基于專利和面向園區(qū)的機器人產業(yè)技術路線圖研究與應用

李夢洋，侯凱洋，翟東升

(北京工業(yè)大學經濟與管理學院，北京 100124)

0 引言

機器人產業(yè)，集現(xiàn)代制造技術、新型材料技術和信息控制技術為一體，代表著一個國家的先進技術研發(fā)和高端工業(yè)制造的水平，是 《中國制造2025》實現(xiàn)的核心支撐領域。因此，為了規(guī)避創(chuàng)新風險，構建合理的機器人產業(yè)體系，促進其快速健康的發(fā)展，對機器人產業(yè)進行科學的戰(zhàn)略規(guī)劃和技術預見具有重要意義。而技術路線圖，則是進行技術預見一種最為常用的工具[1-3]。目前國內外學者分別在國家、地區(qū)等層面對機器人的產業(yè)技術路線圖進行了研究，并給出了較為宏觀的發(fā)展和規(guī)劃建議[3-7]，但是少有面向產業(yè)園區(qū)實地發(fā)展的機器人產業(yè)規(guī)劃研究，針對不同的園區(qū)發(fā)展基礎和政策支撐，宏觀層面的規(guī)劃難以提出更具有針對性的產業(yè)集群發(fā)展建議；而且上述技術路線圖的構建基本都是基于領域專家的知識和經驗，在核心產品和關鍵技術識別與預測上會受到主觀局限性的影響。

本文以珠三角地區(qū)SSH高科技園區(qū)為案例，在領域專利挖掘基礎上，從發(fā)展動力、核心產品、關鍵技術和園區(qū)資源保障四個角度，構建適用于園區(qū)機器人產業(yè)實地發(fā)展的技術路線圖，并結合園區(qū)產業(yè)生態(tài)和產業(yè)技術路線圖分析給出發(fā)展規(guī)劃建議，從而實現(xiàn)園區(qū)機器人產業(yè)結構、配套資源的合理配置，促進科技與經濟的有機結合，提升園區(qū)機器人產業(yè)的發(fā)展水平。

1 技術路線圖研究與發(fā)展現(xiàn)狀

技術路線圖是以特定需求為出發(fā)點，對某一領域技術及其變動因素進行判斷，指出未來的技術、產品或服務與未來市場之間的關系，勾勒出有優(yōu)先順序和相互關聯(lián)的一系列技術獲取和擴散的圖譜，最初是由20世紀80年代美國汽車行業(yè)的摩托羅拉公司在其規(guī)劃技術發(fā)展路線時首次提出[8,9]。近年來，眾多學者分別在技術路線圖的構建方法和分析應用方面開展了大量的探索與實踐工作。

技術路線圖的構建主要是使用以德爾菲法、情景分析法為代表的定性分析法，在領域中關鍵技術熱點判斷、前沿技術機會預測等環(huán)節(jié)上較為依賴專家的知識經驗。隨著信息技術迅猛發(fā)展，已經有學者將文獻計量和專利挖掘等客觀的大數(shù)據分析方法引入到技術路線圖的研究中，從而減少技術路線圖制定過程中的主觀經驗依賴，同時利用客觀數(shù)據的分析結果為技術路線圖的設計提供參考[10-13]。

在實際應用中，技術路線圖按開發(fā)主體不同通常可以劃分為三個層次：國家層面、產業(yè) (行業(yè))層面和企業(yè) (產品)層面[4]。企業(yè)技術路線圖更為側重產品或服務的研發(fā)管理，國家技術路線圖則更側重于面向未來戰(zhàn)略發(fā)展的科技規(guī)劃。而產業(yè)技術路線圖則介于國家宏觀層面和企業(yè)微觀層面之間，以共性技術為基礎可以較為完整得刻畫產業(yè)鏈及其發(fā)展全貌，從而能為企業(yè)提供更為準確的市場發(fā)展需求預測，引導市場創(chuàng)新主體間開展合作研發(fā)，促使業(yè)界共同承擔創(chuàng)新成本，指導政府、企業(yè)決策。目前，我國中央及各地方政府在光伏、汽車、新能源、生物制藥和機器人等產業(yè)上均有產業(yè)技術路線圖的研究和制定工作開展[14-17]。

