KR20190055798A - 사용자에게 힘 보조를 제공하는 외골격 구조물 - Google Patents

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KR20190055798A
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카티아 빌로듀
나타니엘 조소
조나단 밥티스타
조단 그르니에
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사프란 일렉트로닉스 & 디펜스
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Abstract

본 발명은 외골격 서브 어셈블리에 관한 것으로, - 제1 외골격 부분(32), - 제2 외골격 부분(33), - 제1 외골격 부분(32)과 제2 외골격 부분(33)을 연결하는 연결 어셈블리(60)로, 상기 연결 어셈블리(60)는 상기 제1 부분(32) 및 상기 제2 부분(33) 중 하나에 대해 고정식으로 장착되는 가이드(61) 및 상기 제1 부분(32)과 상기 제2 부분(33) 중 다른 하나에 대해 고정식으로 장착되는 핀(62)을 포함하며, 상기 핀(62)은 제1 단부 위치와 제2 단부 위치 사이에서 가이드(61) 내에 슬라이딩 가능하게 장착되는, 연결 어셈블리(60)를 포함하며, 상기 연결 어셈블리(60)는, 핀(62)이 제1 단부 위치에 있을 때 가이드(61)에 대해 핀(62)이 회전되도록 하고, 핀(62)이 제2 단부에 있을 때 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전을 제한하도록 배치된 제한 장치(64)를 또한 포함하고, 상기 제한 장치(64)는 탄성 부재(65)를 포함하며, 핀(62)이 제2 단부 위치에 있을 때 제1 외골격 부분(32)이 탄성 부재(65)와 결합되고, 상기 탄성 부재(65)는 제1 외골격 부분(33)과 제2 외골격 부분(32) 사이의 상대 회전에 대항하는 탄성 복귀력을 제1 외골격 부분(33) 상에 가한다.

Description

사용자에게 힘 보조를 제공하는 외골격 구조물
본 발명은 사용자에게 힘 보조를 제공하기 위한 외골격의 서브 어셈블리에 관한 것이다.
사용자에게 힘 보조를 제공하는 외골격은 인간의 골격과 평행하게 위치되고 인체의 신체적 능력을 향상시키는 기계적 구조물이다.
다양한 유형의 외골격이 있으며, 외골격의 형상과 구조는 사용자가 수행해야 할 작업에 따라 다르다. 두 가지 주요 유형의 외골격은 한편으로는, 사용자의 움직임을 돕기 위해 설계되고, 다른 한편으로는 사용자의 힘 능력을 증폭하기 위해 설계된다.
사용자의 움직임을 돕기 위해 설계된 외골격의 경우에, 외골격의 구조물은 신체에 배치되기 때문에 사용자는 일반적으로 외골격의 구조물을 운반해야 하며, 이는 사용자의 움직임의 자유를 제한하고, 추가적인 하중과 관련된 피로를 생성한다.
사용자를 편안하게 하기 위해, 사용자의 발 아래에 배치되고 구조물의 나머지 부분에 연결된 플레이트를 통해 외골격의 질량 중 일부가 지면으로 전달되는 외골격 구조물이 공지되어 있다.
이러한 구조물에서, 사용자의 발은 지면과 접촉하지 않아서 구조물로 인해 불편하게 된다.
또한, 플레이트의 존재로 인해, 사용자의 이동성이 필연적으로 감소된다. 실제로, 외골격의 질량이 지면으로 전달되도록 하기 위해, 이러한 구조물은 일반적으로 사용자의 발목의 회전 또는 예상-회외(prono-supination)를 완전히 허용하지 않는다.
이는 특히, 사용자가 경사지거나 불규칙한 지면을 보행하고 있을 때, 이러한 유형의 구조물이 보행의 모든 단계 및/또는 모든 유형의 지형에서 지면 상의 지지를 얻는 것을 허용하지 않는 결과를 초래한다.
본 발명의 하나의 목적은 더 나은 편암함과 더 나은 이동성을 제공하면서 외골격의 구조물과 관련될 수 있는 외부 부재(예컨대, 백팩)에 의해 외골격의 구조물에 의해 형성되는 하중 그 자체 또는 사용자 자체의 중량인지에 관계없이 사용자가 운반하는 하중을 완화시키기 위한 해결책을 제공한다.
이러한 목적은 본 발명의 범위 내에서,
- 제1 외골격 부분,
- 제2 외골격 부분,
- 제1 외골격 부분과 제2 외골격 부분을 연결하는 연결 어셈블리로, 연결 어셈블리는 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분 중 하나에 대해 고정식으로 장착되는 가이드 및 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 다른 하나에 대해 고정식으로 장착되는 핀을 포함하며, 상기 핀은 제1 단부 위치와 제2 단부 위치 사이에서 가이드의 내부에 슬라이딩 가능하게 장착되는, 연결 어셈블리를 포함하는 외골격 서브 어셈블리에 의해 달성된다.
