中國機器人伺服控制技術競爭力及提升路徑

費鐘琳，楚 磊，趙順龍

（1.南京工業大學經濟與管理學院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省科技政策思想庫，江蘇 南京 211816；3.江蘇產業科技創新研究中心，江蘇 南京 211816）

1 引言

機器人技術作為高端裝備制造技術之一，是多學科綜合發展的產物，主要以自動化技術和計算機技術為主體，有機融合各種現代信息技術的集成技術。隨著我國制造業向智能化方向發展，對于機器人的需求日益增加，根據國際機器人聯合會（IFR）的數據顯示，中國目前是世界上最大的機器人市場，中國機器人市場前景巨大。而中國的機器人技術研發主要集中于產業鏈下游應用領域，機器人伺服控制、減速電機等核心技術一直受制于人，產品大量依賴進口。機器人伺服控制技術是機器人產業發展的關鍵技術，是機器人借助伺服控制系統對機器人運動軌跡進行控制或者調整的技術，伺服控制系統的核心元件包括伺服控制器、伺服驅動電機等［1-4］。目前中國伺服控制系統使用的控制器及伺服電機主要產自國外領先企業，如日本的安川電機、發那科集團、三菱集團，德國的庫卡公司、西門子等，中國在機器人伺服控制領域產品市場競爭力并不強。中國掌握了機器人伺服控制技術領域大量發明專利，但關鍵核心技術及產品市場卻被國外領先企業所占有，這說明技術競爭力并不能單以數量而論之。

技術競爭力，根據競爭主體的不同，可分為國家技術競爭力、產業技術競爭力和企業技術競爭力，多數學者認為其是一種競爭對手難以模仿且能夠維持技術競爭優勢的能力［5-7］。本研究將機器人伺服控制技術競爭力界定為在國際競爭背景下，與世界其他國家相比，中國在機器人伺服控制等核心技術方面表現出來的競爭實力，是優勢和不足的綜合體現。目前區域層次機器人技術競爭力的研究成果相對較少，主要通過專利指標評估對機器人產業的區域技術競爭力進行分析［8-9］。由于大多數國家使用統一的國際專利分類法（本研究采用《國際專利分類表》，IPC分類），使得專利信息能基本反映某一技術領域里最先進技術信息的全貌而且便于比較。但多數學者構建的指標體系較為單薄，選取的專利指標包括授權發明專利數量、專利申請趨勢、被引比率、同族專利數量等，并不全面科學，缺乏對同層次專利指標的系統性和科學性歸類。因此本研究嘗試從國際層面為機器人核心技術選擇合適的專利競爭力評價指標體系，從專利數量指標、質量指標、價值指標［6-9］等方面構建專利指標體系，以期更準確地評估中國在該領域的技術競爭態勢，并根據技術競爭力的不足尋找機器人核心技術競爭力提升路徑。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本研究數據來源于INCOPAT 全球專利數據庫，根據“機器人”、“機械手”、“伺服”、“控制”等關鍵詞，采用標題關鍵詞（TI）的方式進行專利檢索。檢索時間為2021年1月22日，檢索結果經過同族合并后共有31657件專利，其中中國專利15070件，專利數量相對較多的國家還有日本、韓國、美國、德國，專利數量分別為7985件、2734件、2103件和918件。四國在該領域的發明專利數量與專利數量幾乎相同，這是由于各國專利制度不盡相同，有些國家只是承認發明專利，對實用新型和外觀設計不予承認。因此，為了合理評估中國與國外領先國家機器人伺服控制技術競爭力也需要考慮專利類型這一因素。由于中國在該領域專利公布于1989年，本研究的專利數據從1989年開始統計，統計各國在機器人伺服控制領域技術競爭力的各項數據。

