专利视角下的采摘机器人技术创新与发展研究

  本文通过专利分析的方法，对全球及中国范围内采摘机器人的专利申请情况做了深入研究。研究内容涵盖了申请趋势、地域分布、主要申请人，以及全球专利申请中各个技术分支的申请量变化趋势。旨在为相关企业和研究机构在技术战略规划和专利布局方面提供有力的参考是依据，进而推动我们国家采摘机器人产业的健康发展。

  采摘机器人是一种利用自动化技术和传感器来识别、定位并收获农作物的农业机械设备。果蔬采摘作业是果蔬生产链中最耗时、最费力的一个环节。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度依然很低。目前，国内果蔬采摘作业大多数都是人工进行，并且时间较为集中，其费用约占成本的 50%~70%。为降低水果采摘的人力成本、增加水果生产的市场竞争力，研发水果采摘机器人对于水果产业高质量发展有着重要意义。

  自2016年起，中国开始密集发布一系列支持机器人产业高质量发展的政策，如《机器人产业高质量发展规划（2016—2020年）》《“十四五”机器人产业高质量发展规划》，以及《“机器人+”应用行动实施方案》等。这些政策明白准确地提出了要针对农业产业的需求研发高端农业机器人，并增加这类机器人的市场供给。

  2019年，农业农村部与中央网信办联合发布了《数字农业农村发展规划（2019—2025年）》；2021年，农业农村部印发了《“十四五”全国农业机械化发展规划》。这一系列政策为中国采摘机器人技术的发展提供了明确的方向和支持，为采摘机器人产业的发展奠定了坚实的基础。

  尽管现有文献已对采摘机器人进行了广泛的探讨，但从专利视角对这一领域的技术发展进行深入分析和研究的文献相对较少。本文通过专利数据的分析挖掘，旨在揭示采摘机器人的发展现状和未来趋势，为我国采摘机器人产业的发展提供有价值的参考和指导。

  本文在Incopat数据库中对采摘机器人的相关专利申请做多元化的分析，检索时间截止为2024年7月31日。

  由图1可知，采摘机器人的全球专利申请趋势状况。自2005年起，其技术发展按专利申请的情况大致上可以分为三个阶段。

  萌芽期（2005—2013年）：采摘机器人的专利申请在这段时期缓慢增长，年申请量维持在较低水平，显示出该领域正处于技术探索和概念验证的萌芽阶段。

  快速发展期（2014—2017年）：这期间专利申请量的急剧攀升，2017年达到388项，标志着采摘机器人技术进入了迅速增加通道，表明企业和科研机构对采摘机器人技术的研发热情高涨，技术创新活力显著增强。

  成熟期（2018年至今）：自2018年起，专利申请量整体维持在较高水准，体现了采摘机器人技术行业的稳定成熟和持续创新。2019年，专利申请量有某些特定的程度的回落，这一现象很可能是受到了当时全球经济稳步的增长放缓等宏观经济因素的负面影响。在这样的经济背景下，企业和研究机构可能会缩减他们在研发和创新方面的投资，进而影响了专利的申请活动。2023年至2024年间的轻微下降，可能是由于专利文献延迟公开的特点造成的。

  由图2可知，采摘机器人的专利申请排名前五的国家/地区/组织分别是中国、美国、日本、WIPO（世界知识产权组织）和韩国。

  中国在采摘机器人领域的专利申请数量远高于其他几个国家和地区，显示了在农业科学技术领域的领头羊。这主要得益于国家层面对农业自动化技术的格外的重视和政策支持。自2016年起，中国政府密集出台了一系列支持机器人产业高质量发展的政策，同时，国家自然科学基金对采摘机器人研究给予了大量资助。这些政策和资金支持激发了国内高校和科研机构的研发热情。此外，中国作为世界果树种植与产量大国，其果园生产面临着环节繁多、劳动力密集等挑战，亟需通过机械化手段提升生产效率。然而，当前果园生产机械化程度相比来说较低的现状，与庞大的市场需求形成了鲜明对比，这一差距不仅凸显了采摘机器人技术的重要性，更为其研发与应用提供了强大的市场驱动力。

  美国专利申请量位列第二，根本原因在于美国的电子技术发展成熟，同时人工智能技术发展较早，为智能农业和采摘机器人提供了良好的发展环境。特别是2011年启动的“国家机器人计划”，明确将机器人在农业领域的应用作为重要发展趋势，进一步加速了美国在该领域的研发进程。

