KR20190110086A - 힘-균형 보조기, 기계적 장치 및 착용형 보조 장치 - Google Patents

Abstract

베이스(10)에 부착되고, 베이스에 대해 이동할 수 있는 회전점(13)을 중심으로 회전할 수 있는 가동 아암(11)을 보조하기 위해, 힘-균형 보조기는, 가동 아암에 연결될 수 있고, 베이스 부착부(42)에 대해 위치가 이동할 수 있는 회전 중심(43)을 중심으로 적어도 회전할 수 있는 아암 부착부(41)를 포함한다. 보조기는 아암 부착부로부터 소정 거리에 있는 베이스 부착부(42)를 갖고 베이스에 부착될 수 있다. 보조기는, 아암 부착부에 결합될 때, 가동 아암(11)에 의해 아암 부착부(41)에 가해지는 힘을 베이스 부착부로 전달하는 캔틸레버 기구(44)를 구비한다. 캔틸레버 기구는 베이스 부착부에 부착된 고정 단부(45) 및, 예를 들어, 적절한 굽힘에 의해 이동할 수 있는 아암측 캔틸레버 자유 단부(46)를 구비한다. 아암 부착부는 자유 단부에서 베이스 부착부에 대해 매달린다.

Description

힘-균형 보조기, 기계적 장치 및 착용형 보조 장치

본 발명은 움직이는 팔(가동 아암(movable arm))을 위한 힘-균형 보조기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 힘-균형 보조기를 사용하는 기계적 장치 및 착용형 보조 장치에 관한 것이다.

인간과 같이 움직이는 팔을 위한 힘-균형 보조기가 공지되어 있다. 이러한 보조기는 예를 들어 팔 부위 또는 상부 등(upper back)과 같이 팔을 지탱하는 신체 부위에 작용하는 중력을 보상하기 위해 예를 들어 외골격(exoskeleton) 및/또는 보조기(orthosis)에서 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 착용형 보조 장치의 인간 사용자(1)는 이 예에서 앵글 그라인더(angle grinder)와 같은 공구 장비(2)를 사용하여 육체적인 일을 수행하는 것으로 도시되어 있는데, 이는 신체(10)에 대한 인간의 팔(11) 중 하나 또는 둘 모두의 복잡한 동작을 수반한다. 도시된 바와 같이, 중력(F_g) 및 다른 힘, 예를 들어, 화살표 F_x, F_y, F_z로 나타낸 공구(2)에 의해 가해지는 힘이 팔(11)에 작용하고 따라서 사용자를 똑바로 유지하는 신체(10) 부위에 전달된다. 이들 힘은 따라서 예를 들어 어깨, 상부 및 하부 등과 같은 근골격계 부하를 나타낸다.

이러한 부하는 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, 정면이나 머리 위에서의 장기간 또는 반복적인 노동은 보통 어깨나 등의 통증이나 부상을 초래하는 흔한 문제이다. 오버헤드 툴 밸런서(overhead tool balancer)는 약간의 완화를 제공하지만, 제한된 공간과 같은 많은 경우에서는 실용적이지 않다. 또한, 노동자는 일하는 동안 팔을 떠받치고 있어야 하는데, 이는 그 자체가 번거로울 뿐만 아니라 일정 기간 동안 근골격계 부상을 초래할 수 있다. 많은 착용형 외골격이 부상을 완화하는 보조기를 제공하기 위해 개발되고 있지만 여전히 몇 가지 한계가 있다.

예를 들어, 국제 특허 출원 공개 공보 제WO2014/200343호에는 균형력을 제공하는 장치가 공지되어 있다. 장치는 아암 조립체(arm assembly)가 부착되는 강성 프레임(rigid frame)을 포함하고, 이 프레임은 사용자에 의해 착용되어 사용자의 팔에 균형력을 제공할 수 있다. 프레임은 아암 조립체의 강성의 제 1 아암 부재를 프레임에 선회 가능하게 연결하는 제 1 피벗 포인트를 포함한다. 아암 조립체는 강성의 제 2 아암 부재 및 제 2 아암 부재를 제 1 아암 부재에 연결하는 제 2 피벗 포인트를 더 포함한다.

그러나, 이러한 그리고 다른 공지된 보조기의 단점은 이들이 가동 아암에 대해 충분한 동작의 자유를 제공하지 않는다는 것이다. 보조기의 형태에 따라, 이는 무게 균형 보조기를 구동하는, 예를 들어, 균형력을 제공하는 전기 모터 또는 다른 능동 액추에이터에 의해 운동이 제한되기 때문에 야기될 수 있다.

가동 아암에 대한 동작의 자유의 결여는 또한 보조기의 기계적 구조에 의해 유발될 수 있다. 예를 들어, 상기한 공보에서, 제 1 아암 부재가 제 1 피벗 포인트를 중심으로 회전할 때 제 2 피벗 포인트가 선회함에도, 운동 형태는 회전 운동으로 제한되고, 사용자의 등과 평행한 강성 프레임의 제 1 피벗 포인트에 의해 설정되는 제 1 아암 부재의 회전면으로 강요된다. 따라서, 장치에 의해 보조되는 팔의 동작이 제한될 뿐만 아니라, 굽힘 및 몸통 비틀기와 같은 복잡한 동작은 가능하더라도 번거롭다.

이러한 동작의 자유에 대한 제한은 보조기가 인간의 팔을 위한 것인 경우뿐만 아니라, 더 일반적으로는 복잡한 동작을 수행할 필요가 있는 로봇이나 다른 동력 또는 무동력 기계적 장치와 같은 다른 유형의 가동 아암을 위한 것인 경우에서도 문제가 된다.

본 발명은 첨부한 청구항에 기술된 힘-균형 보조기, 기계적 장치 및 착용형 보조 장치를 제공한다.

본 발명의 특정 실시형태는 종속항에 명시된다.

