專利名稱：一種新型坐臥式下肢康復機器人下肢關節機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械技術領域，尤其涉及一種新型坐臥式下肢康復機器人下肢關節機構。
背景技術：
目前國內對坐臥式下肢康復機器人的研究越來越多，也提出了很多相關專利。對于坐臥式下肢康復機器人來說，下肢機構是其最為關鍵的機構之一。而下肢機構中的關節機構則是下肢機構最為關鍵的機構。下肢機構中包括髖、膝、踝三個關節。考慮到坐臥式下肢康復機器人要能夠實現靈活的訓練軌跡規劃，并能提供被動、主動和助力訓練，這三個關節需要由各自的驅動電機驅動，并在每個關節配置力(或者扭矩)和位置傳感器。為滿足上述要求，很多研究人員提出并設計了很多種下肢關節機構。目前，最為常見的有兩種。一種是采用減速器加同步帶輪的方式，關節驅動電機和減速器位于離關節較遠的位置，關節驅動電機首先驅動減速器，減速器輸出端通過同步帶驅動關節位置的同步帶輪轉動，以實現關節的轉動；一種是采用旋轉螺母式滾珠絲杠構成曲柄滑塊機構，關節驅動電機位于關節位置，驅動電機通過較短的同步帶直接帶動滾珠絲杠的旋轉螺母轉動，該轉動轉化為絲杠的平移運動，此時機構的曲柄角度發生改變，用該角度來近似人體下肢關節角度。前者的好處是人體下肢關節軸線和下肢機構關節軸線基本一致，能夠使機構和人體下肢保持一致的動作；問題在于由于減速器和電機尺寸限制，它們只能配置在遠離關節位置，因此傳送同步帶較長，這就不可避免的造成機構在運行過程中的抖動，極大地影響了設備平穩運行和正常使用。后者的好處是關節機構實現了本地驅動，電機直接驅動滾珠絲杠的旋轉螺母，避免了傳動鏈過長帶來的抖動問題，并且使用滾珠絲杠可以達到較高的精度和較好的平穩性；然而已有的采用這種方式的關節機構在設計曲柄滑塊機構時(如文獻“Metrailler P, Blanchard V, Perrin I, Brodard R, Frischknecht R, Schmitt C,Fournier J, Bouri M and Clavel RImprovement of rehabilitation possibilitieswith the MotionMaker ” New York City, USA !Proceedings of The 1st IEEE RAS &EMBSInternational Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics(BioRob2006). pp. 359-364, February 2006”中的關節機構)，采用的是近似的方法，滾珠絲杠位于關節外側，膝關節機構存在多個旋轉中心，在關節轉動過程中，旋轉中心也在變化，因此人體下肢關節軸線和機構旋轉軸線無法達到嚴格的一致性，這就使得人體下肢和機構的動作無法達到很好的一致性，同時該文獻中對髖膝踝3個關節采用了完全一致的機構形式，這實際上限制了對髖關節和踝關節進行優化的效果。

發明內容
針對以上問題，本發明提出了一種新型坐臥式下肢康復機器人下肢關節機構。該關節機構旋轉軸線能夠很好地和人體下肢關節軸線吻合；運行時非常平穩、精度較高；具有較好的力學性能，能夠綜合上述兩種機構的優點，彌補上述兩種機構的不足。
根據本發明的一個方面，本發明公開了一種坐臥式下肢康復機器人下肢關節機構，其特征在于，該下肢關節機構包括髖、膝、踝三個關節機構，其中，所述髖關節機構中所述基座I和所述髖關節座11直接固定在基礎框架上，所述髖關節座11從平臺向外伸出；所述髖關節絲杠螺母安裝座5以鉸接的方式連接于所述基座I遠離基礎框架的一端；所述髖關節絲杠螺母2固定安裝在所述髖關節絲杠螺母安裝座5中；所述髖關節絲杠6 —端穿過所述髖關節絲杠螺母2，另一端與所述髖關節拉壓力傳感器7固定連接；所述髖關節拉壓力傳感器座8以鉸接的方式連接于所述大腿連桿A9的一端，所述髖關節拉壓力傳感器7安裝在所述髖關節拉壓力傳感器座8中；所述大腿連桿A9與所述髖關節座11在所述髖關節10位置處相互鉸接；所述髖關節直流電機4作為驅動元件固定安裝在所述髖關節絲杠螺母安裝座5的一個側面上；所述髖關節絲杠螺母2上遠離所述髖關節絲杠螺母安裝座5的一端固定連接了一個同步帶輪，所述髖關節直流電機4的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，這兩個同步帶輪通過所述髖關節同步帶3連接到一起； 所述膝關節機構中所述大腿連桿B14和所述小腿連桿A15在所述膝關節17位置處相互鉸接；所述膝關節絲杠螺母安裝座19以鉸接的方式連接于大腿連桿B14的中部位置；所述膝關節絲杠螺母20固定安裝在所述膝關節絲杠螺母安裝座19中；所述膝關節絲杠18 —端穿過所述膝關節絲杠螺母20，另一端和所述膝關節拉壓力傳感器16固定連接；所述小腿連桿A15和所述膝關節拉壓力傳感器16之間鉸接；所述膝關節直流電機12作為驅動元件固定安裝在所述膝關節絲杠螺母安裝座19的一個側面上；所述膝關節絲杠螺母20上遠離所述膝關節絲杠螺母安裝座19的一側端面上固定連接了一個同步帶輪，所述膝關節直流電機12的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，上述兩個同步帶輪通過所述膝關節同步帶21連接到一起；所述踝關節機構中所述小腿連桿B23和所述踝關節連桿27在所述踝關節30位置處相互鉸接；所述踝關節絲杠螺母安裝座31以鉸接的方式連接于小腿連桿B23的中部位置；所述踝關節絲杠螺母32固定安裝在所述踝關節絲杠螺母安裝座31中；所述踝關節絲杠29 —端穿過所述踝關節絲杠螺母32，另一端和所述踝關節拉壓力傳感器28固定連接；所述踝關節連桿27遠離所述踝關節30的一端和所述踝關節拉壓力傳感器28之間鉸接；所述踝關節直流電機24作為驅動元件固定安裝在所述踝關節絲杠螺母安裝座31的一個側面上；所述踝關節絲杠螺母32上遠離所述踝關節絲杠螺母安裝座31的一端上固定連接了一個同步帶輪，所述踝關節直流電機24的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，上述兩個同步帶輪通過所述踝關節同步帶33連接到一起。本發明的下肢關節機構的設計優點在于I)采用旋轉螺母式滾珠絲杠作為傳動部件，傳動平穩可靠且可達到較高精度；2)關節驅動電機離關節位置很近，其傳動鏈較短，所以運動時更加平穩可靠；3)每個關節機構安裝了拉壓力傳感器和位置傳感器，滿足主動訓練、助力訓練需要，并可提供訓練過程中關節力監測，防止異常情況發生；4)各個關節機構的旋轉軸線與人體下肢關節軸線均能較好的吻合,能夠使人體下肢和機器人下肢機構運動保持較好的一致性；5)各個關節機構采用了不同的機構形式，便于分別優化。


圖I為根據本發明實施例的下肢關節機構的結構圖；圖2為根據本發明實施例的髖關節機構的原理示意圖；圖3為根據本發明實施例的膝關節機構的原理示意圖；圖4為根據本發明實施例的踝關節機構的原理示意圖。圖中I.基座，2.髖關節絲杠螺母，3.髖關節同步帶，4.髖關節直流電機，5.髖關節絲杠螺母安裝座，6.髖關節絲杠，7.髖關節拉壓力傳感器，8.髖關節傳感器座，9.大腿連桿A，10.髖關節，11.髖關節座，12.膝關節直流電機，13.大腿機構調節手輪，14.大腿連桿B, 15.小腿連桿A, 16.膝關節拉壓力傳感器，17.膝關節，18.膝關節絲杠，19.膝關節絲杠 螺母安裝座，20.膝關節絲杠螺母，21.膝關節同步帶，22.小腿機構調節手輪，23.小腿連桿B，24.踝關節直流電機，25.腳踏板，26.踝關節高度調節手輪，27.踝關節連桿，28.踝關節拉壓力傳感器，29.踝關節絲杠，30.踝關節，31.踝關節絲杠螺母安裝座，32.踝關節絲杠螺母，33踝關節同步帶。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。本發明公開的新型坐臥式下肢康復機器人下肢關節機構，其設計目標為髖關節設計時考慮的重點是使驅動電機功率較小并能產生較好的力學性能，髖關節最大扭矩為150匪，轉動角度范圍0° 70° ;膝關節設計時考慮的重點是使整體機構尺寸較小，膝關節最大扭矩為65匪，轉動角度范圍50° 170° ;踝關節設計時考慮的重點是使整體機構尺寸較小，踝關節最大扭矩為5匪，轉動角度范圍-40° 40°。圖I為根據本發明實施例的下肢關節機構的結構圖。如圖I所示，本發明坐臥式下肢康復機器人下肢關節機構包括髖、膝、踝三個關節機構，以及大腿、小腿和踝高三個連桿機構。當用戶使用該機器人進行康復訓練時，將大腿部位和所述大腿連桿機構沒有所述大腿機構調節手輪13的一側綁定、小腿部位和所述小腿連桿機構沒有所述小腿機構調節手輪22的一側綁定、腳和所述腳踏板25綁定；通過本發明實施例的陳述可以清楚的明白通過調整所述大腿連桿機構、小腿連桿機構和踝高連桿機構的長度可以使用戶下肢的各個關節軸線和所述下肢關節機構的各個關節軸線保持一致。髖、膝、踝三個關節機構均采用曲柄滑塊機構來實現，具體的曲柄滑塊機構的工作原理為本領域的公知技術(可參考文獻“常治斌、張京輝主編，北京大學出版社2007年2月出版，《機械原理》”)，在此不做贅述。所述髖關節機構包括基座1，髖關節絲杠螺母2，髖關節同步帶3，髖關節直流電機4，髖關節絲杠螺母安裝座5，髖關節絲杠6，髖關節拉壓力傳感器7，髖關節傳感器座8，大腿連桿A9，髖關節10，髖關節座11。