滑冰訓(xùn)練裝置姿態(tài)控制技術(shù)專利綜述

第一作者簡介：陶娟（1988-），女，碩士，助理研究員。研究方向為機(jī)械電子領(lǐng)域?qū)＠麑彶椤?/p>

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.029

摘" 要：滑冰運(yùn)動越來越受到人們的歡迎，該文對專門針對滑冰運(yùn)動的滑冰訓(xùn)練裝置姿態(tài)控制技術(shù)的專利申請進(jìn)行分析，闡述其領(lǐng)域?qū)＠暾埖纳暾埲朔植己蜕暾埩康陌l(fā)展趨勢，追蹤滑冰訓(xùn)練裝置姿態(tài)控制技術(shù)的重點發(fā)展項目。

關(guān)鍵詞：模擬；滑冰；姿態(tài)；運(yùn)動機(jī)；踏板

中圖分類號：G862" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0123-05

Abstract： Skating sports are becoming more and more popular. This paper analyzes the patent applications for attitude control technology of skating training devices specifically for skating sports， expounds the distribution of applicants and the development trend of patent applications in its field， and tracks the key development projects of attitude control technology of skating training devices.

Keywords： simulation; skating; posture; treadmill; pedal

滑冰是速度、力量、技術(shù)為一體的競技運(yùn)動項目。對于滑冰的訓(xùn)練，滑冰訓(xùn)練裝置核心技術(shù)涉及技術(shù)訓(xùn)練和力量訓(xùn)練，而力量訓(xùn)練是任何其他訓(xùn)練裝置都會訓(xùn)練到的，因此，專門針對滑冰訓(xùn)練的裝置則重點在于訓(xùn)練滑冰的動作技術(shù)，而滑冰動作技術(shù)核心主要在于滑冰的動作姿態(tài)的控制訓(xùn)練。

1" 滑冰訓(xùn)練裝置技術(shù)總體分析

在滑冰訓(xùn)練裝置方面，國外研究的較早。并且，早期的滑冰訓(xùn)練裝置的結(jié)構(gòu)和功能都比較簡單，后來逐漸發(fā)展為具有不同智能化程度產(chǎn)品。國內(nèi)申請人主要集中在北方地區(qū)，如哈爾濱體育學(xué)院、哈爾濱工程大學(xué)、吉林體育學(xué)院、黑龍江省體育科學(xué)研究所、首都體育學(xué)院、北京航空航天大學(xué)和黑龍江農(nóng)業(yè)工程職業(yè)學(xué)院等高校，以及哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)等企業(yè)。但是也有非北方地區(qū)的單位在研究，如東華大學(xué)、塔里木大學(xué)、黔南民族師范學(xué)院和成都鏡像未來科技有限公司等。另外還有部分個人申請，如李昌周、楊春懷、劉貴寶、吳志剛和閻東等。絕大多數(shù)分布在各大高校和科研院所，少量分布在企業(yè)。而且各高校、研究所以及公司研究方向并不相同。

從申請時間角度去看，1952年開始，人們就開始了研究滑冰訓(xùn)練裝置，并提交了專利申請。直至2000年，申請量還處于平穩(wěn)階段，從2010年之后，申請數(shù)量開始上升。對于中國滑冰訓(xùn)練裝置的申請，1986年黑龍江省體育科學(xué)研究所提出了一種用于滑冰的器械（CN86210079），隨后國內(nèi)的專利申請也開始持續(xù)提升， 2017年開始爆發(fā)式增長。

2" 滑冰訓(xùn)練裝置姿態(tài)控制技術(shù)專利進(jìn)展概況

滑冰包括速度滑冰、花樣滑冰等多種項目。經(jīng)過長期發(fā)展，現(xiàn)代滑冰訓(xùn)練裝置涉及機(jī)械、電子、控制、仿生學(xué)和生物力學(xué)等諸多領(lǐng)域，滑冰訓(xùn)練裝置的技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，部分研究成果已經(jīng)產(chǎn)品化。健身房滑冰機(jī)、室內(nèi)模擬滑冰機(jī)、大型滑冰機(jī)、滑冰練步機(jī)、履帶式滑冰訓(xùn)練裝置、室內(nèi)滑冰模擬器和針對兒童的滑冰體驗機(jī)等各種滑冰訓(xùn)練裝置等層出不窮。

