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非对称折纸弯曲与双腔驱动的一体化灵巧手
设计一种非对称折纸弯曲结构与双腔驱动的一体化灵巧手,结合折纸机构与气动驱动,实现轻量化与高自由度手部操作。
OSOR Hand：非对称折纸弯曲与双腔驱动的一体化灵巧手
机构：南方科技大学 & 深圳技术大学 & 宾夕法尼亚大学 | arXiv：2607.22320v1
一句话总结
本文提出非对称折纸弯曲（AOB）模式和双腔（ADC）设计，构建了折纸软体机器人手（OSOR Hand），通过选择性激光烧结（SLS）单材料一体化打印实现5指+手掌的12自由度灵巧手，手指最大弯曲203°、指尖力6.3N、手掌力16N，无需任何组装。
研究背景与动机
软体机器人手凭借固有柔顺性和适应性，在人机交互中提供安全可靠的抓取方案。然而现有软体手面临一个核心矛盾：足够的输出性能与简化的制造工艺难以同时实现。
图1：(a) AOB模式通过对称性消除获得不同运动类型；(b) ADC设计引入非对称可折叠隔板形成双腔结构；(c) AOB-H腔的三种运动模式。
现有方案分三类：(1) 内在气腔驱动器（IACA）——硅胶加压产生大弯曲角但承载有限；(2) 应变限制驱动器（SLA）——约束变形提高承载但运动范围受限；(3) 软刚耦合驱动器（SRCA）——增加刚度提高力输出但结构复杂。虽然3D打印简化了部分制造，但手指柔性与手掌刚度的材料冲突仍未解决——手指需超弹性材料以适应物体形状，手掌需更高刚度以支撑结构。此前所有方案都需要多材料或组装，无法实现单材料一步成型。
折纸软体气动驱动器（OSPA）通过折叠褶皱设计实现特定运动，被视为在一体化结构内实现运动编程的可行方案。但针对软体手关节弯曲运动的OSPA研究仍有限，多腔设计用于弯曲OSPA的探索也不足。
核心设计：AOB模式与ADC设计
非对称折纸弯曲（AOB）模式
Yoshimura折纸模式具有三重平面对称性（XOY、YOZ、ZOX），运动限于线性。通过选择性消除特定对称面，AOB模式获得非对称位移，将线性运动转化为弯曲或扭转。定义非对称比 $R$ 表征几何非对称性：
$$R = \frac{v}{b_1 - a_1}, \quad R \in [0, 0.5]$$其中 $v$ 为端面中心与中间面中心的距离，$b_1 - a_1$ 为偏移距离。$R=0$ 时退化为Yoshimura模式，$R$ 增大则非对称程度提高。通过三种几何操作派生出四种折叠单元：(1) 端面中心位移消除对称→弯曲单元；(2) 端面扭转消除双对称→扭转单元；(3) 增加折叠山数→弯曲单元iv。选择紧凑的折叠单元i作为关节弯曲驱动结构。
非对称双腔（ADC）设计
在AOB折叠单元中引入非对称可折叠隔板，形成双腔结构：通风腔（负责气体交换）和驱动腔（主动加压产生变形）。隔板的非对称性赋予两腔不同的压力响应行为。
将AOB-D（双腔）与AOB-S（单腔）串联，通风腔作为远端关节的气动通道，驱动腔独立保持，形成AOB-H混合腔，包含近端和远端驱动腔。AOB-H实现三种运动模式：
- 近端弯曲：仅近端驱动腔加压
- 远端弯曲：仅远端驱动腔加压
- 同步弯曲：两腔同时加压
图2：(a) 手指驱动器基于AOB-H设计实现2-DOF；(b) 手掌驱动器基于AOB-S设计增加宽度以提高扭矩；(c) 仿生OSOR手分为手指、左掌、中掌、右掌四区。
仿生设计
参照人手解剖结构，分为四个功能区：手指区（指骨段）、左掌区（掌骨Ⅴ-Ⅳ）、中掌区（掌骨Ⅲ-Ⅱ）、右掌区（掌骨Ⅰ）。手指AOB-H的近端弯曲模拟拇长屈肌，远端弯曲模拟拇短屈肌。手掌AOB-S的左掌弯曲模拟小指对掌肌，右掌对掌运动模拟拇指对掌肌。全手共12个气动通道：左掌5个、中掌4个、右掌3个。
flowchart TD
A["Yoshimura折纸模式
