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外骨骼机器人

外骨骼机器人

外骨骼机器人它是一种可穿戴的机械结构，也称“可穿戴机器人”，融合动力控制、传感、信息、移动计算为一体，对使用者的肢体动作进行辅助或增强。针对老年人和运动功能部分丧失的病人的康复型外骨骼机器人有着很好的应用前景。

外骨骼机器人被分为增强型和康复型两种，前者可帮助使用者增强肌肉能力、减轻负荷，多应用于军事及工业领域；后者可辅助肢体运动障碍患者进行康复训练，多应用于医疗康复领域。

发展历程

由工业到医疗

外骨骼机器人的历史可以追溯到上世纪六七十年代，1890年俄罗斯提出无源外骨骼机器人的概念，1917年美国提出有源外骨骼机器人的概念，到1965年美国通用公司构建出第一台有源外骨骼机器人样机（Hardiman），外骨骼机器人设计的初衷是用于辅助工人搬运重物，提升生产力。2000年，美国启动了增强人体体能外骨骼（EHPA）项目，计划将外骨骼机器人用于专项领域。中国从2000年左右逐渐开始接触外骨骼产品的研发，“外骨骼机器人”在中国仍处于行业发展的初期阶段，一些商业化的外骨骼产品在国内主要运用在煤矿、电力、航空、物流，医疗等领域。2010年，EHPA项目的部分成果被加利福尼亚大学伯克利分校转化，研制出Austin和eLegs医疗外骨骼机器人，促进了外骨骼机器人在医疗、康复领域的应用转型与发展。

由刚性外骨骼机器人到外肌肉机器人

第一台样机Hardiman在研发开启四年后，因运动不可控、承载效率低等问题，以“失败”而告终。EHPA项目的胜出者，加州大学伯克利分校的HULC和美国Sarcos公司的XOS外骨骼机器人，也暴露出实用性低、辅助效果差等问题。

外骨骼机器人来增强人体的运动机能很难实现，主要是因为它们庞大、笨重的刚性结构以及缺乏生物力学理论支撑的助力方式阻碍了人体的自然运动规律。研发者试图打破源自“钢铁侠”的固有设计理念，尝试将外骨骼机器人设计的更轻质、柔性，助力方式更本质、更符合人体生物力学。2011年美国启动了Warrior Web项目，旨在研发一种轻质、舒适、如同衣服一般的柔性外骨骼机器人，实现在不影响人体自身运动的前提下，提升人体运动机能；2014年哈佛大学研制的外肌肉机器人Exosuit在专项领域测试取得良好效果，助力哈佛大学获得Warrior Web项目的第二轮支持。2017年以色列ReWalk Robotics公司发布了第一个商用医疗外肌肉机器人ReStore，该系统重5kg，可有效辅助偏瘫患者行走，并在2019年取得了该机器人的美国FDA与欧盟CE认证，加速了外肌肉机器人在医疗康复领域的应用与发展。2018年，欧盟启动了“XoSoft”项目，尝试对柔性外骨骼机器人进行探索与研究。

2023世界机器人大会8月16日至22日在北京亦庄举行，有140余家企业的近600款机器人产品集中亮相。

研究现状

2021年7月，法国一家名为Wandercraft的公司推出一款外骨骼机器人，它可以帮助那些全身瘫痪的病人摆脱拐杖或轮椅，帮助他们“行走”。

2022年，北航外骨骼实验室的主任帅梅与团队一同研发的中国第一个外骨骼机器人，是科技部“十二五”支撑计划、国家自然科学基金、北京市重大科技计划的成果转化项目。作为中国康复机器人持续原创研发者，这个团队研发的外骨骼机器人，被选为2022年北京冬季残奥会火炬传递及火炬汇集代表，在全世界面前展示了中国科技给残障人士生活带来的改变。

