KR20200019636A - 소프트 휴대용 웨어러블 공압 인터랙티브 슈트 - Google Patents

소프트 휴대용 웨어러블 공압 인터랙티브 슈트 Download PDF

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KR20200019636A
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pneumatic
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skin
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KR1020197039022A
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하샬 아룬 소나
매튜 아론 로버트슨
사카르 다타트레이 조쉬
티그만슈 바트나가르
제이미 팩
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에꼴 뽈리떼끄닉 뻬데랄 드 로잔느 (으뻬에프엘)
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Abstract

결합된 입출력 기능에 대한 효과적이고 직관적인 물리적 인터페이스를 제공하도록 2명의 사용자 간 또는 사용자와 기계 간 통신 및 정보 전달에 사용하는 완전 웨어러블 시스템으로, 완전 웨어러블 시스템은 분산형 액추에이터 및 감지소자를 포함하는 양방향 웨어러블 스킨으로, 액추에이터 및 감지소자는 다모드(multimodal) 작동층 및 감지층을 포함하고, 양방향 웨어러블 스킨은 유연하고 신축성이 있는, 양방향 웨어러블 스킨; 및 분산형 액추에이터 및 감지소자를 제어하고 감지층으로부터의 신호를 판독하는 포터블 제어 디바이스로, 이 포터블 제어 디바이스는 작동 주파수 및 자극 진폭에 의해 착용자의 신체의 미소 및 거대자극 모두에 대해 픽셀화된 작동(pixelated actuation)을 실행하는, 포터블 제어 디바이스를 포함한다.

Description

소프트 포터블 웨어러블 공압 인터랙티브 슈트
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허 출원은 2017년 6월 2일에 출원한 일련 번호 62/514,234의 미국 가특허 출원에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 그 전체를 참조로 본원에서 인용한다.
본 발명은 웨어러블 디바이스, 소프트 로봇, 인간-기계 상호작용, 햅틱 통신과 가상 또는 증강 환경, 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
웨어러블 로봇 기술의 개요
웨어러블 외골격과 로봇 슈트는 현재와 과거의 광범위한 연구에서 초점이 되고 있으며(비특허문헌 1 ~ 5), 치료, 회복 또는 향상의 혜택을 위해서, 주로 인간 사용자의 능력을 증가시키는 것을 목표로 하고 있다. 대안적으로, 가상 감각과 시뮬레이션된 물리적 상호작용을 제공하기 위해, 임장감 기술 시나리오의 웨어러블 로봇 슈트가 제안되었다(비특허문헌 6). 이들 디바이스는 제한된 용량에서 (무거운 중량의 리프팅 같은) 설계한 대로의 특정한 이점을 만들어 내는 것을 보여주었지만, 피로나 또 다른 능력의 동시 감소 같은 관련 단점을 갖고 있지 않은 것으로 밝혀진 것은 없다. 기존 웨어러블 시스템의 추가 비용에 대한 표준화 없이, 이들 시스템의 전반적인 유용성을 보여주기가 어려웠다. 이러한 최소한의 수익과 연결해서, 본질적으로 산업 스타일 기술 (단단하고 부피가 큰 금속 성분) 및 소프트하고 비-규범적인(non-normative) 운동학, 전력학 및 기타 외부 물리적인 제약에 민감한 인체에 가깝게 사용하기 위한 제어 방법을 채택하는 데 수반되는 본질적인 위험이 있다. 이들 로봇 슈트 디바이스를 설계하는 데 따른 어려움을 감안하면, 일반적으로 이들 디바이스의 응용에 대한 현재의 전망은 여전히 비현실적이다. 그럼에도 불구하고 새로운 설계 접근방식은 웨어러블 로봇 슈트의 개념을 요구사항이 더 적은 응용, 즉 직관적이고 향상된 디지털 및 물리적 통신을 위해 경험이 풍부한 컴퓨터 및 포터블 전자장치 인터페이스 메커니즘으로서 적용하는 데 있어서 전망이 밝다.
이들 유형의 기계적으로 능동적이고 웨어러블 한 응용에서의 도전은 인체와의 직접적인 상호작용에 더 적절한 새로운 기술에 대한 관심과 발전을 불러왔다. 특히, 생체역학적 형태와 기능을 지닌 액추에이터, 구조 및 센서의 기계적 인터페이스 및 호환성에서의 도전과제를 해결하기 위한 소프트 기술이 등장했다. 이러한 접근방식은 완전한 시스템이 완벽하게 조립되기 전에 자연스런 순응성, 유연성, 견고성, 적응성, 및 심지어 주문제작에 대한 보다 간단한 경로를 포함하여, 수동적인 기능을 제공하는 메커니즘 및 구성요소를 만들기 위한 재료의 사용을 포함한다(비특허문헌 32). 이들 유형의 구성요소를 웨어러블 시스템의 시작점으로서 사용한 것은 어떤 형태로든 인체에 결합되는 웨어러블 시스템의 편안함, 안전성 및 신뢰성을 크게 향상시킨다.
인체와의 직접적인 물리적 상호작용은 촉각 자극(tactile stimulation)을 통해 로봇 시스템과 사용자 간에 새로운 방식의 정보 전달을 가능케 한다. 보다 전통적인 오디오 및 시각적 상호작용 모드와 결합된 이러한 촉각 피드백은 많은 응용에서 유익한 사용자의 경험을 제공할 수 있는 감각이 풍부한 상호작용을 가져온다 (비특허문헌 34). 햅틱 피드백은 인간이 양방향으로 상호작용하여 주변환경을 감지할 뿐만 아니라, 행동을 제공할 수 있게 하는 유일한 감각 양상(sensory modality)이며; 직관적인 통신을 위해 웨어러블 환경에 대한 지식을 지닌 통합 감지 기능의 햅틱 장치를 갖추는 것을 중요하게 만든다. 지금까지는 웨어러블 통신, 감지 및 작동의 양상들을 주로 독립적인 성분으로 연구해왔다. 그러나, 가장 의미있고 직관적인 상호작용 경험을 제공하려면, 이들 기능을 조합한 완전한 시스템을 필요로 한다.
웨어러블 입력 감지 및 통신의 개요
웨어러블 디바이스의 주요 역할 중 하나는 물리적 및 생체역학적 파라미터의 감지를 통해서 환경에 대한 정보를 얻는 것이다. 이용 가능한 웨어러블 디바이스는, 주로 이들 디바이스가 중요한 생리적 파라미터를 얻기 위해 견고한 폼 팩터(form factor)에 내장된 가속도계, 자이로스코프, 심박수 센서, 혈당 수치 센서, 터치 패널 등의 요소를 갖는 카테고리에 들어간다(비특허문헌 28). 이들 전통적인 감지 및 입력 장치는 견고하고 신축성이 없거나 유연하지 않은 폼 팩터를가지며, 그로 인해 소프트 호환 플랫폼에 직접 통합될 수 없어, 이들 장치의 사용상 편의성을 제한한다. 외부 환경의 상호작용을 측정할 수 있게 조정할 수 있는 변형(strain) 또는 압력 같은 물리적 파라미터를 측정하기 위한 소프트 웨어러블 센서의 개발이 최근 이루어지고 있다(비특허문헌 29, 30).
웨어러블 소프트 기계 시스템과 웨어러블 전자장치를 독립적으로 개발하는 데 상당한 노력을 기울여 왔지만, 달성된 이들 장치의 효율적인 통합 작업은 더 적었다. 통합된 감지를 갖출 수는 있으나, 작동을 위해 고전압의 입력을 필요로 하는 유전체 엘라스토머 액추에이터를 사용하여 웨어러블 소프트 촉각 디스플레이를 만드는 데 있어서 상기 영역에서의 일부 초기 진전이 이루어졌다(비특허문헌 31).
통합된 감지의 부족은 주로 소프트하고 인간의 피부가 받는 것과 유사한 높은 변형률 (> 50%)에 견딜 수 있는 호환 가능한 재료가 부족하기 때문이다. 많은 응용에 있어서, 웨어러블 디바이스는 촉각 피드백을 제공하여 추가의 감각 정보를 증가시키는 것이 필요하다(비특허문헌 28). 작동을 의미하는 개방루프에서 작동되는 촉각 피드백을 제공하도록 설계된 디바이스는 시스템 성능에 영향을 주는 그들 주변의 외부 환경에 대한 정보가 제한적이거나 없다.
출력: 능동 소프트 공압 장치
메소 스케일 작동과 관련하여, 여러가지 다양한 유형의 환경 정보를 전달하는 신체 피부의 외부 기계적 교란을 포함하여, 촉각 자극은 신체적 상호작용성의 중요한 부분이다. 이는 일반적으로 패턴, 형상 및 거칠기나 압력 같은 물리적 품질을 구별하기 위해 사용한다. 인공적으로, 신체의 특정 위치에서 소규모의 힘을 생성하는 다양한 메소 작동 방법을 통해, 유사한 정보를 전달할 수 있다. 웨어러블 디바이스는 증가된 정보에 관한 이러한 유형의 촉각 피드백을 필요로 하는 많은 응용을 위해 개발되었다(비특허문헌 28). 대부분의 웨어러블 촉각 디바이스는 부피가 크고 단단하며 설계가 복잡한 전자기계 구성요소에 의존함으로써, 순응성 및 콤팩트성 부족으로 인해 최상의 편안함과 유용성을 제한한다(비특허문헌 33). 동시에, 이들 디바이스는 주로 작동을 의미하는 개방루프이며, 시스템 성능에 영향을 줄 수 있는 외부 하중에 대한 제한된 정보만 갖고 있다.
