模塊化蛇形機器人連接結(jié)構(gòu)的技術(shù)綜述

潘玉芬

摘要：模塊化蛇形機器人，可根據(jù)不同需求進行組裝，可靠性高，維護性好，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;并對模塊化蛇形機器人連接結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)進行了技術(shù)發(fā)展梳理，圍繞運動靈活和結(jié)構(gòu)緊湊的技術(shù)問題進行了功效分析，明確了在模塊化蛇形機器人連接結(jié)構(gòu)的研究熱點和技術(shù)空白點。

關(guān)鍵詞：模塊化;連接;蛇形;機器人;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，可以控制自身實現(xiàn)多種姿態(tài)，輕松進入狹小空間。在仿生機器人領(lǐng)域，蛇形仿生機器人正是模仿生物蛇的超強適應(yīng)能力應(yīng)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(wěn)定性好，對地形的適應(yīng)能力強。模塊化蛇形機器人，可根據(jù)不同需求進行組裝，可靠性高，維護性好，在很多領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計、蛇形機器人的運動步態(tài)研究、蛇形機器人的控制方法、蛇形機器人的環(huán)境辨識與運動規(guī)劃。其中，蛇形機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需要綜合考慮蛇形機器人的運動形態(tài)、控制方式、供電方式、通訊方式等各方面因素，因此是蛇形機器人研究的重點和難點?；谏锷摺扒蜚q”關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用模塊化設(shè)計方法設(shè)計的蛇形機器人簡化了設(shè)計過程，組裝形式多樣，便于維護。模塊化設(shè)計方法為新型蛇形機器人的設(shè)計提供了方向。

本文重點從蛇形機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，對蛇形機器人的連接結(jié)構(gòu)（關(guān)節(jié)形式）進行專利技術(shù)梳理，根據(jù)模塊化蛇形機器人的機械結(jié)構(gòu)特點對其進行技術(shù)細分，如下表所示。同時，將結(jié)構(gòu)緊湊和運動靈活作為效果標引項，對所有的數(shù)據(jù)進行了標引和處理。為國內(nèi)蛇形機器人的專利技術(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)明和實用新型專利申請。選用的關(guān)鍵詞為：蛇、機器人，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進行數(shù)據(jù)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(jié)果進行分析。

（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(wěn)發(fā)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(guān)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(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)歷了一個快速發(fā)展的時期，同樣于2014年達到頂峰;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器人的靈活運動單獨由本體完成。

（二）專利技術(shù)發(fā)展路線

對模塊化蛇形機器人的主要結(jié)構(gòu)進行技術(shù)發(fā)展路線的梳理，對于研發(fā)人員來說，能夠準確定位自身技術(shù)所處的位置，為研發(fā)立項、技術(shù)進入等提供參照，對于審查員來說，能夠?qū)Πl(fā)明申請進行準確的技術(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)展路線進行了梳理。

在模塊化機器人的連接結(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)緊湊和運動靈活的技術(shù)效果，制成了模塊化機器人的連接結(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，僅有一個驅(qū)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(zhuǎn)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(xiàn)遠程操作攝像裝置，兩個模塊間采用一根旋轉(zhuǎn)軸進行連接，相鄰兩旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，該連接使得機構(gòu)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(yīng)用范圍有限，后期為適應(yīng)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(zhuǎn)軸進行連接，但相鄰兩旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，該連接使得機構(gòu)整體具有三維運動，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器人，兩個模塊間同樣采用一根旋轉(zhuǎn)軸進行連接，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，該連接使得機構(gòu)整體的三維旋轉(zhuǎn)角度多樣化，靈活性更強，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€自由度復(fù)合到一起，大大減少了模塊化蛇形機器人的長度，整體機構(gòu)更為緊湊，由于蛇形運動的特性，通常采用兩個旋轉(zhuǎn)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(guān)節(jié)兩個模塊間采用十字旋轉(zhuǎn)軸進行連接，將兩個垂直的旋轉(zhuǎn)自由度復(fù)合到一起，但仍分別對其進行驅(qū)動，該連接使得原本的五節(jié)模塊縮短為三節(jié)，機構(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，為擴大旋轉(zhuǎn)角度以進一步應(yīng)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(guān)節(jié)鉸接機器人，將共面的兩個旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)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(guān)節(jié)機器人，將共面的兩個旋轉(zhuǎn)軸線設(shè)置到兩個相關(guān)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(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，將單獨控制的兩個驅(qū)動源復(fù)合到一起，使得模塊化蛇形機器人的驅(qū)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(lián)動驅(qū)動，兩舵機同軸安裝，當兩舵機1驅(qū)動兩個橫向錐齒輪4-1向同一方向旋轉(zhuǎn)時，帶動前一個機身3轉(zhuǎn)動，也可形象的稱為抬頭、低頭;當兩舵機1驅(qū)動兩個橫向錐齒輪4-1向相反方向旋轉(zhuǎn)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(shè)置在模塊單元上，使得機構(gòu)整體更為緊湊。

四 小結(jié)

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，國內(nèi)外模塊化機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(shù)之一。

技術(shù)的不斷進步，蛇形機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。運動的靈活性也是蛇形機器人領(lǐng)域的重點關(guān)注的技術(shù)問題。