CN115230836A - 一种翻转式攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翻转式攀爬机器人，包括可双向弯曲的柔性躯体以及设于柔性躯体两端的柔性抓手，柔性躯体包括第一柔性脊以及设于第一柔性脊两侧的第一气动弯曲装置，柔性抓手包括第二柔性脊以及设于柔性脊的一侧的第二气动弯曲装置，两个柔性抓手的第二柔性脊分别设于第一柔性脊的两端，第二柔性脊设有第二气动弯曲装置一侧与第一柔性脊的一端固定连接，还包括与第一气动弯曲装置和第二气动弯曲装置电连接的控制装置。本发明的柔性躯体能双向弯曲，同时配合可弯曲的柔性抓手，实现翻转式攀爬，爬行速度快且能在不同角度拼接的杆件之间进行过渡转移，能够攀爬的杆件的直径的范围大，适应性广。

Description

一种翻转式攀爬机器人

技术领域

本发明涉及柔性机器人技术领域，更具体地，涉及一种翻转式攀爬机器人。

背景技术

近几年来，新型材料的研发，计算机辅助技术的发展等使得软体机器人逐渐发展起来。区别于刚性机器人，软体机器人非常灵活，可以根据身体的不断变形，伸缩成各种不同形态。到目前为止，许多仿生软体机器人已经被开发出来并应用于各种特殊场合。其中软体攀爬机器人可广泛应用于农业、林业、军事、建筑、灾害搜救等领域。

此外，软体机器人的结构通常非常简单，控制不需要精确，这使得它们更加稳定、成本低廉、易于推广。然而，软体攀爬机器人的环境过渡能力仍然有所欠缺。同时，利用硅胶型软体驱动器组成的软体攀爬机器人充气后整体仍然具有一定的柔软度，负载能力无法满足现实需求，并且大部分软体攀爬机器人的步态采取蠕动的方式爬行，该方式较为低效。为此，本发明提出一种翻转式攀爬的气动软体机器人。

有一种爬杆气动软体机器人，该爬杆气动软体机器人包括软质的机身以及转动连接于机身上的硬质的机爪，机身的一侧开设有若干槽口，机身的内部设有第一空腔，往第一空腔内通入气体，槽口变形张开，机身沿与槽口相对的底边产生弯曲变形。本实用新型公开的爬杆气动软体机器人通过将机身设置成软质的，并在机身内开设用于第一空腔和在机身外开设槽口，使机身在充入气体后能产生形变，充气量的变化可以频繁的变化弯曲程度，从而可适用不同直径的爬杆，有效地扩大了机器人所适用的工况；而且机身为软质的结构，软质的材料比硬质的材料更加轻盈，同等质量下能够携带更多物品，节省了驱动自身所用能量，提高了运输效率。

但上述方案为蠕动式爬行，爬行速度慢，且只能沿同一根杆爬行。且上述方案中的机爪为硬质材料做成的，不能根据所要爬行的杆改变机爪的大小，一种规格的机爪能适应杆的直径范围小，若要根据杆的直径更换机爪操作十分麻烦。同时，机身中的形变驱动元所使用的材料为软质材料，充气后会发生弹性变形，刚度低，过高的载荷会使得形变驱动元发生永久性变形甚至损坏，因此机器人的载重能力并不高。且机身各个空腔为相互连通，一体成型，生产难度高不良率高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的爬杆气动软体机器人之能蠕动爬行爬行速度慢，只能沿同一根杆爬行，并且所能爬行的杆的直径范围小的不足，提供一种翻转式攀爬机器人。本发明的柔性躯体能双向弯曲，同时配合可弯曲的柔性抓手，实现翻转式攀爬，爬行速度快且能在不同角度拼接的杆件之间进行过渡转移，能够攀爬的杆件的直径的范围大，适应性广。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种翻转式攀爬机器人，包括可双向弯曲的柔性躯体以及设于所述柔性躯体两端的柔性抓手，所述柔性躯体包括第一柔性脊以及设于所述第一柔性脊两侧的第一气动弯曲装置，所述柔性抓手包括第二柔性脊以及设于所述柔性脊的一侧的第二气动弯曲装置，两个所述柔性抓手的所述第二柔性脊分别设于所述第一柔性脊的两端，所述第二柔性脊设有第二气动弯曲装置一侧与所述第一柔性脊的一端固定连接，所述柔性躯体和柔性抓手弯曲成弧状结构，且所述柔性躯体和柔性抓手分别弯曲成的弧状结构的几何中心线相互垂直，还包括与所述第一气动弯曲装置和第二气动弯曲装置电连接的控制装置。

