一种具有缓冲功能的多级可调式机器人变刚度关节的制作方法

本发明涉及一种具有缓冲功能的多级可调式机器人变刚度关节。

背景技术：

传统的工业机器人主要适应于结构化生产的环境中，为了适应高效率的重复性生产工作，保证机构的精确定位和跟踪，一般都具有比较高的刚度。随着机器人技术的不断发展，如康复机器人、行走机器人、家庭服务机器人等机器人越来越多，人机交互的安全性以及机器人的环境适应性受到更加广泛的关注。柔性机器人也成为未来机器人发展的一种趋势。在柔性机器人设计过程中，柔性关节的驱动的成熟度是一项能够体现机械结构拟人化的重要指标，可变刚度柔性关节作为柔性驱动的重要组成部分，其结构和功能的提高决定了机器人运动的柔性，增加了其环境适应性。

变刚度关节是一种具有自带柔顺性的机器人关节结构，主要实现关节运动过程刚度调节的功能，扩大了人机接触的场合。可变刚度关节机械结构主要由两种实现方式：一种是由线性弹簧和非线性机械装置组成，一种是由非线性弹性元件和普通机械装置组成。两种组合方式都可以实现输入位移和输出力或者力矩的非线性变化。根据关节刚度和位置的控制方式，又分为串联结构和并联结构：在串联结构中，刚度与位置分别由两电机独立控制，两者运动解耦；在并联结构中，刚度和位置控制由两个电机共同控制，两者运动耦合。

中国专利cn104440936b提出了一种可变刚度的机器人关节，该装置通过采用输入输出关节盘之间的摩擦片来实现力矩的传导，当输出端正常受力时，保持为定刚度；当输出端超载或者碰撞时，摩擦由静摩擦变成动摩擦，实现了刚度的变化并减缓了一定的冲击。但是该发明不能实现刚度的有效范围调节，不能主动地改变关节运动过程中的刚度。随着变刚度次数的增加，摩擦片的磨损不断增加，使得装置效果减弱并影响装置使用寿命的局限性。

中国专利cn105108771b提出了一种可变刚度机器人关节结构，该装置使用弹簧片作为刚度调节部件和传力部件，通过涡轮蜗杆和行星轮系来进行传动，使得弹簧片作用于输出端的有效长度改变，从而使得输出刚度变化。该发明传动结构复杂，虽然精度一定程度上可以保证，但是关节体积过大，安装空间有限。使用弹簧片作为刚度调节元件，而弹簧片本身就是变刚度元件，所以刚度的变化控制精度低，不能实现刚度多级调节，降低了装置的环境适应性，同时采用差动轮系作为输出过渡端，耗能比较大，稳定性也有待提高。

综上，目前的变刚度关节结构设计普遍存在关节体积质量大，刚度调节范围有限，控制复杂，输出力小，无缓冲减震装置等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有缓冲功能的多级可调式机器人变刚度关节，该多级可调式机器人变刚度关节可进行多个刚度级别的选择，在正常情况下可以以高刚度来进行精确定位和动作执行，并可对关节输出过程中的超载、碰撞和机器人摔倒等情况进行缓冲减震，同时关节位置和关节的刚度调节相互独立，互不影响。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括输入装置和输出装置，所述的输入装置包括输入盘组件以及驱动输入盘组件转动的输入电机，所述的输入盘组件包括平行设置的连接盘与输入盘，所述的连接盘与输入盘之间通过连接架相连成一体，所述的输入电机固定在底座上且输入电机通过减速器与连接盘相固定；

所述的输出装置包括垂直于输入盘设置的输出杆以及平行于输入盘设置的输出盘，所述的输出杆整体呈方框状且输出杆可转动地固定在输入盘的上表面，所述的输出盘铰接在输出杆的顶部，所述输出杆的底边上设有与其形成滑动配合的第一滑动连接架及第二滑动连接架；

