肩部减压支架设计原理及应用分析

张随随　李艳艳　张茂棠

关键词：磨损;减压;减震;设计

1社会现状分析

随着经济的快速发展，人们的生活、工作压力越来越大，选择加班的人越来越多，对于饮用水的需求也随之增多。据统计，目前中国饮水机用户很多，桶装水消费达到每年300多亿元，并且还在以每年16%的速度增长。由此可见，不论是家庭还是公司，对于桶装水的需求量都比较大，但是从事这一行业的工人较少，形成搬运工人的工作量增大的现状。

送水工作是按劳抽成，要求送水工必须要有大力气，才能送更多的水。一趟趟对于桶装水的搬运，导致了工人肩部的严重损伤。根据以上现状，设计出一款减轻肩部受力并且对肩部起保护作用的产品是十分必要的。

经知网检索，发现针对此现象进行分析的论文数量缺乏。通过市场调查发现，现在几乎没有专门解决肩部压力以及磨损的产品，市面上现存产品多为工人自制的垫子，其原理即通过增加布料的厚度减轻磨损，但这种垫子不容易固定且长期承受重物压力极易变形。磁悬浮背包可以很大程度减轻身体负荷，但是造价高昂，在大部分体力劳动者层面无法广泛应用。

目前，缓解肩部背负过程中压力分布不合理及受损问题，如何利用当前技术形成解决方案，成为我们所关注的问题。

2设计思路

2.1初步方案

确定减压支架分为三部分，分别是肩部支架、减震支柱以及重物承托板。根据市场需求，减压支架形状大致确定为“双C”形——肩部支架是开口向下的弧形，重物承托板是开口向上的弧形，中间使用减震支柱进行连接。

2.2改良方案

初步方案中肩部支架与肩膀接触的部分采用了海绵，但是发现海绵在强压下容易变形，重物很容易就从承托板上滑落。在最初方案的基础上，将海绵更换为不易变形的乳胶，可以更好地保护使用者的肩膀。在重物承托板的表面附着了一层带有细纹的橡胶，增大承托板与重物间的摩擦力，防止重物滑落。此外增加肩部固定带，以分散单个肩膀的压力。

2.3最终方案

2.3.1產品结构

产品主体共分为三个部分，第一部分是肩部支架（Ⅰ），为了防止支架从肩部脱落，除肩部固定之外，支架部分加入了腰部的固定带，起到分散肩膀压力的作用，使上半身受力平衡。第二部分是减震支柱（Ⅱ），通过弹性势能减轻肩部受力，减少对工作者的肩部损伤，进而提高工作效率。第三部分是重物承托板（Ⅲ），两侧的弧形护板可以很好地防止重物滑落。

2.3.2产品材质分析

此产品对材质要求非常高，因此对于材质的选择是极其重要的。整体支架采用碳纤维与热塑性树脂复合材料，该材料具备众多的优异性能，主要包括：①较高的强度与模量;②抗蠕变;③耐疲劳;④优异的振动衰减特性;⑤耐摩擦、磨损;⑥耐蚀性。碳纤维增强热塑性树脂复合材料在最近几十年内得到了相当广泛的研究，热塑性材料可回收再利用，不会造成社会资源的浪费，遵循国家提倡的可持续发展战略。支架与肩膀接触的部分选用的材质是乳胶，乳胶具有许多优点：①柔软而富有弹力;②软硬适中且不易变形;③透气性、排湿性极佳，可以在长时间搬运工作后保持肩部清爽;而它的高弹性、永不硬化、永不变形、均匀释压等特点，也决定了它的支撑性与舒适度无与伦比。对于减轻肩部磨损，延长支架的使用期产生了积极作用。重物承托板的表面附着了一层带有细纹的橡胶，增加重物与承托板间的摩擦，有效防止重物滑落。

2.3.3产品优势

这款产品的优点在于：操作简单，应用广泛。肩部支架通过肩峰的垂直轴线对弯曲部分进行设计，符合人机工程学结构，贴合人体肩膀。增加减震结构，可以减轻肩膀承受重物的压力，采用环保的材质，遵循了可持续发展的战略。

