一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法

摘要

本发明涉及穿戴式机器人技术领域，尤其涉及一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法。该下肢外骨骼包括下肢穿戴机构、储能机构和控制机构，其中所述储能机构包括固定轴，在所述固定轴的两端设有膝关节离合器和踝关节离合器，所述膝关节离合器连接大腿穿戴部，所述踝关节离合器连接脚底穿戴部，在所述膝关节离合器与所述踝关节离合器之间设有储能扭簧，所述储能扭簧的两端分别与所述膝关节离合器、所述踝关节离合器相连。本发明将人体下肢膝关节和踝关节进行耦合，通过对膝、踝关节能量的收集、储存和释放，在无需外部能量输入的情况下，助力人体行走，实现了外骨骼装置的轻量化和能量经济性，使得降低人体行走中新陈代谢能耗成为可能。

权利要求

1.一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：包括下肢穿戴机构、储能机构和控制机构；

其中，所述下肢穿戴机构包括大腿穿戴部、小腿穿戴部和脚底穿戴部；

所述储能机构包括设置在所述小腿穿戴部上的固定轴，在所述固定轴的两端对称设置有膝关节离合器和踝关节离合器，其中所述膝关节离合器通过第一绳索连接所述大腿穿戴部，所述踝关节离合器通过第二绳索连接所述脚底穿戴部；所述的膝关节离合器和踝关节离合器均包括棘轮、棘爪和主动齿轮，所述棘轮通过轴承套设在所述固定轴上，所述棘爪转动连接于所述固定轴的端面上，所述棘爪包括止动爪部和从动齿部，其中所述止动爪部与所述棘轮的内缘齿槽相配合，所述从动齿部与所述主动齿轮相啮合；在所述膝关节离合器与所述踝关节离合器之间设有储能扭簧，所述储能扭簧的两端分别与所述膝关节离合器、所述踝关节离合器相连；

所述控制机构包括用于分别控制所述膝关节离合器和所述踝关节离合器的两个舵机，所述舵机与所述固定轴固定连接，在所述舵机的动力输出轴上固定连接有舵机轴套，所述舵机轴套与所述主动齿轮固定连接；所述舵机的动力输出轴通过所述舵机轴套控制所述主动齿轮的转动，通过所述主动齿轮的转动实现所述棘爪与所述棘轮之间的脱离或锁死。

2.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述的膝关节离合器和踝关节离合器均设有压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与所述舵机轴套相连，所述压缩弹簧的另一端与所述主动齿轮相连。

3.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述控制机构还包括足底压力传感器、单片机以及采样电路，所述足底压力传感器通过所述采样电路与所述单片机相连，所述单片机与所述舵机相连。

4.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述小腿穿戴部与所述脚底穿戴部之间转动连接，其中所述小腿穿戴部上设有腿部支架，所述固定轴与所述腿部支架固定连接；所述脚底穿戴部上设有脚部支架，所述踝关节离合器通过所述第二绳索与所述脚部支架相连。

5.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述固定轴中间设有舵机安装孔，所述舵机安装于所述舵机安装孔中。

6.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：两个所述棘轮外侧分别设有绳槽，所述第一绳索和所述第二绳索分别缠绕设置在两个所述绳槽中。

7.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：所述小腿穿戴部和所述脚底穿戴部分别采用刚性材料制成，其中所述小腿穿戴部设有用于与人体小腿部分进行紧固的魔术贴；所述大腿穿戴部采用柔性材料制成，所述大腿穿戴部设有安全带。

8.根据权利要求1所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，其特征在于：在所述膝关节离合器和所述踝关节离合器的外部分别设有盖子，所述盖子上设有绳索通孔。

9.一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼控制方法，其特征在于：采用如权利要求1-8任一项所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼进行辅助踝关节跖屈蹬地控制，包括如下步骤：通过控制机构中的足底压力传感器测量足底压力并输出关于足底压力的电阻信号，通过采样电路采集所述电阻信号，所述采样电路将所述电阻信号转化为电压信号，并将所述电压信号输出至单片机；

