CN102743838A - 一种新型坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构。该机构包括：髋、膝、踝3个关节机构，以及大腿、小腿和踝高3个连杆机构。髋、膝、踝3个关节机构采用不同的曲柄滑块机构便于分别进行优化。各个关节机构均采用旋转螺母式滚珠丝杠实现曲柄滑块机构的移动副；各个关节机构均配置拉压力传感器，可间接测量对应关节扭矩；各个关节均配置直流电机，可单独驱动对应关节机构，该直流电机均配置了位置传感器。各个关节机构有确定的旋转中心，大腿、小腿和踝高3个连杆机构长度均可调整，因此所述下肢机构可以和人体下肢保持很好的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种新型坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构。
背景技术
目前国内对坐卧式下肢康复机器人的研究越来越多，也提出了很多相关专利。对于坐卧式下肢康复机器人来说，下肢机构是其最为关键的机构之一。而下肢机构中的关节机构则是下肢机构最为关键的机构。下肢机构中包括髋、膝、踝三个关节。考虑到坐卧式下肢康复机器人要能够实现灵活的训练轨迹规划，并能提供被动、主动和助力训练，这三个关节需要由各自的驱动电机驱动，并在每个关节配置力(或者扭矩)和位置传感器。为满足上述要求，很多研究人员提出并设计了很多种下肢关节机构。目前，最为常见的有两种。一种是采用减速器加同步带轮的方式，关节驱动电机和减速器位于离关节较远的位置，关节驱动电机首先驱动减速器，减速器输出端通过同步带驱动关节位置的同步带轮转动，以实现关节的转动；一种是采用旋转螺母式滚珠丝杠构成曲柄滑块机构，关节驱动电机位于关节位置，驱动电机通过较短的同步带直接带动滚珠丝杠的旋转螺母转动，该转动转化为丝杠的平移运动，此时机构的曲柄角度发生改变，用该角度来近似人体下肢关节角度。前者的好处是：人体下肢关节轴线和下肢机构关节轴线基本一致，能够使机构和人体下肢保持一致的动作；问题在于：由于减速器和电机尺寸限制，它们只能配置在远离关节位置，因此传送同步带较长，这就不可避免的造成机构在运行过程中的抖动，极大地影响了设备平稳运行和正常使用。后者的好处是：关节机构实现了本地驱动，电机直接驱动滚珠丝杠的旋转螺母，避免了传动链过长带来的抖动问题，并且使用滚珠丝杠可以达到较高的精度和较好的平稳性；然而已有的采用这种方式的关节机构在设计曲柄滑块机构时(如文献“Metrailler P，Blanchard V，Perrin I，Brodard R，Frischknecht R，Schmitt C，Fournier J，Bouri M andClavel R：“Improvement of rehabilitation possibilities with the MotionMakerTM”.New York City，USA：Proceedings of The 1st IEEE RAS & EMBSInternational Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics(BioRob 2006).pp.359-364，February 2006”中的关节机构)，采用的是近似的方法，滚珠丝杠位于关节外侧，膝关节机构存在多个旋转中心，在关节转动过程中，旋转中心也在变化，因此人体下肢关节轴线和机构旋转轴线无法达到严格的一致性，这就使得人体下肢和机构的动作无法达到很好的一致性，同时该文献中对髋膝踝3个关节采用了完全一致的机构形式，这实际上限制了对髋关节和踝关节进行优化的效果。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种新型坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构。该关节机构旋转轴线能够很好地和人体下肢关节轴线吻合；运行时非常平稳、精度较高；具有较好的力学性能，能够综合上述两种机构的优点，弥补上述两种机构的不足。
根据本发明的一个方面，本发明公开了一种坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构，其特征在于，该下肢关节机构包括髋、膝、踝三个关节机构，其中，
所述髋关节机构中：所述基座1和所述髋关节座11直接固定在基础框架上，所述髋关节座11从平台向外伸出；所述髋关节丝杠螺母安装座5以铰接的方式连接于所述基座1远离基础框架的一端；所述髋关节丝杠螺母2固定安装在所述髋关节丝杠螺母安装座5中；所述髋关节丝杠6一端穿过所述髋关节丝杠螺母2，另一端与所述髋关节拉压力传感器7固定连接；所述髋关节拉压力传感器座8以铰接的方式连接于所述大腿连杆A9的一端，所述髋关节拉压力传感器7安装在所述髋关节拉压力传感器座8中；所述大腿连杆A9与所述髋关节座11在所述髋关节10位置处相互铰接；所述髋关节直流电机4作为驱动元件固定安装在所述髋关节丝杠螺母安装座5的一个侧面上；所述髋关节丝杠螺母2上远离所述髋关节丝杠螺母安装座5的一端固定连接了一个同步带轮，所述髋关节直流电机4的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，这两个同步带轮通过所述髋关节同步带3连接到一起；