其中，所述基座I和所述髖關節座11都直接固定在基礎框架上，所述基礎框架是一個用以安裝下肢關節機構的平臺，平臺形狀和尺寸可以按照下肢康復機器人整體設備的設計綜合考慮；所述髖關節座11為從平臺向外伸出的結構，可以使所述下肢關節機構在較大范圍內活動時與基礎框架不發生干涉；所述髖關節絲杠螺母安裝座5的端面為矩形，該矩形中心位置為一個圓形的通孔，髖關節絲杠螺母安裝座5外側相對的兩個側面各有一個圓柱桿，所述髖關節絲杠螺母安裝座5通過該圓柱桿以鉸接的方式連接于所述基座I遠離基礎框架的一端；所述髖關節絲杠螺母2固定安裝在所述髖關節絲杠螺母安裝座5的通孔中；所述髖關節絲杠6 —端穿過所述髖關節絲杠螺母2，與所述髖關節絲杠螺母2構成螺旋副結構，所述髖關節絲杠6另一端與所述髖關節拉壓力傳感器7固定連接；所述髖關節拉壓力傳感器7為圓柱形結構；所述髖關節拉壓力傳感器座8端面為矩形，中心位置為圓柱形的盲孔，所述髖關節拉壓力傳感器7安裝在該圓柱形盲孔中；在所述髖關節拉壓力傳感器座8外側相對的兩個側面上各有一個圓柱桿，所述髖關節拉壓力傳感器座8通過該圓柱桿以鉸接的方式連接于所述大腿連桿A9的一端 ，所述大腿連桿A9與所述髖關節座11在所述髖關節10位置處相互鉸接；所述髖關節直流電機4作為驅動元件固定安裝在所述髖關節絲杠螺母安裝座5上沒有圓柱桿且位于髖關節機構外側的一個側面上；所述髖關節絲杠螺母2上遠離所述髖關節絲杠螺母安裝座5的一端固定連接了一個同步帶輪，所述髖關節直流電機4的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，上述兩個同步帶輪通過所述髖關節同步帶3連接到一起，構成同步帶傳動系統。所述髖關節絲杠螺母2和所述髖關節絲杠6構成的螺旋副可以簡化為一個移動畐IJ，構成曲柄滑塊機構的滑塊移動副；所述髖關節絲杠6、所述髖關節拉壓力傳感器7和所述髖關節拉壓力傳感器座8共同構成曲柄滑塊機構的導桿；大腿連桿A9構成曲柄滑塊機構的曲柄；再加上固定于基礎框架的基座I和髖關節座11，便構成了一個曲柄滑塊機構。所述髖關節直流電機4經過所述髖關節同步帶3驅動所述髖關節絲杠螺母2轉動；因為所述髖關節絲杠螺母2通過所述髖關節絲杠螺母安裝座5鉸接在所述基座I上，所以所述髖關節絲杠螺母2的轉動立即引起所述髖關節絲杠6在所述髖關節絲杠螺母2中做直線運動，該直線運動導致所述大腿連桿A9和所述髖關節絲杠6之間的夾角發生變化，同時所述大腿連桿A9和所述髖關節座11的夾角也隨之發生變化。所述大腿連桿A9和所述髖關節座11的夾角變化可模擬人體下肢髖關節的角度變化。因為所述髖關節機構轉動時嚴格以所述髖關節10的軸線為轉軸，因此當使用該機器人進行康復訓練的人體下肢髖關節軸線和所述髖關節10的軸線重合時，所述髖關節機構和人體下肢髖關節即可同步轉動。所述膝關節機構包括膝關節直流電機12，大腿連桿B14，小腿連桿A15，膝關節拉壓力傳感器16，膝關節17，膝關節絲杠18，膝關節絲杠螺母安裝座19，膝關節絲杠螺母20，膝關節同步帶21。其中，所述大腿連桿B14和所述小腿連桿A15在所述膝關節17位置處相互鉸接構成曲柄滑塊機構中相互鉸接的兩個連桿；所述膝關節絲杠螺母安裝座19的端面為矩形，中心位置是一個圓形通孔，所述膝關節絲杠螺母安裝座19外側相對的兩個側面上各有一個圓柱桿，所述膝關節絲杠螺母安裝座19通過該圓柱桿以鉸接的方式連接于大腿連桿B14的中部位置；所述膝關節絲杠螺母20固定安裝在所述膝關節絲杠螺母安裝座19的圓形通孔中；所述膝關節絲杠18 —端穿過所述膝關節絲杠螺母20，和所述膝關節絲杠螺母20構成螺旋副，所述膝關節絲杠18的另一端和所述膝關節拉壓力傳感器16固定連接；所述小腿連桿A15和所述膝關節拉壓力傳感器16之間鉸接；所述膝關節直流電機12作為驅動元件固定安裝在所述膝關節絲杠螺母安裝座19上沒有圓柱桿且位于膝關節機構內側的一個側面上；所述膝關節絲杠螺母20上遠離所述膝關節絲杠螺母安裝座19的一側端面上固定連接了一個同步帶輪，所述膝關節直流電機12的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，上述兩個同步帶輪通過所述膝關節同步帶21連接到一起,構成同步帶傳動系統。所述膝關節絲杠螺母20和所述膝關節絲杠18構成的螺旋副可以簡化為一個移動畐IJ，構成曲柄滑塊機構的滑塊移動副；所述膝關節絲杠18、所述膝關節拉壓力傳感器16共同構成曲柄滑塊機構的導桿；再加上相互鉸接的所述大腿連桿B14和所述小腿連桿A15，便構成了一個曲柄滑塊機構。