基于人因工程-TRIZ 的超市購物車裝置專利規避創新設計*

龔漫華，劉俊飛，俞 快，張海波，王秀紅

（鄭州航空工業管理學院管理工程學院，河南 鄭州 450015）

在社會逐漸“老齡化”的今天，買菜購物已是老年人群體的日常。根據目前的市場調研發現，大多數的超市購物車都是以廣大消費群體為主，沒有真正專門為滿足老年人行為需求而設計的超市購物車。通過對老年群體的調查發現，適合老年人使用的購物車應當安全可靠、操作簡易、智能并且能夠輔助行走。通過對中國專利數據庫中“老年人購物車”進行檢索可知，目前國內的相關發明眾多，這些專利設計大致可分為3 類：座椅式老年人購物車、拉桿箱式老年人購物車和助行式老年人購物車。例如，馮一洋等[1]設計了一種具有伸縮拉桿、坐板、支撐板和承重板的座椅式老年人購物車，使老年人購物車的使用更為便捷；劉溢丹等[2]設計了一種底座設有限位架、外壁固定設有固定架以及外壁進行軟墊包裝的助行式老年人購物車，更好地保障了老年人的安全；戴劭等[3]設計了一種方便老人存放和取拿的購物車。上述專利設計雖然功能多樣、操作便捷，但適用環境單一、無法滿足老年人超市購物的復雜環境。

此外，國外學者Kim Keon Wook 等[4]設計了一款能夠引導用戶快速找到商品的智能購物車；Daniel Anthony Joaquin[5]設計了一款可配置多個袋子或者購物籃的購物車。為此，我國學者對多功能購物車進行了研發，孫繼國等[6]研發了一種購物車導航系統，通過超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）定位模塊獲得購物車的位置信息，從而實現購物導航；孫明業[7]通過在袋箱里面設置儲物袋，所述袋箱上面設置第二儲物臺，所述第二儲物臺上面設置第一儲物臺，來增加購物車的容量。但這些設計大多是在原有產品基礎上進行的概念改進，是否侵害原有專利技術還有待研究。為避免侵害原有專利技術，筆者將人因工程和TRIZ/專利規避集成理論應用于超市老年人購物車的創新設計中，從而解決以上問題，提高老年人購物車的實用性。

1 人因工程-TRIZ/專利規避集成理論

人因工程（Human Factors Engineering，HFE）是近年來迅速發展起來的一門綜合性交叉學科，涉及生理學、心理學、管理學等多種學科[8]，它運用多學科理論和方法，研究人-機-環境三者之間的關系，從而使系統的設計能夠滿足人的生理和心理需求[9]。專利規避設計是一項源于美國的合法競爭行為，最初專利規避設計只是作為專利系統的一種工作方式，目的是鼓勵發明和促進大眾文化的進步，現在專利規避設計是指為規避專利保護范圍來修改現有機構設計，在設計思路上側重于如何利用不同的構造來達成相同的功能，避免侵犯他人權利[10]。TRIZ理論即發明問題解決理論，是阿奇舒勒（G S Altshuller）在1946 年創立的，TRIZ 理論主要包括3 個步驟：首先分析所遇到的難題，用標準問題來表示該問題，標準問題模型主要分為技術沖突、物理沖突、物-場模型、HOWTO 模型；其次使用TRIZ 理論工具求解標準問題；最后在得到通用解后與實際問題進行比較分析，從實際狀況出發考慮各種限制因素將其轉化為特殊解[11]。

2 基于TRIZ 理論的超市老年人購物車專利規避設計

2.1 確定規避對象

本次研究采用關鍵詞檢索跟國際專利分類法（International Patent Classification，IPC）檢索組合使用，以“購物車”為關鍵詞對多個數據庫進行檢索，去除明顯與老年人購物車相關度較小的專利，得到專利的相關情況，購物車IPC 小組分類號見表1。

