外骨骼的主要结构部件包括刚性框架、关节、驱动器、连杆和连接点。无论您构建的是被动式弹簧辅助装置还是主动式电机驱动系统，这些部件都承载着所有负载。预计到2026年，全球外骨骼市场规模将达到1.82亿美元。主动式系统占该技术领域的66.0%。这一增长意味着越来越多的工程师和爱好者正在致力于可穿戴机器人结构的研发和制造。本指南将解释这些外骨骼结构部件的制造方法以及生产过程中需要注意的事项。您将找到适用于医疗、工业和航空航天领域的外骨骼机器人的实用指导。
常见的外骨骼结构部件
所有外骨骼都使用相同的基本结构部件。刚性框架承载重量，关节使各部件能够活动，驱动器产生力，连接点与人体连接。被动式和主动式外骨骼都使用这些部件。区别在于它们提供支撑的方式。
被动式外骨骼利用机械弹簧、气弹簧或弹性带。它们承受负荷并将其转化为可用能量。这些系统可以改善姿势，并为身体某些部位提供轻度支撑。它们起到预防作用，主要功能是保护工人在作业过程中免受不良负荷的影响。主动式外骨骼的工作原理不同。它们通过电脉冲或气动驱动提供支撑。您可以根据作业需要调整脉冲强度。许多型号配备传感器，可以检测肌肉张力并实时控制支撑。这些系统通常需要电池供电才能维持整个工作班次。
这些设备的工业用途涵盖众多领域。在金属加工、机械工程、汽车制造、电气工程和木材加工等领域，都能看到外骨骼机器人的身影。它们也应用于制药、食品生产、商业厨房和轮胎加工等行业。这些外骨骼结构部件必须每天应对严苛的工况。
刚性框架和承重结构
函数与几何
刚性框架是任何外骨骼的骨架。它将来自驱动器的载荷传递到人体。框架的几何形状决定了力在系统中的传递方式。精心设计的框架能够将载荷集中在强壮的身体部位，并避免作用于软组织。
大多数支撑架的形状都与它们所支撑的身体部位相匹配。背部支撑架沿着脊柱和髋部延伸。肩部支撑架的支臂从躯干延伸到上臂。其几何形状必须符合人体解剖结构。不合适的支撑架会导致不适并降低支撑效果。
材料与重量的权衡
平衡强度和重量至关重要。过重的车架会让使用者感到疲劳，而强度不足的车架则容易在负重下断裂。设计师会选择强度重量比高的材料。铝合金因其良好的平衡性而广受欢迎。钛合金则适用于需要在薄截面上保持高强度的情况。碳纤维等复合材料虽然强度重量比最高，但成本也更高。材料的选择会影响重量和整体性能。
关节、连杆和运动部件
旋转关节和直线关节
这些外骨骼结构部件使设备能够随用户移动。旋转部件的工作原理类似于人类的肘部或膝部，它们绕单一轴旋转。线性部件则允许运动滑动，就像气缸中的活塞一样。选择合适的部件类型取决于您希望辅助的身体运动。
外骨骼机器人的髋关节部件在举重过程中必须承受巨大的力。轴承必须经久耐用且运转顺畅。连接处的任何松动都会降低支撑精度。优秀的设计目标是在不增加摩擦的情况下实现零间隙。
活动范围的连杆设计
连接件将这些点连接起来，它们决定了系统可以移动的幅度。限制过多会阻碍自然运动，而自由度过大则会导致需要支撑的地方失去支撑。
生物力学在连杆机构设计中扮演着重要角色。人体运动方式复杂多变，简单的铰链难以很好地捕捉这种复杂性。一些外骨骼机器人采用多杆连杆机构来模拟自然运动。这种方法需要进行细致的生物力学分析。工程师首先研究运动模式，然后设计能够遵循这些模式的连杆机构。
执行器和连接点
执行器安装和载荷路径
执行器产生力来帮助用户移动。每个执行器都必须靠近其所辅助的部件。这样可以保持载荷路径短而直接。过长的载荷路径会增加重量并降低效率。安装支架必须足够坚固。柔性支架会浪费能量并延迟响应。对于主动式执行器，安装点需要承受快速变化方向的动态载荷。
肩带、袖口和人体接触点
设备与身体接触的部位至关重要。绑带和袖带会将框架上的力量传递给使用者。设计不良的接触点会导致疼痛和压力，并且可能在使用过程中发生移位，从而降低设备的效果。
袖口应足够宽，以便分散压力。衬垫有助于分散压力。界面材料必须对皮肤安全。医用外骨骼均经过皮肤接触标准测试。即使是工业用外骨骼，长时间佩戴也不应引起皮肤刺激。
