潘玉芬

摘要：模塊化蛇形機(jī)器人，可根據(jù)不同需求進(jìn)行組裝，可靠性高，維護(hù)性好，在很多領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。本文通過對模塊化蛇形機(jī)器人的連接結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外專利申請趨勢分析，了解該技術(shù)總體所處的技術(shù)發(fā)展階段;分析了其申請國別情況，明確技術(shù)的地域分布情況;分析了模塊化蛇形機(jī)器人連接結(jié)構(gòu)的技術(shù)領(lǐng)域和技術(shù)構(gòu)成，為高效檢索獲得相關(guān)技術(shù)提供參考;并對模塊化蛇形機(jī)器人連接結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)發(fā)展梳理，圍繞運(yùn)動靈活和結(jié)構(gòu)緊湊的技術(shù)問題進(jìn)行了功效分析，明確了在模塊化蛇形機(jī)器人連接結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn)和技術(shù)空白點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：模塊化;連接;蛇形;機(jī)器人;專利技術(shù)

一、前言

生物蛇可以在多樣化的自然環(huán)境中生存，可以控制自身實(shí)現(xiàn)多種姿態(tài)，輕松進(jìn)入狹小空間。在仿生機(jī)器人領(lǐng)域，蛇形仿生機(jī)器人正是模仿生物蛇的超強(qiáng)適應(yīng)能力應(yīng)運(yùn)而生的，其冗余度極高，具有多自由度的運(yùn)動能力，使其可以模仿出生物蛇的運(yùn)動模式，在運(yùn)動行進(jìn)過程中身體與地面多點(diǎn)甚至線或面接觸，運(yùn)動穩(wěn)定性好，對地形的適應(yīng)能力強(qiáng)。模塊化蛇形機(jī)器人，可根據(jù)不同需求進(jìn)行組裝，可靠性高，維護(hù)性好，在很多領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

蛇形機(jī)器人主要可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：生物蛇在自然界中的運(yùn)動分析、蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、蛇形機(jī)器人的運(yùn)動步態(tài)研究、蛇形機(jī)器人的控制方法、蛇形機(jī)器人的環(huán)境辨識與運(yùn)動規(guī)劃。其中，蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮蛇形機(jī)器人的運(yùn)動形態(tài)、控制方式、供電方式、通訊方式等各方面因素，因此是蛇形機(jī)器人研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。基于生物蛇“球鉸”關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的蛇形機(jī)器人簡化了設(shè)計(jì)過程，組裝形式多樣，便于維護(hù)。模塊化設(shè)計(jì)方法為新型蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了方向。

本文重點(diǎn)從蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，對蛇形機(jī)器人的連接結(jié)構(gòu)（關(guān)節(jié)形式）進(jìn)行專利技術(shù)梳理，根據(jù)模塊化蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對其進(jìn)行技術(shù)細(xì)分，如下表所示。同時(shí)，將結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)動靈活作為效果標(biāo)引項(xiàng)，對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)引和處理。為國內(nèi)蛇形機(jī)器人的專利技術(shù)研發(fā)提供助力。

二、專利申請態(tài)勢分析

為了研究國內(nèi)外模塊化蛇形機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠暾埖默F(xiàn)狀，本文選擇CNABS和DWPI數(shù)據(jù)庫，檢索文獻(xiàn)涵蓋了公開日或公告日在2017年10月1日之前的全球發(fā)明和實(shí)用新型專利申請。選用的關(guān)鍵詞為：蛇、機(jī)器人，對應(yīng)的英文關(guān)鍵詞為：robot、snake。IPC分類號為：B25J+、A61B1+。

基于檢索到的專利文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、篩選以及歸納，重點(diǎn)從專利申請量年度分布、專利申請的地域分布兩個(gè)角度對檢索結(jié)果進(jìn)行分析。

（一）專利申請年度分布

全球范圍內(nèi)，1983年出現(xiàn)第一件關(guān)于模塊化蛇形機(jī)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(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，并于2014年申請量達(dá)到頂峰。另外，自2002年以后，中國才有關(guān)于模塊化蛇形機(jī)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(jié)構(gòu)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(xiàn)，2001-2011年經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，同樣于2014年達(dá)到頂峰;二自由度最于出現(xiàn)于1994年，發(fā)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(qū)分布

雖然中國起步較晚，但中國的專利申請量在該領(lǐng)域具有領(lǐng)先優(yōu)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(jī)器人方面的相關(guān)技術(shù)研究非常重視，這與中國近幾年在機(jī)器人方面的大力投入密切相關(guān)。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(qū)約占5%。

連接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單、連接技術(shù)已經(jīng)相對成熟，在一自由度的投入比較少;二自由度技術(shù)出現(xiàn)較晚，結(jié)構(gòu)上相對一自由度更為復(fù)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(jié)構(gòu)最為復(fù)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(shù)分析

（一）專利技術(shù)構(gòu)成

圖3.1為模塊化蛇形機(jī)器人模塊間連接形式的技術(shù)構(gòu)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(jù)了53%，二自由度、三自由度分別占據(jù)了18%、5%，自由度數(shù)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(shù)設(shè)置為二/三的專利數(shù)量較少，大多數(shù)還是設(shè)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(jī)器人的靈活運(yùn)動單獨(dú)由本體完成。

