日前，汽車供應商Mubea 已簽署合作協議，開始為智能動力套裝開發(fā)商German Bionic生產機器人外骨骼。據悉，德國Bionic 的Cray X 外骨骼采用碳纖維復合材料框架，通過積極放大他們的運動來幫助工人提升重物，從而保護下背部免受過度勞損。

　　外骨骼機器人的發(fā)展與應用領域

　　外骨骼（exoskeleton）原指為生物提供保護和支持的堅硬的外部結構。比如蟑螂、甲蟲等硬殼昆蟲或蝦、蟹之類的甲殼類動物。人類、鳥類等具有皮毛的動物則都屬于內骨骼結構。外骨骼機器人（exoskeleton robot）可理解為一種結合了人的智能和機器人機械能量的人機結合可穿戴裝備，可將人體感覺、思維、運動等器官與機器的感知系統、智能處理中心、控制執(zhí)行系統相結合，從而達到改善人體物理機能及提高身體素質等目的，其本質是一類可實現人機結合的可穿戴式機器人。

　　外骨骼機器人發(fā)源自軍事領域。從 2000 年開始，美國軍方率先開展對增強人體機能的外骨骼機器人研究，其目的是設計增強型軍用裝甲以提高士兵個人防護能力。美國政府出資數千萬美元先后與加利福尼亞大學伯克利分校機器人和人體工程實驗室、Oak Ridge 美國國家實驗室、美國Sarcos Robotic 公司等研究單位進行合作，要求研究出具有自身能源供應裝置、現代化通訊系統、傳感系統、作戰(zhàn)武器系統、噸級負荷能力、高速運動能力以及保護功能的外骨骼機器人。

　　在工業(yè)領域，外骨骼機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，減少人員的整體負擔、提高工作效率。事實上，世界上一些大的工業(yè)公司已經意識到這些外骨骼解決方案的價值。例如，福特已將Ekso Bionics的第一代可穿戴外骨骼EksoVest 添加到七個國家的15家裝配廠。

　　在工業(yè)領域之外，外骨骼機器人被廣泛運用在醫(yī)療康復領域，幫助老年人、殘疾人重獲行走的能力。CNN曾報道，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，借助Rewalk 公司的可穿戴式動力外骨骼機器人，跑完全程26.2英里的馬拉松。

　　國際研究機構ABI 認為外骨骼將在近十年時間實現快速增長，2028 年之前有望實現全球性規(guī)?；鲩L。

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

　　國內關于可穿戴外骨骼機器人的研究則稍晚，中科院在2004 年正式開展關于外骨骼機器人的研究工作。除此之外，海軍航空學院、中科院合肥智能研究所、清華大學等科研單位也逐漸開展了外骨骼機器人的技術研究。

　　另據報道，中國航天科工二院科研團隊已經成功研發(fā)并交付了首批敏捷型無動力外骨骼。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，在山地中使用時即使偶爾出現碰撞也不容易損壞。

　　追求輕量化的外骨骼機器人

　　影響機器人外骨骼的因素有很多，其中輕量化占據著很大的比重。在追求可穿戴外骨骼機器人輕量化的過程中，人們發(fā)現碳纖維可以完美取代傳統的鋁鈦合金。通過采用碳纖維材料來制作外骨骼機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器人，并且使用了碳纖維的外骨骼機器人結構更輕量化，也更能減少電力消耗提升續(xù)航。

　　實驗表明碳纖維機器人外骨骼與傳統金屬材質相比有著很多優(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、強度高、質量輕等特性可以讓機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間得到提升，不必因為被腐蝕而不得不整體更換。

　　日本筑波大學Cybernics 實驗室曾推出一款名為HAL（Hybrid AssistiveLeg）的穿戴型助力機器人，目前該外骨骼機器人已經發(fā)展到第五代產品。最新的配備碳纖維材質的HAL-5的質量約為 21Kg，整體可以承受150～230Kg的重物，同時它配備了很多傳感器，便于實時獲取外骨骼機器人系統的運動信息。

　　Bionic的第5代防水Cray X

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

　　第5 代Cray X 承了其前身的碳纖維框架、物聯網功能和智能工廠集成，但現在配備了更強大的電池，旨在為用戶提供更長時間的電力。當電量不足時， 40V 電池也可以快速更換為新電池，以保持生產線運轉。

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

　　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，可對不正確的舉重操作或不良姿勢發(fā)出警告。

　　設計中內置了新用戶的輔助系統，在集成顯示屏上顯示提示和說明，讓他們快速安全地啟動和運行，而基于人工智能的人體工程學預警系統會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。與其前身一樣，重量輕的碳纖維結構Cray X 可輕松連接到工業(yè)物聯網平臺和所有智能工廠生態(tài)系統，促進業(yè)務流程的真正集成。

　　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，其產品C-FREX 可穿戴在不能獨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，由重量輕的電動機和電池供電，可為患有脊髓損傷的人們提供移動性。C-FREX 采用新穎的輕巧設計取代了金屬框架元件和動力馬達，它使用CFRP 及其彈性特性幫助佩戴者更自然地行走而不會移動其腿部。

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

　　C-FREX 設計解決了當前設備的笨重問題，它在大腿處使用碳纖維材料，以便通過更自然的運動傳遞動力，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生的向前推力。公司使用延伸機構開發(fā)了膝關節(jié)屈曲系統。C-FREX 膝關節(jié)在與步行周期對齊時會彎曲和伸展，這使 RGO 和ARGO 設備具有直腿步行機制的特征，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，使用連續(xù)的碳纖維增強尼龍3D 打印膝關節(jié)，并使用金屬部件來完成關節(jié)機制。支撐大腿的部位也通過3D 打印制造。這種加工方式從預浸料中脫穎而出，因為它們需要根據客戶的長短進行定制，以適合每個用戶。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)氧樹脂預浸料。

　　Noonee的外骨骼座椅

　　Noonee 是全球可穿戴式人體工廠學機電設備（WEMDs）供應商，其生產的Chairless Chair 2.0 致力于提高人體工程學在制造業(yè)領域的實際應用效果，它們和機械外骨骼類似，卻又更為實用：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候發(fā)揮座椅的功能，在該設備的幫助下，用戶可以輕松地在復雜工況中實現坐姿、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，主要應用場景為工廠生產線和裝配線。

　　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主要為碳纖維，相對于前一代產品，Chairless Chair 2.0 產品重量減少了25%，產品重量僅為2.95kg。

　　在產品設計方面，黑色連續(xù)呈現的新設計，現代而纖??；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動靈活性；提供兩種尺寸的背心，易于調節(jié)，并為腰帶提供4點固定；在前一代實用大數據基礎上，新一代產品在合身性、尺碼、透氣性和舒適性方面進行了優(yōu)化，更加耐用和舒適。

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