一種保護(hù)青少年脊柱健康的減重背包設(shè)計(jì)與研究

秦 榕，涂細(xì)凱,，甘 暢，李 肖

一種保護(hù)青少年脊柱健康的減重背包設(shè)計(jì)與研究

秦 榕1，涂細(xì)凱1,2，甘 暢2，李 肖2

(1. 湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430068；2. 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

目前市面上的青少年背包主要通過肩部來進(jìn)行載荷，而忽略了腰部載荷的作用。背包長期負(fù)重不當(dāng)會(huì)影響脊柱生長。為了平衡肩部、腰部和臀部的載荷，設(shè)計(jì)一種通過臀部帶和彈性桿結(jié)構(gòu)改變重力傳遞方式的減重背包。首先對(duì)人體背包進(jìn)行生物力學(xué)分析，提出設(shè)計(jì)方案；然后借助ADAMS對(duì)傳統(tǒng)背包與減重背包在平地、上坡、下坡3種路況下進(jìn)行人體肩部、腰部和臀部載荷的動(dòng)力學(xué)仿真，并利用MATLAB對(duì)2種背包的肩部、腰部和臀部的力矩進(jìn)行分析。結(jié)果表明減重背包減輕了肩部6.1%和腰部5.4%力矩；減重背包肩部力矩與腰臀部合力矩的比值是4.17，而傳統(tǒng)背包的比值是6.58。減重背包減少了肩部和腰部的載荷，同時(shí)發(fā)現(xiàn)肩部力矩與腰、臀部合力矩的比值越小，轉(zhuǎn)移到臀部的力矩越大，背包的平衡性越好，表明了減重背包優(yōu)于傳統(tǒng)背包。

保護(hù)脊柱；腰背部疼痛；減重背包；重力傳遞；青少年；臀部帶

隨著青少年脊柱側(cè)彎和駝背及肌肉骨骼疾病的人數(shù)逐年升高，學(xué)校和家庭對(duì)于青少年的健康越來越重視。背包作為青少年學(xué)習(xí)生活中必不可少的工具，長時(shí)間負(fù)重會(huì)對(duì)人體脊柱、腰部以及身體平衡造成危害[1-2]。

平衡對(duì)人體非常重要。研究表明，當(dāng)背包的重量增至15%時(shí)，青少年很難保持正常身體姿勢(shì)，致身體失去平衡，同時(shí)肩、背和腰部產(chǎn)生疼痛[3-4]。因此直接或間接的影響了青少年的脊柱健康和成長發(fā)育。為了解青少年負(fù)重與身體平衡性、脊柱彎曲及腰背部疼痛等健康問題之間的關(guān)系。GRIMMER等[5]提出青少年背負(fù)與未背負(fù)背包在寰枕關(guān)節(jié)絕對(duì)差值上存在顯著差異，表明背包對(duì)兒童的脊柱有影響。另有大量關(guān)于青少年背包重量限制的研究，如CHANSIRINUKOR等[6]發(fā)現(xiàn)，青少年背15%BW (體重Bodyweight)的雙肩背包時(shí)，軀干前傾角度變大。其角度的變大是為了穩(wěn)定重心、保持身體平衡[7-8]，表明學(xué)生通過前傾來抵消重物引起的向后扭力來改變重心位置，并保持身體的平衡。GOH等[9]收集背負(fù)0，15%BW和30%BW背包行走的青少年腰骶關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)。背負(fù)15%BW和30%BW的背包時(shí)，腰骶關(guān)節(jié)的強(qiáng)度比未負(fù)重分別增加了26.7%和64.0%，可能會(huì)導(dǎo)致腰痛和脊椎損傷。王敏和陸阿明[10]研究了不同背包方式行走對(duì)大學(xué)生脊柱角度的影響，發(fā)現(xiàn)雙肩背包對(duì)于脊柱的傷害最小。王佳和王潔[11]研究了不同重量背包對(duì)兒童脊柱健康的影響，證明了髖部平衡能力與年齡沒有直接的關(guān)系。以上研究均集中發(fā)現(xiàn)背包的問題，并未針對(duì)問題提出相對(duì)應(yīng)地解決方案。

