外骨骼機(jī)器人技術(shù)專利分析研究

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 原譽(yù)桐 鄭繼貴 皮利萍 張艾莎

一、引 言

外骨骼機(jī)器人是一種穿戴在操作者身體外部，融入先進(jìn)控制、信息耦合、移動(dòng)計(jì)算、通信等技術(shù)的人機(jī)電設(shè)備，可為穿戴者提供額外的動(dòng)力或能力，增強(qiáng)人體機(jī)能，其在操作者的控制下可完成特定的功能和任務(wù)，實(shí)現(xiàn)人體力量的增強(qiáng)和感覺器官的延伸。外骨骼機(jī)器人技術(shù)最早應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，用于為操作者提供支撐和輔助，隨著控制技術(shù)的發(fā)展和人機(jī)耦合技術(shù)的進(jìn)步，其逐步應(yīng)用于消防救援和核探測領(lǐng)域。近年來，外骨骼機(jī)器人技術(shù)也在陸軍得到了初步應(yīng)用，用于單兵負(fù)載攜行。基于外骨骼機(jī)器人技術(shù)在軍民領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景，開展專利技術(shù)分析具有重要的意義。

二、外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)圖譜與專利檢索分析

（一）關(guān)鍵技術(shù)圖譜

研究人員研究了外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品的組成和專業(yè)構(gòu)成，從專業(yè)和功能實(shí)現(xiàn)的維度進(jìn)行綜合分析，對(duì)其組成和技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行總結(jié)，得到了外骨骼機(jī)器人技術(shù)圖譜，如圖1所示。外骨骼機(jī)器人共涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)感知、控制、驅(qū)動(dòng)、能源管理、測試/評(píng)價(jià)等6個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 外骨骼機(jī)器人技術(shù)圖譜

（二）專利技術(shù)分析

1.專利申請(qǐng)趨勢分析

2003年之前，外骨骼機(jī)器人技術(shù)整體處于技術(shù)萌芽和發(fā)展的初級(jí)階段，專利申請(qǐng)量較少。2003—2013年，全球外骨骼機(jī)器人技術(shù)專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)快速增長趨勢，年專利申請(qǐng)量超過100件。2013年以后，外骨骼機(jī)器人技術(shù)開始逐步從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用并進(jìn)入市場，在各國外骨骼機(jī)器人技術(shù)快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)下，全球?qū)＠暾?qǐng)呈現(xiàn)出指數(shù)型高速增長態(tài)勢，并在2018年達(dá)到申請(qǐng)高峰，當(dāng)年共申請(qǐng)了434件專利。

圖2 外骨骼機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)趨勢圖

2.專利申請(qǐng)人分析

圖3為20世紀(jì)60年代以來在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域全球主要專利申請(qǐng)人的排名情況，可以看出，排名前15位的申請(qǐng)人中，日本、美國和中國的申請(qǐng)人所占比例較高。其中，日本有4家單位入圍，分別為日本本田電機(jī)公司、日本豐田公司、日本筑波大學(xué)（TSUKUBA大學(xué)）和日本EQUOS公司，這4家單位的研究重點(diǎn)均為醫(yī)用外骨骼機(jī)器人技術(shù)。美國有3家單位入圍，分別為美國Ekso Bionics公司、美國加州大學(xué)和美國洛馬公司，這3家單位都參與過軍用外骨骼機(jī)器人的研發(fā)工作。我國有5家單位入圍，分別為浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和上海理工大學(xué)，全部為科研院校，研究重點(diǎn)為軍用外骨骼和工業(yè)外骨骼技術(shù)。韓國有2家單位入圍，分別為韓國三星公司和韓國現(xiàn)代公司。以色列有1家單位入圍，為ARGO醫(yī)學(xué)技術(shù)公司。

專利申請(qǐng)量排名第一位的日本本田公司共申請(qǐng)了330件專利，其推出的步行輔助康復(fù)裝置主要用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。美國Ekso Bionics公司和美國加州大學(xué)從研發(fā)軍用外骨骼機(jī)器人開始，逐漸進(jìn)軍醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。美國洛馬公司的專利申請(qǐng)主要面向軍方，多集中在增進(jìn)士兵的力量和耐力方面。浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和上海理工大學(xué)的專利申請(qǐng)主要涉及助老助殘、醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，極少部分涉及負(fù)重助力等軍事領(lǐng)域。以色列的ARGO醫(yī)學(xué)技術(shù)公司排在第七位，該公司后來改名為Rewalk公司，其研發(fā)的外骨骼機(jī)器人主要用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在2012年創(chuàng)造了第一個(gè)穿戴外骨骼機(jī)器人的下肢癱瘓病人完成倫敦馬拉松比賽的壯舉。

