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來源：互聯(lián)網(wǎng)

外骨骼機器人它是一種可穿戴的機械結(jié)構(gòu)，也稱“可穿戴機器人”，融合動力控制、傳感、信息、移動計算為一體，對使用者的肢體動作進行輔助或增強。針對老年人和運動功能部分喪失的病人的康復(fù)型外骨骼機器人有著很好的應(yīng)用前景。

外骨骼機器人被分為增強型和康復(fù)型兩種，前者可幫助使用者增強肌肉能力、減輕負荷，多應(yīng)用于軍事及工業(yè)領(lǐng)域；后者可輔助肢體運動障礙患者進行康復(fù)訓(xùn)練，多應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域。

發(fā)展歷程

由工業(yè)到醫(yī)療

外骨骼機器人的歷史可以追溯到上世紀六七十年代，1890年俄羅斯提出無源外骨骼機器人的概念，1917年美國提出有源外骨骼機器人的概念，到1965年美國通用公司構(gòu)建出第一臺有源外骨骼機器人樣機（Hardiman），外骨骼機器人設(shè)計的初衷是用于輔助工人搬運重物，提升生產(chǎn)力。2000年，美國啟動了增強人體體能外骨骼（EHPA）項目，計劃將外骨骼機器人用于專項領(lǐng)域。中國從2000年左右逐漸開始接觸外骨骼產(chǎn)品的研發(fā)，“外骨骼機器人”在中國仍處于行業(yè)發(fā)展的初期階段，一些商業(yè)化的外骨骼產(chǎn)品在國內(nèi)主要運用在煤礦、電力、航空、物流，醫(yī)療等領(lǐng)域。2010年，EHPA項目的部分成果被加利福尼亞大學(xué)伯克利分校轉(zhuǎn)化，研制出Austin和eLegs醫(yī)療外骨骼機器人，促進了外骨骼機器人在醫(yī)療、康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用轉(zhuǎn)型與發(fā)展。

由剛性外骨骼機器人到外肌肉機器人

第一臺樣機Hardiman在研發(fā)開啟四年后，因運動不可控、承載效率低等問題，以“失敗”而告終。EHPA項目的勝出者，加州大學(xué)伯克利分校的HULC和美國Sarcos公司的XOS外骨骼機器人，也暴露出實用性低、輔助效果差等問題。

外骨骼機器人來增強人體的運動機能很難實現(xiàn)，主要是因為它們龐大、笨重的剛性結(jié)構(gòu)以及缺乏生物力學(xué)理論支撐的助力方式阻礙了人體的自然運動規(guī)律。研發(fā)者試圖打破源自“鋼鐵俠”的固有設(shè)計理念，嘗試將外骨骼機器人設(shè)計的更輕質(zhì)、柔性，助力方式更本質(zhì)、更符合人體生物力學(xué)。2011年美國啟動了Warrior Web項目，旨在研發(fā)一種輕質(zhì)、舒適、如同衣服一般的柔性外骨骼機器人，實現(xiàn)在不影響人體自身運動的前提下，提升人體運動機能；2014年哈佛大學(xué)研制的外肌肉機器人Exosuit在專項領(lǐng)域測試取得良好效果，助力哈佛大學(xué)獲得Warrior Web項目的第二輪支持。2017年以色列ReWalk Robotics公司發(fā)布了第一個商用醫(yī)療外肌肉機器人ReStore，該系統(tǒng)重5kg，可有效輔助偏癱患者行走，并在2019年取得了該機器人的美國FDA與歐盟CE認證，加速了外肌肉機器人在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。2018年，歐盟啟動了“XoSoft”項目，嘗試對柔性外骨骼機器人進行探索與研究。

2023世界機器人大會8月16日至22日在北京亦莊舉行，有140余家企業(yè)的近600款機器人產(chǎn)品集中亮相。

研究現(xiàn)狀

2021年7月，法國一家名為Wandercraft的公司推出一款外骨骼機器人，它可以幫助那些全身癱瘓的病人擺脫拐杖或輪椅，幫助他們“行走”。

2022年，北航外骨骼實驗室的主任帥梅與團隊一同研發(fā)的中國第一個外骨骼機器人，是科技部“十二五”支撐計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市重大科技計劃的成果轉(zhuǎn)化項目。作為中國康復(fù)機器人持續(xù)原創(chuàng)研發(fā)者，這個團隊研發(fā)的外骨骼機器人，被選為2022年北京冬季殘奧會火炬?zhèn)鬟f及火炬匯集代表，在全世界面前展示了中國科技給殘障人士生活帶來的改變。

2023年5月，深圳市英漢思動力科技有限公司“消費級動力外骨骼項目”，以輕量版動力外骨骼助行設(shè)備為定位，突破了傳統(tǒng)機器人軌跡控制算法的限制，使動力外骨骼這一方向有了商業(yè)化的可能，具有國際先進水平。該公司團隊依托國內(nèi)完備的供應(yīng)鏈生產(chǎn)體系，實現(xiàn)了從芯片、電機到材料的全面國產(chǎn)化，完成了動力外骨骼從科幻概念到科技產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變。11月21日，國家知識產(chǎn)權(quán)局公告，沈陽新松機器人自動化股份有限公司取得一項名為“一種應(yīng)用于外骨骼機器人的控制方法及裝置“，本發(fā)明涉及軟件控制領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于外骨骼機器人的控制方法及裝置。該方法及裝置通過接收到多個外部設(shè)備發(fā)送的攜帶有目標(biāo)運動模式的控制指令；獲取外骨骼機器人的原始狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷原始狀態(tài)數(shù)據(jù)是否處于正在運動狀態(tài)；若原始狀態(tài)數(shù)據(jù)處于正在運動狀態(tài)，則向外部設(shè)備輸出指令沖突信號；若原始狀態(tài)數(shù)據(jù)不處于正在運動狀態(tài)，則基于目標(biāo)運動模式對應(yīng)的目標(biāo)運動參數(shù)對外骨骼機器人進行驅(qū)動操作；獲取外骨骼機器人的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)；向所有外部設(shè)備輸出當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)；本發(fā)明應(yīng)用于外骨骼機器人的控制方法及裝置能夠提高控制機器人運動的安全性以及可靠性。

