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外骨骼机器人离我们有多远 | 初心行研

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2019年后不久,两部新上映的科幻电影 《流浪地球》和《阿丽塔》成为热门话题。《流浪地球》年,身着外骨骼机甲的救援队成员在严酷的地球表面上为生存而战,在这种装备的支持下,徒步送弗林特走上数千英里是可能的。在《阿丽塔》中,人类失去的肢体可以被机器代替,身体功能可以得到极大的改善。

两部电影和两个故事,虽然背景不同,但真诚和充满科技感都让观众思考。与俗气的科幻电影中机器人反抗人类的场景相比,这种由人类主导的世界观显然更符合观众的口味。今天,我们也抛开可以取代人类的全自动机器人,谈论一种更“和谐”的人机结合技术:外骨骼机器人。

本报告将逐一讨论以下内容:

Introduction |外骨骼机器人开发与进化

Market |外骨骼机器人潜在市场规模

Products |外骨骼机器人产品系统

Technology |外骨骼机器人技术路径

Analysis |外骨骼机器人国内外市场库存

视点|外骨骼机器人未来路径

01 Introduction |外骨骼机器人开发与进化

要谈论外骨骼机器人,首先必须了解什么是外骨骼机器人。直觉上,外骨骼机器人是“穿在身上”的机器人,它是《阿丽塔》世界观的翻版,或者《流浪地球》救援队更接近外骨骼机器人现在应该有的形状。改造人可以将多个器官改造成机器,以提高身体机能和身体素质。借助外骨骼,救援队已经变得足够强大,能够承受各种恶劣的外部环境。尽管现实生活中的外骨骼机器人没有如此强大的生长效果,但它们的作用不外乎是:增强力量和提供帮助。

早期外骨骼机器人主要由液压驱动。“外骨骼机器人”出现之初,它们主要用于军事领域,以满足军队训练士兵的需要。1965年,在美国国防部的支持下,由通用电气公司和康奈尔大学联合开发的可穿戴机械样机哈德曼(Hardiman)是第一个开发辅助外骨骼机器人样机的同类产品。哈德曼可以通过马达驱动举起341公斤重的物体,但由于技术限制,产品的体积和重量太大,无法在实践中使用,因此外骨骼机器人的研究已经消失。在接下来的几十年里,随着传感技术、材料技术和控制技术的飞速发展,到20世纪末,外骨骼机器人再次进入蓬勃发展的阶段。美国、日本、俄罗斯等国已经开展了大量外骨骼机器人的研究工作。

2000年,美国国防高级研究计划局(DARPA)投资5000万美元,资助旨在提高士兵行军能力的“外骨骼增强人体功能”项目(EHPA)的研发。在这个项目的支持下,加州大学伯克利分校开发了BLEEX原型。这组设备中有40多个传感器。来自力传感器的信息可用于逆转人与机器之间的相互作用力,以获得佩戴者的运动意图。驱动模式由六个接头上的液压驱动器驱动。BLEEX由于其复杂的结构、高能耗和不舒适的使用时间而无法从国防高级研究计划局获得第二阶段的资助。然而,其领导者卡兹罗尼教授基于BLEEX研究的结果开发了一款更加便携、简洁和实用的HULC,并成立了伯克利仿生学公司进行市场化运作。HULC由液压驱动器驱动,使用两节3.6千克锂电池作为动力源。产品净重24公斤,承重能力是BLEEX的三倍,达到91公斤,允许用户连续3小时以5公里/小时的速度行走。HULC随后被著名的武器承包商洛克希德马丁公司收购。

Sarcos是另一家参与EHPA项目的公司。雷声公司在2007年收购了它,用于开发外骨骼机器人xos,然后发展成为XOS 2号。产品由高压液压系统驱动,但泵源和动力系统不集成;相反,液压油箱和液压泵源独立地布置在机器人外部。

从上述产品的开发过程可以看出,研发

日本筑波大学的Yoshiyuki Sankai博士领导的科研团队开发了HAL系列外骨骼机器人。随后,该团队与赛博达因合作,于2008年将哈尔投入商业生产。哈尔现已发展到第五代。HAL-5通过肌电图传感器收集人体运动信息,并通过电机驱动。该产品重约15公斤,电源小,使用寿命长,主要用于医疗康复、助残、灾难现场救援等目的。

