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基于專利知識的機械創(chuàng)新設(shè)計探析論文
摘要：專利中蘊含了豐富的、可觸發(fā)設(shè)計者靈感的新原理、新技術(shù)和新工藝知識。針對英文發(fā)明專利， 總結(jié)了其中有助于機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計靈感啟發(fā)的知識類型， 并進一步分析了各類知識的特點。根據(jù)授權(quán)發(fā)明專利的發(fā)明形式， 結(jié)合專利知識類型， 系統(tǒng)性地提出了靈感啟發(fā)方式。與現(xiàn)有的創(chuàng)新設(shè)計方法進行對比分析， 提出的靈感啟發(fā)方式包含了一些至今未出現(xiàn)的新啟發(fā)方式。最后， 以具有自鎖功能的液壓油缸創(chuàng)新設(shè)計為例， 驗證了這一啟發(fā)方式的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞：英文專利； 專利知識； 啟發(fā)方式； 創(chuàng)新設(shè)計；
1 背景闡述
人類的大量重大創(chuàng)新來源于靈感。靈感是一種非邏輯思維方式， 具有突發(fā)性、瞬間性和觸發(fā)性等特點， 是輔助創(chuàng)新設(shè)計的重要途徑。但靈感的啟發(fā)需要以寬廣和敦厚的知識沉淀為基礎(chǔ)。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(fā)性、可靠性和準確性。專利不僅是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的成果， 還包含著眾多可啟發(fā)靈感的新原理、新技術(shù)和新工藝知識。目前， 靈感的啟發(fā)方式主要有線性方式和非線性方式[1].其中， 線性方式， 是指將收集的信息進行關(guān)聯(lián)映射， 通過標準、約束等方式來啟發(fā)靈感， 例如啟發(fā)映射清單 （checklists） [2];非線性方式， 是指跳躍性的、非直接映射啟發(fā)的方法， 其通過分析創(chuàng)新概念產(chǎn)生階段的策略和路線來啟發(fā)靈感， 例如， TRIZ通過通用工程參數(shù)、矛盾沖突矩陣和發(fā)明創(chuàng)造原理來啟發(fā)設(shè)計者靈感， 以解決創(chuàng)新問題[3].本文將根據(jù)授權(quán)英文發(fā)明專利的類型， 總結(jié)應用于專利靈感啟發(fā)的專利知識， 提出具有系統(tǒng)性的靈感啟發(fā)方式， 通過建立以啟發(fā)方式和專利知識為核心的靈感啟發(fā)環(huán)境來有效地輔助設(shè)計者進行機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。
2 專利靈感啟發(fā)知識
專利中包含了可觸發(fā)靈感的新原理、新技術(shù)和新工藝等知識， 但是， 整篇專利并不適合作為靈感啟發(fā)知識。因此， 需要從專利中提煉出簡潔、有效的內(nèi)容作為靈感啟發(fā)知識。根據(jù)Paul和Beitz的設(shè)計理論[4], 產(chǎn)品功能通過作用原理實現(xiàn)， 而作用原理由選用的物理效應、確定的幾何和物料特征標志所決定。這些幾何和物料的特征標志正是產(chǎn)品發(fā)明專利中重點描述的創(chuàng)新點和專利權(quán)利要求所要保護的特征。例如， 專利US7944332[5]描述的是采用電磁鎖定代替?zhèn)鹘y(tǒng)的力學鎖定的微機電自鎖裝置， 其創(chuàng)新點是采用電磁場代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩擦力學場， 具有創(chuàng)新點的特征標志為“場”.
