基于裁剪法的機構綜合專利利用再創新模型

基金項目：湖南省自然科學基金資助項目（13JJ6028）

作者簡介：劉江南（1965-），女，湖南長沙人，湖南大學教授，博士

摘要：在機械產品開發設計中，機構綜合主要依靠工程經驗和機構學知識，普遍存在創新隨機性大、創新方案少等問題本文利用創新成果產生的寶貴資源專利進行機構綜合創新，提出了采用TRIZ功能裁剪法對專利信息進行利用、采用設計目錄方法對設計方案進行窮舉和遍歷、對有效專利進行合理規避的新思路，構建了基于功能裁剪法和設計目錄的機構綜合再創新程序化過程模型，通過實例應用，裁剪現有專利進行機構綜合，提出了大量規避他人專利的創新方案，證明了采用該過程模型進行概念創新設計的可操作性和有效性

關鍵詞：創新；機構綜合；專利利用；功能裁剪法；設計目錄

中圖分類號：TH122；TB472文獻標識碼：A

產品創新，特別是具有自主知識產權的原創性創新，是企業追求的發展方向機械產品區別于其他產品，具有運動傳遞性、可變機動性、機械能的互換性等機械特征機構作為機械產品的骨架和執行器，是機械產品實現能量轉換和運動變換的核心機構綜合對機構拓撲結構進行數綜合和型綜合，是機械產品概念設計確定系統運動方案關鍵性的工作，也是實現機械產品高水平創新的重要環節直接對設計對象進行機構綜合，是設計中高難度的工作

專利是保護知識產權的重要形式，專利信息是創新的結果，也是設計創新的寶貴資源如何充分利用專利信息、同時規避專利保護進行機構綜合再創新，是機械工程領域迫切希望解決的問題，但目前學術界卻鮮有研究

許多學者對專利分析、歸納和提煉方法進行了研究，但大多數集中在對專利知識信息的挖掘技術上，如利用現有的數據庫技術對專利知識進行獲取，基于專利知識和專家系統對其進行情報分析，提煉專利的深度知識形成特定技術領域的專利情報數據，以支持基于專利知識的產品創新設計對于這些頗有價值的信息，如何進一步利用和規避、進行有針對性的機械產品再創新、形成新的專利，目前研究非常少

本文基于功能裁剪法和設計目錄等技術創新方法，提出利用和規避專利信息的機構綜合再創新過程模型，為機械產品創新設計提供理論基礎

1利用專利信息的機械產品創新設計過程

機械產品設計除具有一般產品設計的共性外，還具有自己的創新設計特點，如概念設計階段的系統運動方案設計通過利用專利信息進行機械產品創新設計的過程如圖1所示

機構綜合是系統運動方案設計中重要一環，也是機械產品設計最具創新的階段，但目前很少與已有專利知識結合起來

2功能裁剪法和設計目錄方法的優勢

2.1功能裁剪法

功能裁剪法是Altshuller等前蘇聯學者創建的發明問題解決理論（其俄文的英文音譯縮寫TRIZ）用于改進產品結構、解決技術問題的重要方法之一該方法針對已有系統中存在的技術問題進行功能分析、流分析、因果鏈分析或進化法則分析，識別功能組件和接觸作用關系，建立功能模型圖通過裁剪、刪除系統或超系統中特定組件，并在剩余組件之間重新分配有用功能，減少或消除部分缺陷，以增加系統的效率、降低其成本、改善系統的功能對于裁剪刪除特定組件后可能帶來的新問題，如該組件原來所提供的功能失去了承擔者，可通過以下方法尋求解決方案：采用其他新元件或由超系統來實現；由受作用元件自己承擔；刪除此功能；刪除原組件的作用元件，等等對于所帶來的其他問題，可通過TRIZ的各種原理及各類工具尋求解決

專利信息中的機械產品，有不少在功能上具有創新，但如果對其進行詳細分析，可能會找出其薄弱之處，采用功能裁剪法研究每一個功能是否必需，如果必需則研究系統中的其他元件是否可完成該功能，通過去除不必要的功能及其元件、或采用新的元件替代原有元件來完善功能模型，使裁剪后的系統更為簡化、成本更低而性能保持不變甚至更好，即通過功能裁剪法可以在此產品專利的基礎上進行再創新，使產品或工藝更趨向于理想解

