谐波减速器技术专利分析研究

北京精密机电控制设备研究所 原誉桐 郑继贵 崔 雪 皮利萍

一、引 言

谐波减速器是一种由钢轮、柔轮和波发生器组成的减速装置，是机电伺服作动器、机器人实现运动功能的核心部件，具有传动比大、承载能力大、传动效率高等特点。谐波减速器最早应用于航空航天领域，随着其技术优越性的日益凸显，逐步被推广应用于加工中心、雷达设备、纺织机械、医疗器械、仪器仪表等领域，现在约有90%的谐波减速器应用于机器人工业和精密定位系统领域。基于谐波减速器在各个领域的重要地位，尤其是其在航天领域的广泛应用，开展谐波减速器技术的专利保护与分析具有较为重要的意义。

二、谐波减速器关键技术图谱和专利检索分析

（一）关键技术图谱

研究人员研究了谐波减速器产品的组成，以及谐波减速器产品的工艺流程，识别出其组成构件和研制过程中需要进行研究的技术细节，对组成和技术细节进行总结分析，得到如图1所示的技术图谱。谐波减速器技术包括总体结构、柔轮、刚轮、凸轮、柔性轴承、交叉滚子轴承、齿形、波发生器、加工制造和试验方法等10个关键技术。

图1 谐波减速器技术图谱

（二）关键技术的专利宏观分析

1.专利申请趋势分析

1955年至今，谐波减速器技术的专利申请趋势如图2所示，可以看出该技术相关专利申请始于20世纪50年代，期间经历了萌芽期（1955—1976年）、发展期（1977—2010年）和快速发展期（2011年至今）。

在1976年以前，谐波减速器技术整体处于技术萌芽和发展的初级阶段，专利申请量较少，年申请量均不超过15项，专利申请国主要包括美国和前苏联。1977—2010年，谐波减速器技术的专利申请数量呈现增长趋势，各个国家对谐波减速器技术的产业布局也逐渐清晰。2011年至今，随着机器人产业的发展，谐波减速器的市场需求随之增大，专利申请数量呈现出指数型高速增长的态势，并在2015年达到了申请高峰。

2.专利申请区域分析

分析查阅相关技术产出国的资料可知，谐波减速器技术的专利申请主要集中在日本、中国、美国和德国等国家，以上国家的专利申请量占总申请量的78%。其中，日本的专利申请量最多，达到892项，占总申请量的28%。图3为谐波减速器专利技术产出国分布示意图。

图4为1955年至今谐波减速器技术主要产出国家的专利申请数量对比图。通过图4和查阅相关资料可知，日本的谐波减速器技术实力最强；美国是研究谐波减速器技术最早的国家，主要集中在军事和航天等中高端领域；德国的专利申请最早出现于20世纪70年代；我国在该项技术的专利申请方面起步较晚，但在该领域的专利申请量仅次于日本。

3.专利申请技术构成分析

图5为从谐波减速器专利申请技术构成分析饼状图，可以看出，谐波减速器技术按基本构成可分为：总体结构、波发生器、加工制造、柔轮、试验方法、凸轮、齿形、刚轮、柔性轴承与交叉滚子轴承等10个部分。其中，总体结构、波发生器、柔轮和加工制造是谐波减速器技术的研发重点，直接影响着谐波减速器的技术性能。其他几项技术的专利申请量较少，未来仍然需要进行持续的技术攻关。