所述膝关节机构中：所述大腿连杆B14和所述小腿连杆A15在所述膝关节17位置处相互铰接；所述膝关节丝杠螺母安装座19以铰接的方式连接于大腿连杆B14的中部位置；所述膝关节丝杠螺母20固定安装在所述膝关节丝杠螺母安装座19中；所述膝关节丝杠18一端穿过所述膝关节丝杠螺母20，另一端和所述膝关节拉压力传感器16固定连接；所述小腿连杆A15和所述膝关节拉压力传感器16之间铰接；所述膝关节直流电机12作为驱动元件固定安装在所述膝关节丝杠螺母安装座19的一个侧面上；所述膝关节丝杠螺母20上远离所述膝关节丝杠螺母安装座19的一侧端面上固定连接了一个同步带轮，所述膝关节直流电机12的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，上述两个同步带轮通过所述膝关节同步带21连接到一起；
所述踝关节机构中：所述小腿连杆B23和所述踝关节连杆27在所述踝关节30位置处相互铰接；所述踝关节丝杠螺母安装座31以铰接的方式连接于小腿连杆B23的中部位置；所述踝关节丝杠螺母32固定安装在所述踝关节丝杠螺母安装座31中；所述踝关节丝杠29一端穿过所述踝关节丝杠螺母32，另一端和所述踝关节拉压力传感器28固定连接；所述踝关节连杆27远离所述踝关节30的一端和所述踝关节拉压力传感器28之间铰接；所述踝关节直流电机24作为驱动元件固定安装在所述踝关节丝杠螺母安装座31的一个侧面上；所述踝关节丝杠螺母32上远离所述踝关节丝杠螺母安装座31的一端上固定连接了一个同步带轮，所述踝关节直流电机24的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，上述两个同步带轮通过所述踝关节同步带33连接到一起。
本发明的下肢关节机构的设计优点在于：
1)采用旋转螺母式滚珠丝杠作为传动部件，传动平稳可靠且可达到较高精度；
2)关节驱动电机离关节位置很近，其传动链较短，所以运动时更加平稳可靠；
3)每个关节机构安装了拉压力传感器和位置传感器，满足主动训练、助力训练需要，并可提供训练过程中关节力监测，防止异常情况发生；
4)各个关节机构的旋转轴线与人体下肢关节轴线均能较好的吻合，能够使人体下肢和机器人下肢机构运动保持较好的一致性；
5)各个关节机构采用了不同的机构形式，便于分别优化。
附图说明
图1为根据本发明实施例的下肢关节机构的结构图；
图2为根据本发明实施例的髋关节机构的原理示意图；
图3为根据本发明实施例的膝关节机构的原理示意图；
图4为根据本发明实施例的踝关节机构的原理示意图。
图中1.基座，2.髋关节丝杠螺母，3.髋关节同步带，4.髋关节直流电机，5.髋关节丝杠螺母安装座，6.髋关节丝杠，7.髋关节拉压力传感器，8.髋关节传感器座，9.大腿连杆A，10.髋关节，11.髋关节座，12.膝关节直流电机，13.大腿机构调节手轮，14.大腿连杆B，15.小腿连杆A，16.膝关节拉压力传感器，17.膝关节，18.膝关节丝杠，19.膝关节丝杠螺母安装座，20.膝关节丝杠螺母，21.膝关节同步带，22.小腿机构调节手轮，23.小腿连杆B，24.踝关节直流电机，25.脚踏板，26.踝关节高度调节手轮，27.踝关节连杆，28.踝关节拉压力传感器，29.踝关节丝杠，30.踝关节，31.踝关节丝杠螺母安装座，32.踝关节丝杠螺母，33踝关节同步带。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明公开的新型坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构，其设计目标为：髋关节设计时考虑的重点是使驱动电机功率较小并能产生较好的力学性能，髋关节最大扭矩为150NM，转动角度范围0°～70°；膝关节设计时考虑的重点是使整体机构尺寸较小，膝关节最大扭矩为65NM，转动角度范围50°～170°；踝关节设计时考虑的重点是使整体机构尺寸较小，踝关节最大扭矩为5NM，转动角度范围-40°～40°。
图1为根据本发明实施例的下肢关节机构的结构图。如图1所示，本发明坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构包括髋、膝、踝三个关节机构，以及大腿、小腿和踝高三个连杆机构。当用户使用该机器人进行康复训练时，将大腿部位和所述大腿连杆机构没有所述大腿机构调节手轮13的一侧绑定、小腿部位和所述小腿连杆机构没有所述小腿机构调节手轮22的一侧绑定、脚和所述脚踏板25绑定；通过本发明实施例的陈述可以清楚的明白通过调整所述大腿连杆机构、小腿连杆机构和踝高连杆机构的长度可以使用户下肢的各个关节轴线和所述下肢关节机构的各个关节轴线保持一致。
