一种磁力滑轮组机器人变刚度关节

技术领域

本发明属于柔性变刚度机器人技术领域，涉及一种柔性并联拮抗式机器人用变刚度关节，特别适合单/多自由度变刚度机器人关节的构建。

背景技术

机器人技术在工业生产、医疗服务、人文娱乐等方向得到了越来越多的应用，与人的接触也越来越频繁紧密。因此人们对人机交互问题的关注日益提高。

变刚度机器人关节和传统刚性关节的主要区别为：在整体结构中加入了可调刚度的弹性元件，对非结构化环境的适应性增强，更好的满足了对结构稳定性和柔顺行的需求，又能减少能量的大量消耗，可以增强人机安全性和环境适应性。其中采用绳索驱动方式的并联变刚度关节与人体肌肉驱动方式最为接近。关节两侧利用非线性弹簧，通过双电机控制弹簧的伸缩量来调节关节位置和输出力矩，实现关节的刚度和位置控制。目前限制并联绳索驱动的变刚度关节发展的主要问题有，控制关节刚度时，需要持续消耗能量，因此其能量利用效率不高。因此设计一款刚度大范围变化，体积小、质量轻且关节刚度调整能力和驱动能力高的变刚度关节对解决并联绳索驱动的机器人能量消耗高的问题具有重要意义。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是提供一种提升关节刚度调整能力和驱动能力，并减小关节体积的变刚度关节。其目的是解决以往所存在的问题，该变刚度关节便于驱动单元和变刚度单元后置，采用磁力滑轮组结构从而可以进一步增强变刚度关节的刚度调整能力和驱动能力。

技术方案：

一种柔性永磁变刚度机器人关节，其特征在于：包括大臂承载体2、肘关节载体3、小臂、滑轮组5和绳索绞盘，大臂承载体2连接肘关节载体3连接小臂，肘关节载体3通过滑轮组5连接小臂，绳索绞盘27设置在大臂承载体2上；在大臂承载体2上设置有柔性永磁变刚度机构；

所述绳索绞盘为两个，分别为第一绳索绞盘27-1和第二绳索绞盘27-2，所述柔性永磁变刚度机构为两个，分别为第一柔性永磁变刚度机构和第二柔性永磁变刚度机构；

所述柔性永磁变刚度机构包括固定座8和移动滑座16；

固定座8包括两个竖板8-1和连接两个竖板8-1的连接板8-2，所述移动滑座16为由滑动杆16-2和锥形底座16-1构成的“↓”形结构，滑动杆16-2的下端设置锥形底座16-1，滑动杆16-2的上端穿过连接板8-2且能相对于连接板8-2做上下移动；

滑动杆16-2的上端设置有滑轮12，两个竖板8-1的顶端各设置一个定滑轮，即第一定滑轮7和第二定滑轮11；

在连接板8-2的底部设置有第一锥形永磁环13，在锥形底座16-1的上端设置有与第一锥形永磁环13对应的第二锥形永磁环14；

缠绕在第一绳索绞盘27-1上的绳索，依次绕过第一柔性永磁变刚度机构中的第一定滑轮7的上端、滑轮12的下端以及第二定滑轮11的上端后连接至滑轮组5；

缠绕在第二绳索绞盘27-2上的绳索，依次绕过第二柔性永磁变刚度机构中的第一定滑轮7的上端、滑轮12的下端以及第二定滑轮11的上端后连接至滑轮组5。

两个竖板8-1的内侧设置有移动滑槽15或者移动滑轨，锥形底座16-1的左右两端，伸入移动滑槽15内或者设置在移动滑轨上且能沿着移动滑槽15或者移动滑轨上下移动。

滑轮组5包括第一关节位移导向块30和第二关节位移导向块21，第一关节位移导向块30的弧形沿A与第二关节位移导向块21的弧形沿B接触，使得第二关节位移导向块21的弧形沿B能在第一关节位移导向块30的弧形沿A上滚动；

