康|复|机|器|人

在科技日益发达、人工智能逐渐普及的今天，诸如《钢铁侠》《赛博朋克2077》等科幻未来系影片游戏的推出，让人们更加憧憬能在某一天穿上属于自己的“钢铁战甲”。而在现代工程师的不断努力下，那弥漫着强烈机油味的机甲情怀正逐渐厚重真实起来—— 外骨骼机器人时代正在向我们招手。

什么是机械外骨骼？

“机械外骨骼”，通常又称为 “动力外骨骼”（Powered exoskeleton），是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机电一体化装置，结合传感、控制、信息融合、移动计算等机器人技术，在为穿戴者提供诸如保护、身体支撑等功能的基础上，还能够在穿戴者的控制下完成一定的功能和任务。其 实质上是一种 可穿戴机器人， 它将人工智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力或能力，增强人体机能。

外骨骼机器人结构

外骨骼机器人主要包括 仿形机械外框架、智能感知系统、控制系统、通信计算系统、执行机构和能源动力系统六大部件。

工作原理

01

根据仿生学、动力学等原理，设计机械机构组成外骨骼框架。

02

在人体和外骨骼系统中安装各种传感器，如在关节部位安装角度传感器，在足底等支撑位置安装压力传感器，在人体皮肤上安装生理信号传感器，实时感知人体的运动信息和生理信息。

03

运动信息和生理信息传输到计算机中，计算机综合各传感信息，并通过相应的感知和预测算法，感知人体姿态并对运动做出预测。

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控制系统综合各种信息，将之转化为控制参数，驱动外骨骼框架运动，实时追踪人体运动并对人体运动提供高效的助力。

外骨骼机器人发展历程

对于机械外骨骼来说，其领域内概念出现较早 ，但整体发展长时间处于 迟滞状态——局限于早期资源和生产力，机械外骨骼概念开始是在 康复领域，以木、铁制义肢的形式出现，且后来几个世纪中，在康复领域所能做出的改变和进步也很“片面”，直到近代才有显著突破，给人一种“ 厚积薄发”的感觉。

随着近几十年来大量新技术和新材料的引入， 智能化定制义肢和 一体式智能外骨骼机器人逐渐进入大众视野。各个发达国家在依据运动康复、人体工学和工程力学的基础上结合现代传感学、微电子学等对两者产品进行领域交叉拓展，智能义肢和智能外骨骼机器人包容程度加深，可谓鱼水相依，迎来 发展的黄金时代。

外骨骼机器应用

外骨骼机器人其实已经有了不少应用，目前主要应用于：军事领域、医疗康复领域以及民用工业领域。下面就让小协为你着重介绍一下医疗康复外骨骼。

医疗康复机器人的 主要使用对象是四肢不便的老年人及残障人士，穿戴了外骨骼机器人后，可以辅助恢复其四肢的运动能力，帮助 瘫痪在床的残障人士重新达到正常人的运动水平。

上海傅利叶Fourier X1康复机器人

实时传感触觉

Fourier X1 在足底及关节处安装了传感器，能够感知患者在步行中的足底压力变化并作出判断，然后把指令传输给电机以达到帮助患者实现行走动作的目的—— 就如同拥有“触觉”一般。

精准步态分析

内置高精度传感器，可根据使用者情况选择 最适合的基准步态曲线。

红线为机器拟合控制步态曲线，蓝线为人体实时步态曲线

受力仿真模拟

通过对使用者穿戴外骨骼进行三维空间的力学仿真和模拟，可以 精确测量出使用者在行走时前倾角度以及受力情况并进行优化。

智能学习优化

内置的智能度极高的模拟系统可 学习记忆人的行走方式及习惯并 得出优化方案，缩短行走时摆动时间并延长支撑时间，达到 减少使用拐杖时间和频率的目的。

此外国外Myomo Inc公司研究开发的上肢康复辅助机器人Myopro Motion-G同样是当前康复外骨骼机器人中的智能翘楚。

MyoPro使用了 非侵入性传感器。这些传感器位于皮肤上，可以 检测身体的肌电信号（当用户的手臂或手尝试运动时，就会发出这些信号），使用信号处理方式来确定用户想做什么，比如是弯曲手臂，还是抓住物体，机器人部件会帮助手臂做出这种期望的动作—— 它就像手臂上的转身助力装置。

Myomo Motion-G 结构

最新的产品MyoPro Motion G 用到了多个传感器和电机，可以 实现肘弯曲和伸展，以及手指抓握等动作，这样用户可以做饭、吃饭，做一些家庭任务，甚至是恢复工作。

由于中风、脊髓损伤、创伤性脑损伤、周围神经损伤，以及ALS（肌肉萎缩症）或MS（多发性硬化症）等， 而导致部分瘫痪或肌无力的人，都可能是MyoPro的用户。

更多地，如美国的“超柔”（SuperFlex）机械外骨骼、“Soft Exosuit”外骨骼、英国的“矫正负重辅助装置”、日本Cyberdyne设计的一款辅助残障人士行走的外骨骼设备HAL（混合辅助假肢）等产品同样是当代外骨骼机器人典型。

上为SuperFlex

上为Soft Exosuit

上为HAL

上为MAPS-U

现状和趋势

随着老龄化社会的来临和医疗水平提升，人们对康复医疗的需求越来越大。且 相比于军事领域，康复医疗领域的门槛相对较低，各国在政策上也比较支持。再者军用机器人的研发周期一般都比较长，而且需要重金投入，技术门槛和政策门槛也很高。所以目前来讲医疗康复外骨骼属于 发展态势良好的“朝阳”产业。

而依据现状分析未来趋势的话，由于人口老龄化的发展、人类寿命的延长、以及医疗水平的提高，医疗康复类外骨骼机器人未来几年会迎来一个小爆发期。

21世纪是充满际遇和挑战的时代，是众多科技尖端巅峰云集的时代，人机结合、智能化、先进化的加深推进是大势所趋也是文明进步的先决条件，小协同热爱机甲的“浪漫少年”一样相信在现在乃至未来的有“智”之士的努力下，全民机甲的时代大梦终会实现。

参考资料

• 陈峰 《可穿戴型助力机器人技术研究》
• 朱惠盈, 杨海乐, 林星羽 《外骨骼穿戴式助力助行机器人技术综述》
• 郝士冲《机械外骨骼研究现状及发展趋势》
• 高端装备产业研究中心《外骨骼机器人发展浅析》
• 机器人频道 《国内首款机械外骨骼问世》
• 科技创业家 《外骨骼机器人的研究现状及发展趋势》
• 打荷雨 《抛弃骨骼的外骨骼——柔性外骨骼》

图片 / 图源网络

文字 / 杨子骁 沈莲萍

编辑 / 沈莲萍 杨子骁

审核 / 谢凯 张云 杨肖 王晨晖 王艺彬