蛇形機器人專利分析

廖江梅 尚妍梅

摘 要：文章以蛇形機器人的專利申請作為分析對象，分析中國和世界蛇形機器人的專利技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、申請信息、重要技術(shù)構(gòu)成、以及重點技術(shù)領(lǐng)域等信息。

關(guān)鍵詞：蛇形機器人；專利技術(shù)；綜述

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0008-03

Abstract： Taking the patent application of snake-shaped robot as the object， this paper analyzes the development of patent technology， application information， important technology composition， key technical fields and so on in China and abroad.

Keywords： snake-shaped robot； patent technology； review

前言

作為仿生機器人家族中的一員，蛇形機器人具有良好的彎曲性能，可以靈活地改變自身的形狀與角度，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境中障礙物的避讓，同時能夠模塊化地自動重組結(jié)構(gòu)，另外隨著軟體技術(shù)的發(fā)展，還能夠隨著環(huán)境的形狀進行自適應(yīng)變形，從而順利地進入到狹窄區(qū)域作業(yè)，這類新型的仿生機器人為高度非結(jié)構(gòu)化空間中的機械臂作業(yè)提供了一種新思路，尤其是在機器人救援領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

1 數(shù)據(jù)總體情況

本文選擇CNABS中文檢索數(shù)據(jù)庫以及DWPI檢索數(shù)據(jù)庫，本次檢索時間截止2016年5月，經(jīng)過檢索式檢索與簡單人工篩選去噪，通過人工標(biāo)引，統(tǒng)計得出相關(guān)的專利申請總量約為818項，整體數(shù)量逐年持續(xù)增長，這些專利申請主要涉及到270多位申請人，主要分布在世界上的26個國家和地區(qū)。由此可見，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性和應(yīng)用市場的廣闊性，自廣瀨茂男發(fā)明了第一個蛇形機器人之后，相關(guān)研究已經(jīng)成為機器人發(fā)展的一個熱點分支。就目前的蛇形機器人專利申請分布趨勢而言，解決連續(xù)型蛇形機器人結(jié)構(gòu)相關(guān)的技術(shù)問題實現(xiàn)良好的彎曲性能、較高的運動精度以及負(fù)載能力等是蛇形機器人專利申請的焦點，而對于離散型蛇形機器人，近幾年的專利申請熱點為通過可重構(gòu)的模塊化蛇形機器人以增強非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應(yīng)性，同時對于用于醫(yī)療如內(nèi)窺鏡的蛇形機器人，改進結(jié)構(gòu)和材料以減少刺激也是一個重要的申請方向。

2 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析

2.1 申請量年度分布

圖1顯示了蛇形機器人申請量的年度分布，以一個同族計一件申請，圖中較長的曲線展示了世界范圍內(nèi)蛇形機器人申請總量的年度增長趨勢，圖中較短的曲線展示了中國范圍內(nèi)蛇形機器人的申請總量年度增長趨勢。從圖中我們可以明顯看出，在全球范圍內(nèi)，蛇形機器人專利申請起始于上世紀(jì)70年代，前10年一直處于水平較低狀態(tài)，直至1984年后才有小幅度上升，然后進入了平穩(wěn)期；2005年過后，專利申請量再次大幅上升。由于國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，1998年才開始有首次申請國為中國的申請，2011年之前專利申請一直較少，在2011年之后中國國內(nèi)申請數(shù)量迅速增長，其一方面說明中國的研發(fā)人員更加重視知識產(chǎn)權(quán)的保護，其另一方面也從側(cè)面反應(yīng)了中國近年來經(jīng)濟水平的迅速提高。

2.2 專利技術(shù)分支和特點

通過對檢索到的專利分析發(fā)現(xiàn)，蛇形機器人專利申請按照連接結(jié)構(gòu)形式主要分為連續(xù)型蛇形機器人和離散型蛇形機器人，蛇形機器人專利申請按照關(guān)節(jié)類型主要分為平行連接，正交連接，萬向節(jié)連接三大類。

平行連接，關(guān)節(jié)較為簡潔，各關(guān)節(jié)只需一個電機即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，通過對各個關(guān)節(jié)中單一電機的角度進行簡單易行的控制匹配就能夠輕易實現(xiàn)需要的蛇身運動形式。

正交連接，具備三維運動能力，能模仿蛇的蜿蜒運動等復(fù)雜運動方式，與平行連接一樣，各關(guān)節(jié)只需一個電機即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，通過對各個關(guān)節(jié)中單一電機的角度進行簡單易行的控制匹配就能夠輕易實現(xiàn)需要的蛇身運動形式。

萬向節(jié)連接理想狀態(tài)下每個單體可繞相鄰單體做360°的球面旋轉(zhuǎn)，靈活性較平行連接和正交連接有了很大提升，工作空間是一個完整的三維空間，提升了其可完成動作的多樣性，可在更為復(fù)雜的環(huán)境中完成運動，是目前發(fā)展的方向，但由于其自身結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，控制也相對復(fù)雜。

2.3 蛇形機器人重點專利技術(shù)領(lǐng)域

為了展示蛇形機器人所涉及到的專利技術(shù)領(lǐng)域，本研究對蛇形機器人的IPC分類進行了統(tǒng)計整理，得到圖2的數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，出現(xiàn)頻次靠前的IPC大組分別為B25J9（程序控制機械手），B25J18（爪臂），B25J17（接頭），B25J13（機械手的控制裝置），B25J15（夾頭），B25J1（用手確定空間位置的機械手），B25J11（不包含在其他組的機械手），A61B1（用目視或照相檢查人體的腔或管的儀器，例如內(nèi)窺鏡），A61B17（外科器械、裝置或方法），A61B19（在A61B 1/00至A61B 18/00各組中都不包含的手術(shù)或診斷用的儀器、器械或附件），B62D57（僅以具有除車輪或履帶以外的其他推進裝置或接地裝置為特征的車輛，或者以車輪或履帶加上具有除車輪或履帶以外的其他推進裝置為特征的車輛），A61M25（導(dǎo)管；空心探針），由此可以得到，蛇形機器人的專利技術(shù)主要集中在機械手（B25J）和診斷、外科、鑒定（A61B）兩個小類。

