全球全自动挤奶机器人领域专利申请地域趋势分析

丁芳，赵慧敏，陈慧君，张海南，李小明，陈烁宇，吕占民，聂迎利，陈兵，刘文娇

（1.中国奶业协会，北京 100193；2.中国农科院农业信息研究所，北京 100081；3.武汉城市职业学院，武汉 430064；4.融通农业发展（成都）有限责任公司，成都 610000；5.北京农业职业学院，北京 100031；6.利拉伐公司，北京 100176；7.农业农村部农机化总站，北京 100122）

为促进民族挤奶装备技术的进步与发展，笔者所在研究团队主要针对挤奶设备的前沿技术——全自动挤奶机器人进行全球范围内的创新专利技术检索，进行专利导航分析，助推民族挤奶装备技术提升，以期可以帮助国内挤奶设备研发机构更好地了解本领域专利发展态势，客观评价国内外挤奶机器人的发展差距，更加明晰挤奶设备未来研发方向。本文重点分析了全自动挤奶机器人领域专利的申请地域。

1 检索对象

本研究目标研究对象为全自动挤奶机器人在国内外发表的专利文献，对全自动挤奶机器人领域国内外技术申请地域进行了重点分析。

本报告检索到的国内外专利数据来自Derwent Innovations Index德温特专利数据库专利检索平台。检索日期为2020年11月24日；检索范围为全部年份。经过检索、标引、清洗等筛选出全自动挤奶机器人领域的专利。

2 专利申请地域分析

2.1 全球国家/ 地区专利申请概况

检索表明，全球全自动挤奶机器人领域专利来自于58个国家和地区，但重点掌握在少数几个国家手中。图1为全自动挤奶机器人领域全球专利的Top10来源国家/地区分布，该数据在一定程度上反映了技术的来源地。从图中可以看出，荷兰和瑞典申请的专利总件数最高，分别为2 476件、2 191件，其次是美国1 479件、德国1 219件、俄罗斯899件。专利申请数量（以“项”为单位）最多的来源国家/地区，前5名依次是：俄罗斯（包含前苏联）838项、美国745项、瑞典715项、荷兰544项、英国452项。Top10国家/地区的专利申请总量为4 309项，占全部专利项数的83.78%，共9 895件，占全部专利件数的85.26%。瑞典、荷兰、美国、德国在全自动挤奶机器人领域具有领先及核心地位，俄罗斯与英国实力也较强。

从图1可以看出，中国专利申请数量（项数和件数）占第七位，专利数量为335件、287项，在全球专利总项数中占比5.58%，总件数中占比为2.90%。

图1 全自动挤奶机器人领域专利TOP10来源国家/地区对比（单位：项/件）

有研究表明，在与农业机器人相关的SCI论文的汇总分析结果中，各国的热点研究主题主要集中在作业场景与关键技术，分布较为不平均。其中美国、澳大利亚、荷兰和英国等关注挤奶机器人，而中国比较关注的是收获和采摘机器人的研究。由此看出各国农业机器人的相关研究很大程度上都受到本国农业国情的影响[1]。这与全自动挤奶机器人的专利检索结果比较相似，但又不尽相同，相比较荷兰和瑞典而言，美国、澳大利亚可能关注其他类型的挤奶机器人更多一些，例如非全自动型、针对单一环节的自动化挤奶设备等。

人们欲使其一项新发明技术获得多国专利保护，就必须将其发明创造向多个国家申请专利，由此产生了一组内容相同或基本相同的文件出版物，称一个专利家族。本报告涉及的专利家族均来自德温特世界专利索引中的Derwent专利家族，指一件专利后续衍生的所有不同的专利申请，即同一技术创造后续所衍生的其他发明，加上相关专利在其他国家所申请的专利组合。一条记录代表一项专利家族。专利家族的平均件数是由机构或国家申请的专利总件数除以总项数得出，其反映了该国申请的专利的技术重要性和布局成熟程度。图1中显示，荷兰的专利家族平均件数最高，为4.55，其次是德国（3.14）、瑞典（3.06）、美国（1.99）、新西兰（1.74）。中国的专利家族平均件数仅为1.17，是前十国家中最小的。荷兰的主要专利权人有LELY GROUP、PROLION BV和MAASLAND N.V. MAASSLUIS NL。瑞典的主要专利权人为DELAVAL。德国的主要专利权人是GEA AG。美国的主要专利权人是TECHNOLOGIES HOLDINGS CORP。新西兰的主要专利权人有DELAVAL、MILLS GEOFFREYS。

