KR20200052323A

KR20200052323A - 인간 외골격

Info

Publication number: KR20200052323A
Application number: KR1020207009678A
Authority: KR
Inventors: 마틴 스톨츠; 게르하르트 린닌거
Original assignee: 하베 알텐슈타트 홀딩 게엠베하
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-05-14
Also published as: DE102018106846B3; JP2020533125A; EP3648933A1; US20200206899A1; WO2019179814A1

Abstract

본 발명은, 인체에 커플링하기 위해 제공되는 인간 외골격에 관한 것으로서, 상기 인간 외골격은, 인체의 제1 부분(4)에 커플링하기 적합한 제1 커플링 유닛(6)을 구비한 제1 골격 구조(1)와, 관절형 방식으로 제1 골격 구조에 연결되는 제2 골격 구조(3)로서, 인체의 제2 부분(7)에 커플링하기 적합한 제2 커플링 유닛(9)을 포함하는 상기 제2 골격 구조(3)와, 제1 골격 구조(1)와 제2 골격 구조(3) 사이에 작용하는 조정 유닛(10)으로서, 적어도 하나의 유압 액추에이터 유닛(11)과, 유압 액추에이터 유닛에 작용하며 2개의 펌프 커넥션(21a, 21b)을 갖는 유압 유닛(12)을 포함한 상기 조정 유닛(10)을 포함한다. 유압 유닛(12)은 조정가능한 유동률을 갖도록 구성되고, 제1 펌프 커넥션(21a)은, 압력 라인(18a)을 거쳐서 액추에이터 유닛(11)의 작업 챔버(A)에 유체소통되며 또한 상기 작업 챔버(A)에 압력이 인가되었을 때 통과하여 흐르는 유동으로 유동 쓰로틀(24, 24a)이 포함되어 있고 또한 유동 쓰로틀(24, 24a)의 하류에는 진정 탱크(22)가 있는 아웃렛 라인(23, 23a)을 거쳐서 제2 펌프 커넥션(21b)에 유체소통된다.

Description

인간 외골격

본 발명은, 인체에 대해 커플링하기 위한 인간 외골격에 관한 것으로서, 인간 외골격은, 인체의 제1 부분에 커플링하기 적합한 제1 커플링 유닛을 구비한 제1 골격 구조; 관절형 방식으로 제1 골격 구조에 연결되는 제2 골격 구조로서, 인체의 제2 부분에 제2 골격 구조를 커플링하기 적합한 제2 커플링 유닛을 갖는 제2 골격 구조; 및, 제1 골격 구조와 제2 골격 구조와의 사이에 작용하는 조정 유닛으로서, 적어도 하나의 유압 액추에이터 유닛과, 유압 액추에이터 유닛에 작용하며 2개의 펌프 커넥션을 갖는 유압 유닛을 구비한 조정 유닛을 포함한다.

상술한 형태의 인간 외골격들은, 종래 기술, 예를 들어 EP 1991180 B1, WO 2010/00547 3 A1 및 WO 2010/019300 A1으로부터 알려져 있다. 종래 기술은 2개의 주된 애플리케이션에 있어서 실용화 되어 있다. 특히, 종래 기술은 신체의 기능들을 지원하기 위해, 특히 외골격을 착용하고 있는 사람의 근육 강도를 강화하는 부가적인 힘을 제공하기 위해 모바일 방식으로 사용될 수 있다. 다른 애플리케이션은 주로 정적인, 특히, 외골격의 제어하의 액티브한 영향을 통한 신체 자체의 운동 기능의 선별적인 강화와, (패시브하게 작용하는) 외골격에 의해 제공되는 제어하의 제동력에 대항하여 훈련 대상이 되는 신체 부분들을 운동시킴에 의한 신체 근육 강화의 양쪽의 문제일 수 있는 재활 및/또는 훈련 부문에 있어서이다. 전형적인 애플리케이션의 영역은, 예를 들면, 외골격의 2개의 골격 구조 중 하나가 대퇴에 커플링되고 다른 하나의 골격 구조가 하퇴에 커플링되는 다리이다.

본 발명은, 재활 분야에 있어서의 애플리케이션들에 특히 적합하며, 그 자체의 내재적 동작 특성들로 인해, 재활 진행과정에 있어 특히 바람직한 전개에 이바지하는, 일반적인 형태의 외골격을 제공하려는 목적을 갖고 있다.

