一种护肩护脊健康双肩背包的实现方法
技术领域
本发明涉及一种双肩背包设计方法，具体涉及一种护肩护脊健康双肩背包的实现方法。
背景技术
双肩背包往往要装载较大的重量，导致身体要承受较大的外加负重，尤其是肩部和脊柱。
在双肩背包的使用人群中，青少年学生身体正处在发育期，行业规范对学生背包的要求是最高的，所以本发明重点阐述学生背包的设计，本发明还适用于休闲背包、时尚背包、电脑背包等。
行业规范对学生背包的要求主要有“减负”“护肩”“护脊”“健康”。
遗憾的是，很多学生背包在功能宣传上偷换了“减负”“护肩”“护脊”“健康”的概念，我国相关的行业标准在这几个方面是有说明的。
行业标准WS∕T 585-2018《中小学生书包卫生要求》中规定，“学生背负的书包总重量不超过学生体重的10%”。
行业标准QB/T 2858-2007《学生书袋》4.1关于书包结构的要求，“书包背面要有支撑功能，支撑物材料可以是符合卫生要求的聚氨酯棉（海绵）、聚氯乙烯泡沫塑料等。型号3（书包适合学生身高128.0cm～143.9cm）和型号4（书包适合学生身高＜128.0cm）书包可以配腰带和胸带”。
行业标准QB/T 2858-2007《学生书袋》4.1.8关于舒适度的要求，“肩带类书袋的设计应符合使用者身体的人体工程学要求：即在肩、背、腰三个部位与人体曲线贴合后有舒适感，在背负时身体达到平衡状态。书袋背面的支撑部位应作柔软弹性的缓冲处理，不应出现压力集中的凸点（棱角）部位”。
行业标准QB/T 2858-2007《学生书袋》4.8.2关于书袋带的要求，“书袋带在支撑区域内，整个带宽应不小于40mm；书袋长可以单手均匀连续调节，书袋带不应夹背袋者的脖子，不应由于非故意原因变松或者脱落”。
从行业标准的要求中可以看出，“减负”是要从根本上避免青少年学生背负的背包过重，因为过重会导致脊椎的位置发生改变以适应负荷，这也加大了对椎间盘的压缩，不仅会导致孩子背部疼痛，进一步发展成驼背等骨骼姿势的改变。
可以看出“减负”是指减轻学生书包的总重量，规范中对不同身高对应了书包的尺寸范围，也就是限定了书包的容量。部分设计采用弹性肩带或加厚聚氨酯棉肩带或平面裁剪的S型肩带或在书包背部加缓冲聚氨酯棉垫，就宣称可减负30%以上，实际上这些都是误导。
而从行业标准的要求中还可以看出，要达到“护肩”“护脊”的目的，设计应符合使用者身体的人体工程学要求：即在肩、背、腰三个部位与人体曲线贴合后有舒适感，在背负时身体达到平衡状态。现有背包产品的设计对“贴合”和“平衡”的要求理解的并不到位，甚至谬以千里。
另外部分设计把行李箱和书包结合在一起，推出了拉杆书包。实际上，长时间同一方向拉着书包走路，脊椎受力方向常常偏向一侧，很容易造成脊柱侧弯。
综上，一款健康的学生背包应该是双肩背负式的，设计的重点在于“贴合”和“平衡”。
发明内容
下面的论述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同符号和字母表示相同或相似的要素。下面的论述会涉及包体和肩带的受力分析，由于肩带与肩部存在摩擦力，所以肩带与包体底部的连接处受力较小，因此在下面的论述中忽略此处的受力，不做分析。
本发明一种护肩护脊健康双肩背包，由肩带、包体和U型框架组成。
双肩背包背负在背部的理想状态如图1，即双肩背包的包体背面贴合在身体背部。肩带作用在包体背面的顶部A点，F代表肩带的拉力，O代表包体载物后的重心，G代表包体载物后的重力，L代表O点到人体脊背的距离，M=G×L代表的是向身体外侧的力矩。