第一关节位移导向块30的侧面上垂直设置有第一导向杆19-1、第二导向杆19-2、第四导向杆19-4和第六导向杆19-6；第一导向杆19-1、第二导向杆19-2和第四导向杆19-4呈三点式布置，第六导向杆19-6位于第一关节位移导向块30的弧形沿A的弧形圆心位置，第二关节位移导向块21的侧面上垂直设置有第三导向杆19-3、第五导向杆20和第七导向杆19；第三导向杆19-3、第五导向杆20和第七导向杆19的轴心位于同一直线上或者第三导向杆19-3、第五导向杆20和第七导向杆19呈三点式布置，第七导向杆19位于第二关节位移导向块21的弧形沿B的弧形圆心；从第一柔性永磁变刚度机构中第二定滑轮11的上端引出的第一绳索6-1从第一导向杆19-1的上端绕过后从第二导向杆19-2的下端绕过再从第三导向杆19-3的下端缠绕后再在第二导向杆19-2和第三导向杆19-3之间反复缠绕，最后将第一绳索6-1固定在第二导向杆19-2或第三导向杆19-3上；

从第二柔性永磁变刚度机构中第二定滑轮11的上端引出的第二绳索6-2从第一导向杆19-1的下端绕过后从第四导向杆19-4的上端绕过再从第五导向杆20绕过后反复缠绕第四导向杆19-4和第五导向杆20最后固定在第四导向杆19-4或第五导向杆20上；

关节定位块17的后端套在第六导向杆19-6上且能以第六导向杆19-6为轴转动，关节定位块17的前端套在第七导向杆19上且能以第七导向杆19为轴转动。

其中第一绳索绞盘27-1与第一柔性永磁变刚度机构中的第一定滑轮7和第二定滑轮11外切于同一条直线，第二绳索绞盘27-1与第二柔性永磁变刚度机构中的第一定滑轮7和第二定滑轮11外切于同一条直线。

所述柔性永磁变刚度机构中的动滑轮12夹于定滑轮7和定滑轮11的对称轴上。

第一绳索6-1和第二绳索6-2为软钢丝绳或其他柔软的只能弯曲却不能轴向伸缩的材料制成的绳索。

沿绳索绞盘27的旋转轴线依次布置有深沟球轴承、联轴器28和减速器29，绳索绞盘的旋转轴的一端通过深沟球轴承与联轴器28输出端连接，联轴器28的输入端连接减速器29的输出端，绳索绞盘旋转轴另一端与大臂承载体2外的大臂外壳1相接触，并使之位置固定。

减速器29的输入端沿轴线依次有联轴器22和伺服电机23，减速器29的输入端通过联轴器22与伺服电机23连接。

伺服电机23上带有编码器24，伺服电机23与伺服电机固定座25进行固连，减速器29与减速器固定座26进行固连。

伺服电机固定座25、减速器固定座26和永磁变刚度机构固定座8均与大臂承载体2固连，大臂承载体2和关节承载体3进行固连，关节承载体3与第一关节位移导向块30固定连接，小臂与第二关节位移导向块21进行固连。

优点效果：

近年来，永磁材料研究的快速发展中，对单位体积磁能高的稀土永磁材料的研究有了重大技术突破，使弹簧等原始弹性元件逐渐被永磁体所代替，和原有弹性元件相比，永磁体间产生的磁力具有噪声小、摩擦系数小、响应块、寿命长等优点。

本发明提出了一种采用双磁力滑轮组控制结构的永磁变刚度关节，其中包含：(一)两组驱动单元，每组驱动单元包括：伺服电机，编码器，锥齿轮减速器，联轴器1，联轴器2，电机固定座，减速器固定座，深沟球轴承，线索绞盘；(二)两组变刚度元，每组变刚度单元包含：定滑轮1，定滑轮2，滑轮，轴向磁化锥形永磁环1，轴向磁化锥形永磁环2，移动滑座，移动滑槽，轴向滑动轴承，固定座，固定垫圈；(三)肘关节运动单元包括：导向轴，固定支座，导向体，滑轮组1，滑轮组2，导向轮，关节承载体，手臂载体，关节定位块，关节固定块，绳索固定槽，关节位移导向块，手臂外壳。

绳索绞盘为绞盘与旋转轴一体的绞盘轴。沿绳索绞盘的旋转轴线依次布置有深沟球轴承、联轴器、锥齿轮减速器、联轴器、伺服电机，所述伺服电机、减速器通过固定套与基座固定，绳索绞盘通过手臂外壳上结构进行固定，绳索绞盘通过联轴器与减速器连接；

移动滑座与移动滑槽进行滑动配合，轴向滑动轴承位于固定座的横梁的对称中心上，所述移动滑座的滑动杆与滑动轴承滑动配合，所述动滑轮位于移动滑座的滑动杆的末端，两个定滑轮位于带有滑槽的固定座上端部，动滑轮与两个定滑轮构成等腰三角形，通过拉动绳索进而带动动滑轮和移动滑座向上滑动；

