基于專利知識輔助激發(fā)靈感的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

薛馳 王海棟 陳嬌

摘 要：產(chǎn)品專利中蘊(yùn)含了豐富的原創(chuàng)性技術(shù)、原理和結(jié)構(gòu)知識。文章研究以專利作為設(shè)計(jì)靈感來源的有效性，提出用于機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的創(chuàng)新靈感激發(fā)過程。首先，分析了專利知識的類別，在功能創(chuàng)新層、原理創(chuàng)新層和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新層等三個創(chuàng)新層次上，研究各類專利知識的作用。其次，提出通過專利知識激發(fā)靈感輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)的應(yīng)用過程。最后，以磁力原理進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的自鎖液壓油缸為例，詳細(xì)闡述了基于專利知識激發(fā)靈感輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的有效性。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)靈感；專利知識；靈感激發(fā)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）09-0046-03

Abstract： The product patent contains abundant original technology， principles and structure knowledge. This paper studies the validity of the patent as the source of design inspiration， and puts forward the creative inspiration stimulation process for the innovative design of mechanical products. First of all， it analyzes the categories of patent knowledge， and studies the role of all kinds of patent knowledge in the functional innovation layer， the principle innovation layer and the structural innovation layer. Secondly， the application process of inspiration-aided innovation design through patent knowledge is put forward. Finally， taking the self-locking hydraulic cylinder as an example， the effectiveness of the innovative design method based on patent knowledge is described in detail.

Keywords： design inspiration； patent knowledge； inspiration stimulation； innovative design

人類的靈感是一種非邏輯性的思考，其所具有的突發(fā)性和暫時性特征可應(yīng)用于激發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維。許多偉大的創(chuàng)新都源自于人類的靈感。自Grodon[1]首次觀察到生物可以提供豐富的、用于類比推理的啟發(fā)資源，進(jìn)而提出生物靈感概念以來，生物靈感逐漸成為熱門研究方向。Lindemann[2]建立了名為“Checklist”的數(shù)據(jù)庫，用于進(jìn)行由生物現(xiàn)象至工程設(shè)計(jì)的映射。Shu[3]研究采用自然語言文本處理技術(shù)，基于生物學(xué)知識進(jìn)行類比創(chuàng)新的策略和技術(shù)，并應(yīng)用知識激發(fā)設(shè)計(jì)者創(chuàng)新靈感。

領(lǐng)域的不同導(dǎo)致一般單詞和語法表示方式均有不同。通常機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)者很難從最新的生物發(fā)現(xiàn)中獲得上述生物靈感。與生物靈感不同的是，人工靈感源自于設(shè)計(jì)筆記、設(shè)計(jì)文本以及專利等文獻(xiàn)。而這并不要求設(shè)計(jì)者像利用生物靈感一樣，對知識進(jìn)行領(lǐng)域轉(zhuǎn)換，使設(shè)計(jì)者可以更便捷地從最新發(fā)表的大量原創(chuàng)性技術(shù)中獲得靈感。作為具有新穎性、創(chuàng)新性和實(shí)用性的技術(shù)文檔，產(chǎn)品專利包含了可激發(fā)設(shè)計(jì)者靈感的新技術(shù)、新工藝以及新原理。本文將重點(diǎn)討論，英文專利（以下“專利”均特指“英文專利”）知識中的靈感以及通過靈感激發(fā)設(shè)計(jì)者創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方法。

1 專利知識

根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)對知識的需求，專利知識可以進(jìn)行如下分類：

功能知識：產(chǎn)品專利所需解決的問題或?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)，如傳導(dǎo)力、增強(qiáng)震動或減小體積等。

原理知識：實(shí)現(xiàn)功能的物理效應(yīng)和原理。

結(jié)構(gòu)知識：產(chǎn)品主要部件的幾何、材質(zhì)等特征，以及用于實(shí)現(xiàn)原理的部件結(jié)構(gòu)和部件之間的運(yùn)動關(guān)系。

