馮 龍， 王雪婷， 何 華

（北京市科學技術研究院 智能裝備研究所， 北京 100061）

0 引言

隨著全球勞動力成本的不斷增加， 制造企業(yè)需要開發(fā)新技術以提高生產(chǎn)率。機器人技術的更新迭代，使人機協(xié)作顯示出巨大潛力。相比傳統(tǒng)工業(yè)機器人，協(xié)作機器人憑借著安全、靈活、易部署等特點，快速融入多元場景，在工業(yè)、物流、醫(yī)療、教育等諸多領域?qū)崿F(xiàn)了良好應用，尤其自2020 年新冠肺炎疫情發(fā)生以來，協(xié)作機器人因具有無人接觸、遠程服務、代替人工等優(yōu)勢，更是發(fā)揮了重要作用，得到了快速發(fā)展。專利作為科技發(fā)展的前沿蘊含著大量的技術創(chuàng)新信息， 通過對協(xié)作機器人的專利進行分析能夠客觀地認識到行業(yè)相關技術的研發(fā)現(xiàn)狀， 對相關政府、高校、科研院所及企業(yè)的決策制定、調(diào)控及研發(fā)布局具有一定的意義[2]。 本文聚焦協(xié)作機器人，通過使用incoPat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，從時間及地域兩個維度對協(xié)作機器人技術熱點及技術發(fā)展趨勢進行研究， 為國內(nèi)協(xié)作機器人企業(yè)、高?？蒲性核募夹g研究和創(chuàng)新提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及檢索方式

1.1 數(shù)據(jù)來源& 檢索方式

本文專利檢索部分數(shù)據(jù)來源為Incopat 全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫，輔助使用ItgInsight[6]工具進行數(shù)據(jù)分析[1]。 在進行檢索前， 首先結合協(xié)作機器人的主要構成和應用領域?qū)f(xié)作機器人技術主要IPC 分類號進行提取， 在得到協(xié)作機器人IPC 分類號的基礎上，結合協(xié)作機器人常用關鍵詞，確定協(xié)作機器人專利檢索式。

1.2 IPC 分類& 檢索降噪

通過將協(xié)作機器人技術分為本體技術、控制系統(tǒng)技術、驅(qū)動系統(tǒng)技術及應用場景技術四大類后， 再依據(jù)IPC 分類表對各技術關鍵詞匹配IPC 分類號， 得到協(xié)作機器人技術分支及其對應的IPC 分類號[4]，如表1 所示。 由于協(xié)作機器人應用領域廣泛的特殊性，為防止醫(yī)療機器人、服務機器人等與協(xié)作機器人無關的噪聲出現(xiàn)，本文檢索側重于“檢準”原則。 因此檢索結果可能無法涵蓋一些“非典型”協(xié)作機器人公司所申請的專利，如鎂伽科技公司的相關專利。

表2 國內(nèi)協(xié)作機器人研究熱點省市專利技術主題詞分布

2 全球協(xié)作機器人專利技術研究熱點及趨勢

2.1 全球協(xié)作機器人專利申請趨勢

雖然近年全球機器人產(chǎn)業(yè)專利增速逐步趨緩[3]，但協(xié)作機器人專利申請呈快速增長態(tài)勢。 從1985—2022 年全球協(xié)作機器人領域?qū)＠暾埱闆r來看， 協(xié)作機器人發(fā)展大體分為3 個階段。 第一階段（1985—2007）：在這一階段，專利申請較少，數(shù)量在10 件以內(nèi)波動。 申請人數(shù)量也較少， 企業(yè)投入意愿較低， 處于技術的萌芽期。 第二階段（2008-2014）：專利申請數(shù)量較之前有明顯攀升，整體呈增長態(tài)勢，數(shù)量維持在100 件以內(nèi)。 第三階段（2015—至今）：自2015 年起，協(xié)作機器人專利呈急劇增長態(tài)勢，并在2021 年達到頂峰，數(shù)量為918 件。由于專利公開存在滯后性，2021—2022 年部分發(fā)明專利未能完全統(tǒng)計在內(nèi)。因此2022 年專利申請量的下降并非實際專利申請量下降。

