蛇形机器人专利分析

廖江梅 尚妍梅

摘 要：文章以蛇形机器人的专利申请作为分析对象，分析中国和世界蛇形机器人的专利技术发展脉络、申请信息、重要技术构成、以及重点技术领域等信息。

关键词：蛇形机器人；专利技术；综述

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0008-03

Abstract： Taking the patent application of snake-shaped robot as the object， this paper analyzes the development of patent technology， application information， important technology composition， key technical fields and so on in China and abroad.

Keywords： snake-shaped robot； patent technology； review

前言

作為仿生机器人家族中的一员，蛇形机器人具有良好的弯曲性能，可以灵活地改变自身的形状与角度，能够实现环境中障碍物的避让，同时能够模块化地自动重组结构，另外随着软体技术的发展，还能够随着环境的形状进行自适应变形，从而顺利地进入到狭窄区域作业，这类新型的仿生机器人为高度非结构化空间中的机械臂作业提供了一种新思路，尤其是在机器人救援领域有着广阔的应用空间。

1 数据总体情况

本文选择CNABS中文检索数据库以及DWPI检索数据库，本次检索时间截止2016年5月，经过检索式检索与简单人工筛选去噪，通过人工标引，统计得出相关的专利申请总量约为818项，整体数量逐年持续增长，这些专利申请主要涉及到270多位申请人，主要分布在世界上的26个国家和地区。由此可见，由于其结构的特殊性和应用市场的广阔性，自广濑茂男发明了第一个蛇形机器人之后，相关研究已经成为机器人发展的一个热点分支。就目前的蛇形机器人专利申请分布趋势而言，解决连续型蛇形机器人结构相关的技术问题实现良好的弯曲性能、较高的运动精度以及负载能力等是蛇形机器人专利申请的焦点，而对于离散型蛇形机器人，近几年的专利申请热点为通过可重构的模块化蛇形机器人以增强非结构化环境的适应性，同时对于用于医疗如内窥镜的蛇形机器人，改进结构和材料以减少刺激也是一个重要的申请方向。

2 对数据进行统计和分析

2.1 申请量年度分布

图1显示了蛇形机器人申请量的年度分布，以一个同族计一件申请，图中较长的曲线展示了世界范围内蛇形机器人申请总量的年度增长趋势，图中较短的曲线展示了中国范围内蛇形机器人的申请总量年度增长趋势。从图中我们可以明显看出，在全球范围内，蛇形机器人专利申请起始于上世纪70年代，前10年一直处于水平较低状态，直至1984年后才有小幅度上升，然后进入了平稳期；2005年过后，专利申请量再次大幅上升。由于国内相关研究起步较晚，1998年才开始有首次申请国为中国的申请，2011年之前专利申请一直较少，在2011年之后中国国内申请数量迅速增长，其一方面说明中国的研发人员更加重视知识产权的保护，其另一方面也从侧面反应了中国近年来经济水平的迅速提高。

2.2 专利技术分支和特点

通过对检索到的专利分析发现，蛇形机器人专利申请按照连接结构形式主要分为连续型蛇形机器人和离散型蛇形机器人，蛇形机器人专利申请按照关节类型主要分为平行连接，正交连接，万向节连接三大类。

平行连接，关节较为简洁，各关节只需一个电机即可实现转动，通过对各个关节中单一电机的角度进行简单易行的控制匹配就能够轻易实现需要的蛇身运动形式。

正交连接，具备三维运动能力，能模仿蛇的蜿蜒运动等复杂运动方式，与平行连接一样，各关节只需一个电机即可实现转动，通过对各个关节中单一电机的角度进行简单易行的控制匹配就能够轻易实现需要的蛇身运动形式。

万向节连接理想状态下每个单体可绕相邻单体做360°的球面旋转，灵活性较平行连接和正交连接有了很大提升，工作空间是一个完整的三维空间，提升了其可完成动作的多样性，可在更为复杂的环境中完成运动，是目前发展的方向，但由于其自身结构相对复杂，控制也相对复杂。

2.3 蛇形机器人重点专利技术领域

为了展示蛇形机器人所涉及到的专利技术领域，本研究对蛇形机器人的IPC分类进行了统计整理，得到图2的数据，从图中可以看出，出现频次靠前的IPC大组分别为B25J9（程序控制机械手），B25J18（爪臂），B25J17（接头），B25J13（机械手的控制装置），B25J15（夹头），B25J1（用手确定空间位置的机械手），B25J11（不包含在其他组的机械手），A61B1（用目视或照相检查人体的腔或管的仪器，例如内窥镜），A61B17（外科器械、装置或方法），A61B19（在A61B 1/00至A61B 18/00各组中都不包含的手术或诊断用的仪器、器械或附件），B62D57（仅以具有除车轮或履带以外的其他推进装置或接地装置为特征的车辆，或者以车轮或履带加上具有除车轮或履带以外的其他推进装置为特征的车辆），A61M25（导管；空心探针），由此可以得到，蛇形机器人的专利技术主要集中在机械手（B25J）和诊断、外科、鉴定（A61B）两个小类。

