基于專利分析下的中國工業機器人技術發展現狀研究

王雪婷

(北京市機械工業局 技術開發研究所， 北京 100061)

工業機器人近年來發展迅猛，已成為衡量一個國家制造業水平和核心競爭力的重要標志。從全球工業機器人市場來看，中國是工業機器人主要的終端使用市場。據IFR 2020年統計數據顯示，2019年中國工業機器人市場累計銷售14.4萬臺，年銷量連續第七年位居世界首位，產業發展總體向好。但從反映工業機器人普及程度和自動化水平的密度指標來看，中國制造業自動化程度尚處于較低水平，工業機器人在高端市場中缺乏競爭力，較其他機器人大國相比仍有進步的空間。為此，了解中國工業機器人技術實力與技術布局現狀，挖掘差距存在的根源對中國工業機器人產業發展具有深遠意義。

1 數據來源與研究方法

研究采用專利地圖分析法。專利是集技術信息、法律信息、經濟信息于一體的重要競爭情報資源。專利地圖則是由各種與專利相關的資料訊息，以統計分析的方法，加以縝密及精細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。專利地圖又可以細分為管理地圖、技術地圖以及權力地圖，不同類型的專利地圖解讀的重點也不同。專利地圖的研究最早由日本最先研發，而后隨著國家戰略情報的需要，各個國家開始紛紛研究該方法。

本文主要就中國工業機器人技術發展現狀展開研究，故主要采用專利管理地圖與專利技術地圖兩種類型(表1)的框架進行分析。通過梳理專利申請趨勢、專利申請機構、IPC分類、技術功效等信息，了解中國工業機器人專利布局現狀，為中國工業機器人產業技術發展提供分析情報。

表1 專利地圖研究框架

本文研究數據來源于Incopat全球專利數據庫，數據檢索時間截止到2020年12月31日。檢索策略主要圍繞工業機器人、機械手、噴涂機器人、碼垛機器人、裝配機器人、噴涂機器人、搬運機器人、裝配機器人、并聯機器人等相關中英文檢索詞進行檢索。初步檢索后，再通過Inpadoc同族合并，過濾無關關鍵詞等方式進行數據清洗。由于專利申請公布周期為18個月，專利數據庫收錄有時間延遲，所以2020年后的專利數據不作為后續分析的主要依據。

2 全球工業機器人產業發展態勢

2.1 專利申請趨勢分析

從全球工業機器人專利申請趨勢來看，世界范圍內機器人專利申請數量整體呈增長趨勢，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，在這一時期屬于機器人發展的萌芽時期，專利數量較少，只有法國、德國、美國涉及該領域的研發；第2階段是1980—2010年，在這一階段專利申請數量整體趨勢存在波動性，專利數量平均維持在1 000項上下。日本工業機器人產業主要就是在這一時期發展壯大起來，申請量位居全球霸主的地位長達30余年。第3個階段是2010至今這一時間范圍，在此階段，全球專利申請量呈直線上升態勢，尤其是2013年后，申請數量較之前相比有極大的飛躍。中國自2001年起，專利數量保持高速穩定增長，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機器人申請量不斷創新高，成為全球申請趨勢的主導，如圖2所示。

圖1 全球專利申請趨勢

圖2 各國家/地區專利申請量占比

2.2 全球專利布局分析

專利申請人一般在其所在國首先申請專利，然后在一年內利用優先權申請國外專利[2]。本國專利申請量是衡量一個國家科技開發綜合水平的重要參數，也是該國經濟技術實力的具體體現[3]。所以從專利申請人優先權所屬國的數量分布上可以了解各國家在該領域的技術實力[4]。