Paul和Beitz總結(jié)了幾何和物料的特征標志包括形狀、位置、大小、數(shù)量、運動種類和運動方向等。在此基礎(chǔ)上， 根據(jù)實際專利的特點對特征標志進一步拓展， 得到材料、質(zhì)量、顏色、狀態(tài)、場、溫度、時間、介質(zhì)， 共同構(gòu)成靈感啟發(fā)知識， 具體內(nèi)容如表1所示。其中， 形狀描述的是零部件的存在或表現(xiàn)形式；位置描述的是零部件布置的方位；材料描述的是制造零部件原材料；質(zhì)量描述的是零部件的質(zhì)量或所受的重力；數(shù)量描述的零部件的多少；顏色描述的是零部件的色彩；狀態(tài)是指零部件所處的物態(tài)；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；運動方向是指由于零部件之間的相互運動而產(chǎn)生的位置改變；場是描述零部件之間或零部件與外部環(huán)境之間的空間內(nèi)的作用情況；溫度描述零部件內(nèi)或外部環(huán)境的冷熱程度；時間是描述零部件運動過程的參量；介質(zhì)描述的是零部件之間用于狀態(tài)傳導的物質(zhì)。
3 靈感啟發(fā)方式
針對英文專利， 不同地區(qū)采用不同實質(zhì)審查的依據(jù)， 美國采用Manual of Patent Examining Procedure （MPEP） , 歐洲采用Guidelines for Examination in the European Patent Office.根據(jù)MPEP和Guidelines for Examination in the European Patent Office中對專利創(chuàng)造性的闡述以及可能創(chuàng)新方向的描述分析得出， 能夠被授予發(fā)明專利的主要是開拓性發(fā)明、組合發(fā)明、選擇發(fā)明、轉(zhuǎn)用發(fā)明、已知產(chǎn)品的新用途發(fā)明和要素變更發(fā)明。其中， 開拓性發(fā)明， 是指一種全新的技術(shù)方案， 在技術(shù)史上沒有先例；組合發(fā)明， 是指將某些技術(shù)要素組合構(gòu)成新的技術(shù)方案， 以解決現(xiàn)有技術(shù)方案客觀存在的問題；選擇發(fā)明， 是指從現(xiàn)有技術(shù)公開的范圍中， 有目的地選擇未提到的范圍的發(fā)明；轉(zhuǎn)用發(fā)明， 是指將某一技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)要素轉(zhuǎn)用到其他技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)明；已知產(chǎn)品的新用途發(fā)明， 是指將已知產(chǎn)品用于新目的的發(fā)明；要素變更發(fā)明， 是指變更現(xiàn)有技術(shù)的要素而產(chǎn)生的新發(fā)明， 由于發(fā)明手段簡便， 此類發(fā)明為設(shè)計過程中常產(chǎn)生的一類發(fā)明。對于機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計， 這6種發(fā)明類型有些并不適合通過靈感啟發(fā)進行創(chuàng)新。例如， 選擇發(fā)明雖然說明了對現(xiàn)有技術(shù)的范圍選擇進行發(fā)明， 但從實際操作的角度來講卻很難確定具體的實現(xiàn)方法；而有些， 比如組合發(fā)明、轉(zhuǎn)用發(fā)明和要素變更發(fā)明， 它們是通過操作某些技術(shù)要素實現(xiàn)的， 非常適合于靈感啟發(fā)創(chuàng)新。因此， 下面以組合發(fā)明、轉(zhuǎn)用發(fā)明和要素變更發(fā)明為例， 建立具有系統(tǒng)性的靈感啟發(fā)方式。
由相關(guān)分析可知， 專利中的創(chuàng)新點主要通過幾何和物料的特征標志體現(xiàn)， 因此， 對于上述3類發(fā)明， 如果從特征標志的角度思考， 可以認識到：組合發(fā)明的實質(zhì)是通過某幾種特征標志的組合而產(chǎn)生的發(fā)明；轉(zhuǎn)用發(fā)明的實質(zhì)是通過某種特征標志在領(lǐng)域之間的轉(zhuǎn)用而產(chǎn)生的發(fā)明；要素變更發(fā)明的實質(zhì)是通過某種特征標志的變更而產(chǎn)生的發(fā)明。在此分析的基礎(chǔ)上， 細化這3類發(fā)明的特征標志， 從而構(gòu)成具體的靈感啟發(fā)方式， 如圖1所示。
圖1所示的基于特征標志的靈感啟發(fā)方式有的仍然偏于抽象， 不利于直接啟發(fā)設(shè)計者的靈感。為此， 將特征標志具體化， 從而進一步細化得到更為形象、直接的啟發(fā)方式93條， 部分啟發(fā)方式如表2所示。在這93條啟發(fā)方式中， 包括28條組合發(fā)明啟發(fā)方式， 51條要素變更發(fā)明啟發(fā)方式， 14條轉(zhuǎn)用發(fā)明啟發(fā)方式， 數(shù)量統(tǒng)計如表3所示。
通過對比發(fā)現(xiàn)， 這些啟發(fā)方式涵蓋了TRIZ中多數(shù)發(fā)明創(chuàng)造原理， 除了TRIZ的“預加反作用”“預操作”“預補償”等發(fā)明創(chuàng)造原理因其本質(zhì)上是對作用時間范圍的擴大， 所以， 不屬于這3類發(fā)明。
