基于专利数据的全自动挤奶机器人技术分支发展动态分析

赵慧敏，丁芳，柴河，吕小琳，李小明，陈兵，金红伟，宗杨，王丽，聂迎利

（1.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081；2.中国奶业协会，北京 100193；3.呼伦贝尔农垦谢尔塔拉农牧场有限公司，呼伦贝尔 021012；4.北京京鹏环宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094；5.北京农业职业学院，北京 100031；6.农业农村部农机化总站，北京 100122；7.利拉伐（天津）有限公司，北京 100176）

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。本文重点分析了全自动挤奶机器人技术分支的发展动态。

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技术分支的专利国内外申请趋势。

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共5143项、11555件。

2 全球全自动挤奶机器人专利申请技术分析

2.1 技术分支构成

经专家对全自动挤奶机器人的技术进行分类后，本文技术分类体系如表1所示。

表1 全球全自动挤奶机器人的技术分布

由表1可知，从一级分类来看，专利数量最多的还是集中于挤奶单元部件，有3481项专利，然后依次是挤奶箱（731项），清洗机构（413项），控制中心及控制面板（351项），最少的是冷却设备部分（57项）。某领域的专利申请量大也就意味着该领域专利侵权风险高，所以对于中国的创新主体来说，在实施全自动挤奶机器人挤奶单元部件研发、利用等技术活动时要多加关注专利侵权风险。

从二级分类来看，挤奶单元中挤奶杯组及挤奶杯部件是专利数量最多的（1876项），脉动器（864项）和真空泵（702项）排列其次，而挤奶单元末端执行机构的数量是最少的（231项），自动奶杯套杯及脱落的定位及乳头识别装置也较少（282项）。

根据行业调研的结果表明，奶杯自动脱落技术、清洗及上杯环节是主要“卡脖子”的关键点，结合以上具体数据，挤奶单元末端执行机构、自动奶杯套杯及脱落的定位及乳头识别、清洗机构识别系统与定位技术总体专利申请量较小，可能的原因，一是具有一定研发难度，二是已经形成某些技术壁垒，因此中国若突破此方面技术应作好专利调研防止专利侵权。同时也因为该领域专利申请量偏少，如果中国能攻克此领域技术壁垒并进行专利布局掌握基础专利，可能会获得更高、更长久的收益，所以需要更加重视，以免错过发展的机遇。

表2列出了技术来源国为中国的专利技术分布，从一级分类来看，专利数量最多的还是集中于挤奶单元部件（138项），然后依次是挤奶箱（57项）、控制中心及控制面板（41项）、清洗机构（33项），最少的是冷却设备部分（19项）。这与全球技术分布一致。

表2 中国全自动挤奶机器人的技术分布

2.2 技术分支专利申请趋势分析

图1显示了全自动挤奶机器人领域五大分类技术专利申请随时间变化的趋势。

图1 全自动挤奶机器人领域全球专利5大分类技术申请年代趋势（单位：项）

从专利数据分析得出：

1.控制中心及控制面板：当图像数字信号输入到计算机进行奶牛个体信息分析和在挤奶箱的具体位置分析，信息数据会输送到PLC，根据计算机处理信息和传感器反馈回来的信号，PLC运算处理后发出控制信号，使动力系统做出响应，驱动机械臂末端运动到乳房附近，通过图像识别摄像头提取乳房具体位置与分布，再通过计算机处理信息和传感器反馈回来的信号通过PLC发出的控制信号使动力元件驱动机械臂完成一系列动作[1]。这就是控制中心处理的一系列事件。该技术主要在1980年以后开始发展，在1990～2010年期间申请专利数量最多，此时技术趋于成熟，2010年后专利申请数量略有减少。在1990～2010年间，主要是荷兰和瑞典作为技术来源国，瑞典和德国成为主要的技术市场国家。专利权人排名前三的是DELAVAL、LELY GROUP、MAASLAND N.V. MAASSLUIS NL。2012年后主要技术来源国家为中国，主要市场国家主要有中国、欧洲和美国。除了DELAVAL和LELY GROUP，中国的主要专利权人成为主要申请人，在该技术领域申请数量排在前面的有：SHANDONG CHENGCHENG IOT TECHNOLOGY STOCK和UNIV SICHUAN AGRIC。

