2021年全球外骨骼机器人产业研究报告.pdf

2021年全球外骨骼机器人产业研究报告人机融合，打磨能力增强之金钥筚路蓝缕，求索规模经济之云程2021 CB Insights 中国独家官方呈现2Chapter 1 技术发展篇Chapter 2 技术产业化篇Chapter 3 市场前景篇Chapter 4 未来趋势篇0418365765Table of Contents结语663人类对增强自身能力、突破极限充满向往钢铁侠、阿丽塔：战斗天使、流浪地球等科幻作品充分展现了关于人类能力增强的无限想象，这些作品中的超级英雄形象是对外骨骼机器人技术应用的极致描绘。外骨骼机器人的概念兴起于 19 世纪，其本质是一种可穿戴机器人，能够为穿戴者提供保护功能、增强穿戴者的能力，比如延展、补充、替代或增强人的身体功能、肢体运动能力和负重能力。2014 年，在巴西足球世界杯开幕式上，世界共同见证一名穿着外骨骼机器人装备的瘫痪少年飒爽开球。2014 年，多家外骨骼机器人企业成功上市。这项激动人心的技术已产业化发展二十余年，但商业化、规模化道路上挑战重重，上市企业普遍尚未盈利。本报告由 CB Insights 中国独家发布，解读外骨骼机器人技术、产业和市场机会，结合科研技术、产业和市场情况做出趋势判断。外骨骼机器人涉及多领域技术的融合，技术突破和应用落地是产业规模化、成熟化发展的关键制约因素。报告分析外骨骼机器人的关键技术和科研发展情况，研判技术发展趋势。外骨骼机器人能够应用于军事国防、工业、医疗康复及娱乐等多种场景。报告分析各细分市场机会、场景需求、驱动因素等，研判商业价值和成长机遇。前言4外骨骼机器人概念由来已久技术发展历程（1960 至今）技术产业化、商业化发展技术扩散与全球化发展Chapter 1 技术发展篇外骨骼机器人的概念兴起于 19 世纪，其本质是一种可穿戴机器人，能够为穿戴者提供保护功能、增强穿戴者的能力，比如延展、补充、替代或增强人的身体功能、肢体运动能力和负重能力。外骨骼机器人技术的系统性研发始于20 世纪 60 年代，以 1965 年的美国 Hardiman 项目为代表。Hardiman 是“Human Augmented Research and Development Investigation”（Hardi）以及“manipulator”（man）的缩写，意为人体增强与发展调研用途的操控设备。Hardiman 项目旨在研发可穿戴的机械外骨骼以增强人的力量，其技术应用主要包括军事、建筑施工和救灾。该项目由美国国防部支持，由通用电气公司与康奈尔大学合作研发。该项目成果 Hardiman 样机是最早的动力外骨骼机器人样机，Hardiman 样机设计目的为协助军人搬运重物，但受当时科技水平限制而无法投入实际应用。5图1丨1960 年代康奈尔大学 Man-Amplifier（来源：Cornell Aeronautical Laboratory）图2丨Hardiman 设计图与样机（来源：General Electric）外骨骼机器人概念由来已久，早期技术实现难度大早期阶段的动力外骨骼机器人 Hardiman 无法实际应用，该项目的技术问题为后来者指出外骨骼机器人的技术优化方向67技术发展历程（一）：探索和实验（1960-1980）8技术发展历程（二）：平缓发展（1980-2000）9技术发展历程（三）：技术突破性发展（2000 年至今）到了 20 世纪末，在计算机技术、传感技术、材料技术和控制技术等技术进步的推动下，外骨骼机器人进入技术突破和规模化应用阶段。美国、日本等发达国家出现了更智能、实用性更高的外骨骼机器人技术和产品。外骨骼机器人的应用范围由早期的军用为主拓宽到医疗、民用、工业等领域。美国政府支持下的军用型外骨骼机器人开发项目，推动了动力外骨骼的技术突破2000 年，美国国防高级研究计划局（DARPA）出资 5000 万美元，资助旨在提高士兵的行军能力的外骨骼研发项目 EHPA，美国加州大学伯克利分校在该项目支持下研发出 BLEEX样机。BLEEX 是下肢动力外骨骼，共有 40 多个传感器，通过力传感器的信息反求人机间作用力从而了解穿戴者的运动意图；采用液压驱动器，能支持负重 75 kg 情况下以 0.9 米/秒速度行进，或者无负重情况下以 1.3 米/秒速度行进，但第一代样机的不足之处包括结构复杂、能耗大、长时间使用造成不适等。伯克利大学机器人与人体工程实验室，基于 BLEEX 研究进一步开发出更多外骨骼，主要有医疗康复类设备 eLEGS 和军工类设备 HULC。