2024年人形机器人专题报告：经典五指灵巧手拆机，腱绳材料的选择

腱绳驱动的优势及适用场景

按灵巧手手指的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）。传动系统的设计不仅决定了灵巧手的机械结构，而且直接影响到 灵巧手的抓取稳定性和灵活性。腱传动对于空间狭小、传动精密的灵巧手空间设计较为友好，关键在于腱绳材料的选择；连杆、齿轮等传动方式更为直接， 但对空间、设计的要求较高。

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。

腱绳的传动方案对于腱驱动手指动力与运动的传 递至关重要。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。

为了检测腱绳的受力情况， 腱绳张力传感器必不 可少。目前腱绳张力的测量方式主要有三种：串 联弹性体、包覆弹性体、偏置引导轮。

腱绳材料的选择与案例分析

Robonaut 2 Hand 于2010年由NASA和GM（通用汽车公司） 联合研制。 最初被选为肌腱材料的是Spectra™，因为它具有高强度和良 好的耐磨特性。但经过测试，Spectra™固有的蠕变性与 Robonaut 2 Hand 手指致动系统不兼容，进而导致滚珠丝杠 致动器的行程有限。 经过广泛测试，研究团队选择 Vectran™ 作为肌腱材料，因 为它具有高强度以及抗拉伸和蠕变能力。通过使用 Teflon™ 与 Vectran™ 混合编织，其耐磨性能得到改善。最终方案为： 标称直径 1.2 毫米、断裂强度为 181 公斤的肌腱材料，以实 现尺寸、强度和磨损寿命之间的最佳平衡。在加入相关润滑 剂后，肌腱耐磨性超过100 万次循环。

Utah/MIT 灵巧手发明于1982年由美国犹他大学工程设计中心与麻省理工学院人工智能实验室研制，共有32个驱动器、32跟腱绳、32个腱绳张力传感 器，其腱绳材料选用Dacron and Kevlar混合制成。

SDM hand问世时间在2010年，由耶鲁大学和哈佛大学共同研制。 肌腱材料选用预拉伸的尼龙涂层不锈钢丝，一端固定在远端连杆上，并穿过低摩擦尼龙 11 管到达底座。

Yale Hand于2013年由耶鲁大学研制。在腱绳方面，使用经100磅测试的Spectra纤维。 在很大的载荷下，肌腱容易磨损并切断原型材料。为了防止这种情况，将3.18mm的钢腱导销压入指状物中， 从而提供更硬的滑动接触，摩擦力显著降低。

Metamorphic hand由King's College London (KCL) 与天津大学于2011年联合研制。 为了简化手的控制，采用了欠驱动策略和肌腱传动。材料方面，选用直径为0.5 mm的Carl Stahl不 锈钢丝。

PISA/IIT hand于2012年由 Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工学院）、 Università di Pisa（比萨大学）共同发明。 手指的驱动是通过使用被动防脱轨滑轮穿过所有关节的单个Dyneema腱来实现的。肌腱动 作使手指和拇指弯曲并内收，抵消韧带的弹力，并实现自适应欠驱动，而无需差速齿轮。

Washington Hand发明时间为2016年，作者华盛顿大学。 Washington Hand手指骨架充分模仿人体结构。使用钩编韧带来 模拟指骨关节处的掌侧韧带和侧韧带，激光切割橡胶片用于模拟软 组织，提供类似人类的顺应性。 肌腱方面，使用三块激光切割橡胶片来模拟弹性滑轮机构。由高强 度Spectra®（屈服强度200 N）制成的屈肌腱通过几个铆钉加固端 口穿过橡胶腱护套。

David's Hand共有两个版本，David's Hand I和David's Hand II发明时间分别为2010年和2014年。 David's Hand I选用钢丝为肌腱材料，缺点是体积太大，无法插入手掌，尤其是在组装和维护过程中的双曲面。组装过程中钢丝不可避免的的折叠大大缩短了使用寿命。 David's Hand II先后考虑了Kevlar或Aramid肌腱，因为其在磨损、折叠和抗蠕变方面更为突出。然而，这些材料的终止是复杂的，因为打结会显著削弱肌腱，并且很 难实现。最终David's Hand II使用编织Dyneema材料，以防止拼接。Dyneema肌腱的测试显示，其磨损明显小于钢或Kevlar肌腱（尤其是滑动接触）。 DLR Hand I和DLR Hand II分别于1998年和2001年发明，均通过 SPECTRA®肌腱实现向手指关节的力传递。