연결 어셈블리는, 핀이 제1 단부 위치에 있을 때 가이드에 대해 핀이 회전되도록 하고, 핀이 제2 단부에 있을 때 가이드에 대해 핀이 회전에 대항하도록 배치된 제한 장치를 또한 포함한다.
제한 장치는 탄성 부재를 포함하고, 탄성 부재에 의해, 핀이 제2 단부 위치에 있을 때 제1 외골격 부분이 탄성 부재와 결합되고, 탄성 부재는 제1 외골격 부분과 제2 외골격 부분 사이의 상대 회전을 반대하는 탄성 복귀력을 제1 외골격 부분 상에 가한다.
이러한 외골격 서브 어셈블리가 사용될 수 있어서,
- 서브 어셈블리가 로딩되지 않을 때, 핀은 제1 단부 위치에 위치되고, 제한 장치는 제1 외골격 부분과 제2 외골격 부분 사이의 상대 회전을 가능하게 하여, 상기 두 부분 사이의 자유로운 이동을 가능하게 하고,
- 서브 어셈블리가 로딩될 때, 핀은 제2 단부 위치에 위치되고, 제한 장치는 제1 외골격 부분과 제2 외골격 부분 사이의 상대 회전을 반대하여, 상기 제1 부분과 제2 부분 사이에 힘의 전달을 가능하게 한다.
핀이 제2 위치에 있을 때, 제한 장치는 탄성 부분을 통해 제1 부분과 제2 부분 사이의 상대 회전에 대항한다. 이러한 이유로, 제한 장치는 제1 부분과 제2 부분 사이에서 일정한 회전을 허용하면서, 제1 부분과 제2 부분 사이의 힘의 전달을 보장하도록 이러한 움직임에 대항하는 복귀력을 발생시킨다. 이러한 구성은 사용자의 움직임 중에 사용자에게 더 나은 편안함을 제공한다.
제1 외골격 부분 및 제2 외골격 부분 중 하나는 예를 들어, 사용자의 다리에 부착될 수 있는 부분이고, 제1 외골격 부분 및 제2 외골격 부분 중 다른 하나는 사용자의 발에 부착될 수 있는 부분이다.
두 외골격 부분 사이의 연결 어셈블리는 사용자의 발목 조인트와 평행하게 배치된다.
보행 사이클 중에, 핀은 제1 위치에서 제2 위치로(사용자가 발을 지면에 놓을 때: 로딩) 그리고 제2 위치에서 제1 위치로(사용자가 발을 지면에서 들어올릴 때: 언로딩) 교대로 변위된다.
핀이 제1 단부 위치(발이 들어올려짐)에 있을 때, 연결 어셈블리는 사용자의 다리에 대한 발의 움직임에 의해 초래되는 제1 부분에 대한 제2 부분의 회전을 가능하게 한다.
핀이 제2 단부 위치(발이 지면에 놓임)에 위치할 때, 연결 어셈블리는 제1 부분에 대한 제2 부분의 회전을 반대하여, 외골격에 의해 지지되는 하중을 지면에 전달하고, 사용자의 발목에 가해지는 토크의 전부 또는 일부를 지지한다.
상기 어셈블리의 제1 실시예에서, 연결 어셈블리는 제1 외골격 부분과 제2 외골격 부분 사이에 배치되어서, 핀이 제1 단부 위치에 위치할 때 연결 어셈블리가 다리에 대해 발의 굽힘/신장 운동에 의해 초래되는 제1 외골격 부분에 대한 제2 외골격 부분의 회전을 가능하게 한다.
제2 실시예에서, 연결 어셈블리는 제1 외골격 부분과 제2 외골격 부분 사이에 배치되어서, 핀이 제1 단부 위치에 위치할 때 연결 어셈블리가 다리에 대해 발의 외번/내번 운동에 의해 초래되는 제1 외골격 부분에 대한 제2 외골격 부분의 회전을 가능하게 한다.
외골격 서브 어셈블리는 또한 다음과 특징을 가질 수 있다:
- 가이드는 제1 외골격 부분에 제공된 타원형 오리피스를 포함하고,
- 핀은 축방향 대칭 형상을 가지고,
- 탄성 부재는 2개의 외골격 부분 사이에 배치되고,
- 핀이 제2 단부 위치에 있을 때, 탄성 부재는 제1 외골격 부분과 제2 외골격 부분 사이의 상대 회전을 반대하는 경향이 있는 복귀력을 제1 회전 방향 및 제1 회전 방향과 반대인 제2 회전 방향으로 가하고,
- 탄성 부재는 제2 외골격 부분에 대해 고정식으로 장착되고,
- 탄성 부재 탄성 재료로 만들어진 블록이고,
- 제1 외골격 부분은 돌출부를 갖고, 탄성 부재는 핀이 제2 단부 위치에 있을 때 돌출부를 수용하는 리세스를 가지며,
- 돌출부는 리세스의 형상에 상보적인 형상을 가지고,
- 돌출부는 일반적인 뾰족한 형상을 가지고, 리세스는 일반적인 V 형상을 가지며,
- 제1 외골격 부분은 절결부를 가지고, 탄성 부재는 핀이 제2 단부 위치에 있을 때 절결부 내에 수용될 수 있는 만곡부를 가지며,
- 제1 외골격 부분과 제2 외골격 부분 사이에 상대 회전이 일어나는 경우에, 탄성 부재는 핀이 제2 단부 위치에 있을 때 2개의 외골격 부분 사이에서 압축될 수 있는 하나 이상의 부분(들)을 가지고,
- 탄성 부재는 다른 외골격 부분에 복귀력을 가하도록 배치된 스프링을 포함하고, 핀이 제2 단부 위치에 있을 때 가이드에 대해 핀의 회전에 반대하는 스프링에 의해 복귀력이 가해지며,
- 스프링은 하나 이상의 가요성 블레이드(들)를 포함하고, 각각의 블레이드는 2개의 외골격 부분 중 하나에 부착되는 일 단부를 가지며, 블레이드(들)는 가이드에 대한 핀의 회전이 다른 외골격 부분이 굴곡으로 블레이드(들)를 로딩시키는 효과를 갖도록 배치된다.
