钢铁侠不是梦！外骨骼机器人如何在各行各业提升人的力量和效率？
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4 月 2 日，IT 桔子邀请到傲鲨智能 创始人徐振华，在 IT 桔子的人工智能社群中分享了外骨骼机器人产业技术发展和现状，以下为本次活动的干货观点分享。
外骨骼技术归根结底是一种人机协作的动力控制技术。通过现代化的机电控制技术、机械结构、电机来增强人的绝对力量以及耐力。属于人机协作机器人的一个分支。
从历史追寻源头的话，其实早在 1830 年就已经有一些著名的插画师提供了外骨骼机器人的想象，使用蒸汽动力为人提供额外的力量。
1965 年，美国军方和通用公司制造出了人类历史上第一部真正意义上的动力外骨骼机器人，大部分使用的是液压技术，所以整个外骨骼机器人非常笨重。
1978 年开始，在 MIT 之类的大学都开始有外骨骼试制产品。外骨骼的历史发展非常悠久的，但受制于当时的技术，比如电机、驱动器、传感器、编码器等的技术，还受制于运动学、动力学的发展，外骨骼早期发展比较缓慢，并且不能真正意义上做到可以在工程环境或工业环境中给普通人使用，大部分处于实验室阶段。
经历高校实验室研究发展以及自动化技术的发展，现在的外骨骼发生了很大的变化。本次我们大致从外骨骼机器人的驱动方式和应用场景上来做一个归类，详见上图。
机械类助力的外骨骼，比如 Ottobock、suitX 等做的都是机械类外骨骼，主要通过弹簧助力，其中人体对弹簧的蓄能和弹簧释放的能量来完成助力，这属于纯机械类的外骨骼机器人。机械类外骨骼目前主要应用于汽车总装线的工位，特别是头顶工位多一些。
但由于助力相对比较小，其本身的弹簧需要人工去压缩的，所以初始力不能太大，存在对人体一些正常活动的干扰。后面还出现了一些气动外骨骼。像国内的铁甲钢拳，他们现在也开发了一些电动类外骨骼。国外的日本一家公司也有一些气动肌肉外骨骼出现，这种驱动形式在物流有部分应用。
电动伺服驱动形式的外骨骼公司目前是最多的，除了傲鲨智能之外，日本的 ATOUN 还有德国 Bionic 等都属于电动型外骨骼，主要在工业、物流搬运、汽车底盘工位等一些特定工位有较多应用。电液伺服应用比较少，电液伺服本质上是液压伺服。一般这种外骨骼的特征是助力非常大，而且重量输出比和重量比都非常高。军用场景比较多，典型代表是洛克希德马丁公司的 HULC、Sarcos 的 XO 系列都是用液压技术驱动的外骨骼，一般应用于军工领域等。
大家比较熟悉的应该是医疗行业。前几年做医疗外骨骼的外国公司非常多，典型代表如 EXSO-GT、Rewalk 等都在康复领域有比较多的应用。该领域国内也有很多公司涉及，如大艾、布法罗、傅利叶等。
总体来说，目前大部分外骨骼驱动方式以电动伺服为主。包括 Sarcos 也已经从液压伺服改到电动伺服。机械类外骨骼由于比较轻便简单、价格也比较低廉，在一些小负载场合也有一定的应用市场。
为什么外骨骼会在工业上有应用？大家经常看到汽车制造业有大量工业机器人应用，以为已经实现全自动化制造了，上图中展现的是一个总拼工位——汽车白车身制造阶段的工位，汽车从前端的钣金冲压、白车身焊接到喷漆阶段的确基本实现了 95% 以上的自动化，如第一梯队 fanuc、ABB 等，第二梯队那智不二越、史陶比尔等这类工业机器人已经实现了非常多的应用，在白车身阶段确实实现了全自动化。但大家看到的只是整车制造流程中的一部分，之后还有我们称之为总装工位的阶段，含有大量的人工工作，如下图展示。
