基于折纸启发的线驱动连续体机器人：具有双弯曲-收缩自由度的创新设计与应用探索

这篇综述创新性地提出了一种受折纸结构启发的线驱动连续体机器人（Cable-Driven Continuum Robot），通过刚性压缩支柱与柔性张力缆绳的协同设计，实现了弯曲（bending）和收缩（contraction）双自由度（DOF）运动。研究通过运动学建模验证了其最大收缩率33.87%和弯曲角95.71°的性能，并开发了模块化抓手和腕部康复矫形器，展现了在交互场景中的结构顺应性（conformality）和个性化定制潜力，为手术、救援及康复领域提供了新思路。

　　

引言

现有连续体机器人（Continuum Robot）多采用不可伸展骨架，仅能实现单一弯曲自由度（DOF），且非嵌入式结构限制了应用潜力。受折纸（Origami）结构启发，本研究设计了一种线驱动连续体机器人，通过刚性-柔性混合分段驱动结构（rigid-flexible hybrid segment-driven structure）实现弯曲-收缩双模态变形，其缆绳支撑结构（cable-supported structure）由刚性支柱和柔性缆绳组成，兼具结构完整性与形状恢复能力。

实验设计

Miura折纸单元

研究以Miura折纸单元（四折结构）为原型（图1A），将其褶皱替换为刚性连杆和弹性组件，形成模块化关节。每个关节模块含两组环状层，通过旋转铰链连接四根纵向杆和滑块，横向杆与压缩弹簧协同作用，四根驱动缆绳沿环形层均匀分布（图1B）。增大纵向杆与中心轴间隙后，系统可实现侧向位移，从而赋予机器人弯曲能力（图1C）。

运动原理

通过差异化牵引缆绳（ΔL₁-ΔL₄）实现多模式运动：四缆同步牵引时产生收缩（h₂为收缩后长度）；单/双缆牵引时引发弯曲（θ为弯曲角）。弹性势能使缆绳松弛后机器人恢复原状（图1D）。

运动学分析

基于等曲率圆弧模型建立运动学映射，通过齐次变换矩阵T描述关节空间到操作空间的转换（公式1）。弯曲角θ₁与旋转角φ₁的求解依赖缆绳长度变化Δl_i（公式2-5）。多关节系统总弯曲角θ_total与单关节呈线性关系（公式6-7），方向角φ保持一致。

性能验证

运动模式

五关节模块机器人（总长205 mm）在无负载下最大弯曲角达95.71°（理论值）与83.40°（实验值，误差12.86%），最大收缩率33.87%（实验误差5.26%）。对比同类机器人（表2），该设计在弯曲与收缩性能上具有优势。

几何参数影响

横向杆长度（18 mm vs. 25 mm）显著影响运动性能：长杆设计（Case 2）使单缆弯曲角提升至116.57°，但收缩率略降至31.88%（图4）。

负载实验

负载增加（50-1000 g）导致弯曲角递减（如双缆牵引时从77.91°降至33.27°），但收缩率稳定在33.80%-33.80