髋、膝、踝三个关节机构均采用曲柄滑块机构来实现，具体的曲柄滑块机构的工作原理为本领域的公知技术(可参考文献“常治斌、张京辉主编，北京大学出版社2007年2月出版，《机械原理》”)，在此不做赘述。
所述髋关节机构包括：基座1，髋关节丝杠螺母2，髋关节同步带3，髋关节直流电机4，髋关节丝杠螺母安装座5，髋关节丝杠6，髋关节拉压力传感器7，髋关节传感器座8，大腿连杆A9，髋关节10，髋关节座11。
其中，所述基座1和所述髋关节座11都直接固定在基础框架上，所述基础框架是一个用以安装下肢关节机构的平台，平台形状和尺寸可以按照下肢康复机器人整体设备的设计综合考虑；所述髋关节座11为从平台向外伸出的结构，可以使所述下肢关节机构在较大范围内活动时与基础框架不发生干涉；所述髋关节丝杠螺母安装座5的端面为矩形，该矩形中心位置为一个圆形的通孔，髋关节丝杠螺母安装座5外侧相对的两个侧面各有一个圆柱杆，所述髋关节丝杠螺母安装座5通过该圆柱杆以铰接的方式连接于所述基座1远离基础框架的一端；所述髋关节丝杠螺母2固定安装在所述髋关节丝杠螺母安装座5的通孔中；所述髋关节丝杠6一端穿过所述髋关节丝杠螺母2，与所述髋关节丝杠螺母2构成螺旋副结构，所述髋关节丝杠6另一端与所述髋关节拉压力传感器7固定连接；所述髋关节拉压力传感器7为圆柱形结构；所述髋关节拉压力传感器座8端面为矩形，中心位置为圆柱形的盲孔，所述髋关节拉压力传感器7安装在该圆柱形盲孔中；在所述髋关节拉压力传感器座8外侧相对的两个侧面上各有一个圆柱杆，所述髋关节拉压力传感器座8通过该圆柱杆以铰接的方式连接于所述大腿连杆A9的一端，所述大腿连杆A9与所述髋关节座11在所述髋关节10位置处相互铰接；所述髋关节直流电机4作为驱动元件固定安装在所述髋关节丝杠螺母安装座5上没有圆柱杆且位于髋关节机构外侧的一个侧面上；所述髋关节丝杠螺母2上远离所述髋关节丝杠螺母安装座5的一端固定连接了一个同步带轮，所述髋关节直流电机4的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，上述两个同步带轮通过所述髋关节同步带3连接到一起，构成同步带传动系统。
所述髋关节丝杠螺母2和所述髋关节丝杠6构成的螺旋副可以简化为一个移动副，构成曲柄滑块机构的滑块移动副；所述髋关节丝杠6、所述髋关节拉压力传感器7和所述髋关节拉压力传感器座8共同构成曲柄滑块机构的导杆；大腿连杆A9构成曲柄滑块机构的曲柄；再加上固定于基础框架的基座1和髋关节座11，便构成了一个曲柄滑块机构。
所述髋关节直流电机4经过所述髋关节同步带3驱动所述髋关节丝杠螺母2转动；因为所述髋关节丝杠螺母2通过所述髋关节丝杠螺母安装座5铰接在所述基座1上，所以所述髋关节丝杠螺母2的转动立即引起所述髋关节丝杠6在所述髋关节丝杠螺母2中做直线运动，该直线运动导致所述大腿连杆A9和所述髋关节丝杠6之间的夹角发生变化，同时所述大腿连杆A9和所述髋关节座11的夹角也随之发生变化。所述大腿连杆A9和所述髋关节座11的夹角变化可模拟人体下肢髋关节的角度变化。因为所述髋关节机构转动时严格以所述髋关节10的轴线为转轴，因此当使用该机器人进行康复训练的人体下肢髋关节轴线和所述髋关节10的轴线重合时，所述髋关节机构和人体下肢髋关节即可同步转动。
所述膝关节机构包括：膝关节直流电机12，大腿连杆B14，小腿连杆A15，膝关节拉压力传感器16，膝关节17，膝关节丝杠18，膝关节丝杠螺母安装座19，膝关节丝杠螺母20，膝关节同步带21。
其中，所述大腿连杆B14和所述小腿连杆A15在所述膝关节17位置处相互铰接构成曲柄滑块机构中相互铰接的两个连杆；所述膝关节丝杠螺母安装座19的端面为矩形，中心位置是一个圆形通孔，所述膝关节丝杠螺母安装座19外侧相对的两个侧面上各有一个圆柱杆，所述膝关节丝杠螺母安装座19通过该圆柱杆以铰接的方式连接于大腿连杆B14的中部位置；所述膝关节丝杠螺母20固定安装在所述膝关节丝杠螺母安装座19的圆形通孔中；所述膝关节丝杠18一端穿过所述膝关节丝杠螺母20，和所述膝关节丝杠螺母20构成螺旋副，所述膝关节丝杠18的另一端和所述膝关节拉压力传感器16固定连接；所述小腿连杆A15和所述膝关节拉压力传感器16之间铰接；所述膝关节直流电机12作为驱动元件固定安装在所述膝关节丝杠螺母安装座19上没有圆柱杆且位于膝关节机构内侧的一个侧面上；所述膝关节丝杠螺母20上远离所述膝关节丝杠螺母安装座19的一侧端面上固定连接了一个同步带轮，所述膝关节直流电机12的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，上述两个同步带轮通过所述膝关节同步带21连接到一起，构成同步带传动系统。
所述膝关节丝杠螺母20和所述膝关节丝杠18构成的螺旋副可以简化为一个移动副，构成曲柄滑块机构的滑块移动副；所述膝关节丝杠18、所述膝关节拉压力传感器16共同构成曲柄滑块机构的导杆；再加上相互铰接的所述大腿连杆B14和所述小腿连杆A15，便构成了一个曲柄滑块机构。
