戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

李雪琪 許熠瑩 毛夢(mèng)吉

關(guān)鍵詞：背負(fù)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 可調(diào)節(jié) 輕量化

引言

背負(fù)系統(tǒng)是指運(yùn)用于背負(fù)類(lèi)產(chǎn)品中的，以人體背部承重機(jī)能為基礎(chǔ)，承擔(dān)在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)背負(fù)具有一定重量物品，同時(shí)幫助減小背負(fù)者疲勞與不適的負(fù)重支撐體系。它主要由肩帶、腰帶、肩部受力帶、腰部受力帶、包底受力帶以及支撐裝置、調(diào)節(jié)裝置和通風(fēng)裝置等部分組成。戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)是以背負(fù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以設(shè)備背負(fù)為目的，運(yùn)用于戶外環(huán)境，具有輕量性、負(fù)載物可拆卸、背負(fù)系統(tǒng)具有獨(dú)立性和輕量化特點(diǎn)的背負(fù)輔助裝置。由于戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)在使用中具有承重性、耐用性、舒適性、長(zhǎng)時(shí)性、可分離等方面的要求，因此在設(shè)計(jì)中，選擇以歐式可調(diào)節(jié)背包為基礎(chǔ)，參照攜行式背架結(jié)構(gòu)，通過(guò)從背負(fù)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)方式、輕量化等方面作為創(chuàng)新的切入點(diǎn)，在分析的基礎(chǔ)上對(duì)便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新。

一、戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

（一）背負(fù)系統(tǒng)的組成

1.常規(guī)背負(fù)系統(tǒng)的組成：常規(guī)戶外背負(fù)產(chǎn)品中所運(yùn)用的背負(fù)系統(tǒng)主要包括“五帶三裝置”，即由肩帶、腰帶、肩部受力帶、腰部受力帶于包底受力帶構(gòu)成的“五帶”和由支撐裝置（內(nèi)支架），如圖1所示。通風(fēng)裝置和調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成的“三裝置”，其中“五帶”主要作用是保證背負(fù)時(shí)的舒適性，“三裝置”主要作用是支持、通風(fēng)與調(diào)節(jié)。

人們通常以背負(fù)時(shí)背部壓力是否均勻、是否有后墜感、頭頸部是否能自由活動(dòng)、背部的透氣性能、肩部受力分布、背部摩擦、穩(wěn)固性等綜合舒適度來(lái)評(píng)判背負(fù)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。其中背部壓力、透氣性、摩擦與支持裝置密切相關(guān)，后墜感、頭頸活動(dòng)區(qū)、肩部受力分布與肩帶和肩部受力帶相關(guān)，穩(wěn)固性與腰帶和腰部受力帶相關(guān)，通風(fēng)與調(diào)節(jié)裝置能有效提升使用的舒適性和個(gè)體需求。因此構(gòu)成背負(fù)系統(tǒng)的“五帶三裝置”的設(shè)計(jì)能有效提高背負(fù)時(shí)的舒適性。

（1）背負(fù)結(jié)構(gòu)“五帶”包括肩帶、肩部受力帶、腰帶、腰部受力帶以及包底受力帶。其中肩帶的作用是防止背包從身體上滑落以及兼顧部分背包承重;肩部受力帶的作用是連接包身與肩帶，可以拉近身體與背包的距離，將部分重量轉(zhuǎn)移到鎖骨上，保證背負(fù)的舒適性，輔助胸帶的主要作用是保持背包平衡穩(wěn)定性;腰帶是將背包重量分擔(dān)給臀部，是背負(fù)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一環(huán);腰部受力帶的作用是連接包身與腰帶，主要用來(lái)調(diào)節(jié)背包和身體的貼合度，增強(qiáng)穩(wěn)定性;包底受力帶增強(qiáng)背包的承重與穩(wěn)定性。

