可重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)專(zhuān)利分析

范建會(huì)

摘 ?要：文章從可重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域的全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)、申請(qǐng)地域、申請(qǐng)人、主要技術(shù)構(gòu)成等角度，對(duì)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，可重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始從理論研究階段，逐步轉(zhuǎn)移到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段。中國(guó)申請(qǐng)量雖處于領(lǐng)先地位，研究方向涉及多個(gè)技術(shù)分支，但申請(qǐng)人主要為大專(zhuān)院校，技術(shù)市場(chǎng)轉(zhuǎn)化率需要進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：可重構(gòu)機(jī)器人;模塊化機(jī)器人;專(zhuān)利分析

中圖分類(lèi)號(hào)：T-18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0012-02

Abstract： This paper analyzes the related patent applications from the perspective of global patent application trend， application region， applicant and main technical composition in the field of reconfigurable robot. The results show that the reconfigurable robot technology has been transferred from the theoretical research stage to the industrial application stage. Although the number of applications in China is in a leading position and the research direction involves multiple technology branches， the applicants are mainly colleges and universities， and the technology market conversion rate needs to be further improved.

Keywords： reconfigurable robot; modular robot; patent analysis

目前，機(jī)器人應(yīng)用、研究、開(kāi)發(fā)主要包括仿生、靈活操作、觸覺(jué)感知、模塊化、智能化、人機(jī)協(xié)作、多機(jī)協(xié)同、機(jī)器增強(qiáng)等方向。其中，模塊化方向主要涉及可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)[1]，它是由一套具有各種尺寸和性能特性的可交換的模塊組成，能夠被裝配成各種不同構(gòu)形的機(jī)器人，以適應(yīng)不同的工作，具有模塊化、多模式、可重構(gòu)、自適應(yīng)等特點(diǎn)。

1 全球申請(qǐng)趨勢(shì)

可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)60年代末，至2000年以前年申請(qǐng)量均在10件以下。自2001年開(kāi)始出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，2009年申請(qǐng)量突破30件，可重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展進(jìn)入萌芽期。2013年起，年申請(qǐng)量突破50件，進(jìn)入快速增長(zhǎng)期。2016年申請(qǐng)量首次超過(guò)100件，成為機(jī)器人領(lǐng)域研究的新興熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的分類(lèi)號(hào)主要集中在B25J（占比65%），其次為G05B（9%）、G06F（7%）。

2 申請(qǐng)地域分布

可重構(gòu)機(jī)器人專(zhuān)利申請(qǐng)最早出現(xiàn)在德國(guó);上世紀(jì)80年初，申請(qǐng)地域逐漸轉(zhuǎn)向日本;2000年美國(guó)成為最主要的申請(qǐng)地域;2009年后，申請(qǐng)量最多的地域?yàn)橹袊?guó)，2016年在中國(guó)的申請(qǐng)量首次超過(guò)50件，成為可重構(gòu)機(jī)器人專(zhuān)利申請(qǐng)的最大來(lái)源國(guó)，之后每年申請(qǐng)量均為最多。按全球地域申請(qǐng)量排名第一位的為中國(guó)，占申請(qǐng)總量的42%;其次為美國(guó)，占比24%。在中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)人國(guó)別排名為中國(guó)（占總量90%）、美國(guó)、日本、法國(guó)、荷蘭等。由此可見(jiàn)，我國(guó)在近5年為可重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)密集地域，研究活動(dòng)最為活躍。按申請(qǐng)?jiān)谖覈?guó)各省市分布，主要集中在上海、北京、江蘇、黑龍江、廣東、天津等地區(qū);其中，最早的申請(qǐng)出現(xiàn)在天津市，近5年申請(qǐng)量最多的為廣東省。

