摘 要：【目的】工業(yè)產(chǎn)品多樣化、差異化、個性化對機械手爪提出新的功能要求，有必要從專利申請的角度對自適應(yīng)機械手爪的技術(shù)進行分析總結(jié)?！痉椒ā客ㄟ^檢索統(tǒng)計分析了自適應(yīng)機械手爪專利申請量的趨勢、專利申請的分布及典型的技術(shù)方案?！窘Y(jié)果】我國自適應(yīng)機械手爪的申請量居全球首位，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)機械手爪的研究集中于軟體類、伸縮類和連桿類三個方向?！窘Y(jié)論】通過對自適應(yīng)機械手爪的專利申請進行分析，以期為相關(guān)人員提供參考和借鑒。

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

中圖分類號：TP241；G255.53? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：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)機器人的成本昂貴，通常采用更換機械手爪的形式來拓展工業(yè)機器人的使用范圍。工業(yè)產(chǎn)品呈現(xiàn)出多樣化、差異化、個性化等特點，對機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)機械手爪應(yīng)運而生。

1 自適應(yīng)機械手爪的含義

自適應(yīng)機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，在抓取中也未對抓取的物體進行傳感檢測，但是卻可以自適應(yīng)地調(diào)整結(jié)構(gòu)實現(xiàn)抓取的機械手爪。自適應(yīng)機械手爪的應(yīng)用使得工業(yè)機器人實現(xiàn)了更為有難度的抓取，因此具有廣泛的應(yīng)用前景，針對自適應(yīng)機械手爪的研究近年來成為新的熱點［1-4］。

2 專利申請數(shù)量態(tài)勢分析

為研究國內(nèi)外自適應(yīng)機械手爪領(lǐng)域?qū)＠暾埖默F(xiàn)狀，本研究選擇Himmpat數(shù)據(jù)庫，檢索文獻涵蓋了公開日或公告日在2023年1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)鍵詞為自適應(yīng)、軟體、氣囊，對應(yīng)的英文關(guān)鍵詞為adaptive，soft，air sac。IPC分類號為：B25J15+?；跈z索到的專利文獻進行數(shù)據(jù)提取、篩選及歸納，重點從專利申請量年度分布、專利申請的地域分布、主要專利申請人三個角度對檢索結(jié)果進行分析。

2.1 專利申請年度分布

1978年以來自適應(yīng)機械手爪全球?qū)＠暾埩康哪甓确植?，如圖1所示。1978年，MAN AG首先提出了抓取力會自動適應(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)機械手爪專利申請。1978—1986年，申請總量僅僅87件，技術(shù)整體處于萌芽階段；1987—2013年，每年申請量均在50件以下緩慢波動變化，技術(shù)整體處于緩步發(fā)展的階段；2014年申請量急劇上升，并于2020年申請量達到頂峰的639件，技術(shù)整體處于快速發(fā)展階段。

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

2.2 專利申請地域分布

全球?qū)＠暾埩康膰液偷貐^(qū)分布，如圖3所示。雖然中國出現(xiàn)較晚，但中國的專利申請在全球?qū)＠暾垟?shù)量上占據(jù)絕對優(yōu)勢，居全球第一，約占總份額的67.12%，可見中國對自適應(yīng)機械手爪方面的相關(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)。其次是美國，申請量為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%。歐洲專利申請約占總份額的4.49%，WO專利申請約占總份額的4.03%。

2.3 主要專利申請人分析

全球申請數(shù)量排名靠前的外國申請人，如圖4所示。排名第一的為軟機器人公司，達到207件，其為一家美國企業(yè)；其他申請人中，美國的哈佛大學(xué)校長及研究員協(xié)會、亞馬遜技術(shù)公司，日本的株式會社久保田、精工愛普生株式會社，德國的西門子公司，韓國的韓國機械研究院、光州科學(xué)技術(shù)院的申請數(shù)量也名列前茅。

國內(nèi)申請數(shù)量排名靠前的申請人，如圖5所示。國內(nèi)高校中清華大學(xué)研究團隊的申請量最高，達到全球第一的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，國內(nèi)企業(yè)包括蘇州軟體機器人科技有限公司和北京軟體機器人科技有限公司，企業(yè)的研究更加針對軟體自適應(yīng)機械手爪，研究重點明確。國內(nèi)申請人主要以高校及科研院所居多，表明中國的申請量多，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

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

3.1 軟體類自適應(yīng)機械手爪

軟機器人公司提出的專利申請WO2018183852A1，涉及軟體軟致動器，其在被致動時保持自適應(yīng)性，以使軟致動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偏轉(zhuǎn)，使得在從一堆或料箱中拾取物體時，避免碰撞相鄰物體或者料箱的側(cè)面；因為材料可易于變形，還能夠以可控方式在整個大表面區(qū)域分布施加大小可控的力。因此，軟機器人致動器可自適應(yīng)抓持物體且不對其造成損壞。

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

3.2 伸縮類自適應(yīng)機械手爪

清華大學(xué)提出的專利申請CN105619441A，涉及多指緊箍彈性變位桿簇自適應(yīng)機器人手裝置，其主要技術(shù)手段是采用基座、驅(qū)動器、多孔彈性塊、多個手指和多個滑動推桿等綜合實現(xiàn)了離散空間自適應(yīng)抓取功能，利用了多個滑動推桿實現(xiàn)對物體大小和形狀的自適應(yīng)功能；利用傳驅(qū)動器和傳動機構(gòu)帶動手指擠壓多孔彈性塊或滑動推桿，使多個滑動推桿向裝置的中心聚攏，達到對物體的多向抓持效果；該裝置對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)簡單；通過手指緊箍運動，輕松實現(xiàn)多個滑動推桿向裝置中心聚攏而達到抓持目的，能耗低。

3.3 連桿類自適應(yīng)機械手爪

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

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

4 結(jié)語

我國有關(guān)自適應(yīng)機械手爪的專利申請已經(jīng)明顯高于其他國家，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)機械手爪的研究方向為軟體類、伸縮類和連桿類三個方向，軟體類的自適應(yīng)機械手爪目前是各公司的研發(fā)重點，其技術(shù)相對成熟，申請人在研究時應(yīng)當進行相應(yīng)調(diào)整。本研究將為后續(xù)自適應(yīng)機械手爪的研究和發(fā)展開拓新的技術(shù)思路。

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收稿日期：2023-03-23

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