2.3.4产品可行性验证

搭建肩部外减压支架模型作为试验平台，对减压支架进行应力应变测试和分析，肯定了之前力学仿真的结论，证实了减压支架对搬运助力的可行性。

2.4创新点

（1）通过支架的弹性形变来间接减轻肩部压力。

（2）肩垫部分采用乳胶，透气、柔软且回弹力强，不易变形。

（3）承托重物的表面附加了一层带有细纹的橡胶，有效地防止重物滑落。

（4）重物承托板两侧的弧形护板对重物起保护作用。

（5）这款产品主要采用环保材质，符合绿色设计的环保理念，遵循可持续发展的方针战略。

3原理分析

3.1技术关键和主要技术指标

（1）弹簧在力的作用下无论是平衡状态还是加速运动状态，各部分受到的力大小相同，伸长量等于弹簧任意位置受到的力和劲度系数的比值。

（2）两端与物体相连的弹簧上的弹力不能在瞬间突变——弹簧缓变特性。有一端不与物体相连的轻弹簧上的弹力能够在瞬间变化为零。

3.2科学性

这个产品根据人机工程学结构进行设计，增大肩膀的受力面积，通过支架的弹性形变间接减轻肩部的压力，同时两侧的弧形护板能很好地防止重物滑落。

3.3先进性

（1）符合人的最基本需求，符合市场发展规律。

（2）对人体肩部损伤机理进行分析，探讨肩部疾病的来源以及人体在进行搬运工作时容易受到的肩部损伤，之后得到肩部损伤的形成原因，进行了人体生物力学分析和肩部动作的受力分析，为设计肩部支架提供了理论支持和可行性依据。

3.4独特性

（1）市面上现存此类产品多数是通过肩垫减少肩部磨损，起不到减压作用，且肩垫易变形，这款产品恰好解决了这一问题。

（2）通过肩峰的垂直轴线对弯曲部分进行设计，肩部符合人机工程学结构，贴合人体肩膀。

（3）部件之间使用弹簧连接，起到了减震的效果，降低了对使用者肩部的损伤，并且支架上的固定带可以防止支架从肩膀滑落，也起到分散肩膀压力的作用，使上半身受力平衡。

（4）通过调查发现，欧美和日本已经有部分外骨骼完成了产品化并投入了市场，但由于售价十分昂贵导致没有出现批量化生产和应用。而我们的这款产品具有一定的实际应用价值，比如成本低，可以进行批量化生产，有较好的市场发展前景。

4推广应用

4.1推广前景的技术性说明

（1）符合人机工程学结构。通过对肩峰的垂直轴线对弯曲部分进行设计，使其更加贴合人体肩膀，从而起到对肩膀的保护作用。

（2）减震分压。部件之间使用弹簧连接，有减震效果;支架上的固定带可以防止支架从肩膀滑落，起到分压作用，使上半身受力平衡。

（3）持久耐用。重物承托板表面附着材料为带有纹路的橡胶，可有效防止重物滑落;与肩部接触部分所采用的材质为乳胶，此材质具有良好的透气性，柔软且不易变形。

4.2市场分析和经济效益预测

（1）产品成本低，可以进行批量化生产，有较好的市场发展前景。

（2）支架主要采用了环保的材料，可以进行回收再塑，不会造成社会资源的浪费。

包豪斯所提出的设计目的之一就是设计的目的是人而不是产品。面对搬运重物的工作者，我们需要本着以人为本的理念为基础的思想，结合分析当下市场现有的产品现状发现问题，通过分析用户的生理与心理特征，找到适合搬运工人使用的肩部保护产品的设计原则。这款肩部减压产品设计可以减轻搬运工人的肩部受力，保护肩膀不受磨损，符合人的最基本需求，符合市场发展规律，促进社会的长远发展与进步。

作者简介：张随随（2000— ），女，汉族，山东菏泽人，本科在读，学生，研究方向：产品设计;李艳艳（1989— ），女，汉族，山东滨州人，硕士，讲师，研究方向：艺术学理论;张茂棠（2000— ），男，汉族，山东菏泽人，本科在读，学生，研究方向：产品设计。