Self-Wearing Adaptive Garments via Soft Robotic Unfurling

저자: Nam Gyun Kim, William E. Heap, Yimeng Qin, Elvy B. Yao, Jee-Hwan Ryu, Allison M. Okamura · IEEE Robotics and Automation Letters (RA-L) 2025

라이선스

오픈 액세스
논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

SWAG는 의복에 작은 팽창식 덩굴 로봇을 더해 의복이 끝단에서부터 팔다리 위로 펼쳐지게 하며, 원단이 피부 위에서 미끄러지지 않은 채 13~21초 만에 소매, 재킷 또는 바지를 입힌다.

중요한 이유

의복이 스스로 착의를 수행하므로 계획해야 할 팔 궤적도, 비전 기반 동작 계획도 없다. 착의 중 사용자의 자세가 바뀌더라도 신체가 펼침 경로를 안내한다. 보조 로봇 개발자에게 이는 일반 재킷과 바지에 내장할 수 있는, 매니퓰레이터 기반 착의에 대한 유연하고 비교적 저렴한 대안이다.

문제

로봇 착의 보조 장치는 대부분 일반 의복을 몸에 끌어당겨 입히는 강체 로봇 팔을 사용한다. 이러한 시스템은 사람과 지속적으로 접촉하는 매우 유연한 원단을 다루는 데 어려움을 겪고, 시간이 오래 걸리며, 사용자가 고정된 자세를 유지해야 하고, 고가의 센싱과 복잡한 제어에 의존하며, 강체 구조로 인해 안전 문제가 제기된다. 일반 의복으로 착의하기 위한 소프트 로봇은 제안된 적이 없었다.

제안 방법

Self-Wearing Adaptive Garment(SWAG)는 용접된 채널이 있는 TPU 코팅 립스탑 나일론으로 만든 얇은 원통형 시스로, 그 내부에서 작은 팽창식 덩굴 로봇(서브바인)이 끝단에서부터 성장한다. 성장하는 각 서브바인은 시스의 원위 끝을 밀어내고, 시스는 뒤집어 벗은 옷을 역으로 되돌리듯 팔다리 위로 펼쳐지므로 원단이 피부 위에서 전혀 미끄러지지 않는다. 시스 전체가 아니라 서브바인만 가압하여 의복의 유연성을 유지하며, 모터 구동 릴을 갖춘 소형 베이스 스테이션이 반복 사용을 위해 서브바인을 회수한다.

핵심 통찰

꼭 끼는 옷은 뒤집으면서 벗기면 피부 위에서 미끄러지지 않아 쉽게 벗겨진다. SWAG는 이를 역으로 수행하여 시스(sheath)를 끝단에서부터 펼쳐 최소한의 마찰로 팔다리를 덮는다.
시스 전체가 아니라 서로 분리된 서브바인(subvine)만 가압하는 것이 필수적이다. 팽창된 느슨한 시스는 힘을 끝단으로 전달하는 대신 좌굴하는 덩굴 로봇처럼 부풀고 꺾인다.
펼침 힘은 Mg = N a/(a+b) (PA - f)를 따르므로 서브바인이 많을수록 각각에 필요한 압력은 낮아지지만, 굽힘 강성과 간섭도 커지므로 적은 수를 권장한다.
서브바인이 하나 또는 둘이면 굽힘 강성이 굽힘 축에 따라 달라진다. 주 굽힘 축이 알려진 팔과 다리의 경우, 서브바인 두 개는 하나일 때 나타나는 비대칭 걸림(jamming) 없이 좋은 유연성을 제공한다.
재킷을 따라 부착된 채널은 펼침 경로를 방향 전환 지점을 돌아가도록 유도하여 재킷을 들어 올리고 앞트임을 닫을 수 있다.

