3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人專利信息分析*

潘艷麗，蔣仕龍 ，吳 平，陳 亮 ，葉青云

（1.廣州華進(jìn)聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司深圳分公司，廣東深圳 518057；2.深圳市機(jī)智聯(lián)知識(shí)產(chǎn)權(quán)運(yùn)營有限公司，廣東深圳 518057；3.深港產(chǎn)學(xué)研基地運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳 518057；4.東莞市機(jī)器人產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，廣東東莞 523400）

0 引言

依據(jù)ISO8373定義，工業(yè)機(jī)器人是指具有3軸及3軸以上、可重復(fù)編程、多用戶的自動(dòng)控制操作機(jī)。在其60多年的發(fā)展歷史中，歐、美、日、韓等發(fā)達(dá)國家長期控制著工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的主導(dǎo)權(quán)。隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和人口紅利的逐漸消失，中國目前已經(jīng)成為工業(yè)機(jī)器人的最大應(yīng)用市場(chǎng)，提高工業(yè)生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化率成為降低中國企業(yè)成本的必經(jīng)之路。當(dāng)前，國外工業(yè)機(jī)器人巨頭已經(jīng)在工業(yè)機(jī)器人核心技術(shù)領(lǐng)域以及汽車、半導(dǎo)體、冶金、橡膠等外圍應(yīng)用領(lǐng)域編織了一張張層層封鎖的“專利大網(wǎng)”[1]，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)總體水平與國外差距較大，工業(yè)機(jī)器人中高端市場(chǎng)的進(jìn)口替代空間大。但是，在國外巨頭短板的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用端，如3C產(chǎn)業(yè)、紡織產(chǎn)業(yè)、食品藥品產(chǎn)業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域，近年來由于國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人企業(yè)的不斷發(fā)力和自主創(chuàng)新，出現(xiàn)了與國際巨頭“同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)”的機(jī)會(huì)[2]。尤其在3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，來自市場(chǎng)的高性價(jià)比要求和滿足本土化服務(wù)的需求，為國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人企業(yè)帶來了全新的發(fā)展機(jī)遇。

3C產(chǎn)品是指計(jì)算機(jī)（Computer）、通信（Communication）和消費(fèi)類電子產(chǎn)品（Consumer Electronics）[3]，3C產(chǎn)業(yè)具有生命周期短、成本持續(xù)降低及彈性的全球運(yùn)籌等特性，制造過程涉及裝配、噴涂、工件搬運(yùn)、加工、檢驗(yàn)檢測(cè)等環(huán)節(jié)，流程和步驟非常復(fù)雜，是目前發(fā)展最為迅速的一種產(chǎn)業(yè)[4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全球70%以上的3C產(chǎn)品在中國生產(chǎn)，廣東省更是3C產(chǎn)品制造企業(yè)的集聚地，代表性企業(yè)有中興、華為、富士康等。在持續(xù)增長的3C市場(chǎng)帶動(dòng)下，深圳、廣州、佛山、順德、東莞等地涌現(xiàn)了一大批初具創(chuàng)新能力的工業(yè)機(jī)器人制造企業(yè)，對(duì)這些企業(yè)來說，當(dāng)務(wù)之急不僅僅是把應(yīng)用技術(shù)做好，而且要結(jié)合企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新需求，以專利信息分析為手段，在專利布局方面提前做好充分的布局規(guī)劃。

本文作者通過對(duì)3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人的專利數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、篩選和分析，從專利申請(qǐng)趨勢(shì)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局、專利計(jì)量和專利合作、技術(shù)熱點(diǎn)及發(fā)展方向等多個(gè)角度對(duì)工業(yè)機(jī)器人在3C產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)行定量和定性的研究，為國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人企業(yè)的專利布局提供參考性建議。