10相关技术实现突破，2000 年开始加速产业化、商业化发展ExoHiker：设计用于执行长途任务时承载重物。其技术突破是优化了外骨骼的能源消耗，通过设计关节将外骨骼的重量转移到地面，使得设备在站立不动的时候无需消耗能源。并且充分利用重力和能源回收技术，使得用电池取代电缆成为可能。这是第一副没有牵绊的外骨骼。ExoClimber：设计用于快速爬楼梯和陡坡，同时提供与 ExoHiker 相同的长期承载能力。研发者成立 Berkeley Bionics 公司（即 Ekso Bionics公司前身）开始市场化运作。ExoHikerExoClimberHULCeLEGS伯克利机器人学与人体工程学实验室在 2005 年实现关键技术突破（ExoHiker）并随后开发出适合不同场景的外骨骼机器人，提升了外骨骼的关键性能和实用性，推动了商业化运作。11HULC：人体通用承载器（The Human UniversalLoad Carrier）是实验室研发的第三代外骨骼系统。它融合了 ExoHiker 和 ExoClimber 的性能，能够支持人轻松地携带 200 磅重物在各种地形进行长时间行走运动。HULC 专利技术支持士兵在较低的耗氧量和心率下负重行军，该能耗优化技术为世界领先。HULC 已投入市场化运作，覆盖军工场景。eLEGS：Berkeley Bionics 设计的第一款医疗康复用途电动外骨骼系统，用于帮助运动障碍者和截瘫患者站立和行走。eLEGS 能帮助佩戴者直立行走而几乎不需要体力消耗。该系统得到了市场化推广，Ekso Bionics 公司以 eLEGS 为基础开发了一系列医疗康复类外骨骼设备。美国科研突破性成果实现商业化运作，外骨骼技术由军用延伸到工业和医疗康复场景Ekso Bionics 于 2005 年成立，2014 年在 Nasdaq 上市，是外骨骼机器人行业头部企业。美国伯克利机器人学与人体工程学实验室的科研成果 HULC 和 eLEGS 是 Ekso Bionics 的技术基础。公司目前的产品线覆盖场景广，以医疗康复类外骨骼 EksoHealth 产品线为主导，其中 Ekso GT 于 2016 年获得 FDA 认证，EksoNR 是目前 FDA 批准的唯一适用于治疗后天性脑损伤（ABI）的外骨骼。Ekso Bionics 其他产品线包括，工业外骨骼 EksoWorks，适用于建筑施工和工厂制造场景，功能为增强工人作业能力，此外还有常年与 DARPA 合作的军事外骨骼产品线。EksoNR 适用于：脑卒中 脊髓损伤 创伤性脑损伤 多发性硬化 动脉瘤 低氧血症 局部缺血 脑瘤 其他脑损伤Ekso Bionics 通过产学研深入联动，在科研产品化和市场化上建立领先优势：与多家科研机构共同开展医疗康复外骨骼的研究，积累了有关后天性脑损伤、脑卒中、脊髓损伤、多发性硬化等病症康复的临床经验。合作伙伴包括了美国主要科研机构和医疗机构：加州大学洛杉矶分校、约翰霍普金斯大学、凯斯勒研究所、退伍军人事务部等。EksoUE 适用于：脑卒中 脊髓损伤 创伤性脑损伤 肌营养不良 运动失调 骨科损伤 GBS 综合症 脑瘤 臂丛神经损伤 其他上肢无力或瘫痪12美国伯克利机器人学与人体工程学实验室从 EHPA 项目延伸应用和技术创新，市场化运作出 Ekso Bionics 公司研发设计能够满足康复医疗机构多种场景需求，提升了 B 端客户的购买意愿，建立了在医疗康复外骨骼领域的技术壁垒和行业优势。日本的外骨骼技术研究以医疗民用场景为起点，致力于解决老年人运动障碍康复、协助医疗等机构工作人员承重问题等CYBERDYNE 于 2004 年由日本筑波大学生化电子学专家山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授创立，于 2014 年在日本东京证券交易所上市。在同一时期，日本筑波大学的生化电子学研究团队，致力于为有运动障碍的老年人和病患群体提供助力的医疗康复类外骨骼设备。外骨骼科技企业 CYBERDYNE 正是筑波大学在生化电子学领域取得的技术市场化成果。20 世纪 90 年代，日本神奈川理工学院研发动力辅助服，旨在帮助护士举起无法自主运动的病人。2001 年上市“动力辅助服”（PAS）增强型外骨骼，技术原理是通过电子传感器监测穿戴者的肌肉，触发液压驱动器操作，能够为穿戴者增强力量 50%。