KR20170137804A - 2개의 피봇축을 갖는 기계식 발목 링크를 포함하는 외골격 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발 구조체; 하부 다리 구조체; 피봇축을 갖는 기계식 무릎 링크; 및 발 구조체를 하부 다리 구조체에 연결하며, 상기 기계식 무릎 링크의 피봇축에 실질적으로 평행한 제1 피봇축을 갖는 제1 피봇 연결 및 상기 제1 피봇축에 수직이며 외골격이 서서 멈춰 있을 경우에 지지 평면에 대해 30°내지 60° 사이의 각도를 형성하는 제2 피봇축을 갖는 제2 피봇 연결을 포함하는 기계식 발목 링크를 포함한다.

Description

2개의 피봇축을 갖는 기계식 발목 링크를 포함하는 외골격

본 발명은 특히 운동 장애에 의해 영향을 받은 사용자를 지원할 수 있는 운동 보조 시스템 또는 외골격에 관한 것이다.

외골격은 일반적으로 골반 구조체, 두 개의 다리 구조체, 두 개의 발 구조체 및 두 개의 엉덩이 구조체로 구성된다:

- 골반 구조체는 외골격을 착용할 때 사용자의 신장 뒤쪽에 위치하도록 구성되며 하네스 또는 스트랩을 통해 골반에 고정될 수 있다.

- 각 다리 구조체는 사용자의 다리 중 하나(신체 구조에 따라 왼쪽 또는 오른쪽)에 대면하여 배치되도록 구성되고, 사용자의 대퇴부 및 종아리와 대면하도록 배치된 상부 다리 세그먼트 및 하부 다리 세그먼트를 각각 포함한다.

- 각 발 구조체는 또한 발이 평평하게 놓일 때 사용자의 발 중 하나(구조에 따라 왼쪽 또는 오른쪽)가 지지될 수 있는 지지 평면을 포함한다.

- 각 엉덩이 구조체는 엉덩이 중 하나(구조에 따라 왼쪽 또는 오른쪽)를 대면하여 배치되도록 구성된다.

외골격의 완전한 제어는 액추에이터와 구조적 링크가 외골격의 움직임을 허용하여 외골격을 착용한 사용자의 이동을 허용해야 한다. 기계식 링크는 전형적으로 피봇 링크, 슬라이딩 링크 및/또는 볼 조인트 링크를 포함하고, 액추에이터는 실린더, 모터 등을 포함할 수 있다.

이들 기계식 링크 및 액추에이터는 착용하는 사용자에게 고통을 주지 않고 외골격의 움직임을 허용하도록 선택된다. 이를 위해서는 사용자의 팔다리가 견디지 못하는 힘을 가하지 않고, 낮은 외형과 적당한 체중을 가진 외골격을 제공하는 것이 특히 중요하다.

예를 들어, WO 2011/002306은 사용자에 의해 착용된 외골격을 제어하고 사용자의 신체 부위에 각각 대응하는 외골격의 상이한 부재와 연관된 액추에이터를 갖는 시스템을 기술한다. 외골격은 특히 발 구조체를 작동시키고 발 구조체를 지형에 적응시킬 수 있도록 구성된 주 발 액추에이터 및 보조 발 액추에이터를 포함한다.

이를 위해, 주 발 액추에이터는 무릎의 피봇축에 평행한 축을 중심으로 피봇 링크를 사용하여 하부 다리 구조체에 대해 발 구조체의 회전을 작동시키도록 구성된다. 반면 보조 발 액추에이터는 발 구조가 지형에 적응할 수 있도록 하기 위한 것이다. 그러나, 그러한 발목 구조체는 비교적 복잡하고, 부피가 크며, 무겁고 에너지 집약적이다.

또한 출원인을 대신하여 2014년 3월 21일에 출원한 FR 14 52370에, 다리 구조체, 발 구조체 및 발 구조체를 다리 구조체에 연결하는 발목 피봇 링크를 포함하는 외골격이 제안되었으며, 발목 피봇 링크는 경사진 피봇축, 즉 외골격의 전방 평면, 시상면 및 수평 평면 중 임의의 기준 평면 내에 있지 않는 피봇축을 갖는다. 따라서, 발목 피봇 링크는 발 구조체의 지지 평면과 0° 내지 30° 사이의 0이 아닌 각도를 형성하고, 지지 평면의 중앙의 종축에 수직인 평면에 대해 0° 내지 45° 사이의 0이 아닌 각도를 형성한다. 이러한 구성은 상기와 같이 배향된 하나의 액추에이터만으로 자연스러운 인간의 움직임과 유사한 발목에서의 움직임을 생성하는 이점을 갖는다. 외골격의 구조가 단순화되고 경량화되었다. 또한, 이러한 구성은 다리 공간의 측 방향 사용을 감소시키므로, 보행 중에 충돌의 위험을 감소시킨다.

따라서, 본 발명의 목적은 외골격의 보행시의 안정성을 향상시키고, 컴팩트하고 적당한 체중을 갖는 인간의 보행 동작을 정확하게 재생할 수있는 해결책을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 다음을 포함하는 외골격을 제안한다:

사용자의 발을 수용하도록 구성된 지지 평면을 포함하는 발 구조체,

사용자 다리의 하부를 수용하도록 구성된 하부 다리 구조체,

상기 하부 다리 구조체를 사용자 다리의 상부를 수용하도록 구성된 상부 다리 구조체에 연결하도록 구성된 기계식 무릎 링크 - 상기 기계식 무릎 링크는 피봇축을 가짐 - , 및

상기 발 구조체를 상기 하부 다리 구조체에 연결하는 기계식 발목 링크 - 상기 기계식 발목 링크는 제1 피봇축을 갖는 제1 피봇 링크를 포함하며, 상기 제1 피봇축은 상기 기계식 무릎 링크의 피봇축에 실질적으로 평행하다. 실질적으로 평행함이란, 제1 피봇축(X1)이 피봇축(Y)과 0°내지 약 15°, 바람직하게는 약 6° 내지 10°, 전형적으로는 약 8°의 각도를 형성하는 것으로 이해된다.

상기 기계식 발목 링크는 상기 제1 피봇축에 수직인 평면에서 연장되고 상기 외골격이 서서 멈춰 있을 경우에 상기 지지 평면과 30°와 60° 사이의 각도를 형성하는 제2 피봇축을 갖는 제2 피봇 링크를 더 포함한다.

이러한 구성은 보행 운동의 기립 단계 동안 외골격의 발 구조체와 지면 사이의 평평한 접촉을 보장하고, 외골격의 보행 동작의 진동 단계 동안 사람의 생체 역학 운동에 근접한 보행 운동을 보장한다.

상술한 외골격의 일부 양호한 그러나 비제한적인 특징은 개별적으로 또는 조합하여 볼때 아래와 같다.

- 상기 제2 피봇축은 상기 외골격이 서서 멈춰 있을 경우에 상기 지지 평면과 40°와 50° 사이의 각도, 바람직하게는 45°정도의 각도를 형성한다.

- 상기 외골격은 상기 발 구조체와 상기 하부 다리 구조체 사이에 고정되며, 상기 기계식 발목 링크의 제1 및 제2 피봇축에 대한 상기 발 구조체의 각도 위치를 제어하도록 구성되는 평행한 2개의 액추에이터를 더 포함한다.

- 상기 액추에이터는 상기 하부 다리 구조체의 양측에 평행하게 고정된다.

- 각각의 상기 액추에이터는 상기 하부 다리 구조체에 장착된 선형 액추에이터, 및 한편으로는 상기 선형 액추에이터에, 다른 한편으로는 상기 발 구조체에 피봇 조인트를 이용하여 장착되는 연결 로드를 포함하여, 상기 선형 액추에이터의 병진이 상기 발 구조체에 대한 상기 연결 로드의 회전을 초래한다.

- 상기 선형 액추에이터는 바람직하게는 볼 스크류 또는 스크류-너트 유형의 모터와 관련된 실린더를 포함한다.

- 상기 실린더는 상기 모터에 의해 회전 구동되는 나사형 로드 및 상기 발 구조체에 대해 회전 고정되는 너트를 포함하고, 상기 연결 로드는 상기 너트 상에 장착된 일 단부를 포함하여 상기 너트의 병진은 상기 연결 로드의 단부의 병진을 초래한다.

- 각각의 상기 액추에이터는 상기 하부 다리 구조체에 고정된 가이드 레일 및 상기 가이드 레일을 따라 병진하여 이동 가능한 캐리지를 갖는 적어도 하나의 슬라이드를 더 포함하며, 상기 너트는 상기 슬라이드의 캐리지에 고정된다.

- 상기 캐리지는 슬라이드의 가이드 레일 상에 병진하여 이동 가능하게 장착되고 연결부에 의해 일체로 연결되는 제1 슬라이더 및 제2 슬라이더를 포함하며, 상기 너트 및 상기 연결 로드는 상기 캐리지의 상기 연결부에 고정된다.