所述输入盘的上表面还设有与输出杆相连且用以调节输出杆输出刚度的刚度调节装置，所述的刚度调节装置包括对称分布在输出杆两侧的左调节组件与右调节组件，所述的左调节组件包括第一齿轮、分别与第一齿轮相啮合的第一齿条及第二齿条、分别与第一齿条及第二齿条相连的第一变刚度组件及第二变刚度组件，所述的右调节组件包括第二齿轮、分别与第二齿轮相啮合的第三齿条及第四齿条、分别与第三齿条及第四齿条相连的第三变刚度组件及第四变刚度组件，其中：第一齿条与第三齿条、第二齿条与第四齿条、第一变刚度组件与第三变刚度组件、第二变刚度组件与第四变刚度组件分别对称设置，所述的第一齿条与第二齿条、第三齿条与第四齿条分别形成同步反向移动；所述的第一变刚度组件及第三变刚度组件与第一滑动连接架相连，所述的第二变刚度组件与第四变刚度组件与第二滑动连接架相连，所述的第一齿轮及第二齿轮的转动动力由刚度电机提供，且第一齿轮与第二齿轮形成同步反向转动。

所述的第一变刚度组件、第二变刚度组件、第三变刚度组件及第四变刚度组件结构相同，均分别包括调刚盘、固定在调刚盘上的弹簧伸缩杆、磁吸盘以及设置在磁吸盘上的磁吸块，所述的调刚盘与磁吸盘相平行且均垂直于输入盘设置，所述的弹簧伸缩杆沿调刚盘的周向均匀设置偶数个，其中相对设置的两根弹簧伸缩杆的刚度相同，相对设置的两根弹簧伸缩杆形成一个刚度级别组，各刚度级别组之间的刚度相异，所述的磁吸块沿磁吸盘的周向均匀布置，且磁吸块的数量及设置位置与弹簧伸缩杆的数量及位置相吻合，所述的磁吸块与控制器相连。

所述的第一变刚度组件、第二变刚度组件、第三变刚度组件及第四变刚度组件中的调钢盘分别与第一齿条、第二齿条、第三齿条及第四齿条铰接相连，所述第一变刚度组件及第二变刚度组件中的磁吸盘分别与第一滑动连接架及第二滑动连接架中的左连接轴铰接相连，所述的第三变刚度组件及第四变刚度组件中的磁吸盘分别与第一滑动连接架及第二滑动连接架中的右连接轴铰接相连。

所述第一齿条、第二齿条、第三齿条及第四齿条的底部均分别设有滑块，所述输入盘的上表面分别设有与滑块相配合的齿条滑槽，所述的第一齿条通过第一传动连接杆与第一变刚度组件铰接相连，所述的第三齿条通过第二传动连接杆与第三变刚度组件铰接相连。

所述的第一滑动连接架及第二滑动连接架均分别包括套设在输出杆底边上的框状本体，所述框状本体的内部设有滚筒，所述滚筒内部的轴体两端分别贯穿框状本体的上下两边并通过连接螺母与框状本体相固定，所述框状本体的左右两边分别向外侧延伸有左连接臂及右连接臂，所述的左连接臂及右连接臂上分别设有贯穿设置的左连接轴及右连接轴，所述第一滑动连接架上的左连接轴及右连接轴分别与第一变刚度组件及第三变刚度组件中的磁吸盘铰接相连，所述第二滑动连接架上的左连接轴及右连接轴分别与第二变刚度组件及第四变刚度组件中的磁吸盘铰接相连，所述的滚筒、左连接轴及右连接轴的轴向均垂直于输入盘。

所述的输出杆在其底边的中心位置固定有连接轴，所述的连接轴与输入盘的中心位置设置的轴承座相配合连接形成转动副，所述输出杆的底边上开设有第一滑槽与第二滑槽，所述的第一滑槽与第二滑槽均为通槽，且第一滑槽及第二滑槽以连接轴为中心对称设置，所述的第一滑动连接架及第二滑动连接架分别与第一滑槽及第二滑槽相配合，所述的第一滑动连接架与第二滑动连接架对称设置，第一滑动连接架及第二滑动连接架中的滚筒分别位于第一滑槽及第二滑槽内且分别与第一滑槽及第二滑槽的槽壁形成线接触，所述第一滑动连接架及第二滑动连接架中的框状本体分别套设在输出杆的底边上。

