廖江梅 尚妍梅

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

關(guān)鍵詞：蛇形機(jī)器人；專利技術(shù)；綜述

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jī)器人家族中的一員，蛇形機(jī)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(shí)能夠模塊化地自動(dòng)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(jìn)行自適應(yīng)變形，從而順利地進(jìn)入到狹窄區(qū)域作業(yè)，這類新型的仿生機(jī)器人為高度非結(jié)構(gòu)化空間中的機(jī)械臂作業(yè)提供了一種新思路，尤其是在機(jī)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(kù)以及DWPI檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，本次檢索時(shí)間截止2016年5月，經(jīng)過(guò)檢索式檢索與簡(jiǎn)單人工篩選去噪，通過(guò)人工標(biāo)引，統(tǒng)計(jì)得出相關(guān)的專利申請(qǐng)總量約為818項(xiàng)，整體數(shù)量逐年持續(xù)增長(zhǎng)，這些專利申請(qǐng)主要涉及到270多位申請(qǐng)人，主要分布在世界上的26個(gè)國(guó)家和地區(qū)。由此可見(jiàn)，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性和應(yīng)用市場(chǎng)的廣闊性，自廣瀨茂男發(fā)明了第一個(gè)蛇形機(jī)器人之后，相關(guān)研究已經(jīng)成為機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)分支。就目前的蛇形機(jī)器人專利申請(qǐng)分布趨勢(shì)而言，解決連續(xù)型蛇形機(jī)器人結(jié)構(gòu)相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題實(shí)現(xiàn)良好的彎曲性能、較高的運(yùn)動(dòng)精度以及負(fù)載能力等是蛇形機(jī)器人專利申請(qǐng)的焦點(diǎn)，而對(duì)于離散型蛇形機(jī)器人，近幾年的專利申請(qǐng)熱點(diǎn)為通過(guò)可重構(gòu)的模塊化蛇形機(jī)器人以增強(qiáng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的適應(yīng)性，同時(shí)對(duì)于用于醫(yī)療如內(nèi)窺鏡的蛇形機(jī)器人，改進(jìn)結(jié)構(gòu)和材料以減少刺激也是一個(gè)重要的申請(qǐng)方向。

2 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析

2.1 申請(qǐng)量年度分布

圖1顯示了蛇形機(jī)器人申請(qǐng)量的年度分布，以一個(gè)同族計(jì)一件申請(qǐng)，圖中較長(zhǎng)的曲線展示了世界范圍內(nèi)蛇形機(jī)器人申請(qǐng)總量的年度增長(zhǎng)趨勢(shì)，圖中較短的曲線展示了中國(guó)范圍內(nèi)蛇形機(jī)器人的申請(qǐng)總量年度增長(zhǎng)趨勢(shì)。從圖中我們可以明顯看出，在全球范圍內(nèi)，蛇形機(jī)器人專利申請(qǐng)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(jìn)入了平穩(wěn)期；2005年過(guò)后，專利申請(qǐng)量再次大幅上升。由于國(guó)內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，1998年才開(kāi)始有首次申請(qǐng)國(guó)為中國(guó)的申請(qǐng)，2011年之前專利申請(qǐng)一直較少，在2011年之后中國(guó)國(guó)內(nèi)申請(qǐng)數(shù)量迅速增長(zhǎng)，其一方面說(shuō)明中國(guó)的研發(fā)人員更加重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，其另一方面也從側(cè)面反應(yīng)了中國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)水平的迅速提高。

2.2 專利技術(shù)分支和特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)檢索到的專利分析發(fā)現(xiàn)，蛇形機(jī)器人專利申請(qǐng)按照連接結(jié)構(gòu)形式主要分為連續(xù)型蛇形機(jī)器人和離散型蛇形機(jī)器人，蛇形機(jī)器人專利申請(qǐng)按照關(guān)節(jié)類型主要分為平行連接，正交連接，萬(wàn)向節(jié)連接三大類。

平行連接，關(guān)節(jié)較為簡(jiǎn)潔，各關(guān)節(jié)只需一個(gè)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)中單一電機(jī)的角度進(jìn)行簡(jiǎn)單易行的控制匹配就能夠輕易實(shí)現(xiàn)需要的蛇身運(yùn)動(dòng)形式。

正交連接，具備三維運(yùn)動(dòng)能力，能模仿蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)方式，與平行連接一樣，各關(guān)節(jié)只需一個(gè)電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)中單一電機(jī)的角度進(jìn)行簡(jiǎn)單易行的控制匹配就能夠輕易實(shí)現(xiàn)需要的蛇身運(yùn)動(dòng)形式。

萬(wàn)向節(jié)連接理想狀態(tài)下每個(gè)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(gè)完整的三維空間，提升了其可完成動(dòng)作的多樣性，可在更為復(fù)雜的環(huán)境中完成運(yùn)動(dòng)，是目前發(fā)展的方向，但由于其自身結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，控制也相對(duì)復(fù)雜。

