摘 要：【目的】RV減速器是工業(yè)機器人關鍵的技術部件之一，其專利技術發(fā)展現(xiàn)狀對于相關企業(yè)的專利預警和導航非常重要?！痉椒ā勘疚幕谥袊鴮＠恼獢祿欤–NABS）、中國專利全文文本代碼化數據庫（CNTXT）、世界專利文摘數據庫（SIPOABS）、德溫特世界專利索引數據庫（DWPI）等數據庫，以全球及國內在工業(yè)機器人RV減速器領域的專利申請為樣本，對工業(yè)機器人用RV減速器的關鍵專利技術的發(fā)展進行分析?！窘Y果】分析了工業(yè)機器人用RV減速器專利的申請量趨勢、地域分布等，尤其重點分析了重要申請人的專利技術分布、各技術分支的發(fā)展路線以及國內技術分支的功效圖?！窘Y論】為國內相關創(chuàng)新主體的研發(fā)和專利布局提供參考意見。

關鍵詞：工業(yè)機器人；RV減速器；技術分支

中圖分類號：TH132.46 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）21-0126-08

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.026

Analysis of Patents to RV Reducer of Industrial Robots

XUE Chaozhi

（Patent Examination Cooperation Jiangshu Genter of the Patent Office， CNIPA， Suzhou 215163， China）

Abstract： [Purposes] In industrial robots， one of key technical components is RV reducer， whose state of art of patent development is very important for patent warning and navigation for concerned enterprise.[Methods] Based on China Patent Abstracts Database （CNABS）， China Patent Text Code Database （CNTXT）， World Patent Abstracts Database （SIPOABS）， Derwent World Patent Index Database （DWPI） and other databases， this paper analyzes the development of key patent technologies of industrial robot RV reducer with global and domestic patent applications in the field of industrial robot RV reducer as samples. [Findings] The patent application trend and geographical distribution of RV reducer for industrial robots are analyzed， especially the patent technology distribution of important applicants， the development route of each technology branch and the efficacy map of domestic technology branch. [Conclusions] This paper provides a reference for the research and development and patent layout of domestic related innovation subjects.

Keywords： industrial robots; RV reducer; technical branch

0 引言

RV減速器主要用于工業(yè)機器人的關節(jié)運動中，對于工業(yè)機器人本體的工作末端影響至關重要。在工業(yè)機器人中，最關鍵的技術部件之一就是RV減速器。一臺工業(yè)機器人的成本占比是機器人本體22%、伺服系統(tǒng)25%、減速器38%、控制系統(tǒng)10%及其他5%，工業(yè)機器人的J1～J4關節(jié)，一般都要采用RV減速器，RV減速器可使電機在一個合適的速度下運轉，并精確地將轉速降到工業(yè)機器人各部位需要的速度，在提高機械體剛性的同時，輸出更大力矩［1］。

中國最早進行RV減速器研發(fā)的是太原工學院。1985年，太原工學院的朱景梓教授帶領團隊研發(fā)并生產出雙曲柄漸開線型少齒差減速器［2］。2000年以來，國內科研團隊對機器人用RV減速器展開了大量研究。陶勇超［3］針對新型RV減速裝置的主要傳動部件——少齒差內嚙合變厚齒輪副進行研究，在考慮了影響少齒差變厚齒輪副嚙合剛度和齒廓間隙角等主要技術參數的情況下，建立了適合于內嚙合少齒差變厚齒輪副的多齒嚙合數學模型，并對建立的數學模型進行求解，得出了理論上的最大接觸齒對數；魏領會等［4］為獲取RV減速器可靠性分析數據，并保障原始信息及數據本身的可信性，結合網絡及數據庫技術，構建了面向廠校協(xié)同的可靠性現(xiàn)場試驗平臺，開發(fā)出數據采集的信息系統(tǒng)；鄧效忠等［5］依據擺線輪齒廓形成原理及齒廓修形方式，建立了修形擺線輪成形磨削的數學模型，推導出了成形砂輪軸截面坐標點的計算式，得到了砂輪加寬部分的廓形方程，并且依據等距曲線原則，求解出了金剛輪修整砂輪時的運動軌跡；王德民等［6］針對RV減速器在使用過程中出現(xiàn)的共振問題，利用有限元對RV減速器內部的核心部件擺線輪進行了自由模態(tài)和約束模態(tài)分析，通過分析對比兩種模態(tài)下前20階固有模態(tài)和固有振型，發(fā)現(xiàn)擺線輪結構的薄弱環(huán)節(jié)位于擺線輪齒廓處，找到了容易引起共振的6階固有頻率，為進一步研究RV減速器的振動和噪聲特性提供了理論依據；張山林等［7］通過2款潤滑脂潤滑的RV減速器疲勞試驗，研究了潤滑脂的化學穩(wěn)定性、結構穩(wěn)定性和摩擦學特性對RV減速器疲勞壽命的影響；李新［2］在中國專利情報視角下進行了中日RV減速器專利技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢對標研究；羅寶佳等［8］以考慮動態(tài)角傳動誤差和摩擦因素影響的伺服電機—RV減速器—負載所構成的機電耦合系統(tǒng)為控制對象，采用內環(huán)魯棒控制+外環(huán)擾動觀測器的雙環(huán)控制策略抑制負載側的轉速波動；湯勇等［9］針對工業(yè)機器人產業(yè)對高精度、高可靠性RV減速器的需求，開展精密擺線輪冷精整擠壓加工成形工藝研究，分析擠壓精整量和擠壓次數對擺線輪廓精度的影響。然而基于專利數據對工業(yè)機器人用RV減速器的技術內涵、競爭格局的全景分析尚少，國內企業(yè)在進行專利布局、專利預警和導航時的可查閱文獻數量仍然不足。

