肩部減壓支架設計原理及應用分析

張隨隨　李艷艷　張茂棠

關鍵詞：磨損;減壓;減震;設計

1社會現狀分析

隨著經濟的快速發展，人們的生活、工作壓力越來越大，選擇加班的人越來越多，對于飲用水的需求也隨之增多。據統計，目前中國飲水機用戶很多，桶裝水消費達到每年300多億元，并且還在以每年16%的速度增長。由此可見，不論是家庭還是公司，對于桶裝水的需求量都比較大，但是從事這一行業的工人較少，形成搬運工人的工作量增大的現狀。

送水工作是按勞抽成，要求送水工必須要有大力氣，才能送更多的水。一趟趟對于桶裝水的搬運，導致了工人肩部的嚴重損傷。根據以上現狀，設計出一款減輕肩部受力并且對肩部起保護作用的產品是十分必要的。

經知網檢索，發現針對此現象進行分析的論文數量缺乏。通過市場調查發現，現在幾乎沒有專門解決肩部壓力以及磨損的產品，市面上現存產品多為工人自制的墊子，其原理即通過增加布料的厚度減輕磨損，但這種墊子不容易固定且長期承受重物壓力極易變形。磁懸浮背包可以很大程度減輕身體負荷，但是造價高昂，在大部分體力勞動者層面無法廣泛應用。

目前，緩解肩部背負過程中壓力分布不合理及受損問題，如何利用當前技術形成解決方案，成為我們所關注的問題。

2設計思路

2.1初步方案

確定減壓支架分為三部分，分別是肩部支架、減震支柱以及重物承托板。根據市場需求，減壓支架形狀大致確定為“雙C”形——肩部支架是開口向下的弧形，重物承托板是開口向上的弧形，中間使用減震支柱進行連接。

2.2改良方案

初步方案中肩部支架與肩膀接觸的部分采用了海綿，但是發現海綿在強壓下容易變形，重物很容易就從承托板上滑落。在最初方案的基礎上，將海綿更換為不易變形的乳膠，可以更好地保護使用者的肩膀。在重物承托板的表面附著了一層帶有細紋的橡膠，增大承托板與重物間的摩擦力，防止重物滑落。此外增加肩部固定帶，以分散單個肩膀的壓力。

2.3最終方案

2.3.1產品結構

產品主體共分為三個部分，第一部分是肩部支架（Ⅰ），為了防止支架從肩部脫落，除肩部固定之外，支架部分加入了腰部的固定帶，起到分散肩膀壓力的作用，使上半身受力平衡。第二部分是減震支柱（Ⅱ），通過彈性勢能減輕肩部受力，減少對工作者的肩部損傷，進而提高工作效率。第三部分是重物承托板（Ⅲ），兩側的弧形護板可以很好地防止重物滑落。

2.3.2產品材質分析

此產品對材質要求非常高，因此對于材質的選擇是極其重要的。整體支架采用碳纖維與熱塑性樹脂復合材料，該材料具備眾多的優異性能，主要包括：①較高的強度與模量;②抗蠕變;③耐疲勞;④優異的振動衰減特性;⑤耐摩擦、磨損;⑥耐蝕性。碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料在最近幾十年內得到了相當廣泛的研究，熱塑性材料可回收再利用，不會造成社會資源的浪費，遵循國家提倡的可持續發展戰略。支架與肩膀接觸的部分選用的材質是乳膠，乳膠具有許多優點：①柔軟而富有彈力;②軟硬適中且不易變形;③透氣性、排濕性極佳，可以在長時間搬運工作后保持肩部清爽;而它的高彈性、永不硬化、永不變形、均勻釋壓等特點，也決定了它的支撐性與舒適度無與倫比。對于減輕肩部磨損，延長支架的使用期產生了積極作用。重物承托板的表面附著了一層帶有細紋的橡膠，增加重物與承托板間的摩擦，有效防止重物滑落。

2.3.3產品優勢

這款產品的優點在于：操作簡單，應用廣泛。肩部支架通過肩峰的垂直軸線對彎曲部分進行設計，符合人機工程學結構，貼合人體肩膀。增加減震結構，可以減輕肩膀承受重物的壓力，采用環保的材質，遵循了可持續發展的戰略。

