2.之前的數(shù)千年大多數(shù)人類一直深受瘟疫,、戰(zhàn)爭(zhēng),、饑餓的困擾，而未來(lái)人類追求的將是壽命,、健康,、幸福；

3.大多數(shù)人類將來(lái)會(huì)無(wú)用,，機(jī)器人和AI將會(huì)代替他們（類似北京折疊的預(yù)設(shè)）

聯(lián)想到硅谷男神馬斯克最近曝光創(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（當(dāng)然馬斯克打著治病救人的旗號(hào)）,；再聯(lián)想到2014年一個(gè)瘋狂的老科學(xué)家PhilKennedy,，他拿自己做實(shí)驗(yàn)，把自己的大腦中植入電極采集信號(hào),，來(lái)收集自己思考和腦電信號(hào)關(guān)系的數(shù)據(jù),，而且也有了一些明顯的進(jìn)展，而且之前的一些大腦植入電極已經(jīng)能夠采集信號(hào)控制外部物體,；綜合起來(lái)看就很有趣了：人體的主要器官甚至骨骼都是有使用壽命的，而目前的醫(yī)療公司已經(jīng)能做到更換大部分人體器官例如人造心臟,、人造血管,、人造皮膚、人工假肢這些能夠極大的增強(qiáng)人類的體魄,，或者穿鋼鐵俠那種戰(zhàn)衣,，然后再能夠?qū)I與大腦結(jié)合起來(lái)增強(qiáng)人類的智能，那這種聰明又強(qiáng)壯的“人”是挺厲害的,。

了解下外骨骼機(jī)器人的現(xiàn)狀和技術(shù)/商業(yè)難點(diǎn),。

1. 外骨骼機(jī)器人簡(jiǎn)介

外骨骼的定義來(lái)源與動(dòng)物，即外部的骨骼,，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增強(qiáng)人類能力的可穿戴機(jī)電設(shè)備,，當(dāng)然也包含那些能夠增強(qiáng)（幫助康復(fù)）殘疾人的可穿戴設(shè)備（康復(fù)類的由于控制思路比較清晰,，先不討論）。

1960年最早的外骨骼項(xiàng)目來(lái)源于美國(guó)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(kāi)始研究人體增強(qiáng)的概念,。外骨骼很早就開(kāi)始研發(fā)，也造成了這個(gè)領(lǐng)域大部分能夠探明的問(wèn)題都基本探明（剩下的都是硬骨頭）,。

下圖描述了外骨骼主要的幾種用途：

2. 外骨骼機(jī)器人控制方法

既然涉及到增強(qiáng)能力,，簡(jiǎn)單說(shuō)就是增強(qiáng)“力”，那么就涉及到如何采集到人的意圖,，從而把意圖變成電機(jī)/液壓的合適的輸出力,，目前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,。

其中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。目前能夠獲取的人體生物信號(hào)主要有：Electroencephalogram (EEG腦電信號(hào)),，Electrocardiogram(ECG心電信號(hào)),，Electromyogram (EMG肌電信號(hào))，Mechanomyogram(MMG皮膚機(jī)械信號(hào)),，Electrooculography (EOG眼電信號(hào)),，Galvanic skinresponse (GSR皮膚電信號(hào))，Magnetoencephalogram (MEG腦磁信號(hào)),，外骨骼控制常用的就是EMG（肌電信號(hào)）和EEG（腦電信號(hào)）信號(hào),。

目前直接獲取操作者意圖的傳感器還不夠成熟，比如EMG的數(shù)據(jù)噪音,、建模和校準(zhǔn)的難度都很大,，比如說(shuō)Hybrid Assistive Limb (HAL5)這款外骨骼采用了EMG信號(hào)控制機(jī)器人，但是需要2個(gè)月的時(shí)間來(lái)標(biāo)定肌電信號(hào),。而且在動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持傳感器的精確度是個(gè)很大的挑戰(zhàn),，同樣在使用交互力來(lái)控制外骨骼也有類似的問(wèn)題。

目前絕大部分外骨骼都是間接獲取的操作者意圖,，其方法主要是通過(guò)外骨骼硬件檢測(cè)信號(hào)來(lái)估計(jì)人類意圖,，這種方法也有一定問(wèn)題，目前比較嚴(yán)重的就是無(wú)法區(qū)分操作者的力和外力,，這樣的話外界的力也會(huì)使得外骨骼機(jī)器人判斷出錯(cuò),，有可能導(dǎo)致外骨骼機(jī)器人不穩(wěn)定或者失控。