應(yīng)用領(lǐng)域

外骨骼機器人的應(yīng)用很廣泛。最初應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，后來也用于工業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)在也廣泛用于康復(fù)領(lǐng)域。

德國仿生學(xué)公司German Bionics在CES 2023前公布了旗下新款外骨骼裝備Apogee，同時亮相的還有能監(jiān)測用戶并提醒其遵循人體工學(xué)的Smart SafetyVest智能安全背心。

哈佛大學(xué)的研究人員研制出一種可穿戴柔性外骨骼，可有效減輕行走過程中的膝關(guān)節(jié)負擔(dān)。人類膝關(guān)節(jié)在行走過程中會承受較大壓力，長期承受高負荷會導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨損傷。膝內(nèi)收力矩是評估內(nèi)側(cè)脛軟骨損傷的重要指標(biāo)，通過調(diào)整步態(tài)或增加部外展力矩可減小膝內(nèi)收力矩。其中，佩戴柔性可穿戴設(shè)備是增加髖部外展力矩的一種可行方法。為此，研究人員設(shè)計出一種可穿戴柔性外骨骼。這種外骨骼主要由一條腰帶、兩條腿部綁帶和驅(qū)動系統(tǒng)組成。其中，腰帶背面安裝鉤環(huán)裝置，使其擁有約10 cm的調(diào)整空間，可滿足不同人的使用需求；腿部綁帶上的彈性條具有良好的可拉伸性，在腿部運動時能沿周向擴展；驅(qū)動系統(tǒng)包含兩個移動致動器，致動器通過繩索向髖關(guān)節(jié)施加所需的輔助扭矩。讓8名健康參與者佩戴這種外骨骼，并以1.25 m/s的速度在跑步機上行走，最高可使膝內(nèi)收力矩降低9.61%。

耶夫勒大學(xué)的一項新研究表示，機械外骨骼EksoVests可以為工業(yè)、物流和建筑行業(yè)的工人減少60%的肌肉拉傷。自2005 年以來，醫(yī)療保健設(shè)備制造商Ekso Bionics公司一直致力于研究外骨骼技術(shù)。EksoVests是該公司第一款工業(yè)外骨骼背心。EksoVests使福特和波音公司等公司能夠在提高生產(chǎn)力和效率的同時降低生產(chǎn)成本和工傷。

機器人類型

外骨骼機器人根據(jù)能源利用方式，可分為兩類：無源/被動（Passive）外骨骼機器人與有源/主動（Powered）外骨骼機器人，無源系統(tǒng)不需要外部供能，反之，有源系統(tǒng)需要外部供能，來驅(qū)動機器人運動。

遙想未來

布法羅機器人科技（成都）有限公司首席科學(xué)家、電子科技大學(xué)人工智能研究院副院長程洪表示，怎樣打通人腦世界和數(shù)字世界，腦機接口是未來世界的一個基本的通道。這種接口一種是嵌入式的，一種是非嵌入式的。如果要與神經(jīng)元直接連通，實際上需要通過臨床手術(shù)植入嵌入式接口。現(xiàn)在上述兩種技術(shù)都有。未來世界普及腦機接口，非嵌入式的方式更方便，外骨骼機器人將變得更加聰明地為人所用。

首都醫(yī)科大學(xué)第十一臨床醫(yī)學(xué)院院長欒國明教授受邀做客中國中央電視臺《對話》欄目時提到，腦機接口（Brain Computer Interface，BCI )，簡言之就是在人腦與外部設(shè)備間建立直接連接通路，讓大腦與機器實現(xiàn)“對話”，是人類擴展大腦智能的渴望。

吉林大學(xué)第二醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科和吉林大學(xué)護理學(xué)院發(fā)布在《機器人外科學(xué)雜志(中英文)》期刊的一篇名為“康復(fù)機器人系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望”的文章中提到：隨著中樞神經(jīng)康復(fù)基礎(chǔ)研究的進展，臨床康復(fù)標(biāo)準的提高以及康復(fù)機器人相關(guān)技術(shù)的不斷進步，可穿戴式康復(fù)機器人、軟體康復(fù)機器人以及整合肌電圖和腦機接口等技術(shù)的新型康復(fù)機器人系統(tǒng)也迎來新的發(fā)展。

前景預(yù)估

外骨骼機器人增長迅速，在醫(yī)療、軍用市場、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)國際研究機構(gòu)ABI的數(shù)據(jù)，2020年至2030年，外骨骼機器人產(chǎn)業(yè)預(yù)估CAGR(復(fù)合年均增長率)為33%。其中，2025年至2028年為高速增長階段，預(yù)估3年CAGR為47.7%，2028年全球市場規(guī)模將達58億美元。至2030年，產(chǎn)業(yè)將趨于成熟，市場穩(wěn)步增長，全球市場規(guī)模將達68億美元。

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