一、外骨骼机器人的发展与场景
首先, 外骨骼的定义最初源于动物, 也就是外部的骨骼, 这些外部的骨骼通常用于支撑与保护动物, 而与之相反的是像人类这样拥有“内骨骼”的生物。所以, 外骨骼机器人一般所指的是那些既能保护自身, 又能增强人类能力的可穿戴机电设备, 它从单一的穿戴电子类产品起步, 接着逐步形成电子、机械、仿生彼此跨界的融合, 从而形成一项面向未来的独特的前沿技术。并且, 在应用领域方面也发展衍生到涵盖那些能够增强（助力康复）残疾人的可穿戴设备, 其主要用途是协助病人进行步态康复训练。因此, 目前, 从功能方面来看，通常会把外骨骼机器人划分成增强型外骨骼以及康复类外骨骼。
想法, 关于外骨骼机器人的, 能够追溯到1890年, 那时, 有个叫尼古拉斯·亚根的俄罗斯人, 发明了一种系统, 是类外骨骼的, 以压缩空气包作为动力；1917年, 美国发明家开发出一种机器人, 是外骨骼的，以蒸汽作为动力；1960年, 最早的项目出现了, 是外骨骼方面的, 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, 外骨骼机器人迅速开始研发, 也致使这个领域大部分能够探明的问题迅速被探明了。1970年, Hardman系统由通用电气进行设计, 它含有30多个关节, 能够举起1400磅多接近1500磅的重量, 展现出了外骨骼技术有着庞大的可能性。
从开展研发起始, 直至投入应用阶段, 当前外骨骼机器人已然历经了一百多年的历程。外骨骼机器人最初是应用于军用领域, 而后开始在医疗、工业、物流等领域零零星星地有了应用。其中, 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, 皆是处于行业领先位置的企业。
在国外外骨骼机器人的发展历程中, 松下是较早公开有关外骨骼机器人产业应用项目的企业, 时间为2014年。一开始, 松下欲助普通工人能更为容易地carry 15公斤重物到处挪动, 故而先制作了较为轻便版本的外骨骼支架, 随后在从背部、大腿、小腿直至脚部的区域运用碳纤维材料予以支撑, 同时搭配能够借助传感器唤醒的动力马达, 最终达成了能够协助人轻松背负15公斤重物开展工作的目的。还有, 美国的Ekso Bionics、suitX先后都已推出了各自工业用的外骨骼机器人, 当中, Ekso Bionics公司的上肢外骨骼机器人EksoVest早就被应用到福特汽车流水线的顶部作业了。
相较于其他情况, 国内的这一条赛道开始的时间比较晚, 然而它发力的程度却非常猛烈, 特别是康复外骨骼机器人这个赛道, 已经出现了许多刚刚创立的企业, 像迈步机器人、大艾、睿瀚医疗、尖叫科技、瑾和、傅利叶智能等都是近些年来在这个领域如同闪耀明星般的企业, 在这些企业当中, 就融资的情况来进行观察, 普遍是在2017年到2018年就已经完成了Pre-A轮融资。
国内因应需求, 工业外骨骼机器人兴起, 在汽车装配、物流行业领域存有应用, 中国相关企业开始快速行进, 类似傲鲨智能的MAPS工业上肢外骨骼机器人, 在2019年有报道称, 已在奇瑞汽车、宇通客车、北京奔驰、吉利汽车工厂中进行试用, 事情如此而矣。一款物流领域通用外骨骼机器人, 被铁甲钢拳这类物流外骨骼机器人领域的创业企业, 在2019年正式推出, 它还与京东、德邦、施耐德就物流外骨骼机器人有合作应用, 未来, 这类企业将会继续深入去做用于工业、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
一个外骨骼机器人通常涵盖整机设计, 驱动器（机构）设计, 控制策略这三部分内容, 外骨骼机器人达成人机实时交互以及控制乃是其中最为困难的要点所在。交互的整体工作原理通常是这样的: 第一步是感知人体行为意图, 一般借助陀螺仪、加速度计、肌肉电信号等方式相结合来达成；第二步是实现驱动方式, 比如采用高级行为驱动；第三步是一般通过激光以及超声感知来对外界环境作出判断。