西班牙CSIC（Spanish National Research Council）的Jose L. Pons認(rèn)為外骨骼機(jī)器人比較獨(dú)特的兩個(gè)點(diǎn)是人和機(jī)器人有物理和認(rèn)知的雙重交互,，物理的交互（physical human–robot interaction (pHRI)）就是人和機(jī)器人之間會(huì)有力的交互,，并且機(jī)器人能夠增強(qiáng)人的能力；認(rèn)知交互（cognitive human–robot interaction (cHRI)）是指人了解機(jī)器人的能力并且始終感知到自己是在控制機(jī)器人,。

3. 幾款外骨骼機(jī)器人技術(shù)方案介紹

由于我比較喜歡增強(qiáng)型外骨骼,，所以下面先介紹增強(qiáng)型外骨骼，再介紹康復(fù)類外骨骼,。

3.1 MIT Exoskeleton增強(qiáng)型外骨骼

首先,，這是一個(gè)美國(guó)DARPA軍方和MIT的合作項(xiàng)目，設(shè)計(jì)目的是用于增強(qiáng)士兵的運(yùn)動(dòng)忍耐力（按照項(xiàng)目名稱翻譯的）,?？梢钥闯鲞@副外骨骼是用來(lái)增強(qiáng)人體負(fù)重能力的，目標(biāo)很清晰,。并且極具特點(diǎn)的是它只設(shè)計(jì)了一個(gè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)：臀部驅(qū)動(dòng)器,，其他膝關(guān)節(jié)和腳踝用的是阻尼器和彈簧,，也就是說(shuō)是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)的外骨骼方案，這樣大大降低了外骨骼的整體質(zhì)量和復(fù)雜度,，而且實(shí)現(xiàn)了主要設(shè)計(jì)目標(biāo),，不得不佩服他們的思路。而且關(guān)鍵指標(biāo)性能很好,，后面會(huì)提到,。

上圖是一個(gè)整體的外觀，圖片也標(biāo)注了整個(gè)外骨骼用到的傳感器,。

下面我分別從整機(jī)設(shè)計(jì),、驅(qū)動(dòng)器（機(jī)構(gòu)）設(shè)計(jì)、控制策略等方面介紹和評(píng)價(jià)一下這款外骨骼機(jī)器人,。

整機(jī)設(shè)計(jì)方案：

這款機(jī)器人設(shè)計(jì)目的是把人體的負(fù)重傳遞到地面上,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了足夠多的自由度保證穿戴者感覺(jué)不到太多的機(jī)械約束,，同時(shí)整機(jī)設(shè)計(jì)最小化了末端的質(zhì)量,。唯一的一個(gè)臀部動(dòng)力機(jī)構(gòu)需要在運(yùn)動(dòng)時(shí)輔助運(yùn)動(dòng)者和外骨骼。

系統(tǒng)的每條腿設(shè)計(jì)了7個(gè)自由度,，臀部設(shè)計(jì)了3個(gè),，膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)1個(gè),，踝關(guān)節(jié)2個(gè)，腳上1個(gè),，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器只有臀部安裝了，膝關(guān)節(jié)安裝了阻尼器,，踝關(guān)節(jié)安裝了彈簧,。比較有特點(diǎn)的是在臀部設(shè)計(jì)了一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)，能夠保證在運(yùn)動(dòng)時(shí)適應(yīng)人腿和外骨骼的距離變化,，這個(gè)變化會(huì)影響人腿和外骨骼運(yùn)動(dòng)的軸心位置,，考慮的就很完善。

在與人連接的部分采用了肩帶,、腰帶,、大腿捆綁、鞋子固定的方式,，這樣的連接能讓外骨骼被動(dòng)的跟蹤人的腿部運(yùn)動(dòng),，另外這款外骨骼是搭配美軍Alice背包使用的，這是一款美軍的經(jīng)典背包（也是我本科心水很久但是沒(méi)有買的一款背包）,，我把圖片放出來(lái)大家就看明白為什么MIT選用這款測(cè)試了,。

看到了吧，這款背包是自帶框架背負(fù)系統(tǒng)的,，也就是中間看得到的鋼管部分,。因此只要把鋼管部分和外骨骼連接起來(lái),，就能把重量直接傳遞到地面上去。

驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方面：

圖X是系統(tǒng)中唯一的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方案,，使用了RE40電機(jī)（學(xué)術(shù)界標(biāo)配型號(hào),，經(jīng)久不衰）、減速帶,、彈簧作為動(dòng)力輸出鏈路,，也就是SEA方案，作為系統(tǒng)中唯一一個(gè)動(dòng)力部件,，它的性能設(shè)計(jì)的很不錯(cuò),，如果固定末端的話力輸出帶寬可以達(dá)到35HZ，如果末端使用質(zhì)量塊測(cè)試的話帶寬可以達(dá)到40HZ,，他們理論和實(shí)際對(duì)比的伯德圖如下圖,。

