多功能柔韌性訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)與研發(fā)

戈俊

1. 前言

在日常教學(xué)與訓(xùn)練中，柔韌性素質(zhì)的發(fā)展是必不可少的，但是往往這又是教練員和運(yùn)動員最難克服的難點(diǎn)。目前已有的用于進(jìn)行腿部韌帶拉伸使用的普通健身器械，功能單一，不能同時實(shí)現(xiàn)橫向、縱向劈腿，且操作繁雜，不能夠很方便的為使用者所用。即使專業(yè)的訓(xùn)練裝置，往往結(jié)構(gòu)、形狀確定，難于調(diào)整，這就造成其有以下缺陷：①身體姿態(tài)無法正確擺放。正確的身體姿態(tài)是拓展柔韌的前提，需要教練員持續(xù)不斷的糾正運(yùn)動員在拓展柔韌期間的錯誤動作，如果該項(xiàng)目運(yùn)動員的數(shù)量較多，那么這無形中就浪費(fèi)了許多的訓(xùn)練時間。②無法適用于不同身體狀態(tài)的運(yùn)動員。不同的運(yùn)動員，自身的柔韌基礎(chǔ)素質(zhì)有差異。在進(jìn)行柔韌性拓展練習(xí)過程中，教練員會輔助運(yùn)動員進(jìn)行柔韌的拉伸，其輔助力度難以精確的把握，往往會造成不必要的運(yùn)動損傷，導(dǎo)致運(yùn)動員的運(yùn)動壽命降低。本技術(shù)針對上述問題，提供了一種能夠使得運(yùn)動員無需輔助，自己就能完成柔韌性的練習(xí)，且能夠完成并腿體前屈、分腿體前屈、縱劈腿、橫劈腿等多種訓(xùn)練的柔韌性訓(xùn)練裝置。

2. 研究方法

2.1 文獻(xiàn)資料法

運(yùn)用文獻(xiàn)資料法，對目前已有的用于進(jìn)行腿部韌帶拉伸使用的健身器械進(jìn)行分析，以“訓(xùn)練器械”、“柔韌性”為檢索詞在中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫搜索1999年1月1日-2017年1月1日的文獻(xiàn)，累計(jì)獲得文獻(xiàn)53篇，選取與本選題密切相關(guān)文獻(xiàn)16篇進(jìn)行重點(diǎn)閱讀，通過對相關(guān)研究文獻(xiàn)的研讀與梳理，為本研究的開展提供理論和方法支持。

2.2 畫圖設(shè)計(jì)法

針對現(xiàn)有的柔韌性訓(xùn)練器所存在的問題，解決柔韌性訓(xùn)練中身體姿態(tài)無法正確擺放和無法適用于不同身體狀態(tài)的運(yùn)動員等一系列的柔韌練習(xí)的難點(diǎn)，利用所學(xué)知識以及在專家的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)了用于自動控制操作的柔韌性訓(xùn)練裝置。本設(shè)計(jì)過程有以下幾個方面的內(nèi)容。

2.2.1 方案草圖設(shè)計(jì)

圖1 方案草圖

如圖1是該柔韌性訓(xùn)練裝置所要達(dá)到的動作效果分析圖。根據(jù)該圖可以看出該柔韌性訓(xùn)練裝置需要達(dá)到下肢固定、大腿升降和小腿抬升的目的。

2.2.2 建模方案設(shè)計(jì)

如圖2所示，方案一為柔韌性訓(xùn)練裝置的初步想法的犀牛模型，該方案可以使使用者通過物理的機(jī)械結(jié)構(gòu)自主完整所要達(dá)到的動作目的。但后期發(fā)現(xiàn)該方案只能完成雙腿橫向劈叉的功能，并不能完成前后劈叉動作，因此，此方案被舍棄。

圖2 初步想法圖

如圖3所示，方案二為將先進(jìn)的機(jī)械臂技術(shù)利用到柔韌性訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)的犀牛建模圖，該健身器械部件模型的建立包括了靠背、坐墊、控制把手、機(jī)械臂、主體機(jī)和支撐架的建模。

圖3 犀牛建模圖

2.2.3 渲染出圖

該柔韌性訓(xùn)練裝置的渲染出圖采用leyshot軟件來渲染，如圖4所示。該裝置的配色方案主要采用了黑白兩色，給人簡潔清爽的視覺效果?？刂瓢咽痔幍陌粹o采用了鮮艷的紅色，可以讓人方便的看到。