본 발명의 이들 및 다른 양태는 아래에서 기술되는 실시형태를 참조하여 명백할 것이며 상세히 설명될 것이다.

본 발명은 보조기에 충분한 동작의 자유를 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 추가적인 세부 사항, 양태 및 실시형태는 도면을 참조하여 오직 예로서만 기술될 것이다. 도면에서, 비슷한 참조 번호는 비슷하거나 기능적으로 유사한 요소를 식별하기 위해 사용된다. 도면에서의 요소는 간결성 및 명료성을 위해 도시되며, 반드시 일정한 비례로 작성된 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 팔의 동작 및 착용형 보조 장치의 사용을 도시하는, 착용형 보조 장치의 일례를 착용한 인간 사용자의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 3은 신체에 대한 팔 방향의 함수로서 팔의 회전 중심의 이동을 도시하는 인간 몸통의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 4는 착용형 보조 장치의 일 실시형태의 일례 및 힘-균형 보조기의 일 실시형태의 일례의 측면도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 4의 일례의 배면도를 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 4 및 도 5의 일례의 정면도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 힘-균형 보조기의 실시형태의 제 2 예의 측면도를 도시한다.
도 8은 제 2 예에 적합한 별개의 캔틸레버 스프링 기구의 일례의 배면도를 도시한다.
도 9는 착용형 보조 장치의 또 다른 예를 착용한 인간 사용자의 상면도를 도시한다.

이하에서, 본 발명의 기본 개념을 이해하고 인식하기 위해 그리고 본 발명의 교시를 혼란스럽게 하거나 산만하게 하지 않기 위해, 상기한 바와 같이 필요한 것으로 간주되는 것보다 더 큰 범위로 세부 사항이 설명되지는 않을 것이다.

발명의 배경" 섹션에서 언급한 바와 같이, 공지된 착용형 보조 장치는 제한된 동작의 자유를 가지며 복잡한 동작을 수행할 수 없다. 도 1 및 도 2에서, 예를 들어 임무를 수행할 때, 사용자(1)의 상박(upper arm, 12)은 이의 회전점(13), 즉 견관절(shoulder joint, 13)을 중심으로 회전하지 않고, 견관절(13)의 회전 중심이, 예를 들어, 어깨(14), 상부 등(15) 및 하부 등(16)의 복잡한 동작을 통해 사용자의 엉덩이(17)에 대해 이동한다.

도 4 내지 도 6에 더욱 상세하게 도시된 바와 같이, 도 1 및 도 2의 예에서의 사용자(1)는 신체적 불편에 민감한 신체 부위에 대한 근골격계 부하를 감소시키는 착용형 보조 장치(3)를 착용하고 있다. 더욱 상세하게, 착용형 보조 장치(3)는 팔(11)이 신체에 붙은 지점, 즉 견관절 및 신체의 다른 부위, 이 예에서는 엉덩이(17) 사이의 신체 부위의 근골격계 구조를 우회하면서, 부하의 적어도 일부를 팔(11)에서 신체(10)의 다른 부위로 전달한다. 착용형 보조 장치는 팔이 신체의 시상면(sagittal plane) 내에서 위로 올라갈 때 위로 움직이는 인간의 어깨의 생물학적 동작을 따라갈 수 있다. 이는 장기간 사용 동안 불편함을 줄일 뿐만 아니라 복잡성을 줄임으로써, 장치를 상용화에 더욱 적합하게 만든다.

이는 도 4 내지 도 6의 예를 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다. 여기에 도시된 착용형 보조 장치(3)는 가동 아암을 위한 힘-균형 보조기(4)를 포함한다. 도 1 및 도 2의 예에서 힘-균형 보조기는 사람의 팔에 사용되지만, 힘-균형 보조기는 임의의 유형의 가동 아암과 함께 사용될 수 있고, 베이스에 부착되는 가동 아암으로서, 베이스(예를 들어 인체의 하부)에 대해 이동할 수 있는 이동 회전점(예를 들어, 견관절)을 중심으로 회전할 수 있는 가동 아암에 특히 적합하다는 것이 명백할 것이다. 따라서, 힘-균형 보조기는 인간이 아닌 동물을 위한 착용형 보조 장치에서 또는 로봇과 같은 기계적 장치에서 가동 아암을 보조하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 보조기(4)의 사용은 베이스에 대한 회전점의 위치가 베이스에 대해 가동 아암의 방향에 적어도 부분적으로 결합되는 경우에 특히 유리하다. 도 3은, 일례로서, 인간의 팔이 예를 들어 위쪽을 향하도록 회전할 때, 특히 상박이 아래쪽을 가리키며(도 3a), 수평으로(도 3b), 즉 베이스로부터 회전점까지 종 방향에 수직으로, 수직 방향으로 위쪽을 향해(도 3c), 즉 이 종 방향으로 길게 연장된 방향으로 적어도 부분적으로 향하도록 움직일 때 인간의 팔(11)의 회전점(13)이 어떻게 이동하는지를 도시하고 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 보조기(4)는 가동 아암에 연결될 수 있는 아암 부착부(arm attachment, 41)를 포함한다. 보조기(4)는, 보조기(4)를 베이스에 부착하기 위해 아암 부착부로부터 일정한 거리에 있는 베이스 부착부(42, base attachment)를 포함한다. 아암 부착부(41)는 베이스 부착부(42)에 대해 위치가 이동할 수 있는 회전 중심(43)을 중심으로 적어도 회전할 수 있다.

