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基于专利知识的机械创新设计探析论文
摘要：专利中蕴含了丰富的、可触发设计者灵感的新原理、新技术和新工艺知识。针对英文发明专利， 总结了其中有助于机械产品创新设计灵感启发的知识类型， 并进一步分析了各类知识的特点。根据授权发明专利的发明形式， 结合专利知识类型， 系统性地提出了灵感启发方式。与现有的创新设计方法进行对比分析， 提出的灵感启发方式包含了一些至今未出现的新启发方式。最后， 以具有自锁功能的液压油缸创新设计为例， 验证了这一启发方式的可行性和有效性。
关键词：英文专利； 专利知识； 启发方式； 创新设计；
1 背景阐述
人类的大量重大创新来源于灵感。灵感是一种非逻辑思维方式， 具有突发性、瞬间性和触发性等特点， 是辅助创新设计的重要途径。但灵感的启发需要以宽广和敦厚的知识沉淀为基础。从知识源的可靠性、真实性、新颖性含量等方面比较， 专利文献比百科全书、手册、教科书、专着等具有更高的知识含量， 更具启发性、可靠性和准确性。专利不仅是产品创新设计的成果， 还包含着众多可启发灵感的新原理、新技术和新工艺知识。目前， 灵感的启发方式主要有线性方式和非线性方式[1].其中， 线性方式， 是指将收集的信息进行关联映射， 通过标准、约束等方式来启发灵感， 例如启发映射清单 （checklists） [2];非线性方式， 是指跳跃性的、非直接映射启发的方法， 其通过分析创新概念产生阶段的策略和路线来启发灵感， 例如， TRIZ通过通用工程参数、矛盾冲突矩阵和发明创造原理来启发设计者灵感， 以解决创新问题[3].本文将根据授权英文发明专利的类型， 总结应用于专利灵感启发的专利知识， 提出具有系统性的灵感启发方式， 通过建立以启发方式和专利知识为核心的灵感启发环境来有效地辅助设计者进行机械产品创新设计。
2 专利灵感启发知识
专利中包含了可触发灵感的新原理、新技术和新工艺等知识， 但是， 整篇专利并不适合作为灵感启发知识。因此， 需要从专利中提炼出简洁、有效的内容作为灵感启发知识。根据Paul和Beitz的设计理论[4], 产品功能通过作用原理实现， 而作用原理由选用的物理效应、确定的几何和物料特征标志所决定。这些几何和物料的特征标志正是产品发明专利中重点描述的创新点和专利权利要求所要保护的特征。例如， 专利US7944332[5]描述的是采用电磁锁定代替传统的力学锁定的微机电自锁装置， 其创新点是采用电磁场代替传统摩擦力学场， 具有创新点的特征标志为“场”.
Paul和Beitz总结了几何和物料的特征标志包括形状、位置、大小、数量、运动种类和运动方向等。在此基础上， 根据实际专利的特点对特征标志进一步拓展， 得到材料、质量、颜色、状态、场、温度、时间、介质， 共同构成灵感启发知识， 具体内容如表1所示。其中， 形状描述的是零部件的存在或表现形式；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；质量描述的是零部件的质量或所受的重力；数量描述的零部件的多少；颜色描述的是零部件的色彩；状态是指零部件所处的物态；大小描述的是零部件的尺寸；运动种类是指零部件之间的相互运动方式；运动方向是指由于零部件之间的相互运动而产生的位置改变；场是描述零部件之间或零部件与外部环境之间的空间内的作用情况；温度描述零部件内或外部环境的冷热程度；时间是描述零部件运动过程的参量；介质描述的是零部件之间用于状态传导的物质。
3 灵感启发方式
针对英文专利， 不同地区采用不同实质审查的依据， 美国采用Manual of Patent Examining Procedure （MPEP） , 欧洲采用Guidelines for Examination in the European Patent Office.根据MPEP和Guidelines for Examination in the European Patent Office中对专利创造性的阐述以及可能创新方向的描述分析得出， 能够被授予发明专利的主要是开拓性发明、组合发明、选择发明、转用发明、已知产品的新用途发明和要素变更发明。其中， 开拓性发明， 是指一种全新的技术方案， 在技术史上没有先例；组合发明， 是指将某些技术要素组合构成新的技术方案， 以解决现有技术方案客观存在的问题；选择发明， 是指从现有技术公开的范围中， 有目的地选择未提到的范围的发明；转用发明， 是指将某一技术领域的现有技术要素转用到其他技术领域的发明；已知产品的新用途发明， 是指将已知产品用于新目的的发明；要素变更发明， 是指变更现有技术的要素而产生的新发明， 由于发明手段简便， 此类发明为设计过程中常产生的一类发明。对于机械产品结构的创新设计， 这6种发明类型有些并不适合通过灵感启发进行创新。例如， 选择发明虽然说明了对现有技术的范围选择进行发明， 但从实际操作的角度来讲却很难确定具体的实现方法；而有些， 比如组合发明、转用发明和要素变更发明， 它们是通过操作某些技术要素实现的， 非常适合于灵感启发创新。因此， 下面以组合发明、转用发明和要素变更发明为例， 建立具有系统性的灵感启发方式。
