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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

许可协议

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  • 论文: CC BY 4.0

以下内容均依据论文全文，按其 CC BY 4.0 许可协议使用；其中的图已注明作者。

一句话总结

SWAG 在衣物中加入小型充气藤蔓机器人，使衣物从末端开始在肢体上展开，在 13-21 s 内穿上袖子、夹克或裤子，且织物不会在皮肤上滑动。

为何重要

由衣物自身完成穿衣，因此无需规划手臂轨迹，也无需基于视觉的运动规划：即使用户在穿衣过程中改变姿势，展开路径也由身体引导。对于辅助机器人开发者而言，这是一种柔顺、成本相对较低、可替代基于机械臂穿衣的方案，并且可以嵌入普通的夹克和裤子中。

问题

机器人穿衣辅助大多使用刚性手臂将常规衣物拉到身上。这些系统难以应对与人持续接触的高柔性织物，耗时长，需要用户保持固定姿势，并依赖昂贵的传感和复杂的控制，而其刚性结构也带来安全隐患。此前尚未有人提出用于普通衣物穿衣的软体机器人。

提出的方法

自穿戴自适应衣物（SWAG）是一种由 TPU 涂层防撕裂尼龙制成、带有焊接通道的薄圆柱形护套，其内部的小型充气藤蔓机器人（子藤蔓）从末端生长。每根生长的子藤蔓推动护套的远端，使其像反向进行的内外翻转衣物一样在肢体上展开，因此织物从不在皮肤上滑动。只对子藤蔓加压，而非整个护套，从而保持衣物的柔顺性；一个带有电机驱动卷盘的紧凑基站可收回子藤蔓以便重复使用。

关键见解

  • 紧身衣物在内外翻转时很容易脱下，因为它不会在皮肤上滑动；SWAG 将这一过程反向运行，从末端展开护套，使其以极小的摩擦覆盖肢体。
  • 只对相互隔离的子藤蔓（subvine）加压、而非对整个护套加压至关重要：充气后的松弛护套会像屈曲的藤蔓机器人一样膨胀并打折，而不是把力传递到末端。
  • 展开力遵循 Mg = N a/(a+b) (PA - f)，因此子藤蔓越多，每根所需压力越低，但它们也会提高弯曲刚度和相互干涉，因此建议使用少量子藤蔓。
  • 使用一根或两根子藤蔓时，弯曲刚度取决于弯曲轴；对于主弯曲轴已知的手臂和腿，两根子藤蔓可提供良好的柔顺性，且不会出现单根时的不对称卡滞。
  • 沿夹克附设的通道可引导展开绕过方向变化，从而撑起夹克并闭合其前襟。

主要结果

  • 一、二、三根子藤蔓的 a/(a+b) 拟合值分别为 0.2313、0.2678 和 0.2841；两根子藤蔓的力斜率略大于一根子藤蔓斜率的两倍，与模型预测一致。
  • 在 120 mm 护套中使用三根子藤蔓时，卡滞使力低于模型值；将护套加宽到 170 mm 后卡滞消失，结果与模型吻合。
  • 两根子藤蔓的 SWAG 可通过最大 120 度的关节角，峰值压力处于织物抗拉极限之内；其最大扭矩相当于在 30 cm 前臂的指尖处举起约 0.3 kg。
  • 袖子在最高 50 kPa 的子藤蔓压力下于 14 s 内覆盖一名受试者的手臂，适用于多种屈臂姿势，无需精确对准或人工协助。
  • 利用预装在衣物中的子藤蔓，无需基站，13 s 内穿好夹克，21 s 内穿好裤子。

局限

  • 仅在袖子、夹克和裤子上进行了展示；扩展到 T 恤、实验服和更复杂的穿衣场景留待未来工作（作者）。
  • 护套直径固定；要适应更多体型和动作，需要可调节的护套或弹性材料（作者）。
  • 衣物装填尚未自动化，用户界面也有待改进（作者）。
  • 尚未在行动障碍人群中开展临床试验，通过反向展开来脱衣也尚未测试（作者）。
  • 所需压力及其波动随关节角增大而增大，因为急弯处的褶皱会改变展开力；在 90 和 120 度时观察到子藤蔓塌陷。

对领域的影响

荣获 RA-L 2026 RA-L 最佳论文奖，目前已被引用 3 次。论文给出了力模型、子藤蔓数量的设计规则、材料（30 旦 TPU 涂层防撕裂尼龙）以及超声波焊接的制作流程；论文未提供代码或设计文件的链接。

摘要

机器人辅助穿衣有望提高行动不便人士的生活质量。现有方案主要依赖刚性机械臂，在处理可变形衣物以及确保与人体安全的物理交互方面存在困难。以往的机器人穿衣方法需要过长的操作时间、复杂的控制策略以及受限的用户姿势，限制了其实用性和适应性。本文提出一种新型软体机器人穿衣系统——自穿戴自适应衣物（Self-Wearing Adaptive Garment，SWAG），它利用展开与生长机制实现自主穿衣。与传统方法不同，SWAG 通过基于展开的部署方式贴合人体，消除了皮肤与衣物之间的摩擦，使穿衣过程更安全、更高效。我们介绍了 SWAG 的工作原理、设计与制造，并展示了其在辅助穿衣中的性能。所提出的系统在多种衣物配置下均能有效完成穿衣，为传统的机器人辅助穿衣提供了一种有前景的替代方案。

链接

  • 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

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