可穿戴机器人的未来

xucheng

（本文节选自7月初的内部研究报告。文中所提及的公司的评价及点评，不构成任何推荐或者建议。任何引自本文的内容，均请注明。如果不注明，请用自己的语言组织，不要无脑地粘贴抄袭！）

【作者认为：日本Cyberdyne公司的意念控制可穿戴机器人，将是彻底颠覆未来的人机交互技术。Cyberdyne引领的意念控制可穿戴机器人将在医疗、生活、工业，甚至军事领域彻底改变人类生活。】

“人体外骨骼可穿戴机器人（Wearable Robotic Exoskeleton）是一类通过精密机械装置协助人体完成动作的装置（同步、加强、模仿），它结合了外骨骼仿生技术和信息控制技术，涉及生物运动学、机器人学、信息科学、人工智能等跨科学知识。受制于高度符合人体动作准确度的实现难度、运动意图判断、能源供给、结构材料（轻型、坚固、有弹性）、控制策略等影响因素，人体外骨骼助力机器人目前仍处于早期阶段。” ??《一种可穿戴机器人的多传感器感知系统研究》。

最早的人体外骨骼助力机器人是1966年GE研制的Hardman助力机器人，21世纪初美国国防部高级研究计划局（DAPRA）拨款推进军事助力机器人研发，第一代产品包括RTN（Raytheon）的XOS（授权自Sarcos）和LMT（Lockheed Martin）的HULC（人类外骨骼负重系统，授权自Ekso）。2001-2005年，全球数家大学开始研发下肢助残机器人外骨骼，这些系统初步将投入于康复使用，未来或逐步推广至日常使用，机器人外骨骼或将彻底改变下肢瘫痪患者的康复治疗和日常生活，比较著名的医用外骨骼项目包括剥离自日本筑波大学的HAL、剥离自UC Berkeley的Ekso、以色列创业项目Rewalk、新西兰创业项目Rex以及运动控制技术公司Parker Hannifin（NYSE:PH）旗下的Indego。助力外骨骼下一步自然是延伸至工业应用，减少复杂工程的工伤事故，提升工作效率。




（i）医疗应用

今年初Wintergreen Research发布康复中心机器人行业报告（包括康复机器人、主动型假肢、机器人外骨骼等），预测该市场将从目前$43m增长至2020年的$1.8b（下图），而ABI Research报告预测2020年外骨骼机器人市场将达 $292m（仅供参考）。

下图显示，全美5.6m瘫痪病人按病因分类包括：中风引起（29%）、脊髓损伤引起（23%）、多发性硬化症引起（17%）、脑瘫引起（7%）、小儿麻痹症引起（5%）等。
-全美有1.2m脊髓损伤（SCI）引起的瘫痪病人（The Christopher and Dana Reeve Foundation数据），273k为脊髓损伤引起的全瘫病人（15%为退伍军人，享受相关福利），每年新增病例12k（NSCICS/国家脊髓损伤统计中心数据，2013），非美国家全瘫患者数及每年新增病例与美国接近。美国脊髓损伤患者起因（下图）主要是交通事故（37%）和摔倒（29%），紧接着暴力事件（尤其枪支暴力）比重高达14%，远高于欧洲地区的MSD比重。大部分脊髓损伤早期患者会接受数月康复治疗，步态训练是下肢功能障碍康复训练的主要方式，帮助恢复肌肉力量和韧性，改善运动能力和关节协调性，维持身体正常机能。全美每年脊髓损伤直接治疗成本$40b，间接护理成本达到$306b，欧洲市场支出与美国接近。
-全美有5m+人中风患者，每年发病人次780k（80%可以幸存），20-25%的中风患者无法独立行走（ReWalk IPO资料），这部分患者便是机器人外骨骼可以提供康复治疗的潜在市场。尽管中风患者每年发病人次是脊髓损伤患者人次的65x，但致瘫比重（29%）仅比脊髓损伤致瘫（23%）高出600 Bps，这是因为中风患者存活寿命较短。
-全美有400k多发性硬化症患者（NMSS/国家多发性硬化症协会数据），53%的患者（212k）在Kurtzke扩展残疾状态量表（0-10分）得分6-7（ReWalk招股书数据），属于需要辅助行走但尚未依赖轮椅。
-全美有764k脑瘫患者（UCP/国际脑瘫组织），具体适应外骨骼康复人群需要进一步确认。