2 基于專利和面向園區(qū)的機器人產業(yè)技術路線圖設計

當前國內的機器人產業(yè)技術路線圖多是在國家和地區(qū)層面上制定的，在應用于園區(qū)產業(yè)實地發(fā)展上難以給出更具針對性和可操作性的產業(yè)規(guī)劃發(fā)展建議。而且這些技術路線圖的制定主要依賴于專家的領域知識和經驗，可能存在一定的主觀局限性。因此，本文在傳統(tǒng)技術路線圖構建方法中引入專利分析方法，并結合園區(qū)的實際發(fā)展基礎和政策支撐情況設計了如下面向園區(qū)的機器人產業(yè)技術路線圖研究框架，主要包含領域專利數(shù)據庫構建、園區(qū)產業(yè)生態(tài)分析和園區(qū)產業(yè)技術路線圖制定三大部分內容。

2.1 領域專利數(shù)據庫構建

專利數(shù)據集技術、法律和經濟信息為一體，具有連續(xù)性和系統(tǒng)性，可以良好的反映出產業(yè)發(fā)展動態(tài)與技術走向，因此本文選用相關領域內的專利作為對園區(qū)機器人產業(yè)發(fā)展態(tài)勢、核心產品和關鍵技術進行客觀研判的佐證，并以此作為構建技術路線圖時進行專利分析的數(shù)據基礎。同時為了保證專利分析質量，以領域專利查全查準率和專家評估結果為標準，迭代優(yōu)化檢索表達式，最終形成領域專利數(shù)據庫。

2.2 園區(qū)產業(yè)生態(tài)分析

新興園區(qū)的產業(yè)生態(tài)結構，以由企業(yè)、研發(fā)和服務機構依產業(yè)鏈關系在園區(qū)內聚集形成的產業(yè)集群為主，因此通過對園區(qū)的產業(yè)生態(tài)進行分析，可以明確產業(yè)鏈上下游界限，厘清各環(huán)節(jié)間經合關系，從而在進行園區(qū)技術路線圖構建時，使其能夠在產業(yè)整體上得以把控，便于對園區(qū)內的創(chuàng)新主體進行確定并對產業(yè)創(chuàng)新演化做出預測。

本文對園區(qū)的產業(yè)生態(tài)分析，是在機器人領域的技術背景資料調研和專家研討基礎上，進一步引入欒博楊提出的產業(yè)鏈專利分析方法[18]。首先，需要構建出機器人產業(yè)鏈，并依此對機器人產業(yè)技術進行分解，以各環(huán)節(jié)關鍵主題詞，制定機器人產業(yè)專利檢索表達式獲取相關專利，構成領域專利數(shù)據庫；然后，抽取出機器人產業(yè)專利的技術主題，并將其與產業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)進行逐一匹配；最終，在產業(yè)鏈主體構建完成以及專利技術主題確定的基礎上，通過專利與技術主題對應，以及技術主題與產業(yè)鏈的匹配，完成機器人產業(yè)專利在產業(yè)鏈上的分布。利用該分布可以構建出產業(yè)鏈生態(tài)圖譜，獲知園區(qū)內產業(yè)鏈結構，同時該分布也為隨后技術路線圖構建中的核心產品與關鍵技術分析確定了框架。

2.3 園區(qū)產業(yè)技術路線圖制定

國家和地區(qū)層面的產業(yè)技術路線圖對某個產業(yè)的指導意義通常是高屋建瓴的，而當面向產業(yè)實地發(fā)展時，產業(yè)技術路線圖在設計上還需進一步具化，進行更為深入的研究和探討。為了園區(qū)技術路線圖更具針對性和可操作性，其制定既要結合產業(yè)實地發(fā)展的基礎和特點，又要充分考慮從中央到地方政府對該區(qū)塊產業(yè)集群的政策支持和服務保障。因此，本文從以下幾個角度對上述問題進行分析，并由此構建出面向園區(qū)的機器人產業(yè)技術路線圖。