關(guān)于背包減重設(shè)計(jì)國外有較多地研究，如COTTALORDA等[12]發(fā)現(xiàn)背包的形狀可以更好地分布重量和提高舒適度。伊朗科學(xué)技術(shù)大學(xué)的AMIRI等[13]以用戶為中心的設(shè)計(jì)方法結(jié)合正常的標(biāo)準(zhǔn)和人體工程學(xué)特征背包可以顯著降低肩膀、頸部的有效載荷。印尼萬隆理工學(xué)院的PUTRA等[14]設(shè)計(jì)了懸掛式背包，讓背包與背部做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以盡量減少人體在行走或跑步時(shí)背包上下運(yùn)動(dòng)對(duì)于人體造成的沖擊力。以上設(shè)計(jì)均使用傳統(tǒng)的腰部帶將重力傳遞，忽略了背包對(duì)人體平衡性及腰背部疼痛的影響。

上述對(duì)于保護(hù)青少年脊柱的背包研究各有側(cè)重點(diǎn)，有關(guān)注背包對(duì)青少年脊柱腰部造成的影響，也有從背包省力角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，但少有兩者結(jié)合地研究。身體的平衡性下降會(huì)造成肩部及腰背部疼痛，從而影響脊柱健康[3]。針對(duì)以上問題，本文設(shè)計(jì)了一款減重背包，以減少肩部、腰部的載荷，將背包重量精準(zhǔn)傳遞到下肢，從而減少腰背部的疼痛，保護(hù)脊柱的健康。

1 力學(xué)分析

1.1 背包生物力學(xué)分析

分析青少年背負(fù)雙肩背包時(shí)，背包與脊柱之間的受力情況。根據(jù)生物力學(xué)原理，建立青少年在背負(fù)雙肩包時(shí)的力學(xué)模型。

如圖1所示，1和2分別為背包對(duì)人體所產(chǎn)生的作用力的受力點(diǎn)，1和2分別為人體對(duì)背包所產(chǎn)生反作用力的受力點(diǎn)。F是背包作用于腰部的壓力，背包為施力方，人的腰部為受力方；F是背包作用于腰部壓力的反作用力，人的腰部為施力方，背包為受力方；F是背包作用于肩部的壓力，背包為施力方，人的肩部為受力方；F為背包作用于肩部壓力的反作用力，人的肩部為施力方，背包為受力方。

1.2 脊柱受力分析

脊柱是人體重要的支撐結(jié)構(gòu)，人體脊柱要到16歲以后才會(huì)發(fā)育完全。在此之前，身體的姿勢(shì)很容易受到身體內(nèi)外因素的影響而發(fā)生變形[15]。背負(fù)重物會(huì)造成頸部、肩部、背部肌肉群的緊張。并且長期背包所產(chǎn)生的影響會(huì)使身體姿勢(shì)發(fā)生永久性變化，從而引發(fā)脊柱相關(guān)疾病[16]。

圖1 青少年背負(fù)背包的力學(xué)模型

背包過重會(huì)讓青少年身體不自覺前傾來對(duì)抗背包重量。如圖2所示，脊柱由頸椎、胸椎和腰椎三部分構(gòu)成，其中1為頸椎所受的壓力，引起頸椎向前傾；2，4分別為胸椎所受的壓力，引起胸椎向后凸；3為腰椎所受壓力，引起腰椎向前凸，從而導(dǎo)致脊柱曲度產(chǎn)生變形。

圖2 脊柱的縱向承重示意圖

2 背包方案設(shè)計(jì)

