对物体的抓取与操控是人类与外界的主要交互方式之一^[1]。其中，抓取行为指通过人手或机械装置施加约束力，以抵抗外部干扰并实现对目标物体的稳定捕获。在自然界，动植物进化出各种方式抓捕猎物^[2-3]：鸟类利用锐利的爪和喙擒获目标；部分蛇类通过缠绕绞杀猎物，使之窒息而死；一些食虫植物以蜜液或色彩诱引昆虫，再骤然闭合陷阱将其困住^[4-6]。这些精妙而高效的天然捕捉机制，为人类设计机械抓取系统提供了丰富的仿生灵感与原型。

受自然界生物捕捉行为的启发，研究人员设计了多种仿生抓取机构。Zhang等^[7]基于鸟类爪部的生物力学特性，设计了可用于扑翼机器的仿生抓取装置，该装置能够模拟真实鸟类的跳跃与抓握协同运动。贾江鸣等^[8]设计了一种充气时呈螺旋运动的软体气动抓手。Liu等^[9]设计了基于肌腱驱动的双稳态折纸柔性夹持器，可用于高速自适应抓取。其中，刚性抓取机构由于缺乏内在的柔顺性，难以安全、稳定地抓取形状复杂、不规则或材质柔软易损的物体。而气动折纸抓取机构^[10]存在负载低、能耗大、控制精度不足及耐久性差等缺点^[11-12]。

由折纸制作的抓手可以解决上述问题。Okamoto等^[13]设计的纸基双稳态折纸夹持器可搭载于四轴飞行器，实现空中物体抓取。Liang等^[14]设计了具有螺旋运动的可折叠折纸机构。这些折纸抓手在执行抓取任务时，主要采取2种模式：一类以夹爪方式实现点接触或线接触抓取，此时折纸机构与目标物体的接触面积较小，其大部分区域处于非接触状态；另一类通过整体包裹完成面接触抓取，此时折纸机构以更大表面积贴合物体轮廓^[15]，但这种方式通常需要设计更为复杂的折纸机构，导致结构体积增大。

为兼顾折纸抓手的简单、紧凑设计与大面积贴合抓取能力，受蛇类缠绕运动的启发，提出一种基于折纸结构的仿生软体抓手。该抓手能够实现螺旋缠绕式抓取，在保持整体结构轻量、紧凑的同时，实现了对物体表面的大范围自适应包裹。

蛇类在攀爬树干或绞杀猎物时，会利用身体缠绕来实现移动或捕食。其攀爬运动的一种典型模式为手风琴式收缩：首先，身体后半段缠绕树干，以提供稳固支撑；随后，将身体前半段向前伸展并探索新的支撑点；待前端固定后，后半段身体收缩跟进，从而实现在垂直面上的高效移动（如图1所示）。蛇类独特的缠绕行为为折纸抓手的设计提供了灵感。与蛇的身躯类似，该折纸抓手采用长条状结构，能够在电机驱动下实现螺旋式缠绕运动，逐步包裹并紧密贴合目标物体表面，从而实现稳定且自适应的抓持效果。

采用折纸结构，如图2所示。该结构由多个相同的折纸单元连接而成，呈长条状。折纸单元之间通过折痕线（即图2中虚线）连接，保证折纸可沿预定轨迹弯曲变形。每个折纸单元均设计有4个均匀分布的小孔，用于穿入驱动细绳。在细绳牵引作用下，可实现整体结构的可控弯曲与缠绕运动。

驱动细绳穿过各折纸单元上的预置孔道，穿绕方式如图3所示。细绳依次绕过每个折纸单元间的折痕，通过定向约束，限制各单元仅能沿单一方向转动。该设计确保了在细绳牵引过程中，所有折纸单元按预定方向协同折叠，进而实现整体结构的螺旋缠绕。

折纸抓手的设计与运动方式均模仿蛇类的缠绕机制。其由一系列平行四边形的折纸单元构成，细绳穿过各单元的预置孔道。而由于细绳在每个折痕处的绕行方式相同，所有折纸单元只能向同一侧翻折。如图4(a)所示，驱动机构通过收紧细绳施加拉力F。细绳由初始松弛状态进入第1层收缩状态，此时细绳紧贴折纸表面，但折纸单元尚未翻折。随着拉力F持续作用，细绳进一步收缩，第2个折纸单元开始翻折，与第1个折纸单元之间形成夹角（φ₁），如图4(b)所示。第2个折纸单元在细绳拉力作用下完成翻折并贴紧物体，该折痕处细绳进入第2层收缩状态，即折痕两侧孔间穿过的绳长固定，单元间夹角保持不变。随后，如图4(c)所示，拉力F继续作用，第3个折纸单元开始翻折，细绳进一步收缩，使其与第2个单元之间形成夹角（φ₂），并最终贴紧物体。该过程依次进行，直至末端折纸单元完成翻折并贴紧目标物体，此时细绳达到最大收缩状态，无法进一步收紧，折纸抓手锁定抓取形态，直至抓取过程结束。

