外骨骼机器人的技术现状与发展前途分析

  Vest Exoskeleton问世并获红点设计奖，现代集团称VEX应用了目前的，开发应用后能为日常从事体力工作的生产线工人提供实用性帮助，最强大的效果是能举起一辆汽车，现代汽车集团表示计划在全球范围内推广VEX，以促进生产力和提高安全性。

  在现实生活中，普通人每小时只能以约24公里的速度前进，世界纪录保持者Usain Bolt的最快速度为每秒12.3米。与其他动物相比，人类这样的速度很是尴尬，虽然动物们大多数都是四腿走路，但人类想要借助自身行动更快的梦想从未因此而停歇。在历史里，人们已经找到了不止一种提高行进速度的方法，但是，目前看来，仅使用人力即可简单推动使用的只有自行车。但是，无数电影导演和科幻迷们告诉我们，其实可能还有另一种方式，那就是外骨骼机器人，外骨骼机器人一直是科幻电影中人类自身能驾驭力量的极限。

  外骨骼的定义最早其实来源于动物，即外部的骨骼，这些外部骨骼通常用于支撑和保护动物，与之相反的是人类这样“内骨骼”的生物。因此，外骨骼机器人一般是指那些能够保护自身，并增强人类能力的可穿戴机电设施，从单一的穿戴电子科技类产品，后续逐渐形成电子、机械、仿生的跨界融合，形成一项面向未来的独特前沿技术，在应用领域上也发展衍生到包含那些能够增强（帮助康复）残疾人的可穿戴设备，大多数都用在帮助病人做步态康复训练。因此目前从功能上，一般将外骨骼机器人分为增强型外骨骼和康复类外骨骼。

  外骨骼机器人的想法可以追溯到1890年，当时一位叫尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包为动力的类外骨骼系统；1917年，美国发明家开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼机器人；1960年，最早的外骨骼项目出现，其来源于美国军方的增强型军用装甲，同期康奈尔大学的研究者也开始研究人体增强的概念，后续外骨骼机器人很快就开始研发，也造成了这样的领域大部分能够探明的问题迅速被探明。1970年，通用电气设计的Hardman系统，包含了30多个关节，能举起1500磅的重量，展示出了外骨骼技术的庞大可能性。

  从研发到应用，目前外骨骼机器人已经走过了第一个百年。外骨骼机器人也从最初的军用领域，开始在医疗、工业、物流等领域零星有所应用，包括美国的Ekso Labs、Barrett Medical以色列的Rewalk、英国的Rex Blonics Limited、日本的CyberDyne、松下的外骨骼机器人等都是位于行业领先位置的企业。其中，必须介绍着名的以色列外骨骼公司ReWalk，公司由Amit Goffer博士主导设计。1997年他因车祸导致四肢瘫痪，亲身经历激发出产品灵感，2001年主导成立 ReWalk的前身Argo医疗科技公司。ReWalk在2014年拿到FDA批准，是第一个获得FDA批准的外骨骼机器人产品，也打开了外骨骼技术应用的新大门。

  但是外骨骼产品问世后价格一直居高不下，还可以说极其昂贵，例如ReWalk 6.0系统售价约为7.7万美金，Cyberdyne的产品售价更是高达20多万美金，但是随着近些年技术的成熟，也已有产品逐渐落地应用。

  在国外的外骨骼机器人发展历史中，松下对此在产业方面的应用较早，其最早在2014年就公开了其外骨骼机器人的应用项目。当时，松下为了让普通工人能够轻松负重15公斤的重物到处移动，先是做了一个轻便版的外骨骼支架，后续在背部、大腿、小腿到脚部的区域里用碳纤维材料支撑，配合着可以由传感器唤醒的动力马达，最后实现了能轻松地帮人负重15公斤工作。此外，包括美国的Ekso Bionics、suitX也陆续已经推出了自家工业用外骨骼机器人，其中，Ekso Bionics公司的上肢外骨骼机器人EksoVest早已经应用到福特汽车流水线的顶部作业。