生化电子学（Cybernics）是日本外骨骼科研核心学科：该学科是以控制论、机械电子学和信息学为中心，融合脑神经学、机器人工学、系统工程学、行为学、心理学和生理学等跨学科研究领域。13图3丨PAS 实验室样机图4丨PAS 技术说明HAL采用了当时最先进的外骨骼控制技术，支持多种运动场景，降低使用者的操作难度：生化电子控制系统为 CYBERDYNE 独家技术，是世界上第一个混合控制系统，由意志控制系统 CVC（生物信号控制）和自动控制系统 CAC（机器人控制）组成。这种混合控制系统可通过使用两种算法配合补充控制，在健康人、残障人等各种情况下为佩戴者提供合适的身体支持。CVC 通过检测人的生物电信号（包括肌肉活动）了解穿戴者的运动意图，比手动控制器（如操纵杆）操作更方便。CAC 能够为步态障碍患者提供有效的物理支持，主要根据穿戴者的身体结构、运动支持的条件和目的提供自动的功能性运动支持。图7丨生化电子控制系统图6丨HAL图5丨 Yoshiyuki Sankai日本生化电子学专家创办 CYBERDYNE 将技术成果市场化筑波大学教授山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）专研“生化电子学”（cybernics）对于增强和提升人的能力的技术方案。自 1991 年开始，他便研发一种外骨骼机器人 HAL（Hybrid-Assistive Limb/混合辅助肢体），于 2004 年成立 CYBERDYNE 公司将 HAL 投入市场。HAL 是世界上第一个半机械人式康复外骨骼，目前已发展到第五代，HAL 5 为全身外骨骼，通过肌电传感器采集人体运动信息，通过电机实现驱动，产品重约 15 kg，动力源小巧、使用时间长，可应用于医疗康复、残疾人助力、灾害现场救援等多种场景。HAL 5 获得了国际安全认证、欧盟认证和 FDA 认证，在日本、欧美等市场都有布局。14图8丨HAL 系列外骨骼的技术发展图适用于截瘫患者的 HAL 5 C 型系统的控制技术保证准确性和安全性：1）根据佩戴者的身体结构生成合适的两足步态运动参考轨迹。每个关节支架的参考轨迹能够以不同方式设计。2）根据佩戴者的重心偏移估计运动意图，提供步行运动的支持。工业民用类型为 HAL 5 B 型，主要功能为减轻工作负载，具有体感轻、负担小、续航能力强等特点，覆盖日常活动场景，可以支持穿戴者手提肩举 70 kg 重物。康健医疗类型为 HAL 5 C 型，主要功能为提供辅助身体支持，具有性能稳定、控制模式准确、安全性高等特点，可以帮助年长者、完全截瘫患者活动。图9丨HAL 5 B 型系统结构图HAL 已发展至第五代：HAL 5 区分工业民用和康健医疗场景，重视实用性和人机友好性15图10丨HAL 5 C 型系统：为截瘫患者提供步行支撑功能（来源：Yoshiyuki Sankai）ReWalk Robotics，于 2001 年成立，2014 年在 Nasdaq 上市，主营医疗民用类的外骨骼设备。ReWalk 外骨骼针对使用者为脊髓损伤（SCI）患者，功能是为使用者提供髋关节和膝关节动力支持从而实现直立和行走，产品于 2014 年率先获得 FDA 认证。ReWalk 相比另外两家由科研高校孵化而出的创业公司 Ekso Bionics 和 CYBERDYNE，技术研发资源较为薄弱，技术方案以机械工程设计为主，造成在技术研发上的突破创新成果较少、技术更新迭代速度相对缓慢等劣势。以色列初创企业 ReWalk 专营外骨骼助行设备，早期技术结构单一，近年来加强与顶尖科研机构合作强化技术优势在 2016 年，ReWalk 与哈佛大学韦斯生物启发工程研究所合作，获得了针对下肢残疾开发的轻型外骨骼系统技术概念和设计的知识产权（IP）许可，这项独家许可和合作协议用于开发针对脑卒中、多发性硬化症（MS）、老年人行动受限等医疗应用场景的柔性外骨骼系统。目前研发出针对脑卒中患者运动康复的ReStore 柔性外骨骼，是 ReWalk 的第二代战略性产品，于 2019 年获得欧洲 CE认证、美国 FDA 认证，正式投放欧美市场。图11丨ReWalk系统初代图12丨ReWalk6.0ReWalk 初代：使用适应周期长，需要配合拐杖以保持上下肢平衡，需肩背装有软硬件的背包有穿戴负担。ReWalk 6.0：电机设计在髋膝关节处，在安全性、关节耦合度和轻便性上做了系统性提升。ReStore 具有来自于哈佛的专利技术优势。ReStore 在美国五大康复机构进行多种临床实验，在医疗康复界有高认可度。