通過分析背包力學(xué)和人體脊柱的受力情況，可對(duì)青少年背部的受力有進(jìn)一步的了解，當(dāng)背包行走時(shí)，過重的背包會(huì)使身體后傾，這種負(fù)重方式從外部對(duì)人體施加載荷，改變身體重心的位置。為了對(duì)抗這種外部阻力的影響，維持青少年的身體平衡和穩(wěn)定，勢(shì)必會(huì)進(jìn)行身體姿態(tài)調(diào)整，使得整個(gè)背部向前傾斜來保持人體重心[17]。背包部分重量合理傳遞能夠減輕其對(duì)腰背部的載荷，穩(wěn)定重心，減少腰背部所受力矩，從而保護(hù)脊柱健康。

2.1 減重背包設(shè)計(jì)原理

背包會(huì)對(duì)青少年的身體造成外部負(fù)重，并改變身體重心的位置。結(jié)合力學(xué)知識(shí)，將背包的部分重量轉(zhuǎn)移到髖關(guān)節(jié)，這樣可將重力部分傳遞到下肢，減輕背包對(duì)上肢的載荷，穩(wěn)定人體重心，保持身體的平衡狀態(tài)。

關(guān)于青少年身體外部平衡，背包的負(fù)載“”引起的傾覆力矩“M”與青少年自重引起的阻力力矩“M”進(jìn)行比較。如果“M”比“M”更強(qiáng)，身體自然會(huì)向前傾斜，從而減少力“”的杠桿臂，且最終減小傾覆力矩。如圖3所示，這種情況下，減重背包方法是：最小化“”和軸“”之間的距離，其中“”為人體主軸。

圖3 減重背包原理圖((a)受力分析；(b)減重方法)

式(1)為綜合圖1的受力分析，可得到如圖4所示的力矩分析圖，其中1為肩部的轉(zhuǎn)軸，2是背包重力對(duì)人體產(chǎn)生的力矩，1是人體為對(duì)抗背包重力而產(chǎn)生的力矩；2為腰部的轉(zhuǎn)軸，4是背包重力對(duì)人體產(chǎn)生的力矩，3是人體對(duì)抗背包重力產(chǎn)生的力矩；3為臀部的轉(zhuǎn)軸，5是背包臀部帶對(duì)人體產(chǎn)生的力矩。

圖5為背包減重系統(tǒng)的側(cè)視圖，以髖關(guān)節(jié)處為主軸，通過一根彈性材質(zhì)的連接桿將背包頂部彈性帶與髖關(guān)節(jié)部位的臀部帶中的彈簧相連接。減少了背包與人體主軸之間的距離，將背包的重量精準(zhǔn)地通過臀部帶傳遞到下肢。青少年在背負(fù)背包行走時(shí)，背包隨著人體的步態(tài)上下晃動(dòng)，即彈性桿會(huì)隨著背包的向下運(yùn)動(dòng)儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，并向上釋放彈性勢(shì)能，從而減少背包對(duì)人體向下的沖擊力。同時(shí)彈性桿儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能通過臀部帶的彈簧裝置將重量傳遞到人體下肢，從而達(dá)到減重的目的。

圖4 減重背包力矩分析圖

圖5 減重系統(tǒng)側(cè)視圖

圖5為臀部帶彈簧裝置結(jié)構(gòu)圖，人體在行走過程中彈性桿受到背包的重力，彈性桿儲(chǔ)存彈性勢(shì)能并向上釋放勢(shì)能，同時(shí)壓縮彈簧裝置中的彈簧。彈簧通過儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，向下壓縮彈簧，減少臀部帶上下滑動(dòng)，維持臀部帶平衡。然后彈簧再向上釋放彈性勢(shì)能，從而減輕背包的重力，減少背包對(duì)于腰背部的載荷。

