基于知識(shí)流動(dòng)視角的工程技術(shù)預(yù)測(cè)
——以諧波減速器為例

劉懷蘭 廖 嶺 周 源

1.華中科技大學(xué)，武漢，430074 2.清華大學(xué)，北京，100084

基于知識(shí)流動(dòng)視角的工程技術(shù)預(yù)測(cè)
——以諧波減速器為例

劉懷蘭1廖 嶺1周 源2

1.華中科技大學(xué)，武漢，430074 2.清華大學(xué)，北京，100084

以知識(shí)流動(dòng)為視角，立足于文獻(xiàn)和專利數(shù)據(jù)，并結(jié)合聚類分析和主路徑分析法，構(gòu)建了定量的技術(shù)預(yù)測(cè)模型。以諧波減速器為例，基于1980～2009年的文獻(xiàn)和專利數(shù)據(jù)，運(yùn)用該模型進(jìn)行技術(shù)預(yù)測(cè)，然后與2010～2014年的技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果證明，該技術(shù)預(yù)測(cè)模型具有較高的可行性和有效性。最后，預(yù)測(cè)出諧波減速器未來五年的技術(shù)：未來各國(guó)將致力于對(duì)影響傳動(dòng)裝置高精度、零回差、高傳動(dòng)效率、高承載能力、高可靠性等性能相關(guān)的技術(shù)研究及對(duì)傳動(dòng)裝置小型化、輕質(zhì)化、組成部件的優(yōu)化研究。

機(jī)械制造自動(dòng)化；技術(shù)預(yù)測(cè)；知識(shí)流動(dòng)；諧波減速器

0 引言

技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)國(guó)家、企業(yè)不斷發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ?，特別是航空、先進(jìn)制造、新材料、新能源等技術(shù)密集型領(lǐng)域。技術(shù)創(chuàng)新需要確定正確的技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略，而制訂正確的技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略則首先需要做出正確的技術(shù)預(yù)測(cè)[1]。目前，技術(shù)預(yù)測(cè)更加偏重于德爾菲法等定性的預(yù)測(cè)，缺乏定量的數(shù)據(jù)分析[2]，技術(shù)預(yù)測(cè)的客觀性和有效性不足。也有部分學(xué)者基于文獻(xiàn)和專利數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)預(yù)測(cè)，但大多數(shù)只是單方面的研究文獻(xiàn)或?qū)＠Y(jié)合兩者進(jìn)行研究的較少。以文獻(xiàn)為載體的理論知識(shí)會(huì)向以專利為載體的技術(shù)知識(shí)進(jìn)行流動(dòng)，對(duì)技術(shù)預(yù)測(cè)具有一定的借鑒意義。本研究以知識(shí)流動(dòng)為視角，立足于客觀的文獻(xiàn)和專利數(shù)據(jù)，并結(jié)合聚類分析和主路徑分析法，構(gòu)建了定量的技術(shù)預(yù)測(cè)模型。針對(duì)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、航空航天、加工中心等領(lǐng)域的諧波減速器進(jìn)行了技術(shù)預(yù)測(cè)，進(jìn)而證實(shí)了提出的技術(shù)預(yù)測(cè)模型的可行性和有效性。

1 相關(guān)理論綜述

技術(shù)預(yù)測(cè)是對(duì)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行不間斷地檢測(cè)，初步找出技術(shù)或產(chǎn)品的潛在發(fā)展領(lǐng)域，并評(píng)價(jià)其在該領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展?jié)撃躘3]。它是對(duì)技術(shù)變化(特別是發(fā)明、創(chuàng)新和采用)的效應(yīng)、特性、潛在方向和變化速度的系統(tǒng)性、有目的的理解和展望[4]，旨在提升技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。

