CN111055943A - 一种具有柔性关节的气动攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，包括柔性脊柱机构、脊柱驱动机构、抱合机构；柔性脊柱机构包括橡胶管、套在橡胶管上的弹簧、均套在弹簧上的椎节块和弹性环；脊柱驱动机构包括驱动组件；驱动组件包括脊柱气动肌肉、与脊柱气动肌肉固定连接的脊椎拉索；抱合机构包括第一箱体、第二箱体、软体抱爪；第一箱体和第二箱体分别与橡胶管的两端相对固定，椎节块和弹性环均有若干个，椎节块和弹性环交替套在弹簧上，椎节块上均设有通孔，脊柱气动肌肉的一端与第一箱体相固定，脊柱气动肌肉的另一端与脊椎拉索的一端固定连接，脊椎拉索的另一端穿过所有椎节块的通孔后与第二箱体连接。本气动攀爬机器人能爬树、爬杆，属于攀爬机器的技术领域。

Description

一种具有柔性关节的气动攀爬机器人

技术领域

本发明涉及一种攀爬机器人，尤其涉及一种具有柔性关节的气动攀爬机器 人。

背景技术

随着技术的进步，越来越多的危险工作由机器人代替。为了代替工人爬到 树木高空完成修枝、摘果等危险作业，工程技术人员开发设计了很多爬树机器 人。主要采用的都是刚性结构，这样的刚性结构可以完成在平整树干表面的攀 爬，但是难以实现对树干直径变化的适应，难以避障和转弯。因此，需要设计 一种具有柔性仿生关节的气动爬树机器人，结构简单，易于实现爬树功能，可 以适应树干直径变化，实现一定的避障、转弯功能。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种具有柔性关 节的气动攀爬机器人，该气动攀爬机器人结构简单、动作灵活，攀爬机器人能 代替人类进行爬树、爬杆等危险的作业。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，包括柔性脊柱机构、脊柱驱动机构、 抱合机构；柔性脊柱机构包括橡胶管、套在橡胶管上的弹簧、均套在弹簧上的 椎节块和弹性环；脊柱驱动机构包括驱动组件；驱动组件包括脊柱气动肌肉、 与脊柱气动肌肉固定连接的脊椎拉索；抱合机构包括第一箱体、第二箱体、软 体抱爪；第一箱体和第二箱体分居橡胶管的两端且第一箱体和第二箱体分别与 橡胶管的两端相对固定，每个第一箱体和每个第二箱体上均至少安装有两条软 体抱爪，软体抱爪分居第一箱体和第二箱体的两侧；

椎节块和弹性环均有若干个，椎节块和弹性环交替套在弹簧上，所有椎节 块上均设有通孔，脊柱气动肌肉的一端与第一箱体相固定，脊柱气动肌肉的另 一端与脊椎拉索的一端固定连接，脊椎拉索的另一端穿过所有椎节块的通孔后 与第二箱体固定连接。第一箱体上的抱爪抱着攀爬物，将气体充入脊柱气动肌 肉来驱动脊柱气动肌肉变粗变短拉动脊椎拉索，使得第二箱体向第一箱体相互 靠近并压缩弹簧以及所有的椎节块和弹性环，使得整个柔性脊柱机构长度变短 后第二箱体的抱爪也抱紧攀爬物，接着第一箱体上的抱爪松开的同时脊柱气动 肌肉放气，橡胶管内冲入高压气体，脊柱气动肌肉恢复原长，整个柔性脊柱机 构恢复原来的长度，此时第二箱体不动，第一箱体移动，实现攀爬。

进一步的是：每个椎节块上的通孔和驱动组件均至少有两个，每个椎节块 上的所有通孔沿着橡胶管的圆周方向均匀分布，每个椎节块上的所有通孔与相 邻的椎节块的所有通孔一一对应，每个脊柱驱动组件沿着橡胶管的圆周方向均 匀分布，不同的脊椎拉索分别穿过每个椎节块上不同的通孔。驱动组件均至少 有两个，每个脊柱气动肌肉伸缩长度不一致的时候，整个柔性脊柱机构可以实 现向不同方向的弯曲、扭转，使得气动攀爬机器人可实现一定的避障、转弯功 能。

