基于压力舒适性的双肩包结构优化研究

沈奕君 张海棠 嵇岑

摘 要：为了缓解双肩包背负过程中压力分布不合理的问题，选取市面上具有代表性的3款双肩包，通过压力测试及主观评价进行测评。结果表明，人体背负5 kg重的双肩包保持静止状态时，肩部承受的压力最大，疼痛感最强，背部次之。在双肩包结构方面，有内部框架、背板形状贴合人体背部曲线且双肩包与人体接触表面有吸汗散热装置的结构的双肩包舒适性更好。根据3款双肩包的评价结果，对双肩包进行优化设计，优化后的双肩包的压力分配更加合理，其肩部/背部/腰部的分布比约为4∶3∶3，减轻因局部受压过大而导致的身体疼痛或肌肉损伤，提高双肩包的运动舒适性，改善消费者使用双肩包时的背负感受。

关键词：双肩包结构;局部压力;舒适性;双肩包材料;压力分布

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

随着科技的快速发展和人们需求的不断增长，双肩包作为不可或缺的辅助工具与人们的生活密不可分。日常生活和学习工作中不同双肩包结构和不同承重对人体各部位所带来的压力不容忽视。人体在运动时，若长时间负重或负重过重，会对人的身体产生危害[1]。因此，研究双肩包压力分布规律及其结构之间的关系具有现实意义。

双肩包主要由肩带、胸带、腰带、肩部受力带、包底受力带、支撑装置、调节装置和通风装置构成[2]。在所有的双肩包结构中，背负系统的设计最为重要。它不仅影响着双肩包压力的合理分布，还决定着双肩包的运动舒适性等。目前，背负系统设计逐渐趋于完善。支撑装置早期常见的有U型管、双铝条、“∏”字形铝片加膜板;20世纪末，出現了“TCS”背负系统和CR强力铝条系统，两个系统均采用轻质材料和腰撑结构，大大提高了双肩包的背负性能[3]。

目前关于人体负重的研究集中在肩部和腰背部的受力特点、肌肉负荷等分析上，很少有针对性地将肩、腰、背的受力和双肩包舒适性结合起来。向颖等[4]研究人体在负重行走过程中肩、腰、背部的受力特点及分布规律，结果发现人体肩、腰、背受力在负重行走时是不对称的且具有较大差异。丁菲菲[5]通过压力测试研究了人体背部、腰部受力及使用背负装置的安全性。任蕊[1]对户外双肩包的压力分散型背板进行研究，结果发现双肩包设计中有效的支撑对人体各部位压力的分散起很大作用，压力分布越均匀，舒适性越高。因此，双肩包压力的测试对于评定双肩包结构的合理性与双肩包的舒适性具有极其重要的意义。目前，对于压力测试仪器及系统的开发国内外学者已取得较大进展。如德国Pliance-X测试系统可以应用于生物医学、生物力学、人体工学等多个领域[6];美国的Flexiforce传感器轻薄如纸，能够测量绝大多数接触面之间的压力。服装压力测试可以采用直接测量法，直接测量法是指选用压力测量仪器直接对局部服装压力进行测试，因其原理易于理解实验易于操作已被广泛使用[7]。

选取市面上具有代表性的3款双肩包，结合人体在负重时的主要受力点，通过人体工程学的主观评价测试和客观压力测试对肩、腰、背部进行测评。在3款双肩包测试结果的基础上，对双肩包的结构进行优化，为双肩包结构设计与性能评价提供依据与参考。

1 双肩包的分类和压力影响因素

1.1 双肩包的分类

双肩包主要有3种结构：无框架、外部框架和内部框架。

1.1.1 无框双肩包

无框双肩包是所有双肩包设计中价格最低廉的一种。一般无框双肩包由袋子和一组肩带组成。有时根据需要还会添加腰带、胸带、背板等。这种双肩包自重轻、便携且方便收纳[8]。

1.1.2 外部框架双肩包

外部框架双肩包由框架、背袋组成，背袋固定在框架上，肩带和臀部固定带均可调节。外部框架呈“H”型垂直结构，可以提供很好的支撑与保护。同时，重量由肩部和臀部共同承担，受力更加均匀。

