數(shù)字化短道速滑彎道專項(xiàng)力量訓(xùn)練器的研制

蒙猛　楊春懷

摘要：針對(duì)我國(guó)短道速滑運(yùn)動(dòng)員總體專項(xiàng)力量能力與韓國(guó)和世界優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的差距，尤其是在比賽中“突然加速”與彎道超越對(duì)手的能力較差的問題，設(shè)計(jì)一種數(shù)字化短道速度滑冰彎道力量訓(xùn)練器。訓(xùn)練器由底盤框架、梯形長(zhǎng)方體鋼框和平叉型框等構(gòu)成框架，裝有圓盤踏動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)系統(tǒng)、壓力傳感器和光電開關(guān)傳感器等，以及數(shù)據(jù)采集攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)組成。運(yùn)動(dòng)員模擬彎道蹬動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，站在轉(zhuǎn)盤邊緣做雙腿交叉剪切用力向右蹬動(dòng)，使踏動(dòng)轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，來克服傳動(dòng)系統(tǒng)阻力、風(fēng)阻力轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的阻力負(fù)載，同時(shí)主軸的轉(zhuǎn)速光碼盤系統(tǒng)、壓力傳感器、攝像機(jī)將蹬動(dòng)速率、壓力、視頻信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)模擬成動(dòng)作壓力周期曲線信號(hào)數(shù)據(jù)同時(shí)顯示并記錄，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)化訓(xùn)練，依據(jù)數(shù)據(jù)評(píng)估訓(xùn)練效果，提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化； 短道速度滑冰； 彎道力量訓(xùn)練器

中圖分類號(hào)：11G862.1 11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：11A11文章編號(hào)：111002ˉ3488（2011）05ˉ0092ˉ05

1引言

短道速滑是我國(guó)冬季運(yùn)動(dòng)奧運(yùn)金牌爭(zhēng)奪重點(diǎn)項(xiàng)

在冬季優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目中表現(xiàn)突出，而近年逐步完成了新老交替，尤其是年輕選手的快速成長(zhǎng)[1-2]。但我們看到，我國(guó)運(yùn)動(dòng)員的總體專項(xiàng)力量能力與韓國(guó)和世界優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員有一定的差距，尤其是在比賽中“突然加速”與彎道超越對(duì)手的能力較差[3-4]。短道速滑是以彎道用力獲得加速度為特點(diǎn)的項(xiàng)目。運(yùn)動(dòng)員在彎道突然加速過人，以及精確滑行線路的控制與長(zhǎng)時(shí)間高速領(lǐng)滑技戰(zhàn)術(shù)的實(shí)施，需要超強(qiáng)的專項(xiàng)力量耐力作為保障。在運(yùn)動(dòng)員陸地訓(xùn)練期，結(jié)合冰上技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)，快速蹬伸髖、膝和踝關(guān)節(jié)獲取蹬冰加速度的反向阻力，并以實(shí)際比賽項(xiàng)目的技術(shù)動(dòng)作程序步頻、蹬動(dòng)力量、時(shí)間等條件實(shí)施超負(fù)荷專項(xiàng)力量訓(xùn)練方法是獲得專項(xiàng)力量耐力能力的必要手段和條件[5-6]，針對(duì)上述問題，借助多學(xué)科技術(shù)構(gòu)建完善專項(xiàng)器材是重要技術(shù)內(nèi)容。僅此，也是我們?cè)趥鋺?zhàn)冬奧會(huì)短道速滑過程中需要解決的瓶頸問題之一。2009年國(guó)家體育總局立項(xiàng)《數(shù)字化短道速滑彎道專項(xiàng)力量訓(xùn)練器研究》攻關(guān)課題，目的研究制造一種數(shù)字化陸地短道速滑彎道專項(xiàng)力量模擬訓(xùn)練器械，特別是運(yùn)動(dòng)員按照彎道技術(shù)條件進(jìn)行強(qiáng)化模擬訓(xùn)練、根據(jù)獲取蹬冰加速度大小的反向阻力要求調(diào)整外加阻力負(fù)荷并通過各傳感系統(tǒng)、攝錄系統(tǒng)將訓(xùn)練過程中的數(shù)據(jù)（蹬動(dòng)力量、蹬動(dòng)速率、動(dòng)作視頻）記錄下來，進(jìn)行分析評(píng)估，為短道運(yùn)動(dòng)員更科學(xué)地進(jìn)行專項(xiàng)力量訓(xùn)練，提供新技術(shù)平臺(tái)。目前短道速度滑冰專項(xiàng)力量模擬訓(xùn)練器的研究在國(guó)內(nèi)研究應(yīng)用較少，以往主要是借鑒速度滑冰陸地訓(xùn)練的方法手段較多，徒手的滑行滑跳等[7-8]，韓國(guó)加拿大等國(guó)是短道速滑強(qiáng)國(guó)，特別在專項(xiàng)力量訓(xùn)練能力訓(xùn)練方面有獨(dú)到之處[9-10]，但在數(shù)字化專項(xiàng)器材研究方面報(bào)道較少，類似本研究的數(shù)字化陸地短道速滑彎道專項(xiàng)力量器械國(guó)內(nèi)、外未見報(bào)道。

