基于TRIZ的自動爬梯輪椅專利規避創新設計*

王秀紅,唐淑珍,梁帥鵬,孔祥芬，趙 翔,韓光平

(1.鄭州航空工業管理學院 管理工程學院，河南 鄭州，450015；2.中國民航大學 航空工程學院，天津，300300；3.江西創海科技有限公司，江西 南昌，330100)

0 引 言

隨著人口老齡化的加劇以及意外突發事件的增多，老人和殘疾人等行走障礙人員在我國總人口中所占比例越來越大。在此背景下，研制具有自動爬樓梯功能輪椅，提高行走障礙人員出行方便性的需求越來越迫切。

通過對爬樓梯輪椅專利申請的所在國家或地區知識產權組織分布進行統計可知，在所有發明專利中，美國和德國無論在數量上和質量上都處于前列。我國一些公司和機構雖然也加大了對自動爬樓梯輪椅的研究，申請了多項專利，如履帶式、行星輪式、輪腿式自動爬樓梯輪椅等，但這些專利產品普遍存在價格較高、質量較重、穩定及安全性較差、耐用性差等問題。章瑋濱等[1]采用拉格朗日方程的行星輪組動態模型,設計了一種行星輪式爬樓梯輪椅。基于雙曲柄爬升機構，李爽[2]設計了一種既可平地行駛又可完成爬樓動作的爬樓梯輪椅。徐俊翊等[3]開發了一種輪-履復合機構的新型載人爬樓梯履帶車。此外，還有一些學者對自動爬樓梯輪椅具體單元，如控制系統[4]、安放機構[5]和輪輻[6]等進行了設計。但這些設計都是在原有產品基礎上進行的改進，大多是概念設計，若要申請專利，是否侵害原有專利技術還有待研究。

目前，隨著人口老齡化以及意外突發事件的原因，導致行走障礙人員無法正常行走的問題越來越突出，為解決這一問題，筆者將TRIZ/專利規避集成技術應用到自動爬樓梯輪椅的創新設計中。

1 專利規避/TRIZ集成創新設計

1.1 專利規避理論

國家統計局資料顯示，近年來我國專利總申請量的一半以上為國外申請人，其中日本、美國、德國占據前3位[7]。發達國家在我國實行“專利圈地”趨勢日益嚴重，利用其技術優勢在國內外市場設置專利壁壘[8]，使我國企業在創新發展方面受到限制，侵權事件時有發生，高額的賠償金使我國企業受到重創。目前，迫切需要一種技術使我國企業在技術創新過程中將專利信息加以提取和利用以避免侵權事件的發生。專利規避是20世紀90年代源于美國的合法競爭行為，鼓勵在研究知識產權庫已存在專利的基礎上，對某一具體對象或者專利群進行避開專利人的權利要求的設計活動[9]。早期國外專利規避研究集中于法理層面，專注于從侵權案例中歸納具體的規避原則和方法[10，11]。我國加入WTO后，專利侵權案件日益增多，學者們特別是法律界人士加大了對專利規避的研究，總結出了侵權判定“三步法”及規避訴訟策略[12，13]。但跨國公司的“專利圈地”和專利壁壘活動，使得從法律層面規避現有專利的保守防御策略越發困難，如何在現有專利基礎上從技術層面實現突破創新是目前國內外學術界研究的熱點[14-16]。

1.2 TRIZ理論

TRIZ即發明問題解決理論，是前蘇聯發明家根里奇-阿奇舒勒于1946年帶領一批學者在研究了世界各國200萬份高水平專利的基礎上，提出的一套發明問題解決理論和方法[17]。從1956年阿奇舒勒發表了第一篇有關TRIZ的論文開始，發明家們開始對創新理論工具進行了完整的梳理，然而至20世紀80年代中后期僅封閉在前蘇聯范圍。20世紀90年代隨著TRIZ應用案例的出現，學術界才對此逐漸展開研究。進入21世紀以來，TRIZ進入加速發展的黃金階段。TRIZ的整個理論體系為確定問題，建立問題模型，工具求解，分析是否達到理想解；若沒有達到理想解，則循環分析。問題模型主要為功能模型、物質-場模型和沖突模型，借助效用知識庫、76個標準解、技術矛盾對應的40個發明原理以及物理矛盾對應的4條分離原理、4種解題工具以解決問題，達到最終理想解。