圖1 全球協(xié)作機器人專利申請趨勢

2.2 全球協(xié)作機器人專利技術演變

從1985 年—2022 年的發(fā)展歷程來看，協(xié)作機器人的研究熱點主要經(jīng)歷了三個階段：

第一階段（1985—1990 年）：多以協(xié)作機器人本體結構和用于機器人的控制方法為主展開研究， 代表專利如1986 年來自保加利亞的“協(xié)作機器人平衡機械手”專利、1987 年來自美國發(fā)那科的“機械腕機構“專利、1990 年來自日本的“用于機器人的控制方法”專利等；

第二階段（1991—2009 年）：在這一階段，關于協(xié)作機器人本體的基礎研究逐漸增多， 并依次在焊接、 裝配拆卸、理療按摩、機床加工等工業(yè)領域開展應用研究。 同時關于軌跡跟蹤、參數(shù)優(yōu)化、實現(xiàn)人機協(xié)同的數(shù)據(jù)處理等協(xié)作機器人關鍵技術也在這一階段得到沉淀和積累；

第三階段（2010—至今）：在這一階段，協(xié)作機器人本體研究較之前發(fā)展速度有明顯大幅提升， 應用場景在深耕工業(yè)領域的基礎上，逐步向手術醫(yī)療、教育、管理等行政領域進一步拓展。同時，關于協(xié)作機器人核心零部件技術的專利也開始廣泛布局，拖動示教、機器視覺、精度測試、碰撞檢測等一系列人機交互和自主認知技術也在這一階段興起。

圖2 全球協(xié)作機器人專利技術研究趨勢

2.3 全球協(xié)作機器人專利技術研究熱點

通過對全球協(xié)作機器人主要IPC 分類進行整理和匯納，可以發(fā)現(xiàn)協(xié)作機器人技術熱點主要分布在本體和末端執(zhí)行器、焊接裝配等工業(yè)場景應用、手術理療等醫(yī)療機器人、運動軌跡的跟蹤和優(yōu)化以及算法方面，如圖3 所示。

圖3 全球協(xié)作機器人專利技術研究熱點

3 國內(nèi)協(xié)作機器人專利技術研究熱點及趨勢

3.1 國內(nèi)重點地區(qū)協(xié)作機器人專利技術研究熱點及趨勢

將我國按照長三角、珠三角、京津冀和東北地區(qū)進行區(qū)域劃分，可以了解國內(nèi)不同地域下的協(xié)作機器人熱點分布情況。從我國不同地區(qū)專利分布來看，長三角地區(qū)：協(xié)作機器人產(chǎn)業(yè)鏈布局較為齊全，在本體、核心零部件與其他關鍵技術方面的占比都領先全國其他地區(qū)。 相對來說，長三角的研發(fā)熱點主要包括：協(xié)作機器人本體領域；零部件領域中的傳感器、控制器、伺服電機與抱閘；關節(jié)模組一體化、智能自主和機器視覺等關鍵技術。 ①珠三角地區(qū)：在核心零部件領域具有較強優(yōu)勢，其研發(fā)熱點主要包括：減速器和抱閘；本體領域中的機器人本體與機械臂以及智能自主關鍵技術；②京津冀地區(qū)：研發(fā)熱點主要集中于末端執(zhí)行器、編碼器和機器視覺領域，相對而言在機械臂、伺服電機與智能自主技術方面布局占比較少；③東北地區(qū)：在運動控制這一關鍵技術具有明顯優(yōu)勢，而在抱閘這一零部件的布局上與其他地區(qū)相比具有明顯差距，如圖4 所示。

圖4 國內(nèi)重點地區(qū)協(xié)作機器人專利技術研究熱點布局

圖5 國內(nèi)協(xié)作機器人研究熱點省市專利技術申請量

3.2 國內(nèi)協(xié)作機器人專利技術研究熱點省市

通過對中國協(xié)作機器人專利按照省市進行排名，前五名分別是廣東、江蘇、上海、北京和浙江，北京在專利申請總量上位居全國第四位。但從發(fā)明專利的比例上看，北京發(fā)明專利占比最高，達到72.39%，一定程度上反應出北京的研發(fā)創(chuàng)新優(yōu)勢。 廣東、江蘇兩地實用新型專利占比較高，一定程度上反應出兩地協(xié)作機器人研發(fā)成果的產(chǎn)品應用較多。

