（5-3）骨架、外壳与轻量化设计：外壳设计与人机交互安全

5.3 外壳设计与人机交互安全

在人形机器人逐步从实验环境走向真实生活与工作场景的过程中，外壳设计不再只是结构覆盖与美观造型问题，而成为保障人机交互安全、环境适应能力以及产品工程化水平的重要组成部分。相较于工业机器人被隔离运行的使用模式，人形机器人往往需要与人类近距离接触，其外壳在碰撞缓冲、接触安全、防护等级等方面提出了更高要求。在设计外壳时需要在结构保护、质量控制、触觉安全与环境防护之间取得平衡，并与内部骨架结构、执行器布局和传感器系统形成协同设计，而非简单的后期封装。

5.3.1 圆角与缓冲设计

圆角与缓冲设计是人形机器人外壳安全的基础工程，核心目标是通过"柔化接触界面+主动吸能"，实现人-机双向保护：既避免尖锐结构对人体造成划伤、磕碰伤害，又减少碰撞对机器人外壳及内部核心部件（电机、传感器）的损伤，同时提升人机交互的亲和感，适配家庭、办公等近距离使用场景。

核心设计目标

人体防护：消除所有外露尖锐边缘，降低接触压强，避免划伤皮肤、磕碰淤青等伤害；

机器人防护：吸收碰撞能量，减少外壳开裂、内部部件松动或移位的风险；

交互体验：弱化金属/硬质材料的冰冷感，通过圆润、柔软的设计提升用户接受度。

圆角设计：无死角柔化边缘

圆角设计的核心是"全覆盖+尺寸适配"，需根据部位的接触频率、功能需求选择合理的圆角半径（R值），避免"一刀切"：

（1）圆角半径选型标准

表5-8展示了圆角半径选型标准，可以作为直接落地参考。

表5-8 圆角半径选型标准

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| 应用部位 | 圆角半径（R值） | 设计逻辑 |
| 外壳通用棱角（机身侧面、顶部、底部） | ≥R2 | 基础防护，消除尖锐边缘，避免日常接触时割手 |
| 高频接触部位（头部、肩部、手臂、膝盖） | R3~R5 | 易与人碰撞或直接触摸，放大圆角减少磕碰压强，同时提升视觉亲和感 |
| 手持/操作部位（把手、控制面板边缘） | R5~R8 | 提升握持舒适度，避免长时间接触硌手，同时增强防滑效果 |
| 小尺寸开孔（传感器窗口、指示灯孔） | R1~R2 | 避免开孔边缘尖锐，同时不影响功能（如透光、散热） |

（2）设计执行要点

全覆盖要求：无例外处理所有外露边缘，包括部件拼接缝、螺丝孔周边、外壳分型线，禁止出现任何直角（90°）或锐角（＜90°）；
不规则边缘（如头部轮廓、曲面外壳）：采用"连续圆角"设计，确保过渡平滑，无局部凸起的尖锐点；
金属外露件（如关节连接轴）：需加塑料/硅胶护套，护套边缘做R2以上圆角，禁止金属直接外露；
加工工艺适配：注塑成型的外壳需在模具中预留圆角，避免后期打磨（影响精度和量产效率）；碳纤维/金属外壳需通过CNC铣削加工圆角，保证边缘光滑无毛刺。
缓冲设计：主动吸收碰撞能量（材料+结构组合）

缓冲设计的核心是"在易碰撞部位建立吸能层"，通过材料形变消耗冲击能量，而非硬抗，常用"材料选型+结构设计"组合方案：

（1）缓冲材料选型

在人形机器人设计中需要兼顾性能与成本，缓冲材料的选型如表5-9所示。

表5-9 缓冲材料选型

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| 材料类型 | 邵氏硬度 | 核心优势 | 应用部位 |
| TPU（热塑性聚氨酯） | 50~70A | 弹性好、耐磨、可注塑量产 | 外置缓冲条、膝盖 / 肘部防护垫、鞋底 |
| 硅胶 | 30~50A | 柔软、生物相容性好、耐高低温 | 手部护套、头部缓冲层、传感器周边 |
| EVA泡棉 | 20~30kg/m³（密度） | 轻量化、吸能效果好、成本低 | 外壳夹层、内部部件缓冲衬垫 |
| 橡胶泡棉 | 40~60A | 回弹快、抗疲劳性强 | 外壳与骨架连接缓冲柱、关节外罩 |