所述膝关节直流电机12经过所述膝关节同步带21驱动所述膝关节丝杠螺母20转动；因为所述膝关节丝杠螺母20通过所述膝关节丝杠螺母安装座19铰接在所述大腿连杆B14上，所以所述膝关节丝杠螺母20的转动立即引起所述膝关节丝杠18在所述膝关节丝杠螺母20中做直线运动，该直线运动导致所述小腿连杆A15和所述膝关节丝杠18之间的夹角发生变化，同时所述大腿连杆B14和所述小腿连杆A15之间的夹角也随之发生变化。所述大腿连杆B14和所述小腿连杆A15的夹角变化可模拟人体下肢膝关节的角度变化。因为所述膝关节机构转动时严格以所述膝关节17的轴线为转轴，因此当使用该机器人进行康复训练的人体下肢膝关节轴线和所述膝关节17的轴线重合时，所述膝关节机构和人体下肢膝关节即可同步转动。
所述踝关节机构包括：小腿连杆B23，踝关节直流电机24，踝关节连杆27，踝关节拉压力传感器28，踝关节丝杠29，踝关节30，踝关节丝杠螺母安装座31，踝关节丝杠螺母32，踝关节同步带33。
其中，所述小腿连杆B23和所述踝关节连杆27在所述踝关节30位置处相互铰接构成曲柄滑块机构中相互铰接的两个连杆；所述踝关节丝杠螺母安装座31端面为矩形，中心位置是一个圆形通孔，所述踝关节丝杠螺母安装座31外侧相对的两个侧面上各有一个圆柱杆，所述踝关节丝杠螺母安装座31通过该圆柱杆以铰接的方式连接于小腿连杆B23的中部位置；所述踝关节丝杠螺母32固定安装在所述踝关节丝杠螺母安装座31的圆形通孔中；所述踝关节丝杠29一端穿过所述踝关节丝杠螺母32，和所述踝关节丝杠螺母32构成螺旋副，所述踝关节丝杠29的另一端和所述踝关节拉压力传感器28固定连接；所述踝关节连杆27远离所述踝关节30的一端和所述踝关节拉压力传感器28之间铰接；所述踝关节直流电机24作为驱动元件固定安装在所述踝关节丝杠螺母安装座31上没有圆柱杆且位于踝关节机构内侧的一个侧面上；所述踝关节丝杠螺母32上远离所述踝关节丝杠螺母安装座31的一端上固定连接了一个同步带轮，所述踝关节直流电机24的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，上述两个同步带轮通过所述踝关节同步带33连接到一起，构成同步带传动系统。
所述踝关节丝杠螺母32和所述踝关节丝杠29构成的螺旋副可以简化为一个移动副，构成曲柄滑块机构的滑块移动副；所述踝关节丝杠29、所述踝关节拉压力传感器28共同构成曲柄滑块机构的导杆；再加上相互铰接的所述小腿连杆B23和所述踝关节连杆27，便构成了一个曲柄滑块机构。
所述踝关节直流电机24经过所述踝关节同步带33驱动所述踝关节丝杠螺母32转动；因为所述踝关节丝杠螺母32通过所述踝关节丝杠螺母安装座31铰接在所述小腿连杆B23上，所以踝关节丝杠螺母32的转动立即引起所述踝关节丝杠29在所述踝关节丝杠螺母32中做直线运动，该直线运动导致所述踝关节连杆27和所述踝关节丝杠29之间的夹角发生变化，同时所述小腿连杆B23和所述踝关节连杆27的夹角也随之发生变化。所述小腿连杆B23和所述踝关节连杆27的夹角变化可模拟人体下肢踝关节的角度变化。因为所述踝关节机构转动时严格以所述踝关节30的轴线为转轴，因此当使用该机器人进行康复训练的人体下肢踝关节轴线和所述踝关节30的轴线重合时，所述踝关节机构和人体下肢踝关节即可同步转动。
所述大腿连杆机构由所述大腿连杆A9、所述大腿连杆B14和所述大腿机构调解手轮13组成。所述大腿连杆A9中部位置有宽度为10mm的通透长槽，并在和该长槽等高位置处向外凸出安装了直径为10mm的圆柱。所述大腿连杆B14中部位置也有宽度为10mm的通透长槽，并在与该长槽等高位置向内凸出安装了直径为10mm的圆柱。所述大腿连杆A9可完全安装在所述大腿连杆B14内部，且所述大腿连杆A9外侧面和所述大腿连杆B14内侧面可完全贴合。所述大腿连杆A9和所述大腿连杆B14按照上述方式安装之后，所述大腿连杆A9的外侧面圆柱可沿着所述大腿连杆B14的通透长槽滑动，所述大腿连杆B14的内侧面圆柱可沿着所述大腿连杆A9的通透长槽滑动。通过上述两个圆柱和两个长槽的配合可实现大腿连杆机构长度的调整。所述大腿连杆A9外侧面的圆柱较长，能够穿过所述大腿连杆B14的长槽并高出所述大腿连杆B14的外侧面，该高出部分为外螺纹结构。所述大腿机构调解手轮13中间位置为螺纹孔，该螺纹孔与所述大腿连杆A9外侧面圆柱的外螺纹配合。当长度调整到位时，将所述大腿机构调解手轮13拧紧，可使大腿连杆A9和大腿连杆B14可靠连接。
所述小腿连杆机构由所述小腿连杆B23、所述小腿连杆A15和所述小腿机构调节手轮22组成。所述小腿连杆B23中部位置有宽度为10mm的通透长槽，并在和该长槽等高位置处向外凸出安装了直径为10mm的圆柱。所述小腿连杆A15中部位置也有宽度为10mm的通透长槽，并在与该长槽等高位置向内凸出安装了直径为10mm的圆柱。所述小腿连杆B23可完全安装在所述小腿连杆A15内部，且所述小腿连杆B23外侧面和所述小腿连杆A15内侧面可完全贴合。所述小腿连杆B23和所述小腿连杆A15按照上述方式安装之后，所述小腿连杆B23的外侧面圆柱可沿着所述小腿连杆A15的通透长槽滑动，所述小腿连杆A15的内侧面圆柱可沿着所述小腿连杆B23的通透长槽滑动。通过上述两个圆柱和两个长槽的配合可实现所述小腿连杆机构长度的调整。所述小腿连杆B23外侧面的圆柱较长，能够穿过所述小腿连杆A15的长槽并高出所述小腿连杆A15的外侧面，高出部分为外螺纹结构。所述小腿机构调节手轮22中间位置为螺纹孔，该螺纹孔与所述小腿连杆B23外侧面圆柱的外螺纹配合。当长度调整到位时，将所述小腿机构调节手轮22拧紧，可使小腿连杆B23和小腿连杆A15可靠连接。