이러한 이동성을 제공하기 위해, 보조기(4)의 도시된 예는 캔틸레버 스프링 기구(cantilever spring mechanism, 44)를 구비하는데, 이는, 사용시, 아암 부착부(41)에 결합될 때, 가동 아암에 의해 아암 부착부(41)에 가해지는 힘을 적어도 부분적으로 베이스 부착부(42)를 통해 베이스로 전달한다. 이 힘은 캔틸레버 스프링 기구(44)를 통해 전달되고, 따라서 가동 아암을 베이스에 연결하는 부위는 우회된다. 따라서, 이들 부위에 대한 부하가 감소된다. 동물, 인간 또는 인간이 아닌 동물의 경우, 이는 근골격계 부하 및 관련된 신체적 불편을 줄일 수 있다. 예를 들어 로봇 또는 다른 기계적 장치의 경우, 이는 베이스에 대해 팔을 능동적으로 움직일 수 있는 전기 또는 다른 모터와 같은 능동 액추에이터에 대한 기계적 동력 요건을 줄일 수 있다.

캔틸레버 스프링 기구(44)는 베이스측 캔틸레버 고정 단부(45) 및 아암측 캔틸레버 자유 단부(46)를 포함한다. 캔틸레버 고정 단부(45)는 베이스 부착부(42)에 부착되고 이의 위치는 베이스 부착부(42)에 대해 고정된다. 아암측 캔틸레버 자유 단부(46)는 적어도 캔틸레버 스프링 기구(44)의 적절한 굽힘(flexing)에 의해 베이스 부착부에 대해 이동할 수 있다. 도시된 바와 같이, 아암 부착부(41)는 자유 단부(46)에 의해 베이스 부착부(42)에 대해 매달린 상태로 유지된다. 회전 중심(43)의 위치는 캔틸레버 자유 단부(46)의 위치에 적어도 부분적으로 의존하며, 아암 부착부(41)의 위치에 의해 적어도 부분적으로 결정된다.

아암 부착부(41)가 가동 아암에 결합되면, 가동 아암이 아암 부착부를 변위시켜 캔틸레버 자유 단부(46)의 위치 변화를 가져오고 따라서 회전 중심(43)의 변화를 가져오기 때문에, 캔틸레버 스프링 기구는 아암의 복잡한 동작을 수행할 수 있다.

달리 말하면, 힘-균형 보조기(4)는 유연한 프레임(또는 캔틸레버 스프링 또는 신체 형상의 스프링)을 구성하는데, 이의 베이스는 기계적 '그라운드'(예를 들어, 인간의 경우 몸통)에 부착될 수 있고, 자유 단부는 회전 힌지를 통해 아암 조립체에 연결된다.

캔틸레버 스프링 기구(44)는 에너지를 저장할 뿐만 아니라, 팔의 회전점의 이동을 따르면서, 가동 아암과 베이스 사이의 구조를 우회하여 베이스로 직접 부하를 전달한다는 것이 명백할 것이다.

본 발명은 이에 한정되는 것은 아니지만, 생명체의 팔, 특히 도 3에 도시된 바와 같이 인간의 팔이 신체의 시상면 내에서 위로 올라갈 때 인간의 어깨가 위로 움직이는 인간의 팔의 힘-균형의 경우 특히 유리하다. 이는 장기간 사용 동안 불편함을 줄일 뿐만 아니라 복잡성을 줄인다.

캔틸레버 스프링 기구에 의해 아암 부착부에 가해지는 보상력(compensating force)의 양은 캔틸레버 스프링 기구의 굽힘의 양에 의해 결정된다. 따라서, 아암 부착부(41)가 변위될 때, 즉 아암 부착부에 작용하는 힘에 의해 중립 위치에 비해 굽힘의 양이 증가하거나 감소할 때, 캔틸레버 스프링 기구는 회전 중심과 팔에 보상력을 제공함으로써 부하를 줄일 것이다.

캔틸레버 스프링 기구의 다양한 형상 및 구현이 가능하다는 것이 명백할 것이다. 예를 들어, 이 예에서, 캔틸레버 스프링 기구는 베이스측 캔틸레버 단부(45)와 캔틸레버 자유 단부(46) 사이에서 연장되는 연속 캔틸레버 스프링을 포함한다. 이 예에서, 이는 블레이드 스프링(blade spring) 또는 판 스프링(leaf spring)이며, 제한된 수의 기계 부품을 갖는 컴팩트한 보조기를 제공할 수 있다.

또한, 예를 들어 캔틸레버 자유 단부와 캔틸레버 고정 단부 사이에서 블레이드 스프링의 두께를 이의 길이에 걸쳐 변경함으로써 국부적으로 강도를 증가시키거나 감소시키고, 국부적 약화(예를 들어, 구멍 또는 공동)를 도입하여 판 스프링을 약하게 하고, 더 일반적으로는 하중의 축외(off-axis) 방향에서 변위/곡률을 제어하거나, 양호한 맞춤과 바람직한 출력 특성을 위해 신체 주위로 스프링을 만곡시킴으로써 캔틸레버 스프링 기구 스프링 특성을 간단한 방식으로 조정할 수 있다.

그러나, 캔틸레버 스프링 기구는 마찬가지로 서로 탄성적으로 연결된 일련의 빔 또는 플레이트와 같은 일련의 별개의 캔틸레버 스프링 요소를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 스프링 특성은 개별 요소(사이의 링크)의 강도를 변경함으로써 그 길이에 걸쳐 조정될 수 있다.

도 6을 참조하면, 여기에 도시된 실시형태는 예를 들어 일련의 별개의 캔틸레버 스프링 요소(60), 이 예에서는 고정 단부(45)로부터 자유 단부(46)까지 캔틸레버 스프링 기구의 종 방향에 수직인 피벗축(63)을 중심으로 회전할 수 있도록 피벗 조인트(62)에 의해 연결된 플레이트(60)를 포함한다. 도 8에 더욱 명확하게 도시된 바와 같이, 이 예에서 조인트는, 토션 스프링으로 작동하고 요소(60)가 바로 인접한 요소에 대해 선회할 때 반력(counter force)을 제공하는 코일 스프링을 구비한다. 캔틸레버 스프링 기구의 굽힘을 조정하기 위해 다양한 스프링 상수를 갖는 스프링이 다양한 조인트에 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다.

