Analisi approfondita della storia dello sviluppo e dello stato tecnologico dei robot esoscheletrici
**I. Lo sviluppo e gli scenari dei robot esoscheletrici**
La definizione di esoscheletro in realtà ha avuto origine dagli animali in origine, cioè lo scheletro esterno. Questi scheletri esterni sono generalmente utilizzati per sostenere e proteggere gli animali. Al contrario, gli esseri umani sono creature con"endoscheletro". Pertanto, i robot esoscheletrici si riferiscono generalmente a dispositivi elettromeccanici indossabili che possono proteggersi e migliorare le capacità umane. Da un singolo prodotto elettronico indossabile, ha gradualmente formato un'integrazione transfrontaliera di elettronica, macchinari e bionica, formando una tecnologia all'avanguardia unica per il futuro. Nel campo di applicazione, si è anche sviluppato e derivato per includere dispositivi indossabili che possono migliorare (assistere nella riabilitazione) per i disabili, utilizzati principalmente per assistere i pazienti nell'allenamento alla riabilitazione dell'andatura. Pertanto, attualmente, i robot esoscheletrici sono generalmente divisi in esoscheletri migliorati ed esoscheletri riabilitativi in termini di funzione.
L'idea dei robot esoscheletrici può essere fatta risalire al 1890, quando un russo di nome Nicholas Yagan inventò un tipo di sistema esoscheletrico alimentato da sacche d'aria compressa; nel 1917, un inventore americano sviluppò un robot esoscheletrico alimentato a vapore; nel 1960, emerse il primo progetto di esoscheletro, che ebbe origine dall'armatura militare potenziata dell'esercito statunitense. Nello stesso periodo, anche i ricercatori della Cornell University iniziarono a studiare il concetto di potenziamento umano. Successivamente, i robot esoscheletrici iniziarono presto a essere sviluppati e la maggior parte dei problemi identificabili in questo campo furono rapidamente identificati. Nel 1970, il sistema Hardman progettato dalla General Electric conteneva più di 30 articolazioni e poteva sollevare un peso di 1.500 libbre, dimostrando l'enorme potenziale della tecnologia degli esoscheletri.
Dalla ricerca e sviluppo all'applicazione, i robot esoscheletrici hanno attraversato più di cento anni. I robot esoscheletrici hanno anche iniziato a essere applicati sporadicamente in campo medico, industriale, logistico e altri campi dal campo militare iniziale, tra cui Ekso Labs, Barrett Medical negli Stati Uniti, Rewalk in Israele, Rex Blonics Limited nel Regno Unito, CyberDyne in Giappone e i robot esoscheletrici di Panasonic sono tutte aziende in posizione di leadership nel settore.
Nella storia dello sviluppo dei robot esoscheletrici all'estero, Panasonic ha divulgato per la prima volta il suo progetto applicativo di robot esoscheletrici nel campo industriale nel 2014. A quel tempo, per consentire ai lavoratori comuni di trasportare facilmente oggetti pesanti del peso di 15 chilogrammi e di muoversi, Panasonic ha prima realizzato una versione leggera della staffa dell'esoscheletro e in seguito l'ha supportata con materiali in fibra di carbonio nelle aree della schiena, delle cosce, dei polpacci e dei piedi, combinati con un motore di potenza che poteva essere attivato da sensori e, infine, ha raggiunto la capacità di aiutare facilmente le persone a trasportare 15 chilogrammi di lavoro. Inoltre, Ekso Bionics e suitX negli Stati Uniti hanno lanciato successivamente i propri robot esoscheletrici industriali. Tra questi, il robot esoscheletrico per arti superiori EksoVest della Ekso Bionics Company è già stato applicato all'operazione superiore della linea di assemblaggio di automobili Ford.