매크로 스케일 작동과 관련하여, 매크로 레벨에서의 웨어러블 물리적 피드백 디바이스는 신체 부위와 직접 상호작용하거나 전신 조작에 참여하는 디바이스로 설명할 수 있다. 이전의 작업에서, 신체에 힘을 직접 가하기 위한 웨어러블 형태로 소프트 기술을 사용하는 것은, 일반적으로 국소화된 특정 보조 디바이스로 제한되었다(비특허문헌 7 - 10). 이에 대한 예외로는 몇가지 소프트 로봇 엑소-슈트(soft robotic exo-suit)(비특허문헌 11, 12)의 개발이 있으며, 이는 고정된 앵커의 접지 접촉을 통해 기계적 지지를 제공하는 가장 일반적으로 연구되는 로봇 "외골격(exoskeleton)" 유형의 슈트와는 다르다. 대조적으로, 소프트 엑소-슈트는 주로 유연한 구성요소를 이용하여 힘을 생성 또는 전달하고 신체에 장착한다. 이들 구성요소는 직물, 유연한 힘줄 또는 소프트 공압 액추에이터 (Soft Pneumatic Actuators, SPA)를 포함할 수 있다. SPA는 소프트 로봇 공학 연구 및 개발에서 가장 활발한 영역이며, 메소 스케일(비특허문헌 13 - 16) 및 인간 스케일(비특허문헌 17 - 20)의 양압 및 음압 공기 공급 및 힘을 모두 사용하여 상당히 다재 다능한 기능을 달성함으로써 작동이 입증되었다.
소프트 공압 액추에이터 (SPA) 단독으로도 인간과의 직접적인 상호작용 및 웨어러블 로봇 작동에 유리하지만, 공압시스템은 일반적으로 이러한 응용을 위해 적합하지 않게 부피가 크다. 이들 디바이스는 압력 발생, 저장 및 제어를 위한 전용 서브시스템을 필요로 하며, 그들의 기능 및 통합을 지원하기 위한 추가 하드웨어 외에도 펌프, 압력 탱크 및 밸브를 포함한다. 그러나, 그의 다양한 이점을 활용하기 위한 연구에서 소프트 기술이 적극적으로 추구되고 있으므로(비특허문헌 21), 산업 영역의 시스템에 대해서는 중요하지 않은 중량, 크기 및 효율이 웨어러블 소프트 공압 디바이스의 새로운 우선 순위인 지원용 공압 서브시스템을 개발하기 위한 진정한 필요성이 존재한다.
웨어러블 소프트 시스템의 휴대성에 관한 개요
공압 전력에 의해 작동되는 소프트 액추에이터의 사용은 로봇 부문에서 탄력을 받고 있다. 엔드 이펙터, 재활, 탐사 로봇, 보행 로봇 등의 용도로 실리콘 고무 기반 액추에이터를 사용하는 수많은 프로젝트가 개발되고 있다. 이들 시스템은 완전히 소프트한 신체, 또는 압축 공기에 의해 작동되는 하드한 구성요소 및 소프트 액추에이터의 조합을 갖는다. 그러나, 대부분의 경우, 상기 시스템은 압축기 또는 저장된 고압 공기 탱크의 형태로 외부 공압 전력 공급장치(pneumatic power supply)에 테더링된다(tethered). 이는 연구실 또는 몇몇 특정 산업 응용에서의 이들 시스템의 사용을 제한하고 있다. 그러나, 특히 웨어러블 로봇 시스템이나 탐사 로봇 같은 그 밖의 많은 응용을 위해서, 테더링된 전력 공급장치는 바람직하지 않다. 이러한 문제의 해결을 위해, 일부 연구자들은 미니 압축기, 액체 CO2 및 과산화수소 분해 형태로 포터블 공압 공급장치를 통합해서 공압 출력을 제공하였다. 비록 이들 시스템은 포터블 전력 공급장치를 갖고 있지만, 그들의 작업의 초점은 전력 공급장치가 아닌 소프트 로봇 시스템의 설계에 맞춰져 있다. 결과적으로, 이들 중 대부분은 압력원의 유동, 압력 및 전력의 출력에 대한 제어가 줄어들고 매우 간단하다. 따라서, 공압 배터리의 균등물이 필요하다.
포터블 공압 공급장치를 자체적으로 갖는 것은 어려운 한편, 기존 포터블 시스템의 여러 상이한 액추에이터에 대한 압력 또는 유량의 적절한 제어방법이 없다. 대부분의 시스템은 공압 공급을 위해 하나 이상의 출력채널이 필요하며, 각 채널은 상이한 유량 및/또는 압력을 필요로 할 수 있다. 액추에이터의 양호한 제어를 위해, 시스템은 압력, 출력 하중 및 출력 변위 중에서 하나 이상의 파라미터를 조절할 수 있어야 한다. 게다가, 각 액추에이터의 최대 압력, 출력 또는 변위에 제약이 있을 수 있다. 따라서, 출력채널의 독립적인 제어를 용이하게 하면서, 포터블일 수도 있는 장치가 필요하다.
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본 발명의 일 측면에 따르면, 테더링되지 않은 포터블 소프트 로봇 슈트에 공압 전력 공급장치와, 온보드 전자장치 처리 및 제어 장치로 인간-기계 또는 원격현전(tele-present) 인간-인간 상호작용 간의 인터페이스 응용을 위한 소프트 웨어러블 공압 작동식 디바이스가 제공된다. 통합된 공압 공급장치는 착용자의 신체 표면 영역에 가해지는 힘, 압력 및 진동촉각 피드백 메커니즘을 비롯해, 관절을 포함한 전신 부위의 작동을 가능케 한다. 부가적으로, 내장된 "스마트" 재료는 수동 물리적 신호를 전달하기 위해 특정 구성요소의 강성 같은 기계적 특성이 능동적으로 수정 및 조정될 수 있게 하는 슈트에 통합될 수 있다. 이 피드백은 착용자에 대한, 소프트 인터랙티브 슈트를 통해 이용 가능한 정보 교환의 제 1 방향을 규정할 수 있다. 정보 교환의 제 2방향은 다양한 서브시스템에 내장된 소프트 유연 또는 신축성 센서를 통해 가능하여, 인간 사용자 또는 슈트 모션 자체로부터 로봇 시스템으로 입력을 되돌려 제공한다. 다음에, 이는 내장 컨트롤러에 의해 활동 메커니즘의 폐루프 제어(closed loop control)를 구현하거나, 슈트의 기능을 직접 수정 또는 제어하거나, 완전한 양방향 상호작용을 위해 네트워크 연결을 통해 원격 사용자를 포함한 오프 보드 시스템과 통신하는 데 사용할 수 있다. 이들 기능적인 능력은 거리나 위치에 구애받지 않는 기술과의 직관적인 상호작용을 가능케 하여, 통신, 제어 또는 엔터테인먼트 경험을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스가 제공된다. 바람직하게는, 소프트 공압 액추에이터는 분산형 액추에이터 및 감지소자를 포함하는 양방향 웨어러블 스킨으로, 액추에이터 및 감지소자는 다모드(multimodal) 작동층 및 감지층을 포함하고, 양방향 웨어러블 스킨은 유연하고 신축성이 있는, 양방향 웨어러블 스킨; 및 분산형 액추에이터 및 감지소자를 제어하고 감지층으로부터의 신호를 판독하는 포터블 제어 디바이스로, 이 포터블 제어 디바이스는 작동 주파수 및 자극 진폭에 의해 착용자 신체의 미소 및 거대자극 모두에 대해 픽셀화된 작동(pixelated actuation)을 실행하는, 포터블 제어 디바이스를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 웨어러블 인터랙티브 디바이스를 위한 포터블 전력 및 제어 장치가 제공된다. 바람직하게는, 포터블 전력 및 제어 장치는 유체에 정압 및 진공을 생성하는 발전시스템, 발전시스템에 전력을 공급하는 전력전달장치, 및 유체와, 발전시스템에 의해 발생된 정압 및 진공을 저장하는 공압 저장기를 포함한다. 또한, 상기 장치는, 바람직하게는 양압 및 진공 중 적어도 하나를 웨어러블 인터랙티브 디바이스에 제공하도록 공압 저장기에 작동 가능하게 장착된 출력채널; 및 각 출력채널용 밸브 및 압력센서를 포함하고, 출력채널과 작동 가능하게 연결된 전기-공압시스템으로, 이 시스템은 출력채널을 통해 유체를 측정, 모니터링 및 제어하는, 전기-공압시스템; 및 발전시스템과 전기-공압시스템을 제어하는 마이크로 컨트롤러를 더 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징과 장점, 및 이를 실현하는 방법은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 이루어지는 다음의 설명에 대한 스터디로부터 더욱 명백해질 것이며, 본 발명 자체를 가장 잘 이해하게 될 것이다.
