基于專利分析下的中國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

王雪婷

(北京市機(jī)械工業(yè)局 技術(shù)開發(fā)研究所， 北京 100061)

工業(yè)機(jī)器人近年來發(fā)展迅猛，已成為衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平和核心競爭力的重要標(biāo)志。從全球工業(yè)機(jī)器人市場來看，中國是工業(yè)機(jī)器人主要的終端使用市場。據(jù)IFR 2020年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019年中國工業(yè)機(jī)器人市場累計(jì)銷售14.4萬臺，年銷量連續(xù)第七年位居世界首位，產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體向好。但從反映工業(yè)機(jī)器人普及程度和自動(dòng)化水平的密度指標(biāo)來看，中國制造業(yè)自動(dòng)化程度尚處于較低水平，工業(yè)機(jī)器人在高端市場中缺乏競爭力，較其他機(jī)器人大國相比仍有進(jìn)步的空間。為此，了解中國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)實(shí)力與技術(shù)布局現(xiàn)狀，挖掘差距存在的根源對中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

研究采用專利地圖分析法。專利是集技術(shù)信息、法律信息、經(jīng)濟(jì)信息于一體的重要競爭情報(bào)資源。專利地圖則是由各種與專利相關(guān)的資料訊息，以統(tǒng)計(jì)分析的方法，加以縝密及精細(xì)剖析整理制成各種可分析解讀的圖表訊息[1]，使其具有類似地圖的指向功能。專利地圖又可以細(xì)分為管理地圖、技術(shù)地圖以及權(quán)力地圖，不同類型的專利地圖解讀的重點(diǎn)也不同。專利地圖的研究最早由日本最先研發(fā)，而后隨著國家戰(zhàn)略情報(bào)的需要，各個(gè)國家開始紛紛研究該方法。

本文主要就中國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀展開研究，故主要采用專利管理地圖與專利技術(shù)地圖兩種類型(表1)的框架進(jìn)行分析。通過梳理專利申請趨勢、專利申請機(jī)構(gòu)、IPC分類、技術(shù)功效等信息，了解中國工業(yè)機(jī)器人專利布局現(xiàn)狀，為中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展提供分析情報(bào)。

表1 專利地圖研究框架

本文研究數(shù)據(jù)來源于Incopat全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)檢索時(shí)間截止到2020年12月31日。檢索策略主要圍繞工業(yè)機(jī)器人、機(jī)械手、噴涂機(jī)器人、碼垛機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、裝配機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人等相關(guān)中英文檢索詞進(jìn)行檢索。初步檢索后，再通過Inpadoc同族合并，過濾無關(guān)關(guān)鍵詞等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗。由于專利申請公布周期為18個(gè)月，專利數(shù)據(jù)庫收錄有時(shí)間延遲，所以2020年后的專利數(shù)據(jù)不作為后續(xù)分析的主要依據(jù)。

2 全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢

2.1 專利申請趨勢分析

從全球工業(yè)機(jī)器人專利申請趨勢來看，世界范圍內(nèi)機(jī)器人專利申請數(shù)量整體呈增長趨勢，且具有較為明顯的階段特征，如圖1所示。第1階段是1960—1980年，在這一時(shí)期屬于機(jī)器人發(fā)展的萌芽時(shí)期，專利數(shù)量較少，只有法國、德國、美國涉及該領(lǐng)域的研發(fā)；第2階段是1980—2010年，在這一階段專利申請數(shù)量整體趨勢存在波動(dòng)性，專利數(shù)量平均維持在1 000項(xiàng)上下。日本工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)主要就是在這一時(shí)期發(fā)展壯大起來，申請量位居全球霸主的地位長達(dá)30余年。第3個(gè)階段是2010至今這一時(shí)間范圍，在此階段，全球?qū)＠暾埩砍手本€上升態(tài)勢，尤其是2013年后，申請數(shù)量較之前相比有極大的飛躍。中國自2001年起，專利數(shù)量保持高速穩(wěn)定增長，并在2009年之后超越日本成為全球申請占比第一的國家。在這之后中國的工業(yè)機(jī)器人申請量不斷創(chuàng)新高，成為全球申請趨勢的主導(dǎo)，如圖2所示。

