模塊化蛇形機器人連接結構的技術綜述

潘玉芬

摘要：模塊化蛇形機器人，可根據不同需求進行組裝，可靠性高，維護性好，在很多領域具有十分廣泛的應用前景。本文通過對模塊化蛇形機器人的連接結構在國內外專利申請趨勢分析，了解該技術總體所處的技術發展階段;分析了其申請國別情況，明確技術的地域分布情況;分析了模塊化蛇形機器人連接結構的技術領域和技術構成，為高效檢索獲得相關技術提供參考;并對模塊化蛇形機器人連接結構的主要技術進行了技術發展梳理，圍繞運動靈活和結構緊湊的技術問題進行了功效分析，明確了在模塊化蛇形機器人連接結構的研究熱點和技術空白點。

關鍵詞：模塊化;連接;蛇形;機器人;專利技術

一、前言

生物蛇可以在多樣化的自然環境中生存，可以控制自身實現多種姿態，輕松進入狹小空間。在仿生機器人領域，蛇形仿生機器人正是模仿生物蛇的超強適應能力應運而生的，其冗余度極高，具有多自由度的運動能力，使其可以模仿出生物蛇的運動模式，在運動行進過程中身體與地面多點甚至線或面接觸，運動穩定性好，對地形的適應能力強。模塊化蛇形機器人，可根據不同需求進行組裝，可靠性高，維護性好，在很多領域具有十分廣泛的應用前景。

蛇形機器人主要可以從以下幾個方面進行研究：生物蛇在自然界中的運動分析、蛇形機器人的機械結構設計、蛇形機器人的運動步態研究、蛇形機器人的控制方法、蛇形機器人的環境辨識與運動規劃。其中，蛇形機器人的機械結構設計需要綜合考慮蛇形機器人的運動形態、控制方式、供電方式、通訊方式等各方面因素，因此是蛇形機器人研究的重點和難點。基于生物蛇“球鉸”關節結構的啟發，采用模塊化設計方法設計的蛇形機器人簡化了設計過程，組裝形式多樣，便于維護。模塊化設計方法為新型蛇形機器人的設計提供了方向。

本文重點從蛇形機器人的機械結構設計出發，對蛇形機器人的連接結構（關節形式）進行專利技術梳理，根據模塊化蛇形機器人的機械結構特點對其進行技術細分，如下表所示。同時，將結構緊湊和運動靈活作為效果標引項，對所有的數據進行了標引和處理。為國內蛇形機器人的專利技術研發提供助力。

二、專利申請態勢分析

為了研究國內外模塊化蛇形機器人領域專利申請的現狀，本文選擇CNABS和DWPI數據庫，檢索文獻涵蓋了公開日或公告日在2017年10月1日之前的全球發明和實用新型專利申請。選用的關鍵詞為：蛇、機器人，對應的英文關鍵詞為：robot、snake。IPC分類號為：B25J+、A61B1+。

基于檢索到的專利文獻進行數據提取、篩選以及歸納，重點從專利申請量年度分布、專利申請的地域分布兩個角度對檢索結果進行分析。

（一）專利申請年度分布

全球范圍內，1983年出現第一件關于模塊化蛇形機器人的專利。但在1983年至1997年之間，僅僅23件，整體處于萌芽階段，直到2001年開始，才進入平穩發展階段，并于2014年申請量達到頂峰。另外，自2002年以后，中國才有關于模塊化蛇形機器人方面的專利，但申請量增長較快，且在全部專利申請量中的比例逐年增大。

連接結構的申請量與全球申請量的申請趨勢基本一致，一自由度最早于1983年出現，2001-2011年經歷了一個快速發展的時期，同樣于2014年達到頂峰;二自由度最于出現于1994年，發展相對緩慢，申請量一直較少，2013-2016年才開始有的提升，但每年申請量仍不超過15件;而三自由度與柔性連接的申請還處于萌芽階段，申請量總量不多。

（二）專利申請國家和地區分布

雖然中國起步較晚，但中國的專利申請量在該領域具有領先優勢，居全球第一，約占總份額的1/2，可見中國對模塊化蛇形機器人方面的相關技術研究非常重視，這與中國近幾年在機器人方面的大力投入密切相關。其次是日本，申請量為99篇，約占總份額的26%。占居第三位的是美國，約占總份額的12%。歐洲專利申請約占總份額的5%，WO專利申請約占總份額的5%，其他國家和地區約占5%。

連接結構的申請量與全球申請量的分布基本一致，一自由度、二自由度、三自由度與柔性的最大申請量均為中國，分別為43%、68%、55%、42%，其次為日本31%、17%、20%、24%;中國的起步較晚，一自由度結構簡單、連接技術已經相對成熟，在一自由度的投入比較少;二自由度技術出現較晚，結構上相對一自由度更為復雜、連接方式的多樣化使得研究空間較大，中國對其的投入也相對比較多。三自由度與柔性結構最為復雜，研究成本的提高使得各國對研究的投入有所保留。

三、專利技術分析

（一）專利技術構成

圖3.1為模塊化蛇形機器人模塊間連接形式的技術構成。模塊間的連接分為剛性連接和柔性連接兩大類，其中剛性連接323篇，約占總量的87%。剛性連接中一自由度連接的占據了53%，二自由度、三自由度分別占據了18%、5%，自由度數量越多，在一定程度上提升了制造以及裝配的難度，故將模塊間連接的自由度數設置為二/三的專利數量較少，大多數還是設置為一自由度連接。另外，其他連接方式，主要包括兩模塊之間固定連接，而整體模塊化蛇形機器人的靈活運動單獨由本體完成。