所述膝關節直流電機12經過所述膝關節同步帶21驅動所述膝關節絲杠螺母20轉動；因為所述膝關節絲杠螺母20通過所述膝關節絲杠螺母安裝座19鉸接在所述大腿連桿B14上，所以所述膝關節絲杠螺母20的轉動立即引起所述膝關節絲杠18在所述膝關節絲杠螺母20中做直線運動，該直線運動導致所述小腿連桿A15和所述膝關節絲杠18之間 的夾角發生變化，同時所述大腿連桿B14和所述小腿連桿A15之間的夾角也隨之發生變化。所述大腿連桿B14和所述小腿連桿A15的夾角變化可模擬人體下肢膝關節的角度變化。因為所述膝關節機構轉動時嚴格以所述膝關節17的軸線為轉軸，因此當使用該機器人進行康復訓練的人體下肢膝關節軸線和所述膝關節17的軸線重合時，所述膝關節機構和人體下肢膝關節即可同步轉動。所述踝關節機構包括小腿連桿B23，踝關節直流電機24，踝關節連桿27，踝關節拉壓力傳感器28，踝關節絲杠29，踝關節30，踝關節絲杠螺母安裝座31，踝關節絲杠螺母32，踝關節同步帶33。其中，所述小腿連桿B23和所述踝關節連桿27在所述踝關節30位置處相互鉸接構成曲柄滑塊機構中相互鉸接的兩個連桿；所述踝關節絲杠螺母安裝座31端面為矩形，中心位置是一個圓形通孔，所述踝關節絲杠螺母安裝座31外側相對的兩個側面上各有一個圓柱桿，所述踝關節絲杠螺母安裝座31通過該圓柱桿以鉸接的方式連接于小腿連桿B23的中部位置；所述踝關節絲杠螺母32固定安裝在所述踝關節絲杠螺母安裝座31的圓形通孔中；所述踝關節絲杠29 —端穿過所述踝關節絲杠螺母32，和所述踝關節絲杠螺母32構成螺旋副，所述踝關節絲杠29的另一端和所述踝關節拉壓力傳感器28固定連接；所述踝關節連桿27遠離所述踝關節30的一端和所述踝關節拉壓力傳感器28之間鉸接；所述踝關節直流電機24作為驅動元件固定安裝在所述踝關節絲杠螺母安裝座31上沒有圓柱桿且位于踝關節機構內側的一個側面上；所述踝關節絲杠螺母32上遠離所述踝關節絲杠螺母安裝座31的一端上固定連接了一個同步帶輪，所述踝關節直流電機24的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，上述兩個同步帶輪通過所述踝關節同步帶33連接到一起,構成同步帶傳動系統。所述踝關節絲杠螺母32和所述踝關節絲杠29構成的螺旋副可以簡化為一個移動畐IJ，構成曲柄滑塊機構的滑塊移動副；所述踝關節絲杠29、所述踝關節拉壓力傳感器28共同構成曲柄滑塊機構的導桿；再加上相互鉸接的所述小腿連桿B23和所述踝關節連桿27，便構成了一個曲柄滑塊機構。所述踝關節直流電機24經過所述踝關節同步帶33驅動所述踝關節絲杠螺母32轉動；因為所述踝關節絲杠螺母32通過所述踝關節絲杠螺母安裝座31鉸接在所述小腿連桿B23上，所以踝關節絲杠螺母32的轉動立即引起所述踝關節絲杠29在所述踝關節絲杠螺母32中做直線運動，該直線運動導致所述踝關節連桿27和所述踝關節絲杠29之間的夾角發生變化，同時所述小腿連桿B23和所述踝關節連桿27的夾角也隨之發生變化。所述小腿連桿B23和所述踝關節連桿27的夾角變化可模擬人體下肢踝關節的角度變化。因為所述踝關節機構轉動時嚴格以所述踝關節30的軸線為轉軸，因此當使用該機器人進行康復訓練的人體下肢踝關節軸線和所述踝關節30的軸線重合時，所述踝關節機構和人體下肢踝關節即可同步轉動。所述大腿連桿機構由所述大腿連桿A9、所述大腿連桿B14和所述大腿機構調解手輪13組成。所述大腿連桿A9中部位置有寬度為IOmm的通透長槽，并在和該長槽等高位置處向外凸出安裝了直徑為IOmm的圓柱。所述大腿連桿B14中部位置也有寬度為IOmm的通 透長槽，并在與該長槽等高位置向內凸出安裝了直徑為IOmm的圓柱。所述大腿連桿A9可完全安裝在所述大腿連桿B14內部，且所述大腿連桿A9外側面和所述大腿連桿B14內側面可完全貼合。所述大腿連桿A9和所述大腿連桿B14按照上述方式安裝之后，所述大腿連桿A9的外側面圓柱可沿著所述大腿連桿B14的通透長槽滑動，所述大腿連桿B14的內側面圓柱可沿著所述大腿連桿A9的通透長槽滑動。通過上述兩個圓柱和兩個長槽的配合可實現大腿連桿機構長度的調整。所述大腿連桿A9外側面的圓柱較長，能夠穿過所述大腿連桿B14的長槽并高出所述大腿連桿B14的外側面，該高出部分為外螺紋結構。所述大腿機構調解手輪13中間位置為螺紋孔，該螺紋孔與所述大腿連桿A9外側面圓柱的外螺紋配合。當長度調整到位時，將所述大腿機構調解手輪13擰緊，可使大腿連桿A9和大腿連桿B14可靠連接。所述小腿連桿機構由所述小腿連桿B23、所述小腿連桿A15和所述小腿機構調節手輪22組成。所述小腿連桿B23中部位置有寬度為IOmm的通透長槽，并在和該長槽等高位置處向外凸出安裝了直徑為IOmm的圓柱。所述小腿連桿A15中部位置也有寬度為IOmm的通透長槽，并在與該長槽等高位置向內凸出安裝了直徑為IOmm的圓柱。