基于专利和面向园区的机器人产业技术路线图研究与应用

李梦洋，侯凯洋，翟东升

(北京工业大学经济与管理学院，北京 100124)

0 引言

机器人产业，集现代制造技术、新型材料技术和信息控制技术为一体，代表着一个国家的先进技术研发和高端工业制造的水平，是 《中国制造2025》实现的核心支撑领域。因此，为了规避创新风险，构建合理的机器人产业体系，促进其快速健康的发展，对机器人产业进行科学的战略规划和技术预见具有重要意义。而技术路线图，则是进行技术预见一种最为常用的工具[1-3]。目前国内外学者分别在国家、地区等层面对机器人的产业技术路线图进行了研究，并给出了较为宏观的发展和规划建议[3-7]，但是少有面向产业园区实地发展的机器人产业规划研究，针对不同的园区发展基础和政策支撑，宏观层面的规划难以提出更具有针对性的产业集群发展建议；而且上述技术路线图的构建基本都是基于领域专家的知识和经验，在核心产品和关键技术识别与预测上会受到主观局限性的影响。

本文以珠三角地区SSH高科技园区为案例，在领域专利挖掘基础上，从发展动力、核心产品、关键技术和园区资源保障四个角度，构建适用于园区机器人产业实地发展的技术路线图，并结合园区产业生态和产业技术路线图分析给出发展规划建议，从而实现园区机器人产业结构、配套资源的合理配置，促进科技与经济的有机结合，提升园区机器人产业的发展水平。

1 技术路线图研究与发展现状

技术路线图是以特定需求为出发点，对某一领域技术及其变动因素进行判断，指出未来的技术、产品或服务与未来市场之间的关系，勾勒出有优先顺序和相互关联的一系列技术获取和扩散的图谱，最初是由20世纪80年代美国汽车行业的摩托罗拉公司在其规划技术发展路线时首次提出[8,9]。近年来，众多学者分别在技术路线图的构建方法和分析应用方面开展了大量的探索与实践工作。

技术路线图的构建主要是使用以德尔菲法、情景分析法为代表的定性分析法，在领域中关键技术热点判断、前沿技术机会预测等环节上较为依赖专家的知识经验。随着信息技术迅猛发展，已经有学者将文献计量和专利挖掘等客观的大数据分析方法引入到技术路线图的研究中，从而减少技术路线图制定过程中的主观经验依赖，同时利用客观数据的分析结果为技术路线图的设计提供参考[10-13]。

在实际应用中，技术路线图按开发主体不同通常可以划分为三个层次：国家层面、产业 (行业)层面和企业 (产品)层面[4]。企业技术路线图更为侧重产品或服务的研发管理，国家技术路线图则更侧重于面向未来战略发展的科技规划。而产业技术路线图则介于国家宏观层面和企业微观层面之间，以共性技术为基础可以较为完整得刻画产业链及其发展全貌，从而能为企业提供更为准确的市场发展需求预测，引导市场创新主体间开展合作研发，促使业界共同承担创新成本，指导政府、企业决策。目前，我国中央及各地方政府在光伏、汽车、新能源、生物制药和机器人等产业上均有产业技术路线图的研究和制定工作开展[14-17]。

2 基于专利和面向园区的机器人产业技术路线图设计

当前国内的机器人产业技术路线图多是在国家和地区层面上制定的，在应用于园区产业实地发展上难以给出更具针对性和可操作性的产业规划发展建议。而且这些技术路线图的制定主要依赖于专家的领域知识和经验，可能存在一定的主观局限性。因此，本文在传统技术路线图构建方法中引入专利分析方法，并结合园区的实际发展基础和政策支撑情况设计了如下面向园区的机器人产业技术路线图研究框架，主要包含领域专利数据库构建、园区产业生态分析和园区产业技术路线图制定三大部分内容。

2.1 领域专利数据库构建

专利数据集技术、法律和经济信息为一体，具有连续性和系统性，可以良好的反映出产业发展动态与技术走向，因此本文选用相关领域内的专利作为对园区机器人产业发展态势、核心产品和关键技术进行客观研判的佐证，并以此作为构建技术路线图时进行专利分析的数据基础。同时为了保证专利分析质量，以领域专利查全查准率和专家评估结果为标准，迭代优化检索表达式，最终形成领域专利数据库。

2.2 园区产业生态分析

新兴园区的产业生态结构，以由企业、研发和服务机构依产业链关系在园区内聚集形成的产业集群为主，因此通过对园区的产业生态进行分析，可以明确产业链上下游界限，厘清各环节间经合关系，从而在进行园区技术路线图构建时，使其能够在产业整体上得以把控，便于对园区内的创新主体进行确定并对产业创新演化做出预测。

