協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)及趨勢分析

馮 龍， 王雪婷， 何 華

（北京市科學(xué)技術(shù)研究院 智能裝備研究所， 北京 100061）

0 引言

隨著全球勞動力成本的不斷增加， 制造企業(yè)需要開發(fā)新技術(shù)以提高生產(chǎn)率。機(jī)器人技術(shù)的更新迭代，使人機(jī)協(xié)作顯示出巨大潛力。相比傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人憑借著安全、靈活、易部署等特點(diǎn)，快速融入多元場景，在工業(yè)、物流、醫(yī)療、教育等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了良好應(yīng)用，尤其自2020 年新冠肺炎疫情發(fā)生以來，協(xié)作機(jī)器人因具有無人接觸、遠(yuǎn)程服務(wù)、代替人工等優(yōu)勢，更是發(fā)揮了重要作用，得到了快速發(fā)展。專利作為科技發(fā)展的前沿蘊(yùn)含著大量的技術(shù)創(chuàng)新信息， 通過對協(xié)作機(jī)器人的專利進(jìn)行分析能夠客觀地認(rèn)識到行業(yè)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)現(xiàn)狀， 對相關(guān)政府、高校、科研院所及企業(yè)的決策制定、調(diào)控及研發(fā)布局具有一定的意義[2]。 本文聚焦協(xié)作機(jī)器人，通過使用incoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，從時間及地域兩個維度對協(xié)作機(jī)器人技術(shù)熱點(diǎn)及技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行研究， 為國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人企業(yè)、高?？蒲性核募夹g(shù)研究和創(chuàng)新提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及檢索方式

1.1 數(shù)據(jù)來源& 檢索方式

本文專利檢索部分?jǐn)?shù)據(jù)來源為Incopat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，輔助使用ItgInsight[6]工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析[1]。 在進(jìn)行檢索前， 首先結(jié)合協(xié)作機(jī)器人的主要構(gòu)成和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)f(xié)作機(jī)器人技術(shù)主要IPC 分類號進(jìn)行提取， 在得到協(xié)作機(jī)器人IPC 分類號的基礎(chǔ)上，結(jié)合協(xié)作機(jī)器人常用關(guān)鍵詞，確定協(xié)作機(jī)器人專利檢索式。

1.2 IPC 分類& 檢索降噪

通過將協(xié)作機(jī)器人技術(shù)分為本體技術(shù)、控制系統(tǒng)技術(shù)、驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用場景技術(shù)四大類后， 再依據(jù)IPC 分類表對各技術(shù)關(guān)鍵詞匹配IPC 分類號， 得到協(xié)作機(jī)器人技術(shù)分支及其對應(yīng)的IPC 分類號[4]，如表1 所示。 由于協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的特殊性，為防止醫(yī)療機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等與協(xié)作機(jī)器人無關(guān)的噪聲出現(xiàn)，本文檢索側(cè)重于“檢準(zhǔn)”原則。 因此檢索結(jié)果可能無法涵蓋一些“非典型”協(xié)作機(jī)器人公司所申請的專利，如鎂伽科技公司的相關(guān)專利。

表2 國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人研究熱點(diǎn)省市專利技術(shù)主題詞分布

2 全球協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)及趨勢

2.1 全球協(xié)作機(jī)器人專利申請趨勢

雖然近年全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)專利增速逐步趨緩[3]，但協(xié)作機(jī)器人專利申請呈快速增長態(tài)勢。 從1985—2022 年全球協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠暾埱闆r來看， 協(xié)作機(jī)器人發(fā)展大體分為3 個階段。 第一階段（1985—2007）：在這一階段，專利申請較少，數(shù)量在10 件以內(nèi)波動。 申請人數(shù)量也較少， 企業(yè)投入意愿較低， 處于技術(shù)的萌芽期。 第二階段（2008-2014）：專利申請數(shù)量較之前有明顯攀升，整體呈增長態(tài)勢，數(shù)量維持在100 件以內(nèi)。 第三階段（2015—至今）：自2015 年起，協(xié)作機(jī)器人專利呈急劇增長態(tài)勢，并在2021 年達(dá)到頂峰，數(shù)量為918 件。由于專利公開存在滯后性，2021—2022 年部分發(fā)明專利未能完全統(tǒng)計在內(nèi)。因此2022 年專利申請量的下降并非實(shí)際專利申請量下降。

圖1 全球協(xié)作機(jī)器人專利申請趨勢

2.2 全球協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)演變

從1985 年—2022 年的發(fā)展歷程來看，協(xié)作機(jī)器人的研究熱點(diǎn)主要經(jīng)歷了三個階段：

第一階段（1985—1990 年）：多以協(xié)作機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)和用于機(jī)器人的控制方法為主展開研究， 代表專利如1986 年來自保加利亞的“協(xié)作機(jī)器人平衡機(jī)械手”專利、1987 年來自美國發(fā)那科的“機(jī)械腕機(jī)構(gòu)“專利、1990 年來自日本的“用于機(jī)器人的控制方法”專利等；

