KR20200135939A - 외골격 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 골반 조립체, 제1 하지 조립체, 제2 하지 조립체 및 등 조립체를 포함하는 외골격 구조물로, 하지 조립체들 각각 및 등 조립체를 골반 조립체에 연결하고 사용자의 하지들의 외전 또는 내전 움직임, 사용자의 척추의 사용자의 골반에 대한 상대적인 옆으로의 경사 움직임 및 척추의 트위스트 움직임을 가능하게 하는 복수의 피봇 조인트들(27, 28, 29, 193)을 포함하는 외골격 구조물에 관한 것이다.

Description

외골격 구조물

본 발명은 외골격 구조물에 관한 것이다.

군사 분야에서, 보병들은 일반적으로 백팩들을 착용함으로써 장비를 운반할 수 있다. 보병들이 연장 임무들(extended missions)을 수행할 때, 백팩의 무게가 50킬로그램에 달할 수 있다. 백팩의 무게는 보병의 가동성을 크게 감소시키고 더 많은 대사량을 발생시킬 수 있다.

또한 백팩은 일반적으로 사용자의 어깨 위에 또는 힙 위에 얹히고, 이는 어깨에 근골격계 질환, 피부 압박을 발생시킬 수 있고, 또는 심지어 신경 압박으로 인한 말초신경증상을 초래하기도 한다.

현재의 해결책들은 백팩의 무게를 멜빵(suspender)을 이용하여 어깨에 그리고 허리 벨트를 이용하여 힙에 분산시키는 것이다. 그러나 이러한 해결책은 사용자의 부담을 완전히 덜어주지 못한다.

근력 보조용 외골격은 인간 골격의 구조를 배가하여 신체의 물리적 능력을 향상시키는 데 도움이 되는 기계적 구조물이다.

백팩의 무게를 지면에 얹히게 하는 일부 외골격 구조물들이 제안되었다.

그러나 공지의 외골격 구조물(때때로 "보행 로봇"이라고도 함)은 그 크기가 매우 크고 사용자의 가동성을 감소시킨다.

본 발명의 목적은 걷거나 달리는 중에 사용자의 어깨, 몸통 및 골반의 가동성을 감소시키지 않으면서 사용자의 백팩 무게의 대부분을 덜어줄 수 있는 해결책을 제공하는 데 있다.

이 목적은, 본 발명의 맥락에서,

외골격 구조물로,

- 벨트를 포함하는 골반 조립체로, 벨트가 사용자의 골반을 둘러싸서 골반 조립체를 사용자의 골반에 부착시킬 수 있도록 된, 골반 조립체,

- 사용자의 제1 하지에 체결될 수 있는 제1 하지 조립체,

- 제1 하지 조립체를 골반 조립체에 연결하는 제1 피봇 링크로, 제1 하지의 외전 또는 내전 움직임 중에 제1 하지 조립체의 골반 조립체에 대한 회전을 가능하게 하는 제1 피봇 링크,

- 사용자의 제2 하지에 체결될 수 있는 제2 하지 조립체,

- 제2 하지 조립체를 골반 조립체에 연결하는 제2 피봇 링크로, 제2 하지의 외전 또는 내전 움직임 중에 제2 하지 조립체의 골반 조립체에 대한 회전을 가능하게 하는 제2 피봇 링크,

- 사용자의 흉부에 부착될 수 있는 하네스를 포함하는 등 조립체,

- 등 조립체를 골반 조립체에 연결하는 척추 메커니즘,

- 척추 메커니즘을 골반 조립체에 연결하는 제3 피봇 링크로, 사용자의 등뼈가 사용자의 골반에 대해 옆으로 경사지는 움직임을 하는 동안 골반 조립체가 등 조립체에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 제3 피봇 링크,

- 사용자의 등뼈가 사용자의 골반에 대해 옆으로 경사지는 움직임을 하는 동안 골반 조립체의 등 조립체에 대한 회전에 대항하는 제3 토크를 발생시킬 수 있는 제3 부재를 포함하고,

척추 메커니즘은 등뼈가 트위스트 움직임을 하는 동안 등 조립체가 골반 조립체에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 제4 피봇 링크를 포함하는,

외골격 구조물로 인해, 달성된다.

제안된 외골격 구조물은, 걷거나 달리는 중에 응력을 받는 골반, 등뼈(즉 척추) 및 어깨의 자유도를 유지하면서, 등 조립체에 인가되는 부하가 제1 하지 조립체 및 제2 하지 조립체로 전달되는 것을 가능하게 한다.

제1 피봇 링크, 제2 피봇 링크 및 제3 피봇 링크에 의해 제공되는 가동성의 정도들은 걷거나 달릴 때 부하가 사용자의 제1 하지로 그런 다음 사용자의 제2 하지로 교대로 전달되는 구조물을 디자인하는 것을 가능하게 한다.

특히 제3 피봇 링크는 척추 메커니즘이 골반 조립체에 대해 진동하는 것(걷거나 달리는 중에 자연히 일어나는 진동 움직임)을 가능하게 하는 반면, 제3 부재는 부하에 의해 발생되고 제3 피봇 링크의 존재로 인해 등 조립체에 인가되는 토크에 대항한다. 따라서 제3 부재는 이 토크가 사용자의 등뼈로 전달되는 것을 방지하는 것을 가능하게 한다.

또한 제4 피봇 링크는 골반에 대한 등의 움직임을 동반하는 등뼈의 대안적인 트위스트 움직임을 가능하게 한다.

제안된 외골격 구조물은 아래의 피처들을 더 구비할 수 있다.

- 외골격 구조물은 제1 하지가 내전 움직임을 하는 동안 제1 하지 조립체의 골반 조립체에 대한 회전에 대항하는 제1 토크를 발생시킬 수 있는 제1 부재를 포함한다.

