面向機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的專利靈感啟發(fā)研究＊

薛 馳，陳 嬌，王海棟

（浙江大學(xué)常州工業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 常州 213000）

面向機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的專利靈感啟發(fā)研究＊

薛 馳，陳 嬌，王海棟

（浙江大學(xué)常州工業(yè)技術(shù)研究院，江蘇 常州 213000）

專利中蘊(yùn)含了豐富的、可觸發(fā)設(shè)計(jì)者靈感的新原理、新技術(shù)和新工藝知識(shí)。針對(duì)英文發(fā)明專利，總結(jié)了其中有助于機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)靈感啟發(fā)的知識(shí)類型，并進(jìn)一步分析了各類知識(shí)的特點(diǎn)。根據(jù)授權(quán)發(fā)明專利的發(fā)明形式，結(jié)合專利知識(shí)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(jì)方法進(jìn)行對(duì)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(jì)為例，驗(yàn)證了這一啟發(fā)方式的可行性和有效性。

英文專利；專利知識(shí)；啟發(fā)方式；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

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(diǎn)，是輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要途徑。但靈感的啟發(fā)需要以寬廣和敦厚的知識(shí)沉淀為基礎(chǔ)。從知識(shí)源的可靠性、真實(shí)性、新穎性含量等方面比較，專利文獻(xiàn)比百科全書、手冊(cè)、教科書、專著等具有更高的知識(shí)含量，更具啟發(fā)性、可靠性和準(zhǔn)確性。專利不僅是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)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(shí)。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(jìn)行關(guān)聯(lián)映射，通過標(biāo)準(zhǔn)、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(jì)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(yīng)用于專利靈感啟發(fā)的專利知識(shí)，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(shí)為核心的靈感啟發(fā)環(huán)境來有效地輔助設(shè)計(jì)者進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 專利靈感啟發(fā)知識(shí)

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(shí)，但是，整篇專利并不適合作為靈感啟發(fā)知識(shí)。因此，需要從專利中提煉出簡(jiǎn)潔、有效的內(nèi)容作為靈感啟發(fā)知識(shí)。根據(jù)Paul和Beitz的設(shè)計(jì)理論[4]，產(chǎn)品功能通過作用原理實(shí)現(xiàn)，而作用原理由選用的物理效應(yīng)、確定的幾何和物料特征標(biāo)志所決定。這些幾何和物料的特征標(biāo)志正是產(chǎn)品發(fā)明專利中重點(diǎn)描述的創(chuàng)新點(diǎn)和專利權(quán)利要求所要保護(hù)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(xué)鎖定的微機(jī)電自鎖裝置，其創(chuàng)新點(diǎn)是采用電磁場(chǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)摩擦力學(xué)場(chǎng)，具有創(chuàng)新點(diǎn)的特征標(biāo)志為“場(chǎng)”。

Paul和Beitz總結(jié)了幾何和物料的特征標(biāo)志包括形狀、位置、大小、數(shù)量、運(yùn)動(dòng)種類和運(yùn)動(dòng)方向等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際專利的特點(diǎn)對(duì)特征標(biāo)志進(jìn)一步拓展，得到材料、質(zhì)量、顏色、狀態(tài)、場(chǎng)、溫度、時(shí)間、介質(zhì)，共同構(gòu)成靈感啟發(fā)知識(shí)，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(yùn)動(dòng)種類是指零部件之間的相互運(yùn)動(dòng)方式；運(yùn)動(dòng)方向是指由于零部件之間的相互運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的位置改變；場(chǎng)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(shí)間是描述零部件運(yùn)動(dòng)過程的參量；介質(zhì)描述的是零部件之間用于狀態(tài)傳導(dǎo)的物質(zhì)。

3 靈感啟發(fā)方式

針對(duì)英文專利，不同地區(qū)采用不同實(shí)質(zhì)審查的依據(jù)，美國(guó)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(duì)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(jiǎn)便，此類發(fā)明為設(shè)計(jì)過程中常產(chǎn)生的一類發(fā)明。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這6種發(fā)明類型有些并不適合通過靈感啟發(fā)進(jìn)行創(chuàng)新。例如，選擇發(fā)明雖然說明了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的范圍選擇進(jìn)行發(fā)明，但從實(shí)際操作的角度來講卻很難確定具體的實(shí)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(shí)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(diǎn)主要通過幾何和物料的特征標(biāo)志體現(xiàn)，因此，對(duì)于上述3類發(fā)明，如果從特征標(biāo)志的角度思考，可以認(rèn)識(shí)到：組合發(fā)明的實(shí)質(zhì)是通過某幾種特征標(biāo)志的組合而產(chǎn)生的發(fā)明；轉(zhuǎn)用發(fā)明的實(shí)質(zhì)是通過某種特征標(biāo)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(shí)質(zhì)是通過某種特征標(biāo)志的變更而產(chǎn)生的發(fā)明。在此分析的基礎(chǔ)上，細(xì)化這3類發(fā)明的特征標(biāo)志，從而構(gòu)成具體的靈感啟發(fā)方式，如圖1所示。

