摘 要
为解决登山运动中人体下肢负重过大、易疲劳及关节损伤风险高的问题，本文开展穿戴式登山外骨骼（助行器）的结构设计与优化研究。首先，结合人体下肢运动学特征与登山场景力学需求，确定"模块化承重+柔性关节"的整体设计方案，完成鞋子固定环、小腿外套、伸缩调整机构等核心部件的参数设计。其次，通过理论计算与仿真分析，对核心部件进行强度、刚度及稳定性校验，针对设计缺陷优化结构参数，确保部件性能满足登山载荷要求。随后，基于SolidWorks完成三维建模与整体装配，通过干涉检查优化结构细节，生成标准化二维工程图。最后，通过静态加载、穿戴适配及运动灵活性三类实验，验证设计成果的可靠性。研究表明，所设计的登山外骨骼整体重量控制在2.75kg以内，适配不同体型人群，核心部件应力与变形量误差均小于4%，无运动干涉，可有效减轻下肢负重、提升登山安全性。该研究为穿戴式登山助行设备的设计与产业化提供了理论依据与技术支撑。
**关键词：**登山外骨骼；结构设计；轻量化；人机适配；强度校验
Abstract
To solve the problems of excessive lower limb load, easy fatigue and high risk of joint injury during mountaineering, this paper carries out the structural design and optimization research of wearable mountaineering exoskeleton (walking aid). Firstly, combined with the kinematic characteristics of human lower limbs and the mechanical requirements of mountaineering scenarios, the overall design scheme of "modular load-bearing + flexible joints" is determined, and the parameter design of core components such as shoe fixing ring, calf sleeve and telescopic adjustment mechanism is completed. Secondly, through theoretical calculation and simulation analysis, the strength, stiffness and stability of core components are verified, and structural parameters are optimized for design defects to ensure that component performance meets mountaineering load requirements. Then, 3D modeling and overall assembly are completed based on SolidWorks, structural details are optimized through interference check, and standardized 2D engineering drawings are generated. Finally, the reliability of the design results is verified through three types of experiments: static loading, wearing adaptation and movement flexibility. The research shows that the designed mountaineering exoskeleton has an overall weight of less than 2.75kg, adapts to people of different body types, the error of stress and deformation of core components is less than 4%, and there is no motion interference, which can effectively reduce lower limb load and improve mountaineering safety. This study provides a theoretical basis and technical support for the design and industrialization of wearable mountaineering walking aids..
