基于專利分析的我國工業(yè)機器人發(fā)展態(tài)勢研究

吳 穎

（唐山市科學(xué)技術(shù)情報研究所，河北 唐山 063000）

機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志［1］。工業(yè)機器人是我國智能制造2025 的核心抓手之一，是我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的核心環(huán)節(jié)。專利作為科技發(fā)展的前沿蘊含著大量的技術(shù)創(chuàng)新信息，通過對我國工業(yè)機器人的專利進行分析能夠客觀地認(rèn)識到我國相關(guān)技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀，對相關(guān)部門的決策制定及調(diào)控技術(shù)布局具有一定的意義。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

本論述選用Incopat 平臺進行專利數(shù)據(jù)檢索，以關(guān)鍵詞和IPC分類號來制定檢索策略，數(shù)據(jù)經(jīng)過降噪處理得到有效專利41 303條，將檢索數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel進行分析及作圖。

2 我國工業(yè)機器人專利申請態(tài)勢分析

專利申請趨勢是技術(shù)研發(fā)態(tài)勢的重要參考指標(biāo)，由圖1 可見，2000 年之前，我國相關(guān)專利申請量較少，共申請112件，這個階段為我國工業(yè)機器人技術(shù)的萌芽期，由于年限較為久遠，這些專利均已失效，1986 年是我國工業(yè)機器人專利的申請元年，共有3 件，其中2 件來自德國，1件來自日本。我國申請人的第1件專利申請是1987年的“自適應(yīng)通用柔性機械手機構(gòu)”。2000年之前的專利，研發(fā)內(nèi)容主要為機械手和末端執(zhí)行器，國內(nèi)申請人的專利申請占比為58.04%，其他均為外國來華的專利申請，可見國外申請人已經(jīng)較早對我國工業(yè)機器人進行專利布局，其中日本和美國專利布局較早、數(shù)量相對較多，占比分別達到14.29%和11.61%。

圖1 我國工業(yè)機器人相關(guān)專利申請趨勢

2000～2012年為我國工業(yè)機器人專利申請的快速增長期，此階段共申請專利2 960 件，此時的研發(fā)內(nèi)容仍以機械手和末端執(zhí)行器為主，經(jīng)統(tǒng)計得出有效專利為596 件，占比為20.14 %，這些專利壽命維持時間較長、專利價值較高。此階段國內(nèi)申請人申請的專利占比為90.41%，對此領(lǐng)域的技術(shù)有了很大發(fā)展且專利布局的意識也已經(jīng)明顯提高，值得注意的是日本和德國的專利申請量仍然占到5%和1%。

2013 年以來為我國工業(yè)機器人的專利申請爆發(fā)期，自2019 年開始已經(jīng)突破6 000 件/a（專利申請數(shù)據(jù)公開時間具有3～18 個月的滯后性，2021 年及以后的數(shù)據(jù)不具有參考價值），此期間的專利申請量已經(jīng)達到38 000 余件，機械手和末端執(zhí)行器的主研地位依然穩(wěn)固，焊接技術(shù)的研發(fā)熱度已經(jīng)逐漸超過機床的零部件。此階段國內(nèi)申請人的專利申請量占比已經(jīng)達到98.55%，日本和德國的申請量共占1%，這與我國實施創(chuàng)新驅(qū)動不斷提高制造業(yè)的國際競爭力及頒布一系列的激勵政策有著密不可分的關(guān)系。

3 我國工業(yè)機器人專利申請技術(shù)構(gòu)成分析

技術(shù)構(gòu)成一般采用國際專利分類號IPC進行分析，表1 為我國工業(yè)機器人專利檢索結(jié)果中IPC 相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域申請量排名前15的技術(shù)分布情況。其中，技術(shù)申請最活躍的3個領(lǐng)域分別為B25J、B23K、B23Q，三者的申請量之和約占總申請量的70%。工業(yè)機器人一般由機器人本體、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)3 個部分構(gòu)成，將IPC 技術(shù)領(lǐng)域與其對照匹配后發(fā)現(xiàn)我國工業(yè)機器人的專利申請主要分布在機器人本體技術(shù)領(lǐng)域。由統(tǒng)計分析可得，排名前15的技術(shù)領(lǐng)域中屬于本體的技術(shù)構(gòu)成占總申請量的81.11%，其技術(shù)占比具有絕對優(yōu)勢，也就是說我國工業(yè)機器人的技術(shù)非常密集的分布在機械手、末端執(zhí)行器和傳動部件上，尤其是機器手和末端執(zhí)行器的專利技術(shù)申請量占據(jù)總申請量的一半以上。排名前15的技術(shù)領(lǐng)域中屬于控制系統(tǒng)的IPC技術(shù)領(lǐng)域分別有G05B、B65G、G01B、G06F，其專利申請量占總申請量的6.14%。前15 名中屬于驅(qū)動系統(tǒng)的IPC 技術(shù)領(lǐng)域分別有H02K、F16H，其專利申請量的占比僅為1.85%。通過以上數(shù)據(jù)分析可知我國工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域分布較為欠缺。由表1中的發(fā)明專利數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)的發(fā)明專利占比相對較高，其專利質(zhì)量較高。