所述第一柔性脊至少可以朝两侧弯曲，所述第一柔性脊为所述第一气动装置提供安装位置和支撑，如第一柔性脊可以由万向节依次相连形成的万向链作为柔性脊，万向节链接而成的柔性脊可以朝多个方向弯曲，或其他结构的柔性脊均不影响本方案的实现，设于所述第一柔性脊的两侧的两个所述第一气动弯曲装置中哪一侧的所述第一气动弯曲装置充气所述第一柔性脊便朝向另一侧弯曲。所述第二柔性脊着朝可以朝一侧弯曲，所述第二柔性脊为第二气动弯曲装置提供安装和支撑位置，设于所述第二柔性脊的一侧的第二气动弯曲装置充气，所述第二柔性脊便朝另一侧弯曲。原始状态下第一柔性脊和第二柔性脊没有弯曲而是沿直线排列，此时所述第一柔性脊和第二柔性脊相互垂直。

其中一个所述柔性抓手在第二气动弯曲装置的驱动下弯曲从而将攀爬的杆件紧紧握住，另一个柔性抓手松开杆件，所述柔性躯体绕所述紧抓杆件的柔性抓手翻转，并在翻转后的另一个柔性抓手弯曲从而紧抓杆件，此为一个攀爬周期。然后原来抓杆件的柔性抓手松开杆件，所述柔性躯体再次进行翻转，松开攀爬管的柔性抓手也的再次抓紧杆件，而另一个柔性抓手松开攀爬干然后柔性躯体翻转，如此交替进行，从而实现整个机器人在攀爬干上翻转式移动。

对比文件中的蠕动式移动，每个攀爬周期次需要对第一空腔先进行充气使得的机器人弯曲，再对第一空腔进行放气使得机器人再次变直，充气和放气需要交替进行。而本发明中的翻转式移动，每个攀爬周期只需要所述第一气动弯曲装置和第二气动弯曲装置一个充气另一个同时放气，因为充气和放气是同时进行的，节省了一半时间，因此发明的机器人移动速度大大提高。

进一步的，所述第一柔性脊包括若干依次连接的第一柔性链节、以及与位于两端的第一柔性链节固定连接的第一连接件，所述第二柔性脊包括若干依次连接的第二柔性链节、以及与位于两端的第二柔性链节固定连接或设于其中两个第二柔性链节之间的第二连接件，所述第一连接件与第二连接件固定连接。

所述第二柔性脊通过所述第二连接件与所述第一连接件固定连接，从而实现所述第二柔性脊设于所述第一柔性脊的两端。所述第二连接件可以位于所述第二柔性脊的中间，也可以位于靠近所述第二柔性脊的一端处，此时第二连接件均设于两个第二柔性链节之间，所述第二连接件还可以直接位于所述第二柔性脊的一端，此时所述第二连接件设于最末端的第二柔性链节上，只要两个第二柔性脊与第一柔性脊的相对位置相同，所述第二连接件在所述第二柔性脊上的位置不影响本方案的实现。本方案中的第一柔性链节可以实现至少朝向两侧弯曲，所述第二柔性链节至少可以实现朝向一侧弯曲，如万向节、门活页等的结构。

进一步的所述第一气动弯曲装置包括若干第一气囊、与所述第一气囊连通的第一气管、以及设于所述第一气管上的第一三通电磁阀，所述第一气囊设于两个第一柔性链节之间；

所述第二气动弯曲装置包括若干第二气囊、与所述第二气囊相连的第二气管、以及设于所述第二气管上的第二三通电磁阀；

所述第一气管和第二气管均与气泵相连，所述控制装置的输出端与所述气泵、所述第一三通电磁阀、以及所述第二三通电磁阀的输入端均相连。

本方案中，所述第一气囊和第二气囊均为结构形状相同的气囊，每个所述气囊为独立的结构，气囊之间本身不连通而是通过气管进行充气放气和通气。这样，比起一体成型的如对比文件中的形变驱动元来说，本发明的气囊加工过程更加简单，且本发明中的气囊只需要充气膨胀，不需要本身产生弹性形变，这样气囊所使用的材料选择可以更大，选用非软质的材料还可以增加充气后的柔性躯体和柔性抓手的刚度。所述第一气管和第二气管均与气泵相连，每条所述第一气管和第二气管上均设有三通电磁阀，控制装置通过控制三通电磁阀的通断就可以实现不同通道的充放气。设于所述第一气管上的三通电磁阀为第一三通电磁阀，设于所述第二气管上的为第二三通电磁阀。

本发明中的每个机器人包含四条气路，分别是柔性躯体的中第一骨架两侧的两条，以及两个柔性抓手中各有一条，每条气路均通过三通电磁阀控制进气和出气，每条气路可以设置压力传感器，三通电磁阀与压力传感器均与控制装置电连接。通过控制气囊内的气压，可以实现控制柔性躯体和柔性抓手的弯曲角度。

