CN106096167B - 一种用于小学生书包的肩背部压力调节器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于小学生书包的肩背部压力调节器的设计方法是采用mFLEX压力分布测试系统对小学生书包负重15％时产生的动、静态肩背部压力进行数据采集，并分别提取静、动态肩背部压力的图像，绘制软垫书包压力调节器的面积、凸点位置及凸点尺寸，使所设计的压力调节器由肩部用压力调节器和背部用压力调节器构成，肩部用压力调节器为两个，其一面上分布有至少4个压力调节凸点；背部用压力调节器的一面上分布有至少8个压力调节凸点。该肩背部压力调节器不仅可减轻小学生书包负重过重、结构设计不合理所引起脊柱、肩背部等疼痛，还在一定程度上避免了对学生生长发育带来的影响，且所设计的压力调节器结构简单，易于加工制造，便于推广应用。

Description

一种用于小学生书包的肩背部压力调节器及其设计方法

技术领域

本发明属于小学生书包压力调节装置及其设计方法技术领域，具体涉及一种用于小学生书包的肩背部压力调节器及其设计方法，该方法结合了小学生肩背部压力的测试数据,使所设计的小学生书包的肩背部压力调节器符合小学生背负习惯和生长发育特点。

背景技术

众所周知，学生书包的负重过重、结构设计不合理会引起脊柱、肩背部等疼痛，从而直接或是间接影响学生的生长发育，该问题早已引起了社会的广泛关注，而如何使学生书包在使用中能调节肩背部压力，并设计制作成能减压的实体书包成为了科学研究和生产领域研究的新热点。

目前，关于学生书包压力调节的研究主要集中两个方面：一是研究如何在书包背带结构或材质方面进行改进。如CN204722469U公开的一种带肩垫的中学生书包就是通过在书包左右两个背带的上部设置弹性肩垫来帮助将肩膀所受到的压力分散。又如CN203709436U公开的一种学生用护肩书包，该书包是通过在肩带内部放置带按摩功能的杠杆组件，利用行步震动来按摩肩膀甚至背部，以减少肩部压力所带来的损害。再如CN202739140U公开了一种多功能保健书包，该书包是通过在肩带内设置若干凸起的气囊，同时在背带上设置带有粘扣的挂带来分散压力。二是研究如何在书包背垫的结构上进行改进。如CN204812593U公开了一种新型书包，书包背部不仅设置了背垫，还同时设置了腰带，使书包的重量由肩部和腰部同时受力分散，可以使学生保持良好的背负姿态。然而，这些研究的技术解决方案虽然都在背带上设计了减压结构，也能够使肩背部的压力得到一定的分散，但是这些技术解决方案首先缺乏对人体肩背部受力情况分析的科学衡量指标，对书包背负中人体受压的凸点并不清楚，其次只是从一般减压的角度出发考虑解决方案，所带来的减压效果也无法予以论证，加之所设计的结构固定，无法在使用过程中根据书包的背负重量进行灵活调整。

近年来，有学者将生物力学分析方法引入背包的负重、背负方式对人身体的影响的研究中，其研究的指标包括足底压力参数、步态、身体倾斜角、肌肉张力等。有文献根据人体不同负重条件下步态、身体前倾角、心率、血压的研究结果，提出学生书包的负重不超过人体体重的10％(Hong Y,Brueggemann G P.Changes in gait patterns in10-year-oldboys with increasing loads when walking on atreadmill[J].Gait and Posture,2000,11(3):254-259.)。还有学者指出，背15％BW的双肩包时，颅椎角显著性减小，头前倾程度增大(Chansirinukor W,Wilson D,Grimmer K,et al.Effects of backpack onstudents:Measurement of cervical and shoulder postures[J].Aust J Physiother,2001,47(2):110-116.)，而头前倾姿势与颈椎病、颈部不适等症状相关。背负书包后身体姿势发生改变，头和躯干前倾程度增加，身体重心改变，步态、足底压力和下肢关节力也发生变化，表面肌电活动更明显，能量消耗增加。如申请号为201510742549.2的专利申请公开了一种背包使用方法，通过随时获取人体身背负荷时的心率、体温、卡路里和行走姿态等运动生理参数，告知用户此背包合适的承载重量，建议用户修正走路姿势及调整双肩包的位置。虽然从研究的角度看有所进展，研究的指标也较为丰富，但遗憾的是仍然缺乏关于人体背负负重时肩背部压力的生物力学指标的研究，也尚未有生物力学数据支撑的关于学生书包肩背部压力调节部件的研究或产品报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，首先提供一种有生物力学数据支撑的用于小学生书包的肩背部压力调节器的设计方法。