1.1.3 内部框架双肩包

内部框架双肩包是市面上最受欢迎的大型双肩包，一般应用于徒步和登山。内部框架双肩包将外部框架设置于双肩包内部，更加贴合人体背部，弥补了外部框架双肩包不稳定的缺陷，安全性能更高，并且节省体力。内部框架双肩包还可以根据身形调整框架，使双肩包更贴身。内部框架双肩包因为紧密贴合人体背部，通风性能差，因此往往比外部框架双肩包更易出汗[9]。

1.2 压力影响因素

在分散双肩包压力的研究中，肩带、背板和包底受力带的结构设计起到了至关重要的作用。

1.2.1 肩带结构

肩带宽度设计不仅影响着肩部受压的程度还决定了人体长时间背负时的舒适性。市面上，针对不同场景使用的双肩包的肩带种类也不尽相同。如运动时携带的用来装鞋及衣物的双肩包，总重量约为1～1.5 kg，出于美观的角度，通常使用尼龙材质编织而成的绳状肩带;除此之外的非装饰用双肩包多为宽肩带，宽度在6～7 cm。为了增加舒适性，还会在肩带内部填充珍珠棉，增加缓冲度和柔软程度防止肩部的磨损过大[10]。

肩带形状大多是“NA”形，上部直线，下部向外侧弯曲。为了便于人体活动，双肩包设计需要贴合人体腰背部曲线，避免在人体行走时因双肩包上下左右滑移对腰背部产生的撞击，提高舒适度[11]。

1.2.2 背板结构

依据人机工程学原理，双肩包的背负设计应该尽可能的贴合人体脊椎和肩胛骨的基本形态。在进行背负设计时最先关注的重点是如何有效的缓解肌肉疲劳，并将重力按一定比例分配给背负时的主要承重点，这样才能增加背负的稳定性。而确定稳定性的前提是要通过调查和实验确定承重点[12]。

1.2.3 包底受力带

包底受力带在背负系统中起到了兜底作用，可以适当减轻因重力作用双肩包产生的将人体向后拉扯的情况，保证人体的平衡性且延长了双肩包的使用寿命。一般包底受力带的材质会比包大身的材质略厚，且层数更多。

2 实验方案

2.1 实验样本

实验准备用具为3款不同结构的双肩包。

1号双肩包为由超纤合成革制成大的水桶形双肩包（图1），容量为20 L，主要材质为超纤合成革，里料材质为涤纶，双肩包手感整体较为柔软，双肩带设计，内部无框架，双肩包上方带有扣带起装饰作用。

2号双肩包为由帆布制成的箱型双肩包（图2），容量为20 L，手感较硬，双肩带设计，且肩带内填充海绵，双肩包底部有柔性支架，双肩包最外层翻出一层袋盖覆盖在最外层。

3号双肩包是由涤纶制造的舌形双肩包（图3），容量为20 L，双肩包和两侧底部有支架支撑，双肩带设计，双肩包手感介于柔软和硬挺之间，双肩包接触人体一侧填充珍珠棉外包裹一层网状结构。

2.2 实验方案

2.2.1 实验对象

为了保证实验结果的准确性，选择5位在校女大学生，年龄21～23岁，身高160～163 cm，体重51～54 kg。身体姿态正常，无驼背、溜肩、耸肩等现象，且无肩部、背部和腰部的伤痛历史;BMI值在正常范围内等。在实验开始两周之内，要求受试者无剧烈运动，无肌肉酸痛及拉伤情况，以免影响双肩包压力主观性及客观性测试的准确性。

2.2.2 实验仪器

实验仪器为日本AMI公司型号为AMI3037-10的压力测试系统，如图4所示，气囊式压力传感器测量范围为0～34 kPa，精度为±0.1 kPa（0.00～14.00 kPa）。

该仪器具有以下性能特点：a） 多点连续测量。在人体行走或运动状态下，能够实时监测服装对人体表面的压力。b） 重复性强，精度高。测量间隔最小可达100 ms，精度±0.1 kPa，且测量精度受温度影响变化很小，测量的重复性高。配备有专用校准器。