1 專利分析

本研究基于中國專利文摘數據庫（CNABS）、中國專利全文文本代碼化數據庫（CNTXT）、世界專利文摘數據庫（SIPOABS）、德溫特世界專利索引數據庫（DWPI）等數據庫，利用HIMMPAT、專利檢索與服務系統(tǒng)（Patent search and service system，簡稱“S系統(tǒng)”）等檢索平臺，采用RV減速器分類號F16H1/32/ic/cpc、F16H1/32@A/fi，機器人相關的分類號B25J+，并結合“RV”“擺線”“行星輪”“偏心輪”“針齒”等相關關鍵詞進行檢索。將檢索結果導出后，進行人工去噪、增補和數據標引，最后將獲得的相關專利申請文件用于后續(xù)的數據分析。由于發(fā)明專利權的期限為二十年，實用新型專利權的期限為十年，所以，除特別說明之外，本文重點分析2003年以來申請的專利。

1.1 全球專利申請狀況

下面對工業(yè)機器人用RV減速器專利技術進行分析，主要包括全球專利申請量趨勢、全球專利來源國/地區(qū)和目標國/地區(qū)、專利技術分支及其發(fā)展路線、全球重要申請人等方面，目的在于能夠幫助國內企業(yè)基本了解工業(yè)機器人用RV減速器的專利申請情況，為其專利布局和專利預警提供一定的支持。

1.1.1 全球專利申請量趨勢分析。圖1為近20年工業(yè)機器人用RV減速器全球專利申請量趨勢分析，圖中柱狀分兩層，上層淺色代表實用新型專利申請量，下層深色代表發(fā)明專利申請量，從圖中可以看出，相關專利申請量總體上呈現(xiàn)上升的趨勢。

2005—2009年，RV減速器的性能要求不斷提高，同時以其高效率、高承載力、大傳動比、噪聲小等特點越來越受到重視，但RV減速器的生產處于高度壟斷階段，例如日本的納博特斯克株式會社（以下簡稱“納博特斯克”），市場競爭壓力較小，因此專利申請量并無太大變化。

2010—2019年，隨著工業(yè)機器人在制造業(yè)各領域的推廣和應用，工業(yè)機器人需求量大增，中國工業(yè)機器人產業(yè)也進入新的歷史機遇期，其中以ABB、KUKA、安川、發(fā)那科為代表的國際機器人企業(yè)紛紛在我國設廠生產。此外，手機制造、半導體、液晶生產等行業(yè)對小型機器人的需求也越來越高，使得RV減速器的市場更具有競爭性，專利布局也顯得尤為重要，專利申請量快速增長。

2020年至今，RV減速器專利申請量結束了之前的快速增長，并在高位波動。由于專利申請后的公開具有延遲性，所以部分2022年的專利申請和大量2023年的專利申請還未公開，但從近些年的專利申請趨勢以及工業(yè)機器人的應用來看，近兩年的專利申請量仍然處于高位。

1.1.2 全球專利來源地域分析。本研究從最早優(yōu)先權入手，統(tǒng)計分析全球專利的來源地域。圖2顯示了工業(yè)機器人用RV減速器全球專利來源地域分布情況。依據統(tǒng)計結果可知，近二十年來，申請量排在第一位的仍然是日本，占比47.4%，即在全球范圍內，日本在該領域依然處于領先地位；排在第二位的是中國，這體現(xiàn)了我國對工業(yè)機器人的核心技術大力發(fā)展和突破的成果。

