一种保护青少年脊柱健康的减重背包设计与研究

秦 榕，涂细凯,，甘 畅，李 肖

一种保护青少年脊柱健康的减重背包设计与研究

秦 榕1，涂细凯1,2，甘 畅2，李 肖2

(1. 湖北工业大学工业设计学院，湖北 武汉 430068；2. 湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉 430068)

目前市面上的青少年背包主要通过肩部来进行载荷，而忽略了腰部载荷的作用。背包长期负重不当会影响脊柱生长。为了平衡肩部、腰部和臀部的载荷，设计一种通过臀部带和弹性杆结构改变重力传递方式的减重背包。首先对人体背包进行生物力学分析，提出设计方案；然后借助ADAMS对传统背包与减重背包在平地、上坡、下坡3种路况下进行人体肩部、腰部和臀部载荷的动力学仿真，并利用MATLAB对2种背包的肩部、腰部和臀部的力矩进行分析。结果表明减重背包减轻了肩部6.1%和腰部5.4%力矩；减重背包肩部力矩与腰臀部合力矩的比值是4.17，而传统背包的比值是6.58。减重背包减少了肩部和腰部的载荷，同时发现肩部力矩与腰、臀部合力矩的比值越小，转移到臀部的力矩越大，背包的平衡性越好，表明了减重背包优于传统背包。

保护脊柱；腰背部疼痛；减重背包；重力传递；青少年；臀部带

随着青少年脊柱侧弯和驼背及肌肉骨骼疾病的人数逐年升高，学校和家庭对于青少年的健康越来越重视。背包作为青少年学习生活中必不可少的工具，长时间负重会对人体脊柱、腰部以及身体平衡造成危害[1-2]。

平衡对人体非常重要。研究表明，当背包的重量增至15%时，青少年很难保持正常身体姿势，致身体失去平衡，同时肩、背和腰部产生疼痛[3-4]。因此直接或间接的影响了青少年的脊柱健康和成长发育。为了解青少年负重与身体平衡性、脊柱弯曲及腰背部疼痛等健康问题之间的关系。GRIMMER等[5]提出青少年背负与未背负背包在寰枕关节绝对差值上存在显著差异，表明背包对儿童的脊柱有影响。另有大量关于青少年背包重量限制的研究，如CHANSIRINUKOR等[6]发现，青少年背15%BW (体重Bodyweight)的双肩背包时，躯干前倾角度变大。其角度的变大是为了稳定重心、保持身体平衡[7-8]，表明学生通过前倾来抵消重物引起的向后扭力来改变重心位置，并保持身体的平衡。GOH等[9]收集背负0，15%BW和30%BW背包行走的青少年腰骶关节数据。背负15%BW和30%BW的背包时，腰骶关节的强度比未负重分别增加了26.7%和64.0%，可能会导致腰痛和脊椎损伤。王敏和陆阿明[10]研究了不同背包方式行走对大学生脊柱角度的影响，发现双肩背包对于脊柱的伤害最小。王佳和王洁[11]研究了不同重量背包对儿童脊柱健康的影响，证明了髋部平衡能力与年龄没有直接的关系。以上研究均集中发现背包的问题，并未针对问题提出相对应地解决方案。

关于背包减重设计国外有较多地研究，如COTTALORDA等[12]发现背包的形状可以更好地分布重量和提高舒适度。伊朗科学技术大学的AMIRI等[13]以用户为中心的设计方法结合正常的标准和人体工程学特征背包可以显著降低肩膀、颈部的有效载荷。印尼万隆理工学院的PUTRA等[14]设计了悬挂式背包，让背包与背部做相对运动，以尽量减少人体在行走或跑步时背包上下运动对于人体造成的冲击力。以上设计均使用传统的腰部带将重力传递，忽略了背包对人体平衡性及腰背部疼痛的影响。

上述对于保护青少年脊柱的背包研究各有侧重点，有关注背包对青少年脊柱腰部造成的影响，也有从背包省力角度进行设计，但少有两者结合地研究。身体的平衡性下降会造成肩部及腰背部疼痛，从而影响脊柱健康[3]。针对以上问题，本文设计了一款减重背包，以减少肩部、腰部的载荷，将背包重量精准传递到下肢，从而减少腰背部的疼痛，保护脊柱的健康。

