CN114571466B - 一种变刚度装置及其变刚度方法及刚度模型的建模方法 - Google Patents

一种变刚度装置及其变刚度方法及刚度模型的建模方法 Download PDF

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CN114571466B CN202210357022.8A CN202210357022A CN114571466B CN 114571466 B CN114571466 B CN 114571466B CN 202210357022 A CN202210357022 A CN 202210357022A CN 114571466 B CN114571466 B CN 114571466B
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Abstract

本发明涉及仿生机构技术领域，更具体地，涉及一种变刚度装置及其变刚度方法及刚度模型的建模方法，变刚度装置包括定平台、动平台，所述定平台与动平台转动连接构成关节支架，所述关节支架的两侧均设有柔性构件，所述动平台、柔性构件、定平台通过驱动机构顺次传动连接。本发明通过对人体骨肌***的仿生，动态模拟调节人工肌肉的刚度，实现模仿人体手臂刚度可调的控制。

Description

一种变刚度装置及其变刚度方法及刚度模型的建模方法
技术领域
本发明涉及仿生机构技术领域，更具体地，涉及一种变刚度装置及其变刚度方法及刚度模型的建模方法。
背景技术
目前，为了降低仿人臂本体重量和惯量，提升柔顺性能和高速运动性能，绳驱动技术被越来越多的学者应用于仿人臂研究领域中。该技术实现方式是将驱动电机、减速器置放于基座上，通过绳索驱动关节运动，减轻仿人臂执行环节的重量。但由于绳索的柔性和单向受力特性，其刚度变化范围有限，绳索在高刚度状态下人机交互时并不具备安全性和柔顺性，在低刚度状态下位置控制精度差且响应速度慢。
现有技术公开了一种刚度可调绳索驱动的仿生并联机器人，包括动平台、定平台、固定在动平台与定平台之间的支撑弹簧、直线轴承、平面轴承和驱动绳索。支撑弹簧下端固定在定平台上，上端通过平面轴承与动平台相连。支撑弹簧内部设有上脊柱、万向节和下脊柱，直线轴承固定在动平台上，并与上脊柱上端相连，上脊柱下端连接万向节上端，万向节下端连接下脊柱上端，下脊柱下端固定在定平台上，驱动绳索一端固定在动平台上，另一端穿过定平台作为驱动端。该仿生并联机器人具有刚度可调、运动学分析计算直观、动作柔顺等特点。
但上述方案中的刚度变化区间非线性集中等缺陷，不利于研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变刚度装置及其变刚度方法及刚度模型的建模方法，能够通过对人体骨肌***的仿生，动态模拟调节人工肌肉的刚度，实现模仿人体手臂刚度可调的控制。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种刚度可变的仿生机构，包括定平台、动平台，所述定平台与动平台转动连接构成关节支架，所述关节支架的两侧均设有柔性构件，所述动平台、柔性构件、定平台通过驱动机构顺次传动连接。
优选地，所述定平台包括第一平台段与所述第一平台段连接的第一支撑段，所述动平台包括第二平台段与所述第二平台段连接的第二支撑段，所述第一支撑段与第二支撑段相铰接；所述驱动机构包括驱动件、第一柔性绳、第二柔性绳，所述第二平台段与柔性构件的位移部通过第二柔性绳连接，所述第一柔性绳的一端与柔性构件的固定部连接，另一端穿过所述第一平台段后与驱动件连接。
优选地，所述定平台与动平台之间通过铰接支撑机构连接；所述驱动机构包括连接于所述定平台端部的第一滑轮、连接于所述动平台端部的第二滑轮、还包括驱动件，所述第二滑轮与柔性构件的位移部传动连接，所述柔性构件的固定部、第一滑轮、驱动件顺次传动连接。
优选地，所述柔性构件包括连接座、若干正刚度单元和负刚度单元，所述正刚度单元、负刚度单元均与连接座连接，所述负刚度单元上连接有连接件，所述连接件通过驱动机构与动平台连接；所述连接座通过驱动机构与定平台连接。
