從專利分析看六自由度并聯機構的研究

摘 要：【目的】從專利申請的角度對六自由度并聯機構的技術進行分析總結。【方法】通過檢索統計分析了六自由度并聯機構專利申請量的趨勢、專利申請的分布及典型的技術方案。【結果】國外對六自由度并聯機構的研究并不熱衷，我國大力研究六自由度并聯機構，其專利申請已經遠遠高于其他國家，同時，國內技術大部分掌握在高校和科研院所中，反映出科學技術的成果轉化還有很大空間。【結論】通過對六自由度并聯機構的專利申請進行分析，以期為相關人員提供參考和借鑒。

關鍵詞：六自由度;并聯機構;專利分析

中圖分類號：TH122；G306" "文獻標志碼：A" " 文章編號：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機構用于機器人手臂，拉開了并聯機構研究的序幕。六自由度并聯機構具有結構剛度好、承載能力大、結構穩定、承載能力強及動態響應性能好等優點［1-2］，在運動模擬、精確定位等領域有著廣泛的應用［3］，六自由度并聯機構的研究近年來成為新的熱點，如3-RPPS型 ［4］、雙支鏈型［5］、3-URS型［6］等。

1 專利申請數量態勢分析

1.1 專利申請年度及地域分布

1990年以來，六自由度并聯機構國內外專利申請量的年度分布如圖1所示。1978年，美國馬里蘭大學 （University of Maryland）首先提出了模塊化靈巧手US5052736A，其采用Stewart平臺對手指的范圍進行調整，此為全球第一件六自由度并聯機構專利申請。

1990—2002年，全球年度申請量均在50件以下，技術整體處于起步發展的階段；2003—2009年，申請量有所上升，但是年度申請量均在100件以下波動變化，技術整體處于緩步發展的階段；2010年至今，申請量持續快速上升并于2016年申請量達到頂峰的472件，技術快速發展，后續申請量仍較高，穩定在150件以上。

全球專利申請量的國家和地區分布如圖2所示。中國的專利申請在全球專利申請數量上占據絕對優勢，居全球第一，約占總份額的70.31%，可見中國對六自由度并聯機構方面的相關技術研究非常重視，這與中國近幾年在機器人方面的大力投入密切相關。其次是美國，申請量為290件，約占總份額的7.37%。居第三位的是日本，申請量為194件，約占總份額的4.93%。歐洲專利申請以187件約占總份額的4.75%，世界其他地區專利申請160件約占總份額的4.07%。

各國有關六自由度并聯機構專利申請量的年度分布如圖3所示。美國在1990最早在此技術領域申請專利，然而1990—2013年，每年的申請量不足15件，雖然在2014年出現最高的27件，后續申請量仍不高，每年申請量均不足25件。日本、歐洲和世界專利局的申請量自1990起每年均不足15件，這說明國外機構對六自由度并聯機構的研究并不熱衷。

國內第一件關于六自由度并聯機構的專利申請出現在1990年10月27日的東北重型機械學院秦皇島分校申請的CN2075574U，涉及一種并聯多環結構機器人，是具有六個自由度、剛度大，承載能力高、結構緊湊的新型機器人機構，其為實用新型專利。

1998年之前，除第一件申請外，國內沒有新的關于六自由度并聯機構的申請，說明當時國內還沒有對六自由度并聯機構進行研究，僅有少量單位從國外期刊學習并聯機構；1999—2008年，2003年達到第一個高峰后短暫下降，但年度申請量均在50件以下緩慢波動變化，技術整體處于起步發展的階段；從2009年至今，申請量持續增長，并從2012年開始申請量以每年破百的速度急劇上升，于2016年申請量達到頂峰的390件。

1.2 主要專利申請人分析

申請量排名靠前的外國申請人如圖4所示。申請靠前的各國申請人數量相對均衡，數量在15～31件之間，包括日本的株式會社天田、大隈株式會社、日本發條株式會社，美國的原子能和替代能源委員會、波音公司、Amada，加拿大的拉瓦爾大學，韓國的韓國機械研究院、光州科學技術院。

申請數量排名靠前的國內申請人如圖5所示。國內高校中燕山大學研究團隊的申請量最高，達到全球第一的188件，哈爾濱工業大學、上海交通大學、江蘇大學、北京航空航天大學、清華大學、天津大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、哈爾濱工程大學、華南理工大學的申請數量也是名列前茅。國內申請人主要以高校及科研院所居多，表明中國的申請量多，但是在科技成果轉化上還有很大空間。

2 典型專利技術方案分析

通過對檢索到的專利申請文件進行分析后發現，六自由度并聯機構的研究方向集中在四個方向：六支鏈六自由度并聯機構、復合支鏈六自由度并聯機構、少支鏈六自由度并聯機構和混聯六自由度并聯機構。因此，對這四個方向的典型專利技術方案進行分析，以期為創新主體提供參考。

2.1 六支鏈六自由度并聯機構

六支鏈六自由度并聯機構，顧名思義，是由動平臺、定平臺和六條支鏈組成的六自由度并聯機構，其研究方向為在六自由度的Stewart平臺的基礎上對六條支鏈的具體結構進行調整，以達到提高系統的動態響應特性、減小了能耗的輸出效果。

