面向機(jī)械產(chǎn)品專(zhuān)利規(guī)避的功能裁剪路徑研究

面向機(jī)械產(chǎn)品專(zhuān)利規(guī)避的功能裁剪路徑研究

李輝劉力萌趙少魁于菲檀潤(rùn)華

河北工業(yè)大學(xué)國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心，天津，300130

摘要：專(zhuān)利日益成為知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略下最重要的競(jìng)爭(zhēng)性要素，掌握核心專(zhuān)利的企業(yè)通過(guò)設(shè)置專(zhuān)利壁壘阻礙后來(lái)者的競(jìng)爭(zhēng)，因此如何針對(duì)專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以突破專(zhuān)利壁壘將十分必要。為保障創(chuàng)新設(shè)計(jì)既為有效創(chuàng)新設(shè)計(jì)又不侵犯現(xiàn)有專(zhuān)利技術(shù)，考慮到功能裁剪與專(zhuān)利規(guī)避原則的契合性，首先基于專(zhuān)利制度約束與功能模型建立了專(zhuān)利權(quán)利范圍；其次，基于不同專(zhuān)利規(guī)避原則對(duì)功能裁剪路徑進(jìn)行了研究；最后，基于專(zhuān)利規(guī)避前端設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提出了完整的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程，并通過(guò)管道機(jī)器人實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性。

關(guān)鍵詞：功能剪裁；專(zhuān)利規(guī)避；機(jī)械管道；產(chǎn)品創(chuàng)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(guó)機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)里，針對(duì)現(xiàn)有專(zhuān)利壁壘[1-2]，如何選擇創(chuàng)新方法路徑，使創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果在專(zhuān)利制度約束下更加有效顯得尤為重要。

專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)是一項(xiàng)源于美國(guó)的合法競(jìng)爭(zhēng)行為[3]，是以法律侵權(quán)判斷原則為約束，通過(guò)對(duì)專(zhuān)利權(quán)利要求書(shū)中的必要技術(shù)特征進(jìn)行刪減或替代等操作，發(fā)掘出與原專(zhuān)利權(quán)利要求不同設(shè)計(jì)方案的過(guò)程。通過(guò)專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)使得企業(yè)可以在不侵犯他人專(zhuān)利權(quán)的前提下，重新改進(jìn)技術(shù)方案，從而獲得與現(xiàn)有專(zhuān)利保護(hù)范圍不同的新技術(shù)[4]。黃文儀[5]采用組件回避設(shè)計(jì)方法、等價(jià)交換方式與創(chuàng)新思維結(jié)合進(jìn)行專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)；羅炳榮[6]通過(guò)實(shí)例的對(duì)比與驗(yàn)證提出了應(yīng)用于專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)的元件失蹤法及負(fù)數(shù)歸一法；林明憲[7]提出將元件權(quán)重評(píng)析法應(yīng)用于專(zhuān)利分析，結(jié)合專(zhuān)利策略，采用公理設(shè)計(jì)的獨(dú)立原理來(lái)進(jìn)行規(guī)避結(jié)果檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程。隨著TRIZ理論的發(fā)展，將TRIZ理論與專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)相結(jié)合，可為創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論提供新的發(fā)展方向，江屏等[8]提出通過(guò)功能裁剪方法構(gòu)建規(guī)避對(duì)象的功能模型，根據(jù)組件規(guī)避原則建立新產(chǎn)品的裁剪變體并確定問(wèn)題。Li等[9]提出基于權(quán)利要求分解的技術(shù)特征進(jìn)行裁剪的規(guī)避方法，證明功能剪裁作為T(mén)RIZ的一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，可提高產(chǎn)品理想度以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[10]。

但是將功能裁剪應(yīng)用于專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)的現(xiàn)有研究中尚存在如下問(wèn)題：一是未基于機(jī)械產(chǎn)品專(zhuān)利撰寫(xiě)的法律語(yǔ)言特點(diǎn)正確提取專(zhuān)利權(quán)利范圍信息，并將權(quán)利范圍信息轉(zhuǎn)變成可進(jìn)行下一步功能裁剪的基礎(chǔ)；二是僅依據(jù)專(zhuān)利侵權(quán)原則闡釋了功能裁剪與組件規(guī)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(yīng)用于專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)流程。

