摘 要：【目的】工業(yè)產(chǎn)品多樣化、差異化、個(gè)性化對(duì)機(jī)械手爪提出新的功能要求，有必要從專利申請(qǐng)的角度對(duì)自適應(yīng)機(jī)械手爪的技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)?！痉椒ā客ㄟ^(guò)檢索統(tǒng)計(jì)分析了自適應(yīng)機(jī)械手爪專利申請(qǐng)量的趨勢(shì)、專利申請(qǐng)的分布及典型的技術(shù)方案?！窘Y(jié)果】我國(guó)自適應(yīng)機(jī)械手爪的申請(qǐng)量居全球首位，但多集中在高校及科研院所，科技成果轉(zhuǎn)化上還有很大空間。自適應(yīng)機(jī)械手爪的研究集中于軟體類、伸縮類和連桿類三個(gè)方向。【結(jié)論】通過(guò)對(duì)自適應(yīng)機(jī)械手爪的專利申請(qǐng)進(jìn)行分析，以期為相關(guān)人員提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；機(jī)械手爪；工業(yè)機(jī)器人；專利分析

中圖分類號(hào)：TP241；G255.53? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：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(yè)機(jī)器人的成本昂貴，通常采用更換機(jī)械手爪的形式來(lái)拓展工業(yè)機(jī)器人的使用范圍。工業(yè)產(chǎn)品呈現(xiàn)出多樣化、差異化、個(gè)性化等特點(diǎn)，對(duì)機(jī)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(guī)則物體形狀的物體，在此需求下，自適應(yīng)機(jī)械手爪應(yīng)運(yùn)而生。

1 自適應(yīng)機(jī)械手爪的含義

自適應(yīng)機(jī)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(duì)抓取的物體進(jìn)行傳感檢測(cè)，但是卻可以自適應(yīng)地調(diào)整結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抓取的機(jī)械手爪。自適應(yīng)機(jī)械手爪的應(yīng)用使得工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了更為有難度的抓取，因此具有廣泛的應(yīng)用前景，針對(duì)自適應(yīng)機(jī)械手爪的研究近年來(lái)成為新的熱點(diǎn)［1-4］。

2 專利申請(qǐng)數(shù)量態(tài)勢(shì)分析

為研究國(guó)內(nèi)外自適應(yīng)機(jī)械手爪領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的現(xiàn)狀，本研究選擇Himmpat數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索文獻(xiàn)涵蓋了公開(kāi)日或公告日在2023年1月1日之前的全球發(fā)明和實(shí)用新型專利申請(qǐng)。選用的關(guān)鍵詞為自適應(yīng)、軟體、氣囊，對(duì)應(yīng)的英文關(guān)鍵詞為adaptive，soft，air sac。IPC分類號(hào)為：B25J15+。基于檢索到的專利文獻(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、篩選及歸納，重點(diǎn)從專利申請(qǐng)量年度分布、專利申請(qǐng)的地域分布、主要專利申請(qǐng)人三個(gè)角度對(duì)檢索結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 專利申請(qǐng)年度分布

1978年以來(lái)自適應(yīng)機(jī)械手爪全球?qū)＠暾?qǐng)量的年度分布，如圖1所示。1978年，MAN AG首先提出了抓取力會(huì)自動(dòng)適應(yīng)被牢固夾持的物體的自適應(yīng)抓手系統(tǒng)（DE2636473A1），此為全球第一件自適應(yīng)機(jī)械手爪專利申請(qǐng)。1978—1986年，申請(qǐng)總量?jī)H僅87件，技術(shù)整體處于萌芽階段；1987—2013年，每年申請(qǐng)量均在50件以下緩慢波動(dòng)變化，技術(shù)整體處于緩步發(fā)展的階段；2014年申請(qǐng)量急劇上升，并于2020年申請(qǐng)量達(dá)到頂峰的639件，技術(shù)整體處于快速發(fā)展階段。

國(guó)內(nèi)有關(guān)自適應(yīng)機(jī)械手爪專利申請(qǐng)量的年度分布，如圖2所示。國(guó)內(nèi)第一件關(guān)于自適應(yīng)機(jī)械手爪的專利申請(qǐng)是1986年4月16日的一件個(gè)人申請(qǐng)（CN86102562A），涉及一種自動(dòng)協(xié)調(diào)連動(dòng)的平面或空間柔性機(jī)構(gòu)，能抓取各種不同形狀與大小的物體。1978—2014年，年申請(qǐng)量均在50件以下緩慢波動(dòng)變化，技術(shù)整體處于緩步發(fā)展的階段；2015年申請(qǐng)量急劇上升，并于2020年申請(qǐng)量達(dá)到頂峰的484件，與全球申請(qǐng)態(tài)勢(shì)基本保持一致。

