本实用新型涉及机器人行业中的安全柔性臂技术领域，具体涉及一种柔性臂可变刚度臂杆。
背景技术：
随着全球科技的日新月异，机器人行业作为一个全新的弄潮儿在这一主题背景下扮演着越来越重要的角色。无论是不断的普及在各个大大小小工厂中的工业机器人，还是逐步应用于治疗各种病患的医疗机器人，无论是为人们带来各种全新体验的家庭服务机器人，还是不断打破人类认知极限的特种机器人，在其发展和应用中，都要面临与人为伴所带来的共同生产生活的安全隐患问题。
在这种背景下，为实现人机安全交互以及避免多机协作中损伤碰撞等意外情况的发生，科学研究界提出一种基于柔性控制系统下的安全柔性臂解决思路。该思路的关键在于设计出一种安全柔性臂。从结构设计角度容易得知，组成机械臂的基本单元模块有两块，一块是关节模块，另一块是臂杆模块。
传统机械臂上的臂杆模块主要承担上一个关节和下一个关节的过渡和承接角色，其结构简陋，体型笨重。当遇到突发碰撞等事项时，无任何的柔性缓冲效果，基本表现为纯刚性特征。
鉴于上述问题，有必要提出一种柔性臂可变刚度臂杆。
技术实现要素：
本实用新型提供一种柔性臂可变刚度臂杆，其不仅具有柔性缓冲特征，而且可以根据作业环境和需求特点适时调节其刚度特征，从而实现在不同作业环境下的柔性度设置需求，达到人机安全交互以及降低多机协作中损伤碰撞损伤度的目的。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种柔性臂可变刚度臂杆，至少包括串接的柔性模块以及用以调整所述柔性模块刚度的调刚模块，所述柔性模块至少包括具有第一空腔的套筒以及与所述套筒相连的输出杆件，所述套筒的外壁至少设有两个相对设置的滑动导向槽，所述滑动导向槽的长度延伸方向平行所述套筒的轴心线方向，所述输出杆件套设于所述套筒的所述第一空腔内，所述输出杆件具有柱状导向件，所述导向件既可沿所述滑动导向槽滑动又可绕自身轴心线旋转地插设在所述滑动导向槽中，所述输出杆件的滑动方向为Z轴方向，所述输出杆件的转动方向为绕Y轴方向转动，所述的Z轴、所述套筒的轴心线方向以及所述输出杆件的轴心线方向共线，所述Y轴垂直所述Z轴，所述套筒的所述第一空腔内还设有与所述输出杆件相抵接的用以提供弹性力的弹性件。
进一步的，所述弹性件为弹簧。
进一步的，所述套筒具有与所述输出杆件相连的连接端以及与所述调刚模块相连的调节端，所述套筒内的所述第一空腔贯穿所述套筒的轴向，所述弹簧的一端与所述输出杆件相接触，所述弹簧的另一端与所述调刚模块相连。
进一步的，所述输出杆件具有与所述套筒的所述第一空腔相对的第二空腔，所述第二空腔与所述第一空腔相连通，所述弹簧设于所述第一空腔和所述第二空腔内。
进一步的，所述滑动导向槽的数量为两个，两所述滑动导向槽均与所述套筒的所述连接端的端部相连通，所述连接端的端部还设有用以对所述滑动导向槽中的所述导向件进行限位的定位挡圈。
进一步的，所述导向件为设于所述输出杆件一端端部且沿径向朝外凸出的两圆柱形耳，两所述的圆柱形耳分别嵌设于两所述的滑动导向槽中，两所述圆柱形耳的轴心线方向即为所述的Y轴方向，所述输出杆件的外径小于所述套筒的内径。
进一步的，所述调刚模块至少包括用以对所述弹簧的长度进行调整的调整组件，所述调整组件至少包括驱动装置、一端与所述驱动装置相连另一端与所述弹簧相连的传动机构，所述的驱动装置带动所述传动机构沿所述弹簧的轴向运动。
进一步的，所述驱动装置为驱动电机，所述传动机构包括与所述驱动电机的输出端相连的丝杠以及套设于所述丝杠上的丝杠螺母，所述丝杠螺母上设有推杆，所述推杆的输出端端部与可滑动的设于所述第一空腔内的压板相连，所述弹簧的一端抵接在所述压板上。