本发明还提供一种变刚度装置的变刚度方法，所述驱动机构包括驱动件、第一柔性绳、第二柔性绳，所述变刚度方法包括如下步骤：
S1.将所述动平台的两端与柔性构件的位移部通过所述第二柔性绳连接，并将所述柔性构件的固定部、定平台的两端、以及所述驱动件通过所述第一柔性绳顺次连接；
S2.所述驱动件输出动力并拉动所述第一柔性绳、第二柔性绳，使所述柔性构件的位移部相对于固定部产生相对位移，实现所述柔性构件的刚度变化；
其中，步骤S2包括如下步骤：
S21.刚度调节：控制所述驱动件向位于所述关节支架两侧的柔性构件输出相同的动力，使所述动平台与定平台之间的相对位置保持不变；
S22.第一层级刚度调控：令所述关节支架保持固定位姿，并动态调节所述驱动件，实现固定位姿下的柔性构件的刚度变化调节；
S23.第二层级刚度调控：动态调节所述驱动件，所述驱动件向位于所述关节支架两侧的柔性构件输出不同的动力，使所述动平台围绕所述定平台顺时针或逆时针转动，实现所述关节支架位姿的改变。
本发明还提供一种变刚度装置的刚度模型建模方法，位于所述关节支架第一侧的驱动机构构成第一驱动部，位于所述关节支架第二侧的驱动机构构成第二驱动部；所述验证方法包括如下步骤：
S1.对所述关节支架进行几何分析，得到所述定平台、动平台、第一驱动部、第二驱动部之间的相对位置坐标；
S2.根据所述相对位置坐标，以及其与所述定平台、动平台之间的转动角度关系，分别得到所述第一驱动部、第二驱动部的位姿以及活动长度的表达；
S3.根据所述定平台与动平台的转动，以及所述第一、第二驱动部位姿和活动长度表达构建结构矩阵；
S4.通过对所述结构矩阵进行平衡静力学求解，得到刚度模型。
进一步地，在步骤S1中，具体包括如下步骤：
S11.标记点位：取所述定平台、动平台的中点分别记作S、M；将所述第一、第二驱动部分别记作L1、L2；所述第一、第二驱动部与定平台的交叉点分别记作S1、S2；所述第一、第二驱动部上与动平台的连接点分别记作M1、M2；所述动平台相对所述定平台在竖直面内做逆时针或顺时针转动，其中，旋转中心记为O，旋转角度记作θe；设所述定平台的长度为2q，所述定平台到旋转中心O点的距离为h2；设所述动平台的长度为2p，所述动平台到旋转中心O点的距离为h1；
S12.建立坐标系：以M点为坐标原点设立动平台坐标系m-xyz，以S点为坐标原点设立定平台坐标系s-xyz；
S13.根据所述点位在坐标系的位置得到相应的坐标：所述旋转中心O点的坐标为(0，0)；S1点的坐标为(-q，-h2)，S2点的坐标为(q，-h2)；M1点的坐标为(-p，h1)，M2点的坐标为(p，h1)。
进一步地，在步骤S2中，所述第一驱动部的位姿以及活动长度的表达式为：
Figure BDA0003583471780000031
Figure BDA0003583471780000032
式中，l1表示所述第一驱动部的位姿，s1表示OS1的向量，m1表示OM1的向量，R表示旋转矩阵，
Figure BDA0003583471780000033
表示M1点在所述动平台坐标系m-xyz的坐标，||l1||表示所述第一驱动部的活动长度；
所述第二驱动部的位姿以及活动长度的表达式为：
Figure BDA0003583471780000034
Figure BDA0003583471780000035
式中，l2表示所述第二驱动部的位姿，s2表示OS2的向量，m2表示OM2的向量，R表示旋转矩阵，
Figure BDA0003583471780000036
表示M2点在所述动平台坐标系m-xyz的坐标，||l2||表示所述第二驱动部的活动长度；
其中，旋转矩阵R为：
Figure BDA0003583471780000041
经过坐标代换可得：
Figure BDA0003583471780000042
Figure BDA0003583471780000043
进一步地，在步骤S3中，所述结构矩阵记作A：
A＝[a1 a2]T
a1＝OM1×e1
a2＝OM2×e2
Figure BDA0003583471780000044
Figure BDA0003583471780000045
