由于折紙的藝術靈活性，科學家們總能從中獲得很多啟發(fā)，創(chuàng)建出很多不同組合結構的機器人。折紙機器人已經(jīng)發(fā)展成為了一個獨特的研究方向。

近期刊登于國際頂級機器人期刊《IEEE機器人學報（Transactions on Robotics）》的一篇文章介紹了一款受到“折紙扭轉塔（Origami Twisted Tower）”結構啟發(fā)的欠驅動三指機械手，只需要一個舵機的控制，該機械手就可以實現(xiàn)復雜的三維空間變形抓握，并且有效抓取30多種形態(tài)各異的物體。

這款機械手被證明可以有效地降低傳感器的精度需求，簡化抓取物體時對于抓取算法的要求。該項研究由凱斯西儲大學（Case Western Reserve University），約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University,）以及德克薩斯州農(nóng)工大學（Texas A&M University）的研究者提出并完成。

折紙扭轉塔結構啟發(fā)的欠驅動機械手

折紙是依靠對紙張的折疊而讓其呈現(xiàn)各種形狀和花樣的藝術。據(jù)考證，其起源可以追溯到中國宋朝，并在日本得到廣泛的發(fā)展。不需要額外的裁剪和粘貼，折紙高手就能夠折疊出非常復雜的三維結構。折紙藝術能夠把2維的結構轉換為復雜的3維結構，科學家們早已將折紙技術應用于各個領域，其中一個非常典型的例子就是太空飛船上的折紙結構的太陽能電池板。

折紙結構的太陽能板

基于折紙技術，機器人學家們也開創(chuàng)了一個全新的機器人設計研究方向：折紙機器人（origami robot），這類機器人和傳統(tǒng)結構的機器人（由連桿等機械結構構成）由很大差異，它們具有結構輕巧，加工制造簡單，以及可以進行復雜變形等特點，頗受機器人設計者的鐘愛。

典型的折紙機器人

今天介紹的是基于一種特殊的折紙方法，折紙扭轉塔（origami twisted tower）設計的三指欠驅動機械手。折紙扭轉塔，顧名思義，是像塔一樣的多層折紙結構，當扭轉每一層的時候，整個結構會沿著塔身收縮, 這種由復雜的三維空間變形（扭轉收縮）的機理非常適用于欠驅動設計。

研究者稱他們設計的機械手為扭轉之手（Twister Hand）。這款機械手僅有一個電機驅動拉線驅動，可以用來抓取不同形狀，重量，尺寸以及紋理的物體。每一只手指由一個柔順連續(xù)的折紙結構啟發(fā)而設計。研究者設計了手指的三維CAD模型，并且用3d打印的方式以一體制造。機械手是拉線欠驅動（underactuated，欠驅動指的是結構輸入端的自由度小于輸出端的自由度，即用簡單的輸入實現(xiàn)了更多自由度的輸出）的，每根手指有一根線，三根線匯聚到舵機的輪盤處進行驅動（拉線，放線），拉動線就可以驅動手指產(chǎn)生扭轉收縮的復雜形變。研究者通過實驗發(fā)現(xiàn)，僅僅用無需傳感器的開環(huán)抓取控制就可以實現(xiàn)30多種形態(tài)各異的物體的抓取。

該項研究由凱斯西儲大學（Case Western Reserve University），約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University,）以及德克薩斯州農(nóng)工大學（TexasA&M University）的研究者提出并完成。我們先來看一些精彩的抓取展示，在下一部分為大家詳細解讀這款折紙啟發(fā)的欠驅動機械手的設計理念。

抓取電線卷

抓取雞蛋

抓取手帕

抓取變形的魔方

抓取薯條盒

研究者提出的扭轉手結構有一下特點：1. 具有連續(xù)變化的特性，彎曲，扭轉和收縮的運動可以通過結構的設計同時實現(xiàn)。2. 具有柔順的特性，折紙結構自身具有柔順特性，另外通過特定的材料選擇使用也可以讓結構具有進一步的柔順性。3. 可被重構性，可以被用于設計各種不同的機器人結構。4. 尺寸可調整性，同樣的結構可大可小，功能不變。