2.4 重點專利分析

圖3為專利SE419421B的蛇形機器人，是1980年由ROBOTGRUPPEN HB申請的柔性機械臂，是具有代表性的早期的連續(xù)型蛇形機器人，該機器人用于支撐末端執(zhí)行機構(gòu)，其包括一系列相互接觸的元件，控制元件直接作用于相互接觸的元件之間或者直接作用于元件，各個元件之間以曲面接觸，為了實現(xiàn)相鄰兩元件的運動，元件設(shè)置為扇形或者弧形，通過相鄰元件之間的相互運動實現(xiàn)該機器人方向的改變，其公開了兩種主要的連續(xù)型蛇形機器人的運動控制方式。其一，通過外置的牽引線對元件的牽引實現(xiàn)（如圖3（a）所示）。其二通過內(nèi)置式驅(qū)動，其中公開了人工氣動肌肉類型（如圖3（b）和圖3（c）所示）以及電磁式驅(qū)動（如圖3（d）所示）。作為連續(xù)型蛇形機器人領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性專利，其在全球范圍內(nèi)被引用170次，其中被美國專利引用109次，被中國專利引用13次，被歐洲專利引用14次，被日本專利引用5次，被其他專利引用29次。

為了特別適應(yīng)小型化應(yīng)用，如血管定位、顯微操作和微勘探等，美國科學(xué)家Rennex與Brian G發(fā)明了一種通過套筒和萬向節(jié)連接的可自推進的蛇形機器人（專利US5386741），該蛇形機器人包括壓力傳感器，長度傳感器，保護皮膚，超聲成像，切削工具和多路技術(shù)。該蛇形機器人通用性強，可以根據(jù)需要的功能假定形狀，從而保證末端執(zhí)行器的高精度工作。通過自推進方式，該機器人可以通過隧道、水管、血管實施清潔、感測、切削和移除等操作，還能完美地在堵塞和彎曲等復(fù)雜環(huán)境中移除血管中的堵塞物。作為連桿連接的蛇形機器人的另一典型結(jié)構(gòu)，該專利的蛇形機器人通過長度致動器的伸縮以及萬向接頭實現(xiàn)蛇形機器人的自推進、折疊、轉(zhuǎn)彎、變形等功能。

專利US6870343B2為密西根大學(xué)Johann Borenstein與Grzegorz Gran-osik發(fā)明的蛇形機器人，于2001年1月申請專利，該蛇形機器人關(guān)節(jié)通過萬向節(jié)（universal joint）連接，它的行走能力非常強。該蛇形機器人的節(jié)與節(jié)之間通過驅(qū)動軸連接，連接處的風(fēng)管通過充氣或放氣來促使某一節(jié)做出不同動作，通過協(xié)調(diào)每節(jié)的動作，該蛇形機器人就能在障礙物上自由攀爬。操作者可通過控制操縱桿向其發(fā)出各種指令，如橫滾、蠕動等。該蛇形機器人的獨特之處還在于其表面覆蓋著占總面積80%的履帶，這能防止在粗糙地面上停頓，從而在復(fù)雜地形中持續(xù)前進。通過網(wǎng)上公布的數(shù)據(jù)資料顯示，該蛇形機器人能翻越兩倍于自身高度的障礙物，跨過寬度相當(dāng)于自身長度一半的空檔，還能爬樓梯、鉆管道及在豎直，管道內(nèi)向上攀爬。通過將豎直的身體橫向變形成支架架在管壁之間，電機驅(qū)動各節(jié)外壁附著的履帶產(chǎn)生垂直方向的運動趨勢，實現(xiàn)在豎直的管道內(nèi)爬行。

韓國專利KR100426613B公開的內(nèi)窺鏡微型機器人，為韓國科技研究所（Korea Institute Of Science And Technology）研究的能夠向前驅(qū)動的蛇形機器人，該專利公開了蛇形機器人向前運動的另一種常見方式，即渦輪蝸桿方式。該機器人的一個實施例采用了圖6所示，通過蝸桿帶動渦輪運動，實現(xiàn)機器人的向前運動，該機器人的另一個實施例，通過內(nèi)部驅(qū)動裝置驅(qū)動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪帶動齒形帶轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機器人的向前運動，該機器人的另一個實施例通過對多個蝸桿驅(qū)動的控制，實現(xiàn)機器人的向前運動和轉(zhuǎn)向，同時，該專利的另實施例中還結(jié)合了與專利US6870343B2中原理相同的蛇形機器人轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)方式，通過結(jié)合線性驅(qū)動器8的伸縮進行誤差補償，使得蛇形機器人的運動更加精確。其被引用頻次在離散型蛇形機器人中相對也較高，截止檢索日前，其在全球范圍內(nèi)被專利引用69次。

3 結(jié)束語

通過對蛇形機器人專利申請的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、申請信息、重要技術(shù)構(gòu)成、以及重點技術(shù)專利等信息進行分析，有助于國內(nèi)企業(yè)對蛇形機器人的研發(fā)和進一步研究。

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