2.2 研究方法

本研究借鑒國際技術競爭力的現有評價指標體系［7、10-11］，從數量、質量、價值三個維度對中國及國外領先國家在機器人伺服控制領域專利進行評估，考慮到部分領先國家只承認發明專利，為了評估結果的科學性、合理性，文章主要采用與發明專利相關的指標，數量指標主要包括發明專利數量、IPC分類號統計、研發人員，質量指標主要包括發明專利授權率、專利族、IPC小類規模，價值指標主要包括發明專利有效率、專利引用、專利價值度，用上述指標構建機器人伺服控制技術競爭力評價指標體系，并將指標結果等權重進行賦值計算，評估各國在機器人伺服控制領域技術競爭力排名，技術競爭力評價指標體系，如表1所示。

表1 技術競爭力評價指標體系Tab.1 Evaluation Index System of Technological Competitiveness

3 機器人伺服控制技術競爭力分析

3.1 數量類指標分析

3.1.1 技術規模

只有當具備新穎性、創造性和實用性的“三性”特征，發明和實用新型才能被授予專利權。與實用新型、外觀設計等其他專利類型相比，發明專利代表更高的創造性和技術水平。因此，分析發明專利公布量對于衡量國家、地區、行業和企業的技術水平有更積極的意義。發明專利在各個國家及地區的公布量可以反應工業機器人伺服控制領域的區域分布情況，將各個國家在該領域的發明專利數量及所占比例進行統計，如表2所示。可以直觀地看出各個國家及地區在工業機器人伺服控制領域的技術研發能力及競爭力水平。

表2 機器人伺服控制技術發明專利的國家分布Tab.2 National Distribution of Invention Patents of Robot Servo Control Technology

由表2可以發現中國、日本、韓國、美國及德國是機器人伺服控制領域的主要技術研發國，掌握了該領域80%以上的發明專利，如今中國在該技術領域的發明專利也遠超其他國家，中國已經逐漸成為機器人伺服控制發明專利申請的主要國家，發明專利數量在全球占據絕對的領先優勢。發明專利公布量隨時間的變化情況可以反應機器人伺服控制技術的發展現狀及所處階段，將各國機器人伺服控制技術發明專利年公布量繪制成折線圖，如圖1所示?？梢钥陀^地呈現機器人伺服控制技術發展情況。

圖1 機器人伺服控制技術發明專利公布趨勢Fig.1 The Trend of Robot Servo Control Technology Patent Publication

日、美、韓等國在機器人伺服控制領域的技術研發遠早于中國，在20世紀90年代就已經進入技術發展期，但是發明專利年增長速度相對較低。中國在機器人伺服控制技術領域的研發起步較晚，2010年以后發明專利數量快速增長，年增長率達33.61%。

3.1.2 技術集中度及研發效率

國際專利分類號（International Patent Classification，IPC）包含了專利所涉及的技術領域信息，使得機器人伺服控制領域的專利信息能夠基本反應該領域最先進的技術信息全貌，而各國在該領域的發明人數量則能在很大程度上表征其技術研發力量。將各國機器人伺服控制領域排名前十的IPC主分類號專利數量及發明數量進行統計，如表3所示?？梢灾庇^地了解各國技術研發方向、技術集中程度及技術研發效率。

表3 各國機器人伺服控制技術集中度及研發效率Tab.3 Robot Servo Control Technology Concentration and R &D Efficiency in Different Countries

由表3可以發現，中國在機器人伺服控制領域的技術集中度高于美國和德國，但是與日、韓兩國差距甚大，反應了中國在機器人伺服控制領域技術的關聯性不強，技術研發并未聚焦。而中國在機器人伺服領域的技術研發效率遠超日本等領先國家，一方面得益于中國的人口紅利，另一方面也說明了中國在機器人伺服控制領域的研究相對其他國家較為分散。為了印證這一現象，這里進一步將全球機器人伺服控制技術領域發明專利數量排名前10的研發機構及其發明專利數量進行統計，如表4所示。可以更為直觀地了解當前各國在機器人伺服控制領域中最活躍的研發機構。

表4 全球機器人伺服控制技術主要研發機構Tab.4 Main R &D Institutions of Global Robot Servo Control Technology

