雙人陸地龍舟訓練器的機械結構設計

徐朝陽，李艷龍，胡志勇，原曉陽，馬立民，陳 雪

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

如今龍舟賽在全國普遍開展[1]，龍舟運動是一種群體性、大規(guī)模的水上項目，龍舟項目對場地和器材要求較高.龍舟運動的場所一般為自然的湖泊和江河，雖然南方高校所在地的水系較多，但一般較遠，并且雨水較多，運動訓練存在難度[2]，由于北方氣候相對寒冷，河流在一年中有幾個月的冰封時期，運動員進行龍舟訓練的時間較短，其訓練水準也會受到一定的影響[3].肌力與肌耐力是完成一切正常身體活動的基礎[4]，競技龍舟運動作為體能主導類耐力性運動項目，劃槳技術和速度是取勝的關鍵，運動員必須經(jīng)歷長時間、高強度的專項耐力訓練[5-6].國內(nèi)外研究人員設計了多種針對上肢體能訓練的機械，如龍舟測力器、D型風阻劃船機等，但比賽時，運動員需要在極高槳頻下重復劃槳技術動作[7]，有待開發(fā)訓練運動員劃槳技術的訓練器.因此，研發(fā)一種新型集劃槳訓練、模擬水面為一體的龍舟訓練器，不僅能夠模擬龍舟在水中的運行狀態(tài)，還能檢測運動員的訓練狀況，對龍舟運動員擺脫惡劣氣候和水環(huán)境的限制在陸地上進行訓練具有極其重要的意義.

1 雙人陸地龍舟訓練器方案設計

雙人陸地龍舟訓練器的方案設計如圖1所示，龍舟訓練器主要由安全平衡框架、舟體、劃槳訓練裝置和模擬水面裝置組成，設計安全平衡框架主要對舟體和運動員起到支撐和保護作用.舟體采用仿梭型式設計，增強訓練的真實感，通過改變踏板與舟座的相對位置，適應不同運動員的身高差異.劃槳訓練采用標準的劃槳軌跡，軌跡設計為內(nèi)外軌道，從而訓練運動員的劃槳姿勢.設計有上肢力量訓練器，采用風輪與空氣摩擦，為運動員提供阻力，訓練上肢力量.運用滑輪與圓形導軌結合的方式，帶動船體沿著導軌進前后移動，使舟體在行進過程中出現(xiàn)前后傾斜和左右搖擺.

圖1 雙人陸地龍舟訓練器方案三維圖

2 安全平衡框架設計

2.1 安全平衡框架設計

安全平衡框架由立柱、導軌、外殼支撐柱、上端把手等構成，如圖1所示.安全平衡框架主要用于支撐舟體和保護運動員不受到傷害，在運動員遇到危險時，可通過握緊上端把手，維持自身平衡脫離危險，導軌用于支撐舟體，立柱用于固定彈簧伸縮桿，外殼支撐柱用于支撐軌道外殼.

2.2 支撐力分析

安全平衡框架的支撐能力取決于立柱和導軌的剛性強度，將立柱與彈簧組連接的各支點和導軌支撐點分別用六個點來表示，其平面的坐標分別為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4)、(x5,y5)、(x6,y6)如圖2(a)所示，再將舟體上的六個受力點分別用六個點來表示，其平面坐標分別為(x7,y7)、(x8,y8)、(x9,y9)、(x10,y10)、(x11,y11)、(x12,y12)如圖2(b)所示.通過訓練器的六部分受力點的運算和分析，得出船體平衡受力情.如圖2所示.

(a)

(b)圖2 龍舟框架和舟體受力分析示意圖

由第一立柱受力點和舟體上第一受力點位置的坐標值可以推出：

(1)

式中θ1表示第一立柱受力與水平面的夾角.

由第二立柱受力點和舟體上第一受力點位置的坐標值可以推出：

(2)

式中θ2表示第二立柱受力與水平面的夾角.

由第一支撐點和舟體上第一受力點位置的坐標值可以推出：

(3)

式中θ3表示導軌第一支撐點受力與水平面的夾角.

由第二支撐點和舟體上第一受力點位置的坐標值可以推出：

(4)

式中θ4表示第二支撐點受力與水平面的夾角.

由第三立柱受力點和舟體上第一受力點位置的坐標值可以推出：

(5)

式中θ5表示第三立柱受力與水平面的夾角.

由第四立柱受力點和舟體上第一受力點位置的坐標值可以推出：

(6)

式中θ6表示第四立柱受力與水平面的夾角.

由公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)推理得出：

舟體豎直方向上受力：F1sinθ1+F2sinθ2+F5sinθ5+F6sinθ6=F3sinθ3+F4sinθ4

(7)

舟體水平方向上受力：

F1cosθ1+F2cosθ2+F5cosθ5+F6cosθ6=F3cosθ3+F4cosθ4

(8)

式中F1表示第一立柱受力的大小，式中F2表示第二立柱受力的大小，式中F5表示第三立柱受力的大小，式中F6表示第四立柱受力的大小，式中F3表示導軌第一支撐點受力的大小，式中F4表示導軌第二支撐點受力的大小.

