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外骨骼機器人是一種集成了機械動力裝置、機械能量和人工智能的人機結合的可穿戴設備，需要外骨骼與人體運動狀態協調，進而輔助人體運動，提高人體的運動機能。
早在上世紀６０年代，美國通用電氣公司和美國國防先進研究項目局研發出外骨骼設備——Ｈａｒｄｉｍａｎ，該設備能使穿戴者的力量增加２５倍，但設備體積過于龐大，重達６８０ｋｇ，且供能不足、續航無法持久。
從上世紀８０年代開始，美國、英國、加拿大等國加大了對外骨骼設備的研究。上世紀９０年代，隨著機器人、傳感器和計算機技術的發展，日本、德國、中國等更多的國家也相繼開展了外骨骼康復機器人及其相關技術的研究。
越來越多的研發團隊從外骨骼設備支撐人體、帶動人體運動的功能出發，開始探索將外骨骼技術應用于醫療康復領域，醫用外骨骼康復機器人逐漸成為康復機器人研究的一個重要方向。
現今，外骨骼康復機器人已成為中風、脊髓損傷引起的運動障礙康復訓練的重要技術手段和方法。據美國市場調研機構ＷＩＮＴＥＲＧＲＥＥＮ ＲＥＳＥＡＲＣＨ的分析，康復機器人行業規模未來幾年將實現高速增長，２０２５年有望達到６０億美元。
０１
外骨骼康復機器人的主要核心技術
外骨骼康復機器人是康復機器人領域技術壁壘和智能化水平較高的機器人，產品涉及傳感、控制、機械動力、人機交互、工業設計等多個交叉領域，涵蓋人體生物力學、人體工程學、神經電生理、臨床醫學等學科。
（一）驅動系統技術
外骨骼康復機器人的動力驅動系統至關重要，從驅動系統技術來看，外骨骼康復機器人可以分為電機驅動、氣缸驅動、液壓驅動以及氣動人工肌肉驅動等幾種主要類型。各類型驅動系統的特點、優勢與劣勢如表１所示。日本筑波大學的ＨＡＬ、美國Ｙｏｂｏｔｉｃｓ公司的Ｒｏｂｏｋｎｅｅ、中科院常州先進制造研究所２０１４年研制的外骨骼機器人ＥｘＯＰ，采用的是電機驅動方式。氣缸驅動方式在外骨骼機器人上應用較少，意大利研制的ＰＡＧＯ機器人、日本神奈川大學的ｗｅａｍｂｌｅ Ｐｏｗｅｒ Ａｓｓｉｓｔ Ｓｕｉｔ，采用的是氣缸驅動方式。美國的ＢＬＥＥｘ外骨骼機器人、美國洛克希德·馬丁公司的全身外骨骼機器人ＨＵＬＣ、美國雷神公司的ＸＯＳ系列外骨骼機器人，采用的是液壓驅動。美國哈佛大學Ｂｉｏｄｅｓｉｇｎ Ｌａｂ實驗室開發了一種新結構的氣動人工肌肉，美國ＦＥＳＴＯ公司推出了仿生氣動肌腱系列產品，并提供了相應的應用解決方案。
（二）人體運動意圖識別技術
運動意圖識別是實現仿生肢體控制的前提和基礎。如何正確識別穿戴者的行為和意圖是外骨骼機器人研發的一個重要課題。目前主要方式包括通過腦電或肌電信號，以及通過慣性測量單元及壓敏傳感器為代表的機械傳感器。為了識別幾種常見的運動模式，需要將從傳感器收集到的數據集輸入到分類算法中，構建分類器；當信號輸入到分類器時，分類器將輸出識別結果。針對外骨骼機器人意圖識別技術，負重外骨骼助力機器人多采用足底壓力傳感器檢測步態，而康復外骨骼助力機器人多采用多種傳感器混合檢測步態。上述識別方法都存在容易受到人體干擾、判斷準確性不足以及無法精確跟隨人體意圖的問題，因此外骨骼機構與穿戴者協調運動仍是急需解決的關鍵技術難題。
（三）人機協同控制技術
外骨骼要能成功復現人體運動，必須具備和人相當的可控自由度。基于意圖識別結果，實現人機協同行走控制是外骨骼機器人關鍵技術之一。目前主要有以下幾種控制方法：基于靈敏度放大的控制方法，基于預定步態的控制方法，基于預定步態的驅動控制方法、混合控制方法。在各類協調控制方法中，對于外骨骼負重機器人，應用靈敏度放大控制策略效果最好，而對于外骨骼康復機器人，應用預定步態控制策略相對更加成熟。外骨骼康復機器人需要提高協調控制、遞進反饋等功能，優化人機兼容特性，幫助患者更好地完成自主訓練。
（四）康復策略設計技術