(1)發(fā)展動力分析。市場需求是技術和產品研發(fā)的主要拉動力，同時產業(yè)園區(qū)多是在響應國家和地區(qū)關于產業(yè)發(fā)展規(guī)劃的基礎上建立而成，所以針對園區(qū)的發(fā)展動力分析可以從以下兩個方面來進行：一是結合園區(qū)實地發(fā)展的市場基礎進行產業(yè)需求分析，二是考慮從中央至地方政府給予園區(qū)的針對性政策，分析其對產業(yè)發(fā)展所產生的推動作用。

(2)核心產品與關鍵技術分析。目前，在機器人產業(yè)技術路線圖繪制的過程中，對核心產品和關鍵技術的識別與預測，大部分都還是依賴于領域專家的主觀知識和經驗。但隨著信息處理技術的迅猛發(fā)展，大量的專利文獻由此可以成為我們進行技術預見的分析樣本。通過大數(shù)據文本挖掘方法，利用客觀數(shù)據的分析結果為產業(yè)技術路線圖的設計提供參考，從而可以減少技術路線圖制定過程中的主觀局限性。因此，本文是以2.2節(jié)所提出的產業(yè)鏈生態(tài)圖譜為基礎，將其技術主題進一步細化為核心產品和關鍵技術，通過整合產業(yè)鏈專利分析與領域技術專家研討結果完成對核心產品和關鍵技術的分析。

(3)資源保障分析。在國家和地區(qū)層面進行的資源保障分析通常都是戰(zhàn)略指導意義上的，而在園區(qū)層面則要求構建的產業(yè)技術路線圖更具現(xiàn)實可操作性，因此需要將宏觀層面的各項戰(zhàn)略支撐規(guī)劃具化為園區(qū)層面可以落實的政策措施和可以實際提供的配套資源。所以，本文主要從保障機器人產業(yè)發(fā)展的人、財、物等方面對資源保障框架進行梳理，明確資源保障的類型、數(shù)量和來源，從而讓資源可以得到合理的調配與使用，為技術路線圖的順利實施提供保證。

綜上所述，基于專利面向園區(qū)的機器人產業(yè)技術路線圖研究整體框架如圖1所示。

3 案例：SSH高科技產業(yè)園區(qū)機器人產業(yè)技術路線圖研究與應用

3.1 園區(qū)機器人產業(yè)生態(tài)

通過機器人領域的技術背景資料調研和專家研討，可將機器人產業(yè)按產業(yè)鏈劃分為上游、中游和下游 (見圖2)。上游生產核心零部件：包括減速器、伺服電機、控制器等；中游是本體生產商，包括工業(yè)機器人支柱、底座、機械臂等。下游是系統(tǒng)集成商，包括單項系統(tǒng)集成商、綜合系統(tǒng)集成商。

根據所構建的機器人產業(yè)鏈，以incoPat科技創(chuàng)新情報平臺為專利數(shù)據源，按2.2節(jié)所述方法，將機器人產業(yè)專利按產業(yè)鏈進行分布。隨后，對產業(yè)鏈進行專利申請人分析，可以構建出如圖3所示的產業(yè)鏈生態(tài)圖譜，該圖展現(xiàn)了產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上的全球重點企業(yè)、中國重點企業(yè)和園區(qū)產業(yè)集群內企業(yè)的分布情況。

圖1 研究整體框架

圖2 機器人產業(yè)鏈示意圖

日本和歐洲是機器人的主要產地，全球機器人產業(yè)相關專利主要集中在ABB、發(fā)那科 (FANUC)、庫卡 (KUKA)和安川電機 (YASKAWA)這四家企業(yè)中；產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)上的國內企業(yè)和高校也都有較強的技術競爭力，與世界先進水平相比仍存在一定的差距。