进一步的，所述压板上还设有用于供所述弹簧套设的导向柱，所述导向柱的轴心线方向为所述弹簧的轴心线方向。
进一步的，所述调刚模块还包括具有第三空腔的支架，所述支架的一端与所述套筒的所述调节端相连，所述驱动电机、所述丝杠、所述丝杠螺母均设于所述第三空腔内，所述推杆的一端位于所述第三空腔内，其另一端伸入所述第一空腔，所述第三空腔内还设有供所述推杆穿过的导向板。
采用以上技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：本实用新型的可变刚度臂杆由提供柔性特征的柔性模块和改变这种柔性模块刚度大小的调刚模块组成，使臂杆不仅具有柔性缓冲特征，而且可以根据作业环境和需求特点适时调节其刚度特征，从而提高臂杆的安全性，实现人机安全交互和最大程度地降低多机协作中损伤碰撞等意外情况的发生，加快安全柔性臂的设计和推广使用。
附图说明
附图1为本实用新型的臂杆的结构示意图；
附图2为本实用新型中套筒的结构示意图；
附图3为本实用新型中输出杆件的结构示意图；
附图4为本实用新型的臂杆的剖视图；
附图5为本实用新型的臂杆包含驱动机构时的一种结构示意图；
附图6为本实用新型的臂杆包含驱动机构时的另一种结构示意图。
其中，100、柔性模块；200、调刚模块；1、套筒；101、第一空腔；102、滑动导向槽；2、输出杆件；201、第二空腔；202、圆柱形耳；3、支架；301、第三空腔；4、弹簧；5、定位挡圈；6、驱动电机；7、丝杠；8、联轴器；9、丝杠螺母；10、推杆；11、压板；12、导向柱；13、轴承坐板；14、导向板；15、电机支座；16、另一驱动电机；17、减速器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1至图4所示，一种柔性臂可变刚度臂杆，至少包括串接的柔性模块100以及用以调整柔性模块100刚度的调刚模块200，柔性模块100至少包括具有第一空腔101的套筒1以及与套筒1相连的输出杆件2，套筒1的外壁至少设有两个相对设置的滑动导向槽102，滑动导向槽102的长度延伸方向平行套筒1的轴心线方向，输出杆件2套设于套筒1的第一空腔101内，输出杆件2具有柱状导向件，导向件既可沿滑动导向槽102滑动又可绕自身轴心线旋转地插设在滑动导向槽102中，输出杆件2的滑动方向为Z轴方向，输出杆件2的转动方向为绕Y轴方向转动，的Z轴、套筒1的轴心线方向以及输出杆件2的轴心线方向共线，Y轴垂直Z轴，套筒1的第一空腔101内还设有与输出杆件2相抵接的用以提供弹性力的弹性件。
本实施例中的弹性件优选为弹簧4。
套筒1具有与输出杆件2相连的连接端以及与调刚模块200相连的调节端，套筒1内的第一空腔101贯穿套筒1的轴向，弹簧4的一端与输出杆件2相接触，弹簧4的另一端与调刚模块200相连。
为提高弹簧4的稳定性，在输出杆件2与套筒1相连的端部设置用以容纳弹簧4的第二空腔201，第二空腔201与第一空腔101相对，且第二空腔201与第一空腔101相连通，弹簧4设于第一空腔101和第二空腔201内。
本实施例中，滑动导向槽102的数量为两个，两滑动导向槽102均与套筒1的连接端的端部相连通，从而可以使导向件方便的安装进滑动导向槽102，连接端的端部设有用以对滑动导向槽102中的导向件进行限位的定位挡圈5。
本实施例中的导向件为设于输出杆件2一端端部且沿径向朝外凸出的两圆柱形耳202，两圆柱形耳202分别嵌设于两滑动导向槽102中，两圆柱形耳202的轴心线方向即为Y轴方向，并且输出杆件2的外径小于套筒1的内径。