本文对园区的产业生态分析，是在机器人领域的技术背景资料调研和专家研讨基础上，进一步引入栾博杨提出的产业链专利分析方法[18]。首先，需要构建出机器人产业链，并依此对机器人产业技术进行分解，以各环节关键主题词，制定机器人产业专利检索表达式获取相关专利，构成领域专利数据库；然后，抽取出机器人产业专利的技术主题，并将其与产业链各个环节进行逐一匹配；最终，在产业链主体构建完成以及专利技术主题确定的基础上，通过专利与技术主题对应，以及技术主题与产业链的匹配，完成机器人产业专利在产业链上的分布。利用该分布可以构建出产业链生态图谱，获知园区内产业链结构，同时该分布也为随后技术路线图构建中的核心产品与关键技术分析确定了框架。

2.3 园区产业技术路线图制定

国家和地区层面的产业技术路线图对某个产业的指导意义通常是高屋建瓴的，而当面向产业实地发展时，产业技术路线图在设计上还需进一步具化，进行更为深入的研究和探讨。为了园区技术路线图更具针对性和可操作性，其制定既要结合产业实地发展的基础和特点，又要充分考虑从中央到地方政府对该区块产业集群的政策支持和服务保障。因此，本文从以下几个角度对上述问题进行分析，并由此构建出面向园区的机器人产业技术路线图。

(1)发展动力分析。市场需求是技术和产品研发的主要拉动力，同时产业园区多是在响应国家和地区关于产业发展规划的基础上建立而成，所以针对园区的发展动力分析可以从以下两个方面来进行：一是结合园区实地发展的市场基础进行产业需求分析，二是考虑从中央至地方政府给予园区的针对性政策，分析其对产业发展所产生的推动作用。

(2)核心产品与关键技术分析。目前，在机器人产业技术路线图绘制的过程中，对核心产品和关键技术的识别与预测，大部分都还是依赖于领域专家的主观知识和经验。但随着信息处理技术的迅猛发展，大量的专利文献由此可以成为我们进行技术预见的分析样本。通过大数据文本挖掘方法，利用客观数据的分析结果为产业技术路线图的设计提供参考，从而可以减少技术路线图制定过程中的主观局限性。因此，本文是以2.2节所提出的产业链生态图谱为基础，将其技术主题进一步细化为核心产品和关键技术，通过整合产业链专利分析与领域技术专家研讨结果完成对核心产品和关键技术的分析。

(3)资源保障分析。在国家和地区层面进行的资源保障分析通常都是战略指导意义上的，而在园区层面则要求构建的产业技术路线图更具现实可操作性，因此需要将宏观层面的各项战略支撑规划具化为园区层面可以落实的政策措施和可以实际提供的配套资源。所以，本文主要从保障机器人产业发展的人、财、物等方面对资源保障框架进行梳理，明确资源保障的类型、数量和来源，从而让资源可以得到合理的调配与使用，为技术路线图的顺利实施提供保证。

综上所述，基于专利面向园区的机器人产业技术路线图研究整体框架如图1所示。

3 案例：SSH高科技产业园区机器人产业技术路线图研究与应用

3.1 园区机器人产业生态

通过机器人领域的技术背景资料调研和专家研讨，可将机器人产业按产业链划分为上游、中游和下游 (见图2)。上游生产核心零部件：包括减速器、伺服电机、控制器等；中游是本体生产商，包括工业机器人支柱、底座、机械臂等。下游是系统集成商，包括单项系统集成商、综合系统集成商。

根据所构建的机器人产业链，以incoPat科技创新情报平台为专利数据源，按2.2节所述方法，将机器人产业专利按产业链进行分布。随后，对产业链进行专利申请人分析，可以构建出如图3所示的产业链生态图谱，该图展现了产业链各环节上的全球重点企业、中国重点企业和园区产业集群内企业的分布情况。

图1 研究整体框架

图2 机器人产业链示意图

日本和欧洲是机器人的主要产地，全球机器人产业相关专利主要集中在ABB、发那科 (FANUC)、库卡 (KUKA)和安川电机 (YASKAWA)这四家企业中；产业链各环节上的国内企业和高校也都有较强的技术竞争力，与世界先进水平相比仍存在一定的差距。

