Development of a Compliant Gripper for Safe Robot-Assisted Trouser Dressing-Undressing

📄 arXiv: 2512.09462v1 📥 PDF

作者: Jayant Unde, Takumi Inden, Yuki Wakayama, Jacinto Colan, Yaonan Zhu, Tadayoshi Aoyama, Yasuhisa Hasegawa

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-10

期刊: Unde, J., Inden, T., Wakayama, Y., Colan, J., Zhu, Y., Aoyama, T., and Hasegawa, Y. (2024). Development of a compliant gripper for safe robot-assisted trouser dressing--undressing. \textit{Advanced Robotics}, 38(19--20), 1424--1440

DOI: 10.1080/01691864.2024.2376024

💡 一句话要点

开发用于安全机器人辅助穿脱裤子的柔顺夹持器

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 辅助机器人 柔顺夹持器 穿脱辅助 老年人辅助 偏瘫辅助

📋 核心要点

  1. 老年人口比例增加，为身体机能受损的老年人提供如厕辅助是重要问题，现有方案在安全性与操作性上存在挑战。
  2. 设计了一种柔顺夹持器，旨在平衡夹持力与柔顺性，确保在精确操作的同时，与用户进行安全交互。
  3. 实验结果表明，该夹持器能够成功辅助穿脱裤子，且成功率较高，验证了其在辅助机器人领域的应用潜力。

📝 摘要（中文）

近年来，包括日本在内的许多国家都面临人口快速老龄化的问题，因此维护老年人的生活质量成为一个重要的关注点。对于身体机能受损的老年人来说，如厕辅助是最重要的问题之一。本文详细介绍了夹持器系统的设计、开发、实验评估和潜在应用，重点关注辅助老年人或偏瘫患者穿脱裤子的独特需求和障碍。我们提出的夹持器旨在找到柔顺性和抓取力之间的适当平衡，确保精确操作，同时保持与用户的安全和柔顺交互。该夹持器集成到定制的机器人机械臂系统中，为帮助偏瘫患者完成穿脱任务提供了一个全面的解决方案。实验评估以及与现有研究的比较表明，该夹持器能够在狭小空间内成功辅助穿脱裤子，且成功率很高。这项研究有助于推进辅助机器人技术的发展，使老年人和身体残疾人士能够保持独立性并提高生活质量。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决老年人和偏瘫患者在穿脱裤子时遇到的困难，现有方法可能存在安全性不足、操作精度不高或对人体造成不适等问题。因此，需要设计一种既能提供足够抓取力，又能保证与人体安全交互的夹持器。

核心思路：论文的核心思路是设计一种兼具柔顺性和抓取力的夹持器。通过柔顺性设计，确保夹持器在与人体接触时不会造成伤害；通过适当的抓取力，保证夹持器能够稳定地抓取衣物并完成穿脱动作。这种平衡的设计旨在提高穿脱过程的安全性、舒适性和成功率。

技术框架：该系统包含一个定制的机器人机械臂和一个集成的柔顺夹持器。机械臂负责提供运动范围和定位，夹持器负责抓取和操作衣物。整个系统通过控制算法协调运动，实现辅助穿脱裤子的功能。具体流程包括：识别衣物位置、规划抓取路径、执行抓取动作、辅助穿脱动作等。

关键创新：该论文的关键创新在于夹持器的柔顺性设计。传统的夹持器通常采用刚性结构，容易对人体造成伤害。该夹持器通过特殊的结构设计和材料选择，使其具有一定的柔顺性，能够在与人体接触时自动适应，降低受伤风险。此外，夹持器还集成了力传感器，可以实时监测抓取力，并根据反馈信息调整抓取力度，进一步提高安全性。

关键设计：夹持器的关键设计包括：1) 采用柔性材料和结构，例如使用弹性铰链或柔性指尖，以实现被动柔顺性；2) 集成力/扭矩传感器，用于实时监测抓取力，并根据反馈信息调整控制策略；3) 设计合适的夹持器形状和尺寸，以适应不同类型的裤子和人体尺寸；4) 开发控制算法，实现夹持器的精确运动和力控制。

📊 实验亮点

实验结果表明，该柔顺夹持器能够成功辅助穿脱裤子，且成功率较高。与现有研究相比，该夹持器在安全性和舒适性方面具有明显优势。具体的性能数据（例如成功率、操作时间、力反馈数据等）未在摘要中明确给出，但强调了其在狭小空间内的操作能力和高成功率。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于养老院、康复中心和家庭等场景，为老年人、残疾人或行动不便的人士提供辅助穿脱衣物的服务，提高他们的生活质量和独立性。未来，该技术还可以扩展到其他辅助任务，如穿脱上衣、袜子等，甚至可以应用于医疗康复领域，帮助患者进行康复训练。

📄 摘要（原文）

In recent years, many countries, including Japan, have rapidly aging populations, making the preservation of seniors' quality of life a significant concern. For elderly people with impaired physical abilities, support for toileting is one of the most important issues. This paper details the design, development, experimental assessment, and potential application of the gripper system, with a focus on the unique requirements and obstacles involved in aiding elderly or hemiplegic individuals in dressing and undressing trousers. The gripper we propose seeks to find the right balance between compliance and grasping forces, ensuring precise manipulation while maintaining a safe and compliant interaction with the users. The gripper's integration into a custom--built robotic manipulator system provides a comprehensive solution for assisting hemiplegic individuals in their dressing and undressing tasks. Experimental evaluations and comparisons with existing studies demonstrate the gripper's ability to successfully assist in both dressing and dressing of trousers in confined spaces with a high success rate. This research contributes to the advancement of assistive robotics, empowering elderly, and physically impaired individuals to maintain their independence and improve their quality of life.