數字化短道速滑彎道專項力量訓練器的研制

蒙猛　楊春懷

摘要：針對我國短道速滑運動員總體專項力量能力與韓國和世界優秀運動員的差距，尤其是在比賽中“突然加速”與彎道超越對手的能力較差的問題，設計一種數字化短道速度滑冰彎道力量訓練器。訓練器由底盤框架、梯形長方體鋼框和平叉型框等構成框架，裝有圓盤踏動傳動系統、風阻轉盤傳動系統、壓力傳感器和光電開關傳感器等，以及數據采集攝像機、計算機組成。運動員模擬彎道蹬動訓練時，站在轉盤邊緣做雙腿交叉剪切用力向右蹬動，使踏動轉盤逆時針轉動，來克服傳動系統阻力、風阻力轉盤產生的阻力負載，同時主軸的轉速光碼盤系統、壓力傳感器、攝像機將蹬動速率、壓力、視頻信號傳給計算機模擬成動作壓力周期曲線信號數據同時顯示并記錄，實現數據化訓練，依據數據評估訓練效果，提高運動成績。

關鍵詞：數字化； 短道速度滑冰； 彎道力量訓練器

中圖分類號：11G862.1 11文獻標識碼：11A11文章編號：111002ˉ3488（2011）05ˉ0092ˉ05

1引言

短道速滑是我國冬季運動奧運金牌爭奪重點項

在冬季優勢項目中表現突出，而近年逐步完成了新老交替，尤其是年輕選手的快速成長[1-2]。但我們看到，我國運動員的總體專項力量能力與韓國和世界優秀運動員有一定的差距，尤其是在比賽中“突然加速”與彎道超越對手的能力較差[3-4]。短道速滑是以彎道用力獲得加速度為特點的項目。運動員在彎道突然加速過人，以及精確滑行線路的控制與長時間高速領滑技戰術的實施，需要超強的專項力量耐力作為保障。在運動員陸地訓練期，結合冰上技術、戰術，快速蹬伸髖、膝和踝關節獲取蹬冰加速度的反向阻力，并以實際比賽項目的技術動作程序步頻、蹬動力量、時間等條件實施超負荷專項力量訓練方法是獲得專項力量耐力能力的必要手段和條件[5-6]，針對上述問題，借助多學科技術構建完善專項器材是重要技術內容。僅此，也是我們在備戰冬奧會短道速滑過程中需要解決的瓶頸問題之一。2009年國家體育總局立項《數字化短道速滑彎道專項力量訓練器研究》攻關課題，目的研究制造一種數字化陸地短道速滑彎道專項力量模擬訓練器械，特別是運動員按照彎道技術條件進行強化模擬訓練、根據獲取蹬冰加速度大小的反向阻力要求調整外加阻力負荷并通過各傳感系統、攝錄系統將訓練過程中的數據（蹬動力量、蹬動速率、動作視頻）記錄下來，進行分析評估，為短道運動員更科學地進行專項力量訓練，提供新技術平臺。目前短道速度滑冰專項力量模擬訓練器的研究在國內研究應用較少，以往主要是借鑒速度滑冰陸地訓練的方法手段較多，徒手的滑行滑跳等[7-8]，韓國加拿大等國是短道速滑強國，特別在專項力量訓練能力訓練方面有獨到之處[9-10]，但在數字化專項器材研究方面報道較少，類似本研究的數字化陸地短道速滑彎道專項力量器械國內、外未見報道。

2.1結構設計

在對短道速滑彎道蹬冰技術結構、生物力學分析的基礎上，設計了符合彎道蹬動技術的性能特征規律的訓練器（圖1）。

2.2主要結構功能

2.2.1框架結構與功能

由底盤框架、梯形長方體鋼框、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側，對稱焊接斜角鋼支架，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帶螺扣的鉸鏈支桿，穿過固定梯形長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靠臂，滑動靠臂上固定海綿靠托，風阻轉盤軸套伸出一個鋼臂，前端頭帶有軸承缸套。框架系統主要功能是定位了器械構建的空間位置和機械運動方式。

2.2.2踏動圓盤傳動系統

鋼托盤上面固定踏蹬圓盤，6個螺栓將踏蹬圓盤同心固定在中心軸鋼托盤，梯形長方體鋼框的方體框中間安裝一個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齒輪和風阻轉盤傳動傘齒輪，中心軸穿過中心軸套，端頭固定1個中心軸傘齒輪與通軸的中部的圓盤傳動齒輪嚙合。踏動圓盤傳動系統的功能是將運動員右向剪切蹬動產生圓盤旋轉距力和轉速，傳給中通軸圓盤傳動齒輪和風阻轉盤傳動傘齒輪并產生機械旋轉摩擦阻力。

2.2.3風阻轉盤阻力系統

長方體鋼框架左側橫架上固定風阻轉盤傳動軸，右端頭固定一個行走傳動鏈輪和風阻轉盤傳動軸右傘齒輪，阻轉盤傳動右傘齒輪與通軸的中前部的圓盤傳動齒輪嚙合，風阻轉盤傳動軸左端頭右傘齒輪與固定在長方體鋼框架上的風阻轉盤傳動立傘輪嚙合，傳動立傘輪軸下端固定傳動皮帶輪，傳動皮帶輪上套有三角皮帶，環繞在梯形長方體鋼框架前橫撐上固定的風阻轉盤軸套伸出的風阻轉盤軸下端的皮帶輪上，風阻轉盤軸上端均勻焊接6個葉片桿，葉片桿上均勻固定風阻葉片，風阻轉盤軸頂端套有鋼套，鋼套上端焊接風阻轉盤托鋼板，風阻轉盤托鋼板上面固定風阻轉盤。風阻轉盤阻力系統的功能是倍增傳動踏動圓盤轉矩、速度使風阻轉盤風阻葉片、高速旋轉，使踏動圓盤產生反向阻力和產生視覺移動速度。