可知的，由于力矩M的作用，背包的包体会向外翻转直到达到下一个平衡。如图2所示，当肩带拉力F通过重心O时，作用在背包上的力矩为零，此时背包背面与垂直方向产生个夹角θ。
背包背负在背部的实际状态如图3，可知β角随θ角变化，肩带的拉力F=F1/COSβ（F1≈G），可知β角越小肩带的拉力F就越小，肩带的拉力F是由肩部与肩带的摩擦力f（肩）产生的，f（肩）=μ（肩）×F1。
还应注意到图3中的F2是由肩带的拉力F分解的垂直于背部的压力，F2=F1×tanβ，可知θ角越小β角就越小，垂直于背部的压力F2就越小，该压力的作用点此时在背包的底部与腰部的接触处，实际使用情况如图4。
所以背包包体的外倾角越小肩部承受的压力就越小，同时腰部的局部还要承受越小的压力，因此背包的设计要尽可能做到背包在平衡状态时倾角θ接近于0。
要达到背包的背面贴合身体的背部即倾角θ接近于0，多数“减负”书包采用的方法是增加可调节胸带和可调节腰带，收紧胸带和腰带就可以使背包背面贴合到背部。这种方式应用在成人背包上可以接受，但应用到青少年的书包上要慎重。
行业标准QB/T 2858-2007《学生书袋》4.1关于书包结构的要求，“型号3（书包适合学生身高128.0cm～143.9cm）和型号4（书包适合学生身高＜128.0cm）书包可以配腰带和胸带”。标准中的这一项释义是身高在143.9cm以下的学生使用的书包可以配腰带和胸带，也可以不配，但身高大于143.9cm的学生使用的书包不能配腰带和胸带（不包括成年人）。
下表是行业标准QB/T 2858-2007《学生书袋》4.1关于书包结构的要求，4种型号书包的主要尺寸及学生身高适用范围。可以理解为，行业标准基于减负的目的限定了书包的尺寸和自重，型号3和型号4这两种小书包可以设计有腰带和胸带，但必要性不大；型号1和型号2这两种大一点的书包不能设计有腰带和胸带，尤其是不能设计有胸带，因为这个年龄段的青少年正处在身体发育期，胸带对女孩胸部产生压迫，影响发育。
现有双肩背包肩带与包体的连接处都在包体背面的上部，即使采用设计有腰带和胸带的方式达到包体的背面贴合身体的背部即倾角θ接近于0也只是去掉了外力F2对腰部的压力。
图5是设计有腰带和胸带的双肩背包在背部的状态。虽然包体被肩带、胸带和腰带束缚在身体背部，但外力矩M是存在的，而且包体重心越向外包体重量越重M就越大（M=G×L），身体的肌肉和脊柱就必须提供反向力矩以达到整体平衡。表现为身体姿势发生改变，头和躯干前倾程度增加，步态、足底压力和下肢关节受力也发生了变化，这会严重损害青少年正常的身体发育。
本发明为了达到倾角θ接近于0并克服外力矩M给肌肉和脊柱带来的损伤，特殊设计了将肩带与包体的连接点移到包体的顶部，包体重心的延长线上，如图6。
从图6的受力分析可知，F=F1/COSβ，F2=F1×tanβ，此图中F1和G作用点重合，外力矩M=0,包体倾角θ=0。
图6中F2是由肩带的拉力F分解的垂直于背部的压力，与图3中的F2压迫腰椎不同的是，图6中的F2更有益之处在于该力使得背包包体背部与身体背部产生摩擦力f（背）=μ（背）×F2，该摩擦力f（背）承担了一部分包体的重量，即F1=G-f（背），而F1正是肩部受到的压力。
所以，本发明中将肩带与包体的连接点移到包体的顶部重心的延长线上的增益效果是：肩部压力减小更舒适，脊柱不用克服外力矩M更有利健康发育。图7是制作的样本在同等条件下背负时的效果，样本特意选择表面光滑的礼品包装带作为肩带，选择表面覆膜的化妆品盒内装五本书作为包体，目的是降低摩擦力的干扰。实验有力地证明了本发明不需要任何辅助手段就能达到包体贴合背部的平衡状态。
