北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 原譽(yù)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(fā)生器組成的減速裝置，是機(jī)電伺服作動器、機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(diǎn)。諧波減速器最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，隨著其技術(shù)優(yōu)越性的日益凸顯，逐步被推廣應(yīng)用于加工中心、雷達(dá)設(shè)備、紡織機(jī)械、醫(yī)療器械、儀器儀表等領(lǐng)域，現(xiàn)在約有90%的諧波減速器應(yīng)用于機(jī)器人工業(yè)和精密定位系統(tǒng)領(lǐng)域?；谥C波減速器在各個(gè)領(lǐng)域的重要地位，尤其是其在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，開展諧波減速器技術(shù)的專利保護(hù)與分析具有較為重要的意義。

二、諧波減速器關(guān)鍵技術(shù)圖譜和專利檢索分析

（一）關(guān)鍵技術(shù)圖譜

研究人員研究了諧波減速器產(chǎn)品的組成，以及諧波減速器產(chǎn)品的工藝流程，識別出其組成構(gòu)件和研制過程中需要進(jìn)行研究的技術(shù)細(xì)節(jié)，對組成和技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行總結(jié)分析，得到如圖1所示的技術(shù)圖譜。諧波減速器技術(shù)包括總體結(jié)構(gòu)、柔輪、剛輪、凸輪、柔性軸承、交叉滾子軸承、齒形、波發(fā)生器、加工制造和試驗(yàn)方法等10個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 諧波減速器技術(shù)圖譜

（二）關(guān)鍵技術(shù)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(shù)的專利申請趨勢如圖2所示，可以看出該技術(shù)相關(guān)專利申請始于20世紀(jì)50年代，期間經(jīng)歷了萌芽期（1955—1976年）、發(fā)展期（1977—2010年）和快速發(fā)展期（2011年至今）。

在1976年以前，諧波減速器技術(shù)整體處于技術(shù)萌芽和發(fā)展的初級階段，專利申請量較少，年申請量均不超過15項(xiàng)，專利申請國主要包括美國和前蘇聯(lián)。1977—2010年，諧波減速器技術(shù)的專利申請數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢，各個(gè)國家對諧波減速器技術(shù)的產(chǎn)業(yè)布局也逐漸清晰。2011年至今，隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，諧波減速器的市場需求隨之增大，專利申請數(shù)量呈現(xiàn)出指數(shù)型高速增長的態(tài)勢，并在2015年達(dá)到了申請高峰。

2.專利申請區(qū)域分析

分析查閱相關(guān)技術(shù)產(chǎn)出國的資料可知，諧波減速器技術(shù)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(dá)到892項(xiàng)，占總申請量的28%。圖3為諧波減速器專利技術(shù)產(chǎn)出國分布示意圖。

圖4為1955年至今諧波減速器技術(shù)主要產(chǎn)出國家的專利申請數(shù)量對比圖。通過圖4和查閱相關(guān)資料可知，日本的諧波減速器技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)；美國是研究諧波減速器技術(shù)最早的國家，主要集中在軍事和航天等中高端領(lǐng)域；德國的專利申請最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代；我國在該項(xiàng)技術(shù)的專利申請方面起步較晚，但在該領(lǐng)域的專利申請量僅次于日本。

3.專利申請技術(shù)構(gòu)成分析

圖5為從諧波減速器專利申請技術(shù)構(gòu)成分析餅狀圖，可以看出，諧波減速器技術(shù)按基本構(gòu)成可分為：總體結(jié)構(gòu)、波發(fā)生器、加工制造、柔輪、試驗(yàn)方法、凸輪、齒形、剛輪、柔性軸承與交叉滾子軸承等10個(gè)部分。其中，總體結(jié)構(gòu)、波發(fā)生器、柔輪和加工制造是諧波減速器技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)，直接影響著諧波減速器的技術(shù)性能。其他幾項(xiàng)技術(shù)的專利申請量較少，未來仍然需要進(jìn)行持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)。