因此，本文為解決上述問(wèn)題，提出建立基于機(jī)械專(zhuān)利三大層次、五大屬性的專(zhuān)利權(quán)利信息抽取過(guò)程圖以及基于功能模型的專(zhuān)利權(quán)利范圍圖；進(jìn)一步建立面向不同專(zhuān)利侵權(quán)原則的功能裁剪路徑；然后依據(jù)專(zhuān)利制度約束特點(diǎn)對(duì)裁剪路徑優(yōu)先權(quán)及裁剪范圍進(jìn)行研究，最后將功能裁剪路徑應(yīng)用于專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)流程，并用管道機(jī)器人的專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1基于制度約束的專(zhuān)利功能模型建立

1.1功能模型與專(zhuān)利信息提取制度約束

功能模型是功能分析的結(jié)果，通常以現(xiàn)有產(chǎn)品系統(tǒng)為基礎(chǔ)，分析系統(tǒng)中各個(gè)元件之間的作用關(guān)系，確定系統(tǒng)的有用功能、不充分功能、過(guò)剩和有害功能，進(jìn)而建立產(chǎn)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(guān)系及連接關(guān)系，是進(jìn)行功能裁剪形成裁剪變體的基礎(chǔ)。以產(chǎn)品系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立的功能模型缺乏對(duì)專(zhuān)利權(quán)利要求書(shū)的分析，無(wú)法確定保護(hù)產(chǎn)品系統(tǒng)的專(zhuān)利權(quán)利范圍，容易使后續(xù)的創(chuàng)新研究成果因侵權(quán)而失效。故以功能模型圖去提取專(zhuān)利權(quán)利范圍信息，將專(zhuān)利的權(quán)利保護(hù)范圍直觀反應(yīng)在功能模型圖上，能夠?qū)⒎烧Z(yǔ)言表達(dá)的技術(shù)信息轉(zhuǎn)變成可以用TRIZ等創(chuàng)新方法進(jìn)一步設(shè)計(jì)的技術(shù)信息，同時(shí)確保后期的裁剪能面向?qū)＠?guī)避實(shí)現(xiàn)不侵權(quán)設(shè)計(jì)，確保功能裁剪更有針對(duì)性。

圖1　產(chǎn)品功能模型

受專(zhuān)利法律制度約束，一份專(zhuān)利文件權(quán)利保護(hù)范圍最大的獨(dú)立權(quán)利要求包含著解決主要問(wèn)題的所有必要技術(shù)特征，對(duì)獨(dú)立權(quán)利要求信息的完整提取，是構(gòu)建專(zhuān)利權(quán)利范圍圖的基礎(chǔ)。

基于專(zhuān)利文件權(quán)利要求的撰寫(xiě)特點(diǎn)，通常要描述三大層次和五大屬性的問(wèn)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(gè)功能多個(gè)零件組成的一個(gè)集合；零件就是將機(jī)械產(chǎn)品拆卸到最分散的程度時(shí)候仍然保持自身完整的最小機(jī)械構(gòu)成，相當(dāng)于元件；部件就是零件身上還需要繼續(xù)進(jìn)行定義的技術(shù)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(tǒng)的功能分析忽略的結(jié)構(gòu)要素，比如來(lái)復(fù)槍中的膛線能確保射擊的準(zhǔn)確性，是專(zhuān)利具備創(chuàng)造性的授權(quán)基礎(chǔ)，但在功能模型中卻不體現(xiàn)。五大屬性包括名稱(chēng)、連接關(guān)系、位置、材料和結(jié)構(gòu)特征。五大部件在三大層次上側(cè)重點(diǎn)各不相同，提取權(quán)利信息時(shí)有所區(qū)別。

圖2　基于魚(yú)骨圖的機(jī)械產(chǎn)品專(zhuān)利三大層次信息

1.2基于功能模型的專(zhuān)利權(quán)利信息提取過(guò)程

首先，抽取專(zhuān)利的三大層次和五大屬性信息，并建立與功能樹(shù)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。在分功能對(duì)應(yīng)的組件層抽取組件名稱(chēng)及連接關(guān)系，在功能元對(duì)應(yīng)的零件層抽取名稱(chēng)、結(jié)構(gòu)特征、材料及連接關(guān)系，在部件層抽取名稱(chēng)、結(jié)構(gòu)和位置特征。

