穿戴式半人马负重助行机器人让负重行走更高效
负重行走是军事活动、应急救援、日常生活中的常见活动，高强度负重行走不仅会导致人体代谢急剧上升、作业效率下降，还易引发肌肉骨骼损伤等健康风险。现有以外骨骼为主的穿戴式机器人，其助力方向与人体行进方向夹角大、助力效率低。与背包负重的方式相比，人体新陈代谢率仅能降低约10%。
近日，南方科技大学机械与能源工程系教授付成龙团队提出了穿戴式半人马负重助行机器人。该机器人通过独特的软化弹性耦合机构与人机协同控制策略，兼具高负载能力与高运动灵活性，实现了助力与平衡的动态解耦。该机器人可使人体行走代谢成本降低高达35%，为负重助行提供了全新的高效解决方案。相关研究成果发表于《国际机器人研究杂志》。
研究示意图。南科大供图
团队提出了一种全新的人机协作模式：机器人不与人腿刚性并联，而是作为独立的肢体，借助穿戴式弹性耦合接口与人背部连接。此构型构建了“人类智能领航+机器人力量负重”的人机混合四足系统，既保留了人类在复杂环境下的导航决策能力，又发挥了机器人分担重量并高效提供行进方向推力的作用。
此外，他们还设计了基于菱形连杆与拮抗弹簧的“软化弹性耦合机构”，可实现在作用力小时刚度大、响应快，在作用力大时刚度小、缓冲强，使机器人能够像独立个体一样稳定控制，同时通过接口精准输出助力。结合所提出的“行走-交互协同控制框架”，半人马机器人能够实时感知人体运动意图，在无需人工指令的情况下实现高精度全向跟随运动，并在维持自身平衡的同时，向人体提供稳定的水平行进推力。
综合实验验证，机器人展现了卓越的灵活性与良好的地形适应能力，不仅能在1米狭窄空间内连续完成“8”字绕桩，还能利用视觉感知自主规划策略，顺畅通过台阶、斜坡及户外复杂路面。
在负重效能方面，相较于背负20千克重物的情况，穿戴半人马机器人并具有水平助力条件下，人体净代谢成本显著降低了35%，足底压力减少了52%。此外，受试者穿戴该机器人后，步宽变异性显著降低，其稳定性指标与零负载空载行走无显著差异，这表明，半人马人机四足构型能有效缓解负重力对人体带来的行走扰动，并显著提升负重行走的侧向稳定性。
半人马机器人在真实环境下行走，为多位受试者提供助力辅助
未来，该机器人有望在应急救援与物资转运、野外巡检与勘探、复杂地形后勤保障等方面进行应用。该机器人将人类在非结构化环境中的适应性与决策优势，与腿足机器人在承载与地面交互方面的能力有机结合，为面向挑战环境的负重行走辅助提供了全新思路。
相关论文信息：https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/02783649261418155
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