圖2 專利申請趨勢

圖3 專利技術(shù)產(chǎn)出國分布

圖4 主要技術(shù)產(chǎn)出國家申請數(shù)量對比圖

圖5 諧波減速器專利申請技術(shù)構(gòu)成分析

1955年至今，諧波減速器中各技術(shù)分支的專利申請數(shù)量如圖6所示，整體上看，諧波減速器大部分技術(shù)分支的專利申請數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢。其中，總體結(jié)構(gòu)方面的專利申請量最多，在1976年之前處于技術(shù)萌芽和發(fā)展的初級階段；1977—2010年，專利申請數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢，年專利申請量達(dá)到20項(xiàng)左右；2011年至今，在我國、日本等國家諧波減速器技術(shù)快速發(fā)展的驅(qū)動下，總體結(jié)構(gòu)方面的專利申請達(dá)到40～100項(xiàng)左右。專利申請量位于第二名的是波發(fā)生器技術(shù)，于1987年達(dá)到第一個(gè)專利申請高峰，共申請了11項(xiàng)，之后專利申請量有所下降，于2015年達(dá)到第二個(gè)申請高峰，申請量達(dá)34項(xiàng)。專利申請量位于第三名的是柔輪技術(shù)，于1988年達(dá)到第一個(gè)專利申請高峰，共申請了11項(xiàng)，之后專利申請量有所下降，直到2006年開始回升，于2015年達(dá)到第二個(gè)申請高峰，申請量共21項(xiàng)。專利申請量位于第四名的是加工制造技術(shù)，申請量不多但較穩(wěn)定，直到2013年開始有所增加，并于2014年達(dá)到第一個(gè)專利申請高峰，共申請了25項(xiàng)。由于近3年的專利公開數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不全，因此可以預(yù)見：波發(fā)生器、柔輪、加工制造技術(shù)領(lǐng)域仍將保持快速發(fā)展的趨勢。剛輪、凸輪、齒形、試驗(yàn)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(shù)量有所上升，但總量相比于總體結(jié)構(gòu)、波發(fā)生器、柔輪和加工制造技術(shù)要少得多。柔性軸承、交叉滾子軸承技術(shù)方面的專利申請數(shù)量更少，近幾年也只是略微增加，可見上述技術(shù)在諧波減速器技術(shù)中的關(guān)注度較低。

1955年至今，在諧波減速器技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶?位的主要申請國家在不同技術(shù)分支申請的專利數(shù)量如圖7所示。

4.專利申請人分析

（1）全球?qū)＠暾埲朔治觥?/p>

圖8為全球諧波減速器技術(shù)專利申請量排名前15位的機(jī)構(gòu)，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(jī)構(gòu)數(shù)量較多，但是日本申請機(jī)構(gòu)在專利申請數(shù)量上占據(jù)了主要地位。

圖6 各個(gè)技術(shù)分支的專利申請趨勢

圖7 主要申請國家技術(shù)在不同技術(shù)分支申請的專利數(shù)量

圖8 全球諧波減速器技術(shù)專利申請量排名

圖9為近5年來諧波減速器技術(shù)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(fā)現(xiàn)，在諧波減速器技術(shù)主要申請機(jī)構(gòu)排名中HD公司均穩(wěn)居第一，我國企業(yè)在諧波減速器技術(shù)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(shù)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(guān)專利申請主要來自于各個(gè)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(shù)量排名

圖10 我國主要申請人排名

三、技術(shù)發(fā)展和專利布局建議

（一）技術(shù)發(fā)展建議

在充分借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的諧波減速器技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究人員可以進(jìn)行技術(shù)規(guī)避，并且盡快形成產(chǎn)品特有性能和價(jià)格優(yōu)勢，具體可以加強(qiáng)以下4個(gè)方面的研究。

1.通過總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，延長諧波減速器的使用壽命

HD公司一直嘗試通過總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來延長諧波減速器的使用壽命，并在我國布局了相關(guān)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(shù)措施，延長了波動發(fā)生器的壽命。

2.通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)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(yōu)化、采用特種材料等途徑，在實(shí)現(xiàn)減小諧波減速器尺寸這一目標(biāo)的同時(shí)，使諧波減速器的剛度、精度及壽命等重要指標(biāo)得到提升。

3.加強(qiáng)驅(qū)動、傳動一體化的諧波減速器設(shè)計(jì)

日本新寶公司申請了電機(jī)和減速器一體化設(shè)計(jì)的專利，該技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)品能夠作為獨(dú)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(jī)的減速齒輪，可通過將電機(jī)配置在減速器的輸入端，起到有效放大力矩的作用。

4.加強(qiáng)諧波減速器核心部件的研發(fā)

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(shù)對諧波減速器的性能具有至關(guān)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(jié)構(gòu)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(shù)支撐作用。