1.1.3 目標國/地區(qū)分析。圖3顯示了工業(yè)機器人用RV減速器專利申請五局流向。從圖3可以看出，在工業(yè)機器人用RV減速器領域，日本不但是申請專利數量最廣泛的國家，也是全球范圍內專利布局最廣泛的國家，其中尤其重視中國市場，在中國進行了大量的專利布局，其次是歐美地區(qū)。中國的專利申請主要是在國內，海外布局比較少，這是因為海外布局起步較晚。根據目前數據對比，中國的海外專利數量與日本差距較大，與歐、美、韓相比也沒有數量優(yōu)勢，但是隨著近年來國家對知識產權的愈加重視，我國專利的海外布局必將占據重要地位。

1.1.4 全球專利重要申請人分布。全球范圍內RV減速器的專利主要集中在日本的納博特斯克株式會社和住友重機械工業(yè)株式會社。從納博特斯克株式會社的專利申請和市場份額情況可以清楚地看到專利在企業(yè)創(chuàng)新和市場拓展方面的顯著作用。此外，住友作為擺線減速器方面的重要申請人和市場占有者，其RV減速器方面的專利申請也占據重要的地位，專利申請量僅次于納博特斯克株式會社。其他主要申請人的專利申請量相對較少，這更反映了該領域的技術集中度較高。從國家分布來看，重要申請人集中在日本和中國，這得益于近幾年國內對RV減速器研發(fā)的重視和投入。

下面對部分重要申請人所申請的專利進行技術分析。如圖4所示，納博特斯克對機器人用RV減速器的布局最為全面，涉及了每個分支，住友其次。納博特斯克和住友的布局重點均在RV減速器的零部件結構和整體構造方面，并且都在加工方法、檢測分析、潤滑方面進行了一定的專利布局，其中在零部件結構方面，納博特斯克專利申請量最多的是關于曲柄軸的，住友申請量最多的是關于軸承的；南通振康焊接機電有限公司的專利申請集中在裝配組裝上；蘇州華震工業(yè)機器人減速器有限公司專利申請的重點涉及擺線輪。

1.2 國內專利申請狀況

RV減速器隨著機器人行業(yè)的快速發(fā)展而供不應求，據《2017年世界機器人報告》，中國機器人行業(yè)正在每年以15%～20%的比例高速增長［10］。

1.2.1 工業(yè)機器人用RV減速器國內申請態(tài)勢。2003年以來，工業(yè)機器人用RV減速器在中國的專利申請態(tài)勢如圖5所示。在2004年之前，中國專利申請量較少，國內研發(fā)欠缺，一方面是因為核心技術被日本掌握，另一方面是國內市場對工業(yè)機器人的需求有限，政策支持不夠充分。隨著國內市場對工業(yè)機器人需求量的增長，中國的專利申請量也開始增加，尤其是2015年以來，在國家政策的支持下，中國專利申請量處于高位，技術也處于追趕期，國內RV減速器實現(xiàn)了部分量產，并進入國產替代階段。由于專利申請延遲公開的特點，部分2023年的申請尚未公開，但是從發(fā)展趨勢以及發(fā)展熱點來看，國內RV減速器的專利申請量仍將繼續(xù)處于高位。

1.2.2 在中國申請專利的技術分支功效分析。對2003年以來的國內專利申請進行去噪、數據標引后，從技術分支和技術效果兩個方面入手，對專利技術功效進行統(tǒng)計分析。

如圖6所示，2003年以來，工業(yè)機器人用RV減速器領域的中國專利申請主要集中在低成本、小型輕量化、高負載、高精度這四個方面的技術功效，另外在傳動效率、減振減噪、密封、易拆裝、優(yōu)化受力等方面也有所涉及。每個技術功效都對應一個或多個技術手段，同時這些技術手段所要解決的技術問題以及能夠達到的技術效果又各有側重。其中，對于裝配組裝，專利申請主要在于實現(xiàn)低成本、小型輕量化、高負載，高精度，這是因為RV減速器進口成本高，加工難度大，降低成本是目前國內設計的重點，而高負載、高精度則是RV減速器的應用需求，至于小型輕量化則是為了提高使用體驗而進行的優(yōu)化升級。

圖6在直觀展示工業(yè)機器人用RV減速器技術熱點的同時，也體現(xiàn)了該領域的技術薄弱點，進而為我國企業(yè)在工業(yè)機器人用RV減速器的研發(fā)和專利布局提供一定的參考和借鑒。加工設計對RV減速器的精度非常重要，好的加工設計甚至可以彌補加工機械本身的精度問題所產生的精度不高現(xiàn)象。但是，在中國申請專利中，加工設計領域的占比并不高，專利申請數量偏少。國內企業(yè)可以試圖在上述熱點和薄弱領域開展技術創(chuàng)新，提早進行專利布局。