固定座与锥形永磁环1固结，移动滑座与锥形永磁环2固结，锥形永磁环1与锥形永磁环2同轴线布置，且锥形永磁环1和锥形永磁环2的结构参数相同，锥形永磁环1和锥形永磁环2轴向充磁，同向磁极相对布置。当移动滑座和固定座相对滑动时，锥形永磁环1和锥形永磁环2间气隙减小。两个变刚度关节通过零件固定座分别在相对面与手臂载体固结。

手臂载体和关节承载体进行固结，导向轴与关节导向零件1、支撑零件和定位零件互相垂直，且与二者固连，关节导向零件和定位零件均与关节承载体通过螺栓进行固结。关节导向零件1和关节导向零件2相切。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.设计了一种全新的变刚度关节，较现有的变刚度关节有如下优点，可以通过较小的电机输入产生更大的关节转矩，并增大了关节的转动范围。本设计中对永磁变刚度机构进行优化改进，选用锥形环形永磁环，代替水平永磁环，具有磁体相对工作截面积更大的优点，并在对固定座的设计中，结合关节的实际安装考虑，将固定座设计为和锥形永磁环相同锥度的斜面结构，由于变刚度模块中滑轮组的摆放位置为一个高度可变的等腰三角形，固定座的锥形设计具有节省空间的特点，让装配结构更为紧凑。

2.本设计中使用了磁力滑轮组结构，关节位置依靠两组滑轮组张紧位置的不同改变运动位置。关节处滑轮组应用四元数理论，伺服电机输入转矩可以成倍数增加输出。关节转动始终为两个半径固定的圆弧外切，故两圆心点间距始终保持不变。此设计的优点在于其内部可以安全布置小臂关节中的线路，不受关节运动影响。

3.本发明可以在具体使用中将驱动单元与变刚度关节后置，由于设计选用并联式结构，在构建多自由度关节时，优化了串联式结构因为多自由度的惯量叠加导致的刚度变化能力不足的缺点。并设计了双结构控制，使关节控制能力的时效性得到了很大的提升。

附图说明

图1为本发明的一种柔性机器人手臂结构示意图；

图2为变刚度单元的剖面示意图；

图3为肘关节滑轮组部分结构图；

图4为绳索绞盘的驱动结构爆炸图；

图5为第一锥形轴向磁化永磁环和第二锥形轴向磁化永磁环立体示意图；

图6为显示绳索固定槽的立体示意图；

图7为显示肘关节载体内的导向轮的结构的示意图。

图中，1—大臂外壳，2—大臂承载体，3—肘关节载体，4—小臂外壳，5—滑轮组，6—绳索，7—第一定滑轮，8—固定座，9—轴向滑动轴承，10—固定垫圈，11—第二定滑轮，12-滑轮，13—第一锥形轴向磁化永磁环，14—第二锥形轴向磁化永磁环，15—移动滑槽，16—移动滑座，17—关节定位块，18—关节固定块，19—导向杆，20—绳索固定槽，21—关节位移导向块，22—联轴器1，23—私服电机，24—编码器，25—私服电机固定座，26—减速器固定座，27—绳索绞盘，28—联轴器2，29—减速器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。借此对本发明如何使用技术手段来处理技术问题，并达到满足需求的技术过程能够充分理解并据以实施，需要说明的是，只要不构成冲突，本发明的各个实施例以及各个实施例中的各个特征可以相互配合实用，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

一种柔性永磁变刚度机器人关节，其特征在于：包括大臂承载体2、肘关节载体3、小臂、滑轮组5和绳索绞盘，大臂承载体2连接肘关节载体3连接小臂，肘关节载体3通过滑轮组5连接小臂，(即滑轮组5设置在肘关节载体3与小臂之间)绳索绞盘27设置在大臂承载体2上；在大臂承载体2上设置有柔性永磁变刚度机构；

所述绳索绞盘为两个，分别为第一绳索绞盘27-1和第二绳索绞盘27-2(如图1所示)，所述柔性永磁变刚度机构为两个(如图1所示能看见其中一个，另一个在后面图中显示不出来)，分别为第一柔性永磁变刚度机构和第二柔性永磁变刚度机构；

