户外便携式设备背负系统分析与设计

李雪琪 许熠莹 毛梦吉

关键词：背负系统 结构 可调节 轻量化

引言

背负系统是指运用于背负类产品中的，以人体背部承重机能为基础，承担在静态与动态活动中实现背负具有一定重量物品，同时帮助减小背负者疲劳与不适的负重支撑体系。它主要由肩带、腰带、肩部受力带、腰部受力带、包底受力带以及支撑装置、调节装置和通风装置等部分组成。户外便携式设备背负系统是以背负系统为基础，以设备背负为目的，运用于户外环境，具有轻量性、负载物可拆卸、背负系统具有独立性和轻量化特点的背负辅助装置。由于户外便携式设备背负系统在使用中具有承重性、耐用性、舒适性、长时性、可分离等方面的要求，因此在设计中，选择以欧式可调节背包为基础，参照携行式背架结构，通过从背负结构、调节方式、轻量化等方面作为创新的切入点，在分析的基础上对便携式设备背负系统进行设计创新。

一、户外便携式设备背负系统结构分析

（一）背负系统的组成

1.常规背负系统的组成：常规户外背负产品中所运用的背负系统主要包括“五带三装置”，即由肩带、腰带、肩部受力带、腰部受力带于包底受力带构成的“五带”和由支撑装置（内支架），如图1所示。通风装置和调节装置构成的“三装置”，其中“五带”主要作用是保证背负时的舒适性，“三装置”主要作用是支持、通风与调节。

人们通常以背负时背部压力是否均匀、是否有后坠感、头颈部是否能自由活动、背部的透气性能、肩部受力分布、背部摩擦、稳固性等综合舒适度来评判背负系统性能的优劣。其中背部压力、透气性、摩擦与支持装置密切相关，后坠感、头颈活动区、肩部受力分布与肩带和肩部受力带相关，稳固性与腰带和腰部受力带相关，通风与调节装置能有效提升使用的舒适性和个体需求。因此构成背负系统的“五带三装置”的设计能有效提高背负时的舒适性。

（1）背负结构“五带”包括肩带、肩部受力带、腰带、腰部受力带以及包底受力带。其中肩带的作用是防止背包从身体上滑落以及兼顾部分背包承重;肩部受力带的作用是连接包身与肩带，可以拉近身体与背包的距离，将部分重量转移到锁骨上，保证背负的舒适性，辅助胸带的主要作用是保持背包平衡稳定性;腰带是将背包重量分担给臀部，是背负系统中最关键的一环;腰部受力带的作用是连接包身与腰带，主要用来调节背包和身体的贴合度，增强稳定性;包底受力带增强背包的承重与稳定性。

（2）背负结构“三装置”包括支撑装置、调节装置以及通风装置。其中的支撑装置即内支架的作用是主要是保持负重的安稳，并帮助将背部重量转移到肩部和臀部，由于内支架位于背包内部，不但更加美观、还更不易损坏，如图2所示。随着户外产品的深入开发，内支架的形式也越来越丰富，从最早期的两根垂直向上彼此平行的扁铝条，发展到现在的V形、倒U形、H形等，如图3所示。此外，通风装置主要作用是解决背负系统背部设计中的通风散热问题。调节装置的目的是简便灵活的可调结构满足背负系统对不同需求的兼容性。

2.户外便携式设备背负系统：户外便携式设备背负系统是以户外检测、公路救援、通信防护等仪器的背负为使用场景，考虑到使用方式的相似性，在人体背负部分以“五带三装置”为基本构成，确保背负的舒适性。在设备背负需求方面，增加相应的功能结构。它包括设备底部支撑装置、设备固定装置、设备保护（包裹）装置，两者通过尼龙连接的方式进行组合。

（1）设备底部支撑装置是以背架为基础，从背架底部向外延展，形成支撑面达到对背负物品的底部支撑。向外延展部分可设计为折叠、抽拉或固定形式，以适应对收纳体积需求和背负物品重量及固定性能要求的差异。折疊或抽拉式支撑可在不使用设备背负功能时，将延展架收纳靠近背包背部支撑面，减小背负架的体积。

（2）设备固定装置的功能是将背负物品与背架固定。固定装置包括两个部分：支撑框架上侧面延伸的固定绳与外包裹上设置的纵向固定绳。使用时，先将设备与背架水平放置，利用支撑框架上的侧向固定绳捆绑固定，然后罩上包裹后，用外包裹上的纵向固定绳再次进行固定。

（3）设备保护装置是整体背架外部裹覆层，一般有防水面料或具有一定厚度和防撞性能的面材组合。设备保护装置与整体背架外部连接，设计为拉链全开结构，包裹住设备，达到有缓冲保护、防水等作用。

此外，由于背负仪器的尺寸需略小于背负背架的尺寸，户外便携式设备背负系统可容纳的设备尺寸约在400mmx250mmx500mm以内，这一尺寸可包括如铁路检修工具箱、电力应急抢险组合工具等通讯、检测、抢修等设备。

（二）户外便携式设备背负系统的可调节性

可调节性是户外便携式设备背负系统的重要组成部分。由于人体身高、体重、性别差异;背负物品重量、体积的差异;外部环境不同，而导致的衣服变化薄厚等多方面因素的变化要求，使户外背负系统需要通过调节来对应不同状态，调整背包到适当位置。户外便携式背负系统的可调节结构主要包括支撑装置和可调节结构。

1.户外便携式设备背负系统中支撑装置设计分析：支撑装置是户外便携式设备背负结构的核心，主要形式为定型背板。背板的造型设计以人体背部的形状为基础，主要依据由颈部、背部和腰部曲线构成的“S”形线型，以及背部横向曲度变化，由两者构成的曲面而设计如图4。定型背板的设计还要注意在功能保证的前提下，尽可能地减轻背板质量。