3 申請(qǐng)人分析

在申請(qǐng)量排名前十名的申請(qǐng)人中，國(guó)內(nèi)大專(zhuān)院校類(lèi)申請(qǐng)人占比80%，國(guó)外企業(yè)占比20%。其中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)是在總申請(qǐng)量上排名第一，上海交通大學(xué)、通用汽車(chē)分列二、三名。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[2]可重構(gòu)機(jī)器人專(zhuān)利申請(qǐng)開(kāi)始于2004年，2007-2008年申請(qǐng)量進(jìn)一步增加，2016-2019年在本領(lǐng)域申請(qǐng)量位居首位。上海交通大學(xué)[3]申請(qǐng)開(kāi)始于2004年，2009-2010年申請(qǐng)量進(jìn)一步增加，2011-2019年每年均有申請(qǐng)。通用汽車(chē)公司涉足可重構(gòu)機(jī)器人較晚，最早的申請(qǐng)?jiān)?008年，近10年申請(qǐng)量較為穩(wěn)定。工業(yè)機(jī)器人“四巨頭”之一的ABB公司在2016年也開(kāi)始了在該領(lǐng)域的研究工作。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所[4]、東南大學(xué)[5]的申請(qǐng)量主要集中在2011-2014年。廣西大學(xué)在2016年可開(kāi)始在該領(lǐng)域提交專(zhuān)利申請(qǐng)。通過(guò)以上申請(qǐng)人分析可知，可重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始從理論研究階段，逐步轉(zhuǎn)移到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段。

4 主要技術(shù)構(gòu)成及相關(guān)專(zhuān)利

通過(guò)對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的統(tǒng)計(jì)分析可知，其技術(shù)構(gòu)成主要包括關(guān)節(jié)、模塊化重構(gòu)機(jī)器人、可重構(gòu)機(jī)械臂、執(zhí)行器、控制器、空間協(xié)調(diào)、路徑優(yōu)化等方面。按專(zhuān)利申請(qǐng)的申請(qǐng)時(shí)間可知，可重構(gòu)機(jī)器人申請(qǐng)技術(shù)構(gòu)成由最初的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、驅(qū)動(dòng)器，向模塊化重構(gòu)機(jī)器人、空間協(xié)調(diào)、重構(gòu)關(guān)節(jié)等技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。哈爾濱工業(yè)大學(xué)基本上對(duì)以上技術(shù)方向都有所涉及，其布局重點(diǎn)主要集中在可重構(gòu)執(zhí)行器、控制器、關(guān)節(jié)等。上海交通大學(xué)申請(qǐng)布局主要集中在模塊化重構(gòu)執(zhí)行器和空間協(xié)調(diào)等。通用汽車(chē)公司的申請(qǐng)主要集中在可重構(gòu)關(guān)節(jié)、模塊化重構(gòu)執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器等。

以下是對(duì)早期可重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)進(jìn)行分析。日本日立公司JP60003711A是可重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域的早期申請(qǐng)，其公開(kāi)了一種細(xì)胞型機(jī)器人裝置，包括多個(gè)機(jī)器人細(xì)胞，每個(gè)機(jī)器人細(xì)胞基于與相鄰機(jī)器人細(xì)胞的信息交換來(lái)控制其自身的操作。機(jī)器人單元的操作是整體協(xié)調(diào)的，即使在一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人單元出現(xiàn)故障或機(jī)器人需要擴(kuò)展時(shí)，每個(gè)機(jī)器人單元也無(wú)需改變硬件和軟件即可進(jìn)行控制;可以提供每個(gè)機(jī)器人單元，以便可以在構(gòu)建塊布置中增加或減少機(jī)器人。每個(gè)機(jī)器人細(xì)胞都有對(duì)應(yīng)于手和腳的手臂，并且能夠控制自己的操作;機(jī)器人單元組的操作除了纏繞物體、抓握和移動(dòng)物體的操作外，還被設(shè)計(jì)成預(yù)定圖案的形狀;通過(guò)允許單個(gè)蜂窩機(jī)器人控制其自身的操作并在相鄰蜂窩機(jī)器人之間的信息交換的基礎(chǔ)上執(zhí)行整體操作，增加操作自由度并獲得快速響應(yīng)。西屋電氣公司于1989年申請(qǐng)的DE3918587A1，其公開(kāi)了一種由若干個(gè)各具有一個(gè)自由度的致動(dòng)器組成的可重新組合的機(jī)械手，機(jī)械元件將若干個(gè)致動(dòng)器連接在一起，控制回路接收用于控制多個(gè)致動(dòng)器工作的各個(gè)指令，致動(dòng)器的數(shù)目和與之相應(yīng)的自由度的數(shù)目大于執(zhí)行不同任務(wù)所需的自由度，根據(jù)執(zhí)行的任務(wù)選擇至少一個(gè)致動(dòng)器在執(zhí)行該項(xiàng)任務(wù)期間加以固定，或分別加以控制，借此構(gòu)制成用于該項(xiàng)任務(wù)的機(jī)械手，并簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手適時(shí)控制的幾何構(gòu)形。美國(guó)南加州大學(xué)于2002年申請(qǐng)的US15548902A，其涉及一種用于分布式控制的協(xié)議允許自主代理協(xié)商代理的組任務(wù)，特別涉及機(jī)器人應(yīng)用中的移動(dòng)或自重構(gòu)，并同步各個(gè)代理動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)組任務(wù)，通過(guò)物理耦合的自足機(jī)器人模塊，連續(xù)地發(fā)現(xiàn)它們的局部拓?fù)渲械淖兓镜赝負(fù)浒ǖ剿隹芍匦屡渲镁W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械淖灾鞔淼耐ㄐ胚B接的類(lèi)型，以及基于所接收的控制消息和所確定的本地拓?fù)鋪?lái)確定動(dòng)作。

