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1、(10)申请公布号 CN 102743838 A (43)申请公布日 2012.10.24 CN 102743838 A *CN102743838A* (21)申请号 201210243574.2 (22)申请日 2012.07.13 A63B 23/04(2006.01) (71)申请人 中国科学院自动化研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村东路 95 号 (72)发明人 侯增广 王卫群 李鹏峰 程龙 边桂彬 谢晓亮 张峰 谭民 柳会 (74)专利代理机构 中科专利商标代理有限责任 公司 11021 代理人 宋焰琴 (54) 发明名称 一种新型坐卧式下肢康复机器人下肢关节机 构 (5。
2、7) 摘要 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。 (51)Int。
3、.Cl. 权利要求书 4 页 说明书 9 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 4 页 说明书 9 页 附图 2 页 1/4 页 2 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 。
4、(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。
5、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。
6、 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。
7、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。。
8、 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。
9、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 权 利 要 求 书 CN 102743838 A 2 2/4 页 3 (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。
10、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。
11、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。
12、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。
13、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。
14、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) 权 利 要 求 书 CN 102743838 A 3 。
15、3/4 页 4 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。
16、 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。
17、) 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。
18、， 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) 。
19、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。 。
20、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 权 利 要 求 书 CN 102743838 A 4 4/4 页 5 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，。
21、 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。
22、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。 权 利 要 求 书 CN 102743838 A 5 1/9 页 6 一种新型坐卧式下肢康复机器人下肢关节机构 技术领域 0001 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 0002 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。
23、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。
24、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。
25、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 and Clavel R ：“Improvement of rehabilitation possibilities with the MotionMakerTM” .New York City， USA ： Proceedings of The 1st IEEE RAS & EMBSI。
26、nternational 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 0003 针对。
27、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。 说 明 书 CN 102743838 A 6 2/9 页 7 0004 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， 0005 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。
28、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。
29、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 ； 0006 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。
30、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 ； 0007 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。
31、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。 0008 本发明的下肢关节机构的设计优点在于 ： 000。
32、9 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 ； 0010 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 ； 0011 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 ； 0012 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 ； 0013 5) 各个关节机构采用了不同的机构形式， 便于分别优化。 说 明 书 CN 102743838 A 7 3/9 页 8 附图说明 001。
33、4 图 1 为根据本发明实施例的下肢关节机构的结构图 ； 0015 图 2 为根据本发明实施例的髋关节机构的原理示意图 ； 0016 图 3 为根据本发明实施例的膝关节机构的原理示意图 ； 0017 图 4 为根据本发明实施例的踝关节机构的原理示意图。 0018 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。
34、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 0019 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。 0020。
35、 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070； 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。 0021 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。
36、。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。 0022 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。
37、赘述。 0023 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。 0024 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。
38、端面为矩形， 该 说 明 书 CN 102743838 A 8 4/9 页 9 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，。
39、 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。
40、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。 0025 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。 0026 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。
41、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。 0027 所述膝关节机构包括 ： 。
42、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。 0028 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。
43、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 说 明 书 CN 102743838 A 9 5/9 页 10 了。
44、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。 0029 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。 0030 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。
45、 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。
46、体 下肢膝关节即可同步转动。 0031 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。 0032 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。
47、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。
48、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。 0033 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。 0034 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。
49、 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 说 明 书 CN 102743838 A 10 6/9 页 11 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。 0035 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。