  目前，整个工业外骨骼机器人从技术路线上可大致分为两类：机械助力外骨骼机器人和伺服驱动/电助力外骨骼机器人。新一代电助力外骨骼机器人已有诸如美国Sarcos公司已有研发电助力外骨骼机器人，Sarcos研发了液压助力的大型军用外骨骼机器人，但是由于重量和成本比较高，目前没办法得到普及，而很多人认为外骨骼机器人作为工业应用也没有机器人实惠。

  一个外骨骼机器人一般来说包括整机设计、驱动器（机构）设计、控制策略三部分，外骨骼机器人实现人机实时交互和控制是其中的最难点。交互整体工作原理一般是：第一步感知人体行为意图，一般是陀螺仪+加速度计+肌肉电信号等方式结合；第二步实现驱动方式，例如采用高级行为驱动；第三是一般是通过激光 + 超声感知对外界环境做出判断。

  目前机器人获得人类意图有两种方式：直接获取操作者意图和间接获取操作者意图。直接获取操作者意图的方法有从EMG数据、或人和机器人之间的交互力，间接获取的方法是从外骨骼关节获取数据、估计操作者意图然后放大运动效果。马斯克最近曝光创办的Neuralink新公司，致力于将人脑和计算机的连接，将计算机芯片植入人的大脑就是加强这种连接的一个方式。

  相对而言，国内外骨骼机器人更多仍处于研发阶段，包括部分企业已经商用的外骨骼机器人主要仍是与高校、企业合作，以产研结合的研发平台形式对外输出。国内这一赛道起步较晚，但却发力甚猛，尤其是康复外骨骼机器人赛道，已经涌现了众多初创企业，包括大艾、迈步、睿瀚医疗、尖叫科技、瑾和、傅利叶智能等均是近些年来这一领域的明星企业，在这一些企业中，就融资情况去看，普遍在2017年-2018年已完成Pre-A轮融资。

  工业外骨骼机器人也在国内应需兴起，包括在汽车装配、物流行业领域的应用，中国工业外骨骼机器人相关企业也慢慢的开始跑步前进。类似傲鲨智能的MAPS工业上肢外骨骼机器人（1.0版本）19年就曾报道已经在奇瑞汽车、宇通客车、北京奔驰、吉利汽车工厂中试用。铁甲钢拳这类物流外骨骼机器人领域的创业企业也在2019年正式推出其第一款物流领域通用外骨骼机器人，目前铁甲钢拳已与京东、德邦、施耐德就物流外骨骼机器人有合作应用，未来将会继续深入做工业、建筑场景应用的外骨骼机器人。

  相对于临床效果很清晰的微创手术机器人（达芬奇机器人类），外骨骼机器人还有很大的想象空间，并且有贴近消费级产品的选项。从技术角度来说，康复类的外骨骼机器人研发门槛较低，同时属于2类医疗器械，注册门槛较低；辅助行走类外骨骼机器人的性能受到技术的限制；而手术机器人研发技术门槛较高，属于3类医疗器械在国内注册门槛和周期都很长，因此对比来说手术机器人适合大公司开发，而外骨骼机器人适合勇于探索商业模式的公司，因此外骨骼机器人在中国得到爆发并不奇怪。

  在前沿技术上，现阶段，西安交大、帝国理工、墨尔本大学也都有在做脑电方面的研究，而香港理工，则专注于经颅磁刺激和外骨骼机器人相结合的研究，这些都是目前世界上神经康复和机器人康复领域中非常前沿的方向。尽管如此，我国康复医疗产业还处于发展初期阶段，即使部分已经获得各类医疗认证的外骨骼机器人，更多企业仍将大部分精力投入在这些医疗外骨骼机器人研发上，真正商业应用的产品其实是在关节康复设备上，诸如傅利叶智能的腕关节、踝关节康复设备，迈步机器人的手部康复设备等。这一些产品目前主要也是与医院合作（或租或卖）。