1 專利數(shù)據(jù)說明

文中的專利數(shù)據(jù)來源于智慧芽和Incopat專利檢索數(shù)據(jù)庫，檢索專利時(shí)間截止是2017年12月31日。由于從專利申請(qǐng)到專利公開一般需要1～3年時(shí)間，近3年申請(qǐng)的專利大部分還處在受理狀態(tài)，所以近幾年的專利數(shù)據(jù)為不完全數(shù)據(jù)。采用人工閱讀、關(guān)鍵詞篩選以及IPC限定的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，選取符合條件的專利文獻(xiàn)作為樣本，對(duì)于中國申請(qǐng)和中國公開產(chǎn)生多個(gè)文本的，僅保留最終的一個(gè)文本[5]。最終得到4690件專利申請(qǐng)，其中發(fā)明專利申請(qǐng)2766件，占比75.51%，實(shí)用新型專利申請(qǐng)897件，占比24.49%。發(fā)明專利授權(quán)1164件，授權(quán)比例為42.08%。有效發(fā)明專利為854件，維持比例為73.37%。

2 3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人總體申請(qǐng)趨勢(shì)分析[6]

圖1為全球、中國及廣東省的專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖，從圖1中可以看出，全球3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人專利申請(qǐng)開始于1973年。在上世紀(jì)70年代，為適應(yīng)工業(yè)高度自動(dòng)化的需要，國外迅速發(fā)展起一種新的程序控制自動(dòng)化裝置——工業(yè)機(jī)器人，隨著工業(yè)機(jī)器人和早期的家庭電腦和電視的發(fā)展，此階段開始出現(xiàn)3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人專利申請(qǐng)，但是數(shù)量增長基本處于停滯狀態(tài)，直到1982年才突破10件的申請(qǐng)量。國內(nèi)專利申請(qǐng)始于1993年，時(shí)間上落后國外20年，這是因?yàn)閺纳鲜兰o(jì)90年代開始，以電腦、手機(jī)、彩電為代表的傳統(tǒng)3C產(chǎn)品才開始走進(jìn)中國家庭。從1993年到2001年，國內(nèi)3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)仍然處于理論研究階段，申請(qǐng)人主要為科研院所和通過PCT途徑進(jìn)入中國的國外申請(qǐng)人，專利數(shù)量增長非常緩慢。2001～2009年全球?qū)＠暾?qǐng)?zhí)幱谄椒€(wěn)增長期，此時(shí)國內(nèi)申請(qǐng)主體絕大部分仍然為科研院所和高校，專利申請(qǐng)維持著較低的數(shù)量，僅僅幾十件，此階段為技術(shù)萌芽期。

圖1 全球、中國及廣東省專利申請(qǐng)趨勢(shì)圖

2010年至今，隨著新興的3C產(chǎn)品包括智能可穿戴設(shè)備、VR/AR設(shè)備終端、消費(fèi)級(jí)無人機(jī)、娛樂機(jī)器人等消費(fèi)電子產(chǎn)品迅速增長，3C領(lǐng)域逐漸成為汽車以外工業(yè)機(jī)器人第二大的應(yīng)用領(lǐng)域。全球、中國和廣東專利申請(qǐng)均迎來一個(gè)快速增長期，且增長趨勢(shì)線十分相近，究其原因在于此階段的增長主要源于中國專利申請(qǐng)量的帶動(dòng)，我國在該領(lǐng)域累積申請(qǐng)2286件專利，80%以上的專利為2010年以后申請(qǐng)，從技術(shù)萌芽期直接進(jìn)入快速增長期。

廣東省專利申請(qǐng)量在2015年之后迅速增加，其中2016年和2017年專利申請(qǐng)量均突破百件，廣東省專利申請(qǐng)總量的全國占比超過25%，在國內(nèi)各省市專利申請(qǐng)量中排名第一位。因此，未來在“3C產(chǎn)品”生產(chǎn)中采用專用的工業(yè)機(jī)器人，可能是廣東工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的焦點(diǎn)[7]。

3 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析

3.1 全球區(qū)域市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析

圖2為全球申請(qǐng)人在3C工業(yè)機(jī)器人的地域布局地圖，中國、美國、日本、和韓國申請(qǐng)人在全球分別申請(qǐng)了2031件、606件、341件、298件、186件。來自中國、美國、歐洲和韓國的專利申請(qǐng)人占比全球申請(qǐng)人的比例分別為48.74%、19.04%、8.70%、6.93%，由此可以看出，中國不僅成為全球3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人的最大市場(chǎng)，也是該領(lǐng)域最大的技術(shù)來源國。

