最近，現(xiàn)代汽車集團(tuán)可穿戴式機(jī)器人Vest Exoskeleton問世并獲紅點(diǎn)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，現(xiàn)代集團(tuán)稱VEX應(yīng)用了目前的最新技術(shù)，開發(fā)應(yīng)用后能為日常從事體力工作的生產(chǎn)線工人提供實(shí)用性幫助，最強(qiáng)大的效果是能舉起一輛汽車，現(xiàn)代汽車集團(tuán)表示計(jì)劃在世界范圍內(nèi)推廣VEX，以促進(jìn)生產(chǎn)力和提高安全性。

在現(xiàn)實(shí)生活中，普通人每小時(shí)只能以約24公里的速度前進(jìn)，世界紀(jì)錄保持者Usain Bolt的最快速度為每秒12.3米。與其他動(dòng)物相比，人類這樣的速度很是尷尬，雖然動(dòng)物們大多數(shù)都是四腿走路，但人類想要借助自身行動(dòng)更快的夢想從未因此而停歇。在歷史里，人們已經(jīng)找到了不止一種提高行進(jìn)速度的方法，但是，目前看來，僅使用人力即可簡單推動(dòng)使用的只有自行車。但是，無數(shù)電影導(dǎo)演和科幻迷們告訴我們，其實(shí)可能還有另一種方式，那就是外骨骼機(jī)器人，外骨骼機(jī)器人一直是科幻電影中人類自身能駕馭力量的極限。

外骨骼機(jī)器人的發(fā)展與場景

外骨骼的定義最早其實(shí)來源于動(dòng)物，即外部的骨骼，這些外部骨骼一般用于支撐和保護(hù)動(dòng)物，與之相反的是人類這樣“內(nèi)骨骼”的生物。因此，外骨骼機(jī)器人一般是指那些能夠保護(hù)自身，并增強(qiáng)人類能力的可穿戴機(jī)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(jī)械、仿生的跨界融合，形成一項(xiàng)面向未來的獨(dú)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(qiáng)（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(jī)器人分為增強(qiáng)型外骨骼和康復(fù)類外骨骼。

外骨骼機(jī)器人的想法可以追溯到1890年，當(dāng)時(shí)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(dòng)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(dòng)力的外骨骼機(jī)器人；1960年，最早的外骨骼項(xiàng)目出現(xiàn)，其來源于美國軍方的增強(qiáng)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(qiáng)的概念，后續(xù)外骨骼機(jī)器人很快就開始研發(fā)，也造成了這個(gè)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(jì)的Hardman系統(tǒng)，包含了30多個(gè)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。
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從研發(fā)到應(yīng)用，目前外骨骼機(jī)器人已經(jīng)走過了第一個(gè)百年。外骨骼機(jī)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(jī)器人等都是位于行業(yè)領(lǐng)先位置的企業(yè)。其中，必須介紹著名的以色列外骨骼公司ReWalk，公司由Amit Goffer博士主導(dǎo)設(shè)計(jì)。1997年他因車禍導(dǎo)致四肢癱瘓，親身經(jīng)歷激發(fā)出產(chǎn)品靈感，2001年主導(dǎo)成立 ReWalk的前身Argo醫(yī)療科技公司。ReWalk在2014年拿到FDA批準(zhǔn)，是第一個(gè)獲得FDA批準(zhǔn)的外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品，也打開了外骨骼技術(shù)應(yīng)用的新大門。

但是外骨骼產(chǎn)品問世后價(jià)格一直居高不下，甚至可以說極其昂貴，例如ReWalk 6.0系統(tǒng)售價(jià)約為7.7萬美金，Cyberdyne的產(chǎn)品售價(jià)更是高達(dá)20多萬美金，但是隨著近些年技術(shù)的成熟，也已有產(chǎn)品逐漸落地應(yīng)用。