2.1" 踩踏板式滑冰訓(xùn)練裝置的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)

早期的滑冰訓(xùn)練裝置是腳踩踏在板上進(jìn)行訓(xùn)練的。蘇聯(lián)于1952年申請了一種滑冰機(jī)（申請?zhí)枺篠U449256），如圖1所示，包括梯形框架、2個可移動平臺、中間固定平臺和托架。在訓(xùn)練過程中，運(yùn)動員一只腳縮回可移動平臺，而另一只腳站在固定平臺上繼續(xù)滑動，用于模擬滑冰。蘇聯(lián)還于1972年申請了一種訓(xùn)練滑冰者的裝置（申請?zhí)枺篠U1782730），如圖2所示，包括框架、支撐平臺和阻力元件，配備有2個安裝在框架上的環(huán)形鏈條，鏈條連接至阻力元件，適應(yīng)轉(zhuǎn)彎時的跑步條件。

2.2" 軌道板式滑冰訓(xùn)練裝置的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)

上述踩踏板式滑冰訓(xùn)練裝置，滑冰訓(xùn)練者的腳主要還是踩踏在板上進(jìn)行訓(xùn)練，由于腳與板的每一次接觸不可控，其訓(xùn)練軌跡精確度控制不夠，滑冰的姿態(tài)控制不到位，訓(xùn)練效果也會大打折扣。

美國1987年申請了滑冰訓(xùn)練裝置，如圖3所示，一對可旋轉(zhuǎn)定位的滑冰腿部鍛煉裝置（申請?zhí)枺篣S07038871），每個軌道上均具有可在其上前后移動的腳箍，使用者的雙腿位于該腳箍中，每個軌道可在角度上進(jìn)行調(diào)節(jié)，并具有可調(diào)節(jié)的重量阻力，以抵抗每個腿的向后運(yùn)動箍筋和身體支撐。還有一種具有環(huán)形導(dǎo)軌的滑冰練習(xí)機(jī)，如圖4所示的一種動力滑冰運(yùn)動機(jī)（申請?zhí)枺篣S07262909），使用者可以在其上蹲伏在座位上，腳蹬在馬鞍兩邊的2個三角形軌道上騎行，目的是近似于滑冰運(yùn)動。每個軌道的一部分被指定為動力部分，包括一對環(huán)形導(dǎo)軌，每個環(huán)形導(dǎo)軌具有動力部分和返回部分以及用于每個導(dǎo)軌的踏板。

2005年，加拿大的斯坎特施特里德公司、泰克諾奇姆國際私人有限公司、阿姆斯特丹·曼諾分公司提出了用于模擬滑冰運(yùn)動的練習(xí)裝置（申請?zhí)枺篊A2466543A），如圖5所示，包括一對具有踏板的梭，踏板適于支撐站在其上的使用者的腳。梭可沿各引導(dǎo)組件移動，引導(dǎo)組件由一個或多個鋼軌組成，鋼軌從最接近的最前端延伸出來向外向后彼此彎曲離開。該聯(lián)系裝置用于引導(dǎo)使用者的腳作滑冰或運(yùn)動，以更好地控制滑冰的姿態(tài)。

國內(nèi)，較早研究滑冰訓(xùn)練裝置是1986年，黑龍江省體育科學(xué)研究所提出了一種用于滑冰的器械（CN86210079），如圖6所示，這種用于滑冰的器械，設(shè)前后2排滑道，每排滑道又分平滑軌和斜滑軌2種，每排滑道各有左右2塊腳踏滑板。運(yùn)動員腳踏前排或后排的任意2塊腳踏滑板，可以同時或者先后向身體的同側(cè)或者兩側(cè)滑動來模擬滑冰?；瑒拥倪^程中，逐漸增大傾斜角度，以適應(yīng)腳面的傾斜，防止壓迫內(nèi)側(cè)趾骨關(guān)節(jié)。每一個腳踏滑板都有一個拉力皮筋和約束力皮筋，拉力皮筋在腳踏滑板的內(nèi)側(cè)，約束力皮筋在腳踏滑板的外側(cè)，可針對步態(tài)的姿態(tài)進(jìn)行訓(xùn)練，可連續(xù)進(jìn)行滑冰直道滑行、彎道滑行以及分解動作和體會動作模擬訓(xùn)練等綜合性強(qiáng)化訓(xùn)練。

