基于元易创新和TextRank-RFM的技术创新路径识别与评价研究--以工业机器人为例.pdf

收稿日期:*本文系国家社会科学基金项目“基于专利分析的新兴产业与技术族群关联机制及其实现模式研究”(项目编号:)成果之一作者简介:武兰芬()女博士副教授研究方向为专利分析与科技政策郑静()女 级硕士研究生研究方向为知识产权管理廖文和()男博士教授研究方向为机械制造及其自动化基于元易创新和 的技术创新路径识别与评价研究 以工业机器人为例武兰芬 郑 静 廖文和(.南京理工大学知识产权学院 江苏南京)(.南京理工大学机械工程学院 江苏南京)摘 要:目的/意义旨在精准识别技术创新路径为企业进行研发创新和攻克关键部件的技术问题提供科学参考 方法/过程基于元易创新理论通过创新维度与创新法则耦合进行技术创新路径识别提出 算法对技术创新路径进行评价根据专利创新要素的新颖性、出现频度与组合能力三个指标衡量潜在技术创新路径的实用价值并以工业机器人领域为例验证该技术创新路径识别与评价模型的可行性 结果/结论构建的技术创新路径识别与评价模型可为企业创新发展提供一定的理论指导且具有较强的实践意义关键词:元易创新理论 算法技术创新路径识别技术创新路径评价中图分类号:.文献标识码:./.:(.)(.):/./.:./.:引言党的二十大报告提出要深入实施创新驱动发展战略开辟发展新领域新赛道不断塑造发展新动能新优势创新是引领发展的第一动力 紧扣国 年 月.情报探索 第 期(总 期).(.)家政策主题与市场大环境不断挖掘技术研发与竞争情报才能为企业追求自身发展、紧跟未来技术前沿蓄势赋能 为避免盲目的技术研发精确识别技术机会、寻求正确的创新路径是企业提高核心竞争力的重难点所在本文利用专利大数据依托元易创新理论()与 算法构建技术创新路径识别和评价模型探究潜在技术创新机会为企业制定科学合理的技术创新研发方案提供决策参考 研究综述技术创新活动是一种包含多项环节的阶段性社会实践活动 张妍提出一项创新构想的提出是技术创新的起点创新构想是在现有技术基础上对某些尚未挖掘使用的技术创新机会感知的集合 技术创新机会可以看作是企业可能即将要发展和应用的新技术或新方案企业对技术创新机会的选择是对未来科技创新和技术发展的一种预测 企业通过不断加深对技术创新机会的认知并基于大环境企业战略创新机会设计技术创新路径开展技术创新活动 因此技术创新路径是对技术创新机会的认识和实现的途径技术创新机会识别的方法主要是基于专家认知的定性分析和基于数值的定量分析 定性分析包括德尔菲法、情景规划和层次分析法多依赖于主观判定评价结果存在不可靠性 定量分析因其客观性而较受关注分为基于非文本数据(引文数、发文量等)和基于文本数据(语义结构、关键词)两种方法 非文本数据较易获得但引文数据存在时间滞后性、国家间引用格式不统一等问题 文本数据可以用来进行技术空白和新兴技术的识别研究但存在无法提供语义关联信息、需要人工筛选停用词和依赖自然语言处理技术发展等问题近年来大数据、自然语言处理和文本挖掘等技术的发展提升了技术创新机会识别的效率但所识别出的技术创新机会仍呈现出抽象化的特点无法直接予以应用需要领域专家对其进行解读因此许多研究将专利地图引入来进行技术机会解读将技术创新机会以技术创新路径的形式进行具象化展示 冯立杰提出一种基于 类创新维度分类及获取进行 种创新法则迭代变换进而重构出多种技术创新方案的技术创新方法称作元易创新理论创新维度和创新方法耦合有单维对单法、单维对多法、多维对单法、多维对多法、单个子维对单法、多个子维对多法和多个子维对多个子法则七种变换方式通过不同的组合变换获得目标领域的技术创新路径 元易创新方法被应用在煤层气开采、无人驾驶汽车等多个技术领域验证了其科学性和有效性针对所识别出的技术创新路径的评价体系王金凤等运用多维技术创新地图具象出潜在技术方案并依据可拓学对各潜在技术创新路径进行综合关联度评级其研究主要基于专家经验进行主观性过强影响最优方案抉择的可靠性 算法是一种用于关键词抽取和文档摘要的排序算法通过对文本内部词项间的共现语义关系计算各词项权重权重较高的词项即为文本关键词 