KR20180075301A - 운동 보조 장치 - Google Patents

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KR20180075301A
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KR1020160179475A
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박영진
김정훈
형승용
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삼성전자주식회사
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Abstract

실시 예에 따르면 운동 보조 장치는, 사용자의 제 1 부분을 지지하기 위한 제 1 지지부; 상기 제 1 지지부에 회전 가능하게 연결되는 연결 링크; 상기 사용자의 제 2 부분을 지지하기 위한 제 2 지지부; 및 상기 제 2 지지부로부터 상기 연결 링크까지의 거리를 조절할 수 있는 거리 조절 어셈블리를 포함할 수 있다.

Description

운동 보조 장치{MOTION ASSIST APPARATUS}
아래의 설명은 운동 보조 장치에 관한 것이다.
관절이 불편한 노인이나 환자들이 보행을 원활하게 할 수 있는 운동 보조 장치 및 군사용 등의 목적으로 사용자의 근력을 보조하기 위한 장치들이 개발되고 있다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치는, 사용자의 제 1 부분을 지지하기 위한 제 1 지지부; 상기 제 1 지지부에 회전 가능하게 연결되는 연결 링크; 상기 사용자의 제 2 부분을 지지하기 위한 제 2 지지부; 및 상기 제 2 지지부로부터 상기 연결 링크까지의 거리를 조절할 수 있는 거리 조절 어셈블리를 포함할 수 있다.
상기 거리 조절 어셈블리의 양측은 각각 상기 연결 링크 및 제 2 지지부에 회전 가능하게 연결될 수 있다.
상기 거리 조절 어셈블리는, 상기 연결 링크에 회전 가능하게 연결되는 제 1 조절 링크; 및 일측은 상기 제 1 조절 링크에 대하여 상대적으로 움직임 가능하게 연결되고, 타측은 상기 제 2 지지부에 회전 가능하게 연결되는 제 2 조절 링크를 포함할 수 있다.
상기 제 2 조절 링크는, 상기 제 1 조절 링크에 대하여 회전 가능하게 연결되고, 상기 제 1 조절 링크 및 제 2 조절 링크 중 적어도 하나를 회전시키는 동력을 제공하기 위한 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
상기 액추에이터는 상기 제 1 조절 링크 및 제 2 조절 링크 사이에 배치될 수 있다.
상기 제 2 조절 링크는, 상기 제 1 조절 링크에 대하여 슬라이딩 가능하도록 연결될 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 제 1 조절 링크 및 제 2 조절 링크를 연결하는 선형 구동기(Linear actuator)를 더 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 제 1 조절 링크에 대하여 상기 연결 링크가 이루는 최소 각도를 제한하기 위한 회전 방지부를 더 포함하는 운동 보조 장치.
상기 운동 보조 장치는, 상기 거리 조절 어셈블리를 구동하기 위한 액추에이터를 더 포함하고, 상기 제 1 조절 링크에 대하여 상기 연결 링크가 이루는 각도가 최소 각도인 상태에서 상기 액추에이터가 구동하면, 상기 제 1 조절 링크 및 연결 링크는 하나의 강체 운동(a rigid body motion)을 하고, 상기 연결 링크는 상기 제 1 지지부에 대하여 회전할 수 있다.
상기 회전 방지부는 상기 제 1 조절 링크 및 연결 링크가 강체 운동 하는 경우에 발생하는 충격을 흡수하기 위한 완충 부재를 포함할 수 있다.
상기 회전 방지부는 상기 제 1 조절 링크 및 연결 링크 사이에 위치하도록, 상기 제 1 조절 링크 및 연결 링크 중 적어도 하나에 연결될 수 있다.
상기 제 1 지지부는, 상기 연결 링크의 하측을 지지하는 처짐 방지부를 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 제 1 지지부에 대하여 상기 연결 링크가 벌어지는 것을 방해하는 탄성력을 제공하기 위한 탄성체를 더 포함할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 제 2 부분을 기준으로 상기 제 1 부분의 반대편에 위치하는 상기 사용자의 제 3 부분을 지지하기 위한 제 3 지지부; 및 상기 제 3 지지부 및 제 2 지지부를 연결하는 연결 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 지지부는 상기 사용자의 앞발(forefoot)을 지지하고, 상기 제 2 지지부는 상기 사용자의 허벅지(thigh) 또는 허벅지 이상의 상위 부분을 지지할 수 있다.
상기 거리 조절 어셈블리 및 상기 연결 링크의 연결 부위는, 상기 사용자가 상기 운동 보조 장치를 착용한 상태에서, 상기 사용자의 앞발 및 뒤꿈치 사이에 위치할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 상기 사용자의 뒤꿈치 부근에 위치하도록 상기 거리 조절 어셈블리로부터 상기 연결 링크의 반대 방향으로 연장되고, 상기 사용자가 힐 스트라이크 모션시에 지면에 접촉하기 위한 뒤꿈치 가이드를 더 포함할 수 있다.
상기 뒤꿈치 가이드는, 상기 거리 조절 어셈블리로부터 멀어질수록 상측으로 휘어지는 호(arc) 형상을 포함할 수 있다.