（2）背負(fù)結(jié)構(gòu)“三裝置”包括支撐裝置、調(diào)節(jié)裝置以及通風(fēng)裝置。其中的支撐裝置即內(nèi)支架的作用是主要是保持負(fù)重的安穩(wěn)，并幫助將背部重量轉(zhuǎn)移到肩部和臀部，由于內(nèi)支架位于背包內(nèi)部，不但更加美觀、還更不易損壞，如圖2所示。隨著戶外產(chǎn)品的深入開(kāi)發(fā)，內(nèi)支架的形式也越來(lái)越豐富，從最早期的兩根垂直向上彼此平行的扁鋁條，發(fā)展到現(xiàn)在的V形、倒U形、H形等，如圖3所示。此外，通風(fēng)裝置主要作用是解決背負(fù)系統(tǒng)背部設(shè)計(jì)中的通風(fēng)散熱問(wèn)題。調(diào)節(jié)裝置的目的是簡(jiǎn)便靈活的可調(diào)結(jié)構(gòu)滿足背負(fù)系統(tǒng)對(duì)不同需求的兼容性。

2.戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)：戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)是以戶外檢測(cè)、公路救援、通信防護(hù)等儀器的背負(fù)為使用場(chǎng)景，考慮到使用方式的相似性，在人體背負(fù)部分以“五帶三裝置”為基本構(gòu)成，確保背負(fù)的舒適性。在設(shè)備背負(fù)需求方面，增加相應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)。它包括設(shè)備底部支撐裝置、設(shè)備固定裝置、設(shè)備保護(hù)（包裹）裝置，兩者通過(guò)尼龍連接的方式進(jìn)行組合。

（1）設(shè)備底部支撐裝置是以背架為基礎(chǔ)，從背架底部向外延展，形成支撐面達(dá)到對(duì)背負(fù)物品的底部支撐。向外延展部分可設(shè)計(jì)為折疊、抽拉或固定形式，以適應(yīng)對(duì)收納體積需求和背負(fù)物品重量及固定性能要求的差異。折疊或抽拉式支撐可在不使用設(shè)備背負(fù)功能時(shí)，將延展架收納靠近背包背部支撐面，減小背負(fù)架的體積。

（2）設(shè)備固定裝置的功能是將背負(fù)物品與背架固定。固定裝置包括兩個(gè)部分：支撐框架上側(cè)面延伸的固定繩與外包裹上設(shè)置的縱向固定繩。使用時(shí)，先將設(shè)備與背架水平放置，利用支撐框架上的側(cè)向固定繩捆綁固定，然后罩上包裹后，用外包裹上的縱向固定繩再次進(jìn)行固定。

（3）設(shè)備保護(hù)裝置是整體背架外部裹覆層，一般有防水面料或具有一定厚度和防撞性能的面材組合。設(shè)備保護(hù)裝置與整體背架外部連接，設(shè)計(jì)為拉鏈全開(kāi)結(jié)構(gòu)，包裹住設(shè)備，達(dá)到有緩沖保護(hù)、防水等作用。

此外，由于背負(fù)儀器的尺寸需略小于背負(fù)背架的尺寸，戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)可容納的設(shè)備尺寸約在400mmx250mmx500mm以內(nèi)，這一尺寸可包括如鐵路檢修工具箱、電力應(yīng)急搶險(xiǎn)組合工具等通訊、檢測(cè)、搶修等設(shè)備。

（二）戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)性

可調(diào)節(jié)性是戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的重要組成部分。由于人體身高、體重、性別差異;背負(fù)物品重量、體積的差異;外部環(huán)境不同，而導(dǎo)致的衣服變化薄厚等多方面因素的變化要求，使戶外背負(fù)系統(tǒng)需要通過(guò)調(diào)節(jié)來(lái)對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)，調(diào)整背包到適當(dāng)位置。戶外便攜式背負(fù)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)主要包括支撐裝置和可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