本发明的另一目的是提供由上述方法设计的用于小学生书包的肩背部压力调节器。

为达到本发明的目的，本发明人首先采用了肩背部压力采集的方法系统的研究了100名6-12岁小学生背负书包行走时的肩背部压力数据，并且分析和比较了年龄、性别、负重及结构对肩背部压力的影响。采集的这些小学生样本的结果显示：1)年龄和性别之间的差异对身体肩背部所受压力的影响不明显。2)书包结构的差异会对背负过程中肩背部受力产生显著的差异。3)随着学生书包负重的增加，肩背部的压强值明显增加，其中肩部压强值呈线性增长，背部压强值呈指数性增长。4)通过问卷调查结果表明，约占采集样本数量的70％的学生日常书包负重为体重15％左右；同时，从统计学的角度通过对以学生体重计书包负重0～25％的实验数据分析后发现，书包负重超过体重15％后(15～25％)的肩背部承受的压力数据P值小于0.05(P值即概率，反映某一事件发生的可能性大小。根据统计学显著性检验方法所得到的P值，一般以P<0.05为显著)，说明肩背部压强值在负重15％时开始有了显著变化；结合上述两方面因素，在设计压力调节器时选择负重15％的数据作为设计依据。5)有肩背部软垫设计的书包能减少肩背部所受的压力。由此，本发明结合肩背部压力的实测数据，选择了以负重15％肩背部受力情况为设计基础，利用了软垫能够减轻受力的效果，提供了一种用于小学生书包的肩背部压力调节器的设计方法，该方法的设计步骤如下：

①采用mFLEX压力分布测试系统对小学生书包负重15％时的静、动态肩背部产生的压力进行数据采集；

②根据步骤①采集的数据，提取静态肩背部压力的图像，并根据测试系统导出的静态肩背部压力图像，绘制软垫书包压力调节器的面积及凸点位置；

③根据步骤①采集的数据，提取动态肩背部压力的图像，并根据测试系统导出的动态肩背部压力图像，绘制软垫书包压力调节器的凸点尺寸。

以上方法中第①步骤所述的对动、静态肩背部产生的压力进行数据采集是指小学生背负装有压力传感器的书包，从静态站立到以自选的速度、自然的步态行走通过测试区域时，采集由于肩背部与电容式压力传感器之间产生相互作用的力所输出的电容式压力传感器的电流值，前后电流值的差额经过信号筛选和放大，最终得到了肩背部各关键点的静、动态压力数值。

以上方法中所述第②步骤具体是指在小学生书包负重15％时，静止状态下第一帧肩背部压力数据输出至EXCEL数据分析软件进行分析，还原肩背部压力图像，并将还原的肩背部压力图像以图片形式1:1输出；在左肩、右肩和背部的静态压力图像图片中，分别标记受力点位置和受力面积大小，建立测量的基准坐标，通过绘图软件绘制软垫压力调节器的面积及凸点位置。

以上方法中所述的第③步骤具体是指选择小学生书包负重为15％时，行走过程中书包与人体接触面积最大的那帧肩背部压力数据输出至EXCEL数据分析软件进行分析，确定肩背部压强值，还原肩背部压力图像，其压强值由高到低用数值从大到小表示，并将还原的肩背部压力图像以图片形式1:1输出；在左肩、右肩和背部的动态压力图像图片中，分别标记最大受力点压强值大小，并根据现有市售书包肩带和背部尺寸，对压力大的地方进行增高设计，通过绘图软件绘制软垫压力调节器的凸点高度和大小尺寸。

