外骨骼的主要結構部件包括剛性框架、關節、驅動器、連桿和連接點。無論您建造的是被動式彈簧輔助裝置還是主動式馬達驅動系統，這些部件都承載著所有負載。預計2026年，全球外骨骼市場規模將達到1.82億美元。主動式系統佔該技術領域的66.0%。這一成長意味著越來越多的工程師和愛好者正在致力於穿戴式機器人結構的研發和製造。本指南將解釋這些外骨骼結構零件的製造方法以及生產過程中需要注意的事項。您將找到適用於醫療、工業和航空航天領域的外骨骼機器人的實用指導。
常見的外骨骼結構部件
所有外骨骼都使用相同的基本結構部件。剛性框架承載重量，關節使各部件能活動，驅動器產生力，連接點與人體連接。被動式和主動式外骨骼都使用這些零件。差別在於它們提供支撐的方式。
被動式外骨骼利用機械彈簧、氣彈簧或彈性帶。它們承受負荷並將其轉化為可用能量。這些系統可以改善姿勢，並為身體某些部位提供輕度支撐。它們起到預防作用，主要功能是保護工人在作業過程中免受不良負荷的影響。主動式外骨骼的工作原理不同。它們透過電脈衝或氣動驅動提供支撐。您可以根據作業需要調整脈衝強度。許多型號配備感測器，可以偵測肌肉張力並即時控制支撐。這些系統通常需要電池供電才能維持整個工作班次。
這些設備的工業用途涵蓋眾多領域。在金屬加工、機械工程、汽車製造、電機工程和木材加工等領域，都能看到外骨骼機器人的身影。它們也應用於製藥、食品生產、商業廚房和輪胎加工等行業。這些外骨骼結構部件必須每天應對嚴苛的工況。
剛性框架和承重結構
函數與幾何
剛性框架是任何外骨骼的骨架。它將來自驅動器的負載傳遞到人體。框架的幾何形狀決定了力在系統中的傳遞方式。精心設計的框架能夠將負荷集中在強壯的身體部位，並避免作用於軟組織。
大多數支撐架的形狀都與它們所支撐的身體部位相符。背部支撐架沿著脊椎和髖部延伸。肩部支撐架的支臂從軀幹延伸到上臂。其幾何形狀必須符合人體解剖結構。不合適的支撐架會導致不適並降低支撐效果。
材料與重量的權衡
平衡強度和重量至關重要。過重的車架會讓使用者感到疲勞，而強度不足的車架則容易在負重下斷裂。設計師會選擇強度重量比高的材料。鋁合金因其良好的平衡性而廣受歡迎。鈦合金則適用於需要在薄截面上保持高強度的情況。碳纖維等複合材料雖然強度重量比最高，但成本也更高。材料的選擇會影響重量和整體性能。
關節、連桿和運動部件
旋轉關節和直線關節
這些外骨骼結構部件使設備能夠隨使用者移動。旋轉部件的工作原理類似於人類的肘部或膝部，它們繞著單一軸旋轉。線性部件則允許運動滑動，就像氣缸中的活塞一樣。選擇合適的部件類型取決於您希望輔助的身體運動。
外骨骼機器人的髖關節零件在舉重過程中必須承受巨大的力量。軸承必須經久耐用且運作順暢。連接處的任何鬆動都會降低支撐精度。優秀的設計目標是在不增加摩擦的情況下實現零間隙。
活動範圍的連桿設計
連接件將這些點連接起來，它們決定了系統可以移動的幅度。限制過多會阻礙自然運動，而自由度過大則會導致需要支撐的地方失去支撐。
生物力學在連桿機構設計上扮演重要角色。人體運動方式複雜多變，簡單的鉸鏈難以很好地捕捉這種複雜性。一些外骨骼機器人採用多桿連桿機構來模擬自然運動。這種方法需要進行細緻的生物力學分析。工程師先研究運動模式，然後設計出能夠遵循這些模式的連桿機構。
執行器和連接點
執行器安裝和負載路徑