冯立杰等运用 对识别出的技术创新路径新颖性进行评价但新颖性不能作为衡量专利可行性的唯一标准如何建立更全面的潜在技术创新路径评价指标体系亟待解决 模型是市场营销领域从多维度识别客户价值的重要模型用于对观测期内顾客的消费水平研究分析从而识别出具有潜在价值的客户群体 黄鲁成等将 引入技术机会识别中对异常专利进行市场价值评估詹爱岚运用 模型基于专利国内外布局情况、专利技术影响力和研究目标一段时间内的有效专利行为三个维度对专利价值进行评估 冯立杰等运用 中的三维评价指标及四象限图判断技术机会的潜在价值 技术创新路径识别与评价模型构建本文构建了基于元易创新理论与 的技术创新路径识别与评价模型利用隐狄利克雷分布()主题模型从专利数据中挖掘技术要素基于专利数据与专家评价提出领域内现存技术问题降低技术机会识别的盲目性针对现存技术问题与预估解决策略提出有针对性的技术创新路径 其后提出 算法对技术创新路径进行评价具体研究框架如图 所示 除技术领域主题筛选、现存技术问题和维法耦合结果解读环节需要专家完善外其余工作均可通过 编程实现以抑制主观因素对技术创新路径识别和评价的影响 年 月武兰芬等:基于元易创新和 的技术创新路径识别与评价研究第 期(总 期)图 研究框架.基于元易创新理论的技术创新路径识别.用户词典构建()将专利标题与摘要导出作为基础专利文本集使用 的 工具包进行中文分词()根据词项和词频完成文本特征提取构建文档词项分布矩阵对文档进行向量化处理()提取目标技术领域的创新要素构建用户词典.主题模型构建 主题模型是一种基于三层贝叶斯结构的文本分析模型包括文档、主题和词项三层结构 利用 模型生成文档的具体流程如下:()每篇专利文献 的主题生成服从狄利克雷先验分布 ()生成 中的第 个词项主题()构建文档主题矩阵()对各主题 生成词项分布()反复进行上述过程直至生成所有文档的主题及主题词 其中 模型的联合概率分布为()()()()()计算各主题 的一致性参数和困惑度参数选择最优主题数.技术创新路径生成()根据专家意见结合用户词典删减或补充数据集继而确定目标技术领域的创新维度()通过目标技术领域的现存技术问题提取创新法则()基于元易创新理论将上述创新维度与创新法则耦合构建多维技术创新地图生成系列技术创新路径.基于 的技术创新路径评价本文提出一种对技术创新路径进行评价的 算法()运用 算法针对单个技术创新路径提取关键词得到关键词集合.为关键词个数()计算每个关键词 对应的 指标(近度、频度、额度)记为 指标含义及计算公式如表 所示表 指标含义及计算公式指标含义公式近度创新要素新颖性 频度创新要素频次 额度创新要素组合能力 ()对单个技术创新路径进行评价记为计算公式为:.其中 表示该技术创新路径中包含的关键词个数()将各技术创新路径的 值进行排序其中:越小表明该创新要素与研究开展时期的时间间隔越短即该技术创新路径具有新颖性 越大表明创新要素出现频率高表明该创新要素在领域内较为热门 越大代表其与较多的创新元素进行过组合具有较强的应用价值 工业机器人技术创新路径识别与评价.工业机器人数据来源工业机器人是智能制造装备产业的核心组成可以衡量国家高端制造业与科技发展的水平 突破关键技术瓶颈向智能化、高精化、轻量化发展已成为目前我国工业机器人领域的重要研究内容本研究使用的专利大数据来源于智慧芽公司的 专利数据库 基于工业机器人的结构设计原理与专家意见建立专利检索式以“机械手”“机械臂”“工业机器人”“”等为关键词检索数据范围为 到 年间的专利申请数据检索日期为 年 月 日共收集到工业机器人专利申请 项其中发明专利 项、实用新型专利 项.工业机器人技术创新路径识别.工业机器人 模型参数设定在工业机器人 模型运行前需要进行超参数、和主题数 的设定 根据一般经验确定超参数 和 可设定为.