以ReWalk为代表的公司已经尝试了医疗领域的机会,并获得了资本市场的批准。

国外的其他商业产品也专注于医疗残疾领域。例如,以色列的ReWalk产品是由阿米特戈(Amit Go)发明的?呃)我截瘫了。Rewalk的目标是恢复腰部以下截瘫患者的活动能力。机器人由电机驱动的腿部结构、人体姿态传感装置和带有处理器和电源的背包组成。此外,需要拐杖来帮助保持身体平衡。在同一时期,还有美国的Ekso仿生学公司。

上述三家公司在外骨骼机器人商业化方面取得了一些成绩,分别于2014年在东京和美国上市。

外骨骼机器人在我国的发展还处于初级阶段。

外骨骼机器人的研究在我国起步较晚。与此同时,由于资金有限,大学层面的研究相对落后,原型略显粗糙。在商业层面,研发公司大多从具有强大商业现金流能力的医疗或工业领域开始开发外骨骼机器人产品。主要公司包括人工智能机器人、行走机器人、傅立叶、水牛机器人、英汉思维机器人、真钢拳、骄傲鲨鱼智能等。

02 Market |外骨骼机器人的潜在市场规模

目前,外骨骼机器人市场中的公司主要以医疗康复、商业援助和工业为主要战场,未来将发展并延伸到民用领域。在此基础上,我们将通过划分轨道段来分析整个市场规模。

医疗康复领域

就医疗康复而言,中国大约有9000个康复外骨骼机器人(用于重度偏瘫、中风等患者)。),市场规模达几十亿。然而,渗透率和生长率是限制该领域发展的重要因素。

根据《中国卫生统计年鉴》,2017年只有552家专科康复医院。根据国家统计局的数据,2017年全国共有11,701家综合医院。根据公共数据,2017年中国综合医院中设有康复部门的医院比例为30%-35%。据此,中国大约有3500-4000家设有康复部门的综合医院。因此,中国需要康复外骨骼机器人的康复医院总数约为4000-4500家。因此,基于医院平均购买1-2套设备,中国康复外骨骼机器人的库存需求不超过9000套,行业平均价格在几十万(30万-300万)之间。由于医院购买力、基础设施、产品形式、医疗认证、生产能力等综合因素的影响,康复外骨骼机器人的市场渗透率极低,需求基本为1套。我们认为短期内它仍然是一个小市场。

此外,对于普通的社区康复中心,由于规模小,服务条件有限,康复方法主要是传统按摩和理疗,主要疾病是轻度运动损伤。我们判断他们短期内不具备购买大型康复设备的能力和需求,尚未统计。

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(数据来源:国家统计局)

助行外骨骼机器人的潜在市场需求约为1500万台,市场规模约为1200亿元。与康复市场相比,助行器外骨骼机器人的市场规模更具前景,2C是一个具有足够高上限和足够大市场空间的增量市场。

助行外骨骼机器人的目标是在日常生活中为用户提供持续的帮助。我们从高端市场需求来估计。根据细目分类,我们可以把需要的人分开

根据第六次全国人口普查,我国身体残疾的人数分别为8524万和2472万。我们假设严重身体残疾和轻度身体残疾的比例分别为30%和70%。对于身体严重残疾的人来说,助行器受到尺寸、耐力和价格等因素的限制,这些因素几乎没有实际效果。因此,这批人不愿意购买,潜在需求估计约为7000套。对于轻度身体残疾的人来说,他们的需求接近老年人的需求。中国听力受损人群助听器普及率约为5%。据估计,外骨骼的渗透率将在未来几年达到1%,潜在需求约为17万套。

老年人口根据国家统计局的数据,2017年中国老年人口将达到1.58亿,预计到2020年中国老年人口将达到1.8亿。与轻度身体残疾组相似,预计渗透率为1%,潜在需求为158万套。

COA2016对无行走障碍者的调查结果显示,中国约有1.3亿人进行各种泛户外运动,如徒步旅行,其中约有6000万人进行登山等运动。渗透性是指其他户外产品:2017年户外运动爱好者中帐篷的渗透性将达到20%。乐观估计外骨骼机器人的渗透率为10%,潜在需求约为1300万台,但我们认为这部分需求的市场尚未到来。

(数据源:美国国家统计局)