2.3.4產品可行性驗證

搭建肩部外減壓支架模型作為試驗平臺，對減壓支架進行應力應變測試和分析，肯定了之前力學仿真的結論，證實了減壓支架對搬運助力的可行性。

2.4創新點

（1）通過支架的彈性形變來間接減輕肩部壓力。

（2）肩墊部分采用乳膠，透氣、柔軟且回彈力強，不易變形。

（3）承托重物的表面附加了一層帶有細紋的橡膠，有效地防止重物滑落。

（4）重物承托板兩側的弧形護板對重物起保護作用。

（5）這款產品主要采用環保材質，符合綠色設計的環保理念，遵循可持續發展的方針戰略。

3原理分析

3.1技術關鍵和主要技術指標

（1）彈簧在力的作用下無論是平衡狀態還是加速運動狀態，各部分受到的力大小相同，伸長量等于彈簧任意位置受到的力和勁度系數的比值。

（2）兩端與物體相連的彈簧上的彈力不能在瞬間突變——彈簧緩變特性。有一端不與物體相連的輕彈簧上的彈力能夠在瞬間變化為零。

3.2科學性

這個產品根據人機工程學結構進行設計，增大肩膀的受力面積，通過支架的彈性形變間接減輕肩部的壓力，同時兩側的弧形護板能很好地防止重物滑落。

3.3先進性

（1）符合人的最基本需求，符合市場發展規律。

（2）對人體肩部損傷機理進行分析，探討肩部疾病的來源以及人體在進行搬運工作時容易受到的肩部損傷，之后得到肩部損傷的形成原因，進行了人體生物力學分析和肩部動作的受力分析，為設計肩部支架提供了理論支持和可行性依據。

3.4獨特性

（1）市面上現存此類產品多數是通過肩墊減少肩部磨損，起不到減壓作用，且肩墊易變形，這款產品恰好解決了這一問題。

（2）通過肩峰的垂直軸線對彎曲部分進行設計，肩部符合人機工程學結構，貼合人體肩膀。

（3）部件之間使用彈簧連接，起到了減震的效果，降低了對使用者肩部的損傷，并且支架上的固定帶可以防止支架從肩膀滑落，也起到分散肩膀壓力的作用，使上半身受力平衡。

（4）通過調查發現，歐美和日本已經有部分外骨骼完成了產品化并投入了市場，但由于售價十分昂貴導致沒有出現批量化生產和應用。而我們的這款產品具有一定的實際應用價值，比如成本低，可以進行批量化生產，有較好的市場發展前景。

4推廣應用

4.1推廣前景的技術性說明

（1）符合人機工程學結構。通過對肩峰的垂直軸線對彎曲部分進行設計，使其更加貼合人體肩膀，從而起到對肩膀的保護作用。

（2）減震分壓。部件之間使用彈簧連接，有減震效果;支架上的固定帶可以防止支架從肩膀滑落，起到分壓作用，使上半身受力平衡。

（3）持久耐用。重物承托板表面附著材料為帶有紋路的橡膠，可有效防止重物滑落;與肩部接觸部分所采用的材質為乳膠，此材質具有良好的透氣性，柔軟且不易變形。

4.2市場分析和經濟效益預測

（1）產品成本低，可以進行批量化生產，有較好的市場發展前景。

（2）支架主要采用了環保的材料，可以進行回收再塑，不會造成社會資源的浪費。

包豪斯所提出的設計目的之一就是設計的目的是人而不是產品。面對搬運重物的工作者，我們需要本著以人為本的理念為基礎的思想，結合分析當下市場現有的產品現狀發現問題，通過分析用戶的生理與心理特征，找到適合搬運工人使用的肩部保護產品的設計原則。這款肩部減壓產品設計可以減輕搬運工人的肩部受力，保護肩膀不受磨損，符合人的最基本需求，符合市場發展規律，促進社會的長遠發展與進步。

作者簡介：張隨隨（2000— ），女，漢族，山東菏澤人，本科在讀，學生，研究方向：產品設計;李艷艷（1989— ），女，漢族，山東濱州人，碩士，講師，研究方向：藝術學理論;張茂棠（2000— ），男，漢族，山東菏澤人，本科在讀，學生，研究方向：產品設計。