所述的刚度电机通过传动组件与第一齿轮及第二齿轮相连，所述的传动组件包括与刚度电机的输出轴相连的驱动齿轮、第一输出齿轮及第二输出齿轮，所述的驱动齿轮与第一输出齿轮之间还设有中间齿轮，其中：第一输出齿轮及第二输出齿轮分别与第一齿轮及第二齿轮同轴设置，驱动齿轮分别与中间齿轮及第二输出齿轮相啮合，且中间齿轮同时与第一输出齿轮相啮合，所述的第一输出齿轮与第二输出齿轮形成同步反向转动。

所述输入盘的上表面还设有两组限位保护装置，两组限位保护装置分别设置在输出杆底边的两个端部位置，每组限位保护装置均包括左挡块及右挡块，所述的左挡块及右挡块对称设置在输出杆底边的两侧，所述的左挡块及右挡块均通过底座与输入盘固连，且左挡块及右挡块可转动的固定在底座上，所述的左挡块及右挡块用于对输出杆的转动角度形成限制。

所述的连接盘与输入盘相靠近的端面上分别设有与连接架相配合的凹槽，所述的连接架与凹槽的配合面之间为过渡配合。

本发明的有益效果在于：1)分别设置输入电机及刚度电机，使关节的位置调节与关节的输出刚度调节相互独立，有效地避免了位置变化对于关节输出刚度调节的影响；2)四组变刚度组件均分别包括了四个级别的刚度级别组，可以达到在一次安装条件下，实现多级别刚度的选择，且在同一刚度级内还可以进行刚度的主动调节，很大程度上加强了环境适应性；3)在同一刚度级别内，通过刚度调节装置中两组齿轮齿条机构可以进行刚度的主动调节，使输出刚度的调节范围增大；4)在系统输出时出现碰撞、超载或者机器人摔倒等危险情况下，四组变刚度组件与限位保护装置联用，可以有效地减轻传动部件和主要零件的损伤，延长变刚度关节的使用寿命；5)巧妙利用了线性弹簧伸缩杆的伸缩来进行刚度调节和缓冲吸震，与现有的变刚度关节相比，具有刚度调节速度快、结构紧凑、占用空间小、刚度调节范围大、稳定性好等优点。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明刚度调节装置与输出装置的结构示意图；

图3是本发明刚度调节装置与输出装置的结构示意图一；

图4是本发明刚度调节装置与输出装置的结构示意图二；

图5是本发明第一变刚度组件的结构示意图一；

图6是本发明第一变刚度组件的结构示意图二；

图7是本发明第一变刚度组件中各弹簧伸缩杆的布置示意图；

图8是本发明第一滑动连接架的结构示意图；

图9是本发明输出装置的结构示意图；

图10是本发明输出装置与第一滑动连接架、第二滑动连接架的配合示意图；

图11是本发明刚度调节的原理图；

图12是本发明的缓冲运动简图；

图13是本发明的流程框图。

上述附图中的标记为：输入电机1、连接盘2、输入盘3、连接架4、底座5、减速器6、输出杆7、输出盘8、第一滑动连接架9、第二滑动连接架10、第一齿轮11、第一齿条12、第二齿条13、第一变刚度组件14、第二变刚度组件15、第二齿轮16、第三齿条17、第四齿条18、第三变刚度组件19、第四变刚度组件20、刚度电机21、调刚盘22、弹簧伸缩杆23、第一杆231、第二杆232、第三杆233、第四杆234、第五杆235、第六杆236、第七杆237、第八杆238、磁吸盘24、磁吸块25、滑块26、滑槽27、第一传动连接杆28、第二传动连接杆29、框状本体30、滚筒31、连接螺母32、左连接臂33、右连接臂34、左连接轴35、右连接轴36、连接轴37、轴承座38、第一滑槽39、第二滑槽40、驱动齿轮41、第一输出齿轮42、第二输出齿轮43、中间齿轮44、左挡块45、右挡块46、底座47、轴承座底架48、第一耳座49、第二耳座50。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1～图4所示的一种具有缓冲功能的多级可调式机器人变刚度关节，包括输入装置和输出装置，输入装置包括输入盘组件以及驱动输入盘组件转动的输入电机1，输入盘组件包括平行设置的连接盘2与输入盘3，连接盘2与输入盘3之间通过连接架4相连成一体，输入电机1固定在底座5上且输入电机1通过减速器6与连接盘2相固定；具体的，连接盘2与输入盘3相靠近的端面上分别设有与连接架4相配合的凹槽，连接架4与凹槽的配合面之间为过渡配合，这样通过配合面之间的挤压作用来传递扭矩，使得输入盘3具有输入力矩。