본 발명은 또한 이전에 정의된 바와 같은 서브 어셈블리를 포함하는 외골격 구조물에 적용된다.
도 1은 외골격 구조물을 갖춘 사용자의 정면을 개략적을 도시한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 외골격 구조물의 서브 어셈블리를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 외골격 구조물의 서브 어셈블리를 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 핀이 제1 단부 위치에 위치될 때 그리고 핀이 제2 단부 위치에 위치될 때 각각의 연결 어셈블리의 제1 예를 개략적으로 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 핀이 제1 단부 위치에 위치될 때 그리고 핀이 제2 단부 위치에 위치될 때 각각의 연결 어셈블리의 제2 예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 연결 어셈블리의 제3 예를 개략적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 핀이 제1 단부 위치에 위치될 때 그리고 핀이 제2 단부 위치에 위치될 때 각각의 연결 어셈블리의 제3 예를 개략적으로 도시한다.
다른 특징들 및 이점들은 다음의 설명에 의해 드러날 것이며, 이는 단지 예시적이고 제한적이지 않으며 첨부된 도면을 참조하여 이루어질 것이다.
도 1에서, 도시된 외골격 구조물(1)은 요추 벨트(2), 제1 기계 어셈블리(3) 및 제2 기계 어셈블리(4)를 포함한다.
요추 벨트(2)는 사용자의 하측 몸통을 둘러쌀 수 있다. 제1 기계 어셈블리(3)는 보행 또는 달리는 중에 제1 하부 부재의 움직임을 돕기 위해 사용자의 제1 하부 부재(우측 다리)에 연결될 수 있다. 제2 기계 어셈블리(4)는 보행 또는 달리는 중에 제2 하부 부재의 움직임을 돕기 위해 제2 하부 부재(좌측 다리)에 연결될 수 있다. 제1 기계 어셈블리(3) 및 제2 기계 어셈블리(4)는 각각 요추 벨트(2)에 연결된다.
제1 기계 어셈블리(3)는 제1 대퇴부 부분(31), 제1 정강이 부분(32) 및 제1 발 부분(33)을 포함한다.
제1 대퇴부 부분(31)은 사용자의 제1 넓적다리(우측 ?적다리)를 따라 연장되도록 설계된 제1 대퇴부 세그먼트(311) 및 대퇴부 세그먼트(311)를 제1 넓적다리에 부착하기 위해 사용자의 제1 넓적다리를 둘러쌀 수 있는 부착 스트랩(312)을 포함한다.
제1 정강이 부분(32)은 사용자의 제1 종아리(우측 종아리)를 따라 연장되도록 설계된 제1 정강이 세그먼트(321) 및 정강이 세그먼트(321)를 제1 종아리에 부착하기 위해 사용자의 제1 종아리를 둘러쌀 수 있는 부착 스트랩(322)을 포함한다.
제1 발 부분(33)은 사용자의 제1 신발(5), 예를 들어, 신발(5)의 밑창(51)에 부착된다. 제 1 발 부분(33)은 나사에 의해 밑창(51)에 부착될 수 있다.
제1 대퇴부 세그먼트(311)는 제1 힙 조인트(34)에 의해 요추 벨트(2)에 연결되는 제1 단부(313) 및 제2 무릎 조인트(35)에 의해 제1 정강이 세그먼트(321)에 연결되는 제2 단부(314)를 포함한다.
제1 정강이 세그먼트(321)는 제1 무릎 조인트(35)에 의해 제1 대퇴부 세그먼트(311)에 연결되는 제1 단부(323) 및 제1 발목 조인트(36)에 의해 제1 발 부분(33)에 연결되는 제2 단부(324)를 포함한다.
제2 기계 어셈블리(4)는 제1 기계 어셈블리(3)와 대칭이다.
제2 기계 어셈블리(4)는 제2 대퇴부 부분(41), 제2 정강이 부분(42) 및 제2 발 부분(43)을 또한 포함한다.
