雙人陸地龍舟訓(xùn)練器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐朝陽(yáng)，李艷龍，胡志勇，原曉陽(yáng)，馬立民，陳 雪

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

如今龍舟賽在全國(guó)普遍開(kāi)展[1]，龍舟運(yùn)動(dòng)是一種群體性、大規(guī)模的水上項(xiàng)目，龍舟項(xiàng)目對(duì)場(chǎng)地和器材要求較高.龍舟運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)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(yuǎn)，并且雨水較多，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練存在難度[2]，由于北方氣候相對(duì)寒冷，河流在一年中有幾個(gè)月的冰封時(shí)期，運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行龍舟訓(xùn)練的時(shí)間較短，其訓(xùn)練水準(zhǔn)也會(huì)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(dòng)的基礎(chǔ)[4]，競(jìng)技龍舟運(yùn)動(dòng)作為體能主導(dǎo)類耐力性運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，劃槳技術(shù)和速度是取勝的關(guān)鍵，運(yùn)動(dòng)員必須經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的專項(xiàng)耐力訓(xùn)練[5-6].國(guó)內(nèi)外研究人員設(shè)計(jì)了多種針對(duì)上肢體能訓(xùn)練的機(jī)械，如龍舟測(cè)力器、D型風(fēng)阻劃船機(jī)等，但比賽時(shí)，運(yùn)動(dòng)員需要在極高槳頻下重復(fù)劃槳技術(shù)動(dòng)作[7]，有待開(kāi)發(fā)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員劃槳技術(shù)的訓(xùn)練器.因此，研發(fā)一種新型集劃槳訓(xùn)練、模擬水面為一體的龍舟訓(xùn)練器，不僅能夠模擬龍舟在水中的運(yùn)行狀態(tài)，還能檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練狀況，對(duì)龍舟運(yùn)動(dòng)員擺脫惡劣氣候和水環(huán)境的限制在陸地上進(jìn)行訓(xùn)練具有極其重要的意義.

1 雙人陸地龍舟訓(xùn)練器方案設(shè)計(jì)

雙人陸地龍舟訓(xùn)練器的方案設(shè)計(jì)如圖1所示，龍舟訓(xùn)練器主要由安全平衡框架、舟體、劃槳訓(xùn)練裝置和模擬水面裝置組成，設(shè)計(jì)安全平衡框架主要對(duì)舟體和運(yùn)動(dòng)員起到支撐和保護(hù)作用.舟體采用仿梭型式設(shè)計(jì)，增強(qiáng)訓(xùn)練的真實(shí)感，通過(guò)改變踏板與舟座的相對(duì)位置，適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)員的身高差異.劃槳訓(xùn)練采用標(biāo)準(zhǔn)的劃槳軌跡，軌跡設(shè)計(jì)為內(nèi)外軌道，從而訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員的劃槳姿勢(shì).設(shè)計(jì)有上肢力量訓(xùn)練器，采用風(fēng)輪與空氣摩擦，為運(yùn)動(dòng)員提供阻力，訓(xùn)練上肢力量.運(yùn)用滑輪與圓形導(dǎo)軌結(jié)合的方式，帶動(dòng)船體沿著導(dǎo)軌進(jìn)前后移動(dòng)，使舟體在行進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)前后傾斜和左右搖擺.

圖1 雙人陸地龍舟訓(xùn)練器方案三維圖

2 安全平衡框架設(shè)計(jì)

2.1 安全平衡框架設(shè)計(jì)

安全平衡框架由立柱、導(dǎo)軌、外殼支撐柱、上端把手等構(gòu)成，如圖1所示.安全平衡框架主要用于支撐舟體和保護(hù)運(yùn)動(dòng)員不受到傷害，在運(yùn)動(dòng)員遇到危險(xiǎn)時(shí)，可通過(guò)握緊上端把手，維持自身平衡脫離危險(xiǎn)，導(dǎo)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(dǎo)軌的剛性強(qiáng)度，將立柱與彈簧組連接的各支點(diǎn)和導(dǎo)軌支撐點(diǎn)分別用六個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，其平面的坐標(biāo)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(gè)受力點(diǎn)分別用六個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，其平面坐標(biāo)分別為(x7,y7)、(x8,y8)、(x9,y9)、(x10,y10)、(x11,y11)、(x12,y12)如圖2(b)所示.通過(guò)訓(xùn)練器的六部分受力點(diǎn)的運(yùn)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(diǎn)和舟體上第一受力點(diǎn)位置的坐標(biāo)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(diǎn)和舟體上第一受力點(diǎn)位置的坐標(biāo)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(diǎn)和舟體上第一受力點(diǎn)位置的坐標(biāo)值可以推出：

(3)

式中θ3表示導(dǎo)軌第一支撐點(diǎn)受力與水平面的夾角.

