基于人因工程-TRIZ 的超市購物車裝置專利規(guī)避創(chuàng)新設(shè)計*

龔漫華，劉俊飛，俞 快，張海波，王秀紅

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院管理工程學(xué)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(jù)目前的市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)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(shè)計的超市購物車。通過對老年群體的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，適合老年人使用的購物車應(yīng)當(dāng)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(shù)據(jù)庫中“老年人購物車”進(jìn)行檢索可知，目前國內(nèi)的相關(guān)發(fā)明眾多，這些專利設(shè)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(shè)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(shè)計了一種底座設(shè)有限位架、外壁固定設(shè)有固定架以及外壁進(jìn)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(shè)計了一種方便老人存放和取拿的購物車。上述專利設(shè)計雖然功能多樣、操作便捷，但適用環(huán)境單一、無法滿足老年人超市購物的復(fù)雜環(huán)境。

此外，國外學(xué)者Kim Keon Wook 等[4]設(shè)計了一款能夠引導(dǎo)用戶快速找到商品的智能購物車；Daniel Anthony Joaquin[5]設(shè)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(xué)者對多功能購物車進(jìn)行了研發(fā)，孫繼國等[6]研發(fā)了一種購物車導(dǎo)航系統(tǒng)，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(xiàn)購物導(dǎo)航；孫明業(yè)[7]通過在袋箱里面設(shè)置儲物袋，所述袋箱上面設(shè)置第二儲物臺，所述第二儲物臺上面設(shè)置第一儲物臺，來增加購物車的容量。但這些設(shè)計大多是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行的概念改進(jìn)，是否侵害原有專利技術(shù)還有待研究。為避免侵害原有專利技術(shù)，筆者將人因工程和TRIZ/專利規(guī)避集成理論應(yīng)用于超市老年人購物車的創(chuàng)新設(shè)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(guī)避集成理論

人因工程（Human Factors Engineering，HFE）是近年來迅速發(fā)展起來的一門綜合性交叉學(xué)科，涉及生理學(xué)、心理學(xué)、管理學(xué)等多種學(xué)科[8]，它運用多學(xué)科理論和方法，研究人-機(jī)-環(huán)境三者之間的關(guān)系，從而使系統(tǒng)的設(shè)計能夠滿足人的生理和心理需求[9]。專利規(guī)避設(shè)計是一項源于美國的合法競爭行為，最初專利規(guī)避設(shè)計只是作為專利系統(tǒng)的一種工作方式，目的是鼓勵發(fā)明和促進(jìn)大眾文化的進(jìn)步，現(xiàn)在專利規(guī)避設(shè)計是指為規(guī)避專利保護(hù)范圍來修改現(xiàn)有機(jī)構(gòu)設(shè)計，在設(shè)計思路上側(cè)重于如何利用不同的構(gòu)造來達(dá)成相同的功能，避免侵犯他人權(quán)利[10]。TRIZ理論即發(fā)明問題解決理論，是阿奇舒勒（G S Altshuller）在1946 年創(chuàng)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(biāo)準(zhǔn)問題來表示該問題，標(biāo)準(zhǔn)問題模型主要分為技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)問題；最后在得到通用解后與實際問題進(jìn)行比較分析，從實際狀況出發(fā)考慮各種限制因素將其轉(zhuǎn)化為特殊解[11]。

2 基于TRIZ 理論的超市老年人購物車專利規(guī)避設(shè)計

2.1 確定規(guī)避對象

本次研究采用關(guān)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(guān)鍵詞對多個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，去除明顯與老年人購物車相關(guān)度較小的專利，得到專利的相關(guān)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(guān)的專利進(jìn)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(guān)主題專利分類中，對授權(quán)專利和實審專利說明書及圖紙進(jìn)行深入研究，尤其是對專利的成本、外觀、功能等方面進(jìn)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(guī)避對象，該專利與所要研究的目標(biāo)主體契合度較高且具有很高的創(chuàng)新型，適合分析進(jìn)行專利規(guī)避設(shè)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(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖；圖2為便攜式可坐購物車后視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 便攜式可坐購物車結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 便攜式可坐購物車后視結(jié)構(gòu)示意圖

在圖1 與圖2 中，可拆卸購物袋3 通過尼龍魔術(shù)子母貼4 連接到車架1 上，再安裝坐板5，構(gòu)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(jié)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(fù)雜環(huán)境，且不能滿足超市購物車需要便于堆放的要求。根據(jù)其主要結(jié)構(gòu)，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(guī)避設(shè)計

2.3.1 功能模型

根據(jù)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(jié)構(gòu)模型圖，見圖4。載物結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)模型圖

2.3.2 結(jié)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(shè)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(dāng)作非必要元素忽略。

專利的限制元素：該專利保護(hù)的是產(chǎn)品的形狀、構(gòu)造或者其結(jié)合所提出的適用于使用的新的技術(shù)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(chuàng)新設(shè)計方案