2.2.4行走系統

長方體鋼框架左側橫架上固定風阻轉盤傳動軸，右端頭固定一個行走傳動鏈輪，行走牙輪上套裝鏈條，連接固定在長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。行走系統的主要功能是可使整個訓練器械在踏動圓盤轉動時繞固定圓環半徑旋轉。

2.2.5傾角靠鉸鏈支桿

長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靠臂，滑動靠臂上固定海綿靠托，風阻轉盤軸套伸出一個鋼臂，前端頭帶有軸承缸套。運動員調整好踏動轉盤的傾斜角度和轉盤轉動制動力后，站在轉盤邊緣做好彎道姿勢，身體向左傾斜，肩、腰部靠在滑動靠臂上，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使踏動轉盤逆時針轉動，右臂同時擺動，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數據采集與記錄系統

托盤的底盤框架帶有4個傳感器，梯形長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個限位螺栓穿過長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個軸轉動光電開關碼盤和光電開關傳感器。一筆記本支架和攝像機在放置在器械的旁邊。數據采集與記錄系統的功能是在運動員訓練過程中主軸的轉速光碼盤系統記錄下主軸轉速信號傳給計算機模擬成蹬動速率信號數據，同時運動員踏動圓盤的動作壓力由傳感器產生壓力信號傳送給計算機模擬成動作壓力周期曲線信號數據，同時，攝像機將訓練過程的視頻圖像攝錄在筆記本計算機上與模擬蹬動速率曲線、動作壓力周期曲線數據同時顯示記錄。

軟件及功能

9411冰雪運動11第33卷2.3工作原理

本數字化短道速度滑冰彎道力量訓練器工作原理是：當運動員模擬彎道蹬動訓練時，運動員調整好踏動轉盤的傾斜角度和轉盤轉動制動力后，站在轉盤邊緣做好彎道姿勢，身體向左傾斜，肩、腰部靠在滑動靠臂上，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使踏動轉盤逆時針轉動，右臂同時擺動，此時轉動的踏動轉盤中心軸頭端的傘齒輪轉動并傳動主傳動軸旋轉，主傳動軸前端風阻傳動傘齒輪轉動將風阻轉盤傳動軸右端頭傘齒輪2：1轉距傳動給風阻轉盤傳動立傘輪并帶動下皮帶輪轉動，下皮帶輪又以2：1轉距通過三角帶將葉輪皮帶輪轉動風阻力轉盤產生旋轉風阻力，同時主軸的轉速光碼盤系統記錄下主軸轉速信號傳給計算機模擬成蹬動速率信號數據，同時運動員踏動圓盤的動作壓力由傳感器產生壓力信號傳送給計算機模擬成動作壓力周期曲線信號數據，同時，攝像機將訓練過程的視頻圖像攝錄在筆記本計算機上與模擬蹬動速率曲線、動作壓力周期曲線數據同時顯示記錄，在訓練過程中對風阻負荷變化軌跡進行自適應模擬成專項力量負荷與間歇節動奏，以及蹬動力實時測量，這種阻力源能自動跟蹤運員肌肉力量的變化，實現對運動員運動參數如速度、蹬冰力、頻率、幅度、功率數字化顯示記錄下來。

3實驗與結果

3.1完成器械結構樣機

本訓練器在2011年8月完成實驗樣機（圖2），并對其性能進行了調試，已達到了設計使用性能。

4結論與建議

利用現代多學科技術（機械、計算機、測量、視頻技術）結合，實現了一種數字化陸地短道速滑彎道專項力量模擬訓練器，經運動員的實驗證明；器械構造的運動方式符合彎道蹬動技術（身體蹬冰腿內傾支撐45°膝關節前屈80°～60°、踝關節壓縮小于60°后，快速伸展髖、膝和踝關節，腳跟最后階段逐漸外展蹬冰）的性能特征。運動員可根據滑行加速度大小的要求，進行循環彎道蹬動訓練，可調整加載器械阻力作用于蹬動腿，蹬動速度越快，風阻旋轉盤阻力負荷越大的特點。通過各傳感系統、攝錄系統將訓練過程中的數據（蹬動力量、蹬動速率、動作視頻正面、側面）記錄下來，進行分析評估訓練效果，為短道運動員更科學地進行專項力量訓練，提供了新技術平臺。

在數字化陸地短道速滑彎道專項力量模擬訓練器的研制樣機基礎上，應進一步在結構功能、質量和使用方法等方面進一步研究、完善，并逐步進行其商品化開發，建議在運動隊中積極推廣與利用新數字化陸地短道速滑彎道專項力量模擬訓練器的技術平臺進行實驗與訓練，提高短道速滑運動員專項力量能力水平。9611冰雪運動11第33卷

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責任編輯：張連濤