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工业机器人已成为衡量国家制造水平和科技水平的重要标志

2016-09-13


  工业机器人作为现代工业发展的重要基础,已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。近年来,全球主要经济体如美国、日本、欧盟纷纷加快推进工业机器人发展和应用步伐,以期在新一轮工业革命中占据制高点,保持或重获制造业竞争优势。

  专利是技术创新的载体,在当今知识经济时代,亦是一种战略性资源,在国际市场竞争中起着重要的作用。专利计量分析是采用数学、统计学研究方法,对来自专利文献中大量的、零散的专利信息进行提取、整理、加工及组合,并且对其中有价值的情报信息进行定性描述和定量分析,以揭示隐含在其中的技术发展现状和技术发展趋势。2016年3月,由中国科学院沈阳自动化研究所、中国科学院文献情报中心、工业和信息化部电子科学技术情报研究所联合承担的工业和信息化部知识产权推进计划项目—“工业机器人专利态势分析与风险应对策略研究”顺利通过验收。该项目对工业机器人关键技术、重点应用领域、主要竞争区域的技术研发现状、技术布局开展了全面、深入的剖析,项目成果旨在为政府主管部门把握工业机器人产业发展现状提供科学依据,为进行工业机器人产业的前瞻性布局提供有效支撑,为制定我国工业机器人发展战略规划提供重要的决策依据。同时,也将为我国工业机器人生产和制造企业全面、客观地了解工业机器人研发和竞争态势、瞄准市场定位、提升自主创新能力提供重要的参考依据。
本文对项目报告中的核心内容进行重点解读。
全球概况

截至2015年11月,工业机器人领域全球专利申请量已超过8万项。从全球专利申请趋势来看,工业机器人相关技术的研发、应用经历了20世纪50~70年代的萌芽期、70~90年代的初步发展期,如今已处于蓬勃发展阶段。工业机器人专利申请虽伴有阶段性回落,但总体呈现逐步上扬的态势。

从专利申请(技术来源)、受理(技术流向)区域分布情况看,中国、日本、美国、韩国、德国既是工业机器人技术的研发主体,同时也是全球竞争最激烈的五大市场。以日本安川电机(YASKAWA)、日本发那科(FANUC)、瑞士ABB、德国库卡(KUKA)为代表日企、欧企是工业机器人市场竞争的主角,我国申请人在工业机器人技术研发、产品制造等方面的专利申请量较少,在全球化竞争中处于劣势。

关键技术(传感控制)

传感、控制系统担当机器人的“感觉器官”和“大脑”,是机器人智能水平的关键所在。传感控制技术作为工业机器人的核心关键技术,其发展历程伴随着工业机器人的更新换代:

上世纪50~70年代的机器人属于示教再现的工作方式。机器人具有记忆和存储能力,只能按预编程序重复作业,运动控制指令由示教盒或操作者给定。此阶段专利申请量较少:1954~1973年间专利申请量总计37项。

70 年代后期~90年代,随着视觉、力觉等传感技术的融入,机器人对作业环境、作业对象具有一定程度的感知能力,工业机器人的控制方式通常称为伺服控制。该阶段出现了专利申请量的第一个“马鞍形”曲线。1983年,工业机器人传感控制技术全球专利申请量达353项,为该阶段历史峰值。

90年代至今的机器人,被称为智能机器人,不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力,而且还具有类似人的思维、判断、决策的能力,高度的适应性、自主性是第三代智能机器人的重要标志。2000年以后,工业机器人传感控制技术领域专利申请一直呈持续增长的态势,2015年达历史峰值2030项。可以预测,在未来几十年,传感控制技术专利申请量将继续保持快速增长的趋势。

截至检索日,工业机器人传感控制技术全球专利总量为24485项。其中,日本是专利产出最多的国家,占比约38%,中国、美国次之。世界专利申请(WIPO)和欧洲专利申请(EPO)也占一定比例,这在一定程度上反映出发达国家在工业机器人核心关键技术上的全球化布局程度较高。

由专利主题聚类图可以看出,工业机器人传感控制技术的研发重点包括:
1)综合类:传感、测量、控制方法(sensor、detect、controlmethod)、及计算机编程(computer program)、人机交互(userinterface)
2)控制硬件:伺服电机(servo motor);视觉传感器装置(camera、image information sensor)
3) 控制软件:数据生成、接收、存储(signal generate、receive、store);数据通信(commuNIcation network);移动机器人控制如导航(guide)、路径规划(motionguide、pathplan)、地图建立(mapplan)。

主题聚类图也反映了工业机器人的重点应用领域,具体包括:
1)综合类:自动化生产线(automatic production line)
2)焊接领域:焊炬(weldtorch);焊条、电极等(electrode)。
3)搬运领域:半导体器件如晶圆、液晶面板的运输、搬运(semiconductor transfer、substrate transfer)
4)装配领域:印刷电路板(circuitboard)中电子元器件的安装
5)加工领域:金属加工(metalcast)、合金线材制造(alloywiremanufacture)
近5年,以自动化生产线为主题的专利聚类愈加密集,反映出工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流。
梳理传感控制技术发展脉络如下:

控制技术的演进历程:在机械结构层面,上世纪90年代前经历了单机械臂、腕关节、多臂控制等阶段。随着人工智能技术的不断进步,研发热点逐步向移动机器人、多机器人系统控制过渡。传感技术的演进历程:早期专利主要围绕视觉、力觉等基本感知能力;随着工业自动化程度的不断提升,涌现出各种类型、各种用途的高端传感器。近年来,传感控制技术研发较多地集中在通信、协同作业等方向。

