基于专利布局和TRIZ的防滴水折叠伞设计研究

2024-02-07鲁玉军赵犟军崔志军

设计 2024年1期

鲁玉军赵犟军崔志军

摘要：为解决折叠伞在使用后存在的雨水处理不便等问题，采用TRIZ创新方法设计了一种新型折叠伞。并对设计方案进行专利布局保护。首先，选取关键词和IPC分类号构建检索式，利用专利搜索引擎确定全球折叠伞专利并分析技术构成；然后，运用TRIZ创新方法对折叠伞进行创新设计，得到防滴水折叠伞核心专利；最后，结合专利布局的组合类型，围绕核心专利对折叠伞进行降落伞型的组合式专利布局。结果表明，所设计的防滴水折叠伞可实现雨水的便捷处理且便于收纳，并通过专利布局保护对核心专利进行了有效保护。研究结果为制伞企业构建完善创新设计和专利防御体系提供了一种有效方法。

关键词：创新设计；专利布局；TRIZ；折叠伞；防滴水；矛盾分析

中图分类号：TS959.5 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）01-0012-04

Abstract：In order to solve the problems of inconvenient rainwater treatment after the use of folding umbrella，a new type of folding umbrella was designed with TRIZ innovative method. The design scheme is protected by patent layout. First，select keywords and IPC classification numbers to construct a retrieval formula，use the Innojoy patent search engine to determine the global folding umbrella patents and analyze the technical composition；then，use the TRIZ innovative method to conduct research in folding umbrellas. The innovative design has obtained core patents of anti drip folding umbrella；finally，combined with the pattern and combination type of the patent layout，around the core patents，the folding umbrella water collection device is completed.The results show that the designed anti drip folding umbrella can realize convenient rainwater treatment and storage，and effectively protect the core patent through patent layout protection. The research results provide a way of thinking for Chinese umbrella enterprises to build a perfect patent defense system.

Keywords：Innovative design；Patent layout；TRIZ；Folding umbrella；Drip proof；Contradiction analysis

目前，我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段。高质量发展阶段的转变，对专利挖掘、专利布局工作提出了更高的要求[1]。专利布局理论结合TRIZ创新方法可帮助企业利用已有的资源进行专利布局，构建完善的专利防御体系，为竞争者设置发展障碍，从而稳固自身的竞争优势地位[2]。

专利布局是构建专利组合的顶层规划和指导思想，常用的6种专利布局方式包括：特定的阻绝与规避设计、策略型、地毯式、专利围墙型、包绕式和組合式[3]。专利组合的结构形态有5种基本方式，分别为集束型、降落伞型、星系型、链型和网状覆盖型。由这5种基本方式可形成一种综合类型，即策略组合[4]。

TRIZ是由苏联专利研究员根里奇·阿奇舒勒于1946年提出用于解决发明问题的系统化创新理论和方法[5-6]。TRIZ包含多种工具，可以为专利布局设计提供创新思路[7-10]。

折叠伞凭借其操作简单、易于携带等特点成为人们遮蔽雨、雪，挡风防晒的首选生活工具。我国是世界制伞、出口大国，需要不断对折叠伞进行创新以保持行业内的领先，同时还应做好专利布局从而进行相关知识产权的保护 [11]。目前，折叠伞在雨天使用后存在雨水不易处理，携带放置不便等问题。文章基于TRIZ理论中的矛盾分析法，对折叠伞进行了创新设计，得到防滴水折叠伞核心专利，并基于降落伞型专利组合方式提出了3种折叠伞优化方向，完成了对核心专利的布局保护。制伞企业可以避免日后遭遇专利壁垒，从而稳固竞争的优势地位。