2.挤奶箱：该技术在早期就有较多专利申请，一直处于缓慢发展阶段，在1991-2010年阶段是快速发展期，2010年后进入稳定发展阶段，如图2所示。

图2 挤奶箱技术专利申请变化（1990-2020）（单位：项）

挤奶箱技术包括（2.1）饲槽、（2.2）进护栏及出护栏、（2.3）挤奶箱动力装置技术、（2.4）挤奶箱奶牛识别装置技术。其中，挤奶箱的奶牛识别系统一般采用射频（RF）、红外识别标牌识别奶牛（也用于测量奶牛活动），以及图像识别摄像头等以实现奶牛个体监测和例外管理。

（2.1-2.2）饲槽、进出护栏技术中，饲槽、进护栏及出护栏技术申请专利在2000年前申请专利较多，2000年以后专利申请数量开始减少。2000年前技术来源国家主要以荷兰和瑞典为主，市场国家主要以德国和加拿大为主。饲槽技术的专利权人以DELAVAL、LELY GROUP为主，进护栏及出护栏技术的专利权人以DELAVAL、LELY GROUP、PROLION BV为主。在2012年后中国和爱尔兰成为主要技术来源国家和主要市场国家。饲槽技术的主要专利权人有IRISH DAIRY SERVICES PORTLAOISE LTD、WILLIAM CASHMAN、WUXIXIAN WENXIN AGRIC & ANIMAL HUSBANDRY。进护栏及出护栏技术的主要专利权人有DELAVAL和GEA AG，此外来自中国的有ANHUI YOMO MACHINERY GROUP CO LTD、SHANGHAI MILKOWS EQUIP CO LTD。

（2.3）挤奶箱动力装置技术在1994～2012年年均申请专利2.5项，在此期间技术来源国家主要是瑞典和美国，市场国家主要为美国、加拿大、欧洲和澳大利亚，专利权人以DELAVAL、GEA AG为主。2012年后专利申请有所减少，技术来源国和市场国家主要是中国和乌克兰，专利权人较为分散。

（2.4）挤奶箱奶牛识别装置技术1990～2018年一直处于平稳发展状态，在此期间技术来源国家主要有瑞典、荷兰、美国和德国，市场国家主要是德国、欧洲、瑞典、加拿大和美国，主要专利申请人是DELAVAL、LELY GROUP和GEA AG。2009年后专利申请数量略有上升，该阶段主要技术来源国家和市场国家均是中国，主要申请人有LELY GROUP、N.V.NEDERLANSCHE APPARATENFABRIEK (NEDAP)、TECHNOLOGIES HOLDINGS CORP、BEIJING RES CENT AGRIC INFORMATION TECHN、UNIV HEBEI TECHNOLOGY、TIANJIN SHANLIAN TECHNOLOGY CO LTD。

3.清洗机构技术:该技术在1980年以前发展较为缓慢，1991年后进入快速发展期，直到2000年该技术专利申请数量回落，进入稳定发展期，如图3所示。

图3 清洗机构技术专利申请变化（1990-2020）（单位：项）

（3.1）清洗支架技术早期申请专利较少，主要在2011年至2020年有专利持续申请。技术来源国家主要有中国、瑞典。市场国家主要是中国和美国。重要专利权人为DELAVAL、SHIMU AGRIC SCI &TECHNOLOGY SHANGHAI CO和TECHNOLOGIES HOLDINGS CORP。

（3.2）清洗机构末端执行器子技术是其中专利申请最多的技术，该技术的主要发展阶段是在1994-2001年，该阶段技术来源国家和市场国家主要是中国和韩国，专利权人主要是DELAVAL、LELY GROUP和MAASLAND N.V. MAASSLUIS NL。2014年后专利申请数量又略有上升，该阶段技术来源国家主要是瑞典和荷兰，市场国家主要是德国、瑞典、欧洲和日本，专利权人主要是INNER MONGOLIA BADELA TECHNOLOGY CO LTD、RURAL DEV ADMINISTRATION。目前全自动挤奶机器人主要是利用机械臂末端执行器进行清洗、套杯等挤奶操作，目前投入使用比较多的是DELAVAL、LELY、Boumatic、Fullwood等公司生产的多自由度机械臂挤奶机器人。DELAVAL公司研制的全自动机器人挤奶系统（VMS）可通过光学摄像头、双激光器和液压驱动的四自由度机械臂适应不同的作业情况，且机械臂最大可倾斜45°角，其末端执行器能够逐次从机械臂的一侧夹取放置好的奶杯，自动完成套杯、脱杯等挤奶作业，该公司研制的全自动挤奶机器人是当今大型商业牧场应用最多的机型。早在2009年丹麦农业资讯服务机构发布的一份研究中就显示，利拉伐VMS系统已在能源效率方面进入世界最佳全自动挤奶系统行列[2]。