考虑到前期治疗和并发症治疗，截瘫患者是所有患者人群中医疗开支最高的群体之一，终身疾病开销大约在$1.5-4m（Ekso资料）。以脊髓损伤（SCI）患者为例，不考虑薪酬福利损失，脊髓损伤后第一年治疗费用高达$50k（ReWalk资料），之后每年康复中心理疗成本$4k、定期检查成本$3k，平均每人每年因并发症住院22天，平均住院成本$10k、并发症药物成本$4k（如痉挛），相当于后续每年平均$20k的护理成本（Ekso资料）。 目前对外销售的个人用机器人外骨骼平均售价~$100k，相当于脊髓损伤患者5年的定期护理成本（ReWalk招股书提及全美大约80%的脊髓损伤患者年龄适合购买个人用机器人），由于中风致瘫患者存活寿命相对较短，目前的个人用机器人外骨骼对该部分患者具有价格压力（这也是Ekso计划较晚进入个人用市场的原因）；而在康复中心市场，在预算允许或者保险覆盖的前提下，机器人外骨骼未来在帮助截瘫患者进行康复治疗方面将起到越来越重要的角色。

（ii）军事应用

伊拉克战争和阿富汗战争>35%的医疗后送是因为负重损伤所致，部分任务负重超过125磅/57公斤（包括武器、弹药、电子设备、防弹衣等），外骨骼机器人可以大幅提高战士的承重能力。2009年Ekso发布的人类外骨骼负重系统（HULC/Human Universal Load Carrier）承重力达到200磅/90公斤，大幅提高单兵作战能力，该技术目前独家授权给LMT。另外，保护性机器人外骨骼可以有效抵御气体及生化武器的袭击。

（iii）工业应用

工业应用面向工程施工、紧急救助（疾病、事故、灾害、突发事件）、生产制造、搬运输送、危险工作（如核电站操作维护、航天空间站、深水作业）等。下图左显示了2011年普吉特海湾海军造船厂一次高难度测试，工人身着全身外骨骼机器人（HULC+Zero-G）托举电动砂轮机进行船体打磨（Overhead Grinding），如果没有助力机器人，这极易造成工伤，海军部随后发布了测试结果：打磨时间仅为常规耗时的1/3、打磨质量改善、一名患有纤维肌痛的工人轻松完成任务。右图显示HAL被用于福岛核电站救助现场，外骨骼系统除了助力以外，还可以防辐射，大幅提高工作效率，最小化灾害影响。

本文主要介绍Cyberdyne（TYO:7779）、Ekso Bionics（OTCBB:EKSO）、ReWalk Robotics （NASDAQ: RWLK）和Rex Bionics （LON:RXB）四家机器人外骨骼公司，这四家公司分别来自日本、美国、以色列和新西兰（被英国公司收购），均于2014年上市。综合分析后，我们认为四家公司各具特色， Cyberdyne人机反馈优势凸出，Ekso欧美市场布局广泛，ReWalk合规批准提供先发优势，Rex支持无支撑式独立行走（为四肢瘫痪患者提供解决方案）。重点分析智能化优势突出的Cyberdyne。

Cybernics是一门混合学科，覆盖控制论（人）、机电学（机）、信息学（信息）和医学（神经科学、运动学、再生医学）领域，筑波大学的Cybernics研究中心是日本顶尖智能机器人研究中心，由日本筑波大学教授Yoshiyuke Sankai于1991年创立，1995年，第一台HAL（Hybrid Assistive Limb，混合助力机器人外骨骼）样机诞生。2004年，在日本内阁拨款资助下，Sankai教授创立了Cyberdyne公司，旗舰产品HAL于2005年首次亮相于爱知世博会，是目前日本最著名的机器人外骨骼。2008年HAL正式发布，2013年成为全球首个获得安全认证的机器人外骨骼产品（ISO/DIS 13482）。 各个市场进展（下表）。2013年HAL获得CE标识，随后德国法定工伤保险DGUV提出医保报销，HAL进入德国市场，目前正在着手准备瑞士、奥地利、西班牙市场的推广（Nomura预期2015年）。2013年，日本新泻市民医院启动一项HAL针对顽固性神经肌肉罕见病患者治疗的临床试验，计划今年7月结束，并于年底向日本医药局申请医院用医疗器械，Nomura预期2015年HAL有机会获得日本市场长期关爱中心（LTC）保险覆盖。另外，2014年初公司开始准备FDA申请资料，申请资料会用到日本和德国市场的临床试验数据，Nomura预期14H2递交材料，2015年有望获批及保险覆盖。 Cyberdyne于今年3月在东京交易所上市，目前市值$2.2b。

