内背架式背负系统设计与人机工效评价

舒 展，潘 菲，刘圣军，田 丰，孙景工，杨 健*

（1.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津300161；2.解放军总医院第一医学中心急诊科，北京100853）

0 引言

背囊作为人力携行的器材盛装工具，在社会生活中应用广泛，即使在军事行动、战场伤员救治以及灾害救援等特殊环境中也是个人物资和急救器材的核心载体。当背囊负重量大时，不合理的背负结构不仅会对肩部皮肤与软组织造成过度压迫，还会影响周边神经与血管，产生明显的肩部不适和疼痛等现象[1-3]。背负10 kg 的背囊即会造成肩部肌肉含氧量以及皮肤微血管的流量明显减少，背负等同于20%身体质量的背囊会影响携行者的换气率、心率、摄氧量与疲劳度[4-5]，过重的背囊还会影响脊柱的姿态，影响行进中的躯干平衡，长时间的负重会对使用者生理结构造成更严重的影响[6]。良好的背负系统能够减轻肩部负担，减缓疲劳。目前国内外背囊的背负系统主要分为无背架式（软包）、内背架式和外背架式3 种，国外高端的登山或野外长途远足背囊多采用背架式背负系统，且以内背架式居多[7-9]。无论采取哪种背负系统，体积小巧、贴附人体、背囊整体稳定性高、承载力强，能够将部分肩部承受的压力转移至腰骶部，都是现代背囊背负系统设计研究的重要内容。

本研究以急救背囊的背负系统为研究对象，设计加工内背架式背负系统，建模分析背负系统负荷分配情况，并通过与无背架背负系统背囊进行对比分析，在肩部受力、背负前后的心率和血氧饱和度方面验证背负系统设计的合理性，为背负系统结构优化设计提供理论支持。

1 背负系统设计

背负系统的基础结构由肩带、胸部束紧带、腰带及背架4 个部分组成。胸部束紧带设置于2 条肩带的胸前处，为背囊提供人体横向固定力，提升背囊与躯干冠状面和矢状面内约束，减少对腋下臂丛神经和血管的压迫。肩带和腰带通过背架组合后，再将背架插入背囊固定插口完成连接。肩带、腰带与人体接触部分配有弹性适当的3D 透气缓冲材料，缓冲人体肩、背以及腰部受到的压力，缓解背负者的疲劳与疼痛。其中背架是背负系统的主要连接和压力传递结构。依据人体背部曲线与背负系统安装关系设计铝合金弧状V 形背架，弧状V 形投影高度460 mm，V 形开口宽度22 mm，弧半径分别为400 和370 mm，背架质量0.2 kg。

2 实验

2.1 实验设备

H/P/Cosmos 跑 台；TACTILUS 马甲式压力分布测试系统，测量范围0～138 kPa，采样频率35 帧/s。

2.2 受试对象

选取10 名年 龄25 ～35岁的健康男性，体质量（71.5±3.2）kg。弧状V 形内背架背负系统背囊（以下简称“有背架背囊”）空囊2.63 kg（含200 g背架和100 g 背架固定附件），无背架背负系统背囊（以下简称“无背架背囊”）空囊2.23 kg，均内装急救器材8.8 kg。

2.3 弧状V 形背架有限元分析

采用ANSYS 软件建立背架和囊体模型，按照实际连接方式在囊体与背负系统的上、中、下3 个部位将节点3 个方向的自由度（Ux、Uy、Uz）全部约束。假设人体为刚体，背架与囊体相连处通过节点耦合实现，囊体背面与背架整体通过面接触单元建立关系。

2.4 肩部受力测试

选择1 名受试人员在零坡度条件下以运动速度8 km/h 持续奔跑10 min，实时记录有背架背囊和无背架背囊对受试人员肩部、腰部的压强变化（取肩部面积864 cm2区域内的平均值）。

2.5 心率与血氧饱和度测试

选择受试人员10 名，在零坡度条件下从静止状态加速至运动速度8 km/h 并持续奔跑30 min，每人每次背负一种背囊在跑步机上进行奔跑，在测试过程中记录受试人员静止状态、加速至8 km/h 时和以8 km/h 速度奔跑达到30 min 时的心率与血氧饱和度。为避免疲劳对数据造成影响，每人每天背负一种背囊。

