Continuum robot arms, with their hyper-redundant continuously deformable bodies, show great promise in applications deemed impossible for traditional rigid robot arms with discrete links and joints, such as navigating tight corners without getting stuck. However, existing continuum robots suffer from excessive twisting when subjected to offset loading, even resulting from their own body weight, which reduces their dexterity and precision. In this work, we present a continuum manipulator that is capable of providing passive torsional stiffness through an origami-inspired modular design, remedying the non-controllable twist typically present in continuum robots. Our proposed origami continuum module is ∼73 times stronger in torsion compared with similar-size continuum modules made out of silicone rubber, while being 50% lighter, and capable of 125% change in length. Building on these physical capabilities, we present an optimization-based method to solve for the inverse kinematics of our multi-segment origami continuum manipulator that ensures smooth motion to follow desired end-effector paths, minimizing vibrations of the long and slender body. Further, taking advantage of the length-change capabilities of our origami manipulator, we devise and evaluate grow-to-shape algorithms to plan for full-body robot insertion motions that follow tortuous paths. Lastly, we showcase various applications of our proposed continuum robot for pick-and-place, inspection/exploration, and robotic art. Our study presents a highly capable continuum robot for safe manipulation and structure inspection applications, with potential for real-world deployment.

中文翻译：

---

一种通过扭转刚性体和平滑逆运动学实现精确运动的折纸连续体机器人

Continuum 机器人手臂具有超冗余的连续可变形主体，在传统刚性机器人手臂具有离散链接和关节的应用中显示出巨大的希望，例如在狭窄的角落导航而不会卡住。然而，现有的连续体机器人在承受偏置载荷时会出现过度扭曲，即使是由于自身的体重，也会降低其灵巧性和精度。在这项工作中，我们提出了一种连续体机械手，它能够通过折纸启发的模块化设计提供被动扭转刚度，弥补了连续体机器人中通常存在的不可控扭曲。与由硅橡胶制成的类似尺寸的连续体模块相比，我们提出的折纸连续体模块的扭转强度高 73 倍，同时重量减轻了 50%，并且能够改变 125% 的长度。在这些物理能力的基础上，我们提出了一种基于优化的方法来解决我们的多段折纸连续体机械手的逆运动学问题，确保平滑运动以遵循所需的末端执行器路径，最大限度地减少细长体的振动。此外，利用我们的折纸机械手的长度变化能力，我们设计和评估增长到形状的算法，以规划遵循曲折路径的全身机器人插入运动。最后，我们展示了我们提出的连续体机器人在拾放、检查/探索和机器人艺术方面的各种应用。我们的研究提出了一种用于安全操作和结构检查应用的高性能连续机器人，具有实际部署的潜力。在这些物理能力的基础上，我们提出了一种基于优化的方法来解决我们的多段折纸连续体机械手的逆运动学问题，确保平滑运动以遵循所需的末端执行器路径，最大限度地减少细长体的振动。此外，利用我们的折纸机械手的长度变化能力，我们设计和评估增长到形状的算法，以规划遵循曲折路径的全身机器人插入运动。最后，我们展示了我们提出的连续体机器人在拾放、检查/探索和机器人艺术方面的各种应用。我们的研究提出了一种用于安全操作和结构检查应用的高性能连续机器人，具有实际部署的潜力。在这些物理能力的基础上，我们提出了一种基于优化的方法来解决我们的多段折纸连续体机械手的逆运动学问题，确保平滑运动以遵循所需的末端执行器路径，最大限度地减少细长体的振动。此外，利用我们的折纸机械手的长度变化能力，我们设计和评估增长到形状的算法，以规划遵循曲折路径的全身机器人插入运动。最后，我们展示了我们提出的连续体机器人在拾放、检查/探索和机器人艺术方面的各种应用。我们的研究提出了一种用于安全操作和结构检查应用的高性能连续机器人，具有实际部署的潜力。我们提出了一种基于优化的方法来解决我们的多段折纸连续体机械手的逆运动学问题，该方法确保平滑运动以遵循所需的末端执行器路径，最大限度地减少细长体的振动。此外，利用我们的折纸机械手的长度变化能力，我们设计和评估增长到形状的算法，以规划遵循曲折路径的全身机器人插入运动。最后，我们展示了我们提出的连续体机器人在拾放、检查/探索和机器人艺术方面的各种应用。我们的研究提出了一种用于安全操作和结构检查应用的高性能连续机器人，具有实际部署的潜力。我们提出了一种基于优化的方法来解决我们的多段折纸连续体机械手的逆运动学问题，该方法确保平滑运动以遵循所需的末端执行器路径，最大限度地减少细长体的振动。此外，利用我们的折纸机械手的长度变化能力，我们设计和评估增长到形状的算法，以规划遵循曲折路径的全身机器人插入运动。最后，我们展示了我们提出的连续体机器人在拾放、检查/探索和机器人艺术方面的各种应用。我们的研究提出了一种用于安全操作和结构检查应用的高性能连续机器人，具有实际部署的潜力。