[0039] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0040] 如图1所示，一种管道外壁爬行机器人，包括后框架5、波纹伸缩管2、内拉线调节组件、外拉线调节组件、前框架3和柔性夹爪4。后框架5和前框架3通过四根拉线和波纹伸缩管2连接。两个柔性夹爪4分别安装在后框架5和前框架3的同一侧，能够抱紧或松开被爬行的管道外壁，从而将机器人固定在管道上。内拉线调节组件和外拉线调节组件的主体安装在后框架5通过隔板上下隔开的两个安装腔室中。波纹伸缩管2的两端与后框架5、前框架3的相对端中心位置分别固定。波纹伸缩管2和两个柔性夹爪4连接到气压源或液压源中，且能够独立控制动作。
[0041] 如图2所示，内拉线调节组件与外拉线调节组件结构相同，均包括两个相同的调节单元1。两个调节单元1并排设置在后框架5内。调节单元1包括拉线1‑1、固定环1‑2、定滑轮1‑3、滑轨1‑4、滑块1‑5、弹簧1‑6、拉环1‑7和柔性离合装置1‑8。
[0042] 滑轨1‑4固定在后框架5上。定滑轮1‑3支承在后框架5的一侧，且靠近滑轨1‑4的端部。固定环1‑2固定在后框架5上。定滑轮1‑3与固定环1‑2位于后框架5的相反侧。滑块1‑5滑动连接在滑轨1‑4上。柔性离合装置1‑8安装在后框架5上，并与滑轨1‑4的顶面对齐。柔性离合装置1‑8用于完全锁止滑块1‑5或调节滑块1‑5滑动的摩擦阻力。
[0043] 拉线1‑1的一端穿过滑块1‑5，并与滑块1‑5固定。拉线1‑1穿过滑块1‑5的端部固定有拉环1‑7。拉线1‑1的另一端绕过定滑轮1‑3后延伸至后框架3处，并与后框架3固定。拉环1‑7与固定环1‑2通过弹簧1‑6连接。当拉线1‑1受到来自后框架3的拉力时，弹簧1‑6伸长；当后框架3对拉线1‑1的拉力小于弹簧1‑6的弹力时，弹簧1‑6拉动后框架3向前框架移动。
[0044] 如图3和4所示，柔性离合装置1‑8(图4中的姿态是绕水平轴线转动180°后的结构)包括柔性波纹管1‑8‑1、阻挡板1‑8‑2、软体液囊1‑8‑3、存储壳1‑8‑4、导气管1‑8‑5和压力提供单元1‑8‑6。软体液囊1‑8‑3的材质为硅胶；柔性波纹管1‑8‑1能沿厚度方向(竖直方向)伸缩变形，且垂直于伸缩方向的两侧面为硬质板体。柔性波纹管1‑8‑1远离滑块1‑5的侧面与后框架5固定。阻挡板1‑8‑2、软体液囊1‑8‑3和存储壳1‑8‑4均位于柔性波纹管1‑8‑1内。
[0045] 存储壳1‑8‑4远离滑块1‑5的侧面与柔性波纹管1‑8‑1的内壁固定。存储壳1‑8‑4朝向滑块1‑5的侧面开设有长条形的安装槽。软体液囊1‑8‑3设置在安装槽内。阻挡板1‑8‑2固定在存储壳1‑8‑4的安装槽开口处，将软体液囊1‑8‑3限制在安装槽内。阻挡板1‑8‑2上开设有多个与安装槽连通的膨胀让位孔道。初始状态下，阻挡板1‑8‑2与柔性波纹管1‑8‑1的内壁接触。膨胀让位孔道的数量大于或等于3个。当软体液囊1‑8‑3内部未加压时，柔性波纹管1‑8‑1与滑块1‑5不接触。
[0046] 如图5所示，当软体液囊1‑8‑3充液膨胀时，能够从各膨胀让位孔道中伸出，从而推动柔性波纹管1‑8‑1的厚度增大至挤压滑块1‑5的状态，对滑块1‑5的滑动施加摩擦阻力，使得滑块在相同的拉力作用下更难滑动，改变拉线的受限状态。由于弹性作用，阻挡板顶部与柔性波纹管内壁分离。
[0047] 压力提供单元1‑8‑6安装在后框架5上，且位于两个调节单元1中的柔性波纹管1‑8‑1之间。压力提供单元1‑8‑6的通液口与软体液囊1‑8‑3通过导气管1‑8‑5连接，为软体液囊1‑8‑3提供动力。
[0048] 如图6和7所示，压力提供单元1‑8‑6包括正电极1‑8‑7、储液囊体1‑8‑8和负电极1‑8‑9。正电极、负电极与储液囊体的两侧面中心部位分别固定。正电极与负电极为圆盘形状且均为同一种材料制成。正电极和负电极上均有电线引出至储液囊体边缘处，电线与电极通过导电硅胶相连。储液囊体由柔性材料制成，具体为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，储液囊体1‑
