目前国内做康复机器人外骨骼机器人的热点在于控制方面吗？ 第1页

一、康复外骨骼机器人定义与分类

现有的康复外骨骼机器人，按照针对躯体的部位可分为：上肢机器人，下肢机器人；按照功能划分可分为康复训练机器人和辅助行走机器人。

换句话说，康复训练机器人就是教你怎么走，而辅助行走机器人就是帮你一步步走。

康复训练外骨骼机器人有以下几大知名品牌：奥地利SCHEPP、瑞士Hocoma、美国Woodway等，辅助行走外骨骼机器人主要有：以色列Rewalk、美国EKSO、日本Cyberdyne、新西兰Rex Bionics等。

1、康复训练外骨骼机器人

（1）台湾上银

上银科技是台湾最大的机械厂商，也是全球线性传动领导品牌，2009年在台湾证券交易所挂牌上市。自行研发的产品从大型到微型的滚珠螺杆、线性滑轨、工业机器人等，打破日、德长年垄断的精密机械市场。

上银科技以“下肢康复训练机”作为跨足医疗行业机器人的试金石，定位高端市场，已经通过欧盟医疗器材C认证、台湾TFDA认证以及大陆CFDA认证，目前内地已有十多家医疗机构感兴趣并有意进行合作。

（2）Woodway

美国WOODWAY公司成立于1975年，一直专注于研制设计独特、性能卓越、可靠耐用的竞技训练、商业健身及医疗康复专业平台。扎根我国中端市场，该公司的康复机器人主要两款：

• LokoHelp：这是一款用于康复运动的步态训练机器人，除了可以减轻康复治疗师的工作强度外，还能提高康复治疗的效果；
• KineAssist：一款能够模拟实际生活环境的康复训练机器人，可以提供包括平地走，爬坡，站立平衡，动态平衡等运动疗法。

（3）Hocoma

瑞士HOCOMA AG公司成立于1996年，作为国际知名的医疗康复机器人公司，具有四款核心康复机器人产品：

• Lokomat:是一款能够提供即时反馈与评估的步态训练机器人，对脊髓损伤、多发性脑损伤、中风以及多发性硬化症等神经系统疾病患者有良好的康复效果，目前，Lokomat几乎垄断了中国高端外骨骼康复机器人市场。
• Armeo：是一款能够提供即时反馈与评估的上肢康复机器人，支持从肩膀到手指的完整的运动链治疗，能够根据患者的情况自动提供协助，即使是症状严重的患者，也能用此款设备进行高强度的早期康复治疗。
• Erigo：是一款集成的倾斜机器人系统，用于长期卧床病人的早期神经康复训练。
• Valedo系列：用于背部疼痛治疗，包括Valedoshape、Valedomotion和Valedo三款产品，分别用于脊柱评估、诊所治疗和家庭治疗。

2.辅助行走康复机器人

（1）Ekso Bionics

EKSO是美国的一家企业，创立于2005年，2012年拿到FDA医院使用许可，ESKO因为有美国国防部背景，所以在军事、民用、救援、医疗进行了多方位的尝试。

在医疗方面，ESKO已有两款医疗外机械骨骼于2012年上市，使用了铝合金、钛合金、碳纤维等金属和复合材料，创建了高精度的感应器、微型驱动马达、拟人关节，配备了速度极快的中央处理器和强大的软件系统。

用户可根据自身的情况和康复进度选择3种不同的康复模式：FirstStep（康复治疗师辅助进行）、ActiveStep（用户自主控制模式）和 ProStep（自动感应用户身体动作触发每一步）。

（2）Cyberdyne

2001年，日本筑波大学三阶吉行教授和他的研究小组正式推出了HAL（Hybrid Assistive Leg）系列混合助力腿外骨骼机器人，用户全身都可以穿戴外骨骼机器人。2008年HAL正式发布，2013年成为全球首个获得安全认证的机器人外骨骼产品（ISO/DIS 13482）。

HAL作为助力外骨骼机器人最大的优势是“实现意念控制”，即大脑向筋骨系统发出的运动指令而动作，身体在动作的时会有微弱的生物电位信号溢出到皮肤的表面，采集皮肤上的生物电驱动外骨骼系统做相应的动作的，外骨骼可以通过这套系统探测人体肌肉的发力点从而介入工作。

二、基于产业的关键技术要素

简要来说，人机交互工作分为三步：

• 第一步感知人体行为意图，一般采取陀螺仪+加速度计+肌肉电信号等方式结合来采集人体信息；
• 第二是一般通过激光 + 超声感知对外界环境做出判断，通过算法计算所有电机下一步的自动运行策略。
• 最后是在物理实现运动的同时不断跳转到上一步，实时判断行为达成的程度，综合考虑外界环境变化和用于操作意愿，实时调整系统运动策略。

