諧波減速器技術專利分析研究

北京精密機電控制設備研究所 原譽桐 鄭繼貴 崔 雪 皮利萍

一、引 言

諧波減速器是一種由鋼輪、柔輪和波發生器組成的減速裝置，是機電伺服作動器、機器人實現運動功能的核心部件，具有傳動比大、承載能力大、傳動效率高等特點。諧波減速器最早應用于航空航天領域，隨著其技術優越性的日益凸顯，逐步被推廣應用于加工中心、雷達設備、紡織機械、醫療器械、儀器儀表等領域，現在約有90%的諧波減速器應用于機器人工業和精密定位系統領域。基于諧波減速器在各個領域的重要地位，尤其是其在航天領域的廣泛應用，開展諧波減速器技術的專利保護與分析具有較為重要的意義。

二、諧波減速器關鍵技術圖譜和專利檢索分析

（一）關鍵技術圖譜

研究人員研究了諧波減速器產品的組成，以及諧波減速器產品的工藝流程，識別出其組成構件和研制過程中需要進行研究的技術細節，對組成和技術細節進行總結分析，得到如圖1所示的技術圖譜。諧波減速器技術包括總體結構、柔輪、剛輪、凸輪、柔性軸承、交叉滾子軸承、齒形、波發生器、加工制造和試驗方法等10個關鍵技術。

圖1 諧波減速器技術圖譜

（二）關鍵技術的專利宏觀分析

1.專利申請趨勢分析

1955年至今，諧波減速器技術的專利申請趨勢如圖2所示，可以看出該技術相關專利申請始于20世紀50年代，期間經歷了萌芽期（1955—1976年）、發展期（1977—2010年）和快速發展期（2011年至今）。

在1976年以前，諧波減速器技術整體處于技術萌芽和發展的初級階段，專利申請量較少，年申請量均不超過15項，專利申請國主要包括美國和前蘇聯。1977—2010年，諧波減速器技術的專利申請數量呈現增長趨勢，各個國家對諧波減速器技術的產業布局也逐漸清晰。2011年至今，隨著機器人產業的發展，諧波減速器的市場需求隨之增大，專利申請數量呈現出指數型高速增長的態勢，并在2015年達到了申請高峰。

2.專利申請區域分析

分析查閱相關技術產出國的資料可知，諧波減速器技術的專利申請主要集中在日本、中國、美國和德國等國家，以上國家的專利申請量占總申請量的78%。其中，日本的專利申請量最多，達到892項，占總申請量的28%。圖3為諧波減速器專利技術產出國分布示意圖。

圖4為1955年至今諧波減速器技術主要產出國家的專利申請數量對比圖。通過圖4和查閱相關資料可知，日本的諧波減速器技術實力最強；美國是研究諧波減速器技術最早的國家，主要集中在軍事和航天等中高端領域；德國的專利申請最早出現于20世紀70年代；我國在該項技術的專利申請方面起步較晚，但在該領域的專利申請量僅次于日本。

3.專利申請技術構成分析

圖5為從諧波減速器專利申請技術構成分析餅狀圖，可以看出，諧波減速器技術按基本構成可分為：總體結構、波發生器、加工制造、柔輪、試驗方法、凸輪、齒形、剛輪、柔性軸承與交叉滾子軸承等10個部分。其中，總體結構、波發生器、柔輪和加工制造是諧波減速器技術的研發重點，直接影響著諧波減速器的技術性能。其他幾項技術的專利申請量較少，未來仍然需要進行持續的技術攻關。