2.3" 角度可控式滑冰訓(xùn)練裝置的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)

軌道板式滑冰訓(xùn)練裝置在使用時滑冰訓(xùn)練者的腳主要還在平的軌道上進(jìn)行訓(xùn)練，更側(cè)重于純粹的運(yùn)動軌跡。而實際冰上滑冰時，身體是會發(fā)生傾斜的，其腳的角度也是需要進(jìn)行控制的，因此，不僅訓(xùn)練裝置要考慮身體的姿態(tài)，也要控制腳部的姿態(tài)。

1993年，美國Town Sports International Holdings公司，申請了一種用于滑冰訓(xùn)練鍛煉的設(shè)備（申請?zhí)枺篣S08010925），如圖7所示，其包括一個框架，第一和第二臂分別具有可樞轉(zhuǎn)地安裝在框架上的第一端和第二端，第二端能夠沿著由每個臂限定的弧線在第一位置和第二位置之間移動，臂彼此相鄰設(shè)置，當(dāng)臂平行于限定模擬向前行進(jìn)的方向的線時，它們沿著大致垂直于2個臂的共同線樞轉(zhuǎn)，并超過通過的線使其各自的樞軸并平行于前進(jìn)線，用于將使用者的腳固定到第二端附近的手臂上的裝置。其中，裝置的構(gòu)造和尺寸設(shè)計成將使用者定位，并且樞軸設(shè)置在使用者的后面，用于阻止臂從第一位置運(yùn)動到第二位置的裝置。

美國申請人SCHUETZER BJOERN E申請了一種用于速滑運(yùn)動員訓(xùn)練設(shè)備（申請?zhí)枺篣S06159201）。如圖8所示，包括一個固定的訓(xùn)練臺，訓(xùn)練臺帶有2個可沿相反方向橫向移動的滑架，其移動受到控制。每個滑架具有一個平臺，用于連接滑冰者的一只腳，平臺在相關(guān)滑架從初始位置移開時以與滑冰時相同的方式改變其傾斜角度，從而控制運(yùn)動員身體和腳的姿態(tài)。

2.4" 針對專項訓(xùn)練的滑冰訓(xùn)練裝置的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)

此外，還有一些專門針對某項技能的專門的姿勢控制的訓(xùn)練裝置，如針對花樣滑冰，美國于1968年申請了一種用于芭蕾舞和花樣滑冰表演者的鍛煉和訓(xùn)練裝置（申請?zhí)枺篣S3608896A），如圖9所示，包括基座構(gòu)件，其具有向下延伸的用于支撐其的刀片；以及縱向槽，用于容納滑冰刀片；以及后表面部件，其與基座部件保持剛性關(guān)系，并具有向后方延伸的剛性支架，在其下端設(shè)有支撐刀片。保持與基座構(gòu)件和后表面構(gòu)件樞轉(zhuǎn)的關(guān)系的前表面構(gòu)件；以及螺釘裝置，用于以彼此隔開的關(guān)系調(diào)節(jié)前表面構(gòu)件和后表面構(gòu)件。

針對彎道的姿態(tài)訓(xùn)練，韓國2012年申請了一種滑冰模擬器（申請?zhí)枺篕R1020120021771），如圖10所示，其包括了旋轉(zhuǎn)板，旋轉(zhuǎn)軸模塊安裝在旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)中心。旋轉(zhuǎn)軸電動機(jī)選擇性地使旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸動力傳遞機(jī)構(gòu)，用于將旋轉(zhuǎn)軸電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)力傳遞至旋轉(zhuǎn)軸。旋轉(zhuǎn)軸模塊安裝在旋轉(zhuǎn)板的旋轉(zhuǎn)中心。當(dāng)訓(xùn)練者想要練習(xí)彎曲的路線時，固定旋轉(zhuǎn)板并通過旋轉(zhuǎn)軸模塊旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸，以使訓(xùn)練者繞旋轉(zhuǎn)軸模塊旋轉(zhuǎn)從而模擬滑冰訓(xùn)練。