基于专利布局和TRIZ的防滴水折叠伞设计流程分为3个步骤：

1.检索由关键词和IPC分类号组成的检索式，得到折叠伞相关专利，分析其技术构成并结合S曲线确定折叠伞未来发展趋势；

2.运用TRIZ创新方法对折叠伞进行创新设计，得到核心专利；

3.围绕核心专利，结合专利组合类型和布局方式，进行防滴水折叠伞的组合式专利布局。具体的设计流程如图1所示。

为了确定目标专利并了解其详情，需要对专利进行分析。加工组合搜集的相关专利信息，用统计方法和数据处理工具赋予其观全局、明趋势的作用，使其成为企业经营活动中比较有价值的信息[12]。

（一）专利检索与筛选

选取关键词和IPC分类号构建检索式并通过Innojoy专利搜索引擎对全球折叠伞专利进行检索，得到相关专利15万余条。为精确范围，在检索结果的基础上进行关键词“折叠伞AND防滴水”的二次检索，人工筛除不相关、撤回和年限到期的专利，最后得到13项发明专利，32项实用新型专利。

（二）组件-功能分析

从45项专利中筛选出具有防滴水功能和方便携带等特点的9项专利，如表1所示。

对9项专利进行组件-功能分析如下：

1）此专利将伞套固定连接于伞顶，入口设叉口，叉口围边设有收紧带，实现收集水滴、防止雨水滴溅。2）此专利由防水布、伞骨、遮骨布和伞柄组成，伞骨朝外，通过反折伞面防止雨水滴溅。3）此专利由伞面、支架、固定结构、上推，下推结构和伞柄组成，支架可反折，安装在其末端的滚轮可实现收伞同步整理伞布的功能。收伞时雨水被卷入伞布防止雨水滴溅。4）此专利伞面边缘设有环形集水槽，底部设有定向排水口，通过控制装置与伞面同步开合。使用时，集水槽收集雨水定向排出，避免雨水直接通过伞面边缘滴落。5）此专利由伞体和伞柄组成，伞柄由嵌套组合可相互滑移的内外圆筒组成，收伞后，内外圆筒配合收纳伞体防止雨水滴溅。6）此专利由折叠伞和套筒配套组成，通过套筒防止雨水滴溅。7）此专利由伞杆、伞槽、4种支架和弹性件组成，第3支架在弹性件作用下可实现反向折叠，防止雨水滴溅。8）此专利由上固定环、伞杆、反折傘骨、伞面、收纳袋和外罩、下活动环、三节式手柄和自动收纳开关组成，具有一键式自动开合和收纳功能。9）此专利集水罩通过阶梯式结构挤压出伞面雨水并收集在底部蓄水腔，配合设在腔口处的止回流装置实现集水功能。

（三）应用TRIZ方法对折叠伞的现状分析

本论文基于现有折叠伞专利，对折叠伞专利进行研究。如图2、3所示，根据折叠伞的专利数量与 S 曲线各阶段的特点，折叠伞的技术性能已经处于成熟期或衰退期，因而需要一种新型且创新点突出的折叠伞。

（四）确定设计方向

通过专利分析，目前折叠伞的雨水处理方式分为：1.伞面折叠后将湿伞面完全包裹住避免雨水滴溅；2.增添雨水收集装置收集雨水。

在此基础上，确定防滴水折叠伞结构设计目标：1.伞体组件：折叠伞折叠后将湿伞面完全包裹住；2.折叠伞集水装置：通过集水装置收纳折叠伞中的雨水，实现自动集水功能。

（一）防滴水折叠伞伞体组件结构设计

为解决折叠伞使用后雨水处理不便的问题，设计的折叠伞伞体组件在折叠时需要将湿伞面完全包裹住，避免雨水滴溅。但是想要实现完全包裹住湿伞面的功能会提高雨伞系统的复杂性，并且在折叠后伞骨不固定使得雨伞体积增加不便于收纳。因此，雨伞折叠时完全包裹湿伞面需要改善的工程参数为静止物体的尺寸，恶化的工程参数为装置的复杂性和静止物体的体积，由此可得两对技术矛盾。对照矛盾矩阵查得对应发明原理，如表2所示。

