KR20180111804A - 사용자의 근력을 보조하는 모듈형 외골격 구조물 - Google Patents

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사프란 일렉트로닉스 & 디펜스
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Abstract

본 발명은 사용자의 근력을 보조하는 모듈형 외골격 구조물로, 사용자의 허리를 둘레에 배치되는 허리 벨트(11)와, 허리 벨트(11)에 고정되는 제1 배터리(12) 및 제어 유닛(13)을 포함하는 기부 모듈(1); 벨트(11)에 고정되는 제1 고정 부분으로, 힙 모듈(5)의 상보적인 제2 고정 부분을 제1 고정 부분에 스냅 결합시키는 것에 의해 힙 모듈(5)을 기부 모듈(1)에 부착시키기 위하여 제2 고정 부분과 계합되도록 설계되는 제1 부착 부분; 및 벨트(11)에 고정되는 제3 고정 부분으로 등 모듈을 기부 모듈(1)에 부착시키기 위하여 등 모듈의 상보적인 제4 부착 부분과 계합되도록 설계되는 제3 고정 부분을 포함하는 모듈형 외골격 구조물에 관한 것이다.

Description

사용자의 근력을 보조하는 모듈형 외골격 구조물
본 발명은 사용자의 근력을 보조하는 모듈형 외골격 구조물에 관한 것이다.
근력을 보조하는 외골격들은 인간 골격 구조를 복제하여 인체의 신체 능력을 향상시키는 기계적 구조물들이다.
사용자가 달성하고자 하는 태스크(task)에 따라 형상과 구조가 달라지는 여러 가지의 근력을 보조하는 외골격들이 존재한다.
일반적으로, 각각의 외골격은 하나의 매우 특정한 태스크를 달성하기 위해 사용자를 보조하도록 설계된다.
이러한 이유로, 각각의 외골격은 특정한 디자인 및 개발의 대상이고. 일반적으로 다른 외골격과 함께 사용될 수 있도록 호환되지 않는다.
본 발명의 하나의 목적은 각기 다른 용도들에 맞추어질 수 있고, 사용자 신체의 신진 대사 작용(metabolic operation)에 큰 영향을 미치지 않으면서 전기 에너지를 공급받을 수 있는 모듈형 외골격 구조물을 제안하는 데 있다.
이 목적은
사용자의 근력을 보조하는 모듈형 외골격 구조물로,
- 사용자의 허리를 둘러쌀 수 있는 허리 벨트와, 허리 벨트에 부착되는 제1 배터리 및 제어 유닛을 포함하는 기부 모듈,
- 사용자의 등에 부착될 수 있고, 제2 배터리를 포함하는 등 모듈,
- 벨트에 부착되는 제1 부착 부분으로, 힙 모듈의 상보적인 제2 부착 부분을 제1 부착 부분에 스냅 결합시키는 것에 의해 제2 부착 부분과 협동하여 힙 모듈을 기부 모듈에 부착시킬 수 있는 제1 부착 부분,
- 벨트에 부착되는 제3 부착 부분, 및
- 등 모듈에 부착되는 상보적인 제4 부착 부분을 포함하며,
등 모듈을 기부 모듈에 부착시키기 위해 제3 부착 부분이 상보적인 제4 부착 부분과 협동할 수 있고, 제3 부착 부분과 제4 부착 부분은 제4 부착 부분이 제3 부착 부분과 협동할 때 제2 배터리를 제어 유닛에 전기적으로 연결하도록 소켓 및 소켓에 플러그 결합될 수 있는 플러그를 포함하는 모듈형 외골격 구조물로 인해, 본 발명의 범위 내에서 달성된다.
부착 부분들 덕분에, 힙 모듈 및/또는 등 모듈이 기부 모듈에 신속하고 가역적으로 부착될 수 있다.
또한, 예를 들어 사용자의 하지들 둘 다를 보조하기 위한 제2 힙 모듈 또는 등 배낭 지지 모듈과 같은 다른 모듈들이 기부 모듈에 부착될 수 있다.
제안된 구조물은 또한, 기존 모듈들의 세트에 기초한, 희망하는 용도에 따른 각기 다른 조립체들의 생성, 또는 새로운 용도에 맞춰서 조립체를 완성하는 것을 허용한다.
또한, 구조물은 적어도 두 개의 가능한 구성 형태에 따라 사용될 수 있다.
하나의 가능한 구성 형태에 따르면, 등 모듈이 기부 모듈에 부착되지 않는다. (등 모듈이 없는) 이 구성 형태에서, 제1 배터리가 구조물의 액추에이터들, 특히 힙 모듈이 기부 모둘에 부착될 때 힙 모듈의 액추에이터들에 전기 에너지를 공급하기에 충분하다.
다른 구성 형태에 따르면, 등 모듈이 기부 모듈에 부착된다. 이 구성 형태에서, 등 모듈의 추가는 전기 에너지의 소비를 증가시킨다. 따라서 제2 배터리가 제1 배터리에 의해 공급되는 에너지 제공을 완성할 수 있게 한다.
제1 배터리가 허리 벨트에 부착됨에 따라, 제1 배터리는 사용자의 질량 중심 근처에 위치된다. 이는 사용자 신진 대사 작용에 약간의 영향을 미치는 신체 둘레에서의 구조물의 질량 분산을 가능하게 한다(신체에 대한 에너지 비용이 최소임).
또한, 제1 배터리의 부피가 작아질 수 있고, 이는 걸을 때 사용자의 팔의 자연적인 흔들림을 특히 방해하는 것을 방지한다.
제2 배터리는, 그 자체로서는, 제1 배터리와 함께 기부 모듈에 위치되지 않고, 등 모듈에 위치된다. 이는 사용자의 팔의 자연적인 흔들림을 방해하는 기부 모듈의 부피 증가를 방지할 수 있게 한다.
실제로, 팔 움직임의 무게 중심의 에너지에 대한 긍정적인 영향을 고려하면, 허리 둘레에 배치되는 부피가 팔의 자연적인 흔들림을 제약할 때 제2 배터리의 질량을 등 모듈에 배치할 경우 더 유리해진다.
따라서 제1 배터리를 기부 모듈에 배치하고 제2 배터리를 등 모듈에 배치하면 신체의 신진 대사 작용에 대한 영향을 최소화하도록 배터리들의 질량이 분포될 수 있다.
제안된 모듈형 외골격 구조물은 또한 다음과 같은 피처들을 구비할 수 있다.
- 구조물이 사용자의 허벅지에 부착될 수 있는 적어도 하나의 힙 모듈을 또한 포함하며, 각각의 힙 모듈이 힙 액추에이터를 포함하고, 힙 액추에이터는 고정자와, 힙의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에 기부 모듈에 대해 힙 모듈을 회전 구동시키도록 고정자에 대해 회전 구동될 수 있는 회전자를 포함하고, 제2 부착 부분이 액추에이터의 고정자에 부착됨
- 제1 부착 부분과 제2 부착 부분이 베이요넷형 부착 장치를 형성하며, 제1 부분 및 제2 부분 중 하나의 부분이 반경 방향 핀을 포함하고 제1 부분 및 제2 부분 중 다른 부분이 반경 방향 핀이 그 안에서 활주할 수 있는 곡선형 슬롯을 포함하고, 슬롯은 핀이 슬롯 내에서 슬롯의 입구로부터 슬롯의 출구까지 활주하는 것이 제1 부분에 대한 제2 부분의 병진 운동 및 회전 운동의 조합을 요구하도록 곡선을 이루며, 병진 운동은 제1 방향으로 그리고 나서 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 연속적으로 이루어짐
- 부착 장치가 또한 제2 부분이 제1 부분에 스냅 결합된 상태를 유지하도록 제2 부분을 제2 방향으로 밀어붙일 수 있는 탄성 복원 요소를 포함함
- 탄성 복원 요소가 제2 부분을 제2 방향으로 밀어붙일 때, 탄성 복원 요소는 제2 부분을 제1 부분으로부터 분리시키는 경향이 있음
- 힙 모듈이 사용자의 허벅지에 부착될 수 있는 대퇴부 부분을 포함하고, 모듈형 외골격 구조물이 또한 사용자의 종아리에 부착될 수 있는 정강이 부분 및 무릎의 굴곡 및 신장 운동 중에 정강이 부분이 대퇴부 부분에 대해 회전할 수 있게 함으로써 대퇴부 부분을 정강이 부분에 연결할 수 있는 무릎 조인트를 포함하는 적어도 하나의 무릎 모듈을 포함함
- 무릎 모듈이 대퇴부 부분의 대퇴부 세그먼트에 삽입되어 무릎 모듈을 힙 모듈에 부착시킬 수 있는 연결 바를 포함함
- 연결 바가 무릎 조인트와 힙 조인트 간의 간격을 조절할 수 있게 하도록 힙 모듈의 대퇴부 세그먼트 내부에서 활주할 수 있음
- 구조물이 사용자의 발에 부착될 수 있는 적어도 하나의 발 모듈을 또한 포함하고, 발 모듈이 정강이 부분의 정강이 세그먼트에 삽입되어 발 모듈을 무릎 모듈에 부착시킬 수 있는 연결 바를 포함함
- 제1 부분 및 제2 부분 각각이, 제2 부분이 제1 부분에 스냅 결합될 때 제1 배터리와 제어 유닛을 액추에이터에 전기적으로 연결할 수 있는 전기 접점들을 포함함
- 구조물이 사용자의 팔에 부착될 수 있는 적어도 하나의 팔꿈치 모듈을 포함함
- 구조물이 팔꿈치 모듈을 등 모듈에 연결할 수 있는 어깨 모듈을 또한 포함함.
