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,具体包括外骨骼本体、驱动、感知、控制和交互五个方面。
外骨骼机器人兴起于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。该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,但外骨骼机器人样机Hardiman(如下图)无法实际应用。虽然最早的外骨骼实验样机难以投入实际应用,但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,同时各国科研机构相继开展医疗康复类外骨骼。
21世纪初,在经历了20年的平缓发展以后,康复外骨骼获得了技术方面的突破性发展。由于计算机技术、传感技术、材料技术和控制技术的选代更新引发外骨酷机器人进入技术突破和规模化应用阶段,发达国家在外骨船机器人领域科研成果和商业化成果显著。在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%。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(HybridAssistive 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。 后续ReWalk、CYBERDYNE和Ekso Bionics等三家公司于2014年陆续上市,下图为三家上市公司的外骨骼产品。
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,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。
资料来源:2021年全球外骨骼机器人产业研究报告
中国外骨骼初创企业大多成立不足十年,医疗康复类产品居多。由于工业类外骨骼的技术门槛和成本较低,某些在早期专注于医疗类外骨骼的企业选择向工业类外骨骼方向延展,近年来出现更多专注于工业外骨骼的中小型初创企业。目前国内相对成熟的外骨骼企业包括布法罗,程天科技、迈步、大艾、傅里叶和安杰莱等,但距离成熟的产品商业化还有一定的距离,如下图为中国康复外骨骼代表性产业及其外骨骼产品。
图片来源:公司官网
重庆生物智能制造研究院以“生物医疗智能装备”为重点研究方向,正围绕康复外骨骼关键、核心、共性(临床及认证)技术及产品体系进行设计研发、临床实验、产品认证、成果转化,旨在打造具有特色和系列自主知识产权的外骨骼康复机器人系列产品,助力患者回归正常生活。