1 力学分析

1.1 背包生物力学分析

分析青少年背负双肩背包时，背包与脊柱之间的受力情况。根据生物力学原理，建立青少年在背负双肩包时的力学模型。

如图1所示，1和2分别为背包对人体所产生的作用力的受力点，1和2分别为人体对背包所产生反作用力的受力点。F是背包作用于腰部的压力，背包为施力方，人的腰部为受力方；F是背包作用于腰部压力的反作用力，人的腰部为施力方，背包为受力方；F是背包作用于肩部的压力，背包为施力方，人的肩部为受力方；F为背包作用于肩部压力的反作用力，人的肩部为施力方，背包为受力方。

1.2 脊柱受力分析

脊柱是人体重要的支撑结构，人体脊柱要到16岁以后才会发育完全。在此之前，身体的姿势很容易受到身体内外因素的影响而发生变形[15]。背负重物会造成颈部、肩部、背部肌肉群的紧张。并且长期背包所产生的影响会使身体姿势发生永久性变化，从而引发脊柱相关疾病[16]。

图1 青少年背负背包的力学模型

背包过重会让青少年身体不自觉前倾来对抗背包重量。如图2所示，脊柱由颈椎、胸椎和腰椎三部分构成，其中1为颈椎所受的压力，引起颈椎向前倾；2，4分别为胸椎所受的压力，引起胸椎向后凸；3为腰椎所受压力，引起腰椎向前凸，从而导致脊柱曲度产生变形。

图2 脊柱的纵向承重示意图

2 背包方案设计

通过分析背包力学和人体脊柱的受力情况，可对青少年背部的受力有进一步的了解，当背包行走时，过重的背包会使身体后倾，这种负重方式从外部对人体施加载荷，改变身体重心的位置。为了对抗这种外部阻力的影响，维持青少年的身体平衡和稳定，势必会进行身体姿态调整，使得整个背部向前倾斜来保持人体重心[17]。背包部分重量合理传递能够减轻其对腰背部的载荷，稳定重心，减少腰背部所受力矩，从而保护脊柱健康。

2.1 减重背包设计原理

背包会对青少年的身体造成外部负重，并改变身体重心的位置。结合力学知识，将背包的部分重量转移到髋关节，这样可将重力部分传递到下肢，减轻背包对上肢的载荷，稳定人体重心，保持身体的平衡状态。

关于青少年身体外部平衡，背包的负载“”引起的倾覆力矩“M”与青少年自重引起的阻力力矩“M”进行比较。如果“M”比“M”更强，身体自然会向前倾斜，从而减少力“”的杠杆臂，且最终减小倾覆力矩。如图3所示，这种情况下，减重背包方法是：最小化“”和轴“”之间的距离，其中“”为人体主轴。

图3 减重背包原理图((a)受力分析；(b)减重方法)

式(1)为综合图1的受力分析，可得到如图4所示的力矩分析图，其中1为肩部的转轴，2是背包重力对人体产生的力矩，1是人体为对抗背包重力而产生的力矩；2为腰部的转轴，4是背包重力对人体产生的力矩，3是人体对抗背包重力产生的力矩；3为臀部的转轴，5是背包臀部带对人体产生的力矩。

图5为背包减重系统的侧视图，以髋关节处为主轴，通过一根弹性材质的连接杆将背包顶部弹性带与髋关节部位的臀部带中的弹簧相连接。减少了背包与人体主轴之间的距离，将背包的重量精准地通过臀部带传递到下肢。青少年在背负背包行走时，背包随着人体的步态上下晃动，即弹性杆会随着背包的向下运动储存弹性势能，并向上释放弹性势能，从而减少背包对人体向下的冲击力。同时弹性杆储存的弹性势能通过臀部带的弹簧装置将重量传递到人体下肢，从而达到减重的目的。

