- 6月 13, 2025
近年来，外骨骼机器人的研发工作持续深入，这主要得益于其在医疗等多个领域日益增长的需求。由于这些机器人外骨骼功能各异，涵盖了不同的需要和应用场景。
本文将介绍满足外骨骼机器人的设计考量，并分享外骨骼机器人部件的制造案例，让我们一同探讨。
什么是外骨骼机器人？
首先，让我们了解什么是机器人外骨骼。外骨骼机器人最初于20世纪60年代为受伤士兵研发，现已发展至可支持并增强人体能力的多个领域，包括医疗和康复机器人、电影特效等。
鉴于这些可穿戴机器人在不同领域的需求差异，它们被划分为主动驱动和被动驱动两种类型。主动驱动外骨骼方法采用执行器，将液压、气动或电能转换为机械能，为用户提供动力。而被动外骨骼则为用户提供灵活的辅助支持。
外骨骼机器人在医疗康复领域的应用
医疗外骨骼是康复机器人的重要应用领域。这些外骨骼机器人通常提供康复治疗服务，帮助患者恢复行动能力。近年来，医疗外骨骼机器人的制造技术取得了显著进步，为伤病患者提供了有力的支持，助力他们更快康复。
此外，这些辅助型医疗外骨骼机器人还分为增强型和康复型两种，为患者提供可穿戴的行动辅助设备。增强型外骨骼帮助患者高效完成任务，减轻他们的体力负担。而康复型外骨骼则常用于物理治疗中，促进患者的康复进程。
医疗外骨骼还可进一步细分为上肢外骨骼（肩部、手臂、背部）和下肢外骨骼（腿部、脚踝、足部）。这样一来，它们便可轻松应用于物理治疗或家庭康复中，帮助患者持续进行锻炼。随着患者康复进展，所需的辅助程度也会逐渐降低。
机器人外骨骼的设计考量
在外骨骼机器人的开发和生产过程中，设计和测试阶段需要持续的研究与考量。便携性、灵活性、适应性和轻量化是外骨骼设计的关键因素。因此，在定制外骨骼机器人时，必须充分考虑以下关键设计要素：
注重人体工程学
为了确保机器人外骨骼的正常运作，设计师需要确保人工关节的活动范围与人体关节同步，以避免在使用过程中产生不适。同时，还需尽量减少机械结构的改动，确保人体关节的整体活动范围不受限制。此外，应确保施加的力量在人体四肢的承受范围内，从而设计出符合人体工程学的外骨骼。
力量传导
人体具有复杂的多自由度运动学特性。为了应对这一挑战，设计师们采用了多种力量传导方式，如通过基于连杆的机械装置进行力量传导。这些由不同硬度材料制成的连杆运动链能够增强力量传导效果，减小执行器的尺寸，从而实现安全、舒适的力量传导。
对于刚性机器人外骨骼而言，其机械结构需与人体各关节对齐，并采用直接驱动或齿轮传动系统，这使得执行器能够靠近结构安装，提高便携性。而柔性外骨骼则采用柔性材料制成，如轻便的手套形式，通过肌腱驱动装置、人工肌肉或无关节柔性结构将力量直接传导至手指。
标准与尺寸适配
由于外骨骼机器人需要适应不同用户的肢体尺寸，因此存在尺寸不匹配或操作不佳的风险，进而影响康复治疗效果。此外，还需确保用户穿戴外骨骼的过程是无痛的。因此，外骨骼机器人需要具备广泛的尺寸调节范围，以适应不同用户的肢体尺寸。
为了解决这一问题，设计师们采用了机械限位、力量限制或旋转限制等系统，以避免过度活动范围对用户造成二次伤害。
轻量化材料
为了确保外骨骼的舒适操作，选择轻量化材料制作外骨骼机器人部件至关重要，这可以减轻用户负担并提高便携性，设计师们应尽量减小机械部件的尺寸和重量。
为此，柔性外骨骼（如采用硅胶等材料制成）因无刚性结构而具有舒适的穿戴体验。此外，在刚性材料中，铝合金是机械结构部件的首选材料。鉴于其轻量化、高强度以及优异的抗应力性能，铝合金在加工外骨骼机器人机械结构部件中得到了广泛应用。
外骨骼机器人快速生产：按需制造如何运作？
为了缩短开发周期，优化外骨骼机器人部件的制造流程非常重要。以下是一些确保外骨骼机器人快速进入市场的方式：
灵活的设计迭代
为了满足机器人外骨骼的制造需求，需要确保灵活的设计迭代。这有助于制定出精确、高效的外骨骼设计和制造方案，从而实现优化。按需制造提供了定制化服务，可根据不同用户的需求生产机器人外骨骼原型和部件，确保快速交付。
快速生产
利用定制加工技术进行快速生产，可以制造出高效、经济的外骨骼机器人部件，从而缩短产品上市时间。通过生产经济实惠的外骨骼部件，更容易地吸引更多用户。此外，按需制造还支持无最小订单量（MOQ）限制，实现更快速、更灵活的生产。
简化开发流程
按需制造解决方案能够快速将您的创意转化为现实，有助于简化外骨骼机器人的开发流程。同时，通过减少资源利用来降低生产成本，使外骨骼机器人对消费者而言更加经济实惠。此外，按需制造还能根据用户需求提供灵活的订单服务，优化产品交付时间，提高生产效率，减少错误，并确保交付高质量的最终产品。
全面的加工能力