圖1 全球?qū)＠暾堏厔?/p>

圖2 各國家/地區(qū)專利申請量占比

2.2 全球?qū)＠季址治?/h3>

專利申請人一般在其所在國首先申請專利，然后在一年內(nèi)利用優(yōu)先權(quán)申請國外專利[2]。本國專利申請量是衡量一個(gè)國家科技開發(fā)綜合水平的重要參數(shù)，也是該國經(jīng)濟(jì)技術(shù)實(shí)力的具體體現(xiàn)[3]。所以從專利申請人優(yōu)先權(quán)所屬國的數(shù)量分布上可以了解各國家在該領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力[4]。

對全球?qū)＠瓷暾埲藝鴦e進(jìn)行排序，中國工業(yè)機(jī)器人專利申請量為31 412件，排在世界首位，其次是日本、美國、韓國和德國。但從全球?qū)＠磧?yōu)先權(quán)國別排名的信息來看，美國以絕對的先發(fā)優(yōu)勢位居全球第一，其次是日本、德國、韓國，法國和中國的占比相近，分別排在全球第5位和第6位，如圖3所示。這一指標(biāo)直接體現(xiàn)了全球各國家/地區(qū)工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)實(shí)力，從中可以看出，美國、日本在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新方面具有極大的優(yōu)勢。雖然中國工業(yè)機(jī)器人市場進(jìn)入了高速期，但是在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)上同發(fā)達(dá)國家相比，還具有一定的差距。

圖3 全球?qū)＠磧?yōu)先權(quán)國別排名

此外，對全球工業(yè)機(jī)器人專利分別按“優(yōu)先權(quán)國別”與“公開國別”兩個(gè)維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以大致了解全球?qū)＠麢?quán)人布局的情況。其中，“優(yōu)先權(quán)國別”可以代表“技術(shù)來源國”，而“公開國別”可以理解為專利的“目標(biāo)市場國”。如圖4所示，全球工業(yè)機(jī)器人專利主要技術(shù)來源國是日本、美國和德國，這3個(gè)國家的技術(shù)研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)，是核心技術(shù)的主要掌控者。全球?qū)＠闹饕繕?biāo)市場國家/地區(qū)則是美國、歐洲和日本，這意味著工業(yè)機(jī)器人的主戰(zhàn)場主要在這3個(gè)地區(qū)，相對而言，這3個(gè)國家/地區(qū)的產(chǎn)業(yè)配套更加全面。政策支持力度更大，所以成為全球?qū)＠麢?quán)人布局的主要市場。

圖4 全球?qū)＠季智闆r

3 中國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 專利權(quán)人分析

中國工業(yè)機(jī)器人專利權(quán)人主要有企業(yè)、高等院校、個(gè)人、科研單位、機(jī)關(guān)團(tuán)體及其他等類型，其中企業(yè)為中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)主要?jiǎng)?chuàng)新主體，約占73%，其次是高等院校，占到16%，如圖5所示。

圖5 中國工業(yè)機(jī)器人專利申請人類型

其中中國工業(yè)機(jī)器人前10名專利申請人中高等院校有4家，企業(yè)為5家，科研院所1家。從數(shù)量上來看，中國工業(yè)機(jī)器人創(chuàng)新主體以企業(yè)為主體，但是通過分析各專利權(quán)人的專利申請趨勢便可發(fā)現(xiàn)中國工業(yè)機(jī)器人的研究起源于高等院校。所以雖然從申請數(shù)量上來看，中國企業(yè)在該領(lǐng)域的研究上占據(jù)上風(fēng)，但事實(shí)上大部分高質(zhì)量的專利以及基礎(chǔ)研究還是掌握在高校與科研院所當(dāng)中。

