占據(jù)全球五大市場的工業(yè)機器人專利申請有什么特點？

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原標題：專利計量視角下的全球工業(yè)機器人研發(fā)態(tài)勢

工業(yè)機器人作為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，已經(jīng)成為衡量一個國家制造水平和科技水平的重要標志。近年來，全球主要經(jīng)濟體如美國、日本、歐盟紛紛加快推進工業(yè)機器人發(fā)展和應(yīng)用步伐，以期在新一輪工業(yè)革命中占據(jù)制高點，保持或重獲制造業(yè)競爭優(yōu)勢。

專利是技術(shù)創(chuàng)新的載體，在當今知識經(jīng)濟時代，亦是一種戰(zhàn)略性資源，在國際市場競爭中起著重要的作用。專利計量分析是采用數(shù)學、統(tǒng)計學研究方法，對來自專利文獻中大量的、零散的專利信息進行提取、整理、加工及組合，并且對其中有價值的情報信息進行定性描述和定量分析，以揭示隱含在其中的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢。2016年3月，由中國科學院沈陽自動化研究所、中國科學院文獻情報中心、工業(yè)和信息化部電子科學技術(shù)情報研究所聯(lián)合承擔的工業(yè)和信息化部知識產(chǎn)權(quán)推進計劃項目—“工業(yè)機器人專利態(tài)勢分析與風險應(yīng)對策略研究”順利通過驗收。該項目對工業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)、重點應(yīng)用領(lǐng)域、主要競爭區(qū)域的技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀、技術(shù)布局開展了全面、深入的剖析，項目成果旨在為政府主管部門把握工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀提供科學依據(jù)，為進行工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的前瞻性布局提供有效支撐，為制定我國工業(yè)機器人發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃提供重要的決策依據(jù)。同時，也將為我國工業(yè)機器人生產(chǎn)和制造企業(yè)全面、客觀地了解工業(yè)機器人研發(fā)和競爭態(tài)勢、瞄準市場定位、提升自主創(chuàng)新能力提供重要的參考依據(jù)。

本文對項目報告中的核心內(nèi)容進行重點解讀。

全球概況

截至2015年11月，工業(yè)機器人領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩恳殉^8萬項。從全球?qū)＠暾堏厔輥砜?，工業(yè)機器人相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用經(jīng)歷了20世紀50~70年代的萌芽期、70~90年代的初步發(fā)展期，如今已處于蓬勃發(fā)展階段。工業(yè)機器人專利申請雖伴有階段性回落，但總體呈現(xiàn)逐步上揚的態(tài)勢。

從專利申請（技術(shù)來源）、受理（技術(shù)流向）區(qū)域分布情況看，中國、日本、美國、韓國、德國既是工業(yè)機器人技術(shù)的研發(fā)主體，同時也是全球競爭最激烈的五大市場。以日本安川電機（YASKAWA）、日本發(fā)那科（FANUC）、瑞士ABB、德國庫卡（KUKA）為代表日企、歐企是工業(yè)機器人市場競爭的主角，我國申請人在工業(yè)機器人技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品制造等方面的專利申請量較少，在全球化競爭中處于劣勢。

關(guān)鍵技術(shù)（傳感控制）

傳感、控制系統(tǒng)擔當機器人的“感覺器官”和“大腦”，是機器人智能水平的關(guān)鍵所在。傳感控制技術(shù)作為工業(yè)機器人的核心關(guān)鍵技術(shù)，其發(fā)展歷程伴隨著工業(yè)機器人的更新?lián)Q代：

√ 上世紀50~70年代的機器人屬于示教再現(xiàn)的工作方式。機器人具有記憶和存儲能力，只能按預(yù)編程序重復(fù)作業(yè)，運動控制指令由示教盒或操作者給定。此階段專利申請量較少：1954～1973年間專利申請量總計37項。

√ 70年代后期~90年代，隨著視覺、力覺等傳感技術(shù)的融入，機器人對作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對象具有一定程度的感知能力，工業(yè)機器人的控制方式通常稱為伺服控制。該階段出現(xiàn)了專利申請量的第一個“馬鞍形”曲線。1983年，工業(yè)機器人傳感控制技術(shù)全球?qū)＠暾埩窟_353項，為該階段歷史峰值。

√ 90年代至今的機器人，被稱為智能機器人，不僅具有比第二代機器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有類似人的思維、判斷、決策的能力，高度的適應(yīng)性、自主性是第三代智能機器人的重要標志。2000年以后，工業(yè)機器人傳感控制技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾堃恢背食掷m(xù)增長的態(tài)勢，2015年達歷史峰值2030項?？梢灶A(yù)測，在未來幾十年，傳感控制技術(shù)專利申請量將繼續(xù)保持快速增長的趨勢。

