本发明涉及机械工程、力学、振动与噪声控制、航空航天领域，具体是一种拉压载荷下刚度大范围连续可调的机械超材料。
背景技术：
1、具有可变刚度的机械超材料在协作机器人、航空航天和振动噪声控制等领域具有重要的意义。例如，在协作机器人领域，具有可变刚度的机械超材料能够满足使用性能和安全性的矛盾。在航空航天领域，具有可变刚度的机械超材料制成的发动机挂架系统能够使飞机在不同飞行阶段保持最佳性能和效率。在振动噪声控制领域，具有可变刚度的机械超材料制成的半主动隔振/吸振器能够避开/保持共振频率，改善隔振和吸振能力。然而，传统的磁流变材料、形状记忆材料等多具有响应速度慢、调节范围小等缺点，难以得到有效应用。
2、现有专利公开号为cn114519236a的“一种弹性参数大范围连续可调的齿轮力学超材料”公开了一种利用齿轮阵列实现弹性参数光滑连续调节的力学超材料，具有刚度连续调节、调节范围大、鲁棒性强的优点，但受制于框架连接，只能实现压缩载荷下刚度调节。
3、因此，亟需提出一种拉压载荷下刚度大范围连续可调的机械超材料，以解决上述技术问题。
技术实现思路
1、本发明旨在提出一种拉压载荷下刚度大范围连续可调的机械超材料，具有拉伸载荷或压缩载荷下刚度连续大范围调节的特点，结构驱动简单，利于集成制造，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。
2、本发明的技术方案：
3、方案一、一种变刚度单元，包括余量悬臂、中心轴、悬臂和横梁，中心轴上加工有中心孔，中心轴侧壁上对称设置有横梁，悬臂和余量悬臂通过环抱设置在中心轴外围，且悬臂和余量悬臂呈中心对称设置，所述悬臂和余量悬臂的外侧壁上加工有轮齿。
4、优选的：所述悬臂从横梁悬伸角度范围大于90度；
5、所述余量悬臂从横梁悬伸角度范围小于90度；
6、悬臂与余量悬臂之间留有空余间隙。
7、优选的：所述轮齿的数量设置为奇数，并保证横梁中心线与轮齿交点分别为轮齿的齿顶和齿根。
8、方案二、一种变刚度超材料，包括若干方案一所述的变刚度单元，且各所述变刚度单元呈周期阵列分布，相邻变刚度单元手性排列，每列纵向相邻的两个变刚度单元之间紧密配合，通过变刚度单元的轮齿传递运动。
9、优选的：最下面一行的所述变刚度单元中，每个变刚度单元均同轴安装有传动齿轮，且相邻两个传动齿轮紧密啮合。
10、方案三、一种机械超材料，其特征在于：包括压缩模块，所述压缩模块包括压缩盖、第一限位螺钉、第一螺钉轴、电机支架、第一蜗轮蜗杆减速电机、第一u形架、第一长螺钉轴、第一电机连接螺钉、第一六角薄螺母、第一六角螺母、第一联轴器以及方案二所述的变刚度超材料，第一u形架内设置有变刚度超材料，第一u形架上开设有多个贯穿的第一滑动槽，第一滑动槽内滑动设置有第一螺钉轴，且变刚度超材料中部的前后两侧通过第一六角薄螺母固定安装于第一螺钉轴上，压缩盖扣装于第一u形架顶部，变刚度超材料顶部的前后两侧通过第一六角薄螺母固定安装于第一长螺钉轴上，且压缩盖底面与第一长螺钉轴接触，压缩盖上加工有贯穿的拉伸限位槽，第一限位螺钉穿过第一u形架上的第一拉伸限位螺钉孔后与第一六角螺母配合，第一限位螺钉端部和与其配合的第一六角螺母均滑动安装于拉伸限位槽内，第一蜗轮蜗杆减速电机通过电机支架安装于第一u形架外侧，第一电机连接螺钉一侧与第一蜗轮蜗杆减速电机的输出端通过第一联轴器连接，第一电机连接螺钉的另一侧与最下一行变刚度单元的任意一个传动齿轮建立同轴传动连接。
