基于壓力舒適性的雙肩包結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

沈奕君 張海棠 嵇岑

摘 要：為了緩解雙肩包背負(fù)過程中壓力分布不合理的問題，選取市面上具有代表性的3款雙肩包，通過壓力測試及主觀評價(jià)進(jìn)行測評。結(jié)果表明，人體背負(fù)5 kg重的雙肩包保持靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，肩部承受的壓力最大，疼痛感最強(qiáng)，背部次之。在雙肩包結(jié)構(gòu)方面，有內(nèi)部框架、背板形狀貼合人體背部曲線且雙肩包與人體接觸表面有吸汗散熱裝置的結(jié)構(gòu)的雙肩包舒適性更好。根據(jù)3款雙肩包的評價(jià)結(jié)果，對雙肩包進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的雙肩包的壓力分配更加合理，其肩部/背部/腰部的分布比約為4∶3∶3，減輕因局部受壓過大而導(dǎo)致的身體疼痛或肌肉損傷，提高雙肩包的運(yùn)動(dòng)舒適性，改善消費(fèi)者使用雙肩包時(shí)的背負(fù)感受。

關(guān)鍵詞：雙肩包結(jié)構(gòu);局部壓力;舒適性;雙肩包材料;壓力分布

Abstract：In order to alleviate the problem of unreasonable pressure distribution in the process of bearing， three representative backpacks on the market were selected and evaluated through pressure test and subjective evaluation. The results showed that when the human body was carrying a 5kg backpack and kept the static state， the pressure on the shoulder was the biggest and the pain was the strongest， followed by the back. In terms of backpack structure， the backpack has an internal frame， and the back plate shape fits with human back curve. Besides， the contact surface between backpack and human body is equipped with a sweat absorption and heat dissipation device， which makes backpackcomfort better. According to the evaluation results of the three backpacks， the optimized design of the backpack showed that the pressure distribution of the optimized backpack was more reasonable. The distribution ratio of shoulder/ back/ waist was about 4∶3∶3， which can alleviate the body pain or muscle damage caused by excessive local pressure， promote the movement comfort of the backpack， and improve the feeling of consumers when using the backpack.

Key words：backpack structure; local pressure; comfort;backpack materials; pressure distribution

隨著科技的快速發(fā)展和人們需求的不斷增長，雙肩包作為不可或缺的輔助工具與人們的生活密不可分。日常生活和學(xué)習(xí)工作中不同雙肩包結(jié)構(gòu)和不同承重對人體各部位所帶來的壓力不容忽視。人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，若長時(shí)間負(fù)重或負(fù)重過重，會(huì)對人的身體產(chǎn)生危害[1]。因此，研究雙肩包壓力分布規(guī)律及其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系具有現(xiàn)實(shí)意義。

雙肩包主要由肩帶、胸帶、腰帶、肩部受力帶、包底受力帶、支撐裝置、調(diào)節(jié)裝置和通風(fēng)裝置構(gòu)成[2]。在所有的雙肩包結(jié)構(gòu)中，背負(fù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為重要。它不僅影響著雙肩包壓力的合理分布，還決定著雙肩包的運(yùn)動(dòng)舒適性等。目前，背負(fù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)逐漸趨于完善。支撐裝置早期常見的有U型管、雙鋁條、“∏”字形鋁片加膜板;20世紀(jì)末，出現(xiàn)了“TCS”背負(fù)系統(tǒng)和CR強(qiáng)力鋁條系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)均采用輕質(zhì)材料和腰撐結(jié)構(gòu)，大大提高了雙肩包的背負(fù)性能[3]。