본 과제는, 외골격의 유압 유닛이 조정가능한 유동률을 가짐으로써, 그리고 제1 펌프 커넥션은, 압력 라인을 거쳐서 액추에이터 유닛의 작업 챔버에 유체소통되며 또한 상기 작업 챔버에 압력이 인가되었을 때 통과하여 흐르는 유동으로 유동 쓰로틀이 포함되어 있고 또한 유동 쓰로틀의 하류에는 진정 탱크가 있는 아웃렛 라인을 거쳐서 제2 펌프 커넥션에 유체소통됨으로써 해결된다. 상기 외골격의 2개의 골격 구조의 위치를 서로에 대해 조정하거나 유지하는 측면에 있어서의 개별 적용 상황에 따라, 상기 액추에이터 유닛의 작업 챔버가 가압되었을 때 통과하여 흐르는 아웃렛 라인의 유동 쓰로틀에서의 유동률에 따라 특정의 압력 강하를 생성시킴에 의해 유압 유닛의 유동률을 조정함으로써 액추에이터 유닛에 의해 전달되는 조정력 및 유지력의 량이 변동되고, 이것은 다시 유동 쓰로틀의 유동 유입측에서, 그리고 따라서 상기 유압(정수압) 액추에이터 유닛의 가압된 작업 챔버에 있어서의 압력 레벨에 영향을 미친다. 환언하면, 유압 유닛의 유동률을 변동시킴으로써, 액추에이터 유닛으로의 유동에 "병렬로" 액추에이터 유닛 내에 배열된, 아웃렛 라인 내의 유동 쓰로틀에서 유동률 특정의 또는 유동률 의존의 압력 강하가 설정될 수 있다. 상기 유동 쓰로틀과 직렬로 배열된, 즉 그 하류에 있는 진정 탱크는, 유동 쓰로틀에서 난류로 된 유압 유체가 제2 펌프 커넥션에 도달하여 제2 펌프 커넥션에 의해 흡인되어 들어가게될 위험을 현저히 감소시킨다. 이것은, 유압 시스템의 강도를 저해할 수도 있는 유압 조정 유닛의 압력측 상의 아웃가싱(outgassing)의 생성을 회피시켜 주고, 따라서 최적으로 재현가능한 동작 특성들을 향상시켜 준다. 이것은 또한 특히 재활 분야에 있어서의 적용에 있어서 본질적인 측면이다.

본 발명에 따르면, 유압 유닛의 유동률의 조정이, 특히, 액추에이터 유닛에 의해 제공되는 힘을 조정할 수 있어서, 그 힘이 외력, 즉 인체에 의해 외골격 상에 가해지고 액추에이터 유닛에 대해 작용하는 조정력보다도 크거나 작을 수 있고, 또는 후자와 동등하거나 클 수 있다. 따라서, 외력(예를 들어, 외골격을 착용하고 있는 사람의 근육 강도)에 응하여, 2개의 골격 구조를 일방향 또는 다른 방향으로 조정할 수 있거나, 또는 기존의 위치를 유지할 수 있다. 외골격의 액티브한 조정은 외부적으로 작용하는 힘에 대항하여 2개의 골격 구조의 위치에 있어서의 변경으로서 이해해야하는 반면, 패시브한 조정은 외부적으로 작용하는 힘에 의해 2개의 골격 구조의 위치에 있어서의 변경을 의미하며, 이 때 상기 조정 유닛은 패시브한 조정 동안에 컨트롤러 방식으로 움직임을 통상 제동하고, 따라서 조정 유닛이 없는 경우의 움직임과 비교할 때 그 움직인이 보다 느리다.

외골격은, 본 발명에 따라, 즉 유압 유닛의 유동률에 의존하는, 정수압 액추에이터 유닛의 작업 챔버 내에서 우세한 작동 압력에 대한 아웃렛 라인에서의 유동 쓰로틀에서의 유체 동력학적 조건의 영향의 결과로서 설계되며, 따라서 특히 부드러운 작동 및 작업 특성을 갖는다. 충격 등과 같은 급작스런 움직임이 회피되며, 적어도 그러한 불연속의 위험이 기존에 알려진 외골격에 비해 현저히 감소된다. 특히 재활 부문에 있어서 외골격을 착용하고 있는 사람에 있어 정기적으로 고통이 될 수 있으며, 또한 재활의 성공을 약화시키는 데 방해가 될 수 있는 외골격의 2개의 골격 구조의 서로에 대한 충격 및 다른 급작스런 움직임을 제거함으로써, 본 발명에 따른 외골격의 사용은 관련된 재활 조치의 신속하고 지속적인 성공에 도움을 준다. 이들 현저한 이점은, 유압 유닛에 의한 유압 액추에이터의 작업 챔버의 가압화 동안에 (유동 쓰로틀을 포함하는) 아웃렛 라인을 통한 유압 유체의 영구적인 순환으로부터 초래되는, 본 발명에 따른 외골격의 효율 상의 단점을 상쇄한다. 본 발명의 바람직한 일 실시형태(이하 참조)에 따르면, 이 효율 상의 단점은, 만일 - 유압 유닛에 의한 액추에이터 유닛의 가압화 없이 그리고 골격 구조 상에 작용하는 외부의 조정력과는 독립적으로 - 2개의 골격 구조의 서로에 대한 위치가 소정의 시간 기간 동안 유지되는 것이라면, 가압화된 작업 챔버를 셧 오프(shut off)하여 작업 챔버 내에 유압 유체를 잠궈 갇을 수 있는 셧 오프 밸브를 제공함으로써 분명하게 제한되어질 수 있다.

