A Novel Soft Wearable Glove Using a Ring-pull Mechanism and Partial Actuation for Hand Assistance

Abstract

This paper presents a comprehensive study on the development and enhancement of wearable robotic gloves using the Ring-Pull type Soft Glove (RPSG) mechanism. Initially, a novel mechanism was proposed and verified, where a ring attached to the metacarpophalangeal (MCP) joint supplemented the user's grasping force while reducing the weight of the entire system. Experiments demonstrated that the original RPSG, made from single polymer silicon and driven by tendon-driven actuation, increased the subject's grasping force by an average of 25.69%. Analysis showed that the activation of the flexor digitorum superficialis (FDS) decreased by about 23.51%, confirming the glove's effectiveness in strength support and fit. Building on this foundation, the study introduces an improved version of the RPSG, designed for lightweight, cost-effectiveness, and enhanced task assistance. The improved RPSG incorporates a partially actuated system and a redesigned cable path with a compact shaft-pulley system to minimize discomfort and friction. With a total weight of only 235 g, including the control box, and inexpensive DC motors, the new glove offers significant improvements in performance and cost. It increases average grip force by 62.92% and maintains grip force by 60.35%. Furthermore, it reduces accumulated muscle fatigue by an impressive 75.09%, demonstrating its suitability for a variety of hand movements and daily activities. Personalized force adjustment is emphasized to maximize muscle efficiency, based on individual-specific optimal levels determined through EMG and grip force data analysis. These enhancements ensure that the improved RPSG operates effectively even without engaging all fingers, optimizing user comfort and functionality.|본 논문에서는 Ring-pull 메커니즘이 적용된 Ring-pull type Soft Wearable Glove(RPSG) 개발 및 성능에 대한 실험적 결과를 제안한다. Ring-pull 메커니즘은 중지와 약지의 중수지관절에 ring을 착용하여 모터의 토크를 전달하는 방식으로써, 기존의 복잡하고 무거운 시스템으로 구성된 착용형 글로브의 단점을 극복할 수 있다. 초기에 개발된 RPSG는 단일 폴리머 실리콘을 기반으로 개발되었으며 와이어 구동방식을 통해 착용자의 손 근력을 보조할 수 있다. 실험을 통해 RPSG 착용 시, 사용자의 악력을 평균 25.69% 향상시키는 것을 확인하였으며, 근전도 신호는 23.51% 감소시켜 사용자의 근활성화를 보조할 수 있음을 검증하였다. 더불어, 초기 개발된 RPSG의 성능을 향상시키기 위해 구조적 단점을 분석하였으며, 이를 기반으로 개선된 RPSG(Improved RPSG)를 개발하였다. 또한, 사용자 마다 근력 보조율이 최대화가 되는 지점이 존재함을 근효율 실험을 통해 확인하였다. Improved RPSG는 fabric 재질을 기반으로 샤프트-풀리 메커니즘을 적용하였으며, 이를 통해 기존 palmar side 방향으로 배치된 와이어의 경로를 dorsal side 방향으로 전환하여 손바닥의 공간을 확보하고 와이어구동 시 발생될 수 있는 마찰을 감소시켰다. Medium wrap과 adducted thumb 잡기 동작 실험을 통해 평균 그립력 증가 및 그립 유지력을 확인하였으며, 근 피로도 감소 효과를 확인하였다. 마지막으로, 동적인 움직임에 대하여 improved RPSG를 착용하였을 때 근피로도 부분에서 53.3% 감소하는 것을 확인하였다.