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

技術(shù)與現(xiàn)狀分析

目前，整個(gè)工業(yè)外骨骼機(jī)器人從技術(shù)路線上可以分為兩類：機(jī)械助力外骨骼機(jī)器人和伺服驅(qū)動(dòng)/電助力外骨骼機(jī)器人。新一代電助力外骨骼機(jī)器人已有諸如美國Sarcos公司已有研發(fā)電助力外骨骼機(jī)器人，Sarcos研發(fā)了液壓助力的大型軍用外骨骼機(jī)器人，但是由于重量和成本較高，目前無法得到普及，而很多人認(rèn)為外骨骼機(jī)器人作為工業(yè)應(yīng)用也沒有機(jī)器人實(shí)惠。

一個(gè)外骨骼機(jī)器人一般包括整機(jī)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器（機(jī)構(gòu)）設(shè)計(jì)、控制策略三部分，外骨骼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人機(jī)實(shí)時(shí)交互和控制是其中的最難點(diǎn)。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(jì)+肌肉電信號(hào)等方式結(jié)合；第二步實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)方式，例如采用高級(jí)行為驅(qū)動(dòng)；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(jī)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(jī)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(jì)操作者意圖然后放大運(yùn)動(dòng)效果。馬斯克最近曝光創(chuàng)辦的Neuralink新公司，致力于將人腦和計(jì)算機(jī)的連接，將計(jì)算機(jī)芯片植入人的大腦就是加強(qiáng)這種連接的一個(gè)方式。

下面是幾家國際主流外骨骼機(jī)器人詳細(xì)的技術(shù)對比表：
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相對而言，國內(nèi)外骨骼機(jī)器人更多仍處于研發(fā)階段，包括部分企業(yè)已經(jīng)商用的外骨骼機(jī)器人主要仍是與高校、企業(yè)合作，以產(chǎn)研結(jié)合的研發(fā)平臺(tái)形式對外輸出。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(jī)器人賽道，已經(jīng)涌現(xiàn)了眾多初創(chuàng)企業(yè)，包括大艾、邁步、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(jī)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(jī)器人相關(guān)企業(yè)也已經(jīng)開始跑步前進(jìn)。類似傲鯊智能的MAPS工業(yè)上肢外骨骼機(jī)器人（1.0版本）19年就曾報(bào)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(jī)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(jī)器人，目前鐵甲鋼拳已與京東、德邦、施耐德就物流外骨骼機(jī)器人有合作應(yīng)用，未來將會(huì)繼續(xù)深入做工業(yè)、建筑場景應(yīng)用的外骨骼機(jī)器人。
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相對于臨床效果非常清晰的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人（達(dá)芬奇機(jī)器人類），外骨骼機(jī)器人還有很大的想象空間，并且有貼近消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的選項(xiàng)。從技術(shù)角度來說，康復(fù)類的外骨骼機(jī)器人研發(fā)門檻較低，同時(shí)屬于2類醫(yī)療器械，注冊門檻較低；輔助行走類外骨骼機(jī)器人的性能受到技術(shù)的限制；而手術(shù)機(jī)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，因此對比來說手術(shù)機(jī)器人適合大公司開發(fā)，而外骨骼機(jī)器人適合創(chuàng)業(yè)公司，因此外骨骼機(jī)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(jī)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(jī)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(rèn)證的外骨骼機(jī)器人，更多企業(yè)仍將大部分精力投入在這些醫(yī)療外骨骼機(jī)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，諸如傅利葉智能的腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)康復(fù)設(shè)備，邁步機(jī)器人的手部康復(fù)設(shè)備等。這些產(chǎn)品目前主要也是與醫(yī)院合作（或租或賣）。

難題與創(chuàng)新頗多

早期困擾外骨骼機(jī)器人一直以來有幾個(gè)問題，第一個(gè)問題是能源問題，早期的外骨骼機(jī)器人離不開外部能源，通過內(nèi)燃機(jī)和電纜的驅(qū)動(dòng)一度是阻礙機(jī)器人發(fā)展的難題，這對于機(jī)器人的重量和可持續(xù)性的相關(guān)問題都有影響。第二個(gè)問題在于控制技術(shù)，控制技術(shù)使得機(jī)器人能夠精準(zhǔn)全程實(shí)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(yùn)動(dòng)趨勢的各種感知能力，而給人提供一個(gè)助力和行動(dòng)支持，外骨骼機(jī)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(jī)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(jī)器人分支，在exoskeletonreport上收錄的目前出現(xiàn)的外骨骼機(jī)器人外形就包括了背帶、手套、手指、短褲、護(hù)膝等形式，用于目的則也衍生到了各產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療、民用和軍事領(lǐng)域。