圖4 柔韌性訓(xùn)練裝置常態(tài)示意圖

2.2.4 設(shè)計(jì)二維模型圖

后期的二維模型線稿主要是用犀牛導(dǎo)入CAD中來完成的，如圖5所示。

圖5 二維模型線稿

3. 研究結(jié)果與分析

3.1 各主要零部件的狀態(tài)和作用

柔韌性訓(xùn)練裝置(如圖6所示)，包括了靠背、坐墊、控制把手、機(jī)械臂、主體機(jī)和支撐架。在主機(jī)體的上部設(shè)置坐墊；在主機(jī)體后部上方設(shè)置靠背；在主機(jī)體中部兩側(cè)設(shè)置控制把手；在主體機(jī)的前下部設(shè)置兩個機(jī)械臂。兩個機(jī)械臂包括分腿驅(qū)動裝置、豎直軸、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、大腿支撐臂、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、小腿支撐臂；大腿支撐臂的兩端分別通過髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置與豎直軸的上端、小腿支撐臂的一端相連；髖關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置包括髖關(guān)節(jié)電機(jī)，用于帶動大腿支撐臂相對于豎直軸在豎直面內(nèi)擺動；豎直軸下端通過分腿驅(qū)動裝置設(shè)置在主機(jī)體上，分腿驅(qū)動裝置包括分腿驅(qū)動電機(jī)，用于驅(qū)動豎直軸相對于主機(jī)體在水平面內(nèi)擺動；膝關(guān)節(jié)驅(qū)動裝置包括膝關(guān)節(jié)電機(jī)，用于帶動小腿支撐臂相對于大腿支撐臂在豎直面內(nèi)擺動，與小腿支撐臂垂直的腳底支撐板的下部與小腿支撐臂末端相連，腳底支撐板的上部設(shè)置有供前腳掌伸入的腳背固定環(huán)。

圖6 柔韌性訓(xùn)練裝置

3.1.1 靠背

靠背(如圖7所示)可以作為支撐運(yùn)動員后背所用，當(dāng)腿部被機(jī)械臂舉起，拓展柔韌時，可用于支撐。當(dāng)進(jìn)行體前屈柔韌拓展時，靠背可以通過扶手上的操作按鈕等調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行靠背前后角度的調(diào)節(jié)，同時給予運(yùn)動員上體前傾的負(fù)荷壓力，好似后面有人輔助壓體前屈一樣。

3.1.2 坐墊

坐墊(如圖8所示)是主要起到支撐作用的部件，需要符合人體工程學(xué)的同時，也需要有機(jī)械部件使它隨著不同的使用方式運(yùn)動。坐墊支撐運(yùn)動員的體重，同時保證運(yùn)動員的身體姿態(tài)的完整和準(zhǔn)確性。坐墊有調(diào)節(jié)高低的功能，以及前后傾斜角度的調(diào)節(jié)，與靠背傾斜角度的調(diào)節(jié)相互配合可以達(dá)到運(yùn)動員平躺的效果。

圖8 坐墊部件模型

3.1.3 控制把手

控制把手(如圖9所示)是控制系統(tǒng)，需要方便的被使用者操作，由于操作系統(tǒng)是用來控制全身運(yùn)動，因此選擇可活動的操作手桿比固定的操作面板更合適?？刂瓢咽志哂兄紊眢w平衡的功能。扶手上的操作按鈕可以調(diào)節(jié)靠背、坐墊的前后傾斜角度，坐墊升降，以及腿部機(jī)械臂的屈伸、內(nèi)收、外展、高度、伸縮，以及前后左右轉(zhuǎn)動等功能的控制。

圖9 控制把手部件模型

3.1.4 機(jī)械臂

機(jī)械臂(如圖10所示)是整個柔韌性裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于機(jī)械臂的每個關(guān)節(jié)只可以實(shí)現(xiàn)一種運(yùn)動形式。豎直軸：活動范圍很大，類似于人體的股骨頭轉(zhuǎn)動原理。保證完成大腿基本的生理轉(zhuǎn)動。大腿支撐臂：根據(jù)運(yùn)動員大腿長度可做伸縮調(diào)整。膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸：類似于人體的膝關(guān)節(jié)活動原理，保證膝關(guān)節(jié)的屈伸。小腿支撐臂：可根據(jù)運(yùn)動員小腿長度進(jìn)行調(diào)節(jié)。跟腱及腳踝：支撐托板在跟腱及腳踝處形成支撐。腳底支撐板：對腳底形成支撐，腳背固定環(huán)固定腳背區(qū)域。

圖10 機(jī)械臂部件模型

圖11 主體機(jī)部件模型

3.1.5 主機(jī)體

主體機(jī)(如圖11所示)是用來包裹內(nèi)部電機(jī)的部件，不僅需要保護(hù)內(nèi)部電機(jī)，更需要避免棱角，讓使用者更安全的使用，因此選擇圓潤的造型最為合適。