所述踝高连杆机构由所述踝关节连杆27、所述脚踏板25和所述踝关节高度调节手轮26组成。所述踝关节连杆27中间位置有一个宽度为10mm的长槽。所述脚踏板25靠近所述踝关节连杆27一侧有一个外径为10mm的固定圆柱。所述脚踏板25的固定圆柱可穿过踝关节连杆27的长槽并高出所述踝关节连杆27的外侧面，高出部分为外螺纹结构。所述脚踏板25的固定圆柱可以在踝关节连杆27的长槽中滑动，以改变所述脚踏板25上表面与踝关节30轴线之间的距离，该距离可拟合人体下肢踝关节的高度。所述踝关节高度调节手轮26中间位置为螺纹孔，该螺纹孔与所述脚踏板25的固定圆柱的外螺纹配合。当踝关节高度调整到位后，拧紧所述踝关节高度调节手轮26，可使脚踏板25可靠地固定在所述踝关节连杆27上。
上述大腿连杆机构和小腿连杆机构长度、踝关节高度均可调整。其作用在于：一方面可以适应体型不同的患者训练需要；另一方面也是用于调整机构髋、膝、踝关节轴线位置，使其能够与人体下肢对应关节轴线一致，使得人体下肢关节运动和所述下肢关节机构的运动保持较好的一致性。
所述髋、膝、踝关节机构均配置了拉压力传感器。因为所述各个拉压力传感器和关节扭矩有明确的对应关系，该拉压力传感器可用于对应关节的扭矩测量。其作用在于：一方面，该测量结果可用于训练过程的监控，防止异常情况的发生；另一方面，由于各个关节电机均配置了位置传感器，该位置传感器和上述拉压力传感器一起可用于主动训练或者助力训练。
如图2所示，为根据本发明实施例的髋关节机构的原理示意图。用于说明髋关节机构的优化过程。
在图2中，点D1为髋关节位置，代表图1中所述髋关节10的中心位置；直线D1E1为大腿连杆机构中心线，代表图1中所述髋关节10和所述膝关节17的连线；折线B1C1D1，代表图1中所述大腿连杆A9后半部分的弯折结构；导杆A1B1，代表图1中所述髋关节丝杠6、所述髋关节拉压力传感器7和所述髋关节拉压力传感器座8构成的曲柄滑块机构的导杆，该导杆A1B1作为驱动杆；点A1的滑块，代表图1中所述髋关节丝杠螺母2。当导杆A1B1沿着A1点的滑块移动时，点B1将沿以点D1为中心、以点划线B1D1为半径的圆转动。优化时考虑使电机功率尽可能小，那么点D1到导杆A1B1的最小距离尽可能的大，这样就得到了如下最优化问题：
其中，d1为点D1到导杆A1B1之间的距离；r1为点划线B1D1的长度；a1为点A1到点D1之间的水平距离；e1为点A1到点D1之间的垂直距离，β1为点划线B1D1和直线D1E1之间的夹角；α为点划线B1D1到直线D1E1初始位置(即直线D1E1处于水平位置)之间的夹角；d11为在(1)式中a1、e1、β1、α在给定范围内变化时d1的最小值。
在(1)中，髋关节的运动范围设定为0°～70°，对应于α的变化范围为β1～β1+70°。求解上述最优化问题，并用所求的最优解来设计髋关节机构，即可用较小功率的电机得到满足上述设计目标的机构力学性能。
如图3所示，为根据本发明实施例的膝关节机构的原理示意图。用于说明膝关节机构的优化过程。
在图3中，点C2为膝关节位置，代表图1中所述膝关节17的中心位置；直线A2C2为大腿连杆机构中心线，代表图1中所述髋关节10和所述膝关节17的连线；直线C2G2为小腿连杆机构中心线，代表图1中所述踝关节30和所述膝关节17的连线；导杆E2F2，代表图1中所述膝关节丝杠18、所述膝关节拉压力传感器16共同构成的曲柄滑块机构的导杆，该导杆E2F2作为驱动杆；点D2的滑块，代表图1中所述膝关节丝杠螺母20。当导杆E2F2沿着D2点的滑块移动时，点E2将沿以点C2为中心、以线段E2C2长度为半径的圆转动；同时点F2将在A2C2将附近运动，也即所述膝关节丝杠18的活动末端将在所述大腿连杆机构的附近做摆动，该摆动幅度不能太大，否则大腿连杆机构包覆金属外罩后外形尺寸也会很大(考虑到丝杠防尘及使用者的安全性要求，需要将所述膝关节丝杠18完全用金属外罩包覆)。膝关节的优化目标是使所述膝关节机构和所述大腿连杆机构的外形尺寸尽可能小，这样就得到了如下最优化问题：
其中，d2为点F2到导杆A2C2之间的距离；a2为点B2到点C2之间的距离；b2为点B2到点D2之间的距离；c2为点C2到点E2之间的距离；L2为点F2到点E2之间的距离，即所述导杆E2F2的长度；l2为点E2到点D2之间的距离；θ2为点直线A2C2与直线B2D2之间的夹角；η2为点直线A2C2与直线C2G2之间的夹角；d21为在(2)式中a2、b2、c2、L2、l2、θ2、η2在给定范围内取值时d1的最小值；d22为在(2)式中a2、b2、c2、L2、l2、θ2、η2在给定范围内取值时d1的最大值。
