在負(fù)重行走輔助技術(shù)領(lǐng)域，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)取得了突破性進(jìn)展。其團(tuán)隊(duì)研發(fā)的穿戴式半人馬負(fù)重助行機(jī)器人，為解決高強(qiáng)度負(fù)重行走難題提供了創(chuàng)新方案，相關(guān)研究成果發(fā)表于機(jī)器人領(lǐng)域權(quán)威期刊《International Journal of Robotics Research》。

負(fù)重行走常見(jiàn)于軍事行動(dòng)、應(yīng)急救援及日常生活場(chǎng)景，但傳統(tǒng)方式存在顯著弊端：人體代謝率會(huì)因高強(qiáng)度負(fù)重急劇上升，作業(yè)效率隨之下降，肌肉骨骼損傷風(fēng)險(xiǎn)也大幅增加。目前主流的穿戴式外骨骼機(jī)器人雖能提供一定助力，但因助力方向與人體行進(jìn)方向存在較大夾角，導(dǎo)致助力效率低下。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，此類(lèi)設(shè)備僅能將人體新陳代謝率降低約10%，與背包負(fù)重方式相比優(yōu)勢(shì)有限。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的局限性，研究團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)框架，提出全新的人機(jī)協(xié)作模式。該模式借鑒自然界四足動(dòng)物的負(fù)重形態(tài)，將機(jī)器人設(shè)計(jì)為獨(dú)立肢體而非與人腿剛性并聯(lián)。通過(guò)穿戴式彈性耦合接口，機(jī)器人與人體背部實(shí)現(xiàn)柔性連接，構(gòu)建起"人類(lèi)智能導(dǎo)航+機(jī)器人力量負(fù)重"的混合四足系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)既保留了人類(lèi)在復(fù)雜環(huán)境中的決策能力，又充分發(fā)揮了機(jī)器人分擔(dān)重量、提供行進(jìn)推力的優(yōu)勢(shì)。

為解決人機(jī)動(dòng)力學(xué)耦合難題，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(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)。該機(jī)構(gòu)具有獨(dú)特的非線性剛度特性：當(dāng)作用力較小時(shí)呈現(xiàn)高剛度，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)；當(dāng)作用力增大時(shí)剛度降低，提供強(qiáng)緩沖效果。這種特性使機(jī)器人能夠像獨(dú)立個(gè)體般穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)通過(guò)接口精準(zhǔn)輸出助力。結(jié)合"行走-交互協(xié)同控制框架"，機(jī)器人可實(shí)時(shí)感知人體運(yùn)動(dòng)意圖，無(wú)需人工指令即可實(shí)現(xiàn)全向跟隨，并在維持自身平衡的同時(shí)提供穩(wěn)定的水平推力。

綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的卓越性能。在機(jī)動(dòng)性測(cè)試中，機(jī)器人能在1米狹窄空間內(nèi)連續(xù)完成"8"字繞樁動(dòng)作，并借助視覺(jué)感知自主規(guī)劃路徑，順利通過(guò)臺(tái)階、斜坡等復(fù)雜地形。負(fù)重效能測(cè)試顯示，與背負(fù)20kg重物（約占體重29%）相比，穿戴機(jī)器人并開(kāi)啟水平助力后，人體凈代謝成本降低35%，足底壓力減少52%。步態(tài)分析進(jìn)一步表明，受試者穿戴機(jī)器人后的步寬變異性顯著降低，側(cè)向穩(wěn)定性指標(biāo)與空載行走無(wú)異，驗(yàn)證了"垂直負(fù)載分擔(dān)+水平質(zhì)心助力"復(fù)合模式的高能效優(yōu)勢(shì)。

這項(xiàng)研究從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面重新定義了負(fù)重行走輔助機(jī)器人的發(fā)展方向。不同于傳統(tǒng)腿式外骨骼必須模擬人體形態(tài)的局限，半人馬系統(tǒng)采用"人類(lèi)負(fù)責(zé)環(huán)境感知與決策、機(jī)器人負(fù)責(zé)承重與助力"的分工原則，形成了人機(jī)共融的四足協(xié)作形態(tài)。該設(shè)計(jì)使機(jī)器人既能分擔(dān)垂直負(fù)荷，又能沿人體質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方向輸出穩(wěn)定推力，直接補(bǔ)償負(fù)重行走所需的推進(jìn)功，顯著提升了負(fù)重行走的效率與可持續(xù)性。

在應(yīng)用場(chǎng)景方面，該機(jī)器人展現(xiàn)出廣闊前景。其獨(dú)特的負(fù)重行走能力使其特別適用于應(yīng)急救援物資轉(zhuǎn)運(yùn)、野外巡檢勘探、復(fù)雜地形后勤保障等需要突破人體生理極限的場(chǎng)景。通過(guò)將人類(lèi)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)器人的承載能力有機(jī)結(jié)合，該技術(shù)為挑戰(zhàn)環(huán)境下的負(fù)重行走輔助提供了全新解決方案。