摘 要：【目的】從專(zhuān)利申請(qǐng)的角度對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)?！痉椒ā客ㄟ^(guò)檢索統(tǒng)計(jì)分析了六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)專(zhuān)利申請(qǐng)量的趨勢(shì)、專(zhuān)利申請(qǐng)的分布及典型的技術(shù)方案。【結(jié)果】國(guó)外對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究并不熱衷，我國(guó)大力研究六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其專(zhuān)利申請(qǐng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，同時(shí)，國(guó)內(nèi)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)的成果轉(zhuǎn)化還有很大空間?！窘Y(jié)論】通過(guò)對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行分析，以期為相關(guān)人員提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：六自由度;并聯(lián)機(jī)構(gòu);專(zhuān)利分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122；G306" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）13-0133-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.027

Research on 6-DOF Parallel Mechanism from Patent Analysis

PAN Yufen" LI Xiangliang

（Patent Examination Cooperation Guangdong Center of Patent Office， CNIPA，Guangdong 510535，China）

Abstract：[Purposes] This paper aims to analyze and summarize the technology of 6-DOF parallel mechanisms from the perspective of patent applications. [Methods]The trend of patent applications for 6-DOF parallel mechanisms， the distribution of patent applications， and typical technical solutions were analyzed through retrieval statistics. [Findings] Foreign countries are not enthusiastic about the research on 6-DOF parallel mechanisms， while China is vigorously researching 6-DOF parallel mechanisms， and its patent application has been far higher than that of other countries. At the same time， most of the domestic technology is mastered in universities and scientific research institutions， reflecting that there is still much room for the transformation of science and technology. [Conclusions] By analyzing the patent application of the 6-DOF parallel mechanism， we hope to provide reference and reference for relevant personnel.

Keywords：6-DOF; parallel mechanism; patent analysis

0 引言

1978年，Hunt首次提出將六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人手臂，拉開(kāi)了并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的序幕。六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度好、承載能力大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力強(qiáng)及動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，在運(yùn)動(dòng)模擬、精確定位等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［3］，六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究近年來(lái)成為新的熱點(diǎn)，如3-RPPS型 ［4］、雙支鏈型［5］、3-URS型［6］等。

1 專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量態(tài)勢(shì)分析

1.1 專(zhuān)利申請(qǐng)年度及地域分布

1990年以來(lái)，六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)利申請(qǐng)量的年度分布如圖1所示。1978年，美國(guó)馬里蘭大學(xué) （University of Maryland）首先提出了模塊化靈巧手US5052736A，其采用Stewart平臺(tái)對(duì)手指的范圍進(jìn)行調(diào)整，此為全球第一件六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)專(zhuān)利申請(qǐng)。

1990—2002年，全球年度申請(qǐng)量均在50件以下，技術(shù)整體處于起步發(fā)展的階段；2003—2009年，申請(qǐng)量有所上升，但是年度申請(qǐng)量均在100件以下波動(dòng)變化，技術(shù)整體處于緩步發(fā)展的階段；2010年至今，申請(qǐng)量持續(xù)快速上升并于2016年申請(qǐng)量達(dá)到頂峰的472件，技術(shù)快速發(fā)展，后續(xù)申請(qǐng)量仍較高，穩(wěn)定在150件以上。

全球?qū)＠暾?qǐng)量的國(guó)家和地區(qū)分布如圖2所示。中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)谌驅(qū)＠暾?qǐng)數(shù)量上占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，居全球第一，約占總份額的70.31%，可見(jiàn)中國(guó)對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)方面的相關(guān)技術(shù)研究非常重視，這與中國(guó)近幾年在機(jī)器人方面的大力投入密切相關(guān)。其次是美國(guó)，申請(qǐng)量為290件，約占總份額的7.37%。居第三位的是日本，申請(qǐng)量為194件，約占總份額的4.93%。歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)以187件約占總份額的4.75%，世界其他地區(qū)專(zhuān)利申請(qǐng)160件約占總份額的4.07%。

各國(guó)有關(guān)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)專(zhuān)利申請(qǐng)量的年度分布如圖3所示。美國(guó)在1990最早在此技術(shù)領(lǐng)域申請(qǐng)專(zhuān)利，然而1990—2013年，每年的申請(qǐng)量不足15件，雖然在2014年出現(xiàn)最高的27件，后續(xù)申請(qǐng)量仍不高，每年申請(qǐng)量均不足25件。日本、歐洲和世界專(zhuān)利局的申請(qǐng)量自1990起每年均不足15件，這說(shuō)明國(guó)外機(jī)構(gòu)對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究并不熱衷。