三重对称→线性运动"] --> B["选择性消除对称面
AOB模式"]
B --> C["AOB-S单腔: 手掌驱动器
增加宽度→更大扭矩"]
B --> D["引入非对称隔板
ADC设计→双腔"]
D --> E["AOB-D双腔: 通风+驱动"]
C --> F["AOB-H混合腔: AOB-S+AOB-D串联
近端+远端驱动→2-DOF手指"]
E --> F
F --> G["5手指+手掌 = OSOR Hand
12-DOF, SLS单材料一体化打印"]
解析模型
AOB-S准静态模型
基于小应变折叠（SSF）原理，折叠面的弯曲部分视为固定在褶皱处的悬臂梁。利用虚功原理，外力矩与褶皱弯曲和面内拉伸的能量平衡：
$$M_i \cdot d\beta' = \sum^m M_f \cdot d\theta_f + \sum^m f_s \cdot dl_s$$其中 $M_i$ 为外加力矩，$\beta'$ 为旋转角，$m$ 为串联单元数，$M_f$/$\theta_f$ 为褶皱面外弯曲力矩/转角，$f_s$/$l_s$ 为面内轴向力/伸长。驱动力矩由压力做功的虚功关系导出：
$$M_i = p \frac{dV_{\text{AOB-S}}}{d\beta'}$$其中 $p$ 为输入压力，$V_{\text{AOB-S}}$ 为AOB-S驱动器体积。AOB-S的准静态模型展开为：
$$M_i \cdot \frac{\beta'}{m} = \frac{Et^2}{48n}\left(a_2(\theta_1'-\theta_1^0)^2 + 4c_1(\varphi_1'-\varphi_1^0)^2 + b_2\left(\left(\frac{\beta'}{2}\right)^2 + \left(\frac{\beta'}{2}+\theta_1'-\theta_1^0\right)^2\right)\right) + \text{拉伸项}$$AOB-D准静态模型
AOB-D的隔板引入额外刚度。FEA验证表明隔板的应变分布与通风腔外壁高度相似，因此AOB-S的运动学假设可扩展到AOB-D。AOB-H模型由AOB-S和AOB-D串联组合得到。
几何灵敏度分析
定义几何灵敏度系数（GSC）量化各参数对弯曲角的影响：
$$\text{GSC} = \frac{\beta'_{\max} - \beta'_{\min}}{p_{\text{vr}}}$$其中 $p_{\text{vr}}$ 为参数变化范围。$a_1$、$t$、$R$ 具有高GSC值，对弯曲角影响最强。最终确定参数：$a_1=7$mm，$t=0.8$mm，$R=0.32$。
腔体耦合比（CCR）
定义CCR量化AOB-H中独立腔体间的运动耦合：
$$\text{CCR} = \begin{cases}\frac{|\beta'(A)-\beta'(B)|}{\beta'(A)}, & \text{近端弯曲}\\\frac{\beta'(A)}{\beta'(B)}, & \text{远端弯曲}\end{cases}$$| CCR | ADC-A | ADC-B | ADC-V(选定) |
|---|---|---|---|
| 近端弯曲 | 0.07% | 3.51% | 2.11% |
| 远端弯曲 | 38.44% | 8.57% | 34.66% |
ADC-V隔板与通风腔壁一致，加压腔变形时隔板跟随变形，有效限制耦合位移，同时保持最大弯曲角，故选为最终设计。
制造工艺
采用SLS 3D打印（EP-P3850, Shining 3D）使用95A TPU单材料一步成型整手。打印后从指尖和腕部开口清除残余粉末，浸入表面处理液形成气密层。手掌内部气道设计为圆柱形轮廓，手指褶皱用圆角过渡减小尖锐内边缘，确保粉末和液体排出流畅。整手尺寸175mm跨距、150mm长度，指间角限制在10°以内，接近成年男性人手尺寸。