通过精心设计的界面实现人体增强至关重要。不舒适的系统不会被佩戴，这违背了初衷。对这些细节的周密规划与坚固的框架和强大的执行器同样重要。医疗应用更需要格外注意，因为用户可能皮肤敏感。
外骨骼结构件常用材料
你选择的材料会影响外骨骼的每一个部分。它决定了重量、强度、成本和使用寿命。不同的用途需要不同的材料。用于康复的医疗外骨骼有一套需求，而用于工厂车间的工业外骨骼则有另一套需求。以下是适用材料及其原因。
金属和合金
铝和钛
铝是外骨骼框架的首选材料。它轻便、坚固且易于加工。最常用的有两种牌号。6061-T6 的屈服强度为 276 MPa，具有极佳的耐腐蚀性，常用于大腿和小腿的连接部件。7075-T6 的强度更高，其抗拉屈服强度可达 503 MPa，接近某些钢材的强度。但 7075 存在一个问题：它含有铜。这些铜在潮湿空气中会形成微小的原电池，导致金属出现点蚀和裂纹。硬质阳极氧化涂层可以解决这个问题。
| 特性 | 6061 T6 | 7075-T6 / 7075-T651 |
| 拉伸屈服强度 | 276兆帕 | 503兆帕 |
| 疲劳强度 | 96兆帕 | 160兆帕 |
| 弹性模量 | 71.0加仑 | 71.7加仑 |
| 耐腐蚀性 | 稳定的自钝化Al₂O₃氧化物膜 | 含铜量为1.2%～2.0%；需要涂层 |
| 涂层要求 | 恶劣环境下无需任何措施 | 必须进行钝化或涂层处理 |
从 6061 铝合金换成 7075 铝合金，在相同的拉伸载荷下，横截面积会减少约 45%。但刚度几乎保持不变。如果屈曲是您设计的限制因素，那么 7075 铝合金就帮不上忙了。钛的性能优于这两种合金。它比钢轻，强度也高于大多数铝合金。但缺点是成本和加工时间。
先进的热固性/阳极氧化多层涂层系统可密封7075-T6基材上的微孔。这可防止水分在高频循环载荷下引发应力腐蚀开裂，即使经过超过10万次的步态循环测试，性能依然卓越。密封的硬质阳极氧化表面可承受超过2,000小时的盐雾试验而不出现点蚀。
钢铁及特种合金
钢材常用于高磨损部件。轴承座、连接销和枢轴点通常都采用钢材。它虽然重，但坚韧耐用且价格低廉。一些被动式外骨骼设计采用弹簧钢来储存弹性能。特种合金则用于航空航天级部件。它们能够轻松承受极端循环载荷。
工程塑料和复合材料
碳纤维和玻璃纤维
在制造外骨骼时，复合材料具有最佳的强度重量比。碳纤维是高端框架的首选材料。它刚性强、重量轻，并且比金属更耐疲劳，从而提高了长期性能。玻璃纤维成本更低，适用于不太关键的部件，例如盖板和支架。两者在制造过程中都需要精细的铺层工艺。气泡或纤维错位都会严重削弱最终部件的强度。
高性能塑料
PEEK 和 Ultem 等塑料可用于制造关节衬套和轴承表面。它们无需润滑脂即可耐磨损。玻璃纤维增强尼龙则适用于袖口和肩带。这些材料可以减轻重量并降低成本。此外，它们还能模制成用铝加工成本极高的形状。
材料选择标准
强度、刚度和疲劳
您的材料必须能够承受反复循环的载荷。外骨骼要经历数千次的步态周期，每次循环都会对框架造成压力。6061-T6 的疲劳强度为 96 MPa，而 7075-T6 的疲劳强度可达 160 MPa。如果您要制造用于高循环使用的产品，请选择 7075 或碳纤维。刚度也很重要。框架弯曲会浪费能量，并且会让用户感觉松动。请根据载荷路径选择合适的材料。
成本、可用性和生物相容性
对于医疗应用而言，材料必须对皮肤安全。医用外骨骼遵循严格的生物相容性标准。工业产品则无需满足这一要求。成本也是选择材料的重要因素。6061铝合金价格低廉且易于获取。碳纤维成本更高，生产周期也更长。小批量生产更适合机加工金属。大批量生产则更适合注塑成型塑料。首先要考虑您的生产计划，然后再选择合适的材料。
外骨骼结构件的加工工艺
您已经选好了材料。现在需要将它们转化为真正的外骨骼结构部件。您选择的工艺流程决定了成本、速度和质量。它还决定了您以后修改设计的难易程度。让我们一起来看看外骨骼结构部件的主要选项。
