可穿戴外骨骼机器人——分类、应用和市场前景

引言:

上一篇文章《如何秒变“钢铁侠”?围观一下外骨骼机器人》,已经对外骨骼机器人的总体情况做了介绍。

本篇主要介绍外骨骼机器人里,可穿戴的外骨骼机器人这一类。

可穿戴,顾名思义就是这些外骨骼机器人,是可以穿到、套到我们身上并且与身体进行协同,其设计部件和关节模仿人类的运动模式,旨在增强人的力量[i],帮助人类移动。与之相对的,是不能穿戴的外骨骼机器人,比如某些大型的固定在某地的工业生产线上用的、康复治疗用的器械等。

可穿戴外骨骼机器人的分类

按照动力技术不同,可穿戴的外骨骼机器人可以分为“主动”和“被动”两类。

主动的外骨骼机器人可通过关节附件进行复杂运动,它由电动机、气动装置、杠杆、液压系统或技术组合提供动力,允许肢体运动并增强力量和耐力,是一种可穿戴的移动机器,也可以将其称为电动装甲、电动装甲、电动套装、外骨骼、硬质套装或外骨骼。[ii]

被动的外骨骼机器人的用途与主动的类似,为人们提供机械帮助,用恢复力矩为腰部肌肉减压,或在支撑工具或材料时提供额外的垂直提升力,以增强手臂和肩部肌肉。

严格的被动外骨骼机器人不使用任何类型的电源等驱动器,而是使用弹簧、弹性绳或其他弹性元件等存储人体运动所获得的能量,并根据需要使用这些能量来支持姿势或运动。被动外骨骼技术应用于汽车行业时,可以减少工人受伤(尤其是肩膀和脊椎),并减少疲劳造成的工作误差。

在医疗健康领域的应用

在医疗健康领域,最早开发出来的是腿部运动系统,目的是帮助截瘫患者康复。1972年,贝尔格莱德骨科诊所(Belgrade Orthopedic Clinic)测试了一种由气动装置和计算机程序驱动、用于截瘫患者康复的主动外骨骼机器人。而Ekso仿生学公司(Ekso Bionics)生产的Ekso GT是美国食品和药物管理局(FDA)批准用于中风患者的第一个外骨骼机器人。

2022年5月,三星电子向美国药监局申请对其可穿戴外骨骼机器人“GEMS Hip”的批准。[iii] GEMS Hip可作为行动有障碍的人群的外骨骼,使用主动辅助算法改善这些人的步态和肌肉运动。研发者认为该外骨骼机器人可以将步行的代谢成本降低24%,同时将用户的速度提高14%。据报道,一旦获得批准,该机器人的初始供应量将在50000台左右,商业化主要集中在美国市场。

主要行业参与者

全球可穿戴外骨骼机器人市场由知名玩家主导[iv]。然而,由于中小型制造商的存在,区域和当地市场也高度分散。

从全球来看,Cyberdyne Inc.(日本)、Ekso Bionics、Lockheed Martin(洛克希德·马丁,美国军工集团,著名的F-22和F-35战斗机都是他们的产品)、Hocoma(瑞士)、ExoAtlet、Sarcos Corp.、Bionik Laboratories、ReWalk Robotics(以色列)、Rex Bionics和Wearable Robotics Srl(意大利)是一些主要的市场参与者,占全球市场份额的42%-47%。

在国内,主要的可穿戴外骨骼机器人参与者包括:北京大艾机器人、上海傅利叶智能科技、深圳市迈步机器人等。

整体上看,国外的企业发展程度、产品的成熟度和丰富度,都比国内更占有优势。他们当中的很多产品,都已取得了多个国家监管部门的批准,得到正式应用。中国企业要迎头赶上,仍有很大的空间。

可穿戴外骨骼机器人的全球市场发展

1.全球总体市场

可穿戴式外骨骼机器人领域使机器人的利用率达到了极高的水平,因为这些进步完全符合人体结构的要求。外骨骼技术有可能彻底改变我们的生活方式。这些机器人将成为日常工作文化的一部分,在未来几年,它们将极大地帮助经济发展,并带来新的就业机会。这在目前经济环境不佳、就业紧张的大环境下,显得尤为重要。

2021年,全球可穿戴外骨骼机器人市场规模为6.716亿美元。市场预计将从2022年的9.525亿美元增长至2029年的119.957亿美元,2022-2029年的复合年增长率为43.6%。[v]

