電力設(shè)備新能源行業(yè)人形機(jī)器人專題（四）：經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)腱繩材料的選擇

經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：腱繩材料的選擇風(fēng)作者：光大環(huán)保電新殷中樞、黃帥斌傳動(dòng)方式特點(diǎn)缺點(diǎn)腱傳動(dòng)由腱（鋼絲繩、迪力馬繩等）加上滑輪或者軟管實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。腱一般具有很高的抗拉強(qiáng)度和很輕的重量，容易實(shí)現(xiàn)多自由度和遠(yuǎn)距離動(dòng)力傳輸，節(jié)省空間和成本，是一種柔順傳動(dòng)方式。腱本身的剛度有限，影響位置精度；控制時(shí)需要一定的預(yù)緊力，容易產(chǎn)生摩擦；腱的布局容易產(chǎn)生力矩和運(yùn)動(dòng)的耦合。這些因素都增加了手爪抓取控制的難度和復(fù)雜性。連桿傳動(dòng)采用平面連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，剛度好、出力大、負(fù)載能力強(qiáng)、加工制造容易、易獲得較高的精度，構(gòu)件之間的接觸可以依靠幾何封閉來(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠較好實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)的軌跡的要求。結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對(duì)手內(nèi)空間配置要求較高。齒輪/蝸輪蝸桿傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)齒輪或蝸輪蝸桿將旋轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)，拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)器和手指之間的彈簧來(lái)驅(qū)動(dòng)手指產(chǎn)生動(dòng)作，手指部分采用金屬連接，各個(gè)手指動(dòng)作相互獨(dú)立，具有多種的抓取構(gòu)形，和別的多指靈巧手相比，驅(qū)動(dòng)更加靈活，但是手指的閉合時(shí)間較長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)冗雜，笨重，柔性不足，抗沖擊性能較弱，對(duì)手內(nèi)空間配置要求較高，手指的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，容易出現(xiàn)故障。人工肌肉液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式是近年來(lái)興起的一種重要的驅(qū)動(dòng)方式，是模擬人肌肉的一種驅(qū)動(dòng)方式。由于材料和技術(shù)的限制，這些“人工肌肉”技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人手爪實(shí)現(xiàn)可靠、快速和精確地抓取功能。資料來(lái)源：小米技術(shù)微信公眾號(hào)傳動(dòng)方案原理簡(jiǎn)圖驅(qū)動(dòng)器數(shù)目腱繩數(shù)目特點(diǎn)N2N驅(qū)動(dòng)器數(shù)目少；需要預(yù)緊機(jī)構(gòu)N+1型N+1N+1腱繩數(shù)目少；單根腱繩負(fù)載大2N型2N2N承載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能較好；驅(qū)動(dòng)器數(shù)目多資料來(lái)源：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)》名稱機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖特點(diǎn)串聯(lián)彈性體包覆彈性體偏置引導(dǎo)輪資料來(lái)源：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)》最初被選為肌腱材料的是Spectra?,因?yàn)樗哂懈邚?qiáng)度和良資料來(lái)源：孫成遠(yuǎn)《腱驅(qū)動(dòng)靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)》資料來(lái)源：AaronM.Dollar《TheHighlyAdaptiveSDMHand:DesignandPerformanceEvaluation》資料來(lái)源：RaymondR.Ma《AModular,Open-Source3DPrintedUnderactuatedHand》為了簡(jiǎn)化手的控制，采用了欠驅(qū)動(dòng)策略和肌腱傳動(dòng)。