도 7 및/또는 도 8의 예에서, 힘-균형 보조기(4)는 회전 중심(43)을 중심으로 회전할 수 있는 아암 부착부(41)를 구비한다. 도 4 내지 도 6의 예와 비슷하게, 아암 부착부(41)는 캔틸레버 자유 단부(46)로부터 회전 중심(43)을 향해 돌출하는 강성 아암(rigid arm, 48)에 의해 캔틸레버 자유 단부(46)에 부착된다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 아암 부착부(41)는 회전 중심(43)으로부터 레버 단부(53)까지 아암 부착부(41)에서 멀리 연장되는 레버 아암(lever arm)에 부착된다. 레버 아암을 통해, 레버 단부(53)를 베이스 부착부에 결합시키는 부재에 의해 아암 부착부(41)에 토크가 가해질 수 있다. 도시된 예에서, 레버 아암과 베이스 부착부에 스트랩(50)이 부착되지만, 베이스 부착부 또는 베이스에 레버를 부착하는 또 다른 유연한 탄성 또는 비-탄성 부재, 예를 들어, 코일 스프링이 토크를 가하기 위해 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 더욱 상세하게, 가동 아암(11)이 움직일 때, 이는 레버 아암이 부착된 피벗 포인트를 중심으로 회전 중심이 선회하게 되고, 따라서 자유 단부(46)에 토크를 가하게 되고, 이는 다시 회전 중심에 토크를 가함으로써 아암 부착부에 가해지는 힘과 가동 아암에 가해지는 힘을 적어도 부분적으로 보상할 것이다.

따라서, 레버 아암은 회전 및/또는 병진 예를 들어, 선형 구성요소의 복잡한 동작을 가능하게 하는 피벗 시스템을 제공한다. 특히, 레버 단부(53)는, 회전 중심의 피벗 포인트와 결합하여 아암 부착부의 복잡한 동작을 가능하게 하고 힘을 보상하는 피벗 포인트를 제공한다. 따라서, 보조기는 이 예에서 아암 부착부(41)와 레버 아암에 의해 형성되고, 적어도 두 개의 피벗을 갖는 아암 조립체를 구비하는데, 이 중 하나의 피벗은 자유 단부(46)를 연결하기 위해 사용되고, 다른 하나는 예를 들어 스트랩, 이 예에서는 베이스 부착부(42) 또는 베이스를 사용하여 기계적 "그라운드"에 부착된다.

유연한 프레임에 저장된 에너지가 최소인 위치로 정의되는 휴지 위치로부터 아암 조립체가 변위될 때 스트랩은 유연한 프레임에 토크를 부여한다.

도시된 예에서, 레버 아암은 피벗 단부(53)에서의 피벗을 통해 베이스 부착부의 포인트(54)에 결합된다.

프리로딩 스트링(preloading string, 50)이 강성 아암 및 그로부터 소정 거리에 있는 부재에 부착되어 캔틸레버 기구를 프리로딩하고 구부린다. 이 예에서 프리로딩 스트링(50)은 프리로딩 스트링(50)이 부재에 부착되는 지점까지 회전 중심(43)의 거리를 유리하게 고정시키고, 따라서 캔틸레버 스프링 기구가 회전 중심에 토크를 가하게 할 수 있는 힌지 포인트를 생성하여 가동 아암에 의해 가해지는 토크를 보상할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

도 8에 화살표 61로 도시된 바와 같이, 요소(60)는 종 방향에 수직인 또 다른 축 및 제 1 피벗축을 중심으로 선회하여 여유 자유도를 부가하고 팔의 형태 및 동작에 추가 적응성을 제공할 수 있다.

캔틸레버 스프링 기구는 특정 구현형태에 적합한 임의의 형상을 가질 수 있고 회전 중심은 특정 구현형태에 적합한 임의의 위치에 있을 수 있다는 것이 명백할 것이다.

예를 들어, 회전 중심은 아암 부착부로부터 베이스 부착부까지의 종 방향과, 종 방향에 수직인 측 방향(lateral direction)과, 종 방향 및 측 방향에 수직인 횡 방향(transversal direction) 중 적어도 하나의 방향으로 베이스 부착부에 대해 이동할 수 있다. 이는 팔의 복잡한 동작에 적합한 동작의 자유를 허용한다.

예를 들어, 캔틸레버 스프링 기구는 종 방향, 측 방향 및 횡 방향 중 적어도 두 방향으로 구부러질 수 있다. 따라서, 동작의 자유가 간단한 방식으로 달성될 수 있고 다양한 방향으로부터의 힘이 효과적으로 전달될 수 있다. 또한, 캔틸레버 자유 단부는 캔틸레버 스프링 기구의 적절한 토션에 의해 이동할 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버 스프링 기구는 토션 스프링 특성을 발휘할 수 있고 탄성적으로 뒤틀릴 수 있다. 이는 추가 자유도를 부가한다.

도 4 내지 도 6의 예에서, 아암 부착부의 회전 중심은 캔틸레버 스프링 기구의 밖에 있는데, 이는 가상의 회전 중심이다. 아암 부착부(41)의 회전 중심(43)은 캔틸레버 스프링 기구의 베이스측 캔틸레버 단부(45)로부터 그리고 캔틸레버 자유 단부(46)로부터 일정 거리에 있다. 이는 회전 중심의 이동에 대한 큰 자유도를 생성한다.

더욱 상세하게, 이 예에서, 캔틸레버 스프링 기구는 아암 부착부(41)의 회전 중심(43)을 중심으로 만곡된다. 이는 우회될 부분으로부터 캔틸레버 스프링 기구가 충분히 이격되도록 회전 중심(43)을 위치시킴으로써, 캔틸레버 스프링 기구가 이들 부분과 접촉하여 직접 힘을 가하지 않도록 한다. 바람직하게, 곡률은 가동 아암과 몸체 사이의 조인트가 곡률에 꼭 맞는 정도이다. 따라서, 캔틸레버 스프링 기구(44)는 가동 아암에 대한 상당한 동작의 자유를 유지한다. 이 예에서, 도 1 및 도 2에 더욱 명확하게 도시된 바와 같이, 인간의 어깨는 이 곡률에 꼭 맞고, 인간의 어깨의 회전 중심은 스프링의 곡률 중심과 대략 중첩된다.