Figure BDA0003583471780000046
式中，a1表示l1的结构矢量，a2表示l2的结构矢量，e1表示l1的单位向量，e2表示l2的单位向量；
经过代入，可得：
Figure BDA0003583471780000047
Figure BDA0003583471780000048
进一步地，在步骤S4中，关节刚度与外力、位移之间的关系式为：
Figure BDA0003583471780000049
式中，K表示关节刚度，W表示外力，X表示位移；
所述关节支架的平衡静力学公式为：
W＝[a1 a2][t1 t2]T
式中，a1表示l1的结构矢量，a2表示l2的结构矢量，t1表示l1上的力，t2表示l2上的力；
第一驱动部与第二驱动部的刚度为：
Figure BDA0003583471780000051
式中，F表示所述柔性构件的刚度特性，d表示所述柔性构件在竖直方向上的位移量；
忽略由l1，l2张力变化引起的刚度，可得：
Figure BDA0003583471780000052
叠加上述公式，可得刚度模型K为：
Figure BDA0003583471780000053
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种变刚度装置及其变刚度方法及刚度模型的建模方法，通过动平台与定平台模拟人手臂关节的转动，以及通过柔性拉动端的拉动和柔性构件的形变，模拟人手臂骨骼肌肌丝纤维，使关节刚度实现可调。
附图说明
图1为本发明一种变刚度装置实施例1的结构示意图；
图2为本发明柔性构件的的结构示意图；
图3为本发明一种变刚度装置实施例2的结构示意图；
图4未本发明一种变刚度装置的变刚度方法流程图；
图5为本发明一种变刚度装置的刚度模型建模方法的流程图；
图6为本发明一种变刚度装置的刚度模型建模方法步骤S1中的几何示意图；
图7为本发明关节串联BVSA图像的示意图。
图示标记说明如下：
1-定平台，11-第一平台段，111-第一通孔，12-第一支撑段，2-动平台，21-第二平台段，211-连接件，22-第二支撑段，3-柔性构件，31-连接座，32-正刚度单元，33-负刚度单元，34-连接件，4-驱动机构，41-第一滑轮，42-第二滑轮，43-驱动件，44-第一柔性绳，45-第二柔性绳，46-收卷轮，5-铰接支撑机构，51-第一支撑杆组件，52-第二支撑杆组件，6-铰链。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1和图2所示为本发明一种变刚度装置的第一实施例，包括定平台1、动平台2，定平台1与动平台2转动连接构成关节支架，关节支架的两侧均设有柔性构件3，动平台2、柔性构件3、定平台1通过驱动机构4顺次传动连接。本实施例中定平台1、动平台2与驱动机构4组成冗余自由度平台。
如图1所示，定平台1包括第一平台段11与第一平台段11连接的第一支撑段12，动平台2包括第二平台段21与第二平台段21连接的第二支撑段22，第一支撑段12与第二支撑段22相铰接。具体地，第一平台段11与第一支撑段12构成第一T形结构，第二平台段21与第二支撑段22构成第二T形结构，第一支撑段12上远离第一平台段11的一端与第二支撑段22上远离第二平台段21的一端通过铰链6连接。
如图1所示，驱动机构4包括驱动件43、第一柔性绳44、第二柔性绳45，第二平台段21与柔性构件3的位移部通过第二柔性绳45连接，第一柔性绳44的一端与柔性构件3的固定部连接，另一端穿过第一平台段11后与驱动件43连接。本实施例中驱动机构4还包括收卷轮46，收卷轮46与驱动件43的驱动端连接，第一柔性绳44的一端与柔性构件3的固定部连接，另一端穿过第一平台段11后与收卷轮46连接。
具体地，驱动件43为电机，第一柔性绳44、第二柔性绳45均为凯夫拉绳。
