户外背包压力分散型背板的研究

发布时间：2017-11-11 19:13

  本文关键词：户外背包压力分散型背板的研究

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【摘要】：背包作为户外运动必不可少的装备之一。不仅要求具有一般背包的轻便、美观等特性,而且背负时的安全性、舒适性也越来越受到人们的重视,特别是运动过程中的透气、吸湿、排汗、贴合、压力分布、重力传递等。背板作为背包背负系统的骨骼,对于压力的分散起到重要的作用。它的主要功能就是将重量合理分配到身体的各个部位,避免因重量过于集中在肩部或某一块肌肉上,造成局部肌肉疲劳甚至损伤。另外它还具有调整背负重心的作用,增加运动过程中的平衡和安全。根据背负承重原理,尾骨上方的腰窝是主承重点,腰窝连接到双侧胯骨顶端是主要受力区,双肩是辅助受力并掌握平衡的区域。位于底部的下腰部位(L3-L4)承受着身体大部分重量。腰椎特别是下腰部位,是最容易发生劳损疾病的部位。因此,在整个背板结构设计过程中应该重视压力的分散。背包从外部施加载荷作用于人体,会改变身体重心的位置,影响人体的稳定性。而负重的不均匀,会导致低背痛、特发性脊柱侧弯、过度驼背、前凸等肌骨系统疾病。因此,在减负的同时,对于背包背负系统的背板设计和改进,有利于减轻背包对于背部的局部压力,进而一定程度上降低患病的危险。本次研究首先立足于运动状态下的腰背部各生理参数特征,基于压力测试数据分析,找到影响压力分布以及背负舒适性的关键因素,设计出能够更好的分散腰背部压力的背板。其次进行模拟负重试验,优化并设计背板的曲面形态,进而制作成品背包。最后,在sEMG试验和Pliance-X压力测试中进行验证,分析数据并且调整和优化背板。为后期背板结构的改进设计提供试验数据依据。整个背板结构设计中,旨在保持脊柱正常的生理弯曲,使得人体肩部、腰部脊柱之间的支撑符合人机工程学,并且有适当的空气流动,保证其舒适性。本研究主要包括四部分。第一部分对人体腰背部曲线的测量和压力分布比的分析。筛选合适受试者：选择BMI相近的标准体型人群,测量不同运动状态下(静止站立、模拟12°爬坡状态)腰背部曲线的生理参数(后颈点、腰窝点和臀凸点等)以及腰背部各部分压力分布的百分比。第二部分是基于承重原理的背板结构设计。通过Pliance-X压力测试仪、sEMG等仪器,对市面上常见的普通背包进行测试。分析试验数据,结合人机工程学原理,确定影响腰背部压力分散的主要参数点。第三部分是三维建模和背包的制作。运用Rhino软件对设计好的背板结构进行三维建模。对市面上常用的几种背部贴合材料进行相关物理机械性能的测试,综合考虑背负系统的整体舒适性,筛选出适合做背板的最优材料。根据前期试验确定的参数点,制作背板,进而制作出成品背包。第四部分对背板结构的再测试。将成品包进行Pliance-X压力测试和sEMG测试,模拟户外运动使用状态,在规定负重条件下,对肩、腰背部的主要肌肉(左斜方肌、右斜方肌、左竖脊肌、右竖脊肌)进行测试,分析其肌电信号和压力分布的变化。研究结果表明：(1)在背负户外背包进行12°模拟爬坡运动和水平匀速运动时,腰背部主要的发力点为竖脊肌和斜方肌。但是,双侧竖脊肌的肌肉活动相较于斜方肌均表现剧烈。(2)对于采集到的sEMG信号进行肌电特征分析,可以得出,12°爬坡状态下的原始数据均高于0°匀速行走时的数据。同一运动状态下,改进后的背板比普通背板测得的数据在MA、MPF、INT、RMS等肌电特征参数上均显著高。说明人体在负重行走时,躯干倾斜角度的增加或腰背部压力分布的不同,会影响肌肉在单位时间内的做功和放电数量,进而引起肌肉较早的出现疲劳。(3)合理的重力传递以及有效支撑对于腰背部压力分散起到很大的作用。Pliance-X压力测试结果分析表明,普通背包肩、背、腰的负重比为6：1：3,改进后的背包肩、背、腰的负重比为3：3：4。结合视觉模拟分析法(即“VAS”)可知,改进后的背板,在背负过程中腰背部的压力分布较普通背板均匀,舒适度有显著的提高。(4)温湿度对比试验研究表明,合理的背板支撑可以提高背负的舒适性。在负重和试验环境不变的条件下,普通背板在试验结束0min时,温湿度均骤然上升。在整个试验测试15min内,改进后的背板与普通背板相比,温湿度测试曲线波动幅度较小。结合"VAS"测试法可知,改进后的背板提高了背负过程中的透气性,从而提高了背包的舒适度。(5)根据人机工程学、腰背部曲线特征、Rhino三维软件的建模设计、sEMG和Pliance-X压力测试,能够直观的看到背板的模型构建,使背板更好的符合人体腰背部造型,进而使背负变得更加舒适。
【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB18;TS959.9

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本文编号：1172714