机器人腱绳产业链梳理
机器人腱绳产业链梳理
机器人腱绳是实现灵巧手驱动的关键材料，其性能直接影响机器人的抓取精度、稳定性和灵活性。本文将深入探讨腱绳材料的特性、分类、市场格局以及国产零部件厂的情况，帮助读者全面了解这一重要技术领域。
腱绳材料是人形机器人灵巧手驱动关键材料，直接决定了抓取的精度、稳定性和灵活性。而所需的传动材料需要高强度、低蠕变性、耐磨损、折叠不受损等特性。
而超高分子量聚乙烯纤维，UHMWPE 就满足了这些特性，是腱绳驱动的主要材料。它在频繁使用、长期受力的情下，还能保证传动和抓紧的稳定和精度，其强度是优质钢材的15倍、玻璃和尼龙66的4倍、碳纤维的2.6倍，被誉为“扯不断、割不破、泡不烂”的材料，也广泛应用于航天、军工、机器人等领域。
特斯拉Opimus发布会上22自由度灵巧手，使用了行星齿轮箱+丝杠+腱绳结构，而上一代机器人手指伸展主要依靠扭力弹簧复原，但现在采用一根单独的腱绳完成伸展，灵活性进一步提高，今天来重点研究一下：
一、灵巧手传动方式
灵巧手传动方式可分为腱绳传动、连杆传动、齿轮传动、人工肌肉（液压/气动）。
连杆传动：刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易，但结构冗杂，笨重，柔性不足，抗冲击性能较弱；
齿轮/蜗轮蜗杆传：动过齿轮或蜗轮蜗杆将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作，手指部分采用金属连接，各个手指动作相互独立，具有多种的抓取构形，但手指的闭合时间较长，抗冲击性能较弱。
液压驱动和气动的驱动方式是近年来兴起的一种重要的驱动方式，是模拟人肌肉的一种驱动方式。由于材料和技术的限制，这些“人工肌肉”技术还远远不能满足机器人手爪实现可靠、快速和精确地抓取功能。
腱传动：由腱（钢丝绳、迪力马绳等）加上滑轮或者软管实现传动。腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量，容易实现多自由度和远距离动力传输，节省空间和成本，是一种柔顺传动方式。
腱本身的刚度有限，影响位置精度；控制时需要一定的预紧力，容易产生摩擦；腱的布局容易产生力矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。
二、腱绳定义&分类
腱绳是一种用于连接和固定键盘按键的细绳或纤维绳，通常由高强度材料制成，如UHMWPE纤维或钢丝绳，以确保按键在长时间使用中保持稳定和耐用。
腱绳材料整体分为不锈钢、高分子纤维两大类，其中高分子纤维使用更为广泛；高分子纤维中以Dyneema和Spectra®两种纤维为主流，分别为帝斯曼和霍尼韦尔生产的超高分子量聚乙烯纤维材料；
早期使用的腱绳材料有特氟龙、芳纶纤维、涤纶等，但因性能方面不如超高分子量聚乙烯纤维而被淘汰；ZYLON纤维在长期作业方面优于超高分子量聚乙烯纤维，在某些恶劣场景、长期高负载运行情况下可以代替超高分子量聚乙烯纤维。
腱绳传动使用腱绳传递动力。一般电机通过齿轮箱驱动滚珠丝杠，通过滚珠丝杠上的螺母把旋转运动转换为直线运动，腱绳形成一个腱环套在螺母上，螺母拉动连接在灵巧手手指指骨上的腱绳，实现手指绕关节轴的转动运动。其中为了引导腱绳的走线，避免腱绳之间的干扰，采用腱绳外包裹导管的形式。
目前，主流的腱绳传动方案有三种：N型、N+1型、2N型。其中，N、N+1、2N分别代表驱动N个独立自由度所需的驱动单元数目。
三、主流腱绳材料---UHMWPE
超高分子量聚乙烯纤维，Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber ，简称UHMWPE纤维，别名又叫做高强高模聚乙烯纤维，是分子量150万以上的无支链的线性聚乙烯。它和碳纤维、芳纶合称为“世界三大高科技纤维”。