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如表3所示， 另有43條全新的啟發(fā)方式， 雖然這類啟發(fā)方式不屬于TRIZ的發(fā)明創(chuàng)造原理， 但在實際專利中已經(jīng)得到應用。例如， 在質(zhì)量組合啟發(fā)方式中， 既有與TRIZ理論中的“反重量原則”類似的啟發(fā)方式， 即將重力與各種輔助力相結(jié)合， 比如重力與上升力、液力等結(jié)合以抵消或減小重力， 又有不屬于TRIZ理論的新啟發(fā)方式， 即將兩連接物體的重力相互組合， 增加或抵消重力。但該啟發(fā)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接組合， 從而實現(xiàn)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(fā)方式， 其在專利201110331643.0[7]中得到應用， “一種可調(diào)式氣液重力平衡裝置”調(diào)整液體或氣體流量， 以產(chǎn)生不同的液壓力或氣壓力， 從而實現(xiàn)物體重力的平衡效果。再比如， 新啟發(fā)方式將光學、聲學、力學、磁學和電磁學等原理場相結(jié)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”即通過將磁場與重力場相結(jié)合實現(xiàn)了排水閥較好的密封和排水效果。
由表3中對啟發(fā)方式數(shù)量的統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)， 在3類發(fā)明啟發(fā)方式中， 要素變更發(fā)明啟發(fā)方式數(shù)量甚至多于其他2類發(fā)明啟發(fā)方式之和。這說明， 發(fā)明中常用到的是要素變更發(fā)明啟發(fā)方式， 符合文中所述要素變更發(fā)明則是最常產(chǎn)生的發(fā)明之一的說法。同時， 發(fā)現(xiàn)類似于TRIZ中發(fā)明創(chuàng)造原理的啟發(fā)方式多屬于要素變更發(fā)明啟發(fā)方式， 而較少屬于組合發(fā)明啟發(fā)方式和轉(zhuǎn)用發(fā)明啟發(fā)方式。符合文中所述在TRIZ發(fā)明創(chuàng)造原理存在的問題中， 其多輔助設(shè)計者完成改變技術(shù)參數(shù)發(fā)明的論述。
4 設(shè)計實例
為了驗證文中提出的專利靈感啟發(fā)方式的有效性， 下面結(jié)合液壓油缸的創(chuàng)新設(shè)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性能， 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(shè)計的需求是， 在不改變液壓缸尺寸的前提下設(shè)計具有自鎖功能并且結(jié)構(gòu)較簡單的液壓油缸， 即為液壓油缸附加自鎖功能， 于是確定功能關(guān)鍵詞為“自鎖”.采用英文專利作為專利知識源， 利用功能關(guān)鍵詞“自鎖 （self-locking） ”檢索美國國家專利局數(shù)據(jù)庫獲取專利集， 選取與設(shè)計功能相關(guān)的最新的30個專利。
對選取的專利進行分析， 專利US7944332文本中描述較多的是“電磁場”, 因此， 其特征標志為“場”;專利US8193670[9]描述較多的是“磁流變液”, 因此， 其特征標志為“介質(zhì)”;專利US8141883[10]描述較多的是“旋轉(zhuǎn)”, 因此， 其特征標志為“運動種類”, 等等。為了確定靈感啟發(fā)方式， 此次設(shè)計關(guān)注首個專利特征標志--“場”.考慮到傳統(tǒng)的液壓油缸的液力驅(qū)動是最常用的驅(qū)動方式， 并且具有一定的自鎖效果， 為使設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單， 可以不考慮液力場驅(qū)動方式變更， 而從基于場的組合發(fā)明方式中選取啟發(fā)方式， 即將光學、聲學、力學、磁學、電磁學等原理場相結(jié)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(shè)計者在靈感啟發(fā)方式“將光學、聲學、力學、磁學、電磁學等原理場相結(jié)合”的啟發(fā)下， 得到設(shè)計靈感--在液力場的基礎(chǔ)上， 組合電磁場通過磁力相吸相斥的原理實現(xiàn)自鎖功能。根據(jù)該設(shè)計靈感得到圖2所示設(shè)計方案--具有磁力自鎖結(jié)構(gòu)的液壓油缸 （該設(shè)計已獲得發(fā)明專利授權(quán)） .在該油缸內(nèi)底部分別設(shè)置電磁鐵且活塞上繞有線圈， 利用電源激勵產(chǎn)生電磁場， 根據(jù)磁場同性相斥原理阻止活塞發(fā)生位移， 以實現(xiàn)輔助自鎖。
5 小結(jié)
本文將組合發(fā)明、轉(zhuǎn)用發(fā)明、要素變更發(fā)明等發(fā)明形式與專利的靈感啟發(fā)知識類型相結(jié)合， 從一個新的視角提出靈感啟發(fā)方式， 不僅發(fā)現(xiàn)了一些至今未出現(xiàn)的新啟發(fā)方式， 而且提出的靈感啟發(fā)方式具有系統(tǒng)性和層次性。在此研究基礎(chǔ)上， 以工程機械液壓油缸的創(chuàng)新設(shè)計為實踐， 初步驗證了這一創(chuàng)新過程的可行性和有效性。
參考文獻
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