예방책으로서, 외골격의 특별한 동작 및 작업 특성들로부터 유래하는 상술한 특징들은 재활 부문에 있어서만 유익한 것은 아니다. 오히려, 상술한 특징들은, 모바일 적용에 더하여, 다른 적용 분야 예를 들어 정적인 적용에서도 동일하게 유익하다. 나아가, 상술한 특징들은, 유압 액추에이터 유닛의 특정한 구조적 실시형태와 무관하게 적용된다. 적어도 하나의 선형 액추에이터만을 포함할 수 있는 것이 아니라; 예를 들어, 적어도 하나의 로터리 액추에이터를 포함하는 본 발명의 구현형태도 생각할 수 있다.

본 발명에 있어서 본질적인, 유압 유닛의 유동률의 조정기능은, 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 유압 유닛이 가변 속도 전기 모터 또는 가변 용량 유압 펌프를 포함하는 점에 의해서 특히 구현되어질 수 있다. 이 접근법은 각각의 적용에 있어서 결정적인 개별 프레임워크 조건들에 따라서 선호되어야 한다. 예를 들어, 특히 가능한 높은 조정률이 요구되어질 경우라면, 가변 용량 유압 펌프의 사용이 소정의 이점들과 관련되어져 있다; 왜냐하면 상응하는 가변 용량 펌프들에 의하면, 일정한 유동률을 가지는 펌프의 로터 스피드를 변경하는 것보다 신속하게 유동률을 조정할 수 있는 것이 보통이기 때문이다. 또한 유압 유닛은 가변 속도 전기 모터 및 가변 용량 유압 펌프를 포함하여도 됨이 분명하다. 이 실시형태의 증가된 구조적 노력은 동작 조건들 및 보다 넓은 가능한 유동률(그리고 따라서 유압 액추에이터 유닛의 작업 챔버의 가능한 가압화)에 대한 증가된 유연성에 의해 합리화된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 아웃렛 라인에 제공된 유동 쓰로틀 역시 소정의 유동률에서 일어나는 압력 강하가 변경될 수 있으므로 또한 조정가능하다. 이 또한 유압 액추에이터 유닛의 작업 챔버의 보다 넓은 가능한 가압화 및 동작 조건들과 관련한 증가된 유연성에 공헌한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태는 진정 탱크가 밀폐 팽창 탱크로서 구성되는 것을 특징으로 한다. 팽창 탱크 내부에는 유압 시스템 내에서 흡수된 유압 유체의 체적에 있어서의 온도 관련 변동을 보상하기 위해 (압축가능) 가스 체적이 존재하는 것이 바람직하다. 나아가, 진정 탱크는 유압 유체에 바람직하게 노출되며 또한 진정 탱크 내에 포함된 유압 유체로부터의 열의 추출을 증진시키는 열 전도 내장부를 포함하는 것이 바람직하고, 진정 탱크는 주위 환경으로의 열 발산을 증진시키는 (예컨대, 냉각 핀 형태의) 표면 설계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 열 전도 내장부는 유동 안내 기능을 또한 가지는 것이 바람직하며, 즉, 상기 열 전도 내장부는, 순환 모드에 있어서 진정 탱크를 통해 흐르는 유압 유체에 대해 최대의 체류 시간(dwell time)을 부여하도록 그리고 특히 유동 관련의 단락을 방지하도록, - "배플(baffle)" 형태로 - 설계되고 배열되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시형태는 상기 유압 유닛이 가역적이며, (상술한) 작업 챔버가 제1 작업 챔버이고, 또한 액추에이터 유닛이 상기 제1 작업 챔버에 대해 반대 방향으로 작용하는 제2 작업 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 외골격에 대해 가장 변동된 외부의 영향이 있을 경우, 주어진 위치를 유지하는 것에 더하여, - 제1 또는 제2 작업 챔버의 선별적인 그리고 제어된 가압화에 의하여 - 2개의 골격 구조의 서로에 대한 위치에 있어서의 액티브 및 패시브 양쪽 모두의 제어된 양방향성의 변경을 구현할 수 있다. 이 시스템의 에너지 효율은, 액추에이터 유닛에 의해 생성된 유압력이 2개의 골격 구조의 서로에 대한 위치를 변경하는 일방향으로 작용하는 반면, 반대 방향으로 액추에이터 유닛의 유압 부분이 대항하여 영구적으로 작동해야 하는 - 예를 들어 순전히 기계적인 - 리턴 스프링이 작용하는 (또한 상정 할 수 있는) 경우보다 더 유익하다. 액추에이터 유닛이 외골격의 양방향의 유압 조정을 위해 구성되는 경우, 유압 유닛의 제2 펌프 커넥션은, 제2 압력 라인을 거쳐서 액추에이터 유닛의 제2 작업 챔버에 유체소통되는 것이 바람직하며, 또한 상기 제2 작업 챔버에 압력이 인가될 때 통과하여 흐르는 유동으로 제2 유동 쓰로틀이 포함되어 있고 또한 제2 유동 쓰로틀의 하류에는 진정 탱크가 있는 제2 아웃렛 라인을 거쳐서 제1 펌프 커넥션에 유체소통되는 것이 바람직하다. 제2 작업 챔버가 가압되어질 때 유체가 통과하는 진정 탱크는 제1 작업 챔버가 가압되어질 때 유체가 통과하는 진정 탱크와 동일한 것이 바람직하다. 이것은, 조정 유닛이 단 하나의 진정 탱크만을 요구함을 의미하며, 이는 가능한 최저의 무게 및 가능한 최소한의 설치 공간의 측면에서 유리하다. 그러나, 본 발명의 범주 내에 있어서는, 2개의 개별적인 진정 탱크가 설치되어질 수 있어서, 제2 작업 챔버가 가압되어질 때, 제2 아웃렛 라인을 통해 흐르는 유압 유체가 제1 진정 탱크와는 상이한 제2 진정 탱크를 거쳐서 제1 펌프 커넥션으로 되돌아 올 수도 있다.