进一步的，所述第一气管为软管，所述第一气管包括若干设于相邻的两个所述第一气囊之间的第一连接段，所述第一气囊上设有三通气接头，所述三通气接头的一个接口与所述第一气囊连通，所述三通气接头另外两个接口与分别两根不同的第一连接段连通，所述第一连接段的长度不小于相邻的两个所述第一气囊充气后设于其上的三通气接头之间的距离。

所述第一气囊充气膨胀后间隔增大，所述第一气管在与第一气囊连接时，第一连接段需要预留出的适当的长度保证第一气囊充气膨胀不受所述第一连接段的长度限制。

进一步的，所述第二气管的结构与第一气管的结构相同，所述第二气管包括设于相邻的两个所述第二气囊之间的第二连接段，所述第二气囊上也设有三通接头，所述三通接头的一个接口与所述第二气囊连通，所述三通气接头另外两个接口与分别两根不同的第二连接段连通，所述第二连接段的长度不小于相邻的两个所述第二气囊充气后设于其上的三通气接头之间的距离。

本方案为一条气管与各个气囊连通，则需要考虑气囊膨胀之后增大的距离，若是每个气囊均设有单独的气管与气泵连通，且气管上均设有控制阀，则可以单独控制每一个气囊的膨胀，但此方案结构复杂成本高。

进一步的，所述第一柔性链节包括第一刚性件、第二刚性件、以及设于所述第一刚性件和第二刚性件之间的柔性转动件，所述第一刚性件的一侧与所述柔性转动件的一侧固定连接，所述第一刚性件的另一侧用于与另一个第一柔性链节的第二刚性件连接，所述第二刚性件的一侧与所述柔性转动件的另一侧固定连接，所述第二刚性件的另一侧用于与另一个第一柔性链节的第一刚性件连接；所述第二柔性链节的结构与所述第一柔性链节的结构相同。

位于中间的所述柔性转动件可以弯曲，这样设于所述柔性转动件两侧的第一刚性件和第二刚性件便可相对弯折。两个相邻第一柔性链节之间连接时，一个柔性链节的第一刚性件与另一个柔性链节的第二刚性件固定连接。这样多个第一柔性链节依次相连便能实现第一柔性脊可以朝两侧弯曲，与设于第一柔性脊两侧的连个气动弯曲装置配便可实现朝两侧弯曲。所述第一柔性链节和第二柔性链节为结构相同的柔性链节，第二柔性脊也可以朝两侧弯曲，但第二柔性脊只在一侧设有第二气动弯曲装置。

进一步的，所述柔性转动件为柔性片，所述柔性片的两侧分别开设有至少一个贯通部，所述第一刚性件和第二刚性件与所述柔性片连接的一侧均开设有供所述柔性片的两侧分别插入的连接槽，连接槽侧壁上设有凸起部，当所述柔性片插入所述连接槽时所述凸起部可插入所述贯通部中。

本方案中，所述柔性片两侧分别插入所述第一刚性件和第二刚性件的连接槽中，连接槽内的凸起部插入柔性片中的贯通部中，从而使得柔性片与第一刚性件和第二刚性件固定连接。所述柔性片在达到疲劳寿命后可以进行更换。所述柔性片与第一刚性件和第二刚性件的连接方式也可以为粘接等均不影响本方案的实现。使用柔性片作为转动关节，结构更加简单，避免了如万向节这类铰接结构中存在的摩擦力和磨损。

进一步的，所述第一刚性件的两端开设有第一卡槽，所述第二刚性件的两端设有第二卡槽，还包括若干扣件，一个所述第一柔性链节的第一刚性件与另一个相邻的所述第一柔性连接的第二刚性件对接后所述扣件同时插入所述第一卡槽和第二卡槽中使相邻的两个第一柔性链节固定连接。

一个第一柔性链节的所述第一刚性件和相邻的第一柔性链节的第二刚性件对接后，第一卡槽和第二卡槽对接形成一个槽，所述扣件插入该槽中便可使得两个第一柔性链节之间固定。所述扣件与第一卡槽和第二卡槽的形状相互匹配，它们的形状结构可以为多种现有的扣合结构均不影响本方案的实现。

进一步的，所述第一卡槽和第二卡槽靠近所述柔性转动件的一端内侧的两侧侧壁向外倾斜，所述扣件为工字形，所述扣件的两侧设有用于与所述第一卡槽和第二卡槽的内侧面相匹配的对接面，所述扣件与所述第一卡槽和第二卡槽过盈配合。

本方案中，通过所述第一卡槽和第二卡槽与扣件的特殊结构实现配合固定，所述扣件的厚度等于所述第一卡槽和第二卡槽的槽高，所述扣件的长度等于所述第一卡槽和第二卡槽拼接后的长度，这样在所述扣件与所述第一卡槽和第二卡槽扣合后连接处平整。