16外骨骼机器人技术的全球领先者，主要分布在美国、日本、欧洲等发达地区，比如三家上市公司 Ekso Bionics、CYBERDYNE 和 ReWalk，它们已有 20 年及以上的技术沉淀。过去十至十五年中，技术扩散和创业企业推动了新一轮外骨骼机器人产业的发展热潮，新一批的进入者主要分布在中国、印度等国家。过去五年中，中国的外骨骼机器人创业公司在数量上增长较快，但仍处于早期阶段。加拿大图12丨2017 年外骨骼机器人企业地域分布和规模，N=70（数据来源：Bruce Floersheim，WearRA）外骨骼机器人全球企业列举（不完全）AlterGBionessEkso BionicsHuMoTechIndegoLevitateLockheed MartinRaytheonRoam RoboticsSpringactiveSuitXUniExoBionik LaboratoriesB-TemiaHuman in Motion RoboticsRevision MilitaryTrexo Robotics美国ArchelisATOUNCYBERDYNEHondaInnophysSkeletonics日本Angel RoboticsDaewooHyundai MotorSG ROBOTICSWalkbot韩国Rex Bionics澳大利亚ErgoSanteWandercraft法国注：WearRA（Wearable Robotics Association）为可穿戴机器人产业协会17技术扩散与全球化发展18技术路线概述专利成果和发展趋势技术领先者格局与趋势技术挑战与发展方向科研前沿与应用机会技术价值及影响力Chapter 2 技术产业化篇外骨骼机器人技术是一项集传感、控制、信息、融合、移动计算等为一体的综合性技术。外骨骼机器人是与穿戴者动态交互，将人体感觉、运动等器官与机器的智能处理中心、控制执行系统相结合的智能机械系统，技术模块主要为传感器、致动器、机械结构、算法，和能够获取信息以执行电机功能的控制策略。外骨骼机器人技术路线概述动力系统技术优化方案材料技术生物机械电子技术信息技术智能控制技术生物传感技术移动计算技术数据融合技术19外骨骼（AMCS）与人体（HMCS）之间有三种交互形式：（1）检测用户的运动意图；（2）向用户提供有关 AMCS 和 HMCS 状态或环境的反馈（当人体感觉系统受到干扰时，提供反馈尤为重要）；（3）设备间的机械动力交换。外骨骼是与人体交互的生物机电装置，外骨骼系统属于人工运动控制系统（AMCS），机制上模仿贴合人体运动控制系统（HMCS）。外骨骼是通过生物机械工程技术架构协助人体运动的 AMCS图13丨外骨骼与人的运动控制系统交互图（来源：Andres F.Ruiz-Olaya)20外骨骼机器人可按照与人体耦合的部位分为：上半身外骨骼：腰部、肩部、肘部、手、肩手、肩肘、肩肘手外骨骼，提供力量增强等功能，应用有医疗康复、制造工厂、物流搬运、机场等场景。比如 Ekso BionicsEVO、EksoUE。下半身外骨骼：脚踝、膝盖、髋、膝髋、髋膝踝外骨骼，提供支撑、稳定和运动功能。应用包括力量增强、远程操控、康复和运动训练、虚拟现实和触觉反馈等场景。比如ReWalk。全身外骨骼：覆盖四肢和躯干，提供力量增强、支撑稳定、运动等功能。比如 CYBERDYNE HAL5。外骨骼机器人是复杂的多系统集成，包括传感系统、控制系统、驱动系统、机械系统和动力系统传感系统控制系统驱动系统动力系统传感器、信号处理电路功能：采集人体的运动趋势、位置姿势以及力量等信息，为控制系统提供数据依据为设备提供动力支撑，通过与人体的结合来分担承重，并为力量、速度等运动机能提供基础支持微电脑、控制软件功能：分析传感系统传来的信息，并根据人的意图操控驱动系统驱动元件通过电机/液压/气动元件来提供驱动力，再经由传动元件传至机械系统，带动机械结构产生动作通过电池/燃油/内燃机为设备提供原动力机械系统ReWalkEksoUEHAL5EVO21按照功能分类，外骨骼机器人有以下四种：（1）为穿戴者身体活动提供协助支持功能，应用场景如医疗康复、生活民用等；（2）为穿戴者提供身体保护功能，应用场景如军事救灾等；（3）为穿戴者提供增强力量功能，应用场景如工业制造、物流运输等；（4）为穿戴者与环境的信息交互提供接口功能，应用场景如远程控制、娱乐等。