힐 스트라이크 구간에서, 상기 가이드부는 지면에 접촉하고, 상기 제 1 지지부는 지면에 접촉하지 않고, 푸쉬 오프 구간에서, 상기 가이드부는 지면에 접촉하지 않고, 상기 제 1 지지부는 지면에 접촉할 수 있다.
상기 운동 보조 장치는, 사용자의 보행 주기를 센싱하는 센싱부; 상기 센싱부에서 센싱한 정보에 기초하여 액추에이터를 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 입각기에서 상기 액추에이터를 온(on)시키고, 유각기에서 상기 액추에이터를 오프(off)시킬 수 있다.
도 1은 사람의 보행 주기에 대한 개념도이다.
도 2는 사람의 보행을 스프링-질량 모델로 단순화한 개략도이다.
도 3은 입각기 상태에서 지면에 대한 사람의 발의 접촉위치를 도시하는 개념도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 6 및 도 7은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 부분 사시도이다.
도 8은 힐 스트라이크 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이다.
도 9은 미드 스탠스 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이다.
도 10는 터미널 스탠스 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이다.
도 11은 토 오프 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이다.
도 12은 유각기 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이다.
도 13는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 14는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
도 15는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
도 16은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
도 17은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 18은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이다.
도 19는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 블록도이다
도 20은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 사람의 보행 주기(gait cycle)에 대한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 사람의 보행 주기는 한 쪽 다리를 기준으로, 사람의 다리가 지면에 접촉하는 입각기(stance phase) 단계 및 사람의 다리가 지면에 접촉하지 않는 유각기(swing phase) 단계가 교대로 발생하는 것으로 이해할 수 있다. 사람의 보행은 하나 이상의 관절의 움직임이 발생할 수 있다. 예를 들어, 사람이 보행 하는 경우에는, 발목관절(talocrural joint), 목말밑 관절(subtalr joint), 무릎 관절(knee joint) 및 고관절(hip joint)의 움직임이 동시에 발생할 수 있다. 이 경우, 각 관절은 각기 다른 자유도와 움직임을 가지기 때문에, 각 관절의 동작에 대응하여 보행을 보조하기 위해서는, 각 관절의 각도 및 각 관절에 작용하는 토크 등을 모두 고려해야 한다.
도 2는 사람의 보행을 스프링-질량 모델(spring-mass model)로 단순화한 개략도이다.
도 2를 참조하면, 사람의 각각의 다리를 1개의 선형 스프링(linear spring)으로 이해 함으로써, 보행 주기에서의 다리의 움직임을 1 자유도(one degree of freedom)으로 단순화 할 수 있다. 구체적으로, 사람의 무게 중심이 질량체 m에 위치하는 것으로 가정하고, 사람의 다리는 탄성계수(stiffness) k를 갖는 스프링으로 가정할 수 있다. 다시 말하면, 사람의 보행 동작에서, 사람 다리의 일 부분, 예를 들어 허벅지(thigh)로부터 지면(ground)까지의 직선 거리의 변화 및 그에 따른 탄성력의 변화를 통해, 사람의 다리의 움직임을 이해할 수 있다. 이와 같은 구조를 이용하여, 사용자의 허벅지로부터 지면까지의 거리에 대한 1 자유도의 구동력을 제공함으로써, 사용자의 허벅지로부터 지면까지의 거리 및 사용자의 발이 지면에 작용하는 힘(Ground Reaction Force, GRF)을 조절함으로써 사람의 보행을 보조할 수 있다. 한편, 도 2에서 스프링은 고정된 탄성 계수 K를 갖는 것으로 도시되었으나, 이와 달리 구동력을 조절함으로써, 탄성 계수 K가 변화되는 실시 예도 가능할 것이다.
도 3은 입각기 상태에서 지면에 대한 사람의 발의 접촉위치를 도시하는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 보행 중 입각기 단계에서, 지면에 대한 사람의 발의 접촉 부위가 순차적으로 변화하는 것으로 이해할 수 있다. 구체적으로, 입각기 단계는, 발 뒤꿈치(heel)가 지면에 접촉하는 힐 스트라이크(heel strike), 발바닥(sole)이 지면에 접촉하는 미드 스탠스(mid stance), 앞발(forefoot)이 지면에 접촉하는 터미널 스탠스(terminal stance) 및 사람이 전진하기 위해 앞발이 지면을 밀어내는 토 오프(toe off) 단계로 구분될 수 있다. 다시 말하면, 입각기 단계에서 사람의 발은, 발 뒤꿈치로부터 앞발까지 순차적으로 지면에 접촉하고, 이와 같은 과정에서 지면에 대한 사람의 압력 중심(center of preesure)이 사람의 발 뒤꿈치로부터 앞발로 순차적으로 이동하게 된다. 따라서, 사람의 실제 보행을 구현하기 위해서는, 지면에 대한 운동 보조 장치의 압력 중심이 발 뒤꿈치로부터 앞발로 순차적으로 이동해야 할 필요가 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이며, 도 6 및 도 7은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 부분 사시도이다.
