水下机器人技术专利信息分析

姜英昌，于正河，段雅静，魏 强

(青岛大学知识产权研究院，青岛266071)

水下机器人是用于水下观察、测量、检修和打捞等水下应用的设备[1]，可以在复杂的海底环境下完成前进、后退、转向、上升、下潜、悬停和侧移等各种动作，且能够对运动过程的速度和位姿进行精确的控制，在其准确完成各种运动的基础上，通过操纵搭载的摄像机、照明系统、声纳、各类传感器等检测设备对海底设施进行检测和维护，并对得到的数据进行分析处理，通过分析得到海底设施的运行状况。水下机器人的整个运行过程涉及水下航行器的准确定位、水下检测、设备搭载、水下通讯、运动控制等技术领域的集成。随着国家海洋强国战略的逐步推进，水下机器人技术作为人类探索海洋最为重要的手段必将得到空前的重视和发展[2]。从技术及产品成果来看，目前国内对水下机器人的需求较少，且其探测水平、导航定位和制作工艺水平与国外有着较大差距[3]。如美国海军最新研发的水下机器人名为“Ghost swimmers”[4]，日本海上自卫队的“日南号”[5，6]，德国佛罗恩霍夫研究所推出的新型轻便的无缆水下机器人“Fainlise”[7-9]，不仅在控制技术和功能性上都具有一定的领先性，且都体现出了未来水下机器在向着体积更小、兼容性更强、智能化程度更高的方向发展[10-12]。为了掌握当前水下机器人前沿技术的发展态势，方便为中国在水下机器人的研究发展探寻目标和方向，有必要基于其专利技术申请和受理现状来对水下机器人技术现状进行分析。与传统普通文献分析和访谈调查不同，本文通过对水下机器人技术进行专利检索，从水下机器人技术领域在全球范围的专利申请趋势、技术构成、主要申请人、权利人和重点专利等五方面进行分析，旨在为本领域的创新主体、生产企业和技术人员了解行业技术发展情况提供参考，为技术研发方向的选定提供依据。

1 全球专利申请总体趋势分析

1.1 全球专利申请量分析

在incopat数据库中对水下机器人领域进行检索、人工去除噪音后，截至2019年6月20日，本领域共有相关专利3254项，专利申请的时间跨度为1956-2019年共48年(不包含无专利产出年)。第一项专利申请(US4200920A)出现在1956年，由美国海军提出，关于一种水下航行器的人工水下标志，该专利首次涉及水下机器人领域。

图1 揭示了水下机器人的专利申请趋势，其发展历程大致分为以下几个阶段。

(1)萌芽期(1956-1988 年)。水下机器人在最初33年的萌芽期间，专利申请量总计35项，年均申请量约1项。由于此时美国对海洋开发的重视且专利制度发展较为成熟，技术萌芽期的水下机器人领域专利几乎全部掌握在美国海军手中，形成了垄断，主要应用于军工领域。第二家进入水下机器人领域的是日本三菱公司，申请了2项专利，涉及水下机器人的导航和控制技术。

(2)起步期(1989-2002年)。20世纪80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，水下机器人领域相应得到了一定程度上的发展。20世纪80年代末到21世纪初迎来了水下机器人领域专利申请量的第一个马鞍形曲线，美国、日本在1992至1995年间突然加大水下机器人领域的研发投入，加快进军海洋的步伐，导致专利申请量明显增多。总体来看，整个起步期的年均申请量约10件，美国海军仍然是主要申请人，同时日本三菱公司开始加速专利布局，抢占技术高地，大有后来者居上的态势。