11、优选的：还包括拉伸模块，所述拉伸模块包括拉伸盖、第二限位螺钉、第二螺钉轴、高电机支架、第二蜗轮蜗杆减速电机、第二u形架、第二长螺钉轴、第二电机连接螺钉、第二六角薄螺母、第二六角螺母、第二联轴器以及方案二所述的变刚度超材料，第二u形架内设置有变刚度超材料，第二u形架上开设有多个贯穿的第二滑动槽，第二滑动槽内滑动设置有第二螺钉轴，且变刚度超材料中部的前后两侧通过第二六角薄螺母固定安装于第二螺钉轴上，拉伸盖从底部扣装于第二u形架外侧，拉伸盖上加工有贯穿的螺钉轴滑槽，螺钉轴滑槽与第二滑动槽对齐，变刚度超材料顶部的前后两侧通过第二六角薄螺母固定安装于第二长螺钉轴上，拉伸盖通过螺钉轴滑槽与第二长螺钉轴接触，将拉伸盖上的载荷传递至连接在第二长螺钉轴上的变刚度超材料，拉伸盖上加工有贯穿的压缩限位槽，第二限位螺钉穿过第二u形架上的第一压缩限位螺钉孔后与第二六角螺母配合，第二限位螺钉的端部和与其配合的第二六角螺母均滑动安装于拉伸限位槽内压缩限位槽，拉伸盖上加工有电机支架滑槽，高电机支架的高电机支架脚穿过电机支架滑槽后与第二u形架外侧固定连接，第二电机连接螺钉一侧与第二蜗轮蜗杆减速电机的输出端通过第二联轴器连接，第二电机连接螺钉的另一侧与最下一行变刚度单元的任意一个传动齿轮建立同轴传动连接。
12、优选的：所述压缩模块和拉伸模块之间固定连接。
13、本发明具有以下有益效果：
14、1.本发明的一种变刚度单元设计巧妙，其不同的变型具有不同的角度—刚度变化曲线，从而适应复杂环境下的刚度要求；
15、2.本发明的一种变刚度超材料中的任意一个变刚度单元旋转，就能使所有变刚度单元旋转，以此实现机械超材料整体刚度变化，且能保证任意一个变刚度单元均能达到最大刚度状态，利于集成制造；
16、3.本发明的一种机械超材料，利用蜗轮蜗杆减速电机驱动所有的变刚度单元同步旋转产生刚度变化，与传统变刚度单元相比具有刚度大范围、连续变化的优点，结构驱动简单，利于集成制造；
17、4.本发明的一种机械超材料，提供了压缩模块和拉伸模块，可模块化组装和使用，以适应不同环境下的刚度要求，连接使用时具备拉伸载荷和压缩载荷下变刚度的能力。
1.一种变刚度单元，其特征在于：包括余量悬臂(101)、中心轴(105)、悬臂(103)和横梁(104)，中心轴(105)上加工有中心孔(102)，中心轴(105)侧壁上对称设置有横梁(104)，悬臂(103)和余量悬臂(101)通过横梁(104)环抱设置在中心轴(105)外围，且悬臂(103)和余量悬臂(101)呈中心对称设置，所述悬臂(103)和余量悬臂(101)的外侧壁上加工有轮齿。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度单元，其特征在于：所述悬臂(103)从横梁(104)悬伸角度范围大于90度；
3.根据权利要求2所述的一种变刚度单元，其特征在于：所述轮齿的数量设置为奇数个，并保证横梁(104)中心线与轮齿交点分别为轮齿的齿顶和齿根。
4.一种变刚度超材料，其特征在于：包括若干权利要求1至3任一项所述的变刚度单元(1)，且各所述变刚度单元(1)呈周期阵列分布，相邻变刚度单元(1)手性排列，每列纵向相邻的两个变刚度单元(1)之间紧密配合，通过变刚度单元(1)的轮齿传递运动。
5.根据权利要求4所述的一种变刚度超材料，其特征在于：最下面一行的所述变刚度单元(1)中，每个变刚度单元(1)均同轴安装有传动齿轮(2)，且相邻两个传动齿轮(2)紧密啮合。