所述小腿連桿B23可完全安裝在所述小腿連桿A15內部，且所述小腿連桿B23外側面和所述小腿連桿A15內側面可完全貼合。所述小腿連桿B23和所述小腿連桿A15按照上述方式安裝之后，所述小腿連桿B23的外側面圓柱可沿著所述小腿連桿A15的通透長槽滑動，所述小腿連桿A15的內側面圓柱可沿著所述小腿連桿B23的通透長槽滑動。通過上述兩個圓柱和兩個長槽的配合可實現所述小腿連桿機構長度的調整。所述小腿連桿B23外側面的圓柱較長，能夠穿過所述小腿連桿A15的長槽并高出所述小腿連桿A15的外側面，高出部分為外螺紋結構。所述小腿機構調節手輪22中間位置為螺紋孔，該螺紋孔與所述小腿連桿B23外側面圓柱的外螺紋配合。當長度調整到位時，將所述小腿機構調節手輪22擰緊，可使小腿連桿B23和小腿連桿A15可靠連接。所述踝高連桿機構由所述踝關節連桿27、所述腳踏板25和所述踝關節高度調節手輪26組成。所述踝關節連桿27中間位置有一個寬度為IOmm的長槽。所述腳踏板25靠近所述踝關節連桿27—側有一個外徑為IOmm的固定圓柱。所述腳踏板25的固定圓柱可穿過踝關節連桿27的長槽并高出所述踝關節連桿27的外側面，高出部分為外螺紋結構。所述腳踏板25的固定圓柱可以在踝關節連桿27的長槽中滑動，以改變所述腳踏板25上表面與踝關節30軸線之間的距離，該距離可擬合人體下肢踝關節的高度。所述踝關節高度調節手輪26中間位置為螺紋孔，該螺紋孔與所述腳踏板25的固定圓柱的外螺紋配合。當踝關節高度調整到位后，擰緊所述踝關節高度調節手輪26，可使腳踏板25可靠地固定在所述踝關節連桿27上。上述大腿連桿機構和小腿連桿機構長度、踝關節高度均可調整。其作用在于一方面可以適應體型不同的患者訓練需要；另一方面也是用于調整機構髖、膝、踝關節軸線位置，使其能夠與人體下肢對應關節軸線一致，使得人體下肢關節運動和所述下肢關節機構的運動保持較好的一致性。所述髖、膝、踝關節機構均配置了拉壓力傳感器。因為所述各個拉壓力傳感器和關節扭矩有明確的對應關系，該拉壓力傳感器可用于對應關節的扭矩測量。其作用在于一方面，該測量結果可用于訓練過程的監控，防止異常情況的發生；另一方面，由于各個關節電機均配置了位置傳感器，該位置傳感器和上述拉壓力傳感器一起可用于主動訓練或者助力訓練。如圖2所示，為根據本發明實施例的髖關節機構的原理示意圖。用于說明髖關節機構的優化過程。 在圖2中，點D1為髖關節位置，代表圖I中所述髖關節10的中心位置；直線D1E1為大腿連桿機構中心線，代表圖I中所述髖關節10和所述膝關節17的連線；折線B1C1D1，代表圖I中所述大腿連桿A9后半部分的彎折結構；導桿A1B1，代表圖I中所述髖關節絲杠6、所述髖關節拉壓力傳感器7和所述髖關節拉壓力傳感器座8構成的曲柄滑塊機構的導桿，該導桿A1B1作為驅動桿；點仏的滑塊，代表圖I中所述髖關節絲杠螺母2。當導桿A1B1沿著A1點的滑塊移動時，點B1將沿以點D1為中心、以點劃線B1D1為半徑的圓轉動。優化時考慮使電機功率盡可能小，那么AD1到導桿A1B1的最小距離盡可能的大，這樣就得到了如下最優化問題
權利要求
1.一種坐臥式下肢康復機器人下肢關節機構，其特征在于，該下肢關節機構包括髖、膝、踝三個關節機構，其中， 所述髖關節機構中所述基座(I)和所述髖關節座(11)直接固定在基礎框架上，所述髖關節座(11)從平臺向外伸出；所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)以鉸接的方式連接于所述基座(I)遠離基礎框架的一端；所述髖關節絲杠螺母(2)固定安裝在所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)中；所述髖關節絲杠(6) —端穿過所述髖關節絲杠螺母(2)，另一端與所述髖關節拉壓力傳感器(7)固定連接；所述髖關節拉壓力傳感器座(8)以鉸接的方式連接于所述大腿連桿A(9)的一端，所述髖關節拉壓力傳感器(7)安裝在所述髖關節拉壓力傳感器座(8)中；所述大腿連桿A (9)與所述髖關節座(11)在所述髖關節(10)位置處相互鉸接；所述髖關節直流電機(4)作為驅動元件固定安裝在所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)的一個側面上；所述髖關節絲杠螺母(2)上遠離所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)的一端固定連接了一個同步帶輪，所述髖關節直流電機(4)的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，這兩個同步帶輪通過所述髖關節同步帶(3)連接到一起； 