본 발명은 또한
외골격 구조물용 등 모듈로,
사용자의 척추를 따라 연장하도록 설계되는 척추 세그먼트로, 서로 상하로 적층되는 다수의 척추 요소를 포함하는 척추 세그먼트, 및 척추 요소들을 서로 연결하는 가요성 연결 요소를 포함하며, 척추 세그먼트는 가요성 연결 요소가 척추 요소들을 서로 지지되도록 유지시키는 안정된 평형 위치를 가지며, 가요성 연결 요소는, 사용자의 등의 운동 중에, 가요성 연결 요소가 척추 요소들의 서로에 대한 변위를 허용하는 반면, 척추 세그먼트를 안정된 평형 위치로 복원시키는 경향이 있는 복원력을 인가할 정도로 탄성적이다.
이러한 등 모듈은, 더 큰 운동 자유도를 부여하면서, 사용자의 상체가 하중을 지지하는 것을 보조할 수 있다.
척추 세그먼트가 서로에 대해 지지되는 다수의 척추 요소로 형성됨으로써, 등 모듈에 인가되는 수직 하중을 전달할 수 있고 사용자의 상체의 움직임을 수용할 수 있다. 실제로, 가요성 요소는 척추 요소들의 서로에 대한 소정의 자유도를 가질 수 있게 하고, 이에 따라 척추 운동에 소정의 자유도가 부여될 수 있다.
또한, 척추 요소들의 수는 사용자의 크기에 따라 조정될 수 있는데, 이는 외골격 구조물을 사용자의 형태에 용이하게 맞출 수 있게 한다.
모듈은 또한 다음과 같은 피처들을 나타낼 수 있다.
- 안정된 평형 위치에서 척추 요소들의 요소들을 서로에 대해 지지되는 상태로 유지하도록, 가요성 연결 요소가 척추 요소들에 압축력을 인가함
- 가요성 연결 요소가 척추 요소 각각을 관통하여 척추 세그먼트 내부에서 연장하고, 가요성 연결 요소는 척추 요소들에 압축력을 인가하도록 장력을 받음
- 각각의 척추 요소가 오목부와 돌기를 구비하며, 각각의 돌기는 적층체에서 바로 위 또는 바로 아래에 위치되는 다른 척추 요소의 오목부에 수용될 수 있음
- 각각의 척추 요소가 사용자의 등의 굴곡 및/또는 반경 방향 회전 및/또는 횡방향 경사 운동을 허용하는 연결에 의해 다음 척추 요소와 연결됨
- 각각의 척추 요소가 호 형상을 가지며, 호 형상은 척추 세그먼트가 사용자의 척추를 따라 연장할 때 척추의 하측 부분을 향하는 방향으로 공동을 가짐
- 모듈이 또한, 배터리 및/또는 액추에이터 및/또는 센서를 외골격 구조물의 제어 모듈에 연결하기 위해 또는 외골격 구조물의 두 개의 제어 모듈들을 연결하기 위해, 척추 요소들 각각을 관통하여 척추 세그먼트 내부에서 연장하는 하나 이상의 전기 전송 케이블 또는 데이터 전송 케이블을 포함함
- 케이블이 신장되지 않으면서 척추 세그먼트가 변형될 수 있도록 전기 전송 케이블 또는 데이터 전송 케이블의 길이가 척추 세그먼트의 길이보다 김
- 모듈이 척추 세그먼트의 하단부에 부착되는 부착 부분을 포함하는 연결 장치를 포함하고, 부착 부분이 외골격 구조물의 등 모듈의 허리 벨트에 부착되는 상보적인 부착 부분에 부착되어 등 모듈을 기부 모듈에 부착시킬 수 있음
본 발명은 또한, 사용자의 근력을 보조하는 외골격 구조물로,
- 사용자의 허리를 둘러쌀 수 있는 허리 벨트 및 허리 벨트에 부착되는 부착 부분을 포함하는 기부 모듈, 및
- 앞에서 한정한 등 모듈로, 척추 세그먼트의 하단부에 부착되는 부착 부분을 포함하고, 등 모듈을 기부 모듈에 부착하기 위해 등 모듈의 부착 부분이 벨트의 부착 부분에 부착될 수 있는 등 모듈을 포함하며,
이에 따라, 척추 요소에 가해지는 무게가 기부 모듈로 전달되는 외골격 구조물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 기부 모듈이 제어 유닛 및 벨트에 부착되는 배터리를 포함하고, 등 모듈은 추가 배터리 및/또는 액추에이터들을 포함하며, 부착 부분들은 각각 등 모듈의 부착 부분이 기부 모듈의 부착 부분에 부착될 때 배터리와 기부 모듈의 제어 유닛을 등 모듈의 배터리 및/또는 액추에이터에 전기적으로 연결할 수 있는 전기 접점들을 포함한다.
다른 피처들 및 장점들이 또한 순전히 예시적이고 비제한적이며 첨부 도면을 참조해서 읽어야만 하는 아래의 상세한 설명에 의해 밝혀질 것이다.
도 1은 본 발명의 가능한 실시예에 따른 외골격 구조물을 장착한 사용자를 도식적으로 나타낸 전면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 가능한 제1 구성 형태에 따른 외골격 구조물을 장착한 사용자를 도식적으로 나타낸 배면도 및 측면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 가능한 제2 구성 형태에 따른 외골격 구조물을 장착한 사용자를 도식적으로 나타낸 배면도 및 측면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 가능한 제2 구성 형태에 따른 외골격 구조물을 장착한 사용자를 도식적으로 나타낸 배면도 및 측면도이다.
도 8a 및 도 8b는 힙 모듈을 기부 모듈에 연결하는 힙 조인트를 도식적으로 나타낸다.
도 9는 힙 모듈을 기부 모듈에 부착하기 위한 부착 장치를 도식적으로 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 각각 부착 장치를 잠금 해제 상태 및 잠금 상태로 도식적으로 나타낸다.
도 11은 외골격 구조물의 하부 모듈을 도식적으로 나타낸다.
도 12a 내지 도 12e는, 사용자의 보행 중의 각기 다른 단계에서, 발 모듈을 구비한 신발을 도식적으로 나타낸다.
도 13은 외골격 구조물의 상부 모듈을 도식적으로 나타낸 확대도이다.
도 14는 등 모듈을 형성하는 척추 세그먼트를 도식적으로 나타낸다.
도 15는 척추 세그먼트의 척추 요소를 도식적으로 나타낸다.
도 16 내지 도 18은 어깨 모듈을 도식적으로 나타낸다.
도 19는 어깨 모듈을 팔꿈치 모듈에 부착하기 위한 부착 장치를 도식적으로 나타낸다.
도 20 및 도 21은 배낭(backpack) 지지 모듈을 도식적으로 나타낸다.
도 22는 배낭 지지 모듈을 각각의 힙 모듈에 부착하기 위한 부착 장치를 도식적으로 나타낸다.
도 1 내지 도 7에서, 도시된 외골격 구조물은 기부 모듈(1), 등 모듈(2), 두 개의 어깨 모듈(3), 두 개의 팔꿈치 모듈(4), 두 개의 힙 모듈(5), 두 개의 무릎 모듈(6), 두 개의 발 모듈(7) 및 배낭 지지 모듈(14)을 포함한다.
도면들에 예시된 외골격 구조물은, 각기 다른 용도에 맞춰진 각기 다른 외골격 구조물들을 얻도록, 각기 다른 구성 형태들로 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 예시된 제1 구성 형태에서, 외골격은 기부 모듈(1), 등 모듈(2), 두 개의 어깨 모듈(3), 두 개의 팔꿈치 모듈(4), 두 개의 힙 모듈(5), 두 개의 무릎 모듈(6) 및 두 개의 발 모듈(7)을 조립하는 것에 의해 형성된다.
도 4 및 도 5에 예시된 제2 구성 형태에서, 외골격은 기부 모듈(1), 등 모듈(2), 두 개의 어깨 모듈(3) 및 두 개의 팔꿈치 모듈(4) 만을 조립하는 것에 의해 형성된다.
도 6 및 도 7에 예시된 제3 구성 형태에서, 외골격은 기부 모듈(1), 두 개의 힙 모듈(5), 두 개의 무릎 모듈(6), 두 개의 발 모듈(7) 및 배낭 지지 모듈(14) 만을 조립하는 것에 의해 형성된다.
이 도면들에 예시된 세 개의 예의 구성 형태는 모듈형 외골격 구조물을 각기 다르게 세 가지로 조립하는 것에 기초하여 얻어진다. 그러나 다른 구성 형태들이 물론 실현 가능할 것이다. 이러한 각기 다른 구성 형태들에서, 외골격은 하나 이상의 모듈을 서로 조립함으로써 형성된다.
