日前，汽車供應(yīng)商Mubea 已簽署合作協(xié)議，開始為智能動(dòng)力套裝開發(fā)商German Bionic生產(chǎn)機(jī)器人外骨骼。據(jù)悉，德國Bionic 的Cray X 外骨骼采用碳纖維復(fù)合材料框架，通過積極放大他們的運(yùn)動(dòng)來幫助工人提升重物，從而保護(hù)下背部免受過度勞損。

　　外骨骼機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用領(lǐng)域

　　外骨骼（exoskeleton）原指為生物提供保護(hù)和支持的堅(jiān)硬的外部結(jié)構(gòu)。比如蟑螂、甲蟲等硬殼昆蟲或蝦、蟹之類的甲殼類動(dòng)物。人類、鳥類等具有皮毛的動(dòng)物則都屬于內(nèi)骨骼結(jié)構(gòu)。外骨骼機(jī)器人（exoskeleton robot）可理解為一種結(jié)合了人的智能和機(jī)器人機(jī)械能量的人機(jī)結(jié)合可穿戴裝備，可將人體感覺、思維、運(yùn)動(dòng)等器官與機(jī)器的感知系統(tǒng)、智能處理中心、控制執(zhí)行系統(tǒng)相結(jié)合，從而達(dá)到改善人體物理機(jī)能及提高身體素質(zhì)等目的，其本質(zhì)是一類可實(shí)現(xiàn)人機(jī)結(jié)合的可穿戴式機(jī)器人。

　　外骨骼機(jī)器人發(fā)源自軍事領(lǐng)域。從 2000 年開始，美國軍方率先開展對增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼機(jī)器人研究，其目的是設(shè)計(jì)增強(qiáng)型軍用裝甲以提高士兵個(gè)人防護(hù)能力。美國政府出資數(shù)千萬美元先后與加利福尼亞大學(xué)伯克利分校機(jī)器人和人體工程實(shí)驗(yàn)室、Oak Ridge 美國國家實(shí)驗(yàn)室、美國Sarcos Robotic 公司等研究單位進(jìn)行合作，要求研究出具有自身能源供應(yīng)裝置、現(xiàn)代化通訊系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、作戰(zhàn)武器系統(tǒng)、噸級(jí)負(fù)荷能力、高速運(yùn)動(dòng)能力以及保護(hù)功能的外骨骼機(jī)器人。

　　在工業(yè)領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人為工人提供了更多的力量、敏捷性和耐力，可以讓他們舉起重物，減少人員的整體負(fù)擔(dān)、提高工作效率。事實(shí)上，世界上一些大的工業(yè)公司已經(jīng)意識(shí)到這些外骨骼解決方案的價(jià)值。例如，福特已將Ekso Bionics的第一代可穿戴外骨骼EksoVest 添加到七個(gè)國家的15家裝配廠。

　　在工業(yè)領(lǐng)域之外，外骨骼機(jī)器人被廣泛運(yùn)用在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，幫助老年人、殘疾人重獲行走的能力。CNN曾報(bào)道，在2020 年舉辦的查爾斯頓馬拉松比賽中，一位下半身癱瘓的中年男子亞當(dāng)，借助Rewalk 公司的可穿戴式動(dòng)力外骨骼機(jī)器人，跑完全程26.2英里的馬拉松。

　　國際研究機(jī)構(gòu)ABI 認(rèn)為外骨骼將在近十年時(shí)間實(shí)現(xiàn)快速增長，2028 年之前有望實(shí)現(xiàn)全球性規(guī)?；鲩L。

　　2020 年至2030 年，外骨骼機(jī)器人產(chǎn)業(yè)預(yù)估CAGR 33%。其中，2025 年至2028 年為高速增長階段，預(yù)估3 年 CAGR47.7%，2028 年全球市場規(guī)模將達(dá)58 億美元。

　　國內(nèi)關(guān)于可穿戴外骨骼機(jī)器人的研究則稍晚，中科院在2004 年正式開展關(guān)于外骨骼機(jī)器人的研究工作。除此之外，海軍航空學(xué)院、中科院合肥智能研究所、清華大學(xué)等科研單位也逐漸開展了外骨骼機(jī)器人的技術(shù)研究。