（二）專利技術(shù)發(fā)展路線

對模塊化蛇形機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)發(fā)展路線的梳理，對于研發(fā)人員來說，能夠準(zhǔn)確定位自身技術(shù)所處的位置，為研發(fā)立項(xiàng)、技術(shù)進(jìn)入等提供參照，對于審查員來說，能夠?qū)Πl(fā)明申請進(jìn)行準(zhǔn)確的技術(shù)定位，為快速檢索、創(chuàng)造性評判提供支持。本文主要針對連接結(jié)構(gòu)和模塊本體的主要技術(shù)的發(fā)展路線進(jìn)行了梳理。

在模塊化機(jī)器人的連接結(jié)構(gòu)，一自由度剛性連接和二自由度剛性連接的技術(shù)占比最大，因此，對上述兩種技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理，并根據(jù)一自由度剛性連接和二自由度剛性連接的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)動靈活的技術(shù)效果，制成了模塊化機(jī)器人的連接結(jié)構(gòu)部分技術(shù)分支的技術(shù)發(fā)展路線圖。

一自由度剛性連接，僅有一個(gè)驅(qū)動源，容易控制，是最為簡單的連接方式，同時(shí)由于蛇形運(yùn)動的特性，通常采用一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，如早期的文獻(xiàn)公開號為JPS62148176A的申請公開了一種通過蛇形模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作攝像裝置，兩個(gè)模塊間采用一根旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，相鄰兩旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，該連接使得機(jī)構(gòu)整體能夠在二維平面上靈活運(yùn)動，但是該連接的運(yùn)動模式較少，應(yīng)用范圍有限，后期為適應(yīng)三維平面運(yùn)動，對一自由度連接進(jìn)行改進(jìn)，如公開號為JP2009107074A的申請公開了一種具有蛇形模塊的機(jī)械手裝置，兩個(gè)模塊間同樣采用一根旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，但相鄰兩旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，該連接使得機(jī)構(gòu)整體具有三維運(yùn)動，其應(yīng)用范圍大大增加。

在上述的兩種連接的基礎(chǔ)上，為使蛇形模塊能夠爬行如電線桿或內(nèi)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(jī)器人，兩個(gè)模塊間同樣采用一根旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，但相鄰兩旋轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)整體的三維旋轉(zhuǎn)角度多樣化，靈活性更強(qiáng)，不但能適應(yīng)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?qū)蓚€(gè)自由度復(fù)合到一起，大大減少了模塊化蛇形機(jī)器人的長度，整體機(jī)構(gòu)更為緊湊，由于蛇形運(yùn)動的特性，通常采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，如早期的文獻(xiàn)公開號為JPH0929671A的申請公開了一種模塊化蛇形機(jī)器人關(guān)節(jié)兩個(gè)模塊間采用十字旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接，將兩個(gè)垂直的旋轉(zhuǎn)自由度復(fù)合到一起，但仍分別對其進(jìn)行驅(qū)動，該連接使得原本的五節(jié)模塊縮短為三節(jié)，機(jī)構(gòu)整體小巧緊湊，但是該連接因兩旋轉(zhuǎn)軸線共面導(dǎo)致模塊的旋轉(zhuǎn)角度受限，為擴(kuò)大旋轉(zhuǎn)角度以進(jìn)一步應(yīng)用范圍，對該連接進(jìn)行了兩種改進(jìn)：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(guān)節(jié)鉸接機(jī)器人，將共面的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置到兩個(gè)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(guān)節(jié)機(jī)器人，將共面的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置到兩個(gè)相關(guān)的平面上，該交點(diǎn)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(zhuǎn)范圍。

在上述的工作的基礎(chǔ)上，為提高驅(qū)動力矩，通過傳動方式的變化，將單獨(dú)控制的兩個(gè)驅(qū)動源復(fù)合到一起，使得模塊化蛇形機(jī)器人的驅(qū)動力矩更大，運(yùn)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(jī)器人，連接處通過兩同軸安裝的舵機(jī)聯(lián)動驅(qū)動，兩舵機(jī)同軸安裝，當(dāng)兩舵機(jī)1驅(qū)動兩個(gè)橫向錐齒輪4-1向同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動前一個(gè)機(jī)身3轉(zhuǎn)動，也可形象的稱為抬頭、低頭;當(dāng)兩舵機(jī)1驅(qū)動兩個(gè)橫向錐齒輪4-1向相反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動前一個(gè)機(jī)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(shí)將連接處設(shè)置在模塊單元上，使得機(jī)構(gòu)整體更為緊湊。

四 小結(jié)

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，國內(nèi)外模塊化機(jī)器人的專利申請持續(xù)大幅增長，但國內(nèi)外的研發(fā)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(yīng)的研發(fā)。需要強(qiáng)化國內(nèi)高校和研究院所相關(guān)專利轉(zhuǎn)化能力。

關(guān)于模塊化蛇形機(jī)器人的模塊間連接形式，隨著自由度數(shù)的增加專利申請量成遞減趨勢，一自由度轉(zhuǎn)動連接是目前主流技術(shù)，其結(jié)構(gòu)和控制均較其他技術(shù)簡單，且通過多個(gè)模塊之間的一自由度布置方式來達(dá)到運(yùn)動靈活的效果也屬于模塊化蛇形機(jī)器人的熱點(diǎn)技術(shù)之一。

技術(shù)的不斷進(jìn)步，蛇形機(jī)器人的連接方式向多自由度方向發(fā)展將是趨勢，也是專利技術(shù)、專利布局的突破口。運(yùn)動的靈活性也是蛇形機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)問題。