从重达百斤价值百万,到能负载2吨,外骨骼机器

2020-04-07 18:20 佚名

最近,现代汽车集团可穿戴式机器人Vest Exoskeleton问世并获红点设计奖,现代集团称VEX应用了目前的最新技术,开发应用后能为日常从事体力工作的生产线工人提供实用性帮助,最强大的效果是能举起一辆汽车,现代汽车集团表示计划在世界范围内推广VEX,以促进生产力和提高安全性。

在现实生活中,普通人每小时只能以约24公里的速度前进,世界纪录保持者Usain Bolt的最快速度为每秒12.3米。与其他动物相比,人类这样的速度很是尴尬,虽然动物们大多数都是四腿走路,但人类想要借助自身行动更快的梦想从未因此而停歇。在历史里,人们已经找到了不止一种提高行进速度的方法,但是,目前看来,仅使用人力即可简单推动使用的只有自行车。但是,无数电影导演和科幻迷们告诉我们,其实可能还有另一种方式,那就是外骨骼机器人,外骨骼机器人一直是科幻电影中人类自身能驾驭力量的极限。

外骨骼的定义最早其实来源于动物,即外部的骨骼,这些外部骨骼一般用于支撑和保护动物,与之相反的是人类这样“内骨骼”的生物。因此,外骨骼机器人一般是指那些能够保护自身,并增强人类能力的可穿戴机电设备,从单一的穿戴电子类产品,后续逐渐形成电子、机械、仿生的跨界融合,形成一项面向未来的独特前沿技术,在应用领域上也发展衍生到包含那些能够增强(帮助康复)残疾人的可穿戴设备,主要用于帮助病人做步态康复训练。因此目前从功能上,一般将外骨骼机器人分为增强型外骨骼和康复类外骨骼。

外骨骼机器人的想法可以追溯到1890年,当时一位叫尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包为动力的类外骨骼系统;1917年,美国发明家开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼机器人;1960年,最早的外骨骼项目出现,其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,后续外骨骼机器人很快就开始研发,也造成了这个领域大部分能够探明的问题迅速被探明。1970年,通用电气设计的Hardman系统,包含了30多个关节,能举起1500磅的重量,展示出了外骨骼技术的庞大可能性。

从研发到应用,目前外骨骼机器人已经走过了第一个百年。外骨骼机器人也从最初的军用领域,开始在医疗、工业、物流等领域零星有所应用,包括美国的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都是位于行业领先位置的企业。其中,必须介绍著名的以色列外骨骼公司ReWalk,公司由Amit Goffer博士主导设计。1997年他因车祸导致四肢瘫痪,亲身经历激发出产品灵感,2001年主导成立 ReWalk的前身Argo医疗科技公司。ReWalk在2014年拿到FDA批准,是第一个获得FDA批准的外骨骼机器人产品,也打开了外骨骼技术应用的新大门。

但是外骨骼产品问世后价格一直居高不下,甚至可以说极其昂贵,例如ReWalk 6.0系统售价约为7.7万美金,Cyberdyne的产品售价更是高达20多万美金,但是随着近些年技术的成熟,也已有产品逐渐落地应用。

在国外的外骨骼机器人发展历史中,松下对此在产业方面的应用较早,其最早在2014年就公开了其外骨骼机器人的应用项目。当时,松下为了让普通工人能够轻松负重15公斤的重物到处移动,先是做了一个轻便版的外骨骼支架,后续在背部、大腿、小腿到脚部的区域里用碳纤维材料支撑,配合着可以由传感器唤醒的动力马达,最后实现了可以轻松地帮人负重15公斤工作。此外,包括美国的Ekso Bionics、suitX也陆续已经推出了自家工业用外骨骼机器人,其中,Ekso Bionics公司的上肢外骨骼机器人EksoVest早已经应用到福特汽车流水线的顶部作业。