此外，在機器人伺服系統(tǒng)和控制器方面，中國也與國外有著不少的差距。目前，國內廠商要彌補差距，需要對減速器進行優(yōu)化設計，滿足減速器精度和強度要求。同時，先進的制造業(yè)是生產精密減速器的關鍵，我們國家當前面臨的問題是減速器運行一段時間后，精度難以保持，特別是材料成型和加工方面，中國相較于日本的減速器還有不小的差距，這些均可作為國內RV減速器從業(yè)者的努力方向。

2 技術分支專利分析

RV減速器由一個行星齒輪減速機的前級和一個擺線針輪減速機的后級組成，主要包括輸入齒輪軸、行星輪、曲柄軸、擺線輪、針輪、行星架等結構。輸入齒輪軸作為RV減速器的輸入端，一端連接電機輸入扭矩，另一端是漸開線齒輪，通過與行星輪相嚙合傳遞動力；三個行星輪呈120°均布，與主動齒輪嚙合，完成第一級減速；行星齒輪與曲柄軸通過花鍵連接固定在一起，作為第二級減速階段的輸入部分；角接觸球軸承連接曲柄軸與行星架，以傳遞曲柄軸與行星架之間的運動；滾針軸承連接擺線輪與曲柄軸，支撐擺線輪完成公轉與自轉；兩個擺線輪呈180°對稱分布；針輪分為兩部分，一部分為針齒殼，另一部分為針齒，通過與擺線輪完成嚙合傳動，進行第二級減速；主軸承在行星架與針齒殼之間傳遞運動和力；行星架支撐整個減速器的結構，并作為整個減速器的輸出部分。

2.1 技術分支

根據工業(yè)機器人用RV減速器的設計重點，本文將工業(yè)機器人用RV減速器的技術分為一級分支和二級分支，如圖7所示。其中一級分支包括零部件結構、整體構造、加工設計、檢測分析、材料、潤滑。二級分支中，零部件結構包括擺線輪、曲柄軸、軸承、行星傳動部、嚙合齒部（例如齒圈、針齒）、輸入輸出部；整體構造包括裝配組裝和中空型；加工設計一般對應于方法，例如參數設計、工藝優(yōu)化等。由于潤滑劑一般也具有冷卻功能，所以潤滑同冷卻一起進行統(tǒng)計。

圖8為工業(yè)機器人用RV減速器技術分支專利申請占比，可以看出，零部件結構和整體構造方面的技術占比遠高于其他四個分支，這從側面反映出RV減速器的結構設計是核心，也是最為成熟和易于改進的技術，各國專利布局重點仍然在于機械結構部分，其中整體構造占比34%，零部件結構占比43%，整體構造中的裝配組裝占比85%，中空型占比15%，零部件結構中的行星傳動部占比20%，嚙合齒部占比13%，輸入輸出部占比10%，擺線輪占比19%，曲柄軸占比20%，軸承占比18%。在材料、潤滑、加工設計、檢測分析領域也有相當數量的專利申請，分別占比5%、7%、7%、4%。各分支占比與實際生產、市場應用、研發(fā)成本等因素相關。

2.2 各技術分支的技術發(fā)展路線

為了更加全面地了解工業(yè)機器人用RV減速器的發(fā)展過程，本文通過對工業(yè)機器人用RV減速器技術領域的專利數據進行分析，基于引證頻次、同族數量以及專利布局情況，對六個分支的重要專利技術演進進行梳理，如表1所示。

2.2.1 整體構造。整體構造主要是指RV減速器裝置的裝配組裝、中空布局，零部件連接、安裝結構優(yōu)化等，目的在于實現(xiàn)減速器的小型輕量化、降低成本、簡化結構等。1995年，帝人制機通過降低轉向時的噪聲達到降噪效果（JP3659707B2）；2000年，帝人制機實現(xiàn)機器人的鉸接部分小型化并具有防水功能（JP4208169B2）；2011年，日本捷太格特實現(xiàn)在高負載條件下也能夠有效地傳遞轉矩（JP2012223081A）；2012年，精工愛普生實現(xiàn)電力機械裝置小型化（US20120176007A1）；2016年，B M INNOVATIES B V提供了一種具有擺線減速的緊湊型集成馬達—齒輪驅動單元和包含該單元的裝置（US2016361988A1），實現(xiàn)了小型集成化。