目前關(guān)于人體負(fù)重的研究集中在肩部和腰背部的受力特點(diǎn)、肌肉負(fù)荷等分析上，很少有針對性地將肩、腰、背的受力和雙肩包舒適性結(jié)合起來。向穎等[4]研究人體在負(fù)重行走過程中肩、腰、背部的受力特點(diǎn)及分布規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人體肩、腰、背受力在負(fù)重行走時(shí)是不對稱的且具有較大差異。丁菲菲[5]通過壓力測試研究了人體背部、腰部受力及使用背負(fù)裝置的安全性。任蕊[1]對戶外雙肩包的壓力分散型背板進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙肩包設(shè)計(jì)中有效的支撐對人體各部位壓力的分散起很大作用，壓力分布越均勻，舒適性越高。因此，雙肩包壓力的測試對于評定雙肩包結(jié)構(gòu)的合理性與雙肩包的舒適性具有極其重要的意義。目前，對于壓力測試儀器及系統(tǒng)的開發(fā)國內(nèi)外學(xué)者已取得較大進(jìn)展。如德國Pliance-X測試系統(tǒng)可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、人體工學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[6];美國的Flexiforce傳感器輕薄如紙，能夠測量絕大多數(shù)接觸面之間的壓力。服裝壓力測試可以采用直接測量法，直接測量法是指選用壓力測量儀器直接對局部服裝壓力進(jìn)行測試，因其原理易于理解實(shí)驗(yàn)易于操作已被廣泛使用[7]。

選取市面上具有代表性的3款雙肩包，結(jié)合人體在負(fù)重時(shí)的主要受力點(diǎn)，通過人體工程學(xué)的主觀評價(jià)測試和客觀壓力測試對肩、腰、背部進(jìn)行測評。在3款雙肩包測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對雙肩包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為雙肩包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)提供依據(jù)與參考。

1 雙肩包的分類和壓力影響因素

1.1 雙肩包的分類

雙肩包主要有3種結(jié)構(gòu)：無框架、外部框架和內(nèi)部框架。

1.1.1 無框雙肩包

無框雙肩包是所有雙肩包設(shè)計(jì)中價(jià)格最低廉的一種。一般無框雙肩包由袋子和一組肩帶組成。有時(shí)根據(jù)需要還會(huì)添加腰帶、胸帶、背板等。這種雙肩包自重輕、便攜且方便收納[8]。

1.1.2 外部框架雙肩包

外部框架雙肩包由框架、背袋組成，背袋固定在框架上，肩帶和臀部固定帶均可調(diào)節(jié)。外部框架呈“H”型垂直結(jié)構(gòu)，可以提供很好的支撐與保護(hù)。同時(shí)，重量由肩部和臀部共同承擔(dān)，受力更加均勻。

1.1.3 內(nèi)部框架雙肩包

內(nèi)部框架雙肩包是市面上最受歡迎的大型雙肩包，一般應(yīng)用于徒步和登山。內(nèi)部框架雙肩包將外部框架設(shè)置于雙肩包內(nèi)部，更加貼合人體背部，彌補(bǔ)了外部框架雙肩包不穩(wěn)定的缺陷，安全性能更高，并且節(jié)省體力。內(nèi)部框架雙肩包還可以根據(jù)身形調(diào)整框架，使雙肩包更貼身。內(nèi)部框架雙肩包因?yàn)榫o密貼合人體背部，通風(fēng)性能差，因此往往比外部框架雙肩包更易出汗[9]。

1.2 壓力影響因素

在分散雙肩包壓力的研究中，肩帶、背板和包底受力帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了至關(guān)重要的作用。

1.2.1 肩帶結(jié)構(gòu)

肩帶寬度設(shè)計(jì)不僅影響著肩部受壓的程度還決定了人體長時(shí)間背負(fù)時(shí)的舒適性。市面上，針對不同場景使用的雙肩包的肩帶種類也不盡相同。如運(yùn)動(dòng)時(shí)攜帶的用來裝鞋及衣物的雙肩包，總重量約為1～1.5 kg，出于美觀的角度，通常使用尼龍材質(zhì)編織而成的繩狀肩帶;除此之外的非裝飾用雙肩包多為寬肩帶，寬度在6～7 cm。為了增加舒適性，還會(huì)在肩帶內(nèi)部填充珍珠棉，增加緩沖度和柔軟程度防止肩部的磨損過大[10]。