주요 결과

서브바인 1개, 2개, 3개에 대해 a/(a+b) 적합값은 각각 0.2313, 0.2678, 0.2841이었다. 서브바인 2개의 힘 기울기는 모델이 예측한 대로 서브바인 1개 기울기의 두 배보다 약간 컸다.
120 mm 시스에 서브바인 3개를 넣었을 때 걸림으로 인해 힘이 모델보다 낮아졌다. 시스를 170 mm로 넓히자 걸림이 사라지고 결과가 모델과 일치했다.
서브바인 2개의 SWAG는 최대 120도의 관절 각도를 통과했으며, 최대 압력은 원단의 인장 한계 내에 있었다. 최대 토크는 30 cm 전완의 손끝에서 약 0.3 kg을 들어 올리는 것에 해당한다.
소매는 최대 50 kPa의 서브바인 압력으로 14초 만에 사람의 팔을 덮었으며, 팔을 굽힌 여러 자세에서도 정밀한 정렬이나 수동 도움 없이 이루어졌다.
의복에 내장된 사전 장전 서브바인을 사용하여 베이스 스테이션 없이 재킷은 13초, 바지는 21초 만에 착용되었다.

한계

소매, 재킷, 바지에 대해서만 시연되었으며, 티셔츠, 실험 가운 및 더 복잡한 착의 시나리오로의 확장은 향후 과제로 남겨 두었다(저자).
시스 직경이 고정되어 있어 더 다양한 체형과 움직임에 대응하려면 조절 가능한 시스나 탄성 소재가 필요하다(저자).
의복 장전은 자동화되어 있지 않으며 사용자 인터페이스에 개선이 필요하다(저자).
거동 장애가 있는 사람을 대상으로 한 임상 시험은 아직 없으며, 펼침을 역으로 수행하여 옷을 벗기는 동작은 시험되지 않았다(저자).
급격한 굽힘 부위의 주름이 펼침 힘을 바꾸기 때문에 필요한 압력과 그 변동이 관절 각도에 따라 커진다. 90도와 120도에서는 서브바인이 붕괴하는 것이 관찰되었다.

분야에 미친 영향

RA-L 2026 RA-L Best Paper Award 수상작이며, 현재까지 피인용 3회이다. 논문은 힘 모델, 서브바인 개수에 대한 설계 규칙, 재료(30데니어 TPU 코팅 립스탑 나일론) 및 초음파 용접 제작 공정을 제시하지만, 코드나 설계 파일 링크는 제공하지 않는다.

초록

로봇 착의 보조는 거동이 불편한 사람들의 삶의 질을 향상시킬 잠재력이 있다. 기존 솔루션은 주로 강체 로봇 매니퓰레이터에 의존하는데, 이는 변형 가능한 의복을 다루고 인체와의 안전한 물리적 상호작용을 보장하는 데 어려움이 있다. 기존 로봇 착의 방법은 과도한 작동 시간, 복잡한 제어 전략, 제한된 사용자 자세를 필요로 하여 실용성과 적응성이 제한된다. 본 논문은 펼침(unfurling) 및 성장 메커니즘을 사용하여 자율 착의를 가능하게 하는 새로운 소프트 로봇 착의 시스템인 Self-Wearing Adaptive Garment(SWAG)를 제안한다. 기존 접근 방식과 달리 SWAG는 펼침 기반 전개 방식을 통해 인체에 순응하여 피부와 의복 사이의 마찰을 없애고 더 안전하고 효율적인 착의 과정을 가능하게 한다. 우리는 SWAG의 작동 원리를 제시하고, 그 설계와 제작을 소개하며, 착의 보조 성능을 시연한다. 제안된 시스템은 다양한 의복 구성에서 효과적인 의복 착용을 보여 주며, 기존 로봇 착의 보조에 대한 유망한 대안을 제시한다.

링크

arXiv 2507.07221: https://arxiv.org/abs/2507.07221
DOI 10.1109/LRA.2025.3634909: https://doi.org/10.1109/LRA.2025.3634909
PDF: https://arxiv.org/pdf/2507.07221v1