- 외골격 구조물은 제2 하지가 내전 움직임을 하는 동안 제2 하지 조립체의 골반 조립체에 대한 회전에 대항하는 제2 토크를 발생시킬 수 있는 제2 부재를 포함한다.

- 제1 부재 또는 제2 부재 또는 제3 부재가 제1 하지 조립체 또는 제2 하지 조립체 또는 등 조립체와 골반 조립체 사이에 탄성 복귀 요소를 포함하고, 탄성 복귀 요소는 제1 하지 조립체 또는 제2 하지 조립체 또는 등 조립체의 골반 조립체에 대한 회전에 대항하는 복귀력을 발생시킨다.

- 탄성 복귀 요소가 골반 조립체에 연결되는 제1 단부 및 제1 하지 조립체 또는 제2 하지 조립체 또는 등 조립체가 골반 조립체에 대해 회전될 때 제1 하지 조립체 또는 제2 하지 조립체 또는 등 조립체에 의해 응력을 받을 수 있는, 제1 단부 반대쪽의, 제2 단부를 구비하는 나선형 부분을 포함한다.

- 외골격 구조물이 제1 받침을 포함하되, 제1 받침이, 제1 하지 조립체 또는 제2 하지 조립체가 골반 조립체에 대해 회전하는 제1 각도 범위에서, 탄성 복귀 부재가 제1 받침에 접하여, 하지의 내전 움직임에 대항하는 복귀력을 제1 받침을 통해 제1 하지 조립체 또는 제2 하지 조립체에 인가하고, 제2 각도 범위에서, 탄성 복귀 요소가 더 이상 제1 받침에 접하지 않아 더 이상 복귀력을 하지 조립체에 인가하지 않도록 골반 조립체에 체결될 수 있다.

- 외골격 구조물이 제1 각도 범위와 제2 각도 범위 간의 전이 각도를 조정하는 것을 가능하게 하도록 제1 받침의 골반 조립체에 대한 위치를 조정하기 위한 수단을 포함한다.

- 제1 받침의 위치를 조정하기 위한 수단이 개구 및 개구 내부에 활주 가능하게 장착되는 핀을 포함한다.

- 외골격 구조물이, 하지 조립체에 체결되고 탄성 예압을 탄성 복귀 요소에 인가하도록 탄성 복귀 요소에 응력을 가할 수 있는 제2 받침을 포함한다.

- 외골격 구조물이 제2 받침의 하지 조립체에 대한 위치를 조정하기 위한 수단을 포함한다.

- 척추 메커니즘이 제3 피봇 링크를 통해 골반 조립체에 연결되는 척추 하측 부분 및 사용자의 등뼈가 옆으로 경사지는 움직임을 하는 동안 그리고 벤딩/스트레칭 움직임을 하는 동안 등 조립체가 척추 메커니즘에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 제5 볼 조인트 연결부를 통해 등 조립체에 연결되는 척추 상측 부분을 포함한다.

- 척추 상측 부분이 척추 하측 부분에 대해 종방향으로 활주 가능하고, 척추 메커니즘이 사용자의 등뼈의 수직 방향 압축 중에 척추 하측 부분에 대한 척추 상측 부분의 활주에 대항하는 탄성 복귀력을 발생시킬 수 있는 탄성 복귀 부재를 더 포함한다.

- 댐핑 장치가 실린더 및 실린더 내부에서 활주할 수 있는 피스톤을 포함하며, 피스톤 및 실린더 중 하나가 척추 상측 부분에 대해 고정되게 장착되고, 피스톤 및 실린더 중 다른 하나는 척추 하측 부분에 대해 고정되게 장착된다.

- 척추 상측 부분이 사용자의 등뼈가 트위스트 움직임을 하는 동안 척추 상측 부분이 척추 하측 부분에 대해 척추 메커니즘의 종축선을 중심으로 회전하는 것을 가능하게 하는 제4 피봇 링크에 의해 척추 하측 부분에 연결된다.

- 외골격이 제1 피봇 링크와 제2 피봇 링크 사이의 거리 조정을 가능하게 하는 조정 수단을 포함한다.

- 조정 수단이 하나 이상의 개구(들) 및 개구(들) 내부에 활주 가능하게 장착되는 하나 이상의 핀을 포함한다.

순전히 예시적이고 비제한적이며 첨부 도면을 참조해서 읽어야만 하는 아래의 상세한 설명에 의해 본 발명의 다른 특징들 및 장점들이 밝혀질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 외골격 구조물을 도식적으로 도시하는 정면도이다.
도 2는 도 1의 외골격 구조물의 후측부를 도식적으로 도시한다.
도 3 및 도 4는 외골격 구조물의 제1 피봇 링크, 제2 피봇 링크 및 제3 피봇 링크를 도식적으로 도시한다.
도 5는 제3 피봇 링크가 초기 위치에 있을 때의 외골격 구조물의 제1 피봇 링크, 제2 피봇 링크 및 제3 피봇 링크를 도식적으로 도시한다.
도 6은 제3 피봇 링크가 경사 위치에 있을 때의 외골격 구조물의 제1 피봇 링크, 제2 피봇 링크 및 제3 피봇 링크를 도식적으로 도시한다.
도 7 내지 도 9는 제1 피봇 링크, 제1 토크 발생 부재, 예압 조정 메커니즘 및 이와 관련된 받침 위치 조정 메커니즘을 도식적으로 도시한다.
도 10은 제1 피봇 링크와 제2 피봇 링크 간의 거리를 조정하기 위한 수단을 도식적으로 도시한다.