材料方面，選用直徑為0.5m資料來(lái)源：GUOWUWEI《KinematicAnalysisandPrototypeofaMetamorphicAnthropomorphicHandwithaReconfigurablePalm》手指的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)使用被動(dòng)防脫軌滑輪穿過(guò)所有關(guān)節(jié)的單個(gè)Dynee資料來(lái)源：M.G.Catalano《Adaptivesynergiesforthedesign資料來(lái)源：M.G.Catalano《AdaptivesynergiesforthedesignPisaIITSoftHand》9模擬指骨關(guān)節(jié)處的掌側(cè)韌帶和側(cè)韌帶，激光肌腱方面，使用三塊激光切割橡膠片來(lái)模擬資料來(lái)源：ZheXu《Designofahighlybiomimeticanthropomorphicrobotichandtowardsartificiallimbregeneration》資料來(lái)源：MaximeChalon《Dexhand:aSpacequalifiedmulti-fingeredrobotichand》資料來(lái)源：MaximeChalon《Spacehand:amulti-fingeredrobotichandforspace》環(huán)境包括真空下的太陽(yáng)模擬、真空下伽馬輻射的輻射測(cè)試、在不同材繩驅(qū)靈巧手發(fā)布時(shí)間腱繩牌號(hào)腱繩材料設(shè)計(jì)初衷指尖力DacronandKevlar科研高強(qiáng)度聚乙烯纖維航空（太空操作）Teflon?withVectran?特氟龍+芳綸纖維航空（太空操作）尼龍涂層不銹鋼纜不銹鋼絲工業(yè)David'sHandI鋼絲航空（太空操作）20N指尖力不銹鋼絲（直徑0.5mm）科研超高分子量聚乙烯纖維航空（太空操作）超高分子量聚乙烯纖維工業(yè)Z軸抓力20N，換電機(jī)后最高Yale高強(qiáng)度聚乙烯纖維科研超高分子量聚乙烯纖維航空（太空操作）40N指尖力Washington高強(qiáng)度聚乙烯纖維科研Spacehand聚對(duì)苯撐苯并二噁唑航空（長(zhǎng)期太空操4）ZYLON纖維在長(zhǎng)期作業(yè)方面優(yōu)于超高分資料來(lái)源：經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：航空航天篇——人形機(jī)器人專題（一）、經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：醫(yī)療假肢篇資料來(lái)源：經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：航空航天篇——人形機(jī)器人專題（一）、經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：醫(yī)療假肢篇——人形機(jī)器人專題（二）、經(jīng)典五指靈巧手拆機(jī)：科研及通用篇——人形機(jī)器人專題（三）等、光大證券研究所整理超高分子量聚乙烯纖維簡(jiǎn)稱UHMWPE纖維，別名又叫做高強(qiáng)高模聚乙烯纖維，是分子量150萬(wàn)以上的無(wú)支鏈的線性聚乙烯。它和碳纖維、芳綸合稱為“世界三大高科技纖維”。超高分子量聚乙烯樹脂最早由德國(guó)赫斯特公司于1958年研制成功，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。其后，美國(guó)赫爾克斯勒和日本三井化資料來(lái)源：國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)資源共享微信公眾號(hào)資料來(lái)源：國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)資源共享微信公眾號(hào)資料來(lái)源：董彬《高性能有機(jī)纖維在防彈復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀》資料來(lái)源：王新威《超高分子量聚乙烯材料的研究進(jìn)展》UHMWPE纖維的制備原材料為UHMWPE樹脂礦物油(不易揮發(fā)，安全性高)快慢短長(zhǎng)高強(qiáng)度聚乙烯的基本紡絲技術(shù)叫做“凝膠紡絲法”，1979年由荷溶液的濃度達(dá)到半稀溶液時(shí)進(jìn)行紡絲，冷卻結(jié)晶，可取得理想的一個(gè)分子一個(gè)纏結(jié)的狀態(tài)，制得拉伸性非常好的凝膠絲。在高溫時(shí)，聚乙排列并可能結(jié)晶。因此凝膠絲加熱時(shí)，平穩(wěn)的高倍拉伸一類是干法工藝路線，即高揮發(fā)性溶劑干法凝膠紡絲工藝路線；另一類是濕法工藝路線，即低揮發(fā)性溶劑濕法凝膠紡絲工藝路線。采用資料來(lái)源：智研咨詢《2023年中國(guó)超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)市場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)、產(chǎn)業(yè)鏈全景及發(fā)展趨勢(shì)報(bào)告》樹脂在十氫萘溶劑中溶脹過(guò)程對(duì)于紡絲溶液均勻溶解至關(guān)重要，樹脂不同溶脹狀態(tài)喂入擠出機(jī)，對(duì)擠出機(jī)的壓力、扭矩及熔體最終擠出的狀態(tài)有較大影響。紡絲溶液均勻下料是影響纖維纖度的關(guān)鍵。