自適應機械手爪的專利技術綜述

摘 要：【目的】工業產品多樣化、差異化、個性化對機械手爪提出新的功能要求，有必要從專利申請的角度對自適應機械手爪的技術進行分析總結。【方法】通過檢索統計分析了自適應機械手爪專利申請量的趨勢、專利申請的分布及典型的技術方案。【結果】我國自適應機械手爪的申請量居全球首位，但多集中在高校及科研院所，科技成果轉化上還有很大空間。自適應機械手爪的研究集中于軟體類、伸縮類和連桿類三個方向。【結論】通過對自適應機械手爪的專利申請進行分析，以期為相關人員提供參考和借鑒。

關鍵詞：自適應；機械手爪；工業機器人；專利分析

中圖分類號：TP241；G255.53? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0142-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.030

Abstract： [Purposes] Product diversification， differentiation and personalization put forward new working requirements for manipulator claws， and it is necessary to analyze and summarize the technology of adaptive manipulator claws from the perspective of patent applications. [Methods] The trend of patent applications of adaptive manipulator claws， the distribution of patent applications and typical technical solutions were counted through search. [Findings] The number of applications for adaptive manipulator claws in China ranks first in the world， but it is concentrated in universities and research institutes， and there is still a lot of room for the transformation of scientific and technological achievements. [Conclusions] The patent application of adaptive manipulator claw is analyzed in order to provide some reference for relevant personnel.

Keywords： adaptive; manipulator claws; industrial robots; patent analysis

0 引言

由于工業機器人的成本昂貴，通常采用更換機械手爪的形式來拓展工業機器人的使用范圍。工業產品呈現出多樣化、差異化、個性化等特點，對機械手爪的使用功能提出了更高的要求，需要能夠夾持雞蛋、水果等這類較為脆弱或柔軟的物體，或不規則物體形狀的物體，在此需求下，自適應機械手爪應運而生。

1 自適應機械手爪的含義

自適應機械手爪是指其在抓取前并未知曉要抓取的物體是何種形狀與大小，在抓取中也未對抓取的物體進行傳感檢測，但是卻可以自適應地調整結構實現抓取的機械手爪。自適應機械手爪的應用使得工業機器人實現了更為有難度的抓取，因此具有廣泛的應用前景，針對自適應機械手爪的研究近年來成為新的熱點［1-4］。

2 專利申請數量態勢分析

為研究國內外自適應機械手爪領域專利申請的現狀，本研究選擇Himmpat數據庫，檢索文獻涵蓋了公開日或公告日在2023年1月1日之前的全球發明和實用新型專利申請。選用的關鍵詞為自適應、軟體、氣囊，對應的英文關鍵詞為adaptive，soft，air sac。IPC分類號為：B25J15+。基于檢索到的專利文獻進行數據提取、篩選及歸納，重點從專利申請量年度分布、專利申請的地域分布、主要專利申請人三個角度對檢索結果進行分析。

2.1 專利申請年度分布

1978年以來自適應機械手爪全球專利申請量的年度分布，如圖1所示。1978年，MAN AG首先提出了抓取力會自動適應被牢固夾持的物體的自適應抓手系統（DE2636473A1），此為全球第一件自適應機械手爪專利申請。1978—1986年，申請總量僅僅87件，技術整體處于萌芽階段；1987—2013年，每年申請量均在50件以下緩慢波動變化，技術整體處于緩步發展的階段；2014年申請量急劇上升，并于2020年申請量達到頂峰的639件，技術整體處于快速發展階段。

國內有關自適應機械手爪專利申請量的年度分布，如圖2所示。國內第一件關于自適應機械手爪的專利申請是1986年4月16日的一件個人申請（CN86102562A），涉及一種自動協調連動的平面或空間柔性機構，能抓取各種不同形狀與大小的物體。1978—2014年，年申請量均在50件以下緩慢波動變化，技術整體處于緩步發展的階段；2015年申請量急劇上升，并于2020年申請量達到頂峰的484件，與全球申請態勢基本保持一致。

2.2 專利申請地域分布

全球專利申請量的國家和地區分布，如圖3所示。雖然中國出現較晚，但中國的專利申請在全球專利申請數量上占據絕對優勢，居全球第一，約占總份額的67.12%，可見中國對自適應機械手爪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。其次是美國，申請量為399件，約占總份額的9.13%。位居第三位的是日本，約占總份額的8.37%。歐洲專利申請約占總份額的4.49%，WO專利申請約占總份額的4.03%。

2.3 主要專利申請人分析

全球申請數量排名靠前的外國申請人，如圖4所示。排名第一的為軟機器人公司，達到207件，其為一家美國企業；其他申請人中，美國的哈佛大學校長及研究員協會、亞馬遜技術公司，日本的株式會社久保田、精工愛普生株式會社，德國的西門子公司，韓國的韓國機械研究院、光州科學技術院的申請數量也名列前茅。

國內申請數量排名靠前的申請人，如圖5所示。國內高校中清華大學研究團隊的申請量最高，達到全球第一的273件，哈爾濱工業大學、浙江工業大學、燕山大學、江南大學、浙江理工大學、浙江大學、上海交通大學等的數量也是名列前茅。其中，國內企業包括蘇州軟體機器人科技有限公司和北京軟體機器人科技有限公司，企業的研究更加針對軟體自適應機械手爪，研究重點明確。國內申請人主要以高校及科研院所居多，表明中國的申請量多，但是在科技成果轉化方面還有很大空間。