도 1에서, 도시된 외골격 구조물(1)은 골반 조립체(2), 제1 하지 조립체(3), 제2 하지 조립체(4), 등 조립체(5), 제1 상지 조립체(6) 및 제2 상지 조립체(7)를 포함한다.

골반 조립체(2)는 사용자의 골반을 둘러싸서 골반 조립체를 사용자의 골반에 부착시킬 수 있는 허리 벨트(21)를 포함한다. 골반 조립체(2)는 허리 벨트(21)에 체결된 제어 유닛(22) 및 배터리(23)를 더 포함할 수 있다. 제어 유닛(22)은 외골격 구조물(1)의 각기 다른 액추에이터들을 제어하도록 구성된다. 배터리(23)는 여러 액추에이터들에 전기 에너지를 공급할 수 있다.

제1 하지 조립체(3)는 사용자의 제1 하지, 예를 들어 우측 하지(또는 우측 다리)에 체결될 수 있다. 제1 하지 조립체(3)는 제1 하지 조립체(3)를 제1 하지에 체결하기 위한 체결 스트랩들을 포함할 수 있다.

제2 하지 조립체(4)는 사용자의 제2 하지, 예를 들어 좌측 하지(또는 좌측 다리)에 체결될 수 있다. 제2 하지 조립체(4)는 제2 하지 조립체(4)를 제2 하지에 체결하기 위한 체결 스트랩들을 포함할 수 있다. 제2 하지 조립체(4)는 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때 사용자의 정중면(S)에 대해 제1 하지 조립체(3)와 대칭이다.

"해부학적 표준 자세(anatomical reference position)"는 사용자가, 해부학적 표준 시스템에 따라, 신체를 따라 팔들을 늘어뜨리고 팔뚝들과 손들을 외전시킨 상태로 수평한 지면에 서 있는 때의 사용자의 자세를 의미한다. 정중면(S)은 신체의 좌측 반을 우측 반과 분리하는 평면이다.

제1 상지 조립체(6)는 사용자의 제1 상지, 예를 들어 우측 상지(우측 팔)에 체결될 수 있다. 제1 상지 조립체(6)는 제1 상지 조립체(6)를 제1 상지에 체결하기 위한 체결 스트랩들을 포함할 수 있다.

제2 상지 조립체(7)는 사용자의 제2 상지, 예를 들어 좌측 상지(좌측 팔)에 체결될 수 있다. 제2 상지 조립체(7)는 제2 상지 조립체(7)를 제2 상지에 체결하기 위한 체결 스트랩들을 포함할 수 있다.

등 조립체(5)는 사용자의 흉부에 부착될 수 있는 하네스(53)를 포함할 수 있다. 이를 위해, 하네스(53)는 등 조립체(5)가 흉부에 부착될 수 있게 하는 스트랩 세트를 포함할 수 있다.

외골격 구조물(1)은 제1 하지 조립체(3)를 골반 조립체(2)에 연결하는 제1 힙 조인트(8) 및 제2 하지 조립체(4)를 골반 조립체(2)에 연결하는 제2 힙 조인트(9)를 더 포함한다.

외골격 구조물(1)은 제1 상지 조립체(6)를 등 조립체(5)에 연결하는 제1 어깨 조립체(10) 및 제2 상지 조립체(7)를 등 조립체(5)에 연결하는 제2 어깨 조립체(11)를 더 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 외골격 구조물(1)은 사용자의 등뼈를 따라 연장하는 척추 메커니즘(19)을 더 포함한다. 척추 메커니즘(19)은 등 조립체(5)를 골반 조립체(2)에 연결한다. 척추 메커니즘(19)은 등 조립체(5)에 작용하는 부하, 예를 들어 백팩의 무게를 골반 조립체(2)로 전달할 수 있게 한다.

골반 조립체(2)는 제1 힙 부분(24), 제2 힙 부분(25), 골반 부분(26), 제1 피봇 링크(27), 제2 피봇 링크(28) 및 제3 피봇 링크(29)를 포함한다.

골반 부분(26)은 허리 벨트(21)에 체결된다.

제1 힙 부분(24)은 그 단부들 중 한 쪽 단부에서 제1 힙 조인트(8)를 통해 제1 하지 조립체(3)에 연결되고, 다른 쪽 단부에서 제1 피봇 링크(27)를 통해 골반 부분(26)에 연결된다. 제1 피봇 링크(27)는 제1 하지의 외전 또는 내전 중에 제1 하지 조립체(3)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 제1 피봇 링크(27)는, 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때 수평이며 사용자의 정중면과 평행한 제1 회전축선(X1)을 중심으로, 제1 힙 부분(24)이 골반 부분(26)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다.

제2 힙 부분(25)은 그 단부들 중 한 쪽 단부에서 제2 힙 조인트(9)를 통해 제2 하지 조립체(4)에 연결되고, 다른 쪽 단부에서 제2 피봇 링크(28)를 통해 골반 부분(26)에 연결된다. 제2 피봇 링크(28)는 제2 하지의 외전 또는 내전 중에 제2 하지 조립체(4)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 제2 피봇 링크(28)는, 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때 수평이며 사용자의 정중면과 평행한 제2 회전축선(X2)을 중심으로, 제2 힙 부분(25)이 골반 부분(26)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 제2 회전축선(X2)은 제1 회전축선(X1)과 평행하다.

척추 메커니즘(19)은 척추 하측 부분(191), 척추 상측 부분 및 제4 피봇 링크(193)를 포함한다.

척추 하측 부분(191)은 제3 피봇 링크(29)를 통해 골반 조립체(2)에 연결된다. 제3 피봇 링크(29)는 사용자의 골반이 사용자의 등뼈에 대해 옆으로 경사지는 움직임을 하는 동안 골반 조립체(2)가 등 조립체(5)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 제3 피봇 링크(29)는 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때 수평이며 사용자의 정중면과 평행한 제3 회전축선(X3)을 중심으로 골반 부분(26)이 척추 하측 부분(191)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 제3 회전축선(X3)은 제1 회전축선(X1) 및 제2 회전축선(X2)과 평행하다.