그러나, 회전 중심은 캔틸레버 스프링 기구상에 위치할 수 있는데, 예를 들어, 블레이드 스프링의 경우, 회전 중심을 지나 베이스 부착부(42)와 회전 중심(43) 사이의 방향으로 연장되는 대신에, 스프링은 베이스 부착부(42)와 회전 중심(43) 사이에서, 예를 들어, 인간이 사용하는 경우 겨드랑이 아래를 지나 연장될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 도 9는, 예를 들어, 캔틸레버 스프링 기구(44)가 사용자의 어깨(14) 위로 연장되지 않고, 고정 단부(45)와 자유 단부(46) 사이에서 그리고 회전 중심이 자유 단부(46)와 일치하는 곳에서 사용자 신체(10)의 뒤로 연장되는 구현형태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 이 예에서 팔(11)의 동작은 두 개의 단부(45, 46)를 서로에 대해 이동하게 하여 캔틸레버 스프링 기구(44)의 만곡을 증가시킬 것이다. 프리텐셔너(pretensioner, 50), 예를 들어, 스트랩은 곡률 중심의 반대쪽에서 자유 단부(46)를 고정 단부(45)에 연결하고, 팔(11)에 의해 가해지는 힘에 대항하는 프리로딩력을 제공한다.

도 5 및 도 6에 더욱 명확하게 도시된 바와 같이, 아암 부착부의 회전 중심은 캔틸레버 스프링 기구가 연장되는 평면(L1) 밖에 있을 수 있다. 따라서, 가동 아암과 몸통 사이의 조인트가 수용될 수 있는 공간이 형성되고, 아암 부착부(41)의 회전 중심(43)의 이동과 가동 아암의 회전점 사이에 양호한 대응이 달성될 수 있다.

캔틸레버 스프링 기구는 직접 또는 간접적으로 베이스 부착부와 아암 부착부에 대한 특정 구현형태에 적합한 임의의 방식으로 결합될 수 있다. 도 4 내지 도 6의 예에서, 예를 들어, 힘-균형 보조기(4)는 베이스 부착부(42)를 캔틸레버 스프링 기구(44)에 결합시키는 프레임(47)을 포함한다. 프레임(47)은 캔틸레버 스프링 기구보다 더 단단하다. 이 예에서, 프레임은 높은 강도를 제공함으로써, 신체 부위에 부가적인 지지를 제공하고, 캔틸레버 스프링 기구가 자유롭게 구부러지지 않고 해당 부위를 가압하여 그 위에 힘을 가하지 않도록 한다.

도 4 내지 도 6에서, 아암 부착부(41)는 캔틸레버 자유 단부(46)의 소정 거리에 있다. 아암 부착부(41)는 캔틸레버 자유 단부(46)로부터 회전 중심(43)을 향하여 돌출하는 강성 아암(48)에 의해 캔틸레버 자유 단부(46)에 부착된다. 따라서, 아암 부착부(41)와 강성 아암(48) 사이의 회전 또는 스위블 조인트(swivel joint)에 의해 제공되는 회전 중심은 가동 아암의 회전점에 가깝게 위치할 수 있고, 따라서 이들의 동작 사이에 양호한 대응이 달성될 수 있다. 이 점에 있어서, 도 5 및 도 6에 더욱 명확하게 도시된 바와 같이, 오른팔이 캔틸레버 스프링 기구가 연장되는 평면(L1)에서 돌출될 수 있고, 이는 보조기의 컴팩트한 설계를 허용한다.

캔틸레버 스프링 기구(44)는 프리로드될 수 있다. 따라서, 회전 중심의 초기 위치는, 예를 들어, 인간의 어깨의 신체에 정렬되고, 따라서 회전 중심과 팔의 회전점 사이의 대응을 향상시키기 위해, 원하는 대로 정렬될 수 있다. 특히 판 스프링의 경우, 예를 들어, 인간의 어깨의 자연스러운 동작을 따르는 복잡한 동작에 대해 효과적인 힘-균형을 제공하는 기계적으로 간단한 구조를 허용한다.

프리로딩은 임의의 적절한 방식으로 구현될 수 있지만, 서로로부터 소정 거리의 두 지점에서 캔틸레버 스프링 기구에 직접 또는 간접적으로 부착되는 스트랩(50)에 의해 간단하고 효과적인 프리로딩이 제공될 수 있고, 이 스트랩은 캔틸레버 스프링을 프리로드하기 위해 묶일 수 있다.

아암 부착부(41)는 베이스 부착부에 대해 적어도 회전할 수 있는 특정 구현형태에 적합한 임의의 방식으로 구현될 수 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 예에서, 예를 들어, 아암 부착부는 회전 중심에 있고 캔틸레버 기구(이 예에서는 강성 아암(48)을 통해)에 부착된 힌지 기구(hinge mechanism, 51)를 포함한다. 아암 부재(arm member, 52)를 통해 아암 레스트(arm rest, 49)가 이에 연결된다.

힌지 기구(51)는 아암 부재(52)를 선회시키기 위한 하나 이상의 피벗축(71, 72)을 구비한다. 힌지 기구는 제 1 피벗축(71) 및 제 1 피벗축에 수직한 각도의 제 2 피벗축(72)을 구비하고, 강성 아암(48)은 힌지 기구(51)를 캔틸레버 자유 단부(46)에 대해 제자리에 유지한다. 따라서, 힌지 기구는 가동 아암에 대해 2-자유도를 제공하고, 인간의 팔의 경우에는 각각 시상 힌지(sagittal, 71)와 횡단 힌지(72)를 사용하여 시상면과 횡단면 내에서 팔을 들어올릴 수 있게 한다.