所述单片机接收所述电压信号，根据所述电压信号确定人体行走的步态周期；

所述单片机根据所述步态周期向两个舵机输出PWM信号，分别控制两个舵机动力输出轴的转动角度；

根据两个舵机动力输出轴的转动，分别控制膝关节离合器和踝关节离合器的打开或锁死。

10.根据权利要求9所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼控制方法，其特征在于：所述人体行走的步态周期包括摆动相初期、摆动相中期、摆动相后期、支撑相初期、支撑相中期和支撑相后期，其中，在所述摆动相初期，所述膝关节离合器和所述踝关节离合器均处于打开状态；

在所述摆动相中期，所述踝关节离合器处于锁死状态，所述膝关节离合器保持打开状态，膝关节的伸展运动拉动第一绳索，所述第一绳索拉动所述膝关节离合器中的棘轮绕固定轴转动，储能扭簧形变量增大，膝关节所做负功被收集到储能扭簧中；

在所述摆动相后期，脚跟与地面接触之前，所述膝关节离合器处于锁死状态，所述踝关节离合器保持锁死状态；

在所述支撑相初期，脚跟与地面相接触，所述膝关节离合器和所述踝关节离合器均保持锁死状态；

在所述支撑相中期，所述踝关节离合器处于打开状态，所述膝关节离合器保持锁死状态，踝关节的背屈运动拉动第二绳索，所述第二绳索拉动所述踝关节离合器中的棘轮绕固定轴转动，储能扭簧形变量增大，踝关节所做负功被收集到储能扭簧中；

在所述支撑相后期，踝关节进入跖屈蹬地状态，所述膝关节离合器保持锁死状态，所述踝关节离合器保持打开状态，所述储能扭簧中的力被传递至所述第二绳索，对踝关节施加跖屈方向的扭矩，辅助踝关节蹬地。

说明书

一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及穿戴式机器人技术领域，尤其涉及一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法。

背景技术

[0002] 外骨骼是一种能维持或增强人体生理机能的可穿戴设备，在军事、医疗、助老助残等方面具有广阔应用前景。下肢外骨骼作为其中一种，旨在助力人体行走。在军事领域中，下肢外骨骼可增长徒步距离，提升负重能力，降低肌肉损伤风险，从而提升单兵作战能力。在医疗领域，下肢外骨骼可以用于患者的步态康复和残疾人的辅助行走。在助老领域，下肢外骨骼可以帮助老年人恢复行走能力。

[0003] 人体在行走过程中需要消耗大量能量，其中大部分能量消耗在支撑相后期踝关节跖屈蹬地动作中。下肢外骨骼在踝关节蹬地瞬间提供外部助力，可替代小腿部分肌肉功能，实现人体行走功耗的降低。

[0004] 然而，现有下肢外骨骼多为主动式外骨骼，需要通过大功率电机对踝关节进行助力，因此需要大质量驱动装置和大容量能量供给装置，会造成人体额外的能量消耗，且可移动性和续航能力较差。而且，目前的外骨骼原理都局限于对踝关节跖屈蹬地进行助力，然而人的行走是高度复杂的过程，在此过程中膝踝关节所做的负功也会造成很大的能量消耗，仅对踝关节进行助力所达到的效果较为有限。

发明内容

[0005] (一)要解决的技术问题

[0006] 本发明的目的是提供一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼及其控制方法，解决现有的主动式外骨骼存在的会造成人体额外的能量消耗，可移动性和续航能力较差，以及仅对踝关节进行助力，所达到的效果较为有限的问题。

[0007] (二)技术方案

[0008] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，包括下肢穿戴机构、储能机构和控制机构；

[0009] 其中，所述下肢穿戴机构包括大腿穿戴部、小腿穿戴部和脚底穿戴部；

[0010] 所述储能机构包括设置在所述小腿穿戴部上的固定轴，在所述固定轴的两端对称设置有膝关节离合器和踝关节离合器，其中所述膝关节离合器通过第一绳索连接所述大腿穿戴部，所述踝关节离合器通过第二绳索连接所述脚底穿戴部；所述的膝关节离合器和踝关节离合器均包括棘轮、棘爪和主动齿轮，所述棘轮通过轴承套设在所述固定轴上，所述棘爪转动连接于所述固定轴的端面上，所述棘爪包括止动爪部和从动齿部，其中所述止动爪部与所述棘轮的内缘齿槽相配合，所述从动齿部与所述主动齿轮相啮合；在所述膝关节离合器与所述踝关节离合器之间设有储能扭簧，所述储能扭簧的两端分别与所述膝关节离合器、所述踝关节离合器相连；