本发明提供的由上述方法设计的用于小学生书包的肩背部压力调节器，该压力调节器由肩部用压力调节器和背部用压力调节器构成，肩部用压力调节器为两个，左右肩各一个，每一个肩部用压力调节器均为一矩形贴片，在矩形贴片一面分布有至少4个压力调节凸点；背部用压力调节器也为一矩形贴片，在矩形贴片一面分布有至少8个压力调节凸点。

以上压力调节器中所述的肩部矩形贴片长6cm～8cm，宽4cm～6cm；其一面上分布的压力调节凸点为4～8个，优选4～6个，更优选6个；所述的背部用压力调节器矩形贴片长8～10cm，宽6～8cm；其一面上分布的压力调节凸点为8～14个，优选10～12个，更优选12个。

以上压力调节器中所述的肩部矩形贴片和背部用压力调节器矩形贴片均优选四周倒圆角的。

以上压力调节器中所述的肩部用压力调节器矩形贴片上的压力调节凸点沿长度按2列分布；所述的背部用压力调节器矩形贴片上的压力调节凸点沿长度按4列分布。

以上压力调节器中所述的每个压力调节凸点的直径为4.5～5.5mm，高度为3～8mm，压力调节凸点之间的间距为0.8～1.2cm。

以上压力调节器中所述的每个压力调节凸点的高度与压强值之间的关系是按每增加50mmHg压强范围内，凸点高度只增高1mm，如压强值为0-50mmHg，凸点高度为3mm，压强值为51-100mmHg，凸点高度为4mm……压强值为251-300mmHg，凸点高度为8mm。

以上压力调节器中所述的肩、背部用压力调节器是采用市售的纸粘土、记忆棉、乳胶或硅胶等具有延展可塑性能的材料中的任一种来制备的。

使用时，两个肩部用压力调节器分别粘合或缝合在书包左、右肩肩带与人体肩部接触一侧上，背部用压力调节器粘合或缝合在书包背面下半部与人体腰部接触的部位上。

本发明的优点在于：

1、由于本发明提供的设计方法通过压力测试技术分别获得和提取了小学生背负书包时的静态和动态肩背部压力，并用以此获得的生物力学数据来科学地设计了小学生书包的肩背部压力调节器，因而不仅测量方法简便快捷，准确性高，重复性好，能够用于大量样本的肩背部压力测试，而且为规模生产符合小学生生长发育特点的健康书包压力调节器提供了生物力学数据的支撑，更为科学，可满足人们对健康产品的需求。

2、由于本发明提供的设计方法建立了肩背部压力和书包压力调节器尺寸的转换模型，并据此来确定书包压力调节器的结构、尺寸和高度，因而所提供的小学生书包的肩背部压力调节器结构合理，可根据小学生负重行走时肩背部压力分布变化情况自动进行调节，不仅可减轻书包负重过重、结构设计不合理所引起脊柱、肩背部等疼痛，获得最佳舒适感受，而且还在一定程度上避免了对学生生长发育带来的影响。

3、由于本发明提供的设计方法简单，易于掌握，所设计的压力调节器结构也很简单，易于加工制造，因而便于推广应用。

附图说明

图1为用本发明提供的设计方法所绘制的静态下肩背部压力关键点的位置分布示意图；

图2为用本发明提供的设计方法所绘制的动态下书包与人体接触面积最大的那帧肩背部压力关键点的压强值示意图(压强值单位：mmHg)；

图3为用本发明提供的方法设计的肩部压力调节器的主视结构示意图；

图4为用本发明提供的方法设计的肩部压力调节器的仰视结构示意图；

图5为用本发明提供的方法设计的背部压力调节器的主视结构示意图；

图6为用本发明提供的方法设计的背部压力调节器的仰视结构示意图；

图7为本发明提供的设计方法对6岁小学生书包负重15％时获取的肩背部动态压力分布所绘制的各凸点压强值大小的示意图；

图8为本发明提供的设计方法对9岁小学生书包负重15％时获取的肩背部动态压力分布所绘制的各凸点压强值大小的示意图；

图9为本发明提供的设计方法对12岁小学生书包负重15％时获取的肩背部动态压力分布所绘制的各凸点压强值大小的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明保护范围。

