팩 홀더에 대한 커넥팅 부재
116 조오닝 부재(Joining member)
117 머리 받침
121 제 1 힘 작용 지점
122 제 2 힘 작용 지점
130 제 1 보강 디바이스
131 제 2 보강 디바이스
135 제 1 보강 부재 (a, b)
136 제 2 보강 부재 (a, b)
140 커넥팅 부재
150 골반 지지 부재
151 골반 지지 부재의 제 1 회전점
152 골반 지지 부재의 제 2 회전점
160 유지 구조체
161 유지 구조체
170 로프-텐셔닝 디바이스
180 어깨 패드
200 어깨 어레인지먼트
201 인간 움직임들의 생성을 위한 디바이스
205 병진운동 축
210 어깨 부재
211 보우 연결부
211a 암-디플렉션 보우 연결부
215 제 1 회전축
220 제 1 어깨 커플링 부재
221 포크 브릿지
222 인간 움직임들의 생성을 위한 디바이스의 실시예의 평행한 운동기구
225 제 2 회전축
230 제 2 어깨 커플링 부재
231 90° 보우 연결부
235 제 3 회전축
240 팔걸이
242 암 레버
243 맨-테크놀로지 인터페이스
250 암 서포터 (액츄에이터)

Claims (41)

  1. 인간을 위한 외골격(Exoskeleton) (100)으로서, 상기 외골격 (100)은
    - 어깨 부재 (210);
    - 적어도 하나의 팔걸이 (240);
    - 골반 지지 부재 (150);
    - 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 후부(back part) (110);
    를 포함하고,
    상기 후부(110)는 제 1 및 제 2 단부를 가지는 적어도 제 1 플렉서블-영역 후방 부재(first flexible-area back member) (111) 및 제 1 보강(stiffening) 수단 (135)을 가지는 적어도 제 1 보강 디바이스 (130)를 포함하며,
    상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)는 그 제 1 단부가 상기 후부 (110)의 상기 제 1 단부와 마주하고 그 제 2 단부가 상기 후부 (110)의 상기 제 2 단부와 마주하도록 배향되고,
    상기 후부 (110)의 제 1 단부는 상기 어깨 부재 (210)에 부착되고,
    상기 후부 (110)의 제 2 단부는 상기 골반 지지 부재 (150)에 부착되고,
    상기 팔걸이 (240)는 상기 어깨 부재 (210)에 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고(articulated),
    상기 제 1 보강 수단 (130)은 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)가 굴곡된 방향으로 보강되도록 설계되는,
    외골격 (100).
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 힘 작용 지점 (121)은 상기 어깨 부재의 측면에서 상기 후부 (110) 상에 제공되고,
    제 2 힘 작용 지점 (122)은 상기 골반 지지 부재의 측면에서 상기 후부 (110) 상에 제공되고,
    상기 제 1 보강 수단은 상기 굴곡력(bending force)이 한 방향으로 증가되도록 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)의 굽곡된 선의 외측에 상기 제 1 힘 작용 지점 및 상기 제 2 힘 작용 지점 사이에서 조여지는 로프(rope)인,
    외골격 (100).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 후부 (110)는 제 1 단부 및 제 2 단부 를 가지는 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 및 커넥팅(connecting) 부재 (140) (112)를 더 포함하며,
    상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재의 상기 제 2 단부는 상기 커넥팅 부재 (140)에 의해 상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 (112)의 상기 제 1 단부와 연결되는,
    외골격 (100).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 (112)는 제 2 보강 수단 (136)을 가지는 제 2 보강 디바이스 (131)를 포함하고,
    상기 제 2 보강 디바이스 (131)는 굴곡된 방향으로 상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 (112)를 보강하도록 구성되며,
    상기 제 1 보강 디바이스 (130) 및 상기 제 2 보강 디바이스 (131)는 상이한 레벨(level)의 강도를 가지는,
    외골격 (100).
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111) 및 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 (112) 중 적어도 하나는, 그 길이가 조정될 수 있도록 그리고 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111) 및 상기 제 2 플렉서블-영역 후방 부재 (112) 사이의 거리가 변경될 수 있도록, 상기 커넥팅 부재 (140)에 대해 배치되는,
    외골격 (100).
  6. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 돌출 유지 구조체(protruding retaining structure) (160, 161)는 상기 보강 수단 (135)이 상기 플렉서블-영역 후방 부재 (111, 112)의 표면으로부터 떨어져 위치하도록 상기 보강 디바이스 (130)의 상기 보강 수단 (135)이 놓이는(rest), 상기 후부 (110)로부터 벗어나(facing away) 상기 플렉서블-영역 후방 부재 (111, 112)의 표면 상에 배치되는,
    외골격 (100).