CNC 加工和金属铸造
数控铣削和车削
数控加工是外骨骼机器人生产的主力军。计算机控制切削刀具，将金属或塑料切削成所需的精确形状。数控铣削用于加工平面、槽和凹槽。车削则用于加工销钉和衬套等圆形零件。它们共同完成了大部分框架部件的加工。
最大的优势在于精度。CNC加工的标准公差为±0.02毫米，关键特征的精度可达±0.005毫米。这对于轴承配合和过盈配合至关重要。此外，您只需5到7天即可收到首件产品，无需模具。设计变更无需额外费用，只需在下一件产品上进行修改。对于原型制作和小批量生产而言，这无疑是最佳选择。
熔模铸造和压铸
铸造是将熔融金属浇注到模具中。熔模铸造可以处理形状复杂、细节精细的部件。压铸则使用钢模进行大批量生产。两者都需要先制作模具，这会增加成本和时间。
看看这些数字。100 个铝制支架，CNC 加工成本约为 2,500 美元。压铸成本为 15,300 美元，因为模具成本较高（15,000 美元模具费加上 300 美元制造费）。1,000 个零件时，CNC 加工成本高达 25,000 美元，而压铸成本则降至 18,000 美元。许多金属零件的临界点出现在 680 个左右。压铸需要数周时间进行模具制造，通常为 3-6 周，此外还需要额外的时间进行取样和测试。CNC 加工可以在 5 到 7 天内开始。因此，如果您需要快速生产零件，CNC 加工更胜一筹。如果您需要数千个零件且设计已定型，那么压铸则更划算。
注塑成型和复合材料铺层
塑料注塑成型
注塑成型是将熔化的塑料注入钢模中。这是批量生产塑料外骨骼结构件最经济的方法。但模具成本很高，价格从3,000美元到50,000万美元甚至更高。一旦开始批量生产，单位成本就会迅速下降。
举个实际例子。一个中等复杂程度的外壳需要一个价值 20,000 万美元的模具。注塑成型的零件每个成本 1.50 美元，而数控加工的零件每个成本 45 美元。分频器大约需要 460 个零件。如果总共生产 3,000 个零件，注塑成型比数控加工可以节省 96,600 美元。但问题在于：设计变更意味着需要修改或重新制作模具。每次修改的成本可能在 2,000 美元到 20,000 万美元之间。所以，最好先确定好设计方案。
| 因素 | 数控加工 | 注射成型 |
| 加工成本 | 没有 | $ 3,000– $ 50,000 + |
| 单位成本 | 中 | 非常低（高音量） |
| 设计变更 | 简单且成本低廉 | 昂贵 |
| 最佳音量 | 1–1,000 单位 | 5,000多个单位 |
铺层成型、压缩成型和树脂传递成型
复合材料的制造需要不同的方法。铺层法是将碳纤维或玻璃纤维片材手工或机器堆叠起来。压缩成型法是将它们放入加热的模具中压制成型。树脂传递模塑法是将树脂注入封闭的模具中，包裹住干燥的纤维。这三种方法都能制造出坚固轻盈的外骨骼结构件。关键在于纤维的排列方向。纤维的褶皱或错位会降低强度。这些方法适用于对重量要求极高的大型框架部件。
3D打印和定制加工的外骨骼机器人
FDM、SLS 和 SLM
增材制造逐层构建零件。熔融沉积成型（FDM）技术挤出塑料丝，成本低廉且速度快，适用于制造支架和盖板。选择性激光烧结（SLS）技术将尼龙粉末烧结成坚固、复杂的形状。选择性激光熔化（SLM）技术熔化金属粉末，用于制造承重零件。定制加工的外骨骼机器人通常会结合数控加工（CNC）和增材制造技术。例如，先打印出复杂的关节壳体，然后加工轴承孔至最终尺寸。这种组合工艺能够处理任何单一工艺都无法实现的几何形状。
后处理和准确性
打印部件很少能直接使用。FDM打印需要去除支撑结构并进行打磨。SLS打印需要喷砂处理。SLM打印需要消除应力并进行热处理。打印后进行机械加工可以确保尺寸精度，还能修复对公差要求严格的表面。如果没有后处理，层纹和翘曲会影响配合和疲劳寿命。