當(dāng)然，外骨骼機(jī)器人的發(fā)展也衍生出了Body Extender這種奇怪的增強(qiáng)型外骨骼科技樹，這是個(gè)意大利軍方與意大利PERCRO實(shí)驗(yàn)室的合作項(xiàng)目，其主要目的就是跟隨操作者的運(yùn)動(dòng)，并放大操作者的力，整機(jī)共計(jì)22個(gè)自由度，每個(gè)自由度有一個(gè)直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在人和機(jī)器人固連的5個(gè)部位安裝了5個(gè)六維力傳感器（手，腳，軀干）來檢測人的運(yùn)動(dòng)意圖，手部爪子部分安裝了2個(gè)1維力傳感器來檢測人手期望的輸出力，簡單來說就是用機(jī)械無限放大力，不過這種設(shè)計(jì)思路目前得到宅男工程師們極大的發(fā)揚(yáng)光大，比如說當(dāng)時(shí)美國要和日本單挑的那種機(jī)器人，在國外也有一些很奇怪的應(yīng)用。

但學(xué)術(shù)界一直將其視為異端，認(rèn)為只要正常能真正對人類起到輔助作用的研究才是正道，例如在近日斯坦福大學(xué)的研究人員們開發(fā)的一種電動(dòng)外骨骼，它回歸到外骨骼開發(fā)的初衷——為了能使跑步者感到更輕松。與沒有外骨骼的情況相比，這種方式使它將跑步者的速度提高10％，開發(fā)者稱最終可能會(huì)被用作最后一英里的運(yùn)輸方式。

當(dāng)然也有發(fā)揮出無限想象力的科學(xué)研究作品，范德比爾特大學(xué)的一對研究人員提出了一種制造設(shè)備的方法，該設(shè)備將使人類的奔跑速度幾乎是自然速度的兩倍。阿曼達(dá)·蘇特里斯諾（Amanda Sutrisno）和戴維·布勞恩（David Braun）在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的論文中，描述了他們對于這種設(shè)備的構(gòu)想以及使其成為現(xiàn)實(shí)的要求。

Sutrisno和Braun提出的想法是制造一種附著在身體上的裝置，以作為輔助，該設(shè)備將每條腿具有一個(gè)彈簧，人在空中跳躍飛行時(shí)，腿部動(dòng)作會(huì)拉動(dòng)彈簧，彈簧拉動(dòng)會(huì)存儲(chǔ)能量，一旦腳回到地面就可以消耗能量。然后，這些能量將與正常的肌肉能量結(jié)合在一起，從而使腳比平時(shí)更能向后推更大的力量，從而使人向前推動(dòng)的速度比正常情況下要靠自己更快。但不幸的是，這個(gè)想法存在一個(gè)障礙：那就是碳纖維等材料的缺乏，使得實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)備還缺乏能量儲(chǔ)存能力。

結(jié)語

目前就外骨骼機(jī)器人的市場上來看，因?yàn)楣I(yè)市場和工業(yè)機(jī)器人等成熟產(chǎn)品都存在競爭，外骨骼機(jī)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(dòng)不便的人群，這一類2C人群約9000萬，當(dāng)然，讓身體有殘疾的人能夠站起來也是意義非凡。第二市場是可逆康復(fù)市場，主要針對于因?yàn)槭中g(shù)原因臥床治療造成的臨時(shí)肌肉萎縮、智能康復(fù)人群，每年約2500萬的循環(huán)人群和機(jī)構(gòu)合作建立渠道。

但和智能機(jī)器人一樣，未來外骨骼機(jī)器人的主要市場一定還是消費(fèi)級(jí)市場，例如針對戶外行走、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(gè)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(jī)器人最終能夠價(jià)格不斷下降，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)萬元甚至數(shù)千元的量級(jí)，這時(shí)候市場無疑將迎來一個(gè)巨大突破。而如果能把外骨骼機(jī)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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