[0011] 所述控制机构包括用于分别控制所述膝关节离合器和所述踝关节离合器的两个舵机，所述舵机与所述固定轴固定连接，在所述舵机的动力输出轴上固定连接有舵机轴套，所述舵机轴套与所述主动齿轮固定连接；所述舵机的动力输出轴通过所述舵机轴套控制所述主动齿轮的转动，通过所述主动齿轮的转动实现所述棘爪与所述棘轮之间的脱离或锁死。

[0012] 进一步地，所述的膝关节离合器和踝关节离合器均设有压缩弹簧，所述压缩弹簧的一端与所述舵机轴套相连，所述压缩弹簧的另一端与所述主动齿轮相连。

[0013] 进一步地，所述控制机构还包括足底压力传感器、单片机以及采样电路，所述足底压力传感器通过所述采样电路与所述单片机相连，所述单片机与所述舵机相连。

[0014] 具体地，所述小腿穿戴部与所述脚底穿戴部之间转动连接，其中所述小腿穿戴部上设有腿部支架，所述固定轴与所述腿部支架固定连接；所述脚底穿戴部上设有脚部支架，所述踝关节离合器通过所述第二绳索与所述脚部支架相连。

[0015] 具体地，所述固定轴中间设有舵机安装孔，所述舵机安装于所述舵机安装孔中。

[0016] 具体地，两个所述棘轮外侧分别设有绳槽，所述第一绳索和所述第二绳索分别缠绕设置在两个所述绳槽中。

[0017] 具体地，所述小腿穿戴部和所述脚底穿戴部分别采用刚性材料制成，其中所述小腿穿戴部设有用于与人体小腿部分进行紧固的魔术贴；所述大腿穿戴部采用柔性材料制成，所述大腿穿戴部设有安全带。

[0018] 具体地，在所述膝关节离合器和所述踝关节离合器的外部分别设有盖子，所述盖子上设有绳索通孔。

[0019] 为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼控制方法，该方法采用所述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼进行辅助踝关节跖屈蹬地控制，包括如下步骤：

[0020] 通过控制机构中的足底压力传感器测量足底压力并输出关于足底压力的电阻信号，通过采样电路采集所述电阻信号，所述采样电路将所述电阻信号转化为电压信号，并将所述电压信号输出至单片机；

[0021] 所述单片机接收所述电压信号，根据所述电压信号确定人体行走的步态周期；

[0022] 所述单片机根据所述步态周期向两个舵机输出PWM信号，分别控制两个舵机动力输出轴的转动角度；

[0023] 根据两个舵机动力输出轴的转动，分别控制膝关节离合器和踝关节离合器的打开或锁死。

[0024] 进一步地，所述人体行走的步态周期包括摆动相初期、摆动相中期、摆动相后期、支撑相初期、支撑相中期和支撑相后期，其中，

[0025] 在所述摆动相初期，所述膝关节离合器和所述踝关节离合器均处于打开状态；

[0026] 在所述摆动相中期，所述踝关节离合器处于锁死状态，所述膝关节离合器保持打开状态，膝关节的伸展运动拉动第一绳索，所述第一绳索拉动所述膝关节离合器中的棘轮绕固定轴转动，储能扭簧形变量增大，膝关节所做负功被收集到储能扭簧中；

[0027] 在所述摆动相后期，脚跟与地面接触之前，所述膝关节离合器处于锁死状态，所述踝关节离合器保持锁死状态；

[0028] 在所述支撑相初期，脚跟与地面相接触，所述膝关节离合器和所述踝关节离合器均保持锁死状态；

[0029] 在所述支撑相中期，所述踝关节离合器处于打开状态，所述膝关节离合器保持锁死状态，踝关节的背屈运动拉动第二绳索，所述第二绳索拉动所述踝关节离合器中的棘轮绕固定轴转动，储能扭簧形变量增大，踝关节所做负功被收集到储能扭簧中；

[0030] 在所述支撑相后期，踝关节进入跖屈蹬地状态，所述膝关节离合器保持锁死状态，所述踝关节离合器保持打开状态，所述储能扭簧中的力被传递至所述第二绳索，对踝关节施加跖屈方向的扭矩，辅助踝关节蹬地。