初生纖維中溶劑的充分揮發(fā)是影響溶劑回收和纖維力學(xué)性能的關(guān)鍵，干法路線中，凍膠纖維經(jīng)過(guò)噴絲板擠出，利用惰性氣體將溶劑帶走，實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)與溶劑的兩相分離，然后凍膠纖維在甬道內(nèi)進(jìn)一步拉伸，繼續(xù)溶劑分離和大分子鏈結(jié)晶。超倍拉伸溫度、拉伸比和拉伸速度是影響纖維結(jié)晶和力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，隨著纖維拉伸倍數(shù)的提高，纖維的取向趨于完善，其力學(xué)性能也隨之提升。資料來(lái)源：王新威《超高分子量聚乙烯材料的研究進(jìn)展》傳統(tǒng)的濕法路線由于工藝的先天性缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性受到影響，特別是纖維旦數(shù)的偏差率普遍較高，優(yōu)化現(xiàn)有的工藝路線，進(jìn)一步提高纖維的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、功能性是目前濕法路線研究的重點(diǎn)。凍膠斷點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)在于凍膠纖維進(jìn)入盛絲桶后，一部分溶劑析出，減輕了后續(xù)萃取的壓力；前紡過(guò)程短，操作方便；然而由于盛絲桶凍膠絲堆積等原因?qū)е吕w維各段粗細(xì)偏差大，對(duì)后紡纖維的超倍拉伸、成品纖維力學(xué)性能提升等均有較大影響。濕法路線凍膠纖維萃取工藝干燥斷點(diǎn)有效避免了凍膠斷點(diǎn)法的缺陷，雖然其對(duì)裝備精度要求高，萃取壓力較大，但隨著加工技術(shù)的進(jìn)步和纖維行業(yè)對(duì)更高性能纖維的追求，干燥斷點(diǎn)法將成為后續(xù)濕法路線研究和產(chǎn)業(yè)化的熱點(diǎn)。資料來(lái)源：王新威《超高分子量聚乙烯材料的研究進(jìn)展》233注：紅色字體代表高端產(chǎn)品性能指標(biāo)資料來(lái)源：董彬《高性能有機(jī)纖維在防彈復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀》資料來(lái)源：董彬《高性能有機(jī)纖維在防彈復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀》 優(yōu)缺點(diǎn)具體特點(diǎn)簡(jiǎn)要說(shuō)明優(yōu)勢(shì)優(yōu)良的力學(xué)性能在線性密度相同的情況下，超高分子量的化學(xué)纖維高10倍。聚乙烯纖維抵抗拉伸的強(qiáng)度是鋼絲繩的15倍。比同為“世界三大高科技纖維”之一的芳綸高百分之四十，比優(yōu)質(zhì)鋼纖維和普通優(yōu)良耐沖擊性能它在變形和塑形過(guò)程中的吸收能量的能力和抵抗沖擊的能力比同為“世界三大高科技纖維”的芳綸纖維、碳纖維都高。優(yōu)良的耐磨性能將超高分子量聚乙烯纖維與碳纖維、芳綸纖維的增強(qiáng)塑料摩擦系數(shù)比較，超高分子量聚乙烯纖維的耐磨性和彎曲疲勞度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳纖維和芳綸纖維。耐化學(xué)腐蝕性將超高分子量聚乙烯纖維和芳綸纖維進(jìn)性質(zhì)結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定，只有在次氯酸鈉溶行在不同化學(xué)品介質(zhì)中的強(qiáng)度保留率進(jìn)行比較。超高分子量聚乙烯纖維的耐腐蝕性能明顯高于芳綸纖維，它在酸、堿、鹽中的液中強(qiáng)度有所損失。良好的耐光性能因?yàn)槌叻肿恿烤垡蚁├w維的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以它的耐光性也是高科技纖維中最優(yōu)越的其他性能良好的疏水性能、耐水耐濕性能、電絕緣性能和較長(zhǎng)的曲折壽命。劣勢(shì)熔點(diǎn)較低在對(duì)其加工過(guò)程中溫度不能超過(guò)130℃,否則就會(huì)因?yàn)槌叻肿恿烤垡蚁├w維之間分子鏈間作用力較弱的原因，使其發(fā)生蠕變現(xiàn)象，減短使用壽命。浸潤(rùn)性和染色性差超高分子量聚乙烯纖維上不存在染基團(tuán),使其浸潤(rùn)性差，染料很難滲透到纖維內(nèi)部，導(dǎo)致它的染色性差，這些缺點(diǎn)影響了它的應(yīng)用領(lǐng)域的范圍。資料來(lái)源：國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)資源共享微信公眾號(hào) 86420整體呈現(xiàn)中低端產(chǎn)能富余、高端產(chǎn)能緊缺的情況，尤其在醫(yī)用縫合線、雷達(dá)天線罩等高端應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)仍處于起步階段，在產(chǎn)品一致性及穩(wěn)定性、抗蠕變產(chǎn)品等細(xì)分領(lǐng)域仍超高分子量聚乙烯纖維凝膠紡絲工藝主要有兩大類：一類是干法工藝路線；另一類是濕法工藝路線。濕法路線作為主流工藝，具有先天性缺陷。