  7. 제 2 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 보강 디바이스 (130)는 상기 로프 장력을 변경하도록 설계된 로프-텐셔닝(rope-tensioning) 디바이스 (170)를 포함하는,
    외골격 (100).
  8. 제 7 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 보강 디바이스 (130, 131)는 제 1 액츄에이터(actuator)를 포함하고,
    상기 로프-텐셔닝 디바이스 (170)는 상기 제 1 액츄에이터에 의하여 로프 장력을 변경하도록 설계되는,
    외골격 (100).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 액츄에이터는 공압 실린더(pneumatic cylinder), 공압식 머슬(pneumatic muscle) 및 전기 모터(electric motor) 중 어느 하나인,
    외골격 (100).
  10. 제 9 항에있어서,
    상기 외골격 (100)은,
    - 각도 또는 힘을 측정하기 위한 센서 어레인지먼트(sensor arrangement);
    - 제어기;
    를 더 포함하고,
    상기 제어기는, 상황에 따라, 상기 보강 디바이스 (130, 131)의 로프 장력이 적응(adapted)될 수 있도록 상기 센서 어레인지먼트로부터의 센서 데이터에 기초하여 상기 로프-텐셔닝 디바이스 (170)의 상기 제 1 액츄에이터를 제어하도록 구성되는,
    외골격 (100).
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 후부 (110) 및 상기 골반 지지 부재 (150)는 상기 후부의 표면 상에 수직으로 위치하여 있는 제 1 회전축 (151) 둘레로 회전 가능하게 연결되는,
    외골격 (100).

  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 후부 (110) 및 상기 골반 지지 부재 (150)는 상기 후부 (110)의 영역에서 상기 후부 (110)의 주 방향에 대해 대각선으로(diagonally) 연장하는(run) 제 2 회전축 (152) 둘레로 회전 가능하게 연결되는,
    외골격 (100).
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 외골격 (100)은 제 2 액츄에이터를 더 포함하며,
    상기 제 2 액츄에이터는 제 1 및 제 2 단부를 포함하며,
    상기 제 2 액츄에이터의 상기 제 1 단부는 상기 후부 (110)와 연결되고,
    상기 제 2 액츄에이터의 상기 제 2 단부는 상기 골반 지지 부재 (150)와 연결되고,
    상기 제 2 액츄에이터는 상기 상기 후부 (110) 및 상기 골반 지지 부재 (150) 사이의 움직임을 서포팅(support)하도록 설계되는,
    외골격 (100).
  14. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 플렉서블-영역 후방 부재 (111)는 탄소-섬유-강화 플라스틱(carbon-fiber-reinforced plastic)으로 구성되는,
    외골격 (100).
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 외골격 (100)은 어깨 어레인지먼트 (200)를 포함하고,
    상기 어깨 어레인지먼트 (200)는 상기 어깨 부재 (210), 제 1 어깨 커플링(coupling) 부재 (220), 제 2 어깨 커플링 부재 (230), 및 상기 팔걸이 (240)를 포함하고,
    상기 제 1 어깨 커플링 부재 (220)는 제 1 회전축 (215)에 의하여 상기 어깨 부재 (210)와 연결되고,
    상기 제 1 어깨 커플링 부재 (220)는 제 2 회전축 (225)에 의하여 상기 제 2 어깨 커플링 부재 (230)와 연결되고,
    상기 제 2 어깨 커플링 부재 (230)는 제 3 회전축 (235)에 의하여 상기 팔걸이 (240)와 연결되고,
    상기 제 1 회전축 (215) 및 상기 제 2 회전축 (225)은 서로 떨어져 직각으로 배치되고,
    상기 제 2 회전축 (225) 및 상기 제 3 회전축 (235)는 교차하는,
    외골격 (100).
  16. 제 15 항에 있어서,
    어깨 어레인지먼트 (200)는 상기 어깨 부재 (210)를 따르는 병진운동(translational) 축 (205)을 더 포함하며,
    상기 제 1 어깨 커플링 부재 (220)는 상기 병진운동 축 (205)을 따라 이동 가능한,
    외골격 (100).
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 회전축 (215)은 0 ° 내지 50 ° 사이의 각도로 기울어 질 수 있는 틸팅 축(tilting axis)인,
    외골격 (100).
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 회전축과 상기 제 3 회전축 사이의 각도는 0 ° 내지 90 ° 사이인,
    외골격 (100).