또한 액추에이터 유닛이 제1 및 제2 작업 챔버를 포함하는 적어도 하나의 복동식 선형 액추에이터를 포함한다면, 특히 낮은 치수의 측면에서 유리하다. 액추에이터 유닛이 적어도 하나의, 특히 정확히 하나의, 동기형(synchronized) 실린더 형태의 선형 액추에이터를 포함하는 것이 바람직하다. 아웃렛 라인(또는 아웃렛 라인들 중 하나; 이하 참조)과 그 안에 배치된 유동 쓰로틀을 거쳐서 진정 탱크 내로 배출되어야 하는 디퍼런셜 체적(differential volume)에 의해 유발되는 보상 유동이 없는 정도까지, 제1 작업 챔버와 제2 작업 챔버와의 사이의 가능한 최대의 체적 보상이 유리할 수 있다.

그러나, 2개의 골격 구조의 서로에 대한 개별적인 이동성(예를 들어, 최대 조정각도) 및 최대의 힘 또는 토크 요구에 따라, 또 다른 특히 바람직한 실시형태, 즉 반대 방향으로 동작하며 크로스-연결형 차동(cross-connected differential) 실린더로서 설계된 2개의 선형 액추에이터를 포함하는 방식의 액추에이터 유닛의 일 실시형태가 보다 이로울 수도 있다. "크로스-연결형(cross-connection)"이란, 하나의 선형 액추에이터의 피스톤 작업 챔버와 다른 한 선형 액추에이터의 피스톤 로드 작업 챔버가 연대하여 가압화됨을 의미하며, 여기서 상기 2개의 선형 액추에이터는, 제2 및 제1 골격 구조의 관절형 연결에 대해 배열되어 있으며, 양 상응하는 가압화가 2개의 골격 구조의 서로에 대한 위치에 있어 동일한 변동을 일으키는 방식으로 2개의 골격 구조에 연결되어 있다. 하나의 선형 액추에이터의 피스톤 작업 챔버와 (이 피스톤 작업 챔버와 연대하여 가압화되는) 다른 선형 액추에이터의 피스톤 로드 작업 챔버의 양쪽 모두는 본 발명의 측면에서 제1 작업 챔버를 형성하며; 제2 작업 챔버에도 마찬가지가 적용된다. 이와 같이 구성된 액추에이터 유닛의 특별한 이점은, 반대 방향으로 작용하는 힘을 (부분적으로 또는 심지어는 완전하게) 보상하여 줌으로써, 조인트에 작용하는 비교적 낮은 힘으로 높은 조정 토크를 제공할 수 있기 때문에, 2개의 골격 구조들 사이의 관절형 커넥션을 경감시켜 준다는 점이다.

