冰球運動員“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”鏈接與緩沖模塊研究

韓帥 王燦 張佳欣 宋赫奕 張連濤

摘 要：在冰球運動員“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”整體構想的基礎上，研發(fā)訓練器的鏈接與緩沖模塊。采用實驗、文獻資料、邏輯分析等方法，以連接部件的形式與尺寸、外負載端的連接方式、近身端的連接方式等幾個方面為研發(fā)要點，通過對設計方案、實驗品的不斷篩選，優(yōu)化得出訓練器的鏈接與緩沖模塊的基本結構與材料選擇。

關鍵詞：冰球;冰上負載;抗阻訓練器;鏈接與緩沖模塊

中圖分類號：G862.3/G818.3? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1002-3488（2022）03-0042-05

Research on Link and Buffer Module of "Wearable Ice Load Resistance Trainer" for Ice Hockey Players

HAN Shuai1， WANG Can1， ZHANG Jia-xin2， SONG He-yi3， ZHANG Lian-tao1

（1. Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China; 2. Military Sports Department of Heilongjiang Institute of Construction Techndogy， Harbin 150025， China; 3. Physical Education Department of Harbin Medical University， Harbin 150081， China）

Abstract： Based on the overall concept of "wearable Ice Load Resistance Trainer" for ice hockey players， the link and buffer module of the trainer is developed. Using the methods of experiment， literature and logical analysis， taking the form and size of connecting parts， the connection mode of external load end and the connection mode of close body end as the key points of research and development， through the continuous screening of design scheme and experimental products， the basic structure and material selection of the chain connection and buffer module of the trainer are optimized.

Key words： ice hockey; ice load; resistance trainer; link and buffer module

1 引言

冰球是一項非常注重體能的運動項目，冰球比賽有著快速的攻防節(jié)奏和激烈的身體對抗，因而具有很強的觀賞性。國外冰球發(fā)達國家不止在賽事體系建設[1-2]、人才培養(yǎng)模式[3-4]、冰球文化塑造[5]上理念先進，保障到位，對于冰球運動員的科學訓練[6]、體能恢復[7]、運動康復[8]等方面也都有著精細的研究，因此其冰球隊具有高水平的競賽能力是理所當然的;而我國在對冰球運動認知和發(fā)展方面的諸多滯后，也正是亟待解決的現(xiàn)實問題。

為了縮小我國同國外冰球發(fā)達國家在冰球競技水平上的差距，我們除了要在管理和訓練方法上借鑒國外冰球發(fā)達國家的先進經驗外，還應加強基礎科學研究、訓練器材研發(fā)等方面的力度，以此促進我國冰球運動員競技水平的提高[9]。據前期調查，當前國內針對冰球運動的器材專利涉及裝備、場地、射門訓練、傳球訓練等方面，市場具體應用情況不明;同時未見有針對冰球運動員下肢專項力量的輔助訓練器材，成型的下肢專項力量訓練器材則多數應用于田徑等陸地項目上[10]。對此，研究關注冰球運動員下肢專項力量的提升，聚焦于冰球訓練器材的研發(fā)，并將器材使用場景從常見的陸地移至冰上，設計“可穿戴式冰上抗阻訓練器”，在填補國內研發(fā)空白的同時也具有創(chuàng)新應用價值。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

此前的研究[9]已對“可穿戴式冰上抗阻訓練器”的功用和研發(fā)意義作了闡述，本文不再贅述。在“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”的雛形構想中，訓練器主要由三部分模塊構成：1.外抗阻負載與滑行模塊;2.鏈接與緩沖模塊;3.穿戴式負載模塊。本文研究對象為“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”中的鏈接與緩沖模塊（圖1），重點對其整體結構及材料選擇進行設計。

2.2 研究方法

2.2.1 實驗法

圍繞鏈接與緩沖模塊的形態(tài)及結構設計、主體部件材料的選擇、同其他模塊的連接與匹配等幾方面，分別進行備選方案的定性與定量比較實驗;基于相近方案的共同預期目標，比較各類方案間的效果差異;最后根據各項對比結果，綜合考量得出適宜的模塊設計方案，作為后續(xù)生產及測試應用的訓練器材。

