「讲堂」深度剖析外骨骼机器人的发展历程与技术现状

一、外骨骼机器人的发展与场景

外骨骼的定义最早其实来源于动物，即外部的骨骼，这些外部骨骼一般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备，从单一的穿戴电子类产品，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，主要用于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，也造成了这个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一百多年。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。

在国外的外骨骼机器人发展历史中，松下最早在2014年就公开了其外骨骼机器人在产业方面的应用项目。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，最后实现了可以轻松地帮人负重15公斤工作。此外，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早已应用到福特汽车流水线的顶部作业。

△迈步下肢外骨骼康复训练机器人BEAR-H系列

相对而言，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，包括迈步机器人、大艾、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，在这些企业中，就融资情况来看，普遍在2017年-2018年已经完成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已经开始跑步前进。类似傲鲨智能的MAPS工业上肢外骨骼机器人2019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，并与京东、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。

二、外骨骼机器人的技术与现状

一个外骨骼机器人一般包括整机设计、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。马斯克创办的Neuralink公司，致力于将人脑和计算机的连接，就是加强这种连接的一个方式。

就当下而言，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；助行类外骨骼机器人受到限制的技术性能不断得以突破；手术机器人技术研发门槛较高，属于3类医疗器械在国内注册门槛和周期都很长。因此，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到医疗外骨骼机器人研发上，真正商业应用的产品主要还是在关节康复设备上，诸如迈步机器人的下肢康复训练外骨骼机器人、手部康复外骨骼机器人，傅利叶的腕关节、踝关节康复设备等。

早期困扰外骨骼机器人主要有以下几个问题，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相关问题都有影响。第二个问题在于控制技术，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，并且能够跟上人的各种变化，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，包括了背带、手套、手指、短裤、护膝等形式，应用目的也衍生到了工业、医疗、民用和军事领域。

三、结语

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，让身体有残疾的人能够站起来意义非凡。第二市场是可逆康复市场，主要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。

未来，外骨骼机器人的主要市场一定还是消费级市场，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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