基于人因工程-TRIZ 的超市购物车装置专利规避创新设计*

龚漫华，刘俊飞，俞 快，张海波，王秀红

（郑州航空工业管理学院管理工程学院，河南 郑州 450015）

在社会逐渐“老龄化”的今天，买菜购物已是老年人群体的日常。根据目前的市场调研发现，大多数的超市购物车都是以广大消费群体为主，没有真正专门为满足老年人行为需求而设计的超市购物车。通过对老年群体的调查发现，适合老年人使用的购物车应当安全可靠、操作简易、智能并且能够辅助行走。通过对中国专利数据库中“老年人购物车”进行检索可知，目前国内的相关发明众多，这些专利设计大致可分为3 类：座椅式老年人购物车、拉杆箱式老年人购物车和助行式老年人购物车。例如，冯一洋等[1]设计了一种具有伸缩拉杆、坐板、支撑板和承重板的座椅式老年人购物车，使老年人购物车的使用更为便捷；刘溢丹等[2]设计了一种底座设有限位架、外壁固定设有固定架以及外壁进行软垫包装的助行式老年人购物车，更好地保障了老年人的安全；戴劭等[3]设计了一种方便老人存放和取拿的购物车。上述专利设计虽然功能多样、操作便捷，但适用环境单一、无法满足老年人超市购物的复杂环境。

此外，国外学者Kim Keon Wook 等[4]设计了一款能够引导用户快速找到商品的智能购物车；Daniel Anthony Joaquin[5]设计了一款可配置多个袋子或者购物篮的购物车。为此，我国学者对多功能购物车进行了研发，孙继国等[6]研发了一种购物车导航系统，通过超宽带（Ultra Wide Band，UWB）定位模块获得购物车的位置信息，从而实现购物导航；孙明业[7]通过在袋箱里面设置储物袋，所述袋箱上面设置第二储物台，所述第二储物台上面设置第一储物台，来增加购物车的容量。但这些设计大多是在原有产品基础上进行的概念改进，是否侵害原有专利技术还有待研究。为避免侵害原有专利技术，笔者将人因工程和TRIZ/专利规避集成理论应用于超市老年人购物车的创新设计中，从而解决以上问题，提高老年人购物车的实用性。

1 人因工程-TRIZ/专利规避集成理论

人因工程（Human Factors Engineering，HFE）是近年来迅速发展起来的一门综合性交叉学科，涉及生理学、心理学、管理学等多种学科[8]，它运用多学科理论和方法，研究人-机-环境三者之间的关系，从而使系统的设计能够满足人的生理和心理需求[9]。专利规避设计是一项源于美国的合法竞争行为，最初专利规避设计只是作为专利系统的一种工作方式，目的是鼓励发明和促进大众文化的进步，现在专利规避设计是指为规避专利保护范围来修改现有机构设计，在设计思路上侧重于如何利用不同的构造来达成相同的功能，避免侵犯他人权利[10]。TRIZ理论即发明问题解决理论，是阿奇舒勒（G S Altshuller）在1946 年创立的，TRIZ 理论主要包括3 个步骤：首先分析所遇到的难题，用标准问题来表示该问题，标准问题模型主要分为技术冲突、物理冲突、物-场模型、HOWTO 模型；其次使用TRIZ 理论工具求解标准问题；最后在得到通用解后与实际问题进行比较分析，从实际状况出发考虑各种限制因素将其转化为特殊解[11]。

2 基于TRIZ 理论的超市老年人购物车专利规避设计

2.1 确定规避对象

本次研究采用关键词检索跟国际专利分类法（International Patent Classification，IPC）检索组合使用，以“购物车”为关键词对多个数据库进行检索，去除明显与老年人购物车相关度较小的专利，得到专利的相关情况，购物车IPC 小组分类号见表1。