2.2設計目錄

德國學者Roth K首先提出的設計目錄方法，對已有的設計知識、經驗和成功設計實例進行歸納總結，以圖文表格等形式表達設計過程中的各類信息，并按照一定規律進行分類、排列和匯編，提供具有某種綜合性和不同具體化程度的設計解及其變形解，以方便設計人員查找和調用Roth K和Koller R等在一系列著作中對設計目錄進行了全面論述，匯編并公開發表了包括機構學領域連桿機構與傳動、勻變速傳動等在內的大量設計目錄

基于設計目錄的機械產品概念設計，所涉及的設計目錄主要有功能元目錄、機構解目錄以及圍繞這兩個目錄的輔助目錄這些目錄所包括的信息具有完備性、可拓展性、易表達性和易檢索性，信息內部包含簡單的推理機制，便于計算機輔助設計機構綜合的最終目的是在功能分解基礎上獲得機構解，可以利用的設計目錄是已被全面匯編的一般化運動鏈目錄

3利用和規避專利信息的機構綜合再

創新過程模型

機構綜合不僅需要確定構件、運動副、構件與運動副之間的相互關系等運動鏈拓撲結構，還要確定機架、驅動件、執行件本文基于功能裁剪法和設計目錄方法，提出利用已有專利信息進行機構綜合創新設計的如下程序化流程模式，為機械產品創新設計提供理論基礎和技術支持

首先進行專利分析對所設計的對象從各種專利信息庫進行專利查詢和分析，建立相應的設計對象專利信息數據庫，以備后續過程利用和規避

然后進行機構數綜合根據產品的功能需求確定機構自由度；根據資源約束并參照已有專利確定機構運動空間；利用自由度計算公式，對構件數NL和運動副約束數、即文獻[11]中運動副約束函數的秩Cs進行匹配，生成約束函數秩匹配目錄；根據結構預期復雜程度選擇確定運動副類型，進一步得出運動副約束函數匹配目錄在進行機構型綜合之前，對參考專利進行功能分析和裁剪，得出多種系統功能結構，以尋求盡可能多而簡潔的構件數與運動副匹配方案，從而完成機構數綜合

最后進行機構型綜合依據數綜合結果，查詢一般化運動鏈目錄，綜合滿足本產品功能需求的運動鏈；通過拓撲同構判斷消除同構運動鏈，得到運動鏈拓撲結構目錄；再根據功能需求，確定機架和驅動件，特殊化運動副和桿組，得到各種機構拓撲結構型式；對照已有專利，規避涉嫌侵權的有效專利，最終得到具有新拓撲結構的機構建立新機構拓撲結構系統目錄，并申請新的專利

上述過程模型如圖2所示

在該模型的流程中，專利查詢可以通過專利資源庫或相關分析軟件協助完成，但專利資源的拓撲機構分析這項工作，由于目前軟件技術對專利語言的語義分析技術相當不成熟，對結構圖的識別更是達不到辨析構件和運動副的智能程度，于是在很長一段時間內將難以得到計算機軟件的協助，所以這項重要的基礎工作目前還需要人工完成非常迫切而且有意義的一項工作是，針對某類產品的專利資源，經過人工分析和篩選，建立機構拓撲結構數據庫，以供共享在模型的機構數綜合流程中，過程參數明確、數學邏輯性強，結合較為成熟的機構學理論，方便人機交互實現程序化操作在模型的機構型綜合流程中，利用相關設計目錄的流程步驟也具有較強的數學邏輯性，方便人機交互實現程序化操作，理論上可以遍歷運動鏈中每個構件和運動副的各種選擇、窮舉所有可能的運動鏈、產生成千上萬的機構拓撲結構方案所以，開發相應的軟件進行輔助綜合設計將是一項有意義且可實現的工作由運動鏈目錄到機構拓撲結構的綜合過程，可從以下方面著手獲得更多方案

