知识宝典丨解码科技：康复外骨骼机器人的前世今生

在智能康复产业蓬勃发展的当下，回溯产业发展脉络，梳理技术创新沿革，从历史演进中把握规律，更利于释放新质生产力，推动智能康复产业高质量、可持续发展。

立足这一视角，本文以“智能康复新质生产力”为核心主题，系统梳理国内外外骨骼机器人发展历程，深度探寻行业发展本源，尝试解答外骨骼机器人“是谁，从哪里来，到哪里去” 的时代命题，邀您一同探秘外骨骼机器人的前世今生。

电影《明日边缘》海报

何为外骨骼机器人？

外骨骼是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型、建筑和保护的坚硬的外部结构。比如虾、蟹、甲虫等节肢动物坚韧的几丁质的骨骼称为外骨骼。受甲虫启发，从19世纪起，人们开始尝试发明由钢铁框架构成并且可由人穿戴的机械装置，这就是动力外骨骼（Powered exoskeleton），实质上是一种可穿戴的机器人。

蒸汽时代Powered exoskeleton畅想

外骨骼机器人作为套在人体表面的“人工智能”，综合运用融合传感、控制、信息、移动计算等综合技术，根据人的肢体活动来感应、伺服、驱动机械关节重现动作，为穿戴者提供保护功能，增强、延展、替代或恢复人的身体功能、肢体运动能力和负重能力。

外骨骼机器人（左：增强类，右：康复类）

从目前的产业应用来看，外骨骼主要分为两类，一种是针对特定关节性助力的人体增强类的外骨骼，这种外骨骼主要是用来增加人的力量，拓展能力上限；另一种是康复类外骨骼，主要用于医疗康复领域，比如帮助偏瘫病人重建正常步态，辅助瘫痪病人行走。

外骨骼机器人的早期探索与研究

最早的机械外骨骼是一种下肢外骨骼，该想法由俄国人Nicholas Yagn 在 1890 年提出，并申请了专利。该装置可以通过置于腿后的弓形弹簧片和气囊式气压阀，增强人体步行、奔跑与跳跃的能力。

Nicholas Yagn发明的下肢外骨骼

20世纪 60 年代，电气技术的发展为外骨骼机器人的创新提供了充足的条件。美国Cornell Aeronautical Labs开始研发Man-Amplifier外骨骼机器人。

Man-Amplifier外骨骼机器人

同时期，世界上第一套真正意义上“外骨骼装甲” Hardiman （Human Augmentation Research and Development Investigation）横空出世。这款拟用于军事用途的机械外骨骼，包含了30多个关节，通过液压电力伺服系统驱动，能使穿戴者的力量增加25倍，提起110公斤重量的物体就像提起4.5公斤那么轻松。

Hardiman

然而受困于当时技术限制，Hardiman项目未能得到广泛应用。虽然最早的外骨骼实验样机难以投入实际应用，但该项目的技术问题为后来者指出外骨骼机器人的技术优化方向，同时各国科研机构相继开展医疗康复类外骨骼。

外骨骼机器人的技术突破性进展

计算机技术、传感技术、材料技术和控制技术的迭代更新，带动了外骨骼机器人在技术层面的创新突破，尤其是计算机的出现，为科学研究注入新动力，同样也给外骨骼机器人的深入研究带来曙光。

轻量化Powered Exoskeleton

1970年代，贝尔格莱德大学的Vukobratovic等人研制的Powered Exoskeleton。贝尔格莱德大学的团队实行了轻量化的机构，同时提出了平衡算法，这在双足机器人研发中被广泛应用。此后更多的企业投入到助力外骨骼机器人的研发中来。如1978年Shulman的Jogging Machine，1986年Monty K. Reed的Lifesuit Exoskeleton，1990年G.John Dick和Eric A.Edwards的 SpringWalker，1991年的PoweredArm等等。

助力外骨骼机器人

Lifesuit Exoskeleton

进入21世纪，外骨骼机器人的研发进展迅速。美国国防高级研究计划局（DARPA）在2000年启动了“增强人体体能外骨骼（EHPA）”计划，将外骨骼机器人的研究推向高潮。同年，加州伯克利大学在DARPA的资助下研制出了"Berkeley Lower Extremity Exoskeleton（伯克利下肢外骨骼系统，即BLEEX）"，核心强化目标从肢体力量变成到穿戴者负重行动能力。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。并且当BLEEX的动力不足时，佩戴者还可以将它从腿部拆卸下来，并折叠成一个规格化的背包，方便存储与运输。同时BLEEX也是目前最“长寿”的动力外骨骼装置之一。

BLEEX Exoskeleton

2006年，一家名为Sarcos的科研企业的产品经过DARPA的方案审核，它就是近年来声名大噪的XOS。XOS具备前所未有的灵活性和灵敏度，同时还可以提供高达6:1的力增比，紧贴身体表面的传感器能够感应到穿戴者的动作幅度和力度，通过算法运算可以在使用者运动幅度内输出6倍的力度。该公司在2010年又研发出XOS-2动力外骨骼系统，相较上一代产品重量轻了10%，能耗降低了50%。力量增幅却达到了惊人的17倍。其性能的全面增长使之深得美国军方认可，并被《时代》杂志列为2010年的50大发明之一。