3.1.6 支撐架

支架(如圖12所示)主要提到穩(wěn)定器械的作用，所以該部件選擇了工字型樣式，支撐架上固定防滑腳墊，穩(wěn)固安全。

圖12 支架部件模型

3.2 具體實(shí)施方式

柔韌性訓(xùn)練裝置(如圖13所示)，包括主機(jī)體1，架桿11，坐墊2，靠背3，靠背桿31，兩個扶手4，兩個機(jī)械臂5，腳底支撐板6，腳背固定環(huán)7。所述的機(jī)械臂包括分腿驅(qū)動電機(jī)51、豎直軸52、髖關(guān)節(jié)電機(jī)53、大腿支撐臂上段54、伸縮調(diào)節(jié)螺紋管55、大腿支撐臂下段56、膝關(guān)節(jié)電機(jī)57、小腿支撐臂上段58、小腿支撐臂下段59。

3.2.1 柔韌性訓(xùn)練裝置調(diào)整大腿支撐臂長度

參見圖13所示，伸縮調(diào)節(jié)螺紋管55的兩端分別通過螺旋方向相反的螺紋與大腿支撐臂上段54和大腿支撐臂下段56形成螺紋副。例如，伸縮調(diào)節(jié)螺紋管55通過左旋螺紋與大腿支撐臂上段54相連，通過右旋螺紋與大腿支撐臂下段56相連，大腿支撐臂上段54和大腿支撐臂下段56不轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動伸縮調(diào)節(jié)螺紋管55，伸縮調(diào)節(jié)螺紋管55即可同時旋入大腿支撐臂上段和大腿支撐臂下段內(nèi)，后者同時從大腿支撐臂上段和大腿支撐臂下段內(nèi)旋出，大腿支撐臂下段軸向移動，改變了大腿支撐臂下段與大腿支撐臂上段之間的軸向距離，從而調(diào)節(jié)由大腿支撐臂上段54、伸縮調(diào)節(jié)螺紋管55、大腿支撐臂下段56組成的整個大腿支撐臂的總長度。

圖13 平躺狀態(tài)的柔韌性訓(xùn)練裝置側(cè)視示意圖

3.2.2 柔韌性訓(xùn)練裝置分腿狀態(tài)演示

圖14 分腿狀態(tài)的柔韌性訓(xùn)練裝置立體示意圖

參見圖14所示，伸縮調(diào)節(jié)螺紋管55與小腿支撐臂上段和小腿支撐臂下段的連接結(jié)構(gòu)相同。大腿支撐臂上段54通過髖關(guān)節(jié)電機(jī)53與豎直軸52的上端相連；大腿支撐臂下段56通過膝關(guān)節(jié)電機(jī)57與小腿支撐臂上段58相連；豎直軸下端分腿驅(qū)動電機(jī)與主體機(jī)相連。小腿支撐臂下段垂直的腳底支撐板6的下部與小腿支撐臂下段末端相連，腳底支撐板的上部設(shè)置有供前腳掌伸入的基本呈長方形的腳背固定環(huán)7。在小腿支撐臂上段上固定小腿肌肉支撐托板9，在小腿支撐臂下段上固定有跟腱及腳踝支撐托板10。支撐架12固定連接在主機(jī)體上并支撐在地面，使得本訓(xùn)練裝置保持穩(wěn)定。

3.2.3 柔韌性訓(xùn)練裝置靠背、坐墊演示

參見圖15所示，靠背3后部連接在基本上下方向上延伸的靠背桿31上，靠背桿的下部通過靠背驅(qū)動電機(jī)8連接固定在主體機(jī)后部的架桿11上(如圖15)?？勘瞅?qū)動電機(jī)帶動靠背桿、靠背在豎直面內(nèi)相對于架桿、主機(jī)體擺動。

坐墊2底部通過坐墊驅(qū)動電機(jī)連接在升降桿21的上端(如坐墊驅(qū)動電機(jī)殼體固定在升降桿上，坐墊驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與坐墊固定連接)，坐墊驅(qū)動電機(jī)帶動坐墊相對于升降桿在豎直面內(nèi)擺動。運(yùn)動員坐在坐墊上，根據(jù)運(yùn)動員自身分腿體前屈柔韌性以及橫叉胯部外展的基礎(chǔ)能力決定機(jī)械臂外展開度，靠背的調(diào)節(jié)加大運(yùn)動員柔韌拓展的負(fù)荷壓力。

