可穿戴智能设备领域专利分析

徐　丹　中国信息通信研究院技术与标准研究所知识产权中心工程师李文宇　中国信息通信研究院技术与标准研究所知识产权中心主任张俊霞　中国信息通信研究院技术与标准研究所知识产权中心副主任



可穿戴智能设备领域专利分析

徐丹中国信息通信研究院技术与标准研究所知识产权中心工程师
李文宇中国信息通信研究院技术与标准研究所知识产权中心主任
张俊霞中国信息通信研究院技术与标准研究所知识产权中心副主任

摘要全球可穿戴行业蓬勃发展，可穿戴领域成为研发热点，相关专利布局早已展开。本文对全球可穿戴设备领域的专利申请进行了针对性的检索，并从重点产品、核心技术、主要申请人等角度进行了全方位的深入分析，也展示了部分重点专利，可为国内相关企业的技术研发和市场布局提供借鉴。

关键词可穿戴专利分析

1　引言

可穿戴设备指可直接穿在身上，或是整合到用户的衣服或配件里的一种便携式设备，它集成了人机交互、传感器、无线通信等技术，通过应用软件支持、数据交互等可以实现强大的功能。可穿戴设备的功能覆盖了医疗健康、户外运动、影音娱乐、信息提醒、定位导航等众多领域，目前可穿戴设备产品包括智能眼镜、智能手表、智能耳机、智能手环、交互式衣服等。在可穿戴行业发展的初期，概念十分火爆但商业化普及程度较低。近两年，全球可穿戴行业进入快速发展时期，设备厂商专注于技术领域的深入研发，挖掘可穿戴产品新的功能和亮点，开始走向了专业化的道路，整个市场潜力巨大。

2　国内外可穿戴技术专利情况

2.1可穿戴全球专利分布概况

全球可穿戴专利申请始于2001年前后，到2010年十年间一直保持每年有两百件左右的量，从2011年以后进入快速增长期，2011—2014年间申请的专利数量达到全球累计申请总量的50%（见图1）。

图1　全球可穿戴专利年度申请量历年变化情况

美国和中国是主要的专利申请受理国，是各国厂商申请其可穿戴专利保护的重点区域，分别约占全球相关专利总受理量的46%和31%（见图2）。

Google、Samsung、Qualcomm、Microsoft、Apple、LG、Intel专利申请总量进入前10。

2.2可穿戴在华专利分布概况

相比全球，我国的可穿戴专利申请起步较晚，2012年以前都只有每年十几件的申请量，直到2013年，随着全球可穿戴专利申请进入快速增长期，我国的专利数量也产生了爆发性增长（见图3）。

在排名前15的申请人中，除了Samsung、Google、Apple、Microsoft、Sony之外，其余的10家是我国本土的企业，小米、联想、欧珀、百度、歌尔声学等国内厂商也都部署了较多专利。

图2　可穿戴专利在全球主要国家和地区的分布情况

图3　在华/全球可穿戴专利年度申请趋势对比

可穿戴在华专利实用新型和外观设计相比之下占比较高，达到45%，特别是有关智能手表、智能眼镜和运动手环的外观专利占了一定的分量。而发明专利主要集中在人机交互、传感器以及终端互联等技术领域（见图4）。

图4　可穿戴在华专利类型分布

3　可穿戴重点产品专利概况

3.1智能手表

可穿戴智能手表专利申请主要集中出现在2013—2014年之间，呈现出爆发式增长的趋势，占可穿戴设备专利申请总量的43%，其中实用新型和外观设计比发明专利还多，共占到了56%，高于可穿戴设备中实用新型和外观设计的总体占比。智能手表专利持有厂商主要有Sam sung、欧珀、广东小天才等。智能手表在华专利申请技术分布情况如图5所示。

图5　智能手表在华专利申请技术分布情况

（1）人机交互是智能手表的重要突破方向

以智能手表为代表的智能可穿戴设备不仅要求芯片、操作系统需满足小巧和低功耗要求，以满足设备可穿戴性和低功耗；还需支持更加多样化的传感器技术和新型人机交互技术，来感知周边环境和实现多种操作模式。目前，人机交互是智能手表厂商竞争的热点，人机交互技术分支专利申请数量也最多，占到了36%。语音控制、手势控制、微投影、骨传导、柔性显示等新型人机交互技术在可穿戴智能手表中得到了广泛的应用。总体而言，可穿戴人机交互技术能够给予客户新奇的操控体验，直观、简便、自然的人机交互技术是智能手表的重要突破方向。

