微小型移动机器人专利技术

1.3 微小型履带式移动机器人
由于轮式移动机器人在穿越障碍时存在结构性 的缺陷，因此轮式机器人受地形环境影响很大，所 以在劳动条件较差或地形条件较为复杂且需要速度 较快的机器人时，履带式移动机器人就成为首选。 这种机器人地形适应能力很强，动载荷小，设计紧 凑，具有较强的越障能力，可以穿越楼梯和较大的 障碍物，因此在大型船体、球罐、立罐、大型管道 等工件的焊接、除锈、喷漆、检测等工作中应用广 泛。但是履带式移动机器人的缺点是重量大，能耗 大。
IPC分类体系是目前最主要的专利分类体系，涵 盖了所有的专利技术。但是其对于机器人技术，尤 其是微小型移动机器人技术分类较宽，难以准确进 行定性分类。
而ECLA分类体系则是在IPC分类基础上的较为 具体准确的分类体系，其涵盖了欧洲主要发达国家 的专利技术。所以这里，主要依据IPC分类体系、 ECLA分类体系对涉及微小型移动机器人的专利技术 进行分类和检索。
按作业空间来分，可分为:陆地移动机器人、 水下机器人、无人飞机和空间机器人。
按整体尺寸来分，可分为：英寸级机器人、 厘米级机器人、毫米级机器人和微米级机器人等 类型。
在本文中将着重对按移动方式和按功能 用途分类的微小型移动机器人进行介绍。
（二）微小型移动机器人在专 利分类体系下的分类和原则
目前通行的专利分类体系有IPC（International Patent Classification）国际专利分类，ECLA（ European Classification）欧洲专利分类，F－term 日本专利分类，UCLA美国专利分类。
CN1476962
上海交通大学于2003年申请的中 国专利记载了一种毫米级全方位 微型移动机器人，使其实现微型 轮式移动机器人在运行过程中， 特别适合在微小尺寸限制的条件 下实现无回转半径的高精度全方 位移动。 该毫米级全方位移动微型机器人，包括：复合驱动轮、传动 齿轮、中心齿轮和转向微驱动器，连接方式为：三个复合驱 动轮以转向微驱动器为中心，均匀分布在其周围，复合驱动 轮固定于传动齿轮，通过传动齿轮、中心齿轮与转向微驱动 器相连，转向微驱动器位于中心，与中心齿轮轴相连。复合 驱动轮又包括：主动轮、被动轮、传动齿轮轴、马达输出轴 和直线移动驱动器。
CN2487515
天津大学于2001年申请 的中国专利就记载着一 种履带式管道机器人。
由移动机器人本体、收放线装臵、控制部分依次相连共同 构成，移动机器人是履带式移动机器人，包括有增压履带、车 宽调整块、支撑体、柔性调节轴、小体积减速器、伺服电机组 成，两条增压履带分别与两条车宽调整块相连，支撑体固定在 两条车宽调整块上，小体积减速器固定在一侧增压履带支撑板 上，伺服电机与小体积减速器相连，柔性调节轴分别与减速器 输出轴及履带传动轴相连接。其中小体积减速器是由特制谐波 组件和与之相连的锥齿轮构成。增压履带的结构为楔型截面的 履带。
该机器人对称设臵着四个主轮和四个链轮，这些轮通过履 带步进。履带由上述主底盘内的单驱动机构进行旋转。在该机 器人的顶部上，还设臵着用以探测的摄像设备，这些摄像设备 还可以更换成其他用途的设备，以满足需要。
由于履带式微小型机器人具有优良的越障能力，从而 得以被广泛应用。US5022812记载的技术是目前履带式机 器人的经典范例，成为世界各国竞相研发和参考的母本 。但由于其潜在的巨大军事意义，尽管发展和更新很迅 速，却鲜见于专利公开文献中。这就是十几年来，在国 外的专利文献很难有其换代产品的原因，但我们深信且 已经可在相关的国内外期刊上看到，这类产品突飞猛进 般的迅速发展。而我国在这一方面，起步很晚，只是最 近几年的事情。目前我们对履带式的研发还基本上处于 类似CN2487515中用于检测等功能的水平上。
1.2 微小型腿式移动机器人
微小型腿式移动机器人分为单腿式、双腿式和 多腿式，本文将着重介绍多腿式微小型移动机器人 。腿式移动机器人地形适应能力强，能越过大的壕 沟和台阶，其缺点是速度和效率均比较低。 目前，实现多足机器人转向运动一般有两种情 况。若机器人的躯体是刚性的，则其转向一般通过 腿部动作来完成，那么每条腿至少应该有多个自由 度：髋关节、大腿和小腿等。若机器人的躯体采用 分段式连接，为实现转向，各段躯体之间应有一个 俯 仰 自 由 度 和 一 个 侧 摆 自 由 度 。 WO0112985 和 CN1385284就分别记载了这种多腿式机器人。