进一步的，所述第一气囊与所述第一柔性链节连接的一侧设有用于与所述第一柔性链节固定连接的固定件，所述固定件用于放置在一个第一柔性链节的第一刚性件和相邻的第一柔性链节的第二刚性件之间，所述固定件上设有至少一个贯穿部，所述第一刚性件用于与所述固定架连接的一面设有用于插设于所述贯穿部的突起部，所述第二刚性件用于与所述固定件连接的一面设有供所述突起部插入的凹陷部。

本方案中，第一气囊安装在第一柔性脊中时，是将第一气囊安装在相邻的两个第一柔性连接之间，分别属于相邻的两个第一柔性链节的第一刚性件和第二刚性件在对接时，第一气囊的固定件夹在第一刚性件和第二刚性件之间，在所述扣件与第一卡槽和第二卡槽扣合之后，所述第一气囊便被固定。所述贯穿部和突起部、凹陷部的形状可以为长条形状，且数量均为至少一个，便可将所述第一气囊固定，避免第一刚性件和第二刚性件夹紧力不够导致第一气囊偏移。所述贯穿部可以为圆孔和凹陷部可以为圆孔，突起部为柱状凸起，一个固定件上设置至少两个圆孔，所述第一刚性件的柱状凸起为两个，这样也可免第一刚性件和第二刚性件夹紧力不够导致第一气囊偏移。

本方案中，所述第二气囊的结构与第一气囊相同，所述第二柔性链节的结构与第一柔性链节相同，所述第二气囊安装在第二柔性脊中方式也与第一气囊安装在第一柔性脊的方式相同。

进一步的，所述第一气囊和第二气囊的材质为双层复合材料，所述双层复合材料的内层为TPU，外层为尼龙，所述柔性片的材质为TPU，所述第一刚性件和第二刚性件的材质为PLA。

TPU材料质量轻且柔软，用来作为转动关节具有很好的灵活性。气囊内层的材质为TPU材料，气密性好，外层为尼龙，抗撕裂轻度高。复合材料制成的气囊，充气后不会产生很大的弹性变形，实现弯曲变形的同时，通过分别控制第一柔性脊两侧的气囊的气压，实现柔性躯体的一定方向和角度的弯曲，且通过调节两侧的气压使得柔性躯体拥有一定的保性能力和变刚度能力。PLA材料密度比起金属材料密度更低，降低装置的整体重量，拥有足够的强度作为柔性脊。

进一步的，所述第二柔性脊的两端设有弧形挡板。

所述弧形挡板具有一定的弧度，能够较好地贴合杆件表面，提升柔性抓手的锚固效果。

进一步的，所述弧形挡板与杆件贴合的一侧面或所述第二柔性链节与攀爬干接触的一侧可以设有增大摩擦力的垫片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过可以朝两侧弯曲的柔性躯体，以及可以朝一侧弯曲的柔性抓手抓住不同直径的杆件，实现翻转式攀爬，移动速度快，且能在不同角度拼接的杆件之间进行过渡转移，能够攀爬的杆件的直径的范围大，适应性广。

(2)第一气囊和第二气囊均相互独立，分别通过第一气管和第二气管相互连通，比起一体成型的多腔结构，更容易生产和制造，且使用TPU和尼龙复合材质气密性好，抗撕裂能力强，承重能力好。

(3)第一柔性链节通过柔性片实现弯曲，使用柔性片作为转动关节，结构更加简单，避免了如万向节这类铰接结构中存在的摩擦力和磨损。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明柔性躯体整体结构示意图；

图3为本发明第一骨架整体结构示意图；

图4为本发明柔性抓手整体结构示意图；

图5为本发明第二骨架整体结构示意图；

图6为本发明第一柔性链节整体结构示意图；

图7为本发明第一柔性链节内部结构示意图；

图8为本发明第一气囊整体结构示意图；

图9为本发明第一气囊与第一柔性链节连接结构示意图；

图10为本发明在直线杆件上攀爬第一步示意图；

图11为本发明在直线杆件上攀爬第二步示意图；

图12为本发明在两根成直角的杆件之间转移示意图。

图示标记说明如下：

1-柔性躯体，11-第一柔性脊，12-第一气动弯曲装置，121-第一气囊，13-第一连接件，2-柔性抓手，21-第二柔性脊，211-第二柔性链节，22-第二气动弯曲装置，221-第二气囊，222-第二气管，23-第二连接件，3-第一柔性链节，31-第一刚性件，311-第一卡槽，312-突起部，32-第二刚性件，321-第二卡槽，322-凹陷部，33-柔性转动件，331-贯通部，34-连接槽，341-凸起部，35-扣件，4-第一气管，41-第一连接段，42-三通气接头，5-固定件，51-贯穿部，6-弧形挡板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