图4 减重背包力矩分析图

图5 减重系统侧视图

图5为臀部带弹簧装置结构图，人体在行走过程中弹性杆受到背包的重力，弹性杆储存弹性势能并向上释放势能，同时压缩弹簧装置中的弹簧。弹簧通过储存弹性势能，向下压缩弹簧，减少臀部带上下滑动，维持臀部带平衡。然后弹簧再向上释放弹性势能，从而减轻背包的重力，减少背包对于腰背部的载荷。

2.2 臀部带设计

传统背包是通过腰部带来减轻背包对肩部的载荷，腰部带直接连接背包，存在柔性变形，会影响重力传递。如图6所示，动作“V”是由身体和腰带之间的摩擦力来实现平衡的，由此产生的弯矩“M”由水平力“M/”的间隙来平衡(“”约为腰部带的80%高度)。长时间下，虚线部分为腰部带受到摩擦力的影响而产生向下滑动的现象，从而不能很好地传递重力。

传统的背包腰部带通常会下滑致腰部和臀部之间，无法精准传递背包重量。而臀部带设计的关键是髋关节的弹簧装置，髋关节是连接人体上、下肢的关键关节[18]，在人体主轴两侧髋关节处设计弹簧装置，用来连接弹性杆，以缓解对臀部带的冲击力。图7为臀部带位置，考虑到臀部带将连接弹簧装置，传统的材质会因背包重量导致臀部带损坏，所以设计时臀部带需选用皮带材质，保证弹簧装置的有效连接。

图6 腰带柔性变化示意图

图7 臀部带位置正视图

2.3 材料选择与计算

本文设计的减重背包中运用了弹性杆和弹簧，目的是帮助青少年分散背包重量，从而稳定重心。

2.3.1 弹性杆

弹性杆作为背包的主要承重部件，既要满足轻便性，又要兼顾材料的强度以满足承载背包的重量。本文选用了T700碳纤维材料的弹性杆[19]，其抗拉强度>3 500 MPa，工作的最大应力为2 055.2 MPa，满足背包所需要的强度。所以选用T700碳纤维材料的弹性杆。

2.3.2 弹 簧

结合减重背包臀部带弹簧装置的结构，选择圆柱螺旋压缩弹簧。在ADAMS仿真软件中得到身高167 cm和体重55 kg的男性青少年在背负8.5 kg的减重背包行走时[6,20]，臀部带受到的最大力矩为61 N·m。根据《机械设计手册》[21]圆柱螺旋压缩弹簧的公式，计算出臀部带弹簧的基本参数，即

其中，为直径；为有效圈数。

考虑到臀部带位置以及弹簧装置的尺寸等实际情况，本文选择为2 mm、为14的GB4358琴钢丝G2Ⅱ类弹簧。

2.4 整体方案设计

在减重背包的外观设计中，利用工业设计美学法则中的统一与变化、对称与均衡、稳定与轻巧，结合弹性杆及弹簧装置的结构设计，从圆润的形态进行发散思维，绘制出如图8所示的3个方案图。为了客观地对背包进行评价，通过语义差异法问卷调查方式对15～22岁的青少年进行调研，共发放70份问卷，回收有效问卷70份。其中选择方案1的用户占12.2%，选择方案2的占31.8%，选择方案3的占56.0%，最终选择方案3进行深入细化处理。

图8 减重背包初步方案图((a)方案1；(b)方案2；(c)方案3)

图9为最终整体方案图，利用静态学和美学原则，背包上宽下窄为倒梯形的流线型设计，遵循力量规则流动的结构[12]，具有美观、优雅的造型，且能合理分配背包重量。其不仅能够在外形上对青少年有吸引力，还可以利用形体辅助稳定背包重心。弹性杆上端通过方形扣与弹性带相连接，弹性带通过磁吸扣与肩带连接，减小背包对人体的拉力，防止背包前后晃动。磁吸扣可快速打开且固定性良好，不仅方便打开背包，还具有防盗作用。弹性杆的下端与弹簧装置相连接，将背包重量传递到人体下肢。背包背板、肩带、腰带与身体密切接触，为了增加背包的舒适性和缓解对身体的压力，特增加了气囊设计。气囊可以自动充气，使人体和背包更加贴合，减少背包对人体的冲击力，缓解腰背部的疼痛。腰部带与臀部带均可以调节长短，满足不同体型青少年的需求。图10为减重背包细节效果图。

