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基于專(zhuān)利知識的機械創(chuàng )新設計探析論文
摘要：專(zhuān)利中蘊含了豐富的、可觸發(fā)設計者靈感的新原理、新技術(shù)和新工藝知識。針對英文發(fā)明專(zhuān)利， 總結了其中有助于機械產(chǎn)品創(chuàng )新設計靈感啟發(fā)的知識類(lèi)型， 并進(jìn)一步分析了各類(lèi)知識的特點(diǎn)。根據授權發(fā)明專(zhuān)利的發(fā)明形式， 結合專(zhuān)利知識類(lèi)型， 系統性地提出了靈感啟發(fā)方式。與現有的創(chuàng )新設計方法進(jìn)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(zhuān)利； 專(zhuān)利知識； 啟發(fā)方式； 創(chuàng )新設計；
1 背景闡述
人類(lèi)的大量重大創(chuàng )新來(lái)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。從知識源的可靠性、真實(shí)性、新穎性含量等方面比較， 專(zhuān)利文獻比百科全書(shū)、手冊、教科書(shū)、專(zhuān)著(zhù)等具有更高的知識含量， 更具啟發(fā)性、可靠性和準確性。專(zhuān)利不僅是產(chǎn)品創(chuàng )新設計的成果， 還包含著(zhù)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(xiàn)性方式和非線(xiàn)性方式[1].其中， 線(xiàn)性方式， 是指將收集的信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射， 通過(guò)標準、約束等方式來(lái)啟發(fā)靈感， 例如啟發(fā)映射清單 （checklists） [2];非線(xiàn)性方式， 是指跳躍性的、非直接映射啟發(fā)的方法， 其通過(guò)分析創(chuàng )新概念產(chǎn)生階段的策略和路線(xiàn)來(lái)啟發(fā)靈感， 例如， TRIZ通過(guò)通用工程參數、矛盾沖突矩陣和發(fā)明創(chuàng )造原理來(lái)啟發(fā)設計者靈感， 以解決創(chuàng )新問(wèn)題[3].本文將根據授權英文發(fā)明專(zhuān)利的類(lèi)型， 總結應用于專(zhuān)利靈感啟發(fā)的專(zhuān)利知識， 提出具有系統性的靈感啟發(fā)方式， 通過(guò)建立以啟發(fā)方式和專(zhuān)利知識為核心的靈感啟發(fā)環(huán)境來(lái)有效地輔助設計者進(jìn)行機械產(chǎn)品創(chuàng )新設計。
2 專(zhuān)利靈感啟發(fā)知識
專(zhuān)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(zhuān)利并不適合作為靈感啟發(fā)知識。因此， 需要從專(zhuān)利中提煉出簡(jiǎn)潔、有效的內容作為靈感啟發(fā)知識。根據Paul和Beitz的設計理論[4], 產(chǎn)品功能通過(guò)作用原理實(shí)現， 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(zhuān)利中重點(diǎn)描述的創(chuàng )新點(diǎn)和專(zhuān)利權利要求所要保護的特征。例如， 專(zhuān)利US7944332[5]描述的是采用電磁鎖定代替傳統的力學(xué)鎖定的微機電自鎖裝置， 其創(chuàng )新點(diǎn)是采用電磁場(chǎng)代替傳統摩擦力學(xué)場(chǎng)， 具有創(chuàng )新點(diǎn)的特征標志為“場(chǎng)”.
Paul和Beitz總結了幾何和物料的特征標志包括形狀、位置、大小、數量、運動(dòng)種類(lèi)和運動(dòng)方向等。在此基礎上， 根據實(shí)際專(zhuān)利的特點(diǎn)對特征標志進(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)， 共同構成靈感啟發(fā)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(dòng)種類(lèi)是指零部件之間的相互運動(dòng)方式；運動(dòng)方向是指由于零部件之間的相互運動(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)境之間的空間內的作用情況；溫度描述零部件內或外部環(huán)境的冷熱程度；時(shí)間是描述零部件運動(dòng)過(guò)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(zhuān)利， 不同地區采用不同實(shí)質(zhì)審查的依據， 美國采用Manual of Patent Examining Procedure （MPEP） , 歐洲采用Guidelines for Examination in the European Patent Office.根據MPEP和Guidelines for Examination in the European Patent Office中對專(zhuān)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(zhuān)利的主要是開(kāi)拓性發(fā)明、組合發(fā)明、選擇發(fā)明、轉用發(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(kāi)拓性發(fā)明， 是指一種全新的技術(shù)方案， 在技術(shù)史上沒(méi)有先例；組合發(fā)明， 是指將某些技術(shù)要素組合構成新的技術(shù)方案， 以解決現有技術(shù)方案客觀(guān)存在的問(wèn)題；選擇發(fā)明， 是指從現有技術(shù)公開(kāi)的范圍中， 有目的地選擇未提到的范圍的發(fā)明；轉用發(fā)明， 是指將某一技術(shù)領(lǐng)域的現有技術(shù)要素轉用到其他技術(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(lèi)發(fā)明為設計過(guò)程中常產(chǎn)生的一類(lèi)發(fā)明。對于機械產(chǎn)品結構的創(chuàng )新設計， 這6種發(fā)明類(lèi)型有些并不適合通過(guò)靈感啟發(fā)進(jìn)行創(chuàng )新。例如， 選擇發(fā)明雖然說(shuō)明了對現有技術(shù)的范圍選擇進(jìn)行發(fā)明， 但從實(shí)際操作的角度來(lái)講卻很難確定具體的實(shí)現方法；而有些， 比如組合發(fā)明、轉用發(fā)明和要素變更發(fā)明， 它們是通過(guò)操作某些技術(shù)要素實(shí)現的， 非常適合于靈感啟發(fā)創(chuàng )新。因此， 下面以組合發(fā)明、轉用發(fā)明和要素變更發(fā)明為例， 建立具有系統性的靈感啟發(fā)方式。