如图1至图12所示，一种翻转式攀爬机器人，包括可双向弯曲的柔性躯体1以及设于所述柔性躯体1两端的柔性抓手2，所述柔性躯体1包括第一柔性脊11以及设于所述第一柔性脊11两侧的第一气动弯曲装置12，所述柔性抓手2包括第二柔性脊21以及设于所述柔性脊的一侧的第二气动弯曲装置2，两个所述柔性抓手2的所述第二柔性脊21分别设于所述第一柔性脊11的两端，所述第二柔性脊21设有第二气动弯曲装置2一侧与所述第一柔性脊11的一端固定连接，所述柔性躯体1和柔性抓手2弯曲成弧状结构，且所述柔性躯体1和柔性抓手2分别弯曲成的弧状结构的几何中心线相互垂直，还包括与所述第一气动弯曲装置12和第二气动弯曲装置2电连接的控制装置。

第一柔性脊11至少可以朝两侧弯曲，第一柔性脊11为第一气动装置提供安装位置和支撑，设于第一柔性脊11的两侧的两个第一气动弯曲装置12中哪一侧的第一气动弯曲装置12充气第一柔性脊11便朝向另一侧弯曲。第二柔性脊21着朝可以朝一侧弯曲，第二柔性脊21为第二气动弯曲装置22提供安装和支撑位置，设于第二柔性脊21的一侧的第二气动弯曲装置22充气，第二柔性脊21便朝另一侧弯曲。原始状态下第一柔性脊11和第二柔性脊21没有弯曲而是沿直线排列，此时第一柔性脊11和第二柔性脊21相互垂直。

如图12所示，柔性抓手2弯曲成弧状结构之后，其几何中心线为柔性抓手2抓取的杆件的轴线，而柔性躯体1弯曲成弧状结构之后的几何中心线与两根杆件的轴线均垂直。本实施例中，无论柔性躯体1朝哪一侧弯曲，柔性躯体1弯曲时所绕的轴线与柔性抓手2弯曲时所绕的轴线相互垂直。

其中一个柔性抓手2在第二气动弯曲装置22的驱动下弯曲从而将攀爬的杆件紧紧握住，另一个柔性抓手2松开杆件，柔性躯体1绕紧抓杆件的柔性抓手2翻转，并在翻转后的另一个柔性抓手2弯曲从而紧抓杆件，此为一个攀爬周期。然后原来抓杆件的柔性抓手2松开杆件，柔性躯体1再次进行翻转，松开攀爬管的柔性抓手2也的再次抓紧杆件，而另一个柔性抓手2松开攀爬干然后柔性躯体1翻转，如此交替进行，从而实现整个机器人在攀爬干上翻转式移动。如图10和图11所示为本发明在同一直线的杆件上攀爬的示意图，如图12所述为本发明在两个成直角的杆件之间转移的示意图。

对比文件中的蠕动式移动，每移动一次需要对第一空腔先进行充气使得的机器人弯曲，再对第一空腔进行放气使得机器人再次变直，充气和放气需要交替进行。而本发明中的翻转式移动，每移动一次，只需要第一气动弯曲装置12和第二气动弯曲装置22一个充气另一个同时放气，因为充气和放气是同时进行的，节省了一半时间，因此发明的机器人移动速度大大提高。

第一柔性脊11包括若干依次连接的第一柔性链节3、以及与位于两端的第一柔性链节3固定连接的第一连接件13，第二柔性脊21包括若干依次连接的第二柔性链节211、以及与位于两端的第二柔性链节211固定连接或设于其中两个第二柔性链节211之间的第二连接件23，第一连接件13与第二连接件23固定连接。

第二柔性脊21通过第二连接件23与第一连接件13固定连接，从而实现第二柔性脊21设于第一柔性脊11的两端。第二连接件23位于第二柔性脊21的中间。本方案中的第一柔性链节3可以实现至少朝向两侧弯曲，第二柔性链节211至少可以实现朝向一侧弯曲，如万向节、门活页等的结构。

第一气动弯曲装置12包括若干第一气囊121、与第一气囊121连通的第一气管4、以及设于第一气管4上的第一三通电磁阀，第一气囊121设于两个第一柔性链节3之间；

第二气动弯曲装置22包括若干第二气囊221、与第二气囊221相连的第二气管222、以及设于第二气管222上的第二三通电磁阀；

第一气管4和第二气管222与气泵相连。

本方案中，第一气囊121和第二气囊221均为结构形状相同的气囊，每个气囊为独立的结构，气囊之间本身不连通而是通过气管进行充气放气和通气。这样，比起一体成型的如对比文件中的形变驱动元来说，本发明的气囊加工过程更加简单，且本发明中的气囊只需要充气膨胀，不需要本身产生弹性形变，这样气囊所使用的材料选择可以更大，选用非软质的材料还可以增加充气后的柔性躯体1和柔性抓手2的刚度。第一气管4和第二气管222均与气泵相连，每条第一气管4和第二气管222上均设有三通电磁阀，控制装置通过控制三通电磁阀的通断就可以实现不同通道的充放气。设于第一气管4上的三通电磁阀为第一三通电磁阀，设于第二气管222上的为第二三通电磁阀。

