工業(yè)機(jī)器人作為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ),已經(jīng)成為衡量一個國家制造水平和科技水平的重要標(biāo)志。近年來,全球主要經(jīng)濟(jì)體如美國、日本、歐盟紛紛加快推進(jìn)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展和應(yīng)用步伐,以期在新一輪工業(yè)革命中占據(jù)制高點,保持或重獲制造業(yè)競爭優(yōu)勢。
專利是技術(shù)創(chuàng)新的載體,在當(dāng)今知識經(jīng)濟(jì)時代,亦是一種戰(zhàn)略性資源,在國際市場競爭中起著重要的作用。專利計量分析是采用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計學(xué)研究方法,對來自專利文獻(xiàn)中大量的、零散的專利信息進(jìn)行提取、整理、加工及組合,并且對其中有價值的情報信息進(jìn)行定性描述和定量分析,以揭示隱含在其中的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢。
2016年3月,由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心、工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)情報研究所聯(lián)合承擔(dān)的工業(yè)和信息化部知識產(chǎn)權(quán)推進(jìn)計劃項目—“工業(yè)機(jī)器人專利態(tài)勢分析與風(fēng)險應(yīng)對策略研究”順利通過驗收。該項目對工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)、重點應(yīng)用領(lǐng)域、主要競爭區(qū)域的技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀、技術(shù)布局開展了全面、深入的剖析,項目成果旨在為政府主管部門把握工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀提供科學(xué)依據(jù),為進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的前瞻性布局提供有效支撐,為制定我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃提供重要的決策依據(jù)。同時,也將為我國工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)和制造企業(yè)全面、客觀地了解工業(yè)機(jī)器人研發(fā)和競爭態(tài)勢、瞄準(zhǔn)市場定位、提升自主創(chuàng)新能力提供重要的參考依據(jù)。
本文對項目報告中的核心內(nèi)容進(jìn)行重點解讀。
全球概況
截至2015年11月,工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域全球?qū)@暾埩恳殉^8萬項。從全球?qū)@暾堏厔輥砜?,工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用經(jīng)歷了20世紀(jì)50~70年代的萌芽期、70~90年代的初步發(fā)展期,如今已處于蓬勃發(fā)展階段。工業(yè)機(jī)器人專利申請雖伴有階段性回落,但總體呈現(xiàn)逐步上揚(yáng)的態(tài)勢。
從專利申請(技術(shù)來源)、受理(技術(shù)流向)區(qū)域分布情況看,中國、日本、美國、韓國、德國既是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)主體,同時也是全球競爭最激烈的五大市場。以日本安川電機(jī)(YASKAWA)、日本發(fā)那科(FANUC)、瑞士ABB、德國庫卡(KUKA)為代表日企、歐企是工業(yè)機(jī)器人市場競爭的主角,我國申請人在工業(yè)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品制造等方面的專利申請量較少,在全球化競爭中處于劣勢。
關(guān)鍵技術(shù)(傳感控制)
傳感、控制系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)機(jī)器人的“感覺器官”和“大腦”,是機(jī)器人智能水平的關(guān)鍵所在。傳感控制技術(shù)作為工業(yè)機(jī)器人的核心關(guān)鍵技術(shù),其發(fā)展歷程伴隨著工業(yè)機(jī)器人的更新?lián)Q代:
上世紀(jì)50~70年代的機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)的工作方式。機(jī)器人具有記憶和存儲能力,只能按預(yù)編程序重復(fù)作業(yè),運(yùn)動控制指令由示教盒或操作者給定。此階段專利申請量較少:1954~1973年間專利申請量總計37項。