所述柔性永磁变刚度机构包括固定座8和移动滑座16；

固定座8包括两个竖板8-1和连接两个竖板8-1的连接板8-2，所述移动滑座16为由滑动杆16-2和锥形底座16-1构成的“↓”形结构(就像图2所示的，类似于一个方向指向下的箭头，所谓锥形底座16-1就是如图2所示的形状，也可以叫V形，而相应的连接板8-2也为V形)，滑动杆16-2的下端设置锥形底座16-1，滑动杆16-2的上端穿过连接板8-2且能相对于连接板8-2做上下移动(就是沿着滑动杆16-2轴向移动，即如图2所示的上下移动)，

滑动杆16-2的上端设置有滑轮12，滑轮12与滑动杆16-2相连接，可以随滑动杆16-2进行轴向移动，相对于第一定滑轮7和第二定滑轮11，滑轮12可以等效为动滑轮的功能，两个竖板8-1的顶端各设置一个定滑轮，即第一定滑轮7和第二定滑轮11；

在连接板8-2的底部设置有第一锥形永磁环13(第一锥形永磁环沿圆锥斜面的外法线方向进行充磁，外圆锥斜面表面为N极，如图2所示)，在锥形底座16-1的上端设置有与第一锥形永磁环13对应的第二锥形永磁环14(第二锥形永磁环沿圆锥形斜面的内法线方向进行充磁，内圆锥斜面表面为N极，如图2所示)

缠绕在第一绳索绞盘27-1上的绳索，依次绕过第一柔性永磁变刚度机构中的第一定滑轮7的上端、滑轮12的下端以及第二定滑轮11的上端后(如图2所示)连接至滑轮组5；

缠绕在第二绳索绞盘27-2上的绳索，依次绕过第二柔性永磁变刚度机构中的第一定滑轮7的上端、滑轮12的下端以及第二定滑轮11的上端后连接至滑轮组5。

两个竖板8-1的内侧设置有移动滑槽15(图2中虚线所示)或者移动滑轨，锥形底座16-1的左右两端，伸入移动滑槽15内或者设置在移动滑轨上且能沿着移动滑槽15或者移动滑轨上下移动(就是沿着滑动杆16-2轴向移动，即如图2所示的上下移动，移动滑槽15和移动滑轨是择其一的)。

滑轮组5包括第一关节位移导向块30和第二关节位移导向块21，第一关节位移导向块30的弧形沿A与第二关节位移导向块21的弧形沿B接触(即如图3所示，第一关节位移导向块30和第二关节位移导向块21均为带有弧形面的类似扇形的结构)，使得第二关节位移导向块21的弧形沿B能在第一关节位移导向块30的弧形沿A上滚动；

第一关节位移导向块30的侧面上垂直设置有第一导向杆19-1、第二导向杆19-2、第四导向杆19-4和第六导向杆19-6；(即第一导向杆19-1、第二导向杆19-2、第四导向杆19-4和第六导向杆19-6垂直于第一关节位移导向块30，如图3所示)第一导向杆19-1、第二导向杆19-2和第四导向杆19-4呈三点式布置(即第一导向杆19-1、第二导向杆19-2和第四导向杆19-4的轴心连线形成三角形，如图3所示)，第六导向杆19-6位于第一关节位移导向块30的弧形沿A的弧形圆心位置，第二关节位移导向块21的侧面上垂直设置有第三导向杆19-3、第五导向杆20和第七导向杆19；第三导向杆19-3、第五导向杆20和第七导向杆19的轴心位于同一直线上或者第三导向杆19-3、第五导向杆20和第七导向杆19呈三点式布置(即第三导向杆19-3、第五导向杆20和第七导向杆19的轴心连线呈三角形)，第七导向杆19位于第二关节位移导向块21的弧形沿B的弧形圆心；从第一柔性永磁变刚度机构中第二定滑轮11的上端引出的第一绳索6-1从第一导向杆19-1的上端绕过后从第二导向杆19-2的下端绕过再从第三导向杆19-3的下端缠绕后再在第二导向杆19-2和第三导向杆19-3之间反复缠绕，最后将第一绳索6-1固定在第二导向杆19-2或第三导向杆19-3上；

(第一绳索6-1和第二绳索6-2统称为绳索6，即图2中的标号6)

从第二柔性永磁变刚度机构中第二定滑轮11的上端引出的第二绳索6-2从第一导向杆19-1的下端绕过后从第四导向杆19-4的上端绕过再从第五导向杆20绕过后反复缠绕第四导向杆19-4和第五导向杆20最后固定在第四导向杆19-4或第五导向杆20上；