白车身就是一个空的车壳。所谓的总装，分为内饰线总装、动力总装、还有底盘总装等，这些总装是人工的去把一些底盘的线束、油管、隔热板、铆钉等逐步安装到车厢内，从而构成了我们看到的整车。这些工位上有一些可以用自动化的机器人去替代，但由于成本以及每年车型的变化，还有一些柔性安装的要求比较高，自动化的实现程度不高。过去几十年，这个问题一直困扰全世界的整车厂，包括通用汽车、奔驰汽车及国内些主机厂等，总装阶段的人力始终无法替代，这是汽车行业普遍现状。
既然人力无法替代，工厂的 ME 及工艺改善工程师就思考：不能完全替代人力，是不是能够减少人力的数量，提升人的生产效率？如果机器人不能替代，是不是可以通过人机协作技术带来革新？这也是为什么整车厂、工业制造业开始寻求类似于外骨骼这样的方案，其实人机协作方案叫不叫外骨骼并不重要，关键是大家能够找到一种人机共存的自动化方案来提升生产效率。
上图展现的是机场航站楼行李到达处的情况。乘客到达出发厅把行李托运，之后行李通过传送带被运送到地下，再通过拖斗车将这些行李装箱，运输到飞机下面。可以看到几十年来行李托运过程一直比较杂乱，都是人工对行李搬运，所以有时会发生损坏、丢失情况。这里工作人员的工作强度非常大，机场的行李搬运人员每隔一两年可能就要因为腰椎的损伤换一批，并且现在越来越少的人愿意做这样的工作，这是航运行业的基本现状。
航空公司也尝试过使用机器人自动化方案去解决这个现状。上图中的库卡机器人是一个将近五十公斤的复杂机械臂，通过视觉算法实现对行李的判断，完成自动接送和自动装箱。但这个方案在伦敦希思罗机场实施以后，只是作为一个 demo，并没有大量的推广。除了成本方面的因素，还因为抓取效率比较低，另外当整个运输线出现故障的时候人工是无法介入的，这会导致整个航班的行李全部都被卡在上面，整个航班会被取消掉，这样的情况发生在世界上任何一个繁忙的机场都是不能被接受的。我们和民航公司的人也有过沟通，他们认为未来的方案一定是一种人机协作方案，而不是一个纯机器的方案。
傲鲨智能外骨骼机器人如何实现变革。在汽车工厂，四门两盖工位使用上肢外骨骼提高工人的上肢力量，原本需要两个人扶着另一个去安装，通过外骨骼让一个人拖住车尾盖板的同时另外一只手可以去安装螺栓，现场工人人数减少、效率得到提升。右边图上展示的是抬运客车的侧窗玻璃到货架上，这个是比较重的物品，通过外骨骼提供一定的助力。
日本 ATOUN 公司是由松下投资的，他们所做的轻型腰部助力外骨骼也是以电动伺服为主，在机场、养老、物流行业都有不少的应用。
上图看到的是美国的一家公司 Ekso Bionics 的产品，右上角是 Ottobock 的上肢外骨骼，这是一个很着很典型的无动力外骨骼，通过机械弹簧和弹性元件对人的上肢进行辅助。在福特的总装厂的底牌线上无动力外骨骼已经有一些应用了，主要是减少员工的上肢上臂负担。这些员工每天举的工具大约五到十公斤，上台下台可能有四五千次，通过外骨骼来减少员工上肢疲劳，改善其工作环境。
上图是空港运输的外骨骼应用。在机场的行李到达处和发出处，使用外骨骼帮助工作人员提升耐力，增强力量，让工人可以工作更长的时间并且不至于损伤腰椎。另外一方面也可以减少从业人员数量，一名员工产生之前两名员工的工作量。
上图是德国 Bionic 的外骨骼产品，他们前几年就开始在做外骨骼，今年做了一些更新。产品主要在应用于机场行李搬运，物流物品搬运等方面。
分享一个物流运输领域的案例，上图展示的仓库是去年顺丰 DHL 供应链新建的仓库，仓库内部都是 AGV 自动运输的自动货架，基本上可以称之为黑灯工厂或者无人工厂。但整个 AGV 的上下料及料箱准备等，无法实现自动化完成，无论是 AGV 还是机械臂都没有找到很好的方案，最后使用了相当多的人力来完成上下料过程，外骨骼作为一个协作工具很好的运用到这个场景中，这是一个典型的全自动化 AGV+外骨骼机器人的人机协作的案例。