表1 購物車IPC 小組分類號

在表1 中，對主題相關的專利進行重點研讀，得到與老年人購物車適配度較高的為B62B5/00、B62B3/00、B62B3/02、B62B3/14 小組分類號中的專利。在4 個相關主題專利分類中，對授權專利和實審專利說明書及圖紙進行深入研究，尤其是對專利的成本、外觀、功能等方面進行多因素綜合評價，最終確定專利號為CN211075954U、名為《一種便攜式可坐購物車》[12]的實用新型專利為規避對象，該專利與所要研究的目標主體契合度較高且具有很高的創新型，適合分析進行專利規避設計。

2.2 專利信息的提取

依照CN211075954U 專利的說明書，對照示意圖進行功能分析，可知該款購物車的主要組件及其名稱。圖1 為便攜式可坐購物車結構示意圖；圖2為便攜式可坐購物車后視結構示意圖。

圖1 便攜式可坐購物車結構示意圖

圖2 便攜式可坐購物車后視結構示意圖

在圖1 與圖2 中，可拆卸購物袋3 通過尼龍魔術子母貼4 連接到車架1 上，再安裝坐板5，構成集座椅、儲物箱于一體的可坐購物車；且將智能電子稱重稱8 與LCD 顯示屏9 結合，更加便于用戶購物。與目前市面上的老年人購物車相比，該款購物車能同時滿足用戶的休息和購物需求，且比較輕便；但是無法滿足超市購物的復雜環境，且不能滿足超市購物車需要便于堆放的要求。根據其主要結構，分析專利信息，建立便攜式可坐購物車的主要專利信息抽取圖，見圖3。

圖3 專利CN211075954U 主要專利信息抽取圖

2.3 規避設計

2.3.1 功能模型

根據圖3 中抽取的專利信息，建立一種便攜式可坐購物車的功能結構模型圖，見圖4。載物結構由可拆式購物袋、坐板、前置輪和后置輪組合形成，雖然可拆式購物袋的設計便于清理、更換，但是容易積累污垢，且清潔清洗過程比較麻煩。

圖4 一種便攜式可坐購物車的功能結構模型圖

2.3.2 結果分析

專利的非必要元素：該專利將普通購物車的輪子改為爬樓輪，爬樓輪由前置輪和后置輪組成，此項做法便于用戶帶著購物車上下樓梯，但是設計不夠成熟，且不能確保上下樓梯時購物袋里商品的完好性，故可以當作非必要元素忽略。

專利的限制元素：該專利保護的是產品的形狀、構造或者其結合所提出的適用于使用的新的技術方案。

專利潛在的劣勢：該專利將購物車的儲物箱改為袋的形式，容易積累污垢，且清洗過程也變得較為麻煩。

3 基于TRIZ 理論的兩種新型購物車的創新設計方案

首先，對失效問題進行標準問題轉化，利用TRIZ 的40 條發明原理解決技術沖突，得到創新設計后的功能結構模型圖；然后，通過類比和研究領域的專業知識，尋找新的設計方案；最終，形成針對特定問題的解決方案。

3.1 沖突分析

基于TRIZ 理論和40 條發明原理中的多用性原理，如果讓一個物體部件能執行多種不同的功能，就可去掉其他物體部件。當今大多數超市中，都有著在結賬高峰期擁堵的問題；但如果多設置收銀人員，在非高峰時期又會面臨人員剩余的問題。表2為發明原理對照表1。在原有購物車的基礎上，增設了智能化操作臺，讓顧客可以在購物完成后，隨時自助結賬，不用擔心購物高峰期難以結賬的問題。除此之外，老年人在購物時容易出現尋找物品難的問題，如果選擇在超市張貼購物標識或者地圖，又太過費時費力，這是因為超市的物品往往更新快，品種多雜。于是在智能化操作臺裝有智能導航功能，老年人可利用智能化操作臺最快地找到所需物品。老年人經常會在購物過程中感覺到體力不支，于是根據合并原理，使一個物體具備多項功能，消除了該功能在其他物體內存在的必要性后，進而裁剪其他物體。在老年人購物車儲物箱上加一個蓋板，將購物車變成了一個隨時可坐的座椅，超市將不用再增設老年人專用座椅，購物車將變得更加實用。