科技活動(dòng)包含兩部分，一是基礎(chǔ)科學(xué)研究，二是應(yīng)用技術(shù)開發(fā)?；A(chǔ)科學(xué)研究一般以理論解釋、屬性特征等為主要研究成果，其知識(shí)的載體以科學(xué)論文為主；而應(yīng)用技術(shù)開發(fā)主要面向具體的技術(shù)過程、工藝方法等，由于技術(shù)的價(jià)值功能更直接，因此其知識(shí)成果主要以專利的形式存在。基礎(chǔ)科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力源泉，其知識(shí)成果是衡量一個(gè)國(guó)家發(fā)展?jié)摿臀磥砭C合競(jìng)爭(zhēng)力的重要標(biāo)準(zhǔn)，是科技進(jìn)步與創(chuàng)新的前提條件[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)代技術(shù)發(fā)展的革命性成果中，90%來源于基礎(chǔ)科學(xué)研究和原發(fā)性創(chuàng)新[6]，這一過程就是知識(shí)流動(dòng)的體現(xiàn)。Nonaka等[7]認(rèn)為，只有那些持續(xù)創(chuàng)造新知識(shí)，將新知識(shí)傳遍整個(gè)組織，并迅速開發(fā)出新技術(shù)和新產(chǎn)品的企業(yè)才能成功。合理利用知識(shí)流動(dòng)規(guī)律對(duì)技術(shù)預(yù)測(cè)具有重要意義。

文獻(xiàn)計(jì)量分析旨在通過對(duì)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、組織和分析，以文獻(xiàn)的主題、作者和機(jī)構(gòu)等為研究對(duì)象，通過繪制概念地圖，采用聚類分析和因素分析，引證和共被引分析等方法，幫助研究人員把握技術(shù)發(fā)展的“隱藏模式”。專利作為技術(shù)信息最有效的載體，囊括了全球90%以上的最新技術(shù)信息，相比其他平臺(tái)所提供的信息早5～6年，而且內(nèi)容準(zhǔn)確詳實(shí)，因此成為技術(shù)預(yù)測(cè)所依賴的核心指標(biāo)[8]。專利分析旨在對(duì)包括專利權(quán)人、專利發(fā)明人、專利權(quán)項(xiàng)要求、專利摘要、專利法律狀態(tài)等在內(nèi)的文本信息進(jìn)行處理，以探索技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀、預(yù)測(cè)技術(shù)未來發(fā)展態(tài)勢(shì)[9]。

一個(gè)專業(yè)或?qū)W科不是科學(xué)文本(如科技論文)的簡(jiǎn)單堆砌，而是一種由該領(lǐng)域活躍的研究人員間相互引用形成的精細(xì)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)分布式的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。Hummon等最早提出了引文網(wǎng)絡(luò)主路徑的概念[10]，引文網(wǎng)絡(luò)刻畫并展示了該領(lǐng)域的發(fā)展歷史和演化路徑。主路徑分析(main path analysis, MPA)方法主要通過識(shí)別出引文網(wǎng)絡(luò)中具有最大連接度的系列文獻(xiàn)來概述研究領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2 技術(shù)預(yù)測(cè)模型設(shè)計(jì)

技術(shù)發(fā)展的革命性成果主要來源于基礎(chǔ)科學(xué)研究和原發(fā)性創(chuàng)新。若所研究領(lǐng)域的理論處于生命周期的萌芽期，說明理論還未成型，未來有巨大的發(fā)展空間和不確定性，這時(shí)期的技術(shù)創(chuàng)新大多是原發(fā)性創(chuàng)新，不是定量預(yù)測(cè)的最佳時(shí)期，因此本研究不包含對(duì)這一階段的技術(shù)預(yù)測(cè)。若所研究領(lǐng)域的理論進(jìn)入衰退期，預(yù)示著該研究領(lǐng)域已經(jīng)趨于陳舊，技術(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)或可能已經(jīng)存在可替代的新技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)預(yù)測(cè)價(jià)值不大，也不在本研究的技術(shù)預(yù)測(cè)范圍內(nèi)。若所研究領(lǐng)域的理論整體發(fā)展趨勢(shì)良好且處于成長(zhǎng)或成熟階段，表示在未來一段時(shí)間內(nèi)擁有較大的發(fā)展?jié)摿Γ瑖?guó)家、企業(yè)有必要在這一階段加大技術(shù)創(chuàng)新，增強(qiáng)整體實(shí)力，對(duì)這一階段的技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)意義重大，并且現(xiàn)有的理論和技術(shù)信息足以支撐大部分技術(shù)預(yù)測(cè)活動(dòng)的展開。