如图5所示，在折叠过程中，各平行四边形折纸单元沿折痕翻转，多个单元的协同动作形成螺旋向下的缠绕形态，与蛇类缠绕高度相似。该缠绕过程具有被动自适应特性：可根据目标物体的尺寸被动调整相邻折纸单元之间的夹角大小，进而影响缠绕圈数，当物体尺寸较大时缠绕圈数减少，较小时则相应增加。

折纸抓手的几何参数如图6所示，包括折纸端到端长度L、折纸斜边宽度w、折纸单元邻边夹角θ、折纸单元高度h、折纸向下缠绕长度C和折纸单元数目n。

折纸抓手可抓取物体（圆柱体）的直径范围受其几何参数约束，主要取决于折纸单元的数目n与高度h，最小抓取直径D_min和最大抓取直径D_max如图7所示。其中，D_min仅由折纸单元高度h决定。在最小直径抓取状态下，折纸结构闭合截面呈正三角形，其内切圆直径即为D_min。而在最大直径抓取状态下，折纸结构闭合截面呈正n边形，其内切圆直径即为D_max。

折纸抓手的抓取直径D满足如下关系：

式中：N为折纸抓手绕物体1圈所需要的折纸单元数目。

当N=3时，D为最小抓取直径D_min；当N=n时，D为最大抓取直径D_max。

折纸向下缠绕长度C满足如下关系：

在折纸抓手未折叠的初始状态下，如图8(a)所示，以第1个折纸单元为基准，第2个折纸单元的纵向伸出长度为c₁，第3个折纸单元又在第2个折纸单元的基础上伸出长度c₂，且满足c₁=c₂=c。因此，整个折纸结构展开后的纵向总伸出长度为第1个折纸单元的长度与第2~n个折纸单元逐级增加的伸出长度(n-1)c之和。

当折纸抓手进行缠绕抓取时，如图8(b)所示，仍以第1个折纸单元为基准，第2个折纸单元发生翻折，与第1个折纸单元形成夹角φ1，纵向伸出长度为c₁；第3个折纸单元以第2个折纸单元为基准发生翻折，形成夹角φ2，纵向伸出长度为c₂，且满足c₁=c₂。尽管各折纸单元间形成的夹角（如φ1、φ2）可能因抓取物体直径的变化而不相等，但每个折纸单元的纵向伸出长度c保持不变。因此，折纸结构的纵向总缠绕长度C在展开状态与最终抓取完成时保持一致，不受抓取物体尺寸的影响。

增加折纸抓手的向下缠绕长度C，可在抓取较长物体时，使接触面更均匀地分散于物体表面，避免应力集中于局部，从而显著提高抓取稳定性。在保持折纸单元边长不变的情况下，仅通过调整其邻边夹角即可有效改变长度C。如图9所示，夹角减小将导致折纸向下缠绕长度C大幅增加。当折纸单元邻边夹角为30°时，折纸抓手呈细长形，有效缠绕长度最大；当夹角增大至75°时，其形态更为紧凑，缠绕长度相应减短。

折叠间隙X（如图10所示）定义为折纸抓手在折叠状态下相邻2个折纸单元对应点之间的横向间距。以折纸单元1为基准，折纸单元2为折纸结构缠绕物体1周后的起始单元。折叠间隙X满足如下关系：

折纸单元的斜边宽度w和邻边夹角θ会影响折叠过程和抓取稳定性。在夹角θ保持不变的情况下，随着w的增加，折叠间隙逐渐减小；而在固定折纸单元斜边长度的情况下，随着夹角θ的减小，折叠间隙会相应增大。如图11(a)所示，若折纸单元间预留的折叠间隙小于零，表明单元间存在结构重叠，即折纸单元1与折纸单元2发生接触。在折叠过程中2个折纸单元相互干涉，不仅削弱了折叠效果，阻碍折纸抓手与物体表面紧密贴合，甚至可能造成折叠失败。如图11(b)所示，折纸单元间保持适度间隙，即折纸单元1与折纸单元2不接触，可有效避免折叠过程中折纸单元的相互干扰，从而保障折纸抓手的折叠顺畅性和对物体的抓取稳定性。

