腰凳型婴幼儿背带压力测试与分析

陈俊虹,陶 晨,洪兴华,金 姝,方帅军

(1.绍兴文理学院 纺织服装学院,浙江 绍兴 312000; 2.浙江理工大学 纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),浙江,杭州 310018)

腰凳型婴幼儿背带作为背带与腰凳的结合体具有轻便、易于穿戴的特点,帮助使用者分摊婴儿体重的同时有效解放使用者双手,给使用者带来极大的活动便利性,因而腰凳型婴幼儿背带成为婴幼儿背带中广为流行的一类产品,但人们在享受方便时,也承受着背带对人体相关部位造成的压力。

服装压力是影响服装舒适性的重要因素之一[1],压力类型、大小、作用面积都会对人体产生不同程度影响[2]。现有研究表明,服装压力与面料性能有关,如面料的摩擦因数[3]、拉伸弹性[4]、剪切性能[5]等;服装压力也与人体体型特征有关,人体各部位体型特征不同造成服装压力不同[1],服装压力随身体部位曲率增大而增大,如女性腰部曲率是腹部曲率的3.5倍,因而腰部服装压力是腹部的相应倍数[6];服装压力还与服装结构有关,如服装松量对服装压力的影响[7],表现在女士内衣[8]、塑身衣[9]等产品的穿着舒适性上。

腰凳型婴幼儿背带带来的服装压力是一种具有时空特性的特殊服装压力。在空间上,其特殊性表现为背带特有的服装结构及其与人体相关部位的接触方式;在时间上,其特殊性表现为随婴幼儿月龄和体重增加,着装人体压力分布的变化特征。目前对婴幼儿背带的关注,主要在婴幼儿安全保护问题上,特别是对其绳带物理安全性的考虑,但是给穿戴者带来的压力与影响及其针对性的改良设计未受到足够重视。虽然压力舒适性是学界关注的要点之一,但尚未发表针对背带特殊结构进行服装压力研究的公开文献。实际上,背带使用过程中给人体腰部、腹部造成的压力,远超学者们提出的服装压力舒适性阈值[10],其对穿着者健康的影响不容忽视。

服装压力评价主要有主观评价法、客观评价法[11]和理论分析法[12]。客观评价法分为直接测量和间接测量[13],直接测量依靠传感器等设备进行压力值测量[14],常用的服装压力传感器包括应变片式传感器、弹力光纤传感器和压敏半导体传感器等[15]。Flexiforce薄膜型传感器是一种压敏半导体传感器[16],其轻薄如纸、易于弯曲,能够完成曲面测量[17],在服装压力测量中普遍使用。

本文采用Flexiforce薄膜型传感器组建服装压力测试系统,采集腰凳型背带与人体接触部位上的压力值,分析压力分布的空间特征及其随婴幼儿月龄变化的情况,以期揭示腰凳型婴幼儿背带的服装压力特征,启发背带改良设计思路。

1 实验部分

1.1 实验材料

目前市面上流行的腰凳型婴幼儿背带主要针对3～12月龄的婴儿,体重一般在10 kg以内。此类产品除去各种附件(如搭扣、口巾、翻袋等),具有基本一致的材质与结构,即背带面料为纯棉,凳面网面为聚酯纤维,凳芯为硬质聚氨酯。本文以BC2011024型腰凳型婴幼儿背带(杭州白贝壳实业股份有限公司)为例,其主要部件的典型尺寸如图1所示。

图1 样品及尺寸Fig.1 Sample and its size.(a)Front of strap;(b)Unfold the waist stool;(c)Physical strap

将背带样品穿着于人台上,腰凳上放置一定质量的假人以模拟婴儿体重,在人台不同位置上设置压力测量点,并植入压力传感器,如图2所示。采用160/84A标准女体人台,人台的上半身根据东华原型进行基础线标注,包括胸围线、腰围线、前后中心线、颈根围线。

图2 人台上的测量点Fig.2 Measuring spots on the dress form

腰凳型背带给穿戴者造成的压力来自于其肩带与腰带在人体相关部位上的作用。试样的肩带向后经人体肩高点(S1、S3)、背高点(B1、B3)延伸至腋下(B2、B4),向前与颈窝点水平线相交(S2、S4)并延伸至胸前。腰带环绕人体腰腹部1周覆盖后腰中点(W1)、侧腰点(W2、W4)及前腹中点(W3)。可见,此种背带主要作用于人体肩部、背部和腰部3个部位。

因此,本文在人体肩部、背部和腰部3个部位上设置共12个压力测量点:肩部测量点S1、S2、S3、S4,背部测量点B1、B2、B3、B4,腰部测量点W1、W2、W3、W4。12个测量点一方面代表人体部位上的压力采样,另一方面也能反映压力在各个部位上的分布情况。

1.2 测试系统

测量系统的硬件主要包括压力传感器、微型处理器及上位机PC,连接方式如图3所示。采用Flexiforce A201薄膜型压力传感器(长度190.5 mm,感应端直径9.7 mm,测量上限445 N),其体积小、柔性好、精度高,能够满足实验需要。将其感应端植入图2所示人台上的测量点,接线端连接单片机的模数转换端口。微型处理器型号为Arduino UNO,具有6个独立的模数转换端口,本文使用2片微型处理器接入12个压力传感器,分别测量图2中所示的12个位点。

图3 硬件连接示意图Fig.3 Hardware connection graph

传感器上的压力变化导致其接线端电压变化,单片机将来自传感器的模拟电压信号转换成数字量信号,写入到其寄存器中。通过将自设的程序烧写到单片机系统中,本文控制其从TTL串口(RXD、TXD)输出与传感器压力对应的数字量,至上位机PC。本文在上位机上采集并分析串口信号,如图4所示。

