我國老年人人口數量（左）取外骨骼機器人助力人體行走示意圖（右）（左圖數據來源于第七次全國人口普查取聯合國天下人口預測，右圖來源于網絡）
外骨骼機器人的發展史：由工業到醫療
外骨骼機械人是一種可穿著的智能輔佐設備，適用于加強人體活動性能，拓展人體取環境間的交互本領。外骨骼機械人憑據能源應用體例，可分為兩類：無源/被動（Passive）外骨骼機械人取有源/主動（Powered）外骨骼機械人，無源體系不需求外部供能，反之，有源體系需求外部供能，來驅動機械人活動。由1890年俄羅斯提出無源外骨骼機械人的觀點，1917年美國提出有源外骨骼機械人的觀點，到1965年美國通用公司構建出第一臺有源外骨骼機械人樣機（Hardiman），外骨骼機械人設計的初志是適用于輔佐工人搬運重物，提拔生產力。2000年，美國啟動了加強人體體能外骨骼（EHPA）項目，設計將外骨骼機械人適用于專項行業。2010年，EHPA項目標部門結果被美國加州大學伯克利分校轉化，研制出Austin和eLegs醫療外骨骼機械人，促進了外骨骼機械人在醫療、病愈行業的使用轉型取成長。
1890年俄羅斯外骨骼機器人專利（左1），Hardiman（左2），Austin（左3）取eLegs（左4）（圖片均來源于網絡）
外骨骼機器人的進化史：由剛性外骨骼機器人到外肌肉機器人
事物成長的途徑是彎曲勉強的，科學技術還沒有破例。第一臺樣機Hardiman正在研發開啟四年后，因活動沒有可控、承載服從低等題目，以“失利”而了結。EHPA項目標勝出者，加州大學伯克利分校的HULC和美國Sarcos公司的XOS外骨骼機器人，還暴露出實用性低、幫助結果差等題目，招致后續的研發事情幾近停頓。
科研人員顛末剖析論證得出結論，利用以上外骨骼機器人來加強人體的活動性能很難實現，重要是因為它們復雜、粗笨的剛性構造和欠缺生物力學理論支持的助力方法攔阻了人體的自然活動紀律。因而，研發者試圖沖破源自“鋼鐵俠”的固有設計理念，實驗將外骨骼機器人設計的更輕質、柔性，助力方法更素質、更相符人體生物力學。在此思想風潮的推進下，2013年美國啟動了Warrior Web項目，旨在研發一種輕質、舒服、好像衣服普通的柔性外骨骼機器人，實而今不影響人體本身活動的前提下，提拔人體活動性能；2018年，歐盟啟動了“XoSoft”項目，實驗對柔性外骨骼機器人開展探索取研討。
相較于剛性外骨骼機器人，柔性外骨骼機器人常采納柔性纖維織物、低質量機電取柔彈性傳動的設計體式格局，具有更高的人機共融度取精良的人體適應性，還可智能性地為穿著者供應助力取透明形式，實現“按需助力”，即僅正在人體須要幫助的時辰供應助力形式，反之供應透明形式，讓人體感知不到機器人的存正在。柔性外骨骼機器人普通根據驅動人體骨關節扭轉來幫助人體活動，但骨關節扭轉是人體活動的終究表現情勢，素質上是由接收到活動神經旌旗燈號的肌肉，根據收縮/舒張來拉伸肌腱，再牽引骨骼完成的。而人體肢體活動障礙或活動才能變弱，素質上多是由某一肌肉/肌肉群的功能性衰退導致的，若采納直接對目的肌肉開展幫助的驅動情勢，則無疑是更高效，也是更切合人體生物力學的。為實現驅動情勢的素質化，外肌肉機器人應需而生，它根據驅動“附著”正在人體肌肉/肌腱表面面的人工肌肉線束，實現對目的肌群的精準幫助取肢體性能的有用加強。
外骨骼機器人發展階段圖（左，圖片來源于參考文獻2）取哈佛大學外肌肉機器人概念圖（右，圖片來源于網絡）
近年來，外肌肉機器人因為其布局設計取輔佐方法上的上風，開端被科學和使用等范疇所存眷。外肌肉機器人的相干論文屢次正在國際頂尖期刊Nature，Science，Science Robotics上揭橥，科研人員分別從體系布局布局、柔性傳感制備、人體企圖辨認取進修掌握優化等方面動身，舉行理論闡明取實驗研討，放慢外肌肉機器人向實際生活中使用的歷程。
