并聯機構技術綜述及專利分析

蔡桑妮

【摘? 要】并聯機器人具有剛度大、結構穩定、承載能力強、累積誤差小、運動慣性小、運動學反解易求和便于實時控制等互補性優點。并聯機器人機構構成方式靈活多樣的特點使這類機器人結構不斷翻新，在機器人領域中的專利申請量相對較大，本文將對并聯機構的原理、發展現狀以及并聯機構的專利申請情況進行分析。

【關鍵詞】并聯機構;技術綜述;專利分析

1.并聯機構所屬技術領域及其分類號分析

并聯機構是一種空間機器人機構，屬于機器人領域。其不同于其他機器人領域的針對具體實現某一作用的專利申請，有關并聯機構的專利申請發明點多集中在以其能實現的運動學特性（如機構動平臺所具有的不同自由度）或具體運動副結構上。有關并聯機構的專利申請常被分類至機械手領域的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構或其具體作用被分至下列分類號。例如：以機械手領域為分類依據的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）;以具體應用領域為分類依據的B05B13/04（操作移動噴頭）、A61B19/00（外科手術儀器或器械）等;以并聯機構的控制為分類依據的G05D3/00等。

2.并聯機構現有技術分析

2.1并聯機構的運動學特性

自由度作為并聯機構運動學上的重要參數，無論在其設計還是工程應用上都必須被首先考慮。因此，根據不同的自由度設計并聯機構，成為很多專利申請的發明點所在。

運動副是確定空間兩構件之間相對運動關系的主要限制因素，并聯機構從運動學模型的本質上來說，就是各個運動副的組合，此類以不同自由度為發明點的專利申請，在評定其創造性時，可以選擇將其由具體的機械結構簡化為運動副，再從運動副的連接形式來從運動學本質上評價其是否具有創造性。組成空間機構的運動副有轉動副、移動副、螺旋副、圓柱副、球面副、平面副以及虎克鉸等。然而經過國內外長年以來的技術發展，對并聯機構的結構設計已能基本滿足了對各種自由度并聯機構的需求，因此以其運動學特性為發明點，即以機構所具有的自由度為發明點的專利申請較難獲得授權。

2.2并聯機構的位置正解

運動學正解是研究并聯機構許多問題的根基;在并聯機構工作空間、奇異性分析、軌跡規劃和反饋控制中起著關鍵的作用。一般形式的六自由度并聯機床能夠得到成功應用的并不多見，無法實時地計算運動學正解而不能形成機床全閉環控制是其中的一個重要原因。研究并聯機構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，能實現運動的輸入-輸出之間解耦控制的并聯機構。以此類位置正解較為容易為發明點提出的專利申請，除了在自由度上滿足了不同的作業需求，還能簡化并聯機構的控制系統，因此較之僅以能實現相應自由度設計的并聯機構，此類專利申請更容易具有新穎性和創造性。

2.3并聯機構的機械結構

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

桿支撐并聯機器人是并聯機器人中最早被提出的，桿支撐并聯機構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構件。多數國內外的專利申請都采用了桿支撐結構，然而桿支撐并聯機構的發明點大多不在其支撐桿的結構特性上，而是集中于其運動學特性、位置正解或控制等。

繩牽引并聯機構是一種特殊的并聯機構，繩牽引并聯機器人是一種以柔性繩為傳動和牽引機構的并聯機構，繩牽引并聯機構具有結構簡單、重量輕易于進行結構變更等一系列優點。然而繩只能承受拉力，受力具有單向性，為了實現相同的自由度數的運動，繩牽引并聯機構比桿支撐并聯機構要復雜，很多繩牽引并聯機器人需要靠重力形成閉環。繩牽引并聯機構的這種特性使得剛性桿支撐并聯機構的許多分析方法和結果不能夠直接應用到繩牽引并聯機構中，這導致在設計、規劃和控制方面具有一定的難度。

鋼帶并聯機器人是并聯機器人中一種新的結構形式。它的傳動和支撐結構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，鋼帶并聯機器人兼有剛性桿支撐并聯機器人和繩牽引并聯機器人的一些特點和功能，同時鋼帶并聯機器人具有桿支撐和繩牽引并聯機器人所不具有的優點。此類鋼帶并聯機器人屬于一種對并聯機構機械結構進行的改進。

3.并聯機構專利申請分析

3.1申請趨勢分析

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

近十年專利申請量

3.2申請人統計分析

通過申請人統計，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年內也保持著較高的申請量，說明這些高校對并聯機構的研究為持續性的，技術更新較為及時。同時，高校申請量遠高于個人申請和企業申請表明我國對于并聯機構的研究還屬于基礎研究的階段，還未形成具有規模的產業化應用。

4.結束語

通過對并聯機構的技術分析和專利申請分析，可以得出：并聯機構是當今先進制造技術領域研究的熱點，其應用范圍廣泛并不僅局限于某一技術領域;與并聯機構相關的專利申請主要集中在對其運動學特性、位置正解以及其機械結構的改進;雖然近幾年來針對并聯機構的專利申請量增長迅速，然而其目前在我國的產業化程度不高，現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展前景。

參考文獻

[1]蘇先義.六自由度鋼帶并聯機器人失穩有限元分析[D].杭州：浙江工業大學，2009.