目前，SSH园区只在机器人产业链下游具有一定优势，在上游分布的企业相对缺乏，而且行业顶尖企业较少。但SSH园区尚还处在发展阶段，园区内有9大研发机构给产业发展提供了充足的研发动力，同时以孵化创业为特色的产业氛围也为创新人才提供了良好的成长环境，再配合当地政府的扶持政策，完善的软硬件条件构成了SSH园区机器人产业健康发展的生态基础。

3.2 园区机器人产业技术路线图

(1)发展动力分析。根据相关文献调研和现场实地访谈结果，从市场需求拉动和政府政策推动两个方面对SSH园区的机器人产业发展动力可以做出如下分析。在市场需求方面的拉力主要来自两个方面：一是企业人力成本的不断上升、用工短缺现象的日益加剧，企业的生产自动化转型，机器换人的产业革命正在快速发展，拉动了国内甚至全球的机器人市场需求快速增长；二是从SSH园区所处的珠三角地区来看，该地区聚集以汽车、电子、船舶、家用电器等为主的制造产业，高度集中的工业体系和实力雄厚的新兴产业支撑，使其具备了智能装备升级的产业基础，为工业向智能化方向发展，实现产业结构优化调整和工业升级提供了优越的基础条件，给园区机器人产业发展提供了更具地域优势的广阔市场需求空间。

政府对于重点产业的优先发展政策，其产生的推力是SSH园区机器人产业发展的另一主要驱动力。在国家发布的 《机器人产业发展规划 (2016—2020年)》和广东省政府的 《广东省智能制造发展规划 (2015—2025年)》基础上，园区所在地政府又相继出台了 《关于大力发展机器人智能装备产业 打造有全球影响力的先进制造基地实施方案》 《关于加快推动工业机器人智能装备产业发展意见》和 《 “机器换人”专项资金管理办法》等文件，并仍在持续加强政策和资金上扶持力度。

(2)核心产品与关键技术分析。整合产业链专利分析与领域技术专家研讨结果后，对核心产品与关键技术的识别与预测分析结果列于表1中。

(3)资源保障分析。资源保障是技术路线图实现的根基，合理的资源的调配与使用，是产业健康发展的基础。为了满足研发需求与实现产业目标，SSH园区为机器人产业发展所需的人、财、物等方面提供了坚实的保障。在配套服务方面主要提供了人才培养和引进、投融资对接、科技咨询、宣传推广、搭建产业供应链和交流平台搭建等服务。

表1 核心产品与关键技术的识别与预测

政策和资金的保障，则主要从 《中国制造2025》方针的贯彻实施、SSH园区内普惠政策和SSH园区内特定政策与资金保障三个方面着手。

一是联合市相关部门贯彻落实 《中国制造2025》。重点针对电子、机械、食品、纺织、家具、鞋业、化工行业领域自动化水平较低的劳动密集型企业开展 “机器换人”工作；支持工业机器人制造的平台建设，完成共性基础研究和核心产品开发；建立支持机器人产业发展的金融体系，引导金融、创投机构为制造型企业投融资，推动制造型企业上市为企业筹资。

二是在SSH园区内制定支持机器人制造的普惠政策，在原机器换人层次基础上，进一步扩展智能制造系统、软硬件结合。普惠政策拟从园区内财政安排专项资金用以支持机器人产业的生态圈建设、创新型企业培育、创业孵化、创新人才培养引进、关键共性技术攻关等工作。

三是针对SSH园区内企业的特定政策与资金保障。园区将着力推动大型研究平台组建，准备以创新科研机构为核心载体来促进园区高端机器人技术发展。同时，园区在市级政府财政基础上，进一步划拨科技发展专项资金，用于研发平台的基础建设、后勤保障、企业孵化、高企培育、专利申请、技术攻关、人才引进等经费支出。

(4)园区产业技术路线图绘制。综合上面所做分析，可以绘制出SSH园区机器人产业技术路线图如图3所示。

3.3 基于园区产业技术路线图的机器人产业建设与发展规划

面向园区的产业技术路线图集成了地域市场基础、园区产业生态、技术发展动向和政策资金保障等影响产业建设与发展的要素信息。所以，依此可以从产业结构、研发重点、资源配置、政策调整等方面对园区的产业建设和发展进行更为具体的规划。本文通过对所绘的SSH园区机器人产业技术路线图进行深入分析后，提出如下具有针对性的产业建设和发展规划建议，以期能够实现SSH园区机器人产业结构、配套资源的合理配置，促进科技与经济的有机结合，从而提升SSH园区机器人产业的发展水平。

