一种直线变刚度关节

本发明涉及一种关节部件，具体涉及一种直线变刚度关节。

背景技术：

1、在骨折医疗固定过程中，通常需要在患者体外设置外固定支架或固定装置以避免二次伤害，更好地有利于骨折处的正常愈合。在早期医疗技术不够发达时，通常是采用夹板捆绑或灌注石膏模板等方式对骨折处进行固定，这种固定方式过于死板，不利于骨折处后期的生长康复。

2、在国外专利us6030386、us8439914和wo2011163406等专利以及我国的cn201810623485.8专利中，均提出了一类六轴并联的骨外固定装置，这类装置由六条拓扑结构完全相同的支链（支撑臂）和两个固定环组成。医生使用金属骨针（克氏针）将两个固定环分别与患者骨折两端的骨块固定连接；六条支链通过两端的铰链与两个固定环相连接。按规律调节六条支链的长度，可生成两个固定环的六自由度相对运动，可以精确地矫正骨折的空间畸形、实现骨折复位；骨折复位后，保持支链的长度，六轴并联骨外固定装置维持骨折断端的相对稳定。故这类六轴并联骨外固定装置兼具复位和固定骨折断端的功能，具有广阔的应用前景。

3、但这种现有的六轴并联骨外固定装置，对支链的调节方式仍然是刚性调节，即调节前后支链均是处于刚性不变状态。但实际上骨折愈合过程中前期阶段和后期阶段的骨生长情况、骨质密度等会发生变化，由此导致的对固定支撑的刚性和柔度会产生不同的需求。故现有的这类六轴并联骨外固定装置，仍然不能更好地满足骨折处生长愈合的需求，不利于骨折处的康复。需要考虑设计一种轴向刚度可调的关节构件，以更好地辅助骨折的愈合。

4、另外，目前变刚度装置已广泛应用到各个领域，并且不同领域对变刚度装置的需求各不相同。例如，在车辆领域，需要通过调节汽车悬架的刚度变化可以使汽车具有更好的环境适应性和乘坐舒适性；在机器人领域，需要机械臂具有较大的刚度来保证位置精度，同时还需要具有一定的柔顺性来保证交互的安全性，以及需要根据负载的质量来不断改变刚度；在航空航天领域，高精度高稳定性的遥感卫星需要采用变刚度装置对卫星上的动量轮、cmg(control moment gyro，控制力矩陀螺)、制冷机等活动部件引起的在轨振动进行抑制，并且变刚度装置的刚度变化范围越大，对振动的抑制效果越好，越有利于实现系统的高精高稳指标。另外，变刚度装置及其被隔振的设备在经历主动段发射环境时，由于动态响应在共振频率处会被放大，变刚度装置的刚度越高对共振放大影响越小，从而越有利于保障变刚度装置及其被隔振的设备的性能与安全。

5、因此变刚度装置的用途需求越来越广泛。然而，已有的变刚度装置的刚度变化较小，结构复杂，驱动装置较大，不易于集成到机器人内部或者用于仪器的隔振装置中，难以更好地满足上述应用的需求。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种调节方便，可调节范围大，稳定性好，安全性好的直线变刚度关节。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种直线变刚度关节，包括同轴相对设置的第一连接盘和第二连接盘，其特征在于，第一连接盘正对第二连接盘的一端沿轴向设置有一个连接轴，连接轴外端沿周向均匀分布设置有若干螺旋形的抵接弹簧，抵接弹簧沿直径方向设置且内端抵接在连接轴上，外端通过施力调节机构和第二连接盘相连。

4、这样，该变刚度关节使用时，可以是第一连接盘和第二连接盘各安装在支撑臂的一部分上，使得支撑臂的两个部分靠第一连接盘和第二连接盘连接为一个整体，使用时依靠施力调节机构对抵接弹簧施力，调节抵接弹簧对连接轴的抵接力大小，进而能够实现对支撑臂轴向刚度的调节。这样具有结构简单稳定性好的特点。

5、进一步地，第一连接盘轴心位置通过一个连接轴固定螺栓和连接轴固定连接安装。

6、这样，方便结构的设置和构件的安装拆卸。

7、进一步地，连接轴正对抵接弹簧位置的外周面具有向外的安装凸起，安装凸起外端对应设置有弹簧安装槽，抵接弹簧的内端抵接在弹簧安装槽的内端。

8、这样，更好地保证弹簧安装的稳定性和可靠性，保证弹簧的施力方向为正对轴心线施力，保证刚度调节的稳定性和可靠性。

9、进一步地，所述施力调节机构包括一个螺母套，螺母套内圈的两端各设置有一段对称的内螺纹并分别配合在一个周向间隔设置的调节环上，调节环外表面具有外螺纹和螺母的内螺纹配合，第二连接盘上还设置有用于防止调节环转动的调节环止转结构，所述施力调节机构还包括设置在抵接弹簧外端的弹簧座，弹簧座外端的上下两侧各自可滑动地抵接有一块斜向设置的调节挡板，两块调节挡板外端相互靠拢且内端张开呈横向的八字形，两块调节挡板各自的内端和上下两端对应的调节环可转动连接，调节挡板外端和一个相对固定在第二连接盘上的保持架可转动连接。