在这期间，中国的身影开始出现在水下机器人领域中，最早于1989年由沈阳工业大学和中国科学院沈阳自动化研究所共同申请了两项有关水下钕铁硼永磁电机的发明专利(CN1059807A 和CN1040713A)，用于海洋机器人中作为主驱动电极。接着是1994年北京信息工程学院申请了有关水下机器人热觉传感器系统的专利(CN1119273A)，1995年中科院沈阳自动化所申请了自治式潜水器下水回收系统(CN1132710A)，2001-2002年申请了涉及爬行机构、液压系统、通讯装置和照明系统的共7项专利，2002年浙江大学研发了有关深海机械手的采样器技术并申请了3项专利。

(3)快速发展期(2003年至今)。21世纪，传感器和控制技术迅速发展，水下机器人进入产业化阶段，专利申请量呈井喷趋势，近17年来专利申请量累计3073项，2016年达历史峰值484项，其中，中国作为水下机器人领域的新秀迅速崛起，其专利申请活动拉动全球专利申请量的高速增长，全球专利申请进入新一轮的快速增长期。

水下机器人技术的快速进步与发展，与世界范围内的“传感热”有着密不可分的关系，尤其进入21世纪以来，安装了功能更加先进的视觉、接近觉等传感器后，水下机器人具有更加完善的环境感知、逻辑思维、判断决策和反馈控制能力，因此高度适应性、自主型成为“智能”型机器人的重要标志[13]。

1.2 全球专利地域分布分析

根据检索得到的结果进行的全球地域排名，本文统计了1956年至2019年6月20期间，水下机器人专利申请数量世界排名前10位的国家或地区的总体分布情况及本领域中国专利申请量变化趋势，详见图2、图3。

从图2可以看出，截止2019年6月20日，水下机器人专利申请数量最多的国家(地区)依次是中国(2483项)、美国(306项)、日本(124项)、欧洲(61项)、韩国(60项)、英国(60项)、德国(25项)、澳大利亚(24项)和俄罗斯(17项)。其中，中国在水下机器人领域的专利申请量遥遥领先，占据了世界范围内水下机器人专利申请总量(3254项)的76.31%。

由图3可知，中国水下机器人技术起步于20世纪80年代末，产业起步较晚、基础薄弱，同时中国的专利制度建设也刚刚起步，因此行业发展比较缓慢。进入2000年后专利申请量快速增长，2010年至2019年6月20日的专利申请总量(2204项)占中国申请总量(2483项)的88.76%。近10年中国水下机器人技术专利申请量井喷式爆发，一方面与国家“海洋强国”的国家战略支撑相关，各级政府均对水下机器人的产业发展予以极高的重视，例如国家“863”“973”等高技术发展计划的重点支持，以及天津、辽宁、上海、浙江等10余个省市出台的机器人产业规划，这些举措大大促进了产业的发展与进步；另一方面是地方的产业补助、专利补助政策的出台刺激了国内的该领域专利申请数量，但是现在来看这个阶段申请的专利质量堪忧。

2 技术构成分析

结合IPC分类、文献阅读及对本领域专家的咨询，本文对检索到的水下机器人相关专利基于技术内容进行了技术分类标引，结果如图4所示。

从图4 可以看出，水下机器人的热点研究内容(TOP10)主要集中于:导航(17.21%)、传感器(13.28%)、通讯(13.25%)、检测(13.18%)、智能(10.82%)、推进(10.51%)、运动控制(9.19%)、作业工具(8.73%)、能源(7.19%)和回收(7.01%)。由水下机器人技术分支全球专利申请趋势图(图5)可得，近5年来，导航、传感器、通讯、检测、智能、推进等技术分支依旧是研发的主要方向。其中，传感器技术赋予了水下机器人类人的“视、听、触觉”感官系统，能够时刻感知外界环境的变化，水下机器人依靠各种传感器直接或间接获取水下目标和环境信息，这是水下机器人能够执行探测和作业任务的前提。而通讯技术是水下机器人将信息及时反馈给人类的主要“交流”方式，水下机器人的监测、重新规划、传输数据、回收和多体协调等均需依赖其通讯技术。水下机器人在执行海洋工程检测全过程中都离不开导航技术和检测手段，而导航和检测又都需要依赖先进的传感器技术和通讯技术[14]。智能化是水下机器人应对复杂海洋环境中，完成特殊任务的重要手段，是各国都十分重视和致力研究的技术领域，目前正处于飞速发展的关键阶段。