아암 부착부(41)는 또한 회전 중심의 소정 거리에 아암 레스트(49)를 갖는다.

피벗축에 대한 아암 레스트(49)의 위치는 조정될 수 있다. 화살표 73으로 나타낸 바와 같이, 아암 레스트(49)는 오정렬을 보상하기 위해 힌지 기구(51)로부터 멀어지거나 가까워지도록 이동할 수 있다. 이 예에서, 아암 부재(52)는 아암 레스트(49)가 원하는 위치로 미끄러질 수 있는 슬라이드를 구비하고, 이후 위치는 고정된다. 대안으로, 아암 레스트(49)는 사용 중에 선형적으로 이동할 수 있고, 따라서 예를 들어 회전 중심의 이동과 가동 아암의 회전 사이의 대응이 불충분한 경우 정렬의 자동 보정을 허용한다.

따라서, 보조기(4)는 아암 레스트의 회전뿐만 아니라 선형 이동을 가능하게 하는 기구를 포함하고, 따라서 '암 레스트'가 외부 '팔'에 연결될 때 큰 동작의 자유를 제공한다.

힌지 기구와 이동 아암 레스트는 스프링 또는 다른 수동 액추에이터를 사용하는 것과 같이 수동으로 동력을 공급받을 수 있다. 따라서 기계적으로 간단하고 및/또는 컴팩트한 지지가 달성될 수 있다.

도 1 내지 도 5에 도시된 예에서, 힘-균형 보조기는 착용형 보조 장치(3)에 사용된다. 착용형 보조 장치(3)는 인간이 착용할 수 있지만, 착용형 보조 장치(3)는 해당 종의 형태에 적합한 방식으로 치수를 조정함으로써 다른 유형의 생명체, 즉 인간이 아닌 동물이 착용할 수 있도록 조정될 수 있다.

도시된 바와 같이, 착용형 장치(3)는 동물의 신체에 장치(3)를 부착하기 위한 하니스(harness, 32), 및 회전점과 신체의 다른 부위 사이의 신체 부위를 우회하면서, 회전점 상의 동물의 팔 모양의 다리에 의해 가해진 힘을 신체의 다른 부위로 전달하기 위한 하나 이상의 보조기(4)를 포함한다.

신체의 다른 부위는 어깨, 가슴, 흉부, 배꼽, 엉덩이, 다리로 이루어진 군 중 적어도 하나 아래의 신체의 하부일 수 있다. 이는 팔과 언급된 신체의 부위 사이의 신체 부위를 우회하고 따라서 우회 부위상의 근골격계 압박을 줄일 수 있다. 신체의 다른 부위가 척추 아래의 등의 일부이고, 척추는 C7, T12, T11, T10, T9, T8, T7, T6, T5, T4, T3, T2, T1, L1, L2, L3으로 이루어진 군에서 선택된다. 이는 신체 통증의 빈번한 원인인 척추의 선택된 부위상의 부하를 줄여준다.

착용형 보조 장치는, 도시된 바와 같이, 예를 들어 인체와 같이 대칭적인 신체를 갖는 동물에 적합할 수 있다. 도시된 바와 같이, 착용형 보조 장치(3)는 각각의 팔 모양의 다리에 연결할 수 있는 각각의 아암 부착부를 지지하는 두 개의 보조기를 신체의 대칭축의 각각의 측면에 포함할 수 있다.

이 예에서, 하니스는 인체의 대칭축의 각각의 측면에 각각 힘-균형 보조기(4)에 의해 형성되고 목이 그 사이에 위치하도록 이격된다. 보조기(4)는 사용시 사용자의 등에 있는 베이스 부착부(42)에 프레임(47)에 의해 부착되고, 더욱 상세하게 베이스 부착부(42)는 사용자의 엉덩이 주위에 고정될 때 연장되는 벨트(32)로 등의 하부에 부착된다. 도시된 바와 같이, 프레임(47)은, 베이스 부착부(42)로부터 보조기(4)로 연장되고 베이스 부착부(42)에 의해 그리고 보조기(4)와의 조인트에서 스트립(34)에 의해 서로 연결되는 평행한 기다란 스트립으로 구성된다. 하니스는 캔틸레버 자유 단부(46)를 프레임(47)에 연결시키는 스트랩(33)을 구비한다. 착용될 때, 캔틸레버 자유 단부는 신체(10)의 전방에 있고 프레임은 등에 있을 것이다. 따라서, 스트랩(33)은 하니스를 몸통에 고정시키는 반면 벨트(32)는 보조기를 엉덩이 위에 고정시킨다.

보조기는 자율 또는 반-자동 로봇, 예를 들어 인간형 또는 비-인간형 로봇과 같은 기계적 장치의 가동 아암을 보조하기 위해 사용될 수 있다. 기계적 장치는 예를 들어 산업용 로봇과 같은 공장 장비일 수 있다. 보조기의 사용은 제한된 용량의 능동 액추에이터를 사용하여 복잡한 동작을 할 수 있는 가동 아암을 구현할 수 있게 하는데, 보조기가 가동 아암에 대해 상당한 동작의 자유를 갖는 수동 액추에이터를 제공하기 때문이다. 특히, 보조기는 정적인 힘을 보상할 수 있고, 따라서 이러한 힘을 보상하기에 충분한 동력을 갖는 능동 액추에이터를 제공할 필요가 없어지지는 않더라도 감소될 수 있다.

기계적 장치는 가동 아암 및 가동 아암이 부착되는 베이스를 포함할 수 있다. 장치는 예를 들어 베이스에 대하여 아암을 이동시키기 위한 능동 액추에이터를 포함할 수 있다. 아암은 베이스에 대해 이동할 수 있는 이동 회전점을 중심으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 아암은 베이스에 대해 회전하거나 선형으로 이동할 수 있는 몸체에 부착될 수 있다. 아암은, 아암과 베이스에 결합되어 아암의 회전점에서 가동 아암에 의해 가해진 힘을 적어도 부분적으로 보상하는 보조기를 구비할 수 있다.