HAL模仿人体工学设计，由两套Cybernics控制系统构成：生物意识控制系统（CVC）和自主控制系统（CAC）。这是HAL与其他机器人外骨骼相比的独特优势，通过固定在皮肤表面的传感器搜集肌电信息（Bioelectric Signals），CVC可以判断行动意图，控制动力装置，而CAC则利用计算机存储动作模型，完成并记忆助力动作（站坐、行走、上下楼梯），不难想象，CAC的记忆控制或可永久保留著名运动员的动作模式。

利用相关医学原理阐述HAL的作用机制：正常肢体行动依靠大脑和外周神经系统进行，大脑发布指令，运动神经（脊髓）传递指令至肌肉骨骼系统（比如关节），中风等脑部疾病以及脊髓损伤、多发性硬化症等运动神经疾病会破坏正常神经通路，使患者肢体瘫痪。HAL的两套控制系统互相配合，为患者架构一个替代神经网络，相当于一个外接大脑/神经系统，促进生物反馈、刺激大脑学习、逐步修复通路，这和一般意义上的理疗有显著差别，理疗通过肢体移动恢复肌肉功能，而HAL为患者提供了完整生物反馈。 注意到目前竞争对手产品（包括ReWalk、Rex在内）主要针对脊髓损伤（22%截瘫患者）和多发性硬化症患者（17%截瘫患者），而HAL和Ekso的产品适用于截瘫第一大病因??中风患者（29%截瘫患者）。其中，HAL的通路修复原理天然适合于中风引起的瘫痪，而Ekso则是利用可变助力软件对中风患者进行康复训练。

除筑波大学，全球其他通过“意念”控制帮助瘫痪患者的项目包括美国的匹兹堡大学医学院和杜克大学医院院的机器人假肢项目，可以通过连接大脑按瘫痪者“意念”来完成全身肢体动作。

除了医用产品，Cyberdyne还有其他外骨骼及非外骨骼机器人产品，但Sankai教授拒绝Cybernics技术用于军事领域。 Cyberdyne计划2014年底前测试发布以下产品： -智能大楼清洁机器人。清洁机器人可以自行乘坐电梯并清洁所有楼道，这将节省楼道清洁费（包括人工费、照明费、空调费、工伤保险费等）。 -手关节/膝关节强化训练机器人外骨骼。关节强化机器人将用于疾病预防及家庭护理。 -生命体征传感器。手掌大小的传感器可以通过检测一系列病状预防中风，包括动脉硬化、心律失常、脱水等病状，数据可实时发送至医生处。 -腰背助力外骨骼。适用于康复中心护工及重体力工业。

在研其他外骨骼系列包括：全身助力外骨骼（工业用）、赈灾助力外骨骼（防辐射、冷却系统、生命体征传感系统），日本政府2011年承诺向后者研发提供$150m资金援助。

（ii）Ekso Bionics（前身为Berkeley Bionics）

2005年，UC Berkeley机器人和人体工程实验室三名学者创立了Berkeley Bionics，同年发布ExoHiker系列，提高长途承重至150磅/70公斤，2007年承重升级至200磅/90公斤。2009年公司发布了液压传动的人类外骨骼负重系统（HULC/Human Universal Load Carrier），承重力200磅/90公斤（包括武器、弹药、电子设备、防弹衣等），大幅提高单兵作战能力，同年Berkeley Bionics将HULC技术独家授权给LMT。 2012年底海豹六队在阿富汗东部解除一名美国医生人质时，一名特种兵遭遇枪杀，此事直接导致美军特种作战司令部（USSOCOM）去年启动TALOS项目（战术突击轻型作战机器服，下图），HULC将是TALOS构成的一部分（下下图）。TALOS不仅防弹、助力、夜视、增强现实，还能监测生命体征、自动喷药，该项目由56家公司、18个政府机构、13个大学和10个国家实验室共同参与，计划于2018年产品上市，目前累计耗资已经超过$10m。 今年初，LMT和Ekso合作研发的军事工业用机器人外骨骼Mantis样机发货，助力造船工人搬运重物及进行高难度工作，减少工伤事故。