DEXHAND是德国宇航中心(DLR)于 2011 年研制的面向空间应用 的多指灵巧手。传动系统使用聚合物Dyneema腱和谐波传动装 置，将电机扭矩传递至关节。

Spacehand 是DEXHAND的升级版本，专为在地球同步轨道上长期运行而设计。 手指的设计可主动产生30N 的指尖力。 DEXHAND 传动系统使用聚合物Dyneema腱，该腱非 常耐用，但对于长期任务而言，蠕变率过高。 因此，Spacehand 选择了一种新材料——“Marlow Ropes”编织的高性能 Zylon 纤维。测试 环境包括真空下的太阳模拟、真空下伽马辐射的辐射测试、在不同材料上滑动的耐久性测试以 及模拟负载条件下的蠕变测试。同时，用于手指基部多次引导的滑动材料也接受了相同的测试。 在任务的预期环境条件下，所有材料均未表现出任何明显的退化。

1）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； 2）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； 3）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； 4）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。

主流腱绳材料分析

超高分子量聚乙烯纤维简称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纤维的力学性能是由内部晶体结构和缺陷杂质等决定的，其分子链的晶体结构如图所示。 当晶区由折叠链晶转变为伸直链晶时，力学性能大幅提升。内部缺陷杂质和链缠结点等的减少也会 大幅提升纤维的力学性能。此外，UHMWPE纤维还具有低密度、抗切割、耐腐蚀、耐磨损等其他优 异性能。 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。

国外发展： 1957年，美国联合化学公司首先制备出UHMWPE； 1979年，荷兰DSM公司申请了第一份关于UHMWPE纤维的发明专利，随后DSM建成5套UHMWPE纤维生产装置，实现工业化规模生产，注册商品名迪尼玛； 1983年，日本三井石化公司采用凝胶挤压超倍拉伸法，以石蜡作溶剂，生产超高分子量聚乙烯纤维，商品名为Tekmilon； 1986年，美国的联合信号公司（AlliedSignal）购买了荷兰专利，同时开发自己的生产工艺并申报了专利，于1988年实现了商业化生产。

国内发展： 1999年，中国实现UHMWPE纤维工业化生产； 2008年，仪征化纤建成国内第一条干法纺丝UHMWPE纤维工业化生产线； 2016年，中国UHMWPE纤维年产量突破9000吨； 2019年，全球UHMWPE纤维产能达到6.46万吨/年，其中中国产能约为4.10万吨/年，占全球总产能的60％以上。

UHMWPE纤维的工艺制备流程包括：配料、纺丝、萃取、热拉伸、收丝，其中关键技术包括超高分子量聚乙烯快速溶解技术、超高分子量聚乙烯纤维的连续化生产技术、 多级超倍热拉伸技术、萃取剂在线回收技术等。 UHMWPE纤维的制备原材料为UHMWPE树脂，其分子量、粒径分布是影响纺丝的关键技术参数。树脂分子量高、粒径分布窄、溶胀比大，所得纤维力学性能好。 其次，在纺丝过程中可以进行个性化改性，以制造出不同侧重性能的产品。DSM Dyneema公司基于聚合物基础、纤维结构和纤维性能间关系开发新纤维建立了3个技术 平台开发新纤维：Dyneema Force Multiplier技术,Dyneema Max技术和Dyneema Diamond 技术，分别对应超高强高模纤维、超低蠕变纤维、高防切割纤维。

高强度聚乙烯的基本纺丝技术叫做“凝胶纺丝法”，1979年由荷兰DSM公司向世界提出专利申请。超高相对分子质量柔性链聚乙烯在溶液中，分子链呈扩展状态，纺丝 溶液的浓度达到半稀溶液时进行纺丝，冷却结晶，可取得理想的一个分子一个缠结的状态，制得拉伸性非常好的凝胶丝。在高温时，聚乙烯分子链间容易滑移，重新 排列并可能结晶。因此凝胶丝加热时，平稳的高倍拉伸（超拉伸）可制得缺陷极少、分子高度取向，结晶度接近100%的高强度、高弹性模量纤维。 超高分子量聚乙烯纤维凝胶纺丝工艺主要有两大类： 一类是干法工艺路线，即高挥发性溶剂干法凝胶纺丝工艺路线；另一类是湿法工艺路线，即低挥发性溶剂湿法凝胶纺丝工艺路线。采用的溶剂和后续工艺是这两种工 艺路线最大的区别，由于两类溶剂特性区别大，从而后续溶剂脱除工艺也完全不同，各有优势。

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。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纤特种纤维股份有限公司、北京同益中新材料科技股份有限公司、江苏九 州星际新材料有限公司等。

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。

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编辑：火腿肠