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)短道速滑彎道蹬冰技術(shù)結(jié)構(gòu)、生物力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了符合彎道蹬動(dòng)技術(shù)的性能特征規(guī)律的訓(xùn)練器（圖1）。

2.2主要結(jié)構(gòu)功能

2.2.1框架結(jié)構(gòu)與功能

由底盤框架、梯形長(zhǎng)方體鋼框、斜角鋼支架、平叉型框組成的器械框架，在中通軸兩端軸座內(nèi)側(cè)，對(duì)稱焊接斜角鋼支架，斜角鋼支架外端焊接在平叉型框外端頭上，平叉型框內(nèi)端頭焊接在中心軸套上，外端頭焊接滑輪鋼槽，嵌裝托盤滑輪，水平叉型框架右端橫連接梁中部固定一個(gè)帶螺扣的鉸鏈支桿，穿過固定梯形長(zhǎng)方體鋼框架右橫框上的鋼套中間的帶螺扣的旋柄。中心軸上頭端帶有鋼托盤并帶有鋼摩擦槽，長(zhǎng)方體鋼框架梯形橫撐外兩端處焊接鉸鏈鋼槽，安裝鉸鏈支桿，鉸鏈支桿下端焊接鉸鏈鋼槽，安裝彈簧拉伸臂，彈簧拉伸臂另一端鉸鏈固定在長(zhǎng)方體鋼框架外端中部，鉸鏈支桿中部有連接桿，連接鉸鏈支桿，上端連接桿上套裝滑動(dòng)靠臂，滑動(dòng)靠臂上固定海綿靠托，風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤軸套伸出一個(gè)鋼臂，前端頭帶有軸承缸套?？蚣芟到y(tǒng)主要功能是定位了器械構(gòu)建的空間位置和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式。

2.2.2踏動(dòng)圓盤傳動(dòng)系統(tǒng)

鋼托盤上面固定踏蹬圓盤，6個(gè)螺栓將踏蹬圓盤同心固定在中心軸鋼托盤，梯形長(zhǎng)方體鋼框的方體框中間安裝一個(gè)兩頭帶有軸座的中通軸，中通軸的中部、中前部裝有圓盤傳動(dòng)齒輪和風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)傘齒輪，中心軸穿過中心軸套，端頭固定1個(gè)中心軸傘齒輪與通軸的中部的圓盤傳動(dòng)齒輪嚙合。踏動(dòng)圓盤傳動(dòng)系統(tǒng)的功能是將運(yùn)動(dòng)員右向剪切蹬動(dòng)產(chǎn)生圓盤旋轉(zhuǎn)距力和轉(zhuǎn)速，傳給中通軸圓盤傳動(dòng)齒輪和風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)傘齒輪并產(chǎn)生機(jī)械旋轉(zhuǎn)摩擦阻力。

2.2.3風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤阻力系統(tǒng)