2.2.2 文獻資料法

利用中國知網、維普數據庫、谷歌學術等國內外專業(yè)學術網站，對冰球運動員相關訓練器材、運動器械材料、機械連接結構等進行文獻內容檢索，為本文提供可借鑒的研究基礎。

2.2.3 邏輯分析法

圍繞“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”中的鏈接與緩沖模塊簡易適用的目標，針對主體部件規(guī)格尺寸、材料選擇，以及同其他模塊連接結構設計的若干備選方案，制作簡易實驗模型并考慮整體的制作成本，得出適宜的鏈接與緩沖模塊設計結果。后續(xù)待結合“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”整體的配套使用，以及冰球運動員的實際體驗，檢驗本模塊的鏈接與緩沖效果，評估是否有助于提高冰球運動員的專項訓練能力。

3 模塊設計與研究結果

由于本次研究的模塊位于“外抗阻負載與滑行模塊”與“穿戴式負載模塊”之間，其在起動與加速的過程中主要發(fā)揮鏈接的作用，而在轉向與減速的過程中主要起到緩沖的作用，因此將其合稱命名為“鏈接與緩沖模塊”。但無論鏈接與緩沖模塊發(fā)揮哪種作用，都要保證連接結構和狀態(tài)的相對穩(wěn)固，才能帶動訓練器整體的協(xié)調運動。以下將根據鏈接與緩沖模塊細分的部位和發(fā)揮的特點，分別進行有側重面的設計和論述。

3.1 連接部件主體設計及材料選擇

鏈接與緩沖模塊是整套訓練器的中央環(huán)節(jié)，模塊主體的兩端需固定有金屬掛環(huán)，分別用于連接滑動負載托盤和穿戴式負載模塊上的兩處掛環(huán)。連接部件主體應較為輕便，具備抗拉性，受壓力和彎折時要具有一定的韌性。據此可輕易排除繩、鏈等柔性連接結構，因其無法在縱向承受壓力或橫向彎折時保持穩(wěn)定形態(tài)，進而連桿成為最適宜的選擇。

連桿設計首先要研究長度的問題，長度則取決于人體牽引連桿的部位?；诒憬莅l(fā)力、不使連桿過長以及不把牽引力過多用于豎直方向提拉負載（即追求更多前進方向分力）等綜合因素的考量，連桿鏈接人體的部位不能太高，因此腰部成為理想選擇，而運動員身高的差異會對連接的高度產生影響。對此，本文參考了吳健波[11]學位論文中引用的阿爾文·狄里（Alvin R. Tilley）和亨利·德里福斯事務所（Henry Dreyfuss Associates）編輯所著《設計中的男女尺度（The Measure of Man&Woman Factors in Design）》一書中總結的數據資料：男性腰部平均高度為1 016 mm，其身材比例與中國人體尺寸比例非常相近。此外，研究以人體和滑動負載托盤的中軸面（垂直于地面）為基準，設中軸面上運動員穿冰球刀直立時腰部連接點與掛環(huán)的連線與地面呈60°為最大傾角;經取樣測量，運動員穿冰球刀平均可增加高度92 mm;掛環(huán)橫截面中心距離地面高度為63 mm。則根據圖2，由三角函數關系可知：

代入各高度數值，計算得L連桿≈1 206.66 mm，可近似得知連桿長度（不含兩端金屬掛環(huán)）應不短于1.2 m，實際應用中為適應不同運動員身高的差異，可制作長度為1.4～1.5 m的連桿。在連桿主體材料的選擇上，各類金屬材料由于密度、硬度較大，缺乏韌性，不利于在轉向與減速的過程中增強緩沖作用，因此排除金屬制桿。從當前體育器材中廣泛應用的材料來看，要同時具有質輕、力學性能優(yōu)異、良好的加工成型性能和可設計性強等眾多優(yōu)點，纖維增強復合材料是較為理想的選擇[12]。經查詢材料的部分參數，符合連桿需求的材料大體包括玻璃纖維和碳纖維，兩種材料主要特性的對比，見表1。