由相关分析可知， 专利中的创新点主要通过几何和物料的特征标志体现， 因此， 对于上述3类发明， 如果从特征标志的角度思考， 可以认识到：组合发明的实质是通过某几种特征标志的组合而产生的发明；转用发明的实质是通过某种特征标志在领域之间的转用而产生的发明；要素变更发明的实质是通过某种特征标志的变更而产生的发明。在此分析的基础上， 细化这3类发明的特征标志， 从而构成具体的灵感启发方式， 如图1所示。
图1所示的基于特征标志的灵感启发方式有的仍然偏于抽象， 不利于直接启发设计者的灵感。为此， 将特征标志具体化， 从而进一步细化得到更为形象、直接的启发方式93条， 部分启发方式如表2所示。在这93条启发方式中， 包括28条组合发明启发方式， 51条要素变更发明启发方式， 14条转用发明启发方式， 数量统计如表3所示。
通过对比发现， 这些启发方式涵盖了TRIZ中多数发明创造原理， 除了TRIZ的“预加反作用”“预操作”“预补偿”等发明创造原理因其本质上是对作用时间范围的扩大， 所以， 不属于这3类发明。
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如表3所示， 另有43条全新的启发方式， 虽然这类启发方式不属于TRIZ的发明创造原理， 但在实际专利中已经得到应用。例如， 在质量组合启发方式中， 既有与TRIZ理论中的“反重量原则”类似的启发方式， 即将重力与各种辅助力相结合， 比如重力与上升力、液力等结合以抵消或减小重力， 又有不属于TRIZ理论的新启发方式， 即将两连接物体的重力相互组合， 增加或抵消重力。但该启发方式在专利03109469.4[6]中得到了应用， “重力自平衡装置”将平衡装置两端的物体连接组合， 从而实现装置的自平衡效果。又比如， “利用辅助力 （磁力、弹性力和离心力等） 来改变物体重力”也是新启发方式， 其在专利201110331643.0[7]中得到应用， “一种可调式气液重力平衡装置”调整液体或气体流量， 以产生不同的液压力或气压力， 从而实现物体重力的平衡效果。再比如， 新启发方式将光学、声学、力学、磁学和电磁学等原理场相结合， 在专利200910208873.0[8]中得到应用， “轻按磁力重力双重密封排水阀”即通过将磁场与重力场相结合实现了排水阀较好的密封和排水效果。
由表3中对启发方式数量的统计可以发现， 在3类发明启发方式中， 要素变更发明启发方式数量甚至多于其他2类发明启发方式之和。这说明， 发明中常用到的是要素变更发明启发方式， 符合文中所述要素变更发明则是最常产生的发明之一的说法。同时， 发现类似于TRIZ中发明创造原理的启发方式多属于要素变更发明启发方式， 而较少属于组合发明启发方式和转用发明启发方式。符合文中所述在TRIZ发明创造原理存在的问题中， 其多辅助设计者完成改变技术参数发明的论述。
4 设计实例
为了验证文中提出的专利灵感启发方式的有效性， 下面结合液压油缸的创新设计， 详细说明应用过程。
液压挖掘机的动臂液压油缸需要较强的闭锁力来保证整机的工作性能， 但是， 如果增加油缸缸径来提高闭锁力， 则会影响整机的工作效率。因此， 此次设计的需求是， 在不改变液压缸尺寸的前提下设计具有自锁功能并且结构较简单的液压油缸， 即为液压油缸附加自锁功能， 于是确定功能关键词为“自锁”.采用英文专利作为专利知识源， 利用功能关键词“自锁 （self-locking） ”检索美国国家专利局数据库获取专利集， 选取与设计功能相关的最新的30个专利。
对选取的专利进行分析， 专利US7944332文本中描述较多的是“电磁场”, 因此， 其特征标志为“场”;专利US8193670[9]描述较多的是“磁流变液”, 因此， 其特征标志为“介质”;专利US8141883[10]描述较多的是“旋转”, 因此， 其特征标志为“运动种类”, 等等。为了确定灵感启发方式， 此次设计关注首个专利特征标志--“场”.考虑到传统的液压油缸的液力驱动是最常用的驱动方式， 并且具有一定的自锁效果， 为使设计结构简单， 可以不考虑液力场驱动方式变更， 而从基于场的组合发明方式中选取启发方式， 即将光学、声学、力学、磁学、电磁学等原理场相结合。
1-螺钉；2-缸底电磁铁；3-下油口；4-活塞；5-活塞线圈；6-弹性材料；7-压力感应片；8-上油口；9-缸顶电磁铁；10-缸体；11-螺钉；12-活塞杆
设计者在灵感启发方式“将光学、声学、力学、磁学、电磁学等原理场相结合”的启发下， 得到设计灵感--在液力场的基础上， 组合电磁场通过磁力相吸相斥的原理实现自锁功能。根据该设计灵感得到图2所示设计方案--具有磁力自锁结构的液压油缸 （该设计已获得发明专利授权） .在该油缸内底部分别设置电磁铁且活塞上绕有线圈， 利用电源激励产生电磁场， 根据磁场同性相斥原理阻止活塞发生位移， 以实现辅助自锁。
5 小结
本文将组合发明、转用发明、要素变更发明等发明形式与专利的灵感启发知识类型相结合， 从一个新的视角提出灵感启发方式， 不仅发现了一些至今未出现的新启发方式， 而且提出的灵感启发方式具有系统性和层次性。在此研究基础上， 以工程机械液压油缸的创新设计为实践， 初步验证了这一创新过程的可行性和有效性。
参考文献
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