圖3 20世紀(jì)60年代以來全球主要專利申請(qǐng)人的排名情況

圖4是近5年來在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域全球主要專利申請(qǐng)人的排名情況，通過與圖3對(duì)比可以看出，近5年主要申請(qǐng)人的排名發(fā)生了較大變化，韓國的2家公司排名靠前，其中韓國三星公司的專利申請(qǐng)量排名第一，韓國現(xiàn)代公司排名第三。2016年，韓國現(xiàn)代公司旗下現(xiàn)代羅特姆公司在第二屆韓國防務(wù)展上展出了其研制的HWEX-UP（現(xiàn)代工人外骨骼無動(dòng)力）和模塊化髖部外骨骼系統(tǒng)，該外骨骼系統(tǒng)用于工業(yè)領(lǐng)域，可減輕老齡工人的身體負(fù)擔(dān)。排名前15位的申請(qǐng)人中，中國有9家，而日本僅有EQOUS公司入圍。近5年來，中國和韓國在該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量要高于日本。

圖4 近5年來在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域全球主要專利申請(qǐng)人的排名情況

三、專利申請(qǐng)區(qū)域分析

（一）專利產(chǎn)出國分析

圖5是20世紀(jì)60年代以來外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域主要專利產(chǎn)出國的分布情況，可以看出，外骨骼機(jī)器人技術(shù)專利產(chǎn)出國主要集中在中國、日本、美國和韓國。其中，我國的專利申請(qǐng)量最多，達(dá)到1669件；日本排名第二，共申請(qǐng)了631件專利；美國排名第三，共申請(qǐng)了582件專利；韓國排名第四，共申請(qǐng)了282件專利。

圖5 20世紀(jì)60年代以來外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域主要專利產(chǎn)出國的分布

（二）主要申請(qǐng)國家的專利發(fā)展趨勢

圖6為20世紀(jì)60年代以來外骨骼機(jī)器人技術(shù)專利申請(qǐng)量排名前4位國家的專利申請(qǐng)趨勢對(duì)比情況。

美國的專利申請(qǐng)始于20世紀(jì)60年代，是研究外骨骼機(jī)器人技術(shù)最早的國家。一直到2004年，美國每年申請(qǐng)的外骨骼機(jī)器人技術(shù)專利數(shù)量都不超過10件；2005年，美國的專利申請(qǐng)量首次達(dá)到小高峰，共申請(qǐng)了27件專利，這是因?yàn)槊绹又荽髮W(xué)伯克利分校在該年申請(qǐng)了多件涉及半-供電下肢體外骨骼機(jī)器人技術(shù)的專利，并在美國、加拿大、中國、澳大利亞、歐洲等國家和地區(qū)進(jìn)行了專利布局；2008年，美國專利申請(qǐng)量達(dá)到第二次小高峰，共申請(qǐng)了41件專利，這主要是因?yàn)樵诿绹鴩啦扛呒?jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的“人類行動(dòng)強(qiáng)化外骨骼項(xiàng)目（EHPA）”資助下，加州大學(xué)伯克利分校、美國伯克利仿生技術(shù)公司、美國雷神公司和美國Ekso Bionics公司等創(chuàng)新主體取得了技術(shù)突破，并推動(dòng)其商業(yè)化應(yīng)用；之后外骨骼機(jī)器人技術(shù)在美國一直處于穩(wěn)步發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

1.4 研究方法 對(duì)照組患兒使用匹多莫德口服液(蘇州長征-欣凱制藥有限公司，國藥準(zhǔn)字H20030464，0.4 g/次，2次/d)，觀察組患兒聯(lián)合使用匹多莫德(蘇州長征-欣凱制藥有限公司，國藥準(zhǔn)字H20030464，0.4 g/次，2次/d)和葛根素(青島金峰制藥有限公司，國藥準(zhǔn)字H20010174，0.4 g/次，1次/d)治療，治療時(shí)間均為4周。

日本在外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究方面的起步比美國晚，20世紀(jì)90年代才開始研究，但其發(fā)展速度較快，2000年以后日本的專利申請(qǐng)量高于其他國家，并于2005年達(dá)到申請(qǐng)高峰，達(dá)107件，這主要是由于日本本田公司、日本筑波大學(xué)等創(chuàng)新主體加大了對(duì)外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)投入，取得了較多研究成果，并在各個(gè)國家進(jìn)行了專利布局。隨著日本外骨骼機(jī)器人技術(shù)的商用化，近5年來，日本的專利申請(qǐng)數(shù)量呈現(xiàn)下降趨勢，在2011年后其專利申請(qǐng)量落后于我國，說明日本的外骨骼機(jī)器人技術(shù)逐漸趨于成熟。

