外肌肉机器人演化史

经过我国第七次全国人口普查公报的调查数据显示，我国目前已经拥有庞大的老年人口群体，数量高达约1.9亿人，占总人口比例的13.5%。预计在不久的将来，我国将从老龄化社会步入深度老龄化社会。这一转变不仅意味着老年人的生活质量问题逐渐凸显，同时也带来社会尊重和参与度的挑战。随着老年人的身体机能逐渐衰退和肌肉功能退化，他们逐渐与社会脱节，生活质量和社会地位受到双重影响。随着科技的飞速发展和国家对智慧养老、智能医疗的大力扶持，科研人员正积极寻找解决方案。

一种重要的解决方案是应用科学技术改善老年人的生活质量并帮助他们重返社会。在这一领域，外骨骼机器人以其独特的功能和潜力成为研究的热点。这种智能辅助设备不仅可以增强老年人的运动能力，还能扩展他们与环境的交互能力。在我国，对外骨骼机器人的研究也正在如火如荼地进行。

外骨骼机器人的发展史是一部从工业应用向医疗领域转变的历程。早在1890年，俄罗斯就提出了无源外骨骼机器人的概念。而到了1917年，美国则提出了有源外骨骼机器人的概念。在之后的几十年里，外骨骼机器人技术不断发展，最终在1965年，美国通用公司成功研制出第一台有源外骨骼机器人样机——Hardiman。该机器人的设计初衷是为了辅助工人搬运重物，从而提高生产力。

随着时间的推移，外骨骼机器人在医疗领域的应用逐渐显现。2000年，美国启动了增强人体体能外骨骼（EHPA）项目，该项目的研究成果在后来被应用于医疗领域。到了2010年，EHPA项目的部分成果被美国加州大学伯克利分校成功转化，研制出Austin和eLegs医疗外骨骼机器人。这些机器人为医疗和康复领域带来了巨大的变革，促进了外骨骼机器人在该领域的转型和发展。如今，我国也在积极发展外骨骼机器人技术，努力探索其在养老和医疗领域的应用潜力。这一技术的快速发展将为老年人带来福音，也将为社会带来更加积极的影响。结合图片展示，更加生动形象地展示了我国老年人口数量的增长与外骨骼机器人在助力人体行走方面的潜力。外骨骼机器人的进化历程：从刚性到柔性

回望1890年，俄罗斯的一项外骨骼机器人专利开启了这一领域的探索。随着Hardiman、Austin、eLegs等机器人的相继问世，我们看到了外骨骼技术的初步发展。这些初期的刚性外骨骼机器人面临着运动不可控、承载效率低等问题，使得其实际应用受到限制。EHPA项目的优胜者HULC和XOS外骨骼机器人也未能完全突破这些难题，导致后续研发进展缓慢。

科研人员深入研究后认识到，传统的刚性外骨骼设计，因其庞大、笨重的结构以及缺乏生物力学理论的助力方式，难以真正增强人体的运动机能。于是，他们开始尝试打破固有的“钢铁侠”设计理念，追求更轻质、柔性的外骨骼机器人设计。在这一思维风潮的推动下，2011年美国启动了Warrior Web项目，旨在研发一种如同衣服般轻质、舒适、灵活的柔性外骨骼机器人，旨在在不干扰人体自然运动的前提下提升运动机能。紧接着，欧盟在2018年启动了“XoSoft”项目，对柔性外骨骼机器人进行更深入的研究。

与刚性外骨骼机器人相比，柔性外骨骼机器人采用了柔性纤维织物、低质量电机和柔弹性传动等设计，使得人机共融度和人体适应性大大提高。它们能够智能地为穿戴者提供助力，并在需要时进入透明模式，几乎让人感觉不到机器人的存在。这种“按需助力”的特性使得柔性外骨骼机器人在实际应用中具有更大的潜力。

柔性外骨骼机器人通过驱动人体骨关节旋转来辅助运动，但骨关书的旋转只是人体运动的表象。实际上，肌肉收到运动神经信号后通过收缩或舒张拉伸肌腱，再牵引骨骼完成运动。当人体出现肢体运动障碍或运动能力减弱时，很可能是由于某块肌肉或肌肉群的功能衰退。直接对目标肌肉进行辅助的驱动形式无疑是一种更高效、更符合人体生物力学的方法。这也为外骨骼机器人的未来发展提供了新的研究方向。近年来，随着科技的飞速发展，一种名为外骨骼机器人的技术逐渐走进人们的视野，引起了广泛的关注。它的诞生源于对驱动形式本质化的追求，通过驱动“附着”在人体肌肉/肌腱外表面的人工肌肉线束，实现对目标肌群的精准辅助与肢体机能的有效增强。