关节定位块17的后端套在第六导向杆19-6上且能以第六导向杆19-6为轴转动，关节定位块17的前端套在第七导向杆19上且能以第七导向杆19为轴转动。

其中第一绳索绞盘27-1与第一柔性永磁变刚度机构中的第一定滑轮7和第二定滑轮11外切于同一条直线，第二绳索绞盘27-1与第二柔性永磁变刚度机构中的第一定滑轮7和第二定滑轮11外切于同一条直线。

所述柔性永磁变刚度机构中的动滑轮12夹于定滑轮7和定滑轮11的对称轴上。

第一绳索6-1和第二绳索6-2为软钢丝绳或其他柔软的只能弯曲却不能轴向伸缩的材料制成的绳索。

绳索绞盘为绳索绞盘与旋转轴为一体的整体结构。沿绳索绞盘27(第一绳索绞盘27-1和第二绳索绞盘27-2统称为绳索绞盘27)的旋转轴线依次布置有深沟球轴承、联轴器28和减速器29，绳索绞盘的旋转轴的一端通过深沟球轴承与联轴器28输出端连接，联轴器28的输入端连接减速器29的输出端，绳索绞盘旋转轴另一端与大臂承载体2外的大臂外壳1相接触，并使之位置固定(这里所谓的将旋转轴位置固定就是说其只能实现旋转的功能，而在径向和轴向上不能平移，就是绳索绞盘的旋转轴与大臂外壳1相接触，作为支撑使得绳索绞盘稳定转动)。

减速器29的输入端沿轴线依次有联轴器22和伺服电机23，减速器29的输入端通过联轴器22与伺服电机23连接。

伺服电机23上带有编码器24，伺服电机23与伺服电机固定座25进行固连，减速器29与减速器固定座26进行固连。

伺服电机固定座25、减速器固定座26和永磁变刚度机构固定座8均与大臂承载体2固连，大臂承载体2和关节承载体3进行固连，关节承载体3与第一关节位移导向块30固定连接，小臂与关节固定块(18)、第二关节位移导向块21(依靠螺栓)进行固连。(与第一关节位移导向块30和第二关节位移导向块21相对应的位置各设置一块关节固定块(18)，与第一关节位移导向块30对应的关节固定块(18-A)与关节承载体3连接，与第二关节位移导向块21相对应的关节固定块(18-B)与小臂连接，第一导向杆19-1、第二导向杆19-2、第四导向杆19-4和第六导向杆19-6位于第一关节位移导向块30与关节固定块(18-A)之间；

第三导向杆19-3、第五导向杆20和第七导向杆19位于第二关节位移导向块21与关节固定块(18-B)之间)

移动滑座16与固定座8滑动配合，移动滑座16的滑动杆与滑动轴承(9)滑动配合，滑动轴承(9)位于轴向滑动轴承固定座8的轴对称中心线上；

动滑轮12与第一定滑轮7和第二定滑轮11呈等腰三角形布置(即动滑轮12、第一定滑轮7和第二定滑轮11的轴心连线呈等腰三角形)；

固定座8与第一锥形轴向磁化永磁环13固结，所述第二锥形轴向磁化永磁环14与移动滑座16之间放置固定垫圈(10)并固结，所述第一锥形永磁环13与第二锥形永磁环14中轴线同轴线布置，第一锥形永磁环13与第二锥形永磁环14的锥度和上下圆半径相同(即如图5所示，第一锥形永磁环13的上圆半径与第二锥形永磁环14的上圆半径相同，而第一锥形永磁环13的下圆半径与第二锥形永磁环14的下圆半径相同)，第一锥形永磁环13与第二锥形永磁环14同向磁极相对布置(如图2所示)，当使移动滑座16与连接板8-2间距减小时，第一锥形永磁环13与第二锥形永磁环14的磁环间气隙减小。

所述动滑轮12位于移动滑座16的滑动杆的上末端，所述第一定滑轮7和第二定滑轮11位于固定座8的竖板8-1的上端部，

通过拉动绳索6进而带动动滑轮12和移动滑座16向上滑动，滑轮组5中包含绳索固定槽31(线索固定槽需要根据实际的情况进行设计，在此处只是想防止绳索与零件30和18-A和18-B相接触。第一导向杆19-1、第二导向杆19-2、第三导向杆19-3、第四导向杆19-4和第五导向杆20上均设置有绳索固定槽(31)，防止绳索串位)以保证绳索6位置固定。