另外從全球與中國的前10名申請人對比上來看(表2)。全球范圍內(nèi)前10名專利申請機(jī)構(gòu)均為大型跨國公司，如發(fā)那科、安川、ABB等。眾所周知，跨國公司資本實(shí)力雄厚，可以投入足夠的資金在技術(shù)研發(fā)且能在較長時(shí)間承受研發(fā)失敗帶來的風(fēng)險(xiǎn)。另外跨國公司廣泛的用戶需求與品牌的高認(rèn)可度，可以使新技術(shù)快速進(jìn)入市場化階段。而中國的申請機(jī)構(gòu)中大型跨國公司占比較少，更多的是以高校、國企、央企等類型的機(jī)構(gòu)。所以中國雖然專利申請數(shù)量龐大，但技術(shù)市場轉(zhuǎn)化率并不高，這也是中國專利數(shù)量較有優(yōu)勢卻并沒有擠身于工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)國的原因。所以近年來中國從政策層面大力提倡產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的戰(zhàn)略，能彌補(bǔ)市場轉(zhuǎn)化慢的缺點(diǎn)，也能維續(xù)延續(xù)科研院校的研發(fā)優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人強(qiáng)國的必由之路。

表2 全球與中國工業(yè)機(jī)器人前10名申請人比較

3.2 專利關(guān)鍵技術(shù)分析

3.2.1 IPC分析

從中國工業(yè)機(jī)器人IPC分類的角度來看，如圖6所示，中國工業(yè)機(jī)器人專利技術(shù)主要集中在B25J(機(jī)械手)、B23K(釬焊或脫焊)、B65G(運(yùn)輸或貯存裝置)。將主要IPC構(gòu)成按照零部件技術(shù)分支進(jìn)行梳理，可以發(fā)現(xiàn)，中國工業(yè)機(jī)器人專利主要集中在本體和控制系統(tǒng)的研發(fā)，分別占到73.88%和24.32%，而對減速器等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究僅占到1.8%，與全球工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域分布趨勢類似。

圖6 中國工業(yè)機(jī)器人主要IPC技術(shù)構(gòu)成

將主要IPC分類按年份進(jìn)行申請量的梳理(表3)，可以看出中國最先展開的是對B25J分支的研究，其對應(yīng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)分支包含機(jī)械手、末端執(zhí)行器等，自2008年開始，該領(lǐng)域申請量開始爆發(fā)性增長。2011年后，開始在B23K和B65G分支上進(jìn)行大量布局，這3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域如今仍然是中國工業(yè)機(jī)器人研發(fā)的熱點(diǎn)。對應(yīng)到工業(yè)機(jī)器人技術(shù)本身，分別是機(jī)器人本體與存儲器上面。

表3 1996—2019年主要IPC技術(shù)構(gòu)成發(fā)展情況

而相對而言，中國近幾年在G06F、F16H領(lǐng)域研發(fā)進(jìn)展緩慢,對應(yīng)到機(jī)器人技術(shù)分別是控制結(jié)構(gòu)中的電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理技術(shù)以及傳動(dòng)裝置。而傳動(dòng)裝置中廣泛采用減速器。所以從這一方面也可以看出中國在減速器領(lǐng)域研究起步較晚，在2005年以前在該領(lǐng)域的研究幾乎是空白，依賴進(jìn)口現(xiàn)象明顯。

3.2.2 技術(shù)功效分析

從2001—2020年中國工業(yè)機(jī)器人專利技術(shù)功效面積圖(圖7)中可以看出。中國工業(yè)機(jī)器人專利技術(shù)主要集中在實(shí)現(xiàn)提高工作效率、降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、提高便利性這3方面，占所有專利的50%。相對而言，中國在提高工業(yè)機(jī)器人精度、速度、安全性、穩(wěn)定性以及極端環(huán)境下的機(jī)器人研究這幾方面研發(fā)實(shí)力較弱。對工業(yè)機(jī)器人而言，技術(shù)難點(diǎn)正是集中在實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的運(yùn)動(dòng)控制以及同人實(shí)現(xiàn)協(xié)作化的工作上，這些也是制約中國工業(yè)機(jī)器人向中高端邁進(jìn)的因素。