圖2 專利申請趨勢

圖3 專利技術產出國分布

圖4 主要技術產出國家申請數量對比圖

圖5 諧波減速器專利申請技術構成分析

1955年至今，諧波減速器中各技術分支的專利申請數量如圖6所示，整體上看，諧波減速器大部分技術分支的專利申請數量呈現增長趨勢。其中，總體結構方面的專利申請量最多，在1976年之前處于技術萌芽和發展的初級階段；1977—2010年，專利申請數量呈現增長趨勢，年專利申請量達到20項左右；2011年至今，在我國、日本等國家諧波減速器技術快速發展的驅動下，總體結構方面的專利申請達到40～100項左右。專利申請量位于第二名的是波發生器技術，于1987年達到第一個專利申請高峰，共申請了11項，之后專利申請量有所下降，于2015年達到第二個申請高峰，申請量達34項。專利申請量位于第三名的是柔輪技術，于1988年達到第一個專利申請高峰，共申請了11項，之后專利申請量有所下降，直到2006年開始回升，于2015年達到第二個申請高峰，申請量共21項。專利申請量位于第四名的是加工制造技術，申請量不多但較穩定，直到2013年開始有所增加，并于2014年達到第一個專利申請高峰，共申請了25項。由于近3年的專利公開數據統計不全，因此可以預見：波發生器、柔輪、加工制造技術領域仍將保持快速發展的趨勢。剛輪、凸輪、齒形、試驗方法等方面的專利申請趨勢大致相同，近幾年的專利申請數量有所上升，但總量相比于總體結構、波發生器、柔輪和加工制造技術要少得多。柔性軸承、交叉滾子軸承技術方面的專利申請數量更少，近幾年也只是略微增加，可見上述技術在諧波減速器技術中的關注度較低。

1955年至今，在諧波減速器技術領域專利申請量排名前4位的主要申請國家在不同技術分支申請的專利數量如圖7所示。

4.專利申請人分析

（1）全球專利申請人分析。

圖8為全球諧波減速器技術專利申請量排名前15位的機構，其中，我國有7家、日本有5家、美國 有2家、俄羅斯有1家；我國和日本的申請機構數量較多，但是日本申請機構在專利申請數量上占據了主要地位。

圖6 各個技術分支的專利申請趨勢

圖7 主要申請國家技術在不同技術分支申請的專利數量

圖8 全球諧波減速器技術專利申請量排名

圖9為近5年來諧波減速器技術專利申請量排名在全球前10位的申請人，與圖8對比可以發現，在諧波減速器技術主要申請機構排名中HD公司均穩居第一，我國企業在諧波減速器技術方面的專利申請量有明顯增加。

（2）我國專利申請人分析。

圖10為我國提交的諧波減速器技術專利申請量在前10位的申請人排名情況。從圖10可以看出，相關專利申請主要來自于各個公司，HD公司在我國提交的專利申請量排名在首位，其次是蘇州綠的諧波傳動科技有限公司。

圖9 近5年專利申請數量排名

圖10 我國主要申請人排名

三、技術發展和專利布局建議

（一）技術發展建議

在充分借鑒國內外先進的諧波減速器技術的基礎上，研究人員可以進行技術規避，并且盡快形成產品特有性能和價格優勢，具體可以加強以下4個方面的研究。

1.通過總體結構設計，延長諧波減速器的使用壽命

HD公司一直嘗試通過總體結構設計來延長諧波減速器的使用壽命，并在我國布局了相關專利。如波動齒輪裝置專利CN104919211A、 CN105452715A、CN107208748A等，這些專利均采用不同的技術措施，延長了波動發生器的壽命。

2.通過優化設計，實現諧波減速器的小型化和輕量化

HD公司申請的專利CN105308357B、CN105143716A中指出，可通過柔輪形狀優化、采用特種材料等途徑，在實現減小諧波減速器尺寸這一目標的同時，使諧波減速器的剛度、精度及壽命等重要指標得到提升。

3.加強驅動、傳動一體化的諧波減速器設計

日本新寶公司申請了電機和減速器一體化設計的專利，該技術研發的產品能夠作為獨立的組件來工作；該公司申請的專利JP2017155780A公開了一種帶有電機的減速齒輪，可通過將電機配置在減速器的輸入端，起到有效放大力矩的作用。

4.加強諧波減速器核心部件的研發

剛輪、凸輪、齒形、柔性軸承、交叉滾子軸承作為減速器的核心部件，選擇合適的匹配參數對諧波減速器的性能具有至關重要的作用。HD公司申請的PCT專利WO2017081753A1公開了一種能夠承受力矩載荷且結構緊湊的滑動軸承，該軸承具有其他軸承不可替代的剛度和承載能力，對有效提升諧波減速器的力矩特性起到了技術支撐作用。

