基于專利分析的創新設計實踐教學

成思源， 陳曉菁， 楊雪榮， 趙榮麗， 唐文艷

（廣東工業大學機電工程學院，廣州510006）

0 引 言

創新教育是大學生科學文化素質教育的重點，也是“新工科”建設對人才培養提出的重要要求［1］。2015年國務院辦公廳頒發了《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》，明確要求高校要樹立先進的創新創業教育理念，加強創新創業教育，增強學生創新精神和創新創業能力［2］。作為培養人才的基地，各個高校積極響應國家的政策，開辦各類創新教育課程，為國家培養出具有創新意識、創新思維、創新精神和創新能力的人才。由此，許多高校老師對創新教育進行研究，提出了各種教學模式，如唐力等［3］提出獨立設課，開展多層次實驗教學，并構建個性化培養平臺，給學生自主學習的空間；沈國鳳［4］提出“構建式”創新創業教育模式，不僅讓學生學習創新創業知識，還讓學生運用到實踐當中去。此外，專利文獻涵蓋了全球90%以上的最新技術情報，具有新穎、實用的特征，將專利運用到創新教育當中能訓練學生的創新思維，激發創新想象力［5］。趙海瑩［5］對大學生專利教育進行研究，強調專利教育的價值；鄭仁華等［6］提出大學生應懂得利用專利工具保護自己的創新成果。專利在創新教育中發揮重要作用，能有效分析專利文獻中的創新技術，并對專利產品中的技術缺陷進行改進，可提高學生的創新能力。

發明問題解決理論（TRIZ），是前蘇聯阿奇舒勒（Altshuller）及其同事在分析了大量專利文獻總結出的解決發明問題的理論，它揭示了創造發明的內在規律和原理，被廣泛地應用于創新［7-9］。本文在TRIZ理論指導下，對基于專利分析的創新設計實踐教學進行了研究與探索，并給出了應用的案例。

1 專利分析與創新設計流程

1.1 專利分析方法——TRIZ

TRIZ理論主要是幫助設計者解決設計中如何“做”的問題，使設計者系統有效地分析問題解決問題［10］。其包含有功能分析、物質-場分析和資源分析等問題分析工具，還有解決技術矛盾的40個發明原理、解決物理矛盾的分離原理、科學原理效應庫和發明問題的76個標準解等問題求解工具，TRIZ工具可以用來幫助系統設計圍繞或規避專利的過程［9］。將TRIZ理論引入創新教育的課程當中，并應用于專利分析，有利于學生擺脫慣性思維，發現現有技術不足，并針對其不足之處做后續的創新設計。

1.2 專利分析與規避策略

專利規避起源于美國的合法競爭行為，是企業從法律角度避開其他競爭公司專利保護范圍而進行的新設計繞道發展的設計過程，為達到避免專利權人進行專利訴訟的目的［11］。專利規避在產品開發行業中發揮著重要作用，專利規避是一個過程，其準則是建立在專利侵權法的規則基礎上的，以協助創造不侵犯專利權的新產品。專利規避是對專利的核心原理進行規避或再發展，即對專利技術進行挖掘，找到創新點，分析其存在的技術缺陷及改進方向，從而有針對性地發展專利，實現專利規避［8］。

專利規避常見的有4種方法：刪除、替換、合并和分解［11］。刪除法就是裁剪一個或對個技術特征，并將其功能轉移到系統的其他組件。替換法是將一個或者多個技術特征用其他技術方案取代，并實現相同功能。合并法是將系統的一個或多個技術特征組合成新特征，且該新特征是有實質上的改善，而不是原特征的簡單疊加。分解法是用多個技術特征來實現一個原技術特征的功能。專利規避方法如表1所示。

1.3 基于專利分析的創新設計流程

通過實踐教學，能夠結合TRIZ理論進行專利分析及創新設計，將相關理論有效應用到實際的案例中。除了專利分析，將TRIZ理論中的工具應用到解決專利規避創新設計中產生的問題，能引導學生尋找求解的方向，獲取求解的思路。給出了基于專利分析的創新設計流程，該流程分為4個階段，如圖1所示。

