这款外骨骼机器人曾登上奥运会，让下肢瘫痪者以3.2公里/小时行走

几年前，来自韩国的金承焕（Kim Seung-hwan）因为交通事故导致下肢瘫痪，还没有成家的他发誓“一定要重新走路”。

如今，他不仅成家生子，并且还身穿一款名为 WalkON Suit F1 的外骨骼辅助机器人在 2024 年 Cybathlon 上获得一枚金牌。

Cybathlon，也被称为“半机械人仿生奥运会”，其由瑞士苏黎世联邦理工学院创办，是一个针对残障人士与科技辅助设备结合的国际性赛事。

（来源：https://robotics.kaist.ac.kr/bbs/board.phpbo_table=sub5_2&wr_id=65、REUTERS/Sebin Choi）

图｜获奖结果（来源：https://cybathlon.com/en/events/results?event=5267&discipline=50）

金承焕所穿戴的 WalkON Suit F1，由韩国科学技术院外骨骼实验室团队打造，金承焕则是该实验室的一名受试者。在本次 Cybathlon 上，WalkON Suit F1 让他能以 3.2 公里/小时的速度行走、爬楼梯以及侧身滑入长凳。

图｜金承焕在 Cybathlon 比赛现场（来源：REUTERS/Sebin Choi）

WalkON Suit F1 的动力外骨骼由铝和钛组成，重量为 50 公斤，其由 12 个电子电机驱动，能够模拟人类行走时关节的运动。

在硬件上，其主要包含执行器、机械框架、电机驱动器、电源电路；在软件上，其主要使用了一款轨迹生成算法。

图｜金承焕在 Cybathlon 比赛现场（来源：REUTERS/Sebin Choi）

WalkONSuit F1 能够“裹住”人体胸部，当使用者坐在轮椅上，它会将自己自动地“戴”到使用者身上。这让使用者在不使用拐杖的情况下，也能在行走时保持平衡和改变方向。

为了确保使用者在行走时保持平衡，WalkONSuit F1 的足部和上身均配有传感器，这些传感器每秒能够监测 1000 个信号，并能预测使用者接下来的动作。

WalkONSuit F1 前部的镜片就像“眼睛”一样，不仅可以分析周围的环境，还能识别楼梯的高度，更能检测障碍物的存在，从而可以弥补残障使用者在感官能力上不足。

当然，除了协助人类使用者行走之外，WalkONSuit F1 还拥有“人形模式”，即它也会自我行走。即便使用者坐在轮椅上，WalkON Suit F1 也能靠近使用者并帮助其站起来。

背后团队研究机器人已有 22 年

WalkON Suit F1 背后的韩国科学技术院外骨骼实验室团队，由孔庆春（Kyoungchul Kong）教授领导，旨在创造能够无缝融入残疾人日常生活的机器人。

图｜坐轮椅者为金承焕（来源：https://cybathlon.com/en/teams/kaist）

这种机器人并非简单的零件堆砌。对于损失部分行走能力的残疾人来说，要想为他们设计辅助机器人，必须满足一些独特要求，例如要设法让机械阻抗达到最小，要设法实现较高的反向驱动能力，也要设法实现较高的功率密度。

图｜金承焕参与日常实验（来源：https://robotics.kaist.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub5_2&wr_id=65）

图｜金承焕参与日常实验（来源：https://robotics.kaist.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub5_2&wr_id=65）

对于机器人所使用的机械部件来说，它必须符合人体工程学设计，以便用户在长时间佩戴时也不会感到不适。

对于不完全截瘫的患者来说：相比正常人，他们的运动控制功能较差，因此更容易受到外力、倾斜等因素的影响；相比完全截瘫患者，他们仍然处于活动状态，因此要尽可能降低机器人对于这类患者的阻力。

为了让不完全截瘫患者实现自主运动以及尽量减少不适感，孔庆春带领团队研发了包含 WalkON Suit F1 在内的机器人。

谷歌学术显示，孔庆春针对这一领域的研究至少可以追溯到 2002 年，并曾在相关期刊和会议上发表过多篇论文。

图｜孔庆春的团队成员（来源：https://robotics.kaist.ac.kr/）

已在首尔成立公司，产品曾亮相于平昌奥运会

2019 年，在国际可穿戴机器人联盟（WearableRobotics Association）举办的“可穿戴机器人大会（WearARcon）”上，孔庆春和团队发表了一篇论文，从这篇论文中可以一窥 WalkON Suit F1 的背后技术（在当时这篇论文中，孔庆春将该团队的机器人称为 Angel-suit，而在孔庆春创办公司之后则用现名 WalkON Suit 来称呼）。