執行器產生力來幫助使用者移動。每個執行器都必須靠近其所輔助的部件。這樣可以保持載重路徑短而直接。過長的載重路徑會增加重量並降低效率。安裝支架必須夠堅固。柔性支架會浪費能量並延遲響應。對於主動式執行器，安裝點需要承受快速變化方向的動態負載。
肩帶、袖口和人體接觸點
設備與身體接觸的部位至關重要。綁帶和袖帶會將框架上的力量傳遞給使用者。設計不良的接觸點會導致疼痛和壓力，並且可能在使用過程中發生移位，從而降低設備的效果。
袖口應足夠寬，以便分散壓力。襯墊有助於分散壓力。界面材料必須對皮膚安全。醫用外骨骼均經過皮膚接觸標準測試。即使是工業用外骨骼，長時間配戴也不應引起皮膚刺激。
透過精心設計的介面實現人體增強至關重要。不舒適的系統不會被配戴，這違背了初衷。對這些細節的周密規劃與堅固的框架和強大的執行器同樣重要。醫療應用更需要格外注意，因為使用者可能皮膚敏感。
外骨骼結構件常用材料
你選擇的材料會影響外骨骼的每個部分。它決定了重量、強度、成本和使用壽命。不同的用途需要不同的材料。用於復健的醫療外骨骼有一套需求，而用於工廠車間的工業外骨骼則有另一套需求。以下是適用材料及其原因。
金屬和合金
鋁和鈦
鋁是外骨骼框架的首選材料。它輕巧、堅固且易於加工。最常用的有兩種牌號。 6061-T6 的屈服強度為 276 MPa，具有極佳的耐腐蝕性，常用於大腿和小腿的連接部件。 7075-T6 的強度較高，其抗拉屈服強度可達 503 MPa，接近某些鋼材的強度。但 7075 存在一個問題：它含有銅。這些銅在潮濕空氣中會形成微小的原電池，導致金屬出現點蝕和裂縫。硬質陽極氧化塗層可以解決這個問題。
| Property | 6061-T6 | 7075-T6 / 7075-T651 |
| 拉伸屈服強度 | 276兆帕 | 503兆帕 |
| 疲勞強度 | 96兆帕 | 160兆帕 |
| 彈性模量 | 71.0加侖 | 71.7加侖 |
| 耐腐蝕性能 | 穩定的自鈍化Al₂O₃氧化物膜 | 含銅量為1.2%～2.0%；需塗層 |
| 塗層要求 | 惡劣環境下無任何措施 | 必須進行鈍化或塗層處理 |
從 6061 鋁合金換成 7075 鋁合金，在相同的拉伸負荷下，橫截面積會減少約 45%。但剛度幾乎不變。如果屈曲是您設計的限制因素，那麼 7075 鋁合金就幫不上忙了。鈦的性能優於這兩種合金。它比鋼輕，強度也高於大多數鋁合金。但缺點是成本和加工時間。
先進的熱固性/陽極氧化多層塗佈系統可密封7075-T6基材上的微孔。這可防止水分在高頻循環負載下引發應力腐蝕開裂，即使經過超過10萬次的步態循環測試，性能仍然卓越。密封的硬質陽極氧化表面可承受超過2,000小時的鹽霧試驗而不出現點蝕。
鋼鐵及特殊合金
鋼材常用於高磨損零件。軸承座、連接銷和樞軸點通常都採用鋼材。它雖然重，但堅韌耐用且價格低廉。一些被動式外骨骼設計採用彈簧鋼來儲存彈性能。特種合金則用於航空航天級零件。它們能夠輕鬆承受極端循環負荷。
工程塑膠和複合材料
碳纖維和玻璃纖維
在製造外骨骼時，複合材料具有最佳的強度重量比。碳纖維是高端框架的首選材料。它剛性強、重量輕，並且比金屬更耐疲勞，從而提高了長期性能。玻璃纖維成本更低，適用於不太關鍵的零件，例如蓋板和支架。兩者在製造過程中都需要精細的鋪層工藝。氣泡或纖維錯位都會嚴重削弱最終零件的強度。
