外骨骼康复机器人：国内外产业现状与技术发展

点击进入，招募ing......

作者：蓝海长青智库特邀研究员 姬晟杰

外骨骼康复机器人是一种可穿戴的机械装置，它将人机工程学、仿生学等相关知识应用到了机器人领域，实现了人的智力和机器人的体力的完美地结合在了一起。

外骨骼康复机器人产业发展简析

从20世纪90年代开始，随着机器人和计算机技术的发展，美国、日本、中国等多个国家相继开展了外骨骼康复机器人及其相关技术的研究，早期的研究主要集中于军事方面。

随着医疗需求的逐步增长，医用外骨骼康复机器人逐渐成为康复机器人研究的一个重要方向，越来越多的科研院所和企业纷纷投入到医用外骨骼机器人的研究中。外骨骼康复机器人是中风、脊髓损伤引起的运动障碍康复训练的重要技术手段和方法。根据美国市场调研机构WINTERGREEN RESEARCH的报告，康复机器人行业规模未来几年将实现高速增长，2021年有望达到32亿美元。

国内外产业现状对比情况

国际上外骨骼康复机器人明星企业主要有以色列的Rewalk公司、美国的Ekso和Indego公司、日本的Cyberdyne公司和新西兰的Rex公司。

其中，Rewalk公司的外骨骼康复机器人采用了体感芯片，捕捉患者的肢体动作，帮助行走，通过电池驱动关节部位的电机，组成电动腿部结构，在行走过程中可以感应患者重心的变化，模仿自然行走的步态，并能根据实际情况控制步行速度。

Ekso公司的产品兼顾轻量化和耐用性，在关键的部位大量采用了铝合金、钛合金、碳纤维等金属和复合材料，另外系统还内嵌了高精度的感应器、微型驱动马达、拟人关节，以及运行速度快的中央处理器和强大的软件系统，整套系统采用锂电池供电，标配的电池包多达四组，每组都可以提供4~6小时的电力。

Cyberdyne的产品采用模块化设计，降低了使用成本；通过在皮肤上粘贴肌电传感器识别用户的意图，控制伺服电机产生和肌肉收缩力相等的扭矩，使助力机器人的运动近似匹配人体肌肉系统， 从而驱动助力机器人系统做相应的动作。Rex 的产品无需用助行器、拐杖，无论站立还是行走，都能够解放使用者的双手，从而让肩膀承受最低限度的压力。

另外从产业化方面来看，Rewalk、Ekso、Indego的产品已获得CE标识和FDA批准，率先进入了欧美市场，无疑走在了市场化的前列；Cyberdyne 的产品已获得CE标识，正在申请FDA认证，紧随其后；Rex的产品目前正在申请CFDA进入中国市场。

国外外骨骼康复机器人虽然实现产业化，但对国内实行技术垄断，产品价格偏高、助力效率偏低、协调性较差，不利于产品的推广使用。

国内研究机构整体研究起步较晚，交互灵敏度低、穿戴体验感差、意图识别准确率有待提高。国内的产品才刚刚问世，还需经过临床试验阶段才能进入市场，应加快产业化步伐。

总体而言，目前外骨骼康复机器人领域仍处于快速发展期，市场刚刚打开，国外产品价格高昂，国内产品具有更强的成本优势，应当加大产业扶持力度。

康复机器人产业技术

外骨骼康复机器人的研究属于医学和工学的结合领域，作为医疗机器人中的重要分支，包含了康复医学、生物力学、机械学、计算机科学、材料学等多个学科。脑卒中或脊髓损伤致残的根本原因是中枢神经受到损伤导致肢体无法控制，通过康复训练能够重塑肢体与中枢神经之间的联系，实现肢体运动功能的恢复。外骨骼康复机器人是中风、脊髓损伤引起的运动障碍康复训练的重要技术手段和方法，国内外针对这方面的技术研究有如下几种：

下肢外骨骼机器人的结构设计技术

国内外专家学者对于下肢外骨骼机器人已经进行了大量的研究，并且设计出多种下肢外骨骼助行机器人。

按驱动系统可以将下肢外骨骼机器人分为电机驱动、液压驱动、气缸驱动以及气动人工肌肉驱动等几种主要类型。

电机驱动控制简单、响应快，且控制精度易于保证，维护使用方便，信号监测、传递和处理方便，但实现较大动力所需电机的体积也较大，这样对机构的轻巧、灵活性带来一定的问题。

液压驱动传动功率密度大，传动平稳，能动比较高，但其控制响应速度和精度低，驱动系统的结构复杂，维护及制造成本较高，使用可靠性难以保证；液压系统的能量使用率较低；液压系统的密封困难，会有一定程度的漏油。

