本文關(guān)鍵詞：戶外背包壓力分散型背板的研究

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【摘要】：背包作為戶外運(yùn)動(dòng)必不可少的裝備之一。不僅要求具有一般背包的輕便、美觀等特性,而且背負(fù)時(shí)的安全性、舒適性也越來(lái)越受到人們的重視,特別是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的透氣、吸濕、排汗、貼合、壓力分布、重力傳遞等。背板作為背包背負(fù)系統(tǒng)的骨骼,對(duì)于壓力的分散起到重要的作用。它的主要功能就是將重量合理分配到身體的各個(gè)部位,避免因重量過(guò)于集中在肩部或某一塊肌肉上,造成局部肌肉疲勞甚至損傷。另外它還具有調(diào)整背負(fù)重心的作用,增加運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平衡和安全。根據(jù)背負(fù)承重原理,尾骨上方的腰窩是主承重點(diǎn),腰窩連接到雙側(cè)胯骨頂端是主要受力區(qū),雙肩是輔助受力并掌握平衡的區(qū)域。位于底部的下腰部位(L3-L4)承受著身體大部分重量。腰椎特別是下腰部位,是最容易發(fā)生勞損疾病的部位。因此,在整個(gè)背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該重視壓力的分散。背包從外部施加載荷作用于人體,會(huì)改變身體重心的位置,影響人體的穩(wěn)定性。而負(fù)重的不均勻,會(huì)導(dǎo)致低背痛、特發(fā)性脊柱側(cè)彎、過(guò)度駝背、前凸等肌骨系統(tǒng)疾病。因此,在減負(fù)的同時(shí),對(duì)于背包背負(fù)系統(tǒng)的背板設(shè)計(jì)和改進(jìn),有利于減輕背包對(duì)于背部的局部壓力,進(jìn)而一定程度上降低患病的危險(xiǎn)。本次研究首先立足于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的腰背部各生理參數(shù)特征,基于壓力測(cè)試數(shù)據(jù)分析,找到影響壓力分布以及背負(fù)舒適性的關(guān)鍵因素,設(shè)計(jì)出能夠更好的分散腰背部壓力的背板。其次進(jìn)行模擬負(fù)重試驗(yàn),優(yōu)化并設(shè)計(jì)背板的曲面形態(tài),進(jìn)而制作成品背包。最后,在sEMG試驗(yàn)和Pliance-X壓力測(cè)試中進(jìn)行驗(yàn)證,分析數(shù)據(jù)并且調(diào)整和優(yōu)化背板。為后期背板結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)。整個(gè)背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,旨在保持脊柱正常的生理彎曲,使得人體肩部、腰部脊柱之間的支撐符合人機(jī)工程學(xué),并且有適當(dāng)?shù)目諝饬鲃?dòng),保證其舒適性。本研究主要包括四部分。第一部分對(duì)人體腰背部曲線的測(cè)量和壓力分布比的分析。篩選合適受試者：選擇BMI相近的標(biāo)準(zhǔn)體型人群,測(cè)量不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下(靜止站立、模擬12°爬坡?tīng)顟B(tài))腰背部曲線的生理參數(shù)(后頸點(diǎn)、腰窩點(diǎn)和臀凸點(diǎn)等)以及腰背部各部分壓力分布的百分比。第二部分是基于承重原理的背板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)Pliance-X壓力測(cè)試儀、sEMG等儀器,對(duì)市面上常見(jiàn)的普通背包進(jìn)行測(cè)試。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理,確定影響腰背部壓力分散的主要參數(shù)點(diǎn)。第三部分是三維建模和背包的制作。運(yùn)用Rhino軟件對(duì)設(shè)計(jì)好的背板結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。對(duì)市面上常用的幾種背部貼合材料進(jìn)行相關(guān)物理機(jī)械性能的測(cè)試,綜合考慮背負(fù)系統(tǒng)的整體舒適性,篩選出適合做背板的最優(yōu)材料。根據(jù)前期試驗(yàn)確定的參數(shù)點(diǎn),制作背板,進(jìn)而制作出成品背包。第四部分對(duì)背板結(jié)構(gòu)的再測(cè)試。將成品包進(jìn)行Pliance-X壓力測(cè)試和sEMG測(cè)試,模擬戶外運(yùn)動(dòng)使用狀態(tài),在規(guī)定負(fù)重條件下,對(duì)肩、腰背部的主要肌肉(左斜方肌、右斜方肌、左豎脊肌、右豎脊肌)進(jìn)行測(cè)試,分析其肌電信號(hào)和壓力分布的變化。研究結(jié)果表明：(1)在背負(fù)戶外背包進(jìn)行12°模擬爬坡運(yùn)動(dòng)和水平勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),腰背部主要的發(fā)力點(diǎn)為豎脊肌和斜方肌。但是,雙側(cè)豎脊肌的肌肉活動(dòng)相較于斜方肌均表現(xiàn)劇烈。(2)對(duì)于采集到的sEMG信號(hào)進(jìn)行肌電特征分析,可以得出,12°爬坡?tīng)顟B(tài)下的原始數(shù)據(jù)均高于0°勻速行走時(shí)的數(shù)據(jù)。同一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,改進(jìn)后的背板比普通背板測(cè)得的數(shù)據(jù)在MA、MPF、INT、RMS等肌電特征參數(shù)上均顯著高。說(shuō)明人體在負(fù)重行走時(shí),軀干傾斜角度的增加或腰背部壓力分布的不同,會(huì)影響肌肉在單位時(shí)間內(nèi)的做功和放電數(shù)量,進(jìn)而引起肌肉較早的出現(xiàn)疲勞。(3)合理的重力傳遞以及有效支撐對(duì)于腰背部壓力分散起到很大的作用。Pliance-X壓力測(cè)試結(jié)果分析表明,普通背包肩、背、腰的負(fù)重比為6：1：3,改進(jìn)后的背包肩、背、腰的負(fù)重比為3：3：4。結(jié)合視覺(jué)模擬分析法(即“VAS”)可知,改進(jìn)后的背板,在背負(fù)過(guò)程中腰背部的壓力分布較普通背板均勻,舒適度有顯著的提高。(4)溫濕度對(duì)比試驗(yàn)研究表明,合理的背板支撐可以提高背負(fù)的舒適性。在負(fù)重和試驗(yàn)環(huán)境不變的條件下,普通背板在試驗(yàn)結(jié)束0min時(shí),溫濕度均驟然上升。在整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試15min內(nèi),改進(jìn)后的背板與普通背板相比,溫濕度測(cè)試曲線波動(dòng)幅度較小。結(jié)合"VAS"測(cè)試法可知,改進(jìn)后的背板提高了背負(fù)過(guò)程中的透氣性,從而提高了背包的舒適度。(5)根據(jù)人機(jī)工程學(xué)、腰背部曲線特征、Rhino三維軟件的建模設(shè)計(jì)、sEMG和Pliance-X壓力測(cè)試,能夠直觀的看到背板的模型構(gòu)建,使背板更好的符合人體腰背部造型,進(jìn)而使背負(fù)變得更加舒適。
【學(xué)位授予單位】：陜西科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TB18;TS959.9

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