不同于传统的刚性机器人，软体机器人因其具备在受限工作空间中的良好工作能力与安全的人机交互性，成为了国际机器人界的热点研究方向。在当前电、热、光、磁等多种软体机器人的驱动方法中，气动驱动因其简单、安全的操作特点，以及低成本、易于制造等固有优势，成为了软体机器人最常用且可靠的驱动方式。目前，气动软体机器人大多基于弹性硅胶材料构建，在气动作用下通过硅胶材料拉伸变形实现运动输出。其运动模式由所设计腔道结构决定，对每种设计个体而言，其运动模式较为单一。为实现多模式运动，现有设计大多采用多驱动单元串联或并联方法，然而，此类设计通常带来更加笨重的结构，且难以同时实现伸缩、弯曲、扭转等多种不同变形模式的解耦与可控耦合输出。

折纸结构由于其出色的结构自适应能力、大范围运动能力及其丰富的力学特性，近年来受到机器人学界的普遍关注。许多最新研究将折纸与软体机器人进行有机结合，以实现更加丰富的运动模式与更大的工作空间。然而，现有折纸驱动单元/机器人大多基于已有折纸结构构建，其运动能力受折纸自身的折叠特性限制，输出运动通常表现为固定的耦合运动，并未在本质上丰富软体机器人的运动模式。因此，如何提升软体/折纸机器人的运动能力，使其同时具备伸缩、弯曲、扭转等多种运动模式，是当前学界与业界的难题，也是此类柔性机器人真正走向日常应用的重要制约因素。

针对这一难题，西湖大学工学院姜汉卿团队开发了“基于折纸结构的全运动模式流体驱动单元”，实现了单一驱动单元高达7种运动模式的全运动模式集成。该工作通过设计新型折纸结构，使其在气源驱动下，同时具备伸缩、弯曲、扭转三种基础运动模式以及模式间的任意组合。模块化结构使得该折纸驱动单元间可根据实际需求任意组装，并构建具有全运动模式的柔性机械臂，有效解决当前柔性机械臂工作空间小、运动模式单一等问题，提高柔性机械臂在生产生活中的灵巧性与通用性。相关研究工作以“Plug & Play Origami Modules with All-Purpose Deformation Modes”为题发表于Nature Communications。

论文截图

该设计在传统Kresling折纸单元上增加额外的对角线折痕，从而形成新的折纸单元，进一步，通过在新的折纸单元上集成微小气囊，二者共同形成独立控制的充气单元。这样一来，通过对充气单元充/放气，便可实现对Kresling折纸结构局部约束的有效控制，使单一Kresling单元能够实现收缩-扭转耦合运动与弯曲-扭转耦合运动间的可控切换。在此基础上，该工作将两层手性相反的折纸单元轴向拼接，形成一个新的驱动器模块。由于两层折纸单元间的扭转运动可实现可控的组合或抵消，该驱动器模块便可在不同的控制模式下（折纸结构整体抽气、局部充/放气）实现解耦的弯曲变形、扭转变形、收缩/伸长以及三者间任意组合的耦合变形模式。

图1 单一折纸驱动单元的全运动模式

此外，该模块与其他模块可以通过预设的螺栓螺孔结构相互连接，以串联形式呈现模块数量可调的柔性机械臂，使得所构造机械臂运动模式丰富多样、工作空间可调。

图2 折纸机械臂模块化结构与操作功能展示

基于上述原理和应用展示，课题组所设计的折纸驱动单元具有以下特点：

（1）单一驱动单元能够输出全部变形模式，具有十分灵活的运动能力；

（2）即插即用（Plug & Play）功能：驱动单元的模块化结构使其可根据应用需求任意串联，进而形成多种柔性机械臂，机械臂的工作空间可通过增加驱动器模块数量来进行拓展；

（3）该驱动单元和机械臂可采用所有流体介质作为驱动源（包括多种气体与液体），使其既可满足陆地/空中应用，也可满足水下操作需求。

图3 不同环境下（a.陆地，b.水下）机械臂的复杂空间运动

西湖大学姜汉卿实验室访问学生、浙江大学博士生张超与西湖大学博士后张壮为本文共同第一作者。西湖大学工学院姜汉卿教授为本文通讯作者，浙江大学徐彦副教授为共同通讯作者。本研究获得了国家自然科学基金以及西湖大学相关经费支持。

来源：西湖大学工学院SOE公众号