특히, 2개의 동일한 선형 액추에이터와 적합한 동력학적 설계(즉, 2개의 골격 구조에 대한 2개의 선형 액추에이터의 적합하게 위치된, 통상적으로 대칭적인 관절)를 이용할 경우, 2개의 골격 구조의 서로에 대한 위치가 변화하면 제1 작업 챔버의 체적 합계와 제2 작업 챔버의 체적 합계가 서로에 대해 반대 방향으로 완전히 또는 적어도 본질적으로 동일량으로 변화하고, 따라서 다시 아웃렛 라인(또는 아웃렛 라인들 중 하나) 및 그 안에 배열되는 유동 쓰로틀을 거쳐서 진정 탱크 내로 배출되어야 할, 디퍼런셜 체적에 의해 일어나는 보상 유동이 발생하지 않는다.

한편, 그러나, 정확하게 그러한 보상 유동이 특수한, 예를 들어 외골격의 비대칭적인 동작 특성에 특히 유용하여서 요구되는 적용도 가능하다. 여기서, 운동의 일방향의 조정을 위해서 양 선형 액추에이터의 피스톤 작업 챔버가 가압되며 그리고 운동의 반대 방향으로의 조정을 위해서, 그러나, 양 선형 액추에이터의 피스톤 로드 작업 챔버가 연대하여 가압화되는 방식의 액추에이터 유닛의 가능한 구성을 포함한, 2개의 상이한 선형 액추에이터 및/또는 비대칭의 동력학적 구성의 사용이 유리하다. 상술한 힘 보상이 결정적이지 않을 경우라면, 차동 실린더로서 구성된 하나의 복동식 선형 액추에이터만을 사용하여도 된다. 이는 또한 중량, 요구되는 설치 공간 및 제조 비용에 대해 긍정적인 효과를 갖는다.

상술한 이점들은, 가역적인 유압 유닛 대신에 하류 유동 절환 밸브를 구비한 비가역적인 유압 유닛이 제공된다면 그에 따라서 실현될 수도 있다. 유동 절환 밸브는 심지어는 위에서 언급한 셧 오프 밸브와 조합되어 밸브 그룹을 형성할 수 있다. 유압 액추에이터 유닛의 작용의 방향을 변경하도록 상기 유동 절환 밸브를 절환하여 유압 액추에이터 유닛의 가압화를 변경함으로써, 유압 펌프의 압력 아웃렛을 형성하고 또한 상기 아웃렛 라인과 소통하는 펌프 커넥션이 액추에이터 유닛의 제1 또는 제2 작업 챔버 중 어느 하나에 연결되거나 연결될 수 있게끔 된다.

특히 가역적인 유압 유닛을 이용하는 본 발명의 구성일 경우에는, 다른 바람직한 일 실시형태에 있어서, 제1 및 제2 아웃렛 라인 내에 배치된 유동 쓰로틀을 바이패스하는 2개의 석션 라인 부분을 구비한 석션 라인 조립체가 제공된다. 이와 같이 하면, 유압 유닛의 유동 이송 방향이 절환되었을 경우, 즉 액추에이터 유닛의 제2 작업 챔버가 유압 유닛에 의해 가압화되었을 때, (가능하게는 제2) 진정 탱크로부터 제1 펌프 커넥션을 거쳐서 액추에이터 유닛에 의해 흡인된 유압 유체가 (제1) 아웃렛 라인 내에 위치된 유동 쓰로틀을 거쳐서 흘러야 한다. 이것은 에너지 효율의 관점에서 이미 타당하다. 구체적으로는, 그러나, 이와 같이 하면 아웃가싱 효과를 가져올 수도 있는, 유압 유닛으로 공급되는 유압 유체의 불필요한 난류를 회피할 수 있어서 시스템 안전에 혜택을 준다. 각기 유동 쓰로틀을 구비한 2개의 아웃렛 라인을 갖는 조정 유닛의 대칭적인 설계의 경우에, 석션 라인 조립체는 특히 셔틀 밸브를 포함하거나 2개의 개별적인 체크 밸브를 가질 수 있다.

이하, 도면에 도시된 바람직한 실시형태들에 의해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 다리에 커플링하도록 구성된 외골격의 예시적인 제1 실시형태를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따라 다리에 커플링하도록 구성된 외골격의 예시적인 제2 실시형태를 나타낸다.

도 1에는 인간 외골격이 도시되어 있으며, 의도된 용도, 즉 인간의 다리에 커플링되는 인간 외골격은, 제1 골격 구조(1)와, 조인트(2)를 통해 제1 골격 구조(1)에 연결되는 제2 골격 구조(3)를 포함한다. 제1 골격 구조(1)는 해당 다리의 제1 부분(4), 즉 대퇴(5; thigh)에 커플링하기 적합한 제1 커플링 유닛(6)을 갖고, 제2 골격 구조(3)는 해당 다리의 제2 부분(7), 즉 하퇴(8; lower leg)에 커플링하기 적합한 제2 커플링 유닛(9)을 갖는다.