척추 상측 부분(192)은 척추 하측 부분(191)에 대해 척추 메커니즘(190)의 종축선(X4)을 따라 활주 가능하게 장착된다. 또한 제4 피봇 링크(193)는 사용자의 등뼈가 트위스트 움직임을 하는 동안 등 조립체(5)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 제4 피봇 링크(193)는 척추 상측 부분(192)이 척추 하측 부분(191)에 대해 종축선(X4)을 중심으로 회전하는 것을 가능하게 한다.

척추 메커니즘(19)은 척추 상측 부분(192)의 척추 하측 부분(191)에 대한 활주에 대항하는 탄성 복귀력을 발생시키는 탄성 복귀 부재를 더 포함한다. 구체적으로, 탄성 복귀 부재는 등뼈의 축선방향 압축 중에 척추 상측 부분(192)의 척추 하측 부분(191)에 대한 상대 변위에 비례하는 복귀력을 척추 상측 부분(192)에 인가할 수 있다. 탄성 복귀 부재는 실린더와, 실린더 내부에서 활주할 수 있는 피스톤을 포함할 수 있는데, 피스톤과 실린더 중 하나는 척추 상측 부분(192)에 대해 고정되게 장착되고, 피스톤과 실린더 중 다른 하나는 척추 하측 부분(191)에 대해 고정되게 장착된다. 피스톤과 실린더는 압축 공기(즉 대기압보다 압력이 높은 공기)를 포함하는 챔버를 획정한다. 척추 상측 부분(192)이 척추 하측 부분(191)에 대해 축선 방향으로 변위되어 등뼈를 압축시킬 때, 챔버에 포함된 공기가 피스톤에 의해 압축된다. 그 결과, 압축 공기가 피스톤에 복귀력을 인가하여 등뼈의 압축에 대항한다. 탄성 복귀 부재의 강성은 챔버에 존재하는 공기의 양 및/또는 챔버의 체적을 변화시키는 것에 의해 조정될 수 있다. 사용자의 사이즈에 기초하여 척추 메커니즘의 길이를 조정하는 것도 가능하다.

등 조립체(5)는 운반될 부하, 예를 들어 백팩이 체결될 수 있는 지지 부분(51) 및 제5 볼 조인트 연결부(52)를 포함한다.

척추 상측 부분(192)은 제5 볼 조인트 연결부(52)에 의해 지지 부분(51)에 연결된다. 제5 볼 조인트 연결부(52)는 한편으로는 사용자 어깨들이 등뼈에 대해 옆으로 경사지는 움직임을 하는 동안 등 조립체(5)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 제5 볼 조인트 연결부(52)는 지지 부분(51)이 척추 상측 부분(192)에 대해 제5 회전축선(X5)을 중심으로 회전하는 것을 가능하게 한다. 제5 회전축선(X5)은 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때 수평이며 사용자의 정중면과 평행하다. 따라서 제5 회전축선(X5)은 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때 제3 회전축선(X3)과 평행하다.

제5 볼 조인트 연결부(52)는 또한 사용자의 등뼈가 벤딩/스트레칭 움직임을 하는 중에 등 조립체(5)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 제5 볼 조인트 연결부(52)는 지지 부분(51)이 척추 상측 부분(191)에 대해 제6 회전축선(X6)을 중심으로 회전하는 것을 가능하게 한다. 제6 회전축선(X6)은 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때 수평이며 사용자의 정중면과 평행하다.

도 3 및 도 4는 제1 피봇 링크(27), 제2 피봇 링크(28) 및 제3 피봇 링크(29)를 보다 상세하게 도시한다.

제1 피봇 링크(27)는 제1 로터(271) 및 제1 스테이터(272)를 포함한다. 제1 로터(271)는 제1 힙 부분(24)에 고정되게 장착된다. 제1 스테이터(272)는 골반 부분(26)에 고정되게 장착된다.

제2 피봇 링크(28)는 제2 로터(281) 및 제2 스테이터(282)를 포함한다. 제2 로터(281)는 제2 힙 부분(25)에 고정되게 장착된다. 제2 스테이터(282)는 골반 부분(26)에 고정되게 장착된다.

제3 피봇 링크(29)는 제3 로터(291) 및 제3 스테이터(292)를 포함한다. 제3 로터(291)는 척추 하측 부분(191)에 고정되게 장착된다. 제3 스테이터(292)는 골반 부분(26)에 고정되게 장착된다.

더욱이 외골격 구조물(1)은 제1 하지의 외전 또는 내전 움직임 중에 제1 로터(271)의 제1 스테이터(272)에 대한 회전에 대항하는 제1 토크를 발생시킬 수 있는 제1 부재(12)를 포함한다.

외골격 구조물(1)은 또한 제2 하지의 외전 또는 내전 움직임 중에 제2 로터(281)의 제2 스테이터(282)에 대한 회전에 대항하는 제2 토크를 발생시킬 수 있는 제2 부재(13)도 포함한다.

외골격 구조물(1)은 또한 골반이 옆으로 경사지는 도중에 제3 로터(291)의 제3 스테이터(292)에 대한 회전에 대항하는 제3 토크를 발생시킬 수 있는 제3 부재(14)도 포함한다.