功能組合知識：實(shí)現(xiàn)功能的步驟或流程，包括子功能之間的關(guān)系。

趨勢知識：產(chǎn)品潛在的發(fā)展趨勢，例如可能的創(chuàng)新技術(shù)、材料和新客戶需求等。

由于設(shè)計(jì)者具有多樣化的經(jīng)驗(yàn)和敏感性，不同的設(shè)計(jì)方案在不同的創(chuàng)新層產(chǎn)生，包括功能創(chuàng)新層、原理創(chuàng)新層和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新層。為了有效地激發(fā)設(shè)計(jì)者靈感，對不同創(chuàng)新層次中的專利知識進(jìn)行分類，將更具針對性。功能知識、趨勢知識和功能組合知識可以引導(dǎo)功能創(chuàng)新；原理知識和趨勢知識可以引導(dǎo)原理創(chuàng)新；結(jié)構(gòu)知識和趨勢知識可以引導(dǎo)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。下面將對包含于專利知識中的創(chuàng)新靈感在三個創(chuàng)新層次上進(jìn)行分類。

2 創(chuàng)新性靈感的激發(fā)過程

2.1 專利知識中的靈感因子

靈感因子通常隱含于知識載體中，如視頻、音頻、圖片和文字，同樣也包括專利。如果這類載體因篇幅過長，則往往無法幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)有利于創(chuàng)新設(shè)計(jì)的信息。因此，需要進(jìn)一步對知識載體進(jìn)行處理，進(jìn)而主動抽取精簡的創(chuàng)新元素作為靈感因子。據(jù)研究表明，動詞、形容詞和名詞，尤其是具體動詞、及物動詞和修飾名詞短語，是重要的靈感因子。

2.1.1 自然語言處理

通過自然語言處理從機(jī)械產(chǎn)品專利中獲取靈感因子，主要采用詞法分析進(jìn)行如下描述：

在詞法分析過程中，專利語句被逐句分割。根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品專利的詞法特征，詞性標(biāo)注集Penn Treebank Tag Set被應(yīng)用于該處理過程。該標(biāo)注集包括如CD、NN、JJ、RB、VB、VBG和VBN，分別表示數(shù)詞、名詞、形容詞、副詞、動詞、現(xiàn)在進(jìn)行時動詞和過去時動詞。

2.1.2 靈感因素

根據(jù)提取關(guān)鍵詞的不同屬性，可以將靈感因子分為動態(tài)因子和靜態(tài)因子。動態(tài)因子主要描述執(zhí)行方案中組件之間的動作和組成屬性，如功能、動作和組成等。靜態(tài)因子主要描述組件的基本屬性，如形狀、位置、材料、方向、尺寸、幾何、數(shù)量和能量等。結(jié)合上述創(chuàng)新層次，在創(chuàng)新層次、專利知識、知識載體和靈感因子之間的關(guān)系可總結(jié)為如表1所示。

2.2 靈感激發(fā)過程

通過靈感因子的提取、分類，并基于靈感因子與創(chuàng)新層次之間的對應(yīng)關(guān)系，可將創(chuàng)新設(shè)計(jì)靈感的激發(fā)過程歸納如圖1所示：

（1）專利集確定。先由設(shè)計(jì)者歸納出描述設(shè)計(jì)對象功能的關(guān)鍵詞，標(biāo)記為關(guān)鍵詞集R。通過詞集R檢索獲得專利集合P。

（2）專利知識抽取。根據(jù)專利知識類型和知識載體之間的關(guān)系，對專利集P中的各知識載體分別抽取各種類型專利知識。

（3）靈感因子聚類。通過針對機(jī)械產(chǎn)品專利的自然語言處理方法，對專利文本進(jìn)行處理。根據(jù)表1所示的專利知識和靈感因子詞性標(biāo)記對應(yīng)關(guān)系，對靈感因子進(jìn)行抽取。對應(yīng)于功能創(chuàng)新、原理創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新三種類型的靈感因子，分別標(biāo)記集合為FI、PI和SI。