제2 대퇴부 부분(41)은 사용자의 제2 넓적다리(좌측 넓적다리)를 따라 연장되도록 설계된 제2 대퇴부 세그먼트(411) 및 대퇴부 세그먼트(411)를 제2 넓적다리에 부착하기 위해 사용자의 제2 넓적다리를 둘러쌀 수 있는 부착 스트랩(412)을 포함한다.
제2 정강이 부분(42)은 사용자의 제2 종아리(우측 종아리)를 따라 연장되도록 설계된 제2 정강이 세그먼트(421) 및 정강이 세그먼트(421)를 제2 종아리에 부착하기 위해 사용자의 제2 종아리를 둘러쌀 수 있는 부착 스트랩(422)을 포함한다.
제2 발 부분(43)은 사용자의 제2 신발(7), 예를 들어, 신발(7)의 밑창(71)에 부착된다. 제2 발 부분(43)은 나사에 의해 밑창(71)에 부착될 수 있다.
제2 대퇴부 세그먼트(411)는 제2 힙 조인트(44)에 의해 요추 벨트(2)에 연결되는 제1 단부(413) 및 제2 무릎 조인트(45)에 의해 제2 정강이 세그먼트(421)에 연결되는 제2 단부(414)를 포함한다.
제2 정강이 세그먼트(421)는 제2 무릎 조인트(45)에 의해 제2 대퇴부 세그먼트(411)에 연결되는 제1 단부(423) 및 제2 발목 조인트(46)에 의해 제2 발 부분(43)에 연결되는 제2 단부(424)를 포함한다.
힙 조인트들(34, 44) 및 무릎 조인트들(35, 45)은 힙 또는 무릎의 굽힘 운동 또는 신장 운동 중에 사용자에게 도움을 주는 액추에이터를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발목 조인트(36)를 더욱 상세하게 도시한다.
상기 제1 실시예에서, 발목 조인트(36)는 사용자의 다리에 대해 발의 굽힘/신장 운동을 허용하도록 설계된다.
즉, 정강이 부분(32)이 다리에 부착되고, 발 부분(33)이 사용자의 발에 부착될 때, 발목 조인트(36)는 발 부분(33)에 대해 발목의 굽힘/신장 축선에 평행한 회전축(X)을 중심으로 정강이 부분(32)이 회전되도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발목 조인트(36)를 더욱 상세하게 도시한다.
상기 제2 실시예에서, 발목 조인트(36)는 다리에 대해 사용자의 발의 외번/내번 운동을 허용하도록 설계된다.
즉, 정강이 부분(32)이 다리에 부착되고, 발 부분(33)이 사용자의 발에 부착될 때, 발목 조인트(36)는 발 부분(33)에 대해 발목의 외번/내번 축선에 평행한 회전축(Y)을 중심으로 정강이 부분(32)이 회전되도록 한다.
도 4a 및 도 4b는 제1 예시적인 실시예에 따른 제1 발목 조인트(36)를 더욱 상세하게 도시한다. 제2 발목 조인트(46)는 제1 발목 조인트(36)와 동일하다.
발목 조인트(36)는 정강이 부분(32)을 발 부분(33)에 연결시키는 연결 어셈블리(60)를 포함한다.
연결 어셈블리(60)는 정강이 부분(32)에 대해 고정식으로 장착되는 가이드(61) 및 발 부분(33)에 대해 고정식으로 장착되는 핀(62)을 포함한다. 핀(62)은 제1 단부 위치(도 4a에 도시됨)와 제2 단부 위치(도 4b에 도시됨) 사이에서 가이드(61) 내에 슬라이딩 가능하게 장착된다.
가이드(61)는 정강이 부분(32)에 제공된 타원형 오리피스(63)를 포함한다. 핀(62)은 타원형 오리피스(63)를 통해 연장된다. 핀(62)은 회전축을 갖는 축방향 대칭 형상을 갖는다. 이러한 방식으로, 핀(62)은 가이드(61)에 대해 병진 운동으로 변위될 수 있고, 가이드 (61)에 대한 핀(62)의 병진 이동 방향(Z)에 수직하는 회전축(X)(핀의 회전축과 동일)을 따라 가이드(61)에 대해 선회될 수 있다. 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전 및 병진 이동은 독립적이다.
회전축(X)은 도 2에 도시된 제1 실시예에 따른 발목의 굽힘/신축 축선에 평행한 회전축이다.
그러나, 상기 회전축은 도 3에 도시된 제2 실시예에 따른 발목의 외번/내번 축선에 평행한 회전축(Y)일 수도 있다.
연결 어셈블리(60)는, 핀(62)이 제1 단부 위치에 있을 때(도 4a) 가이드(61)에 대해 핀(62)이 회전되도록 하고, 핀(62)이 제2 단부 위치(도 4b)에 있을 때 가이드(61)에 대해 핀(62)의 회전을 제한하도록 배치된 제한 장치(64)를 또한 포함한다.