（2）典型缓冲结构设计（直接落地方案）

外置缓冲条：在头部两侧、肩部、肘部、膝盖等易碰撞部位，集成10~15mm厚的TPU缓冲条（通过卡扣或粘接固定），碰撞时通过自身压缩形变吸能；
夹层缓冲结构：外壳采用"硬质外层（PC/ABS合金）+软质内层（硅胶/EVA泡棉）"设计，总厚度比纯硬质外壳增加2~3mm，既保证结构刚度，又能吸收轻微碰撞能量；
弹性连接设计：外壳与内部骨架之间用硅胶缓冲柱或橡胶垫连接（预留3~5mm形变空间），避免碰撞冲击力直接传递到电机、传感器等核心部件；
局部软质包覆：手部、手臂等直接与人接触的部位，采用全硅胶/TPU包覆（厚度5~8mm），既防滑又能缓冲抓取或碰撞时的压力。
简单验证方法（快速判断设计达标）
物理接触测试：用模拟人体皮肤的硅胶块（邵氏硬度50A），以0.5m/s速度碰撞外壳所有棱角，检查硅胶块无划伤、无破损；
跌落冲击测试：将机器人外壳部件（或整机）从0.8m高度跌落至硬质地面（瓷砖/水泥地），检查外壳无开裂、缓冲结构无脱落，内部模拟部件（如传感器模型）无移位；
手感验证：徒手触摸所有外露部位，无割手、硌手的尖锐感，高频接触部位手感柔软舒适；
尺寸验证：用卡尺测量圆角半径，确保所有部位满足最小R值要求（通用部位≥R2）。

总而言之，圆角与缓冲设计的核心是"无尖锐、有弹性"，圆角设计通过统一的R值标准实现全场景防护，缓冲设计通过"材料+结构"组合主动吸能，两者结合既能最大限度降低人机交互风险，又能保护机器人自身结构安全。设计时无需过度复杂，聚焦"全覆盖圆角+高频部位缓冲"，通过简单的尺寸控制和实物测试即可落地，是人形机器人外壳安全设计的基础且关键的环节。

5.3.2 负载交互安全

负载交互安全聚焦人形机器人在抓取、搬运、持物、装配等负载相关操作场景，核心目标是通过"负载可控、力反馈防护、结构强化"，实现"机器人不失效、人体不受伤、物体不损坏"的三重安全保障，是机器人在家庭、工业、办公等场景落地的关键前提。

核心设计目标
机器人自身防护：明确负载上限，避免超载导致骨架、关节、夹具等结构疲劳断裂或电机过载烧毁；
人体安全防护：防止抓取时夹伤、搬运时物体掉落砸伤、操作时手臂碰撞人体等风险；
被操作物体防护：避免抓取力过大压坏易碎品（如玻璃、精密零件），或运动过程中磕碰损坏物体。
关键设计要点（直接落地型方案）

（1）负载标定与分级限制：从源头控制风险

负载限制的核心是"明确边界+不超上限"，在设计时需要结合机器人自身性能精准标定：

额定负载标定：常规人形机器人的额定负载（长期稳定操作的负载）设定为自身重量的20%~30%（如50kg机器人额定负载8~15kg，70kg机器人12~21kg），标定依据是骨架、关节的强度极限和电机持续输出功率；
安全冗余设计：最大允许负载不超过额定负载的120%（如额定10kg的手臂，最大负载不超过12kg），避免短期超载导致的结构疲劳；
负载分级提示：通过外壳操作面板、APP或声光报警，区分"空载、额定负载、接近最大负载"状态，超载时自动停止动作并报警，禁止强制运行；
场景化负载适配：家庭场景（抓取餐具、书籍）默认低负载模式（如额定5kg），工业场景（搬运零件）可切换高负载模式（如额定15kg），避免通用场景下的过度设计。

