基于专利知识的机械创新设计探析

　　【第三篇】论文题目：面向机械产品创新设计的专利灵感启发研究

　
　　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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