3C应用产业工业机器人专利信息分析*

2018-12-03潘艳丽蒋仕龙叶青云

机电工程技术 2018年11期

潘艳丽，蒋仕龙，吴平，陈亮，叶青云

（1.广州华进联合专利商标代理有限公司深圳分公司，广东深圳 518057；2.深圳市机智联知识产权运营有限公司，广东深圳 518057；3.深港产学研基地运动控制应用技术实验室，广东深圳 518057；4.东莞市机器人产业协会，广东东莞 523400）

0 引言

依据ISO8373定义，工业机器人是指具有3轴及3轴以上、可重复编程、多用户的自动控制操作机。在其60多年的发展历史中，欧、美、日、韩等发达国家长期控制着工业机器人市场的主导权。随着我国产业结构的调整和人口红利的逐渐消失，中国目前已经成为工业机器人的最大应用市场，提高工业生产过程中的自动化率成为降低中国企业成本的必经之路。当前，国外工业机器人巨头已经在工业机器人核心技术领域以及汽车、半导体、冶金、橡胶等外围应用领域编织了一张张层层封锁的“专利大网”[1]，国内工业机器人产业总体水平与国外差距较大，工业机器人中高端市场的进口替代空间大。但是，在国外巨头短板的产业应用端，如3C产业、纺织产业、食品药品产业等应用领域，近年来由于国内工业机器人企业的不断发力和自主创新，出现了与国际巨头“同台竞争”的机会[2]。尤其在3C应用产业，来自市场的高性价比要求和满足本土化服务的需求，为国内工业机器人企业带来了全新的发展机遇。

3C产品是指计算机（Computer）、通信（Communication）和消费类电子产品（Consumer Electronics）[3]，3C产业具有生命周期短、成本持续降低及弹性的全球运筹等特性，制造过程涉及装配、喷涂、工件搬运、加工、检验检测等环节，流程和步骤非常复杂，是目前发展最为迅速的一种产业[4]。据统计，当前全球70%以上的3C产品在中国生产，广东省更是3C产品制造企业的集聚地，代表性企业有中兴、华为、富士康等。在持续增长的3C市场带动下，深圳、广州、佛山、顺德、东莞等地涌现了一大批初具创新能力的工业机器人制造企业，对这些企业来说，当务之急不仅仅是把应用技术做好，而且要结合企业的技术创新需求，以专利信息分析为手段，在专利布局方面提前做好充分的布局规划。

本文作者通过对3C应用产业工业机器人的专利数据进行采集、筛选和分析，从专利申请趋势、市场竞争格局、专利计量和专利合作、技术热点及发展方向等多个角度对工业机器人在3C产业上的应用进行定量和定性的研究，为国内工业机器人企业的专利布局提供参考性建议。

1 专利数据说明

文中的专利数据来源于智慧芽和Incopat专利检索数据库，检索专利时间截止是2017年12月31日。由于从专利申请到专利公开一般需要1～3年时间，近3年申请的专利大部分还处在受理状态，所以近几年的专利数据为不完全数据。采用人工阅读、关键词筛选以及IPC限定的方法进行数据清洗，选取符合条件的专利文献作为样本，对于中国申请和中国公开产生多个文本的，仅保留最终的一个文本[5]。最终得到4690件专利申请，其中发明专利申请2766件，占比75.51%，实用新型专利申请897件，占比24.49%。发明专利授权1164件，授权比例为42.08%。有效发明专利为854件，维持比例为73.37%。

2 3C应用产业工业机器人总体申请趋势分析[6]

图1为全球、中国及广东省的专利申请趋势图，从图1中可以看出，全球3C应用产业工业机器人专利申请开始于1973年。在上世纪70年代，为适应工业高度自动化的需要，国外迅速发展起一种新的程序控制自动化装置——工业机器人，随着工业机器人和早期的家庭电脑和电视的发展，此阶段开始出现3C应用产业工业机器人专利申请，但是数量增长基本处于停滞状态，直到1982年才突破10件的申请量。国内专利申请始于1993年，时间上落后国外20年，这是因为从上世纪90年代开始，以电脑、手机、彩电为代表的传统3C产品才开始走进中国家庭。从1993年到2001年，国内3C应用产业工业机器人技术仍然处于理论研究阶段，申请人主要为科研院所和通过PCT途径进入中国的国外申请人，专利数量增长非常缓慢。2001～2009年全球专利申请处于平稳增长期，此时国内申请主体绝大部分仍然为科研院所和高校，专利申请维持着较低的数量，仅仅几十件，此阶段为技术萌芽期。

图1 全球、中国及广东省专利申请趋势图

2010年至今，随着新兴的3C产品包括智能可穿戴设备、VR/AR设备终端、消费级无人机、娱乐机器人等消费电子产品迅速增长，3C领域逐渐成为汽车以外工业机器人第二大的应用领域。全球、中国和广东专利申请均迎来一个快速增长期，且增长趋势线十分相近，究其原因在于此阶段的增长主要源于中国专利申请量的带动，我国在该领域累积申请2286件专利，80%以上的专利为2010年以后申请，从技术萌芽期直接进入快速增长期。

广东省专利申请量在2015年之后迅速增加，其中2016年和2017年专利申请量均突破百件，广东省专利申请总量的全国占比超过25%，在国内各省市专利申请量中排名第一位。因此，未来在“3C产品”生产中采用专用的工业机器人，可能是广东工业机器人发展的焦点[7]。