도 4 및 도 5을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(1)는 사용자에 착용되어 사용자의 운동을 보조할 수 있다. 사용자는 인체, 동물 또는 로봇 등일 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다. 도 4 및 도 5는 운동 보조 장치가 사용자의 보행 운동을 보조하는 경우에 대하여 예시적으로 도시하였으나, 운동 보조 장치는 사용자의 신체의 다른 부분의 운동, 예를 들어, 사용자의 손목, 팔꿈치 또는 어깨 등 상체의 다른 부분의 운동을 보조하는 것도 가능하다. 다시 말하면, 운동 보조 장치는 사용자의 신체의 동작을 보조할 수 있다. 이하 운동 보조 장치가 사용자의 보행을 보조하는 경우에 대하여 예시적으로 셜명하기로 한다. 운동 보조 장치(1)는 제 1 지지부(10), 제 2 지지부(11), 연결 링크(12), 거리 조절 어셈블리(13), 액추에이터(14), 뒤꿈치 가이드(15) 및 회전 방지부(16)을 포함할 수 있다.
제 1 지지부(10)는 사용자의 제 1 부분을 지지할 수 있다. 제 1 부분은 사용자가 보행하는 경우에, 지면에 접촉하는 부분, 예를 들어, 사용자의 앞발일 수 있다. 제 1 지지부(10)는 사용자의 발바닥에 배치되는 발바닥 지지부재(101), 착용부재(102) 및 처짐 방지부(103)을 포함할 수 있다.
발바닥 지지부재(101)는 사용자 발바닥의 적어도 일부, 예를 들어, 발바닥 앞부분을 지지할 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 입각기의 힐 스트라이크 단계에서는 제 1 지지부(10)가 지면에 접촉하지 않을 수 있다. 착용부재(102)는 발바닥 지지부재(101)에 연결되어 사용자의 앞발을 감쌀 수 있다.
처짐 방지부(103)는, 연결 링크(12)의 하측을 지지할 수 있다. 예를 들어, 처짐 방지부(103)는 제 1 지지부(10)로부터 연결 링크(12) 방향으로 연장 형성될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 처짐 방지부(103)는 연결 링크(11)가 자중에 의해 처지는 것을 방지할 수 있다.
제 2 지지부(11)는 사용자의 제 2 부분을 지지할 수 있다. 제 2 부분은 사용자의 무릎 관절 이상의 상측 부분, 예를 들어, 사용자의 허벅지(thigh)를 지지할 수 있다. 다시 말하면, 제 1 부분 및 제 2 부분 사이에는 발목관절 및 무릎관절을 포함하는 복수 개의 관절이 위치할 수 있다. 비록, 도면에서는 제 2 지지부(11)가 사용자의 허벅지를 지지하는 것으로 도시되었으나, 이는 일 예시에 불과하며, 제 2 지지부(11)는 사용자의 허리 또는 가슴등과 같이 허벅지 이상의 상측 부분을 지지할 수도 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 제 2 지지부(11)가 사용자의 허벅지를 지지하는 경우를 예시적으로 설명하도록 한다.
연결 링크(12)는, 제 1 지지부(10)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 연결 링크(12)는 사용자의 앞발로부터 발 뒤꿈치까지 연장되는 길이 방향 부재일 수 있다. 제 1 지지부(10)에 대한 연결 링크(12)의 연결 지점은, 발허리발가락관절(Metatarsophalangeal joint)의 전방에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제 1 지지부(10)에 대한 연결 링크(12)의 연결 지점은, 앞발의 측면에 위치할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자가 토 오프 동작을 할 때, 연결 링크(12)가 제 1 지지부(10)에 대하여 회전될 수 있다.
거리 조절 어셈블리(13)는, 제 2 지지부(11)로부터 연결 링크(12)까지의 거리를 조절할 수 있다. 거리 조절 어셈블리(13)는, 양측이 각각 제 2 지지부(11) 및 연결 링크(12)에 대해 회전 가능하게 연결될 수 있다. 결과적으로, 거리 조절 어셈블리(13)는 제 1 지지부(10) 및 제 2 지지부(11)의 상대적인 거리를 조절할 수 있다. 거리 조절 어셈블리(13)는 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132)를 포함할 수 있다.
제 1 조절 링크(131)는 입각기의 초기 단계의 적어도 일부 구간에서 사용자의 발 뒤꿈치에 작용하는 충격력을 감소시킬 수 있다. 여기서 입각기의 초기 단계란, 입각기 중 푸시 오프(push off)를 제외한 단계, 다시 말하면, 힐 스트라이크로부터 미드 스탠스까지의 단계를 의미한다.
제 1 조절 링크(131)는 연결 링크(12)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)의 연결 부위는, 사용자가 운동 보조 장치(1)를 착용한 상태를 기준으로, 사용자의 앞발 및 뒤꿈치 사이에 위치할 수 있다. 다시 말하면, 제 1 조절 링크(131)는 연결 링크(12)에 대하여, 사용자의 앞발 및 뒤꿈치 사이에서 회전할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)의 연결 부위가 앞발 또는 뒤꿈치 중 어느 한쪽에 치우친 경우와 비교하여, 입각기의 미드 스탠스(mid stance) 단계에서 지면에 대한 운동 보조 장치(1)의 압력 중심이 실제 사람의 보행에 따른 압력 중심과 불일치 하는 것을 최소화 할 수 있다.