3 典型專利技術方案分析

通過對檢索到的專利申請文件進行分析后發現，自適應機械手爪的研究集中在三個方向：軟體類自適應機械手爪、伸縮類自適應機械手爪和連桿類自適應機械手爪。因此，對這三個方向的典型專利技術方案進行分析，以期為創新主體提供高價值專利技術的信息情報。

3.1 軟體類自適應機械手爪

軟機器人公司提出的專利申請WO2018183852A1，涉及軟體軟致動器，其在被致動時保持自適應性，以使軟致動器可以部分地或完全地適形于待抓持物體的形狀。還可以在與物體碰撞時偏轉，使得在從一堆或料箱中拾取物體時，避免碰撞相鄰物體或者料箱的側面；因為材料可易于變形，還能夠以可控方式在整個大表面區域分布施加大小可控的力。因此，軟機器人致動器可自適應抓持物體且不對其造成損壞。

北京軟體機器人科技有限公司提出的專利申請CN114952911A，一種軟體氣動夾爪，涉及軟體機器人技術領域。該夾爪包括：囊體、至少兩個夾取部件，以及分別與每個夾取部件對應設置的加強筋結構；囊體包括安裝結構、彈性驅動薄膜結構、囊腔和囊壁，安裝結構在囊體內，用于將軟體氣動夾爪與外界連接固定，彈性驅動薄膜結構構成所述囊體下端面，囊腔由安裝結構、囊壁和彈性驅動薄膜結構包圍而成；加強筋結構連接彈性驅動薄膜結構與對應的夾取部件。本申請實施例的軟體氣動夾爪，由于增加了加強筋結構，因此正壓時彈性驅動薄膜結構膨脹幅度減小，能適應更多尺寸的物體；負壓時力能更有效地傳遞到夾爪上，抓取更穩定，進而能抓取更重的物件。

3.2 伸縮類自適應機械手爪

清華大學提出的專利申請CN105619441A，涉及多指緊箍彈性變位桿簇自適應機器人手裝置，其主要技術手段是采用基座、驅動器、多孔彈性塊、多個手指和多個滑動推桿等綜合實現了離散空間自適應抓取功能，利用了多個滑動推桿實現對物體大小和形狀的自適應功能；利用傳驅動器和傳動機構帶動手指擠壓多孔彈性塊或滑動推桿，使多個滑動推桿向裝置的中心聚攏，達到對物體的多向抓持效果；該裝置對不同方向放置的各種形狀物體均可有效抓持，僅需要一套桿簇，結構簡單；通過手指緊箍運動，輕松實現多個滑動推桿向裝置中心聚攏而達到抓持目的，能耗低。

3.3 連桿類自適應機械手爪

哈爾濱工業大學提出的專利申請CN115781750A，基于雙穩態機構的快速響應柔性三指手，涉及機器人末端執行器領域，包括抓取機構，能夠實現對多種形狀物體的適應性抓取；雙穩態機構，用于使柔性三指手穩定維持抓取和張開狀態；力度調節機構用于對柔性三指手的觸發靈敏度和抓取力度進行調整；復原機構包括推動平臺、氣缸和導向桿，通過氣缸驅動頂桿，實現推動平臺的上下移動；復原機構用于使柔性三指手恢復張開狀態；驅動機構用于實現觸發力、抓取力的調節和柔性三指手的展開復原。本發明響應速度快，能夠實現張開、閉合兩種狀態的快速切換。

蘇州艾利特機器人有限公司提出的專利申請CN208557571U，一種自適應機械夾持手爪，末端夾持連桿可以通過繞固聯彈簧的銷轉動，從而實現自適應物體形狀的抓取。末端手指可以實現平行抓取和半包圍甚至全包圍抓取，增加了抓取的可靠性和靈活性。另外，整體結構緊湊，抓取范圍大，所有零件采用高強度金屬制造，在電機提供足夠功率的條件下，可以實現大夾持力的抓取。

4 結語

我國有關自適應機械手爪的專利申請已經明顯高于其他國家，然而，技術大部分掌握在高校和科研院所中，反映出科學技術的轉化成果還有很大空間。

自適應機械手爪的研究方向為軟體類、伸縮類和連桿類三個方向，軟體類的自適應機械手爪目前是各公司的研發重點，其技術相對成熟，申請人在研究時應當進行相應調整。本研究將為后續自適應機械手爪的研究和發展開拓新的技術思路。

參考文獻：

［1］鄧陶，許兆月.關于新型自適應機械夾具的結構分析［J］.河北農機，2014（11）：34-35.

［2］李凱，張俊俊，劉滿祿，等.兩指自適應機械夾持器設計與研究［J］.制造業自動化，2016，38（10）：39-43.

［3］關凱雁，邢玉華.新型自適應機械夾具堆垛機組結構淺析［J］.有色礦冶，2013，29（3）：81-82，94

［4］郭鐘華，李小寧，林浩鵬.基于主動包絡和負壓塑形的軟體適形夾持器［J］.機械工程學報，2019，55（12）：215-221.

收稿日期：2023-03-23

作者簡介：潘玉芬（1987—），女，本科，助理研究員，研究方向：發明專利審查。