三所高校共同開發(fā)3D打印欠驅(qū)動折紙結(jié)構(gòu)機(jī)械手

供稿人:張道康、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

近日，一項3D打印欠驅(qū)動折紙結(jié)構(gòu)機(jī)械手[1]是由西儲大學(xué)、約翰霍普金斯大學(xué)以及德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)的研究者共同完成。他們稱這種新型的欠驅(qū)動機(jī)械手為Twishter Hand(扭轉(zhuǎn)之手)，該機(jī)械手是由三個3D打印的手指組成的，手指機(jī)制的靈感來源于折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，該機(jī)械手僅通過單個伺服電機(jī)驅(qū)動，就可以同時控制三個手指的張開和閉合運(yùn)動。為了保持折紙設(shè)計獨特的結(jié)構(gòu)可重構(gòu)性，表面必須保持剛性，而折痕（發(fā)生彎曲的地方）必須具有柔韌性才能進(jìn)行運(yùn)動。可以選擇使用柔性和剛性材料的3D打印被認(rèn)為是制造這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的唯一合適方法。

圖1 欠驅(qū)動折紙機(jī)械手，手指張開（左）和閉合（右）

這種設(shè)計的機(jī)械手具有以下幾個特點：具有連續(xù)變化的特點，彎曲，扭曲和線性運(yùn)動可通過結(jié)重構(gòu)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)；具有柔順性，結(jié)構(gòu)具有足夠的自由度能在受外力作用下變形，并且可以通過改變材料調(diào)整結(jié)構(gòu)的柔性；具有可重構(gòu)性，具有不同的控制模式并且可以適用于不同類型的機(jī)器人；以及可擴(kuò)展性，可以通過改變尺寸和層數(shù)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)大小的選擇。在實物演示中該機(jī)械手也實現(xiàn)了多種類型物品的抓取功能，如圖2所示。

圖2 多種類型物體抓取示意圖

欠驅(qū)動機(jī)器人具有巨大的潛力，可以解決傳統(tǒng)剛性機(jī)器人未滿足的需求，例如與環(huán)境（或人類）的頻繁交互以及對易碎或不規(guī)則物體的操縱。但是欠驅(qū)動機(jī)器人存在缺少設(shè)計準(zhǔn)則的問題，現(xiàn)有的大多數(shù)機(jī)器人都有自己獨特的設(shè)計，不適用于其他類型的機(jī)器人或尺寸不同的機(jī)器人。該方法的設(shè)計原理簡單，并借用3D打印技術(shù)能夠很好地制造出有柔性材料和剛性材料構(gòu)成的欠驅(qū)動柔性機(jī)械手。

參考文獻(xiàn)：
Lee, K., Wang, Y. and Zheng, C., 2020. TWISTERHand: Underactuated Robotic Gripper Inspired by Origami Twisted Tower. IEEETransactions on Robotics. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8949550