外骨骼机器人是补充和增加人的能力的机械系统，可以具体提供支持、保护、增强、信息交互功能，外骨骼的技术设计依功能而有别（4）传感与数据融合 遥控机器人外骨骼 虚拟现实（VR）外骨骼（3）增强能力增强力量类外骨骼增强运动速度类外骨骼（1）支持身体 医疗康复类外骨骼（2）保护身体 自动化军事盔甲 灾险营救型外骨骼 核辐射防护外骨骼22电机驱动气压驱动液压驱动传感方法控制方法驱动方法力、扭矩等信息肌电信号（sEMG）脑电信号（EEG）位置/速度控制阻抗控制导纳控制力控制/扭矩控制外骨骼机器人针对辅助、康复、增强等不同应用场景，在传感、控制、驱动上会采用不同的技术路线传感系统通过传感器收集使用者的步态信息或运动意图，再以一定形式传送数据给控制系统。物理量传感器（力/扭矩传感器）：收集位置，角度，扭矩，压力等信息，可判断使用者的步态周期。生物量传感器：收集肌电信号，可判断使用者的运动意图。脑电信号（EEG）传感器：收集脑电信号，可判断使用者的运动意图，技术难度比肌电信号传感器更高，目前应用较少。控制系统是外骨骼机器人的中央枢纽，通过对传感系统反馈的数据进行分析并规划步态模式，对驱动系统实现闭环控制，控制技术的难点包括传感器融合算法、控制算法等软件模块。全局控制：控制器集中位于背部，包括系统主机、信号采集板、电机驱动板、电源管理等模块。分布式控制：能够减轻中央控制系统的负担，提高系统响应速度。驱动系统负责带动机械结构，执行控制系统传递来的具体任务。电机驱动：结构简单，精密高，便于自动化控制，是目前使用最多的方案。气压驱动：体积小，成本低，操作方便；精度不高，难以控制，移动范围受限。液压驱动：传动平稳，能动较高；结构复杂，重量较大；成本较高。232000 年后，外骨骼机器人技术实现了重要突破，主要解决了成本过高，以及提高穿戴者行走跑步等运动性能，具体包括关节运动信息定向、致动器和控制器优化、机电一体化设计、人与外骨骼的人机交互和接口设计等。基于技术突破，全球外骨骼机器人企业加速了产品的市场化投放、延展了产品线。2000 年至今，多数外骨骼机器人企业取得的专利成果主要涉及硬件系统设计、辅助技术、执行器、仿生学、关节结构设计等领域，比如优化外骨骼承载负载能力、优化接口界面的舒适度和灵活性，提高准确度和安全等。Robotic exoskeletonsAnimal anatomyProstheticsAssistive technologySkeletal systemLower limb anatomyActuatorsJointsMuscles of the upper limbDisability sport40100601408012016018020200220（单位：专利量）图14丨2000 年至 2021 年 10 月 20 日，外骨骼机器人技术专利的主要分布（数据来源：CB Insights）24专利成果和发展趋势：以运动性能、人机耦合性、安全性等为主要方向（1/2）25专利成果和发展趋势：以运动性能、人机耦合性、安全性等为主要方向（2/2）图15丨2000 年至 2021 年 10 月 11 日，外骨骼机器人技术专利数量及专利拥有者数量（数据来源：CB Insights）2011 年，全球取得技术专利成果的企业首次突破 10 家，2014 年后产业出现第一轮发展黄金期，开始有更多企业取得技术专利成果。外骨骼机器人相关技术难度大，近一两年技术发展进入平滑期。理想情景展望下，在下一个五至十年内再出现一轮技术突破，带动产业规模高速增长。2011 年至 2017 年技术发展增速显著：在专利项目数量上，2011 年 18 项，2017 年 92 项。在专利持有者数量上，2011 年 10 家，2017 年 77 家。外骨骼技术专业性高，技术研发周期较长。根据 CB Insights 数据，2000 年至今，上市公司 Ekso Bionics 在拥有的技术专利数量上位居业内首位；上市公司 CYBERDYNE 专利数量位居第二。上市公司 ReWalk 技术创新能力相对较弱，在拥有专利数量上已被初创企业B-Temia、Roam Robotics 以及大型工业制造商 Safran 等赶超。图16丨Ekso Bionics 专利数量（数据来源：CB Insights）ReWalk 持有 13 项专利，专利方向主要为：控制系统、运动传感方法、传感器、运动辅助方法、压力信号测量、动力支持等。ReWalk 技术成果较少，在2021 年新增 1 项故障防御应急机制专利。