（2）智能力反馈与防护：实时响应异常受力

通过传感器与控制逻辑联动，实现"力的精准感知+快速防护"，避免硬接触伤害：

手部夹具：内置压力传感器（检测抓取力，精度±1N），夹具内侧贴柔性压力片（覆盖接触区域，避免局部压强大）；
关节部位：手臂、肩部关节集成扭矩传感器（检测负载传递的扭矩，避免关节过载）；
视觉辅助：摄像头+距离传感器，检测人体/物体与机器人的距离，提前预警碰撞风险；
防夹伤：抓取力超过安全阈值（如夹取人体时压力＞50N，夹取易碎品时压力＞20N），夹具立即反向松开2~5mm，同时停止手臂运动；
防过载：关节扭矩超过额定值的110%，电机自动降速并发出报警，持续过载3秒后停止动作；
防掉落：抓取物体后，压力传感器实时监测"握持力是否稳定"，若检测到物体滑动（压力突变＞10N），立即增大抓取力（不超过阈值）或缓慢放下物体。

（3）结构与机构优化：被动防护兜底

通过材料、结构和夹具设计，提升负载操作的物理安全性，即使电子防护失效也能降低风险，其中负载结构强化策略如下所示。

材料：手部夹具、手臂连杆、肩部关节等承载部件，选用高强度材料（7系铝合金、碳纤增强PC/PA），比非负载结构的强度提升30%~50%；
结构：手臂连杆采用空心+加强筋设计，关节壳体一体化锻造，避免多零件拼接导致的刚度损失。

夹具机构安全设计的策略如下：

柔性夹具：夹具内侧包覆软质材料（硅胶、TPU防滑垫，厚度3~5mm），增加摩擦系数的同时，缓冲硬接触压力；
多点受力：优先采用三指/五指夹具（而非两指），分散抓取压力，避免局部压强过大（如夹取鸡蛋时，接触点压强≤5kPa）；
防脱设计：夹具末端做"防滑齿"或"弹性卡扣"，配合力反馈，防止物体意外滑落。

（4）交互过程安全控制：降低动态风险

在负载操作时，运动状态直接影响安全，需要通过速度、路径控制减少碰撞和掉落风险：

运动速度限制：负载操作时，手臂运动速度≤0.3m/s（空载时可提升至0.5~0.8m/s），转向、启停时加减速缓冲（加速度≤0.2m/s²），避免惯性导致物体掉落或碰撞；
路径避障：结合视觉和距离传感器，若检测到人体进入负载操作区域（半径1m内），手臂自动减速至0.1m/s或停止动作，待人体离开后恢复；
紧急停止：外壳设置物理紧急停止按钮（红色，直径≥20mm，凸起高度≥5mm），同时支持语音指令（如"停止""松开"）和APP远程急停，触发后立即切断电机动力，夹具松开（或保持轻微握持，避免物体突然掉落）。
简单验证方法（快速确认安全效果）

（1）负载测试：

额定负载测试：用额定重量的物体（如10kg）进行连续10次抓取-搬运-放下，检查结构无变形、电机无过载报警；
超载测试：用120%额定负载的物体（如12kg）测试，机器人应自动报警并拒绝执行，或执行时降速且不出现结构异常；

（2）防夹伤测试：用模拟人体手指的硅胶块（邵氏硬度50A，直径15mm）放入夹具，触发夹取动作，验证夹具是否在压力＞50N时自动松开；

（3）防掉落测试：抓取物体后，轻微晃动手臂（幅度±10°）或模拟物体滑动（轻轻敲击物体），验证机器人是否能稳定握持或安全放下；

（4）碰撞测试：负载状态下，让手臂以0.3m/s速度碰撞模拟人体的软质材料（如泡沫垫），验证手臂是否自动停止，无硬冲击。

常见问题

在人形机器人负载交互安全设计过程中，常见问题与解决办法如表5-10所示。

表5-10 负载交互安全设计的常见问题与解决办法

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| 常见问题 | 表现形式 | 解决办法 |
| 夹伤人体/压坏物体 | 抓取时压力过大，导致皮肤淤青或物体破损 | 降低夹具安全阈值（如从50N调至40N），加厚柔性包覆层，优化多点受力夹具 |
| 负载时结构变形 | 手臂下垂、关节晃动，无法稳定持物 | 更换高强度材料（如7075铝合金），增加连杆加强筋，降低额定负载 |
| 物体意外掉落 | 抓取后滑动或碰撞时掉落 | 增加夹具防滑齿，优化力反馈算法（实时补偿抓取力），降低运动速度 |
| 超载无报警 | 超过额定负载仍继续运行 | 校准扭矩/压力传感器，检查控制逻辑是否存在漏洞，增加机械限位（如关节最大扭矩限位） |