目前，SSH園區(qū)只在機器人產業(yè)鏈下游具有一定優(yōu)勢，在上游分布的企業(yè)相對缺乏，而且行業(yè)頂尖企業(yè)較少。但SSH園區(qū)尚還處在發(fā)展階段，園區(qū)內有9大研發(fā)機構給產業(yè)發(fā)展提供了充足的研發(fā)動力，同時以孵化創(chuàng)業(yè)為特色的產業(yè)氛圍也為創(chuàng)新人才提供了良好的成長環(huán)境，再配合當?shù)卣姆龀终撸晟频能浻布l件構成了SSH園區(qū)機器人產業(yè)健康發(fā)展的生態(tài)基礎。

3.2 園區(qū)機器人產業(yè)技術路線圖

(1)發(fā)展動力分析。根據相關文獻調研和現(xiàn)場實地訪談結果，從市場需求拉動和政府政策推動兩個方面對SSH園區(qū)的機器人產業(yè)發(fā)展動力可以做出如下分析。在市場需求方面的拉力主要來自兩個方面：一是企業(yè)人力成本的不斷上升、用工短缺現(xiàn)象的日益加劇，企業(yè)的生產自動化轉型，機器換人的產業(yè)革命正在快速發(fā)展，拉動了國內甚至全球的機器人市場需求快速增長；二是從SSH園區(qū)所處的珠三角地區(qū)來看，該地區(qū)聚集以汽車、電子、船舶、家用電器等為主的制造產業(yè)，高度集中的工業(yè)體系和實力雄厚的新興產業(yè)支撐，使其具備了智能裝備升級的產業(yè)基礎，為工業(yè)向智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)產業(yè)結構優(yōu)化調整和工業(yè)升級提供了優(yōu)越的基礎條件，給園區(qū)機器人產業(yè)發(fā)展提供了更具地域優(yōu)勢的廣闊市場需求空間。

政府對于重點產業(yè)的優(yōu)先發(fā)展政策，其產生的推力是SSH園區(qū)機器人產業(yè)發(fā)展的另一主要驅動力。在國家發(fā)布的 《機器人產業(yè)發(fā)展規(guī)劃 (2016—2020年)》和廣東省政府的 《廣東省智能制造發(fā)展規(guī)劃 (2015—2025年)》基礎上，園區(qū)所在地政府又相繼出臺了 《關于大力發(fā)展機器人智能裝備產業(yè) 打造有全球影響力的先進制造基地實施方案》 《關于加快推動工業(yè)機器人智能裝備產業(yè)發(fā)展意見》和 《 “機器換人”專項資金管理辦法》等文件，并仍在持續(xù)加強政策和資金上扶持力度。

(2)核心產品與關鍵技術分析。整合產業(yè)鏈專利分析與領域技術專家研討結果后，對核心產品與關鍵技術的識別與預測分析結果列于表1中。

(3)資源保障分析。資源保障是技術路線圖實現(xiàn)的根基，合理的資源的調配與使用，是產業(yè)健康發(fā)展的基礎。為了滿足研發(fā)需求與實現(xiàn)產業(yè)目標，SSH園區(qū)為機器人產業(yè)發(fā)展所需的人、財、物等方面提供了堅實的保障。在配套服務方面主要提供了人才培養(yǎng)和引進、投融資對接、科技咨詢、宣傳推廣、搭建產業(yè)供應鏈和交流平臺搭建等服務。

表1 核心產品與關鍵技術的識別與預測

政策和資金的保障，則主要從 《中國制造2025》方針的貫徹實施、SSH園區(qū)內普惠政策和SSH園區(qū)內特定政策與資金保障三個方面著手。

一是聯(lián)合市相關部門貫徹落實 《中國制造2025》。重點針對電子、機械、食品、紡織、家具、鞋業(yè)、化工行業(yè)領域自動化水平較低的勞動密集型企業(yè)開展 “機器換人”工作；支持工業(yè)機器人制造的平臺建設，完成共性基礎研究和核心產品開發(fā)；建立支持機器人產業(yè)發(fā)展的金融體系，引導金融、創(chuàng)投機構為制造型企業(yè)投融資，推動制造型企業(yè)上市為企業(yè)籌資。