所述膝關節機構中所述大腿連桿B(14)和所述小腿連桿A(15)在所述膝關節(17)位置處相互鉸接；所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)以鉸接的方式連接于大腿連桿B(14)的中部位置；所述膝關節絲杠螺母(20)固定安裝在所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)中；所述膝關節絲杠(18) —端穿過所述膝關節絲杠螺母(20)，另一端和所述膝關節拉壓力傳感器(16)固定連接；所述小腿連桿A(15)和所述膝關節拉壓力傳感器(16)之間鉸接；所述膝關節直流電機(12)作為驅動元件固定安裝在所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)的一個側面上；所述膝關節絲杠螺母(20)上遠離所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)的一側端面上固定連接了一個同步帶輪，所述膝關節直流電機(12)的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，上述兩個同步帶輪通過所述膝關節同步帶(21)連接到一起； 所述踝關節機構中所述小腿連桿B(23)和所述踝關節連桿(27)在所述踝關節(30)位置處相互鉸接；所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)以鉸接的方式連接于小腿連桿B(23)的中部位置；所述踝關節絲杠螺母(32)固定安裝在所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)中；所述踝關節絲杠(29) —端穿過所述踝關節絲杠螺母(32)，另一端和所述踝關節拉壓力傳感器(28)固定連接；所述踝關節連桿(27)遠離所述踝關節(30)的一端和所述踝關節拉壓力傳感器(28)之間鉸接；所述踝關節直流電機(24)作為驅動元件固定安裝在所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)的一個側面上；所述踝關節絲杠螺母(32)上遠離所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)的一端上固定連接了一個同步帶輪，所述踝關節直流電機(24)的輸出軸上也固定連接了一個同步帶輪，上述兩個同步帶輪通過所述踝關節同步帶(33)連接到一起。
2.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)、所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)以及所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)的端面均為矩形，該矩形中心位置均為一個圓形的通孔，所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)、所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)以及所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)各自外側相對的兩個側面各有一個圓柱桿，所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)通過其圓柱桿以鉸接的方式連接于所述基座(I)遠離基礎框架的一端，所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)通過其圓柱桿以鉸接的方式連接于大腿連桿B(14)的中部位置，所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)通過其圓柱桿以鉸接的方式連接于小腿連桿B (23)的中部位置；且所述髖關節絲杠螺母(2)、所述膝關節絲杠螺母(20)、所述踝關節絲杠螺母(32)分別固定安裝在所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)、所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)、所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)的圓形通孔中。