3 申请人分析

从专利的申请人可以发掘出一个研究领域中取得突破的机构和单位，根据本文的整理，当前水下机器人主要专利申请人所属机构和单位的排名如图6所示。

从全球水下机器人专利申请量前16位申请人排名情况可以看出，中国占据11席，其余为德国的阿特拉斯电子公司，美国海军、洛克希德马丁公司、波音公司以及日本三菱重工业有限公司。值得注意的是，申请数量排名前16位申请人中包括7家来自中国的高校科研院所，其中哈尔滨工程大学、中国科学院沈阳自动化研究所具有明显的数量优势。

由表1可以看出，哈尔滨工程大学、中国科学院沈阳自动化研究所、西北工业大学、浙江大学和德国的阿特拉斯电子公司在近10年持续保持着专利的高产出，在水下机器人技术上一直在创新和改进，并具有很强的竞争实力。

表1 水下机器人专利排名前10位申请人专利申请趋势(2010-2019)

美国海军在近10年的水下机器人专利申请量总和为13项，2013年后间歇进行专利申请，与其拥有的111项专利总量相比可以看出，美国海军在水下机器人技术领域的布局主要在2002年之前的萌芽和起步期，通过早期布局掌握该技术领域的核心基本技术。日本的三菱重工业有限公司和美国的洛克希德马丁公司在近10年陆续有专利产出，说明其一直在水下机器人技术领域中有战略性的研发投入。

值得注意的一个特殊年份是2016年。自2016年开始，中船重工集团进军水下机器人技术领域并连续申请专利。哈尔滨工程大学、浙江大学和天津深之蓝海洋设备科技有限公司以及德国的阿特拉斯电子公司在2016年的专利申请量达到历年峰值。

4 重点专利分析

4.1 筛选重点专利

根据技术构成和结合业内关注的研发方向，本文在水下机器人技术中从导航、检测和传感器三个技术分支中筛选重点专利进行分析，筛选前进行简单同族合并，筛选原则是incopat合享价值度为10以上的专利。共筛选出65篇重点专利，其中涉及导航技术26项，检测技术17项，传感器技术22项。

4.2 各技术分支重点专利

4.2.1 导航技术重点专利 筛选出的导航技术重点专利中，卫星导航、水下声学导航、视觉导航和组合导航是导航技术的主要手段。导航方法中最早出现的是地球物理导航，其采用电磁场传感器，利用电磁场作为导航网格，在水下航行期间检测由其中的磁性和非磁性物体引起的电磁场中的异常。该专利US08368268由美国海军于1994年提出，被引证次数高达92。卫星GPS导航和水下声学导航均由美国海军分别于2002年和2005年提出，被引证次数分别高达28和14。充分显示了美国海军的研发实力和在水下机器人导航技术领域的领先地位。美国的洛克希德马丁公司和德国的阿特拉斯电子公司在水下导航技术领域也占有重要的地位。阿特拉斯电子公司于2008年公开的一种水下航行器的导航方法(US12531834)，文中记载“关于水下运载工具的位置、方位和绝对车速的导航数据是从导航传感器经由包含多普勒计程仪的测量值的导航滤波器传送的测量数据确定的，实现对水下运载工具所采取的路线的高精度跟踪”。洛克希德马丁公司于2012年公开了利用3D 声纳系统和惯性导航系统的水下机构采集系统(US13280490)。

4.2.2 检测技术重点专利 检测技术重点专利中，视觉检查和声纳设备扫描是检测中最常用的两种重要手段，二者的联合检测也最常用。随着超声检测和光谱探测的出现，多种检测手段的联合使用更加广泛，能够适应各种复杂情况的水下结构物检测。同时，传感器在检测中的应用使得检测手段更加丰富，检测结果精度更高。