도 1a 내지 도 1e는 완전 웨어러블 소프트 인터랙티브 슈트의 주요 구성요소를 개략적으로 나타내는 도면으로, 도 1a는 예시적인 입력 및 촉각 출력 작동장치(A)를 갖는 슈트의 정면을 나타내고, 예시적인 전신 자세 작동(B)를 나타내고, C는 표적화된 신체 작동을 위한 예시적인 위치를 나타내며, 도 1b는 슈트의 배면 또는 뷰를 나타내고 예시적인 포터블 공압 전력 공급장치(D)의 위치를 나타내며, 도 1c는 벨트 형태의 전신 자세 작동(B)을 위한 장치를 개략적으로 나타내며, 도 1d는 표적화된 신체 작동 (C)를 개략적으로 나타내며, 도 1e는 백팩 같이 착용할 수 있는 포터블 공압 전력 공급장치(D)를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 인터랙티브 SPA 스킨과의 상호작용 능력에 대한 개략적인 개요를 나타낸다. 압축 공기는 피부에 직접 유연 및 신축성 패치로서 착용하는 얇은 실리콘 고무 시트에 내장된 소형 팽창식 촉각 픽셀 또는 탁셀(taxel) 매트릭스에 공급된다. 진동 자극을 통해 다양한 모드로 정보를 전달하기 위해 공급 압력의 진폭과 주파수 모두를 변경함으로써, 각 탁셀을 독립적으로 제어할 수 있다. 부가적으로, 탁셀은 패턴 또는 형상을 전달하기 위해 순차적으로 또는 조합하여 작동될 수 있다. 동시에, 센서는 각 탁셀에 내장되어 출력 모드에서 탁셀 작동의 폐루프 제어를 가능케 하거나, 사용자용 입력 장치로서 기능하여 소프트 슈트를 제어하거나, 그에 네트워크 연결된 다른 기계와 통신한다.
도 3은 SPA 스킨의 층 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 신체 인터페이스에 맞는 소프트하고 유연한 신축성 SPA 스킨을 개략적으로 나타낸다.
도 5a 내지 5c는 상이한 피드백 패턴에 대한 맞춤형 팽창 기하학적 구조를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 6은 입력 및 촉각 출력 작동장치(A)로서 사용할 수 있는 SPA 스킨의 다층 구조를 개략적으로 나타내는 분해도이다.
도 7a 내지 7d는 재구성 가능한 벨트 상에 배열된 도 7a에 나타낸 바와 같은 SPA 팩을 사용하여 웨어러블 벨트 장치를 제조한 예시의 다른 측면을 개략적으로 나타내는 도면으로, 도 7b에 도시한 바와 같이 전체 상체 조작을 가능케 한다. 폐루프 웨어러블 형태로 디바이스의 효과를 보여주기 위해, 도 7c와 같이 정현파 신호(sinusoidal signal)를 사용하여 그들을 번갈아 자세 위치로 유도하면서 IMU를 사용하여 테스트 대상의 몸통 운동 각도를 기록했다. 피험자 상의 벨트의 위치는 도 7d에 도시되어 있지만, 이것의 위치 및 구성은 정보 피드백을 위해 보다 표적화된 신체 부위 조작을 제공할 수 있는 다른 소프트 웨어러블 응용에 대한 하나의 예일 뿐이다.
도 8a 내지 8e는 인간이 착용한 인간-기계 상호작용을 위한 소프트 토르소(Torso, 몸통) 엑소-슈트를 개략적으로 나타내는 도면으로, 도 8a는 소프트 조끼의 정면을 나타내고, 도 8b는 소프트 조끼의 배면을 나타내고, 도 8c는 연장 및 굴곡을 제공하는 모션을 개략적으로 나타내고, 도 8d는 측면 굽힘을 나타내며, 도8e는 소프트 토르소 외골격 슈트에 의한 비틀림 굽힘을 나타낸다.
도 9는 포터블 공압 공급장치의 개략적인 전자 기계 요소의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 10은 전력 시스템의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 11은 개략적인 압력 제어 장치의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 12는 전력 시스템, 공압 공급 및 압력 제어를 갖는 개략적인 SPA 벨트의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 13a 내지 13d는 슈트 및 상이한 응용과 관련된 특징을 나타내는 도면으로, 도 13a는 멀티-스케일 물리적 피드백 작동 및 콤팩트하고 효율적인 공압 전력 공급장치에 의해 작동되는 통합 감지를 결합한 완전 웨어러블 인터랙티브 슈트 개념을 예시적으로 나타낸 개략도이다. 이 슈트는 도 13b에 나타낸 바와 같은 스키, 도 13c에 나타낸 바와 같은 골프 연습, 또는 도 13d에 나타낸 바와 같은 균형에 영향을 주는 피드백을 포함하는 다양한 응용에 대한 직관적인 통신 형태를 가능케 한다.
도 14는 웨어러블 전력 및 제어 유닛 또는 웨어러블 전력 및 제어 시스템을 나타내는 개략적인 측면도 및 배면도이다.
도 15는 웨어러블 전력 및 제어 유닛 또는 웨어러블 전력 및 제어 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 16은 웨어러블 전력 및 제어 유닛을 허리 벨트에 연결하는 웨어러블 서포트 유닛의 개략적인 측면도 및 배면도를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 일측면에 따르는 미앤더형(meander-like) 신축성 변형 센서를 나타낸 개략적 예시도이다.
도 18a 내지 18c는 본 발명의 또 다른 측면에 따라, 액추에이터에 사용할 수 있는 도 17의 예시적인 신축성 변형 센서와 관련된 정보를 나타내는 도면으로, 도 18a는 변형의 함수로서 평균 공칭 센서 저항의 변화를 나타내고, 도 18b는 SPA에 대한 상이한 샘플 설계 레이아웃을 나타내고, 도 18c는 센서-액추에이터 시스템으로서 신축성 변형 센서를 갖는 SPA의 예시적인 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 19a 내지 19d는 SPA 액추에이터와 함께 신축성 변형 센서로 달성한 실험 결과를 나타내는 도면으로, 도 19a는 SPA의 팽창에 기반한 신축성 변형 센서의 팽창을 나타낸 측면 사시도이고, 도 19b는 팽창 높이 h의 함수로서 변형 센서의 미앤더의 다른 스트립의 팽창 반경(r)을 나타내고, 도 19c는 변형 센서의 센서 미앤더에 걸친 단축 변형 분포를 나타내며, 도 19d는 평균 측정 변형 대 액추에이터 입력 압력을 나타낸다.
도 20a 내지 20c는 실제 변형 대 측정 변형의 폐루프 제어에 대한 실험 설정을 나타내는 도면으로, 도 20a는 시간 경과에 따른 계단 설정점 값 대 측정 변형을 나타내고, 도 20b는 시간 경과에 따른 임의의 설정점을 나타내며, 도 20c는 변형 센서를 테스트하기 위한 실험 설정을 나타낸다.
여기에서, 가능한 경우, 도면에서 공통인 동일한 요소를 지정하기 위해 동일한 참조 번호를 사용한다. 또한, 화상은 설명을 위해 단순화하였으며 일정한 비율로 도시하지 않았다.
본 발명의 일 측면에 따르면 완전 웨어러블 소프트 인터랙티브 슈트를 포함하는 시스템이 제공되며, 도 1a는 예시적인 입력 및 촉각 출력 작동장치(A)를 갖는 슈트의 정면을 나타내며, 예시적인 전신 자세 작동(B)을 나타내고, C는 표적화된 신체 작동을 위한 예시적인 위치를 나타내며, 도 1b는 슈트의 배면 또는 뷰를 나타내고 예시적인 포터블 공압 전력 공급장치(D)의 위치를 나타내며, 도 1c는 벨트 형태의 전신 자세 작동(B)을 위한 장치를 개략적으로 나타내며, 도 1d는 표적화된 신체 작동(C)을 개략적으로 나타내며, 도 1e는 백팩과 같이 착용할 수 있는 포터블 공압 전력 공급장치(D)를 개략적으로 나타낸다. 입력 및 촉각 출력 작동장치(A)는 도 1a에서 정사각형 패치로 표시한 하나 이상의 소프트 공압 액추에이터(SPA)를 포함할 수 있으며, SPA는 도 3, 4, 5a 내지 5c, 및 6과 관련하여 아래에서 더 논의하는 바와 같이 층으로 된 구조를 갖는다.
A. 양방향 SPA 스킨
통합된 센서를 갖는 입출력 양방향 SPA 스킨
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 정보 전달 모드가 2명 이상의 개인 간 통신을 위해 사용할 수 있는 시스템은 기존의 시청각 모드를 이용할 뿐만 아니라, 도 2에 도시한 바와 같이 고유 감각까지 확장할 수 있다. 입출력 장치는 공압식으로 작동되어 진동 출력을 생성하며, 외부 자극을 얻기 위한 통합된 센서 층을 갖는다. 이 디바이스는 독립적으로 작동 및 제어되어 다양한 시퀀스를 생성하는 각각의 촉각 픽셀 (탁셀)(tactile pixel (taxel))을 가지며, 위치, 형상, 패턴, 진동 등의 다른 촉각 모드를 착용자에게 전달할 수 있다. 동시에, 그의 감각 층에 의해, 각 탁셀을 사용하여 사용자로부터의 입력을 판독할 수 있다. 복잡한 촉각 패턴 발생 및 2개의 디바이스 간의 효율적인 통신과 함께 외부 교란에 대한 입력 획득은 2명의 인간 또는 인간과 컴퓨터 간의 알림 및 정보 전달을 위한 새로운 길을 만든다.
