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专利深一度|空间机器人关键技术专利布局分析

发布日期:2020-05-14

空间机器人是在太空中执行空间站建造与运营、卫星组装与服务、行星表面探测与实验等任务的一类特种机器人,是世界航天大国竞相发展的热点领域。当前,空间机器人已经在国际空间站、飞船、卫星等飞行器的在轨维护、空间装配、月球探测和火星探测等任务中得到广泛的应用,相关研发试验活动高度活跃,呈现出一系列发展特点和趋势。

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 基于我国航天技术进步和产业发展需求,国家知识产权局专利分析普及推广项目空间机器人课题组从在轨服务机器人技术、星表移动机器人技术、MDA公司专利布局、国外型号重要专利剖析、技术转移可行性分析等五个视角出发,对空间机器人技术进行深度剖析。

在轨服务机器人


  近年来,人工智能、机器人等新兴技术飞速发展,为在轨服务机器人提供了良好的研究基础,美国、欧洲、日本等国家或地区均开展了相应的在轨服务机器人研制项目和发展计划,并在核心技术分布、地域部署上形成了专利体系化布局。


  基于全球空间机械臂、操作末端和自主操作技术领域的专利文献分析,获得了主要技术创新国家的技术研究重点。其中,美国作为空间机器人项目开展最多的国家,其相关技术发展得到德国、日本、加拿大等国的协助,其在轨服务机器人领域的技术创新侧重于机械臂空间冗余构型设计、空间仿人灵巧手、空间目标对接技术等技术方面,并在自主在轨加注、在轨模块更换与装配和空间碎片清理方面取得了较大技术突破。日本参与了美国早期空间机器人项目研制,具有较强的技术实力,其在轨服务机器人的技术创新侧重于空间机械冗余构型设计和空间目标对接技术,且近些年的自主操作技术以空间碎片清理为主,技术方案侧重于鱼叉绳系机器人和电磁吸附抓捕。


  在轨服务机器人的空间目标对接技术专利申请量排名第一,从核心专利分析情况来看,MDA公司、波音公司和NASA的空间目标对接技术主要侧重于非合作目标,以及没有对接特征空间目标的捕获与对接技术,不仅可以对早期的在轨飞行器进行延寿操作,而且可以应用于空间军事卫星捕获和降轨操作。另外,通过梳理空间目标捕获与对接技术的发展历程发现,目前国内外针对空间目标的捕获方式呈现多元技术并行发展趋势,具体涉及绳系或飞网捕获、抓取捕获、插接捕获和吸附捕获;捕获对象从合作目标扩展到了非合作目标,且捕获目标从低轨向高轨逐步扩展。

星表移动机器人


  星表移动机器人主要包括轮式移动机器人、腿式行走机器人和轮腿组合式移动机器人等类型,它们各有相应的特点和适用范围。根据对星表移动机器人相关专利文献的分析可以发现,星表移动机器人领域的技术创新从20世纪60年代至今一直保持一定的热度,专利技术的出现与重要事件的发生相伴相生。90年代以前世界范围内主要围绕轮式移动机器人开展相关的技术研发和专利布局,90年代以后腿式机器人的相关研究开始变得活跃,进入21世纪后,将轮式移动机构的高速高效性能和腿式移动机构的地形适应能力相结合的轮腿组合式移动机器人越来越受到业内的重视,全球范围的相关研究如火如荼地开展,但由于轮腿机器人结构和控制更为复杂,还有大量的科学问题、内蕴机理和基本特性的认识尚需突破,实际应用还需一定的时日。


  在星表移动机器人中,轮式移动机器人(也叫星球车)因技术相对成熟而得以广泛应用,是目前成功登陆月球和火星的表面探测器采用的结构形式。对于星球车,车辆整体的结构设计、悬架机构、车轮机构和移动控制是决定机器人能否顺利通过行星表面和完成指定任务的关键技术和重要因素。通过对各个时间阶段的代表性专利文献进行分析可知,轮式移动机器人的技术发展大体经历了如下过程:20世纪60年代主要是基于地面车辆进行改造,尤其针对车轮结构展开设计和测试;60年代末到70年代初围绕车辆的悬架系统进行改进和优化;到了80年代,为了进一步适应火星探测的任务,研究开发新的悬架系统;进入90年代,对车辆的结构和功能进行优化设计,例如悬架的折展设计以提高星球车的可运输性;进入21世纪后,对于轮式移动机器人的移动控制和智能化方面的研究增多,近几年更是向着提高机器人多功能性的方向发展,以适应多样化的应用需求、提高空间运输和作业效率。