总体来看,日本、美国、德国在传感控制技术领域部署了相当数量的核心专利,对关键技术的掌握占据绝对优势,为竞争对手留下的发展空间有限。

重点产品(焊接、装配)

截至检索日,全球范围内焊接机器人专利申请共计15991项,装配机器人专利申请共计32584项。从专利申请的地域分布情况看,日本是焊接机器人专利产出最多的国家,中国是装配机器人专利产出最多的国家。

日本在机械手、焊接、控制等技术方向的专利申请具有明显优势;中国的专利申请多集中于金属加工领域;美国、德国在工业机器人多个技术分支上都有一定数量的专利申请,技术布局更加全面、均衡。相比其他国家,美国、德国的工业机器人(包括焊接、装配等)技术更先进,功能更全面,性能更可靠,精确度、适应性也很强。

根据特定技术类别专利申请量占比,可以发现当前技术创新的热点。焊接机器人领域,焊接相关技术的研发热点包括:
1)焊接工艺

焊接工艺相关专利申请量最多的技术方向包括:弧焊(电弧焊接,占比38.48%)、点焊(电阻点焊,占比17.17%)、能量束焊接,如激光束焊接(占比 12.72%)、火焰焊接(占比2.08%)、等离子焊接(占比1.55%)。钎焊技术专利申请量次于熔焊,占比为4.88%;压焊技术专利量最少,占比仅1.55%。
弧焊是目前机器人自动化焊接中最受关注的方向。主要有以下优点:①机械手受控运动方式是连续轨迹控制型,因此运动轨迹的重复精度、焊枪的姿态、焊接参数都有更精确的控制;②弧焊机器人具有可靠的引弧和收弧功能,能够实时检测出焊缝偏差,并调整焊接路径和焊接参数,保证焊接质量的可靠性。弧焊过程中的焊缝跟踪技术专利申请量最多,经过多年的探索和研究,加之智能传感器(电弧传感器和光学传感器)的引入,以及近代专家系统、神经网络技术的进步,焊缝跟踪进入了智能控制的新时代。
2)焊接附属设备

除了焊接机器人本体外,许多外围辅助设备如控制柜、焊接电源、送丝机构、变位机、夹具等是焊接过程高效率、高质量实施的重要保障。尤其是焊接电源,能直接影响焊接机器人的使用性能。近年来,一些特殊功能的焊接电源,如适合铝及其铝合金TIG焊的方波交流电源、带有专家系统的焊接电源等逐渐受到关注。

装配机器人领域专利技术集中于机械手,研发热点包括:
1)程序控制机械手

程序控制机械手相关技术的专利申请约占装配机器人机械手相关专利申请量的一半(占比46.94%)。其中,以元件定位装置为特征的(1313项)、以部件结构为特征的(656项)机械手专利申请量较多。此外,还包括以机械臂的坐标特性来描述的机械手,如直角坐标型(426项)、柱面坐标或极坐标型(228 项)、多铰接爪臂或多关节型(667项)。

机械手的驱动方式有液压式、气动式、电动式等。液压驱动精度比较差,而且存在漏油风险,多数工作环境不适用;气动手爪相对来说比较简单,价格便宜,因而在一些要求不太高的场合用的比较多;电动手爪造价比较高,主要用在一些特殊场合。从专利申请量来看,电动机械手比较受欢迎。
2)机械手的控制装置

装配机器人机械手相关专利申请中,机械手的控制装置专利申请量占比为 23.75%,仅次于程序控制机械手。具体包括读出装置(观察或触摸装置)1677项、手柄控制装置94项、控制台(如仪表板、开关板)79项、脚操纵的控制装置7项等。目前,全球各国家/地区正在加大装配领域工业机器人的研发力度,其中控制技术主要向智能化、多智能体协调控制方向发展。具体包括:开放式、模块化控制系统;多智能体(multi-agent)协调控制技术。
3)机械手周边设备

机器手进行装配作业时,附件或周边设备如零件供给装置和工件搬运装置也至为重要。通常包括零件供给器、台架、输送装置、安全栏等设备。截至检索日,装配机器人夹头、接头、爪臂、附件及安全装置等技术分支的申请量总计5830项,占比高达45.5%。

在专利申请人层面,焊接机器人、装配机器人领域的专利申请以汽车、电子行业颇具实力的全球化企业为主导,近70%来自日本。

中国专利

截至检索日,工业机器人中国专利申请总量达30060项。除本国申请外,日本、美国、德国、韩国都把中国视为最重要的工业机器人市场,并开展相关技术布局。

工业机器人专利申请集中在机械手、焊接、搬运/贮存、电技术、控制技术、传感/测量、数据处理七大技术领域。七个技术领域全球专利申请量达77664项,占全球总量的88%。中国在这七大技术领域的专利申请量为22933项,占全球总量的30%。

全球范围内机械手、电技术、控制技术领域的专利申请量都超过了1万项,分别为31507项、10367项、10156项,国外在这三个领域的技术创新方面积累了较为丰富的经验,发展相对成熟。我国在机械手、电技术、控制技术三大领域的专利申请量分别为10283项、1968项、2567项,发明点多集中在对机械结构、电气结构的某些小的改进上。

在七个主要技术领域上,中国专利申请量占比最多的是搬运/贮存(B65G,42%);申请量占比偏少的是数据处理(15.2%)与电技术(19%)。

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