本发明中的每个机器人包含四条气路，分别是柔性躯体1的中第一骨架两侧的两条，以及两个柔性抓手2中各有一条，每条气路均通过三通电磁阀控制进气和出气，每条气路可以设置压力传感器，三通电磁阀与压力传感器均与控制装置电连接。本方案中，当需要控制柔性躯体1和柔性抓手2的以特定的角度弯曲角度时，控制装置控制三通电磁阀的通断以及每条气路充入或放出的气量，所述第一骨架两侧的第一气囊121中，每一侧的其中一个第一气囊121内设有第一压力传感器，所述柔性抓手2中的其中一个第二气囊221内设有第二压力传感器，所述第一压力传感器和第二压力传感器均与控制装置电连接。

第一气管4为软管，第一气管4包括若干设于相邻的两个第一气囊121之间的第一连接段41，第一气囊121上设有三通气接头42，三通气接头42的一个接口与第一气囊121连通，三通气接头42另外两个接口与分别两根不同的第一连接段41连通，第一连接段41的长度不小于相邻的两个第一气囊121充气后设于其上的三通气接头42之间的距离。

第一气囊121充气膨胀后间隔增大，第一气管4在与第一气囊121连接时，第一连接段41需要预留出的适当的长度保证第一气囊121充气膨胀不受第一连接段41的长度限制。

第二气管222的结构与第一气管4的结构相同，第二气管222包括设于相邻的两个第二气囊221之间的第二连接段，第二气囊221上也设有三通接头，三通接头的一个接口与第二气囊221连通，三通气接头42另外两个接口与分别两根不同的第二连接段连通，第二连接段的长度不小于相邻的两个第二气囊221充气后设于其上的三通气接头42之间的距离。

本方案为一条气管与各个气囊连通，则需要考虑气囊膨胀之后增大的距离，若是每个气囊均设有单独的气管与气泵连通，且气管上均设有控制阀，则可以单独控制每一个气囊的膨胀，但此方案结构复杂成本高。

第一柔性链节3包括第一刚性件31、第二刚性件32、以及设于第一刚性件31和第二刚性件32之间的柔性转动件33，第一刚性件31的一侧与柔性转动件33的一侧固定连接，第一刚性件31的另一侧用于与另一个第一柔性链节3的第二刚性件32连接，第二刚性件32的一侧与柔性转动件33的另一侧固定连接，第二刚性件32的另一侧用于与另一个第一柔性链节3的第一刚性件31连接；第二柔性链节211的结构与第一柔性链节3的结构相同。

位于中间的柔性转动件33可以弯曲，这样设于柔性转动件33两侧的第一刚性件31和第二刚性件32便可相对弯折。两个相邻第一柔性链节3之间连接时，一个柔性链节的第一刚性件31与另一个柔性链节的第二刚性件32固定连接。这样多个第一柔性链节3依次相连便能实现第一柔性脊11可以朝两侧弯曲，与设于第一柔性脊11两侧的连个气动弯曲装置配便可实现朝两侧弯曲。第一柔性链节3和第二柔性链节211为结构相同的柔性链节，第二柔性脊21也可以朝两侧弯曲，但第二柔性脊21只在一侧设有第二气动弯曲装置22。

柔性转动件33为柔性片，柔性片的两侧分别开设有至少一个贯通部331，第一刚性件31和第二刚性件32与柔性片连接的一侧均开设有供柔性片的两侧分别插入的连接槽34，连接槽34侧壁上设有凸起部341，当柔性片插入连接槽34时凸起部341可插入贯通部331中。

本方案中，柔性片两侧分别插入第一刚性件31和第二刚性件32的连接槽34中，连接槽34内的凸起部341插入柔性片中的贯通部331中，从而使得柔性片与第一刚性件31和第二刚性件32固定连接。柔性片在达到疲劳寿命后可以进行更换。柔性片与第一刚性件31和第二刚性件32的连接方式也可以为粘接等均不影响本方案的实现。使用柔性片作为转动关节，结构更加简单，避免了如万向节这类铰接结构中存在的摩擦力和磨损。

第一刚性件31的两端开设有第一卡槽311，第二刚性件32的两端设有第二卡槽321，还包括若干扣件35，一个第一柔性链节3的第一刚性件31与另一个相邻的第一柔性连接的第二刚性件32对接后扣件35同时插入第一卡槽311和第二卡槽321中使相邻的两个第一柔性链节3固定连接。

一个第一柔性链节3的第一刚性件31和相邻的第一柔性链节3的第二刚性件32对接后，第一卡槽311和第二卡槽321对接形成一个槽，扣件35插入该槽中便可使得两个第一柔性链节3之间固定。扣件35与第一卡槽311和第二卡槽321的形状相互匹配，它们的形状结构可以为多种现有的扣合结构均不影响本方案的实现。