Raytheon XOS 2

在XOS系列问世的同时，深耕于航空航天技术的洛克希德·马丁公司首次涉足动力外骨骼领域，并成功发布了HULC（Human Universal Load Carrier）系统。初代HULC在一次充满电后，可保证穿着者在无负重感的条件下以4.8公里/小时的速度背负90千克重物持续行进一个小时，而短时间亦可使穿戴者以接近16公里/时的冲刺速度疾行。而最新一代的HULC采用燃油发电机，在加满燃油后不仅拥有24小时的超长续航，还能够完美同步士兵的复杂动作，辅助普通的战斗任务。

HULC（Human Universal Load Carrier）系统

截止目前，较典型的外骨骼机器人包括美国的第二代XOS全身外骨骼、人体负重外骨骼（HULC）、超柔SuperFlex机械外骨骼、Soft Exosuit外骨骼、MAXFAS的手臂外骨骼系统、MIT外骨骼、BLEEX外骨骼系统、英国“矫正负重辅助装置”、法国“大力神”可穿戴外骨骼、意大利“V-盾”第一代人体脊柱外骨骼、澳大利亚新型被动式可穿戴外骨骼等。与此同时，美国还在研究集生理监控、动力外骨骼，全装甲防护和网络数据连通等高科技于一体的“实战化”单兵装甲TALOS（Tactical Light Operator Suit），但在2019年由于电源供应等原因而中道崩殂，项目宣布暂停但保留相关技术成果。

外骨骼机器人的商业化进程

现如今，外骨骼机器人的发展已经进入爆发期，除了在军事上的应用，各国都在投入资金使其商业化，探索外骨骼机器人在工业和医疗领域内的独特价值。

在工业方面，开发出HULC的的洛克希德马丁公司，与迪肯大学合作研发出一款高负重3D打印工业外骨骼Fortis，相当于腰腹部的“第三只手”，可以轻松提起23kg重物，给劳作人员降低至少2/3的疲劳感，增进工作质量并降低肌肉伤害风险，也可以搭配腿部外骨骼使用，真正实现四两拨千斤的无重感操作。

工业外骨骼Fortis

工业外骨骼的场景十分广泛，包括但不限于在汽车装配、物流行业、建筑施工等领域的应用。如今美国的Ekso Bionics、suitX等公司也已陆续推出了自家工业用外骨骼机器人，其中Ekso Bionics公司的上肢外骨骼机器人EksoVest被应用到福特汽车流水线的人工作业中并获得好评。

EksoVest应用于福特汽车流水线

而在医学领域，日本、新西兰和以色列等国家也在20多年的时间内进行了长足的探索。在20世纪90年代，日本神奈川理工学院研发动力辅助服，旨在帮助护士举起无法自主运动的病人。2001年上市“动力辅助服”（PAS）增强型外骨骼Suit with cuff actuator，技术原理是通过电子传感器监测穿戴者的肌肉，触发液压驱动器操作，能够为穿戴者增强力量50%。

日本Suit with cuff actuator

筑波大学教授山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）专研“生化电子学”（cybernics）对于增强和提升人的能力的技术方案。自 1991 年开始，他便研发出一种外骨骼机器人HAL（HybridAssistive Limb/混合辅助肢体），并于2004年成立CYBERDYNE公司将HAL投入市场。HAL是世界上第一个半机械人式康复外骨骼，帮助残障伤患者行动或复健，其可辅助的对象包括但不限于残疾人、老年人以及上肢、下肢无力患者、瘫痪病人等。目前已发展到第五代，HAL-5为全身外骨骼，通过肌电传感器采集人体运动信息，通过电机实现驱动，产品重约15 kg，动力源小巧、使用时间长，可应用于医疗康复、残疾人助力、灾害现场救援等多种场景。

Cyberdyne HAL-5

除此之外，由新西兰科技公司REX Biotics设计研发，可代替轮椅的REX外骨骼机器人，以及由以色列埃尔格医学技术公司发明的ReWalk，都是近年来在医疗领域举足轻重的民用外骨骼系统。

ReWalk Robotic Legs Device

尽管外骨骼机器人在医疗领域潜力无限，但这并不代表着它真的“平易近人”。目前已上市的民用外骨骼系统平均售价在7万美元左右，想要控制成本、实现产品的大众化推广，仍需要进一步的技术革新。

外骨骼机器人企业海外分布

外骨骼机器人技术的全球领先者，主要分布在美国、日本、欧洲等发达地区。近十年来，技术扩散和创业企业推动了新一轮外骨骼机器人产业的发展热潮，新一批的进入者主要分布在中国、印度等国家。