53238977212127771341431图18丨ReWalk 专利数量（数据来源：CB Insights）Number of PatentsNumber of PatentsNumber of Patents26技术领先者格局与趋势：两家头部企业技术积累深厚图17丨CYBERDYNE 专利数量（数据来源：CB Insights）Ekso Bionics 持有 46 项专利，专利方向主要为：整机系统结构设计、致动器、人机接口界面、传感器、降低能量消耗机制，自动控制系统等。Ekso Bionics 产品线涵盖医疗、工业、军事各方向，重视全面的技术研发。CYBERDYNE 持有 31 项专利，专利方向主要为：动力学、动力系统、辅助技术、意图识别和评估、人机接口界面、控制器、生物信号测量装置等。CYBERDYNE 在有关医疗辅助的技术上持续深耕，主要体现在 HAL 系统的迭代等。B-Temia 的专利方向主要为：整机系统结构设计，模块优化，致动器，步态判断系统，力量辅助技术，承重辅助技术等。B-Temia 有两条产品线：医疗康复型外骨骼 KeeogoTM，获 FDA 和 CE 认证；军 事 及 工 业 类 人 体 增 强 型 外 骨 骼KSRDTM/OnyxTM，2018 年与美国军方NSRDEC 和 Lockheed Martin 签订 690万美元的技术合作项目。近五年来出现不少技术研发能力强的新企业：B-Temia，2010 年成立的加拿大医疗类外骨骼企业，持有 20 项专利;Roam Robotics，2013 年成立的美国民用外骨骼企业，持有 15项专利。图19丨B-Temia 专利数量（数据来源：CB Insights）图20丨Roam Robotics 专利数量（数据来源：CB Insights）Roam Robotics 的专利方向主要为：整机系统结构设计，致动器，流体动力学系统，机械动力控制，气动系统设计，计算机半监督运动意图识别方法等。Roam Robotics 有三条产品线：医疗康复型膝关节外骨骼 Ascend，获 FDA认证；通用型膝关节外骨骼 Forge，提供力量及耐力增强、重力体感减轻功能；运动辅助型膝关节外骨骼 Elevate，为滑雪运动者提供膝盖保护和增强功能。1216631Number of Patents113172Number of Patents27技术领先者格局与趋势：技术驱动的新进入者势头强劲尽管外骨骼机器人技术在设计和实现上皆已取得了巨大进展，但仍存在诸多技术挑战。外骨骼机器人在技术的理论和应用上的主要挑战包括系统稳定性和安全性、运动性能和效率、人机友好性等方面。科研界指出外骨骼机器人应当更安全、更人机友好、更强大、更智能、更轻便、更成本集约保证使用者的安全是对外骨骼机器人的核心要求。从软件及硬件层面上系统性提高安全性是关键的技术发展方向。外骨骼安全性问题可按针对用户区别考虑。工业类外骨骼机器人的用户为身体健康者，在提升安全性上主要考虑人机耦合性、穿戴舒适性及人机友好性、轻量化、系统稳定性等技术问题，涉及整体机械结构、驱动模式、控制技术、算法、材料等技术模块的优化。设备的运动超出使用者关节的正常活动范围长时间持续使用的舒适性差设备笨重不灵活影响使用者的重心电池泄露噪音过大等肌肉拉伤压疮和神经压迫活动受限重心失衡、容易跌倒等皮肤受刺激、化学灼伤等影响听觉等潜在损害28技术挑战与发展方向：安全性、功能性、用户友好性关节不对准张力调整不畅皮肤及软组织损伤皮肤磨损、疼痛、发丝状裂缝、骨折等软硬件故障ReWalk、Ekso、HAL、Indego脱离控制，无受伤装置束缚感重ReWalk、Ekso医疗康复类外骨骼机器人的用户为老弱病残者，技术挑战重点为：提升外骨骼与人的关节精确对准、系统平衡稳定性，减少设备的压力束缚感、避免皮肤损伤、判断并应对用户操作失误等。根据 FDA 数据，业内头部医疗类外骨骼设备都存在设备故障和用户受伤的案例。ReWalk、Rex 曾造成用户骨折尽管外骨骼机器人功能已足够强大，其价格、尺寸、重量、速度和效率方面仍有较大局限性。从用户视角出发，意味着外骨骼机器人技术需要重点优化人机界面友好性和鲁棒性，降低成本、轻量化系统，提升外骨骼机器人的实用性。Homayoon Kazerooni 博士是美国加州大学伯克利分校机械工程教授以及机器人和人体工程学实验室主任、外骨骼机器人领域的领军人物，研发出 BLEEX 等多款外骨骼机器人系统，并先后成立了Ekso Bionics 和 U.S.Bionics（DBA SuitX）。Kazerooni 博士重视外骨骼机器人的实用性和民用化，他认为最重要的技术发展方向应当是：降低外骨骼系统的成本。