现有机器人获取人类意图存在两种路径啦: 一种名曰直接获取操作者意图, 另一种被叫成间接获取操作者意图。直接获得操作者意图所采用的办法乃是从EMG数据或人和机器人之间的交互力着手, 而间接获取的办法则是先从外骨骼关节当中撷取数据, 接着对操作者意图予以估计, 随后再放大那个运动效果。马斯克所创办的Neuralink公司, 其致力于达成人脑和计算机的连接, 这便是加强这种连接的其中一种方式。
鉴于当下情形, 外骨骼机器人存有极大的想象空间, 且存在贴近消费级产品的选项。从技术层面来看, 康复类外骨骼, 机器人研发门槛不高, 且归属于2类医疗器械, 其注册门槛较低；助行类外骨骼机器人, 受限的技术性能持续获得突破；手术机器人技术, 研发门槛较高, 作为3类医疗器械, 在国内的注册门槛以及周期都很长。所以, 外骨骼机器人在中国出现爆发, 并不让人感到意外。
于前沿技术范畴之内, 处于现阶段这个时段里面, 西安交通大学以及帝国理工学院, 还有墨尔本大学, 它们都存在着正在进行脑电方面相关研究的实际情况, 然而香港理工大学, 它却是专门致力于经颅磁刺激与外骨骼机器人相互结合起来的研究工作, 这些种种状况全部都是当下世界范围之内神经康复以及机器人康复领域当中极为前沿的方向呢。即便这样, 我国康复医疗产业仍处在发展的初期时期, 就算是部分已然拿到各类医疗认证的外骨骼机器人, 更多企业还是把大部分精力投放于医疗外骨骼机器人的研发工作上, 真正用于商业应用的产品主要是在关节康复设备方面, 像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。
早前, 困扰外骨骼机器人存在着好些问题, 头一个问题是能源方面的, 早期时外骨骼机器人没法离开外部来的能源, 借助内燃机以及电缆进行驱动, 曾一度是给机器人发展造成阻碍的难题, 这对机器人的重量以及可持续性等相关问题均产生影响。第二个问题聚焦于控制技术, 控制技术可让机器人精准地在全程实现高效率的掌控和多维度的自由控制, 并能跟随人的各种变化, 要是缺乏对人体各种运动趋势的感知能力, 且不能为之提供助力与行动支持, 外骨骼机器人反倒会成为累赘。
直至如今, 伴随锂电池、燃料电池等走向成熟, 高效能源得以发展, 一部分外骨骼机器人开始把能源以及控制问题妥善解决, 进而出现了数量繁多的单一功能外骨骼机器人分支, 涵盖背带、手套、手指、短裤、护膝等形式, 其应用目的也朝着工业、医疗、民用以及军事领域延伸。
三、结语
当下, 从外骨骼机器人的市场情形来看, 鉴于工业市场以及工业机器人等成熟产品皆具竞争态势, 外骨骼机器人最为可能的市场依旧处于医疗场景。其一市场为不可逆损伤市场, 其主要针对的是因肌肉、骨骼、神经、软组织损伤以及老化而致使行动不便的人群, 这一类面向个人消费者的人群约达9000万, 使身体存在残疾之人能够站立起来意义重大至极。第二市场属于可逆康复市场, 它主要针对因手术致使卧床接受治疗, 从而造成短暂肌肉萎缩的人群, 还有智能康复人群, 并且每年和约2500万的存在循环情况的人群与机构合作来建立渠道。
往后, 外骨骼机器人的关键市场确乎会是消费级市场, 像是针对户外行走、徒步、爬山、攀登这类轻应用, 而去制造适用于膝盖、大腿、鞋子、手臂等单个部件形态的产品, 这一部分的市场并无确定参数, 然而空间着实非常巨大。
期盼在不远的未来, 伴随材料等难题的攻破, 外骨骼机器人最终可以使价格持续降低, 最终处于数万元乃至数千元的级别, 此时市场无疑会迎来一个极大的突破。要是能够把外骨骼机器人售为普遍的服装, 也许人类探索未知的宇宙, 就不再是遥不可及的梦想了。