实施例1

本实施例给出的书包压力调节器是按以下方法和步骤进行设计的：

①采用mFLEX压力分布测试系统采集6岁小学生背负负重15％并装有压力传感器的书包，从静态站立到以自选的速度、自然的步态行走通过测试区域，肩背部各部位的静、动态压力数值；

②提取静止状态下第一帧肩背部压力数据输出至EXCEL数据分析软件进行分析，确定肩背部压强值，还原肩背部压力图像，并将还原的肩背部压力图像以图片形式1:1输出，在左肩、右肩和背部的静态压力图像图片中，分别标记受力点位置和受力面积大小，建立测量的基准坐标，通过绘图软件绘制软垫压力调节器的面积及凸点位置，如图1所示；

③提取行走过程中书包与人体接触面积最大的那帧肩背部压力数据输出至EXCEL数据分析软件进行分析，确定肩背部压强值，还原肩背部压力图像，其压强值由高到低用数值从大到小表示，并将还原的肩背部压力图像以图片形式1:1输出，在左肩、右肩和背部的动态压力图像图片中，分别标记受力点压强值大小，如图2所示，并根据现有市售书包肩带和背部尺寸，对压力大的地方进行增高设计，通过绘图软件绘制软垫压力调节器的凸点高度和大小的尺寸。

由以上设计方法所得到的本实施例书包压力调节器也如图3-6所示，该压力调节器由肩部用压力调节器1和背部用压力调节器2构成。

其中肩部用压力调节器1为两个，左右肩各一个，每一个肩部用压力调节器1均为一矩形贴片，该贴片长6cm，宽4cm，本实施例的矩形贴片的四周均倒有圆角。肩部用压力调节器的一面上分布有至少4个压力调节凸点3，本实施例为6个，沿长度按2列3行分布，每个的直径为4.5mm，间距为0.8cm。左肩的肩部压力调节器上的压力调节凸点3记为1-6号，根据图7所显示的压力值，1号凸点高度为5mm，2号凸点高度为6mm，3号凸点高度为4mm，4号凸点高度为8mm，5号凸点高度为3mm，6号凸点高度为5mm。右肩的肩部压力调节器上的压力调节凸点3记为7-12号，根据图7所显示的压力值，7号凸点高度为7mm，8号凸点高度为8mm，9号凸点高度为8mm，10号凸点高度为4mm，11号凸点高度为4mm，12号凸点高度为3mm。

背部用压力调节器2也为一矩形贴片，该贴片长8cm，宽6cm，本实施例的矩形贴片的四周均倒有圆角。背部用压力调节器2的一面上分布有至少8个压力调节凸点3，本实施例为12个，沿长度按4列3行分布，每个的直径为4.5mm，间距为0.8cm。背部压力调节器上的压力调节凸点3记为13-24号，根据图7所显示的压力值，13号凸点高度为8mm，14号凸点高度为3mm，15号凸点高度为8mm，16号凸点高度为3mm，17号凸点高度为3mm，18号凸点高度为8mm，19号凸点高度为4mm，20号凸点高度为5mm，21号凸点高度为4mm，22号凸点高度为4mm，23号凸点高度为5mm，24号凸点高度为3mm。

本实施例给出的压力调节器推荐适用于6岁小学生的书包，但不局限于6岁学生用书包。

实施例2

本实施例给出的书包压力调节器的设计方法和步骤与实施例1不同的是：本实施例是采集的9岁小学生背负负重15％并装有压力传感器的书包，从静态站立到以自选的速度、自然的步态行走通过测试区域，肩背部各部位的动、静态压力数值，其余因与实施例1相同，故略。

