介绍
折纸是用纸折叠来创造各种形状和图案的艺术。无需额外的剪切和粘贴，折纸大师就可以从二维纸上折出高度复杂的三维结构。利用折纸艺术的特性，机器人学家设计了许多不同结构的机器人，折纸机器人已发展成为独特的研究方向。最近发表在世界领先的机器人杂志《IEEE机器人学报（Transactions on Robotics）》 上的一篇文章介绍了一种受“折纸扭曲塔”结构启发的低驱动三指机械臂。该机械手仅使用伺服控制即可实现复杂的三维空间。变形抓取，可有效抓取30多种不同形状的物体。该机械臂已被证明可以有效降低抓取物体时传感器的精度要求并简化抓取算法的要求。该研究由凯斯西储大学、约翰霍普金斯大学和德克萨斯农工大学的研究人员提出并完成。
受折纸扭塔结构启发的非驱动机械手
1. 受折纸扭塔结构启发的低驱动三指机械臂
折纸（origami，日语发音）是用纸折叠来创造各种形状和图案的艺术。据考证，它的起源可以追溯到中国宋代，在日本也得到广泛发展。折纸大师可以折出高度复杂的三维结构，无需额外的剪切和粘贴。折纸艺术可以将二维结构转变为复杂的三维结构。科学家们已将折纸技术应用到各个领域。一个典型的例子是航天器上的折纸太阳能电池板。
折纸大象
折纸太阳能电池板
机器人工程师还基于折纸技术创建了机器人设计的新研究方向。折纸机器人与传统机器人（由连杆等机械结构组成）显着不同，结构轻巧，加工简单。它由于易于制造并允许复杂的变形而受到机器人设计师的欢迎（有关折纸机器人评论论文的信息附在文章末尾）。
典型的折纸机器人
今天我们要介绍的是一种基于特殊折纸技术“折纸扭塔”设计的三指欠驱动机械手。顾名思义，折纸扭曲塔是一个多层的折纸塔状结构，当每一层扭曲时，整个结构都会沿着塔身发生复杂的三维空间变形（扭曲收缩）。非常适合低速传动设计。
折纸塔结构展示
研究人员将他们设计的机器人手称为“Twister Hand”。该机械手具有单电动线驱动器，可用于抓取各种形状、重量、尺寸和纹理的物体。每个手指的灵感都来自于平滑、连续的折纸结构。研究人员设计了手指的三维CAD 模型，并使用3D 打印将其制成一体。机械臂欠驱动（欠驱动是指结构输入端的自由度比输出端少，即实现自由度更大的输出（采用简单输入）。手指有一根线，三根线并在一起。你可以移动并驱动伺服轮（拉线、放线），通过拉线可以驱动手指，产生扭曲和收缩的复杂变形。通过实验，研究人员发现，仅使用开环抓取控制即可抓取30 多种不同形状的物体，无需任何传感器。
机器人开闭动作图
该研究由凯斯西储大学、约翰霍普金斯大学和德克萨斯农工大学的研究人员提出并完成。首先，让我们看一些精彩的抓取演示。下一节详细介绍了这种受折纸启发的非驱动机械臂的设计概念。在文章末尾，您将找到完整视频和论文的链接。
抓住钢丝卷
抓住鸡蛋
抓起一块手帕
抓住变形后的魔方
拿起薯条盒
2 设计原理及结构分析
研究人员提出的扭曲手结构具有以下特点。 1.它具有不断变化的性能，其结构设计使其能够同时弯曲、扭曲和收缩。 2、折纸结构本身具有柔性的特性，通过选择和使用特定的材料可以使结构更加灵活。 3.可重构性可用于设计不同的机器人结构。 4.尺寸可调。无论大小，结构相同，功能都是一样的。
折纸扭曲塔结构可以使用具有三个或更多边的多边形来构建。在这里，研究人员展示了两种类型的多边形：六边形和八边形。假设底部多边形固定，扭转顶部多边形将导致中央支撑结构向一侧倾斜，使整个上部结构更靠近底层。
折纸扭曲塔结构
研究人员希望利用3D 打印将这种折纸扭曲塔结构一体成型，并设计并打印了两个CAD 模型来测试可行性。左边是不同组件的结构设计，其中硬结构和柔性结构是独立的，仅在连接处连接。右边的结构采用了不同的设计方法，将硬结构完全嵌入到柔性结构中。