由相關(guān)分析可知， 專(zhuān)利中的創(chuàng )新點(diǎn)主要通過(guò)幾何和物料的特征標志體現， 因此， 對于上述3類(lèi)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(shí)質(zhì)是通過(guò)某幾種特征標志的組合而產(chǎn)生的發(fā)明；轉用發(fā)明的實(shí)質(zhì)是通過(guò)某種特征標志在領(lǐng)域之間的轉用而產(chǎn)生的發(fā)明；要素變更發(fā)明的實(shí)質(zhì)是通過(guò)某種特征標志的變更而產(chǎn)生的發(fā)明。在此分析的基礎上， 細化這3類(lèi)發(fā)明的特征標志， 從而構成具體的靈感啟發(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)設計者的靈感。為此， 將特征標志具體化， 從而進(jìn)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條轉用發(fā)明啟發(fā)方式， 數量統計如表3所示。
通過(guò)對比發(fā)現， 這些啟發(fā)方式涵蓋了TRIZ中多數發(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(shí)間范圍的擴大， 所以， 不屬于這3類(lèi)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(lèi)啟發(fā)方式不屬于TRIZ的發(fā)明創(chuàng )造原理， 但在實(shí)際專(zhuān)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(lèi)似的啟發(fā)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(zhuān)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(shí)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(lái)改變物體重力”也是新啟發(fā)方式， 其在專(zhuān)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(chǎn)生不同的液壓力或氣壓力， 從而實(shí)現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)相結合， 在專(zhuān)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(guò)將磁場(chǎng)與重力場(chǎng)相結合實(shí)現了排水閥較好的密封和排水效果。
由表3中對啟發(fā)方式數量的統計可以發(fā)現， 在3類(lèi)發(fā)明啟發(fā)方式中， 要素變更發(fā)明啟發(fā)方式數量甚至多于其他2類(lèi)發(fā)明啟發(fā)方式之和。這說(shuō)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(shuō)法。同時(shí)， 發(fā)現類(lèi)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(wèn)題中， 其多輔助設計者完成改變技術(shù)參數發(fā)明的論述。
4 設計實(shí)例
為了驗證文中提出的專(zhuān)利靈感啟發(fā)方式的有效性， 下面結合液壓油缸的創(chuàng )新設計， 詳細說(shuō)明應用過(guò)程。
液壓挖掘機的動(dòng)臂液壓油缸需要較強的閉鎖力來(lái)保證整機的工作性能， 但是， 如果增加油缸缸徑來(lái)提高閉鎖力， 則會(huì )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并且結構較簡(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(zhuān)利作為專(zhuān)利知識源， 利用功能關(guān)鍵詞“自鎖 （self-locking） ”檢索美國國家專(zhuān)利局數據庫獲取專(zhuān)利集， 選取與設計功能相關(guān)的最新的30個(gè)專(zhuān)利。
對選取的專(zhuān)利進(jìn)行分析， 專(zhuān)利US7944332文本中描述較多的是“電磁場(chǎng)”, 因此， 其特征標志為“場(chǎng)”;專(zhuān)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(zhuān)利US8141883[10]描述較多的是“旋轉”, 因此， 其特征標志為“運動(dòng)種類(lèi)”, 等等。為了確定靈感啟發(fā)方式， 此次設計關(guān)注首個(gè)專(zhuān)利特征標志--“場(chǎng)”.考慮到傳統的液壓油缸的液力驅動(dòng)是最常用的驅動(dòng)方式， 并且具有一定的自鎖效果， 為使設計結構簡(jiǎn)單， 可以不考慮液力場(chǎng)驅動(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)相結合。
1-螺釘；2-缸底電磁鐵；3-下油口；4-活塞；5-活塞線(xiàn)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(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)相結合”的啟發(fā)下， 得到設計靈感--在液力場(chǎng)的基礎上， 組合電磁場(chǎng)通過(guò)磁力相吸相斥的原理實(shí)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(fā)明專(zhuān)利授權） .在該油缸內底部分別設置電磁鐵且活塞上繞有線(xiàn)圈， 利用電源激勵產(chǎn)生電磁場(chǎng)， 根據磁場(chǎng)同性相斥原理阻止活塞發(fā)生位移， 以實(shí)現輔助自鎖。
5 小結
本文將組合發(fā)明、轉用發(fā)明、要素變更發(fā)明等發(fā)明形式與專(zhuān)利的靈感啟發(fā)知識類(lèi)型相結合， 從一個(gè)新的視角提出靈感啟發(fā)方式， 不僅發(fā)現了一些至今未出現的新啟發(fā)方式， 而且提出的靈感啟發(fā)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(chuàng )新設計為實(shí)踐， 初步驗證了這一創(chuàng )新過(guò)程的可行性和有效性。
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