登上《SAGE Journals》！这款气动软肘外骨骼，让肌肉负担直降22%

在工业与制造业现场，工人的双手是最基础也是最宝贵的工具。然而，长期从事物料搬运、重复性装配或高强度手工作业的人群，常常因不良姿势、持续负荷和重复动作，面临肌肉疲劳、劳损甚至神经受压等职业健康风险。这类因工作引发的肌肉骨骼疾病，在医学上被归类为“工作相关肌肉骨骼疾病”（简称WMSD），已成为许多体力劳动密集型行业的一大隐忧。

此前，宝马、福特、丰田等企业已尝试引入刚性外骨骼缓解这一困境，但刚性结构虽然支撑力强，却牺牲了舒适性与灵活性；软性外骨骼虽穿戴舒适，却在耐用性与输出力上有所不足。此外，主动式外骨骼由于成本高、操控复杂、用户体验不佳等问题，尚未实现大规模应用。特别是在肘部负荷较高的作业场景中，轻便、高效、可便携的辅助设备依然稀缺。

▍融合人体关节力学与一体式气动结构，提出气动软肘外骨骼

面对这一现实挑战，来自美国德克萨斯大学阿灵顿分校的一支研究团队，近日开发出一款名为“气动软肘外骨骼”（PASE）的可穿戴机器人设备。PASE专为重复举重、流水线作业及持续手臂支撑等场景设计，致力于在提供有效辅助的同时，兼顾穿戴舒适性与机械性能。

充气软肘外骨骼的多角度视图

不同于传统外骨骼在“力量”与“舒适”之间的艰难取舍，PASE的核心创新在于将人体关节力学与一体式气动结构深度融合。研究团队深知，外骨骼的辅助效果不仅取决于力量输出，更要贴合人体自然运动规律，才能在提供支撑的同时不束缚动作。因此，他们在设计时以肘部生物力学为核心，将气动执行器与肘部自然运动轨迹深度融合，最大限度减少平面外旋转力，既简化了系统复杂度，也提升了辅助的精准度，降低了关节应变风险。

PASE的等距视图和横截面视图

前不久，该研究成果的相关论文已以“Design, development, and evaluation of a pneumatically actuated soft wearable robotic elbow exoskeleton for reducing muscle activity and perceived workload”为题在《SAGE Journals》上进行发表。

在材料选择上，PASE兼顾了性能与体验。执行器采用道康宁XIAMETER®RTV-4234-T4硅胶，这种材料兼具耐用性与灵活性，能在充气膨胀时保持稳定的力学性能，同时避免对皮肤造成摩擦损伤；支撑执行器的底板则使用Onyx微碳纤维填充尼龙，通过3D打印技术制造，既轻量化又具备足够强度，有效解决了外骨骼佩戴时易错位的问题；与人体接触的部分，研究团队设计了一层1.5毫米厚的氯丁橡胶接触层，内部是柔软的海绵状超细纤维芯，外层则是紧密编织的光滑织物，不仅提升了耐磨性，还能让用户在长时间佩戴后仍保持舒适，彻底告别传统刚性外骨骼“笨重硌身”的困扰。

(A) 执行器的等距视图；(B) 底板的等距视图；(C) 氯丁橡胶层的等

而PASE的制造工艺也经过了精心打磨。硅胶执行器的生产分两步进行，先成型脊状结构，再打造底座，最终形成一个可均匀膨胀的空腔，确保充气时能稳定输出力量；Onyx底板通过3D打印实现精准塑形，氯丁橡胶织物则按底板尺寸精确裁剪、对齐孔位，最后将三者缝合组装，形成完整的执行器组件。为了进一步优化性能，研究团队还运用有限元分析（FEA），模拟执行器在不同工作场景下的受力与运动状态，提前发现并解决潜在设计缺陷，让设备的力传递效率与运动支撑效果达到最佳。