- 상기 너트와 상기 연결 로드 사이의 기계식 링크는 피봇 링크를 포함하고, 상기 연결 로드와 상기 발 구조체 사이의 기계식 링크는 피봇 조인트를 포함한다.

- 상기 너트와 상기 연결 로드 사이의 상기 기계식 링크는 유니버셜 조인트 또는 실질적으로 수직인 축의 2개의 피봇 링크를 포함한다.

- 상기 실린더는 상기 모터의 출력과 상기 나사형 로드 사이에 개재된 단순한 기계식 베어링을 더 포함하며, 상기 기계식 베어링은 5분(minutes)의 아크와 15분의 아크 사이, 일반적으로는 약 10분의 아크의 오정렬을 갖는다.

- 상기 제1 피봇 링크는 상기 외골격을 착용한 사용자의 내측 복사뼈(medial malleolus) 및 외측 복사뼈(lateral malleolus)와 마주보도록 상기 발 구조체 상에 위치되고, 및/또는 상기 제2 피봇 링크는 뒤꿈치 또는 사용자의 아킬레스 건을 마주보도록 상기 발 구조체 상에 위치된다.

- 상기 제1 피봇축 및 기계식 무릎 링크의 피봇축은 0°와 약 15° 사이, 바람직하게는 6°와 10° 사이, 예를 들어 8°의 각도를 형성한다.

- 상기 외골격이 서서 멈춰 있을 경우에 상기 제1 피봇축은 지면에 평행한 평면에서 연장한다.

- 상기 외골격은 한편에는 상기 발 구조체 상에 장착되어 상기 제2 피봇축을 중심으로 상기 발 구조체에 대해 자유롭게 회전할 수 있고, 다른 한편에는 상기 하부 다리 구조체 상에 상기 제1 피봇축을 중심으로 피봇식으로 장착되는 중간부를 더 포함한다.

- 상기 중간부는 수동식 피봇 링크를 이용하여 상기 하부 다리 구조체 및 상기 발 구조체 상에 장착된다.

- 상기 외골격은 한편으로는 상기 중간부에 다른 한편으로는 상기 하부 다리 구조체 상에 고정되는 압축 스프링 조립체를 더 포함한다.

- 상기 스프링 조립체는 탄성 변형 가능한 제1 부재를 포함하며, 상기 제1 부재는 한편으로는 체결 요소를 이용하여 상기 제1 피봇 링크와 상기 제2 피봇 링크 사이에서 상기 중간부에 연결되고 다른 한편으로는 상기 하부 다리 구조체에 연결되며, 상기 제1 부재는 상기 중간부에 장력을 가하도록 구성된다.

- 상기 체결 요소는 가요성이다.

- 상기 스프링 조립체는 제1 단부 및 상기 제1 단부의 반대 방향의 제2 단부를 갖는 실질적으로 세장의 중공체를 더 포함하며, 상기 중공체는 상기 하부 다리 구조체에 형성된 하우징에 장착되고, 상기 중공체의 제1 단부는 하우징의 바닥을 향하고, 상기 제1 부재는 하우징에 장착되고 상기 하우징의 바닥과 상기 중공체의 제2 단부 사이에서 압축된다.

- 상기 외골격은 상기 중공체 내에 수용되는 탄성 변형 가능한 제2 부재를 더 포함하고, 상기 제2 부재는 상기 중공체의 제1 단부 근처에 고정되고, 상기 체결 요소는 상기 제2 부재와 협력하여, 상기 제2 부재가 상기 체결 요소에 장력을 가하도록 구성되고, 상기 체결 요소는 상기 중공체 내에 수용되고 상기 중공체의 제1 단부 및 상기 하우징의 바닥으로부터 돌출한다.

- 상기 제1 부재 및/또는 상기 제2 부재는 압축 스프링을 포함한다.

- 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 압축 스프링을 포함하며, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재의 강성 보다 낮은 강성을 갖는다.

- 상기 체결 요소는 상기 중공체에 수용되는 두꺼운 부분을 가지며, 상기 제2 부재는 상기 두꺼운 부분에 대한 스톱(stop)을 형성하도록 구성된 잠금부를 포함한다.

- 상기 체결 요소는 상기 체결 요소에 고정된 스토퍼를 더 포함하고, 상기 중공체는 상기 중공체의 내벽에 고정되고 상기 스토퍼와 협동하여 상기 체결 요소의 스토퍼에 대한 장애물을 형성하도록 구성된 돌출부를 더 포함한다.

- 상기 중공체는 제2 단부 부근에 고정된 볼트를 더 포함하되, 상기 제1 부재는 상기 볼트에 인접하다.

본 발명의 두 번째 목적은 보행의 일부 단계 동안, 예를 들어 추진 단계의 끝에서의 기립 단계 동안, 외골격의 액추에이터를 완화할 수 있는 스프링 조립체를 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 한편으로는 제1 부분에 고정되고 다른 한편으로는 제1 부분에 대해 이동 가능한 제2 부분에 고정된 압축 스프링 조립체를 제안하며, 이는:

탄성 변형 가능한 제1 부재 - 상기 제1 부재는 한편으로는 고정 요소에 의해 상기 제1 부분에 그리고 다른 한편으로는 상기 제2 부분에 연결되고, 상기 제1 부재는 상기 제1 부분에 장력을 가하도록 구성됨 - ; 및

제1 단부 및 상기 제1 단부의 반대 방향의 제2 단부를 갖는 실질적으로 세장의 중공체 - 상기 중공체는 상기 제2 부분에 일체로 고정된 하우징에 장착되고, 상기 중공 체의 제1 단부는 상기 하우징의 바닥에 면하고, 상기 제1 부재는 하우징에 장착되고 하우징의 바닥과 중공체의 제2 단부 사이에서 압축됨 - 을 포함한다.

위에서 설명된 조립체의 일부 바람직한 기능(제한되지는 않음)은 개별적으로 또는 조합하여 아래와 같이 설명된다:

- 체결 요소는 가요성이며,

- 체결 요소는 케이블이며,

- 상기 스프링 조립체는 상기 중공체 내에 수용되고 상기 중공체의 제1 단부 근처에 고정되는 제2 탄성 변형 가능한 부재를 더 포함하며, 상기 고정 요소는 상기 제2 부재와 협동하여 상기 제2 부재가 체결 요소에 장력을 가하도록 구성되며, 상기 체결 요소는 중공체에 수용되고 중공체의 제1 단부 및 하우징의 바닥으로부터 돌출되며,

- 상기 하우징은 제2 부분에 형성되고,

- 제1 부재 및/또는 제2 부재는 압축 스프링을 포함하며,

- 제1 부재 및 제2 부재는 압축 스프링을 포함하고, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재의 강성보다 낮은 강성을 가지며,

- 상기 체결 요소는 상기 중공체 내에 수납되는 두꺼운 부분을 가지며, 상기 제2 부재는 상기 두꺼운 부분을 위한 스톱을 형성하도록 구성된 잠금부를 포함하며,

- 상기 체결 요소는 상기 체결 요소에 고정된 스토퍼를 더 포함하고, 상기 중공체는 상기 중공체의 내벽에 고정되고 상기 스토퍼와 협동하여 상기 체결 요소의 스토퍼를 위한 장애물을 형성하도록 구성된 돌출부를 더 포함하며,

- 상기 중공체는 제2 단부 근처에 고정된 볼트를 더 포함하며, 상기 제1 부재는 상기 볼트에 인접하다.

본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 하기의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 비제한적인 예로서 제시할 때 보다 잘 나타난다:
도 1a는 본 발명의 외골격의 실시예의 사시도이고,
도 1b는 도 1a의 외골격의 발 구조체 및 하부 다리 구조체의 상세도이며,
도 2는 본 발명에 따른 발 구조체 및 하부 다리 구조체의 제1 실시예의 측면 단면도이고,
도 3a는 발 구조체가 장력이 가해져 있는, 도 2의 구조체의 후방 3- 쿼터 도면이며,
도 3b는 발 구조체가 구부려지는, 도 2의 구조체의 후방 3- 쿼터 도면이며,
도 4는 도 2의 구조체에 대한 운동학적 도면이고,
도 5는 단일 액추에이터가 도시되어 있는 본 발명에 따른 발 구조체 및 하부 다리 구조체의 제 2 실시예의 단순화된 후방 3- 쿼터 도면이고,
도 6a는 도 2의 구조에 사용될 수 있는 액추에이터의 제1 실시예의 사시도이고,
도 6b는 도 6a의 일부 단면도이고,
도 7은 도 2의 구조체들에 사용될 수 있는 액추에이터의 제2 실시예의 사시도이며,
도 8a는 도 2의 구조체들에 사용될 수 있는 액추에이터의 제3 실시예의 단면도이며,
도 8b는 도 8a의 액추에이터의 사시도이고,
도 9는 스프링 조립체의 예시적인 실시예가 도시된 도 1b의 상세도이며,
도 10은 도 9의 스프링 조립체의 단면도이다.