针对以上两组矛盾，结合TRIZ理论，对防滴水折叠伞伞体组件进行了优化设计：

1.为了使折叠后的雨伞完全包裹住湿伞面。改善了雨伞的尺寸，使得雨伞系统变得复杂。针对静止物体的尺寸和装置的复杂性这对技术矛盾，选择第13号发明原理。原理解释：反向作用原理（1）不以常规行为完成动作，而是用一个反向动作的方式来替代。（2）使得一个对象或环境通常可移动的部分固定，或者通常固定的部分变为活动。（3）把一个物体的空间位置（或过程）“倒置”或翻转。设计思路：伞骨带动伞面反向折叠，将湿面完全包裹住，使湿面上的雨水只能流向伞杆内部，保证雨水不会滴溅。

2.折叠伞反向折叠后使得雨伞的尺寸变小，但是折叠后伞骨失去支撑无法固定，使得雨伞的体积增大不便收纳。针对静止物体的尺寸和静止物体的体积这对技术矛盾，选择第7号发明原理。原理解释：嵌套原理（1）把一个对象嵌入第二个对象，然后将这两个对象再嵌入第三个对象，以此类推。（2）使一对象穿过另一对象的空腔。设计思路：在伞轴顶部增加一个顶盖，将反向上折的伞骨嵌入伞盖固定。并且在伞轴顶部增加空腔，将折叠后的伞骨外侧端部插入伞腔，从而使得伞骨被完全固定。解决了雨伞反向折叠后体积增加不便收纳的问题。应用发明原理对防滴水折叠伞的伞体组件进行创新设计，如图4所示。

文章设计的防滴水折叠伞其特征包括伞体组件：第一伞杆11、第二伞杆12、第三伞杆13、伞轴15、套杆16、第二伞骨17、第一伞骨18、弹簧杆19、支撑伞骨110、第一连杆111、第二连杆112、第一漏水槽1101、第二漏水槽1201和顶盖1202。

当伞在使用完毕后，向下拉动套杆16，第二伞骨17向上折叠，第一伞骨18绕伞轴15转动至竖直状态，直到顶盖1202卡接在第一伞骨18和第二伞骨17的铰接处，第二伞骨17的端部伸入到伞轴15内，彻底固定住折叠后的伞骨便于使用后收纳。此时湿面被完全包裹住，使湿面上的雨水只能流向第三伞杆13内。最终流向伞把组件2，伞组件示意图如图5所示。

（二）防滴水折叠伞集水装置结构设计

为解决折叠伞使用后的雨水处理不便等问题，增加集水装置来收集雨水，提高了雨伞系统的可靠性，同时使得雨伞系统的复杂性提高了；折叠伞的集水装置在集水时需要确保雨水顺利流入，并且需要良好的密封性防止雨水流入集水装置之后流出，需要改善系统的可靠性，同时也恶化了系统的可靠性。根据设计目标，需要改善的工程参数为可靠性，恶化的工程参数为装置的复杂性，可靠性，由此可得一对技術矛盾和一对物理矛盾。对照矛盾矩阵查得对应的发明原理，如表3所示。

除了发明原理外，解决物理矛盾，一般更多的情况都会运用四大分离原理，分离原理是解决物理矛盾的根本思想，如表4所示。

针对以上两组矛盾，结合TRIZ理论，对防滴水折叠伞集水装置进行了创新设计：

1.为解决折叠伞使用后的雨水处理不便等问题，增加集水装置来收集雨水。提高了雨伞系统的可靠性，同时使得雨伞系统中装置的复杂性提高。为了解决这对技术矛盾，选择第5号发明原理合并原理进行创新设计。原理解释：（1）在空间上将同类的（相关的、相邻的、辅助的）操作对象合并在一起。（2）在时间上将同类的（相关的、相邻的、辅助的）操作对象合并在一起。设计思路是将折叠伞集水装置集成在折叠伞的伞把组件上。增加了集水装置提高了雨伞系统的可靠性，同时没有增加新的组件避免了装置的复杂性的提高。