第二階段（1991—2009 年）：在這一階段，關(guān)于協(xié)作機(jī)器人本體的基礎(chǔ)研究逐漸增多， 并依次在焊接、 裝配拆卸、理療按摩、機(jī)床加工等工業(yè)領(lǐng)域開展應(yīng)用研究。 同時關(guān)于軌跡跟蹤、參數(shù)優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同的數(shù)據(jù)處理等協(xié)作機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)也在這一階段得到沉淀和積累；

第三階段（2010—至今）：在這一階段，協(xié)作機(jī)器人本體研究較之前發(fā)展速度有明顯大幅提升， 應(yīng)用場景在深耕工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)上，逐步向手術(shù)醫(yī)療、教育、管理等行政領(lǐng)域進(jìn)一步拓展。同時，關(guān)于協(xié)作機(jī)器人核心零部件技術(shù)的專利也開始廣泛布局，拖動示教、機(jī)器視覺、精度測試、碰撞檢測等一系列人機(jī)交互和自主認(rèn)知技術(shù)也在這一階段興起。

圖2 全球協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究趨勢

2.3 全球協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)

通過對全球協(xié)作機(jī)器人主要IPC 分類進(jìn)行整理和匯納，可以發(fā)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人技術(shù)熱點(diǎn)主要分布在本體和末端執(zhí)行器、焊接裝配等工業(yè)場景應(yīng)用、手術(shù)理療等醫(yī)療機(jī)器人、運(yùn)動軌跡的跟蹤和優(yōu)化以及算法方面，如圖3 所示。

圖3 全球協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)

3 國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)及趨勢

3.1 國內(nèi)重點(diǎn)地區(qū)協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)及趨勢

將我國按照長三角、珠三角、京津冀和東北地區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，可以了解國內(nèi)不同地域下的協(xié)作機(jī)器人熱點(diǎn)分布情況。從我國不同地區(qū)專利分布來看，長三角地區(qū)：協(xié)作機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈布局較為齊全，在本體、核心零部件與其他關(guān)鍵技術(shù)方面的占比都領(lǐng)先全國其他地區(qū)。 相對來說，長三角的研發(fā)熱點(diǎn)主要包括：協(xié)作機(jī)器人本體領(lǐng)域；零部件領(lǐng)域中的傳感器、控制器、伺服電機(jī)與抱閘；關(guān)節(jié)模組一體化、智能自主和機(jī)器視覺等關(guān)鍵技術(shù)。 ①珠三角地區(qū)：在核心零部件領(lǐng)域具有較強(qiáng)優(yōu)勢，其研發(fā)熱點(diǎn)主要包括：減速器和抱閘；本體領(lǐng)域中的機(jī)器人本體與機(jī)械臂以及智能自主關(guān)鍵技術(shù)；②京津冀地區(qū)：研發(fā)熱點(diǎn)主要集中于末端執(zhí)行器、編碼器和機(jī)器視覺領(lǐng)域，相對而言在機(jī)械臂、伺服電機(jī)與智能自主技術(shù)方面布局占比較少；③東北地區(qū)：在運(yùn)動控制這一關(guān)鍵技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，而在抱閘這一零部件的布局上與其他地區(qū)相比具有明顯差距，如圖4 所示。

圖4 國內(nèi)重點(diǎn)地區(qū)協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)布局

圖5 國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人研究熱點(diǎn)省市專利技術(shù)申請量

3.2 國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)省市

通過對中國協(xié)作機(jī)器人專利按照省市進(jìn)行排名，前五名分別是廣東、江蘇、上海、北京和浙江，北京在專利申請總量上位居全國第四位。但從發(fā)明專利的比例上看，北京發(fā)明專利占比最高，達(dá)到72.39%，一定程度上反應(yīng)出北京的研發(fā)創(chuàng)新優(yōu)勢。 廣東、江蘇兩地實(shí)用新型專利占比較高，一定程度上反應(yīng)出兩地協(xié)作機(jī)器人研發(fā)成果的產(chǎn)品應(yīng)用較多。

