文章来源：《智能矿山》2024年第8期 “视角·观点”专栏

作者简介：曹光明，现任中国煤炭工业协会生产力促进中心副主任，主要从事知识产权、能源装备智能化等研究

作者单位：中国煤炭工业协会生产力促进中心；清华大学山西清洁能源研究院

引用格式：曹光明.煤矿机器人技术专利布局分析与思考[J].智能矿山，2024，5（8）：2-11.

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本文主要采用计算机检索，时间范围为2005—2024年7月，中国专利文献以中国专利局对外公开的专利文献为基础，国外专利以美国、日本、西班牙、英国、法国、德国、瑞士、韩国、俄罗斯、欧洲专利局（EPO）、世界知识产权组织（WIPO）等国家或组织间交换并已公开的专利文献为基础。中国专利和国外专利的分析时间范围截至2024年7月1日。由于发明专利自申请日（有优先权的自优先权日）起18个月公布，实用新型专利在授权后公布（其公布滞后程度取决于审查周期的长短），PCT专利申请自申请日起30个月后进入国家阶段，其对应的国家公布时间将更晚。因此，检索结果中包含2022年后的不完整数据，会对统计结果和分析结果造成一定影响。

初步检索在以关键词和分类号为基础数据，补充检索以重要申请人检索为主，同时针对市场关注的煤矿机器人为补充检索词条，以最大限度地保证数据的可靠性。

本研究通过查全率和查准率评估检索结果。查全率为检索到的相关文献量与全部相关文献量的百分比，研究所采用的验证方式是通过使用多个申请人（或发明人）的相关专利构建验证样本，将样本与待验证数据进行比较，计算样本落入待验证数据的百分比；查准率为检索到的相关文献量与检索到的全部文献量的百分比，报告中所采用的验证方式是随机从2005—2024年的文献中待验证数据进行抽样，之后通过阅读的方式确定样本中相关文献的数目，然后计算样本中相关文献数量与抽样样本总量的百分比。

专利检索完成后，依据项目分解后的技术内容加工整理已采集的数据，形成分析样本数据库。数据加工主要包括数据筛选、数据修正和数据标引3个步骤。

（1）数据筛选

数据筛选是数据加工的第一步，是从检索后的原始专利数据中去除因大范围检索带来的不相关数据。

（2）数据修正

由于著录项目不一致、输入错误、专利法律状况的改变，以及重复专利或同族专利等原因造成了原始数据的不规范，进行数据修正或合并，可以减少统计分析时产生的误差，避免影响整个分析结果的准确性。

（3）数据标引

数据标引是指根据不同分析目标，对原始数据中的相关记录加入相应标识，增加额外数据项进行相关分析的过程。针对煤矿机器人技术及重点申请人，对其相关所有专利进行人工逐篇标引。

通过分析煤矿机器人专利技术主要来源，以确定各国家/地区的技术创新能力和活跃程度，同时分析持有该技术的主要公司的分布国家/地区。基于专利受理局分析得到的煤矿机器人全球申请来源国/地区分布（按项统计）如图1所示。

图1　煤矿机器人技术来源国/地区分布

由图1可知，在煤矿机器人专利技术领域，中国申请总量11103项，总占比65.30%，位居榜首，成为最大的专利技术来源国；美国申请总量2544项，总占比14.96%，排名第二；德国申请总量560项，总占比3.29%，排名第三；韩国申请总量560项，总占比3.29%，排名第四；日本申请总量390项，总占比2.29%，排名第五。

基于图1进一步分析其申请趋势。通过技术来源国/地区的申请趋势变化，确定各来源国/地区的技术活跃趋势。基于专利受理局分析得出煤矿机器人技术来源国/地区申请趋势（按项统计）如图2所示。

图2　煤矿机器人技术来源国/地区申请趋势

由图2可知，美国、韩国和德国等国家在2005年已开始布局煤矿机器人专利，每年申请数量不超过100项，国内相关专利布局较晚，2007年后相关专利申请的数量逐渐增加。2005—2010年期间，煤矿机器人处于发展初期，各国相关专利数量呈现小范围波动；2012年后，相关专利申请数量呈现快速增加态势，此阶段国内和境外专利申请的数量增加比例并不同步，煤矿机器人领域专利增量主要由中国申请人贡献；2018—2020年期间，随着全球产业智能化发展，相关领域专利申请数量进一步快速增加，并持续保持高位态势。预计2024年后，相关领域在国内的专利申请将仍保持稳定增加态势，海外专利申请可能保持相对低位态势。

通过分析煤矿机器人专利技术主要布局的地区，以确定国内企业在专利技术战略布局时，应当重点关注的地区及潜在目标市场。基于专利受理局分析得到的煤矿机器人全球目标市场国/地区分布（按项统计）如图3所示。