1）選擇一個構件做機架，改變機架構件可獲得不同方案；

2）選擇機架之外的構件作為執行構件，改變執行構件亦可獲得不同方案；

3）兩個串聯AssurⅡ級桿組且以移動副相連的構件可作為壓性組件；

4）兩個串聯AssurⅡ級桿組且以轉動副連接的構件可作為撓性組件或彈性件；

5）采用低副高代方法，可綜合含凸輪副或齒輪副的機構拓撲結構；

6）將一個多副構件上多個轉動副重疊，可獲得一個多重復合鉸鏈，但要避免產生呆鏈；

7）以運動鏈為胞源機構運動鏈，設計構件變胞和運動副變胞等變胞方式，可綜合變胞機構

需要指出的是，由此得到的成千上萬個方案需要設計人員根據工程經驗、產品功能需求和實際資源約束進行篩選和詳細設計，才能適用于工程實際如在依據運動鏈目錄綜合機構拓撲結構時，如何選擇一個構件做機架、選擇機架之外的構件為執行構件，選用不同構件將得到不同的機構方案，其機構性能不一樣，對最終產品工作性能的影響也都將有較大的不同這正是機構綜合的難點和亮點所在

4應用示例

運用上述機構綜合過程模型，對相關文獻中的典型案例——兩輪摩托車的后輪懸掛系統[9-10]進行機構綜合再創新，具體過程包括以下3個部分

4.1專利查詢與分析

1）專利查詢

根據需要設計的對象——摩托車后輪懸掛系統，從Derwent Innovations Index專利信息庫和中國專利全文數據庫查詢此主題相關的各國專利，檢索詞：（摩托車or車輪） and（懸掛or支撐），檢索表達式：（AB=（（懸掛or支撐） and （摩托車or兩輪車））OR AB=（（車輪or后輪）and（懸掛or支撐）））匯總產品專利的相關信息，如表1所示

2）專利分析

根據本文側重于機構綜合的特點，從上述匯總信息識別專利中描述的功能和結構，篩選出涉及機構改進的專利進行機構拓撲分析，并等效轉換為一般化運動鏈拓撲結構，如表2所示，建立專利數據庫

4.2機構數綜合

1）機構自由度的確定

后輪懸掛是摩托車車架與后車輪之間的連接系統，主要功能是緩沖、減震和傳力，以保證車輛行駛的穩定性和平順性，即當摩托車行駛在路面時能將路面支撐力傳遞給車架，同時大幅降低傳至車架的振動頻率和幅度對于懸掛系統而言，后輪的上下振動就是機構的運動輸入，所以懸掛系統是一個單自由度系統

2）機構運動空間的確定

考慮到摩托車車架結構對稱中心與車輪在同一縱向平面，在空間上，希望整體結構關于此縱向平面保持對稱，而且橫向尺寸盡量小，同時參照相關專利信息，本例后懸掛系統采用平面機構

3）構件數和運動副約束數關系匹配

4）選擇運動副類型

對于平面機構運動副的選擇，根據運動副表面規則性損失的程度，優先選擇較小的類型轉動副的規則性損失較小，而移動副的規則性損失很大當移動副數量較少、機構中其他運動副具有足夠公共約束時，可選擇圓柱副來承擔移動副功能在現有專利信息和工程實際情況看，這種方式被普遍采用限于篇幅和工作量考慮，在本例中主要選用轉動副和少量圓柱副，不選擇高副和變胞運動副，即運動副約束函數常向量且

5）建立約束函數匹配目錄

根據表3中只含移動副的匹配方案，確定運動副約束函數值匹配目錄，如表4所示（限于本文篇幅，未全部列出），得到不同構件數、運動副數所對應的運動副約束函數全部匹配方案

6）分析參考專利系統功能

參考表2中專利US4465156，其懸掛系統的功能及其分解如圖3所示

7）裁剪系統功能單元

從功能裁剪法的角度繼續對懸掛系統功能進行分析系統的3個必要功能中，緩沖和傳力的實現均由多個單元共同完成，而減震功能只由一個單元完成輔助功能變剛度的實現，由同時完成緩沖功能的一個單元承擔從功能單元的必要性看，桿組5-6是必需的，而桿組2-3與7-8之間存在冗余而且，輔助功能變剛度可以在緩沖功能中組合實現從運動鏈的緊湊性、剛性和動態靈敏度等拓撲特性看，若自由度相同、構件數越少，緊湊性和動態靈敏度更好于是，對系統單元進行裁剪，可以刪除一組以上的桿組，使系統運動鏈由（8，9）變成六桿甚至更少的一般化運動鏈，同時，將系統功能進行重新分配

