中國專利情報(bào)視角下的中日RV 減速機(jī)專利技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)對(duì)標(biāo)研究

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館，呼和浩特 010018)

1 引言

減速機(jī)是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。減速機(jī)的類型很多，其中RV（Rotor Vector）減速器因擁有高疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命，且回差精度穩(wěn)定，成為高精度工業(yè)機(jī)器人必備元件。RV 減速機(jī)的市場需求隨著機(jī)器人的行業(yè)的快速發(fā)展而供不應(yīng)求，據(jù) 《2017 年世界機(jī)器人報(bào)告》 稱，中國機(jī)器人行業(yè)正在每年以15%～20%的比例高速增長[1]。由此可以預(yù)測(cè)RV 減速機(jī)的市場需求量會(huì)非常巨大。專利是發(fā)明和創(chuàng)新產(chǎn)出的最佳成果，對(duì)專利進(jìn)行分析可以明確某個(gè)國家或地區(qū)的技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)和研發(fā)重點(diǎn)。采用對(duì)標(biāo)方法對(duì)中國和日本的RV減速機(jī)專利技術(shù)情況進(jìn)行分析，包括RV 減速器技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、日本及中國專利申請(qǐng)狀況、對(duì)處于壟斷地位的申請(qǐng)人的多方面關(guān)注和分析等，掌握技術(shù)走向和研發(fā)熱點(diǎn)，找出差距，改進(jìn)RV 生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)營戰(zhàn)略與研發(fā)重點(diǎn)，爭取更多的市場份額。

目前機(jī)器人領(lǐng)域的專利技術(shù)態(tài)勢(shì)分析文獻(xiàn)都是從機(jī)器人整體技術(shù)專利分析為主，只是按照不同領(lǐng)域機(jī)器人進(jìn)行了專利技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)分許。如國內(nèi)有不少研究人員從專利角度對(duì)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)競爭態(tài)勢(shì)進(jìn)行了研究；諶凱等利用專利地圖對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人專利技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了研究；張樹森等對(duì)林果采摘機(jī)器人專利發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了研究；張碩等對(duì)遙控型手術(shù)機(jī)器人的專利申請(qǐng)量、主要技術(shù)分支專利研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，包括主從手、力反饋、觸覺反饋等；肖麗梅分析了近10 年來康復(fù)機(jī)器人專利申請(qǐng)量及發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)領(lǐng)域及技術(shù)布局等；朱哲等對(duì)家用清潔機(jī)器人專利態(tài)勢(shì)做了分析[2-16]。以工業(yè)機(jī)器人核心部件——RV減速機(jī)關(guān)鍵技術(shù)為切入點(diǎn)，梳理研發(fā)脈絡(luò)與態(tài)勢(shì)，對(duì)標(biāo)日本，揭示中國在該領(lǐng)域的差距與不足等方面的研究成果尚為數(shù)不多。

2 中日RV 減速機(jī)技術(shù)研發(fā)態(tài)勢(shì)對(duì)標(biāo)

本文利用德溫特和SOOPAT 數(shù)據(jù)庫對(duì)中國和日本的機(jī)器人關(guān)鍵部件——RV 減速機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索與分析，采用對(duì)標(biāo)研究法，即是以某行業(yè)優(yōu)秀的企業(yè)或機(jī)構(gòu)作為學(xué)習(xí)的目標(biāo)，找出本領(lǐng)域技術(shù)上的不足之處，學(xué)習(xí)對(duì)標(biāo)企業(yè)的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，實(shí)施并改進(jìn)，經(jīng)過系統(tǒng)的、持續(xù)評(píng)估與跟進(jìn)，從而提高本行業(yè)技術(shù)水平的活動(dòng)。

2.1 中日專利產(chǎn)出態(tài)勢(shì)