6.一种机械超材料，其特征在于：包括压缩模块(14)，所述压缩模块(14)包括压缩盖(3)、第一限位螺钉(4)、第一螺钉轴(5)、电机支架(6)、第一蜗轮蜗杆减速电机(7)、第一u形架(8)、第一长螺钉轴(9)、第一电机连接螺钉(901)、第一六角薄螺母(10)、第一六角螺母(1001)、第一联轴器(11)以及权利要求5所述的变刚度超材料，第一u形架(8)内设置有变刚度超材料，第一u形架(8)上开设有多个贯穿的第一滑动槽(801)，第一滑动槽(801)内滑动设置有第一螺钉轴(5)，且变刚度超材料中部的前后两侧通过第一六角薄螺母(10)固定安装于第一螺钉轴(5)上，压缩盖(3)扣装于第一u形架(8)顶部，变刚度超材料顶部的前后两侧通过第一六角薄螺母(10)固定安装于第一长螺钉轴(9)上，且压缩盖(3)底面与第一长螺钉轴(9)接触，压缩盖(3)上加工有贯穿的拉伸限位槽(301)，第一限位螺钉(4)穿过第一u形架(8)上的第一拉伸限位螺钉孔(802)后与第一六角螺母(1001)配合，第一限位螺钉(4)端部和与其配合的第一六角螺母(1001)均滑动安装于拉伸限位槽(301)内，第一蜗轮蜗杆减速电机(7)通过电机支架(6)安装于第一u形架(8)外侧，第一电机连接螺钉(901)一侧与第一蜗轮蜗杆减速电机(7)的输出端通过第一联轴器(11)连接，第一电机连接螺钉(901)的另一侧与最下一行变刚度单元(1)的任意一个传动齿轮(2)建立同轴传动连接。
7.根据权利要求6所述的一种机械超材料，其特征在于：还包括拉伸模块(15)，所述拉伸模块(15)包括拉伸盖(13)、第二限位螺钉(16)、第二螺钉轴(17)、高电机支架(12)、第二蜗轮蜗杆减速电机(18)、第二u形架(19)、第二长螺钉轴(20)、第二电机连接螺钉(2001)、第二六角薄螺母(21)、第二六角螺母(2101)、第二联轴器(22)以及权利要求5所述的变刚度超材料，第二u形架(19)内设置有变刚度超材料，第二u形架(19)上开设有多个贯穿的第二滑动槽(1901)，第二滑动槽(1901)内滑动设置有第二螺钉轴(17)，且变刚度超材料中部的前后两侧通过第二六角薄螺母(21)固定安装于第二螺钉轴(17)上，拉伸盖(13)从底部扣装于第二u形架(19)外侧，拉伸盖(13)上加工有贯穿的螺钉轴滑槽(1303)，螺钉轴滑槽(1303)与第二滑动槽(1901)对齐，变刚度超材料顶部的前后两侧通过第二六角薄螺母(21)固定安装于第二长螺钉轴(20)上，拉伸盖(13)通过螺钉轴滑槽(1303)与第二长螺钉轴(20)接触，将拉伸盖(13)上的载荷传递至连接在第二长螺钉轴(20)上的变刚度超材料，拉伸盖(13)上加工有贯穿的压缩限位槽(1302)，第二限位螺钉(16)穿过第二u形架(19)上的第一压缩限位螺钉孔(803)后与第二六角螺母(2101)配合，第二限位螺钉(16)的端部和与其配合的第二六角螺母(2101)均滑动安装于拉伸限位槽内压缩限位槽(1302)，拉伸盖(13)上加工有电机支架滑槽(1301)，高电机支架(12)的高电机支架脚(1201)穿过电机支架滑槽(1301)后与第二u形架(19)外侧固定连接，第二电机连接螺钉(2001)一侧与第二蜗轮蜗杆减速电机(18)的输出端通过第二联轴器(22)连接，第二电机连接螺钉(2001)的另一侧与最下一行变刚度单元(1)的任意一个传动齿轮(2)建立同轴传动连接。
8.根据权利要求7所述的一种机械超材料，其特征在于：所述压缩模块(14)和拉伸模块(15)之间固定连接。