圖6 20世紀(jì)60年代以來主要申請(qǐng)國家的專利申請(qǐng)趨勢對(duì)比

韓國的外骨骼機(jī)器人技術(shù)專利申請(qǐng)始于2005年，2010年后，其專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)快速增長趨勢，并趕超美國、日本，這主要是由于韓國現(xiàn)代公司、韓國三星公司等在近年來加大了對(duì)醫(yī)用外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)投入。

近年來，我國在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量排名第一，但在2010年前，相關(guān)專利申請(qǐng)量并不多，一直落后于美國和日本，從2011年開始，專利申請(qǐng)呈現(xiàn)迅猛增長態(tài)勢，領(lǐng)跑其他國家，尤其在2015年，我國專利申請(qǐng)數(shù)量超過240件，這主要是因?yàn)槭芡夤趋罊C(jī)器人技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)，各科研院所、高校等投入了大量的人力物力開展相關(guān)研究，加之國家近年來對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的重視程度和政策扶持力度逐漸加大，使得研究人員傾向于將研究成果以申請(qǐng)專利的形式進(jìn)行保護(hù)。

四、專利申請(qǐng)技術(shù)構(gòu)成分析

（一）按照基本構(gòu)成分類

外骨骼機(jī)器人技術(shù)按基本構(gòu)成可分為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制、運(yùn)動(dòng)感知、驅(qū)動(dòng)、能源管理和測試/評(píng)價(jià)技術(shù)6個(gè)部分。按照基本構(gòu)成進(jìn)行分類，20世紀(jì)60年代以來世界各國在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的專利申請(qǐng)分布圖及申請(qǐng)趨勢如圖7和圖8所示，可以看出，機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)是外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的專利申請(qǐng)數(shù)量最多，占總申請(qǐng)量的49%；控制技術(shù)是外骨骼機(jī)器人的核心技術(shù)，其專利申請(qǐng)量占比排名第二，占總申請(qǐng)量的35%；運(yùn)動(dòng)感知、驅(qū)動(dòng)、能源管理和測試/評(píng)價(jià)技術(shù)的專利申請(qǐng)量相對(duì)較少，未來仍然需要對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行持續(xù)攻關(guān)。

從圖8可以看出，機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的專利申請(qǐng)趨勢與圖2所示的專利申請(qǐng)趨勢大致相同，可以預(yù)見該技術(shù)未來仍將保持快速發(fā)展的趨勢。運(yùn)動(dòng)感知技術(shù)與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的專利申請(qǐng)趨勢與圖2大致相同，近幾年的專利申請(qǐng)量有所上升，但總量與機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)相比要少得多。能源管理技術(shù)和測試/評(píng)價(jià)技術(shù)方面的專利申請(qǐng)量則更少，在最近幾年偶爾出現(xiàn)，可見其技術(shù)關(guān)注度較低。

圖7 20世紀(jì)60年代以來按基本構(gòu)成分類的專利申請(qǐng)分布圖

圖8 20世紀(jì)60年代以來按基本構(gòu)成分類的專利申請(qǐng)趨勢

按照基本構(gòu)成分類，20世紀(jì)60年代以來全球?qū)＠暾?qǐng)量排名前4位的主要申請(qǐng)國家在各技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量和占比如圖9所示。可以看出，我國在機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)方面申請(qǐng)的專利數(shù)量最多，有977件，占我國申請(qǐng)總量的59%；在控制技術(shù)方面申請(qǐng)的專利有467件，占比為28%，低于全球總專利申請(qǐng)量中控制技術(shù)的占比（參見圖7，占比為35%）。從系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)角度來說，我國要加大對(duì)外骨骼機(jī)器人中控制技術(shù)的研發(fā)力度。

圖9 20世紀(jì)60年代以來按基本構(gòu)成分類的各技術(shù)專利分布情況

（二）按用途及輔助身體部位分類

按照用途及輔助身體部位進(jìn)行分類，20世紀(jì)60年代以來世界各國在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域申請(qǐng)的專利分布圖如圖10所示，可以看出，助力下肢技術(shù)和康復(fù)下肢技術(shù)是外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)，2種技術(shù)的專利申請(qǐng)量分別是1400件和1357件，占比分別是33%和32%，這說明無論是在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域還是軍事增強(qiáng)力量領(lǐng)域，外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在下肢應(yīng)用領(lǐng)域。康復(fù)上肢、助力上肢和助殘/助老下肢技術(shù)的專利申請(qǐng)量分別是636件、297件和339件，占比分別為15%、7%和8%；助殘/助老上肢、輪椅技術(shù)的專利申請(qǐng)量較少，分別為85件、42件，占比為2%和1%；能源管理技術(shù)的專利申請(qǐng)量占比僅為2%，說明對(duì)該技術(shù)的研究相對(duì)較少。