工艺选择主要取决于三个因素：产量决定成本；零件复杂程度决定可行性；材料要求决定性能。对于原型制作，CNC 和 FDM 工艺是首选；对于数千件产品，注塑成型和压铸工艺则更为合适；而对于需要精密制造的金属外骨骼结构件，CNC 仍然是稳妥之选。一家提供全方位服务的制造合作伙伴可以提供所有服务，在一个屋檐下完成 CNC 加工、铸造、注塑成型和增材制造等工作。这有助于客户从原型制作过渡到批量生产，而无需频繁更换供应商。
外骨骼结构部件的设计考虑因素
优秀的外骨骼设计不仅仅是选择材料和工艺。你还需要考虑重量、耐用性、成本和贴合度。这些因素决定了你的设备在实际应用中的效果。让我们来看看主要的工程考量因素。
减重与强度重量比
拓扑优化和晶格
对于可穿戴设备而言，每一克都至关重要。拓扑优化利用软件去除低应力区域的材料，从而形成一种有机形状，在需要的地方保持强度。晶格结构更进一步，用重复的图案取代实心部分，在减轻重量的同时保持刚度。用于航空航天装配的外骨骼机器人必须减轻工人的疲劳、预防工伤并提高精度，而轻量化框架正是实现这些目标的关键。
材料厚度和肋条设计
薄壁可以减轻重量，但容易弯曲变形。加强筋可以在不增加太多重量的情况下增加刚度。为了达到最佳效果，应将加强筋沿受力路径布置。这里的设计权衡是真实存在的。框架太薄会在受力时弯曲变形，太厚则会让使用者感到疲劳。找到平衡点需要分析使用过程中实际受力情况。
耐久性、疲劳性和安全性
循环载荷和应力集中
外骨骼每班次要经历数千次循环。每一次迈步或抬举都会对框架施加压力。孔洞、拐角和急转弯处的应力集中会成为裂纹的源头。将内角打磨成圆角。在载荷方向改变的地方添加圆角。这些小小的改变就能大大延长疲劳寿命。
Skelex外骨骼利用动态平衡技术使手臂感觉轻盈。这种方法对结构设计提出了要求，因为框架必须承受持续的弹簧力。该机制在每次运动中储存和释放能量。这意味着结构会承受持续的循环载荷。
故障模式和冗余负载路径
部件断裂会发生什么？在医疗和工业应用中，故障可能会对用户造成伤害。冗余的载荷路径可以提供备份。如果一个部件发生故障，另一个部件可以承受载荷。这会增加重量和复杂性。但安全性通常足以抵消这些成本。工业外骨骼的测试方法已经发展到包括模拟实验室和现场环境。这些测试可以在实际使用之前揭示故障模式。
成本、可扩展性和定制化
模具成本和生产量
小批量生产时，模具成本会大幅增加。CNC加工无需模具。注塑成型和压铸则需要昂贵的模具。最终选择哪种工艺取决于您的产量。如果产量只有几百件，机械加工更划算。如果产量达到数千件，注塑成型则更具优势。在确定生产工艺之前，务必先规划好您的产量。
模块化设计，可定制
每个人的体型都不同。人体测量学定制确保设备完美贴合用户。模块化设计允许您更换框架部件、绑带和袖口，无需新模具即可实现定制。可调节的长度和宽度可解决大多数贴合问题。对于医疗应用，定制贴合的界面可提高舒适度和依从性。可通过模块化附件添加特定应用所需的几何形状，从而在保持核心框架标准的同时，适应不同的应用场景。
平衡性能与可制造性是核心挑战。对于连接和接口而言，精密公差至关重要。但严格的公差意味着更高的成本。要清楚哪些地方需要高精度，哪些地方不需要。
NOBLE：外骨骼结构件制造合作伙伴
选择合适的制造合作伙伴至关重要，它决定着项目的成败。一家提供全方位服务的外骨骼结构件供应商能够一站式完成金属和塑料加工，从而减少您管理多个供应商的需求。无论您需要单个原型还是数千件产品，一家综合性合作伙伴都能帮您处理整个流程。
金属和塑料加工技术
这样的合作伙伴通常拥有能够对关键特征进行严格公差控制的数控加工中心。他们的铸造生产线可进行熔模铸造和压铸，以生产复杂形状的金属零件。注塑机则可批量生产塑料零件。这种组合使您能够为每个组件选择合适的工艺。例如，承重支架可能采用数控加工，而外壳盖可能采用注塑成型。团队会协助您根据零件匹配合适的工艺。
复合材料和增材制造
复合材料铺层和树脂传递模塑工艺可以制造轻量化框架部件。增材制造填补了定制加工外骨骼机器人的空白。您可以打印复杂的关节壳体，然后将轴承孔加工至最终尺寸。这种混合方法解决了单一工艺无法应对的几何难题。经验丰富的工程师知道何时应该打印，何时应该切割。
