CN112388617B - 下肢外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了下肢外骨骼机器人。现有外骨骼机器人的髋关节设计存在结构复杂又与人体结构耦合性不高等问题，膝关节设计也往往没有进行受力平衡校验。本发明的髋关节包括髋关节连接杆、圆锥滚子轴承、髋关节谐波减速器、髋关节伺服电机、髋关节轴、髋关节转动架和弹性体；膝关节包括大腿支撑件、膝关节谐波减速器、膝关节伺服电机、主动轴、主动带轮、同步带、从动轴和从动带轮；踝关节包括小腿支撑件、踝关节轴、弹簧组件和脚底板。本发明根据人在行走时髋关节、踝关节的转动角度以及下肢肌肉的受力情况来对下肢外骨骼机器人各关节进行结构设计，使得本发明下肢外骨骼机器人更符合穿戴者所需的真实行走姿态，真正实现辅助行走的目的。

Description

下肢外骨骼机器人

技术领域

本发明涉及保健器械以及机械辅助装置领域，尤其涉及一种下肢外骨骼机器人。

背景技术

外骨骼机器人技术是融合机械、力学、传感、控制、信息等技术，为使用者提供一种可穿戴的机械辅助装置。由于外骨骼机器人在各领域发挥的巨大作用，使得其发展前景十分广阔。

近20年来，外骨骼机器人作为一款人体辅助装备得到了广泛的应用。

1)民用领域方面，外骨骼机器人可以帮助老年人正常行动；

2)医疗领域方面，外骨骼机器人在辅助残疾人正常生活的同时，也大大减轻了医务人员的工作压力；

3)军事领域方面，外骨骼机器人可以提高战场的救援效率，帮助更多的受伤人员。

20世纪60年代，美国通用电气公司首次提出并开展了关于增强人体机能的增力型外骨骼机器人的探索并将之运用于军事领域，由于是外骨骼机器人的探索初期，未能取得理想的结果。美国加州大学伯克利分校人机工程实验室于2004年研发出一种下肢外骨骼机器人，整体质量约为45kg，穿戴者身着此装备，即使在负重35kg的情况下，仍然可以活动自如。进年来，国内学者以及各大科研单位也逐渐开始了外骨骼机器人技术的研究。但是现有外骨骼机器人的髋关节设计存在着结构复杂却又与人体结构的耦合性不高等问题，膝关节设计时也往往没有进行受力平衡校验。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种下肢外骨骼机器人。

本发明下肢外骨骼机器人由连接架和两个下肢外骨骼组成；所述的下肢外骨骼主要由髋关节、膝关节和踝关节组成。所述的髋关节包括髋关节连接杆、圆锥滚子轴承、髋关节谐波减速器、髋关节伺服电机、髋关节轴、髋关节转动架和弹性体；所述的髋关节轴通过圆锥滚子轴承支承在髋关节连接杆上，一端与髋关节谐波减速器的输出端固定，另一端与髋关节转动架固定；所述髋关节谐波减速器的输入端与髋关节伺服电机的输出轴固定；髋关节谐波减速器的座体与圆锥滚子轴承的外圈固定；髋关节伺服电机的座体与髋关节谐波减速器的座体固定；所述的弹性体与髋关节转动架固定；所述的髋关节连接杆上设有髋关节弯曲行程开关和髋关节伸展行程开关，髋关节伺服电机的输出轴上还连接有编码器。两个下肢外骨骼中髋关节的髋关节连接杆与连接架两端分别固定。

所述的膝关节包括大腿支撑件、膝关节谐波减速器、膝关节伺服电机、主动轴、主动带轮、同步带、从动轴和从动带轮；所述大腿支撑件的顶部与弹性体固定；所述的主动轴与大腿支撑件构成转动副，并与膝关节谐波减速器的输出端固定；所述膝关节谐波减速器的输入端与膝关节伺服电机的输出轴固定；膝关节谐波减速器的座体与大腿支撑件固定；膝关节伺服电机的座体与膝关节谐波减速器的座体固定；主动带轮固定在主动轴上，并与固定在从动轴上的从动带轮通过同步带连接；从动轴与大腿支撑件底部构成转动副；大腿支撑件上设有膝关节弯曲行程开关和膝关节伸展行程开关，膝关节伺服电机的输出轴上还连接有编码器。

