盤點(diǎn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)全球?qū)＠季脂F(xiàn)狀

1920年捷克作家描寫了名叫“Robot”的幫人干苦力的機(jī)器，它是最早的工業(yè)機(jī)器人設(shè)想。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，1958年申請了專利，1959年在美國誕生第一臺工業(yè)機(jī)器人。五十多年來工業(yè)機(jī)器人經(jīng)歷了可編程示教再現(xiàn)型機(jī)器人、知覺判斷機(jī)器人、智能機(jī)器人三個階段，應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從工業(yè)生產(chǎn)的民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到軍事領(lǐng)域。

美、日、德等國在掌握機(jī)器人領(lǐng)域核心技術(shù)的同時，自20世紀(jì)60年代以來就致力于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的全球?qū)＠季?，以此鞏固了在全球市場范圍?nèi)的國際核心競爭力。本文旨在通過研究機(jī)器人領(lǐng)域的全球?qū)＠季脂F(xiàn)狀、在華專利申請現(xiàn)狀以及主要競爭對手現(xiàn)狀，從知識產(chǎn)權(quán)的角度揭示我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

一、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域全球?qū)＠暾埜艣r

截至到2014年底，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的全球?qū)＠暾埩恳殉^6萬件，去掉重復(fù)的同族專利[1]后為3.5萬余項(xiàng)。最早的專利申請出現(xiàn)在1958年，直到1985年后，專利申請數(shù)量才開始出現(xiàn)大幅度增長，主要原因是中國在1985年制定《專利法》后，工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域主要競爭對手十分注重中國市場，紛紛在中國進(jìn)行專利布局。目前，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正處于高速發(fā)展期。

圖1 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域全球?qū)＠暾堏厔輬D

從技術(shù)發(fā)展歷程來看，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)共經(jīng)歷三大階段：

第一階段（1958年-1969年）可編程示教再現(xiàn)型機(jī)器人：工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的第一件專利是美國人喬治德沃爾在1958年申請，名為可編程的操作裝置。約瑟夫英格伯格對此專利很感興趣，聯(lián)合德沃爾在1959年共同制造了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人稱為Robot（中文譯名機(jī)器人），即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，機(jī)器人再按照事先教給它們的程序進(jìn)行重復(fù)工作，主要用于工業(yè)生產(chǎn)的鑄造、鍛造、沖壓、焊接等生產(chǎn)領(lǐng)域，特稱為工業(yè)機(jī)器人。

第二階段（1970年-1984年）知覺判斷機(jī)器人：這階段的工業(yè)機(jī)器人是具有一定的感覺功能和自適應(yīng)能力的離線編程機(jī)器人，其特征是可以根據(jù)作業(yè)對象的狀況改變作業(yè)內(nèi)容，即所謂的“知覺判斷機(jī)器人”。期間工業(yè)機(jī)器人“四大家族”：庫卡、ABB、安川、FANUC公司分別在1974年、1976年、1978年和1979年開始了全球?qū)＠季帧?/p>

第三階段（1985年-至今）智能機(jī)器人：此階段機(jī)器人帶有多種傳感器，能夠?qū)⒍喾N傳感器得到的信息進(jìn)行融合，能夠有效的適應(yīng)變化的環(huán)境，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力和自治功能。2000年以后，美國、日本等國開始了智能軍用機(jī)器人研究，并在2002年由美國波士頓公司和日本公司共同申請了第一件“機(jī)械狗”（Boston Dynamics BigDog）智能軍用機(jī)器人專利，2004年在美國DRAPA/SPAWAR支持下申請了智能軍用機(jī)器人專利。

1、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠芾砹繃?地區(qū)分布

從工業(yè)機(jī)器人相關(guān)專利受理數(shù)量排名前六位國家/地區(qū)（專利受理機(jī)構(gòu)，基于同族專利國）的排名情況可以看出，相關(guān)專利受理數(shù)量最多的國家/地區(qū)依次是：中國、日本、韓國、美國、歐洲專利局、世界知識產(chǎn)權(quán)組織。這也體現(xiàn)了中、日、韓、美是工業(yè)機(jī)器人的主要市場。

圖 2工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?qū)＠芾砹繃?地區(qū)分布

2、工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)布局概況

下圖給出了工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的全球技術(shù)布局情況，專利大都分布在機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、控制、觸摸、安全和程序控制技術(shù)，以及工業(yè)機(jī)器人的航道控制、自動控制、傳輸、多鉸接爪臂技術(shù)。