2.2 專利申請(qǐng)地域分布

全球?qū)＠暾?qǐng)量的國(guó)家和地區(qū)分布，如圖3所示。雖然中國(guó)出現(xiàn)較晚，但中國(guó)的專利申請(qǐng)?jiān)谌驅(qū)＠暾?qǐng)數(shù)量上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，居全球第一，約占總份額的67.12%，可見(jiàn)中國(guó)對(duì)自適應(yīng)機(jī)械手爪方面的相關(guān)技術(shù)研究非常重視，這與中國(guó)近幾年在機(jī)器人方面的大力投入密切相關(guān)。其次是美國(guó)，申請(qǐng)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(qǐng)約占總份額的4.49%，WO專利申請(qǐng)約占總份額的4.03%。

2.3 主要專利申請(qǐng)人分析

全球申請(qǐng)數(shù)量排名靠前的外國(guó)申請(qǐng)人，如圖4所示。排名第一的為軟機(jī)器人公司，達(dá)到207件，其為一家美國(guó)企業(yè)；其他申請(qǐng)人中，美國(guó)的哈佛大學(xué)校長(zhǎng)及研究員協(xié)會(huì)、亞馬遜技術(shù)公司，日本的株式會(huì)社久保田、精工愛(ài)普生株式會(huì)社，德國(guó)的西門子公司，韓國(guó)的韓國(guó)機(jī)械研究院、光州科學(xué)技術(shù)院的申請(qǐng)數(shù)量也名列前茅。

國(guó)內(nèi)申請(qǐng)數(shù)量排名靠前的申請(qǐng)人，如圖5所示。國(guó)內(nèi)高校中清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的申請(qǐng)量最高，達(dá)到全球第一的273件，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)、江南大學(xué)、浙江理工大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)等的數(shù)量也是名列前茅。其中，國(guó)內(nèi)企業(yè)包括蘇州軟體機(jī)器人科技有限公司和北京軟體機(jī)器人科技有限公司，企業(yè)的研究更加針對(duì)軟體自適應(yīng)機(jī)械手爪，研究重點(diǎn)明確。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人主要以高校及科研院所居多，表明中國(guó)的申請(qǐng)量多，但是在科技成果轉(zhuǎn)化方面還有很大空間。

3 典型專利技術(shù)方案分析

通過(guò)對(duì)檢索到的專利申請(qǐng)文件進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)機(jī)械手爪的研究集中在三個(gè)方向：軟體類自適應(yīng)機(jī)械手爪、伸縮類自適應(yīng)機(jī)械手爪和連桿類自適應(yīng)機(jī)械手爪。因此，對(duì)這三個(gè)方向的典型專利技術(shù)方案進(jìn)行分析，以期為創(chuàng)新主體提供高價(jià)值專利技術(shù)的信息情報(bào)。

3.1 軟體類自適應(yīng)機(jī)械手爪

軟機(jī)器人公司提出的專利申請(qǐng)WO2018183852A1，涉及軟體軟致動(dòng)器，其在被致動(dòng)時(shí)保持自適應(yīng)性，以使軟致動(dòng)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(shí)偏轉(zhuǎn)，使得在從一堆或料箱中拾取物體時(shí)，避免碰撞相鄰物體或者料箱的側(cè)面；因?yàn)椴牧峡梢子谧冃危€能夠以可控方式在整個(gè)大表面區(qū)域分布施加大小可控的力。因此，軟機(jī)器人致動(dòng)器可自適應(yīng)抓持物體且不對(duì)其造成損壞。

