并聯(lián)機構(gòu)技術(shù)綜述及專利分析

蔡桑妮

【摘? 要】并聯(lián)機器人具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力強、累積誤差小、運動慣性小、運動學(xué)反解易求和便于實時控制等互補性優(yōu)點。并聯(lián)機器人機構(gòu)構(gòu)成方式靈活多樣的特點使這類機器人結(jié)構(gòu)不斷翻新，在機器人領(lǐng)域中的專利申請量相對較大，本文將對并聯(lián)機構(gòu)的原理、發(fā)展現(xiàn)狀以及并聯(lián)機構(gòu)的專利申請情況進行分析。

【關(guān)鍵詞】并聯(lián)機構(gòu);技術(shù)綜述;專利分析

1.并聯(lián)機構(gòu)所屬技術(shù)領(lǐng)域及其分類號分析

并聯(lián)機構(gòu)是一種空間機器人機構(gòu)，屬于機器人領(lǐng)域。其不同于其他機器人領(lǐng)域的針對具體實現(xiàn)某一作用的專利申請，有關(guān)并聯(lián)機構(gòu)的專利申請發(fā)明點多集中在以其能實現(xiàn)的運動學(xué)特性（如機構(gòu)動平臺所具有的不同自由度）或具體運動副結(jié)構(gòu)上。有關(guān)并聯(lián)機構(gòu)的專利申請常被分類至機械手領(lǐng)域的B25J11/00、B25J17/00、B25J9/00以及其下的一點組，此外，其還有可能由于其具體的運動副結(jié)構(gòu)或其具體作用被分至下列分類號。例如：以機械手領(lǐng)域為分類依據(jù)的B25J9/00，B25J9/08， B25J17/00，B25J11/00等;以所具有的運動副形式進行分類的B23Q1/00，B23Q1/25，B23Q1/44（包含其所有下位點組，特別是B23Q1/46， B23Q1/48）;以具體應(yīng)用領(lǐng)域為分類依據(jù)的B05B13/04（操作移動噴頭）、A61B19/00（外科手術(shù)儀器或器械）等;以并聯(lián)機構(gòu)的控制為分類依據(jù)的G05D3/00等。

2.并聯(lián)機構(gòu)現(xiàn)有技術(shù)分析

2.1并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)特性

自由度作為并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)上的重要參數(shù)，無論在其設(shè)計還是工程應(yīng)用上都必須被首先考慮。因此，根據(jù)不同的自由度設(shè)計并聯(lián)機構(gòu)，成為很多專利申請的發(fā)明點所在。

運動副是確定空間兩構(gòu)件之間相對運動關(guān)系的主要限制因素，并聯(lián)機構(gòu)從運動學(xué)模型的本質(zhì)上來說，就是各個運動副的組合，此類以不同自由度為發(fā)明點的專利申請，在評定其創(chuàng)造性時，可以選擇將其由具體的機械結(jié)構(gòu)簡化為運動副，再從運動副的連接形式來從運動學(xué)本質(zhì)上評價其是否具有創(chuàng)造性。組成空間機構(gòu)的運動副有轉(zhuǎn)動副、移動副、螺旋副、圓柱副、球面副、平面副以及虎克鉸等。然而經(jīng)過國內(nèi)外長年以來的技術(shù)發(fā)展，對并聯(lián)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計已能基本滿足了對各種自由度并聯(lián)機構(gòu)的需求，因此以其運動學(xué)特性為發(fā)明點，即以機構(gòu)所具有的自由度為發(fā)明點的專利申請較難獲得授權(quán)。

2.2并聯(lián)機構(gòu)的位置正解

運動學(xué)正解是研究并聯(lián)機構(gòu)許多問題的根基;在并聯(lián)機構(gòu)工作空間、奇異性分析、軌跡規(guī)劃和反饋控制中起著關(guān)鍵的作用。一般形式的六自由度并聯(lián)機床能夠得到成功應(yīng)用的并不多見，無法實時地計算運動學(xué)正解而不能形成機床全閉環(huán)控制是其中的一個重要原因。研究并聯(lián)機構(gòu)位置正解的文獻以期刊居多，在專利申請方面，申請人傾向于提出位置正解較容易，能實現(xiàn)運動的輸入-輸出之間解耦控制的并聯(lián)機構(gòu)。以此類位置正解較為容易為發(fā)明點提出的專利申請，除了在自由度上滿足了不同的作業(yè)需求，還能簡化并聯(lián)機構(gòu)的控制系統(tǒng)，因此較之僅以能實現(xiàn)相應(yīng)自由度設(shè)計的并聯(lián)機構(gòu)，此類專利申請更容易具有新穎性和創(chuàng)造性。

2.3并聯(lián)機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)

除了將并聯(lián)機構(gòu)按其自由度分類之外，并聯(lián)機構(gòu)還可以按照動、靜平臺的連接形式可分為：桿支撐并聯(lián)機構(gòu)、繩牽引并聯(lián)機構(gòu)。