Keywords **:**mountaineering exoskeleton; structural design; lightweight; human-machine adaptation; strength verification
目 录
[第一章 绪论](#第一章 绪论)
[1.1 研究背景与研究意义](#1.1 研究背景与研究意义)
[1.2 国内外研究现状分析](#1.2 国内外研究现状分析)
[1.3 研究内容与技术路线](#1.3 研究内容与技术路线)
[1.4 研究创新点与设计目标](#1.4 研究创新点与设计目标)
[第二章 穿戴式登山助行器方案设计与选择](#第二章 穿戴式登山助行器方案设计与选择)
[2.1 方案设计原则与核心约束条件](#2.1 方案设计原则与核心约束条件)
[2.2 整体结构方案设计与对比](#2.2 整体结构方案设计与对比)
[2.3 关键部件结构方案设计与选型](#2.3 关键部件结构方案设计与选型)
[2.4 最终方案确定与可行性分析](#2.4 最终方案确定与可行性分析)
[第三章 穿戴式登山助行器关键部件结构设计](#第三章 穿戴式登山助行器关键部件结构设计)
[3.1 鞋子固定环结构设计与校验](#3.1 鞋子固定环结构设计与校验)
[3.1.1 结构设计参数确定](#3.1.1 结构设计参数确定)
[3.1.2 结构强度校验](#3.1.2 结构强度校验)
[3.1.3 变形量校验](#3.1.3 变形量校验)
[3.2 小腿外套结构设计与校验](#3.2 小腿外套结构设计与校验)
[3.2.1 结构设计参数](#3.2.1 结构设计参数)
[3.2.2 结构强度校验](#3.2.2 结构强度校验)
[3.3 伸缩调整机构结构设计与校验](#3.3 伸缩调整机构结构设计与校验)
[3.3.1 结构设计参数](#3.3.1 结构设计参数)
[3.3.2 轴向压缩强度校验](#3.3.2 轴向压缩强度校验)
[3.3.3 稳定性校验](#3.3.3 稳定性校验)
[3.4 脚部装配体结构设计与校验](#3.4 脚部装配体结构设计与校验)
[3.4.1 结构组成与设计参数](#3.4.1 结构组成与设计参数)
[3.4.2 连接轴剪切强度校验](#3.4.2 连接轴剪切强度校验)
[3.5 减速器结构设计与校验](#3.5 减速器结构设计与校验)
[3.5.1 核心设计参数](#3.5.1 核心设计参数)
[3.5.2 齿轮强度校验](#3.5.2 齿轮强度校验)
[3.6 57伺服电机结构设计与校验](#3.6 57伺服电机结构设计与校验)
[3.6.1 电机安装座设计参数](#3.6.1 电机安装座设计参数)
[3.6.2 输出轴扭转强度校验](#3.6.2 输出轴扭转强度校验)
[3.6.3 安装座螺栓强度校验](#3.6.3 安装座螺栓强度校验)
[3.6.4 安装座变形校验](#3.6.4 安装座变形校验)
[第四章 穿戴式登山助行器三维设计](#第四章 穿戴式登山助行器三维设计)
[4.1 三维设计软件选型与设计原则](#4.1 三维设计软件选型与设计原则)
[4.2 核心部件三维建模与细节设计](#4.2 核心部件三维建模与细节设计)
[4.3 整体装配与干涉检查](#4.3 整体装配与干涉检查)
[4.4 三维模型优化与验证](#4.4 三维模型优化与验证)
[第五章 设计验证](#第五章 设计验证)
[5.1 验证目的与验证方案设计](#5.1 验证目的与验证方案设计)
[5.2 核心部件强度与刚度验证实验](#5.2 核心部件强度与刚度验证实验)
[5.3 整体装配适配性验证实验](#5.3 整体装配适配性验证实验)
[5.4 运动干涉与灵活性验证实验](#5.4 运动干涉与灵活性验证实验)
[第六章 总结与展望](#第六章 总结与展望)
[6.1 总结](#6.1 总结)
[6.2 展望](#6.2 展望)
第一章 绪论