（二）專利布局建議

北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所（以下簡稱研究所）作為從事航天伺服技術(shù)和產(chǎn)品研制的單位，近年來大力開展機(jī)電伺服系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)工作，在武器型號和運(yùn)載火箭上研制了大量的配套產(chǎn)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(gè)方面加強(qiáng)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(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，國內(nèi)外市場競爭日益激烈，相關(guān)單位根據(jù)其產(chǎn)品特點(diǎn)進(jìn)行了專利布局。所以，研究所要仔細(xì)對比分析自身和競爭對手在技術(shù)上的優(yōu)勢和劣勢，在優(yōu)勢的技術(shù)方向或技術(shù)點(diǎn)上強(qiáng)化研發(fā)和專利布局，采取防御為主、進(jìn)攻為輔、差異化的專利布局策略。

2.專利布局目標(biāo)

研究所的短期目標(biāo)是盡快在國內(nèi)申請相關(guān)專利，以躋身國內(nèi)專利申請量排名前十，從而彰顯研究所在諧波減速器領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，以助力后續(xù)的市場推廣工作。中長期的專利布局規(guī)劃是結(jié)合研究所的產(chǎn)品規(guī)劃、商業(yè)發(fā)展戰(zhàn)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(hù)性、對抗性或儲備性專利布局，圍繞諧波減速器產(chǎn)業(yè)上下游形成至少20項(xiàng)的全球?qū)＠M合，提升專利的整體價(jià)值。

3.圍繞技術(shù)發(fā)展方向的專利儲備

在諧波減速器涉及的關(guān)鍵技術(shù)中，齒形、剛輪、凸輪和試驗(yàn)方法技術(shù)方向的專利申請量較總體結(jié)構(gòu)、波發(fā)生器、柔輪和加工制造技術(shù)相對較少；柔性軸承和交叉滾子軸承技術(shù)的專利申請量非常低。由此可見，剛輪、凸輪、齒形、試驗(yàn)方法、柔性軸承和交叉滾子軸承是諧波減速器的技術(shù)空白點(diǎn)，后續(xù)研究所可在專利布局上側(cè)重于這些技術(shù)空白點(diǎn)。在總體結(jié)構(gòu)、波發(fā)生器、柔輪設(shè)計(jì)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(wěn)定性、實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化等方面進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行合理的專利布局。

4.圍繞市場開拓區(qū)域的專利布局

由于目前研究所生產(chǎn)的諧波減速器主要在國內(nèi)銷售，因此現(xiàn)階段的專利布局區(qū)域應(yīng)以國內(nèi)為主。當(dāng)諧波減速器技術(shù)取得技術(shù)性突破，并且產(chǎn)品性能和價(jià)格優(yōu)勢明顯時(shí)，研究所可以適當(dāng)開展全球?qū)＠季?，以領(lǐng)先于國內(nèi)其他公司。在具體途徑上建議通過PCT申請等途徑進(jìn)行全球?qū)＠季帧?/p>

5.圍繞產(chǎn)品保護(hù)的專利布局

在產(chǎn)品規(guī)劃上，研究所可以借鑒國內(nèi)外公司的產(chǎn)品系列，包括標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品與非標(biāo)定制產(chǎn)品，也可以開發(fā)諧波減速器與電機(jī)集成產(chǎn)品。圍繞研究所的產(chǎn)品規(guī)劃，從總體結(jié)構(gòu)、柔輪、剛輪、凸輪、柔性軸承、交叉滾子軸承、齒形、波發(fā)生器、加工制造和試驗(yàn)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(shí)力最強(qiáng)，在技術(shù)、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(jī)械科技有限公司等是國內(nèi)技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)，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(fā)展動向開展外圍、防御性專利布局，與此同時(shí)，對競爭對手采取技術(shù)專利化、專利標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展策略，進(jìn)行技術(shù)規(guī)避設(shè)計(jì)，以減少侵權(quán)糾紛。

7.通過專利收購、專利許可、技術(shù)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(yè)并購、合資、建立分廠等方式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)品、技術(shù)和市場的全球化發(fā)展策略，與此同時(shí)，可考慮與相關(guān)的競爭對手進(jìn)行技術(shù)交叉許可和技術(shù)合作。

四、結(jié)束語

開展諧波減速器技術(shù)專利分析工作，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對研究所技術(shù)和產(chǎn)品的保護(hù)，更好地了解競爭對手的研發(fā)狀態(tài)和專利布局現(xiàn)狀，更好地為新技術(shù)開發(fā)提供指引和借鑒，同時(shí)為該產(chǎn)品拓展國內(nèi)外市場提供重要支撐。