表1为全自动挤奶机器人领域专利Top10来源国家/地区概况。由表1可见，根据近三年记录比率（项）可知，中国在2018-2020这三年中专利申请数量激增，尽管基数相对Top4来说有较大差距，但是增量却超过了其他国家。说明我国近些年由于奶业的发展、市场的需求、国家政策的扶持，已经快步走在全自动挤奶机器人技术追赶的道路上了。荷兰、瑞典、美国、德国技术4强国中，仅有瑞典近三年有相对较高的申请增长，说明以利拉伐为主要申请主体的瑞典一直在持续探索、更新全自动挤奶机器人的相关技术。从各国主要申请主体来看，除俄罗斯外，基本都是企业排名在前，科研院校排名在后，这也说明该技术领域专利转化应用的比率可能相对较大。

表1 全自动挤奶机器人领域专利TOP10来源国家/地区概况

2.2 主要国家专利申请趋势

图2为全自动挤奶机器人领域专利Top10国家/地区专利申请随年代变化的情况，其中年份按整个专利家族的最早优先权年进行统计。图中显示，英国、美国、澳大利亚和瑞典在1950年前在该领域进行了一些研究。1950年后，德国、俄罗斯（前苏联）、新西兰等陆续加入其中，尤其是1990年后（如图3所示），各国在该领域申请专利数量逐渐增多，其中荷兰和瑞典专利申请数量增长迅速，直到2002年后进入平稳发展期。荷兰的专利申请高峰是在1994年左右和2001年左右，瑞典是在1997-1999年。美国的专利申请高峰期是在2011年左右，这与美国当时的国家政策引导有着极大的关系，2011年，美国开始推行“先进制造业伙伴计划”，明确提出通过发展工业机器人重振制造业，开发新一代智能机器人。同年在卡耐基梅隆大学启动“国家机器人计划”，其目标是“建立美国在下一代机器人技术及应用方面的领先地位”。与全自动挤奶机技术发展相对应的是这些专利优势国家的奶业高速发展水平。1990年、2000年、2011年德国奶牛存栏分别为635.45万头、462.8万头、419.01万头，单产水平依次为4.93t、6.12t、7.24t；荷兰存栏分别为185.55万头、153.20万头、154.28万头，单产6.05t、7.28t、7.55t；瑞典存栏分别为576.4万头、427.62万头、346.50万头，单产6.09t、7.83t、8.34t；美国存栏分别为999.30万头、919.90万头、919.90万头，单产6.71t、8.25t、9.68t。而我国奶牛平均单产2010年仅为4.75t，全部产奶牛（包括大量的乳肉兼用牛、牦牛在内）存栏为1 210.8万头。根据最新统计数据，我国2020年荷斯坦牛平均单产已达8.3t，我们有理由相信，随着我国奶业的腾飞，我国的全自动挤奶装备发展水平在不远的将来将会迎来一次大的飞跃与发展。在现有的挤奶机械设备中，高容量的转盘式自动挤奶装置AMR兼有传统和自动挤奶的优势，德国和瑞典应用较多，而全自动机器人挤奶系统VMS与导航仪的一体化，在土地利用率、环境保护、动物福利、作业效率以及奶业的可持续发展等方面具有较大的优势[2]。

图2 全自动挤奶机器人领域专利TOP10国家/地区专利申请年度变化情况（单位：件）

图3 全自动挤奶机器人领域专利TOP10国家/地区专利申请年度变化情况（1990年后）（单位：件）

中国专利申请增长期晚于其他国家。自1989年进入萌芽期，在2000年后进入缓慢发展期，直到2011年后才开始进入快速发展期。实际上，在整体服务机器人领域，中国的原创数量是最高的，在2018年之前的专利统计中，中国原创在全部服务机器人专利数量中占比超过了一半，远超美国、韩国、日本、德国、法国、英国等国家和地区，说明我国在服务机器人领域投入了大量的科研力量，但是本研究的数据表明在全自动挤奶机器人领域，我国的原创水平却是远远不如服务机器人的整体水平。