도 1 내지 도 3에 예시된 것처럼, 기부 모듈(1)은 사용자의 하부 몸통을 둘러쌀 수 있는 허리 벨트(11)를 포함한다. 허리 벨트(11)는 사용자의 허리 둘레에 배치되고, 사용자의 힙 위에 지지된다. 기부 모듈(1)은 또한 구조물의 각기 다른 액추에이터들에 전기 에너지를 공급할 수 있는 제1 배터리(12) 및 각기 다른 액추에이터들을 제어하도록 프로그래밍된 제어 유닛(13)을 포함한다. 제1 배터리(12)와 제어 유닛(13)은 허리 벨트(11)에 부착된다.
등 모듈(2)은, 사용자의 등을 따라, 기부 모듈(1) 위의 사용자 상체에 부착되기에 적합하다.
팔꿈치 모듈(4)들은 사용자의 팔들, 오른팔 및 왼팔에 각각 부착되기에 적합하다.
등 모듈(2), 어깨 모듈(3)들 및 팔꿈치 모듈(4)들은, 예를 들어 사용자가 그의 상체로 반복적인 작업을 수행할 때, 사용자가 그의 상체로 발생시키는 모든 힘들을 보조하는 기능을 갖는 상부 모듈 조립체를 형성한다.
힙 모듈(5)들은 사용자의 허벅지들, 오른쪽 허벅지 및 왼쪽 허벅지에 각각 부착되기에 적합하다.
무릎 모듈(6)들은 사용자의 종아리들, 오른쪽 다리의 종아리 및 왼쪽 다리의 종아리에 각각 부착되기에 적합하다.
발 모듈(7)들은 사용자의 발들, 오른발 및 왼발에 각각 부착되기에 적합하다.
힙 모듈(5)들, 무릎 모듈(6)들 및 발 모듈(7)들은, 특히 보행할 때 또는 사용자가 하물을 옮기거나 이동시킬 때, 사용자가 그의 하체로 발생시키는 힘들을 보조하는 기능을 갖는 하부 모듈 조립체를 형성한다.
힙 모듈(5)들이 서로 대칭이라는 것을 알 것이다. 그러므로 힙 모듈(5)들은 동일하거나 유사한 부분들을 포함한다.
마찬가지로, 무릎 모듈(6)들이 서로 대칭이며, 동일하거나 유사한 부분들을 포함한다.
이는 발 모듈(7)들, 어깨 모듈(3)들 및 팔꿈치 모듈(4)들에 대해서도 동일하다.
힙 모듈
도 1 내지 도 3에 예시된 것처럼, 각각의 힙 모듈(5)이 사용자의 허벅지에 부착될 수 있는 대퇴부 부분(51), 및 힙 조인트(52)를 포함한다.
대퇴부 부분(51)은 사용자의 허벅지를 따라 연장하도록 설계된 대퇴부 세그먼트(511) 및 사용자의 허벅지를 둘러싸서 대퇴부 세그먼트(511)를 허벅지에 부착시킬 수 있는 부착 스트랩(512)들을 포함한다.
각각의 힙 모듈(5)은 각각의 힙 조인트(52)를 통해 기부 모듈(1)에 연결된다. 정확하게는, 힙 조인트(52)는 힙 모듈(5)의 대퇴부 부분(51)이 기부 모듈(1)의 벨트(11)에 연결되게 한다.
힙 조인트
도 8a 및 도 8b에 예시된 것처럼, 힙 조인트(52)는 사용자의 힙의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에 사용자를 보조하게 되는 힙 액추에이터(512)를 포함한다. 액추에이터(512)는 고정자(522)와, 힙의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에 기부 모듈(1)에 대해 힙 모듈(5)을 회전 구동시키도록 고정자(522)에 전기 에너지가 공급될 때 고정자(522)에 대해 회전 구동될 수 있는 회전자(523)를 포함한다.
힙 조인트(52)는 또한 사용자가 앉은 자세 또는 쪼그려 앉은 자세로부터 일어설 때 회전자(523)를 보조하는 탄성 복원력을 인가하도록 배치되는 탄성 복원 요소(524)도 포함한다. 탄성 복원 요소(524)는 고정자(522)와 회전자(523) 사이에 구비되는 안내홈(525)에서, 고정자(522)와 회전자(523) 사이에 배치되는 예압 스프링(pre-loaded spring)을 포함할 수 있다.
더 정확하게는, 탄성 복원 요소(524)는,
- 사용자가 걷거나 달릴 때 회전자(523)(도 8a)가 위치되는 각도 범위에 상응하는, 고정자(522)에 대한 회전자(523)의 제1 운동 각도 범위(α1)에서, 탄성 복원 요소(524)가 회전자(523)에 어떠한 복원력도 인가하지 않고, 그리고
- 사용자가 앉거나 혹은 쪼그려 앉을 때(도 8b) 회전자(523)가 위치되는 각도 범위에 상응하는, 고정자(522)에 대한 회전자(523)의 제2 운동 각도 범위(α2)에서, 탄성 복원 요소(524)가 회전자(523)에 복원력을 인가하도록
배치된다.
이를 위해, 힙 조인트(52)가 회전자(523) 위에 고정적으로 장착되는 태핏(526)을 포함하는데, 태핏(526)은 회전자(523)가 제2 각도 범위(α2)에 위치될 때에만 탄성 요소(535)를 압축 상태로 장전할 수 있다.
이 제2 범위에서, 탄성 요소(524)에 의해 인가되는 복원력은 제1 방향(화살표 A)으로의 고정자(522)에 대한 회전자(523)의 회전을 방해하고, 제1 회전 방향과 반대인 제2 방향(화살표 B)으로의 고정자(522)에 대한 회전자(523)의 회전을 보조하는 경향이 있다.
제1 회전 방향(화살표 A)은 사용자가 상체에 대해 허벅지를 구부릴 때(사용자가 앉거나 쪼그릴 때) 고정자(522)에 대한 회전자(523)의 회전 방향이다.
제2 회전 방향(화살표 B)은 사용자가 상체에 대해 허벅지를 신장시킬 때(사용자가 앉거나 쪼그린 후에 일어설 때) 고정자(522)에 대한 회전자(523)의 회전 방향이다.
다르게 말하면, 회전자(523)가 제2 각도 범위(α2)에 위치될 때 탄성 복원 요소(524)가 힙의 굴곡 운동 중에 기부 모듈(1)에 대한 힙 모듈(5)의 회전을 방해하고 힙의 신장 운동 중에 기부 모듈(1)에 대한 힙 모듈(5)의 회전을 보조하는 경향이 있는 복원력을 회전자(523)에 인가한다.
제1 각도 범위(α1)는 예를 들어 사용자의 전두면(frontal plane)(PF)에 대해 +60도 내지 -15도 사이의 힙의 굴곡 운동 또는 신장 운동에 상응한다.
제2 각도 범위(α2)는 사용자의 전두면(PF)에 대해 +90도를 초과하는 힙의 굴곡 운동 또는 신장 운동에 상응한다.
따라서, 액추에이터 회전자의 제1 운동 각도 범위(α1)에서 사용자는 액추에이터(521)를 통한 능동적인 보조의 이득을 누리고, 액추에이터 회전자의 제2 운동 각도 범위(α2)에서 사용자는 탄성 복원 요소(524)를 통한 수동적인 보조의 전적이거나 혹은 보조적인 이득을 누린다.
이런 방법으로, 제2 운동 각도 범위에서는 액추에이터(521)에 전달되는 전력이 제한된다.
탄성 요소(524)는 스프링이 예압 상태로 유지될 수 있게 하는 받침에 지지될 수 있다. 위에서 정해진 각도 범위를 수정할 수 있도록, 고정자에 대한 받침의 위치는 예를 들어 스크루를 이용하여 조정 가능하다.
힙 모듈을 기부 모듈에 부착하기 위한 장치
외골격 구조물은 또한 힙 모듈(5)이 기부 모듈(1)에 부착되게 하는 부착 장치(8)를 포함한다.
도 9, 도 10a 및 도 10b는 부착 장치(8)를 도식적으로 나타낸다. 이 도면들에 예시된 실시예에서, 부착 장치(8)는 이른바 "베이요넷형(bayonet type)" 부착 장치이다. 부착 장치(8)는 힙 모듈(5)이 기부 모듈(1)로부터 분리되어 있는 잠금 해제 상태(도 10a)로부터 힙 모듈(5)이 기부 모듈(1)에 부착되어 있는 잠금 상태(도 10b)로 이동할 수 있다.
부착 장치(8)는 기부 모듈(1)에 고정적으로 장착되는 제1 부분(81)과 힙 모듈(5)에 고정적으로 장착되는 제2 부분(82)을 포함한다. 정확하게는, 제1 부분은 벨트(11)에 부착된다. 제2 부분은 액추에이터(521)의 고정자(522)에 부착된다.
힙 모듈(5)의 기부 모듈(1)에 대한 가역적 부착을 허용하도록 제2 부분(82)은 제1 부분(81)에 스냅 결합될 수 있다.