还有，第一平台段11的两端设有用于第一柔性绳44穿过的第一通孔111，第二平台段21的两端设有用于连接第二柔性绳45的连接件211。第一柔性绳44的一端与柔性构件3的固定部连接，另一端穿过第一通孔111后与驱动件43连接；第二柔性绳45的一端与柔性构件3的位移部连接，另一端通过连接件211与第二平台段21连接。本实施例中连接件211包括设于动平台2上的第二通孔，还包括设于第二通孔处的沉头螺母，第二柔性绳45伸入第二通孔与沉头螺母连接。为了提高收卷轮46的收卷效果，收卷轮46位于第一通孔111的正下方位置。
如图2所示，柔性构件3的固定部包括两个连接座31，柔性构件3的位移部设置多多组，每组位移部包括一个正刚度单元32和一个负刚度单元33，正刚度单元32、负刚度单元33均位于两个连接座31之间，正刚度单元32的两端分别与两个连接座31连接，负刚度单元33的两端也分别与两个连接座31连接；正刚度单元32位于负刚度单元33的正上方，且正刚度单元32的中部具有开口结构，负刚度单元33上连接有连接件34，位移部中相邻两组之间的负刚度单元33之间通过连接件34相连接；连接件34穿过开口结构后通过驱动机构4与动平台2连接；连接座31通过驱动机构4与定平台1连接。本实施例中连接件34为连接条，第二柔性绳45的一端与连接件34连接，另一端与动平台2连接；第一柔性绳44的一端与两个连接座31的底部连接，另一端穿过定平台1后与驱动机构4连接。
实施例2
本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，如图3所示，本实施例中定平台1与动平台2之间通过铰接支撑机构5连接；驱动机构4包括连接于定平台1端部的第一滑轮41、连接于所述动平台2端部的第二滑轮42、还包括驱动件43、第一柔性绳44、第二柔性绳45，第二滑轮42与柔性构件3的位移部通过第二柔性绳45连接，第一柔性绳44的一端与柔性构件3的固定部连接，另一端绕过第一滑轮41后与驱动件43连接。
其中，铰接支撑机构5包括交叉设置的第一支撑杆组件51、第二支撑杆组件52，第一支撑杆组件51的两端分别与定平台1、动平台2相铰接，第二支撑杆组件52的两端分别与定平台1、动平台2相铰接。如图3所示，第一支撑杆组件51包括至少两根相互平行的第一支撑杆，第二支撑杆组件52包括至少两根相互平行的第二支撑杆，两根第一支撑杆均位于两根第二支撑杆之间，能够提高铰接支撑机构5的稳定性。
还有，本实施例中驱动机构4还包括收卷轮46，驱动件43为电机，收卷轮46与电机的输出轴连接，电机的电机座与定平台1的底部连接；第一柔性绳44的一端与柔性构件3的固定部连接，另一端绕过第一滑轮41后与收卷轮46连接。
实施例3
如图4所示为本发明一种变刚度装置的变刚度方法的实施例，驱动机构4包括驱动件43、第一柔性绳44、第二柔性绳45，变刚度方法包括如下步骤：
S1.将动平台2的两端与柔性构件3的位移部通过第二柔性绳45连接，并将柔性构件3的固定部、定平台1的两端、以及驱动件43通过第一柔性绳44顺次连接；
S2.驱动件43输出动力并拉动第一柔性绳44、第二柔性绳45，使柔性构件3的位移部相对于固定部产生相对位移，实现柔性构件3的刚度变化；
其中，步骤S2包括如下步骤：
S21.刚度调节：控制驱动件43向位于关节支架两侧的柔性构件3输出相同的动力，使动平台2与定平台1之间的相对位置保持不变；
S22.第一层级刚度调控：令关节支架保持固定位姿，并动态调节驱动件43的动力输出量，实现固定位姿下的柔性构件3的刚度变化调节；
S23.第二层级刚度调控：动态调节驱动件43的动力输出量，驱动件43向位于关节支架两侧的柔性构件3输出不同的动力，使动平台2围绕定平台1顺时针或逆时针转动，实现关节支架位姿的改变。
实施例4
如图5至图7所示为本发明一种变刚度装置的刚度模型建模方法的实施例，位于关节支架左侧的第一柔性绳44、第二柔性绳45构成第一驱动部，位于关节支架右侧的第一柔性绳44、第二柔性绳45构成第二驱动部；验证方法包括如下步骤：
S1.对关节支架进行几何分析，得到定平台1、动平台2、第一驱动部、第二驱动部之间的相对位置坐标。
在步骤S1中，具体包括如下步骤：
S11.标记点位：取定平台1、动平台2的中点分别记作S、M；将第一、第二驱动部分别记作L1、L2；第一、第二驱动部与定平台1的交叉点分别记作S1、S2；第一、第二驱动部上与动平台2的连接点分别记作M1、M2；动平台2相对定平台1在竖直面内做逆时针或顺时针转动，其中，旋转中心记为O，旋转角度记作θe；设定平台1的长度为2q，定平台1到旋转中心O点的距离为h2；设动平台2的长度为2p，动平台2到旋转中心O点的距离为h1；如图6所示；