1.3 專利規避/TRIZ集成創新設計模型

專利規避設計的實質就是通過對國家知識產權庫已申請專利進行總結分析以確定規避對象，根據專利制度的侵權原則，掌握合法的規避路徑對規避對象進行設計。TRIZ理論是在分析大量專利的基礎提出的一套完整的創新理論體系，具有功能分析、裁剪、理想解等強大的分析和解決問題的工具方法。專利規避和TRIZ理論本身就有著密切的聯系。將TRIZ理論應用于專利規避，可利用TRIZ理論的功能模型對專利技術進行問題分析，對不足功能、過剩功能及有害功能進行結合、替換、裁剪等進行功能變形，再利用TRIZ的發明原理、物質-場模型和標準解去解決功能模型變形后帶來的技術問題。將專利規避和TRIZ有機集成，能使企業在不侵犯專利要求的基礎上進行創新設計，是技術層面創新的主動專利規避設計。

TRIZ理論/專利規避的集成過程如圖1所示。

TRIZ/專利規避集成設計最早是IKOVENKO博士[18]提出的。LIU Y M等[19]根據需求分析，提出了TRIZ理論和專利規避創新設計的過程模型。面向單一專利，周善明等[20]分析技術明確發明問題，利用多屏幕法進行了資源分析，應用TRIZ工具求解實現了專利規避，并成功應用于智能家居控制。石文豪等[21]利用物質-場模型簡化了分析發明問題，利用沖突理論、標準解進行了專利規避，并成功應用在頂驅下管套裝置中。在專利群規避方面，江屏等[22]通過技術進化與IPC聚類結合，通過技術成熟度預測，確定了專利規避目標，并將其應用于封隔器。穆秀秀等[23]對功能模型進行了分析，利用TRIZ理論的物質-場模型和沖突分析進行了規避設計，并以汽車發動機活塞銷壓銷裝置為例驗證了其可行性。面向專利組合的規避研究，因缺乏專利組合及專利間的關系分析，應用起來具有一定的困難，目前還沒有學者采用專利規避/TRIZ集成模型對爬樓梯輪椅進行設計的案例。

圖1 TRIZ理論/專利規避的集成過程

2 基于TRIZ的自動爬梯輪椅專利規避設計

2.1 規避對象的確定

筆者借助SooPAT檢索工具，以“自動上下樓梯&輪椅”為關鍵詞進行專利檢索，得到自動上下樓梯&輪椅專利分析報告。專利選取截止到2019年4月12日，共檢索到相關專利74篇。其中，發明專利36項、實用新型專利28項、外觀設計專利2項、發明授權8項。這些專利大多集中于2009-2018年；按大類統計，專利70.73%集中于衛生學；按小類統計，則專利集中于病人和殘疾人相關項目。筆者取專利中發明專利為研究對象，通過篩選相關IPC，去除無效專利后，得到12份實審專利和6份有效專利。在18份可用專利中，剔除與主題相關度較小的專利，對技術主題進行分析，最后得到的是與所想要內容匹配度較高的IPC分類號中A61G5/06、B62B5/02、B61G5/02、B66B23/02、B60B19/00所代表的技術主題。

自動上下樓梯&輪椅IPC小組分類號如表1所示。

筆者根據小組分類號和相關度對有關專利進行篩選，在去除無效專利的基礎上，將與相關度較高的5類IPC的專利內容進行了仔細閱讀，對其余相關度不高的專利進行了大致瀏覽；在有權專利和實審專利中，重點對SooPAT數據庫中的專利權利要求說明書和發明內容及圖紙進行了研究，依次分析了與內容主題的契合度；對成本、研究難易程度、舒適度以及安全性等多方面因素進行綜合考慮，最終確定專利《一種欠驅動自適應式爬樓梯輪椅》(CN 201410171664.4)[24]所保護的專利與所需求的技術主題契合度較高，即最終規避對象為專利號為CN 201410171664.4的專利，對比對象為專利號CN201110097167.0[25]和CN201410801565.X[26]的專利。