第一卡槽311和第二卡槽321靠近柔性转动件33的一端内侧的两侧侧壁向外倾斜，扣件35为工字形，扣件35的两侧设有用于与第一卡槽311和第二卡槽321的内侧面相匹配的对接面，扣件35与第一卡槽311和第二卡槽321过盈配合。

本方案中，通过第一卡槽311和第二卡槽321与扣件35的特殊结构实现配合固定，扣件35的厚度等于第一卡槽311和第二卡槽321的槽高，扣件35的长度等于第一卡槽311和第二卡槽321拼接后的长度，这样在扣件35与第一卡槽311和第二卡槽321扣合后连接处平整。

第一气囊121与第一柔性链节3连接的一侧设有用于与第一柔性链节3固定连接的固定件5，固定件5用于放置在一个第一柔性链节3的第一刚性件31和相邻的第一柔性链节3的第二刚性件32之间，固定件5上设有至少一个贯穿部51，第一刚性件31用于与固定架连接的一面设有用于插设于贯穿部51的突起部312，第二刚性件32用于与固定件5连接的一面设有供突起部312插入的凹陷部322。

本方案中，第一气囊121安装在第一柔性脊11中时，是将第一气囊121安装在相邻的两个第一柔性连接之间，分别属于相邻的两个第一柔性链节3的第一刚性件31和第二刚性件32在对接时，第一气囊121的固定件5夹在第一刚性件31和第二刚性件32之间，在扣件35与第一卡槽311和第二卡槽321扣合之后，第一气囊121便被固定。本实施例中，贯穿部51为圆孔和凹陷部322可以为圆孔，突起部312为柱状凸起，一个固定件5上设置三个圆孔，第一刚性件31的柱状凸起为三个，这样也可免第一刚性件31和第二刚性件32夹紧力不够导致第一气囊121偏移。

本方案中，第二气囊221的结构与第一气囊121相同，第二柔性链节211的结构与第一柔性链节3相同，第二气囊221安装在第二柔性脊21中方式也与第一气囊121安装在第一柔性脊11的方式相同。

第一气囊121和第二气囊221的材质为TPU，柔性片的材质为TPU，第一刚性件31和第二刚性件32的材质为PLA。

TPU材料质量轻且柔软，用来作为转动关节具有很好的灵活性。气囊内层的材质为TPU材料，气密性好，外层为尼龙，抗撕裂轻度高。复合材料制成的气囊，充气后不会产生很大的弹性变形，实现弯曲变形的同时还具备了变刚度的功能。PLA材料密度比起金属材料密度更低，降低装置的整体重量，拥有足够的强度作为柔性脊。

本实施例中，气囊由两片TPU和尼龙双层复合矩形薄片密封而成，两片矩形薄片中TPU材质的一面对接且四边密封，当气囊充气时中间鼓起，气囊与气囊之间相互挤压，使得柔性脊弯曲。

实施例2

本实施例除了实施例1的特征之外，还包括如下特征：

第二柔性脊21的两端设有弧形挡板6。弧形挡板6具有一定的弧度，能够较好地贴合杆件表面，提升柔性抓手2的锚固效果。弧形挡板6与杆件贴合的一侧面或第二柔性链节211与攀爬干接触的一侧可以设有增大摩擦力的垫片。

实施例3

本实施例与实施例1或2类似，所不同之处在于，本实施例中，第一刚性件31上的两端开设有第一螺孔，第二刚性件32上的两端开设有第二螺孔，第一螺孔和第二螺孔在同一轴向上。一个第一柔性链节3的第一刚性件31与另一个相邻的第一柔性连接的第二刚性件32通过螺栓与螺母固定连接。

实施例4

本实施例与实施例1至3任意一个实施例类似，所不同之处在于，本实施例中，第一柔性链节3和第二柔性链节211通过3D打印一体成型，柔性片使用TPU-95A材料，第一刚性件31和第二刚性件32使用PLA+1.75mm。凸起部341与连接槽34的两侧壁均连接，通过使用3D打印，不需要考虑柔性片与第一刚性件31和第二刚性件之间插接时凸起部341如何插入贯通部331，而是打印完成时贯通部331已经套接在凸起部341上，整个第一柔性链节3一体成型，加工精度高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种翻转式攀爬机器人，其特征在于，包括可双向弯曲的柔性躯体(1)以及设于所述柔性躯体(1)两端的柔性抓手(2)，所述柔性躯体(1)包括第一柔性脊(11)以及设于所述第一柔性脊(11)两侧的第一气动弯曲装置(12)，所述柔性抓手(2)包括第二柔性脊(21)以及设于所述柔性脊的一侧的第二气动弯曲装置(22)，两个所述柔性抓手(2)的所述第二柔性脊(21)分别设于所述第一柔性脊(11)的两端，所述第二柔性脊(21)设有第二气动弯曲装置(22)一侧与所述第一柔性脊(11)的一端固定连接，所述柔性躯体(1)和柔性抓手(2)弯曲成弧状结构，且所述柔性躯体(1)和柔性抓手(2)分别弯曲成的弧状结构的几何中心线相互垂直，还包括与所述第一气动弯曲装置(12)和第二气动弯曲装置(22)电连接的控制装置。