제1 부분(81)은 삽입 개구(812)를 구비하고 또한 회전 실린더 형상의 내부 안내면(813)을 구비하는 본체(811)를 포함한다. 본체(811)는 삽입 개구(812)를 획정하는 원형의 자유 가장자리(814)를 구비한다. 제1 부분(81)은 직경 방향으로 서로 반대 위치들에서 본체(812)에 형성되는 두 개의 슬롯(815)을 포함한다. 각각의 슬롯(815)은 제1 부분(81)의 자유 가장자리(814)로부터 연장하고 단부(816)를 구비한다. 또한, 각각의 슬롯(815)은 U자(또는 헤어핀) 형상을 가지며, 두 개의 직선부(817, 819) 및 곡선부(818)를 포함한다. 제1 직선부(817)는 입구로부터의 자유 가장자리로부터 곡선부(818)까지의 슬롯(815)까지 내부 안내면(813)의 축선(X)과 평행한 방향으로 연장한다. 곡선부(818)는 제1 직선부(817)로부터 제2 직선부(819)까지 연장하여 만곡부를 형성한다. 제2 직선부(819)는 곡선부로부터 단부(816)까지 연장한다. 따라서 부분들은 제1 부분(81)의 본체(811)에 보스(boss)(831)를 형성한다.
제2 부분(82)은 회전 실린더 형상의 외부 안내면(823)을 구비하는 본체(821)를 포함한다. 제2 부분(82)은 개구(812)를 통해 제1 부분(81)에 삽입될 수 있다. 제2 부분(82)의 제1 부분(81)에 의해 삽입은 서로 접촉하는 원통면들(813, 823)에 의해 안내된다. 제2 부분(82)은 직경 방향으로 서로 반대 위치들에 위치되고 외부면(823)을 향해 돌출하는 두 개의 반경 방향 핀(825)을 포함한다. 반경 방향 핀(825)들은 제2 부분(82)이 제1 부분(81)에 삽입될 때 제1 부분(81)의 슬롯(815)들에 계합될 수 있다.
제1 부분(81)은 삽입 방향에 상응하는 축선(X)과 평행한 제1 방향(화살표 C)으로 제2 부분에 삽입될 수 있다.
부착 장치(8)는 또한 제2 부분(82)에 제1 방향과 반대인 제2 방향(화살표 D)으로 하중을 가할 수 있는, 스프링의 형태로 된, 탄성 복원 요소(83)를 포함한다. 따라서 탄성 요소(83)는 제2 부분(82)의 제1 부분(81)에의 삽입을 방해하는 경향이 있다.
잠금 해제 위치(도 10a)에서, 제2 부분(82)은 제1 부분(81)으로부터 계합 분리되어 있다.
잠금 위치(도 10b)에서, 제2 부분(82)은 제1 부분(81)과 계합되어 있다.
부착 장치(8)의 잠금은 제2 부분(82)을 삽입 개구(812)를 통해 제1 부분(81)에 삽입하는 것에 의해 달성된다. 이러한 삽입 중에, 각각의 핀(825)이 각각의 슬롯(815)에 도입된다.
제2 부분(82)은 각각의 핀(825)이 핀을 수용하는 슬롯(815)에 활주해 들어가게 하도록 제1 부분(81)에 대해 움직인다. 슬롯(815)의 형상으로 인해, 슬롯(815)의 입구로부터 슬롯(815)의 단부까지의 핀(825)의 활주에는, 제2 부분(82)의 제1 부분에 대한, 축선(X)과 평행한 병진 운동 및 축선(X) 둘레의 회전 운동의 조합이 필요하다. 제2 부분(82)은 먼저 탄성 요소(83)에 의해 인가되는 복원력에 대항하여 제1 방향(삽입 방향)으로 제1 부분(81)에 대해 병진된다. 그런 다음, 제2 부분(82)은 축선(X) 둘레로 제1 부분(81)에 대해 회전되면서, 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 병진된다.
핀(825)이 슬롯(815)의 단부(816)에 위치되고 나면, 제2 부분(86)은 재1 부분(81)에 대해 회전하는 것이 보스(831)에 의해 방지된다. 또한, 탄성 요소(83)가 제2 부분(82)에 제2 방향으로 하중을 가하고, 이는 핀(825)을 슬롯(815)의 단부(816)에 접촉된 상태로 유지시키는 효과를 갖는다. 탄성 요소(83)와 보스(831)는 슬롯(815) 내의 핀(825)을 막아서 핀(815)이 슬롯(825)으로부터 계합 분리되는 것을 방지한다.
이러한 방법으로, 제2 부분(82)이 제1 부분(81)에 스냅 결합된 상태로 유지된다. 제2 부분(82)의 스냅 결합 해제는 작업을 거꾸로 수행하는 것, 즉 각각의 핀(815)을 슬롯(815)의 단부(816)로부터 슬롯(815)의 입구까지 역경로를 따라 활주시키는 것에 의해 달성된다. 핀(815)을 슬롯(815)의 단부(816)로부터 슬롯(815)의 입구까지 활주시키는 것은 다시 제2 부분(82)의 제1 부분에 대한 병진 운동 및 회전 운동의 조합을 필요로 한다. 제2 부분(82)이 먼저, 축선(X) 둘레로 제1 부분(81)에 대해 역회전되면서, 탄성 요소(83)에 의해 인가되는 복원력에 대항하여 제1 방향(삽입 방향)으로 병진된다. 그런 다음, 제2 부분(82)이 제2 방향으로 제1 부분(81)에 대해 병진된다.
또한, 제1 부분(81)과 제2 부분(82)은 각각 제2 부분(82)이 제1 부분(81)에 잠금 상태로 있을 때 기부 모듈(1)의 제1 배터리(12)와 제어 유닛(13)을 액추에이터에 전기적으로 연결하는 전기 접점들을 포함한다.
무릎 모듈
도 3에 예시된 것처럼, 각각의 무릎 모듈(6)은 연결 바(61), 무릎 조인트(62) 및 사용자의 종아리에 부착될 수 있는 정강이 부분(tibial portion)(63)을 포함한다.
연결 바(61)는 무릎 모듈(6)을 힙 모듈(5)에 부착하면서도 힙 조인트(52)와 무릎 조인트(62) 간의 간격을 조절할 수 있게 하도록 힙 모듈(5)의 대퇴부 세그먼트(511) 내부에서 활주할 수 있다. 세트 스크루(set screw)가 연결 바(61)를 대퇴부 세그먼트(511)에 대해 고정시킨다.
정강이 부분(63)은 사용자의 종아리를 따라 연장하도록 설계된 정강이 세그먼트(631) 및 사용자의 다리(shaft)를 둘러싸서 세그먼트(631)를 종아리에 부착시킬 수 있는 부착 스트랩(632)들을 포함한다.
무릎 모듈(6)이 힙 모듈(5)에 부착되고 나면, 정강이 부분(63)이 대퇴부 부분(51)에 무릎 조인트(62)를 통해 연결된다. 무릎 조인트(62)는 (사용자 무릎의 굴곡 또는 신장에 상응하는) 사용자의 정중면(sagittal plane)과 평행한 평면에서 정강이 부분(63)이 대퇴부 부분(51)에 대해 회전될 수 있게 한다.
무릎 조인트(62)는 무릎의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에 사용자를 보조할 수 있는 액추에이터를 포함할 수 있다.
무릎 조인트(62)의 액추에이터는 도 8a 및 도 8b에 예시된 힙 조인트의 액추에이터(521)와 동일할 수 있다. 특히, 액추에이터는 고정자, 무릎의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에 무릎 모듈을 힙 모듈에 대해 회전 구동시키도록 고정자에 대해 회전 구동될 수 있는 회전자, 및 사용자가 앉은 자세 또는 쪼그려 앉은 자세로부터 일어설 때 액추에이터를 보조하는 탄성 복원력을 인가하도록 배치되는 탄성 복원 요소를 포함할 수 있다. 탄성 복원 요소는 고정자와 회전자 사이에 구비되는 안내홈에서, 고정자와 회전자 사이에 배치되는 예압 스프링을 포함할 수 있다.
그러나, 무릎 조인트 액추에이터의 경우, 각도 범위가 다르다. 제1 각도 범위(α1)는 예를 들어 사용자의 전두면(PF)에 대해 +15도 내지 -60도 사이의 무릎의 굴곡 운동 또는 신장 운동에 상응한다. 제2 각도 범위(α2)는 사용자의 전두면(PF)에 대해 -60도 미만인 무릎의 굴곡 운동 또는 신장 운동에 상응한다.
각도 범위들의 조정은 스프링이 가압되는 받침의 고정자에 대한 위치를 수정하는 것에 의해 달성된다.
발 모듈
도 3에 예시된 것처럼, 발 모듈(7)은 무릎 모듈(6)에 부착된다.
발 모듈(7)은 연결 바(71), 발목 조인트(72) 및 사용자의 발에 부착될 수 있는 발 부분(73)을 포함한다.
연결 바(71)는 발 모듈(7)을 무릎 모듈(6)에 부착하면서도 무릎 조인트(62)와 발목 조인트(72) 간의 간격을 조절할 수 있게 하도록 무릎 모듈(6)의 정강이 세그먼트(631) 내부에서 활주할 수 있다. 세트 스크루가 연결 바(71)를 정강이 세그먼트(631)에 대해 고정시킨다.
도 11에 예시된 것처럼, 발 부분(73)은 제1 세그먼트(731), 제1 지지 플레이트(732), 제2 세그먼트(733), 제3 세그먼트(734) 및 제2 지지 플레이트(735)를 포함한다.
