范建会

摘  要：文章从可重构机器人领域的全球专利申请趋势、申请地域、申请人、主要技术构成等角度，对相关专利申请进行分析。分析结果表明，可重构机器人技术已经开始从理论研究阶段，逐步转移到产业应用阶段。中国申请量虽处于领先地位，研究方向涉及多个技术分支，但申请人主要为大专院校，技术市场转化率需要进一步提高。

关键词：可重构机器人;模块化机器人;专利分析

中图分类号：T-18 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0012-02

Abstract： This paper analyzes the related patent applications from the perspective of global patent application trend， application region， applicant and main technical composition in the field of reconfigurable robot. The results show that the reconfigurable robot technology has been transferred from the theoretical research stage to the industrial application stage. Although the number of applications in China is in a leading position and the research direction involves multiple technology branches， the applicants are mainly colleges and universities， and the technology market conversion rate needs to be further improved.

Keywords： reconfigurable robot; modular robot; patent analysis

目前，机器人应用、研究、开发主要包括仿生、灵活操作、触觉感知、模块化、智能化、人机协作、多机协同、机器增强等方向。其中，模块化方向主要涉及可重构机器人系统[1]，它是由一套具有各种尺寸和性能特性的可交换的模块组成，能够被装配成各种不同构形的机器人，以适应不同的工作，具有模块化、多模式、可重构、自适应等特点。

1 全球申请趋势

可重构机器人系统相关专利申请最早出现在上世纪60年代末，至2000年以前年申请量均在10件以下。自2001年开始出现缓慢增长，2009年申请量突破30件，可重构机器人技术发展进入萌芽期。2013年起，年申请量突破50件，进入快速增长期。2016年申请量首次超过100件，成为机器人领域研究的新兴热点。通过对检索结果进行统计，可重构机器人领域专利申请的分类号主要集中在B25J（占比65%），其次为G05B（9%）、G06F（7%）。

2 申请地域分布

可重构机器人专利申请最早出现在德国;上世纪80年初，申请地域逐渐转向日本;2000年美国成为最主要的申请地域;2009年后，申请量最多的地域为中国，2016年在中国的申请量首次超过50件，成为可重构机器人专利申请的最大来源国，之后每年申请量均为最多。按全球地域申请量排名第一位的为中国，占申请总量的42%;其次为美國，占比24%。在中国的专利申请人国别排名为中国（占总量90%）、美国、日本、法国、荷兰等。由此可见，我国在近5年为可重构机器人技术密集地域，研究活动最为活跃。按申请在我国各省市分布，主要集中在上海、北京、江苏、黑龙江、广东、天津等地区;其中，最早的申请出现在天津市，近5年申请量最多的为广东省。

3 申请人分析

在申请量排名前十名的申请人中，国内大专院校类申请人占比80%，国外企业占比20%。其中，哈尔滨工业大学是在总申请量上排名第一，上海交通大学、通用汽车分列二、三名。哈尔滨工业大学[2]可重构机器人专利申请开始于2004年，2007-2008年申请量进一步增加，2016-2019年在本领域申请量位居首位。上海交通大学[3]申请开始于2004年，2009-2010年申请量进一步增加，2011-2019年每年均有申请。通用汽车公司涉足可重构机器人较晚，最早的申请在2008年，近10年申请量较为稳定。工业机器人“四巨头”之一的ABB公司在2016年也开始了在该领域的研究工作。中国科学院沈阳自动化研究所[4]、东南大学[5]的申请量主要集中在2011-2014年。广西大学在2016年可开始在该领域提交专利申请。通过以上申请人分析可知，可重构机器人技术已经开始从理论研究阶段，逐步转移到产业应用阶段。

4 主要技术构成及相关专利

通过对可重构机器人领域专利申请的统计分析可知，其技术构成主要包括关节、模块化重构机器人、可重构机械臂、执行器、控制器、空间协调、路径优化等方面。按专利申请的申请时间可知，可重构机器人申请技术构成由最初的运动路径规划、驱动器，向模块化重构机器人、空间协调、重构关节等技术领域转移。哈尔滨工业大学基本上对以上技术方向都有所涉及，其布局重点主要集中在可重构执行器、控制器、关节等。上海交通大学申请布局主要集中在模块化重构执行器和空间协调等。通用汽车公司的申请主要集中在可重构关节、模块化重构执行器、驱动器等。

