基于裁剪法的机构综合专利利用再创新模型＊

刘江南，于德介，彭 丽，洪义海，卢伟健，杨小娟

（湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，湖南 长沙 410082）

产品创新，特别是具有自主知识产权的原创性创新，是企业追求的发展方向.机械产品区别于其他产品，具有运动传递性、可变机动性、机械能的互换性等机械特征.机构作为机械产品的骨架和执行器，是机械产品实现能量转换和运动变换的核心.机构综合对机构拓扑结构进行数综合和型综合，是机械产品概念设计确定系统运动方案关键性的工作，也是实现机械产品高水平创新的重要环节.直接对设计对象进行机构综合，是设计中高难度的工作.

专利是保护知识产权的重要形式，专利信息是创新的结果，也是设计创新的宝贵资源.如何充分利用专利信息、同时规避专利保护进行机构综合再创新，是机械工程领域迫切希望解决的问题，但目前学术界却鲜有研究.

许多学者对专利分析、归纳和提炼方法进行了研究，但大多数集中在对专利知识信息的挖掘技术上，如利用现有的数据库技术对专利知识进行获取，基于专利知识和专家系统对其进行情报分析，提炼专利的深度知识形成特定技术领域的专利情报数据，以支持基于专利知识的产品创新设计[1－5].对于这些颇有价值的信息，如何进一步利用和规避、进行有针对性的机械产品再创新、形成新的专利，目前研究非常少.

本文基于功能裁剪法和设计目录等技术创新方法，提出利用和规避专利信息的机构综合再创新过程模型，为机械产品创新设计提供理论基础.

1 利用专利信息的机械产品创新设计过程

机械产品设计除具有一般产品设计的共性外，还具有自己的创新设计特点，如概念设计阶段的系统运动方案设计.通过利用专利信息进行机械产品创新设计的过程如图1所示.

机构综合是系统运动方案设计中重要一环，也是机械产品设计最具创新的阶段，但目前很少与已有专利知识结合起来.

2 功能裁剪法和设计目录方法的优势

2.1 功能裁剪法

功能裁剪法是Altshuller等前苏联学者创建的发明问题解决理论（其俄文的英文音译缩写TRIZ）用于改进产品结构、解决技术问题的重要方法之一[6].该方法针对已有系统中存在的技术问题进行功能分析、流分析、因果链分析或进化法则分析，识别功能组件和接触作用关系，建立功能模型图.通过裁剪、删除系统或超系统中特定组件，并在剩余组件之间重新分配有用功能，减少或消除部分缺陷，以增加系统的效率、降低其成本、改善系统的功能.对于裁剪删除特定组件后可能带来的新问题，如该组件原来所提供的功能失去了承担者，可通过以下方法寻求解决方案：采用其他新元件或由超系统来实现；由受作用元件自己承担；删除此功能；删除原组件的作用元件，等等.对于所带来的其他问题，可通过TRIZ的各种原理及各类工具寻求解决.

图1 利用专利信息的机械产品创新设计过程Fig.1 Innovative design process of mechanical products based on patent information

专利信息中的机械产品，有不少在功能上具有创新，但如果对其进行详细分析，可能会找出其薄弱之处，采用功能裁剪法研究每一个功能是否必需，如果必需则研究系统中的其他元件是否可完成该功能，通过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来完善功能模型，使裁剪后的系统更为简化、成本更低而性能保持不变甚至更好，即通过功能裁剪法可以在此产品专利的基础上进行再创新，使产品或工艺更趋向于理想解.

2.2 设计目录

德国学者Roth K首先提出的设计目录方法[7]，对已有的设计知识、经验和成功设计实例进行归纳总结，以图文表格等形式表达设计过程中的各类信息，并按照一定规律进行分类、排列和汇编，提供具有某种综合性和不同具体化程度的设计解及其变形解，以方便设计人员查找和调用.Roth K和Koller R等在一系列著作中对设计目录进行了全面论述[8]，汇编并公开发表了包括机构学领域连杆机构与传动、匀变速传动等在内的大量设计目录[9].

基于设计目录的机械产品概念设计，所涉及的设计目录主要有功能元目录、机构解目录以及围绕这两个目录的辅助目录.这些目录所包括的信息具有完备性、可拓展性、易表达性和易检索性，信息内部包含简单的推理机制，便于计算机辅助设计.机构综合的最终目的是在功能分解基础上获得机构解，可以利用的设计目录是已被全面汇编的一般化运动链目录[10].

3 利用和规避专利信息的机构综合再创新过程模型

机构综合不仅需要确定构件、运动副、构件与运动副之间的相互关系等运动链拓扑结构，还要确定机架、驱动件、执行件.本文基于功能裁剪法和设计目录方法，提出利用已有专利信息进行机构综合创新设计的如下程序化流程模式，为机械产品创新设计提供理论基础和技术支持.

