基於專利知識的機械創新設計探析論文
摘要：專利中蘊含了豐富的、可觸發設計者靈感的新原理、新技術和新工藝知識。針對英文發明專利， 總結了其中有助於機械產品創新設計靈感啟發的知識型別， 並進一步分析了各類知識的特點。根據授權發明專利的發明形式， 結合專利知識型別， 系統性地提出了靈感啟發方式。與現有的創新設計方法進行對比分析， 提出的靈感啟發方式包含了一些至今未出現的新啟發方式。最後， 以具有自鎖功能的液壓油缸創新設計為例， 驗證了這一啟發方式的可行性和有效性。
關鍵詞：英文專利； 專利知識； 啟發方式； 創新設計；
1 背景闡述
人類的大量重大創新來源於靈感。靈感是一種非邏輯思維方式， 具有突發性、瞬間性和觸發性等特點， 是輔助創新設計的重要途徑。但靈感的啟發需要以寬廣和敦厚的知識沉澱為基礎。從知識源的可靠性、真實性、新穎性含量等方面比較， 專利文獻比百科全書、手冊、教科書、專著等具有更高的知識含量， 更具啟發性、可靠性和準確性。專利不僅是產品創新設計的成果， 還包含著眾多可啟發靈感的新原理、新技術和新工藝知識。目前， 靈感的啟發方式主要有線性方式和非線性方式[1].其中， 線性方式， 是指將收集的資訊進行關聯對映， 透過標準、約束等方式來啟發靈感， 例如啟發對映清單 （checklists） [2];非線性方式， 是指跳躍性的、非直接對映啟發的方法， 其透過分析創新概念產生階段的策略和路線來啟發靈感， 例如， TRIZ透過通用工程引數、矛盾衝突矩陣和發明創造原理來啟發設計者靈感， 以解決創新問題[3].本文將根據授權英文發明專利的型別， 總結應用於專利靈感啟發的專利知識， 提出具有系統性的靈感啟發方式， 透過建立以啟發方式和專利知識為核心的靈感啟發環境來有效地輔助設計者進行機械產品創新設計。
2 專利靈感啟發知識
專利中包含了可觸發靈感的新原理、新技術和新工藝等知識， 但是， 整篇專利並不適合作為靈感啟發知識。因此， 需要從專利中提煉出簡潔、有效的內容作為靈感啟發知識。根據Paul和Beitz的設計理論[4], 產品功能透過作用原理實現， 而作用原理由選用的物理效應、確定的'幾何和物料特徵標誌所決定。這些幾何和物料的特徵標誌正是產品發明專利中重點描述的創新點和專利權利要求所要保護的特徵。例如， 專利US7944332[5]描述的是採用電磁鎖定代替傳統的力學鎖定的微機電自鎖裝置， 其創新點是採用電磁場代替傳統摩擦力學場， 具有創新點的特徵標誌為“場”.
Paul和Beitz總結了幾何和物料的特徵標誌包括形狀、位置、大小、數量、運動種類和運動方向等。在此基礎上， 根據實際專利的特點對特徵標誌進一步拓展， 得到材料、質量、顏色、狀態、場、溫度、時間、介質， 共同構成靈感啟發知識， 具體內容如表1所示。其中， 形狀描述的是零部件的存在或表現形式；位置描述的是零部件佈置的方位；材料描述的是製造零部件原材料；質量描述的是零部件的質量或所受的重力；數量描述的零部件的多少；顏色描述的是零部件的色彩；狀態是指零部件所處的物態；大小描述的是零部件的尺寸；運動種類是指零部件之間的相互運動方式；運動方向是指由於零部件之間的相互運動而產生的位置改變；場是描述零部件之間或零部件與外部環境之間的空間內的作用情況；溫度描述零部件內或外部環境的冷熱程度；時間是描述零部件運動過程的參量；介質描述的是零部件之間用於狀態傳導的物質。
3 靈感啟發方式
針對英文專利， 不同地區採用不同實質審查的依據， 美國採用Manual of Patent Examining Procedure （MPEP） , 歐洲採用Guidelines for Examination in the European Patent Office.根據MPEP和Guidelines for Examination in the European Patent Office中對專利創造性的闡述以及可能創新方向的描述分析得出， 能夠被授予發明專利的主要是開拓性發明、組合發明、選擇發明、轉用發明、已知產品的新用途發明和要素變更發明。其中， 開拓性發明， 是指一種全新的技術方案， 在技術史上沒有先例；組合發明， 是指將某些技術要素組合構成新的技術方案， 以解決現有技術方案客觀存在的問題；選擇發明， 是指從現有技術公開的範圍中， 有目的地選擇未提到的範圍的發明；轉用發明， 是指將某一技術領域的現有技術要素轉用到其他技術領域的發明；已知產品的新用途發明， 是指將已知產品用於新目的的發明；要素變更發明， 是指變更現有技術的要素而產生的新發明， 由於發明手段簡便， 此類發明為設計過程中常產生的一類發明。對於機械產品結構的創新設計， 這6種發明型別有些並不適合透過靈感啟發進行創新。例如， 選擇發明雖然說明了對現有技術的範圍選擇進行發明， 但從實際操作的角度來講卻很難確定具體的實現方法；而有些， 比如組合發明、轉用發明和要素變更發明， 它們是透過操作某些技術要素實現的， 非常適合於靈感啟發創新。因此， 下面以組合發明、轉用發明和要素變更發明為例， 建立具有系統性的靈感啟發方式。
