从专利分析看六自由度并联机构的研究.pdf

知识产权与专利导航河南科技Henan Science and Technology总第807期第13期2023年7月收稿日期：2023-04-02作者简介：潘玉芬（1987），女，本科，助理研究员，研究方向：发明专利审查；李祥亮（1987），男，硕士，助理研究员，研究方向：发明专利审查（等同于第一作者）。从专利分析看六自由度并联机构的研究潘玉芬李祥亮（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心,广东广州510535）摘要：【目的目的】从专利申请的角度对六自由度并联机构的技术进行分析总结。【方法方法】通过检索统计分析了六自由度并联机构专利申请量的趋势、专利申请的分布及典型的技术方案。【结果结果】国外对六自由度并联机构的研究并不热衷，我国大力研究六自由度并联机构，其专利申请已经远远高于其他国家，同时，国内技术大部分掌握在高校和科研院所中，反映出科学技术的成果转化还有很大空间。【结论结论】通过对六自由度并联机构的专利申请进行分析，以期为相关人员提供参考和借鉴。关键词：六自由度;并联机构;专利分析中图分类号：TH122；G306文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）13-0133-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.027Research on 6-DOF Parallel Mechanism from Patent AnalysisPAN 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.MethodsThe trend of patent applications for 6-DOF parallel mechanisms,the distribution of patent applications,and typical technical solutions were analyzed throughretrieval statistics.Findings Foreign countries are not enthusiastic about the research on 6-DOF parallelmechanisms,while China is vigorously researching 6-DOF parallel mechanisms,and its patent applicationhas been far higher than that of other countries.At the same time,most of the domestic technology is masteredin 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 parallelmechanism,we hope to provide reference and reference for relevant personnel.Keywords：6-DOF;parallel mechanism;patent analysis0引言1978年，Hunt首次提出将六自由度并联机构用于机器人手臂，拉开了并联机构研究的序幕。六自由度并联机构具有结构刚度好、承载能力大、结构稳定、承载能力强及动态响应性能好等优点1-2，在运动模拟、精确定位等领域有着广泛的应用3，六自由度并联机构的研究近年来成为新的热点，如3-RPPS型4、双支链型5、3-URS型6等。1专利申请数量态势分析1.1专利申请年度及地域分布1990年以来，六自由度并联机构国内外专利申请量的年度分布如图1所示。1978年，美国马里兰134第13期大学(University of Maryland)首先提出了模块化灵巧手US5052736A，其采用Stewart平台对手指的范围进行调整，此为全球第一件六自由度并联机构专利申请。19902002年，全球年度申请量均在 50件以下，技术整体处于起步发展的阶段；20032009年，申请量有所上升，但是年度申请量均在100件以下波动变化，技术整体处于缓步发展的阶段；2010年至今，申请量持续快速上升并于2016年申请量达到顶峰的472件，技术快速发展，后续申请量仍较高，稳定在150件以上。图119902022年国内外专利申请量全球专利申请量的国家和地区分布如图 2所示。