进一步的是：每个椎节块上的通孔和驱动组件均有四个，四条脊椎拉索均 依次穿过所有椎节块的通孔且四条脊椎拉索分别穿过每个椎节块的四个通孔。 四个驱动组件可以更好地使得气动攀爬机器人实现全方位的转弯和扭转，实现 避障。

进一步的是：脊柱驱动机构还包括驱动箱；驱动箱的一端设有脊椎拉索孔， 驱动箱的另一端与第一箱体固定连接，脊柱气动肌肉位于驱动箱内，脊椎拉索 从脊椎拉索孔穿出。驱动箱可以对位于驱动箱内部的脊柱气动肌肉起到防尘的 作用。

进一步的是：驱动箱上设有轴孔，第一箱体上固设有第一阶梯轴，弹簧和 橡胶管从轴孔穿入到驱动箱内，第一阶梯轴具有第一轴段和第二轴段，第一轴 段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段和第二轴段之间具有轴肩，第一轴段 与第一箱体固定连接，第二轴段穿过轴孔并与橡胶管的内壁固定连接，第二轴 段上设有便于第二轴段穿进橡胶管内孔的锥度，轴肩与橡胶管的端面接触。第 一箱体通过第一阶梯轴与橡胶管固定连接。

进一步的是：第二箱体上固设有第二阶梯轴和螺母，第二阶梯轴具有第三 轴段和第四轴段，第三轴段的直径大于第四轴段的直径，第三轴段设有外螺纹， 第三轴段的轴端通过六角螺母与第二箱体固定连接，螺母的内螺纹与第三轴段 的外螺纹配合，第四轴段的末端穿进橡胶管的内孔并与橡胶管的内壁固定连接， 第四轴段上设有便于第四轴段穿进橡胶管内孔的锥度，弹簧的端面与螺母的端 面接触。第二箱体通过第二阶梯轴与橡胶管固定连接。

进一步的是：第三轴段具有轴肩，螺母的螺纹孔具有第一孔段和第二孔段， 第一孔段的直径与第三轴段的直径相等且第一孔段的直径大于第二孔段的直 径，轴肩和螺母的端面接触，第二孔段与第四轴段之间具有卡管间隙，橡胶管 的管壁穿进卡管间隙内，使得第二阶梯轴与橡胶管的连接更加牢固。

进一步的是：第一箱体和第二箱体上的软体抱爪均有四条，四条软体抱爪 两两为一组对称安装在第一箱体或第二箱体的两侧，四条软体抱爪呈X形，使 得抱爪抱合攀爬物的时候更加牢固。

进一步的是：抱合机构还包括抱爪气动肌肉和抱爪拉索；软体抱爪的外壁 上设有若干个凸块，若干个凸块沿着软体抱爪的长度方向均匀分布，其中两个 凸块分别位于软体抱爪长度方向的两端，所有凸块上均设有抱爪拉索孔，抱爪 气动肌肉位于第一箱体或第二箱体内，抱爪气动肌肉的两端均通过抱爪拉索分 别与第一箱体两侧或第二箱体两侧的软体抱爪连接，抱爪拉索穿过所有凸块上 的抱爪拉索孔后与软体抱爪末端的凸块固定连接。通过抱爪气动肌肉拉动抱爪 拉索，使得软体抱爪弯曲，从而使得软体抱爪抱合攀爬物。

进一步的是：软体抱爪包括抱条、安装在抱条上的安装块、安装在安装块 上的充气管；抱条内沿着抱条的长度方向均匀设有若干个空腔，相邻的两个空 腔之间的外壁上均设有分离槽，分离槽贯穿抱条的外壁，凸块和分离槽分居抱 条相对的两个外壁上，空腔的数量多于凸块的数量，抱条内沿着抱条的长度方 向还设有连通孔，所有空腔通过连通孔连通，连通孔通过充气管与外部连通。 通过充气管使得空腔内充满气体，空腔膨胀相互挤压，可使软体抱爪弯曲，使 得软体抱爪更容易抱紧攀爬物。