2.3 蛇形機(jī)器人重點(diǎn)專利技術(shù)領(lǐng)域

為了展示蛇形機(jī)器人所涉及到的專利技術(shù)領(lǐng)域，本研究對(duì)蛇形機(jī)器人的IPC分類進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)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(jī)械手），B25J18（爪臂），B25J17（接頭），B25J13（機(jī)械手的控制裝置），B25J15（夾頭），B25J1（用手確定空間位置的機(jī)械手），B25J11（不包含在其他組的機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)器人的專利技術(shù)主要集中在機(jī)械手（B25J）和診斷、外科、鑒定（A61B）兩個(gè)小類。

2.4 重點(diǎn)專利分析

圖3為專利SE419421B的蛇形機(jī)器人，是1980年由ROBOTGRUPPEN HB申請(qǐng)的柔性機(jī)械臂，是具有代表性的早期的連續(xù)型蛇形機(jī)器人，該機(jī)器人用于支撐末端執(zhí)行機(jī)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(gè)元件之間以曲面接觸，為了實(shí)現(xiàn)相鄰兩元件的運(yùn)動(dòng)，元件設(shè)置為扇形或者弧形，通過(guò)相鄰元件之間的相互運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人方向的改變，其公開(kāi)了兩種主要的連續(xù)型蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方式。其一，通過(guò)外置的牽引線對(duì)元件的牽引實(shí)現(xiàn)（如圖3（a）所示）。其二通過(guò)內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)，其中公開(kāi)了人工氣動(dòng)肌肉類型（如圖3（b）和圖3（c）所示）以及電磁式驅(qū)動(dòng)（如圖3（d）所示）。作為連續(xù)型蛇形機(jī)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(guó)專利引用109次，被中國(guó)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(guó)科學(xué)家Rennex與Brian G發(fā)明了一種通過(guò)套筒和萬(wàn)向節(jié)連接的可自推進(jìn)的蛇形機(jī)器人（專利US5386741），該蛇形機(jī)器人包括壓力傳感器，長(zhǎng)度傳感器，保護(hù)皮膚，超聲成像，切削工具和多路技術(shù)。該蛇形機(jī)器人通用性強(qiáng)，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(guò)自推進(jìn)方式，該機(jī)器人可以通過(guò)隧道、水管、血管實(shí)施清潔、感測(cè)、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(jī)器人的另一典型結(jié)構(gòu)，該專利的蛇形機(jī)器人通過(guò)長(zhǎng)度致動(dòng)器的伸縮以及萬(wàn)向接頭實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人的自推進(jìn)、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(jī)器人，于2001年1月申請(qǐng)專利，該蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)通過(guò)萬(wàn)向節(jié)（universal joint）連接，它的行走能力非常強(qiáng)。該蛇形機(jī)器人的節(jié)與節(jié)之間通過(guò)驅(qū)動(dòng)軸連接，連接處的風(fēng)管通過(guò)充氣或放氣來(lái)促使某一節(jié)做出不同動(dòng)作，通過(guò)協(xié)調(diào)每節(jié)的動(dòng)作，該蛇形機(jī)器人就能在障礙物上自由攀爬。操作者可通過(guò)控制操縱桿向其發(fā)出各種指令，如橫滾、蠕動(dòng)等。該蛇形機(jī)器人的獨(dú)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(jìn)。通過(guò)網(wǎng)上公布的數(shù)據(jù)資料顯示，該蛇形機(jī)器人能翻越兩倍于自身高度的障礙物，跨過(guò)寬度相當(dāng)于自身長(zhǎng)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(guò)將豎直的身體橫向變形成支架架在管壁之間，電機(jī)驅(qū)動(dòng)各節(jié)外壁附著的履帶產(chǎn)生垂直方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在豎直的管道內(nèi)爬行。

韓國(guó)專利KR100426613B公開(kāi)的內(nèi)窺鏡微型機(jī)器人，為韓國(guó)科技研究所（Korea Institute Of Science And Technology）研究的能夠向前驅(qū)動(dòng)的蛇形機(jī)器人，該專利公開(kāi)了蛇形機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)的另一種常見(jiàn)方式，即渦輪蝸桿方式。該機(jī)器人的一個(gè)實(shí)施例采用了圖6所示，通過(guò)蝸桿帶動(dòng)渦輪運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人的另一個(gè)實(shí)施例，通過(guò)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪帶動(dòng)齒形帶轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人的另一個(gè)實(shí)施例通過(guò)對(duì)多個(gè)蝸桿驅(qū)動(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，同時(shí)，該專利的另實(shí)施例中還結(jié)合了與專利US6870343B2中原理相同的蛇形機(jī)器人轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)方式，通過(guò)結(jié)合線性驅(qū)動(dòng)器8的伸縮進(jìn)行誤差補(bǔ)償，使得蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加精確。其被引用頻次在離散型蛇形機(jī)器人中相對(duì)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)蛇形機(jī)器人專利申請(qǐng)的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、申請(qǐng)信息、重要技術(shù)構(gòu)成、以及重點(diǎn)技術(shù)專利等信息進(jìn)行分析，有助于國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)蛇形機(jī)器人的研發(fā)和進(jìn)一步研究。

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