在(2)式中，膝关节的运动范围设定为50°～170°，对应于η2的变化范围为50°～170°。求解上述最优化问题，并用所求的最优解来设计膝关节机构，即可使所述大腿连杆机构和所述膝关节机构的外形尺寸较小。
如图4所示，为根据本发明实施例的踝关节机构的原理示意图。用于说明踝关节机构的优化过程。
在图4中，点B3为踝关节位置，代表图1中所述踝关节30的中心位置；直线H3B3为所述小腿连杆机构中心线，代表图1中所述踝关节30中心和所述膝关节17中心的连线；直线B3C3为所述踝高连杆机构中心线，代表图1中所述踝关节30中心和所述踝关节高度调节手轮26中心的连线；导杆D3F3，代表图1中所述踝关节丝杠29、所述踝关节拉压力传感器28共同构成的曲柄滑块机构的导杆，该导杆D3F3作为驱动杆；点E3的滑块，代表图1中所述踝关节丝杠螺母32。当导杆D3F3沿着E3点的滑块移动时，点C3将沿以点B3为中心、以线段B3C3长度为半径的圆转动；同时点F3将在直线H3B3附近运动，也即所述踝关节丝杠29的活动末端将在所述小腿连杆机构的附近做摆动，该摆动幅度不能太大，否则所述小腿连杆机构包覆金属外罩后外形尺寸也会很大(考虑到丝杠防尘及使用者的安全性要求，需要将所述踝关节丝杠29完全用金属外罩包覆)。踝关节的优化目标是使所述踝关节机构和所述小腿连杆机构的外形尺寸尽可能小，这样就得到了如下最优化问题：
其中，d3为点F3到直线H3B3之间的距离；b3为点B3到点C3之间的距离；c3为点C3到点D3之间的距离；L3为点F3到点D3之间的距离，即所述导杆D3F3的长度；a3为点B3到点A3之间的距离；e3为点A3到点E3之间的距离；l3为点E3到点D3之间的距离；θ3为点直线A3E3与直线H3B3之间的夹角；α3为点直线H3B3与直线B3C3之间的夹角；d31为在(3)式中a3、b3、c3、e3、l3、θ3、α3在给定范围内取值时d3的最小值；d32为在(3)式中a3、b3、c3、e3、l3、θ3、α3在给定范围内取值时d3的最大值。
在(3)式中，踝关节的运动范围设定为-30°～30°，对应于α3的变化范围为-30°～30°。求解上述最优化问题，并用所求的最优解来设计踝关节机构，即可使小腿连杆机构和踝关节机构的外形尺寸较小。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构，其特征在于，该下肢关节机构包括髋、膝、踝三个关节机构，其中，
所述髋关节机构中：所述基座(1)和所述髋关节座(11)直接固定在基础框架上，所述髋关节座(11)从平台向外伸出；所述髋关节丝杠螺母安装座(5)以铰接的方式连接于所述基座(1)远离基础框架的一端；所述髋关节丝杠螺母(2)固定安装在所述髋关节丝杠螺母安装座(5)中；所述髋关节丝杠(6)一端穿过所述髋关节丝杠螺母(2)，另一端与所述髋关节拉压力传感器(7)固定连接；所述髋关节拉压力传感器座(8)以铰接的方式连接于所述大腿连杆A(9)的一端，所述髋关节拉压力传感器(7)安装在所述髋关节拉压力传感器座(8)中；所述大腿连杆A(9)与所述髋关节座(11)在所述髋关节(10)位置处相互铰接；所述髋关节直流电机(4)作为驱动元件固定安装在所述髋关节丝杠螺母安装座(5)的一个侧面上；所述髋关节丝杠螺母(2)上远离所述髋关节丝杠螺母安装座(5)的一端固定连接了一个同步带轮，所述髋关节直流电机(4)的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，这两个同步带轮通过所述髋关节同步带(3)连接到一起；
所述膝关节机构中：所述大腿连杆B(14)和所述小腿连杆A(15)在所述膝关节(17)位置处相互铰接；所述膝关节丝杠螺母安装座(19)以铰接的方式连接于大腿连杆B(14)的中部位置；所述膝关节丝杠螺母(20)固定安装在所述膝关节丝杠螺母安装座(19)中；所述膝关节丝杠(18)一端穿过所述膝关节丝杠螺母(20)，另一端和所述膝关节拉压力传感器(16)固定连接；所述小腿连杆A(15)和所述膝关节拉压力传感器(16)之间铰接；所述膝关节直流电机(12)作为驱动元件固定安装在所述膝关节丝杠螺母安装座(19)的一个侧面上；所述膝关节丝杠螺母(20)上远离所述膝关节丝杠螺母安装座(19)的一侧端面上固定连接了一个同步带轮，所述膝关节直流电机(12)的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，上述两个同步带轮通过所述膝关节同步带(21)连接到一起；