表2 發明原理對照表

3.2 最終功能結構模型圖

運用40 條發明原理對技術沖突進行分析后，提出解決問題的設計方案，創新設計后對其再次進行功能模型分析，可得創新設計后的老年人購物車的功能結構模型圖，見圖5。在原有購物車的基礎上，增加了一些有利于老年人購物的功能，解決了老年人在購物中容易遇到的一些問題，操作簡單，方便快捷。

圖5 創新設計后的老年人購物車的功能結構模型圖

4 創新方案結構圖

4.1 老年人購物車整體結構

1）針對上述問題，結合人因工程分析設計出老年人購物車，圖6 為其整體結構圖。

圖6 老年人購物車整體結構圖

該購物車的尺寸是根據老年人的人體尺寸來設計的，更適于老年人使用；在購物車的扶手位置安裝了智能顯示屏，能夠查找商品的位置、價格等信息；購物車還擁有先進的導航系統，能夠引領用戶快速到達所需商品的位置；購物車后面的兩個輪子裝有剎車裝置，用戶可隨時啟動和關閉剎車；該款購物車由12 V 的可充電鋰電池進行供電，顯示屏需要12 V 電壓，單片機需要3.3 V 電壓，傳感器模塊需要5 V 電壓，本文采用LM2937-3.3 V 芯片和LM2937-5 V 芯片，分別對其進行降壓[13]，圖7 為供電電路圖。

圖7 供電電路圖

2）基于人因工程對老年人購物車的尺寸設計。在老年人的購物過程中，購物車起到至關重要的作用，其尺寸設計直接影響到用戶使用的舒適度和便捷性。因此根據老年人的身體尺寸來設計購物車把手位置的高度、坐椅的座高、座寬、座深等部件，是十分有必要的。

在G1000-88《中國成年人人體尺寸國家標準》中，該國家標準中涉及的男性年齡上限為60 歲，女性年齡上限為55 歲，然而人的身體各部分尺寸會隨著年齡的變化而變化，因此該國家標準并不適合作為老年人身體尺寸的參考標準。查閱相關資料后，采用老年人人體尺寸百分位數[14]作為購物車設計尺寸的參考標準，見表3。

表3 老年人人體尺寸百分位數

根據以上尺寸數據，結合老年男性和老年女性的身體各部位特征，對老年人購物車各部分尺寸進行設計。考慮到該款購物車的主要使用人群是老年男性和老年女性，且老年男性和老年女性的身高、體型都有差異，因此應采用產品工作高度的計算公式為

式中：W 為老年女性；M 為老年男性。

把手高度：購物車把手位置的高度計算可以根據表3 中老年人的肘高進行計算：H1=（1 023 mm+954 mm）/2=988.5 mm。科學研究發現，最舒適的高度是低于人的肘部高度76 mm[15]。因此，把手位置高度為H2=H1-76 mm=988.5 mm-76 mm=912.5 mm；考慮到鞋跟修正量，取25 mm；不考慮心理修正量。因此把手高度的合理值應為H2=912.5 mm+25 mm＝937.5 mm。

座面高度：通過查找相關文獻得知，使人最舒適、最安全的坐姿是保持大腿水平，小腿自然垂直，雙腳平放在地面上。當座面過高時，會導致小腿懸空，大腿受到椅子前緣的壓力，讓用戶感到不適；當座面過低時，身材高大的人會骨盆后傾，從而導致腰部酸痛[16]。上述兩種設計都會降低用戶對產品的使用體驗，使用時間過長還可能會對用戶的身體健康造成危害。根據表3 中老年人的小腿加足高計算：H3=（369 mm+412 mm）/2=390.5 mm，考慮到鞋跟和穿著修正量，取22 mm，座椅座面高度的合理值應為H3=390.5 mm+22 mm=412.5 mm。結合實際使用場景分析，最終確定座面高度為420 mm。

座寬：座椅的座寬尺寸設計應取男性第95 百分位數P95。查表3 可知，男性P95坐姿臀寬尺寸為418 mm；考慮到著裝修正量和心理修正量，取20 mm。則座寬合適尺寸為418 mm+20 mm=438 mm。

