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KR20160016925A - 인간 모션과의 보조를 위한 소프트 엑소슈트 - Google Patents

인간 모션과의 보조를 위한 소프트 엑소슈트 Download PDF

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Publication number
KR20160016925A
KR20160016925A KR1020157036910A KR20157036910A KR20160016925A KR 20160016925 A KR20160016925 A KR 20160016925A KR 1020157036910 A KR1020157036910 A KR 1020157036910A KR 20157036910 A KR20157036910 A KR 20157036910A KR 20160016925 A KR20160016925 A KR 20160016925A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
soft
force
joint
gait
actuator
Prior art date
Application number
KR1020157036910A
Other languages
English (en)
Inventor
코너 월시
앨런 토마스 애즈벡
예 딩
이그나시오 갈리아나 부한다
스테파노 마르코 마리아 데 로시
Original Assignee
프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/US2013/060225 external-priority patent/WO2014109799A1/en
Application filed by 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지 filed Critical 프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지
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Abstract

모션 제어 시스템은 작동 부재를 갖는 엑추에이터를 포함하고, 작동 부재는 조인트의 제 1 측부 상의 엑추에이터에 부착된 근접 단부와, 조인트의 제 2 측부 상의 앵커 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖는다. 제 1 센서는 걸음걸이 사이클을 정의하는 신호들을 출력하도록 구성되고, 제 2 센서는 적어도 하나의 작동 부재에서 인장력을 나타내는 신호들을 출력하도록 구성된다. 제어기는 센서들로부터 출력 신호들을 수신하고, 걸음걸이 사이클의 제 1 부분 동안, 조인트 주위의 유리한 모멘트를 생성하고 엑추에이터를 자동으로 작동하기 위해 작동 부재를 통해 미리 결정된 임계치 인장력보다 더 큰 힘을 앵커 요소 부착 지점에 인가하도록 엑추에이터를 작동한다.

Description

인간 모션과의 보조를 위한 소프트 엑소슈트{SOFT EXOSUIT FOR ASSISTANCE WITH HUMAN MOTION}
본 출원은 2013년 5월 31일자로 출원된 "보조 모션을 위한 방법 및 시스템(Method and System for Assisted Motion)"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 61/829,686; 2013년 9월 4일자로 출원된 "인간 모션의 보조를 위한 소프트 엑소슈트(Soft Exosuit for Assistance with Human Motion)"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 61/873,433; 2013년 9월 17일자로 출원된 "인간 모션의 보조를 위한 소프트 엑소슈트"라는 명칭의 PCT 특허 출원 제 PCT/US13/60225; 2014년 2월 5일자로 출원된 "발달-지체된 유아들 응용에서의 걸음마를 보조하기 위한 다중-로봇 사이버 물리 시스템(Multi-robot Cyberphysical System for Assisting Walking in Developmentally-Delayed Toddlers Application)"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 61/936162; 2013년 12월 9일자로 출원된 "소프트한 착용가능 엑소슈트들, 보조 디바이스들 및 관련 시스템들(Soft, Wearable Exosuits, Assistive Devices and Related Systems)"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 61/913863; 2014년 1월 16일자로 출원된 "소프트한 착용가능 엑소슈트들, 보조 디바이스들 및 관련 시스템들"이라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 61/928281; 2014년 4월 10일자로 출원된 "무릎 엑소스켈레톤 및 다운힐 보행 디바이스(Knee Exoskeleton and Downhill Walking Device)"라는 명칭의 미국 가특허 출원 제 61/977,880; 2014년 4월 17일자로 출원된 "하체를 보조하기 위한 소프트 엑소슈트(Soft Exosuit for Assisting the Lower Body)"라는 명칭의 US 61/980,961을 우선권으로 주장하고, 그 전체를 인용에 의해 포함하고, 이전 출원들 각각은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 개시의 몇몇 양상들은 미육군에 의해 지급된 인가 번호 W911QX-12-C-0084 하에서 정부 원조물에 대해 이루어졌고, 정부는 본 개시의 그러한 양상들에 대한 권리들을 공유한다.
이러한 본 개시의 몇몇 양상들은 미국립 과학 재단에 의해 지급된 NSF 인가 번호 CNS-0932015 하에서 정부 원조물에 대해 이루어졌고, 정부는 본 개시의 그러한 양상들에 대한 권리들을 공유한다.
본 개념들은 일반적으로 인간들에서의 보조 모션을 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것으로, 더 구체적으로, 모션에 대한 보조를 제공하고, 보조 에너지를 하나 이상의 움직임들에 수동적으로 및/또는 능동적으로 추가함으로써 모션(예를 들어, 도보) 동안 에너지 소비를 감소시키기 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.
보조 모션을 위한 종래 기술의 시스템들은 엑소스켈레톤들을 이용하고, 엑소스켈레톤들은 인접한 조인트(들)에 대한 자연 회전축과 이상적으로 동일 직선상의 회전축을 갖도록 배치되는 엑소스켈레톤 조인트(들)를 가지고 사용자의 신체에 부착된 경직(rigid) 구성요소들{예를 들어, 링크부들(linkages)} 및 조인트들(예를 들어, 핀 조인트)을 포함한다. 예시적인 종래 기술의 엑소스켈레톤들은 Herr 등의 공개된 미국 특허 출원 제 2007/0123997 및 2011/0040216에 도시되어 있고, 양쪽 특허 모두는 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함된다. 그러한 경직 엑소스켈레톤들은, 손실되었거나 심각하게 절충되었고 이에 따라 사용자의 안정성, 균형 및 안전을 개선하도록 설계되는 인간 움직임들을 대체할 수 있는 능력을 제공한다. 다른 경직 엑소스켈레톤들은 물리 치료 클리닉에서와 같이 임상적 환경에서 물리 치료 기간들을 제공하기 위한 플랫폼으로서 작용하거나, 작업들을 더 용이하게 또는 더 긴 지속기간(duration) 동안 수행하기 위해 신체가 건강한 사용자들을 보조하도록 작용한다.
하지만, 이들 경직 엑소스켈레톤들은 패드들, 스트랩들, 또는 다른 인터페이스 기술들을 통해 선택 장소들에서 신체에 결합된 링크부들의 경직 프레임워크들에 의존한다. 사용자가 자신의 사지를 구부리거나 펼칠 때, 이들 경직 링크들은 사지에 평행하게 이동하여, 이동에 상당한 관성을 추가하고, 이것은 모터들에 의해 또는 사용자에 의해 극복되어야 한다. 이들 디바이스들의 중량 및 프로필(profile)을 감소시키기 위해 커다란 노력이 이루어졌지만, 이것은 여전히 사용자의 모션에 상당한 제약을 야기하고, 특히 상당한 임피던스를 걸음걸이의 자연 역학 및 동역학에 추가한다. 보행의 정상적인 동역학에 대한 이러한 변화는, 이들 엑소스켈레톤 시스템들이 운동(locomotion)에 요구된 신진 대사력(metabolic power)을 감소시키지 않는 하나의 이유이다. 경직 링크들은 또한 특히, 극단적인 모션에서(extremes of motion) 어려움을 야기하는데, 이는 엑소스켈레톤의 핀-조인트들이 인간 조인트들의 축들에 정확히 매칭하지 않고 이것이 복잡한 3차원 경로들을 통해 이동하기 때문이다. 이것은 정상적인 움직임 동안 최대 10cm의 오정렬을 야기하여, 사용자에 대한 통증 및 심지어 부상을 야기한다. 한 가지 해결책은, 엑소스켈레톤이 착용자 모션을 위한 핵심 에어리어들(areas)에서 진행(travel)하고 변형하도록 하기 위해 과다한 수동 자유도들을 포함하는 것이었지만, 이것은 시스템들에 추가 중량을 추가한다.
본 개념들은 사용자의 움직임들을 보조하도록 구성된 방법들, 시스템들, 및 디바이스들에 관한 것으로, 더 구체적으로 소프트 엑소슈트에 관련된 방법들, 시스템들 및 디바이스들에 관한 것이며, 이러한 소프트 엑소슈트는 복수의 앵커(anchor) 지점들 또는 앵커 에어리어들(예를 들어, 장골능, 어깨, 허벅지, 발목, 종아리, 등) 사이에 배치된 복수의 비-확장(non-extensible) 또는 반-확장(semi-extensible) 요소들과, 특정 사지들 또는 신체 부분들로의 전달된 힘들이 특정 사지들 또는 신체 부분들의 움직임에 유리한 시간에 선택된 유연한 부재들에서 장력을 선택적으로 생성하도록 적응된 하나 이상의 엑추에이터들(actuators)을 포함한다.
본 명세서에 기재된 소프트 엑소슈트는 일반적으로 사지의 부분(예를 들어, 발) 또는 적어도 하나의 사지(예를 들어, 다리)에 보조 힘들(assistive forces)을 제공하기 위해 유연한 연결 요소들을 이용하는 착용가능 디바이스를 언급하고 이러한 착용가능 디바이스를 포함한다. 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트는 하나 이상의 사지들의 복수의 부분들(예를 들어, 두 발) 또는 복수의 사지들(예를 들어, 2개의 다리)에 보조력들을 제공하기 위해 유연한 연결 요소들을 이용한다. 적어도 몇몇 양상들에서, 사지들이 상이한 시간에 상이한 방향들로 이동하는 모션들(예를 들어, 도보)을 용이하게 하기 위해 반대쪽의 다리들 또는 반대쪽의 팔들에서 하나 이상의 조인트들을 작동시키는 것과 별개로, 본 개념들은 또한 한 번에 2개 이상의 사지를 작동시키는 것을 포함하고, 예를 들어, 잠재적으로 공동 상승적인(synergetic) 움직임들을 이용하기 위해 다리들을 서로 결합시키는 것, 다리 및 팔 움직임(동일한 측 또는 반대 측)의 결합, 팔 움직임의 결합, 또는 다른 신체 움직임들의 결합을 포함한다.
종래 기술의 경직 엑소스켈레톤들에 비해, 소프트 엑소슈트는 더 가볍고, 착용하기에 더 편안하고, 조인트(들) 모션(들)의 더 완벽하고 더 자연스러운 범위를 허용하면서, 여전히 유리하게 모션을 보조하기 위해 힘들 또는 토크들을 전달할 수 있다. 본 개념들에 따라, 유연한 연결 요소들은 선택적으로 경직 또는 반-경직 연결 요소들과 조합하여 사용될 수 있고, 모든 연결 요소들이 유연할 필요는 없다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 모션 제어 시스템은 적어도 하나의 작동(actuation) 부재를 포함하는 적어도 하나의 엑추에이터를 포함하고, 적어도 하나의 작동 부재는 조인트의 제 1 측부 상의 적어도 하나의 엑추에이터에 부착된 근접 단부와, 조인트의 제 2 측부 상의 앵커 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖는다. 조인트의 제 1 측부 상의 엑추에이터(들)에 부착된 근접 단부, 및 조인트의 제 2 측부 상의 앵커 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖는 작동 부재(들)에 관해, 엑추에이터(들)에 대한 근접 단부 부착부(들)는 자체적으로 조인트에 인접하거나 근접할 수 있거나, 조인트로부터 멀리 배치될 수 있다(예를 들어, 백팩에서, 하나 이상의 추가 조인트들에 의해 조인트로부터 제거됨, 등). 추가로, 작동 부재 자체는 다중 조인트들에 걸쳐 있는 다중-조인트 케이블을 포함할 수 있다. 모션 제어 시스템은 또한 걸음걸이 사이클(gait cycle)을 정의하는 신호들을 출력하도록 구성된 제 1 센서와, 적어도 하나의 작동 부재에서 인장력(tensile force)을 나타내는 신호들을 출력하도록 구성된 제 2 센서를 포함한다. 모션 제어 시스템은 또한 제 1 센서 및 제 2 센서로부터 출력된 신호들을 수신하고, 이에 응답하여, 조인트 주위에 유리한 모멘트를 생성하기 위해 적어도 하나의 작동 부재를 통해 미리 결정된 임계치 인장력보다 더 큰 힘을 앵커 요소 부착 지점에 인가하기 위해 걸음걸이 사이클의 제 1 부분 동안 적어도 하나의 엑추에이터를 자동으로 작동시키고, 조인트 주위에 유해한 모멘트를 생성하는 것을 피하기 위해 앵커 요소 부착 지점에서의 인장력을 미리 결정된 임계치 인장력에 있거나 그보다 낮은 레벨로 감소시키기 위해 걸음걸이 사이클의 적어도 제 2 부분 동안 적어도 하나의 엑추에이터를 자동으로 작동시키도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함한다.
위의 모션 제어 시스템에 대해 언급된 조인트가 본 명세서에 기재된 소프트 엑소슈트 실시예들에 따라 생물학적 조인트(예를 들어, 인간 조인트, 동물 조인트)에 속하지만, 제어 시스템은 비-생물학적 조인트(예를 들어, 엑소스켈레톤 조인트, 로봇 조인트, 보철에서의 조인트, 등)에 동일하게 적용된다. 유리한 모멘트들을 보철에서의 조인트에 부과하기 위한 제어 시스템의 응용에 관해, 보철은 더 자연스럽고 부드러운 모션을 제공하도록 유리하게 적응가능하고, 이것은 균형 및 걸음걸이를 추가로 보조할 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 다른 양상들에서, 모션 제어 시스템은 적어도 하나의 작동 부재를 포함하는 적어도 하나의 엑추에이터를 포함하고, 적어도 하나의 작동 부재는 조인트의 제 1 측부 상의 적어도 하나의 엑추에이터에 부착된 근접 단부와, 조인트의 제 2 측부 상에 배치된 앵커 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖는다. 모션 제어 시스템은 또한, 적어도 하나의 작동 부재에서 장력을 측정하고 측정된 장력에 관련된 신호들을 출력하도록 구성된 제 1 센서와, 발꿈치 충돌(heel strike)을 검출하도록 구성된 제 2 센서, 및 평균 걸음걸이 백분율 데이터 및 평균 스텝(step) 시간을 저장하도록 구성된 메모리 디바이스를 포함한다. 모션 제어 시스템은 또한 제 1 및 제 2 센서들에 의해 출력된 신호들을 모니터링하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함하고, 발꿈치 충돌의 검출에 후속하여, 적어도 하나의 작동 부재에서의 측정된 장력이 임계 레벨로 상승하기를 기다리고, 이들 이벤트들의 양쪽 모두에 후속하여, 적어도 하나의 제어기는 수학식
걸음걸이 백분율 =
Figure pct00001
을 이용하여 스텝 내에서 걸음걸이 백분율을 계산하고, 걸음걸이 백분율에 기초하여 적어도 하나의 작동 부재를 통해 위치 보조 힘 프로필을 앵커 요소 부착 지점에 출력하기 위해 적어도 하나의 엑추에이터를 트리거링(triggers)하고, 위치 보조 힘 프로필의 적용은 조인트 주위에 유리한 모멘트를 생성한다. 이러한 모션 제어 시스템에서, 적어도 하나의 제어기는 새로운 평균 걸음걸이 백분율을 계산하고, 발꿈치 충돌 및 평균 스텝 시간을 이용하여 메모리 디바이스에 저장된 평균 걸음걸이 백분율을 업데이트하고, 스텝에 대한 피크 힘 및 약 36%의 평균 걸음걸이 백분율에서 적어도 하나의 작동 부재에서의 측정된 장력을 모니터링하고, 후속 엑추에이터 출력에 적응하기 위해 정정 보조 위치 프로필을 개시하도록 추가로 구성된다.
적어도 몇몇 양상들에서, 로봇 또는 착용가능 로봇 시스템에 적용가능한 로봇 시스템에서의 모션을 제어하는 방법은 제어기를 이용하는 작용, 착용가능 로봇 시스템의 제 1 센서를 이용하여 발꿈치 충돌을 검출하는 작용, 발꿈치 충돌의 검출에 응답하여, 제 2 센서에서의 수동으로 생성된 힘이 미리 결정된 임계치 레벨로 상승할 때를 결정하기 위해 착용가능 로봇 시스템의 제 2 센서를 모니터링하기 시작하기 위해 제어기를 이용하는 작용을 포함한다. 방법은 또한 다음의 관계식에 따라 걸음걸이 백분율을 계산하기 위해 제어기를 이용하는 것과,
걸음걸이 백분율 =
Figure pct00002
발꿈치 충돌의 검출, 제 2 센서에서의 수동으로 생성된 힘의 미리 결정된 임계치 레벨로의 상승, 및 36%의 계산된 걸음걸이 백분율에 응답하여, 계산된 걸음걸이 백분율에 기초하여 위치 보조 프로필을 조인트에 전달하기 위해 적어도 하나의 엑추에이터를 트리거링하기 위해 제어기를 이용하는 것을 포함한다.
적어도 몇몇 양상들에서, 모션 제어 시스템은 하나 이상의 엑추에이터들로부터 선택된 유연한 연결 요소들로의 힘들의 인가를 안내하기 위해 하나 이상의 파라미터들{예를 들어, 착용가능 로봇의 결과적인 강성도(stiffness), 조인트 각도들, 발꿈치 충돌들, 등}, 및 바람직하게 복수의 파라미터들을 모니터링하도록 구성된다. 인가된 힘들은 적절한 경우 보조될 움직임, 요구된 힘의 레벨, 편안함 및/또는 성능에 간헐적으로 인가될 수 있다.
적어도 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트의 강성도, 및 이에 따라 소프트 엑소슈트가 결과적인 장력 변화들을 발생시킬 수 있는 능력은 사용자의 해부학에 대한 소프트 엑소슈트의 적응도{예를 들어, 조인트들에 관한 노드들의 위치 지정(placement), 등}, 소프트 엑소슈트 재료(들), 소프트 엑소슈트 요소 구성 강성도{예를 들어, 노드들 및 앵커 지점들의 배치(displacement)}, 및 사용자의 신체 강성도(예를 들어, 사용자의 신체 강성도는 완화되는 것이 아니라, 사용자의 근육이 장력을 받는 경우 더 높다)와 같지만, 여기에 한정되지 않는 많은 상이한 요인들에 의해 영향을 받는 변수이다. 예로서, 소프트 엑소슈트의 강성도는 조인트 양단의 비-확장 또는 반-확장 요소(들)의 이용을 통해 선택적으로 개선될 수 있다. 추가 예로서, 적어도 하나의 양상에서, 조인트 양단의 비-확장 또는 반-확장 요소(들)의 이용을 통한 강성도의 그러한 개선은 조인트의 양쪽 측부들이 아니라 조인트의 하나의 측부 상에서만 우선적으로 존재하여, 조인트가 최대 굴곡 또는 확장성의 지점에 있을 때, 그 결과, 소프트 엑소슈트는 신체의 구성의 결과로서 더 장력을 받게 되지만, 조인트가 최대 굴곡 또는 확장의 위치에 있지 않을 때 다른 구성들 동안 느슨하게 된다. 또 다른 양상들에서, 소프트 엑소슈트는 이들 조인트들의 조합된 모션으로 인해 다중 조인트들 양단에서 장력을 생성하도록 구성된 다중-관절 시스템을 이용하여 장력을 받는다. 소프트 엑소슈트 예비-장력은 전체 시스템에서 결과적인 장력을 증가시키는데 사용될 수 있고, 예를 들어, 노드들 및/또는 앵커 지점들 사이(예를 들어, 엉덩이/지상 및 넓적 다지 원뿔형 섹션 사이)에서 쇼프트 엑소슈트 연결 요소들에 장력을 인가함으로써(예를 들어, 사용 이전 및/또는 사용 동안의 길이를 수동으로 또는 능동으로 변화시킴으로써), 또는 노드들 및/또는 앵커 지점들 사이의 연결 요소들의 전체 길이를 감소시킴으로써 달성될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라, 엑추에이터(들)는 위치 또는 힘 프로필을 제공할 수 있으며, 이러한 위치 또는 힘 프로필은 작동(들) 시간에 소프트 엑소슈트 및 신체 위치와 연계하여, 선택된 조인트 또는 조인트들 주위의 원하는 장력, 강성도 및 모멘트를 제공한다. 제어 시스템은 노드들 및 연결 부재들과 같이 소프트 엑소슈트의 구성 부분들에 선택적으로 장력을 인가하기 위해 엑추에이터(들)를 이용하도록 구성된다. 하나의 양상에서, 이러한 장력 인가는 하나 이상의 조인트들 양단의 시스템의 장력을 동적으로 및 일정하게 변화시키는데 사용된다. 하나의 양상에서, 이러한 장력 인가는 걸음걸이(예를 들어, 도보 또는 달리는 동안) 또는 스탠스(stance)(예를 들어, 서 있음)에서의 특정한 모멘트 및/또는 특정한 지점에서 가장 효율적인 엑소슈트 강성도를 식별하기 위해 엑추에이터 유닛(들)의 힘 및 변위를 측정함으로써 소프트 엑소슈트 성능, 편안함 및 피트(fit)를 조정하도록 인가될 수 있다(예를 들어, 자동 장력 기능).
일반적으로, 개시된 소프트 엑소슈트는 사용자의 모션에 보조를 제공하도록 구성된다. 이러한 모션-기반의 보조는 본 명세서에 기재된 실시예들에서 현저하게 특징을 이루는 것으로, 도보 또는 달리기에 한정되지 않는다. 오히려, 본 명세서에 개시된 모션-기반의 보조는 임의의 움직임-기반의 보조에 관한 것으로, 이러한 임의의 움직임-기반의 보조는 예를 들어, 하나의 사지(예를 들어, 몸통에 관한 하나의 팔, 엉덩이에 관한 하나의 다리, 또는 대응하는 다리에 관한 하나의 발), 복수의 사지들(예를 들어, 몸통에 관한 2개의 팔들, 엉덩이에 관한 2개의 다리들, 몸통에 관한 하나의 팔 및 엉덩이에 관한 하나의 다리, 등), 머리 및/또는 몸통의 움직임을 포함하는 다른 신체 부분에 관한 임의의 하나 이상의 신체 부분들의 모션과의 보조를 포함할 수 있다. 예로서, 소프트 엑소슈트의 상부-신체 실시예는 운동을 보조하기 위해 휠체어에 구속된 개인에 의해 유리하게 이용될 수 있다.
하나의 구현에서, 소프트 엑소슈트는 부하가 있거나 부하 없이 도보하는 사람의 모션을 보조하는데 사용될 수 있고, 그러한 보조는 사용자에 의해 에너지의 신진 대사 소비에서의 유리한 감소를 제공하고, 조인트들(예를 들어, 인대들, 근육들 및 힘줄들) 양단의 소프트 조직 상의 부하를 감소시켜, 또한 기존의 부상들 또는 이전에 존재하는 상태들의 부상 및/또는 악화 위험을 감소시킨다. 이것은 부하를 가지고 도보하는 군인에게 특히 유리할 수 있다. 또 다른 구현들에서, 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트는 이동성(mobility)을 증가시키고 및/또는 피로(예를 들어, 도보, 상부 신체 이동도, 회전 움직임들, 선회 움직임들 등)를 감소시키기 위해 부상 입고, 불구가 되고, 나이가 많은 사람에 의해 사용될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트는 수동이고, 엑추에이터의 이용 없이 하나 이상의 조인트들(예를 들어, 엉덩이 등) 주위에 힘들을 생성하도록 구성된다. 그러한 수동 소프트 엑소슈트에서, 소프트 엑소슈트는 상부 앵커 요소 및 복수의 하부 앵커 요소들과, 상부 앵커 요소와 복수의 하부 앵커 요소들 사이에 배치되고 힘을 전달하는 경로들을 따라 배치되는 복수의 적어도 실질적으로 확장불가능한 연결 요소들을 포함하고, 연결 요소들은 허벅지들을 중립 위치쪽으로 편향시키기 위해 엉덩이에 회복 토크(restorative torque)를 제공하도로 구성된다. 슈트는 신체에 의해 요구된 확장 토크들을 감소시키기 위해 근육들과 평행하게 작용한다.
모션-기반의 보조 외에도, 소프트 엑소슈트는 보조(예를 들어, 근육들을 강화시키기 위해, 부적절한 움직임을 위한 부정적인 피드백을 제공하기 위해, 등) 대신에 저항성을 제공함으로써 또는 트레이닝(예를 들어, 골프-스윙 트레이닝, 테니스 트레이닝 등)을 보조하기 위해 필요시 정정 보조를 제공함으로써 모션 평가, 재활 또는 걸음걸이 보조 활동들, 및 움직임 트레이닝을 위해 추가로 이용될 수 있다.
또한 추가로, 소프트 엑소슈트는 모션-기반의 보조가 바람직한 활동들에 참여하는 건강한 사람에 의해 사용될 수 있으며, 이러한 활동들은 개인 활동들{예를 들어, 하이킹, 클라이밍, 오토바이 또는 자전거 타기(biking), 도보, 카약 타기(kayaking), 카누 타기(canoeing), 스키 타기(skiing) 등} 또는 작업 활동들{예를 들어, 건설 작업, 폐기물 수집, 화물 취급, 잔디밭 관리, 최초 대처자들(first responders) 등}을 포함한다. 더욱이, 활동에 따라, 엑추에이터들 및/또는 전원의 중량 및 위치 지정과, 전원의 유형은 또한 변하는 설계 외피(envelope)에 따라 변할 수 있다.
소프트 엑소슈트의 이들 및 다른 능력들은 아래에 더 완전히 설명된다.
도 1은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트의 w p2 예의 전면도를 도시한 도면.
도 2a 내지 도 2b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트의 측면도를 도시한 도면과, 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따른 소프트 엑소슈트의 사시도를 도시한 도면을 각각 도시한 도면.
도 3은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라, 소프트 엑소슈트의 주요 구성요소들을 도시한 소프트 엑소슈트(V5)의 측면도.
도 4는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따른 소프트 엑소슈트(V5)에 대한 평평한 패턴 레이아웃의 예를 도시한 도면.
도 5는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 허리 벨트를 도시한 도면.
도 6a 내지 도 6b는 본 개념들의 적어도 몇몇 개념들에 따른 소프트 엑소슈트(V5)의 전면도 및 후면도를 도시한 도면으로서, 소프트 엑소슈트(V5)의 상부 부분은 도 5에 도시되는, 도면.
도 7은 본 발명에 따른 소프트 엑소슈트(V5)를 도시한 도면으로서, 그 힘은 개별 요소들을 통해 전달되는, 도면.
도 8은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트를 위한 작동 시스템의 일실시예의 예를 도시한 블록도.
도 9는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트에서 걸음걸이 사이클의 부분 동안 소프트 엑소슈트의 제어된 작동을 도시한 도면.
도 10은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트에서의 걸음걸이 사이클을 통해 모터에 입력된 전력의 근사치를 도시한 도면.
도 11은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트에서의 시간의 함수로서 케이블 변위들의 플롯의 예를 도시한 도면.
도 12는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트를 위한 제어 계획(scheme)의 양상들을 도시한 도면.
도 13은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트를 위한 제어 계획의 양상들을 도시한 도면.
도 14는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트의 양상들을 도시한 도면.
도 15a 내지 도 15b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따른 소프트 엑소슈트의 양상들을 도시한 도면.
도 16은 레벨 도보 동안 엉덩이 조인트 토크에 대한 걸음 걸이 사이클 백분율을 도시한 도면.
도 17은 지상 레벨의 도보 동안 프로필, 모터 위치 및 푸트 스위치 신호를 도시한 도면.
도 18은 걸음걸이 사이클 동안 소프트 엑소슈트의 작동 타이밍과, 케이블 위치에 관한 대응하는 슈트 힘을 도시한 그래프.
도 19는 걸음걸이 사이클 동안 소프트 엑소슈트의 작동 타이밍과, 케이블 위치에 관한 대응하는 슈트 힘을 도시한 다른 그래프.
도 20a 내지 도 20b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따른 소프트 엑소슈트의 신발류(footwear)에 부착된 자이로의 예와, 착용자의 걸음걸이 사이클의 백분율에 관한 자이로에 의해 획득된 속도 데이터의 그래프를 각각 도시한 도면.
도 21a 내지 도 21b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트의 상이한 구성요소들에 대한 전력 계산들을 도시한 도면.
도 22a는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 제어 시스템에 대한 걸음걸이(%)의 함수로서 힘(N) 및 위치(mm)의 플롯들을 도시한 도면으로서, 이것이 보조 궤적 생성기, 위치 제어, 및 인간 슈트-힘 모니터링과 조합하여 걸음걸이 타이밍을 이용하는 도 22b에 도시된, 도면.
도 23a는 소프트 엑소슈트 150N의 원하는 피크 힘을 가지고 평균 발목 작동 프로필에 대해 하나의 표준 편차 내에서 걸음걸이(%)의 함수로서 힘(N)을 도시한 도면.
도 23b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 하나의 표준 편차 내에서 걸음걸이(%)의 함수로서 정규화된 평균 발목 전력(와트)을 도시한 도면.
도 24a 내지 도 24b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 스텝 지연이 없는 걸음걸이에 동기화된 보조를 전달하는 소프트 엑소슈트 제어 시스템을 도시한 도면.
도 25는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트를 위한 다중-층 제어 아키텍처를 도시한 도면.
도 26a 내지 도 26b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상에 따라, 발목-기반의 소프트 엑소슈트 및 엉덩이-기반의 소프트 엑소슈트에 대한 힘-변위 관계들을 각각 도시한 도면.
도 27a 내지 도 27b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 걸음걸이 백분율의 함수로서 실시간 전력 흐름의 플롯들을 도시한 도면.
도 28a 내지 도 28b는 걸음걸이 이벤트들을 검출하기 위해 하나 이상의 자이로스코프들을 이용하는 소프트 엑소슈트를 위한 방법 및 제어 아키텍처를 도시한 도면으로서, 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 걸음걸이 백분율의 함수로서 상이한 도보 속도들에서 정규화된 평균 자이로 전압 신호들의 플롯들을 포함하는, 도면.
도 29a 내지 도 29b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트를 위한 방법 및 제어 아키텍처를 도시한 도면으로서, 정상 다리로부터의 센서 데이터가 손상된 다리에 제공된 보조를 위한 제어 입력으로서 사용되는, 도면.
도 30은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트 제어 시스템을 위한 그래픽 사용자 인터페이스를 도시한 도면.
도 31a 내지 도 31b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트를 위한 동작 개념들을 도시한 도면.
도 32a 내지 도 32b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트를 위한 추가 동작 ??념들을 도시한 도면.
도 33은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 반복가능한 힘-변위 특징을 제공하기 위해 고정된 포즈로 인간-소프트 엑소슈트 강성도를 결정하기 위한 제어 계획을 도시한 도면.
도 34a 내지 도 34b는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라, 도보 사이클 동안 엑추에이터들의 위치 및 엉덩이 모멘트를 도시한 플롯들을 도시한 도면.
본 발명이 다양한 변형들 및 대안적인 형태들에 용인가능하지만, 특정한 실시예들은 도면들에서 예로서 도시되었고, 본 명세서에서 구체적으로 기재될 것이다. 하지만, 본 발명이 개시된 특정한 형태들에 제한되는 것으로 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 제한 없이 본 개시 및 첨부된 청구항들의 사상 및 범주 내에 있는 모든 변형들, 등가물들, 및 대안들을 커버한다.
본 발명은 도보, 달리기, 올라감, 내려감, 등과 같이 자연스러운 모션들을 갖는 능동 보조를 제공하기 위해 엑추에이터 시스템과 조합하여 사용될 수 있는 소프트 엑소슈트 시스템에 관한 것이다.
종래 기술의 단단한 엑소스켈레톤들에 비해, 본 개념들에 따른 소프트 엑소슈트는 엑소스켈레톤 디바이스들과 연관된 인간 요인들 도전들을 특히 다루기 위해 유연한 재료들 및 엑추에이터들을 이용하고, 부하 지지 엑소스켈레톤을 갖는 것이 아니고, 힘 및 부하 전달의 인가를 보조하기 위해 사용자의 생물학적 골격에 의존한다.
소프트 엑소슈트는 경직 구성요소들을 갖는 전형적인 엑소스켈레톤들에 비해 기계적 임피던스 및 운동학적 제약들을 크게 감소시키고, 사용자의 자유도를 상당히 구속하거나 제약하지 않는다. 그러한 시스템을 통해, 운동에 대한 보조를 제공하고 움직임의 상당한 구속 없는 움직임(예를 들어, 도보/부하 운반)의 신진 대사 비용을 감소시키기 위해 사지 위치(들)의 직접적인 제어보다 에너지의 제어된 임펄스들(예를 들어, 걸음걸이 사이클의 핵심 부분들 동안)을 추가하는 것이 가능하다.
도 1은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트(100)의 실시예를 도시한다. 위에서 논의된 바와 같이, 소프트 엑소슈트(100)는 하나 이상의 연결 요소들(예를 들어, 102-105, 107)을 이용하여 하나 이상의 조인트들(예를 들어, 도 1에 도시된 엉덩이 조인트 및 발목 조인트)에 모멘트를 인가하도록 구성된다. 이들 연결 요소들은 조인트 양단에 사전-장력을 받을 수(pre-tensioned) 있어서, 장력은 조인트 상에 보조 모멘트를 부과한다. 적어도 몇몇 실시예들에 따라, 사용자는 소프트 엑소슈트에서 사전-장력을 선택적으로 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 사용자-선택적인 사전-장력 변형의 이러한 특징은 채널을 따라 장력을 조정하도록(예를 들어, 하나 이상의 연결 요소들의 기능적 길이를 조정함으로써) 구성된 기계적 또는 전자-기계 장력 인가 디바이스에 의해 제어된 하나 이상의 독립적인 채널들(예를 들어, 좌측/우측 및/또는 전면/후면을 위한 전체 슈트 및/꼬는 독립적인 제어부들)을 포함할 수 있다. 사전-장력 인가는 또한 선택적으로 사용자-입력부들이 수용가능한 사전-장력 편안함에 관해 제어기에 피드백을 제공하면서, 또는 제공하지 않으면서, 소프트 엑소슈트 제어기에 의해 조정 및/또는 최적화될 수 있다. 또 다른 양상들에서, 사용자는 하나 이상의 연결 요소들 또는 앵커 요소들의 길이들을 조정함으로써{예를 들어, 버클을 통한 웨빙(webbing)을 루핑(looping)하고 부착을 위한 벨크로 영역을 이용함으로써} 하나 이상의 연결 요소들 또는 앵커 요소들에서 장력을 유리하게 조정할 수 있다.
도 1은 소프트 엑소슈트(100)를 도시하고, 엑소슈트(100)는 허리 벨트(110), 노드(115), 허벅지 브레이스(brace)(120), 및 허리 벨트와 허벅지 브레이스를 연결하는 연결 요소들(102, 103)을 포함한다. 허리 벨트(110)는 허리를 둘러싸고, 지지 부재로서 장골능과 맞물린다. 하나 이상의 추가 지지 요소들{예를 들어, 어깨 스트랩들(미도시)}은 또한 허리 벨트(110) 외에도, 또는 이에 대안적으로 이용될 수 있다. 허리 벨트(110)가 허리의 좁은 부분에서 신체에 타이트하게 맞도록 함으로써, 자연스러운 신체 특징부들은 허리 벨트를 적소에 유지시키는데 도움을 준다. 허벅지 브레이스(120)는 엉덩이 조인트 위에서 허벅지를 따라 연결 요소들(102, 103)을 안내하고 정렬하기 위해 허벅지 상의 지지 지점 또는 노드를 제공하고, 허벅지의 좁아진(tapered) 형태로 인해, 허벅지는 허벅지 브레이스에 인가된 상향 장력에 저항하는 지지 지점으로서 사용될 수 있다. 허리 벨트(110)와 허벅지 브레이스(120) 사이의 장력 인가는 허리 벨트(110) 단독으로 달성된 것보다 더 높은 초기 장력의 생성을 가능하게 한다.
예로서, 연결 요소들(102, 103)은, 도보 동안, 연결 요소들(102, 103)에서의 장력이 엉덩이가 확장되는 시간에 엉덩이 조인트의 굴곡을 촉진시키는 모멘트를 인가하도록 장력을 받을 수 있다. 밀어 냄(pushoff)(30-50%) 바로 전의 걸음걸이 사이클의 부분 동안, 엉덩이는 전력을 흡수한다. 소프트 엑소슈트는 엉덩이 확장에 저항함으로써 이러한 시간 동안 에너지의 흡수에 도움을 줄 수 있다. 바로 직후에, 걸음걸이 사이클의 50 내지 70%로부터, 엉덩이는 양의 전력을 제공한다. 소프트 엑소슈트는 엉덩이에 상보 모멘트(complementary moment)를 인가함으로써 또한 이러한 전력 생성에 도움을 줄 수 있다. 추가로, 연결 요소들(102, 103)은, 무릎 주위에서 아래로 확장하고 종아리 아래의 다리의 후면에서 만나는 종아리 연결 요소들(107)에 {예를 들어, 허벅지 브레이스(120)를 통해 직접적으로 또는 간접적으로} 연결될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 종아리 연결 요소들(107)은 발(예를 들어, 상향 장력에 저항하는 앵커 지점)과 직접적으로{예를 들어, 사용자의 신발류의 내부 표면들과 양말 또는 라이너(liner) 사이에서, 사용자의 신발류 내부에} 또는 간접적으로(신발류를 통해) 맞물리는 발꿈치 부착부 또는 앵커 요소에 연결된다. 연결 요소(107)는 또한 신발류(예를 들어, 부츠)의 외부 상에 위치된 지점에 부착될 수 있거나, 또는 대안적으로 직접적으로 또는 간접적으로(예를 들어, 중간 앵커 요소를 통해) 부착될 수 있다. 따라서, 본 개념들의 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트는, 내부(하부) 앵커 지점들이 사용자의 발(또는 발들) 또는 사용자의 신발류와 맞물리는 앵커 부재들을 포함하는 사용자의 발(또는 발들)에서 종료한다.
사용자의 발 또는 발들에 또는 그 근처에서 소프트 엑소슈트를 앵커링(anchoring)하는 상기 구성들 각각에서, 연결 요소들은 소프트 엑소슈트의 강성도를 촉진시킬 뿐 아니라 발바닥 굴곡을 위해 필요한 모멘트들을 생성하기 위해 발꿈치에서 효율적으로 힘들을 인가하도록(또는 케이스마다 변할 수 있는 발바닥 굴곡을 보조하기 위해) 고정되고 장력을 받을 수 있다.
연결 요소들(107)로부터의 힘들이 사용자의 발 또는 신발류에 인가되는 실시예에서, 힘은 예를 들어, 발꿈치를 둘러싸는 직물을 통해, 사용자의 발 아래에 고정되거나 사용자의 발에 고정된 깔창 삽입부(insole insert)를 통해, 또는 양말-형 웨빙 구조를 통해 종골(발꿈치)에 인가될 수 있다. 힘들은 배 굴곡(dorsiflexion)을 보조하기 위해 발꿈치 자체(또는 신발류의 발꿈치 부분)에 인가될 수 있거나, 발바닥 굴곡을 보조하기 위해 그 위에 하향력(downward force)을 인가하기 위해 연결 요소들, 직물, 웨빙, 등(예를 들어, 응용에 적절한 와이어들, 케이블들, 기어들, 기어 트레인들, 레버들 등)을 통해 발꿈치로부터 발의 상위 표면들(또는 신발류의 상위 부분들)로 다시 향할 수 있다.
깔창 삽입부는 예를 들어, 발꿈치 연결 요소를 통해 경직 또는 반-경직 요소의 후방에 힘이 인가되도록 하는 경직 또는 반-경직 요소를 포함할 수 있다. 연결 요소들(102 내지 105)로부터의 장력은 이 후 깔창 삽입부(또는 대안적으로 신발류의 발꿈치 또는 후면 부분에, 또는 발 위에 배치된 양말-형 구조 또는 웨빙 구조의 발꿈치 또는 후면 부분에) 부착된 발꿈치 연결 요소로의 종아리 연결 요소들(107)에 인가될 수 있다. 발꿈치 연결 요소는 발의 바닥을 따라 발꿈치 아래로 확장할 수 있고, 발의 상위 표면들을 둘러싸는 하나 이상의 연결 요소(들)에 결합할 수 있어서, 발꿈치 연결 요소에 인가된 장력은 발목 조인트의 발바닥 굴곡(예를 들어, 발을 밀어내는 모션)을 야기한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트는 특정 생체 역학적 활동(예를 들어, 도보 등)을 위해 구성되고, 설계되고 최적화된다. 신체가 도보와 같이 정상적인 보조받지 않는 모션을 실행할 때, 근육 조직은 신체의 뼈들을 이동시키고 하나의 발로부터 다른 발로 중량을 전달하고 순방향 추진을 위한 및 중력에 저항하는 에너지를 제공하기 위해 신진 대사 에너지를 소비한다. 근육들은 조인트들의 특정 세트에 모멘트들을 인가하여, 이러한 조인트들의 특정 세트가 각 스텝을 취하기 위해 타이밍에 맞는 공동 작용된(coordinated) 방식으로 확장하고 휘어지도록 한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트는 그러한 조인트에 대해 신체적 움직임을 보조하거나 금지시키기 위해 조인트에서 모멘트 또는 토크를 인가하도록 구성될 수 있다. 모멘트가 유리하고 모션을 보조하거나, 해롭고 반발하는 지에 관계없이, 모션은 엑소슈트의 연결 요소들의 구성 및 인가된 모션의 타이밍의 함수일 수 있다. 모션은 일반적으로 조인트 주위의 신체 부분들의 왕복 움직임을 수반하고, 적절한 시간에 특정 방향으로 외부 모멘트의 인가는 모션을 보조하기 위해 근육들에 의해 가해진 힘들을 보완할 수 있다. 조인트가 반대 방향으로 관절식이 되는(articulating) 시간에 인가된 동일한 모멘트는 근육들에 의해 가해진 힘들에 대항할 수 있고, 모션에 대한 저항성을 제공할 수 있다.
