戶外便攜式設備背負系統分析與設計

李雪琪 許熠瑩 毛夢吉

關鍵詞：背負系統 結構 可調節 輕量化

引言

背負系統是指運用于背負類產品中的，以人體背部承重機能為基礎，承擔在靜態與動態活動中實現背負具有一定重量物品，同時幫助減小背負者疲勞與不適的負重支撐體系。它主要由肩帶、腰帶、肩部受力帶、腰部受力帶、包底受力帶以及支撐裝置、調節裝置和通風裝置等部分組成。戶外便攜式設備背負系統是以背負系統為基礎，以設備背負為目的，運用于戶外環境，具有輕量性、負載物可拆卸、背負系統具有獨立性和輕量化特點的背負輔助裝置。由于戶外便攜式設備背負系統在使用中具有承重性、耐用性、舒適性、長時性、可分離等方面的要求，因此在設計中，選擇以歐式可調節背包為基礎，參照攜行式背架結構，通過從背負結構、調節方式、輕量化等方面作為創新的切入點，在分析的基礎上對便攜式設備背負系統進行設計創新。

一、戶外便攜式設備背負系統結構分析

（一）背負系統的組成

1.常規背負系統的組成：常規戶外背負產品中所運用的背負系統主要包括“五帶三裝置”，即由肩帶、腰帶、肩部受力帶、腰部受力帶于包底受力帶構成的“五帶”和由支撐裝置（內支架），如圖1所示。通風裝置和調節裝置構成的“三裝置”，其中“五帶”主要作用是保證背負時的舒適性，“三裝置”主要作用是支持、通風與調節。

人們通常以背負時背部壓力是否均勻、是否有后墜感、頭頸部是否能自由活動、背部的透氣性能、肩部受力分布、背部摩擦、穩固性等綜合舒適度來評判背負系統性能的優劣。其中背部壓力、透氣性、摩擦與支持裝置密切相關，后墜感、頭頸活動區、肩部受力分布與肩帶和肩部受力帶相關，穩固性與腰帶和腰部受力帶相關，通風與調節裝置能有效提升使用的舒適性和個體需求。因此構成背負系統的“五帶三裝置”的設計能有效提高背負時的舒適性。

（1）背負結構“五帶”包括肩帶、肩部受力帶、腰帶、腰部受力帶以及包底受力帶。其中肩帶的作用是防止背包從身體上滑落以及兼顧部分背包承重;肩部受力帶的作用是連接包身與肩帶，可以拉近身體與背包的距離，將部分重量轉移到鎖骨上，保證背負的舒適性，輔助胸帶的主要作用是保持背包平衡穩定性;腰帶是將背包重量分擔給臀部，是背負系統中最關鍵的一環;腰部受力帶的作用是連接包身與腰帶，主要用來調節背包和身體的貼合度，增強穩定性;包底受力帶增強背包的承重與穩定性。

（2）背負結構“三裝置”包括支撐裝置、調節裝置以及通風裝置。其中的支撐裝置即內支架的作用是主要是保持負重的安穩，并幫助將背部重量轉移到肩部和臀部，由于內支架位于背包內部，不但更加美觀、還更不易損壞，如圖2所示。隨著戶外產品的深入開發，內支架的形式也越來越豐富，從最早期的兩根垂直向上彼此平行的扁鋁條，發展到現在的V形、倒U形、H形等，如圖3所示。此外，通風裝置主要作用是解決背負系統背部設計中的通風散熱問題。調節裝置的目的是簡便靈活的可調結構滿足背負系統對不同需求的兼容性。

2.戶外便攜式設備背負系統：戶外便攜式設備背負系統是以戶外檢測、公路救援、通信防護等儀器的背負為使用場景，考慮到使用方式的相似性，在人體背負部分以“五帶三裝置”為基本構成，確保背負的舒適性。在設備背負需求方面，增加相應的功能結構。它包括設備底部支撐裝置、設備固定裝置、設備保護（包裹）裝置，兩者通過尼龍連接的方式進行組合。