본 발명에 따른 외골격(1)은:

사용자의 발을 수용하도록 구성되는 지지 평면(40)을 포함하는 발 구조체(4),

각각이 사용자의 다리의 하부 및 상부를 수용하도록 구성된 하부 다리 구조체(2) 및 상부 다리 구조체(6),

하부 다리 구조체(2)를 상부 다리 구조체에 연결하는 기계식 무릎 링크(3), 및

발 구조체(4)를 하부 다리 구조체(2)에 연결하는 기계식 발목 링크(5)를 포함한다.

선택적으로, 외골격(1)은 또한:

외골격(1)을 착용할 때 사용자의 신장 뒤에 위치하도록 구성되고 하네스 또는 스트랩에 의해 사용자의 골반에 고정될 수 있는 골반 구조체(7), 및

사용자의 엉덩이 중 하나를 향하여, 예를 들어 측면 뒤에 또는 측면에 면하여 위치되도록 구성된 엉덩이 구조체(8)를 더 포함한다. 여기서, 상기 엉덩이 구조체(8)는 사용자의 관련 엉덩이에 대해 측방향으로 연장한다.

바람직하게는, 외골격(1)은 외골격(1)의 정중 평면(M)에 대해 대칭이며, 우측 발 구조체(4) 및 좌측 다리 구조체(4), 우측 다리 구조체 및 좌측 다리 구조체, 우측 기계식 무릎 링크(3) 및 좌측 기계식 무릎 링크(3), 우측 엉덩이 구조체 및 좌측 엉덩이 구조체 등을 포함한다.

외골격(1)의 정중 평면(M)에 의해, 외골격(1)의 좌측 절반을 우측 절반으로부터 분리하는 가상 평면(notional plane)으로 이해된다. 이 평면(M)은 또한 정중 시상 섹션(median sagittal section)이라는 이름으로 알려져 있다.

외골격(1)은 또한 정중 평면(M)에 대해 수직인 가상의 평면이고 외골격(1)을 앞쪽 부분과 뒤쪽 부분으로 분리하는 전방 평면(F)을 포함한다.

다음 설명에서는, 설명을 쉽게 이해할 수 있도록 외골격(1)의 절반만 설명한다. 물론, 이 설명은 외골격(1)의 좌측 절반에 대해 준용되고, 외골격(1)의 정중 평면(M)의 우측 절반에 대해 대칭이다.

통상적으로, 기계식 무릎 링크(3)는 외골격(1)을 착용하는 사용자가 특히 보행 운동 중에 무릎을 굽히는 것을 가능하게 하기 위한 피봇축(Y)을 가질 수 있다. 이 목적을 위해, 기계식 무릎 링크(3)는 예를 들어 그 축이 무릎의 피봇축(Y)에 대응하는 피봇 링크를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 기계식 무릎 링크는 단 하나의 자유도, 즉 피봇축(Y)을 중심으로 한 회전을 갖는다.

무릎의 피봇축(Y)은 대체로 수평면에서 외골격(1)의 보행 방향에 수직으로 연장된다.

그 부분에 대한 기계식 발목 링크(5)는 제1 피봇축(X1)을 갖는 제1 피봇 링크(50) 및 제2 피봇축(X2)을 갖는 제2 피봇 링크(52)를 포함한다. 일 실시예에서, 기계식 발목 링크(5)는 이들 2 개의 자유도만을 포함한다. 출원인은 3 자유도를 갖는 기계식 발목 링크가 기계식 링크의 중량 및 부피를 현저히 증가시키고, 인간 자유로운 보행을 재현하고 지형에 적응하기에는 단지 2 자유도만으로 충분하다는 사실을 주목했다.

제1 피봇축(X1)은 사용자가 발 구조체(4)에서 그의 발을 구부리거나 펼 수 있도록 기계식 무릎 링크(3)의 피봇축(Y)에 실질적으로 평행하다. 이러한 이동은 예를 들어 외골격(1)의 전방 평면(F)에 실질적으로 수직인 방향으로의 보행 움직임 동안의 발에 의해 수행되는 운동에 대응한다.

실질적으로 평행한 이라는 것은, 제1 피봇축(X1)이 피봇축(Y)에 대해 0°와 약 15° 사이의 각도를 형성하는 것으로 이해된다. 보다 구체적으로, 전체 하부 다리 구조체(2)는 하부 다리 구조체를 2 개의 동등한 내부 및 외부 부분으로 분리하는 수직 평면(P1)을 제공하고; 이 평면(P1)은 외골격(1)이 서서 멈춰 있을 경우에 외골격(1)의 발 구조체(4)가 약간 발산하도록 외골격(1)의 정중면(M)에 대해 및 따라서 보행 방향에 대해 0°내지 약 15°사이를 포함하는 각도를 형성한다. 다음으로 제1 피봇축(X1)은 이 평면(P1)에 수직이다. 예를 들어, 제1 피봇축(X1)은 피봇축(Y)과 함께 6° 내지 10°, 전형적으로는 8°의 각도를 형성할 수 있다.

즉, 하부 다리 구조체(2)가 종축(Z)을 한정하는 주 방향으로 연장한다고 가정하면, 제1 피봇축(X1)은 이 종축에 실질적으로 수직인 평면에 있고 외골격(1)의 보행 방향에 실질적으로 수직으로 및 평면(P1)에 수직으로 연장한다.

실제로, 하부 다리 구조체(2)의 종축(Z)은 외골격(1)이 서서 멈춰 있을 경우에 발 구조체(4)의 지지 평면(40)과 따라서 접지면과 90 °내지 95 °사이를 포함하는 각도를 갖는다. 따라서, 제1 피봇축(X1)은 외골격(1)이 서서 멈춰 있을 경우에 지면과 실질적으로 평행한 평면에 포함된다.

제1 피봇축(X1)은 바람직하게는 내측 복사뼈(medial malleolus) 및 외측 복사뼈(lateral malleolus)에서 연장한다.

제2 피봇축(X2)은 제1 피봇축(X1)에 수직인 평면에서 차례로 연장되고, 외골격(1)이 서서 멈춰 있을 경우에 30 °내지 60 °사이를 포함하는 각도(α)를 지지 평면(40)에 대해 형성한다. 이 제2 피봇축(X2)은 인간의 발목의 헨키 축(Henke's axis)에 실질적으로 대응하고, 외골격(1)의 발 구조체(4)가 내번(inversion) 및 외번(eversion)의 움직임을 수행하도록 한다. 특히, 평면(P1)과 정중면이 일치(congruent)하지 않을 때, 제2 피봇축(X2)은 평면(P1)에서의 헨키 축의 투영에 대응한다.

바람직하게는, 외골격(1)이 서서 멈춰 있을 경우에, 제2 피봇축(X2)은 지지 평면(40)과 40 °내지 50 °사이, 바람직하게는 45 °의 각도(α)를 형성한다. 이러한 각도 값은 평면(P1)에서 외골격(1)을 착용한 사용자의 헨키 축의 투영의 실제 각도에 더 가까운 외골격(1)의 인체 공학을 향상시킬 수 있다. 따라서, 외골격(1)은 보다 안정적이며, 모터 결함에 의해 영향을 받을 수 있고 따라서 외골격(1)에서 신체 부위의 움직임을 제어하지 못할 수도 있는 사용자의 상해의 위험이 감소된다.

하부 다리 구조체(2)에 대한 발 구조체(4)의 운동을 제어하기 위해 외골격(1)은 특히 발 구조체(4)와 하부 다리 구조체(2) 사이에 고정되고 기계식 발목 링크(5)의 제1 및 제2 피봇축(X2)을 중심으로 발 구조체의 각도 위치를 제어하도록 구성되는 평행한 두 개의 액추에이터(60)를 포함할 수 있다. 평행한 액추에이터(60)는 특히 하부 다리 구조체(2) 및 발 구조체(4)의 양측으로부터 연장할 수 있다.

여기서, 평행 액추에이터(60)는 외골격(1)을 착용하는 사용자의 종아리의 내측부 및 외측부를 향하여 연장된다.

2개의 액추에이터(60)를 병렬로 구현하는 것은 단일 동작으로 여러 모터의 동력을 축적할 수 있도록 한다는 이점을 갖는다. 그러한 힘은 예를 들어 외골격(1) 및 그 사용자의 낙하를 방지하기 위해 짧은 시간 간격에 큰 토크가 요구 될 때 유리할 수 있다. 또한, 액추에이터(60)는 하부 다리 구조체(2)에 대해 고정되어 하부 다리 구조체에 대한 운동 질량을 감소시키고, 따라서 관성을 감소시킨다.

