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1、全球產業用機器人專利分析概論機構傳動技術專利(上)台灣機器人產業發展協會 王孝裕前篇文章已針對控制器之專利進行分析探討，然而除了控制器之外，機構傳動也是產業機器人重要的關鍵技術之一，本篇文章以產業機器人機構傳動技術之專利為分析標的，透過技術趨勢、專利圖、技術功效圖之分析，提供國內廠商在研發產業用機器人機構傳動技術時之參考方向。 一、產業用機器人機構傳動方式產業用機器人機構驅動方式主要分為直接驅動和間接驅動兩種。直接驅動方式是驅動器的輸出軸和機器人手臂的關節軸直接相連；間接驅動方式則是把驅動器的動力通過減速器的鋼繩、履帶及平行連桿機構等傳遞給關節。遠距離驅動方式是間接驅動方式的一種。1. 直接驅
2、動方式：直接驅動方式的優點是驅動器和關節之間的機械系統較少，因而能夠減少摩擦等非線性因素的影響，控制性能比較好。然而，為了直接驅動手臂的關節，驅動器的輸出轉矩必須很大。此外，由於不能忽略動力學對手臂運動的影響，因此控制系統還必須考慮到手臂的動力學問題。高輸出轉矩的驅動式及油缸式液壓裝置，另外還有力矩電機(直驅馬達)等，其中液壓式裝置在結構和摩擦等方面的非線性因素很強，所以很難實現出直接驅動的優點。因此，在20世紀80年代所開發的力矩電機，採用了非線性主要因素的軸承機械系統，得到了優良的逆向驅動能力(以關節一側帶動驅動器的輸出軸)。圖1中顯示了使用力矩電機的直接驅動方式的關節機構實例。使用這樣的
3、直接驅動方式的機器人，通常稱為DD(Direct Drive)機器人。圖1直接驅動方式舉例2. 間接驅動方式：間接驅動方式中包含帶減速器的電機驅動、遠距離驅動等幾種。遠距離驅動將驅動器與關節分離，目的在於減少關節的體積、減輕他的重量。一般來說，驅動器的輸出力矩都遠遠小於驅動關節所需要的力，因此需要透過過減速機來增大驅動力。遠距離驅動的優點在於能夠將多自由度機器人關節驅動所必須的多個驅動器設置在合適的場所。一般來說，機器人手臂都採用懸臂樑結構，遠距離驅動是減輕位於手臂根部關節的驅動器負載的一種措施。二、產業用機器人機構傳動專利檢背景初步利用產業用機器人機構傳動主要的關鍵零組件作為關鍵字，利用US
4、PTO與Delphion專利資料庫交互檢索，依此條件進行檢索範圍擴大，選定由表1之檢索語法透過Patent Guider進行檢索，得到產業用機器人機構傳動技術之美國公告專利共計527件，此527件初步判斷皆符合檢索標的，根據此527筆資料進行機構傳動技術專利圖表。表1 檢索背景條件設定搜尋公司不限搜尋地區美國搜尋年份1976-2009搜尋欄位專利名稱(Title)、專利摘要 (Abstract)、專利範圍 (Claims)、習知技術與發明概要(SPEC)、美國專利分類號(UPC) 搜尋語言英文技術分類B25J/G05B資料庫名稱 USPTO專利資料庫（主）Delphion專利資料庫（輔）關鍵字
5、 Motor, reducer, mechanism, join, gear, Ball Screw, wrist, Robot, end effector, bearing, arm檢索語法 ttl/(robot$ and (motor$ or reduction gear$ or ball screw$ or wrist$ or cyclo gear or wave generator gear or reducer$ or gear$ or actuator or mechanism or join or gripper or end effector or trans$ or bear
6、ing or arm) andnot ttl/(control$ or programming$ or method$ or mobil$)三、產業用機器人機構傳動專利分析（一）管理圖分析所謂專利管理圖表即是初步專利書目資料的圖表陳列，其目的是能夠將所檢索出的專利作一簡單呈現，並提供爾後技術分析的初步參考。雖然管理圖表無法提供深一層的技術特徵內容，但是對於技術掌握與分佈可提供某種程度的了解。一般而言，管理圖表分析包括專利件數分析、生命週期曲線分析、競爭國家分析、競爭公司分析、發明人分析、國際專利分類（IPC）分析、與美國專利分類（UPC）分析等，將於以下各節分別討論。1. 專利件數歷年趨勢分析
7、圖2為機構驅動技術歷年專利件數分佈，其中橫軸為申請日與公告日之時間軸，縱軸為專利件數。圖中藍色線代表以專利申請日分析，藉由申請日作分析，可以瞭解技術的萌芽時間；暗紅色線代表以專利公開日作分析，藉由公開日作分析可以得知最新的發展現況。圖2機構傳動技術歷年專利件數分佈由圖2可知產業機器人機構傳動技術專利申請件數在1980年代開始步入成長，而在1987年達到最高點，總申請件數共38件，自此之後便開始遞減，而在1997-2003期間每年平均會有20件左右的專利申請量，代表此期間各國在機構傳動領域上陸續穩定的投入開發，從2004年後專利申請件數銳減，造成此現象有可能是此技術已經遇到瓶頸或是進入技術成熟期