소프트 엑소슈트의 연결 부재들은 자연스러운 신체 구조들에 의해 조인트들의 회전 중심으로부터 자연스럽게 오프셋(offset)된다(예를 들어, 더 큰 직경의 다리들은 소프트 엑소슈트를 회전 중심으로부터 더 멀리 변위시킨다). 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 이러한 거리는 스페이서들(spacers){예를 들어, 직물, 폼(foam) 요소들, 패드들 등}과 같은 수동 요소들, 또는 엑추에이터들과 같은 능동 요소들의 이용을 통해 증가될 수 있어서, 착용자의 신체와 소프트 엑소슈트 사이의 거리를 증가시키거나, 그러한 능동 요소들의 경우에 착용자의 신체와 소프트 엑소슈트 사이의 거리를 동적으로 증가시킨다. 더욱이, 조인트들이 서로에 대해 이동할 때, 하나 이상의 소프트 엑소슈트 연결 부재들의 작용 라인은 조인트에 대해 변할 수 있어서, 그러한 연결 부재를 따라 인가될 힘인 모멘트를 변화시킨다. 또한 추가로, 노드들 및/또는 앵커요소들은 소프트 엑소슈트의 동작 동안 이동하도록 될 수 있고, 이것은 인가된 힘들에 반응하여, 또한 하나 이상의 소프트 엑소슈트 연결 부재들의 작용 라인을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 허벅지 브레이스(120)와 신발류 연결 요소(130)(예를 들어, 도 2a를 참조) 사이로 확장하는 연결 부재(107)(예를 들어, 도 1을 참조)는, 다리가 걸음걸이 사이클의 30 내지 70%를 통해 이동할 때 무릎 회전축("A")에 비례하여 위치를 변화시킬 수 있다. 연결 부재(107)의 위치에서의 상대적인 변화는, 소프트 엑소슈트가 움직임의 그러한 단계들 동안 무릎 조인트에 또는 무릎 조인트 양단에 적용될 수 있는 모멘트를 변화시킨다. 따라서, 걸음걸이 사이클의 30 내지 70% 사이의 연결 부재(107)에 인가될 장력이 있는 경우, 연결 부재(107)는 걸음걸이 사이클의 30 내지 40%에서 무릎으로 확장하는 작은 모멘트를 제공하고, 걸음걸이 사이클의 50%에서 무릎에서 모멘트를 거의 제공하지 않고, 걸음걸이 사이클의 60 내지 70%에서 더 큰 모멘트를 제공한다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 종아리 연결 요소들(107)은 서로에 대해 약간 대칭적으로 배치되도록 배치되고, 측면(외부)의 종아리 연결 요소(107)는 무릎 회전축(A) 약간 뒤에 배치되고, 중간의 종아리 연결 요소(107)는 측면(외부)의 종아리 연결 요소의 약간 순방향으로 배치되거나, 무릎 회전축의 약간 순방향으로 배치된다. 이러한 구성은 항상 장력을 무릎 회전축을 통해 정확히 향하게 하는 것을 용이하게 한다. 동적으로, 걸음걸이의 이른 스테이지들에서, 중간 종아리 연결 요소(107)는 무릎 회전축의 약간 전면에 존재하고, 측면의 종아리 연결 요소(107)는 무릎 회전축을 통하거나 무릎 회전축 약간 뒤에 있고, 걸음걸이의 나중의 스테이지들에서, 이것은 무릎 주위의 유효 모멘트 아암(및 모멘트)을 감소시킨다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트(100)는 다중 조인트들 양단으로 확장하도록 구성되면서, 일단부에서의 어깨들 및/또는 엉덩이{예를 들어, 허리 벨트(100) 또는 동등한 허리-위치된 연결 부재를 통해}에, 및 타단부에서의 발꿈치{예를 들어, 신발류 연결 요소(130)를 통해}에 앵커링된다. 신발류 연결 요소(130)는 착용된 신발류의 외부에 부착된 임의의 연결 요소(들)를 포함할 수 있고, 이러한 임의의 연결 요소(들)는 사용자의 발에 부착되고 및/또는 착용된 신발류 내에 배치된다. 이 예에서, 소프트 엑소슈트(100) 구조는 허리 벨트(110)와 허벅지 브레이스(110) 사이의 길이(S1)를 갖는 제 1 연결기 요소(104)를 포함하고, 허벅지 브레이스(110) 자체는 길이(S2)를 갖는다. 길이(S3)를 갖는 제 2 연결기 요소(107)는 허벅지 브레이스(110)의 하부에 부착되고, 측면 장딴지근을 따라 이어지고, 신발류 연결 요소(130)에 연결된다. 제 1 연결기 요소(104)(S1)는 움직임 동안 엉덩이 각도에서의 변화들에 따라 변할 것이다. 허벅지 브레이스(110)의 길이(S2)는 일반적으로 어떠한 조인트도 횡단하지 않는 신체의 세그먼트에 걸쳐 확장할 때 고정된다. 제 2 연결기 요소(107)의 길이(S3)는 무릎과 발목 각도들 사이의 상대적인 변화들에 기초하여 변할 것이다. 전체적으로, 2개의 앵커 지점들(엉덩이와 발꿈치) 사이의 거리는 길이들(S1, S2 및 S3)의 조합이고, 소프트 엑소슈트의 선택적인 장력 인가는 바람직하게 다중 조인트들의 조합된 효과들을 고려한다.
본 발명에 따라, 그러한 설정된 조인트들에 인가된 모멘트들의 타이밍을 이해함으로써, 소프트 엑소슈트는 타이밍에 맞고 공동 작용적인 방식으로 조인트들의 일부 또는 모든 세트에 모멘트들을 인가하여, 자연스러운 근육 움직임들에 의해 생성된 모멘트들을 보완하고 적은 신진 대사 에너지를 소비하거나 신체가 감소된 근육 기능을 갖는 것들에 대한 이동도를 회복시키도록 구성될 수 있다. 이들 모멘트들은 수동 또는 능동 방식으로 생성될 수 있다. 수동 구성에서, 자연스러운 모션은 모션 사이클 동안의 특정한 시간에 특정한 조인트들에서 모멘트들을 생성하기 위해 소프트 엑소슈트의 연결된 요소들과 지지 특징부들 사이에서 소프트 엑소슈트에서의 장력들을 생성할 수 있다. 능동 구성에서, 하지만, 전력 공급된(powered) 하나 이상의 엑추에이터(들)는 모션 사이클 동안의 특정한 시간에 특정한 조인트들에서 모멘트들을 생성하는 소프트 엑소슈트에서 장력들을 생성하도록 이용될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트는 근육 조직에 의해 생성된 힘들을 보완하는 신체 상의 힘들을 능동적으로 및 수동적으로 생성하고, 신체가 적은 일을 할 수 있도록 하고 그러한 모션의 보조되지 않은 실행에 비해 주어진 모션의 신진 대사 비용을 감소시키도록 구성될 수 있다. 이것은 공동 작용된 방식으로 장력을 소프트 엑소슈트에 능동적으로 인가하는 하나 이상의 엑추에이터들과 조합하여 자연스러운 신체 움직임을 이용하여 장력들을 수동으로 생성할 수 있는 소프트 엑소슈트 구성을 이용하여 달성될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트는, 사용자의 근육들이 사용자의 모션들로부터 에너지를 흡수하는 방식과 유사하게 사용자의 모션들로부터 에너지를 흡수하도록 구성된다. 도보 사이클에서 다양한 시간에서, 예를 들어, 중력의 영향 하에 순방향으로 떨어질 때 몸통의 모션을 구속하는 것, 또는 스텐스 준비시 다리를 감속시키는 것과 같이 근육들은 전력을 흡수한다. 이들 및 다른 시간 동안 전력을 흡수하기 위해, 근육들은 편심적으로(eccentrically) 수축할 수 있어서, 힘을 가하는 동안 인가된 외부 힘 하에서 확장한다. 근육들이 이들 상황들{또는 근육들이 등척성으로(isometrically) 수축할 때 전력이 근육들/힘줄들에 의해 흡수되는 상황}에서 인가해야 하는 힘의 양을 감소시키기 위해, 및/또는 소프트 조직 손상 확률을 감소시키기 위해, 소프트 엑소슈트는 다른 경우 잠재적으로 해로운 것으로 또는 최소한으로 유리한 것으로 증명되었을 신체로부터의 흡수 전력에 항상 능동 근육들에 평행한 힘을 인가할 수 있다. 이러한 흡수된 전력은 이 후 에너지 저장 디바이스(예를 들어, 스프링 시스템, 탄성 부재 등)를 통해 수집될 수 있고, 시간적으로 나중의 몇몇 지점에서(예를 들어, 걸음걸이 사이클에서의 후속 지점에서) 신체로 복귀될 수 있다. 예로서, 흡수된 전력은 스프링을 압축함으로써 수집될 수 있고, 이러한 스프링은 이 후 인가된 압축력에서의 감소에 응답하여 팽창할 것이다. 압축된 스프링은 선택적으로, 에너지가 소프트 엑소슈트 시스템으로 복귀되는 시간까지 스프링을 압축된 상태로 유지하기 위해 래치 또는 몇몇 다른 메커니즘을 이용하여 일시적으로 유지되거나 로킹(locked)될 수 있다. 다른 예에서, 흡수된 전력은 흡수된 전력을 전기 에너지로 변환하고 에너지를 배터리에 저장함으로써 수집될 수 있다. 잠재적으로, 에너지는 유압, 공압, 또는 주어진 설계 외피(envelope)에 적절한 화학 에너지 저장부와 같지만, 여기에 한정되지 않는 다른 수단을 통해 저장될 수 있다. 전력 흡수로부터의 에너지 저장은 슈트의 수동 및 능동 모드들 모두에서 발생한다. 수동 모드들에서, 에너지 저장은 수동 메커니즘들(예를 들어, 클러치형 스프링 등)을 이용할 수 있는 한편, 능동 모드에서, 소프트 엑소슈트는 이들 방식들을 이용할 수 있거나, 추가로 저장된 에너지를 생성하기 위해 엑추에이터를 직접 잡아당기는 방식들, 예를 들어 다른 시간에 소프트 엑소슈트를 작동시키는데 사용된 동일한 전기 모터를 역 구동(back-driving)하는 방식을 이용한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 종아리 연결 요소들(107)은 발과 맞물리는 신발류 연결 요소(130) 상에 장력을 인가한다. 무릎 조인트에 대한 종아리 연결 요소들(107)의 위치에 따라, 종아리 연결 요소들(107)에서의 장력은 무릎 조인트 상에 모멘트를 인가할 수 있다. 종아리 연결 요소들(107)을 무릎 조인트의 축의 순방향으로 위치시킴으로써, 종아리 연결 요소들(107)에서의 장력은 무릎 조인트의 확장을 촉진시킬 수 있고, 종아리 연결 요소들(107)을 무릎 조인트의 축 뒤에 위치시킴으로써, 종아리 연결 요소들(107)에서의 장력은 무릎 조인트의 굴곡을 촉진시킬 수 있다. 무릎 조인트의 축을 통해 종아리 연결 요소들(107)을 정렬하는 것은 무릎 조인트 상에서 모멘트(유리하거나 해로운)를 생성하지 않고도 장력을 전달하는데 사용될 수 있다.
[0076] 본 발명의 수동 구성 실시예에 따라, 종아리 연결 요소들(107)은 비탄성 부재(예를 들어, 케이블, 스트랩 등) 또는 탄성 부재에 의해 발꿈치 연결 요소에 연결될 수 있어서, 정상적인 도보 동안, 소프트 엑소슈트에서 생성된 장력들은 자연스러운 근육 움직임들을 보완하기 위해 유리한 모멘트들이 적절한 시간에 다리 조인트들(예를 들어, 엉덩이, 무릎 및/또는 발목)의 하나 이상에 인가되도록 한다. 예를 들어, 정상적인 도보 걸음걸이는 걸음걸이 사이클을 통해 다리를 약 절반(50%)으로 뒤로 확장하게 한다. 그 결과, 장력은 허리 벨트(110)로부터 허벅지의 전면 상의 연결 요소들(102 내지 105) 아래로, 종아리 연결 요소들(107)을 따라, 무릎 주위에서 그리고 다리의 후면 아래로 발꿈치 스트랩쪽으로 확장하는 소프트 엑소슈트에서 생성된다. 장력은 엉덩이 조인트에서의 유리한 모멘트를 생성할 수 있어서, 엉덩이 확장을 보조하도록 하고, 그런 후에 후속하여 이러한 장력으로 인해 저장된 에너지가 잠재적으로 하나 이상의 엑추에이터들로부터 능동 힘에 더하여 배출될 때 다리를 휘고 순방향으로 추진시키도록 보조하도록 한다. 장력은 또한 발목 조인트에서 유리한 모멘트를 생성할 수 있으며, 이러한 발목 조인트에서, 배 굴곡을 보조하고, 후속하여 하나 이상의 엑추에이터들에 의해 인가된 능동 힘에 더하여 발목의 발바닥 굴곡을 보조하여, 발이 순방향으로 밀어 나아가도록 한다.
본 발명의 능동 구성 실시예에 따라, 사용자의 모션은 발의 밀어 나아감 에너지(push-off energy)를 증가시키기 위해 적절한 시간에 발꿈치 연결 요소를 능동적으로 잡아당기는 하나 이상의 능동 구성요소들을 추가함으로써 추가로 보조될 수 있다. 이 실시예에서, 발꿈치 연결 요소는 작동 케이블, 또는 발꿈치 주위에 유리한 모멘트를 인가하기 위해 적절한 시간에 발꿈치 연결 요소를 잡아당기는 다른 작동 부재에 연결될 수 있다. 작동된 케이블 또는 다른 작동 부재는 미리 한정된 시간에 규정된 모멘트를 야기하기 위해 힘을 인가하도록 제어기에 의해 제어된 모터 또는 다른 엑추에이터에 직접 또는 중간 전력 트레인을 통해 연결된다. 일례로, 케이블{예를 들어, 실질적으로 압축가능하지 않은 시스(sheath)를 포함하는 보덴 케이블}은 종아리 연결 요소들(107)을 다리의 후면에서 하나 이상의 신발류 연결 요소들(130)에 연결하도록 제공된다. 발목에서의 밀어 나아감을 보조하도록 인가된 그러한 힘은 또한 엉덩이에서의 굴곡을 보조할 수 있다.
하나 이상의 신발류 연결 요소들(130)이 신발류의 표면으로부터 측면으로 및/또는 수직으로 변위될 수 있는 것이 주지되어야 한다. 예를 들어, 신발류 연결 요소(130)는 신발류 후면 부분, 상부 부분, 또는 하부 부분에 부착되거나 일체화되는 단단한 스퍼(spur), 단단한 빔 부재, 또는 조정가능한 빔 부재 상에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 인가된 힘들의 장소는 신발류에 대해(예를 들어, 모멘트 아암을 증가시키기 위해) 변경될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트는 앵커 지점들에 배치된 복수의 앵커 요소들을 제공하도록 구성되어, 앵커 지점들로서 잘 작용하는 신체의 자연스러운 특징부들과의 소프트 엑소슈트의 맞물림을 허용한다. 하지만, 본 개념들의 다른 양상들에 따라, 신체의 그러한 자연스러운 특징부가 없고 부하의 인가가 통상적으로 바람직하지 않은 결과들을 갖는 장소에서 앵커 지점들 또는 지지 지점을 확립하는 것이 바람직할 수 있다. 이들 실시예들에 따라, 하나 이상의 연결 요소들 또는 스트러트들(struts)은 신체상의 자연스러운 특징부들(예를 들어, 어깨, 장골능 등)에 대응하는 하나 이상의 앵커 지점들과 같이, 원하는 장소에 배치된 지지 지점으로부터 신체 상의 상이한 장소로 힘을 전달하는데 사용될 수 있다.
예를 들어, 위에 주지되고 도 2a에 도시된 보덴 케이블 실시예에서, 보덴 케이블 시스는 다리의 측부를 따라 아래로의 사용자의 백팩 상의 지점으로부터 종아리 뒤의 장소로 확장할 수 있다. 따라서, 보덴 케이블{또는 Nokon(등록상표) 브랜드의 케이블과 같이 다른 유형의 케이블}은, 종아리 연결 요소들(107)이 다리의 후면에서 종아리 아래에서 만나고 케이블 시스의 근접 단부가 엑소슈트에서 장력을 유지하는데 도움을 주기 위해 엑추에이터(예를 들어, 구동 모터 및 풀리 시스템을 포함하는 어깨-뼈 백팩)의 하우징에 결합되는 지점에서 종아리 연결 요소들(107)에 고정될 수 있다. 유사하게, 본 명세서의 어디엔가 주지된 바와 같이, 다른 케이블 유형들 또는 작동 요소들(예를 들어, 리본들, 직물 등)이 사용될 수 있고, 엑추에이터(들)로부터 힘이 인가되기를 원하는 특정한 장소들로 라우팅(routed)(예를 들어, 소프트 엑소슈트의 직물 또는 채널들을 통해)된다.
그런 후에 힘은, 보덴 케이블 시스(144)가 소프트 엑소슈트에 부착되고 중앙 케이블(142)이 소프트 엑소슈트(100)에 부착되는 지점 사이에서 생성될 수 있다. 그 결과, 장력은 다리의 후면에서 발목 연결기 요소(113)에 결합하는 보덴 케이블 시스(144)의 단부에서 지지 지점과 허리 벨트(110) 사이에서 소프트 엑소슈트(100)에서 생성될 수 있다. 이러한 장력은, 사용자가 걸을 때, 백팩이 이동하여, 하부 다리가 그러하듯이, 소프트 엑소슈트의 하부 연결 부재들에 대한 연결 지점(113)을 제공하는 보덴 케이블 시스의 말단 단부와 보덴 케이블 시스(144)의 근접 단부 사이의 거리를 변화시킨다는 관점에서 동적일 수 있다. 더욱이, 엉덩이가 또한 이동하여, 사용할 동안 소프트 엑소슈트에서의 장력에 영향을 미칠 수 있는 하부 다리에서의 앵커 지점과 엉덩이 상의 앵커 지점 사이의 거리를 변화시킨다.
따라서, 소프트 엑소슈트의 유리한 모멘트들은 근육 작용을 보완하기 위해 유리한 모멘트들을 생성할 수 있는 힘을 인가하는 수동 및/또는 능동 구성요소들에 의해 개선될 수 있다. 보조될 자연스러운 모션의 생체 기계학 및 모션의 실행시 각 조인트에 의해 소비된 전력을 분석함으로써, 보완적인 모멘트들은 원하는 보조 레벨을 수용하도록 식별될 수 있다.
예를 들어, 정상적인 도보 동안, 신체를 순방향으로 추진하는 과정에서 지지를 하나의 다리로부터 다른 다리로 전이하기 때문에, 전력은 신체에 의해 소비된다. 이러한 전력의 상당 부분은 엉덩이 및 발목에 의해 제공되고, 발목은 걸음걸이 사이클을 통해 약 50%에 또는 중간에 큰 양의 모멘트를 갖는다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 도보 보조는 걸음걸이 사이클의 대략 35% 내지 60%로 양의 모멘트를 발목에 인가함으로써 제공될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는, 하나 이상의 조인트들(예를 들어, 발목)에 인가된 양의 모멘트가 유리할 수 있는 시간에 있거나 더 멀어지게 되는 지지 지점들을 식별함으로써 신체의 다양한 부분들의 자연스러운 모션을 이용하도록 설계될 수 있다. 소프트 엑소슈트(100)는 조인트의 축 주위의 유리한 모멘트를 생성하기 위해 하나 이상의 노드들 또는 앵커 지점들을 이용하여 장력을 확립하기 위해 조인트 주위로 확장하는 연결 요소들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 2a의 예에서, 소프트 엑소슈트(100)는 걸음걸이 사이클 동안 적절한 시간에 발목에서 유리한 발바닥 굴곡 모멘트를 생성하기 위해 엉덩이{허리 벨트(110)를 통해}와 신발류 연결 요소(130) 사이에 장력을 받을 수 있다. 더욱이, 소프트 엑소슈트에서의 장력은, 엉덩이 굴곡을 촉진시키는 유리한 모멘트를 인가하여 엉덩이 조인트 위에, 및/또는 무릎 확장을 촉진시키는 유리한 모멘트를 인가하여 무릎 조인트 위에 안내될 수 있으며, 이들 각각 또는 양쪽 모두는 모멘트들이 엉덩이 및/또는 무릎 모션에 유리할 때 걸음걸이 사이클에서의 지점(들)에 이루어진다.
추가 신진 대사 에너지는 증가된 및/또는 추가로 유리한 모멘트들을 제공하기 위해 소프트 엑소슈트(100)에서 증가된 또는 추가 장력들을 생성할 수 있는 하나 이상의 엑추에이터들을 제공함으로써 절감될 수 있다. 예를 들어, 도 2a에 도시된 소프트 엑소슈트(100)에서, 엑추에이터 케이블(142)은 발목 조인트의 축으로부터 수 cm 변위된 발꿈치를 잡아당김으로써 발목 조인트 상에 양의 모멘트를 인가하는데 사용될 수 있다. 위에 주지된 바와 같이, 본 개념들의 일실시예에서, 케이블은 실질적으로 압축가능하지 않은 시스를 포함하는 보덴 케이블이다. 다른 실시예에서, 시스 자체는 에너지를 저장하고 배출하는 탄성 시스를 가짐으로써, 또는 스프링 요소를 시스에 포함시킴으로써와 같이 동적 특성들을 제공하도록 구성된다.
위에 주지된 바와 같이, 엑추에이터 케이블(142)의 말단 단부는 앵커 요소에 직접적으로 또는 간접적으로(예를 들어, 연결 요소를 통해) 부착되고, 이러한 앵커 요소는 도 2a의 예에서 도시된 바와 같이, 발 아래의 발꿈치로부터 확장하고, 그런 후에 발의 상부 주위를 감싼다. 구동 모터 및 풀리 시스템은 모션 보조를 제공하기 위해 원하는 시간 기간(예를 들어, 걸음걸이 사이클의 35% 내지 60%) 동안 엑추에이터 케이블을 작동시키기 위해 온-보드(on-board) 제어기(예를 들어, 컴퓨터)에 의해 제어된 구동 모터 및 엑추에이터 케이블(142)의 근접 단부에 결합될 수 있다. 센서들(예를 들어, 발 충격 센서들, 조인트 각도 센서들 등)은 엑추에이터 케이블(142) 케이블 작동을 사용자의 걸음걸이 사이클과 동기화하는데 유리하게 사용된다. 일례로, 장력은 하나 이상의 연결기 요소들, 노드들 또는 앵커 요소들에서 힘 센서들에 의해 감지되고, 이들 힘들은 걸음걸이 사이클을 추정하기 위해 제어기에 의해 모니터링되고 평가되어(예를 들어, 여러 움직임 사이클 동안 이루어질 수 있음), 이에 후속하여 제어기는 작동을 가능하게 하기 위해 사용자에 의한 지시 이후에 또는 소수의 또는 더 많은 움직임 사이클에 걸쳐 엑추에이터(들)에 점진적으로 관여한다. 대안적으로, 제어기는 스트랩들에서 힘 센서들에 의해 감지된 장력으로부터 또는 사용자로부터의 수동 입력들과 같이 다른 피드백에 의해 사용자의 걸음걸이를 추론할 수 있다(예를 들어, 제어기는 여러 움직임 사이클 동안 스트랩들에서 힘들을 모니터링할 수 있고, 이에 후속하여, 작동은 작동을 가능하게 하기 위해 사용자에 의한 지시 이후에 또는 소수의 더 많은 움직임 사이클에 걸쳐 점진적으로 증가(ramp up)할 수 있다.
이전에 주지된 바와 같이, 본 명세서에서의 소프트 엑소슈트 개념들은 활동의 특정 지점들에서 보조를 제공함으로써 도보와 같이 다양한 활동들의 신진 대사 비용을 감소시키고, 조인트 양단의 소프트 조직(근육들, 힘줄들, 및 인대들) 상의 부하를 감소시키도록 전개가능하다. 사용자가 활동(예를 들어, 도보)에서 적은 에너지를 소비할 때, 사용자는 사용자가 보조 없이 하는 것보다 덜 피로를 느낄 것이다. 피로는 궁극적으로 성능의 저하{예를 들어, 걸음걸이의 붕괴(breakdown)}를 초래하고, 이것은 부상 위험을 증가시킬 수 있다. 신진 대사 비용에서의 감소는 피로-관련 부상 위험을 감소시킬 수 있다. 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라, 소프트 엑소슈트 시스템은 소프트 엑소슈트 없이 활동(예를 들어, 도보)을 수행할 때 사용자의 신진 대사를 사용자에 의해 경험된 레벨 아래로 감소시킬 수 있다. 소프트 엑소슈트는, 또한 각 조인트에서의 힘들의 일부 부분이 소프트 엑소슈트에 의해 지탱됨으로써, 소프트 조직상의 스트레스를 감소시킬 수 있다.
도 2a에 도시된 소프트 엑소슈트(100)는 예로서 의류, 텍스타일, 또는 웨빙{예를 들어, 합성 및/또는 천연 섬유들, 케블라(Kevlar) 등}을 포함하는 복수의 연결 요소들을 포함하고, 이러한 복수의 연결 요소들은 의류의 아래 또는 상부에서 착용된다. 엑추에이터 유닛(200)은 등 상에(예를 들어, 어깨-뼈 백팩에서, 어깨-뼈 프레임 등에 부착됨), 허리 상에(예를 들어, 허리 벨트 등에 부착됨), 또는 사용자에 의해 사용된 디바이스에 또는 디바이스 상에{예를 들어, 바이크, 휠체어, 카약 또는 카누, 보행기(walker) 등} 착용될 수 있다. 도 2a에서, 보덴 케이블 유닛(140)은 엑추에이터 유닛(200)으로부터 확장하고, 소프트 엑소슈트(100)를 신발류 연결 요소(130)에 연결한다. 엑추에이터 유닛(200)이 사용자에 의해 사용된 디바이스에서 지탱되거나 이에 의해 지탱되는 구성에서, 보덴 케이블 시스(144)는 고정된 앵커 지점{예를 들어, 허리 벨트(110) 상의}에 유리하게 부착될 수 있고, 그런 후에 시스 및 보덴 케이블(142)은 신발류 연결 요소(130)에 부착하기 위해 지나간다. 주지된 바와 같이, 소프트 엑소슈트(100)는 사용자의 신체를 따라, 그리고 사용자의 신체로부터 힘의 전달을 제어하기 위해 하나 이상의 연결 요소들(예를 들어, 102 내지 105, 107), 노드들(예를 들어, 113) 및 앵커 지점들을 포함한다. 소프트 엑소슈트 시스템(100)은 또한 선택적으로 도보 동안 발에 인가된 힘을 감지하기 위해 또는 그렇지 않으면 발꿈치 충돌에 대응하는 실질적으로 최대 힘의 지점에서 작동(스위치 온 또는 오프)하기 위해 발 센서(150) 또는 작동가능한 스위치를 포함한다. 예를 들어 걸음걸이의 결정에 도움을 주기 위해 사용될 수 있는 센서들은 푸트 스위치들, 내부 측정 유닛들(IMUs), 가속도계들, 근전도(EMG) 센서들, 선택된 장소들에서 사용자의 피부에서의 스트레인(strain)을 검출하기 위한 스트레인 센서들, 슈트에서 장력 및/또는 전단력을 검출하기 위해 소프트 엑소슈트에 내장된 센서들, 엑추에이터 위치를 검출하기 위해 모터 또는 다른 엑추에이터에서의 센서들, 케이블에서 힘을 검출하기 위해 보덴 케이블 또는 보덴 케이블 시스의 부분과 직렬 상태인 센서들을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는 하나 이상의 엑추에이터 유닛들(200)(예를 들어, 도 2a 내지 도 2b를 참조)을 포함할 수 있고, 이러한 하나 이상의 엑추에이터 유닛들(200)은, 보덴 케이블 유닛(140)의 케이블(142)의 말단 단부가 시스(144) 안으로 후퇴하도록 한다. 케이블(142)의 말단 단부는 신발류 연결 요소(130)에 연결될 수 있고, 보덴 케이블 시스(144)의 말단 단부는 종아리의 후면에서 소프트 엑소슈트(100)에 연결될 수 있다. 케이블(142)이 후퇴될 때, 케이블(142)은 신발류 연결 요소(130) 상에서 위로 잡아 당겨지고, 시스(144)는 종아리의 후면에서 부착 지점으로부터 소프트 엑소슈트(100)를 아래로 밀어낸다. 소프트 엑소슈트(100)는 그런 후에 허리 벨트(110)를 통해 사용자의 골반까지 연결 요소들(예를 들어, 도 1을 참조)을 통해 힘을 전달한다. 사용자의 뼈 구조는 이 후 힘을 발목 조인트로 그리고 발을 통한 지상으로 아래로 전달한다.
소프트 엑소슈트(100)에 의해 생성된 힘은 유리하게 사용자의 근육에 평행하게 작용함으로써 사용자의 근육을 보충하도록 구성된다. 이것은 신체를 따라 미리 한정된 장소들을 따라 확장하기 위해 연결 요소들(예를 들어, 도 1에서 102 내지 105) 및 노드들{예를 들어, 도 1에서, 노드(1)}을 구성함으로써 달성된다., 이렇게 구성되면, 사용자의 근육들은 걸음걸이 사이클의 특정 부분들 동안 적게 활성화될 수 있는데, 이는 소프트 엑소슈트가 이동을 위해 필요한 나머지 힘을 제공하기 때문이다. 근육 활성화에서의 이러한 감소는 사용자의 신진 대사율을 낮추고, 시간이 지남에 따라 경험되는 피로 레벨을 감소시키는데 사용될 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 신진 대사 감소는, 근육들이 전력을 생성하는 동시에 신체에 전력을 인가함으로써, 그리고 근육들이 전력을 흡수하는 시간 동안 신체로부터 전력을 흡수함으로써 달성된다. 발목은 걸음걸이 사이클에서 약 40 내지 60% 사이의 전력의 큰 펄스를 생성하고, 이것은 하나의 발꿈치-충돌로부터 다음 발꿈치-충돌로 확장한다. 다리가 지상으로부터 신체를 밀어낼 때 발생하는, 발목에 입력된 이러한 전력은 도보 사이클 전체에서 임의의 조인트의 가장 큰 전력 버스트(power burst)이다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 보조 힘 또는 모멘트는, 근육 조직이 효율적인 방식으로 신진 대사 감소를 달성하기 위해 그러한 전력 스파이크들(power spikes)을 생성하는 모션 사이클 동안의 지점에서 가장 큰 전력 스파이크들을 경험하는 조인트에 인가될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따라 조인트 전력의 배출에 기초하여, 소프트 엑소슈트(100)는 걸음걸이 사이클의 약 40 내지 60% 사이에서 시간적으로 이러한 지점 동안 발목 조인트에 보조 힘을 인가하도록 구성될 수 있다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는 발목으로부터 골반까지 확장할 수 있고, 추가로, 또는 대안적으로, 무릎 및 엉덩이뿐 아니라 발목에서 모멘트들을 생성할 수 있다. 다중-조인트 시스템에서, 인가된 힘은 각 조인트에 유리하게 영향을 미칠 수 있고, 이를 통해 더 효율적인 보조를 제공할 수 있다. 이들 양상들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는, 그러한 모멘트들이 이들 조인트들에 유리하게 영향을 미치는 걸음걸이 사이클 동안 무릎 및/또는 엉덩이에서 모멘트를 생성할 수 있다. 이에 따라, 하나의 장소/조인트에서 소프트 엑소슈트의 장력 또는 변위를 생성하는 자연스러운 움직임들 및/또는 액추에이터들은 하나보다 많은 장소/조인트에 유리할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는 다수의 기능들을 제공할 수 있다. 소프트 엑소슈트(예를 들어, 100)는 예를 들어, 엉덩이 및/또는 발목 조인트들을 통해 정밀하게-제어된 유리한 모멘트를 생성할 수 있다. 이전에 주지된 바와 같이, 모멘트는 자연스러운 근육 조직을 보조하는 경우 유리한 것으로 고려된다. 개시된 소프트 엑소슈트의 아키텍처 및 연결 요소들의 토폴로지(topology)는 바람직하게 가능한 최상으로 사용자의 근육들에 의해 제공된 힘에 근사치인 힘 벡터들을 모사하도록 구성된다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트는 강성도(예를 들어, 신체의 앵커 부분들에서 앵커 요소들에 고정되게 스트래핑하는)를 최대화하도록 최적화된다. 발목 엑소스켈레톤에서 낮은 일련의 스프링 강성도에 대해, 필요한 전력은 1/k로서 증가한다. 이에 따라, 보조 힘을 착용자에게 인가할 때 더 높은 전력 효율을 제공하기 위해 소프트 엑소슈트를 가능한 한 단단하게 만드는 것이 바람직하다. 더욱이, 높은 엑소슈트 강성도는 움직임 동안 및/또는 작동 동안 사용자의 신체에 대한 소프트 엑소슈트의 변위를 감소시켜, 노드들 및 연결 요소들의 오정렬 위험을 감소시키고, 피부 마찰을 감소시킨다. 하지만, 다양한 응용들이 사용자의 활동에 기초하여 강성도가 변할 수 있게 하는{예를 들어, 강성도를 최소화하고, 보조가 필요하지 않을 때 투명도(transparency)를 개선하고, 보조가 필요할 때 강성도를 최대화시킬 수 있게 하는} 최소화된 강성도 및/또는 가변 강성도(예를 들어, 제어기에 의해 자동으로 변경되거나 수동으로 제어된)를 선호할 수 있다.
소프트 엑소슈트(100)의 설치 및 그 강성도 모두는 엑소슈트의 장력 및 정렬에 의해 영향을 받을 수 있다. 소프트 엑소슈트가 초기 설정에 의해 또는 사용할 동안 소프트 엑소슈트(100)의 움직임에 의해 부적절하게 정렬되면, 생성된 모멘트는 최적이 아닐 것이고, 더 중요하게, 모멘트는 필요시 발생하기를 중단하기 때문에, 시간이 지남에 따라 산란(distracting)하거나 심지어 해로운 것으로 증명될 수 있다. 소프트 엑소슈트 기능성 또는 효율이 불리한 영향을 받지 않도록, 사용자가 이동할 때 그리고 소프트 엑소슈트가 작동될 때조차 소프트 엑소슈트(100)가 신체 상의 정확한 장소에 남아있는 것이 바람직하다. 사용할 동안 소프트 엑소슈트(100)를 적절한 배치에 유지하는 것을 용이하게 하기 위해, 소프트 엑소슈트를 걸치는 것에 후속하여 소프트 엑소슈트{예를 들어, 엑추에이터 케이블(들), 연결 요소들 등}에 사전-장력을 인가하는 것이 유리하다. 소프트 엑소슈트에서의 초기 장력은 수동으로(예를 들어, 스트랩, 버클들, 고정물들(fittings), 케이블들, 복수의 구성요소들에서의 장력을 동시에 조정하는 제어부들, 등) 또는 자동으로 하나 이상의 엑추에이터들(예를 들어, 모터-구동 메커니즘)을 이용하여 조정될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트(100)는 수동 및/또는 자동일 수 있는 하나 이상의 조정 부재들을 포함하여, 소프트 엑소슈트(100)를 걸치고 벗는 것을 용이하게 하고, 사용자가 소프트 엑소슈트를 편안하게 꼭 맞게(snug) 하기 위해 하나 이상의 연결 요소들을 조이고 및/또는 풀 수 있게 한다. 예를 들어, 수동 또는 자동 조정 부재는 시스(144) 내에서 연결기(113){이것은 다시 앵커 부재(130)에 부착된다}에 부착된 케이블(142)을 후퇴 및/또는 장력 인가하도록 유리하게 이용되며, 이것은 소프트 엑소슈트(100)를 아래로 잡아당기고, 앵커 부재(130)를 위로 잡아당겨, 케이블(142)로부터 임의의 느슨함을 취하고, 시스템에서 소량의 장력을 생성한다. 본 개념들의 몇몇 실시예들에서, 사용자는 움직임(예를 들어, 도보) 동안 엑소슈트의 존재를 거의 검출할 수 없도록 장력을 설정할 수 있다. 그런 후에 작동은 시스템 장력의 그러한 지점으로부터 소프트 엑소슈트(100)에 인가될 수 있다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 보덴 케이블들과 같은 엑추에이터 작동 부재(들)는 작동 시스템(200)(도 2a, 도 2b)의 질량을 작동되는 발 및 발목 조인트로부터 멀어지게 위치시키는데 사용된다. 그러한 작동 부재(들)를 이용하여, 작동 시스템(200)은 사용자의 허리에 부착될 수 있거나, 백팩에 운반될 수 있다. 적어도 몇몇 양상들에 따라, 보덴 케이블들을 이용하는 작동 시스템(200)은 사용자의 모션에 악영향을 주지 않는 경로를 따라 케이블 시스의 라우팅을 허용한다. 보덴 케이블의 시스(144)가 소프트 엑소슈트에 부착될 수 있는 많은 방식들이 존재한다. 예로서, 시스에 대한 하나의 부착 방식은 소프트 엑소슈트의 하나 이상의 지점들 상에 배치된 암/수의 연결기를 포함하고, 대응하는 암/수의 연결기(들)는 케이블 시스의 적절한 섹션들(sections)을 따라 배치된다. 다른 구성에서, 케이블 시스(144)는 소프트 엑소슈트에 고정되게 부착될 수 있고{예를 들어, 바느질, 본딩제(bonding agents), 접착제 등}, 소프트 엑소슈트에서 형성된 채널을 통해 라우팅될 수 있고, 벨크로 부착 부재들을 이용하여 소프트 엑소슈트에 부착될 수 있고, 또는 하나 이상의 묶음(tying) 부재들을 이용하여 소프트 엑소슈트에 부착될 수 있다.
작동 시스템(200)이 보덴 케이블들을 이용하는 경우, 예를 들어, 작은 기어형 모터는 풀리를 구동하도록 제공되거나, 대안적으로, 푸리를 직접 구동하는 더 큰 모터는 도 2a의 예에 도시된 바와 같이, 발꿈치 상에 보조 힘을 인가하기 위해 케이블(142)을 잡아당기는데 사용될 수 있다. 물론, 선형 모터들 및 유압/공압 엑추에이터들과 같지만, 여기에 한정되지 않는 다른 구동 메커니즘들이 사용될 수 있다. 이용된 작동 시스템(200)의 방식은 부분적으로, 보조될 모션과, 그러한 보조된 모션에 대한 특정한 중량 및 성능 요건들에 의존한다. 도보와의 보조에 관한 몇몇 양상들에 따라, 엑추에이터 시스템(200)은 배터리, 또는 복수의 배터리들을 이용하고, 이러한 배터리 또는 복수의 배터리들은 100W 미만의 평균 전력 출력을 제공하도록 구성되어, 신진 대사 이익들을 유지하면서, 소프트 엑소슈트(100) 작동 시스템(200)의 중량을 최소화한다. 예를 들어, 사용자에 의해 운반된 추가 질량은 사용자의 신진 대사에서의 대응하는 예측가능한 증가(예를 들어, 등에서 추가된 킬로그램당 약 0.9%의 비율로)를 야기하여, 사용자에 의해 지탱될 때 작동 시스템(200)의 중량을 최소화하는 것은 일반적으로 유리하다.
도 3은 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따른 소프트 엑소슈트(100)의 예를 도시한다. 도시된 소프트 엑소슈트(100)는 연결 요소들(102, 103)에 의해 노드(1)를 통해 연결 요소들(104, 105)에 연결된 허리 벨트(110)를 포함하고, 연결 요소들(104, 105)은 다시 허벅지 브레이스(120)에 연결된다. 허벅지 브레이스(120)는 종아리 스트랩들(107)에 의해 T-연결기(113)에 연결된다. 소프트 엑소슈트(100)는 사용자의 자연스러운 모션을 수용하고, 작동 시스템(200) 및 케이블(142)(예를 들어, 도 2a를 참조)에 의해 생성된 힘을 자연스러운 모션의 힘으로 조절하기 위해 조정가능하게 이루어질 수 있다. 사용자가 걸을 때, 작동 시스템에 의해 생성되고 케이블에 전달된 힘은 걷는 동안 사용자의 근육 조직의 작용을 감소시키기 위해 사용자의 발꿈치에 인가된다.
도보하고 달리는 동안, 다리에 있는 근육들은 사람의 무게 중심을 순방향으로 추진하고 서있는 자세를 유지하기 위해 걸음걸이 사이클 동안 엉덩이, 무릎 및 발목 조인트들에서 모멘트들(모멘트 힘)을 생성한다. 이들 모멘트들은, 밀어내어 흔들리는 상태로 되게 하는 스탠스를 통해 사람을 발꿈치 충돌 및 중량 허용도로부터 안내하기 위해 이들 조인트들 주위의 근육들에 의해 생성될 때 시간이 지남에 따라 크기 및 방향에서 변한다. 주지된 바와 같이, 본 개념들의 양상들에 따른 소프트 엑소슈트 시스템(100)은 바람직하게 발목 조인트에서 자연스러운 모멘트들을 보완하기 위해 작동 시스템(200) 및 케이블(142)에 의해 생성된 힘의 타이밍을 맞추어(times), 신진 대사 부담을 감소시키고, 이동도를 개선한다. 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트(100) 구조는 걸음걸이 사이클 동안 엉덩이 및 무릎에서 유리한 모멘트를 제공하기 위해 엉덩이 조인트 및 무릎 조인트 주위로 확장한다. 작동 시스템(200)이 케이블(142)을 후퇴시키고 사용자의 발 상에 힘을 인가할 때, 시스(144)는 또한 T-연결기(113) 및 소프트 엑소슈트(100) 상에 하향력을 인가하고, 이것은 이 후 걸음걸이 사이클 동안 엉덩이 또는 무릎에 유리한 모멘트를 인가할 수 있다.