总之，负载交互安全的核心是通过负载标定明确边界，通过传感器与控制逻辑实现智能防护（可控），通过结构强化和夹具优化实现物理兜底（兜底）。设计时无需追求复杂的算法，聚焦"负载不超载、力反馈及时、运动可控"三个核心，即可满足绝大多数场景的安全需求，是机器人从实验室走向实际应用的关键安全保障。

5.3.3 防水防尘设计

防水防尘（IP等级）设计的核心是通过密封结构、材料选型和工艺优化，使机器人外壳达到指定IP（Ingress Protection）防护等级，抵御灰尘、水等外部介质侵入，保护内部电机、传感器、电路板等核心部件免受损坏，适配不同使用场景的环境需求。其本质是"建立可靠的防护屏障"，延长机器人使用寿命并避免因环境因素导致的安全隐患。

IP等级的定义与机器人常用等级

IP等级由"防尘等级（第1位数字）+防水等级（第2位数字）"组成，数字越大防护能力越强，人形机器人常用等级集中在IP44~IP67之间，无需追求过高等级（避免成本上升和结构复杂）。

（1）IP等级

人形机器人的常用IP等级范围如表5-10所示。

表5-10 人形机器人的常用IP等级范围

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| 防护类型 | 等级数字 | 核心防护能力（机器人场景解读） |
| 防尘等级（第1位） | 4 | 防止直径≥1mm 的固体异物侵入（如大颗粒灰尘、碎屑），满足家庭/办公场景 |
| | 5 | 防止有害粉尘堆积（如细灰尘、面粉），满足工业轻度粉尘场景 |
| | 6 | 完全防止粉尘侵入（密封防护），满足户外、工业重度粉尘场景 |
| 防水等级（第2位） | 4 | 防止任意方向的飞溅水侵入（如雨水、洒水、洗手台溅水），家庭/办公足够 |
| | 5 | 防止低压喷射水侵入（如喷淋、洗车水枪），适配户外小雨、清洁场景 |
| | 6 | 防止强力喷射水侵入（如暴雨、高压水枪），适配户外恶劣天气 |
| | 7 | 短时间浸入水中（深度 1m 内，持续 30 分钟），适配意外落水场景 |

2. 机器人场景的IP 等级选择

机器人场景的IP等级选择策略如表5-10所示。

表5-10 机器人场景的IP等级选择策略

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| 使用场景 | 推荐IP等级 | 选型逻辑 |
| 家庭/办公（干燥、少尘，偶尔溅水） | IP54 | 防尘（细灰尘不侵入）+防飞溅水（日常洒水、雨水溅落），平衡防护与成本 |
| 户外巡逻/物流（风雨、灰尘较多） | IP65~IP66 | 完全防尘 + 防强力喷射水（暴雨、高压清洁），适应复杂户外环境 |
| 工业车间（粉尘、油污、喷淋清洁） | IP65~IP67 | 完全防尘+防喷射水/短时浸水（避免清洁时进水、意外溅油） |
| 实验室/医疗场景（干燥、洁净） | IP44~IP54 | 基础防尘防水即可，重点关注清洁消毒兼容性（如外壳材料耐消毒液） |

关键设计要点（按IP等级落地，简单易执行）

防水防尘的核心是"密封所有可能的侵入路径"，包括外壳拼接缝、开孔（接口、按钮、传感器窗口）、关节间隙等，设计需兼顾"防护效果+功能兼容"（不影响散热、操作、运动）。

（1）防尘设计：阻断粉尘侵入路径

外壳拼接处采用"端面贴合+密封圈"结构，间隙≤0.1mm，避免粉尘从缝隙进入；
注塑成型的外壳需控制分型线精度，避免分型线出现毛刺或过大缝隙（后期需打磨平整）。
通风散热孔：采用"迷宫式结构+防尘网（孔径≤0.1mm）"，既保证散热，又阻挡粉尘；
接口开孔（如充电口、数据接口）：未使用时需加盖密封盖（内置硅胶密封圈），使用时通过防水接头连接。
关节转动处：采用"伸缩式防尘护套（TPU材质）"或"迷宫式密封结构"，避免粉尘进入关节内部（影响轴承转动）；
脚部：采用全包式外壳+防滑鞋底，鞋底边缘做密封设计，防止地面粉尘从底部侵入。

