基于TRIZ和专利规避的老人购物车设计

21世纪以来，中国人口老龄化情况日趋严峻。由第七次全国人口普查数据显示，同人口老龄化程度的划分标准，得出以普遍高于世界平均水平。在设计相关领域中逐渐关注到老龄弱势群体，已有部分学者分别对适老设计[1]、可用性设计[2]、服务设计[3]进行研究，因此适老关怀的设计应用研究在步入老龄化时代就格外重视。目前，学者还针对老人购物车进行设计研究，于东玖[4]等基于用户体验层面提出老人购物车的设计原则。张乐[5]等以TRIZ理論进行老人购物车的设计。一、老人购物车需求现状李君华[6]，以用户体验为出发，从老年群体的生理和心理分析显性需求，结合用户旅程图分析出行状况、助行需求和行为方式挖掘潜在需求。其阶段进程和体验反应下的机遇和挑战集中于“车的负重”和“拿取不便”；陈利君[7]，以UCD分析使用需求和环境需求，以UCD和TRIZ结合确定三个主要需求为1）舒适性需求，如爬梯、操作简便；2）功能需求，如分层储物、助力省力；3）安全需求，如驻停制动、框架稳定；易显钦[8]，从社会福祉出发，先分析市场代表性产品，以双轮和四轮为主，其部分双轮采用爬梯三角轮，但价格高的接受度低，再结合用户洞察得出“物品收纳”“爬梯中物体不便”“防滑防侧翻”“闲置存放”等，其防侧滑体现出四轮的必要性。葛怡[9]，是基于UCD和马斯洛需求对用户需求进行分析，提出“操作便捷性”“安全制动系统”“重量体积”和“便捷收纳”等。史耀军[10]，基于用户体验从生理和心理特征进行分析，总结出“助行辅助”“操作便捷”“座椅休息”“物品收纳”“安全稳定”和“易学易用”。严灿璨等，以空巢老人生活辅具需求分析研究，对老人购物买菜进行观察和访谈，得出现状是“不便收纳”“不能分类放置”“高度不可调节”等痛点，并以辅具重量应适宜老人使用为设计要求。综上，诸多学者从用户需求适老化角度提出老人购物车的设计要素，但未能考虑产品本身技术进化的导向性，特别是专利技术的限制和技术进化的可能。由此以TRIZ和专利分析进行技术上的进一步创新。二、TRIZ理论和专利分析概述（一）TRIZ理论TRIZ起源于专利的检索和分析，广泛应用于工程科学领域问题求解。现代TRIZ可分成4个模块，分别是突破思维惯性、分析问题、解决问题、产品预测。以集成思想与工程技术、管理以及专利领域，形成分析、定义、求解的系统创新手段。TRIZ在专利领域的应用研究主要有4个方面，专利自动分类方法、专利价值评价方法、专利分析的产品设计、专利规避设计[11]。（二）专利分析和规避专利分析，是以技术推动为基础，获取产品用户需求的来源，对技术发展规律作市场应用性分析、技术预测、以技术推动的方式获取需求。张建辉[12]等通过需求与技术的融合进化，从宏观和微观上获取满足用户需求的原型产品。杨利峰[13]等应用粗糙集理论构建专利地图与TRIZ融合技术创新的指标体系，提高专利分析的准确性与有效性。专利规避，是专利分析与TRIZ相结合的方法，利用功能模型分析出系统间及子系统间的各组件相互作用关系。保证在技术不侵权的条件下，按照一定客观规律实现系统所需的功能和需求的创新发展。LiM[14]等提出基于TRIZ和专利规避设计的流程模型。LiH[15]运用进化法则和捆绑式专利组合分析进行分析。付敏[16]等基于LCA的技术进化分析，结合TRIZ构建流程化功能裁剪设计模型，实现技术创新。张雷[17]等提出基于TRIZ和专利分析的产品绿色创新方法，在分析中引入相关度和创新性进行专利规避。三、基于技术进化理论（一）专利数据检索。运用Derwent和CNIPA检索系统，以“1998-2021”时间范围内的专利复合检索。根据专业CAI软件及专家评价等方式，对提取的VO（“推拉购物车”）和VOP（“推拉购物车的便携性”）功能语义结构进行词义的匹配，同时对隐含的主语S（“老年人”）进行约束，以在专利领域内寻求类似解。据上述方式所筛选出合理的检索关键词“老年购物车”（确定“shoppingcart”and“theelder”为检索式），所覆盖数量为108项，进一步通过德温特Engineering学科精炼为99项。同时分别从“同位词”精确检索、从“上位词”一般化扩展检索、从“下位词”特殊化扩展检索。其中上位词以IPC分类号进行统计分析B62B-003/14；同位词以精炼检索老人购物车、老人助行器等为关键词；下位词以功能性限定的爬梯购物车、折叠购物车、可坐式购物车等为关键词。