1、全球產業用機器人專利分析概論機構傳動技術專利（下）台灣機器人產業發展協會 王孝裕前篇文章已針對機構傳動之專利趨勢進行分析探討，了解主要的專利權人以及各國專利申請狀況，然而為了更近一步了解機構傳動技術之專利布局及避免誤觸專利集中地雷及開發技術空白區，因此在本篇技術面分析的內容針對機構傳動進行技術功效分類以製作功效矩陣表，藉以提供國內廠商作為迴避設計之參考。、技術面分析1. 定義技術及功效分類架構根據本篇文章所檢索出的專利說明書中，透過人工判讀方式，篩選出最符合本文章欲探討分析之結果共 100 篇，並撰寫技術摘要表以歸納出技術功效指標整理如表 1，本文章主要將產業用機器人機構傳動技術在第一階分為三
2、大主體，分別為關節、手腕以及減速機；第二階則是針對三大傳動機構之內部不同元件進行分類，第三階則對不同類型之元件之主要技術進行分類。表 1 產業用機器人機構傳動技術分類指標第一階 第二階 第三階 第一階 第二階 第三階傳動機構設計 Harmonic 減速機 柔性軸承驅動源配置 齒型基座組裝/支撐機構設計 輸出結構圓筒座標 傳動機構設計 搭配行星齒輪組傳動機構設計 偏心輪驅動源配置 輸出銷配重機構設計 齒型垂直多關節型簡化運動自由度Cyclo 減速機輸入軸傳動機構設計 RV 減速機 搭配行星齒輪組驅動源配置 輸出和輸入垂直配重機構設計減速機T03齒輪減速機輸出和輸入平行水平多關節型模組化 加設減速
3、機傳動機構設計 加大減速比關節T01Delta 驅動機構設計手腕機構T02減速元件更改配置位置傳動機構設計 改變傳動元件連動設計更改配置位置傳動機構增加支撐馬達 改變馬達配置設置檔板元件分離加大內部空間更改管線配置手指驅動源配置其他調整間隙而在 100 篇的技術摘要表中所整理出的功效指標經過內部討論以及專家建議後，可歸納為表 2 下列指標：表 2 產業用機器人機構傳動功效分類指標微小化 E01 拆裝容易 E02 重心平衡 E03提昇運動性 E04 簡化控制 E05 增加扭力 E06提昇剛性 E07 避免管線纏繞 E08 降低成本 E09提昇精度 E10 提升壽命 E112. 技術及功效鳥瞰分析
4、(1). 各國專利技術立體圖：從一百篇機構傳動專利分析結果顯示，圖1 可發現日本在關節 T01、手腕機構 T02 以及減速機 T03 皆為專利量最高之國家，而其他美國、德國、法國及瑞士在機構傳動分類上主要也是以關節機構為主要專利申請重點，但其技術發展仍與日本有一段差距。 圖 1 各國主要專利技術分布圖註：德國、FR 法國、JP 日本、SE 瑞士、US 美國- 各國關節專利發展趨勢表：表 3 顯示美國以及日本為最早申請產業用機器人關節專利之國家，後來日本在此技術持續的有專利申請，反觀美國從 1995 年後便沒有相關的專利產出，而瑞典以及德國則是從 2001 年後開始投入專利研發，顯示其對於關節技
5、術之重視。表 3 各國關節專利發展趨勢表國家 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007Japan(JP) 0 0 2 4 8 2 2 1 1 2United States(US) 0 0 1 1 0 2 0 0 0 0Sweden(SE) 0 0 0 0 0 0 0 1 2 2Germany(DE) 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1Switzerland(CH) 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1- 各國手腕機構專利發展趨勢表：表 4 顯示日本在此領域之強勢領導地位，從 1984 年至 2008 年幾乎都是申請量最高之國家，如
6、廠商要針對此領域發展，必須要特別小心是否誤觸日本之專利地雷。表 4 各國手腕機構專利發展趨勢表國家 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002 2005 2008Japan(JP) 1 9 3 3 4 1 1 0 2Sweden(SE) 0 0 0 0 0 1 0 0 1Germany(DE) 0 0 0 0 0 1 0 0 0- 各國減速機專利發展趨勢表：表 5 為在篩選過後的一百篇專利中，減速機之第一件專利為日本所申請，同時日本也是減速機之技術領先國家，幾乎每隔 3 年都會有專利產出，其他國家的申請狀況則是較為分散，顯示其技術發展較缺乏延續性。表 5 各國減速機專