由表4可以發現，全球機器人伺服控制技術發明專利公開量排名前十的研發機構中有6個來自日本，日本機器人企業在該領域相較于其他國家的研發機構有著顯著的技術競爭優勢。韓國三星集團、瑞士ABB集團、韓國樂金集團、德國庫卡公司等機器人巨頭企業也都掌握著機器人領域的大量核心發明專利，并在機器人的相關細分領域形成了一定的技術壟斷。中國在機器人伺服控制領域的發明專利數量位居全球第一，但是在該領域并沒有形成具備明顯技術競爭優勢的研發機構。

3.2 質量類指標分析

本研究運用發明專利的技術活動規模、專利授權率和技術覆蓋范圍三個專利質量指標進一步分析各國在機器人伺服控制領域的技術競爭態勢。技術活動規模是單個發明專利數量與同族專利數量的比值，專利族是指同一專利在不同國家及地區進行申請，研發機構會將機器人伺服控制領域的高質量專利在不同國家及地區進行布局以此獲取市場競爭優勢，因此各國在機器人伺服控制領域的同族專利數量能夠直觀地反應技術的活動規模；專利授權率是授權發明專利數量與發明專利數量的比值，發明專利只有符合制定的質量要求才能被授予專利權，因此發明專利授權率是專利質量的重要指標；技術覆蓋范圍是各國能夠表征技術信息的IPC小類數量與總的IPC小類數量的比值，機器人伺服控制領域的發明專利只有涉及該領域核心技術才能產生更大的價值，因此發明專利覆蓋的技術領域能夠在很大程度上說明專利的質量。將各國在機器人伺服控制領域發明專利的技術活動規模、專利授權率、技術覆蓋范圍繪制成雷達圖，如圖2所示。從專利質量的維度綜合分析各國的技術競爭態勢。

圖2 各國機器人伺服控制專利質量指標雷達圖Fig.2 Quality Index Radar Chart of Robot Servo Control Patents in Various Countries

由圖2可以發現中國在機器人伺服控制領域的技術覆蓋范圍領先美、日、韓等國，可以看出中國在機器人伺服控制領域技術范圍較廣，但從技術活動規模與專利授權率兩個角度則發現，中國與美、日、韓等存在一定的差距，說明中國在機器人伺服控制領域發明專利技術研發范圍雖廣但高質量發明專利相對較少，另一方面也反應了中國在該領域的技術關聯性不強，在關鍵技術領域的研發成果較少。為了印證這一結果，將全球機器人伺服控制領域近三年的發明專利中數量排名前10的IPC小類進行統計，如表5所示?？梢愿鼮橹庇^地了解全球機器人伺服控制領域當前技術研發情況。

表5 機器人伺服控制領域IPC小類分布Tab.5 Distribution of IPC Subclasses in Robot Servo Control Field

由表5可以發現，機器人伺服控制技術領域當前熱點技術主要集中在機器人實際應用領域（如焊接、清潔、運輸等技術）和運動控制技術（如控制系統、牽引裝置等）兩大類。為了進一步探究中國等國家在機器人伺服控制領域技術研發情況，將中國、日本、韓國、美國等10個主要技術競爭國的在機器人伺服控制領域發明專利中排名前10的IPC小類及其占比繪制成柱狀圖，如圖3所示。

圖3 各國機器人伺服控發明專利排名前十的IPC小類占比Fig.3 Proportion of IPC Subclasses in the Top Ten Robot Servo Control Invention Patents in Various Countries

由圖3可以發現，各國在機器人伺服控制領域技術占比有所區別，日本、德國等注重在機器人運動控制技術領域進行發明專利布局，中國在機器人伺服控制領域的技術布局更偏向機器人的實際應用領域，在關鍵技術領域的專利占比較少。

