本发明涉及机械领域，尤其是柔性机器人领域，具体为一种无系留仿蛇缠绕式柔性爬管机器人及应用。更具体地，本技术以树栖蛇缠绕爬行运动为参照，提供一种仿蛇缠绕式柔性爬管机器人，其能满足复杂环境下爬管要求，具有较好的适应性。
背景技术：
1、爬管机器人在特殊环境中具有较大的应用潜力，因而一直吸引着研究人员的持续研究。例如，中国专利cn113183143b公开了一种爬管机器人，其包括若干阵列分布的气动肌肉，还包括套设在气动肌肉上且间隔布置的pcb电路板、永磁体固定板，所述pcb电路板上安装有若干阵列分布的磁感应传感器，所述永磁体固定板上设置有与各磁感应传感器相对应的永磁体，相对设置的磁感应传感器、永磁体的中心位置共轴线。
2、中国专利cn103795289b公开了一种管道爬行机器人，截面为横j形的上可动臂ⅰ与上可动臂ⅱ相对安置，它们的长端分别设有向上的凸起ⅰ与凸起ⅱ；至少一组横向压电叠堆执行器ⅰ的两端面与凸起ⅰ和凸起ⅱ的内侧面紧固。
3、中国专利cn102975783b公开了单轮式管外爬管机器人，其包含驱动装置、抱臂装置和平行调节装置，驱动装置在中间，两侧均对称布置抱臂装置和平行调节装置。驱动装置包含一个内置电机的运动轮、转向机构和用于放置控制装置和探伤仪器的基体平板，转向机构使得本爬管机器人可以围绕管道360度运动；抱臂装置可根据管道直径调节其抱臂的长度，使得爬管机器人牢靠地在管道上运行；平行调节装置使得基体平板始终与机器人所爬行的管道平行。
4、中国专利cn108869950b公开了一种管道柔性爬行机器人，其包括前、后行走机构和转向机构，转向机构设置在前、后行走机构之间，前、后行走机构均包括机座、主电机、辅电机、蜗杆、支盘、丝杠、丝母、弹簧、滑套、挡环、导杆、摆臂组件和连杆，摆臂组件包括臂架、链条、蜗轮组和齿轮组。主电机通过蜗杆传动与链轮传动驱动齿轮组转动，辅电机通过丝母和丝杠构成的螺旋传动副、弹簧、滑套和连杆柔性驱动摆臂组的齿轮径向支撑或脱离管道内壁；转向机构包括电机、凸轮、拨杆、支撑板、主弹簧和连接件，连接件穿过凸轮和支撑板后与前、后行走机构连接。电机通过凸轮和拨杆推拉连接件，迫使前、后行走机构相互偏转。
5、发明人研究发现，现有的刚性爬行机器人在非结构环境中，如梯、壁、管、杆等环境中，具有良好的性能，但它们通常依赖于由刚性致动器和传动部件组成的复杂机构；由此产生的设计，存在几个缺点：分段、不灵活、复杂、笨重、成本高等。在某些特殊场合，比如狭窄环境内，或管道的内、外径较小的情况下，现有的刚性爬行机器人受限于自身体积大小、重量等因素影响，使用范围受限。
6、柔性机器人虽然可以通过多个柔性执行机构的协调，实现爬行和爬行运动，但很难在杆件和管子内表面或外表面爬行，特别是很难同时具备在管内表面、管外表面爬行的能力。同时，绝大部分柔性机器人都是通过导线或气管等连接外部动力源，影响柔性机器人在复杂管路中的爬行能力。
7、因此，研发一种能够适应复杂管路环境的爬管机器人，就显得尤为重要。
技术实现思路
1、本发明的发明目的在于：针对现有刚性爬行机器人存在结构复杂，体积较大，在某些应用场合，使用受限的问题，提供一种无系留仿蛇缠绕式柔性爬管机器人及应用。本技术的无系留爬管柔性机器人在杆件和管材的内表面、外表面上表现出良好的攀爬效果，能够满足各种环境下的应用需求。