  图3为从2015年到2024年，采 摘机器人主要技术分支专利申请数量的变化趋势。

  通过分析全球专利申请的技术分支，能够获得近十年全球专利申请主要研究方向及其变化趋势，从而能够明晰未来技术发展趋势，由图3可知各技术分支的变化趋势。

  整机装置：采摘整机装置在2017年迅速增加，此后就持续维持在高位，表明采摘装置整机技术持续受到关注。

  末端执行器：末端执行器通常为机械手，在过去十年中，机械手的专利申请量基本呈现逐年递增的趋势，并保持了相对的稳定性，这表明末端执行器一直是采摘机器人研发中的重点方向，其重要性得到了业界的广泛认可和持续关注。这是由于末端执行器的柔性和自适应性不足，采摘机器人在夹持果实时容易对果实造成损伤。

  计算机视觉：计算机视觉相关专利申请量在波动中显示出上涨的趋势，凸显了计算机视觉技术在采摘过程中识别和定位作物的及其重要的作用。采摘目标精准快速识别技术对于提高采摘效率至关重要，而计算机视觉技术可以帮助实现高效采摘，是提升作业效率的主要的因素。随着计算机视觉和图像处理技术的慢慢的提升，它们在提升采摘机器人性能方面扮演着越来越关键的角色。

  筛选分离装置、机动车和自动控制：这三个技术分支的专利申请量较少，暗示着这些领域有几率存在专利申请的空白区域。这种情况为新兴企业和研究者提供了进入市场的机会，同时也指出了未来研究和开发的潜在方向。

  飞行器：有关飞行器的专利申请自2017年慢慢的出现，并持续上升，这说明通过飞行器实现采摘的技术方向具有广阔的发展空间，并且是一个需要我们来关注的新趋势。

  为了更好地了解外国申请情况，在全球专利申请中，图4为主要外国申请人及其申请量，这有助于揭示国际上采摘机器人领域的研发趋势和重点参与方。

  由图4可知，外国申请人在采摘机器人领域的申请量并不多，尚未形成主导地位。这说明专利壁垒还未形成，为国内申请人提供了宝贵的机遇窗口。尽管外国申请人在采摘机器人领域的申请量不多，但他们拥有的专利质量较高，并且已拥有相关这类的产品和技术，可以为国内申请人提供重要的参考和启示。

  以下是几家需要我们来关注的主要外国申请人及其技术特点。Dogtooth Technologies Limited，专注于开发和制造智能水果采摘机器人，其智能草莓机器人车队已投入到正常的使用中。其专利申请主要关注采摘机器人整机装置、末端执行器和计算机视觉，末端执行器通常为钩状结构，计算机视觉主要关注果实的形状、姿态、成熟度和缺陷。Tevel Aerobotics，专注于开发用AI的自主飞行机器人，用于水果采摘。该公司专利申请集中在使用无人机进行采摘，如无人机编队管理，其末端执行器采用切割装置，同时该公司还申请了在夜间采摘的计算机视觉技术专利。Abundant Robotics，基本的产品是一种苹果采摘机器人，能够在不损伤果实的情况下进行高效采摘，该公司的专利申请集中在采摘机器人整机装置和末端执行器，其末端执行器采用负压结构或旋转楔，旋转楔能够尽可能的防止一簇果实的两个连续采摘的果实之间的碰撞。FFRobotics，其技术适用于柑橘、苹果、梨、桃和樱桃等不同果园的采摘工作，还可以在各种天气条件下运作。Octinion BVBA，在2019年正式对外发布了世界上第一个商业草莓采摘机器人Rubion。

  这些公司在采摘机器人技术方面取得的成就表明，尽管外国申请人的专利数量不多，但他们的技术和产品已达到了商业化应用的阶段，值得国内申请人深入学习和借鉴。

  图5是2005—2024年采摘机器人中国专利申请趋势。由图5可知，中国专利申请同样经历了萌芽期（2005—2010年）、加快速度进行发展期（2014—2017年）、成熟期（2018年至今）。由此可见，中国专利申请和全球专利申请的变化趋势是基本同步的。