2.2 臀部帶設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)背包是通過腰部帶來減輕背包對(duì)肩部的載荷，腰部帶直接連接背包，存在柔性變形，會(huì)影響重力傳遞。如圖6所示，動(dòng)作“V”是由身體和腰帶之間的摩擦力來實(shí)現(xiàn)平衡的，由此產(chǎn)生的彎矩“M”由水平力“M/”的間隙來平衡(“”約為腰部帶的80%高度)。長時(shí)間下，虛線部分為腰部帶受到摩擦力的影響而產(chǎn)生向下滑動(dòng)的現(xiàn)象，從而不能很好地傳遞重力。

傳統(tǒng)的背包腰部帶通常會(huì)下滑致腰部和臀部之間，無法精準(zhǔn)傳遞背包重量。而臀部帶設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是髖關(guān)節(jié)的彈簧裝置，髖關(guān)節(jié)是連接人體上、下肢的關(guān)鍵關(guān)節(jié)[18]，在人體主軸兩側(cè)髖關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)彈簧裝置，用來連接彈性桿，以緩解對(duì)臀部帶的沖擊力。圖7為臀部帶位置，考慮到臀部帶將連接彈簧裝置，傳統(tǒng)的材質(zhì)會(huì)因背包重量導(dǎo)致臀部帶損壞，所以設(shè)計(jì)時(shí)臀部帶需選用皮帶材質(zhì)，保證彈簧裝置的有效連接。

圖6 腰帶柔性變化示意圖

圖7 臀部帶位置正視圖

2.3 材料選擇與計(jì)算

本文設(shè)計(jì)的減重背包中運(yùn)用了彈性桿和彈簧，目的是幫助青少年分散背包重量，從而穩(wěn)定重心。

2.3.1 彈性桿

彈性桿作為背包的主要承重部件，既要滿足輕便性，又要兼顧材料的強(qiáng)度以滿足承載背包的重量。本文選用了T700碳纖維材料的彈性桿[19]，其抗拉強(qiáng)度>3 500 MPa，工作的最大應(yīng)力為2 055.2 MPa，滿足背包所需要的強(qiáng)度。所以選用T700碳纖維材料的彈性桿。

2.3.2 彈 簧

結(jié)合減重背包臀部帶彈簧裝置的結(jié)構(gòu)，選擇圓柱螺旋壓縮彈簧。在ADAMS仿真軟件中得到身高167 cm和體重55 kg的男性青少年在背負(fù)8.5 kg的減重背包行走時(shí)[6,20]，臀部帶受到的最大力矩為61 N·m。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[21]圓柱螺旋壓縮彈簧的公式，計(jì)算出臀部帶彈簧的基本參數(shù)，即

其中，為直徑；為有效圈數(shù)。

考慮到臀部帶位置以及彈簧裝置的尺寸等實(shí)際情況，本文選擇為2 mm、為14的GB4358琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧。

2.4 整體方案設(shè)計(jì)

在減重背包的外觀設(shè)計(jì)中，利用工業(yè)設(shè)計(jì)美學(xué)法則中的統(tǒng)一與變化、對(duì)稱與均衡、穩(wěn)定與輕巧，結(jié)合彈性桿及彈簧裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從圓潤的形態(tài)進(jìn)行發(fā)散思維，繪制出如圖8所示的3個(gè)方案圖。為了客觀地對(duì)背包進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過語義差異法問卷調(diào)查方式對(duì)15～22歲的青少年進(jìn)行調(diào)研，共發(fā)放70份問卷，回收有效問卷70份。其中選擇方案1的用戶占12.2%，選擇方案2的占31.8%，選擇方案3的占56.0%，最終選擇方案3進(jìn)行深入細(xì)化處理。

圖8 減重背包初步方案圖((a)方案1；(b)方案2；(c)方案3)