3.3 國內(nèi)不同省市協(xié)作機器人專利布局差異

通過對比不同省市協(xié)作機器人專利主題詞分布情況可知，北京市在末端執(zhí)行器、傳感器、編碼器、關節(jié)模組、運動控制與機器視覺等方面具備一定優(yōu)勢； 廣東省專利數(shù)量在全國排名第一，其產(chǎn)業(yè)鏈布局也較為齊全，其中在協(xié)作機器人本體、機械臂、減速器、編碼器方面的專利布局上領先優(yōu)勢突出； 江蘇省在全產(chǎn)業(yè)鏈布局方面也較為突出，其中，在末端執(zhí)行器、傳感器、控制器、伺服電機、關節(jié)模組與機器視覺方面的專利布局優(yōu)勢突出。

4 結論

（1）協(xié)作機器人技術發(fā)展正處于快速成長期。 從1985—2022 年全球協(xié)作機器人專利申請情況來看，協(xié)作機器人技術在不斷發(fā)展，市場在不斷擴大，專利權人也在急劇增長。當前， 無論是專利數(shù)量還是申請人數(shù)量都處于快速增長階段，并沒有放緩趨勢，尚未顯露出技術成熟期階段的放緩趨勢，因此可以判定協(xié)作機器人技術正處于快速成長時期。

（2）協(xié)作機器人專利技術創(chuàng)新突破領域。通過分析全球協(xié)作機器人專利技術研究熱點可以發(fā)現(xiàn)， 目前全球范圍內(nèi)在協(xié)作機器人拖動示教（G09B）、機器視覺及圖形數(shù)據(jù)讀?。℅06V）、位置及姿態(tài)控制（G05D1/02）、精度測試與碰撞檢測（G01B21）以及協(xié)作機器人減速器等傳動裝置方面（F16H）專利技術布局仍較少。 當然協(xié)作機器人也面臨很多實際應用場景適應性、可靠性與安全性提升的問題。例如通過感知外部極小的力矩變化并做出反應避免碰撞（G01L3/G01L25），讓人機協(xié)作過程更輕松（G06F）、安全和精準控制（G05D19/G05B）等方面都是在實際應用場景中要解決的問題，上述相關領域可作為后續(xù)高校、科研院所及行業(yè)企業(yè)研發(fā)創(chuàng)新的突破口。

（3）協(xié)作機器人技術研究熱點由機構學向機器視覺、觸覺、控制算法、人工智能領域轉(zhuǎn)變。 通過分析全球協(xié)作機器人專利技術研究熱點及趨勢可以發(fā)現(xiàn)，目前高校在協(xié)作機器人領域的研發(fā)方向已由原來的機械手、機械臂的設計向機器視覺、觸覺、人工智能、控制算法等方向轉(zhuǎn)變，如哈佛大學目前在做的柔性機器人、斯坦福大學在做的機器人觸覺、清華大學在做的視覺語義感知、北京航空航天大學在做的機械臂感知與運動規(guī)劃等，這些研究的目的都是為協(xié)作機器人本體更好的賦能。

（4）協(xié)作機器人在非工業(yè)應用領域?qū)＠夹g布局逐漸增長。協(xié)作機器人作為一種新興的工業(yè)機器人品類，其產(chǎn)品面向的應用場景已拓展至工業(yè)應用場景以外的消費領域范疇，近年協(xié)作機器人專利技術在教育、手術、康復、理療、新能源充電樁、餐飲（飲料制備）、肉類加工、服裝（縫紉）等領域申請量逐年增長。 相較于傳統(tǒng)工業(yè)機器人，協(xié)作機器人因具備人機協(xié)作、易裝配、安全等特點，使其具有更廣泛的應用場景領域。

（5）從專利布局看國內(nèi)主要協(xié)作機器人省市布局特點。從國內(nèi)協(xié)作機器人專利技術申請量看，廣東省、江蘇省、北京市和上海市排名靠前。 從四個省市協(xié)作機器人專利技術布局情況看，北京市發(fā)明專利占比最高，創(chuàng)新優(yōu)勢明顯，這主要得益于北京市高校及科研院所資源豐富，專利大多集中在高校和科研院所[5]，且北京市協(xié)作機器人企業(yè)多以本部加研發(fā)機構為主有關。廣東省、江蘇省專利申請量多，實用新型占比量較高，這得益于協(xié)作機器人企業(yè)生產(chǎn)制造多布局在兩地有關。