7、利發展趨勢表國家 1987 1990 1993 1996 1999 2002 2005Japan(JP) 2 2 0 3 1 1 5Sweden(SE) 0 0 0 1 2 1 0United States(US) 0 1 1 0 0 1 0Germany(DE) 0 0 1 0 0 0 0(2). 各國專利功效立體圖：圖 2 顯示各國機構傳動之專利功效前三名以微小化、提昇運動性以及提升精度為主，由此可以觀察目前全球各國在機構傳動的專利功效趨勢主要是希望能夠讓手腕機構、關節以及減速機之技術能夠更朝向更微小化、提升精度以及提升其運動性能發展為重點。圖 2 各國專利功效立體圖(3). 各技術領域之
8、專利權人分佈- 前五大關節技術之專利權人分佈(1974-2009)表 6 前五大關節技術之專利權人分佈專利權人 專利件數Fanuc 8ABB 5Yaskawa/Mitsubishi 4Harmonic Drive/KUKA 3Sankyo/Adept 2- 前四大手腕機構技術專利權人分佈(1984-2008)表 7 前四大手腕機構技術專利權人分佈專利權人 專利件數Fanuc 8Yaskawa 6Mitsubishi 4ABB/Hitachi 2- 前四大減速機技術專利權人分佈(1987-2005)表 8 前四大減速機技術專利權人分佈專利權人 專利件數Sumitomo 5Harmonic Dri
9、ve/ABB 4Teijin 3Fanuc 2(三) 技術 VS 功效矩陣佈局表針對篩選出的一百篇專利，根據上述之技術功效之分類指標進行統計，由第三階技術分類開始進行矩陣圖之繪製，依序完成第二階技術功效矩陣圖，最後在統整為總表。- 判別方式：3 篇以上以紅色欄位表示代表專利數量密度高也就是說為眾人具焦的位置，貿然投入該技術領域，很可能導致專利侵權，所以如要開發此類技術必須要利用迴避設計；1-2 篇為黃色欄位表示專利數量少；黃色則代表在此專案中尚無專利落入此功效矩陣圖中，有可能是還沒有人注意到，但也有可能是技術的困難處，但如果針對此空白區來研發就是所謂的挖洞技術了。1. 三階技術分類功效矩陣圖：
10、如表 9 所示，關節領域的專利技術主要集中在以發展傳動機構設計、驅動源配置為熱門技術，其功效主要訴求為微小化、提升運動性、提升精度及拆裝容易。表 9 第三階關節技術功效矩陣表關節傳動機構設計減化運動自由度驅動源配置組裝/支撐機構設計驅動機構設計 模組化配重機構設計微小化 10 1 9 0 0 1 1提昇運動性 17 1 7 1 1 0 3提昇剛性 1 0 0 0 0 1 0提昇精度 8 1 5 0 0 0 0降低成本 1 0 1 1 0 0 0增加扭力 0 0 1 0 0 0 0重心平衡 1 0 1 0 0 0 0拆裝容易 7 1 1 2 0 1 1簡化控制 1 0 1 0 0 0 0而表 1
11、0 在減速機之技術功效矩陣表中，專利主要集中於透過搭配行星齒輪以提升結構剛性，提高結構剛性最大的好處是避免在高扭力下產生結構變型，一般都是用在 Cyclo 以及 RV 減速機的結構設計上 。表 10 第三階減速機技術功效矩陣表減速機橢圓軸承搭配行星齒輪組 偏心輪 輸出銷 輸入軸輸出和輸入垂直輸出和輸入平行 輸出結構 齒型微小化 0 2 0 0 0 1 2 0 0提昇運動性 1 0 0 0 0 0 0 0 0提昇剛性 2 4 1 1 2 0 0 2 2提昇精度 0 1 0 0 0 0 0 0 0降低成本 0 1 1 0 2 0 0 0 0增加扭力 1 0 1 0 0 2 2 1 0避免管線纏繞
12、0 1 0 0 0 0 0 0 0提昇壽命 0 0 1 1 0 0 0 0 1而表 11 手腕機構技術功效矩陣表中，專利主要集中於透過改變手腕機構內部的元件位置以達成整體機構微小化及提升其運動性之功效，從整體表中得知手腕機構之技術目前比較集中在利用改變內部相關元件如軸承、聯軸器或是連桿等零件以達到各種功效，這種方式相較於其他技術較節省成本。表 11 第三階手腕機構技術功效矩陣表手腕機構減速元件 內部空間配置改變元件配置位置 增加支撐改變傳動元件 設置檔板背隙調整構件微小化 3 1 8 1 0 0 0提昇運動性 2 0 8 1 0 1 0提昇剛性 0 0 1 0 1 0 0提昇精度 2 0 2
