护士、医生、流水线工人等群体,由于长时间站立,腿部得不到休息,经常感到身体酸痛,极易导致下肢肿胀和静脉曲张。对于长久站立的工作者,随着工作时间的增加,腿部的不适会使得工作效率逐渐降低。手术室和生产线的空间有限,无法为工作者提供椅子坐下休息。本课题旨在设计一种柔性下肢外骨骼,穿戴在人体的腿部,利用人体自身的柔性驱动,突破刚性结构对穿戴者的运动限制。穿戴者下蹲时,柔性下肢外骨骼的腿部支架能够形成稳定的椅子,使穿戴者可以坐下来休息,减轻腿部肌肉的疲劳。本文的主要内容:(1)分析人体下肢的结构与自由度,确定髋关节有3个自由度、膝关节1个自由度、踝关节3个自由度。进行人体蹲坐实验,实验对象身高范围为1580～1840mm,体重范围为52.2～96.1kg,获得人体下肢的相关尺寸,包括大腿围、小腿围、腰围、大腿长和小腿长等。计算人体蹲坐的实验数据,获得实验对象达到蹲坐舒适状态时,膝关节的夹角范围为113.05°～148.97°,踝关节后侧点与髋关节后侧点之间的距离为482～572mm。(2)利用变胞机构和折叠机构的结构型式,提出柔性下肢外骨骼的3种设计方案,通过多因素模糊评价法,获得最优的柔性下肢外骨骼设计方案。绘制柔性下肢外骨骼的结构图,通过设计方案的优化与改进,确定柔性下肢外骨骼的最佳结构。(3)运用Creo2.0软件建立柔性下肢外骨骼的三维模型,采用Creo软件建立人体的三维,设置人体与柔性下肢外骨骼的约束关系,建立人体穿戴柔性下肢外骨骼的耦合模型,导入ADAMS软件,设置柔性下肢外骨骼的物理特性和约束关系,对柔性下肢外骨骼进行动力学仿真,获得大腿连杆的合力在初始状态时达到最大值6.65N,支撑杆的合力在5s时达到最大值2.43N,支撑套筒的合力在5s时达到最大值3.74N。(4)利用ANSYS软件对柔性下肢外骨骼的危险构件进行有限元分析,输出支撑杆和支撑套筒的变形图与应力图。分析结果表明,支撑杆的最大变形为1.11mm,最大应力为184.04MPa;支撑套筒的最大变形为0.32mm,最大应力为49.99Mpa;柔性下肢外骨骼的杆件材料选用7050-T7651铝合金,许用应力为312.5MPa,最大应力小于许用应力,满足设计要求。研究柔性下肢外骨骼的蹲坐支撑性能,使得穿戴者能够随时坐下休息,提高穿戴者的工作效率,缓解长期站立引起的腿部疲劳,防止静脉曲张,减轻下肢肿胀,减少相关的并发症,具有重要的科学意义、社会价值和应用前景。