（二）專利技術發展路線

對模塊化蛇形機器人的主要結構進行技術發展路線的梳理，對于研發人員來說，能夠準確定位自身技術所處的位置，為研發立項、技術進入等提供參照，對于審查員來說，能夠對發明申請進行準確的技術定位，為快速檢索、創造性評判提供支持。本文主要針對連接結構和模塊本體的主要技術的發展路線進行了梳理。

在模塊化機器人的連接結構，一自由度剛性連接和二自由度剛性連接的技術占比最大，因此，對上述兩種技術發展路線進行梳理，并根據一自由度剛性連接和二自由度剛性連接的結構形式，結合結構緊湊和運動靈活的技術效果，制成了模塊化機器人的連接結構部分技術分支的技術發展路線圖。

一自由度剛性連接，僅有一個驅動源，容易控制，是最為簡單的連接方式，同時由于蛇形運動的特性，通常采用一個旋轉自由度，如早期的文獻公開號為JPS62148176A的申請公開了一種通過蛇形模塊實現遠程操作攝像裝置，兩個模塊間采用一根旋轉軸進行連接，相鄰兩旋轉軸線相互平行，該連接使得機構整體能夠在二維平面上靈活運動，但是該連接的運動模式較少，應用范圍有限，后期為適應三維平面運動，對一自由度連接進行改進，如公開號為JP2009107074A的申請公開了一種具有蛇形模塊的機械手裝置，兩個模塊間同樣采用一根旋轉軸進行連接，但相鄰兩旋轉軸線相互垂直，該連接使得機構整體具有三維運動，其應用范圍大大增加。

在上述的兩種連接的基礎上，為使蛇形模塊能夠爬行如電線桿或內部管道之類，人們再次提出的新的一自由度連接方式，如公開號為WO2009009673A2的申請公開了模塊化機器人，兩個模塊間同樣采用一根旋轉軸進行連接，但相鄰兩旋轉軸線不垂直也不平行，其投影到同一平面上具有小于90度的夾角，該連接使得機構整體的三維旋轉角度多樣化，靈活性更強，不但能適應不同的的地面，還能蜿蜒爬行管道和圓柱桿。

二自由度剛性連接，能夠將兩個自由度復合到一起，大大減少了模塊化蛇形機器人的長度，整體機構更為緊湊，由于蛇形運動的特性，通常采用兩個旋轉自由度，如早期的文獻公開號為JPH0929671A的申請公開了一種模塊化蛇形機器人關節兩個模塊間采用十字旋轉軸進行連接，將兩個垂直的旋轉自由度復合到一起，但仍分別對其進行驅動，該連接使得原本的五節模塊縮短為三節，機構整體小巧緊湊，但是該連接因兩旋轉軸線共面導致模塊的旋轉角度受限，為擴大旋轉角度以進一步應用范圍，對該連接進行了兩種改進：一種是如公開號為CN1931653A的申請公開了一種適用于煤礦礦井搜索探測的履帶式多關節鉸接機器人，將共面的兩個旋轉軸線設置到兩個平行的平面上;另一種是如公開號為JP2008023076A申請公開了一種偏心位置的多關節機器人，將共面的兩個旋轉軸線設置到兩個相關的平面上，該交點位于連接處之外。兩種方式均是通過降低兩相鄰模塊的干涉范圍而提高旋轉范圍。

在上述的工作的基礎上，為提高驅動力矩，通過傳動方式的變化，將單獨控制的兩個驅動源復合到一起，使得模塊化蛇形機器人的驅動力矩更大，運動更為靈活，如公開號為CN101695833A的申請公開了一種葉片輪式蛇形機器人，連接處通過兩同軸安裝的舵機聯動驅動，兩舵機同軸安裝，當兩舵機1驅動兩個橫向錐齒輪4-1向同一方向旋轉時，帶動前一個機身3轉動，也可形象的稱為抬頭、低頭;當兩舵機1驅動兩個橫向錐齒輪4-1向相反方向旋轉時，帶動前一個機身3左、右擺動。另外，公開號為WO2013177561A1申請公開了一種模塊化蛇形履帶車，將二自由度的雙頭連接改為單頭連接，同時將連接處設置在模塊單元上，使得機構整體更為緊湊。

四 小結

隨著應用領域的不斷擴展，國內外模塊化機器人的專利申請持續大幅增長，但國內外的研發主體均主要集中在高校和研究院所，只有日本有較多的公司開展相應的研發。需要強化國內高校和研究院所相關專利轉化能力。

關于模塊化蛇形機器人的模塊間連接形式，隨著自由度數的增加專利申請量成遞減趨勢，一自由度轉動連接是目前主流技術，其結構和控制均較其他技術簡單，且通過多個模塊之間的一自由度布置方式來達到運動靈活的效果也屬于模塊化蛇形機器人的熱點技術之一。

技術的不斷進步，蛇形機器人的連接方式向多自由度方向發展將是趨勢，也是專利技術、專利布局的突破口。運動的靈活性也是蛇形機器人領域的重點關注的技術問題。