Detaillierte Analyse der Entwicklungsgeschichte und des technologischen Status von Exoskelett-Robotern
**I. Entwicklung und Einsatzszenarien von Exoskelett-Robotern**
Die Definition des Exoskeletts stammt eigentlich ursprünglich von Tieren, also dem äußeren Skelett. Diese äußeren Skelette dienen im Allgemeinen dazu, Tiere zu stützen und zu schützen. Im Gegensatz dazu sind Menschen Lebewesen mit"Endoskelett". Daher beziehen sich Exoskelettroboter im Allgemeinen auf tragbare elektromechanische Geräte, die sich selbst schützen und die menschlichen Fähigkeiten verbessern können. Aus einem einzigen tragbaren elektronischen Produkt entwickelte sich allmählich eine grenzüberschreitende Integration von Elektronik, Maschinen und Bionik, die eine einzigartige Spitzentechnologie für die Zukunft bildet. Im Anwendungsbereich wurde es auch so weiterentwickelt und abgeleitet, dass es tragbare Geräte umfasst, die die Rehabilitation von Behinderten verbessern (unterstützen) können und hauptsächlich zur Unterstützung von Patienten beim Gehrehabilitationstraining eingesetzt werden. Daher werden Exoskelettroboter derzeit im Allgemeinen hinsichtlich ihrer Funktion in verbesserte Exoskelette und Rehabilitationsexoskelette unterteilt.
Die Idee von Exoskelettrobotern geht auf das Jahr 1890 zurück, als ein Russe namens Nicholas Yagan eine Art Exoskelettsystem erfand, das durch Druckluftsäcke angetrieben wurde. 1917 entwickelte ein amerikanischer Erfinder einen Exoskelettroboter, der durch Dampf angetrieben wurde. 1960 entstand das erste Exoskelettprojekt, das aus der verbesserten Militärpanzerung des US-Militärs hervorging. Zur gleichen Zeit begannen auch Forscher an der Cornell University, das Konzept der menschlichen Verbesserung zu untersuchen. In der Folgezeit begann man mit der Entwicklung von Exoskelettrobotern, und die meisten der erkennbaren Probleme in diesem Bereich wurden schnell erkannt. 1970 enthielt das von General Electric entwickelte Hardman-System mehr als 30 Gelenke und konnte ein Gewicht von 1.500 Pfund heben, was das enorme Potenzial der Exoskeletttechnologie demonstrierte.
Von der Forschung und Entwicklung bis zur Anwendung haben Exoskelettroboter mehr als hundert Jahre durchgemacht. Exoskelettroboter werden seit ihrer Einführung im Militärbereich auch sporadisch in der Medizin, Industrie, Logistik und anderen Bereichen eingesetzt. Ekso Labs, Barrett Medical in den USA, Rewalk in Israel, Rex Blonics Limited im Vereinigten Königreich, CyberDyne in Japan und Panasonics Exoskelettroboter sind allesamt führende Unternehmen in der Branche.
In der Entwicklungsgeschichte von Exoskelettrobotern im Ausland hat Panasonic 2014 erstmals sein Anwendungsprojekt für Exoskelettroboter im industriellen Bereich vorgestellt. Damals entwickelte Panasonic zunächst eine leichte Version der Exoskeletthalterung, um normalen Arbeitern das Tragen schwerer Gegenstände mit einem Gewicht von 15 Kilogramm zu ermöglichen und sie fortzubewegen. Später verstärkte Panasonic sie mit Kohlenstofffasermaterialien an den Bereichen des Rückens, der Oberschenkel, der Waden und der Füße und kombinierte sie mit einem Motor, der durch Sensoren aktiviert werden konnte. Schließlich gelang es, Menschen dabei zu unterstützen, mühelos 15 Kilogramm schwere Gegenstände zu tragen. Darüber hinaus haben Ekso Bionics und suitX in den USA nacheinander ihre eigenen industriellen Exoskelettroboter auf den Markt gebracht. Unter ihnen wurde der Exoskelettroboter für die oberen Extremitäten EksoVest der Ekso Bionics Company bereits in der oberen Ebene der Ford-Automobilmontagelinie eingesetzt.
Relativ gesehen hat dieser Bereich in China relativ spät begonnen, hat sich aber kräftig entwickelt, insbesondere im Bereich der Rehabilitations-Exoskelettroboter, und es sind viele Start-up-Unternehmen entstanden, darunter Maibu Robot, Big Ai, Ruihan Medical, Screaming Technology, Jinhe, Fourier Intelligence usw. Sie alle sind in den letzten Jahren Starunternehmen in diesem Bereich. Unter diesen Unternehmen haben sie in Bezug auf die Finanzierung im Allgemeinen die Pre-A-Finanzierungsrunde 2017-2018 abgeschlossen.