上图看到的是在家电大 3C 行业所运用的外骨骼。这个工厂的内部已经使用工业机器人在做一些自动化的工作，但是给工业机器人的上料及准备工段完全是人工。因为机器的速度很快，人的速度跟不上，同时人也容易产生疲劳，需要的人工就会比较多。通过使用傲鲨智能第一代外骨骼产品，能够减少人工的疲劳度、人工数量以及人员损伤和工伤发生的可能性，提高员工的效率。
提到军用后勤领域很多人会比较有感觉，大家可能看过《明日边缘》之类的科幻片，人穿上设备以后变成超级战士。其实外骨骼最早是从军事领域发展来的，其中 Sarcos 是不得不提的一家公司，它在 2011 年基本上已经完成了液压助力外骨骼，装配上液压外骨骼的人可以举起两百磅的重物，行动也会非常的迅速，已经非常科幻了。2019 年，他们推出了电助力版本的外骨骼，可以举起八十公斤到九十公斤的重物而人基本上不承担任何力量，是一种典型的重型全身装备外骨骼。目前运用于物流、造船厂等行业应用。
这种外骨骼我们称之为一种绝对力量型的外骨骼，本质是一套完整的机器人。人乘坐在机器人内部，通过机器人阻力压力传感器、腿部的拉力压力传感器还有手部的三维力传感器，感知人的力量的矢量方向和人的运动意图，外骨骼和机械臂再通过伺服电机来做出相应的运动。所以本质上电机已经承担了绝大部分的动力输出，人是作为内部的一个信号操作者，这是全身外骨骼很典型的一种使用技术。零距离驱动也是全身外骨骼重要的一个特点。
说到 Sarcos，他们的另外一类机器人肯定需要提一下，就是他们的遥操作案例，这属于外骨骼里面比较偏的一个分支。外骨骼应用是人在机器人里面，基本上机器人跟着人做一比一的动作，然后对人助力。这种遥操作机器人是分离式，也是机器跟着人做一比一的动作同步。
某种意义上讲这不能算是一种外骨骼，但其实这也是对人类力量的延伸和力量的提升，并且实现人的远距离操作能力。这种方式提升的重量就不再限制于人的力量输出了，而是通过纯粹机器人的力量输出。
操作人员通过操作一个带力控的同步操作器，有另外一种形式也叫异构操作器，通过操作器去反馈整个机械臂所有的位置，精细如末端的位置、每一根轴的位置都能反馈出来，然后控制远方的机器人做出一比一的动作。这种遥操作机器人主要适用于不确定因素场景下的作业场合，比如移动一些很重的建筑物品或者是在火灾现场去切割一些阀门之类。
介绍了军用的后勤，肯定会介绍到军用前线的应用。前线外骨骼和后勤外骨骼功能有很大区别，军用后勤外骨骼以力量型为主，去抬起一些绝对重量的物品，相对来说会比较笨重、也不太灵活。用于前线作战运用的这种外骨骼的典型案例是洛克希德·马丁公司的 HULC，液压驱动，做的非常轻巧，属于一种相对力量增强型的外骨骼，人体自己还是要付出一定的力量输出。外骨骼在这个基础上给你增加一定的力量。这里外骨骼的典型特征就是比较细巧，可以让士兵穿上去之后负重四十到五十公斤的重物状态徒步很长的距离。
还有一个应用场景比较特殊，即消防救灾和地震救援。这类场景现在机器狗或者一些巡逻车已经得到应用，但实际情况是真正的救灾现场由于混乱不堪，以及很多需要通过人智来判断的情况，目前消防员仍然是第一线的选择。国外一家公司研发生产一种特殊的外骨骼，这样的外骨骼可以让使用者本身得到一定的保护，并且提升使用者的力量输出。通过外骨骼可以让消防员多背一瓶氧气瓶，提升消防员个人的生存率和救援成功率。废墟中救援受困人员的时候，更加的节约时间，多带这一瓶氧气也可以帮助他自己或者是帮助到受困人员争取更多宝贵的生存时间。所以这类外骨骼在将来的行业应用中也是非常有潜力的。
