“黑科技”外骨骼机器人赋能快递物流

人类想要借助自身行动更快的梦想从未停歇，拥有一套钢铁侠所穿戴的铠甲是无数人的梦想。无数电影导演和科幻迷们告诉我们，有一种方式，那就是外骨骼机器人。外骨骼机器人一直是科幻电影中人类自身能驾驭力量的极限。它们的出现不仅能够帮助人类分担繁重的体力劳动，还能大幅提升工作效率。

外骨骼机器人是一种结合了人的智能和机械动力，装置机械能量的人机结合的可穿戴装备。外骨骼的定义最早其实来源于动物，即外部的骨骼，这些外部骨骼一般用于支撑和保护动物，与之相反的是人类这样“内骨骼”的生物。 

外骨骼机器人是融合了传感、控制、信息、融合、移动计算，为操作者提供可穿戴的机械机构的综合技术。是指套在人体外面的机器人，是人体能力增强的主要路径之一也称"可穿戴的机器人"。

本文将重点展开外骨骼机器人的初步分析以及在快递物流的应用分析。也许短期内外骨骼机器人在快递物流领域还不具备大规模推广的条件，但这是一个长期的过程，是未来快递科技的一个转型方向。

01 外骨骼机器人的工作原理

一般来说，外骨骼机器人由传感系统、控制系统、驱动系统、机械系统四大核心部件构成。其中控制系统与驱动系统是其核心。实现人机实时交互和控制是外骨骼机器人的最难点。

交互整体工作原理一般是：

第一步感知人体行为意图，一般是陀螺仪+加速度计+肌肉电信号等方式结合；

第二步实现驱动方式，例如采用高级行为驱动；

第三是一般通过激光+超声感知对外界环境做出判断。

目前机器人获得人类意图有两种方式：直接获取操作者意图和间接获取操作者意图。

外骨骼的研究方向主要是围绕以下几个方面：

第一，柔性关节技术，动力源主要是具有高速响应的高功率输出的，目前主要是电驱动形式。

第二，意图识别技术，通过惯性量、交互量、脑电、肌电等来判断使用者运动意图。

第三，人工智能技术，每个人的步态方式不同，驱动角度和驱动力不同，通过数据磨合，寻找适合独自的模式。

第四，新型材料技术，通过更轻、更舒适的材料和人体结合，把各种模块合理布置。

第五，能源技术，保证安全性和高续航能力，并且在一些特种作业环境，还应该具有不同的防护能力。

02 外骨骼机器人的作用

前面提到，外骨骼机器人的工作原理。外骨骼机器人其本质是一种可穿戴机器人，能够为穿戴者提供保护功能、增强穿戴者的能力，延展、补充、替代或增强人的身体功能、肢体运动能力和负重能力，那么来外骨骼机器人可以用来干嘛呢？

在医疗健康领域，外骨骼机器人可以支撑患者的身体，帮助患者实现自由行动、康复训练。CBInsights调研数据显示，全球融资金额前十的外骨骼机器人企业产品均属于医疗健康类。从全球各地的反馈消息来看，外骨骼机器人对于患者十分匹配。例如《中国青年报》报道，四川自贡小伙林寒因从高处摔落而落下肢体残疾，而在电子科技大学研制的外骨骼机器人帮助下，林寒通过胸部、腹部和腿部的绑带将外骨骼机器人穿在了身上，再通过肘杖上的控制按钮启动设备，外骨骼机器人会慢慢推动他从轮椅上站起来。只要再按动一下行走按钮，外骨骼机器人便会帮助他迈腿，通过手肘保持平衡一步一步顺利向前走。

在工业领域，外骨骼机器人可增强人类的肢体能力。其实在科学家们研制Hardiman（第一台外骨骼机器人）时，其中一个主要目的便是开发一个能够帮助士兵搬运货物的机器人，所以在最初的设计要求中他们要求外骨骼机器人需要帮助穿戴者搬运682Kg负载，单臂需举起341Kg货物（因技术问题未能实现）。不过这一需求在新时代的外骨骼机器人中得以实现，例如日本神奈川工科大学研发的动力助力外骨骼穿戴设备——动力辅助服，能够帮助工人、护士上肢举起重物。