3.3 價值類指標分析

從發明專利價值維度，本研究選取專利有效率、技術影響力、技術價值度三個指標來評估各國在機器人伺服控制領域的技術競爭力。專利有效率是有效專利數量和授權專利數量的比值，有效專利能夠反映出專利權利人對專利權的實際擁有量及其擁有專利的技術價值，一項授權專利只有進行有效維持才能真正發揮專利的價值，因此專利有效率是反應專利價值的重要指標；技術影響力是發明專利被引用次數與專利申請量的比值，專利被后來專利引證次數在很大程度能夠反應專利的技術水平及行業領域中的技術地位，一項專利若是能夠被行業大量專利引用，則表明這項專利在該技術領域的技術貢獻大，代表了行業的核心或者關鍵技術，所以專利被引證情況是評價專利技術價值的主要指標之一；技術價值度是發明專利價值度和與專利申請量的比值，專利價值度由數據庫計算得出，在相同規則的基礎上能夠直觀地比較專利的價值，因此專利價值度是本研究發明專利價值評估的指標之一。將各國在機器人伺服控制領域發明專利的有效率、技術影響力、技術價值度進行統計，如表6所示。從專利價值的維度綜合分析各國的技術競爭態勢。

表6 各國機器人伺服控制專利價值指標Tab.6 Value Index of Robot Servo Control Patents in Different Countries

由表6可以發現，中國在機器人伺服控制領域發明專利有效率高于日、韓、美、德等國，中國在該領域的專利維持情況較好，但是中國在機器人伺服控制領域的技術影響力及技術價值度遠低于美國等領先國家。這一結果說明了中國在機器人伺服控制領域缺乏高價值專利，專利市場競爭力薄弱。

3.4 技術競爭力綜合評價

將機器人伺服控制領域發明專利各類指標數據進行等權重賦值計算，從專利數量、專利質量、專利價值三個維度綜合評估各國在機器人伺服控制領域的技術競爭力，評估結果，如表7所示。

表7 機器人伺服控制技術競爭力綜合評價Tab.7 Comprehensive Evaluation of Robot Servo Control Technology Competitiveness

綜上所述，5個國家在機器人伺服控制領域的技術競爭力排名由高到低依次為美國、德國、韓國、中國、日本，其中美國在該領域的技術競爭力明顯高于其他國家，中國與日本的排名較為接近。結合以上各類指標的具體分析可見：中國在機器人伺服控制領域的技術競爭優勢主要源自技術研發力量、研發成果數量及專利維持意識。但技術研發主題分散、缺少頂尖技術研發機構、技術研發成果缺乏市場競爭力等方面的不足十分明顯。為提升中國在機器人伺服控制領域的技術競爭力，可先從以上不足點入手。

4 中國機器人伺服控制技術競爭力提升路徑

4.1 技術聯合研發

由上文可知，中國在機器人伺服控制技術領域并沒有具備明顯技術競爭優勢的研發機構，中國想要進一步提升該領域的技術競爭力，需要培育更具競爭力的技術研發機構。為了探究解決方案，文章將中國機器人伺服控制領域發明專利公布量排名前20研發機構及其發明專利數量繪制成柱狀圖，如圖4所示。

圖4 中國機器人伺服控制技術研發機構排名Fig.4 Ranking of Robot Servo Control Technology R &D Institutions in China

由圖4可以發現，一方面中國在機器人伺服控制領域技術研發比較分散，沒有產生具備核心技術競爭力的中國機器人企業，另一方面是國外機器人企業注重在中國機器人市場的發明專利布局，并形成技術封鎖。中國要想提升在技術伺服控制技術領域的技術競爭力，必須打破國外機器人巨頭企業的技術壟斷，而技術的聯合研發則是主要途徑之一。中國高校在機器人伺服領域發明專利的申請中扮演著重要角色，擁有大量機器人伺服控制領域高質量發明專利，中國機器人企業可以嘗試借助高校的技術研發力量提升在機器人伺服控制領域的技術競爭實力。