图3 SSH园区机器人产业技术路线图

(1)从产业链层面来看，SSH园区机器人产业初步形成了从核心零部件到系统集成商的完整机器人产业链条，但产业分布却不均衡。园区内大部分企业集中在产业链下游，位于上游核心零部件制造的企业较少，在减速机方面实力薄弱，尤其是伺服电机的生产几乎空白，系统集成企业所用关键零部件严重依靠进口；处于中游的整机装备制造行业的整体实力不强，企业规模普遍较小，产品应用行业分散，没有在本地形成规模效应，无法带动形成完善的配套体系。不完备的产业结构布局致使园区内资源的交换和协同不力。

为了有效整合资源，构建产业生态循环体系，加速产业发展，进一步推动产业集群向更大的规模发展，应在全产业链上进行统筹布局，形成良好的产业发展空间。对于园区内运动控制、编码器、系统集成及应用等具有优势的产业，通过研发创新、专利布局、技术合作等手段巩固集群产业优势；而园区内处于产业链劣势的核心零部件企业，可以通过政策驱动、人才引进、对外合作加以提升；对于处在产业链空白的伺服电机领域，可采用引进、合作的方式进行填补。

(2)从技术产品层面来看，目前园区内主导的技术产品主要有运动控制器、编码器、机器人本体和无人飞行器等。

运动控制器是现代智能装备的核心控制部件，在各个领域均有广泛应用。SSH园区是运动控制器龙头企业的集聚地，其产品综合性能已达到了国际一流水平，填补了国内同行业的多项空白。未来几年，随着国产机器人的快速发展，运动控制器的应用市场将面临较好的发展契机。机床、纺织机械、橡塑机械、印刷机械和包装机械行业现在和将来都会是运动控制器的主要市场，而食品饮料机械、烟草机械、医疗设备和科研设备行业对运动控制器的需求由于和人民生活紧密相关，这些终端消费一直处于稳定增长中，所以这一类机械行业对运动控制器的需求也会稳定增长。因此，在中长期规划中运动控制器及相关技术应作为园区产业的一个研发重点，在保持住其优势地位基础上向数字化、多轴化等方向发展。

编码器是伺服电机的一个重要组成部分，用于控制位置精度，未来几年，工业机器人的高速增长将带来大量对伺服系统的需求，但由于目前伺服电机是园区产业链上的薄弱环节，相关企业的发展重点需要在编码器的基础上进一步扩展，主攻直驱动电机及驱动器，以填补产业链空白。

机器人本体是工业机器人产业链上的关键环节。目前园区内有多家企业从事机器人本体的制造，聚集了众多世界顶尖机器人专家学者，掌握有机器人控制、驱动、视觉等核心技术。目前行业领先的7轴协作机器人技术和6轴工业机器人技术应列为其未来研发重点。

无人机在近年来的发展非常迅速，园区内的无人飞行器制造目前处于行业领先地位。无人机生产成本相对低廉、用途却极为广泛，除了在现代战争中有极其重要的作用外，在民用领域同样也有更有广阔的前景。因此，除了进行新一代无人机的设计研究，还应进一步扩展无人机技术的应用领域。

(3)从资源保障层面来看，目前园区内在产业建设上给予了大量的政策和资金支持，但在人才引进与培养环节相对薄弱，而支撑高科技企业长远发展最重要的就是人才。通过调研，园区内机器人发展最大问题是企业中层骨干型人才短时间难以满足，高层次领军人物寥寥无几。由于SSH机器人产业仍处在发展期，企业规模普遍偏小，规模以上企业不到20家，创新能力和市场占有能力较弱，不能产生较大的带动效应，因此需要政府出台相关政策来帮助企业吸引和留住优秀人才，为企业发展提供强有力的人才支撑和智力支持。

4 结论

通过制定面向园区的产业技术路线图，可以明确未来园区产业发展所要研发的重点，找到产业发展不同时间段里所要攻克的关键技术，从而能有效组织起产业中各成员共同优先发展关键技术，避免开展重复研究和浪费园区资源，在整体上提升园区产业的持续创新能力和竞争力。同时，利用该产业技术路线图可以将企业、大学、研究机构、政府这些利益相关者组织到一起，并协调好他们在技术研发中的分工和各自所能发挥的作用，使其构成一个完整的产业创新链，形成一个长期稳定的创新联盟。另外，面向园区的产业技术路线图还可以帮助政府对未来市场的供给进行评估，判断未来国家安全和经济利益的需求能否得到满足，从而能够采取措施在园区内支持或鼓励某些关键技术的研发。