基于壓力舒適性的雙肩包結構優化研究

沈奕君 張海棠 嵇岑

摘 要：為了緩解雙肩包背負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進行測評。結果表明，人體背負5 kg重的雙肩包保持靜止狀態時，肩部承受的壓力最大，疼痛感最強，背部次之。在雙肩包結構方面，有內部框架、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構的雙肩包舒適性更好。根據3款雙肩包的評價結果，對雙肩包進行優化設計，優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致的身體疼痛或肌肉損傷，提高雙肩包的運動舒適性，改善消費者使用雙肩包時的背負感受。

關鍵詞：雙肩包結構;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。日常生活和學習工作中不同雙肩包結構和不同承重對人體各部位所帶來的壓力不容忽視。人體在運動時，若長時間負重或負重過重，會對人的身體產生危害[1]。因此，研究雙肩包壓力分布規律及其結構之間的關系具有現實意義。

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、調節裝置和通風裝置構成[2]。在所有的雙肩包結構中，背負系統的設計最為重要。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動舒適性等。目前，背負系統設計逐漸趨于完善。支撐裝置早期常見的有U型管、雙鋁條、“∏”字形鋁片加膜板;20世紀末，出現了“TCS”背負系統和CR強力鋁條系統，兩個系統均采用輕質材料和腰撐結構，大大提高了雙肩包的背負性能[3]。

目前關于人體負重的研究集中在肩部和腰背部的受力特點、肌肉負荷等分析上，很少有針對性地將肩、腰、背的受力和雙肩包舒適性結合起來。向穎等[4]研究人體在負重行走過程中肩、腰、背部的受力特點及分布規律，結果發現人體肩、腰、背受力在負重行走時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裝置的安全性。任蕊[1]對戶外雙肩包的壓力分散型背板進行研究，結果發現雙肩包設計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構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的開發國內外學者已取得較大進展。如德國Pliance-X測試系統可以應用于生物醫學、生物力學、人體工學等多個領域[6];美國的Flexiforce傳感器輕薄如紙，能夠測量絕大多數接觸面之間的壓力。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行測試，因其原理易于理解實驗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，結合人體在負重時的主要受力點，通過人體工程學的主觀評價測試和客觀壓力測試對肩、腰、背部進行測評。在3款雙肩包測試結果的基礎上，對雙肩包的結構進行優化，為雙肩包結構設計與性能評價提供依據與參考。

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種結構：無框架、外部框架和內部框架。

1.1.1 無框雙肩包

無框雙肩包是所有雙肩包設計中價格最低廉的一種。一般無框雙肩包由袋子和一組肩帶組成。有時根據需要還會添加腰帶、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節。外部框架呈“H”型垂直結構，可以提供很好的支撐與保護。同時，重量由肩部和臀部共同承擔，受力更加均勻。

1.1.3 內部框架雙肩包

內部框架雙肩包是市面上最受歡迎的大型雙肩包，一般應用于徒步和登山。內部框架雙肩包將外部框架設置于雙肩包內部，更加貼合人體背部，彌補了外部框架雙肩包不穩定的缺陷，安全性能更高，并且節省體力。內部框架雙肩包還可以根據身形調整框架，使雙肩包更貼身。內部框架雙肩包因為緊密貼合人體背部，通風性能差，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構設計起到了至關重要的作用。

1.2.1 肩帶結構

肩帶寬度設計不僅影響著肩部受壓的程度還決定了人體長時間背負時的舒適性。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。如運動時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，還會在肩帶內部填充珍珠棉，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，下部向外側彎曲。為了便于人體活動，雙肩包設計需要貼合人體腰背部曲線，避免在人體行走時因雙肩包上下左右滑移對腰背部產生的撞擊，提高舒適度[11]。

1.2.2 背板結構

依據人機工程學原理，雙肩包的背負設計應該盡可能的貼合人體脊椎和肩胛骨的基本形態。在進行背負設計時最先關注的重點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時的主要承重點，這樣才能增加背負的穩定性。而確定穩定性的前提是要通過調查和實驗確定承重點[12]。

1.2.3 包底受力帶

包底受力帶在背負系統中起到了兜底作用，可以適當減輕因重力作用雙肩包產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會比包大身的材質略厚，且層數更多。

2 實驗方案

2.1 實驗樣本

實驗準備用具為3款不同結構的雙肩包。

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，主要材質為超纖合成革，里料材質為滌綸，雙肩包手感整體較為柔軟，雙肩帶設計，內部無框架，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，雙肩帶設計，且肩帶內填充海綿，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，雙肩包和兩側底部有支架支撐，雙肩帶設計，雙肩包手感介于柔軟和硬挺之間，雙肩包接觸人體一側填充珍珠棉外包裹一層網狀結構。

2.2 實驗方案

2.2.1 實驗對象

為了保證實驗結果的準確性，選擇5位在校女大學生，年齡21～23歲，身高160～163 cm，體重51～54 kg。身體姿態正常，無駝背、溜肩、聳肩等現象，且無肩部、背部和腰部的傷痛歷史;BMI值在正常范圍內等。在實驗開始兩周之內，要求受試者無劇烈運動，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確性。