傳統(tǒng)濕法路線會(huì)使得產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性受到影響，特別是纖維旦數(shù)的偏差率普遍較高，提高纖維的力學(xué)性能、穩(wěn)定性、功能性是目前采用濕法路線企業(yè)研究的重點(diǎn)。干法路線，作為新興工藝具備更多優(yōu)勢(shì)。如工藝流程短、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，其制備的纖維具備表面平整和缺陷少等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)與濕法路線相比，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化的干法路線凍膠過(guò)程不充分，導(dǎo)致干法纖維性能與濕法纖維存在差異。干 76543210未來(lái)趨勢(shì)：軍用民用兩端需求持續(xù)增長(zhǎng)；民用需求占比持續(xù)提高。一方面軍用需求持續(xù)增長(zhǎng)。國(guó)際形勢(shì)變幻不定，國(guó)內(nèi)國(guó)外軍用需求加速增長(zhǎng)。另一方面民用需求后勁十足。國(guó)內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維于傳統(tǒng)下游的需求不減。如海洋產(chǎn)業(yè)、紡織服飾領(lǐng)域和體育 其中塞拉尼斯是全球市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。從地區(qū)來(lái)看，超高分子量聚乙烯的生產(chǎn)消費(fèi)主要集中于中國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)，德國(guó)等地。其中中國(guó)占據(jù)了36.7%的消費(fèi)國(guó)內(nèi)格局：我國(guó)超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)形成規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)相對(duì)較少，行業(yè)集中度有待提升，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、單線產(chǎn)能有待進(jìn)一步提高，生產(chǎn)成本有待進(jìn)一步降低。我國(guó)超高分子量聚乙烯纖維主要生產(chǎn)企業(yè)已近20家，主要企業(yè)有浙江千禧龍纖特種纖維股份有限公司、北京同益中新材料科技股份有限公司、江蘇九企業(yè)名稱業(yè)務(wù)概況北京同益中新材料科技股份有限公司同益中是國(guó)內(nèi)首批掌握全套超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)技術(shù)和較早實(shí)現(xiàn)超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)龍頭企業(yè)，擁有超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈布局。浙江千禧龍纖特種纖維股份有限公司目前，公司已成為國(guó)內(nèi)超高分子量聚乙烯纖維行業(yè)中常規(guī)細(xì)絲生產(chǎn)規(guī)模有色絲品類、產(chǎn)品一致性等方面具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)之一，產(chǎn)品已銷售至北美、歐洲、東南亞等眾多國(guó)際市場(chǎng)。山東南山智尚科技股份有限公司公司2022年順利完成超高分子量聚乙烯纖維一期600噸項(xiàng)目的全面投產(chǎn)并逐步升級(jí)成品工藝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品纖維纖度從400D到800D的全線轉(zhuǎn)變。2022年公司UHMWPE纖維收入為1952.06萬(wàn)元。江蘇九州星際新材料有限公司九州星際科技有限公司是一家專業(yè)從事超高分子量聚乙烯纖維研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，目前公司超高分子量聚乙烯纖維年產(chǎn)能達(dá)到32000噸，位居全球第一，公司致力打造超高分子量聚乙烯纖維全球?qū)I(yè)化生產(chǎn)工廠。中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司公司是中國(guó)石化中高端聚酯生產(chǎn)基地和特種纖維生產(chǎn)基地。擁有PTA產(chǎn)能142萬(wàn)噸/年(含合資權(quán)益產(chǎn)能42萬(wàn)噸/年)，240萬(wàn)噸/年聚酯產(chǎn)能(含聚酯切片、短纖、中空、瓶片)，超高分子量聚乙烯纖維產(chǎn)能3300噸/年。國(guó)際上，荷蘭DSM、美國(guó)Honeywell和日本T天和民用領(lǐng)域應(yīng)用需求的提升，中國(guó)企業(yè)產(chǎn)能逐步擴(kuò)大，雖然中國(guó)代表性企業(yè)超高分子量聚乙烯纖維的市場(chǎng)占有率在逐漸上升，但是中端產(chǎn)品為主。目前，我國(guó)超高分子量聚乙烯纖維主要生產(chǎn)