表1 自動上下樓梯&輪椅IPC小組分類號

2.2 專利信息的提取

筆者以專利號CN103932849A的專利為原型。該專利為一種欠驅動自適應式爬樓梯輪椅，專利主要包括29個主要部件。權利要求為椅架主體、電池、平衡機構、驅動機構和控制機構5部分。該專利的發明原理為利用星型欠驅動輪系，通過機械智能平穩越過道路上的障礙以及順利地上下樓梯，能使行動不便的人獨立地完成上下樓梯活動。該專利成功解決了行動不便的人在無直梯的情況下獨自一人難以上下樓梯的問題，但同時也給他們帶來了一些潛在的問題。例如，雖然該產品有平衡機構，仍對行動不便的人帶來了一定的威脅；結構過于復雜，不利于售后維修等一系列服務。

在一定的制度約束條件下，筆者根據專利權利說明書、圖紙說明書的具體部件組成以及權利人的具體解釋，建立了基于專利3大層次信息的功能樹，如圖2所示。

圖2 基于功能樹的專利3大層次信息提取圖

由圖2可知：規避對象欠驅動自適應式爬樓梯輪椅包含：固定機構、平衡機構、驅動機構、控制機構以及輸送機構5部分。對部件按照功能進行分解，可得到不同的系統元件和超系統元件。有些系統元件按照功能應該屬于不同的部件，但結構過于復雜，僅按照主要功能對部件進行分解，如欠驅動輪系又分為齒輪箱、輪架軸、中軸、小軸、車輪、齒輪6部分。

2.3 規避設計

2.3.1 功能分析

筆者根據專利權利說明書將系統劃分為系統和超系統。29個系統元件中，2個超系統元件分別為2電池和4車輪，其它屬于系統元件，車輪屬于制品。

所有元件用1至29序號按順序列出，用相互矩陣表達元件間相互作用關系，如表2所示。

表2 欠驅動自適應式輪椅相互作用矩陣

在表2中，“+”表示兩者之間有相互作用，“-”表示兩者之間沒有相互作用。如1椅架主體和3減震器之間有相互作用，則矩陣第1行第3列為“+”；同時，元素之間的關系是相互的，所以矩陣以對角線相互對稱。

2.3.2 功能模型的建立

根據基于功能樹的專利層次信息，筆者提取和欠驅動自適應式輪椅元件間的相互作用，并根據權利要求說明書，分析系統元件的主要功能要求，確定元件間關系中的標準作用，并用不同線形區別不足作用、過剩作用和有害作用。

筆者根據元件的不同作用建立針對產品權利要求的功能模型，并對部件層進行規避區域劃分，如圖3所示。

由圖3可知：(1)功能模型劃分為4個區域：傳動機構區域、控制機構區域、驅動機構區域、平衡機構區域；區域之間用虛線框表示；(2)存在3個不足作用和2個有害作用。

2.3.3 功能模型的修剪

裁剪是TRIZ中的改進系統，是提高系統理想化程度的重要實現工具。裁剪的目的為降低成本，去除對系統有負面影響的功能，包括不足功能、過剩功能和有害功能，降低復雜性。根據全面覆蓋、貢獻、對等和禁止反悔4項裁剪規則進行規避，規避方法可歸為4類：裁剪法、替換法、組合法和分解法。此處主要對圖3的功能模型中有害作用進行裁剪替換，對不足作用進行替換添加，分析現有的問題及技術，綜合期望解對功能模型進行修剪。