高性能塑料
PEEK 和 Ultem 等塑膠可用於製造關節襯套和軸承表面。它們無需潤滑脂即可耐磨損。玻璃纖維增強尼龍則適用於袖口和肩帶。這些材料可以減輕重量並降低成本。此外，它們還能模製成用鋁加工成本極高的形狀。
材料選擇標準
強度、剛性和疲勞
您的材料必須能夠承受反覆循環的負荷。外骨骼要經歷數千次的步態週期，每次循環都會對框架造成壓力。 6061-T6 的疲勞強度為 96 MPa，而 7075-T6 的疲勞強度可達 160 MPa。如果您要製造用於高循環使用的產品，請選擇 7075 或碳纖維。剛度也很重要。框架彎曲會浪費能量，並且會讓使用者感覺鬆動。請根據載重路徑選擇合適的材料。
成本、可用性和生物相容性
對於醫療應用而言，材料必須對皮膚安全。醫用外骨骼遵循嚴格的生物相容性標準。工業產品則無需滿足此要求。成本也是選擇材料的重要因素。 6061鋁合金價格低廉且易於取得。碳纖維成本更高，生產週期也更長。小批量生產更適合機械加工金屬。大批量生產則較適合注塑成型塑膠。首先要考慮您的生產計劃，然後再選擇合適的材料。
外骨骼結構件的加工工藝
您已經選好了材料。現在需要將它們轉化為真正的外骨骼結構部件。您選擇的製程決定了成本、速度和品質。它還決定了您以後修改設計的難易度。讓我們一起來看看外骨骼結構部件的主要選項。
數控加工和金屬鑄造
數控銑削和車削
數控加工是外骨骼機器人生產的主力。電腦控制切削刀具，將金屬或塑膠切削成所需的精確形狀。數控銑削用於加工平面、槽和凹槽。車削則用於加工銷釘和襯套等圓形零件。它們共同完成了大部分框架部件的加工。
最大的優勢在於精度。 CNC加工的標準公差為±0.02毫米，關鍵特徵的精度可達±0.005毫米。這對於軸承配合和過盈配合至關重要。此外，您只需5到7天即可收到首件產品，無需模具。設計變更無需額外費用，只需在下一件產品上進行修改。對於原型製作和小批量生產而言，這無疑是最佳選擇。
熔模鑄造和壓鑄
鑄造是將熔融金屬澆注到模具中。熔模鑄造可以處理形狀複雜、細節精細的零件。壓鑄則使用鋼模進行大批量生產。兩者都需要先製作模具，這會增加成本和時間。
看看這些數字。 100 個鋁製支架，CNC 加工成本約為 2,500 美元。壓鑄成本為 15,300 美元，因為模具成本較高（15,000 美元模具費加上 300 美元製造費）。 1,000 個零件時，CNC 加工成本高達 25,000 美元，而壓鑄成本則降至 18,000 美元。許多金屬零件的臨界點出現在 680 個左右。壓鑄需要數週時間進行模具製造，通常為 3-6 週，此外還需要額外的時間進行取樣和測試。 CNC 加工可以在 5 到 7 天內開始。因此，如果您需要快速生產零件，CNC 加工更勝一籌。如果您需要數千個零件且設計已定型，那麼壓鑄則更划算。
射出成型及複合材料鋪層
塑膠射出成型
注塑成型是將熔化的塑膠注入鋼模中。這是批量生產塑膠外骨骼結構件最經濟的方法。但模具成本很高，價格從3,000美元到50,000萬美元甚至更高。一旦開始批量生產，單位成本就會迅速下降。