首先进行专利分析.对所设计的对象从各种专利信息库进行专利查询和分析，建立相应的设计对象专利信息数据库，以备后续过程利用和规避.

然后进行机构数综合.根据产品的功能需求确定机构自由度；根据资源约束并参照已有专利确定机构运动空间；利用自由度计算公式，对构件数NL和运动副约束数、即文献[11]中运动副约束函数的秩Cs进行匹配，生成约束函数秩匹配目录；根据结构预期复杂程度选择确定运动副类型，进一步得出运动副约束函数匹配目录.在进行机构型综合之前，对参考专利进行功能分析和裁剪，得出多种系统功能结构，以寻求尽可能多而简洁的构件数与运动副匹配方案，从而完成机构数综合.

最后进行机构型综合.依据数综合结果，查询一般化运动链目录，综合满足本产品功能需求的运动链；通过拓扑同构判断消除同构运动链，得到运动链拓扑结构目录；再根据功能需求，确定机架和驱动件，特殊化运动副和杆组，得到各种机构拓扑结构型式；对照已有专利，规避涉嫌侵权的有效专利，最终得到具有新拓扑结构的机构.建立新机构拓扑结构系统目录，并申请新的专利.

上述过程模型如图2所示.

在该模型的流程中，专利查询可以通过专利资源库或相关分析软件协助完成，但专利资源的拓扑机构分析这项工作，由于目前软件技术对专利语言的语义分析技术相当不成熟，对结构图的识别更是达不到辨析构件和运动副的智能程度，于是在很长一段时间内将难以得到计算机软件的协助，所以这项重要的基础工作目前还需要人工完成.非常迫切而且有意义的一项工作是，针对某类产品的专利资源，经过人工分析和筛选，建立机构拓扑结构数据库，以供共享.在模型的机构数综合流程中，过程参数明确、数学逻辑性强，结合较为成熟的机构学理论，方便人机交互实现程序化操作.在模型的机构型综合流程中，利用相关设计目录的流程步骤也具有较强的数学逻辑性，方便人机交互实现程序化操作，理论上可以遍历运动链中每个构件和运动副的各种选择、穷举所有可能的运动链、产生成千上万的机构拓扑结构方案.所以，开发相应的软件进行辅助综合设计将是一项有意义且可实现的工作.由运动链目录到机构拓扑结构的综合过程，可从以下方面着手获得更多方案.

1）选择一个构件做机架，改变机架构件可获得不同方案；

2）选择机架之外的构件作为执行构件，改变执行构件亦可获得不同方案；

3）两个串联AssurⅡ级杆组且以移动副相连的构件可作为压性组件；

4）两个串联AssurⅡ级杆组且以转动副连接的构件可作为挠性组件或弹性件；

5）采用低副高代方法，可综合含凸轮副或齿轮副的机构拓扑结构；

6）将一个多副构件上多个转动副重叠，可获得一个多重复合铰链，但要避免产生呆链；

7）以运动链为胞源机构运动链，设计构件变胞和运动副变胞等变胞方式，可综合变胞机构.

需要指出的是，由此得到的成千上万个方案需要设计人员根据工程经验、产品功能需求和实际资源约束进行筛选和详细设计，才能适用于工程实际.如在依据运动链目录综合机构拓扑结构时，如何选择一个构件做机架、选择机架之外的构件为执行构件，选用不同构件将得到不同的机构方案，其机构性能不一样，对最终产品工作性能的影响也都将有较大的不同.这正是机构综合的难点和亮点所在.

4 应用示例

运用上述机构综合过程模型，对相关文献中的典型案例——两轮摩托车的后轮悬挂系统[9－10]进行机构综合再创新，具体过程包括以下3个部分.

4.1 专利查询与分析

1）专利查询

根据需要设计的对象——摩托车后轮悬挂系统，从 Derwent Innovations Index专利信息库和中国专利全文数据库查询此主题相关的各国专利，检索词：（摩托车or车轮）and（悬挂or支撑），检索表达式：（AB＝（（悬挂or支撑）and（摩托车or两轮车））OR AB＝（（车轮 or后轮）and（悬挂 or支撑）））.汇总产品专利的相关信息，如表1所示.

图2 基于裁剪法和设计目录的机构综合专利利用与规避再创新过程模型Fig.2 Patent oriented and competitive patent circumvented process model of re－innovating mechanism synthesis based on trimming and catalog design

表1 摩托车后轮悬挂系统相关专利汇总表Tab.1 Summary of patent information of rear suspension systems for motorcycle

2）专利分析

根据本文侧重于机构综合的特点，从上述汇总信息识别专利中描述的功能和结构，筛选出涉及机构改进的专利进行机构拓扑分析，并等效转换为一般化运动链拓扑结构，如表2所示，建立专利数据库.

