可重構機器人技術專利分析

范建會

摘 ?要：文章從可重構機器人領域的全球專利申請趨勢、申請地域、申請人、主要技術構成等角度，對相關專利申請進行分析。分析結果表明，可重構機器人技術已經開始從理論研究階段，逐步轉移到產業應用階段。中國申請量雖處于領先地位，研究方向涉及多個技術分支，但申請人主要為大專院校，技術市場轉化率需要進一步提高。

關鍵詞：可重構機器人;模塊化機器人;專利分析

中圖分類號：T-18 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：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，機器人應用、研究、開發主要包括仿生、靈活操作、觸覺感知、模塊化、智能化、人機協作、多機協同、機器增強等方向。其中，模塊化方向主要涉及可重構機器人系統[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形的機器人，以適應不同的工作，具有模塊化、多模式、可重構、自適應等特點。

1 全球申請趨勢

可重構機器人系統相關專利申請最早出現在上世紀60年代末，至2000年以前年申請量均在10件以下。自2001年開始出現緩慢增長，2009年申請量突破30件，可重構機器人技術發展進入萌芽期。2013年起，年申請量突破50件，進入快速增長期。2016年申請量首次超過100件，成為機器人領域研究的新興熱點。通過對檢索結果進行統計，可重構機器人領域專利申請的分類號主要集中在B25J（占比65%），其次為G05B（9%）、G06F（7%）。

2 申請地域分布

可重構機器人專利申請最早出現在德國;上世紀80年初，申請地域逐漸轉向日本;2000年美國成為最主要的申請地域;2009年后，申請量最多的地域為中國，2016年在中國的申請量首次超過50件，成為可重構機器人專利申請的最大來源國，之后每年申請量均為最多。按全球地域申請量排名第一位的為中國，占申請總量的42%;其次為美國，占比24%。在中國的專利申請人國別排名為中國（占總量90%）、美國、日本、法國、荷蘭等。由此可見，我國在近5年為可重構機器人技術密集地域，研究活動最為活躍。按申請在我國各省市分布，主要集中在上海、北京、江蘇、黑龍江、廣東、天津等地區;其中，最早的申請出現在天津市，近5年申請量最多的為廣東省。

3 申請人分析

在申請量排名前十名的申請人中，國內大專院校類申請人占比80%，國外企業占比20%。其中，哈爾濱工業大學是在總申請量上排名第一，上海交通大學、通用汽車分列二、三名。哈爾濱工業大學[2]可重構機器人專利申請開始于2004年，2007-2008年申請量進一步增加，2016-2019年在本領域申請量位居首位。上海交通大學[3]申請開始于2004年，2009-2010年申請量進一步增加，2011-2019年每年均有申請。通用汽車公司涉足可重構機器人較晚，最早的申請在2008年，近10年申請量較為穩定。工業機器人“四巨頭”之一的ABB公司在2016年也開始了在該領域的研究工作。中國科學院沈陽自動化研究所[4]、東南大學[5]的申請量主要集中在2011-2014年。廣西大學在2016年可開始在該領域提交專利申請。通過以上申請人分析可知，可重構機器人技術已經開始從理論研究階段，逐步轉移到產業應用階段。

4 主要技術構成及相關專利

通過對可重構機器人領域專利申請的統計分析可知，其技術構成主要包括關節、模塊化重構機器人、可重構機械臂、執行器、控制器、空間協調、路徑優化等方面。按專利申請的申請時間可知，可重構機器人申請技術構成由最初的運動路徑規劃、驅動器，向模塊化重構機器人、空間協調、重構關節等技術領域轉移。哈爾濱工業大學基本上對以上技術方向都有所涉及，其布局重點主要集中在可重構執行器、控制器、關節等。上海交通大學申請布局主要集中在模塊化重構執行器和空間協調等。通用汽車公司的申請主要集中在可重構關節、模塊化重構執行器、驅動器等。