2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、无系留仿蛇缠绕式柔性爬管机器人，包括柔性抓握致动单元、躯体伸缩致动单元、控制单元，所述柔性抓握致动单元为一组；
4、所述柔性抓握致动单元包括致动电机、固定盘、致动绞线圆盘、定位件、线性弹性支撑件、线盘组件、致动线性驱动件、第一导向件、第二导向件，所述第一导向件、第二导向件分别为n个；所述线盘组件包括末端连接线盘、中段连接线盘，中段连接线盘为n个，中段连接线盘上设置有第一连接孔、第二连接孔；n为自然数，且n≥2；
5、所述致动电机与固定盘相连且固定盘能为致动电机提供支撑，所述固定盘上设置有与致动电机相配合的第一通孔且致动电机的转轴能穿过第一通孔，所述致动绞线圆盘设置在致动电机的转轴上且致动电机能带动致动绞线圆盘转动；
6、所述定位件与固定盘相连且固定盘能为定位件提供支撑，所述定位件上设置有与线性弹性支撑件相配合的第一定位孔；所述线性弹性支撑件的一端与末端连接线盘相连，所述线性弹性支撑件依次穿过中段连接线盘上的第一连接孔，所述线性弹性支撑件的另一端与第一定位孔相连；所述线性弹性支撑件呈螺旋弹簧状，所述中段连接线盘依次设置在定位件与末端连接线盘之间；
7、所述致动线性驱动件位于线性弹性支撑件内侧；所述致动线性驱动件的一端与末端连接线盘相连，所述致动线性驱动件依次穿过中段连接线盘上的第二连接孔，所述致动线性驱动件的另一端与致动绞线圆盘相连；
8、所述第一导向件、第二导向件分别为采用柔性材料制成的套筒，第一导向件的长度大于第二导向件的长度；所述线性弹性支撑件穿过第一导向件，所述第一导向件分别位于末端连接线盘与其相邻的中段连接线盘之间、相邻两个中段连接线盘之间；所述致动线性驱动件穿过第二导向件，所述第二导向件分别位于末端连接线盘与其相邻的中段连接线盘之间、相邻两个中段连接线盘之间；
9、所述末端连接线盘、线性弹性支撑件、第一导向件、致动线性驱动件、第二导向件、中段连接线盘共同构成螺旋型驱动爪；
10、所述躯体伸缩致动单元包括伸缩弹簧、伸缩线性驱动件、伸缩电机、线性驱动件限位圆盘，所述伸缩弹簧的两端分别与柔性抓握致动单元相连且两个柔性抓握致动单元通过伸缩弹簧能相对靠拢或分开；
11、所述伸缩电机还包括伸缩减速器、与伸缩减速器相配合的伸缩绞线圆盘，所述伸缩减速器与电机的转轴相连，所述伸缩绞线圆盘设置在伸缩减速器的输出轴上；
12、将两个柔性抓握致动单元的致动电机分别记为第一致动电机、第二致动电机；所述伸缩电机与第一致动电机相连且第一致动电机能为伸缩电机提供支撑；
13、所述线性驱动件限位圆盘为b个，b为自然数且b≥3；所述线性驱动件限位圆盘等距离分布在伸缩电机与第二致动电机之间，两端的线性驱动件限位圆盘分别与伸缩电机、第二致动电机相连；所述线性驱动件限位圆盘上设置有与伸缩线性驱动件相配合的中心小孔；
14、所述伸缩线性驱动件的一端与伸缩电机的伸缩绞线圆盘相连，所述伸缩线性驱动件的另一端依次穿过线性驱动件限位圆盘上的中心小孔并与第二致动电机相连且伸缩电机通过正向或反向转动能带动伸缩线性驱动件收拢或张开以实现两个柔性抓握致动单元的靠拢或分离；
15、所述致动电机、致动电机分别与控制单元相连。
16、所述第一导向件、第二导向件分别采用橡胶材料或塑料材料制成的套筒。
17、所述第一导向件、第二导向件分别采用硅橡胶材料制备而成的套筒。
