丁芳，趙慧敏， 陳慧君，張海南，李小明，金紅偉，宗楊，聶迎利，王麗，李永清

(1.中國奶業(yè)協(xié)會，北京 100193；2.中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100098；3.武漢農(nóng)科院，武漢 430072；4.融通農(nóng)業(yè)發(fā)展（成都）有限責任公司，成都 610000；5.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，北京 100031；6.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機械化總站，北京 100021；7.利拉伐（天津）有限公司，北京 100176；8.內(nèi)蒙古包頭市九原區(qū)畜牧水產(chǎn)服務中心，包頭 014060)

《國務院關(guān)于加快推進農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)機裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導意見》（國發(fā)〔2018〕42號）明確,“促進物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能控制、衛(wèi)星定位等信息技術(shù)在農(nóng)機裝備和農(nóng)機作業(yè)上的應用”，為促進奶業(yè)機械向信息化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級提供了政策支持?！掇r(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于加快畜牧業(yè)機械化發(fā)展的意見》（農(nóng)機發(fā)〔2019〕6號）明確“推進智能畜牧機械裝備與智慧牧場建設(shè)融合發(fā)展”?！秶鴦赵恨k公廳關(guān)于促進畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》（國辦發(fā)〔2020〕31號）要求“提升畜牧業(yè)信息化水平”。

2021年中央一號文件提出要提高農(nóng)機裝備自主研制能力，支持高端智能農(nóng)機裝備研發(fā)制造，強化農(nóng)業(yè)科技與物質(zhì)裝備支撐，加快推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)速度，畜牧養(yǎng)殖機械產(chǎn)業(yè)迎來重要機遇期。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2021年1號文件再次強調(diào)要提升物質(zhì)技術(shù)裝備水平，強化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)支撐，大力推進農(nóng)業(yè)機械化以及加快發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)等諸多農(nóng)機農(nóng)技推廣新舉措。對于奶業(yè)，還特別提出要持續(xù)推進奶業(yè)振興，加快奶牛養(yǎng)殖裝備改造升級。

雖然目前我國規(guī)?；翀鰯D奶機械化程度已達到100%，但是國內(nèi)使用的擠奶機關(guān)鍵部件仍是以進口為主，還有一小部分的擠奶機為整機進口產(chǎn)品。擠奶設(shè)備的科技前沿陣地——擠奶機器人，是在家畜養(yǎng)殖機器人研究領(lǐng)域投入最大、挑戰(zhàn)性最高、產(chǎn)品最多且研發(fā)時間較長的機器人，國內(nèi)對全自動智能擠奶機器人的研究與國外相比尚有較大差距。

面對國內(nèi)設(shè)備與國外設(shè)備的差距，為促進民族擠奶裝備技術(shù)的進步與發(fā)展，筆者所在研究團隊主要針對擠奶設(shè)備的前沿技術(shù)——“全自動擠奶機器人進行全球范圍內(nèi)的創(chuàng)新專利技術(shù)檢索，進行專利導航分析，助推民族擠奶裝備技術(shù)提升，以期可以幫助國內(nèi)擠奶設(shè)備研發(fā)機構(gòu)更好地了解本領(lǐng)域?qū)＠l(fā)展態(tài)勢，客觀評價國內(nèi)外擠奶機器人的發(fā)展差距，更加明晰擠奶設(shè)備未來研發(fā)方向。

1 檢索對象

本研究目標研究對象為全自動擠奶機器人在國內(nèi)外發(fā)表的專利文獻。重點分析全自動擠奶機器人領(lǐng)域國內(nèi)外技術(shù)申請時間概況。通過對國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展階段進行分析評價，以便更好地掌握國內(nèi)研究優(yōu)勢方向和不足，為深入進行戰(zhàn)略規(guī)劃等提供參考。

本報告檢索到的國內(nèi)外專利數(shù)據(jù)來自Derwent Innovations Index德溫特專利數(shù)據(jù)庫專利檢索平臺。檢索日期為2020年11月24日；檢索范圍為全部年份。經(jīng)過檢索、標引、清洗等篩選出全自動擠奶機器人領(lǐng)域的專利。

2 全球全自動擠奶機器人領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)發(fā)展階段分析

截至2020年11月24日，全球全自動擠奶機器人領(lǐng)域?qū)＠偭繛? 143項、11 555件專利，最早優(yōu)先權(quán)國為中國的專利總量為278項、333件。圖1a和圖1b為全自動擠奶機器人領(lǐng)域全球?qū)＠椭袊鴮＠暾垟?shù)量（以“項”為單位）隨年代的變化情況，其中年份按整個專利家族的最早優(yōu)先權(quán)年進行統(tǒng)計?？紤]到專利從申請到公開的時滯（最長達30個月，其中包括12個月優(yōu)先權(quán)期限和18個月公開期限），2018-2020年之間的專利數(shù)量與實際不一致，并未檢索到2020年公開的全部專利數(shù)據(jù)，因此不能完全代表這三年的申請趨勢。