1.1 研究背景与研究意义
随着户外登山运动的普及和山地作业需求的提升，登山过程中的人体负重、下肢疲劳及安全防护问题日益凸显。登山运动中，人体下肢需承受自身重量与背包负重的双重载荷，在崎岖地形行走时，关节屈伸幅度大、受力不均匀，长时间运动易导致肌肉劳损、关节损伤，甚至引发坠落等安全风险。尤其对于中老年登山爱好者、山地救援人员及户外作业者而言，下肢力量不足、耐力有限的问题更为突出，亟需一种轻量化、适配性强的穿戴式助行设备，辅助减轻下肢承重，提升登山过程的稳定性与舒适性。
当前，穿戴式助行设备的研究多集中于康复医疗、工业辅助等领域，针对登山场景的专用助行器设计仍存在明显短板。现有登山助行设备要么结构笨重、穿戴不便，影响登山灵活性；要么适配性差，无法满足不同身高、体型人群的使用需求，且缺乏针对登山崎岖地形的结构优化，难以有效分散下肢受力。因此，开展穿戴式登山助行器的结构设计研究，具有重要的理论意义与实际应用价值。
理论层面，本研究可丰富穿戴式设备人机工程与结构设计的理论体系，探索登山场景下人体下肢运动与助行器结构的匹配规律，为同类户外助行设备的结构设计提供理论参考。实际应用层面，通过优化助行器的结构构型，实现轻量化、适配性与结构强度的平衡，可有效减轻登山者下肢负担，降低运动损伤风险，提升登山运动的安全性与舒适性；同时，该设备可广泛应用于山地救援、户外勘探等专业领域，提高作业人员的移动效率与安全性，具有良好的市场应用前景。
1.2 国内外研究现状分析
国外关于穿戴式助行器的研究起步较早，目前已形成一定的技术积累，主要集中于动力式助行器的结构设计与性能优化。美国、日本等发达国家的科研机构与企业，聚焦于人体运动信息的采集与分析，设计出具有动力辅助功能的穿戴式外骨骼助行器，通过电机驱动关节运动，辅助人体完成行走、负重等动作。例如，美国Lockheed Martin公司研发的HULC外骨骼系统，采用轻量化材料与模块化结构设计，可有效减轻人体负重，提升下肢运动能力，但该设备主要针对军事领域设计，结构复杂、成本较高，难以适配登山场景的轻量化需求。日本松下公司研发的下肢助行器，注重人机适配性，采用柔性穿戴结构，可贴合人体下肢运动轨迹，但在登山崎岖地形的稳定性方面仍需优化，且核心结构针对平地行走设计，未充分考虑登山时的关节受力特点。
国内对穿戴式助行器的研究近年来发展迅速，研究重点逐渐从康复助行向户外辅助领域延伸。国内高校与科研机构主要围绕结构轻量化、人机匹配性等方面开展研究，提出了多种助行器结构设计方案。例如，部分高校研发的穿戴式下肢助行器，采用碳纤维等轻量化材料，优化了关节连接结构，提升了设备的便携性，但在登山场景的针对性设计不足，未充分考虑山地地形对助行器结构强度、稳定性的要求；部分企业推出的户外助行设备，多以辅助支撑为主，结构相对简单，缺乏对人体下肢运动学特征的精准匹配，适配性与辅助效果有限。
综合来看，国内外现有研究仍存在三个主要问题：一是多数助行器针对平地或康复场景设计，未充分结合登山场景的崎岖地形、负重需求等特点，结构适配性不足；二是部分设备结构复杂、重量较大，影响登山过程的灵活性，不符合轻量化设计需求；三是针对助行器的二维工程图标准化、三维模型优化的研究不够深入，难以满足实际生产加工需求。本研究针对上述问题，聚焦穿戴式登山助行器的结构设计，重点完成三维模型构建与二维工程图绘制，优化结构构型，提升设备的适配性与轻量化水平。
1.3 研究内容与技术路线
本研究以穿戴式登山助行器的结构设计为核心，聚焦三维模型构建、二维工程图绘制及结构合理性校核，具体研究内容分为四个方面。第一，明确结构设计的基础依据，通过分析登山场景下人体下肢的运动学特征与力学需求，确定助行器的核心设计参数、材料选型原则及结构设计约束，为后续结构设计提供理论支撑。第二，完成助行器整体结构的三维设计，包括髋膝踝关节核心结构、承重支架结构、穿戴适配结构的三维建模，优化结构构型，实现轻量化与结构强度的平衡，确保设备贴合人体下肢运动轨迹。第三，开展关键部件的二维工程图设计，绘制承重部件、关节连接部件、穿戴固定部件的二维工程图，明确尺寸标注、公差要求与工艺要求，完成工程图的标准化校核，确保满足生产加工需求。第四，进行结构强度校核与局部优化，通过静态应力计算与动态响应分析，验证结构设计的合理性，针对存在的薄弱环节优化结构，更新三维模型与二维工程图。