通過(guò)瀏覽本領(lǐng)域申請(qǐng)量前三位申請(qǐng)人的專(zhuān)利申請(qǐng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2004年首次申請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域的案件;2007-2008年申請(qǐng)多件可重構(gòu)機(jī)器人案件，其中CN101100062A涉及可重構(gòu)機(jī)器人手掌結(jié)構(gòu)，CN101288951A、CN101314226A分別涉及雙L形正立方體和萬(wàn)向式模塊化可重構(gòu)機(jī)器人;2017年開(kāi)始涉足于可重構(gòu)并聯(lián)機(jī)器人，如CN107127738A可通過(guò)在六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的支腿上設(shè)置可重構(gòu)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)解耦;2019年申請(qǐng)CN110065075A，涉及可重構(gòu)機(jī)器人的感知方法，該感知方法主要通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)和圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行標(biāo)注，可快速推導(dǎo)兩個(gè)連接面的相對(duì)于位姿關(guān)系。上海交通大學(xué)最早申請(qǐng)是2004年申請(qǐng)的CN1562580A，該申請(qǐng)涉及一種交互式模塊中的快速連接、脫離標(biāo)準(zhǔn)接口，該標(biāo)準(zhǔn)接口通過(guò)兩個(gè)傳感器以及雙軸雙孔單元相互配合，可在分析接收到多個(gè)模塊對(duì)接需求后，快速執(zhí)行并完成相應(yīng)連接或脫離等功能;2005年對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人空間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了廣泛研究;2009年起一直對(duì)可重構(gòu)機(jī)器人對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行不斷改進(jìn)，先后提出了CN101564843A卡緊軸機(jī)構(gòu)，CN101531008A萬(wàn)向連接機(jī)構(gòu)、CN101817183A電磁型連接結(jié)構(gòu)、CN101670586A銷(xiāo)軸楔合機(jī)構(gòu)、CN102862159A銷(xiāo)孔卡緊機(jī)構(gòu)以及CN110434892A導(dǎo)桿對(duì)接機(jī)構(gòu);為了適應(yīng)不同環(huán)境及變形模式，上海交通大學(xué)對(duì)模塊化可重構(gòu)機(jī)器人模塊結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，先后提出了CN104249368A雙柱型結(jié)構(gòu)、CN104786208A正四面體結(jié)構(gòu)、CN106272385A正三棱柱結(jié)構(gòu)、CN108527350A立方體形結(jié)構(gòu)等多種模塊化結(jié)構(gòu)。通用汽車(chē)公司于2008年開(kāi)始在可重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行申請(qǐng)，US20100140969A1涉及具有鉸接框架和可轉(zhuǎn)位主臂的可重構(gòu)末端執(zhí)行器，其在安裝工具和相關(guān)過(guò)程可以重新配置工具模塊的位置以及末端執(zhí)行器的框架和動(dòng)臂;2015-2017年通用汽車(chē)公司一直專(zhuān)注于可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)在工業(yè)上的應(yīng)用，主要對(duì)末端執(zhí)行器組件進(jìn)行研究，如US20160339590A1、US20160288322A1。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述分析可以得出，可重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量在近五年呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。中國(guó)申請(qǐng)量處于領(lǐng)先地位，研究方向涉及多個(gè)技術(shù)分支，但其申請(qǐng)人主要為大專(zhuān)院校，市場(chǎng)轉(zhuǎn)化率不高。國(guó)外申請(qǐng)人由原來(lái)的理論研究逐步轉(zhuǎn)變至技術(shù)應(yīng)用，主要研究集中末端執(zhí)行器方向，應(yīng)用領(lǐng)域主要為汽車(chē)、飛機(jī)制造領(lǐng)域，從另一方面也反映出我國(guó)高校可重構(gòu)機(jī)器人技術(shù)市場(chǎng)轉(zhuǎn)化的緊迫性。

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