"진정한 착용성(true wearability)" 을 훼손하지 않고 이러한 비전을 달성하기 위해, 피부에 직접 배치될 수 있고 변조 가능한 고충실도의 햅틱 피드백을 제공할 수 있는 소프트 웨어러블 디바이스가 개발되었다: 통합된 촉각 센서를 갖는 SPA 기반 디바이스. SPA-스킨 설계는 복수의 기능층이 곡선 표면에서 표적화된 감지 및 작동 기능을 달성할 수 있는 하나의 로우 프로파일 디바이스에 통합되는 것을 기반으로 한다. 도 3은 단일 실리콘 폼 팩터에 내장된 감지, 작동, 디스플레이 및 조정 가능한 강성층을 포함하는 복수의 기능층의 예를 나타내며, 이는 도 4에 나타낸 인체 곡률에 걸쳐 착용하기에 적합하며, 물리 계층의 3차원 분해도는 도 6에 도시되어 있다.
이 다층 호환 SPA 스킨은 변조 가능한 진폭으로 고주파 진동을 생성할 수 있다. 개발한 예시적인 실시예인 SPA는 정사각형이며, 70㎜ x 70㎜ x 1.5㎜의 치수를 갖고, 예시적인 4 x 4 행렬로 배열된 열여섯(16)개의 독립적으로 작동되고 제어되는 소자를 포함한다. 각 소자-"탁셀" 은 작동층 및 감지층을 포함한다. 작동층은 2개의 인접한 실리콘 층 사이에 공압 채널을 생성함으로써 구성된다. 감지층은 접촉력에 비례하는 전하를 생성하는 압전 세라믹(piezoceramic, PZT) 소자를 포함한다. 이들 층은 별개로 제작된 후 나중에 함께 통합되므로, 이들은 도 5에 도시한 바와 같이 모듈식, 고도의 맞춤형 페일세이프 설계(modular, highly customizable and failsafe design)를 형성한다. 내장된 압전-세라믹 센서, 준-2D 형태 및 로우 프로파일, 소프트 SPA 스킨은 감지 및 액추에이터 폐루프 제어로 지원되는 고충실도의 햅틱 피드백을 위한 이상적인 "하드웨어" 인터페이스를 제공한다.
B. 전신 조작
전신 조작은 엉덩이 및 토르소의 아랫부위와 같은 큰 신체 관절 주위에 모듈식 소프트 액추에이터를 분배함으로써 달성된다. 신체 자세의 큰 변화를 유도하기 위해, 간단한 벨트 형태의 예시적인 실시예는 상체와 하체 사이에 모멘트를 가한다. 구현된 설계에서, 평행 팩으로 그룹화한 SPA는 벨트의 둘레 주위에 배열되어 전후 (Anterior-Posterior, AP) 및 내외측 (Medial-Lateral, ML) 편향의 2가지 주요 모드로 구성된 힘을 원하는 임의의 방향으로 가할 수 있다. 프로토타입을 위해 생산된 바와 같은 각 SPA 팩은 적절한 결속에 의해 모멘트로서 전달될 100N 초과의 힘을 생성할 수 있다. 벨트 주변의 위치에 있는 SPA 팩의 구성은 원하는 기계적 피드백 또는 시뮬레이션된 출력 유형에 따라 달라진다. SPA의 구성 자체도 원하는 동적 성능에 맞게 변경할 수 있다. SPA를 구성하는 "섬유" 의 수를 증가시키거나, 추가 팩을 병렬로 활용함으로써, 상기 유형의 소프트 액추에이터에 의해 더 큰 힘과 모멘트를 달성할 수 있다. 일반적으로, 이러한 SPA를 모듈 형태로 적용하면, 매크로 레벨 신체 위치결정을 위한 맞춤형 기계적 피드백이 가능하다. 피드백을 위해 신체 자세에 영향을 줄 수 있는 능력은 다른 자동화된 웨어러블 수단에서 이용할 수 없는 유용한 형태의 정보 전달을 가능케 한다. 이러한 능력은 스포츠 기술이나 물리 치료, 기계 환경과의 가상 상호작용, 또는 원격 통신을 위한 훈련에 사용할 수 있다. 이 개념의 실행 가능성은 신체의 몸통 각도를 여러 방향으로 조작할 수 있는 초기 프로토타입을 통해 입증된다 (도 7a 내지 7d).
모듈 작동식 벨트를 통한 전신 조작으로 대규모 피드백 모션이 가능하지만, 이 간단한 구성은 제한된 신체 부위에 대한 더 높은 해상도의 상세한 기계적 피드백 모드를 허용하지 않는다. 이를 달성하기 위해, 제 2레벨의 정밀 작동을 이용하여 벌크 모션(bulk motion) 피드백을 보완할 수 있다. 모듈식 웨어러블 소프트 액추에이터 시스템의 다양성은 상이한 바디 조인트에 액추에이터를 분배하고 웨어러블 벨트와 병렬로 보다 구체적인 결속 및 전달 메커니즘을 구현함으로써, 더욱 향상되어 정확하고 표적화된 모션을 달성할 수 있다.
C. 표적화된 햅틱 피드백용 전력식 토르소 슈트(Powered Torso suit)
상기 섹션에서는 전신 모션에 사용하는 액추에이터를 설명하였지만, 이 섹션에서는 착용자에게 특정 모션을 부여할 수 있는 유연한 하니스-유형(harness-type) 시스템의 설계 및 구현을 다룬다. 힘을 안전하게 가할 수 있는 장골 능선, 엉덩이의 측면, 어깨 등과 같은 토르소의 위치가 확인되었다. 이들 영역에 햅틱 힘을 가하는 것이 다른 영역에 비해 더 효과적인데, 이들 영역은 불편함을 주지 않으면서 더 큰 힘을 가할 수 있게 하고 크게 변형되지 않기 때문이다. 설계한 하네스-슈트는 추가 결속을 생성하지 않지만, 작동시 신체의 특정 부분에 힘과 모멘트를 가한다. 하네스의 설계에 기반하여, 측면 굽힘, 비틀림, 굴곡 및 확장 같은 다양한 유형의 특정 모션을 제공할 수 있다. 이들 모션은 소프트 공압 액추에이터를 세심하게 제어함으로써 제공된다. 또한 나일론 끈으로 제조된 수동 구성요소 및 폼 요소도 포함한다. 이들 수동 구성요소는 특정 지점에서 액추에이터로부터 신체로 힘을 전달하여 모션의 미소한 제어를 제공한다.
슈트의 또 다른 예시적인 실시예는 신체에 착용할 하니스 같은 끈(strap) 기반 구성을 활용한다. 그러나, 원형의 슈트 제품은 직물의 내층에 메커니즘을 갖는 재킷과 같다. 도 8은 슈트의 예시적인 실시예를 나타내는 도면이다. 여러 상이한 액추에이터를 작동시킴으로써, 상이한 유형의 모션을 부여할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 장치는 가상 공간과 동기화해서 사용하여 사용자에게보다 현실적인 경험을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 스포츠 훈련에 사용하여 기술, 균형 등을 향상시킬 수도 있다.
D. 온보드 제어 시스템 및 공압 전력공급장치: 뉴파워(PneuPower)
전술한 모든 기술을 사용할 수 있게 하기 위해서는 필요한 전력과 제어를 여러 상이한 액추에이터에 제공할 수 있는 시스템을 구비하는 것이 바람직하다. 대부분의 다른 시스템과 마찬가지로, 소프트 웨어러블 인터랙티브 슈트는 압축 공기, 진공 및 전력 중 적어도 하나를 필요로 할 수 있는 복수의 액추에이터를 구비한다. 우수한 성능을 위해서, 모든 액추에이터를 독립적으로 제어할 필요가 있다. 복수의 자유도를 동시에 독립적으로 제어할 수 있는 시스템이 제안되었다. 게다가, 주로 웨어러블 디바이스를 개발하는 데 초점을 맞추기 때문에, 전체 슈트와 제어 시스템을 포터블으로 만들 수 있는 온보드 전력 공급장치를 만들기로 결정했다. 이를 용이하게 하기 위해, 이 설계에서는 (한정되지 않으나) 소프트 로봇을 위한 압축 공기, 진공 및 전력을 제공할 수 있는 추가 구성요소가 웨어러블 시스템에 통합되어 있다.