进一步的，输出装置包括垂直于输入盘3设置的输出杆7以及平行于输入盘3设置的输出盘8，输出杆7整体呈方框状且输出杆7可转动地固定在输入盘3的上表面，即输出杆7在其底边的中心位置固定有连接轴37，连接轴37与输入盘3的中心位置设置的轴承座38相配合连接形成转动副，在正常工作状态下，输出杆7与输入盘3保持同步转动。输出盘8铰接在输出杆7的顶部，输出杆7的底边上设有与其形成滑动配合的第一滑动连接架9及第二滑动连接架10，第一滑动连接架9与第二滑动连接架10对称设置。具体的，如图8所示，第一滑动连接架9及第二滑动连接架10均分别包括套设在输出杆7底边上的框状本体30，框状本体30的内部设有滚筒31，滚筒31内部的轴体两端分别贯穿框状本体30的上下两边并通过连接螺母32与框状本体30相固定，框状本体30的左右两边分别向外侧延伸有左连接臂33及右连接臂34，左连接臂33及右连接臂34上分别设有贯穿设置的左连接轴35及右连接轴36，第一滑动连接架9上的左连接轴35及右连接轴36分别与第一变刚度组件14及第三变刚度组件19中的磁吸盘24铰接相连，第二滑动连接架10上的左连接轴35及右连接轴36分别与第二变刚度组件15及第四变刚度组件20中的磁吸盘24铰接相连，滚筒31、左连接轴35及右连接轴36的轴向均垂直于输入盘3。

进一步的，如图9、图10所示，输出杆7的底边上开设有第一滑槽39与第二滑槽40，第一滑槽39与第二滑槽40均为通槽，且第一滑槽39及第二滑槽40以连接轴37为中心对称设置，第一滑动连接架9及第二滑动连接架10分别与第一滑槽39及第二滑槽40相配合，第一滑动连接架9及第二滑动连接架10中的滚筒31分别位于第一滑槽39及第二滑槽40内且分别与第一滑槽39及第二滑槽40的槽壁形成线接触，第一滑动连接架9及第二滑动连接架10中的框状本体30分别套设在输出杆7的底边上。

进一步的，如图3、图4所示，输入盘3的上表面还设有与输出杆7相连且用以调节输出杆7输出刚度的刚度调节装置，刚度调节装置包括对称分布在输出杆7两侧的左调节组件与右调节组件。左调节组件包括第一齿轮11、分别与第一齿轮11相啮合的第一齿条12及第二齿条13、分别与第一齿条12及第二齿条13相连的第一变刚度组件14及第二变刚度组件15，右调节组件包括第二齿轮16、分别与第二齿轮16相啮合的第三齿条17及第四齿条18、分别与第三齿条17及第四齿条18相连的第三变刚度组件19及第四变刚度组件20，其中：第一齿条12与第三齿条17、第二齿条13与第四齿条18、第一变刚度组件14与第三变刚度组件19、第二变刚度组件15与第四变刚度组件20分别对称设置，第一齿条12与第二齿条13、第三齿条17与第四齿条18分别形成同步反向移动；第一变刚度组件14及第三变刚度组件19与第一滑动连接架9相连，第二变刚度组件15与第四变刚度组件20与第二滑动连接架10相连，第一齿轮11及第二齿轮16的转动动力由刚度电机21提供，且第一齿轮11与第二齿轮16形成同步反向转动。其中第一齿轮11及与其相啮合的第一齿条12及第二齿条13、第二齿轮16及与其相啮合的第三齿条17及第四齿条18分别形成两组齿轮齿条机构。