与CNIPA检索进行复本数据比较，由于2021年疫情不可抗力因素下，全年专利授权数量关系存在一定误差，以下半年才有授权记录。因此不具备完全历时性的参考价值，故在图表数据进行剔除。综上在全球范围内相关专利授权数呈现缓增函数关系的趋势。（二）S-曲线拟合分析。在产品技术发展的周期过程中存在客观规律，按进化的历时性表现为萌芽期、成长期、成熟期和衰退期，在数理关系呈现S-曲线的周期性发展。对专利检索和分类，所形成的S-曲线可用于充分评估现有相关产品技术的成熟度，为产品研发中进化迭代的策略提供科学依据。据TRIZ生命周期S-曲线四参数，得出性能属性、专利等级、专利数量以及产生利润水平，是随时间的变化呈现一定函数关系[18][19]。如图1所示。在TRIZ一般檢索中是根据专利数以及专利成长率来判定S曲线中的所处状态，即技术发展情况。由Derwent的检索数据，进行专利数的统计分析，由统计多项式拟合曲线得出呈现递增且放缓趋势，即在技术发展中为成长期与成熟期的拐点阶段。如图2所示。式中，a为发明专利数量；b为实用新型数量；A为过去5年内发明专利授权数量。若V增加，则说明技术处于成长期；若α降低，则说明处于成熟期[20]。根据（1）（2）分别得出，如表1所示，可得出自2017年后技术成长率下降，已不再是成长期；同时成熟度呈现一定波动，意味着正步入成熟期；并且发明专利和实用新型拟合于专利等级中第二和三阶段，再次例证目前是在成长期与成熟期的拐点阶段。（三）专利分析。由技术进化理论，在不同时期的采取不同的进化法则。在萌芽期采用完备性、能量传递和协调性法则；在成长期采用提高理想度、动态性进化和子系统不均衡进化法则；在成熟期采用向微观进化法则；在衰退期采用向超系统进化法则[21]。根据S-曲线的拟合情况，技术现状为成长期和成熟期拐点，应采用提高理想度、动态性进化、子系统不均衡进化和向微观进化为理想技术进化法则。1.筛选专利。对授权时间、创新水平、功能原理以及符合阶段性进化法则等因素进行筛选，符合筛选条件共9件相关专利，并作为候选专利进行分析。如图3。专利1[22]，此专利为电动助力车与购物车结合，本体为两部分，一部分以电动机为动力装置，实现老人的代步出行；另一部分是置物篮部分。专利2[23]，此专利以架体、定滑轮、摩擦套、横杆把手、挂钩为主体组件。架体设置上下两层的分层篮以及横杆两侧挂钩，来满足多重置物需求。专利3[24]，此专利为多功能适老购物车。主体为助行器、购物袋、翻转折叠伞蓬、折叠座椅四部分。车架上设有可拆卸式伞篷支架，提供遮阳避雨；车架内侧是悬挂式柔性座椅，车架外侧是折叠购物翻袋。专利4[25]，此专利包括推车主体、推车主体前侧万向轮和后侧滚轮。设计创新在于车主体后侧的履带式爬升装置，可通过履带角度调节和履带动力传输进行爬梯。专利5[26]，此专利是由支撑板、置物框、万向轮和支撑杆组成。置物框顶部的外侧设有可翻转的座椅板，提供短暂性休息。专利6[27]，此专利是由固定底座、防滑轮、千斤顶、缓冲器、折叠风箱、储物篮，所构成的可上下调节高度的购物车。折叠风箱的结构设计，可适应性地改变内部容量。专利7[28]，此专利相比于专利4爬梯功能不同的是在框架底部后两侧安装三角爬梯轮；在置物框架内设有储物槽，且储物兜可在储物槽上方上下滑动，进行分类。专利8[29]，此专利由折叠结构以拐杖凳所构成的购物车。折叠结构的方式与支撑杆末端挂耳式扶手，可以大大提高闲置收纳率。专利9[30]，此专利是带有双层储物空间的老年购物车，分别是倾斜支撑框架和底部矩形购物筐。倾斜框架上套有三角形帆布罩可进行折叠储物；底部矩形购物筐上层设有座椅盖板可作暂时休息。将上述候选专利信息填入专利分析表，并对表中信息进行归纳分析。如表3所示。得到技术优缺点分析，最终选择多功能适老购物车[24]为目标专利，该发明专利具有很强创新性，且截至2022年3月5日仍处于有效状态。2.待分析目标专利拆分。选取目标专利为设计创新改进方向，为深入研究目标专利的技术水平，需对系统、子系统进行拆解分析，并将专利中的各个组件进行细化分析，聚焦于翻转伞篷系统与助行器系统为核心子系统，明确各组件所对应的功能，分别如表4.1、4.2和4.3所示。3.待分析目标专利组件矩阵。了解子系统组件间的相互作用关系，找到映射关系类型，需明确每个组件所具备的功能，随后构建组件间相互作用矩阵，各组件功能作用表，如表5.1和5.2所示。4.专利组件功能模型。