韓國機械研究院的專利申請KR20120129525A，涉及一種六自由度并聯機構，以通過將底座和致動器彼此垂直安裝來減小致動器的尺寸并提高空間利用率，包括基座，平臺和多個致動器，平臺以六個自由度移動。

燕山大學的專利申請CN1442274A，涉及一種3-2-1結構六自由度正交并聯機床，六根直線移動驅動支路與運動臺和固定臺相連的運動副為球鉸，六根直線移動驅動支路3按3、2、1分為三組，與三組驅動支路對應的與運動臺2相連的三組球鉸的中心分別分布在一六面體的三個互相垂直的表面上，固定臺上的六個球鉸點的分布特點和運動臺上的六個球鉸點相似。

2.2 復合支鏈六自由度并聯機構

復合支鏈六自由度并聯機構，是由動平臺、定平臺和復合支鏈組成的六自由度并聯機構，其研究方向為采用復合的支鏈結構實現六自由度，以達到運動學正反解析解易求、變姿態靈活、承載大、剛度好更好的輸出效果。

江蘇工業學院的專利申請CN1219627C，涉及一種用于虛擬軸數控機床與測量機的六自由度并聯機構，由動平臺、靜平臺及連接動、靜平臺的三條相同的聯接腿組成。每條聯接腿由一平面閉路結構及一開鏈結構組成。

常州大學的專利申請CN102581844A，涉及一種六自由度全解析解耦并聯操作平臺，包括動平臺、靜平臺及聯接在動平臺、靜平臺之間的三條支鏈，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球副重合的第一復合支鏈，第三條支鏈為由三條S-P-S型支鏈組成且有三個球副重合的第二復合支鏈。

2.3 少支鏈六自由度并聯機構

少支鏈六自由度并聯機構，是由動平臺、定平臺和少于六條支鏈組成的六自由度并聯機構，其研究方向為采用3-5支鏈實現六自由度的輸出，以達到結構簡單、驅動件少、工作空間大、控制簡單，精度高等目的。

燕山大學的專利申請CN103042521A，涉及一種3-SPS/SPS三驅動六自由度大量程調姿調位并聯機構，包括結構完全相同的三個SPS分支和一個SPS中間支柱。

哈爾濱工業大學的專利申請CN1962209A，涉及一種三支鏈六自由度并聯柔性鉸鏈微動機構，包括基平臺、動平臺、設置于基平臺上的驅動單元和通過柔性鉸關節分別與驅動單元和動平臺連接的三個支桿，所述的驅動單元包括安裝在基平臺上的三個彈性平板和與彈性平板相連的壓電陶瓷驅動器，基平臺上的三個彈性平板一體加工，每個彈性平板上連接兩個壓電陶瓷驅動器，兩個壓電陶瓷驅動器呈直角分布。

2.4 混聯六自由度并聯機構

混聯六自由度并聯機構，是基于串聯機構與并聯機構組成的，由于其在應用中既彌補了串聯機構在剛度、精度、實時—控制等方面的不足，又克服了并聯機構工作空間小、運動耦合的缺點，該類結構形式的機構具有結構緊湊、可重構能力強的優點。在目前對加工高速化技術要求的背景下，這也是并聯機構的重要發展趨勢。

燕山大學的專利申請CN104626099A，涉及一種完全解耦的三轉動三移動六自由度混聯機構，其機座與中間平臺一之間由三個結構相同的分支連接，該分支由四個運動副組成，分別是直線驅動移動副，轉動副，直線移動副或轉動副及萬向鉸或轉動副。中間平臺一和中間平臺二間由一個轉動副連接，中間平臺二與動平臺間由RPS分支、PSPR分支、PS分支和SPS分支連接。

南京理工大學的專利申請CN115039572A，涉及一種六自由度混聯采摘操作手，包括串聯機構部分和并聯機構部分。串聯機構部分包括水平橫梁、鉛垂梁及轉動臂，并聯機構部分包括靜平臺、動平臺、混合支鏈及簡單支鏈。

3 結語

通過分析可知，國外對六自由度并聯機構的研究并不熱衷，而我國大力研究六自由度并聯機構，專利申請已經遠遠高于其他國家，同時，國內技術大部分掌握在高校和科研院所中，反映出科技成果轉化還有很大空間。

六自由度并聯機構的研究方向集中在四個方向：六支鏈、復合支鏈、少支鏈和混聯。通過設置不同的支鏈形式能夠得到不同的六自由度并聯結構，具體的運動副設置會帶來不同的靈活度，其對于最后的輸出優化具有不同的影響。本研究能夠為后續六自由度的研究提供新的技術思路。

參考文獻：

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［3］ 虞啟凱，游有鵬，韓江義，等.一種新型3-U～rSR六自由度并聯機構的位置與作業空間分析［J］.機械科學與技術，2012，31（4）：552-556.

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［5］ 謝志江，程清，丁軍，等.雙支鏈六自由度并聯機構尺度設計與性能分析［J］.中國機械工程. 2022，33（14）：1680-1690.

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