S12.建立坐标系：以M点为坐标原点设立动平台坐标系m-xyz，以S点为坐标原点设立定平台坐标系s-xyz；
S13.根据点位在坐标系的位置得到相应的坐标：旋转中心O点的坐标为(0，0)；S1点的坐标为(-q，-h2)，S2点的坐标为(q，-h2)；M1点的坐标为(-p，h1)，M2点的坐标为(p，h1)。
S2.根据相对位置坐标，以及其与定平台1、动平台2之间的转动角度关系，分别得到第一驱动部、第二驱动部的位姿以及活动长度的表达。
在步骤S2中，第一驱动部的位姿以及活动长度的表达式为：
Figure BDA0003583471780000091
Figure BDA0003583471780000092
式中，l1表示第一驱动部的位姿，s1表示OS1的向量，m1表示OM1的向量，R表示旋转矩阵，
Figure BDA0003583471780000093
表示M1点在动平台坐标系m-xyz的坐标，||l1||表示第一驱动部的活动长度；
第二驱动部的位姿以及活动长度的表达式为：
Figure BDA0003583471780000094
Figure BDA0003583471780000095
式中，l2表示第二驱动部的位姿，s2表示OS2的向量，m2表示OM2的向量，R表示旋转矩阵，
Figure BDA0003583471780000096
表示M2点在动平台坐标系m-xyz的坐标，||l2||表示第二驱动部的活动长度；
其中，旋转矩阵R为：
Figure BDA0003583471780000097
经过坐标代换可得：
Figure BDA0003583471780000098
Figure BDA0003583471780000099
S3.根据定平台1与动平台2的转动，以及第一、第二驱动部位姿和活动长度表达构建结构矩阵。
在步骤S3中，结构矩阵记作A：
A＝[a1 a2]T
a1＝OM1×e1
a2＝OM2×e2
Figure BDA0003583471780000101
Figure BDA0003583471780000102
Figure BDA0003583471780000103
/>
式中，a1表示l1的结构矢量，a2表示l2的结构矢量，e1表示l1的单位向量，e2表示l2的单位向量；
经过代入，可得：
Figure BDA0003583471780000104
Figure BDA0003583471780000105
S4.通过对结构矩阵进行平衡静力学求解，得到刚度模型。
在步骤S4中，关节刚度与外力、位移之间的关系式为：
Figure BDA0003583471780000106
式中，K表示关节刚度，W表示外力，x表示位移；
关节支架的平衡静力学公式为：
W＝[a1 a2][t1 t2]T
式中，a1表示l1的结构矢量，a2表示l2的结构矢量，t1表示l1上的力，t2表示l2上的力；
第一驱动部与第二驱动部的刚度为：
Figure BDA0003583471780000107
式中，F表示柔性构件3的刚度特性，d表示柔性构件3在竖直方向上的位移量；需要说明的是，根据刚度叠加原理，柔性构件3的刚度特性具有如下表达式：
F＝Fp+Fn
式中，Fp表示正刚度单元32的正刚度特性，Fn表示负刚度单元33的负刚度特性；
由于柔性绳的张力变化引起的刚度变化微乎其微，因此可以忽略由l1，l2张力变化引起的刚度，即可得：
Figure BDA0003583471780000111
叠加步骤S4中的公式，可得刚度模型K为：
Figure BDA0003583471780000112
需要说明的是，根据刚度模型K函数所画的图像可类比关节串联BVSA图像，如图7所示，在图7中，纵坐标表示刚度，横坐标表示关节支架转动的角度，因此能够证实该变刚度装置是具有变刚度能力的。