这两种分类体系所涉及的分类号为B25J 7/00： 微型机械手；B25J 5/00：装在车轮上或车厢上的机 械手；B25J 11/00：未列入其他组的机械手；B64C ：飞行器；A61B：医疗器械；B62D：多用机动车等 等。
ห้องสมุดไป่ตู้ （三）通过专利技术来分析微 小型移动机器人的发展特点
1、按移动方式分类的微小型移动机器人
WO0112985和CN1385284都是利用形状记忆合金(SMA) 通过加电进行致动，从而控制机器人。对于微小型腿式 移动机器人，国内外采用大致相同的原理，这是相同之 处。但这从另一个角度说明对于这种微小型腿式移动机 器人，因受尺寸要求的影响，学术界尚没有更好的解决 方案，加以驱动控制。因此在相当长的一段时间内，除 非有关键技术的突破，这种微小型腿式移动机器人仍将 在上述理论框架内发展。而且由于多腿式微小型移动机 器人具有速度和效率均比较低的缺点，所以其发展状况 无论在国外还是国内均受到很大影响。实际上，由于微 小型腿式移动机器人的一般功能能够并逐渐在被其他形 式的微小型移动机器人所替代，所以这种机器人就逐渐 发展成用于特殊领域的专用机器人，例如类人机器人。 从专利的申请量看，多腿式机器人远远少于其他形式例 如轮式机器人等。
相对于框架，一部分执行器的作用是提升它们的对应腿的端部， 而相对于躯体架，一部分执行器的作用是向后移动腿的端部。额 外的执行器分别与钳子相连，其作用是合拢钳子。用偏压弹簧顶 住这些执行器的每一个，倾向于把每条腿的端部向前和向下拉并 倾向于把钳子打开。
CN1385284
上海交通大学于2002年申请的中国专 利，其中记载了一种形状记忆合金驱 动的微型双三足步行机器人，采用双 层柔性身体关节和组合偏动式形状记 忆合金(SMA)驱动器，能有效地实现 微型六足机器人全方位运动。 主要包括身体转动机构、组合偏 动式SMA驱动器和行走机构。行走 机构由六条对称排列的腿组成， 六条腿交叉组合，机器人一侧位 于中间的一条腿和另一侧位于边 缘的两条腿为一组，每组中的三 条腿同步运动，通过交替实现两 组腿的抬起、偏转、落地的动作 ，来实现机器人向前直线运动。 该六足机器人由单片机中的 程序来控制，利用单片机输 出的电流来实现形状记忆合 金的通电加热收缩。机器人 在运动过程中将直线运动和 转向运动结合起来，在单片 机的协调控制下就能实现全 方位运动。
US5323867
美国马丁· 马零塔能源系统有 限公司于1992年申请的美国 专利US5323867记载了一种 小型轮式机器人WMR，能够 实现全方位的移动。 该机器人由移动平台、支承架、电机和驱动轴构成。上 述移动平台分别包括第一轮机构、第二轮机构和第三轮 机构。这三个轮机构间隔120设臵，每一个轮机构均包 括支承架、护栏和两个正交球轮，这些球轮由各自的电 机驱动，且分别设臵在各自的护栏内，这些护栏又可旋 转地固定到上述支承架上。这些支承架通过紧固件被紧 固到上述移动平台上。这种轮式机器人能够在多个方向 上同时旋转和平移，没有回转半径限制。
微小型移动机器人专利 技术现状及其发展趋势
主要内容
一、引言 二、微型机器人的专利技术现状 三、微型机器人的发展趋势
一、引言
机器人学是现代科学发展的前沿，涉及到自然科
学和社会科学中的众多领域。
微机器人学是一个多学科交叉的前沿学科，它以
机械电子技术为基础，还涉及到化学、计算机科学、
材料科学、生物科学、通信和自动控制等许多领域。
US5022812
美国REMOTEC公司于1991年 申请了该美国专利，其涉及 一种小型高危险作业的越障 机器人，也可以作为月球探 测机器人
这种小型全地形遥控机器人由主底盘、第一关节辅助底盘 、第二关节辅助底盘、第一主底盘驱动机构、第二主底盘驱动 机构、第一辅助底盘驱动机构、第二辅助底盘驱动机构、可操 作臂单元、控制上述臂单元的驱动机构和主底盘内的控制电路 构成。