도 5에 개략적으로 도시된 제1 실시예에서, 평행 액추에이터(60)는 바람직하게는 평행한 축을 갖는 2개의 기어(60)를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 각각의 기어(60)는 특히,

하부 다리 구조체(2) 상에 장착되고 제1 피봇축(X1)과 동축인 구동 맞물림 부재(60a) - 상기 구동 맞물림 부재(60a)는 스퍼(spur), 헬리컬 또는 이중 헬리컬 베벨 기어 또는 기어 휠 유형일 수 있음 -

발 구조체(4) 상에 장착되고 제1 피봇축(X1)에 평행한 회전축 및 제2 피봇축(X2)에 대한 회전축을 갖는 출력 맞물림 부재(60b) - 상기 출력 맞물림 부재(60b)는 또한 스퍼(spur), 헬리컬 또는 이중 헬리컬 베벨 기어 또는 기어 휠 유형일 수 있음 - 를 포함할 수 있다.

액추에이터(60)의 크기를 줄이기 위해, 구동 맞물림 부재(60a)는 바람직하게는 기어 휠을 포함하고, 출력 맞물림 부재(60b)는 기어 림 섹터를 포함할 수 있다.

기어(60)는 바람직하게는 외골격(1)을 착용한 사용자의 발의 내측 복사뼈 및 외측 복사뼈를 향하여 배치된다.

각각의 기어(60)는 또한 전용 모터(60c)에 의해 회전된다. 전형적으로, 모터(60c)는 하부 다리 구조체(2)에 고정되고, 외골격(1)을 착용할 때 사용자의 종아리를 향하여 위치될 수 있다.

액추에이터(60)의 측면 치수를 제한하기 위해, 모터는 바람직하게는 기어(60)에 대해 오프셋되어 있고, 풀리-벨트 유형의 구동 시스템과 관련된 구동 메싱 부재(60a)를 구동한다.

각 모터(60c)와 관련 구동 맞물림 부재(60a) 사이에는 감속 기구가 추가로 제공될 수 있다. 바람직하게는, 감속 기구는 각 액추에이터(60)의 벌크를 감소시키기 위해 모터(60s)와 전달 기구 사이에 배치된다.

제2 실시예에서, 액추에이터(60)는 선형 액추에이터(62) 및 연결 로드(80)를 각각 포함할 수 있다. 이를 위해, 선형 액추에이터(62)는 특히 하부 다리 구조체(2)에 고정되게 장착될 수 있으며, 연결 로드(80)는 한편으로는 기계식 링크(82)에 의해 선형 액추에이터(62)에 장착될 수 있고, 다른 한편으로는, 볼 조인트 링크(84)에 의해 발 구조체(4) 상에 장착될 수 있어서, 선형 액추에이터(62)의 병진이 발 구조체(4)에 대한 연결 로드(80)의 회전을 야기한다.

이 실시예는 구조가 단순하고 무게가 작고 콤팩트하다는 이점을 갖는다. 액추에이터(60)의 운동의 전달은 다량의 벌크를 필요로 하지 않고 모터에 의해 가해지는 힘 및 발 구조체(4)의 반응을 견딜 수 있는 연결 로드(80)를 통해 직접적으로 수행된다.

각각의 선형 액추에이터(62)는 관련 모터(63)에 의해 구동되는 실린더(62)를 포함할 수 있다.

실린더(62)는 특히 스크류 너트(66) 또는 볼 스크류 유형일 수 있으며, 이 목적을 위해 모터(63)에 의해 회전되는 나사식 로드(64) 및 하부 다리 구조체(2)에 대해 회전 가능하게 고정된 너트(66)를 포함할 수 있다. 볼 스크류는 또한 가역적이고 우수한 성능을 갖는다는 이점을 갖는다.

이 경우, 각각의 실린더(62)는 인코더(20)와 관련될 수 있으며, 인코더(20)는 모터(63)의 크기를 줄이기 위해 모터(63)에 바람직하게 병렬로 고정된다. 모터(63) 샤프트의 회전을 관련 엔코더(20)에 전달하는 것은 풀리-벨트 유형의 시스템을 사용하여 수행되어 기구 내의 클리어런스 및 소음을 최소화 하면서 모터(63)의 효율을 유지하고, 고속의 회전을 견딜 수 있다.

이어서, 연결 로드(80)는 너트(66) 상에 장착되어 너트(66)의 병진이 기계식 링크(82)를 사용하여 너트(66)에 고정된 연결 로드(80)의 단부의 병진을 초래한다.

실린더(62)의 나사식 로드(64)에 횡방향 힘이 가해지는 것을 방지하기 위해, 너트(66)는 하부 다리 구조체(2)에 고정된 슬라이드(68) 상에 장착될 수 있다.

슬라이드(68)는 특히 하부 다리 구조체(2)에 고정된 가이드 레일(69) 및 가이드 레일(69)을 따라 병진하여 이동 가능한 캐리지(70)를 포함할 수 있다. 그 다음, 너트(66)는 캐리지(70)에 고정되어, 너트(66)에 대한 나사식 로드(64)의 회전은 슬라이드(68)의 가이드 레일(69)을 따라 너트(66) 및 캐리지(70)의 병진을 초래한다. 특히, 너트(66)가 캐리지(70) 상에 함몰되지 않는 경우에, 너트(66) 및 캐리지(70)는 다양한 이동을 달성할 수 있음이 주목될 것이다. 이것은 특히 도 6b에 도시된 실시예의 경우이다.

모터(63)와 나사식 로드(64) 사이, 나사식 로드(64)와 너트(66) 사이 및/또는 너트(66)와 슬라이드(68) 사이에서 실린더(62)를 손상시킬 수 있는 임의의 위치 에러를 보정하기 위하여, 액추에이터(60)는 이들 잠재적 에러를 보상하도록 되어 있는 수단을 더 포함한다.

이를 위해, 도 6a 및 도 6b에 도시된 제1 실시예에 따르면, 액추에이터(60)는 모터(63)의 출력 샤프트(63a)와의 나사식 로드(64)의 가요성 결합 수단(73)과 결합하는, 모터(63)의 출력 샤프트(63a)와 나사식 로드(64) 사이에 고정된 강성 베어링(72)을 포함할 수 있어서, 그러한 강성 베어링(72)는 모터(63)의 단일 베어링에 의해 지원되지 않는 하중을 흡수하고 나사식 로드(64)의 회전의 가이드를 보장한다는 이점을 갖는다.

이 실시예에서, 너트(66)는 캐리지(70)에 대한 나사식 로드(64)의 주축을 따라 너트(66)의 회전 및 병진 이동을 차단할 수 있는 기계식 링크(74)를 통해 캐리지(70)에 고정될 수 있다.

예를 들어, 캐리지(70)는 너트(66)를 수용하고 나사식 로드(64)에 의해 횡단되도록 구성된 챔버(74a)를 형성하는 벽을 포함할 수 있다. 너트(66)로부터 돌출하는 회전 방지 핀(74c)을 수용하도록 구성된 제1 포트(74b)는 챔버(74a)의 벽들 중 하나에 형성될 수 있다. 바람직하게는, 너트(66)의 두 개의 회전 방지 핀(74c)과 관련된 두 개의 포트(74b)는 회전식 잠금을 향상시키기 위해 챔버(74a)를 향한 벽에 형성된다. 일 실시예에서, 2개의 포트(74b) 및 2개의 회전 방지 핀(74c)은 나사식 로드(64)의 축에 대해 대칭으로 분포되어, 이 나사식 로드(64)에 대한 기생의 힘(parasitic force)을 발생시키지 않도록 한다.

적절한 경우, 이들 2개의 포트(74b)는 또한 너트(66)의 캐리지(70)로의 병진의 전달에 관여할 수 있다. 선택적으로, 각각이 가이드 레일(69)에 대해 병진으로 캐리지(70)를 구동하기 위해 너트(66)로부터 돌출하는 롤러(74e)를 수용하도록 구성된 2개의 하우징(74d)이 챔버(74a)의 벽에 형성될 수 있다. 이러한 변형 실시예에서, 회전 방지 핀(74c)을 수용하는 포트(74b)는 형상이 직사각형 일 수 있고, 포트(74b)의 주축은 나사식 로드(64)의 축과 정렬되어 챔버(74a)의 벽과 간극을 형성할 수 있으며, 나사식 로드(64)에 대한 너트(66)의 병진을 차단할 수 있는 오정렬을 보상한다. 일 실시예에서, 2개의 하우징(74d) 및 2개의 롤러(74e)는 나사식 로드(64)의 축에 대해 대칭으로 분포되어, 나사식 로드(64)에 기생하는 힘을 생성하지 않도록 한다.

도 6a 및 도 6b는 그러한 기계식 링크의 예시적인 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 챔버(74a)는 실질적으로 직사각형이며, 가이드 레일(69)을 향하는 바닥 벽, 바닥 벽의 반대 방향의 상부 벽, 및 바닥 벽과 상부 벽을 연결하는 2개의 측벽을 포함한다. 여기서는 긴 슬롯의 형태를 갖는 2개의 포트(74b)가 각각 캐리지(70)의 챔버(74a)의 바닥 벽 및 상부 벽에 형성된다. 또한, 형상이 타원형인 하우징(74d)이 챔버(74a)의 측벽에 형성된다.