模拟时，通过电机输出的扭矩协同控制柔性绳驱动仿人臂的刚度和位姿，输出扭矩经由收卷轮46传递至柔性绳上，柔性绳带动柔性构件3的位移部在竖直方向上发生形变，柔性构件3的位移部相对于固定部位移产生的张力变化即为用柔性绳驱动仿人臂的变刚度装置的刚度特性。刚度特性表征为柔性绳驱动动平台2的张力与位移部位移的关系，类表人体骨骼肌肌力与肌长的关系，即人体骨骼肌的刚度。对于柔性构件3的结构参数，可根据环境灵活调整其正、负刚度单元的长度、宽度、高度，以及其与水平面的倾角和单元层数，以实现不同的刚度特性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变刚度装置，其特征在于，包括定平台(1)、动平台(2)，所述定平台(1)与动平台(2)转动连接构成关节支架，所述关节支架的两侧均设有柔性构件(3)，所述动平台(2)、柔性构件(3)、定平台(1)通过驱动机构(4)顺次传动连接；所述柔性构件(3)包括连接座(31)、若干正刚度单元(32)和负刚度单元(33)，所述正刚度单元(32)、负刚度单元(33)均与连接座(31)连接，所述负刚度单元(33)上连接有连接件(34)，所述连接件(34)通过驱动机构(4)与动平台(2)连接；所述连接座(31)通过驱动机构(4)与定平台(1)连接；其中：
所述定平台(1)包括第一平台段(11)与所述第一平台段(11)连接的第一支撑段(12)，所述动平台(2)包括第二平台段(21)与所述第二平台段(21)连接的第二支撑段(22)，所述第一支撑段(12)与第二支撑段(22)相铰接；所述驱动机构(4)包括驱动件(43)、第一柔性绳(44)、第二柔性绳(45)，所述第二平台段(21)与柔性构件(3)的位移部通过第二柔性绳(45)连接，所述第一柔性绳(44)的一端与柔性构件(3)的固定部连接，另一端穿过所述第一平台段(11)后与驱动件(43)连接；
或者，所述定平台(1)与动平台(2)之间通过铰接支撑机构(5)连接；所述驱动机构(4)包括连接于所述定平台(1)端部的第一滑轮(41)、连接于所述动平台(2)端部的第二滑轮(42)、还包括驱动件(43)，所述第二滑轮(42)与柔性构件(3)的位移部传动连接，所述柔性构件(3)的固定部、第一滑轮(41)、驱动件(43)顺次传动连接。
2.一种应用于权利要求1所述的变刚度装置的变刚度方法，其特征在于，所述驱动机构(4)包括驱动件(43)、第一柔性绳(44)、第二柔性绳(45)，所述变刚度方法包括如下步骤：
S1.将所述动平台(2)的两端与柔性构件(3)的位移部通过所述第二柔性绳(45)连接，并将所述柔性构件(3)的固定部、定平台(1)的两端、以及所述驱动件(43)通过所述第一柔性绳(44)顺次连接；
S2.所述驱动件(43)输出动力并拉动所述第一柔性绳(44)、第二柔性绳(45)，使所述柔性构件(3)的位移部相对于固定部产生相对位移，实现所述柔性构件(3)的刚度变化；
其中，步骤S2包括如下步骤：
S21.刚度调节：控制所述驱动件(43)向位于所述关节支架两侧的柔性构件(3)输出相同的动力，使所述动平台(2)与定平台(1)之间的相对位置保持不变；
S22.第一层级刚度调控：令所述关节支架保持固定位姿，并动态调节所述驱动件(43)，实现固定位姿下的柔性构件(3)的刚度变化调节；
S23.第二层级刚度调控：动态调节所述驱动件(43)，所述驱动件(43)向位于所述关节支架两侧的柔性构件(3)输出不同的动力，使所述动平台(2)围绕所述定平台(1)顺时针或逆时针转动，实现所述关节支架位姿的改变。
3.一种应用于权利要求1所述的变刚度装置的刚度模型建模方法，其特征在于，位于所述关节支架第一侧的驱动机构(4)构成第一驱动部，位于所述关节支架第二侧的驱动机构(4)构成第二驱动部；所述验证方法包括如下步骤：
S1.对所述关节支架进行几何分析，得到所述定平台(1)、动平台(2)、第一驱动部、第二驱动部之间的相对位置坐标；
S2.根据所述相对位置坐标，以及其与所述定平台(1)、动平台(2)之间的转动角度关系，分别得到所述第一驱动部、第二驱动部的位姿以及活动长度的表达；
S3.根据所述定平台(1)与动平台(2)的转动，以及所述第一、第二驱动部位姿和活动长度表达构建结构矩阵；