國(guó)內(nèi)第一件關(guān)于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)在1990年10月27日的東北重型機(jī)械學(xué)院秦皇島分校申請(qǐng)的CN2075574U，涉及一種并聯(lián)多環(huán)結(jié)構(gòu)機(jī)器人，是具有六個(gè)自由度、剛度大，承載能力高、結(jié)構(gòu)緊湊的新型機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其為實(shí)用新型專(zhuān)利。

1998年之前，除第一件申請(qǐng)外，國(guó)內(nèi)沒(méi)有新的關(guān)于六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的申請(qǐng)，說(shuō)明當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，僅有少量單位從國(guó)外期刊學(xué)習(xí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)；1999—2008年，2003年達(dá)到第一個(gè)高峰后短暫下降，但年度申請(qǐng)量均在50件以下緩慢波動(dòng)變化，技術(shù)整體處于起步發(fā)展的階段；從2009年至今，申請(qǐng)量持續(xù)增長(zhǎng)，并從2012年開(kāi)始申請(qǐng)量以每年破百的速度急劇上升，于2016年申請(qǐng)量達(dá)到頂峰的390件。

1.2 主要專(zhuān)利申請(qǐng)人分析

申請(qǐng)量排名靠前的外國(guó)申請(qǐng)人如圖4所示。申請(qǐng)靠前的各國(guó)申請(qǐng)人數(shù)量相對(duì)均衡，數(shù)量在15～31件之間，包括日本的株式會(huì)社天田、大隈株式會(huì)社、日本發(fā)條株式會(huì)社，美國(guó)的原子能和替代能源委員會(huì)、波音公司、Amada，加拿大的拉瓦爾大學(xué)，韓國(guó)的韓國(guó)機(jī)械研究院、光州科學(xué)技術(shù)院。

申請(qǐng)數(shù)量排名靠前的國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人如圖5所示。國(guó)內(nèi)高校中燕山大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的申請(qǐng)量最高，達(dá)到全球第一的188件，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、江蘇大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、哈爾濱工程大學(xué)、華南理工大學(xué)的申請(qǐng)數(shù)量也是名列前茅。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人主要以高校及科研院所居多，表明中國(guó)的申請(qǐng)量多，但是在科技成果轉(zhuǎn)化上還有很大空間。

2 典型專(zhuān)利技術(shù)方案分析

通過(guò)對(duì)檢索到的專(zhuān)利申請(qǐng)文件進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究方向集中在四個(gè)方向：六支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)、復(fù)合支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)、少支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和混聯(lián)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。因此，對(duì)這四個(gè)方向的典型專(zhuān)利技術(shù)方案進(jìn)行分析，以期為創(chuàng)新主體提供參考。

2.1 六支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)

六支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，顧名思義，是由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)和六條支鏈組成的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其研究方向?yàn)樵诹杂啥鹊腟tewart平臺(tái)的基礎(chǔ)上對(duì)六條支鏈的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、減小了能耗的輸出效果。

韓國(guó)機(jī)械研究院的專(zhuān)利申請(qǐng)KR20120129525A，涉及一種六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，以通過(guò)將底座和致動(dòng)器彼此垂直安裝來(lái)減小致動(dòng)器的尺寸并提高空間利用率，包括基座，平臺(tái)和多個(gè)致動(dòng)器，平臺(tái)以六個(gè)自由度移動(dòng)。

燕山大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)CN1442274A，涉及一種3-2-1結(jié)構(gòu)六自由度正交并聯(lián)機(jī)床，六根直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)支路與運(yùn)動(dòng)臺(tái)和固定臺(tái)相連的運(yùn)動(dòng)副為球鉸，六根直線移動(dòng)驅(qū)動(dòng)支路3按3、2、1分為三組，與三組驅(qū)動(dòng)支路對(duì)應(yīng)的與運(yùn)動(dòng)臺(tái)2相連的三組球鉸的中心分別分布在一六面體的三個(gè)互相垂直的表面上，固定臺(tái)上的六個(gè)球鉸點(diǎn)的分布特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)臺(tái)上的六個(gè)球鉸點(diǎn)相似。

2.2 復(fù)合支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)

復(fù)合支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，是由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)和復(fù)合支鏈組成的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其研究方向?yàn)椴捎脧?fù)合的支鏈結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)六自由度，以達(dá)到運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解析解易求、變姿態(tài)靈活、承載大、剛度好更好的輸出效果。