  早期困扰外骨骼机器人一直以来有几个问题，第一个问题是能源问题，早期的外骨骼机器人离不开外部能源，通过内燃机和电缆的驱动一度是阻碍机器人发展的难题，这对于机器人的重量和可持续性的有关问题都有影响。第二个问题就在于控制技术，控制技术使得机器人能够精准全程实现高效率的掌控，以及多维度的自由控制，还可以跟上人的各种变化，如果没有对人体各种运动趋势的各种感知能力，而给人提供一个助力和行动支持，外骨骼机器人就反而成为了累赘。

  如今随着锂电池，燃料电池等成熟，高效能源的发展，一部分外骨骼机器人开始将能源和控制问题很好得到解决，并出现了非常多的单一功能外骨骼机器人分支，在exoskeletonreport上收录的目前出现的外骨骼机器人外形就包括了背带、手套、手指、短裤、护膝等形式，用于目的则也衍生到了各产业、医疗、民用和军事领域。

  当然，外骨骼机器人的发展也衍生出了Body Extender这种奇怪的增强型外骨骼科技树，这是个意大利军方与意大利PERCRO实验室的合作项目，其最大的目的就是跟随操作者的运动，并放大操作者的力，整机共计22个自由度，每个自由度有一个直流有刷电机驱动，在人和机器人固连的5个部位安装了5个六维力传感器（手，脚，躯干）来检测人的运动意图，手部爪子部分安装了2个1维力传感器来检测人手期望的输出力，简单来说就是用机械无限放大力，不过这种设计思路目前得到宅男工程师们极大的发扬光大，比如说当时美国要和日本单挑的那种机器人，在国外也有一些很奇怪的应用。

  但学术界一直将其视为异端，认为只要正常能真正对人类起到辅助作用的研究才是正道，例如在近日斯坦福大学的研究人员们开发的一种电动外骨骼，它回归到外骨骼开发的初衷——为了能使跑步者感到更轻松。与没有外骨骼的情况相比，这样的形式使它将跑步者的速度提高10％，开发者称最终可能会被用作最后一英里的运输方式。

  当然也有发挥出无限想象力的科学研究作品，范德比尔特大学的一对研究人员提出了一种制造设备的方法，该设备将使人类的奔跑速度几乎是自然速度的两倍。阿曼达·苏特里斯诺（Amanda Sutrisno）和戴维·布劳恩（David Braun）在发表在《科学进展》杂志上的论文中，描述了他们对这种设备的构想以及使其成为现实的要求。

  Sutrisno和Braun提出的想法是制造一种附着在身体上的装置，以作为辅助，该设备将每条腿具有一个弹簧，人在空中跳跃飞行时，腿部动作会拉动弹簧，弹簧拉动会存储能量，一旦脚回到地面就可以消耗能量。然后，这些能量将与正常的肌肉能量结合在一起，从而使脚比平时更能向后推更大的力量，从而使人向前推动的速度比一般的情况下要靠自己更快。但不幸的是，这个想法存在一个障碍：那就是碳纤维等材料的缺乏，使得实现这个设备还缺乏能量储存能力。

  目前就外骨骼机器人的市场上来看，因为工业市场和工业机器人等成熟产品都存在竞争，外骨骼机器人最大有可能的市场依然在医疗场景。第一市场是不可逆损伤市场，主要是针对的是肌肉、骨骼、神经、软组织损伤和老化造成行动不便的人群，这一类2C人群约9000万，当然，让身体有残疾的人能够站起来也是意义非凡。第二市场是可逆康复市场，主要是针对于因为手术原因卧床治疗造成的临时肌肉萎缩、智能康复人群，每年约2500万的循环人群和机构合作建立渠道。

  但和智能机器人一样，未来外骨骼机器人的主要市场一定还是消费级市场，例如针对户外行走、徒步、爬山、攀登等轻应用，生产适用于膝盖、大腿、鞋子、手臂等单个部件形式的产品，这部分的市场没有确定参数，但空间十分巨大。

  希望在不久将来，随着材料等问题的攻克，外骨骼机器人最终能够价格不断下降，最终实现数万元甚至数千元的量级，这时候市场无疑将迎来一个巨大突破。而如果能把外骨骼机器人卖成普遍性的服装，或许人类探索未知的宇宙，也就不再是遥不可及的梦想。

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