2.3 主要国家/地区专利布局

专利受理国家/地区在一定程度上反映技术最终流入的市场，由图4可以看出欧洲和美国是全球最受重视的技术市场，总专利数量比例分别为15.4%和14.2%，其次是德国、俄罗斯。通过对专利最早优先权国家/地区和受理国家/地区进行对比，可以看出技术来源国和技术流向地不尽相同。

图4 全自动挤奶机器人领域专利来源国家/地区（左）、受理国家/地区（右）对比（单位：件）

借助技术来源国家/地区（最早优先权国家/地区）与技术扩散国家/地区（专利公开国家/地区）之间的关系，可以看出5个专利量领先国家之间的技术流向特点（图5）。结合图4、5可以看出：

图5 全自动挤奶机器人领域主要国家专利技术流向

（1）荷兰申请专利技术数量（件数）最高，是全自动挤奶机器人技术最大输出国家。其次是瑞典。

（2）美国是各国最重视的市场，荷兰、瑞典和德国向美国输出专利占比均较高，分别为10.99%、10.18%和9.68%。其次是德国市场，荷兰向德国输出专利占其自身专利数量的16.16%，瑞典也比较重视德国市场，输出专利占比7.3%。

（3）中国的技术主要在本国申请专利，只在美国进行了少量的布局，占比0.6%。

图6为Top10来源国家/地区在全球的详细专利布局情况。图中纵轴为Top10国家/地区，横轴为专利公开数量排名前15的主要专利家族成员国，气泡大小为Top10国家/地区在各国布局的专利数量（以“件”为单位）。荷兰对专利布局非常重视，有近86.5%的专利都在全球进行申请，其中在欧洲专利局申请专利最多，有888件；其次是德国，有400件。说明欧洲和德国是荷兰最重视的海外市场，其次是美国和英国。此外，瑞典和德国也都非常重视专利的国际布局，分别有84.43%和61.70%的专利是在本国以外申请的。中国大部分专利在本国，有329件，只有6件专利进行了国际申请，分别是在欧洲和美国，均是由TOPPOR HEALTHTEC INC申请的。

图6 全自动挤奶机器人领域专利TOP10国家/地区专利布局情况（单位：件）

Top10中在中国布局专利较多的国家依次为瑞典、德国、荷兰、美国，这些专利布局大国在中国的布局始于1995年，从2004年开始暴发式增长。瑞典专利在中国的布局显然主要是由利拉伐（DELAVAL）主导的。早在1979年利拉伐的设备——RTS管道机已经在中国的深圳光明华侨农场出现，并由此建立起新中国第一个奶厅（运行至今），为当时长期停滞不前的中国奶业引进和输送了先进技术，堪称中国奶业史上的里程碑事件。此后直到1996年，利拉伐在广州正式成立公司，时名“阿法拉伐农务有限公司”，并一直关注着中国市场，加速在中国市场的布局，1998年还特别为中国市场研发了“计量瓶”，并被称为“最贴近中国国情的挤奶设备”。中国的挤奶机器人概念也是在17年前由利拉伐中国公司首推，2004年和林澳亚牧场（现更名为和林现代牧业）引入了中国第一台自愿式挤奶系统，当时主要用于展览展示，之后在2012年上海希迪牧业正式开始了中国机器人挤奶模式商业化的道路，此后北京首农、君乐宝等国内一大批乳业公司开启了规模化机器人商业化发展的道路。

外国专利在中国的布局之所以从1995年开始，与中国当时的宏观经济政策调整有极大的关联。改革开放之前，在宏观政策上对奶业，特别是奶牛业的发展在客观上是限制的，当时限制私人饲养奶畜，压低原料奶收购价格和消毒奶及奶粉等乳制品的销售价格，其结果是使奶牛业难以发展，供应链产业因此也难以发展。改革开放之后，对奶业实行了促进发展的产业政策，对奶牛业实行“国家、集体、个人一起上”的产业政策，极大地解放了生产力，调动了多方发展奶业的积极性，在八、九十年代促进了奶业的一次飞跃。鉴于奶业的节粮、经济、高效的特点，国务院在1989年发布的产业政策要点中，把奶业列为应予以支持和发展的产业，对资金投入、技术进步、基地建设都做出了规划。从1993年开始，连续三年由财政部安排建立奶业风险金。1997年12月，国务院批准在全国实施“中国营养改善行动计划”。2000年在农业结构调整中，农业部更进一步将奶业列为突出发展的产业。2001年，国办批转了农业部《关于加快畜牧业发展的意见》，明确提出要调整畜牧业结构，重点突出发展奶牛养殖，提高奶类生产在畜牧业生产中的比重。国务院办公厅公布《中国食物与营养发展纲要（2001-2010年）》，奶产业被列为发展重点；科技部启动实施“十五”国家科技攻关计划，奶业被列入12个专项之一，予以重点支持。这些奶业红利政策无一不吸引着挤奶设备技术前沿国家来到中国抢先进行专利布局、市场布局[3]。