3 市场竞争格局分析

3.1 全球区域市场竞争格局分析

图2为全球申请人在3C工业机器人的地域布局地图，中国、美国、日本、和韩国申请人在全球分别申请了2031件、606件、341件、298件、186件。来自中国、美国、欧洲和韩国的专利申请人占比全球申请人的比例分别为48.74%、19.04%、8.70%、6.93%，由此可以看出，中国不仅成为全球3C应用产业工业机器人的最大市场，也是该领域最大的技术来源国。

图2 全球专利地域分布图

3.2 创新主体市场竞争格局分析

如图3、4所示，全球前十位申请人主要为美、日、韩企业，其中工业机器人国际巨头们在3C应用产业工业机器人占有明显的技术优势，中国申请人仅华南理工大学排名前列。ABB集团、美国IROBOT和日本发那科分列前三位，专利申请总量超过百件。国内在该领域近十年的专利申请量位居全球首位，但是专利申请人的全球排名靠后，一方面因为国内申请人进入该领域的时间较晚，中国在该领域的一流创新主体与国际水平仍有较大差距，技术累积仍显单薄；另一方面，由于中国成为全球工业机器人的最大市场，国际巨头纷纷在中国设立子公司或分支机构，进行本土化经营策略，这部分国外主体在国内的专利申请也划入国内的专利申请量之中。此外，3C应用产业工业机器人技术国内前十位申请人中仅有一位非科研院校，从侧面反映了国内生产的3C应用产业工业机器人技术的市场应用水平仍不高，总体仍然处于科研院所和高校的基础研究阶段。

图3 3C应用产业工业机器人技术全球前十位申请人

图4 3C应用产业工业机器人技术国内前十位申请人

4 3C应用产业工业机器人领域专利合作分析

合著率和合著度（也称合作指数）是科学计量学领域常用的表征科学合作程度的指标。合著率是指合著论文数占全部论文数的百分比，一般用DC表示；而合著度是指论文的篇均作者数，一般用CI表示。合著率与合著度的计算公式分别如下[8]：

式中：f1为独著论文数量，j为单篇论文的作者数量，k为单篇论文作者数量的最大值，fj为作者数为j的论文数，N为论文总数。

针对论文和专利的相似和相通之处，温芳芳等[8]将上述针对学术论文的计量指标引入专利计量领域，提出专利合作率和合作度两个指标：

发明人合作率=两个及以上发明人共同发明的专利数量/专利总数

发明人合作度=发明人总数/专利总数

专利合作率=两个及以上专利权人共同申请的专利数量/专利总数

专利权人合作度=专利权人总数/专利总数

如图5和表1所示，总体来看，3C应用产业工业机器人领域的专利权人合作度/率较低而发明人合作度/率较高，表明3C应用产业工业机器人领域国内专利申请人多数为独立申请，发明人的合作较多，但可能也多限于单位内部的合作。广东省的专利总数量排名第一，专利权人合作率也最高，表明广东省在该领域的专利权人合作较多，也说明了广东省在该领域的协同创新程度较高。从发明人合作度/率方面分析，湖北、北京、上海、安徽高于平均水平，说明这些地区在该领域平均每件专利投入的人力资源数量较多。总体来看，3C应用产业工业机器人领域专利合作意识较强，不足之处是合作范围有局限，跨区域的合作有待加强。

图5 国内申请量前十位省市专利合作率与合作度对比

表1 国内申请量前十位省市专利合作率与合作度对比

5 技术热点及发展方向分析

5.1 3C应用产业工业机器人领域专利申请的聚类分析

图6 全球3C应用产业的工业机器人分支技术发展趋势图

对检索得到的4690篇文献摘要进行文本聚类分析发现，全球申请人的申请技术热点集中在机械臂、传送、搬运和焊接等技术上，而目前国内3C应用产业对工业机器人的需求主要为加工制造环节的上下料操作、产品测试的上下料操作、装配、外观检测和功能检测、传送设备等方面，这说明国内3C应用产业工业机器人的专利申请热点是针对实际的生产场景进行技术改进。典型的专利申请有：一种基于工业机器人的笔记本外壳抛光工装设备，申请号CN201710178915.5、手机HOME键自动装配系统及装配方法，申请号CN201611207511.6、3C电子芯片封装自动连续注塑成型系统，申请号CN201610769532.0等等。

表2 全球3C应用产业的工业机器人文本聚类分析高频词统计

5.2 3C应用产业工业机器人领域专利IPC技术类别

国际专利分类号（IPC）是我国目前采用的专利分类系统，也是世界通用的专利分类系统。如图6所示，对3C应用产业工业机器人领域按照分类号和时间进行二维统计，得到IPC分类号随着时间推移的变化趋势，直观反映出3C应用产业工业机器人领域的技术发展方向和技术热点。从图6中可以看出，早期专利申请集中在B25J9/16（程序控制），近几年G05D1/02（二维的位置或航道控制）、B25J13/00、B25J11/00、B25J9/00（均为机械手相关IPC号）等技术类别的专利申请量也迅速增加，说明该领域的技术热点从程序控制技术逐渐向实施具体操作如抓取、堆垛等动作的机械手进行演进。