圖9為最終整體方案圖，利用靜態(tài)學(xué)和美學(xué)原則，背包上寬下窄為倒梯形的流線型設(shè)計(jì)，遵循力量規(guī)則流動(dòng)的結(jié)構(gòu)[12]，具有美觀、優(yōu)雅的造型，且能合理分配背包重量。其不僅能夠在外形上對(duì)青少年有吸引力，還可以利用形體輔助穩(wěn)定背包重心。彈性桿上端通過方形扣與彈性帶相連接，彈性帶通過磁吸扣與肩帶連接，減小背包對(duì)人體的拉力，防止背包前后晃動(dòng)。磁吸扣可快速打開且固定性良好，不僅方便打開背包，還具有防盜作用。彈性桿的下端與彈簧裝置相連接，將背包重量傳遞到人體下肢。背包背板、肩帶、腰帶與身體密切接觸，為了增加背包的舒適性和緩解對(duì)身體的壓力，特增加了氣囊設(shè)計(jì)。氣囊可以自動(dòng)充氣，使人體和背包更加貼合，減少背包對(duì)人體的沖擊力，緩解腰背部的疼痛。腰部帶與臀部帶均可以調(diào)節(jié)長短，滿足不同體型青少年的需求。圖10為減重背包細(xì)節(jié)效果圖。

圖9 減重背包整體方案模型

圖10 減重背包細(xì)節(jié)效果圖((a)磁吸扣；(b)彈性桿連接處；(c)管扣；(d)氣囊閥門；(e)胸扣；(f)臀部帶插扣)

3 減重背包方案仿真分析

3.1 動(dòng)力學(xué)仿真分析

長時(shí)間背包負(fù)重會(huì)導(dǎo)致身體前傾造成腰背部疼痛，減少背包載荷可以減少身體前傾，為了分析青少年背負(fù)減重背包在不同路況下行走時(shí)能比傳統(tǒng)背包減少對(duì)腰背部的載荷，利用ADAMS軟件分析背負(fù)2種背包時(shí)肩部、腰部和臀部所受力矩的變化，力矩越小腰背部承受載荷越小，從而減輕腰背部的疼痛[22-23]。

3.2 模型的建立

人體模型中的主要參數(shù)是身高和體重，由于青少年還在成長期，身高體重有一定的差別。根據(jù)國家人口健康科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)倉儲(chǔ)PHDA中的中國青少年健康數(shù)據(jù)[20]，選取身高167 cm，體重55 kg作為參考標(biāo)準(zhǔn)。本文在保持人體運(yùn)動(dòng)特性的情況下，對(duì)人體模型進(jìn)行了簡化，進(jìn)而提高仿真效率。對(duì)人體結(jié)構(gòu)按照解剖學(xué)比例來進(jìn)行建模。除此之外，由于是進(jìn)行不同路況下的行走仿真，還需要建立平地、上坡和下坡3種地面模型。

ADAMS軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)分析軟件，雖然可提供建模的模塊，但并不適用于創(chuàng)建像人體這樣具有復(fù)雜的曲面模型。本文采用SOLIDWORKS參照人體的尺寸建立三維模型，如圖11所示，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將模型導(dǎo)入ADAMS，并對(duì)各部件的材料、質(zhì)心以及人體和背包的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖11 青少年模型尺寸圖

3.3 施加約束和接觸

模型構(gòu)建之后，首先將頭部、頸部、軀干合成一個(gè)整體，肩關(guān)節(jié)建立旋轉(zhuǎn)副，肘部關(guān)節(jié)加入旋轉(zhuǎn)副，髖部關(guān)節(jié)為球副，膝關(guān)節(jié)建立旋轉(zhuǎn)副，踝關(guān)節(jié)建立球副。足部和地面設(shè)置接觸，使足部在地面上方，設(shè)置為碰撞，同時(shí)設(shè)置其剛度、阻尼等參數(shù)，并施加重力。

對(duì)減重背包和傳統(tǒng)背包的各部分散落零件進(jìn)行添加與背包的固定副。由于減重背包的彈性桿以及彈性帶在人體背負(fù)過程中會(huì)產(chǎn)生彎曲、拉伸等變形運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)彈性桿及彈性帶進(jìn)行柔性化處理。

3.4 關(guān)節(jié)角度變化控制函數(shù)設(shè)計(jì)