所述的踝关节包括小腿支撑件、踝关节轴、弹簧组件和脚底板；所述的小腿支撑件顶部与从动轴固定；所述的踝关节轴与小腿支撑件底部构成转动副；所述脚底板的后端与踝关节轴固定，中部与小腿支撑件通过平行设置的两个弹簧组件连接；所述的弹簧组件由滑杆、弹簧和滑套组成；滑杆一端与小腿支撑件铰接，另一端与滑套一端构成滑动副；滑套另一端与脚底板铰接。

所述的膝关节伺服电机和髋关节伺服电机均由控制器控制，髋关节弯曲行程开关、髋关节伸展行程开关、膝关节弯曲行程开关、膝关节伸展行程开关和两个编码器的信号输出端均与控制器连接。

其中，弹性体的尺寸设计过程具体如下：

将弹性体的弯曲角度设计为-45°～45°，扭转角度设计为-30°～30°，设定a为弹性体的宽度，b为弹性体的厚度，c为弹性体的高度，q为侧方作用在弹性体上的均布载荷，根据材料力学公式建立弹性体的最大线位移Y_max表达式：

式中，E为弹性体材料的弹性模量，截面惯性矩I表达式如下：

又由于弹性体弯曲角度为45°时，弹性体两端的直线距离小于或等于c，则有：

Y_max≤c sin45° (3)

由外部作用力M₁建立如下等式：

其中，m为膝关节、踝关节、人体腿部和人体足部的质量和，g为重力加速度，L₁为膝关节和踝关节的质心到弹性体顶端的距离。

联立式(1)、(2)、(3)和(4)，得

3mgL₁c≤Eab³sin45° (5)

由于扭转角度最大值设计为π/6，则根据材料力学扭转角度

公式建立下列不等式：

其中，G为弹性体材料的剪切模量，T为弹性体扭转时受到的扭矩，设计最大可承受扭矩为700N·cm。

选定弹性体宽度a和厚度b的具体值，分别代入式(5)和式(6)，得弹性体的高度c的取值范围。

其中，踝关节中两个弹簧的等效弹性系数与脚底板的长度之比设计如下：

地面对后部下肢外骨骼中脚底板前端的扭矩T_H表达式如下：

T_H＝F_JL_Jcosδ (7)

其中，F_J为地面对后部下肢外骨骼中脚底板前端的反作用力，F_J＝1.2m₀g，m₀为人体体重，δ为经过后部下肢外骨骼的脚底板前端以及髋关节轴中心轴线的面与经过髋关节轴中心轴线的竖直面之间的夹角，L_J为脚底板的长度。

为使力矩保持平衡，后部下肢外骨骼中两个弹簧组件也提供扭矩k_sα，且有如下关系式：

T_H＝k_sα (8)

其中，k_s为两个弹簧的等效弹性系数，k_s＝2k，k为一个弹簧的弹性系数；α为经过后部下肢外骨骼的脚底板后端以及髋关节轴中心轴线的面与经过髋关节轴中心轴线的竖直面之间的夹角，α在13～15°中取值。

又根据F_J做功的力系平衡，得：

则得：

其中，v为行走速度，v在1.1～1.25m/s中取值，L_T为髋关节轴与从动轴的中心距和从动轴与踝关节轴的中心距之和；

联立式(7)、式(8)和式(10)，得：

当人的行走速度v不变时，视为δ＝0，脚底板离地角度β＝α，则得

则两个弹簧的等效弹性系数与脚底板的长度L_J之比为

其中

优选地，所述的踝关节轴通过圆锥滚子轴承支承在小腿支撑件底部，踝关节轴两端均设有轴承闷盖；所述的轴承闷盖与小腿支撑件固定，并对支承踝关节轴的圆锥滚子轴承轴向定位。

本发明具有的有益效果：

本发明根据人在行走时髋关节、踝关节的转动角度以及下肢肌肉的受力情况来对下肢外骨骼机器人各关节进行结构设计，使得本发明下肢外骨骼机器人更符合穿戴者所需的真实行走姿态，真正实现辅助行走的目的。其中，在髋关节结构时应用了柔性技术，根据弹性体拥有可以双向弯曲和扭转的特性，正好与髋关节额状面的外展和内收运动、水平面的外旋和内旋运动的被动自由度相对应；另外，髋关节在矢状面的屈伸运动被设计为主动自由度，与矢状面屈伸运动相对应，最终将髋关节设计为三个自由度：矢状面屈伸运动、额状面的外展或内收运动、水平面的外旋或内旋运动，这样就可以简化目前市场上复杂的设计结构，完成对髋关节结构的设计优化。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中髋关节的结构示意图；