工业领域

外骨骼机器人可广泛应用于物流分拣、工厂生产、建筑搬运、石油勘探等各种场景。中国约有3400万工人从事繁重的体力劳动,潜在市场规模约为200-300亿元人民币。

首先,根据《2016年中国自动化市场白皮书》,2015年中国自动化和工业控制市场规模为1390亿元,预计2017年将达到1593亿元,CAGR只有7%。我们可以看到,中国的自动化进程已经进入一个逐步增长的阶段。这意味着在现有技术的支持下,工业自动化已经达到了一个顶峰。在许多精细和非标准化的操作或现场工作情况下,自动化机器无法胜任,人力仍然是工业生产中不可或缺的生产力来源。

(数据来源:《2016年中国自动化市场白皮书》)

同时,我们也可以看到中国工业领域的实际劳动力供给形势严峻。根据国家统计局公布的数据和六大统计数据,我们估计了近年来重型体力劳动行业(如采矿、工业制造、建筑、装卸和仓储)的雇员总数的变化。自2013年以来,这些主要领域的雇员人数持续减少,2017年共有约3400万名雇员。

(资料来源:国家统计局,第六次人口普查)

随着员工人数的下降,我们也可以发现劳动人口老龄化的现象。以农民工为例,41岁以上的农民工比例从2008年的30%上升到2015年的45%。这部分工人身体上难以适应生产环境和高速运转的需求。长期重复劳动引起的职业病进一步降低了工人的生产效率。这部分对外骨骼机器人有很大的需求潜力,可以增强工人的力量,减轻他们的负担。每100人有一个外骨骼,平均价格为60-10万元人民币,市场规模约为200-300亿元人民币。

03 Products |外骨骼机器人产品系统

根据提供力量支撑的不同器官,目前主流外骨骼机器人在产品形式上主要包括三种类型:上肢外骨骼机器人、下肢外骨骼机器人和腰部外骨骼机器人。在此基础上,出现了更“经济”的单关节外骨骼机器人和全新的软外骨骼机器人。不同形式的外骨骼适用于不同的场景,如医疗领域、工业领域和民用领域。

下肢外骨骼机器人

下肢外骨骼机器人在形态学上可以分为两种类型。一种是全覆盖:它包括位于腰部后面的主底盘、完全覆盖两条腿外侧的金属结构和足底金属结构。有些产品将配备支撑拐杖,以实现控制和支撑功能,有些产品将配备支架或吊绳。主机箱中有系统操作平台和电源等硬件模块,其大小和重量因产品而异。在下肢结构中,髋关节、膝关节和踝关节通常被设计为活动关节,能够自由活动的关节数量通常称为“自由度”。自由度与机器人模拟人体的能力密切相关。另一种是半覆盖:除了主底盘,下肢只有腿部固定结构、关节和连接结构,因此产品设计更加紧凑和轻便。一般来说,产品越重,适用人群对机器的需求就越高,机器为瘫痪病人、偏瘫病人等提供的支持就越大。轻型产品的使用场景也比较灵活,适合的人有一定的行走能力。

上肢外骨骼机器人

上肢外骨骼机器人和半覆盖下肢产品在形状上非常相似,只有固定在下肢上的结构被转移到上肢,在结构上,它还通过关节自由辅助人体运动。

腰部外骨骼机器人

腰部外骨骼机器人在外形上类似于曾经流行的“背部美人”。产品用织物固定在背面,产品的主体是放在主体上的主底盘。各种功能模块都安装在机箱内。主要用于经常弯曲和搬运的场景,如物流、建筑工地等。

软式外骨骼机器人

目前市场上的软式外骨骼机器人实际上是下肢外骨骼机器人之一。从使用场景来看,它也与轻型金属结构外骨骼机器人重叠,但其形状和技术路线与金属结构的下肢外骨骼完全不同。主机箱仍然存在,但结构越来越小。下肢部分通过纺织品固定在人体上,辅助由绳索而不是关节结构提供。

04 technology |外骨骼机器人技术path

外骨骼机器人三个核心系统:传感系统、控制系统、驱动系统

传感系统收集运动相关信号并将其传输到控制系统。控制系统将传输的信号处理成运动指令,然后传输到驱动系统,最后驱动系统驱动外骨骼运动。在此过程中,各个环节都存在相应的技术难点,影响外骨骼机器人的外形、反应速度、跟踪能力、舒适度等性能特征。