專利申請(qǐng)趨勢(shì)是反映技術(shù)研發(fā)情況的主要指標(biāo)之一。從1985 年至今，日本共有1 094 件RV 減速機(jī)專利申請(qǐng)，中國有433 件RV 減速機(jī)專利申請(qǐng)。圖1 是中日RV 減速機(jī)技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量隨時(shí)間的變化態(tài)勢(shì)。從1997 年開始，RV 減速機(jī)技術(shù)的研發(fā)整體呈現(xiàn)快速增長的態(tài)勢(shì)。但中國研發(fā)相對(duì)處于起步階段。RV減速器方面的專利申請(qǐng)數(shù)量2007 年開始顯著增加，尤其是2010 年之后申請(qǐng)量持續(xù)快速增加。

1944 年，日本帝人制機(jī)株式會(huì)社成立，1961 年開始進(jìn)行剛性高、負(fù)荷能力強(qiáng)的三曲柄式行星傳動(dòng)行走裝置研發(fā)，并很快開始投產(chǎn)。1980 年，日本帝人制機(jī)株式會(huì)社解決了擺線齒形的精度不高的難題后，提出RV 傳動(dòng)理論，開始進(jìn)入機(jī)器人行業(yè)。1983 年，日本啟動(dòng)機(jī)器人用傳動(dòng)裝置（即RV 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）的研究，這種傳動(dòng)裝置與之前減速機(jī)相比較具有剛性更高、精度更高、振動(dòng)更低的特性。1986 年，日本帝人制機(jī)株式會(huì)社（TEUIN SEIKI CO.，LTD，納博特斯克前身）以此推出偏心差動(dòng)式RV 系列減速機(jī)獲得了日本專利。同年，日本帝人制機(jī)株式會(huì)社成功研制出應(yīng)用于機(jī)器人的擺線針輪RV 減速器，并批量生產(chǎn)和投放市場，市場銷量極好[17]。2003 年，帝人精機(jī)和納博克并購成功，成為納博特斯克公司（NABTESCO），企業(yè)高速發(fā)展，目前已經(jīng)在全世界RV 減速機(jī)行業(yè)獨(dú)占鰲頭，壟斷了60%以上的市場。

圖1 中日減速機(jī)專利申請(qǐng)趨勢(shì)Fig.1 Trend of applying for RV reducer patents in China and Japan

中國最早進(jìn)行RV 減速機(jī)研發(fā)的是太原工學(xué)院的朱景梓教授，于1985 年研發(fā)并生產(chǎn)出雙曲柄少齒差減速器，齒形為漸開線齒形。1989 年，天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院與天津減速機(jī)廠共同研發(fā)并生產(chǎn)出雙曲柄擺線針輪減速器。1986 年，中國“863 計(jì)劃”啟動(dòng)，設(shè)置了智能機(jī)器人主題，青島化工學(xué)院承擔(dān)的“機(jī)器人用變厚齒輪RV 減速器研究”課題研發(fā)出一種RV 減速機(jī)；李力行教授主持的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目于1999年12 月10 日通過了遼寧省科委組織的技術(shù)鑒定，其中提出了機(jī)器人用高精度RV 傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與優(yōu)化新齒形，并研制出RV-250AⅡ樣機(jī)[18]。但中國專利申請(qǐng)自1997 年才開始且至今申請(qǐng)量總量僅為日本的一半，究其主要原因在于核心技術(shù)掌握在日本企業(yè)手中，中國研發(fā)相對(duì)處于起步階段。RV 減速器方面的專利申請(qǐng)數(shù)量在2007 開始顯著增加，尤其是2010 年之后申請(qǐng)量持續(xù)快速增加。