在整体服务机器人技术全球目标市场国家/地区占比中，中国是最重要的目标市场，一直是最受关注的较为活跃的经济体，中国是被世界各国高度关注的竞争市场。目前，欧洲和美国是挤奶机器人的最活跃目标市场，由于欧美国家奶牛养殖以家庭牧场为主，单体奶牛存栏数量较低，劳动力成本高，因此是传统机器人挤奶技术的主要市场。但在中国，随着经济发展水平的提高，人均乳制品消费水平逐渐提升，预计2025年我国人均奶类消费量将达到39.8kg，按届时我国人口14.2亿人计算，则2025年奶类消费需求总量为5 652万t。面对这么庞大的牛奶增量市场，以及农业农村部提出奶源自给率70%以上的标准线，还有日益增长的土地、人工等成本，加之机器人挤奶所体现出来的优势——奶牛福利的更多关注、更低的奶牛发病率、更高的牛奶产量、奶牛使用年限的延长、更高的奶牛养殖收益，这些无一不在预示着在服务机器人领域的下一阶段，外国全自动挤奶机器人专利在中国的技术布局将迎头追赶，中国将成为最活跃的目标市场。

中国机器人的发展起步较晚，但是发展速度很快，2015年中国工业机器人产量仅32 996台，到了2017年中国工业机器人产量突破13万台，同比增长68.1%，规模约占全球产量的1/3。2018年，全国工业机器人产量达到了14.8万台，2019年工业机器人产量为18.7万台（套）[4]。新技术在某个行业里的推广与应用势必会引导行业呈现高速的发展。随着技术的成熟及劳动力情况的变化，机器人模式越来越成为规模化牧场发展的趋势。从现有的无论是世界的还是中国的智能化机器人牧场的发展趋势来看，未来十年、二十年将是机器人牧场发展的黄金年代。

2.4 主要市场国家/地区专利技术申请对比

选取受理国排名前四的欧洲、美国、德国、俄罗斯，另外加上中国作为主要市场国，利用专利地图来分析这些国家申请的专利技术的差异（图7）。

图7 全自动挤奶机器人主要市场国专利技术对比分析

ThemeScape专利地图的主要用途是通过在专利地图上对类似记录进行分组。内容相似的记录在专利地图上形成“高峰”，表示这些记录的内容相似。文献内容越相似，彼此在专利地图中的位置就越近。山峰的高度代表记录的密度；峰顶越高表示包含的文献越多，峰谷越低表示包含的文献越少。

每个区域标签以浅灰色的字母显示，用来识别某个区域（而不是单个峰顶）中记录所涵盖的常见主题。峰顶标签以黑色字母显示在专利地图上，是最能代表特定峰顶周围记录的主题。山峰之间的距离说明这些区域中记录之间的关系。聚集在一起的高峰内容类似，由一个浅灰色的标签表示。峰间位置越接近，则所含内容的相关性就越强，反之则越弱。在远离高峰的地方会出现代表相关文献密度变化情况的线条。这些线条称为等高线。等高线表明了相关文献的密度。

图7显示作为受理专利量最多的欧洲来说，在该地区布局的技术分布在各个研究方向，其中以自动化控制方向为主，此外奶流量控制、真空室、挤奶箱也是其较多专利布局的方向。

在德国申请的专利也涵盖了非常多重要的方向，包括：自动化控制、挤奶箱（进护栏、杠杆）、真空室及其零部件、奶流量控制、牛奶制冷存储、奶杯清洗、奶衬等。

在美国申请的专利覆盖方向较德国要少一些，主要集中在自动化控制（信号和传感器的自动化控制、视觉系统机器人、图像识别）、挤奶充气装置（奶衬、奶杯壳及其组装）、奶流量自动控制、真空室（阀、气缸）等。