修剪后功能模型圖如圖4所示。

圖3 欠驅動自適應式輪椅功能模型圖T1-傳動機構；T2-控制機構；T3-驅動機構；T4-平衡機構

圖4 修剪后功能模型圖

由圖4可知：主要為絲杠支架構成的平衡機構會產生顛簸感的有害作用，對絲杠支架、絲杠電機、上框架、下框架、尾框架和滑塊進行裁剪，裁剪后出現一個新的問題，即如何控制平地和爬梯的平衡；車輪之間的作用不能使爬梯時平穩進行，為不足作用。筆者以平穩性為理想解，綜合現有技術，添加履帶升降裝置，用一種齒輪-鏈條綜合控制傳動的可活動輪架軸，替換由齒輪直接控制的輪架軸。

3 自動爬梯輪椅的創新設計

3.1 修剪后功能模型分析

修剪后的功能模型仍分為3個主要模塊：控制機構、傳動機構和平衡機構；修剪后去掉了一些有害功能，補足了不足功能，刪去了過剩功能。對比修剪前后的功能模型可知，整個上下樓梯輪椅的結構更為簡單明了，功能更加清晰。分析功能模型可知，修剪后產生兩對物理矛盾：(1)希望車輪有一定的距離可以保持整個車身的穩定，又希望車輪之間的距離固定可以成功地實現上下樓這一功能；(2)希望履帶裝置足夠小，能夠減輕整個車身的重量以方便搬運，又希望履帶裝置足夠大，能夠充分與階梯相接觸，使車身擁有足夠的穩定性。

3.2 修剪后問題的解決

物理矛盾通常采用分離的方法進行解決。分離原理主要有4類：空間分離、時間分離、條件分離、整體與局部分離。針對每類分離原理，TRIZ理論中都給出了對應的發明原理，如表3所示。

表3 分離原理與發明原理的關系

3.3 專利規避設計方案

根據理想解分析矛盾，車輪之間距離遠近的矛盾和履帶裝置大小的矛盾均可應用空間分離原理進行解決。空間分離原理即將矛盾雙方在不同空間上分離開，以獲得問題的解決或降低問題的難度。筆者根據分離原理對應的發明原理，主要對車輪傳動機構、履帶裝置和輪椅主體結構3部分進行創新設計。

(1)筆者根據空間分離對應的發明原理1分離、原理17多維對傳動模塊進行創新改善，車輪的結構仍為行星式。具體的車輪運動及轉換模式原理如圖5所示。

圖5 車輪運動及轉換模式原理

由圖5可知：車輪由鏈條傳動，其中小軸和大軸分別連接車輪，小齒輪、大齒輪和軸架，輪架軸連接輪椅自身的固定結構，使車輪和車身能夠保持穩定，車輪的運動通過兩兩連接的齒輪轉動帶動鏈條進行；由控制器控制行走模式，前進或后退；軸的兩端是套疊起來的，具有伸縮性，平地或爬坡時為自然狀態，使輪椅能夠正常行駛。

由圖5還可知：當接收到轉換需求時，套疊的軸伸展開使其正常轉換。當選擇平地行走模式時，控制器控制上車輪連接的軸向下移動，前后車輪連接的軸分別向前后移動，使其在平地行走時能更加穩定。當選擇爬梯模式時，控制器控制連接上車輪的軸向上移動，同時前后車輪連接的軸向里收縮為等邊三角形。由行星式車輪爬上或爬下第一個和最后一個階梯然后轉換成履帶模式，由履帶傳動進行樓梯間的行走。轉換過程中與車輪連接的軸均為沿直線前后變換，因此可以確保舒適性。

(2)筆者根據發明原理7套疊、原理24中介對傳動模塊的履帶裝置進行創新設計，在輪椅主體與履帶之間增加一個自動升降裝置，做成折疊式以節省空間、減輕重量；使升降裝置上表面與椅身固定支架固定連接；下表面以滾軸控制升降裝置，由一控制器控制履帶裝置上升或下降。當選擇平地行走模式時履帶裝置為緊收起來的裝置固定在椅架下方，當選擇爬梯模式時控制器控制滾軸滾動使履帶裝置開始下降。

