Self-Wearing Adaptive Garments via Soft Robotic Unfurling
作者: 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
授權條款
- 開放取用
- 論文: CC BY 4.0
以下內容皆依據論文全文，依其 CC BY 4.0 授權條款使用；圖表已標示作者。
一句話摘要
SWAG 在衣物上加裝小型充氣藤蔓機器人，讓衣物從前端在肢體上展開，於 13-21 s 內穿上袖子、外套或褲子，布料完全不會在皮膚上滑動。
為何重要
穿衣由衣物本身完成，因此不必規劃手臂軌跡，也不需要以視覺為基礎的運動規劃：即使使用者在穿衣過程中改變姿勢，展開路徑也由身體引導。對輔助機器人的開發者而言，這是一種柔順、成本相對低廉的方案，可取代以機器手臂為基礎的穿衣方式，並能內建於一般的外套與褲子中。
問題
機器人穿衣輔助大多使用剛性手臂把一般衣物拉到身上。這類系統難以處理與人持續接觸的高柔性布料、耗時長、需要使用者維持固定姿勢，並仰賴昂貴的感測與複雜的控制，其剛性結構也引發安全疑慮。過去從未有人提出可用於一般衣物穿衣的軟性機器人。
提出的方法
自穿戴自適應衣物（SWAG）是一個以 TPU 塗層防撕裂尼龍製成、帶有熔接通道的薄圓柱形護套，內部的小型充氣藤蔓機器人（子藤蔓）會從前端生長。每條生長中的子藤蔓推動護套的遠端，使其像反向進行的衣物翻面一樣在肢體上展開，因此布料從不在皮膚上滑動。只對子藤蔓加壓、而非整個護套，讓衣物保持柔順；一個配備馬達驅動捲盤的小型基地站會收回子藤蔓，以便重複使用。
關鍵見解
- 緊身衣物翻面脫下時很容易脫，因為它不會在皮膚上滑動；SWAG 將這個過程反過來執行，從前端展開護套，讓它以最小的摩擦覆蓋肢體。
- 只對彼此隔離的子藤蔓（subvine）加壓，而不是對整個護套加壓，是關鍵所在：充氣後鬆弛的護套會像挫屈的藤蔓機器人一樣膨脹並扭折，而無法把力傳到前端。
- 展開力遵循 Mg = N a/(a+b) (PA - f)，因此子藤蔓越多，各自所需的壓力越低，但同時也會提高彎曲剛性與相互干涉，所以建議使用少量子藤蔓。
- 使用一或兩條子藤蔓時，彎曲剛性取決於彎曲軸；對於主要彎曲軸已知的手臂與腿部，兩條子藤蔓能提供良好的柔順性，又不會出現單條時的不對稱卡滯。
- 沿外套配置的通道可以引導展開路徑繞過方向變化，把外套撐起並閉合前襟開口。
主要結果
- 一、二、三條子藤蔓的 a/(a+b) 擬合值分別為 0.2313、0.2678 與 0.2841；兩條子藤蔓的力斜率略高於一條子藤蔓斜率的兩倍，符合模型預測。
- 在 120 mm 護套中使用三條子藤蔓時，卡滯使力低於模型值；將護套加寬至 170 mm 後卡滯消失，結果與模型相符。
- 兩條子藤蔓的 SWAG 能通過高達 120 度的關節角度，峰值壓力在布料的抗拉極限之內；其最大扭矩相當於在 30 cm 前臂的指尖舉起約 0.3 kg。
- 袖子在子藤蔓壓力最高 50 kPa 的情況下，於 14 s 內覆蓋一名受試者的手臂，適用於各種彎臂姿勢，無需精確對位或人工協助。
- 利用預先裝入衣物的子藤蔓，不需要基地站，外套 13 s 穿好，褲子 21 s 穿好。
限制
- 僅展示了袖子、外套與褲子；延伸到 T 恤、實驗袍與更複雜的穿衣情境留待未來研究（作者）。
- 護套直徑固定；若要適應更廣泛的體型與動作，需要可調式護套或彈性材料（作者）。
- 衣物裝填尚未自動化，使用者介面也有待改進（作者）。
- 尚未對行動障礙者進行臨床試驗，也尚未測試以反向展開來脫衣（作者）。
- 所需壓力及其變異會隨關節角度增加，因為急彎處的皺摺會改變展開力；在 90 與 120 度時觀察到子藤蔓塌陷。
對領域的影響
榮獲 RA-L 2026 RA-L 最佳論文獎，目前已被引用 3 次。論文提供了力模型、子藤蔓數量的設計規則、材料（30 丹尼 TPU 塗層防撕裂尼龍）以及超音波熔接的製作流程；論文未提供程式碼或設計檔案的連結。
摘要
機器人穿衣輔助有潛力改善行動不便者的生活品質。現有解決方案主要仰賴剛性機器手臂，在處理可變形衣物以及確保與人體安全的物理互動上都面臨挑戰。過去的機器人穿衣方法需要過長的操作時間、複雜的控制策略以及受限的使用者姿勢，限制了其實用性與適應性。本文提出一種新穎的軟性機器人穿衣系統：自穿戴自適應衣物（Self-Wearing Adaptive Garment, SWAG），利用展開與生長機制來實現自主穿衣。不同於傳統方法，SWAG 透過以展開為基礎的部署方式貼合人體，消除皮膚與衣物間的摩擦，使穿衣過程更安全、更有效率。我們說明 SWAG 的運作原理，介紹其設計與製作，並展示其在穿衣輔助上的表現。所提出的系統在多種衣物配置下都能有效完成穿衣，為傳統機器人穿衣輔助提供了一個具潛力的替代方案。
連結
- 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