제한 장치(64)는 발 부분(33)에 고정식으로 장착되는 탄성 부재(65)를 포함한다. 탄성 부재(65)는 예를 들어, 탄성 부재(65)의 양측에 배치되고 발 부분(33)에 나사 결합되는 플레이트(66)에 의해 발 부분(33)에 고정식으로 장착된다. 탄성 부재(65)는 2개의 플레이트(66) 사이에 고정된 상태로 유지된다.
탄성 부재(65)는 예를 들어, 고무와 같은 탄성 재료로 만들어진 블록이다.
탄성 부재(65)는 일반적인 V 형상을 갖는 리세스(67)를 포함한다. 리세스(67)는 20°내지 150°, 바람직하게는 30°내지 40°로 구성된 개방 각도를 갖는다.
제한 장치(60)는 정강이 부분(32)에 고정식으로 장착되는 돌출부(68)를 포함한다. 돌출부(68)는 핀(62)에 의해 정강이 부분(32)에 고정식으로 장착될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 제1 예에서, 돌출부(68)는 리세스(67)의 형상에 상보적인 형상을 갖는다. 더욱 정확하게는, 돌출부(68)는 일반적인 뾰족한(point) 형상을 갖는다.
돌출부(68)는 핀(62)이 제2 단부 위치(도 4b)에 있을 때 탄성 부재(67)와 결합될 수 있다.
더욱 정확하게는, 핀(62)이 제2 단부 위치(도 4b)에 위치될 때, 돌출부(68)는 탄성 부재(65)의 리세스(67) 내에 수용되고, 이는 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전을 제한하는 효과를 갖는다.
사용자가 보행할 때, 발목 조인트(36)의 동작은 다음과 같다.
보행 사이클 중에, 사용자의 발은 지지 단계(즉, 사용자의 발이 지면에서 지지되는 단계)에서 움직임(oscillation) 단계(즉, 사용자의 발이 더 이상 지면과 접촉하지 않는 단계)로 연속적으로 통과한다.
지지 단계 중에, 외골격에 작용하는 하중은 기계 어셈블리(3) 상에 정강이 부분(32)을 하방으로 로딩시키는 효과를 갖는 힘(F)을 발생시키고, 결과적으로 발목 조인트(36)의 핀(62)을 제2 단부 위치로 로딩시킨다(도 4b).
상기 제2 단부 위치에서, 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전은 제한된다. 실제로, 돌출부(68)는 탄성 부재(65)와 결합된다. 이후에, 탄성 부재(65)는 정강이 부분(32)과 발 부분(33) 사이의 상대 회전에 대항하는 탄성 복귀력을 정강이 부분(32)에 제1 회전 방향 및 제1 회전 방향과 반대인 제2 회전 방향으로 가한다. 돌출부(68)의 이동을 제한함으로써, 탄성 부재(65)는 발 부분(33)에 대하여 정강이 부분(32)의 회전 클리어런스를 제한한다.
상기 위치에서, 외골격에 작용하는 하중은 정강이 부분(32)에서 발 부분(33)으로 전달된다. 이러한 하중은 발 부분 (33)에서 신발(5)로 전달되고 따라서, 지면으로 전달된다.
움직임 단계 중에, 외골격에 작용하는 하중은 주로 다른 기계 어셈블리(4)를 통해 지면으로 전달된다. 또한, 신발(5)은 더 이상 지면과 접촉하지 않으며, 신발(5)의 중량(P)은 발 부분(33)을 하방으로 로딩시킨다. 결과적으로, 중량(P)은 발목 조인트(46)의 핀(62)을 제1 단부 위치(도 4a)를 향해 로딩시킨다.
상기 제1 단부 위치에서, 돌출부(68)는 더 이상 탄성 부재(65)와 결합되지 않는다. 따라서, 탄성 부재(65)는 발 부분(33)에 대하여 정강이 부분(32)의 회전 클리어런스를 더 이상 제한하지 않는다. 제한 장치(60)는 정강이 부분(32)에 대한 발 부분(33)의 회전을 허용하여, 사용자에게 자유로운 이동을 허용한다.
상기 제1 위치에서, 하중이 정강이 부분(32)에서 발 부분(33)으로 전달되지 않는다.
도 5a 및 도 5b는 제2 예시적인 실시예에 따른 제1 발목 조인트(36)를 더욱 상세하게 도시한다.
상기 제2 예에서, 제한 장치(64)는 발 부분(33)에 고정식으로 장착되는 2개의 탄성 부재(65)를 포함한다. 각각의 탄성 부재는 리프(leaf) 스프링이다.
리프 스프링은 돌출부(68)의 양측에 배치되어 V를 형성한다.
각각의 리프 스프링(65)은 서로 평행하게 배치된 복수의 가요성 블레이드(69)를 포함한다. 블레이드는 예를 들어, 스틸과 같은 금속으로 제조될 수 있다.
각각의 블레이드(69)는 발 부분(33)에 부착된 제1 단부 및 제2 자유 단부를 갖는다. 가요성 블레이드(69)는 스프링에 대해 계단식 가요 성을 얻기 위해 상이한 길이를 갖는다. 동일한 스프링(65)의 블레이드(69)가 가장 큰 것에서 가장 작은 것으로 나란하게 배치되어서, 핀(62)이 제2 단부 위치(도 5b)에 있을 때, 돌출부(68)가 긴 블레이드와 접촉하도록 진입한다.
