论文部分内容阅读
【摘 要】本文对并联机构的技术现状，专利申请现状进行分析，分析历年专利申请量、主要申请人，探讨并联机构的发展趋势，为国内企业及研究机构提供专利信息和技术支持。
一、引言
自从机器人诞生的几十年里，机器人获得迅速的发展。在串联机器人快速发展的同时，人们提出并联机器人的概念。与串联机器人相比，并联机器人在性能上存在根本的差异，在性能上存在很大程度的“对偶关系”，这种对偶性体现了各自的特点，较串联机器人，并联机器人具有刚度大、承载能力强、累积误差小、便于实时控制等互补性优点。在机器人领域中的专利申请量相对较大。
二、并联机构技术发展概况
并联机构是指由两个或两个以上独立的支链驱动机构连接一个若干自由度的末端执行机构和一个运动平台。现有的并联机构按动平台的自由度可分为：六自由度并联机构和少自由度并联机构。少自由度并联机构是自由度小于六的并联机构，少自由度并联机构虽然不能具有六个自由度，但因其具有驱动件减少、构件少、控制简单方便、制造容易、价格低廉等优点，被广泛设计应用于不需要全部六个自由度的机械机构中。
并联机构不同于其他机器人领域的针对具体实现某一作用的专利申请，有关并联机构的专利申请发明点多集中在以其能实现的运动学特性（如机构动平台所具有的不同自由度）或具体运动副结构上。
三、并联机构现有技术分析
自由度作为并联机构运动学上的重要参数，无论在其设计还是工程应用上都必须被首先考虑。因此，根据不同的自由度设计并联机构，成为很多专利申请的改进点所在。运动副是确定空间两构件之间相对运动关系的主要限制因素，并联机构从运动学模型的本质上来说，就是各个运动副的组合。经过国内外长年以来的技术发展，对并联机构的结构设计已能基本满足了对各种自由度并联机构的需求。
所谓机构的运动学正解是指已知机构输入的驱动量，求解机构输出的位置和姿态。运动学正解是研究并联机构许多问题的根基，在并联机构工作空间、奇异性分析、轨迹规划和反馈控制中起着关键的作用。并联机构运动学正解的方法主要有两种，即解析法和数值法。数值法计算速度较快，但是不能保证得到全部的根；解析法可以得到全部的根，更适合于理论分析；但是消元过程非常复杂，可能会引入虚根，消元方法的也难以具有通用性。
研究并联机构位置正解的文献以期刊居多，在专利申请方面，申请人倾向于提出位置正解，能实现运动的输入-输出之间解耦控制的并联机构。以此类位置正解提出的专利申请，除了在自由度上满足了不同的作业需求，还能简化并联机构的控制系统。因此较之仅以能实现相应自由度设计的并联机构，此类专利申请具有新颖性和创造性的比例较高。
除了将并联机构按其自由度分类之外，并联机构还可以按照动、静平台的连接形式可分为：杆支撑并联机构、绳牵引并联机构。
杆支撑并联机构的支撑及传动部件主要是液压缸、普通刚性杆、滚珠丝杠及其他的一些组合的刚性结构件。多数国内外的专利申请都采用了杆支撑结构。绳牵引并联机构是一种特殊的并联机构，绳牵引并联机器人是一种以柔性绳为传动和牵引机构的并联机构。然而绳受力具有单向性，为了实现相同的自由度数的运动，绳牵引并联机构比杆支撑并联机构要复杂。这种特性使得刚性杆支撑并联机构的许多分析方法和结果不能够直接应用到绳牵引并联机构中，这导致在设计、规划和控制方面具有一定的难度。
钢带并联机器人是并联机器人中一种新的结构形式。它的传动和支撑结构为具有一定支撑能力的圆弧截面的不锈钢带，兼有刚性杆支撑并联机器人和绳牵引并联机器人的一些特点和功能。钢带并联机器人具有质量轻、结构紧凑、运动加速度快、工作空间大等特点。此类钢带并联机器人属于一种对并联机构机械结构进行的改进。
四、并联机构专利申请分析
在专利数据库中通过关键词和分类号筛选，提取与并联机构较为相关的发明专利申请1110件。并就这些专利申请进行统计分析。
通过对申请进行分析，如图1所示，近十年有关专利申请量呈上升趋势，在2008年以前，申请量较为稳定，维持在50件/年，到了2009年之后，申请量大幅上升，到2013年有关并联机构的专利申请量已达到了219件。申请量的快速增长说明了近十年以来，国内相关研究机构也逐渐意识到了并联机构的重要性，相关研究日益深入。
通过申请人统计，可以得出在申请量中排名前十的申请人均为高校申请，且这些申请人在近5年内也保持着较高的申请量，说明这些高校对并联机构的研究为持续性的，技术更新较为及时。同时，高校申请量远高于个人申请和企业申请表明我国对于并联机构的研究还属于基础研究的阶段，还未形成具有规模的产业化应用。
五、结论
通过上述分析可以看出，并联机构是当今先进制造技术领域研究的热点，与并联机构相关的专利申请主要集中在对其运动学特性、位置正解以及其机械结构的改进；虽然近几年来针对并联机构的专利申请量增长迅速，然而其目前在我国的产业化程度不高，现有的研究主力为各大高校和科研院所，仍具有较广阔的市场发展前景。