舉個實際例子。一個中等複雜程度的外殼需要一個價值 20,000 萬美元的模具。射出成型的零件每個成本 1.50 美元，而CNC加工的零件每個成本 45 美元。分音器大約需要 460 個零件。如果總共生產 3,000 個零件，射出成型比數控加工可以節省 96,600 美元。但問題在於：設計變更意味著需要修改或重新製作模具。每次修改的成本可能在 2,000 美元到 20,000 萬美元之間。所以，最好先確定好設計方案。
| 因子 | 數控加工 | 注射成型 |
| 加工成本 | 無 | $3,000–$50,000+ |
| 單位成本 | 中度 | 非常低（高音量） |
| 設計變更 | 簡單且成本低廉 | 昂貴 |
| 最佳音量 | 1–1,000單位 | 5,000+ 單位 |
鋪層成型、壓縮成型及樹脂傳遞成型
複合材料的製造需要不同的方法。鋪層法是將碳纖維或玻璃纖維片材手工或機器堆疊起來。壓縮成型法是將它們放入加熱的模具中壓製成型。樹脂傳遞模塑法是將樹脂注入封閉的模具中，包裹著乾燥的纖維。這三種方法都能製造出堅固輕盈的外骨骼結構件。關鍵在於纖維的排列方向。纖維的褶皺或錯位會降低強度。這些方法適用於對重量要求極高的大型框架部件。
3D列印和客製化加工的外骨骼機器人
FDM、SLS 和 SLM
增材製造逐層建造零件。熔融沈積成型（FDM）技術擠出塑膠絲，成本低廉且速度快，適用於製造支架和蓋板。選擇性雷射燒結（SLS）技術將尼龍粉末燒結成堅固、複雜的形狀。選擇性雷射熔化（SLM）技術熔化金屬粉末，用於製造承重零件。客製化加工的外骨骼機器人通常會結合數控加工（CNC）和積層製造技術。例如，先列印出複雜的關節殼體，然後加工軸承孔至最終尺寸。這種組合工藝能夠處理任何單一工藝都無法實現的幾何形狀。
後處理和準確性
列印部件很少能直接使用。 FDM列印需要去除支撐結構並進行打磨。 SLS列印需要噴砂處理。 SLM列印需要消除應力並進行熱處理。列印後進行機械加工可確保尺寸精度，還能修復對公差要求嚴格的表面。如果沒有後處理，層紋和翹曲會影響配合和疲勞壽命。
製程選擇主要取決於三個因素：產量決定成本；零件複雜程度決定可行性；材料需求決定性能。對於原型製作，CNC 和 FDM 工藝是首選；對於數千件產品，注塑成型和壓鑄工藝則更為合適；而對於需要精密製造的金屬外骨骼結構件，CNC 仍然是穩妥之選。提供全方位服務的製造合作夥伴可以提供所有服務，在一個屋簷下完成 CNC 加工、鑄造、注塑成型和增材製造等工作。這有助於客戶從原型製作過渡到大量生產，而無需頻繁更換供應商。
外骨骼結構部件的設計考量
優秀的外骨骼設計不僅僅是選擇材料和工藝。你還需要考慮重量、耐用性、成本和貼合度。這些因素決定了你的設備在實際應用上的效果。讓我們來看看主要的工程考量。
減重與強度重量比
拓撲優化和晶格
對於穿戴式裝置而言，每一克都至關重要。拓樸優化利用軟體去除低應力區域的材料，從而形成一種有機形狀，在需要的地方保持強度。晶格結構更進一步，用重複的圖案取代實心部分，在減輕重量的同時保持剛性。用於航空航天組裝的外骨骼機器人必須減輕工人的疲勞、預防工傷並提高精度，而輕量化框架正是實現這些目標的關鍵。
材料厚度和肋條設計
薄壁可以減輕重量，但容易彎曲變形。加強筋可以在不增加太多重量的情況下增加剛性。為了達到最佳效果，應將加強筋沿著受力路徑佈置。這裡的設計權衡是真實存在的。框架太薄會在受力時彎曲變形，太厚則會讓使用者感到疲倦。找到平衡點需要分析使用過程中實際受力情況。
耐久性、疲勞性和安全性
