由于折紙的藝術(shù)靈活性，科學(xué)家們總能從中獲得很多啟發(fā)，創(chuàng)建出很多不同組合結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。折紙機(jī)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(jī)器人期刊《IEEE機(jī)器人學(xué)報（Transactions on Robotics）》的一篇文章介紹了一款受到“折紙扭轉(zhuǎn)塔（Origami Twisted Tower）”結(jié)構(gòu)啟發(fā)的欠驅(qū)動三指機(jī)械手，只需要一個舵機(jī)的控制，該機(jī)械手就可以實現(xiàn)復(fù)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(jī)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(xué)（Case Western Reserve University），約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University,）以及德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University）的研究者提出并完成。

折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)啟發(fā)的欠驅(qū)動機(jī)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(shù)。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(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。折紙藝術(shù)能夠把2維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為復(fù)雜的3維結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們早已將折紙技術(shù)應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中一個非常典型的例子就是太空飛船上的折紙結(jié)構(gòu)的太陽能電池板。

折紙結(jié)構(gòu)的太陽能板

基于折紙技術(shù)，機(jī)器人學(xué)家們也開創(chuàng)了一個全新的機(jī)器人設(shè)計研究方向：折紙機(jī)器人（origami robot），這類機(jī)器人和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人（由連桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)成）由很大差異，它們具有結(jié)構(gòu)輕巧，加工制造簡單，以及可以進(jìn)行復(fù)雜變形等特點，頗受機(jī)器人設(shè)計者的鐘愛。

典型的折紙機(jī)器人

今天介紹的是基于一種特殊的折紙方法，折紙扭轉(zhuǎn)塔（origami twisted tower）設(shè)計的三指欠驅(qū)動機(jī)械手。折紙扭轉(zhuǎn)塔，顧名思義，是像塔一樣的多層折紙結(jié)構(gòu)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)每一層的時候，整個結(jié)構(gòu)會沿著塔身收縮, 這種由復(fù)雜的三維空間變形（扭轉(zhuǎn)收縮）的機(jī)理非常適用于欠驅(qū)動設(shè)計。

研究者稱他們設(shè)計的機(jī)械手為扭轉(zhuǎn)之手（Twister Hand）。這款機(jī)械手僅有一個電機(jī)驅(qū)動拉線驅(qū)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(jié)構(gòu)啟發(fā)而設(shè)計。研究者設(shè)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(jī)械手是拉線欠驅(qū)動（underactuated，欠驅(qū)動指的是結(jié)構(gòu)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(jī)的輪盤處進(jìn)行驅(qū)動（拉線，放線），拉動線就可以驅(qū)動手指產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)收縮的復(fù)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(xué)（Case Western Reserve University），約翰霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University,）以及德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)（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(xì)解讀這款折紙啟發(fā)的欠驅(qū)動機(jī)械手的設(shè)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(zhuǎn)手結(jié)構(gòu)有一下特點：1. 具有連續(xù)變化的特性，彎曲，扭轉(zhuǎn)和收縮的運動可以通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計同時實現(xiàn)。2. 具有柔順的特性，折紙結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)具有進(jìn)一步的柔順性。3. 可被重構(gòu)性，可以被用于設(shè)計各種不同的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。4. 尺寸可調(diào)整性，同樣的結(jié)構(gòu)可大可小，功能不變。

折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)可以用任意邊數(shù)大于3的多邊形來構(gòu)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(shè)我們固定下端的多邊形，那么當(dāng)扭轉(zhuǎn)上層的多邊形時，中間的支撐結(jié)構(gòu)就會向一側(cè)傾斜，整個上層結(jié)構(gòu)就會向下層靠近。

折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)

研究者希望能夠用3d打印的方法一體成型這種折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，因此設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計，它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，硬體結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)式獨立的，只是在連接處相連。右邊的結(jié)構(gòu)是采用了不同的設(shè)計方式，將硬體結(jié)構(gòu)完全的嵌入到了柔性結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

兩種不同的CAD模型

測試模型由Stratasys公司的Objet350 Connex3 打印機(jī)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(jié)構(gòu)分開的設(shè)計可以實現(xiàn)這折紙扭轉(zhuǎn)塔的變形，但是它非常的不耐用，如果重復(fù)扭轉(zhuǎn)幾次的話，在連接處會出現(xiàn)非常明顯的裂紋。而硬體內(nèi)嵌軟結(jié)構(gòu)式的設(shè)計則更為耐用，因為這種設(shè)計避免了由硬結(jié)構(gòu)到軟結(jié)構(gòu)突然的轉(zhuǎn)變。因此最終研究者采用這種硬結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌到軟材料當(dāng)中的設(shè)計。

不同的CAD模型3d打印件測試

最終采用的設(shè)計方——硬材料內(nèi)嵌于軟材料之中

研究者最終采用了六邊形和10層扭轉(zhuǎn)塔的結(jié)構(gòu)來設(shè)計每一個手指。每根手指都采用了硬材料內(nèi)嵌到軟材料中的設(shè)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(jié)構(gòu)，拉動線就可以驅(qū)動手指產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)收縮的復(fù)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(shè)計中，采用了折線形走線的驅(qū)動方式。

折紙扭轉(zhuǎn)塔手指設(shè)計

當(dāng)把三根手指裝配到僅有一個舵機(jī)的底座上，便得到了一個TWISTER Hand扭轉(zhuǎn)之手。它結(jié)構(gòu)緊湊，用一個舵機(jī)就可以控制機(jī)械手的開合，整個手的重量大約僅有280g。

機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

這款機(jī)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?xì)w功于折紙結(jié)構(gòu)的手指復(fù)雜的變形和結(jié)構(gòu)柔順的特性，讓機(jī)械手有了絕佳的適應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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?。ㄗ⒁馐情_環(huán)控制），向我們證明了這款欠驅(qū)動機(jī)械手強(qiáng)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(jìn)行了一項非常有趣并且實用的測試，就是機(jī)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(nèi)）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(jī)器人相比，柔性的欠驅(qū)動機(jī)器人有著很大的應(yīng)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(jié)構(gòu)來設(shè)計柔性的欠驅(qū)動機(jī)械手。這種機(jī)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(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計被做成不同的尺寸，不同的結(jié)構(gòu)，從而被應(yīng)用到更多的場景中去。

高級的算法和控制對于機(jī)器人的應(yīng)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(jī)械設(shè)計來實現(xiàn)一些巧妙地結(jié)構(gòu)，讓機(jī)器人具有自體的柔順行，從而降低整個機(jī)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。