2.2.2 材料。零部件材料對減速器裝置的壽命、精度都會產生影響。1993年，三菱重工通過在偏心軸與行星齒輪體之間設置橡膠套筒減小了齒隙，提高了精度（JPH0718055U）；2012年，納博特斯克為降低材料成本，抑制刀具壽命的惡化，提供了一種偏心擺動式齒輪裝置，對不同部件的材料進行了區(qū)分（JP5946710B2）；2013年，納博特斯克通過對齒輪架基部、螺栓材料進行設計，解決了螺栓的緊固發(fā)生松動問題（CN104736888A）；2020年，XR DOWNHOLE， LLC通過聚晶金剛石動力傳輸表面提高負載（US11054000B2）。

2.2.3 檢測分析。檢測在RV減速器的生產和應用過程中是非常重要的，能夠為生產提供數據支持，為應用提供反饋、修正和報警。1995年，帝人制機基于輸出旋轉檢測裝置的信息控制馬達驅動力，提高了反饋控制精度（JPH09177905A）；2000年，帝人制機通過高精度檢測輸出旋轉提高精度（JP3964105B2）；2020年，浙江工業(yè)大學基于數字孿生的RV減速器使用壽命預測方法實現(xiàn)了低成本高精度的預測（CN112163325A）。

2.2.4 加工設計。加工設計主要涉及零部件的生產工藝、參數設計、修形等，影響減速器精度、減振減噪、負載、使用壽命等多方面性能。1999年，住友為提高減速器負載，提出了內接嚙合行星齒輪結構的內、外輥及其制造方法（JP4265834B2）；2006年，納博特斯克為抑制旋轉損耗而設計了曲軸的制造方法（EP1767815B1）；2018年，河南科技大學針對目前擺線輪齒廓修形方法過程復雜、修形量不準確導致RV減速器傳動精度不高等問題，提出了基于對數的擺線輪齒廓修形方法（CN108343725A）。

2.2.5 潤滑。潤滑一方面可以減小減速器磨損，另一方面具有冷卻效果。2005年，納博特斯克為了解決減速器工作放熱導致壽命縮短的問題，限制曲軸的速度，以使油脂的散熱最?。–N101006287A）；2005年，日本電產新寶為提高潤滑穩(wěn)定性，設計固體潤滑劑與內銷、外齒齒輪和托架銷接觸（JP6663202B2）。

2.2.6 零部件結構。零部件結構是指主要涉及行星齒輪、擺線輪、軸承、曲柄軸、針齒等零部件結構的專利技術。1997年，帝人制機為提高精度和剛度，對行星齒輪裝置進行了改進設計（JPH11173386A）；2006年，KOEKKUSU設計了一種一齒數差漸開線型內接行星齒輪機構，發(fā)現(xiàn)當齒數為40的漸開線內齒輪的位錯系數為1.0并且齒數為39的漸開線外齒輪的位錯系數為0.2時，可以防止齒尖彼此干涉并實現(xiàn)平穩(wěn)的偏心運動（JP2007024072A）；2014年，重慶大學為解決加工難度大，回差不易控制的難題，對針齒銷進行了改進設計，使得針齒銷與針齒殼上的包容槽之間具有雙線接觸特性（CN103994184A）。

3 結語

本文以工業(yè)機器人用RV減速器為出發(fā)點，分別統(tǒng)計了與其相關的全球和國內專利申請數據，并對此進行了詳細分析，從中可以看出工業(yè)機器人用RV減速器相關專利的申請情況、關鍵技術研究熱點以及未來發(fā)展的方向。日本、中國以及歐美國家是專利申請的主要國家，近幾年來國內專利申請量增長明顯，累積申請量已經接近日本，且明顯多于歐美國家。日本不但是申請專利數量最廣泛的國家，也是在全球范圍內專利布局最多的國家，中國在這方面的專利申請與之相比仍存在很大差距，海外布局數量偏少，若要增強國際影響力和競爭力，建議國內相關企業(yè)進行PCT申請，加強海外專利布局。在具體的產品研發(fā)方向和專利布局上，擺線輪、曲柄軸、軸承的創(chuàng)新設計，以及裝配組裝的創(chuàng)新優(yōu)化仍是重點。另外，加工設計對RV減速器的精度非常重要，好的加工設計甚至可以彌補加工機械本身的精度原因所產生的精度不高的缺陷，在中國專利申請中，加工設計的專利申請占比不高，建議國內企業(yè)在加工設計方面加強研究，彌補加工精度的不足，從而在優(yōu)化受力、減振降噪、提高傳動效率等方面得到保證甚至提升。

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