8、，有待下一波的技術創新。2.國家研發力分析表本計劃所研究之專利檢索結果中，527件專利主要分布於5個國家(共佔487件)，其擁有專利件數及佔比如表2所示。其中以美國擁有310件專利為最高，佔所有產業機器人機構傳動技術專利的64%。日本則以123件專利位居第二，約佔26%。德國、瑞典及法國分別位居第三、四及第五。由此可知，美國在機構傳動領域之技術的獨占性較高。表2各國專利數、專利權人數及專利權平均專利數所屬國(縮寫)所屬國(中文)專利件數(比例)專利權人數平均專利數US美國310(64%)182(68%)1.7JP日本123(26%)57(21%)2.2DE德國26(5%)12(5%)2.2SE
9、瑞典16(3%)6(2%)2.7FR法國12(2%)10(4%)1.2在所有產業機器人機構傳動領域技術專利的國家中，美國專利件數產出占絕大部分。承上表，若再以各國專利權人數及佔比來看，此技術領域的267個專利權人中，美國的專利權人數高達182位，佔全部專利權人數68%，遠高於其他國家甚多，可見美國投入研究此項技術的公司或研究單位佔有絕對多數，其在專利研發及部署上較具有相對優勢。以各專利權人生產力之觀點來看，美國平均一位專利權人產出1.7件專利，日本平均一位產出2.2件專利，德國則為平均一位產出2.2件專利，瑞典平均一位產出2.7件，法國為平均一位產出1.2件。3. 專利權人（公司）申請件數分析
10、由圖3的專利件數核准申請數量觀察，Fanuc的專利件數為31件，第二名為Storage Technology總申請件數為18件，接續的ABB及Westinghouse Electric及Yaskawa的核准件數均為10件以上，根據本研究所檢索之結果，在機構傳動領域中，比較沒有像控制領域所形成的技術集中現象，換言之，在機構傳動領域比較沒有技術獨占的現象。 圖3 專利權人申請件數(1979-2009)透過進一步的分析，以分野年2000年為區隔了解各專利權人申請狀況，從表3觀察中，2000年前，Fanuc為第一名，而且專利數量領先第二名達50%，然而在2000年之後，ABB和Storage Tech
11、nology躍升為第一名，KUKA的排名也大幅度的提升到第三名，Fanuc則是退居到第五名，而根據產業現況之瞭解，也可以觀察出Fanuc將重心移往開發控制技術，而ABB則是穩定的在機構傳動領域發展，不過在本案的分析結果當中，意外的發現產業機器人的主要傳動關鍵零件-減速機的製造大廠Harmonic Driver卻沒有在分析的結果中出現，可能是因為本案之檢索條件所設定的關鍵字並沒有落入到該公司申請專利名稱的範圍內，亦即該公司申請專利之名稱很少採用直接用語Robot的字眼。表3專利權人申請排行分野年：2000分野年之前分野年之後排名申請權人專利件數排名申請權人專利件數1Fanuc Ltd261ABB
12、 AB82Westinghouse Electric 141Storage Technology 83Storage Technology 103KUKA Roboter GmbH64Yasakawa103Applied Materials, Inc.65ABB AB85Fanuc Ltd56Cincinnati Milacron Inc.75Teijin Seiki Co., Ltd.57General Motors 67Daihen Corporation48Ford Motor Company67Honda 49Mitsubishi 67Intuitive Surgical, Inc.4
13、10Robert Bosch GmbH57Kensington 410Hitachi, Ltd.510Kobe 510EOA Systems, Inc.54. 專利權人（公司）研發強度分析設定研發能力加權參數，計算技術競爭公司之相對研發能力值，可觀察各競爭公司研發能力之強弱。表4為產業用機器人機構傳動技術競爭公司相對研發能力值比較表，表中相對研發能力值是沿用專利分析軟體“Patent Guider”預設之加權參數（專利件數加權參數為1.2、被引證分析加權參數為1.4、自我引證分析加權參數為0.9）來做計算。產業用機器人機構傳動技術相對研發能力值最高第一名為日本的Fanuc相對研發能力值為100
14、%，同時日本的123篇專利中有31篇來自於此公司佔專利總數之25.2%，為投入產業用機器人之機構傳動專利技術研發最活躍的公司，Fanuc對該項技術研發共計有17個活動年期，投入之發明人高達38 位，也是投入研發團隊最多的公司。其次為西屋電器，其相對研發能力值為58%，兩者間之差距將近2倍，可見目前Fanuc在產業用機器人機構傳動技術專利佈局之領先地位。表4專利權人(公司)研發強度分析表申請權人專利件數他人引證次數自我引證次數發明人數所屬國數平均專利年齡活動年期相對研發能力Fanuc Ltd311973821817100%Westinghouse Electric158332123958%Yasakawa1019119118852%Applied Materials Inc.1031921111748%ABB AB1672182121247%Storage Technology Corporation1816191131047%Kensington Laboratories, Inc.72742112345%Hitachi, Ltd.58011122527%Genmark Automation58211113427%