图3为本发明中膝关节的结构示意图；

图4为本发明中踝关节的结构示意图；

图5为本发明中弹性体在额状面的受载与挠度分析图；

图6为本发明中踝关节的受力分析图。

图中：1.髋关节连接杆，2.圆锥滚子轴承，3.髋关节谐波减速器，4.髋关节伺服电机，5.髋关节轴，6.髋关节转动架，7.弹性体，8.大腿支撑件，9.膝关节谐波减速器，10.膝关节伺服电机，11.主动带轮，12.同步带，13.从动带轮，14.小腿支撑件，15.轴承闷盖，16.弹簧组件，17.脚底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，下肢外骨骼机器人由连接架和两个下肢外骨骼组成；下肢外骨骼主要由髋关节、膝关节和踝关节组成。

如图2所示，髋关节包括髋关节连接杆1、圆锥滚子轴承2、髋关节谐波减速器3、髋关节伺服电机4、髋关节轴5、髋关节转动架6和弹性体7；髋关节轴5通过圆锥滚子轴承2支承在髋关节连接杆1上(圆锥滚子轴承2的外圈与髋关节连接杆1配合，内圈与髋关节轴5配合)，一端与髋关节谐波减速器3的输出端固定，另一端与髋关节转动架固定；髋关节谐波减速器3的输入端与髋关节伺服电机4的输出轴固定；髋关节谐波减速器3的座体与圆锥滚子轴承2的外圈固定；髋关节伺服电机4的座体与髋关节谐波减速器3的座体固定；弹性体7与髋关节转动架6固定；髋关节连接杆1上设有髋关节弯曲行程开关和髋关节伸展行程开关，髋关节伺服电机4的输出轴上还连接有编码器。两个下肢外骨骼中髋关节的髋关节连接杆1与连接架两端分别固定。髋关节可以近似于一个球关节，设计成三个自由度的运动：矢状面的屈伸运动，额状面的外展或内收运动，以及水平面的外旋或内旋运动。矢状面上的屈伸运动用髋关节伺服电机4驱动髋关节轴5来实现，并采用硬限位(髋关节弯曲行程开关和髋关节伸展行程开关)和软限位(编码器)双重限位，使得外骨骼不超过人体髋关节的屈伸范围；在设计髋关承节的额状面与水平面内的自由度时，联想到弹性体可弯曲、扭转同时也能承重的特性，设计一块弹性体，从而简化髋关节的结构设计。

如图3所示，膝关节包括大腿支撑件8、膝关节谐波减速器9、膝关节伺服电机10、主动轴、主动带轮11、同步带12、从动轴和从动带轮13；大腿支撑件8顶部与弹性体7固定；主动轴与大腿支撑件8构成转动副，并与膝关节谐波减速器9的输出端固定；膝关节谐波减速器9的输入端与膝关节伺服电机10的输出轴固定；膝关节谐波减速器9的座体与大腿支撑件8固定；膝关节伺服电机10的座体与膝关节谐波减速器9的座体固定；主动带轮11固定在主动轴上，并与固定在从动轴上的从动带轮13通过同步带12连接；从动轴与大腿支撑件8底部构成转动副；大腿支撑件8上设有膝关节弯曲行程开关和膝关节伸展行程开关，膝关节伺服电机10的输出轴上还连接有编码器。

在设计膝关节结构时，遵循兼顾成本与安全性的设计原则。基于仿生学知识，膝关节在矢状面上仅有一个自由度，可忽略其它微小旋转运动。膝关节是在人体关节中助力最大，负载较重，且在脚触地时存在较大冲击力，采用同步带带动转轴(从动轴)来完成膝关节的屈伸运动，并采用硬限位(膝关节弯曲行程开关和膝关节伸展行程开关)和软限位(编码器)双重限位，使得外骨骼不超过人体膝关节的屈伸范围。采用膝关节伺服电机10以同步带传动的方式驱动，既简化了结构，又具有缓冲吸振传动平稳等特点。

如图4所示，踝关节包括小腿支撑件14、踝关节轴、弹簧组件16和脚底板17；小腿支撑件14顶部与从动轴固定；踝关节轴与小腿支撑件底部构成转动副；脚底板17后端与踝关节轴固定，中部与小腿支撑件14通过平行设置的两个弹簧组件16连接；弹簧组件16由滑杆、弹簧和滑套组成；滑杆一端与小腿支撑件14铰接，另一端与滑套一端构成滑动副；滑套另一端与脚底板17铰接。