3.3 國內(nèi)不同省市協(xié)作機(jī)器人專利布局差異

通過對比不同省市協(xié)作機(jī)器人專利主題詞分布情況可知，北京市在末端執(zhí)行器、傳感器、編碼器、關(guān)節(jié)模組、運(yùn)動控制與機(jī)器視覺等方面具備一定優(yōu)勢； 廣東省專利數(shù)量在全國排名第一，其產(chǎn)業(yè)鏈布局也較為齊全，其中在協(xié)作機(jī)器人本體、機(jī)械臂、減速器、編碼器方面的專利布局上領(lǐng)先優(yōu)勢突出； 江蘇省在全產(chǎn)業(yè)鏈布局方面也較為突出，其中，在末端執(zhí)行器、傳感器、控制器、伺服電機(jī)、關(guān)節(jié)模組與機(jī)器視覺方面的專利布局優(yōu)勢突出。

4 結(jié)論

（1）協(xié)作機(jī)器人技術(shù)發(fā)展正處于快速成長期。 從1985—2022 年全球協(xié)作機(jī)器人專利申請情況來看，協(xié)作機(jī)器人技術(shù)在不斷發(fā)展，市場在不斷擴(kuò)大，專利權(quán)人也在急劇增長。當(dāng)前， 無論是專利數(shù)量還是申請人數(shù)量都處于快速增長階段，并沒有放緩趨勢，尚未顯露出技術(shù)成熟期階段的放緩趨勢，因此可以判定協(xié)作機(jī)器人技術(shù)正處于快速成長時期。

（2）協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)創(chuàng)新突破領(lǐng)域。通過分析全球協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)， 目前全球范圍內(nèi)在協(xié)作機(jī)器人拖動示教（G09B）、機(jī)器視覺及圖形數(shù)據(jù)讀?。℅06V）、位置及姿態(tài)控制（G05D1/02）、精度測試與碰撞檢測（G01B21）以及協(xié)作機(jī)器人減速器等傳動裝置方面（F16H）專利技術(shù)布局仍較少。 當(dāng)然協(xié)作機(jī)器人也面臨很多實(shí)際應(yīng)用場景適應(yīng)性、可靠性與安全性提升的問題。例如通過感知外部極小的力矩變化并做出反應(yīng)避免碰撞（G01L3/G01L25），讓人機(jī)協(xié)作過程更輕松（G06F）、安全和精準(zhǔn)控制（G05D19/G05B）等方面都是在實(shí)際應(yīng)用場景中要解決的問題，上述相關(guān)領(lǐng)域可作為后續(xù)高校、科研院所及行業(yè)企業(yè)研發(fā)創(chuàng)新的突破口。

（3）協(xié)作機(jī)器人技術(shù)研究熱點(diǎn)由機(jī)構(gòu)學(xué)向機(jī)器視覺、觸覺、控制算法、人工智能領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。 通過分析全球協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)研究熱點(diǎn)及趨勢可以發(fā)現(xiàn)，目前高校在協(xié)作機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)方向已由原來的機(jī)械手、機(jī)械臂的設(shè)計向機(jī)器視覺、觸覺、人工智能、控制算法等方向轉(zhuǎn)變，如哈佛大學(xué)目前在做的柔性機(jī)器人、斯坦福大學(xué)在做的機(jī)器人觸覺、清華大學(xué)在做的視覺語義感知、北京航空航天大學(xué)在做的機(jī)械臂感知與運(yùn)動規(guī)劃等，這些研究的目的都是為協(xié)作機(jī)器人本體更好的賦能。

（4）協(xié)作機(jī)器人在非工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)布局逐漸增長。協(xié)作機(jī)器人作為一種新興的工業(yè)機(jī)器人品類，其產(chǎn)品面向的應(yīng)用場景已拓展至工業(yè)應(yīng)用場景以外的消費(fèi)領(lǐng)域范疇，近年協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)在教育、手術(shù)、康復(fù)、理療、新能源充電樁、餐飲（飲料制備）、肉類加工、服裝（縫紉）等領(lǐng)域申請量逐年增長。 相較于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人，協(xié)作機(jī)器人因具備人機(jī)協(xié)作、易裝配、安全等特點(diǎn)，使其具有更廣泛的應(yīng)用場景領(lǐng)域。

（5）從專利布局看國內(nèi)主要協(xié)作機(jī)器人省市布局特點(diǎn)。從國內(nèi)協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)申請量看，廣東省、江蘇省、北京市和上海市排名靠前。 從四個省市協(xié)作機(jī)器人專利技術(shù)布局情況看，北京市發(fā)明專利占比最高，創(chuàng)新優(yōu)勢明顯，這主要得益于北京市高校及科研院所資源豐富，專利大多集中在高校和科研院所[5]，且北京市協(xié)作機(jī)器人企業(yè)多以本部加研發(fā)機(jī)構(gòu)為主有關(guān)。廣東省、江蘇省專利申請量多，實(shí)用新型占比量較高，這得益于協(xié)作機(jī)器人企業(yè)生產(chǎn)制造多布局在兩地有關(guān)。