一、引言
自从机器人诞生的几十年里，机器人获得迅速的发展。在串联机器人快速发展的同时，人们提出并联机器人的概念。与串联机器人相比，并联机器人在性能上存在根本的差异，在性能上存在很大程度的“对偶关系”，这种对偶性体现了各自的特点，较串联机器人，并联机器人具有刚度大、承载能力强、累积误差小、便于实时控制等互补性优点。在机器人领域中的专利申请量相对较大。
二、并联机构技术发展概况
并联机构是指由两个或两个以上独立的支链驱动机构连接一个若干自由度的末端执行机构和一个运动平台。现有的并联机构按动平台的自由度可分为：六自由度并联机构和少自由度并联机构。少自由度并联机构是自由度小于六的并联机构，少自由度并联机构虽然不能具有六个自由度，但因其具有驱动件减少、构件少、控制简单方便、制造容易、价格低廉等优点，被广泛设计应用于不需要全部六个自由度的机械机构中。
并联机构不同于其他机器人领域的针对具体实现某一作用的专利申请，有关并联机构的专利申请发明点多集中在以其能实现的运动学特性（如机构动平台所具有的不同自由度）或具体运动副结构上。
三、并联机构现有技术分析
自由度作为并联机构运动学上的重要参数，无论在其设计还是工程应用上都必须被首先考虑。因此，根据不同的自由度设计并联机构，成为很多专利申请的改进点所在。运动副是确定空间两构件之间相对运动关系的主要限制因素，并联机构从运动学模型的本质上来说，就是各个运动副的组合。经过国内外长年以来的技术发展，对并联机构的结构设计已能基本满足了对各种自由度并联机构的需求。
所谓机构的运动学正解是指已知机构输入的驱动量，求解机构输出的位置和姿态。运动学正解是研究并联机构许多问题的根基，在并联机构工作空间、奇异性分析、轨迹规划和反馈控制中起着关键的作用。并联机构运动学正解的方法主要有两种，即解析法和数值法。数值法计算速度较快，但是不能保证得到全部的根；解析法可以得到全部的根，更适合于理论分析；但是消元过程非常复杂，可能会引入虚根，消元方法的也难以具有通用性。
研究并联机构位置正解的文献以期刊居多，在专利申请方面，申请人倾向于提出位置正解，能实现运动的输入-输出之间解耦控制的并联机构。以此类位置正解提出的专利申请，除了在自由度上满足了不同的作业需求，还能简化并联机构的控制系统。因此较之仅以能实现相应自由度设计的并联机构，此类专利申请具有新颖性和创造性的比例较高。
除了将并联机构按其自由度分类之外，并联机构还可以按照动、静平台的连接形式可分为：杆支撑并联机构、绳牵引并联机构。
杆支撑并联机构的支撑及传动部件主要是液压缸、普通刚性杆、滚珠丝杠及其他的一些组合的刚性结构件。多数国内外的专利申请都采用了杆支撑结构。绳牵引并联机构是一种特殊的并联机构，绳牵引并联机器人是一种以柔性绳为传动和牵引机构的并联机构。然而绳受力具有单向性，为了实现相同的自由度数的运动，绳牵引并联机构比杆支撑并联机构要复杂。这种特性使得刚性杆支撑并联机构的许多分析方法和结果不能够直接应用到绳牵引并联机构中，这导致在设计、规划和控制方面具有一定的难度。
钢带并联机器人是并联机器人中一种新的结构形式。它的传动和支撑结构为具有一定支撑能力的圆弧截面的不锈钢带，兼有刚性杆支撑并联机器人和绳牵引并联机器人的一些特点和功能。钢带并联机器人具有质量轻、结构紧凑、运动加速度快、工作空间大等特点。此类钢带并联机器人属于一种对并联机构机械结构进行的改进。
四、并联机构专利申请分析
在专利数据库中通过关键词和分类号筛选，提取与并联机构较为相关的发明专利申请1110件。并就这些专利申请进行统计分析。
通过对申请进行分析，如图1所示，近十年有关专利申请量呈上升趋势，在2008年以前，申请量较为稳定，维持在50件/年，到了2009年之后，申请量大幅上升，到2013年有关并联机构的专利申请量已达到了219件。申请量的快速增长说明了近十年以来，国内相关研究机构也逐渐意识到了并联机构的重要性，相关研究日益深入。
通过申请人统计，可以得出在申请量中排名前十的申请人均为高校申请，且这些申请人在近5年内也保持着较高的申请量，说明这些高校对并联机构的研究为持续性的，技术更新较为及时。同时，高校申请量远高于个人申请和企业申请表明我国对于并联机构的研究还属于基础研究的阶段，还未形成具有规模的产业化应用。
五、结论
通过上述分析可以看出，并联机构是当今先进制造技术领域研究的热点，与并联机构相关的专利申请主要集中在对其运动学特性、位置正解以及其机械结构的改进；虽然近几年来针对并联机构的专利申请量增长迅速，然而其目前在我国的产业化程度不高，现有的研究主力为各大高校和科研院所，仍具有较广阔的市场发展前景。