面向機械產品專利規避的功能裁剪路徑研究

面向機械產品專利規避的功能裁剪路徑研究

李輝劉力萌趙少魁于菲檀潤華

河北工業大學國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心，天津，300130

摘要：專利日益成為知識產權戰略下最重要的競爭性要素，掌握核心專利的企業通過設置專利壁壘阻礙后來者的競爭，因此如何針對專利技術進行創新設計，以突破專利壁壘將十分必要。為保障創新設計既為有效創新設計又不侵犯現有專利技術，考慮到功能裁剪與專利規避原則的契合性，首先基于專利制度約束與功能模型建立了專利權利范圍；其次，基于不同專利規避原則對功能裁剪路徑進行了研究；最后，基于專利規避前端設計準則，提出了完整的創新設計流程，并通過管道機器人實例驗證了方法的有效性。

關鍵詞：功能剪裁；專利規避；機械管道；產品創新

Study on Function Cutting Paths of Patent Design Around for Mechanical Products

Li HuiLiu LimengZhao ShaokuiYu FeiTan Runhua

National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center,

Hebei University of Technology,Tianjin,300130

Abstract:With patents being the most important competitive factors in intellectual property strategy, more enterprises with core patents blocked latecomers by using patent barriers. Therefore, it was necessary to break though patent barriers to carry on the innovation design according to patent technology. To protect the effective and non-infringe existing patents of the new innovation design, firstly, the scope of patent rights was established based on patent system constraints and function model by considering the fusion between the function cutting and patent infringe principle. Secondly, the function of cutting road was studied according to different principles of patent design around. Finally, a complete innovation design process for patent design around was put forward by front-end design principles of patent design around, and the effectiveness of the design process was validated by using of pipeline robot.

Key words: function cutting; patent design around; pipeline of machinery;product innovation

0引言

目前，在我國機械生產企業里，針對現有專利壁壘[1-2]，如何選擇創新方法路徑，使創新設計成果在專利制度約束下更加有效顯得尤為重要。

專利規避設計是一項源于美國的合法競爭行為[3]，是以法律侵權判斷原則為約束，通過對專利權利要求書中的必要技術特征進行刪減或替代等操作，發掘出與原專利權利要求不同設計方案的過程。通過專利規避設計使得企業可以在不侵犯他人專利權的前提下，重新改進技術方案，從而獲得與現有專利保護范圍不同的新技術[4]。黃文儀[5]采用組件回避設計方法、等價交換方式與創新思維結合進行專利規避設計；羅炳榮[6]通過實例的對比與驗證提出了應用于專利規避設計的元件失蹤法及負數歸一法；林明憲[7]提出將元件權重評析法應用于專利分析，結合專利策略，采用公理設計的獨立原理來進行規避結果檢驗的設計流程。隨著TRIZ理論的發展，將TRIZ理論與專利規避設計相結合，可為創新設計理論提供新的發展方向，江屏等[8]提出通過功能裁剪方法構建規避對象的功能模型，根據組件規避原則建立新產品的裁剪變體并確定問題。Li等[9]提出基于權利要求分解的技術特征進行裁剪的規避方法，證明功能剪裁作為TRIZ的一種創新設計方法，可提高產品理想度以實現產品創新設計[10]。

但是將功能裁剪應用于專利規避設計的現有研究中尚存在如下問題：一是未基于機械產品專利撰寫的法律語言特點正確提取專利權利范圍信息，并將權利范圍信息轉變成可進行下一步功能裁剪的基礎；二是僅依據專利侵權原則闡釋了功能裁剪與組件規避原則的一致性，未確立面向不同原則的功能裁剪具體路徑并將其應用于專利規避設計流程。

因此，本文為解決上述問題，提出建立基于機械專利三大層次、五大屬性的專利權利信息抽取過程圖以及基于功能模型的專利權利范圍圖；進一步建立面向不同專利侵權原則的功能裁剪路徑；然后依據專利制度約束特點對裁剪路徑優先權及裁剪范圍進行研究，最后將功能裁剪路徑應用于專利規避設計流程，并用管道機器人的專利規避設計進行了驗證。