传感系统通过分布在外骨骼不同位置的传感器采集用户的步态信息或运动意图,并通过采集数据以一定的形式传输给控制系统。根据收集的信息类型,可分为物理量传感器和生物量传感器。物理量传感器可以采集位置、角度、压力、扭矩等物理信息,从而判断用户的步态周期。力反馈方法具有滞后现象,这种滞后现象难以克服,并且在执行某些动作时容易感觉到阻碍。生物质传感器可以采集人体中枢神经系统控制的肌电信号。与物理量传感器的数据相比,生物质传感器有一定的进步。但是,由于关节扭矩和肌电图信号不能一一对应,传感器附着在人体表面,容易脱落和异位,测量结果容易受到干扰。

控制系统是外骨骼机器人的中枢。通过分析传感器系统反馈的数据,规划步态模式,实现驱动系统的闭环控制,包括传感器融合算法和控制算法等一系列软件模块。一般来说,控制器位于后面,实现全局控制,包括系统主机、信号采集板、电机驱动板、电源管理等模块。然而,随着

外骨骼机器人通常有两种方式使用电力驱动。一种解决方案是将盘式电机直接安装在旋转接头上,并利用电机转子的旋转来驱动接头旋转。该安装方法结构简单,易于维护和拆卸。然而,这种方案会使外骨骼机器人的旋转关节非常沉重,安装空间有限,由于电机的尺寸限制,往往达不到理想的输出驱动力。因此,该方案主要用于实验室原理样机进行相关实验研究。另一种方案是用电动推杆驱动,通过连接耳将电动推杆的两端与外骨骼连接,将电机的旋转运动转化为推杆的直线运动,推动旋转关节旋转。电动推杆通常由电机和丝杠组成,通常采用直流电机。其原理是电机的旋转带动丝杠螺母旋转,然后螺母利用丝杠副的原理推动丝杠做直线运动,使丝杠带动外骨骼机器人的大腿、小腿和脚分别围绕髋关节、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上的屈曲和伸展运动。日本筑波大学的HAL、美国机器人学的Roboknee和中国科学院常州先进制造研究所于2014年开发的外骨骼机器人Exop-L都是由电机驱动的。

气动驱动模式的原理与液压驱动模式相似。以气体为介质,通过一系列控制阀的控制,气体最终带动气缸活塞做直线运动。通过将气缸分别连接到外骨骼机器人的大腿、小腿和脚连接耳上,将气缸活塞的伸缩运动转化为每个关节的转动,实现外骨骼机器人的行走功能。气动驱动很少用于外骨骼机器人。意大利开发的PAGO机器人和日本神奈川大学的温布利动力助手套件采用气动驱动。

液压传动是以流体(液压油)为工作介质传递能量的一种方式,包括液体介质、能量装置、控制调节装置、执行装置和辅助装置五部分。其工作原理是:液压泵的吸油口从油箱中吸油。液压泵中的油由于空腔容积的变化而被加压,然后高压油从排油口排出。通过一系列压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀的控制,油在理想状态下到达液压缸(执行元件),推动液压缸的活塞做直线运动,最终转化为大腿、小腿和脚在矢状面上围绕臀部、膝盖和脚踝的旋转运动。对于相同功率的设备,液压传动装置体积较小、重量较轻、结构紧凑,即液压驱动方式的推动重量较大。液压装置可以通过不同的组合实现不同的动作,由于液压油的不可压缩性,其动态响应更快。液压驱动技术已经在国外许多成熟的外骨骼机器人上得到应用。然而,由于我国外骨骼机器人研究起步较晚,液压驱动技术的应用相对较少。美国布里克外骨骼机器人、洛克希德马丁公司的全身外骨骼机器人HULC和雷声公司在美国的XOS系列外骨骼机器人都是液压驱动的。

三种驱动方式的技术优缺点

采用电机驱动方式的优点是电机驱动技术成熟,控制方式相对简单,响应速度快,控制精度容易保证,使用维护方便,信号检测和传输处理方便,驱动效率高,环境污染小,成本低。然而,从外骨骼机器人的应用角度来看,驱动系统需要体积小、重量轻。如果要在外骨骼机器人承载重负载的条件下实现更大的动力驱动,所选电机的尺寸将会过大,这不利于整体轻量化,并且还会影响机构的灵活性。