圖3　專(zhuān)利權(quán)利信息提取圖

其次，建立針對(duì)目標(biāo)專(zhuān)利的功能結(jié)構(gòu)圖，提取針對(duì)專(zhuān)利權(quán)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(gè)組件SA內(nèi)又包含相應(yīng)的零件SC，零件上需要進(jìn)一步界定的技術(shù)特征用部件SP表示，專(zhuān)利所有必要技術(shù)特征在圓形虛線框內(nèi)，框外超系統(tǒng)(super systems，SS)資源與專(zhuān)利技術(shù)特征整體有一個(gè)作用關(guān)系，最終專(zhuān)利系統(tǒng)對(duì)作用物(target)實(shí)現(xiàn)所解決的技術(shù)問(wèn)題。

圖4　基于功能模型的專(zhuān)利權(quán)利范圍圖構(gòu)建

2面向?qū)＠?guī)避的功能裁剪路徑

2.1專(zhuān)利規(guī)避原則與功能裁剪

基于侵權(quán)判斷原則的專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)通常遵循以下三點(diǎn)原則：① 刪減必要特征，避免侵犯全面覆蓋原則；② 對(duì)構(gòu)成要件進(jìn)行實(shí)質(zhì)性替換改變，避免侵犯等同原則；③綜合分析權(quán)利要求書(shū)及說(shuō)明書(shū)內(nèi)容和審查檔案，合理利用禁止反悔原則和捐獻(xiàn)原則[11-12]。但是適用上述原則進(jìn)行的規(guī)避設(shè)計(jì)，多依賴于經(jīng)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)化的方法進(jìn)行指導(dǎo)。TRIZ理論中的功能剪裁是一種對(duì)現(xiàn)有專(zhuān)利方法進(jìn)行刪減替換操作的創(chuàng)新方法，為專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)提供了規(guī)范化的路徑。

功能裁剪作為T(mén)RIZ理論[13-14]中的問(wèn)題分析工具，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品功能模型的分析，對(duì)存在問(wèn)題的功能元件進(jìn)行刪減，在某些情況下允許在刪減系統(tǒng)某些部件的前提下，為解決系統(tǒng)存在問(wèn)題添加新部件以完成產(chǎn)品系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，即其實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)修剪和整理的過(guò)程[15]。在功能模型上針對(duì)具體的功能元件進(jìn)行刪除、替換等修剪工作，形成問(wèn)題模型，再用TRIZ方法對(duì)修剪后的功能模型進(jìn)行彌補(bǔ)，使得技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。裁剪的過(guò)程與專(zhuān)利規(guī)避原則具有同樣的作用，將其結(jié)合對(duì)產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新架構(gòu)，可以獲得具有操作意義的創(chuàng)新設(shè)計(jì)路徑。

2.2功能裁剪路徑

在專(zhuān)利規(guī)避原則約束下進(jìn)行功能裁剪，建立面向不同專(zhuān)利規(guī)避原則的規(guī)避路徑，首先要提取問(wèn)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(zhí)行元件對(duì)目標(biāo)元件既存在有用作用，又存在問(wèn)題作用，問(wèn)題作用包含有害作用、過(guò)剩作用和不足作用。

圖5　一個(gè)功能單元的功能模型

針對(duì)一個(gè)功能單元的功能模型進(jìn)行裁剪操作，在不同的侵權(quán)原則約束下形成不同的規(guī)避路徑，為確定問(wèn)題模型提供不同的設(shè)計(jì)路徑。

對(duì)全面覆蓋原則的規(guī)避路徑，如表1所示。對(duì)等同原則的規(guī)避路徑，如表2所示。根據(jù)捐獻(xiàn)原則及禁止反悔原則規(guī)避的路徑如表3所示。

表1　基于全面覆蓋原則的專(zhuān)利規(guī)避路徑

表2　基于等同原則的專(zhuān)利規(guī)避路徑

表3　基于捐獻(xiàn)原則及禁止反悔原則的專(zhuān)利規(guī)避路徑

通過(guò)將功能裁剪方法與專(zhuān)利侵權(quán)判斷原則相結(jié)合，為專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)提供了具體的方法路徑，減少了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的盲目性，應(yīng)用于設(shè)計(jì)流程中可提供多種問(wèn)題模式，求解問(wèn)題并組合方案可獲得既不侵權(quán)，又有較高專(zhuān)利性的新解。