더욱 정확하게는, 핀(62)이 제2 단부 위치(도 5b)에 위치될 때, 돌출부(68)는 2개의 탄성 부재(65) 사이에 수용되고, 이는 굴곡으로 블레이드(69)를 로딩시키는 효과를 갖는다.
블레이드가 굴곡으로 로딩될 때, 블레이드(69)는 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전에 대항하는 탄성 복귀력을 돌출부(68) 상에 가한다.
사용자가 보행할 때, 발목 조인트(36)의 동작은 다음과 같다.
지지 단계 중에, 외골격에 작용하는 하중은 기계 어셈블리(3) 상에 정강이 부분(32)을 하방으로 로딩시키는 효과를 갖는 힘(F)을 발생시키고, 결과적으로 발목 조인트(36)의 핀(62)을 제2 단부 위치로 로딩시킨다(도 5b).
상기 제2 단부 위치에서, 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전이 가능하지만 제한된다. 실제로, 돌출부(68)는 2개의 탄성 부재(65)와 접촉한다. 돌출부(68)의 이동을 반대함으로써, 탄성 부재(65)는 발 부분(33)에 대하여 정강이 부분(32)의 회전 클리어런스를 제한한다.
상기 위치에서, 외골격에 작용하는 하중은 정강이 부분(32)에서 발 부분(33)으로 전달된다. 이러한 하중은 발 부분 (33)에서 신발(5)로 전달되고 따라서, 지면으로 전달된다.
움직임 단계 중에, 외골격에 작용하는 하중은 주로 다른 기계 어셈블리(4)를 통해 지면으로 전달된다. 또한, 신발(5)은 더 이상 지면과 접촉하지 않으며, 신발(5)의 중량(P)은 발 부분(33)을 하방으로 로딩시킨다. 결과적으로, 중량(P)은 발목 조인트(46)의 핀(62)을 제1 단부 위치(도 5a)를 향해 로딩시킨다.
상기 제1 단부 위치에서, 돌출부(68)는 더 이상 탄성 부재(65)와 접촉하지 않는다. 따라서, 탄성 부재(65)는 발 부분(33)에 대한 정강이 부분(32)의 회전을 더 이상 반대하지 않는다. 제한 장치(60)는 정강이 부분(32)에 대한 발 부분(33)의 회전을 허용하여, 사용자에게 자유로운 이동을 허용한다.
도 6은 제3 예시적인 실시예에 따른 제1 발목 조인트(36)를 도시한다. 제2 발목 조인트(46)는 제1 발목 조인트(36)와 동일하다.
발목 조인트(36)는 정강이 부분(32)을 발 부분(33)에 연결시키는 연결 어셈블리(60)를 포함한다.
연결 어셈블리(60)는 정강이 부분(32)에 대해 고정식으로 장착되는 가이드(61) 및 발 부분(33)에 대해 고정식으로 장착되는 핀(62)을 포함한다. 핀(62)은 제1 단부 위치(도 7a에 도시됨)와 제2 단부 위치(도 7b에 도시됨) 사이에서 가이드(61) 내에 슬라이딩 가능하게 장착된다.
이를 위해, 연결 어셈블리(60)는 정강이 부분(32)의 양측에 배치된 2개의 플레이트(66)를 포함한다. 2개의 플레이트(66)는 플레이트(66) 및 정강이 부분(32)을 관통하는 부착 나사(81)에 의해 정강이 부분(32)에 부착된다.
가이드(61)는 플레이트(66) 중 하나 또는 바람직하게는 2개의 플레이트(66)에 제공되는 타원형 오리피스(63)를 포함한다.
핀(62)은 2개의 플레이트(66) 사이에서 연장되는 발 부분(33)의 스트립(82)에 부착된다.
핀(62)은 타원형 오리피스(63)를 통해 연장된다. 핀(62)은 회전축을 갖는 축방향 대칭 형상을 갖는다. 이러한 방식으로, 핀(62)은 가이드(61)에 대해 병진 운동으로 이동될 수 있고, 가이드 (61)에 대한 핀(62)의 병진 이동 방향(Z)에 수직하는 회전축(Y)(핀의 회전축과 동일)을 따라 가이드(61)에 대해 선회될 수 있다.
회전축(Y)은 도 3에 도시된 제2 실시예에 따른 발목의 외번/내번 축선에 평행한 회전축이다.
그러나, 상기 회전축은 도 2에 도시된 제1 실시예에 따른 발목의 굽힘/신장 축선에 평행한 회전축(X)일 수도 있다.
연결 어셈블리(60)는, 핀(62)이 제1 단부 위치에 있을 때(도 7a) 가이드(61)에 대해 핀(62)이 회전되도록 하고, 핀(62)이 제2 단부 위치(도 7b)에 있을 때 가이드(61)에 대해 핀(62)의 회전을 제한하도록 배치된 제한 장치(64)를 포함한다.