國內(nèi)也有專門針對彎道訓(xùn)練的滑冰訓(xùn)練裝置，2016年，曹夢宇提出了一種旋轉(zhuǎn)式滑冰輪滑陸地模擬訓(xùn)練器（CN206081542U），如圖11所示，包括支撐板，支撐板的兩端設(shè)置有滑輪，支撐板的上方設(shè)置有腳固定裝置，支撐板沿其長度方向設(shè)置有滑槽，滑槽內(nèi)設(shè)置有滑塊，滑塊與旋轉(zhuǎn)裝置配合連接。通過設(shè)置腳固定裝置，實現(xiàn)腳的固定，同時設(shè)置的滑槽及水平旋轉(zhuǎn)裝置，便于調(diào)整合適的支撐點，該結(jié)構(gòu)設(shè)置的訓(xùn)練器，運(yùn)動者訓(xùn)練時就能夠在此訓(xùn)練器上完成彎道滑行技術(shù)的訓(xùn)練，有利于使用者掌握彎道的滑冰姿態(tài)。

2019年，哈爾濱第一機(jī)械集團(tuán)有限公司提出了一種輔助速度滑冰運(yùn)動員彎道技術(shù)訓(xùn)練裝置（CN 109603127A），如圖12所示，輔助速度滑冰運(yùn)動員彎道技術(shù)訓(xùn)練裝置包括訓(xùn)練者支撐裝置、動力裝置和負(fù)載裝置，底座上設(shè)置有訓(xùn)練者支撐裝置、動力裝置和負(fù)載裝置，動力裝置與負(fù)載裝置相連，訓(xùn)練者支撐裝置包括三棱錐支架和束縛帶，三棱錐支架下端與底座上端面相連，三棱錐支架上設(shè)置有束縛帶，適用于各種力量、各種身形的業(yè)余和專業(yè)運(yùn)動員。

2.5" 綜合性滑冰訓(xùn)練裝置的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)

隨著科技的進(jìn)步，尤其隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)的快速應(yīng)用及普及，深度學(xué)習(xí)及強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法不斷優(yōu)化，滑冰訓(xùn)練裝置也是越來越智能化。

2015年，SHARIFI、CHRISTIAN提出了一種滑冰訓(xùn)練裝置（US20170252623A1），如圖13所示，滑冰訓(xùn)練組件包括跑步機(jī)組件和背帶組件。滑冰訓(xùn)練組件包括計算機(jī)，其可以計算用戶燃燒的卡路里、用戶行進(jìn)的距離，用戶還可以查看在特定運(yùn)動事件期間行進(jìn)的距離和燃燒的卡路里。計算機(jī)可以進(jìn)一步實時并且在持續(xù)時間內(nèi)跟蹤和計算與該鍛煉有關(guān)的全部信息，以便跟蹤進(jìn)度。

2017年布拉格查爾斯大學(xué)等提出了一種滑冰測量裝置（US10500463B2），如圖14所示，在冰刀上設(shè)置傳感器，傳感器構(gòu)造成測量作用在刀片上的力等運(yùn)動的數(shù)據(jù)。

2018年，成都鏡像未來科技有限公司研究了一種VR滑冰訓(xùn)練系統(tǒng)（公開號：CN108371800A），如圖15所示，包括冰鞋、滑冰平臺和VR系統(tǒng)，VR系統(tǒng)包括高度感應(yīng)器、角度感應(yīng)器、VR眼鏡和單片機(jī)，高度感應(yīng)器和角度感應(yīng)器設(shè)在固定框內(nèi)，VR眼鏡包括眼鏡機(jī)體、高度感應(yīng)器、角度感應(yīng)器，VR眼鏡和伺服電機(jī)與單片機(jī)相連。將現(xiàn)代VR技術(shù)融合于滑冰訓(xùn)練裝置中，使得訓(xùn)練更加逼真。

3" 滑冰訓(xùn)練裝置的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)目前存在的問題

隨著人們對滑冰越來越熱愛，對滑冰訓(xùn)練裝置的個性化要求更高。因此，需要研究適應(yīng)于不同使用者的個性化滑冰訓(xùn)練裝置的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)。

4" 結(jié)束語

本文通過對滑冰訓(xùn)練裝置的姿態(tài)控制技術(shù)相關(guān)專利申請情況進(jìn)行梳理，并對專利申請整體情況和各技術(shù)分支進(jìn)行分析，構(gòu)建了該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)輪廓。滑冰訓(xùn)練裝置研究已經(jīng)漸有規(guī)模，但是隨著新材料應(yīng)用越來越廣泛、人機(jī)交互的迅速發(fā)展，滑冰訓(xùn)練裝置將朝著人性化和智能化發(fā)展。

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