This thesis presents a glove-type assistive hand exoskeleton with open fingerpad that allows for direct contact between the wearer’s fingerpad and objects in order to make use of the wearer’s own tactile sensation for dexterous manipulation. The flexion forces of index/middle fingers and flexion/adduction forces of thumb are assisted by tendon-driven mechanism in response of the wearer’s grip force. Side-mounted capacitive force sensors at the distal segment of each actuated finger are used for the estimation of grip force. Electric motors for pulling the artificial tendons are enclosed in a remotely located box with a controller board. The effect of finger posture was found not to be significant and therefore the grip force estimation method did not include the influence of finger joint angles. Based on the observation of the outputs from the radial and ulnar side sensors of the thumb, the direction of the thumb force could be identified by comparing signs of the offset values in radial and ulnar sensors` oscillatory output periods. A qualitative analysis on stability criterion was performed based on unstructured dynamic model of the exoskeleton, human, and environment. The stability analysis resulted in the tendency of increasing instability according to the higher force assistance gain and stiffer human finger.
본 논문에서는 손가락의 장측 표면이 개방된 장갑 형태의 외골격형 손 힘 보조 장치를 제안하였다. 손가락의 장측 표면 개방을 통해 착용자가 물체 표면의 촉감과 미끄러짐을 직접 느낄 수 있으며, 따라서 자연스러운 물체 조작이 가능하다. 본 장치는 손가락 끝 마디의 양 측면에 장착된 축전 방식 힘 센서를 사용하여 착용자가 물체에 가하는 힘을 추정하며 그 힘에 따라 검지 및 중지의 굴곡 힘과 엄지의 굴곡 및 내전 힘을 보조해 준다. 각각의 손가락에 대한 보조력은 전기 모터에 의해 발생되고 인공 건의 장력을 통해 각각의 손가락에 제공된다. 모터와 제어장치는 장갑으로부터 이격된 별도의 상자에 장착된다. 먼저 하나의 손가락으로 구성된 간단한 장치를 구성하여 제안하는 방식의 효과를 검증하였다. 물체 조작 실험시 손가락 개방에 따른 촉감 전달의 영향으로 촉감이 방해된 경우에 비하여 자연스러운 힘 조절이 가능하였으며, 손가락 굴곡 힘의 보조에 의해 근육 피로 누적을 예방해 주는 결과를 확인하였다. 장갑 형태의 보조 장치를 구성하여 손가락 관절 각도에 따른 센서 출력을 확인한 결과에 근거하여 손가락 힘 추정시 손가락 자세에 의한 영향은 무시하였다. 엄지의 굴곡과 내전에 대해 엄지 양측에 위치한 센서 출력이 서로 다른 양상을 보임을 관찰하였으며, 이를 이용하여 엄지의 힘 방향 구분이 가능하다. 손 힘 보조 장치와 인체 및 물체를 포함한 비구조적 모델을 구성하여 안정성에 대한 정성적인 분석을 실시하였으며, 보조력의 증폭 비율과 손가락의 강성이 높을 수록 불안정성의 발생 경향이 강해짐을 확인하였다.
