步行移動機(jī)器人專利概況分析

楊慧慧

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160）

機(jī)器人技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的綜合學(xué)科，它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動控制工程及人工智能等多種學(xué)科的科研成果。輪式、履帶式及腿式是人類設(shè)計(jì)用于移動式機(jī)械裝備主要的基本形式，在實(shí)際應(yīng)用中，為適應(yīng)星球探測、軍事及救災(zāi)等極為復(fù)雜的地面環(huán)境，腿式及蛇形等移動機(jī)構(gòu)的研究一直為學(xué)術(shù)界和大眾所關(guān)注[1]。

1 全球步行移動機(jī)器人專利研究現(xiàn)狀

步行移動機(jī)器人在機(jī)動性能上的獨(dú)特優(yōu)勢使得其在軍事、航空航天中應(yīng)用愈來愈廣，這也將使其成為未來無人環(huán)境中的主體和先導(dǎo)，據(jù)調(diào)查地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式、履帶式車輛到達(dá)，而很多足式的動物卻可以在這些地面上自如行走[2]。步行移動機(jī)器人的研究一直是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，步行移動機(jī)器人的基礎(chǔ)理論研究步伐要遠(yuǎn)滯后于其技術(shù)開發(fā)步伐，現(xiàn)有的步行移動機(jī)器人的足數(shù)為偶數(shù)的占大多數(shù)，因?yàn)榫椭本€運(yùn)動來說，偶數(shù)足能產(chǎn)生有效的步態(tài)[3]，國內(nèi)步行機(jī)器人的發(fā)展最早可追溯到中國古代，此后步行移動機(jī)器人歷經(jīng)了長久的發(fā)展。

圖1為根據(jù)每年全球步行移動機(jī)器人領(lǐng)域的專利申請量，繪制出的步行移動機(jī)器人在全球各年度專利申請的趨勢圖，在步行移動機(jī)器人領(lǐng)域的全球?qū)＠暾埓篌w經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段。

圖1 全球步行移動機(jī)器人相關(guān)專利的全球申請趨勢

1.1 初步發(fā)展階段（2000年之前）

從圖中可以看出早在20世紀(jì)60年代初，世界各國陸續(xù)開展了步行機(jī)器人技術(shù)的研究，美國的2位學(xué)家就使用凸輪連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)出比傳統(tǒng)車輛更為靈活的步行移動機(jī)構(gòu)，但在很長一段時(shí)間內(nèi)步行移動機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)專利較少，始終處于個(gè)位數(shù)，之后申請量稍有增長，但也沒有很快速地增加，這是由于在步行機(jī)器人發(fā)展的初期，還是以簡單的機(jī)械、液壓控制及簡單的步態(tài)，模仿簡單的足式動物行走為主，還不能應(yīng)用到復(fù)雜的領(lǐng)域環(huán)境中。

1.2 第一快速發(fā)展階段（2000—2014年）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各界對步行移動機(jī)器人的研究開始深入，此階段發(fā)展位以計(jì)算機(jī)控制為主，以美國、日本等國的發(fā)展最為突出。比如日本工程師Takahashi Hitoshi、日本教授Hirose Shigeo此期間申請了多項(xiàng)發(fā)明專利，如：JPH03111182A、JPH07117743A、JPS62277282A、JPS60245869A，可作為移動的平臺在崎嶇和陡峭的地方步行，能夠?qū)崿F(xiàn)避障的功能，同時(shí)步行腿也能作為操縱器使用，能夠自主超過一定角度的斜坡。機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)均是采用四桿機(jī)構(gòu)的縮放步行機(jī)構(gòu)，采用開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)作為其步行機(jī)構(gòu)，其腿可作為有力的工作臂，可用于探測地雷和進(jìn)行排雷操作，適用于軍事方面。美國的Boston Dynamic Inc.從2004至今申請了多件專利，以著名的“Bigdog”聞名，這是一種動力平衡四足機(jī)器人，它沒有車輪或者履帶，采用4條機(jī)械腿來運(yùn)動，機(jī)械腿上面有各種傳感器，包括關(guān)節(jié)位置和接觸地面的部位，其運(yùn)動是由裝載在機(jī)身上的計(jì)算機(jī)控制，計(jì)算機(jī)能夠接收機(jī)器上各種傳感器傳達(dá)的信號，導(dǎo)航和平衡也由這個(gè)控制系統(tǒng)控制。