图9 减重背包整体方案模型

图10 减重背包细节效果图((a)磁吸扣；(b)弹性杆连接处；(c)管扣；(d)气囊阀门；(e)胸扣；(f)臀部带插扣)

3 减重背包方案仿真分析

3.1 动力学仿真分析

长时间背包负重会导致身体前倾造成腰背部疼痛，减少背包载荷可以减少身体前倾，为了分析青少年背负减重背包在不同路况下行走时能比传统背包减少对腰背部的载荷，利用ADAMS软件分析背负2种背包时肩部、腰部和臀部所受力矩的变化，力矩越小腰背部承受载荷越小，从而减轻腰背部的疼痛[22-23]。

3.2 模型的建立

人体模型中的主要参数是身高和体重，由于青少年还在成长期，身高体重有一定的差别。根据国家人口健康科学数据中心数据仓储PHDA中的中国青少年健康数据[20]，选取身高167 cm，体重55 kg作为参考标准。本文在保持人体运动特性的情况下，对人体模型进行了简化，进而提高仿真效率。对人体结构按照解剖学比例来进行建模。除此之外，由于是进行不同路况下的行走仿真，还需要建立平地、上坡和下坡3种地面模型。

ADAMS软件是一个功能强大的动力学分析软件，虽然可提供建模的模块，但并不适用于创建像人体这样具有复杂的曲面模型。本文采用SOLIDWORKS参照人体的尺寸建立三维模型，如图11所示，并通过数据转换将模型导入ADAMS，并对各部件的材料、质心以及人体和背包的参数进行设定。

图11 青少年模型尺寸图

3.3 施加约束和接触

模型构建之后，首先将头部、颈部、躯干合成一个整体，肩关节建立旋转副，肘部关节加入旋转副，髋部关节为球副，膝关节建立旋转副，踝关节建立球副。足部和地面设置接触，使足部在地面上方，设置为碰撞，同时设置其刚度、阻尼等参数，并施加重力。

对减重背包和传统背包的各部分散落零件进行添加与背包的固定副。由于减重背包的弹性杆以及弹性带在人体背负过程中会产生弯曲、拉伸等变形运动，所以对弹性杆及弹性带进行柔性化处理。

3.4 关节角度变化控制函数设计

本文使用STEP函数模拟人体下肢运动并为关节添加驱动，以实现各个关节角度的驱动[24]。根据ADAMS人体动力学的建模与仿真研究中罗小美的人体模型数据[25]，利用STEP函数对关节驱动数据进行赋值。

3.5 运动仿真实验

上述设定完成后进行仿真，主要是对比青少年背负传统背包和减重背包时，肩部、腰部、臀部所受力矩的大小。本文以平地，上、下斜坡为例进行分析。通过 ADAMS软件测量人体左、右肩部、腰部和臀部的力矩，将测量的数据导入MATLAB中，画图进行受力分析对比。

图12为人体背负传统背包和减重背包的模型。

图12 传统背包与减重背包动力学仿真对比图((a)传统背包；(b)减重背包)

3.5.1 平地行走受力分析

在ADAMS中，轴垂直于人体，背包对于肩部的力为向下拉扯的力，所以轴受到的力为背包对人体的力。通过对人体背负传统背包与减重背包的行走过程进行仿真，得到平地行走的受力分析对比曲线图，如图13所示。

图13 人体背负减重背包和传统背包平地行走的受力分析对比图

由图13可知，减重背包与传统背包肩部的最大力矩分别为165.76 N·m和206.87 N·m，减重背包较传统背包肩部所受力矩减少了19.9%。在腰部力矩的受力曲线中，减重背包与传统背包的最大力矩分别为42.73 N·m和84.29 N·m，所受力矩减少了49.0%。减重背包比传统背包受力曲线平稳。

3.5.2 上坡行走受力分析

袁川[26]和杨子涵[27]的数据研究表明，斜面越大，重力的下滑分量越大，想要上升，就需要用更大的力量，因此坡度越陡越费力，本文取15°的坡作为实验坡度，同样对人体背负传统背包与减重背包的行走过程进行仿真。

