基于TRIZ和專利規(guī)避的老人購物車設計

李奮強 林浩屹

摘要：為貼合老人購物車的適老化和技術進化需要，在原有需求研究基礎上，提出以專利技術為導向的分析和應用TRIZ理論對目標專利原型產(chǎn)品進行改進的方法。運用德溫特專利檢索，結合產(chǎn)品生命周期曲線，得出技術現(xiàn)狀；進而篩選核心目標專利，并對目標專利的功能分析，提出可改進方向；以沖突矩陣對潛在劣勢進行求解，并以因果鏈分析和分離原理對非必要元素進行創(chuàng)新；形成創(chuàng)新設計，再以專利規(guī)避進行評價。得到最終老人購物車的設計方案。使用專利規(guī)避和TRIZ理論可優(yōu)化現(xiàn)有設計方法，提供問題定義分析求解的思路，形成有效的系統(tǒng)化設計。

關鍵詞：工業(yè)設計 TRIZ 專利分析 專利規(guī)避 老人購物車

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2023）13-0057-05

Abstract：In order to meet the aging needs and technological evolution needs of elderly shopping carts，a patent technology-oriented analysis and application of TRIZ theory are proposed to improve the target patented prototype products. Fitting with technical requirements，using Derwent patent search and analysis，combined with product life cycle curve，to obtain technology development stages and trends；to screen core target patents，analyze and establish functional models for the functional components of target patents，and propose unnecessary elements，restrictive elements and potential disadvantages of target patents.Use the conflict matrix of TRIZ theory and the principle of invention to conceptually solve the potential disadvantages，and use the causal chain analysis and the principle of contradiction separation to make innovative breakthroughs in unnecessary elements. Carry out innovative design，and then evaluate it with patent evasion. Get the final design of the shopping cart for the elderly.The use of patent avoidance and TRIZ theory can optimize existing design methods，provide ideas for problem definition analysis and solution，and form an effective systematic design.

Keywords：Industrial design TRIZ Patent analysis Patent evasion Shopping cart for the elderly

引言

21世紀以來，中國人口老齡化情況日趨嚴峻。由第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示，同人口老齡化程度的劃分標準，得出以普遍高于世界平均水平。在設計相關領域中逐漸關注到老齡弱勢群體，已有部分學者分別對適老設計[1]、可用性設計[2]、服務設計[3]進行研究，因此適老關懷的設計應用研究在步入老齡化時代就格外重視。

目前，學者還針對老人購物車進行設計研究，于東玖[4]等基于用戶體驗層面提出老人購物車的設計原則。張樂[5]等以TRIZ理論進行老人購物車的設計。

一、老人購物車需求現(xiàn)狀

李君華[6]，以用戶體驗為出發(fā)，從老年群體的生理和心理分析顯性需求，結合用戶旅程圖分析出行狀況、助行需求和行為方式挖掘潛在需求。其階段進程和體驗反應下的機遇和挑戰(zhàn)集中于“車的負重”和“拿取不便”；陳利君[7]，以UCD分析使用需求和環(huán)境需求，以UCD和TRIZ結合確定三個主要需求為1）舒適性需求，如爬梯、操作簡便；2）功能需求，如分層儲物、助力省力；3）安全需求，如駐停制動、框架穩(wěn)定；易顯欽[8]，從社會福祉出發(fā)，先分析市場代表性產(chǎn)品，以雙輪和四輪為主，其部分雙輪采用爬梯三角輪，但價格高的接受度低，再結合用戶洞察得出“物品收納”“爬梯中物體不便”“防滑防側翻”“閑置存放”等，其防側滑體現(xiàn)出四輪的必要性。葛怡[9]，是基于UCD和馬斯洛需求對用戶需求進行分析，提出“操作便捷性”“安全制動系統(tǒng)”“重量體積”和“便捷收納”等。史耀軍[10]，基于用戶體驗從生理和心理特征進行分析，總結出“助行輔助”“操作便捷”“座椅休息”“物品收納”“安全穩(wěn)定”和“易學易用”。嚴燦璨等，以空巢老人生活輔具需求分析研究，對老人購物買菜進行觀察和訪談，得出現(xiàn)狀是“不便收納”“不能分類放置”“高度不可調節(jié)”等痛點，并以輔具重量應適宜老人使用為設計要求。