本发明电机控制关节中具有两套相同配置的零部件，所以以下实施方案代表两组控制关节的实施方式。

结合图1，图2，图4说明本实施方式，本实施方式包括：绳索绞盘27，第一定滑轮7，滑轮12，第二定滑轮11，肘关节承载体3，导向杆，轮滑组5，所述绳索6一端固定在线索绞盘27上，依次穿过，第一定滑轮7，动滑轮12，第二定滑轮11，肘关节承载体3内部导向轮(32-1)(导向轮(32-1)也是含有两个。分别对两根绳索6-1、6-2进行作用，主要起到导向过渡作用)，滑轮组5，并且绳索6另一端固定在滑轮组上。其中绳索绞盘27、第一定滑轮7、第二定滑轮11外切于同一条直线，所述滑轮12夹于定滑轮7和定滑轮11的对称轴上。滑轮组5中包含绳索固定槽20以保证绳索6位置固定。

本发明中的绳索6为软钢丝绳或其他柔软的只能弯曲却不能轴向伸缩的材料制成的绳索。

本发明为运动形式简洁、制造简便、操作简单的永磁变刚度柔性机器人驱动关节。

进一步，本实施方式中绳索绞盘27为绳索绞盘与旋转轴一体的绞盘轴。沿绳索绞盘27的旋转轴线依次布置有深沟球轴承，联轴器28输出端，减速器29，绳索绞盘27旋转轴另一端与大臂外壳1相接触，并使之位置固定，使得绳索绞盘27旋转轴能随绳索绞盘27一起转动而在轴向和径向上不能移动。减速器28输入端沿轴线依次有联轴器22，伺服电机23，。通过拉动绳索6进而带动滑轮12和移动滑座16向上滑动，伺服电机23上带有编码器24，并与伺服电机固定座25进行固连，减速器29与减速器固定座26进行固连。其中伺服电机固定座25、减速器固定座26、永磁变刚度机构固定座8均与大臂承载体2固连，大臂承载体2和关节承载体3进行固连，关节承载体3分别和关节固定块18，关节位移导向块30进行固连。

进一步，本实施方式中移动滑座16与固定座8滑动配合，所述轴向滑动轴承在固定座8的轴对称中心上，移动滑座16的滑动杆与滑动轴承9滑动配合，所述滑轮12位于移动滑座16的滑动杆的末端，所述第一定滑轮7和第二定滑轮11位于固定座8的上端部，滑轮12与第一定滑轮7和第二定滑轮11呈等腰三角形布置；

进一步，所述固定座8与第一锥形轴向磁化永磁环13固结，所述第二锥形轴向磁化永磁环14与移动滑座16中间放置固定垫圈10(防止下磁环晃动且可以调整间距高度)并与之固结，所述第一锥形轴向磁化永磁环13与第二锥形轴向磁化永磁环14中轴线同轴线布置，第一锥形轴向磁化永磁环13与第二锥形轴向磁化永磁环14的结构参数相同，当移动滑座16和固定座8中的8-2间距减小时，磁环间气隙减小；

本发明中的锥形永磁环为轴向充磁，且第一锥形轴向磁化永磁环13与第二锥形轴向磁化永磁环14同向磁极相对布置；

本申请的具体使用过程为：当需要向上抬起小臂时，即如图1所述的状态，此时，第一绳索绞盘27-1逐渐放松第一绳索6-1，此时，在第一锥形轴向磁化永磁环13与第二锥形轴向磁化永磁环14的相互排斥作用下，第一柔性永磁变刚度机构中的锥形底座16-1逐渐下移，第一绳索6-1为第二导向杆19-2和第三导向杆19-3的相互分开留出足够的余量，于此同时，第二绳索绞盘27-2逐渐收缩第二绳索6-2，此时，第二柔性永磁变刚度机构中的锥形底座16-1逐渐的向连接板8-2移动，此时第一锥形轴向磁化永磁环13与第二锥形轴向磁化永磁环14的相互排斥作用产生一个柔性缓冲力，于此同时，在第二绳索6-2逐渐的拉紧下，第四导向杆19-4和第五导向杆20相互靠拢，第二导向杆19-2和第三导向杆19-3相互分开，使得第二关节位移导向块21的通过弧形面B沿着第一关节位移导向块30的弧形沿A滚动，而因为第二关节位移导向块21是与小臂连接的，进而带动小臂抬起。

当需要放下小臂时，第一绳索绞盘27-1逐渐放松第一绳索6-1逐渐收紧第一绳索6-1，使得第二导向杆19-2和第三导向杆19-3相互靠拢，而第四导向杆19-4和第五导向杆20相互分开，完成小臂的放下动作。