2.为了保证集水装置顺利收集雨水，需要集水装置在有雨水流入的时候为开放状态，在没有雨水流入时保持密封。针对可靠性与可靠性这一对物理矛盾，选择四大分离原理中的条件分离原理进行创新设计。原理解释：对某一参数的互斥要求存在于不同的条件下，是解决物理问题的核心思想。设计思路是设计一个单向阀，雨伞竖直时集水装置为开放状态，雨伞倾斜时为密闭状态。保证雨水顺利流入集水装置的同时，保证了集水装置的密封性防止雨伞倾斜时集水装置中的雨水流出。

文章设计的防滴水折叠伞集水装置其特征在于伞把组件：伞把本体21、圆柱形凹槽22；第一锥形通孔23、密封圈25、弹簧26、密封球27、支撑杆28、第二锥形板29、第二锥形通孔210、挤水环211、挤水球212、定位槽213、伞盖本体31。

折叠伞的集水装置集成在伞把组件上。集水装置中通过密封球与弹簧的配合，当伞把本体中轴线与竖直面夹角小于 60°时，密封球将弹簧压下，密封球与密封圈形成缝隙，伞体上的水穿过缝隙流入到集水装置中，当伞把本体中轴线与竖直面夹角等于60°时，密封球与密封圈刚好贴合，当伞把本体中轴线与竖直面夹角大于60°时，密封球与密封圈紧密贴合。通过密封球与弹簧的配合设置了一个单向阀，保证雨水顺利流入集水装置的同时，保证了集水装置的密封性防止雨伞倾斜时集水装置中的雨水流出。且第一锥形通孔整体为圆锥形，当第一锥形通孔内留有一定量积水时，即使伞把本体发生倾倒，水流依然会沿着锥形面流入第一锥形通孔底部，最终流入伞盖本体内，拧下伞盖本体后，可将伞盖本体内的水倒出。具体的集水装置示意图如图6所示。

利用TRIZ理论中的矛盾分析，找出阻碍创新设计的3对技术矛盾和一对物理矛盾。并利用发明原理和分离原理解决了四对矛盾得到了新型防滴水折叠伞设计方案。设计方案通过使伞面反向折叠包裹住湿伞面避免雨水滴溅。并且将集水装置集成在伞把组件上，通过密封球与弹簧的配合设置了一个单向阀保证了雨水的顺利收集。解决了现有雨伞在使用后雨水处理不便的问题。

（三）专利侵权判定

专利侵权判定原则如下：1.全面覆盖原则，2.等同原则，3.禁止反悔原则，具体如表5所示。

目前，专利申请的折叠伞，伞面、伞骨和滑套组件是主要结构。为防止专利侵权，需要在设计创新时避开现有专利方案技术构成。

本文在不变动折叠伞主结构的基础上进行改进设计，通过增添不同组件实现功能创新，与A+B+E专利方案技术构成相符。通过判定可知折叠伞经过改进后不构成专利侵权。

专利布局可以以企业自身优势核心技术为出发点，围绕技术的基本方案、该技术在产品中的主要应用方式等建立核心专利保护圈；再针对技术的重要改进方向、主要应用扩展领域以及关键配套支撑技术提前建立外围专利屏障[13]。

根据专利布局的功能类型，可以确定核心专利为基础性专利。这类专利主要是覆盖了创新技术成果的核心或基本方案的最主要技术特征，为其提供最大保护范围的专利，这些专利发挥了对该技术成果最基础、最重要的保护和控制作用。

因此，结合专利布局的组合类型。选择降落伞型专利组合。降落伞型专利组合是由某一技术方案的基础性专利，和其主要的改进、优化方向上的若干互补专利构成，其可以是改进、减少某一或某些技术特征，增加新的技术特征，找到新的技术问题进行完善等。下面基于降落伞型专利组合方式提出了3种折叠伞优化方向，完成核心专利的布局保护。