在俄罗斯申请的专利覆盖方向主要有真空室及其零部件、排奶连接管、奶杯奶管结构机器控制、泌乳刺激控制、挤奶箱（进护栏、杠杆）、奶流量自动控制、牛奶制冷存储、挤奶充气装置（奶衬）。俄罗斯在自动化控制方向上申请的专利非常少。

在中国申请的专利主要集中在自动化控制（牛环境监测和控制、奶牛ID识别、奶标签识别）、真空室（气缸）、奶杯制作模型和方法、挤奶机整机等方向。

由于全自动挤奶机器人专利技术申请跨越时间特别长，而专利中保护年限最长的发明专利保护年限也只有20年，而该技术领域专利申请跨越了100年，所以该技术领域存在大量的失效专利，而这些专利可以被很好地利用起来。

本研究还对技术法律状态进行了专利地图分析，分析发现，涉及真空室及其零部件、排奶连接管、挤奶箱进护栏、奶杯奶管结构清洗及机器控制、奶衬及奶杯壳、机械臂的相关技术专利都已经失效。对比国家分布来看，在俄罗斯申请的大量专利处于失效状态。在德国申请的较多专利也处于失效状态。在欧洲、美国和中国的专利处于有效和不确定（审中等）的状态更多，详见表2。

表2 全自动挤奶机器人专利技术主要市场国法律状态（件）

利用失效专利虽然可避免昂贵的专利购买费用，但失效专利不是万能的，在利用时同样需要规避风险，关注其有效性、时效性、先进性以及产业化问题，不能盲目利用。我们在利用时需先进行全面市场调研，跟踪前沿技术，防止引入落后技术，要挑选有市场前景的失效专利。

3 结论

全自动挤奶机器人技术掌握在少数几个国家手中，瑞典、荷兰、美国、德国在全自动挤奶机器人领域处于领先及核心地位，这四个国家的主要专利权人分别是利拉伐、LELY、Technologies Holdings Corp、GEA。

欧洲和美国是目前全自动挤奶机器人技术最活跃、最受重视的目标市场。荷兰是全自动挤奶机器人技术最大输出国，其次是瑞典。中国的技术主要在本国申请专利，海外布局极少。结合我国奶业发展阶段、奶业发展目标及专利数据分析，可以预测，下一阶段中国将成为全自动挤奶机器人最活跃的目标市场，未来十年、二十年中国牧场将迎来挤奶机器人发展的黄金年代。

4 建议

4.1 提升国内企业专利素养

我国全自动挤奶机器人研发起步晚，从2011年开始进入快速发展期，目前专利海外布局极少。虽然一些高技术壁垒的关键部件还未取得实质性进展，但是在挤奶单元、控制面板等方面已有了一定程度的进展，对这类技术的创新主体建议采用扶持和引导的政策，引导企业或科研院所提高自身产权意识，逐渐培育高价值专利。中国的创新主体在实施全自动挤奶机器人挤奶单元部件研发技术时要多加关注专利侵权风险。挤奶单元末端执行机构、自动奶杯套杯及脱落的定位及乳头识别、清洗机构识别系统与定位技术等方面可能具有一定的技术难度或已形成技术壁垒，我国在积极研发新的技术时要做好调研工作，绕开已申请的专利技术。而对于必须要利用的技术，我国机构也要积极寻找专利授权合作，以防止后期出现专利侵权纠纷而带来不必要的损失。我们应该关注国内初创企业的专利素质培养，在专利运营方面提供定向专利服务，从政策层面提高初创企业的专利申请资金和技术支持，构建坚固专利壁垒，提前规避专利纠纷问题，助力初创企业开拓国内市场，为将来顺利进入国际市场做好布局。

4.2 充分利用失效专利

全自动挤奶机器人技术领域失效专利占比较高，早期技术相关专利均已失效，且很多都是之前在欧洲、俄罗斯、德国和美国申请的专利，这些可以视为公知技术，对于技术研发过程具有借鉴意义[5]。我国相关研究人员应该充分调研和利用这些失效专利以节约研发成本，缩短研发周期。利用失效专利虽然可避免昂贵的专利购买费用，但失效专利不是万能的，在利用时同样需要规避风险，关注其有效性、时效性、先进性以及产业化问题，不能盲目利用。我们在利用时需先进行全面的市场调研，跟踪前沿技术，防止引入落后技术，要挑选有市场前景的失效专利。