以左调节组件为例，第一齿轮11的转动，使第一齿条12及第二齿条13产生相反方向的同步运动，从而带动第一变刚度组件14及第二变刚度组件15同步运动，第一变刚度组件14及第二变刚度组件15的运动带动第一滑动连接架9及第二滑动连接架10在输出杆的第一滑槽39及第二滑槽40内移动，从而使得输出杆7的转动中心与第一滑动连接架9及第二滑动连接架10的距离发生改变，以实现输出杆7的输出刚度发生变化。右调节组件的原理与左调节组件相同，在此不再赘述。

进一步的，如图5、图6所示，第一变刚度组件14、第二变刚度组件15、第三变刚度组件19及第四变刚度组件20结构相同，均分别包括调刚盘22、固定在调刚盘22上的弹簧伸缩杆23、磁吸盘24以及设置在磁吸盘24上的磁吸块25，调刚盘22与磁吸盘24相平行且均垂直于输入盘3设置，弹簧伸缩杆23沿调刚盘22的周向均匀设置偶数个，其中相对设置的两根弹簧伸缩杆23的刚度相同，相对设置的两根弹簧伸缩杆23形成一个刚度级别组，各刚度级别组之间的刚度相异，磁吸块25沿磁吸盘24的周向均匀布置，且磁吸块25的数量及设置位置与弹簧伸缩杆23的数量及位置相吻合，磁吸块25与控制器相连。

具体地说，在本实施例中，如图7所示，调刚盘22上沿周向设置了八根弹簧伸缩杆23，即第一杆231、第二杆232、第三杆233、第四杆234、第五杆235、第六杆236、第七杆237、第八杆238；两两相对的两根弹簧伸缩杆23形成一个刚度级别组，一共形成四个刚度级别组，即第一杆231与第五杆235形成第一刚度级别组，第二杆232与第六杆236形成第二刚度级别组，第三杆233与第七杆237形成第三刚度级别组，第四杆234与第八杆238形成第四刚度级别组，这四个刚度级别组的刚度各不相同，但构成一个刚度级别组中的两根弹簧伸缩杆的刚度是一致的，即第一杆231与第五杆235的弹簧刚度相同，第二杆232与第六杆236的弹簧刚度相同，依此类推。本实施例的磁吸盘24也沿其周向设置八个磁吸块，八个磁吸块分别与八根弹簧伸缩杆相对应，通过控制器可以使相应刚度级别组内的弹簧伸缩杆与磁吸盘上的磁吸块吸合，使得输出装置具有对应的刚度级。

使用时，根据关节在不同工况、不同环境下所需要的刚度要求，可以自行选择四个刚度级别组中的一个刚度级别组进行刚度输出。例如：当选择第一刚度级别组的刚度级别时，控制器使与第一杆231和第五杆235相对应的磁吸块通电，此时第一杆231和第五杆235分别与磁吸块吸合，此时的输出盘8的输出刚度就是第一刚度级别组的输出刚度。当在第一刚度级别组的刚度区间范围内调节刚度时，可以通过左调节组件与右调节组件来改变第一变刚度组件14、第二变刚度组件15、第三变刚度组件19及第四变刚度组件20的位置来进行刚度的区间调节；当需要切换同不组别的刚度级别时，如要从第一刚度级别调整至第三刚度级别时，这时需使与第一杆231和第五杆235相吸附的磁吸块断电，使第三杆233和第七杆237相对应的磁吸块得电，这样就可以实现各种级别刚度的选择，增大了变刚度关节的环境适应性。

进一步的，第一变刚度组件14、第二变刚度组件15、第三变刚度组件19及第四变刚度组件20中的调钢盘22分别与第一齿条12、第二齿条13、第三齿条17及第四齿条18铰接相连，第一变刚度组件14及第二变刚度组件15中的磁吸盘24分别与第一滑动连接架9及第二滑动连接架10中的左连接轴34铰接相连，第三变刚度组件19及第四变刚度组件20中的磁吸盘24分别与第一滑动连接架9及第二滑动连接架10中的右连接轴35铰接相连。具体的，以第一变刚度组件14为例进行说明，即调刚盘的外表面设有第一耳座49，第一耳座49与第一传动连接杆28铰接相连，即磁吸盘24的外表面设有第二耳座50，第二耳座50与第一滑动连接架9的左连接轴34铰接相连。