圖 3工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)布局

3、中國專利申請情況分析

我國工業(yè)機(jī)器人起步于1972年，其發(fā)展過程大致可分為三個階段：1972年~1985年的萌芽期；1985年~2000年的技術(shù)研發(fā)期；2000年至今的產(chǎn)業(yè)化期。

圖 4工業(yè)機(jī)器人在中國的專利申請情況

目前我國已生產(chǎn)出部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出弧焊、點(diǎn)焊、碼垛、裝配、搬運(yùn)、注塑、沖壓、噴漆等工業(yè)機(jī)器人。一批國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人已服務(wù)于國內(nèi)部分企業(yè)的生產(chǎn)線上；一批機(jī)器人技術(shù)的研究人才也涌現(xiàn)出來。部分軍工企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)已掌握了工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人控制、驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)器人軟件的設(shè)計(jì)和編程技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)等技術(shù)，某些關(guān)鍵技術(shù)甚至已達(dá)到或接近世界先進(jìn)水平。但是，在華專利申請數(shù)據(jù)顯示，瑞士的ABB、日本的FANUC（發(fā)那科）、日本的YASKAWA（安川電機(jī)）、德國的KUKA（庫卡）已經(jīng)在我國申請了大量專利，中國申請人集中在蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院、昆山市工業(yè)技術(shù)研究院、湖南大學(xué)、清華大學(xué)等高校，我國擁有技術(shù)優(yōu)勢的科研院所和企業(yè)反而不太關(guān)注工業(yè)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的專利布局。

二、主要競爭對手概況

在民用領(lǐng)域，國際上占據(jù)了工業(yè)機(jī)器人絕大部分市場的“四大家族”：安川、FANUC、KUKA、ABB公司，自上世紀(jì)70年代中期開始了全球?qū)＠季?，并且逐年上升。同時，“中國增長”讓全球領(lǐng)先的工業(yè)機(jī)器人巨頭都把目光投向這塊土地，不約而同的是，總部在瑞士的ABB、日本的FANUC（發(fā)那科）、日本的YASKAWA（安川電機(jī)）、德國的KUKA（庫卡）都將其中國總部設(shè)在上海。目前，這四家企業(yè)在中國市場占有率總共達(dá)到八成以上，前三家在全球的機(jī)器人銷量都突破了20萬臺。

在軍用領(lǐng)域，由美國政府支持的軍用機(jī)器人開發(fā)商占據(jù)了全球軍用機(jī)器人市場的85％，歐洲占據(jù)15％，而中國僅為0.1%。軍用機(jī)器人領(lǐng)軍企業(yè)General Dynamics市場占有率為27%，諾格公司、洛克希德－馬丁公司緊隨其后。

1、日本安川電機(jī)（Yaskawa）

1915年合資公司安川電機(jī)制作所成立。安川電機(jī)自1977研制出第一臺全電動工業(yè)機(jī)器人以來，旗下?lián)碛蠱otoman美國、瑞典、德國以及Synetics Solutions美國公司等子公司，至今共生產(chǎn)13萬多臺機(jī)器人產(chǎn)品，而最近2年生產(chǎn)的機(jī)器人3萬多臺，超過了其他的機(jī)器人制造公司。2005年4月，該公司宣布將投資4億日元，建造一個新的機(jī)器人制造廠，該公司每月工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)能力將達(dá)到2000臺。安川公司在全球申請的機(jī)器人相關(guān)專利4505件，去掉重復(fù)的同族專利為1949項(xiàng)同族專利。

圖 5安川電機(jī)的專利申請情況

2、日本FANUC

日本發(fā)那科公司(FANUC)創(chuàng)建于1956年，是當(dāng)今世界上數(shù)控系統(tǒng)科研、設(shè)計(jì)、制造、銷售實(shí)力最強(qiáng)大的企業(yè)，研發(fā)人員占公司總?cè)藬?shù)的1/3/。1974年， FANUC工業(yè)機(jī)器人問世——基于伺服、數(shù)控基礎(chǔ)，1976年投放市場。FANUC公司在全球申請的機(jī)器人相關(guān)專利5507件，去掉重復(fù)的同族專利為1476項(xiàng)同族專利。