제 2 조절 링크(132)는 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 지지부(11)를 연결할 수 있다. 제 2 조절 링크(132)의 일측은 제 1 조절 링크(131)에 대하여 상대적으로 움직임이 가능하도록 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 2 조절 링크(132)의 일측은 제 1 조절 링크(131)에 대하여 회전 가능하게 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제 2 조절 링크(132)의 타측은 제 2 지지부(11)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 결과적으로, 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132)의 상대적인 움직임에 의하여, 제 1 조절 링크(131)에 연결된 연결 링크(12) 및 제 2 조절 링크(132)에 연결된 제 2 지지부(11)의 상대적인 거리가 조절될 수 있다.
액추에이터(14)는 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132) 중 적어도 하나를 회전시키기 위한 동력을 제공함으로써, 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132) 사이의 각도를 조절하거나, 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132)에 토크를 제공할 수 있다. 액추에이터(14)는 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4와 같이, 액추에이터(14)는 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132)의 연결 부위에 배치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 액추에이터(14)가 제공하는 동력이 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132)의 연결 축에 직접적으로 전달되기 때문에, 동력을 효율적으로 전달하고, 구조적인 안정성을 확보할 수 있다. 반면, 도면과 달리, 액추에이터(14)가 운동 보조 장치(1)의 다른 위치에 배치되고, 동력 전달 부재를 통해 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132)에 동력을 제공하는 구조도 가능하다.
뒤꿈치 가이드(15)는 사용자의 힐 스트라이크 동작을 보조할 수 있다. 뒤꿈치 가이드(15)는 사용자가 운동 보조 장치(1)를 착용한 상태에서, 사용자의 뒤꿈치 부근에 위치하도록, 거리 조절 어셈블리(13)로부터 연결 링크(12)의 반대 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 뒤꿈치 가이드(15)는 제 1 조절 링크(131)의 일측에 연결될 수 있다. 뒤꿈치 가이드(15)는, 거리 조절 어셈블리(13)으로부터 멀어질수록 상측으로 휘어지는 호(arc)형상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 뒤꿈치 가이드(15)는 호(arc)형상을 포함하는 원형 또는 타원형으로 형성될 수도 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 뒤꿈치 가이드(15)는 사용자 보행에 따른, 힐 스트라이크 단계로부터 미드 스탠스 단계까지, 지면에 대하여 구름 접촉할 수 있다. 따라서 뒤꿈치 가이드(15)는, 힐 스트라이크 단계에서, 지면과의 접촉에 따라, 사용자의 발꿈치에 가해지는 충격을 흡수하고, 운동 보조 장치(1)의 지면과의 접촉 지점을 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)의 연결 부위로 자연스럽게 유도할 수 있다. 특히, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)의 연결 부위가, 사용자의 앞발 및 뒤꿈치 사이에 위치하는 경우, 힐 스트라이크 단계에서 사용자의 뒤꿈치 부근에 위치하는 뒤꿈치 가이드(15)가 지면에 대한 운동 보조 장치(1)의 압력 중심으로 작용하므로, 실제 사용자의 힐 스트라이크 동작에서, 지면에 대한 사용자의 압력 중심과 불일치하는 것을 줄일 수 있다.
회전 방지부(16)는 제 1 조절 링크(131)에 대하여 연결 링크(12)가 이루는 최소 각도를 제한함으로써, 사용자의 토 오프 동작을 보조할 수 있다.
도 6 및 도 7은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 부분 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 회전 방지부(16)는 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)를 상호 간섭 시킴으로써, 제 1 조절 링크(131)에 대하여 연결 링크(12)가 최소 각도 이하로 회전하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 회전 방지부(16)는 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12) 사이에 위치하도록, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12) 중 적어도 하나에 연결될 수 있다. 이하, 도 6와 같이, 회전 방지부(16)는 제 1 조절 링크(131)로부터 연장되는 형상을 가지는 경우를 예시적으로 설명하기로 한다. 제 1 지지부(10) 및 제 2 지지부(11) 사이의 거리가 충분히 짧아지는 시점, 예를 들면, 도 7과 같이, 사용자의 보행 중 토 오프 단계에서, 제 1 조절 링크(131)로부터 연장되는 회전 방지부(16)는 연결 링크(12)에 접촉함으로서, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)가 하나의 강체 운동을 하도록 할 수 있다. 이 경우, 액추에이터(14)가 제 1 지지부(10) 및 제 2 지지부(11)의 거리가 멀어지는 방향으로 거리 조절 어셈블리(13)에 동력을 제공하면, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)는 함께 지 1 지지부(10)에 대하여 회전될 수 있다. 결과적으로, 회전 방지부(16)는 거리 조절 어셈블리(13)에 작용하는 동력을 연결 링크(12)로 전달하여, 연결 링크(12)가 제 1 지지부(10)에 대하여 회전되게 함으로써, 사용자의 토 오프 동작을 보조할 수 있다.