以下是對早期可重構機器人領域專利申請進行分析。日本日立公司JP60003711A是可重構機器人領域的早期申請，其公開了一種細胞型機器人裝置，包括多個機器人細胞，每個機器人細胞基于與相鄰機器人細胞的信息交換來控制其自身的操作。機器人單元的操作是整體協調的，即使在一個或多個機器人單元出現故障或機器人需要擴展時，每個機器人單元也無需改變硬件和軟件即可進行控制;可以提供每個機器人單元，以便可以在構建塊布置中增加或減少機器人。每個機器人細胞都有對應于手和腳的手臂，并且能夠控制自己的操作;機器人單元組的操作除了纏繞物體、抓握和移動物體的操作外，還被設計成預定圖案的形狀;通過允許單個蜂窩機器人控制其自身的操作并在相鄰蜂窩機器人之間的信息交換的基礎上執行整體操作，增加操作自由度并獲得快速響應。西屋電氣公司于1989年申請的DE3918587A1，其公開了一種由若干個各具有一個自由度的致動器組成的可重新組合的機械手，機械元件將若干個致動器連接在一起，控制回路接收用于控制多個致動器工作的各個指令，致動器的數目和與之相應的自由度的數目大于執行不同任務所需的自由度，根據執行的任務選擇至少一個致動器在執行該項任務期間加以固定，或分別加以控制，借此構制成用于該項任務的機械手，并簡化了實現機械手適時控制的幾何構形。美國南加州大學于2002年申請的US15548902A，其涉及一種用于分布式控制的協議允許自主代理協商代理的組任務，特別涉及機器人應用中的移動或自重構，并同步各個代理動作以實現組任務，通過物理耦合的自足機器人模塊，連續地發現它們的局部拓撲中的變化，本地拓撲包括到所述可重新配置網絡拓撲中的自主代理的通信連接的類型，以及基于所接收的控制消息和所確定的本地拓撲來確定動作。

通過瀏覽本領域申請量前三位申請人的專利申請，哈爾濱工業大學于2004年首次申請該領域的案件;2007-2008年申請多件可重構機器人案件，其中CN101100062A涉及可重構機器人手掌結構，CN101288951A、CN101314226A分別涉及雙L形正立方體和萬向式模塊化可重構機器人;2017年開始涉足于可重構并聯機器人，如CN107127738A可通過在六自由度并聯機構的支腿上設置可重構機構，實現運動解耦;2019年申請CN110065075A，涉及可重構機器人的感知方法，該感知方法主要通過視覺系統和圖像數據庫進行標注，可快速推導兩個連接面的相對于位姿關系。上海交通大學最早申請是2004年申請的CN1562580A，該申請涉及一種交互式模塊中的快速連接、脫離標準接口，該標準接口通過兩個傳感器以及雙軸雙孔單元相互配合，可在分析接收到多個模塊對接需求后，快速執行并完成相應連接或脫離等功能;2005年對可重構機器人空間傳動機構進行了廣泛研究;2009年起一直對可重構機器人對接機構進行不斷改進，先后提出了CN101564843A卡緊軸機構，CN101531008A萬向連接機構、CN101817183A電磁型連接結構、CN101670586A銷軸楔合機構、CN102862159A銷孔卡緊機構以及CN110434892A導桿對接機構;為了適應不同環境及變形模式，上海交通大學對模塊化可重構機器人模塊結構不斷優化，先后提出了CN104249368A雙柱型結構、CN104786208A正四面體結構、CN106272385A正三棱柱結構、CN108527350A立方體形結構等多種模塊化結構。通用汽車公司于2008年開始在可重構機器人領域進行申請，US20100140969A1涉及具有鉸接框架和可轉位主臂的可重構末端執行器，其在安裝工具和相關過程可以重新配置工具模塊的位置以及末端執行器的框架和動臂;2015-2017年通用汽車公司一直專注于可重構機器人系統在工業上的應用，主要對末端執行器組件進行研究，如US20160339590A1、US20160288322A1。

5 結束語

根據上述分析可以得出，可重構機器人領域的專利申請量在近五年呈現快速增長趨勢。中國申請量處于領先地位，研究方向涉及多個技術分支，但其申請人主要為大專院校，市場轉化率不高。國外申請人由原來的理論研究逐步轉變至技術應用，主要研究集中末端執行器方向，應用領域主要為汽車、飛機制造領域，從另一方面也反映出我國高校可重構機器人技術市場轉化的緊迫性。

參考文獻：

[1]劉明堯，談大龍，李斌.可重構模塊化機器人現狀和發展[J].機器人，2001，23（3）：275-279.

[2]張玉華，趙杰，張亮，等.新型模塊化可重構機器人系統[J].機械工程學報，2006，42（增刊）：175-178.

[3]費燕瓊，張鑫，夏振興.自重構模塊化機器人的運動空間及自變形算法[J].機械工程學報，2009，045（003）：197-202.

[4]李斌，董慧穎，白雪.可重構機器人研究和發展現狀[J].沈陽工業學院學報，2000，19（4）：68-72.

[5]呂曉俊，錢瑞明，等.可重構機器人運動學正逆解的算法研究[J].機械設計，2006，23（3）：53-56.