表2 后轮悬挂专利的机构拓扑分析与运动链一般化Tab.2 Topology structure analysis and kinematic chain generalization of rear suspension mechanisms in the patents

4.2 机构数综合

1）机构自由度的确定

后轮悬挂是摩托车车架与后车轮之间的连接系统，主要功能是缓冲、减震和传力，以保证车辆行驶的稳定性和平顺性，即当摩托车行驶在路面时能将路面支撑力传递给车架，同时大幅降低传至车架的振动频率和幅度.对于悬挂系统而言，后轮的上下振动就是机构的运动输入，所以悬挂系统是一个单自由度系统.

2）机构运动空间的确定

考虑到摩托车车架结构对称中心与车轮在同一纵向平面，在空间上，希望整体结构关于此纵向平面保持对称，而且横向尺寸尽量小，同时参照相关专利信息，本例后悬挂系统采用平面机构.

3）构件数和运动副约束数关系匹配

根据式（1）平面机构自由度Fp计算公式[11]，匹配构件数NL和运动副约束函数秩Cs之间的对应关系.平面高副Cs＝1；平面低副Cs＝2，由此建立匹配目录，如表3所示（限于本文篇幅，未全部列出），得到构件数NL和运动副约束函数秩Cs的全部匹配方案.

式中：NJi为第i种约束函数秩Csi对应的运动副数量.

4）选择运动副类型

对于平面机构运动副的选择，根据运动副表面规则性损失的程度，优先选择较小的类型.转动副的规则性损失较小，而移动副的规则性损失很大[12].当移动副数量较少、机构中其他运动副具有足够公共约束时，可选择圆柱副来承担移动副功能.在现有专利信息和工程实际情况看，这种方式被普遍采用.限于篇幅和工作量考虑，在本例中主要选用转动副和少量圆柱副，不选择高副和变胞运动副，即运动副约束函数C（t）＝常向量且Cs＝2.

5）建立约束函数匹配目录

根据表3中只含移动副的匹配方案，确定运动副约束函数值匹配目录，如表4所示（限于本文篇幅，未全部列出），得到不同构件数、运动副数所对应的运动副约束函数全部匹配方案.

表3 构件数NL与运动副约束函数秩Cs的匹配关系Tab.3 Matching between link numberNLand the rank of constraint function of kinematic pairCs

表4 运动副约束函数匹配目录Tab.4 Catalogues of constraint function matching of kinematic pairs

6）分析参考专利系统功能

参考表2中专利US4465156，其悬挂系统的功能及其分解如图3所示.

图3 参考专利的悬挂系统功能及其分解Fig.3 Functional decomposition of the rear suspension system of the referenced patent

7）裁剪系统功能单元

从功能裁剪法的角度继续对悬挂系统功能进行分析.系统的3个必要功能中，缓冲和传力的实现均由多个单元共同完成，而减震功能只由一个单元完成.辅助功能变刚度的实现，由同时完成缓冲功能的一个单元承担.从功能单元的必要性看，杆组5－6是必需的，而杆组2－3与7－8之间存在冗余.而且，辅助功能变刚度可以在缓冲功能中组合实现.从运动链的紧凑性、刚性和动态灵敏度等拓扑特性看，若自由度相同、构件数越少，紧凑性和动态灵敏度更好.于是，对系统单元进行裁剪，可以删除一组以上的杆组，使系统运动链由（8，9）变成六杆甚至更少的一般化运动链，同时，将系统功能进行重新分配.

8）构件数和运动副匹配方案

经过专利功能元裁剪后，根据表4构建构件数与运动副匹配目录，如表5所示，得到六杆以下运动链构件数和运动副类型及方位匹配的全部方案.

4.3 机构型综合

1）综合运动链拓扑结构

根据构件数和运动副匹配方案，查一般化运动链目录有两种（6，7）链和一种（4，4）链，据此可综合出含两个以下移动副的瓦特型运动链50种、斯蒂芬森型运动链50种、四杆运动链5种（限于本文篇幅，未全部列出）.图4是含一个移动副的（6，7）运动链中的6种.

表5 构件数与运动副匹配方案Tab.5 Scheme of matching of link number and kinematic pairs

图4 综合的部分运动链Fig.4 Some synthesized kinematic chains with one prismatic pair

上述运动链可能存在拓扑同构问题.舍弃重复的同构运动链，根据表5运动副匹配方案，最终建立运动链目录.图5所示为其中的9种.图5（a）、图5（b）、图5（c）是结合图4（a）和表5中运动副匹配方案所构建的运动链；图5（d）、图5（e）、图5（f）是结合图4（d）和表5所构建的运动链；图5（g）、图5（h）、图5（i）是结合图4（f）和表5所构建的运动链.