綜上，諸多學者從用戶需求適老化角度提出老人購物車的設計要素，但未能考慮產(chǎn)品本身技術進化的導向性，特別是專利技術的限制和技術進化的可能。由此以TRIZ和專利分析進行技術上的進一步創(chuàng)新。

二、TRIZ理論和專利分析概述

（一）TRIZ理論

TRIZ起源于專利的檢索和分析，廣泛應用于工程科學領域問題求解?，F(xiàn)代TRIZ可分成4個模塊，分別是突破思維慣性、分析問題、解決問題、產(chǎn)品預測。以集成思想與工程技術、管理以及專利領域，形成分析、定義、求解的系統(tǒng)創(chuàng)新手段。TRIZ在專利領域的應用研究主要有4個方面，專利自動分類方法、專利價值評價方法、專利分析的產(chǎn)品設計、專利規(guī)避設計[11]。

（二）專利分析和規(guī)避

專利分析，是以技術推動為基礎，獲取產(chǎn)品用戶需求的來源，對技術發(fā)展規(guī)律作市場應用性分析、技術預測、以技術推動的方式獲取需求。張建輝[12]等通過需求與技術的融合進化，從宏觀和微觀上獲取滿足用戶需求的原型產(chǎn)品。楊利峰[13]等應用粗糙集理論構建專利地圖與TRIZ融合技術創(chuàng)新的指標體系，提高專利分析的準確性與有效性。

專利規(guī)避，是專利分析與TRIZ相結合的方法，利用功能模型分析出系統(tǒng)間及子系統(tǒng)間的各組件相互作用關系。保證在技術不侵權的條件下，按照一定客觀規(guī)律實現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能和需求的創(chuàng)新發(fā)展。Li M[14]等提出基于TRIZ和專利規(guī)避設計的流程模型。Li H[15]運用進化法則和捆綁式專利組合分析進行分析。付敏[16]等基于LCA的技術進化分析，結合TRIZ構建流程化功能裁剪設計模型，實現(xiàn)技術創(chuàng)新。張雷[17]等提出基于TRIZ和專利分析的產(chǎn)品綠色創(chuàng)新方法，在分析中引入相關度和創(chuàng)新性進行專利規(guī)避。

三、基于技術進化理論

（一）專利數(shù)據(jù)檢索。運用Derwent和CNIPA檢索系統(tǒng)，以“1998-2021”時間范圍內的專利復合檢索。根據(jù)專業(yè)CAI軟件及專家評價等方式，對提取的VO（“推拉購物車”）和VOP（“推拉購物車的便攜性”）功能語義結構進行詞義的匹配，同時對隱含的主語S（“老年人”）進行約束，以在專利領域內尋求類似解。據(jù)上述方式所篩選出合理的檢索關鍵詞“老年購物車”（確定“shopping cart”and “the elder”為檢索式），所覆蓋數(shù)量為108項，進一步通過德溫特Engineering學科精煉為99項。

同時分別從“同位詞”精確檢索、從“上位詞”一般化擴展檢索、從“下位詞”特殊化擴展檢索。其中上位詞以IPC分類號進行統(tǒng)計分析B62B-003/14；同位詞以精煉檢索老人購物車、老人助行器等為關鍵詞；下位詞以功能性限定的爬梯購物車、折疊購物車、可坐式購物車等為關鍵詞。

與CNIPA檢索進行復本數(shù)據(jù)比較，由于2021年疫情不可抗力因素下，全年專利授權數(shù)量關系存在一定誤差，以下半年才有授權記錄。因此不具備完全歷時性的參考價值，故在圖表數(shù)據(jù)進行剔除。

綜上在全球范圍內相關專利授權數(shù)呈現(xiàn)緩增函數(shù)關系的趨勢。

（二）S-曲線擬合分析。在產(chǎn)品技術發(fā)展的周期過程中存在客觀規(guī)律，按進化的歷時性表現(xiàn)為萌芽期、成長期、成熟期和衰退期，在數(shù)理關系呈現(xiàn)S-曲線的周期性發(fā)展。對專利檢索和分類，所形成的S-曲線可用于充分評估現(xiàn)有相關產(chǎn)品技術的成熟度，為產(chǎn)品研發(fā)中進化迭代的策略提供科學依據(jù)。