膝关节伺服电机10和髋关节伺服电机均由控制器控制，髋关节弯曲行程开关、髋关节伸展行程开关、膝关节弯曲行程开关、膝关节伸展行程开关和两个编码器的信号输出端均与控制器连接。

作为优选实施例，踝关节轴通过圆锥滚子轴承2支承在小腿支撑件底部，踝关节轴两端均设有轴承闷盖15；轴承闷盖15与小腿支撑件固定，并对支承踝关节轴的圆锥滚子轴承2轴向定位。

根据人体运动学分析，踝关节主要在矢状面上运动。由于踝关节运动范围及受力较小，适合采用被动自由度。如图4所示，弹簧组件和踝关节轴相结合，当双脚踩地时，人体的重力势能转化为弹簧的弹性势能，使弹簧受压收缩，当双脚抬起时，弹性势能缓慢释放，弹簧自由恢复到最大长度，使脚踝在平稳受力下，达到辅助脚踝部位平稳缓慢屈伸的目的。由于弹簧伸长速度较慢，力的大小变化较为缓和，不会对人体造成伤害。

髋关节和踝关节的设计过程如下：

在设计机器人关节结构时都采用拟人化设计，即尽量保持关节结构设计与人体关节运动的一致性。

1、髋关节设计过程

目前下肢外骨骼机器人髋关节的设计主要存在着结构复杂却又与人体结构的耦合性不高等问题，针对这一现象，本发明在设计机器人的髋关节结构时应用了柔性技术，根据弹性体拥有可以双向弯曲和扭转的特性，正好与髋关节额状面的外展和内收运动、水平面的外旋和内旋运动的被动自由度相对应；另外，本发明髋关节在矢状面的屈伸运动被设计为主动自由度，利用髋关节伺服电机4驱动髋关节轴5旋转，正好与矢状面屈伸运动相对应，最终将髋关节设计为三个自由度：矢状面屈伸运动、额状面的外展或内收运动、水平面的外旋或内旋运动。这样就可以简化目前市场上复杂的设计结构，完成对髋关节结构的设计优化。

弹性体的尺寸设计过程具体如下：

根据橡胶弹性物理学，将弹性体的弯曲角度设计为-45°～45°，扭转角度设计为-30°～30°。在进行弯曲分析时，根据材料力学简化模型，将该弹性体看作是一个悬臂梁结构，人体侧方向上的力作用在弹性体上时，可以等效为均布载荷q(单位N/cm)，弹性体弯曲的力学简图如图5所示。

设定a为弹性体的宽度，b为弹性体的厚度，c为弹性体的高度，a、b和c的单位均为cm。根据材料力学公式建立弹性体的最大线位移Y_max(单位cm)表达式：

式中，E为弹性体材料的弹性模量，单位N/m²；

截面惯性矩I(单位cm⁴)表达式如下：

又由于弹性体弯曲角度为45°时，弹性体两端的直线距离必然小于或等于c，则有：

Y_max≤c sin45° (3)

由外部作用力M₁建立等式，即：

其中，m为膝关节、踝关节、人体腿部和人体足部的质量和，单位kg；m＝m₁+m₂，m₁为人体腿部和足部的总质量，根据性别取值，性别为男时取值为m₁₀，性别为女时取值为m₁₁，m₁₀取值为男性腿部和足部质量的平均值，这里取m₁₀＝12kg，m₁₁取值为女性腿部和足部质量的平均值，这里取m₁₁＝10.5kg；m₂为膝关节和踝关节的总质量，单位均为kg；g为重力加速度，单位m/s²；L₁为膝关节和踝关节的质心到弹性体7顶端的距离，单位cm。

联立式(1)、(2)、(3)和(4)，得

3mgL₁c≤Eab³sin45° (5)

g＝9.8m/s²，取弹性体材料的弹性模量E＝6.1×10⁶N/m²，m＝22kg，L₁＝53.2cm代入式(5)得：

79.77c≤ab³ (6)

