仿人灵巧手技术专利分析

摘 要：文章从机器人仿人灵巧手领域的全球专利申请趋势、申请地域、申请人、主要技术构成等角度，对相关专利申请进行分析。分析结果表明，仿人灵巧手技术已逐渐成为机器人领域研究热点，近五年专利申请主要集中在国内大专院校，未来应用前景广阔。

关键词：灵巧手;仿人;专利分析

目前，机器人应用、研究、开发主要包括仿生、灵活操作、触觉感知、模块化、智能化、人机协作、多机协同、机器增强等方向。灵巧手[1]作为仿生学与机器人学结合的产物，其通过模拟人类手部运动、感知、控制、能量、材料等方面，具有人手的外形特征和功能。灵巧手是一个高度集成化、智能化的机电一体化系统，涉及机械、电子、计算机、控制等多个学科领域，其关键技术[24]主要包括机械结构、传感系统、控制系统、驱动器等。

1 全球申请趋势

灵巧手的研究是从假肢开始的，相关专利申请最早出现在20世纪60年代中期，至2002年以前年申请量均在10件以下。自2003年开始出现缓慢增长，2008年申请量突破20件，仿人灵巧手技术发展进入萌芽期。2015年起，年申请量突破50件，进入快速增长期。2017年申请量首次超过80件，成为机器人领域研究的新兴热点。通过对检索结果进行统计，仿人灵巧手领域专利申请的分类号主要集中在B25J（占比75%），其次为A61F（16%）。

2 申请地域分布

仿人灵巧手专利申请最早出现在英国;上世纪80年末，申请地域逐渐转向美国和日本;1993年日本成为最主要的申请地域;2005年后，申请量最多的地域为中国，2015年在中国的申请量首次超过35件，成为仿人灵巧手专利申请的最大来源国，之后每年申请量均为最多。按全球地域申请量总量排名第一位的是中国，占申请总量的68%;其次为美国。在中国的专利申请人国别排名为中国、美国、日本、德国等。由此可见，我国在近5年为仿人灵巧手技术密集地域，研究活动最为活跃。按申请在我国各省市分布，主要集中在北京、浙江、黑龙江等地区;其中，最早的申请出现在北京，近5年申请量最多为北京，其次为广东，浙江、江苏、上海、辽宁均超过20件。

3 申请人分析

在申请量排名前20名的申请人中，中国申请人数量占比80%，申请人类型大部分为大专院校;国外申请人均为企业。其中，哈尔滨工业大学是在总申请量上排名第一，清华大学、HY5PRO AS公司分列二、三名。哈尔滨工业大学仿人灵巧手专利申请开始于2004年，2006—2009年申请量进一步增加，2015—2019年在本领域申请量位居首位。清华大学申请开始于2002年，2007—2009年申请量进一步增加，2016—2019年每年均有申请。HY5PRO AS公司涉足仿人灵巧手领域较晚，申请集中在2015—2016年。BARRETT公司的专利申请主要集中在2003年。浙江工业大学、南京航空航天大学、天津大学、北京理工大学等在近五年申请较为活跃。山东科技大学在2015年开始在该领域提交专利申请。通过以上申请人分析可知，仿人灵巧手技术在近五年是国内高校的研究热点。

4 主要技术构成及相关专利

通过对仿人灵巧手领域专利申请的统计分析可知，其技术构成主要包括机械结构、传感系统、控制系统、驱动器等方面。按申请时间分析，仿人灵巧手申请技术构成由最初的传动机构、手指构形，向传感器、制动器、控制系统等技术领域转移。哈尔滨工业大学主要涉及传动机构、手指构形、制动器等方向。清华大学申请布局主要集中在手指构形、传动机构等。HY5PRO AS公司、BARRETT公司的申请主要集中在控制系统、液压制动器等。