进一步的，第一齿条12、第二齿条13、第三齿条17及第四齿条18的底部均分别设有滑块26，输入盘3的上表面分别设有与滑块26相配合的齿条滑槽27，第一齿条12通过第一传动连接杆28与第一变刚度组件14铰接相连，第三齿条17通过第二传动连接杆29与第三变刚度组件19铰接相连。

进一步的，刚度电机21通过传动组件与第一齿轮11及第二齿轮16相连，传动组件包括与刚度电机21的输出轴相连的驱动齿轮41、第一输出齿轮42及第二输出齿轮43，驱动齿轮41与第一输出齿轮42之间还设有中间齿轮44，其中：第一输出齿轮42及第二输出齿轮43分别与第一齿轮11及第二齿轮16同轴设置，驱动齿轮41分别与中间齿轮44及第二输出齿轮43相啮合，且中间齿轮44同时与第一输出齿轮42相啮合，通过各齿轮齿数的设置，可以使第一输出齿轮42与第二输出齿轮43形成同步反向转动。也就是刚度电机21通过四个传动齿轮将动力同步传送给第一齿轮11及第二齿轮16，以驱使各齿条同步移动。

进一步的，输入盘3的底部固定有轴承座底架48，第一输出齿轮42、第二输出齿轮43、中间齿轮44的齿轮轴的两端以及驱动齿轮41的齿轮轴底端分别通过轴承座与轴承座底架48连接。

进一步的，输入盘3的上表面还设有两组限位保护装置，两组限位保护装置分别设置在输出杆7底边的两个端部位置，每组限位保护装置均包括左挡块45及右挡块46，左挡块45及右挡块46对称设置在输出杆7底边的两侧，左挡块45及右挡块46用于对输出杆7的转动角度形成限制。左挡块45及右挡块46均通过底座47与输入盘3固连，且左挡块45及右挡块46可动地铰接在底座47上，也就是左挡块45及右挡块46在底座47上的转动位置可调整，即左挡块45与右挡块46之间形成的开合度大小可调节，调整时，可先将左挡块45与右挡块46调整至合适的位置，再拧紧螺栓，使左挡块45及右挡块46处于固定状态。

本发明的工作原理及工作过程如下：

一、正常状态下：

输入电机1与磁吸块25同时得电，此时四组变刚度组件中各有一个刚度级别组处于吸合状态，输入电机1通过减速器6带动连接盘2和输入盘3转动，输入盘3的输入力矩通过四组变刚度组件传递给输出杆7及输出盘8，输出杆7此时与输入盘3处在平衡状态，且与输入盘3同步转动。

二、输出杆输出刚度的调节原理：

本实施例中设置了四个变刚度组件，分别为第一变刚度组件14、第二变刚度组件15、第三变刚度组件19和第四变刚度组件20。下面以第一变刚度组件14为例进行说明：第一变刚度组件14中的第一杆231与第五杆235形成第一刚度级别组，第二杆232与第六杆236形成第二刚度级别组，第三杆233与第七杆237形成第三刚度级别组，第四杆234与第八杆238形成第四刚度级别组。

1、不同刚度级别组的调节。

当需要第一刚度级别时，控制器直接使与第一杆231和第五杆235相配合的磁吸块通电，这时第一杆231和第五杆235分别与相配合的磁吸块吸合，输出盘8的输出刚度就是第一刚度级别组的输出刚度。在使用过程中我们还可以根据具体的工况来选择不同的刚度级别组。比如由原先的第一刚度级别组调整至第三刚度级别组，具体调节的过程为：控制器先使输入电机1及刚度电机21断电，再通过控制器使与第一杆231及第五杆235相配合的磁吸块断电，再使与第三杆233及第七杆237相配合的磁吸块通电，这时输出盘8的输出刚度就是第三刚度级别组的输出刚度，可以通过此方式来选择不同的刚度级别组。需要注意的是，第一变刚度组件14、第二变刚度组件15、第三变刚度组件19、第四变刚度组件20中同时选用的刚度级别组是一致的，即如果选择第一刚度级别组时，四个变刚度组件都选用的是第一刚度级别组。