本研究以知識(shí)流動(dòng)為視角，綜合運(yùn)用多種文獻(xiàn)指標(biāo)、專利指標(biāo)和輔助技術(shù)手段，從理論發(fā)展趨勢(shì)、理論成熟度以及理論演化方向入手，研究技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和演化路徑，結(jié)合專家意見預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展方向，建立技術(shù)預(yù)測(cè)模型如圖1所示。

圖1 基于知識(shí)流動(dòng)視角的技術(shù)預(yù)測(cè)模型

該模型將理論研究處于成長(zhǎng)期或成熟期的技術(shù)作為技術(shù)預(yù)測(cè)的對(duì)象，采用文獻(xiàn)計(jì)量結(jié)合專利分析的方法，首先對(duì)文獻(xiàn)和專利進(jìn)行聚類分析，識(shí)別現(xiàn)階段主要研究熱點(diǎn)；然后對(duì)文獻(xiàn)和專利進(jìn)行主路徑分析，即研究理論和技術(shù)的發(fā)展軌跡及演化趨勢(shì)；借助理論知識(shí)對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的促進(jìn)作用和專家的指導(dǎo)意見對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和布局進(jìn)行預(yù)測(cè)，為國(guó)家或企業(yè)的技術(shù)布局提供依據(jù)和參考。

3 實(shí)證研究——以諧波減速器為例

控制器、伺服電機(jī)、減速器是工業(yè)機(jī)器人的三大關(guān)鍵零部件，其中減速器的技術(shù)開發(fā)難度最高，減速器成本占機(jī)器人總成本的30%左右。應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的減速器主要有兩種，一種是RV減速器，另一種是諧波減速器。在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中，一般將RV減速器放置在機(jī)座、大臂、肩部等位置，而將諧波減速器放置在小臂、腕部或手部。目前全球機(jī)器人行業(yè)75%的精密減速器被日本的Nabtesco(帝人)和Harmonic Drive兩家企業(yè)壟斷，包括ABB、FANUC、KUKA等國(guó)際主流機(jī)器人廠商的減速器均由上述兩家公司提供。減速器的國(guó)產(chǎn)化是工業(yè)機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化過程中降低成本的關(guān)鍵，有必要對(duì)減速器技術(shù)展開研究并提前布局。

為了驗(yàn)證第2章技術(shù)預(yù)測(cè)模型的可行性，選擇將其應(yīng)用到諧波減速器技術(shù)的預(yù)測(cè)中。首先利用1980～2009年的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)識(shí)別諧波減速器理論的發(fā)展趨勢(shì)與成熟度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其適于本模型的預(yù)測(cè)范圍。然后，對(duì)1980～2009年間的文獻(xiàn)和專利數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類和主路徑分析。接著，對(duì)2010～2014年間的現(xiàn)有文獻(xiàn)和專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)果。最后，對(duì)比分析兩者結(jié)果。

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)來源于Web of Science(WoS)的SCI-Expended和CPCI-S兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用諧波減速器的各種同義名詞、關(guān)鍵部件、技術(shù)名詞與相關(guān)名詞等制訂檢索式，如“harmonic wave reducer”、“harmonic retarder”、“harmonic reducer”、“harmonic reducing gear box”、“flexspline”、“circular spline”、 “wave generator”、“flexible spline”、“wave gearing”等。為了提高檢索結(jié)果的準(zhǔn)確率，本研究還進(jìn)行了“去噪”操作，即將不屬于諧波減速器的記錄刪除，如剔除WoS類別里面的生物學(xué)、化學(xué)、心理學(xué)等類別(諧波減速器屬工程類)。檢索時(shí)間段為1980～2009年獲得655條文獻(xiàn)記錄，檢索時(shí)間段為2010～2014年獲得343條文獻(xiàn)記錄，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)下載時(shí)間為2015年5月1日。