8）構件數和運動副匹配方案

經過專利功能元裁剪后，根據表4構建構件數與運動副匹配目錄，如表5所示，得到六桿以下運動鏈構件數和運動副類型及方位匹配的全部方案

4.3機構型綜合

1）綜合運動鏈拓撲結構

根據構件數和運動副匹配方案，查一般化運動鏈目錄有兩種（6，7）鏈和一種（4，4）鏈，據此可綜合出含兩個以下移動副的瓦特型運動鏈50種、斯蒂芬森型運動鏈50種、四桿運動鏈5種（限于本文篇幅，未全部列出）圖4是含一個移動副的（6，7）運動鏈中的6種

上述運動鏈可能存在拓撲同構問題舍棄重復的同構運動鏈，根據表5運動副匹配方案，最終建立運動鏈目錄圖5所示為其中的9種圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）是結合圖4（a）和表5中運動副匹配方案所構建的運動鏈；圖5（d）、圖5（e）、圖5（f）是結合圖4（d）和表5所構建的運動鏈；圖5（g）、圖5（h）、圖5（i）是結合圖4（f）和表5所構建的運動鏈

2）綜合機構拓撲結構

從功能分析看，后輪懸掛系統需要一個減震組件、至少一個緩沖組件、一個傳力運動鏈考慮到機構的運動輸入是車輪中心垂直方向的運動，建立水平方向為x軸、垂直方向為y軸的笛卡爾坐標系根據運動鏈目錄，從以下方面進行綜合可得到大量的機構拓撲結構方案：

（ⅰ） 選擇一個構件做機架；

（ⅱ） 選擇機架之外的另一個構件鄰接車輪；

（ⅲ） 兩個串聯AssurⅡ級桿組且以移動副相連的構件作為減震組件；

（ⅳ） 兩個串聯AssurⅡ級桿組且以轉動副連接的構件作為彈簧件；

（ⅴ） 將一個多副構件上兩個轉動副重疊獲得一個二重復合鉸鏈

如對應圖5（a）運動鏈拓撲結構，選擇構件1為機架，構件2，3為減震器，分別選擇構件4，5和6鄰接車輪，得到9種機構拓撲結構方案，如圖6所示其中，圖6（d）和圖6（e）的方案含有彈性元件；圖6（e）的方案含有兩個二重復合鉸鏈；圖6（f）、圖6（g）、圖6（h）和圖6（i）的方案含有一個二重復合鉸鏈

對應圖5（a）運動鏈拓撲結構，若選擇構件6為機架，構件2，3為減震器，分別選擇構件1，4和5鄰接車輪，得到另外6種機構拓撲結構方案，如圖7所示其中，圖7（d）、圖7（e）和圖7（f）的方案含有一個二重復合鉸鏈

上述機構拓撲結構可能是已有的發明專利，甚至是現行專利被保護的內容，所以需要對照專利數據予以剔除如果不是，則可對此進行尺度綜合，得出創新的機構拓撲結構目錄，并申請專利保護在本例的上述15個圖例方案中，圖6（a）為國際專利WO 2008/123059（日本雅馬哈公司）的懸掛機構，圖6（b）為國際專利WO 2006/005687（法國塞克萊斯萊比埃爾公司）及其同族專利CN101076472A的懸掛機構，圖6（c）為一系列專利（專利號如 JP4944000 B2，EP1878648A1，EP1905619A2，EP2216191A1，US7392977B2，US7527252B2，US20080018028A1等）（日本雅馬哈公司）和日本專利 JP2004276877 A1（Honda公司）的懸掛機構，圖6（d）為日本專利JP3015963B2（雅馬哈公司）的懸掛機構，圖6（e）為美國專利US2002/0103586A1的懸掛機構，圖6（g）為日本專利JP1985146773A（鈴木公司）、JP19900 20487A（雅馬哈公司）的懸掛機構，圖6（h）為國際專利WO02/44006（英國吉布斯公司）及其同族專利CN1478030A的懸掛機構剔除這些已有專利的方案后，其余均可作為創新設計的新方案進行后續的機構詳細設計