表1 專利中的靈感啟發(fā)知識(shí)

圖1所示的基于特征標(biāo)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(jì)者的靈感。為此，將特征標(biāo)志具體化，從而進(jìn)一步細(xì)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(jì)如表3所示。

通過對(duì)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(yù)加反作用”“預(yù)操作”“預(yù)補(bǔ)償”等發(fā)明創(chuàng)造原理因其本質(zhì)上是對(duì)作用時(shí)間范圍的擴(kuò)大，所以，不屬于這3類發(fā)明。

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(shí)際專利中已經(jīng)得到應(yīng)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(yīng)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(shí)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(yīng)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(shí)現(xiàn)物體重力的平衡效果。再比如，新啟發(fā)方式將光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)和電磁學(xué)等原理場(chǎng)相結(jié)合，在專利200910208873.0[8]中得到應(yīng)用，“輕按磁力重力雙重密封排水閥”即通過將磁場(chǎng)與重力場(chǎng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了排水閥較好的密封和排水效果。

圖1 靈感啟發(fā)方式及其層次關(guān)系

表2 啟發(fā)方式分類及其相對(duì)應(yīng)的示例

由表3中對(duì)啟發(fā)方式數(shù)量的統(tǒng)計(jì)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(shí)，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(jì)者完成改變技術(shù)參數(shù)發(fā)明的論述。

表3 啟發(fā)方式數(shù)量統(tǒng)計(jì)

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

為了驗(yàn)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(jì)，詳細(xì)說明應(yīng)用過程。

液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂液壓油缸需要較強(qiáng)的閉鎖力來保證整機(jī)的工作性能，但是，如果增加油缸缸徑來提高閉鎖力，則會(huì)影響整機(jī)的工作效率。因此，此次設(shè)計(jì)的需求是，在不改變液壓缸尺寸的前提下設(shè)計(jì)具有自鎖功能并且結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(shí)源，利用功能關(guān)鍵詞“自鎖（self-locking）”檢索美國(guó)國(guó)家專利局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)獲取專利集，選取與設(shè)計(jì)功能相關(guān)的最新的30個(gè)專利。

對(duì)選取的專利進(jìn)行分析，專利US7944332文本中描述較多的是“電磁場(chǎng)”，因此，其特征標(biāo)志為“場(chǎng)”；專利US8193670[9]描述較多的是“磁流變液”，因此，其特征標(biāo)志為“介質(zhì)”；專利US8141883[10]描述較多的是“旋轉(zhuǎn)”，因此，其特征標(biāo)志為“運(yùn)動(dòng)種類”，等等。為了確定靈感啟發(fā)方式，此次設(shè)計(jì)關(guān)注首個(gè)專利特征標(biāo)志——“場(chǎng)”。考慮到傳統(tǒng)的液壓油缸的液力驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式，并且具有一定的自鎖效果，為使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以不考慮液力場(chǎng)驅(qū)動(dòng)方式變更，而從基于場(chǎng)的組合發(fā)明方式中選取啟發(fā)方式，即將光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)、電磁學(xué)等原理場(chǎng)相結(jié)合。

圖2 具有磁力自鎖結(jié)構(gòu)的液壓油缸

設(shè)計(jì)者在靈感啟發(fā)方式“將光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)、電磁學(xué)等原理場(chǎng)相結(jié)合”的啟發(fā)下，得到設(shè)計(jì)靈感——在液力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，組合電磁場(chǎng)通過磁力相吸相斥的原理實(shí)現(xiàn)自鎖功能。根據(jù)該設(shè)計(jì)靈感得到圖2所示設(shè)計(jì)方案——具有磁力自鎖結(jié)構(gòu)的液壓油缸（該設(shè)計(jì)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(lì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，根據(jù)磁場(chǎng)同性相斥原理阻止活塞發(fā)生位移，以實(shí)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(shí)類型相結(jié)合，從一個(gè)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(jī)械液壓油缸的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為實(shí)踐，初步驗(yàn)證了這一創(chuàng)新過程的可行性和有效性。

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TP391.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.031

2095－6835（2018）02－0031－04

江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：BE2015009）；江蘇省創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：BM2016003）

薛馳（1984—），男，博士，主要從事專利知識(shí)挖掘和創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究方面的工作。

白潔〕