手势控制技术上专利积累较多，专利申请“识别人体手势的方法、装置以及使用其手表（CN2013107000 95.3）”中提出了一种识别人体手势的方法，通过用户手势产生的肌电信号转换成相应的手势指令来控制手表动作；“一种基于动作识别的智能手表及动作识别方法（CN201410826494.9）”也提出了一种具有动作识别功能的智能手表，核心是通过动作传感器群组采集手势信息，由CPU处理解析出用户的操作手势。专利申请（CN201410451714.4）利用智能手表壳体内的感应传感器监测用户的手势操作，用手势指令通过无线传输模块来控制外围设备。

骨传导技术区别于传统的智能终端交互技术，在可穿戴设备的应用前景十分广阔，许多智能穿戴设备都配备骨传导耳机，干扰性小、自由度高，专利申请“一种自动切换骨传导放音模式的方法、装置及智能手表（CN201510250855.4）”根据人体骨骼压力的大小自适应地切换骨传导放音模式，提升了用户的听觉体验。

柔性显示技术是应用于智能手表或手环等产品中的特有技术，弧形显示屏更加贴合用户的手腕，属于人机交互领域的热点技术，专利申请（CN201310640916.9）设计了一种可拉伸屏幕的智能手表，通过将智能手表的屏幕设置为可拉伸的柔性屏幕，在需要观影或者视频通话时，可手动或自动拉伸屏幕，使柔性屏幕拉伸至合适的大小；专利申请（CN201310437010.7）中解决了柔性电路板天线的装配问题，降低了其他部件对智能手表天线的干扰，并且不易因为外界的碰撞、摩擦而损坏。

（2）传感器专利申请集中在运动监测和医疗健康的应用中

传感器是智能可穿戴设备的核心器件，根据功能可大致分为运动传感器、生物传感器、环境传感器3类。

运动传感器在传统智能终端中已经应用广泛，主要包括加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器、大气压传感器等，主要实现运动探测、导航、人机交互、游戏等功能，智能手表中传感器主要使用运动传感。

专利申请（CN201310481471.4）通过可控感应器件发出的感应信号实现位置追踪功能，能广泛用于位置导航中；专利申请（CN201510121768.9）提出一种体感游戏运行系统，将智能手表用于和体感游戏设备直接互动，将地磁传感器用于检测智能手表的方位、重力感应传感器用于检测运行方向、陀螺仪用于获取智能手表的速度和力度数据；专利申请（CN201510093987.0）提出一种可随手势而自动旋转界面的智能手表，通过设置在智能手表中的传感器，来获取智能手表运动数据变化信息，通过底层驱动和算法处理，输出旋转角度，上层APP根据选择角度进行图形界面的旋转；专利申请（CN201510175444.3）通过距离传感器实时检测智能手表距离人脸的距离，并根据检测到的距离调节语音音量；专利申请（CN201410301395.9）通过重力传感器和陀螺仪检测旋转时生成的旋转信号，仅通过佩戴手表的那只手进行不同的手腕旋转动作，就实现了单手启动应用程序。

生物传感器主要用于医疗健康，借助这些传感器可实现健康预警、病情监控等。而环境传感器包括温度、湿度、气体、气压、紫外线、等传感器，主要用于环境监测、天气预报、健康提醒等。专利申请（CN201510001793.3）将温度传感器用于检测使用者的体表温度，使得智能手表既可以检测环境温度，又可以当做体温计检测体表的温度，使用便捷。

（3）终端互联专利申请有移动支付、智能家居两大主流趋势

目前，大多数智能穿戴设备需要与智能手机互联配合工作，一般使用短距离无线通信技术来进行数据通信和资源共享，例如基于Wi-Fi、低功耗蓝牙、NFC等技术。从专利申请的角度，基于NFC技术来实现智能手表的移动支付、信息交互、身份认证等功能是主流趋势之一，其专利申请量也达到了50多件。

专利申请（CN201410079862.8）提出了基于NFC技术的智能手表及其支付方法，将支付功能嵌入到智能手表中，实现便捷支付；专利申请（CN201510006034.6、CN201510005715.0）提出了智能手表身份识别交互系统以及便携式智能设备身份识别交互系统，都是用无线信号通信模块来进行信息交互；专利申请（CN201510093337.6）提出了一种数据显示交互方法，其中就使用了包含NFC模块的系统来进行数据交互；专利申请（CN201410513793.7）提出了一种交换联系信息的智能手表，通过双方握手动作启动智能手表的近距离通信模块，发送连接请求，完成双方的信息交换。

