「邁步機器人」深度剖析外骨骼機器人的發(fā)展歷程與技術(shù)現(xiàn)狀

一、外骨骼機器人的發(fā)展與場景

外骨骼的定義最早其實來源于動物，即外部的骨骼，這些外部骨骼一般用于支撐和保護動物，與之相反的是人類這樣“內(nèi)骨骼”的生物。因此，外骨骼機器人一般是指那些能夠保護自身，并增強人類能力的可穿戴機電設(shè)備，從單一的穿戴電子類產(chǎn)品，后續(xù)逐漸形成電子、機械、仿生的跨界融合，形成一項面向未來的獨特前沿技術(shù)。在應(yīng)用領(lǐng)域上也發(fā)展衍生到包含那些能夠增強（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，一般將外骨骼機器人分為增強型外骨骼和康復(fù)類外骨骼。

外骨骼機器人的想法可以追溯到1890年，當(dāng)時一位叫尼古拉斯·亞根的俄羅斯人發(fā)明了一種用壓縮空氣包為動力的類外骨骼系統(tǒng)；1917年，美國發(fā)明家開發(fā)了一種以蒸汽為動力的外骨骼機器人；1960年，最早的外骨骼項目出現(xiàn)，其來源于美國軍方的增強型軍用裝甲，同期康奈爾大學(xué)的研究者也開始研究人體增強的概念，后續(xù)外骨骼機器人很快就開始研發(fā)，也造成了這個領(lǐng)域大部分能夠探明的問題迅速被探明。1970年，通用電氣設(shè)計的Hardman系統(tǒng)，包含了30多個關(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，目前外骨骼機器人已經(jīng)走過了一百多年。外骨骼機器人也從最初的軍用領(lǐng)域，開始在醫(yī)療、工業(yè)、物流等領(lǐng)域零星有所應(yīng)用，包括美國的Ekso Labs、Barrett Medical、以色列的Rewalk、英國的Rex Blonics Limited、日本的CyberDyne、松下的外骨骼機器人等都是位于行業(yè)領(lǐng)先位置的企業(yè)。

在國外的外骨骼機器人發(fā)展歷史中，松下最早在2014年就公開了其外骨骼機器人在產(chǎn)業(yè)方面的應(yīng)用項目。當(dāng)時，松下為了讓普通工人能夠輕松負重15公斤的重物到處移動，先是做了一個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力馬達，最后實現(xiàn)了可以輕松地幫人負重15公斤工作。此外，美國的Ekso Bionics、suitX也陸續(xù)已經(jīng)推出了自家工業(yè)用外骨骼機器人，其中，Ekso Bionics公司的上肢外骨骼機器人EksoVest早已應(yīng)用到福特汽車流水線的頂部作業(yè)。

圖片來自邁步機器人官方授權(quán)

相對而言，國內(nèi)這一賽道起步較晚，但卻發(fā)力甚猛，尤其是康復(fù)外骨骼機器人賽道，已經(jīng)涌現(xiàn)了眾多初創(chuàng)企業(yè)，包括邁步機器人、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這一領(lǐng)域的明星企業(yè)，在這些企業(yè)中，就融資情況來看，普遍在2017年-2018年已經(jīng)完成Pre-A輪融資。

工業(yè)外骨骼機器人也在國內(nèi)應(yīng)需興起，包括在汽車裝配、物流行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，中國工業(yè)外骨骼機器人相關(guān)企業(yè)也已經(jīng)開始跑步前進。類似傲鯊智能的MAPS工業(yè)上肢外骨骼機器人2019年就曾報道已經(jīng)在奇瑞汽車、宇通客車、北京奔馳、吉利汽車工廠中試用。鐵甲鋼拳這類物流外骨骼機器人領(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)域通用外骨骼機器人，并與京東、德邦、施耐德就物流外骨骼機器人有合作應(yīng)用，未來將會繼續(xù)深入做工業(yè)、建筑場景應(yīng)用的外骨骼機器人。