2）综合机构拓扑结构

从功能分析看，后轮悬挂系统需要一个减震组件、至少一个缓冲组件、一个传力运动链.考虑到机构的运动输入是车轮中心垂直方向的运动，建立水平方向为x轴、垂直方向为y轴的笛卡尔坐标系.根据运动链目录，从以下方面进行综合可得到大量的机构拓扑结构方案：

（ⅰ）选择一个构件做机架；

（ⅱ）选择机架之外的另一个构件邻接车轮；

（ⅲ）两个串联AssurⅡ级杆组且以移动副相连的构件作为减震组件；

（ⅳ）两个串联AssurⅡ级杆组且以转动副连接的构件作为弹簧件；

（ⅴ）将一个多副构件上两个转动副重叠获得一个二重复合铰链.

图5 综合的运动链拓扑结构Fig.5 The topology structures of the synthesized kinematic chains

如对应图5（a）运动链拓扑结构，选择构件1为机架，构件2，3为减震器，分别选择构件4，5和6邻接车轮，得到9种机构拓扑结构方案，如图6所示.其中，图6（d）和图6（e）的方案含有弹性元件；图6（e）的方案含有两个二重复合铰链；图6（f）、图6（g）、图6（h）和图6（i）的方案含有一个二重复合铰链.

对应图5（a）运动链拓扑结构，若选择构件6为机架，构件2，3为减震器，分别选择构件1，4和5邻接车轮，得到另外6种机构拓扑结构方案，如图7所示.其中，图7（d）、图7（e）和图7（f）的方案含有一个二重复合铰链.

上述机构拓扑结构可能是已有的发明专利，甚至是现行专利被保护的内容，所以需要对照专利数据予以剔除.如果不是，则可对此进行尺度综合，得出创新的机构拓扑结构目录，并申请专利保护.在本例的上述15个图例方案中，图6（a）为国际专利WO 2008／123059（日本雅马哈公司）的悬挂机构，图6（b）为国际专利 WO 2006／005687（法国塞克莱斯莱比埃尔公司）及其同族专利CN101076472A的悬挂机构，图6（c）为一系列专利（专利号如JP4944000 B2，EP1878648A1，EP1905619A2，EP2216191A1，US7392977B2，US7527252B2，US20080018028A1等）（日本雅马哈公司）和日本专利JP2004276877 A1（Honda公司）的悬挂机构，图6（d）为日本专利JP3015963B2（雅马哈公司）的悬挂机构，图6（e）为美国专利US2002／0103586A1的悬挂机构，图6（g）为日本专利JP1985146773A（铃木公司）、JP19900 20487A（雅马哈公司）的悬挂机构，图6（h）为国际专利WO02／44006（英国吉布斯公司）及其同族专利CN1478030A的悬挂机构.剔除这些已有专利的方案后，其余均可作为创新设计的新方案进行后续的机构详细设计.

图6 以图5（a）构件1为机架所综合的机构拓扑结构Fig.6 The mechanism topologies correspond to Fig.5（a）with link 1as frame

图7 以图5（a）构件6为机架所综合的机构拓扑结构Fig.7 The mechanism topologies correspond to Fig.5（a）with link 6as frame

通过本例可以看出，所提出的基于裁剪法和设计目录的机构综合专利利用再创新过程模型，不仅流程清晰、可操作性强，可穷尽包含诸多文献所得不同方案（如文献[9]中的14种、文献[10]中的6种）在内的全部可能创新方案，而且相对于以往方法，能有效结合专利信息，从可利用资源出发寻找突破方向，克服了从大量设计目录中任选方案进行发散性探索的随意性和盲目性.同时，通过所建立的专利信息库还可对产生的创新方案进行筛选和专利规避.

5 结 论

基于TRIZ功能裁剪法和设计目录创新技法所构建的机构综合再创新程序化过程模型，不仅充分挖掘专利资源信息加以利用，而且在产品开发概念设计中可实现机构综合再创新设计，同时还能规避有效专利，为面向专利资源进行机构综合创新的新课题提供了过程框架.应用实例表明，该过程模型在专利利用与规避方面具有可操作性和有效性，若进一步结合计算机辅助设计，可使设计过程简单快捷，更重要的是可以遍历运动链中每个构件和运动副的各种选择、穷举所有可能的运动链、产生大量新的机构拓扑结构方案.该过程模型为机械产品的机构综合创新设计指出了新的途径.

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