下肢康复机器人知识产权现状分析

戴顺孝

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 下肢康复机器人定义

康复机器人作为一种新型机器人,涉及康复医学、生物力学、机械学、电子学、材料学、计算机科学及机器人等众多领域,是一种自动化程度高且有效的康复训练设备。康复治疗过程中,康复机器人能改善患者的行走能力,提高患者的生活自理能力,使患者重新回归社会。

下肢康复机器人是康复机器人中十分重要的一类。当前,学术界针对下肢康复机器人缺乏明确的定义。综合实践应用,普遍认为下肢康复机器人指可以辅助下肢受到一定损伤、无法正常运动或运动功能暂时受限的患者开展系列康复治疗的医疗设备。应用下肢康复机器人,通常可以进行半自动化或自动化机电一体康复治疗。

2 主要技术路线

根据患者在康复训练中的身体姿态,下肢康复机器人大致分为四大技术路线:坐卧式机器人、直立式机器人、辅助起立式机器人和多体位式机器人。不同技术路线下肢康复机器人的主要技术特征及代表性产品见表1。

3 关键技术分类

针对下肢康复机器人的技术特点,对其关键技术进行拆分,形成下肢康复机器人专利技术分解表,见表2。

4 国外知识产权布局现状

以下肢康复机器人专利技术分解表为基础,构建专利检索策略。考虑到专利申请公开的滞后性,为保证专利检索结果可靠,检索时间选取截止至2018年2月,共检索到国外2 991个专利族、国内2 527件专利。笔者对上述专利检索结果进行定量与定性分析。

4.1 专利整体布局

下肢康复机器人关键技术国外专利整体布局如图1所示。从图1中可以看出,该领域的热点技术为减重方法和操作系统。这两个技术点相关的专利总量占专利申请总量的80%以上,可见这两个技术是下肢康复机器人设计的关键。

表1 下肢康复机器人主要技术路线

具体分析,从减重方法相关专利布局情况看,悬吊减重方法是主流技术,达到353个专利族。悬吊减重一般通过将穿戴于患者躯干处的安全带竖直吊起,以达到减重和保护患者的目的。这种方式会使患者在训练过程中受到很大束缚,不能自主地活动身体。与这一技术相对的是非悬吊减重方法,这种方法中的主流技术是采用骨盆机构支撑减重。从专利上来看,这种专利技术非常少,国外仅16个专利族,以采用三自由度技术为主。

4.2 专利年度趋势分析

下肢康复机器人国外专利年度趋势如图2所示。总体而言,下肢康复机器人国外专利技术在20世纪70年代中期开始出现,以悬吊减重为主。1996年后,下肢康复机器人的其它各技术点开始涌现较多的研究成果,专利申请量开始持续增长。2013～2015年是下肢康复机器人国外专利申请的高峰时期,但是热点技术仍然以悬吊减重和操作系统这两个技术点为主。

表2 下肢康复机器人专利技术分解表

从一级技术分类相关专利起步时间看,减重模块、移动模块相关专利起步较早,从20世纪70年代开始陆续有专利产生,但年申请量较少,低于5件。直到20世纪90年代中期后,专利产生速度加快,其中尤以悬吊减重相关技术研发受关注度最高。人机控制系统、安全防护相关专利起步相对较晚,专利积累起步于20世纪90年代中后期。值得注意的是,操作系统相关专利在2000年后增速快于其它技术点。

4.3 申请人与专利权人实力分析

下肢康复机器人国外专利申请人与专利权人实力分析如图3所示。从图3中可以看出,下肢康复机器人国外专利较集中的申请人与专利权人以日韩为主。安川电机是日本一家运营伺服电机、控制器、机器人及各类系统工程设备的综合性公司,十多年来,安川电机一直在研发和推广康复及医疗机器人产品,在外骨骼机器人领域已经推出名为ReWalk的步行辅助装置。安川电机在悬吊减重方面拥有较多专利,数量是另外几家公司的几倍,说明该技术是安川电机的布局重点。现代重工是韩国一家产品较为综合性的公司,机器人产业是该公司的一个重要部分。该公司在主动控制系统和安全防护方面也有专利布局。