终端互联技术领域的另一主流趋势就是用于智能家居系统中，在建立了统一的设备间通讯标准的基础上，将各种跨界的家庭电子设备、个人电子设备、智能穿戴设备进行统一控制专利申请（CN201410315218.6）提出一种智能家居系统，通过云服务器将空调、加湿器、空气净化器等家居设备互联，通过智能手表等可穿戴设备来进行控制；专利申请（CN201210461772.6）提出一种应用于智能家居系统中无线通信手表装置，通过NFC通信模块管理实现门锁的开/闭及对智能家居系统中其他产品的控制。

3.2智能眼镜

可穿戴智能眼镜专利申请主要集中出现在2011—2014年之间，呈现出爆发性增长的趋势，其中实用新型和外观设计占比为39%。智能眼镜专利申请主要集中在Samsung、Google、Microsoft等国外行业巨头手中，国内企业主要有小米、青岛歌尔声学、百度等公司。国外公司较早开始申请智能眼镜专利的公司是Samsung，于2006开始出现了具有眼镜保护功能智能眼镜概念的专利，在眼镜上镶嵌有智能电路板；到2009年Apple出现了电子设备与头戴式收发通话器之间交互的实用新型专利；2011年Microsoft也相继出现了有关头戴式显示设备以及处理单元与中枢计算设备通信的装置；直到2012年Google发布了具有智能手机同样功能的智能眼镜，其也开始出现了大量相关的专利申请。智能眼镜在华专利申请技术分布情况如图6所示。

图6　智能眼镜在华专利申请技术分布情况

（1）人机交互是智能眼镜厂商竞争的热点

在人机交互技术领域，智能眼镜与智能手表存在较大的差异，虽然同样也是以传统的语音控制和手势控制为主，但智能眼镜有其特殊性：基于眼镜特性的新兴人机交互技术，例如通过眼球移动位置感应的视线追踪技术、通过瞳孔识别定位的眼睛操控技术，还有基于头部特性的新兴人机交互技术，例如通过脑电波或是意念来达到可脑控的效果。

●传统语音控制和手势控制仍然占有一定地位

通过专利分析发现，传统语音控制和手势控制仍然占有一定地位，专利部署较早，已有近十年的历史。国外企业技术实力较强，在专利申请“用于与投影用户接口交互的方法和系统（CN201180034164.0）”中通过微型投影仪检测、翻译并响应用户输入手势；“使用动作和语音命令来控制信息显示和远程设备的头戴式计算机（CN201280031144.2）”让穿戴者通过语音命令或者手势来控制外围设备、“具有改良的虚拟显示功能的头戴式电脑（CN201380040303.X）”通过身体运动或手势来达到定向输入；“显示设备、用于控制该显示设备的方法、眼镜和用于控制该眼镜的方法（CN201380061383.7）”明确提出将用户语音发送给眼镜中人机交互通信器用于控制；“自然交互的交互真实性增强（CN201180027794.5）”通过用户手势的自动识别调节增强人机交互真实性。

国内企业在语音和手势控制上也有所积累：“人机交互系统、方法及其装置（CN201310552213.0）”通过语音识别技术获取用户的指令实现人机交互智能化、“智能眼镜的控制方法、装置和智能眼镜（CN201310113383.9）”将实现步骤简化为手势获取、指令分析以及指令控制，达到提升用户体验的目的；“一种处理方法、装置及电子设备（CN201210548757.5）”对人的手指运动信息进行捕捉并判断，实现与智能眼镜进行人机交互、“一种信息处理方法及电子设备（CN201410423107.7）”主要针对将手势操作转换为虚拟界面的输入操作这个过程提出改进，解决虚拟输入装置跟随性差的技术问题；“一种人机交互的智能眼镜系统及交互方法（CN201310263439.9）”对人的手指运动信息进行捕捉并判断，实现与智能眼镜的人机交互、“智能眼镜及基于智能眼镜的语音交流系统及方法（CN201310163022.5）”中微处理器MCU接收红外线散射信号并通过双目立体视觉技术获取手指立体图像。