图4 服装压力测试软件Fig.4 Clothing pressure measurement software

2 分析与讨论

2.1 系统标定

在实验开始前,需要对测量系统进行标定,以确定传感器数字量与压力之间的线性关系。标定过程中,在传感器上放置不同质量的砝码,读取其数字量输出,达到一定的样本规模后,对采集到的数据进行线性回归,结果如图5所示。

图5 测试系统标定Fig.5 Calibration of measurement system

对回归方程的显著性和残差进行检验,结果表明:统计量F(1,8)=8 270.064,且显著性概率P值为0小于显著性水平0.001,回归方程具有统计学意义。判定系数R2=0.999,表明压力值可以解释99.9%的数字量变化,压力值与数字量的拟合度理想。

2.2 压力分析

在样品腰凳上放置3～10 kg假人模拟背带负重,测量人台上各个部位的压力,结果图6所示。

图6 各部位压力Fig.6 Pressure on body parts

由图6可见,在3～10 kg负重区间内,各部位承受压力随负重增加而增大,并且始终保持一定秩序,由大到小依次为肩部、腰部、背部。各部位压力总计也呈单调增加,且在每个点上都超过假人本身重力,如负重3 kg(重力约30 N)时,各部位压力总计为75 N,负重10 kg时压力总计接近400 N。实验中测得的总压力偏大,与日常经验有所出入。

在背带使用过程中,提持负重的力中很大一部分源于背带与人体之间的摩擦力,此种摩擦力来自特定介质表面上的压力。由于实验中采用的人台具有光滑硬质的表面,其摩擦因数较小,导致背带与人台接触面上的压力比实际偏大。

为验证上述推断,分别使用市场采购的丝质面料(桑蚕丝电力纺,经密为520 根/(10 cm),纬密为460 根/(10 cm))和棉质面料(斜纹牛仔布,经密为280 根/(10 cm),纬密为210 根/(10 cm))包裹人台上半身,并采取一定措施使其固定在人台表面,如图7所示。测试不同面料包裹的人台上半身各部位压力总和,并与未包裹情况下进行对比,结果如图8所示。

图7 不同面料包裹的人台Fig.7 Dress form wrapped with different types of fabric.(a)Silk fabric;(b)Cotton fabric

图8 面料包裹情况下人台上的压力Fig.8 Pressure on dress form wrapped with fabric

由图8可知,使用背带过程中人体承受的压力大小受到服装面料的影响。粗糙的面料具有较大的摩擦因数,能够减小背带给人体带来的压力。

进一步考察测量不同负重下3个部位各个测量点上的压力,结果如图9、10所示。

图9 肩部与背部各点压力Fig.9 Pressure on spots of shoulder and backside

从图9、10中可见,一定负重下测量部位内各个测量点的承压水平不尽相同,且随负重增加出现明显的分化现象。具体表现为:负重大于9 kg时,S1(肩高点)、S2(颈窝水平交点)处压力差异变大,肩部压力不平衡加剧;负重超7 kg后,B1(背高点)、B2(腋下点)处压力分化,背部压力不匀凸显;负重超7 kg后,W1(后腰中点)、W2(侧腰点)、W3(前腹中点)压力分化明显,腰部压力不匀显现。

服装压力不匀是造成人体不适的重要原因,长时间穿戴可引起肌肉酸痛甚至骨骼变形[3]。减小压力不匀是婴儿背带产品优化设计的重要路径。针对图9、10的压力分化现象,本文采取一定缓冲措施,开展优化实验,方案如表1所示。

表1 优化实验方案Tab.1 Optimization test scheme

针对肩部、背部和腰部,分别在其压力出现分化的关键点之后,对该部位中承压较大的位点处添加垫片。采用了厚度0.5 cm、直径5 cm的圆形高密度海绵垫片,以增大接触面积、缓解各部位中的压力不匀。优化后的压力分布情况如图11、12所示,腰部、肩部、背部压力优化前后标准差对比如图13所示。

对比图9与图11、图10与图12以及图13的标准差可看出,在适当负重水平下,对相关位点添加海绵垫片后,制约了肩部、背部、腰部上的压力分化,各部位上压力不匀得到改善。

图10 腰部各点压力Fig.10 Pressure on spots of waist

图11 优化后肩部与背部各点压力Fig.11 Pressure on spots of shoulder and backside after optimization

图12 优化后腰部各点压力Fig.12 Pressure on spots of waist after optimization

图13 腰部、肩部、背部改善前后标准差对比Fig.13 Comparison of standard deviation before and after improvement of waist, shoulders, and back

上述研究结果为腰凳型婴幼儿背带的改良设计及穿戴者的保健与护理带来启示:①肩部承压最大是背带改良设计的重点,也是穿戴者保养的重点部位;②在改良设计中,考虑选用摩擦因数较大的材料,在一定程度上减小对人体的压力;③开发者应该进行市场细分,针对不同婴儿月龄阶段,采取缓解相关部位压力不匀的设计方案,推出增强型产品。

3 结 论

本文采用自行研发的服装压力测试系统,以人台模拟人体,测试和分析了人台穿戴腰凳型婴幼儿背带时的服装压力,并提出了优化压力分布的方案。实验表明,该类产品产生的服装压力主要施加于肩部、背部和腰部,其中肩部承压最甚、腰部次之、背部最小。肩、背、腰3个部位承受压力合计总是大于背带上负载本身的重力。采用摩擦因数较大的服装面料制作背带,有助力于减小背带给人体带来的压力。随着婴儿月龄增加、体重增大,穿戴者肩、背、腰3个部位中各个感应点压力分布不均逐步凸显,造成不适与隐患。在压力发生分化的负重区间上,通过在肩高点、背高点、后腰中点及侧腰点上放置垫片,可改善压力不匀的现象。