（3.3）清洗机构识别系统技术在1990年至2020年断断续续有专利申请，年申请数量不超过3项。此技术来源国家主要是荷兰和瑞典，市场国家主要是德国、欧洲、瑞典和中国，专利权人主要是DELAVAL、MAASLAND N.V. MAASSLUIS NL和LELY GROUP。

（3.4）清洗机构定位装置技术在1990～2020年断断续续有专利申请。技术来源国家主要是瑞典和荷兰，市场国家主要是瑞典、中国、以色列和德国，专利权人主要是DELAVAL和LELY GROUP。目前最新的全自动挤奶机器人的一系列挤奶动作的完成都是基于图像识别采集与激光辅助扫描系统来监控奶牛的体格、乳房位置及运动，再根据图像识别采集与激光辅助扫描系统处理结果来控制机械臂的自由移动，包括了清洗乳房时的识别、定位与套杯的识别与定位。全自动挤奶机器人挤奶时首先通过图像识别系统获取奶牛在挤奶区的位置，然后控制系统根据处理结果发出控制信号，控制机械臂让挤奶末端执行器到达奶牛乳房位置附近，通过末端执行器上的3D摄像头捕捉奶牛乳房的空间位置，可全自动完成乳头清洗、按摩、套杯、挤奶、脱杯、消毒等一系列挤奶动作[1]。2018年利拉伐发布的第四代挤奶系统VMS V300的“智能电眼”即为该前沿技术的体现，可实现高达99%的落浴准确率，并实现针对每个乳头的精准覆盖，节省药浴液。

（3.5）奶杯清洗托的专利申请阶段也主要集中在1996-2002年间。技术来源国家主要是瑞典和荷兰，市场国家主要是瑞典、德国、加拿大和日本，专利权人主要是DELAVAL。

（3.6）清洗机构动力驱动装置方面，目前机器人的驱动方式主要有电动驱动、液压驱动和气压驱动，电动驱动精确度高，调速方便，但推力较小，大推力时成本高；液压系统用压力油进行驱动，系统响应迅速，结构紧凑，可在大范围内实现无极调速，有较高的定位精度和刚度，但其漏油因素会影响运动正确性和平稳性。气压驱动系统使用的介质为空气，对环境无污染，反应迅速，维护简单，而且气动系统对工作环境适应性好[3]。2000-2004年期间DELAVAL公司VMS的动力驱动方式为气动，2004年之后改进了液压驱动漏油等不利因素，采用了更高定位精度和刚度的液压驱动方式。该技术在1990～2020年陆陆续续有专利申请，处于平稳发展阶段。技术来源国家主要是中国、荷兰、美国、瑞典，市场国家主要是中国、欧洲、美国、俄罗斯和德国。专利权人主要是LELY GROUP、DELAVAL、GEA AG。2015年专利申请数量最多，有9项，其中7项来自中国，主要专利权人是BEIJING AUTOMOBILE RES GEN INST CO LTD和QIJANG WANXING BEEFCATTLERMS。

4.冷却设备：该技术在1970年以前有少量专利申请，1999有7项专利产出。2000年后数量回落，在2009年后申请专利数量略有增长。近30年来的技术来源国家主要是中国、日本、瑞典，市场国家主要是中国、日本、加拿大和德国。主要专利权人是DELAVAL和LELY GROUP。2009年后技术来源和市场国家为中国。在中国申请专利最多的是LELY GROUP，其余机构较为分散。

5.挤奶单元：该技术是1970年以前研究最多的技术，并于1970年开始迅速发展，专利申请数量迅速增长，在1999年达到最高申请量128项，此后专利申请数量逐渐减少，2013年后略有上升。