포터블 전력 및 제어 시스템은 하나 이상의 압축기, 전기 에너지를 제공하기 위한 배터리 팩, 공기 및 진공 같은 압축 유체용의 2개의 저장 탱크, 전기-공압시스템 및 마이크로 컨트롤러를 포함한다. 이 시스템에는 전력, 공기 공급 또는 제어 신호용 외부 테더가 전혀 없다. 도 9는 포터블 공압 공급장치 전체를 개략적으로 나타낸 예시도이다. 이 장치는 압축기, (압축 유체 및 진공용으로 하나씩) 두(2)개의 저장 탱크, 배터리, 전기 공압 제어 시스템, 압력센서 및 마이크로 컨트롤러를 포함한다. 압축기는 각각의 저장 탱크 내로 진공 및 압축 공기를 발생 및 제공할 수 있다. 마이크로 컨트롤러는 전기-공압 제어 시스템을 제어하여 각 출력채널의 유량 및 압력 출력을 조절할 수 있다. 간단한 공압 연결을 사용하여 다양한 유형의 액추에이터를 출력채널에 연결할 수 있으며, 그에 대해서는 아래에서 상세하게 설명한다.
전력 시스템은 압축기와 2개의 저장 탱크를 포함한다. 도 10에 도시한 바와 같이, 압축기는 두(2)가지 모드: 즉, 유체에 압력을 제공하기 위한 압력 모드 및 진공 모드로 작동할 수 있다. 압력 모드에 있을 때, 압축기는 대기로부터 공기를 흡인하여 고압 저장 탱크에 압축된 상태로 저장한다. 진공 모드에서는, 진공 탱크로부터 공기를 흡인하여 대기로 배출한다. 압축기가 저장 탱크를 사용하여 한 번에 한가지 모드로만 작동할 수 있지만, 항상 진공뿐만 아니라, 고압을 갖는 것도 가능하다. 탱크는 에너지를 저장할 수 있는 플라이휠과 유사하게 작동하여, 압축기 자체에 의해 가능한 최대보다 실질적으로 더 높은 유량으로 급격한 고출력을 가능케 한다.
전력 시스템으로부터의 출력은 각 채널의 출력 유량과 압력을 독립적으로 조절하는 전기 공압 제어 시스템으로 공급된다. 이들 공압 채널은 압력 모드 또는 진공 모드에서 작동할 수 있다. 이들 출력채널은 저장 탱크, 주변 공기 및 출력채널 사이의 유량 밸브의 조합을 사용하여 만들어진다. 간단한 공압 장착구를 통해 각 출력채널을 액추에이터에 쉽게 연결할 수 있다. 채널의 여러 상이한 밸브의 개폐를 통해 연결된 액추에이터로 및 그로부터의 유동 방향을 제어한다. 비례 유량 밸브를 사용하면, 보다 세밀한 제어가 가능하지만, 표준 ON-OFF 솔레노이드도 사용할 수 있다.
감각 시스템은 마이크로 채널에 작동 가능하게 연결된 출력채널 및 저장 탱크 각각의 압력을 측정하는 센서 집합체이다. 각 출력채널은 압력센서에 연결되어 피드백 제어를 용이하게 한다. 압력센서 외에도, 압축기 온도를 모니터링하는 온도 감지용 온도 센서 또는 배터리 전원을 모니터링하는 전압 또는 전류 센서, 착용자에 대한 IMU 등, 전체 시스템에 쉽게 통합될 수 있는 추가 센서를 제공할 수 있다.
압력센서로부터의 판독 값을 사용하여, 마이크로 컨트롤러는 저장 탱크뿐만 아니라, 출력채널의 압력을 계속해서 모니터링한다. 특정 채널의 출력에서 실제 압력이 원하는 압력과 같지 않으면, 마이크로 컨트롤러는 밸브를 조절하여, 채널 압력을 원하는 값으로 가져오도록 출력채널 안팎으로 공기의 유동을 촉진시킨다. 도 11은 작동 메커니즘을 개략적으로 나타낸다. 시스템은 팽창, 수축 및 유지의 세(3)가지 기본 모드로 작동한다. 솔레노이드 1과 2가 ON되면, 공기는 고압 탱크로부터 액추에이터로 유동하며, 액추에이터가 팽창한다. 솔레노이드 2가 OFF되고, 솔레노이드 1이 ON되면, 공기는 액추에이터 밖으로 흘러 나와 수축된다. 마지막으로 솔레노이드 1이 OFF되면, 액추에이터의 압력이 유지된다.
상기 설명은 고압 공기 또는 또 다른 기체에서 작동하는 액추에이터에 관한 것이다. 진공이 작용하는 액추에이터를 사용하기 위해 유사한 접근방식이 채택된다. 각 경우에, 액추에이터의 압력은 계속해서 모니터링되므로, 마이크로 컨트롤러는 원하는대로 유동을 제어하여 압력을 조절한다. 변형예에서, 다른 유형의 유체, 예를 들어 액체를 사용하는 것도 가능하다.
채널에 연결된 액추에이터가 수축될 때마다, 압축 공기는 대기로 배출된다. 이것은 압축 공기로부터 높은 에너지의 직접적인 손실을 초래한다. 수축되는 액추에이터의 에너지를 재사용하기 위해, 액추에이터의 수축시, 그로부터의 고압이 압축기의 입구로 직접 피드백됨으로써, 재생 메커니즘을 제공한다. 이것은 액추에이터의 출력을 압축기의 입구에 직접 연결하거나, 재생 탱크를 사용하여 수행할 수 있다. 이를 통해 시스템의 전체 효율성을 향상시킴으로써, 배터리 수명이 연장된다.
압축기, 배터리, 밸브 등과 같은 시스템의 모든 구성요소는 유량, 압력, 1회 충전 수명 등과 같은 사용자의 요구조건에 따라 선택할 수 있다. 전체 시스템을 포터블으로 만들었기 때문에, 포터블 전력 및 제어 시스템은 백팩 형태로 설계하였다. 도 12는 개발용 프로토타입을 개략적으로 나타낸다. 중량은 사(4)킬로그램을 넘지 않으며, 최대 3.5bar의 압력과 2bar에서 분당 약 이십(20) 리터의 유체 유량 및 분당 7 리터의 유량으로 대기압 아래 0.8bar의 진공을 제공할 수 있다. 1회 충전으로, 1 시간 동안 계속해서 시스템을 실행할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 웨어러블 디바이스의 작동 방법이 제공되며, 웨어러블 디바이스는 각각 착용자와 관련된 변형 측정 센서를 갖는 착용자와 관련되도록 구성된 복수의 소프트 공압 액추에이터; 전원 공급장치, 압축기, 2가지 상이한 압력을 갖는 유체, 예를 들어 제 1압력 및 진공을 갖는 유체, 즉 제 2부압을 갖는 유체용의 2개의 저장 탱크, 및 2가지 압축 유체 중 하나를 소프트 공압 액추에이터의 각각에 제공하는 하나 이상의 밸브를 각각 갖는 복수의 유체 채널을 구비하는 웨어러블 공압시스템을 포함한다. 또한, 압축기 및 웨어러블 공압시스템을 제어하도록 마이크로 프로세서 같은 데이터 처리 장치가 배열된다. 상기 방법은 저장 탱크 중 하나로부터 압축 유체를 전달함으로써, 복수의 소프트 공압 액추에이터 중 하나에 유체를 선택적으로 제공하여 마이크로 프로세서에 의해 각각의 소프트 공압 액추에이터의 감지 영역 또는 팽창 영역을 기계적으로 확장시키는 단계; 및 각각의 소프트 공압 액추에이터와 관련된 신축성 변형 센서에 가해지는 압력을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
도 14는 웨어러블 전력 및 제어 유닛 또는 웨어러블 전력 및 제어 시스템을 나타내는 측면도와 배면도이다. 웨어러블 전력 및 제어 유닛은 포터블 전력 유닛(A), 웨어러블 서포트 유닛(B) 및 허리 벨트(C)를 포함한다. 전력 유닛(A)은 백팩 형태이며, 압축기, 배터리, 밸브, 센서 및 전자장치를 포함한다. 웨어러블 서포트 유닛(B)은 엑소-척추(exo-spine) 형태이다. 엑소-척추는 허리 벨트(C)를 통해 포터블 전력 유닛(A)의 중량을 허리에 전달하고 재분배한다. 부가적으로, 서포트 유닛(B)은 허리 벨트(C)에서의 지지를 통해, 착용자에게 수동 지지를 제공하여 직립 자세를 유지하도록 하는 탄성 요소를 포함한다.
도 15는 압축 공기 또는 다른 기체를 유체로서 발생시키고 이를 유체 저장기, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate, PET) 용기에 저장하는 배터리 작동식 압축기를 포함하는 포터블 전력 유닛(C)의 예시적인 대표 요소 및 장치를 개략적으로 나타낸다. 저장기는 여섯(6)개의 출력채널을 포함하며, 각각의 출력채널은 밸브 시스템 및 압력센서를 갖는다. 도 15에는 단순화를 위해 SPA1, SPA2 및 SPA6 만 도시하였으나, 해당하는 수의 출력채널에 더 많은 SPA가 연결될 수 있거나, 여섯(6)개 미만의 SPA가 연결될 수도 있다. 예를 들어, 각 채널은 팽창 밸브, 압력센서, 수축 밸브, 및 팽창 밸브와 수축 밸브 사이에 위치되어 각각의 SPA에 유체를 제공하는 유체 출구를 가질 수 있다. 하나의 압력센서가 저장기와 작동 가능하게 연결되어 저장기의 압력을 측정한다. 각각의 채널과 관련된 압력센서는 SPA로 이어지는 유체에 대한 압력을 측정한다. 압력센서, 팽창 밸브, 수축 밸브, 압축기, 압력 릴리프 밸브는 모두 마이크로 컨트롤러에 연결되어 있으며, 마이크로 컨트롤러는 각 출력채널을 모니터링하고, 기준 값에 따라 해당 밸브를 통해서 압력 및 출력 유동을 조절한다. 소프트 공압 액추에이터(SPA1, SPA2,..., SPA6)는 전술한 웨어러블 엑소-슈트의 일부일 수 있다.
