折纸（Origami）是依靠对纸张的折叠而让其呈现各种形状和花样的艺术。不需要额外的裁剪和粘贴，折纸高手能够用二维的纸张折叠出非常复杂的三维结构。借助于折纸艺术的特性，机器人学家们设计了很多种不同结构的机器人，折纸机器人（Origami Robot）已经发展成为一个独立研究方向。近日刊登于国际***机器人期刊《IEEE机器人学报（Transactions on Robotics）》的一篇文章介绍了一款受到“折纸扭转塔（Origami Twisted Tower）”结构启发的欠驱动三指机械手，只需要一个舵机的控制，该机械手就可以实现复杂的三维空间变形抓握，并且有效抓取30多种形态各异的物体。这款机械手被证明可以有效地降低传感器的精度需求，简化抓取物体时对于抓取算法的要求。该项研究由凯斯西储大学（Case Western Reserve University），约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University,）以及德克萨斯州农工大学（Texas A&M University）的研究者提出并完成。

折纸扭转塔结构启发的欠驱动机械手

一. 折纸扭转塔结构启发的欠驱动三指机械手

折纸（Origami，日语发音）是依靠对纸张的折叠而让其呈现各种形状和花样的艺术。据考证，其起源可以追溯到中国宋朝，并在日本得到广泛的发展。不需要额外的裁剪和粘贴，折纸高手就能够折叠出非常复杂的三维结构。折纸艺术能够把2维的结构转换为复杂的3维结构，科学家们早已将折纸技术应用于各个领域，其中一个非常典型的例子就是太空飞船上的折纸结构的太阳能电池板。

折纸大象

折纸结构的太阳能板

基于折纸技术，机器人学家们也开创了一个全新的机器人设计研究方向：折纸机器人（origami robot），这类机器人和传统结构的机器人（由连杆等机械结构构成）由很大差异，它们具有结构轻巧，加工制造简单，以及可以进行复杂变形等特点，颇受机器人设计者的钟爱（文末附有折纸机器人综述论文信息）。

典型的折纸机器人

今天小编要向大家介绍的是基于一种特殊的折纸方法，折纸扭转塔（origami twisted tower）设计的三指欠驱动机械手。折纸扭转塔，顾名思义，是像塔一样的多层折纸结构，当扭转每一层的时候，整个结构会沿着塔身收缩, 这种由复杂的三维空间变形（扭转收缩）的机理非常适用于欠驱动设计。

折纸塔结构展示

研究者称他们设计的机械手为扭转之手（Twister Hand）。这款机械手仅有一个电机驱动拉线驱动，可以用来抓取不同形状，重量，尺寸以及纹理的物体。每一只手指由一个柔顺连续的折纸结构启发而设计。研究者设计了手指的三维CAD模型，并且用3d打印的方式以一体制造。机械手是拉线欠驱动（underactuated，欠驱动指的是结构输入端的自由度小于输出端的自由度，即用简单的输入实现了更多自由度的输出）的，每根手指有一根线，三根线汇聚到舵机的轮盘处进行驱动（拉线，放线），拉动线就可以驱动手指产生扭转收缩的复杂形变。研究者通过实验发现，仅仅用无需传感器的开环抓取控制就可以实现30多种形态各异的物体的抓取。

机械手开合动态图
 
         该项研究由凯斯西储大学（Case Western Reserve University），约翰霍普金斯大学（Johns Hopkins University,）以及德克萨斯州农工大学（TexasA&M University）的研究者提出并完成。我们先来看一些精彩的抓取展示，在下一部分为大家详细解读这款折纸启发的欠驱动机械手的设计理念。文末附有完整的视频和论文链接。

二. 设计原理与结构分析

        研究者提出的扭转手结构有一下特点：1. 具有连续变化的特性，弯曲，扭转和收缩的运动可以通过结构的设计同时实现。2. 具有柔顺的特性，折纸结构自身具有柔顺特性，另外通过特定的材料选择使用也可以让结构具有进一步的柔顺性。3. 可被重构性，可以被用于设计各种不同的机器人结构。4. 尺寸可调整性，同样的结构可大可小，功能不变。
 
         折纸扭转塔结构可以用任意边数大于3的多边形来构造，在这里研究者展示了两种多边形，分别是六边形和八边形。假设我