图2 专利申请趋势

图3 专利技术产出国分布

图4 主要技术产出国家申请数量对比图

图5 谐波减速器专利申请技术构成分析

1955年至今，谐波减速器中各技术分支的专利申请数量如图6所示，整体上看，谐波减速器大部分技术分支的专利申请数量呈现增长趋势。其中，总体结构方面的专利申请量最多，在1976年之前处于技术萌芽和发展的初级阶段；1977—2010年，专利申请数量呈现增长趋势，年专利申请量达到20项左右；2011年至今，在我国、日本等国家谐波减速器技术快速发展的驱动下，总体结构方面的专利申请达到40～100项左右。专利申请量位于第二名的是波发生器技术，于1987年达到第一个专利申请高峰，共申请了11项，之后专利申请量有所下降，于2015年达到第二个申请高峰，申请量达34项。专利申请量位于第三名的是柔轮技术，于1988年达到第一个专利申请高峰，共申请了11项，之后专利申请量有所下降，直到2006年开始回升，于2015年达到第二个申请高峰，申请量共21项。专利申请量位于第四名的是加工制造技术，申请量不多但较稳定，直到2013年开始有所增加，并于2014年达到第一个专利申请高峰，共申请了25项。由于近3年的专利公开数据统计不全，因此可以预见：波发生器、柔轮、加工制造技术领域仍将保持快速发展的趋势。刚轮、凸轮、齿形、试验方法等方面的专利申请趋势大致相同，近几年的专利申请数量有所上升，但总量相比于总体结构、波发生器、柔轮和加工制造技术要少得多。柔性轴承、交叉滚子轴承技术方面的专利申请数量更少，近几年也只是略微增加，可见上述技术在谐波减速器技术中的关注度较低。

1955年至今，在谐波减速器技术领域专利申请量排名前4位的主要申请国家在不同技术分支申请的专利数量如图7所示。

4.专利申请人分析

（1）全球专利申请人分析。

图8为全球谐波减速器技术专利申请量排名前15位的机构，其中，我国有7家、日本有5家、美国 有2家、俄罗斯有1家；我国和日本的申请机构数量较多，但是日本申请机构在专利申请数量上占据了主要地位。

图6 各个技术分支的专利申请趋势

图7 主要申请国家技术在不同技术分支申请的专利数量

图8 全球谐波减速器技术专利申请量排名

图9为近5年来谐波减速器技术专利申请量排名在全球前10位的申请人，与图8对比可以发现，在谐波减速器技术主要申请机构排名中HD公司均稳居第一，我国企业在谐波减速器技术方面的专利申请量有明显增加。

（2）我国专利申请人分析。

图10为我国提交的谐波减速器技术专利申请量在前10位的申请人排名情况。从图10可以看出，相关专利申请主要来自于各个公司，HD公司在我国提交的专利申请量排名在首位，其次是苏州绿的谐波传动科技有限公司。

图9 近5年专利申请数量排名

图10 我国主要申请人排名

三、技术发展和专利布局建议

（一）技术发展建议

在充分借鉴国内外先进的谐波减速器技术的基础上，研究人员可以进行技术规避，并且尽快形成产品特有性能和价格优势，具体可以加强以下4个方面的研究。

1.通过总体结构设计，延长谐波减速器的使用寿命

HD公司一直尝试通过总体结构设计来延长谐波减速器的使用寿命，并在我国布局了相关专利。如波动齿轮装置专利CN104919211A、 CN105452715A、CN107208748A等，这些专利均采用不同的技术措施，延长了波动发生器的寿命。

2.通过优化设计，实现谐波减速器的小型化和轻量化

HD公司申请的专利CN105308357B、CN105143716A中指出，可通过柔轮形状优化、采用特种材料等途径，在实现减小谐波减速器尺寸这一目标的同时，使谐波减速器的刚度、精度及寿命等重要指标得到提升。

3.加强驱动、传动一体化的谐波减速器设计

日本新宝公司申请了电机和减速器一体化设计的专利，该技术研发的产品能够作为独立的组件来工作；该公司申请的专利JP2017155780A公开了一种带有电机的减速齿轮，可通过将电机配置在减速器的输入端，起到有效放大力矩的作用。

4.加强谐波减速器核心部件的研发

刚轮、凸轮、齿形、柔性轴承、交叉滚子轴承作为减速器的核心部件，选择合适的匹配参数对谐波减速器的性能具有至关重要的作用。HD公司申请的PCT专利WO2017081753A1公开了一种能够承受力矩载荷且结构紧凑的滑动轴承，该轴承具有其他轴承不可替代的刚度和承载能力，对有效提升谐波减速器的力矩特性起到了技术支撑作用。