2.户外便携式设备背负系统中可调节结构的设计分析：户外便携式设备背负系统的可调节结构主要包括：腰带调节、肩带调节、设备支撑装置调节、设备固定装置调节。

（1）腰带调节设计中的腰带调节主要分为腰带长度的调节和上下位置的调节。对于不同身高、体重、性别的人来说，其腰部受力点的位置和臀部的弧度都有所不同，设置腰带长度、上下位置的调节可以使固定更加稳妥，在此基础上增加内侧倾角的调节，能使得背包更加贴合腰臀部，有效地将重量分散在腰部，如图5所示。

（2）肩带调节是调整背负物与身体贴合的重要手段。由于每个人的肩宽、肩厚不同，设置肩带调节设计除了通过调节背带的长度使背负物与身体更稳固，还通过调节肩带与背负板的距离，可以调节背板的角度，使背负物品重心向前，减少背负物的后坠感。此外，肩带的胸前固定与调节带—方面固定肩带防止滑落，—方面根据人体胸部宽度课适当调节，如图6所示。

（3）设备固定装置调节的主要目的是为了适用于不同大小的设备。由背架底部设置向外延伸的固定底架，背架侧面设置具有可调节的弹性束紧带，这样就能根据设备大小进行收缩或者拉伸调整，使设备能稳定束缚在背架上。此外，外包的卡扣与收缩绳的调节，也能根据设备尺寸大小，调整收缩绳和卡扣的位置，实现背负物的固定。图7是背包背负设备时固定装置示意图。

（三）户外便携式设备背负系统的轻量化设计分析

户外便携式设备背负系统需要在满足功能要求的基础上，尽可能减切质量。这可以从结构功能的设计与面料选择等方面入手，背负系统的轻量化设计是体现其针对性和专业性的一大因素。

1.户外便携式设备背负系统的功能与结构的轻量化分析：与旅行背包不同，户外便携式设备背负系统虽然也是以“五带三装置”设计为基础，但是由于背负系统的功能聚焦于特定的需求，设计中可以减去背包中繁琐的存放物品需求，继而有效减轻背负系统自身的重量。比如可以减去有复杂间隔的包袋、耳机线孔、挂饰扣等，只保留最基本的背负与固定功能，即背带与固定装置。这样的功能精简，将背负系统的部件减少到最少，达到减轻自重的目的。

此外，轻量化的背负系统设计还可以从简化背负系统内部结构部件入手。在背板设计中放弃硬质板块作为主要支撑，而采用“x”形支撑架作为主体，“x”形支撑从结构上符合背负时受力的节点，并且具有较好的稳固性。同时在“x”形支撑架上包裹海绵泡沫垫，使其填充为凹凸镂空，形成良好的通风系统。在材料上的选用方面，“x”形支撑架采用钛合金材质，既有良好稳固性、又可减轻自重。

2.材料的轻量化分析：户外便携式设备背负系统的材料主要包括：支撑背板、泡沫软垫、支撑与固定架、背负架的包裹面料、背带、腰带等。其中支撑背板可以选用钛合金材质，泡沫软垫采用EVA泡沫材料，支撑与固定架采用碳纤维材料，包裹面料与背带腰带面料采用高密度尼龙（CORDu RA、HT NYLON）面料，确保减轻整个背负系统的重量。

二、户外便携式设备背负系统结构设计

（一）背负系统的组成，如图8所示

1.“x”形延展支架：采用“x”形支架作为主体，两侧及下部穿出的侧管形成副体，主体和下部的钛管作为基底，保证背包稳定性，侧管承担背包部分重量以及将整包重量合理传递到腰间，减轻肩部负担，如图9所示。

2.“米”字形透气通道背垫设计：从轻量化的角度考虑，“x”形撑条外包裹海绵泡沫垫，在最靠近背部的外层中填充成具有凹凸镂空的背面，以人体背部的横向曲面为参考，形成“米”字形透气通道软背垫，确保与身体贴合，同时满足头部灵活转动。“米”字形背垫不但能合理分配背部压力，还可形成良好的通风系统，有助于行进过程中的顺利排热，如图10所示。

3.设备支撑与固定设计：支撑结构中，其主要作用的是“x”形主体和下部副体，采用一体化的承重支架，确保背负物的重力支撑。稳固结构采用侧向弹性紧固带进行横向固定，再由外包裹的纵向紧固带进行纵向固定，保证背负物的稳固性，如圖11所示。

4.调节设计：此外，肩带宽度设为60mm;腰部约束设计采用半活动式的结构，既可以使腰部最大程度的接触背负结构还可以保护腰部;背带由3D网纱和多层海绵组成，PE材料保证背负舒适性还可以提高承重量。

（二）总结与展望

从旅行背包延伸到设备类背负，弥补了以往从设备背负的功能性设计出发，导致的舒适性的不足，从结构、可调性、轻量化的角度进行分析，为设备类产品背负提出了新的思考途径。

不足之处在于缺乏多次试验验证，以及部分观点的验证方法来自于搜集的资料，缺乏对一手资料的掌握，尤其是关于人机方面的数据较为匮乏。部分设计点还处于概念阶段，比如背板的形状、大小、弧度等，这些还需要大量的人机实验来作调整。

在未来的研究中还可以就背包的人机取样数据，表面肌电实验等实验测试手段进一步完善背负的舒适性以及背垫的形状和弧度;此外，设备背负的功能衍生还可以作进一步探究。