进一步的，消除外力矩M是避免脊柱向后弯曲的充分条件，但减小了肩部的压力只是解决肩部舒适度的必要条件。肩部在有压迫时能够感觉到舒适而不是刺痛，就必须做到单位面积上的压力更小，即压强更小。所以，既要减小肩部的总受力还要将总受力分布到更大的面积上，如此才能更舒适。
可知的，增大受力面积是要增大肩带与肩部的承力接触面积，即这种接触是要受力的，而不是简单的贴合而已。但是，要做到贴合部分都受力是很难的，因为人体的肩部、肩背部和前胸这三个部分的整体是由不同曲面组成的三维立体结构，而且这个多曲面三维立体结构模型是因人而不同的。身体的高、矮、胖、瘦、肩部的厚度、颈部的粗细都会形成独特的不雷同的多曲面三维立体结构模型，这就要求肩带的设计要适应所有的结构模型，这不是平面剪裁出的直线型或S型肩带能够做到的。
图8图9是直线型肩带背包背负时的实际效果。可以明显地看到肩带与包体的连接处外侧出现褶皱，同时肩带外侧与肩部有空隙并未贴合，表现为直线型肩带无法贴合立体结构。也就是说，无论直线型肩带有多宽，实际与身体贴合并受力的只有靠近颈根部的一条线。由于受力面积太小，在同等压力的作用下压强最大、舒适度极低。
图10是直线型肩带横向的受力分布曲线，肩带在横向上绝大部分不受力，受力集中在一侧的边缘，这样的受力分布会导致使用者的颈根有极强的勒痛感。
图11是S型肩带背包背负时的实际效果，能够看到肩带外侧与肩部也有空隙并未贴合，并且在不扣上胸带时S型弯曲处用手可轻轻翻起，表明此部位不受力。由于肩带采用了S型的设计，改善了肩带与身体的贴合度，效果优于直线型肩带。但是贴合度只是假象，贴合度的改善不等于受力分布也随之大幅度改善。用手直接拉S型肩带的两端就能发现受力点仍然分布在一条线上，其受力分布跟直线型肩带的受力分布相似。图12是S型肩带背包背负时的S型肩带的受力分布，依然是线性分布。
图13是S线型肩带横向的受力曲线，表明受力点同样非常集中。
现有的“减负”书包在解决受力分布集中的问题时基本采用两种办法：
第一种办法是，用聚氨酯棉材料增加肩带的厚度，实际上就是将压力做了缓冲，并把压力适度分散（图14）。
第二种办法是，肩带采用弹性设计，弹性形变会增大肩带与肩部的接触面积，受力分布会有所改善（图15）。
本发明为了实现最优的肩带受力分布，借鉴鱼骨结构的仿生学设计（图16）。鱼骨的脊柱由关节连接，具有横向、纵向、旋转三个自由度，可以在一定范围内向任意方向摆动或转动，应用于肩带可以使肩带与人体的肩部、肩背部和前胸形成的多曲面三维立体结构完美贴合并受力；鱼刺具有越靠近尖部越具有弹性的特性，这样的结构和材质特性既能完美地贴合身体又能在横向上最大程度地分担压力。
为了形象地阐述鱼骨仿生学肩带的实际效果，样本采用弹性材料制作出飞碟形状的片状单元，片状单元之间采用活动链接制成肩带（图17）。
该样本是鱼骨仿生学肩带的一种变形，其他形式将在实施例中阐述。该样本在实际背负时的效果如图18，实验证明鱼骨仿生学肩带在任何位置都能紧紧贴合身体的多曲面三维立体结构，而且肩带在横向上承担压力的效果非常好，肩部和肩背部没有突出的压力点或压力线，具有极佳的舒适感。
图19是鱼骨仿生学肩带横向的受力分布曲线，曲线上的离散点呈对称分布且没有明显的压力集中点。
]进一步的，影响肩带的受力分布的因素还有肩带与包体连接的初始角度。如图20所示，采用固定角度的直线型肩带连接设计是存在严重缺陷的，按照模特肩颈宽度和厚度设计的初始角并不适应所有的使用者。使用者的肩颈宽度大于模特的则会加大肩带内侧边受力；相反，使用者的肩颈宽度小于模特的则会加大肩带的外侧边受力。