如图12(a)所示，细绳从折痕上方穿过。当对细绳施加拉力时，贯穿整条折纸抓手的细绳开始收缩，并与折纸单元上的孔壁接触，产生摩擦力。细绳直径为0.5 mm，孔直径为1.5 mm，由于细绳直径小于孔径，细绳仅与孔的一侧接触并产生摩擦力。如图12(b)所示，细绳仅通过孔壁与折纸抓手发生相互作用，在整个运动过程中不与折纸外表面接触，且始终贴靠于孔道右侧。由于细绳的穿绕方式，细绳在折痕两侧与孔壁接触形成夹角α，分别产生斜向上和斜向下的摩擦力，如图12(c)所示。继续施加拉力，当整个折纸抓手沿细绳方向折叠时，每2个相邻孔之间的细绳段在拉力作用下与孔的两端产生摩擦力，两孔间的折纸具有向细绳所在一侧折叠的趋势。

如图13所示，细绳在水平方向上受到的拉力F与各孔的摩擦力在水平方向上的分力大小相等：

在竖直方向上，细绳在左侧孔和右侧孔受到的摩擦力分量大小相等、方向相反。令细绳与左侧孔接触点和折痕的距离为L₁，细绳与右侧孔接触点和折痕的距离为L₂，则左侧拉力的力矩为：

右侧摩擦力的力矩为：

在力矩作用下，相邻2个孔之间的折纸区域均有翻折的趋势，而由于折痕是折纸抓手的薄弱处，折纸在折痕处最先翻折；当增大拉力时，折纸沿折痕依次翻折。

细绳与孔壁的夹角α由同一折纸单元上的孔间距决定。孔间距越小，α越大，但其变化幅度较为有限。理论分析表明，折痕两侧孔间距越大，细绳拉力对折纸单元产生的弯矩随之增大。选取折痕两侧孔间距分别为5、6、7和8 mm的折纸抓手进行折叠实验，测量得到的折叠所需最小拉力分别为3.46、3.09、2.76和2.56 N。随着孔间距的增大，折纸结构完全折叠（末端折纸单元也贴合物体）所需的细绳拉力逐渐减小。对于孔间距为5 mm的折纸抓手，为完成折叠，需施加较大拉力，在此过程中第1个折纸单元两孔间的细绳张力过大，导致折纸单元发生变形，从而阻碍了最后2个折纸单元的正常折叠。

当增大折痕两侧孔间距时，同一折纸单元上的孔间距相应减小。这一几何变化产生了两方面的力学效应：一方面，增大了作用于折痕处的驱动力矩，使折痕区域更容易翻折；另一方面，减小了作用于折纸单元本体的弯矩，从而降低了单元的内部应力。因此，完成抓取动作所需的细绳拉力显著减小，同时有效降低了折纸单元在折叠过程中发生变形破坏的风险。

将折纸抓手安装于固定平台，使其抓持1根直径为7 mm的测试胶棒，胶棒另一端通过细绳连接至数显测力计，如图14所示。实验时，沿竖直方向缓慢向下拉动测力计，直至抓手发生滑移或完全脱离胶棒，记录此过程中测力计显示的最大值，并将其定义为该折纸抓手的最大抓取力。

折纸抓手的材料厚度直接影响其螺旋缠绕时的整体结构刚度，进而对抓取性能产生影响。为探究该影响，选取厚度分别为0.050、0.075、0.100和0.125 mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）薄膜制作折纸抓手，并在相同实验条件下进行抓取力测量。得到的最大抓取力分别为0.23、0.42、5.43和7.27 N，表明折纸抓手的最大抓取力随折纸厚度的增加而增大。

实验表明，在一定范围内增加折纸厚度有助于提高折纸结构的刚性，从而更有效地将驱动细绳的拉力转化为对物体的夹持力。若折纸厚度不足，则折纸结构在拉力作用下易发生过度变形，导致缠绕行为不充分、抓取性能不理想；若厚度过大，则会阻碍折纸结构的正常折叠与缠绕运动，同样会对抓取性能产生不利影响。