1.3 第二快速發(fā)展階段（2015—2021年）

隨著科學(xué)技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，此階段發(fā)展位以人工智能控制技術(shù)為主，步行移動機(jī)器人的專利申請量迅速增加，此階段的機(jī)器人不但具備完成各種任務(wù)的功能，還有自適應(yīng)的運(yùn)動規(guī)劃和控制性能，日本、美國等各國發(fā)明出多種仿生步行機(jī)器人，將仿生動物應(yīng)用于機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)來提高機(jī)動性和可操作性，如日本申請人Univ Osaka申請的WO2006129857A1，形體像蜘蛛，將3個(gè)集成肢體的肢體尖端部分鉤到安裝在天花板上的格子上，以使機(jī)器人沿著天花板行走。美國申請的US4527650A，可以在非常狹窄的區(qū)域中行走和操縱，在不旋轉(zhuǎn)身體的情況下改變其運(yùn)動方向，協(xié)調(diào)各個(gè)腿部的運(yùn)動，感覺到周圍的環(huán)境，以便每只腳都能正確落地，保持平衡，以免摔倒，韓國申請人Univ Sungkyunkwan申請的KR20070070825A，模仿活生物體的仿生動物應(yīng)用于機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)設(shè)計(jì)來提高機(jī)動性和可操作性，通過分析四足動物在步行過程中前肢和后肢的特殊功能和步態(tài)，可以將其用作提高能量效率和步態(tài)的重要設(shè)計(jì)因素。

2 在中國申請的步行移動機(jī)器人專利申請概況

2.1 中國的申請人申請趨勢

圖2為根據(jù)每年中國步行移動機(jī)器人的專利申請量，繪制出的步行移動機(jī)器人在中國各年度專利申請的趨勢圖。在國內(nèi)對多足步行機(jī)器人的研究是在20世紀(jì)80年代末90年代初起步的，初期申請量很少，2000—2020年，步行機(jī)器人技術(shù)也有了較大的發(fā)展，申請量迅速增加。

圖2 步行移動機(jī)器人相關(guān)專利的中國申請趨勢

2.2 中國申請人的類型分布

圖3為中國國內(nèi)專利申請人類型的分布，通過該分析可以明晰創(chuàng)新主體的類型，并通過創(chuàng)新實(shí)體的主體性質(zhì)、研發(fā)實(shí)力和研發(fā)目的分析創(chuàng)新成果更偏向基礎(chǔ)研究還是商業(yè)應(yīng)用，定位技術(shù)在產(chǎn)業(yè)鏈中的位置和可能的運(yùn)營模式，為進(jìn)一步找出在產(chǎn)業(yè)內(nèi)影響力大的不同類型的創(chuàng)新主體提供依據(jù)。觀察圖3可知，步行移動機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠暾埲说闹黧w是大專院校，大專院校申請人的申請量占比為48.77%，高于其他類型的申請人的申請量，其次是企業(yè)申請人，企業(yè)申請人的申請量占比為36.61%，這不僅與步行移動機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)含量較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素有關(guān)，還與該領(lǐng)域的技術(shù)成果多用于軍事、航空等探索研究及投放市場的研發(fā)目的有很大關(guān)系。

圖3 步行移動機(jī)器人中國專利申請人類型

2.3 中國主要申請人排名

圖4中為申請步行移動機(jī)器人中國專利大專院校的排名前十的主要申請人，國內(nèi)211、985大專院校是中國申請人進(jìn)行步行移動機(jī)器人研發(fā)和申請的絕對主力，浙江大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)和北京交通大學(xué)等院校都先后開展了多足步行移動機(jī)器人技術(shù)的研究。