气动驱动是一种成熟的驱动方式,具有以下优点:(1)气动驱动比液压元件工作压力低、使用安全、加速快、制造精度和强度要求低、维护简单。(2)气压传动介质是取之不尽的空气,流量损失小,供气集中,废气排放处理方便,无污染,成本低。(3)气动驱动模式与液压驱动原理相似,其控制方法可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慢。(2)空气是可压缩的,导致气动执行机构稳定性差,速度和位置控制不准确。(3)压缩空气需要脱水。泵的驱动噪音很大,这会造成噪音污染。(4)气动驱动方式推力相对较小,难以实现精确的中间位置调整。它通常用于两个极限位置。一般来说,由于电驱动技术和液压驱动技术的相对成熟,大多数外骨骼机器人采用这两种驱动方式。对于用于康复和其他目的的外骨骼机器人来说,由于它们的负载力很小,大多数都是由电力驱动的。对于用于战场行军、抗震和其他目的的外骨骼机器人,由于其负载大,大多数由液压驱动。

液压传动的优点是:(1)输出相同功率时,液压传动结构紧凑,体积小,重量轻。(2)液压传动方式工作平稳,易于实现系统的整体顺应性。(3)液压油可以润滑液压元件,使液压油的压缩性和泄漏等因素。液压传动不能保证严格准确的传动比。其缺点是:(1)在液压传动中,能量损失较大,使系统效率低下。(2)液压传动对油温(主要是粘度)的变化很敏感。系统性能随温度变化很大,因此不适合在温度较低或较高的地方工作。(3)为了减少泄漏,液压元件需要有较高的加工精度,导致较高的加工成本。(4)一旦液压传动出现故障,就很难找到故障的根源。

外骨骼机器人是一项复杂而全面的任务,在硬件和算法上仍然没有突破。

以上三个系统相互作用,实现整个机器人的协调运动,涉及传感技术、机械控制和人体力学等多学科知识,是一项复杂而全面的任务。目前,仍然存在许多难以突破的技术瓶颈,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定、多自由度协调控制困难等。具体来说,难点主要集中在控制系统上,包括多传感器融合技术、意图识别、重心调整、关节自由度平衡和建模复杂性等。这些是软件层面的困难。此外,在驱动系统中,由于材料科学发展缓慢,电机的性能受到限制,从而限制了机器人的适用场景,这是硬件层面的难点。

自开发以来,外骨骼机器人在技术上不断改进,在功能上不断重复。学术界和外骨骼机器人公司都在全力从事软件算法的研究和开发,以便在上述困难上取得进一步突破,并建立技术壁垒和核心优势。具体内容将在第五部分详细介绍。

05分析|国内外外骨骼研发企业名录

医学领域

Head医用外骨骼机器人上市性能远低于预期。一些公司试图进入工业领域“外骨骼机器人公司”。让我们和外国领导人谈谈。首先,我们将介绍上面列出的三家国外外骨骼机器人公司:以色列的Rewalk、日本的赛博达因和美国的Ekso仿生学。“Rewalk”公司简介Rewalk是外骨骼机器人商业化的领导者。该公司成立于2001年,2011年获得美国食品药品管理局(FDA)资格认证,2014年在纳斯达克(NASDAQ: RWLK)上市。

产品形式外骨骼机器人的开发和推广

作为外骨骼机器人领域的创始人,Rewalk为以后的产品开发和商业化奠定了方向。然而,近年来,由于其糟糕的财务表现,医用外骨骼机器人市场一直低迷。2018年,ReWalk实现收入665.4万美元,净利润-2167.6万美元,全年全球共发运85台,远低于2017年的107台。2014年上市后,股价达到4.371美元的历史高点,市值为30.8亿美元。该公司目前的股价仅为0.26美元,市值为1864.1万美元。

Esko仿生学

Company简介Ekso仿生学成立于2005年。主要从事医用外骨骼机器人的研发。该产品于2012年获得美国食品和药物管理局和欧洲CE的认证。它也于2014年登陆纳斯达克。

产品形式在医疗康复领域,公司主要推广EksoGT。与Rewalk的产品相比,它们的形状没有太大的不同,但它们没有支撑拐杖,具有一定的自我平衡能力。这种产品的价格是10万美元。

从2015年开始,该公司将扩大其在工业领域的业务,并推出其产品EksoVest。产品本身技术含量相对较低,采用基于弹簧的机械辅助,主要为工人提供力量增强,减少工伤的可能性。