회전 방지부는(16)는 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)가 강체 운동 하는 경우에 발생하는 충격을 흡수하기 위한 완충 부재(161)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 완충 부재(161)는 연결 링크(12)측을 향하는 회전 방지부(16)의 일단에 구비되는 우레탄과 같은 부재일 수 있다. 이 경우, 완충 부재는 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12) 사이의 각도가 최소가 되어, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)가 상호 간섭되는 경우에 발생하는 충격을 흡수할 수 있다. 결과적으로, 완충 부재(161)는 토 오프 단계에서 사용자의 다리에 가해지는 충격을 완화할 수 있다.
운동 보조 장치(1)는 제 1 지지부(10)에 대하여 연결 링크(12)가 벌어지는 것을 방지하는 탄성체(17)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄성체(17)는 제 1 지지부(10) 및 연결 링크(12)의 연결 지점에 배치되는 토션 스프링일 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 유각기 등의 상태에서, 연결 링크(12)가 제 1 지지부(10)에 대하여 벌어지거나 흔들리는 등 불필요한 움직임을 억제함으로써, 운동 보조 장치(10)의 사용 중에 발생될 수 있는 소음을 경감시키고, 운동 보조 장치(10)의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 4 내지 도 7에 도시된 운동 보조 장치(1)에 의하면, 운동 보조 장치(1)는 1 자유도의 구동력을 통하여, 사용자의 보행을 보조하면서도, 사용자의 힐 스트라이크 동작 및 토 오프 동작과 유사한 움직임을 나타냄으로써, 사용자에게 자연스러운 착용감을 제공할 수 있다.
도 8은 힐 스트라이크 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이고, 도 9는 미드 스탠스 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이며, 도 10은 터미널 스탠스 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이고, 도 11은 토 오프 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이며, 도 12는 유각기 단계에서의 운동 보조 장치의 작동도이다. 도 8 내지 도 12를 참조하면, 운동 보조 장치(1)는 1 자유도의 구동력을 제공하여 사용자의 보행을 보조하면서도, 사용자의 실제 보행과 유사한 움직임을 구현할 수 있다.
도 8과 같이, 힐 스트라이크 단계에서 사용자의 다리는 제 1 조절 링크(131) 또는 뒤꿈치 가이드(15)를 통해 지면에 접촉할 수 있다. 이 경우, 액추에이터(14)는 제 2 지지부(11)에 대한 연결 링크(12)의 거리가 멀어지는 방향으로 거리 조절 어셈블리(13)에 구동력을 제공할 수 있다. 운동 보조 장치(1)는 사용자의 발 뒤꿈치가 지면에 접촉하는 순간에 발생하는 충격을 완화할 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 사용자의 보행이 힐 스트라이크 단계에서 미드 스탠스 단계로 진행하는 동안, 뒤꿈치 가이드(15)는 지면에 대하여 구름 접촉하면서 운동 보조 장치(1)의 제 1 조절 링크(131)의 단부가 지면과 접촉할 수 있도록 부드럽게 유도함으로써, 지면에 대한 운동 보조 장치(1)의 압력 중심을 이동시킬 수 있다. 이 경우, 운동 보조 장치(1)의 연결 링크(12)는 제 1 조절 링크(131)에 대하여 회전하고, 제 1 지지부(10)를 지면에 접촉시킬 수 있다.
도 9와 같이, 미드 스탠스 단계에서 사용자의 다리는 제 1 조절 링크(131) 또는 제 1 지지부(10)를 통해 지면에 접촉할 수 있다. 제 1 조절 링크(131) 및 제 1 지지부(10)가 동시에 지면에 접촉하는 경우, 운동 보조 장치(1)의 압력 중심은 제 1 조절 링크(131) 및 제 1 지지부(10) 사이에 위치할 수 있다. 한편, 미드 스탠스 단계에서, 회전 방지부(15)는 연결 링크(12) 및 제 1 조절 링크(131) 상호간을 간섭시키지 않으므로, 사용자 발목의 배굴(dorsiflexion)동작이 자유롭게 수행될 수 있다.
도 10과 같이, 사용자의 보행 동작이 미드 스탠스 단계에서 터미널 스탠스 단계로 진행되면, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12) 사이의 각도가 최소 각도가 되고, 회전 방지부(16)에 의하여 연결 링크(12) 및 제 1 조절 링크(131)가 상호 간섭되어, 하나의 강체 운동을 할 수 있다. 이 경우, 사용자의 무게 중심은 앞발 부위로 이동하게 되고, 사용자의 발 뒤꿈치가 지면으로부터 이격될 수 있다. 다시 말하면, 사용자의 보행에 따라 운동 보조 장치(1)가 사용자의 정면으로 기울어지면서, 뒤꿈치 가이드(15)가 지면으로부터 이격될 수 있다. 이 경우, 회전 방지부(16)에 의하여 제 1 조절 링크(131)와 상호 간섭되는 연결 링크(12)가 제 1 지지부(10)에 대하여 회전할 수 있다. 결과적으로, 운동 보조 장치(1)는 사용자의 앞발을 지지하는 제 1 지지부(10)만을 통해 지면에 접촉할 수 있다. 도 11과 같이, 회전 방지부(16)에 의하여 연결 링크(12) 및 제 1 조절 링크(131)가 하나의 강체 운동을 하게 되면, 액추에이터(14)는 제 2 지지부(11)에 대한 연결 링크(12)의 거리가 멀어지는 방향으로 거리 조절 어셈블리(13)에 동력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(14)는 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132) 사이의 각도가 벌어지는 방향으로, 제 1 조절 링크(131) 및 제 2 조절 링크(132)를 회전시킬 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 액추에이터가 제공하는 동력의 방향은, 제 1 지지부(10) 및 연결 링크(12)의 연결 부위로 작용하게 되고, 지면에 접촉한 상태의 제 1 지지부(10)에 대하여, 제 1 조절 링크(131) 및 연결 링크(12)가 함께 회전함으로써, 사용자의 토 오프(toe-off) 동작을 보조할 수 있다.
