全球全自动挤奶机器人领域专利技术发展阶段分析

丁芳，赵慧敏， 陈慧君，张海南，李小明，金红伟，宗杨，聂迎利，王丽，李永清

(1.中国奶业协会，北京 100193；2.中国农科院农业信息研究所，北京 100098；3.武汉农科院，武汉 430072；4.融通农业发展（成都）有限责任公司，成都 610000；5.北京农业职业学院，北京 100031；6.农业农村部农业机械化总站，北京 100021；7.利拉伐（天津）有限公司，北京 100176；8.内蒙古包头市九原区畜牧水产服务中心，包头 014060)

《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》（国发〔2018〕42号）明确,“促进物联网、大数据、移动互联网、智能控制、卫星定位等信息技术在农机装备和农机作业上的应用”，为促进奶业机械向信息化、智能化方向转型升级提供了政策支持。《农业农村部关于加快畜牧业机械化发展的意见》（农机发〔2019〕6号）明确“推进智能畜牧机械装备与智慧牧场建设融合发展”。《国务院办公厅关于促进畜牧业高质量发展的意见》（国办发〔2020〕31号）要求“提升畜牧业信息化水平”。

2021年中央一号文件提出要提高农机装备自主研制能力，支持高端智能农机装备研发制造，强化农业科技与物质装备支撑，加快推进农业现代化建设速度，畜牧养殖机械产业迎来重要机遇期。农业农村部2021年1号文件再次强调要提升物质技术装备水平，强化现代农业基础支撑，大力推进农业机械化以及加快发展智慧农业等诸多农机农技推广新举措。对于奶业，还特别提出要持续推进奶业振兴，加快奶牛养殖装备改造升级。

虽然目前我国规模化牧场挤奶机械化程度已达到100%，但是国内使用的挤奶机关键部件仍是以进口为主，还有一小部分的挤奶机为整机进口产品。挤奶设备的科技前沿阵地——挤奶机器人，是在家畜养殖机器人研究领域投入最大、挑战性最高、产品最多且研发时间较长的机器人，国内对全自动智能挤奶机器人的研究与国外相比尚有较大差距。

面对国内设备与国外设备的差距，为促进民族挤奶装备技术的进步与发展，笔者所在研究团队主要针对挤奶设备的前沿技术——“全自动挤奶机器人进行全球范围内的创新专利技术检索，进行专利导航分析，助推民族挤奶装备技术提升，以期可以帮助国内挤奶设备研发机构更好地了解本领域专利发展态势，客观评价国内外挤奶机器人的发展差距，更加明晰挤奶设备未来研发方向。

1 检索对象

本研究目标研究对象为全自动挤奶机器人在国内外发表的专利文献。重点分析全自动挤奶机器人领域国内外技术申请时间概况。通过对国内外技术发展阶段进行分析评价，以便更好地掌握国内研究优势方向和不足，为深入进行战略规划等提供参考。

本报告检索到的国内外专利数据来自Derwent Innovations Index德温特专利数据库专利检索平台。检索日期为2020年11月24日；检索范围为全部年份。经过检索、标引、清洗等筛选出全自动挤奶机器人领域的专利。

2 全球全自动挤奶机器人领域专利技术发展阶段分析

截至2020年11月24日，全球全自动挤奶机器人领域专利总量为5 143项、11 555件专利，最早优先权国为中国的专利总量为278项、333件。图1a和图1b为全自动挤奶机器人领域全球专利和中国专利申请数量（以“项”为单位）随年代的变化情况，其中年份按整个专利家族的最早优先权年进行统计。考虑到专利从申请到公开的时滞（最长达30个月，其中包括12个月优先权期限和18个月公开期限），2018-2020年之间的专利数量与实际不一致，并未检索到2020年公开的全部专利数据，因此不能完全代表这三年的申请趋势。

图1a 全自动挤奶机器人领域全球专利申请年代趋势（1893-2020）

图1b 全自动挤奶机器人领域全球专利申请年代趋势（1980-2020）

全球全自动挤奶机器人领域相关专利申请数量从1970年开始进入快速上升阶段。至1989年后处于稳定发展阶段，年均产出专利100件左右，在1999-2001年有个短暂的暴发期，此后处于平稳状态，年专利申请件数在80件左右。

最早优先权国为中国的专利申请要晚于全球的专利申请。中国在1989年开始有第一个与全自动挤奶机器人技术相关的专利申请（CN2064046U，牛奶自动计量仪，专利权人为国营长安奶牛场），自此进入萌芽期，在2011年开始进入快速发展期，此后年专利申请量在10件以上。2007年，为贯彻落实《国务院关于促进奶业持续健康发展的意见》（国发【2007】31号）有关将挤奶机械纳入财政农机具购置补贴范围的要求，从2009年开始中央财政在农机购置补贴中重点支持挤奶机械购置补贴，对生鲜乳收购站进行改造，更新挤奶机、贮奶罐、冷藏罐，提升生鲜乳收购站挤奶设备的现代化装备水平。按中央财政补贴比例在30%以内，购机者负担70%以上，单个机械补贴不超过12万元的补贴标准，2009-2010年中央财政公告补贴3.46亿元，补贴挤奶机1.04万台（套），极大促进了国产挤奶设备企业的研发积极性，全自动挤奶设备的研发也逐渐提上国产挤奶设备企业的研发日程[1]。