圖 6發(fā)那科公司的專利申請情況

3、德國KUKA

KUKA公司成立于1898年，總部設(shè)在德國奧格斯堡，是為汽車制造、航天、能源及工業(yè)領(lǐng)域提供柔性自動化系統(tǒng)設(shè)備的公司。2000年9月，庫卡自動化設(shè)備（上海）有限公司正式成立。2004年7月，庫卡柔性系統(tǒng)制造（上海）有限公司在上海青浦工業(yè)園成立。2008年12月，在上海交通大學(xué)成立“KUKA焊接機(jī)器人智能化與工程應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”。KUKA公司在全球申請的機(jī)器人相關(guān)專利2383件，去掉重復(fù)的同族專利為802項(xiàng)同族專利。

圖 7德國KUKA公司的專利申請情況

4、瑞士ABB

ABB是由兩個歷史100多年的國際性企業(yè)瑞典的阿西亞公司（ASEA）和瑞士的布朗勃法瑞公司（BBC Brown Boveri）在1988年合并而成，兩公司分別成立于1883年和1891年。ABB集團(tuán)的業(yè)務(wù)遍布全球100多個國家，擁有107,000名員工，ABB集團(tuán)超過一半的營業(yè)額來自歐洲市場，近四分之一來自亞洲、中東和非洲，五分之一來自南北美洲市場。ABB公司在全球申請的機(jī)器人相關(guān)專利3389件，去掉重復(fù)的同族專利為923項(xiàng)同族專利。

圖 8瑞士ABB公司的專利申請情況

5、美國波士頓動力公司（Boston Dynamics）

美國波士頓動力公司自1998年以來共申請專利8項(xiàng)，其中美國5項(xiàng)，日本1項(xiàng)，世界知識產(chǎn)權(quán)組織2項(xiàng)。其中一項(xiàng)發(fā)明專利US2004864715A是獲得美國政府DARPA/SPAWAR計(jì)劃支持，該專利權(quán)屬于國家。該公司的主要研發(fā)團(tuán)隊(duì)人員有13人，核心技術(shù)研發(fā)人員是Playter Robert、Raibert Marc、Buehler Martin 、Saunders Aaron ，尤其是Saunders Aaron參與了波士頓動力公司近年的每一項(xiàng)智能機(jī)器人項(xiàng)目研發(fā)，是高級智能四足仿生機(jī)器人BigDog的研發(fā)核心力量。

圖 9波士頓動力智能機(jī)器人研發(fā)現(xiàn)狀

波士頓機(jī)械狗（Boston Dynamics BigDog）是一種動力平衡四足機(jī)器人，由波士頓動力公司、福斯特-米勒公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，以及哈福大學(xué)康德菲爾德研究站共同研發(fā)。

BigDog

專利US2008287751A

圖 10波士頓動力公司智能機(jī)器人產(chǎn)品與專利對應(yīng)情況

2002年7月申請的專利JP2002215591A寵物機(jī)器人揭示了波士頓動力公司最初的智能四足仿生機(jī)器人BigDog的技術(shù)來源，該專利顯示相關(guān)技術(shù)是由日本SONY公司與波士頓動力聯(lián)合研發(fā)，并由雙方共有相關(guān)專利。該專利披露了采用螺旋式彈簧維持伺服電機(jī)與腿部末梢的線性關(guān)系，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法與相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

三、啟示與建議

1、國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人市場面臨知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險

安川、FANUC、KUKA、ABB公司四大公司在上世紀(jì)70年代開始了全球?qū)＠暾垼謩e于1995年、2003年、1985年、1996年開始在中國進(jìn)行專利布局，尤其是KUKA公司在中國專利申請量最大。四大公司所申請的部分專利的技術(shù)特征與國內(nèi)某些企業(yè)相關(guān)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品類似，建議后續(xù)針對具體的產(chǎn)品做詳細(xì)的專利侵權(quán)分析。國內(nèi)大部分工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)還有部分處于研發(fā)階段，一方面可以根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)的專利現(xiàn)狀進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)或者調(diào)整研發(fā)路線，避免后續(xù)知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險；另一方面可以針對具體的亟待的技術(shù)問題和難點(diǎn)在專利文獻(xiàn)中尋找技術(shù)解決方案。