总的说来，本发明具有如下优点：

本气动攀爬机器人结构简单，攀爬动作连贯，易于实现攀爬功能。本气动 攀爬机器人的软体抱爪可以适应攀爬物的大小变化，适应性强。同时由于柔性 脊柱机构可向不同方向弯曲和扭曲，可实现一定的避障、转弯功能。本气动攀 爬机器人不仅结构简单紧凑而且总体质量、体积小，实现了气动攀爬机器人攀 爬动作的灵活性和连续性，提高攀爬效率，可用于解决爬树、爬杆等难题。

附图说明

图1是本具有柔性关节的气动攀爬机器人的结构示意图。

图2是柔性脊柱机构、驱动组件、抱爪气动肌肉、抱爪拉索的结构示意图。

图3是柔性脊柱机构的结构示意图。

图4是图3的A处的放大视图。

图5是第一阶梯轴的结构示意图。

图6是第二阶梯轴的结构示意图。

图7是软体抱爪的结构示意图。

图8是软体抱爪的剖视图。

图9是图8的B—B处的剖视图。

图10至图15是气动攀爬机器人的攀爬过程示意图。

图16是气动攀爬机器人在弯曲、扭转时候的俯视图的简图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出 现的附图标记统一说明如下：

1为柔性脊柱机构，2为橡胶管，3为弹簧，4为椎节块，5为弹性环，6为 驱动组件，7为脊柱气动肌肉，8为脊椎拉索，9为第一箱体，10为第二箱体， 11为软体抱爪，12为通孔，13为驱动箱，14为第一阶梯轴，15为第一轴段， 16为第二轴段，17为第一轴段上的轴肩，18为第二阶梯轴，19为螺母，20为 第三轴段，21为第四轴段，22为第三轴段上的轴肩，23为螺母的端面，24为 卡管间隙，25为抱爪气动肌肉，26为抱爪拉索，27为凸块，28为抱爪拉索孔，29为抱条，30为安装块，31为充气管，32为空腔，33为连通孔，34为分离槽。

结合图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种具有柔性关节的气动攀 爬机器人，包括柔性脊柱机构、脊柱驱动机构、抱合机构；柔性脊柱机构包括 橡胶管、套在橡胶管上的弹簧、均套在弹簧上的椎节块和弹性环；橡胶管位于 最内层，弹簧位于中间层，椎节块和弹性环位于最外层，橡胶管的外径等于弹 簧的内径，弹性环的内径不小于弹簧的外径，椎节块内径不小于弹簧外径。脊 柱驱动机构包括用于驱动柔性脊柱机构伸缩的驱动组件；驱动组件包括脊柱气 动肌肉、与脊柱气动肌肉固定连接的脊椎拉索；抱合机构包括第一箱体、第二 箱体、软体抱爪；第一箱体和第二箱体分居橡胶管的两端且第一箱体和第二箱 体分别与橡胶管的两端固定连接。每个第一箱体和每个第二箱体上均至少安装 有两条软体抱爪，软体抱爪分居第一箱体和第二箱体的两侧，通过两条抱爪弯 曲并相互靠近来抱合攀爬物。脊柱气动肌肉充入高压气体后长度变短。第一箱 体和第二箱体上的软体抱爪均有四条，四条软体抱爪两两为一组对称安装在第 一箱体或第二箱体的两侧，四条软体抱爪呈X形，安装在第一箱体和第二箱体 的左右侧面均有两根，第一箱体和第二箱体上的四根软体抱爪均呈X形分布。 拉动脊椎拉索的脊柱气动肌肉均安装在第一箱体或第二箱体内。合理控制脊柱 气动肌肉充入高压气体，可使柔性脊柱机构向不同方向弯曲。弹簧为柔性仿生 脊柱提供一定的刚度，当脊椎拉索上驱使柔性脊柱机构弯曲的力撤去之后，弹 簧在径向方向和轴线方向上均可弹性复位，即柔性脊柱机构会恢复原来长度和 恢复笔直状态。弹性环可以沿着橡胶管的轴线方向伸缩，弹簧限制橡胶管在通 入高压气体之后的径向膨胀。这样，当橡胶管中通入高压气体之后只能沿轴线 伸长，使得柔性脊柱机构可以伸缩。