據(jù)TRIZ生命周期S-曲線四參數(shù)，得出性能屬性、專利等級、專利數(shù)量以及產(chǎn)生利潤水平，是隨時間的變化呈現(xiàn)一定函數(shù)關系[18][19]。如圖1所示。

在TRIZ一般檢索中是根據(jù)專利數(shù)以及專利成長率來判定S曲線中的所處狀態(tài)，即技術發(fā)展情況。由Derwent的檢索數(shù)據(jù)，進行專利數(shù)的統(tǒng)計分析，由統(tǒng)計多項式擬合曲線得出呈現(xiàn)遞增且放緩趨勢，即在技術發(fā)展中為成長期與成熟期的拐點階段。如圖2所示。

式中，a為發(fā)明專利數(shù)量；b為實用新型數(shù)量；A為過去5年內發(fā)明專利授權數(shù)量。

若V增加，則說明技術處于成長期；若α降低，則說明處于成熟期[20]。根據(jù)（1）（2）分別得出，如表1所示，可得出自2017年后技術成長率下降，已不再是成長期；同時成熟度呈現(xiàn)一定波動，意味著正步入成熟期；并且發(fā)明專利和實用新型擬合于專利等級中第二和三階段，再次例證目前是在成長期與成熟期的拐點階段。

（三）專利分析。由技術進化理論，在不同時期的采取不同的進化法則。在萌芽期采用完備性、能量傳遞和協(xié)調性法則；在成長期采用提高理想度、動態(tài)性進化和子系統(tǒng)不均衡進化法則；在成熟期采用向微觀進化法則；在衰退期采用向超系統(tǒng)進化法則[21]。根據(jù)S-曲線的擬合情況，技術現(xiàn)狀為成長期和成熟期拐點，應采用提高理想度、動態(tài)性進化、子系統(tǒng)不均衡進化和向微觀進化為理想技術進化法則。

1.篩選專利。對授權時間、創(chuàng)新水平、功能原理以及符合階段性進化法則等因素進行篩選，符合篩選條件共9件相關專利，并作為候選專利進行分析。如圖3。

專利1[22]，此專利為電動助力車與購物車結合，本體為兩部分，一部分以電動機為動力裝置，實現(xiàn)老人的代步出行；另一部分是置物籃部分。

專利2[23]，此專利以架體、定滑輪、摩擦套、橫桿把手、掛鉤為主體組件。架體設置上下兩層的分層籃以及橫桿兩側掛鉤，來滿足多重置物需求。

專利3[24]，此專利為多功能適老購物車。主體為助行器、購物袋、翻轉折疊傘蓬、折疊座椅四部分。車架上設有可拆卸式傘篷支架，提供遮陽避雨；車架內側是懸掛式柔性座椅，車架外側是折疊購物翻袋。

專利4[25]，此專利包括推車主體、推車主體前側萬向輪和后側滾輪。設計創(chuàng)新在于車主體后側的履帶式爬升裝置，可通過履帶角度調節(jié)和履帶動力傳輸進行爬梯。

專利5[26]，此專利是由支撐板、置物框、萬向輪和支撐桿組成。置物框頂部的外側設有可翻轉的座椅板，提供短暫性休息。

專利6[27]，此專利是由固定底座、防滑輪、千斤頂、緩沖器、折疊風箱、儲物籃，所構成的可上下調節(jié)高度的購物車。折疊風箱的結構設計，可適應性地改變內部容量。

專利7[28]，此專利相比于專利4爬梯功能不同的是在框架底部后兩側安裝三角爬梯輪；在置物框架內設有儲物槽，且儲物兜可在儲物槽上方上下滑動，進行分類。

專利8[29]，此專利由折疊結構以拐杖凳所構成的購物車。折疊結構的方式與支撐桿末端掛耳式扶手，可以大大提高閑置收納率。

專利9[30]，此專利是帶有雙層儲物空間的老年購物車，分別是傾斜支撐框架和底部矩形購物筐。傾斜框架上套有三角形帆布罩可進行折疊儲物；底部矩形購物筐上層設有座椅蓋板可作暫時休息。