圖7 2001—2020年主要技術(shù)功效面積圖

從面積圖中可以看出，中國在人機(jī)協(xié)作、提高安全性以及穩(wěn)定性這個(gè)領(lǐng)域有了較為明顯的突破，專利占比呈增長趨勢。但在工業(yè)機(jī)器人的精度以及速度的研究上仍有較大壁壘。而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的高精度需要高精度的減速器與伺服系統(tǒng)，只有這兩種硬件具有較高的精度才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確抓取、搬運(yùn)、焊接等工藝功能。另外，算法也是一個(gè)問題。機(jī)器人完成每一個(gè)動(dòng)作，都需要核心控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)三方協(xié)同作戰(zhàn)。伺服系統(tǒng)由于核心算法跟不上，導(dǎo)致響應(yīng)速度會(huì)比國外產(chǎn)品低很多[5]。從而看出，欲突破工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn)首先需要從解決核心零部件開始。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

經(jīng)過30多年的發(fā)展，中國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模[6]。從技術(shù)領(lǐng)域的角度，中國工業(yè)機(jī)器人專利技術(shù)主要集中在機(jī)械手、工業(yè)機(jī)器人焊接系統(tǒng)、運(yùn)輸或貯存裝置、機(jī)床零件或控制裝置、萬能機(jī)床、機(jī)器人控制系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)等領(lǐng)域。與國外相比，中國在教育演示用具、圖像通信、郵件分揀、清潔機(jī)器人、無線電導(dǎo)航定向、非專用于特定變量的測量方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，反映出中國工業(yè)機(jī)器人在清潔、物流分揀、遠(yuǎn)程監(jiān)控、無線電導(dǎo)航等應(yīng)用場景上具有較強(qiáng)技術(shù)實(shí)力。同時(shí)通過IPC統(tǒng)計(jì)分析也暴露出中國工業(yè)機(jī)器人在半導(dǎo)體器件、非電變量的控制系統(tǒng)領(lǐng)域、金屬板材的基本無切削加工處理、噴射裝置、醫(yī)療機(jī)器人外科診斷、電氣元件組件制造等細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域尚處于短板。

4.2 發(fā)展建議

基于上述研究，對于工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出如下建議：

1)重點(diǎn)開展對核心零部件的技術(shù)攻關(guān)。中國應(yīng)充分發(fā)揮國內(nèi)高校、研究所創(chuàng)新優(yōu)勢，由政府引導(dǎo)聯(lián)合關(guān)鍵零部件研發(fā)企業(yè)、科研院所、高等院校以及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等組織，成立專項(xiàng)開展對諧波減速器、RV減速器、控制器與伺服電機(jī)的技術(shù)攻關(guān)。提高中國工業(yè)機(jī)器人的精度、速度、安全性以及穩(wěn)定性，努力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的低成本、高速化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

2)建立人才隊(duì)伍建設(shè)，完善人才評價(jià)激勵(lì)機(jī)制。中國在解決機(jī)器人核心技術(shù)的道路上不僅需要投入資金與耐心，同時(shí)也要加強(qiáng)人才隊(duì)伍的建設(shè)，尤其是核心零部件方面的稀缺人才。所以需要中國應(yīng)聯(lián)合科研院所、高等院校和企業(yè)等組織，面向工業(yè)機(jī)器人研發(fā)與應(yīng)用需求，培養(yǎng)人才隊(duì)伍，完善人才認(rèn)證機(jī)制，建設(shè)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)中心，有針對性地為機(jī)器人領(lǐng)域輸送可靠人才。

3)積極培育龍頭企業(yè)，加強(qiáng)對企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)。通過對專利權(quán)人部分的分析可以發(fā)現(xiàn)，全球機(jī)器人四大家族無一不是跨國公司。重大技術(shù)的突破研究與基礎(chǔ)性研究更加依賴于大型公司，因?yàn)檫@一類型的公司更能承擔(dān)新技術(shù)研發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)，也更被市場所接受。所以中國應(yīng)積極培育龍頭企業(yè)，支持互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)與傳統(tǒng)機(jī)器人企業(yè)的緊密結(jié)合，通過重組、合資合作及跨界融合等方式，加快培育管理水平先進(jìn)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、市場競爭力強(qiáng)的龍頭企業(yè)。