2.3面向?qū)＠?guī)避的問(wèn)題功能元識(shí)別及裁剪路徑選擇

面向?qū)＠?guī)避的裁剪，其前提是對(duì)系統(tǒng)各元件進(jìn)行功能分析，主要是找出問(wèn)題功能元，即系統(tǒng)中的有害或不足作用，對(duì)其進(jìn)行改善，其主要步驟如下：

(1)確定專(zhuān)利系統(tǒng)所提供的主功能；

(2)研究組成元件對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)；

(3)分析系統(tǒng)中的有用及有害關(guān)系；

(4)確定沖突、不足作用、過(guò)剩作用及有害作用；

(5)分析問(wèn)題功能元，對(duì)其進(jìn)行改善，可運(yùn)用上節(jié)基于專(zhuān)利規(guī)避原則的規(guī)避路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在對(duì)問(wèn)題功能元進(jìn)行改善時(shí)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(wèn)題功能組件，即采用路徑A；

(2)刪除功能構(gòu)件，其功能由受作用元件自己實(shí)現(xiàn)，即采用路徑B1；

(3)刪除功能構(gòu)件，其功能由系統(tǒng)內(nèi)其他元件實(shí)現(xiàn)，即依次嘗試采用路徑B2、E2、F；

(4)刪除功能構(gòu)件，其功能由超系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，即依次嘗試采用路徑G、H、C、D1、D2、E1。

3應(yīng)用功能裁剪路徑的專(zhuān)利規(guī)避流程

應(yīng)用功能裁剪路徑進(jìn)行專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于對(duì)專(zhuān)利功能模型中的問(wèn)題功能元選擇不同的專(zhuān)利裁剪路徑，進(jìn)行剪裁操作，形成裁剪變體，運(yùn)用TRIZ理論中的沖突矩陣(40條發(fā)明創(chuàng)造原理、39個(gè)技術(shù)特征)、物質(zhì)-場(chǎng)分析等內(nèi)容作為創(chuàng)新工具[16]，對(duì)裁剪變體進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從而獲得最優(yōu)解的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型。這種專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)模式具有直觀、形象、科學(xué)的特點(diǎn)。如圖6所示，其設(shè)計(jì)流程大致可以分為4個(gè)階段：

階段一，確定規(guī)避對(duì)象。目的是選取原型專(zhuān)利，作為分析對(duì)象，并基于功能模型建立專(zhuān)利權(quán)利范圍圖。

階段二，確定規(guī)避路徑，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。選取將功能裁剪與專(zhuān)利規(guī)避原則相結(jié)合的規(guī)避路徑，轉(zhuǎn)換并發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題。

階段三，解決規(guī)避問(wèn)題。根據(jù)不同的規(guī)避路徑所得出的問(wèn)題，選取不同的TRIZ方法解決問(wèn)題，最后轉(zhuǎn)成具體的技術(shù)方案。

階段四，方案的侵權(quán)判定。用專(zhuān)利侵權(quán)法律原則以及專(zhuān)利侵權(quán)判斷流程驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

3.1確定規(guī)避對(duì)象

根據(jù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的目的，確定專(zhuān)利檢索主體及專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)選定專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索操作，比較常用的是運(yùn)用關(guān)鍵詞或者IPC分類(lèi)表構(gòu)筑布爾邏輯檢索式進(jìn)行檢索，并依據(jù)檢索結(jié)果進(jìn)行篩選，選出符合設(shè)計(jì)意圖的專(zhuān)利，確定進(jìn)行規(guī)避操作的專(zhuān)利原形，并在充分挖掘原有專(zhuān)利權(quán)利要求信息的基礎(chǔ)上，對(duì)規(guī)避對(duì)象建立專(zhuān)利權(quán)利信息提取圖。

