外骨骼机器人的概述与分类

一、外骨骼机器人的概述

外骨骼机器人是穿戴在使用者身体外部的一种智能机械结构，可将人体感觉、思维、运动等器官与机器的感知系统、智能处理中心、控制执行系统相结合，从而达到改善人体物理机能及提高身体素质等目的，其本质是一类可实现人机结合的可穿戴式机器人。

在仿生原理、人体工程学设计以及信息控制技术等基础上，外骨骼机器人还涉及生物运动学、机器人学、信息科学、人工智能等学科知识，专业类涉及机械，电子自动化，计算机等几大专业。

• 机械专业：在外骨骼机器人上是重要的一方面。外骨骼的机械问题主要解决结构、传动、人机工程等问题。
• 电子专业：则主要指机器人的电子硬件设计，与机械形成耦合关系，在考虑机械结构的时候要兼顾电子硬件，在考虑电子硬件的时候也要考虑机械结构的可行问题。具体上，主要攻克传感器、控制器、电源管理等问题。
• 自动化专业：主要解决外骨骼机器人的控制问题，是核心方面。控制解决的问题就是让外骨骼如何与人协调、如何提供助力、如何感知人体运动意图等。
• 计算机专业：则主要是与控制相关，因此也被涉及。在操作系统、数据处理、人工智能等方面，计算机专业接触的多，处理这些问题相对自动化专业更顺手。

外骨骼机器人可根据功能、结构部位等维度进行分类。

 

二、外骨骼机器人的分类

1）根据功能划分

外骨骼机器人可分为增强型外骨骼机器人和康复型外骨骼机器人，

增强型外骨骼机器人：可帮助使用者增强肌肉能力、减轻负荷，多应用于军事领域及工业领域。

康复型外骨骼机器人：可辅助肢体运动障碍患者进行康复训练，多应用于医疗康复领域。

（1）军事领域

外骨骼机器人发源自军事领域。从 2000 年开始，美国军方率先开展对增强人体机能的外骨骼机器人研究，其目的是设计增强型军用装甲以提高士兵个人防护能力。

美国政府先后与加利福尼亚大学伯克利分校机器人和人体工程实验室、美国 Sarcos Robotic 公司等研究单位进行合作，要求研究出具有自身能源供应装置、现代化通讯系统、传感系统、作战武器系统、吨级负荷能力、高速运动能力以及保护功能的外骨骼机器人。

 

（2）工业领域

以快递物流、房地产施工和伐木工程等行业为代表，该类行业的劳动强度大、人力成本高、工作效率低。

外骨骼机器人在工业领域的运用将帮助从业者减轻负重、 提高工作效率，如京东在 2018 年“618”活动期间为员工配备了外骨骼机器人辅助搬运， 大幅提高员工工作效率。

 

 

（3）医疗康复领域

外骨骼机器人可帮助老年人、残疾人以及中风、偏瘫患者等群体进行康复训练，是当前中国外骨骼机器人行业的主要应用领域。

以色列 ReWalk Robotics、 日本 Cyberdyne 及美国 Ekso Bionics 是全球外骨骼机器人在医疗康复领域的头部企业。

 

2）根据结构部位划分

外骨骼机器人可分为上肢外骨骼机器人和下肢外骨骼机器人。

（1）上肢外骨骼机器人

穿戴部位为使用者背部，由主机箱、上肢固定结构、可动关节及连接结构等组成，其中主机箱中装有系统运行平台、感应控制、电源等设备。

上肢外骨骼机器人通过仿真机械设计，将肩关节、肘关节、腕关节设计为可动关节，应用压力传感器、陀螺仪、无线传导等技术，可帮助使用者增强上肢力量、减轻负重、减少身体损伤及提升工作效率，并让使用者可从容应对更多复杂精密工作。

上肢外骨骼机器人主要运用于快递物流、建筑施工等高强度、劳动密集型行业。

 

 

（2）下肢外骨骼机器人

可覆盖腰部、髋关节到脚部的位置，由主机箱、下肢固定结构、可动关节及连接结构组成，部分产品配备了拐杖以实现支撑和控制功能。

下肢外骨骼机器人通过传感系统、动力输出装置、控制系统及能源系统等技术，可帮助使用者通过行走训练提升肌肉力量、恢复下肢神经、避免关节及肌肉萎缩。