몇몇 양상들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)의 T-연결기(113)에 인가된 힘은 T-연결기(113)와 허리 벨트(110) 사이에서 소프트 엑소슈트에서의 장력을 초래한다. 노드 1 및 허벅지 브레이스(120)는 각 조인트에서 유리한 모멘트를 제공하기 위해 무릎과 엉덩이 위에 장력을 정렬하는데 도움을 준다., 건강한 성인에 대해, 평지 지상 전력(level ground power) 상에서 자가-선택된 속도로 도보하는 것은 대부분 엉덩이 및 발목에서 생성되고, 무릎에서 소실된다. 차례로, 근육들은 이들 모멘트들을 생성하기 위해 신진 대사 에너지를 소비한다. 주지된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트의 양상들의 이점들 중 하나는 밀어내는 동안 발바닥 굴곡을 보조하기 위해 발목에 에너지를 추가함으로써 도보의 신진 대사 비용을 감소시키고, 늦은 스탠스 동안 엉덩이에서 에너지의 흡수를 보조하고 심지어 스탠스의 더 나중의 부분 동안 에너지를 추가하는 것이다. 발목에 에너지를 추가하는 것은 밀어낼 때 요구된 큰 발목 모멘트 및 전력을 생성하는데 필요한 근육 활성화를 감소시켜, 필요한 신진 대사 비용을 감소시킬 수 있다. 도보의 신진 대사 비용을 감소시키기 위해, 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트는 유리하게 자연스러운 걸음걸이 역학을 허용한다. 소프트 엑소슈트의 몇몇 양상들에서, 발목에 인가된 에너지는 케이블에 의해 제공되고, 이것은 발꿈치를 끌어당기고, 발바닥 확장을 촉진시키고 및/또는 야기한다. 케이블 시스(144)로부터의 힘은 소프트 엑소슈트(100)의 연결 요소들을 통해 분배된다(예를 들어, 도 2a를 참조).
도 3에서 볼 수 있는 소프트 엑소슈트(100) 아키텍처는 허리 벨트(110)를 허벅지 브레이스(120)(사용자의 하부 허벅지에 고정됨)에 연결하고, 허벅지 브레이스(120)는 신발류(예를 들어, 부츠, 구두 등)에 연결된다. 허리 벨트(110) 및 허벅지 브레이스(120)는 연결 요소들(102, 103)에 의해 연결되고, 이러한 연결 요소들(102, 103)은 사용자의 허벅지의 전면의 중간 부분 상에서 노드 1과 상호 작용한다. 허벅지 브레이스(120) 및 신발류 연결 요소들(130)은 연결 요소들(107) 및 케이블(142)에 의해 연결되고, 이러한 연결 요소들(107) 및 케이블(142)은 발목에서 엑추에이터 힘을 인가한다. 허리 벨트와 노드 1 사이의 연결 요소들(102, 103)과, 노드 1과 허벅지 브레이스(120) 사이의 연결 요소들(104, 105)은 예를 들어, 2개의 측부들을 함께 잡아당기고 이들 2개의 측부들을 원하는 위치에서 벨크로를 이용하여 연결함으로써, 또는 효율적인 동작을 방해하는 시스템에서 임의의 느슨함을 제거하기 위해 다른 측부 상의 슬라이드(slide) 또는 버클을 통과하는 하나의 측부를 잡아당김으로써 사전-장력을 받을 수 있다. 연결 요소들(104, 105)에서의 사전-장력 인가는 예를 들어, 노드 1이 적소에 고정되고 허벅지 브레이스가 사용자의 허벅지 주위에 위치되고 조여진 후에 수행될 수 있다. 따라서, 소프트 엑소슈트(100)는 허벅지{허벅지 브레이스(120)}와 골반{허리 벨트(110)} 사이에 사전-장력을 받고, 이들 허벅지{허벅지 브레이스(120)}와 골반{허리 벨트(110)} 모두는 원뿔 형태를 가져, 인가된 사전-장력에 대한 저항성을 제공한다.
힘이 도 2a 내지 도 2b와 도 3에 도시된 소프트 엑소슈트(100)에 의해서와 같이 발목에 인가될 때, 장력은 또한 무릎 및 엉덩이 조인트들을 가로질러 소프트 엑소슈트 위로 골반까지 다시 향하게 된다. 연결 요소들이 (추가로) 장력을 받을 때, 연결 요소들은 엉덩이, 무릎 및 발목 주위에 모멘트들을 생성할 뿐 아니라, 소프트 엑소슈트-사용자 접촉의 다양한 지점들에서 사용자 상에 정상적인 힘을 생성한다. 몇몇 양상들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는 유리하게 사용자에 맞춰지고 정렬되어, 이들 모멘트들 및 힘이 사용자의 자연스러운 걸음걸이에 악영향을 주지 않고, 이것이 사용자로 하여금 추가 신진 대사 에너지를 소비하도록 하는 것을 보장한다. 연결 요소들, 노드들 및 앵커 지점들의 배치 및 배향은, 장력이 엑소슈트의 다양한 요소들 상에 위치될 때 해당 조인트 또는 조인트들(예를 들어, 엉덩이, 무릎 및/또는 발목) 주위에 유리한 모멘트들을 생성하도록 선택된다.
소프트 엑소슈트(100)의 강성도가 증가함에 따라, 소프트 엑소슈트는 소프트 엑소슈트의 구성을 이루는 구성요소들(예를 들어, 노드들, 연결 요소들 등)의 최소 탈구(dislocation) 및 원하는 보조 레벨 모두를 제공하는 방식으로 사용자에게 작동 힘을 더 양호하게 전달할 수 있다. 주지된 바와 같이, 소프트 엑소슈트(100)는, 내부 및 중간/측면 힘을 분배하기 위한 해부학적 레지(ledge)를 제공하는, 장골능의 상부 상에 허리 벨트(110)를 위치시킴으로써 골반에 의해 지탱될 힘을 허용하는 것과 같이, 엑소슈트 강성도를 개선하기 위해 하나 이상의 앵커 지점들(예를 들어, 골반, 어깨들 등)에 유리하게 의존할 수 있다. 도 1의 예에 도시된 바와 같이, 소프트 엑소슈트(100)는 다리에 생성된 힘을 연결 요소들(102, 103)을 통해 골반의 각 측부에 전달하고, 연결 요소들(102, 103) 모두는 노드 1로부터 유래한다. 힘을 노드 1(예를 들어, 각 다리의)로부터 골반의 양쪽 측부들에 분배하기 위해 연결 요소들(102, 103)을 제공할 때, 작동으로부터의 힘은 동일한 측부의 골반 뼈 상에 앵커링되는 전체 작동 힘에 비해 골반의 양쪽 측부들에 걸쳐 분배될 수 있어, 각각의 장골능 상의 피크 지점 힘을 감소시켜, 사용할 동안 소프트 엑소슈트의 편안함을 개선한다. 추가로, 노드 1을 대항하는 측부 엉덩이에 연결하는 연결 요소(예를 들어, 도 1에서 103)를 이용하여, 소프트 엑소슈트는 대항하는 측부 엉덩이에 부착되는 각도로 인해 대항하는 장골능 상에서 수평 힘뿐 아니라 수직 힘을 생성할 수 있다. 이러한 수평 힘은 장골능의 상부에 대해 허리 벨트를 편향시키는데 도움을 주기 때문에 허리 벨트(110)가 아래로 미끄러지는 것으로부터 유지하는데 도움을 준다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연결 요소(1)(허리 벨트) 상의 힘은 신체 주위에 대략 수평으로 이어지는 한편, 연결 요소(3) 상의 힘은 아래로 기울어진다(angled). 함께 작용하는 이들 2개의 연결 요소들로부터의 결과적인 힘 벡터는 이들 2개의 벡터들 사이에 놓이고, 골반에 대략 직각이며, 이 골반은 신체의 시상 봉합 평면에서 관찰된 이러한 영역에서 만곡된다. 신체에 직각으로 잡아당기는 것은, 연결 요소들이 큰 부하를 인가하는 동안 적소에 유지하도록 하고, 불편함을 야기할 수 있는 접선 방향으로의 모션을 회피한다.
도 7에서의 노드 1의 위치는, 발목으로부터 나오는 힘이 각각의 다리 상의 하나의 지점으로 라우팅되도록 하고, 이것은 이후 골반의 각 측부로 다시 향하게 된다. 본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 노드 1은, 소프트 엑소슈트(100)가 힘의 방향을 허리 벨트로 조정하기 위해 노드 1을 허리 벨트(110)에 연결하는 연결 요소들의 조정을 허용함으로써 다양한 지점들 상에서 생성하는 모멘트들에 대한 제어를 허용한다.
허벅지 브레이스(120)는, 종아리 연결 요소들(107)(예를 들어, 도 1을 참조)이 무릎의 회전 중심에 대해 그 위치를 수용하기 위해 약간 기울어지도록 함으로써 소프트 엑소슈트(100)에서 장력을 유지하도록 구성될 수 있다. 종아리 연결 요소들(107)은 엑추에이터 케이블(142)을 통해 신발류 연결 요소(130)에 연결될 수 있다. 신발류 연결 요소(130)는 신발류(예를 들어, 부츠, 구두 등)의 발꿈치 주위에 멜빵(harness)으로서 작용할 수 있는 하나 이상의 요소들{예를 들어, 스트랩(들), 등}을 포함할 수 있다. 신발류 연결 요소(130)는 사용자의 발과의 강성 연결을 제공할 수 있다. 예를 들어, 엑추에이터 케이블(142)이 신발류 연결 요소(130)에서 상향력을 가할 때, 힘은 연결 요소들 또는 재료들의 시스템을 통해 발의 하부 및 발의 전면으로 전달되고, 여기서 상향력은 발꿈치의 후면에 가해지고, 하향력은 앞발의 상부 상에 가해진다. 신발류 연결 요소(130)는 발목에 힘을 효율적으로 인가하기 위해 발꿈치에서의 강성 부착 지점을 엑추에이터 케이블(142)에 제공한다. 신발류 연결 요소(130)는 또한 상향 작동력을 발꿈치의 뒤와, 발의 상부 상에 하향력을 인가하는 발의 전면에 전달하여, 발목의 양쪽 측부들 상에 발바닥 굴곡을 보조하는 힘을 인가함으로써 밀어 낼 때 발바닥 굴곡 모멘트를 보조한다.
적어도 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트(100)는 평평한 재료들(예를 들어, 웨빙, 직물 등)로 구성되고, 이러한 평평한 재료들은 절단되거나, 그렇지 않으면 미리 결정된 크기로 형성되고 함께 바느질된다. 도 4는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트에 대한 평평한 패턴 레이아웃의 일례를 도시한다. 허리 벨트(110)는 섹션별로 형성될 수 있고, 이러한 섹션들은 종래의 벨트 고정 디바이스들에서와 같이 중첩되고 고정될 수 있어서, 허리 벨트를 다양한 허리 직경들을 갖는 사람에 맞게 조정할 수 있다. 예로서, 도 4에 도시된 섹션들 또는 패널들은 립-스톱(rip-stop) 나일론 및 가용성 심(interfacing) 층 중 하나 이상의 층들로부터, 또는 립-스톱 나일론 및 폼 패딩(foam padding){예를 들어, 1/16"내지 1/2"두께의 폴리우레탄 또는 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)}의 층 중 하나 이상의 층들로부터 구성될 수 있다. 연결 요소들은 예를 들어, 1/2" 내지 3" 폴리에스테르 웨빙으로 구성될 수 있다. 하나의 양상에서, 연결 요소들(102, 103)은 2" 폭의 폴리에스테르 웨빙으로 형성되는 한편, 나머지 연결 요소들의 균형은 1" 폭의 폴리에스테르 웨빙으로 형성된다. 몇몇 연결 요소들{예를 들어, 종아리 연결 요소들(107)의 말단 단부들}은 다른 연결 요소들 또는 구조들에 대한 연결을 용이하게 하기 위해 루프들을 형성하도록 바느질될 수 있다. 버클들(예를 들어, 플라스틱 버클들)은 연결 요소들을 고정하고 조이는데 사용될 수 있다. 허벅지 브레이스들(120)은 하나의 부품 또는 2개의 부품들을 포함할 수 있고, 적어도 몇몇 양상들에서, 하나의 측부에 더 빠르게 바느질된{예를 들어, 벨크로(등록상표)} 후크 및 루프를 갖는 신장 능직(stretch twill) 재료(예를 들어, 면화-폴리에스테르 혼합물)로 구성된다.
도 5는, 본 개념들의 적어도 몇몇 실시예들에 따른 소프트 엑소슈트의 연결 요소들이 어떻게 배치되고 구성될 수 있는 지를 제공한다. 도 5에서, 소프트 엑소슈트의 상이한 연결 요소들은 스트랩 1(허리 벨트 연결 요소), 스트랩 2(동일한 엉덩이 연결 요소로의 노드 1), 스트랩 3(대항하는 엉덩이 연결 요소로의 노드 1), 스트랩 4(허벅지 연결 요소 - 측면), 스트랩 5(허벅지 연결 요소 - 중간), 스트랩 6(종아리 연결 요소로의 허벅지 연결 요소 - 측면), 스트랩 7(종아리 연결 요소로의 허벅지 연결 요소 - 중간), 스트랩8(종아리 연결 요소 - 측면), 스트랩 9(종아리 연결 요소 - 중간)를 포함한다.
도 5에서, 허리 벨트는 평탄한 것으로 디스플레이되며, 이것은 사용자로부터 향하는 측부를 제공한다. 이러한 뷰는 허리 벨트와, 허리 벨트에 직접 부착된 연결 요소들의 개요를 제공한다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 허리 벨트는 상부 벨트 연결 요소 및 하부 벨트 연결 요소를 포함하고, 이러한 상부 벨트 연결 요소 및 하부 벨트 연결 요소는 그 단부들에서 연결 요소 및 버클에 결합될 수 있고, 이러한 연결 요소 및 버클은, 허리 벨트가 신체 상의 임의의 접촉 지점들(예를 들어, 장골능)과 허리 벨트 사이에 배치된 폼 또는 다른 패딩을 가지고 사용자의 허리 주위에 고정되도록 한다. 도 5의 연결 요소들(2 및 3)은 도 5 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 허리 벨트(110)로부터 매달려 있고, 노드 1의 상부에 연결된다. 도 5의 연결 요소들(4 및 5)은 노드 1의 하부 부분으로부터 매달려 있고, 허벅지 브레이스(200)의 상부 부분에 연결된다. 도 6a 내지 도 6b에서, 도 5에 부분적으로 도시된 소프트 엑소슈트는 예시를 위해 마네킹 상에 도시된다.
허리 벨트(110)는 소프트 엑소슈트가 허벅지 브레이스들을 엑소슈트의 골반 부분에 부착하는 연결 요소들의 각도의 결과인 수평 힘으로 인해 수직 힘 아래로 잡아 당겨지거나 장골능 위로 미끄러지는 것으로부터 유지한다. 벨트는 또한 허리 벨트 연결 요소를 조임으로써 골반 주위에 위치된 장력으로 인해 아래로 미끄러지는 것이 방지된다. 벨트는, 벨트의 부분이 엉덩이 뼈들의 장골능의 상부 상에 지나가는 골반 주위의 장력을 생성함으로써 이것을 달성한다. 골반은 발목 위에서의 T-연결기(113)로부터 소프트 엑소슈트(100)의 연결 요소들을 통해 허리 벨트(112)로 전달되는 힘을 위한 지지 또는 앵커 지점으로서 작용한다.
몇몇 실시예들에 따라, 골반은 무릎 및 어깨와 같이 다른 골 이정표들(bony landmarks)에 비해 걸음걸이 사이클 전체에 상대적으로 작은 범위의 모션을 갖는다. 골반은 걸음걸이 사이클 전체에 대략 총 12도를 회전하는 횡방향 평면에서 가장 큰 움직임을 갖는다. 비교시, 무릎은 시상 봉합 평면에서 대략 50도로 이동하고, 어깨들의 움직임은 임의의 주어진 시간에 사용자의 자세에 크게 의존한다. 따라서, 본 개념들에 따라, 골반의 이용은 주로 걸음걸이 보조에 관한 본 개념들에 따라 소프트 엑소슈트(110)의 실시예들에 대해 선호가능하다. 걸음걸이 사이클 전체에 다양한 다리 세그먼트들의 위치들의 사이클 특성과 모션의 골반의 범위는 골반과 다양한 다리 세그먼트들 사이의 거리들이 걸음걸이 사이클 전체에 크게 예측가능하게 만들고, 이것은 걸음걸이 사이클 동안의 특정 시간에 소프트 엑소슈트(100) 장력을 유지할 수 있는 적절한 앵커 지점들의 선택을 통보하는데 도움을 준다. 추가로, 골반 구조는 레지를 한정하고, 허리 벨트(110)는 수직 및 수평 힘 모두를 앵커링하도록 효율적으로 레지에 부착될 수 있다.
소프트 엑소슈트(100)의 강성도는 사용자-소프트 엑소슈트 인터페이스의 컴플라이언스(compliance)에 의해 부분적으로 결정된다. 사용자와 소프트 엑소슈트(100) 사이의 인터페이스의 컴플라이언스가 더 낮아질수록, 동작시 소프트 엑소슈트의 강성도는 더 높아진다. 안정하고 낮은 컴플라이언스 특징부에 앵커링함으로써, 소프트 엑소슈트는 더 높은 힘을 사용자의 신체에 전달할 수 있다. 추가로, 골반의 대칭은 부하가 사용자의 신체 상에 균일하게 분배되도록 한다. 작동력을 신체의 각 측부에 분배함으로써, 임의의 하나의 지점에서 소프트 엑소슈트로부터 신체 상에 작용하는 정상적인 힘은 감소될 수 있어서, 압력 상처들(pressure sores), 마찰 및 문지름(rubbing)의 형성을 최소화하여, 엑소슈트의 인식된 편안함을 증가시키는데 도움을 준다. 이전에 주지된 바와 같이, 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 작동력은 또한 신체 상의 하나 이상의 다른 장소들(예를 들어, 몸통, 어깨들 등)에 분배될 수 있거나, 대안적으로 분배될 수 있다.
적어도 하나의 양상에서, 허리 벨트(110)는 상부 벨트 연결 요소 및 하부 벨트 연결 요소를 포함하고, 상부 벨트 연결 요소는 엉덩이 뼈의 상부 위에 배치되고(선택적으로, 폼 패딩은 장골능의 상부에 놓이는 장소들에서 상부 벨트 연결 요소 상에 제공된다), 하부 벨트 연결 요소는 장골능 바로 아래에 놓이도록 배치된다. 이들 2개의 연결 요소들은 조합하여 안정한 부착 플랫폼을 제공한다.
장골능에서 골반은 소프트 엑소슈트의 컴플라이언스를 최소화하기 위한 적합한 앵커 지점을 제공한다. 주지된 바와 같이, 소프트 엑소슈트는 유리하게 골반의 기하학적 구조(geometry)를 레버리지하고(leverages), 이것은 장골능에서 레지를 제공하고, 허리 벨트는 장골능 상에 놓일 수 있다. 이것은 수직 및 수평 힘 모두를 앵커링하는 것을 가능하게 한다. 수평 힘은 또한 골반의 측부들 둘러싸는 연결 요소들(예를 들어, 하부 벨트 스트랩)에 의해 저항될 수 있다. 감소하는 컴플라이언스는 더 강성의 소프트 엑소슈트를 허용하고, 이것은 힘을 소프트 엑소슈트에 효율적으로 인가하고, 이에 따라 착용자에 효율적으로 인가하기 위해 유용할 수 있다. 소프트 엑소슈트가 특정 레벨의 강성도에 도달할 때, 소프트 엑소슈트를 통해 힘이 사용자에게 전달되는 것으로부터 사용자를 보호하기 위해 유용할 수 있다. 계층형 직물 또는 폼 패딩과 같은 패딩은 이들 힘을 사용자 상의 더 큰 표면적 양단에 확산할 뿐 아니라, 이들 힘의 충격을 감소시키는 댐핑 매질(damping medium)을 제공하는데 사용될 수 있다. 하지만, 이러한 패딩은 시스템에서의 컴플라이언스를 증가시킬 수 있어서, 효율 및 편안함에서의 균형을 달성하기 위해 컴플라이언스 및 강성도를 최적화하도록 제어하기 위해 다른 변수를 제공한다.
적어도 몇몇 양상들에서, 노드 1(예를 들어, 도 1, 도 5, 도 6b를 참조)은 접합부로서 구성될 수 있고, 이러한 접합부에서, 각각의 다리 상의 발목 작용으로부터 초래되는 힘이 수렴하고, 그런 후에 사용자의 골반의 각 측부에 분배되도록 분할한다. 사용자의 허벅지 상의 노드 1의 위치를 조정하는 것은 힘 균형 및 소프트 엑소슈트(100) 장력을 유지하는데 유용할 수 있다. 힘은 허벅지 브레이스들(120)을 소프트 엑소슈트의 허리 벨트(110)에 부착하는 하나 이상의 스트랩들을 통해 분배될 수 있다.
도 1 및 도 6b, 도 7에서 예로서 도시된 바와 같이, 노드(예를 들어, 도 6b에서 노드 1)는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 전면 평면에서 허벅지의 중간에 위치되고, 도 6a에 도시된 바와 같이, 연결 요소(2) 및 연결 요소(3)에 의해 조정될 수 있다. 허벅지 상의 노드 1의 수직 배치는 사용자의 크기와, 사용자마다 변하는 노드로부터 허벅지의 상부로의 거리에 따라 조정될 수 있지만, 일반적으로 엉덩이 굴곡과 간섭하지 않도록 충분히 아래로 더 멀어진다. 적절한 수직 배치는, 엉덩이 굴곡과 간섭하는 지의 여부를 알기 위해 노드 위치가 설정된 후에 소프트 엑소슈트를 착용하는 사용자가 자신의 엉덩이를 구부리게 함으로써 확인될 수 있다. 노드의 배치는 소프트 엑소슈트(100)에서 힘 경로들을 최적으로 정렬하고 조정하는데 사용될 수 있고, 이것은 본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 힘 불균형들로 인해 회전하는 허벅지 브레이스(120)와 연관된 문제들을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 부적절하게 정렬된 힘 경로들은 엉덩이 및 무릎에서 불필요한 모멘트들을 생성할 수 있고, 이것은 자연스럽지 못한 모션, 근육 피로 및 상처들을 초래할 수 있다. 노드 1(예를 들어, 도 5, 도 6b, 도 7)의 이용을 통해, 발목 작용으로부터 초래되는 힘은 발목으로부터 허벅지의 전면으로의 제어된 선형 경로로 전달되고, 여기서 이러한 힘은 골반의 어느 측부에도 추가로 분배될 수 있다. 연결 요소들이 이러한 방식으로 하나의 접합부(노드)로 지나가면서, 엉덩이 및 무릎 주위의 장력 경로들이 엑소슈트 상에서 연결 요소들을 조이고, 느슨히 하거나 재위치시킴으로써 시종일관 조정되도록 한다. 이것은, 소프트 엑소슈트가 걸음걸이 사이클 전체에 엉덩이 및 무릎에서 생성하는 모멘트의 더 우수한 제어 및 미세 튜닝을 가능하게 한다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 노드 1을 이용하는 소프트 엑소슈트의 특정 구성은, 힘 경로를 골반의 각 측부에 앵커링하기 때문에 다른 경우 달성가능하였을 훨씬 더 높은 엑소슈트 강성도를 달성하는데 도움을 주고, 여기서 훨씬 더 높은 엑소슈트 강성도를 달성하는 것이 가능하다. 노드 1의 이용은, 소프트 엑소슈트(100)가 골반 위에 힘을 분배할 수 있게 하고, 여기서 허리 벨트의 강성도는 훨씬 더 커져서, 소프트 엑소슈트는 매우 작은 변위를 경험하면서 더 높은 힘을 유지할 수 있다. 노드 1을 허리 벨트(110)에 연결하는 연결 요소들은 중간의, 측면 및 수직 방향으로 구속되기 때문에 노드의 위치에 고정될 수 있다. 연결 요소들(4 및 5)(예를 들어, 도 7을 참조)은 허리 벨트(110)와 허벅지 브레이스(120) 사이의 소프트 엑소슈트에서의 사전 장력을 확립하도록 장력을 받을 수 있고, 이것은 골반에 반하여 아래로 사전-장력을 인가하고 허벅지에 반하여 위로 사전-장력을 인가하는 것을 통해 소프트 엑소슈트 강성도를 증가시킨다. 연결 요소들(4 및 5)에 장력을 인가하는 것으로부터 초래된 정확한 사전-부하는 사용자마다 변할 수 있는 사용자의 편안함에 따라 조정될 수 있는 허벅지의 전면 양단의 스너그 장력(snug tension)을 정량적으로 생성함으로써 달성될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라, 허리 벨트(110)(예를 들어, 도 1을 참조)는, 장력이 허리 벨트에 유지될 때 최적으로 기능한다. 허리 벨트(110)가 적절히 장력을 받지 못하면, 소프트 엑소슈트(100)는 작동이 가해질 때 처질 것이다.
허리 벨트(110)의 적절한 수직 배치는 적절한 소프트 엑소슈트 강성도를 유지하기 위해 바람직하다. 본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는 사용자 상에서 작용하는 대부분의 힘을 위한 앵커로서 골반 상의 장골능을 이용한다. 허리 벨트(110)가 장골능에 의해 지지되지 않으면, 소프트 엑소슈트(100)는 신체의 다른 특징부들에 의해 지지되지 않는 한 초기 강성도만큼 제공할 수 없을 수 있다. 허리 벨트(110) 위치가 사용할 동안 너무 낮게 설정되거나 너무 낮게 되면, 사용자의 엉덩이 모션과 간섭할 수 있어서, 불편함(예를 들어, 엉덩이 굴근들의 상처들)을 야기하고, 소프트 엑소슈트 기능을 감소시킨다.
소프트 엑소슈트의 양상들의 평가 동안, 이른 스탠스에서 중간-스탠스로(early to mid-stance) 가는 동안 엉덩이 양단에 생성된 장력이 엉덩이 굴근 및 중둔근 근육들에서 근육 피로를 초래할 수 있다는 것이 본 발명자들에 의해 발견되었다. 이른 스탠스에서 중간-스탠스로 갈 때, 엉덩이는 구부러져서, 이러한 굴곡에 저항할 모멘트를 생성하기 위해, 장력은 엉덩이 아래에서 엉덩이의 회전 중심 뒤로부터 허벅지의 전면으로 지나가는데 필요하다. 따라서, 도 5 또는 도 6b에서의 연결 요소(2)가 엉덩이의 회전 중심 아래를 지나가면, 그러한 모멘트들을 생성할 수 있다. 연결 요소(2)가 이들 모멘트들을 생성하도록 할 수 있는 2가지 가능한 방식들이 존재한다. 첫 번째 방식은, 노드 1이 허벅지 상에서 너무 낮게 위치된다는 것이다. 두 번째 방식은, 연결 요소(2)가 허리 벨트 더 뒤에 부착한다는 것이다. 연결 요소(2)는, 일단 노드 1(도 5 또는 도 6b를 참조)이 허벅지의 중심에 대해 정확히 위치되면 허리 벨트{예를 들어, 벨크로(등록상표)를 통해}에 직접 부착될 수 있다. 일단 노드 1이 정확히 위치되면, 노드 1로부터 허리 벨트로의 직선 라인으로 연결 요소(2)를 확장함으로써(즉, 연결 요소가 매끄럽게 남아 있고 착용자와 동일 높이에 있다는 것을 보장), 연결 요소(2)를 허리 벨트(110)에 부착함으로써 고정될 수 있어서, 연결 요소(2)가 허리 벨트로의 적절한 부착 각도를 갖는 것을 보장한다. 일반적으로, 노드 1은 슬개골 바로 위에서, 골반(예를 들어, 장골능)의 약 10cm 안쪽에서, 허벅지의 중심에 측면으로 위치될 수 있고, 허벅지와 몸통 사이의 주름 바로 아래에 수직으로 위치될 수 있다. 연결 요소들(2 및 3) 각각은 이 지점으로부터, 각각 신체의 동일한 측부 및 대항 측부 상에서, 골반의 측부(장골능의 측부)로 위로 기울어지게 확장할 수 있다. 외부 연결 요소(2)는 수평에 대해 약 40 내지 65도 사이로 기울어질 수 있고, 연결 요소(3)는 수평과의 대응하여 더 작은 각도를 가질 수 있다.
노드 1이 부정확한 수평 장소에 위치되면, 엑소슈트의 불리한 회전을 초래할 것이다. 예를 들어, 노드 1(예를 들어, 도 1, 도 3, 도 6b를 참조)이 허벅지의 중간의 우측 또는 좌측 중 어느 하나에 위치되면, 소프트 엑소슈트에서의 장력은 이 때 다리의 대칭에 대해 불균형할 것이어서, (반복된 사이클에 걸쳐) 불균형 방향으로의 허벅지 브레이스(120)의 회전을 야기하여, 종아리 연결 요소들(107)은 무릎의 회전 중심과 더 이상 적절히 정렬하지 않아, 사용자 상에서 부정확한 모멘트들을 생성할 것이다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 노드 1은 허벅지의 굴곡 지점 아래 수cm에서 허벅지의 중심에 직접 위치된다. 일단 노드 1이 엉덩이 굴곡과 어떤 방식으로든 간섭하는 지의 여부를 알도록 위치될 수 있으면, 근사적인 수직 위치는 착용자가 자신의 엉덩이를 구부리게 함으로써 결정될 수 있다. 공칭적으로, 노드 1은 굴곡 지점에 가까이 위치되지만, 엉덩이 굴곡과 간섭하도록 가까이 위치되지 않는다. 노드 1은 허벅지의 중심에 수평으로 위치되어야 하는데, 이는 수평 오정렬이 소프트 엑소슈트가 바람직하지 않게 회전하도록 할 수 있기 때문이다. 일단 노드 1이 허벅지에 대해 정확히 위치되면, 연결 부재(2)를 노드 1로부터 허리 벨트로의 직선 라인으로 확장함으로써 연결 부재(2)를 허리 벨트에 부착함으로써 노드 1이 먼저 고정되고, 이것은, 연결 부재(2)가 허리 벨트로의 적절한 부착 각도를 갖고, 제 2 연결 부재(3)가 노드 1 버클을 통해 루핑되고, 연결 부재(3)를 고정할 때, 노드 중심 위치가 시프트(shift)하지 않는 것을 보장하기 위한 관심을 이용하여 부착되는 것을 보장한다. 노드 1의 수직 배치는 수평 배치와 같이 소프트 엑소슈트의 기능에 중요하지 않다. 노드 1이 허벅지 상에서 너무 높게 위치되면, 사용자의 엉덩이 굴곡과 간섭할 것이고, 명백할 것이다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 허벅지 브레이스(120)는 더 낮은 허벅지 주위에 감쌀 수 있다. 하나의 양상에서, 허벅지 브레이스(120)는 함께 결합되는 2개의 부품들을 포함하고, 이들 2개의 부품들 중 전면 부품은 사용자쪽으로 향하는 후크 및 루프 패스너{예를 들어, 벨크로(등록상표)}를 가질 수 있고, 이들 2개의 부품들 중 후면 부품은 사용자로부터 멀어지게 향하는 후크 및 루프 패스너{예를 들어, 벨크로(등록상표)}를 가질 수 있다. 종아리 연결 요소들(107)은 2개의 층들 사이에 끼워질 수 있고, 후크 및 루프 패스너{예를 들어, 벨크로(등록상표)}에 의해 적소에 고정될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 실시예들에 따라, 허벅지 브레이스(120)의 하부는 슬개골의 상부 위에 대략 3 내지 6cm 사이( 및 바람직하게 약 4 내지 5cm 사이)에 위치되지만, 이 거리는 사용자의 생리 기능에 따라 변할 수 있다. 바람직하게, 허벅지 브레이스(120)는 종아리 연결 요소들(107)에 대한 더 큰 범위의 조정 능력을 허용하기 위해 더 높게 위치된다. 낮은 내지 평균 근육 질량을 갖는 마른 내지 중간 크기의 사용자에 대해, 허벅지 브레이스(120)는 슬개골 위 4cm에 위치될 수 있다. 더 큰 허벅지 직경을 갖는 사용자들에 대해, 허벅지 브레이스(120)는 종아리 연결 요소들(107)의 정확한 위치 지정을 허용하기 위해 슬개골 위 5 또는 6cm에 위치될 수 있다. 따라서, 무릎 위의 허벅지 브레이스(120)의 위치는 허벅지 브레이스(120)에 부착되는 종아리 연결 요소들(107)의 적절한 배치를 제공하고, 종아리 연결 요소들(107)이 무릎의 모션 범위와 간섭하지 않는 것을 보장하도록 선택될 수 있다. 더욱이, 허벅지가 일반적으로 다리 위쪽으로 더 큰 직경을 가지면서, 이것은 종아리 연결 요소들이 무릎 영역과 접촉하는 것을 피하여, 무릎 영역에서 피부 마찰을 피하도록 한다.
소프트 엑소슈트(100)의 적어도 몇몇 양상들에 따라, 종아리 연결 요소들(107)이 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 장소 및 각도가 조정될 수 있다. 이러한 조정 능력은, 사용자가 무릎의 회전 중심에 대해 종아리 연결 요소(107)를 적절히 위치시키면서, 그러한 특정 생리 기능 및 근육 조직을 수용하기 위해 소프트 엑소슈트를 조정하도록 한다. 무릎의 회전 중심에 대해 종아리 연결 요소들(107)의 배치에 대한 조정들은, 정확한 모멘트들이 무릎에서 발생되는 것을 보장하는데 사용된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 허벅지 브레이스(120)는, 소프트 엑소슈트가 장력을 받을 때 수평 부하의 균형을 맞춤으로써 엑소슈트 강성도에 기여할 수 있다. 이러한 수평 부하는, 소프트 엑소슈트의 부하 경로가 발목으로부터 골반으로 진행할 때 약간 기울어지는 결과일 수 있다. 방향에서의 변화는 무릎의 회전 중심에 대해 종아리 연결 요소들(107)의 정확한 배치를 수용하기 위해 허벅지 브레이스(120)에서 발생한다. 종아리 연결 요소들(107)의 정확한 배치가 바람직한데, 이는 소프트 엑소슈트가 작동될 때 장력이 무릎 조인트 양단에 생성되기 때문이다. 종아리 연결 요소들(107)이 무릎의 회전 중심에 대해 위치되는 경우에 따라, 이러한 장력에 반응하여 생성된 모멘트는 사용자에게 도움을 줄 수 있거나 사용자를 방해할 수 있다. 소프트 엑소슈트 장력이 사용자의 자연스러운 무릎 모멘트들에 악영향을 주지 않기 위해, 장력은 작동 시간에 무릎의 회전 중심과 일치(in line with)하거나, 무릎의 회전 중심의 전면에 약간 있을 수 있다. 허벅지 브레이스(120) 상의 종아리 연결 요소들(107)의 위치와, 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 각도는, 장력이 무릎의 회전 중심과 일치하거나 무릎의 회전 중심의 전면에 있도록 조정될 수 있다.
측면의 종아리 연결 요소(107)에서의 장력이 T-연결기(113)(도 3 내지 도 4)에 인가될 때, 이와 동일한 것은 다리의 다른 측부 상의 중간의 종아리 연결 요소(107)에 발생하고, 중간 및 측면의 종아리 연결 요소들(107) 상의 이들 힘은 허벅지 브레이스(120)에서 수렴한다. 종아리 연결 요소들(107) 각각은 고정 부착물{예를 들어, 버클, 벨크로(등록상표), 걸쇠 등}을 통해 허벅지 브레이스(120)에 결합된다. 종아리 연결 요소들(107) 상에서 작용하는 힘의 방향은 종아리 연결 요소들(107)을 서로 떨어지게 잡아당기고, 허벅지 브레이스(120)로의 2개의 종아리 연결 요소(107) 부착 지점들 사이의 직물 상에 장력을 놓도록 작용한다. 결과적인 장력 프로필은 허벅지 브레이스의 하부로부터 높이에서의 증가를 갖는 감소하는 장력(더 작은 벡터들)을 허벅지 브레이스(120)의 하부에서 허벅지 브레이스(120)에서의 가장 큰 장력(가장 큰 벡터)에 제공하도록 발견되었다. 몇몇 사용자들에 대해, 힘 프로파일이 가해지는 힘의 방향과, 종아리 연결 요소들(107)이 허벅지 브레이스(120)에 대해 어떻게 기울어지는지에 모두 의존하기 때문에, 수평 힘이 허벅지 브레이스(120)의 상부에서 부호를 역전시키는 것이 가능하다.
종아리 연결 요소들(107)은 허벅지 브레이스(120)에 부착할 수 있고, 허벅지 근육의 벌크 아래에 정강이의 뒤에 함께 결합할 수 있다. 2개의 스트랩들이 종아리 근육의 벌크 아래에 만나는 접합부는, 보덴 케이블 시스(144)가 소프트 엑소슈트(100)에 부착될 수 있는 지점이다. 주지된 바와 같이, 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 허벅지 브레이스(120)와의 종아리 연결 요소(107) 연결 길이, 연결 각도 및 연결 장소는 모두 상이한 생리 기능들을 갖는 사용자들을 수용하도록 조정될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 종아리 연결 요소(107)의 정확한 배치를 제공하는 4가지 조정 인자들이 있고, 이들 변수들 각각에 대한 무엇보다 중요한 목적은 사용자의 무릎의 회전 중심에 대해 종아리 연결 요소들(107)을 정확히 위치시키는 것이다. 4가지 조정 인자들은 (1) 종아리 연결 요소들(107)이 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 장소, (2) 종아리 연결 요소들(107)이 허벅지 브레이스(120)를 빠져나가는 각도, (3) 슬개골 위의 허벅지 브레이스의 수직 위치, 및 (4) 정강이에 대한 보덴 케이블 T-부착물의 수직 장소이다.
위에서 주지된 인자들은 사용자의 허벅지 원주 및 허벅지 길이에 대해 조정될 수 있다. 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따른 소프트 엑소슈트들의 실시예들이 이들 인자들 중 하나 이상의 인자에서 그러한 변화성을 가능하게 하는 경우(예를 들어, 특정 사용자를 위해 설계되거나 설치된 슈트에서, 소프트 엑소슈트는 그러한 후속적인 조정 능력을 제공할 필요가 없을 수 있다), 종아리 연결 요소들(107)의 최적의 배치는, 종아리 연결 요소들(107)이 장력을 받을 때, 종아리 연결 요소들(107)이 사용자의 자연스러운 걸음걸이 사이클에 악영향을 미치는 무릎에서 모멘트들을 야기하지 않도록 이루어진다. 종아리 연결 요소들(107)이 사용자의 자연스러운 걸음걸이 사이클에 악영향을 미치는 무릎에서 모멘트들을 야기하지 않는 것을 보장하는 한 가지 방식은, 장력이 무릎의 회전 중심을 통과하도록 하여, 소프트 엑소슈트가 무릎 상에 모멘트들을 생성하지 않는 것을 보장하는 것이다. 하지만, 무릎이 일정하게 변하는 순간 회전 중심으로 구부러지고 걸음걸이 사이클 전체에 넓은 모션 범위를 통해 확장하기 때문에, 이러한 접근법은 실현하기 어렵다. 이러한 목적을 달성하기 위한 다른 더 실용적인 방식은 사용자의 자연스러운 걸음걸이에 악영향을 미치지 않는 모멘트들의 생성을 허용하는 것이다.
정확한 종아리 연결 요소(107) 배치를 추가로 예시하기 위해, 무릎 및 발목 역학의 이해가 도움이 된다. 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 도보 움직임을 보조하도록 구성된 소프트 엑소슈트는 걸음걸이 사이클의 대략 30%로부터 걸음걸이 사이클의 62%로 발생하는 말단 스탠스 단계 및 사전-스윙(pre-swing) 단계 동안 작동된다. 말단 스탠스(30% 걸음걸이 사이클)의 시작에서, 장딴지근(종아리 근육) 및 가자미근(내부 종아리 근육)은 점차 증가하는 발바닥 앞발 굴근 모멘트를 무효로 하기 위해, 그리고 신체가 순방향으로 떨어질 때 발생하는, 발꿈치의 들어올림/밀어냄 동안 되튀기 위해(rebound) 탄성 에너지를 근육 및 힘줄 조직에 저장하기 위해 수축을 점차 증가시킨다. 발꿈치가 올라가고 선회 지점이 앞발로 이동할 때 발목이 발바닥을 구부리기 시작함에 따라 이러한 작용이 증가한다. 추가로, 이것이 발생할 때, 무릎 굴곡은 가장 낮은 지점(40%에서 약 5도)에 도달한다. 굴곡에서의 이러한 감소는, 신체의 질량이 무릎의 수동 확장을 야기하는 무릎들의 회전 중심의 전면에 떨어지는 신체의 힘 벡터를 위치시키는 앞발 상에서 순방향으로 떨어질 때 발생한다. 하지만, 이러한 신장은 후방(posterior) 근육 작용, 즉 무릎 및 발목에서의 작용으로 인해 미리 장력을 받는 장딴지근 뿐 아니라 무릎 조인트 양단에 놓이는 오금근에 의해 저항된다. 최소 굴곡 각도(40% 걸음걸이 사이클)에 도달할 때, 무릎은, 그러한 지점에서 무릎 조인트가 발꿈치 상승으로 인해 신체 벡터의 전면에 이동될 때 즉시 구부러지기 시작한다. 이러한 지점에서, 무릎 신장에 저항하도록 작용한 후방 근육들은 이제 무릎 굴곡뿐 아니라, 이제 무릎의 회전 중심보다 후방에 있는 신체 벡터를 촉진시켜, 무릎 굴곡을 수동으로 촉진시킨다. 말단 스탠스는 대측성 사지(contralateral limb)(50% 걸음걸이 사이클)의 초기 접촉으로 종료한다. 사전-스윙(50% 걸음걸이 사이클)의 개시를 통해, 중량은 다른 다리로 시프트되어, 무릎이 자유롭게 구부러지도록 하고, 이것은 아킬레스 힘줄의 탄성 반동을 초래하고, 후방 근육들의 작용과 신체 벡터의 수동 작용은 무릎의 회전 중심의 후방에 있다. 하지만, 무릎 굴곡이 너무 빠르게 발생하는 경우, 대퇴직근이 무릎을 감속시키도록 전진하여, 무릎에서 확장 모멘트를 야기하고, 이에 따라 사전-스윙 동안의 확장 모멘트가 항상 존재하는 것은 아니라, 다리가 어떻게 빠르게 굴곡으로 나아가는지에 따른다.
