导语：本文以工业机器人专利数据开展研究，全面介绍了全球工业机器人产业发展历程，并从专利角度梳理了全球工业机器人技术发展趋势、专利分布情况和主要申请人的专利战略特点。
工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编排的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本生产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。随着智能制造行业的不断推进和制造业人力成本的不断提升，工业领域“机器换人”现象普遍，机器人产业正在全球范围内快速发展。我国要把智能制造作为信息化与工业化深度融合的主攻方向，其中工业机器人被认为是实现目标的关键。目前工业机器人技术发展方向如下：
（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降。
（2）机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。
（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（4）工业机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多个传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（5）虚拟现实技术在工业机器人中的作用已从仿真、预演，发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
（7）机器人化机械开始兴起。从1994年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域[1]。
图1：全球工业机器人领域专利申请趋势
截至 12月，全球涉及工业机器人的专利/申请共计304883件。
技术发展趋势分析
从工业机器人领域的发展趋势来看，工业机器人的专利申请呈现从初始萌芽期的专利申请量较少，到逐步上升，并伴有阶段性回落的态势，总体而言发展经历了四个阶段。
萌芽期（1920-1953年）：专利申请量较少，研发活跃度低。
示教机器人时期（1954-1980年）：20世纪50年代中期，机械手的机械耦合被液压装置所取代；70年代以后，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。
感知机器人时期（1981-1990年）：20世纪80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人——有感觉的机器人，即自适应机器人，培养出了发那科公司、安川电机公司等一批国际知名的工业机器人生产企业。
智能机器人时期（1991年至今）：20世纪90年代后出现了第三代机器人，即智能机器人，相对于前代产品，还具有逻辑思维、判断和决策能力。受90年代前后的经济衰退影响，国际市场转向了以ABB公司、KUKA公司等为代表的欧美市场；90年代中后期以来，中国的专利申请量飞速发展，带动了工业机器人产业整体的发展速度。
专利保护地域分析
图2：工业机器人专利保护区域分布
从工业机器人的专利保护区域分布来看，中国和日本是工业机器人领域的重点专利布局国，其中中国的专利布局量最大，占全球总量的36.5%，其次是日本，其专利布局量占全球总量的24.4%，这两国专利布局量占比近61%，占据绝对重要的技术地位。其他国家的专利布局量与中国和日本相比均存在较大差距。美国是工业机器人领域最早研发，也是最早进行专利布局的国家，虽然其专利布局总量排名第三，但专利布局量仅占全球总量的10%都不到。韩国与德国在工业机器人领域也进行了一定数量的专利申请，但就数量而言，与中国和日本差距较大，两个国家在该领域的申请量占总量的13.3%。
技术分布分析
图3：工业机器人主要专利保护区域近二十年专利申请趋势分析
工业机器人总体涵盖面比较广，包括机械本体、控制系统、驱动机构和感知系统四大部分。从工业机器人领域技术构成来看，机械本体的专利布局量最大，达到 140790件，占工业机器人总量的37.7%；其次是控制系统，其专利布局量为 130301件，占工业机器人总量的34.9%；驱动机构和感知系统分别占19.2%和 8.3%。总体来看，工业机器人的技术创新主要侧重机械本体与控制系统，感知系统的专利申请量较少。
图4：工业机器人技术构成及发展趋势分析
从工业机器人各细分技术领域的发展趋势来看，机械本体的专利申请量增长速度较快，而控制系统虽然总申请量小于机械本体，但近几年每年专利申请量都略高于机械本体，保持着更快的增长速度；感知系统的发展与其他技术分支相比存在一定差距。
图5：工业机器人主要技术分支近十年专利申请人对比分析（1）
图6：工业机器人主要技术分支近十年专利申请人对比分析（2）
机械本体领域申请人TOP10总榜单中有9位日本申请人和1位韩国申请人，日立和三菱两家企业在技术布局方面均表现突出，具有明显优势。中国尚无申请人进入TOP10。在近十年的专利申请人TOP10榜单中，日本日立、三菱、东芝与松下公司已跌出榜单之外，这些公司专利申请总量虽大，但近十年在该领域的技术研发和专利申请情况较差；而日本的安川电机、爱普生、丰田进入TOP3。中国的国家电网公司近年来注重技术研发，已在该领域拥有较多的专利申请，已经进入近十年的TOP10榜单。
