戶外背包壓力分散型背板的研究.pdf

1、背包作為戶外運(yùn)動必不可少的裝備之一。不僅要求具有一般背包的輕便、美觀等特性，而且背負(fù)時的安全性、舒適性也越來越受到人們的重視，特別是運(yùn)動過程中的透氣、吸濕、排汗、貼合、壓力分布、重力傳遞等。背板作為背包背負(fù)系統(tǒng)的骨骼，對于壓力的分散起到重要的作用。它的主要功能就是將重量合理分配到身體的各個部位，避免因重量過于集中在肩部或某一塊肌肉上，造成局部肌肉疲勞甚至損傷。另外它還具有調(diào)整背負(fù)重心的作用，增加運(yùn)動過程中的平衡和安全。
　　根據(jù)背

2、負(fù)承重原理，尾骨上方的腰窩是主承重點(diǎn)，腰窩連接到雙側(cè)胯骨頂端是主要受力區(qū)，雙肩是輔助受力并掌握平衡的區(qū)域。位于底部的下腰部位(L3-L4)承受著身體大部分重量。腰椎特別是下腰部位，是最容易發(fā)生勞損疾病的部位。因此，在整個背板結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)該重視壓力的分散。背包從外部施加載荷作用于人體，會改變身體重心的位置，影響人體的穩(wěn)定性。而負(fù)重的不均勻，會導(dǎo)致低背痛、特發(fā)性脊柱側(cè)彎、過度駝背、前凸等肌骨系統(tǒng)疾病。因此，在減負(fù)的同時，對于背包背負(fù)系統(tǒng)

3、的背板設(shè)計和改進(jìn)，有利于減輕背包對于背部的局部壓力，進(jìn)而一定程度上降低患病的危險。
　　本次研究首先立足于運(yùn)動狀態(tài)下的腰背部各生理參數(shù)特征，基于壓力測試數(shù)據(jù)分析，找到影響壓力分布以及背負(fù)舒適性的關(guān)鍵因素，設(shè)計出能夠更好的分散腰背部壓力的背板。其次進(jìn)行模擬負(fù)重試驗(yàn)，優(yōu)化并設(shè)計背板的曲面形態(tài)，進(jìn)而制作成品背包。最后，在sEMG試驗(yàn)和Pliance-X壓力測試中進(jìn)行驗(yàn)證，分析數(shù)據(jù)并且調(diào)整和優(yōu)化背板。為后期背板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)依

4、據(jù)。整個背板結(jié)構(gòu)設(shè)計中，旨在保持脊柱正常的生理彎曲，使得人體肩部、腰部脊柱之間的支撐符合人機(jī)工程學(xué)，并且有適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?，保證其舒適性。
　　本研究主要包括四部分。第一部分對人體腰背部曲線的測量和壓力分布比的分析。篩選合適受試者:選擇BMI相近的標(biāo)準(zhǔn)體型人群，測量不同運(yùn)動狀態(tài)下（靜止站立、模擬12°爬坡狀態(tài)）腰背部曲線的生理參數(shù)（后頸點(diǎn)、腰窩點(diǎn)和臀凸點(diǎn)等）以及腰背部各部分壓力分布的百分比。第二部分是基于承重原理的背板結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過

5、Pliance-X壓力測試儀、sEMG等儀器，對市面上常見的普通背包進(jìn)行測試。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，確定影響腰背部壓力分散的主要參數(shù)點(diǎn)。第三部分是三維建模和背包的制作。運(yùn)用Rhino軟件對設(shè)計好的背板結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。對市面上常用的幾種背部貼合材料進(jìn)行相關(guān)物理機(jī)械性能的測試，綜合考慮背負(fù)系統(tǒng)的整體舒適性，篩選出適合做背板的最優(yōu)材料。根據(jù)前期試驗(yàn)確定的參數(shù)點(diǎn)，制作背板，進(jìn)而制作出成品背包。第四部分對背板結(jié)構(gòu)的再測試。將成品包進(jìn)

6、行Pliance-X壓力測試和sEMG測試，模擬戶外運(yùn)動使用狀態(tài)，在規(guī)定負(fù)重條件下，對肩、腰背部的主要肌肉（左斜方肌、右斜方肌、左豎脊肌、右豎脊?。┻M(jìn)行測試，分析其肌電信號和壓力分布的變化。
　　研究結(jié)果表明:
　　(1)在背負(fù)戶外背包進(jìn)行12°模擬爬坡運(yùn)動和水平勻速運(yùn)動時，腰背部主要的發(fā)力點(diǎn)為豎脊肌和斜方肌。但是，雙側(cè)豎脊肌的肌肉活動相較于斜方肌均表現(xiàn)劇烈。
　　(2)對于采集到的sEMG信號進(jìn)行肌電特征分析，可以得

7、出，12°爬坡狀態(tài)下的原始數(shù)據(jù)均高于0°勻速行走時的數(shù)據(jù)。同一運(yùn)動狀態(tài)下，改進(jìn)后的背板比普通背板測得的數(shù)據(jù)在MA、MPF、INT、RMS等肌電特征參數(shù)上均顯著高。說明人體在負(fù)重行走時，軀干傾斜角度的增加或腰背部壓力分布的不同，會影響肌肉在單位時間內(nèi)的做功和放電數(shù)量，進(jìn)而引起肌肉較早的出現(xiàn)疲勞。
　　(3)合理的重力傳遞以及有效支撐對于腰背部壓力分散起到很大的作用。Pliance-X壓力測試結(jié)果分析表明，普通背包肩、背、腰的負(fù)重比為

8、6∶1∶3，改進(jìn)后的背包肩、背、腰的負(fù)重比為3∶3∶4。結(jié)合視覺模擬分析法（即“VAS”）可知，改進(jìn)后的背板，在背負(fù)過程中腰背部的壓力分布較普通背板均勻，舒適度有顯著的提高。
　　(4)溫濕度對比試驗(yàn)研究表明，合理的背板支撐可以提高背負(fù)的舒適性。在負(fù)重和試驗(yàn)環(huán)境不變的條件下，普通背板在試驗(yàn)結(jié)束0min時，溫濕度均驟然上升。在整個試驗(yàn)測試15min內(nèi)，改進(jìn)后的背板與普通背板相比，溫濕度測試曲線波動幅度較小。結(jié)合“VAS”測試法可知，