13、0 1 0 1增加扭力 1 0 1 0 0 0 0避免管線纏繞 0 3 1 0 0 0 0拆裝容易 0 1 0 0 0 0 1簡化控制 0 0 1 0 0 0 0其它 0 0 0 1 0 0 02. 二階技術分類功效矩陣圖：如透過第二階分類進行統計，表 12 表示在手腕機構中主要以傳動機構技術為專利集中區，其次為減速元件；其主要功效在於減輕手臂重量與體積及提升運動性能。表 12 第二階手腕機構技術功效矩陣圖手腕機構減速元件 傳動機構 馬達 其它微小化 4 6 2 1提昇運動性 2 6 3 1提昇剛性 1 1 0 0提昇精度 3 1 1 1降低成本 0 0 0 0增加扭力 1 1 0 0避免管線
14、纏繞 0 1 0 3重心平衡 0 0 0 0提昇壽命 0 0 0 0拆裝容易 0 0 0 2簡化控制 0 1 0 0其它 0 1 0 0表 13 在技術分類中，各種減速機其主要針對之功效皆有不同之處，Hamonic、Cyclo 及 RV 減速機之強調功效在於提升其結構剛性，而一般齒輪減速機則是強調在微小化以及增加扭力之性能改善。表 13 第二階減速機機構技術功效矩陣圖減速機Harmonic 減速機 Cyclo 減速機 RV 減速機 齒輪減速機微小化 0 0 2 3提昇運動性 1 0 0 0提昇剛性 5 8 3 0提昇精度 0 1 0 0降低成本 0 5 1 0增加扭力 2 1 0 4避免管線纏
15、繞 0 0 1 0提昇壽命 1 2 0 0表 14 在技術分類中，各種不同關節所強調的主要共同功效為提升運動特性，而垂直關節型則是為關節之專利集中區域，如國內廠商欲針對垂直關節型之機構傳動領域進行技術研發，必須要思考如何進行迴避設計來達到微小化以及提升運動特性之功效，結合三階技術功效矩陣圖中的技術空白區，或許可以朝向簡化運動自由度、改善組裝/支撐結構設計或是模組化的技術進行思考。表 14 第二階關節機構技術功效矩陣圖關節基座 圓筒座標型 垂直關節型 水平關節型delta 手指微小化 1 2 10 8 1 2提昇運動性 3 4 9 9 6 2提昇剛性 0 0 1 1 0 0提昇精度 1 0 3
16、9 4 0降低成本 1 0 2 0 0 0增加扭力 0 0 1 0 0 0避免管線纏繞 0 0 0 0 0 0重心平衡 0 0 2 0 0 0提昇壽命 0 0 0 0 0 0拆裝容易 2 0 7 1 3 0簡化控制 0 0 0 1 1 0其它 0 0 0 0 0 03. 技術分類總表：從整體的技術總表分析機構專利未來發展之趨勢，首先由表 15 減速機之技術功效矩陣表中進行分析，整體而言在本專案所檢索之結果當中減速機之專利較為分散，國內廠商要開發減速機所面臨的專利地雷區並不多，因此這也是國內在產業用機器人機構傳動領域能夠積極攻城掠地的一塊利基市場，廠商可以朝此方向進行專利佈局。表 15 減速機技
17、術功效矩陣圖總表減速機Harmonic 減速機 Cyclo 減速機 RV 減速機 齒輪減速機橢圓軸承齒型輸出結構搭配行星齒輪組偏心輪輸出銷齒型輸入軸搭配行星齒輪組輸出和輸入垂直輸出和輸入平行微小化 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 2提昇運動性 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0提昇剛性 2 1 2 1 1 1 1 2 3 0 0提昇精度 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0降低成本 0 0 0 0 1 0 0 2 1 0 0增加扭力 1 0 1 0 1 0 0 0 0 2 2避免管線纏繞 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0提昇壽命 0 1 0 0 1 1 0 0
18、0 0 0表 16 中的手腕機構之技術功效矩陣表，在傳動機構中以更改配置位置的專利數量較多，廠商在研發手腕的傳動機構裝置上，需要注意如欲利用更改配置位置來完成微小化、提升運動性能、剛性及精度等功效時，是否有侵犯專利權之可能性，或是思考由其他之技術手段來達成上述之功效。表 16 手腕機構技術功效矩陣圖總表手腕機構減速元件 傳動機構 馬達 其它加設減速機加大減速比更改配置位置改變傳動元件連動設計更改配置位置增加支撐改變馬達配置設置檔板元件分離加大內部空間更改管線配置調整間隙微小化 2 1 1 0 1 4 1 2 0 0 0 1 0提昇運動性 2 0 0 0 0 5 1 3 1 0 0 0 0提昇剛