3.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，所述髖關節拉壓力傳感器座(8)端面為矩形，中心位置為圓柱形的盲孔，在所述髖關節拉壓力傳感器座(8)外側相對的兩個側面上各有一個圓柱桿，所述髖關節拉壓力傳感器座(8)通過該圓柱桿以鉸接的方式連接于所述大腿連桿A (9)的一端；且所述髖關節拉壓力傳感器(7)安裝在該圓柱形盲孔中。
4.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，所述髖關節直流電機(4)固定安裝在所述髖關節絲杠螺母安裝座(5)上沒有圓柱桿且位于髖關節機構外側的一個側面上；所述膝關節直流電機(12)固定安裝在所述膝關節絲杠螺母安裝座(19)上沒有圓柱桿且位于膝關節機構內側的一個側面上；所述踝關節直流電機(24)固定安裝在所述踝關節絲杠螺母安裝座(31)上沒有圓柱桿且位于踝關節機構內側的一個側面上。
5.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，所述髖關節絲杠螺母(2)和所述髖關節絲杠(6)構成的螺旋副簡化為一個移動副，構成曲柄滑塊機構的滑塊移動副；所述髖關節絲杠(6)、所述髖關節拉壓力傳感器(7)和所述髖關節拉壓力傳感器座(8)共同構成曲柄滑塊機構的導桿；大腿連桿A(9)構成曲柄滑塊機構的曲柄；再加上固定于基礎框架的基座(I)和髖關節座(11)，構成一個曲柄滑塊機構； 所述膝關節絲杠螺母(20)和所述膝關節絲杠(18)構成的螺旋副簡化為一個移動副，構成曲柄滑塊機構的滑塊移動副；所述膝關節絲杠(18)、所述膝關節拉壓力傳感器(16)共同構成曲柄滑塊機構的導桿；再加上相互鉸接的所述大腿連桿B(14)和所述小腿連桿A(15)，構成一個曲柄滑塊機構； 所述踝關節絲杠螺母(32)和所述踝關節絲杠(29)構成的螺旋副簡化為一個移動副，構成曲柄滑塊機構的滑塊移動副；所述踝關節絲杠(29)、所述踝關節拉壓力傳感器(28)共同構成曲柄滑塊機構的導桿；再加上相互鉸接的所述小腿連桿B(23)和所述踝關節連桿(27)，構成一個曲柄滑塊機構。
6.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，所述髖關節直流電機(4)經過所述髖關節同步帶(3)驅動所述髖關節絲杠螺母(2)轉動；所述髖關節絲杠螺母(2)的轉動立即引起所述髖關節絲杠(6)在所述髖關節絲杠螺母(2)中做直線運動，該直線運動導致所述大腿連桿A(9)和所述髖關節絲杠(6)之間的夾角發生變化，同時所述大腿連桿A(9)和所述髖關節座(11)的夾角也隨之發生變化，所述髖關節機構轉動時嚴格以所述髖關節(10)的軸線為轉軸，當使用該機器人進行康復訓練的人體下肢髖關節軸線和所述髖關節(10)的軸線重合時，所述髖關節機構和人體下肢髖關節即可同步轉動； 所述膝關節直流電機(12)經過所述膝關節同步帶(21)驅動所述膝關節絲杠螺母(20)轉動；所述膝關節絲杠螺母(20)的轉動立即引起所述膝關節絲杠(18)在所述膝關節絲杠螺母(20)中做直線運動，該直線運動導致所述小腿連桿A(15)和所述膝關節絲杠(18)之間的夾角發生變化，同時所述大腿連桿B(14)和所述小腿連桿A(15)之間的夾角也隨之發生變化，所述膝關節機構轉動時嚴格以所述膝關節(17)的軸線為轉軸，當使用該機器人進行康復訓練的人體下肢膝關節軸線和所述膝關節(17)的軸線重合時，所述膝關節機構和人體下肢膝關節即可同步轉動；所述踝關節直流電機(24)經過所述踝關節同步帶(33)驅動所述踝關節絲杠螺母(32)轉動；所述踝關節絲杠螺母(32)的轉動立即引起所述踝關節絲杠(29)在所述踝關節絲杠螺母(32)中做直線運動，該直線運動導致所述踝關節連桿(27)和所述踝關節絲杠(29)之間的夾角發生變化，同時所述小腿連桿B(23)和所述踝關節連桿(27)的夾角也隨之發生變化，所述踝關節機構轉動時嚴格以所述踝關節(30)的軸線為轉軸，當使用該機器人進行康復訓練的人體下肢踝關節軸線和所述踝關節(30)的軸線重合時，所述踝關節機構和人體下肢踝關節即可同步轉動。