本研究采用"理论分析---方案设计---模型构建---工程图绘制---校核优化"的技术路线，确保研究工作有序推进。首先，通过文献研究与实地调研，梳理国内外研究现状，分析登山场景的核心需求与设计约束，明确研究思路与技术难点；其次，基于人体下肢运动学与力学分析，确定助行器的整体结构方案，选取合适的材料与设计参数；再次，利用三维建模软件完成整体结构与关键部件的三维建模，优化结构细节，确保穿戴适配性与运动灵活性；然后，基于三维模型绘制二维工程图，规范尺寸标注与公差要求，完成标准化校核；最后，通过结构强度校核与仿真分析，发现设计缺陷并进行优化，形成最终的三维模型与二维工程图，完成研究任务。
1.4 研究创新点与设计目标
本研究的创新点主要体现在三个方面。一是结构构型的针对性创新，摒弃现有助行器通用化的结构设计思路，结合登山场景的崎岖地形与人体下肢运动特点，设计适配登山动作的髋膝踝关节连接结构，实现关节运动的灵活适配，同时优化承重结构，有效分散下肢受力，提升登山过程的稳定性。二是轻量化与适配性的协同优化，选用高强度、轻量化复合材料作为核心结构材料，简化结构冗余设计，在保证结构强度的前提下降低设备重量；同时，设计可调节的穿戴固定结构，适配不同身高、体型人群的使用需求，提升穿戴舒适性。三是工程图的标准化与精细化设计，针对关键部件的二维工程图，明确公差等级与工艺要求，优化尺寸标注方式，确保工程图符合机械加工标准，为后续生产加工提供精准的技术依据，解决现有助行器工程图不规范、难以落地生产的问题。
本研究的设计目标围绕结构设计的核心需求，具体分为四个方面。一是结构适配性目标，助行器结构需贴合人体下肢运动轨迹，可灵活适配登山时的关节屈伸动作，在崎岖地形行走时能够有效辅助支撑，分散下肢负重，降低肌肉疲劳。二是轻量化与强度目标，设备整体重量控制在合理范围，便于携带与穿戴，同时核心承重结构需满足登山时的载荷要求，具备足够的强度与刚度，避免结构变形或损坏。三是工程图设计目标，完成关键部件的二维工程图绘制，尺寸标注准确、公差要求合理、工艺规范，通过标准化校核，确保工程图可直接用于生产加工。四是穿戴舒适性目标，穿戴固定结构设计合理，贴合人体皮肤，无明显压迫感，可调节范围满足不同人群需求，长时间穿戴无不适，不影响登山过程的灵活性。通过实现上述目标，最终完成穿戴式登山助行器的结构设计，为后续设备的生产、试验奠定基础。
第二章 穿戴式登山助行器 方案设计与选择
2.1 方案设计原则与核心约束条件
穿戴式登山助行器的方案设计需以实用性、适配性、轻量化为核心，结合登山场景的特殊需求与结构设计的核心目标，明确设计原则与约束条件，为后续方案选型与细节设计提供指导。结合本研究仅聚焦结构设计、产出三维模型与二维工程图的核心要求，方案设计需遵循四大核心原则，确保设计成果兼具合理性、可加工性与实用性。
首先是人机适配原则，助行器结构需精准贴合人体下肢运动学特征，适配登山时髋、膝、踝三大关节的屈伸轨迹，避免因结构设计不合理导致的运动干涉，同时穿戴结构需兼顾舒适性与固定性，减少长时间穿戴的压迫感，适配不同身高、体型人群的使用需求。其次是轻量化与强度平衡原则，登山场景对设备便携性要求较高，需选用高强度、低密度的复合材料，简化冗余结构，在降低设备整体重量的同时，保证核心承重结构的强度与刚度，满足登山时的负重与冲击载荷要求。再次是标准化与可加工原则，方案设计需兼顾后续二维工程图绘制与生产加工需求，结构构型需简洁规整，避免复杂曲面与难加工结构，关键部件的尺寸与公差需符合机械加工标准，确保二维工程图可直接用于生产落地。最后是经济性原则，在满足设计目标的前提下，优先选用性价比高的材料与简洁的结构方案，降低设计与制造成本，提升设备的市场应用可行性。
基于上述设计原则，结合登山场景的实际需求，明确方案设计的三大核心约束条件。一是运动约束，助行器关节结构需满足登山时下肢关节的屈伸角度范围，髋部屈伸角度需覆盖0°-120°，膝关节屈伸角度需覆盖0°-150°，踝关节屈伸角度需覆盖-30°-60°，确保无运动干涉，不影响登山动作的灵活性。二是重量约束，设备整体重量需控制在3kg以内，核心承重部件单重不超过0.5kg，便于登山者携带与穿戴，避免增加额外负重负担。三是结构约束，穿戴结构需采用可调节设计，腰围、大腿围、小腿围的调节范围需覆盖大多数人群体型，核心关节连接结构需具备足够的稳定性，避免登山过程中出现松动或断裂，同时结构设计需便于三维建模与二维工程图绘制，确保设计成果可落地。
2.2 整体结构方案设计与对比
结合设计原则与约束条件，针对穿戴式登山助行器的整体结构，设计三种不同的构型方案，重点围绕关节连接方式、承重结构布局、穿戴适配结构三个核心维度进行设计，通过对比分析各方案的优缺点，筛选出最优整体结构方案，为后续关键部件设计奠定基础。三种方案均聚焦结构设计本身，不涉及动力驱动等无关内容，确保贴合本研究核心目标。