中国的专利申请在全球专利申请数量上占据绝对优势，居全球第一，约占总份额的 70.31%，可见中国对六自由度并联机构方面的相关技术研究非常重视，这与中国近几年在机器人方面的大力投入密切相关。其次是美国，申请量为290件，约占总份额的 7.37%。居第三位的是日本，申请量为194件，约占总份额的4.93%。欧洲专利申请以187件约占总份额的 4.75%，世界其他地区专利申请160件约占总份额的4.07%。图2六自由度并联机构全球专利申请量分布各国有关六自由度并联机构专利申请量的年度分布如图3所示。美国在1990最早在此技术领域申请专利，然而19902013年，每年的申请量不足15件，虽然在2014年出现最高的27件，后续申请量仍不高，每年申请量均不足25件。日本、欧洲和世界专利局的申请量自 1990 起每年均不足 15件，这说明国外机构对六自由度并联机构的研究并不热衷。国内第一件关于六自由度并联机构的专利申请出现在 1990年 10月 27日的东北重型机械学院秦皇岛分校申请的CN2075574U，涉及一种并联多环结构机器人，是具有六个自由度、刚度大，承载能力高、结构紧凑的新型机器人机构，其为实用新型专利。1998年之前，除第一件申请外，国内没有新的关于六自由度并联机构的申请，说明当时国内还没有对六自由度并联机构进行研究，仅有少量单位从国外期刊学习并联机构；19992008年，2003年达到第一个高峰后短暂下降，但年度申请量均在 50件以下缓慢波动变化，技术整体处于起步发展的阶段；从2009年至今，申请量持续增长，并从2012年开始申请量以每年破百的速度急剧上升，于 2016年申请量达到顶峰的390件。图3各国有关六自由度并联机构专利申请量的年度分布1.2主要专利申请人分析申请量排名靠前的外国申请人如图 4 所示。申请靠前的各国申请人数量相对均衡，数量在1531件之间，包括日本的株式会社天田、大隈株式会社、日本发条株式会社，美国的原子能和替代能源委员会、波音公司、Amada，加拿大的拉瓦尔大学，韩国的韩国机械研究院、光州科学技术院。申请数量排名靠前的国内申请人如图5所示。国内高校中燕山大学研究团队的申请量最高，达到全球第一的188件，哈尔滨工业大学、上海交通大学、江苏大学、北京航空航天大学、清华大学、天津大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、哈尔滨工程大学、华南理工大学的申请数量也是名列前茅。国内申请人主要以高校及科研院所5004003002001000申请量/件199019921994199619982000200220042006200820102012201420162018202020225 6611 13302920213648484883747276494683103123150230 229229472349329272302245179年份中国2 794 71.02%澳大利亚32 0.81%加拿大49 1.25%德国71 1.80%韩国157 3.99%其他地区160 4.07%欧洲187 4.75%日本194 4.93%美国290 7.37%1990199219941996199820002004200620082010201220142016201820202022年份200245040035030025020015010050050454035302520151050中国世界欧洲日本美国申请量/件中国其他国家或地区潘玉芬，等.从专利分析看六自由度并联机构的研究申请量/件第13期135居多，表明中国的申请量多，但是在科技成果转化上还有很大空间。图4申请数量排名靠前的外国申请人图5申请数量排名靠前的国内申请人2典型专利技术方案分析通过对检索到的专利申请文件进行分析后发现，六自由度并联机构的研究方向集中在四个方向：六支链六自由度并联机构、复合支链六自由度并联机构、少支链六自由度并联机构和混联六自由度并联机构。因此，对这四个方向的典型专利技术方案进行分析，以期为创新主体提供参考。2.1六支链六自由度并联机构六支链六自由度并联机构，顾名思义，是由动平台、定平台和六条支链组成的六自由度并联机构，其研究方向为在六自由度的Stewart平台的基础上对六条支链的具体结构进行调整，以达到提高系统的动态响应特性、减小了能耗的输出效果。韩国机械研究院的专利申请KR20120129525A，涉及一种六自由度并联机构，以通过将底座和致动器彼此垂直安装来减小致动器的尺寸并提高空间利用率，包括基座，平台和多个致动器，平台以六个自由度移动。燕山大学的专利申请CN1442274A，涉及一种3-2-1结构六自由度正交并联机床，六根直线移动驱动支路与运动台和固定台相连的运动副为球铰，六根直线移动驱动支路3按3、2、1分为三组，与三组驱动支路对应的与运动台2相连的三组球铰的中心分别分布在一六面体的三个互相垂直的表面上，固定台上的六个球铰点的分布特点和运动台上的六个球铰点相似。