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基于專利知識(shí)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)探析論文
摘要：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。
關(guān)鍵詞：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。
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。
更多：機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)論文
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。
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。
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。
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(yīng)片；8-上油口；9-缸頂電磁鐵；10-缸體；11-螺釘；12-活塞桿
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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