由第二支撐點(diǎn)和舟體上第一受力點(diǎn)位置的坐標(biāo)值可以推出：

(4)

式中θ4表示第二支撐點(diǎn)受力與水平面的夾角.

由第三立柱受力點(diǎn)和舟體上第一受力點(diǎn)位置的坐標(biāo)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(diǎn)和舟體上第一受力點(diǎn)位置的坐標(biāo)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(dǎo)軌第一支撐點(diǎn)受力的大小，式中F4表示導(dǎo)軌第二支撐點(diǎn)受力的大小.

3 舟體設(shè)計(jì)

舟體整體和鎖死機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示.龍舟隊(duì)因隊(duì)員身高不同、手臂長(zhǎng)短不同、坐高不同、力量大小不同、槳位不同，所以應(yīng)根據(jù)情況來(lái)選擇劃槳的長(zhǎng)度，以達(dá)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(yùn)動(dòng)員，應(yīng)對(duì)踏板增設(shè)可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)員的下肢差異，增強(qiáng)龍舟的適應(yīng)性.雙人陸地龍舟在舟體下方設(shè)有鎖死機(jī)構(gòu)，雙人陸地龍舟舟體鎖死機(jī)構(gòu)如圖3(b)所示.當(dāng)運(yùn)動(dòng)員伸直雙腿時(shí)，可選擇合適的踏板位置，由鎖死機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定.鎖死機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可嵌卡式，通過(guò)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(duì)位置變化，以滿足不同運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練要求.舟體前后方設(shè)有掛鉤，可連接多組訓(xùn)練器同時(shí)訓(xùn)練，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員之間的默契.

(a) 俯視圖

(b) 平視圖圖3 舟體整體和鎖死機(jī)構(gòu)示意圖

4 劃槳訓(xùn)練裝置設(shè)計(jì)

在一個(gè)劃槳周期內(nèi)肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)以及內(nèi)外弦兩側(cè)的腕關(guān)節(jié)都要處在科學(xué)合理的位置范圍，如果一旦發(fā)生錯(cuò)位就會(huì)影響船體的重心，船體的平衡被打破自然會(huì)直接影響賽艇的前進(jìn)方向以及前進(jìn)速度，加大運(yùn)動(dòng)員體力與耐力的過(guò)度消耗[9].運(yùn)動(dòng)員劃槳訓(xùn)練機(jī)構(gòu)由姿勢(shì)訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、上肢力量訓(xùn)練器兩部分組成(如圖4所示).為了使劃槳姿勢(shì)準(zhǔn)確，盡可能多的提供前進(jìn)的動(dòng)力，采用模擬真實(shí)的劃槳運(yùn)動(dòng)軌跡方式進(jìn)行訓(xùn)練，劃槳運(yùn)動(dòng)軌跡模擬裝置設(shè)計(jì)為內(nèi)外循環(huán)軌道樣式，訓(xùn)練槳與連接套件采用球連接的方式使訓(xùn)練槳可120°內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，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(dòng)力傳給鋼絲線，鋼絲線將動(dòng)力傳給風(fēng)輪，風(fēng)輪由于空氣阻力的影響，傳遞阻力給舟體，從而帶動(dòng)舟體前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)劃槳訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的前后運(yùn)動(dòng).內(nèi)外循環(huán)軌道是按照專業(yè)龍舟運(yùn)動(dòng)員的劃槳軌跡設(shè)計(jì)而成的，符合人體結(jié)構(gòu)學(xué)原理.訓(xùn)練槳采用的是將槳葉去掉的訓(xùn)練槳桿，連接套件代替槳葉.運(yùn)動(dòng)員通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的滑動(dòng)訓(xùn)練槳達(dá)到訓(xùn)練上肢力量的效果，使運(yùn)動(dòng)員長(zhǎng)時(shí)間在水面劃槳.