目前,整个工业外骨骼机器人从技术路线上可以分为两类:机械助力外骨骼机器人和伺服驱动/电助力外骨骼机器人。新一代电助力外骨骼机器人已有诸如美国Sarcos公司已有研发电助力外骨骼机器人,Sarcos研发了液压助力的大型军用外骨骼机器人,但是由于重量和成本较高,目前无法得到普及,而很多人认为外骨骼机器人作为工业应用也没有机器人实惠。

一个外骨骼机器人一般包括整机设计、驱动器(机构)设计、控制策略三部分,外骨骼机器人实现人机实时交互和控制是其中的最难点。交互整体工作原理一般是:第一步感知人体行为意图,一般是陀螺仪+加速度计+肌肉电信号等方式结合;第二步实现驱动方式,例如采用高级行为驱动;第三是一般通过激光 + 超声感知对外界环境做出判断。

目前机器人获得人类意图有两种方式:直接获取操作者意图和间接获取操作者意图。直接获取操作者意图的方法有从EMG数据、或人和机器人之间的交互力,间接获取的方法是从外骨骼关节获取数据、估计操作者意图然后放大运动效果。马斯克最近曝光创办的Neuralink新公司,致力于将人脑和计算机的连接,将计算机芯片植入人的大脑就是加强这种连接的一个方式。

相对而言,国内外骨骼机器人更多仍处于研发阶段,包括部分企业已经商用的外骨骼机器人主要仍是与高校、企业合作,以产研结合的研发平台形式对外输出。国内这一赛道起步较晚,但却发力甚猛,尤其是康复外骨骼机器人赛道,已经涌现了众多初创企业,包括大艾、迈步、睿瀚医疗、尖叫科技、瑾和、傅利叶智能等均是近些年来这一领域的明星企业,在这些企业中,就融资情况来看,普遍在2017年-2018年已经完成Pre-A轮融资。

工业外骨骼机器人也在国内应需兴起,包括在汽车装配、物流行业领域的应用,中国工业外骨骼机器人相关企业也已经开始跑步前进。类似傲鲨智能的MAPS工业上肢外骨骼机器人(1.0版本)19年就曾报道已经在奇瑞汽车、宇通客车、北京奔驰、吉利汽车工厂中试用。铁甲钢拳这类物流外骨骼机器人领域的创业企业也在2019年正式推出其第一款物流领域通用外骨骼机器人,目前铁甲钢拳已与京东、德邦、施耐德就物流外骨骼机器人有合作应用,未来将会继续深入做工业、建筑场景应用的外骨骼机器人。

相对于临床效果非常清晰的微创手术机器人(达芬奇机器人类),外骨骼机器人还有很大的想象空间,并且有贴近消费级产品的选项。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,因此外骨骼机器人在中国得到爆发并不奇怪。

在前沿技术上,现阶段,西安交大、帝国理工、墨尔本大学也都有在做脑电方面的研究,而香港理工,则专注于经颅磁刺激和外骨骼机器人相结合的研究,这些都是目前世界上神经康复和机器人康复领域中非常前沿的方向。尽管如此,我国康复医疗产业还处于发展初期阶段,即使部分已经获得各类医疗认证的外骨骼机器人,更多企业仍将大部分精力投入在这些医疗外骨骼机器人研发上,真正商业应用的产品主要还是在关节康复设备上,诸如傅利叶智能的腕关节、踝关节康复设备,迈步机器人的手部康复设备等。这些产品目前主要也是与医院合作(或租或卖)。

早期困扰外骨骼机器人一直以来有几个问题,第一个问题是能源问题,早期的外骨骼机器人离不开外部能源,通过内燃机和电缆的驱动一度是阻碍机器人发展的难题,这对于机器人的重量和可持续性的相关问题都有影响。第二个问题在于控制技术,控制技术使得机器人能够精准全程实现高效率的掌控,以及多维度的自由控制,并且能够跟上人的各种变化,如果没有对人体各种运动趋势的各种感知能力,而给人提供一个助力和行动支持,外骨骼机器人就反而成为了累赘。