[0031] (三)有益效果

[0032] 本发明的上述技术方案具有如下优点：

[0033] 本发明将人体下肢膝关节和踝关节进行耦合，利用储能机构分别收集膝关节在摆动相时期摆动所做的负功以及踝关节在支撑相时期背屈所做的负功，并将收集到的能量通过储能扭簧进行存储，最终在踝关节跖屈蹬地时释放能量，用于辅助踝关节进行跖屈蹬地，从而减小大腿后侧腘绳肌对膝关节施加的扭矩与小腿后侧腓肠肌对肌腱施加的力，优化了人体行走过程，实现了能量经济性，使得人体行走中新陈代谢能耗成为可能。

[0034] 本发明无需设置大功率电机这种大质量驱动装置，只采用了两个低功率的舵机进行控制，具有重量轻，体积小，续航时间长，轻量便携，成本低的优点，同时实现了外部能量的注入，降低了人体行走的功耗。

附图说明

[0035] 图1是本发明实施例准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼的结构示意图；

[0036] 图2是本发明实施例准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼中储能机构的剖视图；

[0037] 图3是本发明实施例准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼中离合器打开状态的正视图；

[0038] 图4是本发明实施例准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼中离合器锁死状态的正视图；

[0039] 图5是本发明实施例准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼中控制机构的结构框图；

[0040] 图6是本发明实施例中关于准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼在工作时与步态周期相对应的外骨骼状态、足底反力、膝关节离合器状态、踝关节离合器状态和外骨骼状态图的表格示意图。

[0041] 图中：1：大腿穿戴部；2：小腿穿戴部；3：脚底穿戴部；4：固定轴；5：膝关节离合器；6：踝关节离合器；7：第一绳索；8：第二绳索；9：棘轮；901：内缘齿槽；10：棘爪；101：止动爪部；102：从动齿部；11：主动齿轮；12：滚针轴承；13：储能扭簧；14：舵机；141：动力输出轴；
15：舵机轴套；16：压缩弹簧；17：腿部支架；18：脚部支架；19：魔术贴；20：盖子；21：螺栓。

具体实施方式

[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 如图1-5所示，本发明实施例提供的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼，包括下肢穿戴机构、储能机构和控制机构。

[0044] 所述下肢穿戴机构包括大腿穿戴部1、小腿穿戴部2和脚底穿戴部3，其中所述小腿穿戴部2与所述脚底穿戴部3之间转动连接。

[0045] 所述储能机构包括设置在所述小腿穿戴部2上的固定轴4、膝关节离合器5和踝关节离合器6，所述膝关节离合器5和所述踝关节离合器6对称设置在所述固定轴4的两端，其中所述膝关节离合器5通过第一绳索7连接所述大腿穿戴部1，所述踝关节离合器6通过第二绳索8连接所述脚底穿戴部3。

[0046] 所述的膝关节离合器5和踝关节离合器6均包括棘轮9、棘爪10和主动齿轮11，所述棘轮9通过滚针轴承12套设在所述固定轴4上，所述棘爪10通过螺栓21转动连接于所述固定轴4的端面上，所述棘爪10包括止动爪部101和从动齿部102，其中所述止动爪部101与所述棘轮9的内缘齿槽901相配合，所述从动齿部102与所述主动齿轮11相啮合。在所述膝关节离合器5与所述踝关节离合器6之间设有储能扭簧13，所述储能扭簧13的主体套设在所述固定轴4上，且所述储能扭簧13的两端分别与所述膝关节离合器5、所述踝关节离合器6相连。

[0047] 所述控制机构包括设置在所述脚底穿戴部3上的足底压力传感器、设置在所述小腿穿戴部2上的单片机、以及用于分别控制所述膝关节离合器5和所述踝关节离合器6的两个舵机14，其中所述足底压力传感器通过采样电路与所述单片机相连，所述单片机与所述舵机14相连。在所述固定轴中间设有用于安装所述舵机14的舵机安装孔，所述舵机14固定安装于所述舵机安装孔中。在所述舵机14的动力输出轴141上固定连接有舵机轴套15，所述舵机轴套15与所述主动齿轮11固定连接。