상기 설명으로부터, 3개의 지점들은 작동 단계 동안 무릎 조인트 양단의 소프트 엑소슈트의 장력에 관해 이루어질 수 있다. 먼저, 그러한 장력이 걸음걸이 사이클의 30 내지 40% 사이로 무릎의 회전 중심의 전면에 존재하면, 이것은, 후부 근육들(장딴지근 및 오금근)이 굴곡에서의 감소를 감소시키기 위해 더욱 더 단단하게 작용하도록 할 것이다. 이것은 엑소슈트를 착용하는 것들로부터 "너무 많은 장력"의 느낌을 생성하고, 이것은 종아리 연결 요소들(107)을 허벅지 브레이스(120) 상의 더 후방 위치로 이동함으로써 해결될 수 있다. 두 번째로, 장력이 걸음걸이 사이클의 40 내지 50%로 무릎의 전면에 있는 경우, 이것은, 그 지점에서, 수동으로 회전 중심의 후방에 있는 신체 벡터로 인할 뿐 아니라, 능동적으로 후방 근육들로 인해 발생하는 무릎 굴곡에 저항할 것이다. 이 지점에서, 종아리 연결 요소들(107)을 무릎의 회전 중심과 일치하거나 무릎의 회전 중심 뒤에 배치하는 것이 유리한데, 이는 종아리 연결 요소들(107)을 무릎의 회전 중심의 전면에 배치하는 것이 후방 근육들을 과로시킬 가능성이 있기 때문이다. 세 번째로, 장력이 걸음걸이 사이클의 50 내지 62%로 무릎의 전면에 있는 경우, 수동으로 아킬레스 힘줄의 반동으로 인해 발생하는 무릎의 굴곡 모션 뿐 아니라 후방 근육들의 직접적인 근육 작용에 저항할 것이다. 무릎의 굴곡 모멘트가 종종 사전-스윙 동안 대퇴직근에 의해 저항되지만, 이것은 항상 그러한 것은 아니고, 걸음걸이 사이클의 이러한 부분에 대해 예측될 수 있는 신장 모멘트가 반드시 발생하는 것은 아니다.
종아리 연결 요소들(107)은 사용자의 넓은 범위의 생리 기능에 대해 사용자의 자연스러운 도보 사이클, 또는 다른 움직임 사이클을 방해하지 않는 모멘트들을 생성하도록 유리하게 장력을 받을 수 있다. 적절한 소프트 엑소슈트 연결 요소 위치 지정(예를 들어, 중량, 전력, 신진 대사 효과, 편안함, 상이한 생리 기능의 변화성 등의 최적의 균형을 달성하기 위해)을 결정하려는 첫 번째 도전은 간단히 큰 사람간 치수적 변화성들이었다. 두 번째 도전은, 무릎이 작동 단계의 마지막에 가까운 밀어내는 것(50% 걸음걸이 사이클) 주위에 직각으로 구부러지도록 확장되는 것이 되는 비율이었다. 스트랩이 너무 일찍 무릎의 회전 중심 뒤로 이주하면, 사용자의 자연스러운 걸음걸이를 방해하는 불필요한 굴곡 모멘트가 생성된다. 따라서, 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 종아리 연결 요소들(107)은 해로운 모멘트들을 피하기 위해 무릎의 회전 중심과 일치하거나 무릎의 회전 중심 뒤에 있도록 위치된다.
몇몇 실시예들에서, 종아리 연결 요소들(107)은, 착용자가 직립의 서 있는 위치에 있을 때 각각의 작용 라인들이 무릎의 유효 회전 중심을 통과하도록 위치된다. 이 위치는 경골의 각 측부 상에서 대퇴골과 경골 사이에서 접합부를 발견함으로써, 그리고 육안 해부학(surface anatomy)을 관찰함으로써 결정되고, 적절한 위치는 각각 대퇴골 및 경골 상의 뼈 돌출부에 의해 식별되고, 대퇴골과 경골 사이에 전방-후방(anterior-posterior) 방향으로 이어지는 "밸리(valley)" 또는 함몰부(depression)가 있다. 측부로부터 무릎을 보면, 종아리 연결 요소들(107)이 공칭적으로 통과할 장소는 무릎의 후면 측부(후방)로부터 대략 30% 내지 40%의 거리이다. 몇몇 사람에 대해, 이것은 정확히 그러하다. 다른 사람들{예를 들어, 덩치가 큰 사람(large people), 근육이 있는 사람(muscular people)}에 대해, 정확한 배치는 근사치 및 시행착오 접근법을 이용하여 케이스마다 결정된다.
바람직하게, 소프트 엑소슈트(100)가 착용자 상에 위치하는 모멘트들은 착용자에 의해 자연스럽게 생성된 모멘트들{즉, 모션 동안 자연스러운 생물학적 모멘트들만큼 가능한 한 밀접하게 동일한 조인트(들)에 관한 모멘트들}을 반영하여, 소프트 엑소슈트는 투명하거나, 그렇지 않으면 실질적으로 눈에 띄지 않는다. 소프트 엑서슈트(100)로부터의 조인트 모멘트들이 주어진 시간에 모멘트에 대한 자연스러운 모멘트로부터 역전될 수 있는 상황들에서, 소프트 엑소슈트(100)는 바람직하게 조인트 주위의 모멘트 아암(moment arm)을 최소화한다{예를 들어, 연결 요소들(107)을 무릎의 회전 중심을 통해 놓음으로써 무릎 모멘트를 가능한 한 작게 이루기 위해}.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 종아리 연결 요소들(107)은, 보덴 케이블 시스(144)(예를 들어, 도 2a를 참조)가 소프트 엑소슈트에 연결하는 T-연결기(113)에서 종료한다. 몇몇 실시예들에 따라, T-연결기(113)는 종아리 근육의 벌크 아래에 위치된다. 종아리 근육은 유연하고(compliant) 돌출하고, 이에 따라, T-연결기(113)가 작동 시간에 종아리 근육 위에 위치되면, T-연결기(113)는 근육에 파고 들어가서, 시스템에서의 컴플라이언스를 증가시키고, 사용자 자극을 야기시킨다. 종아리 근육 아래의 공간은 훨씬 덜 유연하고, 또한 종아리 연결 요소(107)가 종아리의 벌크를 수용하기 위해 더 깊게 기울어지는 것에 비해 더 직선의 경로로 정강이를 아래로 내려가게 하도록 한다. 종아리 연결 요소(107)가 수직에 대해 더 큰 각도로 정강이를 내려가게 하면, 이것은 장력을 받을 때 이제 똑바르게 하기를 원할 때 소프트 엑소슈트의 힘 경로를 덜 효율적이게 한다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 종아리 연결 요소(107)는 종아리 근육의 벌크를 둘러싸도록 위치되고, 이것은 종아리 연결 요소들(107)이 수직에 대해 더 직선의 라인으로 정강이를 내려가게 하도록 한다. 종아리 연결 요소들(107)의 단부에서 T-연결기(113)는 T-연결기(113)를 발꿈치의 중심 라인과 직접적으로 일치하게 위치시킴으로써 수평에 대해 정확히 위치될 수 있다. 종아리 연결 요소들(107)을 수직에 대해 정확히 위치시키기 위해, 연결 요소들은, T-부착물이 신발류(착용된 경우)의 상부에 위치되도록 조정되거나, 공칭적으로 T-연결기(113)가 종아리 근육의 벌크 아래에 위치되도록 조정되고, 이것은 종아리 스트랩들이 종아리의 벌크를 성공적으로 둘러싸도록 한다. 몇몇 실시예들에 따라, 더 단단한 구성요소들 중 몇몇은 더 부드럽고 더 유연한 구성요소들로 대체될 수 있다.
하나 이상의 신발류 연결 요소들(130)은 사용자의 발과 강성 인터페이스를 제공하도록 제공된다. 적어도 몇몇 양상들에서, 신발류 연결 요소(130)는 부츠의 근접(예를 들어, 발꿈치) 및 말단(예를 들어, 상부, 구두 박스, 등) 부분 주위에 배치된 멜빵을 포함한다. 그러한 신발류 연결 요소(130)는 발꿈치에서의 작동으로 인한 상향력을 하향력을 인가하는 발의 전면에 중계한다. 그러한 방식으로 수평 상향력을 발의 전면에 전달하는 것은 생성되는 상보적 모멘트들(complimentary moments)로 인해 발목 발바닥 굴곡을 촉진시키는데 도움을 준다.
적어도 몇몇 양상들에서, 신발류 연결 요소(130)는 사용자의 신발류(예를 들어, 부츠, 구두 등)의 중간의 중간 부분(예를 들어, 상부) 주위에서 감싸고 신발류 발꿈치와 발등 사이의 공간 주위를 감싸도록 배치된 하나 이상의 연결 부재(들)를 포함한다. 신발류 연결 요소(130)는 도시된 바와 같이, 발목 주위를 감싸도록 배치된 하나 이상의 연결 부재(들)를 포함하여, 발꿈치에 미끄러지고 더 큰 강성도를 제공하기 위해 위로 장력을 받는 것으로부터 신발류 연결 요소(130)를 유지하기 위해 구속력을 제공한다. 하나 이상의 연결 부재(들)는 또한 유리하게 신발류 연결 요소(130)를 신발류에 대해 중간 및 측면으로 미끄러지는 것으로부터 구속하도록 배치된다. 적어도 몇몇 양상들에서, 하나의 연결 부재의 하부 에지는 유리하게 신발류의 발꿈치의 에지 주위에서 약 0.5cm에 위치된다. 이러한 위치 지정은 노드 2의 정확한 위치 지정으로부터 초래된다. 신발류 연결 요소(130)는 엑추에이터 케이블(예를 들어, 보덴 케이블 등) 부착 지점으로서 작용하는 연결 부재를 포함하고, 이것은 직접 및/또는 다른 연결 부재를 통해, 작동력을 발꿈치에 전달한다. 노드 2는 바람직하게 수직 방향으로, 그리고 직접적으로는 중간-측면 방향으로 발꿈치의 중간에 가능한 한 발꿈치의 하부에 밀접하게 위치된다. 노드 3은 발-바닥(foot-sole)의 중간 약간 뒤에 위치되고, 그 위치는 노드 2의 배치에 의해 표시된다.
부츠 부착물들을 정확히 걸치는 방법의 일례에서, 노드 2는 먼저 발꿈치 상에 위치되고, 그런 후에 하나 이상의 신발류 연결 요소들(130)은 신발류에 대해 적절한 위치들에 위치되며, 이에 후속하여, 신발류 연결 요소들은 필요시 순차적으로 조정된다(예를 들어, 장력을 받는/느슨하게 되는).
신발류 연결 요소(130)는 선택적으로, 하지만 유리하게, 신발류 연결 요소를 착용자의 발 주위에 고정하기 위해 조정될 수 있는{예를 들어, 벨크로(등록상표) 등을 이용하는 것과 같이 조이거나 꽉 쥠(cinching)으로써} 하나 이상의 패스너들을 포함한다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 신발류 연결 요소(130)는 양말과 거의 유사하게, 걸쳐질 수 있는 양말-형 구조를 포함한다. 여전히 대안적으로, 신발류 연결 요소(130)는 발을 동봉하기 위해 접힐 수 있는 스텝-인투(step-into) 구조를 포함하고, 이 위치에서, 하나 이상의 패스너들은 신발류 연결 요소(130)를 착용자의 발 주위에 고정하기 위해 조여지거나 꽉 쥐어졌다{예를 들어, 벨크로(등록상표) 등}. 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 신발류 연결 요소(130)는 하나의 부품 또는 다중-부품 텍스타일-기반의 구조를 포함할 수 있고, 여기서 웨빙은 착용자의 발꿈치 아래 그리고 앞발 위로 확장한다.
신발류 연결 요소(130)는 부츠 또는 구두 위에 배치된 멜빵 형태를 취할 수 있고, 이것은 연결 지점을 보덴 케이블(142) 엑추에이터에 제공하였다. 이들 해법들은, 발꿈치에 대해 위로 부츠 발꿈치 상의 힘을 생성하기 위해 케이블(142)이 잡아당기는 "아웃 오브 부츠(out of boot)" 해법들이다. 본 개념들의 다른 양상들은 발목 조인트 주위에 모멘트들을 생성하기 위해 "부츠 내(inside the boot)" 힘 엑추에이터를 이용하는 신발류 연결 요소(130)를 포함하고, 그러한 신발류 연결 요소는 케이블 부착된 바닥 및 케이블 가드를 포함한다. 그러한 구성에서, 힘을 착용자에게 인가하기 위해, 케이블은 구두(A)의 외부에 있는 엑추에이터에 고정된 일단부와, 착용자의 발(B) 바닥 아래에 구두 내부의 물체에 부착된 타단부를 갖는 착용자의 구두 또는 부츠로 확장한다.
다른 양상에서, 플라스틱 또는 폼 요소는, 웨빙이 격리시 사용된 경우보다 발의 상부 위의 압력을 더 균일하게 분배하기 위해 앞발 위의 웨빙과 착용자의 발 사이에 선택적으로 삽입된다. 다른 양상에서, 토크를 발에 전달하기 위한 추가 경로들을 제공하기 위해, 중간 바닥(midsole)은 발 및/또는 발목의 상부 위의 웨빙( 및 선택적으로 이전에 주지된 폼 또는 플라스틱)과 조합된다.
케이블 또는 웨빙을 바닥 요소의 더 낮은 후면 부분에 부착하는 것은, 케이블 또는 웨빙 상의 지점에 인가된 힘이 시상 봉합 평면에서 발목 조인트에 근접한 착용자의 발꿈치로 전달되는 고정된 지점을 제공하여, 조인트 주위에서 토크를 생성한다. 이러한 바닥은 부분 또는 전체 바닥일 수 있다. 바닥이 부하를 발꿈치에 분배하기 위해 탄소 섬유와 같은 일부 강성화 요소들(stiffening elements)을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 강성화 요소들이 사용되면, 바닥은 유리하게 세그먼트화(segmented)될 수 있어서, 발의 볼(ball) 상의 최대 범위의 모션을 허용한다. 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 케이블 가드는 하부 다리의 후면 부분에 제공된다. 작동을 위해, 케이블은 후퇴될 필요가 있다. 케이블이 부츠와 착용자의 다리 사이에 압축되는 상황들에서, 케이블 착용자와 부츠 사이의 마찰로 인해 찰과상을 초래할 뿐 아니라 효율에서의 손실을 초래할 수 있다. 따라서, 케이블이 자유롭게 이동하기 위한 개방 채널을 제공하는 시스템이 바람직하다.
본 개념들의 다양한 양상들에서, 양말-형 신발류 연결 요소(130)는 양말-형 구조의 상부에 부착하는 연결 요소(예를 들어, 웨빙)를 통해 소프트 엑소슈트(100)에 연결되고, 종아리 연결 요소들(107)의 하부까지 직접 이어진다. 또 다른 양상에서, 신발류 연결 요소(130)는 발꿈치(예를 들어, 착용자의 발꿈치, 신발류의 발꿈치) 주위를 감싸도록 구성된 발꿈치 컵(cup)을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 신발류 연결 요소(130)는 착용자의 발의 부분(예를 들어, 발꿈치) 또는 전체 발 아래에 신발류로 이어지는 바닥 삽입부를 포함하고, 그러한 바닥 삽입부, 또는 전술한 발꿈치 컵은 후면 부분 및/또는 측면 부분들에서, 신발류를 빠져나가고 소프트 엑소슈트 엑추에이터 케이블에 부착하는 연결 부재(예를 들어, 웨빙)에 부착한다. 바람직하게, 신발류 내부에 배치된 임의의 연결 부재들은 착용자에 대한 마찰을 최소화하기 위해 낮은 마찰 시스, 낮은 마찰 코팅, 또는 낮은 마찰 재료를 포함한다. 또 다른 양상에서, 신발류 연결 요소(130)는 신발류의 바닥의 부분(예를 들어, 단지 발꿈치) 또는 신발류의 전체 바닥 아래로 이어지는 바닥 삽입부를 포함한다. 연결 부재(예를 들어, 웨빙, 케이블, 등)는 소프트 엑소슈트 엑추에이터 케이블에 부착하는 연결 부재에 연결하기 위해 바닥 삽입부의 후면 부분 및/또는 후면 측면 부분들에 제공된다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 엑추에이터(200)는 또한 본 개념들에 따라 소프트 엑소슈트(100)를 착용하면서 도보(또는 다른 움직임들 또는 활동들)의 신진 대사 비용을 감소시키는데 사용될 수 있다. 엑추에이터(200)는 (도보에 대해)와 같이 원하는 모멘트의 힘을 보완하는데 사용되어, 발목 근육들이 가장 큰 전력을 생성할 때 걸음걸이 사이클의 발가락 밀어냄 부분 동안 발목 주위에 힘을 보완한다. 이러한 작용을 수행하기 위해, 예로서, 모터는 보덴 케이블(142)(또는 웨빙, 리본 재료, 벨트, 또는 체인과 같지만, 여기에 한정되지 않는 다른 유연한 전달 요소) 상에서 필요한 힘/변위를 생성하는데 사용될 수 있고, 센서들(150){예를 들어, 도 2a에서 푸트 스위치 센서(150)}은 조인트 위치를 감지하고 작동 타이밍을 결정하는데 사용될 수 있다.
엑추에이터(200)는 힘을 그러한 말단 신체{예를 들어, 케이블(142)이 사용자의 부츠 상의 지점과 소프트 엑소슈트의 하부 사이의 거리 등을 변화시키도록 함으로써}에 전하기 위해 적어도 부분적으로 하나 이상의 조인트들을 가로질러 말단 신체 부분에 전달될 수 있는 힘을 생성한다. 최소한으로 확장할 수 있는 소프트 엑소슈트를 통해, 이러한 후퇴 거리는 소프트 엑소슈트(100), 신발류 연결 요소(예를 들어, 부츠 부착물), 및 케이블(142)에서의 인장력을 생성한다. 이러한 인장력은 발목 조인트의 축으로부터 오프셋된(offset) 위치에 인가될 수 있고, 조인트 주위에 모멘트를 초래한다. 일례로, 유연한 보덴 케이블들(142)은 힘을 엑추에이터 유닛(200)에서의 엑추에이터(들)로부터 소프트 엑소슈트(100)로 전달하기 위해 시스템(100)에 의해 사용될 수 있다. 단단한 및/또는 더 무거운 엑추에이터(들)(200)는 도 2a에 도시된 것과 같이 멀리서 또는 말단으로(예를 들어, 하부 신체로부터 멀리 있는 백팩 상에) 장착될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 각 사지(예를 들어, 다리)는 자체 엑추에이터 유닛(200)에 의해 구동될 수 있고, 이러한 자체 엑추에이터 유닛(200)은 하나 이상의 엑추에이터들을 포함할 수 있다. 본 개념들의 또 다른 양상들에서, 각 조인트는 자체 엑추에이터 유닛(200)에 의해 개별적으로 구동될 수 있고, 이러한 자체 엑추에이터 유닛(200)은 하나 이상의 엑추에이터들을 포함할 수 있다. 본 개념들의 또 다른 양상들에서, 복수의 조인트들은 엑추에이터 유닛(200)에 의해 구동될 수 있고, 이러한 엑추에이터 유닛(200)은 하나 이상의 엑추에이터들을 포함할 수 있다.
도 8 내지 도 9에 도시된 본 개념들에 따른 일실시예에서, 각 엑추에이터 유닛(200)은 구동 박스(223) 및 풀리 모듈(224)을 포함한다. 엑추에이터 유닛(200)은 보덴 케이블(142)을 구동하고, 발꿈치 충돌 접촉을 측정함으로써{예를 들어, 도 8, 푸트 스위치(150)를 참조} 사용자의 걸음걸이를 감지하는데 사용된다. 보덴 케이블(142)은 풀리 모듈(224)에서 풀리 휠(225)에 부착되고, 풀리 휠(125)의 회전에 의해 확장되고 후퇴된다. 몇몇 실시예들에서, 구동 모터(222)는 사용자의 모션의 보조를 제공하는 보덴 케이블(142)을 구동하기 위해 풀리 모듈(224)에 결합된 출력 샤프트의 구동 토크를 증가시키도록 기어 장치(gearing)(249)(예를 들어, 기어 박스)를 포함한다. 다른 양상들에서, 모터(222)는 중간 기어 장치 없이 풀리 모듈(224)에 직접 연결된다. 구동 모터(246)는 유리하게 모터 출력 샤프트의 회전 위치를 표시하도록 구성된 인코더(248) 또는 다른 위치 센서를 포함한다. 구동 모터(246) 및 인코더(248)는 구동 모터의 전력, 속도 및 방향을 제어하는데 사용된 모터 제어기에 연결된다.
본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 중앙 집중형 모터 제어기는 2개 이상의 모터를 제어하도록 제공된다. 대안적으로, 각 엑추에이터 유닛(200)은 자체 내재 시스템 제어기(250)를 포함하고, 이러한 자체 내재 시스템 제어기(250)는 센서 입력들을 수신하고, 그러한 엑추에이터 유닛을 위한 구동 모터(246)의 동작을 제어하기 위해 모터 제어기와 통신하도록 구성된다. 시스템 제어기(250)(또는 선택적으로 중앙 집중형 모터 제어기)는 PC/104 표준에 기초한 것과 같지만, 여기에 한정되지 않는 컴퓨터 또는 마이크로프로세서-기반의 시스템을 포함할 수 있다. 구동 모터(246)는 풀리 모듈(224)에 직접적으로 또는 간접적으로{예를 들어, 기어 트레인(249)을 통해} 결합되고, 이러한 풀리 모듈(224)은 보덴 케이블(142)의 근접 단부와 맞물리는 풀리(225)를 포함한다.
도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 풀리 모듈(224)은 보덴 케이블 시스(144)와 맞물리도록 적응된 하우징을 포함하여, 풀리 휠(225)이 제 1 방향으로 회전할 때, 보덴 케이블(142)은 풀리 주위를 감싸, 보덴 케이블(142)의 말단 단부가 보덴 케이블 시스(144)의 말단 단부로 후퇴되도록 하고, 풀 리가 제 2 방향으로 회전할 때, 보덴 케이블은 풀리로부터 풀려서, 보덴 케이블(142)의 말단 단부가 보덴 케이블 시스(144)로부터 확장하도록 한다. 적어도 몇몇 실시예들에서, 풀리(225)는 하우징에 동봉되어, 풀리(255)가 제 2 방향으로 회전할 때, 케이블(142)은 밖으로 나아가게 되고(driven out), 확장력을 인가할 수 있다.
위에 주지된 바와 같이, 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 단일 엑추에이터 유닛(200)은 에너지를 하나 이상의 사지들 및/또는 하나 이상의 조인트들에 제공하는데 사용될 수 있다. 일례로, 사지들을 분리시키기 위해 전력 전달을 교대로 하는 것은 사지들 사이의 클러치 스위칭 전력 전달을 통해 달성될 수 있고, 이것은 대향하는 사지들의 엇갈린(out-of-phase) 움직임을 이용한다(예를 들어, 다리들은 일반적으로 도보 동안 엇갈린다).
본 개념들에 따른 적어도 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트(100) 제어 시스템은 사용자의 걸음걸이를 감지하거나 결정하고(예를 들어, 하나 이상의 센서들을 통해), 걸음걸이 사이클의 특정 시간 동안 보덴 케이블(142)을 잡아당기기 위해 구동 모터(246)를 작동하거나, 또는 걸음걸이 사이클(또는 다른 움직임)의 특정 시간에 힘을 도입하도록 구성된 다른 작동 시스템을 작동하도록 구성된다. 걸음걸이 사이클 동안 미리 한정된 지점들에서 구동 모터(246)를 작동하는 것은 도보에 도움을 주는 발목 주위에 힘을 인가하는 소프트 엑소슈트(100)에서 미리 한정된 장력을 생성할 수 있다. 사용자에 의해 착용된 하나 이상의 센서들{예를 들어, 하나 이상의 푸트 스위치들(150), 하나 이상의 조인트 각도 센서들 등}은 신호들을 제어 시스템에 송신하도록 제공되어, 제어 시스템이 사용자의 걸음걸이 사이클(또는 다른 움직임)과 모터 작동을 동기화시키도록 한다. 본 발명의 다양한 실시예들에 따라, 센서는 특정 조인트들의 각도 위치를 감지하는 센서들을 포함하는 많은 형태들을 취할 수 있다. 예를 들어, 이를 통해 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함되는 공동 소유된 WO 2013/044226 A2를 참조한다. 몇몇 양상들에 따라, 센서들은 걸음걸이 사이클 동안 발의 압력, 예를 들어 발꿈치-충돌을 감지하는 간단한 온/오프 스위치 또는 압력 센서를 포함한다.
본 개념들의 다른 양상들에 따라, 하나 이상의 센서들은 특정 장소들에서 근육 활성화를 감지하는 EMG 센서들의 형태를 취할 수 있다. 이들 활성화들의 패턴 및 스케일은 요구된(스케일에 기초하여) 걸음걸이 사이클(패턴) 또는 보조량을 결정할 수 있다. 지상에 대해 또는 착용자 상의 지점에 대해 상대적으로 또는 절대적으로 조인트를 검출하는 다른 센서들은 걸음걸이 패턴을 결정하는데 사용될 수 있으므로, 엑추에이터 활성화를 제어하는데 사용될 수 있다. 다른 센서들은 초탄성 스트레인 센서들, 가속도계들, 관성 측정 유닛들, 내부 측정 유닛들(IMU) 및/또는 촉각기(goniometer) 센서들을 포함하지만, 여기에 한정되지 않을 수 있다. 이들 센서들, 또는 다른 센서들은 단일로 또는 조합하여 신체 위치를 표시하는 모션을 검출할 수 있다. 사용된 센서(들)에 따라, 그러한 시스템에 특정한 발견적 교수법(heuristics)은, 신체에서의 근육들이 조인트(예를 들어, 발목, 무릎, 또는 엉덩이)에 힘을 인가할 때를 결정하도록 전개될 수 있어서, 소프트 엑소슈트(100)는 차례로 적절한 시간에 그리고 추정된 근육 힘에 비례하여 힘을 인가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 가능한 방식은 조인트들 각각의 조인트의 속도를 추정함으로써, 그리고 착용자의 근사적인 단단한 신체 모델을 이용함으로써, 각 조인트에서 토크들을 추정함으로써 사용자의 신체의 역학을 추정하는 것이며, 이로부터 결과적인 유리한 토크들을 발생시키기 위한 적절한 장력이 결정된다.
대안적인 방식은 트레이닝(training) 단계에서 EMG 측정치들 및 센서들을 동시에 리코딩하는 것을 수반한다. 이러한 데이터가 수집된 후에, 기계 학습 알고리즘들은, 센서 입력들의 함수로서 근육들이 수축될 때를 예측하는데 사용된다. 그런 후에, 사실상, EMG 센서들이 사용되지 않고, 그 대신 트레이닝된 알고리즘은 센서들에 기초하여 근육 활성화를 예측하고, 적절한 근육들이 활성화될 때 장력을 소프트 엑소슈트에 인가한다.
다른 방식은 근육 직경을 검출하는 EMG들, 센서들을 이용하여, 또는 몇몇 다른 수단을 이용하여 근육 활성화를 직접 측정하는 것을 수반한다. 그런 후에, 소프트 엑소슈트(100)는 특정 근육들에 비례하여, 또는 근육들의 조합에 비례하여 장력을 받을 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 하나 이상의 푸트 스위치들(150)은 사용자의 걸음걸이 사이클의 비율의 측정을 제공하기 위해 발꿈치 충돌들을 감지하도록 발과 부츠의 바닥 사이에 위치된다. 푸트 스위치 또는 센서는, 각 발의 발꿈치가 먼저 걸음걸이 사이클 동안 지상에 충돌하는 모멘트를 검출하는데 사용되고, 제어 시스템은 걸음걸이 주기를 계산하기 위해 푸트 스위치로부터 신호를 이용한다. 걸음걸이 사이클 동안 임의의 지점에서 발목의 위치는 알려진 발목 위치 대 시간 곡선(레벨 지상 및 공칭 게이트를 간주하여)에 기초하여 추정될 수 있다. 추정된 발목 위치는 보덴 케이블(142)을 후퇴시키고 소프트 엑소슈트(100)에 장력을 인가할 때를 결정하는데 사용될 수 있다. 장력을 받은 소프트 엑소슈트(100)는 근육에 공급된 힘을 보완하고 사용자에 의해 소비된 에너지를 감소시키기 위해 걸음걸이 사이클의 발가락 밀어 냄 부분 동안 발목 주위에 모멘트를 제공할 수 있다.
몇몇 양상들에서, 벨크로(등록상표) 또는 몇몇 다른 부착 메커니즘은 원하는 장력으로 수동으로 잡아당긴 후에 소프트 엑소슈트(100)의 하나의 부분을 다른 부분에 연결하는데 사용된다. 예를 들어, 노드 1(예를 들어, 도 3, 도 5를 참조)은 벨크로(등록상표) 패스너들을 갖는 연결 요소들을 이용하여 허리 벨트(110) 및 허벅지 브레이스(120)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 7에서, 연결 요소들(4 및 5)은 하부에서 허벅지 브레이스(120) 상에서 버클들을 통해 루핑하고, 그런 후에 위로 잡아 당겨질 수 있고, 벨크로(등록상표) 또는 다른 고정 구성요소(들)를 통해 연결 요소들(4 및 5) 위에 고정될 수 있다. 대안적으로, 연결 요소들(2 및 3) 각각은 버클들을 통해 루핑하지 않고도 직접 벨크로(등록상표)를 통해, 또는 다른 고정 부재 또는 요소에 의해 허리 벨트(110)에 고정될 수 있다. 다른 선택 사양은 피드-쓰루(feed-through) 버클을 통과하는 웨빙 부품을 이용하는 것인데, 이러한 피드-쓰루 버클은, 웨빙 부품이 장력을 받은 후에 뒤로 물러나고 웨빙의 돌출 단부를 수동으로 팽팽하게 잡아당기는 것을 방지한다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라, 힘 센서는 각 보덴 케이블(142)에서 장력을 연속적으로 측정하는데 사용된다. 아이들러 풀리(idler pulley)(232)(예를 들어, 도 8을 참조)는 보덴 케이블(142)에 대해 편향되고, 부하 셀(234)(예를 들어, 도 8을 참조)은 케이블(142) 장력을 감지하는데 사용된다. 대안적으로, 케이블 장력, 또는 더 일반적으로 유연한 전달 요소 장력을 감지하는 다른 수단은, 케이블 또는 유연한 전달 요소가 힘을 소프트 엑소슈트에 인가하는 지점에 배치된 부하 셀을 포함할 수 있다. 이들 측정들은 소프트 엑소슈트를 적절한 레벨로 자동으로 장력을 인가하도록 로깅(logged)되고 사용된다. 몇몇 양상들에 따라, 소프트 엑소슈트 제어기(들)(250)(예를 들어, 시스템 제어기)는 자연스러운 신체 모션으로 인해 소프트 엑소슈트의 장력에서의 증가를 검출하고, 장력에서의 증가를 표시하는 이러한 신호에 기초하여 엑추에이터(들)(200)를 통해 작동을 적용한다. 따라서, 다양한 양상들에서, 소프트 엑소슈트 제어기(들)는 엑소슈트에서의 힘을 연속적으로 모니터링하거나, 사용자의 모션(들), 활동, 또는 활동들에 적절한 샘플링 주파수로 엑소슈트에서의 힘을 모니터링한다. 소프트 엑소슈트가 사용자의 위치에서의 기하학적인 변화들 때문에 일부 소량으로 장력을 받을 때, 제어기(들)는 그러한 (작은) 힘을 감지할 수 있고, 적절한 경우 장력을 증가시키거나 감소시키기 위해 소프트 엑소슈트를 작동할 수 있다. 도보를 위해, 소프트 엑소슈트는 예를 들어, 제어 시스템으로부터 모터 위치 신호에 일정한 오프셋을 인가함으로써 달성될 수 있다. 물론, 장력 인가는 또한 대안적으로 하나 이상의 조정 부재들(예를 들어, 스트랩들, 버클들, 걸쇠들, 벨크로 부착물들 등)을 조절함으로써 착용자에 의해 수동으로 달성될 수 있다.
몇몇 양상들에서, 엑추에이터 유닛(200)은 이더넷(예를 들어, 유선 또는 무선 - 와이파이), 블루투스, I2C, 또는 다른 개방형 또는 전용 통신 채널과 같은 통신 채널을 통해 국부 또는 원격 외부 컴퓨터(예를 들어, 데스크탑 또는 랩탑 컴퓨터, 태블릿 또는 스마트폰)와 통신하도록 구성된다. 외부 컴퓨터는 예를 들어, 처음에 전력 공급(power up)될 때 엑추에이터 시스템 제어 프로그램을 부팅하고, 엑소슈트 장력과 같은 제어 파라미터들을 조정하고, 진단 체크들을 실행하고, 소프트웨어를 송신하거나, 심지어 엑추에이터 유닛(200)을 원격 제어하는데 사용될 수 있다. 적어도 몇몇 양상들에서, 제어 시스템은 전력 공급시 자동으로 부팅하고, 액추에이터 유닛(200)의 외부 상에, 또는 핸드헬드 유선 또는 무선 원격 제어부 또는 전자 디바이스(예를 들어, 스마트 폰 앱) 상에서 스위치들로부터 제어 입력들을 수신한다. 다른 양상들에서, 제어 시스템은 사용자의 의도 또는 작용들을 검출하거나 예상하고 적절한 보조를 적용하는 사전 프로그래밍된 알고리즘들에 기초하여 독자적으로 동작한다.
제어 시스템 구성의 하나의 예에서, 엑추에이터 유닛(200)(예를 들어, 도 8의 예에서 엑추에이터)은 다이아몬드 시스템즈 MM-32DX-AT 아날로그 및 디지털 I/O 확장 보드에 연결된 PC/104 폼 팩터(form factor)에서 다이아몬드 시스템즈 오로라 단일 보드 컴퓨터{예를 들어, 프로세서(250)}에 의해 제어된다. 컴퓨터는 다이아몬드 시스템즈 쥬피터 전력 조절 보드를 통해 4-셀(14.8 내지 16.8V) 리튬 폴리머 배터리로부터 전력 공급될 수 있다. 보덴 케이블(142)에서의 장력은 풀리 모듈(224)에서의 아이들러 풀리(232)에 대해 장착된 50kg의 빔-스타일 부하 셀(234){피드젯츠(Phidgets), 상품 코드 3135}을 통해 감지된다. 부하 셀(234) 상의 풀 브리지 스트레인 게이지는 전기 인터페이스(예를 들어, 포고 핀)를 통해 신호 증폭기(242)(예를 들어, Futek CSG110)에 연결된다. 각 증폭기/부하 셀 쌍은 알려진 부하를 부하 셀(234)에 인가하면서 증폭기(242)의 출력을 조정함으로써 교정된다. 증폭기(242)는 부하 셀(234) 상의 힘에 대응하여 0 내지 10V의 DC 전압을 출력한다. 이러한 전압은 MM-32DX-AT의 아날로그 입력 핀에 의해 판독된다. 증폭기들(242)은 자체 온-보드 전력 조절기들을 통해 PC/104의 14.8V 배터리에 의해 전력 공급될 수 있다.
본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 발꿈치 충돌들은 B&L엔지니어링(상품 코드 FSW)으로부터의 푸트 스위치들과 같은 푸트 스위치들(150(예를 들어, 도 8)를 통해 감지될 수 있다. 푸트 스위치들(150)은 발-바닥-형태의 힘 감지 저항들일 수 있다. 각 푸트 스위치(150)의 발꿈치 부분의 단자들은 각각 MM-32DX-AT의 디지털 입력 핀 및 접지에 연결된다. 각 푸트 스위치 디지털 입력과 +5V 레일 사이에 평행한 1㏀ 및 10㏀은 디지털 핀을 잡아 당길 수 있다. 발꿈치 충돌이 발생할 때, 푸트 스위치(150)의 2개의 단자들 사이의 저항은 강하하고, 디지털 핀에서의 전압은 대략 0으로 감소하고, 상태에서의 변화는 MM-32DX-AT I/O 보드에 의해 판독될 수 있다. 푸트 스위치(150)는 스테레오 케이블에 플러그 인되는 3.5mm 오디오 잭과, 풀리 모듈(224)에서의 대응하는 3.5mm 오디오 잭에 유선 연결(wired)될 수 있다. 푸트 스위치(150)와의 전기적 연결은 포고 핀 인터페이스를 통해 PC/104 컴퓨터(250)로 지나갈 수 있다. 오디오 잭은 엑소슈트의 나머지로부터 푸트 스위치의 용이한 연결 해제(disconnection)를 허용하고, 이것은 소프트 엑소슈트(100)의 걸침 및 벗음을 용이하게 한다.
몇몇 양상들에서, PC/104 컴퓨터(250)는 구동 박스(223)의 외부 상의 스위치들을 제어하도록 연결된다. 전력 스위치들은 PC/104 및 모터 제어기 배터리들의 양의 전압 라인들을 단절시키기 위해 각 구동 박스에 제공된다. 2개의 일시 토글 스위치들 및 로커(rocker) 스위치는 PC/104 컴퓨터(250) 상에서 실행하는 제어 알고리즘에 사용자 입력을 제공한다. 로커 스위치는 제어 알고리즘의 도보 모드에 참여하는데 사용될 수 있고, 일시 토글 스위치들은 도보 이전에 소프트 엑소슈트에 장력을 인가하기 위해 좌측 또는 우측 모터를 회전시키는데 사용될 수 있다. 이들 3개의 사용자 인터페이스 스위치들은 10㏀ 풀-업 저항들을 갖는 MM-32DX-AT 상의 디지털 입력 핀들에 연결되고, PC/104와 공동 접지를 공유한다. 각 스위치가 활성화될 때, 디지털 입력은 접지에 연결되고, 핀은 로우(low)로 풀링하였다. 박스 장착된 스위치들에 더하여, 또는 박스 장착된 스위치들에 대한 대안에서, 작은 핸드-헬드 유선 또는 무선 원격부(미도시)가 제공될 수 있다. 원격부의 스위치들은 박스의 스위치들과 병렬로 연결될 수 있고, 복제 기능을 제공한다. 사용자 입력 스위치들에 더하여, 또는 사용자 입력 스위치들 대신에, 다른 사용자 인터페이스 시스템들은 소프트 엑소슈트에 일체화될 수 있고, 음성 제어부들, 터치 스크린, 착용가능 컴퓨터, 또는 헤드-업-디스플레이(heads-up-display)(예를 들어, 레티날 감지를 하는 구글 안경 또는 착용가능 디스플레이, 또는 무선 연결된 트랙 패드 또는 소프트키들과 같은 다른 입력부)를 포함한다.
몇몇 실시예들에 따라, 구동 박스(223)는 Copley Controls Accelnet Panel ACP 모터 제어기에 연결된 EC-4pole 30 Maxon 모터(246)를 포함한다. RS-422 디지털 시그널링(signaling)을 가지고 회전당 500 카운트들을 갖는 HEDL 5540 3-채널 인코더(248)가 피드백을 위해 이용된다. 각 모터 제어기는 예로서, 총 +29.6 내지 33.6V에 대해 직렬 상태인 2개의 4-셀(+14.8 내지 16.8V) 리튬 폴리머 배터리들에 의해 전력 공급된다. 도 8에 도시된 예에서 모터 제어기는 최대 +24V까지 모터에 공급한다. Accelnet Panel 모터 제어기(260)는 풀리 및 장력의 각도 배향을 변화시키거나 케이블(142)을 느슨하게 하기 위해 ??10 내지 10V의 DC 전압을 수용할 수 있다. -10V 신호는 풀리를 전력 공급시 시작 지점으로부터 반시계 방향으로의 1회의 전체 회전으로 이동할 수 있고, +10V 신호는 풀리를 시계 방향으로 1회의 전체 회전으로 회전할 수 있다. 몇몇 개념들에 따라, 음의 전압들이 사용되지 않는데, 이는 동작시 케이블(142)이 가능한 한 멀리 확장될 때만 모터 제어기들(260)이 전력 온(powered on)되기 때문이다. 소프트웨어에서, 제어 신호는 모터들을 물리적 멈춤으로 실행함으로써 시스템의 손상을 방지하기 위해 양이 되는 것으로 제한될 수 있다.
제어 전압은 MM-32DX-AT의 아날로그 출력 핀들 중 하나로부터 생성될 수 있다. 부드러운 모터 동작을 보장하기 위해, 전압 신호는 저역 통과 필터를 통해 전송된다. 이 필터는 R-68Ω 및 C=47㎌를 갖는 RC 단일 극 구조를 포함할 수 있고, 48.9Hz의 차단 주파수를 제공할 수 있다. 신호는 모터 제어기에 의해 추가로 필터링될 수 있고, 이것은 아날로그 입력 상에서 동작하는 디지털 필터를 구현한다.
본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 각 풀리 모듈(224)은 시스템 상태의 다양한 상태들{예를 들어, 풀리 모듈이 구동 박스(223)에 정확히 연결될 때 녹색 조명}을 표시하도록 조명하는 청색, 녹색 및/또는 적색 LED와 같은 하나 이상의 표시기들을 포함한다. LED(들)에 대한 전력 및 접지는 PC/104의 배터리로부터 포고 핀 인터페이스를 통과할 수 있다. 1㏀ 저항은 배터리로부터의 전압을 적합한 구동 전류로 낮추는데 사용될 수 있다.
본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 보덴 케이블들(142)은 금속 풀리 박스(224) 및 구동 박스(223) 쉘(shell)을 통해 접지되고, 이것은 회로 내부를 위한 접지로서 작용한다. 보덴 케이블(142)의 접지는 유리하게 보덴 케이블을, 안테나와 같이 작용하고 전기 잡음을 부하 셀들 및 시스템의 다른 구성요소들에 전달하는 것으로부터 방지한다.
본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 엑추에이터 유닛(200)은 보조 궤적을 통해 풀리(225) 및 케이블(142)을 이동시키기 위해 200W 브러쉬리스 모터(222)(감소된 듀티 사이클로 동작하는)를 이용한다. 풀리(225)는 모터들의 토크 및 회전 속도를, 케이블을 통해 발목(도 9를 참조)에 인가될 수 있는 힘 및 변위로 변환한다.