江蘇工業(yè)學(xué)院的專(zhuān)利申請(qǐng)CN1219627C，涉及一種用于虛擬軸數(shù)控機(jī)床與測(cè)量機(jī)的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)及連接動(dòng)、靜平臺(tái)的三條相同的聯(lián)接腿組成。每條聯(lián)接腿由一平面閉路結(jié)構(gòu)及一開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)組成。

常州大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)CN102581844A，涉及一種六自由度全解析解耦并聯(lián)操作平臺(tái)，包括動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)及聯(lián)接在動(dòng)平臺(tái)、靜平臺(tái)之間的三條支鏈，第一條支鏈為S-P-S型支鏈，二條支鏈為由二條S-P-S型支鏈組成且有兩個(gè)球副重合的第一復(fù)合支鏈，第三條支鏈為由三條S-P-S型支鏈組成且有三個(gè)球副重合的第二復(fù)合支鏈。

2.3 少支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)

少支鏈六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，是由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)和少于六條支鏈組成的六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其研究方向?yàn)椴捎?-5支鏈實(shí)現(xiàn)六自由度的輸出，以達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)件少、工作空間大、控制簡(jiǎn)單，精度高等目的。

燕山大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)CN103042521A，涉及一種3-SPS/SPS三驅(qū)動(dòng)六自由度大量程調(diào)姿調(diào)位并聯(lián)機(jī)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)完全相同的三個(gè)SPS分支和一個(gè)SPS中間支柱。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)CN1962209A，涉及一種三支鏈六自由度并聯(lián)柔性鉸鏈微動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括基平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、設(shè)置于基平臺(tái)上的驅(qū)動(dòng)單元和通過(guò)柔性鉸關(guān)節(jié)分別與驅(qū)動(dòng)單元和動(dòng)平臺(tái)連接的三個(gè)支桿，所述的驅(qū)動(dòng)單元包括安裝在基平臺(tái)上的三個(gè)彈性平板和與彈性平板相連的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，基平臺(tái)上的三個(gè)彈性平板一體加工，每個(gè)彈性平板上連接兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，兩個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器呈直角分布。

2.4 混聯(lián)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)

混聯(lián)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，是基于串聯(lián)機(jī)構(gòu)與并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的，由于其在應(yīng)用中既彌補(bǔ)了串聯(lián)機(jī)構(gòu)在剛度、精度、實(shí)時(shí)—控制等方面的不足，又克服了并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間小、運(yùn)動(dòng)耦合的缺點(diǎn)，該類(lèi)結(jié)構(gòu)形式的機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可重構(gòu)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在目前對(duì)加工高速化技術(shù)要求的背景下，這也是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

燕山大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)CN104626099A，涉及一種完全解耦的三轉(zhuǎn)動(dòng)三移動(dòng)六自由度混聯(lián)機(jī)構(gòu)，其機(jī)座與中間平臺(tái)一之間由三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的分支連接，該分支由四個(gè)運(yùn)動(dòng)副組成，分別是直線驅(qū)動(dòng)移動(dòng)副，轉(zhuǎn)動(dòng)副，直線移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副及萬(wàn)向鉸或轉(zhuǎn)動(dòng)副。中間平臺(tái)一和中間平臺(tái)二間由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，中間平臺(tái)二與動(dòng)平臺(tái)間由RPS分支、PSPR分支、PS分支和SPS分支連接。

南京理工大學(xué)的專(zhuān)利申請(qǐng)CN115039572A，涉及一種六自由度混聯(lián)采摘操作手，包括串聯(lián)機(jī)構(gòu)部分和并聯(lián)機(jī)構(gòu)部分。串聯(lián)機(jī)構(gòu)部分包括水平橫梁、鉛垂梁及轉(zhuǎn)動(dòng)臂，并聯(lián)機(jī)構(gòu)部分包括靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、混合支鏈及簡(jiǎn)單支鏈。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可知，國(guó)外對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究并不熱衷，而我國(guó)大力研究六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，專(zhuān)利申請(qǐng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，同時(shí)，國(guó)內(nèi)技術(shù)大部分掌握在高校和科研院所中，反映出科技成果轉(zhuǎn)化還有很大空間。

六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究方向集中在四個(gè)方向：六支鏈、復(fù)合支鏈、少支鏈和混聯(lián)。通過(guò)設(shè)置不同的支鏈形式能夠得到不同的六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)，具體的運(yùn)動(dòng)副設(shè)置會(huì)帶來(lái)不同的靈活度，其對(duì)于最后的輸出優(yōu)化具有不同的影響。本研究能夠?yàn)楹罄m(xù)六自由度的研究提供新的技術(shù)思路。

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