圖1a 全自動擠奶機器人領(lǐng)域全球?qū)＠暾埬甏厔荩?893-2020）

圖1b 全自動擠奶機器人領(lǐng)域全球?qū)＠暾埬甏厔荩?980-2020）

全球全自動擠奶機器人領(lǐng)域相關(guān)專利申請數(shù)量從1970年開始進入快速上升階段。至1989年后處于穩(wěn)定發(fā)展階段，年均產(chǎn)出專利100件左右，在1999-2001年有個短暫的暴發(fā)期，此后處于平穩(wěn)狀態(tài)，年專利申請件數(shù)在80件左右。

最早優(yōu)先權(quán)國為中國的專利申請要晚于全球的專利申請。中國在1989年開始有第一個與全自動擠奶機器人技術(shù)相關(guān)的專利申請（CN2064046U，牛奶自動計量儀，專利權(quán)人為國營長安奶牛場），自此進入萌芽期，在2011年開始進入快速發(fā)展期，此后年專利申請量在10件以上。2007年，為貫徹落實《國務院關(guān)于促進奶業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》（國發(fā)【2007】31號）有關(guān)將擠奶機械納入財政農(nóng)機具購置補貼范圍的要求，從2009年開始中央財政在農(nóng)機購置補貼中重點支持擠奶機械購置補貼，對生鮮乳收購站進行改造，更新擠奶機、貯奶罐、冷藏罐，提升生鮮乳收購站擠奶設(shè)備的現(xiàn)代化裝備水平。按中央財政補貼比例在30%以內(nèi)，購機者負擔70%以上，單個機械補貼不超過12萬元的補貼標準，2009-2010年中央財政公告補貼3.46億元，補貼擠奶機1.04萬臺（套），極大促進了國產(chǎn)擠奶設(shè)備企業(yè)的研發(fā)積極性，全自動擠奶設(shè)備的研發(fā)也逐漸提上國產(chǎn)擠奶設(shè)備企業(yè)的研發(fā)日程[1]。

專利技術(shù)生命周期是指在專利技術(shù)發(fā)展的不同階段中，專利申請量與專利申請人數(shù)量的一般性的周期性規(guī)律。一個比較完整的技術(shù)生命周期示意圖是利用某段時間內(nèi)與某項技術(shù)相關(guān)的專利申請數(shù)量和相應的專利申請人數(shù)量的變化情況繪制而成的，以年度申請人量為橫坐標、年度申請數(shù)量為縱坐標繪制出曲線，對技術(shù)發(fā)展的各個階段進行分析，預測技術(shù)的發(fā)展速度及前景。專利技術(shù)生命周期常用五段論，即萌芽期、發(fā)展期、成熟期、衰退期、復蘇期。根據(jù)檢索結(jié)果，本研究分析并繪制了全自動擠奶機器人領(lǐng)域的全球?qū)＠夹g(shù)生命周期圖（圖2）。

圖2顯示，全自動擠奶機器人領(lǐng)域全球?qū)＠夹g(shù)生命周期分為以下幾個階段。

圖2 全自動擠奶機器人領(lǐng)域全球?qū)＠夹g(shù)生命周期

2.1 技術(shù)萌芽期（1893-1970年）

全球全自動擠奶機器人領(lǐng)域相關(guān)專利早在19世紀末20世紀初就開始出現(xiàn)，最早的專利是在1893年申請（英國，GBT189317231A，與擠奶機配套使用的自動將奶嘴杯從奶牛身上取下的裝置，WITHELL REUBEN公司）。此后一直發(fā)展非常緩慢，即使在申請量最多的年份，也不超過40件。由于全自動擠奶機器人涉及多學科的交叉，又需要基礎(chǔ)理論、軟硬件的結(jié)合，對技術(shù)要求高，因此才有了較長時間的技術(shù)積累。

在技術(shù)萌芽階段，專利數(shù)量較少，這些專利大多數(shù)是原理性的基礎(chǔ)專利，由于技術(shù)市場還不明確，只有少數(shù)幾個企業(yè)參與技術(shù)研究與市場開發(fā)，表現(xiàn)為重大的基本專利的出現(xiàn)。此時，專利數(shù)量和申請專利的企業(yè)數(shù)都較少（集中度較高）。