엑추에이터 유닛에 의해 제공된 보조는 예를 들어, 모터 공급 전력에 의해 제한될 수 있고, 이러한 모터 공급 전력은 테스트 하에서 소프트 엑소슈트들에서 100W이었지만, 기능적 제한이 아니다. 테스트된 소프트 엑소슈트들에서, 모터(246)의 듀티 사이클은 사이클의 부분에 대해 최대 대략 200W까지 제공하였고, 그런 후에 평균 전력 소비를 테스트 동안 선택된 작업 100W 요건에 또는 그 아래로 유지(도 10)하면서, 사이클의 나머지 동안 낮은 전력 드로우(power draw)로 복귀한다.
본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, Maxon Motors에 의한 EC-4극 30 브러쉬리스 모터(246)가 사용될 수 있는데, 이는 높은 전력 대 중량비 및 컴팩트한(compact) 크기를 제공하는 높은 효율의 모터이기 때문이다. 다른 모터들은 시스템의 성능 요건들에 따라 사용될 수 있다. 회전식 모터가 상기 다양한 예들에서 사용되었지만, 전기-기계 엑추에이터들(예를 들어, 모터들, 솔레노이드들 등), 공압 엑추에이터들{예를 들어, 공압 실린더들, 맥키번(McKibben) 유형의 엑추에이터들 등} 및 유압 엑추에이터들(예를 들어, 유압 실린더들 등)을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는 다른 엑추에이터들이 또한 사용될 수 있다. 본 개념들의 또 다른 양상들에서, 기어 헤드를 요구하지 않고 이에 따라 감소된 중량, 감소된 잡음 및 개선된 효율을 제공하는 상이한 유형들의 모터들이 이용될 수 있다(예를 들어, 높은 토크 및 낮은 속도).
더욱이, 이전 예들이 보덴 케이블의 움직임을 제어하는 풀리 시스템(224)을 포함하는 것으로 케이블 엑추에이터(142) 시스템을 개시하지만, 다른 엑추에이터들 및/또는 유연한 전달 부재들이 유리하게 소프트 엑소슈트와 함께 사용될 수 있다. 예로서, 시스(보덴 케이블)를 갖거나 갖지 않는(전술한 자유 케이블) 2개의 지점들 사이에 연결된 케이블 또는 코드의 길이를 단축시킬 수 있는 임의의 엑추에이터가 사용될 수 있다. 이들 엑추에이터들은 보조될 움직임, 그러한 모션의 정황, 금기들(contraindications), 및 대안적인 작동 배치들의 이용 가능성에 따라 사람 상에 또는 사람에서 떨어져 있는 어디엔가 위치될 수 있다. 엑추에이터(들)는 말단에 위치(예를 들어, 사용자의 어깨들에 의해 지탱된 백팩에서)될 수 있고, 엑추에이터 전력 전달 요소(예를 들어, 케이블)의 근접 단부는 전술한 바와 같이 소프트 엑소슈트 시스템의 적합한 장소{예를 들어, 신발류 부착 요소(130)}에 부착된다. 대안적으로, 하나 이상의 엑추에이터(들)는 앵커 지점들, 연결 요소들 및/또는 노드들 사이, 또는 케이블의 단자 단부들 사이의 길이의 부분에 걸쳐 배치될 수 있다. 다른 유형들의 엑추에이터들의 예들은 하나 이상의 공압 또는 유압 선형 엑추에이터들, 공압 또는 유압 회전식 엑추에이터들, 볼 또는 리드 나사 엑추에이터들, 벨트 또는 케이블 피구동 엑추에이터들, 전자-활성 폴리머 등을 포함하지만, 여기에 한정되지 않을 수 있다.
본 개념들의 다른 양상들에 따라, 단자 단부들 사이의 길이를 감소시키는 엑추에이터들이 사용되고, 자기 또는 기계 클러치와 같은 하나 이상의 반-수동 엑추에이터들을 포함한다. 이들 엑추에이터들은, 보조가 주어져야 할 때(예를 들어, 무릎이 구부러질 때) 지점들 사이의 거리가 더 짧아지는 걸음걸이에서의 지점에 참여한다. 최소 레벨의 장력을 갖도록 케이블의 후퇴가능 길이와 연계하여, 클러치는 더 짧은 상태에서 길이를 로킹(lock)하여, 다리가 자연스럽게 연장될 때, 힘은 소프트 엑소슈트 및 케이블에서의 신장으로 인해 생성된다. 이것은 반-수동 시스템으로서 분류되고, 능동 시스템들보다 더 낮은 에너지 레벨을 요구하도록 예측된다.
본 개념들의 다른 양상들에 따라, 다양한 메커니즘들은 소프트 엑소슈트에서 장력을 조정하는데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 소프트 엑소슈트를 작동시키는 동일한 메커니즘은 또한 엑소슈트에서 장력을 조정하는데 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 개별적인 메커니즘은 소프트 엑소슈트에 단독으로 또는 엑추에이터와 함께 장력을 인가하는데 사용될 수 있다. 소프트 엑소슈트는 슈트 상의 2개의 지점들 사이의 길이를 감소시키는 엑추에이터를 이용하여 능동적으로 단축될 수 있다. 이것을 달성할 수 있는 한 가지 메커니즘은 보덴 케이블을 잡아당기는 모터이고, 보덴 케이블의 시스는 소프트 엑소슈트 상의 하나의 지점에 연결되고, 보덴 케이블의 중심은 슈트 상의 상이한 지점에 연결된다. 이것은 기계적 공압, 유압, 또는 다른 엑추에이터들을 이용하여 달성될 수 있다.
물론, 이전에 주지된 바와 같이, 장력은 연결 요소들의 상대적인 위치들, 앵커 지점들, 및 노드들{예를 들어, 버클들 및/또는 벨크로(등록상표)를 이용하여 스트랩들을 조정하고, 드로우스트링(drawstring), 와이어 또는 케이블에 장력을 인가하고, 이를 적소에 로킹하는 등}에 대한 물리적 조정들에 의해 하나 이상의 지점들에서 수동으로 조정될 수 있다. 다른 예로서, 착용자는 로킹 버클을 통과하는 웨빙 스트랩을 잡아당길 수 있고, 이러한 로킹 버클은 해제한 후에 웨빙 스트랩을 고정한다. 다른 예에서, 착용자는 웨빙(예를 들어, 연결 요소)의 부품을 잡아당길 수 있고, 벨크로(등록상표)를 통해 웨빙을 슈트의 부분에 고정할 수 있다.
착용자는 또한 설정된 장력에서 케이블을 적소에 고정하도록 구성된 래칫(ratchet) 메커니즘{예를 들어, 허리 벨트(110) 상에 배치된, Boa Technology Inc.에 의해 만들어진 것과 같은 회전식 래칫 메커니즘} 또는 로킹가능 스풀을 통과하는 케이블을 잡아당길 수 있거나 그렇지 않으면 이 케이블에 장력을 인가할 수 있다. 래칫 메커니즘 또는 스풀은 보덴 케이블의 일단부(예를 들어, 래칫 메커니즘이 엉덩이에 장착되는 케이블의 상부에)에 부착되고, 보덴 케이블의 타단부는 소프트 엑소슈트 상의 2개의 장소들에 연결되어, 이들 2개의 장소들 사이의 거리를 감소시키고, 상호 작용 요소들(예를 들어, 톱니 멈춤쇠 요소, 래칫 요소)은 해제할 수 있는 고정을 제공한다. 착용자는 또한 케이블이 주위에 감싸이는 중앙 허브(central hub)를 회전함으로써 래칫 메커니즘을 진행시킬 수 있거나, 이 후 최종 위치로 로킹되는 나사 메커니즘을 통해 소프트 엑소슈트에 장력을 인가할 수 있다. 장력은 래칫 메커니즘(예를 들어 래칫 기어 치형부로부터 레버를 멀리 이동시키기 위해)의 상호 작용 요소들을 해제하기 위해 버튼을 누름으로써 해제될 수 있다. 래칫 메커니즘 또는 스풀은 소프트 엑소슈트 착용자에 의해 또는 엑추에이터, 예를 들어 기어형 모터에 의해 수동으로{장력을 인가하거나 장력을 제거(de-tension)하기 위해} 회전될 수 있다. 소프트 엑소슈트가 보조 시스템으로서 작동되지 않는 경우조차, 소프트 엑소슈트는 여전히 장력을 받는 모드로 착용될 수 있다. 다양한 구성들에서, 래칫 메커니즘은 착용자의 허리 또는 엉덩이에(도보하거나 달리는 동안의 조정을 용이하게 하도록), 발목 근처에, 또는 잠재적으로 착용자의 몸통 상에 또는 착용자의 몸통 주위의 어디엔가 위치될 수 있다.
몇몇 실시예들에 따라, 소프트 엑소슈트에 장력을 인가하기 위한 메커니즘은 나사 요소를 포함할 수 있다. 하나의 양상에서, 캐리지 요소는 보덴 케이블의 단부에 연결되고, 나사 요소가 배치되는 나사산 형성된(threaded) 부분에 의해 위 및 아래로 이동하도록 구성된다. 지지 구조는 케이블 시스와 관련하여 캐리지 요소를 적소에 유지하고, 나사의 상부 부분은 나사의 회전을 허용하기 위해 사용자에게 노출된다. 나사의 회전은 캐리지 및 부착된 보덴 케이블의 선형 움직임을 야기하여, 이를 통해 소프트 엑소슈트에서의 장력을 각각 증가시키거나 감소시킨다. 선택적인 로킹 요소는 설정을 느슨하게 하기 위한 잠재력을 최소화하기 위해 제공된다. 하나의 양상에서, 나사는 나사산을 회전시키기 위해 소형 모터 또는 다른 엑추에이터에 의해 제어될 수 있고, 이 경우에 로킹 요소가 필요하지 않다.
이전에 주지된 바와 같이, 소프트 엑소슈트는 능동으로 장력을 받을 수 있고(예를 들어, 단축되거나 연장된 케이블), 소프트 엑소슈트의 사용자가 이동할 때 프로그램에 따른다. 대안적으로, 다른 양상들에서, 소프트 엑소슈트는 하나 이상의 엑추에이터들을 이용하여 자동으로 장력을 받고, 하나 이상의 설정된 장력(들)(예를 들어, 고정된 값, 고정된 범위의 값들, 움직임의 상이한 부분들에 대한 상이한 값들 또는 값들의 범위들, 공칭 평균 값, 공칭 피크 값 등)에 유지되고, 이들 하나 이상의 설정된 장력(들)의 설정 지점(들)은 사용자에 의해 조정될 수 있다. 이러한 관점에서, 시스템은 장력을 제어하는 제어기를 위한 적절한 입력들을 제공하기 위해 소프트 엑소슈트에서의 장력을 감지하도록 구성된다.
이들 모든 메커니즘들을 통해, 소프트 엑소슈트는 소프트 엑소슈트의 벗음을 용이하게 하는 것과 같이, 이들 장력 인가 메커니즘들을 해제함으로써 착용자 상의 느슨한-설치가 되도록 이루어질 수 있다. 그러한 장력 인가(또는 장력 해제) 디바이스들은, 사용자가 예를 들어 소프트 엑소슈트 상의 특정 지점들 사이의 장력의 제 1 레벨과 장력의 제 2 레벨(제 1 장력보다 더 높거나 더 낮은)을 유지하도록 한다. 소프트 엑소슈트는 유리하게 동시에 작용할 수 있는 다중 장력 인가 메커니즘들을 포함한다.
걸음걸이 사이클 동안, 모터(들)(246)는 원하는 케이블(142) 궤적을 달성하기 위해 토크들 및 속도의 범위에 걸쳐 동작할 수 있다. 더 높은 모터 효율들이 고속 및 낮은 토크에서 발생하기 때문에, 본 발명의 몇몇 실시예들은 걸음걸이 사이클 동안 가능한 한 최대 효율에 가깝게 모터 동작을 유지하는 풀리 및 기어박스를 갖는 모터를 포함하는 조합을 선택할 수 있다.
몇몇 실시예들에 따라, Maxon EC-4극 30은 15,900 RPM의 공칭 연속 속도를 갖는다. 하지만, 이러한 실시예에 대해, 모터는 인코더의 최대 속도에 의해 제한된다: 12,000 RPM. 대안적인 인코더(라인 드라이버 Maxon #225778을 갖는 MR, Type ML, 500 CPT, 3 채널들)는 엑추에이터 시스템에 사용될 수 있고, 최대 모터 속도를 증가시킨다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 이러한 시스템을 위한 더 양호한 모터는 더 높은 토크들을 위한 더 낮은 공칭 연속 속도를 갖는다. 낮은 동작 속도는 기어박스에서 필요한 스테이지들의 개수를 감소시키고, 더 높은 전체 효율을 초래한다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 풀리(225) 및 기어박스(248)는 모터의 고속 회전을 풀리 휠(225)에 의해 구동된 케이블(142) 연장 및 단축 움직임들로 변환한다. 풀리 휠(225) 및 기어박스(248)는 함께 주어진 부하 상태들에 대해 최대 케이블 진행 및 최대 케이블 속도를 결정한다. 풀리 휠(225) 직경 및 기어 감소는 생체 역학 및 엑소슈트 강성도 요구들을 충족하는데 필요한 최소 케이블 진행 및 이에 요구된 최대 케이블 속도로부터 역행하여 작용함으로써(working backwards) 결정될 수 있다. 보조의 총량은 이들 2가지 한계들뿐 아니라 전력 예산(power budget)에 의해 구동된다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 풀리 휠(225)은 단일의 랩(wrap) 설계일 수 있지만, 다른 실시예들에서, 풀리는 다중 랩 설계일 수 있다. 단일 랩 설계를 통해, 풀리 휠(225)의 원주는 케이블 진행 거리보다 작을 수 없다. 몇몇 실시예들에 따라, 케이블 진행은 소프트 엑소슈트(100) 아키텍처와, 사용자의 도보의 생체 역학에 기초할 수 있다. 몇몇 실시예들에 따라, 케이블 진행은 3가지 길이들을 포함할 수 있다: 케이블 잡아당김 길이, 엑소슈트 장력 길이, 및 바닥에 떨어지는 것(bottoming out)을 방지하기 위해 안전 여유(margin of safety). 몇몇 실시예들에 따라, 케이블 진행에는 설계 파라미터들 및 사용자 변화성에서의 불확실성으로 인해 상당한 안전 길이가 주어진다. 케이블 잡아당김 길이 및 케이블 장력 길이는 소프트 엑소슈트 및 이전의 엑추에이터 시스템으로부터 측정되었고, 관여자들(participants)은 5'8" 내지 6'5"의 높이에서 범위를 갖는다. 3가지 길이들 및 계산된 풀리 직경은 표 1에서 볼 수 있다.
케이블 잡아당김 길이(Lp) 8cm 부츠+소프트 엑소슈트 강성도의 후방에 대한 레버 아암이 주어진 발을 보조하는데 필요한 길이
케이블 장력 길이(Lt) 5cm 도보 이전에 소프트 엑소슈트에 장력을 인가하는데 필요한 길이. 착용자의 차이들로 인해 시스템에서 느슨함을 취한다
케이블 안전 길이(Ls) 7cm 바닥에 떨어지는 것을 방지하고 다양한 크기의 사람 또는 추가된 잡아당김 길이를 수용하기 위해 진행의 단부에 필요한 길이
총 길이(Lcirc) 20cm
풀리 직경 70mm 작용 회전수(working revolutions)와 곱해진 원주에 걸친 거리
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 단일 랩 풀리의 이용은 340도(0.94 revs)의 사용가능 각도를 초래한다. 대략 70mm의 선택된 풀리 직경은 적절한 케이블 길이를 제공하였다. 일반적으로, 더 큰 풀리 및 더 큰 벤드 반경은 적은 마모 및 감소된 케이블 스트레스를 제공하는 반면, 더 작은 풀리 또는 샤프트는 훨씬 더 높은 전달비를 제공할 수 있다.
본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 기어박스(244)는 케이블을 잡아당기는 동안 요구된 최대 속도를 충족하고 발목을 보조할 때 해제하도록 선택된다. 도 11에서 알 수 있듯이, 최대로 보조하는 경우에 대한 케이블 변위는 사이클의 능동 부분에 걸쳐 삼각형 동작으로서 처리될 수 있다. 선두 라인은 cm 단위로 명령받은 모터 위치 신호이고, 후속 라인은 CME-2 모터 제어기 소프트웨어 스코프에 의해 측정된 결과적인 모터 위치이다. 양의 변위는 케이블의 후퇴에 대응하고, 신호 명령과 모터 움직임 사이의 지연은 모터 제어기의 가속 한계로부터 유래한다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 기어 감소 계산들을 도시하는 표 2에서 알 수 있듯이, 최대 케이블 속도는 주어진 풀리 직경(70mm) 및 최대 모터 속도에 대해 37cm/sec인 것으로 발견되었다. 최대 케이블 속도로부터, 필요한 기어 감소는 107:1인 것으로 발견되었고, 111:1의 감소를 갖는 기어박스가 선택되었다.
변수 값
걸음걸이 사이클(T) 1 sec
듀티 사이클(p 1 - p 2 ) 40% 내지 83%
듀티 사이클에걸친 잡아당김 및 해제의 길이(Lp) 8cm
최대 케이블 속도(Vcable) 1Lp/T(p 2 -p 1 ) = 37cm/s
풀리 직경(D) 7cm
최대 모터 속도 한계 12000 RPM
기어 감소(R:1) R = (Mspeed/60)/(Vcable/Lcirc) = 107
선택된 기어박스 감소 가장 가까운 기어 감소는 111:1이다
모터가 속도-토크 곡선 내에서 동작하는 것이 바람직하고, 고속 잡아당김 동안 인가된 그러한 힘은 모터의 수명을 보존하기 위해 모터의 한계들을 초과하지 않는다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 넓지 않은 시스 내부로 전환하는 넓지 않은 케이블을 포함하는 보덴 케이블이 이용된다. 보덴 케이블(142)은 힘을 엑추에이터 유닛(200)으로부터 발목으로 전달한다{신발류 연결 요소(130)로 전달된 힘을 통해}. 보덴 케이블 시스(144)는 소프트 엑소슈트 및 엑추에이터 유닛(200)에 부착되고, 케이블(142)은 신발류 연결 요소(130)에 앵커링된다. 웨빙 및/또는 케이블들은 선택적으로 소프트 엑소슈트의 직물에서 가이드들을 통해 라우팅된다.
본 개념들의 적어도 몇몇 실시예들에 따라, 케이블에서의 현재 시스템 장력은 도보 이전에 소프트 엑소슈트의 데이터 로깅 및 사전-장력 인가를 위해 제어 시스템에 입력된다. 케이블에서의 감지 장력은 또한 걸음걸이 제어 알고리즘에 사용될 수 있다. 풀리 모듈(224)의 부하 셀(234)은 작은 아이들러 휠에 장착될 수 있고, 이러한 작은 아이들러 휠은 박스 외부로부터 풀리로 지나갈 때 작은 각도만큼 케이블을 편향시킨다. 일반적으로, 케이블을 편향시키는데 요구된 힘은 케이블에서의 장력과 함께 선형으로 증가한다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에서, B&L Engineering 푸트 스위치는 사용자의 신발류에 장착되고, 하나 이상의 규정된 동작 중량 범위 내에서 사용자에 의한 활성화를 가능하게 하기 위해 감도 범위를 제공한다). 압축되지 않을 때, 푸트 스위치는 수백 메가-옴의 공칭 저항을 가져, 유효 폐회로를 생성한다. 저항은 발꿈치 충돌(약 300 lbs.의 힘) 동안 14Ω으로 강하하고, 900Ω 풀업 저항(10kΩ와 병렬인 1kΩ)보다 훨씬 더 작은 값으로 강하하고, 이것은 PC/104 디지털 핀을 로우로 풀링한다. 1kΩ 저항은, 발꿈치가 충돌될 때 그리고 발꿈치가 들어올릴 때와 같이, 과도적인 모션들 동안 온/오프 토글링을 최소화하기 위해 10kΩ 저항과 병렬로 추가되었다.
소프트 엑소슈트들의 테스트된 구성들에서 구성된 바와 같이, 1.6 GHz 인텔 아톰 CPU, 2GB의 RAM을 갖는 다이아몬드 시스템즈 오로라 PC/104 컴퓨터(250)가 사용되었고, 4 GB SSD 디스크로부터 실시간 커널로 MS-DOS로 부팅되었다. MS-DOS 설치는 시동시 xPC 타겟 이진 실행 파일(executable)을 런칭(launch)하도록 구성될 수 있다. xPC 타겟 애플리케이션은 호스트 컴퓨터로부터의 연결을 대기하고, 호스트 컴퓨터 상의 MATLAB/Simulink로부터 컴파일링된 프로그램을 수신하고, 프로그램을 실행한다. 오로라 PC/104는 입력들 또는 출력들로서 32개의 아날로그 입력들, 4개의 아날로그 출력들 및 24개의 디지털 핀들을 제공하기 위해 다이아몬드 시스템즈 MM-32DX-AT I/O 확장 보드와 페어링(paired)될 수 있다. 본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, PC/104 xPC 타겟 조합은 유용한 양의 처리 전력 및 융통성을 제공하였다. PC/104는 48.2 FLOPS 및 2 GB의 RAM을 가능하게 하는 데스크탑 CPU를 갖고, 제어 알고리즘들은 속도 또는 메모리에 관해 걱정하지 않고도 본 발명에 이용하기 위해 전개될 수 있다. 작은 크기 및 낮은 전력 소비는 PC/104가 휴대용 시스템에서 사용하기에 적합하게 만든다. 본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, Copley Controls Accelnet Panel ACP 모터 제어기는 속도 제어 및 위치 제어를 가능하게 하는 고성능 제어기이다. 이것은 다수의 명령 입력들(RS232 시리얼, CAN, PWM, 아날로그 전압)을 갖는다. Copley Controls 소프트웨어는 제어기 이득들의 기본 자동-튜닝 및 계산들을 허용한다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, Futek CSG110은 풀 브리지 스트레인 게이지들을 위한 일반적인 목적의 증폭기로서 사용되었다. Futek CSG110은 여기 전압 및 mV/V 센서 범위를 설정하기 위한 DIP 스위치들뿐 아니라, 각 특정 부하 셀로 출력된 DC 전압의 스팬(span)과 제로 지점을 교정하기 위한 회전식 전위차계들을 갖는다. Futek CSG110 증폭기는, 부하 셀들이 PC/104와 인터페이싱하도록 한다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 4개의 배터리들은 이 시스템에 전력 공급하기 위해 사용된다. 4개의 Gens Ace 14.8V 4S1P 5000mAh 40C 리튬 폴리머 배터리들은 모터 제어기들 및 모터들에 전력 공급하기 위해 사용되고, 구동 박스당 2개가 있다(사지당 하나의 구동 박스). 배터리들의 각 쌍은 29.6V DC을 모터 제어기에 공급하기 위해 직렬로 배선된다. 5번째 배터리는 PC/104 컴퓨터, Futek 증폭기들 모두, 풀리 모듈 LED들, 및 각 구동 박스 내의 냉각 팬에 전력 공급하기 위해 사용되는 리튬 폴리머 Gens Ace 14.8V 2S1P 4000mAh 25C이다. PC/104 배터리는 모터 제어기 배터리 쌍들과 시스템에서의 모든 구성요소와 공동 접지를 공유할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 배터리들은 시스템에 대한 부착물일 수 있다. 이들 배터리들은 200W보다 더 크게 운반할 수 있는 적어도 2개의 전기 연결기 블레이드들과 접촉하는 단자 연결기를 갖는 하우징에 포함될 수 있다. 이들 블레이드들은 모터들에 전력 공급할 수 있는 전력 연결부를 형성하기 위해 모터 하우징 내부의 짝을 이루는 연결기와 인터페이싱할 수 있다. 배터리 하우징 및 모터 하우징은 빠른 배출 상호 교환가능 시스템을 만드는 하우징들을 고정하기 위해 래치들과 같은 짝을 이루는 유지 특징부들을 가질 수 있다.
리튬 폴리머 배터리들이 선택되었는데, 이는 이들 리튬 폴리머 배터리들이 본 출원에서 수용가능 성능을 제공하기 때문이다. 리튬 폴리머화학 구조는 가장 높은 에너지 저장에 대한 중량비들 중 하나를 제공하고, 리튬 이온보다 더 강력하고 더 안전하다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 소프트 엑소슈트는 슈트에 전력 공급하는데 요구된 전체 배터리 크기를 감소시키기 위해 에너지 수확(harvest) 요소들(예를 들어, 태양, 바람, 자연스러운 신체 모션, 체열, 진동, 충전 스테이션과의 유도성 결합, 코드형 Li 충전 부분 등으로부터)을 포함할 수 있다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 제어 계획은 센서들로부터의 입력에 기초하여 모터들을 어떻게 이동시키는지를 결정하는 프로세스를 포함할 수 있다. 제어 계획은 PC/104 내장형 컴퓨터 상에서 실행하는 코드에서 구현될 수 있다. 몇몇 실시예들에 따라, 제어 계획은 시뮬링크(Simulink) 블록들 및 MATLAB 코드로 기록될 수 있다. MM-32DX-AT 아날로그 확장 보드를 위한 시뮬링크 블록들은 입력 및 출력(예를 들어, I/O)을 다룰 수 있다. 하나의 시뮬링크 블록은 모든 센서들에 대한 값들을 판독하는데 사용될 수 있고, 다른 시뮬링크 블록은 위치 값들을 모터 제어기들로 송출하는데 사용될 수 있다. 추가 시뮬링크 블록들은 데이터를 캡처하고 이 데이터를 PC/104의 디스크에 저장하거나 이 데이터를 저장 또는 디버깅(debugging)을 위해 호스트 컴퓨터로 송출하는데 사용될 수 있다. 처리의 벌크는 시뮬링크 블록에 내장된 MATLAB 스크립트에 의해 달성될 수 있다. 이러한 MATLAB 스크립트는 원하는 모터 위치들을 계산하기 위해 푸트 스위치 상태들, 사용자 인터페이스 버튼들, 및 현재 시간 스텝을 이용할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 시뮬링크 블록도는 PC/104 상에서 0.001초(1ms)의 고정된 시간 스텝에서 실행될 수 있다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에서, 각 다리를 위한 모터(246) 출력들은 사다리꼴 궤적으로부터 생성될 수 있고, 이것은 런타임 이전에 생성된다. 이러한 궤적은 원하는 작동 레벨(예를 들어, 4 cm 진폭을 갖는 펄스, 6 cm 진폭을 갖는 펄스)에 대응하는 가변 피크 높이 및 단위 폭을 갖는다. 사용자의 걸음걸이의 박자(cadence)는 다수의 발꿈치 충돌들 사이의 타이밍으로부터 계산될 수 있다. 특히, 걸음걸이 주기는 미리 한정된 수의 스텝들, 예를 들어, 이전의 20 스텝들, 및 취해진 평균에 대해 리코딩될 수 있다. 20 스텝 이동 평균은 저역 통과 필터에 충분한 것으로 증명되었다. 이러한 평균 걸음걸이 주기는 각 다리에 대해 하나의 전체 걸음걸이 사이클 양단의 사다리꼴 궤적을 스케일링하는데 사용될 수 있다. 각 다리는 독립적으로 처리될 수 있고, 각 다리에 대한 파형은 독립적으로 계산될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 양쪽 다리들은 동일하게 처리될 수 있고, 동일한 계산된 파형은 각 다리에 사용될 수 있다.
발꿈치 충돌시, 제어 계획은 요구된 모터 풀(pull)을 생성하기 위해 룩업 테이블을 사용할 수 있다. 걸음걸이 사이클(GC)의 0 내지 40%로부터의 평평한 궤적은 지연으로서 작용하여, 발이 지상에 놓이고 사용자의 엉덩이가 발 위의 위치로 선회할 때 소프트 엑소슈트를 느슨하게 유지한다. 40%에서 시작할 때, 모터는 케이블을 안으로 잡아당기고, 발가락이 떨어질 때 소프트 엑소슈트를 62.5% GC에서 최대 레벨로 장력을 인가한다. 유지 주기 이후에, 모터는 케이블을 83% GC에서 0으로 다시 뒤로 풀고, 새로운 사이클을 위해 재설정한다.
궤적은 모터(246), 기어박스(244), 및 보덴 케이블(142)의 물리적 성능에 의해 제한될 수 있다. 궤적의 하향 경사는 모터의 최대 슬루율(slew rate)에 의해 경계지을 수 있다. 추가로, 모터 제어기는 모터의 최대 가속도를 2500 회전/sec2에 제한할 수 있고, 모터의 최대 속도를 11500 rpm에 제한할 수 있어서, 효율적으로 사다리꼴 궤적의 날카로운 코너들을 둥글게 하고, 이를 우측으로 약간(~3%) 시프트한다. 마지막으로, 이러한 궤적은, 발꿈치가 먼저 지상에 접촉할 때 시작하는 발목 위치 대 시간의 차트들에 기초하여 생성될 수 있다. 이 시스템에 사용된 푸트 스위치들은 상당량의 압력이 개시하는 것을 요구하여, 발꿈치 충돌은, 발꿈치가 지상에 있고 사용자의 체중이 발을 부하시키기 시작할 때까지 감지되지 않는다. 이것은 공칭 걸음걸이 사이클에서 2-6%, 가장 가능성있게 2-3%의 어딘가에서 발생한다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 사용자 인터페이스 스위치들은 구동 박스(223)의 외부 상에, 핸드헬드 원격부 상에, 또는 무선 디바이스를 통해 제공되어, 제어 계획이 기능하는 방식을 변형할 수 있다. 도보 스위치가 맞물림 해제(disengaged)될 때, 제어 계획은 선택적으로 계속해서 실행될 수 있지만, 발꿈치가 충돌한 후에 펄스 신호들을 출력하지 않는다. 각 장력 토글들은 사다리꼴 궤적으로부터 탐색된(looked up) 모터 위치들에 오프셋을 추가하거나 감산한다. 오프셋은, 장력 토글이 얼마나 오래 눌러지는 지에 따라 크기면에서 커진다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 힘 센서들의 값은 데이터 로깅될 수 있고, 사다리꼴 궤적의 크기를 조정하는데 사용될 수 있을 뿐 아니라, 원하는 모터 위치들을 계산하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 힘 센서들은 피드백 루프에 포함될 수 있어서, 원하는 모터 위치 대신에 걸음걸이 사이클 전체에 원하는 힘 궤적을 따른다.
본 개념들의 몇몇 양상들에 따라, 직통 라인 케이블(direct line cable)은 보덴 케이블 대신에 사용될 수 있다. 직통 라인 케이블은 엑추에이터로부터 작동 지점으로의 자유 케이블을 포함할 수 있다. 이것은 2개의 단부 지점들 사이의 케이블과 일치하는 힘을 생성할 것이다. 본 개념들의 다른 양상들에 따라, 다중-지점 케이블 시스템이 사용된다. 예를 들어, 다중-지점 케이블 시스템은 엑추에이터(120)로부터의 자유 케이블을 포함할 수 있는데, 이러한 자유 케이블은 말단 단부로의 경로를 따라 각도 전이 지점들을 통과하고, 단부를 포함하는 전이 지점들 중 몇몇 또는 전부를 통해 그 길이를 따라 힘 및 변위를 전달한다. 케이블의 단부들 사이의 각 조인트 주위의 모멘트들은 자유 케이블의 전이 지점들에 대해 그 장소에 의존한다. 케이블 또는 웨빙은, 케이블이 단부를 빠져나갈 때까지 차폐되는 보덴 케이블들과 달리, 전이 지점들 및 착용자에 대해 슬라이딩하도록 구성될 수 있다. 다중-지점 케이블 및/또는 직통 케이블은 소프트 엑소슈트 재료, 탄성 요소(예를 들어, 고무) 또는 임의의 다른 유연한 힘 전달 요소와 같이 와이어 또는 필라멘트 로프(filament rope), 웨빙 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 텍스타일 기반의 힘 센서들은 2개의 지점들(A 및 B) 사이의 직포 직물(woven fabric)의 선형 변위를 측정하는데 사용될 수 있다. 이러한 선형 변위 측정은 계산된 힘 측정에 대한 직포 기판의 특성들(예를 들어, 탄성 특성들)과 조합될 수 있다. 힘은 동일 선상 라인을 따라 측정될 수 있고, 이러한 동일 선상 라인은 지점들(A 및 B)에 의해 형성되고, 직물이 다른 연결기들과 만나는 그러한 라인의 단부 지점들에서 종료한다. 직포 웨빙은 일반적으로 리본 형태로(예를 들어, 길이, 폭, 및 두께) 일반적으로 만들어진 강력한 내구성의 직물을 제공한다. 직물이 길이를 따라 선형으로 힘을 인가하는 것은 직물에서의 신장(스트레인)을 야기한다. 이러한 신장이 측정되었고, 직물에 인가된 힘이 특정 스트레인 측정을 초래하도록 비교적 일관된다. 이러한 특성을 이용하여, 텍스타일 기반의 힘 센서는 측정된 스트레인(예를 들어, 약 0.05 내지 5% 범위에서 측정된 스트레인)에 기초하여 힘을 계산할 수 있다. 본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 텍스타일 기반의 힘 센서는 하나 이상의 엑소슈트 엑추에이터들의 제어에 도움을 주는데 사용될 수 있다. 엑추에이터 위치 측정들 및 힘 변위 프로필들과 조합된 힘 측정은 모션을 검출하고 피드백을 제공하기 위해 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다. 이것은 또한 슈트 요소들의 정확한 위치(강성도 측정을 통해)를 결정하는데 도움을 준다.
본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 텍스타일 기반의 힘 센서는 임의의 활동들 동안 소프트 엑소슈트 요소들에서 힘들의 리코딩을 위해 사용될 수 있어서, 소프트 엑소슈트의 특정 영역들에서 힘들을 측정함으로써 전개에 도움을 주고, 조인트 각도들을 측정함으로써 부상을 검출하고, 제어 또는 데이터 분석 중 어느 하나를 위해 조인트 각도들을 검출한다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 센서들은 소프트 엑소슈트 상의 다양한 장소들에 위치될 수 있다. 하나의 양상에서, 표면 기반의 센서는 연결 요소 또는 다른 요소의 길이를 따라 2개의 지점들에서 연결 요소(예를 들어, 직포 웨빙 직물) 또는 다른 요소에 접착되거나 부착된다. 다른 양상에서, 전체 표면 센서는 연결 요소 또는 다른 요소의 영역에 걸쳐 2개의 지점들에서 연결 요소(예를 들어, 직포 웨빙 직물) 또는 다른 요소에 접착되거나 부착된다. 다른 양상에서, 포켓은 연결 요소 또는 다른 요소에서 형성되거나, 연결 요소 또는 다른 요소에서(직포 재료를 위해) 짜여지고, 센서는 포켓에 위치된다(포켓의 재료 특성들은 힘을 계산할 때 사용될 필요가 있다). 또 다른 양상들에서, 센서는 웨빙에 직접 구성된다. 또 다른 양상들에서, 하나 이상의 센서 요소들(임의의 유형의)을 지탱하는 연결 요소 또는 다른 요소는 계층형 재료이거나, 복합 재료이고, 센서(들)는 계층형 또는 복합 재료의 층들 사이에 내부적으로 배치된다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에서, 선형 변위를 측정하는 센서들은 시스템에 사용될 수 있다. 바람직하게, 센서는 현재 웨빙을 위해 약 0.05 내지 5%의 범위에서 스트레인들을 측정할 수 있다. 중간 스트레인 범위를 갖는 전형적인 스트레인 센서들은 일반적으로 0% 내지 10%의 스트레인 범위를 갖는 스트레인 센서들을 포함한다. 다른 센서들은 넓은 스트레인 범위를 갖는 초탄성 센서들을 포함한다(예를 들어, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함되는 WO 2013/044226 A2에 개시된 것과 같은 액체 금속). 대안적으로, 낮은 스트레인 범위를 갖는 전형적인 스트레인 센서들은, 스트레인 센서가 웨빙 스트레인을 낮추기 위해 매우 단단하게 부착되는 영역을 만듦으로써 사용될 수 있다.
도 15a 내지 도 15b에서의 예로서 도시된 것과 같은 본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 작동은 모션, 특히 도보, 달리기 및 도약을 보조하기 위해 엉덩이 조인트에 제공될 수 있다. 또한, 엉덩이 조인트가 몸통에 가깝기 때문에, 힘은 몸통-장착된 엑추에이터 또는 어깨-장착된 엑추에이터로부터 엉덩이 조인트 자체로 직접 전달될 수 있다. 엑추에이터(들)(200)는 허리 벨트 또는 백팩(도 15b에 도시된 바와 같이)에 의해서와 같이 사람에 부착될 수 있고, 엑추에이터(들) 및 다른 부속 구성요소들(예를 들어, 전력 시스템 등)은 이에 부착될 수 있거나, 또는 대안적으로 시스템 질량을 분배하기 위해 후방 측, 전방 측, 또는 양쪽 모두 상에 분배될 수 있다. 엉덩이 양단의 힘의 인가는 근접 단부에서 엑추에이터(200)에 부착되는 케이블, 웨빙 부품, 리본 등과 같은 인장 요소(예를 들어, 800)를 통해 말단 단부 상에서 엉덩이를 잡아 올림으로써 달성될 수 있다. 이러한 인장 요소에 요구된 시스 없이, 마찰은 매우 낮을 것이고, 이에 따라 시스템의 효율은 높아질 것이다. 몸통에 가까이 위치되는 엉덩이 조인트의 한 가지 이점은, 소프트 엑소슈트의 걸침 및 벗음이 용이하게 달성된다는 것이다. 사용자의 의류의 상부 상의 백팩 또는 패니 팩(fanny pack) 구조 상에 위치된 엑추에이터, 및 인장 요소들은 신체 외부에 남아있을 수 있고, 또한 의류 외부에 있는 브레이스를 통해 허벅지에 고정될 수 있어서, 허벅지에 부착하고 허벅지로부터 제거하기에 용이한 낮은-프로필 디바이스를 제공할 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는 웨빙, 스트래핑, 케이블의 길이를 갖는 엑추에이터 유닛, 또는 그로부터 연장하고 엉덩이에 부착하는, 인장력을 인가하는 또 다른 수단(이후부터 "리본"이라 불림)(800)을 포함한다. 동작시, 엑추에이터(200)는 엉덩이가 확장하도록 하는 힘을 생성하기 위해 리본을 후퇴시키고, 리본이 느슨해지도록 하는 리본을 확장할 수 있다.
엑추에이터(200)가 리본을 후퇴시킬 때, 리본은, 엉덩이가 리본의 각도에서의 변화로 인해 구부러지는 경우 둔부 영역에 밀어 넣어지는 경향을 가질 것이다. 이러한 구성으로부터 불편함을 방지하기 위해, 여러 가지 해법들이 가능하다. 하나의 해법은 상기 도면의 좌측, 중앙에 도시된 것과 같이, 리본이 신체로부터 엑추에이터 단부에서 어느 정도 오프셋하도록 하는 것이다. 이것은, 리본이 둔부에 밀어 넣어지기 전에 도달될 수 있는 엉덩이 각도를 증가시킬 것이다. 다른 옵션은 착용자 상에 압력을 최소화하기 위해 넓은 리본(예를 들어, 2")을 갖는 것이다. 낮은-마찰의 재료는 또한 둔부 영역 상에 착용될 수 있어서, 마찰을 감소시키고, 신체에 대항하여 이동하는 리본의 편안함을 증가시킨다. 시스는 또한 리본의 긴 길이에 걸쳐 사용될 수 있는데, 즉 보덴 케이블이 사용될 수 있어서, 리본의 모션으로부터 신체를 보호한다. 신체 상의 압력을 감소시키는 대안적인 수단은 허벅지 부착시 리본의 말단 단부를 오프셋하는 것이다. 이것은 허벅지 브레이스에 부착된 경직 또는 반-경직 구성요소들을 통해 달성될 수 있고, 이러한 경직 또는 반-경직 구성요소들은 허벅지로부터 리본 연결 조인트에 대한 오프셋을 제공하기 위해 "스퍼(spur)"로서 역방향으로 확장할 수 있다. 예를 들어, 엉덩이 부착 시스템의 일실시예에서, 직물의 부품은 전면에서 벨크로를 통해 허벅지 주위에 고정될 수 있다. 엑추에이터는 2" 폭의 리본을 통해 이러한 허벅지 브레이스에 부착할 수 있고, 이러한 리본의 상부는 위로 잡아 당겨질 수 있다. 허벅지 브레이스는 허벅지의 원뿔형 형태로 인해 사용자의 다리를 위로 이동시키는 것으로부터 억제된다. 또한, 원뿔형 형태로 인해, 허벅지 브레이스가 아래로 이동하는 것으로부터 덜 방지하므로, 다리를 위로 잡아당기는 리본 상에 장력이 없는 경우 다리를 아래로 미끄러지게 하는 경향을 가질 수 있다. 허벅지 브레이스는 허리 벨트에 연결된 다른 요소들에 의해, 또는 다른 수단에 의해 위로 유지될 수 있다.
몇몇 양상들에서, 엑추에이터(200) 유연 전달 요소(예를 들어, 리본, 웨빙, 케이블, 벨트, 등)는 사용자의 둔부 영역에 걸쳐 아래로 확장하고, 허벅지(예를 들어, 허벅지 브레이스)와 맞물리는 소프트 요소에 직접적으로 또는 간접적으로 연결한다. 하나의 양상에서, 경직 또는 반-경직 스퍼는 허벅지의 후면으로부터 오프셋을 생성하는데 사용될 수 있다. 일례에서, 반-경직 요소는 허벅지의 후면에 연결되고, 힘이 리본을 통해 반-경직 요소의 하부에 인가될 때, 허벅지로부터 아래로 구부러져서, 허벅지로부터의 오프셋( 및 모멘트)을 증가시킨다. 이것은 사용 중이 아닐 때 신체에 대해 붕괴하는 낮은-프로필 슈트를 생성하는데 유용하고, 큰 힘이 필요할 때 더 큰 모멘트 아암을 생성하는데 유용하다. 중간 힘에서, 모멘트 아암은 중간 위치에 있을 수 있다. 각각 상이한 양의 강성도를 갖는 요소들의 많은 다른 구성들은 단일 시스템에 사용될 수 있고, 이러한 단일 시스템은 소프트, 유연한, 경직, 및 반-경직 요소들의 다양한 배치들을 포함한다. 스프링들 및 다른 탄성 요소들은 또한 재생 목적들을 위해 시스템의 요소들로서 포함될 수 있다.