Kazerooni 指出目前的外骨骼机器人设备在 10 万美元以上，应当通过技术优化成本将设备的价格下降到 1 万美元甚至更低，从而让更多人使用得起外骨骼机器人、切实造福于行动障碍群体等。简化、轻量化、模块化的智能外骨骼系统。Kazerooni 推崇“极简主义”，强调优化外骨骼的软件以及智能化控制器，尽量简化和轻量化硬件。图21丨 SuitX 的模块化设计（来源：Kazerooni）髋关节模块AFO踝足支架可变阻力的膝关节模块Kazerooni 领导研发的医用外骨骼机器人 SuitX 的技术定位为高性价比和智能化，在智能化上以优化运动意图识别能力、运动控制力、以及外骨骼关节动力为重点方向。29外骨骼机器人技术需重视从用户视角出发Huge Herr 博士是美国麻省理工学院生物机电一体化研究小组主任，在新兴的生物机电一体化（人类生理学与机电技术学的交叉）领域获得革命性成果并被时代杂志誉为“仿生时代的领袖”。Herr 博士指出外骨骼机器人的三大技术问题：驱动装置重量大且扭矩和功率有限；交互界面穿戴舒适度差，影响持续穿戴时长；运动意图识别的准确性和效率低。对应的技术发展方向为：协调优化系统模块。提升致动器的性能、耐用性和寿命，配合系统运动需求按比例放大致动器，研发高效且袖珍的电子驱动器，实现系统性能优化和整体轻量化。优化人机交互界面。提升人机交互界面的人机友好性和效能，提升穿戴舒适感。实现人的神经系统与机器之间的直接信息交互。神经技术将在外骨骼机器人应用上发挥重要作用，采集肌电信号的外围传感器和大脑运动皮层的神经生物传感器可以在未来用于外骨骼机器人的运动意图理解。采用脑机接口技术和神经植入物还可能实现传达到神经或大脑的感觉反馈，从而使外骨骼穿戴者获得来自设备的运动感觉信息。30外骨骼机器人技术需重视从用户视角出发Herr 博士说明：“从本质上讲，磁珠和外骨骼就像人工肌肉，可以放大中风受损肢体的生物肌肉输出，这就像汽车上使用的动力转向装置。”Herr 博士等研究团队 2021 年 8 月提出磁微测量法（MM，Magnetomicrometry）能够准确测量肌肉运动意图，并提升外骨骼机器人的控制策略。磁微测量法的原理是把小磁珠植入肌肉组织，通过小磁珠直接测量肌肉长度和运动特性，可在几毫秒内完成传感反馈，有望取代外贴式肌电传感器方法。磁微测量法配合机器学习算法以及生物机体建模，有望实现更好的控制策略。图22丨肌肉磁微测量法控制外骨骼（来源：Taylor,C.R.,et al.）图24丨在 2D 综合目标函数上的 CoSpar 模拟结果（来源：M.Tucker et al.,2020）图23丨实验采用Atalante 外骨骼，使用者佩戴面罩是为了测量代谢支出（来源：M.Tucker et al.,2020）美国加州理工大学和中国清华大学团队在 2020 年机器人与自动化国际会议（ICRA）上发表论文基于偏好反馈的外骨骼步态优化学习（Preference-Based Learning forExoskeleton Gait Optimization），获得大会唯一最佳论文奖及最佳人机交互论文奖。该研究提出 CoSpar 算法，一种混合驱动（mixed-initiative）方法，该算法关键价值在于能够查询用户的偏好并允许用户提出改进意见。用户舒适度是优化外骨骼行走步态的关键目标。CoSpar 算法经实验验证能够在步态库中找到用户偏爱的步态，进而显著提升用户舒适度。CoSpar 算法提出外骨骼舒适度提升的框架，弥补技术空白：局部混合零动态（partial hybridzero dynamics，PHZD）等现有方案能够实现稳定的双足移动，但无法满足用户的个人偏好。CoSpar 算法在运行过程中能够识别用户偏好的行走轨迹，并洞察用户对某些步态的偏好，从而实现外骨骼定制化和个性化。CoSpar 算法经模拟实验和真人实验验证，具有合作反馈等优势。在模拟实验中的每种情况下，涉及合作反馈的混合驱动模拟都优于只接收偏好的模拟表现。真人实验证明 CoSpar 能够确定偏好和合作反馈等最大化用户舒适度的步态参数值。注：n=每次迭代中要选择的操作数，b=缓冲区大小31科研前沿与应用机会：近三年来在自动化、机械工程、脑神经、材料等科研领域出现能优化外骨骼机器人的先进成果（1/4）CoSpar 算法：定制化提升下肢外骨骼机器人的舒适感半侵入式脑机接口技术：优化外骨骼机器人系统控制方法图26丨植入物 WIMAGINE （来源：FONDS DE DOTATION CLINATEC）脑机接口是一个闭环的神经信息通信和控制系统。