1基于制度約束的專利功能模型建立

1.1功能模型與專利信息提取制度約束

功能模型是功能分析的結果，通常以現有產品系統為基礎，分析系統中各個元件之間的作用關系，確定系統的有用功能、不充分功能、過剩和有害功能，進而建立產品的功能模型圖，如圖1所示，功能模型圖能直觀反映各元件要素之間的作用關系及連接關系，是進行功能裁剪形成裁剪變體的基礎。以產品系統為基礎建立的功能模型缺乏對專利權利要求書的分析，無法確定保護產品系統的專利權利范圍，容易使后續的創新研究成果因侵權而失效。故以功能模型圖去提取專利權利范圍信息，將專利的權利保護范圍直觀反應在功能模型圖上，能夠將法律語言表達的技術信息轉變成可以用TRIZ等創新方法進一步設計的技術信息，同時確保后期的裁剪能面向專利規避實現不侵權設計，確保功能裁剪更有針對性。

圖1　產品功能模型

受專利法律制度約束，一份專利文件權利保護范圍最大的獨立權利要求包含著解決主要問題的所有必要技術特征，對獨立權利要求信息的完整提取，是構建專利權利范圍圖的基礎。

基于專利文件權利要求的撰寫特點，通常要描述三大層次和五大屬性的問題，三大層次包括組件(system assembly,SA)、零件(system component，SC)和部件(system part，SP)。組件為完成某個功能多個零件組成的一個集合；零件就是將機械產品拆卸到最分散的程度時候仍然保持自身完整的最小機械構成，相當于元件；部件就是零件身上還需要繼續進行定義的技術特征，如通孔、燕尾槽、滑道這些都是虛體部件，如圖2所示，其中虛線框中的部件SP是傳統的功能分析忽略的結構要素，比如來復槍中的膛線能確保射擊的準確性，是專利具備創造性的授權基礎，但在功能模型中卻不體現。五大屬性包括名稱、連接關系、位置、材料和結構特征。五大部件在三大層次上側重點各不相同，提取權利信息時有所區別。

圖2　基于魚骨圖的機械產品專利三大層次信息

1.2基于功能模型的專利權利信息提取過程

首先，抽取專利的三大層次和五大屬性信息，并建立與功能樹之間的一一對應關系，如圖3所示。在分功能對應的組件層抽取組件名稱及連接關系，在功能元對應的零件層抽取名稱、結構特征、材料及連接關系，在部件層抽取名稱、結構和位置特征。

圖3　專利權利信息提取圖

其次，建立針對目標專利的功能結構圖，提取針對專利權利范圍的完整信息，如圖4所示，其中組件SA用方虛線框表示，每個組件SA內又包含相應的零件SC，零件上需要進一步界定的技術特征用部件SP表示，專利所有必要技術特征在圓形虛線框內，框外超系統(super systems，SS)資源與專利技術特征整體有一個作用關系，最終專利系統對作用物(target)實現所解決的技術問題。

圖4　基于功能模型的專利權利范圍圖構建

2面向專利規避的功能裁剪路徑

2.1專利規避原則與功能裁剪

基于侵權判斷原則的專利規避設計通常遵循以下三點原則：① 刪減必要特征，避免侵犯全面覆蓋原則；② 對構成要件進行實質性替換改變，避免侵犯等同原則；③綜合分析權利要求書及說明書內容和審查檔案，合理利用禁止反悔原則和捐獻原則[11-12]。但是適用上述原則進行的規避設計，多依賴于經驗，缺乏系統化的方法進行指導。TRIZ理論中的功能剪裁是一種對現有專利方法進行刪減替換操作的創新方法，為專利規避設計提供了規范化的路徑。

功能裁剪作為TRIZ理論[13-14]中的問題分析工具，通過對產品功能模型的分析，對存在問題的功能元件進行刪減，在某些情況下允許在刪減系統某些部件的前提下，為解決系統存在問題添加新部件以完成產品系統的改進設計，即其實現的是一個修剪和整理的過程[15]。在功能模型上針對具體的功能元件進行刪除、替換等修剪工作，形成問題模型，再用TRIZ方法對修剪后的功能模型進行彌補，使得技術系統結構得到優化。裁剪的過程與專利規避原則具有同樣的作用，將其結合對產品功能和結構進行重新架構，可以獲得具有操作意義的創新設計路徑。

2.2功能裁剪路徑

在專利規避原則約束下進行功能裁剪，建立面向不同專利規避原則的規避路徑，首先要提取問題功能元或者興趣功能元，建立最小的功能單元模型，如圖5表示，執行元件對目標元件既存在有用作用，又存在問題作用，問題作用包含有害作用、過剩作用和不足作用。