발목 조인트(72)는 사용자 발목의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에, 회내(pronation) 운동 또는 회외(supination) 운동 중에 그리고 외번(eversion) 운동 또는 내번(inversion) 운동 중에 발 모듈(7)이 무릎 모듈(6)에 대해 회전할 수 있게 한다.
발목 조인트(72)는 제1 프레임(721), 사용자의 발의 종아리에 대한 회전 운동 중에 제1 프레임(721)에 대해 돌 수 있는 제2 프레임(722), 및 프레임들(721, 722) 사이에 배치되는 탄성 요소(723)를 포함한다.
제1 프레임(721)은 발 모듈(7)의 연결 바(71)에 고정적으로 장착되고, 제2 프레임(722)은 발 부분(73)의 제1 세그먼트(731)에 고정적으로 장착된다.
탄성 요소(723)는 제1 프레임(721)과 제2 프레임(722) 사이에서 사전 압축되는, 탄성 중합체 소재로 형성된 링을 포함한다. 탄성 요소(723)는 제1 프레임(721)에 대한 제2 프레임(722)의 상대 회전을 방해하는 복원력을 인가할 수 있다.
제1 세그먼트(731)는 발목 조인트(72)를 제1 지지 플레이트(732)에 연결한다. 정확하게는, 제1 세그먼트(731)가 제2 프레임(722)에 부착되는 제1 단부 및 제1 지지 플레이트(732)에 부착되는 제2 단부를 구비한다.
제2 세그먼트(733)와 제3 세그먼트(734)는 제1 지지 플레이트와 제2 지지 플레이트 사이에 각도를 형성하면서 제1 지지 플레이트(732)를 제2 지지 플레이트(735)에 연결한다.
제2 지지 플레이트(735)는 지면과 접촉하도록 설계된 저면에 예를 들어 홈이 있는 고무로 만들어진 미끄럼 방지 코팅을 구비할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d에서, 발 모듈(7)은 예를 들어 "레인저(ranger)" 또는 "군화(combat boot)" 유형의 부츠(9)와 함께 사용된다. 부츠(9)는 최대 40Kg일 수 있는, 부츠(9)의 상부에 가해지는 부하를 지지하도록 설계된다. 부츠(9)는 또한 발의 전방을 보호하는 쉘 및/또는 금속으로 만들어지는 보강 요소를 포함할 수 있다.
도 12a에 도시된 것처럼, 제1 지지 플레이트(732)는 사용자의 부츠(9)의 상부를 지지하도록 설계된다.
제2 지지 플레이트(735)는 사용자가 지면(S)에 서 있을 때 지면에 지지되도록 설계된다. 제2 지지 플레이트(735)는 힐(heel)(93)과 포어풋(forefoot)(94) 사이에 형성되는 오목부(92)에서 사용자 부츠(9)의 솔(sole) 아래에 배치되도록 배열된다.
제1 세그먼트(731)와 제2 세그먼트(733)는 V자형 스프링을 형성한다. 스프링은 부츠(9)의 솔(91)이 지면과 접촉될 때 압축될 수 있고(세그먼트들(731, 733)이 서로 가까워짐), 부츠(9)의 솔(91)이 지면과 접촉되지 않을 때 확장될 수 있다(세그먼트들(731, 733)이 서로 멀어짐).
제2 세그먼트(733)와 제3 세그먼트(734)는 발목 조인트(72) 아래에 위치되는 각도로 서로 연결된다. 정확하게는, 사용자가 서 있는 자세일 때 발목 조인트(72)의 회전 중심을 통과하는 수직 축선(V)이 두 세그먼트(733, 734)와 교차한다. 발목 조인트(72)에 대한 세그먼트들(733, 734)의 이 위치는 발 부분(73)의 하향 변형이 발생될 수 있게 하고, 이에 따라 발 부분(73)이 부츠(9)의 앞부분을 가압하여 부츠의 앞부분을 들어 올리지 않는 경향이 있는 것을 보장한다.
도 12a 내지 도 12e는 사용자의 보행 사이클의 각기 다른 단계를 예시한다.
도 12a에서, 부츠(9)의 솔(91)은 지면(S)과 접촉된다. 이 단계 중에, 제2 지지 플레이트(735)가 지면(S)과 접촉된다. 세그먼트들(731, 733)에 의해 형성되는 스프링은 발 모듈(7)에 인가되는 무게가 제2 지지 플레이트(735)를 통해 지면(S)으로 전달되도록 압축된다.
도 12b에서, 부츠(9)의 힐(93)이 지면으로부터 떨어진다. 이 단계 중에, 세그먼트들(731, 733)에 의해 형성되는 스프링이 확장된다. 스프링이 확장됨에 따라, 스프링은 발 모듈(7)에 사용자가 발을 들어 올리는 것을 보조하는 상향 복원력(F)을 인가한다.
도 12c에서, 부츠(9)의 솔(91)의 앞부분(94)만 지면(S)과 접촉된다. 세그먼트들(731, 733)에 의해 형성되는 스프링은 확장된다. 그러면 발 모듈(7)에 인가되는 무게가 제1 지지 플레이트(732)를 통해 부츠(9)로 전달된다. 부츠(9)가 지면과 접촉되어 있는 동안, 무게는 부츠(9)를 통해 지면으로 전달된다.
도 12d에서, 발이 지면(S)으로부터 들어 올려지고 나면, 무게가 주로 외골격 구조물의 다른 발 모듈(7)에 인가된다.
도 12e에서, 사용자는 다시 힐(93)을 지면(S)에 놓는다. 이 단계 중에, 제2 지지 플레이트(735)가 다시 지면(S)과 접촉되고, 이는 세그먼트들(731, 733)들에 의해 형성되는 스프링을 압축하는 효과를 나타낸다. 세그먼트들(731, 733)들에 의해 형성되는 스프링은 발 모듈에 인가되는 무게가 제2 지지 플레이트(735)를 통해 지면(S)으로 전달될 때까지 압축된다.
발 모듈(7)은 외골격에 인가되는 부하가 지면(S)으로 전달되게 하는데, 보행 중일 때, 부하는 제2 지지 플레이트(735)를 통해 그리고 나서 제1 지지 플레이트(732) 및 사용자의 부츠(9)를 통해 성공적으로 지면에 전달된다.
발 모듈(7)은 부츠를 개조할 필요 없이 군에서 현재 사용 중인 부츠에 맞추어질 수 있다. 발 모듈(7)은 표준 부츠에 사용될 수 있고 부츠의 개조나 맞춤을 요구하지 않는다.
발 모듈(7)은 또한 보행 단계 도중을 포함하여 사용자가 짊어진 부하가 지면으로 전달되게 하고, 이는 임의의 유형의 지형에도 적용된다.
등 모듈
도 13은 등 모듈(2)을 도식적으로 나타낸 확대도이다.
등 모듈(2)은 척추 세그먼트(21), 등받이(22) 및 등받이(22)가 사용자의 등에 부착되게 하는 스트랩(23)들을 포함한다.
척추 세그먼트(21)는 등 모듈(2)이 사용자의 등에 부착될 때 사용자의 척추를 따라 연장한다. 정확하게는, 척추 세그먼트(21)는 기부 모듈(1)의 벨트(11)와 등받이(22) 사이에서 연장한다.
등받이(22)는 케이싱(221) 및 케이싱(221)에 수납되는 제2 배터리(222)를 포함한다.
각각의 어깨 모듈(3)이 등 모듈(2)에 연결될 수 있다.
외골격 구조물은 또한 등 모듈(2)이 기부 모듈(1)에 부착되게 하는 부착 장치(24)를 포함한다.
부착 장치(24)는 기부 모듈(1)에 고정적으로 장착되는 제3 부분(241) 및 등 모듈(2)에 고정적으로 부착되는 제4 부분(242)을 포함한다. 정확하게는, 제3 부분(241)은 벨트(11)에 부착된다. 제4 부분(242)은 척추 세그먼트(21)의 하단부에 부착된다.
제4 부분(242)은 예를 들어 스크루들을 이용하여 제3 부분(241)에 부착됨으로써 등 모듈(2)을 기부 모듈(1)에 부착할 수 있다.
더욱이, 제3 부분(241)과 제4 부분(242)은 소켓 및 플러그를 포함하며, 플러그는 제4 부분(242)이 제3 부분(241)에 부착될 때 소켓에 플러그 결합되어 등 모듈(2)의 제2 배터리(222)를 기부 모듈(1)의 제어 유닛(13)에 전기적으로 연결할 수 있다.
척추 세그먼트
도 14는 척추 세그먼트(21)를 보다 정확하게 예시하고 있다. 척추 세그먼트(21)는 서로 상하로 적층되는 다수의 척추 요소(211)를 포함한다.
척추 요소(211)의 수는 사용자의 신체 크기에 따라 조정될 수 있고, 이는 외골격 구조물을 사용자의 신체 형태에 용이하게 맞출 수 있게 한다.
대안적으로 또는 보조적으로, 등 모듈(22)의 조정이 가능하도록 등받이(22)가 척추 세그먼트(21)를 따라 활주 가능하게 장착될 수 있다.
척추 요소(211)들은 예를 들어 탄소 섬유가 충전된 에폭시 중합체에 기초한 복합 소재와 같은 강성, 경량의 소재로 형성될 수 있다.