桿支撐并聯(lián)機器人是并聯(lián)機器人中最早被提出的，桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的支撐及傳動部件主要是液壓缸、普通剛性桿、滾珠絲杠及其他的一些組合的剛性結(jié)構(gòu)件。多數(shù)國內(nèi)外的專利申請都采用了桿支撐結(jié)構(gòu)，然而桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的發(fā)明點大多不在其支撐桿的結(jié)構(gòu)特性上，而是集中于其運動學(xué)特性、位置正解或控制等。

繩牽引并聯(lián)機構(gòu)是一種特殊的并聯(lián)機構(gòu)，繩牽引并聯(lián)機器人是一種以柔性繩為傳動和牽引機構(gòu)的并聯(lián)機構(gòu)，繩牽引并聯(lián)機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕易于進行結(jié)構(gòu)變更等一系列優(yōu)點。然而繩只能承受拉力，受力具有單向性，為了實現(xiàn)相同的自由度數(shù)的運動，繩牽引并聯(lián)機構(gòu)比桿支撐并聯(lián)機構(gòu)要復(fù)雜，很多繩牽引并聯(lián)機器人需要靠重力形成閉環(huán)。繩牽引并聯(lián)機構(gòu)的這種特性使得剛性桿支撐并聯(lián)機構(gòu)的許多分析方法和結(jié)果不能夠直接應(yīng)用到繩牽引并聯(lián)機構(gòu)中，這導(dǎo)致在設(shè)計、規(guī)劃和控制方面具有一定的難度。

鋼帶并聯(lián)機器人是并聯(lián)機器人中一種新的結(jié)構(gòu)形式。它的傳動和支撐結(jié)構(gòu)為具有一定支撐能力的圓弧截面的不銹鋼帶。在一定的承載范圍內(nèi)，鋼帶并聯(lián)機器人兼有剛性桿支撐并聯(lián)機器人和繩牽引并聯(lián)機器人的一些特點和功能，同時鋼帶并聯(lián)機器人具有桿支撐和繩牽引并聯(lián)機器人所不具有的優(yōu)點。此類鋼帶并聯(lián)機器人屬于一種對并聯(lián)機構(gòu)機械結(jié)構(gòu)進行的改進。

3.并聯(lián)機構(gòu)專利申請分析

3.1申請趨勢分析

通過對申請日進行分析，并統(tǒng)計近十年有關(guān)并聯(lián)機構(gòu)的專利申請量。如下圖所示，近十年有關(guān)專利申請量整體呈上升趨勢，但在2016年后申請數(shù)量有所回落。在2009年至2011年期間，專利申請量較為穩(wěn)定，申請量維持在200-300件/年，而到了20011年之后，有關(guān)專利申請量大幅上升，到2016年有關(guān)并聯(lián)機構(gòu)的專利申請量已達到了1320件。盡管相關(guān)專利申請量在2017-2019年期間有所下滑，其仍然保持在較高的一個申請數(shù)量。與之形成鮮明對比的是2009年以前有關(guān)并聯(lián)機構(gòu)的申請總量僅為852件，申請量的快速增長說明了近十年以來，國內(nèi)相關(guān)研究機構(gòu)也逐漸意識到了并聯(lián)機構(gòu)的重要性，相關(guān)研究日益深入。

近十年專利申請量

3.2申請人統(tǒng)計分析

通過申請人統(tǒng)計，可以得出在這些文獻中申請量較大的申請人。申請量中排名前十的申請人均為高校申請，且這些申請人在近5年內(nèi)也保持著較高的申請量，說明這些高校對并聯(lián)機構(gòu)的研究為持續(xù)性的，技術(shù)更新較為及時。同時，高校申請量遠(yuǎn)高于個人申請和企業(yè)申請表明我國對于并聯(lián)機構(gòu)的研究還屬于基礎(chǔ)研究的階段，還未形成具有規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

4.結(jié)束語

通過對并聯(lián)機構(gòu)的技術(shù)分析和專利申請分析，可以得出：并聯(lián)機構(gòu)是當(dāng)今先進制造技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點，其應(yīng)用范圍廣泛并不僅局限于某一技術(shù)領(lǐng)域;與并聯(lián)機構(gòu)相關(guān)的專利申請主要集中在對其運動學(xué)特性、位置正解以及其機械結(jié)構(gòu)的改進;雖然近幾年來針對并聯(lián)機構(gòu)的專利申請量增長迅速，然而其目前在我國的產(chǎn)業(yè)化程度不高，現(xiàn)有的研究主力為各大高校和科研院所，仍具有較廣闊的市場發(fā)展前景。

參考文獻

[1]蘇先義.六自由度鋼帶并聯(lián)機器人失穩(wěn)有限元分析[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.