기계식 링크(74)는 예를 들어 끼워 맞춤(fitting)에 의해 너트(66)에 일체로 부착되고 고정된 링(66a)과 링(66a)에 피봇식으로 장착된 보조 캐리지(66b)를 더 포함한다. 보조 캐리지(66b), 링(66a) 및 너트(66)는 캐리지(70)의 챔버(74a) 내에 수용된다.

보조 캐리지(66b)는 캐리지(70)의 챔버(74a)의 상부 및 바닥 벽에 형성된 포트(74b)에 수용되도록 돌출하여 구성된 2개의 대향 회전 방지 핀(74c)을 포함하여, 나사식 로드(64)의 회전시 캐리지(70)에 대한 보조 캐리지(66b)의 회전을 방지한다. 링(66a)에 대한 보조 캐리지(66b)의 피봇축은 회전 방지 핀(74c)를 연결하는 축에 대해 실질적으로 평행하다.

링(66a)은 또한 캐리지(70)의 하우징(74d)을 관통하고 슬라이드(68)의 캐리지(70)를 병진을 시키도록 구성된 롤러(74e)를 구비한다.

도 7에 도시된 제2 실시예에 따르면, 액추에이터(60)는 모터(63)의 출력 샤프트(63a)와 나사식 로드(64) 사이에 개재되며, 나사식 로드(64)에 대한 너트(66)의 회전을 차단하는 기계식 링크(76)와 관련된 피봇 조인트(75)를 포함하고, 하부 다리 구조체(2)에 대한, 따라서 가이드 레일(69)에 대한 병진을 허용한다.

기계식 링크(76)는 특히 유니버설 조인트를 포함할 수 있다.

피봇 조인트(75)는 자동 조심(self-aligning) 볼 또는 롤러 베어링, 예를 들어 2600-2RS 유형의 자동 조심 베어링을 포함할 수 있다. 자동 조심 베어링(75)은 실제로 롤링 요소를 수용하는 링의 상대적 운동을 허용하고, 따라서 나사식 로드(64)와 가이드 레일(69) 사이의 오정렬의 존재에도 불구하고 나사식 로드(64)의 등속 가이딩을 허용한다.

모터(63)의 출력 샤프트(63a)와의 나사식 로드(64)의 가요성 커플링 수단(73)은 또한 나사식 로드(64)와 모터(63)의 출력 샤프트(63a)의 정렬에서의 임의의 결함을 보상하기 위해 제공될 수 있다.

실린더(62)는 슬라이딩에 관련된 힘을 감소시키기 위해 베어링 부싱 대신에 볼 베어링을 포함하는 볼 스크류 유형인 것이 바람직하다.

제2 실시예는 제1 실시예의 것보다 덜 부피가 작고 복잡하지 않으며, 제1 실시예의 롤러(74e)와 캐리지(70) 사이의 선 접촉에서 마찰로 인해 너트(66)에 가해질 수 있는 기생의 힘을 감소시키는 이점이 있다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 제3 실시예에 따르면, 액추에이터(60)는 모터(63)의 출력 샤프트(63a)와 나사식 로드(64) 사이에 삽입된 단순한 기계식 베어링(76)을 포함하고, 너트(66)는 예컨대 나사 결합 또는 용접에 의해 슬라이드(68)의 캐리지(70)에 내장된다.

단순한 기계식 베어링(76)은 2개의 동축 링을 갖는 피봇 유형의 기계식 링크인 것으로 이해되며, 그 사이에 볼, 롤러, 베어링 부싱 등과 같은 롤링 요소가 배치되고, 케이지에 의해 서로 이격되어 유지된다. 이 실시예에 따른 액추에이터(60)에서 구현될 수 있는 기계식 베어링(76)은 예를 들어 629-ZZ 형의 베어링을 포함한다.

기계식 베어링(76)은 바람직하게 예를 들어 부품(65)을 하우징하는 나사식 로드(64)와 베어링(76) 사이의 오정렬을 보상하기 위해 5 분 아크와 15 분 아크 사이를 포함하며 전형적으로 약 10 분 아크의 오정렬을 갖는다. 본 출원인은 실제로, 덜 복잡하고, 자기 정렬 베어링(75)보다 덜 부피가 크고 비용이 덜 든 그러한 기계식 베어링(76)이 부품 제조 결함 및 특히 나사식 로드(64)와 모터(63)의 출력 샤프트(63a) 사이의 오정렬로 인한 액추에이터(60)에 손상을 방지하는데 충분하다는 것을 인식하였다. 실제로, 모터(63)의 출력 샤프트(63a)와 나사식 로드(64) 사이에는 수분 분량의 아크 어긋남이 생길 수 있으며, 이는 출력축(63a)과 출력 샤프트가 삽입되는 나사식 로드(64)의 보어 사이에 의도적 클리어런스를 남긴다. 샤프트(63a)와 나사식 로드(64) 사이의 회전의 전달은 예를 들어 그루브 내의 코터(cotter)에 의한 오정렬을 허용하는 장애물에 의해 달성될 수 있다. 이 기계식 베어링(76)은 출력 샤프트(63a)의 축과 나사식 로드(64)의 축 사이에서 허용되는 동축성의 약간의 결함으로 인하여 출력 샤프트(63a)와 나사식 로드(64) 사이의 가요성 커플링 수단의 사용을 필요로 하지 않는다. 마지막으로, 가요성 커플링 수단(73)에서 일정한 거리에 자동 조심 베어링(75)을 필요로 하여 나사식 로드(64)의 축을 따라 더욱 부피가 큰 제2 실시예와는 다르게, 기계식 베어링(76)은 모터(63)의 출력 샤프트(63a)에 직접 위치될 수 있다.

예를 들면, 기계식 베어링(76)은 볼 베어링 629-ZZ와 같은 약 10분 아크의 오정렬을 갖는 볼 베어링을 포함할 수 있다.

제2 실시예와 비교하여, 슬라이드(68)의 캐리지(70) 상에 너트(66)를 내장하는 것은 너트(66)에서 액추에이터(60)의 반경 방향 크기를 크게 제한하는 이점을 가지며, 필요한 부품의 개수를 제한함으로써 구조적으로 단순화한다. 유니버설 조인트에 의해 너트(66)를 슬라이드(68)에 체결하는 것은 큰 레버 아암을 생성할 수 있는 너트(66)와 슬라이드(68) 사이에 큰 거리를 추가로 생성하고: 이 유니버설 조인트(76)를 내장된 연결로 대체하고, 슬라이드(68) 상에 나사식 로드(64)에 의해 가해지는 힘을 감소시킨다.

내장된 연결에 의한 유니버셜 조인트(76)의 대체는 베어링(76)에 의해 허용되는 정렬 결함 및 기계 부품의 제조 결함의 가능한 제어를 통해 가능해진다.

기생의 힘, 특히 너트(66) 및 슬라이드(68)에 의해 나사식 로드(64)에 전달될 수 있는 횡방향 힘을 감소시키고 액추에이터(60)를 잠글 위험을 줄이기 위해, 캐리지(70)는 연결부(70c)가 일체로 고정된 슬라이드(68)의 가이드 레일(69) 상에서 병진으로 이동 가능하게 장착된 적어도 2개의 슬라이더(70a, 70b)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 캐리지(70)는 2쌍의 슬라이더(70a, 70b)를 포함할 수 있으며, 슬라이드는 2개의 가이드 레일(69)을 포함할 수 있으며, 각각의 슬라이더(70a, 70b) 쌍은 슬라이드(68)와 관련된 가이드 레일(69) 상에 장착된다.

그 다음, 너트(66)는 제1 슬라이더(70a)에서 연결부(70c)에 내장될 수 있고, 연결 로드(80)는 제2 슬라이더(70b)에서 연결부(70c)에 장착될 수 있다. 이러한 방식으로, 연결 로드(80)에 의해 엑추에이터(60)에 가해지는 횡방향 힘은 나사식 로드(64)에 직접 전달되지 않고, 캐리지(70)의 두 개의 슬라이더(70a, 70b)에 의해 부분적으로 점유되며, 이것은 횡방향 힘을 감쇠하면서, 연결부(70c)의 변위, 따라서 연결 로드(80)로의 너트(66)의 이동의 전달을 보장한다.

이 실시예의 변형예에서, 너트(66)는 임베디드 커넥션 대신 피봇 링크를 통해 슬라이드(68)에 고정될 수 있다. 그러한 구성은 나사식 로드(64)와 슬라이드(68) 사이의 반경 방향 거리를 이미 감소시키는 것을 가능하게 한다. 그러나, 본 출원인은 기계식 링크가 피봇 링크이거나 또는 내장된 연결인 경우에 제조 정확도 측면의 제약이 실질적으로 동일하다는 것을 주목했다: 따라서, 횡방향 힘이 두 개의 슬라이더(70a, 70b)가 구비된 캐리지(70)에 의해 부분적으로 점유되는 경우 특히, 내장된 연결이 바람직하다.