肩帶形狀大多是“NA”形，上部直線，下部向外側(cè)彎曲。為了便于人體活動(dòng)，雙肩包設(shè)計(jì)需要貼合人體腰背部曲線，避免在人體行走時(shí)因雙肩包上下左右滑移對腰背部產(chǎn)生的撞擊，提高舒適度[11]。

1.2.2 背板結(jié)構(gòu)

依據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，雙肩包的背負(fù)設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能的貼合人體脊椎和肩胛骨的基本形態(tài)。在進(jìn)行背負(fù)設(shè)計(jì)時(shí)最先關(guān)注的重點(diǎn)是如何有效的緩解肌肉疲勞，并將重力按一定比例分配給背負(fù)時(shí)的主要承重點(diǎn)，這樣才能增加背負(fù)的穩(wěn)定性。而確定穩(wěn)定性的前提是要通過調(diào)查和實(shí)驗(yàn)確定承重點(diǎn)[12]。

1.2.3 包底受力帶

包底受力帶在背負(fù)系統(tǒng)中起到了兜底作用，可以適當(dāng)減輕因重力作用雙肩包產(chǎn)生的將人體向后拉扯的情況，保證人體的平衡性且延長了雙肩包的使用壽命。一般包底受力帶的材質(zhì)會(huì)比包大身的材質(zhì)略厚，且層數(shù)更多。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)樣本

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備用具為3款不同結(jié)構(gòu)的雙肩包。

1號雙肩包為由超纖合成革制成大的水桶形雙肩包（圖1），容量為20 L，主要材質(zhì)為超纖合成革，里料材質(zhì)為滌綸，雙肩包手感整體較為柔軟，雙肩帶設(shè)計(jì)，內(nèi)部無框架，雙肩包上方帶有扣帶起裝飾作用。

2號雙肩包為由帆布制成的箱型雙肩包（圖2），容量為20 L，手感較硬，雙肩帶設(shè)計(jì)，且肩帶內(nèi)填充海綿，雙肩包底部有柔性支架，雙肩包最外層翻出一層袋蓋覆蓋在最外層。

3號雙肩包是由滌綸制造的舌形雙肩包（圖3），容量為20 L，雙肩包和兩側(cè)底部有支架支撐，雙肩帶設(shè)計(jì)，雙肩包手感介于柔軟和硬挺之間，雙肩包接觸人體一側(cè)填充珍珠棉外包裹一層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 實(shí)驗(yàn)對象

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選擇5位在校女大學(xué)生，年齡21～23歲，身高160～163 cm，體重51～54 kg。身體姿態(tài)正常，無駝背、溜肩、聳肩等現(xiàn)象，且無肩部、背部和腰部的傷痛歷史;BMI值在正常范圍內(nèi)等。在實(shí)驗(yàn)開始兩周之內(nèi)，要求受試者無劇烈運(yùn)動(dòng)，無肌肉酸痛及拉傷情況，以免影響雙肩包壓力主觀性及客觀性測試的準(zhǔn)確性。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器為日本AMI公司型號為AMI3037-10的壓力測試系統(tǒng)，如圖4所示，氣囊式壓力傳感器測量范圍為0～34 kPa，精度為±0.1 kPa（0.00～14.00 kPa）。

該儀器具有以下性能特點(diǎn)：a） 多點(diǎn)連續(xù)測量。在人體行走或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測服裝對人體表面的壓力。b） 重復(fù)性強(qiáng)，精度高。測量間隔最小可達(dá)100 ms，精度±0.1 kPa，且測量精度受溫度影響變化很小，測量的重復(fù)性高。配備有專用校準(zhǔn)器。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)短程戶外運(yùn)動(dòng)常用物品的總重量，選擇5 kg重的戶外用品（如雨傘、水杯等）及質(zhì)量和體積相似的替代品，待實(shí)驗(yàn)時(shí)分別裝入不同的雙肩包進(jìn)行測試。在物品裝配時(shí)，遵循以下原則：