2.2.3 实验步骤

实验前，根据短程户外运动常用物品的总重量，选择5 kg重的户外用品（如雨伞、水杯等）及质量和体积相似的替代品，待实验时分别装入不同的双肩包进行测试。在物品装配时，遵循以下原则：

a）衣物桌布等柔软织物先放，且放在底部，避免双肩包重量过大时对人体产生向后拉拽的感受。书籍、电脑等密度重量较大的物品，随后放置，且一般放在双肩包的中部，且贴着人体一侧放置。易碎品或雨伞纸巾等最后放置，便于及时取出及观测情况。

b）双肩包内物品放置不应过于集中于某一点，而是应该分散开来，充分利用包内空间，左右物品放置最好对称平衡。

打开仪器，将压力测试气囊进行充气，并将设备调零校准。根据每一位受测者的身高体重，调整双肩包的肩带，使双肩包与人体背部完全贴合，雙肩包的底部落点位于腰部中点往下约15 cm的位置，进行控制变量实验。

受测者将身体充分放松，分别在受测者的肩部中点，背部受力点，腰部受力点用胶布固定压力测试气囊，静待10 s后从仪器中读取压力数值并记录，每个部位重复5次，3款双肩包均以此种方法进行测量，以确保测量数据的准确程度。实验过程中询问受试者背负双肩包的舒适程度，评价标尺为10 cm的游动标尺，两端分别为0分和10分，0分表示舒适，10分表示非常不舒适。实验时受试者状态如图5所示。

3 结果与讨论

受试者各部位平均压强值及所占比例如表1所示，由结果可知，肩部是三个主要受力部位中承重百分比最大的部位，背部其次。1号、2号、3号双肩包的主观舒适度评价值分别为7、5.67、5。

从双肩包框架看，1号双肩包无框架，2号双肩包底层有承重带，3号双肩包有较为完整内部框架，因此其肩部压力占比呈递减趋势，双肩包内部结构越完整，肩部承担压力占比越少，腰背部分担的越多。

1号双肩包是由超纤合成革制成大的水桶形无框架双肩包，因为其肩带内部无软质珍珠棉填充，且外层无网状透气层，所以其肩部受压最大。该双肩包的背板结构为纯软组织，无框架结构，且不贴合人体背部曲线，因此背部和腰部分担的压力极小，更加重了肩部负担。另外由于无排汗吸湿系统，双肩包的整体舒适性较差。因此，在双肩包优化中，尽量避免1号双肩包的主要结构和面料特性。

2号双肩包是由帆布制成的双肩包，背板较硬，但有硬质框架结构;双肩包肩带由尼龙纤维为主制成，内含柔软填充物，因此肩部压力被适当分担，背板结构虽然也不能完全贴合人体背部曲线，但由于有硬质框架，因此，背部也分担了部分压力。由1号和2号双肩包对比得知，有框架双肩包比无框架双肩包肩部压力得到缓解，肩部和腰部压力部分转移到背部，但2号双肩包肩、背和腰部受力不均匀，压力主要分布在肩、背部，仍需改进。

3号双肩包是由涤纶制造的软把双肩包，双肩包和两侧底部有支架支撑。由于其背板结构中，不仅有框架制成，且其背板形状贴合人体背部曲线，加之背板表面由一层软性珍珠棉及网状结构组成，不仅缓解了背部压力，且提高了其吸湿透气性能，增加了双肩包舒适性。肩带结构与背板结构类似，包底承重带中含有硬质框架，极好地分担了肩部压力，缓解了长时间背负过程中人体地疲惫感。在3款双肩包中，其压力分布规律及主观评价均为第一，为后续的双肩包优化起到了极大的作用。

肩部、背部和腰部3个部位所受压力结果如表2所示。从表2可以看出肩部的标准差较大，说明肩部承受压力的数值与个体差异之间存在较大关系，因此在肩带设计时，设计调节肩带长度的装置十分有必要。当双肩包完全贴合人体时，其压力的承重感受最小。腰部和背部的标准差较小，说明双肩包背板的设计与个体差异之间的关系并不大，只要其符合人体工程学上的脊柱走向，就能减轻其背部和腰部的压力承重[13]。