为了简化按需开发流程，我们采用了具备多种加工工艺的快速生产能力，提供一站式加工服务。通过计算机数控（CNC）加工、3D打印、钣金加工、表面处理等技术，可以高效地完成从外骨骼机器人原型设计到生产制造的整个流程。这些先进技术确保了定制外骨骼部件的精度和准确性，为用户提供了高质量的交付成果。
定制加工外骨骼机器人部件案例研究
医疗外骨骼在康复领域的需求日益增长，包括上肢外骨骼和下肢外骨骼。这些外骨骼机器人由多个部件组成，其中大部分需要经过定制加工。在此，我们将分享一个上肢康复外骨骼部件生产的案例。
加工部件如何满足外骨骼机械需求？
肩部机构是上肢康复外骨骼中的一个关键模块，它设计轻便且紧凑，能够确保与人体肩关节相似的最大活动范围，从而驱动大臂和小臂区域的旋转，使外壳部分能够灵活移动。在本节中，我们将重点介绍两个典型外骨骼机器人部件的加工过程，即定制加工的外骨骼定子支架和外壳。
加工定子支架
定子支架是电动机中的一个固定关键部件。当交流电通过时，它会产生旋转磁场，进而感应出电压，使转子旋转。
在本案例中，定子支架采用了轻量化且机械性能优异的AL6061-T6铝合金材料。由于定子需要与其他外骨骼部件集成，需要确保加工过程中的精度。在加工该部件时，需特别注意以下几点：
- 由于定子需要与其他部件进行定位和组装，因此图中红色标记的12个孔的尺寸和位置公差需要重点关注。
- 红色箭头所指位置的壁厚仅为2毫米，在铣削过程中，铣刀的压力可能会导致定子支架部件变形。
- 黄色表面将与更脆弱的部件接触，要保证加工表面尽可能光滑，表面粗糙度需达到Ra0.8。
定子支架加工工艺
为了加工这些部件，我们采用了不同类型的铣床。加工步骤如下：
- 首先，重点铣削正面，然后填充铣削出的中空结构。待石膏固化后，将正面铣削平整，恢复其初始状态。
- 接着，采用三轴机床以相同的方式铣削反面。铣削完成后，敲掉第一次加工过程中的填充物。至此，我们得到了正反两面的半成品。
- 最后，利用已加工的结构进行定位，制作回转夹具，并依次使用四轴或五轴机床对三个面进行加工。
加工机器人外骨骼外壳
机器人外骨骼外壳也是上肢康复外骨骼整体设计中的关键部件，为复杂的内部机构提供了保护和功能性外壳。与定子支架的加工精度要求相似，外壳的加工过程也需要特别注意，以确保其性能。
与定子支架一样，外壳也采用了AL6061-T6铝合金材料。在加工外壳部件时，同样需要注意特定的尺寸公差，以确保与其他外骨骼部件的精确对齐和组装。特别是那些影响连接点和与其他模块接口的部分，必须严格控制公差，以确保精确配合。
此外，要保持外壳的结构完整性，于薄壁或复杂特征区域，需要谨慎加工，以防止变形或薄弱环节的产生。
外骨骼机器人表面处理
由于外骨骼部件需要反复使用，且外壳部件对最终用户可见，因此大多数外骨骼部件都需要进行后处理，以提高其美观性和耐用性。对于本案例中的铝合金外骨骼部件而言，最合适的处理方案是喷砂和阳极氧化。
我们首先对所有铝制部件进行初步清洗，然后进行喷砂和阳极氧化处理。一方面，喷砂处理可以掩盖加工过程中的刀具路径和台阶痕迹，使加工后的外骨骼部件呈现出均匀的哑光表面。另一方面，阳极氧化处理提高了铝合金的耐腐蚀性，提供了坚硬、耐磨的表面，并增强了外骨骼的外观美感。
质量检测
在韦克，所有部件在发货前都必须经过质量检查团队（QC团队）的严格检查，特别是对于高精度和外观要求的部件。我们对外骨骼机器人部件的检查主要包括外观和尺寸两个方面。
外观检查
由于这些外骨骼部件在氧化过程中需要悬挂在夹具上，在取下时如果不小心可能会被划伤。因此，在检查过程中，需要将部件放置在距离眼睛20厘米的位置进行仔细检查。此外，由于所有部件都安装在同一台机器人上，因此不同部件氧化颜色的均匀性和一致性尤为重要。经过检查，部件的外观和颜色均达到了预期效果。
尺寸检查
通过仔细分析加工后的外骨骼机器人部件，我们重点检查了孔的直径、位置公差和间距。对于平面度和平行度等几何公差（DG&T），我们使用三坐标测量机（CMM）来确保部件的公差要求。虽然这一检测过程耗时较长，但我们一定要确保所有关键尺寸均在公差范围内。
检测报告显示，我们甚至达到了比客户要求更高的精度标准。
选择韦克，助力您的外骨骼机器人零部件加工
在韦克快速成型，我们致力于为您提供加工精细、美观且安全可靠的外骨骼机器人部件。我们在外骨骼机器人部件制造领域拥有丰富的经验，采用有效的管理流程，确保外骨骼机器人加工的一致性和可靠性。从原型设计到生产制造，我们的团队确保每个外骨骼机器人项目都能完美呈现。
此外，凭借全面的加工能力，包括CNC铣削、车削、电火花线切割、3D打印、表面处理等，我们能够满足您各种加工需求，并交付符合您期望的高质量产品。
我们还高度重视质量保证。我们的质量控制部门始终通过严格的流程检查每个部件，确保产品没有任何缺陷。如果您正在寻找一家具备外骨骼机器人加工能力的制造商，请联系韦克，我们将为您提供一站式服务，助力您的项目！