2.2.2 實驗儀器

實驗儀器為日本AMI公司型號為AMI3037-10的壓力測試系統，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：a） 多點連續測量。在人體行走或運動狀態下，能夠實時監測服裝對人體表面的壓力。b） 重復性強，精度高。測量間隔最小可達100 ms，精度±0.1 kPa，且測量精度受溫度影響變化很小，測量的重復性高。配備有專用校準器。

2.2.3 實驗步驟

實驗前，根據短程戶外運動常用物品的總重量，選擇5 kg重的戶外用品（如雨傘、水杯等）及質量和體積相似的替代品，待實驗時分別裝入不同的雙肩包進行測試。在物品裝配時，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對人體產生向后拉拽的感受。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，且貼著人體一側放置。易碎品或雨傘紙巾等最后放置，便于及時取出及觀測情況。

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

打開儀器，將壓力測試氣囊進行充氣，并將設備調零校準。根據每一位受測者的身高體重，調整雙肩包的肩帶，使雙肩包與人體背部完全貼合，雙肩包的底部落點位于腰部中點往下約15 cm的位置，進行控制變量實驗。

受測者將身體充分放松，分別在受測者的肩部中點，背部受力點，腰部受力點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值并記錄，每個部位重復5次，3款雙肩包均以此種方法進行測量，以確保測量數據的準確程度。實驗過程中詢問受試者背負雙肩包的舒適程度，評價標尺為10 cm的游動標尺，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。實驗時受試者狀態如圖5所示。

3 結果與討論

受試者各部位平均壓強值及所占比例如表1所示，由結果可知，肩部是三個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部框架，因此其肩部壓力占比呈遞減趨勢，雙肩包內部結構越完整，肩部承擔壓力占比越少，腰背部分擔的越多。

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，因為其肩帶內部無軟質珍珠棉填充，且外層無網狀透氣層，所以其肩部受壓最大。該雙肩包的背板結構為純軟組織，無框架結構，且不貼合人體背部曲線，因此背部和腰部分擔的壓力極小，更加重了肩部負擔。另外由于無排汗吸濕系統，雙肩包的整體舒適性較差。因此，在雙肩包優化中，盡量避免1號雙肩包的主要結構和面料特性。

2號雙肩包是由帆布制成的雙肩包，背板較硬，但有硬質框架結構;雙肩包肩帶由尼龍纖維為主制成，內含柔軟填充物，因此肩部壓力被適當分擔，背板結構雖然也不能完全貼合人體背部曲線，但由于有硬質框架，因此，背部也分擔了部分壓力。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。

3號雙肩包是由滌綸制造的軟把雙肩包，雙肩包和兩側底部有支架支撐。由于其背板結構中，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狀結構組成，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。肩帶結構與背板結構類似，包底承重帶中含有硬質框架，極好地分擔了肩部壓力，緩解了長時間背負過程中人體地疲憊感。在3款雙肩包中，其壓力分布規律及主觀評價均為第一，為后續的雙肩包優化起到了極大的作用。

肩部、背部和腰部3個部位所受壓力結果如表2所示。從表2可以看出肩部的標準差較大，說明肩部承受壓力的數值與個體差異之間存在較大關系，因此在肩帶設計時，設計調節肩帶長度的裝置十分有必要。當雙肩包完全貼合人體時，其壓力的承重感受最小。腰部和背部的標準差較小，說明雙肩包背板的設計與個體差異之間的關系并不大，只要其符合人體工程學上的脊柱走向，就能減輕其背部和腰部的壓力承重[13]。

4 雙肩包優化

根據上文3款雙肩包的實驗結果，對雙肩包進行優化設計。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系統，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，均用內含珍珠棉外層樹脂氣孔包覆而成，分別在背部左右兩側肩胛骨和腰部均有突起，在人體背負時緊緊貼合背部，起到柔性支撐的作用。

對新款雙肩包進行壓力測試，肩部、背部和腰部的平均壓強分別為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。由結果可知，新款雙肩包在3個部位的壓強均減小，其壓力分布更均勻，舒適度顯著提高。

5 結 論

對市面上3款常見雙肩包進行主客觀評價，并根據評價結果設計對雙肩包進行優化設計，得到以下幾個結

a） 在靜止狀態下，人體背負5 kg雙肩包時，在肩部、背部和腰部，肩部的承重最大，且疼痛感最強，是現有市場上雙肩包常見的問題。

b） 在雙肩包的眾多結構中，肩帶、背板結構和內部框架對壓力的分散起到了至關重要的作用。在肩帶設計中，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珍珠棉，外層覆蓋有一層樹脂網眼結構，可以有效分擔肩部壓力，并且提高人體背負時的舒適性。選用較為柔軟且貼合人體時可以完全符合人體背部曲線的背板結構能夠更好的分擔壓力。雙肩包有內部框架比無內部框架時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。由壓力測試結果分析表明，普通雙肩包肩、背、腰的負重占比中肩部最大，其次是腰部，最后是背部。而改進后的雙肩包，肩、背、腰的負重比約為4∶3∶3，分配比更加合理，符合人體工程學的要求，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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