70年代后期~90年代,隨著視覺、力覺等傳感技術(shù)的融入,機(jī)器人對作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對象具有一定程度的感知能力,工業(yè)機(jī)器人的控制方式通常稱為伺服控制。該階段出現(xiàn)了專利申請量的第一個“馬鞍形”曲線。1983年,工業(yè)機(jī)器人傳感控制技術(shù)全球?qū)@暾埩窟_(dá)353項,為該階段歷史峰值。
90年代至今的機(jī)器人,被稱為智能機(jī)器人,不僅具有比第二代機(jī)器人更加完善的環(huán)境感知能力,而且還具有類似人的思維、判斷、決策的能力,高度的適應(yīng)性、自主性是第三代智能機(jī)器人的重要標(biāo)志。2000年以后,工業(yè)機(jī)器人傳感控制技術(shù)領(lǐng)域?qū)@暾堃恢背食掷m(xù)增長的態(tài)勢,2015年達(dá)歷史峰值2030項。可以預(yù)測,在未來幾十年,傳感控制技術(shù)專利申請量將繼續(xù)保持快速增長的趨勢。
截至檢索日,工業(yè)機(jī)器人傳感控制技術(shù)全球?qū)@偭繛?4485項。其中,日本是專利產(chǎn)出最多的國家,占比約38%,中國、美國次之。世界專利申請(WIPO)和歐洲專利申請(EPO)也占一定比例,這在一定程度上反映出發(fā)達(dá)國家在工業(yè)機(jī)器人核心關(guān)鍵技術(shù)上的全球化布局程度較高。
工業(yè)機(jī)器人傳感控制技術(shù)的研發(fā)重點包括:
1)綜合類:傳感、測量、控制方法(sensor、detect、controlmethod)、及計算機(jī)編程(computerprogram)、人機(jī)交互(userinterface)
工業(yè)機(jī)器人的重點應(yīng)用領(lǐng)域,具體包括:
1)綜合類:自動化生產(chǎn)線(automaticproductionline)
近5年,以自動化生產(chǎn)線為主題的專利聚類愈加密集,反映出工業(yè)機(jī)器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動化裝備的主流。
梳理傳感控制技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)如下:
控制技術(shù)的演進(jìn)歷程:在機(jī)械結(jié)構(gòu)層面,上世紀(jì)90年代前經(jīng)歷了單機(jī)械臂、腕關(guān)節(jié)、多臂控制等階段。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步,研發(fā)熱點逐步向移動機(jī)器人、多機(jī)器人系統(tǒng)控制過渡。傳感技術(shù)的演進(jìn)歷程:早期專利主要圍繞視覺、力覺等基本感知能力;隨著工業(yè)自動化程度的不斷提升,涌現(xiàn)出各種類型、各種用途的高端傳感器。近年來,傳感控制技術(shù)研發(fā)較多地集中在通信、協(xié)同作業(yè)等方向。
總體來看,日本、美國、德國在傳感控制技術(shù)領(lǐng)域部署了相當(dāng)數(shù)量的核心專利,對關(guān)鍵技術(shù)的掌握占據(jù)絕對優(yōu)勢,為競爭對手留下的發(fā)展空間有限。
重點產(chǎn)品(焊接、裝配)
截至檢索日,全球范圍內(nèi)焊接機(jī)器人專利申請共計15991項,裝配機(jī)器人專利申請共計32584項。從專利申請的地域分布情況看,日本是焊接機(jī)器人專利產(chǎn)出最多的國家,中國是裝配機(jī)器人專利產(chǎn)出最多的國家。
日本在機(jī)械手、焊接、控制等技術(shù)方向的專利申請具有明顯優(yōu)勢;中國的專利申請多集中于金屬加工領(lǐng)域;美國、德國在工業(yè)機(jī)器人多個技術(shù)分支上都有一定數(shù)量的專利申請,技術(shù)布局更加全面、均衡。相比其他國家,美國、德國的工業(yè)機(jī)器人(包括焊接、裝配等)技術(shù)更先進(jìn),功能更全面,性能更可靠,精確度、適應(yīng)性也很強(qiáng)。
根據(jù)特定技術(shù)類別專利申請量占比,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新的熱點。焊接機(jī)器人領(lǐng)域,焊接相關(guān)技術(shù)的研發(fā)熱點包括:
1)焊接工藝
焊接工藝相關(guān)專利申請量最多的技術(shù)方向包括:弧焊(電弧焊接,占比38.48%)、點焊(電阻點焊,占比17.17%)、能量束焊接,如激光束焊接(占比12.72%)、火焰焊接(占比2.08%)、等離子焊接(占比1.55%)。釬焊技術(shù)專利申請量次于熔焊,占比為4.88%;壓焊技術(shù)專利量最少,占比僅1.55%。
弧焊是目前機(jī)器人自動化焊接中最受關(guān)注的方向。主要有以下優(yōu)點:①機(jī)械手受控運(yùn)動方式是連續(xù)軌跡控制型,因此運(yùn)動軌跡的重復(fù)精度、焊槍的姿態(tài)、焊接參數(shù)都有更精確的控制;②弧焊機(jī)器人具有可靠的引弧和收弧功能,能夠?qū)崟r檢測出焊縫偏差,并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù),保證焊接質(zhì)量的可靠性?;『高^程中的焊縫跟蹤技術(shù)專利申請量最多,經(jīng)過多年的探索和研究,加之智能傳感器(電弧傳感器和光學(xué)傳感器)的引入,以及近代專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步,焊縫跟蹤進(jìn)入了智能控制的新時代。