3.2選擇專(zhuān)利規(guī)避路徑，確定規(guī)避主體

基于專(zhuān)利權(quán)利信息提取圖建立功能結(jié)構(gòu)圖，形成功能裁剪模型。通過(guò)分析模型，確定功能模型中存在的有害功能、過(guò)剩功能和不足功能等問(wèn)題功能元，基于裁剪優(yōu)先權(quán)確定用于功能裁剪的功能組件，然后選取具體的專(zhuān)利規(guī)避路徑進(jìn)行裁剪操作，形成功能裁剪變體。判定裁剪變體所對(duì)應(yīng)的新功能模型，若其符合設(shè)計(jì)要求，則直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品概念；反之可將轉(zhuǎn)化的新問(wèn)題作為技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的突破口，進(jìn)行下一步規(guī)避設(shè)計(jì)。

3.3解決規(guī)避問(wèn)題

通過(guò)上面的步驟實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)有專(zhuān)利技術(shù)的功能重組，找出專(zhuān)利規(guī)避的技術(shù)方向，同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ中的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，應(yīng)用TRIZ作為解決問(wèn)題和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的有效工具，利用沖突分析或物質(zhì)-場(chǎng)分析，通過(guò)沖突解決原理和標(biāo)準(zhǔn)解，并結(jié)合該技術(shù)的具體領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)確定領(lǐng)域解[17]，如圖7所示。

圖6　專(zhuān)利規(guī)避原則與功能裁剪集成的設(shè)計(jì)流程

圖7　基于TRIZ的裁剪變體規(guī)避流程

3.4方案的侵權(quán)判定

對(duì)創(chuàng)新解進(jìn)行侵權(quán)判定，確認(rèn)專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)是否成功。法律侵權(quán)判斷原則優(yōu)先適用全面覆蓋原則，即技術(shù)方案涵蓋了原專(zhuān)利權(quán)利要求所記載的全部技術(shù)特征即為侵權(quán)；如未涵蓋全部技術(shù)特征，則適用等同原則，判斷兩者的區(qū)別技術(shù)特征是否在特征、功能和效果三方面實(shí)質(zhì)相等同。若特征實(shí)質(zhì)等同，則適用禁止反悔原則和捐獻(xiàn)原則，判斷是否該等同技術(shù)特征已經(jīng)貢獻(xiàn)給社會(huì)公眾，成為現(xiàn)有技術(shù)。具體的侵權(quán)判斷流程如圖8所示。

圖8　專(zhuān)利侵權(quán)判斷流程

4案例分析

各種機(jī)械管道在我們生活中隨處可見(jiàn)，但是隨著管道使用時(shí)間增長(zhǎng)或使用過(guò)程受到流體中所含雜質(zhì)的腐蝕作用，可能導(dǎo)致管道狀況惡化，為了確保安全，管道檢測(cè)顯得尤為重要。為適應(yīng)管道復(fù)雜的環(huán)境條件，管道機(jī)器人的研究為檢測(cè)工作提供了新的技術(shù)手段[18-19]。

4.1確定規(guī)避對(duì)象

關(guān)鍵詞以“管道機(jī)器人”和“內(nèi)徑測(cè)量”為，在SooPAT專(zhuān)利數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行專(zhuān)利檢索，截止2014年11月20日，檢索出國(guó)內(nèi)有權(quán)專(zhuān)利5項(xiàng)。通過(guò)對(duì)其摘要進(jìn)行逐一閱讀并分析，篩選出北京石油化工學(xué)院CN201320586988的專(zhuān)利(基于位移傳感器的管道內(nèi)徑測(cè)量裝置)作為規(guī)避目標(biāo)專(zhuān)利。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122

收稿日期：2014-12-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家創(chuàng)新方法專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(2013IM030400)

作者簡(jiǎn)介：李輝，女，1981年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生、講師。研究方向?yàn)閷?zhuān)利規(guī)避、專(zhuān)利組合及創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論研究等。劉力萌，男，1990年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。趙少魁，男，1990年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。于菲，女，1986年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。檀潤(rùn)華，男，1958年生。河北工業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng)、教授、博士研究生導(dǎo)師。

在專(zhuān)利CN201320586988中，此裝置(圖9，圖10)主要由主動(dòng)行走機(jī)構(gòu)(1)、輔助行走機(jī)構(gòu)(2)、傳感器機(jī)構(gòu)(3)、燈光視覺(jué)機(jī)構(gòu)(4)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(5)以及電氣控制柜組成，其特征在于：主動(dòng)行走機(jī)構(gòu)(1)和輔助行走機(jī)構(gòu)(2)設(shè)置行走輪對(duì)機(jī)器人中心進(jìn)行定位，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制主動(dòng)行走機(jī)構(gòu)(1)及