척추 세그먼트(21)는 또한 척추 요소(211)가 서로 연결되게 하는 하나 이상의 가요성 연결 요소(212)를 포함한다.
도 14에 예시된 예에서, 각각의 가요성 연결 요소(212)는 척추 요소(211)들 각각을 관통하여 적층체 내부에서 연장한다. 그러나, 변형예로, 척추 세그먼트(21)는 척추 요소(211)들을 완전히 둘러싸는 가요성 튜브형 시스(flexible tubular sheath)의 형태로 된 가요성 연결 요소를 포함할 수 있다.
도 14에 예시된 예에서, 각각의 가요성 연결 요소(212)는 케이블 또는 탄성 끈과 같은 세장형 요소이다.
각각의 가요성 연결 요소(212)는 등받이(22)의 케이싱(221)에 연결되는 제1 단부와 제4 부착 부분(242)에 연결되는 제2 단부를 포함한다.
각각의 가요성 연결 요소(212)는 척추 요소(211)들에 종방향 압축력을 인가하도록 척추 요소(211)들 내부에서 장력을 받고 있다. 압축력은 척추 요소(211)들이 서로 압박되게 하는 효과가 있다.
이런 방법으로, 척추 세그먼트(21)가 안정된 평형 자세를 갖는다.
그러나, 탄성으로 인해, 가요성 연결 요소(212)들은 사용자의 등의 움직임(등의 굴곡 운동 및/또는 반경 방향 회전 운동 그리고/또는 횡방향 기울임) 중에 척추 세그먼트(21)가 변형되는 것을 허용하는 한편, 척추 세그먼트(21)를 안정된 평형 자세로 복원시키는 복원력을 척추 요소(211)들에 인가한다.
도 15에 예시된 것처럼, 각각의 척추 요소(211)는 척추 세그먼트(21)가 사용자의 척추를 따라 연장하고 사용자가 서 있을 때 척추의 바닥을 향하는 방향으로 공동을 갖는 호 형상의 본체(213)를 포함한다.
각각의 척추 요소(211)는 오목부(214)와 돌기(215)를 구비하며, 각각의 돌기(215)는 적층체에서 바로 위 또는 바로 아래에 위치되는 다른 척추 요소(211)의 오목부(214)에 수용될 수 있다.
따라서 각각의 척추 요소(211)는 돌기(215)를 오목부(214)에 소켓 방식으로 끼우는 것에 의해 다음 척추 요소와 연결된다. 오목부(214)와 돌기(215)는 척추 요소(211)의 다음 척추 요소에 대한 횡방향 경사 운동을 허용하는 형상들을 가진다. 따라서 오목부(214)와 돌기(215)는 사용자의 몸통의 횡방향 경사를 허용하는 두 척추 요소(211)들 간의 연결부를 형성한다.
또한, 각각의 척추 요소(211)는 가요성 연결 요소(212)들의 통과를 위해 그리고 전기 전송 케이블(224)의 통과를 위해 본체(213) 내부에 구비되는 채널들(221, 223)을 구비한다.
등 모듈(2)은 또한, 등 모듈(2)의 제2 배터리(222)와 액추에이터들 또는 센서들을 기부 모듈(1)의 제어 유닛(13)에 연결하기 위하여, 척추 요소(211)들 각각을 통해 척추 세그먼트 내부에서 연장하는 하나 이상의 전기 전송 케이블 또는 데이터 전송 케이블(224)을 포함한다.
케이블(들)의 손상 위험 없이 척추 세그먼트(21)의 변형을 허용하도록 전기 전송 케이블(224)(들)이 척추 세그먼트(21)의 길이보다 긴 길이를 갖는다는 것을 알아야 한다.
척추 세그먼트(21)는 등 모듈(2)에 인가되는 수직 하중을 전달하는 한편 소정 자유도의 사용자 척추 운동을 허용한다.
팔꿈치 모듈
도 1 내지 도 5 및 도 13에 예시된 것처럼, 각각의 팔꿈치 모듈(4)은 사용자의 팔에 부착될 수 있는 상완부 부분(41), 팔꿈치 조인트(42) 및 사용자의 팔뚝에 부착될 수 있는 요골 부분(43)을 포함한다.
상완부 부분(41)은 사용자의 팔을 따라 연장할 수 있는 상완부 세그먼트(411) 및 사용자의 팔을 둘러싸서 상완부 세그먼트(411)를 팔에 부착할 수 있는 부착 스트랩(412)들을 포함한다.
요골 부분(43)은 사용자의 팔뚝을 따라 연장할 수 있는 요골 세그먼트(431) 및 사용자의 팔뚝을 둘러싸서 요골 부분(431)을 팔뚝에 부착할 수 있는 부착 스트랩(432)들을 포함한다.
요골 부분(43)은 팔꿈치 조인트(42)를 통해 상완부 부분(41)에 연결된다. 팔꿈치 조인트(42)는 사용자의 굴곡 운동 또는 신장 운동에 상응하는 상완부 부분(41)에 대한 요골 부분(43)의 회전을 허용한다. 팔꿈치 조인트(42)는 또한 팔꿈치의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에 사용자를 보조하는 팔꿈치 액추에이터를 포함할 수 있다.
어깨 모듈
도 16 내지 도 18은 어깨 모듈(3)을 도식적으로 나타낸다.
각각의 어깨 모듈(3)은 팔꿈치 모듈(4)을 등 모듈(2)에 연결할 수 있다.
어깨 모듈(3)은 등 모듈(2)에 대한 팔꿈치 모듈(4)의 3자유도에 따른 운동, 즉
- 어깨의 외전(abduction) 또는 내전(adduction) 축선과 평행한 제1 축선 둘레의 팔꿈치 모듈(4)의 회전,
- 어깨의 외부 또는 내부 축선과 평행한 제2 축선 둘레의 팔꿈치 모듈의 회전,
- 어깨의 굴곡 또는 신장 축선과 평행한 제3 축선 둘레의 팔꿈치 모듈의 회전을 허용한다.
어깨 모듈(3)은 제1 피벗(31), 4-바 메커니즘(32), 제2 피벗(33), 제1 연결부(34), 제3 피벗(35), 제2 연결부(36), 제4 피벗(37), 제3 연결부(38), 제5 피벗(39) 및 제3 연결부(310)를 포함한다.
4-바 메커니즘(32)은 제1 바(321), 제2 바(322), 제2 바(322)를 제1 바(321)에 연결하는 제1 조인트(325), 제3 바(323), 제3 바(323)를 제2 바(322)에 연결하는 제2 조인트(326), 제4 바(324), 제4 바(324)를 제3 바(323)에 연결하는 제3 조인트(327) 및 제4 바(324)를 제1 바(321)에 연결하는 제4 조인트(328)를 포함한다.
4개의 바(321 내지 324)는 사용자의 관상면(coronal plane)과 평행한 평면에 변경 가능한 평행사변형을 형성하도록 4개의 조인트(325 내지 328)에 의해 서로 연결된다. 4-바 메커니즘(32)은 또한 4개의 바(321 내지 324)에 어깨 모듈(3)에 인가되는 중력으로 인한 평행사변형의 변형을 방해하는 경향이 있는 복원력을 생성하도록 평행사변형의 대각선을 따라 연장하고 제1 조인트(325)를 제3 조인트(327)에 연결하는 탄성 요소(329)를 포함한다. 탄성 복원 요소(329)는 단부들 중 하나의 단부가 제1 조인트(325)에 연결되고 다른 단부가 제3 조인트(327)에 연결되는 인장 스프링이다.
제1 바(321)는 제1 피벗 연결부(31)에 의해 등받이(22)의 케이싱(221)에 대해 실질적으로 수직 축선 둘레로 회전 가능하게 장착된다.
마찬가지로, 제3 바(323)는 제2 피벗(33)에 의해 제1 연결부(34)에 대해 실질적으로 수직 축선 둘레로 회전 가능하게 장착된다.
제2 연결부(36)는 제3 피벗(35)에 의해 제1 연결부(34)에 대해 회전 가능하게 장착된다. 제3 피벗(35)은 액추에이터를 포함한다.
액추에이터는 고정자 및 제1 회전 축선 둘레로 고정자에 대해 회전 구동될 수 있는 회전자를 포함하며, 제1 회전 축선은 제2 피벗(33)과 직교한다. 액추에이터는 어깨의 외전 또는 내전 운동 중에 사용자를 보조할 수 있다. 이를 위해, 제1 회전 축선(X1)은 어깨의 외전 또는 내전 축선과 평행하다.
제3 연결부(38)는 제4 피벗(37)에 의해 제2 연결부(36)에 연결된다. 제4 피벗(37)은 제3 연결부(38)가 제2 연결부(36)에 대해 사용자의 팔의 외부 회전 또는 내부 회전 운동에 상응하는 제2 회전 축선(X2) 둘레로 회전되게 한다.
제4 연결부(310)는 제5 피벗(39)에 의해 제3 연결부에 대해 회전 장착된다. 제5 피벗(38)은 제4 연결부(310)가 제3 연결부(38)에 대해 제3 회전 축선(X3) 둘레로 회전하게 한다. 제5 피벗(39)은 액추에이터를 포함한다.