從上述材料特性數據的對比情況來看，相同形體的碳纖維材料制桿比玻璃纖維材料制桿重量更輕、更耐拉伸，當然兩者都遠不會在冰面牽引“外抗阻負載與滑行模塊”時達到材料的極限拉伸強度。其中相對重要的指標是連桿的抗彎強度，盡管訓練器在實際使用過程中可能產生的彎曲力也不易達到材料的極限抗彎強度，但碳纖維和玻璃纖維均屬脆性材料，在受力過大時不會發(fā)生大幅度形變，而是直接斷裂，在微觀層面表現(xiàn)為界面破壞和纖維斷裂綜合作用下造成的多級破壞[13]。由于材料在損壞后無法修復只能更換，因此對于經常會承受彎曲力的連桿部件來說，選擇抗彎強度更大的碳纖維要優(yōu)于使用玻璃纖維。

連桿的抗彎能力關乎連桿粗細的選擇，對此，如按常見的直徑20 mm碳纖維桿的極限抗彎強度計算，連桿抗彎能力約為408.2 N。根據此前對青年冰球運動員牽拉輪胎滑行能力的測驗，能力突出者最多能在冰上同時牽拉3個輪胎（單個輪胎平均質量12 kg）向前滑行[9]。研究則按更加極限的情況考慮，如高水平成人冰球運動員牽拉能力更強、滑行速度更高、急停距離更短等。設以超量的60 kg（5個輪胎）負載計算，并要求在1 m的直線距離內勻減速至靜止，則按連桿抗彎能力計算，加速度約為-6.8 m/s2，可以對應承受的最大滑行速度約為3.7 m/s。牽拉的負載越重，運動員所能達到的最高滑行速度就會越慢。在李雙玲[14]等對青年女子冰球運動員滑行速度的研究中，測得我國優(yōu)秀青年女子冰球運動員正滑36 m的平均速度約為5.2 m/s。如在牽拉60 kg外部負載的情況下，還要使運動員達到我國優(yōu)秀青年女子冰球運動員正滑36 m平均速度的70%，顯得特別不切實際。因此，連桿（內芯）使用直徑20 mm的碳纖維桿完全可以承受降速時的緩沖壓力，如在實際使用過程中各方向受力均在材料應力范圍內，也可適當采用空心連桿代替實心連桿，以進一步降低重量、增大彈性。

此外，從連接部件的造價方面來說，盡管碳纖維桿的價格約為玻璃纖維桿的5倍，但作為當今社會建筑及日用品中的常用材料，碳纖維桿的價格依然十分低廉，完全可供采納。如想進一步提高連桿的拉伸及抗沖擊性能，可以選取碳纖維增強基復合材料，如碳纖維樹脂復合材料[15];也可嘗試玻璃纖維與碳纖維混雜復合材料，但零件的制作成本也會隨之提高。

3.2 外負載端連接結構與成品

在鏈接與緩沖模塊同“外抗阻負載與滑行模塊”的接觸部位，連接結構主要用于提供牽引力或制動力，重點發(fā)揮出鏈接的作用。根據3.1節(jié)的論述，連接部件的主體為連桿，連桿只有同“外抗阻負載與滑行模塊”中的滑動負載托盤牢固相連，才能有效牽引托盤進行運動。而如何實現(xiàn)牢固連接是本節(jié)研究的重點，即設計連桿外負載端的連接結構。

根據對“外抗阻負載與滑行模塊”中滑動負載托盤掛環(huán)的設計[9]，鏈接與緩沖模塊需要同該“寬掛環(huán)”進行匹配連接，才能有效發(fā)揮鏈接作用。由于兩個模塊之間僅有此一個連接處，因此鏈接與緩沖模塊的外負載端結構必須要卡緊“寬掛環(huán)”，不能使兩個模塊發(fā)生相對的水平位移，才能夠保證外部負載在運行時被有效牽引。對此，研究特別設計了金屬U型掛環(huán)（圖3）與滑動負載托盤的“寬掛環(huán)”對接，連接時U型掛環(huán)的2個卡臂從兩側夾住“寬掛環(huán)”，使卡臂的2個環(huán)孔與“寬掛環(huán)”的環(huán)孔對齊并穿入金屬銷，金屬銷中段保持光滑、兩端制成螺紋，最后從兩端加裝手動螺母進行固定，實現(xiàn)外負載端的穩(wěn)定鏈接。其中，金屬銷的橫截面直徑應略小于10 mm，以使其能在掛環(huán)孔中實現(xiàn)順暢的軸向旋轉。另外，對于U型掛環(huán)與連桿的連接，研究將U型掛環(huán)的另一端設計成圓槽，通過將連桿插入圓槽后再橫向鉆孔穿銷，從而實現(xiàn)U型掛環(huán)與連桿的穩(wěn)定鏈接。U型掛環(huán)的整體樣式，見圖4。