二是在SSH園區(qū)內制定支持機器人制造的普惠政策，在原機器換人層次基礎上，進一步擴展智能制造系統(tǒng)、軟硬件結合。普惠政策擬從園區(qū)內財政安排專項資金用以支持機器人產業(yè)的生態(tài)圈建設、創(chuàng)新型企業(yè)培育、創(chuàng)業(yè)孵化、創(chuàng)新人才培養(yǎng)引進、關鍵共性技術攻關等工作。

三是針對SSH園區(qū)內企業(yè)的特定政策與資金保障。園區(qū)將著力推動大型研究平臺組建，準備以創(chuàng)新科研機構為核心載體來促進園區(qū)高端機器人技術發(fā)展。同時，園區(qū)在市級政府財政基礎上，進一步劃撥科技發(fā)展專項資金，用于研發(fā)平臺的基礎建設、后勤保障、企業(yè)孵化、高企培育、專利申請、技術攻關、人才引進等經費支出。

(4)園區(qū)產業(yè)技術路線圖繪制。綜合上面所做分析，可以繪制出SSH園區(qū)機器人產業(yè)技術路線圖如圖3所示。

3.3 基于園區(qū)產業(yè)技術路線圖的機器人產業(yè)建設與發(fā)展規(guī)劃

面向園區(qū)的產業(yè)技術路線圖集成了地域市場基礎、園區(qū)產業(yè)生態(tài)、技術發(fā)展動向和政策資金保障等影響產業(yè)建設與發(fā)展的要素信息。所以，依此可以從產業(yè)結構、研發(fā)重點、資源配置、政策調整等方面對園區(qū)的產業(yè)建設和發(fā)展進行更為具體的規(guī)劃。本文通過對所繪的SSH園區(qū)機器人產業(yè)技術路線圖進行深入分析后，提出如下具有針對性的產業(yè)建設和發(fā)展規(guī)劃建議，以期能夠實現(xiàn)SSH園區(qū)機器人產業(yè)結構、配套資源的合理配置，促進科技與經濟的有機結合，從而提升SSH園區(qū)機器人產業(yè)的發(fā)展水平。

圖3 SSH園區(qū)機器人產業(yè)技術路線圖

(1)從產業(yè)鏈層面來看，SSH園區(qū)機器人產業(yè)初步形成了從核心零部件到系統(tǒng)集成商的完整機器人產業(yè)鏈條，但產業(yè)分布卻不均衡。園區(qū)內大部分企業(yè)集中在產業(yè)鏈下游，位于上游核心零部件制造的企業(yè)較少，在減速機方面實力薄弱，尤其是伺服電機的生產幾乎空白，系統(tǒng)集成企業(yè)所用關鍵零部件嚴重依靠進口；處于中游的整機裝備制造行業(yè)的整體實力不強，企業(yè)規(guī)模普遍較小，產品應用行業(yè)分散，沒有在本地形成規(guī)模效應，無法帶動形成完善的配套體系。不完備的產業(yè)結構布局致使園區(qū)內資源的交換和協(xié)同不力。

為了有效整合資源，構建產業(yè)生態(tài)循環(huán)體系，加速產業(yè)發(fā)展，進一步推動產業(yè)集群向更大的規(guī)模發(fā)展，應在全產業(yè)鏈上進行統(tǒng)籌布局，形成良好的產業(yè)發(fā)展空間。對于園區(qū)內運動控制、編碼器、系統(tǒng)集成及應用等具有優(yōu)勢的產業(yè)，通過研發(fā)創(chuàng)新、專利布局、技術合作等手段鞏固集群產業(yè)優(yōu)勢；而園區(qū)內處于產業(yè)鏈劣勢的核心零部件企業(yè)，可以通過政策驅動、人才引進、對外合作加以提升；對于處在產業(yè)鏈空白的伺服電機領域，可采用引進、合作的方式進行填補。