国产单下肢外骨骼康复装备研发

中国外骨骼机器人企业仍处于商业化早期阶段，且医疗康复类产品居多。如聚焦神经康复与肌骨康复领域的安杰莱科技，历经五次更新迭代，自主创新研发的LiteStepper®单下肢外骨骼康复训练器，于2022年9月获得NMPA第二类医疗器械注册证。这款外骨骼机器人主要面向卒中偏瘫患者，通过采集患者健侧主动运动的步态信息、研判患者的运动意图、分析并学习其步态特征，带动患侧进行与健侧相适应的运动再学习康复训练，从而促进脑神经控制功能重塑，使患者逐步恢复其正常的行走步态，实现主动化、个性化、系统化、精准化康复。

LiteStepper®单下肢外骨骼康复训练器

外骨骼机器人的未来展望

外骨骼机器人产业化发展方兴未艾。根据当前企业发展及技术进步方向，外骨骼机器人未来发展趋势将主要体现在以下四个方面：

1）人-机交互技术将进一步增强  

AI算法及技术方案的迭代与更新，将持续优化人-机协同性和安全性。根据产业专家和科研专家观点，AI方法能够提升外骨骼机器人控制系统，突破力控算法，实现算力更强和低延时，AI方案能实现穿戴更方便、路径规划更合理等性能优化。

勇士织衣作战服

柔性材料的应用能够提升人机耦合度和穿戴舒适性。由于刚性材料外骨骼易对穿戴者造成束缚感，柔性外骨骼应运而生，其技术研发已有十年，以美国国防部高级研究计划局（DARPA）2011年启动的柔性外骨骼项目“勇士织衣”为代表，旨在提升穿戴者的活动能力、活动质量和耐力等，延长持续穿戴时间。

2）康复医疗体系发展将推动医疗康复类外骨骼机器人规模化应用

世界卫生组织于2017年提出《康复2030》倡议项目，强调康复是全民健康覆盖的重要内容，是实现可持续发展目标“确保健康生活，促进全年龄段公民健康”的一项关键战略。目前，估计全球共有24亿人需要康复服务，康复医疗资源将成倍数增长。

康复2030倡议

世界卫生组织强调医疗康复辅助器具对康复治疗的重要性，呼吁国家医疗体系完善融资和采购政策，以确保所有康复患者能够使用辅助器具进行康复治疗，重点提升医疗康复辅助器具的覆盖率、可获得性、完善医师培训、患者操作培训等机制。

康复2030倡议第5条

中国医疗能力增长速度全球最快，医疗改革效果显著，将进一步发展完善医疗服务体系，其中康复医疗发展将带动医用外骨骼机器人市场增长。

3）劳动力成本攀升，非标化工业场景只增不减，工业外骨骼需求广泛

全球老龄人口抚养比逐年增长、人口老龄化问题加剧，未来劳动力成本将大大提高。工业外骨骼机器人有望成为提高劳动力效率和生产力的重要工具。

工业外骨骼受青睐

消费市场需求多样化，多品种、小批量的柔性生产方式将成趋势，采用工业外骨骼机器人将提升工人单位工作效率、减少职业病、延长工人工作寿命，在汽车、家电、航空等工业领域有大量以定制化为主的柔性工业场景，无法完全用自动化设备替代人力。

搬运外骨骼使用场景

中国民用航空约90%为窄体机，行李搬运无法使用机器，搬运工人腰部损伤频发，工人工作寿命不超过2年。

4）受市场需求和科研进步驱动，外骨骼机器人产业入局者将大大增加

资本对外骨骼机器人关注度有望大大提升：根据CB Insights数据，2016年至今，外骨骼机器人产业融资将近百次交易，融资总规模亿美元级别，与外骨骼机器人有相似性和重合度的三个产业，医疗设备、机器人及智能可穿戴设备，融资规模均超十亿美元。

外骨骼机器人将蓬勃发展

外骨骼机器人产业使用场景丰富、潜在需求大、科技含量高，技术突破有赖于资金支持。预计将有更大规模资本投资外骨骼机器人产业，从而加速技术突破和产业发展。

参考文献及资料：  

[1]Powered exoskeleton. https://en.wikipedia.org/wiki/Powered_exoskeleton

[2]基于外骨骼技术的机器人远程控制[D].李晓明.浙江大学,2004

[3]外骨骼机器人发展趋势研究[J].李会营;王惠源;张鹏军 等. 机械工程师, 2011

[4]外骨骼机器人的技术现状与发展前景分析.http://www.elecfans.com/jiqiren/1198389.html

[5]N. Yagn. Apparatus for facilitating walking, running, and jumping. U.S. Patents No. 420179, 1890.

[6]Dollar A M, Herr H. Lower extremity exoskeletons and active orthoses: Challenges and state-of-the-art[J]. IEEE Transactions on robotics, 2008, 24(1): 144-158.

[7]人造动力外骨骼发展史,https://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog_721292fc0100yv4n.html[8]外骨骼机器人技术研究综述[J].蔡兆云;肖湘江.国防科技,2007.[9]Rehabilitation 2030,https://www.who.int/initiatives/rehabilitation-2030