제1 부재(12), 제2 부재(13) 또는 제3 부재(14)는 능동 부재(즉 예를 들어 전기 모터와 같이 제1 토크를 발생시키기 위해 전기 에너지를 필요로 하는 액추에이터)이거나 혹은 수동 부재(즉 예를 들어 스프링과 같이 전기 에너지 공급을 필요로 하지 않는 것)일 수 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 예에서, 제3 부재(14)는 등 조립체(5)를 골반 조립체에 연결하는 하나 이상의 탄성 복귀 요소(141)(들)를 포함한다. 골반 조립체(2)가 등 조립체(5)에 대해 회전하면 탄성 복귀 요소(141)(들)의 변형이 일어나고, 이러한 변형은 탄성 복귀 요소(141)가 이러한 회전에 대항하는 복귀 토크를 발생시키도록 하는 작용을 한다.

도 4 내지 도 6에 도시된 예에서, 탄성 복귀 요소(141)는 골반 조립체(2)에 연결되는 (나선의 중심에 있는) 제1 단부(142), 및 척추 메커니즘(19)에 연결되는, 제1 단부(142) 반대쪽의, (나선 중심으로부터 멀리 있는) 제2 단부(143)를 구비하는 나선형 부분(140)을 포함한다. 구체적으로, 제1 단부(142)는 제3 스테이터(292)에 체결되고, 제2 단부(143)는 제3 로터(291)에 체결된다.

도 5는 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때의 탄성 복귀 요소(141)를 도시한다. 이 자세에서, 탄성 복귀 요소(141)는 어떠한 토크도 인가하지 않는다.

도 6은 사용자가 등뼈를 골반에 대해 옆으로 기울일 때의 탄성 복귀 요소(141)를 도시한다. 나선형 부분(140)은 등 조립체(5)가 골반 조립체(2)에 대해 제1 방향(화살표 A)으로 회전하면 나선형 부분(140)이 감기고, 등 조립체(5)가 골반 조립체(2)에 대해 제1 방향과 반대인 제2 방향(화살표 B)으로 회전하면 나선형 부분(140)이 풀리도록 배열된다.

도 7 내지 도 9는 제1 피봇 링크(7)를 보다 상세하게 도시한다.

도 7 내지 도 9에 도시된 예에서, 제1 부재(12)는 제1 하지 조립체(3)를 골반 조립체(2)에 연결하는 탄성 복귀 요소(121)를 포함한다. 제1 하지 조립체(3)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하면 탄성 복귀 요소(121)의 변형이 일어나고, 이러한 변형은 탄성 복귀 요소(121)가 이러한 회전에 대항하는 복귀 토크를 발생시키도록 하는 작용을 한다.

도 7 내지 도 9에 도시된 예에서, 탄성 복귀 요소(121)는 골반 조립체(2)에 연결되는 (나선의 중심에 있는) 제1 단부(122), 및 제1 단부(122)와 반대쪽에 있고 골반 조립체(2)의 제1 하지 조립체(3)에 대한 상대 회전 중에 제1 하지 조립체(3)에 의해 응력을 받을 수 있는 (나선 중심으로부터 멀리 있는) 제2 단부(123)를 구비하는 나선형 부분(120)을 포함한다. 구체적으로, 제1 단부(122)는 제1 힙 부분(24)과 일체인 제1 로터(271)에 체결된다.

도 7은 사용자가 해부학적 표준 자세로 있을 때의 탄성 복귀 요소(121)를 도시한다. 이 자세에서, 탄성 복귀 요소(121)는 어떠한 토크도 인가하지 않는다.

제1 하지의 외전 또는 내전 움직임 중에, 제1 하지 조립체(3)는 골반 조립체(2)에 대해 회전 구동된다. 이는 탄성 복귀 요소(121)가 이러한 회전에 대항하는 복귀 토크를 발생시키도록 탄성 복귀 요소(121)를 변형시키는 작용을 한다.

나선형 부분(120)은 하지 조립체(3)가 골반 조립체(2)에 대해 내전 움직임에 상응하는 제1 회전 방향(화살표 C)으로 회전하면 나선형 부분(120)이 감기고, 하지 조립체(3)가 골반 조립체(2)에 대해 제1 방향과 반대이고 외전 움직임에 상응하는 제2 방향(화살표 D)으로 회전하면 나선형 부분(120)이 풀리도록 배열된다.

더욱이, 외골격 구조물(1)은 제1 받침(15)을 포함하고, 제1 받침은

- 제1 하지 조립체(3)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하는 제1 각도 범위에서, 탄성 복귀 부재(121)가 제1 받침(15)에 접하여, 하지의 내전 움직임에 대항하는 복귀력을 제1 받침(15)을 통해 제1 하지 조립체(3)에 인가하고, 그리고

- 제2 각도 범위에서, 탄성 복귀 부재(121)가 더 이상 제1 받침(15)에 접하지 않아 더 이상 복귀력을 하지 조립체에 인가하지 않도록

골반 조립체(2)에 체결될 수 있다.

제1 받침(15)은 골반 부분(26)에 체결되는 스크루(151)를 포함할 수 있고, 스크루(151)의 단부는 제1 각도 범위에서만 나선형 부분(120)의 제2 단부(123)에 응력을 가한다.