圖5　一個功能單元的功能模型

針對一個功能單元的功能模型進行裁剪操作，在不同的侵權原則約束下形成不同的規避路徑，為確定問題模型提供不同的設計路徑。

對全面覆蓋原則的規避路徑，如表1所示。對等同原則的規避路徑，如表2所示。根據捐獻原則及禁止反悔原則規避的路徑如表3所示。

表1　基于全面覆蓋原則的專利規避路徑

表2　基于等同原則的專利規避路徑

表3　基于捐獻原則及禁止反悔原則的專利規避路徑

通過將功能裁剪方法與專利侵權判斷原則相結合，為專利規避設計提供了具體的方法路徑，減少了創新設計的盲目性，應用于設計流程中可提供多種問題模式，求解問題并組合方案可獲得既不侵權，又有較高專利性的新解。

2.3面向專利規避的問題功能元識別及裁剪路徑選擇

面向專利規避的裁剪，其前提是對系統各元件進行功能分析，主要是找出問題功能元，即系統中的有害或不足作用，對其進行改善，其主要步驟如下：

(1)確定專利系統所提供的主功能；

(2)研究組成元件對系統的貢獻；

(3)分析系統中的有用及有害關系；

(4)確定沖突、不足作用、過剩作用及有害作用；

(5)分析問題功能元，對其進行改善，可運用上節基于專利規避原則的規避路徑進行設計。

在對問題功能元進行改善時按照以下順序，若方案可行則形成新方案，不可行則選擇下一路徑：

(1)先刪除問題功能組件，即采用路徑A；

(2)刪除功能構件，其功能由受作用元件自己實現，即采用路徑B1；

(3)刪除功能構件，其功能由系統內其他元件實現，即依次嘗試采用路徑B2、E2、F；

(4)刪除功能構件，其功能由超系統實現，即依次嘗試采用路徑G、H、C、D1、D2、E1。

3應用功能裁剪路徑的專利規避流程

應用功能裁剪路徑進行專利規避設計，重點在于對專利功能模型中的問題功能元選擇不同的專利裁剪路徑，進行剪裁操作，形成裁剪變體，運用TRIZ理論中的沖突矩陣(40條發明創造原理、39個技術特征)、物質-場分析等內容作為創新工具[16]，對裁剪變體進行創新設計，從而獲得最優解的新產品設計模型。這種專利規避設計模式具有直觀、形象、科學的特點。如圖6所示，其設計流程大致可以分為4個階段：

階段一，確定規避對象。目的是選取原型專利，作為分析對象，并基于功能模型建立專利權利范圍圖。

階段二，確定規避路徑，發現問題。選取將功能裁剪與專利規避原則相結合的規避路徑，轉換并發現新問題。

階段三，解決規避問題。根據不同的規避路徑所得出的問題，選取不同的TRIZ方法解決問題，最后轉成具體的技術方案。

階段四，方案的侵權判定。用專利侵權法律原則以及專利侵權判斷流程驗證設計方案的可行性。

3.1確定規避對象

根據產品開發的目的，確定專利檢索主體及專利數據庫，對選定專利數據庫進行檢索操作，比較常用的是運用關鍵詞或者IPC分類表構筑布爾邏輯檢索式進行檢索，并依據檢索結果進行篩選，選出符合設計意圖的專利，確定進行規避操作的專利原形，并在充分挖掘原有專利權利要求信息的基礎上，對規避對象建立專利權利信息提取圖。

3.2選擇專利規避路徑，確定規避主體

基于專利權利信息提取圖建立功能結構圖，形成功能裁剪模型。通過分析模型，確定功能模型中存在的有害功能、過剩功能和不足功能等問題功能元，基于裁剪優先權確定用于功能裁剪的功能組件，然后選取具體的專利規避路徑進行裁剪操作，形成功能裁剪變體。判定裁剪變體所對應的新功能模型，若其符合設計要求，則直接轉化為產品概念；反之可將轉化的新問題作為技術創新設計的突破口，進行下一步規避設計。