在HULC基础上，公司于2010年发布针对脊髓损伤引起的截瘫患者的下肢步态修复外骨骼系统eLEGS（Exoskeleton Lower Extremity Gait System），该系统利用专用拐杖进行行为控制（下图右），需要理疗医生监督。2011年公司改名为Ekso Bionics，eLEGS改名Ekso，2012年初第一代Ekso获得FDA批准并取得CE标识，开始进入全美主要康复中心，为脊髓损伤（SCI）患者提供步态康复训练。13H2， Ekso发布可变助力软件（Variable Assis Software），覆盖人群拓展至中风患者（详见“产品对比”）。2013年底，第二代机器人外骨骼Ekso GT配合可变助力软件进入康复中心。 截至14Q1，Ekso机器人外骨骼已进入全球60家康复中心（50%北美、40%欧州12国、剩余10%南非、南美），共计出售或出租64台Ekso，累计帮助3000+患者进行治疗，注意到年初新聘的销售VP Glenn Davis在全球第二大医疗器械公司西门子任职23年。除康复用机器人外，公司正在研发个人用机器人，预期2015-2016年上市。截至14Q1，Ekso月产量8台，最高产能可以达到125台。

（iii）ReWalk Robotics（前身为Argo Medical Technologies）

以色列公司Rewalk Robotics成立于2001年，总部后迁至美国麻省，创始人Amit Goffer四肢瘫痪，致力于研发助残外骨骼机器人，公司的核心技术为独有的倾斜传感技术（2021年到期），通过检测重心的轻微变化，ReWalk带动患者行走。 历经10年研究，ReWalk于2011年在欧美市场发布了康复训练外骨骼（ReWalk R/Rehabilitation），是最早进入欧洲市场的机器人外骨骼产品。个人用机器人外骨骼（ReWalk P/Personal）定制系统先后于2012年底和2014年中获得CE标识和FDA批准，Rewalk P成为FDA批准的第一个个人用外骨骼系统（FDA要求在有人监督情况下使用ReWalk），也是在欧洲市场最早获得保险覆盖的个人用机器人外骨骼产品。招股书提及至少2年内不会有竞争对手个人用产品获批，公司在全美个人用外骨骼市场有先发优势（14Q3开始销售）。 在研产品方面，招股书提到目前产品仅针对脊髓损伤患者，未来产品将进一步拓展到多发性硬化症（在研）、中风和脑瘫患者。另外，在研产品还包括一款ReWalk Q/Quadriplegia，主要用于四肢瘫痪患者，这部分患者无法支撑拐杖，因此ReWalk Q将配备底轮拐杖（上图最右），公司预期近期完成ReWalk Q的研发，之后开始临床试验和监管申请。 目前，ReWalk已进入全球24家康复中心（北美15、欧4国8中心、中东1），共售出60台康复机器人和18台个人用机器人。公司与日本工业机器人制造商安川电机（市值$3.4b）签署战略合作，拓展亚洲市场，安川电机拥有一部分ReWalk股权，ReWalk未来也将帮助安川在欧美市场经销安川部分在研医疗机器人。

（iv）Rex Bionics (Rex: Robotic Exoskeleton) （略）

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产品性能

Rex机器的优劣势均很明显，Rex是唯一一家无需拐杖支持的自助式设备，适用于四肢瘫痪患者，即便是下肢瘫痪患者，也可以体会“解放双手”的方便，这可能也是创始人切身需求，但Rex在步态和可调节方面具有明显劣势，公司表明下一代产品会有所改善，HAL和Ekso在步态方面非常自然。另外，ReWalk在研产品ReWalk Q将会针对四肢瘫痪人群，由底轮驱动拐杖前进并保持行走平衡，ReWalk创始人亦是四肢瘫痪患者，ReWalk Q或成为额继Rex之后第二款针对四肢瘫痪患者的外骨骼产品。 生物意识控制技术目前仅有HAL一家实现，且有专利支持，该技术天然支持HAL用于中风患者，Ekso通过可变助力软件介入该患者市场，其他产品基本还是停留在运动神经疾病致瘫患者（脊髓损伤、多发性硬化症等）。 电池使用寿命方面，作为唯一一个被FDA批准的个人用机器人外骨骼产品，ReWalk的电池寿命优势相当明显，间断使用下可持续一整天，连续使用持续3-4小时，Ekso的机器人电池可持续6小时，HAL和Rex的电池寿命低于2小时，HAL目前没有个人用产品。 相比而言，HAL比ReWalk/Ekso轻巧一倍，ReWalk和Ekso机器重23kg（电池~5kg），而HAL仅为12kg重（无线电池~2kg），尽管ReWalk和Ekso声称行走时机器人重量由地面承重，但一位使用HAL的日本老人受访时表示HAL太重，那么ReWalk/Ekso的重量可能对部分患者压力更大。