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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。ㄧ、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關節T01基座傳動機構設計減速機T03Harmonic減速機柔性軸承驅動源配置Cyclo減速機齒型組裝/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垂直多關節型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簡化運動自由度輸入軸水平多關節型傳動機構設計RV減速機搭配行星齒輪組驅動源配置齒輪減速機輸出和輸入垂直配重機構設計輸出和輸入平行模組化手腕機構T02減速元件加設減速機Delta傳動機構設計加大減速比驅動機構設計更改配置位置手指傳動機構設計改變傳動元件驅動源配置傳動機構連動設計更改配置位置增加支撐馬達改變馬達配置其他設置檔板元件分離加大內部空間更改管線配置調整間隙而在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(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，顯示其對於關節技術之重視。表3各國關節專利發展趨勢表國家1980198319861989199219951998200120042007Japan(JP)0024822112UnitedStates(US)0011020000Sweden(SE)0000000122Germany(DE)0000010111Switzerland(CH)0000100001-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198419871990199319961999200220052008Japan(JP)193341102Sweden(SE)000001001Germany(DE)000001000-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各國減速機專利發展趨勢表國家1987199019931996199920022005Japan(JP)2203115Sweden(SE)0001210UnitedStates(US)0110010Germany(DE)0010000(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Fanuc8ABB5Yaskawa/Mitsubishi4HarmonicDrive/KUKA3Sankyo/Adept2-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Fanuc8Yaskawa6Mitsubishi4ABB/Hitachi2-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Sumitomo5HarmonicDrive/ABB4Teijin3Fanuc2(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：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10190011提昇運動性17171103提昇剛性1000010提昇精度8150000降低成本1011000增加扭力0010000重心平衡1010000拆裝容易7112011簡化控制1010000而表10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020001200提昇運動性100000000提昇剛性241120022提昇精度010000000降低成本011020000增加扭力101002210避免管線纏繞010000000提昇壽命001100001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3181000提昇運動性2081010提昇剛性0010100提昇精度2020101增加扭力1010000避免管線纏繞0310000拆裝容易0100001簡化控制0010000其它00010002.二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4621提昇運動性2631提昇剛性1100提昇精度3111降低成本0000增加扭力1100避免管線纏繞0103重心平衡0000提昇壽命0000拆裝容易0002簡化控制0100其它0100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0023提昇運動性1000提昇剛性5830提昇精度0100降低成本0510增加扭力2104避免管線纏繞0010提昇壽命1200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1210812提昇運動性349962提昇剛性001100提昇精度103940降低成本102000增加扭力001000避免管線纏繞000000重心平衡002000提昇壽命000000拆裝容易207130簡化控制000110其它0000003.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00000000212提昇運動性10000000000提昇剛性21211112300提昇精度00010000000降低成本00001002100增加扭力10101000022避免管線纏繞00000000100提昇壽命01001100000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2110141200010提昇運動性2000051310000提昇剛性0001010000000提昇精度2001010100001增加扭力0100010000000避免管線纏繞0000010000120拆裝容易0000000001100簡化控制0000010000000其它0000001000000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