[0048] 在工作时，通过所述足底压力传感器采集足底压力并输出关于足底压力的电阻信号，所述采样电路采集所述电阻信号，所述采样电路将所述电阻信号转化为电压信号，并将所述电压信号输出至单片机，所述单片机根据电压信号的变化获得足底压力信息，再通过所述单片机输出PWM信号来控制两个所述舵机14的动力输出轴141的转动角度，所述舵机14的动力输出轴141再通过所述舵机轴套15控制所述主动齿轮11的转动，进而实现所述棘爪10与所述棘轮9之间的脱离或锁死。在这一过程中，通过小型锂电池对所述单片机和所述舵机14进行供电。如图3所示，当所述棘爪10的止动爪部101与所述棘轮9的内缘齿槽901相脱离时，所述棘轮9可以双向转动，此时所述的离合器处于打开状态。如图4所示，当所述棘爪
10的止动爪部101与所述棘轮9的内缘齿槽901扣合锁死时，所述棘轮9只能单向转动，此时所述的离合器处于锁死状态。

[0049] 进一步来说，所述的膝关节离合器5和踝关节离合器6均设有压缩弹簧16，所述压缩弹簧16的一端与所述舵机轴套15相连，所述压缩弹簧16的另一端与所述主动齿轮11相连。其中所述压缩弹簧16的作用是：在所述的离合器锁死的情况下，当所述棘轮9转过一个齿槽后，所述棘爪10能够在所述压缩弹簧16的作用下回位，重新扣合在所述棘轮9的齿槽901上。

[0050] 进一步来说，在所述小腿穿戴部2上设有腿部支架17，所述固定轴4与所述腿部支架17固定连接。在所述脚底穿戴部3上设有脚部支架18，所述踝关节离合器6通过第二绳索8与所述脚部支架18相连。

[0051] 进一步来说，所述储能扭簧13两端加工有螺纹，在所述棘轮9上设有安装孔，所述所述储能扭簧13的两端分别穿过两个所述棘轮9的安装孔，并通过螺母实现螺纹连接。当所述棘轮9相对于所述固定轴4进行正向或反向转动时，会拉伸或释放所述储能扭簧13，从而实现能量的存储或释放。

[0052] 更进一步来说，在两个所述棘轮9的外侧分别设有绳槽，所述第一绳索7和所述第二绳索8分别缠绕设置在两个所述棘轮9的绳槽中。当膝关节角度变化，使得所述大腿穿戴部1上的绳索连接点A相对于所述储能机构的距离变长时，所述第一绳索7会拉动所述膝关节离合器5中的棘轮转动，使所述棘轮向储能扭簧形变量增大的方向转动，进而使所述储能扭簧13存储能量。同理，当踝关节角度变化，使得所述脚底穿戴部3上的绳索连接点B相对于所述储能机构的距离变长时，所述第二绳索8会拉动所述踝关节离合器6中的棘轮转动，使所述棘轮向储能扭簧形变量增大的方向转动，进而使所述储能扭簧13存储能量。当所述膝关节离合器5或所述踝关节离合器6处于锁死状态时，所述棘轮9只能向储能扭簧形变量增大的方向转动，而不能向使扭簧形变量减小的方向转动，此时所述储能扭簧13只能储存能量不能释放能量。当所述踝关节离合器6处于打开状态时，此时所述储能扭簧13可以释放能量，通过拉动所述第二绳索8将力作用于所述脚部支架18，从而辅助踝关节蹬地。

[0053] 具体来说，所述小腿穿戴部2和所述脚底穿戴部3分别采用刚性材料制成，其中所述小腿穿戴部2设有用于与人体小腿部分进行紧固的魔术贴19。而所述大腿穿戴部1采用柔性材料制成，通过在所述大腿穿戴部1上设置安全带来提高所述大腿穿戴部1的刚度。

[0054] 此外，在所述膝关节离合器5和所述踝关节离合器6的外部还分别设有盖子20，所述盖子20上设有绳索通孔。

[0055] 如图6所示，本发明实施例还提供一种准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼控制方法，该方法采用上述的准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼进行辅助踝关节跖屈蹬地控制。由于人在行走过程中，摆动期的足底压力为零，支撑期足底压力中心由脚跟移动到脚掌，因此可以通过足底压力信息划分步态周期。则该方法具体包括如下步骤：