控制系统领域申请人TOP10总榜单中有8位日本申请人、1位韩国和1位美国申请人，其中发那科公司无论是总申请量，还是近十年申请量，均排第一位；美国的KUKA公司在近十年表现突出，由原来的第八位跃居第二位，仅略逊于发那科公司；而日本日立、三菱、本田与索尼公司虽然在总榜单中进入TOP10，却已跌出近十年的榜单之外；中国的国家电网公司在控制系统领域也有较多的专利布局，进入近十年榜单的第七位。
驱动机构领域申请人TOP10总榜单中有7位日本申请人、1位韩国申请人、1位美国申请人和1位中国申请人，发那科公司的专利布局量最大，其次是安川电机公司，中国的国家电网公司排第十位。近十年的专利申请人TOP10榜单中，中国已有5位申请人进入TOP10，包括位于榜首的国家电网公司，以及来自广西大学、清华大学、哈尔滨工业大学和华南理工大学的4位高校申请人。
感知系统领域申请人TOP10总榜单中有7位日本申请人、3位韩国申请人。日本的发那科、韩国的三星公司位于榜单前两位。近十年的专利申请人TOP10榜单中，三星公司与发那科公司仍保持着领先位置，中国的国家电网公司、华南理工大学进入TOP10中。
中国专利分布情况
图7：工业机器人中国专利类型分析
图8：工业机器人中国专利来源分析图
图9：工业机器人中国专利技术构成
图10：工业机器人中国专利主要申请人类型
截至12月，中国涉及工业机器人领域的专利/申请量共计111306件。从中国区域专利申请的类型来看，发明申请专利量为56191件，占总申请量的 50.5%；实用新型专利量为52605件，占总量的47.3%；外观设计专利量为2510 件，占比为2.3%。可见，发明和实用新型是中国工业机器人专利的主要申请类型，而且发明和实用新型专利申请的数量相差无几。但从专利类型的构成趋势来看，1986-1995年间，实用新型专利所占的比例高于发明专利，从1997年开始，发明专利的占比逐渐上升，超过了实用新型专利，但近年来发明专利的占比又有所下降，发明专利占比略低于实用新型。
从工业机器人中国专利技术构成可以看出，机械本体、控制系统申请量最多，相差不大，驱动机构排第三，感知系统的专利布局量最少。
从工业机器人中国专利申请人类型可以看出，企业是专利布局的主力，其专利申请量占总量的67.9%，其次是大专院校，其专利申请量占比达到18.7%，个人在工业机器人领域的专利布局也占有一定比例，甚至高于科研单位，科研单位仅有 1.6%的专利布局量。
工业机器人中国区域申请人TOP10中，中国申请人有8位，另外2位为日本申请人，分别占据第二和第八的位置。8位中国申请人中仅有1 家是企业，其他7位申请人为高校和科研机构。
工业机器人中国专利TOP10中，哈尔滨工业大学、广西大学、清华大学、上海交通大学、华南理工大学排名前五位。前十申请人中，除上海交通大学、中国科学院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学近几年申请有所放缓外，其余申请人的九成以上专利均集中在近内申请，广西大学、华南理工大学更是有八成以上专利是近5年内申请，发展势头强劲。
排名第一的哈尔滨工业大学研发重点是驱动机构，控制领域是其重点；排名第二、第三、第四的广西大学、清华大学、上海交通大学是控制系统和驱动机构并重；华南理工大学、浙江大学更侧重控制系统的研发。这些申请人在机器人的其他领域也都有专利申请，并且在机器人领域都与外部企业有合作研发。
工业机器人中国区域企业申请人TOP10中，有3个日本申请人、7个中国申请人，其中国家电网公司、日本发那科、日本安川电机、山东鲁能智能技术有限公司、日本爱普生排名前五位。
排名第一的是国家电网公司，该公司绝大部分的专利申请都集中在近五年，每年的专利申请量都位居中国区域首位。国家电网公司拥有较强的研发团队，注重自主研发的同时，也通过合作研发的方式进一步提升研发实力，合作对象以企业为主体，但最主要的合作研发还是在集团公司内部，与科研单位也有较多的合作研发，同样与集团内部科研单位合作是主体。国家电网的研发团队拥有的发明人最多，研发实力较强。
排名第二、第三的是日本发那科和安川电机公司，这两个公司超过八成的专利都是近十年内申请，其中有七成都是近五年内申请，控制系统是他们专利布局的重点，对其他技术点的研发也并不放松，目前其在中国市场具有较大威胁。
排名第八的鸿海精密工业股份有限公司近五年申请量较少，近五年申请量仅占 36.2%；排名第九、第十的北京光年无限科技有限公司、苏州博众精工科技有限公司是近五年才开始申请专利的，在工业机器人各领域都有技术布局。
图11：工业机器人中国专利法律状态分析
从中国区域内工业机器人专利法律状态构成图中可知，此技术领域涉及的有效专利共计54578件，占总体申请量的49%，而处于在审和失效状态的专利分别为 25367件，占比为22.8%。有效专利的占比较高，从一定程度上也反映出目前在中国区域内，申请主体对于此领域专利的维持意愿更强，技术水平以及此技术相应的经济价值更高。
参考文献：
[1]摘自《国内外工业机器人发展现状与趋势研究》
（本文授权整理自知识产权出版社有限责任公司和i智库出版的《机器人产业知识产权分析评议报告》）