表1 购物车IPC 小组分类号

在表1 中，对主题相关的专利进行重点研读，得到与老年人购物车适配度较高的为B62B5/00、B62B3/00、B62B3/02、B62B3/14 小组分类号中的专利。在4 个相关主题专利分类中，对授权专利和实审专利说明书及图纸进行深入研究，尤其是对专利的成本、外观、功能等方面进行多因素综合评价，最终确定专利号为CN211075954U、名为《一种便携式可坐购物车》[12]的实用新型专利为规避对象，该专利与所要研究的目标主体契合度较高且具有很高的创新型，适合分析进行专利规避设计。

2.2 专利信息的提取

依照CN211075954U 专利的说明书，对照示意图进行功能分析，可知该款购物车的主要组件及其名称。图1 为便携式可坐购物车结构示意图；图2为便携式可坐购物车后视结构示意图。

图1 便携式可坐购物车结构示意图

图2 便携式可坐购物车后视结构示意图

在图1 与图2 中，可拆卸购物袋3 通过尼龙魔术子母贴4 连接到车架1 上，再安装坐板5，构成集座椅、储物箱于一体的可坐购物车；且将智能电子称重称8 与LCD 显示屏9 结合，更加便于用户购物。与目前市面上的老年人购物车相比，该款购物车能同时满足用户的休息和购物需求，且比较轻便；但是无法满足超市购物的复杂环境，且不能满足超市购物车需要便于堆放的要求。根据其主要结构，分析专利信息，建立便携式可坐购物车的主要专利信息抽取图，见图3。

图3 专利CN211075954U 主要专利信息抽取图

2.3 规避设计

2.3.1 功能模型

根据图3 中抽取的专利信息，建立一种便携式可坐购物车的功能结构模型图，见图4。载物结构由可拆式购物袋、坐板、前置轮和后置轮组合形成，虽然可拆式购物袋的设计便于清理、更换，但是容易积累污垢，且清洁清洗过程比较麻烦。

图4 一种便携式可坐购物车的功能结构模型图

2.3.2 结果分析

专利的非必要元素：该专利将普通购物车的轮子改为爬楼轮，爬楼轮由前置轮和后置轮组成，此项做法便于用户带着购物车上下楼梯，但是设计不够成熟，且不能确保上下楼梯时购物袋里商品的完好性，故可以当作非必要元素忽略。

专利的限制元素：该专利保护的是产品的形状、构造或者其结合所提出的适用于使用的新的技术方案。

专利潜在的劣势：该专利将购物车的储物箱改为袋的形式，容易积累污垢，且清洗过程也变得较为麻烦。

3 基于TRIZ 理论的两种新型购物车的创新设计方案

首先，对失效问题进行标准问题转化，利用TRIZ 的40 条发明原理解决技术冲突，得到创新设计后的功能结构模型图；然后，通过类比和研究领域的专业知识，寻找新的设计方案；最终，形成针对特定问题的解决方案。

3.1 冲突分析

基于TRIZ 理论和40 条发明原理中的多用性原理，如果让一个物体部件能执行多种不同的功能，就可去掉其他物体部件。当今大多数超市中，都有着在结账高峰期拥堵的问题；但如果多设置收银人员，在非高峰时期又会面临人员剩余的问题。表2为发明原理对照表1。在原有购物车的基础上，增设了智能化操作台，让顾客可以在购物完成后，随时自助结账，不用担心购物高峰期难以结账的问题。除此之外，老年人在购物时容易出现寻找物品难的问题，如果选择在超市张贴购物标识或者地图，又太过费时费力，这是因为超市的物品往往更新快，品种多杂。于是在智能化操作台装有智能导航功能，老年人可利用智能化操作台最快地找到所需物品。老年人经常会在购物过程中感觉到体力不支，于是根据合并原理，使一个物体具备多项功能，消除了该功能在其他物体内存在的必要性后，进而裁剪其他物体。在老年人购物车储物箱上加一个盖板，将购物车变成了一个随时可坐的座椅，超市将不用再增设老年人专用座椅，购物车将变得更加实用。