該階段專利技術(shù)的申請主要集中在真空室、排奶連接管、擠奶箱（進護欄、杠桿）、奶杯奶管結(jié)構(gòu)等技術(shù)。

2.2 技術(shù)發(fā)展期（1971-1988年）

由圖1a和圖1b可以看出，專利申請數(shù)量從1970年開始進入快速上升階段。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，市場擴大，介入的企業(yè)增多，技術(shù)分布的范圍擴大，表現(xiàn)為大量的相關(guān)專利申請和專利申請人的激增。

該階段專利技術(shù)的申請主要集中在真空室及其零部件、擠奶箱（進護欄、杠桿）、奶流控制、奶杯奶管結(jié)構(gòu)及機器控制、泌乳刺激控制等方面。

主要專利權(quán)人中DELAVAL（利拉伐）已經(jīng)開始在真空室及其零部件、擠奶箱（進護欄、杠桿）、奶流控制、奶杯奶管結(jié)構(gòu)及機器控制方向進行了專利申請。LELY（萊利）則主要集中在自動化控制（機械臂控制、腿感應）技術(shù)方向。這一時期，DELAVAL于1975年開始擠奶自動化的相關(guān)研究，1980年正式開始擠奶機器人的設(shè)計和研發(fā)，1982年申請了首個自動擠奶專利。

2.3 技術(shù)成熟期（1989-1994年）

由圖1、圖2可知，在1989年后處于穩(wěn)定發(fā)展階段，年均產(chǎn)出專利100件左右。當技術(shù)處于成熟期時，由于市場有限，進入的企業(yè)開始趨緩，專利增長的速度變慢。由于技術(shù)的成熟，只有少數(shù)的企業(yè)繼續(xù)從事相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究。

該階段專利技術(shù)在真空室、擠奶箱、奶杯結(jié)構(gòu)等技術(shù)上申請量明顯較上一階段有所減少，在自動化控制（信號和傳感器的自動化控制、機械臂自動化控制、腿感應檢測）、奶流量自動控制、牛奶流制冷存儲方向開始申請專利。

主要專利權(quán)人中DELAVAL的專利申請集中在真空室及其零部件方向，其他方向如牛奶流控制和制冷、奶管流動清洗、自動化控制（信號自動控制、圖像識別）也有少量涉及。LELY的專利依然集中在自動化控制（機械臂控制、腿感應）技術(shù)方向。

2.4 第二技術(shù)發(fā)展期（1995-2000年）

該技術(shù)階段又出現(xiàn)了一次相關(guān)專利申請和專利申請人的快速增長。該階段專利技術(shù)的申請主要集中在自動化控制（機械臂的自動化控制、圖像識別、奶牛ID識別，自動檢測牛乳頭）、擠奶箱（進護欄、擠奶線連接）、擠奶充氣裝置（奶襯、奶杯殼及其組裝）方向。

主要專利權(quán)人中DELAVAL的專利申請方向偏向進護欄、奶流控制，在自動化控制（機械臂自動化控制、圖像識別）方向也開始申請了很多專利。LELY在自動化控制方向進行了更多的專利申請，方向從機械臂的自動化控制拓展到信號和傳感器的自動化控制，此外在奶管流動清洗中也申請了少量專利。

GEA的專利技術(shù)主要集中在牛奶流制冷和自動檢測牛乳頭方向。ORION在自動化控制（自動檢測牛乳頭、奶牛的ID識別）方向也進行了專利申請。

MAASLAND在自動化控制（機械臂的自動化）、奶流量控制方向申請專利。

這一時期，DELAVAL首個機器人Prototype于1994年開始應用于擠奶。1998年，DELAVAL在全球正式推出了擠奶機器人——第一代VMSTM自愿擠奶系統(tǒng)；1992年LELY的全自動擠奶機器人“宇航員”原型出現(xiàn)，1995年正式推出“宇航員”。產(chǎn)品上市，專利先行，這些技術(shù)前沿企業(yè)都在默默地逐步布局自己的專利技術(shù)市場。

2.5 技術(shù)衰退期（2001-2009年）

當技術(shù)老化后，企業(yè)也因收益遞減而紛紛退出市場，此時有關(guān)領(lǐng)域的專利技術(shù)幾乎不再增加，每年申請的專利數(shù)和企業(yè)數(shù)都呈負增長。

該階段專利技術(shù)的申請主要集中在自動化控制（信號和傳感器的自動化控制、機械臂自動化控制）、奶流量自動控制方向、奶襯及其組裝、擠奶箱（進護欄）等方面。

主要專利權(quán)人中DELAVAL申請的專利在自動化控制方向比上一階段有所增加，集中在真空泵控制、機械臂的自動化方面。此外，其在奶杯、奶襯、奶流量控制方面也申請了一些專利。LELY的專利申請集中在自動化控制（信號和傳感器自動化控制、奶牛分群）、牛奶流制冷、真空泵方面。

