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外骨骼机器人:从科幻走向现实
  • 外骨骼机器人:从科幻走向现实

    Innov100
    2017-12-05
  • 摘要:无论是《X战警》中的基因变异,还是《美国队长》中的超级血清,人类的科幻想象均在增强自身力量。而现在科幻变成了现实,装备外骨骼机器人,一秒变身“钢铁侠”。

    在今年“双十一”后的第二天,电商巨头刘强东在头条号上发布了一则视频,主题是“京东物流研发的外骨骼机器人!尽力减少兄弟们的腰椎损伤!”。酷,京东布局黑科技——外骨骼机器人应用了。

    一、外骨骼机器人的发展

    随着好莱坞科幻大片《明日边缘》的上映,“外骨骼机器人”这一概念流行起来,汤姆·克鲁斯和一众士兵穿上外骨骼后,瞬间变身超级战士,战斗力直接增强数倍,紧接着就为我们上演了一幕充满暴力美学的近未来战争。

    有关外骨骼机器人的起源,可追溯到19世纪,英国著名插画师Robert Seymour在1830年所绘的《Walking By Steam》中,以蒸汽为动力的行走辅助装置,启迪了无数科学工作者对这一概念的探索,也成为了当代动力外骨骼技术的雏形。

    1890年,一位叫尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一套可以辅助人们行走、奔跑和跳跃的外骨骼装置。

    1917年,美国发明家莱斯利·凯利开发了一部名为"Pedomotor"的以蒸汽为动力的外骨骼。

    1958年,美国DARPA局,专门研制“增强装甲”设备,但最终由于供能不足而失败。

    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。

    20世纪末期,随着电子技术、传感器技术和控制技术的飞速发展,外骨骼系统取得了历史性突破。

    2000年,加州伯克利大学研制出了伯克利下肢外骨骼系统(BLEEX),BLEEX不仅能让美军轻松担起90公斤的负重,同时还能穿越复杂的地形。

    2006年,Sarcos开发的XOS外骨骼系统,能帮助穿戴者轻易举起几百磅的物体数百次,这种系统由结构、传感器、执行器、控制器和高压液压系统组成。

    除了军用,外骨骼机器人开始在商业上也有了发展。2004年,日本筑波大学的机械人专家三阶吉行创建了Cyberdyne公司,他们研发了一款名为HAL的外骨骼机器人,主要用于医疗领域,帮助残障者行动和伤患复健。除了HAL,以色列的Rewalk、美国的Ekso如今也是这个领域的佼佼者。

    2017年11月,福特公司在工厂测试了Ekso Bionics 公司的上肢外骨骼 EksoVest,这是个轻量型的外骨骼。当工人需要抬臂作业的时候,它能够给手臂提供支撑。Ekso 的目的在于支持重复性的作业,而不是输出更强的力量,这不是把超人力量给予某个人,而是提供耐力支持。

    二、我国外骨骼机器人的发展

    相对于美日等国,我国对于外骨骼机器人技术的研究开展较晚,发展较缓,与国际水平相差较远,不过发展路径也是从军用到商用。

    2013年,由南京军区总医院博士后工作站发布了我国的首部外骨骼装置,被称为“单兵负重辅助系统”,主要面向军用领域、专注于压缩负重,并能够快速同步穿戴者的动作。尽管它被认为是目前国内最完善的外骨骼装置,但其功能相对单一,且负重能力以及设计结构仍有待提升。

    2014年,由中科院常州先进所设计研发的EXOP-1外骨骼系统正式进入调试阶段。本体全部由航空铝打造的它配备了22个传感器、 6个驱动器和1个控制器,造价在30万元左右。相比于在南京亮相的军用外骨骼系统和国外先进的外骨骼装备,EXOP-1虽然同样能够减轻穿戴者的负重,但它的体积相对笨重,难以在短期内投入使用。

    2017年,迈克机器人发布了BEAR-H1 外骨骼机器人,其最大特点在于采用了柔性驱动器作为输出,并且是全球首款,主要是用于帮助每一个坐在轮椅上的人重新站立行走。

    三、外骨骼机器人市场发展潜力巨大

    在人工智能浪潮的推动下,外骨骼机器人蕴含巨大市场机会。先后有大艾、尖叫科技、傅利叶智能和迈步机器人已正式对外发布产品。值得注意的是,这些外骨骼机器人企业全都选择了康复领域。可见,大家对康复机器人的市场发展前景比较乐观。一方面是这个领域的技术门槛相对较低,另外政策上也比较支持。

    据赛智产业研究院预测,未来5年,医用机器人的年复合增长率约为37%,其中康复机器人年复合增长率为21%,外骨骼机器人年复合增长率为47%,远高于其他类别的医用机器人的平均增速。

    军用外骨骼机器人也是一个巨大市场,但研发周期比较长。

    外骨骼机器人在工业领域的发展潜在需求很大,例如帮助搬运工等减轻工作负担。京东在这方面的觉悟还是比较早的,从视频来看,京东外骨骼机器人动力系统很可能采用了结构较为简单的气压驱动。气压驱动式动力系统在有负荷的作用下,速度容易发生波动,不适用于较为精密的场合,只能在小功率场合应用,想要开发出高精密的外骨骼机器人可能还有较长的路要走。

    不过,现在要做工业能用的外骨骼,可能外骨骼会很大、很重,因为电机的功率,电池的续航还不够。也正因为如此,在刘强东发布的视频中可以看到,京东的外骨骼机器人是有一根线连着的,说明其是由气压驱动的。

    不论是迈克机器人所涉足的康复外骨骼机器人领域,还是京东已开始使用的工业外骨骼机器人领域,国内都存在巨大的市场需求。随着创业投资交易大幅成长,我国“机器人”领域正迅速崛起。赛智产业研究院认为,之后随着资本力量对细分领域的关注,外骨骼机器人肯定会在供能、柔韧性、智能化等方面的取得巨大突破,同时各种新材料、新技术的出现,也让我们秒变“钢铁侠”的设想逐渐走向现实。

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