8‑8与软体液囊1‑8‑3的内部均充满液体电介质，电介质材料为植物变压器油。正电极、负电极在控制器的控制下输入不同大小的电压，相互之间产生吸力，不同程度地将储液囊体中的液体电介质挤压到软体液囊1‑8‑3中。
[0049] 内拉线调节组件中的两个定滑轮1‑3位于后框架5靠近柔性夹爪4的一侧。外拉线调节组件中的两个定滑轮1‑3位于后框架5远离柔性夹爪4的一侧，即内拉线调节组件调节靠近后框架5一侧的两根拉线的拉动力量；外拉线调节组件分别调节远离后框架5一侧的两根拉线的拉动力量；
[0050] 如图8和9所示，柔性夹爪4包括相对设置的两根柔性触手4‑1。柔性触手4‑1采用硅胶材料制成。两根柔性触手4‑1的内端间隔设置在前框架3或后框架5内侧的左右两侧边缘。柔性触手4‑1呈长条形。两根柔性触手4‑1的相背侧面设置有沿长度方向依次排列多个膨胀腔室；各膨胀腔室均与柔性触手4‑1的内腔主体连通；
[0051] 两根柔性触手4‑1的相对侧面设置有限制层4‑2。呈长条形的限制层4‑2上开设有等距的多个膨胀摩擦孔4‑3；限制层采用易弯曲且不易发生塑性形变的材料制成，具体为塑料。当无外接流体输入时，柔性触手呈直线型。当外部驱动单元向柔性触手提供一定压力的流体时，由于内外两侧表面积不同，柔性触手会向内侧弯曲，使之紧贴管道外壁。当继续给柔性触手施加液压时，柔性触手会沿着限制层上的膨胀摩擦孔4‑3向外凸起，使硅胶凸起与管道外壁充分接触，增大柔性触手与管道外壁的摩擦力。
[0052] 如图5的a部分所示，对于柔性离合装置1‑8，在储液囊体1‑8‑8未加压时，柔性波纹管下端面与滑块1间存有间隙，当拉线拖动滑块向右移动时，由于只受弹簧弹力的反作用，拉线的紧张程度较低，只需用较低的力即可拉动滑块滑动。如图5的b部分所示，当有外部液压输入时，软体液囊发生膨胀，原本平整的软体液囊下表面会从阻挡板上的圆孔中凸起一部分，使得柔性波纹管下表面与滑块顶面接触且接触面产生挤压。滑块所受正压力增大，滑动摩擦力与最大静摩擦力也增大，滑块在相同的拉力作用下更难滑动，从而改变拉线的受限状态，此时，需要更大的力才能使滑块滑动。柔性波纹管下表面与滑块上端面间的动摩擦因数远远大于滑块与导轨之间的当量动摩擦因数，因此需要更大的力才能使滑块滑动。
[0053] 前框架3上安装有电源模块。电源模块共有四个高压输出接口，分别为四个压力提供单元1‑8‑6提供工作电压。通过对压力提供单元1‑8‑6的正电极与负电极上施加电压，能够使得液体电介质内感应出电场，进而使正负电极之间产生相互吸引的静电麦克斯韦应力；正负电极在吸引力的作用下挤压储液囊体中心部分，使得储液囊体内部的电介质液体被挤出。被挤出的电介质液体进入柔性离合装置中，实现滑块的离合控制作用。
[0054] 如图10、11和12所示，本发明一种管道爬行机器人可实现竖直管道爬行、弯曲管道爬行和平行管道爬行。图中“+”表示柔性触手或波纹管处于压力输入状态，“‑”表示柔性触手或波纹管处于无外部输入状态。拉线有两种表达方式：实线表示与拉线对应的压力提供单元柔性波纹管与滑块接触并且挤压，即对应拉线处于受限状态；虚线表示与拉线对应的压力提供单元柔性波纹管与滑块处于分离状态，即对应拉线处于自由状态。具体驱动步骤如下。
[0055] 如图10所示，竖直管道爬行方法如下：
[0056] 步骤1、外接压力源向后框架5上的柔性夹爪4输入一定压力的流体(输入气体或液体)，使得后框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁。前框架柔性夹爪4呈自然伸直状态，波纹伸缩管处于无外部输入状态。四根拉线均处于自由状态(即滑块未受到挤压，拉线仅受到弹簧拉力)。
[0057] 步骤2、外接压力源向波纹伸缩管2输出一定压力的流体，波纹伸缩管径向伸长，前框架在波纹伸缩管支撑下向上位移。四根拉线均处于自由状态。
