深度剖析外骨骼機(jī)器人的發(fā)展歷程與技術(shù)現(xiàn)狀

一、外骨骼機(jī)器人的發(fā)展與場(chǎng)景

外骨骼的定義最早其實(shí)來(lái)源于動(dòng)物，即外部的骨骼，這些外部骨骼一般用于支撐和保護(hù)動(dòng)物，與之相反的是人類(lèi)這樣“內(nèi)骨骼”的生物。因此，外骨骼機(jī)器人一般是指那些能夠保護(hù)自身，并增強(qiáng)人類(lèi)能力的可穿戴機(jī)電設(shè)備，從單一的穿戴電子類(lèi)產(chǎn)品，后續(xù)逐漸形成電子、機(jī)械、仿生的跨界融合，形成一項(xiàng)面向未來(lái)的獨(dú)特前沿技術(shù)。在應(yīng)用領(lǐng)域上也發(fā)展衍生到包含那些能夠增強(qiáng)（幫助康復(fù)）殘疾人的可穿戴設(shè)備，主要用于幫助病人做步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練。因此目前從功能上，一般將外骨骼機(jī)器人分為增強(qiáng)型外骨骼和康復(fù)類(lèi)外骨骼。

外骨骼機(jī)器人的想法可以追溯到1890年，當(dāng)時(shí)一位叫尼古拉斯·亞根的俄羅斯人發(fā)明了一種用壓縮空氣包為動(dòng)力的類(lèi)外骨骼系統(tǒng)；1917年，美國(guó)發(fā)明家開(kāi)發(fā)了一種以蒸汽為動(dòng)力的外骨骼機(jī)器人；1960年，最早的外骨骼項(xiàng)目出現(xiàn)，其來(lái)源于美國(guó)軍方的增強(qiáng)型軍用裝甲，同期康奈爾大學(xué)的研究者也開(kāi)始研究人體增強(qiáng)的概念，后續(xù)外骨骼機(jī)器人很快就開(kāi)始研發(fā)，也造成了這個(gè)領(lǐng)域大部分能夠探明的問(wèn)題迅速被探明。1970年，通用電氣設(shè)計(jì)的Hardman系統(tǒng)，包含了30多個(gè)關(guān)節(jié)，能舉起1500磅的重量，展示出了外骨骼技術(shù)的龐大可能性。

從研發(fā)到應(yīng)用，目前外骨骼機(jī)器人已經(jīng)走過(guò)了一百多年。外骨骼機(jī)器人也從最初的軍用領(lǐng)域，開(kāi)始在醫(yī)療、工業(yè)、物流等領(lǐng)域零星有所應(yīng)用，包括美國(guó)的Ekso Labs、Barrett Medical、以色列的Rewalk、英國(guó)的Rex Blonics Limited、日本的CyberDyne、松下的外骨骼機(jī)器人等都是位于行業(yè)領(lǐng)先位置的企業(yè)。

在國(guó)外的外骨骼機(jī)器人發(fā)展歷史中，松下最早在2014年就公開(kāi)了其外骨骼機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)，松下為了讓普通工人能夠輕松負(fù)重15公斤的重物到處移動(dòng)，先是做了一個(gè)輕便版的外骨骼支架，后續(xù)在背部、大腿、小腿到腳部的區(qū)域里用碳纖維材料支撐，配合著可以由傳感器喚醒的動(dòng)力馬達(dá)，最后實(shí)現(xiàn)了可以輕松地幫人負(fù)重15公斤工作。此外，美國(guó)的Ekso Bionics、suitX也陸續(xù)已經(jīng)推出了自家工業(yè)用外骨骼機(jī)器人，其中，Ekso Bionics公司的上肢外骨骼機(jī)器人EksoVest早已應(yīng)用到福特汽車(chē)流水線的頂部作業(yè)。