3 舟體設計

舟體整體和鎖死機構示意圖如圖2所示.龍舟隊因隊員身高不同、手臂長短不同、坐高不同、力量大小不同、槳位不同，所以應根據(jù)情況來選擇劃槳的長度，以達到最佳的劃槳效果[8].舟體整體如圖3(a)所示為，滿足不同身高的運動員，應對踏板增設可調(diào)節(jié)機構以適應不同運動員的下肢差異，增強龍舟的適應性.雙人陸地龍舟在舟體下方設有鎖死機構，雙人陸地龍舟舟體鎖死機構如圖3(b)所示.當運動員伸直雙腿時，可選擇合適的踏板位置，由鎖死機構進行固定.鎖死機構設計成可嵌卡式，通過調(diào)節(jié)踏板與踏板下方卡槽之間的位置，使踏板與舟座發(fā)生相對位置變化，以滿足不同運動員的訓練要求.舟體前后方設有掛鉤，可連接多組訓練器同時訓練，增強運動員之間的默契.

(a) 俯視圖

(b) 平視圖圖3 舟體整體和鎖死機構示意圖

4 劃槳訓練裝置設計

在一個劃槳周期內(nèi)肘關節(jié)、膝關節(jié)、肩關節(jié)以及內(nèi)外弦兩側的腕關節(jié)都要處在科學合理的位置范圍，如果一旦發(fā)生錯位就會影響船體的重心，船體的平衡被打破自然會直接影響賽艇的前進方向以及前進速度，加大運動員體力與耐力的過度消耗[9].運動員劃槳訓練機構由姿勢訓練機構、上肢力量訓練器兩部分組成(如圖4所示).為了使劃槳姿勢準確，盡可能多的提供前進的動力，采用模擬真實的劃槳運動軌跡方式進行訓練，劃槳運動軌跡模擬裝置設計為內(nèi)外循環(huán)軌道樣式，訓練槳與連接套件采用球連接的方式使訓練槳可120°內(nèi)自由旋轉，連接套件固定在內(nèi)循環(huán)軌道和外循環(huán)軌道之間，沿內(nèi)循環(huán)軌道和外循環(huán)軌道將動力傳給鋼絲線，鋼絲線將動力傳給風輪，風輪由于空氣阻力的影響，傳遞阻力給舟體，從而帶動舟體前后運動，實現(xiàn)整個劃槳訓練機構的前后運動.內(nèi)外循環(huán)軌道是按照專業(yè)龍舟運動員的劃槳軌跡設計而成的，符合人體結構學原理.訓練槳采用的是將槳葉去掉的訓練槳桿，連接套件代替槳葉.運動員通過長時間的滑動訓練槳達到訓練上肢力量的效果，使運動員長時間在水面劃槳.

圖4 劃槳訓練裝置示意圖

5 模擬水面裝置設計

當龍舟運動員進行比賽時，由于兩名運動員的體重、身高和重心不同，會造成舟體前后傾斜搖晃.為模擬比賽時龍舟的狀態(tài)，雙人陸地龍舟訓練器增設模擬水面裝置，模擬水面裝置由彈簧伸縮桿、壓力傳感器、導軌和舟體下方滑輪構成，如圖5所示.導軌采用曲面設計，舟體通過下方滑輪帶動，沿導軌進行滑動，模擬龍舟在行進過程中的前后傾斜.彈簧伸縮桿的作用是防止傾斜角度過大造成舟體傾翻，維持舟體平衡，保護運動員不受傷害.每個彈簧伸縮桿上都設有壓力傳感器，當船體向前傾斜時，伸縮桿擠壓彈簧，彈簧收縮，產(chǎn)生壓力，壓力大小由壓力傳感器進行顯示.通過記錄壓力傳感器示數(shù)總結出兩名運動員分別對船的推力，實時向兩名運動員傳遞數(shù)據(jù)，使運動員可以及時做出調(diào)整，通過長時間訓練，兩名運動員對船的推力達到統(tǒng)一，增強劃槳效果.

圖5 模擬水面裝置示意圖

6 雙人陸地龍舟訓練器整體設計

雙人陸地龍舟訓練器總體結構如圖6所示，由安全平衡框架、舟體、劃槳訓練裝置和模擬水面裝置構成.安全平衡框架采用可拆卸的四柱式框架結構，對舟體和運動員起到支撐和保護作用.舟體采用仿船舟式設計，增強訓練的真實感，通過改變踏板與舟座的相對位置，適應不同運動員的身高差異.龍舟運動拉槳運動技能的學習是運動員對技術動作深入理解的過程：建立技術概念，形成技術動作，最后達到動作自動化[10].劃槳訓練裝置采用標準的劃槳軌跡設計為軌道，約束運動員的劃槳姿勢.前方設有上肢力量訓練器，為運動員提供阻力，訓練上肢力量，帶動船體沿著導軌進行前后移動.配合模擬水上裝置，使舟體在行進過程中出現(xiàn)前后傾斜和左右搖擺.

7 結 論

為了解決龍舟運動員無法在陸地上進行訓練，研制了一款在陸地上模擬水上狀態(tài)，訓練劃槳姿勢的雙人龍舟訓練器.

(1)訓練器采用可拆卸的四柱式框架結構起達到保護作用，通過計算，分析了安全平衡框架的支撐能力，并對訓練器的總重量進行了校核.

(2)訓練器采用踏板與卡槽相結合的方式，調(diào)節(jié)踏板與舟座之間的相應位置適應不同運動員的身高差異.

(3) 訓練器通過將真實的劃槳軌跡體現(xiàn)出來的原理，對運動員的劃槳技術動作進行規(guī)范化約束，讓運動員沿著循環(huán)軌道做規(guī)范的劃槳動作，再通過風輪模擬水中的速度載荷.

(4)訓練器通過曲面導軌與滑輪配合模擬龍舟在水中行走的前后傾斜和左右搖擺，模擬水中龍舟的運行狀態(tài).