圖2 全球?qū)＠赜蚍植紙D

3.2 創(chuàng)新主體市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析

如圖3、4所示，全球前十位申請(qǐng)人主要為美、日、韓企業(yè)，其中工業(yè)機(jī)器人國際巨頭們?cè)?C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人占有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，中國申請(qǐng)人僅華南理工大學(xué)排名前列。ABB集團(tuán)、美國IROBOT和日本發(fā)那科分列前三位，專利申請(qǐng)總量超過百件。國內(nèi)在該領(lǐng)域近十年的專利申請(qǐng)量位居全球首位，但是專利申請(qǐng)人的全球排名靠后，一方面因?yàn)閲鴥?nèi)申請(qǐng)人進(jìn)入該領(lǐng)域的時(shí)間較晚，中國在該領(lǐng)域的一流創(chuàng)新主體與國際水平仍有較大差距，技術(shù)累積仍顯單?。涣硪环矫?，由于中國成為全球工業(yè)機(jī)器人的最大市場(chǎng)，國際巨頭紛紛在中國設(shè)立子公司或分支機(jī)構(gòu)，進(jìn)行本土化經(jīng)營策略，這部分國外主體在國內(nèi)的專利申請(qǐng)也劃入國內(nèi)的專利申請(qǐng)量之中。此外，3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)國內(nèi)前十位申請(qǐng)人中僅有一位非科研院校，從側(cè)面反映了國內(nèi)生產(chǎn)的3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用水平仍不高，總體仍然處于科研院所和高校的基礎(chǔ)研究階段。

圖3 3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)全球前十位申請(qǐng)人

圖4 3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)國內(nèi)前十位申請(qǐng)人

4 3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠献鞣治?/h2>

合著率和合著度（也稱合作指數(shù)）是科學(xué)計(jì)量學(xué)領(lǐng)域常用的表征科學(xué)合作程度的指標(biāo)。合著率是指合著論文數(shù)占全部論文數(shù)的百分比，一般用DC表示；而合著度是指論文的篇均作者數(shù)，一般用CI表示。合著率與合著度的計(jì)算公式分別如下[8]：

式中：f1為獨(dú)著論文數(shù)量，j為單篇論文的作者數(shù)量，k為單篇論文作者數(shù)量的最大值，fj為作者數(shù)為j的論文數(shù)，N為論文總數(shù)。

針對(duì)論文和專利的相似和相通之處，溫芳芳等[8]將上述針對(duì)學(xué)術(shù)論文的計(jì)量指標(biāo)引入專利計(jì)量領(lǐng)域，提出專利合作率和合作度兩個(gè)指標(biāo)：

發(fā)明人合作率=兩個(gè)及以上發(fā)明人共同發(fā)明的專利數(shù)量/專利總數(shù)

發(fā)明人合作度=發(fā)明人總數(shù)/專利總數(shù)

專利合作率=兩個(gè)及以上專利權(quán)人共同申請(qǐng)的專利數(shù)量/專利總數(shù)

專利權(quán)人合作度=專利權(quán)人總數(shù)/專利總數(shù)

如圖5和表1所示，總體來看，3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的專利權(quán)人合作度/率較低而發(fā)明人合作度/率較高，表明3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域國內(nèi)專利申請(qǐng)人多數(shù)為獨(dú)立申請(qǐng)，發(fā)明人的合作較多，但可能也多限于單位內(nèi)部的合作。廣東省的專利總數(shù)量排名第一，專利權(quán)人合作率也最高，表明廣東省在該領(lǐng)域的專利權(quán)人合作較多，也說明了廣東省在該領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新程度較高。從發(fā)明人合作度/率方面分析，湖北、北京、上海、安徽高于平均水平，說明這些地區(qū)在該領(lǐng)域平均每件專利投入的人力資源數(shù)量較多?？傮w來看，3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠献饕庾R(shí)較強(qiáng)，不足之處是合作范圍有局限，跨區(qū)域的合作有待加強(qiáng)。