PASE 组件配置：（A）硅胶致动器；（B）Onyx 基板；（C）氯丁橡胶织物接触层

要让外骨骼稳定工作，精准的控制系统必不可少。PASE配备了一个专门的气动控制箱，内部集成了两个电磁阀、双工位歧管与单工位比例阀，前者负责引导气流方向，后者则能精确调节压力，确保输出力量符合任务需求。控制箱内的压力传感器会实时监测气压变化，微处理器则根据传感器数据实时调整，形成闭环控制。系统初始使用50PSI的内部压缩空气，先调节至25PSI，再根据反馈进一步降至18PSI的工作压力，一旦达到预设值便自动停止充气，既保证了辅助力度，又避免了压力过高带来的安全隐患。在测试阶段，为了专注评估机械辅助效果，研究团队还特意将控制系统与用户隔离，采用人工充气方式，暂时忽略了设备自身重量对实验结果的影响。

PASE 的气动控制系统

▍机械性能与人体应用双维度测试，验证PASE应用有效性

一款外骨骼的好坏，最终需要通过实验数据来验证。研究团队从机械性能与人体应用双维度为PASE设计测试方案，以科学数据验证其核心优势。

机械测试聚焦扭矩输出与充气速度两大核心指标。

扭矩直接决定辅助能力，团队在30°、60°、90°肘部角度及15、18、21 PSI压力等级下测试，结果显示扭矩随压力升高显著增加，21 PSI、30°时最大扭矩达4.39 Nm，且角度越小扭矩越高的特性，完美匹配提重物等场景的人体需求。线性回归分析则表明，角度、压力及交互作用可解释95.7%的扭矩方差，证实PASE能通过参数调整适配不同强度任务。

扭矩评估实验装置

充气速度关乎响应效率，25 PSI高速模式下，PASE从0°充气至90°仅需0.22秒，低速模式也可5秒内完成，确保动态场景及时支撑。

机械性能达标后，团队开展人体测试，招募了19名18-45岁受试者（男14名、女5名，涵盖多族裔与运动水平），均无肌肉骨骼疾病及过敏史。测试采用“支撑开启/关闭”对比模式，通过表面肌电图（EMG）结合扭矩、充气数据评估效果，每项任务70秒含5组动作，舍弃首次数据确保客观性。

测试设计了静态举重（3.6公斤举至胸部并保持，激活肱二头肌、肱三头肌）、动态组装（1.2公斤手动工具组装，考察前臂与肩部肌肉）、振动动态组装（1.2公斤电动工具，评估抗振动拉伤能力）三项工业场景核心任务。肌电图通过BIOPACMP36系统采集，电极放置遵循SENIAM指南，1000Hz采样后经MATLAB降噪处理，提取关键数据计算振幅差异。

研究中评估的任务示意图：任务1 - 举重（A：举重前，B：举重后）；任务 2 - 使用基本工具进行组装（C：举重前，D：举重后）；任务 3 - 使用电动工具进行组装（E：举重前，F：举重后）

测试结果证实PASE辅助效果显著：静态举重中，肱二头肌、肱三头肌激活度分别降低22.36%、18.19%；手动组装降低14.41%、11.37%；振动组装降低10.21%、5.22%，静态场景效果最优。补充测试显示，18-26岁男性受试者举3-10磅重物时，肌肉激活度均有降低，虽随重量增加降幅波动，但减负效果稳定。

主观体验评估采用NASA-TLX与用户感知调查。NASA-TLX显示，三项任务中“支撑开启”状态的心理、生理等六维度负荷得分均显著低于关闭状态，差异达8.86-9.61分且具统计学意义。用户感知调查中，实用性、易用性、舒适度得分均处于较高水平，任务2实用性得分达5.89±0.24，仅舒适度略低，受试者建议优化贴合度与重量。

以上实验测试结果综合表明，PASE在机械性能上扭矩适配性强、响应迅速，人体测试中无论静态动态场景均能有效减负，且主观体验良好，可为工业场景应用提供可靠支撑。

参考文章：

https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/20556683251347517