2.2 中日專利技術(shù)競爭者分析

納博特斯克（NABTESCO CORP）、住友重機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社（SUMITOMO HEAVY INDUSTRIES）、諧波傳動(dòng)系統(tǒng)（HARMONIC DRIVE SYSTEMS）是日本RV 減速機(jī)申請(qǐng)量排名靠前的專利擁有者（表1）。全球高精度機(jī)器人減速機(jī)市場超過70%的市場份額由這三家占有[19]。在國內(nèi)，南京康尼機(jī)電股份有限公司、南通振康焊接機(jī)電有限公司、昆山華恒焊接股份有限公司是申請(qǐng)RV 減速機(jī)專利最多的企業(yè)。從技術(shù)研發(fā)角度來看，秦川發(fā)展基于863 項(xiàng)目發(fā)展起來的RV 減速機(jī)產(chǎn)業(yè)化道路走得最遠(yuǎn)，而北京諧波傳動(dòng)所、江蘇綠的和中技克美等企業(yè)在諧波減速機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破，但較納博特斯克和諧波傳動(dòng)系統(tǒng)還相去甚遠(yuǎn)。

雖然世界各國在華申請(qǐng)量近年來持續(xù)增加，但是其發(fā)明專利申請(qǐng)主要申請(qǐng)人，仍舊是日本企業(yè)。日本申請(qǐng)人在中國的RV 減速器方面專利申請(qǐng)量占到了近2/3，可見該技術(shù)領(lǐng)域日本非常重視在中國的專利布局，以實(shí)現(xiàn)對(duì)中國市場的壟斷。

此外，中國的研究機(jī)構(gòu)和高校主要是西北工業(yè)大學(xué)、天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院、哈爾濱理工大學(xué)、廣州中國科學(xué)院先進(jìn)技術(shù)研究所，但是這些研究機(jī)構(gòu)和高校在這方面的專利申請(qǐng)也相對(duì)較少。此外需要注意的是，個(gè)人申請(qǐng)人吳小杰、吳聲震在這方面也有為數(shù)不少的專利申請(qǐng)和相關(guān)研究。

表1 中日RV 減速機(jī)專利申請(qǐng)人Top10 情況表 單位：個(gè)Table 1 Top 10 applicants of RV reducer patents in China and Japan

2.3 技術(shù)研發(fā)布局

發(fā)明創(chuàng)造專利技術(shù)分類體系一般采用國際專利分類號(hào)IPC 來體現(xiàn)不同的技術(shù)細(xì)分領(lǐng)域。由表2 可以看出中日關(guān)于RV 減速機(jī)熱點(diǎn)技術(shù)（熱點(diǎn)技術(shù)往往就是競爭最為激烈的技術(shù)領(lǐng)域）均集中在F16H1/32（傳送旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)裝置，其中傳動(dòng)裝置的中心軸線位于軌道齒輪的圓周之內(nèi)），中國的RV 減速機(jī)熱點(diǎn)技術(shù)不僅在齒輪傳動(dòng)本身，而且在齒輪傳動(dòng)性能及對(duì)RV減速機(jī)的效率的測(cè)試方面也申請(qǐng)了不少的專利。日本的技術(shù)熱點(diǎn)全部集中在齒輪傳動(dòng)本身，帝人制機(jī)株式會(huì)社（納博特斯克的前身）作為RV 傳動(dòng)技術(shù)的提出者和先驅(qū)者，1985 年其以PCT 申請(qǐng)形式公布了RV 減速器方面的第一件申請(qǐng)“用于工業(yè)機(jī)器人的減速裝置”，將行星減速與擺線針輪減速有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)減速，即偏心差動(dòng)式RV 系列減速機(jī)，并在美國、加拿大、德國、韓國以及歐洲做了專利布局。之后還申請(qǐng)了發(fā)明“行星減速齒輪的控制裝置”，為線針輪RV 減速器，并批量生產(chǎn)和投放市場，并通過其同族進(jìn)入了美國、德國、英國，其專利布局日臻完善。按照國際公認(rèn)的評(píng)價(jià)體系確定的高價(jià)值專利還有：CANON KK 公司2016 年在美國布局的專利“Gear mechanism,speed reducer,and robot arm”，專利號(hào)為US9427866B2；STAUBLI SA ETS 公司2007 年在歐洲布局的“Method of manufacturing a reducer,reducer and robot includingsuch a reducer”，專利號(hào)為EP1816374A1；FANUC LTD 公司2006 年申請(qǐng)“Articulation system for robot comprising a speed reducer provided with vibration cancelling means”，專利號(hào)為EP1533544A3 等。在60分以上（滿分100）高價(jià)值專利中，帝人制機(jī)株式會(huì)社和納博特斯克公司的專利占比達(dá)58.1%。