본 개념들의 하나 이상의 실시예들에 따라, 엑추에이터(200)는 제어 시스템으로부터 제어 신호들에 응답하여 리본과 맞물리고 리본을 감도록 적응된 모터 피구동 구동 풀리를 포함한다. 구동 모터는 트랜스미션(transmission)을 이용하여 구동 풀리에 연결될 수 있다. 트랜스미션은 구동 모터로부터 전력을 구동 풀리에 전달하는 타이밍 벨트 및 타이밍 기어들 또는 기어들의 세트를 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 구동 샤프트 및 하나 이상의 기어들 또는 타이밍 풀리들은 또한 모션 보조를 제공하기 위해 리본을 미리 한정된 비율로 감거나 풀도록 구동 모터를 구동 풀리에 연결하는데 사용될 수 있다. 엑추에이터는 또한 아이들러 풀리를 포함할 수 있고, 이러한 아이들러 풀리는 리본과 맞물리고, 아이들러 상에 인가된 힘을 측정한다. 예를 들어, 하나 이상의 스트레인 게이지들에 의해 제공된 힘 신호는 리본의 작동을 제어하기 위해 엑추에이터 제어기에 전달될 수 있다. 추가 센서들은 보조를 제공하기 위해 모션을 검출하고 엑추에이터를 제어하도록 사용자의 엉덩이 또는 다른 조인트들 상에 제공될 수 있다. 예를 들어, 엉덩이의 굴곡은, 사용자가 이동하기 시작한다는 표시일 수 있다.
본 개념들의 몇몇 실시예들에 따라, 제어 시스템은 위에 기재된 바와 같이, 엑추에이터 힘을 모션에 조화시키기 위해 모션을 검출하고 엑추에이터 힘을 조정하기 위해 엑추에이터를 제어하고 센서로부터 신호를 수신하도록 한쪽 다리 또는 양쪽 다리에 제공될 수 있다.
본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에서, 소프트 엑소슈트(100)는 다중 조인트들을 작동시키도록 구성된다. 예를 들어, 엑추에이터(200)에 의해 작동된 풀리(224)는 보조 힘을 상이한 조인트들(예를 들어, 발목, 엉덩이)에 개별적으로 제공하기 위해 보덴 케이블들(142)의 다중 세트들을 작동시키도록 구성되고, 조인트들은 센서들(350)과 동작가능하게 연관되어, 조인트 운동학을 측정하고, 그러한 조인트 운동학을 제어 시스템에게 통보한다. 예시적인 센서들은 WO 2013/044226 A2, WO 2012/103073 A2, WO 2012/050938 A2, 및 US 8,316,719 B2에 개시되어 있고, 이들 특허 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 추가로, 본 개념들의 임의의 양상들은 WO 2011/008934 A2 또는 WO 2013/033669 A2에 개시된 것과 같지만, 여기에 한정되지 않는 다른 활성으로 제어된 재료들을 추가로 일체화할 수 있고, 이들 특허 각각은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다. 예로서, 개시된 임의의 양상들에 따른 소프트 엑소슈트들은 예로서 발목, 무릎 및 엉덩이(즉, 각각의 조인트의 양쪽 측부들에 부착된) 중 임의의 하나 이상에 위치된 초탄성 스트레인 센서들을 포함할 수 있어서, 시상 봉합 평면에서 인간의 생물학적 조인트 회전들을 측정한다. 결과적인 소프트 엑소슈트는 매우 경량이고, 비용에 효율적이고, 걸치고 벗는데 용이하다.
이러한 소프트 엑소슈트는 적어도 몇몇 양상들에서, 하부 사지들에서의 조인트들 양단에 힘을 인가할 수 있는 탄성 및 비확장 직물들 또는 재료의 조합으로부터 형성된다. 힘은, 조인트 위에서 슈트에 고정된 제 1 단부 및 조인트 아래에 고정된 제 2 단부를 갖는 케이블 또는 다른 인장 요소를 수축함으로써 생성된다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 수축 케이블 또는 다른 인장 요소는 부하를 운반하기 위해 소프트 엑소슈트의 비확장 부재들을 통해 힘을 다양한 앵커 지점들로 전달한다. 이렇게 구성될 때, 소프트 엑소슈트는 다중 조인트들이 동시에 작용되도록 한다. 유리하게, 소프트 엑소슈트는 하나 이상의 조인트들, 바람직하게 3개의 조인트들(엉덩이, 무릎, 발목)의 조인트 각도들을 측정하도록 구성된 센서 시스템을 포함한다. 본 명세서의 예들이 특히, 도보 또는 달리기와 같은 활동들 동안 사용자의 다리들에 인가된 임펄스들에 관한 것이지만, 본 개념들이 도보 또는 달리기 이외의 모션들과, 다리들 이외의 사지들(예를 들어, 팔)을 포함한다는 것이 이해될 것이다. 적어도 몇몇 양상들에서, 다중-풀리 및 구동 박스는 팔 움직임을 위한 보조를 제공한다. 예를 들어, 다중-조인트 작동 성능은 1-N 풀리들(여기서 N은 정수이다)을 활성화하도록 구성된 단일 구동 유닛에 의해 제공되고, 구동 유닛은 복수의 풀리들을 직접적으로 또는 간접적으로(예를 들어, 하나 이상의 기어들을 통해) 구동하도록 적응된 단일 입력부(예를 들어, 샤프트)를 포함한다. 일렬로 동작하는, 엉덩이 굴곡 및 발목 굴곡과 같은 조인트들에 대해, 2개의 풀리들은 동시에 활성화될 수 있다. 2개 이상의 풀리들을 활성화하는 것은 하나 이상의 풀리들을 동시에 맞물리는 선택기 또는 풀리들 사이의 영구적인 연결을 통해 이루어질 수 있다.
도 12 내지 도 14는 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라 소프트 엑소슈트에 대해 구현될 수 있는 제어 계획들의 다양한 양상들을 도시한다. 그러한 제어 계획들은 융통성이 있고, 특정 슈트 및 응용에 대해 원하는 대로 적응될 수 있다. 예로서, 도 12의 소프트 엑소슈트는 슈트 강성도 및 압력을 측정하기 위해 복수의 초탄성 스트레인-센서들(WO 2013/044226 A2에 개시된 것과 같은)을 포함한다. 예로서, 그러한 초탄성 스트레인-센서들은 비-독성 공융 갈륨-인듐(eGaIn)의 전도성 액체 마이크로 채널들이 내장된 신장가능 실리콘 고무(예를 들어, EcoFlex 0030, SmooothOn; PDMS, Dow Corning)를 포함할 수 있고, 채널들의 변형은 길이에서의 변화(이것은 다시 조인트의 회전에 관련될 수 있다)에 대응하는 전기 저항에서의 변화를 야기한다. 도시된 바와 같이, 초탄성 스트레인-센서들은 모니터링된 조인트들의 각도에서의 변화들을 측정하기 위해 발목, 무릎 및 엉덩이 양단에 배치된다. 초탄성 스트레인 센서들은 도 12에 도시된 바와 같이, 실시간 슈트 변형들을 측정하기 위해 활성 슈트의 힘-경로와 평행하게 배치될 수 있다.
제어 시스템은, 인간 모션 패턴 검출 알고리즘 또는 룩업 테이블을 통해, 조인트들의 감지된 움직임들(예를 들어, 각도에서의 절대 변화들만을 보는 것, 시간, 속도 및/또는 가속도와 관련하여 각도에서의 변화들을 보는 것, 등)을 평지 표면 상의 도보, 경사면(incline) 상의 도보, 내리막(decline) 상의 도보, 레벨 표면 상의 달리기, 경사면 상의 달리기, 내리막 상의 달리기, 계단을 올라감, 계단을 내려감, 웅크림, 기어감, 절뚝거림, 다른 사지보다 한 사지를 돌봄(favoring one limb over the other), 등과 같은 복수의 내포된 활동들 중 하나와 관련시킬 수 있다. 이러한 모션 데이터에 기초하여, 제어 시스템은 (1) 국부 물리적 저장 매체 상에 데이터를 저장할 수 있고, (2) 온-보드 통신 시스템을 통해 데이터를 다른 국부 또는 원격 디바이스에 무선으로 전달할 수 있고, (3) 유선 연결부(예를 들어, 통신 케이블)를 통해, 데이터를 다른 국부 또는 원격 디바이스로, 온-보드 통신 시스템을 통한 디바이스로 전달할 수 있고, 및/또는 (4) 슈트를 착용자의 활동 상태 및 환경에 이음매 없이 적응시키기 위해 실시간 힘 보조 제어를 제공하도록 데이터를 이용할 수 있다. 예를 들어, 소프트 엑소슈트 측정된 조인트 변형들이 편안함(예를 들어, 사용자 선호도) 및/또는 슈트 기계적 성능 고려사항들에 기초하여 정의된 임계치보다 위에 있으면, 제어 시스템은, 이들 변형들이 다시 원하는 동작 영역 내에 있을 때까지 보조 레벨을 자동으로 감소시키도록 구성될 수 있다. 추가로, 소프트 엑소슈트는 활성의 착용가능 엑소스켈레톤과 조합하여 사용될 수 있다. 그러한 구현들에서, 측정 데이터는 무선으로 또는 유선 연결부를 통해 엑소스켈레톤의 제어기에 전달될 수 있어서, 이를 통해 엑소스켈레톤이 보조 레벨에 적응하도록 한다. 더욱이, 소프트한 초탄성 센서들은 착용자와 소프트 엑소슈트 사이의 인터페이스의 임의의 지점에 관련하여 압력을 측정하는데 사용될 수 있고, 이것은 편안함 고려사항들에 기초하여 보조 레벨의 온라인 적응에 사용될 수 있다.
추가 제어 계획들은, 힘 센서가 케이블에서 장력을 측정하는데 사용되면(예를 들어, 인-라인 센서), 소프트 엑소슈트와 함께 사용될 수 있다. 소프트 엑소슈트는 도보의 생체 역학으로 인해 수동으로 장력을 생성한다. 주어진 다리에 대해, 이러한 장력은, 소프트 엑소슈트가 어떻게 조정되는지에 따라 걸음걸이 사이클의 약 15-33%에서 시작하여 발생하고, 다리가 지상으로부터 밀어 떨어질 때 상승한다. 이러한 상승하는 힘은, 소프트 엑소슈트가 언제 및/또는 어떻게(예를 들어, 힘 프로필, 힘 타이밍 등) 작동되어야 하는지에 관한 정부가 주어져서, 제어 시스템에 입력으로서 사용될 수 있다.
이러한 정보로부터의 하나의 제어 계획은 먼저, 레벨-지상 도보 동안, 피크 힘이 특정 임계 크기(예를 들어, Fpeak)에 있는 지점까지 슈트에 장력을 인가하는 것을 수반한다. 일단 슈트가 이러한 방식으로 사전-장력을 받으면, 케이블 상의 힘은 모니터링되고, 걸음걸이 사이클에서, 사용자가 있거나 있으려고 하는 곳을 예측하는데 사용될 수 있는데, 이는 케이블 상의 힘이 걸음걸이 사이클의 동일한 지점에서 임계치를 예측가능하게 교차하기 때문이다. 이에 대해, 도 18은 걸음걸이 사이클 동안 소프트 엑소슈트(100)의 작동의 타이밍과, 2가지 조건들 하에서 대응하는 슈트 힘을 도시하는 그래프를 도시한다: 슈트가 장력을 받을 때(800) 및 슈트가 작동될 때(810). 장력을 받을 때의 그래프(800)는, 슈트가 특정 길이로 설정되었고, 그런 후에 길이가 걸음걸이 사이클 전체에 고정된 상태로 유지된다는 것을 의미한다. 작동될 때의 그래프(810)는, 슈트에서의 장력이 발목에서 보덴 케이블 등과 함께 슈트를 잡아당김으로써 변화된다는 것을 의미한다. 그래프(800)에서, 슈트에서의 장력은 조인트들의 상이한 모션들(도 9d에서와 같이)로 인해 걸음걸이 사이클 전체에 변화한다. 도 19는, 작동된 경우(810)에 대해, 케이블 위치 및 슈트 힘의 상대적인 타이밍을 도시하고, 더 구체적으로 걸음걸이 사이클(걸음걸이 사이클의 백분율로서) 동안 소프트 엑소슈트의 작동의 타이밍과, 케이블 위치{그래프(820)}와 관련하여 대응하는 슈트 힘{그래프(830)}을 도시한 그래프를 도시한다.
도 18의 그래프에서, 장력을 받는 힘은 도보 사이클에서 40%에서 50N을 교차하고, 이것은 많은 스텝들을 가로질러 반복가능하다. 이러한 힘은 작동이 각 사이클에서 시작하기 전에 발생하고, 이에 따라 이 정보는, 케이블이 작동되는 지의 여부에 관계없이 얻어질 수 있다. 따라서, 제어 시스템이 임계 힘(Fthresh)에 도달(또는 선택적으로 동일하거나 초과하는)하는 작동 케이블에서의 힘을 측정하는 도 18의 예에 대해, 제어 시스템은 하나 이상의 동작들(예를 들어, 지연 즉시 또는 지연 이후에 작동)을 취하기 위해 걸음걸이 사이클에서의 착용자의 위치의 이러한 정보를 이용할 수 있다. 예를 들어, 제어기는, 힘이 2개의 연속 스텝들 상, 또는 여러 연속 스텝들 상에서 임계치를 교차할 때 경과된 시간을 보고, 그런 후에 평균을 취함으로써 사람의 걸음걸이 주기의 추정치를 얻을 수 있다.
더욱이, 임계 힘 크기를 교차하는 것을 표시하는 임계 케이블 힘 크기 및/또는 플래그에 관한 이러한 정보로부터, 제어기는 또한, 사람이 그때에 걸음걸이에 언제 있는지를 안다. 예를 들어, 제어기는 걸음걸이 사이클에서 40%에서 케이블 상의 위치-제어된 잡아당김을 시작하도록 설정될 수 있다. 이 경우에, 제어기가 힘이 걸음걸이 사이클에서 40%에 대응한 임계치를 교차하였는지를 검출할 때마다, 제어기는 즉시 잡아당김을 개시할 수 있다. 또는, 제어기가 걸음걸이 사이클에서 43%에서 위치-제어된 잡아당김을 시작하도록 가정되었으면, 제어기는 걸음걸이 사이클에서의 40%와 걸음걸이 사이클에서의 43% 사이의 지연을 계산하기 위해 걸음걸이 주기를 이용하고, 그러한 컴퓨터 지연의 경과 이후에만 잡아당김을 예측가능하게 개시한다.
추가로, 사람이 그 걸음걸이 사이클에 있는 곳의 더 정밀한 평가를 얻기 위해, 제어기는 또한 시간이 지남에 따라 장력을 모니터링할 수 있고, 상이함 힘 임계치들을 교차하는 여러 지점들을 볼 수 있다. 일반적으로, 시간에 대한 힘의 패턴은 사람의 도보 속도에 따라 변할 것이다. 힘-대-시간 곡선의 경사도는 또한 사람의 도보 속도(또는 걸음걸이 주기)를 추정하는데 사용될 수 있다. 경사도는 또한, 사람이 걸음걸이 사이클에 있는 곳을 예측할 때 사용되어야 하는데, 이는 피크 장력이 또한 사람의 도보 속도의 함수이고, 여기서 도보 속도가 증가함에 따라 장력이 감소하기 때문이다. 요약하면, 제어기는 그러한 추정치들(Current%InGait, GaitPeriod) = f(CableForce(t), CableForce(t-1), ..., CableForce(t-N))을 이루도록 구성될 수 있다.
여기서 f()는 함수이고, N은 시간이 지남에 따라 케이블 힘을 추적하는데 사용된 샘플들의 수이다. N은 힘 센서의 샘플율에 따라 1만큼 작거나(경사도를 추정하기 위해 2개의 샘플들을 이용하여) 또는 100-1000만큼 클 수 있다. 경사도의 양호한 추정치를 얻기 위해, 힘은 걸음걸이 주기의 약 5-10%의 주기 동안 검사되어야 한다. 즉, 걸음걸이 주기가 1초여서, 경사도를 추정하면, 제어기는 현재 시간으로부터 현재 시간 이전 0.05 또는 0.1초로 샘플들을 이용해야 한다.
또한 추가로, 케이블{예를 들어, 보덴 케이블(142)} 또는 케이블들(예를 들어, 다중-조인트 활성화된 소프트 엑소슈트에 대해)이 위치 프로필(걸음걸이의 %)을 가지고 잡아당기는 것(및 해제) 대신에, 다른 제어 옵션들이 존재한다. 모터는, 특정 피크 힘에 도달할 때까지 일부 규정된 속도로 잡아당길 수 있다. 모터는 또한, 발목에서의 힘이 일부 규정된 힘 궤적에 따르도록 잡아당길 수 있다. 모터는 또한 도보의 생체 역학으로 인해 감소하는 힘을 검출할 때까지 일부 규정된 속도로 잡아당길 수 있다. 장력이 도보의 생체 역학, 및 길이를 변화시키는 소프트 엑소슈트로 인해 걸음걸이 사이클에서 15 내지 35%에서 소프트 엑소슈트 및 케이블에서 어떻게 증가하는 지와 유사하게, 소프트 엑소슈트 및 케이블에서의 장력은 또한 소프트 엑소슈트가 느슨해지도록 하는 신체의 구성으로 인해 걸음걸이 사이클에서 약 60 내지 65%에서 감소할 것이다. 특히, 걸음걸이 사이클의 약 60 내지 65%에서 들어 올려지는 발목과, 무릎 구부러짐은, 케이블이 고정된 길이로 유지되거나 적당한 속도로 모터에 의해 잡아 당겨지는(및 길이가 감소) 경우조차 소프트 엑소슈트가 느슨하게 되도록 한다. 생체 역학으로 인해 힘에서의 이러한 감소는, 케이블이 해제되어야 하고 다시 밖으로 공급될 때 트리거로서 사용될 수 있다. 이 점에서, 케이블은 일부 규정된 속도로 배출되어야 하거나, 특정 힘 궤적이 공칭 장력받는 지점으로 다시 뒤따르게 된다.
일반적으로, 케이블(들)에 장력을 인가하고 배출하는 프로세스는 힘 궤적, 위치 궤적, 속도 궤적, 이들, 또는 몇몇 다른 계획의 몇몇 조합에 따라 이루어질 수 있다.
위에 주지된 바와 같이, 착용가능 스트레인 센서들(예를 들어, 액체 금속 전도체들, 비전도성 신장가능 직물과 일체화된 전도성 섬유들, 등을 포함하는 초탄성 스트레인 센서들) 또는 다른 유형(들)의 센서들(예를 들어, 관성계들, 상이한 사지 부분들 상에 부착된 복수의 자이로스코프들/가속도계들로부터 측정된 각 속도, 등)을 이용하여 인간 생물학적 조인트 각도들의 실시간 측정들은 도 13에 표시된 것과 같이, 일상 생활 또는 현장 일들을 수행할 때 소프트 엑소슈트 및/또는 보조 엑소스켈레톤들의 제어 시스템에게 통보하는데 사용될 수 있다. 일단 적합한 기준선들이 착용자에 대해 또는 착용자와 유사한(예를 들어, 해부학적으로 유사한) 집단에 대해 확립되면, 이들 스트렌인 센서들(또는 위치 데이터 또는 그 유도물들을 제공하는 다른 센서들)에 의해 제공된 정보는 도보, 계단 위로 올라가거나 아래로 내려감, 경사면 도보, 웅크림, 기어감, 멈춤, 도약, 등과 같은 상이한 인간 모션들을 분류하는데 사용될 수 있다. 인간 모션의 실시간 분석은, 사람이 실세계 응용들(즉, 실험실 밖)에서 착용가능 엑소스켈레톤 또는 보조 디바이스들을 착용할 때 매우 중요하다. 이들 다양한 활동들을 수행하는데 필요한 보조는 완전히 상이하고, 도보를 위해 잘 작용하는 전략은 사용자에게 이롭지 않거나, 사용자가 동일한 일(경사면 도보)의 변경들을 수행하거나, 다른 움직임들을 수행할 때 사용자의 모션을 불안정하게 할 수 있다. 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따라, 소프트 엑소슈트에 일체화된 센서들(예를 들어, 스트레인 센서들, 압력 센서들, 자이로스코픽 센서들, 가속도계들 등)은 하나 이상의 조인트 회전들 또는 사지 모션들(예를 들어, 엉덩이, 무릎 및/또는 발목의 회전)을 측정하는데 사용되거나, 하나 이상의 조인트 회전들 또는 사지 모션들의 결정을 허용하는데 사용되고, 이 정보는 소프트 엑소슈트의 착용자에 대한(예를 들어, 착용자 기준선 데이터)에 대한, 또는 모션의 운동학 및/또는 다른 특징들을 결정하기 위해 유사한 특징들(예를 들어, 룩업 테이블들, 알고리즘들 등)을 갖는 집단에 대한 기준 데이터와 비교된다. 결정된 모션(들)은 온-보드 시스템들(예를 들어, 단일 조인트 유형에 대한 작동 시간 및/또는 크기, 복수의 조인트 유형들에 대한 작동 시간 및/또는 크기 등)을 달성하기 위해 또는 국부 또는 원격 외부 시스템들(예를 들어, 착용된 엑소스켈레톤)과 통신하고 및/또는 달성하기 위해 소프트 엑소슈트 제어 시스템에 의해 사용될 수 있다. 따라서, 인간 모션(들)의 얻어진 분류는 착용자가 어떤 모션(들)을 수행하는지에 관해 제어 시스템에게 통보하기 위해 실시간으로 업데이트하는 상태-기계를 정의하는데 사용될 수 있다.
추가로., 복수의 소프트 엑소슈트들이 복수의 사용자들(예를 들어, 군인들의 분대) 중에서 전개되는 경우, 복수의 소프트 엑소슈트들로부터의 모션 데이터는 하나 이상의 국부 또는 원격 외부 시스템들에 실시간으로 통신되고, 그룹의 모션들 및 그러한 모션의 특징들을 결정하기 위해 집합체에서 분석된 모션 데이터(단독으로, 또는 각 착용자에 대한 위치 데이터, 호흡, 심박수 등과 같은 다른 측정된 데이터와 조합하여)는 예상된 값들로부터의 편차들에 대한 원인들을 추측하고, 개정된 행위들을 개시하거나, 그러한 모션의 특징들에 응답하여 적절한 것으로 간주된 다른 국부 또는 원격 시스템들 참여시킨다. 예로서, 군인들의 분대가 도로를 따라 도보하는 것으로 예상되고, 군인들에 대한 GPS 데이터가 군인들이 도로의 마주보는 측부들로 이동한다는 것을 보여주면, GPS 데이터 단독은, 군인들이 도랑에 피신하고 있거나 간단히 차량이 통과하도록 하는 지의 여부를 표시하지 않는다. 하지만, 동일한 GPS 데이터가 가정된 엎드리거나 절반-엎드린(semi-prone) 위치와 조합된 각 군인들의 빠른 움직임을 보여준 정보와 조합되면, 원격 제어 시스템에 실시간으로 전송된 그러한 정보는, 분대가 아마도 적군들과 교전되었다는 경고를 자동으로 개시하고, 근처의 정보 제공자들(assets) 상의 데이터는 원격으로 또는 현장에서 적절한 결정 마커들로 자동으로 라우팅될 수 있다. 따라서, 소프트 엑소슈트 센서 데이터는 개인 사용자를 위한 소프트 엑소슈트 제어 시스템에 의해 이용가능할 뿐 아니라, 외부(명령 및) 제어 시스템들에 의해 사용될 수 있고, 이러한 외부 제어 시스템들은 단일 채널(예를 들어, 하나의 소프트 엑소슈트) 또는 다중 채널들(예를 들어, 복수의 소프트 엑소슈트들)로부터의 데이터를 제어 입력들로서 이용할 수 있다.
센서 데이터의 전술한 이용에 따라, 그러한 센서 데이터는 걸음걸이 상(phase), 속도 및 너비와 같은 사용자의 걸음걸이에 관한 정보를 소프트 엑소슈트 제어 시스템에게 제공하는데 사용될 수 있다. 이들 파라미터들은, 엑추에이터(들)(200)에 의해 도보 동안 사용자 생물학적 조인트들에 전달된 힘 프로필들이 실시간으로 적응되도록 하여, 보조의 증가된 효율을 초래한다. 예로서, 센서 데이터의 그러한 이용은 전술한 푸트 스위치 센서들과 같은 다른 센서들의 제거를 허용할 수 있고, 이러한 다른 센서들은 불필요하게 된다.
도 14는 검출된 소프트 엑소슈트 착용자 모션들에 기초하여 소프트 엑소슈트 보조를 변화시키도록 적응된 하나의 예시적인 개선된 제어 아키텍처의 일례를 도시한다. 상이한 모션들을 수행하면서 각 조인트에 의해 요구된 보조 힘들이 완전히 상이하기 때문에, 제어 시스템은 상이하게 고려된 활동들 동안 적절한 보조 힘들을 사용자에게 제공하도록 구성되어야 한다. 도 14에서, 일반적으로 도 68 내지 도 69와 관련하여 위에 기재된 것과 같은 인간 모션 패턴 인식 알고리즘 출력은 사용자에게 전달될 기준 궤적 힘들을 결정하도록 제어 시스템에게 통보한다. 인간은 경사진 지형에서의 도보, 달리기 등과 같이 상이한 모션들을 수행할 때 자신의 사지들의 생물학적 임피던스에 적응한다. 입력(FRef)으로서 힘을 가지고 위치-기반의 어드미턴스(admittance) 제어를 구현하는 것은, 내부 위치 제어 루프가 동적 및 마찰 성분들을 보상하는 경우 작동(FSuit) 동안 사용자가 느낀 가상 임피던스(관성, 댐핑 및 강성도)를 정의하도록 한다. 이에 따라, 온-보드 소프트 엑소슈트 센서들의 이용은 도 14에 도시된 바와 같이, 어드미턴스 제어 아키텍처와 조합하여 감지된 모션들의 이용이 사용자의 움직임들에 기초하여 사용자와 함께 작용하기 위해 소프트 엑소슈트에 적응하도록 하여, 더 자연스럽고 효율적인 작동을 제공한다. 인간 모션 패턴 인식은 능동 엑소스켈레톤의 보조 힘을 변화시키고, 사용자에게 전달된 가상 임피던스를 변화시키는데 사용된다.
다시 소프트 엑소슈트(100), 특히 정상적인 및 오르막/내리막 도보 동안(예를 들어, 도 15a 내지 도 15b의 소프트 엑소슈트를 참조) 엉덩이 확장을 보조하기 위해 구축된 시스템으로 돌아가면, 도 16은, 소프트 엑소슈트가 걸음걸이 사이클의 약 0% 내지 약 25%로 작동하고, 걸음걸이 사이클의 약 25% 내지 약 75%로 작동하지 않고, 다시 걸음걸이 사이클의 약 75% 내지 약 100%로 작동하는 레벨의 도보 동안 엉덩이 조인트 토크를 도시한다. 양의 토크는 엉덩이 확장(작동과 연관된 곡선의 부분)에 대응하는 반면, 음의 토크는 엉덩이 굴곡(작동 없음과 연관된 곡선의 부분)에 대응한다. 2가지 제어 계획들은 그러한 보조, 위치-기반의 제어 및 힘 기반 및 어드미턴스 제어를 제공하는데 유용하다.
위치-기반의 제어에 관해, 정상적인 걸음걸이 동안, 엉덩이 확장은 발꿈치 충돌이 발생하기 전에 시작한다. 위치-기반의 제어 계획은 그러한 특징을 고려할 필요가 있다. 정상적인 걸음걸이 동안 스텝 빈도수에 관한 정보를 얻기 위해, 푸트 스위치들은 발꿈치 충돌들을 검출하는데 사용된다. 하나의 스텝에 대한 시간은 이전의 발꿈치 충돌의 시간으로부터 마지막 발꿈치 충돌에 대한 시간을 감산함으로써 측정된다. 이러한 정보는 이때 버퍼에 저장되고, 버퍼는 이에 따라 스텝 빈도수를 포함한다. 버퍼에 저장된 스텝 데이터, 또는 그로부터 유도된 데이터를 평균화함으로써, 다음의 발꿈치 충돌은 그러한 특정 시간을 마지막 발꿈치 충돌 이벤트에 추가함으로써 예측될 수 있다. 그러한 정황에서, 위치 제어는, 시스템 시간이 다음의 발꿈치 충돌에 대한 예측된 시간에 도달하는 경우 고정된 궤적이 재연된다는 것을 의미한다. 위치 제어기를 상이한 속도에 적응시키기 위해 고정된 궤적은 시간 스케일링(time scaled)되는데, 이것은 궤적의 피크가 결코 변하지 않지만, 모터가 그러한 최대치에 도달하는 시간은 측정된 스텝 빈도수에 따라 변할 수 있다는 것을 의미한다.
도 17은 힘 프로필, 모터 위치 및 푸트 스위치 신호에 대한 곡선을 도시하는 지상 레벨 도보 동안 리코딩된 데이터의 발췌본을 도시한다. 곡선(710)에 도시된, 발꿈치 충돌이 발생하기 전에 모터가 회전하기 시작한다는 것을 곡선(705)으로부터 알 수 있다. 스케일링된 모터 궤적을 재생함으로써, 곡선(715)에 도시된 바와 같이, 대응하는 힘이 생성된다. 힘이 실제 엉덩이 모멘트가 아니라 케이블에서의 힘이라는 것이 주지될 것이다. 그러한 위치-기반의 제어의 주요 단점은, 원하는 힘들을 인가하기 위해 궤적이 재생되도록 하기 위해 시스템이 적어도 부분적으로 사전 장력을 받을 필요가 있다는 것이다. 그렇지 않으면, 시스템은 주로 느슨한 케이블을 감아서, 이것은 낮은 인가된 힘들을 초래한다.
힘 기반의 제어 및 어드미턴스 제어에 관해, 힘 기반의 제어는 유리하게 엉덩이 모션을 추적하는데 사용될 수 있다. 케이블에서 약간의(<5N) 장력을 항상 가짐으로써, 제어기는 엉덩이 모션을 따를 수 있고, 이것은 위치 기반의 제어기의 주요 단점을 제거한다. 위치 기반의 제어가 인가된 모멘트에 대해 그리고 사용자를 보조하기 위해 양호한 결과들을 보여주었기 때문에, 어드미턴스 제어는 시스템에 대한 개선된 제어기로서 선택된다. 모터는 여전히 위치 제어되고, 이것은 내부 제어 루프를 성형(shaped)한다. 유효 위치 제어기를 전개함으로써, 관성 및 마찰과 같은 물리적 시스템 특성들은 무시될 수 있다. 외부 어드미턴스 제어 루프를 추가함으로써, 시스템 행위는 이에 따라 물리적 시스템으로 시뮬레이팅될 수 있고 성형될 수 있다. 이제 제어기 설정 지점, 원하는 값, 및 에러는 그러한 특정 경우에서 힘들이다.
엉덩이 확장을 위한 정확한 토크 프로필을 따르기 위해(도 16을 참조), 푸트 스위치들은 제 1 장소에서 제어기를 동기화하는데 사용된다. 정확히 동일한 원리는 위치 제어기에 대해 사용된다. 어드미턴스 제어기를 이용함으로써 엉덩이 모션을 추적하는 것은, 시스템이 또한 푸트 스위치들 없이 작용하도록 한다. 푸트 스위치들은 발꿈치 충돌이 발생하는 시간만을 제공할 수 있다. 유사한 정보는 모터 인코더를 판독하고 확장이 굴곡으로 변하는 지점을 마킹함으로써 얻어질 수 있다. 그러한 특정 지점을 앎으로써, 동일한 원리는 푸트 스위치들을 이용하는 것에 대해 적용될 수 있다. 언급된 바와 같이, 모터 인코더 신호는 엉덩이 각도를 추정하는데 사용된다. 그럼에도 불구하고, 제어기를 걸음걸이와 동기화하는데 필요한 유일한 정보가 확장과 굴곡 사이의 변화이기 때문에 정확한 각도를 아는 것은 필요하지 않다.
적어도 상기 설명을 고려하면, 상이한 행동들을 수행할 때 인간의 생물학적 조인트들에 전달된 전력을 최적화하기 위한 다양한 비-제한적인 제어 전략들은 아래에 그리고 도 20a 내지 도 34b를 참조하여 논의된다.
인간 대상의 실험들을 통해, 본 발명자들은 소프트 엑소슈트 엑추에이터(들)에 의해 착용자에게 전달된 전력에 관해 상이한 보조 전략들의 성능을 평가하였다. 전형적으로, 보조 전략들은 사전 한정되고, 단지 걸음걸이 백분율의 함수로서 적응하여, 이들 보조 전략들은 특정한 걸음걸이 속도 및 카덴스에 스케일링된다. 이것이 일부 적응도를 보장하지만, 디바이스로부터 착용자로의 양의 전력의 최적의 전달을 보장하지 않는다.
더욱이, 그러한 방법들은 생리학적 스텝간의 변화성을 설명하지 않고, 부정확한 타이밍으로 인해, 착용자에게 전달된 적은 양의 전력을 초래할 수 있고, 생물학적 구조들에 의한 음의 전력 흡수의 감소를 초래할 수 있다.
본 개념들에 따른 소프트 엑소슈트 제어 시스템의 적어도 몇몇 양상들에서, 조인트 각 속도 및 갓혹도는 하나 이상의 센서들에 의해 측정된다. 소프트 엑소슈트 제어 시스템은, 인가된 힘이 착용자의 생물학적 조인트들에 대한 양의 전력의 부스트를 언제 초래할 지와, 필수적인 힘의 인가를 개시하고 필요시 명령받은 힘을 변화시키기 위해 인가된 힘을 적응적으로 변형하기 위해 이러한 정보를 언제 이용할 지를 실시간으로 추정한다. 이러한 온-라인 계산은, 단지 양의 전력만이 걸음걸이 사이클 동안 정확한 순간에 전달되는 것을 보장한다. 이것은 또한 스텝간의 변화성이 전체적으로 고려되는 것을 보장한다.
도 20a는 사용자의 신발류에 부착된(예를 들어, 도시된 바와 같이, 부츠에 부착된) 자이로스코프를 이용하는 제어 시스템의 일례를 도시한다. 도 20b는 걸음걸이(%)의 함수로서 자이로 속도(V)의 플롯을 도시한다. 자이로스코프로부터의 출력 신호는, 사지의 각 속도를 추정하고 조인트 속도가 양일 때를 결정하기 위해 제어 시스템에 의해 사용된다. 조인트 속도가 양인 것으로 결정되거나, 제어 시스템이 조인트 속도를 예측하는 시간 지점에 양일 것으로 결정될 때, 제어 시스템은 조인트로의 양의 힘들의 전달을 개시하도록 소프트 엑소슈트 엑추에이터(들)(200)에게 지시하고, 이것은 조인트로의 전력의 부스트를 초래할 것이다.
인간 도보 운동학 및 동역학이 작동을 전달할 때 그리고 상이한 부하 하에(예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이 백팩에서 상이한 중량을 운반) 사용자마다 약간 변경되기 때문에, 본 발명자들은 다양한 상이한 대상들, 활동들 및 동작 조건들에 더 양호하게 적합한 결과적인 시스템들 및 방법들을 제공하기 위해 전력의 실시간 추정에 기초하여 최적의 보조 궤적들을 결정하려고 시도하였다.
도 21a 내지 도 21b는 도 20a에 도시된 자이로스코프 실시예와 일반적으로 도 20b에 도시된 자이로스코프 데이터에 대한 전력 계산들을 도시한다. 검은 색의 점선들(900)은, 소프트 엑소슈트(100)의 착용자가 소프트 엑소슈트로부터 보조 없이 도보할 때 생물학적 조인트에 의해 흡수된/발생된 전력을 표시한다. 라인들(910)은, 소프트 엑소슈트의 착용자가 소프트 엑소슈트로부터 보조를 가지고 도보할 때 생물학적 조인트와 능동 소프트 엑소슈트의 조합에 의해 흡수된/발생된 전력을 표시한다. 라인들(920)은 보조를 가지고 생물학적 조인트에 의해 흡수된/발생된 전력을 표시하고, 라인들(930)은 능동 소프트 엑소슈트에 의해 조인트에 전달된 전력을 표시한다.
도 21a에 도시된 바와 같이, 작동 궤적은 정상적인 도보(사전-느슨함)에 비해 생물학적 조인트에 의해 흡수된 음의 전력(능동 발목 전력)의 감소를 초래하고, 그러므로 생물학적 구조의 효율을 감소시킨다. 도 21b에 도시된 바와 같이, 더 최적의 작동 궤적은 정상적인 도보(사전-느슨함)에 비해 확보된 음의 에너지 부분(능동 발목 전력) 뿐 아니라 도보시 요구된 감소된 양의 전력을 초래한다. 전체적으로, 도 21b에 도시된 제 2 작동 궤적은 하나의 걸음걸이 사이클 동안 전체 에너지 비용을 감소하였기 때문에 더 최적이다.
종래의 경직 엑소스켈레톤들과 달리, 소프트 엑소슈트는 유연하고, 착용자가 하나 이상의 행동들(예를 들어, 도보)에 참여할 때 시간이 지남에 따라 변형하거나 이동하기 위한 잠재성을 갖는다. 이것은, 이러한 위치 제어기로부터 초래된 보조 프로필들이 이에 대응하여 시간이 지남에 따라 그리고 상이한 모션들을 위해 변형되기 때문에 소프트 엑소슈트가 위치 제어 계획을 이용하여 제어될 때 문제를 나타낸다. 피크 힘 및 작동 이전에 수동으로 생성된 힘을 포함하는 힘 프로필의 핵심적인 특징들을 모니터링함으로써, 보조 위치 프로필은 시간이 지남에 따라 그리고 상이한 모션들을 위해 힘을 일관되게 유지하도록 자동으로 조정될 수 있다. 도 22a는, 발꿈치에 인가될 200N의 피크 케이블 힘을 가지고 30N의 타겟 사전-장력이 바람직한 예를 도시한다. 라인(940)은 착용자에 대해 소프트 엑소슈트의 초기 위치를 나타내고, 라인(960)은 소프트 엑소슈트의 초기 위치에 대한 초기 힘을 나타낸다. 초기 힘은 걸음걸이 사이클의 약 40% 바로 전에 시작하여 인가된다. 인간-슈트 상호 작용 힘(도 22b)의 연속적인 모니터링으로부터의 피드백을 통해, 궤적은 기준선 위치 및 그 피크를 증가시킴으로써 변형된다{라인(950)}. 라인(970)은 착용자에 대해 소프트 엑소슈트의 변형된 또는 최종 위치에서 소프트 엑소슈트의 위치에 대한 최종 힘을 나타낸다. 초기 힘{라인(960)}으로부터 최종 힘{라인(970)}으로의 상향 화살표들은 도 22b에 도시된 제어 계획에 따라 소프트 엑소슈트의 차동 움직임을 고려하기 위해 초기 힘으로부터 최종 힘으로의 인가된 힘의 변형을 나타낸다. 최종 힘은 걸음걸이 사이클의 약 20% 바로 뒤에 시작하여 인가된다. 보조 프로필은 또한 소프트 엑소슈트의 착용자의 상이한 모션들(도보, 도약 등)의 검출에 기초하여 유리하게 변형된다.
도 23a 내지 도 23b는 도 20a에서의 예로서 도시된 것과 같이 소프트 엑소슈트-일체화된 자이로스포크로부터 정보를 이용하는 소프트 엑소슈트 힘-기반의 위치 제어에 관련된 그래프를 도시한다. 자이로스코프를 가지고 조인트 각 속도를 측정함으로써, 제어 시스템은, 인가된 힘{예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이 신발류 연결 요소(130)로의}이 착용자의 생물학적 조인트들로의 양의 전력의 부스트를 초래하고, 명령받은 힘 프로필들의 형태를 개시하고 변형하기 위해 이러한 정보를 이용할 때를 실시간으로 추정할 수 있다. 궤적들이 더 일찍 적용되면, 이것은 도 21a 내지 도 21b에 도시된 바와 같이 생물학적 구조들에 의해 흡수된 음의 전력에서의 감소를 암시할 것이다.
발목을 보조하기 위해, 자이로 신호에 의해 개시된 힘-기반의 위치 제어가 구현될 수 있다. 제어 시스템은 슈트의 수동 특성들을 이용하기 위해 사전-장력 인가 힘을 소프트 엑소슈트(100)에 인가한다. 도 23a는 150N의 원하는 피크 힘을 이용한 인간 대상의 테스트 실험 동안 하나의 표준 편차 내에서 평균 발목 작동 프로필을 도시한다. 도시된 제어 시스템에서, 제어 시스템은 걸음걸이 사이클의 36%에서 25N 사전 장력에 도달하도록 설정되었고, 슈트 장력은 느리게 증가하도록 적응되어, 슈트 구조 및 도보 운동학 모두를 용이하게 하기 위해 걸음걸이 사이클의 47%에서 개시된 발목 보조 힘까지 인도한다. 걸음걸이 사이클의 47%에서, 엑추에이터(들)(200)는 스윙 단계 동안 사지의 모션과의 간섭을 피하기 위해 걸음걸이 사이클의 65%에서 사전 장력 위치로의 비교적 빠른 복귀를 통해, 걸음걸이 사이클의 약 56%에서 150N의 원하는 피크 힘(이 예에서)에 도달하는데 필요한 힘 궤적을 출력한다.
도 23a 내지 도 23b의 제어 시스템에서, 자이로는 타겟팅된 사지 및 조인트(예를 들어, 발목 모멘트) 상에서 보덴 케이블(142)을 통해서와 같이 엑추에이터의 잡아당김의 타이밍을 제어한다. 발목 활성화의 일례에서, 순(pure) 양의 전력을 달성하기 위해, 알고리즘에 따른 잡아당김은 발목의 발바닥 굴곡 움직임들에서 시작해야 하고, 이러한 발목의 발바닥 굴곡 움직임들은 소프트 엑소슈트의 착용자의 발꿈치 상에 부착된 자이로에 의해 검출될 수 있다. 이러한 알고리즘의 장점은 도 23b의 전력율 플롯에서 알 수 있고, 발목 조인트{곡선(1000)}의 전달된 전력(와트)은 이러한 작동 전략에 대해 거의 순 양이다. 도 23b는 케이블 상의 엑소슈트에 의해 생성된 전력("총 전력")을 도시한다. 이러한 전력의 부분은 조인트로 전달되고("전달된 전력"), 부분은 슈트로 가거나 슈트로부터 나온다("슈트 전력"). 발목에 전달된 전력이 걸음걸이 사이클 전체에 거의 항상 양이고, 음의 전력을 흡수함으로써 걸음걸이에 악영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다.