功能模型的呈现有助于梳理系统组件关系，加深系统本身的理解，也有利于后续解题。根据对组件间相互作用分析并建立功能模型，如图4所示。5.对非必要、限制及潜在劣势元素分析。通过对目标专利的功能属性要素、限制要素和非必要要素的研究，可形成有效技术规避创新方向。非必要元素为三角爬梯轮，从拉-爬梯动作来说，人、购物车主体以及车内物件的重心靠后，很大程度上放大了老人受伤的概率；限制要素为伞篷系统中螺旋紧固翻转装置，达到翻转角度后拧动限位，在后续的规避设计中，应避免此类螺旋紧固装置；潜在劣势为螺旋紧固需要进行额外操作紧固，不符合提高理想度法则。四、TRIZ理论应用性解决问题（一）伞篷系统改进。对于专利中潜在劣势的伞篷系统，将要解决的问题通过TRIZ工程参数标准化。1.问题标准化。一般化问题表述。由螺旋紧固的方式，对于伞篷开合操作复杂化，且不当的操作会严重影响使用结果。所得问题标准化后，即需改善参数为No.33可操作性，而恶化参数为No.36系统复杂性，通过对冲突矩阵进行查询可得到4个推荐的发明原理，如表5所示。2.发明原理分析应用。32号原理——改变颜色。主要包括“改变物体及其环境的颜色”“改变透明度”和“添加有色剂或发光物质”；26号原理——复制。主要包括“由廉价简单的复制品代替复杂易损品”“光学复制品替代实物”以及“可见光拷贝替换成不可见光”；12号原理——等势。指“在势场中改变限制位置，以减少物体提升或下降”；17号原理——多维化。主要包括四个部分，分别是“将物体从单维变成二维或三维结构”“多层结构代替单层结构”“物体倾斜或侧向放置”和“使用给定表面的另一面”。综合上述原理，显然12等势和17多维化更符合设计发展，故采用该两种方法进设计创新。可采用伸缩套管的调节限位结构，在均势中进行可按需求调节改变限制位置；为满足调节角度和固定角度的要求，可以通过多维化进行结构分解，分为调整结构和固定结构，则用可拆卸的方式来实现，即以可拆卸的伸缩调节紧固套管结构是替代目标专利中螺旋紧固装置的概念解。（二）助行器系统改进。应用TRIZ中的因果链分析，可对非必要要素（三角爬梯轮）进行分析，诸多购物车和助行器的专利中都直接或间接提及爬梯或越过障碍的问题，爬梯的設计根源是帮助人们在系列动作中少做功，减少疲劳和危险。1.因果分析。结合专利中采用爬梯轮，而单轴滚轮结构符合理想度法则的低成本；台阶面高度和宽度属于超系统，而不做考虑；核心原因在于系统结构无法拆解导致车体本身自重大，同时存在一体化生产和系统无法拆解的物理矛盾；次要原因是车架材料不合理，存在结构强度与质量的技术矛盾。如图5所示。2.TRIZ求解。系统结构拆解复杂所形成的物理矛盾，分离原理进行求解。以“条件分离”和“整体与部分分离”。将伞篷、购物篮、车架前部分和后部分进行分离，成为各个独立系统，在出行时将其组合为整体；在爬梯等跨越障碍为分离条件时，又通过快速拆解形成便捷的零散系统；整体与部分的解决方式可进一步提高产品理想度，增强系统动态性，在条件范围内进行变化。五、老年购物助行器的设计（一）设计应用。根据发明原理、条件分离原理和整体与部分原理所形成的概念解进行设计应用。1.伞篷系统的设计。通过多维化的方式进行拆解出来形成新的子系统，根据伞篷的实际使用需要，分成移动套筒、快拆固定器、固定雨伞支架三个部分，并可进行三维角度的自调节。2.购物助行器设计。设计为模块化分离和整体一键可折叠，分成可折叠购物筐、内折叠机构、外折叠机构、伸缩套管来减少三维的占空性；3.购物袋系统的设计。采用折叠框，同时为满足理想度原则，在原设计上以不额外增加材料成本，通过减法设计形成内嵌固定挂钩，可额外悬挂购物袋。分别如图6.1、6.2和6.3所示。（二）规避设计评价。对设计进行专利规避评价，应用专利侵权法对目标改进结果进行判定，依照判定法案第7条解释，两者技术特征相对比皆不同，因此没有造成侵权。如表6所示。在专利群中，各专利权保护范围内的构成元件，可能存在有相同性质或功能元件。若系统内存在，在规避中是对有元件进行规避，或可整體设计创新[31]。因此全范围比较，同检索库中所精炼项内比较，根据IPC分类号的交集进行进一步的筛选规避。其购物车（A项）的分类号为B62B3；折叠购物篮（B项）的分类号为A45C3；伞篷支架（C项）的分类号为B62J11，以此进行购物车、折叠购物篮、伞篷支架三类的两两交集规避分析以及三类的完全交集规避分析。以共同检索中“购物车”为前提，并检索出A