当我们仔细观察外骨骼机器人的发展阶段，会惊叹于科技的进步。左图是来自参考文献2的外骨骼机器人发展阶段图，而右图则是哈佛大学外肌肉机器人的概念图。这种技术不仅在科研领域受到瞩目，也在实际应用中展现出巨大的潜力。

外骨骼机器人在结构设计与辅助方式上的优势，使其多次在国际顶尖期刊如Nature、Science、Science Robotics上发表相关论文。科研人员从系统结构布局、柔性传感制备、人体意图识别与学习控制优化等方面进行了深入的理论分析与实验研究，大大推动了外骨骼机器人向实际生活中应用的进程。

在应用领域，外骨骼机器人已经取得了一些令人瞩目的成果。例如，哈佛大学的Exosuit在专项领域测试中表现出色，助力哈佛大学获得了Warrior Web项目的第二轮支持。以色列的ReWalk Robotics公司在医疗康复领域也取得了显著的进展。他们发布的第一个商用医疗外骨骼机器人ReStore，重量仅为5kg，能有效辅助中风偏瘫患者行走。该机器人还获得了美国FDA与欧盟CE的认证，进一步推动了外骨骼机器人在医疗康复领域的应用与发展。

尽管外骨骼机器人在实际应用中展现出巨大的潜力，但科研人员仍面临着许多技术挑战。与传统的机械臂、无人机、移动车等机器人不同，外骨骼机器人需要紧密贴合在人体肢体表面，实现协同运动，具有更高的人机融合度。这种特殊的作业方式给科研人员的技术研究带来了众多挑战。如何让外骨骼机器人主动、正确地感知、理解、适应人体的运动行为，例如在何时需要提供助力等，是科研人员需要解决的关键问题。这也是外骨骼机器人作为人机共融技术的重要载体之一所面临的重大挑战。

随着科技的不断进步和研究的深入，相信外骨骼机器人在未来一定会在更多领域得到应用，为人们的生活带来更多便利和福祉。近年来，机器人的运动决策和规划一直面临一个巨大的挑战：如何准确感知当前的运动环境并理解人类的行为意图。这一难题如果处理不当，会使机器人在执行动作时产生偏差，导致事与愿违的结果。简而言之，就是可能会让人产生不舒服、被束缚、易疲劳的感受。为了提高机器人的使用体验，一个关键的解决方案就是提升机器人对人体运动状态的快速适应能力，这也是当前外肌肉机器人研究的热点和难点。

中科院沈阳自动化所研制的刚性外骨骼机器人与外肌肉机器人，展现了这一领域的最新进展。其中，中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室的科研团队以高适应性为目标，针对外肌肉机器人进行了一系列深入的研究。他们深入研究了脑肌电信号处理、人体运动意图理解、机器人控制技术等关键领域。

该团队深受人体下肢运动的驱动特点启发，研究了具备高适应性的人体运动行为识别技术。这项技术使得外肌肉机器人能够快速适应不同受试者、不同步态类型的人体运动模式。他们还研究了可快速适应人体步频变化的外肌肉机器人控制技术，增强了机器人对步频、运动环境以及人机耦合动力学特性变化的快速适应能力。这些技术进步使得外肌肉机器人能够理解人类的意图，满足人类的需求，并适应人类的改变。

该团队的研究工作从人体运动机理出发，将人体运动的本质特性融入到外肌肉机器人的交互系统设计中，为机器人策略设计与行为规划提供了新的思路。他们的研究成果被IEEE Transactions on Human-Machine Systems、IEEE Transactions on Automation Science and Engineering等国际期刊所录用，并得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。这不仅标志着我国在机器人技术领域的进步，也预示着未来人机共融的美好前景。结语

外骨骼机器人历经近六十载的深入探索与研究，已然展现出无比广阔的发展前景。尽管距离其在日常生活中的大规模普及与应用仍有一段路要走，但众多研究者们已经在本体设计、低层控制以及中层规划等领域取得了显著的进展。令人欣喜的是，目前外骨骼机器人在顶层智能性研究方面仍是空白，这为未来的探索提供了无限可能。随着人工智能技术的飞速发展，我们有理由相信，在不久的将来，借助外骨骼机器人的强大功能，失能状态将不再成为老年人或残疾人的标签。他们将能够自信地步入超市、商场，甚至生活中的每一个角落，享受与健全人一样的自由与便捷。

参考文献：

1. Cornwall, Warren. 在《Science》杂志的“追寻完美动力套装”一文中，详细探讨了外骨骼机器人的发展前景及其在各领域的应用潜力，2015年10月发表。

2. Pons, José L. 在《Science》杂志上发表的文章“见证可穿戴设备的转型”中，对外骨骼机器人的发展过渡进行了深入的剖析，特别是在技术与实际应用方面的进步，2019年8月发表。