本文使用STEP函數(shù)模擬人體下肢運(yùn)動(dòng)并為關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)角度的驅(qū)動(dòng)[24]。根據(jù)ADAMS人體動(dòng)力學(xué)的建模與仿真研究中羅小美的人體模型數(shù)據(jù)[25]，利用STEP函數(shù)對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值。

3.5 運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

上述設(shè)定完成后進(jìn)行仿真，主要是對(duì)比青少年背負(fù)傳統(tǒng)背包和減重背包時(shí)，肩部、腰部、臀部所受力矩的大小。本文以平地，上、下斜坡為例進(jìn)行分析。通過 ADAMS軟件測(cè)量人體左、右肩部、腰部和臀部的力矩，將測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，畫圖進(jìn)行受力分析對(duì)比。

圖12為人體背負(fù)傳統(tǒng)背包和減重背包的模型。

圖12 傳統(tǒng)背包與減重背包動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比圖((a)傳統(tǒng)背包；(b)減重背包)

3.5.1 平地行走受力分析

在ADAMS中，軸垂直于人體，背包對(duì)于肩部的力為向下拉扯的力，所以軸受到的力為背包對(duì)人體的力。通過對(duì)人體背負(fù)傳統(tǒng)背包與減重背包的行走過程進(jìn)行仿真，得到平地行走的受力分析對(duì)比曲線圖，如圖13所示。

圖13 人體背負(fù)減重背包和傳統(tǒng)背包平地行走的受力分析對(duì)比圖

由圖13可知，減重背包與傳統(tǒng)背包肩部的最大力矩分別為165.76 N·m和206.87 N·m，減重背包較傳統(tǒng)背包肩部所受力矩減少了19.9%。在腰部力矩的受力曲線中，減重背包與傳統(tǒng)背包的最大力矩分別為42.73 N·m和84.29 N·m，所受力矩減少了49.0%。減重背包比傳統(tǒng)背包受力曲線平穩(wěn)。

3.5.2 上坡行走受力分析

袁川[26]和楊子涵[27]的數(shù)據(jù)研究表明，斜面越大，重力的下滑分量越大，想要上升，就需要用更大的力量，因此坡度越陡越費(fèi)力，本文取15°的坡作為實(shí)驗(yàn)坡度，同樣對(duì)人體背負(fù)傳統(tǒng)背包與減重背包的行走過程進(jìn)行仿真。

如圖14所示，人體背負(fù)減重背包和傳統(tǒng)背包在上坡的過程中肩部受到的力隨著時(shí)間延長而增大，減重背包的肩部受力曲線與傳統(tǒng)背包相比較為平穩(wěn)，減重背包和傳統(tǒng)背包的肩部最大力矩分別為288.54 N·m和373.32 N·m，所受力矩減少了22.7%。在腰部受力曲線圖中，減重背包和傳統(tǒng)背包的受力曲線呈平緩增長，同樣傳統(tǒng)背包的受力曲線高于減重背包的受力曲線。兩者最大力矩分別為66.00 N·m和95.98 N·m，所受力矩減少了31.2%。

圖14 人體背負(fù)減重背包和傳統(tǒng)背包上坡行走的受力分析對(duì)比圖

3.5.3 下坡行走受力分析

根據(jù)文獻(xiàn)[26-27]，采用15°的坡度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

如圖15所示，減重背包和傳統(tǒng)背包的受力曲線均有明顯的差距，兩者最大力矩分別為260.50 N·m和344.44 N·m，所受力矩減少了24.4%。同樣在腰部受力曲線圖中，減重背包和傳統(tǒng)背包的受力曲線呈持續(xù)下降，傳統(tǒng)背包的受力曲線始終高于減重背包。兩者最大力矩分別為50.49 N·m和79.89 N·m，所受力矩減少了36.8%。