超高分子量聚乙烯树脂最早由德国赫斯特公司于1958年研制成功，并实现工业化。其后，美国赫尔克斯勒和日本三井化学、荷兰DMS公司相继实现了较大规模的工业化生产。
UHMWPE分子链为-CH2-CH2-结构，无侧基，分子链结构柔性极好，具有高度的对称性和规整性，高倍拉伸时分子链沿拉伸方向发生高度取向和结晶，赋予UHMWPE纤维高强高模性能。
UHMWPE纤维还具优良的力学性能 ：在线性密度相同的情况下，超高分子量聚乙烯纤维抵抗拉伸的强度是钢丝绳的15倍，是芳纶高百分之四十，比优质钢纤维和普通的化学纤维高10倍。另外还有低密度、抗切割、耐化学腐蚀、耐磨损、优良耐冲击性能等其他优异性能。轻薄如纸，坚硬如钢，还是一种理想的防弹材料。
同时，UHMWPE纤维也存在明显的不足，包括：①熔点低（约为138℃），高温下纤维熔融丧失防弹功能；②抗蠕变性能较差，应力作用下易发生形变；③表面化学惰性强，与树脂界面结合强度低；④抗压缩性能和抗剪切性能低；⑤不具备阻燃性能。
高性能 UHMWPE 纤维分类
四、市场格局
2022年，全球超高分子量聚乙烯纤维的需求量约为12.68万吨，预计到2026年将超过20万吨。超高分子聚乙烯纤维曾是“巴黎统筹协议”中禁止向社会主义国家出口的军事用品，在 20 世纪末由荷兰 DSM、美国霍尼韦尔及日本东洋纺三家垄断国际销售市场。
全球格局：行业集中度较高。从企业来看，全球主要的企业有塞拉尼斯，巴西布拉斯科，大韩油化公司，上海联乐化工，九江中科鑫星新材料和利安德巴塞尔。其中塞拉尼斯是全球市场的领导者，22 年塞拉尼斯产能 12 万吨，约占全球总产能的 29%。从地区来看，超高分子量聚乙烯的生产消费主要集中于中国、美国、日本、韩国，德国等地。其中中国占据了36.7%的消费市场份额。
国内格局：我国超高分子量聚乙烯纤维行业形成规模化生产的企业相对较少，行业集中度有待提升，产品的稳定性、单线产能有待进一步提高，生产成本有待进一步降低。我国超高分子量聚乙烯纤维主要生产企业已近20家，主要企业有浙江千禧龙、北京同益中新材料、江苏九州星际新材料等公司等。
目前，国内外市场上的超高分子量聚乙烯纤维按机械性能分为高端和中低端，高端超高分子量聚乙烯纤维拉伸强度大于等于39cN/dtex、拉伸模量大于等于1500cN/dtex，目前国内90%以上的则是拉伸强度小于39cN/dtex、拉伸模量小于1500cN/dtex的中低端聚乙烯纤维。
五、国产零部件厂：
1、浙江千禧龙：为国内超高分子量聚乙烯纤维行业中常规细丝生产规模有色丝品类、产品一致性等方面具有较强竞争力的企业之一，产品已销售至北美、欧洲、东南亚等众多国际市场。
2、北京同益中：国内首批掌握全套超高分子量聚乙烯纤维生产技术和较早实现超高分子量聚乙烯纤维产业化的企业龙头企业，拥有超高分子量聚乙烯纤维行业全产业链布局。
3、江苏九州星际：从事超高分子量聚乙烯纤维研发、生产和销售的专业生产企业，公司超高分子量聚乙烯纤维年产能达到32000吨，位居全球第一，公司致力打造超高分子量聚乙烯纤维全球专业化生产工厂。
4、江苏恒辉安防：主要从事安防用品和高分子新材料生产和销售。现有超高分子量聚乙烯纤维产能3000吨/年，未来将成为国内少数几家实现超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料规模化生产企业之一。
5、山东南山智尚：公司的超高分子量聚乙烯纤维定位高端，产品质量及规格对标国际超高巨头企业，已拥有3600吨超高分子量聚乙烯纤维产能，24年处于满产状态。