（5.1）如图4所示，自动奶杯套杯或脱杯机械臂及动力装置技术在1993-2006年间申请了最多的专利。该阶段技术来源国家主要是瑞典、荷兰和德国，市场国家主要是德国、瑞典、欧洲、加拿大。还有一部分研究公开的专利。主要专利权人是DELAVAL、LELY GROUP，此外，MAASLAND N.V. MAASSLUIS NL、ANONYMOUS和GEA紧随其后。2006年后专利数量逐年减少，说明该技术趋于成熟。这个阶段的技术来源国家主要是荷兰、瑞典、美国和中国。市场国家主要是美国、欧洲、中国和荷兰。主要专利权人是DELAVAL、LELY、TECHNOLOGIES HOLDINGS CORP。

图4 挤奶单元技术专利申请变化（1990-2020）（单位：项）

（5.2）挤奶单元末端执行机构技术在1995-2000年间申请专利最多，这个阶段的技术来源国家主要是瑞典，俄罗斯排第二。市场国家主要是瑞典，其余有俄罗斯、德国、加拿大和日本等。主要专利权人是DELAVAL。2000年后每年有少量专利申请。这个阶段的技术来源国家主要是美国、瑞典、俄罗斯和中国。市场国家主要是俄罗斯、加拿大，中国、欧洲和美国。主要专利权人依然是DELAVAL，BELGOROD AGRIC ACAD和TECHNOLOGIES HOLDINGS CORP并列第二。

（5.3）真空泵近年来一直处于平稳发展阶段，2013-2017年专利申请数量有小幅增长。1990-2012年间，技术来源国家主要有俄罗斯、瑞典、德国和美国，市场国家主要是俄罗斯、德国、美国和瑞典，主要专利权人是DELAVAL和BELGORODAGRIC ACAD。2013年后主要的技术来源国家和市场国家均是中国、俄罗斯。主要专利权人有DELAVAL、LELY GROUP、BELGOROD AGRIC ACAD、UNIV ORENBURG AGRIC。

（5.4）挤奶杯组及挤奶杯技术是申请专利最多的技术，分别在1990-1991年、1998-2002年、2014-2017年期间有专利申请数量的迅猛增长。1990-1991年间技术来源国家和市场国家均是俄罗斯。主要专利权人有VORON AGRIC INST、DELAVAL和VORONEZH SELSKOKHOZI。1998-2002年间技术来源国家和市场国家均是瑞典、俄罗斯和德国。主要专利权人有DELAVAL、LELY、GEA和UNIV ORENBURG AGRIC。2014-2017年技术来源国家和市场国家均是中国、俄罗斯。主要专利权人有DELAVAL、LELY GROUP、FOSHAN NANHAI JIAYANG METAL PROD CO LTD。

（5.5）脉动器技术在1990-1995年处于快速发展阶段。该阶段技术来源国家主要是俄罗斯、瑞典，市场国家主要是俄罗斯、德国、瑞典和日本，专利权人主要是DELAVAL。1996年后发展缓慢，直到2013年专利申请数量开始增长。2013年后主要技术来源国家和市场国家均是中国、俄罗斯和荷兰。专利权人主要是LELY。

图5 自动奶杯套杯及脱落的定位及乳头识别装置技术专利地图（单位：项）

（5.6）自动奶杯套杯及脱落的定位及乳头识别装置技术在1991-1999年间是其技术发展阶段，其专利申请数量一直增长。主要技术来源国家是荷兰、瑞典、日本和德国，主要市场国家是德国、瑞典、日本、欧洲、加拿大，专利权人主要是DELAVAL和LELY。2000年后专利申请数量减少，此后处于稳定状态。2010和2011年专利申请较多，主要技术来源国家是美国和瑞典。主要市场国家是美国和加拿大，主要专利权人是TECHNOLOGIES HOLDINGS CORP。2014年以后的主要技术来源国是瑞典、美国、荷兰、中国，市场国是美国和中国。主要专利权人是DELAVAL、LELY和TECHNOLOGIES HOLDINGS CORP。