表1 我國工業(yè)機器人專利申請技術(shù)構(gòu)成表

4 專利申請人分析

4.1 申請人類型分析

由圖2可見，我國工業(yè)機器人的技術(shù)創(chuàng)新主體包括企業(yè)、大專院校、個人、科研單位和機關(guān)團體。其中，企業(yè)申請占比65.3%，大專院校申請占比22.16%，個人申請占比9%。企業(yè)作為技術(shù)領(lǐng)域的主要創(chuàng)新主體說明我國工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)較為成熟，科技創(chuàng)新活動已經(jīng)不僅僅停留在研發(fā)階段，而是已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)到成果轉(zhuǎn)化及市場應(yīng)用階段?！?021 年中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》顯示，2020 年我國工業(yè)機器人市場為全球貢獻了40%左右的份額，連續(xù)多年穩(wěn)坐世界最大機器人消費國地位［2］。我國工業(yè)機器人相關(guān)專利的申請由國內(nèi)申請人和國外來華申請人2 部分組成，在41 303 件專利中，國外來華專利約900 余件，占我國總申請量的2.18%。經(jīng)進一步分析可知，國外來華的申請人中企業(yè)占比達93.95%，國內(nèi)則占到64.69%，可見國外來華企業(yè)具有明確的目標(biāo)市場，為進一步的商業(yè)活動做好技術(shù)布局基礎(chǔ)。

圖2 我國工業(yè)機器人專利申請人類型

4.2 主要申請人分析

通過對我國工業(yè)機器人相關(guān)專利數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可了解此領(lǐng)域的主要創(chuàng)新主體情況。圖3為我國工業(yè)機器人技術(shù)領(lǐng)域排名前20的專利申請人。其中，高校申請人有17名，企業(yè)申請人有2名，科研院所有1名。對主要申請人的技術(shù)構(gòu)成進一步分析發(fā)現(xiàn)，他們的共同點為技術(shù)申請均主要集中在本體構(gòu)成的機械手及末端執(zhí)行器領(lǐng)域。在此基礎(chǔ)上，珠海格力電器股份有限公司在機器人本體的傳動部件中技術(shù)申請數(shù)量稍顯突出；浙江工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)在控制系統(tǒng)的專利申請數(shù)量稍顯突出；珠海格力電器股份有限公司和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在驅(qū)動系統(tǒng)的專利申請稍顯突出。對主要申請人的專利類型進行統(tǒng)計得出，廣西大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)的專利申請中發(fā)明專利的占比具有絕對優(yōu)勢；哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技、上海交通大學(xué)的發(fā)明專利授權(quán)率遙遙領(lǐng)先，通過這些統(tǒng)計數(shù)值可以大致了解相關(guān)申請人的專利質(zhì)量情況。

圖3 我國工業(yè)機器人排名前20的專利申請人

5 地域分布及特點分析

我國工業(yè)機器人專利申請地市排名如圖4 所示。統(tǒng)計區(qū)域排名前10地市的專利申請量占全國專利申請量的41.16%，可見我國工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展具有明顯的區(qū)域集聚特點，主要分布在長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)和京津地區(qū)。對主要申請人的技術(shù)構(gòu)成進行分析可得，蘇州的技術(shù)分布較為全面，技術(shù)構(gòu)成排名前15中有10 個IPC 排名均為首位；北京在機械手和控制系統(tǒng)的技術(shù)布局較為突出。

圖4 我國工業(yè)機器人專利申請地市分布排名

地域分布排名第1的是蘇州，其主要申請人有蘇州艾利特機器人有限公司、江蘇捷帝機器人股份有限公司和蘇州高通機械科技有限公司等。蘇州的前10申請人中僅有一所高校，其他均為企業(yè)，可見，此地區(qū)工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化程度較高。排名第2的地市是深圳，其主要申請人有深圳市越疆科技有限公司、大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司和哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）等。深圳排名前10 申請人中由7家企業(yè)和3所高校共同組成，可見此區(qū)域的產(chǎn)業(yè)化程度也在逐漸提高。排名第三的地市是上海，其主要申請人有上海交通大學(xué)、上海大學(xué)和同濟大學(xué)等。上海地區(qū)的前申請人由5所高校、4 家企業(yè)和1 家科研院所構(gòu)成，可見此區(qū)域處于研發(fā)階段的技術(shù)占有很大比例。

6 小結(jié)

通過對我國工業(yè)機器人專利申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，其技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)以下特點：

