仿人靈巧手技術專利分析

摘?要：文章從機器人仿人靈巧手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，仿人靈巧手技術已逐漸成為機器人領域研究熱點，近五年專利申請主要集中在國內大專院校，未來應用前景廣闊。

關鍵詞：靈巧手;仿人;專利分析

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。靈巧手[1]作為仿生學與機器人學結合的產物，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、智能化的機電一體化系統，涉及機械、電子、計算機、控制等多個學科領域，其關鍵技術[24]主要包括機械結構、傳感系統、控制系統、驅動器等。

1 全球申請趨勢

靈巧手的研究是從假肢開始的，相關專利申請最早出現在20世紀60年代中期，至2002年以前年申請量均在10件以下。自2003年開始出現緩慢增長，2008年申請量突破20件，仿人靈巧手技術發展進入萌芽期。2015年起，年申請量突破50件，進入快速增長期。2017年申請量首次超過80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，仿人靈巧手領域專利申請的分類號主要集中在B25J（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在英國;上世紀80年末，申請地域逐漸轉向美國和日本;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;其中，最早的申請出現在北京，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。其中，哈爾濱工業大學是在總申請量上排名第一，清華大學、HY5PRO AS公司分列二、三名。哈爾濱工業大學仿人靈巧手專利申請開始于2004年，2006—2009年申請量進一步增加，2015—2019年在本領域申請量位居首位。清華大學申請開始于2002年，2007—2009年申請量進一步增加，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。浙江工業大學、南京航空航天大學、天津大學、北京理工大學等在近五年申請較為活躍。山東科技大學在2015年開始在該領域提交專利申請。通過以上申請人分析可知，仿人靈巧手技術在近五年是國內高校的研究熱點。

4 主要技術構成及相關專利

通過對仿人靈巧手領域專利申請的統計分析可知，其技術構成主要包括機械結構、傳感系統、控制系統、驅動器等方面。按申請時間分析，仿人靈巧手申請技術構成由最初的傳動機構、手指構形，向傳感器、制動器、控制系統等技術領域轉移。哈爾濱工業大學主要涉及傳動機構、手指構形、制動器等方向。清華大學申請布局主要集中在手指構形、傳動機構等。HY5PRO AS公司、BARRETT公司的申請主要集中在控制系統、液壓制動器等。

以下對早期仿人靈巧手領域專利申請進行梳理。MONESTIER JACQUES（法國）于1983年提交申請FR8400212，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（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行器組成了一個便攜式機器人主控器，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構，其用于驅動設置在所述基座中的制動器以拉動第一金屬絲以轉動偏心構件，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，無刷馬達和相關聯的控制器位于每個接頭處以產生連桿的旋轉運動，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，專利價值度較高。

下面對本領域申請量前三位申請人的專利申請進行分析。哈爾濱工業大學于2004年首次申請該領域的案件;2004—2007年申請多件欠驅動自適應靈巧手，其中CN1557268A涉及靈巧手整體結構，該專利在全球被引用44次;CN1803413A涉及拇指結構，CN1807031A涉及靈巧手聯動機構，CN101190528A耦合傳動結構。2007—2008年，在多指靈巧手的基關節機構CN101088721A、可重構手掌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構CN101524846A。2015—2016年，在原來研究方向基礎上，對手指構型和拇指轉動機構進行研究，如CN105345836A、CN105364935A、CN105415391A、CN105397823A等。2018年，哈爾濱工業大學轉向柔性輕巧手的研究，如CN108189059A、CN110540676A、CN110696025A。

清華大學最早申請是2002年申請的CN103213137A，該申請涉及一種機器人擬人多指手裝置，該裝置的所有驅動器全部藏入手掌、手指指節的內部，能夠實現招手、握拳、穩定抓取不同尺寸的物體的功能，適合安裝在擬人機器人上使用。2007—2016年，持續對欠驅動靈巧手的指形結構、傳動機構、驅動機構等方向進行研究，如CN101049695A、CN101214660A、CN105666508A等。近年來，清華大學也開始對柔性靈巧手CN105835076A、多感知靈巧手CN107471243A、雙模態靈巧手CN109202943A進行研究。CN102357884A是清華大學所申請的專利中被引用次數最多的，其公開了快速抓取欠驅動機器人手裝置，具有腱繩扭簧式多關節手指，能夠實現快速抓取。

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

一直專注于仿人靈巧手在醫療器械領域中的應用。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等進行研究。

5 結語

根據上述分析可以得出，仿人靈巧手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，申請人主要為大專院校，國外布局較少。國外申請偏向技術應用，主要研究集中控制系統、液壓制動器方向，應用領域主要為工業制造、醫療器械領域，全球被引用次數高，在多個國家均有專利布局，申請價值度較高。

參考文獻：

[1]羅建國，何茂艷，薛鐘霄，等.靈巧手研究現狀及挑戰[J].機械設計，2009（10）：812+26.

[2]張玉茹，李繼婷，李劍鋒.機器人靈巧手：建模、規劃與仿真[M].機械工業出版社，2007.

[3]劉宏，姜力.仿人多指靈巧手及其操作控制[M].科學出版社，2010.

[4]劉伊威，趙京東.機器人靈巧手的研究與發展[J].機械傳動，2009，33（4）：126129.

作者簡介：范建會（1982—），男，碩士，助理研究員，研究方向：機器人學。