2)焊接附屬設(shè)備
除了焊接機(jī)器人本體外,許多外圍輔助設(shè)備如控制柜、焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)、變位機(jī)、夾具等是焊接過程高效率、高質(zhì)量實施的重要保障。尤其是焊接電源,能直接影響焊接機(jī)器人的使用性能。近年來,一些特殊功能的焊接電源,如適合鋁及其鋁合金TIG焊的方波交流電源、帶有專家系統(tǒng)的焊接電源等逐漸受到關(guān)注。
裝配機(jī)器人領(lǐng)域?qū)@夹g(shù)集中于機(jī)械手,研發(fā)熱點包括:
1)程序控制機(jī)械手
程序控制機(jī)械手相關(guān)技術(shù)的專利申請約占裝配機(jī)器人機(jī)械手相關(guān)專利申請量的一半(占比46.94%)。其中,以元件定位裝置為特征的(1313項)、以部件結(jié)構(gòu)為特征的(656項)機(jī)械手專利申請量較多。此外,還包括以機(jī)械臂的坐標(biāo)特性來描述的機(jī)械手,如直角坐標(biāo)型(426項)、柱面坐標(biāo)或極坐標(biāo)型(228項)、多鉸接爪臂或多關(guān)節(jié)型(667項)。
機(jī)械手的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、電動式等。液壓驅(qū)動精度比較差,而且存在漏油風(fēng)險,多數(shù)工作環(huán)境不適用;氣動手爪相對來說比較簡單,價格便宜,因而在一些要求不太高的場合用的比較多;電動手爪造價比較高,主要用在一些特殊場合。從專利申請量來看,電動機(jī)械手比較受歡迎。
2)機(jī)械手的控制裝置
裝配機(jī)器人機(jī)械手相關(guān)專利申請中,機(jī)械手的控制裝置專利申請量占比為23.75%,僅次于程序控制機(jī)械手。具體包括讀出裝置(觀察或觸摸裝置)1677項、手柄控制裝置94項、控制臺(如儀表板、開關(guān)板)79項、腳操縱的控制裝置7項等。目前,全球各國家/地區(qū)正在加大裝配領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)力度,其中控制技術(shù)主要向智能化、多智能體協(xié)調(diào)控制方向發(fā)展。具體包括:開放式、模塊化控制系統(tǒng);多智能體(multi-agent)協(xié)調(diào)控制技術(shù)。
3)機(jī)械手周邊設(shè)備
機(jī)器手進(jìn)行裝配作業(yè)時,附件或周邊設(shè)備如零件供給裝置和工件搬運(yùn)裝置也至為重要。通常包括零件供給器、臺架、輸送裝置、安全欄等設(shè)備。截至檢索日,裝配機(jī)器人夾頭、接頭、爪臂、附件及安全裝置等技術(shù)分支的申請量總計5830項,占比高達(dá)45.5%。
在專利申請人層面,焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人領(lǐng)域的專利申請以汽車、電子行業(yè)頗具實力的全球化企業(yè)為主導(dǎo),近70%來自日本。
中國專利
截至檢索日,工業(yè)機(jī)器人中國專利申請總量達(dá)30060項。除本國申請外,日本、美國、德國、韓國都把中國視為最重要的工業(yè)機(jī)器人市場,并開展相關(guān)技術(shù)布局。
工業(yè)機(jī)器人專利申請集中在機(jī)械手、焊接、搬運(yùn)/貯存、電技術(shù)、控制技術(shù)、傳感/測量、數(shù)據(jù)處理七大技術(shù)領(lǐng)域。七個技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)@暾埩窟_(dá)77664項,占全球總量的88%。中國在這七大技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量為22933項,占全球總量的30%。
全球范圍內(nèi)機(jī)械手、電技術(shù)、控制技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量都超過了1萬項,分別為31507項、10367項、10156項,國外在這三個領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新方面積累了較為豐富的經(jīng)驗,發(fā)展相對成熟。我國在機(jī)械手、電技術(shù)、控制技術(shù)三大領(lǐng)域的專利申請量分別為10283項、1968項、2567項,發(fā)明點多集中在對機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣結(jié)構(gòu)的某些小的改進(jìn)上。
在七個主要技術(shù)領(lǐng)域上,中國專利申請量占比最多的是搬運(yùn)/貯存(B65G,42%);申請量占比偏少的是數(shù)據(jù)處理(15.2%)與電技術(shù)(19%)。