7.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，所述下肢關節機構還包括一大腿機構調解手輪(13)，以對大腿連桿機構的長度進行調整，所述大腿連桿機構由所述大腿連桿A (9)、所述大腿連桿B (14)和所述大腿機構調解手輪(13)組成 所述大腿連桿A(9)中部位置設有一通透長槽，并在和該長槽等高位置處向外凸出安裝了直徑為該通透長槽寬度的圓柱，所述大腿連桿B(14)中部位置也設有一寬度相同的通透長槽，并在與該長槽等高位置向內凸出安裝了直徑該通透長槽寬度的圓柱，所述大腿連桿A(9)可完全安裝在所述大腿連桿B(14)內部，且所述大腿連桿A(9)外側面和所述大腿連桿B(14)內側面可完全貼合，所述大腿連桿A(9)的外側面圓柱可沿著所述大腿連桿B (14)的通透長槽滑動，所述大腿連桿B (14)的內側面圓柱可沿著所述大腿連桿A (9)的通透長槽滑動； 所述大腿連桿A(9)外側面的圓柱較長，能夠穿過所述大腿連桿B(14)的長槽并高出所述大腿連桿B(14)的外側面，該高出部分為外螺紋結構；所述大腿機構調解手輪(13)中間位置為螺紋孔，該螺紋孔與所述大腿連桿A (9)外側面圓柱的外螺紋配合，當長度調整到位時，將所述大腿機構調解手輪(13)擰緊，可使大腿連桿A(9)和大腿連桿B(14)可靠連接。
8.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，所述下肢關節機構還包括一小腿機構調節手輪(22)，以對小腿連桿機構的長度進行調整，所述小腿連桿機構由所述小腿連桿B (23)、所述小腿連桿A (15)和所述小腿機構調節手輪(22)組成 所述小腿連桿B(23)中部位置設有一通透長槽，并在和該長槽等高位置處向外凸出安裝了直徑為該通透長槽寬度的圓柱，所述小腿連桿A(15)中部位置也設有一寬度相同的通透長槽，并在與該長槽等高位置向內凸出安裝了直徑為該通透長槽寬度的圓柱，所述小腿連桿B(23)可完全安裝在所述小腿連桿A(15)內部，且所述小腿連桿B(23)外側面和所述小腿連桿A(15)內側面可完全貼合，所述小腿連桿B (23)的外側面圓柱可沿著所述小腿連桿A(15)的通透長槽滑動，所述小腿連桿A(15)的內側面圓柱可沿著所述小腿連桿B(23)的通透長槽滑動； 所述小腿連桿B(23)外側面的圓柱較長，能夠穿過所述小腿連桿A(15)的長槽并高出所述小腿連桿A(15)的外側面，高出部分為外螺紋結構，所述小腿機構調節手輪(22)中間位置為螺紋孔，該螺紋孔與所述小腿連桿B(23)外側面圓柱的外螺紋配合，當長度調整到位時，將所述小腿機構調節手輪(22)擰緊，可使小腿連桿B (23)和小腿連桿A (15)可靠連接。
9.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，所述下肢關節機構還包括一腳踏板(25)和一踝關節高度調節手輪(26)，以對踝關節的高度進行調整 所述踝關節連桿(27)中間位置設有一長槽，所述腳踏板(25)靠近所述踝關節連桿(27)—側有一個外徑與所述長槽的寬度相同的固定圓柱，所述腳踏板(25)的固定圓柱可穿過踝關節連桿(27)的長槽并高出所述踝關節連桿(27)的外側面，高出部分為外螺紋結構，所述腳踏板(25)的固定圓柱可以在踝關節連桿(27)的長槽中滑動，以改變所述腳踏板(25)上表面與踝關節(30)軸線之間的距離，該距離可擬合人體下肢踝關節的高度；所述踝關節高度調節手輪(26)中間位置為螺紋孔，該螺紋孔與所述腳踏板(25)的固定圓柱的外螺紋配合，當踝關節高度調整到位后，擰緊所述踝關節高度調節手輪(26)，可使腳踏板(25)可靠地固定在所述踝關節連桿(27)上。
10.根據權利要求I所述的下肢關節機構，其特征在于，以使電機功率盡可能小為目標 對所述髖關節機構進行優化；以使所述膝關節機構和由所述大腿連桿A (9)、所述大腿連桿B(14)和大腿機構調解手輪(13)組成的大腿連桿機構的外形尺寸盡可能小為目標對所述膝關節機構進行優化；以使所述踝關節機構和由所述小腿連桿B (23)、所述小腿連桿A(15)和小腿機構調節手輪(22)組成的小腿連桿機構的外形尺寸盡可能小為目標對所述踝關節機構進行優化。
全文摘要
本發明公開了一種新型坐臥式下肢康復機器人下肢關節機構。該機構包括髖、膝、踝3個關節機構，以及大腿、小腿和踝高3個連桿機構。髖、膝、踝3個關節機構采用不同的曲柄滑塊機構便于分別進行優化。各個關節機構均采用旋轉螺母式滾珠絲杠實現曲柄滑塊機構的移動副；各個關節機構均配置拉壓力傳感器，可間接測量對應關節扭矩；各個關節均配置直流電機，可單獨驅動對應關節機構，該直流電機均配置了位置傳感器。各個關節機構有確定的旋轉中心，大腿、小腿和踝高3個連桿機構長度均可調整，因此所述下肢機構可以和人體下肢保持很好的一致性。
文檔編號A63B23/04GK102743838SQ20121024357
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者侯增廣, 張峰, 李鵬峰, 柳會, 王衛群, 程龍, 謝曉亮, 譚民, 邊桂彬 申請人:中國科學院自動化研究所