深圳新聞網(wǎng)2026年2月26日訊（記者 何亞南）近日，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)在穿戴式助行機(jī)器人領(lǐng)域取得研究進(jìn)展。相關(guān)成果以“Design, Modeling, Control, and Evaluation of a Wearable Centaur Robot for Load-carriage Walking Assistance”為題，在機(jī)器人領(lǐng)域權(quán)威期刊International Journal of Robotics Research (IJRR)發(fā)表。

負(fù)重行走是軍事活動(dòng)、應(yīng)急救援、日常生活中的常見活動(dòng)，高強(qiáng)度負(fù)重行走不僅會(huì)導(dǎo)致人體代謝急劇上升、作業(yè)效率下降，還極易引發(fā)肌肉骨骼損傷等健康風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)有以外骨骼為主的穿戴式機(jī)器人，其助力方向與人體行進(jìn)方向夾角大、助力效率低。與背包負(fù)重的方式相比，人體新陳代謝率僅能降低約10%。

針對(duì)外骨骼助力形式的局限性，付成龍團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)提出了穿戴式半人馬負(fù)重助行機(jī)器人。該機(jī)器人通過獨(dú)特的軟化彈性耦合機(jī)構(gòu)與人機(jī)協(xié)同控制策略，兼具高負(fù)載能力與高運(yùn)動(dòng)靈活性，實(shí)現(xiàn)了助力與平衡的動(dòng)態(tài)解耦。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該機(jī)器人可使人體行走代謝成本降低高達(dá)35%，為負(fù)重助行提供了全新的高效解決方案。

穿戴式半人馬機(jī)器人。

研究團(tuán)隊(duì)從自然界四足動(dòng)物負(fù)重形態(tài)汲取靈感，提出了一種全新的人機(jī)協(xié)作模式：機(jī)器人不與人腿剛性并聯(lián)，而是作為獨(dú)立的肢體，借助穿戴式彈性耦合接口與人背部連接。此構(gòu)型構(gòu)建了“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)，既保留了人類在復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航?jīng)Q策能力，又發(fā)揮了機(jī)器人分擔(dān)重量并高效提供行進(jìn)方向推力的作用。

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)了基于菱形連桿與拮抗彈簧的“軟化彈性耦合機(jī)構(gòu)”。此機(jī)構(gòu)具備非線性剛度特性，即在作用力小時(shí)剛度大、響應(yīng)快，在作用力大時(shí)剛度小、緩沖強(qiáng)。該設(shè)計(jì)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)合所提出的“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，在無需人工指令的情況下實(shí)現(xiàn)高精度全向跟隨運(yùn)動(dòng)，并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。

半人馬人機(jī)行走－交互協(xié)同控制策略框架。

基于所提出的半人馬系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)開展了多維度的綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在機(jī)動(dòng)性方面，機(jī)器人展現(xiàn)了卓越的靈活性與良好的地形適應(yīng)能力，不僅能在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。

半人馬機(jī)器人在真實(shí)環(huán)境下行走，為多位受試者提供助力輔助。

在負(fù)重效能方面，人體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：相較于背負(fù)20kg重物（約占體重29%）的情況，穿戴半人馬機(jī)器人并具有水平助力條件下，人體凈代謝成本顯著降低了35%，足底壓力減少了52%。此外，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)人體帶來的行走擾動(dòng)，并進(jìn)一步顯著提升了負(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)。

半人馬人機(jī)系統(tǒng)負(fù)重行走實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

該研究從系統(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。不同于傳統(tǒng)腿式外骨骼系統(tǒng)，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)器人不僅能夠分擔(dān)外載的垂向負(fù)荷，更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。

從應(yīng)用前景而言，該機(jī)器人適用于應(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，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。

南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系博士生涂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(xué)為論文唯一署名單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目、教育部聯(lián)合基金創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、深圳市科技創(chuàng)新局及南方科技大學(xué)高水平專項(xiàng)資金的資助支持。

（本文由南科大供圖）