Auch in China sind industrielle Exoskelettroboter aufgrund des Bedarfs aufgetaucht, darunter Anwendungen in den Bereichen Automobilmontage und Logistik. Relevante Unternehmen für industrielle Exoskelettroboter in China haben ebenfalls begonnen, Fortschritte zu erzielen. Beispielsweise wurde 2019 berichtet, dass der industrielle MAPS-Exoskelettroboter für die oberen Extremitäten von Aosha Intelligence in den Fabriken von Chery Automobile, Yutong Bus, Beijing Benz und Geely Automobile getestet wurde. Start-up-Unternehmen im Bereich der Logistik-Exoskelettroboter wie Iron Man Boxing haben 2019 ebenfalls offiziell ihren ersten universellen Logistik-Exoskelettroboter auf den Markt gebracht und kooperieren mit JD.com, Deppon und Schneider bei Logistik-Exoskelettrobotern und werden auch in Zukunft Exoskelettroboter für Anwendungen in der Industrie und im Bauwesen intensiv weiterentwickeln.
**II. Die Technologie und der aktuelle Status von Exoskelett-Robotern**
Ein Exoskelettroboter besteht im Allgemeinen aus drei Teilen: dem Gesamtmaschinendesign, dem Treiberdesign (Mechanismusdesign) und der Steuerungsstrategie. Der schwierigste Punkt des Exoskelettroboters ist die Realisierung einer Mensch-Maschine-Interaktion und -Steuerung in Echtzeit. Das allgemeine Arbeitsprinzip der Interaktion ist im Allgemeinen: Der erste Schritt besteht darin, die menschliche Verhaltensabsicht wahrzunehmen, was im Allgemeinen eine Kombination aus Gyroskop-, Beschleunigungs- und Elektromyogrammsignalen usw. ist; der zweite Schritt besteht darin, die Antriebsmethode zu erreichen, z. B. die Verwendung von fortschrittlichem Verhaltensfahren; der dritte Schritt besteht im Allgemeinen darin, die äußere Umgebung durch Laser- und Ultraschallwahrnehmung zu beurteilen.
Derzeit gibt es für Roboter zwei Möglichkeiten, menschliche Absichten zu erfassen: die direkte Erfassung der Absicht des Bedieners und die indirekte Erfassung der Absicht des Bedieners. Die Methoden zur direkten Erfassung der Absicht des Bedieners umfassen EMG-Daten oder die Interaktionskraft zwischen Mensch und Roboter. Die indirekten Methoden bestehen darin, Daten aus den Gelenken des Exoskeletts zu erfassen, die Absicht des Bedieners abzuschätzen und dann den Bewegungseffekt zu verstärken. Das von Musk gegründete Unternehmen Neuralink, das sich der Verbindung des menschlichen Gehirns und des Computers verschrieben hat, ist eine Möglichkeit, diese Verbindung zu stärken.
Derzeit ist bei Exoskelettrobotern noch viel Raum für Fantasie und es gibt Optionen, die an Verbraucherprodukte heranreichen. Aus technischer Sicht ist die Forschungs- und Entwicklungsschwelle für Exoskelettroboter zur Rehabilitation relativ niedrig und gleichzeitig gehören sie zu den Medizinprodukten der Klasse II, und die Registrierungsschwelle ist relativ niedrig; die begrenzte technische Leistung von Exoskelettrobotern als Gehhilfe wurde kontinuierlich durchbrochen; die technische Forschungs- und Entwicklungsschwelle für Operationsroboter ist relativ hoch und sie gehören zu den Medizinprodukten der Klasse III. Die Registrierungsschwelle und der Registrierungszyklus sind in China sehr lang. Daher ist es nicht überraschend, dass Exoskelettroboter in China explosionsartig an Popularität gewonnen haben.
