旋转运动对人类的手部动作至关重要，因为许多日常任务不仅依赖于手指的屈伸，还依赖于手腕和前臂的旋转能力。前臂的旋转自由度（如旋前和旋后）使手能够在空间中定位物体、调整握持角度并执行精确的操作[1,2]。例如，转动钥匙、打开罐子或使用工具等简单动作都需要协调的旋转动作。如果没有旋转能力，手的动作将仅限于线性的抓取和释放，从而大大降低灵巧性和多功能性[3]。从机器人的角度来看，复制人类前臂的旋转运动对于开发具有类似人类功能的机械手至关重要[4]。这在假肢、康复设备和机器人夹持器中尤为重要，因为安全有效地重新定位物体的能力与抓取能力同样重要。
传统的刚性旋转臂可以使用电机及相关刚性附件轻松实现，并因其精度、速度和承载能力而被广泛使用[5,6]。然而，它们的刚性结构和高刚性传动使得它们在近距离人机交互中存在安全隐患，通常需要障碍物或先进的传感系统来防止事故。此外，刚性关节缺乏固有的柔韧性，因此需要复杂的控制策略来进行轻柔的操作[7,8]。此外，它们笨重的设计限制了便携性，使其难以集成到可穿戴设备或轻量级应用中，如假肢、康复设备或辅助设备。
为了克服这些限制，迫切需要开发结合旋转功能与软体机器人固有优势的柔软旋转臂。柔软的旋转臂继承了软体机器人的优点，可以提供安全的、柔顺的运动，从而降低人机协作过程中的受伤风险，而无需复杂的传感系统[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]]。此外，它们轻便灵活的结构使其能够集成到便携式系统中[[25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]]。大多数机器人臂主要可以实现弯曲、收缩和扭转之间的耦合运动[[38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51]]。尽管如此，一些软体机器人臂也可以基于不同的原理和设计产生纯扭转变形。有一种旋转机械臂是通过将多根平行形状记忆合金线螺旋嵌入柔软的基质中设计的，但可实现的旋转角度相当有限[52]。大多数柔软旋转臂是基于气动执行器开发的，但它们产生的扭矩仍然无法达到人类前臂的水平。基于不同机制开发了具有纯旋转运动的扭转气动前臂，包括预扭曲的气动管[53,54]、折纸人工肌肉[[55], [56], [57]]和各向异性设计的气室[58,59]。还有一些其他的气动旋转臂具有旋转和弯曲的耦合运动，这限制了它们在仅需要纯旋转运动的场景中的应用[[60], [61], [62], [63], [64], [65], [66]]。此外，软硬混合机器人结合了刚性机制的承载能力和结构精度以及软材料的柔顺性和安全性，从而实现了高性能的操作[[67], [68], [69], [70], [71]]。也开发了几种软硬混合机械臂，但它们的变形主要限于弯曲而非旋转[72,73]。总体而言，这些软体机器人臂难以同时实现与人类前臂相当的大旋转角度和扭矩，甚至难以实现其中之一。
本研究描述了一种旨在复制人类前臂功能的旋转臂。该机械臂设计为能够实现大约180°的单向旋转运动，模仿人类前臂的旋前和旋后动作（视频S1）。此外，它还可以产生与人类前臂相当的扭矩水平。这些特性是通过采用硬软混合结构实现的，其中两个串联连接的软折纸执行器用于输出纯扭矩，而刚性外壳则用于抵抗被动变形。我们之前的研究已经证明了以这种方式设计机械臂的可行性[55]。为了实现与人类前臂相当的扭矩和旋转范围，本研究修改了串联连接的两个折纸执行器的约束方式。不是固定顶端并从低端输出，而是同时固定两端，中间端作为输出端。此外，通过将薄金属片引入折纸执行器的各个面，提高了其制造工艺，使其能够承受更高的气压。这些改进使得本研究在扭矩容量上提高了十倍以上，而旋转容量仅减少了不到一半。两个折纸执行器的拮抗效应使机械臂能够在其旋转范围内输出任何角度，它们的协同效应使其能够产生更大的输出扭矩。此外，该机械臂设计得非常紧凑，便于集成到其他设备中，或在末端安装不同的操作器。该机械臂的性能通过将带有三个矩形突起的钥匙旋转通过方形孔、旋转自行车轮子上的快速释放杠杆以及打开水下阀门来展示。
本文的结构如下：第2节介绍了旋转机械臂的设计和工作原理，并定义了其主要几何参数。第3节描述了构建旋转机械臂所需的材料、制造工艺和组装方法。第4节详细介绍了机械臂的驱动方式以及其扭转性能和扭矩输出特性。最后，在第
4节中总结了结论。