椎节块和弹性环均有若干个，椎节块和弹性环交替套在弹簧上，每两个相 邻的椎节块之间至少放入一个弹性环用来间隔，弹性环在径向上具有一定的厚 度，在轴线方向具有一定长度，弹性环用来将椎节块分隔开，使每两个相邻的 椎节块之间保证一定的距离，便于柔性脊柱机构发生弯曲。弹性环采用了弹性 橡胶材料，也可以采用其它弹性材料代替，起到相同作用即可。所有椎节块上 均设有通孔，脊柱气动肌肉的一端与第一箱体相固定，脊柱气动肌肉的另一端 与脊椎拉索的一端固定连接，脊椎拉索的另一端穿过所有椎节块的通孔后与第 二箱体固定连接。脊椎拉索将第二箱体、所有椎节块、第一箱体依次串联起来， 当脊柱气动肌肉充气拉紧脊椎拉索时，在脊椎拉索的作用下，第一箱体和第二 箱体相互靠近并挤压柔性脊柱机构，柔性脊柱机构的橡胶管内的高压气体放出， 橡胶管缩短，橡胶管上的弹簧和所有的椎节块以及所有的弹性环被相互靠近的 第一箱体和第二箱体挤压，使得柔性脊柱机构变短。反之，当脊柱气动肌肉放 气松开脊椎拉索时，在被压缩的弹簧复位和橡胶管充气伸长的作用下，第一箱 体和第二箱体相互远离，橡胶管上的所有的弹性环轴向恢复原长，所有的椎节 块和弹性环从被挤压的状态变成非挤压状态，柔性脊柱机构变长。

每个椎节块上的通孔和驱动组件均至少有两个，每个椎节块上的所有通孔 沿着橡胶管的圆周方向均匀分布，每个椎节块上的所有通孔与相邻的椎节块的 所有通孔一一对应，每个椎节块的四个通孔分别与相邻的椎节块的四个通孔对 应。每个脊柱驱动组件沿着橡胶管的圆周方向均匀分布，不同的脊椎拉索分别 穿过每个椎节块上不同的通孔，每个通孔只有一条脊椎拉索穿过，每条脊椎拉 索均将所以椎节块串联。当驱动组件有两个的时候，控制其中一个驱动组件的 脊椎拉索拉紧，另一个驱动组件的脊椎拉索无动作的时候，柔性脊柱机构会弯 曲，实现转向。

每个椎节块上的通孔和驱动组件均有四个，四条脊椎拉索均依次穿过所有 椎节块的通孔且四条脊椎拉索分别穿过每个椎节块的四个通孔。柔性仿生脊柱 的椎节块的中心是一个圆孔，用来套装在弹簧上，弹簧穿过该圆孔。椎节块的 形状不固定，只要能满足以圆孔的圆心为中心，在圆中心等距离的地方上均匀 分布四个通孔即可，例如椎节块呈十字形，也可以设计成圆形、正方形等。椎 节块具有一定厚度，通孔直径略大于脊椎拉索的直径。

脊柱驱动机构还包括驱动箱；驱动箱的一端设有脊椎拉索孔，驱动箱的另 一端与第一箱体固定连接，脊柱气动肌肉位于驱动箱内，脊椎拉索从脊椎拉索 孔穿出。脊椎拉索的一端固定在第二箱体上，另外一端穿进驱动箱后与位于驱 动箱内的脊柱气动肌肉固定连接。驱动箱开有四个圆孔，该圆孔用于穿过驱动 箱内的脊椎拉索穿出。在脊椎拉索的一端设计有卡扣，脊椎拉索的一端通过卡 扣固定在第二箱体上，脊柱气动肌肉牵引脊椎拉索的时候，脊椎拉索就可以拉 动第二箱体，不会松脱。第一箱体和第二箱体都是长方体空腔结构。在第一箱 体和第二箱体上均开有圆孔用来走线。