長(zhǎng)方體鋼框架左側(cè)橫架上固定風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)軸，右端頭固定一個(gè)行走傳動(dòng)鏈輪和風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)軸右傘齒輪，阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)右傘齒輪與通軸的中前部的圓盤傳動(dòng)齒輪嚙合，風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)軸左端頭右傘齒輪與固定在長(zhǎng)方體鋼框架上的風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)立傘輪嚙合，傳動(dòng)立傘輪軸下端固定傳動(dòng)皮帶輪，傳動(dòng)皮帶輪上套有三角皮帶，環(huán)繞在梯形長(zhǎng)方體鋼框架前橫撐上固定的風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤軸套伸出的風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤軸下端的皮帶輪上，風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤軸上端均勻焊接6個(gè)葉片桿，葉片桿上均勻固定風(fēng)阻葉片，風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤軸頂端套有鋼套，鋼套上端焊接風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤托鋼板，風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤托鋼板上面固定風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤。風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤阻力系統(tǒng)的功能是倍增傳動(dòng)踏動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)矩、速度使風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤風(fēng)阻葉片、高速旋轉(zhuǎn)，使踏動(dòng)圓盤產(chǎn)生反向阻力和產(chǎn)生視覺移動(dòng)速度。

2.2.4行走系統(tǒng)

長(zhǎng)方體鋼框架左側(cè)橫架上固定風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)軸，右端頭固定一個(gè)行走傳動(dòng)鏈輪，行走牙輪上套裝鏈條，連接固定在長(zhǎng)方體鋼框架中間連接架上的行走飛輪軸左端頭的行走飛輪上，右端固定行走輪。行走系統(tǒng)的主要功能是可使整個(gè)訓(xùn)練器械在踏動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞固定圓環(huán)半徑旋轉(zhuǎn)。

2.2.5傾角靠鉸鏈支桿

長(zhǎng)方體鋼框架梯形橫撐外兩端處焊接鉸鏈鋼槽，安裝鉸鏈支桿，鉸鏈支桿下端焊接鉸鏈鋼槽，安裝彈簧拉伸臂，彈簧拉伸臂另一端鉸鏈固定在長(zhǎng)方體鋼框架外端中部，鉸鏈支桿中部有連接桿，連接鉸鏈支桿，上端連接桿上套裝滑動(dòng)靠臂，滑動(dòng)靠臂上固定海綿靠托，風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤軸套伸出一個(gè)鋼臂，前端頭帶有軸承缸套。運(yùn)動(dòng)員調(diào)整好踏動(dòng)轉(zhuǎn)盤的傾斜角度和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)力后，站在轉(zhuǎn)盤邊緣做好彎道姿勢(shì)，身體向左傾斜，肩、腰部靠在滑動(dòng)靠臂上，左手握住支桿中部連接桿，雙腿開始用力交叉剪切向右蹬動(dòng)使踏動(dòng)轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右臂同時(shí)擺動(dòng)，傾角靠鉸鏈支桿的功能是使身體固定變化的傾斜角度。

2.2.6數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)

托盤的底盤框架帶有4個(gè)傳感器，梯形長(zhǎng)方體鋼框架下面固定4塊帶窩套的鋼板，窩套在傳感器突出的圓柱頭上，4個(gè)限位螺栓穿過長(zhǎng)方體鋼框和底盤框架將其限位固定。中通軸前端伸出軸座的端頭嵌裝1個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)光電開關(guān)碼盤和光電開關(guān)傳感器。一筆記本支架和攝像機(jī)在放置在器械的旁邊。數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)的功能是在運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練過程中主軸的轉(zhuǎn)速光碼盤系統(tǒng)記錄下主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)模擬成蹬動(dòng)速率信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)員踏動(dòng)圓盤的動(dòng)作壓力由傳感器產(chǎn)生壓力信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)模擬成動(dòng)作壓力周期曲線信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)，攝像機(jī)將訓(xùn)練過程的視頻圖像攝錄在筆記本計(jì)算機(jī)上與模擬蹬動(dòng)速率曲線、動(dòng)作壓力周期曲線數(shù)據(jù)同時(shí)顯示記錄。