2.2复合支链六自由度并联机构复合支链六自由度并联机构，是由动平台、定平台和复合支链组成的六自由度并联机构，其研究方向为采用复合的支链结构实现六自由度，以达到运动学正反解析解易求、变姿态灵活、承载大、刚度好更好的输出效果。江苏工业学院的专利申请 CN1219627C，涉及一种用于虚拟轴数控机床与测量机的六自由度并联机构，由动平台、静平台及连接动、静平台的三条相同的联接腿组成。每条联接腿由一平面闭路结构及一开链结构组成。常州大学的专利申请CN102581844A，涉及一种六自由度全解析解耦并联操作平台，包括动平台、静平台及联接在动平台、静平台之间的三条支链，第一条支链为S-P-S型支链，二条支链为由二条S-P-S型支链组成且有两个球副重合的第一复合支链，第三条支链为由三条S-P-S型支链组成且有三个球副重合的第二复合支链。2.3少支链六自由度并联机构少支链六自由度并联机构，是由动平台、定平台和少于六条支链组成的六自由度并联机构，其研究方向为采用3-5支链实现六自由度的输出，以达到结构简单、驱动件少、工作空间大、控制简单，精度高等目的。燕山大学的专利申请CN103042521A，涉及一种 3-SPS/SPS 三驱动六自由度大量程调姿调位并联机构，包括结构完全相同的三个SPS分支和一个SPS中间支柱。哈尔滨工业大学的专利申请CN1962209A，涉及一种三支链六自由度并联柔性铰链微动机构，包括基平台、动平台、设置于基平台上的驱动单元和通过柔性铰关节分别与驱动单元和动平台连接的三个支杆，所述的驱动单元包括安装在基平台上的三个弹性平板和与弹性平板相连的压电陶瓷驱动器，基平台上的三个弹性平板一体加工，每个弹性平板上连接两个压电陶瓷驱动器，两个压电陶瓷驱动器呈直角分布。2.4混联六自由度并联机构混联六自由度并联机构，是基于串联机构与并联机构组成的，由于其在应用中既弥补了串联机构株式会社天田韩国机械研究院原子能和替代能源委员会大隈株式会社日本发条株式会社ehrenleitner franz光州科学技术院波音公司amada ltd us拉瓦尔大学deutsche forsch luft raumfahrt3130262524202020171715燕山大学哈尔滨工业大学上海交通大学江苏大学北京航空航天大学清华大学天津大学河北工业大学中国科学院长春光学精密机械与物理研究所哈尔滨工程大学华南理工大学188106595957575142373432潘玉芬，等.从专利分析看六自由度并联机构的研究136第13期在刚度、精度、实时控制等方面的不足，又克服了并联机构工作空间小、运动耦合的缺点，该类结构形式的机构具有结构紧凑、可重构能力强的优点。在目前对加工高速化技术要求的背景下，这也是并联机构的重要发展趋势。燕山大学的专利申请CN104626099A，涉及一种完全解耦的三转动三移动六自由度混联机构，其机座与中间平台一之间由三个结构相同的分支连接，该分支由四个运动副组成，分别是直线驱动移动副，转动副，直线移动副或转动副及万向铰或转动副。中间平台一和中间平台二间由一个转动副连接，中间平台二与动平台间由RPS分支、PSPR分支、PS分支和SPS分支连接。南京理工大学的专利申请CN115039572A，涉及一种六自由度混联采摘操作手，包括串联机构部分和并联机构部分。串联机构部分包括水平横梁、铅垂梁及转动臂，并联机构部分包括静平台、动平台、混合支链及简单支链。3结语通过分析可知，国外对六自由度并联机构的研究并不热衷，而我国大力研究六自由度并联机构，专利申请已经远远高于其他国家，同时，国内技术大部分掌握在高校和科研院所中，反映出科技成果转化还有很大空间。六自由度并联机构的研究方向集中在四个方向：六支链、复合支链、少支链和混联。通过设置不同的支链形式能够得到不同的六自由度并联结构，具体的运动副设置会带来不同的灵活度，其对于最后的输出优化具有不同的影响。本研究能够为后续六自由度的研究提供新的技术思路。参考文献：1黄海涛，刘统，彭国朋.六自由度并联平台的设计与应用J.现代雷达.2022，44（7）：92-97.2范潍.六自由度并联机器人的研究现状分析 J.电子制作，2015（8）：10.3虞启凯，游有鹏，韩江义，等.一种新型3-UrSR六自由度并联机构的位置与作业空间分析 J.机械科学与技术，2012，31（4）：552-556.4李文星，贾蒙.一种3-RPPS六自由度并联机构运动学分析与仿真 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