최종적으로, 특히 연결 로드(80)에 의해 나사식 로드(64)에 인가될 수 있는 기생의 힘을 더 잘 견디기 위해, 나사식 로드(64)의 직경은 2개의 제1 실시예의 나사식 로드(64)의 직경과 비교하여 증가될 수 있으며, 이는 순수 등방 솔루션을 제거한다. 따라서, 나사식 로드의 직경은 예를 들어 2개의 제1 실시예에서 10mm 정도 일 수 있지만, 제3 실시예에서는 12mm 일 수 있다.

나사식 로드(64)의 직경의 이러한 증가는 액추에이터(60)의 크기의 증가를 의미하지 않는다는 것을 유의해야 한다. 나사식 로드(64)의 직경을 증가시키는 것은 동일한 모터(63)를 사용하여 로드(64)의 피치의 증가 및 따라서 너트(66)의 스트로크의 증가를 수반한다. 그러나, 가요성 커플링 수단(73) 및 자동 조심 베어링(75) 대신에 단순한 기계식 베어링(76)의 구현은 모터(63)의 출력 샤프트(63a)와 나사식 로드(64) 사이의 요구되는 공간을 줄임에 의해 액추에이터(60)의 축 방향 길이를 줄이는 것을 허용한다.

어떤 실시예든, 연결 로드(80)는 피봇 링크, 실질적으로 수직인 축의 2개의 피봇 링크, 볼 조인트 링크(84) 또는 유니버설 조인트와 같은 핑거 볼 조인트 링크를 포함할 수 있는 기계식 링크(82)에 의해 너트(66)에 고정될 수 있다.

도면에 도시된 예에서, 연결 로드(80)는 예를 들어 유니버설 조인트(82)로 캐리지(70)의 제2 부분에 고정된다. 이 실시예는 연결 로드(80)와 실린더(62) 사이의 기계식 링크의 중심을 나사식 로드(64)의 축과 정렬하는 것을 가능하게 하여, 메카니즘에 의해 슬라이드(68)에 가해지는 모멘트를 감소시킨다.

또한, 연결 로드(80)는 볼 조인트 링크(84)에 의해 발 구조체(4)에 고정될 수 있다. 혼잡 문제(congestion issues) 및 발 구조체(4)에 대한 액추에이터(60)의 힘의 전달을 위해, 연결 로드(80)는 발 구조체(4)의 후방 영역, 예를 들어 외골격(1)을 착용하는 사용자의 발꿈치를 향하여 위치되도록 구성된 발 구조체(4)의 영역에 고정된다.

최종적으로, 연결 로드(80)는 실린더(62) 및 볼 조인트 링크를 이용한 기계식 링크에서 발 구조체(4)와 강하게 결합되는 2개의 아암(86)을 포함할 수 있다. 이 실시예는 연결 로드(80)가 나사식 로드(64)와 접촉하게 될 위험 없이 모터(63)를 향한 병진 동안 너트(66)의 움직임을 추종하는 것을 가능하게 하며, 나사식 로드는 연결 로드(80)의 2개의 아암 사이에 위치될 수 있다. 두 아암의 존재는 연결 로드(80)에 가해지는 장력 및 압축력의 힘을 보다 잘 흡수할 수 있도록 하는 이점을 또한 갖는다.

발 구조체(4)는 발 구조체(4) 및 하부 다리 구조체(2) 상에 수동 피봇 링크(44, 46)와 함께 회전식으로 장착된 중간부(42)를 특히 포함할 수 있어, 발목 구조체가 평행한 액추에이터(60)의 제어로 2개의 피봇축을 중심으로 피봇하도록 한다.

보다 구체적으로, 중간부(42)는 수동 피봇 링크(44, 46)를 통해 하부 다리 구조체(2) 상의 제1 피봇축(X1)을 중심으로 및 발 구조체(4) 상의 제2 피봇축(X2)을 중심으로 회전식으로 장착될 수 있다.

제1 피봇축(X1) 주위의 수동 피봇 링크(44)는 특히 제1 피봇축(X1)을 중심으로 하고 발 구조체(4)의 양 측면상에서 연장되는, ○ 또는 ×의 테이퍼진 롤링 요소를 갖는 베어링을 포함할 수 있다. ○ 또는 ×의 베어링은 측면 부피가 적으므로, 장애물과 접촉할 위험을 가지고 보행시 사용자에게 방해가 되지 않는다. 예를 들면, 61904-ZZ 유형의 두 베어링이 구현될 수 있다.

따라서, 이러한 제1 수동 피봇 링크(44)는 액추에이터(60)가 제1 피봇축(X1)에서 구조를 잠글 위험 없이 발 구조체(4)를 제2 피봇축(X2)을 중심으로 회전시킬 수 있게 한다.

제2 피봇축(X2) 둘레의 수동 피봇 링크(46)는 바람직하게는 제2 피봇축(X2)의 양 측면으로부터의 2개의 베어링의 삽입이 외골격(1)을 착용하는 사용자의 발을 방해하는 한 단일 베어링을 포함한다. 이러한 제2 수동 피봇 링크 예를 들어 NKIB 유형의 스러스트 볼 베어링과의 조합된 니들 베어링을 포함할 수 있다.

이러한 방식으로, 특히 연결 로드(80)와 관련된 실린더(62)의 경우에서 액추에이터(60) 중 하나 및/또는 다른 하나의 작동은 블로킹의 위험 없이 발 구조체(4)의 회전을 초래한다.

여기서, 발 구조체(4)는 발 구조체(4) 상에 내장되고 제2 피봇축(X2)을 중심으로 수동 피봇 링크(46)를 지지하는 고정부(48)를 포함하며, 중간부(42)는 제2 피봇축(X2)을 중심으로 체결부(48) 상에 회전식으로 장착된다. 도시된 실시예에서, 연결 로드(80)는 수동 피봇 링크(46)의 양측에서 볼 조인트 링크(84)를 통해 이러한 체결 요소(48)에 고정된다. 따라서, 이러한 구성은 사용자의 발이 발 구조체(4)로 도입되는 것을 방해하지 않고, 발 구조체(4) 상의 사용자의 뒤꿈치에 인접한 영역에 연결 로드(80)를 용이하게 부착하는 것을 가능하게 한다.

외골격(1)을 착용하는 사용자의 복사뼈에서 연장되는 제1 피봇축(X1)을 중심으로 회전하는 중간부(42)의 장착을 가능하게 하기 위해, 중간부(42)는 U- 단면을 가질 수 있으며, 중간부(42)의 수동 피봇 링크(44, 46)가 그 복사뼈와 마주하도록 하면서 발 구조체(4)에 발이 놓일 경우에 사용자의 발목을 통과하도록 구성된다. 물론, 중간부(42)는 하나의 단일 부품으로 무관하게 수행되거나, 또는 단일 부품을 형성하도록 조립된 수개의 요소를 포함할 수도 있다.

액추에이터(60)가 볼 스크류 또는 스크류 너트(66) 유형의 실린더(62) 및 연결 로드(80)를 포함하는 경우의 외골격(1)의 작동예가 설명될 것이다. 두 개의 실린더(62)는 동일하고, 따라서 동일 길이 및 동일 피치의 나사식 로드(64), 동일한 모터(63) 및 동일한 로드(80)를 포함한다. 나사식 로드(64)는 반시계 방향 또는 시계 방향으로 회전될 수 있다.

너트(66)를 로드(64)의 자유단쪽으로 병진 이동시키도록 두 개의 나사식 로드(64)가 동등하게 동시에 이동되면, 너트(66)에 고정된 연결 로드(80)의 단부는 발 구조체(4) 쪽으로 이동한다. 연결 로드(80)의 대향 단부는 발 구조체(4)를 제1 피봇축(X1) 둘레로만 피봇시키는 경향이 있는 힘을 발 구조체(4)에 가한다. 이 움직임은 외골격(1)을 착용한 사용자의 발을 구부릴 수 있도록 한다.

2개의 나사식 로드(64)가 회전의 반대 방향으로 동등하게 그리고 동시에 이동되어, 너트(66)를 모터(63) 쪽으로 병진되면, 너트(66)에 고정된 연결 로드(80)의 단부는 발 구조체(4)에 반대인 방향으로 기계식 무릎 링크(3)으로 이동된다. 연결 로드(80)의 대향 단부는 발 구조체(4)를 제1 피봇축(X1) 둘레로만 피봇시키는 경향이 있는 힘을 발 구조체(4)에 가하여, 사용자의 발을 연장할 수 있도록 한다.

2개의 나사식 로드(64)가 상이한 방식으로, 예를 들어 하나는 반시계 방향으로 및 다른 하나는 시계 방향으로 이동될 때, 연결 로드(80) 중 하나는 발 구조체(4)의 방향으로 변위되고, 다른 연결 로드(80)는 반대 방향으로 변위되는데, 이는 제2 피봇축(X2)을 중심으로 하는 발 구조체(4)의 회전을 가능하게 하여, 각 나사식 로드(64)의 회전의 방향으로의 내번 및 외번의 움직임을 허용한다. 물론, 발의 방향을 보다 잘 조절하고, 필요하다면, 제1 및/또는 제2 피봇축(X1, X2)을 중심으로 발 구조체(4)의 회전을 유도하기 위하여 2개의 너트(66)의 스트로크는 동일하거나 상이할 수 있다.

