腱绳传动方案、材料分类、 政策、产业链及发展趋势分析

未来能够通过改进生产工艺和优化纤维结构，进一步提升腱绳材料的强度和弹性，以满足更为复杂和严 苛的应用场景需求，在人形机器人的灵巧手等部位应用。

1.主流的腱绳传动方案

腱绳通常与滑轮搭配使用，根据腱绳与滑轮在灵巧操作手的位置不同，主流的腱绳传动方案包括 N 型、 N+1 型、2N 型三种，每种方案都有其独特的优势和适用场景。其中“N 型”传动方案驱动器数目最少， 这种设计能够有效降低驱动系统的整体尺寸，降低电气系统与控制系统的复杂程度，提高了系统的可靠 性，但 N 型传动方案需要预紧装置来确保腱绳的张力；“N+1 型”传动方案所需的腱绳数目最少。然而，这种方案的一个显著缺点是单个腱绳与单个驱动单元的负载较大，导致驱动单元尺寸较大，牺牲了系统 的紧凑性和灵活性；“2N 型”传动方案的承载能力较强，动态特性较好，但所需驱动单元数目较多，机 构尺寸偏大，可能会影响灵巧手的整体灵活性和操作空间。

2.腱绳材料

腱绳材料整体分为不锈钢、高分子纤维两大类，高分子纤维的使用更为广泛。材料的选择除了要考虑强 度和模量以外，还应在长期工作中具有较低的蠕变，并适应高低温和辐射。钢丝绳两端难以固定，并且 只能采用较大的绕线半径，负载能力小，寿命短，高分子纤维使用更为广泛。

在腱传动灵巧手中，腱绳材料的选择至关重要，因为腱绳涉及动力传递，且作为末端传递单元，直接影 响手指执行效果的精度，所以腱绳需要满足高强度、低耐磨、较好的蠕变性、摩擦系数低等特点。在强 度以及抗蠕变性能上面，UHMWPE 纤维、PBO 纤维相比芳纶纤维、碳纤维、钢丝绳更具优势。 UHMWPE 纤维规格从 50D-1600D 不等，强度在 34-42≥cN/dtex 强度为主。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、芳纶纤维的 1.7 倍。

3.腱绳材料行业政策

政策推动机器人行业发展，从而带动腱绳需求。近些年，随着智能制造的发展，国家和地方政府对机器 人灵巧手的发展给予了高度重视；《工业机器人行业规范条件（2024 年版）》中指出：进一步规范工 业机器人行业管理，引导企业良性竞争，推动行业高质量发展。

4.产业链分析

腱绳行业产业链上游为超高分子量聚乙烯纤维粉料、高强度钢丝等核心原材料，其中超高分子量聚乙烯 纤维因轻量化、高耐磨性占据成本主导，金属材料则在高承载场景不可替代；中游为腱绳制造与集成， 涉及纤维编织、表面处理、传动结构设计，并集成滚珠丝杠、行星齿轮箱等关键部件等；下游主要应用 于人形机器人灵巧手、手术机器人及工业柔性抓取，及其他领域等。

（1）UHMWPE 粉料。UHMWPE 粉料供给：未来几年新增产能较多，主要集中在中国。UHMWPE（超高分子量聚乙烯） 粉料是 UHMWPE 纤维主要原材料。根据中国化工信息周刊公众号数据，2023 年，全球 UHMWPE 粉 料产能约 41.4 万吨/年，主要分布在亚洲、美洲和欧洲，产能区域集中度高，亚洲产能 24.0 万吨/年， 占全球产能 57.9%；美洲产能 10.9 万吨/年，占比 26.4%；欧洲产能 6.5 万吨/年，占比 15.7%。近年来 中国企业逐渐实现技术突破，掌握了 UHMWPE 粉料生产技术，产能扩张较快。截至 2023 年，我国 UHMWPE 主要生产企业共 10 家，产能合计 21.1 万吨/年。未来几年行业新增产能集中在中国，预计增 量为 46.3 万吨/年。 UHMWPE 粉料需求：过去几年复合增速约 10%，未来有望受益于腱绳增量需求。根据中国化工信息 周刊公众号数据，全球 UHMWPE 需求高速增长，2016—2023 年年均复合增长率达 9.3%。2023 年全 球需求量约为 37.6 万吨，较 2022 年增加 3.5 万吨，主要由于外科技术的进步及先进材料植入物的快速 发展，促进了医用级 UHMWPE 使用量的大幅提升。中国 2022 年 UHMWPE 消费量约 23 万吨，与全 球总消费量格局不同，中国将近半数用作生产锂电池隔膜。2022 年中国部分 UHMWPE 企业扩产，供 应能力提升，在下游需求快速增长的情况下，产量达到 17.1 万吨，进口量 6.5 万吨，出口量 0.6 万吨， 表观消费量 23 万吨，自给率从 2021 年的 70%上升到 74.3%。