Relativamente parlando, questo percorso in Cina è iniziato relativamente tardi, ma si è sviluppato vigorosamente, specialmente nel percorso del robot esoscheletrico riabilitativo, e sono emerse molte imprese start-up, tra cui Maibu Robot, Big Ai, Ruihan Medical, Screaming Technology, Jinhe, Fourier Intelligence, ecc. Sono tutte imprese di punta in questo campo negli ultimi anni. Tra queste imprese, in termini di finanziamento, hanno generalmente completato il round di finanziamento Pre-A nel 2017-2018.
Anche i robot esoscheletrici industriali sono emersi in base alle necessità in Cina, comprese le applicazioni nei settori dell'assemblaggio automobilistico e della logistica. Anche le aziende rilevanti di robot esoscheletrici industriali in Cina hanno iniziato a progredire. Ad esempio, il robot esoscheletrico per arti superiori industriali MAPS di Aosha Intelligence è stato segnalato nel 2019 come testato nelle fabbriche di Chery Automobile, Yutong Bus, Beijing Benz e Geely Automobile. Anche le start-up nel campo dei robot esoscheletrici logistici come Iron Man Boxing hanno lanciato ufficialmente il loro primo robot esoscheletrico logistico per uso generale nel 2019 e hanno applicazioni cooperative con JD.com, Deppon e Schneider sui robot esoscheletrici logistici e continueranno a sviluppare approfonditamente i robot esoscheletrici per applicazioni industriali e di costruzione in futuro.
**II. La tecnologia e lo stato attuale dei robot esoscheletrici**
Un robot esoscheletrico generalmente comprende tre parti: la progettazione complessiva della macchina, la progettazione del driver (meccanismo) e la strategia di controllo. Il punto più difficile del robot esoscheletrico è ottenere l'interazione e il controllo uomo-macchina in tempo reale. Il principio di funzionamento generale dell'interazione è generalmente: il primo passo è percepire l'intenzione comportamentale umana, che è generalmente una combinazione di segnali giroscopio + accelerometro + elettromiogramma, ecc.; il secondo passo è ottenere il metodo di guida, come l'utilizzo della guida comportamentale avanzata; il terzo passo è generalmente giudicare l'ambiente esterno tramite percezione laser + ultrasuoni.
Attualmente, i robot hanno due modi per ottenere le intenzioni umane: ottenere direttamente l'intenzione dell'operatore e ottenere indirettamente l'intenzione dell'operatore. I metodi per ottenere direttamente l'intenzione dell'operatore includono i dati EMG o la forza di interazione tra umani e robot. I metodi indiretti consistono nell'ottenere dati dalle articolazioni dell'esoscheletro, stimare l'intenzione dell'operatore e quindi amplificare l'effetto del movimento. La società Neuralink fondata da Musk, che si impegna a collegare il cervello umano e il computer, è un modo per rafforzare questa connessione.
Per il momento, i robot esoscheletrici hanno ancora molto spazio di immaginazione e ci sono opzioni vicine ai prodotti di livello consumer. Da una prospettiva tecnica, la soglia di ricerca e sviluppo dei robot esoscheletrici riabilitativi è relativamente bassa e, allo stesso tempo, appartiene ai dispositivi medici di Classe II e la soglia di registrazione è relativamente bassa; le limitate prestazioni tecniche dei robot esoscheletrici di assistenza alla deambulazione sono state continuamente superate; la soglia di ricerca e sviluppo tecnica dei robot chirurgici è relativamente alta e appartiene ai dispositivi medici di Classe III. La soglia di registrazione e il ciclo in Cina sono molto lunghi. Pertanto, non sorprende che i robot esoscheletrici siano esplosi in Cina.