외골격 구조물(1)은 제1 받침(15)의 골반 조립체(2)에 대한 위치를 조정할 수 있게 하는 받침 수단(16)을 더 포함한다. 조정 수단(16)은 골반 부분(26)에 대해 고정되어 있는 하나 이상의 개구(161)(들) 및 개구(161)(들) 내부에 활주 가능하게 장착되는 하나 이상의 핀(162)(들)을 포함한다. 구체적으로, 조정 수단(16)은 내부에 나사산을 갖는 관통 오리피스를 구비하는 제1 조정 부분(163)을 포함한다. 스크루(151)가 오리피스에 스크루 체결된다. 핀(162)들은 제1 조정 부분9163)에 고정되게 장착된다. 제1 조정 부분(163)의 위치는 핀(162)들을 개구(161)들 내에서 활주시키는 것에 의해 수정될 수 있다. 개구(161)들은 제1 피봇 링크(27)의 스테이터(272)에 형성될 수 있다. 도 7 내지 도 9에 도시된 예에서, 조정 수단(16)은 두 개의 개구(161) 및 개구(161)들의 내부에 활주 가능하게 장착되어 제1 조정 부분(163)의 골반 부분(26)에 대한 변위를 안내하는 세 개의 핀(162)을 포함한다. 핀(162)들은 스크루들로 이루어질 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 조정 수단(19)은 조정 부분(163)의 골반 조립체(2)에 대한 위치를 조정하는 것에 의해 그리고 스크루(151)의 나사산 오리피스에서의 위치를 조정하는 것에 의해 제1 및 제2 각도 범위 간의 경계를 수정하는 것을 가능하게 한다.

외골격 구조물(1)은 제1 하지 조립체(3)에 체결되고 탄성 복귀 부재(121)에 예압을 인가하도록 탄성 복귀 부재(121)에 응력을 가할 수 있는 제2 받침(17)을 더 포함한다. 제2 받침(17)은 힙 부분(24)에 체결되는 스크루(171)를 포함할 수 있고, 스크루(171)의 단부는 나선형 부분(120)의 제2 단부(123)에 상시적으로 응력을 가한다.

외골격 구조물(1)은 제2 받침(17)의 제1 하지 조립체(3)에 대한 위치를 조정하기 위한 수단(18)을 더 포함한다. 조정 수단(18)은 제1 힙 부분(24)에 고정되게 장착되는 제2 조정 부분(183)을 포함한다. 제2 조정 부분(183)은 내부 나사산을 갖는 관통 오리피스를 구비한다. 스크루(171)는 오리피스에 스크루 체결된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 조정 수단(18)은 스크루(171)의 나사산 오리피스에서의 위치를 조정하는 것에 의해 탄성 복귀 부재(121)에 인가되는 예압을 수정하는 것을 가능하게 한다.

제2 피봇 링크(28)가 제1 피봇 링크(27)의 부분들과 유사한 부분들을 포함하며, 제2 피봇 링크(28)의 부분들이 사용자의 정중면에 대해 제1 피봇 링크(27)의 부분들과 대칭으로 배열되는 것에 유의해야 한다. 특히 외골격 구조물(1)은, 제1 받침 및 제2 받침뿐만 아니라, 제1 탄성 복귀 부재(121)와 대칭으로 배열되는 제2 탄성 복귀 부재(131)를 포함한다.

탄성 복귀 부재(131)는 골반 조립체(2)에 연결되는 (나선의 중심에 있는) 제1 단부(132), 및 제1 단부(132)와 반대쪽에 있고 골반 조립체의 제2 하지 조립체(4)에 대한 상대 회전 중에 제2 하지 조립체(4)에 의해 응력을 받을 수 있는 (나선 중심으로부터 멀리 있는) 제2 단부(133)를 구비하는 나선형 부분(130)을 포함한다. 구체적으로 제1 단부(132)는 제2 힙 부분(25)과 일체인 제2 로터(281)에 체결된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 외골격 구조물(1)은 제1 회전축선(X1)과 제2 회전축선(X2) 사이의 거리를 조정하는 것을 가능하게 하는 조정 수단(30)을 더 포함한다.

도 10에 도시된 예에서, 조정 수단(30)은 제1 피봇 링크(27)의 스테이터(272)에 대해 고정되어 있는 하나 이상의 개구(32)(들) 및 골반 부분(26)에 대해 고정되게 장착되는 하나 이상의 핀(33)(들)을 포함한다. 핀(33)(들)은 개구들(31, 32) 내부에 활주 가능하게 장착된다. 구체적으로, 조정 수단(30)은 제1 스테이터(272)에 체결되는 제1 조정 부분(34)을 포함한다. 제1 조정 부분(34)은 두 개의 수평 개구(31)를 구비한다. 마찬가지로, 조정 수단(30)은 제2 스테이터(282)에 고정되는 제2 조정 부분(35)을 포함한다. 제2 조정 부분(35)도 또한 두 개의 수평 개구(32)를 포함한다. 조정 수단(30)은 골반 부분(26)에 체결되는 두 개의 제1 핀(33)을 포함하고, 제1 핀들 각각은 각각의 제1 개구(31) 내부에서 활주하여 제1 피봇 링크(27)를 골반 조립체(2)에 대해 축선들(X1, X2)과 직교하는 방향으로 변위시킬 수 있다.

따라서 조정 수단(30)은 회전축선들(X1, X2) 사이의 간격을 조정하는 것을 가능하게 하고, 이에 따라 이 축선들은 사용자의 대퇴골두와 정렬되어 사용자의 힙들의 외전/내전 축선들에 상응하게 된다.

마지막으로, 외골격 구조물(1)은 여러 부분들의 서로에 대한 움직임을 댐핑하기 위해 피봇 링크(27, 28, 29, 193)와 평행하게 배치되는 댐핑 장치들 및 볼 조인트 연결부(52)도 또한 포함할 수 있다. 부재들(12, 13, 14)이 예를 들어 전기 모터들과 같은 능동 부재들인 경우, 이 부재들은 피봇 링크들(27, 28, 29)을 위한 댐핑 장치들로 작용할 수 있다.

작동 시, 사용자가 걸을 때, 사용자는 그의 제1 하지(우측 다리)와 제2 하지(좌측 다리)에 교대로 기대고, 이는 척추 메커니즘(19)의 골반 조립체(2)에 대한 약간의 진동을 초래한다.