最早公开目视检测的是1995年的US08481270专利，被引证次数高达20，简单同族专利数量为5，涉及一种用于控制和监测水下打桩机、切断设备和类似工作单元的信号和数据传输装置，记载“该遥控水下航行器设置有观察水下操作所必需的电视摄像机”。可见，电视摄像机是视觉检查最早搭载的设备，也是现在普遍使用的视觉观察设备。2004年的专利US10941451首次公开声纳成像并采用联合检测，该专利被引证次数高达28，简单同族专利数量为2，涉及水下结构物的多相机检查，文中记载“所述摄像机可以包括光学摄像机，声学摄像机或两者。该系统还可以包括绝对定位传感器”。以上两件重点专利开启了视觉检查和声学检测，是这两种重要检测手段关键节点。

超声检测于2007年提出，专利GB0713396公开了使用超声波扫描器检查柔性管线结构；光谱探测于2009年由中国海洋大学提出，专利CN200910118963.0公开了激光拉曼光谱和激光诱导击穿光谱结合的水下光谱探测装置，该联合探测装置体积小、功耗低，可搭载水下潜器用于不同海洋环境的测量，为海洋化学探测提供一种可获得更全面信息的探测手段。

4.2.3 传感器重点专利 传感器的重点专利中，水下机器人搭载的传感器种类共有9种，先后出现顺序为磁传感器、定位传感器、速度和转速传感器、声纳传感器、姿态传感器以及温度、压力和深度传感器，2011年多种传感器广泛应用。

4.3 重点专利分析

综合以上导航、检测和传感器技术分支中的重点专利，在这三个技术分支中同时出现至少两次的专利是水下机器人技术重点专利中的重点，申请号分别为:US08368268、US12531834、KR1020090109013、EP11838504、JP2013536713、 US13280536、 KR1020110110725、 US10941451、 CN201010193618.6、CN201010559 044.X 和CN200910073327.0。

结合水下机器人技术领域的发展历程来看，美国是第一位进军水下机器人技术领域的国家，并不断取得研发成果，多年来一枝独秀，这与美国已掌握的世界领先的计算机和自动化等与机器人相关的技术密不可分。第二位进军水下机器人技术领域的国家是日本，于1980年真正普及工业机器人，随后取得了巨大发展，被称为“机器人王国”。美国和日本最早开始水下机器人的技术研究，且重点专利最多，在早期一直掌握和引领着水下机器人的关键核心技术及发展方向。2010年以后，在一系列国家层面以及地方层面促进政策和产业规划以及高技术发展计划的重点支持下，水下机器人相关研究逐渐升温，相关产业正在迅猛发展，中国本领域专利的数量有了质的飞跃，相应的，重点专利数量也随之提升，从另一个角度来看，中国重点专利占全球重点专利的比例远低于中国专利申请量占全国专利申请量的比例，专利质量的提升是中国专利迫在眉睫的问题。

5 结论

水下机器人的研发主要活跃在海洋导航及其检测、传感器和通讯等分支领域，海洋导航的技术方法一直是导航技术的核心，水下声学导航、卫星导航、视觉导航和组合导航是关键研究目标，现有的技术方案最关注的问题是自动定位导航和提高导航精度。在海洋检测技术构成中，水下目标探测以目视检查、声纳扫描和基于传感器的探测为主；在水下结构物缺陷的检测中主要集中于定位跟踪和环境检测，而在水下结构物的探伤、泄露、裂纹和腐蚀等方向的检测研究不多并有待于加强。中国高校和科研院所应当引领发展并快速取得领先的核心技术成果，这对巩固我国在本领域占据国际领先和强国地位具有战略意义。国内专利申请人应当以专利质量提升为目标，全面加大核心专利技术的研发投入，并确保研发的技术成果得到真正的保护。