外骨骼康復機器人能有效改善患者的肢體運動能力，主要基于中樞模式發生器、神經系統可塑性與功能重組、“動力系統”及強制性主動使用等理論。針對不同患者應制定科學精確的康復策略，在不同的康復階段采取針對性的訓練方法，促使患者的身體機能逐步恢復。除了漸進式與被動式康復訓練外，準確識別患者的主觀意圖，實現患者的主動康復訓練，是康復策略研究的關鍵問題。針對此類患者不同康復時期，通過控制算法，設計并實現不同的康復策略，用以輔助患者訓練并促進康復。在不同康復階段通過肌電信號建立患者健側關節的主觀運動意圖與關節活動的正向映射，通過康復機器人的協助，完成患側的主動訓練康復策略。
０２
外骨骼康復機器人全球代表企業及主要產品
國際上外骨骼康復機器人的代表企業主要包括日本的Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ公司、以色列的ＲｅＷａｌｋ公司、美國的Ｅｋｓｏ公司和瑞士的Ｈｏｃｏｍａ公司等。
（一）日本Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ公司
國際上最大的專業康復外骨骼機器人公司為日本的Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ公司，其旗艦產品ＨＡＬ于２００８年正式發布，于２０１３年成為全球首個獲得安全認證的外骨骼機器人產品（ＩＳＯ／ＤＩＳ １３４８２）。ＨＡＬ作為助力外骨骼機器人最大的優勢是“實現意念控制”，即大腦向筋骨系統發出的運動指令而動作，身體在做動作時會有微弱的生物電位信號溢出到皮膚表面，采集皮膚上的生物電驅動外骨骼系統做出相應動作，外骨骼可以通過這套系統探測人體肌肉的發力點從而介入工作。２０１８年１月，美國ＦＤＡ已批準Ｃｙｂｅｒｄｙｎｅ公司的下肢外骨骼醫療用途版產品在美國上市用于美國患者。它使用傳感器來檢測從患者的大腦發送到患者肌肉的生物電信號，與患者的運動（或意圖運動）配對，以增加強度和穩定性。
（二）以色列ＲｅＷａｌｋ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ公司
以色列外骨骼系統提供商ＲｅＷａｌｋ（ＲｅＷａｌｋ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ， Ｌｔｄ．）是全球領先的下肢康復機器人醫療設備制造商。ＲｅＷａｌｋ外骨骼機器人，提供ＲｅＷａｌｋ個人版和ＲｅＷａｌｋ康復版。ＲｅＷａｌｋ個人版２０１２年末獲得歐洲ＣＥ認證，并在２０１４年６月獲得美國ＦＤＡ批準上市。ＲｅＷａｌｋ個人版是由美國ＦＤＡ批準用于個人使用的第一個機械外骨骼系統。ＲｅＷａｌｋ康復版是在醫院和專門的康復中心使用的，目的是創造臨床康復的環境，提供寶貴的康復治療和鍛煉。２０２１年１１月，ＦＤＡ授予ＲｅＷａｌｋ研發的ＲｅＢｏｏｔ突破性設備稱號。ＲｅＢｏｏｔ是一種輕巧的、電池供電的矯形外裝，旨在幫助因神經損傷（如中風）而導致腳踝功能下降的個體的行走功能。
（三）美國Ｅｋｓｏ Ｂｉｏｎｉｃｓ公司
美國企業Ｅｋｓｏ Ｂｉｏｎｉｃｓ，創立于２００５年，２０１２年拿到ＦＤＡ醫院使用許可。Ｅｋｓｏ因具有美國國防部背景，所以在軍事、民用、救援、醫療進行了多領域的探索。在醫療方面，ＥＳＫＯ已有兩款醫療外骨骼機器人于２０１２年上市，使用了鋁合金、鈦合金、碳纖維等金屬和復合材料，創建了高精度的感應器、微型驅動馬達、擬人關節等，并配備了速度極快的中央處理器和強大的軟件系統。用戶可根據自身的情況和康復進度選擇３種不同的康復模式，即Ｆｉｒｓｔ Ｓｔｅｐ（康復治療師輔助進行）、Ａｃｔｉｖｅ Ｓｔｅｐ（用戶自主控制模式）和 Ｐｒｏ Ｓｔｅｐ（自動感應用戶身體動作觸發每一步）。２０２０年，Ｅｋｓｏ宣布推出更加輕便、靈活、舒適的Ｅｖｏ外骨骼，Ｅｖｏ上半身外骨骼提供了同樣的支撐力，但采用了全新的低矮多連桿設計。
（四）瑞士Ｈｏｃｏｍａ公司