4.2 聚焦關鍵技術領域

中國在機器人伺服控制技術領域的技術研發范圍相對分散且布局更偏向機器人下游應用領域，因此中國在該領域的技術專利競爭態勢薄弱。中國想要提升在機器人伺服控制技術領域的技術競爭力，需要聚焦機器人伺服控制核心技術領域研發力量，增強技術關聯性。因此，文章進一步從機器人伺服控制領域核心細分技術及其研發趨勢兩個維度來探究技術競爭力的提升路徑。

4.2.1 核心技術領域

核心專利是在某一領域具有開創性技術研發成果并以此為核心被后續專利引用及產業化聚集必不可少的專利，核心專利與該領域的其他專利存在著大量的引證關系，而行業的核心專利往往也代表著該領域核心技術。因此，如同專利之間的引證關系，機器人伺服控制領域的相關技術也存在復雜的社會網絡關系，其中處于網絡中心位置的技術往往是該領域的核心技術。通過對表征專利技術信息的IPC進行社會網絡分析，能夠明晰機器人伺服控制領域的技術關聯性及核心技術分布，幫助研發機構明確技術研發定位。本研究利用UCINET軟件計算機器人伺服控制技術網絡中IPC分類號的中心度，并將機器人伺服控制領域發明專利IPC中心度排名前10的IPC進行統計，如表8所示。

由表8可以發現，機器人伺服控制領域核心技術是機器人程序控制技術，包括全面工廠控制、程序控制機械手、讀出裝置控制、數字控制等技術，其中特殊機械手和機械手附屬裝置等機器人本體制備技術、焊接技術、傳送技術也是機器人伺服控制技術網絡中的核心技術。通過對機器人伺服控制領域核心技術的發明專利年申請量進行分析，能夠進一步探究機器人伺服控制核心技術領域的發展趨勢，有助于研發明確技術研發重點和專利布局方向，將機器人伺服控制領域核心技術的發明專利年申請量繪制成技術演進圖，如圖5所示。

圖5 機器人伺服控制領域核心技術發展趨勢Fig.5 Development Trend of Core Technology in Robot Servo Control Field

由圖5可以發現，機器人伺服控制領域核心技術在不同的技術發展階段，技術研發重點也有所不同。其中機器人伺服控制技術在20世紀90年代之前的技術研發重點是數字控制技術，90年代后隨著全球工業市場的興起，其技術研發重點逐漸向全面工廠控制、程序控制機械手等技術領域轉移，中國若想在機器人伺服控制領域爭得先機，需要加強對重點技術領域的研發投入。

4.2.2 細分技術發展階段

發明專利的年增長率是發明專利年公布量的變化情況，機器人伺服控制技術領域發明專利年增長率能夠在很大程度上表征該領域技術研發的變化趨勢。在發明專利年增長率的基礎上，進一步引進相對增長率的概念，機器人伺服控制技術領域各細分技術的相對增長率是細分技術的發明專利年增長率與機器人伺服控制技術領域發明專利年增長率的比值。發明專利公布量與相對增長率的組合分析能夠更形象地闡述機器人伺服控制技術領域各細分技術研發現狀，有助于研發機構尋找技術機會，將（2010～2020）年機器人伺服控制技術領域各細分技術的發明專利數量及相對增長率繪制成散點圖，如圖6所示。發明專利總量和相對增長率的平均值為坐標中軸。

圖6 機器人伺服控制技術領域專利數量-相對增長率散點圖Fig.6 Scatter Plot of Patent Number-Relative Growth Rate in the Field of Robot Servo Control Technology

由圖6可以發現，近十年來機器人伺服控制技術領域的全面工廠控制、機械手程序控制、特殊機械手制備等技術正處于高總量-高增長階段，是快速發展階段的主導技術，但企業技術進入機會較低；安全技術（安全裝置）、人機協作技術（工業機器人附屬裝備）等處于低總量-高增長階段，是機器人伺服控制領域未來主要的技術研發方向，研發需要把握技術研發時機；數字控制、讀出裝置控制、弧焊電極等技術正處于低總量-低增長階段，相關技術目前沒有更為創新的技術研發成果，并非該階段的技術研發重點；傳送技術正處于高總量-低增長階段，技術研發趨于成熟，并不適合研發機構現階段進入。