제한 장치(64)는 정강이 부분(32)과 발 부분(33)에 사이에 배치된 탄성 부재(65)를 포함한다. 도 6에 도시된 예에서, 탄성 부재(65)는 발 부분(33)에 고정식으로 장착된다. 이를 위해, 탄성 부재(65)는 발 부분의 스트립(82)에 자체 성형되는 형상을 갖는다.
탄성 부재(65)는 예를 들어, 탄성 부재(65)의 양측에 배치되고 발 부분(33)에 나사 결합되는 플레이트(66)에 의해 정강이 부분(32)과 발 부분(33) 사이에 유지된다. 그럼에도 불구하고, 탄성 부재(65)는 2개의 플레이트(66) 사이에서 슬라이딩될 수 있다.
탄성 부재(65)는 예를 들어, 고무와 같은 탄성 재료로 만들어진 블록이다.
탄성 부재(65)는 중앙 부분(83) 및 2개의 측방향 부분(84)을 포함한다. 중앙 부분(83)은 일반적으로 아치형 형상을 가지며, 각각의 측방향 부분(84)은 일반적으로 탄성 부재(65)가 대체로 Ω 형상을 갖도록 직선형이다.
따라서, 탄성 부재(65)의 중앙 부분(83)은 발 부분(33)을 향하는 배향되는 리세스(85)를 형성한다. 리세스(84)는 발 부분(33)의 스트립(82)을 수용한다.
탄성 부재(65)의 중앙 부분(83)은 또한 정강이 부분(32)을 향하여 배향된 대체로 둥근 형상의 만곡부(bulge)(86)를 형성한다.
정강이 부분(32)은 또한 만곡부(86)를 향하여 위치되고 탄성 부재(65)의 만곡부(86)를 수용할 수 있는 리세스(87)를 포함한다. 이러한 방식으로, 탄성 부재의 만곡부(86)가 리세스(87)에 수용될 때(도 7b), 정강이 부분(32)은 탄성 부재(65)와 결합될 수 있다.
더욱 정확하게는, 핀(62)이 제2 단부 위치에 위치될 때(도 7b), 탄성 부재(65)의 만곡부(86)는 정강이 부분(32)의 리세스(87)에 수용되고, 이는 정강이 부분(32)과 발 부분(33) 사이의 탄성 부재(65)를 압축시켜 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전을 제한하는 효과를 갖는다.
사용자가 보행할 때, 발목 조인트(36)의 동작은 다음과 같다.
보행 사이클 중에, 사용자의 발은 지지 단계(즉, 사용자의 발이 지면에서 지지되는 단계)에서 움직임 단계(즉, 사용자의 발이 더 이상 지면과 접촉하지 않는 단계)로 연속적으로 통과한다.
지지 단계 중에, 외골격에 작용하는 하중은 기계 어셈블리(3) 상에 정강이 부분(32)을 하방으로 로딩시키는 효과를 갖는 힘(F)을 발생시키고, 결과적으로 발목 조인트(36)의 핀(62)을 제2 단부 위치로 로딩시킨다(도 7b).
상기 제2 단부 위치에서, 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전이 가능하지만 제한된다. 실제로, 정강이 부분(32)의 만곡부(87)는 탄성 부재(65)와 결합된다. 이후에, 탄성 부재(65)는 정강이 부분(32)과 발 부분(33) 사이의 상대 회전에 반대하는 탄성 복귀력을 정강이 부분(32)에 제1 회전 방향 및 제1 회전 방향과 반대인 제2 회전 방향으로 가한다.
또한, 탄성 부재(65)는 정강이 부분(32)과 발 부분(33) 사이에서 압축된다. 상기 위치에서, 정강이 부분(32)은 축선(Y)을 중심으로 발 부분에 대해 약간 회전할 수 있다. 그러나, 탄성 부재(65)의 2개의 측방향 부분(84)은 발 부분에 대한 정강이 부분의 회전 클리어런스를 제한한다. 사실상, 회전에 의해, 정강이 부분(32)은 측방향 부분들(84)과 접촉하게 되고, 이들 측방향 부분(84)은 발 부분(33)에 대한 정강이 부분(32)의 회전에 반대되는 경향이 있는 복귀력을 정강이 부분(32)에 가한다.
상기 제2 단부 위치에서, 외골격에 작용하는 하중은 정강이 부분(32)에서 발 부분(33)으로 전달된다. 이러한 하중은 발 부분 (33)에서 신발(5)로 전달되고 따라서, 지면으로 전달된다.
움직임 단계 중에, 외골격에 작용하는 하중은 주로 다른 기계 어셈블리(4)를 통해 지면으로 전달된다. 또한, 신발(5)은 더 이상 지면과 접촉하지 않으며, 신발(5)의 중량(P)은 발 부분(33)을 하방으로 로딩시킨다. 결과적으로, 중량(P)은 발목 조인트(46)의 핀(62)을 제1 단부 위치(도 5a)를 향해 로딩시킨다.