對全球專利按申請人國別進行排序，中國工業機器人專利申請量為31 412件，排在世界首位，其次是日本、美國、韓國和德國。但從全球專利按優先權國別排名的信息來看，美國以絕對的先發優勢位居全球第一，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。這一指標直接體現了全球各國家/地區工業機器人的研發實力，從中可以看出，美國、日本在工業機器人技術研發和創新方面具有極大的優勢。雖然中國工業機器人市場進入了高速期，但是在基礎研究和關鍵技術上同發達國家相比，還具有一定的差距。

圖3 全球專利按優先權國別排名

此外，對全球工業機器人專利分別按“優先權國別”與“公開國別”兩個維度進行統計，可以大致了解全球專利權人布局的情況。其中，“優先權國別”可以代表“技術來源國”，而“公開國別”可以理解為專利的“目標市場國”。如圖4所示，全球工業機器人專利主要技術來源國是日本、美國和德國，這3個國家的技術研發實力較強，是核心技術的主要掌控者。全球專利的主要目標市場國家/地區則是美國、歐洲和日本，這意味著工業機器人的主戰場主要在這3個地區，相對而言，這3個國家/地區的產業配套更加全面。政策支持力度更大，所以成為全球專利權人布局的主要市場。

圖4 全球專利布局情況

3 中國工業機器人技術發展現狀

3.1 專利權人分析

中國工業機器人專利權人主要有企業、高等院校、個人、科研單位、機關團體及其他等類型，其中企業為中國工業機器人產業主要創新主體，約占73%，其次是高等院校，占到16%，如圖5所示。

圖5 中國工業機器人專利申請人類型

其中中國工業機器人前10名專利申請人中高等院校有4家，企業為5家，科研院所1家。從數量上來看，中國工業機器人創新主體以企業為主體，但是通過分析各專利權人的專利申請趨勢便可發現中國工業機器人的研究起源于高等院校。所以雖然從申請數量上來看，中國企業在該領域的研究上占據上風，但事實上大部分高質量的專利以及基礎研究還是掌握在高校與科研院所當中。

另外從全球與中國的前10名申請人對比上來看(表2)。全球范圍內前10名專利申請機構均為大型跨國公司，如發那科、安川、ABB等。眾所周知，跨國公司資本實力雄厚，可以投入足夠的資金在技術研發且能在較長時間承受研發失敗帶來的風險。另外跨國公司廣泛的用戶需求與品牌的高認可度，可以使新技術快速進入市場化階段。而中國的申請機構中大型跨國公司占比較少，更多的是以高校、國企、央企等類型的機構。所以中國雖然專利申請數量龐大，但技術市場轉化率并不高，這也是中國專利數量較有優勢卻并沒有擠身于工業機器人強國的原因。所以近年來中國從政策層面大力提倡產學研結合的戰略，能彌補市場轉化慢的缺點，也能維續延續科研院校的研發優勢，是實現工業機器人強國的必由之路。

表2 全球與中國工業機器人前10名申請人比較

3.2 專利關鍵技術分析

3.2.1 IPC分析

從中國工業機器人IPC分類的角度來看，如圖6所示，中國工業機器人專利技術主要集中在B25J(機械手)、B23K(釬焊或脫焊)、B65G(運輸或貯存裝置)。將主要IPC構成按照零部件技術分支進行梳理，可以發現，中國工業機器人專利主要集中在本體和控制系統的研發，分別占到73.88%和24.32%，而對減速器等驅動系統的研究僅占到1.8%，與全球工業機器人技術領域分布趨勢類似。

圖6 中國工業機器人主要IPC技術構成

將主要IPC分類按年份進行申請量的梳理(表3)，可以看出中國最先展開的是對B25J分支的研究，其對應工業機器人技術分支包含機械手、末端執行器等，自2008年開始，該領域申請量開始爆發性增長。2011年后，開始在B23K和B65G分支上進行大量布局，這3個技術領域如今仍然是中國工業機器人研發的熱點。對應到工業機器人技術本身，分別是機器人本體與存儲器上面。

