內(nèi)背架式背負系統(tǒng)設(shè)計與人機工效評價

舒 展，潘 菲，劉圣軍，田 豐，孫景工，楊 健*

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津300161；2.解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心急診科，北京100853）

0 引言

背囊作為人力攜行的器材盛裝工具，在社會生活中應(yīng)用廣泛，即使在軍事行動、戰(zhàn)場傷員救治以及災(zāi)害救援等特殊環(huán)境中也是個人物資和急救器材的核心載體。當(dāng)背囊負重量大時，不合理的背負結(jié)構(gòu)不僅會對肩部皮膚與軟組織造成過度壓迫，還會影響周邊神經(jīng)與血管，產(chǎn)生明顯的肩部不適和疼痛等現(xiàn)象[1-3]。背負10 kg 的背囊即會造成肩部肌肉含氧量以及皮膚微血管的流量明顯減少，背負等同于20%身體質(zhì)量的背囊會影響攜行者的換氣率、心率、攝氧量與疲勞度[4-5]，過重的背囊還會影響脊柱的姿態(tài)，影響行進中的軀干平衡，長時間的負重會對使用者生理結(jié)構(gòu)造成更嚴重的影響[6]。良好的背負系統(tǒng)能夠減輕肩部負擔(dān)，減緩疲勞。目前國內(nèi)外背囊的背負系統(tǒng)主要分為無背架式（軟包）、內(nèi)背架式和外背架式3 種，國外高端的登山或野外長途遠足背囊多采用背架式背負系統(tǒng)，且以內(nèi)背架式居多[7-9]。無論采取哪種背負系統(tǒng)，體積小巧、貼附人體、背囊整體穩(wěn)定性高、承載力強，能夠?qū)⒉糠旨绮砍惺艿膲毫D(zhuǎn)移至腰骶部，都是現(xiàn)代背囊背負系統(tǒng)設(shè)計研究的重要內(nèi)容。

本研究以急救背囊的背負系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計加工內(nèi)背架式背負系統(tǒng)，建模分析背負系統(tǒng)負荷分配情況，并通過與無背架背負系統(tǒng)背囊進行對比分析，在肩部受力、背負前后的心率和血氧飽和度方面驗證背負系統(tǒng)設(shè)計的合理性，為背負系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。

1 背負系統(tǒng)設(shè)計

背負系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由肩帶、胸部束緊帶、腰帶及背架4 個部分組成。胸部束緊帶設(shè)置于2 條肩帶的胸前處，為背囊提供人體橫向固定力，提升背囊與軀干冠狀面和矢狀面內(nèi)約束，減少對腋下臂叢神經(jīng)和血管的壓迫。肩帶和腰帶通過背架組合后，再將背架插入背囊固定插口完成連接。肩帶、腰帶與人體接觸部分配有彈性適當(dāng)?shù)?D 透氣緩沖材料，緩沖人體肩、背以及腰部受到的壓力，緩解背負者的疲勞與疼痛。其中背架是背負系統(tǒng)的主要連接和壓力傳遞結(jié)構(gòu)。依據(jù)人體背部曲線與背負系統(tǒng)安裝關(guān)系設(shè)計鋁合金弧狀V 形背架，弧狀V 形投影高度460 mm，V 形開口寬度22 mm，弧半徑分別為400 和370 mm，背架質(zhì)量0.2 kg。

2 實驗

2.1 實驗設(shè)備

H/P/Cosmos 跑 臺；TACTILUS 馬甲式壓力分布測試系統(tǒng)，測量范圍0～138 kPa，采樣頻率35 幀/s。

2.2 受試對象

選取10 名年 齡25 ～35歲的健康男性，體質(zhì)量（71.5±3.2）kg?；頥 形內(nèi)背架背負系統(tǒng)背囊（以下簡稱“有背架背囊”）空囊2.63 kg（含200 g背架和100 g 背架固定附件），無背架背負系統(tǒng)背囊（以下簡稱“無背架背囊”）空囊2.23 kg，均內(nèi)裝急救器材8.8 kg。

2.3 弧狀V 形背架有限元分析

采用ANSYS 軟件建立背架和囊體模型，按照實際連接方式在囊體與背負系統(tǒng)的上、中、下3 個部位將節(jié)點3 個方向的自由度（Ux、Uy、Uz）全部約束。假設(shè)人體為剛體，背架與囊體相連處通過節(jié)點耦合實現(xiàn)，囊體背面與背架整體通過面接觸單元建立關(guān)系。

2.4 肩部受力測試

選擇1 名受試人員在零坡度條件下以運動速度8 km/h 持續(xù)奔跑10 min，實時記錄有背架背囊和無背架背囊對受試人員肩部、腰部的壓強變化（取肩部面積864 cm2區(qū)域內(nèi)的平均值）。

2.5 心率與血氧飽和度測試

選擇受試人員10 名，在零坡度條件下從靜止?fàn)顟B(tài)加速至運動速度8 km/h 并持續(xù)奔跑30 min，每人每次背負一種背囊在跑步機上進行奔跑，在測試過程中記錄受試人員靜止?fàn)顟B(tài)、加速至8 km/h 時和以8 km/h 速度奔跑達到30 min 時的心率與血氧飽和度。為避免疲勞對數(shù)據(jù)造成影響，每人每天背負一種背囊。