所述踝关节机构中：所述小腿连杆B(23)和所述踝关节连杆(27)在所述踝关节(30)位置处相互铰接；所述踝关节丝杠螺母安装座(31)以铰接的方式连接于小腿连杆B(23)的中部位置；所述踝关节丝杠螺母(32)固定安装在所述踝关节丝杠螺母安装座(31)中；所述踝关节丝杠(29)一端穿过所述踝关节丝杠螺母(32)，另一端和所述踝关节拉压力传感器(28)固定连接；所述踝关节连杆(27)远离所述踝关节(30)的一端和所述踝关节拉压力传感器(28)之间铰接；所述踝关节直流电机(24)作为驱动元件固定安装在所述踝关节丝杠螺母安装座(31)的一个侧面上；所述踝关节丝杠螺母(32)上远离所述踝关节丝杠螺母安装座(31)的一端上固定连接了一个同步带轮，所述踝关节直流电机(24)的输出轴上也固定连接了一个同步带轮，上述两个同步带轮通过所述踝关节同步带(33)连接到一起。
2.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，所述髋关节丝杠螺母安装座(5)、所述膝关节丝杠螺母安装座(19)以及所述踝关节丝杠螺母安装座(31)的端面均为矩形，该矩形中心位置均为一个圆形的通孔，所述髋关节丝杠螺母安装座(5)、所述膝关节丝杠螺母安装座(19)以及所述踝关节丝杠螺母安装座(31)各自外侧相对的两个侧面各有一个圆柱杆，所述髋关节丝杠螺母安装座(5)通过其圆柱杆以铰接的方式连接于所述基座(1)远离基础框架的一端，所述膝关节丝杠螺母安装座(19)通过其圆柱杆以铰接的方式连接于大腿连杆B(14)的中部位置，所述踝关节丝杠螺母安装座(31)通过其圆柱杆以铰接的方式连接于小腿连杆B(23)的中部位置；且所述髋关节丝杠螺母(2)、所述膝关节丝杠螺母(20)、所述踝关节丝杠螺母(32)分别固定安装在所述髋关节丝杠螺母安装座(5)、所述膝关节丝杠螺母安装座(19)、所述踝关节丝杠螺母安装座(31)的圆形通孔中。
3.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，所述髋关节拉压力传感器座(8)端面为矩形，中心位置为圆柱形的盲孔，在所述髋关节拉压力传感器座(8)外侧相对的两个侧面上各有一个圆柱杆，所述髋关节拉压力传感器座(8)通过该圆柱杆以铰接的方式连接于所述大腿连杆A(9)的一端；且所述髋关节拉压力传感器(7)安装在该圆柱形盲孔中。
4.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，所述髋关节直流电机(4)固定安装在所述髋关节丝杠螺母安装座(5)上没有圆柱杆且位于髋关节机构外侧的一个侧面上；所述膝关节直流电机(12)固定安装在所述膝关节丝杠螺母安装座(19)上没有圆柱杆且位于膝关节机构内侧的一个侧面上；所述踝关节直流电机(24)固定安装在所述踝关节丝杠螺母安装座(31)上没有圆柱杆且位于踝关节机构内侧的一个侧面上。
5.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，所述髋关节丝杠螺母(2)和所述髋关节丝杠(6)构成的螺旋副简化为一个移动副，构成曲柄滑块机构的滑块移动副；所述髋关节丝杠(6)、所述髋关节拉压力传感器(7)和所述髋关节拉压力传感器座(8)共同构成曲柄滑块机构的导杆；大腿连杆A(9)构成曲柄滑块机构的曲柄；再加上固定于基础框架的基座(1)和髋关节座(11)，构成一个曲柄滑块机构；
所述膝关节丝杠螺母(20)和所述膝关节丝杠(18)构成的螺旋副简化为一个移动副，构成曲柄滑块机构的滑块移动副；所述膝关节丝杠(18)、所述膝关节拉压力传感器(16)共同构成曲柄滑块机构的导杆；再加上相互铰接的所述大腿连杆B(14)和所述小腿连杆A(15)，构成一个曲柄滑块机构；
所述踝关节丝杠螺母(32)和所述踝关节丝杠(29)构成的螺旋副简化为一个移动副，构成曲柄滑块机构的滑块移动副；所述踝关节丝杠(29)、所述踝关节拉压力传感器(28)共同构成曲柄滑块机构的导杆；再加上相互铰接的所述小腿连杆B(23)和所述踝关节连杆(27)，构成一个曲柄滑块机构。
6.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，所述髋关节直流电机(4)经过所述髋关节同步带(3)驱动所述髋关节丝杠螺母(2)转动；所述髋关节丝杠螺母(2)的转动立即引起所述髋关节丝杠(6)在所述髋关节丝杠螺母(2)中做直线运动，该直线运动导致所述大腿连杆A(9)和所述髋关节丝杠(6)之间的夹角发生变化，同时所述大腿连杆A(9)和所述髋关节座(11)的夹角也随之发生变化，所述髋关节机构转动时严格以所述髋关节(10)的轴线为转轴，当使用该机器人进行康复训练的人体下肢髋关节轴线和所述髋关节(10)的轴线重合时，所述髋关节机构和人体下肢髋关节即可同步转动；
所述膝关节直流电机(12)经过所述膝关节同步带(21)驱动所述膝关节丝杠螺母(20)转动；所述膝关节丝杠螺母(20)的转动立即引起所述膝关节丝杠(18)在所述膝关节丝杠螺母(20)中做直线运动，该直线运动导致所述小腿连杆A(15)和所述膝关节丝杠(18)之间的夹角发生变化，同时所述大腿连杆B(14)和所述小腿连杆A(15)之间的夹角也随之发生变化，所述膝关节机构转动时严格以所述膝关节(17)的轴线为转轴，当使用该机器人进行康复训练的人体下肢膝关节轴线和所述膝关节(17)的轴线重合时，所述膝关节机构和人体下肢膝关节即可同步转动；