表2 中日RV 減速機(jī)專利技術(shù)熱點(diǎn)IPC 比較Table 2 Comparison of RV reducer patent hotspot technologies in China and Japan

在中國技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)也主要集中在F16H1/32（傳送旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)裝置，其中傳動(dòng)裝置的中心軸線位于軌道齒輪的圓周之內(nèi)），典型代表為南通振康機(jī)械有限公司申請(qǐng)的“采用錐齒輪行星減速機(jī)構(gòu)的RV減速器”（專利號(hào)：CN202176678U），目前是中國RV減速機(jī)專利中的高價(jià)值專利，其技術(shù)原理是將中心輪與行星輪的嚙合間隙調(diào)整為最佳狀態(tài)，采用直齒錐齒輪結(jié)構(gòu)降低了對(duì)齒輪制造精度的要求，減小了回差，提高了運(yùn)動(dòng)精度。但中國制造的RV 減速機(jī)總體上不及日本，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在噪聲和發(fā)熱量方面，劣于日本納博特斯克的減速機(jī)，噪聲和發(fā)熱會(huì)造成齒輪嚙合不良，有超額摩擦磨損及內(nèi)部應(yīng)力，影響機(jī)械壽命[20]；在穩(wěn)定性方面，國產(chǎn)的不如進(jìn)口的，在運(yùn)行的前期較好，運(yùn)行一段時(shí)間后，效率遞減，RV 減速機(jī)性能急劇下降；在加工精度方面，由于RV 減速器對(duì)零件的加工、裝配精度及材料要求非常高，但受中國基礎(chǔ)加工的水平限制，尤其是加工RV 減速機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備全部依賴進(jìn)口，中國的精密制造技術(shù)及設(shè)備尚不能達(dá)到加工RV 減速器的水平[21]，造成產(chǎn)品精度還有所欠缺。此外，目前中國的RV 減速機(jī)在與國內(nèi)自己生產(chǎn)研發(fā)的機(jī)器人在技術(shù)上不匹配，與國產(chǎn)機(jī)器人的伺服系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不能高度吻合[22]。

專利的技術(shù)功效方面，則集中在RV 減速器的精度提高、復(fù)雜性降低、效率提高和成本降低方面（圖2）。其中重慶大學(xué)在南通振康焊接機(jī)電有限公司申請(qǐng)的RV 減速器專利在減速機(jī)的復(fù)雜性降低和精度提高方面非常重視，而重慶大學(xué)則將RV 減速器技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)放在了精度提高方面和減速機(jī)效率提高方面。

圖2 專利技術(shù)功效氣泡圖Fig.2 The bubble chart of patent technological efficacy

2.4 專利申請(qǐng)的法律狀態(tài)

日本RV 減速機(jī)專利就在中國申請(qǐng)的法律狀態(tài)來看，半數(shù)以上的專利申請(qǐng)已獲專利權(quán)并處于有效狀態(tài)，超過2/5 的專利申請(qǐng)?zhí)幱趯?shí)審過程中，僅有極少部分（1%）專利權(quán)終止，僅僅4%的專利申請(qǐng)未被授予專利權(quán)。2017 年有22 件專利到期，從2026 年開始有大批的專利到期。

中國的RV 減速機(jī)專利法律狀態(tài)中，有權(quán)的占54.5%，有20.1%處于實(shí)審狀態(tài)，公開的占6%，避重放棄（同一個(gè)專利申請(qǐng)，同時(shí)申請(qǐng)實(shí)用新型和發(fā)明，實(shí)用新型會(huì)首先授權(quán)，等到發(fā)明授權(quán)時(shí)，實(shí)用新型就需要放棄權(quán)利）和駁回的占5.6%，未交年費(fèi)的7.9%，屆滿的不足1%。這種現(xiàn)狀主要是由于在中國專利申請(qǐng)主要集中在最近3 年，大量的專利申請(qǐng)正在實(shí)審中，同時(shí)由于RV 減速器正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，申請(qǐng)人往往通過堅(jiān)持專利權(quán)有效來堅(jiān)持自身對(duì)于市場的判斷和需求。