보행 사이클의 제1 단계 중에, 사용자가 제1 하지(우측 다리)에 기대면, 백팩의 무게에 의해 발생되는 부하는 골반을 좌측으로 하강시키는 효과를 나타낸다. 결과적으로 척추 하측 부분(191)은 골반 부분(26)에 대해 제3 회전축선(X3)을 중심으로 제1 회전 방향(화살표 A)으로 선회한다.

척추 하측 부분(191)이 제1 방향으로 회전하면 제3 탄성 복귀 부재(141)가 변형되는 효과가 나타나고, 이는 골반 조립체(2)를 제1 하지 조립체(3)에 대해 (화살표 C 방향으로) 그리고 제2 하지 조립체(4)에 대해 회전 구동시키는 토크를 발생시킨다.

제1 탄성 복귀 부재(121)와 제2 탄성 복귀 부재(131)의 작용은 백팩의 무게에 의해 발생되고 등 조립체(5)에 작용하는 부하의 전부 또는 일부가 제1 탄성 복귀 부재(121)에 의해 제1 힙 부분(24) 및 제1 힙 조인트(8)를 통해 제1 하지 조립체(3)로 전달되게 하는 효과를 나타낸다.

반대로, 제2 하지 조립체(4)로 전달되는 부하 부분은 크게 감소되고, 이는 사용자가 과도한 힘을 가하지 않으면서도 그의 제2 하지를 지면으로부터 들어 올릴 수 있게 한다.

보행 사이클의 제2 단계 중에, 사용자가 제2 하지(좌측 다리)에 기대면, 백팩의 무게에 의해 발생되는 부하가 골반을 우측으로 하강시키는 효과를 나타낸다. 척추 하측 부분(191)은 골반 부분(26)에 대해 제3 회전축선(X3)을 중심으로 제1 회전 방향과 반대인 제2 회전 방향(화살표 B)으로 선회한다.

척추 하지 부분이 제2 방향으로 회전하면 제3 탄성 복귀 부재(121)가 변형되는 효과가 나타나고, 이는 골반 조립체(2)를, 반대 방향으로, 제1 하지 조립체(3)에 대해 (화살표 D 방향으로) 그리고 제2 하지 조립체(4)에 대해 회전하게 한다.

제1 탄성 복귀 부재(121)와 제2 탄성 복귀 부재(131)의 작용은 백팩의 무게에 의해 발생되고 등 조립체(5) 작용하는 부하의 전부 또는 일부가 제2 탄성 복귀 부재(131)에 의해 제2 힙 부분(25) 및 제2 힙 조인트(9)를 통해 제2 하지 조립체(4)로 전달되게 하는 효과를 나타낸다.

반대로, 제1 하지 조립체(3)로 전달되는 부하 부분은 크게 감소되고, 이는 사용자가 과도한 힘을 가하지 않으면서도 그의 제1 하지를 지면으로부터 들어 올릴 수 있게 한다.

따라서, 보행 사이클 중에, 부하는 사용자의 골반을 통과하지 않으면서 제1 하지 조립체(3)와 제2 하지 조립체(4)에 교대로 전달된다. 탄성 복귀 부재들(121, 131)의 변형으로부터 발생되는 토크는 지면에 접촉된 쪽에 부하가 지지되는 반면 반대쪽에는 부하가 가해지지 않는 것을 가능하게 한다.

세 개의 피봇 링크들 및 탄성 복귀 부재들 덕분에, 부하는 항상 지면과 접촉된 하지 조립체로 전달된다. 다른 하지 조립체는 사용자가 상응하는 하지를 용이하게 들어 올릴 수 있도록 부하의 작은 부분만을 지지한다.

더욱이, 사용자가 해부학적 표준 자세로 가만히 서 있을 때, 외골격 구조물(1)의 제1 하지 조립체(3)와 제2 하지 조립체(4)는 동시에 지면과 접촉한다. 이 자세에서, 제안된 외골격 구조물은 백팩의 무게에 의해 발생되는 부하가 두 개의 하지 조립체들에 균등하게 분산되는 것에 의해 분배되는 것을 가능하게 한다.

Claims (16)