18、所述连接线盘采用pla材料3d打印而成，所述致动线性驱动件采用尼龙线，所述线性弹性支撑件采用碳素弹簧钢丝卷曲而成螺旋弹簧。
19、所述线性弹性支撑件与第一定位孔之间采用可拆卸连接。
20、所述致动电机采用微型直流减速电机。
21、所述致动电机上设置有减速箱。
22、所述定位件呈矩形体状，所述线性弹性支撑件插在第一定位孔内。
23、作为一种替换方式，所述一导向件、第二导向件分别为压簧。
24、所述伸缩弹簧的两端分别于两个柔性抓握致动单元的致动电机相连。
25、所述伸缩弹簧的两端分别与两个柔性抓握致动单元相连。
26、所述伸缩电机为微型直流减速电机；所述伸缩弹簧采用碳素钢制备而成，所述伸缩线性驱动件为尼龙线。
27、所述伸缩线性驱动件的一端穿过固定在与第二致动电机相连的线性驱动件限位圆盘的中心小孔，而后依次穿过伸缩电机与第二致动电机之间线性驱动件限位圆盘上的中心小孔，最后与伸缩电机上的伸缩绞线圆盘相连。
28、所述末端连接线盘、线性弹性支撑件、第一导向件、中段连接线盘构成第一支撑组件；在第一支撑组件中，所述线性弹性支撑件起到支撑作用且线性弹性支撑件设置在第一导向件内并使第一支撑组件呈螺旋弹簧状；
29、所述末端连接线盘、致动线性驱动件、第二导向件、中段连接线盘构成第二驱动组件；
30、所述第二驱动组件的致动线性驱动件位于第一支撑组件的线性弹性支撑件内侧；
31、在第二驱动组件中，所述致动线性驱动件的一端设置在致动绞线圆盘上，所述致动绞线圆盘通过正向或反向转动能带动致动线性驱动件收拢或张开以实现螺旋型驱动爪的抓紧或松开。
32、还包括与控制系统电连接的移动电源。
33、前述无系留仿蛇缠绕式柔性爬管机器人的应用。
34、将该柔性爬管机器人用于杆件或管件的攀爬。
35、将该柔性爬管机器人用于杆件或管件的内表面、外表面的攀爬。
36、针对前述问题，本技术提供一种无系留仿蛇缠绕式柔性爬管机器人及应用，其目的在于解决现有的软体机器人普遍存在控制系统复杂，管内管外爬行功能难以同时实现的问题。
37、受树栖蛇缠绕爬行运动的启发，将蛇的运动简化为三个部分，进而提出本技术的无系留仿蛇缠绕式柔性爬管机器人。其主体结构包括躯体伸缩致动单元，设置在躯体伸缩致动单元两端的柔性抓握致动单元。该结构中，将两个柔性抓握致动单元作为头部和尾部，一个躯体伸缩致动单元作为身体。其中，两个柔性抓握致动单元分别位于躯体伸缩致动单元的两端，通过含减速器的致动电机转动致动绞线圆盘，拉动柔性抓握致动单元相应的致动线性驱动件，实现抓握功能；移动电源和致动电机、伸缩电机都固定在躯体伸缩致动单元内，躯体伸缩致动单元通过内部的伸缩电机转动伸缩绞线圆盘，拉动相应的伸缩线性驱动件，实现伸缩弹簧的伸缩。
38、本发明无需通过外部动力源控制，通过自身携带的移动电源驱动柔性机器人本体，实现无系留驱动，并且通过柔性抓握致动单元绕第一定位孔旋转，形成另一种爬行形态，实现在管内爬行的功能，为未来管外管内爬行柔性机器人的研制提供了一种新方法。
39、与现有技术相比，本技术设计了：（1）我们设计了（1）两个能适应不可预测杆，并能有效抓取的柔性抓握致动单元；（2）一个能快速产生大变形的躯体伸缩致动单元；（3）同时，通过控制单元对柔性抓握致动单元、躯体伸缩致动单元的运动过程进行控制，能够实现敏捷稳定爬升，具有较好的应用价值。