2、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)以專利為突破口

從四大民用公司的專利申請趨勢來看，每一次技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的時間點(diǎn)都是專利申請量的峰值，尤其是日本企業(yè)。專利是產(chǎn)品進(jìn)入市場的保護(hù)傘，專利申請的時間和地域選擇與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向密切相關(guān)。例如，日本FANUC公司在2003年以前從未在華申請機(jī)器人相關(guān)專利，主要是防止泄漏相關(guān)技術(shù)，但是于2003年在中國廣州、深圳等地設(shè)立近十家分公司，同年就開始了在華地區(qū)的專利申請，專利申請量急劇上升，這樣不僅可以保護(hù)自身產(chǎn)品，還能遏制競爭對手的發(fā)展。

3、收購具有技術(shù)研發(fā)實(shí)力的公司是快速提升競爭力的方式

收并購國內(nèi)外具有自主知識產(chǎn)權(quán)、較強(qiáng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)以及領(lǐng)先的市場地位的相關(guān)企業(yè)也逐漸成為國內(nèi)企業(yè)快速提升規(guī)模、提升核心競爭力、快速完成國際化經(jīng)營布局的重要途徑，也是軍工企業(yè)實(shí)現(xiàn)軍民融合式發(fā)展、產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型升級和結(jié)構(gòu)調(diào)整的便捷之路。一方面可以直接獲得大量專利，另一方面是可以獲得具有研發(fā)實(shí)力的團(tuán)隊(duì)。例如，ABB公司從1987年開始的3年內(nèi)收購了全球60多家公司，但是機(jī)器人技術(shù)方面并未快速發(fā)展，但是自從1998年6月收購Alfa Laval自動化公司，1998年10月收購Elsag Bailey公司之后，機(jī)器人相關(guān)專利申請急速上升，自此開始保持了技術(shù)優(yōu)勢。

其中，KUKA是德國公司，相較于美國、日本來說更易于技術(shù)合作，并且KUKA進(jìn)入中國市場較早，可見其對中國市場的關(guān)注度高，一開始進(jìn)入中國是1986年贈送中國一汽工業(yè)機(jī)器人的友好方式。2008年KUKA與上海交大聯(lián)合成立實(shí)驗(yàn)室，是比較有機(jī)會進(jìn)行技術(shù)合作或者引進(jìn)相關(guān)人才的。此外，KUKA在中國的專利申請量較大，已經(jīng)具備了一定的技術(shù)優(yōu)勢，與其聯(lián)合可以避免更多的知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險。

4、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用應(yīng)關(guān)注“民轉(zhuǎn)軍”

2000年后，美國逐漸開始將工業(yè)機(jī)器人技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，并且在2011年發(fā)布了針對針對制造、健康護(hù)理/醫(yī)藥機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人三類機(jī)器人的國家機(jī)器人技術(shù)倡議（NRI），明確了美國機(jī)器人技術(shù)發(fā)展路線，但是在2013年發(fā)布的美國機(jī)器人技術(shù)發(fā)展路線圖中新增加了航天和國防領(lǐng)域機(jī)器人技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。同時，美國在花巨資研究軍用機(jī)器人時十分注重相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，例如美國波士頓動力公司的發(fā)明專利US2004864715A顯示，該專利已獲得美國政府DARPA/SPAWAR計(jì)劃支持，同時也規(guī)定其專利權(quán)屬于國家；另一方面，美國的軍用機(jī)器人研發(fā)采取多方合作，例如波士頓BigDog最初的技術(shù)就是來源于日本SONY公司與波士頓動力公司聯(lián)合研發(fā)，從其他媒體報道顯示，該型號還與福斯特-米勒公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、哈福大學(xué)康德菲爾德研究站進(jìn)行了聯(lián)合開發(fā)。

建議國內(nèi)企業(yè)在工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)論證中開展完整的專利分析評議，開展關(guān)鍵技術(shù)的專利分析能夠提高技術(shù)研發(fā)起點(diǎn)、優(yōu)化資源配置、加快研究進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破并進(jìn)行再創(chuàng)新，從而快速提升技術(shù)創(chuàng)新能力；同時，掌握國外對標(biāo)公司的專利布局、摸清型號發(fā)展與國外技術(shù)指標(biāo)的差距，滿足研發(fā)過程中對科技情報支撐信息的迫切需求。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)劣勢，分析國外高新技術(shù)熱點(diǎn)、空白點(diǎn)、發(fā)展動態(tài)和方向，為產(chǎn)業(yè)提出知識產(chǎn)權(quán)布局建議，為戰(zhàn)略研究、項(xiàng)目論證、項(xiàng)目立項(xiàng)提供決策支撐。