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机器人:工业机器人技术全球专利布局现状及启示
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文章录入: 文章来源: 更新时间:2015-6-27
机器人:工业机器人技术全球专利布局现状及启示

导读:

  一、工业机器人领域全球专利申请概况

  截至到2014年底,工业机器人技术领域的全球专利申请量已超过6万件,去掉重复的同族专利[1]后为3.5万余项。最早的专利申请出现在1958年,直到1985年后,专利申请数量才开始出现大幅度增长,主要原因是中国在1985年制定《专利法》后,工业机器人领域主要竞争对手十分注重中国市场,纷纷在中国进行专利布局。目前,工业机器人技术正处于高速发展期。

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  1920年捷克作家描写了名叫“Robot”的帮人干苦力的机器,它是最早的工业机器人设想。随着科学技术发展,1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,1958年申请了专利,1959年在美国诞生第一台工业机器人。五十多年来工业机器人经历了可编程示教再现型机器人、知觉判断机器人、智能机器人三个阶段,应用领域也逐渐从工业生产的民用领域转移到军事领域。美、日、德等国在掌握机器人领域核心技术的同时,自20世纪60年代以来就致力于机器人技术领域的全球专利布局,以此巩固了在全球市场范围内的国际核心竞争力。本文旨在通过研究机器人领域的全球专利布局现状、在华专利申请现状以及主要竞争对手现状,从知识产权的角度揭示我国工业机器人技术发展的机遇与挑战。

  一、工业机器人领域全球专利申请概况

  截至到2014年底,工业机器人技术领域的全球专利申请量已超过6万件,去掉重复的同族专利[1]后为3.5万余项。最早的专利申请出现在1958年,直到1985年后,专利申请数量才开始出现大幅度增长,主要原因是中国在1985年制定《专利法》后,工业机器人领域主要竞争对手十分注重中国市场,纷纷在中国进行专利布局。目前,工业机器人技术正处于高速发展期。

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图1 工业机器人技术领域全球专利申请趋势图

  从技术发展历程来看,工业机器人技术共经历三大阶段:

  第一阶段(1958年-1969年)可编程示教再现型机器人:工业机器人领域的第一件专利是美国人乔治德沃尔在1958年申请,名为可编程的操作装置。约瑟夫英格伯格对此专利很感兴趣,联合德沃尔在1959年共同制造了世界上第一台工业机器人称为Robot(中文译名机器人),即人手把着机械手,把应当完成的任务做一遍,机器人再按照事先教给它们的程序进行重复工作,主要用于工业生产的铸造、锻造、冲压、焊接等生产领域,特称为工业机器人。

  第二阶段(1970年-1984年)知觉判断机器人:这阶段的工业机器人是具有一定的感觉功能和自适应能力的离线编程机器人,其特征是可以根据作业对象的状况改变作业内容,即所谓的“知觉判断机器人”。期间工业机器人“四大家族”:库卡、ABB、安川、FANUC公司分别在1974年、1976年、1978年和1979年开始了全球专利布局。

  第三阶段(1985年-至今)智能机器人:此阶段机器人带有多种传感器,能够将多种传感器得到的信息进行融合,能够有效的适应变化的环境,具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。2000年以后,美国、日本等国开始了智能军用机器人研究,并在2002年由美国波士顿公司和日本公司共同申请了第一件“机械狗”(Boston Dynamics BigDog)智能军用机器人专利,2004年在美国DRAPA/SPAWAR支持下申请了智能军用机器人专利。

  1、工业机器人领域专利受理量国家/地区分布

  从工业机器人相关专利受理数量排名前六位国家/地区(专利受理机构,基于同族专利国)的排名情况可以看出,相关专利受理数量最多的国家/地区依次是:中国、日本、韩国、美国、欧洲专利局、世界知识产权组织。这也体现了中、日、韩、美是工业机器人的主要市场。

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  图 2工业机器人领域专利受理量国家/地区分布

  2、工业机器人领域技术布局概况

  下图给出了工业机器人领域的全球技术布局情况,专利大都分布在机械手的结构、控制、触摸、安全和程序控制技术,以及工业机器人的航道控制、自动控制、传输、多铰接爪臂技术。

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  图 3工业机器人领域技术布局

  3、中国专利申请情况分析

  我国工业机器人起步于1972年,其发展过程大致可分为三个阶段:1972年~1985年的萌芽期;1985年~2000年的技术研发期;2000年至今的产业化期。

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  图 4工业机器人在中国的专利申请情况

  目前我国已生产出部分机器人关键元器件,开发出弧焊、点焊、码垛、装配、搬运、注塑、冲压、喷漆等工业机器人。一批国产工业机器人已服务于国内部分企业的生产线上;一批机器人技术的研究人才也涌现出来。部分军工企业、科研机构和企业已掌握了工业机器人操作机的优化设计制造技术、工业机器人控制、驱动系统的硬件设计技术、机器人软件的设计和编程技术、运动学和轨迹规划技术等技术,某些关键技术甚至已达到或接近世界先进水平。但是,在华专利申请数据显示,瑞士的ABB、日本的FANUC(发那科)、日本的YASKAWA(安川电机)、德国的KUKA(库卡)已经在我国申请了大量专利,中国申请人集中在苏州工业园区职业技术学院、昆山市工业技术研究院、湖南大学、清华大学等高校,我国拥有技术优势的科研院所和企业反而不太关注工业机器人技术领域的专利布局。