In termini di tecnologia all'avanguardia, in questa fase, la Xi'an Jiaotong University, l'Imperial College di Londra e l'Università di Melbourne stanno tutte conducendo ricerche sull'elettroencefalogramma, mentre l'Hong Kong Polytechnic University si concentra sulla ricerca che combina la stimolazione magnetica transcranica e i robot esoscheletrici. Queste sono tutte direzioni all'avanguardia nel campo della riabilitazione neurale e della riabilitazione robotica nel mondo attuale. Tuttavia, l'industria medica riabilitativa cinese è ancora nelle prime fasi di sviluppo. Anche per alcuni robot esoscheletrici che hanno ottenuto varie certificazioni mediche, più aziende dedicano ancora la maggior parte delle loro energie alla ricerca e allo sviluppo di robot esoscheletrici medici. I prodotti realmente applicati commercialmente sono principalmente nelle attrezzature per la riabilitazione articolare, come il robot esoscheletro per l'allenamento alla riabilitazione degli arti inferiori di Maibu Robot, il robot esoscheletro per la riabilitazione della mano e le attrezzature per la riabilitazione del polso e della caviglia di Fourier.
I problemi principali che affliggevano i robot esoscheletrici nella fase iniziale erano i seguenti. Il primo problema era il problema energetico. I primi robot esoscheletrici erano inseparabili dall'energia esterna. La guida tramite motori a combustione interna e cavi era un tempo un problema che ostacolava lo sviluppo dei robot, il che aveva un impatto sul peso e sulla sostenibilità dei robot. Il secondo problema risiede nella tecnologia di controllo. La tecnologia di controllo consente ai robot di ottenere un controllo efficiente e un controllo libero multidimensionale con precisione durante l'intero processo e di tenere il passo con i vari cambiamenti negli esseri umani. Se non c'è la capacità di percezione delle varie tendenze di movimento del corpo umano e di fornire assistenza e supporto all'azione alle persone, il robot esoscheletro diventerà invece un peso.
Oggigiorno, con la maturazione delle batterie al litio, delle celle a combustibile e di altre fonti energetiche efficienti, alcuni robot esoscheletrici hanno iniziato a risolvere bene i problemi di energia e controllo e sono stati sviluppati molti rami di robot esoscheletrici monofunzionali, tra cui le forme di bretelle, guanti, dita, pantaloncini, ginocchiere, ecc. e gli scopi applicativi sono derivati anche dai settori industriale, medico, civile e militare.
**III. Conclusion**
Attualmente, in termini di mercato dei robot esoscheletrici, poiché c'è concorrenza nel mercato industriale e prodotti maturi come i robot industriali, il mercato più probabile per i robot esoscheletrici è ancora nella scena medica. Il primo mercato è il mercato dei danni irreversibili, che si rivolge principalmente a persone con disabilità motorie causate da danni muscolari, ossei, nervosi, ai tessuti molli e dall'invecchiamento. Ci sono circa 90 milioni di persone in questo gruppo 2C. È di grande importanza consentire alle persone con disabilità fisiche di stare in piedi. Il secondo mercato è il mercato della riabilitazione reversibile, principalmente per l'atrofia muscolare temporanea e la popolazione di riabilitazione intelligente causata dal trattamento di riposo a letto per motivi chirurgici. Ci sono circa 25 milioni di persone e istituzioni in circolazione che collaborano per stabilire canali ogni anno.
In futuro, il mercato principale per i robot esoscheletrici dovrà continuare a essere il mercato dei consumatori, ad esempio per applicazioni leggere come camminate all'aperto, escursioni, alpinismo, arrampicate, ecc., e produrre prodotti sotto forma di singoli componenti adatti a ginocchia, cosce, scarpe, braccia, ecc. Non ci sono parametri definiti per questa parte del mercato, ma lo spazio è molto ampio.
Si spera che nel prossimo futuro, con la conquista dei materiali e di altri problemi, il prezzo dei robot esoscheletrici continuerà a scendere e infine raggiungerà il livello di decine di migliaia o addirittura migliaia di yuan. In questo momento, il mercato inaugurerà senza dubbio un'enorme svolta. E se i robot esoscheletrici possono essere venduti come indumenti universali, forse l'esplorazione umana dell'universo sconosciuto non sarà più un sogno lontano.
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