图｜相关论文（来源：2019 Wearable Robotics Association Conference（WearRAcon））

从论文来看，该团队的机器人基于串联弹性驱动（SEA，series elastic actuation）系统开发而来，这种系统能让机器人以几乎为零的机械阻抗来提供精确的辅助（即“透明辅助”）。在机器人连接关节的部位有一个电机，其功率十分强大足以移动 200 公斤的物体。

这也意味着一旦机器人出现故障，可能就会损伤使用者的关节和肌肉，因此孔庆春团队在设计机器人的每一个动作时，都进行了极其精确的计算。

毕竟这不仅仅是一个单纯的机器人，而且是一个要被真人佩戴的机器人。与此同时，他们还给机器人配备一系列的弹性驱动模块，以便精确地产生辅助扭矩。

为了精确控制传递到人体关节的辅助扭矩，该团队的机器人使用了结构弹簧，借此能够实现串联弹性致动。弹簧起着能量缓冲器和扭矩传感器的作用，通过测量弹簧挠度可以测量辅助扭矩。

而通过控制弹簧偏转则能实现精确的扭矩控制。此外，弹簧有助于提高致动模块的安全性。

机器人的髋关节和膝关节，由四个关节模块辅助。髋关节的内/外旋转可以通过骨盆杆的铰链实现。其他机械框架则是刚性的，以便让使用者在对于身体要求高的运动中免受动态冲击。

另外，该团队还通过利用 3D 打印技术，来尽可能地减轻机器人的整体重量。为了减轻电线和信号线的重量，其又使用 I2C（Inter-Integrated Circuit）协议建立了本地通信网络。凭借较多的自由度（DOF，degrees of freedom），让使用者能够尽可能地实现自然运动。

（来源：https://robotics.kaist.ac.kr/bbs/board.php?bo_table=sub5_2&wr_id=65）

同样在上述论文中该团队表示，全球大约五分之一的人口患有严重或轻微的肌肉无力。由于各种疾病的影响，全球大约 1% 的人口必须接受身体援助。

这些目标群体包括神经肌肉疾病患者、中风或脊髓损伤后的康复患者，甚至是肌肉无力的老年患者（即老年人）。

由于肌肉力量减弱，这些人步态稳定性差，几乎无法移动。他们肌肉力量差，因此在日常生活中变得十分被动，进而会陷入沮丧状态。

虽然他们可以接受适当的社会援助，但是接受身体援助意味着给其他人带来负担，这让他们往往不愿意迈出这一步。

不过，对于大多数部分行走能力受损的人，他们依然乐意保持积极的社交，因此他们对于正常行动的渴望无疑十分强烈。而该团队的机器人则能提供这种帮助。

2014 年，孔庆春基于团队成果在韩国首尔成立一家名为 Angel Robotics 的公司，并由他本人担任 CEO。

2016 年，该公司推出两种产品：一种是面向瘫痪人群的 WalkON Suit（即金承焕在 Cybathlon 比赛中所佩戴的那款），另一种是为存在部分行走障碍人群设计的低档辅助机器人。

在 2018 年平昌奥运会/残奥会上，亦有一名瘫痪运动员穿戴 WalkON Suit 进行火炬递送。

图｜孔庆春（Kyoungchul Kong）教授（来源：https://robotics.kaist.ac.kr/）

最近，Angel Robotics 还开发了儿童开发可穿戴机器人。对儿童机器人来说，快速设计和制造支架部件的重要性变得更加重要，因为随着儿童的成长，必须经常更换支架部件。

总的来说，Angel Robotics 的产品目前主要面向康复治疗、日常协助、工业安保、机器人零件供应等四个场景。

图｜Angel Robotics 产品目前的主要应用场景（来源：https://angel-robotics.com/en/?ckattempt=1）

值得注意的是，2024 年孔庆春团队又发表十多篇关于外骨骼机器人的论文，相信这些成果也会逐渐落地到 Angel Robotics 公司的产品之中。

参考资料：

https://www.reuters.com/technology/south-korean-team-develops-iron-man-robot-that-helps-paraplegics-walk-2024-12-23/

https://www.thedailystar.net/tech-startup/news/inspired-iron-man-these-researchers-developed-robot-aid-paralysis-patients-3783701

https://cybathlon.com/en/teams/kaist

https://robotics.kaist.ac.kr/

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8719629

https://angel-robotics.com/en/?ckattempt=1

https://www.solidworks.com/story/angel-robotics

https://scholar.google.co.kr/citations?hl=ko&user=Nd47tEQAAAAJ&view_op=list_works&sortby=pubdate

运营/排版：何晨龙