通過本例可以看出，所提出的基于裁剪法和設計目錄的機構綜合專利利用再創新過程模型，不僅流程清晰、可操作性強，可窮盡包含諸多文獻所得不同方案（如文獻[9]中的14種、文獻[10]中的6種）在內的全部可能創新方案，而且相對于以往方法，能有效結合專利信息，從可利用資源出發尋找突破方向，克服了從大量設計目錄中任選方案進行發散性探索的隨意性和盲目性同時，通過所建立的專利信息庫還可對產生的創新方案進行篩選和專利規避

5結論

基于TRIZ功能裁剪法和設計目錄創新技法所構建的機構綜合再創新程序化過程模型，不僅充分挖掘專利資源信息加以利用，而且在產品開發概念設計中可實現機構綜合再創新設計，同時還能規避有效專利，為面向專利資源進行機構綜合創新的新課題提供了過程框架應用實例表明，該過程模型在專利利用與規避方面具有可操作性和有效性，若進一步結合計算機輔助設計，可使設計過程簡單快捷，更重要的是可以遍歷運動鏈中每個構件和運動副的各種選擇、窮舉所有可能的運動鏈、產生大量新的機構拓撲結構方案該過程模型為機械產品的機構綜合創新設計指出了新的途徑

參考文獻

[1]邱清盈，張惠，馮培恩.專利知識輔助產品創新的方法[J].浙江大學學報：工學版，2011，45（2）：228-246.

QIU Qingying， ZHANG Hui， FENG Peien Method to aid product innovation by patent knowledge[J] Journal of Zhejiang University：Engineering Science， 2011， 45 （2）： 228-246 （In Chinese）

[2]劉翔，李彥，李文強，等.構建支持產品創新設計的專利知識庫[J].機械設計與研究，2010，26（6）：7-11.

LIU Xiang， LI Yan， LI Wenqiang， et al Research on constructing technology of patent knowledge base for product innovative design[J] Machine Design and Research， 2010， 26（6）：7-11（In Chinese）

[3]TRAPPEY A J C， TRAPPEY C V， WU C Y Automatic patent document summarization for collaborative knowledgesystems and services[J] Journal of Systems Science and Systems Engineering， 2009， 18（1）： 71-94

[4]唐煒，劉細文.專利分析法及其在企業競爭對手分析中的應用[J].現代情報，2009（9）：179-186.

TANG Wei， LIU Xiwen Patent analysis method and its application in the enterprise competitor analysis[J] Journal of Modern Information， 2009（9）：179-186 （In Chinese）

[5]張玲，朱長寶.基于專利技術知識的機械產品創新設計初探[J].機械設計，2005，22（9）：4-6.

ZHANG Ling， ZHU Changbao Preliminary approach on innovative design of mechanical products based on patent technological knowledge[J] Journal of Machine Design， 2005，22（9）：4-6（In Chinese）

[6]MANN D L Hands on systematic innovation[M].Belgium： CREAX Press， 2007：6-10

[7]ROTH K Konstruieren mit konstruktions katalogen[M] Berlin： SpringerVerlage， 1982：414-420

[8]柯勒R.機械設計方法學[M].黨志梁等譯.北京：科學出版社，1990：159-233.

KOLLER R Methodology of mechanical design[M] Beijing： Science Press， 1990：159-233 （In Chinese）

[9]符煒.機械創新設計構思方法[M].長沙：湖南科學技術出版社，2006：131-133.

FU Wei Designing methods of machine innovation[M] Changsha： Hunan Science Technology Press， 2006：131-133 （In Chinese）

[10]YAN H S Creative design of mechanical devices[M] Singapore： Springer Verlag， 1998：89-101

[11]劉江南，于德介.基于約束函數的的變胞機構變胞方程[J].機械工程學報，2012，48（9）：1-9.

LIU Jiangnan， YU Dejie Metamorphic equation of variable topology mechanisms based on the constraint function[J] Chinese Journal of Mechanical Engineering，2012， 48（9）：1-9 （In Chinese）

[12]KHAN W A The conceptual design of robotic using complexity criteria[D] Canada： Department of Mechanical Engineering，McGill University， 2008：53-76