图3：SLS一体化打印流程、内部气道优化布局、粉末清除、硅胶皮肤组装。
实验验证
模型验证
用FDM快速打印AOB-S和AOB-H原型验证模型。$n=0.23$时模型和FEA有效捕捉运动趋势。AOB-S最大弯曲约50°，AOB-H约85°。AOB-H近端弯曲实测最大17°，远端弯曲71°。
运动学与静力学特性
| 部位 | 压力范围 | 弯曲角范围 | 变化范围 | 最大输出力 |
|---|---|---|---|---|
| 左掌 | -50~140 kPa | 40°~68° | 28° | 16 N |
| 右掌 | -50~140 kPa | -20°~20° | 40° | 15 N |
| 拇指 | -50~140 kPa | -15°~188° | 203° | 6.3 N |
| 无名指/小指 | -50~140 kPa | 46°~198° | 152° | 5.1 N |
| 中指/食指 | -50~140 kPa | 20°~187° | 167° | 6.3 N |
图4：弯曲角测试、压力-角度关系、输出力测量。
灵活性展示
12-DOF独立运动测试：100 kPa下各指关节弯曲超90°，掌关节超25°。拇指可触碰其余四指尖端，可展示0-9中文数字手势。
抓取能力
- 单指抓取：每指可稳定抓取60mm球体超30秒
- 力量抓取：完成制造抓取分类法中的全部力量抓取
- 双指协调：夹取纸巾、细棒等脆弱物体；多组拇指-手指组合稳定抓球
- 仅手掌抓取：完全绕过手指，用85mm烧杯实现非传统抓取
- 日常工具：可靠抓取螺丝刀、胶枪等复杂工具
- 极限性能：双指抓取100mm直径水瓶（>1kg）；夹取0.1mm薄纸
与现有工作对比
| 研究 | 弯曲原理 | 材料 | 制造 | 指尖力 | 弯曲角 |
|---|---|---|---|---|---|
| Shorthose 2022 | IACA | 硅胶+模具 | 组装 | 1.5 N | 186° |
| Sankar 2025 | IACA | Vero+Agilus30 | 多材料 | 1.8 N | 208° |
| Ren 2023 | SLA | PLA+硅胶+纤维 | 3D打印+模具 | 6~7 N | 110~120° |
| OSOR Hand | AOB+ADC | 仅TPU | SLS一体化 | 6.3 N | 203° |
OSOR Hand是唯一实现单材料SLS一体化打印（无需组装）的方案，同时在指尖力和弯曲范围上达到顶尖水平。手掌最大力16N为所有对比方案中最高。
局限性
- 模型预测与实验存在偏差，源于无法实现完美准静态过程和模型省略了部分拉伸/扭转变形。
- FEA边界条件设置（端面视为刚性面）与实验中端面实际变形不一致。
- 无传感反馈系统，当前为开环气动控制。
- SLS打印后需表面处理和粉末清除，仍有后处理步骤。
总结与展望
OSOR Hand通过AOB模式和ADC设计，首次实现了折纸弯曲原理在软体灵巧手中的应用。非对称比 $R$ 赋予驱动器可编程的几何与运动特性，ADC-V设计有效抑制腔体耦合。5指+手掌的12-DOF手通过SLS单材料TPU一体化打印，无需组装，在指尖力（6.3N）、手掌力（16N）、弯曲范围（203°）上均达到顶尖水平。
金句："复杂功能可编码到结构本身中，简化制造过程。"——AOB+ADC的设计哲学表明，通过折纸几何编程而非多材料/多步骤组装，可以在一体化结构中同时实现高柔性和高力输出，为软体灵巧手的制造范式提供了新可能。未来工作将集成传感反馈系统和高级控制策略。
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