2.根据权利要求1所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述第一柔性脊(11)包括若干依次连接的第一柔性链节(3)、以及与位于两端的第一柔性链节(3)固定连接的第一连接件(13)，所述第二柔性脊(21)包括若干依次连接的第二柔性链节(211)、以及与位于两端的第二柔性链节(211)固定连接或设于其中两个第二柔性链节(211)之间的第二连接件(23)，所述第一连接件(13)与第二连接件(23)固定连接。

3.根据权利要求2所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述第一气动弯曲装置(12)包括若干第一气囊(121)、与所述第一气囊(121)连通的第一气管、以及设于所述第一气管上的第一三通电磁阀，所述第一气囊(121)设于两个第一柔性链节(3)之间；

所述第二气动弯曲装置(22)包括若干第二气囊(221)、与所述第二气囊(221)相连的第二气管(222)、以及设于所述第二气管(222)上的第二三通电磁阀；

所述第一气管和第二气管(222)均与气泵相连，所述控制装置的输出端与所述气泵、所述第一三通电磁阀、以及所述第二三通电磁阀的输入端均相连。

4.根据权利要求3所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述第一气管为软管，所述第一气管包括若干设于相邻的两个所述第一气囊(121)之间的第一连接段(41)，所述第一气囊(121)上设有三通气接头(42)，所述三通气接头(42)的一个接口与所述第一气囊(121)连通，所述三通气接头(42)另外两个接口与分别两根不同的第一连接段(41)连通，所述第一连接段(41)的长度不小于相邻的两个所述第一气囊(121)充气后设于其上的三通气接头(42)之间的距离。

5.根据权利要求4所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述第一柔性链节(3)包括第一刚性件(31)、第二刚性件(32)、以及设于所述第一刚性件(31)和第二刚性件(32)之间的柔性转动件(33)，所述第一刚性件(31)的一侧与所述柔性转动件(33)的一侧固定连接，所述第一刚性件(31)的另一侧用于与另一个第一柔性链节(3)的第二刚性件(32)连接，所述第二刚性件(32)的一侧与所述柔性转动件(33)的另一侧固定连接，所述第二刚性件(32)的另一侧用于与另一个第一柔性链节(3)的第一刚性件(31)连接；所述第二柔性链节(211)的结构与所述第一柔性链节(3)的结构相同。

6.根据权利要求5所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述柔性转动件(33)为柔性片，所述柔性片的两侧分别开设有至少一个贯通部(331)，所述第一刚性件(31)和第二刚性件(32)与所述柔性片连接的一侧均开设有供所述柔性片的两侧分别插入的连接槽(34)，连接槽(34)侧壁上设有凸起部(341)，当所述柔性片插入所述连接槽(34)时，所述凸起部(341)可插入所述贯通部(331)中。

7.根据权利要求6所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述第一刚性件(31)的两端开设有第一卡槽(311)，所述第二刚性件(32)的两端设有第二卡槽(321)，还包括若干扣件(35)，一个所述第一柔性链节(3)的第一刚性件(31)与另一个相邻的所述第一柔性连接的第二刚性件(32)对接后，所述扣件(35)同时插入所述第一卡槽(311)和第二卡槽(321)中使相邻的两个第一柔性链节(3)固定连接。

8.根据权利要求7所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述第一卡槽(311)和第二卡槽(321)靠近所述柔性转动件(33)的一端内侧的两侧侧壁向外倾斜，所述扣件(35)为工字形，所述扣件(35)的两侧设有用于与所述第一卡槽(311)和第二卡槽(321)的内侧面相匹配的对接面，所述扣件(35)与所述第一卡槽(311)和第二卡槽(321)过盈配合。

9.根据权利要求5至9任意一项所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述第一气囊(121)与所述第一柔性链节(3)连接的一侧设有用于与所述第一柔性链节(3)固定连接的固定件(5)，所述固定件(5)用于放置在一个第一柔性链节(3)的第一刚性件(31)和相邻的第一柔性链节(3)的第二刚性件(32)之间，所述固定件(5)上设有至少一个贯穿部(51)，所述第一刚性件(31)用于与所述固定架连接的一面设有用于插设于所述贯穿部(51)的突起部(312)，所述第二刚性件(32)用于与所述固定件(5)连接的一面设有供所述突起部(312)插入的凹陷部(322)。

10.根据权利要求1所述的翻转式攀爬机器人，其特征在于，所述第二柔性脊(21)的两端设有弧形挡板(6)。

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