3 月 9 日消息，南方科技大學機械與能源工程系付成龍教授團隊在穿戴式助行機器人領域取得研究進展。相關成果於今年 2 月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“人類智能領航 + 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。

▲ 半人馬人機行走-交互協同控制策略框架

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。

▲ 半人馬機器人在真實環境下行走，為多位受試者提供助力輔助

在負重效能方面，人體實驗數據表明：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。

▲ 半人馬人機系統負重行走實驗結果

南方科技大學機械與能源工程系博士生塗志鑫和江軼豪為論文共同第一作者，付成龍為論文唯一通訊作者，南方科技大學為論文唯一署名單位。該研究得到了國家自然科學基金聯合基金重點專案、教育部聯合基金創新團隊、深圳市科技創新局及南方科技大學高水準專項資金的資助支持。

來源：中國IT之家