相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)這一賽道起步較晚，但卻發(fā)力甚猛，尤其是康復(fù)外骨骼機(jī)器人賽道，已經(jīng)涌現(xiàn)了眾多初創(chuàng)企業(yè)，包括邁步機(jī)器人、大艾、睿瀚醫(yī)療、尖叫科技、瑾和、傅利葉智能等均是近些年來(lái)這一領(lǐng)域的明星企業(yè)，在這些企業(yè)中，就融資情況來(lái)看，普遍在2017年-2018年已經(jīng)完成Pre-A輪融資。

工業(yè)外骨骼機(jī)器人也在國(guó)內(nèi)應(yīng)需興起，包括在汽車(chē)裝配、物流行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，中國(guó)工業(yè)外骨骼機(jī)器人相關(guān)企業(yè)也已經(jīng)開(kāi)始跑步前進(jìn)。類(lèi)似傲鯊智能的MAPS工業(yè)上肢外骨骼機(jī)器人2019年就曾報(bào)道已經(jīng)在奇瑞汽車(chē)、宇通客車(chē)、北京奔馳、吉利汽車(chē)工廠中試用。鐵甲鋼拳這類(lèi)物流外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)企業(yè)也在2019年正式推出其第一款物流領(lǐng)域通用外骨骼機(jī)器人，并與京東、德邦、施耐德就物流外骨骼機(jī)器人有合作應(yīng)用，未來(lái)將會(huì)繼續(xù)深入做工業(yè)、建筑場(chǎng)景應(yīng)用的外骨骼機(jī)器人。

二、外骨骼機(jī)器人的技術(shù)與現(xiàn)狀

一個(gè)外骨骼機(jī)器人一般包括整機(jī)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器（機(jī)構(gòu)）設(shè)計(jì)、控制策略三部分，外骨骼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人機(jī)實(shí)時(shí)交互和控制是其中的最難點(diǎn)。交互整體工作原理一般是：第一步感知人體行為意圖，一般是陀螺儀+加速度計(jì)+肌肉電信號(hào)等方式結(jié)合；第二步實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)方式，例如采用高級(jí)行為驅(qū)動(dòng)；第三是一般通過(guò)激光+超聲感知對(duì)外界環(huán)境做出判斷。

目前機(jī)器人獲得人類(lèi)意圖有兩種方式：直接獲取操作者意圖和間接獲取操作者意圖。直接獲取操作者意圖的方法有從EMG數(shù)據(jù)或人和機(jī)器人之間的交互力，間接獲取的方法是從外骨骼關(guān)節(jié)獲取數(shù)據(jù)、估計(jì)操作者意圖然后放大運(yùn)動(dòng)效果。馬斯克創(chuàng)辦的Neuralink公司，致力于將人腦和計(jì)算機(jī)的連接，就是加強(qiáng)這種連接的一個(gè)方式。

就當(dāng)下而言，外骨骼機(jī)器人還有很大的想象空間，并且有貼近消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的選項(xiàng)。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，康復(fù)類(lèi)外骨骼機(jī)器人研發(fā)門(mén)檻較低，同時(shí)屬于2類(lèi)醫(yī)療器械，注冊(cè)門(mén)檻較低；助行類(lèi)外骨骼機(jī)器人受到限制的技術(shù)性能不斷得以突破；手術(shù)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)門(mén)檻較高，屬于3類(lèi)醫(yī)療器械在國(guó)內(nèi)注冊(cè)門(mén)檻和周期都很長(zhǎng)。因此，外骨骼機(jī)器人在中國(guó)得到爆發(fā)并不奇怪。