[0058] 步骤3、外接压力源向前框架柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得前框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁，后框架柔性夹爪4呈自然伸直状态。外接压力源停止向波纹伸缩管供气，波纹管在自身弹性作用下竖直收缩，配合弹簧和拉线拽动后框架向上移动。
[0059] 如图11所示，弯曲管道爬行方法如下(以管道弯向靠近机器人主体的一侧为例，管道弯向远离机器人主体的一侧时，四根拉线的张紧松弛控制相反)：
[0060] 步骤1、当竖直爬行的机器人遇到弯曲的管道时，外接压力源向后框架5的柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得后框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁。前框架柔性夹爪4呈自然伸直状态，波纹伸缩管处于无外部输入状态。四根拉线均处于自由状态。
[0061] 步骤2、靠近管道的两根拉线处于自由状态，远离管道的两根拉线处于受限状态。外接压力源向波纹伸缩管2输出一定压力的流体，波纹伸缩管在远离管道的两根拉线约束下发生转动。
[0062] 步骤3、外接压力源向前框架柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得前框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁，后框架柔性夹爪4呈自然伸直状态。靠近管道的两根拉线处于自由状态，远离管道的两根拉线处于受限状态。外接压力源停止向波纹伸缩管供能，波纹管在自身弹性作用下竖直收缩，拽动后框架向上移动。
[0063] 如图12所示，非竖直管道爬行方法如下(本实施例以水平管道为示例进行说明)：
[0064] 步骤1、外接压力源向后框架柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得后框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁。前框架柔性夹爪4呈自然伸直状态，波纹伸缩管处于无外部输入状态。四根拉线均处于自由状态。
[0065] 步骤2、外接压力源向波纹伸缩管2输出一定压力的流体，波纹伸缩管推动前框架向前移动。由于重力作用，前框架会有向下运动的趋势。此时，使靠近管道的两根拉线处于受限状态，远离管道的两根拉线处于自由状态，可使得前框架与后框架保持在同一水平高度。波纹伸缩管2对前框架的推力大于四根弹簧的对拉线的拉力与各滑块受到的摩擦力之和，推动前框架克服内拉线调节组件的锁止，向前移动。
[0066] 此时，由于靠近管道的两根拉线对应的滑块被挤压，故其受到与滑动方向相反的摩擦力与弹簧弹力的合力；远离管道的两根拉线仅受到弹簧弹力；因此，靠近管道的两根拉线对前框架3的拉力大于远离管道的两根拉线对前框架3的拉力；波纹伸缩管的推力和位于波纹伸缩管上方的两根拉线的拉力，使得前框架3产生向上弯曲的趋势(该影响大于波纹伸缩管下方的两根拉线对前框架3产生的向下弯曲的趋势)，抵消重力对应前框架3的影响，前框架3保持在贴合上方的管道的姿态。
[0067] 步骤3、远离管道的两根拉线处于受限状态，靠近管道的两根拉线处于自由状态。外接压力源向前框架柔性夹爪4输出一定压力的流体，使得前框架的柔性夹爪4紧贴管道外壁，后框架柔性夹爪4呈自然伸直状态。
[0068] 外接压力源减小波纹伸缩管内的压力，使得波纹伸缩管对后框架5的推力小于各拉线对后框架5的拉力，拉线拉动后框架向前移动。此时，由于远离管道的两根拉线对应的滑块被锁止，且后框架5与前框架3的间距减小，故该两根拉线松弛；后框架5受到波纹伸缩管的推力和位于波纹伸缩管上方的两根拉线的拉力，使得后框架5产生向上弯曲的趋势，抵消重力对应后框架5的影响，后框架5保持在贴合上方的管道的姿态。