本研究使用的專利數(shù)據(jù)來源于DWPI和DPCI數(shù)據(jù)庫(kù)，為有效提高專利數(shù)據(jù)的查全率與查準(zhǔn)率，本文采用了“關(guān)鍵詞+德溫特分類”的檢索策略。其中，專利關(guān)鍵詞的確定與文獻(xiàn)關(guān)鍵詞的確定過程相似。為了盡可能地查全專利，在制訂檢索式的過程中，選擇了德溫特分類的大類，而不是德溫特分類的小類(德溫特手工代碼)。本文使用的大類主要有P62(hand tools, cutting)、Q13(transmissions, controls)、Q18(brake-control systems)、Q38(hoisting, lifting, hauling)、Q62(shafts, bearings)、Q63(couplings, clutches, brakes, springs)、Q64(belts, chains, gearing)等。檢索時(shí)間段為1980～2009年獲得799條專利記錄，檢索時(shí)間段為1980～2014年獲得1170條專利記錄，專利數(shù)據(jù)下載時(shí)間為2015年5月1日。然后根據(jù)所需的專利指標(biāo)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、篩選、整理和標(biāo)準(zhǔn)化等處理。

3.2 諧波減速器理論研究分析

3.2.1 諧波減速器理論發(fā)展趨勢(shì)分析

諧波減速器文獻(xiàn)的全球發(fā)展趨勢(shì)及在中國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)4個(gè)國(guó)家的分布情況，如圖2所示。由圖2知，諧波減速器的文獻(xiàn)量不多，這可能與WoS收錄的是SCI核心論文有關(guān)，但可以看出出版量整體呈上升趨勢(shì)，且各國(guó)具體分布情況與總體發(fā)展趨勢(shì)基本一致。1980～1997年處于緩慢增加的狀態(tài)，1998年呈現(xiàn)出明顯的增勢(shì)，在2008年達(dá)到一個(gè)峰值，2009年有所降低，但仍然保持了較高的發(fā)展水平，說明理論研究正處于成長(zhǎng)趨于成熟的階段。

3.2.2 諧波減速器理論發(fā)展成熟度分析

根據(jù)全部文獻(xiàn)數(shù)量和作者數(shù)量，按時(shí)間順序統(tǒng)計(jì)繪制諧波減速器理論生命周期圖見圖3。具體數(shù)據(jù)見表1。

由圖3可以看出，1997年以前，曲線變化非常小，文獻(xiàn)數(shù)量和作者數(shù)量一直在原點(diǎn)附近波動(dòng)，沒有明顯變化，這說明核心理論還沒有形成，理論研究還處于基礎(chǔ)探索階段，處于萌芽期。1997年以后，文獻(xiàn)數(shù)量和作者數(shù)量都有明顯增加，特別是從2003年開始，增長(zhǎng)的趨勢(shì)非常明顯，且作者數(shù)量的增速高于科學(xué)文獻(xiàn)數(shù)量的增速，這說明有越來

圖2 1980～2009年間諧波減速器技出版時(shí)間分布

圖3 諧波減速器理論生命周期圖

表1 諧波減速器理論生命周期具體數(shù)據(jù)

越多的研究人員開始進(jìn)入諧波減速器領(lǐng)域的理論研究，理論整體上處于快速成長(zhǎng)期。因此，諧波減速器技術(shù)符合此預(yù)測(cè)模型的研究范圍，可以進(jìn)行下一步的技術(shù)分析。

3.2.3 諧波減速器理論研究主題分析

將1980～2009年間的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CiteSpace軟件[11]中，以5年為時(shí)間切片，以關(guān)鍵詞作為節(jié)點(diǎn)類型繪制關(guān)鍵詞共現(xiàn)可視化圖譜，并在文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行聚類分析，按照TF*IDF算法獲取聚類標(biāo)識(shí)詞，得到研究熱點(diǎn)主題如圖4所示，排名前10位的關(guān)鍵詞見表2。