　　另據(jù)報(bào)道，中國航天科工二院科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功研發(fā)并交付了首批敏捷型無動(dòng)力外骨骼。由于使用了大量碳纖維材料，該型外骨骼不僅重量只有4 公斤左右，而且不容易斷裂，具有很好的抗沖擊能力，在山地中使用時(shí)即使偶爾出現(xiàn)碰撞也不容易損壞。

　　追求輕量化的外骨骼機(jī)器人

　　影響機(jī)器人外骨骼的因素有很多，其中輕量化占據(jù)著很大的比重。在追求可穿戴外骨骼機(jī)器人輕量化的過程中，人們發(fā)現(xiàn)碳纖維可以完美取代傳統(tǒng)的鋁鈦合金。通過采用碳纖維材料來制作外骨骼機(jī)器人部件可整體減重約20%，這能極大的方便患者使用外骨骼機(jī)器人，并且使用了碳纖維的外骨骼機(jī)器人結(jié)構(gòu)更輕量化，也更能減少電力消耗提升續(xù)航。

　　實(shí)驗(yàn)表明碳纖維機(jī)器人外骨骼與傳統(tǒng)金屬材質(zhì)相比有著很多優(yōu)勢，可以滿足一些特殊環(huán)境對于材料的特殊要求。其耐腐蝕、耐高溫、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等特性可以讓機(jī)器人外骨骼更好地發(fā)揮其性能，尤其耐腐蝕的特性可以讓其工作時(shí)間得到提升，不必因?yàn)楸桓g而不得不整體更換。

　　日本筑波大學(xué)Cybernics 實(shí)驗(yàn)室曾推出一款名為HAL（Hybrid AssistiveLeg）的穿戴型助力機(jī)器人，目前該外骨骼機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展到第五代產(chǎn)品。最新的配備碳纖維材質(zhì)的HAL-5的質(zhì)量約為 21Kg，整體可以承受150～230Kg的重物，同時(shí)它配備了很多傳感器，便于實(shí)時(shí)獲取外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信息。

　　Bionic的第5代防水Cray X

　　據(jù)了解，German Bionic 第五代碳纖維外骨骼主動(dòng)步行輔助與背部支撐雙智能，通過主動(dòng)步行輔助和其他開創(chuàng)性技術(shù)在手動(dòng)處理環(huán)境中增加人類增強(qiáng)的新維度。

　　第5 代Cray X 承了其前身的碳纖維框架、物聯(lián)網(wǎng)功能和智能工廠集成，但現(xiàn)在配備了更強(qiáng)大的電池，旨在為用戶提供更長時(shí)間的電力。當(dāng)電量不足時(shí)， 40V 電池也可以快速更換為新電池，以保持生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　除了保護(hù)佩戴者的下背部外，這款新型號(hào)還提供主動(dòng)步行輔助——因此工人在拿起高達(dá)66磅（30公斤）的負(fù)載時(shí)得到支持，將它們帶到他們需要去的地方，并在需要時(shí)放下它們他們到達(dá)那里。

　　第5 代Cray X 外骨骼全連接，兼容智能工廠，并包含基于AI 的安全系統(tǒng)，可對不正確的舉重操作或不良姿勢發(fā)出警告。

　　設(shè)計(jì)中內(nèi)置了新用戶的輔助系統(tǒng)，在集成顯示屏上顯示提示和說明，讓他們快速安全地啟動(dòng)和運(yùn)行，而基于人工智能的人體工程學(xué)預(yù)警系統(tǒng)會(huì)提醒佩戴者姿勢不良或舉升方法不正確。

　　最后，IP54防水使得可以在干燥、潮濕或多塵的室外環(huán)境中使用，為“建筑工地、室外倉庫或汽車修理廠”打開了平臺(tái)。與其前身一樣，重量輕的碳纖維結(jié)構(gòu)Cray X 可輕松連接到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和所有智能工廠生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)業(yè)務(wù)流程的真正集成。