两种不同的CAD 模型
测试模型在Stratasys 的Objet350 Connex3 打印机上打印，使用TangoPlus 打印软质材料，使用VeroWhite 打印硬质材料。实验表明，这种折纸扭塔的变形可以通过软硬结构分开设计来实现，但耐久性很低，并且在多次扭转后连接部位会出现非常明显的裂纹。嵌入硬件的软结构设计更加耐用，因为它避免了从硬结构到软结构的突然过渡。因此研究人员最终采用了这种设计，将硬结构嵌入软材料中。
测试不同CAD模型的3D打印
最终采用的设计方法是将——块硬质材料嵌入软质材料中。
研究人员最终使用六角形10 层扭曲塔结构设计了每个手指。每个手指均采用将硬质材料嵌入软质材料的设计方法进行打印。手指仅重13克。完全伸展时的总长度约为129.95mm，收缩后的长度为32mm，约为变形效果的4倍。该结构的每一层都穿有螺纹，当拉动时，手指被驱动，产生扭曲和收缩的复杂变形。研究人员提出了两种布线方法：螺旋布线和锯齿形布线。本设计采用锯齿形布线驱动方式。
折纸扭塔手指设计
仅配备一个舵机并在底座上组装三个手指即可完成TWISTER 手。结构紧凑，采用伺服控制机械手的开合，整个手重仅约280g。
机械手结构设计
这款机械手表现出出色的抓取性能，可以抓取日常生活中的各种物体，例如橙子、塑料杯、巧克力豆袋等。这一切都得益于折纸结构手指复杂的变形和灵活的结构，赋予了机械手出色的适应性。
抓取展示、橙子、塑料杯、巧克力零食
事实上，研究人员总共测试了近36 个物体，这些物体的形状、大小、重量和质地各不相同。抓取成功的标准是每个物体在抓取后10秒内不能掉落。所有其他物体都被成功抓住，除了铅笔和香蕉，它们被抓住得很差（注意这是一个开环控制）。这证明了这个动作不佳的机械臂具有很强的抓取能力。
抓取测试中使用的36 个物体全部成功抓取。
研究人员还对机器人以不同角度接近抓取物体时的抓取成功率进行了非常有趣的实际测试。
抓取试验台——不同角度抓取方位
可以看出，对于研究人员指定的0度、30度和60度三个抓取方向，100%成功抓取区域（绿色区域）的面积分别为86、81和85平方厘米。爬行成功率67%的区域（红色区域）分别是93平方厘米、88平方厘米和86平方厘米。
不同夹持角度下的有效夹持面积
3.总结与传统机器人相比，柔性非驱动机器人具有巨大的应用潜力，例如能够仅使用非常简单的控制和传感来实现与环境或人类的顺应交互。编辑今天介绍的研究使用折纸结构来设计灵活的欠驱动机械臂。这种机械臂在抓取物体时可以有效降低传感器的精度要求，简化抓取算法的要求。同时，这种结构可以通过设计做成不同的尺寸和结构，可以应用于更多的场景。
复杂的算法和控制对于机器人应用当然很重要，但算法和传感器总是会失败并出错。如果我们能够通过机械设计实现一些巧妙的结构，让机器人做出独特的听话动作，从而减少机器人对传感器和控制算法的整体依赖，这是每个人都可以做的，这是一个值得关注的发展方向。
视频在文章最后：
正在加载视频.
论文信息：
李K.王Y.郑成，2023。 TWISTERHand: 受IEEETransactions on Robotics 启发的低驱动机器人夹具。
https://ieeeexplore.ieee.org/abstract/document/8949550/
我们将回顾与折纸机器人相关的论文。
Rus, D. Tolley, M.T. (2023)，折纸机器人的设计、制造和控制，《自然评论材料》，3(6), 101。
https://www.nature.com/articles/s41578-018-0009-8