3 結(jié)果

3.1 背架變形與應(yīng)力分布

有限元分析結(jié)果顯示，弧狀V 形內(nèi)背架的最大變形為0.14 mm，最大應(yīng)力9.9 MPa，能夠承受背囊質(zhì)量。在垂直方向受力方面，背囊上部連接點受力42.2 N，中部連接點受力3.3 N，下部連接點受力64.6 N。變形與應(yīng)力云圖（如圖1 所示）顯示，弧狀V形內(nèi)背架在垂直方向的受力呈兩端高、中間低的狀態(tài)分布，其中背囊下部連接點承受重力較大。根據(jù)背負系統(tǒng)的配合關(guān)系可將背囊上部連接點受力近似視為肩部受力，下部連接點受力可視為腰部受力。分析結(jié)果顯示，在該條件下腰部與肩部共同承擔(dān)囊體的質(zhì)量，其中腰部承擔(dān)比例更多，符合設(shè)計目的。

圖1 弧狀V 形內(nèi)背架的變形與應(yīng)力分布云圖

3.2 肩部受力情況

在奔跑過程中，背囊會隨步頻產(chǎn)生周期性上下起伏，在腳蹬地瞬間，背囊因慣性的作用向下壓迫人體，此時對于人體的壓力達到最大值。圖2 截取了這一時刻背囊在具有背架支持和沒有背架支持的情況下對人體的壓力分布，其中紅框標(biāo)示了肩部受力區(qū)域。通過對比可知，在沒有背架支持下肩部紅色高壓區(qū)域大且顏色更深，背囊對于肩膀的壓力較大，而具備背架的背負系統(tǒng)能夠有效地緩沖背囊對人體的沖擊。

圖2 受試人員肩部和腰部承載壓力情況

在受試人員身體騰空轉(zhuǎn)為下落瞬間，背囊會保持繼續(xù)向上的運動狀態(tài)，此時對人體的壓力最小。隨后背囊開始下落，對人體的壓力也逐漸提高，直至受試人員再次蹬地時，壓力重新達到最大值，如此進行周期性變化[10]。圖3、4 是8 km/h 運動速度、140步/min 的步頻狀態(tài)下采集的肩部壓強數(shù)據(jù)（由于采集到的數(shù)據(jù)量較大，并且周期變化基本一致，僅顯示其中25 s 內(nèi)的壓強變化情況），有背架背囊對肩部區(qū)域平均壓強為（2.74±2.04）kPa，無背架背囊對肩部區(qū)域平均壓強為（5.23±3.34）kPa。

圖3 受試人員背負有背架背囊肩部區(qū)域平均壓強

圖4 受試人員背負無背架背囊肩部區(qū)域平均壓強

從受試人員背負背囊的肩部平均壓強數(shù)據(jù)可以觀察到，背負有背架背囊背負的壓強曲線顯著低于無背架背囊，如圖5 所示。

圖5 背負有背架背囊與無背架背囊的肩部區(qū)域平均壓強變化對比

3.3 生理參數(shù)采集

圖6、7 是受試人員在靜止條件下，加速至奔跑狀態(tài)時以及奔跑結(jié)束后心率和血氧飽和度的對比情況。結(jié)果顯示，在負重基本相同的條件下（有背架背囊比無背架背囊重400 g），受試人員心率最初較為相近，隨著運動強度的逐漸提高，無背架背囊背負狀態(tài)的心率高于有背架背囊背負狀態(tài)。

圖6 背負有背架背囊與無背架背囊受試人員心率變化情況

圖7 背負有背架背囊與無背架背囊受試人員血氧飽和度變化情況

血氧飽和度是反映人體呼吸循環(huán)的重要參數(shù)，隨著運動時間逐漸增加，受試人員的體能消耗不斷增大，血氧飽和度數(shù)值也明顯降低。從實驗結(jié)果可知，有背架背囊背負狀態(tài)血氧飽和度明顯高于無背架背囊背負狀態(tài)，說明配有背架結(jié)構(gòu)的背負系統(tǒng)有效地降低了背負者的體能消耗。

4 結(jié)論

2種背囊雖然都具備腰帶和肩帶結(jié)構(gòu)，但無背架背囊的腰帶與肩帶均縫制在囊體表面，肩部負荷主要通過軟質(zhì)的囊體傳遞至腰部，由于囊體容易彎曲變形，傳遞的負荷量會隨之衰減?；頥 形內(nèi)背架背負系統(tǒng)背囊的腰帶和肩帶通過背架組合后再與囊體連接，肩部與腰部的負荷傳遞主要通過背架結(jié)構(gòu)完成，在背負固定得當(dāng)時，可以有效合理地分配囊體負荷，使更多的質(zhì)量由比肩部更承重的腰骶部承擔(dān)，顯著緩解肩部壓力，提高背負攜行舒適性和耐疲勞性。隨著戰(zhàn)傷、災(zāi)害傷情復(fù)雜程度和規(guī)模的提升，戰(zhàn)傷急救和邊、遠、小、散環(huán)境的應(yīng)急救援需求也同步提升，救援人員所需攜帶的藥品與器材整體質(zhì)量不斷增加，長距離、長時間背負會導(dǎo)致消耗過多體能，影響救援行動。本文研究的內(nèi)背架式背負系統(tǒng)是應(yīng)對該問題的一種有效解決方案。下一步將根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)人體尺寸范圍，加入背長和肩帶弧度等結(jié)構(gòu)因素全面分析、優(yōu)化各調(diào)節(jié)因素的最佳范圍，結(jié)合耗氧量、表面肌電信號以及人體姿態(tài)動作捕捉等人機工效評價技術(shù)，完善統(tǒng)計對照設(shè)計，提升背囊工程設(shè)計與人機工效評價的技術(shù)理論。