（4）靈感因子分類。通過文檔頻率統(tǒng)計(jì)算法在FI，PI和SI中的靈感因子詞頻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（5）創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生?？紤]到設(shè)計(jì)目標(biāo)的功能需求，將相關(guān)靈感因子集合和附圖呈現(xiàn)并激發(fā)設(shè)計(jì)者創(chuàng)新靈感，在創(chuàng)新層次產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3 案例分析

本節(jié)將研究相關(guān)自鎖裝置，通過靈感激發(fā)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)一種具有自鎖功能的液壓油缸。

3.1 確定專利集

本實(shí)例的設(shè)計(jì)對象為具有自鎖功能的液壓油缸，其主要設(shè)計(jì)功能需求為自鎖。定義關(guān)鍵詞集R={“self-lock”， “self-locking”}，以詞集R檢索獲得專利集P={US20040037

668，US20050097708，US20100122594，US20070120636，…}。所得專利集中包含大量裝置和結(jié)構(gòu)知識，如電動工具自鎖齒輪結(jié)構(gòu)、車輛車門的自鎖裝置、磁力減震裝置和車輛減震結(jié)構(gòu)等。

3.2 獲取靈感因子

根據(jù)上節(jié)所述靈感激發(fā)過程，將專利知識載體從專利集中進(jìn)行分割提取。運(yùn)用自然語言處理方法從專利知識載體中獲取靈感因子。進(jìn)而將靈感因子聚合為三類靈感集FI、PI和SI，并將相關(guān)分類專利及靈感因子呈現(xiàn)于設(shè)計(jì)者，從而激發(fā)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)靈感。

3.3 靈感激發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

由于液壓油缸的結(jié)構(gòu)相對較為明確，主要實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動。因此選擇在原理創(chuàng)新層獲取靈感因子激發(fā)設(shè)計(jì)者靈感，完成具有自鎖功能的創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)。結(jié)合從專利中提取的圖片和原理創(chuàng)新靈感因子（如“deform”、“magnetism”、“magnetic”、“l(fā)ubricate”），將獲取各種自鎖功能實(shí)現(xiàn)原理，如摩擦自鎖原理、夾緊自鎖原理和磁力自鎖原理。通過檢索專利發(fā)現(xiàn)，磁力自鎖原理從未在液壓油缸產(chǎn)品中應(yīng)用。因此在實(shí)現(xiàn)液壓油缸的自鎖功能上，采用磁力自鎖原理將極有可能產(chǎn)生全新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過磁力原理的靈感激發(fā)，以磁力實(shí)現(xiàn)自鎖功能產(chǎn)生設(shè)計(jì)如圖2所示。其中，通過線圈導(dǎo)電流向控制，電磁鐵產(chǎn)生相吸和相斥的磁力從而使油缸保持自鎖或輔助驅(qū)動活塞。該設(shè)計(jì)將在增大油缸工作力和加快活塞移動速度的同時，有效地減小油缸缸徑。

4 結(jié)束語

本文通過對三個創(chuàng)新層次的分類，以及從同類和異類專利中靈感因子的獲取，總結(jié)了靈感激發(fā)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程，并以具有自鎖功能的液壓油缸的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例，具體闡述了這一靈感激發(fā)過程。

參考文獻(xiàn)：

[1]W. J. J. Gordon. Synectics： the development of creative capacity. New York： Harper & Row， 1961：25-30.

[2]U. Lindemann and J. Gramann. Engineering design using biological principles. Proc. Int. Design Conf.， Design. Dubrovnik， 2004：18-21.

[3]Shu L.H.， Cheong H. A Natural Language Approach to Biomimetic Design. London： Biologically Inspired Design. Springer， 2014：37-43.