如今的外骨骼机器人，一般包括整机设计、驱动器（机构）设计、控制策略三部分；其中的“控制策略”也就是人机实时交互和控制，是其中的核心难点。

既然涉及到人机交互，那么便一定涉及如何采集操作者的意图并将其成电机/液压的合适的输出力的问题。目前获得人类意图有两种方式：直接获取操作者意图和间接获取操作者意图。

• 直接获取操用户意图的方法有从EMG数据、或人和机器人之间的交互力；
• 间接获取的方法是从外骨骼关节获取数据、估计操作者意图然后放大运动效果。

目前能够直接获取的人体生物信号主要有肌电信号EMG (Electromyogram)、眼电信号EOG (Electrooculography)、皮肤电信号 GSR(Galvanic skin response)、脑电信号EEG（Electroencephalogram）、脑磁信号MEG (Magnetoencephalogram)等等，而外骨骼控制最常用是EMG（肌电信号）和EEG（脑电信号）信号，马斯克近几年创办的Neuralink新公司致力于将人脑和计算机的连接，将计算机芯片植入人的大脑就是加强这种连接的一种途径。

但是当下能够直接获取操作者意图的传感器灵敏度欠佳，降噪、建模和校准较为困难；所以现在绝大多数的外骨骼皆采用间接获取意图的方法，通过内置力学传感器判断用户的行为意图并实现实时受控。

举个例子，Cyberdyne开发的第五代辅助外骨骼HAL采用了EMG信号控制机器人，但控制其的生物信号变化规律因人而异；光是对某位客户进行肌电信号的标定与建模就需要2个月的时间。而且在动态环境中保持传感器的精确度是个很大的挑战。

而通过关节运动间接获取的操作者意图的技术也存在一疑难杂症；目前比较突出的就是无法做到准确识别操作者的力和环境外力，使得外骨骼机器人有一定概率误判操作者的行为意图，导致外骨骼机器人不稳定乃至失控，严重危及操作者的人身安全。

此外当前的康复外骨骼机器人，仍面临三大核心问题：续航能源、舒适保障和成本控制。

1.续航能源方面

第一大技术难题体现在续航方面。目前外骨骼机器人主要分为蓄电池供电和内燃机发电量两种功能模式，绝大多数的产品（除极个别如美军的HULC等）的续航能力上还远远达不到24小时的使用要求。

如何提高能源容量或改变现有充电方式来扩大使用者活动范围及效率，是外骨骼实现技术突破的重中之重。

2.舒适保障方面

外骨骼机器人作为一种贴身设备，被视为人类身体的外延，所以保障穿戴者的舒适度也是必要的条件。虽然穿戴式外骨骼设备的研究已经比较成熟，但对于民用舒适性还没有足够重视。

目前大多数医疗康复外骨骼设备都是采用的捆绑穿戴，而这种穿戴方式会给人带来压迫感，导致血液不畅、肌肉变形，并因此影响外骨骼的定位精度，长时间穿戴还有可能对健康产生负面影响。

此外值得一提的是，肌电信号采集对外界环境有着高度的敏感性。穿戴式外骨骼在热湿舒适性方面的欠缺可能使得操作者大量出汗干扰到传感器的数据采集，使得外骨骼在进行动作的反馈时产生延迟，难以胜任高难度动作。

3.成本控制方面

不同于追求性能卓越的军工领域，对于普通用户而言，价格往往才是是外骨骼大规模普及性应用的最大绊脚石。受硬件生产成本和相关技术的制约，目前国内大部分外骨骼机器人公司还无法实现大规模量产，这导致产品价格高居不下。

大体上，一台普通国产医疗外骨骼机器人的售价大概在20-50万左右，虽然相比美国、日本的进口产品动辄百万要低许多，但依然不是普通民众可以接受的价格。

2016年尖叫科技的CTO李牧然曾表示“我们希望三年内能达到一台大家电的价格。”而现在已经过去5年，产品价格却基本没有什么变动——高昂的研发投入，注定其短期内同样高昂的价格。

在价格不变的情况下，将设备纳入医保范畴，或许可以解决用户“用不起”的难题，但相关法案的推进亦需要相当长的时间周期。在产品价格无法下调的情况下，商业化进程会相当艰难。

三、外骨骼机器人技术路径

1、三种驱动方式的原理及应用前景

（1）电机驱动在外骨骼机器人上使用电驱动方式一般有2种方案。

一种方案是在旋转关节上直接安装盘式电动机，利用电动机转子的旋转带动关节旋转。

这种安装方式结构简单，易于维护拆卸。但是采用这种方案，将使得外骨骼机器人的旋转关节十分笨重，加之安装空间有限，往往会由于电机尺寸限制而达不到到理想的输出驱动力，因此这种方案大多用于实验室原理样机上用以开展相关实验研究。