도 24a 내지 도 24b는 스텝 지연 없는 걸음걸이에 동기화된 보조를 전달하는 제어 방법(제로-스텝 지연 제어)을 도시한다. 운동을 보조하는 착용가능 시스템들은 일반적으로 발꿈치-충돌을 측정함으로써 제어 알고리즘들의 타이밍을 맞춘다. 그러므로, 현재 스텝 내에서 도보하는 동안 걸음걸이 %를 계산하기 위해, 이들은 마지막 3 내지 5 스텝들의 평균을 요구한다. 이러한 사실은, 사용자가 속도 및/또는 걸음걸이 및/또는 활동(예를 들어, 경사진 도보, 도약, 웅크림 등)을 변화시키는데 요구되는 거칠거나 울퉁불퉁한 지형에서 도보할 때 상이한 움직임들 사이의 전이들을 힘들게(즉, 부드럽지 않게) 한다.
도보를 수동으로 보조할 수 있는 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트의 고유 특성들을 이용함으로써, 제어 시스템은 스텝 지연 없는 걸음걸이에 동기화된 보조를 전달할 수 있다(제로-스텝 지연 제어). 즉, 이러한 제로-스텝 지연 제어는 보조 프로필들을 생성할 수 있기 위해 이전 스텝들에 관한 정보를 요구하지 않는다. 부드러운 전이들을 보장하기 위해, 제어기는 발꿈치 충돌 외에도, 수동으로 생성된 인간-로봇 상호 작용 힘을 모니터링하여, 단일 걸음걸이 사이클 내에서 다중 데이터 지점들을 얻고, 원하는 레벨의 사전-장력(통상적으로 20 내지 50N)을 이용하여, 보조적인 능동 프로필을 개시한다.
주어진 다리에 대해 하나의 발꿈치 충돌로부터 다음의 발꿈치 충돌로 확장하는 걸음걸이 사이클의 약 30 내지 60%에서, 종아리 근육들 및 힘줄들은 신체를 위 및 순방향으로 밀어내고, 엉덩이 근육들 및 인대들은 다리를 순방향으로 스윙한다. 초기에, 종아리 및 엉덩이는, 신체의 무게 중심이 딛은 발(planted foot)에 걸쳐 아래로 그리고 순방향으로 떨어질 때 신장에 의해 전력을 흡수한다. 걸음걸이 사이클의 약 50% 이후에, 이러한 흡수된 전력은, 힘줄들 및 인대들이 탄성적으로 반동할 때 신체로 복귀된다. 종아리 및 엉덩이에서의 근육들은 이러한 복귀된 전력을 추가 에너지로 보충하기 위해 능동적으로 수축한다. 소프트 엑소슈트(100)도 또한 이러한 방식으로 전력을 흡수하고 전달한다: 엑추에이터 작동 부재(들)는 초기에 고정된 길이로 유지되고, 소프트 엑소슈트 재료 자체는 신장하고, 슈트 아래의 조직은 신체가 순방향으로 떨어질 때 압축된다. 이것은 슈트에서의 장력을 유발하고, 신체로부터 전력을 흡수한다. 따라서, 다중-관절 소프트 엑소슈트 아키텍처는, 신체가 인가될 힘들에 대해 정확한 자세에 있을 때 소프트 엑소슈트가 단지 팽팽해진다는 고유 특성을 갖는다. 수동으로 생성된 인간-슈트 상호 작용 힘들로부터의 정보는 원하는 보조를 전달하는데 사용될 수 있다.
도 24b는 걸음걸이 사이클의 36%에서 인간-슈트 힘 인가를 통해 걸음걸이 사이클의 0%에서 활성화하는 푸트 스위치를 도시한다. 도 24a에 도시된 바와 같이, 보조의 활성화는 걸음걸이 사이클의 36%에서 발생하고, 그 이전에 슈트는 약 25N의 임계치까지 장력을 (걸음걸이 사이클의 약 20%로부터) 수동으로 증가시킨다. 보조 프로파일은 걸음걸이 사이클의 36%에 뒤따르는 증가를 시작하는 것으로 도시되고, 힘은 걸음걸이 사이클의 약 54 내지 55%에서 200N의 피크로 급격히 증가하고, 그 후에 급격히 하강한다.
보조가 제공되는 걸음걸이 %는 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00003
초기 고려사항으로서, 도약, 웅크림, 또는 기어감과 같은 모션들은 동일한 수동 힘들을 생성하지 않고, 이를 통해 보조 프로필을 개시하지 않아, 시스템을 완전-투명 모드로 유지하고, 이를 통해 착용자와 간섭하지 않는다.
제어 알고리즘은 다음과 같이 작용한다:
첫째로, 제어 시스템은 발꿈치 충돌에 관련된 정보를 제공하는 발꿈치 충돌 센서 또는 다른 센서를 통해 발꿈치 충돌을 검출하고, 수동으로 생성된 힘이 규정된 임계치(예를 들어, 25N)에 도달하기를 기다린다. 두 번째로, 걸음걸이(%)는 수학식 1을 이용하여 스텝 내에서 계산된다. 세 번째로, 제어 시스템은 걸음걸이(%)에 기초하여 위치 보조 프로필을 개시한다. 네 번째로, 제어 시스템은 Gaitav =36%에서 사전-장력과, 스텝에 대해 피크 힘 값을 모니터링한다. 다섯 번째로, 제어 시스템은 원하는 힘의 실현을 보장하기 위해 보조 위치 프로필 초기 및 최대 진폭을 정정한다(위치-기반의 힘 제어 방법). 그러므로, 이러한 제어 방법은 발꿈치 충돌 및 수동 힘 임계치 이벤트만을 검출함으로써 타이밍에 맞게 동기화된 보조 프로필을 전달할 수 있다.
다수의 스텝들을 통해, 보조의 양, 사전 장력 및 사전 장력 이벤트의 타이밍은 발꿈치 충돌을 이용하여 평균 걸음걸이 %(Gaitav) 및 마지막 N 스텝들에 대한 평균 스텝 시간을 업데이트함으로써 업데이트될 수 있다.
따라서, 양쪽 센서들(예를 들어, 양쪽의 푸트 스위치들)로부터 개시하는 걸음걸이 백분율 추정 및 보조를 갖는 힘-기반의 위치 제어가 제공된다. 제어된 위치 프로필은 수동 사전-장력 레벨 및 피크 힘들을 정정하기 위해 힘-기반의 위치 제어를 이용함으로써 업데이트된다. 평균 걸음걸이 %(Gaitav)는 발꿈치-충돌을 이용하여 계산된다. 최대 위치 프로필 적응은 스텝당 1mm이고, 사용자가 양쪽 푸트 스위치들로부터 신호들의 정확한 시퀀스를 가질 때에만 활성화될 것이므로, 이것은 모션들 사이에서 전이하거나 무작위 스텝들을 취할 때 달성된 힘에 크게 영향을 미치지 않는다. 결과들은, 이러한 제어가 장애물 회피, 도약, 돌발 멈춤 등과 같은 상이한 이벤트들에 대해 강력하게 작용한다는 것을 보여준다.
센서들의 다른 조합들은, 걸음걸이 사이클에서 0% 이후에 그리고 걸음걸이 사이클에서 36% 이전에 하나의 센서 판독이 발생하는 한 제로-스텝 지연 제어와 함께 사용하는 것이 가능하고, 슈트 장력은 제 2 센서로서 사용될 수 있다.
본 개념들의 다른 양상들에 따라, 제어 시스템은 슈트 압력 모니터링에 기초하여 힘 프로필의 자동 조정을 제공하도록 구성된다. 예로서, 센서들은 힘들을 지지하는 신체의 일부 핵심적인 영역들에서 인간과 사용자 사이의 물리적 인터페이스에서 압력 레벨들을 측정하기 위해 소프트 엑소슈트(100)에 일체화될 수 있다. 소프트 엑소슈트(100)의 제어기(들){예를 들어, 프로세서(들)(250)}는 장골능과 같은 뼈 영역들을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는 하나 이상의 상이한 영역들에서 실시간으로 압력을 모니터링하고, 사용자의 편안함을 위해 선택적으로 사용자-구성가능한 규정된 한계들 내에 사용자-촉감을 유지하기 위해 피크 힘 및/또는 위치 프로필을 조정한다. 따라서, 인간과의 소프트 엑소슈트 인터페이스의 하나 이상의 핵심적인 영역들에서 실시간 압력의 측정은 편안함을 보장하는데 사용될 수 있다.
도 25는 착용자의 상이한 활동들 및 생리학적 상태들에 적응하도록 구성된, 본 개념들의 적어도 몇몇 양상들에 따른 소프트 엑소슈트(100)를 위한 제어 시스템을 도시한다. 일실시예에서, 도 25의 제어 시스템은 다중-층 제어 아키텍처를 이용하고, 이러한 다중-층 제어 아키텍처는 저-레벨 걸음걸이 보조 제어부{저-레벨 걸음걸이 보조부(1050) 및 저-레벨 엑소슈트 제어기(1040)로 표현됨} 및 고-레벨 인간-인지 엔진{고-레벨 활동/인지 엔진(1055), 생리학 및 운동학 신호 처리부(1032), 보조 힘 프로필 생성부(1034)로 표현됨}을 포함한다. 저-레벨 소프트 엑소슈트 제어기(1040)는 2가지 핵심적인 측정치들에 의해 통보된다: 슈트 장력 상태{도 25에서 "슈트 장력 센서 네트워크"(3)에 의해 제공됨} 및 걸음걸이 운동학{도 25에서 "내장된 소프트 운동학 센서 네트워크"(2)에 의해 제공됨}. 슈트 장력 센서 네트워크는 수동의 운동학-기반의 장력 정보를 제공하고, 이것은 발목 및 엉덩이에서 측정된 장력 패턴들과 조합하여, 걸음걸이 서브-상들의 검출을 가능하게 한다. 이것은 예를 들어, 이들 다중 장력 신호들 사이의 연관성과, 걸음걸이 상들의 타이밍을 발견하려고 시도하는 패턴-인식 및 기계 학습 방법들에 의해 달성될 수 있다. 도 25의 센서들(1 내지 3)로부터의 정보는 유리하지만, 반드시 필요 없이, 관성 측정 유닛들(IMUs) 또는 깔창 압력과 같이 다른 여분의 센서들로부터의 데이터로 처리되어, 강력한 제어{예를 들어, 속도에서의 변화들 및 동요들(perturbations)에 강력함}를 보장한다.
다중-조인트 저-레벨 제어 전략은 각 조인트에서 국부적으로 정밀한 제어를 해야 하는 것 없이 제어될 수 있는 감소된 파라미터 세트를 제공할 것이다 - 오히려, 제어는 함께 모든 조인트들 양단에서 최적화될 것이다. 이것은, 각 근육 그룹에 대한 보조 레벨이 걸음걸이 박자, 스텝 길이, 조인트 각도 오프셋(경사진 도보로 인해), 및 다른 조인트-레벨 변수들에 강력하다는 것을 보장할 것이다. 각 근육 그룹에 대해 걸음걸이의 에너지-관련 상들 동안에만 보조의 타이밍에 맞는 전달을 보장할 것이다(예를 들어, 평지 도보 동안 발목 조인트에 대한 순방향 추진, 오르막 도보 동안 엉덩이 확장에 대한 이른 스탠스).
고-레벨 인지 엔진(1055)은 전체 신체 센서 네트워크로부터 데이터를 분석함으로써 사용자의 생체 역학적 및 물리적 스트레스 상태를 모니터링한다. 신호 패턴들을 분석함으로써, 지능형 활동-적응 알고리즘은 저-레벨 제어기에 의해 생성된 보조를 상이한 걸음걸이들 및 활동들(예를 들어, 군인이 평지, 오르막 및 내리막 도보, 기어감, 및 달리기와 같지만, 여기에 한정되지 않는 일반적인 임무 동안 수색하는 상이한 걸음걸이들 및 활동들)에 동적으로 적응할 것이다. 활동 엔진은 또한, 소프트 엑소슈트(100)의 착용자가 임시 상에 있거나 비-걸음걸이 움직임들(기어감, 웅크림 등)을 수행하는 지를 검출할 수 있고, 이것은 소프트 엑소슈트 제어를 "최고도-경고(hyper-alert)" 모드로 놓아, 필요하자 마자 보조를 시작할 준비를 한다. 따라서, 소프트 엑소슈트 제어 시스템은 착용자의 움직임들의 상태{또는 움직임들의 대응하는 부재(absence)}를 연속적으로 모니터링하거나 높은 빈도수로 모니터링하고, 사용자의 필요에 기초하여 보조의 양을 적응시키고, 착용자가 종사하는 행동 또는 활동들에 대해 보조의 양을 변조한다. 도 25의 고-레벨 활동/인지 엔진(1055)에 도시된 바와 같이, 군인은 최고도-경고 상태(좌측), 도보(중간), 및 아래로 걸어감(우측)으로 도시된다.
더욱이, 전술한 초탄성 센서들과 같은 운동학 및 압력 감지를 위한 소프트 센서들은 상지 및/또는 하지 측정들을 위해 소프트 엑소슈트 재료들(예를 들어, 직물)에 일체화될 수 있다. 대안적으로, 소프트 엑소슈트로부터 개별적으로 그리고 이와 별도로, 소프트 엑소슈트의 사용자에 의해 착용된 다른 의복들은 전술한 초탄성 센서들과 같은 운동학 및 압력 감지를 위한 센서들을 포함할 수 있고, 이들 센서들은 적합한 통신 프로토콜(예를 들어, 블루투스 등)을 통해 소프트 엑소슈트 제어기(들)에 무선으로 링크될 수 있다.
본 개념들의 다른 양상들에서, 신호 처리 방법들 및 알고리즘들은 소프트 엑소슈트들에서의 움직임 의도를 검출하고, 검출된 움직임 의도에 기초하여 보조를 착용자의 물리적 상태에 적응시키는데 사용된다. 그러한 양상들에서, 실시간 생체 역학적, 물리적-상호 작용 및 생리학적 데이터는 착용자의 의도, 행위 및 물리적 상태를 결정하는 하나 이상의 제어기(들)에 입력하여{예를 들어, 하나 이상의 센서들 또는 하나 이상의 감지 시스템들로부터 중앙 제어기로의 하드 와이어형(harwired) 및/또는 무선 출력들}, 정확한 보조가 소프트 엑소슈트에 의해 항상 적용되는 것을 보장한다.
생체 역학적 데이터의 예들은 신체 세그먼트들의 각 회전 속도(자이로스코프들을 통해 측정됨), 신체 세그먼트들의 선형 가속도(가속도계들을 통해 측정됨), 신체 세그먼트들의 각 위치(관성 측정 유닛들을 통해 측정됨), 발 접촉 및 다른 걸음걸이 이벤트들(푸트 스위치들을 통해 측정됨)을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다. 물리적 상호 작용 측정들의 예는 케이블들 상의 상호 작용 힘(부하 셀들을 통해 측정됨), 피부 상의 압축력(분배된 압력 센서들을 통해 측정됨), 전단력을 포함하지만, 여기에 한정되지 않는다. 생리학적 데이터의 예들은 심박수, 피부 전도도, EEG 신호들, 표면 근전도 검사 신호들을 포함한다.
다양한 센서 데이터를 일체화함으로써, 단일 센서 유형에 의존하는 것에 비해 더 강력하고 정밀한 추정들이 전개될 수 있다. 필요시, 이들 센서들로부터의 정보는 관성 측정 유닛들과 같이 다른 여분의 센서들로부터의 데이터와 일체화될 수 있다. 이러한 정보는, 각 근육 그룹에 대한 보조의 유형 및 레벨이 걸음걸이 박자, 스텝 길이, 평지 및 경사면 도보, 부하 지탱 및 다른 조인트-레벨 변수들에 강력한 것을 보장하기 위해 제어기와 인터페이싱될 수 있다.
상이한 인간의 활동들 및 모션들이 기계-학습 알고리즘들 및 전-처리 기술들을 이용함으로써 검출될 수 있다. 도보, 달리기, 웅크림 또는 계단 올라감/내려감과 같은 인간의 모션들을 실시간으로 검출하는 것은 이들 상이한 조건들 및 또는 변하는 조건들 하에서 적절한 보조를 제공하기 위해 착용가능 소프트 엑소슈트들의 제어기(들)에게 통보하는데 유리하게 사용될 수 있다. 엑소스켈레톤 설계에서의 이전의 작업의 대부분이 실험실 환경들에서 수행되어, 이에 따라 사용자를 트레드밀(treadmill) 상에서 도보하는 것에 제한하였지만, 본 개념들은 실제 구조화되지 않은 시나리오들에서 인간 행위들에 직접 적용가능하다. 소프트 엑소슈트의 센서들로부터의 정보는, 인간 모션 패턴들을 검출하고 이에 응답하도록 적응된 제어 시스템들에 입력되고, 이러한 제어 시스템들에 의해 해석된다.
고-레벨 인지 엔진(1055)은 전체 신체 센서 네트워크로부터의 데이터(예를 들어, 체온, 발한, 심박수 등)를 분석함으로써 사용자의 생체 역학적 및 물리적 스트레스 상태를 추가로 모니터링할 수 있다. 신호 패턴들을 분석함으로써, 지능형 활동-적응 알고리즘은, 생성된 보조를 사용자가 잠재적으로 종사하려고 하는 상이한 걸음걸이들 및 활동들에 적응시키라고 저-레벨 제어기에게 통보할 수 있다. 예를 들어, 심박수에서의 급격한 증가는 군인에 대해, 인식된 징조를 표시할 수 있고, 이에 응답하여, 군인은 달리도록(예를 들어, 징조쪽으로 전진하도록, 은폐물 뒤로 달리도록, 등) 요구될 것이다. 이러한 방식에서, 소프트 엑소슈트(100)는 상태(예를 들어, 군인의)를 연속적으로 모니터링할 수 있고, 착용자의 필요에 기초하여 보조의 양을 적응시킬 수 있고, 그러한 필요에 응답하여 보조의 양을 변조할 수 있다.
추가로, 소프트 엑소슈트 센서들(예를 들어, 도 25에서 운동학적 센서들 및/또는 슈트 장력 센서들과 같은 일체화된 센서 네트워크)은, 사용자가 필요시 적절한 정정 행위(들)를 취할 수 있도록 정상에서 벗어나거나 긴급 상태들{예를 들어, 걸음걸이에서의 쇠약해짐, 사지의 물리적 스트레스 또는 하드웨어 고장(예를 들어, 저 배터리)}을 사용자에게 경고하기 위해 시각적 및/또는 청각적 피드백을 제공하기 위해 실시간 생체 역학적 정보를 모니터링하고 제공할 수 있다. 이러한 접근법은 소프트 엑소슈트와 사용자 사이의 양방향 상호 작용 흐름을 생성하여, 더 공생적인(symbiotic) 상호 작용을 초래하는 더 높은 인식 레벨을 촉진한다.
아래에 기재된 도 26a 내지 도 26b는 소프트 엑소슈트(100), 소프트 엑소슈트 작동 시스템 및 착용자 사이의 실시간 전력 흐름을 계산하는 제어 방법들에 관한 것이다. 소프트 엑소슈트의 작동 케이블{예를 들어, 케이블(142)}에 의해 제공된 전력뿐 아니라, 소프트 엑소슈트의 부착 지점{예를 들어, 신발류 연결기(130)}에서 케이블의 힘 및 속도가 계산될 수 있다. 슈트 강성도는, 발목 케이블을 잡아당김으로써, 그리고 다중 부하 및 부하 해제 사이클들 동안 힘 및 변위 쌍들을 리코딩함으로써 결정된다. 실시간으로, 전력 흐름은 부하 셀을 통해 측정된 단부 지점 힘 및 케이블의 속도를 이용함으로써 계산될 수 있다.
소프트 엑소슈트에 의해 흡수되고 복귀된 전력은 슈트 및 슈트-인간 시리즈 강성도 모델에서 힘을 이용하여 계산된다. 발목에서 힘이 주어지면, 강성도 모델의 역전은 신체의 압축 및 슈트의 신장에 의해 수용되어야 하는 길이 불일치를 계산하는데 사용된다. 이러한 변수의 시간-미분이 취해지고, 슈트에서의 힘과 곱해져서, 슈트 전력을 계산하게 된다. 양인 슈트 전력은 착용자 및 모터(246)로부터의 흡수 전력에 대응한다. 인간에게 전달된 전력은 이후 슈트에 입력된 전력과 계산된 슈트 전력 사이의 차이를 취함으로써 계산될 수 있는데, 이는 슈트에 입력된 전력이 슈트 또는 착용자로 가야하고, 히스테리시스 손실들이 슈트 전력에 이미 포함되어 있기 때문이다. 인간으로/으로부터 전달된 이러한 전력은 발목, 엉덩이 및 무릎에 전달된 전력들의 합이다. 이러한 방법에 요구된 슈트 강성도 모델은 착용자가 정지된 상태로 남아있는 동안, 슈트를 작동시킴으로써, 그리고 결과적인 힘 및 모터 위치를 측정함으로써 전개되었다. 아래에 기재된 바와 같이, 그리고 도 26a 내지 도 26b에 도시된 바와 같이, 착용자에게 제공된 전력을 추정하는 이러한 방법은 매우 적절하다.
도 26a는 소프트 엑소슈트(100)의 "발목 슈트" 버전(예를 들어, 도 2a를 참조)에 대한 힘-변위 관계를 도시하는 반면, 도 26b는 소프트 엑소슈트(100)의 "엉덩이 슈트" 버전(예를 들어, 도 15a 내지 도 15b를 참조)에 대한 힘-변위 관계를 도시한다. 슈트에서의 히스테리시스는 전력 계산들을 위해 고려되었다. 도 26b는 비콘(Vicon) 모션 캡처 시스템 및 힘 센서들을 이용함으로써 착용자에게 전달된 측정된 전력과, 슈트 및 소프트 엑소슈트의 강성도 모델에서의 힘 측정을 이용함으로써 추정된 전력 사이의 비교를 도시한다.
슈트의 강성도 모델을 이용함으로써, 전력은 현장에서 실시간으로 계산될 수 있다. 도 27a 내지 도 27b는 걸음걸이 백분율의 함수로서 전력(와트)의 플롯들을 도시한다. 도 27a는 발목에서의 총 전력(1100), 슈트 전력(1110), 및 착용자에게 전달된 전력(1120)에 대한 플롯들을 도시한다. 도 27b는 계산된 강성도(1130)에 대한 플롯들을 도시하는 반면, 플롯(1140)은 측정된 전력을 도시한다. 따라서, 고-레벨 제어기는 전력 흐름을 실시간으로 관찰하고, 소프트 엑소슈트 및/또는 엑추에이터 출력의 하나 이상의 특징들을 적응시키도록 구성가능하여, 상이한 행동들을 수행할 때 착용자에게 전달된 전력을 최적화한다.
소프트 엑소슈트(100)에 의해 제공된 보조 펄스들의 형태 및 타이밍은 착용자에게 전달된 전력(슈트 강성도 모델로부터 추정되는)에 기초하여 최적화될 수 있다. 예를 들어, 보조 펄스는, 전달된 전력이 엄격하게 양이거나, 원하는 프로필과 매칭하도록 변할 수 있다. 보조 펄스는 착용자에게 전달될 원하는 전력 프로필에서 시작함으로써, 그리고 시간의 함수로서 엑추에이터의 원하는 위치를 생성하기 위해 알고리즘을 거꾸로 이용함으로써 조정될 수 있다.
소프트 엑소슈트-착용자 시리즈 강성도 모델은, 슈트에서의 힘과 모터 변위와 연계하여 사용자의 조인트 각도들(사용자가 키, 중량, 및 결과적인 사지 길이에 기초하여 어떻게 도보하는 지의 모델을 통해, 또는 다른 센서들로부터)의 추정들을 이용함으로써 착용자가 정지해 있을 때 측정 이전에 행하지 않고도 실시간으로 추정될 수 있다.
본 개념들의 또 다른 양상들에서, 소프트 엑소슈트(100)는 슈트 오정렬들의 자동 검출 및 통지를 제공할 수 있다. 소프트 엑소슈트(100)는 수동으로 생성된 상호 작용 힘을 모니터링한다. 바람직하게, 수동으로 생성된 상호 작용 힘에 대한 기준선은 통상적으로 소수의 스텝들에 대해 간단히 도보함으로써 착용자에 의해 생성되어, 시스템은 수동으로 생성된 힘의 동적 형태를 모니터링할 수 있다. 힘이 정확하면, 시스템은, 시스템이 적절히 위치되었다는 것을 사용자에게 통지할 수 있다. 추가 수동 힘이 있거나, 수동으로 생성된 장력의 형태가 정확하지 않으면, 시스템은, 슈트가 적절히 정렬되지 않았다는 것을 사용자에게 적절히 통지하여, 사용자가 착용가능 시스템의 하나 이상의 구성요소들의 위치를 재조정할 수 있다. 측정된 힘에 기초하여, 소프트 엑소슈트(100)는 선택적으로 조정을 위한 가장 가능성있는 후보 구성요소에 관해 착용자에게 추가로 통보할 수 있다.
본 개념들의 또 다른 양상들에서, 소프트 엑소슈트(100) 제어기(들)는 도 20a에서의 예로서 도시된 것과 같이, 하나 이상의 자이로스코프(들)(예를 들어, 발꿈치 상에 장착됨, 발 상에 장착됨, 팔 상에 장착됨 등)를 이용하여 걸음걸이 이벤트들을 검출한다. 푸트 스위치들은 걸음걸이 이벤트들을 검출하고 시스템의 중복성(redundancy)을 감소시키기 위해 하나 이상의 사지들의 하나 이상의 부분들 상에 위치된 자이로스코프로 대체될 수 있다. 상이한 도보 속도(0.67m/s, 1/25m/s, 1.78m/s)를 갖는 자이로 데이터의 세트는 각각 플롯들(1200, 1210 및 1220)로서 도 28a에 도시된 바와 같이 수집되었다. 도보 속도가 상이하지만, 4번째 % 걸음걸이 이벤트 및 발목 양의 전력 이벤트 검출은 동일하다. 따라서, 타이밍 검출을 갖는 4-상태 상태 기계는 걸음걸이 이벤트들을 검출하고 보조 프로필의 타이밍을 맞추도록 설계될 수 있다.
도 28a 내지 도 28b에 도시된 4 상태들은 (1) 휴지(idle) 상태(IS), 비-도보 상태, (2) 초기-중간 스윙 상태(IMSS), (3) 단자 스윙-초기 접촉 상태(TSICS) 및 (4) 스탠스 상태(SS)이다. 하나의 걸음걸이 사이클에 대해, 초기-중간 스윙 상태는 고유한데, 이는 전압이 0v로 강하하기 때문이다. 이것은 휴지 상태로부터 도보 상태로의 상태 기계에 진입(entry)으로서 사용된다. 그런 후에, 포화 주기 이후에, 발꿈치를 검출함으로써 단자 스윙-초기 접촉 상태에 들어간다. 스탠스 상태에서, 일단 자이로가 지상 프레임과 비교하여 발의 각 속도의 7.5%에 대응하는 1.7V와 교차하면, 시스템은 보조를 시작한다. 또한, 각 상태에 대한 시간이 측정되는데, 이는 상태 기계가 휴지 상태로 다시 설정되는 각 상태에 대해 경과된 시간이 정상 시간을 초과하기 때문이다. 이러한 알고리즘은 도보 속도를 변화시킬 때 강력하게 적응된다.
본 개념들에 따라, 제어 전략들은 또한 장애 있는 걸음걸이를 보조하도록 적응될 수 있고, 여기서 종래의 예들과 달리, 제어 전략들은 비-장애 있는 착용자에 일반적인 생리학적 걸음걸이의 강력한 규칙성에 의존할 수 없는데, 이는 장애 있는 걸음걸이가 생리학적 걸음걸이보다 덜 규칙적이고 모든 환자가 외상(lesion)의 유형, 재활 치료의 진보, 및 환자에 의해 전개된 보상적인 움직임들의 유형들에 따라 상이한 걸음걸이 패턴을 갖기 때문이다.
아래에 구체적으로 기재된 제어 전략들은 임의의 걸음걸이 패턴과 조합하여 사용될 수 있다.
임의의 걸음걸이 패턴과 함께 사용하기 위한 제 1 예시적인 제어 전략에서, 하이브리드 제어들은 자동화된 이벤트 검출 및 물리 치료사로부터의 수동 조정을 통해 장애 있는 걸음걸이에 대해 제공된다. 착용가능 엑소슈트들의 제어기들에 대한 일반적인 아키텍처는 2개의 부분들, 즉 (1) 걸음걸이 이벤트들을 검출하기 위한 자동화된 알고리즘, 및 (2) 물리 치료사와 같은 개인이 전달된 보조의 타이밍, 유형 및 양을 결정하도록 하는 수동 인터페이스를 포함한다. 제 1 부분에 관해, 자동화된 알고리즘은 각 속도(자이로스코프들) 가속도(가속도계), 자기장(자기력계), 접촉 스위치들, 및 스트레인 센서들과 같지만, 여기에 한정되지 않는 신호들의 크기의 측정을 허용한다. 이러한 알고리즘은 걸음걸이 이벤트와 연관된 신호 패턴들에서의 규칙성들을 이용할 수 있고, 발꿈치 충돌, 발가락 떨어짐, 및/또는 중간-스탠스와 같지만, 여기에 한정되지 않는 걸음걸이 동안 발생하는 몇몇 이벤트들의 타이밍을 추출하기 위해 그러한 측정들을 처리한다. 걸음걸이 이벤트들의 이러한 검출은 하나의 양상에서, 걸음걸이 이벤트 타이밍의 이들 측정들에 대한 논리적 규칙들의 세트를 이용하고, 이들을 조합하고, 다른 양상에서, 예를 들어, 특정 이벤트들을 검출하도록 트레이닝된 기계 학습 알고리즘을 통해 구현된 전문가 시스템을 이용한다.
제 2 부분에 관해, 수동 인터페이스는, 물리 치료사(또는 착용자)와 같은 개인이 전달된 보조의 타이밍, 유형 및 양을 결정하도록 하기 위해 제공된다. 인터페이스는 예를 들어, 컴퓨터 또는 핸드헬드 전자 디바이스(예를 들어, 스마트폰) 상에서 구현된 그래픽 사용자 인터페이스(GUI), 및/또는 푸쉬 버튼들, 노브들(knobs) 및/또는 스위치들을 갖는 핸드헬드 디바이스 또는 착용가능 입력 패널과 같은 수동 인터페이스를 포함할 수 있다. 하지만, 구성된 이러한 인터페이스는, 자동으로 검출된 이벤트(또는 이벤트들)에 상대적으로 각 모터로부터의 보조가 전달되는 타이밍의 조절을 허용한다. 이러한 인터페이스는 또한 각 엑추에이터가 전달하는 보조의 양의 조절, 뿐 아니라 상이한 보조 레벨들 사이의 전이들(예를 들어, 전이율, 점진적인 전이들, 더 갑작스러운 전이들 등)의 조절을 허용한다.
상기를 고려하여, 이러한 하이브리드 제어 계획의 하나의 가능한 응용은 이동도 문제들{예를 들어, 발작(stroke) 이벤트, 신경 근육 질환, 임의의 다른 조건 또는 나이에 의해 야기된}을 갖는 사람에서 걸음걸이 재활 및 걸음걸이 훈련의 응용이다. 장애 있는 걸음걸이는 건강한 걸음걸이의 규칙성이 부족하여, 상이한 걸음걸이 이벤트들 사이의 시간 지연을 가정하는 것이 가능하지 않다. 예를 들어, 발꿈치 충돌과 발목 밀어냄 상 사이의 지연이 건강한 걸음걸이에서 규칙적이고 예측가능하지만, 장애 있는 걸음걸이에서 예측불가능하고 매우 가변적이다. 규칙성 및 예측 가능성의 이러한 부족은 이러한 하이브리드 아키텍처에 의해 보상될 수 있다. 알고리즘의 자동화된 부분은 걸음걸이 동안 발생한 하나 이상의 이벤트들을 검출할 수 있다. 수동 인터페이스는, 물리 치료사, 또는 개인 스스로가 관찰 또는 느낌에 기초하여 보조의 상대적인 타이밍을 조정하도록 한다.
임의의 걸음걸이 패턴과 함께 사용하기 위한 제 2 예시적인 제어 전략에서, 장애 있는 걸음걸이에 대한 하이브리드 제어는 자이로스코프를 이용한 발꿈치 충돌 검출과, 발바닥 굴곡 및/또는 배 굴곡에 대한 보조의 수동 튜닝을 이용한다. 이러한 제어 계획의 일실시예에서, 자동화된 이벤트 검출은 발꿈치 충돌을 검출할 수 있고(예를 들어, 가속도계, 자이로스코프, 접촉 스위치, 및/또는 신장 센서 등으로부터의 측정들을 이용하여), 수동 인터페이스는, 발바닥 굴곡(발목 밀어냄 상) 또는 배 굴곡(스윙 상), 또는 양쪽 모두가 주어지는 지연을 튜닝하는데 사용될 수 있다. 이러한 제어 계획의 다른 실시예에서, 자동화된 이벤트 검출은 밀어냄 상 이전에 발생하는 임의의 이벤트를 검출할 수 있고, 수동 인터페이스는 발바닥 굴곡을 작동시키기 위해 지연의 타이밍을 맞추는데 사용될 수 있다. 이러한 제어 계획의 또 다른 실시예에서, 자동화된 이벤트 검출은 발가락을 띠기 전에 발생하는 임의의 이벤트를 검출할 수 있고, 수동 인터페이스는 배 굴곡을 작동시키기 위해 지연의 타이밍을 맞추는데 사용될 수 있다. 이벤트가 작동이 발생하기 전의 언제라도 검출되는 이들 실시예들은 매우 높은 적응 정도의 달성을 허용하는데, 이는 모든 것이 동일한 스텝 내에서 발생하기 때문이다.
임의의 걸음걸이 패턴과 함께 사용하기 위한 제 3 예시적인 제어 전략에서, 장애 있는 걸음걸이에 대한 하이브리드 제어는 다리 상에서 임의의 수의 걸음걸이 이벤트들을 검출하고, 이들 이벤트들에 기초하여 궤적들을 정의하도록 적응된다. 이 실시예에서, N개의 센서들이 신체 상에 위치된다. 이들 N개의 센서들로부터의 판독들은 걸음걸이 동안 M개의 이벤트들을 검출하는데 사용된다. 일실시예에서, GUI와 같은 수동 인터페이스는, 보조가 이들 이벤트들과 관련하여 생성될 때를 결정하도록 허용한다. M개의 이벤트들 각각은 보조를 시작, 변형, 또는 중지시키기 위해 시간 기준으로서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, GUI와 같은 수동 인터페이스는 후속 이벤트들의 각 쌍 사이에서 생성된 보조의 양 및 유형의 결정을 허용한다. 다른 실시예에서, 수동 인터페이스는 물리 치료사로부터의 수동 입력들을 학습하고 대체하는 전문가 시스템(자동화된 알고리즘)으로 점차 대체된다.
임의의 걸음걸이 패턴과 함께 사용하기 위한 제 4 예시적인 제어 전략에서, 장애 있는 걸음걸이에 대한 하이브리드 제어는 장애 있는 다리에 대한 보조를 작동하기 위해 정상적인 다리 상의 걸음걸이 이벤트들을 검출하도록 적응된다. 장애 있는 다리를 보조하기 위해 정상적인 다리 상의 걸음걸이 이벤트들의 검출에 기초하여 이러한 제어 아키텍처의 예는 도 29a 내지 도 29b에 도시된다. 도 29a 내지 도 29b는 장애 있는 걸음걸이를 갖는 환자에서 양쪽 발꿈치들 상에 장착된 자이로스코프의 신호들에 대한 가능한 패턴을 도시한다. 이러한 알고리즘의 가능한 실시예에서, 정상적인 다리에서 명확한 3-피크의 패턴(도 29b)은 장애 있는 다리(도 29a에 도시된)를 보조하기 위해 시간 기준으로서 이용될 수 있다. 이 예에서, 도 29a 및 도 29b 모두에서의 스탠스 상은 음영 영역들로 표기된다. 정상적인 다리(도 29b)의 스윙 상 동안 피크들을 검출함으로써, 장애 있는 다리의 스윙 상 이전에 항상 발생하는 이벤트에 대한 기준을 추출할 수 있다. 이러한 기준은 배 굴곡을 작동시키는데 사용될 수 있고, 이것은 스윙 상 동안 발생한다.
동일하게 다른 실시예들에서, 상이한 유형들의 센서들은 대측성의 장애 있는 다리의 타이밍을 맞추는데 사용될 수 있는 걸음걸이 이벤트들을 검출하기 위해 정상적인 다리 상에 놓일 수 있다.
이러한 아키텍처는 또한, 제어기가 하나 이상의 센서들을 통해 온전한 다리의 움직임 패턴을 관찰하기 위해 구성되도록 하고, 유사한 걸음걸이 패턴으로 점차 수렴할 수 있도록 장애 있는 사지를 작동시킬 수 있다.
도 30은, 의료용 제어를 위한 소프트웨어 인터페이스를 도시하며, 특히 슈트 상의 센서들에 의해 측정된 실시간 걸음걸이 파라미터들을 디스플레이하기 위한 그래픽 사용자 인터페이스(1300)뿐 아니라, 실시간으로 슈트에 의해 전달된 보조의 프로필 및 타이밍을 제어하는 입력 수단(데이터 입력 필드들)을 도시한다.
다양한 양상들에서, 그래픽 사용자 인터페이스(1300)는 환자의 걸음걸이에 관한 정량적 정보를 제공하기 위해 슈트 센서들로부터 계산된 실시간 걸음걸이 데이터를 디스플레이한다. 실시간 걸음걸이 데이터는 예를 들어, 스탠스 대칭(각 다리 상의 시간 단일-다리 스탠스의 양), 스텝 길이, 속도/자세, 무릎 확장, 발바닥 굴곡 힘, 배 굴곡 정도, 및 지상 유격을 포함하지만, 여기에 한정되지 않을 수 있다. 이러한 출력은 정량적으로 또는 그래픽적으로 디스플레이될 수 있고, 임상의들은 자신이 보기를 원하는 파라미터들을 선택할 수 있을 것이다. 그래픽 사용자 인터페이스(1300)는 또한 저장된 걸음걸이를 디스플레이할 수 있고, 더 긴 기간의 추이들을 표시하기 위해 데이터를 이용할 수 있고, 이것은 임상의들 또는 환자들이 병원 방문객들 사이에서 누적된 데이터를 보도록 하는데 유용할 것이다. 그러한 데이터는 도보 속도, 일간 도보된 거리, 슈트에 의해 공급된 보조의 레벨, 및/또는 일간 슈트 이용 시간에 관련된 장기간의 추이들을 포함할 수 있다. 이러한 데이터는 또한 환자 컴플라이언스를 증명하고, 제 3자인 납부인들에게 슈트의 이용을 정당화하는데 유용할 것이다.
도시된 바와 같이, GUI(1300)는, 사용자(예를 들어, 의료 제공자, 환자, 연구원, 등)가 슈트에 의해 제공된 배 굴곡 및 발바닥 굴곡 보조의 힘 및 타이밍을 제어하도록 한다. 인터페이스는 최대 힘이 배 굴곡 및 발바닥 굴곡 케이블들 상에 인가하기 위한 입력들을 포함한다. 연구원은 또한 계산된 걸음걸이 사이클에 기초하여 각 힘에 대해 램프 업(ramp up) 및 램프 다운(ramp down)에 대한 시작 및 종료 시간 지점들을 입력한다. 안전 수단들은 유리하게 인터페이스에 구축되거나, 인터페이스에 입력(예를 들어, 인증된 의료 제공자에 의해)되어, 사전 설정된 허용가능 힘 또는 위치 한계들을 초과하는 우발적인 입력들을 방지한다. 임피던스, 힘, 및 위치 한계들은 인터페이스 내에서 변형될 수 있다. 추가로, 새로운 힘 프로필이 생성될 때, 현재 힘 프로필의 상부 상에 중첩되게 그려져서, 2개의 프로필들 사이의 임의의 차이들을 강조하게 된다. 새로운 프로필은 슈트에 적용될 수 있기 전에 사용자에 의해 확인되어야 한다.
적어도 몇몇 양상들에서, GUI(1300)는, 사용자(예를 들어, 의료 제공자, 환자, 연구원 등)가 힘 프로필에서의 변화들에 시간-동기화되는 코멘트들을 입력하도록 하는 코멘팅 페인(commenting pane)을 포함한다. 그러한 코멘트들은 예를 들어, 특정 변화가 이루어진 이유들, 무엇이 성공적으로 작용하고 있는가, 무엇이 성공적으로 작용하지 않았는가, 또는 미래에 구현되는데 필요한 것을 구체적으로 기재할 수 있다.
적어도 몇몇 양상들에서, GUI(1300)는 소프트 엑소슈트(100)로부터 멀리 있는 컴퓨터 또는 디바이스 상에 액세스가능하고, 컴퓨터 및 소프트 엑소슈트(100)는 함께 네트워킹되어(예를 들어, 무선 연결을 통해), GUI(1300)에 입력된 변화들은 소프트 엑소슈트 제어 시스템에 자동으로 병합된다. 따라서, 환자를 치료하는 임상의, 또는 군인을 모니터링하는 감독관은 소프트 엑소슈트(100) 데이터를 모니터링할 수 있고, 소프트 엑소슈트의 착용자(예를 들어, 환자, 군인 등)의 특정 필요에 맞도록 제어 시스템에 대한 실시간 변형들을 달성할 수 있다. 임상적 응용에서, 이러한 인터페이스는, 환자가 재활 전체에 걸쳐 진행할 때 임상의가 소프트 엑소슈트(100)를 조정하도록 하여, 슈트가 환자의 전체 회복 프로세스 전체에 걸쳐 보조의 적절한 양 및 타이밍을 제공하는 것을 보장한다.