截至檢索日，工業(yè)機器人傳感控制技術(shù)全球?qū)＠偭繛?4485項。其中，日本是專利產(chǎn)出最多的國家，占比約38%，中國、美國次之。世界專利申請（WIPO）和歐洲專利申請（EPO）也占一定比例，這在一定程度上反映出發(fā)達國家在工業(yè)機器人核心關(guān)鍵技術(shù)上的全球化布局程度較高。

由專利主題聚類圖可以看出，工業(yè)機器人傳感控制技術(shù)的研發(fā)重點包括：

1)      綜合類：傳感、測量、控制方法（sensor、detect、control method）、及計算機編程（computer program）、人機交互（user interface）

2)      控制硬件：伺服電機（servo motor）；視覺傳感器裝置（camera、image information sensor）

3)      控制軟件：數(shù)據(jù)生成、接收、存儲（signal generate、receive、store）；數(shù)據(jù)通信（communication network）；移動機器人控制如導(dǎo)航（guide）、路徑規(guī)劃（motion guide、path plan）、地圖建立（map plan）。

主題聚類圖也反映了工業(yè)機器人的重點應(yīng)用領(lǐng)域，具體包括：

1)      綜合類：自動化生產(chǎn)線（automatic production line）

2)      焊接領(lǐng)域：焊炬（weld torch）；焊條、電極等（electrode）。

3)      搬運領(lǐng)域：半導(dǎo)體器件如晶圓、液晶面板的運輸、搬運（semiconductor transfer、substrate transfer）

4)      裝配領(lǐng)域：印刷電路板（circuit board）中電子元器件的安裝

5)      加工領(lǐng)域：金屬加工（metal cast）、合金線材制造（alloy wire manufacture）

近5年，以自動化生產(chǎn)線為主題的專利聚類愈加密集，反映出工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流。

梳理傳感控制技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)如下：

控制技術(shù)的演進歷程：在機械結(jié)構(gòu)層面，上世紀90年代前經(jīng)歷了單機械臂、腕關(guān)節(jié)、多臂控制等階段。隨著人工智能技術(shù)的不斷進步，研發(fā)熱點逐步向移動機器人、多機器人系統(tǒng)控制過渡。傳感技術(shù)的演進歷程：早期專利主要圍繞視覺、力覺等基本感知能力；隨著工業(yè)自動化程度的不斷提升，涌現(xiàn)出各種類型、各種用途的高端傳感器。近年來，傳感控制技術(shù)研發(fā)較多地集中在通信、協(xié)同作業(yè)等方向。

總體來看，日本、美國、德國在傳感控制技術(shù)領(lǐng)域部署了相當數(shù)量的核心專利，對關(guān)鍵技術(shù)的掌握占據(jù)絕對優(yōu)勢，為競爭對手留下的發(fā)展空間有限。

重點產(chǎn)品（焊接、裝配）

截至檢索日，全球范圍內(nèi)焊接機器人專利申請共計15991項，裝配機器人專利申請共計32584項。從專利申請的地域分布情況看，日本是焊接機器人專利產(chǎn)出最多的國家，中國是裝配機器人專利產(chǎn)出最多的國家。

日本在機械手、焊接、控制等技術(shù)方向的專利申請具有明顯優(yōu)勢；中國的專利申請多集中于金屬加工領(lǐng)域；美國、德國在工業(yè)機器人多個技術(shù)分支上都有一定數(shù)量的專利申請，技術(shù)布局更加全面、均衡。相比其他國家，美國、德國的工業(yè)機器人（包括焊接、裝配等）技術(shù)更先進，功能更全面，性能更可靠，精確度、適應(yīng)性也很強。

根據(jù)特定技術(shù)類別專利申請量占比，可以發(fā)現(xiàn)當前技術(shù)創(chuàng)新的熱點。焊接機器人領(lǐng)域，焊接相關(guān)技術(shù)的研發(fā)熱點包括：

1)        焊接工藝

焊接工藝相關(guān)專利申請量最多的技術(shù)方向包括：弧焊（電弧焊接，占比38.48%）、點焊（電阻點焊，占比17.17%）、能量束焊接，如激光束焊接（占比12.72%）、火焰焊接（占比2.08%）、等離子焊接（占比1.55%）。釬焊技術(shù)專利申請量次于熔焊，占比為4.88%；壓焊技術(shù)專利量最少，占比僅1.55%。