軟件及功能

9411冰雪運(yùn)動(dòng)11第33卷2.3工作原理

本數(shù)字化短道速度滑冰彎道力量訓(xùn)練器工作原理是：當(dāng)運(yùn)動(dòng)員模擬彎道蹬動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，運(yùn)動(dòng)員調(diào)整好踏動(dòng)轉(zhuǎn)盤的傾斜角度和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)力后，站在轉(zhuǎn)盤邊緣做好彎道姿勢(shì)，身體向左傾斜，肩、腰部靠在滑動(dòng)靠臂上，左手握住支桿中部連接桿，雙腿開始用力交叉剪切向右蹬動(dòng)使踏動(dòng)轉(zhuǎn)盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右臂同時(shí)擺動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的踏動(dòng)轉(zhuǎn)盤中心軸頭端的傘齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)并傳動(dòng)主傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，主傳動(dòng)軸前端風(fēng)阻傳動(dòng)傘齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)將風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)軸右端頭傘齒輪2：1轉(zhuǎn)距傳動(dòng)給風(fēng)阻轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)立傘輪并帶動(dòng)下皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，下皮帶輪又以2：1轉(zhuǎn)距通過三角帶將葉輪皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)阻力轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)風(fēng)阻力，同時(shí)主軸的轉(zhuǎn)速光碼盤系統(tǒng)記錄下主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)模擬成蹬動(dòng)速率信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)員踏動(dòng)圓盤的動(dòng)作壓力由傳感器產(chǎn)生壓力信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)模擬成動(dòng)作壓力周期曲線信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)，攝像機(jī)將訓(xùn)練過程的視頻圖像攝錄在筆記本計(jì)算機(jī)上與模擬蹬動(dòng)速率曲線、動(dòng)作壓力周期曲線數(shù)據(jù)同時(shí)顯示記錄，在訓(xùn)練過程中對(duì)風(fēng)阻負(fù)荷變化軌跡進(jìn)行自適應(yīng)模擬成專項(xiàng)力量負(fù)荷與間歇節(jié)動(dòng)奏，以及蹬動(dòng)力實(shí)時(shí)測(cè)量，這種阻力源能自動(dòng)跟蹤運(yùn)員肌肉力量的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)參數(shù)如速度、蹬冰力、頻率、幅度、功率數(shù)字化顯示記錄下來。

3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1完成器械結(jié)構(gòu)樣機(jī)

本訓(xùn)練器在2011年8月完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)（圖2），并對(duì)其性能進(jìn)行了調(diào)試，已達(dá)到了設(shè)計(jì)使用性能。

4結(jié)論與建議

利用現(xiàn)代多學(xué)科技術(shù)（機(jī)械、計(jì)算機(jī)、測(cè)量、視頻技術(shù)）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)字化陸地短道速滑彎道專項(xiàng)力量模擬訓(xùn)練器，經(jīng)運(yùn)動(dòng)員的實(shí)驗(yàn)證明；器械構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)方式符合彎道蹬動(dòng)技術(shù)（身體蹬冰腿內(nèi)傾支撐45°膝關(guān)節(jié)前屈80°～60°、踝關(guān)節(jié)壓縮小于60°后，快速伸展髖、膝和踝關(guān)節(jié)，腳跟最后階段逐漸外展蹬冰）的性能特征。運(yùn)動(dòng)員可根據(jù)滑行加速度大小的要求，進(jìn)行循環(huán)彎道蹬動(dòng)訓(xùn)練，可調(diào)整加載器械阻力作用于蹬動(dòng)腿，蹬動(dòng)速度越快，風(fēng)阻旋轉(zhuǎn)盤阻力負(fù)荷越大的特點(diǎn)。通過各傳感系統(tǒng)、攝錄系統(tǒng)將訓(xùn)練過程中的數(shù)據(jù)（蹬動(dòng)力量、蹬動(dòng)速率、動(dòng)作視頻正面、側(cè)面）記錄下來，進(jìn)行分析評(píng)估訓(xùn)練效果，為短道運(yùn)動(dòng)員更科學(xué)地進(jìn)行專項(xiàng)力量訓(xùn)練，提供了新技術(shù)平臺(tái)。

在數(shù)字化陸地短道速滑彎道專項(xiàng)力量模擬訓(xùn)練器的研制樣機(jī)基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步在結(jié)構(gòu)功能、質(zhì)量和使用方法等方面進(jìn)一步研究、完善，并逐步進(jìn)行其商品化開發(fā)，建議在運(yùn)動(dòng)隊(duì)中積極推廣與利用新數(shù)字化陸地短道速滑彎道專項(xiàng)力量模擬訓(xùn)練器的技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與訓(xùn)練，提高短道速滑運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)力量能力水平。9611冰雪運(yùn)動(dòng)11第33卷

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責(zé)任編輯：張連濤