对自动奶杯套杯及脱落的定位及乳头识别装置技术单独进行详细分析，在图5专利地图中显示了几个主要的专利权人在该重要技术上的专利布局。DELAVAL的技术主要集中在图像识别奶杯位置、光源与图像识别，奶杯连接构件，机械臂移动，计时器等。LELY的技术主要集中在动物位置检测、图像传感器（发射器、接收器）、牛奶流量的检测、定位动物和控制机械连杆操作等。GEA的技术申请比较分散，几个方向均有少量专利申请，涉及图像处理、奶杯定位等。ORION的技术主要集中在乳头的监测和相关机械操作。MAASLAND的技术主要集中在机械臂的自动移动和控制方面。PROLION的技术主要集中在传感器发射和接收信号。TECHNOLOGIES HOLDINGS CORP的技术主要集中在视觉系统机器人相关操作（奶杯检测、机器人连接器、乳头检测、机械臂操作等）方面。

另外，对全自动挤奶机器人领域技术分析时，我们发现在诸多零部件中，控制中心及控制面板，挤奶箱奶牛识别装置，清洗支架，清洗机构的末端执行器、动力装置、定位装置、识别系统，冷却设备等领域，中国已经进入最早优先权国家的Top3行列中。

3 结论

全自动挤奶机器人技术虽然是近年来才开始面市的，但是其主要的零部件已经有了很长的发展历史。图像识别、标签识别、人工智能等新技术的引入使得传统的挤奶机器人逐步被改造为全自动挤奶机器人。从该技术分支的发展也能看到这一变化。

从专利申请来看，在一级分类中，全球全自动挤奶机器人的申请热点主要集中在挤奶单元部件；在二级分类中，申请热点主要集中在挤奶杯组及挤奶杯部件、进护栏及出护栏和清洗机构末端执行器。进一步研究分析发现这三个子技术的第一个申请较热的阶段集中在1997-2002年，这标志着传统的技术发展到2002年左右已经成熟，这一阶段的主要专利权人是DELAVAL 、LELY GROUP 、GEA AG等，技术来源国和市场国主要集中在欧洲。这三个子技术在2014-至今年间专利申请数量再次上升，主要是由于中国相关的企业的加入，这时专利的技术来源国和市场国主要集中在中国。

对重点的自动奶杯套杯及脱落的定位及乳头识别装置技术详细分析发现，该技术的技术来源国和市场国主要集中在荷兰、瑞典和德国，DELAVAL 和 LELY GROUP等几个国际企业对该技术研发和保护更多，他们的技术各有侧重点，主要集中在图像传感器、图像识别、奶杯定位、乳头检测、机械臂操作等方面。

4 建议措施

4.1 多形式国际交流补齐短板

关于“卡脖子”技术，包括挤奶单元末端执行机构、自动奶杯套杯及脱落的定位及乳头识别，清洗机构识别系统与定位技术等方面，我国原创专利极少涉及这些关键技术。在中外关系新形势下，建议国内研发团队在自主创新的同时也应采取多种形式的国际交流，例如可与挤奶机器人前沿技术企业如DELAVAL开展技术合作及研发，或取得高价值专利授权，以获得挤奶机器人关键技术，从而保持与国际前沿技术同步。

4.2 企校联通促转化

我国挤奶机器人相关专利技术申请中，不论是企业还是科研单位，均以挤奶单元、控制中心及控制面板方面居多。建议一方面在促进科研院所进行技术积累的同时，可引导科研院所和企业之间的联合，构建二者之间畅通的联合通道，畅通技术交流，共同创新，实现技术突破。另一方面，加强奶业信息化、智能化装备需求调查，以市场需求为导向使技术和应用结合，提高专利的潜在转化率。从而加速理论、算法达到产品、应用的转化，缩短国内外差距，并防止重复、无效研发。

4.3 提升国内企业专利素养

我国全自动挤奶机器人研发起步晚，从2011年开始进入快速发展期，我国机构在专利申请时对技术保护的力度还很欠缺，专利文本的撰写对技术的保护性不够。比如对自动挤奶机整机只申请一个专利进行技术保护，这样权利要求不够细致，其他机构很容易绕开该专利而使用其技术，从而使得该专利无法发挥其保护效益。反观其他大型机构的专利，他们会将整机进行拆分，分成细小的零部件进行专利申请，这样既可以对专利技术本身进行很好的保护，也能够形成专利壁垒，使其他机构如果要使用该技术则无法避开。所以，我们应该关注国内初创企业的专利素质培养，在专利运营方面提供定向专利服务，从政策层面提高初创企业的专利申请资金和技术支持，构建坚固专利壁垒，提前规避专利纠纷问题，助力初创企业开拓国内市场，为将来顺利进入国际市场做好布局。