户外背包压力分散型背板的研究

摘要

背包作为户外运动必不可少的装备之一。不仅要求具有一般背包的轻便、美观等特性，而且背负时的安全性、舒适性也越来越受到人们的重视，特别是运动过程中的透气、吸湿、排汗、贴合、压力分布、重力传递等。背板作为背包背负系统的骨骼，对于压力的分散起到重要的作用。它的主要功能就是将重量合理分配到身体的各个部位，避免因重量过于集中在肩部或某一块肌肉上，造成局部肌肉疲劳甚至损伤。另外它还具有调整背负重心的作用，增加运动过程中的平衡和安全。
　　根据背负承重原理，尾骨上方的腰窝是主承重点，腰窝连接到双侧胯骨顶端是主要受力区，双肩是辅助受力并掌握平衡的区域。位于底部的下腰部位(L3-L4)承受着身体大部分重量。腰椎特别是下腰部位，是最容易发生劳损疾病的部位。因此，在整个背板结构设计过程中应该重视压力的分散。背包从外部施加载荷作用于人体，会改变身体重心的位置，影响人体的稳定性。而负重的不均匀，会导致低背痛、特发性脊柱侧弯、过度驼背、前凸等肌骨系统疾病。因此，在减负的同时，对于背包背负系统的背板设计和改进，有利于减轻背包对于背部的局部压力，进而一定程度上降低患病的危险。
　　本次研究首先立足于运动状态下的腰背部各生理参数特征，基于压力测试数据分析，找到影响压力分布以及背负舒适性的关键因素，设计出能够更好的分散腰背部压力的背板。其次进行模拟负重试验，优化并设计背板的曲面形态，进而制作成品背包。最后，在sEMG试验和Pliance-X压力测试中进行验证，分析数据并且调整和优化背板。为后期背板结构的改进设计提供试验数据依据。整个背板结构设计中，旨在保持脊柱正常的生理弯曲，使得人体肩部、腰部脊柱之间的支撑符合人机工程学，并且有适当的空气流动，保证其舒适性。
　　本研究主要包括四部分。第一部分对人体腰背部曲线的测量和压力分布比的分析。筛选合适受试者:选择BMI相近的标准体型人群，测量不同运动状态下（静止站立、模拟12°爬坡状态）腰背部曲线的生理参数（后颈点、腰窝点和臀凸点等）以及腰背部各部分压力分布的百分比。第二部分是基于承重原理的背板结构设计。通过Pliance-X压力测试仪、sEMG等仪器，对市面上常见的普通背包进行测试。分析试验数据，结合人机工程学原理，确定影响腰背部压力分散的主要参数点。第三部分是三维建模和背包的制作。运用Rhino软件对设计好的背板结构进行三维建模。对市面上常用的几种背部贴合材料进行相关物理机械性能的测试，综合考虑背负系统的整体舒适性，筛选出适合做背板的最优材料。根据前期试验确定的参数点，制作背板，进而制作出成品背包。第四部分对背板结构的再测试。将成品包进行Pliance-X压力测试和sEMG测试，模拟户外运动使用状态，在规定负重条件下，对肩、腰背部的主要肌肉（左斜方肌、右斜方肌、左竖脊肌、右竖脊肌）进行测试，分析其肌电信号和压力分布的变化。
　　研究结果表明:
　　(1)在背负户外背包进行12°模拟爬坡运动和水平匀速运动时，腰背部主要的发力点为竖脊肌和斜方肌。但是，双侧竖脊肌的肌肉活动相较于斜方肌均表现剧烈。
　　(2)对于采集到的sEMG信号进行肌电特征分析，可以得出，12°爬坡状态下的原始数据均高于0°匀速行走时的数据。同一运动状态下，改进后的背板比普通背板测得的数据在MA、MPF、INT、RMS等肌电特征参数上均显著高。说明人体在负重行走时，躯干倾斜角度的增加或腰背部压力分布的不同，会影响肌肉在单位时间内的做功和放电数量，进而引起肌肉较早的出现疲劳。
　　(3)合理的重力传递以及有效支撑对于腰背部压力分散起到很大的作用。Pliance-X压力测试结果分析表明，普通背包肩、背、腰的负重比为6∶1∶3，改进后的背包肩、背、腰的负重比为3∶3∶4。结合视觉模拟分析法（即“VAS”）可知，改进后的背板，在背负过程中腰背部的压力分布较普通背板均匀，舒适度有显著的提高。
　　(4)温湿度对比试验研究表明，合理的背板支撑可以提高背负的舒适性。在负重和试验环境不变的条件下，普通背板在试验结束0min时，温湿度均骤然上升。在整个试验测试15min内，改进后的背板与普通背板相比，温湿度测试曲线波动幅度较小。结合“VAS”测试法可知，改进后的背板提高了背负过程中的透气性，从而提高了背包的舒适度。
　　(5)根据人机工程学、腰背部曲线特征、Rhino三维软件的建模设计、sEMG和Pliance-X压力测试，能够直观的看到背板的模型构建，使背板更好的符合人体腰背部造型，进而使背负变得更加舒适。

目录

摘要

符号说明

1 绪论

1．1 概述

1．2 研究目的和意义

1．3 背负系统的研究进展

1．4 人体肌肉表面肌电信号的研究进展

1．4．1 信号产生原理

1．4．2 表面肌电的应用

1．5 人体腰背部负重的研究进展

1．6 主要内容与创新点

2 背板设计、建模与制作

2．1 现有背板结构、材料概述

2．1．1 背板结构

2．1．2 背板材料

2．2 人体腰背部曲线的测量与参数提取

2．2．1 测量参数的确定

2．2．2 腰背部测量

2．3 背板的设计与三维建模

2．3．1 背板的结构设计

2．3．2 Rhino简介

2．3．3 主体部分曲线绘制

2．3．4 主体建模

2．3．5 肩部和腰窝凸出部分建模

2．4 背板制作

2．4．1 背板造型原理

2．4．2 背板材料筛选和制作

2．4．3 背板相关参数

2．5 小结

3 基于表面肌电信号的腰背部负重研究

3．1 试验准备

3．1．1 受试者的筛选

3．1．2 背负准备

3．1．3 试验仪器

3．2 负重行走时表面肌电信号的采集

3．2．1 待测部位的确定

3．2．2 采集电极的贴放

3．2．3 肌电信号的采集

3．3 肌电信号的分析

3．4 结果与讨论

3．4．1 客观测试

3．4．2 主观测试

3．5 小结

4 基于压力测试的腰背部负重研究

4．1 试验准备

4．2 负重行走时的压力测试

4．3 结果与讨论

4．4 小结

5 背负舒适性测试试验

5．1 试验准备

5．2 背部湿热度的测试

5．3 试验结果与讨论

5．4 小结

6 结论

7 不足与展望

7．1 不足

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

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