弧焊是目前機器人自動化焊接中最受關(guān)注的方向。主要有以下優(yōu)點：①機械手受控運動方式是連續(xù)軌跡控制型，因此運動軌跡的重復(fù)精度、焊槍的姿態(tài)、焊接參數(shù)都有更精確的控制；②弧焊機器人具有可靠的引弧和收弧功能，能夠?qū)崟r檢測出焊縫偏差，并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的可靠性?；『高^程中的焊縫跟蹤技術(shù)專利申請量最多，經(jīng)過多年的探索和研究，加之智能傳感器（電弧傳感器和光學傳感器）的引入，以及近代專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步，焊縫跟蹤進入了智能控制的新時代。

2)        焊接附屬設(shè)備

除了焊接機器人本體外，許多外圍輔助設(shè)備如控制柜、焊接電源、送絲機構(gòu)、變位機、夾具等是焊接過程高效率、高質(zhì)量實施的重要保障。尤其是焊接電源，能直接影響焊接機器人的使用性能。近年來，一些特殊功能的焊接電源，如適合鋁及其鋁合金TIG 焊的方波交流電源、帶有專家系統(tǒng)的焊接電源等逐漸受到關(guān)注。

焊接機器人研發(fā)熱點

裝配機器人領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)集中于機械手，研發(fā)熱點包括：

1)        程序控制機械手

程序控制機械手相關(guān)技術(shù)的專利申請約占裝配機器人機械手相關(guān)專利申請量的一半（占比46.94%）。其中，以元件定位裝置為特征的（1313項）、以部件結(jié)構(gòu)為特征的（656項）機械手專利申請量較多。此外，還包括以機械臂的坐標特性來描述的機械手，如直角坐標型（426項）、柱面坐標或極坐標型（228項）、多鉸接爪臂或多關(guān)節(jié)型（667項）。

機械手的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、電動式等。液壓驅(qū)動精度比較差，而且存在漏油風險，多數(shù)工作環(huán)境不適用；氣動手爪相對來說比較簡單，價格便宜，因而在一些要求不太高的場合用的比較多；電動手爪造價比較高，主要用在一些特殊場合。從專利申請量來看，電動機械手比較受歡迎。

2)        機械手的控制裝置

裝配機器人機械手相關(guān)專利申請中，機械手的控制裝置專利申請量占比為23.75%，僅次于程序控制機械手。具體包括讀出裝置（觀察或觸摸裝置）1677項、手柄控制裝置94項、控制臺（如儀表板、開關(guān)板）79項、腳操縱的控制裝置7項等。目前，全球各國家/地區(qū)正在加大裝配領(lǐng)域工業(yè)機器人的研發(fā)力度，其中控制技術(shù)主要向智能化、多智能體協(xié)調(diào)控制方向發(fā)展。具體包括：開放式、模塊化控制系統(tǒng)；多智能體（multi-agent）協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

3)        機械手周邊設(shè)備

機器手進行裝配作業(yè)時，附件或周邊設(shè)備如零件供給裝置和工件搬運裝置也至為重要。通常包括零件供給器、臺架、輸送裝置、安全欄等設(shè)備。截至檢索日，裝配機器人夾頭、接頭、爪臂、附件及安全裝置等技術(shù)分支的申請量總計5830項，占比高達45.5%。

裝配機器人研發(fā)熱點

在專利申請人層面，焊接機器人、裝配機器人領(lǐng)域的專利申請以汽車、電子行業(yè)頗具實力的全球化企業(yè)為主導(dǎo)，近70%來自日本。

中國專利

截至檢索日，工業(yè)機器人中國專利申請總量達30060項。除本國申請外，日本、美國、德國、韓國都把中國視為最重要的工業(yè)機器人市場，并開展相關(guān)技術(shù)布局。

工業(yè)機器人專利申請集中在機械手、焊接、搬運/貯存、電技術(shù)、控制技術(shù)、傳感/測量、數(shù)據(jù)處理七大技術(shù)領(lǐng)域。七個技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)＠暾埩窟_77664項，占全球總量的88%。中國在這七大技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量為22933項，占全球總量的30%。

全球范圍內(nèi)機械手、電技術(shù)、控制技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量都超過了1萬項，分別為31507項、10367項、10156項，國外在這三個領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新方面積累了較為豐富的經(jīng)驗，發(fā)展相對成熟。我國在機械手、電技術(shù)、控制技術(shù)三大領(lǐng)域的專利申請量分別為10283項、1968項、2567項，發(fā)明點多集中在對機械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)的某些小的改進上。