상기한 명세서에서, 본 발명은 본 발명의 실시형태에 대한 특정 예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 첨부된 청구항에 명시된 바와 같은 본 발명의 더 넓은 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다.

예를 들어, 도시된 예가 신체 장애가 없는 착용자의 수행을 향상시키는 장치인 '외골격'으로 구현되었지만, 착용형 보조 장치는, 예를 들어, 착용자의 통증 증상의 완화에 같은 근치적 치료, 예방적 치료 또는 완화 치료를 위해 사지 장애를 갖는 착용자를 지원하기 위해 사용되는 장치인 '보조기'로서 구현될 수도 있다.

마찬가지로, 실시형태는 인간이 착용할 수 있는 것으로 도시되어 있지만, 착용형 보조 장치는 마찬가지로 수의학 보조기 또는 외골격과 같은 다른 종을 위한 외골격 또는 보조기로서 구현될 수도 있다.

예를 들어, 본원에서 논의된 연결은 예를 들어 중간 요소를 통해 각각의 부위로부터 또는 각각의 부위로 힘을 전달하기에 적합한 임의의 유형의 연결일 수 있다. 따라서, 달리 시사하거나 언급하지 않는 한, 연결은 예를 들어 직접 연결 또는 간접 연결일 수 있다.

또한, 실시형태에서는 인간의 상박(12)을 수용하는 컵 모양의 아암 레스트가 도시되어 있지만, 결합될 아암에 따라 예를 들어 커프(cuff) 또는 다른 부착부가 사용될 수 있고, 아암 레스트는 가동 아암에 영구적으로 또는 해제 가능하게 연결될 수 있다는 것이 명백할 것이다.

또한, 보조기는 적절한 힘을 보상하도록 구현될 수 있고, 이러한 보상은 부분적으로 또는 완전히 달성될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 예를 들어, 보조기는 동적인 또는 정적인 힘의 균형을 잡을 수 있고, 예를 들어, 중력을 보상하여 공구로 팔의 무게 또는 아암의 무게를 지지할 수 있다.

그러나, 다른 수정, 변형 및 대안이 또한 가능하다. 따라서, 명세서와 도면은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

청구항에서, 괄호 안의 임의의 참조 부호는 청구항을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. '포함하는'이라는 단어는 청구항에 나열된 다른 요소와 단계의 존재를 배제하지 않는다. 또한, 본원에서 사용된 "하나"라는 용어는 하나 이상으로 정의된다.

또한, 설명 및 청구항에서 "앞", "뒤", "위", "밑", "위에", "아래" 등의 용어는 설명을 목적으로 사용되며, 반드시 영구적인 상대 위치를 설명하기 위해 사용되는 것은 아니다. 이렇게 사용되는 용어는, 본원에 기술된 본 발명의 실시형태가 예를 들어 본원에 도시되거나 달리 기술된 것 이외의 다른 방향으로 작동할 수 있도록 적절한 환경 하에서 상호 교환 가능하다고 생각된다.

또한, 청구항에서 "적어도 하나" 및 "하나 이상"과 같은 도입 문구의 사용은, 동일한 청구항이 "적어도 하나" 및 "하나 이상"과 같은 도입 문구와 부정관사를 포함하는 경우라도, 부정관사의 의한 또 다른 청구항 요소의 도입이 이러한 도입된 청구항 요소를 포함하는 임의의 특정 청구항을 이러한 요소 하나만을 포함하는 발명으로 제한한다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 이는 정관사의 사용에 대해서도 마찬가지이다. 달리 명시하지 않는 한, "제 1" 및 "제 2"와 같은 용어는 이러한 용어가 설명하는 요소를 임의로 구별하기 위해 사용된다. 따라서 이들 용어는 반드시 그러한 요소의 시간적 또는 다른 우선 순위를 나타내는 것은 아니다. 특정 방안이 서로 다른 청구항에서 나열되었다는 단순한 사실만으로 이들 방안의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 의미하지는 않는다.

Claims (29)

1. 가동 아암을 위한 힘-균형 보조기로서, 이 가동 아암은 베이스에 부착되고, 베이스에 대해 이동할 수 있는 이동 회전점을 중심으로 회전할 수 있고, 보조기는,
   가동 아암에 연결될 수 있는 아암 부착부와;
   보조기를 베이스에 부착하기 위해 아암 부착부로부터 일정한 거리에 있는 베이스 부착부와;
   아암 부착부는 베이스 부착부에 대해 위치가 이동할 수 있는 회전 중심을 중심으로, 베이스 부착부에 대해 적어도 회전할 수 있고;
   아암 부착부에 결합될 때, 가동 아암에 의해 아암 부착부에 가해지는 힘을 적어도 부분적으로 베이스 부착부를 통해 베이스로 전달하는 캔틸레버 스프링 기구를 포함하고;
   캔틸레버 스프링 기구는,
   위치가 베이스 부착부에 대해 고정되는, 베이스 부착부에 부착된 베이스측 캔틸레버 고정 단부, 및
   적어도 캔틸레버 스프링 기구의 적절한 굽힘에 의해 베이스 부착부에 대해 이동할 수 있는 아암측 캔틸레버 자유 단부로서, 이에 의해 아암 부착부가 베이스 부착부에 대해 매달린 상태로 유지되는 아암측 캔틸레버 자유 단부를 포함하고,
   회전 중심의 위치는 캔틸레버 자유 단부의 위치에 적어도 부분적으로 의존하며, 아암 부착부의 위치에 의해 적어도 부분적으로 결정되는, 보조기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   캔틸레버 스프링 기구에 의해 아암 부착부에 가해지는 보상력의 양은 캔틸레버 스프링 기구의 굽힘의 양에 의해 결정되는, 보조기.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   아암 부착부의 회전 중심은 캔틸레버 스프링 기구의 밖에 있는, 보조기.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   아암 부착부의 회전 중심은 캔틸레버 스프링 기구의 베이스측 캔틸레버 단부로부터 그리고 캔틸레버 자유 단부로부터 일정 거리에 있는, 보조기.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   캔틸레버 스프링 기구는 아암 부착부의 회전 중심을 중심으로 만곡되는, 보조기.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   아암 부착부의 회전 중심은 캔틸레버 스프링 기구가 연장하는 평면 밖에 있는, 보조기.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   베이스 부착부를 캔틸레버 스프링 기구에 결합시키는 프레임을 포함하고, 프레임은 캔틸레버 스프링 기구보다 더 단단한, 보조기.
   