　　Uchida的C-FREX下半身外骨骼

　　位于日本琦玉的Uchida Carbon Composite Technology 是一家專業(yè)開發(fā)外骨骼的公司，其產(chǎn)品C-FREX 可穿戴在不能獨(dú)立行走的患者并為其提供支撐。

　　該公司開發(fā)出的C-FREX 外骨骼，由重量輕的電動(dòng)機(jī)和電池供電，可為患有脊髓損傷的人們提供移動(dòng)性。C-FREX 采用新穎的輕巧設(shè)計(jì)取代了金屬框架元件和動(dòng)力馬達(dá)，它使用CFRP 及其彈性特性幫助佩戴者更自然地行走而不會(huì)移動(dòng)其腿部。

　　C-FREX 沒有使用重型電動(dòng)機(jī)或電池組，取而代之的是，它利用了碳纖維增強(qiáng)塑料組件的強(qiáng)度、剛度和重量輕等特點(diǎn)，但它依然為佩戴者提供了力量。

　　C-FREX 設(shè)計(jì)解決了當(dāng)前設(shè)備的笨重問題，它在大腿處使用碳纖維材料，以便通過更自然的運(yùn)動(dòng)傳遞動(dòng)力，而 CFRP 材料的彈性也使腳的傳遞更加容易。使用腳部CFRP 板中的彈簧來激活彈性能，以得到先前聚碳酸酯所產(chǎn)生的向前推力。公司使用延伸機(jī)構(gòu)開發(fā)了膝關(guān)節(jié)屈曲系統(tǒng)。C-FREX 膝關(guān)節(jié)在與步行周期對齊時(shí)會(huì)彎曲和伸展，這使 RGO 和ARGO 設(shè)備具有直腿步行機(jī)制的特征，并具有改善的、更自然的、更少的身體壓力步態(tài)。

　　該公司通過Markforged 的3D 打印機(jī)，使用連續(xù)的碳纖維增強(qiáng)尼龍3D 打印膝關(guān)節(jié)，并使用金屬部件來完成關(guān)節(jié)機(jī)制。支撐大腿的部位也通過3D 打印制造。這種加工方式從預(yù)浸料中脫穎而出，因?yàn)樗鼈冃枰鶕?jù)客戶的長短進(jìn)行定制，以適合每個(gè)用戶。C-FREX 原型使用了日本帝人公司的W-3101-A / Q-1120E 3K 平紋碳纖維/ 環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。

　　Noonee的外骨骼座椅

　　Noonee 是全球可穿戴式人體工廠學(xué)機(jī)電設(shè)備（WEMDs）供應(yīng)商，其生產(chǎn)的Chairless Chair 2.0 致力于提高人體工程學(xué)在制造業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果，它們和機(jī)械外骨骼類似，卻又更為實(shí)用：這種特殊的“椅子”可以像盔甲般穿戴在用戶身上并在必要的時(shí)候發(fā)揮座椅的功能，在該設(shè)備的幫助下，用戶可以輕松地在復(fù)雜工況中實(shí)現(xiàn)坐姿、站立姿勢和行走姿勢的切換，使用戶能夠以健康的姿勢工作，主要應(yīng)用場景為工廠生產(chǎn)線和裝配線。

　　該公司新一代外骨骼座椅為 Chairless Chair 2.0。這款外骨骼座椅的材質(zhì)主要為碳纖維，相對于前一代產(chǎn)品，Chairless Chair 2.0 產(chǎn)品重量減少了25%，產(chǎn)品重量僅為2.95kg。

　　在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，黑色連續(xù)呈現(xiàn)的新設(shè)計(jì)，現(xiàn)代而纖??；帶有橡膠接頭的更輕巧的鞋子連接器，可提供更高的安全性和運(yùn)動(dòng)靈活性；提供兩種尺寸的背心，易于調(diào)節(jié)，并為腰帶提供4點(diǎn)固定；在前一代實(shí)用大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，新一代產(chǎn)品在合身性、尺碼、透氣性和舒適性方面進(jìn)行了優(yōu)化，更加耐用和舒適。

關(guān)注讀覽天下微信， 100萬篇深度好文， 等你來看……