折紙扭轉塔結構可以用任意邊數(shù)大于3的多邊形來構造，在這里研究者展示了兩種多邊形，分別是六邊形和八邊形。假設我們固定下端的多邊形，那么當扭轉上層的多邊形時，中間的支撐結構就會向一側傾斜，整個上層結構就會向下層靠近。

折紙扭轉塔結構

研究者希望能夠用3d打印的方法一體成型這種折紙扭轉塔結構，因此設計了兩種CAD模型，并且打印出來驗證它們的可行性。左邊的是利用了不同組元的結構設計，它的結構較為復雜，硬體結構和柔性結構式獨立的，只是在連接處相連。右邊的結構是采用了不同的設計方式，將硬體結構完全的嵌入到了柔性結構當中。

兩種不同的CAD模型

測試模型由Stratasys公司的Objet350 Connex3 打印機打印，軟材料采用了TangoPlus，硬材料則采用了VeroWhite。通過實驗測試得知，雖然軟硬結構分開的設計可以實現(xiàn)這折紙扭轉塔的變形，但是它非常的不耐用，如果重復扭轉幾次的話，在連接處會出現(xiàn)非常明顯的裂紋。而硬體內嵌軟結構式的設計則更為耐用，因為這種設計避免了由硬結構到軟結構突然的轉變。因此最終研究者采用這種硬結構內嵌到軟材料當中的設計。

不同的CAD模型3d打印件測試

最終采用的設計方——硬材料內嵌于軟材料之中

研究者最終采用了六邊形和10層扭轉塔的結構來設計每一個手指。每根手指都采用了硬材料內嵌到軟材料中的設計方法打印。手指的重量僅僅有13g。完全伸展的整個長度大約129.95mm，收縮后長度為32mm，大約有4倍的變形效果。將一根線穿過每一層結構，拉動線就可以驅動手指產(chǎn)生扭轉收縮的復雜形變。研究者提出了兩種走線方式，螺旋型走線和折線形走線。在本設計中，采用了折線形走線的驅動方式。

折紙扭轉塔手指設計

當把三根手指裝配到僅有一個舵機的底座上，便得到了一個TWISTER Hand扭轉之手。它結構緊湊，用一個舵機就可以控制機械手的開合，整個手的重量大約僅有280g。

機械手結構設計

這款機械手展示了優(yōu)異的抓取特性，可以抓取日常生活中的很多物體，比如橙子，塑料杯，以及一袋巧克力豆。這都歸功于折紙結構的手指復雜的變形和結構柔順的特性，讓機械手有了絕佳的適應性。

抓取展示，橙子，塑料杯，巧克力小吃

事實上，研究者一共測試了近36種物體，它們有不同的形狀，尺寸，重量還有紋理。抓取成功的標準是每一件物體抓取10s鐘不掉落。除去鉛筆，香蕉沒有成功抓取外，其余物體都被成功抓取（注意是開環(huán)控制），向我們證明了這款欠驅動機械手強大的抓取能力。

用于抓取測試的36種物體，全部成功抓取

研究者還進行了一項非常有趣并且實用的測試，就是機械手在以不同的角度接近被抓去物體時，抓取的成功率。

抓取測試平臺-不同角度的抓取方向

可以看到，在研究者給出的三種抓取方向種，0度，30度和60度來說，100%抓取成功區(qū)域（綠色區(qū)域）的面積分別為86，81以及85平方厘米。67%抓取成功率（紅色區(qū)域內）的面積為93，88和86平方厘米。

不同抓取角度下有效抓取面積

和傳統(tǒng)機器人相比，柔性的欠驅動機器人有著很大的應用潛力，例如只用很簡單的控制和傳感就可以實現(xiàn)和環(huán)境或者人類的柔順交互。今天小編介紹的這項研究就是利用折紙結構來設計柔性的欠驅動機械手。這種機械手可以有效地降低傳感器的精度需求，簡化抓取物體時對于抓取算法的要求。同時這種結構可以通過設計被做成不同的尺寸，不同的結構，從而被應用到更多的場景中去。

高級的算法和控制對于機器人的應用固然重要，但算法和傳感器總歸有失效或者是出錯的時候。如果能夠通過機械設計來實現(xiàn)一些巧妙地結構，讓機器人具有自體的柔順行，從而降低整個機器人對于傳感器和控制算法的依賴性，這是一個值得大家注意的發(fā)展方向。