由于扭转角度最大值设计为π/6(即30°)，则根据材料力学扭转角度

公式建立下列不等式：

其中，G为弹性体材料的剪切模量，取值为2.39×10⁶N/m²，T为弹性体扭转时受到的扭矩，设计最大可承受扭矩为700N·cm。

同时考虑到设计的髋关节连接件的尺寸，选定弹性体宽度a＝10cm，厚度b＝5cm，代入式(7)，得：

c≥0.13 (8)

且a＝10cm和b＝5cm代入式(6)，得：

c≤15.67 (9)

结合式(8)和式(9)，选取c＝10cm。

2、踝关节设计过程

人体踝关节主要在矢状方向上运动，运动范围及受力较小，所需驱动力较小，主要设计原则是保持平衡，适合采用被动自由度。踝关节肌腱作为被动弹性结构在行走过程中起着弹簧的作用，所以在机械结构设计中踝关节配置一对平行的弹簧组件，不受力时，弹簧自然伸长为最大长度；受力时，弹簧被压缩。因此，人体在站立阶段，弹簧会储存能量，在行走过程中会实现势能和动能的交换。

根据杆状力学分析模型可知，当脚跟离地时，脚踝总力矩总和为零，可得脚踝扭矩和地面对脚的反作用力的表达式，通过计算处理，可得两个弹簧的等效弹性系数与脚底板的长度之比，以此为依据来设计踝关节，为外骨骼机器人提供了关节扭矩，实现了外骨骼机器人的稳态行走。

如图6所示，地面对后部下肢外骨骼中脚底板17前端的扭矩T_H表达式如下：

T_H＝F_JL_Jcosδ (10)

其中，F_J为地面对后部下肢外骨骼中脚底板17前端的反作用力，已有研究明确地面对脚趾的反作用力约为人体体重的1.2倍，因此，这里取F_J＝1.2m₀g，m₀为人体体重，性别为男时取值为m₀₁，性别为女时取值为m₀₂，这里m₀₁取男性体重的平均值60kg，m₀₂取女性体重的平均值55kg，δ为经过后部下肢外骨骼的脚底板17前端以及髋关节轴5中心轴线的面与经过髋关节轴5中心轴线的竖直面之间的夹角，L_J为脚底板17的长度。

为使力矩保持平衡，后部下肢外骨骼中两个弹簧组件也提供扭矩k_sα，且有如下关系式：

T_H＝k_sα (11)

其中，k_s为两个弹簧的等效弹性系数，k_s＝2k，k为一个弹簧的弹性系数；α为经过后部下肢外骨骼的脚底板17后端以及髋关节轴5中心轴线的面与经过髋关节轴5中心轴线的竖直面之间的夹角(一般在13～15°中取值)；后部下肢外骨骼的脚底板17后端A点受力分析见图6。

又根据F_J做功的力系平衡，得：

v为行走速度(一般在1.1～1.25m/s中取值)，L_T为髋关节轴5与从动轴的中心距和从动轴与踝关节轴的中心距之和；

联立式(10)、式(11)和式(13)如下：

得：

当人的行走速度v不变时，脚长约等于半步长，此时视为δ＝0，脚底板17离地角度β＝α，则得

则两个弹簧的等效弹性系数与脚底板17的长度L_J之比为

其中

Claims (2)

1.下肢外骨骼机器人，由连接架和两个下肢外骨骼组成，其特征在于：所述的下肢外骨骼主要由髋关节、膝关节和踝关节组成；所述的髋关节包括髋关节连接杆、圆锥滚子轴承、髋关节谐波减速器、髋关节伺服电机、髋关节轴、髋关节转动架和弹性体；所述的髋关节轴通过圆锥滚子轴承支承在髋关节连接杆上，一端与髋关节谐波减速器的输出端固定，另一端与髋关节转动架固定；所述髋关节谐波减速器的输入端与髋关节伺服电机的输出轴固定；髋关节谐波减速器的座体与圆锥滚子轴承的外圈固定；髋关节伺服电机的座体与髋关节谐波减速器的座体固定；所述的弹性体与髋关节转动架固定；所述的髋关节连接杆上设有髋关节弯曲行程开关和髋关节伸展行程开关，髋关节伺服电机的输出轴上还连接有编码器；两个下肢外骨骼中髋关节的髋关节连接杆与连接架两端分别固定；