19、性 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0提昇精度 2 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1增加扭力 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0避免管線纏繞 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0拆裝容易 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0簡化控制 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0其它 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0表 17 中的關節機構之技術功效矩陣總表中，在傳動機構中以更改配置位置的專利數量較多，廠商在研發手腕的傳動機構裝置上，需要注意如欲利用更改配置位置來完成微小化、提升運動性能、剛性及精度等
20、功效時，是否有侵犯專利權之可能性，或是思考由其他之技術手段來達成上述之功效。表 17 關節機構技術功效矩陣圖關節基座圓筒座標型垂直關節型 水平關節型 delta 手指傳動機構設計驅動源配置組裝/支撐機構設計傳動機構設計減化運動自由度驅動源配置傳動機構設計配重機構設計傳動機構設計驅動源配置模組化配重機構設計驅動機構設計傳動機構設計傳動機構設計驅動源配置關節基座圓筒座標型垂直關節型 水平關節型 delta 手指傳動機構設計驅動源配置組裝/支撐機構設計傳動機構設計減化運動自由度驅動源配置傳動機構設計配重機構設計傳動機構設計驅動源配置模組化配重機構設計驅動機構設計傳動機構設計傳動機構設計驅動源配置微小
21、化 0 1 0 2 1 4 4 1 2 3 1 2 0 1 1 1提昇運動性 1 1 1 4 1 2 3 3 3 3 0 3 1 5 1 1提昇剛性 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0提昇精度 0 1 0 0 1 1 1 0 3 3 0 3 0 4 0 0降低成本 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0增加扭力 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0重心平衡 0 0 0 0 0 1 1f 0 0 0 0 0 0 0 0 0拆裝容易 0 0 2 0 1 1 4 1 0 0 1 0 0 3 0 0簡化控制 0 0 0 0
22、0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0二、結論(一)、小結綜合以上技術分析，可歸納出各分類技術主要集中於少數功效:- 關節技術:專利主要集中於垂直多關節及水平多關節機器人之利用傳動機構設計、配重機構設計以提升運動性能及精度之功效為主。- 手腕機構技術:專利主要集中於更改內部零件之位置以達到微小化、提升運動性能之功效為主。- 減速機技術:主要集中在諧和式減速機以及 RV 減速機之提高剛性之功效。(二)、建議在產業用機器人未來將走向多自由度、高定位精度、以及更穩定的移動狀態下，機構傳動技術的發展勢必將影響機器人的效能，如何設計出強健的機構以配合控制系統來達成機械手臂運動的最佳化將是國內廠商
23、在開發機器人的技術重點，而本計劃之功效矩陣圖當中的技術空白區域恰可提供給廠商作為思考如何切入之參考方向；然而從具備優良研發能力的專利權人中找尋技術優良之廠商進行專利技術授權，亦不失為一種提昇國內技術水平之方法。另結合國內目前產業用機器人產業發展現況以及市場評估，目前在產業用機器人的整體成本結構當中，除控制器之外，減速機所佔之成本幾乎是整體成本的三分之一，其更為影響產業用機器人運動穩定性之關鍵零組件，根據專利分析結果顯示，目前市佔率最高之 Harmonic Drive 之專利有效年限已於 2008 年到期成為了公開性技術，國內外廠商也陸續投入減速機之產品開發(RV 減速機與諧和式減速機)，廠商可以就減速機之技術進行改良及創新並積極進行專利佈局，相信很快的國內廠商在此領域也會成為技術領先國家。