발 구조체(4)의 제어는 각 나사식 로드(64)의 회전 방향 및 스트로크의 방향에 따라 매우 정확하게 이루어질 수 있다.

외골격(1)은 또한 기립 단계의 끝에서 발의 분리에 필요한 추진력을 제공하도록 액추에이터(60)의 모터(60c, 63)를 완화시키도록 구성된 시스템(100)을 포함 할 수 있다. 실제로, 기립 단계가 끝나면 외골격(1)의 보행 동작을 제공하기 위해 피봇축(X1)에 대해 큰 토크가 필요하다.

따라서, 시스템(100)은 한편으로는 중간부(42)에 고정되고 다른 한편으로는 하부 다리 구조체(2)에 고정되며, 기립 단계 동안 특히 발의 분리 동안 발 구조체(4)를 바이어스하도록 구성되는 압축 스프링 조립체를 포함할 수 있다.

기립 단계 동안 특히 발의 분리 동안 발 구조체(4)를 바이어싱하도록 구성되고, 한편으로는 중간부(42)에 고정되고 다른 한편으로는 하부 다리 구조체(2)에 고정된 압축 스프링 조립체를 포함할 수 있다.

이를 위해, 스프링 조립체(100)는 예를 들어, 제1 단부(112) 및 제2 단부(114)를 포함하고 또한 제1 강성을 갖는 탄성 변형 가능한 부재(120)를 수용하는 중공체(110)를 포함할 수 있다.

중공체(110)는 하부 다리 구조(2)에 형성된 하우징(105)에 장착된다. 하우징은 바닥(106)과 마우스피스(108)를 포함하며, 중공체(110)의 제1 단부(112)는 바닥(106)과 마주한다. 바닥(106)은 관통 홀(107)을 더 포함한다. 마우스피스(108)는 개방되어 외부로 이어지거나 커버에 의해 폐쇄될 수 있다.

탄성 변형 가능한 부재(120)는 특히 스프링을 포함할 수 있다. 중공체(110)는 원통형 또는 튜브형일 수 있다.

스프링(120)은 중공체(110)의 제1 단부(112)에 인접하게 장착되고, 하우징(105), 중공체(110) 및 스프링(120)을 통과하여 제1 단부(112) 및 관통 홀(107)로부터 돌출하는 체결 요소(130)에 연결된다. 이 체결 요소(130)는 또한 예를 들면 중간부(42)에서 발 구조체(4)에 고정된다.

일 실시예에서, 체결 요소(130)는 가요성이고 예를 들어 케이블을 포함할 수 있다. 가요성은 체결 요소(130)가 발 구조체(4)의 회전에 적응할 수 있게 하고 장력 이외의 힘을 스프링 조립체(100)에 전달하지 못하게 한다. 다음에, 본 발명은 체결 요소(130)가 케이블을 포함하는 경우에 대해 보다 특별하게 설명될 것이다. 그러나 이것은 제한적이지 않고, 케이블은 체결 요소의 단지 하나의 가능한 실시예이다.

그 목적은 기립 단계 동안 발을 구부릴 때 모터(60c, 63)를 완화시키는 것이고, 케이블(130)은 발 구조체(4)의 후방 영역 바람직하게는 제1 피봇축(X1)과 발 구조체(4)의 뒤꿈치 사이의 영역에 고정된다. 특히, 케이블(130)은 중간부(42)에 고정되며, 예를 들어 중간부(42)에 고정되고 케이블(130)을 중간부(42)에 대해 차단하도록 구성된 부분(43)에 의해 중간부(42)에 고정될 수 있다.

중공체(110)에 수용된 스프링(120)은 중공체(110)와 동축인 것이 바람직하다.

스프링(120)과 케이블(130) 사이의 연결은 접착 또는 용접에 의해 달성될 수 있다. 대안으로, 스프링(120)은 중공체(110)의 제1 단부(112)로부터 멀리 연장되는 스프링(120)의 부분에 고정되는 잠금부(122)를 포함할 수 있고, 케이블(130)은 잠금부(122)에 맞닿도록 구성되는 두꺼운 부분(132)을 갖는다. 중공체(110)의 제2 단부(114)에 반대의 방향으로 케이블(130)을 당기는 것은 따라서 두꺼운 부분(132)을 잠금부(122)와 접촉시키고 스프링(120)을 압축시키는 효과를 갖는다.

스프링(120)의 강성 및 길이는 하부 다리 구조체(2)에 대한 발 구조체(4)의 위치와 무관하게 따라서 외골격(1)의 보행 단계와 무관하게 항상 케이블(130)의 장력을 유지하는 것을 보장하도록 케이블(130)의 길이 및 발 구조체(4)가 하부 다리 구조체(2)에 대해 이동할 수 있는 각도 범위에 따라 선택된다. 이는 사용자에게 불쾌감을 줄 수 있는 임의의 덜컹거림(jerk)을 방지함으로써 스프링 조립체(100)의 반응 시간을 개선하는 것을 가능하게 한다.

케이블(130)은 중공체(110)에 수납되는 케이블(130)의 단부와 두꺼운 부분(132) 사이에서 케이블(130)에 고정되거나 또는 일체로 형성된 스토퍼(134)를 더 포함하되, 상기 스토퍼는 중공체(110)에 고정되고 스토퍼(134)에 장애물을 형성하는 돌출부(116)와 협력하도록 구성된다. 돌출부(116)는 예를 들어 이음 고리(collar)의 형상을 가질 수 있다. 스토퍼(134)는 그 자체가 케이블(130)의 단부에 고정될 수 있다.

마지막으로, 스프링 조립체(100)는 중공체(110)를 중심으로 하우징(105)에 위치되는 유효 스프링(140)을 포함한다. 유효 스프링(140)은 하부 다리 구조체(2)의 하우징(105)의 바닥(106)과 중공체(110) 상에 형성된 지지 스톱(118) 사이에서 지지되고 압축된다. 따라서, 유효 스프링(140) 및 중공체(110)는 동축이며, 중공 체(110)는 유효 스프링(140)에 대한 지지부를 형성한다. 중공체(110)의 지지 스톱(118)은 특히 중공체(110)에 대한 지지 스톱(118)의 가능한 변위 및 이에 따른 유효 스프링(140)의 강성의 조정을 허용하기 위해 볼트를 포함한다.

이러한 방식으로, 장력이 케이블(130)에 가해지면, 두꺼운 부분(132)은 중공체(110) 내에서 이동되고 스토퍼(134)가 돌출부(116)와 접촉할 때까지 스프링(120)을 압축하고, 케이블(130)의 및 중공체(110)에 대한 스프링(120)의 상대적 움직임을 차단한다. 따라서, 케이블(130)은 돌출부(116)에 의해 병진이 잠금되어 더 이상 스프링(120)을 압축하지 않을 수 있다. 발 구조체(4)가 케이블(130)을 계속 끌어 당기면, 케이블(130), 중공체(110) 및 지지 스톱(118)에 의해 형성된 조립체는 스프링(140)을 지지 스톱(118)과 하우징(105)의 바닥(106) 사이에서 압축하면서 이동하고, 하우징(105)은 하부 다리 구조체(2)와 일체로 움직인다.

스프링 조립체(100)는 이러한 구조가 발 구조체(4)가 지면상에서 지지 단계를 개시하는 경우에 대응하도록 치수가 정해질 수 있다.

스토퍼(134)가 돌출부(116)와 접촉하지 않을 때 중공체(110)에 수납된 스프링(120)만이 압축하는 것을 보장하기 위해 유효 스프링(140)의 강성은 중공체(110)에 수용된 스프링(120)의 강성보다 큰 것이 바람직하다. 이 단계에서, 실제로 모터(60c, 63)를 완화할 필요는 없다. 다음으로, 스토퍼(134)가 돌출부(116)에 맞닿게 되면, 케이블(130)은 중공체(110)에 장력을 가하여 유효 스프링(140)을 가압하여 제1 피봇축(X1)을 중심으로 발 구조체(4)에 토크를 발생시켜 발에 장력을 가하면, 액추에이터(60)의 모터(60c, 63)를 완화시키고 보행 주기 동안 발의 탈착에 추진력을 제공하는 것을 돕는다.

물론, 중공체(110)에 수납된 스프링(120) 및/또는 유효 스프링(140) 대신에 강성을 갖는 다른 탄성 부재가 구현될 수 있음이 이해된다.