应用场景EksoGT产品主要针对神经损伤患者,可以实现不同损伤级别的康复训练。EksoVest目前用于工业生产,主要服务于福特等汽车工厂的客户。

财务绩效(Financial Performance)由于医用外骨骼机器人发展缓慢,2016年,公司开始向工业领域扩张,增长率逐渐提高。从整体财务业绩来看,Ekso仿生学2018年实现收入1133.2万美元,净利润2699.2万美元。2014年上市后,该公司股价达到10.08美元的历史高点,市值为6.4亿美元。目前,该公司股价为236美元,市值为1.5亿美元

Cybodyne

company profile Cybodyne成立于2004年。赛博达因主要从事医用外骨骼机器人的研发,由日本筑波大学教授三凯义行(Yoshiyuki Sankai)创立。HAL系列产品于2008年正式上市;2014年,该公司在东京证券交易所上市。2013年欧洲CE认证。

与ReWalk相比,赛博达因开发的HAL系统应用范围更广。截瘫患者不仅有医用下肢外骨骼系统,还有腰部辅助外骨骼、单关节外骨骼等。该产品的核心技术在于基于皮肤表面生物电信号的意图识别算法。由于产品价格高,公司将把产品租赁到B端市场。

应用场景不同的场景应用不同形式的产品:CE认证的医疗产品用于行走障碍患者的康复训练,非认证的下肢产品用于慢性病康复和正常人辅助,单关节外骨骼用于力量训练,腰部外骨骼用于辅助。

财务业绩从整体财务业绩来看,赛博达因在2018财年(截至2018年3月31日)实现了17.28亿日元的收入和-6.73亿日元的净利润。从历史数据来看,该公司的收入稳步增长,净利润和零点之间的差距也在缩小。然而,该公司在资本市场的表现也很糟糕。2014年上市后,该公司股价已达到26美元的历史高点,目前股价已跌至5.86美元。

就国内市场而言,近年来出现了许多外骨骼机器人初创企业,其中大部分以医疗领域为起点。根据不同公司的产品形式和市场细分,我们将医用外骨骼机器人分为四种类型:重康复、轻康复、重助行走和轻助行走。其中,重康复产品旨在为中度至重度行走障碍患者甚至丧失行走能力的患者提供康复训练。重型助行器产品旨在为这些人提供持续的日常帮助

北京大爱机器人科技有限公司是一家专注于运动功能障碍康复领域的高端医疗机器人创新企业。公司为医疗机构和脊髓损伤、脑损伤患者提供各种专业康复外骨骼机器人设备,促进下肢运动功能障碍患者的高效康复。产品外骨骼机器人在中国医疗康复机器人领域处于领先地位。这是北京实施《北京市医疗器快速审评审批办法》后批准的首个创新医疗器械产品,并获得了中国首个外骨骼机器人CFDA注册证书。

产品表单公司目前正在开发两种产品:艾东和艾康。产品形式与国外Rewalk产品相似,包括一套下肢外骨骼和一对拐杖或固定支架。下肢产品有四个自由度,传感器、驱动器和控制器安装在每个关节上,为行走提供力量和控制。腰部和腿部设有固定带,病人的脚固定在机器人的底鞋上,实现稳定和支撑。后面的电脑版本设置了病人的步态和速度等参数。该产品重20公斤,持续8小时,价格在200万到300万英镑之间。

核心技术硬件,髋骨和膝盖两侧有四个电机,通过电机驱动提供动力和控制。在软件层面,采用自主开发的智能康复数字系统配合多传感器实现意图识别、步态规划、速度调节等功能,并在患者康复过程中进行实时再评估和再诊断,从而以这种循环方式为不同患者制定全面综合的康复计划。该产品暂时没有重心调节功能,需要拐杖(艾条运动)或移动长凳(艾康)支撑。

应用场景产品主要针对重度偏瘫、脊髓损伤、脑损伤、脑瘫等运动障碍患者。其中,艾康配备了一个移动长凳,早期康复患者可以在康复训练期间使用它来支撑和稳定骨盆,以使身体形态高于患者腰部。艾登配有拐杖,可以在更自由的场景中使用,模拟人体自然行走步态,适合中期康复和术后康复。水牛机器人公司简介水牛机器人是外骨骼机器人产品供应商和系统解决方案供应商。公司依托电子科技大学机器人研究中心成立,业务涉及康复医疗外骨骼机器人的自主研发、大规模生产和营销。该公司开发的产品曾允许截肢者在第九届残奥会上用脚行走并点燃主火炬。

