在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，一項(xiàng)關(guān)于穿戴式助行機(jī)器人的創(chuàng)新成果引發(fā)關(guān)注。南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系付成龍教授團(tuán)隊(duì)，針對(duì)負(fù)重行走場(chǎng)景中的難題，研發(fā)出一種新型穿戴式半人馬負(fù)重助行機(jī)器人，相關(guān)研究發(fā)表于機(jī)器人領(lǐng)域權(quán)威期刊《International Journal of Robotics Research》。

負(fù)重行走在軍事行動(dòng)、應(yīng)急救援以及日常生活場(chǎng)景中極為常見，然而高強(qiáng)度負(fù)重不僅會(huì)讓人體代謝大幅上升、作業(yè)效率降低，還極易引發(fā)肌肉骨骼損傷等健康問題。目前，以外骨骼為主的穿戴式機(jī)器人雖能在一定程度上提供助力，但存在明顯局限。其助力方向與人體行進(jìn)方向夾角較大，導(dǎo)致助力效率低下，與背包負(fù)重方式相比，僅能將人體新陳代謝率降低約10%，難以滿足實(shí)際需求。

付成龍團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)思維，原創(chuàng)性地提出了穿戴式半人馬負(fù)重助行機(jī)器人。該機(jī)器人從自然界四足動(dòng)物負(fù)重形態(tài)中獲得靈感，構(gòu)建了一種全新的人機(jī)協(xié)作模式。它并非與人腿剛性并聯(lián)，而是作為獨(dú)立肢體，通過穿戴式彈性耦合接口與人體背部相連，形成了“人類智能領(lǐng)航 + 機(jī)器人力量負(fù)重”的人機(jī)混合四足系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)既保留了人類在復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航?jīng)Q策能力，又能讓機(jī)器人分擔(dān)重量并提供高效的行進(jìn)方向推力。

為解決人機(jī)之間復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合難題，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了獨(dú)特的“軟化彈性耦合機(jī)構(gòu)”。該機(jī)構(gòu)基于菱形連桿與拮抗彈簧，具備非線性剛度特性。在作用力較小時(shí)，剛度大、響應(yīng)快；作用力較大時(shí)，剛度小、緩沖強(qiáng)。這種特性實(shí)現(xiàn)了人機(jī)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)解耦，使機(jī)器人能夠像獨(dú)立個(gè)體一樣穩(wěn)定控制，同時(shí)通過接口精準(zhǔn)輸出助力。結(jié)合“行走 - 交互（Loco - interaction）協(xié)同控制框架”，半人馬機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)感知人體運(yùn)動(dòng)意圖，無需人工指令即可實(shí)現(xiàn)高精度全向跟隨運(yùn)動(dòng)，在維持自身平衡的同時(shí)，向人體提供穩(wěn)定的水平行進(jìn)推力。

基于這一創(chuàng)新系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)開展了多維度綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在機(jī)動(dòng)性方面，機(jī)器人表現(xiàn)出卓越的靈活性與良好的地形適應(yīng)能力。它能在1米狹窄空間內(nèi)連續(xù)完成“8”字繞樁，還能利用視覺感知自主規(guī)劃策略，順暢通過臺(tái)階、斜坡及戶外復(fù)雜路面。

在負(fù)重效能方面，人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)令人矚目。與背負(fù)20kg重物（約占體重29%）的情況相比，穿戴半人馬機(jī)器人并獲得水平助力時(shí)，人體凈代謝成本顯著降低35%，足底壓力減少52%。步態(tài)分析結(jié)果顯示，受試者穿戴該機(jī)器人后，步寬變異性顯著降低，其穩(wěn)定性指標(biāo)與零負(fù)載空載行走無顯著差異。這表明半人馬人機(jī)四足構(gòu)型能有效緩解負(fù)重力對(duì)人體行走的擾動(dòng)，顯著提升負(fù)重行走的側(cè)向穩(wěn)定性，充分驗(yàn)證了“垂直負(fù)載分擔(dān) + 水平質(zhì)心助力”復(fù)合助力范式的高能效優(yōu)勢(shì)。

這一研究成果從系統(tǒng)范式層面拓展了負(fù)重行走輔助機(jī)器人的設(shè)計(jì)邊界，改變了外骨骼需為“人形”的傳統(tǒng)觀念。半人馬人機(jī)系統(tǒng)以“人類負(fù)責(zé)環(huán)境理解與運(yùn)動(dòng)決策、機(jī)器人負(fù)責(zé)承重與前向助力”為原則，構(gòu)建了人機(jī)共融的四足負(fù)重協(xié)作形態(tài)。在此范式下，機(jī)器人不僅能分擔(dān)外載的垂向負(fù)荷，還能在步行過程中沿人體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方向輸出穩(wěn)定的前向助力，以更直接的方式補(bǔ)償負(fù)重行走所需的推進(jìn)功，提升負(fù)重行走的效率與可持續(xù)性。

從實(shí)際應(yīng)用來看，該機(jī)器人具有廣闊前景。它適用于應(yīng)急救援與物資轉(zhuǎn)運(yùn)、野外巡檢與勘探、復(fù)雜地形后勤保障等領(lǐng)域，有望在挑戰(zhàn)環(huán)境下突破人體的生理極限。該機(jī)器人將人類在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的適應(yīng)性與決策優(yōu)勢(shì)，與腿足機(jī)器人在承載與地面交互方面的能力有機(jī)結(jié)合，為面向挑戰(zhàn)環(huán)境的負(fù)重行走輔助提供了全新思路。