(2)從技術產品層面來看，目前園區(qū)內主導的技術產品主要有運動控制器、編碼器、機器人本體和無人飛行器等。

運動控制器是現(xiàn)代智能裝備的核心控制部件，在各個領域均有廣泛應用。SSH園區(qū)是運動控制器龍頭企業(yè)的集聚地，其產品綜合性能已達到了國際一流水平，填補了國內同行業(yè)的多項空白。未來幾年，隨著國產機器人的快速發(fā)展，運動控制器的應用市場將面臨較好的發(fā)展契機。機床、紡織機械、橡塑機械、印刷機械和包裝機械行業(yè)現(xiàn)在和將來都會是運動控制器的主要市場，而食品飲料機械、煙草機械、醫(yī)療設備和科研設備行業(yè)對運動控制器的需求由于和人民生活緊密相關，這些終端消費一直處于穩(wěn)定增長中，所以這一類機械行業(yè)對運動控制器的需求也會穩(wěn)定增長。因此，在中長期規(guī)劃中運動控制器及相關技術應作為園區(qū)產業(yè)的一個研發(fā)重點，在保持住其優(yōu)勢地位基礎上向數(shù)字化、多軸化等方向發(fā)展。

編碼器是伺服電機的一個重要組成部分，用于控制位置精度，未來幾年，工業(yè)機器人的高速增長將帶來大量對伺服系統(tǒng)的需求，但由于目前伺服電機是園區(qū)產業(yè)鏈上的薄弱環(huán)節(jié)，相關企業(yè)的發(fā)展重點需要在編碼器的基礎上進一步擴展，主攻直驅動電機及驅動器，以填補產業(yè)鏈空白。

機器人本體是工業(yè)機器人產業(yè)鏈上的關鍵環(huán)節(jié)。目前園區(qū)內有多家企業(yè)從事機器人本體的制造，聚集了眾多世界頂尖機器人專家學者，掌握有機器人控制、驅動、視覺等核心技術。目前行業(yè)領先的7軸協(xié)作機器人技術和6軸工業(yè)機器人技術應列為其未來研發(fā)重點。

無人機在近年來的發(fā)展非常迅速，園區(qū)內的無人飛行器制造目前處于行業(yè)領先地位。無人機生產成本相對低廉、用途卻極為廣泛，除了在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中有極其重要的作用外，在民用領域同樣也有更有廣闊的前景。因此，除了進行新一代無人機的設計研究，還應進一步擴展無人機技術的應用領域。

(3)從資源保障層面來看，目前園區(qū)內在產業(yè)建設上給予了大量的政策和資金支持，但在人才引進與培養(yǎng)環(huán)節(jié)相對薄弱，而支撐高科技企業(yè)長遠發(fā)展最重要的就是人才。通過調研，園區(qū)內機器人發(fā)展最大問題是企業(yè)中層骨干型人才短時間難以滿足，高層次領軍人物寥寥無幾。由于SSH機器人產業(yè)仍處在發(fā)展期，企業(yè)規(guī)模普遍偏小，規(guī)模以上企業(yè)不到20家，創(chuàng)新能力和市場占有能力較弱，不能產生較大的帶動效應，因此需要政府出臺相關政策來幫助企業(yè)吸引和留住優(yōu)秀人才，為企業(yè)發(fā)展提供強有力的人才支撐和智力支持。

4 結論

通過制定面向園區(qū)的產業(yè)技術路線圖，可以明確未來園區(qū)產業(yè)發(fā)展所要研發(fā)的重點，找到產業(yè)發(fā)展不同時間段里所要攻克的關鍵技術，從而能有效組織起產業(yè)中各成員共同優(yōu)先發(fā)展關鍵技術，避免開展重復研究和浪費園區(qū)資源，在整體上提升園區(qū)產業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新能力和競爭力。同時，利用該產業(yè)技術路線圖可以將企業(yè)、大學、研究機構、政府這些利益相關者組織到一起，并協(xié)調好他們在技術研發(fā)中的分工和各自所能發(fā)揮的作用，使其構成一個完整的產業(yè)創(chuàng)新鏈，形成一個長期穩(wěn)定的創(chuàng)新聯(lián)盟。另外，面向園區(qū)的產業(yè)技術路線圖還可以幫助政府對未來市場的供給進行評估，判斷未來國家安全和經濟利益的需求能否得到滿足，從而能夠采取措施在園區(qū)內支持或鼓勵某些關鍵技術的研發(fā)。