1.戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)中支撐裝置設(shè)計(jì)分析：支撐裝置是戶外便攜式設(shè)備背負(fù)結(jié)構(gòu)的核心，主要形式為定型背板。背板的造型設(shè)計(jì)以人體背部的形狀為基礎(chǔ)，主要依據(jù)由頸部、背部和腰部曲線構(gòu)成的“S”形線型，以及背部橫向曲度變化，由兩者構(gòu)成的曲面而設(shè)計(jì)如圖4。定型背板的設(shè)計(jì)還要注意在功能保證的前提下，盡可能地減輕背板質(zhì)量。

2.戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)中可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析：戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)主要包括：腰帶調(diào)節(jié)、肩帶調(diào)節(jié)、設(shè)備支撐裝置調(diào)節(jié)、設(shè)備固定裝置調(diào)節(jié)。

（1）腰帶調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)中的腰帶調(diào)節(jié)主要分為腰帶長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)和上下位置的調(diào)節(jié)。對(duì)于不同身高、體重、性別的人來(lái)說(shuō)，其腰部受力點(diǎn)的位置和臀部的弧度都有所不同，設(shè)置腰帶長(zhǎng)度、上下位置的調(diào)節(jié)可以使固定更加穩(wěn)妥，在此基礎(chǔ)上增加內(nèi)側(cè)傾角的調(diào)節(jié)，能使得背包更加貼合腰臀部，有效地將重量分散在腰部，如圖5所示。

（2）肩帶調(diào)節(jié)是調(diào)整背負(fù)物與身體貼合的重要手段。由于每個(gè)人的肩寬、肩厚不同，設(shè)置肩帶調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)除了通過(guò)調(diào)節(jié)背帶的長(zhǎng)度使背負(fù)物與身體更穩(wěn)固，還通過(guò)調(diào)節(jié)肩帶與背負(fù)板的距離，可以調(diào)節(jié)背板的角度，使背負(fù)物品重心向前，減少背負(fù)物的后墜感。此外，肩帶的胸前固定與調(diào)節(jié)帶—方面固定肩帶防止滑落，—方面根據(jù)人體胸部寬度課適當(dāng)調(diào)節(jié)，如圖6所示。

（3）設(shè)備固定裝置調(diào)節(jié)的主要目的是為了適用于不同大小的設(shè)備。由背架底部設(shè)置向外延伸的固定底架，背架側(cè)面設(shè)置具有可調(diào)節(jié)的彈性束緊帶，這樣就能根據(jù)設(shè)備大小進(jìn)行收縮或者拉伸調(diào)整，使設(shè)備能穩(wěn)定束縛在背架上。此外，外包的卡扣與收縮繩的調(diào)節(jié)，也能根據(jù)設(shè)備尺寸大小，調(diào)整收縮繩和卡扣的位置，實(shí)現(xiàn)背負(fù)物的固定。圖7是背包背負(fù)設(shè)備時(shí)固定裝置示意圖。

（三）戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)分析

戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)需要在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，盡可能減切質(zhì)量。這可以從結(jié)構(gòu)功能的設(shè)計(jì)與面料選擇等方面入手，背負(fù)系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)是體現(xiàn)其針對(duì)性和專(zhuān)業(yè)性的一大因素。

1.戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)的輕量化分析：與旅行背包不同，戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)雖然也是以“五帶三裝置”設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，但是由于背負(fù)系統(tǒng)的功能聚焦于特定的需求，設(shè)計(jì)中可以減去背包中繁瑣的存放物品需求，繼而有效減輕背負(fù)系統(tǒng)自身的重量。比如可以減去有復(fù)雜間隔的包袋、耳機(jī)線孔、掛飾扣等，只保留最基本的背負(fù)與固定功能，即背帶與固定裝置。這樣的功能精簡(jiǎn)，將背負(fù)系統(tǒng)的部件減少到最少，達(dá)到減輕自重的目的。

此外，輕量化的背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可以從簡(jiǎn)化背負(fù)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件入手。在背板設(shè)計(jì)中放棄硬質(zhì)板塊作為主要支撐，而采用“x”形支撐架作為主體，“x”形支撐從結(jié)構(gòu)上符合背負(fù)時(shí)受力的節(jié)點(diǎn)，并且具有較好的穩(wěn)固性。同時(shí)在“x”形支撐架上包裹海綿泡沫墊，使其填充為凹凸鏤空，形成良好的通風(fēng)系統(tǒng)。在材料上的選用方面，“x”形支撐架采用鈦合金材質(zhì)，既有良好穩(wěn)固性、又可減輕自重。