圖15 人體背負(fù)減重背包和傳統(tǒng)背包下坡行走的受力分析對(duì)比圖

由圖13～15可知，減重背包的臀部帶在平地、上坡和下坡的行走過程中所受的最大力矩分別為61.37 N·m，61.37 N·m和57.89N·m。說明臀部帶在行走過程中將背包的一部分力轉(zhuǎn)移，減輕了上肢載荷。而減重背包的臀部帶受力曲線圖較為平穩(wěn)，表明了臀部帶的彈簧裝置起到了平衡的作用。隨著時(shí)間的增加人體腰背部所受載荷增大，腰背部肌肉疲勞感會(huì)加劇[28]。減重背包可以有效減少載荷，降低疲勞感，緩解腰背部疼痛。

4 數(shù)據(jù)分析

表1中計(jì)算了傳統(tǒng)背包的左、右肩部的力矩平均值分別為193.77 N·m和203.21 N·m，占上肢受力的42.4%和44.4%。2組數(shù)據(jù)的相關(guān)性= 0.951以及標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.05，說明左、右肩部之間具有極大的相關(guān)性，且力矩會(huì)隨著一邊的變化而變化。腰部的力矩為60.31 N·m，占上肢受力的13.2%。肩部與腰部的力矩比值為6.58。肩部的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.4，腰部的標(biāo)準(zhǔn)偏差為19。說明肩部的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，而腰部的力矩?cái)?shù)據(jù)離散程度高，起伏比較大。

表1 傳統(tǒng)背包及減重背包的各個(gè)部位的數(shù)據(jù)分析

在減重背包中左、右肩部的力矩平均值分別為164.42 N·m和163.92 N·m，占上肢受力的40.4%和40.3%。低于傳統(tǒng)背包肩部力矩6.1%。減重背包的肩部力矩相關(guān)性=0.98，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.75，說明左、右肩部的力矩相關(guān)性極高，且數(shù)據(jù)較為平均，離散程度低，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。說明左、右肩部力矩會(huì)隨著一邊的變化而變化。腰部力矩的平均值為31.8 N·m占上肢受力的7.8%。低于傳統(tǒng)背包腰部力矩5.4%。臀部力矩為46.42 N·m，占上肢受力的11.5%，肩部力矩與腰臀部合力矩的比值為4.17。

對(duì)比2種背包，傳統(tǒng)背包在背負(fù)行走中兩肩部的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.59和2.44，相差0.85；而減重背包左、右肩部的標(biāo)準(zhǔn)偏差均為0.2，表明減重背包的穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)背包。傳統(tǒng)背包和減重背包的肩部與腰部和臀部的力矩和比值分別為6.58和4.17。傳統(tǒng)背包和減重背包的肩部力矩，與腰臀部合力矩的比值分別為6.58和4.17。說明比值越小肩部與腰部轉(zhuǎn)移到臀部力矩變大，背包越平衡。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種減重背包，該背包可以通過臀部帶將重量精準(zhǔn)傳遞至下肢，以穩(wěn)定重心，保持人體的外部平衡，從而減少腰背部的疼痛，保護(hù)脊柱的健康。首先，對(duì)背包和人體的脊柱進(jìn)行生物力學(xué)分析，確定人體背包的受力原理，根據(jù)受力原理提出減重背包的設(shè)計(jì)方案。通過彈性桿設(shè)計(jì)將背包向下的垂直力精準(zhǔn)傳遞到髖關(guān)節(jié)的臀部帶，縮短背包與人體之間的距離，將背包重量傳遞到下肢。在背包臀部帶與彈性桿連接處有彈簧裝置，可以抵消背包向下的力，防止臀部帶的下滑。再進(jìn)行彈性桿與彈簧材料的選取。然后用ADAMS仿真軟件對(duì)比傳統(tǒng)背包與減重背包在平地、上坡、下坡3種路況下青少年肩部、腰部所受的力矩。仿真結(jié)果為：平地行走時(shí)肩部、腰部所受的力矩分別減少了19.9%和49.0%；上坡行走時(shí)肩部、腰部所受的力矩分別減少了22.7%和31.2%；下坡行走時(shí)肩部、腰部所受的力矩分別減少了22.4%和36.8%；臀部帶在平地、上坡和下坡的最大力矩分別為61.37 N·m，61.37 N·m和57.89 N·m；表明減重背包比傳統(tǒng)背包對(duì)肩部、腰部產(chǎn)生的力矩更小，能夠有效傳遞重力，減輕腰背部的疼痛，以保護(hù)青少年的脊柱健康。最后通過計(jì)算得出傳統(tǒng)背包的左、右肩部的標(biāo)準(zhǔn)偏差大于減重背包，證明減重背包的穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)背包；傳統(tǒng)背包和減重背包的肩部力矩，與腰臀部合力矩的比值分別為6.58和4.17，說明比值越小肩部與腰部轉(zhuǎn)移到臀部的力矩越大，背包越平衡。本文設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一個(gè)有效減輕青少年腰背部疼痛和保護(hù)脊柱的減重背包，為后續(xù)的相關(guān)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)參考依據(jù)。