在七個主要技術(shù)領(lǐng)域上，中國專利申請量占比最多的是搬運/貯存（B65G，42%）；申請量占比偏少的是數(shù)據(jù)處理（15.2%）與電技術(shù)（19%）。

工業(yè)機器人領(lǐng)域在華專利申請中，國內(nèi)高校和科研院所的專利申請量占比達一半以上，國外申請人多以企業(yè)為主。排名前20位的主要申請人中，日企具有明顯優(yōu)勢?？偛课挥谂_灣的鴻海集團專利申請量較多，沈陽新松機器人自動化股份有限公司作為國內(nèi)工業(yè)機器人行業(yè)的領(lǐng)頭羊企業(yè)，亦具有一定的競爭實力。專利申請人的分布情況在一定程度上說明我國的大部分技術(shù)掌握在高校和科研院所手中。我國亟需進行產(chǎn)學研結(jié)合的模式來促進技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，真正發(fā)揮創(chuàng)新價值。

主要國家對比

工業(yè)機器人領(lǐng)域?qū)＠暾埣性谥袊?、日本、美國、德國、韓國全球五大市場。近五年來，中國專利申請呈爆發(fā)式增長趨勢；素有“機器人王國”美稱的日本從上世紀90年代開始至今，專利申請的熱度一直在持續(xù)。從全球?qū)＠陌l(fā)源、流向看，日本和美國之間的技術(shù)流通最為活躍：美國向日本的技術(shù)輸出比例為15.14%，日本向美國的技術(shù)輸出比例為18.31%。中國向其他國家的技術(shù)輸出比例都偏低：中國向美國為1.45%，中國向日本為0.43%、中國向韓國為0.20%。美國、日本、韓國向中國的技術(shù)輸入比例依次遞減：美國向中國為9.45%、日本向中國為7.75%、韓國向中國為3.97%。

結(jié)論及建議

1)全球?qū)＠艣r：工業(yè)機器人領(lǐng)域?qū)＠暾埵加谏鲜兰o60年代，進入2000年以后，隨著研究、應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，全球?qū)＠暾堈幱谛乱惠喛焖偕仙凇Ｈ驅(qū)＠奂谥袊?、日本、美國、韓國、德國五大市場，日本的專利申請人表現(xiàn)最為突出。

2)關(guān)鍵技術(shù)：工業(yè)機器人傳感控制技術(shù)的發(fā)展伴隨著機器人的更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了示教再現(xiàn)、伺服控制、智能控制階段。日本是該領(lǐng)域?qū)＠a(chǎn)出最多的國家，專利技術(shù)多集中于傳感控制硬件（設(shè)備）、軟件（方法），近年來研發(fā)熱點包括移動機器人、多機器人系統(tǒng)控制等。

3)重點產(chǎn)品：焊接、裝配領(lǐng)域機器人應(yīng)用最廣泛。日本、中國分別是焊接機器人和裝配機器人專利申請最多的國家。焊接技術(shù)的研發(fā)熱點包括焊接工藝、焊接附屬設(shè)備；裝配技術(shù)的研發(fā)熱點為機械手控制、機械手周邊設(shè)備。

4)中國專利：“中國增長”讓全球工業(yè)機器人巨頭把目光投向了中國。中國專利的申請重點與全球保持一致，但在電技術(shù)（包括高性能電機、傳感器）領(lǐng)域申請量占比偏少。此外，中國專利申請人以高校和科研院所為主，企業(yè)競爭力尚待提升。

歐美、日本等發(fā)達國家在其工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展、崛起的過程中，有很多寶貴的經(jīng)驗值得我們學習和借鑒。首先，政府扶持助力整體產(chǎn)業(yè)發(fā)展；其次，科學的技術(shù)布局是保持核心競爭優(yōu)勢的重要手段。近年來，我國機器人產(chǎn)業(yè)處于市場和政策雙重利好的時期，國家在政策層面上對于機器人產(chǎn)業(yè)的扶持力度不斷加碼。在帶領(lǐng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程中，我國工業(yè)機器人企業(yè)在加大技術(shù)創(chuàng)新力度的同時，更應(yīng)該重視機器人研發(fā)、制造與應(yīng)用之間的有效銜接，同時利用好專利、標準等技術(shù)創(chuàng)新的“保護傘”，在激烈的市場競爭者維護自身權(quán)益，不斷積累競爭優(yōu)勢。

來源：中國科學院沈陽自動化研究所文獻情報中心

作者：沈陽自動化研究所

編輯：IPRdaily 夢婷君

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