2.材料的輕量化分析：戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)的材料主要包括：支撐背板、泡沫軟墊、支撐與固定架、背負(fù)架的包裹面料、背帶、腰帶等。其中支撐背板可以選用鈦合金材質(zhì)，泡沫軟墊采用EVA泡沫材料，支撐與固定架采用碳纖維材料，包裹面料與背帶腰帶面料采用高密度尼龍（CORDu RA、HT NYLON）面料，確保減輕整個(gè)背負(fù)系統(tǒng)的重量。

二、戶外便攜式設(shè)備背負(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）背負(fù)系統(tǒng)的組成，如圖8所示

1.“x”形延展支架：采用“x”形支架作為主體，兩側(cè)及下部穿出的側(cè)管形成副體，主體和下部的鈦管作為基底，保證背包穩(wěn)定性，側(cè)管承擔(dān)背包部分重量以及將整包重量合理傳遞到腰間，減輕肩部負(fù)擔(dān)，如圖9所示。

2.“米”字形透氣通道背墊設(shè)計(jì)：從輕量化的角度考慮，“x”形撐條外包裹海綿泡沫墊，在最靠近背部的外層中填充成具有凹凸鏤空的背面，以人體背部的橫向曲面為參考，形成“米”字形透氣通道軟背墊，確保與身體貼合，同時(shí)滿足頭部靈活轉(zhuǎn)動(dòng)?！懊住弊中伪硥|不但能合理分配背部壓力，還可形成良好的通風(fēng)系統(tǒng)，有助于行進(jìn)過(guò)程中的順利排熱，如圖10所示。

3.設(shè)備支撐與固定設(shè)計(jì)：支撐結(jié)構(gòu)中，其主要作用的是“x”形主體和下部副體，采用一體化的承重支架，確保背負(fù)物的重力支撐。穩(wěn)固結(jié)構(gòu)采用側(cè)向彈性緊固帶進(jìn)行橫向固定，再由外包裹的縱向緊固帶進(jìn)行縱向固定，保證背負(fù)物的穩(wěn)固性，如圖11所示。

4.調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)：此外，肩帶寬度設(shè)為60mm;腰部約束設(shè)計(jì)采用半活動(dòng)式的結(jié)構(gòu)，既可以使腰部最大程度的接觸背負(fù)結(jié)構(gòu)還可以保護(hù)腰部;背帶由3D網(wǎng)紗和多層海綿組成，PE材料保證背負(fù)舒適性還可以提高承重量。

（二）總結(jié)與展望

從旅行背包延伸到設(shè)備類(lèi)背負(fù)，彌補(bǔ)了以往從設(shè)備背負(fù)的功能性設(shè)計(jì)出發(fā)，導(dǎo)致的舒適性的不足，從結(jié)構(gòu)、可調(diào)性、輕量化的角度進(jìn)行分析，為設(shè)備類(lèi)產(chǎn)品背負(fù)提出了新的思考途徑。

不足之處在于缺乏多次試驗(yàn)驗(yàn)證，以及部分觀點(diǎn)的驗(yàn)證方法來(lái)自于搜集的資料，缺乏對(duì)一手資料的掌握，尤其是關(guān)于人機(jī)方面的數(shù)據(jù)較為匱乏。部分設(shè)計(jì)點(diǎn)還處于概念階段，比如背板的形狀、大小、弧度等，這些還需要大量的人機(jī)實(shí)驗(yàn)來(lái)作調(diào)整。

在未來(lái)的研究中還可以就背包的人機(jī)取樣數(shù)據(jù)，表面肌電實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段進(jìn)一步完善背負(fù)的舒適性以及背墊的形狀和弧度;此外，設(shè)備背負(fù)的功能衍生還可以作進(jìn)一步探究。