2.6 技術(shù)復蘇期（2010-2020年）

技術(shù)是否能進入復蘇期，主要取決于是否有突破性創(chuàng)新，可以為技術(shù)市場注入活力。人工智能相關(guān)技術(shù)與擠奶技術(shù)的結(jié)合給全自動擠奶機器人技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。該階段專利技術(shù)的申請主要集中在自動化控制（奶牛ID識別、奶標簽識別、視覺系統(tǒng)機器人、圖像識別、自動檢測牛乳頭、自動喂食、真空泵控制），此外還有在真空室（氣缸、真空泵）、奶流量自動控制等方面申請了一些專利。

主要專利權(quán)人中DELAVAL申請的少量專利集中在奶襯和圖像識別方面。LELY的專利集中在機械臂自動化和圖像識別方面。TECHNOLOGIES HOLDINGS申請的專利主要集中在視覺系統(tǒng)機器人相關(guān)操作和信號自動化控制方面。

3 中國全自動擠奶機器人領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展階段

根據(jù)檢索結(jié)果，筆者繪制了中國（最早優(yōu)先權(quán)國）專利技術(shù)生命周期圖（圖3）。從圖3可看出，中國在全自動擠奶機器人領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展主要分以下兩個階段。

3.1 技術(shù)萌芽期（1988-2010年）

該階段中國有少量相關(guān)技術(shù)申請，也有少量的機構(gòu)參與技術(shù)的研發(fā)。

3.2 技術(shù)發(fā)展期[2011-2018年（至今）]

該階段中國在擠奶機器人領(lǐng)域申請專利的數(shù)量迅速增長，同時參與的機構(gòu)數(shù)量也在一直增長，尤其是2015年之后。這與國家層面對機器人產(chǎn)業(yè)扶持政策頻出有極大的關(guān)系，2015年5月，國務院正式印發(fā)《中國制造2025》，部署全面推進實施制造強國戰(zhàn)略，將農(nóng)機裝備、機器人列入十大重點發(fā)展領(lǐng)域。2016年，出臺了《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，此規(guī)劃為包括擠奶機器人在內(nèi)的服務機器人的技術(shù)創(chuàng)新和市場開拓提供了有力的方向指引和政策支撐，所以此階段專利創(chuàng)新活躍度進一步加強。

圖3 全自動擠奶機器人領(lǐng)域中國（最早優(yōu)先權(quán)國）專利技術(shù)生命周期圖

4 結(jié)語

2010年以來，各工業(yè)大國紛紛提出機器人產(chǎn)業(yè)政策，目前我們已經(jīng)開始進入第四次工業(yè)革命時期。2011年美國啟動“先進制造伙伴關(guān)系”（AMP）計劃，2013年德國政府提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略;日本也不甘落后，在2015年初發(fā)布了《新機器人戰(zhàn)略》。這些國家級政策，皆將機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展視為重要內(nèi)涵。自2015年以來中國的機器人相關(guān)政策密集出臺，2015年5月中國推出了《中國制造2025》，2016年4月出臺《機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，2016年9月出臺《智能硬件產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展專項行動（2016-2018年）》。在全球競爭的背景下，包括機器人在內(nèi)的人工智能已經(jīng)上升為國家優(yōu)先發(fā)展方向，將促使機器人市場持續(xù)增長，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的擠奶機器人也將得到長足的發(fā)展，但是我國擠奶機器人的進一步發(fā)展，還有賴于更細致的政策引導與扶持。雖然中國的專利申請增長期晚于其他國家，但結(jié)合奶業(yè)發(fā)展階段和專利技術(shù)周期等數(shù)據(jù)，可以預測我國的全自動擠奶裝備發(fā)展水平在不遠的將來將會迎來一次大的飛躍與發(fā)展。

為此，建議制定完備的自動擠奶機器人政策，分領(lǐng)域、分階段多元化激勵、扶持和孵化，實現(xiàn)新熱點技術(shù)領(lǐng)域的快速突破，與基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的不斷積累，實現(xiàn)中國在該領(lǐng)域的后來居上。自動擠奶機器人涉及的技術(shù)領(lǐng)域多，與奶業(yè)各類應用的結(jié)合范圍廣，除了機械擠奶操作外，還包含了智能識別、智能定位、智能飼喂、智能取樣、智能檢測、智能管理等從微觀到宏觀的一系列生產(chǎn)需求。自動擠奶機器人所涉及的這些技術(shù)領(lǐng)域、應用和生產(chǎn)需求的發(fā)展情況均不相同，需要多元化的激勵、扶持、孵化政策來促進我國擠奶機器人的發(fā)展。