还有一些民用方面，主要是为老年人提供助力或者是为年轻人用作娱乐健身的外骨骼，国外也已经有一些应用了。最后关于个人康复医疗类的外骨骼应用，常规应用是帮助病人摆脱轮椅。通过使用外骨骼和拐杖帮助残疾患者或者瘫痪患者重新获得站立行走的能力。也有一些外骨骼应用在大型的医院中，将一些比较大型的外骨骼设备应用于截瘫患者进行运动康复训练。这类机器人不具备移动能力，一般属于医疗器械。
目前外骨骼基本上分为 R1 到 R4 几个级别，不同的级别对应不同的力量输出。从最小的 MAPS-U 上肢外骨骼力量输出约是五到十公斤，HEMS-L 腰部外骨骼输出将近十五到三十公斤，HEMS-GS 下肢外骨骼（落地型）输出三十到五十公斤范围，HEMS-HD 下肢外骨骼（重载型）五十公斤级别以上就有点接近于 Sarcos 的外骨骼，偏向于绝对力量型外骨骼。傲鲨智能在前面三款目前在行业中的应用会比较多，因为相对来说价格也比较低，然后也更加容易帮助公司做工程落地。五十公斤以上级别输出的外骨骼正在研发中。
傲鲨智能主要是电驱动外骨骼机器人，所以基本的三大件包括电机、减速器、伺服控制器基本上都涵盖在里面的。其中 MAPA-U 上肢外骨骼，对肩部提供助力，R1 级主要是头顶工位应用比较多。HEMS-L 腰部外骨骼，R2 级主要应用于搬运，从地面上把物品搬到腰部左右的高度的工位，主要应用于物流和野外的一些场景，还有工厂内部的一些物流货运。傲鲨智能的产品也涵盖全身性外骨骼，因为半身型外骨骼在搬运货物的时候重量还是会落在人体本身，所以一般来说能承担的力量不会很大，这也是把半身型外骨骼放在 R2 级的原因。针对一些大重量级别的货物搬运我们会采用 R3 级的 HEMS-GS 下肢外骨骼（落地型），通过结构把重量分散到地面。通过整个骨骼把机器人站落到地面上，所以外骨骼本身的重量已经就是没有什么影响了，接下来外骨骼会跟随人的运动，帮助搬运货物的时候提供助力，搬运以后的重量可以通过一些肩部的背带将整个重量通过外骨骼那传导到地面。
外骨骼的核心技术主要是软件方面，主要包括力矩驱动、力跟随、力阻抗等控制算法软件，属于机器人运动控制里面的动力学部分。运动学部分的话相对少一点，因为我们不太做位置控制，而是做力学控制为主。力跟随和力阻抗这些怎么演示呢？我们有准备了一段录像，把我们的这些案例算法软件植入到小六轴上边，通过小六轴来给大家做个演示：小六轴如何去做关节的跟随运动。
视频演示六轴机器人力学跟随跟外骨骼是一样的，外骨骼因为和人是匹配的运动，要跟随人的大腿运动，跟随膝盖的运动。还要侦测到弯腰、下蹲和站起来的姿态，在合适的时候提供助力，在不需要助力的时候提供跟随，保持这样的一个工作状态。六轴机器人的力学跟随动作是同样的一个演示，这个功能在小六轴的拖动施教里面用的会比较多一点，原理相同，只不过我们把外骨骼的软件移植到这里面去做一些演示给大家看。
上图是傲鲨智能的一个驱动组件，主要有一体化的驱动部件，这里电机、定转子、相对编码器、绝对编码器以及驱动器都是傲鲨智能独立自主研发集成，包括减速单元都傲鲨智能都做了一体化。这样做的原因就是可以把整个外骨骼设计的比较紧凑，电机的表现性能包括一些扭曲的表现性会更加优秀，同时也可以减轻外骨骼一些不必要的重量。电助力外骨骼机器人核心部件包括：电机、减速器、编码器反馈单元以及电机的控制器，这几大件和工业机器人是基本相通的，但是各家公司在具体的设计上会有所不同。傲鲨智能机器人上面的总控单元是基于内部的总线系统自主开发的运动控制模块去控制所有的关节运动。
外骨骼机器人未来发展方向是朝着更多的关节去覆盖，从最主要的髋关节到膝盖关节到脚踝关节覆盖，上肢方面向肩关节和肘关节覆盖，其目的就是提高外骨骼在人体身上的覆盖率，达到更准确的运动意图侦测还有更有效的运动助力。
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