工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域在華專利申請中,國內(nèi)高校和科研院所的專利申請量占比達(dá)一半以上,國外申請人多以企業(yè)為主。排名前20位的主要申請人中,日企具有明顯優(yōu)勢。總部位于臺灣的鴻海集團(tuán)專利申請量較多,沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司作為國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)頭羊企業(yè),亦具有一定的競爭實力。專利申請人的分布情況在一定程度上說明我國的大部分技術(shù)掌握在高校和科研院所手中。我國亟需進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的模式來促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化,真正發(fā)揮創(chuàng)新價值。
主要國家對比
工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)@暾埣性谥袊?、日本、美國、德國、韓國全球五大市場。近五年來,中國專利申請呈爆發(fā)式增長趨勢;素有“機(jī)器人王國”美稱的日本從上世紀(jì)90年代開始至今,專利申請的熱度一直在持續(xù)。從全球?qū)@陌l(fā)源、流向看,日本和美國之間的技術(shù)流通最為活躍:美國向日本的技術(shù)輸出比例為15.14%,日本向美國的技術(shù)輸出比例為18.31%。中國向其他國家的技術(shù)輸出比例都偏低:中國向美國為1.45%,中國向日本為0.43%、中國向韓國為0.20%。美國、日本、韓國向中國的技術(shù)輸入比例依次遞減:美國向中國為9.45%、日本向中國為7.75%、韓國向中國為3.97%。
結(jié)論及建議
1)全球?qū)@艣r:工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)@暾埵加谏鲜兰o(jì)60年代,進(jìn)入2000年以后,隨著研究、應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大,全球?qū)@暾堈幱谛乱惠喛焖偕仙?。全球?qū)@奂谥袊?、日本、美國、韓國、德國五大市場,日本的專利申請人表現(xiàn)最為突出。
2)關(guān)鍵技術(shù):工業(yè)機(jī)器人傳感控制技術(shù)的發(fā)展伴隨著機(jī)器人的更新?lián)Q代,先后經(jīng)歷了示教再現(xiàn)、伺服控制、智能控制階段。日本是該領(lǐng)域?qū)@a(chǎn)出最多的國家,專利技術(shù)多集中于傳感控制硬件(設(shè)備)、軟件(方法),近年來研發(fā)熱點包括移動機(jī)器人、多機(jī)器人系統(tǒng)控制等。
3)重點產(chǎn)品:焊接、裝配領(lǐng)域機(jī)器人應(yīng)用最廣泛。日本、中國分別是焊接機(jī)器人和裝配機(jī)器人專利申請最多的國家。焊接技術(shù)的研發(fā)熱點包括焊接工藝、焊接附屬設(shè)備;裝配技術(shù)的研發(fā)熱點為機(jī)械手控制、機(jī)械手周邊設(shè)備。
4)中國專利:“中國增長”讓全球工業(yè)機(jī)器人巨頭把目光投向了中國。中國專利的申請重點與全球保持一致,但在電技術(shù)(包括高性能電機(jī)、傳感器)領(lǐng)域申請量占比偏少。此外,中國專利申請人以高校和科研院所為主,企業(yè)競爭力尚待提升。
歐美、日本等發(fā)達(dá)國家在其工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展、崛起的過程中,有很多寶貴的經(jīng)驗值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。首先,政府扶持助力整體產(chǎn)業(yè)發(fā)展;其次,科學(xué)的技術(shù)布局是保持核心競爭優(yōu)勢的重要手段。近年來,我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)處于市場和政策雙重利好的時期,國家在政策層面上對于機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的扶持力度不斷加碼。在帶領(lǐng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的過程中,我國工業(yè)機(jī)器人企業(yè)在加大技術(shù)創(chuàng)新力度的同時,更應(yīng)該重視機(jī)器人研發(fā)、制造與應(yīng)用之間的有效銜接,同時利用好專利、標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)創(chuàng)新的“保護(hù)傘”,在激烈的市場競爭者維護(hù)自身權(quán)益,不斷積累競爭優(yōu)勢。
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