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   아암 부착부는 캔틸레버 자유 단부의 소정 거리에 있는, 보조기.
   
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   캔틸레버 스프링 기구는 베이스측 캔틸레버 단부와 캔틸레버 자유 단부 사이에서 연장되는 블레이드 스프링과 같은 연속 캔틸레버 스프링을 포함하는, 보조기.
   
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    캔틸레버 스프링 기구는 프리로드되는, 보조기.
    
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    서로로부터 소정 거리의 두 지점에서 캔틸레버 스프링 기구에 직접 또는 간접적으로 부착되는 스트랩을 포함하고, 이 스트랩은 캔틸레버 스프링을 프리로드하기 위해 묶일 수 있는, 보조기.
    
12. 제 8 항 또는 제 11 항에 있어서,
    아암 부착부는 강성 아암에 의해 캔틸레버 자유 단부에 부착되는, 보조기.
    
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    아암 부착부는,
    회전 중심에 있고 캔틸레버 기구에 부착된 힌지 기구와;
    회전 중심의 소정 거리에 있는 아암 레스트와;
    아암 레스트를 힌지 기구에 연결하는 아암 부재를 포함하고;
    힌지 기구는 아암 부재를 선회시키기 위한 하나 이상의 피벗축을 구비하는, 보조기.
    
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    힌지 기구는 제 1 피벗축 및 제 1 피벗축에 수직한 각도의 제 2 피벗축을 구비하고, 강성 아암은 캔틸레버 자유 단부에 대해 힌지 기구를 고정시키는, 보조기.
    
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    피벗축에 대한 아암 레스트의 위치는 조정될 수 있는, 보조기.
    
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    캔틸레버 스프링 기구는 일련의 별개의 캔틸레버 스프링 요소를 포함하는, 보조기.
    
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    캔틸레버 스프링 기구는 캔틸레버 자유 단부와 캔틸레버 고정 단부 사이에서 캔틸레버 스프링 기구의 길이에 걸쳐 변하는 스프링 특성을 갖는, 보조기.
    
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 중심은,
    아암 부착부로부터 베이스 부착부까지의 종 방향과;
    상기 종 방향에 수직인 측 방향과;
    종 방향 및 측 방향에 수직인 횡 방향 중 적어도 하나의 방향으로 베이스 부착부에 대해 이동할 수 있는, 보조기.
    
19. 제 18 항에 있어서,
    캔틸레버 스프링 기구는 종 방향, 측 방향 및 횡 방향 중 적어도 두 방향으로 구부러질 수 있는, 보조기.
    
20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    캔틸레버 자유 단부는 캔틸레버 스프링 기구의 적절한 토션에 의해 이동할 수 있는 보조기.
    
21. 제 20 항에 있어서,
    캔틸레버 스프링 기구는 토션 스프링 특성을 발휘할 수 있고 탄성적으로 뒤틀릴 수 있는, 보조기.
    
22. 가동 아암과 베이스로서, 이 가동 아암은 베이스에 부착되고, 베이스에 대해 이동할 수 있는 이동 회전점을 중심으로 회전할 수 있는, 가동 아암과 베이스; 및
    아암과 베이스에 결합되어 아암의 회전점에서 가동 아암에 의해 가해진 힘을 적어도 부분적으로 보상하는, 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 보조기를 포함하는 기계적 장치.
    
23. 제 22 항에 있어서,
    베이스에 대한 회전점의 위치는 베이스에 대해 가동 아암의 방향에 적어도 부분적으로 결합되는, 기계적 장치.
    
24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    베이스에 대해 아암을 이동시키기 위한 능동 액추에이터를 포함하는 기계적 장치.
    
25. 동물이 착용할 수 있는 착용형 보조 장치로서, 착용형 보조 장치는 동물의 신체에 장치를 부착하기 위한 하니스, 및 회전점과 신체의 다른 부위 사이의 신체 부위를 우회하면서, 회전점 상의 동물의 팔 모양의 다리에 의해 가해진 힘을 신체의 다른 부위로 전달하기 위한 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 따른 보조기를 포함하는 착용형 보조 장치.
    
26. 제 25 항에 있어서,
    신체는 대칭적이고, 동물의 각각의 팔 모양의 다리에 연결할 수 있는 각각의 아암 부착부를 지지하는 두 개의 보조기를 신체의 대칭축의 각각의 측면에 포함하는 착용형 보조 장치.
    
27. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
    신체의 다른 부위는 몸통의 일부인, 착용형 보조 장치.
    
28. 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    동물은 인간이고, 신체의 다른 부위는 어깨, 가슴, 흉부, 배꼽으로 이루어진 군 중 적어도 하나 아래의 신체의 하부인, 착용형 보조 장치.
    
29. 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    신체의 다른 부위는 척추 아래의 등의 일부이고, 척추는 C7, T12, T11, T10, T9, T8, T7, T6, T5, T4, T3, T2, T1, L1, L2, L3으로 이루어진 군에서 선택되는, 착용형 보조 장치.
    

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