外骨骼機(jī)器人的概述與分類

一、外骨骼機(jī)器人的概述

外骨骼機(jī)器人是穿戴在使用者身體外部的一種智能機(jī)械結(jié)構(gòu)，可將人體感覺、思維、運動等器官與機(jī)器的感知系統(tǒng)、智能處理中心、控制執(zhí)行系統(tǒng)相結(jié)合，從而達(dá)到改善人體物理機(jī)能及提高身體素質(zhì)等目的，其本質(zhì)是一類可實現(xiàn)人機(jī)結(jié)合的可穿戴式機(jī)器人。

在仿生原理、人體工程學(xué)設(shè)計以及信息控制技術(shù)等基礎(chǔ)上，外骨骼機(jī)器人還涉及生物運動學(xué)、機(jī)器人學(xué)、信息科學(xué)、人工智能等學(xué)科知識，專業(yè)類涉及機(jī)械，電子自動化，計算機(jī)等幾大專業(yè)。

機(jī)械專業(yè)：在外骨骼機(jī)器人上是重要的一方面。外骨骼的機(jī)械問題主要解決結(jié)構(gòu)、傳動、人機(jī)工程等問題。

電子專業(yè)：則主要指機(jī)器人的電子硬件設(shè)計，與機(jī)械形成耦合關(guān)系，在考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的時候要兼顧電子硬件，在考慮電子硬件的時候也要考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行問題。具體上，主要攻克傳感器、控制器、電源管理等問題。

自動化專業(yè)：主要解決外骨骼機(jī)器人的控制問題，是核心方面?？刂平鉀Q的問題就是讓外骨骼如何與人協(xié)調(diào)、如何提供助力、如何感知人體運動意圖等。

計算機(jī)專業(yè)：則主要是與控制相關(guān)，因此也被涉及。在操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理、人工智能等方面，計算機(jī)專業(yè)接觸的多，處理這些問題相對自動化專業(yè)更順手。

外骨骼機(jī)器人可根據(jù)功能、結(jié)構(gòu)部位等維度進(jìn)行分類。

二、外骨骼機(jī)器人的分類

1）根據(jù)功能劃分

外骨骼機(jī)器人可分為增強(qiáng)型外骨骼機(jī)器人和康復(fù)型外骨骼機(jī)器人，

增強(qiáng)型外骨骼機(jī)器人：可幫助使用者增強(qiáng)肌肉能力、減輕負(fù)荷，多應(yīng)用于軍事領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域。

康復(fù)型外骨骼機(jī)器人：可輔助肢體運動障礙患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，多應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域。

（1）軍事領(lǐng)域

外骨骼機(jī)器人發(fā)源自軍事領(lǐng)域。從 2000 年開始，美國軍方率先開展對增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼機(jī)器人研究，其目的是設(shè)計增強(qiáng)型軍用裝甲以提高士兵個人防護(hù)能力。

美國政府先后與加利福尼亞大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實驗室、美國 Sarcos Robotic 公司等研究單位進(jìn)行合作，要求研究出具有自身能源供應(yīng)裝置、現(xiàn)代化通訊系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、作戰(zhàn)武器系統(tǒng)、噸級負(fù)荷能力、高速運動能力以及保護(hù)功能的外骨骼機(jī)器人。

（2）工業(yè)領(lǐng)域

以快遞物流、房地產(chǎn)施工和伐木工程等行業(yè)為代表，該類行業(yè)的勞動強(qiáng)度大、人力成本高、工作效率低。

外骨骼機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的運用將幫助從業(yè)者減輕負(fù)重、 提高工作效率，如京東在 2018 年“618”活動期間為員工配備了外骨骼機(jī)器人輔助搬運， 大幅提高員工工作效率。

（3）醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域

外骨骼機(jī)器人可幫助老年人、殘疾人以及中風(fēng)、偏癱患者等群體進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，是當(dāng)前中國外骨骼機(jī)器人行業(yè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

以色列 ReWalk Robotics、 日本 Cyberdyne 及美國 Ekso Bionics 是全球外骨骼機(jī)器人在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的頭部企業(yè)。

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)部位劃分

外骨骼機(jī)器人可分為上肢外骨骼機(jī)器人和下肢外骨骼機(jī)器人。

（1）上肢外骨骼機(jī)器人

穿戴部位為使用者背部，由主機(jī)箱、上肢固定結(jié)構(gòu)、可動關(guān)節(jié)及連接結(jié)構(gòu)等組成，其中主機(jī)箱中裝有系統(tǒng)運行平臺、感應(yīng)控制、電源等設(shè)備。

上肢外骨骼機(jī)器人通過仿真機(jī)械設(shè)計，將肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)設(shè)計為可動關(guān)節(jié)，應(yīng)用壓力傳感器、陀螺儀、無線傳導(dǎo)等技術(shù)，可幫助使用者增強(qiáng)上肢力量、減輕負(fù)重、減少身體損傷及提升工作效率，并讓使用者可從容應(yīng)對更多復(fù)雜精密工作。

上肢外骨骼機(jī)器人主要運用于快遞物流、建筑施工等高強(qiáng)度、勞動密集型行業(yè)。

（2）下肢外骨骼機(jī)器人

可覆蓋腰部、髖關(guān)節(jié)到腳部的位置，由主機(jī)箱、下肢固定結(jié)構(gòu)、可動關(guān)節(jié)及連接結(jié)構(gòu)組成，部分產(chǎn)品配備了拐杖以實現(xiàn)支撐和控制功能。

下肢外骨骼機(jī)器人通過傳感系統(tǒng)、動力輸出裝置、控制系統(tǒng)及能源系統(tǒng)等技術(shù)，可幫助使用者通過行走訓(xùn)練提升肌肉力量、恢復(fù)下肢神經(jīng)、避免關(guān)節(jié)及肌肉萎縮。

下肢外骨骼機(jī)器人主要應(yīng)用于中風(fēng)、偏癱等患者的康復(fù)訓(xùn)練、老年人和殘疾人助行以及軍事等領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