表3 1996—2019年主要IPC技術構成發展情況

而相對而言，中國近幾年在G06F、F16H領域研發進展緩慢,對應到機器人技術分別是控制結構中的電數字數據處理技術以及傳動裝置。而傳動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域研究起步較晚，在2005年以前在該領域的研究幾乎是空白，依賴進口現象明顯。

3.2.2 技術功效分析

從2001—2020年中國工業機器人專利技術功效面積圖(圖7)中可以看出。中國工業機器人專利技術主要集中在實現提高工作效率、降低結構復雜性、提高便利性這3方面，占所有專利的50%。相對而言，中國在提高工業機器人精度、速度、安全性、穩定性以及極端環境下的機器人研究這幾方面研發實力較弱。對工業機器人而言，技術難點正是集中在實現高精度、高速度的運動控制以及同人實現協作化的工作上，這些也是制約中國工業機器人向中高端邁進的因素。

圖7 2001—2020年主要技術功效面積圖

從面積圖中可以看出，中國在人機協作、提高安全性以及穩定性這個領域有了較為明顯的突破，專利占比呈增長趨勢。但在工業機器人的精度以及速度的研究上仍有較大壁壘。而實現工業機器人的高精度需要高精度的減速器與伺服系統，只有這兩種硬件具有較高的精度才能實現機器人的精確定位，進而實現準確抓取、搬運、焊接等工藝功能。另外，算法也是一個問題。機器人完成每一個動作，都需要核心控制器、伺服驅動器和伺服電機三方協同作戰。伺服系統由于核心算法跟不上，導致響應速度會比國外產品低很多[5]。從而看出，欲突破工業機器人的技術難點首先需要從解決核心零部件開始。

4 結論及建議

4.1 結論

經過30多年的發展，中國工業機器人發展已經初具規模[6]。從技術領域的角度，中國工業機器人專利技術主要集中在機械手、工業機器人焊接系統、運輸或貯存裝置、機床零件或控制裝置、萬能機床、機器人控制系統或調節系統等領域。與國外相比，中國在教育演示用具、圖像通信、郵件分揀、清潔機器人、無線電導航定向、非專用于特定變量的測量方面具有一定的技術優勢，反映出中國工業機器人在清潔、物流分揀、遠程監控、無線電導航等應用場景上具有較強技術實力。同時通過IPC統計分析也暴露出中國工業機器人在半導體器件、非電變量的控制系統領域、金屬板材的基本無切削加工處理、噴射裝置、醫療機器人外科診斷、電氣元件組件制造等細分技術領域尚處于短板。

4.2 發展建議

基于上述研究，對于工業機器人產業發展提出如下建議：

1)重點開展對核心零部件的技術攻關。中國應充分發揮國內高校、研究所創新優勢，由政府引導聯合關鍵零部件研發企業、科研院所、高等院校以及產業聯盟等組織，成立專項開展對諧波減速器、RV減速器、控制器與伺服電機的技術攻關。提高中國工業機器人的精度、速度、安全性以及穩定性，努力實現機器人的低成本、高速化、網絡化和智能化。

2)建立人才隊伍建設，完善人才評價激勵機制。中國在解決機器人核心技術的道路上不僅需要投入資金與耐心，同時也要加強人才隊伍的建設，尤其是核心零部件方面的稀缺人才。所以需要中國應聯合科研院所、高等院校和企業等組織，面向工業機器人研發與應用需求，培養人才隊伍，完善人才認證機制，建設工業機器人實訓中心，有針對性地為機器人領域輸送可靠人才。

3)積極培育龍頭企業，加強對企業的技術創新引導。通過對專利權人部分的分析可以發現，全球機器人四大家族無一不是跨國公司。重大技術的突破研究與基礎性研究更加依賴于大型公司，因為這一類型的公司更能承擔新技術研發的成本和風險，也更被市場所接受。所以中國應積極培育龍頭企業，支持互聯網企業與傳統機器人企業的緊密結合，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、創新能力強、市場競爭力強的龍頭企業。