认证和质量标准
质量管理认证对于一般制造业和医疗器械行业都至关重要。这些认证有助于建立医疗保健和工业领域客户的信任，确保流程规范化和产品质量稳定。
质量控制和可追溯性
每一批产品都应经过多阶段检验。物料批次和工艺参数均会被跟踪。一旦出现问题，即可追溯到源头。这种级别的管控能够确保安全关键部件的精密制造。每批货物均附有检验报告。
从设计到组装的全方位服务支持
面向制造和原型制作的设计
在生产开始前，工程师会审核您的设计。他们会指出哪些功能会增加成本或导致缺陷。这种反馈可以节省时间和金钱。原型制作服务让您可以尽早测试产品的尺寸和功能。您可以快速迭代，而无需投入昂贵的模具费用。
组装、测试和批量生产
合作伙伴负责组装、测试和最终检验。这种全方位服务模式简化了您的供应链。对于外骨骼机器人生产而言，您将拥有一个了解整个系统的合作伙伴。批量生产可以从试生产平稳过渡到全面量产。
从实际角度来看，将金属和塑料方面的专业知识与全面的服务相结合具有重要价值。质量体系能够为工业和医疗领域的应用提供支持。如果您需要精密制造的外骨骼机器人，可靠的合作伙伴能够降低风险并加快开发速度。定制选项和模块化设计支持也有助于满足不同的用户需求。
现在您已经了解了外骨骼的主要结构部件：框架、关节、连杆、驱动器和人体接口。每个部件都需要合适的材料和工艺。铝材非常适合用于机加工支架。碳纤维最适合轻量化框架。CNC加工适合制作原型，而模压和铸造则适用于大批量生产。
性能与可制造性之间的平衡仍然是真正的挑战。严格的公差有利于关节的制造，但也会增加成本。在设计或采购下一代外骨骼时，请参考这些指导原则。像NOBLE这样的合作伙伴能够整合金属和塑料方面的专业知识，从而降低风险并加快从原型到生产的开发进程。
外骨骼结构部件常见问题解答
外骨骼的主要结构组成部分是什么？
这些关键的外骨骼结构部件包括刚性框架、关节、连杆、驱动器和连接点。框架支撑重量。关节和连杆使部件能够活动。驱动器推动系统运动。绑带和袖套将其固定在人体上。被动式和主动式系统都使用这些相同的部件。
哪种材料最适合制作轻型车架？
这取决于您的预算和计划制作的数量。6061铝合金价格低廉且易于加工。碳纤维重量轻，强度最高，但价格也更高。钛合金则介于两者之间。选择材料时，请根据您的载荷路径和制作数量进行选择。
什么情况下应该选择数控加工而不是铸造？
CNC加工最适合制作原型和小批量产品。无需模具，几天就能拿到零件。铸造在生产约680件后才划算，因为模具成本可以分摊到许多外骨骼结构件上。在支付模具费用之前，务必确保设计最终定稿。
3D打印技术能否制造承重外骨骼部件？
是的，只要采用正确的工艺。SLM 打印的金属零件强度足以满足结构用途。FDM 和 SLS 则非常适合打印支架和盖板。大多数打印零件仍需进行额外的加工，例如加工轴承孔，才能达到最终精度。
如何在不损失力量的情况下减轻体重？
拓扑优化技术可去除低应力区域的材料。晶格结构取代了带有重复图案的实体截面。加强筋则可增强载荷路径上的刚度。这些方法在减轻重量的同时，还能保持车架强度，满足日常使用需求。
这些部件早期失效的原因是什么？
孔洞、拐角和尖锐变化处的应力集中会导致裂纹产生。反复加载会使裂纹扩展。因此，应将内角打磨成圆角，添加圆角，并选择抗疲劳强度高的材料。设置备用载荷路径可以提高医疗和工业应用的安全性。
为什么生物相容性对医用外骨骼如此重要？
与皮肤接触的材料必须符合严格的生物相容性标准。工业设备无需如此。医疗器械需要安全的接口，因为使用者可能皮肤敏感。尽早选择合适的材料可以避免后期重新设计。这些因素都会影响成本和工期。
我该如何选择外骨骼结构件的生产合作伙伴？
寻找能够同时处理金属和塑料加工的合作伙伴。核实其是否拥有相关的质量管理认证。询问其是否能在制造设计、原型制作和组装方面提供帮助。提供全方位服务的合作伙伴能够降低风险并加快开发速度。