方案一为"一体式承重+刚性关节"结构，整体采用一体化承重支架，髋、膝、踝关节采用刚性连接，穿戴结构为固定绑带式设计。该方案的优势的是结构简单，便于三维建模与二维工程图绘制，核心承重结构强度高，加工难度低，可有效分散下肢负重；缺点是关节灵活性不足，难以完全适配登山时下肢关节的复杂运动轨迹，穿戴适配性较差，仅能适配特定体型人群，且刚性关节在登山冲击载荷下易产生应力集中，影响结构使用寿命。
图2-1 方案一
方案二为"模块化承重+柔性关节"结构，将助行器分为髋部、大腿、小腿三个模块化结构，通过柔性铰链连接各关节，穿戴结构采用可调节魔术贴与卡扣组合设计。该方案的优势是关节灵活性好，可精准贴合人体下肢运动轨迹，模块化设计便于三维模型的修改与优化，穿戴适配性强，可满足不同体型人群需求，柔性关节可缓冲登山时的冲击载荷，减少应力集中；缺点是模块化结构的连接强度相对较低，三维建模的复杂度较高，对二维工程图的尺寸标注与公差要求更为严格，加工成本略高于方案一。
图2-2 方案一
方案三为"混合式承重+半刚性关节"结构，核心承重部位采用一体式结构，非承重部位采用模块化设计，关节采用半刚性连接，兼顾刚性支撑与柔性适配，穿戴结构为可调节绑带与护具组合设计。该方案的优势是平衡了结构强度与关节灵活性，既具备足够的承重能力，又能适配登山时的复杂运动，穿戴舒适性较高，三维建模与二维工程图绘制的难度适中，加工成本可控；缺点是结构构型相对复杂，对各部件的装配精度要求较高，需在三维建模阶段重点优化装配间隙。
图2-3 方案一
表2-1 三种方案的结构对比
|----------|-------------|--------------------------|------------------------|-------------|--------------|
| 方案编号 | 结构构型 | 核心优势 | 主要缺点 | 建模与绘图难度 | 贴合研究目标程度 |
| 方案一 | 一体式承重+刚性关节 | 结构简单、承重强度高、加工难度低 | 关节灵活性差、穿戴适配性低、易产生应力集中 | 低 | 较低 |
| 方案二 | 模块化承重+柔性关节 | 关节灵活、穿戴适配性强、可缓冲冲击、便于模型优化 | 连接强度较低、加工成本略高、公差要求严格 | 中 | 高 |
| 方案三 | 混合式承重+半刚性关节 | 平衡强度与灵活性、穿戴舒适、加工成本可控 | 结构构型复杂、装配精度要求高、需优化装配间隙 | 中 | 中 |
通过对比表2-1中三种方案的结构合理性、适配性、加工难度及贴合本研究设计目标的程度，方案二"模块化承重+柔性关节"结构更符合设计要求，其关节灵活性与穿戴适配性的优势能够更好地满足登山场景需求，模块化设计便于后续三维模型优化与二维工程图绘制，虽加工难度略高，但可通过精细化设计弥补，因此确定该方案为助行器的整体结构方案。
2.3 关键部件结构方案设计与选型
基于选定的整体结构方案，重点针对髋部关节、膝关节、承重支架、穿戴适配结构四大关键部件，开展结构方案设计与选型，确保各部件结构合理、适配性强，同时便于三维建模与二维工程图绘制，为整体结构的优化与落地提供支撑。关键部件的设计核心是兼顾强度、灵活性与可加工性，贴合登山场景的受力特点。
髋部关节结构方案选型，重点对比两种设计方案：方案A为单轴柔性铰链结构，结构简单，便于建模与加工，可实现髋部的屈伸运动，但旋转自由度不足，难以适配登山时的侧身行走等动作；方案B为双轴柔性铰链结构，具备屈伸与轻微旋转自由度，可精准贴合人体髋部运动轨迹，缓冲登山时的侧向载荷，虽建模与加工难度略高，但适配性更强。结合登山场景需求，选用方案B作为髋部关节结构方案，确保关节运动的灵活性与稳定性。
膝关节结构方案选型，聚焦两种核心设计：方案A为折叠式刚性关节，结构强度高，承重能力强，建模难度低，但屈伸灵活性不足，易产生运动干涉；方案B为伸缩式柔性关节，采用嵌套式结构，可实现大范围屈伸，同时具备一定的缓冲功能，适配登山时的膝关节运动，虽结构相对复杂，但能有效减少关节受力。综合考虑，选用方案B作为膝关节结构方案，兼顾灵活性与承重能力，同时优化结构细节，降低三维建模与二维工程图绘制的难度。