如图14所示，人体背负减重背包和传统背包在上坡的过程中肩部受到的力随着时间延长而增大，减重背包的肩部受力曲线与传统背包相比较为平稳，减重背包和传统背包的肩部最大力矩分别为288.54 N·m和373.32 N·m，所受力矩减少了22.7%。在腰部受力曲线图中，减重背包和传统背包的受力曲线呈平缓增长，同样传统背包的受力曲线高于减重背包的受力曲线。两者最大力矩分别为66.00 N·m和95.98 N·m，所受力矩减少了31.2%。

图14 人体背负减重背包和传统背包上坡行走的受力分析对比图

3.5.3 下坡行走受力分析

根据文献[26-27]，采用15°的坡度进行实验仿真。

如图15所示，减重背包和传统背包的受力曲线均有明显的差距，两者最大力矩分别为260.50 N·m和344.44 N·m，所受力矩减少了24.4%。同样在腰部受力曲线图中，减重背包和传统背包的受力曲线呈持续下降，传统背包的受力曲线始终高于减重背包。两者最大力矩分别为50.49 N·m和79.89 N·m，所受力矩减少了36.8%。

图15 人体背负减重背包和传统背包下坡行走的受力分析对比图

由图13～15可知，减重背包的臀部带在平地、上坡和下坡的行走过程中所受的最大力矩分别为61.37 N·m，61.37 N·m和57.89N·m。说明臀部带在行走过程中将背包的一部分力转移，减轻了上肢载荷。而减重背包的臀部带受力曲线图较为平稳，表明了臀部带的弹簧装置起到了平衡的作用。随着时间的增加人体腰背部所受载荷增大，腰背部肌肉疲劳感会加剧[28]。减重背包可以有效减少载荷，降低疲劳感，缓解腰背部疼痛。

4 数据分析

表1中计算了传统背包的左、右肩部的力矩平均值分别为193.77 N·m和203.21 N·m，占上肢受力的42.4%和44.4%。2组数据的相关性= 0.951以及标准偏差为1.05，说明左、右肩部之间具有极大的相关性，且力矩会随着一边的变化而变化。腰部的力矩为60.31 N·m，占上肢受力的13.2%。肩部与腰部的力矩比值为6.58。肩部的标准偏差为2.4，腰部的标准偏差为19。说明肩部的数据比较稳定，而腰部的力矩数据离散程度高，起伏比较大。

表1 传统背包及减重背包的各个部位的数据分析

在减重背包中左、右肩部的力矩平均值分别为164.42 N·m和163.92 N·m，占上肢受力的40.4%和40.3%。低于传统背包肩部力矩6.1%。减重背包的肩部力矩相关性=0.98，标准偏差为0.75，说明左、右肩部的力矩相关性极高，且数据较为平均，离散程度低，数据稳定。说明左、右肩部力矩会随着一边的变化而变化。腰部力矩的平均值为31.8 N·m占上肢受力的7.8%。低于传统背包腰部力矩5.4%。臀部力矩为46.42 N·m，占上肢受力的11.5%，肩部力矩与腰臀部合力矩的比值为4.17。

对比2种背包，传统背包在背负行走中两肩部的标准偏差为1.59和2.44，相差0.85；而减重背包左、右肩部的标准偏差均为0.2，表明减重背包的稳定性优于传统背包。传统背包和减重背包的肩部与腰部和臀部的力矩和比值分别为6.58和4.17。传统背包和减重背包的肩部力矩，与腰臀部合力矩的比值分别为6.58和4.17。说明比值越小肩部与腰部转移到臀部力矩变大，背包越平衡。

