黑科技之机器人外骨骼

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【文章导语】

内容主题取自《黑科技》，书由硅谷15位技术咖编写。本文主要概述已有落地产品的人体增强领域，旨在抛开繁杂云雾，让读者真切的了解当前科技的真正技术实力。

本文涵盖机器人外骨骼的简单介绍、各国代表性产品的介绍以及当前的问题与市场发展状况。

一、【基本概念】

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。是指套在人体外面的机器人，也称“可穿戴的机器人”（百科）

从这我们是不是想到了动画片中的“圣斗士”、美国大片中的“钢铁侠”阿凡达”等等，哈哈。

你想的一点都没错，那些圣斗衣、钢铁侠套装以及可让人坐入其中操控的AMP战斗机甲就是本篇文章的主角——机器人外骨骼。

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机器人外骨骼系统一般包括机械结构、传感部分、动力和传动部分、能源部分与控制部分。

机械结构类似人类骨头的支撑作用；

传感部分主要又传感器和信号处理电路构成，类似人类的听觉、视觉、触觉等主起从外部收集信息的功能；

动力与传动部分一般由电机、液压元件或气动元件提供驱动力或力矩，再通过传动元件传至机械结构，从而使外骨骼做出动作；

能源部分主要由燃油或小型内燃机提供；

控制部分由微型电脑和控制软件组成。

二、【代表性产品】

日本HAL系列康复/作业用外骨骼：辅助行动受障碍的人士，或者助力强体力作业（例如救援工作中需要搬开重物）等。

HAL系列外骨骼目前已经在医疗机构大量使用，取得了一系列巨大的成功，并获得了国际医疗器械设计制造标准的认可，取得了国际安全性证书。

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日本T52 Enryu工程 /救援机甲：用于灾难救援，如地震、海啸和车祸等，由于其远程可操作性，尤其适合代替人进入危险的环境。

T52 Enryu高3.5米宽2.4米重大5吨，胳膊各长6米，可抬起1吨重的负荷。它还能操作工具切割金属等材质，破开车门救援被困人员。

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美国硅谷BLEEX军事/安防用外骨骼：主要用于士兵、森林消防与应急救援人员，帮助他们长时间背负沉重的武器、通信设备和物资。

2014年11月，第一台实验样机成功亮相，试穿者身背重物却只感觉像几磅重，并能较灵活的蹲、跨、走、跑，跨过或俯身钻过障碍，以及上下坡。

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中国自主研发的认知外骨骼机器人1号：目前只有下半身，主要结构由航空铝制成，利用机器人增强或弥补人体的运动功能。

通过外骨骼传感器感知人体运动意图，如站立、坐下或行走，把信息迅速传递给计算机，通过控制模块传达命令，从而实现电驱关节、机械连杆、智能鞋、腰部支撑及绑缚附件高效运转，辅助使用者自如行动。

三、【问题与趋势】

目前能够获取的人体生物信号主要有：Electroencephalogram (EEG脑电信号)，Electrocardiogram(ECG心电信号)，Electromyogram (EMG肌电信号)，Mechanomyogram(MMG皮肤机械信号)，Electrooculography (EOG眼电信号)，Galvanic skinresponse (GSR皮肤电信号)，Magnetoencephalogram (MEG脑磁信号)，外骨骼控制常用的就是EMG（肌电信号）和EEG（脑电信号）信号。

目前直接获取操作者意图的传感器还不够成熟，比如EMG的数据噪音、建模和校准的难度都很大，比如说Hybrid Assistive Limb (HAL5)这款外骨骼采用了EMG信号控制机器人，但是需要2个月的时间来标定肌电信号。

而且在动态环境中保持传感器的精确度是个很大的挑战，同样在使用交互力来控制外骨骼也有类似的问题。

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目前绝大部分外骨骼都是间接获取的操作者意图，其方法主要是通过外骨骼硬件检测信号来估计人类意图，这种方法也有一定问题，目前比较严重的就是无法区分操作者的力和外力，这样的话外界的力也会使得外骨骼机器人判断出错，有可能导致外骨骼机器人不稳定或者失控。

目前各家外骨骼产品的主要看点集中在系统集成优化程度（外观、尺寸、重量、续航力、价格、可靠性、力量与敏捷度之间的平衡）以及控制方式上的创新。

目前在我国，针对外骨骼技术的研究处于起步阶段，但起点高，发展比较迅速。其中，清华大学、浙江大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、天津大学等相关科研机构正在开展外骨骼技术相关研究工作。

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描述市场引用一篇文章的数据：康复机器人行业（这里把康复机器人和外骨骼机器人区别划分）规模将由2014年的2.03亿美元增长到2021年11亿美元，预期年均复合增长率为27.3%；而体外骨骼机器人行业规模将由2014年的1650万美元暴增到2021年21亿美元，预期年均复合增长率为99.8%。

康复机器人和外骨骼机器人统一作为康复机器人，则广义的康复机器人市场规模则由2014年的2.2亿美元增长到2021年的32亿美元而手术机器人行业规模将由2014年的32亿美元，增长到2021年200亿美元，预期年均复合增长率为29.9%。根据这套数据分析的话，手术机器人的市场在在2014年就超过康复机器人2021年的市场。从总量角度手术机器人完胜康复类机器人。

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从技术角度来说，康复类的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；辅助行走类外骨骼机器人的性能受到技术的限制；而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，因此对比来说手术机器人适合大公司开发，而外骨骼机器人适合创业公司。

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