另一种方案就是利用电动推杆驱动，在电动推杆两端用连接耳与外骨骼连接，将电动机的旋转运动转化为推杆的直线运动，推动转动关节转动。

电动推杆一般由电动机和丝杠组成，通常采用的是直流电动机，其原理是电动机的转动带动丝杠的螺母转动，然后螺母利用螺旋副的原理推动丝杠做直线运动，从而使丝杠带动外骨骼机器人的大腿、小腿、足部分别绕髋 关节、膝关节和踝关节做旋转运动，实现髋关节、膝关节和踝关节在矢状面内的屈伸运动。

日本筑波大学的HAL、美国Yobotics公司的Roboknee、中科院常州先进制造研究所在2014年研制的外骨骼机器人ExOP—采用的都是电机驱动方式。

（2）气压驱动方式与液压驱动方式的原理类似。以气体为介质，通过一系列控制阀的控制，最终使气体推动气缸的活塞做直线运动。

通过将气缸分别连接在外骨骼机器人的大腿、小腿和足部连接耳，将气缸活塞的伸缩运动转化为各关节的转动以实现外骨骼机器人的行走功能。

气压驱动方式在外骨骼机器人上应用较少，意大利研制的PAGO机器人、日本神奈川大学的 weamble Power Assist Suit采用的是气压驱动方式。

（3）液压驱动是以流体（液压油）为工作介质进行能量传递的一种方式，包括液体介质、能源装置、控制调节装置、执行装置、辅助装置等5个部分。

其工作原理为 ：液压泵吸油口从油箱中吸油，油液在液压泵中由于容腔容积的变化而被加压，再从排油口排出高压油，通过一系列压力控制阀、流量控制阀以及方向控制阀的控制，使油液以理想的状态到达液压缸（执行元件），推动液压缸的活塞做直线运动，最终转化成大腿、小腿、足部在矢状面内绕髋部、膝部和踝部的旋转运动。

同等功率的设备，液压传动装置的体积更小，质量更轻，结构紧凑，即液压驱动方式的推重比较大。

液压装置通过不同的组合可以实现不同的动作，而且由于液压油具有不可压缩性，其动态响应更快。液压驱动技术已经应用在国外很多成熟的外骨骼机器人上，而国内由于外骨骼机器人的研究起步较晚，液压驱动技术应用得比较少。

美国的BLEEx外骨骼机器人、洛克希德·马丁公司的全身外骨骼机器人HULC、美国雷神公司的XOS系列外骨骼机器人采用的是液压驱动。

2、三种驱动方式的技术优劣势

电机驱动采用电动机驱动方式的优点是电动机驱动的技术成熟、控制模式相对简单、响应快、控制精度易于保证、使用维护方便、信号检测和传递处理方便、驱动效率高、对环境污染小、成本较低。

但是，从外骨骼机器人的应用角度出发，要求驱动系统的体积小 且质量轻，在外骨骼机器人负重的情况下，如果要实现较大的动力驱动，则选取的电动机尺寸也会偏大，不利于整体的轻量化，而且也会影响机构的灵活性。

气压驱动采用气压驱动是一种较为成熟的驱动方式，其优点是：

1. 气压驱动工作压力低、使用安全、加速很快，制造精度强度要求比液压元件低且维护简单。
2. 气压传动的介质是取之不尽的空气，流动损失小，可集中供气，废气排放处理方便、无污染、成本低。
3. 气压驱动方式与液压驱动原理类似，其控制方法可以参考更成熟的液压驱动。

其缺点是：

1. 气动装置的信号反馈速度较慢。
2. 空气具有可压缩的特点，导致气动执行元件的动作稳定性差，速度及位置控制不够精确。
3. 压缩空气需要除水，泵驱动时噪声十分大，会造成噪声污染。
4. 气压驱动方式的推力偏小，不易实现精确的中间位置调节，通常是在2个极限位置使用。

总体来看，电驱动技术以及液压驱动技术由于 相对成熟，大多数外骨骼机器人都采用这2种驱动方式。对于用在康复等用途的外骨骼机器人，由于其负载作用力较小，大多采用的是电驱动方式。

液压驱动采用液压驱动方式的优点是：

1. 在输出同样大小功率时，液压传动方式的结构紧凑、体积小、质量轻。
2. 液压传动方式工作比较平稳，易于实现系统整体的柔顺性。
3. 液压油能润滑液压部件，使得液液压油的可压缩性和存在泄漏等因素，液压传动不能保证严格精确的传动比。