专利技术生命周期是指在专利技术发展的不同阶段中，专利申请量与专利申请人数量的一般性的周期性规律。一个比较完整的技术生命周期示意图是利用某段时间内与某项技术相关的专利申请数量和相应的专利申请人数量的变化情况绘制而成的，以年度申请人量为横坐标、年度申请数量为纵坐标绘制出曲线，对技术发展的各个阶段进行分析，预测技术的发展速度及前景。专利技术生命周期常用五段论，即萌芽期、发展期、成熟期、衰退期、复苏期。根据检索结果，本研究分析并绘制了全自动挤奶机器人领域的全球专利技术生命周期图（图2）。

图2显示，全自动挤奶机器人领域全球专利技术生命周期分为以下几个阶段。

图2 全自动挤奶机器人领域全球专利技术生命周期

2.1 技术萌芽期（1893-1970年）

全球全自动挤奶机器人领域相关专利早在19世纪末20世纪初就开始出现，最早的专利是在1893年申请（英国，GBT189317231A，与挤奶机配套使用的自动将奶嘴杯从奶牛身上取下的装置，WITHELL REUBEN公司）。此后一直发展非常缓慢，即使在申请量最多的年份，也不超过40件。由于全自动挤奶机器人涉及多学科的交叉，又需要基础理论、软硬件的结合，对技术要求高，因此才有了较长时间的技术积累。

在技术萌芽阶段，专利数量较少，这些专利大多数是原理性的基础专利，由于技术市场还不明确，只有少数几个企业参与技术研究与市场开发，表现为重大的基本专利的出现。此时，专利数量和申请专利的企业数都较少（集中度较高）。

该阶段专利技术的申请主要集中在真空室、排奶连接管、挤奶箱（进护栏、杠杆）、奶杯奶管结构等技术。

2.2 技术发展期（1971-1988年）

由图1a和图1b可以看出，专利申请数量从1970年开始进入快速上升阶段。随着技术的不断发展，市场扩大，介入的企业增多，技术分布的范围扩大，表现为大量的相关专利申请和专利申请人的激增。

该阶段专利技术的申请主要集中在真空室及其零部件、挤奶箱（进护栏、杠杆）、奶流控制、奶杯奶管结构及机器控制、泌乳刺激控制等方面。

主要专利权人中DELAVAL（利拉伐）已经开始在真空室及其零部件、挤奶箱（进护栏、杠杆）、奶流控制、奶杯奶管结构及机器控制方向进行了专利申请。LELY（莱利）则主要集中在自动化控制（机械臂控制、腿感应）技术方向。这一时期，DELAVAL于1975年开始挤奶自动化的相关研究，1980年正式开始挤奶机器人的设计和研发，1982年申请了首个自动挤奶专利。

2.3 技术成熟期（1989-1994年）

由图1、图2可知，在1989年后处于稳定发展阶段，年均产出专利100件左右。当技术处于成熟期时，由于市场有限，进入的企业开始趋缓，专利增长的速度变慢。由于技术的成熟，只有少数的企业继续从事相关领域的技术研究。

该阶段专利技术在真空室、挤奶箱、奶杯结构等技术上申请量明显较上一阶段有所减少，在自动化控制（信号和传感器的自动化控制、机械臂自动化控制、腿感应检测）、奶流量自动控制、牛奶流制冷存储方向开始申请专利。

主要专利权人中DELAVAL的专利申请集中在真空室及其零部件方向，其他方向如牛奶流控制和制冷、奶管流动清洗、自动化控制（信号自动控制、图像识别）也有少量涉及。LELY的专利依然集中在自动化控制（机械臂控制、腿感应）技术方向。

2.4 第二技术发展期（1995-2000年）

该技术阶段又出现了一次相关专利申请和专利申请人的快速增长。该阶段专利技术的申请主要集中在自动化控制（机械臂的自动化控制、图像识别、奶牛ID识别，自动检测牛乳头）、挤奶箱（进护栏、挤奶线连接）、挤奶充气装置（奶衬、奶杯壳及其组装）方向。

主要专利权人中DELAVAL的专利申请方向偏向进护栏、奶流控制，在自动化控制（机械臂自动化控制、图像识别）方向也开始申请了很多专利。LELY在自动化控制方向进行了更多的专利申请，方向从机械臂的自动化控制拓展到信号和传感器的自动化控制，此外在奶管流动清洗中也申请了少量专利。