以此使主题模型更快实现收敛 为确定主题数 分别计算工业机器人 年 月情报探索第 期(总 期)主题模型的一致性和困惑性如图 和图 所示图 主题一致性评价图 主题困惑度评价 由图 可知当主题数超过 时模型的困惑度就会一直下降此时已处于过拟合状态因此本文从中选取聚类主题数 而当主题数为、时一致性评价都较高其中主题数为 时困惑度较高主题数为 时模型已处于过拟合状态综合考虑主题一致性、困惑度之后将主题数定为 并绘制 可视化模型结果如图 所示 是一个开源 库有助于分析由 创建的簇的高度交互式可视化 圆圈部分无重叠说明主题间分类明确聚类效果较好图 主题数为 的可视化模型 根据关键词的分词结果对聚类后的关键词集合进行主题命名得到三组主题和技术创新要素(以主题关键词表示)如表 所示 年 月武兰芬等:基于元易创新和 的技术创新路径识别与评价研究第 期(总 期)表 工业机器人主题及技术创新要素序号技术主题技术创新要素机械结构焊接、机械手、机械臂、搬运、工件、装配、输送、夹具、夹持、抓取、自动化、轨道、放置、效率、传送、气缸、托盘、上料、升降、位置、支撑、平台、底座、支架、分拣、工位、驱动、检测、机架、包装动力系统驱动、轴、关节、电机、支撑、构件、连杆、齿轮、方向、基座、液压、轴线、铰接、自由度、底座、调节、手指、传动、喷涂、支架、机械手、手臂、柔性、清洁、平台、电动机、弹簧、轴承、制动器、动力控制系统位置、传感器、检测、图像、执行、区域、目标、定位、接收、控制器、测量、监测、信号、配置、存储、激光、目标、用户、对象、视觉、元件、操纵、识别、空间、路径、关节、预测、生成、容器、误差.工业机器人创新维度的确定基于元易创新理论对工业机器人领域核心创新要素进行维度划分主要包括结构维、功能维、动力系统维、空间维、人机关系维和机理维六个维度最终确定的创新维度如表 所示表 工业机器人创新维度维度关键创新要素结构维机械手、机械臂、轨道、气缸、托盘、平台、底座、支架、机架、电机、构件、连杆、齿轮、基座、手臂、轴承、制动器、轴、关节、夹具、传感器、弹簧、末端执行器、手指、连杆、轴线、平台、工位、元件、容器、激光功能维搬运、装配、输送、传送、上料、检测、定位、接收、测量、夹持、抓取、放置、效率、柔性、清洁、调节、工件、自动化、分拣、喷涂动力系统维驱动、液压、动力、传动空间维升降、方向、区域、空间、路径、位置、温度人机关系维图像、信号、目标、用户、视觉、操纵机理维焊接、支撑、铰接、自由度、预测、监测、生成、存储、执行、识别、控制、配置.工业机器人现存技术问题分析元易创新理论的维法耦合推导出的一些技术创新路径可能存在价值及前景较小的问题 为了避免创新盲目性提升创新效率从我国工业机器人专利态势出发分析工业机器人领域当前急需解决的问题并制定解决策略如表 所示表 工业机器人现存技术问题存在问题解决策略对应创新法则如何扩展工作区域改变自由度、安装点、末端执行器的尺寸和形状组合与集成、局部优化、替代如何增大工作负载考虑手臂前端安装负荷、运行速度、加速度大小局部优化如何提高定位精度高精度的传感器局部优化解决高复杂环境下多维度问题基于深度学习的大数据分析、提高智能化、人机共融柔性化、动态化、智慧化降低完成作业困难度多机协作提高通信、决策能力保证作业完成度和效率动态化、智慧化当环境或要求发生改变让工业机器人快速满足新要求模块化、可重构柔性化、组合与集成、替代故障诊断技术远程化、智能化、跟踪探索准确排查故障引发因素智慧化、动态化、自服务.工业机器人技术创新路径识别针对我国工业机器人现有技术问题将不同维度的创新要素与优选的创新法则进行耦合具象出了 种工业机器人技术创新路径具体如表 所示表 工业机器人潜在技术创新路径编号创新维度创新法则创新要素目标技术创新路径空 间 维、结 构维、功能维动 态 化、智慧化输送、空间、区域、图像、检测、路径、预测解决 高 复 杂环境 下 的 安全问题获取输送过程中的区域空间图像检测污渍特征信息预测行进过程中产生喷溅及侧翻的风险可能性根据预测结果更正目标路径规划信息结构维、动力系统维、机理维自 服 务、局部优化机械臂、驱动、轴、连杆、油缸、铰接、关节增大负载、降低完 成 作 业困难度关节处安装转矩平衡装置机械臂上固定安装驱动轴与一对转矩平衡组件 负载改变时连杆铰接油缸压缩内部液压油平衡负载与关节转矩功能维、空间维动 态 化、柔性化上料、分拣、传送、目标、图像、柔性、效率提高 