S4.通过对所述结构矩阵进行平衡静力学求解，得到刚度模型。
4.根据权利要求3所述的变刚度装置的刚度模型建模方法，其特征在于，在步骤S1中，具体包括如下步骤：
S11.标记点位：取所述定平台(1)、动平台(2)的中点分别记作S、M；将所述第一、第二驱动部分别记作L1、L2；所述第一、第二驱动部与定平台(1)的交叉点分别记作S1、S2；所述第一、第二驱动部上与动平台(2)的连接点分别记作M1、M2；所述动平台(2)相对所述定平台(1)在竖直面内做逆时针或顺时针转动，其中，旋转中心记为O，旋转角度记作θe；设所述定平台(1)的长度为2，所述定平台(1)到旋转中心O点的距离为h2；设所述动平台(2)的长度为2，所述动平台(2)到旋转中心O点的距离为h1；
S12.建立坐标系：以M点为坐标原点设立动平台坐标系m-xyz，以S点为坐标原点设立定平台坐标系s-xyz；
S13.根据所述点位在坐标系的位置得到相应的坐标：所述旋转中心O点的坐标为(0,0)；S1点的坐标为(-q,-h2)，2点的坐标为(q,-h2)；M1点的坐标为(-p,h1)，2点的坐标为(p,h1)。
5.根据权利要求4所述的变刚度装置的刚度模型建模方法，其特征在于，在步骤S2中，所述第一驱动部的位姿以及活动长度的表达式为：
Figure FDA0004183363770000031
Figure FDA0004183363770000032
式中，l1表示所述第一驱动部的位姿，s1表示OS1的向量，m1表示OM1的向量，R表示旋转矩阵，
Figure FDA0004183363770000033
表示M1点在所述动平台坐标系m-xyz的坐标，‖l1‖表示所述第一驱动部的活动长度；
所述第二驱动部的位姿以及活动长度的表达式为：
Figure FDA0004183363770000034
Figure FDA0004183363770000035
式中，l2表示所述第二驱动部的位姿，s2表示OS2的向量，m2表示OM2的向量，R表示旋转矩阵，
Figure FDA0004183363770000036
表示M2点在所述动平台坐标系m-xyz的坐标，‖l2‖表示所述第二驱动部的活动长度；
其中，旋转矩阵R为：
Figure FDA0004183363770000037
经过坐标代换可得：
Figure FDA0004183363770000038
Figure FDA0004183363770000039
6.根据权利要求5所述的变刚度装置的刚度模型建模方法，其特征在于，在步骤S3中，所述结构矩阵记作A：
A＝[a1a2]T
a1＝M1×e1
a2＝M2×e2
Figure FDA00041833637700000310
Figure FDA00041833637700000311
Figure FDA0004183363770000041
式中，a1表示l1的结构矢量，a2表示l2的结构矢量，e1表示l1的单位向量，e2表示l2的单位向量；
经过代入，可得：
Figure FDA0004183363770000042
Figure FDA0004183363770000043
7.根据权利要求6所述的变刚度装置的刚度模型建模方法，其特征在于，在步骤S4中，关节刚度与外力、位移之间的关系式为：
Figure FDA0004183363770000044
式中，K表示关节刚度，W表示外力，x表示位移；
所述关节支架的平衡静力学公式为：
W＝[a1a2][t1t2]T
式中，a1表示l1的结构矢量，a2表示l2的结构矢量，1表示l1上的力，t2表示l2上的力；
第一驱动部与第二驱动部的刚度为：
Figure FDA0004183363770000045
式中，F表示所述柔性构件(3)的刚度特性，d表示所述柔性构件(3)在竖直方向上的位移量；
忽略由l1，l2张力变化引起的刚度，可得：
Figure FDA0004183363770000046
叠加上述公式，可得刚度模型K为：
Figure FDA0004183363770000047
/>
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