2.4 重点专利分析

图3为专利SE419421B的蛇形机器人，是1980年由ROBOTGRUPPEN HB申请的柔性机械臂，是具有代表性的早期的连续型蛇形机器人，该机器人用于支撑末端执行机构，其包括一系列相互接触的元件，控制元件直接作用于相互接触的元件之间或者直接作用于元件，各个元件之间以曲面接触，为了实现相邻两元件的运动，元件设置为扇形或者弧形，通过相邻元件之间的相互运动实现该机器人方向的改变，其公开了两种主要的连续型蛇形机器人的运动控制方式。其一，通过外置的牵引线对元件的牵引实现（如图3（a）所示）。其二通过内置式驱动，其中公开了人工气动肌肉类型（如图3（b）和图3（c）所示）以及电磁式驱动（如图3（d）所示）。作为连续型蛇形机器人领域中的基础性专利，其在全球范围内被引用170次，其中被美国专利引用109次，被中国专利引用13次，被欧洲专利引用14次，被日本专利引用5次，被其他专利引用29次。

为了特别适应小型化应用，如血管定位、显微操作和微勘探等，美国科学家Rennex与Brian G发明了一种通过套筒和万向节连接的可自推进的蛇形机器人（专利US5386741），该蛇形机器人包括压力传感器，长度传感器，保护皮肤，超声成像，切削工具和多路技术。该蛇形机器人通用性强，可以根据需要的功能假定形状，从而保证末端执行器的高精度工作。通过自推进方式，该机器人可以通过隧道、水管、血管实施清洁、感测、切削和移除等操作，还能完美地在堵塞和弯曲等复杂环境中移除血管中的堵塞物。作为连杆连接的蛇形机器人的另一典型结构，该专利的蛇形机器人通过长度致动器的伸缩以及万向接头实现蛇形机器人的自推进、折叠、转弯、变形等功能。

专利US6870343B2为密西根大学Johann Borenstein与Grzegorz Gran-osik发明的蛇形机器人，于2001年1月申请专利，该蛇形机器人关节通过万向节（universal joint）连接，它的行走能力非常强。该蛇形机器人的节与节之间通过驱动轴连接，连接处的风管通过充气或放气来促使某一节做出不同动作，通过协调每节的动作，该蛇形机器人就能在障碍物上自由攀爬。操作者可通过控制操纵杆向其发出各种指令，如横滚、蠕动等。该蛇形机器人的独特之处还在于其表面覆盖着占总面积80%的履带，这能防止在粗糙地面上停顿，从而在复杂地形中持续前进。通过网上公布的数据资料显示，该蛇形机器人能翻越两倍于自身高度的障碍物，跨过宽度相当于自身长度一半的空档，还能爬楼梯、钻管道及在竖直，管道内向上攀爬。通过将竖直的身体横向变形成支架架在管壁之间，电机驱动各节外壁附著的履带产生垂直方向的运动趋势，实现在竖直的管道内爬行。

韩国专利KR100426613B公开的内窥镜微型机器人，为韩国科技研究所（Korea Institute Of Science And Technology）研究的能够向前驱动的蛇形机器人，该专利公开了蛇形机器人向前运动的另一种常见方式，即涡轮蜗杆方式。该机器人的一个实施例采用了图6所示，通过蜗杆带动涡轮运动，实现机器人的向前运动，该机器人的另一个实施例，通过内部驱动装置驱动涡轮转动，涡轮带动齿形带转动，实现机器人的向前运动，该机器人的另一个实施例通过对多个蜗杆驱动的控制，实现机器人的向前运动和转向，同时，该专利的另实施例中还结合了与专利US6870343B2中原理相同的蛇形机器人转向实现方式，通过结合线性驱动器8的伸缩进行误差补偿，使得蛇形机器人的运动更加精确。其被引用频次在离散型蛇形机器人中相对也较高，截止检索日前，其在全球范围内被专利引用69次。

3 结束语

通过对蛇形机器人专利申请的技术发展脉络、申请信息、重要技术构成、以及重点技术专利等信息进行分析，有助于国内企业对蛇形机器人的研发和进一步研究。

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