折纸抓手通过包裹物体表面实现稳定抓持，其斜边宽度直接影响与物体的接触面积和包裹程度，是决定抓取性能的关键参数之一。为探究斜边宽度对抓取性能的影响，选取斜边宽度为16、18、20、22及24 mm的折纸结构，在相同条件下进行抓取力测量，得到的最大抓取力分别为6.56、6.91、7.27、9.13和5.45 N。结果表明，斜边宽度为22 mm的折纸抓手表现出最优的抓取性能。若折纸宽度过大，如24 mm宽度的折纸抓手在折叠过程中，其相邻单元之间发生重叠，相互干涉，从而阻碍结构的正常折叠与缠绕运动，导致抓手无法充分贴合目标物体表面，抓取性能反而下降。

折纸抓手的长度是决定其抓取物体时包裹与覆盖范围的关键因素之一。设计由7、9和11个折纸单元构成的3种抓手（其总长度分别为95.2、122.4和149.6 mm），测量得到的最大抓取力分别为6.58、7.27和9.03 N。通过实验发现，折纸单元数量的增加显著提升了抓取适应性和稳定性。此举扩大了折纸抓手与物体的接触面积，从而增强了其对物体的包络能力，优化了抓取性能，但过度增加长度可能导致驱动效率降低。

折纸单元为平行四边形，改变平行四边形的邻边夹角θ，即改变折纸螺旋向下的缠绕长度和折纸与物体的接触面积。选择θ为30°、45°、60°和75°的4种折纸抓手进行测试，测量得到的最大抓取力分别为1.07、4.09、7.27和5.90 N。其中θ=30°和θ=45°的折纸抓手因夹角θ过小，折纸宽度小，导致整体结构强度不足，抓取时容易变形；而75°夹角过大，使折纸宽度变大，折纸单元相互干扰，导致抓取性能下降。

折纸抓手通过电机驱动绕线轮转动，以螺旋缠绕方式对目标物体进行自适应抓取。如图15所示，该抓手对圆柱体、长方体和圆锥体等不同形状的物体均能实现有效抓取。其中，对等横截面的细长物体（如圆柱体和长方体）抓取性能最优。在这2类物体中，折纸抓手与圆柱体表面的贴合程度更高，因此抓取稳定性更高，承载能力也更强。

此外，该抓手对特殊形状的物体表现出良好的适应性，可被动适应多种物体外形变化，并成功抓取弯曲状和扁平状物体。即使在物体上额外添加质量为500 g的砝码，折纸抓手仍能稳定抓持，显示出优异的负载性能。

尽管条状气动软体机器人通过纤维缠绕约束，可以实现类蛇变形，并达到与折纸抓手相近的抓取性能，但两者在驱动机制和系统集成度上存在差异。折纸抓手通过单根细绳的线性牵引即可实现整个结构的顺序折叠与抓取，驱动点单一，系统简洁可靠。相比之下，气动软体机器人通常依赖空压机、阀路等复杂的气动系统，能耗较高，且在体积与集成度上不具优势。此外，气动软体机器人因其本体由弹性材料制成，在反复充放气的工作循环中，材料容易因疲劳而不可逆地形变、老化甚至开裂。一旦发生破损，往往需要更换整个软体段，维护成本高且难以重复使用。而折纸抓手的主体部分易于更换，维护成本更低。其以简单的折纸结构实现了对复杂形状的适应，同时保持了较大的包络接触面积，体现出显著优势。

受蛇类缠绕运动的启发，本文提出一种新型缠绕式折纸抓手，旨在兼顾大面积包络抓取与结构简洁性的双重需求。该折纸抓手能够在抓取过程中自适应包裹目标物体，在不增加结构复杂度的前提下，显著增大了接触面积，提升了抓取稳定性。

通过实验发现，当折纸厚度为0.125 mm，折纸单元夹角为60°，折纸单元斜边宽度为22 mm时，折纸抓手的抓取性能最优。根据物体大小调整折纸单元个数，可以改善缠绕效果，并提高抓取稳定性。该抓手结构紧凑，通过螺旋缠绕机制与物体形成大面积贴合接触。对于常见的圆柱形、锥形和矩形截面的物体，甚至一些特殊形状，如弯曲状、扁平状，抓取时均能被动、自适应地贴合物体。因此，其能够抓取和搬运远超自身重量的较大物体。实验中，折纸抓手可以轻松抓取质量为500 g的砝码，展现出较强的负载能力。该折纸抓手能高效地将驱动拉力转化为对多种形状物体的包络抓取力，在保持结构小型化的同时，实现了负载能力的显著提升，从而在抓取性能与紧凑设计间取得了优异平衡。这一结果为高性能折纸抓手的设计提供了新思路。

本文链接：https：//www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.191