驱动箱上设有轴孔，第一箱体上固设有第一阶梯轴，弹簧和橡胶管从轴孔 穿入到驱动箱内后通过第一阶梯轴与第一箱体固定连接。第一阶梯轴具有第一 轴段和第二轴段，第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段具有轴肩， 第一轴段与第一箱体固定连接，第二轴段穿过轴孔并与橡胶管的内壁固定连接， 第二轴段上设有便于第二轴段穿进橡胶管内孔的锥度，轴肩与橡胶管的端面接 触。第一轴段位于驱动箱内且穿进第一箱体内，第一轴段通过螺母固定在第一 箱体的侧板上，第二轴段从轴孔穿出后穿进橡胶管的内孔并与橡胶管的内壁固 定连接。第二轴段与第一轴段连接处的直径大于第二轴段末端的直径，便于第 二轴段末端穿进橡胶管的同时随着第二轴段末端穿进橡胶管的深度增加，第二轴段与橡胶管的连接更加紧固，轴肩可以实现橡胶管末端的定位。

第二箱体上固设有第二阶梯轴和螺母，第二阶梯轴具有第三轴段和第四轴 段，第三轴段的直径大于第四轴段的直径，第三轴段设有外螺纹，第三轴段的 轴端通过六角螺母与第二箱体固定连接，螺母的内螺纹与第三轴段的外螺纹配 合，第四轴段的末端穿进橡胶管的内孔并与橡胶管的内壁固定连接，第四轴段 上设有便于第四轴段穿进橡胶管内孔的锥度，弹簧的端面与螺母的端面接触。

第二阶梯轴分为第三轴段和第四轴段，第四轴段与第二轴段一样设有锥度， 利于第四轴段穿进橡胶管内孔的同时，也便于第四轴段与橡胶管的固定更加牢 固。在第二轴段与橡胶管内壁之间以及第四轴段与橡胶管内壁之间均涂抹胶水， 使得连接更加稳固。

第三轴段具有轴肩，螺母的螺纹孔具有第一孔段和第二孔段，第一孔段的 直径与第三轴段的直径相等且第一孔段的直径大于第二孔段的直径，轴肩和螺 母的端面接触，第二孔段与第四轴段之间具有卡管间隙，橡胶管的管壁穿进卡 管间隙内。先将螺母拧在第三轴段的螺纹上，最终螺母的一部分会位于第三轴 段上，其余部分会位于第四轴段上，螺母的端面与轴肩接触实现螺母定位，由 于第四轴段设有锥度，因此螺母的第二孔段与第四轴段会有间隙，橡胶管的管 壁卡进该间隙内并使其压紧，实现橡胶管与第二阶梯轴固定连接。

结合图1、图2、图3、图7、图8、图9所示，抱合机构包括抱爪气动肌肉 和抱爪拉索；软体抱爪的外壁上设有若干个凸块，若干个凸块沿着软体抱爪的 长度方向均匀分布，其中两个凸块分别位于软体抱爪长度方向的两端，所有凸 块上均设有抱爪拉索孔，抱爪气动肌肉位于第一箱体或第二箱体内，抱爪气动 肌肉的两端均通过抱爪拉索分别与第一箱体两侧或第二箱体两侧的软体抱爪连 接，抱爪拉索穿过所有凸块上的抱爪拉索孔后与软体抱爪末端的凸块固定连接。 凸块开有抱爪拉索孔，用于穿过抱爪拉索。抱爪拉索孔穿过所有凸块的抱爪拉 索孔从而实现将所有的凸块串联起来，抱爪拉索的一端由抱爪气动肌肉牵引， 抱爪拉索的另外一端固定在软体抱爪末端的最后一个凸块上。抱爪气动肌肉充 入高压气体后长度变短。当对应的抱爪气动肌肉充入高压气体后，可通过抱爪 拉索拉动抱爪弯曲，从而产生弯曲效果，抱紧树干。抱爪气动肌肉悬空安装在 第一箱体和第二箱体内，每条抱爪气动肌肉的两端分别拉住两条抱爪拉索，从 而实现同时拉动两条软体抱爪，两条软体抱爪同步弯曲并靠近，实现抱合。第 一箱体内和第二箱体内均有的两条抱爪气动肌肉，每条抱爪气动肌肉同时控制 两条软体抱爪，两条抱爪气动肌肉控制四条软体抱爪抱合。