表2 发明原理对照表

3.2 最终功能结构模型图

运用40 条发明原理对技术冲突进行分析后，提出解决问题的设计方案，创新设计后对其再次进行功能模型分析，可得创新设计后的老年人购物车的功能结构模型图，见图5。在原有购物车的基础上，增加了一些有利于老年人购物的功能，解决了老年人在购物中容易遇到的一些问题，操作简单，方便快捷。

图5 创新设计后的老年人购物车的功能结构模型图

4 创新方案结构图

4.1 老年人购物车整体结构

1）针对上述问题，结合人因工程分析设计出老年人购物车，图6 为其整体结构图。

图6 老年人购物车整体结构图

该购物车的尺寸是根据老年人的人体尺寸来设计的，更适于老年人使用；在购物车的扶手位置安装了智能显示屏，能够查找商品的位置、价格等信息；购物车还拥有先进的导航系统，能够引领用户快速到达所需商品的位置；购物车后面的两个轮子装有刹车装置，用户可随时启动和关闭刹车；该款购物车由12 V 的可充电锂电池进行供电，显示屏需要12 V 电压，单片机需要3.3 V 电压，传感器模块需要5 V 电压，本文采用LM2937-3.3 V 芯片和LM2937-5 V 芯片，分别对其进行降压[13]，图7 为供电电路图。

图7 供电电路图

2）基于人因工程对老年人购物车的尺寸设计。在老年人的购物过程中，购物车起到至关重要的作用，其尺寸设计直接影响到用户使用的舒适度和便捷性。因此根据老年人的身体尺寸来设计购物车把手位置的高度、坐椅的座高、座宽、座深等部件，是十分有必要的。

在G1000-88《中国成年人人体尺寸国家标准》中，该国家标准中涉及的男性年龄上限为60 岁，女性年龄上限为55 岁，然而人的身体各部分尺寸会随着年龄的变化而变化，因此该国家标准并不适合作为老年人身体尺寸的参考标准。查阅相关资料后，采用老年人人体尺寸百分位数[14]作为购物车设计尺寸的参考标准，见表3。

表3 老年人人体尺寸百分位数

根据以上尺寸数据，结合老年男性和老年女性的身体各部位特征，对老年人购物车各部分尺寸进行设计。考虑到该款购物车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、体型都有差异，因此应采用产品工作高度的计算公式为

式中：W 为老年女性；M 为老年男性。

把手高度：购物车把手位置的高度计算可以根据表3 中老年人的肘高进行计算：H1=（1 023 mm+954 mm）/2=988.5 mm。科学研究发现，最舒适的高度是低于人的肘部高度76 mm[15]。因此，把手位置高度为H2=H1-76 mm=988.5 mm-76 mm=912.5 mm；考虑到鞋跟修正量，取25 mm；不考虑心理修正量。因此把手高度的合理值应为H2=912.5 mm+25 mm＝937.5 mm。

座面高度：通过查找相关文献得知，使人最舒适、最安全的坐姿是保持大腿水平，小腿自然垂直，双脚平放在地面上。当座面过高时，会导致小腿悬空，大腿受到椅子前缘的压力，让用户感到不适；当座面过低时，身材高大的人会骨盆后倾，从而导致腰部酸痛[16]。上述两种设计都会降低用户对产品的使用体验，使用时间过长还可能会对用户的身体健康造成危害。根据表3 中老年人的小腿加足高计算：H3=（369 mm+412 mm）/2=390.5 mm，考虑到鞋跟和穿着修正量，取22 mm，座椅座面高度的合理值应为H3=390.5 mm+22 mm=412.5 mm。结合实际使用场景分析，最终确定座面高度为420 mm。

座宽：座椅的座宽尺寸设计应取男性第95 百分位数P95。查表3 可知，男性P95坐姿臀宽尺寸为418 mm；考虑到着装修正量和心理修正量，取20 mm。则座宽合适尺寸为418 mm+20 mm=438 mm。