4 双肩包优化

根据上文3款双肩包的实验结果，对双肩包进行优化设计。如图6所示，新款双肩包选用了贴合人体背部曲线的拱桥式悬浮背负系统，可以起到减缓压力透气散热、让背部自由呼吸的效果。在肩带底部装有减压腰带，如图7（a）所示，可以有效地将肩部压力分散给腰背部，缓解肩部过分疲劳。如图7（b）所示，双肩包有3块分离式背板，均用内含珍珠棉外层树脂气孔包覆而成，分别在背部左右两侧肩胛骨和腰部均有突起，在人体背负时紧紧贴合背部，起到柔性支撑的作用。

对新款双肩包进行压力测试，肩部、背部和腰部的平均压强分别为2.8 kPa、2 kPa、1.8 kPa。肩部、背部和腰部的受力分布百分比约为4∶3∶3。由结果可知，新款双肩包在3个部位的压强均减小，其压力分布更均匀，舒适度显著提高。

5 结 论

对市面上3款常见双肩包进行主客观评价，并根据评价结果设计对双肩包进行优化设计，得到以下几个结

a） 在静止状态下，人体背负5 kg双肩包时，在肩部、背部和腰部，肩部的承重最大，且疼痛感最强，是现有市场上双肩包常见的问题。

b） 在双肩包的众多结构中，肩带、背板结构和内部框架对压力的分散起到了至关重要的作用。在肩带设计中，用尼龙或涤纶作为肩带主体材料，在肩带接触人体的一面缝制軟质珍珠棉，外层覆盖有一层树脂网眼结构，可以有效分担肩部压力，并且提高人体背负时的舒适性。选用较为柔软且贴合人体时可以完全符合人体背部曲线的背板结构能够更好的分担压力。双肩包有内部框架比无内部框架时的压力分配比例更均匀、合理。

c） 合理的重力分配以及有效的制成对于腰背部压力分散起到很大的作用。由压力测试结果分析表明，普通双肩包肩、背、腰的负重占比中肩部最大，其次是腰部，最后是背部。而改进后的双肩包，肩、背、腰的负重比约为4∶3∶3，分配比更加合理，符合人体工程学的要求，舒适性更高，可以有效缓解双肩包对肩部的压力造成的肌肉损伤。

参考文献：

[1] 任蕊.户外双肩包压力分散型背板的研究[D].陕西：陕西科技大学，2016：1-2.

[2] 高诚浩.一种利用气垫来改善背部压力的双肩包：中国，CN201820776617.6[P].2019-01-25.

[3] 杭州后博科技有限公司.一种可调节背带压力强度的双肩包及背带调节方法：中国，CN201811051663.0[P].2018-11-30.

[4] 向颖，谌玉红，周前祥，等.基于受力特性的青年人群负重行走疲劳特征分析[J].航天医学与医学工程，2014（1）：59-63.

[5] 丁菲菲.基于人机工程学的背负式细水雾灭火装置设计[D].南京：南京农业大学，2013.

[6] 陕西科技大学.一种可分散压力的多功能双肩包：中国，CN201720386624.0[P].2017-12-12.

[7] 程宁波，吴志明.服装压力舒适性的研究方法及发展趋势[J].丝绸，2019，56（3）：38-44.

[8] 朱思安.一种能够减轻肩部压力的双肩双肩包：CN201220404682.9[P].2013-03-13.

[9] 李红利，陈国崴，刘皓.基于压力和心电信号便携式服装压力舒适性测量设备[J].天津工业大学学报，2020，39（1）：48-56.

[10] 中国人民解放军总后勤部军需装备研究所.符合人机工程学的数字化服装：中国，CN200910092968.0[P].2011-04-20.

[11] 王伯庭.双肩包缓冲垫的调整结构：中国，CN201821134894.3[P].2019-09-06.

[12] SON M， HYUN S， BECK D， et al. Effects of Backpack Weight on the Performance of Basic Short-Term/Working Memory Tasks During Flat-Surface Standing[J]. Ergonomics，2019，62（4）：548-564.

[13] 海能达通信股份有限公司.双肩包及双肩包结构：中国，CN201920232922.3[P].2020-01-21.