圖10 20世紀(jì)60 年代以來按用途及輔助身體部位分類的專利申請(qǐng)情況

（三）按組成部分進(jìn)一步細(xì)分

按照組成部分進(jìn)一步細(xì)分，20世紀(jì)60年代以來世界各國在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域申請(qǐng)的專利分布圖如圖11所示，可以看出，機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)中整體結(jié)構(gòu)方面的專利申請(qǐng)量最多，達(dá)到277件；其次是運(yùn)動(dòng)感知技術(shù)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)感知（包括應(yīng)用位移、加速度計(jì)、傾角計(jì)、慣性傳感器等）和控制技術(shù)中的力控制（包括應(yīng)用應(yīng)變計(jì)、力矩、壓力等）方面，專利申請(qǐng)量分別為89件和90件。

圖11 20世紀(jì)60年代以來按組成部分進(jìn)一步細(xì)分的專利分布情況

從以上分析可以看出，未來人體增強(qiáng)外骨骼技術(shù)仍將呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，并逐步從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用并進(jìn)入市場。機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)是外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研究重點(diǎn)，市場需求主要集中在下肢應(yīng)用的領(lǐng)域，我國的創(chuàng)新主體主要是高校，美國和日本的創(chuàng)新主體已通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營，軍事和醫(yī)療應(yīng)用同步發(fā)展。

五、發(fā)展建議

（一）技術(shù)發(fā)展建議

1.加強(qiáng)對(duì)多模式控制技術(shù)的研究

隨著外骨骼系統(tǒng)的智能化、人機(jī)耦合、模塊化和微型化程度不斷提高，控制技術(shù)成為外骨骼的核心技術(shù)，必須加強(qiáng)對(duì)外骨骼控制技術(shù)的研發(fā)投入和技術(shù)攻關(guān)力度，具體包括主動(dòng)、被動(dòng)和/或主被動(dòng)混合的多康復(fù)訓(xùn)練模式控制技術(shù)。

2.加強(qiáng)對(duì)運(yùn)動(dòng)感知和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究

經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)感知和驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面申請(qǐng)的專利較少，而意圖的預(yù)測信息、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的感知信息、生理狀態(tài)的感知信息可為控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供控制依據(jù)，因此需要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)信息的收集工作。在驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)效率高、體積小、質(zhì)量輕、功耗低，同時(shí)還要滿足精確隨動(dòng)控制的要求，因此，未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的深度研究。

3.加強(qiáng)對(duì)測試/評(píng)價(jià)技術(shù)的研究

康復(fù)測試/評(píng)價(jià)的目的是幫助醫(yī)師了解病人的康復(fù)水平，評(píng)價(jià)手段是采集和分析病人的各項(xiàng)信息，判斷病人的生活獨(dú)立情況。這些技術(shù)對(duì)制定康復(fù)計(jì)劃和評(píng)判康復(fù)成效非常重要，可以提高訓(xùn)練的針對(duì)性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性。因此，未來應(yīng)加強(qiáng)對(duì)測試/評(píng)價(jià)技術(shù)的研究。

4.加強(qiáng)對(duì)上肢外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研究

人體上肢從事各種復(fù)雜、精細(xì)的活動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)功能直接影響人們的日常生活能力，隨著社會(huì)人口老齡化速度的加快，上肢外骨骼的市場需求在逐步增大。而現(xiàn)有的外骨骼機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在下肢外骨骼方面，因此加強(qiáng)對(duì)上肢外骨骼機(jī)器人的技術(shù)研究是非常必要的。

（二）專利布局建議

外骨骼機(jī)器人行業(yè)整體呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，國內(nèi)外市場競爭激烈，競爭對(duì)手針對(duì)其外骨骼產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)行了專利布局，我國急需圍繞重點(diǎn)改進(jìn)方向采取防御為主、進(jìn)攻為輔的專利布局策略。布局過程中要綜合考慮公司的發(fā)展戰(zhàn)略、已掌握的核心技術(shù)、行業(yè)現(xiàn)狀、競爭對(duì)手情況等因素。表1給出了相關(guān)專利布局策略。

表1 專利布局策略

六、總 結(jié)

開展外骨骼機(jī)器人技術(shù)專利分析，能夠更好地了解國內(nèi)外競爭對(duì)手的研究動(dòng)向和專利布局現(xiàn)狀，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)本單位技術(shù)和產(chǎn)品的保護(hù)，更好地為新技術(shù)開發(fā)提供指引和借鑒，同時(shí)為該產(chǎn)品拓展國內(nèi)外市場提供知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)方面的支撐。