软体抱爪包括抱条、安装在抱条上的安装块、安装在安装块上的充气管； 安装块设有倾斜面，充气管固定在倾斜面上，倾斜面与第一箱体或第二箱体的 侧面连接，充气管从第一箱体或第二箱体的侧面穿进第一箱体或第二箱体内。 相邻的两个空腔之间的外壁上均设有分离槽，分离槽贯穿抱条的外壁，凸块和 分离槽分居抱条相对的两个外壁上，抱条内沿着抱条的长度方向均匀设有若干 个空腔，由于抱条具有一定的变形能力，因此空腔内充入气体的时候空腔会膨 胀，抱条会变形弯曲，即空腔的体积变大，相邻的空腔相互挤压，空腔充气的 时候膨胀，分离槽的两侧会鼓起来相互挤压接触，从而使得软体抱爪弯曲。空 腔的数量多于凸块的数量，抱条内沿着抱条的长度方向还设有连通孔，所有空 腔通过连通孔连通，连通孔通过充气管与外部连通，通过充气管可以向空腔充 入高压气体，在充入高压气体后，每个空腔代表一个指节，空腔膨胀互相挤压， 使得指节的距离变大，可使软体抱爪向另外一侧弯曲(向设有凸块的外壁弯曲)。 相邻空腔之间的间隔距离很小，凸块的数量比空腔指节数量少，抱条自然状态 下保持弯曲，可以缩短抱条抱合的行程。通过高压气体和抱条拉索使得两个弯 曲力叠加，使得软体抱爪的抱合力度更大。

脊椎拉索和抱爪拉索均为钢丝绳。为减少摩擦力，钢丝绳上适当涂抹润滑 脂。

结合图10至图15所示，下面的描述以向上攀爬为例，第一箱体或第二箱 体任意一个处于上方均可实现上下攀爬。本实例向上攀爬的过程中，第二箱体 位于第一箱体上方，本气动攀爬机器人的攀爬原理：

结合图10，机器人处于初始状态，软体抱爪的空腔中充入高压气体，空腔 膨胀互相挤压，软体抱爪呈现一定程度的弯曲；第二箱体和第一箱体内用于牵 引软体抱爪的抱爪气动肌肉内部充入高压气体，从而实现拉动软体抱爪弯曲， 产生叠加弯曲效果，第二箱体上的四条软体抱爪抱紧攀爬物，第一箱体的四条 软体抱爪也抱紧攀爬物。这时，为保证柔性脊柱机构具有一定刚性，用于牵引 柔性脊柱机构上的四条脊柱气动肌肉充入少量高压气体，适当预紧，使柔性脊 柱机构略微缩短。

结合图11，第二箱体上的软体抱爪放气，第二箱体内用于牵引软体抱爪上 抱爪拉索的抱爪气动肌肉放气，第二箱体上的四条软体抱爪松开树干，用于牵 引柔性脊柱机构上四条脊椎拉索的脊柱气动肌肉放气，同时，柔性脊柱机构内 的橡胶管中充入高压气体，柔性脊柱机构伸长，带动第二箱体以及其上的四条 软体抱爪向上运动。