（1）我國工業(yè)機器人的專利申請態(tài)勢分為3 個階段：2000 年前為技術(shù)萌芽期，專利申請數(shù)量較少，且已經(jīng)全部失效；2001～2012年為技術(shù)發(fā)展增長期，專利數(shù)逐漸增多，目前仍有20%的專利為有效專利，專利價值較高；2013年至今為技術(shù)發(fā)展爆發(fā)期，專利申請增長速度急劇加快。我國工業(yè)機器人技術(shù)起步較晚，外國來華申請人對我國專利布局較早且萌芽期申請量占比較高，隨著我國技術(shù)的快速發(fā)展，我國專利申請量爆發(fā)式增長，申請量占比也越來越高。

（2）我國工業(yè)機器人的專利申請的技術(shù)研發(fā)熱點主要分布在機器人本體，排名前15的技術(shù)構(gòu)成中分布在本體的技術(shù)有9個IPC分類，其申請量占總申請量的81.14 %，其中機械手和末端執(zhí)行器的技術(shù)領(lǐng)域最熱門，申請量約占總申請量的一半；機器人的核心技術(shù)大多分布于控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，然而我國工業(yè)機器人在控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域分布較為欠缺，排名前15的技術(shù)構(gòu)成中二者申請量之和約占總申請量的8%。近年來，我國工業(yè)機器人技術(shù)快速發(fā)展，但是在控制器、減速器和伺服電機等方面的技術(shù)與國際先進技術(shù)相比還有較大差距，很多產(chǎn)品依然依賴進口。

（3）我國工業(yè)機器人的創(chuàng)新主體類型主要為企業(yè)和大專院校，分別占申請人總量的65.3%和22.16%。我國排名前20的申請人中大專院校占有17個名額，可見，我國工業(yè)機器人的技術(shù)雖主要由企業(yè)掌握，但是技術(shù)分布較為分散，尚未形成技術(shù)壟斷型企業(yè)。相比之下，高校對此領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)更為集中。排名前20的主要申請人的技術(shù)構(gòu)成與我國工業(yè)機器人總體技術(shù)構(gòu)成特點相同，以機械手和末端執(zhí)行器的技術(shù)研究最為熱門。

（4）我國工業(yè)機器人的技術(shù)發(fā)展具有明顯的區(qū)域集聚特點，通過主要申請人的排名可知其主要分布在長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)和京津地區(qū)?？梢?，我國工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展較好的地市均分布在經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)。長三角地區(qū)布局有較為完整的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)鏈條，其本體研發(fā)及生產(chǎn)企業(yè)占比位于全國產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)域首位［3］。在京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略的有效引導(dǎo)和高效推動下，京津冀三地機器人產(chǎn)業(yè)逐步形成優(yōu)勢并存、特色互補的發(fā)展格局［3］。北京市作為三地機器人技術(shù)最早的發(fā)源地，其專利技術(shù)資源優(yōu)勢比較明顯［4］。京津冀地區(qū)機器人本體研發(fā)企業(yè)相對較少，大多集中在核心零部件創(chuàng)新及系統(tǒng)集成方面。

與世界發(fā)達國家相比，我國工業(yè)機器人的很多關(guān)鍵核心技術(shù)仍然有待進一步突破，高端供給仍顯不足，行業(yè)應(yīng)用水平有待進一步提高［5］。建議如下：

（1）科學(xué)制定發(fā)展戰(zhàn)略，進一步完善政府扶持政策體系。加強統(tǒng)籌規(guī)劃，國家、省市一盤棋，上下聯(lián)動。堅持“政府引導(dǎo)、企業(yè)參與、市場運作”的指導(dǎo)思想，加快轉(zhuǎn)型升級的步伐。

（2）加強核心技術(shù)攻關(guān)，建立健全創(chuàng)新體系。保持我國研發(fā)數(shù)量持續(xù)增長的勢頭，加強控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)布局，提高專利質(zhì)量和專利轉(zhuǎn)化能力，核心技術(shù)和關(guān)鍵零部件創(chuàng)新有序推進。

（3）龍頭企業(yè)帶動特色產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。著力發(fā)揮龍頭、骨干企業(yè)的核心帶動作用，實現(xiàn)機器人產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同發(fā)展，推動優(yōu)勢產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)。企業(yè)間開展技術(shù)、融資等多種形式的聯(lián)合、并購和重組，形成相互競爭又相互合作的技術(shù)組群和產(chǎn)業(yè)集群。

（4）健全人才保障體系。加強機器人科技人才和操作技術(shù)人員培養(yǎng)，建設(shè)機器人理論研究、技術(shù)開發(fā)和技術(shù)應(yīng)用專業(yè)團隊。支持高校和科研院所引進高層次人才，培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)和復(fù)合型高端人才。