圖4中聚類大小按聚類序號(hào)增大依次遞減(聚類0最大)，節(jié)點(diǎn)代表文獻(xiàn)關(guān)鍵詞，節(jié)點(diǎn)大小反

圖4 1980～2009年間科學(xué)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

表2 1980～2009年間科學(xué)文獻(xiàn)排名前10位的關(guān)鍵詞表

映關(guān)鍵詞的頻次。結(jié)合圖4和表2可知：1980～1999年，研究主要集中在嚙合原理、齒輪齒形、波形、徑向剛度、扭矩傳感器、加工制造、減速器腔體等方面；2000～2004年，研究主要集中在齒輪齒

形、誤差補(bǔ)償、減速比、扭矩傳感器、結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化、徑向剛度、穩(wěn)定性等方面；2005～2009年，研究主要集中在齒輪齒形、誤差補(bǔ)償、減速比、扭矩傳感器、結(jié)構(gòu)工藝優(yōu)化、波發(fā)生器、穩(wěn)定性、機(jī)電集成靜電諧波傳動(dòng)等方面。

3.2.4 諧波減速器理論研究演進(jìn)分析

通過對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行聚類分析，能夠清晰地發(fā)現(xiàn)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域，但卻不能有效識(shí)別這些重點(diǎn)領(lǐng)域的形成與演進(jìn)過程。引文網(wǎng)絡(luò)刻畫并展示了某領(lǐng)域的發(fā)展歷史和演化路徑，而主路徑分析主要是通過識(shí)別出引文網(wǎng)絡(luò)中具有最大連接度的系列文獻(xiàn)來概述研究領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)。采用HistCite和Pajek軟件進(jìn)行了主路徑的提取，圖5是利用Pajek軟件中的SPC算法提取主路徑的結(jié)果。

圖5 1980～2009年間引文編年圖主路徑

圖5中的節(jié)點(diǎn)代表文獻(xiàn)，并以“序號(hào)+作者+發(fā)表年”的形式命名。主路徑共涉及9篇文獻(xiàn)，它們構(gòu)成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中樞結(jié)構(gòu)，對(duì)諧波減速器核心理論的形成與發(fā)展起到了重要作用。這些文獻(xiàn)主要發(fā)表在機(jī)器人、儀器儀表、自動(dòng)化、機(jī)電一體化、制造、振動(dòng)與控制等相關(guān)期刊上，研究?jī)?nèi)容集中在對(duì)力學(xué)性能、扭矩傳遞誤差及補(bǔ)償?shù)扰ぞ貍鬟f精度的提高上，如304號(hào)文獻(xiàn)研究了諧波傳動(dòng)的自適應(yīng)控制，指出摩擦和柔輪變形是影響控制系統(tǒng)的主要因素，擬通過自適應(yīng)摩擦補(bǔ)償和基于齒輪力學(xué)的控制來提高扭矩傳遞精度。

隨著機(jī)器人、航空航天、加工中心等設(shè)備儀器的質(zhì)量、性能、可靠性要求的不斷提高以及武器裝備的更新?lián)Q代，需要高精度的諧波齒輪傳動(dòng)裝置來滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。隨著微機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)電集成靜電諧波傳動(dòng)系統(tǒng)等的發(fā)展(圖4圈中主題11)，諧波傳動(dòng)裝置的小型化也將成為未來研究的重點(diǎn)之一[12]。

3.3 諧波減速器技術(shù)分析

3.3.1 諧波減速器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

圖6顯示了1980～2009年間諧波減速器全球?qū)＠暾?qǐng)量的趨勢(shì)及在中國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)

圖6 1980～2009年專利申請(qǐng)量分布

4個(gè)國(guó)家的分布情況。由圖6可知?dú)v年專利申請(qǐng)量處于波動(dòng)狀態(tài)，2004年后再次出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。日本專利量最大，在1997年達(dá)到一個(gè)高峰。我國(guó)專利申請(qǐng)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但整體數(shù)量相對(duì)較少。