2、同一刚度级别组的刚度调节。

如在使用过程中需要对选用的刚度级别组在其刚度区间范围内进行调节时，可以先使刚度电机21得电，刚度电机21通过传动组件将动力传递给第一齿轮11及第二齿轮16，通过控制第一齿轮11或第二齿轮16的正转或反转，来改变第一变刚度组件14、第二变刚度组件15、第三变刚度组件19及第四变刚度组件20的相对位置，以此来调节输出杆7的输出刚度。

其原理依据如下：

如图11所示，以与第一滑动连接架9相连的第一变刚度组件14与第三变刚度组件14为例，外力f为输出盘8在工作时的阻力(即负载的阻力)，杠杆部分为输出杆7，其中一组对抗弹簧m、n分别为对称设置的第一变刚度组件14与第三变刚度组件19，另一组对抗弹簧e、f分别为对称设置的第二变刚度组件与第四变刚度组件，输出杆7与输入盘3的连接点形成支点o，即输出盘8、输出杆7、各个变刚度组件等组成了一个杠杆系统，这样，在杠杆支点o和外力f作用点位置不变的情况下，对抗弹簧m、n及e、f分别向着支点o移动或远离支点o移动时，均可改变杠杆有效力臂的长度，弹簧支点离支点o越远，有效力臂越长，刚度越大，反之则刚度越小。

此时，杠杆系统的输出刚度公式为：

其中：k为杠杆系统的输出刚度；

t为外力的等效力矩；

α为杠杆受外力的偏角；

km为弹簧的刚度；

l为有效力臂长度。

由上述公式可知，与杠杆系统的输出刚度有关的变量有两个，分别为有效力臂长度l以及杠杆受外力的偏角α，杠杆受外力的偏角α是指输出杆7相对于原平衡位置的偏角。其中：偏角α的控制比较复杂，因此可以通过使输出杆7与输入盘3保持同步转动来使偏角α为0，这样就可以通过调整单一变量法来调整有效力臂长度l，则上述公式变形为：

也就是在本发明中，我们可以通过调整第一滑动连接架9、第二滑动连接架10与输出杆7的转动中心(即连接轴37所处的位置)的距离即可改变输出杆7的输出刚度。

第一滑动连接架9、第二滑动连接架10与输出杆7转动中心之间的距离调节(即两组对抗弹簧的支点移动)原理如下：

通过刚度电机21驱使第一齿轮11及第二齿轮16正转或反转，这时与第一齿轮11相啮合的第一齿条12及第二齿条13、与第二齿轮相啮合的第三齿条17及第四齿条18产生移动，分别与四根齿条相连的四组变刚度组件同步移动，从而带动第一滑动连接架9与第二滑动连接10在第一滑槽39及第二滑槽40内移动，以此改变与输出杆7转动中心之间的距离，即调整了有效力臂的长度，由此改变输出杆7的输出刚度。

三、当出现外部过载、冲击或摔倒等非正常工作状态时：

当关节受到外部过载、冲击或摔倒等情况时，输入电机1与刚度电机21同时断电，磁吸块仍然保持通电，即处于非正常工作状态时，处于吸合状态的刚度级别组仍然保持吸合。如若输出杆7受到外力发生顺时针转动时，第一变刚度组件14与第四变刚度组件20中的处于吸合状态的弹簧伸缩杆收缩，第二变刚度组件15与第三变刚度组件19中处于吸合状态的弹簧伸缩杆伸张，以此来进行缓冲，当缓冲到一定程度时，四组变刚度组件中的弹簧伸缩杆又将恢复到初始的平衡状态。反之，当输出杆7受到外力发生顺时针转动时，第一变刚度组件14与第四变刚度组件20中的处于吸合状态的弹簧伸缩杆伸张，第二变刚度组件15与第三变刚度组件19中处于吸合状态的弹簧伸缩杆收缩，进行缓冲。