（二）专利布局建议

北京精密机电控制设备研究所（以下简称研究所）作为从事航天伺服技术和产品研制的单位，近年来大力开展机电伺服系统的技术开发工作，在武器型号和运载火箭上研制了大量的配套产品。为了更好地开展谐波减速器的研究工作，研究所可以在以下7个方面加强专利布局工作。

1.专利布局整体策略

近几年来，谐波减速器行业呈现快速发展趋势，国内外市场竞争日益激烈，相关单位根据其产品特点进行了专利布局。所以，研究所要仔细对比分析自身和竞争对手在技术上的优势和劣势，在优势的技术方向或技术点上强化研发和专利布局，采取防御为主、进攻为辅、差异化的专利布局策略。

2.专利布局目标

研究所的短期目标是尽快在国内申请相关专利，以跻身国内专利申请量排名前十，从而彰显研究所在谐波减速器领域的技术实力，以助力后续的市场推广工作。中长期的专利布局规划是结合研究所的产品规划、商业发展战略和专利定位情况，以及竞争对手的专利申请状况，完成保护性、对抗性或储备性专利布局，围绕谐波减速器产业上下游形成至少20项的全球专利组合，提升专利的整体价值。

3.围绕技术发展方向的专利储备

在谐波减速器涉及的关键技术中，齿形、刚轮、凸轮和试验方法技术方向的专利申请量较总体结构、波发生器、柔轮和加工制造技术相对较少；柔性轴承和交叉滚子轴承技术的专利申请量非常低。由此可见，刚轮、凸轮、齿形、试验方法、柔性轴承和交叉滚子轴承是谐波减速器的技术空白点，后续研究所可在专利布局上侧重于这些技术空白点。在总体结构、波发生器、柔轮设计方面，研究所可以从延长使用寿命、降低成本、提高可靠性和稳定性、实现小型化和轻量化等方面进行改进，并进行合理的专利布局。

4.围绕市场开拓区域的专利布局

由于目前研究所生产的谐波减速器主要在国内销售，因此现阶段的专利布局区域应以国内为主。当谐波减速器技术取得技术性突破，并且产品性能和价格优势明显时，研究所可以适当开展全球专利布局，以领先于国内其他公司。在具体途径上建议通过PCT申请等途径进行全球专利布局。

5.围绕产品保护的专利布局

在产品规划上，研究所可以借鉴国内外公司的产品系列，包括标准化产品与非标定制产品，也可以开发谐波减速器与电机集成产品。围绕研究所的产品规划，从总体结构、柔轮、刚轮、凸轮、柔性轴承、交叉滚子轴承、齿形、波发生器、加工制造和试验方法等方面开展专利布局。

6.对抗竞争对手的专利布局

HD公司在谐波减速器方面的实力最强，在技术、市场和专利方面均处于垄断地位。苏州绿的谐波传动科技有限公司、浙江来福谐波传动股份有限公司、北京中技克美谐波传动股份有限公司、东莞市鑫拓智能机械科技有限公司等是国内技术实力较强的企业，研究所可将上述公司作为主要竞争对手。研究所可围绕竞争对手的发展动向开展外围、防御性专利布局，与此同时，对竞争对手采取技术专利化、专利标准化、标准产业化的发展策略，进行技术规避设计，以减少侵权纠纷。

7.通过专利收购、专利许可、技术合作等方式完善专利布局

研究所可借鉴国外竞争对手通过企业并购、合资、建立分厂等方式，实现企业产品、技术和市场的全球化发展策略，与此同时，可考虑与相关的竞争对手进行技术交叉许可和技术合作。

四、结束语

开展谐波减速器技术专利分析工作，能够更好地实现对研究所技术和产品的保护，更好地了解竞争对手的研发状态和专利布局现状，更好地为新技术开发提供指引和借鉴，同时为该产品拓展国内外市场提供重要支撑。