도 12와 같이, 사용자의 보행이 입각기 단계에서 유각기 단계로 진행하면, 운동 보조 장치(1)는 새로운 주기의 입각기 단계를 준비할 수 있다. 유각기 단계에서 연결 링크(12)는, 처짐 방지부(101) 및 탄성체(17)에 의해 제 1 지지부(10)에 밀착될 수 있다. 구체적으로, 처짐 방지부(103)는 연결 링크(12)의 하측을 지지하여, 처짐을 방지하고, 탄성체(17)은 연결 링크(12)가 제 1 지지부에 대하여 벌어지는 것을 방지할 수 있다.
도 13은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이고, 도 14는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(2)는 제 1 지지부(20), 제 2 지지부(21), 연결 링크(22), 거리 조절 어셈블리(23), 뒤꿈치 가이드(25) 및 회전 방지부(26)를 포함할 수 있다.
제 2 지지부(21)는 사용자의 무릎 관절 이상의 상측 부분, 예를 들어, 사용자의 허리(waist)를 지지할 수 있다. 이 경우, 운동 보조 장치(2)는 거리 조절 어셈블리(23)을 통해, 사용자의 발에 위치하는 연결 링크(22) 및 사용자의 허리에 위치하는 제 2 지지부(21) 사이의 거리를 조절할 수 있다. 결과적으로, 운동 보조 장치(2)는 연결 링크(22) 및 제 2 지지부(21) 사이에 위치하는 사용자의 다리의 움직임을 1 자유도의 동력을 통해 보조할 수 있다.
도 15는 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이다.
일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(3)은, 제 1 지지부(30), 제 2 지지부(31), 연결 링크(32), 거리 조절 어셈블리(33), 뒤꿈치 가이드(35), 회전 방지부(36), 제 3 지지부(38) 및 연결 부재(39)를 포함할 수 있다.
제 3 지지부(38)는 제 2 지지부(31)가 지지하는 제 2 부분을 기준으로, 제 1 지지부(30)가 지지하는 제 1 부분의 반대 측에 위치하는 사용자의 제 3 부분을 지지할 수 있다. 예를 들어, 제 1 지지부(30) 및 제 2 지지부(31)가 사용자의 앞발 및 허벅지를 지지하는 경우, 제 3 지지부(38)는 사용자의 허리를 지지할 수 있다.
연결 부재(39)는 제 3 지지부(38) 및 제 2 지지부(31)를 연결할 수 있다. 연결 부재(39)는 제 3 지지부(38)로부터 제 2 지지부(31)까지 연장되는 길이 방향 부재일 수 있다. 예를 들어, 연결 부재(39)는, 도 14와 같은 프레임이거나, 이와 달리 와이어 또는 고무줄 등의 부재일 수도 있다.
결과적으로, 제 3 지지부(38) 및 연결 부재(39)는 사용자의 보행 동작 중, 제 2 지지부(31)가 사용자의 제 2 부분으로부터 이탈하는 것을 방지하고, 운동 보조 장치(3)가 사용자의 움직임을 안정적으로 보조하도록 할 수 있다.
도 16은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 사시도이고, 도 17은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 측면도이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(4)는 제 1 지지부(40), 제 2 지지부(41), 연결 링크(42), 거리 조절 어셈블리(43), 액추에이터(44), 뒤꿈치 가이드(45) 및 회전 방지부(46)를 포함할 수 있다.
거리 조절 어셈블리(43)는 연결 링크(42)에 대하여 회전 가능하게 연결되는 제 1 조절 링크(431) 및 제 2 지지부(41)에 대하여 회전 가능하게 연결되는 제 2 조절 링크(432)를 포함할 수 있다. 제 1 조절 링크(431) 및 제 2 조절 링크(432)는 상대적으로 거리 조절 가능하게 연결될 수 있다. 예를 들어, 제 2 조절 링크(432)는 제 1 조절 링크(431)에 대하여 슬라이딩 함으로써, 상대적인 거리가 선형으로 조절 될 수 있다.
액추에이터(44)는, 제 1 조절 링크(431) 및 제 2 조절 링크(432)를 연결하고, 제 1 조절 링크(431) 및 제 2 조절 링크(432)가 상호 슬라이딩 가능하도록 동력을 제공하는 선형 구동기(linear actuator)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(44)는 제 2 조절 링크(432) 내부에 배치되고, 제 2 조절 링크 (432) 내부에 형성된 가이드 레일을 따라 이동함으로써, 제 1 조절 링크(431)를 선형 운동 시킬 수 있다.