  二、主要竞争对手概况

  在民用领域,国际上占据了工业机器人绝大部分市场的“四大家族”:安川、FANUC、KUKA、ABB公司,自上世纪70年代中期开始了全球专利布局,并且逐年上升。同时,“中国增长”让全球领先的工业机器人巨头都把目光投向这块土地,不约而同的是,总部在瑞士的ABB、日本的FANUC(发那科)、日本的YASKAWA(安川电机)、德国的KUKA(库卡)都将其中国总部设在上海。目前,这四家企业在中国市场占有率总共达到八成以上,前三家在全球的机器人销量都突破了20万台。

  在军用领域,由美国政府支持的军用机器人开发商占据了全球军用机器人市场的85%,欧洲占据15%,而中国仅为0.1%。军用机器人领军企业General Dynamics市场占有率为27%,诺格公司、洛克希德-马丁公司紧随其后。

  1、日本安川电机(Yaskawa)

  1915年合资公司安川电机制作所成立。安川电机自1977研制出第一台全电动工业机器人以来,旗下拥有Motoman美国、瑞典、德国以及Synetics Solutions美国公司等子公司,至今共生产13万多台机器人产品,而最近2年生产的机器人3万多台,超过了其他的机器人制造公司。2005年4月,该公司宣布将投资4亿日元,建造一个新的机器人制造厂,该公司每月工业机器人生产能力将达到2000台。安川公司在全球申请的机器人相关专利4505件,去掉重复的同族专利为1949项同族专利。

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  图 5安川电机的专利申请情况

  2、日本FANUC

  日本发那科公司(FANUC)创建于1956年,是当今世界上数控系统科研、设计、制造、销售实力最强大的企业,研发人员占公司总人数的1/3/。1974年, FANUC工业机器人问世——基于伺服、数控基础,1976年投放市场。FANUC公司在全球申请的机器人相关专利5507件,去掉重复的同族专利为1476项同族专利。

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  图 6发那科公司的专利申请情况

  3、德国KUKA

  KUKA公司成立于1898年,总部设在德国奥格斯堡,是为汽车制造、航天、能源及工业领域提供柔性自动化系统设备的公司。2000年9月,库卡自动化设备(上海)有限公司正式成立。2004年7月,库卡柔性系统制造(上海)有限公司在上海青浦工业园成立。2008年12月,在上海交通大学成立“KUKA焊接机器人智能化与工程应用联合实验室”。KUKA公司在全球申请的机器人相关专利2383件,去掉重复的同族专利为802项同族专利。

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  图 7德国KUKA公司的专利申请情况

  4、瑞士ABB

  ABB是由两个历史100多年的国际性企业瑞典的阿西亚公司(ASEA)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBC Brown Boveri)在1988年合并而成,两公司分别成立于1883年和1891年。ABB集团的业务遍布全球100多个国家,拥有107,000名员工,ABB集团超过一半的营业额来自欧洲市场,近四分之一来自亚洲、中东和非洲,五分之一来自南北美洲市场。ABB公司在全球申请的机器人相关专利3389件,去掉重复的同族专利为923项同族专利。

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  图 8瑞士ABB公司的专利申请情况

  5、美国波士顿动力公司(Boston Dynamics)

  美国波士顿动力公司自1998年以来共申请专利8项,其中美国5项,日本1项,世界知识产权组织2项。其中一项发明专利US2004864715A是获得美国政府DARPA/SPAWAR计划支持,该专利权属于国家。该公司的主要研发团队人员有13人,核心技术研发人员是Playter Robert、Raibert Marc、Buehler Martin 、Saunders Aaron ,尤其是Saunders Aaron参与了波士顿动力公司近年的每一项智能机器人项目研发,是高级智能四足仿生机器人BigDog的研发核心力量。

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  图 9波士顿动力智能机器人研发现状

  波士顿机械狗(Boston Dynamics BigDog)是一种动力平衡四足机器人,由波士顿动力公司、福斯特-米勒公司、喷气推进实验室,以及哈福大学康德菲尔德研究站共同研发。