由于 UHMWPE 分子量大、分子链之间的缠绕多，在熔融时呈凝胶弹性体，粘度大，流动性差，且临界 剪切速率低，给加工带来了极大困难，故当前产业链内利润较为丰厚的环节为 UHMWPE 粉料加工纺丝 环节。

（2）UHMWPE 纤维：最新一代产业化的有机纤维。超高分子量聚乙烯纤维是工业化的新型高性能纤维。超高分子量聚乙烯纤维（Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，简称 UHMWPE 纤维），又称高强高模聚乙烯纤维，通常指由分子在 100 万-500 万的超高分子量聚乙烯树脂所纺出的纤维。UHMWPE 纤维外观白色，密度为 0.97-0.98g/cm3， 是目前世界上工业化的比强度和比模量最高的纤维，是继碳纤维、芳纶后的第三代高性能纤维且密度最 小的高性能纤维，通过制造 UD 布（无纬布）、包覆纱、复合纱、绳网、纺织面料等，进一步广泛应用 于军事装备、海洋产业、安全防护、纺织、体育器材、医疗、建筑等多个领域。

UHMWPE 纤维需求量稳步增长。我国是 UHMWPE 纤维的第一大消费市场，市场从高速发展进入到 平稳发展时期，前两年下游各行业受到公共卫生问题影响，需求有所波动，增速放缓。2023 年中国 UHMWPE 纤维需求量达 3.4 万吨，占全球需求的 61%以上，2018-2023 年 CAGR 约 14.6%。随着我国 社会生活水平的不断改善以及国防建设的稳步发展，民用和军用两方面的需求将为 UHMWPE 纤维带来 更为丰富的市场活力。预计到 2028 年中国 UHMWPE 纤维行业总需求将达 5.54 万吨，年均复合增速 达 10.4%。

UHMWPE 纤维制备采取冻胶纺丝-超倍热拉伸法。UHMWPE 的制备方法包括增塑熔融纺丝法、固体 挤出法、超拉伸或局部拉伸法、表面结晶生长法和冻胶纺丝-超倍拉伸法等，但目前只有冻胶纺丝-超倍 拉伸法应用最成熟且实现了工业化生产。根据所采用的溶剂不同，冻胶纺丝-超倍热拉伸法又可分为干 法工艺和湿法工艺两种。干法路线工艺流程短，其制备的纤维表面平整、缺陷少、柔软、结晶度高、纤 维密度大、熔点高、溶剂残留低。湿法路线纺丝强度高、单丝更粗、溶剂成本低、安全，相对简单成熟。

规格不同的 UHMWPE 纤维价格有差异。超高分子量聚乙烯纤维不同用途规格不同，直径、尺寸、物 理性质均会存在一定差异，市场销售价格大概在 5 万元/吨-15 万元/吨不等，产品品质越高销售价格越 高。

UHMWPE 纤维主要国外供应商包括美国埃万特、美国 Honeywell 和日本东洋纺三家企业。我国供应 商包括：九州星际、同益中、千禧龙纤、南山智尚、长青藤、恒辉安防、康隆达等。

（3）PBO 纤维：产业化进程初露头角。PBO 性能优异，工业化时间较晚。PBO 纤维，中文名为聚对苯撑苯并二噁唑纤维，具有超高强度、超 高模量、耐高温和高环境稳定性的特点，PBO 的工业化生产始于上世纪末的 1998 年，由日本东洋纺丝 公司以“Zylon”商标发布，因其优异的性能一出现就引起极大关注，被称为“21 世纪超级纤维”。现有 PBO 应用场景丰富，目前已在航空航天、国防军工、桥梁隧道、消防装备、竞技体育器材等领域投入使 用。