圖5 國內(nèi)申請(qǐng)量前十位省市專利合作率與合作度對(duì)比

表1 國內(nèi)申請(qǐng)量前十位省市專利合作率與合作度對(duì)比

5 技術(shù)熱點(diǎn)及發(fā)展方向分析

5.1 3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的聚類分析

圖6 全球3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的工業(yè)機(jī)器人分支技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)圖

對(duì)檢索得到的4690篇文獻(xiàn)摘要進(jìn)行文本聚類分析發(fā)現(xiàn)，全球申請(qǐng)人的申請(qǐng)技術(shù)熱點(diǎn)集中在機(jī)械臂、傳送、搬運(yùn)和焊接等技術(shù)上，而目前國內(nèi)3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求主要為加工制造環(huán)節(jié)的上下料操作、產(chǎn)品測(cè)試的上下料操作、裝配、外觀檢測(cè)和功能檢測(cè)、傳送設(shè)備等方面，這說明國內(nèi)3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人的專利申請(qǐng)熱點(diǎn)是針對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)場(chǎng)景進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。典型的專利申請(qǐng)有：一種基于工業(yè)機(jī)器人的筆記本外殼拋光工裝設(shè)備，申請(qǐng)?zhí)朇N201710178915.5、手機(jī)HOME鍵自動(dòng)裝配系統(tǒng)及裝配方法，申請(qǐng)?zhí)朇N201611207511.6、3C電子芯片封裝自動(dòng)連續(xù)注塑成型系統(tǒng)，申請(qǐng)?zhí)朇N201610769532.0等等。

表2 全球3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的工業(yè)機(jī)器人文本聚類分析高頻詞統(tǒng)計(jì)

5.2 3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠鸌PC技術(shù)類別

國際專利分類號(hào)（IPC）是我國目前采用的專利分類系統(tǒng)，也是世界通用的專利分類系統(tǒng)。如圖6所示，對(duì)3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域按照分類號(hào)和時(shí)間進(jìn)行二維統(tǒng)計(jì)，得到IPC分類號(hào)隨著時(shí)間推移的變化趨勢(shì)，直觀反映出3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向和技術(shù)熱點(diǎn)。從圖6中可以看出，早期專利申請(qǐng)集中在B25J9/16（程序控制），近幾年G05D1/02（二維的位置或航道控制）、B25J13/00、B25J11/00、B25J9/00（均為機(jī)械手相關(guān)IPC號(hào)）等技術(shù)類別的專利申請(qǐng)量也迅速增加，說明該領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)從程序控制技術(shù)逐漸向?qū)嵤┚唧w操作如抓取、堆垛等動(dòng)作的機(jī)械手進(jìn)行演進(jìn)。

6 結(jié)束語

（1）對(duì)3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人這一細(xì)分領(lǐng)域的專利信息進(jìn)行分析，有助于幫助國內(nèi)企業(yè)了解工業(yè)機(jī)器人在3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，找準(zhǔn)契合自身發(fā)展的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成和應(yīng)用方向。

（2）從總體趨勢(shì)來看，我國在工業(yè)機(jī)器人3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)雖然起步較晚，但是專利數(shù)量增長很快，這與我國快速增長的3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)應(yīng)用需求有關(guān)，并且在快速、大量的專利增長勢(shì)頭之下，各方的專利合作意識(shí)較高，但是跨區(qū)域的合作有待加強(qiáng)。

（3）從涉及的技術(shù)類別來看，技術(shù)熱點(diǎn)從程序控制技術(shù)逐漸向與具體操作如抓取、堆垛等動(dòng)作的機(jī)械手進(jìn)行演進(jìn)，說明3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的工業(yè)機(jī)器人既包含一部分通用機(jī)器人，如可用于上下料的機(jī)械手、機(jī)械臂，也逐漸出現(xiàn)越來越多專用的3C應(yīng)用產(chǎn)業(yè)工業(yè)機(jī)器人。