綜上所述，中國機器人伺服控制技術競爭力提升的路徑之一是促進國內研發機構進行機器人伺服控制領域核心技術的研發，且研發機構的技術研發尋找合適的技術進入機會，根據技術的發展趨勢來看，中國機器人研發機構目前在伺服控制領域的最佳技術研發方向為安全技術、人機協作技術等。

4.3 制定研發路線圖

聚焦機器人伺服控制核心技術領域，中國機器人研發機構還需選擇合適的技術研發路線，才能產生更多的高質量技術研發成果，中國機器人伺服控制技術競爭力才能提升。文章利用發明專利文本挖掘確定技術專利的技術手段及功效，制定機器人伺服控制領域技術-功效圖，如圖7所示。以此幫助研發機構尋找合適的技術研發方向。由圖7可以發現，機器人伺服技術領域主要研發方向有結構設計、控制器、控制算法、模型設計及驅動裝置等，主要技術效果有穩定性、提高效率、提高承載、實時控制、人機協作等；目前在控制器、感測裝置、結構設計等方向研究較多，驅動裝置、模型設計、控制算法等技術領域為技術空白區適合技術進入。根據技術-功效圖為中國機器人研發機構制定機器人伺服控制領域技術研發路線圖，如圖8所示。

圖7 機器人伺服控制發明專利技術-功效圖Fig.7 Robot Servo Control Invention Patent Technology-Efficacy Diagram

圖8 機器人研發機構伺服控制技術研發路線圖Fig.8 Research and Development Roadmap of Servo Control Technology for Robot R &D Institutions

由圖8所示，中國機器人研發機構在機器人伺服控制技術領域的研發路線要由機器人結構設計開始，其次則是模型設計、控制算法等核心技術的研發，驅動裝置、驅動信號、元件設計等空白技術需要根據研發機構的原有技術基礎進行選擇。機器人伺服控制領域的技術研發效果要以人機協作為第一追求，其次則是在機器人實時控制、精確控制、檢測異常、提高承載等方面不斷開拓。

5 結論

機器人伺服控制等核心技術競爭力的提升能夠打破國外領先的機器人企業對產業鏈中上游核心零部件的技術壟斷，增強中國機器人研發機構的市場競爭力，對中國機器人產業的發展有著重要意義。本研究基于專利視角從專利數量、專利質量、專利價值三個維度對中國機器人伺服控制技術競爭力進行分析，得出以下幾點結論：（1）中國在機器人伺服控制領域技術競爭力與美、德、韓等領先國家仍有很大差距。機器人伺服控制領域研發力量、研發成果數量及專利維持意識是中國當前在該領域的主要技術競爭優勢。（2）相比于領先國家，中國缺少機器人伺服控制領域頂尖技術研發機構、技術研發關聯性不強、研發成果市場競爭力薄弱。（3）目前中國在機器人伺服控制領域缺少有技術競爭力的本土龍頭企業，而高校擁有大量機器人伺服控制領域高質量發明專利。因此，從研發主體自身能力提升的角度看，現階段企業與高校開展聯合研發是提升機器人伺服控制技術競爭實力的有效路徑。（4）針對研發技術主題分散、成果市場競爭力不強的劣勢，結合現有的技術優勢領域和技術發展趨勢，聚焦于安全技術、人機協作技術等研發方向是提升中國機器人伺服控制技術競爭實力的關鍵路徑。（5）著眼于長期可持續的技術競爭力提升，研發機構應在原有技術基礎上選擇規劃研發技術路線圖，提升技術研發關聯性。機器人伺服控制領域的技術研發效果要以人機協作為第一追求，其次則是在機器人實時控制、精確控制、檢測異常、提高承載等方面不斷開拓。