其缺点在于：

1. 液压传动中，能量损失较多，使得系统效率低。
2. 液压传动对油液温度的变化比较敏感（主要是黏性），系统的性能随温度的变化较大，不宜在温度较低或者较高的地方工作。
3. 为减少泄漏，液压元件需要有较高的加工精度，使得加工成本较高。
4. 液压传动一旦出现故障不易找出故障源。

3、外骨骼机器人三大核心系统：传感系统、控制系统、驱动系统

传感系统收集运动相关的信号传递给控制系统，控制系统处理传递来的信号转化为运动的指令，再传递到驱动系统，最终由驱动系统带动外骨骼的行动。

在此过程中，每个环节都存在着相应的技术难点，影响外骨骼机器人的形态、反应速度、随动能力、舒适程度等性能特征。

传感系统通过分布在外骨骼不同位置的传感器收集使用者的步态信息或运动意图，通过获取这些数据，以一定形式传送给控制系统。从收集的信息类型来分，可分为物理量传感器和生物量传感器。

• 物理量传感器可采集位置、角度、压力、扭矩等物理信息，从而判断使用者的步态周期，力反馈方法具有难以克服的滞后性，在进行一些动作时容易有阻碍感；
• 生物量传感器可采集由人体中枢神经控制的肌电信号，相对物理量传感器数据有一定超前性，但由于关节力矩和肌电信号不能找到一个一一对应的关系，且传感器要贴在人体表面，容易脱落、异位，测量结果易受干扰。

控制系统是外骨骼机器人的中央枢纽，通过对传感系统反馈的数据进行分析并规划步态模式，对驱动系统实现闭环控制，其中涉及到传感器融合算法、控制算法等一系列软件模块。

一般来说控制器集中位于背部，实施全局控制，包括系统主机、信号采集板、电机驱动板、电源管理等模块。但随着外骨骼自由度的增加、模型算法的复杂化，也可采用分布式控制，减轻中央控制系统的负担，提高系统响应速度。

驱动系统位于机器运行的末端，负责带动机械结构，执行控制系统传递来的具体任务。根据驱动形式的不同，主要分为三种驱动方式：电机驱动、气压驱动、液压驱动。三种方式各有优劣，其中以电机驱动在实际中应用较为广泛。

4、外骨骼机器人是项复杂的综合性任务，硬件及算法上仍然未取得突破

上述三大系统互相作用，以实现整个机器人的协调运动，其中涉及传感技术、机械控制、人体力学等多学科知识，是一项复杂的综合性任务。

现阶段，技术上仍存在许多难以突破的瓶颈，从而限制了产品的易用性，如复杂运动下响应速度不足、下肢机器人重心不稳、多自由度下协调控制困难等。

具体来说，难点主要集中在控制系统内，包括：多传感器融合技术、意图识别、重心调节、关节自由度和建模复杂程度的平衡等，这些是软件层面的难点。

此外，在驱动系统中，由于材料学科发展缓慢，电机的性能受到制约，进而限制了机器人的可应用场景，这是硬件层面的难点。

而目前，外骨骼的研究方向主要是围绕以下几个方面：

• 第一，柔性关节技术，动力源主要是具有高速响应的高功率输出的，目前主要是电驱动形式。
• 第二，意图识别技术，通过惯性量、交互量、脑电、肌电等来判断使用者运动意图。
• 第三，人工智能技术，每个人的步态方式不同，驱动角度和驱动力不同，通过数据磨合，寻找适合独自的模式。
• 第四，新型材料技术，通过更轻、更舒适的材料和人体结合，把各种模块合理布置。
• 第五，能源技术，保证安全性和高续航能力，还应该具有不同的防护能力。

总而言之，外骨骼机器人在技术上不断进步，功能上不断迭代。无论是学术界还是外骨骼机器人公司，都在全力进行软件算法的研发，欲在上述难点上实现技术的进一步突破，建立起技术壁垒和核心优势。

附1：引申阅读文章

1. 《目前最具代表性的外骨骼康复机器人种类介绍》
2. 《一文读懂全球康复外骨骼机器人 》
3. 《外骨骼机器人从学术到产业化发展的探索》

附2：相关展开阅读

1. 《一文了解“康复机器人”方向通识》
2. 《康复外骨骼机器人之技术篇》
3. 《康复外骨骼产学研的道路》
4. 《智能康复港平台生态》
5. 《康复外骨骼机器人纳入医保的难点》
6. 《盘点国内康复外骨骼机器人优质公司及产品》
7. 《了解外骨骼机器人_王天（程天科技创始人）》