圖4 劃槳訓(xùn)練裝置示意圖

5 模擬水面裝置設(shè)計(jì)

當(dāng)龍舟運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行比賽時(shí)，由于兩名運(yùn)動(dòng)員的體重、身高和重心不同，會(huì)造成舟體前后傾斜搖晃.為模擬比賽時(shí)龍舟的狀態(tài)，雙人陸地龍舟訓(xùn)練器增設(shè)模擬水面裝置，模擬水面裝置由彈簧伸縮桿、壓力傳感器、導(dǎo)軌和舟體下方滑輪構(gòu)成，如圖5所示.導(dǎo)軌采用曲面設(shè)計(jì)，舟體通過(guò)下方滑輪帶動(dòng)，沿導(dǎo)軌進(jìn)行滑動(dòng)，模擬龍舟在行進(jìn)過(guò)程中的前后傾斜.彈簧伸縮桿的作用是防止傾斜角度過(guò)大造成舟體傾翻，維持舟體平衡，保護(hù)運(yùn)動(dòng)員不受傷害.每個(gè)彈簧伸縮桿上都設(shè)有壓力傳感器，當(dāng)船體向前傾斜時(shí)，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(jìn)行顯示.通過(guò)記錄壓力傳感器示數(shù)總結(jié)出兩名運(yùn)動(dòng)員分別對(duì)船的推力，實(shí)時(shí)向兩名運(yùn)動(dòng)員傳遞數(shù)據(jù)，使運(yùn)動(dòng)員可以及時(shí)做出調(diào)整，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練，兩名運(yùn)動(dòng)員對(duì)船的推力達(dá)到統(tǒng)一，增強(qiáng)劃槳效果.

圖5 模擬水面裝置示意圖

6 雙人陸地龍舟訓(xùn)練器整體設(shè)計(jì)

雙人陸地龍舟訓(xùn)練器總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，由安全平衡框架、舟體、劃槳訓(xùn)練裝置和模擬水面裝置構(gòu)成.安全平衡框架采用可拆卸的四柱式框架結(jié)構(gòu)，對(duì)舟體和運(yùn)動(dòng)員起到支撐和保護(hù)作用.舟體采用仿船舟式設(shè)計(jì)，增強(qiáng)訓(xùn)練的真實(shí)感，通過(guò)改變踏板與舟座的相對(duì)位置，適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)員的身高差異.龍舟運(yùn)動(dòng)拉槳運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)是運(yùn)動(dòng)員對(duì)技術(shù)動(dòng)作深入理解的過(guò)程：建立技術(shù)概念，形成技術(shù)動(dòng)作，最后達(dá)到動(dòng)作自動(dòng)化[10].劃槳訓(xùn)練裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的劃槳軌跡設(shè)計(jì)為軌道，約束運(yùn)動(dòng)員的劃槳姿勢(shì).前方設(shè)有上肢力量訓(xùn)練器，為運(yùn)動(dòng)員提供阻力，訓(xùn)練上肢力量，帶動(dòng)船體沿著導(dǎo)軌進(jìn)行前后移動(dòng).配合模擬水上裝置，使舟體在行進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)前后傾斜和左右搖擺.

7 結(jié) 論

為了解決龍舟運(yùn)動(dòng)員無(wú)法在陸地上進(jìn)行訓(xùn)練，研制了一款在陸地上模擬水上狀態(tài)，訓(xùn)練劃槳姿勢(shì)的雙人龍舟訓(xùn)練器.

(1)訓(xùn)練器采用可拆卸的四柱式框架結(jié)構(gòu)起達(dá)到保護(hù)作用，通過(guò)計(jì)算，分析了安全平衡框架的支撐能力，并對(duì)訓(xùn)練器的總重量進(jìn)行了校核.

(2)訓(xùn)練器采用踏板與卡槽相結(jié)合的方式，調(diào)節(jié)踏板與舟座之間的相應(yīng)位置適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)員的身高差異.

(3) 訓(xùn)練器通過(guò)將真實(shí)的劃槳軌跡體現(xiàn)出來(lái)的原理，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的劃槳技術(shù)動(dòng)作進(jìn)行規(guī)范化約束，讓運(yùn)動(dòng)員沿著循環(huán)軌道做規(guī)范的劃槳?jiǎng)幼鳎偻ㄟ^(guò)風(fēng)輪模擬水中的速度載荷.

(4)訓(xùn)練器通過(guò)曲面導(dǎo)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(yùn)行狀態(tài).