5 结 论

本文设计了一种减重背包，该背包可以通过臀部带将重量精准传递至下肢，以稳定重心，保持人体的外部平衡，从而减少腰背部的疼痛，保护脊柱的健康。首先，对背包和人体的脊柱进行生物力学分析，确定人体背包的受力原理，根据受力原理提出减重背包的设计方案。通过弹性杆设计将背包向下的垂直力精准传递到髋关节的臀部带，缩短背包与人体之间的距离，将背包重量传递到下肢。在背包臀部带与弹性杆连接处有弹簧装置，可以抵消背包向下的力，防止臀部带的下滑。再进行弹性杆与弹簧材料的选取。然后用ADAMS仿真软件对比传统背包与减重背包在平地、上坡、下坡3种路况下青少年肩部、腰部所受的力矩。仿真结果为：平地行走时肩部、腰部所受的力矩分别减少了19.9%和49.0%；上坡行走时肩部、腰部所受的力矩分别减少了22.7%和31.2%；下坡行走时肩部、腰部所受的力矩分别减少了22.4%和36.8%；臀部带在平地、上坡和下坡的最大力矩分别为61.37 N·m，61.37 N·m和57.89 N·m；表明减重背包比传统背包对肩部、腰部产生的力矩更小，能够有效传递重力，减轻腰背部的疼痛，以保护青少年的脊柱健康。最后通过计算得出传统背包的左、右肩部的标准偏差大于减重背包，证明减重背包的稳定性优于传统背包；传统背包和减重背包的肩部力矩，与腰臀部合力矩的比值分别为6.58和4.17，说明比值越小肩部与腰部转移到臀部的力矩越大，背包越平衡。本文设计并验证了一个有效减轻青少年腰背部疼痛和保护脊柱的减重背包，为后续的相关设计提供了科学参考依据。

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Design and research of a weight-reducing backpack to protect the health of adolescents’ spine

QIN Rong1, TU Xi-kai1,2, GAN Chang2, LI Xiao2

(1. College of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China; 2. School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan Hubei 430068, China)

At present, in the case of backpacks for the youth on the market, weight is mainly designed to be carried by shoulders, which ignores the role of the waist in load-carrying. Long-term improper loading of backpacks can affect the growth of one’s spine. In order to balance the load on shoulders, waist, and hip, a weight loss backpack was designed to change the way of gravity transmission through the hip belt and elastic bar structure. Firstly, the biomechanical analysis of the state of the human backpack and the spine was carried out, and the weight-reducing principle of the backpack was achieved according to the force analysis. Then, the torque analysis was carried out on shoulders, waist, and hip of the weight-reducing backpack, and a design plan was proposed. Next, the traditional backpack was analyzed by ADAMS. The dynamic simulation of human shoulders, waist, and hip loads was carried out with the weight-reducing backpack under three road conditions of even ground, uphill, and downhill conditions, and the moments of shoulders, waist, and hip in the cases of the two backpacks were analyzed by MATLAB. The results show that the weight-reducing backpack could reduce the shoulder moment by 6.1% and the waist by 5.4%; the ratio of the shoulder moment of the weight-reducing backpack to the combined moment of the waist and hip was 4.17, and the ratio of the traditional backpack was 6.58. A conclusion could be drawn that the weight-reducing backpack could reduce the load on shoulders and waist. At the same time, it was found that the smaller the ratio of the shoulder moment and the combined moment of the waist and hip is, the greater the moment transferred to the hip, and the better the balance of the backpack, indicating that the weight-reducing backpack outperforms the traditional ones.

spine protection; low back pain; weight-reducing backpack; gravity transmission; adolescents; hip belt

TH 122

10.11996/JG.j.2095-302X.2022050948

A

2095-302X(2022)05-0948-09

2022-02-13；

2022-05-19

13 February，2022；

19 May，2022

国家自然科学基金项目(52005169)；武汉市科技计划项目(2020020602012087)

National Natural Science Foundation of China (52005169); Wuhan Science and Technology Project (2020020602012087)

秦 榕(1993-)，女，硕士研究生。主要研究方向为穿戴设计与人机交互研究。E-mail：359972989@qq.com

QIN Rong (1993-), master student. Her main research interests cover wearable design and human-computer interaction. E-mail：359972989@qq.com

涂细凯(1983-)，男，高级工程师，博士。主要研究方向为康复工程、外骨骼设计与控制。E-mail：tuxikai@gmail.com

TU Xi-kai (1983-), senior engineer, Ph.D. His main research interests cover rehabilitation engineering, exoskeleton robot design and control. E-mail：tuxikai@gmail.com