（2）防水设计：多重密封+排水优化

IP44~IP54（防溅水）：外壳拼接处用硅胶密封圈（邵氏硬度50~60A，压缩量30%~40%），按钮采用防水硅胶按键（一体化成型，无接缝）；
IP65~IP67（防喷射水/浸水）：外壳采用"全包裹式设计"，减少开孔数量；密封圈升级为EPDM材质（耐候性、耐水性更强），接口采用防水接头（IP67级），传感器窗口用密封胶（如UV固化胶）将PC面板与外壳粘接固定（无间隙）；
电路板、电机等核心部件额外加防水灌封胶（如环氧树脂灌封胶），实现二次防护。

（3）排水设计（避免积水残留）：

外壳底部、低洼处设置排水孔（直径3~5mm），孔位避开内部核心部件，确保进水后能快速排出，不积水；
倾斜设计：外壳表面做3°~5°倾斜角，避免水在表面停留（如顶部外壳倾斜，雨水快速流下）。

（4）运动部位防水（关节、缝隙）：

关节处采用"双重密封"：内侧用骨架油封（防止润滑油泄漏+防水），外侧用硅胶防尘防水护套，护套与外壳固定处加密封圈；
手部夹具：若需接触水（如家庭场景洗碗），夹具内部电机、传感器采用防水封装（IP67级），夹具缝隙用密封胶填充。

（5）材料与工艺适配：密封材料选型策略如下：

常规场景（IP44~IP65）：硅胶密封圈（成本低、弹性好）；
户外/工业场景（IP65~IP67）：EPDM密封圈（耐候性、耐腐蚀性强，适应高低温-40℃~120℃）。

密封材料的工艺要求如下：

密封圈安装槽需精密加工（公差±0.05mm），确保密封圈压缩均匀（避免局部未压紧漏水）；
外壳粘接处（如传感器窗口、密封盖）需用专用防水胶（如聚氨酯防水胶），粘接后静置24小时固化，确保无气泡、无缝隙。
简单验证方法（快速确认防护效果）

（1）防尘测试（适配IP5~IP6）：

用滑石粉（模拟粉尘）均匀喷洒在机器人表面，重点覆盖拼接缝、开孔、关节处，放置8小时后，拆开外壳检查内部是否有粉尘残留，无明显粉尘即为合格；
工业场景可使用粉尘试验箱（浓度50g/m³），测试2小时后验证。

（2）防水测试（按等级验证）：

IP44：用花洒（水压0.07MPa）从任意方向喷洒机器人表面30分钟，拆开后内部无进水；
IP65：用高压水枪（水压0.3MPa，距离3m）喷射所有部位，持续30分钟，内部无进水；
IP67：将机器人浸入1m深的水中，持续30分钟，取出后功能正常、内部无积水。

（3）功能兼容性验证：

测试后启动机器人，检查电机、传感器、电路板是否正常工作（如关节转动顺畅、传感器信号稳定），避免密封过度影响散热或运动。

应用案例参考

（1）特斯拉Optimus（家庭/办公场景）

防护等级：IP54；
设计要点：外壳拼接处用硅胶密封圈（压缩量30%），充电口带密封盖，关节处用TPU防尘防水护套，底部设置排水孔，兼顾日常防护与散热。

（2）户外巡逻机器人（户外场景）

防护等级：IP66；
设计要点：全包裹式外壳（减少开孔），接口采用IP67级防水接头，传感器窗口用UV胶密封，关节处双重密封（油封+EPDM护套），适应暴雨、粉尘环境。

（3）工业搬运机器人（工业场景）

防护等级：IP67；
设计要点：外壳采用一体化压铸成型（减少拼接缝），核心部件灌封防水胶，底部排水孔+倾斜设计，耐油污EPDM密封圈，适配车间喷淋清洁、粉尘环境。

总而言之，防水防尘设计的核心是"场景适配+精准密封"，根据使用场景选择合适的IP等级（无需过度设计），通过密封圈、密封盖、迷宫结构等简单方案，阻断粉尘和水的侵入路径，同时兼顾散热、运动等功能需求。设计时重点关注外壳拼接缝、开孔、关节等关键部位，通过简单的实物测试验证防护效果，即可满足绝大多数场景的环境适应性要求，为机器人的稳定运行提供基础保障。