1. 외골격 구조물로,
   - 벨트를 포함하는 골반 조립체(2)로, 벨트가 사용자의 골반을 둘러싸서 골반 조립체(2)를 사용자의 골반에 부착시킬 수 있도록 된, 골반 조립체,
   - 사용자의 제1 하지에 체결될 수 있는 제1 하지 조립체(3),
   - 제1 하지 조립체(3)를 골반 조립체(2)에 연결하는 제1 피봇 링크(27)로, 제1 하지의 외전 또는 내전 움직임 중에 제1 하지 조립체(3)의 골반 조립체(2)에 대한 회전을 가능하게 하는 제1 피봇 링크(27),
   - 사용자의 제2 하지에 체결될 수 있는 제2 하지 조립체(4),
   - 제2 하지 조립체(4)를 골반 조립체(2)에 연결하는 제2 피봇 링크(28)로, 제2 하지의 외전 또는 내전 움직임 중에 제2 하지 조립체(4)의 골반 조립체(2)에 대한 회전을 가능하게 하는 제2 피봇 링크(28),
   - 사용자의 흉부에 부착될 수 있는 하네스(53)를 포함하는 등 조립체(5),
   - 등 조립체(5)를 골반 조립체(2)에 연결하는 척추 메커니즘(19),
   - 척추 메커니즘(19)을 골반 조립체(2)에 연결하는 제3 피봇 링크(29)로, 사용자의 등뼈가 사용자의 골반에 대해 옆으로 경사지는 움직임을 하는 동안 골반 조립체(2)가 등 조립체(5)에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 제3 피봇 링크(29),
   - 사용자의 등뼈가 사용자의 골반에 대해 옆으로 경사지는 움직임을 하는 동안 골반 조립체의 등 조립체(5)에 대한 회전에 대항하는 제3 토크를 발생시킬 수 있는 제3 부재(14)를 포함하고,
   척추 메커니즘(19)은 등뼈가 트위스트 움직임을 하는 동안 등 조립체(5)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 제4 피봇 링크(193)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
2. 청구항 1에 있어서,
   제1 하지가 내전 움직임을 하는 동안 제1 하지 조립체(3)의 골반 조립체(2)에 대한 회전에 대항하는 제1 토크를 발생시킬 수 있는 제1 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   제2 하지가 내전 움직임을 하는 동안 제2 하지 조립체(4)의 골반 조립체(2)에 대한 회전에 대항하는 제2 토크를 발생시킬 수 있는 제2 부재(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
   제1 부재(12) 또는 제2 부재(13) 또는 제3 부재(14)가 제1 하지 조립체(3) 또는 제2 하지 조립체(4) 또는 등 조립체(5)와 골반 조립체(2) 사이에 탄성 복귀 요소(121, 131, 141)를 포함하고, 탄성 복귀 요소(121, 131, 141)는 제1 하지 조립체(3) 또는 제2 하지 조립체(4) 또는 등 조립체(5)의 골반 조립체(2)에 대한 회전에 대항하는 복귀력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
5. 청구항 4에 있어서,
   탄성 복귀 요소(121, 131, 141)가 골반 조립체(2)에 연결되는 제1 단부(122, 132, 142) 및 제1 하지 조립체(3) 또는 제2 하지 조립체(4) 또는 등 조립체(5)가 골반 조립체(2)에 대해 회전될 때 제1 하지 조립체(3) 또는 제2 하지 조립체(4) 또는 등 조립체(5)에 의해 응력을 받을 수 있는, 제1 단부 반대쪽의, 제2 단부(123, 133, 143)를 구비하는 나선형 부분(120, 130, 140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
   제1 받침(15)을 포함하되,
   제1 받침이, 제1 하지 조립체(3) 또는 제2 하지 조립체(4)가 골반 조립체(2)에 대해 회전하는 제1 각도 범위에서, 탄성 복귀 부재(121, 131)가 제1 받침에 접하여, 하지의 내전 움직임에 대항하는 복귀력을 제1 받침을 통해 제1 하지 조립체(3) 또는 제2 하지 조립체(4)에 인가하고, 제2 각도 범위에서, 탄성 복귀 요소(121, 131)가 더 이상 제1 받침에 접하지 않아 더 이상 복귀력을 하지 조립체(3, 4)에 인가하지 않도록 골반 조립체에 체결될 수 있는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
7. 청구항 6에 있어서,
   제1 각도 범위와 제2 각도 범위 간의 전이 각도를 조정하는 것을 가능하게 하도록 제1 받침(15)의 골반 조립체(2)에 대한 위치를 조정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
8. 청구항 7에 있어서,
   제1 받침(16)의 위치를 조정하기 위한 수단이 개구(161) 및 개구 내부에 활주 가능하게 장착되는 핀(162)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
9. 청구항 4 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항에 있어서,
   하지 조립체(3, 4)에 체결되고 탄성 예압을 탄성 복귀 요소에 인가하도록 탄성 복귀 요소(121, 131)에 응력을 가할 수 있는 제2 받침(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
10. 청구항 9에 있어서,
    제2 받침(18)의 하지 조립체(3, 4)에 대한 위치를 조정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 청구항에 있어서,
    척추 메커니즘(19)이 제3 피봇 링크(29)를 통해 골반 조립체에 연결되는 척추 하측 부분(191) 및 사용자의 등뼈가 옆으로 경사지는 움직임을 하는 동안 그리고 벤딩/스트레칭 움직임을 하는 동안 등 조립체(5)가 척추 메커니즘(19)에 대해 회전하는 것을 가능하게 하는 제5 볼 조인트 연결부를 통해 등 조립체(5)에 연결되는 척추 상측 부분(192)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
12. 청구항 11에 있어서,
    척추 상측 부분(192)이 척추 하측 부분(191)에 대해 종방향으로 활주 가능하고, 척추 메커니즘(19)이 사용자의 등뼈의 수직 방향 압축 중에 척추 하측 부분(191)에 대한 척추 상측 부분(192)의 활주에 대항하는 탄성 복귀력을 발생시킬 수 있는 탄성 복귀 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
13. 청구항 12에 있어서,
    탄성 복귀 부재가 실린더 및 실린더 내부에서 활주할 수 있는 피스톤을 포함하며, 피스톤 및 실린더 중 하나가 척추 상측 부분(192)에 대해 고정되게 장착되고 피스톤 및 실린더 중 다른 하나는 척추 하측 부분(191)에 대해 고정되게 장착되는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
14. 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 청구항에 있어서,
    척추 상측 부분(192)이 사용자의 등뼈가 트위스트 움직임을 하는 동안 척추 상측 부분(192)이 척추 하측 부분(191)에 대해 척추 메커니즘(19)의 종축선을 중심으로 회전하는 것을 가능하게 하는 제4 피봇 링크(193)에 의해 척추 하측 부분(191)에 연결되는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 청구항에 있어서,
    제1 피봇 링크(27)와 제2 피봇 링크(28) 사이의 거리 조정을 가능하게 하는 조정 수단(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.
16. 청구항 15에 있어서,
    조정 수단(30)이 하나 이상의 개구(들)(31, 32) 및 개구(들)(31, 32) 내부에 활주 가능하게 장착되는 하나 이상의 핀(들)(33)을 포함하는 것을 특징으로 하는 외골격 구조물.

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