当前,有很多研究人员通过设计人体外骨骼来辅助人体行走。但大多数助力外骨骼是需要自带供能系统(如电池等)进行供能,一旦能量耗尽,得不到补充,这些设备就无法使用。为了解决助力外骨骼对自带供能系统的依赖问题,有研究者希望通过捕获自然界的能量为外骨骼供能,如光能、风能等,但受使用场合和功率限制,这些方法也不可行。而通过对人体步行运动特征的研究发现,人体步行是一个周期性运动,人体在这个周期中不同阶段的能量分布是不均匀的,如果可以调整行走过程中身体能量的时间和空间分布,则可以有效地实现行走助力的目的。因此,本课题将利用人体的运动特征和人体能量捕获技术,设计无需供能的下肢行走助力外骨骼。本课题提出了两种基于膝关节的下肢行走助力装置。在设计下肢助力装置之前,我们首先研究了人体正常行走时的运动特征和下肢的生物力学模型,然后根据这些研究理论提出了建立下肢行走助力和能量捕获的数学模型,用于提高助力和能量捕获的性能。随后总结了设计下肢助力系统的具体方法。基于上述的模型和设计方法,本课题设计了首先设计了基于膝关节的助力器,随后通过改进,设计了另一款下肢助力外骨骼。为了验证理论,两种助力装置的原型样机都被加工制造出来,并用于测试中,以验证它们的性能。实验结果表明,膝关节助力器和下肢助力外骨骼两个装置都能够实现节省生物能来实现助力,并可以在人体行走过程中捕获额外动能进行发电。膝关节助力器和下肢助力外骨骼在行走过程中最大可以节省的人体生物能百分比分别为3.62%和3.12%;而从行走中捕获能量的最大输出功率分别为5.8W和6.47W。