3.3.2 諧波減速器技術(shù)研究前沿

國(guó)際專利分類號(hào)(international patent classification,IPC)可用于識(shí)別技術(shù)研究熱點(diǎn)，故整理出被引頻次全球排名前10位的專利IPC代碼(表3)。筆者發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域的專利研究一方面主要是圍繞齒輪齒形、波發(fā)生器、腔體等零部件優(yōu)化的研究，另一方面主要是圍繞齒輪嚙合傳動(dòng)、潤(rùn)滑、驅(qū)動(dòng)等精度改善方面。

表3 1980～2009年間排名前10位的專利IPC代碼

3.3.3 諧波減速器技術(shù)發(fā)展路徑分析

為了識(shí)別1980～2009年間的技術(shù)發(fā)展路徑，對(duì)專利進(jìn)行了引文網(wǎng)絡(luò)主路徑的提取。首先，通過自編軟件獲取專利間的引證關(guān)系，以矩陣形式呈現(xiàn)。然后，將矩陣導(dǎo)入到Ucinet軟件中獲取引證網(wǎng)絡(luò)。最后，利用Pajek軟件的SPC算法獲得了1980～2009年間專利引證主路徑(圖7)。

圖7中的節(jié)點(diǎn)代表專利，并以專利號(hào)命名。這9條專利從諧波減速器的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)發(fā)展演進(jìn)出齒形、齒廓、齒輪嚙合方式、裝配方式等更優(yōu)的裝置，旨在提高諧波減速器的扭矩傳遞精度，如EP309197A2是諧波傳動(dòng)系統(tǒng)公司于1989年公開的一項(xiàng)應(yīng)變波形齒輪裝置的專利，該裝置由兩個(gè)齒數(shù)不同的剛輪、一個(gè)柔輪和一個(gè)波發(fā)生器組成，其中兩個(gè)剛輪同軸并列安裝與柔輪嚙合，該裝置比傳統(tǒng)傳動(dòng)裝置具有更高的扭矩傳遞能力。

聚類分析覆蓋范圍很廣，但弱化了研究重點(diǎn)；主路徑分析借助高權(quán)重引證算法，從一個(gè)視角展現(xiàn)了技術(shù)研究的核心所在，但相對(duì)整體研究而言具有一定的局限性。二者的有效融合利用為研究提供了巨大幫助。結(jié)合3.2節(jié)和3.3節(jié)，即結(jié)合理論知識(shí)和技術(shù)知識(shí)的聚類和演進(jìn)路徑，并借助知識(shí)流動(dòng)規(guī)律，筆者預(yù)測(cè)未來幾年內(nèi)的研究趨勢(shì)和重點(diǎn)為：在對(duì)齒輪、波發(fā)生器等零部件研究和對(duì)傳動(dòng)裝置扭矩傳遞、負(fù)載能力、抗扭剛度、波發(fā)生器等影響傳動(dòng)裝置精度、可靠性研究的同時(shí)，還將對(duì)傳動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、小型化進(jìn)行研究。

圖7 1980～2009年間專利引證網(wǎng)絡(luò)主路徑

3.4 諧波減速器技術(shù)預(yù)測(cè)對(duì)比

3.4.1 諧波減速器技術(shù)研究前沿

2010～2014年間全球排名前10位的專利IPC代碼見表4，傳動(dòng)裝置的零部件優(yōu)化研究、齒輪嚙合傳動(dòng)、潤(rùn)滑、驅(qū)動(dòng)等精度改善依然是研究重點(diǎn)。另外，受到微機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)電集成靜電諧波傳動(dòng)系統(tǒng)等科學(xué)理論的影響(圖4圈中主題11)，腔體小型化成為一種趨勢(shì)，短筒柔輪設(shè)計(jì)成為必然，這也隨之帶來了制造和安裝可行性和可靠性的研究。除了波發(fā)生器的專利研究較少外，顯然，這一階段的技術(shù)研究主題與筆者預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。

3.4.2 諧波減速器技術(shù)發(fā)展路徑分析

主路徑旨在研究發(fā)展軌跡，應(yīng)充分利用軌跡的連續(xù)性，若僅提取2010～2014年間的主路徑進(jìn)