由相關分析可知， 專利中的創新點主要通過幾何和物料的特徵標誌體現， 因此， 對於上述3類發明， 如果從特徵標誌的角度思考， 可以認識到：組合發明的實質是透過某幾種特徵標誌的組合而產生的發明；轉用發明的實質是透過某種特徵標誌在領域之間的轉用而產生的發明；要素變更發明的實質是透過某種特徵標誌的變更而產生的發明。在此分析的基礎上， 細化這3類發明的特徵標誌， 從而構成具體的靈感啟發方式， 如圖1所示。
圖1所示的基於特徵標誌的靈感啟發方式有的仍然偏於抽象， 不利於直接啟發設計者的靈感。為此， 將特徵標誌具體化， 從而進一步細化得到更為形象、直接的啟發方式93條， 部分啟發方式如表2所示。在這93條啟發方式中， 包括28條組合發明啟發方式， 51條要素變更發明啟發方式， 14條轉用發明啟發方式， 數量統計如表3所示。
透過對比發現， 這些啟發方式涵蓋了TRIZ中多數發明創造原理， 除了TRIZ的“預加反作用”“預操作”“預補償”等發明創造原理因其本質上是對作用時間範圍的擴大， 所以， 不屬於這3類發明。
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如表3所示， 另有43條全新的啟發方式， 雖然這類啟發方式不屬於TRIZ的發明創造原理， 但在實際專利中已經得到應用。例如， 在質量組合啟發方式中， 既有與TRIZ理論中的“反重量原則”類似的啟發方式， 即將重力與各種輔助力相結合， 比如重力與上升力、液力等結合以抵消或減小重力， 又有不屬於TRIZ理論的新啟發方式， 即將兩連線物體的重力相互組合， 增加或抵消重力。但該啟發方式在專利03109469.4[6]中得到了應用， “重力自平衡裝置”將平衡裝置兩端的物體連線組合， 從而實現裝置的自平衡效果。又比如， “利用輔助力 （磁力、彈性力和離心力等） 來改變物體重力”也是新啟發方式， 其在專利201110331643.0[7]中得到應用， “一種可調式氣液重力平衡裝置”調整液體或氣體流量， 以產生不同的液壓力或氣壓力， 從而實現物體重力的平衡效果。再比如， 新啟發方式將光學、聲學、力學、磁學和電磁學等原理場相結合， 在專利200910208873.0[8]中得到應用， “輕按磁力重力雙重密封排水閥”即透過將磁場與重力場相結合實現了排水閥較好的密封和排水效果。
由表3中對啟發方式數量的統計可以發現， 在3類發明啟發方式中， 要素變更發明啟發方式數量甚至多於其他2類發明啟發方式之和。這說明， 發明中常用到的是要素變更發明啟發方式， 符合文中所述要素變更發明則是最常產生的發明之一的說法。同時， 發現類似於TRIZ中發明創造原理的啟發方式多屬於要素變更發明啟發方式， 而較少屬於組合發明啟發方式和轉用發明啟發方式。符合文中所述在TRIZ發明創造原理存在的問題中， 其多輔助設計者完成改變技術引數發明的論述。
4 設計例項
為了驗證文中提出的專利靈感啟發方式的有效性， 下面結合液壓油缸的創新設計， 詳細說明應用過程。
液壓挖掘機的動臂液壓油缸需要較強的閉鎖力來保證整機的工作效能， 但是， 如果增加油缸缸徑來提高閉鎖力， 則會影響整機的工作效率。因此， 此次設計的需求是， 在不改變液壓缸尺寸的前提下設計具有自鎖功能並且結構較簡單的液壓油缸， 即為液壓油缸附加自鎖功能， 於是確定功能關鍵詞為“自鎖”.採用英文專利作為專利知識源， 利用功能關鍵詞“自鎖 （self-locking） ”檢索美國國家專利局資料庫獲取專利集， 選取與設計功能相關的最新的30個專利。
對選取的專利進行分析， 專利US7944332文字中描述較多的是“電磁場”, 因此， 其特徵標誌為“場”;專利US8193670[9]描述較多的是“磁流變液”, 因此， 其特徵標誌為“介質”;專利US8141883[10]描述較多的是“旋轉”, 因此， 其特徵標誌為“運動種類”, 等等。為了確定靈感啟發方式， 此次設計關注首個專利特徵標誌--“場”.考慮到傳統的液壓油缸的液力驅動是最常用的驅動方式， 並且具有一定的自鎖效果， 為使設計結構簡單， 可以不考慮液力場驅動方式變更， 而從基於場的組合發明方式中選取啟發方式， 即將光學、聲學、力學、磁學、電磁學等原理場相結合。
1-螺釘；2-缸底電磁鐵；3-下油口；4-活塞；5-活塞線圈；6-彈性材料；7-壓力感應片；8-上油口；9-缸頂電磁鐵；10-缸體；11-螺釘；12-活塞桿
設計者在靈感啟發方式“將光學、聲學、力學、磁學、電磁學等原理場相結合”的啟發下， 得到設計靈感--在液力場的基礎上， 組合電磁場透過磁力相吸相斥的原理實現自鎖功能。根據該設計靈感得到圖2所示設計方案--具有磁力自鎖結構的液壓油缸 （該設計已獲得發明專利授權） .在該油缸內底部分別設定電磁鐵且活塞上繞有線圈， 利用電源激勵產生電磁場， 根據磁場同性相斥原理阻止活塞發生位移， 以實現輔助自鎖。
5 小結
本文將組合發明、轉用發明、要素變更發明等發明形式與專利的靈感啟發知識型別相結合， 從一個新的視角提出靈感啟發方式， 不僅發現了一些至今未出現的新啟發方式， 而且提出的靈感啟發方式具有系統性和層次性。在此研究基礎上， 以工程機械液壓油缸的創新設計為實踐， 初步驗證了這一創新過程的可行性和有效性。
參考文獻
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