2023年5月，深圳市英汉思动力科技有限公司“消费级动力外骨骼项目”，以轻量版动力外骨骼助行设备为定位，突破了传统机器人轨迹控制算法的限制，使动力外骨骼这一方向有了商业化的可能，具有国际先进水平。该公司团队依托国内完备的供应链生产体系，实现了从芯片、电机到材料的全面国产化，完成了动力外骨骼从科幻概念到科技产品的转变。11月21日，国家知识产权局公告，沈阳新松机器人自动化股份有限公司取得一项名为“一种应用于外骨骼机器人的控制方法及装置“，本发明涉及软件控制领域，具体涉及一种应用于外骨骼机器人的控制方法及装置。该方法及装置通过接收到多个外部设备发送的携带有目标运动模式的控制指令；获取外骨骼机器人的原始状态数据，判断原始状态数据是否处于正在运动状态；若原始状态数据处于正在运动状态，则向外部设备输出指令冲突信号；若原始状态数据不处于正在运动状态，则基于目标运动模式对应的目标运动参数对外骨骼机器人进行驱动操作；获取外骨骼机器人的当前状态数据；向所有外部设备输出当前状态数据；本发明应用于外骨骼机器人的控制方法及装置能够提高控制机器人运动的安全性以及可靠性。

应用领域

外骨骼机器人的应用很广泛。最初应用于军事领域，后来也用于工业领域，现在也广泛用于康复领域。

德国仿生学公司German Bionics在CES 2023前公布了旗下新款外骨骼装备Apogee，同时亮相的还有能监测用户并提醒其遵循人体工学的Smart SafetyVest智能安全背心。

哈佛大学的研究人员研制出一种可穿戴柔性外骨骼，可有效减轻行走过程中的膝关节负担。人类膝关节在行走过程中会承受较大压力，长期承受高负荷会导致关节软骨损伤。膝内收力矩是评估内侧胫软骨损伤的重要指标，通过调整步态或增加部外展力矩可减小膝内收力矩。其中，佩戴柔性可穿戴设备是增加髋部外展力矩的一种可行方法。为此，研究人员设计出一种可穿戴柔性外骨骼。这种外骨骼主要由一条腰带、两条腿部绑带和驱动系统组成。其中，腰带背面安装钩环装置，使其拥有约10 cm的调整空间，可满足不同人的使用需求；腿部绑带上的弹性条具有良好的可拉伸性，在腿部运动时能沿周向扩展；驱动系统包含两个移动致动器，致动器通过绳索向髋关节施加所需的辅助扭矩。让8名健康参与者佩戴这种外骨骼，并以1.25 m/s的速度在跑步机上行走，最高可使膝内收力矩降低9.61%。

耶夫勒大学的一项新研究表示，机械外骨骼EksoVests可以为工业、物流和建筑行业的工人减少60%的肌肉拉伤。自2005 年以来，医疗保健设备制造商Ekso Bionics公司一直致力于研究外骨骼技术。EksoVests是该公司第一款工业外骨骼背心。EksoVests使福特和波音公司等公司能够在提高生产力和效率的同时降低生产成本和工伤。

机器人类型

外骨骼机器人根据能源利用方式，可分为两类：无源/被动（Passive）外骨骼机器人与有源/主动（Powered）外骨骼机器人，无源系统不需要外部供能，反之，有源系统需要外部供能，来驱动机器人运动。

遥想未来

布法罗机器人科技（成都）有限公司首席科学家、电子科技大学人工智能研究院副院长程洪表示，怎样打通人脑世界和数字世界，脑机接口是未来世界的一个基本的通道。这种接口一种是嵌入式的，一种是非嵌入式的。如果要与神经元直接连通，实际上需要通过临床手术植入嵌入式接口。现在上述两种技术都有。未来世界普及脑机接口，非嵌入式的方式更方便，外骨骼机器人将变得更加聪明地为人所用。

首都医科大学第十一临床医学院院长栾国明教授受邀做客中国中央电视台《对话》栏目时提到，脑机接口（Brain Computer Interface，BCI )，简言之就是在人脑与外部设备间建立直接连接通路，让大脑与机器实现“对话”，是人类扩展大脑智能的渴望。

吉林大学第二医院康复医学科和吉林大学护理学院发布在《机器人外科学杂志(中英文)》期刊的一篇名为“康复机器人系统的研究现状与展望”的文章中提到：随着中枢神经康复基础研究的进展，临床康复标准的提高以及康复机器人相关技术的不断进步，可穿戴式康复机器人、软体康复机器人以及整合肌电图和脑机接口等技术的新型康复机器人系统也迎来新的发展。

前景预估

外骨骼机器人增长迅速，在医疗、军用市场、工业领域应用广泛。根据国际研究机构ABI的数据，2020年至2030年，外骨骼机器人产业预估CAGR(复合年均增长率)为33%。其中，2025年至2028年为高速增长阶段，预估3年CAGR为47.7%，2028年全球市场规模将达58亿美元。至2030年，产业将趋于成熟，市场稳步增长，全球市场规模将达68亿美元。