表1 專利規避方法

圖1 基于專利分析的創新設計流程

（1）確定分析對象。這一階段包括給定課題方向、檢索相關專利、分析專利、建立功能模型和確定規避對象。老師先給學生確定課題方向，學生根據該方向檢索專利，并運用所學的理論知識進行專利分析，建立專利的功能模型，從該模型中尋找有害、過剩或價值低等的功能作為裁剪對象。

（2）定義問題。這一階段運用了專利規避策略中的方法對系統模型中分析對象進行改進。分析系統模型，確定組件功能是否能刪除、替換、拆分或組合，從而明確使用的規避方法。由于系統的一個或多個技術特征改變，會引起技術沖突或矛盾、物理矛盾等問題，分析規避后的模型，定義問題屬于哪一類，有利于后續運用TRIZ問題求解工具進行解決。

（3）解決問題與確定方案。這一階段包括各類求解工具和設計方案。對于技術矛盾可用39個通用工程參數來描述和40個發明原理來解決；物質-場分析可以確定系統的功能是否齊全，若系統存在缺陷，如有害功能，功能元件缺失和不足功能等，可用76個標準解來解決；還有科學原理效應庫和分離原理等都可用來解決問題。在問題解決后確定設計方案。

（4）侵權判定。為防止侵權，在確定方案后需進行侵權判定。目前法律上公認的專利侵權判定原則有：全面覆蓋原則、等同原則、禁止反悔原則和多余指定原則。通過對比原方案和新方案，判斷新方案的技術是否落入規避方案的保護范圍，并對比兩者技術能力的“價值性”“有效性”及“可靠性”，以保證最后的規避方案既滿足實用性要求又滿足不侵權要求［12］。

2 基于專利分析的創新設計案例

在TRIZ理論課程結束后，要求學生分組以基于專利分析的創新設計流程進行實踐，取得了良好的效果，下面通過一個小組以鉛筆延長器作為研究內容的案例來進行說明。他們選擇了專利號為201010265651.5 的鉛筆延長器［13］進行分析，其所包括的主要元件如圖2所示。鉛筆延長器主要用于解決鉛筆長度不夠，無法使用而造成的資源浪費，依據專利說明書描述的技術實施方案建立各組件之間的關系。

（1）旋緊套1和夾緊片2的關系為：旋緊套1∧壓緊∧夾緊片2；

（2）夾緊片2和鉛筆的關系為：夾緊片2∧夾緊∧鉛筆；

（3）推進桿4和鉛筆的關系為：推進桿4∧推進∧鉛筆。

∧代表“與”關系，說明符號前后的兩個組件有相互作用關系。

圖2 鉛筆延長器

延長器功能主要是將鉛筆壓緊在壓緊片中，從而實現延長功能。所以定義旋緊套和夾緊片作用的功能類型為基本作用，而推進桿作用的功能類型為輔助作用。從而建立如表2所示的主要元件之間的關系，并建立功能模型如圖3所示。

表2 延長器組件的主要功能關系

圖3 鉛筆延長器的功能模型

由圖3可見，推進桿對于鉛筆的推進作用是過剩的作用，采用刪除法進行裁剪。因而得到裁剪變體如圖4所示。

圖4 鉛筆延長器的裁剪變體

由于原作用為過剩作用，裁剪之后得到的模型產生了一個問題，即如何調整鉛筆的長度。采用沖突參數將它轉化為TRIZ問題。步驟如下：應用TRIZ中39個工程參數描述問題需要改善的參數為33可操作性，惡化的工程參數為32可制造性。查找矛盾矩陣的結果為2抽取（提取，找回，移走）、5合并、12等勢。根據發明原理會引發不同的設計方案，如原理2會引導設計者只抽取物體中需要的部分或特征，降低機構復雜性且不影響整體功能。