3.3解決規避問題

通過上面的步驟實現了對現有專利技術的功能重組，找出專利規避的技術方向，同時將其轉化為TRIZ中的標準問題，應用TRIZ作為解決問題和創新設計的有效工具，利用沖突分析或物質-場分析，通過沖突解決原理和標準解，并結合該技術的具體領域進行技術設計確定領域解[17]，如圖7所示。

圖6　專利規避原則與功能裁剪集成的設計流程

圖7　基于TRIZ的裁剪變體規避流程

3.4方案的侵權判定

對創新解進行侵權判定，確認專利規避設計是否成功。法律侵權判斷原則優先適用全面覆蓋原則，即技術方案涵蓋了原專利權利要求所記載的全部技術特征即為侵權；如未涵蓋全部技術特征，則適用等同原則，判斷兩者的區別技術特征是否在特征、功能和效果三方面實質相等同。若特征實質等同，則適用禁止反悔原則和捐獻原則，判斷是否該等同技術特征已經貢獻給社會公眾，成為現有技術。具體的侵權判斷流程如圖8所示。

圖8　專利侵權判斷流程

4案例分析

各種機械管道在我們生活中隨處可見，但是隨著管道使用時間增長或使用過程受到流體中所含雜質的腐蝕作用，可能導致管道狀況惡化，為了確保安全，管道檢測顯得尤為重要。為適應管道復雜的環境條件，管道機器人的研究為檢測工作提供了新的技術手段[18-19]。

4.1確定規避對象

關鍵詞以“管道機器人”和“內徑測量”為，在SooPAT專利數據庫中進行專利檢索，截止2014年11月20日，檢索出國內有權專利5項。通過對其摘要進行逐一閱讀并分析，篩選出北京石油化工學院CN201320586988的專利(基于位移傳感器的管道內徑測量裝置)作為規避目標專利。

中圖分類號：TH122

收稿日期：2014-12-01

基金項目：國家創新方法專項基金資助項目(2013IM030400)

作者簡介：李輝，女，1981年生。河北工業大學機械工程學院博士研究生、講師。研究方向為專利規避、專利組合及創新設計理論研究等。劉力萌，男，1990年生。河北工業大學機械工程學院碩士研究生。趙少魁，男，1990年生。河北工業大學機械工程學院碩士研究生。于菲，女，1986年生。河北工業大學機械工程學院講師。檀潤華，男，1958年生。河北工業大學副校長、教授、博士研究生導師。

在專利CN201320586988中，此裝置(圖9，圖10)主要由主動行走機構(1)、輔助行走機構(2)、傳感器機構(3)、燈光視覺機構(4)、傳動機構(5)以及電氣控制柜組成，其特征在于：主動行走機構(1)和輔助行走機構(2)設置行走輪對機器人中心進行定位，傳動機構控制主動行走機構(1)及

圖9　檢測裝置三維視圖

圖10　檢測裝置剖視圖

輔助行走機構(2)設置的支撐臂同步打開和收縮，激光位移傳感器(19)測量管道內壁徑向相對位移、里程輪(33)記錄行走里程、壓力傳感器測量管壁與行走輪間壓力，燈光視覺機構(4)觀察管道內部環境。分析專利權利信息，建立原專利主要權利信息的抽取圖，如圖11所示。

圖11　原專利主要權利信息抽取圖

4.2選擇規避路徑

基于原專利權利信息建立系統功能模型，我們可以建立如圖12所示的功能結構模型。分析模型，系統的輔助行走功能存在有害作用，該裝置的輔助行走機構主要作用為完成支撐臂同步打開和收縮，輔助行走機構(2)由調整板(18)、碟簧(33)、里程輪(34)、行走輪軸座(16)、壓力傳感器(32)組成。選取功能單元輔助行走機構進行裁剪，輔助行走機構的原理如圖13所示。

圖12　原專利功能結構模型

1.里程輪　2.調整版　3.碟簧 4.行走輪軸座及傳感器　5.管壁內側 圖13　輔助行走機構原理圖

對其進行功能分析后發現，由于傳感器對功能的實現有延遲，且作用精度無法保證，故而對其進行裁剪，刪減執行元件調整板、碟簧、行走輪軸座壓力傳感器。刪減后輔助行走功能無法實現，分析問題后選用D2規避路徑，引入新執行元件作用，重新實現相應功能。在對新執行元件進行設計時，需解決以下兩種沖突：