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 외골격 (100)은:
    - 제 3 액츄에이터;
    를 더 포함하고,
    상기 제 3 액츄에이터는 제 1 단부 및 제 2 단부를 포함하고,
    상기 제 3 액츄에이터의 상기 제 1 단부는 상기 팔걸이 (240)와 연결되고,
    상기 제 3 액츄에이터의 제 2 단부는 상기 제 2 어깨 커플링 부재 (230)와 연결되고,
    상기 제 3 액츄에이터는 상기 어깨 움직임을 서포팅하도록 설계되는,
    외골격 (100).
  20. 제 1 항에 있어서, 상기 외골격 (100)은:
    - 제 3 몸체부(third body part)로부터 제 1 부분으로 그리고 그 반대로 힘을 전달하기 위한 맨-테크놀로지(man-technology) 인터페이스 (241)를 가지는 제 1 부분 (231, 242)
    - 제 2 부분으로부터 제 2 몸체부(second body part)로 그리고 그 반대로 힘을 전달하기 위한 맨-테크놀로지 인터페이스 (105)를 가지는 제 2 부분 (111, 112, 113)
    - 커플링(coupling) 부재 (201),
    - 액츄에이팅(actuating) 유닛,
    - 센서 시스템, 및
    - 제어기,
    를 더 포함하고,
    상기 제 1 부분은 제 2 기계적 커플링(second mechanical coupling)에 회전 가능하게 결합되고(coupled),
    제 1 및 상기 제 2 기계적 커플링 중 적어도 하나는 상기 액츄에이팅 유닛에 의해 작동될 수 있고,
    상기 제어기는 상기 센서 시스템에 의해 측정되는 결과들에 기초하여 상기 액츄에이팅 유닛을 제어하도록 설계되는,
    외골격 (100).
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 몸체부 및 상기 제 2 몸체부는 단일 말단 조인트(single extremity joint) 연결되고, 상기 제 1 몸체부 및 제 2 몸체부는 동일한 사람(person)의 골반 및 엉덩이 그리고 팔인,
    외골격 (100).
  22. 제 20 항 및 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 기계적 커플링은 n 차원의 자유도를 가지는 회전 커플링(rotatory coupling)인,
    외골격 (100).
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 회전 커플링은 평행사변형(parallelogram) 커플링 컴포넌트 (222) 또는 사다리꼴(rapezoid) 커플링 컴포넌트를 포함하는,
    외골격 (100).

  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 회전 커플링은 서있는 인체에 대하여 적어도 하나의 업-다운(up-down) 컴포넌트를 포함하는,
    외골격 (100).
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 회전 커플링은 서있는 인체에 대해 적어도 하나의 전-후방(forward-backward) 컴포넌트를 포함하는,
    외골격 (100).
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 기계적 커플링은 궤적(trajectory)을 따르는 병진운동 커플링 컴포넌트를 포함하는,
    외골격 (100).
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 궤적은 직선 세그먼트(straight line segment)를 포함하는,
    외골격 (100).
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 궤적은 원호 세그먼트(circular arc segment)를 포함하는,
    외골격 (100).
  29. 제 26 항에 있어서,
    상기 궤적은 인간의 해부학적 움직임(anatomical movement)을 모방(mimic)하는,
    외골격 (100).
  30. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 부분의 하나 및 상기 제 2 부분의 하나는 척추(spine)를 모방하는 서포팅 어레인지먼트(supporting arrangement)를 포함하는,
    외골격 (100).
  31. 제 20 항에 있어서,
    상기 디바이스는 적어도 변형된(strained) 몸체 영역들의 힘들의 흡수 및 전달 중 적어도 하나를 위한 또는 서포팅되는 몸체 영역들 주위의 힘들의 전달을 위한 또는 서포팅되는 사람의 영역의 해부학적 특성들에 적응(adapted)되는 정확한 인간의, 자연스러운 움직임을 허용하는 인간의 생체 역학의 회전 또는 병진운동하는 변위들(displacement) 또는 움직임들의 생성을 위한 디바이스를 적어도 포함하는,
    외골격 (100).

  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 기술적 엘리먼트들의 평행 구조체에 의하여 별도로(separately) 또는 개별적으로 전환될 수 있는, 하나 이상의 동일하거나 또는 상이한 힘의 경로들을 따라 존재하는 힘들을 전달하기 위하여, 상기 기술적 시스템에 의하여 한 인간 구조체로부터 다른 인간 구조체로의 타겟화된(targeted) 힘의 전달을 용이하게 하는 사람(man) 및 기술 사이의 적어도 하나의 힘 작용 지점들 또는 영역들을 포함하는,
    외골격 (100).