PBO 纤维的制备一般包括单体合成、聚合体合成和纤维纺丝三个步骤。目前比较常见的方法是将对苯 二甲酸和 4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐在多聚磷酸溶剂中进行溶液加热聚合，所得聚合液为液晶状态，经 脱泡和过滤后可直接进行干喷纺而制得初纺丝。 单体：PBO 是由对苯二甲酸或对苯二甲酰氯与 4,6-二氨基-1,3-间苯二酚盐酸盐（DAR）缩聚而得到的 高分子聚合物，其中 DAR 是 PBO 的重要单体。美国陶氏化学公司掌握以三氯苯为起始原料进行合成 DRA 单体的技术，在合成过程中不会生成异构体，收率很高，对 PBO 的工业化生产起到了很大的作用。 我国企业中，鼎龙科技公告称是国内少数具备能够稳定工业化生产 PBO 单体企业之一。 聚合：PBO 的聚合有多种方法，有对苯二甲酸法、对苯二甲酰氯法、三甲基硅烷基化法和中间相法等。 而对苯二甲酸法中又演化出盐酸盐法、复合盐法、磷酸盐法和 AB 型单体法。工业化通常采用的是盐酸 盐法，其基本原理为将 4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐（DAR）与对苯二甲酸（TA）在多聚磷酸（PPA）中 进行溶液缩聚得到 PBO 聚合物。

纺丝：PBO 纤维的制备方法采用干喷湿纺法。纺丝溶剂可选用多聚磷酸（PPA）和甲磺酸（MSA）。制 备 PBO 纤维比较常用的方法是，得到一定分子量的聚合物溶液，在一定温度条件下经喷丝板挤出，通 过一定高度的空气层后进入凝固浴中，控制拉伸比，经碱洗和水洗后得到原纤；若要制备高抗拉模量纤 维，可将初生丝在张力下 500-600℃左右进行热处理。

日本东洋纺是全球工业化最成功的 PBO 纤维企业，国内非上市公司成都新晨、中蓝晨光化工、中科金 绮拥有小规模产业化的能力。

（4）钢制腱绳：缺点限制了其应用范围。钢制腱绳方面，钢丝绳在传动效率有一定优势，钢丝绳组件是部分手术机器人及腱绳传动灵巧手所选择 的腱绳材料，具有良好的耐磨性与抗疲劳性，但是灵活度与耐腐蚀性相对较差，钢丝绳末端固定困难、 不能承受小的回转半径、强度较低、寿命短等缺点限制了其应用范围。钢丝绳包括钨钢丝绳、不锈钢丝 绳等。

5.发展趋势分析

未来能够通过改进生产工艺和优化纤维结构，进一步提升腱绳材料的强度和弹性，以满足更为复杂和严 苛的应用场景需求，在人形机器人的灵巧手等部位应用。 采用新型的涂层技术、复合材料研发等方式，增强腱绳材料的耐磨性和耐腐蚀性，延长其使用寿命，降 低更换频率和维护成本。 在保证性能的前提下，研发更轻量化的腱绳材料，有助于提高设备的运行效率和便携性，例如在航空航 天领域，减轻结构重量对于提升飞行性能和降低能耗具有重要意义。 结合纳米技术和功能化改性，赋予腱绳材料抗菌防霉能力，使其在潮湿、高温等易滋生细菌和霉菌的环 境中能够保持良好的性能和卫生状况，拓展其在医疗、户外等领域的应用。 通过添加导电纤维或采用导电涂层等方法，使腱绳材料具备一定的导电性能，可用于电磁屏蔽、静电释 放等特殊应用场合，满足电子设备、通信等领域的需求。 研发具有智能感知功能的腱绳材料，如能够感知自身的张力、应变、温度等参数，并将数据传输给控制 系统，实现对设备运行状态的实时监测和智能调控，提高设备的安全性和可靠性。