图3　煤矿机器人目标市场国/地区分布

由图3可知，在煤矿机器人专利技术领域，中国以总量10787项，总占比67.22%，位居榜首，成为最大的煤矿机器人目标市场国；美国以总量1176项，总占比7.33%，排名第二；韩国以总量615项，总占比3.83%，排名第三；德国以总量456项，总占比2.84%，排名第四；欧洲专利局以总量341项，总占比2.51%，排名第五。

基于图3进一步分析相关领域专利申请趋势，以确定该技术的地域布局情况随时间的变化趋势。基于专利受理局分析得到的煤矿机器人目标市场国/地区申请趋势如图4所示。

图4　煤矿机器人目标市场国/地区申请趋势

由图4可知，煤矿机器人相关领域在2005年已有专利布局，2005—2011年期间，各国所布局专利数量呈缓慢增加态势；自2010年开始，专利申请数量开始呈现快速增加态势，国内和海外布局专利申请数量并不同步，本领域的专利增量主要由中国布局的专利贡献；自2016年后，煤矿机器人申请趋势呈现快速增长趋势；预计2024年后，国内布局专利申请将保持快速增加态势，海外专利申请处于相对低位。

通过分析中国、美国、欧洲、日本、韩国五大局的专利流向，获取煤矿机器人技术在五大局的技术发源情况和市场布局情况，获取煤矿机器人技术的持有人和技术来源国，分析技术持有人的专利布局目标市场。煤矿机器人技术来源和目标市场国区域分布如图5所示。由图5可知，技术来源国形成的专利技术除本身以外的目标市场相对较小，技术来源国主要来自中国、美国和韩国，中国专利申请人的专利技术在国内布局为10655项，与此形成对比，约10%的美国专利在中国布局，约20%的欧洲专利在中国布局。

图5　煤矿机器人技术来源和目标市场国区域分布

我国各省（直辖市）煤矿机器人技术专利数量百分比如图6所示。分析中国各省（直辖市）专利数量，以获取各省（直辖市）的技术创新能力和活跃程度，由图6可知，江苏省、北京市和山东省位列前三，相关专利数量占比分别高达19.39%、16.71%和12.73%。结合图7我国各省（直辖市）申请专利趋势，2021年江苏省以1450项专利数位居第一，江苏省、北京市和山东省的专利数量占比连续多年远超其他各省。

图6　我国各省（直辖市）煤矿机器人技术专利数量分布

全球煤矿机器人申请人专利数量排名如图8所示，分析专利申请人情况，可获取煤矿机器人技术领域内的强势申请人、主要公司和国内企业面临的潜在竞争对手。

图8　煤矿机器人技术专利主要申请人排名

由图8可知，在煤矿机器人专利技术领域，中国矿业大学以529项专利数量排名第一，哈利伯顿能源服务公司以513项专利数量排名第二，西安科技大学以231项专利数量排名第三，和前两者差距较大。安徽理工大学以225项专利数量排名第四，中国煤炭科工集团太原研究院有限公司以212项专利数量排名第五。排名第六到第十分别为山西天地煤机装备有限公司、沙特阿拉伯石油公司、山东科技大学、贝克休斯控股有限责任公司和中国矿业大学（北京）。前十名中有2位申请人申请的专利数量超过了400项，5位申请人申请的专利数量为200~400项，其他申请人专利申请数量均小于200项，说明该技术领域方向中申请人的集中度较高，主要集中在中国矿业大学和哈利伯顿能源服务公司。其中，哈利伯顿能源服务公司、沙特阿拉伯石油公司和贝克休斯控股有限责任公司为石油开采企业，其作业场景中包含和煤炭开采近似的场景。此外，在进行统计时未考虑控股关系，例如中国煤炭科工集团包含多个控股公司、二级公司和三级公司，中煤科工西安研究院（集团）有限公司、中煤科工机器人科技有限公司、北京天玛智控科技股份有限公司、中煤科工集团沈阳研究院有限公司、中煤科工集团重庆研究院有限公司、中国煤炭科工集团太原研究院有限公司等企业，涉及不同领域机器人技术研发，具备较强的研发实力和市场占有率。如图9所示。

图9　中国煤炭科工集团和煤矿企业及科研单位专利合作分布

煤矿机器人技术专利主要申请人趋势如图10所示。分析煤矿机器人领域主要申请人排名和申请专利数量的年变化趋势，确定申请人在该技术领域的布局变化。2005—2024年，各技术专利申请人的申请趋势并不一致；2005—2015年，申请专利数量较多的是哈利伯顿能源服务公司、沙特阿拉伯石油公司和贝克休斯控股有限责任公司，主要集中在可用于钻井作业的工业机器人；2015—2024年，申请专利数量较多的是中国矿业大学、西安科技大学和安徽理工大学，且总体申请数量较前10年有大幅增长，专利布局开始集中于煤矿作业领域。国外申请人的专利申请数量下滑，与石油开采机器人作业场景的技术领域市场容量有关，国内申请人专利数量快速增加，受益于国内矿山智能化的迅速推进。