a）衣物桌布等柔軟織物先放，且放在底部，避免雙肩包重量過大時(shí)對人體產(chǎn)生向后拉拽的感受。書籍、電腦等密度重量較大的物品，隨后放置，且一般放在雙肩包的中部，且貼著人體一側(cè)放置。易碎品或雨傘紙巾等最后放置，便于及時(shí)取出及觀測情況。

b）雙肩包內(nèi)物品放置不應(yīng)過于集中于某一點(diǎn)，而是應(yīng)該分散開來，充分利用包內(nèi)空間，左右物品放置最好對稱平衡。

打開儀器，將壓力測試氣囊進(jìn)行充氣，并將設(shè)備調(diào)零校準(zhǔn)。根據(jù)每一位受測者的身高體重，調(diào)整雙肩包的肩帶，使雙肩包與人體背部完全貼合，雙肩包的底部落點(diǎn)位于腰部中點(diǎn)往下約15 cm的位置，進(jìn)行控制變量實(shí)驗(yàn)。

受測者將身體充分放松，分別在受測者的肩部中點(diǎn)，背部受力點(diǎn)，腰部受力點(diǎn)用膠布固定壓力測試氣囊，靜待10 s后從儀器中讀取壓力數(shù)值并記錄，每個(gè)部位重復(fù)5次，3款雙肩包均以此種方法進(jìn)行測量，以確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。實(shí)驗(yàn)過程中詢問受試者背負(fù)雙肩包的舒適程度，評價(jià)標(biāo)尺為10 cm的游動(dòng)標(biāo)尺，兩端分別為0分和10分，0分表示舒適，10分表示非常不舒適。實(shí)驗(yàn)時(shí)受試者狀態(tài)如圖5所示。

3 結(jié)果與討論

受試者各部位平均壓強(qiáng)值及所占比例如表1所示，由結(jié)果可知，肩部是三個(gè)主要受力部位中承重百分比最大的部位，背部其次。1號、2號、3號雙肩包的主觀舒適度評價(jià)值分別為7、5.67、5。

從雙肩包框架看，1號雙肩包無框架，2號雙肩包底層有承重帶，3號雙肩包有較為完整內(nèi)部框架，因此其肩部壓力占比呈遞減趨勢，雙肩包內(nèi)部結(jié)構(gòu)越完整，肩部承擔(dān)壓力占比越少，腰背部分擔(dān)的越多。

1號雙肩包是由超纖合成革制成大的水桶形無框架雙肩包，因?yàn)槠浼鐜?nèi)部無軟質(zhì)珍珠棉填充，且外層無網(wǎng)狀透氣層，所以其肩部受壓最大。該雙肩包的背板結(jié)構(gòu)為純軟組織，無框架結(jié)構(gòu)，且不貼合人體背部曲線，因此背部和腰部分擔(dān)的壓力極小，更加重了肩部負(fù)擔(dān)。另外由于無排汗吸濕系統(tǒng)，雙肩包的整體舒適性較差。因此，在雙肩包優(yōu)化中，盡量避免1號雙肩包的主要結(jié)構(gòu)和面料特性。

2號雙肩包是由帆布制成的雙肩包，背板較硬，但有硬質(zhì)框架結(jié)構(gòu);雙肩包肩帶由尼龍纖維為主制成，內(nèi)含柔軟填充物，因此肩部壓力被適當(dāng)分擔(dān)，背板結(jié)構(gòu)雖然也不能完全貼合人體背部曲線，但由于有硬質(zhì)框架，因此，背部也分擔(dān)了部分壓力。由1號和2號雙肩包對比得知，有框架雙肩包比無框架雙肩包肩部壓力得到緩解，肩部和腰部壓力部分轉(zhuǎn)移到背部，但2號雙肩包肩、背和腰部受力不均勻，壓力主要分布在肩、背部，仍需改進(jìn)。