所述踝关节直流电机(24)经过所述踝关节同步带(33)驱动所述踝关节丝杠螺母(32)转动；所述踝关节丝杠螺母(32)的转动立即引起所述踝关节丝杠(29)在所述踝关节丝杠螺母(32)中做直线运动，该直线运动导致所述踝关节连杆(27)和所述踝关节丝杠(29)之间的夹角发生变化，同时所述小腿连杆B(23)和所述踝关节连杆(27)的夹角也随之发生变化，所述踝关节机构转动时严格以所述踝关节(30)的轴线为转轴，当使用该机器人进行康复训练的人体下肢踝关节轴线和所述踝关节(30)的轴线重合时，所述踝关节机构和人体下肢踝关节即可同步转动。
7.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，所述下肢关节机构还包括一大腿机构调解手轮(13)，以对大腿连杆机构的长度进行调整，所述大腿连杆机构由所述大腿连杆A(9)、所述大腿连杆B(14)和所述大腿机构调解手轮(13)组成：
所述大腿连杆A(9)中部位置设有一通透长槽，并在和该长槽等高位置处向外凸出安装了直径为该通透长槽宽度的圆柱，所述大腿连杆B(14)中部位置也设有一宽度相同的通透长槽，并在与该长槽等高位置向内凸出安装了直径该通透长槽宽度的圆柱，所述大腿连杆A(9)可完全安装在所述大腿连杆B(14)内部，且所述大腿连杆A(9)外侧面和所述大腿连杆B(14)内侧面可完全贴合，所述大腿连杆A(9)的外侧面圆柱可沿着所述大腿连杆B(14)的通透长槽滑动，所述大腿连杆B(14)的内侧面圆柱可沿着所述大腿连杆A(9)的通透长槽滑动；
所述大腿连杆A(9)外侧面的圆柱较长，能够穿过所述大腿连杆B(14)的长槽并高出所述大腿连杆B(14)的外侧面，该高出部分为外螺纹结构；所述大腿机构调解手轮(13)中间位置为螺纹孔，该螺纹孔与所述大腿连杆A(9)外侧面圆柱的外螺纹配合，当长度调整到位时，将所述大腿机构调解手轮(13)拧紧，可使大腿连杆A(9)和大腿连杆B(14)可靠连接。
8.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，所述下肢关节机构还包括一小腿机构调节手轮(22)，以对小腿连杆机构的长度进行调整，所述小腿连杆机构由所述小腿连杆B(23)、所述小腿连杆A(15)和所述小腿机构调节手轮(22)组成：
所述小腿连杆B(23)中部位置设有一通透长槽，并在和该长槽等高位置处向外凸出安装了直径为该通透长槽宽度的圆柱，所述小腿连杆A(15)中部位置也设有一宽度相同的通透长槽，并在与该长槽等高位置向内凸出安装了直径为该通透长槽宽度的圆柱，所述小腿连杆B(23)可完全安装在所述小腿连杆A(15)内部，且所述小腿连杆B(23)外侧面和所述小腿连杆A(15)内侧面可完全贴合，所述小腿连杆B(23)的外侧面圆柱可沿着所述小腿连杆A(15)的通透长槽滑动，所述小腿连杆A(15)的内侧面圆柱可沿着所述小腿连杆B(23)的通透长槽滑动；
所述小腿连杆B(23)外侧面的圆柱较长，能够穿过所述小腿连杆A(15)的长槽并高出所述小腿连杆A(15)的外侧面，高出部分为外螺纹结构，所述小腿机构调节手轮(22)中间位置为螺纹孔，该螺纹孔与所述小腿连杆B(23)外侧面圆柱的外螺纹配合，当长度调整到位时，将所述小腿机构调节手轮(22)拧紧，可使小腿连杆B(23)和小腿连杆A(15)可靠连接。
9.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，所述下肢关节机构还包括一脚踏板(25)和一踝关节高度调节手轮(26)，以对踝关节的高度进行调整：
所述踝关节连杆(27)中间位置设有一长槽，所述脚踏板(25)靠近所述踝关节连杆(27)一侧有一个外径与所述长槽的宽度相同的固定圆柱，所述脚踏板(25)的固定圆柱可穿过踝关节连杆(27)的长槽并高出所述踝关节连杆(27)的外侧面，高出部分为外螺纹结构，所述脚踏板(25)的固定圆柱可以在踝关节连杆(27)的长槽中滑动，以改变所述脚踏板(25)上表面与踝关节(30)轴线之间的距离，该距离可拟合人体下肢踝关节的高度；所述踝关节高度调节手轮(26)中间位置为螺纹孔，该螺纹孔与所述脚踏板(25)的固定圆柱的外螺纹配合，当踝关节高度调整到位后，拧紧所述踝关节高度调节手轮(26)，可使脚踏板(25)可靠地固定在所述踝关节连杆(27)上。
10.根据权利要求1所述的下肢关节机构，其特征在于，以使电机功率尽可能小为目标对所述髋关节机构进行优化；以使所述膝关节机构和由所述大腿连杆A(9)、所述大腿连杆B(14)和大腿机构调解手轮(13)组成的大腿连杆机构的外形尺寸尽可能小为目标对所述膝关节机构进行优化；以使所述踝关节机构和由所述小腿连杆B(23)、所述小腿连杆A(15)和小腿机构调节手轮(22)组成的小腿连杆机构的外形尺寸尽可能小为目标对所述踝关节机构进行优化。
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