액추에이터는 고정자 및 제3 회전 축선(X3) 둘레로 고정자에 대해 회전 구동될 수 있는 회전자를 포함하며, 제3 회전 축선(X3)은 제4 피벗(37)의 축선과 직교한다. 액추에이터는 어깨의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에 사용자를 보조할 수 있다. 이를 위해, 제3 회전 축선(X3)은 어깨의 굴곡 또는 신장 축선과 평행하다.
제3 피벗(35)의 제1 회전 축선(X1)은 제4 피벗(37)의 제2 회전 축선(X2)과 교차하고, 그것과 직교한다. 마찬가지로, 제5 피벗(39)의 제3 회전 축선(X3)은 제4 피벗의 제2 회전 축선(X2)과 교차하고, 그것과 직교한다. 그러나 제1 회전 축선(X1)과 제3 회전 축선(X3)은 서로 구별되는 지점에서 제2 회전 축선(X2)과 교차한다.
사용자의 팔이 정지되어 있을 때(즉, 서 있는 자세에서 팔이 사용자의 신체를 따라 연장할 때), 제4 피벗의 제2 회전 축선(X2)은 제2 피벗(33)의 회전 축선과 평행하다. 더욱이, 제3 회전 축선(X3)은 제3 피벗(35)의 제1 회전 축선(X1)과 그리고 제4 피벗의 제2 회전 축선(X2)과 직교한다.
도 17에 예시된 것처럼, 제3 연결부(38)가 제1 활주부(383)에 의해 서로에 대해 활주 가능하게 장착되는 두 개의 부분(381, 382)을 포함한다. 부분들(381, 382)의 서로에 대한 활주는 사용자 어깨의 외전 또는 내전 운동 중에 제3 연결부(38)가 짧아지거나 혹은 길어지게 한다. 제1 활주부(383)는 부분들(381, 382)이 서로에 대해 분리되고 이에 따라 제3 연결부(38)가 신장되는 것을 방해하는 경향이 있는 제1 탄성 복원 요소(384)를 포함한다. 그러므로 제1 탄성 복원 요소(384)는 인장 스프링이다.
도 18에 예시된 것처럼, 제4 연결부(310)는 제2 활주부(3103)에 의해 서로에 대해 활주 가능하게 장착되는 두 개의 부분(3101, 3102)을 포함한다. 부분들(3101, 3102)의 서로에 대한 활주는 팔꿈치의 굴곡 또는 신장을 일으키는 사용자의 팔뚝의 팔에 대한 회전 중에 제4 연결부(310)가 짧아지거나 혹은 길어지게 한다. 제2 활주부(3103)는 부분들(3101, 3102)이 서로에 대해 분리되고 이에 따라 제4 연결부(310)가 신장되는 것을 방해하는 경향이 있는 제2 탄성 복원 요소(3104)를 포함한다. 제2 탄성 복원 요소(3104)는 인장 스프링이다.
어깨 모듈(3)의 회전 축선들(X1, X2, X3)이 사용자 어깨의 관절 복합체의 실제 회전 축선들과 일치하지 않음에 따라, 두 활주부(383, 3103)는 회전 축선들의 오프셋을 보상하도록 제3 연결부(38)의 길이 및 제4 연결부(310)의 길이가 변할 수 있게 한다.
제4 연결부(310)는 부착 장치(10)에 의해 팔꿈치 모듈의 팔꿈치 조인트(42)에 연결된다.
어깨 모듈을 팔꿈치 모듈에 부착하기 위한 장치
외골격 구조물은 두 개의 부착 장치(10)를 포함하며, 각각의 부착 장치(10)는 어깨 모듈(3)이 팔꿈치 모듈(4)에 부착되게 한다.
도 19는 부착 장치(10)를 도식적으로 나타낸다. 이 도면에 예시된 실시예에서, 부착 장치(10)는 이른바 "베이요넷형" 부착 장치이고, 도 9, 도 10a 및 도 10b에 예시된 힙 모듈(5)을 기부 모듈(1)에 부착하기 위한 장치(8)와 유사하다.
부착 장치(10)는 팔꿈치 모듈(4)에 고정적으로 장착되는 제1 부분(101) 및 어깨 모듈(3)에 회전 운동 가능하게 장착되는 제2 부분(102)을 포함한다.
정확하게는, 제1 부분(101)은 팔꿈치 조인트(42)의 액추에이터의 고정자에 부착된다. 제2 부분(102)은 어깨 모듈(3)의 제4 연결부(310)에 제2 부분(102)을 제1 부분(101)에 삽입하는 방향과 평행한 축선(X) 둘레로 회전 가능하게 장착된다.
어깨 모듈(3)의 팔꿈치 모듈(4)에 대한 가역적 부착을 허용하도록 제2 부분(102)은 제1 부분(101)에 스냅 결합될 수 있다.
제1 부분(101) 및 제2 부분(102)은 힙 모듈(5)을 기부 모듈(1)에 부착하기 위한 장치(8)의 제1 부분(81) 및 제2 부분(82)과 동일하다. 부착 장치(10)는 또한 제2 부분(102)의 제1 부분(101)에 대한 삽입 방향과 반대인 방향으로 제2 부분(102)에 하중을 가할 수 있는, 스프링의 형태로 된, 탄성 복원 요소(103)를 포함한다.
또한, 제1 부분(101)과 제2 부분(102)은 각각 제2 부분(102)이 제1 부분(101)에 잠금 상태로 있을 때 기부 모듈(1)의 제1 배터리(12)와 제어 유닛(13)을 팔꿈치 조인트(42)의 액추에이터에 전기적으로 연결할 수 있는 전기 접점들을 포함한다.
배낭 지지 모듈
도 20 및 도 21에 예시된 것처럼, 배낭 지지 모듈(14)은 후프(hoop)(141)와 지지 로드(142)를 포함한다.
후프(141)는 기부 모듈(1)에 연결되도록 설계된다. 후프는 서로 반대인 두 개의 단부(143)를 구비한다.
배낭 지지 모듈(14)은 또한 두 개의 볼 조인트(145) 및 후프가 힙 모듈에 연결되게 하는 두 개의 부착 장치(16)를 포함한다.
이런 방법으로, 배낭의 무게가 하부 모듈들, 즉 힙 모듈(5), 무릎 모듈(6) 및 발 모듈(7)들로 전달되고, 사용자가 등에 가해지는 하중을 경감시킬 수 있게 된다.
지지 로드(142)는 사용자의 등을 따라 사용자의 척추와 평행하게 연장하도록 설계된다. 로드(142)는 배낭(17)을 배낭 지지 모듈(14)에 걸도록 배낭(17)의 파우치(171)에 계합될 수 있다.
로드(142)는 제1 로드 요소(1421), 제2 로드 요소(1422) 및 댐퍼(1423)를 포함한다.
제1 로드 요소(1421)는 로드(142)가 후프(141)에 대해 사용자의 전후 방향(antero-posterior) 축선 둘레로 회전하게 하는 피벗(144)에 의해 후프(141)에 연결된다. 피벗(144)은 보행 또는 달리기 중에 배낭 지지 모듈이 사용자의 힙의 운동에 맞추어지게 한다.
제2 로드 요소(1422)는 로드(142)의 길이를 변화시키도록 제1 로드 요소(1421)에 대해 활주할 수 있다.
제1 로드 요소(1421) 및 제2 로드 요소(1422)는 탄소 섬유로 보강된 합성 소재(예를 들어 에폭시 중합체에 기반하는 복합 소재)로 형성될 수 있다. 더욱이, 제2 로드 요소(1422)가 금속으로 형성되는 단부 부분을 포함할 수 있다.
제2 로드 요소(1422)는 로드(142)의 길이 조정을 가능하게 하도록 망원경식일 수 있다.
댐퍼(1423)는 사용자의 보행에 의해 발생되는 제1 로드 요소(1421)에 대한 제2 로드 요소(1422)의 운동을 완충시키기에 적합하다.
따라서 댐퍼(1423)는 사용자가 걷거나, 달리거나 혹은 점프할 때 외골격 구조물 상에서의 배낭(17)의 움직임에 의해 초래되는 흔들림이 감소되게 한다.
이를 위해, 댐퍼(1423)는 제1 로드 요소(1421)에 부착되는 실린더(1424), 제2 로드 요소(1422)에 부착되고 실린더(1424) 내부에서 활주할 수 있는 피스톤(1425) 및 제1 로드 요소(1421)와 제2 로드 요소(1422) 사이에 배치되는 탄성 요소(1426)를 포함한다.
피스톤(1425)은 실린더(1424)의 내부에 유체를 담고 있는 두 개의 챔버(1427, 1428)를 획정하며, 실린더(1424) 내부에서 피스톤(1425)이 활주하면 챔버들(1427, 1428) 중 하나의 챔버에 담긴 유체가 압축되고 다른 챔버(1428)로 이송된다.
바람직하게는 탄성 요소(1426)는 2000N/m와 동일하거나 혹은 더 큰 강도를 갖는다. 이러한 강도는 사용자가 걷거나 혹은 달리는 중에 배낭(17)과 탄성 요소(1426)에 의해 형성되는 질량-스프링 시스템이 공진될 때 일어날 수 있는 배낭 진동 증폭 현상이 제거될 수 있게 한다.