3號雙肩包是由滌綸制造的軟把雙肩包，雙肩包和兩側(cè)底部有支架支撐。由于其背板結(jié)構(gòu)中，不僅有框架制成，且其背板形狀貼合人體背部曲線，加之背板表面由一層軟性珍珠棉及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)組成，不僅緩解了背部壓力，且提高了其吸濕透氣性能，增加了雙肩包舒適性。肩帶結(jié)構(gòu)與背板結(jié)構(gòu)類似，包底承重帶中含有硬質(zhì)框架，極好地分擔(dān)了肩部壓力，緩解了長時(shí)間背負(fù)過程中人體地疲憊感。在3款雙肩包中，其壓力分布規(guī)律及主觀評價(jià)均為第一，為后續(xù)的雙肩包優(yōu)化起到了極大的作用。

肩部、背部和腰部3個(gè)部位所受壓力結(jié)果如表2所示。從表2可以看出肩部的標(biāo)準(zhǔn)差較大，說明肩部承受壓力的數(shù)值與個(gè)體差異之間存在較大關(guān)系，因此在肩帶設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)肩帶長度的裝置十分有必要。當(dāng)雙肩包完全貼合人體時(shí)，其壓力的承重感受最小。腰部和背部的標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明雙肩包背板的設(shè)計(jì)與個(gè)體差異之間的關(guān)系并不大，只要其符合人體工程學(xué)上的脊柱走向，就能減輕其背部和腰部的壓力承重[13]。

4 雙肩包優(yōu)化

根據(jù)上文3款雙肩包的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對雙肩包進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖6所示，新款雙肩包選用了貼合人體背部曲線的拱橋式懸浮背負(fù)系統(tǒng)，可以起到減緩壓力透氣散熱、讓背部自由呼吸的效果。在肩帶底部裝有減壓腰帶，如圖7（a）所示，可以有效地將肩部壓力分散給腰背部，緩解肩部過分疲勞。如圖7（b）所示，雙肩包有3塊分離式背板，均用內(nèi)含珍珠棉外層樹脂氣孔包覆而成，分別在背部左右兩側(cè)肩胛骨和腰部均有突起，在人體背負(fù)時(shí)緊緊貼合背部，起到柔性支撐的作用。

對新款雙肩包進(jìn)行壓力測試，肩部、背部和腰部的平均壓強(qiáng)分別為2.8 kPa、2 kPa、1.8 kPa。肩部、背部和腰部的受力分布百分比約為4∶3∶3。由結(jié)果可知，新款雙肩包在3個(gè)部位的壓強(qiáng)均減小，其壓力分布更均勻，舒適度顯著提高。

5 結(jié) 論

對市面上3款常見雙肩包進(jìn)行主客觀評價(jià)，并根據(jù)評價(jià)結(jié)果設(shè)計(jì)對雙肩包進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到以下幾個(gè)結(jié)

a） 在靜止?fàn)顟B(tài)下，人體背負(fù)5 kg雙肩包時(shí)，在肩部、背部和腰部，肩部的承重最大，且疼痛感最強(qiáng)，是現(xiàn)有市場上雙肩包常見的問題。

b） 在雙肩包的眾多結(jié)構(gòu)中，肩帶、背板結(jié)構(gòu)和內(nèi)部框架對壓力的分散起到了至關(guān)重要的作用。在肩帶設(shè)計(jì)中，用尼龍或滌綸作為肩帶主體材料，在肩帶接觸人體的一面縫制軟質(zhì)珍珠棉，外層覆蓋有一層樹脂網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，可以有效分擔(dān)肩部壓力，并且提高人體背負(fù)時(shí)的舒適性。選用較為柔軟且貼合人體時(shí)可以完全符合人體背部曲線的背板結(jié)構(gòu)能夠更好的分擔(dān)壓力。雙肩包有內(nèi)部框架比無內(nèi)部框架時(shí)的壓力分配比例更均勻、合理。

c） 合理的重力分配以及有效的制成對于腰背部壓力分散起到很大的作用。由壓力測試結(jié)果分析表明，普通雙肩包肩、背、腰的負(fù)重占比中肩部最大，其次是腰部，最后是背部。而改進(jìn)后的雙肩包，肩、背、腰的負(fù)重比約為4∶3∶3，分配比更加合理，符合人體工程學(xué)的要求，舒適性更高，可以有效緩解雙肩包對肩部的壓力造成的肌肉損傷。

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