GEA的专利技术主要集中在牛奶流制冷和自动检测牛乳头方向。ORION在自动化控制（自动检测牛乳头、奶牛的ID识别）方向也进行了专利申请。

MAASLAND在自动化控制（机械臂的自动化）、奶流量控制方向申请专利。

这一时期，DELAVAL首个机器人Prototype于1994年开始应用于挤奶。1998年，DELAVAL在全球正式推出了挤奶机器人——第一代VMSTM自愿挤奶系统；1992年LELY的全自动挤奶机器人“宇航员”原型出现，1995年正式推出“宇航员”。产品上市，专利先行，这些技术前沿企业都在默默地逐步布局自己的专利技术市场。

2.5 技术衰退期（2001-2009年）

当技术老化后，企业也因收益递减而纷纷退出市场，此时有关领域的专利技术几乎不再增加，每年申请的专利数和企业数都呈负增长。

该阶段专利技术的申请主要集中在自动化控制（信号和传感器的自动化控制、机械臂自动化控制）、奶流量自动控制方向、奶衬及其组装、挤奶箱（进护栏）等方面。

主要专利权人中DELAVAL申请的专利在自动化控制方向比上一阶段有所增加，集中在真空泵控制、机械臂的自动化方面。此外，其在奶杯、奶衬、奶流量控制方面也申请了一些专利。LELY的专利申请集中在自动化控制（信号和传感器自动化控制、奶牛分群）、牛奶流制冷、真空泵方面。

2.6 技术复苏期（2010-2020年）

技术是否能进入复苏期，主要取决于是否有突破性创新，可以为技术市场注入活力。人工智能相关技术与挤奶技术的结合给全自动挤奶机器人技术的发展注入了新的活力。该阶段专利技术的申请主要集中在自动化控制（奶牛ID识别、奶标签识别、视觉系统机器人、图像识别、自动检测牛乳头、自动喂食、真空泵控制），此外还有在真空室（气缸、真空泵）、奶流量自动控制等方面申请了一些专利。

主要专利权人中DELAVAL申请的少量专利集中在奶衬和图像识别方面。LELY的专利集中在机械臂自动化和图像识别方面。TECHNOLOGIES HOLDINGS申请的专利主要集中在视觉系统机器人相关操作和信号自动化控制方面。

3 中国全自动挤奶机器人领域技术发展阶段

根据检索结果，笔者绘制了中国（最早优先权国）专利技术生命周期图（图3）。从图3可看出，中国在全自动挤奶机器人领域的技术发展主要分以下两个阶段。

3.1 技术萌芽期（1988-2010年）

该阶段中国有少量相关技术申请，也有少量的机构参与技术的研发。

3.2 技术发展期[2011-2018年（至今）]

该阶段中国在挤奶机器人领域申请专利的数量迅速增长，同时参与的机构数量也在一直增长，尤其是2015年之后。这与国家层面对机器人产业扶持政策频出有极大的关系，2015年5月，国务院正式印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略，将农机装备、机器人列入十大重点发展领域。2016年，出台了《机器人产业发展规划（2016-2020年）》，此规划为包括挤奶机器人在内的服务机器人的技术创新和市场开拓提供了有力的方向指引和政策支撑，所以此阶段专利创新活跃度进一步加强。

图3 全自动挤奶机器人领域中国（最早优先权国）专利技术生命周期图

4 结语

2010年以来，各工业大国纷纷提出机器人产业政策，目前我们已经开始进入第四次工业革命时期。2011年美国启动“先进制造伙伴关系”（AMP）计划，2013年德国政府提出“工业4.0”战略;日本也不甘落后，在2015年初发布了《新机器人战略》。这些国家级政策，皆将机器人产业发展视为重要内涵。自2015年以来中国的机器人相关政策密集出台，2015年5月中国推出了《中国制造2025》，2016年4月出台《机器人产业发展规划（2016-2020年）》，2016年9月出台《智能硬件产业创新发展专项行动（2016-2018年）》。在全球竞争的背景下，包括机器人在内的人工智能已经上升为国家优先发展方向，将促使机器人市场持续增长，农业领域的挤奶机器人也将得到长足的发展，但是我国挤奶机器人的进一步发展，还有赖于更细致的政策引导与扶持。虽然中国的专利申请增长期晚于其他国家，但结合奶业发展阶段和专利技术周期等数据，可以预测我国的全自动挤奶装备发展水平在不远的将来将会迎来一次大的飞跃与发展。

为此，建议制定完备的自动挤奶机器人政策，分领域、分阶段多元化激励、扶持和孵化，实现新热点技术领域的快速突破，与基础技术领域的不断积累，实现中国在该领域的后来居上。自动挤奶机器人涉及的技术领域多，与奶业各类应用的结合范围广，除了机械挤奶操作外，还包含了智能识别、智能定位、智能饲喂、智能取样、智能检测、智能管理等从微观到宏观的一系列生产需求。自动挤奶机器人所涉及的这些技术领域、应用和生产需求的发展情况均不相同，需要多元化的激励、扶持、孵化政策来促进我国挤奶机器人的发展。