仿人靈巧手技術(shù)專利分析

摘?要：文章從機(jī)器人仿人靈巧手領(lǐng)域的全球?qū)＠暾堏厔荨⑸暾埖赜?、申請人、主要技術(shù)構(gòu)成等角度，對相關(guān)專利申請進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，仿人靈巧手技術(shù)已逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域研究熱點，近五年專利申請主要集中在國內(nèi)大專院校，未來應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：靈巧手;仿人;專利分析

目前，機(jī)器人應(yīng)用、研究、開發(fā)主要包括仿生、靈活操作、觸覺感知、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。靈巧手[1]作為仿生學(xué)與機(jī)器人學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物，其通過模擬人類手部運動、感知、控制、能量、材料等方面，具有人手的外形特征和功能。靈巧手是一個高度集成化、智能化的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及機(jī)械、電子、計算機(jī)、控制等多個學(xué)科領(lǐng)域，其關(guān)鍵技術(shù)[24]主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動器等。

1 全球申請趨勢

靈巧手的研究是從假肢開始的，相關(guān)專利申請最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代中期，至2002年以前年申請量均在10件以下。自2003年開始出現(xiàn)緩慢增長，2008年申請量突破20件，仿人靈巧手技術(shù)發(fā)展進(jìn)入萌芽期。2015年起，年申請量突破50件，進(jìn)入快速增長期。2017年申請量首次超過80件，成為機(jī)器人領(lǐng)域研究的新興熱點。通過對檢索結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，仿人靈巧手領(lǐng)域?qū)＠暾埖姆诸愄栔饕性贐25J（占比75%），其次為A61F（16%）。

2 申請地域分布

仿人靈巧手專利申請最早出現(xiàn)在英國;上世紀(jì)80年末，申請地域逐漸轉(zhuǎn)向美國和日本;1993年日本成為最主要的申請地域;2005年后，申請量最多的地域為中國，2015年在中國的申請量首次超過35件，成為仿人靈巧手專利申請的最大來源國，之后每年申請量均為最多。按全球地域申請量總量排名第一位的是中國，占申請總量的68%;其次為美國。在中國的專利申請人國別排名為中國、美國、日本、德國等。由此可見，我國在近5年為仿人靈巧手技術(shù)密集地域，研究活動最為活躍。按申請在我國各省市分布，主要集中在北京、浙江、黑龍江等地區(qū);其中，最早的申請出現(xiàn)在北京，近5年申請量最多為北京，其次為廣東，浙江、江蘇、上海、遼寧均超過20件。

3 申請人分析

在申請量排名前20名的申請人中，中國申請人數(shù)量占比80%，申請人類型大部分為大專院校;國外申請人均為企業(yè)。其中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)是在總申請量上排名第一，清華大學(xué)、HY5PRO AS公司分列二、三名。哈爾濱工業(yè)大學(xué)仿人靈巧手專利申請開始于2004年，2006—2009年申請量進(jìn)一步增加，2015—2019年在本領(lǐng)域申請量位居首位。清華大學(xué)申請開始于2002年，2007—2009年申請量進(jìn)一步增加，2016—2019年每年均有申請。HY5PRO AS公司涉足仿人靈巧手領(lǐng)域較晚，申請集中在2015—2016年。BARRETT公司的專利申請主要集中在2003年。浙江工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)、北京理工大學(xué)等在近五年申請較為活躍。山東科技大學(xué)在2015年開始在該領(lǐng)域提交專利申請。通過以上申請人分析可知，仿人靈巧手技術(shù)在近五年是國內(nèi)高校的研究熱點。

4 主要技術(shù)構(gòu)成及相關(guān)專利

通過對仿人靈巧手領(lǐng)域?qū)＠暾埖慕y(tǒng)計分析可知，其技術(shù)構(gòu)成主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動器等方面。按申請時間分析，仿人靈巧手申請技術(shù)構(gòu)成由最初的傳動機(jī)構(gòu)、手指構(gòu)形，向傳感器、制動器、控制系統(tǒng)等技術(shù)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。哈爾濱工業(yè)大學(xué)主要涉及傳動機(jī)構(gòu)、手指構(gòu)形、制動器等方向。清華大學(xué)申請布局主要集中在手指構(gòu)形、傳動機(jī)構(gòu)等。HY5PRO AS公司、BARRETT公司的申請主要集中在控制系統(tǒng)、液壓制動器等。