도 16은 웨어러블 서포트 유닛(B)을 나타낸 측면도 및 정면도이다. 웨어러블 서포트 유닛(B)은 엑소-척추를 형성하기 위해 서로 하나씩 위에 놓여진 일련의 개별 척추형 모듈 또는 요소를 포함한다. 서포트 유닛(B)의 척추형 모듈들은 각각의 모듈을 가로질러 연장되는 탄성 코드에 의해 함께 유지된다. 도시된 변형예에서, 엑소-척추의 종방향 연장 축에 평행하게 배열 된, 인장된 일곱(7)개의 균일하게 이격된 탄성 코드가 있다. 이 구조는 유연하고 호환되지만, 동시에 포터블 전력 유닛(A)의 하중을 지지할 수 있다. 이는 허리 벨트(C)를 통해 전력 유닛(A)의 중량을 착용자의 허리에 전달하고 재분배할 수 있다.
포터블 전력 유닛(A) 또는 장치에 의해 생성된 공압 전력은, 예를 들어 압축 유체 및 진공용의 2개의 상이한 챔버 또는 저장기를 가짐으로써, 저장기 시스템에 국부적으로 저장될 수 있고, 이후 복수의 출력채널을 통해 여러 장치에 상이한 전력으로 분배될 수 있다. 또한, 전력은 배터리에 의해 제공되어 압축기를 작동시킴으로써, 센서, 마이크로 컨트롤러 및 외부 장치를 포함하는 전기-공압시스템에 전력을 공급하는 전원을 제공할 수 있다. 발전시스템, 저장기 및 출력채널은 원하는 출력 요구조건과 부과된 결속을 충족하도록 최적화할 수 있다. 웨어러블 서포트 유닛 또는 장치는 웨어러블 및 출력 유닛, 예를 들어 소형 백팩 같이 신체에 착용할 수 있는 구조를 수용할 수 있다.
부가적으로, 포터블 전력 유닛에 의해 작동되는 수동 요소 또는 능동 요소는 사용자의 모션을 지원할 수 있다. 따라서, 전체 시스템은 2가지 기능을 갖는데, 즉 포터블 및 웨어러블 폼 팩터에서 전력을 생산함과 동시에, 포터블 전력 유닛(A), 서포트 유닛(B) 및 허리 벨트(C)의 조합으로 착용자에 대한 지원을 제공하기 위한 제 2기능을 한다. 도 14에 도시된 변형예에서, 포터블 전력 유닛(A)은 여섯(6)개의 소프트 공압 액추에이터(SPA) 팩에 전력을 공급한다. 포터블 전력 유닛(A) 및 서포트 유닛(B)의 개략도가 도 15 및 도 16에 각각 도시되어 있으며, 그들의 요소는 도 9 내지 도 11에 도시되어 있다.
도 17은 본 발명의 일측면에 따르는 굴곡진 신축성 변형 센서 또는 통합된 변형 센서를 갖는 SPA 액추에이터를 나타내는 개략적인 예시도이다. 신축성 변형 센서는 매우 얇고(< 500㎛), 도 17에 도시한 바와 같이, 외부 하중 조건에 관계없이 최대 100Hz 주파수로 폐루프 진동촉각 자극을 전달할 수 있는 피부 유사 웨어러블 인터페이스를 제안했다. 액추에이터로서 제안된 SPA-스킨은 신축성 변형 센서에 내장되어 있지만, 완전히 소프트하게 유지됨으로써, 로우 프로파일 모놀리식(monolithic) 기능성 재료로서 작용할 수 있다. 변형 센서는 0.05N의 분해능으로 최대 1N의 피드백 제어 구전력을 생성할 수 있다. 완전히 소프트한 설계로 SPA-스킨은 다양한 표면에 걸쳐 유연하고 등각으로 분산될 수 있다. 변형 센서 및 SPA 액추에이터의 폐루프 제어는 일반화된 하중 조건과 동적 작동 하에서 일정한 힘을 보장한다.
SPA 스킨은 도 18c에 도시한 바와 같이, 소프트 실리콘 엘라스토머와 얇은 2상 금속 필름을 포함하는 센서-액추에이터 시스템을 형성한다. 액추에이터 막(SPA)은 양압의 입력에 의해 공압으로 팽창될 수 있는 엘라스토머 막을 포함한다. 액추에이터는 3개의 얇은 층: 즉, 액추에이터 팽창 기하학적 구조를 규정하는 유연 마스크 층(50㎛)층과, 이 층이 샌드위치되는 2개의 실리콘으로, 이들은 500㎛ 이하의 총두께를 갖는다. 레이저 가공된 마스크는 하부 실리콘 층 상에 적층되며, 얇은 상부 실리콘 층에 의해 캡슐화된다. 폴리프로필렌 마스크는 하부 실리콘에 접착되어 팽창시에, 상부 막에서 변형을 일으킨다. 액추에이터의 기하학적 구조는 인간의 등 또는 손목의 적용 영역 상에서의 감도를 위해 20㎜의 공간 분해능 요구조건과 최대 1N의 힘 요구조건에 의해 좌우된다.
액추에이터 영역의 직경은 10㎜이며, 2㎜ 입구 튜브를 갖는다. 소프트 변형 센서는 얇은 실리콘 막에 패터닝된 신축성 2상(액체-고체) 갈륨계 금속화로 제조되며, 액추에이터 상에 적층되어 소프트 액추에이터-센서 인터페이스를 완성한다. 변형 센서의 레이아웃은 SPA의 전체 영역을 커버하여 정압의 입력으로 팽창시에 변형의 변화를 기록할 수 있다. 소프트 센서 스킨은 2상 금속화 기술의 분해능 한계에서 패턴화된 40㎛ 두께 (기판 및 캡슐화)의 PDMS 멤브레인 상에서 금속 미앤더를 호스팅하여 센서 감도를 최대화한다. 전체 SPA-스킨은, 그의 낮은 점탄성으로 인해, 그리고 다중 층이 산소 플라즈마와 공유 결합할 수 있기 때문에, 폴리메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) (Dow Corning Sylgard 184)를 사용하여 제조된다. 액추에이터와 센서 기판 모두에 동일한 재료를 의도적으로 사용하면, 내장된 감지 및 작동 능력을 지닌 강력한 모놀리식 기능성 스킨이 만들어진다.
SPA의 팽창시에, 휴지 위치 및 이어서 활동 팽창 위치로 도 18c에 도시한 바와 같이, 센서의 저항은 이축 변형의 증가로 인해 증가된다. 여기서, 무시할만한 히스테리시스 (변형률과 무관하게, < 5% 미만)와 빠른 응답 시간 (< 1Ms)이 관찰된다. 신축성 금속화의 게이지 팩터는 약 1이며, 변형률과는 무관하다. 초박형 센서는 액추에이터 성능에 최소한의 영향을 준다 (통합 후 액추에이터 팽창의 < 10% 변화). 센서와 액추에이터 층 간의 공유 결합은 팽창시에 액추에이터 주변의 센서 적합성을 보장하여 높은 변형률에서도 센서에 의해 SPA가 겪는 변형을 정확하게 추정할 수 있게 한다. 결과적으로, 시스템은 20Hz로 백만 사이클 동안 25kPa의 압력에서 높은 변형률로 작동하는 중에 얻어진 저항의 변화 (ΔR/R)에서 10% 미만의 편차를 가져, 현저한 안정성을 보인다. 또한, 이 센서는 빠른 응답 시간을 보여주어, 고주파수 동작의 요구사항을 충족시킨다. 20Hz에서 백만 사이클의 주기적 테스트 동안 사이클 당 10%의 저항 변화가 관찰되었다. 이는 14 시간의 테스트 기간에 걸쳐 1.25mA에서 계속적인 전류 소비와 함께, 백만 사이클 동안 SPA-스킨이 겪은 400%/s (10% x 2 x 20Hz)의 평균 변형률에 해당한다.
도 18a 내지 도 18c와 관련하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따라, SPA와 함께 구체적으로 사용할 수 있는 신축성 변형 센서를 추가로 논의한다. 예를 들어, 도 18a의 경우, 가해진 단축 변형이 증가 및 감소되는 방향으로, 0.018㎜/s, 0.18㎜/s 및 1.8㎜/s의 변형률에 대한 표준 편차로, 평균 공칭 센서 저항 변화가 나타난다. 평균 저항 변화에 대한 선형 적합은 '1'의 게이지 팩터(gauge factor, GF)를 제공한다. 도 18b는 SPA의 3가지 레이아웃 또는 설계를 나타내고, 확장/팽창을 위한 작동 헤드 및 압축 유체 또는 진공을 제공하는 유체 채널을 나타내며, SPA 스킨 설계의 구성성 및 분배성을 입증한다. 갈색 마스크는 SPA에 대한 팽창 영역을 결정한다. 도 18c는 10㎜ 직경의 액추에이터 헤드 상에 놓인 100㎛의 거리 간격으로 서로 평행하게 배열된 8개의 독립적인 센서 스트립을 갖는 예시적인 SPA 스킨 설계 및 센서-액추에이터 시스템의 유연성을 나타낸다.