Was Spitzentechnologie angeht, so betreiben derzeit die Xi'an Jiaotong University, das Imperial College London und die University of Melbourne Forschungen zum Elektroenzephalogramm, während sich die Hong Kong Polytechnic University auf die Kombination von transkranieller Magnetstimulation und Exoskelettrobotern konzentriert. Dies sind allesamt hochmoderne Bereiche auf dem Gebiet der neuronalen Rehabilitation und der Roboterrehabilitation weltweit. Dennoch befindet sich Chinas medizinische Rehabilitationsbranche noch in der frühen Entwicklungsphase. Obwohl einige Exoskelettroboter verschiedene medizinische Zertifizierungen erhalten haben, widmen immer noch viele Unternehmen den Großteil ihrer Energie der Forschung und Entwicklung medizinischer Exoskelettroboter. Die wirklich kommerziell angewandten Produkte sind hauptsächlich Geräte zur Rehabilitation von Gelenken, wie beispielsweise der Exoskelettroboter für das Rehabilitationstraining der unteren Extremitäten von Maibu Robot, der Exoskelettroboter für die Handrehabilitation und die Rehabilitationsgeräte für Handgelenk und Knöchel von Fourier.
In der Anfangsphase plagten Exoskelettroboter vor allem die folgenden Probleme. Das erste Problem war das Energieproblem. Frühe Exoskelettroboter waren untrennbar von externer Energie abhängig. Der Antrieb durch Verbrennungsmotoren und Kabel war einst ein Problem, das die Entwicklung von Robotern behinderte, was sich auf das Gewicht und die Nachhaltigkeit von Robotern auswirkte. Das zweite Problem liegt in der Steuerungstechnologie. Die Steuerungstechnologie ermöglicht es Robotern, während des gesamten Prozesses eine effiziente und mehrdimensionale freie Steuerung zu erreichen und mit verschiedenen Veränderungen beim Menschen Schritt zu halten. Wenn es keine Wahrnehmungsfähigkeit für verschiedene Bewegungstrends des menschlichen Körpers gibt und Menschen keine Hilfe und Handlungsunterstützung bietet, wird der Exoskelettroboter stattdessen zu einer Belastung.
Heutzutage, mit der Weiterentwicklung von Lithiumbatterien, Brennstoffzellen und anderen effizienten Energiequellen, haben einige Exoskelett-Roboter begonnen, die Energie- und Steuerungsprobleme gut zu lösen. Zudem gibt es viele Zweige von Exoskelett-Robotern mit Einzelfunktion, darunter in Form von Hosenträgern, Handschuhen, Fingern, Shorts, Knieschützern usw., und die Anwendungszwecke haben sich auch auf die industrielle, medizinische, zivile und militärische Sphäre ausgedehnt.
**III. Fazit**
Da es derzeit auf dem Markt für Exoskelettroboter Konkurrenz gibt und Industrieroboter ausgereifte Produkte wie diese sind, ist der wahrscheinlichste Markt für Exoskelettroboter immer noch der medizinische Bereich. Der erste Markt ist der Markt für irreversible Schäden, der sich hauptsächlich an Menschen mit eingeschränkter Mobilität aufgrund von Muskel-, Knochen-, Nerven- und Weichteilschäden und Alterung richtet. Diese 2C-Gruppe umfasst etwa 90 Millionen Menschen. Es ist von großer Bedeutung, Menschen mit körperlichen Behinderungen das Aufstehen zu ermöglichen. Der zweite Markt ist der Markt für reversible Rehabilitation, hauptsächlich für Menschen mit vorübergehender Muskelatrophie und intelligenter Rehabilitation aufgrund von Bettruhebehandlungen aufgrund von chirurgischen Gründen. Jedes Jahr gibt es etwa 25 Millionen zirkulierende Menschen und Institutionen, die zusammenarbeiten, um Kanäle einzurichten.
Auch in Zukunft muss der Hauptmarkt für Exoskelett-Roboter der Verbrauchermarkt sein, beispielsweise für leichte Anwendungen wie Gehen im Freien, Wandern, Bergsteigen, Klettern usw. und die Herstellung von Produkten in Form von Einzelkomponenten, die für Knie, Oberschenkel, Schuhe, Arme usw. geeignet sind. Für diesen Teil des Marktes gibt es keine eindeutigen Parameter, aber der Raum ist sehr groß.
Es ist zu hoffen, dass in naher Zukunft, wenn sich Material und andere Probleme verbessern, der Preis für Exoskelettroboter weiter sinken und schließlich das Niveau von Zehntausenden oder sogar Tausenden von Yuan erreichen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Markt zweifellos einen großen Durchbruch einläuten. Und wenn Exoskelettroboter als universelle Kleidung verkauft werden können, ist die menschliche Erforschung des unbekannten Universums vielleicht kein ferner Traum mehr.
**Erklärung**: Dieser Artikel ist ein leicht gekürzter Auszug aus dem Internet. Das Urheberrecht liegt beim Originalwerk. Bei Verstößen wird es gelöscht.
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