圖9　檢測(cè)裝置三維視圖

圖10　檢測(cè)裝置剖視圖

輔助行走機(jī)構(gòu)(2)設(shè)置的支撐臂同步打開(kāi)和收縮，激光位移傳感器(19)測(cè)量管道內(nèi)壁徑向相對(duì)位移、里程輪(33)記錄行走里程、壓力傳感器測(cè)量管壁與行走輪間壓力，燈光視覺(jué)機(jī)構(gòu)(4)觀察管道內(nèi)部環(huán)境。分析專(zhuān)利權(quán)利信息，建立原專(zhuān)利主要權(quán)利信息的抽取圖，如圖11所示。

圖11　原專(zhuān)利主要權(quán)利信息抽取圖

4.2選擇規(guī)避路徑

基于原專(zhuān)利權(quán)利信息建立系統(tǒng)功能模型，我們可以建立如圖12所示的功能結(jié)構(gòu)模型。分析模型，系統(tǒng)的輔助行走功能存在有害作用，該裝置的輔助行走機(jī)構(gòu)主要作用為完成支撐臂同步打開(kāi)和收縮，輔助行走機(jī)構(gòu)(2)由調(diào)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(jī)構(gòu)進(jìn)行裁剪，輔助行走機(jī)構(gòu)的原理如圖13所示。

圖12　原專(zhuān)利功能結(jié)構(gòu)模型

1.里程輪　2.調(diào)整版　3.碟簧 4.行走輪軸座及傳感器　5.管壁內(nèi)側(cè) 圖13　輔助行走機(jī)構(gòu)原理圖

對(duì)其進(jìn)行功能分析后發(fā)現(xiàn)，由于傳感器對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)有延遲，且作用精度無(wú)法保證，故而對(duì)其進(jìn)行裁剪，刪減執(zhí)行元件調(diào)整板、碟簧、行走輪軸座壓力傳感器。刪減后輔助行走功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，分析問(wèn)題后選用D2規(guī)避路徑，引入新執(zhí)行元件作用，重新實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。在對(duì)新執(zhí)行元件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需解決以下兩種沖突：

其一，設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)沖突。為提高管徑的適用范圍，須增大輪腿的長(zhǎng)度，結(jié)果是滑塊(彈簧)的行程變大，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)不足或打滑，原專(zhuān)利中運(yùn)用傳感器反饋解決沖突，但精度及反應(yīng)速度無(wú)法保證。

其二，設(shè)計(jì)中遇到的物理沖突。為保證直道時(shí)機(jī)器人與管道同軸移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速須相同，但是，為使機(jī)器人被動(dòng)通過(guò)彎道，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速又須不同。

4.3基于TRIZ的規(guī)避設(shè)計(jì)

為解決設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)沖突，首先從39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)(NO.1～NO.39)中選擇確定技術(shù)沖突的一對(duì)特征參數(shù)，它們分別是：

(1)質(zhì)量提高的參數(shù)，即物體產(chǎn)生的有害因素(NO.31)；

(2)帶來(lái)負(fù)面影響的參數(shù)，即運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度(NO.3)。

由沖突矩陣的第31行及第29列確定可用發(fā)明原理：動(dòng)態(tài)化(NO.15)；未達(dá)到或超過(guò)的作用(NO.16)；維數(shù)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

動(dòng)態(tài)化即可增加一個(gè)調(diào)節(jié)電機(jī)，把彈簧右端的固定支撐變成可控的移動(dòng)支撐，在每一個(gè)階段自動(dòng)調(diào)整右端支撐的位置來(lái)保證彈簧力，以解決驅(qū)動(dòng)不足或打滑的現(xiàn)象。但是，該方法并沒(méi)有改變彈簧在軸向的變化量(為了保證彎道的可控性，機(jī)器人的軸向尺寸不能太大)，而且又增加了一個(gè)驅(qū)動(dòng)使系統(tǒng)變得復(fù)雜，故非最優(yōu)方案。