定 位 精度、分 拣 效率、柔性化上料分拣前构建并储存传送带模型、零件标准特征图像匹配比对标准特征图像与目标零件图像计算分拣优先度提高分拣定位精度、效率与柔性功能维、空间维动 态 化、智慧化检测、识别、定位、生成、监测故障诊断构建异常数据检测数据库 识别异常信息特征数据段数值长度、变量 实时监测作业过程两侧的运行数据精确定位异常点生成异常状态解决方案结 构 维、功 能维、机理维局部优化测量、传 感 器、误差、轴线、定位、末端执行器提高 定 位 精度提出一种基于双拉轴线传感器的距离位置误差模型测量系统进行几何参数标定 有效避免末端执行器定位误差的产生其系统模型造价有效降低 年 月情报探索第 期(总 期)表(续)编号创新维度创新法则创新要素目标技术创新路径空间维、功能维动 态 化、智 慧 化、柔性化控制、视觉、工件、图像、路径、误差、目标提高 定 位 精度、降低作业困难度获取工件的视觉图像信息获得规划路径与目标位置实现规划路径的误差补偿 通过机器视觉进行高精度控制提高运动控制效率及定位精度结 构 维、功 能维、机理维组合与集成、局 部优化驱动、电机、控制、温度提高 使 用 寿命、提高定位精度在驱动电机外壳安装通风板、导热环、低温传导箱与冷却液灌装箱 将低温传导箱的温度输送到电机外壳带动电机冷却驱动电机高效持续散热结 构 维、功 能维、机理维组合与集成、局 部优化机械 手、底 座、气缸、升降、调节、驱动、电机扩展 机 械 手的工 作 区 域与自由度机械手旋转气缸活塞杆带动连接板旋转以此调节角度底部驱动轮推动桥架运动使得水平可调节输送机构做竖直方向的运动使得高度可调节功 能 维、结 构维、人机关系维自 服 务、柔 性 化、组合集成控制、检测、位置、操纵提高柔性、降低完 成 作 业困难度采用模块化设计 运动控制模块:规划运动模式伺服模块:根据指令驱动实时检测模块:接收反馈信息人机交互模块:操纵其运动到指定位置 将耦合机理以多维技术创新地图的形式展示以创新路径 和创新路径 为例如图 所示 创新路径 聚焦于结构维、功能维与空间维通过优化对工作环境的适应能力且与动态化、智慧化法则耦合并进行规范性表达 创新路径 涉及结构维、机理维与动力系统维通过改变机械结构且与局部优化、自服务法则耦合并进行规范性表达图 工业机器人多维技术创新地图.工业机器人技术创新路径评价为辅助工业机器人领域企业进行创新路径抉择利用 算法指标对技术创新路径进行排序步骤如下:()基于 工具包及工业机器人领域用户词典使用 算法对各技术创新路径进行关键词提取()根据前文评价算法指标计算各技术创新路径对应的 指标如表 所示 年 月武兰芬等:基于元易创新和 的技术创新路径识别与评价研究第 期(总 期)表 潜在技术创新路径的 指标技术创新路径关键词机器人、油渍、污水、工业、路径、信息、规划、区域、图像、污渍、目标、空间、范围、过程、风险、可能性、特征.转矩、油缸、机器人、基座、制动器、机械、连杆、组件、液压、关节、平衡装置、液压油、范围、工业、控制器、寿命.传送带、图像、作业、机器人、特征、工业、过程、模型、零件、区域、定位、精度、标准、目标、方法.机器人、数据、数值、作业、精确、定位、特征、阈值、状态、过程、准确性、数据库、误差、针对性.传感器、系统、误差、模型、执行器、标定、倾角、参数、定位、距离.机器人、图像、视觉、信息、工业、误差、清晰度、精度、目标、路径、特征、规划、定位、阈值、运动学、工件、外部环境、作业、参数.电机、传导、低温、外壳、冷却、热传导、限位、温度、硝块、壳体、机构、机器人、热量、工业.机构、气缸、底座、桥架、活塞杆、装置、驱动轮、端面、机械手、方向、组件、电机、角度、高度、水平.模块、机器人、工业、控制指令、互换性、模块化、本体、手动、参数、模式、规划、信息、环境.