2.细分市场前景

(1)按照动力技术区分

预计主动的可穿戴外骨骼机器人的需求将大幅增加。因为主动的外骨骼机器人可以转移重量,从而在减少应变或损坏的情况下实现更有效的移动。这对于在山峦和陡峭结构等复杂地形中长途跋涉的武装部队来说尤为重要。因此,预计在预计期间,这一类别的同比增幅将最大。

被动的可穿戴外骨骼机器人的市场份额将很小,并将适度增长。

(2)按照使用部门细分

预计工业部门将高速增长,国防和航空航天部门很可能占据市场的很大一部分。

(3)按照地区细分

北美洲在工业份额方面将处于领先地位,并在未来几年保持稳定增长。这归因于美国有多家著名的市场参与者。此外,预计区域参与者在可穿戴机器人方面的大量投资将为开发先进外骨骼创造更多机会。

亚太地区将呈现指数增长,在预测期内复合年增长率最高。这是因为可穿戴机器人在制造和施工活动中的知名度和优势使用不断提高。预计国防军工领域的可穿戴外骨骼产量的增加将是推动市场的一个主要因素,而中国、日本和韩国是主要的创收国家。

3.新冠疫情的影响

过去两年多的新冠疫情的影响非常严重,但是可穿戴外骨骼机器人在新冠大流行期间各地区的需求高于预期。与2019年相比,2020年全球市场的增长率达到了41.2%。新冠疫情的影响是两方面的。一方面,造成了很多可穿戴外骨骼机器人生产厂家的停产,供应链的停摆;另一方面,可以让他们专注于与医生和行业伙伴合作解决真正的临床困难,并应对患者不断变化的需求。

例如,2020年10月,CYBERDYNE Inc.获得澳大利亚卫生部关于下肢型设备(即HAL medical)的许可,该设备旨在改善佩戴者的身体功能。

市场增长的有利因素

医疗行业越来越多地采用外骨骼设备。这部分需求在迅速增长。这主要是由于先天性身体残疾的日益普遍、交通事故的数量不断增加以及其他因素。

据美国国家脊髓损伤统计中心(NSCIAC)统计,2018年,美国约有28.8万人患有脊髓损伤,每年约有1.77万新发病例。同样,根据多发性硬化基金会的数据,2018年,美国和全球分别大约有约100万和230万人患有多发性硬化症。

此外,美国阿拉巴马大学伯明翰分校(UAB)发现,机动车事故是报告出来的跌倒的主要原因之一(32%),其他的原因包括:脊髓损伤(38%)、运动损伤(14%),排在最后的是暴力行为(14%)。

此外,软套装、轻质可穿戴外骨骼机器人可帮助老年人保持或恢复步态,以及应用到儿童和成人的康复。根据美国心脏协会的数据,美国有650多万中风患者,预计每年新增79.5万例,其中60%的人预计出现下肢残疾。

这些因素,都可能使得这些人群寻求步态训练,从而提升可穿戴外骨骼机器人的使用。

市场增长的不利因素

首要的限制因素就是钱的问题。

在国外,可穿戴外骨骼机器人的研发和使用都需要大额的资金投入,而且很多保险公司不给报销这部分使用费。由于外骨骼的高成本,这使得保险计划和保单的制定更加复杂,所以,很多保险公司压根就不去制定包含这方面内容的保单。

在国内,这方面的影响更是突出。一般的康复器具的报销都有限的情况下,怎么会给昂贵的机器人报销呢?就目前的来看,我国单次使用价格约在200-300元/半小时,一台设备的售价约在50-200万元之间,这个费用不是一般的大众所能够承担。

其次,可穿戴外骨骼机器人的全生命周期使用来看,它们仍然属于“奢侈品”。 智能传感器的应用,软件解决方案的安装、集成、培训,康复费用、售后服务和定期维护都会增加总体拥有和使用成本,让不少人对这个设备敬而远之。

相关文章:

《如何秒变“钢铁侠”?围观一下外骨骼机器人》

参考资料:

[i] de Looze, MP, Bosch, T, Krause, F, Stadler, KS and O’Sullivan, LW. Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load, Ergonomics, DOI: 10.1080/00140139.2015.1081988

[ii] Heba Soffar. Exoskeletons robots features, use, types, advantages & disadvantages

[iii] Scarlett Evans. Samsung is anticipating an August commercial launch of GEMS Hip. www.iotworldtoday.com

[iv] https://mordorintelligence.com/industry-reports/exoskeleton-market

[v]https://www.fortunebusinessinsights.com/wearable-robotic-exoskeleton-market-104664

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1734439187004336888

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