长时间保持站立或某种角度蹲姿容易对人体肌肉造成损伤,轻则造成肌肉持续疼痛,重则引发职业性肌肉骨骼疾病(WMSDs)。在美国WMSDs占所有职业疾病的65%,我国某些职业如装配工WMSDs发病率高达90%,WMSDs给人类健康造成巨大威胁。为了预防WMSDs或缓解患者肌肉的疼痛,本文设计了一种新型重力支撑下肢外骨骼,用于支撑人体下蹲时的部分体重,以达到减小关节力,从而分担部分肌肉力的功效。首先以人体为研究对象,将躯干、大腿、小腿和足部等效为等质量刚性杆,将髋、膝和踝关节等效为铰链,建立了人体四杆模型,利用Vicon运动捕捉系统实验测量的人体下蹲过程中关节角度,结合模型计算关节内力,解决了关节内力难以直接测量的难题。模型计算与实验测量的足底压力结果一致,证明人体四杆模型的正确性。通过模型计算人体保持某种蹲姿时各个关节力,为结构设计奠定理论基础。基于关节内力的计算结果,设计开发了一种质量轻、造价低、功耗低、穿戴舒适且可以自动控制膝关节自锁的重力支撑外骨骼。在外骨骼机构设计方面,将人体膝关节视为铰链,分析并设计了棘轮自锁及其控制机构;为了使外骨骼能够适用于身高范围在1.5~1.8米的人群,设计了长度调节机构。针对自锁控制问题,设计了基于膝关节角度变化驱动的控制系统,用于解放用户双手;为了计算控制系统功耗大小,模拟了装配工人穿戴外骨骼工作的场景,计算结果表明:外骨骼每次充满电可供装配线工人使用5天。在此基础上,对外骨骼穿戴舒适性进行仿真分析,将外骨骼和人体肌肉骨骼系统分析软件Opensim中的Gait2392型下肢肌肉骨骼模型耦合,分析比较人体穿戴外骨骼前后(外骨骼不自锁)正常行走和下蹲时肌肉力和肌肉代谢的变化。仿真结果中的肌肉力和肌肉代谢大小基本不变,表明外骨骼对人体行走和下蹲运动影响较小,外骨骼结构设计合理。此外,利用Opensim证实了人机膝关节同轴下肢重力支撑外骨骼穿戴更加舒适,验证了文中外骨骼结构设计的合理性。最后,制作了实物样机,并通过实验分析其性能。利用Vicon运动捕捉系统,分析外骨骼对人体行走步态的影响,实验结果证明:外骨骼对人体行走步态影响较小;利用AMTI OR60测力板测量人体下蹲时足底压力,联合Opensim软件计算外骨骼支撑人体时肌肉力和肌肉代谢大小的变化,计算结果表明:人体穿戴外骨骼保持90度蹲姿时,足底压力减少65.16%,股直肌肌肉力减少54.05%,股外侧肌肌肉力减少32.8%;实验测定外骨骼支撑人体时肌肉肌电信号的变化,结果表明:外骨骼支撑人体90度蹲姿时,股直肌和股外侧肌肌电幅值分别降低93.2%和88.96%。仿真和实验结果表明设计的外骨骼能够支撑人体下蹲时部分体重,实现减少肌肉力的目的,且对人体下肢运动影响较小。