所述的膝关节包括大腿支撑件、膝关节谐波减速器、膝关节伺服电机、主动轴、主动带轮、同步带、从动轴和从动带轮；所述大腿支撑件的顶部与弹性体固定；所述的主动轴与大腿支撑件构成转动副，并与膝关节谐波减速器的输出端固定；所述膝关节谐波减速器的输入端与膝关节伺服电机的输出轴固定；膝关节谐波减速器的座体与大腿支撑件固定；膝关节伺服电机的座体与膝关节谐波减速器的座体固定；主动带轮固定在主动轴上，并与固定在从动轴上的从动带轮通过同步带连接；从动轴与大腿支撑件底部构成转动副；大腿支撑件上设有膝关节弯曲行程开关和膝关节伸展行程开关，膝关节伺服电机的输出轴上还连接有编码器；

所述的踝关节包括小腿支撑件、踝关节轴、弹簧组件和脚底板；所述的小腿支撑件顶部与从动轴固定；所述的踝关节轴与小腿支撑件底部构成转动副；所述脚底板的后端与踝关节轴固定，中部与小腿支撑件通过平行设置的两个弹簧组件连接；所述的弹簧组件由滑杆、弹簧和滑套组成；滑杆一端与小腿支撑件铰接，另一端与滑套一端构成滑动副；滑套另一端与脚底板铰接；

所述的膝关节伺服电机和髋关节伺服电机均由控制器控制，髋关节弯曲行程开关、髋关节伸展行程开关、膝关节弯曲行程开关、膝关节伸展行程开关和两个编码器的信号输出端均与控制器连接；

其中，弹性体的尺寸设计过程具体如下：

将弹性体的弯曲角度设计为-45°～45°，扭转角度设计为-30°～30°，设定a为弹性体的宽度，b为弹性体的厚度，c为弹性体的高度，q为侧方作用在弹性体上的均布载荷，根据材料力学公式建立弹性体的最大线位移Y_max表达式：

式中，E为弹性体材料的弹性模量，截面惯性矩I表达式如下：

又由于弹性体弯曲角度为45°时，弹性体两端的直线距离小于或等于c，则有：

Y_max≤csin45° (3)

由外部作用力M₁建立如下等式：

其中，m为膝关节、踝关节、人体腿部和人体足部的质量和，g为重力加速度，L₁为膝关节和踝关节的质心到弹性体顶端的距离；

联立式(1)、(2)、(3)和(4)，得

3mgL₁c≤Eab³sin45° (5)

由于扭转角度最大值设计为π/6，则根据材料力学扭转角度

公式建立下列不等式：

其中，G为弹性体材料的剪切模量，T为弹性体扭转时受到的扭矩，设计最大可承受扭矩为700N·cm；

选定弹性体宽度a和厚度b的具体值，分别代入式(5)和式(6)，得弹性体的高度c的取值范围；

其中，踝关节中两个弹簧的等效弹性系数与脚底板的长度之比设计如下：

地面对后部下肢外骨骼中脚底板前端的扭矩T_H表达式如下：

T_H＝F_JL_Jcosδ (7)

其中，F_J为地面对后部下肢外骨骼中脚底板前端的反作用力，F_J＝1.2m₀g，m₀为人体体重，δ为经过后部下肢外骨骼的脚底板前端以及髋关节轴中心轴线的面与经过髋关节轴中心轴线的竖直面之间的夹角，L_J为脚底板的长度；

为使力矩保持平衡，后部下肢外骨骼中两个弹簧组件也提供扭矩k_sα，且有如下关系式：

T_H＝k_sα (8)

其中，k_s为两个弹簧的等效弹性系数，k_s＝2k，k为一个弹簧的弹性系数；α为经过后部下肢外骨骼的脚底板后端以及髋关节轴中心轴线的面与经过髋关节轴中心轴线的竖直面之间的夹角，α在13～15°中取值；

又根据F_J做功的力系平衡，得：

则得：

其中，v为行走速度，v在1.1～1.25m/s中取值，L_T为髋关节轴与从动轴的中心距和从动轴与踝关节轴的中心距之和；

联立式(7)、式(8)和式(10)，得：

当人的行走速度v不变时，视为δ＝0，脚底板离地角度β＝α，则得

则两个弹簧的等效弹性系数与脚底板的长度L_J之比为

其中

2.根据权利要求1所述的下肢外骨骼机器人，其特征在于：所述的踝关节轴通过圆锥滚子轴承支承在小腿支撑件底部，踝关节轴两端均设有轴承闷盖；所述的轴承闷盖与小腿支撑件固定，并对支承踝关节轴的圆锥滚子轴承轴向定位。

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