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通过对轮式机器人移动系统开展技术功效矩阵分析可知,用于增强地形适应和通过性、提高稳定性、提高空间可运输性,以及提高定姿定位能力的专利技术较多,用于实现空间实验支持(包括零重力实验、便于采样和样品收集等)、降低能耗、提高转向性能的相关专利文献较少。增强地形适应和通过性与四种技术手段都相关,其中通过车轮和整体结构设计来实现的专利文献最多;而提高稳定性和空间可运输性与悬架设计、车轮设计和整体结构设计三种技术手段相关,其中提高稳定性最相关的技术手段是悬架设计,而提高空间可运输性最主要是通过对车辆进行轻量化、模块化、小型化等整体结构设计来实现。此外,定姿定位能力、可操控性、驱动性能和转向性能主要由移动控制技术来提高和改进。而载人适应性设计主要是在整体结构设计中考虑供氧、照明、安全保障和乘坐舒适性等方面而进行功能增设和优化。

MDA公司专利布局


  加拿大MDA公司基于其先进的空间机器人技术,已成为美国在轨服务项目的主要研制方之一,其专利技术创新主要侧重于自由飞行器捕获、在轨加注工具与安全操作,以及通信卫星在轨组装等。MDA公司在轨服务机器人的专利申请主要分布在美国、加拿大和欧洲。MDA公司在20世纪70年代就开始在美国布局相关专利,随着MDA公司参与美国在轨服务项目越来越多,其在美国的专利申请量也呈现大幅上升趋势;近些年,MDA公司更侧重于在日本进行专利布局。


  MDA公司研制的空间基础设施服务(SIS)航天器可以在GEO上开展在轨加注任务,可以携带推进剂箱到达GEO,并装备了机械臂和工具箱来维护卫星。围绕上述服务航天器的研制,MDA公司于2008年至2016年在全球布局了75件专利,主要分布在美国、加拿大、日本、欧洲(EP)和俄罗斯,实现了SIS航天器在未来市场国家的权利保护,专利主要涉及在轨燃料加注系统总体技术、推进剂传输系统、安全操作工具和目标航天捕获固定方案等。

国外项目重要专利剖析


  美国宇航局推进的空间机器人研究计划和发展项目最多,为了对其技术发展动态进行深入剖析,本课题获取了其重要空间机器人项目的专利簇,具体涉及第二代机器人宇航员(Robonaut2)、小行星重定向任务的TALISMAN机械臂系统 、“蜻蜓”在轨卫星组装项目、“蜘蛛制造”空间制造系统等。


  其中,NASA与通用公司合作联合研制的第二代机器人宇航员(Robonaut2),于2011年进入国际空间站,成为空间拟人机器人发展的里程碑之一。针对Roubonaut2的研制,NASA与通用公司在2008年至2015年联合提交了42项与第二代机器人宇航员Robonaut2相关的专利申请,具体涉及总体技术、控制技术、感知技术、通信技术、交互操作技术、任务规划技术,以及灵巧机器人手臂、手指等。Roubounaut2的专利布局侧重于美国、日本和德国,且近些年选择在中国、加拿大和澳大利亚进行布局,主要涉及到整体结构、任务规划、灵巧操作控制和驱动等关键技术,这些技术可以在工业领域进行技术转移应用,具有较大的商业推广应用价值。


  通过梳理Roubonaut2项目的灵巧手技术发展历程,发现从2009年至2014年,NASA和通用公司在灵巧手技术方面提交了10项相关专利申请。其中,2009年的5项专利申请分别涉及手腕、拇指组件、手指肌腱驱动、手指执行器和抓握装置;2010年的两项专利申请主要涉及手指控制,2013年的专利(公告号:US8857874B2)对Roubonaut2的手指组件进行技术改进;2014年的专利(公告号:US8919842B2)则对灵巧手的肌腱操作技术进行了改进。总体上来说,NASA和通用公司通过机械结构、驱动、控制等方面的技术创新,实现了灵巧手的仿人操作灵活性、稳健性、精细程度和及时反应等方面进行了能力提升。

空间机器人技术转移可行性分析

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 专利的价值除了对自主创新的技术进行有效保护之外,更重要的是通过对其实施转化获取经济效益。空间机器人在空间环境工作要满足严苛条件,客观上要求其技术标准相比于地面更加严格,能够满足空间环境要求的空间机器人在未来向工业等其他领域进行技术转化的空间广阔。本课题梳理了空间机器人中可向民用领域推广,并适应市场需求的关键技术,并结合国外案例、我国专利储备、转移领域,对梳理出的关键技术进行技术转移可行性分析,如上图所示。

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空间机器人关键技术转移目录清单

 如表所示,为促进空间机器人技术向民用领域推广,以适应航天技术产业化需求,本课题汇总我国具有技术转移前景的技术方向及其转移领域,形成我国空间机器人技术转移目录清单。

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