表4 2010～2014年間排名前10位的專利IPC代碼

行研究意義不大，筆者利用3.3.3節(jié)中的方法獲得了1980～2014年間專利引證主路徑(圖8)進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)1980～2014年的主路徑在1980～2009年的主路徑上進(jìn)行了延伸(路徑①)，同時(shí)又?jǐn)U散出兩條新的路徑(路徑②和路徑③)。

路徑①在DE102007034091A1專利的基礎(chǔ)上進(jìn)行了延伸，DE102008053914A1專利采用機(jī)電集成的結(jié)構(gòu)使裝置更緊湊，DE102010007668A1專利采用了一種質(zhì)量更輕、成本更低的齒輪。路徑②中的研究?jī)?nèi)容集中在提高負(fù)載能力、減小回差、裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化、編碼器優(yōu)化、變位齒輪利用等方面，WO2009157607A1專利是韓國(guó)科技研究所于2009年公開的一種采用了變位齒輪的諧波傳動(dòng)裝置，

圖8 1980～2014年間專利文獻(xiàn)引證主路徑

可滿足減速裝置的雙波運(yùn)動(dòng)，具有傳遞效率高、傳動(dòng)比范圍大、無回差、低成本的優(yōu)點(diǎn)。路徑③中的研究?jī)?nèi)容集中在對(duì)減速器驅(qū)動(dòng)方式的創(chuàng)新、齒輪材料優(yōu)化等方面，DE202008017572U1專利是諧波傳動(dòng)系統(tǒng)公司于2010年公開的一種行星式波發(fā)生器微型諧波齒輪傳動(dòng)裝置，采用了行星式波發(fā)生器，而不是凸輪式波發(fā)生器，且結(jié)構(gòu)更緊湊、傳動(dòng)比更大、傳動(dòng)效率更高。

綜上所述，傳動(dòng)裝置的負(fù)載能力、扭矩傳遞、抗疲勞強(qiáng)度等與傳動(dòng)精度、傳遞效率相關(guān)的技術(shù)，裝置的小型化與輕質(zhì)化技術(shù)確實(shí)是技術(shù)研發(fā)核心所在。顯然，這一階段的核心技術(shù)研究與筆者預(yù)測(cè)結(jié)果也基本一致，驗(yàn)證了該模型的可行性與有效性。

4 諧波減速器技術(shù)預(yù)測(cè)

本章采用上述預(yù)測(cè)模型對(duì)諧波減速器未來5年的技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，2010～2014年間文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜和1980～2014年間引文編年圖主路徑分別如圖9和圖10所示，2010～2014年間文獻(xiàn)排名前10位的關(guān)鍵詞見表5。圖10主路徑在圖5主路徑449號(hào)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展和延伸，對(duì)扭矩波動(dòng)、傳遞、評(píng)估和補(bǔ)償進(jìn)行了研究，試圖提高剛度、精度和穩(wěn)定性，如928號(hào)文獻(xiàn)提出了一種集反饋控制和前饋學(xué)習(xí)控制方法于一體的扭矩波動(dòng)補(bǔ)償方法。

結(jié)合3.4節(jié)和本章數(shù)據(jù)分析可知，諧波減速器技術(shù)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但仍然具有很大的發(fā)展空間，未來幾年主要會(huì)圍繞以下幾方面進(jìn)行研究：①對(duì)影響傳動(dòng)裝置高精度、零回差、高傳動(dòng)效率、高承載能力、高可靠性等性能的技術(shù)研究，如扭矩波動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化研究、驅(qū)動(dòng)與控制方式的優(yōu)化研究、齒輪嚙合方式的優(yōu)化研究、裝置減振降噪的優(yōu)化研究等；②對(duì)傳動(dòng)裝置小型化和輕質(zhì)化的研究，如從杯形標(biāo)準(zhǔn)筒到扁平形短筒腔體的設(shè)計(jì)、新型金屬材料或塑料的應(yīng)用研究等；③對(duì)傳動(dòng)裝置組成部件的優(yōu)化研究，如齒輪新齒形的研究、波發(fā)生器波形與波信號(hào)傳遞的研究等。