通過帶動升降桿上下移動的驅(qū)動裝置連接在主體機(jī)上。升降桿上下驅(qū)動裝置屬于現(xiàn)有技術(shù)，如它包括升降桿驅(qū)動電機(jī)、螺母絲杠機(jī)構(gòu)等。升降桿驅(qū)動電機(jī)的殼體固定在主體機(jī)上，升降桿驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與絲杠固定，絲杠上有與絲杠配合的螺母，螺母與升降桿固定，升降桿位于主體機(jī)上的上下延伸的導(dǎo)向孔內(nèi)。升降桿驅(qū)動電機(jī)動作，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，螺母由于與升降桿固定只能軸向移動不能轉(zhuǎn)動，所以螺母就帶動升降桿一起沿導(dǎo)向孔上下移動，實(shí)現(xiàn)坐墊的升降。

3.2.4 柔韌性訓(xùn)練裝置可編程控制器作用

可編程控制器與坐墊驅(qū)動電機(jī)、升降桿驅(qū)動電機(jī)、分腿驅(qū)動電機(jī)、髖關(guān)節(jié)電機(jī)、膝關(guān)節(jié)電機(jī)、靠背驅(qū)動電機(jī)產(chǎn)生電連接，與可編程控制器電連接的操作按鈕設(shè)置在扶手上；通過操作按鈕可以控制坐墊驅(qū)動電機(jī)、升降桿驅(qū)動電機(jī)、分腿驅(qū)動電機(jī)、髖關(guān)節(jié)電機(jī)、膝關(guān)節(jié)電機(jī)、靠背驅(qū)動電機(jī)的動作。

圖15 靠背前傾、坐墊后傾時的柔韌性訓(xùn)練裝置側(cè)視示意圖

3.2.5 柔韌性訓(xùn)練裝置縱劈腿柔韌演示

圖16 靠背放平、劈腿狀態(tài)的柔韌性訓(xùn)練裝置立體示意圖

參見圖16、17所示，在該種狀態(tài)下，用于發(fā)展運(yùn)動員的縱劈腿柔韌。右腿由右機(jī)械臂固定，保證膝關(guān)節(jié)和腳背伸直。調(diào)節(jié)靠背及坐墊的傾斜角度，達(dá)到和右腿保持水平延長的平躺姿態(tài)。由有機(jī)械臂固定的右腿被右機(jī)械臂緩慢抬起，達(dá)到拓展右腿柔韌性的目的，根據(jù)運(yùn)動員自身特點(diǎn)及柔韌性的痛點(diǎn)來科學(xué)安全的調(diào)節(jié)機(jī)械臂舉起的高度和角度，達(dá)到最佳拓展目的。左右機(jī)械臂可以交換發(fā)展柔韌性。

圖17 靠背基本豎直、劈腿狀態(tài)的柔韌性訓(xùn)練裝置立體示意圖

4. 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

根據(jù)柔韌性訓(xùn)練研究的意義和應(yīng)用前景，綜合當(dāng)前已有柔韌性訓(xùn)練器械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景，改進(jìn)了原有器械的不足之處，解決了運(yùn)動員的下肢的并腿體前屈、分腿體前屈、縱劈腿、橫劈腿柔韌性的拓展訓(xùn)練。使運(yùn)動員在獨(dú)立、安全的環(huán)境中，無需輔助，自己就能完成柔韌性的練習(xí)，通過器械自身矯正其姿態(tài)，通過靠背的調(diào)節(jié)加大運(yùn)動員柔韌拓展的負(fù)荷壓力。充分的節(jié)省訓(xùn)練時間，保證運(yùn)動員的安全，大大提高了訓(xùn)練效率，降低了運(yùn)動訓(xùn)練中柔韌素質(zhì)拓展的時間?？茖W(xué)有效的實(shí)施因人而異的柔韌拉伸，避免了由人為過失而帶來不必要的運(yùn)動損傷，延長了運(yùn)動員的運(yùn)動壽命。

4.2 建議

柔韌性訓(xùn)練裝置基本達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的要求，但由于設(shè)計(jì)者自身學(xué)科的限制，對于裝置的操控系統(tǒng)還有待改進(jìn)與完善。目前是信息化的互聯(lián)網(wǎng)+時代，若要將訓(xùn)練裝置更加智能化，更加便捷的通過遠(yuǎn)程發(fā)送指令進(jìn)行具體設(shè)備的操作，以便于教練員在實(shí)施運(yùn)動訓(xùn)練時可以通過移動終端發(fā)送指令進(jìn)行該設(shè)備的操作，為其設(shè)備進(jìn)行IP地址的分配，由于IPv6地址普遍使用，完全有可能在未來的設(shè)計(jì)中為任何一款電子訓(xùn)練裝置設(shè)備植入相應(yīng)的IP地址，已達(dá)到移動互聯(lián)，遠(yuǎn)程操作的實(shí)際功效，希望能與有關(guān)學(xué)科交叉學(xué)習(xí)，不斷地優(yōu)化發(fā)展操作控制系統(tǒng)。