由以上设计方法所得到的本实施例书包压力调节器也如图3-6所示，该压力调节器由肩部用压力调节器1和背部用压力调节器2构成。

其中肩部用压力调节器1为两个，每一个肩部用压力调节器1均为一矩形贴片，该贴片长7cm，宽5cm，本实施例的矩形贴片的四周均倒有圆角。肩部用压力调节器的一面上分布有至少4个压力调节凸点3，本实施例为6个，沿长度按2列3行分布，每个的直径为5.0mm，间距为1.0cm。左肩的肩部压力调节器上的压力调节凸点3记为1-6号，根据图8所显示的压力值，1号凸点高度为6mm，2号凸点高度为7mm，3号凸点高度为3mm，4号凸点高度为8mm，5号凸点高度为4mm，6号凸点高度为5mm。右肩的肩部压力调节器上的压力调节凸点3记为7-12号，根据图8所显示的压力值，7号凸点高度为7mm，8号凸点高度为8mm，9号凸点高度为8mm，10号凸点高度为3mm，11号凸点高度为4mm，12号凸点高度为3mm。

背部用压力调节器2也为一矩形贴片，该贴片长9cm，7cm，本实施例的矩形贴片的四周均倒有圆角。背部用压力调节器2的一面上分布有至少8个压力调节凸点3，本实施例为12个，沿长度按4列3行分布，每个的直径为5.0mm，间距为1.0cm。背部压力调节器上的压力调节凸点3记为13-24号，根据图8所显示的压力值，13号凸点高度为8mm，14号凸点高度为4mm，15号凸点高度为8mm，16号凸点高度为3mm，17号凸点高度为3mm，18号凸点高度为8mm，19号凸点高度为4mm，20号凸点高度为5mm，21号凸点高度为5mm，22号凸点高度为4mm，23号凸点高度为4mm，24号凸点高度为3mm。

本实施例给出的压力调节器推荐适用于9岁小学生的书包，但不局限于9岁学生用书包。

实施例3

本实施例给出的书包压力调节器的设计方法和步骤与实施例1不同的是：本实施例是采集的12岁小学生背负负重15％并装有压力传感器的书包，从静态站立到以自选的速度、自然的步态行走通过测试区域，肩背部各部位的动、静态压力数值，其余因与实施例1相同，故略。

由以上设计方法所得到的本实施例书包压力调节器也如图3-6所示，该压力调节器由肩部用压力调节器1和背部用压力调节器2构成。

其中肩部用压力调节器1为两个，每一个肩部用压力调节器1均为一矩形贴片，该贴片长8cm，宽6cm，本实施例的矩形贴片的四周均倒有圆角。肩部用压力调节器的一面上分布有至少4个压力调节凸点3，本实施例为6个，沿长度按2列3行分布，每个的直径为5.5mm，间距为1.2cm。左肩的肩部压力调节器上的压力调节凸点3记为1-6号，根据图9所显示的压力值，1号凸点高度为7mm，2号凸点高度为8mm，3号凸点高度为4mm，4号凸点高度为8mm，5号凸点高度为3mm，6号凸点高度为5mm。右肩的肩部压力调节器上的压力调节凸点3记为7-12号，根据图9所显示的压力值，7号凸点高度为7mm，8号凸点高度为8mm，9号凸点高度为6mm，10号凸点高度为4mm，11号凸点高度为4mm，12号凸点高度为3mm。

背部用压力调节器2也为一矩形贴片，该贴片长10cm，8cm，本实施例的矩形贴片的四周均倒有圆角。背部用压力调节器2的一面上分布有至少8个压力调节凸点3，本实施例为12个，沿长度按4列3行分布，每个的直径为5.5mm，间距为1.2cm。背部压力调节器上的压力调节凸点3记为13-24号，根据图9所显示的压力值，13号凸点高度为8mm，14号凸点高度为3mm，15号凸点高度为8mm，16号凸点高度为4mm，17号凸点高度为3mm，18号凸点高度为7mm，19号凸点高度为4mm，20号凸点高度为5mm，21号凸点高度为4mm，22号凸点高度为4mm，23号凸点高度为5mm，24号凸点高度为4mm。