圖9 2010～2014年間科學(xué)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

表5 2010～2014年間科學(xué)文獻(xiàn)排名前10位的關(guān)鍵詞表

5 結(jié)語(yǔ)

本文以知識(shí)流動(dòng)為視角，利用文獻(xiàn)和專利定量數(shù)據(jù)，基于聚類和主路徑方法構(gòu)建了技術(shù)預(yù)測(cè)模型，并以諧波減速器為例驗(yàn)證了該模型的可行性和有效性。但本文仍然存在以下研究局限：①對(duì)知識(shí)流動(dòng)的應(yīng)用只進(jìn)行了一定程度的探索，而

缺乏科學(xué)知識(shí)向技術(shù)知識(shí)流動(dòng)過程的深入探析，在實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)科學(xué)研究熱點(diǎn)難以在技術(shù)實(shí)踐中得到應(yīng)用，如科學(xué)研究聚類圖(圖4)中主題8、10、13、14均對(duì)波發(fā)生器進(jìn)行了研究，而在專利IPC(表3、表4)和主路徑(圖7、圖8)中則較少出現(xiàn)，未來可以對(duì)知識(shí)流動(dòng)過程進(jìn)行定量研究。科學(xué)與技術(shù)之間的交互融合使得新技術(shù)會(huì)促進(jìn)理論的深入研究，未來還可以探索技術(shù)應(yīng)用對(duì)科學(xué)知識(shí)的影響效果。②主路徑分析法是基于專利之間的引用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的，它局限于對(duì)相似專利技術(shù)路徑的提取，而缺乏對(duì)多層次技術(shù)路徑重要節(jié)點(diǎn)的提取。未來可以對(duì)主路徑提取過程進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更加全面準(zhǔn)確的技術(shù)演變路徑，如利用分類算法將樣本數(shù)據(jù)劃分為不同主題模塊，分別提取出主路徑，再以時(shí)間序列呈現(xiàn)，形成多主題的總體演變路徑。③雖然建立了定量技術(shù)預(yù)測(cè)模型，但對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果仍依賴于定性研究，未來可建立一定的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的定量分析。④對(duì)

圖10 1980～2014年間引文編年圖主路徑

諧波減速器的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了整體描述，未來可以針對(duì)不同類型(如漸開線齒形、雙圓弧齒形等)諧波減速器的發(fā)展情況進(jìn)行分析并預(yù)測(cè)。

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(編輯 王艷麗)

Knowledge Flow Based Engineering Technology Forecasting：a Case of Harmonic Reducer

Liu Huailan1Liao Ling1Zhou Yuan2

1.Huazhong University of Science & Technology,Wuhan,4300742.Tsinghua University,Beijing,100084

In the perspective of knowledge flow, the paper constructed a quantitative engineering technology forecasting model by combining the clustering and main path method, based on the literatures and patent data. Taking harmonic reducer as an example, the literatures and patent data of 1980～2009 were applied to make a engineering technology forecasting by the model, and compared the results with the technologies during the 2010～2014. It turns out that the proposed framework is feasible and effective. At last, the engineering technology trends were forecasted for the next five years as follows: all countries of the world will devote themselves to the areas of improving the precision, backlash, transmission efficiency, bearing capacity, reliability and other performance-related technologies, miniaturization and light weight of transmission, as well as optimization of component parts.

mechanical manufacturing and automation; technology forecasting; knowledge flow; harmonic reducer

TH132.46

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.24.010

2016-01-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(71203117，L152400015)；中國(guó)工程科技知識(shí)中心建設(shè)項(xiàng)目(CKCEST-2015-4-2)

劉懷蘭，女，1965年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)榧夹g(shù)路線圖、技術(shù)預(yù)測(cè)與技術(shù)預(yù)見、技術(shù)創(chuàng)新、智能制造與機(jī)器人等。出版專著4本，發(fā)表論文10余篇。廖 嶺，男，1993年生。華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生。周 源，男，1977年生。清華大學(xué)公共管理學(xué)院副教授。