二、外骨骼機器人的技術(shù)與現(xiàn)狀

一個外骨骼機器人一般包括整機設(shè)計、驅(qū)動器（機構(gòu)）設(shè)計、控制策略三部分，外骨骼機器人實現(xiàn)人機實時交互和控制是其中的最難點。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+肌肉電信號等方式結(jié)合；第二步實現(xiàn)驅(qū)動方式，例如采用高級行為驅(qū)動；第三是一般通過激光+超聲感知對外界環(huán)境做出判斷。

目前機器人獲得人類意圖有兩種方式：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)、估計操作者意圖然后放大運動效果。馬斯克創(chuàng)辦的Neuralink公司，致力于將人腦和計算機的連接，就是加強這種連接的一個方式。

就當(dāng)下而言，外骨骼機器人還有很大的想象空間，并且有貼近消費級產(chǎn)品的選項。從技術(shù)角度來說，康復(fù)類外骨骼機器人研發(fā)門檻較低，同時屬于2類醫(yī)療器械，注冊門檻較低；助行類外骨骼機器人受到限制的技術(shù)性能不斷得以突破；手術(shù)機器人技術(shù)研發(fā)門檻較高，屬于3類醫(yī)療器械在國內(nèi)注冊門檻和周期都很長。因此，外骨骼機器人在中國得到爆發(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，則專注于經(jīng)顱磁刺激和外骨骼機器人相結(jié)合的研究，這些都是目前世界上神經(jīng)康復(fù)和機器人康復(fù)領(lǐng)域中非常前沿的方向。盡管如此，我國康復(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)獲得各類醫(yī)療認證的外骨骼機器人，更多企業(yè)仍將大部分精力投入到醫(yī)療外骨骼機器人研發(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，諸如邁步機器人的下肢康復(fù)訓(xùn)練外骨骼機器人、手部康復(fù)外骨骼機器人，傅利葉的腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備等。

早期困擾外骨骼機器人主要有以下幾個問題，第一個問題是能源問題，早期的外骨骼機器人離不開外部能源，通過內(nèi)燃機和電纜的驅(qū)動一度是阻礙機器人發(fā)展的難題，這對于機器人的重量和可持續(xù)性的相關(guān)問題都有影響。第二個問題在于控制技術(shù)，控制技術(shù)使得機器人能夠精準(zhǔn)全程實現(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，如果沒有對人體各種運動趨勢的各種感知能力，而給人提供一個助力和行動支持，外骨骼機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，一部分外骨骼機器人開始將能源和控制問題很好得到解決，并出現(xiàn)了非常多的單一功能外骨骼機器人分支，包括了背帶、手套、手指、短褲、護膝等形式，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

目前就外骨骼機器人的市場上來看，因為工業(yè)市場和工業(yè)機器人等成熟產(chǎn)品都存在競爭，外骨骼機器人最有可能的市場依然在醫(yī)療場景。第一市場是不可逆損傷市場，主要針對的是肌肉、骨骼、神經(jīng)、軟組織損傷和老化造成行動不便的人群，這一類2C人群約9000萬，讓身體有殘疾的人能夠站起來意義非凡。第二市場是可逆康復(fù)市場，主要針對于因為手術(shù)原因臥床治療造成的臨時肌肉萎縮、智能康復(fù)人群，每年約2500萬的循環(huán)人群和機構(gòu)合作建立渠道。

未來，外骨骼機器人的主要市場一定還是消費級市場，如針對戶外行走、徒步、爬山、攀登等輕應(yīng)用，生產(chǎn)適用于膝蓋、大腿、鞋子、手臂等單個部件形式的產(chǎn)品，這部分的市場沒有確定參數(shù)，但空間十分巨大。

希望在不久將來，隨著材料等問題的攻克，外骨骼機器人最終能夠價格不斷下降，最終實現(xiàn)數(shù)萬元甚至數(shù)千元的量級，這時候市場無疑將迎來一個巨大突破。而如果能把外骨骼機器人賣成普遍性的服裝，或許人類探索未知的宇宙，也就不再是遙不可及的夢想。

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