结合图12，当柔性脊柱机构内的橡胶管中充入的高压气体达到最大值后， 停止伸长，接着第二箱体上的软体抱爪中充入高压气体，空腔膨胀互相挤压， 软体抱爪弯曲；第二箱体内用于牵引软体抱爪上抱爪拉索的抱爪气动肌肉内部 充入高压气体，同时拉动软体抱爪弯曲，产生叠加弯曲效果，第二箱体上的四 条软体抱爪抱紧攀爬物；接着，第一箱体上的软体抱爪放气，第一箱体内用于 牵引软体抱爪上抱爪拉索的抱爪气动肌肉放气，第一箱体上的四条软体抱爪松 开攀爬物；柔性脊柱机构内的橡胶管放气缩短，用于牵引柔性脊柱机构上四条 脊椎拉索的脊柱气动肌肉充气，气动肌肉缩短，拉动脊椎拉索使柔性脊柱机构缩短，带动驱动箱和第一箱体及第一箱体上的四条软体抱爪向上运动。

结合图13，重复图11和图12的动作步骤，控制柔性脊柱机构伸缩使得第 一箱体和第二箱体交替向上移动。向下移动的时候同理，气动攀爬机器人将按 照这样的动作顺序和规律实现向上和向下的攀爬，最后到达目的地。

结合图14至图16，图14为气动攀爬机器人在弯曲时候的结构示意图；图 15为气动攀爬机器人在弯曲、扭转时候的结构简图，图16为气动攀爬机器人在 弯曲、扭转时候的俯视图的简图。

本柔性脊柱机构弯曲原理：

为了统一描述，下文所说的左右方向与图14的左右方向一致，前后方向与 图14的投影方向一致。

结合图14，机器人向上运动的过程中如果需要向某个方向转向，柔性脊柱 机构对应方向上的牵引脊椎拉索可以控制柔性脊柱机构的弯曲方向，这时向牵 引该根脊椎拉索的脊柱气动肌肉内充入高压气体。例如，如图14所示，机器人 需要向右弯曲，这时向牵引右边脊椎拉索的脊柱气动肌肉内充入高压气体，脊 柱气动肌肉膨胀缩短，拉动脊椎拉索，柔性脊柱机构向右弯曲。同样原理，如 果需要向左弯曲，则控制左边的脊椎拉索；向上弯曲，则控制前面的脊椎拉索， 向下弯曲，后面的脊椎拉索。

本柔性脊柱机构扭转原理：

为了统一描述，下文所说的左右方向与图16的左右方向一致，上下方向与 图16的上下方向一致。

结合图15和图16(只保留了柔性脊柱机构的脊椎拉索来说明扭转原理。)， 气动攀爬机器人在圆柱或树干上攀爬的时候，为了实现避障等功能，柔性脊柱 机构除了需要弯曲转向，还需要扭转才能保证在弯曲转向后还能抱紧攀爬物， 即如图16所述，第一箱体或第二箱体在柔性脊柱机构螺旋扭转的作用下，第一 箱体或第二箱体能始终与圆柱的圆周面贴合并相切。当拉动四根脊椎拉索中的 其中一根脊椎拉索的时候，可以使柔性脊柱机构向某个方向弯曲，当同时拉动 该脊椎拉索相邻的某两根脊椎拉索的时候，就会发生弯曲耦合，导致扭转。例 如，如图16所示，当同时向拉动上面脊椎拉索和右边脊椎拉索被脊柱气动肌肉 拉紧的时候，柔性脊柱机构会发生右弯曲的同时还会发生扭曲，产生类似螺旋 线的扭转变形，使得柔性脊柱机构绕着圆柱的圆周面扭转，气动攀爬机器人可 以避开障碍物向上攀爬。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：包括柔性脊柱机构、脊柱驱动机构、抱合机构；柔性脊柱机构包括橡胶管、套在橡胶管上的弹簧、均套在弹簧上的椎节块和弹性环；脊柱驱动机构包括驱动组件；驱动组件包括脊柱气动肌肉、与脊柱气动肌肉固定连接的脊椎拉索；抱合机构包括第一箱体、第二箱体、软体抱爪；第一箱体和第二箱体分居橡胶管的两端且第一箱体和第二箱体分别与橡胶管的两端相对固定，每个第一箱体和每个第二箱体上均至少安装有两条软体抱爪，软体抱爪分居第一箱体和第二箱体的两侧；