瑞士的ＨＯＣＯＭＡ ＡＧ公司成立于１９９６年，作為國際知名的醫療康復機器人公司，擁有多款核心康復機器人產品。Ｌｏｋｏｍａｔ是一款能夠提供即時反饋與評估的步態訓練機器人，對脊髓損傷、多發性腦損傷、中風以及多發性硬化癥等神經系統疾病患者有良好的康復效果，目前，Ｌｏｋｏｍａｔ在中國高端外骨骼康復機器人市場的占有率領先。其產品Ａｒｍｅｏ是一款能夠提供即時反饋與評估的上肢康復機器人，支持從肩膀到手指的完整的運動鏈治療，能夠根據患者的情況自動提供協助，即使是癥狀嚴重的患者，也能用此款設備進行高強度的早期康復治療。Ｅｒｉｇｏ是一款集成的傾斜機器人系統，用于長期臥床病人的早期神經康復訓練。Ｖａｌｅｄｏ系列用于背部疼痛治療，包括Ｖａｌｅｄｏｓｈａｐｅ、Ｖａｌｅｄｏｍｏｔｉｏｎ和Ｖａｌｅｄｏ三款產品，分別用于脊柱評估、診所治療和家庭治療。
（五）美國Ｗｏｏｄｗａｙ公司
美國ＷＯＯＤＷＡＹ公司成立于１９７５年，長期專注于研制設計獨特、性能卓越、可靠耐用的競技訓練、商業健身及醫療康復專業系統。該公司的康復機器人主要有兩款，其中，ＬｏｋｏＨｅｌｐ是一款用于康復運動的步態訓練機器人，可減輕康復治療師的工作強度，并提高康復治療的效果；ＫｉｎｅＡｓｓｉｓｔ是一款能夠模擬實際生活環境的康復訓練機器人，可提供包括平地走、爬坡、站立平衡、動態平衡等運動療法。
０３
外骨骼康復機器人國內代表企業及主要產品
當前高端外骨骼康復機器人市場大多由外國企業壟斷，我國外骨骼康復機器人產品還處于較為初級的階段，上市產品較少，目前主要公司有大艾機器人、程天科技和邁步機器人等。
（一）大艾機器人
大艾機器人２０１６年成立于北京，產品研發始于２０１０年，是我國外骨骼機器人領域的先行者。核心產品為下肢外骨骼康復機器人“艾動”、“艾康”、“艾行”等，主要用于因脊髓損傷導致的下肢運動功能障礙患者的步行康復訓練。公司的下肢步行機器輔助訓練裝置，獲得中國第一個二類創新醫療器械、第一個ＮＭＰＡ外骨骼機器人醫療器械注冊證。大艾機器人的外骨骼機器人產品的獲批上市，是國內智能化康復領域的突破性成就，標志著國內下肢外骨骼機器人已經從研發階段轉化為產業化量產階段，大大推動了康復產業發展的進程。大艾的系列外骨骼產品突破技術瓶頸，獨創仿生行走傳動系設計，大幅降低成本，目前已治療患者超萬例、訓練超百萬人次。
（二）程天科技（杭州）
程天科技２０１７年成立于杭州，公司前身為哈爾濱程天科技發展有限公司（２０１２）。目前分為杭州總部與哈爾濱公司。程天科技致力于外骨骼機器人技術、智能醫療器械、特種機器人技術與智能系統的開發，是國內首家獲得適用范圍為中樞神經病變（涵蓋截癱、偏癱患者）的下肢外骨骼機器人的研發企業。程天科技通過人工智能（ＡＩ）與機器人技術，配合數據分析及云計算等方式為行動失能、弱能的傷友、老年人及康復醫療機構提供智能康復器械、康復輔具產品和智能化解決方案。公司已申請自主知識產權１５０余項，并獲得各領域獎項２０余項，現已有兩款下肢外骨骼機器人產品分別于２０２０年和２０２１年３月獲ＮＭＰＡ批準上市。
（三）邁步機器人（深圳）
邁步機器人２０１６年成立于深圳，公司專注于外骨骼機器人及人機交互技術的研發，打造智能康復體系，通過機器人、物聯網、大數據、人工智能等技術提升康復醫療的效率和效果。具體研發用于中風患者步態康復的下肢外骨骼機器人以及其他醫療康復機器人。主要產品包括康復機器人、柔性驅動器、醫療機器人、外骨骼機器人康復設備、下肢康復外骨骼機器人等。公司截至目前已分別于２０１７年４月、２０１８年５月、２０２０年８月和２０２１年２月完成四輪融資。核心產品下肢康復外骨骼機器人ＢＥＡＲ－Ｈ１是一款用于輔助腦卒中患者步態康復訓練的新型可穿戴式下肢外骨骼機器人。機器人擁有主動被動訓練模式，通過對患者髖、膝、踝關節提供助力完成行走訓練，可以節省人力，并提高康復效果。目前ＢＥＡＲ－Ｈ１已依據《廣東省第二類創新醫療器械特別審批程序（試行）》要求進入特別審批程序。
（文章來源于互聯網）