根據TRIZ的原理解進行鉛筆延長器的技術方案設計。對于出現的問題，采用以下解決方案：

（1）裁剪掉原專利中的推進桿和凸環。因為通過松開旋緊套，便可調整鉛筆的外露長度，故無需推進桿和凸環對鉛筆進行推壓。

（2）把旋緊套和壓緊片的螺紋用方形鋸齒代替。因為從螺紋配合的接觸疲勞以及實際使用的反饋會發現：使用一段時間后，螺紋磨損明顯導致打滑，從而失去使用價值。

這樣得到的結果操作方便，同時由于結構的裁剪，故加工復雜度和成本大幅降低，能夠滿足大部分客戶的需求。因此得到新的鉛筆延長器，如圖5所示。

該方案針對原專利所設計的鉛筆延長器中的推進這一過剩功能以及螺紋配合導致的壽命過短的問題，通過利用裁剪結構及更換配合方式來規避原專利中的專利保護范圍。此設計方案既吸取了該專利的技術優勢，又針對其功能過剩進行了改進，在不侵犯現有專利保護范圍的前提下實現了鉛筆延長的功能，同時改善了可操作性，提高了使用壽命及降低了加工的成本。

該組學生不但對學習的理論知識和方法很好地運用在本次課程設計里面，還將其成果申請了實用新型專利，且已成功獲得授權［14］。

圖5 規避設計方案

3 專利分析實踐教學的價值

3.1 有利于學生利用專利文獻中的技術

專利文獻作為技術信息最有效的載體，囊括了全球90%以上的最新技術情報，相比一般技術刊物所提供的信息早5～6年，而且70% ～80%發明創造只通過專利文獻公開，并不見諸于其他科技文獻，相對于其他文獻形式，專利更具有新穎、實用的特征。可見，專利文獻是世界上最大的技術信息源，另據實證統計分析，專利文獻包含了世界科學技術信息的90% ～95%［15］。將專利應用于創新教育中，通過相關課程介紹專利的檢索與分析，引導學生充分利用專利文獻中的技術，有助于學生擴充知識面，減少由于經驗不足而無法進行創新設計的障礙。

3.2 有利于提高學生的創新能力

大學生在進行創新設計時，由于慣性思維和經驗不足而難以進行，通過查看專利文獻，學習當中的技術，可以運用到自己的設計當中去，從而培養學生的創新思維，配合專利分析的相關方法，學生可以從中發現缺陷，進行改進，成為一個新的設計，去申請專利，在長期的訓練當中，可提高學生的創新能力。除了可以應用專利文獻的技術，也可培養學生運用專利工具保護創新成果。將專利申請流程，所要撰寫的申請文件教授給學生，讓學生懂得如何撰寫所要保護的技術范圍和了解申請過程。

3.3 有利于提高大學生的社會工作能力

人才是社會發展的資本，創新型社會發展催生了對創新型人才極大需求。在重視知識產權的現代，許多企業由于專利技術的壁壘（專利所有人依據專利權向使用專利產品的制造商收取高額費用）［16］，而無法使用新技術，故現代企業需要掌握專利知識，并能規避專利壁壘進行創新設計的人才。在大學期間，將專利規避設計加入教學計劃中，可培養大學生利用專利文獻的意識，并掌握專利規避策略，進行創新設計，成為能為企業突破專利技術壁壘，研發新產品的創新型人才。

4 結 語

創新教育是時代的需求，如何培養出具有創新能力的人才是各個高校的重點任務之一。專利包含著世界上90%的最新技術，將其應用到創新教育中去，有助于學生了解新技術和激發創新熱情。通過基于專利分析的創新設計學習和實踐，可以讓學生懂得如何去有效地分析專利，運用專利規避設計和TRIZ中的問題求解工具，解決專利技術中的缺陷，形成一個新的設計方案且不侵犯原專利權，并將成果申請新專利，將有助于培養學生的創新思維，提高學生的創新能力。