제1 골격 구조(1)와 제2 골격 구조(3)와의 사이에서는 조정 유닛(10)이 작용한다. 조정 유닛(10)은 유압 액추에이터 유닛(11)과, 유압 액추에이터 유닛에 대해 작용하는 유압 유닛(12)을 포함하고 있다. 유압 액추에이터 유닛(11)은 복동식 차동 실린더(13)로서 구성된 2개의 선형 액추에이터(14)를 포함하고 있다. 이들은, 서로 기계적으로 확고하게 커플링되어 있으며, 제2 골격 구조(3)가 조인트(2)에 관해 제1 골격 구조(1)에 대해 피봇 운동(화살표 α, β)할 때, 선형 액추에이터(14)들 중 어느 한 액추에이터의 피스톤 로드(15)가 수축하는 한편, 다른 한 선형 액추에이터(14)의 피스톤 로드(15)는 신장되므로 반대 방향으로 작용한다. 상기 2개의 선형 액추에이터(14)는, 한 선형 액추에이터(14a)의 피스톤 작업 챔버(16)와 다른 선형 액추에이터(14b)의 피스톤 로드 작업 챔버(17)가 공통의 제1 압력 라인(18a)으로부터 가압되고 있는 점에서 교차 연결되어 있다. 이에 따라서, 하나의 선형 액추에이터(14a)의 피스톤 로드 작업 챔버(17)와 다른 선형 액추에이터(14b)의 피스톤 작업 챔버(16)는 또 다른 공통의 제2 압력 라인(18b)으로부터 가압되고 있다.

유압 유닛(12)은 유동률을 조정가능하도록 구성되어 있다. 이를 위해서, 유압 유닛은 가변 속도 전기 모터(19)를 구비하고 있다. 그리고 추가로, 유압 유닛(12)의 유압 펌프(20)는 유동률을 조정가능하다. 나아가, 유압 유닛(12)은 가역적이어서, 2개의 유동 이송 방향(a, b)으로 작동될 수 있다.

제1 압력 라인(18a) 및 진정 탱크(22)로 이끌어지는 제1 아웃렛 라인(23a)의 양방 모두는 유압 펌프(20)의 제1 펌프 커넥션(21a)과 소통한다. 제1 아웃렛 라인(23a)에는 제1 유동 쓰로틀(24a)이 포함되어 있다. 유압 펌프(20)의 제2 펌프 커넥션(21b)에도 마찬가지가 적용되는데, 제2 펌프 커넥션(21b)은, 제2 압력 라인(18b) 및 제2 아웃렛 라인(23b)과 소통할 뿐만 아니라, 유압 펌프(20)의 제2 펌프 커넥션(21b)을 통합형 체크 밸브(26a)에 의해 진정 탱크(22)와 연결하는 제1 석션 라인 부분(25a)과도 접속한다. 차례로 제2 석션 라인 부분(25b)과 소통하는 유압 펌프(20)의 제1 펌프 커넥션(21a)에도 마찬가지가 적용된다.

화살표(αα) 방향으로 제1 골격 구조(1)에 대하여 조인트(2)에서 제2 골격 구조(3)를 운동시킴으로써 무릎을 활동적으로 굽히기 위해서, 유압 유닛(12)은 제1 유동 이송 방향(a)으로 작동된다. 그 결과, 하나의 선형 액추에이터(14a)의 피스톤 작업 챔버(16)와 다른 선형 액추에이터(14b)의 피스톤 로드 작업 챔버(17)가 제1 압력 라인(18a)을 통해 가압되고, 따라서 이러한 의미에서 하나의 선형 액추에이터(14a)의 피스톤 작업 챔버(16) 및 다른 선형 액추에이터(14b)의 피스톤 로드 작업 챔버(17)가 제1 작업 챔버(A)를 형성한다. 동시에, 유압 유체가 진정 탱크(22) 내로 제1 아웃렛 라인(23a)을 거쳐 배출된다. 제1 골격 구조(1)에 관한 제2 골격 구조(3)의 운동에 따라 하나의 선형 액추에이터(14a)의 피스톤 로드 작업 챔버(17) 및 다른 선형 액추에이터(14b)의 피스톤 작업 챔버(16)로부터 배출된 유압 유체는, 제2 압력 라인(18b)를 거쳐서 제2 펌프 커넥션(21b)으로 간다. 외골격의 도시된 실시형태에 있어서, 제2 압력 라인(18b)을 거쳐 액추에이터(11)로부터 배출된 유압 유체의 량은 제1 압력 라인(18a)을 거쳐 액추에이터 유닛(11)으로 공급된 유압 유체의 량에 본질적으로 상당한다. 따라서, 현저한 보상 유동(상기 참조)이 없다면 펌프(20)가 진정 탱크(22)로부터 제1 석션 라인 부분(25a)을 거쳐서 그의 제2 펌프 커넥션(21b)에서 흡인하여 들이는 유압 유체의 량은 제1 아웃렛 라인(23a)을 거쳐서 진정 탱크(22) 내로 배출되는 유동율에 본질적으로 상당한다. 외골격이 신체의 자체 근육에 의한 다리의 연신(화살표 "β")에 저항하려면 질적으로 적합한 가압이 일어난다.