더욱이, 압축 스프링 조립체(100)는 장치의 특정 동작 단계 동안에만 힘을 가할 필요가 있는 임의의 장치에 대해 본원에 설명된 외골격(1)에 관계없이 구현될 수 있다. 따라서, 이 스프링 조립체(100)의 설명은 유효 스프링(140)을 수용하는 동공체(110)에 고정될 수 있는 제1 부분 및 힘을 가하기 위하여 유효 스프링(140)의 다른 단부에 고정될 수 있고 제1 부분에 대해 이동 가능한 제2 부분을 포함하는 임의의 장치에 적용된다. 이어서, 제2 부분이 제1 부분에 대해 이동될 때, 체결 요소, 스프링(120)과 중공체(110)는 공동으로 움직이고 유효 스프링(140) 만이 바이어스되어 양쪽 부분에 힘을 가하는 미리 규정된 임계치에 도달할 때까지, 중공체(110)에 수용된 스프링(120)에 힘을 가하도록 체결 요소(130)는 제2 부분에 고정된다.

Claims (27)

1. 외골격으로서:
   사용자의 발을 수용하도록 구성된 지지 평면을 포함하는 발 구조체,
   사용자 다리의 하부를 수용하도록 구성된 하부 다리 구조체,
   상기 하부 다리 구조체를, 사용자 다리의 상부를 수용하도록 구성된 상부 다리 구조체에 연결하도록 구성된 기계식 무릎 링크 - 상기 기계식 무릎 링크는 피봇축을 가짐 - , 및
   상기 발 구조체를 상기 하부 다리 구조체에 연결하는 기계식 발목 링크 - 상기 기계식 발목 링크는 제1 피봇축을 갖는 제1 피봇 링크를 포함하며, 상기 제1 피봇축은 상기 기계식 무릎 링크의 피봇축에 실질적으로 평행함 - 을 포함하되,
   상기 외골격은 상기 기계식 발목 링크가 상기 제1 피봇축에 수직인 평면에서 연장되고 상기 외골격이 서서 멈춰 있을 경우에 상기 지지 평면과 30°와 60° 사이의 각도를 형성하는 제2 피봇축을 갖는 제2 피봇 링크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 외골격.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 피봇축은 상기 외골격이 서서 멈춰 있을 경우에 상기 지지 평면과 40°와 50° 사이의 각도, 바람직하게는 45°정도의 각도를 형성하는, 외골격.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 발 구조체와 상기 하부 다리 구조체 사이에 고정되며, 상기 기계식 발목 링크의 제1 및 제2 피봇축에 대한 상기 발 구조체의 각도 위치를 제어하도록 구성되는 평행한 2개의 액추에이터를 더 포함하는, 외골격.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 하부 다리 구조체의 양측에 평행하게 고정되는, 외골격.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 각각의 상기 액추에이터는:
   상기 하부 다리 구조체에 장착된 선형 액추에이터, 및
   한편으로는 상기 선형 액추에이터에, 다른 한편으로는 상기 발 구조체에 피봇 조인트를 이용하여 장착되는 연결 로드를 포함하여,
   상기 선형 액추에이터의 병진이 상기 발 구조체에 대한 상기 연결 로드의 회전을 초래하는, 외골격.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 선형 액추에이터는 바람직하게는 볼 스크류 또는 스크류-너트 유형의 모터와 관련된 실린더를 포함하는, 외골격.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더는 상기 모터에 의해 회전 구동되는 나사형 로드 및 상기 발 구조체에 대해 회전 고정되는 너트를 포함하고, 상기 연결 로드는 상기 너트 상에 장착된 일 단부를 포함하여 상기 너트의 병진은 상기 연결 로드의 단부의 병진을 초래하는, 외골격.
8. 청구항 7에 있어서, 각각의 상기 액추에이터는 상기 하부 다리 구조체에 고정된 가이드 레일 및 상기 가이드 레일을 따라 병진하여 이동 가능한 캐리지를 갖는 적어도 하나의 슬라이드를 더 포함하며, 상기 너트는 상기 슬라이드의 상기 캐리지에 고정되는, 외골격.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 캐리지는 슬라이드의 가이드 레일 상에 병진하여 이동 가능하게 장착되고 연결부에 의해 일체로 연결되는 제1 슬라이더 및 제2 슬라이더를 포함하며, 상기 너트 및 상기 연결 로드는 상기 캐리지의 상기 연결부에 고정되는, 외골격.
10. 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 너트와 상기 연결 로드 사이에 기계식 링크가 피봇 링크를 포함하고, 상기 연결 로드와 상기 발 구조체 사이에 기계식 링크가 피봇 조인트를 포함하는, 외골격.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 너트와 상기 연결 로드 사이의 상기 기계식 링크는 유니버셜 조인트 또는 실질적으로 수직인 축의 2개의 피봇 링크를 포함하는, 외골격.
12. 청구항 7 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더는 상기 모터의 출력과 상기 나사형 로드 사이에 개재된 단순한 기계식 베어링을 더 포함하며, 상기 기계식 베어링은 5분(minutes)의 아크(arc)와 15분의 아크 사이, 일반적으로는 약 10분의 아크의 오정렬을 가지는, 외골격.
13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 피봇 링크는 상기 외골격을 착용한 사용자의 내측 복사뼈(medial malleolus) 및 외측 복사뼈(lateral malleolus)와 마주보도록 상기 발 구조체 상에 위치되고, 및/또는
    상기 제2 피봇 링크는 뒤꿈치 또는 사용자의 아킬레스 건을 마주보도록 상기 발 구조체 상에 위치되는, 외골격.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 피봇축 및 기계식 무릎 링크의 피봇축은 0°와 약 15° 사이, 바람직하게는 6°와 10° 사이, 예를 들어 8°의 각도를 형성하는, 외골격.
15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외골격이 서서 멈춰 있을 경우에 상기 제1 피봇축은 지면에 평행한 평면에서 연장하는, 외골격.
16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 한편에는 상기 발 구조체 상에 장착되어 상기 제2 피봇축을 중심으로 상기 발 구조체에 대해 자유롭게 회전할 수 있고, 다른 한편에는 상기 하부 다리 구조체 상에 상기 제1 피봇축을 중심으로 피봇식으로 장착되는 중간부를 더 포함하는, 외골격.
17. 청구항 16에 있어서, 상기 중간부는 수동식 피봇 링크를 이용하여 상기 하부 다리 구조체 및 상기 발 구조체 상에 장착되는, 외골격.
18. 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서, 한편으로는 상기 중간부에 다른 한편으로는 상기 하부 다리 구조체 상에 고정되는 압축 스프링 조립체를 더 포함하는, 외골격.
19. 청구항 18에 있어서, 상기 스프링 조립체는 탄성 변형 가능한 제1 부재를 포함하며, 상기 제1 부재는 한편으로는 체결 요소를 이용하여 상기 제1 피봇 링크와 상기 제2 피봇 링크 사이에서 상기 중간부에 연결되고 다른 한편으로는 상기 하부 다리 구조체에 연결되며, 상기 제1 부재는 상기 중간부에 장력을 가하도록 구성되는, 외골격.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 체결 요소는 가요성인, 외골격.
21. 청구항 19 또는 청구항 20에 있어서, 상기 스프링 조립체는 제1 단부 및 상기 제1 단부의 반대 방향의 제2 단부를 갖는 실질적으로 세장의(elongated) 중공체를 더 포함하며, 상기 중공체는 상기 하부 다리 구조체에 형성된 하우징에 장착되고, 상기 중공체의 제1 단부는 하우징의 바닥을 향하고, 상기 제1 부재는 하우징에 장착되고 상기 하우징의 바닥과 상기 중공체의 제2 단부 사이에서 압축되는, 외골격.
22. 청구항 21에 있어서, 상기 중공체 내에 수용되는 탄성 변형 가능한 제2 부재를 더 포함하고, 상기 제2 부재는 상기 중공체의 제1 단부 근처에 고정되고, 상기 체결 요소는 상기 제2 부재와 협력하여, 상기 제2 부재가 상기 체결 요소에 장력을 가하도록 구성되고, 상기 체결 요소는 상기 중공체 내에 수용되고 상기 중공체의 제1 단부 및 상기 하우징의 바닥으로부터 돌출하는, 외골격.
23. 청구항 22에 있어서, 상기 제1 부재 및/또는 상기 제2 부재는 압축 스프링을 포함하는, 외골격.
24. 청구항 23에 있어서, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 압축 스프링을 포함하며, 상기 제2 부재는 상기 제1 부재의 강성 보다 낮은 강성을 갖는, 외골격.
25. 청구항 21 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서, 상기 체결 요소는 상기 중공체에 수용되는 두꺼운 부분을 가지며, 상기 제2 부재는 상기 두꺼운 부분에 대한 스톱(stop)을 형성하도록 구성된 잠금부를 포함하는, 외골격.
26. 청구항 21 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 있어서, 상기 체결 요소는 상기 체결 요소에 고정된 스토퍼를 더 포함하고, 상기 중공체는 상기 중공체의 내벽에 고정되고 상기 스토퍼와 협동하여 상기 체결 요소의 스토퍼에 대한 장애물을 형성하도록 구성되는 돌출부를 더 포함하는. 외골격.
27. 청구항 21 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중공체는 제2 단부 부근에 고정된 볼트를 더 포함하되, 상기 제1 부재는 상기 볼트에 인접한, 외골격.
    

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