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图 10波士顿动力公司智能机器人产品与专利对应情况

  2002年7月申请的专利JP2002215591A宠物机器人揭示了波士顿动力公司最初的智能四足仿生机器人BigDog的技术来源,该专利显示相关技术是由日本SONY公司与波士顿动力联合研发,并由双方共有相关专利。该专利披露了采用螺旋式弹簧维持伺服电机与腿部末梢的线性关系,并给出了具体的实现方法与相关试验数据。

  三、启示与建议1、国内外工业机器人市场面临知识产权风险

  安川、FANUC、KUKA、ABB公司四大公司在上世纪70年代开始了全球专利申请,分别于1995年、2003年、1985年、1996年开始在中国进行专利布局,尤其是KUKA公司在中国专利申请量最大。四大公司所申请的部分专利的技术特征与国内某些企业相关工业机器人产品类似,建议后续针对具体的产品做详细的专利侵权分析。国内大部分工业机器人相关技术还有部分处于研发阶段,一方面可以根据关键技术的专利现状进行规避设计或者调整研发路线,避免后续知识产权风险;另一方面可以针对具体的亟待的技术问题和难点在专利文献中寻找技术解决方案。

  2、工业机器人技术产业化应以专利为突破口

  从四大民用公司的专利申请趋势来看,每一次技术产业化的时间点都是专利申请量的峰值,尤其是日本企业。专利是产品进入市场的保护伞,专利申请的时间和地域选择与产业化发展方向密切相关。例如,日本FANUC公司在2003年以前从未在华申请机器人相关专利,主要是防止泄漏相关技术,但是于2003年在中国广州、深圳等地设立近十家分公司,同年就开始了在华地区的专利申请,专利申请量急剧上升,这样不仅可以保护自身产品,还能遏制竞争对手的发展。

  3、收购具有技术研发实力的公司是快速提升竞争力的方式

  收并购国内外具有自主知识产权、较强的研发团队以及领先的市场地位的相关企业也逐渐成为国内企业快速提升规模、提升核心竞争力、快速完成国际化经营布局的重要途径,也是军工企业实现军民融合式发展、产业快速转型升级和结构调整的便捷之路。一方面可以直接获得大量专利,另一方面是可以获得具有研发实力的团队。例如,ABB公司从1987年开始的3年内收购了全球60多家公司,但是机器人技术方面并未快速发展,但是自从1998年6月收购Alfa Laval自动化公司,1998年10月收购Elsag Bailey公司之后,机器人相关专利申请急速上升,自此开始保持了技术优势。

  其中,KUKA是德国公司,相较于美国、日本来说更易于技术合作,并且KUKA进入中国市场较早,可见其对中国市场的关注度高,一开始进入中国是1986年赠送中国一汽工业机器人的友好方式。2008年KUKA与上海交大联合成立实验室,是比较有机会进行技术合作或者引进相关人才的。此外,KUKA在中国的专利申请量较大,已经具备了一定的技术优势,与其联合可以避免更多的知识产权风险。

  4、工业机器人技术转化应用应关注“民转军”

  2000年后,美国逐渐开始将工业机器人技术转化应用到军事领域,并且在2011年发布了针对针对制造、健康护理/医药机器人、服务机器人三类机器人的国家机器人技术倡议(NRI),明确了美国机器人技术发展路线,但是在2013年发布的美国机器人技术发展路线图中新增加了航天和国防领域机器人技术发展规划。同时,美国在花巨资研究军用机器人时十分注重相关知识产权保护,例如美国波士顿动力公司的发明专利US2004864715A显示,该专利已获得美国政府DARPA/SPAWAR计划支持,同时也规定其专利权属于国家;另一方面,美国的军用机器人研发采取多方合作,例如波士顿BigDog最初的技术就是来源于日本SONY公司与波士顿动力公司联合研发,从其他媒体报道显示,该型号还与福斯特-米勒公司、喷气推进实验室、哈福大学康德菲尔德研究站进行了联合开发。

  建议国内企业在工业机器人产业论证中开展完整的专利分析评议,开展关键技术的专利分析能够提高技术研发起点、优化资源配置、加快研究进程,实现关键技术突破并进行再创新,从而快速提升技术创新能力;同时,掌握国外对标公司的专利布局、摸清型号发展与国外技术指标的差距,满足研发过程中对科技情报支撑信息的迫切需求。在此基础上,结合企业工业机器人产业领域技术优势和技术劣势,分析国外高新技术热点、空白点、发展动态和方向,为产业提出知识产权布局建议,为战略研究、项目论证、项目立项提供决策支撑。

  [1]简单来说,同族专利是相同或类似技术在不同国家或地区申请的专利。申请同族专利表示专利权人认为该专利技术有较广阔的市场前景,暗示了该专利技术的价值较大;但是,同族专利往往是相同或类似技术,技术上有很大的重复性。

  作者简介

  李萍,女,重庆,1984.10,北京航空航天大学飞行器设计博士,中国航天科工集团知识产权研究中心

  

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