图10　煤矿机器人技术专利主要申请人趋势

煤矿机器人技术专利主要申请人技术分布如图11所示。分析申请人的专利技术分布，获取技术领域内主要申请人的主要布局方向，对申请人的技术主题进行分析，确认国外申请人的专利申请主要集中于远程操作、远程诊断、钻探作业、完井设备和物性测试等技术分支；国内申请人所涉及的技术基本覆盖了掘进、采煤、支护、洗选、运输、安控和救援等多个分支，布局已具备形成整体解决方案。若在此领域推动技术体系的标准化进程，则更能促进相关技术的落地和进化。

图11　煤矿机器人技术专利主要申请人技术分布

基于专利受理局分析得到的主要申请人地域分布如图12所示。通过分析主要申请人地域布局情况，确定该技术领域主要申请人的地域布局差异性，为国内企业的技术转化和运用提供指引参考。

图12　煤矿机器人技术专利主要申请人地域分布

由图12可知，在煤矿机器人专利技术领域，中国矿业大学主要布局地域有中国、美国、澳大利亚、英国、加拿大，哈利伯顿能源服务公司主要布局地域有中国、美国、欧洲、澳大利亚、英国、加拿大、挪威、巴西、墨西哥，西安科技大学主要布局地域是中国，沙特阿拉伯石油公司主要布局地域有中国、美国、欧洲、加拿大、挪威，安徽理工大学主要布局地域有中国、美国、澳大利亚、英国，贝克休斯控股有限责任公司主要布局地域有中国、美国、欧洲、澳大利亚、英国、加拿大、挪威、巴西、墨西哥，中国煤炭科工集团太原研究院主要布局地域有中国、澳大利亚，山西天地煤机装备有限公司主要布局地域有中国、澳大利亚，山东科技大学主要布局地域是中国，中国矿业大学（北京）主要布局地域是中国。各申请人的布局具有一致的资源性导向，布局以技术应用场景为导向。

煤矿机器人技术分支占比情况如图13所示。分析煤矿机器人技术领域主要技术分支的占比情况，获取各技术分支的创新热度，以及当前技术布局的空白点，以确定潜在布局领域。由图13可知，专利数量最多的为B25J11“不包含在其他组的机械手”，总计927件，其次是E21B47“测量钻孔或井”，专利数量总计768件，E21F17“用于矿井或隧道的方法或装置”和B25J9“程序控制机械手”专利数量分别为761、736件。

图13　煤矿机器人技术分支占比情况

煤矿机器人重点技术专利情况如图14所示。由图14可知，被引用最多的专利是CN110073301A，引用次数为803次；规模最大的专利家族是ZA201001711B，族内专利为812项；权利要求数量最多的专利是AU2004203093A1；诉讼最多的专利是US10395434B2，为相关领域的基础专利。

图14　煤矿机器人重点技术专利情况

中国是煤矿机器人研发制造技术的重要技术来源国，煤矿机器人领域相关专利申请占比超过67%，占绝对优势。申请量排名前二十的申请人多数为中国，高校类申请人较企业类申请人更为活跃，如中国矿业大学、西安科技大学和安徽理工大学。

中国是煤矿机器人专利技术重要的目标市场，且随着国内企业技术优势的扩大，在应用层面国内申请人可能形成断崖式领先境外申请人的趋势，笔者建议在基础技术层面上进行布局，以避免关键技术或基础技术受制于人。同时，受海外市场开放程度和市场容量限制，应当调研国内相关企业布局，并采取支持布局和积极布局的措施。

安控类和采掘类煤矿机器人是煤矿机器人研发制造关键技术的热点分支。全球和在华煤矿机器人研发制造关键技术的专利申请中，安控类机器人为布局热点，约占煤炭领域专利总申请量25%。安控类机器人包括各类巡检机器人，如工作面巡检机器人、危险气体巡检机器人、巷道机器人、带式输送机巡检机器人、管道巡检机器人、仿生机器人等。

安控类煤矿机器人中，工作面巡检机器人、管道巡检机器人和危险气体巡检机器人是近年来布局重点。此外，安控类煤矿机器人组件，如巡检机器人外壳、平衡系统、环境感知、轨道安装和适用于变化轨道的行走装置等，国内申请人也进行了较多的专利布局，申请热度较高。主要申请人在该领域的布局重点与煤矿机器人领域在华专利的布局重点方向较为一致。

鉴于此，建议加大热点技术专利布局，以提升自身知识产权竞争力和促进煤炭行业新质生产力的形成。

基于上述分析，煤矿机器人以国内市场为主，国内高校和企业在海外专利布局，需综合考虑市场、政策和资源等多种因素；海外布局需考虑国外市场容量、开放程度、政策稳定性等因素。

未来，煤矿机器人领域的技术进展将主要以国内申请人为主，技术马太效应明显，国内在此领域研发应当具有规划性，避免无序竞争对行业可持续性发展的损害。笔者建议，可通过标准化和数据资源流动，提高行业研发效率，降低研发成本，保证服务质量，推动行业的高质量发展。