維數(shù)變化(多層排列代替單層排列)即可把彈簧直接對(duì)輪腿徑向變化尺寸的調(diào)節(jié)改為彈簧先對(duì)角度的調(diào)節(jié)再通過(guò)角度的變化轉(zhuǎn)化為徑向尺寸的變化。

綜合分析兩種方法，為節(jié)約成本，簡(jiǎn)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(nèi)側(cè) 圖14　管道檢測(cè)機(jī)器人自適應(yīng)結(jié)構(gòu)

為解決設(shè)計(jì)中遇到的物理沖突，選取時(shí)間分離原理，即將沖突雙方在不同時(shí)間段分離：直道時(shí)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速相同；彎道時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不同。基于此方法利用棘輪機(jī)構(gòu)將其在時(shí)間上進(jìn)行分離，從而解決了該沖突。形成方案為：當(dāng)機(jī)器人在直管道中行走時(shí)，由電機(jī)同時(shí)控制三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪使其轉(zhuǎn)速相同，保證機(jī)器人能夠與管道同軸移動(dòng)；當(dāng)需要通過(guò)彎道時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不同，故使該控制電機(jī)停止工作，利用棘輪特性同時(shí)在另一個(gè)電機(jī)的推(拉)動(dòng)作用下，保證該機(jī)體順利通過(guò)彎道。具體結(jié)構(gòu)如圖15所示。

1.棘輪　2.里程輪　3.驅(qū)動(dòng)輪軸 圖15　棘輪結(jié)構(gòu)

運(yùn)用TRIZ解決了上述沖突，主要規(guī)避過(guò)程如圖16所示，本設(shè)計(jì)彌補(bǔ)裁剪后的影響，形成創(chuàng)造性比較高的新方案，且此方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能作用精度較高，有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

基于TRIZ對(duì)裁剪變體進(jìn)行規(guī)避設(shè)計(jì)，使得原專(zhuān)利中因壓力傳感器偵測(cè)和反饋帶來(lái)的響應(yīng)時(shí)間延遲及精度問(wèn)題得到充分彌補(bǔ)，并且由于輔助行走機(jī)構(gòu)由主動(dòng)反饋方式改為被動(dòng)響應(yīng)，減少了響應(yīng)時(shí)間，使得行走動(dòng)作更為連續(xù)有效，而核心行走方式的轉(zhuǎn)變使得裁剪后方案明顯有別于原方案，在原專(zhuān)利的基礎(chǔ)上形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于被動(dòng)自適應(yīng)的管道檢測(cè)機(jī)器人，創(chuàng)新方案的功能結(jié)構(gòu)模型如圖17所示。

圖17　創(chuàng)新方案的功能結(jié)構(gòu)模型

4.4方案的侵權(quán)判定

將該方案新的功能結(jié)構(gòu)與已有專(zhuān)利功能結(jié)構(gòu)圖對(duì)比，新方案對(duì)原專(zhuān)利核心技術(shù)輔助行走機(jī)構(gòu)反饋機(jī)制進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，裁剪了原專(zhuān)利存在的問(wèn)題作用，形成了新的設(shè)計(jì)方案，依據(jù)專(zhuān)利侵權(quán)判斷流程圖進(jìn)行判定，已成功規(guī)避了原專(zhuān)利的保護(hù)范圍，形成可申請(qǐng)新專(zhuān)利的創(chuàng)新成果。

5結(jié)語(yǔ)

面向機(jī)械產(chǎn)品專(zhuān)利規(guī)避的功能裁剪路徑研究以專(zhuān)利侵權(quán)判定原則為約束，引入功能裁剪方法形成具體的規(guī)避路徑，應(yīng)用于專(zhuān)利規(guī)避設(shè)計(jì)流程時(shí)可針對(duì)不同裁剪路徑下的裁剪變體，形成新的問(wèn)題，將其轉(zhuǎn)變成TRIZ中的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，進(jìn)而用相應(yīng)的TRIZ方法去解決，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員既繞開(kāi)現(xiàn)有專(zhuān)利保護(hù)范圍，又進(jìn)行持續(xù)性創(chuàng)新。最后選擇專(zhuān)利規(guī)避路徑，應(yīng)用專(zhuān)利規(guī)避流程，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)基于位移傳感器的管道內(nèi)徑測(cè)量裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目的，也驗(yàn)證了方案流程的可行性。

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(編輯郭偉)