视野之外的伙伴：用于动态协同操作的自主可穿戴附加肢体

超额机器人肢体（supernumerary robotic limbs，SLs）有望将人类的运动能力拓展至自然身体之外，然而，目前大多数演示仅限于简单的准静态任务，或在视觉控制下进行直接遥操作。人类能否在复杂动态任务中与自主SL安全且直观地协作，仍是一个未知问题。我们在一项要求较高的装配任务中研究了这一问题。该任务要求对长物体进行协调运输与交接，单人无法独立完成。 我们开发了一种可重构背包式平台，可安装多达四个高负载机器人臂；同时，构建了具备安全感知能力的运动规划方法，能够在无需训练数据的情况下，根据任务状态生成符合人体协作特点的运动轨迹。尽管SL在参与者的视线之外运行，参与者仍能迅速适应并可靠地完成任务；与此同时，他们报告的认知负荷较低，而感知到的安全性和可预测性较高。 运动学与力学分析表明，控制设计同时决定了运动流畅性和全身稳定性：更快的肢体运动能够带来更平滑的交互和更短的任务完成时间；此外，一种镜像协调策略——即一个机器人肢体对另一个肢体进行反向平衡——进一步缩短了任务持续时间，并降低了协同操控过程中左右侧地面反作用力差异的变异性。这些结果表明，人类能够将自主可穿戴肢体整合为视线之外的协作伙伴，参与动态的全身协作，并揭示了支撑人机协作流畅性、稳定性与可用性的行为和控制原则。

超额机器人肢体（supernumerary robotic limbs，SLs）有望将人类的运动能力扩展至自然身体之外，但目前大多数演示仅限于简单的准静态任务，或在视觉控制下进行直接遥操作。人类能否在复杂动态任务中与自主SLs安全且直观地协作，仍是未知问题。我们在一项具有挑战性的装配任务中研究了这一问题，该任务要求对长物体进行协调搬运与交接，单人无法独立完成。我们开发了一种可重构背包式平台，可搭载最多四个大负载机器人臂；同时设计了具备安全意识的运动规划方法，无需训练数据即可根据任务状态生成符合人体协作特性的运动轨迹。尽管SLs在参与者的视线之外运行，参与者仍能迅速适应并可靠地完成任务；与此同时，他们报告的认知负荷较低，而感知到的安全性和可预测性较高。运动学与力学分析表明，控制设计同时决定了运动流畅性和全身稳定性：更快的肢体运动可带来更平滑的交互和更短的任务完成时间；此外，一种镜像协调策略——即一个机器人肢体对另一个肢体进行反向平衡——进一步缩短了任务持续时间，并降低了协同操控过程中左右侧地面反作用力差异的变异性。这些结果表明，人类能够将自主可穿戴肢体整合为视线之外的协作伙伴，从而开展动态的全身协作；同时，本研究也阐明了支撑人机协作流畅性、稳定性与可用性的行为和控制原则。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.09.02.748789v1?rss=1

🏷️ 可穿戴机器人 超额机器人肢体 人机协作 运动规划 动态协同操作