考慮到人腿平時(shí)運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該在5HZ以內(nèi)，然后他們?cè)黾訙y(cè)試了一個(gè)1600N幅值5HZ的跟隨性能,，如下圖所示,，可以看出末端稍有超調(diào)，其他曲線吻合的很好,。

由于高性能的外骨骼必須有高性能的驅(qū)動(dòng)器支持,，相信大家肯定都看過(guò)Boston動(dòng)力的機(jī)器人大狗，它的機(jī)械腿的帶寬肯定很高,，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)靈巧的抗摔倒動(dòng)作（踹不倒的那個(gè)響應(yīng)動(dòng)作動(dòng)作）,。

控制策略：

MIT的研究者有個(gè)非常好的習(xí)慣就是從原始研究出發(fā)，比如他們?cè)谥贫ú呗灾熬拖妊芯苛巳俗呗返膶?shí)際情況,。即人正常速度走路的時(shí)候什么時(shí)候需要做正功,，什么時(shí)候做負(fù)功，這樣就能給出策略,，決定系統(tǒng)什么時(shí)候提供能量,，什么時(shí)候吸收（存儲(chǔ)）/消耗能量。其步態(tài)的結(jié)論如下圖所示,。

那么根據(jù)上圖他們就設(shè)計(jì)了臀部控制的狀態(tài)機(jī)如下,，來(lái)決策什么時(shí)候用力。

同樣設(shè)計(jì)了膝關(guān)節(jié)的狀態(tài)機(jī)如下,，來(lái)決策什么時(shí)候消耗能量（膝關(guān)節(jié)是個(gè)變阻尼控制器）,。

其中，狀態(tài)機(jī)的判定是根據(jù)關(guān)節(jié)位置和足底力傳感器綜合判定的,。

小結(jié)：經(jīng)過(guò)測(cè)試,，證明這套系統(tǒng)可以將90%的負(fù)載重量傳遞到地面，作者認(rèn)為這套控制策略也可以用于殘疾人的外骨骼控制（其實(shí)我覺(jué)得可以作為參考，但是殘疾人的種類太多了,，未必能適用很大比例）

3.2 Body Extender增強(qiáng)型外骨骼

對(duì),，我就是喜歡這種看起來(lái)浮夸的東西，其實(shí)這東西也是蠻有用的,，比如在幫飛機(jī)掛載導(dǎo)彈,，就不用液壓推車了，抱起來(lái)就可以直接安裝,，或者還有別的民用用途比如說(shuō)搬磚z在工地上高強(qiáng)度工作（國(guó)外很多建房工程由于很多是house,，所以有很多人力需要干的重載工作）。

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。下圖是這款外骨骼的外觀,。

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(lái)檢測(cè)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(lái)檢測(cè)人手期望的輸出力,。

這款外骨骼設(shè)計(jì)思路很中規(guī)中矩,，思路就是用5個(gè)6維力傳感器來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，對(duì)人力進(jìn)行放大,。在運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和安全性方面沒(méi)有考慮太多,，因?yàn)閮H僅靠固連部位的幾個(gè)力傳感器未必能控制人體不倒下。這款外骨骼控制方面基本上就是正常的機(jī)器人力控制和運(yùn)動(dòng)控制,。

不過(guò)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(shuō)美國(guó)要和日本單挑的那種機(jī)器人，諾,，就是下圖這種：

本人對(duì)這兩款機(jī)器人不予評(píng)價(jià)。

3.3 XoR康復(fù)型外骨骼

這款康復(fù)型外骨骼其實(shí)也只是一個(gè)原型機(jī),，自由度布局如下：

他的設(shè)計(jì)的很有特點(diǎn),，驅(qū)動(dòng)器采用了混合動(dòng)力-氣動(dòng)肌肉和電機(jī)，其中氣動(dòng)肌肉用于補(bǔ)償重力,，電機(jī)用于快速控制,，下圖描述了兩者優(yōu)勢(shì)互相補(bǔ)充的示意。即電機(jī)力矩小但是響應(yīng)快,，氣動(dòng)肌肉力矩大但是響應(yīng)慢,，兩者結(jié)合就得到了很棒的階躍響應(yīng)曲線。氣動(dòng)肌肉買的是FESTO的商業(yè)化產(chǎn)品，電機(jī)就是學(xué)術(shù)界標(biāo)配maxon RE40,。

他的單腿設(shè)計(jì)如下圖,，分別在膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)安裝了氣動(dòng)肌肉。