在救灾军事场景下外骨骼机器人可以保护人类身体。与乌龟、所有甲虫一样，外骨骼机器人就像是护甲一样，对人体具有一定的防护作用；

在生活娱乐场景中，外骨骼机器人可以充当链接虚拟世界与现实世界的桥梁，增强人类对虚拟世界的感知与体验。

根据以上作用特征，目前外骨骼机器人的应用领域可分为：

医用外骨骼机器人：帮助病人进行身体技能康复，也包括帮助老年人、残截病人等行动不方便的病人作为辅助行动机器。

工业外骨骼机器人：工业主要用于汽车制造、物流行业等领域，可协助劳动者完成更重体力的劳动。

军用外骨骼机器人：军用主要为了提高士兵的作战能力，也可提高军人的负重能力。

03 外骨骼机器人的发展历程

外骨骼机器人的想法可以追溯到1890年，当时一位叫尼古拉斯·亚根的俄罗斯人发明了一种用压缩空气包为动力的类外骨骼系统；1917年，美国发明家开发了一种以蒸汽为动力的外骨骼机器人。

1960年，最早的外骨骼项目出现，其来源于美国军方的增强型军用装甲，同期康奈尔大学的研究者也开始研究人体增强的概念，后续外骨骼机器人很快就开始研发，也造成了这个领域大部分能够探明的问题迅速被探明。

具体为四个时期：

1.0时代（1960年）：起源于上世纪60年代的军用领域，美国军方率先开展研究，目的是设计增强型军用装甲。

2.0时代（2005年）：开始出现商用产品，主要目标人群是瘫痪截肢病人，运用硬质外骨骼辅助人体承受重量的理念，但产品刚性结构特性，体积大、重量大、无法便携等问题，使得中长期使用无法实现，商用化市场并未被打开。

3.0时代（2010年）：中国从2010年开始引入美国的先进技术，国内企业纷纷起步，追赶外企的发展，以大艾、布法罗机器人公司等为代表。而此时，国内的外骨骼发展主要依托于高校的研究资源并商业化，但技术上如何为使用者提供切实价值暂未突破，技术仍以刚性外骨骼为主，对于运动能力差的患者以及老年人群，难取得显著的辅助效果。

4.0时代（2014年）：新技术开始出现，以柔性外骨骼为代表，外骨骼开始出现小型和轻量化的产品，通过用个性化算法帮助使用者进行主动训练的方式，主要用于康复领域。各个玩家致力于加速产品更新和迭代，医疗端应用场景出现大规模商用趋势。

04 外骨骼机器人的市场规模

整体来说，外骨骼机器人产业还处于起步阶段，距离大规模应用还有一段时间。国际研究机构ABI在分析中预测，外骨骼机器人在近十年内有望实现快速增长，甚至是全球化的发展，预计在2028年之前，有望实现全球性规模化增长。

根据预测，2020年至2030年，外骨骼机器人的产业年复合增长率将达到33%，2025年开始达到高增长阶段，预计在3年内复合增长率达到47.7%，到2028年，全球的市场规模或突破58亿美元，并逐渐走向成熟。2030年，全球规模将突破68亿美元。

2018年，全球的外骨骼机器人出货量仅为7000件，产业营收1.92亿美元，从产业目前的发展情况来看，预测2025年全球的出货量将达到10.7万件，2028年达30.1万件。

05 外骨骼机器人的价值

外骨骼机器人的价值在于技术有着很大的发展空间，未来能够减轻穿戴者的工作强度，提高工作效率。

在工业领域，超过20%的劳动损伤都是发生在肩部和腰背部，企业用于支付肩部和腰背部损失的劳动损伤保险总额巨大；人工搬运、重复运动和糟糕的身体姿势都将促使和工作相关的肌肉骨骼疾病危害工人的健康、影响企业的发展以及对社会经济造成负担；中国工人劳动强度大，劳动损伤人群年龄已下探到25岁，每年因工伤保险支出甚至超过百亿人民币。