도 19a 내지 도 19d와 관련하여, SPA 팽창 및 연신 센서 측정을 위한 분석 모델이 제공되어 테스트되었다. 도 19a는 변형 센서의 기하학적 모델을 검증하기 위해서, SPA의 상이한 작동 압력에 기반하여, 팽창 반경(r)을 형성해서, 변형률 센서의 스트립을 상이한 팽창 또는 확장 높이(h) 및 상이한 팽창 또는 확장 반경(r)으로 확장시키는 상이한 범위의 SPA 팽창 또는 확장을 나타낸 측면 사시도이다. 도 19b는 둥글게 파인 구(scooped sphere)의 일부로서 SPA 팽창 기하학적 구조를 가정하여 기하학적 모델과 비교한 팽창 반경(r)의 실험 측정값을 나타낸다. 도 19c는 측정한 팽창 높이를 이용하여 각 센서 미앤더에 걸친 단축 변형을 분석 모델에 의해 예측하는 것을 나타낸다. 센서 변형의 평균값은 센서 저항의 측정된 변화를 결정한다. 도 19d는 분석 모델로부터 측정한 평균 변형률이 액추에이터 입력 압력에 대해 도시된 것을 나타낸다. 별 모양(*)을 갖는 각 마커는 도 19c에 있는 변형의 해당 평균값에 매핑되고, 이어서 도 20c에 도시한 실험 설정에 의해 검증된 바와 같이, 센서 저항으로부터의 측정값으로 변형 모델을 검증하는 데 사용한다.
도 20a 내지 도 20c는 신축성 변형 센서 및 SPA 작동의 폐루프 평가 결과를 나타낸다. 도 20a는 통합된 신축성 변형 센서를 이용하는 계단 설정 점 추적을 나타내며, 외부 압력 조절은 SPA-스킨 시스템을 제어하는 컨트롤러의 고정밀 성능을 보인다. 외부 프리로딩(preloading) 없이 SPA를 더 이상 수축시킬 수 없으므로, 컨트롤러는 3% 변형 설정 점 미만으로 액추에이터 상태를 추적할 수 없다. 도 20b에서, 제 2 테스트의 경우, 임의의 설정 점 추적 테스트는 SPA-스킨 유닛에 대한 전체 안전 작동 범위(35kPa에서 0-25% 변형)에 걸친 비례 적분 미분(proportional-integral-derivative, PID) 컨트롤러의 안정성을 나타낸다. 도 20c에 도시한 바와 같이, 물리적 테스트베드 시스템을 사용하여 SPA-스킨 시스템 모델을 검증하고, 능동 폐루프 컨트롤러의 성능을 테스트하였다. 도 20c에 도시된 상기 테스트베드 시스템은 프리로드를 제어하는 정밀 마이크로미터, 힘 센서, 인간 피부를 시뮬레이션하는 소프트 실리콘 프리로드, 압력 조절기, 마이크로 컨트롤러 및 센서 판독 전자장치를 포함한다.
본 발명의 일부 측면에 따르면, 본원에서 설명한 디바이스는 기본 작동 원리를 벗어나지 않고 상이한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 피부 상에 분산된 작동 웨어러블 디바이스, 패치 또는 의복을 포함하는 양방향 SPA 스킨을 갖는 서브시스템을 제공할 수 있다. 웨어러블 디바이스, 패치 또는 의복은 하나의 피부 유사 형태로 결합된 다중 모드 작동층 및 감지층을 포함한다. 이 디바이스, 패치 또는 의복은 작동 주파수 및/또는 자극 진폭에 의해 미소 및 거대자극의 관점에서 픽셀화된 작동을 제공한다. 또한, 웨어러블 디바이스, 패치 또는 의복은 유연하고 신축성이 있는 형태를 가지며, 복수의 층을 단일 기능성 입출력 층으로 샌드위치시킨다.
또한, 또 다른 측면에 따르면, 웨어러블 디바이스, 패치 또는 의복은 맞춤형 패턴 및 크기를 갖는 장치에 걸쳐 분포된 로우 프로파일 이산형 센서소자를 포함하는 여러 상이한 센서 중 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다. 이들 이산 센서는 작동층뿐만 아니라, 외부 환경, 예를 들어 디바이스가 접촉된 착용자의 피부로부터의 접촉, 질감, 근접성, 온도, 압력 등에 대한 정보를 수집할 수 있다. 외부 환경의 감지와 함께 픽셀 당 액추에이터 피드백을 측정하는 이같은 기능을 통해, 가장 적합하고 제어된 자극에 대해, 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있다. 이산형 센서소자는 매트릭스형 패턴으로 배열될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 분산형 소프트 공압 액추에이터(SPA)를 갖는 작동층은 작동 영역, 및/또는 채널 경로를 규정하기 위해 2개의 실리콘 층 및 마스킹 층을 사용하여 구성되거나 배열된다. 실크 섬유로 보강된 가변 강성 실리콘 층을 사용하여 비등방성 방향제어 가능한 강성(non-isometric, directionally controllable stiffness)을 달성한다. 또한, 상기 층은, 이 층의 양측에 있는 공압 채널로부터의 작동 영역 사이의 물리적 세퍼레이터로도 작용하여 작동 채널로 인해 발생된 진동을 격리시킨다. 이산 압전 소자, 예를 들어 지르콘산 티탄산납 (lead zirconate titanate, PZT) 소자를 갖는 감지층은 전체 작동 영역에 분포되어 외부 환경뿐만 아니라, 각 SPA로부터의 진동 응답을 기록한다.
또 다른 측면에 따르면, 감지층은 소프트 액체 금속 센서로 프로파일될(profiled) 수 있다. 예를 들면, 가령 무선 또는 유선 트랜시버를 통해서, 예컨대 데이터 프로세서, 컴퓨터, 휴대 전화, 태블릿 등과 같은 컴퓨팅 장치에 인터페이스되거나 작동 가능하게 연결되는 경우, 이 피부 유사 다층 디바이스는 햅틱 입/출력 능력을 이용하도록 동일하거나 유사한 웨어러블 디바이스를 사용하여 새로운 방식으로 타인과의 상호작용을 가능케 할 수 있다. 송신자는 통합된 센서 어레이를 키패드 또는 공간-압력 레코더(spatio-pressure recorder)로 사용하고, 수신자는 액추에이터 층을 통해 피부에 동일한 패턴이 재현됨으로써, 터치의 전달을 촉진한다. 또한, 점자 시스템과 유사하게, 다양한 정적 형상, 진동 패턴 또는 진행파가 생성되어 복잡한 메시지를 인간이 인식할 수 있는 형태로 부호화할 수 있다.
입출력 층들의 선택적인 조합으로, 동일한 디바이스와 특정 형태로 상호작용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 디바이스는 근접 감지층을 갖는 광학 디스플레이 층을 더 포함할 수 있고/있거나 압력 감지층은 표면에 걸친 시각적 거리 또는 압력 구배를 복제할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, SPA에 의한 신체 조작에 사용될 수 있는 시스템을 제공할 수 있다. 예를 들어, 착용자에게 자세 피드백을 제공하도록 전체 또는 부분적인 신체 조작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이 시스템은 엉덩이나 몸통 또는 토르소 영역에 걸친 맞춤형 작동을 위한 모듈식 액추에이터 배열을 가진 SPA 또는 SPA 팩에 의해 능동적으로 작동될 수 있으며, 강한 신체 동작을 시뮬레이션하기 위한 큰 몸통 모션, 예를 들어 한정되지 않으나, 균형 제어를 가능케 한다. 따라서, 이 시스템은 훈련, 또는 자세 정보가 사용자에게 전달되어야 하는 가상 환경, 예를 들어 한정되지 않으나, 스키에 대한 적절한 자세 또는 가상 현실에서의 하중 운반, 골프, 또는 복잡한 움직임이 필요한 기타 스포츠에 사용할 수 있다.