座深：由数据可知，老年男性和老年女性坐深差别不大，又考虑到座深取浅，购物车存储空间取大，这里取男性第50 百分位数P50，447 mm；考虑着装修正量和心理修正量，取20 mm。则座深的合适尺寸为447 mm+20 mm=467 mm。

4.2 各部件具体设计图

4.2.1 储物箱部分

储物箱与普通购物车一样，都采用了前面窄、后面宽的梯形设计，便于购物车的堆放。图8 为储物箱三维视图。

图8 储物箱三维视图

运行模式：后挡板是一块可以活动的梯形板，见图8（b）。当一辆购物车往前一辆购物车推进时，会将前一辆购物车的后挡板挤开，将储物箱推进前一辆购物车的储物箱，极大地节省了摆放空间。

在储物箱尺寸设计方面，基于人因工程分析，得到了老年人最适合的尺寸。基于发明原理5 合并原理，将储物箱的上方增设一个盖板，老年人在购物时可随时将盖板旋转放下，及时得到休息。

4.2.2 万向轮

4 个轮子均为万向轮，便于购物车灵活转变方向，后面2 个万向轮带有脚刹，可随时启动和关闭刹车。图9 为万向轮示意图。

图9 万向轮示意图

1）万向轮材质的选取。聚氨酯脚轮软硬适中，有静音和保护底板的效果，耐磨性也较好，适合应用在超市购物车上，给顾客营造良好的购物体验。

2）万向轮尺寸的选取。3 寸脚轮直径为75 mm，轮宽32 mm，载重可达100～150 kg，不仅小巧轻便，而且满足了大部分顾客对购物车承重的要求。

4.2.3 导航系统

运行模式：导航系统基于购物车的智能化操作台，顾客可通过智能化操作台搜索自己需要的商品名称，即可获得商品信息（位置、优惠活动等），并能自主规划最佳路线。

导航模块：购物车的交互系统具有地图导航功能，超市可以将商品位置等信息上传到后台服务终端中；顾客可以通过显示屏搜索商品名称；经后台服务器检索后，确认顾客所需商品的坐标位置，购物车自动定位自身位置，通过不断更新购物车所在空间的位置信息，利用动态路径规划算法和即时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技术，自主导航指引消费者找到商品[17]。

避障功能：避障功能主要通过超声波传感器来实现，超声波传感器的灵敏度高、穿透力强、能量消耗缓慢、测量精度高、易于做到实时控制。

5 改善前后对比分析

表4 为改善前后效果对比表。

表4 改善前后效果对比表

由表4 可知，该老年人购物车与专利CN211-075954U 相比，在外观和功能上都做出了一些改善，该款购物车更加新颖美观，且基于人因工程设计了购物车的尺寸，从生理和心理上满足了老年人的需求，更加适合老年人使用。在功能方面将导航模块与避障模块结合，购物车能够自主规划路线，帮助用户更加准确、快捷地找到所需商品的位置。

6 结束语

目前市场上有许许多多形态各异、功能各不相同的购物车，但是这些购物车大都适用于普通人群，很少有专门为老年人设计的购物车。一些学者基于老年群体设计了座椅式购物车、可折叠购物车、可爬楼购物车等，但这些购物车大都为家用购物车，体型笨重、功能单一、不易携带，为此笔者将人因工程与TRIZ 理论结合使用，对其进行改善创新，设计了一款专门适用于老年人的超市购物车。通过人因工程分析改善购物车的尺寸，使得购物车更加适合老年人使用；通过改变储物装置的形态，使得储物装置更加便于清洁；通过增添导航系统和智能操作台，使得用户能够即时掌握商品的价格、位置、优惠活动等信息，能够即时地找到所需商品。该款老年人购物车相较于市场原有的购物车，更加美观、更加智能、更适合老年人使用、功能多样且能够助行。