以下對早期仿人靈巧手領(lǐng)域?qū)＠暾堖M(jìn)行梳理。MONESTIER JACQUES（法國）于1983年提交申請F(tuán)R8400212，其公開了一種具有由柔性材料制成的手掌部分和由剛性材料制成的附加背側(cè)部分的手部假體或具有軟握力的人工手，該申請在全球被引用71次，在8個國家申請專利布局。RUTGERS大學(xué)（美國）于1983年提交申請US07396476，其公開了一個電子位置傳感器和一個氣動微執(zhí)行器組成了一個便攜式機(jī)器人主控器，它可以由用戶的手的手指以與用戶通常抓取被手指操作的物體相同的自然方式操作，其在全球被引用194次。原田電子（日本）于1999年提交申請JP11139150，其公開了一種用于假肢的活動手指，假體還包括第一中間部分彎曲機(jī)構(gòu)，其用于驅(qū)動設(shè)置在所述基座中的制動器以拉動第一金屬絲以轉(zhuǎn)動偏心構(gòu)件，其在全球被引用161次，在8個國家申請專利布局。BARRETT公司（美國）于2003年提交申請US10672888，其公開了一種機(jī)器人裝置，具有基座和至少一個具有至少兩個連桿的手指，無刷馬達(dá)和相關(guān)聯(lián)的控制器位于每個接頭處以產(chǎn)生連桿的旋轉(zhuǎn)運動，其在全球被引用227次，在6個國家申請專利布局，目前還在有效期內(nèi)，專利價值度較高。

下面對本領(lǐng)域申請量前三位申請人的專利申請進(jìn)行分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2004年首次申請該領(lǐng)域的案件;2004—2007年申請多件欠驅(qū)動自適應(yīng)靈巧手，其中CN1557268A涉及靈巧手整體結(jié)構(gòu)，該專利在全球被引用44次;CN1803413A涉及拇指結(jié)構(gòu)，CN1807031A涉及靈巧手聯(lián)動機(jī)構(gòu)，CN101190528A耦合傳動結(jié)構(gòu)。2007—2008年，在多指靈巧手的基關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)CN101088721A、可重構(gòu)手掌CN101100062A、模塊化手指CN101104267A、鋼絲耦合傳動CN101100064A等多個方向著手研究。2009年開始涉足具有力矩和位置感知的仿人假手拇指機(jī)構(gòu)CN101524846A。2015—2016年，在原來研究方向基礎(chǔ)上，對手指構(gòu)型和拇指轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，如CN105345836A、CN105364935A、CN105415391A、CN105397823A等。2018年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)轉(zhuǎn)向柔性輕巧手的研究，如CN108189059A、CN110540676A、CN110696025A。

清華大學(xué)最早申請是2002年申請的CN103213137A，該申請涉及一種機(jī)器人擬人多指手裝置，該裝置的所有驅(qū)動器全部藏入手掌、手指指節(jié)的內(nèi)部，能夠?qū)崿F(xiàn)招手、握拳、穩(wěn)定抓取不同尺寸的物體的功能，適合安裝在擬人機(jī)器人上使用。2007—2016年，持續(xù)對欠驅(qū)動靈巧手的指形結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等方向進(jìn)行研究，如CN101049695A、CN101214660A、CN105666508A等。近年來，清華大學(xué)也開始對柔性靈巧手CN105835076A、多感知靈巧手CN107471243A、雙模態(tài)靈巧手CN109202943A進(jìn)行研究。CN102357884A是清華大學(xué)所申請的專利中被引用次數(shù)最多的，其公開了快速抓取欠驅(qū)動機(jī)器人手裝置，具有腱繩扭簧式多關(guān)節(jié)手指，能夠?qū)崿F(xiàn)快速抓取。

HY5PRO AS公司于2015年開始在仿人靈巧手領(lǐng)域進(jìn)行申請，EP16719421涉及用于假手液壓泵組件，

一直專注于仿人靈巧手在醫(yī)療器械領(lǐng)域中的應(yīng)用。2019年開始，該申請人開始對靈巧手控制方法GB1909202、靈巧手傳感器GB1909204等進(jìn)行研究。

5 結(jié)語

根據(jù)上述分析可以得出，仿人靈巧手領(lǐng)域的專利申請量在近五年呈現(xiàn)快速增長趨勢。中國申請量處于領(lǐng)先地位，研究方向涉及多個技術(shù)分支，申請人主要為大專院校，國外布局較少。國外申請偏向技術(shù)應(yīng)用，主要研究集中控制系統(tǒng)、液壓制動器方向，應(yīng)用領(lǐng)域主要為工業(yè)制造、醫(yī)療器械領(lǐng)域，全球被引用次數(shù)高，在多個國家均有專利布局，申請價值度較高。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅建國，何茂艷，薛鐘霄，等.靈巧手研究現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[J].機(jī)械設(shè)計，2009（10）：812+26.

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[3]劉宏，姜力.仿人多指靈巧手及其操作控制[M].科學(xué)出版社，2010.

[4]劉伊威，趙京東.機(jī)器人靈巧手的研究與發(fā)展[J].機(jī)械傳動，2009，33（4）：126129.

作者簡介：范建會（1982—），男，碩士，助理研究員，研究方向：機(jī)器人學(xué)。