承重支架结构方案选型，重点考虑材料与构型设计：方案A采用碳纤维板一体成型结构，轻量化效果好，强度高，但成型难度大，二维工程图的尺寸标注要求严格；方案B采用铝合金型材拼接结构，加工难度低，便于三维建模与工程图绘制，成本较低，但重量略高于方案A。结合重量约束与加工可行性，选用方案B，同时通过优化型材截面尺寸，在降低重量的同时保证结构强度，确保满足登山场景的承重需求。
表2-2 材料方案对比
|----------|----------------|------------------------|------------|-------------|--------------|
| 关键部件 | 选型方案 | 核心优势 | 主要缺点 | 建模与绘图难度 | 适配登山场景程度 |
| 髋部关节 | 双轴柔性铰链（方案B） | 屈伸+旋转自由度、贴合运动轨迹、缓冲侧向载荷 | 建模与加工难度略高 | 中 | 高 |
| 膝关节 | 伸缩式柔性关节（方案B） | 大范围屈伸、缓冲功能、减少关节受力 | 结构相对复杂 | 中 | 高 |
| 承重支架 | 铝合金型材拼接（方案B） | 加工难度低、便于建模绘图、成本可控 | 重量略高于碳纤维方案 | 低 | 中高 |
| 穿戴适配结构 | 绑带+刚性护具组合（方案B） | 固定稳定、穿戴舒适、适配范围广 | 结构略复杂 | 低 | 高 |
选用方案B作为穿戴适配结构方案，同时设计多组调节孔，确保适配不同体型人群，提升穿戴体验。
2.4 最终方案确定与可行性分析
综合上述整体结构方案与关键部件选型结果，确定穿戴式登山助行器的最终结构方案：采用"模块化承重+柔性关节"整体构型，髋部关节选用双轴柔性铰链结构，膝关节选用伸缩式柔性关节，承重支架采用铝合金型材拼接结构，穿戴适配结构采用绑带与刚性护具组合设计，整体结构分为髋部、大腿、小腿三个模块化部件，通过柔性铰链连接，实现关节的灵活运动与稳定承重。该方案严格聚焦结构设计核心，未涉及动力驱动等无关内容，完全贴合本研究仅产出三维模型与二维工程图的目标。
从结构合理性角度分析，最终方案的模块化设计便于三维模型的构建、修改与优化，各关键部件的结构选型均兼顾了强度、灵活性与适配性，能够满足登山场景下的运动需求与承重要求，关节结构的设计避免了运动干涉，穿戴结构的可调节设计提升了适配范围。从可加工性角度分析，方案选用的结构构型简洁规整，避免了复杂曲面与难加工结构，关键部件的尺寸与公差可通过二维工程图精准标注，符合机械加工标准，能够确保工程图可直接用于生产加工，满足本研究的设计产出要求。
从轻量化与强度平衡角度分析，选用的铝合金型材与柔性铰链材料，在保证核心结构强度的前提下，有效控制了设备整体重量，预计整体重量可控制在2.8kg以内，符合重量约束要求，同时柔性关节结构可缓冲登山时的冲击载荷，减少应力集中，提升结构使用寿命。从人机适配角度分析，方案的关节运动轨迹贴合人体下肢运动学特征，穿戴结构的组合设计提升了舒适性与固定性，可适配不同身高、体型人群的使用需求，能够有效辅助登山者减轻下肢负重，提升登山过程的稳定性。
图2-5 最终设计方案图
第三章 穿戴式登山助行器 关键部件 结构设计
3.1 鞋子固定环结构设计与校验
鞋子固定环是助行器与登山鞋的核心连接部件，其功能是将助行器的辅助支撑力传递至足部，同时保证登山过程中足部与助行器无相对位移。本章节设计的固定环采用环形抱箍式结构，适配登山鞋鞋跟部位的曲面特征，材质选用6061铝合金（弹性模量
GPa，屈服强度
MPa），兼顾轻量化与结构强度。
图3-1 二维设计图
3.1.1 结构设计参数确定
结合登山鞋通用尺寸（鞋跟周长
~
mm，鞋跟高度
mm），固定环设计为可调节开口式结构，核心设计参数如表3-1所示：
表3-1 鞋子固定环核心设计参数
|------------|---------|--------|------------------------------------------------------------------------|
| 参数名称 | 设计值 | 单位 | 设计依据 |
| 固定环公称直径 | 105 | mm | 适配鞋跟平均周长 
mm |
| 开口调节范围 | 0~20 | mm | 覆盖不同鞋型尺寸偏差 |
| 环体壁厚 | 5 | mm | 轻量化与强度平衡 |
| 抱箍螺栓预紧力 | 800 | N | 保证固定稳定性且不损伤鞋体 |
| 最大承载载荷（轴向） | 1500 | N | 登山时单脚最大支撑力 |
3.1.2 结构强度校验
固定环的核心失效形式为环体受轴向载荷后的弯曲变形与螺栓预紧后的剪切失效，需分别进行校验：
（1）环体弯曲强度校验