10、这样，使用时，只需转动螺母套，带动两个调节环同向或者反向直线运动，进而带动调节挡板的内端沿关节的轴向移动，改变调节挡板的倾斜角度，进而挤压或者放松抵接弹簧，使得抵接弹簧对连接轴的径向压力增大或者减小，实现对连接轴轴向可移动性能的调节，即实现对关节轴向刚度的调节。采用这种方式通过丝杠螺母传动再结合斜板挤压配合传动实现对弹簧压紧力的调整并进而实现对轴向刚度的调节，具有以下优点。首先整体结构紧凑，力的传动稳定可靠，施力是由周向的旋转运动经过多次力的传递和转换，才转化为沿径向的运动施力，使得装置自锁性好，不会轻易失稳。其次经多次力的传递和转换（尤其是斜板的斜面配合转换传递施力方向）使得调节的传动比非常大，可以靠较小的输入获得较大的刚度调节效果，使得轴向刚度的可调节范围会非常大。另外，还可以通过预先调节设置调节挡板的初始倾斜角度，很方便地即可实现对调节精度要求转换的控制调整，调节挡板的倾斜角度越小时可用更小的调节距离实现更大的刚度变化调节。最后很重要的一点是本结构中是依靠弹簧对连接轴的径向压紧实现的轴向刚度调节，故调节过程中当连接盘轴向承力产生变化时也基本不会影响到弹簧的径向压紧力的大小变化，故能够具有很好的稳定性和可靠性。故该施力调节机构能够调节实现大范围的连续可控的刚度变化，以较小的能量损耗实现大范围的刚度调节，且极其稳定可靠。

11、进一步地，所述弹簧座的外端沿关节轴向设置有滚轮，滚轮的轴心线方向和抵接弹簧轴心线方向垂直，滚轮的周向外侧和调节挡板抵接配合设置。

12、这样，靠滚轮滚动配合可以更好地实现斜向的调节挡板到抵接弹簧之间的力的传递，保证更好地可靠性。

13、进一步地，弹簧座外端中部位置正对弹簧设置有一个螺纹调节孔，螺纹调节孔内安装有一个调节螺栓，调节螺栓前端和抵接弹簧端部抵接。

14、这样，在需要时可以方便通过调节螺栓改变调节弹簧的预紧力的大小。

15、进一步地，所述弹簧座的内端向前延伸形成有一个承力套，抵接弹簧外端位于承力套内，所述承力套具有一段可滑动地插接在连接轴上的弹簧安装槽内的配合段。

16、这样，该结构中承力套前段配合段插接在弹簧安装槽内，配合段外壁和弹簧安装槽内壁之间形成一个较小的间隙，能够产生一个非常重要的效果。即如果因为意外（例如摔倒或碰撞）导致第一连接盘和第二连接盘之间突然产生一个较大的轴向力时，此时第一连接盘和第二连接盘产生较大的轴向运动，会使得弹簧安装槽可以直接通过和承力套配合段的配合带动弹簧座整体做同向运动，进而使得弹簧座外端和对应侧的调节挡板压紧，该侧的调节挡板能够将弹簧座向内压缩，进而使得弹簧挤压连接轴将其夹紧，对应地提高轴向刚度，使其能够承受或者抵消部分因意外产生的轴向力。实现了装置的自适应性紧急保护效果，降低或避免了因为意外导致的安全风险。进一步地，螺母套和调节环之间的螺纹为自锁螺纹。更好地保障了上述自适应性紧急保护效果的实现。

17、进一步地，所述保持架整体呈筒状并同轴间隔设置在螺母套内侧，保持架中部开设调节挡板安装窗口，所述调节挡板的外端可转动地安装在调节挡板安装窗口上；保持架外周面的两端具有一圈向内凹的限位凹槽，所述螺母套的内腔两端各自向内固定有一个螺纹环，螺母套两端的内螺纹设置在螺纹环的内圈表面上，螺纹环可转动地卡接限位在限位凹槽内，所述保持架的限位凹槽内还开设有多个让位窗口，所述调节环外表面均匀分布有多个向外的安装凸起，调节环上的外螺纹设置在安装凸起的外端表面，所述安装凸起穿过让位窗口并和螺纹环外端螺纹配合，安装凸起的两侧和让位窗口的两侧相贴形成所述调节环止转结构。

18、这样，整个结构巧妙、紧凑、稳定和可靠，避免了运动的相互干涉并保证了运动和力传递的稳定性。

19、作为一种选择，螺母套外表面均匀分布设置有沿轴向的竖槽和转动刻度。这样方便手动施力旋转螺母套进行刚度调节。

20、作为另一种选择，所述第二连接盘上还安装有一个螺母调节电机，螺母调节电机和螺母套传动连接。

21、这样，方便通过控制螺母调节电机实现对刚度的电动控制调节。实施时，螺母调节电机和计算机相连，即可根据预设程序和指令实现自动控制。

22、综上所述，本发明的关节具有调节方便，可调节范围大，稳定性好，安全性好等优点。