膝关节是全身最主要的承重关节，它结构复杂，长期负重且运动量大，是下肢活动的枢纽。因此，其伤病率也位居所有关节之首。其中，最为常见的病症之一就是骨性关节炎，长期和增大的关节负载是其致病的主要外因。同时，膝关节软骨磨损、半月板损伤等也是膝关节的常见病症，它们的发生恶化都与关节负载相关。而膝关节免荷矫形器通过矫正力线，重新分配关节负荷成为治疗这些关节疾病，减轻患者疼痛，恢复其活动能力的重要手段。本文首先介绍了矫形器的分类、功能、材料、生物力学原理、设计原则、发展趋势、使用人群心理以及可能出现的副作用。其次，以“免荷”为中心，在描述膝关节的解剖结构、运动特征、下肢承力机制的基础上，分析了关节负荷在膝关节骨性关节炎，半月板、软骨损伤中的角色和作用原理。并据此，从生物力学的免荷角度，阐述了相应的治疗方案如减肥、加强下肢运动训练、改变运动方式、应用矫形或助力器械。再次，本文通过分析现有膝关节免荷矫形器的作用机制和局限性，提出了新的整体免荷思路：通过机构设计，将膝关节以上的部分负载直接传递给膝关节以下部分，由机构和膝关节共同承担载荷实现膝关节的整体免荷。并根据此思路，设计了六种机构的实现方案，均可将膝关节的旋转运动转化成大腿托的直线运动，使免荷成为可能。同时，对这六种方案分别进行了运动和力学分析，比较其优劣，并对最终的方案进行了矫形器结构的整体设计和优化设计。最后，为了验证新设计机构的免荷作用，并基于原理安全性考虑，本文详细分析了机构对膝关节作用，包括机构对关节力线的限制和保护；大腿托作用下，大腿的受力情况；膝关节瞬心与机构旋转中心差异对下肢屈伸的影响等。并且，通过建立下肢与机构的生物力学模型，对新免荷机构作用下膝关节伸展进行力学分析，文章证明了机构对膝关节接触力的减免作用以及指出了膝关节整体免荷方案在免载能力和人体代偿间存在的矛盾，因此，其应用需要寻求两者之间寻求平衡。同时，本文设计了生物力学实验，建立了大腿托与皮肤的压力，阻力和皮肤变形滑移之间的关系，求得其阻尼特性以及膝关节需要克服机构的阻力矩和额外付出的能量。通过以上理论与实验的设计分析，验证了整体免荷型膝关节矫形器的有效性，同时，也初步评价了机构的安全性以及对人体的影响。