작업 챔버(A)의 가압화에 영구적으로 병행하여 일어나는 아웃렛 라인(23a)을 통한 유압 유체의 순환에 의해 발생된 열 손실을 소멸하기 위해서, 진정 탱크(22)는 유압 유체로 둘러싸여 씻겨지는 내부 리브(27)들과, 주위 환경으로 상응하는 폐열을 방출하는 외부 냉각 핀(28)들의 양쪽 모두를 갖는다. 리브(27)는, 아웃렛 라인(23a)과 석션 라인 부분(25a) 사이의 유동 관련의 단락을 방지함으로써 진정 탱크(22) 내의 유압 유체의 최대 체류(dwell) 시간을 추가적으로 확보한다. 또한, 유압 유닛(12)의 유체 이송 방향이 절환되었을 때, 아웃렛 라인(23)과 그 내부에 배열된 유동 쓰로틀(24)을 거쳐 진정 탱크(22)에 도달하는 (상응하여 교란된) 유압 유체가 인접한 석션 라인 부분(25)을 거쳐 즉시 재흡인될 수 있는 방식으로, 리브(27)들은, 제1 아웃렛 라인(23a)과 제2 석션 라인 부분(25b) 사이 또는 제2 아웃렛 라인(23b)과 제1 석션 라인 부분(25a) 사이 각각의 경우에 있어서 그들의 배열에 의해 유동 관련의 단락을 방지한다.

절환 모션 시퀀스에 있어서, 즉, 외골격을 사용하여 무릎을 활성적으로 연신하기 위해서(화살표 "β") 또는 신체 자체의 근육을 사용하여 다리를 구부리는 것에 대항하기 위해서(화살표 "α"), 유압 유닛(12)은 반대 방향 b으로 작동된다. 이 작동 모드에 있어서, 하나의 선형 액추에이터(14a)의 피스톤 로드 작업 챔버(17)와 다른 선형 액추에이터(14b)의 피스톤 작업 챔버(16)의 양쪽 모두가 제1 작업 챔버(A)에 대해 반대 방향으로 작용하는 제2 작업 챔버(B)를 형성한다. 변형예에 있어서, 2개의 석션 라인 부분(25a 및 25b)는, 공통의 셔틀 밸브를 포함하는 석션 라인 조립체의 일부일 수 있으며; 이 경우에, 2개의 체크 밸브(26a 및 26b)를 생략하여도 된다.

이하의 설명에 있어서 달리 언급하지 않는다면, 위의 설명은 도면 중 도 2에 나타낸 제2 실시형태에 상황에 맞게 적용된다. 반복 설명을 회피하기 위해 관련된 차이점만을 설명한다.

한편, 여기서 액추에이터 유닛(11')은 단일의 복동식 선형 액추에이터(14')만을 포함하며, 동기형 실린더(29)로서 구성한다. 나아가, 가역적인 유압 유닛을 대신하여, 하류 유동 절환 밸브(30)를 구비한 비가역적인 유압 유닛(12')이 제공된다. 유동 절환 밸브(30) 내에 셧 오프 기능이 추가로 통합되어서, 기능이 또한 작업 챔버(A 및 B)의 양쪽 모두를 블록킹하는 셧 오프 밸브(31)로서 나타난다. 또한, (유일의) 아웃렛 라인(23) 내에 포함된 유동 쓰로틀(24)은 조정가능하다. 도 2에 나타내는 실시형태와 도 1에 나타내는 실시형태 사이의 차이점은 서로 의존하지 않으며, 따라서 그들 실시형태는 서로 독립적으로 구현될 수 있음을 강조한다. 예를 들면, 도 1에 나타낸 액추에이터는 도 2에 도시된 압력 공급 유닛을 사용하여 작동되어질 수도 있다. 나아가, 유동 절환 밸브(30)와 셧 오프 밸브(31)가 조합된 조합 밸브 유닛 대신에, 이들 2개의 밸브가 개별적으로 그리고 서로 독립적으로 장착될 수도 있다.