循環載重和應力集中
外骨骼每班次要經歷數千次循環。每一次邁步或抬舉都會對框架施加壓力。孔洞、轉角和急轉彎處的應力集中會成為裂痕的源頭。將內角打磨成圓角。在載重方向改變的地方加入圓角。這些小小的改變就能大大延長疲勞壽命。
Skelex外骨骼利用動態平衡技術讓手臂感覺輕盈。這種方法對結構設計提出了要求，因為框架必須承受持續的彈簧力。該機制在每次運動中儲存和釋放能量。這意味著結構會承受持續的循環載荷。
故障模式和冗餘負載路徑
部件斷裂會發生什麼事？在醫療和工業應用中，故障可能會對使用者造成傷害。冗餘的載荷路徑可以提供備份。如果一個部件發生故障，另一個部件可以承受負荷。這會增加重量和複雜性。但安全性通常足以抵消這些成本。工業外骨骼的測試方法已經發展到包括模擬實驗室和現場環境。這些測試可以在實際使用之前揭示故障模式。
成本、可擴展性和客製化
模具成本和生產量
小批量生產時，模具成本會大幅增加。 CNC加工無需模具。射出成型和壓鑄則需要昂貴的模具。最終選擇哪種製程取決於您的產量。如果產量只有幾百件，機械加工比較划算。如果產量達到數千件，注塑成型則更具優勢。在確定生產流程之前，請務必先規劃好您的產量。
模組化設計，可客製化
每個人的體型都不同。人體測量學客製化確保設備完美貼合使用者。模組化設計可讓您更換框架零件、綁帶和袖口，無需新模具即可實現客製化。可調整的長度和寬度可解決大多數貼合問題。對於醫療應用，客製化貼合的介面可提高舒適度和依從性。可透過模組化附件添加特定應用所需的幾何形狀，從而在保持核心框架標準的同時，適應不同的應用場景。
平衡性能與可製造性是核心挑戰。對於連接和介面而言，精密公差至關重要。但嚴格的公差意味著更高的成本。要清楚哪些地方需要高精度，哪些地方不需要。
NOBLE：外骨骼結構件製造夥伴
選擇合適的製造合作夥伴至關重要，它決定著專案的成敗。提供全方位服務的外骨骼結構件供應商能夠一站式完成金屬和塑膠加工，從而減少您管理多個供應商的需求。無論您需要單一原型或數千件產品，一家綜合合作夥伴都能幫您處理整個流程。
金屬和塑膠加工技術
這樣的合作夥伴通常擁有能夠對關鍵特徵進行嚴格公差控制的CNC加工中心。他們的鑄造生產線可進行熔模鑄造和壓鑄，以生產複雜形狀的金屬零件。注塑機則可批量生產塑膠零件。這種組合使您能夠為每個組件選擇合適的工藝。例如，承重支架可能採用數控加工，而外殼蓋可能採用注塑成型。團隊會協助您根據零件搭配合適的工藝。
複合材料及積層製造
複合材料鋪層和樹脂傳遞模塑製程可以製造輕量化框架零件。積層製造填補了客製化加工外骨骼機器人的空白。您可以列印複雜的關節殼體，然後將軸承孔加工至最終尺寸。這種混合方法解決了單一製程無法應對的幾何難題。經驗豐富的工程師知道何時應該列印，何時應該切割。
認證和質量標準
品質管理認證對於一般製造業和醫療器材產業都至關重要。這些認證有助於建立醫療保健和工業領域客戶的信任，確保流程規範化和產品品質穩定。
品質控制和可追溯性
每一批產品都應經過多階段檢驗。物料批次和製程參數均會被追蹤。一旦出現問題，即可追溯到源頭。這種等級的管控能夠確保安全關鍵零件的精密製造。每批貨物均附有檢驗報告。
從設計到組裝的全方位服務支持
面向製造和原型製作的設計