결과적으로, 운동 보조 장치(4)는 거리 조절 어셈블리(43)의 슬라이딩 움직임을 통해, 제 2 지지부(41) 및 연결 링크(42) 사이의 거리를 조절할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 거리 조절 어셈블리(43)가 선형의 작동 반경을 가지기 때문에, 운동 보조 장치(4)를 착용한 사용자 주변의 작업 영역이 제한되는 경우에도, 사용자의 보행을 효과적으로 보조할 수 있다.
도 18은 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치의 블록도이고, 도 19는 일 실시 예에 따른 운동 보조의 제어 블록도이며, 도 20은, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(5)의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 운동 보조 장치(5)는 1 자유도의 구동력을 통해 사용자의 보행을 보조할 수 있다. 운동 보조 장치(5)는 제 1 지지부(50), 제 2 지지부(51), 연결 링크(52), 거리 조절 어셈블리(53), 액추에이터(54), 뒤꿈치 가이드(55) 및 회전 방지부(56), 센싱부(58) 및 제어부(59)를 포함할 수 있다. 거리 조절 어셈블리는, 제 1 조절 링크(531) 및 제 2 조절 링크(532)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 액추에이터(54)는 제 1 조절 링크(531) 및 제 2 조절 링크(532)가 상대적으로 움직이도록 동력을 제공하여, 제 2 지지부(51)에 대한 연결 링크(52)의 상대적인 거리를 조절하거나, 제 1 조절 링크(531) 및 제 2 조절 링크(532)에 작용하는 토크 또는 힘을 제공할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 사용자의 보행 동작을 선형 스프링 모델(도 3 참조)와 같이 1 자유도의 동력을 통해서 보조할 수 있다.
운동 보조 장치(5)는 뒤꿈치 가이드(55) 또는 제 1 지지부(50)를 통해 지면에 접촉할 수 있다. 사람의 발의 구조에 따라, 입각기 상태에서 사용자의 발은 지면과의 접촉점이 순차적으로 변화하게 된다. 운동 보조 장치(5)는 힐 스트라이크 단계에서는, 뒤꿈치 가이드(55)를 통해 지면에 접촉하고, 터미널 스탠스 단계 및 토 오프 단계에서는 제 1 지지부(50)를 통해 지면에 접촉할 수 있다. 따라서, 운동 보조 장치(5)의 압력 중심의 변화가, 실제 보행시에 지면에 대한 사용자의 압력 중심의 변화와 유사한 양상을 나타낼 수 있다. 결과적으로, 운동 보조 장치(5)는 1 자유도의 구동력을 통해 사용자의 보행을 보조하면서도, 실제 사용자의 보행과 유사한 움직임을 구현함으로써, 자연스러운 보행 보조를 제공할 수 있다.
도 18 및 도 19을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(5)는 사용자의 보행 주기에 따라 액추에이터(54)를 선택적으로 작동시킬 수 있다.
액추에이터(54)는 거리 조절 어셈블리(53)에 동력을 제공함으로써, 사용자의 보행에 따라 제 2 지지부(51) 및 연결 링크(52)의 거리를 조절할 수 있다. 예를 들어, 액추에이터(54)는 입각기 단계에서 거리 조절 어셈블리(53)에, 제 2 지지부(51) 및 연결 링크(52) 사이의 거리를 멀어지게 하는 방향으로 동력을 제공할 수 있다
센싱부(58)는 사용자의 보행 주기를 센싱할 수 있다. 예를 들어, 센싱부(58)는 발꿈치 가이드(55) 또는 제 1 지지부(50)가 지면에 접촉하는지 여부를 감지하여 사용자의 보행 주기를 센싱할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 발이 지면과 접촉되었는지 여부는, 사용자의 발에 배치되는 압력 센서, 관성 측정 장치(inertial measurement unit), 또는 가속도 센서 등을 이용하여 감지할 수 있다. 압력 센서에 감지되는 압력이 증가되면 사용자의 발이 지면과 접촉된 것으로 감지할 수 있다. 또한, 발과 지면이 서로 접촉할 때에 발생되는 진동을 관성 측정 장치 또는 가속도 센서 등을 이용하여 감지할 수도 있다.
결과적으로, 센싱부(58)는, 발꿈치 가이드(55) 또는 제 1 지지부(50)가 지면에 접촉하면, 사용자의 보행주기를 입각기로 센싱하고, 발꿈치 가이드 및 제 1 지지부가 지면에서 이격되면, 사용자의 보행주기를 유각기로 센싱할 수 있다.
제어부(59)는 센싱부(58)에서 센싱한 정보에 기초하여 액추에이터를 제어할 수 있다.
도 20을 참조하면, 일 실시 예에 따른 운동 보조 장치(5)의 제어 방법은, 보행 상태를 감지하는 단계(910), 액추에이터를 온(ON)시키는 단계(920) 및 액추에이터를 오프(OFF)시키는 단계(930)를 포함할 수 있다.
보행 상태를 감지하는 단계(910)에서 제어부(59)는 센싱부(58)를 이용하여 사용자의 보행 상태를 감지할 수 있다.