（1）設備底部支撐裝置是以背架為基礎，從背架底部向外延展，形成支撐面達到對背負物品的底部支撐。向外延展部分可設計為折疊、抽拉或固定形式，以適應對收納體積需求和背負物品重量及固定性能要求的差異。折疊或抽拉式支撐可在不使用設備背負功能時，將延展架收納靠近背包背部支撐面，減小背負架的體積。

（2）設備固定裝置的功能是將背負物品與背架固定。固定裝置包括兩個部分：支撐框架上側面延伸的固定繩與外包裹上設置的縱向固定繩。使用時，先將設備與背架水平放置，利用支撐框架上的側向固定繩捆綁固定，然后罩上包裹后，用外包裹上的縱向固定繩再次進行固定。

（3）設備保護裝置是整體背架外部裹覆層，一般有防水面料或具有一定厚度和防撞性能的面材組合。設備保護裝置與整體背架外部連接，設計為拉鏈全開結構，包裹住設備，達到有緩沖保護、防水等作用。

此外，由于背負儀器的尺寸需略小于背負背架的尺寸，戶外便攜式設備背負系統可容納的設備尺寸約在400mmx250mmx500mm以內，這一尺寸可包括如鐵路檢修工具箱、電力應急搶險組合工具等通訊、檢測、搶修等設備。

（二）戶外便攜式設備背負系統的可調節性

可調節性是戶外便攜式設備背負系統的重要組成部分。由于人體身高、體重、性別差異;背負物品重量、體積的差異;外部環境不同，而導致的衣服變化薄厚等多方面因素的變化要求，使戶外背負系統需要通過調節來對應不同狀態，調整背包到適當位置。戶外便攜式背負系統的可調節結構主要包括支撐裝置和可調節結構。

1.戶外便攜式設備背負系統中支撐裝置設計分析：支撐裝置是戶外便攜式設備背負結構的核心，主要形式為定型背板。背板的造型設計以人體背部的形狀為基礎，主要依據由頸部、背部和腰部曲線構成的“S”形線型，以及背部橫向曲度變化，由兩者構成的曲面而設計如圖4。定型背板的設計還要注意在功能保證的前提下，盡可能地減輕背板質量。

2.戶外便攜式設備背負系統中可調節結構的設計分析：戶外便攜式設備背負系統的可調節結構主要包括：腰帶調節、肩帶調節、設備支撐裝置調節、設備固定裝置調節。

（1）腰帶調節設計中的腰帶調節主要分為腰帶長度的調節和上下位置的調節。對于不同身高、體重、性別的人來說，其腰部受力點的位置和臀部的弧度都有所不同，設置腰帶長度、上下位置的調節可以使固定更加穩妥，在此基礎上增加內側傾角的調節，能使得背包更加貼合腰臀部，有效地將重量分散在腰部，如圖5所示。

（2）肩帶調節是調整背負物與身體貼合的重要手段。由于每個人的肩寬、肩厚不同，設置肩帶調節設計除了通過調節背帶的長度使背負物與身體更穩固，還通過調節肩帶與背負板的距離，可以調節背板的角度，使背負物品重心向前，減少背負物的后墜感。此外，肩帶的胸前固定與調節帶—方面固定肩帶防止滑落，—方面根據人體胸部寬度課適當調節，如圖6所示。

（3）設備固定裝置調節的主要目的是為了適用于不同大小的設備。由背架底部設置向外延伸的固定底架，背架側面設置具有可調節的彈性束緊帶，這樣就能根據設備大小進行收縮或者拉伸調整，使設備能穩定束縛在背架上。此外，外包的卡扣與收縮繩的調節，也能根據設備尺寸大小，調整收縮繩和卡扣的位置，實現背負物的固定。圖7是背包背負設備時固定裝置示意圖。