  图6展示了采摘机器人中国专利申请各省市申请量分布情况。从图6能够准确的看出，采摘机器人技术中国专利申请的地域分布大多分布在在农业林业资源丰富的省份。其中，江苏省申请量最多，主要申请人包括江苏大学和南京林业大学。浙江省位列第二，主要申请人有浙江理工大学和浙江工业大学。广东省、山东省、陕西省紧随其后，代表性的申请人包括华南农业大学、山东农业大学和西北农林科技大学。上述省份不仅拥有丰富的农业和林业资源，而且相关高校的研究资源也非常充足，为采摘机器人技术的发展提供了有力的支持。

  图7为采摘机器人中国专利主要申请人及其申请量。由图7可知，中国专利申请的主要申请人皆为国内高校。其中，西北农林科技大学以显著的专利申请量位居榜首，其研究团队如杨福增团队专注于苹果采摘机器人的研究，而傅隆生团队则致力于猕猴桃采摘机器人的创新开发。西北农林科技大学的专利申请，主要关注多臂作业方法、气吸式末端执行器，以及三指灵巧手。

  华南农业大学、浙江理工大学紧随其后，这两所大学的研究方向涵盖了葡萄采摘机器人、采茶机器人等，特别在视觉识别和路径规划等关键技术领域进行了深入探索。华南农业大学的专利申请大多分布在在末端执行器和计算机视觉技术，其末端执行器包括仿生蜈蚣爪、剪夹一体结构、柔顺包络式机械爪，并且申请了使用无人机或悬挂轨道的采摘机器人。浙江理工大学的专利申请则大多分布在在末端执行器，如阵列末端、套夹式结构、吸附式茶叶采摘结构和绳驱式末端执行器。

  江苏大学和中国农业大学申请量同样较多，其中，江苏大学刘继展团队研制了番茄智能采收机器人末端执行器，中国农业大学李伟研究团队则研发的番茄、黄瓜和草莓等采摘机器人。

  由此可见，在采摘机器人的中国专利申请中，中国高校占据主导地位，这反映出国内高校在推动采摘机器人研发技术和创新方面发挥着核心作用。但是，这些高校大部分专利申请都是在国内，并未在国际上进行专利布局。

  同时，尽管高校在理论研究和技术开发上取得了显著成就，但商业化成果转化率相比来说较低。一方面，高校研发成果往往侧重于基础理论和技术原型的开发，缺乏与市场需求紧密结合的产品化过程；另一方面，高校与企业的合作机制尚不完善，导致技术转移渠道不够畅通。

  2024年，国家知识产权局先后发布了《高校和科研机构存量专利盘活工作方案》和《关于全方面推进专利开放许可制度实施工作的通知》，这些政策将促进高校和科研机构的专利向现实生产力转化。

  因此，加强高校与企业之间的合作，提高技术转化效率，并积极开拓国际市场，将是未来推动采摘机器人技术发展的重要方向之一。

  本文通过专利数据的分析挖掘，对采摘机器人的全球专利申请及中国专利申请的申请趋势、申请地域分布、主要申请人，以及全球专利申请中各技术分支申请量的变化趋势做了综合分析。通过以上分析可知，全球及中国的专利申请量呈现出平稳增长的趋势，表明采摘机器人技术正逐步走向成熟。全球主要的专利申请集中在中国、美国、日本、WIPO和韩国，其中中国在专利申请量上占据领头羊。国外主要申请人的专利申请数量虽然不多，但其商业化程度较高；相比之下，国内主要申请人是高校，这些高校大多位于农业林业资源丰富的省份，其专利申请量较高，但商业化程度较低，且在国际专利布局方面尚显不足。

  从技术分支发展的新趋势看，采摘装置的整机设计持续受到业界的格外的重视，特别是末端执行器，慢慢的变成了研究和发展的焦点；计算机视觉技术的应用日益广泛；筛选分离技术、机动车和自动控制算法等领域，目前专利申请数量尚显不足，这为创新者提供了一个宝贵的窗口期；利用飞行器进行采摘的技术正展现出巨大的发展潜力。

  综上所述，本研究期望为相关企业和研究机构的技术战略规划和专利布局提供参考，助力提升自主创造新兴事物的能力，增强全球市场竞争力，提高经济效益。

  [3] 万乾程,卢泽民,高星星,等. 果蔬采摘机器人的现状及发展综述[J].数字农业与智能农机, 2024, (03): 24-28.