3 结果

3.1 背架变形与应力分布

有限元分析结果显示，弧状V 形内背架的最大变形为0.14 mm，最大应力9.9 MPa，能够承受背囊质量。在垂直方向受力方面，背囊上部连接点受力42.2 N，中部连接点受力3.3 N，下部连接点受力64.6 N。变形与应力云图（如图1 所示）显示，弧状V形内背架在垂直方向的受力呈两端高、中间低的状态分布，其中背囊下部连接点承受重力较大。根据背负系统的配合关系可将背囊上部连接点受力近似视为肩部受力，下部连接点受力可视为腰部受力。分析结果显示，在该条件下腰部与肩部共同承担囊体的质量，其中腰部承担比例更多，符合设计目的。

图1 弧状V 形内背架的变形与应力分布云图

3.2 肩部受力情况

在奔跑过程中，背囊会随步频产生周期性上下起伏，在脚蹬地瞬间，背囊因惯性的作用向下压迫人体，此时对于人体的压力达到最大值。图2 截取了这一时刻背囊在具有背架支持和没有背架支持的情况下对人体的压力分布，其中红框标示了肩部受力区域。通过对比可知，在没有背架支持下肩部红色高压区域大且颜色更深，背囊对于肩膀的压力较大，而具备背架的背负系统能够有效地缓冲背囊对人体的冲击。

图2 受试人员肩部和腰部承载压力情况

在受试人员身体腾空转为下落瞬间，背囊会保持继续向上的运动状态，此时对人体的压力最小。随后背囊开始下落，对人体的压力也逐渐提高，直至受试人员再次蹬地时，压力重新达到最大值，如此进行周期性变化[10]。图3、4 是8 km/h 运动速度、140步/min 的步频状态下采集的肩部压强数据（由于采集到的数据量较大，并且周期变化基本一致，仅显示其中25 s 内的压强变化情况），有背架背囊对肩部区域平均压强为（2.74±2.04）kPa，无背架背囊对肩部区域平均压强为（5.23±3.34）kPa。

图3 受试人员背负有背架背囊肩部区域平均压强

图4 受试人员背负无背架背囊肩部区域平均压强

从受试人员背负背囊的肩部平均压强数据可以观察到，背负有背架背囊背负的压强曲线显著低于无背架背囊，如图5 所示。

图5 背负有背架背囊与无背架背囊的肩部区域平均压强变化对比

3.3 生理参数采集

图6、7 是受试人员在静止条件下，加速至奔跑状态时以及奔跑结束后心率和血氧饱和度的对比情况。结果显示，在负重基本相同的条件下（有背架背囊比无背架背囊重400 g），受试人员心率最初较为相近，随着运动强度的逐渐提高，无背架背囊背负状态的心率高于有背架背囊背负状态。

图6 背负有背架背囊与无背架背囊受试人员心率变化情况

图7 背负有背架背囊与无背架背囊受试人员血氧饱和度变化情况

血氧饱和度是反映人体呼吸循环的重要参数，随着运动时间逐渐增加，受试人员的体能消耗不断增大，血氧饱和度数值也明显降低。从实验结果可知，有背架背囊背负状态血氧饱和度明显高于无背架背囊背负状态，说明配有背架结构的背负系统有效地降低了背负者的体能消耗。

4 结论

2种背囊虽然都具备腰带和肩带结构，但无背架背囊的腰带与肩带均缝制在囊体表面，肩部负荷主要通过软质的囊体传递至腰部，由于囊体容易弯曲变形，传递的负荷量会随之衰减。弧状V 形内背架背负系统背囊的腰带和肩带通过背架组合后再与囊体连接，肩部与腰部的负荷传递主要通过背架结构完成，在背负固定得当时，可以有效合理地分配囊体负荷，使更多的质量由比肩部更承重的腰骶部承担，显著缓解肩部压力，提高背负携行舒适性和耐疲劳性。随着战伤、灾害伤情复杂程度和规模的提升，战伤急救和边、远、小、散环境的应急救援需求也同步提升，救援人员所需携带的药品与器材整体质量不断增加，长距离、长时间背负会导致消耗过多体能，影响救援行动。本文研究的内背架式背负系统是应对该问题的一种有效解决方案。下一步将根据中国标准人体尺寸范围，加入背长和肩带弧度等结构因素全面分析、优化各调节因素的最佳范围，结合耗氧量、表面肌电信号以及人体姿态动作捕捉等人机工效评价技术，完善统计对照设计，提升背囊工程设计与人机工效评价的技术理论。