本实施例中的调刚模块200至少包括用以对弹簧4的长度进行调整的调整组件，调整组件至少包括驱动装置、一端与驱动装置相连另一端与弹簧4相连的传动机构，驱动装置带动传动机构沿弹簧4的轴向运动从而改变弹簧4的压缩量。
具体的，驱动装置为驱动电机6，传动机构包括与驱动电机6的输出端相连的丝杠7以及套设于丝杠7上的丝杠螺母9，驱动电机6的输出端与丝杠7通过联轴器8相连，丝杠螺母9上设有推杆10。套筒1的第一空腔101内设有压板11，压板11的外径略小于套筒1的内径，从而使得压板11可在第一空腔101内滑动，推杆10的输出端与压板11相连，弹簧4的一端抵接在压板11上，从而使得压板11滑动时可以调整弹簧4的压缩量。
推杆10的数量可以是一个或多个，本实施例中的推杆10数量为3个，当有多个推杆10时，将多个推杆10间隔设置，从而提高稳定性。
为使提升弹簧4与压板11之间的稳定性，在压板11上还设有用于供弹簧4套设的导向柱12，导向柱12的轴心线方向为弹簧4的轴心线方向。
为提高调刚模块200的集成度，调刚模块200还包括支架3，支架3的内部具有第三空腔301，支架3的一端与套筒1的调节端相连，驱动电机6、丝杠7、丝杠螺母9均设于第三空腔301内，推杆10的一端位于第三空腔301，其另一端伸入第一空腔101。第三空腔301内还设有供推杆10穿过的导向板14，导向板14上设置与推杆10数量相同且位置相应的导向孔，导向孔的孔径稍大于推杆10的外径。
为增加稳定性，在第三空腔301内还设有用于支撑驱动电机6的电机支座15以及用于支撑联轴器8的轴承坐板13。
优选的，本实用新型的臂杆还包括驱动柔性模块100和调刚模块200整体转动的驱动机构。如图5和图6所示，在本实施例中，该驱动机构包括另一驱动电机16以及与该另一驱动电机16的输出轴同轴连接的减速器17，减速器17的输出端与支架3相连接，另一驱动电机16的输出轴与输出杆件2的长度延伸方向相垂直。柔性模块100和调刚模块200可以绕减速器17的输出端方向转动。本实施例中的减速器17为谐波减速器。
本实用新型的可变刚度臂杆的原理如下：
本实用新型中的柔性模块100，其弹簧4在通常情况下均呈压缩状态，并且弹簧4的压缩量可调，由于输出杆件2的外径小于套筒1的内径，因此输出杆件2可以在套筒1的第一空腔101内，做沿着Z轴方向的直线往复滑动，从而可对外界在Z轴方向的冲击碰撞起到缓冲效果，其缓冲阻尼效果取决于弹簧4的刚度系数，具体表现为弹簧4的刚度系数越大，阻尼效果越明显。因而臂杆在轴向具有柔性特征。
同时，由于输出杆件2的外径小于套筒1的内径，即输出杆件2与套筒1的内壁之间具有一定的间隙，且输出杆件2的一端有一对圆柱形耳202，该圆柱形耳202的轴心线方向为Y轴方向，因此，当输出杆件2受到该方向的碰撞冲击力或力矩时，输出杆件2可以绕Y轴方向有一定的旋转缓冲角度余量。其缓冲阻尼效果取决于弹簧4的刚度系数以及压缩状态。具体表现为压缩量越大，臂杆的刚性越大；弹簧4的刚度系数越大，臂杆刚性越大，阻尼效果越明显。因而臂杆在Y轴旋转方向具有柔性特征。
本实用新型的调刚模块200通过驱动电机6驱动丝杠7旋转从而带动丝杠螺母9沿轴向做直线移动，通过推杆10推动压板11以改变弹簧4的压缩量大小。通过改变弹簧4的压缩量可以改变臂杆在Y轴旋转方向的柔性特征。
本实用新型的可变刚度臂杆由提供柔性特征的柔性模块100和改变这种柔性模块100刚度大小的调刚模块200组成从而使其不仅具有柔性缓冲特征，而且可以根据作业环境和需求特点适时调节其刚度特征，提高臂杆的安全性，实现人机安全交互和最大程度地降低多机协作中损伤碰撞等意外情况的发生。
上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。