气缸驱动使用安全、容易达到高速、介质无污染，但是气动装置的信号传递的速度较慢，而且由于空气具有可压缩的特点，导致运动速度的稳定性较差，速度及位置控制比较困难，而且压缩空气需要除水，泵驱动时噪声严重。

气动人工肌肉驱动相对于其他传统的驱动器有较好的柔性，不会损害操作对象、质量轻、出力大、能量转换效率高、抗污染、抗灰尘、无泄漏、运动平稳、安装维护方便、适配性强、可实现自制动，但与传统气动执行元件相比行程小、高精度控制困难。

此外，由于外骨骼康复机器人需要与人体协调运动，而人体的柔韧性、灵活性很好，而目前的现有的传动方式，刚性很强，材料抗冲击性较小，这就限制了穿戴者运动的舒适性和灵活性。要实现外骨骼始终保持与穿戴者一致运动、两者之间的相互干涉作用最小，还需发展满足穿戴舒适性的高效灵活的传动技术和结构设计方法。

人体运动意图识别技术

正确识别到穿戴者的行为和意图是外骨骼机器人研发的一个重要挑战，代表性方式如下：基于脑电或肌电信号、基于惯性测量单元及压敏传感器为代表的机械传感器。针对外骨骼机器人意图识别技术，负重外骨骼助力机器人多采用足底压力传感器检测步态，而康复外骨骼助力机器人多采用多种传感器混合检测步态， 上述检测方法都存在易受人体干扰、判断不准确以及无法精确跟随人体意图的问题，因此外骨骼机构与穿戴者协调运动仍是一个急需解决的关键问题。

人机协同控制技术

基于意图识别结果，实现人机协同行走控制是外骨骼机器人关键技术之一，目前主要有以下几种控制方法：基于灵敏度放大控制方法、基于预定步态的控制方法、基于步态的预定驱动控制方法、混合控制方法。在各类协调控制方法中，对于负重外骨骼助力机器人，应用灵敏度放大控制策略效果最好，而对于康复外骨骼助力机器人，预定步态控制策略应用最为成熟。

康复策略设计与临床评估技术

外骨骼机器人步态训练系统能有效改善患者的下肢运动能力，主要基于中枢模式发生器、神经系统可塑性与功能重组、“动力系统”及强制性主动使用等理论， 目前，外骨骼机器人已用于脑卒中、脊髓损伤等神经系统损害患者的运动能力恢复。针对上述患者应制定科学的康复策略，在不同的阶段采取针对性的训练方法， 促使患者的身体机能逐步恢复。除了渐进与被动式康复训练外，识别患者的主观意图，实现患者的主动康复训练，是康复策略研究的关键问题。

综上可知，虽然外骨骼机器人在机械结构设计、意图判别及控制技术方面取得一定进展，然而，要提高应用于康复的外骨骼机器人的肢体治疗水平，依然面临着几个关键性问题和难点有待解决：人体运动意图的实时准确识别、外骨骼与穿戴者的协调控制、康复训练策略及临床应用。

发展建议

我国外骨骼康复机器人下一步的研发，应坚持充分考虑人体运动机理和病患特征，同时结合患者本体感受，让患者在舒适和激发状态下主动康复训练，即将生物反馈、功能电刺激、虚拟现实技术融合等到外骨骼康复机器人系统中来，逐步解决步行训练中踝关节异常运动问题。其发展可以从如下三个方面着手：

根据临床康复的需要，采用一体化设计思路，使机器人的驱动控制和操作等与患者康复训练有机结合，有针对性地解决中枢神经损伤后所导致的各种运动功能障碍，并提高患者康复训练效率。

基于生机电一体化技术，提高人机系统的协同水平，通过机械、电子、生物、信息、控制等技术的综合研究，切实实现人机兼容与人机和谐。

构建主被动结合的复合康复策略与递进式反馈评估技术。基于患者肌力大小、关节力矩与心肺功能信息进行人体机能恢复程度评估，设计递进反馈式复合康复策略。在研究神经性肢体损伤康复机理与外骨骼康复机器人设计方法的基础上，构建主被动结合的复合康复策略与递进式反馈评估方法，为外骨骼康复机器人的临床应用提供有效的设计输入。

回复关键字，获取相关主题精选文章 关键字：人工智能 | 无人机 | 无人船 | 无人车 | 机器人 | 虚拟现实 | 脑机接口 | 神经芯片 | 智慧社会 |智能制造

其他主题文章陆续整理中，敬请期待······

系列自媒体