將上述候選專利信息填入專利分析表，并對表中信息進行歸納分析。如表3所示。

得到技術優(yōu)缺點分析，最終選擇多功能適老購物車[24]為目標專利，該發(fā)明專利具有很強創(chuàng)新性，且截至2022年3月5日仍處于有效狀態(tài)。

2.待分析目標專利拆分。選取目標專利為設計創(chuàng)新改進方向，為深入研究目標專利的技術水平，需對系統(tǒng)、子系統(tǒng)進行拆解分析，并將專利中的各個組件進行細化分析，聚焦于翻轉傘篷系統(tǒng)與助行器系統(tǒng)為核心子系統(tǒng)，明確各組件所對應的功能，分別如表4.1、4.2和4.3所示。

3.待分析目標專利組件矩陣。了解子系統(tǒng)組件間的相互作用關系，找到映射關系類型，需明確每個組件所具備的功能，隨后構建組件間相互作用矩陣，各組件功能作用表，如表5.1和5.2所示。

4.專利組件功能模型。功能模型的呈現(xiàn)有助于梳理系統(tǒng)組件關系，加深系統(tǒng)本身的理解，也有利于后續(xù)解題。根據(jù)對組件間相互作用分析并建立功能模型，如圖4所示。

5.對非必要、限制及潛在劣勢元素分析。通過對目標專利的功能屬性要素、限制要素和非必要要素的研究，可形成有效技術規(guī)避創(chuàng)新方向。非必要元素為三角爬梯輪，從拉-爬梯動作來說，人、購物車主體以及車內物件的重心靠后，很大程度上放大了老人受傷的概率；限制要素為傘篷系統(tǒng)中螺旋緊固翻轉裝置，達到翻轉角度后擰動限位，在后續(xù)的規(guī)避設計中，應避免此類螺旋緊固裝置；潛在劣勢為螺旋緊固需要進行額外操作緊固，不符合提高理想度法則。

四、TRIZ理論應用性解決問題

（一）傘篷系統(tǒng)改進。對于專利中潛在劣勢的傘篷系統(tǒng)，將要解決的問題通過TRIZ工程參數(shù)標準化。

1.問題標準化。一般化問題表述。由螺旋緊固的方式，對于傘篷開合操作復雜化，且不當?shù)牟僮鲿乐赜绊懯褂媒Y果。所得問題標準化后，即需改善參數(shù)為No.33可操作性，而惡化參數(shù)為No.36系統(tǒng)復雜性，通過對沖突矩陣進行查詢可得到4個推薦的發(fā)明原理，如表5所示。

2.發(fā)明原理分析應用。32號原理——改變顏色。主要包括“改變物體及其環(huán)境的顏色”“改變透明度”和“添加有色劑或發(fā)光物質”；26號原理——復制。主要包括“由廉價簡單的復制品代替復雜易損品”“光學復制品替代實物”以及“可見光拷貝替換成不可見光”；12號原理——等勢。指“在勢場中改變限制位置，以減少物體提升或下降”；17號原理——多維化。主要包括四個部分，分別是“將物體從單維變成二維或三維結構”“多層結構代替單層結構”“物體傾斜或側向放置”和“使用給定表面的另一面”。

綜合上述原理，顯然12等勢和17多維化更符合設計發(fā)展，故采用該兩種方法進設計創(chuàng)新。可采用伸縮套管的調節(jié)限位結構，在均勢中進行可按需求調節(jié)改變限制位置；為滿足調節(jié)角度和固定角度的要求，可以通過多維化進行結構分解，分為調整結構和固定結構，則用可拆卸的方式來實現(xiàn)，即以可拆卸的伸縮調節(jié)緊固套管結構是替代目標專利中螺旋緊固裝置的概念解。