1.1 微小型轮式移动机器人
微 小 型 轮 式 移 动 机 器 人 简 称 为 WMR（ wheeled mobile robot），是微小型移动机器人中 用途最为广泛的一种机器人，大致由轮式移动平 台和末端效应器组成。轮式移动机器人具有高速 高效的性能，但越过壕沟、台阶的能力较低。
一般轮式机器人实现移动主要有这样几种机 构：一是利用万向轮，即驱动轮本身具有两个自 由度；二是具有专门的转向轮，类似于三轮车结 构；三是利用两个驱动轮、一个被动轮结构，被 动轮具有两个自由度，但无驱动源；四是利用正 交轮。 美国专利US5323867和中国专利CN1476962 分别记载了这种WMR。
微型机器人中的“微型”是指：按照尺寸大小 分为英寸级、厘米级、毫米级和微米级等多种类型 的机器人。 英寸级机器人也称为小型机器人，其总体尺寸 大小为数个英寸，其设计与制作技术类似普通机器 人。 厘米级微型机器人整体大小在数个厘米左右， 其中的微型部件可利用精密加工技术和微加工技术 制作。
毫米级微型机器人的整体尺寸仅为数个毫米， 其体积大小进入宏观与微观概念的结合区域，它的 制作一般要利用微细加工，薄膜技术、LIGA 技术 等加工技术。
将US5323867和CN1476962进行比较，我们可以看出 这两个专利实际上都是一种全方位的WMR，只不过美国专 利属于早期的，而中国专利属于在其理论基础上进一步 发展得到的。由此我们对比可知，近十几年来，对于微 小型移动机器人，对“全方位”的要求始终如一，而且 精益求精。这是因为所谓的全方位使移动机器人在复杂 环境下能够具有很强的越障能力，对周围地形尤其是未 知地形能够有优越的适应能力。这是这两篇专利中的相 同点。而且如何提高轮式机器人的全方位能力，仍将是 这种微小型机器人的发展重点之一。而上述不同的地方 在于：经过多年的发展，这种轮式机器人，结构越来越 简单，尺寸越来越小，因而用途就越来越广泛；而且对 机器人本身的控制方式和控制装臵也都更加简化，从而 在结构上有着更大的自由度，当然这也是趋势之一。
微米尺寸的机器人是微型机器人研究的长远目 标之一，以原子和分子技术为关键技术。
二、微型机器人的专利技术现状
（一）微小型移动机器人的分类
根据移动方式来分，可分为：轮式移动机器人、 步行移动机器人(单腿式、双腿式和多腿式)、履带式 移动机器人、爬行机器人、蠕动式机器人和游动式机 器人等类型； 按工作环境来分，可分为：室内移动机器人和室 外移动机器人； 按控制体系结构来分，可分为:功能式(水平式)结 构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器 人； 按功能和用途来分，可分为:医疗机器人、军用 机器人、助残机器人、清洁机器人等；
WO0112985
美国内诺马斯尔公司于2001年申请的PCT 专利，利用形状记忆合金执行器发明了一 种6腿机械行走昆虫。 形状记忆合金执行器用来提供逼真的活 动性和灵活性。这种6腿昆虫每腿一个形 状记忆合金执行器，可以看到它们是安 装在内部躯体架 (11cmx3cm)之上，内部 躯体架包含一个Motorola MC68HC08MPl6 微型控制器和一个9伏电池。6个相似的 执行器安装在内部躯体架之下。
名Shakey的自主移动机器人。
微型机械(Micromachine，日本惯用语)从 广义上包括了微小型和纳米机械，但并非普通 机械的单纯微小化，而是指可以批量制作的， 集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信 号处理和控制电路、接口、通讯和电源于一体 的微型机电系统(MEMS，美国惯用语)，或称之 为微系统(Microsystem，欧洲惯用语)。
随着20 世纪80 年代末微电子机械系统 MEMS ( Micro Electron Machine System )的出现和蓬勃 发展，机器人的研究进入了微观世界。
移动机器人的研究始于60 年代末期。斯坦
福研究院(SRI)的Nils Nilssen 和Charles
Rosen 等人，在1966年至1972 年中研发出了取