●眼球控制是智能眼镜人机交互的主流趋势之一

近5年来，通过眼球移动位置感应的视线追踪，以及通过瞳孔识别定位的眼睛操控技术也是智能眼镜人机交互的主流趋势之一，谷歌、百度、索尼等公司都在此项技术的发展前沿上。

“视线追踪系统（CN201280022392.0）”通过头戴式视线追踪装置，将用户视线关注的信息上传给网络服务器，然后执行图像识别算法来识别用户观察到的外部场景，达到追踪的目的；“视线检测装置和视线检测方法（CN201410299568.8）”、“头戴式显示器、用于控制头戴式显示器的程序及控制头戴式显示器的方法（CN201380008827.0）”、“头戴型显示器以及头戴型显示器中的图像显示方法（CN201010204191.5）”等一系列专利都是用来检测或者捕捉眼球视线反射的光束方向，来达到输出控制的；“头戴式显示设备（CN201310556394.4）”也包含眼球跟踪单元用来跟踪眼球视线位置，对于视线长时间没有落在的显示屏幕区域，采取暗化处理，通过眼球跟踪技术来自动控制头戴式显示设备的电源，节省用户的交互成本。“头戴式设备的校准方法和头戴式设备（CN201310412265.8）”根据用户眼球位置对显示屏幕进行调整来适应用户的观看；“一种智能眼镜的操作方法及智能眼镜CN201510003524.0）”提出一种智能眼镜操作方法，通过传感器识别眼球运动参数，然后对界面进行对应的操作；“一种视觉注意力驱动的通信连接建立方法（CN201510154726.5）”提出一种视觉注意力驱动的通信连接建立方法，用户可以通过注视某一目标便实现与其建立通信连接。

●脑电波控制专利申请出现较晚部署尚薄弱

从技术角度上说，脑电波控制生物技术早已出现，通过头戴硬件内置的生物传感器便可以监测到用户集中精力时发出的脑电波。而智能眼镜的可脑控还处于简单概念的初级发展阶段，谷歌眼镜最早提出了意念遥控概念，其MindRDR应用软件可将脑电波读取技术与智能眼镜联系在一起，在未来能够帮助残障人士实现与外界交流，还能避免语音指令和手势指令的不便，有着宽广的使用前景。通过专利检索分析发现，这项技术专利申请出现较晚部署尚薄弱，相关专利申请“用于提供内容的方法和显示装置（CN201310298001.4）”其中提到了通过测量用户的脑电波，确定用户注视内容的偏好度，用以方便直观地配置用户显示内容UI。

（2）微型投影仪是智能眼镜中的关键技术

Google和Microsoft最早抢先布局，Google在2012年就申请了一件“用于虚拟输入设备的方法和系统（CN201280044081.4）”的专利，在眼镜中内置微型投影仪，将虚拟键盘的图像投射在用户眼前，用户能够使用虚拟输入设备。同年，Microsoft也申请了相关专利“将头戴式显示连接到外部显示和其他通信网络（CN201210532095.2）”，使用透镜和微型投影仪以及与其通信的控制电路，使音视频在头戴式显示设备（智能眼镜）与电视播放设备之间互相传送分享。2013年，Microsoft又申请了专利“宽视场虚拟图像投影仪（CN201380030964.4）”其中涉及到了包含微型投影仪的眼镜，将虚拟图像投影到佩戴者眼睛前方，主要针对眼镜中微型投影仪只能投影30°的水平视场（窄视场）虚拟图像的问题，能够生成宽视场图像，使得眼镜佩戴者穿过眼镜镜片观看到虚拟图像。

近两年，国内企业也有所积累：相关专利申请“头戴式智能设备和具有该头戴式智能设备的投影系统（CN201410438823.2）”、“头戴式智能设备（CN201420497815.0）”都在智能眼镜上配置了微型投影设备；“一种微投影模组和显示设备（CN201510275269.5）”实现微投影模组的模块化设计与应用。

4　结束语

全球可穿戴行业正在以“软硬件结合+数据服务”的方式发展：设备厂商专注于技术领域深入研发，挖掘可穿戴产品新的功能和亮点，走向专业化的道路；互联网公司纷纷择机切入可穿戴领域，为其数据内容服务寻找新的突破口。我国企业亟待加强自主研发，掌握该领域的核心技术，同时还应深入了解消费者需求，从而确立研发方向，并尽早通过提交专利申请的方式对创新成果进行保护，警惕NPE带来的潜在风险。

参考文献

1陈燕，黄迎燕，方建国.专利信息采集与分析.清华大学出版社. 2006

2逄淑宁，刘思言，朱岩，李文宇.移动智能穿戴设备技术产业发展研究. 2014

收稿日期：（2015-12-23）