天津大學劉建彬副教授團隊：基于非對稱膨脹的全柔性可穿戴袋型氣動人工肌肉 | CJME論文推薦

氣動人工肌肉（PAM）是可穿戴設備與軟體機器人中的核心驅動部件。傳統PAM通常需集成剛性元件以提升驅動性能，導致穿戴舒適度降低，甚至造成人體能耗增加，又因其徑向膨脹易擠壓人體。課題組提出一種基于非對稱膨脹的全柔性可穿戴袋型氣動人工肌肉（AEPAM），采用編織結構使氣囊膨脹中心偏離牽引軸線，實現徑向非對稱膨脹。其單元性能優勢顯著：70kPa低氣壓下，收縮率達51.09%、收縮力243.94N；負載5kg時，收縮率仍保持29.69%；單元質量僅9.04g，收縮力-質量比約27100N/kg。擠壓力實驗中，AEPAM將穿戴側擠壓力控制在10N以內，較矩形袋型PAM降低89.61%，避免額外擠壓。相關成果以“Fully Flexible Wearable Pouch Pneumatic Artificial Muscle Based on Asymmetric Expansion”為題發表于《中國機械工程學報（英文）》（CJME）。

驅動原理

AEPAM單元結構與驅動原理如圖1(a)所示。氣囊側邊與基底層膜布熱粘合，布帶穿過氣囊兩側切口形成偏移編織結構，可將氣囊徑向膨脹轉化為線性收縮；且氣囊單側由基底膜布單獨包裹、另一側由可滑動布帶包裹，兩側約束差異使氣囊膨脹中心偏離牽引軸線，充氣時整體呈非對稱膨脹。圖1(b)為其擠壓力分析示意圖，PAM收縮時兩端受牽引阻力、中段受支撐力；傳統無約束袋型PAM充氣呈對稱膨脹，而AEPAM膨脹變形更小，牽引阻力與豎直方向夾角及所需支撐力均更小，相同牽引力下能避免氣囊膨脹擠壓人體。圖1(b)、(c)還為其收縮前后對比圖：減壓時氣囊在外力作用下呈折疊扁平狀，充入高壓氣體后，受基底層膜布長度限制，氣囊向遠離穿戴者一側展開膨脹，同時帶動織帶兩端運動。

圖1 AEPAM結構和驅動原理示意圖

驅動器制作

AEPAM驅動器單元由氣囊、基底膜布與三條尼龍布帶組成，基底層膜布選用涂覆TPU的尼龍織物，氣囊材料為相同TPU（與基底膜布性能兼容，可熱粘合）；制作流程如圖2所示：先將0.2mm厚TPU薄膜裁成近似“T”形，中部開孔穿直通接頭并通過穿線連接，對折后用熱封機在180℃下熱粘合重疊區域邊緣6s形成可膨脹腔室（圖2(a)）；密封后在180℃下將氣囊兩側邊緣按間距（小于氣囊寬度）與基底膜布熱粘合8s，并在兩側熱粘合邊緣裁剪切口（圖2(b)）；最后從基底膜布下方穿入尼龍布帶（自上而下穿過切口編織，使氣囊位于布帶與基底膜布之間），將布帶兩端與基底膜布縫制固定（圖2(c)），該驅動器單元質量僅9.04g。

圖2 AEPAM制造工藝示意圖

單元測試實驗

測試AEPAM驅動器單元不同氣壓下的準靜態性能，得70kPa時最大收縮率51.09%、30、50、70kPa時最大收縮力分別為135.30、185.75、243.94N，其低氣壓寬收縮范圍仍有較高收縮力，且數學模型能準確描述單次收縮行程的力-收縮關系變化趨勢。

圖3 驅動特性測試

驅動器單元一側固定于鋁型材測試臺、另一側掛重物，用拉線位移傳感器測位移，70kPa階躍氣壓下施加0.2-5.0kg負載，結果為負載增大時AEPAM收縮率雖從47.81%降至29.69%但仍較高，動態響應速度略降但仍在1s內。

圖4 負載測試

為驗證AEPAM減少額外擠壓的有效性，對比其與傳統囊式PAM的擠壓力，結果顯示相對氣壓70kPa時，AEPAM擠壓力≤10N，傳統囊式PAM為89.01N，擠壓力降低89.61%，證實AEPAM有效。

圖5 擠壓力測試

穿戴實驗

1名身高175cm、體重70kg的受試者，在相對氣壓70kPa下穿戴4個柱狀排列的AEPAM單元，于無負載和3kg負載下各重復3次肘關節屈曲運動，通過Biosignalsplux系統采集并處理肱二頭肌sEMG信號，結果顯示穿戴AEPAM時該肌肉激活度顯著降低（無負載降41.82%、3kg降33.64%），表明AEPAM對肘關節屈曲有顯著輔助效果且在可穿戴領域潛力良好。

圖5 AEPAM 肘關節穿戴驗證

總結與展望

本研究提出一種將偏置折疊氣囊與編織結構相結合的全柔性可穿戴袋型氣動人工肌肉（AEPAM）：使氣囊膨脹中心偏離人體以實現非對稱膨脹，同時通過布帶將氣囊的徑向膨脹轉化為線性收縮，采用虛功原理分析其輸出特性并建立輸出力與收縮位移關系。單元實驗中測試了不同氣壓下其輸出特性及高負載下快速驅動能力，通過與傳統矩形袋型氣動肌肉單元的擠壓力對比實驗表明其可顯著提升穿戴舒適度，人體穿戴測試顯示其對肘關節屈曲有有效輔助作用且在軟體可穿戴助力領域潛力巨大。

論文主要完成人有天津大學機械工程學院碩士研究生逯婧祎（入職通用機床研究院）、呂曉森等。該論文得到了國家自然科學基金項目的資助。

作者介紹

劉建彬，天津大學機械工程學院副教授，博士生導師，入選第4屆中國科協青年人才托舉工程。長期從事柔性流體驅動與傳動技術研究，提出了扁平氣動人工肌肉驅動架構和多種仿生驅動器設計，配合人機融合智能助力控制方法大幅提高可穿戴柔性助力系統助力效率，發明的柔性驅動系統在膝關節支具等設備中得到應用。以一作或通訊作者發表SCI檢索論文40余篇，授權發明專利20余項，承擔國家重大科技專項課題、自然科學基金面上和青年項目國家級科研項目8項，其他科研項目30余項。獲中國機械工業科學技術一等獎、日內瓦國際發明展金獎、上銀優秀機械博士論文銀獎、天津市青教賽二等獎等獎勵。

論文信息

引用格式：

Jingyi Lu, Xiaosen Lv, Jianbin Liu, Haitao Liu, and Tian Huang. “Fully Flexible Wearable Pouch Pneumatic Artificial Muscle Based on Asymmetric Expansion”, Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2026, 39:100085.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cjme.2025.100085

課題組信息鏈接：

https://www.researchgate.net/lab/Jianbin-Liu-Lab-2

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責任編輯：杜蔚杰

責任校對：向映姣

審 核：張 彤

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