（二）專利布局建議

北京精密機電控制設備研究所（以下簡稱研究所）作為從事航天伺服技術和產品研制的單位，近年來大力開展機電伺服系統的技術開發工作，在武器型號和運載火箭上研制了大量的配套產品。為了更好地開展諧波減速器的研究工作，研究所可以在以下7個方面加強專利布局工作。

1.專利布局整體策略

近幾年來，諧波減速器行業呈現快速發展趨勢，國內外市場競爭日益激烈，相關單位根據其產品特點進行了專利布局。所以，研究所要仔細對比分析自身和競爭對手在技術上的優勢和劣勢，在優勢的技術方向或技術點上強化研發和專利布局，采取防御為主、進攻為輔、差異化的專利布局策略。

2.專利布局目標

研究所的短期目標是盡快在國內申請相關專利，以躋身國內專利申請量排名前十，從而彰顯研究所在諧波減速器領域的技術實力，以助力后續的市場推廣工作。中長期的專利布局規劃是結合研究所的產品規劃、商業發展戰略和專利定位情況，以及競爭對手的專利申請狀況，完成保護性、對抗性或儲備性專利布局，圍繞諧波減速器產業上下游形成至少20項的全球專利組合，提升專利的整體價值。

3.圍繞技術發展方向的專利儲備

在諧波減速器涉及的關鍵技術中，齒形、剛輪、凸輪和試驗方法技術方向的專利申請量較總體結構、波發生器、柔輪和加工制造技術相對較少；柔性軸承和交叉滾子軸承技術的專利申請量非常低。由此可見，剛輪、凸輪、齒形、試驗方法、柔性軸承和交叉滾子軸承是諧波減速器的技術空白點，后續研究所可在專利布局上側重于這些技術空白點。在總體結構、波發生器、柔輪設計方面，研究所可以從延長使用壽命、降低成本、提高可靠性和穩定性、實現小型化和輕量化等方面進行改進，并進行合理的專利布局。

4.圍繞市場開拓區域的專利布局

由于目前研究所生產的諧波減速器主要在國內銷售，因此現階段的專利布局區域應以國內為主。當諧波減速器技術取得技術性突破，并且產品性能和價格優勢明顯時，研究所可以適當開展全球專利布局，以領先于國內其他公司。在具體途徑上建議通過PCT申請等途徑進行全球專利布局。

5.圍繞產品保護的專利布局

在產品規劃上，研究所可以借鑒國內外公司的產品系列，包括標準化產品與非標定制產品，也可以開發諧波減速器與電機集成產品。圍繞研究所的產品規劃，從總體結構、柔輪、剛輪、凸輪、柔性軸承、交叉滾子軸承、齒形、波發生器、加工制造和試驗方法等方面開展專利布局。

6.對抗競爭對手的專利布局

HD公司在諧波減速器方面的實力最強，在技術、市場和專利方面均處于壟斷地位。蘇州綠的諧波傳動科技有限公司、浙江來福諧波傳動股份有限公司、北京中技克美諧波傳動股份有限公司、東莞市鑫拓智能機械科技有限公司等是國內技術實力較強的企業，研究所可將上述公司作為主要競爭對手。研究所可圍繞競爭對手的發展動向開展外圍、防御性專利布局，與此同時，對競爭對手采取技術專利化、專利標準化、標準產業化的發展策略，進行技術規避設計，以減少侵權糾紛。

7.通過專利收購、專利許可、技術合作等方式完善專利布局

研究所可借鑒國外競爭對手通過企業并購、合資、建立分廠等方式，實現企業產品、技術和市場的全球化發展策略，與此同時，可考慮與相關的競爭對手進行技術交叉許可和技術合作。

四、結束語

開展諧波減速器技術專利分析工作，能夠更好地實現對研究所技術和產品的保護，更好地了解競爭對手的研發狀態和專利布局現狀，更好地為新技術開發提供指引和借鑒，同時為該產品拓展國內外市場提供重要支撐。