采用脑机接口技术控制外骨骼正是前文中 Herr 博士指出的技术发展趋势之一实现人的神经系统与机器之间的直接信息交互。半侵入式脑机接口技术主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析，半侵入式的安全性高于侵入式，引发人的免疫反应和愈伤组织的几率相对较小，且空间分辨率优于非侵入式。该研究的系统具有无线控制、颅骨植入式及长期生物相容性等特点，其解码模型可每 7 周校准一次，一定程度上降低病人和治疗师的负担，实际应用前景广阔。图25丨高位截瘫患者 Thibault 使用意念控制外骨骼机器人（来源：FONDS DE DOTATION CLINATEC）图27丨植入物放置在大脑表面两侧（来源：FONDS DE DOTATION CLINATEC）2019 年 10 月，法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学教授 Alim-Louis Benabid 在柳叶刀上发表使用半侵入式脑机接口技术帮助高位截瘫患者控制外骨骼系统的研究成果。该控制方法的优势体现在：使用皮层表面电极而不是脑组织的刺入式电极，侵入性低、创伤和感染风险小；通过植入两组电极实现对身体四肢控制，能够帮助高位截瘫患者实现四肢运动；皮层电信号通过无线传输。WIMAGINE：读取脑电信号的植入物，由 64 个生物相容性硬膜外电极组成，放置在大脑表面的运动控制部位，能够长期记录皮层脑电图（ECoG），通过软件将电极读取的脑电波转换为运动指令，采用无线传输数据和远程供电。此外 ECoG 信号解码算法可基于用户的大脑活动实现外骨骼的自配速控制。32科研前沿与应用机会：近三年来在自动化、机械工程、脑神经、材料等科研领域出现能优化外骨骼机器人的先进成果（2/4）图28丨“链甲”智能织物的设计和原型（来源：Wang,Y.,Li,L.,Hofmann,D.et al.）“链甲”智能织物：轻薄安全且成本低，具有实现外骨骼轻量化等价值2021 年 8 月，美国加州理工学院和新加坡南洋理工大学团队在 Nature 发表具有可调力学性能的结构化织物，提出一种“链甲”智能织物的研发成果，该研究在改变可穿戴材料力学性能领域实现技术突破。该新型材料具有广阔的产业化落地前景：该研究负责人之一，新加坡南洋理工大学教授王一凡，认为小型的医疗支撑应用大概在 5 年内可以落地，外骨骼系统或者大尺寸的建筑领域应用预计在 5 到 10 年内实现。图29丨可重构织物的多种应用前景（来源：Wang,Y.,Li,L.,Hofmann,D.et al.）外骨骼“链甲”智能织物面料是空心八面体联结、由 3D打印而成，能够为外骨骼等可穿戴设备提供新型材料方案，具有三大优势：安全性好：材料的软硬调节通过微型气泵调节气压，满足人体穿戴材料的安全要求。转变速率快：材料可在 0.1 秒内实现软硬状态的自由转变。价格低：护腕或护肘等小型智能织物制造成本约100 美元，规模化应用后成本可降低几倍。可重构织物应用于外骨骼能够实现外骨骼整体轻量化、提升日常穿戴舒适性、优化电能消耗、降低制造成本等，有望替代刚性材料外骨骼。可重构织物应用于外骨骼需要与其他系统模块相结合，如控制、感应、驱动、能源等。王一凡教授称将在此方向进一步开展研究，推动技术落地。33科研前沿与应用机会：近三年来在自动化、机械工程、脑神经、材料等科研领域出现能优化外骨骼机器人的先进成果（3/4）能量移除外骨骼：可从人体自然步态中收集机械能，降低整体代谢能耗图31丨净代谢率，黄点代表实验者的情况（来源：Shepertycky et al.,2021）2021 年 5 月，加拿大安大略省金斯敦皇后大学的研究团队在 Science 发表基于能量移除技术的新型外骨骼设备的研究情况。该研究在外骨骼领域率先采用能量移除原理，在行走步态周期的膝盖摆动阶段去除部分机械能，从而减少用户的新陈代谢消耗。图30丨能量移除外骨骼：（A）实验人员穿着外骨骼和测量设备在测力跑步机上行走；（B）外骨骼外观；（C）外骨骼内部组件（来源：Shepertycky et al.,2021）研究对 10 位健康男性使用外骨骼的情况进行实验，结果证明外骨骼能够将行走的代谢成本降低 2.50.8%，每一步态周期所移除的能量可转换为 0.250.02 瓦的电能。研究下一步将提升电能转化能力，