其一，設計中遇到的技術沖突。為提高管徑的適用范圍，須增大輪腿的長度，結果是滑塊(彈簧)的行程變大，導致驅動不足或打滑，原專利中運用傳感器反饋解決沖突，但精度及反應速度無法保證。

其二，設計中遇到的物理沖突。為保證直道時機器人與管道同軸移動，驅動輪轉速須相同，但是，為使機器人被動通過彎道，驅動輪轉速又須不同。

4.3基于TRIZ的規避設計

為解決設計中遇到的技術沖突，首先從39個標準工程參數(NO.1～NO.39)中選擇確定技術沖突的一對特征參數，它們分別是：

(1)質量提高的參數，即物體產生的有害因素(NO.31)；

(2)帶來負面影響的參數，即運動物體的長度(NO.3)。

由沖突矩陣的第31行及第29列確定可用發明原理：動態化(NO.15)；未達到或超過的作用(NO.16)；維數變化(NO.17)；變有害為有益(NO.22)。

下面選取NO.15及NO.17兩條原理進行設計。

動態化即可增加一個調節電機，把彈簧右端的固定支撐變成可控的移動支撐，在每一個階段自動調整右端支撐的位置來保證彈簧力，以解決驅動不足或打滑的現象。但是，該方法并沒有改變彈簧在軸向的變化量(為了保證彎道的可控性，機器人的軸向尺寸不能太大)，而且又增加了一個驅動使系統變得復雜，故非最優方案。

維數變化(多層排列代替單層排列)即可把彈簧直接對輪腿徑向變化尺寸的調節改為彈簧先對角度的調節再通過角度的變化轉化為徑向尺寸的變化。

綜合分析兩種方法，為節約成本，簡化操作，本文最終確定的方案原理如圖14所示。

1.里程輪　2.輪腿　3.滑塊　4.彈簧　5.管壁內側 圖14　管道檢測機器人自適應結構

為解決設計中遇到的物理沖突，選取時間分離原理，即將沖突雙方在不同時間段分離：直道時驅動輪轉速相同；彎道時，驅動輪轉速不同。基于此方法利用棘輪機構將其在時間上進行分離，從而解決了該沖突。形成方案為：當機器人在直管道中行走時，由電機同時控制三個驅動輪使其轉速相同，保證機器人能夠與管道同軸移動；當需要通過彎道時，由于驅動輪轉速不同，故使該控制電機停止工作，利用棘輪特性同時在另一個電機的推(拉)動作用下，保證該機體順利通過彎道。具體結構如圖15所示。

1.棘輪　2.里程輪　3.驅動輪軸 圖15　棘輪結構

運用TRIZ解決了上述沖突，主要規避過程如圖16所示，本設計彌補裁剪后的影響，形成創造性比較高的新方案，且此方案結構簡單，功能作用精度較高，有較好的實際應用價值。

基于TRIZ對裁剪變體進行規避設計，使得原專利中因壓力傳感器偵測和反饋帶來的響應時間延遲及精度問題得到充分彌補，并且由于輔助行走機構由主動反饋方式改為被動響應，減少了響應時間，使得行走動作更為連續有效，而核心行走方式的轉變使得裁剪后方案明顯有別于原方案，在原專利的基礎上形成了具有自主知識產權的基于被動自適應的管道檢測機器人，創新方案的功能結構模型如圖17所示。

圖17　創新方案的功能結構模型

4.4方案的侵權判定

將該方案新的功能結構與已有專利功能結構圖對比，新方案對原專利核心技術輔助行走機構反饋機制進行了重新設計，裁剪了原專利存在的問題作用，形成了新的設計方案，依據專利侵權判斷流程圖進行判定，已成功規避了原專利的保護范圍，形成可申請新專利的創新成果。

5結語

面向機械產品專利規避的功能裁剪路徑研究以專利侵權判定原則為約束，引入功能裁剪方法形成具體的規避路徑，應用于專利規避設計流程時可針對不同裁剪路徑下的裁剪變體，形成新的問題，將其轉變成TRIZ中的標準問題，進而用相應的TRIZ方法去解決，指導設計人員既繞開現有專利保護范圍，又進行持續性創新。最后選擇專利規避路徑，應用專利規避流程，實現了針對基于位移傳感器的管道內徑測量裝置的創新設計，達到了最初的設計目的，也驗證了方案流程的可行性。

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(編輯郭偉)