产品形式该产品由一套穿戴设备和一副拐杖组成。形式类似于大爱的产品。该产品重20公斤,可持续2小时,价格30万元。

核心技术在硬件层面采用电机驱动。一般来说,技术路线类似于大爱。区别在于独立开发的软件算法,在传感器信号处理和步态规划方面略有不同。

应用场景水牛机器人产品专为丧失行走能力的患者设计。它们适用于T9-T12脊柱损伤患者,旨在帮助他们恢复行走能力。然而,目前该产品主要通过长期和短期步行训练减少瘫痪患者肌肉萎缩、褥疮等并发症的发生。它们更适用于医院辅助治疗,不能恢复病人自由行走的能力。

步进机器人

公司简介步进机器人(Stepping Robot)是医疗康复机器人的研发公司,专注于下肢外骨骼机器人和其他用于中风患者步态康复的医疗康复机器人的研发。主要产品包括康复机器人、柔性驱动器、医疗机器人、外骨骼机器人康复设备、下肢康复外骨骼机器人等。

产品形式的产品没有拐杖,并配有多传感器。他们的双侧臀部、膝盖和脚踝有6个自由度。它们主要用于脑卒中患者的术后康复训练。

上海思怡智能科技有限公司是一家从事医疗康复机器人等高科技产品的研究、生产和销售的公司。目前,开发了两种康复机器人产品:康复机器人手套和下肢辅助软外骨骼,并申请了10多项国家专利。

产品形式下肢软外骨骼产品没有刚性骨骼,并由纺织品固定,主要通过在患者肌腱处提供运动补偿来提高使用者的行走能力。产品主要针对脑卒中患者和有行走能力但不易行走的老年人。该产品重量不到3公斤,售价数万元。

核心技术产品采用“电机线驱动”的方法模拟人体行走时肌肉收缩的过程。硬件层面没有自由限制。产品更轻,后面的电脑版本更小。就软件算法而言,肌肉提供帮助的方式也完全不同于外骨骼解决方案,外骨骼解决方案在关节方面提供帮助。

应用场景产品针对偏瘫导致的行走障碍患者、行动不便的老年人和户外运动爱好者。由于该产品足够轻,不会妨碍人体的正常运动,因此可广泛应用于日常使用的各种场景,在一定程度上缓解了患者行走不便的问题。

一般来说,大多数公司的产品延续了Rewalk等外国公司的形态设计,对于产品重量和重心控制等技术问题仍然没有有效的解决方案。特别是针对行走困难严重患者的产品在现阶段只能实现辅助治疗功能,不能完全替代传统的康复方法,也不能摆脱轮椅的束缚实现辅助功能。思怡的智能在产品形式和目标市场选择上不同于传统方案。它是针对轻度行走障碍的人。现有技术能够更好地满足这些人的需求,市场规模相对较大。此外,除了已获得CFDA(中国食品药品监督管理局)二级医疗器械资质的大爱家族外,其他公司未获得相关资质,产品无法投放中国市场。因此,无论从技术进步、产品形式还是资质认证来看,现有的大多数外骨骼机器人产品都难以满足医疗领域的康复和行走需求。

Industry

我们已经可以看到,Ekso仿生学自2016年就已经进入这个行业,其收入份额逐年增加。在中国,我们选择了两家从事外骨骼机器人的代表性公司:奥斯哈智能公司和皇家钢拳公司。

Aosha Intelligence

Company简介Aosha Intelligence是一款外骨骼机器人开发人员,成立于2018年4月。正在开发的增强型外骨骼机器人产品可应用于工业、民用、军事等领域。

product form公司目前正在开发用于上肢和下肢的外骨骼机器人。上肢外骨骼机器人“MAPS pulse”有四个自由度,自重约10kg,负载范围5-10kg,由伺服电机驱动,续航时间3-4小时,可应用于汽车工业领域,提高工人效率。下肢外骨骼机器人“HEMS尉”。它有6个主动自由度和6个被动自由度。援助范围预计为30-60公斤。它用于力量增强和重量训练,目前正在与海军军医大学合作开发。

核心技术产品在硬件和软件方面都具有相应的技术优势。在硬件方面,采用独立开发的运动控制卡和配套的电机驱动单元。在软件中,它与独立开发的意图识别算法相匹配。此外,该产品具有数据收集和学习的能力,可以在未来将数据上传到云,为企业提供数据分析服务。