상기 설명에 추가로, 제어 알고리즘들 상의 그러한 상호 작용의 암시들과 함께 착용자와 소프트 엑소슈트(100) 사이의 인간/기계 인터페이스 및 상호 작용은 아래에 논의된다.
광범위하게, 제어는, 소프트 엑소슈트에서의 능동 요소들(예를 들어, 인장 요소들, 작동 디바이스들 등)이 활동 동안 그 길이를 변화시키도록 명령받는 전략이다. 소프트 엑소슈트(100)는 단일 스텝 내에서, 또는 많은 스텝들 양단에서의 느린-변경(예를 들어, 지역에서의 점차적인 변화에 대해 유용함) 내에서 변화들을 제공하는 소프트 엑소슈트에서의 능동 요소들에 의해 변화된 길이를 가질 수 있다. 자동화된 및/또는 수동-조정가능 요소들은 또한 슈트의 길이를 변화시키는데 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 소프트 엑소슈트(100)는 특히, 느슨하게 만들어진 경우(길이를 증가시킴으로써), 착용자에게 완전히 투명하여, 이것이 그 모션을 억제하지 않는다는 것을 의미한다는 점에서 고유하다.
소프트 엑소슈트(100)는 2가지 방식들로 그 안에서 장력을 전개할 수 있다. 첫 번째 방식은, 능동 요소들이 신체에 걸쳐 타이트하게 잡아당기기 위해 길이를 변화시키는 것이다. 두 번째 방식은, 신체가 이동하고, 소프트 엑소슈트가 조인트들의 모션으로 인해 확장되고, 소프트 엑소슈트 재료가 조인트로부터 일부 반경에서 적어도 하나의 조인트에 걸쳐 확장한다는 점에 있다. 소프트 엑소슈트에서의 장력을 전개하는 이들 2가지 방법들은 도 31a 내지 도 31b에 예시되어 있다.
도 31a 내지 도 31b는 슈트의 길이를 단축하기 위해 작동된 세그먼트들을 이용함으로써 소프트 엑소슈트(100)에서 장력을 전개하기 위한 방법 및 시스템을 도시한다. 도 31a는 개념을 예시하고, 도 31b는, 그 개념이 소프트 엑소슈트의 특정 예 상에서 어떻게 사용될 수 있는지를 도시한다. 도 31b에서, 허벅지의 후면에서의 화살표들은, 소프트 엑소슈트의 그러한 세그먼트가 단축된다는 것을 표시하고; 골반 및 발꿈치에서의 화살표들은, 힘이 소프트 엑소슈트에 유도되고, 신체가 이들 장소들에서 반응 힘을 인가해야 하여, 소프트 엑소슈트가 이들 장소들에서 변위하는 것으로부터 방지한다는 것을 표시한다.
도 32a 내지 도 32b는 착용자의 신체 변화 구성으로 인해 소프트 엑소슈트에서 장력을 전개하기 위한 방법 및 시스템을 도시한다. 도 32a는, 텍스타일 또는 다른 유연한 인장 요소가 조인트의 어느 한 측부에서 신체 세그먼트에 부착되고 그런 후에 조인트가 구부러지는 경우, 조인트 주위의 반경 r>0에서 라우팅되면 장력이 텍스타일 또는 다른 유연한 인장 요소에서 어떻게 유발되는 지를 도시한다. 도 32b는 허리의 전면 및 발꿈치의 후면에서 착용자에게 앵커링되는 소프트 엑소슈트(100)에 대한 가능한 경로를 도시한다. 이것은 무릎 조인트를 통과하지만, 엉덩이의 전면 및 발목의 뒤에서 양의 반경으로 위치된다. 착용자가 도 32b의 중간 이미지에 도시된 위치로 이동할 때, 소프트 엑소슈트는 엉덩이 및 발목에 걸친 신장으로 인해 팽팽하게 된다. 소프트 엑소슈트를 이동하는 것으로부터 유지하기 위해 신체에 의해 소프트 엑소슈트 상에 가해진 힘은 허리 및 발꿈치에서의 화살표들에 의해 도 32bk의 중간 이미지에 도시된다. 다른 다리 위치들에서, 소프트 엑소슈트는 느슨하다.
소프트 엑소슈트에서 힘이 어떻게 생성되는 지에 대한 이러한 이해를 통해, 슈트에서 장력을 제어하는데 사용될 수 있는 많은 계획들이 존재한다.
소프트 엑소슈트(100)가 느슨하게 만들어지면(주어진 자세에서의 신체보다 더 긴 초기 길이를 선택함으로써, 또는 작동된 세그먼트들을 확장함으로써), 소프트 엑소슈트에서의 힘은 실질적으로 0이다(힘들 < 2N, 이것은 한 쌍의 청바지를 착용하는 것과 유사하다). 소프트 엑소슈트에서 0의 힘, 또는 실질적으로 0의 힘을 갖는 것은 유용한데, 이는 착용자의 모션을 억제하지 않고, 일반적으로 착용자가 눈에 띄지 않기 때문이다. 이것은, 착용자가 특정 모션들(예를 들어, 계단 위를 올라감) 동안 보조를 원하고 다른 모션들(예를 들어, 평지 지상의 도보) 동안 소프트 엑소슈트에 의해 방해되거나 억제되기를 원하지 않는 경우 유용할 수 있다.
다른 가능성은, 심지어 착용자가 상이한 자세들로 이동하는 경우 유지되는 소프트 엑소슈트(100)에서의 적은 양의 힘의 양(0.0001 내지 10N)을 갖는 것이다. 이를 달성하기 위해, 소프트 엑소슈트는 작동된 세그먼트들을 포함해야 하고, 이러한 작동된 세그먼트들은, 착용자의 자세들, 움직임들, 및 스탠스들이 변할 때 소프트 엑소슈트에서 장력의 그러한 양을 유지하기 위해 필요시 확장하고 수축한다. 소프트 엑소슈트에서 작은 양의 힘의 양을 유지하는 것은 여러 이유들로 인해 유용하다. 엑추에이터들이 이러한 소량의 장력을 유지하면서 이동하는 위치 궤적은 신체의 위치를 결정하는데 사용될 수 있고, 이것은 제어에 유용하다. 예를 들어, 엑추에이터들은, 신체가 특정 자세에 도달하거나, 신체의 자세가 신체 상의 상이한 부하 경로{상이한 조인트(들) 또는 동일한 조인트(들)를 반대 방향으로 작동시키는}에 연결된 엑추에이터들의 제어를 통보하는데 사용될 수 있을 때 더 높은 힘을 인가할 수 있다. 소프트 엑소슈트에서 작은 힘을 유지하는 동안 엑추에이터들의 위치 궤적은 또한, 착용자가 예를 들어 생체 역학을 모니터링하기 위해 시간이 지남에 따라 어떻게 이동하는 지를 결정하기 위해 로깅될 수 있다. 또한, 소프트 엑소슈트에서의 작은 힘을 항상 유지하는 것은, 엑추에이터들이 더 높은 힘을 인가하기를 원하는 경우 더 빠르게 응답하도록 하는데, 이것은 엑추에이터들이 슈트에서의 많은 양의 느슨함으로 감을 필요가 없기 때문이다.
마지막 가능성은 소프트 엑소슈트에서 많은 양의 힘(>10N)을 갖는 것이다. 이러한 힘의 양은 예를 들어, 도보 동안 착용자를 보조하기 위해 토크들을 생물학적 조인트들에 인가하는데 유용하다. 이러한 힘의 양은, 착용자가 모션 중인 경우 특정 시간에만 이용될 것이다. 예를 들어, 도보 동안, 소프트 엑소슈트는 걸음걸이 사이클에서 주로 40 내지 60%로부터 발생하는 발목에서의 밀어냄을 보조할 수 있다. 또는, 누군가가 앉음-기립 동작을 수행하였을 때 보조를 수신한 경우, 소프트 엑소슈트는 자체 모션 동안 힘을 제공할 수 있고, 그런 후에 일단 모션이 완료되었으면 힘을 제공하기를 중단한다.
엑소슈트가 어떻게 사용될 수 있는지를 이해하는데 유용한 제 2 개념은 착용자로의 또는 착용자로부터의 전력 전달의 개념이다. 단일 방향으로 단일 조인트를 보조하는 엑소슈트, 예를 들어 엉덩이 확장을 보조하기 위한 엑소슈트를 고려하자. 이 경우에, 소프트 엑소슈트는 엉덩이를 연장으로 더 잡아당기는 장력을 인가한다. 조인트가 인가된 힘과 동일한 방향으로 이동하면, 소프트 엑소슈트는 양의 전력을 조인트에 전달한다. 엉덩이 확장을 이용하는 소프트 엑소슈트(100)의 양상들에서(예를 들어, 도 15a 내지 도 15b를 참조), 이것은 소프트 엑소슈트에서 힘이 존재하는 동안 확장하는 엉덩이에 대응한다. 이와 반대로, 조인트가 인가된 힘으로부터 반대 방향으로 이동하면, 소프트 엑소슈트는 음의 전력을 조인트에 인가하거나, 즉 소프트 엑소슈트는 조인트로부터 전력을 흡수한다. 엉덩이 확장을 이용하는 소프트 엑소슈트(100)의 양상들에서(예를 들어, 도15a 내지 도 15b를 참조), 이것은 소프트 엑소슈트에서 힘이 존재하는 동안 엉덩이 구부러짐에 대응한다.
도 33 및 도 34a 내지 도 34b에 도시된 바와 같이, 소프트 엑소슈트에서 생성된 힘은 근본적인 조인트 모션에 의존한다. 즉, 엑소슈트의 능동 부분들은, 힘이 양의 전력을 착용자에게 전달하는 기간 동안 소프트 엑소슈트에서 상당한 힘만을 생성하도록 제어된다. 단일 조인트를 교차하는 엑소슈트에 대해, 조인트의 모션은 하나 이상의 센서들(예를 들어, 조인트 상에 또는 조인트 주위에, 또는 사지 상에 또는 해당 사지에 배치된 센서들)에 의해 모니터링될 수 있거나, 하나 이상의 센서들(예를 들어, 다른 조인트 또는 다른 사지 상에 또는 그 주위에 배치된 센서들, 센서들의 출력은 조인트 또는 해당 사지에 관한 보충 정보를 제공할 수 있다)에 의해 추측될 수 있다. 조인트가 엑소슈트가 힘을 인가한 방향으로 이동할 때, 엑추에이터들은 소프트 엑소슈트에서 상당한 힘을 생성할 수 있다. 조인트가 반대 방향으로 이동하면, 엑추에이터들은 소프트 엑소슈트에서 상당한 힘을 생성하기를 중지하기 위해 이동할 수 있다. 이러한 전략은, 소프트 엑소슈트만이 양의 힘을 착용자에게 제공하고 착용자로부터 에너지를 흡수하지 않는 것을 보장한다.
상당한 힘이 인가되지 않는 기간 동안, 엑추에이터(들)(200)는 슈트에서 느슨함을 생성하도록 이동하고, 작은 힘을 인가하는 동안 착용자를 추적하도록 이동하거나, 이들의 몇몇 조합이 이루어질 수 있다. 엑추에이터(들)(200)가 작은 힘을 인가하는 동안 착용자를 추적하면, 엑추에이터들의 길이는, 소프트 엑소슈트(100)가 힘을 인가할 때와 동일한 방향으로 조인트가 이동할 때를 검출하는데 사용될 수 있다: 엑추에이터들이 소프트 엑소슈트의 외관(aspect)을 단축시키면, 조인트는 소프트 엑소슈트가 힘을 인가할 때와 동일한 방향으로 이동한다. 엑추에이터(들)가 소프트 엑소슈트의 외관을 연장시키기 위해 이동해야 하면, 조인트는 반대 방향으로 이동한다.
슈트에서 느슨함이 있으면, 자이로스코프들, 소프트 스트레인 센서들 등과 같은 다른 센서들은 조인트의 모션을 추정하는데 사용될 수 있다. 자이로스코프들은 조인트의 속도를 직접 추정하는데 사용될 수 있어서, 양 또는 음의 판독(예를 들어, 시상 봉합 평면에서 측정됨)이 조인트가 구부러지거나 확장하는 경우에 직접 대응할 것이다. 장력은, 조인트가 소프트 엑소슈트로부터 신체로 전달되는 양의 전력에 대응하는 방향으로 이동할 때 소프트 엑소슈트(100)에서 생성될 수 있다. 조인트 각도 센서들에 대해, 모션 방향에서의 변화들이 검출되어야 한다.
엑추에이터(들)(200)가 상당량의 힘을 소프트 엑소슈트(100)에 인가하고 양의 전력을 신체에 인가하면, 엑추에이터들이 소프트 엑소슈트에서 장력을 해제해야 하는 시간은 여러 방식들로 검출될 수 있다. 자이로스코프들, 소프트 스트레인 센서들 등과 같은 센서들은 조인트의 모션을 추정하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 엑추에이터 길이는 조인트의 모션을 추정하기 위해 소프트 엑소슈트 및 착용자의 힘-변위 특징들의 모델 및 소프트 엑소슈트에서의 측정된 힘과 연계하여 사용될 수 있다. 슈트-인간 힘-변위의 모델이 힘 및 모터 위치와 함께 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 예는 도 33 및 도 34a 내지 도 34b에 도시되어 있다.
도 33은 측정된 인간-슈트 시스템 강성도를 도시한다. 착용자는, 모터가 작업 동안(예를 들어, 걸음걸이 사이클에서 10%에 있는 것처럼 순방향으로의 다리를 통해) 모터가 작동될 때 그 신체가 있는 형태에 대응하는 특정 자세로 서 있다. 그런 후에, 소프트 엑소슈트(100)의 작동된 부분들은 길이를 변화시키고, 소프트 엑소슈트에서의 결과적인 힘은 리코딩된다. 도 33의 그래프는 엑추에이터 변위 대 유발된 힘을 도시한다. 모델은 수학식들을 데이터에 맞춤으로써 생성된다: 예를 들어, 2차 방정식(힘 = a*x2 + b*x, 여기서 x는 변위이고, a 및 b는 상수이다)은 곡선의 상승 경사에 맞고, 지수{힘 = c*exp(-d*(x-xmax)), 여기서 c, d 및 xmax는 상수이다}는 곡선의 하강 경사에 맞는다. 이것은 반복가능한 힘-변위 특징을 제공한다. 데이터 플롯들 위 및 아래의 화살표들은 히스테리시스 루프 주위의 방향을 나타낸다.
이 모델을 통해, 슈트에서의 힘, 힘의 시간-히스토리(힘이 상승하거나 하강하는 지를 결정하기 위해), 및 엑추에이터 길이가 주어지면, 사람의 위치가 결정될 수 있다. 도 34a 내지 도 34b는 도보 사이클 동안 엉덩이 모멘트(슈트에서의 힘의 스케일링된 버전임) 및 엑추에이터(들)(200)의 위치의 플롯들을 도시한다. 하나의 걸음걸이 사이클에 걸쳐 소프트 엑소슈트에서의 힘은 도 34a에서 검은 색의 실선("Approx")으로 도시된다. 역 모델을 이용하여, 슈트-인간 시스템의 변위는 이러한 힘으로부터 계산되고, 그 결과는 도 34b에서 "xs"(1400)이다. 엑추에이터들의 길이는 플롯("xm")(1410)으로서 도 34b에 도시된다. 엉덩이의 위치는 도 34b에서 "xhip"(1420)으로 도시된다. 이것은 알려지지 않지만, 관계식(xhip = xm + xs)을 통해 슈트-인간 시스템 변위(xs) 및 엑추에이터 길이(xm)를 이용하여 계산될 수 있다.
다중 조인트들을 교차하는 소프트 엑소슈트(100)에 대해, 유사한 원리들이 사용될 수 있다. 소프트 엑소슈트에서 낮은 힘을 유지하면서 신체를 추적하기 위해 엑추에이터(들)에 의해 발생된 변위는 교차된 조인트들의 각도들과, 소프트 엑소슈트가 이들 조인트들에서 오프셋하는 반경들의 함수이다. 소프트 엑소슈트에 의해 교차된 다중 조인트들이 각도들이 추적될 수 있고, 장력은 모든 각도들이 소프트 엑소슈트로부터 양의 전력을 수신하는 것에 대응하는 방향들로 이동할 때 소프트 엑소슈트에서 생성될 수 있다.
일반적으로, 양의 전력을 바디에 전달할 수 있을 때 소프트 엑소슈트(100)에서 장력만을 생성하는 것이 최대로 유리하지 않을 수 있다. 소프트 엑소슈트(100)가 더 자연스럽고 신체와의 상승 작용적이게 느끼게 하기 위해 신체의 기능(생물학적 조인트들이 전력을 흡수할 때 전력을 흡수하고, 생물학적 조인트들이 전력을 발생할 때 전력을 신체에 전달하는)을 복제하는 것이 유용할 수 있다. 이러한 방식으로 작용하는 것은 또한, 신체가 더 자연스러운 방식들로(예를 들어, 공칭적인 도보 방식들에 더 가깝게 운동학을 유지) 이동하도록 할 수 있어서, 이것은 더 양호한 성능을 초래할 수 있다. 다중 조인트들을 교차하는 소프트 엑소슈트(100)를 가지고 이를 달성하기 위해, 소프트 엑소슈트에서의 장력은 각 조인트 각도의 함수일 수 있다.
이와 같이, 소프트 엑소슈트(100)에서의 장력은 조인트 각도들의 함수로서 생성될 수 있다. 엑추에이터(들)(200)가 슈트에서 작은 장력을 유지하기 위해 연속적으로 이동하면, 엑추에이터 길이는 조인트 각 측정들 대신에, 또는 이에 더하여 사용될 수 있다.
다중 조인트들을 교차하는 소프트 엑소슈트(100)는, 하나의 조인트가 양의 전력을 발생하면서 다른 조인트(들)가 전력을 흡수하는 경우, 또는 양쪽의 조인트들이 통상적으로 양의 전력을 발생시키지만 하나의 조인트가 허약함 또는 부상으로 인해 평소보다 적게 신체에 의해 작동되는 경우, 전력을 하나의 조인트로부터 다른 조인트 또는 조인트들로 전달하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 무릎을 통해 정강이로 허벅지의 후면을 가로질러 이어지는 소프트 엑소슈트(100)는 걸음걸이 사이클에서 60 내지 100% 동안 앞발을 상승시키기 위해 전력을 엉덩이로부터 발목으로 전달할 수 있다. 이 디바이스는 배 굴곡에서 발을 상승시키는 전경골근에서 허약함을 갖는 근위축증 또는 발작을 갖는 사람에게 유용하다. 허벅지가 굴곡 상태로 이동할 때, 장력은 엉덩이의 모션으로 인해 소프트 엑소슈트(100)에서 생성된다. 이러한 장력은 발의 전면을 잡아당겨서, 발이 지상을 떠나는데 도움을 준다.
본 개념들에 따라, 소프트 엑소슈트(100)는 다중 조인트들(다중-관절 소프트 엑소슈트 아키텍처)를 교차할 필요가 없고, 그 대신, 하나의 조인트만을 교차할 수 있다. 예로서, 제어 계획들을 포함하는 본 명세서에 개시된 개념들은 정강이와의 소프트 엑소슈트 인터페이스들과, 사용자의 신발류 및/또는 후면에 배치된 하나 이상의 신발류 연결 요소(들)에 연결되는 것에 동일하게 적용된다. 소프트 엑소슈트에 대한 앵커 지점들이 인장력의 인가에 저항하도록 크기를 갖는 근육 조직을 포함하는 해부학적 특징부들을 포함할 수 있다.
상기 설명은 본 개념들의 다양한 예시적인 양상들을 언급한다. 이들 실시예들 및 그 명백한 변형들 각각은 개시된 본 발명의 사상 및 범주 내에 있는 것으로 구상되고, 개시된 본 발명의 적어도 몇몇 양상들은 다음의 청구항들에서 설명된다. 예시에 의해, 제한 없이, 소프트 엑소슈트들(100)의 예들과 관련하여 본 명세서에 개시된 제어 시스템들은 전형적인 엑소스켈레톤-기반의 착용가능 로봇 시스템들 또는 인공 디바이스들과 같이 로봇들(즉, 독립형 로봇들), 착용가능 로봇 시스템들 및 디바이스들에 동일하게 적용가능하다. 따라서, 단지 사전-프로그래밍된 이동 패턴들에 의존하기보다는, 모든 착용가능한 로봇 시스템들(본 명세서에 개시된 양쪽의 소프트 엑소슈트들, 전형적인 엑소스켈레톤-기반의 착용가능 로봇 시스템들, 인공 디바이스들, 또는 이들의 조합들)은 더 적응성있게 만들어질 수 있다. 추가로, 소프트 엑소슈트 힘 전달의 다수의 예들이 보덴 케이블 또는 다른 케이블 유형과 관련하여 기재되지만, 본 개념들에 따른 힘 전달은 유연한 웨빙 또는 리본 재료(예를 들어, 직물들, 복합 재료들 등)과 같지만, 여기에 한정되지 않는 임의의 다양한 유연한 전달 요소들을 유리하게 이용할 수 있다.
또 다른 양상들에서, 본 명세서에 개시된 제어 시스템들은 입력으로서 모터 전류를 이용할 수 있고, 제어기(들)는 작동 부재에 인가된 모터 토크, 이에 대응하여, 작동 부재를 통해 작동 부재의 부착 지점에 인가된 힘의 표시로서 모터 전류를 이용한다.
적어도 몇몇 양상들에서, 제어 시스템들은 힘의 인가시 램프 업(예를 들어 사용자에 의해 힘에 대한 적응을 용이하게 하기 위해) 및/또는 힘의 인가시 램프 다운(예를 들어, 사용자가 갑자기 "무거운 다리들"을 갖는다는 사용자에 의한 느낌을 최소화하기 위해)을 경감하는 것과 같이 소프트 엑소슈트 엑추에이터(들)에 의해 인가된 힘들의 프로필들을 변형하기 위해 사용자(또는 의료 관리 제공자와 같은 인증된 제 3자)에 의해 구성가능할 수 있다.
적어도 몇몇 양상들에서, 제어 시스템은, 시스템 장애의 임의의 구성요소(예를 들어, 하이로 떨어지거나 로우로 떨어지는 센서)가 있는 경우, 제어 시스템이 소프트 엑소슈트가 착용자에게 최소로 지장을 주는 구성에 소프트 엑소슈트를 위치시키기 위해 정정 작용들을 취하는 "안전(fail safe)" 프로토콜을 구현한다.

Claims (31)

  1. 모션 제어 시스템으로서,
    적어도 하나의 작동 부재를 포함하는 적어도 하나의 엑추에이터(actuator)로서, 상기 적어도 하나의 작동 부재는 조인트의 제 1 측부 상의 상기 적어도 하나의 엑추에이터에 부착된 근접 단부와, 상기 조인트의 제 2 측부 상의 앵커(anchor) 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖는, 적어도 하나의 엑추에이터;
    걸음걸이 사이클의 타이밍과 상관되거나 상관가능한 신호들을 출력하도록 구성된 제 1 센서;
    상기 적어도 하나의 작동 부재에서 인장력(tensile force)을 나타내는 신호들을 출력하도록 구성된 제 2 센서;
    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서로부터 출력된 상기 신호들을 수신하고, 이에 응답하여, 상기 걸음걸이 사이클의 제 1 부분 동안, 상기 조인트에 관한 유리한 모멘트를 생성하기 위해 상기 적어도 하나의 작동 부재를 통해 미리 결정된 임계치의 인장력보다 더 큰 힘을 상기 앵커 요소 부착 지점에 인가하기 위해 상기 적어도 하나의 엑추에이터를 자동으로 작동시키고, 상기 걸음걸이 사이클의 적어도 제 2 부분 동안, 상기 조인트에 관한 유해한 모멘트를 생성하는 것을 피하기 위해 상기 앵커 요소 부착 지점에서의 인장력을 상기 미리 결정된 임계치의 인장력에 있거나 그보다 아래에 있는 레벨까지 감소시키기 위해 상기 적어도 하나의 엑추에이터를 자동으로 작동시키도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제어기는, 상기 인장력이 상기 미리 결정된 임계치를 교차하는 타이밍을 결정하고, 피크 인장력이 상기 걸음걸이 사이클의 제 1 상(phase) 동안 달성되는 타이밍을 결정하기 위해 현재 스텝만으로부터 상기 제 1 및 제 2 센서들로부터 출력된 상기 신호들을 이용하도록 구성되는, 모션 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조인트는 발목 조인트를 포함하고,
    상기 앵커 요소 부착 지점은 신발류 연결 요소를 포함하고, 상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 1 부분은 일반적으로 대략 중간 스탠스(midstance)와 발가락 떨어짐(toe off) 사이의 범위에 대응하는 상기 걸음걸이 사이클의 약 30 내지 62.5%의 범위를 포함하는, 모션 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어기는, 상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 2 부분 동안 상기 앵커 요소 부착 지점에서의 인장력을 실질적으로 0으로 감소시키기 위해 약 62.5%로부터 후속하는 발꿈치 충돌까지 상기 적어도 하나의 엑추에이터를 작동하도록 구성되는, 모션 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어기는, 인장력을 약 1900N 아래의 미리 결정된 레벨까지 증가시키고, 그런 후에 상기 인장력을 상기 미리 결정된 임계치의 인장력으로 또는 그 아래로 감소시키기 위해 상기 걸음걸이 사이클의 약 30 내지 62.5%의 범위 내에서 상기 적어도 하나의 엑추에이터를 작동하도록 구성되는, 모션 제어 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어기는, 인장력을 약 300N 아래의 미리 결정된 레벨까지 증가시키고, 그런 후에 상기 인장력을 상기 미리 결정된 임계치의 인장력으로 또는 그 아래로 감소시키기 위해 상기 걸음걸이 사이클의 약 30 내지 62.5%의 범위 내에서 상기 적어도 하나의 엑추에이터를 작동하도록 구성되는, 모션 제어 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조인트는 엉덩이 조인트를 포함하고,
    상기 앵커 요소 부착 지점은 착용가능 로봇의 햄스트링(hamstring) 영역에 배치된 허벅지 브레이스 연결 요소를 포함하고, 상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 1 부분은 일반적으로 스탠스 상에 대응하는 상기 걸음걸이 사이클의 약 0 내지 62.5%의 범위를 포함하는, 모션 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어기는, 상기 앵커 요소 부착 지점에서의 인장력을 실질적으로 0으로 감소시키기 위해 일반적으로 스윙 상에 대응하는 상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 2 부분 동안, 상기 적어도 하나의 엑추에이터를 작동하도록 구성되는, 모션 제어 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어기는, 인장력을 약 400N 아래의 미리 결정된 레벨까지 증가시키고, 그런 후에 상기 인장력을 상기 미리 결정된 임계치의 인장력으로 또는 그 아래로 감소시키기 위해 상기 걸음걸이 사이클의 약 0 내지 62.5%의 범위 내에서 상기 적어도 하나의 엑추에이터를 작동하도록 구성되는, 모션 제어 시스템.
  9. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 자이로스코프 또는 푸트 스위치(footswitch) 중 적어도 하나를 포함하는, 모션 제어 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 걸음걸이 사이클의 제 1 부분 동안 상기 적어도 하나의 제어기에 의한 상기 적어도 하나의 엑추에이터의 자동 작동은 약 20N 내지 50N의 미리 규정된 임계치의 값으로의 상기 적어도 하나의 작동 부재에서의 인장력에서의 측정된 증가에 의해 개시되는, 모션 제어 시스템.
  11. 제12항에 있어서, 상기 실질적으로 0의 인장력은 약 0N 내지 5N의 힘을 포함하는, 모션 제어 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 적어도 하나의 초탄성 스트레인 센서를 포함하는, 모션 제어 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    복수의 엑추에이터들로서, 상기 복수의 엑추에이터들은 제 1 작동 부재와 동작가능하게 연관된 제 1 엑추에이터를 포함하고, 상기 제 1 작동 부재는 제 1 조인트의 제 1 측부 상의 상기 제 1 엑추에이터에 부착된 근접 단부와, 상기 제 1 조인트의 제 2 측부 상에 배치된 제 1 앵커 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖고, 상기 복수의 엑추에이터들은 제 2 작동 부재와 동작가능하게 연관된 제 2 엑추에이터를 포함하고, 상기 제 2 작동 부재는 제 2 조인트의 제 1 측부 상의 상기 제 2 엑추에이터에 부착된 근접 단부와, 상기 제 2 조인트의 제 2 측부 상에 배치된 제 2 앵커 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖는, 복수의 엑추에이터들; 및
    상기 제 2 작동 부재에서 인장력을 나타내는 신호들을 출력하도록 구성된 제 3 센서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제어기는, 상기 제 1 및 제 2 센서들로부터 출력된 상기 신호들을 수신하고, 이에 응답하여, 상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 1 부분 동안, 상기 제 1 조인트에 관한 유리한 모멘트를 생성하기 위해 상기 제 1 작동 부재를 통해 제 1 미리 결정된 임계치의 인장력보다 더 큰 힘을 상기 제 1 앵커 요소 부착 지점에 인가하기 위해 상기 제 1 엑추에이터를 자동으로 작동시키고, 상기 걸음걸이 사이클의 적어도 상기 제 2 부분 동안, 상기 제 1 앵커 요소 부착 지점에서의 인장력을 상기 제 1 미리 결정된 임계치의 인장력에 있거나 그보다 아래에 있는 레벨까지 감소시키기 위해 상기 제 1 엑추에이터를 자동으로 작동시키도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 제어기는 상기 제 1 및 제 3 센서들로부터 출력된 상기 신호들을 수신하고, 이에 응답하여, 상기 걸음걸이 사이클의 제 3 부분 동안, 상기 제 2 조인트에 관한 유리한 모멘트를 생성하기 위해 상기 제 2 작동 부재를 통해 제 2의 미리 결정된 임계치의 인장력보다 더 큰 힘을 상기 앵커 요소 부착 지점에 인가하기 위해 상기 제 2 엑추에이터를 자동으로 작동시키고, 상기 걸음걸이 사이클의 적어도 제 4 부분 동안, 상기 제 2 앵커 요소 부착 지점에서의 인장력을 상기 제 2 미리 결정된 임계치의 인장력에 있거나 그보다 아래에 있는 레벨까지 감소시키기 위해 상기 제 2 엑추에이터를 자동으로 작동시키도록 추가로 구성되고,
    상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 1 부분 및 상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 3 부분 각각은 상기 스탠스 상의 적어도 일부분을 포함하는, 모션 제어 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제 1 조인트는 발목 조인트이고,
    상기 제 2 조인트는 엉덩이 조인트이고,
    상기 제 1 조인트 및 상기 제 2 조인트는 모두 동일한 다리 상에 있는, 모션 제어 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 1 부분은 중간-스탠스와 사전-스윙(pre-swing) 사이의 영역을 포함하고,
    상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 3 부분은 대략 초기 접촉과 사전-스윙 사이의 걸음걸이의 영역을 포함하는, 모션 제어 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 1 부분은 상기 걸음걸이 사이클의 약 30% 내지 62.5%의 영역을 포함하고,
    상기 걸음걸이 사이클의 상기 제 3 부분은 상기 걸음걸이 사이클의 약 0% 내지 62.5%의 걸음걸이의 영역을 포함하는, 모션 제어 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어기는 복수의 제어기들을 포함하는, 모션 제어 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    복수의 엑추에이터들로서, 상기 복수의 엑추에이터들은 복수의 작동 부재들을 포함하고, 상기 복수의 작동 부재들은 복수의 조인트들을 선회시키도록 배치되는, 복수의 엑추에이터들; 및
    상기 복수의 작동 부재들에서 인장력들을 나타내는 신호들을 출력하도록 구성된 복수의 센서를 더 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제어기는 상기 복수의 센서들로부터 출력된 상기 신호들을 수신하고, 이에 응답하여, 상기 조인트에 관한 유리한 모멘트를 생성하기 위해 각 조인트 양단에 미리 결정된 힘 프로필을 인가하기 위해 상기 복수의 작동 부재들 중 각각의 하나의 작동 부재에 대해 상기 걸음걸이 사이클의 미리 결정된 부분 동안 상기 복수의 엑추에이터들 중 각각을 자동으로 작동하도록 구성되는, 모션 제어 시스템.
  19. 모션 제어 시스템으로서,
    적어도 하나의 작동 부재를 포함하는 적어도 하나의 엑추에이터로서, 상기 적어도 하나의 작동 부재는 조인트의 제 1 측부 상의 상기 적어도 하나의 엑추에이터에 부착된 근접 단부와, 상기 조인트의 제 2 측부 상에 배치된 앵커 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖는, 적어도 하나의 엑추에이터;
    상기 적어도 하나의 작동 부재에서 장력을 측정하고, 상기 측정된 장력에 관한 신호들을 출력하도록 구성된 제 1 센서;
    발꿈치 충돌 또는 다른 걸음걸이 타이밍 이벤트를 검출하도록 구성된 제 2 센서;
    평균 걸음걸이 백분율 데이터 및 평균 스텝 시간을 저장하도록 구성된 메모리 디바이스;
    상기 제 1 및 제 2 센서들에 의해 출력된 상기 신호들을 모니터링하도록 구성되고, 발꿈치 충돌의 검출에 후속하여, 상기 적어도 하나의 작동 부재에서의 측정된 장력이 임계치 레벨로 상승하기를 기다리도록 구성된 적어도 하나의 제어기로서, 상기 이벤트들 모두에 후속하여, 상기 적어도 하나의 제어기는 수학식
    Figure pct00004
    을 이용하여 상기 스텝 내에서 걸음걸이 백분율을 계산하고, 상기 걸음걸이 백분율에 기초하여 상기 적어도 하나의 작동 부재를 통해 위치 보조 힘 프로필을 상기 앵커 요소 부착 지점에 출력하기 위해 상기 적어도 하나의 엑추에이터를 개시하고, 상기 위치 보조 힘 프로필의 적용은 상기 조인트 주위의 유리한 모멘트를 생성하는, 적어도 하나의 제어기를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제어기는 새로운 평균 걸음걸이 백분율을 계산하고, 상기 발꿈치 충돌 및 평균 스텝 시간을 이용하여 상기 메모리 디바이스에 저장된 상기 평균 걸음걸이 백분율을 업데이트하고, 상기 스텝에 대한 피크 힘과 약 36%의 평균 걸음걸이 백분율에서 상기 적어도 하나의 작동 부재에서의 상기 측정된 장력을 모니터링하고, 후속 엑추에이터 출력에 적응하기 위해 정정 보조 위치 프로필을 개시하도록 추가로 구성되는, 모션 제어 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 정정 보조 위치 프로필은 상기 보조 위치 프로필의 초기 진폭을 증가시키거나 감소시키는 것을 포함하는, 모션 제어 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 정정 보조 위치 프로필은 상기 보조 위치 프로필의 최대 진폭을 증가시키거나 감소시키는 것을 포함하는, 모션 제어 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    최대 위치 프로필 적응은 스텝당 약 1mm인, 모션 제어 시스템.
  23. 제19항에 있어서,
    상기 제 2 센서는 적어도 하나의 초탄성 스트레인 센서를 포함하는, 모션 제어 시스템.
  24. 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법으로서,
    제어기를 이용하여, 상기 착용가능 로봇 시스템의 제 1 센서를 이용하여 발꿈치 충돌을 검출하는 단계;
    상기 발꿈치 충돌의 상기 검출에 응답하여, 상기 제 2 센서에서의 수동으로 생성된 힘이 미리 결정된 임계치 레벨로 상승할 때를 결정하기 위해 상기 착용가능 로봇 시스템의 제 2 센서를 모니터링하기 시작하기 위해 상기 제어기를 이용하는 단계;
    상기 다음의 수학식
    Figure pct00005
    에 따라 걸음걸이 백분율을 계산하기 위해 상기 제어기를 이용하는 단계; 및
    상기 발꿈치 충돌의 검출, 상기 제 2 센서에서의 상기 수동으로 생성된 힘의 상기 미리 결정된 임계치 레벨로의 상승, 및 36%의 계산된 걸음걸이 백분율에 응답하여, 상기 계산된 걸음걸이 백분율에 기초하여 위치 보조 프로필을 조인트에 전달하기 위해 적어도 하나의 엑추에이터를 개시하도록 상기 제어기를 이용하는 단계를
    포함하는, 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 계산된 걸음걸이 백분율을 이용하여 상기 제어기와 동작가능하게 연관된 비-임시 물리적 메모리 디바이스에 저장된 평균 걸음걸이 백분율을 업데이트하는 단계를 더 포함하는, 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제어기를 이용하여, 상기 스텝에 대한 피크 힘 값과 36%의 평균 걸음걸이 백분율에서 상기 제 2 센서에서의 수동으로 생성된 힘을 모니터링하는 단계;
    상기 스텝에 대한 상기 피크 힘 값과 36%의 평균 걸음걸이 백분율에서 상기 제 2 센서에서의 상기 수동으로 생성된 힘을 상기 비-임시 물리적 메모리 디바이스에 저장하는 단계; 및
    상기 스텝에 대한 상기 피크 힘 값 또는 36%의 평균 걸음걸이 백분율에서 상기 제 2 센서에서의 상기 현재 수동으로 생성된 힘의 현재 값 중 적어도 하나를, 상기 스텝에 대한 상기 피크 힘 값 또는 36%의 평균 걸음걸이 백분율에서 상기 제 2 센서에서의 상기 수동으로 생성된 힘의 이전 값 중 대응하는 적어도 하나의 이전 값의 적어도 하나의 이전에 저장된 값과 비교하는 단계를 더 포함하는, 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 스텝에 대한 상기 피크 힘 값 또는 36%의 평균 걸음걸이 백분율에서 상기 제 2 센서에서의 상기 현재 수동으로 생성된 힘의 현재 값 중 적어도 하나가 상기 스텝에 대한 상기 피크 힘 값 또는 36%의 평균 걸음걸이 백분율에서 상기 제 2 센서에서의 상기 수동으로 생성된 힘에 대한 상기 이전에 저장된 값의 대응하는 값보다 미리 결정된 임계치 차이 이상으로 더 크거나 더 작다는 것을 비교하는 단계에서 상기 제어기에 의한 결정에 응답하여, 보조 위치 프로필 초기 진폭, 최대 진폭, 또는 양쪽 모두의 진폭을 정정하는 단계를
    더 포함하는, 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    전달된 양(positive)의 전력의 양을 최대화하고, 흡수된 음(negative)의 전력을 최소화하기 위해 상기 착용가능 로봇 시스템에 의해 상기 인간에게 전달된 상기 전력의 결정에 응답하여, 보조 위치 프로필 초기 진폭, 최대 진폭, 또는 양쪽 모두의 진폭을 정정하는 단계를
    더 포함하는, 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 사용자에게 유리한 원하는 보조 전력 프로필에 매칭(match)하기 위해 상기 착용가능 로봇 시스템에 의해 상기 인간에게 전달된 상기 전력의 결정에 응답하여, 보조 위치 프로필 초기 진폭, 최대 진폭, 또는 양쪽 모두의 진폭을 정정하는 단계를
    더 포함하는, 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법.
  30. 제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 따른 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법으로서,
    상기 착용가능 로봇 시스템은 소프트 엑소슈트(soft exosuit)인, 착용가능 로봇 시스템을 제어하는 방법.
  31. 소프트 엑소슈트를 위한 모션 제어 시스템으로서,
    적어도 하나의 작동 부재를 포함하는 적어도 하나의 엑추에이터로서, 상기 적어도 하나의 작동 부재는 조인트의 제 1 측부 상의 상기 적어도 하나의 엑추에이터에 부착된 근접 단부와, 상기 조인트의 제 2 측부 상에 배치된 앵커 요소 부착 지점에 부착된 말단 단부를 갖는, 적어도 하나의 엑추에이터;
    상기 적어도 하나의 작동 부재에서의 장력을 측정하고, 상기 측정된 장력에 관련된 신호들을 출력하도록 구성된 제 1 센서;
    발꿈치 충돌을 검출하도록 구성된 제 2 센서;
    상기 적어도 하나의 작동 부재의 연장(elongation)을 검출하도록 구성된 제 3 센서;
    상기 적어도 하나의 작동 부재의 연장을 상기 소프트 엑소슈트에 의해 생성되는 힘들과 연관시키는 상기 소프트 엑소슈트 강성도(stiffness)의 모델을 저장하도록 구성된 비-임시 물리적 메모리 디바이스;
    상기 제 1 내지 제 3 센서들로부터 출력된 상기 신호들을 모니터링하고, 상기 측정된 장력과 상기 슈트 강성도 모델의 역전(inverse)을 이용하여 상기 슈트의 연장도(elongation)를 계산하고, 슈트 연장도 속도를 얻기 위해 미분을 취하고, 상기 측정된 장력을 상기 슈트 연장도 속도와 곱함으로써 상기 소프트 엑소슈트에 의해 생성되거나 상기 소프트 엑소슈트에 의해 흡수된 전력을 결정하도록 구성된 적어도 하나의 제어기를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 제어기는 또한 상기 제 3 센서로부터의 상기 작동 부재의 연장도와, 상기 작동 부재에 의해 생성되는 힘을 모니터링하고, 상기 작동 부재의 상기 연장도의 미분을 계산하고, 상기 작동 부재 힘과 상기 작동 부재의 상기 연장도를 곱함으로써 상기 작동 부재에 의해 생성된 상기 전력을 계산하도록 구성되고,
    상기 적어도 하나의 제어기는 또한 상기 소프트 엑소슈트에 의해 흡수된 상기 전력을 감산함으로써, 또는 상기 적어도 하나의 작동 부재에 의해 생성된 상기 전력으로부터 상기 슈트에 의해 생성된 상기 전력을 양인 경우 더함으로써 상기 소프트 엑소슈트에 의해 상기 인간에게 전달된 상기 전력을 게산하도록 구성되는, 소프트 엑소슈트를 위한 모션 제어 시스템.
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