本实施例给出的压力调节器推荐适用于12岁小学生的书包，但不局限于12岁学生书包。

Claims (7)

1.一种用于小学生书包的肩背部压力调节器的设计方法，其特征在于该方法的设计步骤如下：

①采用mFLEX压力分布测试系统对小学生书包负重15％时产生的静、动态肩背部压力进行数据采集；

②根据步骤①采集的数据，提取静态肩背部压力的图像，并根据测试系统导出的静态肩背部压力图像，绘制软垫书包压力调节器的面积及凸点位置；

③根据步骤①采集的数据，提取动态肩背部压力的图像，并根据测试系统导出的动态肩背部压力图像，绘制软垫书包压力调节器的凸点尺寸；

该方法中所述第②步骤具体是指在小学生书包负重15％时，静止状态下第一帧肩背部压力数据输出至EXCEL数据分析软件进行分析，还原肩背部压力图像，并将还原的肩背部压力图像以图片形式1:1输出；在左肩、右肩和背部的静态压力图像图片中，分别标记受力点位置和受力面积大小，建立测量的基准坐标，通过绘图软件绘制软垫书包压力调节器的面积及凸点位置；

该方法中所述的第③步骤具体是指选择小学生书包负重为15％时，行走过程中书包与人体接触面积最大的那帧肩背部压力数据输出至EXCEL数据分析软件进行分析，确定肩背部压强值，还原肩背部压力图像，其压强值由高到低用数值从大到小表示，并将还原的肩背部压力图像以图片形式1:1输出；在左肩、右肩和背部的动态压力图像图片中，分别标记受力点压强值大小，并根据现有市售书包肩带和背部尺寸，对压力大的地方进行增高设计，通过绘图软件绘制软垫书包压力调节器的凸点高度和大小尺寸。

2.根据权利要求1所述的用于小学生书包的肩背部压力调节器的设计方法，其特征在于该方法中第①步骤所述的采用mFLEX压力分布测试系统对小学生书包负重15％时产生的静、动态肩背部压力进行数据采集是指小学生背负装有压力传感器的书包，从静态站立到以自选的速度、自然的步态行走通过测试区域时，采集由于肩背部与电容式压力传感器之间产生相互作用的力所输出的电容式压力传感器的电流值，前后电流值的差额经过信号筛选和放大，最终得到了肩背部各关键点的静、动态压力数值。

3.一种由权利要求1所述方法设计的用于小学生书包的肩背部压力调节器，其特征在于该压力调节器由肩部用压力调节器和背部用压力调节器构成，肩部用压力调节器为两个，左右肩各一个，每一个肩部用压力调节器均为一矩形贴片，在矩形贴片一面分布有至少4个压力调节凸点；背部用压力调节器也为一矩形贴片，在矩形贴片一面分布有至少8个压力调节凸点。

4.根据权利要求3所述的用于小学生书包的肩背部压力调节器，其特征在于所述的肩部用压力调节器矩形贴片长6cm～8cm，宽4cm～6cm；其一面上分布的压力调节凸点为4～8个；所述的背部用压力调节器矩形贴片长8～10cm，宽6～8cm；其一面上分布的压力调节凸点为8～14个。

5.根据权利要求3或4所述的用于小学生书包的肩背部压力调节器，其特征在于所述的肩部用压力调节器矩形贴片上的压力调节凸点沿长度按2列分布；所述的背部用压力调节器矩形贴片上的压力调节凸点沿长度按4列分布。

6.根据权利要求3或4所述的用于小学生书包的肩背部压力调节器，其特征在于所述的每个压力调节凸点的直径为4.5～5.5mm，高度为3～8mm，压力调节凸点之间的间距为0.8～1.2cm。

7.根据权利要求5所述的用于小学生书包的肩背部压力调节器，其特征在于所述的每个压力调节凸点的直径为4.5～5.5mm，高度为3～8mm，压力调节凸点之间的间距为0.8～1.2cm。