应用领域上肢产品可应用于工业领域,为汽车、飞机和船舶制造中高空作业的工人提供帮助。将来,它们可以用于物流和消防领域。可以使用下肢产品

核心技术产品在硬件结构上由钛合金、航空铝等轻质材料制成,自重小;在软件方面,已经开发了适合不同个体的自适应算法。

应用目前,产品适合在一定范围内为处理操作提供帮助,例如物流分拣。未来,如果引入无线版本的产品,其应用范围将会更广,如野外作业、建筑工地等。

与国外工业领域的外骨骼产品相比,一般采用基于弹簧的机械辅助。两家国内公司都生产电力版产品。区别在于电源的选择。我们更喜欢电机驱动模式。

06视点|外骨骼机器人的未来

重型外骨骼机器人在医学领域的不确定商业化前景:重型外骨骼机器人出现的初衷是“让无法行走的人重获行走能力”。不可否认,这是一个具有巨大社会价值的问题,但价格高、外观重和技术不成熟的问题都限制了产品日常使用的可能性。此外,对于康复市场而言,2B的逻辑意味着医院是产品销售渠道的核心,而中国康复医院的总数和增长相对有限。此外,CFDA认证的门槛和周期将使医用外骨骼机器人市场成为增长缓慢、增长有限的市场。

软件辅助外骨骼机器人有望成为消费品:对于轻度行走障碍者(如偏瘫患者、脑瘫患者和老年人),恢复正常行走能力的需求相对刚性;此外,年轻的户外爱好者愿意尝试新产品,如标准平衡车。该集团的这一部分拥有大量客户,是一个增量市场。这些人对产品的需求是轻、灵活、低价,并且能够适应日常使用场景。与传统的金属外骨骼相比,软外骨骼机器人可以更好地满足这种需求。如果价格足够低,这种柔软的外骨骼机器人有望成为家用消费品。

工业外骨骼机器人将比医用外骨骼机器人发展得更快:工业自动化和智能是智能制造背景下相对终极的形式。这种最终形式的实现需要一定的时期和过渡。工业领域很难在短期内实现完全自动化。许多岗位仍然需要人工操作。我们可以看到物流业人员的快速增长。工厂车间工人和建筑工地工人的平均年龄增加了,而年轻工人大多不愿意进入这些行业。野外勘探仍然需要人工操作。此外,以劳动为基础的工作导致的职业病逐年增加,给企业的效率和成本带来巨大挑战。工业外骨骼机器人可以激发这些场景,并在一定程度上帮助企业实现效率提升。从价格、技术、成本和应用场景来看,工业外骨骼机器人将比医用外骨骼机器人先发展,但在未来10-15年甚至更快的时间里,辅助外骨骼机器人也将被自动化所取代。

掌握了核心硬件研发技术的公司可以率先进入民用市场:无论是医疗领域还是工业领域,未来进入民用市场都是行业从业者的普遍共识。民用包括个人使用场景,如登山和徒步旅行,以及公共事业使用场景,如消防。进入民间市场的主要前提之一是成本控制足够好,产品价格足够低。目前,外骨骼机器人的成本主要是进口核心部件。能够独立开发核心硬件的公司一方面可以降低成本,另一方面可以控制一定的定价权,从而形成成本优势,在民间市场上更具竞争力。

Summary

对于外骨骼机器人来说,强大的助力能力和康复功能是一个美好的愿景,但是考虑到目前的技术瓶颈,从愿景到现实还有很大的距离。在硬件方面,通用伺服电机不能满足机器人的精确操作要求。进口电机大大增加了产品成本,限制了产品的商业化前景

从细分轨道的角度来看,在医疗领域,我们认为短期内外部骨骼产品在功能上无法满足其应用场景的需求,市场规模有限,因此不具备大规模商业登陆的能力。相比之下,面向高端用户的消费级外骨骼产品和工业外骨骼机器人的市场规模更具潜力,技术水平更容易满足相应场景的要求。

也许《钢铁侠》(Iron Man)将来会成为现实,但是在这个阶段,我们建议所有玩家在探索产品商业化的同时,找到一个细分市场,做好软硬件的研发工作,积累技术优势,为外骨骼机器人的进化铺平道路。

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References

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[2]王步云,王志宏,徐张德。[教授,下肢外骨骼辅助机器人的结构设计和运动学分析。机械科学与技术,2018。37(04):553-559。

[3]范钱波。液压驱动下肢外骨骼机器人关键技术研究。浙江大学,2017。



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