3.3 近身端連接結構與成品

在鏈接與緩沖模塊同“穿戴式負載模塊”的接觸部位，連接結構主要用于發(fā)揮緩沖作用，連接只是一種必要形式。根據3.1節(jié)的論述，連接部件的主體為連桿，但和“外抗阻負載與滑行模塊”牢固相連的要求不同的是，連桿和“穿戴式負載模塊”即運動員身體一端的連接結構可以相對靈活。在研究初期，關于近身端的連接方式也曾一度考慮采取和外負載端相同的固定式結構，因其能夠最直接、最大化地傳遞運動員的力量。但經過和冰球教練員及運動員交流后了解到，冰球運動員在起動姿態(tài)上的習慣因人而異，如常用的正向起動、側身起動等。如果近身端和外負載端均采用固定式連接結構，則意味著將冰球運動員、硬質連桿和滑動負載托盤三者連成一條直線，此時只有采取正向起動才能相對便于發(fā)力，對于習慣側身起動的運動員則頗為不便，從而壓縮了訓練器整體的適用范圍。因此，如何實現(xiàn)靈活連接是本節(jié)研究的重點，即設計連桿近身端的連接結構。

所謂靈活的連接，即是使連桿的近身端可以相對運動員的身體進行位移。此位移因是發(fā)生在運動員各種動作姿態(tài)之時、各種運動狀態(tài)之下，任何情況使連桿出現(xiàn)豎直方向上的位移都是不合適的，這不利于保障運動員的安全和進行有效控制。因此連桿近身端的位移應當發(fā)生在水平方向，即環(huán)繞運動員的腰部進行滑動?？梢詽M足滑動的結構多種多樣，實際上，連桿近身端的連接結構是與“穿戴式負載模塊”的部分結構相互配合的，雙方共同確定了滑動的方式，并匹配著對接的結構。為合理劃分研究篇幅，有關近身端滑動方式選擇的分析，以及相應的“穿戴式負載模塊”的對接結構，將在后續(xù)對“穿戴式負載模塊”的研究中進行專章論述，這里暫只介紹連桿近身端的結構設計。

為保障近身端的滑動效果及在滑動過程中連桿不會脫落，研究特別設計了金屬閉合掛環(huán)（圖5）與“穿戴式負載模塊”連接。閉合掛環(huán)設置20 mm的環(huán)孔直徑，使其能有較寬的水平轉向幅度和實現(xiàn)順暢的軸向旋轉;金屬環(huán)體直徑10 mm，以保證其在受力時具有足夠的零件強度。另外，對于閉合掛環(huán)與連桿的連接，研究將閉合掛環(huán)的另一端設計成圓槽，通過將連桿插入圓槽后再橫向鉆孔穿銷，從而實現(xiàn)閉合掛環(huán)與連桿的穩(wěn)定鏈接。

4 結語

“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”的研發(fā)，旨在提升我國冰球運動員體能和技術能力。鏈接與緩沖模塊作為抗阻訓練器中重要的連接部分，只有其實現(xiàn)穩(wěn)定靈活的運轉銜接，才能使整個抗阻訓練器得以安全有效地發(fā)揮功用。經過對鏈接與緩沖模塊進行的結構設計和材料遴選，研究得出了相對適宜的模塊制造方案：以連桿作為模塊主體，選用碳纖維材料保障連桿的堅韌與輕便;外負載端設計金屬U型掛環(huán)，通過穿銷牢固對接滑動負載托盤的“寬掛環(huán)”，有效發(fā)揮鏈接作用;近身端采用靈活的連接方式，設計金屬閉合掛環(huán)沿腰部滑動，便于運動員采取多種方式起動及發(fā)力，有效發(fā)揮鏈接作用，保障運動員的人身安全。通過對冰球輔助訓練器材的研發(fā)與應用，促進冰球運動員下肢專項力量和滑行耐力素質的提升，助其提高運動成績。

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