具体的缓冲原理如下：

如图12所示的运动简图，第一滑动连接架9、第二滑动连接架10上的左连接轴35分别与第一变刚度组件14、第二变刚度组件15铰接形成两个转动副，第一滑动连接架9、第二滑动连接架10上的右连接轴36分别与第三变刚度组件19、第四变刚度组件20铰接形成两个转动副，即一共形成四个转动副；第一滑动连接架9与第二滑动连接架10分别在第一滑槽39及第二滑槽40内的等效运动形成两组高副滚子结构；第一变刚度组件14与第二变刚度组件15、第三变刚度组件19与第四变刚度组件20形成四个对称分布的整体组件；

在出现碰撞或者机器人摔倒的情况下，输出杆7受到冲击与摆动，发生与原运动方向相反的运动(即输出杆7产生反转)，此时，输入电机1、刚度电机21断电，但是原先处于吸合状态的弹簧伸缩杆与磁吸块仍然保持吸合状态，由于第一滑动连接架9、第二滑动连接架10与磁吸盘24之间是可动连接，第一滑动连接架9、第二滑动连接架10中的滚筒31与输出杆7的第一滑槽39、第二滑槽40间也是可动连接，而可动连接又是对称分布的，所以运动简图中有多个对称分布的转动副，而第一滑动连接架9、第二滑动连接架10将冲击力通过可动连接传递给处于吸合状态的弹簧伸缩杆23，弹簧伸缩杆23的轴向伸缩运动即可吸收冲击，起到缓震作用，其中的移动副就是弹簧伸缩杆23的轴向运动的示意。由弹簧伸缩杆23轴向伸缩运动来缓冲外加力矩，从而起到一个缓冲吸震，减小机构损伤的作用。其中：移动副和转动副是根据实际的运动关系确定的，左挡块45、右挡块46的存在，使得输出杆7的反转在一定范围内进行，增加了安全性和使用的灵活性。

验证如下：

机构自由度(去除虚约束和局部自由度后)：

构件数：n＝9

低副数：pl＝12

高副数：ph＝2

自由度f＝3n-2pl-ph＝3*9-2*12-2＝1

自由度数等于原动件数，所以机构具有唯一确定的运动，运动验证成功。

四、本发明的工作过程为：

如图13所示，开始工作时，首先根据不同的工况及环境等因素的要求，先进行刚度级别组的选择，即同时选择第一变刚度组件、第二变刚度组件、第三变刚度组件及第四变刚度组件中的同一刚度级别组进行工作，并使该级别组内相应的磁吸块通电，吸附弹簧伸缩杆，这时输出杆与输入盘同步转动，并输出刚度至输出盘；系统在正常工作状态下，还可以通过刚度调节装置来调整正在使用的刚度级别组的输出刚度，直至达到一个合适的刚度值；如若系统受到碰撞等情况，处于非正常工作状态时，则输入电机断电，由四组变刚度组件进行缓冲调节，待恢复正常状态后重新返回进行刚度级别组的选择。

综上，本发明的有益效果在于：1)分别设置输入电机及刚度电机，使关节的位置调节与关节的输出刚度调节相互独立，有效地避免了位置变化对于关节输出刚度调节的影响；2)四组变刚度组件均分别包括了四个级别的刚度级别组，可以达到在一次安装条件下，实现多级别刚度的选择，且在同一刚度级内还可以进行刚度的主动调节，很大程度上加强了环境适应性；3)在同一刚度级别内，通过刚度调节装置中两组齿轮齿条机构可以进行刚度的主动调节，使输出刚度的调节范围增大；4)在系统输出时出现碰撞、超载或者机器人摔倒等危险情况下，四组变刚度组件与限位保护装置联用，可以有效地减轻传动部件和主要零件的损伤，延长变刚度关节的使用寿命；5)巧妙利用了线性弹簧伸缩杆的伸缩来进行刚度调节和缓冲吸震，与现有的变刚度关节相比，具有刚度调节速度快、结构紧凑、占用空间小、刚度调节范围大、稳定性好等优点。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。