단계 910에서 사용자의 보행 상태가 입각기인 경우 제어부(59)는 액추에이터(54)를 온(ON)시킴으로써(920), 사용자의 힐 스트라이크 동작을 보조하거나, 사용자의 토 오프 동작을 보조할 수 있다.
단계 910에서 사용자의 보행 상태가 유각기인 경우 제어부(59)는 액추에이터를 오프(OFF)시킴으로써(930), 사용자의 다리가 자유롭게 움직일 수 있도록 할 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (20)

  1. 사용자의 제 1 부분을 지지하기 위한 제 1 지지부;
    상기 제 1 지지부에 회전 가능하게 연결되는 연결 링크;
    상기 사용자의 제 2 부분을 지지하기 위한 제 2 지지부; 및
    상기 제 2 지지부로부터 상기 연결 링크까지의 거리를 조절할 수 있는 거리 조절 어셈블리를 포함하는 운동 보조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리 조절 어셈블리의 양측은 각각 상기 연결 링크 및 제 2 지지부에 회전 가능하게 연결되는 운동 보조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리 조절 어셈블리는,
    상기 연결 링크에 회전 가능하게 연결되는 제 1 조절 링크; 및
    일측은 상기 제 1 조절 링크에 대하여 상대적으로 움직임 가능하게 연결되고, 타측은 상기 제 2 지지부에 회전 가능하게 연결되는 제 2 조절 링크를 포함하는 운동 보조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 조절 링크는, 상기 제 1 조절 링크에 대하여 회전 가능하게 연결되고,
    상기 제 1 조절 링크 및 제 2 조절 링크 중 적어도 하나를 회전시키는 동력을 제공하기 위한 액추에이터를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 제 1 조절 링크 및 제 2 조절 링크 사이에 배치되는 운동 보조 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 조절 링크는, 상기 제 1 조절 링크에 대하여 슬라이딩 가능하도록 연결되는 운동 보조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 조절 링크 및 제 2 조절 링크를 연결하는 선형 구동기(Linear actuator)를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 조절 링크에 대하여 상기 연결 링크가 이루는 최소 각도를 제한하기 위한 회전 방지부를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 거리 조절 어셈블리를 구동하기 위한 액추에이터를 더 포함하고,
    상기 제 1 조절 링크에 대하여 상기 연결 링크가 이루는 각도가 최소 각도인 상태에서 상기 액추에이터가 구동하면, 상기 제 1 조절 링크 및 연결 링크는 하나의 강체 운동(a rigid body motion)을 하고, 상기 연결 링크는 상기 제 1 지지부에 대하여 회전하는 운동 보조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 회전 방지부는, 상기 제 1 조절 링크 및 연결 링크가 강체 운동 하는 경우에 발생하는 충격을 흡수하기 위한, 완충 부재를 포함하는 운동 보조 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전 방지부는 상기 제 1 조절 링크 및 연결 링크 사이에 위치하도록, 상기 제 1 조절 링크 및 연결 링크 중 적어도 하나에 연결되는 운동 보조 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 지지부는, 상기 연결 링크의 하측을 지지하는 처짐 방지부를 포함하는 운동 보조 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 지지부에 대하여 상기 연결 링크가 벌어지는 것을 방해하는 탄성력을 제공하기 위한 탄성체를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 부분을 기준으로 상기 제 1 부분의 반대편에 위치하는 상기 사용자의 제 3 부분을 지지하기 위한 제 3 지지부; 및
    상기 제 3 지지부 및 제 2 지지부를 연결하는 연결 부재를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 지지부는 상기 사용자의 앞발(forefoot)을 지지하고, 상기 제 2 지지부는 상기 사용자의 허벅지(thigh) 또는 허벅지 이상의 상측 부분을 지지하는 운동 보조 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 거리 조절 어셈블리 및 상기 연결 링크의 연결 부위는, 상기 사용자가 상기 운동 보조 장치를 착용한 상태에서, 상기 사용자의 앞발 및 뒤꿈치 사이에 위치하는 운동 보조 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 사용자의 뒤꿈치 부근에 위치하도록 상기 거리 조절 어셈블리로부터 상기 연결 링크의 반대 방향으로 연장되고, 상기 사용자가 힐 스트라이크 모션시에 지면에 접촉하기 위한 뒤꿈치 가이드를 더 포함하는 운동 보조 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 뒤꿈치 가이드는, 상기 거리 조절 어셈블리로부터 멀어질수록 상측으로 휘어지는 호(arc) 형상을 포함하는 운동 보조 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    힐 스트라이크 구간에서, 상기 뒤꿈치 가이드는 지면에 접촉하고, 상기 제 1 지지부는 지면에 접촉하지 않고,
    푸쉬 오프 구간에서, 상기 뒤꿈치 가이드는 지면에 접촉하지 않고, 상기 제 1 지지부는 지면에 접촉하는 운동 보조 장치.
  20. 제 15 항에 있어서,
    사용자의 보행 주기를 센싱하는 센싱부;
    상기 센싱부에서 센싱한 정보에 기초하여 액추에이터를 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    입각기에서 상기 액추에이터를 온(on)시키고, 유각기에서 상기 액추에이터를 오프(off)시키는 운동 보조 장치.
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