同時(shí)這款機(jī)器人采用了多傳感器融合的技術(shù),，使用了EMG,、EEG、NIRS 信號(hào)來(lái)嘗試控制外骨骼,，也在系統(tǒng)中安裝了IMU（慣性測(cè)量單元）,，足底負(fù)載壓力傳感器。

3.4 ReWalk-More Than Walking

必須介紹著名的以色列外骨骼公司ReWalk,，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,，ReWalk深耕外骨骼領(lǐng)域十幾年,，他的發(fā)展路徑很值得借鑒，即在目前技術(shù)有局限的情況下如何讓一個(gè)外骨骼公司能夠盈利,。他們采取兩種產(chǎn)品線的方式：一種是個(gè)人產(chǎn)品,，一種是康復(fù)產(chǎn)品。下圖是ReWalk的康復(fù)訓(xùn)練中心,。

ReWalk公司最近發(fā)布的個(gè)人產(chǎn)品是NewReWalk? Personal 6.0,，可以讓使用者在家和社區(qū)使用整天，也可以在戶外使用,，甚至爬樓梯,，并且可是可定制化的產(chǎn)品（結(jié)合患者身高等參數(shù)）。

而ReWalk?Rehabilitation能夠提供康復(fù)機(jī)器人的功能,，由于體積小,，能夠提供家庭康復(fù)和社區(qū)康復(fù)，同時(shí)由于患者先體驗(yàn)過(guò)了產(chǎn)品,，也能夠有助于他們采購(gòu)個(gè)人產(chǎn)品,。將外骨骼產(chǎn)品做成全系列的康復(fù)產(chǎn)品是個(gè)很棒的思路：即用ReWalk? Rehabilitation先做康復(fù)，然后用ReWalk? Personal作為后續(xù)銷售給個(gè)人的,，能夠拓展活動(dòng)范圍的外骨骼產(chǎn)品,。這種康復(fù)訓(xùn)練中心就有了體驗(yàn)店的感覺(jué)。引用Dr. Goffer來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品：ReWalk能夠完全的被使用者操控,，無(wú)論是站立,、行走、坐下，機(jī)器人能夠清晰的執(zhí)行指令（即完全的可操控性,，Jose L. Pons提出的觀點(diǎn)）,。ReWalk高管Jeff Dykan從另外一個(gè)角度闡述了ReWalk的重要性：從此那些輪椅上的人能夠站起來(lái)走路，能夠平等的看著其他人,，能夠擁抱別人也被別人擁抱,。這就是情懷啊，一個(gè)偉大的公司必須有切實(shí)有用并且被認(rèn)可的情懷,。

4. 總結(jié)

目前外骨骼機(jī)器人公司眾多,，在這個(gè)網(wǎng)站可以查詢得到大部分外骨骼公司：http:///，下圖是網(wǎng)站的截圖,，而里面的單詞都是鏈接,，點(diǎn)進(jìn)去就能看到這個(gè)網(wǎng)站整理的公司。

相對(duì)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)。

描述市場(chǎng)引用某報(bào)告的數(shù)據(jù)：康復(fù)機(jī)器人行業(yè)（這里把康復(fù)機(jī)器人和外骨骼機(jī)器人區(qū)別劃分）規(guī)模將由2014年的2.03億美元增長(zhǎng)到2021年11億美元,，預(yù)期年均復(fù)合增長(zhǎng)率為27.3%,；而體外骨骼機(jī)器人行業(yè)規(guī)模將由2014年的1650萬(wàn)美元暴增到2021年21億美元，預(yù)期年均復(fù)合增長(zhǎng)率為99.8%,?？祻?fù)機(jī)器人和外骨骼機(jī)器人統(tǒng)一作為康復(fù)機(jī)器人，則廣義的康復(fù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模則由2014年的2.2億美元增長(zhǎng)到2021年的32億美元而手術(shù)機(jī)器人行業(yè)規(guī)模將由2014年的32億美元,，增長(zhǎng)到2021年200億美元,，預(yù)期年均復(fù)合增長(zhǎng)率為29.9%。根據(jù)這套數(shù)據(jù)分析的話,，手術(shù)機(jī)器人的市場(chǎng)在在2014年就超過(guò)康復(fù)機(jī)器人2021年的市場(chǎng),。從總量角度手術(shù)機(jī)器人完勝康復(fù)類機(jī)器人。

從技術(shù)角度來(lái)說(shuō),，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(cè)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(guó)內(nèi)注冊(cè)門檻和周期都很長(zhǎng),，因此對(duì)比來(lái)說(shuō)手術(shù)機(jī)器人適合大公司開(kāi)發(fā)，而外骨骼機(jī)器人適合創(chuàng)業(yè)公司,。

END