【本報訊】近日，據南方科技大學機械與能源工程系官方消息，其付成龍教授團隊在穿戴式助行機器人領域取得研究進展。相關成果以“Design, Modeling, Control, and Evaluation of a Wearable Centaur Robot for Load-carriage Walking Assistance”為題，在機器人領域權威期刊International Journal of Robotics Research (IJRR) 發表。
負重行走是軍事活動、應急救援、日常生活中的常見活動，高強度負重行走不僅會導致人體代謝急劇上升、作業效率下降，還極易引發肌肉骨骼損傷等健康風險。現有以外骨骼為主的穿戴式機器人，其助力方向與人體行進方向夾角大、助力效率低。與背包負重的方式相比，人體新陳代謝率僅能降低約10%。
針對外骨骼助力形式的局限性，付成龍團隊原創提出了穿戴式半人馬負重助行機器人。該機器人通過獨特的軟化彈性耦合機構與人機協同控制策略，兼具高負載能力與高運動靈活性，實現了助力與平衡的動態解耦。實驗驗證，該機器人可使人體行走代謝成本降低高達35%，為負重助行提供了全新的高效解決方案。
研究團隊從自然界四足動物負重形態汲取靈感，提出了一種全新的人機協作模式：機器人不與人腿剛性並聯，而是作為獨立的肢體，借助穿戴式彈性耦合介面與人背部連接。此構型構建了“人類智慧領航+機器人力量負重”的人機混合四足系統，既保留了人類在複雜環境下的導航決策能力，又發揮了機器人分擔重量並高效提供行進方向推力的作用。
為解決人機之間複雜的動力學耦合難題，團隊設計了基於菱形連杆與拮抗彈簧的“軟化彈性耦合機構”。此機構具備非線性剛度特性，即在作用力小時剛度大、回應快，在作用力大時剛度小、緩衝強。該設計實現了人機動力學的動態解耦，使機器人能夠像獨立個體一樣穩定控制，同時通過介面精准輸出助力。結合所提出的“行走-交互（Loco-interaction）協同控制框架”，半人馬機器人能夠即時感知人體運動意圖，在無需人工指令的情況下實現高精度全向跟隨運動，並在維持自身平衡的同時，向人體提供穩定的水準行進推力。
基於所提出的半人馬系統，研究團隊開展了多維度的綜合實驗驗證。在機動性方面，機器人展現了卓越的靈活性與良好的地形適應能力，不僅能在1米狹窄空間內連續完成“8”字繞樁，還能利用視覺感知自主規劃策略，順暢通過臺階、斜坡及戶外複雜路面。
在負重效能方面，人體實驗資料表明：相較於背負20kg重物（約占體重29%）的情況，穿戴半人馬機器人並具有水準助力條件下，人體淨代謝成本顯著降低了35%，足底壓力減少了52%。此外，步態分析結果顯示，受試者穿戴該機器人後，步寬變異性顯著降低，其穩定性指標與零負載空載行走無顯著差異，這表明半人馬人機四足構型能有效緩解負重力對人體帶來的行走擾動，並進一步顯著提升了負重行走的側向穩定性，充分驗證了“垂直負載分擔+水準質心助力”複合助力範式的高能效優勢。
該研究從系統範式層面拓展了負重行走輔助機器人的設計邊界，改變了外骨骼需為“人形”的傳統觀念。不同于傳統腿式外骨骼系統，半人馬人機系統以“人類負責環境理解與運動決策、機器人負責承重與前向助力”為原則，構建了人機共融的四足負重協作形態。在此范式下，機器人不僅能夠分擔外載的垂向負荷，更能在步行過程中沿人體質心運動方向輸出穩定的前向助力，以更直接的方式補償負重行走所需的推進功，提升負重行走的效率與可持續性。
從應用前景而言，該機器人適用于應急救援與物資轉運、野外巡檢與勘探、複雜地形後勤保障等，有望在挑戰環境下突破人體的生理極限。該機器人將人類在非結構化環境中的適應性與決策優勢，與腿足機器人在承載與地面交互方面的能力有機結合，為面向挑戰環境的負重行走輔助提供了全新思路。【編輯:陸語】
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