椎节块和弹性环均有若干个，椎节块和弹性环交替套在弹簧上，所有椎节块上均设有通孔，脊柱气动肌肉的一端与第一箱体相固定，脊柱气动肌肉的另一端与脊椎拉索的一端固定连接，脊椎拉索的另一端穿过所有椎节块的通孔后与第二箱体固定连接。

2.按照权利要求1所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：每个椎节块上的通孔和驱动组件均至少有两个，每个椎节块上的所有通孔沿着橡胶管的圆周方向均匀分布，每个椎节块上的所有通孔与相邻的椎节块的所有通孔一一对应，每个脊柱驱动组件沿着橡胶管的圆周方向均匀分布，不同的脊椎拉索分别穿过每个椎节块上不同的通孔。

3.按照权利要求2所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：每个椎节块上的通孔和驱动组件均有四个，四条脊椎拉索均依次穿过所有椎节块的通孔且四条脊椎拉索分别穿过每个椎节块的四个通孔。

4.按照权利要求1所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：脊柱驱动机构还包括驱动箱；驱动箱的一端设有脊椎拉索孔，驱动箱的另一端与第一箱体固定连接，脊柱气动肌肉位于驱动箱内，脊椎拉索从脊椎拉索孔穿出。

5.按照权利要求4所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：驱动箱上设有轴孔，第一箱体上固设有第一阶梯轴，第一阶梯轴具有第一轴段和第二轴段，第一轴段的直径大于第二轴段的直径，第一轴段具有轴肩，第一轴段与第一箱体固定连接，第二轴段穿过轴孔并与橡胶管的内壁固定连接，第二轴段上设有便于第二轴段穿进橡胶管内孔的锥度，轴肩与橡胶管的端面接触。

6.按照权利要求4所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：第二箱体上固设有第二阶梯轴和螺母，第二阶梯轴具有第三轴段和第四轴段，第三轴段的直径大于第四轴段的直径，第三轴段设有外螺纹且第三轴段与第二箱体固定连接，螺母的内螺纹与第三轴段的外螺纹配合，第四轴段的末端穿进橡胶管的内孔并与橡胶管的内壁固定连接，第四轴段上设有便于第四轴段穿进橡胶管内孔的锥度。

7.按照权利要求6所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：第三轴段具有轴肩，螺母的螺纹孔具有第一孔段和第二孔段，第一孔段的直径与第三轴段的直径相等且第一孔段的直径大于第二孔段的直径，轴肩和螺母的端面接触，第二孔段与第四轴段之间具有卡管间隙，橡胶管的管壁穿进卡管间隙内。

8.按照权利要求1所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：第一箱体和第二箱体上的软体抱爪均有四条，四条软体抱爪两两为一组对称安装在第一箱体或第二箱体的两侧，四条软体抱爪呈X形。

9.按照权利要求1所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：抱合机构还包括抱爪气动肌肉和抱爪拉索；软体抱爪的外壁上设有若干个凸块，若干个凸块沿着软体抱爪的长度方向均匀分布，其中两个凸块分别位于软体抱爪长度方向的两端，所有凸块上均设有抱爪拉索孔，抱爪气动肌肉位于第一箱体或第二箱体内，抱爪气动肌肉的两端均通过抱爪拉索分别与第一箱体两侧或第二箱体两侧的软体抱爪连接，抱爪拉索穿过所有凸块上的抱爪拉索孔后与软体抱爪末端的凸块固定连接。

10.按照权利要求9所述的一种具有柔性关节的气动攀爬机器人，其特征在于：软体抱爪包括抱条、安装在抱条上的安装块、安装在安装块上的充气管；抱条内沿着抱条的长度方向均匀设有若干个空腔，相邻的两个空腔之间的外壁上均设有分离槽，分离槽贯穿抱条的外壁，凸块和分离槽分居抱条相对的两个外壁上，空腔的数量多于凸块的数量，抱条内沿着抱条的长度方向还设有连通孔，所有空腔通过连通孔连通，连通管通过充气管与外部连通。

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