더욱이, 댐퍼(1423)는 배낭의 질량에 맞추어 감쇠가 이루어지게 할 수 있는 조정 가능한 감쇠비를 가질 수 있다. 실제로, 배낭의 질량은 사용자가 수행하는 임무의 유형에 따라 달라질 수 있다. 감쇠비의 조정은 댐퍼의 감쇠비를 조정하도록 (예를 들어 스크루를 이용하여) 챔버들(1427, 1428)의 총 용적을 수정하는 것에 의해 달성될 수 있다.
배낭 지지 모듈(14)은 또한 제1 로드 요소(1421)를 제2 로드 요소(1422)에 연결하는 보호 벨로즈 씰(protective bellows seal)(1429)을 포함한다. 보호 벨로즈 씰(1429)은 로드(142)와 댐퍼(1423) 내부에 액체 또는 부스러기가 침투하는 것을 방지하면서 로드(142)가 연장될 수 있게 한다.
또한, 배낭 지지 모듈(14)은 운반되는 백(17)의 질량을 구하는 힘 센서를 포함할 수 있다. 힘 센서는 압축변형율을 측정하는 힘 센서일 수 있다. 센서는 댐퍼(1423) 위의 로드(142) 하부에 배치될 수 있다.
배낭 지지 모듈을 힙 모듈에 부착하기 위한 장치
도 22는 후프(141)의 일 단부(143)가 힙 모듈(5)에 연결되게 하는 부착 장치(16)를 도식적으로 나타낸다.
이 도면에 예시된 실시예에서, 부착 장치(16)는 이른바 "베이요넷형" 부착 장치이고, 도 9, 도 10a 및 도 10b에 예시된 힙 모듈(5)을 기부 모듈(1)에 부착하기 위한 장치(8)와 유사하다.
부착 장치(16)는 배낭 모듈(14)이 힙 모듈(5)로부터 분리된 잠금 해제 상태로부터 배낭 모듈(14)이 힙 모듈(5)에 부착된 잠금 상태로 이동될 수 있다.
부착 장치(16)는 힙 모듈(5)에 고정적으로 장착되는 제1 부분(161) 및 배낭 지지 모듈(14)에 회전 운동 및 병진 운동 가능하게 장착되는 제2 부분(162)을 포함할 수 있다.
정확하게는, 제1 부분(161)은 힙 조인트(52)의 액추에이터(521)의 고정자(522)에 부착된다. 제2 부분(162)은 볼 조인트(145)에 의해 후프(141)에 회전 가능하게 장착된다. 제2 부분(162)은 또한 축선(X)을 따라 볼 조인트(145)에 대해 활주 가능하게 장착된다.
제2 부분(162)은 제1 부분(161)에 스냅 결합될 수 있고, 이에 따라 배낭 지지 모듈(14)을 힙 모듈(5)에 그리고 결과적으로 기부 모듈(1)에 가역적으로 부착할 수 있다.
제1 부분(161) 및 제2 부분(162)은 힙 모듈(5)을 기부 모듈(1)에 부착하기 위한 장치(8)의 제1 부분(161) 및 제2 부분(162)과 동일하다. 부착 장치(16)는 또한 제2 부분(162)의 제1 부분(161)에 대한 삽입 방향과 반대인 방향으로 제2 부분(162)에 하중을 가할 수 있는, 스프링의 형태로 된 탄성 복원 요소(163)를 포함한다.
이런 방법으로, 후프(141)가 그 단부들(143) 각각에서 힙 모듈(5)의 힙 조인트(52)에 고정된다. 따라서 배낭(17)의 무게가 하부 모듈들, 즉 힙 모듈(5), 무릎 모듈(6) 및 발 모듈(7)들에 의해 지면으로 전달된다.

Claims (12)

  1. 사용자의 근력을 보조하는 모듈형 외골격 구조물로,
    - 사용자의 허리를 둘러쌀 수 있는 허리 벨트(11)와, 허리 벨트(11)에 부착되는 제1 배터리(12) 및 제어 유닛(13)을 포함하는 기부 모듈(1),
    - 사용자의 등에 부착될 수 있고, 제2 배터리(222)를 포함하는 등 모듈(2),
    - 벨트(11)에 부착되는 제1 부착 부분(81)으로, 힙 모듈(5)의 상보적인 제2 부착 부분(82)을 제1 부착 부분(81)에 스냅 결합시키는 것에 의해 제2 부착 부분(82)과 협동하여 힙 모듈(5)을 기부 모듈(1)에 부착시킬 수 있는 제1 부착 부분(81),
    - 벨트(11)에 부착되는 제3 부착 부분(241), 및
    - 등 모듈(2)에 부착되는 상보적인 제4 부착 부분을 포함하며,
    등 모듈(2)을 기부 모듈(1)에 부착시키기 위해 제3 부착 부분(241)이 상보적인 제4 부착 부분(242)과 협동할 수 있고, 제3 부착 부분(241)과 제4 부착 부분(242)은 제4 부착 부분(242)이 제3 부착 부분(241)과 협동할 때 제2 배터리(222)를 제어 유닛(13)에 전기적으로 연결하도록 소켓 및 소켓에 플러그 결합될 수 있는 플러그를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    사용자의 허벅지에 부착될 수 있는 적어도 하나의 힙 모듈(5)을 또한 포함하며, 각각의 힙 모듈(5)이 힙 액추에이터(521)를 포함하고, 힙 액추에이터(521)는 고정자(522)와, 힙의 굴곡 운동 또는 신장 운동 중에 기부 모듈에 대해 힙 모듈(5)을 회전 구동시키도록 고정자(522)에 대해 회전 구동될 수 있는 회전자(523)를 포함하고, 제2 부착 부분(82)이 액추에이터의 고정자(522)에 부착되는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제1 부착 부분(81)과 제2 부착 부분(82)이 베이요넷형 부착 장치(8)를 형성하며, 제1 부분(81) 및 제2 부분(82) 중 하나의 부분이 반경 방향 핀(825)을 포함하고 제1 부분(81) 및 제2 부분(82) 중 다른 부분이 반경 방향 핀(825)이 그 안에서 활주할 수 있는 곡선형 슬롯(815)을 포함하고, 슬롯(815)은 핀(825)이 슬롯(815) 내에서 슬롯(815)의 입구로부터 슬롯(815)의 출구까지 활주하는 것이 제1 부분(81)에 대한 제2 부분(82)의 병진 운동 및 회전 운동의 조합을 요구하도록 곡선을 이루며, 병진 운동은 제1 방향(C)으로 그리고 나서 제1 방향과 반대인 제2 방향(D)으로 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  4. 청구항 3에 있어서,
    부착 장치(8)가 또한 제2 부분(82)이 제1 부분(81)에 스냅 결합된 상태를 유지하도록 제2 부분(82)을 제2 방향(D)으로 밀어붙일 수 있는 탄성 복원 요소(83)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  5. 청구항 4에 있어서,
    탄성 복원 요소(83)가 제2 부분(82)을 제2 방향(D)으로 밀어붙일 때, 탄성 복원 요소(83)는 제2 부분(82)을 제1 부분(81)으로부터 분리시키는 경향이 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  6. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 청구항에 있어서,
    힙 모듈(5)이 사용자의 허벅지에 부착될 수 있는 대퇴부 부분(51)을 포함하고, 모듈형 외골격 구조물이 또한 사용자의 종아리에 부착될 수 있는 정강이 부분(63) 및 무릎의 굴곡 및 신장 운동 중에 정강이 부분(51)이 대퇴부 부분(63)에 대해 회전할 수 있게 함으로써 대퇴부 부분(51)을 정강이 부분(63)에 연결할 수 있는 무릎 조인트(62)를 포함하는 적어도 하나의 무릎 모듈(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  7. 청구항 6에 있어서,
    무릎 모듈(6)이 대퇴부 부분(51)의 대퇴부 세그먼트(511)에 삽입되어 무릎 모듈(6)을 힙 모듈(5)에 부착시킬 수 있는 연결 바(61)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  8. 청구항 7에 있어서,
    연결 바(61)가 무릎 조인트(62)와 힙 조인트(52) 간의 간격을 조절할 수 있게 하도록 힙 모듈(5)의 대퇴부 세그먼트(51) 내부에서 활주할 수 있는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  9. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 청구항에 있어서,
    사용자의 발에 부착될 수 있는 적어도 하나의 발 모듈(7)을 또한 포함하고, 발 모듈(7)이 정강이 부분(63)의 정강이 세그먼트(631)에 삽입되어 발 모듈(7)을 무릎 모듈(6)에 부착시킬 수 있는 연결 바(71)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  10. 청구항 2 내지 청구항 9 중 어느 한 청구항에 있어서,
    제1 부분(81) 및 제2 부분(82) 각각이, 제2 부분(82)이 제1 부분(81)에 스냅 결합될 때 제1 배터리(12)와 제어 유닛(13)을 액추에이터(521)에 전기적으로 연결할 수 있는 전기 접점들을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    사용자의 팔에 부착될 수 있는 적어도 하나의 팔꿈치 모듈(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
  12. 청구항 11에 있어서,
    팔꿈치 모듈(4)을 등 모듈(2)에 연결할 수 있는 어깨 모듈(3)을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈형 외골격 구조물.
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