[0056] 通过所述足底压力传感器实时测量足底压力并输出关于足底压力的电阻信号，通过采样电路采集所述电阻信号，所述采样电路将所述电阻信号转化为电压信号，并将所述电压信号输出至单片机。

[0057] 所述单片机接收并处理所述电压信号，根据对所述电压信号的处理结果确定人体当前的步态周期。

[0058] 所述单片机根据所述步态周期向两个舵机分别输出PWM信号，用于分别控制两个舵机动力输出轴的转动角度。

[0059] 根据两个舵机动力输出轴的转动，分别控制所述膝关节离合器和所述踝关节离合器的打开或锁死。

[0060] 进一步来说，所述步态周期包括摆动相初期、摆动相中期、摆动相后期、支撑相初期、支撑相中期和支撑相后期。

[0061] 在所述摆动相初期，所述膝关节离合器和所述踝关节离合器均处于打开状态。

[0062] 在所述摆动相中期，膝关节即将开始伸展时，膝关节处于弯曲角度最大的状态，而踝关节处于自然位置。此时所述踝关节离合器锁死，所述膝关节离合器保持打开状态。在膝关节伸展过程中，膝关节的伸展运动拉动所述第一绳索，使所述大腿穿戴部上的绳索连接点A相对于所述储能机构的距离变长，所述第一绳索拉动所述膝关节离合器中的棘轮绕固定轴转动，所述储能扭簧的形变量增大，膝关节所做负功被收集到所述储能扭簧中，在该过程中外骨骼辅助腘绳肌对膝关节进行减速。

[0063] 在所述摆动相后期，脚跟与地面接触之前，所述膝关节离合器锁死，所述踝关节离合器保持锁死状态，使得所述储能扭簧中的能量不会被提前释放。

[0064] 在所述支撑相初期，脚跟与地面接触，踝关节由跖屈状态逐渐背屈至自然状态，此时所述膝关节离合器和所述踝关节离合器均保持锁死状态。

[0065] 在所述支撑相中期，踝关节继续背屈，此时所述踝关节离合器打开，所述膝关节离合器保持锁死状态。踝关节的背屈运动拉动第二绳索，使所述脚底穿戴部上的绳索连接点B相对于所述储能机构的距离变长，所述第二绳索拉动所述踝关节离合器中的棘轮绕固定轴转动，储能扭簧形变量进一步增大，踝关节所做负功被收集到所述储能扭簧中。

[0066] 在所述支撑相后期，踝关节进入跖屈蹬地状态，此时所述膝关节离合器保持锁死状态，所述踝关节离合器保持打开状态，所述储能扭簧释放能量，所述储能扭簧中的力被传递至所述第二绳索，通过所述第二绳索对踝关节施加跖屈方向的扭矩，辅助踝关节蹬地。在该过程中，外骨骼可部分替代小腿三头肌和阿基里斯肌腱作用。

[0067] 在蹬地结束后，所述膝关节离合器打开，所述棘轮与所述储能扭簧回复到初始位置，也即重新进入到摆动相初期，以此往复。

[0068] 其中，图6是关于所述准被动膝踝关节耦合下肢外骨骼在工作时与所述步态周期相对应的外骨骼状态、足底反力、膝关节离合器状态、踝关节离合器状态和外骨骼状态图的表格示意图，其中，外骨骼状态图中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)分别与所述步态周期的摆动相初期、摆动相中期、摆动相后期、支撑相初期、支撑相中期和支撑相后期一一对应。

[0069] 综上所述，本发明将人体下肢膝关节和踝关节进行耦合，利用储能机构分别收集膝关节在摆动相时期摆动所做的负功以及踝关节在支撑相时期背屈所做的负功，并将收集到的能量通过储能扭簧进行存储，最终在踝关节跖屈蹬地时释放能量，用于辅助踝关节进行跖屈蹬地，从而减小大腿后侧腘绳肌对膝关节施加的扭矩与小腿后侧腓肠肌对肌腱施加的力，优化了人的行走过程，实现了能量经济性，使得人体行走中新陈代谢能耗成为可能，降低了人体行走的功耗，具有重量轻，体积小，续航时间长，轻量便携，成本低的优点。

[0070] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。