（三）戶外便攜式設備背負系統的輕量化設計分析

戶外便攜式設備背負系統需要在滿足功能要求的基礎上，盡可能減切質量。這可以從結構功能的設計與面料選擇等方面入手，背負系統的輕量化設計是體現其針對性和專業性的一大因素。

1.戶外便攜式設備背負系統的功能與結構的輕量化分析：與旅行背包不同，戶外便攜式設備背負系統雖然也是以“五帶三裝置”設計為基礎，但是由于背負系統的功能聚焦于特定的需求，設計中可以減去背包中繁瑣的存放物品需求，繼而有效減輕背負系統自身的重量。比如可以減去有復雜間隔的包袋、耳機線孔、掛飾扣等，只保留最基本的背負與固定功能，即背帶與固定裝置。這樣的功能精簡，將背負系統的部件減少到最少，達到減輕自重的目的。

此外，輕量化的背負系統設計還可以從簡化背負系統內部結構部件入手。在背板設計中放棄硬質板塊作為主要支撐，而采用“x”形支撐架作為主體，“x”形支撐從結構上符合背負時受力的節點，并且具有較好的穩固性。同時在“x”形支撐架上包裹海綿泡沫墊，使其填充為凹凸鏤空，形成良好的通風系統。在材料上的選用方面，“x”形支撐架采用鈦合金材質，既有良好穩固性、又可減輕自重。

2.材料的輕量化分析：戶外便攜式設備背負系統的材料主要包括：支撐背板、泡沫軟墊、支撐與固定架、背負架的包裹面料、背帶、腰帶等。其中支撐背板可以選用鈦合金材質，泡沫軟墊采用EVA泡沫材料，支撐與固定架采用碳纖維材料，包裹面料與背帶腰帶面料采用高密度尼龍（CORDu RA、HT NYLON）面料，確保減輕整個背負系統的重量。

二、戶外便攜式設備背負系統結構設計

（一）背負系統的組成，如圖8所示

1.“x”形延展支架：采用“x”形支架作為主體，兩側及下部穿出的側管形成副體，主體和下部的鈦管作為基底，保證背包穩定性，側管承擔背包部分重量以及將整包重量合理傳遞到腰間，減輕肩部負擔，如圖9所示。

2.“米”字形透氣通道背墊設計：從輕量化的角度考慮，“x”形撐條外包裹海綿泡沫墊，在最靠近背部的外層中填充成具有凹凸鏤空的背面，以人體背部的橫向曲面為參考，形成“米”字形透氣通道軟背墊，確保與身體貼合，同時滿足頭部靈活轉動?！懊住弊中伪硥|不但能合理分配背部壓力，還可形成良好的通風系統，有助于行進過程中的順利排熱，如圖10所示。

3.設備支撐與固定設計：支撐結構中，其主要作用的是“x”形主體和下部副體，采用一體化的承重支架，確保背負物的重力支撐。穩固結構采用側向彈性緊固帶進行橫向固定，再由外包裹的縱向緊固帶進行縱向固定，保證背負物的穩固性，如圖11所示。

4.調節設計：此外，肩帶寬度設為60mm;腰部約束設計采用半活動式的結構，既可以使腰部最大程度的接觸背負結構還可以保護腰部;背帶由3D網紗和多層海綿組成，PE材料保證背負舒適性還可以提高承重量。

（二）總結與展望

從旅行背包延伸到設備類背負，彌補了以往從設備背負的功能性設計出發，導致的舒適性的不足，從結構、可調性、輕量化的角度進行分析，為設備類產品背負提出了新的思考途徑。

不足之處在于缺乏多次試驗驗證，以及部分觀點的驗證方法來自于搜集的資料，缺乏對一手資料的掌握，尤其是關于人機方面的數據較為匱乏。部分設計點還處于概念階段，比如背板的形狀、大小、弧度等，這些還需要大量的人機實驗來作調整。

在未來的研究中還可以就背包的人機取樣數據，表面肌電實驗等實驗測試手段進一步完善背負的舒適性以及背墊的形狀和弧度;此外，設備背負的功能衍生還可以作進一步探究。