以下是对早期可重构机器人领域专利申请进行分析。日本日立公司JP60003711A是可重构机器人领域的早期申请，其公开了一种细胞型机器人装置，包括多个机器人细胞，每个机器人细胞基于与相邻机器人细胞的信息交换来控制其自身的操作。机器人单元的操作是整体协调的，即使在一个或多个机器人单元出现故障或机器人需要扩展时，每个机器人单元也无需改变硬件和软件即可进行控制;可以提供每个机器人单元，以便可以在构建块布置中增加或减少机器人。每个机器人细胞都有对应于手和脚的手臂，并且能够控制自己的操作;机器人单元组的操作除了缠绕物体、抓握和移动物体的操作外，还被设计成预定图案的形状;通过允许单个蜂窝机器人控制其自身的操作并在相邻蜂窝机器人之间的信息交换的基础上执行整体操作，增加操作自由度并获得快速响应。西屋电气公司于1989年申请的DE3918587A1，其公开了一种由若干个各具有一个自由度的致动器组成的可重新组合的机械手，机械元件将若干个致动器连接在一起，控制回路接收用于控制多个致动器工作的各个指令，致动器的数目和与之相应的自由度的数目大于执行不同任务所需的自由度，根据执行的任务选择至少一个致动器在执行该项任务期间加以固定，或分别加以控制，借此构制成用于该项任务的机械手，并简化了实现机械手适时控制的几何构形。美国南加州大学于2002年申请的US15548902A，其涉及一种用于分布式控制的协议允许自主代理协商代理的组任务，特别涉及机器人应用中的移动或自重构，并同步各个代理动作以实现组任务，通过物理耦合的自足机器人模块，连续地发现它们的局部拓扑中的变化，本地拓扑包括到所述可重新配置网络拓扑中的自主代理的通信连接的类型，以及基于所接收的控制消息和所确定的本地拓扑来确定动作。

通过浏览本领域申请量前三位申请人的专利申请，哈尔滨工业大学于2004年首次申请该领域的案件;2007-2008年申请多件可重构机器人案件，其中CN101100062A涉及可重构机器人手掌结构，CN101288951A、CN101314226A分别涉及双L形正立方体和万向式模块化可重构机器人;2017年开始涉足于可重构并联机器人，如CN107127738A可通过在六自由度并联机构的支腿上设置可重构机构，实现运动解耦;2019年申请CN110065075A，涉及可重构机器人的感知方法，该感知方法主要通过视觉系统和图像数据库进行标注，可快速推导两个连接面的相对于位姿关系。上海交通大学最早申请是2004年申请的CN1562580A，该申请涉及一种交互式模块中的快速连接、脱离标准接口，该标准接口通过两个传感器以及双轴双孔单元相互配合，可在分析接收到多个模块对接需求后，快速执行并完成相应连接或脱离等功能;2005年对可重构机器人空间传动机构进行了广泛研究;2009年起一直对可重构机器人对接机构进行不断改进，先后提出了CN101564843A卡紧轴机构，CN101531008A万向连接机构、CN101817183A电磁型连接结构、CN101670586A销轴楔合机构、CN102862159A销孔卡紧机构以及CN110434892A导杆对接机构;为了适应不同环境及变形模式，上海交通大学对模块化可重构机器人模块结构不断优化，先后提出了CN104249368A双柱型结构、CN104786208A正四面体结构、CN106272385A正三棱柱结构、CN108527350A立方体形结构等多种模块化结构。通用汽车公司于2008年開始在可重构机器人领域进行申请，US20100140969A1涉及具有铰接框架和可转位主臂的可重构末端执行器，其在安装工具和相关过程可以重新配置工具模块的位置以及末端执行器的框架和动臂;2015-2017年通用汽车公司一直专注于可重构机器人系统在工业上的应用，主要对末端执行器组件进行研究，如US20160339590A1、US20160288322A1。

5 结束语

根据上述分析可以得出，可重构机器人领域的专利申请量在近五年呈现快速增长趋势。中国申请量处于领先地位，研究方向涉及多个技术分支，但其申请人主要为大专院校，市场转化率不高。国外申请人由原来的理论研究逐步转变至技术应用，主要研究集中末端执行器方向，应用领域主要为汽车、飞机制造领域，从另一方面也反映出我国高校可重构机器人技术市场转化的紧迫性。

参考文献：

[1]刘明尧，谈大龙，李斌.可重构模块化机器人现状和发展[J].机器人，2001，23（3）：275-279.

[2]张玉华，赵杰，张亮，等.新型模块化可重构机器人系统[J].机械工程学报，2006，42（增刊）：175-178.

[3]费燕琼，张鑫，夏振兴.自重构模块化机器人的运动空间及自变形算法[J].机械工程学报，2009，045（003）：197-202.

[4]李斌，董慧颖，白雪.可重构机器人研究和发展现状[J].沈阳工业学院学报，2000，19（4）：68-72.

[5]吕晓俊，钱瑞明，等.可重构机器人运动学正逆解的算法研究[J].机械设计，2006，23（3）：53-56.