Claims

인체에 커플링하기 위한 인간 외골격으로서,
상기 인체의 제1 부분(4)에 커플링하기 적합한 제1 커플링 유닛(6)을 구비한 제1 골격 구조(1);
관절형 방식으로 상기 제1 골격 구조(1)에 연결되는 제2 골격 구조(3)로서, 상기 인체의 제2 부분(7)에 제2 골격 구조(3)를 커플링하기 적합한 제2 커플링 유닛(9)을 구비한 상기 제2 골격 구조(3); 및
상기 제1 골격 구조(1)와 상기 제2 골격 구조(3) 사이에 작용하는 조정 유닛(10, 10')으로서, 적어도 하나의 유압 액추에이터 유닛(11, 11')과, 유압 액추에이터 유닛(11, 11')에 작용하며 2개의 펌프 커넥션(21a, 21b)을 갖는 유압 유닛(12, 12')을 구비한 상기 조정 유닛(10, 10')을 포함하고,
상기 유압 유닛(12, 12')은 조정가능한 유동률을 갖도록 구성되고, 제1 펌프 커넥션(21a)은, 압력 라인(18a)을 거쳐서 액추에이터 유닛(11, 11')의 작업 챔버(A)에 연결되며 또한 상기 작업 챔버(A)에 압력이 인가되었을 때 통과하여 흐르는 유동으로 유동 쓰로틀(24, 24a)이 포함되어 있으며 또한 유동 쓰로틀(24, 24a)의 하류에는 진정(calming) 탱크(22)가 있는 아웃렛 라인(23, 23a)을 거쳐서 제2 펌프 커넥션(21b)에 연결되는, 인간 외골격.
제1항에 있어서,
상기 유압 유닛(12, 12')은 가변 속도 전기 모터(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 유압 유닛(12, 12')은 유동률을 조정가능한 유압 펌프(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유동 쓰로틀(24)은 조정가능한 것을 특징으로 하는 외골격.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진정 탱크(22)는 밀폐 팽창 탱크(closed expansion tank)로서 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 외골격.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작업 챔버(A)는 제1 작업 챔버이고, 상기 액추에이터 유닛(11, 11')은 상기 제1 작업 챔버(A)와는 반대 방향으로 작용하는 제2 작업 챔버(B)를 포함하며, 상기 유압 유닛(12)은 가역적인 것을 특징으로 하는 외골격.
제6항에 있어서,
상기 유압 유닛(12)의 상기 제2 펌프 커넥션(21b)은, 제2 압력 라인(18b)을 거쳐서 상기 액추에이터 유닛(11)의 상기 제2 작업 챔버(B)에 연결되어 있으며, 또한, 상기 제2 작업 챔버(B)에 압력이 인가되었을 때 통과하여 흐르는 유동으로 제2 유동 쓰로틀(24b)이 포함되어 있으며 또한 제2 유동 쓰로틀(24b)의 하류에는 진정 탱크(22)가 연결되어 있는 제2 아웃렛 라인(23b)을 거쳐서 상기 제1 펌프 커넥션(21a)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 외골격.
제7항에 있어서,
상기 액추에이터 유닛(11, 11')은 상기 제1 및 제2 작업 챔버(A, B)를 갖는 적어도 하나의 복동식(double-acting) 선형 액추에이터(14a, 14b; 14')를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제8항에 있어서,
상기 액추에이터 유닛(11')은 동기형(synchronized) 실린더(29)로서 구성되는 적어도 하나의, 바람직하게는 정확히 하나의 선형 액추에이터(14')를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 액추에이터 유닛(11)은 반대 방향으로 동작하며 또한 차동 실린더(13)로서 구성되는 2개의 선형 액추에이터(14a, 14b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제10항에 있어서,
상기 액추에이터 유닛(11)은 서로 교차(cross) 연결형의 2개의 복동식 차동 실린더(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유동 쓰로틀(24a, 24b) 중 하나를 각기 바이패스 하는 2개의 석션 라인 부분(25b, 25a)을 구비한 석션 라인 조립체가 제공되는 것을 특징으로 하는 외골격.
제12항에 있어서,
상기 석션 라인 조립체는 셔틀 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제12항에 있어서,
상기 석션 라인 조립체는 2개의 개별적인 체크 밸브(26a, 26b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격.
제6항에 있어서,
가역적인 유압 유닛을 대신하여, 하류 유동 절환 밸브(30)를 구비한 비가역의 유압 유닛(12')이 제공되는 것을 특징으로 하는 외골격.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
로터리 액추에이터가 제공되는 것을 특징으로 하는 외골격.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 작업 챔버(A, B)를 셧 오프하기 위해 셧 오프 밸브(31)가 제공되는 것을 특징으로 하는 외골격.