根據原理2抽取、原理17多維對平衡裝置進行創新，輪椅主體結構如圖6所示。

圖6 輪椅主體結構

在圖6中，椅身具有固定支架，用滾軸連接固定支架與支架升降裝置上表面的固定立管；靠近椅背下方一固定支架也通過滾軸與升降裝置相連，當選擇平地行走或上下樓模式時，角度傳感器、壓力傳感器與控制器與控制模塊相連接，當控制模塊發出重心不穩的信號時，由控制器自動控制滾軸，使椅身在一定范圍內進行轉動以穩定重心，椅身固定支架處通過滾軸、滾珠與一可伸縮的萬向輪連接，當重心不穩時配合椅身的前后轉動共同控制重心以保持穩定。

4 仿真實驗及結果分析

當選擇平地行走模式時，車輪輪軸開始自動移位，使前后兩輪之間的距離適當增大，在遇到半坡時穩定性增加，當遇到障礙物或危險物的時候，距離傳感器將信號傳遞給控制模塊，控制模塊控制停止車身；當選擇爬梯模式時，行星式車輪開始轉動，使其成功爬上第一個樓梯，爬行過程中控制器控制升降臺使履帶裝置開始下降，樓梯間的傳動由履帶傳動進行配合，直至到達最后一階樓梯，控制器控制升降臺使履帶裝置上升，恢復行走模式。

在爬梯過程中，先由壓力傳感器發送給控制器車身的重心信號，由控制器控制滾軸等進行中心調節，以使其保持平衡。無論選擇平地行走模式或爬梯模式，均由減速器、離合器、角度傳感器、距離傳感器、壓力傳感器、變速箱、操作手桿同時進行控制，以保持安全和相對舒適度；利用計算機智能控制重心，使平衡性得以穩定。

由于輪椅在攀爬第一節樓梯時，輪椅所有重量都集中在后輪，為保障重點部件的強度要求，筆者首先應用有限元模型分析對后輪進行應力分析，如圖7所示。

此處車輪輪轂材料選用合金鋼。筆者首先對車輪結構圖進行網格劃分，設整個車身最大重量為200 kg，從圖7可知，所受最大應力在屈服應力以內，因此應力分布合理。

其次，為保障包括車軸在內的爬樓梯輪椅整體的強度，筆者對輪椅在平地狀態和爬樓梯狀態時進行整體應力分析和變形位移分析。主要支撐結構均為剛性連接，假設用戶體重100 kg左右，則椅背所承受的壓力約為1 000 N。不同狀態下應力分析及變形位移分析如圖8所示。

圖7 后輪的應力分布

圖8 不同狀態下應力及變形位移分析

由圖8可知：在爬樓梯狀態下，輪椅整體所受最大應力在屈服應力以內，結構最大位移量小，有輕微變形，可忽略不計；在平地狀態下，輪椅整體所受最大應力也均在屈服應力以內，且平地整體結構最大位移量也很小。

由此可以驗證該輪椅創新設計是可行的。

5 結束語

由于知識產權保護已成為社會共識，專利壁壘成為企業創新面臨的緊迫問題。TRIZ/專利規避集成設計為企業創新提供了新的方法和思路。

隨著人口老齡化的加劇、意外突發事件的增多，自動爬樓梯輪椅滿足了日益增多的殘障人員的需求。筆者在分析目前自動爬樓梯輪椅專利信息的基礎上，通過IPC分類及相關性分析，確定了規避對象，利用TRIZ的功能模型對專利信息進行了分析提取，對現有功能模型進行了修剪；對修剪后的功能模型進行了分析，仍存在沖突則再利用TRIZ中的發明原理進行了創新設計。

筆者設計了一種行星-履帶結合的自動爬梯輪椅，使輪椅結構更為清晰簡單、穩定安全。但目前的產品使用過程中，還需要使用者或者陪護人員的實時操作，無法滿足缺少陪護和無操作行為能力的人員的出行要求。因此，如何實現自動爬樓梯輪椅的遠程、安全、實時操作，這是下一步研究的重點。