北京軟體機(jī)器人科技有限公司提出的專利申請(qǐng)CN114952911A，一種軟體氣動(dòng)夾爪，涉及軟體機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。該夾爪包括：囊體、至少兩個(gè)夾取部件，以及分別與每個(gè)夾取部件對(duì)應(yīng)設(shè)置的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)；囊體包括安裝結(jié)構(gòu)、彈性驅(qū)動(dòng)薄膜結(jié)構(gòu)、囊腔和囊壁，安裝結(jié)構(gòu)在囊體內(nèi)，用于將軟體氣動(dòng)夾爪與外界連接固定，彈性驅(qū)動(dòng)薄膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成所述囊體下端面，囊腔由安裝結(jié)構(gòu)、囊壁和彈性驅(qū)動(dòng)薄膜結(jié)構(gòu)包圍而成；加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)連接彈性驅(qū)動(dòng)薄膜結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的夾取部件。本申請(qǐng)實(shí)施例的軟體氣動(dòng)夾爪，由于增加了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，因此正壓時(shí)彈性驅(qū)動(dòng)薄膜結(jié)構(gòu)膨脹幅度減小，能適應(yīng)更多尺寸的物體；負(fù)壓時(shí)力能更有效地傳遞到夾爪上，抓取更穩(wěn)定，進(jìn)而能抓取更重的物件。

3.2 伸縮類自適應(yīng)機(jī)械手爪

清華大學(xué)提出的專利申請(qǐng)CN105619441A，涉及多指緊箍彈性變位桿簇自適應(yīng)機(jī)器人手裝置，其主要技術(shù)手段是采用基座、驅(qū)動(dòng)器、多孔彈性塊、多個(gè)手指和多個(gè)滑動(dòng)推桿等綜合實(shí)現(xiàn)了離散空間自適應(yīng)抓取功能，利用了多個(gè)滑動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)對(duì)物體大小和形狀的自適應(yīng)功能；利用傳驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手指擠壓多孔彈性塊或滑動(dòng)推桿，使多個(gè)滑動(dòng)推桿向裝置的中心聚攏，達(dá)到對(duì)物體的多向抓持效果；該裝置對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；通過(guò)手指緊箍運(yùn)動(dòng)，輕松實(shí)現(xiàn)多個(gè)滑動(dòng)推桿向裝置中心聚攏而達(dá)到抓持目的，能耗低。

3.3 連桿類自適應(yīng)機(jī)械手爪

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出的專利申請(qǐng)CN115781750A，基于雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)柔性三指手，涉及機(jī)器人末端執(zhí)行器領(lǐng)域，包括抓取機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種形狀物體的適應(yīng)性抓取；雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)，用于使柔性三指手穩(wěn)定維持抓取和張開(kāi)狀態(tài)；力度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于對(duì)柔性三指手的觸發(fā)靈敏度和抓取力度進(jìn)行調(diào)整；復(fù)原機(jī)構(gòu)包括推動(dòng)平臺(tái)、氣缸和導(dǎo)向桿，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)頂桿，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)平臺(tái)的上下移動(dòng)；復(fù)原機(jī)構(gòu)用于使柔性三指手恢復(fù)張開(kāi)狀態(tài)；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)觸發(fā)力、抓取力的調(diào)節(jié)和柔性三指手的展開(kāi)復(fù)原。本發(fā)明響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)張開(kāi)、閉合兩種狀態(tài)的快速切換。

蘇州艾利特機(jī)器人有限公司提出的專利申請(qǐng)CN208557571U，一種自適應(yīng)機(jī)械夾持手爪，末端夾持連桿可以通過(guò)繞固聯(lián)彈簧的銷轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)物體形狀的抓取。末端手指可以實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)緊湊，抓取范圍大，所有零件采用高強(qiáng)度金屬制造，在電機(jī)提供足夠功率的條件下，可以實(shí)現(xiàn)大夾持力的抓取。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)有關(guān)自適應(yīng)機(jī)械手爪的專利申請(qǐng)已經(jīng)明顯高于其他國(guó)家，然而，技術(shù)大部分掌握在高校和科研院所中，反映出科學(xué)技術(shù)的轉(zhuǎn)化成果還有很大空間。

自適應(yīng)機(jī)械手爪的研究方向?yàn)檐涹w類、伸縮類和連桿類三個(gè)方向，軟體類的自適應(yīng)機(jī)械手爪目前是各公司的研發(fā)重點(diǎn)，其技術(shù)相對(duì)成熟，申請(qǐng)人在研究時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。本研究將為后續(xù)自適應(yīng)機(jī)械手爪的研究和發(fā)展開(kāi)拓新的技術(shù)思路。

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收稿日期：2023-03-23

作者簡(jiǎn)介：潘玉芬（1987—），女，本科，助理研究員，研究方向：發(fā)明專利審查。