（二）助行器系統(tǒng)改進。應用TRIZ中的因果鏈分析，可對非必要要素（三角爬梯輪）進行分析，諸多購物車和助行器的專利中都直接或間接提及爬梯或越過障礙的問題，爬梯的設計根源是幫助人們在系列動作中少做功，減少疲勞和危險。

1.因果分析。結合專利中采用爬梯輪，而單軸滾輪結構符合理想度法則的低成本；臺階面高度和寬度屬于超系統(tǒng)，而不做考慮；核心原因在于系統(tǒng)結構無法拆解導致車體本身自重大，同時存在一體化生產(chǎn)和系統(tǒng)無法拆解的物理矛盾；次要原因是車架材料不合理，存在結構強度與質量的技術矛盾。如圖5所示。

2.TRIZ求解。系統(tǒng)結構拆解復雜所形成的物理矛盾，分離原理進行求解。以“條件分離”和“整體與部分分離”。將傘篷、購物籃、車架前部分和后部分進行分離，成為各個獨立系統(tǒng)，在出行時將其組合為整體；在爬梯等跨越障礙為分離條件時，又通過快速拆解形成便捷的零散系統(tǒng)；整體與部分的解決方式可進一步提高產(chǎn)品理想度，增強系統(tǒng)動態(tài)性，在條件范圍內進行變化。

五、老年購物助行器的設計

（一）設計應用。根據(jù)發(fā)明原理、條件分離原理和整體與部分原理所形成的概念解進行設計應用。

1.傘篷系統(tǒng)的設計。通過多維化的方式進行拆解出來形成新的子系統(tǒng)，根據(jù)傘篷的實際使用需要，分成移動套筒、快拆固定器、固定雨傘支架三個部分，并可進行三維角度的自調節(jié)。

2.購物助行器設計。設計為模塊化分離和整體一鍵可折疊，分成可折疊購物筐、內折疊機構、外折疊機構、伸縮套管來減少三維的占空性；

3.購物袋系統(tǒng)的設計。采用折疊框，同時為滿足理想度原則，在原設計上以不額外增加材料成本，通過減法設計形成內嵌固定掛鉤，可額外懸掛購物袋。分別如圖6.1、6.2和6.3所示。

（二）規(guī)避設計評價。對設計進行專利規(guī)避評價，應用專利侵權法對目標改進結果進行判定，依照判定法案第7條解釋，兩者技術特征相對比皆不同，因此沒有造成侵權。如表6所示。

在專利群中，各專利權保護范圍內的構成元件，可能存在有相同性質或功能元件。若系統(tǒng)內存在，在規(guī)避中是對有元件進行規(guī)避，或可整體設計創(chuàng)新[31]。因此全范圍比較，同檢索庫中所精煉項內比較，根據(jù)IPC分類號的交集進行進一步的篩選規(guī)避。其購物車（A項）的分類號為B62B3；折疊購物籃（B項）的分類號為A45C3；傘篷支架（C項）的分類號為B62J11，以此進行購物車、折疊購物籃、傘篷支架三類的兩兩交集規(guī)避分析以及三類的完全交集規(guī)避分析。以共同檢索中“購物車”為前提，并檢索出AB為1項；AC為1項，BC為1項，ABC為0項，再進行文本保護范圍比較，均無侵權。

結語

在現(xiàn)有用戶需求研究基礎上，通過專利分析同TRIZ理論相結合應用于解決老人購物車技術創(chuàng)新設計中。以專利分析判定技術發(fā)展趨勢以及相關需求，彌補TRIZ在需求面發(fā)掘的不足；通過目標專利的功能組件分析建立功能模型，明晰技術規(guī)避要素和潛在劣勢，形成技術創(chuàng)新的概念解；以TRIZ的沖突矩陣和因果鏈分析尋求可行性解決方案，突破相關設計的技術堡壘；再應用發(fā)明原理、分離原理和整體與部分原理形成最終設計方案；最后應用專利技術對照進行技術規(guī)避判定。專利的分析規(guī)避與TRIZ集成創(chuàng)新方法為系統(tǒng)性的設計提供了一定解題思路。

基金項目：甘肅省優(yōu)秀研究生創(chuàng)新之星項目（2023CXZX-497）。

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