在生產開始前，工程師會審核您的設計。他們會指出哪些功能會增加成本或導致缺陷。這種回饋可以節省時間和金錢。原型製作服務讓您可以儘早測試產品的尺寸和功能。您可以快速迭代，而無需投入昂貴的模具費用。
組裝、測試和批量生產
合作夥伴負責組裝、測試和最終檢驗。這種全方位服務模式簡化了您的供應鏈。對於外骨骼機器人生產而言，您將擁有一個了解整個系統的合作夥伴。大量生產可以從試生產平穩過渡到全面量產。
從實際角度來看，將金屬和塑膠方面的專業知識與全面的服務相結合具有重要價值。品質系統能夠為工業和醫療領域的應用提供支援。如果您需要精密製造的外骨骼機器人，可靠的合作夥伴能夠降低風險並加快開發速度。客製化選項和模組化設計支援也有助於滿足不同的用戶需求。
現在您已經了解了外骨骼的主要結構部件：框架、關節、連桿、驅動器和人體介面。每個部件都需要合適的材料和工藝。鋁材非常適合用於機械加工支架。碳纖維最適合輕量化框架。 CNC加工適合製作原型，而模壓和鑄造則適用於大量生產。
性能與可製造性之間的平衡仍然是真正的挑戰。嚴格的公差有利於關節的製造，但也會增加成本。在設計或採購下一代外骨骼時，請參考這些指導原則。像NOBLE這樣的合作夥伴能夠整合金屬和塑膠方面的專業知識，從而降低風險並加快從原型到生產的開發進程。
外骨骼結構部件常見問題解答
外骨骼的主要結構組成是什麼？
這些關鍵的外骨骼結構部件包括剛性框架、關節、連桿、驅動器和連接點。框架支撐重量。關節和連桿使部件能夠移動。驅動器推動系統運動。綁帶和袖套將其固定在人體上。被動式和主動式系統都使用這些相同的零件。
哪種材質最適合製作輕型車架？
這取決於您的預算和計劃製作的數量。 6061鋁合金價格低廉且易於加工。碳纖維重量輕，強度最高，但價格也更高。鈦合金則介於兩者之間。選擇材料時，請根據您的負載路徑和製作數量進行選擇。
在什麼情況下應該選擇數控加工而不是鑄造？
CNC加工最適合製作原型和小批量產品。無需模具，幾天就能拿到零件。鑄造在生產約680件後才划算，因為模具成本可以分攤到許多外骨骼結構件上。在支付模具費用之前，請務必確保設計最終定稿。
3D列印技術能否製造承重外骨零件？
是的，只要採用正確的工藝。 SLM 列印的金屬零件強度足以滿足結構用途。 FDM 和 SLS 則非常適合列印支架和蓋板。大多數列印零件仍需進行額外的加工，例如加工軸承孔，才能達到最終精度。
如何在不失去力量的情況下減輕體重？
拓樸最佳化技術可去除低應力區域的材料。晶格結構取代了有重複圖案的實體截面。加強筋則可增強載重路徑上的剛度。這些方法在減輕重量的同時，也能維持車架強度，滿足日常使用需求。
這些部件早期失效的原因是什麼？
孔洞、角落和尖銳變化處的應力集中會導致裂縫產生。反覆加載會使裂紋擴展。因此，應將內角磨成圓角，添加圓角，並選擇抗疲勞強度高的材料。設定備用載重路徑可以提高醫療和工業應用的安全性。
為什麼生物相容性對醫用外骨骼如此重要？
與皮膚接觸的材料必須符合嚴格的生物相容性標準。工業設備無需如此。醫療器材需要安全的接口，因為使用者可能皮膚敏感。儘早選擇合適的材料可以避免後期重新設計。這些因素都會影響成本和工期。
我該如何選擇外骨骼結構件的生產夥伴？
尋找能夠同時處理金屬和塑膠加工的合作夥伴。核實其是否擁有相關的品質管理認證。詢問是否能在製造設計、原型製作和組裝方面提供幫助。提供全方位服務的合作夥伴能夠降低風險並加速開發速度。