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Design and research of a weight-reducing backpack to protect the health of adolescents’ spine

QIN Rong1, TU Xi-kai1,2, GAN Chang2, LI Xiao2

(1. College of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China; 2. School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China)

At present, in the case of backpacks for the youth on the market, weight is mainly designed to be carried by shoulders, which ignores the role of the waist in load-carrying. Long-term improper loading of backpacks can affect the growth of one’s spine. In order to balance the load on shoulders, waist, and hip, a weight loss backpack was designed to change the way of gravity transmission through the hip belt and elastic bar structure. Firstly, the biomechanical analysis of the state of the human backpack and the spine was carried out, and the weight-reducing principle of the backpack was achieved according to the force analysis. Then, the torque analysis was carried out on shoulders, waist, and hip of the weight-reducing backpack, and a design plan was proposed. Next, the traditional backpack was analyzed by ADAMS. The dynamic simulation of human shoulders, waist, and hip loads was carried out with the weight-reducing backpack under three road conditions of even ground, uphill, and downhill conditions, and the moments of shoulders, waist, and hip in the cases of the two backpacks were analyzed by MATLAB. The results show that the weight-reducing backpack could reduce the shoulder moment by 6.1% and the waist by 5.4%; the ratio of the shoulder moment of the weight-reducing backpack to the combined moment of the waist and hip was 4.17, and the ratio of the traditional backpack was 6.58. A conclusion could be drawn that the weight-reducing backpack could reduce the load on shoulders and waist. At the same time, it was found that the smaller the ratio of the shoulder moment and the combined moment of the waist and hip is, the greater the moment transferred to the hip, and the better the balance of the backpack, indicating that the weight-reducing backpack outperforms the traditional ones.

spine protection; low back pain; weight-reducing backpack; gravity transmission; adolescents; hip belt

TH 122

10.11996/JG.j.2095-302X.2022050948

A

2095-302X(2022)05-0948-09

2022-02-13；

2022-05-19

13 February，2022；

19 May，2022

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(52005169)；武漢市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2020020602012087)

National Natural Science Foundation of China (52005169); Wuhan Science and Technology Project (2020020602012087)

秦 榕(1993-)，女，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榇┐髟O(shè)計(jì)與人機(jī)交互研究。E-mail：359972989@qq.com

QIN Rong (1993-), master student. Her main research interests cover wearable design and human-computer interaction. E-mail：359972989@qq.com

涂細(xì)凱(1983-)，男，高級(jí)工程師，博士。主要研究方向?yàn)榭祻?fù)工程、外骨骼設(shè)計(jì)與控制。E-mail：tuxikai@gmail.com

TU Xi-kai (1983-), senior engineer, Ph.D. His main research interests cover rehabilitation engineering, exoskeleton robot design and control. E-mail：tuxikai@gmail.com