以汽车制造业为例，虽然目前汽车流水线前端的制造工位基本已实现自动化操作，但是末端汽车总装线工位依旧无法被自动化设备完全取代。这些工位作业对工人的肩部和腰部骨骼关节带来了极大损伤。以头顶操作为例，工人需要举起约5-6公斤重的零件与工具，每天约重复3000-4000次，常年单一动作加上重力压迫很容易引发肩部与腰部的劳损，也会影响工厂流水线的效率。

无论是巨额的工伤成本，还是老龄化社会的进行时，这种可助力的动力外骨骼系统无疑在未来会有着巨大的潜在应用市场。

 06 外骨骼机器人在快递物流的应用

快递物流外骨骼机器人属于工业外骨骼机器人一个分支领域，这一分支领域尤其在快递物流发达的国内应用火爆。据悉，“外骨”最高可节省操作者60％的能耗，极大提高搬运效率，同时有效保护快递员腰部肌群。有了它，工作人员不需要起重设备也可以搬起平时难以拿动的部件。此外，据了解，机器人还可配备局部肌群能耗及疲劳监测系统，通过人工智能技术实现对员工在工作过程中生理信息的实时监测，并提前预警员工身体疲劳情况，适时提出休息建议，帮助管理者动态调整用工规划。

可以说，在工业领域中，快递物流是最具前景、市场规模最大的领域，我国拥有全球最大的快递流通。2021年，快递企业支撑了中国超1000亿的包裹流通，日均快件处理量近3亿件，连续8年稳居世界第一。根据中国邮政数据显示，我国近年来快递数量的急剧增加。而其中快递的分拣、配送均是劳动密集型环节，人力成本高、用人招工难、效率瓶颈、操作风险成为行业痛点。在配送中心，分拣搬运成本约占90%，直接参与分拣操作的人力占到50%，同时整个配送中心作业时间的30%-40%更是被分拣作业时间所占。在物流领域中的快递分拣等环节，普遍员工在工作4小时后效率直线下滑，而穿戴外骨骼后，工人的能耗节省率可达到50%-60%，将员工高效工作时间延长至8小时甚至更多，外骨骼大幅度提高工人在物流分拣等流程的效率。假设后续外骨骼产品实现规模化，投入应用便可短时期收回成本。

快递物流行业是人口密度较大的行业，基层工作者劳动强度很大，劳动工人的需求也伴随快递行业发展日益增大。但据国家统计局披露的数据，我国近年来在重体力劳动行业的从业人员持续减少，80、90后或多或少都完成职业教育（中专）或者大学教育，若非生活所迫，很少会主动从事重体力劳动。00后选择工作，更是以兴趣为主。从2013年起，这几大领域的从业人员持续减少。同时从业群体高龄化的现象在持续增加，大部分工人在体能上难以适配高速运转的生产环境和需求，长期重复的劳动造成的职业病进一步降低了工人的生产效率。这些都导致未来的快递物流行业用人成本会不断上涨。因此，未来快递物流企业对能够增强工人力量，减轻工人负担的外骨骼机器人的需求潜力巨大。

因此，被视为成本环节的物流行业，提升行业整体效率是核心且迫切的需求。"机器换人"目前是物流行业的提效升级的主流思维之一，但目前的机器人主要执行简单和单一动作。而复杂度高和灵活性高的岗位，如分拣和包装工位，以及特殊环境下出现的临时型工位，都难以被机器较好的解决，这些不可被替代的工种约占2/3。

外骨骼机器人的出现，则能在其中通过助力物流从业人员，达到提效目的。如果物流企业硬生生地砍掉一部分岗位的人员，直接换上机器，这种策略大概率会对员工的稳定性造成影响。而通过应用外骨骼机器人，提升单位人员的产能，效率提升，这个策略是相对更符合人性的途径。使用科技设备主要是一次性的投入以及日常的维护、保养，也起到了企业在人工成本的节省。