座深：由數據可知，老年男性和老年女性坐深差別不大，又考慮到座深取淺，購物車存儲空間取大，這里取男性第50 百分位數P50，447 mm；考慮著裝修正量和心理修正量，取20 mm。則座深的合適尺寸為447 mm+20 mm=467 mm。

4.2 各部件具體設計圖

4.2.1 儲物箱部分

儲物箱與普通購物車一樣，都采用了前面窄、后面寬的梯形設計，便于購物車的堆放。圖8 為儲物箱三維視圖。

圖8 儲物箱三維視圖

運行模式：后擋板是一塊可以活動的梯形板，見圖8（b）。當一輛購物車往前一輛購物車推進時，會將前一輛購物車的后擋板擠開，將儲物箱推進前一輛購物車的儲物箱，極大地節省了擺放空間。

在儲物箱尺寸設計方面，基于人因工程分析，得到了老年人最適合的尺寸。基于發明原理5 合并原理，將儲物箱的上方增設一個蓋板，老年人在購物時可隨時將蓋板旋轉放下，及時得到休息。

4.2.2 萬向輪

4 個輪子均為萬向輪，便于購物車靈活轉變方向，后面2 個萬向輪帶有腳剎，可隨時啟動和關閉剎車。圖9 為萬向輪示意圖。

圖9 萬向輪示意圖

1）萬向輪材質的選取。聚氨酯腳輪軟硬適中，有靜音和保護底板的效果，耐磨性也較好，適合應用在超市購物車上，給顧客營造良好的購物體驗。

2）萬向輪尺寸的選取。3 寸腳輪直徑為75 mm，輪寬32 mm，載重可達100～150 kg，不僅小巧輕便，而且滿足了大部分顧客對購物車承重的要求。

4.2.3 導航系統

運行模式：導航系統基于購物車的智能化操作臺，顧客可通過智能化操作臺搜索自己需要的商品名稱，即可獲得商品信息（位置、優惠活動等），并能自主規劃最佳路線。

導航模塊：購物車的交互系統具有地圖導航功能，超市可以將商品位置等信息上傳到后臺服務終端中；顧客可以通過顯示屏搜索商品名稱；經后臺服務器檢索后，確認顧客所需商品的坐標位置，購物車自動定位自身位置，通過不斷更新購物車所在空間的位置信息，利用動態路徑規劃算法和即時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術，自主導航指引消費者找到商品[17]。

避障功能：避障功能主要通過超聲波傳感器來實現，超聲波傳感器的靈敏度高、穿透力強、能量消耗緩慢、測量精度高、易于做到實時控制。

5 改善前后對比分析

表4 為改善前后效果對比表。

表4 改善前后效果對比表

由表4 可知，該老年人購物車與專利CN211-075954U 相比，在外觀和功能上都做出了一些改善，該款購物車更加新穎美觀，且基于人因工程設計了購物車的尺寸，從生理和心理上滿足了老年人的需求，更加適合老年人使用。在功能方面將導航模塊與避障模塊結合，購物車能夠自主規劃路線，幫助用戶更加準確、快捷地找到所需商品的位置。

6 結束語

目前市場上有許許多多形態各異、功能各不相同的購物車，但是這些購物車大都適用于普通人群，很少有專門為老年人設計的購物車。一些學者基于老年群體設計了座椅式購物車、可折疊購物車、可爬樓購物車等，但這些購物車大都為家用購物車，體型笨重、功能單一、不易攜帶，為此筆者將人因工程與TRIZ 理論結合使用，對其進行改善創新，設計了一款專門適用于老年人的超市購物車。通過人因工程分析改善購物車的尺寸，使得購物車更加適合老年人使用；通過改變儲物裝置的形態，使得儲物裝置更加便于清潔；通過增添導航系統和智能操作臺，使得用戶能夠即時掌握商品的價格、位置、優惠活動等信息，能夠即時地找到所需商品。該款老年人購物車相較于市場原有的購物車，更加美觀、更加智能、更適合老年人使用、功能多樣且能夠助行。