与安川电机的专利侧重悬吊减重不同,专利申请量排名较靠前的其它申请人与专利权人,其技术侧重主动控制系统和安全防护。

4.4 技术来源国分析

下肢康复人国外专利技术来源国分析如图4所示,可见主要来源国为韩国、美国和日本。这几个国家的专利布局都侧重于操作系统和悬吊减重技术点。具体而言,各国家的技术侧重有所不同。韩国在操作系统和悬吊减重技术点均布局较多专利,操作系统技术点达到86个专利族,悬吊减重技术点达到62个专利族。美国专利主要集中在悬吊减重技术点,在操作系统技术点的专利数量则非常少,仅11个专利族。日本和美国的布局较为相似,以悬吊减重技术点为主,操作系统技术点较少。

图1 下肢康复机器人关键技术国外专利整体布局

图2 下肢康复机器人国外专利年度趋势

图3 下肢康复机器人国外专利申请人与专利权人实力分析

5 我国知识产权布局现状

5.1 专利整体布局

我国下肢康复机器人专利整体布局如图5所示。与下肢康复机器人国外专利布局较为相似,我国也主要集中布局在悬吊减重和操作系统两个技术点,分别达到300件和202件专利。我国申请人在人机交互系统、安全防护和移动模块技术点也有一定的专利布局,而非悬吊减重技术点专利数量则较少,仅有12件专利。

图4 下肢康复机器人国外专利技术来源国分析

图5 我国下肢康复机器人专利整体布局

5.2 专利年度趋势分析

我国下肢康复机器人专利年度趋势如图6所示。从图6中可以看出,我国下肢康复机器人专利年度趋势与国外专利年度趋势具有一定的相似性。我国下肢康复机器人专利技术起步稍晚,最早出现在20世纪80年代末,这与我国专利保护时间具有一定的一致性。我国下肢康复机器人专利最早开始出现在悬吊减重技术点,其次是操作系统技术点。

2015～2016年是我国下肢康复机器人专利申请的高峰期,从增长速度看,我国在这两年的增长率远高于国外,可见,我国对这一领域越来越重视。这种情况也折射出下肢康复机器人未来具有较大的市场,竞争也会越来越激烈。

图6 我国下肢康复机器人专利年度趋势

5.3 申请人与专利权人实力分析

我国下肢康复机器人申请人与专利权人实力分析如图7所示。从图7中可以看出,我国专利以我国本土申请人为主,国外来华的申请人较少。申请人主要是高校,公司仅1家,说明现阶段我国下肢康复机器人的主要技术掌握在科研机构手中。我国排名前五的申请人与专利权人中,唯一一家企业是上海璟和技创机器人公司。该公司主要从事多体位智能康复机器人和数字化康复解决方案系列产品的研发与销售,其推出的Flexbot及OS多体位智能康复机器人可用于下肢运动功能障碍患者的康复。该公司在悬吊减重、躯干模块、感知方法、操作系统、摔倒防护等多个技术点都申请了专利,是一家专利保护意识较强的公司。四家高校中,哈尔滨工程大学在操作系统技术点申请专利较多,合肥工业大学在悬吊减重技术点申请专利较多。

6 总结展望

通过一系列分析可以看出,下肢康复机器人是目前的热门技术领域,专利布局在最近十年受到企业和科研院所的重点关注,专利申请量开始增多。不同技术路线上,下肢康复机器人专利分布分散,尚未出现绝对的专利垄断性企业,可见,专利布局空间较大。目前,专利布局热点为悬吊减重和操作系统,与这两个技术点相关的专利量占专利申请总量的80%以上。各技术点中,用户界面和感知技术起步较晚,相对其它技术点而言,技术较新,可能是未来的一个发展方向。下肢康复机器人国外专利的申请人与专利权人以日韩为主,我国下肢康复机器人相关企业应当利用好专利,积极开展专利布局和挖掘,做好专利技术规避设计。这样做,一方面可以做好产品的专利保护,另一方面可以规避未来的专利纠纷,最终提升产品的竞争力。

图7 我国下肢康复机器人专利申请人与专利权人实力分析