如图21所示，采用固定角度的S型肩带连接设计的压力分布效果要优于采用固定角度的直线型肩带连接设计。但是由于力的传导要遵循最短路径的原则，S型肩带的两段弧形的内边连线就是最短路径。所以，S型肩带的受力大多分布在这条最短路径上，而S型肩带的两段弧形的外边基本处于悬空状态并不受力。但初始固定角度还是能够影响肩带与肩颈部的贴合度，所以，固定角度仍然是设计缺陷。
本发明的肩带设计是有横向、纵向和旋转三个自由度的多段连接结构，无论肩带与包体采用固定角度连接还是可变角度机构的连接方式，肩带都能自如地贴合肩颈部并保证受力均匀分布。
现有双肩背负式背包的包体背部多采用加厚聚氨酯棉、聚氯乙烯泡沫塑料和织物组成的缓冲垫，据此宣称此结构既能减压护脊还能透气排汗，很明显臆想的成分过重。可知的，包体的重力是垂直向下的，包体作用于人体背部的水平压力不大，适当厚度的缓冲垫是必要的，太厚了反而适得其反。
可知的，带有胸带和腰带的背包包体由于重力的作用形成向外的力矩M,力矩M是造成脊柱发育不良或损伤的重要因素，由于M=G×L（L=包体重心到脊柱的距离），缓冲垫越厚反而会增大M，会对脊柱造成更大的伤害。
可知的，棉服能够起到保暖的作用，原因是蓬松和多孔结构含有大量空气而形成对热的不良导体。由聚氨酯棉、聚氯乙烯泡沫塑料和织物组成的厚厚的背部缓冲垫和厚厚的肩带，再加上胸带和宽大的腰带，就如同穿上一件棉马甲一样，反而会造成更大的闷热和排汗。
可知的，大量采用聚氨酯棉、聚氯乙烯泡沫塑料作为填充物的背包都注明只能擦拭不能机洗。然而擦拭不能彻底清除聚氨酯棉内吸附的汗液和灰尘，就会造成细菌和微生物的滋生，会直接影响使用者的健康。
本发明采用适当厚度的具有抗菌作用的天然乳胶材料作为缓冲垫材料，外覆健康亲肤面料，面料表面均匀间隔分布胶质颗粒，胶质颗粒的作用是增大摩擦系数。
进一步的，书包作为装载书本文具的特殊用途背包，包体内部应该是硬实方正的箱体，这样能有效保证书本不卷边，软体背包显然不适合这种用途。
进一步的，书包能够机洗是设计时要充分考虑的重要因素。为了保障青少年的身体健康，书包必须经常深度清洗，清除包体内外表面和内部包裹材料里的灰尘和滋生的细菌，所以书包必须能够承受经常性的机洗。
本发明充分考虑到书包对硬实方正的箱体和经常性机洗的实用性需求，特别地采用软质面料包体和U型框架的组合设计。U型框架(图22)从包体下部插入包体外表面料和内衬面料之间，撑起包体的背面、底面和正面。书包需要清洗时，拉开书包底部的拉链，抽出U型框架，除U型框架外都可机洗。
本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：本发明独创设计出鱼骨结构的仿生学背包肩带，应用该技术的肩带可以使肩带与人体的肩部、肩背部和前胸形成的多曲面三维立体结构完美贴合并受力，均匀的受力分布带来的是极佳的舒适感，实现真正的“护肩”；本发明创新地将肩带与包体的连接点移到包体的顶部，包体重心的延长线上，脊柱不用再克服包体向外的力矩M，实现真正的“护脊”；本发明从实用性出发，特别地采用软质面料包体和U型框架的组合设计，包体插入U型框架就是箱体书包，抽出U型框架就能机洗，做到真正的“实用”和“健康”。
应当理解的是，以上的分析和描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的覆盖和适用范围。
附图说明
附图是用来对本发明的技术方案做图解说明，并构成说明书的一部分，与本案的实施方法一起构成解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是用图示的方法说明发明的内容。