首先，對失效問題進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)問題轉(zhuǎn)化，利用TRIZ 的40 條發(fā)明原理解決技術(shù)沖突，得到創(chuàng)新設(shè)計后的功能結(jié)構(gòu)模型圖；然后，通過類比和研究領(lǐng)域的專業(yè)知識，尋找新的設(shè)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(fā)明原理中的多用性原理，如果讓一個物體部件能執(zhí)行多種不同的功能，就可去掉其他物體部件。當(dāng)今大多數(shù)超市中，都有著在結(jié)賬高峰期擁堵的問題；但如果多設(shè)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(fā)明原理對照表1。在原有購物車的基礎(chǔ)上，增設(shè)了智能化操作臺，讓顧客可以在購物完成后，隨時自助結(jié)賬，不用擔(dān)心購物高峰期難以結(jié)賬的問題。除此之外，老年人在購物時容易出現(xiàn)尋找物品難的問題，如果選擇在超市張貼購物標(biāo)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(dǎo)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(jīng)常會在購物過程中感覺到體力不支，于是根據(jù)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(nèi)存在的必要性后，進(jìn)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(shè)老年人專用座椅，購物車將變得更加實用。

表2 發(fā)明原理對照表

3.2 最終功能結(jié)構(gòu)模型圖

運用40 條發(fā)明原理對技術(shù)沖突進(jìn)行分析后，提出解決問題的設(shè)計方案，創(chuàng)新設(shè)計后對其再次進(jìn)行功能模型分析，可得創(chuàng)新設(shè)計后的老年人購物車的功能結(jié)構(gòu)模型圖，見圖5。在原有購物車的基礎(chǔ)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(chuàng)新設(shè)計后的老年人購物車的功能結(jié)構(gòu)模型圖

4 創(chuàng)新方案結(jié)構(gòu)圖

4.1 老年人購物車整體結(jié)構(gòu)

1）針對上述問題，結(jié)合人因工程分析設(shè)計出老年人購物車，圖6 為其整體結(jié)構(gòu)圖。

圖6 老年人購物車整體結(jié)構(gòu)圖

該購物車的尺寸是根據(jù)老年人的人體尺寸來設(shè)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(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠引領(lǐng)用戶快速到達(dá)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(guān)閉剎車；該款購物車由12 V 的可充電鋰電池進(jìn)行供電，顯示屏需要12 V 電壓，單片機(jī)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(jìn)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(shè)計。在老年人的購物過程中，購物車起到至關(guān)重要的作用，其尺寸設(shè)計直接影響到用戶使用的舒適度和便捷性。因此根據(jù)老年人的身體尺寸來設(shè)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(biāo)準(zhǔn)》中，該國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)并不適合作為老年人身體尺寸的參考標(biāo)準(zhǔn)。查閱相關(guān)資料后，采用老年人人體尺寸百分位數(shù)[14]作為購物車設(shè)計尺寸的參考標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 老年人人體尺寸百分位數(shù)

根據(jù)以上尺寸數(shù)據(jù)，結(jié)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(jìn)行設(shè)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(yīng)采用產(chǎn)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(jù)表3 中老年人的肘高進(jìn)行計算：H1=（1 023 mm+954 mm）/2=988.5 mm?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，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(yīng)為H2=912.5 mm+25 mm＝937.5 mm。

座面高度：通過查找相關(guān)文獻(xiàn)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(dāng)座面過高時，會導(dǎo)致小腿懸空，大腿受到椅子前緣的壓力，讓用戶感到不適；當(dāng)座面過低時，身材高大的人會骨盆后傾，從而導(dǎo)致腰部酸痛[16]。上述兩種設(shè)計都會降低用戶對產(chǎn)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(jù)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(yīng)為H3=390.5 mm+22 mm=412.5 mm。結(jié)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(shè)計應(yīng)取男性第95 百分位數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shè)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(shè)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(dāng)一輛購物車往前一輛購物車推進(jìn)時，會將前一輛購物車的后擋板擠開，將儲物箱推進(jìn)前一輛購物車的儲物箱，極大地節(jié)省了擺放空間。

在儲物箱尺寸設(shè)計方面，基于人因工程分析，得到了老年人最適合的尺寸?；诎l(fā)明原理5 合并原理，將儲物箱的上方增設(shè)一個蓋板，老年人在購物時可隨時將蓋板旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變方向，后面2 個萬向輪帶有腳剎，可隨時啟動和關(guān)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(zhì)的選取。聚氨酯腳輪軟硬適中，有靜音和保護(hù)底板的效果，耐磨性也較好，適合應(yīng)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(dá)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(dǎo)航系統(tǒng)

運行模式：導(dǎo)航系統(tǒng)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(yōu)惠活動等），并能自主規(guī)劃最佳路線。

導(dǎo)航模塊：購物車的交互系統(tǒng)具有地圖導(dǎo)航功能，超市可以將商品位置等信息上傳到后臺服務(wù)終端中；顧客可以通過顯示屏搜索商品名稱；經(jīng)后臺服務(wù)器檢索后，確認(rèn)顧客所需商品的坐標(biāo)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(tài)路徑規(guī)劃算法和即時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）技術(shù)，自主導(dǎo)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(xiàn)，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(shè)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(dǎo)航模塊與避障模塊結(jié)合，購物車能夠自主規(guī)劃路線，幫助用戶更加準(zhǔn)確、快捷地找到所需商品的位置。

6 結(jié)束語

目前市場上有許許多多形態(tài)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(shè)計的購物車。一些學(xué)者基于老年群體設(shè)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(jié)合使用，對其進(jìn)行改善創(chuàng)新，設(shè)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(tài)，使得儲物裝置更加便于清潔；通過增添導(dǎo)航系統(tǒng)和智能操作臺，使得用戶能夠即時掌握商品的價格、位置、優(yōu)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。