圖4 在中國申請步行移動機(jī)器人的主要申請人

其中比較有代表性的有上海交通大學(xué)申請的2種四足仿生機(jī)器人，腿部采用四桿縮放機(jī)構(gòu)，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)也相繼申請了多件有關(guān)四足仿生機(jī)器人的專利，具有爬坡、越障等環(huán)境適應(yīng)性功能，可以在地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的作業(yè)條件下行走，如：清華大學(xué)申請的CN1483554A（一種可調(diào)整的四足仿生機(jī)器人運(yùn)動結(jié)構(gòu)），通過調(diào)整多項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動參數(shù)，使機(jī)器人呈現(xiàn)多種仿生形體結(jié)構(gòu)，該機(jī)器人可用來實(shí)現(xiàn)以多種典型步態(tài)如自由行走、對角行走、側(cè)步和奔跑等進(jìn)行平地行走，能夠適用于模仿較廣泛的動物節(jié)律運(yùn)動控制，可用來進(jìn)行野外勘探、探險(xiǎn)等一些惡劣條件下的作業(yè)；上海交通大學(xué)申請的CN104925160A（直線驅(qū)動的步行機(jī)器人腿部構(gòu)型及并聯(lián)六足步行機(jī)器人），具有腿部質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、便于防護(hù)和驅(qū)動器規(guī)格統(tǒng)一的優(yōu)點(diǎn)，可以在地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的作業(yè)條件下行走。

但是，目前研究和應(yīng)用的步行移動機(jī)構(gòu)的腿部一般采用連桿機(jī)構(gòu)，從整體上看都屬于開鏈機(jī)構(gòu)，且腿部自由度多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要較多的動力機(jī)驅(qū)動與控制，腿式協(xié)調(diào)控制復(fù)雜。北京交通大學(xué)姚燕安教授在2008年至今申請20多項(xiàng)發(fā)明專利，發(fā)明了多種將空間閉鏈機(jī)構(gòu)應(yīng)用到步行機(jī)構(gòu)中的設(shè)計(jì)，這些機(jī)構(gòu)在航天、軍事等領(lǐng)域的偵查和采樣等方面均可以得到應(yīng)用，如：CN108860353A（一種全轉(zhuǎn)動副四面體移動機(jī)器人），其6個(gè)支鏈的結(jié)構(gòu)和尺寸相同形成閉環(huán)，外形呈現(xiàn)正四面體，通過控制舵機(jī)的正、反轉(zhuǎn)驅(qū)動支鏈內(nèi)翻、外翻達(dá)到四面體移動機(jī)器人的變形及移動目的；CN101915292A（一種單動力滾動球面四桿機(jī)構(gòu)），通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使得球面四桿機(jī)構(gòu)變形，利用慣性力使機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)沿著圓周滾動；CN102058982A（一種單動力滾動多邊形機(jī)構(gòu)），該機(jī)構(gòu)具有單自由度用1個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動和控制，同時(shí)具有“雪花”的外形特征，通過變形改變機(jī)構(gòu)的重心位置，實(shí)現(xiàn)滾動運(yùn)動。CN102211623A（一種空間四桿步行機(jī)構(gòu)），通過控制2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，使空間四桿步行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直行及轉(zhuǎn)彎功能，實(shí)現(xiàn)平面任意方向步行運(yùn)動；CN102874340A（一種具有操作功能的移動機(jī)構(gòu)），通過控制驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)該機(jī)構(gòu)步行和爬行步態(tài)，可以達(dá)到調(diào)節(jié)自身平衡與越障的功能。

3 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類的研究和活動領(lǐng)域已在不斷地?cái)U(kuò)展，利用步行移動機(jī)器人進(jìn)行探測和開發(fā)己經(jīng)成為21世紀(jì)世界各主要科技發(fā)達(dá)國家的主要方式之一，從專利申請來看，中國也正在加大對步行移動機(jī)器人領(lǐng)域的研究。在未知的環(huán)境、不可以預(yù)測的環(huán)境中步行移動機(jī)器人的研究將是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。