图1是现有背包处于垂直状态时的受力。
图2是现有背包在力矩M作用下的平衡状态。
图3现有无胸带腰带背包背负时在力矩M的作用下向外翻转后处于平衡状态时的受力分析。
图4现有无胸带腰带背包在力矩M作用下实际的背负效果。
图5有胸带和腰带的现有背包背负时会受到力矩M作用。
图6本发明背包在背负时的受力分析。
图7现有背包和本发明背包的样本在背负时的效果对比图。
图8直线型肩带背包背负时侧面的实际效果。
图9直线型肩带背包背负时背面的实际效果。
图10直线型肩带横向的受力分布曲线。
图11是S型肩带背包背负时的实际效果。
图12是S型肩带背包背负时的受力分布。
图13是S线型肩带横向的受力分布曲线。
图14加厚海绵材料肩带横向的受力分布曲线。
图15弹性材料肩带横向的受力分布曲线。
图16鱼骨的抽象图。
图17鱼骨仿生学肩带。
图18鱼骨仿生学肩带的实际应用效果。
图19鱼骨仿生学肩带横向的受力分布曲线。
图20固定角度的直线型肩带。
图21固定角度的S型肩带。
图22 是U型框架。
图23鱼骨仿生学一体成型肩带。
图24鱼骨仿生学一体成型肩带横向截面。
图25鱼骨仿生学分体肩带。
图26鱼骨仿生学分体肩带。
图27是U型框架在包体内视图。
图28是护肩护脊健康双肩背包的整体透视图。
具体实施方式
这里将对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同符号和字母表示相同或相似的要素。
以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。
本发明一种护肩护脊保健双肩背包由可机洗包体、U型箱体支撑框架和一对鱼骨仿生肩带组成。
所述的鱼骨仿生肩带，肩带具有横向、纵向、旋转三个自由度，可以使肩带与人体的肩部、肩背部和前胸形成的多曲面三维立体结构完美贴合并受力，变形的鱼刺具有越靠近尖部越具有弹性的特性，这样的结构和材质特性既能完美地贴合身体又能在横向上最大程度地分担压力。
鱼骨仿生肩带一种示例性实施例如图23，这种肩带采用一体成型设计，材料可选的采用固体硅橡胶材料。肩带需要的物理性能在纵向上要具备较大强度和较小弹性来承担拉力；在横向上不承担拉力却需要很好的弹性分担压力。因此，固体硅橡要根据使用需求做化学处理，在纵向添加尼龙纤维，并且变形的鱼刺设计成鱼腹梁形状，如图24。
鱼骨仿生肩带另一种示例性实施例如图25，这种肩带采用分体设计，飞碟形状单元通过铆钉连接，飞碟形状单元由碳纤维和PC的复合材料制成，并在外表面覆硅胶材料。
鱼骨仿生肩带第三种示例性实施例如图26，这种肩带采用分体设计，异形单元由轻量金属制成，单元之间由钢制销连接，并在外表面覆硅胶材料。
所述的鱼骨仿生肩带与包体的连接点移到包体的顶部，包体重心的延长线上，采用活动的连接件设计，可拆卸。
所述的U型箱体支撑框架采用多层PC材料制成，U型框架正面与底面预设60度角。如图27所示，框架正面对包体内的书本产生一定的压力，带粘扣的拉带能够更好地约束包体内的物品，避免包体重心摆动。
所述的可机洗包体是由耐磨可水洗面料制成，可机洗的另一原因是包体内没有聚氨酯棉和聚氯乙烯泡沫塑料等塑形材料。本发明的包体形成的箱体结构是使用U型框架的结果，不需要其他填充物。
本发明不限于上述具体实施方式，以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的原理和原则范围之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