()将三项指标进行排序:综合考虑三项指标当 越小 越大 越大时技术创新路径越能代表未来的知识发展趋势比较之后发现创新路径 与创新路径 明显相较于其他创新路径具有更好的效果 创新路径 涉及一种工业机器人上下料操作中的控制方法 引入机器视觉系统、智能触摸传感器优化控制工业机器人的分拣顺序和抓取动作帮助机械装置实时定位、判别零件特征数据及时反馈内外部空间区域状况条件智能化作出应变措施从而提高分拣定位精度、提高分拣效率使得作业过程柔性化 创新路径 描述了一种机械手工作区域的扩展方法 改进机械结构与驱动系统使得机械手的末端执行器能够匹配水平方向、竖直方向上多角度的工作要求 现如今机械手朝着小型化轻量化方向发展其工作领域环境也愈发复杂故而工作空间与自由度仍是未来创新发展的一大关键性要素综上所述创新路径 与创新路径 可成为工业机器人领域企业未来重点关注的技术创新路径 结论及启示本文使用 主题模型进行了专利创新要素提取并基于技术领域现存问题与解决策略借助元易创新理论从海量专利数据中挖掘出具有实际价值的技术创新路径进而利用 算法对识别出的技术创新路径进行评价最后以工业机器人领域的技术创新路径识别与评价为例验证了该模型的可行性研究结果表明目前工业机器人领域的潜在技术创新路径涉及复杂环境下机器视觉或智能传感器监测技术的提升通过改进控制系统与传感器提高作业过程中的效率与精度通过负载转矩相平衡提高工业机器人寿命作业过程中异常数据实时检测并消除扩展末端执行器工作空间和控制系统模块化设计等方面其中通过机器视觉优化控制系统和扩展机械手工作区域两项技术创新机会具有良好的发展前景可为企业技术创新蓄势赋能 基于此提出以下建议:在长期受到国外技术封锁的大环境下中国工业机器人企业可依靠产学研联合研发结合院校、研究所对机器视觉等相关领域的探索时刻追踪工业机器人领域最新动态在技术发展基础上寻求可行性高的技术创新路径进行核心技术开发通过专利申请对技术进行保护保证企业的长远发展本文的学术贡献主要包括以下两个方面:一是将 主题模型与元易创新理论相结合并基于领域现存技术问题有针对性地将创新维度与创新法则迭代变换避免了从海量专利数据中进行维法耦合的盲目性高效过滤没有实际价值的技术创新路径二是提出一种 技术创新路径评价算法从挖掘出的技术创新要素的新颖性、出现频次与组合能力三个指标出发综合评价潜在技术创新路径的发展趋势可能性为企业开展技术创新提供更为客观可靠的理论指导另外本文的研究还存在以下局限:一是使用 进行创新要素的挖掘会存在关键词的遗漏、不同技术主题间交叉渗透的现象后续可考虑结合专利文本的独特性引入词拓展加权改进进而挖掘出更为清晰的主题关键词二是针对技术创新路径的评价指标体系有待进一步的完善后续可考虑从技术市场应用潜力、技术跨领域应用潜力、针对竞争对手的创新机会等方面出发进一步将评价指标丰富拓展参考文献 冯华金正波常钦等.加快实施创新驱动发展战 年 月情报探索第 期(总 期)略.人民日报().杜俊义冯罡.技术创新动态能力理论研究综述.科技管理研究():.张妍.从技术机会的观点看技术创新过程.开发研究():.:.():.():.():.王坤王京安汤月等.基于专利和科技论文的技术机会识别研究:以金属 打印技术为例.科技管理研究():.宋红燕.基于专利技术要素的技术机会识别研究.北京:中国农业科学院.冯立杰.元易创新方法:技术创新的九维九法.重庆:重庆大学出版社:.李阳光.基于元易创新理论的煤层气开采技术创新研究.郑州:郑州大学.左非凡.基于元易创新理论的国内无人驾驶汽车专利规避设计研究.郑州:郑州大学.王金凤吴敏冯立杰等.基于专利挖掘与多维技术创新地图的技术机会识别路径研究.情报理论与实践():.冯立杰尤鸿宇王金凤.专利技术创新路径识别及其新颖性评价研究.情报学报():.黄鲁成李晓宇李晋.基于专利的 技术机会识别方法研究.情报理论与实践():.詹爱岚.基于 的新一代通信核心技术识别方法研究.中国发明与专利():.冯立杰马亚坤王金凤等.多维技术创新地图融合 模型的技术机会识别与评价路径研究.情报理论与实践():.张振刚罗泰晔.基于 模型和随机行动者导向模型的技术机会识别.情报学报():.钱华明.工业机器人关键部件的时变可靠性分析及优化方法研究.成都:电子科技大学.曾莉蒋文蹊.工业机器人全球专利分析.中国发明与专利():.年 月武兰芬等:基于元易创新和 的技术创新路径识别与评价研究第 期(总 期)