日本RV 減速機(jī)專利技術(shù)雖然起步早，但從2026年開始將有大批的專利權(quán)期限（專利權(quán)的法定期滿終止時(shí)間，發(fā)明專利的期限為20 年；實(shí)用新型專利和外觀設(shè)計(jì)專利的期限為10 年，均自申請(qǐng)之日起計(jì)算）到期，一旦到期該專利技術(shù)即刻公開，企業(yè)和個(gè)人可無償使用，壟斷優(yōu)勢(shì)就會(huì)消失。有些技術(shù)價(jià)值度較高的專利保護(hù)期屆滿即可公開使用，例如申請(qǐng)日為1998 年3 月3 日、申請(qǐng)人為HONDA MOTOR CO LTD 的專利號(hào)為JP10058371A 的日本RV 減速機(jī)專利“INDUSTRIAL ROBOT”專利保護(hù)期限已經(jīng)到期，該技術(shù)可公開使用了；申請(qǐng)日為1998 年3 月6 日、申請(qǐng)人為ALSTHOM CGE ALCATEL 的專利號(hào)為JP09149099 的日本 RV 減速機(jī)專利“ METHOD AND SERVO SYSTEM FOR CONTROLLING ROTARY MACHINE AND ROTARY MACHINE EQUIPPED WITH THE SYSTEM”已經(jīng)失效了，即可為我所用。對(duì)于超過專利權(quán)期限的失效專利，中國可以在原來的技術(shù)方案基礎(chǔ)上，開發(fā)新的或改進(jìn)的技術(shù)方案取得專利保護(hù)。但必須注意在開發(fā)利用失效專利時(shí)做好專利檢索工作，避免侵犯他人專利權(quán)[23]，避免出現(xiàn)原有專利權(quán)人或他人圍繞失效專利有了新的發(fā)明并獲得專利權(quán)，這時(shí)開發(fā)利用已失效的專利仍存在侵犯專利權(quán)的情況。

3 結(jié)論

筆者以專利視角對(duì)中國和日本的RV 減速機(jī)專利技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了研究，圍繞中日兩國RV 減速機(jī)專利技術(shù)發(fā)展歷程、中日專利技術(shù)競爭者分析、專利技術(shù)研發(fā)布局、高價(jià)值專利、專利申請(qǐng)的法律狀態(tài)等方面進(jìn)行了比較研究。研究結(jié)果顯示：中國的RV 減速機(jī)專利技術(shù)雖然發(fā)展較快，但無論在數(shù)量還是質(zhì)量方面均不及日本，在技術(shù)領(lǐng)域，尚未掌握核心技術(shù)，加工精度很難超越日本，需加強(qiáng)研發(fā)力度，研發(fā)適應(yīng)本土生產(chǎn)的機(jī)器人的RV 減速機(jī)。研究將對(duì)標(biāo)研究方法應(yīng)用于中日兩國機(jī)器人核心部件——RV 減速機(jī)的專利技術(shù)研發(fā)態(tài)勢(shì)上，在研究對(duì)象與方法上有一定創(chuàng)新性。但是受到分析水平限制，僅從專利申請(qǐng)技術(shù)角度比對(duì)，未能通過共詞分析的方法找出技術(shù)研發(fā)的未來熱點(diǎn)領(lǐng)域，這給比對(duì)結(jié)果的全面性帶來一定影響，未來還需在核心專利和專利實(shí)施率方面進(jìn)行深入研究，力求為中國機(jī)器人減速機(jī)專利技術(shù)的發(fā)展提供實(shí)用的參考情報(bào)。