如今随着锂电池,燃料电池等成熟,高效能源的发展,一部分外骨骼机器人开始将能源和控制问题很好得到解决,并出现了非常多的单一功能外骨骼机器人分支,在exoskeletonreport上收录的目前出现的外骨骼机器人外形就包括了背带、手套、手指、短裤、护膝等形式,用于目的则也衍生到了各产业、医疗、民用和军事领域。

当然,外骨骼机器人的发展也衍生出了Body Extender这种奇怪的增强型外骨骼科技树,这是个意大利军方与意大利PERCRO实验室的合作项目,其主要目的就是跟随操作者的运动,并放大操作者的力,整机共计22个自由度,每个自由度有一个直流有刷电机驱动,在人和机器人固连的5个部位安装了5个六维力传感器(手,脚,躯干)来检测人的运动意图,手部爪子部分安装了2个1维力传感器来检测人手期望的输出力,简单来说就是用机械无限放大力,不过这种设计思路目前得到宅男工程师们极大的发扬光大,比如说当时美国要和日本单挑的那种机器人,在国外也有一些很奇怪的应用。

但学术界一直将其视为异端,认为只要正常能真正对人类起到辅助作用的研究才是正道,例如在近日斯坦福大学的研究人员们开发的一种电动外骨骼,它回归到外骨骼开发的初衷——为了能使跑步者感到更轻松。与没有外骨骼的情况相比,这种方式使它将跑步者的速度提高10%,开发者称最终可能会被用作最后一英里的运输方式。

当然也有发挥出无限想象力的科学研究作品,范德比尔特大学的一对研究人员提出了一种制造设备的方法,该设备将使人类的奔跑速度几乎是自然速度的两倍。阿曼达·苏特里斯诺(Amanda Sutrisno)和戴维·布劳恩(David Braun)在发表在《科学进展》杂志上的论文中,描述了他们对于这种设备的构想以及使其成为现实的要求。

Sutrisno和Braun提出的想法是制造一种附着在身体上的装置,以作为辅助,该设备将每条腿具有一个弹簧,人在空中跳跃飞行时,腿部动作会拉动弹簧,弹簧拉动会存储能量,一旦脚回到地面就可以消耗能量。然后,这些能量将与正常的肌肉能量结合在一起,从而使脚比平时更能向后推更大的力量,从而使人向前推动的速度比正常情况下要靠自己更快。但不幸的是,这个想法存在一个障碍:那就是碳纤维等材料的缺乏,使得实现这个设备还缺乏能量储存能力。

目前就外骨骼机器人的市场上来看,因为工业市场和工业机器人等成熟产品都存在竞争,外骨骼机器人最有可能的市场依然在医疗场景。第一市场是不可逆损伤市场,主要针对的是肌肉、骨骼、神经、软组织损伤和老化造成行动不便的人群,这一类2C人群约9000万,当然,让身体有残疾的人能够站起来也是意义非凡。第二市场是可逆康复市场,主要针对于因为手术原因卧床治疗造成的临时肌肉萎缩、智能康复人群,每年约2500万的循环人群和机构合作建立渠道。

但和智能机器人一样,未来外骨骼机器人的主要市场一定还是消费级市场,例如针对户外行走、徒步、爬山、攀登等轻应用,生产适用于膝盖、大腿、鞋子、手臂等单个部件形式的产品,这部分的市场没有确定参数,但空间十分巨大。

希望在不久将来,随着材料等问题的攻克,外骨骼机器人最终能够价格不断下降,最终实现数万元甚至数千元的量级,这时候市场无疑将迎来一个巨大突破。而如果能把外骨骼机器人卖成普遍性的服装,或许人类探索未知的宇宙,也就不再是遥不可及的梦想。

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