以下对早期仿人灵巧手领域专利申请进行梳理。MONESTIER JACQUES（法国）于1983年提交申请FR8400212，其公开了一种具有由柔性材料制成的手掌部分和由刚性材料制成的附加背侧部分的手部假体或具有软握力的人工手，该申请在全球被引用71次，在8个国家申请专利布局。RUTGERS大学（美国）于1983年提交申请US07396476，其公开了一个电子位置传感器和一个气动微执行器组成了一个便携式机器人主控器，它可以由用户的手的手指以与用户通常抓取被手指操作的物体相同的自然方式操作，其在全球被引用194次。原田电子（日本）于1999年提交申請JP11139150，其公开了一种用于假肢的活动手指，假体还包括第一中间部分弯曲机构，其用于驱动设置在所述基座中的制动器以拉动第一金属丝以转动偏心构件，其在全球被引用161次，在8个国家申请专利布局。BARRETT公司（美国）于2003年提交申请US10672888，其公开了一种机器人装置，具有基座和至少一个具有至少两个连杆的手指，无刷马达和相关联的控制器位于每个接头处以产生连杆的旋转运动，其在全球被引用227次，在6个国家申请专利布局，目前还在有效期内，专利价值度较高。

下面对本领域申请量前三位申请人的专利申请进行分析。哈尔滨工业大学于2004年首次申请该领域的案件;2004—2007年申请多件欠驱动自适应灵巧手，其中CN1557268A涉及灵巧手整体结构，该专利在全球被引用44次;CN1803413A涉及拇指结构，CN1807031A涉及灵巧手联动机构，CN101190528A耦合传动结构。2007—2008年，在多指灵巧手的基关节机构CN101088721A、可重构手掌CN101100062A、模块化手指CN101104267A、钢丝耦合传动CN101100064A等多个方向着手研究。2009年开始涉足具有力矩和位置感知的仿人假手拇指机构CN101524846A。2015—2016年，在原来研究方向基础上，对手指构型和拇指转动机构进行研究，如CN105345836A、CN105364935A、CN105415391A、CN105397823A等。2018年，哈尔滨工业大学转向柔性轻巧手的研究，如CN108189059A、CN110540676A、CN110696025A。

清华大学最早申请是2002年申请的CN103213137A，该申请涉及一种机器人拟人多指手装置，该装置的所有驱动器全部藏入手掌、手指指节的内部，能够实现招手、握拳、稳定抓取不同尺寸的物体的功能，适合安装在拟人机器人上使用。2007—2016年，持续对欠驱动灵巧手的指形结构、传动机构、驱动机构等方向进行研究，如CN101049695A、CN101214660A、CN105666508A等。近年来，清华大学也开始对柔性灵巧手CN105835076A、多感知灵巧手CN107471243A、双模态灵巧手CN109202943A进行研究。CN102357884A是清华大学所申请的专利中被引用次数最多的，其公开了快速抓取欠驱动机器人手装置，具有腱绳扭簧式多关节手指，能够实现快速抓取。

HY5PRO AS公司于2015年开始在仿人灵巧手领域进行申请，EP16719421涉及用于假手液压泵组件，

一直专注于仿人灵巧手在医疗器械领域中的应用。2019年开始，该申请人开始对灵巧手控制方法GB1909202、灵巧手传感器GB1909204等进行研究。

5 结语

根据上述分析可以得出，仿人灵巧手领域的专利申请量在近五年呈现快速增长趋势。中国申请量处于领先地位，研究方向涉及多个技术分支，申请人主要为大专院校，国外布局较少。国外申请偏向技术应用，主要研究集中控制系统、液压制动器方向，应用领域主要为工业制造、医疗器械领域，全球被引用次数高，在多个国家均有专利布局，申请价值度较高。

参考文献：

[1]罗建国，何茂艳，薛钟霄，等.灵巧手研究现状及挑战[J].机械设计，2009（10）：812+26.

[2]张玉茹，李继婷，李剑锋.机器人灵巧手：建模、规划与仿真[M].机械工业出版社，2007.

[3]刘宏，姜力.仿人多指灵巧手及其操作控制[M].科学出版社，2010.

[4]刘伊威，赵京东.机器人灵巧手的研究与发展[J].机械传动，2009，33（4）：126129.

作者简介：范建会（1982—），男，硕士，助理研究员，研究方向：机器人学。