使用層面，2014年哈佛大學研制的外肌肉機械人Exosuit正在專項范疇測試取得優越結果，助力哈佛大學取得Warrior Web項目標第二輪撐持。2017年以色列ReWalk Robotics公司公布了第一個商用醫療外肌肉機械人ReStore，該體系重5kg，可有用輔佐中風偏癱病人行走，并正在2019年取得了該機械人的美國FDA取歐盟CE認證，加快了外肌肉機械人正在醫療病愈范疇的使用取成長。
外肌肉機器人的手藝挑釁取科研進度
取機器臂、無人機、挪動車等機器人不一樣，外肌肉機器人是嚴密貼合在肢體外觀，取人同體，實現協同活動，因而具有更高的人機融合度，是人機共融技能的主要載體之一。但這類特別的功課體式格局為科研人員的技能研究帶來了浩繁挑釁。人取外肌肉機器人作為一個嚴密的團體，需有主次之分，才可以有序運轉。外肌肉機器人需求主動、正確地感知、了解、順應人體的活動行動。比方，人當前是不是需求助力等。
毛病地感知當前活動環境取了解人體行動企圖，會招致機械人在行動決議計劃取計劃層面泛起誤差，招致成果背道而馳。簡而言之，便是人會覺得不舒服、被約束、易疲憊。而提升機械人對人體活動狀況的快速適應能力，是降低這類非盼望現象產生的樞紐，也是現今外肌肉機械人研討的熱門取難點。
中科院沈陽自動化所研制的剛性外骨骼機器人（左）取外肌肉機器人（右）
中國科學院沈陽自動化研討所機器人學國家重點實驗室的科研人員以外肌肉機器人的高順應性為目的，正在腦肌電信號處置、人體活動企圖明白、機器人操縱技能等方面進行了系統性的研討工作。該團隊受啟發于人體下肢活動的狀況驅動取節律驅動特性，研討了具有高順應性的人體活動舉動辨認技能，使外肌肉機器人能快速順應差別受試者、差別步態范例的人體活動形式；研討了可快速順應人體步頻轉變的外肌肉機器人操縱技能，提拔機器人對人體步頻、活動環境取人機耦合動力學特征等轉變的快速順應能力，讓外肌肉機器人能知人所想、供人所需，應人所變。
該團隊的研討工作由人體活動機理動身，將人體活動更實質的特征融入到外肌肉機器人的交互體系設計傍邊，為機器人計謀設計取行動計劃的研討給予了新的思緒。
該團隊的最新研究成果被IEEE Transactions on Human-Machine Systems、IEEE Transactions on Automation Science and Engineering等國際期刊任命。研究工作獲得國度自然科學基金、國度重點研發規劃等項目標支撐。
結語：
外骨骼機器人顛末近60年的成長，曾經彰顯出偉大的成長前景，但間隔大規模民用化照舊百步無輕擔。今朝絕多數研討集合正在本體設計、低層操縱取中層計劃層面，而關于頂層的智能性研討仍舊較匱乏。跟著近幾年人工智能技術的成長，信賴正在不久的未來，正在外骨骼機器人的輔佐下，失能不再是老人、殘疾人的代名詞，他們還能夠自若地行走正在超市、商場和我們生活中的每一個角落。
參考文獻：
1. Cornwall, Warren. "In pursuit of the perfect power suit," Science, vol. 350, no. 6258, pp. 270-273, Oct. 2015.
2. Pons, José L. "Witnessing a wearables transition," Science, vol. 365, no. 6454, pp. 636-637, Aug. 2019.