针对反向折叠伞的改进如下：

1.雨天夜晚撑伞，若是没有灯光或是灯光暗淡，撑伞行走会很不方便。在反向折叠伞的基础上增添蓝牙音响和手柄底下LED灯光，可以解决上述情况。具体特征介绍如图7所示。

磁铁片1内嵌于伞把底部，LED灯3和蓝牙音响4利用磁力吸附在伞把底部，由固定在内部的电池5驱动，2为电池充电口。

2.反向折叠伞在收起时是伞面内折，可以避免雨水滴洒，雨水需要在重力的作用下流进集水装置。改进后的反向折叠伞在收起时由弹力绳直接将湿伞面拉进伞杆内部，这样雨水会顺着伞杆流进集水伞柄内部。不会存在雨水滴洒在外面的情况。具体特征介绍如图8所示。

收紧绳1两端分别连接伞面和集成于伞杆內部弹簧顶端的弹片2，伞面固定在伞骨3上，收伞时，弹簧4压缩，伞面跟随收紧绳1同步收入伞杆内部，雨水在重力作用下通过伞杆内部流入集成于伞把组件的集水装置。

3.反向折叠伞和目前现有的折叠伞都是手动或者是半自动折叠伞，不能自动开合，改进的反向折叠伞利用气动支撑杆原理和电机收缩实现自动收缩的功能，具体特征介绍如图9所示。

收紧绳1两端分别连接伞杆顶端和电机4，伞杆内部填充惰性气体3，正向调节开关2，气动装置工作伸长气压杆，打开反向折叠伞；反向调节开关2，电机4工作收缩收紧绳1，收起反向折叠伞。

上述的3项专利，均由核心专利这一基础性专利改进或增加某一技术特征得到。由这3项专利和核心专利组成降落型专利组合。使得核心专利得到了有效的保护。并且可以对防滴水折叠伞未来的发展进行跟随式保护，并为竞争对手在该领域的发展设置了障碍。

创新设计是企业保持行业领先的重要方法，专利布局是企业对知识产权保护的有效策略，现有的折叠伞在雨天使用后存在雨水处理不便等问题，针对这一问题利用TRIZ理论中的矛盾矩阵和发明原理解决了创新设计中的技术问题，得到了防滴水折叠伞核心专利，结合专利布局的模式及组合类型，围绕核心专利对防滴水折叠伞进行降落伞型的组合式专利布局，对核心专利进行了有效保护。研究结果为企业构建完善的创新设计和专利防御体系、实现对知识产权的保护，规划未来产品的战略布局提供了一种有效方法。

基金项目：浙江省重点研发项目（No.2020C01084，No.2021C01071）

参考文献

[1]马天旗.专利布局[M].北京：知识产权出版社，2020.

[2]张威浩. 专利申请与布局[M]. 广东：知识产权出版社，2022.

[3]谢顺星，高荣英，瞿卫军.专利布局浅析[J].中国发明与专利，2012，（08）：24-29.

[4]鲁玉军，沈佳锋，王春青.基于TRIZ的专利群规避方法研究与应用[J].工程设计学报，2020，27（1）：27-35.

[5]JUNG S H，BAEK S J，YU Y Y. A study on applying TRIZ to logistics improvement [J]. Journal of Digital Convergence，2014，12（8）：77-84.

[6]葛庆，汪崟.基于TRIZ理论的变速安全跷跷板创新设计[J].设计，2022，35（07）：134-137.

[7]方佳欣，张琲.基于TRIZ的车内雾化消毒机改良设计[J].设计，2021，34（03）：14-17.

[8]来佳涛.基于专利规避的反折集水雨伞创新设计研究[D].杭州：浙江理工大学，2019：1-22.

[9]於佳颖，朱意灏，吴剑锋.基于KANO/QFD/TRIZ集成理论的单身白领便携式蒸汽挂烫机改良设计[J].设计，2022，35（02）：126-129.

[10]郭皓月，侯幸刚.基于QFD与TRIZ理论的老年电动汽车创新设计[J].设计，2021，34（16）：86-89.