快递物流行业，急需科技的力量，来助力企业将重体力的、重复性劳动的岗位释放出来，这是大势所趋，也是市场竞争下的必然选择。

当然，想要让物流企业去采购这些设备，还是要靠“性价比”来说话，也就是当科技工具能够实现低成本且量产的时候，才是物流科技普及的时候。

07 应用发展趋势与挑战

国内的外骨骼市场没有迅速发展起来的原因，最大的绊脚石依然是技术本身。

21世纪以来飞速发展的计算机技术、传感技术、材料技术并没有对外骨骼产品带来变革性影响。即便加入了能捕捉外界信息的多类型传感器，提高了功能性，但其根本性的机械、控制、驱动三大问题没有因此得到解决。应用领域因此很难实现大范围突破，公摊成本高也进一步导致价格居高不下。外骨骼机器人作为生产资料，是以市场为导向。应用方会充分考量其作为生产资料的投资产出稳定性。

造成外骨骼机器人价格居高不下的原因除了市场规模小、研发成本高等因素外，另一个隐性因素是外骨骼相关企业并不赚钱，四大上市企业营收均偏低。这也阻碍了外骨骼机器人在消费级民用化市场爆发。

例如在机械系统上，外骨骼的结构样式没有太多设计革新。目前动力输出持续度依然和产品体积以及穿戴面积正相关，困扰着有效工作时间。不够小型化、轻量化导致穿戴久了仍然会出现肌肉不适、笨重不灵活等问题。

又例如在控制和驱动系统上，各家企业还是需要将电机、控制电脑等多个系统实现分布式集成。如果加上电池组和传感设备，外骨骼长期系统稳定性以及灵活性很难保证。

目前整个机器人行业都试图通过机械原理还原甚至超越人类，但例如实现高的自重比这一条都还远远没能实现。

除了在整体机械结构、驱动模式、控制技术、算法、材料等技术模块持续优化外，软件也成为外骨骼机器人企业竞争的核心，如数据收集与分析。可以说，对机械产品而言，软件也是核心技术，而且是比硬件更重要的核心技术。因为作为以人为核心，从用户视角出发的产品，未来必然需要不断优化体验感。

尽管在工业领域的很多方面(例如物资运送以及快递分拣)，使用全智能机器人的成本远超外骨骼机器人，并且效率也仅仅与其持平。但是随着智能机器人的发展(使用效率的提升以及成本的降低)，外骨骼机器人存在被全智能机器人代替的可能性。因此工业领域方面的发展受限较大。

当下对外骨骼机器人热捧，构想也非常美好，但外骨骼机器人改变不了运动核心依然是人这一现实。其围绕的工作核心还是人类。

因此更安全、更友好是外骨骼机器人的首要目标。

08 结束语

毋庸置疑，外骨骼机器人正迎来前所未有的历史性机遇及政策红利。未来相信随着5G技术、大数据、新型材料、3D打印、传感与控制、柔性可穿戴设备及仿生学等技术的快速发展，将进一步加速以人机融合为特征的新一代外骨骼的快速发展。

尽管外骨骼机器人还存在着很多挑战，但相信随着技术的不断进步与发展，其一定能被普及到日常生活中。

目前，无人车、无人机、智能寄件桶等已经在为中通快递提供很多“黑科技”辅助，做着自己的“服务”，为基层提升效率。随着实业不断回归，以及新技术的加持，整个物流业也在发生翻天覆地的变化。无论世界怎么变化，中通努力奋斗的精神永远不会变，我们将以更加开放的态度，整合优势资源，关注外骨骼机器人的应用，致力于在未来帮助一线员工减轻劳动强度，为中国科技产业兴起做出突出贡献。

技术的发展和成熟是循序渐进的，各个环节的打通也需要时日，这是一个漫长的过程。但我们相信随着技术的进步、材料等问题的攻克，外骨骼机器人最终能够价格不断下降，最终实现数万元甚至数千元的量级，这时候市场无疑将迎来一个巨大突破。而如果能把外骨骼机器人实现规模化，或许人类探索未知的宇宙，也就不再是遥不可及的梦想。