  33. 제 20 항에 있어서,
    특정 조정 모션(specific adjustment motion)은 풀리형 구조(pulley-like construct)에 의하여 디바이스 상에서 구동되는 액츄에이터들에 의해 또는 축들에 배치되는 액츄에이터들에 의해 가능해지고,
    모든 구동되는 축들은 중력에 반발(counteract)하도록 배열되는,
    외골격 (100).
  34. 제 20 항에 있어서,
    인간으로부터 기술적 구조체로 또는 기술로부터 인간 구조체로의 힘의 전달을 위한 맨-테크놀로지 인터페이스는, 힘의 전달을 위한 다른 평행 배치된 디바이스들, 또는 회전 또는 병진운동하는 움직임들의 생성을 위한 적어도 하나의 디바이스에 대해 상이한 형태들 및 상이한 물질들로 그리고 가능한 인터페이스(들)로 구성되는,
    외골격 (100).
  35. 제 20 항에 있어서,
    액티브 액츄에이팅 엘리먼트들은 상기 디바이스의 상기 엘리먼트들을 제어하기 위하여 상기 제어기에서 처리되는 적어도 하나의 인간 몸체 영역의 적어도 하나의 움직임의 결정을 위한 또는 변형(strain)에 관한 데이터를 제공하는 적어도 하나의 센서 또는 타겟화된 힘의 전달을 위한 그리고 회전 및/또는 병진운동하는 인간 움직임들의 생성을 위한 상기 디바이스에 의해 가능한 움직임들의 움직임의 형태의 적어도 개별적인 제어를 허용(consent)하기 위하여 적어도 하나의 변환의 형태로 적어도 제어 옵션을 포함하는 디바이스에 통합되는,
    외골격 (100).
  36. 제 20 항에 있어서,
    상기 디바이스의 컴포넌트들은 적어도 하나의 특성을 가지는 커넥팅 부재들 및 인터페이스들 중 적어도 하나를 이용하여 수동적으로 또는 능동적으로 제어할 수 있고 그리고 상대적인 어레인지먼트를 보장하는(ensure) 상기 커넥팅 부재들과 직접적으로 또는 간접적으로 연결되고, 상기 특성은 적응(adaptation)을 허용하거나 또는 기하학적으로 결정되는 것 중 적어도 어느 하나인,
    외골격 (100).
  37. 제 20 항에 있어서,
    상기 디바이스는 변형(strain) 및 움직임 상태들에 방지적으로(preventively) 또는 동작적으로 조인트 각도들 또는 서포트(support)의 레벨(level)과 같은 디바이스의 특성을 수동적으로 또는 능동적으로 변동(modify)시키기 위하여 변형 및 움직임-의존적 조정 힘들 및 사전 결정된 조정(adjustment) 힘들 중 적어도 하나의 실현을 위한 적어도 액츄에이터를 포함하는,
    외골격 (100).
  38. 제 20 항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 힘들이 움직임의 주 방향에 플렉서블하게 유지되는 동안에 주 변형의 방향에 전달될 수 있도록 적어도 하나의 연질(soft) 또는 탄성(elastic) 기술적 또는 생체 역학적 구조체 또는 기술적 또는 생체 역학적 엘리먼트들의 타겟화되고 그리고 제어 가능한 안정화, 보강 또는 활성화를 위해 구성되는,
    외골격 (100).
  39. 제 20 항에 있어서,
    인간 움직임 또는 인간 몸체의 영역 상에 적어도 변형의 직접적 또는 간접적 측정을 위한 적어도 센서들의 통합을 위한 적어도 가능성은 그에 따라 캡쳐된 데이터에 의한 타겟화된, 즉 하중(load) 및 움직임-의존적인, 제어를 실현하도록 통합되는,
    외골격 (100).
  40. 제 20 항에 있어서,
    상기 디바이스 및 상기 디바이스 캐리어(device carrier) 사이에 정의된(defined) 위치의 결정을 위한 적어도 참조 엘리먼트, 적어도 어레스팅 부재(arresting member)는 상기 디바이스를 착용하는 사람의 적어도 하나의 몸체부에 상기 디바이스를 고정시키기 위하여 존재하는,
    외골격 (100).
  41. 모듈식 아키텍쳐(modular architecture)를 가지고 그리고 상기 제 20 항에 따른 모듈들로 구성될 수 있으며 그리고 요구사항(requirement)들이 변하는 경우에 재구성될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    시스템.

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