또한, 이러한 시스템은 소프트하고 유연한 SPA 스킨층과 완벽하게 통합될 수 있다. 예를 들어, 근육 액추에이터 인터페이스에서 착용자의 신체를 직접 감지하기 위해, 하이-포스(high-force) 상호작용의 폐루프 제어나 기타 인터페이스 상태 모니터링을 위해, 그리고 증강 감각 또는 구호를 위한, 진동촉각 또는 다른 자극과 함께 큰 신체 모션 모두를 통합하는 중첩된 피드백 양상을 위해서 통합될 수 있다. 또한, 디바이스는 유사한 재료로 구성될 수도 있으며, SPA 근육 팩(Muscle Pack)은 내장된 SPA 스킨으로 직접 제작할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면으로서, 표적화된 신체 모션을 위한 소프트 엑소-슈트 또는 엑소베스트(exovest)를 형성하는 서브시스템을 생성할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 웨어러블 시스템은 엉덩이와 토르소 사이에 작용하여 상체의 자세 모션에 영향을 주는 힘과 모멘트를 생성하는 근육 팩 벨트를 포함할 수 있고, 벨트를 따라 여러 상이한 지점에 근육 팩을 위치시킴으로써, 또는 근육 팩에 공급되는 압력을 제어함으로써, 자세 모션을 조정할 수 있다. 예를 들어 관성 측정 장비(Inertial Measurement Uni, IMU)를 사용하여 테스트 플랫폼에서 몸통 모션의 각도, 및 벨트로부터 요동하는 측면 교란의 개방루프 적용 동안 측정한 몸통 위치를 추적 및 검출함으로써, 근육 팩 벨트에 대한 폐루프 제어를 제공할 수 있다. 근육 팩 벨트가 설득력 있는 피드백을 제공할 수 있고 큰 신체 부위의 규모로 반응을 유도할 수 있는 증거로서, 순진한 피험자가 지시없이 벨트의 유도된 모션을 "따를" 수 있는 것으로 밝혀졌다.
또한, 이러한 시스템으로, 표적화된 신체 부위 피드백을 제공할 수 있다. 예를 들어, 소프트한 끈, 바디 하니스 또는 기타 유사한 결속 메커니즘을 활용함으로써, 보다 복잡한 신체 모션을 유발할 수 있다. 예를 들어, 이 시스템은 더 진보된 또는, 예를 들어 한정되지 않으나, 특정 위치에서의 비틀림, 굽힘 모션에 대한 특정 자세 정보를 사용자에게 전달할 수 있다. 또한, 이 시스템은 일반적인 물리적 상호작용이나, 예를 들어, 한정되지 않으나, 움직이는 물체, 악수, 포옹 제스처를 디스플레이하거나 시뮬레이션하는 데도 사용할 수 있다. 또한, 이를 위해, 시스템은 다양한 신체 유형 및 능력에 따라 주문제작할 수 있다. 예를 들어, 후크 앤 루프 파스너(hook-and-loop fastener)를 사용하는 조정 가능한 합성 직물 벨트는 허리 둘레 주위에 평평한 SPA 근육 팩 벨트 또는 허리 밴드를 재구성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 포터블 공압 공급장치가 제공된다. 예를 들어, 포터블 공압 공급장치는 소프트 액추에이터를 작동시키는 테더링되지 않은 웨어러블 공압 공급장치일 수 있다. 포터블 공압 공급장치는 한정되지 않으나, 공기 압축기 등의 유체 압축기, 배터리 팩, 압축 유체 및 진공 저장 탱크, 제어 밸브 및 공기 분배 다기관, 및 마이크로 컨트롤러 또는 마이크로 프로세서 유닛를 포함할 수 있다. 이 유체 시스템은, 예를 들어 유체로서 공기를 사용하여, 분당 이십(20) 리터에서 2bar, 분당 칠(7)리터에서 대기압 아래 0.8bar로, 최대 3.5bar의 압축 공기를 제공할 수 있다.
포터블 공압 공급장치와 관련하여 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 소프트 액추에이터에 의해 배기된 공기를 재순환시킴으로써, 효율을 향상시키는 저압 공기 저장 탱크를 사용하는 것을 포함하여, 효율적인 설계를 제공하는 몇가지 측면이 있다. 중량은 사(4)킬로그램을 초과하지 않게 되어 있으며, 전력 공급장치로서의 배터리 용량은 1 회 충전으로 1 시간의 연속 실행시간을 제공할 수 있다.
요약하면, 본 발명의 다양한 측면에 따라, 웨어러블 디바이스는 다양한 차원 규모의 소프트 공압 액추에이터(SPA) 및 온보드 포터블 공압 공급장치를 포함할 수 있다. 소프트 공압 액추에이터는 하이-포스(SPA 팩)를 생성하거나 고충실도 정보(진동촉각 SPA 스킨)를 전달하는 주문제작 목적으로 설계 및 구성되며, 강성 변화, 형상 변화 또는 감지를 위해 특수 재료와 통합된다. 디바이스를 포함하는 액추에이터 및 센서의 통합된 다모드 네트워크는 통신 및 제어 모두에 대한 온보드 상태 모니터링뿐만 아니라, 환경에 기반하여 변조된 피드백을 가능케 한다.
특정한 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 개시하였으나, 설명한 실시예에 대한 복수의 수정, 변경 및 변화 및 그 균등물이 본 발명의 범위 및 범주를 벗어나지 않고 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명한 실시예들로 한정되지 않으며, 첨부한 청구범위의 언어에 따라 가장 넓고 합리적인 해석이 제공되도록 하였다.

Claims (12)

  1. 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스로,
    분산형 액추에이터 및 감지소자를 포함하는 양방향 웨어러블 스킨으로, 상기 액추에이터 및 감지소자는 다모드(multimodal) 작동층 및 감지층을 포함하고, 상기 양방향 웨어러블 스킨은 유연하고 신축성이 있는 양방향 웨어러블 스킨; 및
    상기 분산형 액추에이터 및 감지소자를 제어하며 감지층으로부터의 신호를 판독하는 포터블 제어 디바이스로, 상기 포터블 제어 디바이스는 작동 주파수 및 자극 진폭에 의한 착용자의 신체의 미소자극(microstimulation) 및 거대자극(macrostimulation) 모두에 대해 픽셀화된 작동(pixelated actuation)을 실행하는 포터블 제어 디바이스를 포함하는 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감지층은 어레이에서 상기 양방향 웨어러블 스킨에 걸쳐 분포된 복수의 로우 프로파일 이산형 센서소자(low profile discrete sensor element)를 포함하는 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 이산형 센서소자는 상기 다모드 작동층으로부터, 및 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스가 접촉하는 외부 환경으로부터의 접촉, 질감, 근접성, 온도 및 압력 중 적어도 하나를 측정하는 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다모드 작동층은 어레이 형상로 배열된 분산형 소프트 공압 액추에이터를 포함하고, 각 액추에이터는 공압 채널의 작동 영역을 규정하는 2개의 실리콘 층 및 마스킹 층을 포함하는 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 다모드 작동층은 비 등방성의 방향제어 가능한 강성을 위해 섬유로 보강된 조정 가능한 강성 실리콘층(tunable stiffness silicone layer)을 더 포함하고, 상기 강성 실리콘층은 공압 채널로부터의 작동 영역 사이의 물리적 세퍼레이터로 배치되어서 공압 채널로부터 발생하는 진동을 격리시키는 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스.
  6. 제 1항에 있어서,
    포터블 제어 디바이스는 압축 유체를 양방향 웨어러블 스킨(wearable skin)에 전달하는 공압시스템을 포함하는 소프트 공압 액추에이터 웨어러블 디바이스.
  7. 웨어러블 인터랙티브 디바이스(interactive device)용 포터블 전력 및 제어 디바이스로,
    유체에 정압 및 진공을 생성하는 발전시스템;
    상기 발전시스템에 전력을 공급하는 전력전달장치;
    상기 발전시스템에 의해 발생한 유체와 정압 및 진공을 저장하는 공압 저장기;
    양압 및 진공 중 적어도 하나를 상기 웨어러블 인터랙티브 디바이스에 제공하도록 상기 공압 저장기에 작동 가능하게 장착된 출력채널; 및
    각 출력채널용 밸브 및 압력센서를 포함하고, 상기 출력채널과 작동 가능하게 연결된 전기-공압시스템(electro-pneumatic system)으로, 상기 전기-공압시스템은 상기 출력채널을 통해 유체를 측정, 모니터 및 제어하도록 구성된 전기-공압시스템;
    상기 발전시스템과 상기 전기-공압시스템을 제어하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 포터블 전력 및 제어 디바이스.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 발전시스템, 전력전달장치, 공압 저장기, 출력채널, 전기-공압시스템, 및 마이크로 컨트롤러를 유지하기 위한 인클로저(enclosure)를 더 포함하는 포터블 전력 및 제어 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 인클로저를 지지하여 상기 인클로저의 중량의 적어도 일부를 착용자의 하중 지지 영역으로 전달하는 웨어러블 서포트 유닛을 더 포함하고, 상기 웨어러블 서포트 유닛은 착용자의 모션에 대한 지원을 제공하는 수동 및 능동 구성요소 중 적어도 하나를 갖는 포터블 전력 및 제어 디바이스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    허리 벨트와, 상기 허리 벨트에 장착된 웨어러블 서포트 유닛을 더 포함하는 포터블 전력 및 제어 디바이스.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 웨어러블 서포트 유닛은 하나 이상의 탄성 코드에 의해 함께 유지되는 복수의 적층된 척추형 요소(vertebrae-like element)를 포함하는 포터블 전력 및 제어 디바이스.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 출력채널 중 적어도 일부는 착용자와 작동 가능하게 연결되어 배치되는 각각의 소프트 공압 액추에이터에 유체를 제공하고, 각 소프트 공압 액추에이터는 힘 및 진동 중 적어도 하나를 착용자의 피부에 제공하는 포터블 전력 및 제어 디바이스.
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