在前沿技術(shù)上，現(xiàn)階段，西安交大、帝國(guó)理工、墨爾本大學(xué)也都有在做腦電方面的研究，而香港理工，則專(zhuān)注于經(jīng)顱磁刺激和外骨骼機(jī)器人相結(jié)合的研究，這些都是目前世界上神經(jīng)康復(fù)和機(jī)器人康復(fù)領(lǐng)域中非常前沿的方向。盡管如此，我國(guó)康復(fù)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展初期階段，即使部分已經(jīng)獲得各類(lèi)醫(yī)療認(rèn)證的外骨骼機(jī)器人，更多企業(yè)仍將大部分精力投入到醫(yī)療外骨骼機(jī)器人研發(fā)上，真正商業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品主要還是在關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備上，諸如邁步機(jī)器人的下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼機(jī)器人、手部康復(fù)外骨骼機(jī)器人，傅利葉的腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備等。

早期困擾外骨骼機(jī)器人主要有以下幾個(gè)問(wèn)題，第一個(gè)問(wèn)題是能源問(wèn)題，早期的外骨骼機(jī)器人離不開(kāi)外部能源，通過(guò)內(nèi)燃機(jī)和電纜的驅(qū)動(dòng)一度是阻礙機(jī)器人發(fā)展的難題，這對(duì)于機(jī)器人的重量和可持續(xù)性的相關(guān)問(wèn)題都有影響。第二個(gè)問(wèn)題在于控制技術(shù)，控制技術(shù)使得機(jī)器人能夠精準(zhǔn)全程實(shí)現(xiàn)高效率的掌控，以及多維度的自由控制，并且能夠跟上人的各種變化，如果沒(méi)有對(duì)人體各種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的各種感知能力，而給人提供一個(gè)助力和行動(dòng)支持，外骨骼機(jī)器人就反而成為了累贅。

如今隨著鋰電池，燃料電池等成熟，高效能源的發(fā)展，一部分外骨骼機(jī)器人開(kāi)始將能源和控制問(wèn)題很好得到解決，并出現(xiàn)了非常多的單一功能外骨骼機(jī)器人分支，包括了背帶、手套、手指、短褲、護(hù)膝等形式，應(yīng)用目的也衍生到了工業(yè)、醫(yī)療、民用和軍事領(lǐng)域。

三、結(jié)語(yǔ)

目前就外骨骼機(jī)器人的市場(chǎng)上來(lái)看，因?yàn)楣I(yè)市場(chǎng)和工業(yè)機(jī)器人等成熟產(chǎn)品都存在競(jìng)爭(zhēng)，外骨骼機(jī)器人最有可能的市場(chǎng)依然在醫(yī)療場(chǎng)景。第一市場(chǎng)是不可逆損傷市場(chǎng)，主要針對(duì)的是肌肉、骨骼、神經(jīng)、軟組織損傷和老化造成行動(dòng)不便的人群，這一類(lèi)2C人群約9000萬(wàn)，讓身體有殘疾的人能夠站起來(lái)意義非凡。第二市場(chǎng)是可逆康復(fù)市場(chǎng)，主要針對(duì)于因?yàn)槭中g(shù)原因臥床治療造成的臨時(shí)肌肉萎縮、智能康復(fù)人群，每年約2500萬(wàn)的循環(huán)人群和機(jī)構(gòu)合作建立渠道。

未來(lái)，外骨骼機(jī)器人的主要市場(chǎng)一定還是消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，如針對(duì)戶(hù)外行走、徒步、爬山、攀登等輕應(yīng)用，生產(chǎn)適用于膝蓋、大腿、鞋子、手臂等單個(gè)部件形式的產(chǎn)品，這部分的市場(chǎng)沒(méi)有確定參數(shù)，但空間十分巨大。

希望在不久將來(lái)，隨著材料等問(wèn)題的攻克，外骨骼機(jī)器人最終能夠價(jià)格不斷下降，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)元甚至數(shù)千元的量級(jí)，這時(shí)候市場(chǎng)無(wú)疑將迎來(lái)一個(gè)巨大突破。而如果能把外骨骼機(jī)器人賣(mài)成普遍性的服裝，或許人類(lèi)探索未知的宇宙，也就不再是遙不可及的夢(mèng)想。

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審核編輯 黃宇