상기 제1 단부 위치에서, 정강이 부분(32)의 리세스(87)는 더 이상 탄성 부재(65)와 결합되지 않는다. 따라서, 탄성 부재(65)는 발 부분(33)에 대한 정강이 부분(32)의 회전 클리어런스를 더 이상 제한하지 않는다. 제한 장치(60)는 정강이 부분(32)에 대한 발 부분(33)의 자유로운 회전을 허용하여, 사용자에게 자유로운 이동을 허용한다.
상기 제1 위치에서, 하중이 정강이 부분(32)에서 발 부분(33)으로 전달되지 않는다.

Claims (16)

  1. 외골격 서브 어셈블리로,
    - 제1 외골격 부분(32),
    - 제2 외골격 부분(33),
    - 제1 외골격 부분(32)과 제2 외골격 부분(33)을 연결하는 연결 어셈블리(60)로, 상기 연결 어셈블리(60)는 상기 제1 부분(32) 및 상기 제2 부분(33) 중 하나에 대해 고정식으로 장착되는 가이드(61) 및 상기 제1 부분(32)과 상기 제2 부분(33) 중 다른 하나에 대해 고정식으로 장착되는 핀(62)을 포함하며, 상기 핀(62)은 제1 단부 위치와 제2 단부 위치 사이에서 가이드(61) 내에 슬라이딩 가능하게 장착되는, 연결 어셈블리(60)를 포함하며,
    상기 연결 어셈블리(60)는, 핀(62)이 제1 단부 위치에 있을 때 가이드(61)에 대해 핀(62)이 회전되도록 하고, 핀(62)이 제2 단부에 있을 때 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전에 대항하도록 배치된 제한 장치(64)를 또한 포함하고,
    상기 제한 장치(64)는 탄성 부재(65)를 포함하며, 핀(62)이 제2 단부 위치에 있을 때 제1 외골격 부분(32)이 탄성 부재(65)와 결합되고, 상기 탄성 부재(65)는 제1 외골격 부분(33)과 제2 외골격 부분(32) 사이의 상대 회전에 대항하는 탄성 복귀력을 제1 외골격 부분(33) 상에 가하는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드(61)는 제1 외골격 부분(32)에 제공되는 타원형 오리피스(63)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 핀(62)은 축방향 대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄성 부재(65)는 2개의 외골격 부분(32, 33) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀(62)이 제2 단부 위치에 있을 때, 탄성 부재(65)는 제1 외골격 부분(33)과 제2 외골격 부분(32) 사이의 상대 회전에 대항하는 복귀력을 제1 회전 방향 및 제1 회전 방향과 반대인 제2 회전 방향으로 가하는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄성 부재(65)는 제2 외골격 부분(33)에 대해 고정식으로 장착되는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄성 부재(65)는 탄성 재료로 만들어진 블록인 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 외골격 부분(32)은 돌출부(66)를 갖고, 탄성 부재(65)는 핀(62)이 제2 단부 위치에 있을 때 돌출부(66)를 수용하는 리세스(67)를 갖는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 돌출부(66)는 리세스(67)의 형상에 상보적인 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 돌출부(66)는 일반적인 뾰족한 형상을 가지며, 리세스(67)는 일반적인 V 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 외골격 부분(32)은 절결부(87)를 갖고, 탄성 부재(65)는 핀(62)이 제2 단부 위치에 있을 때 절결부(87)에 수용될 수 있는 만곡부(86)를 갖는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 외골격 부분(32)과 제2 외골격 부분(33) 사이에 상대 회전이 일어나는 경우에, 탄성 부재(65)는 핀(62)이 제2 단부 위치에 있을 때 2개의 외골격 부분(32, 33) 사이에서 압축될 수 있는 하나 이상의 부분(들)(84)을 갖는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄성 부재(65)는 다른 외골격 부분(32)에 복귀력을 가하도록 배치된 스프링을 포함하고, 핀(62)이 제2 단부 위치에 있을 때 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전에 대항하는 스프링에 의해 복귀력이 가해지는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 스프링은 하나 이상의 가요성 블레이드(들)(69)를 포함하고, 각각의 블레이드(69)는 2개의 외골격 부분 중 하나(33)에 부착되는 일 단부를 가지며, 블레이드(들)(69)가 배치되어서, 가이드(61)에 대한 핀(62)의 회전이 다른 외골격 부분(32)이 굴곡으로 블레이드(들)(69)를 로딩시키는 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 외골격 부분(32) 및 제2 외골격 부분(33) 중 하나는 사용자의 다리에 부착될 수 있는 부분이고, 제1 외골격 부분(32) 및 제2 외골격 부분(33) 중 다른 하나는 사용자의 발에 부착될 수 있는 부분이며, 연결 어셈블리(60)는 다리에 대한 발의 외번/내번 운동 또는 다리에 대한 발의 굽힘/신장 운동에 의해 초래되는 제2 외골격 부분(33)과 제1 외골격 부분(32) 사이의 상대 회전을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 외골격 서브 어셈블리.
  16. 외골격 구조물로,
    제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 외골격 서브 어셈블리를 포함하는 외골격 구조물.
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