冰球運(yùn)動員“可穿戴式冰上負(fù)載抗阻訓(xùn)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(yùn)動員“可穿戴式冰上負(fù)載抗阻訓(xùn)練器”整體構(gòu)想的基礎(chǔ)上，研發(fā)訓(xùn)練器的鏈接與緩沖模塊。采用實(shí)驗(yàn)、文獻(xiàn)資料、邏輯分析等方法，以連接部件的形式與尺寸、外負(fù)載端的連接方式、近身端的連接方式等幾個(gè)方面為研發(fā)要點(diǎn)，通過對設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)品的不斷篩選，優(yōu)化得出訓(xùn)練器的鏈接與緩沖模塊的基本結(jié)構(gòu)與材料選擇。

關(guān)鍵詞：冰球;冰上負(fù)載;抗阻訓(xùn)練器;鏈接與緩沖模塊

中圖分類號：G862.3/G818.3? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàng)非常注重體能的運(yùn)動項(xiàng)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(qiáng)的觀賞性。國外冰球發(fā)達(dá)國家不止在賽事體系建設(shè)[1-2]、人才培養(yǎng)模式[3-4]、冰球文化塑造[5]上理念先進(jìn)，保障到位，對于冰球運(yùn)動員的科學(xué)訓(xùn)練[6]、體能恢復(fù)[7]、運(yùn)動康復(fù)[8]等方面也都有著精細(xì)的研究，因此其冰球隊(duì)具有高水平的競賽能力是理所當(dāng)然的;而我國在對冰球運(yùn)動認(rèn)知和發(fā)展方面的諸多滯后，也正是亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。

為了縮小我國同國外冰球發(fā)達(dá)國家在冰球競技水平上的差距，我們除了要在管理和訓(xùn)練方法上借鑒國外冰球發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)外，還應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究、訓(xùn)練器材研發(fā)等方面的力度，以此促進(jìn)我國冰球運(yùn)動員競技水平的提高[9]。據(jù)前期調(diào)查，當(dāng)前國內(nèi)針對冰球運(yùn)動的器材專利涉及裝備、場地、射門訓(xùn)練、傳球訓(xùn)練等方面，市場具體應(yīng)用情況不明;同時(shí)未見有針對冰球運(yùn)動員下肢專項(xiàng)力量的輔助訓(xùn)練器材，成型的下肢專項(xiàng)力量訓(xùn)練器材則多數(shù)應(yīng)用于田徑等陸地項(xiàng)目上[10]。對此，研究關(guān)注冰球運(yùn)動員下肢專項(xiàng)力量的提升，聚焦于冰球訓(xùn)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(shè)計(jì)“可穿戴式冰上抗阻訓(xùn)練器”，在填補(bǔ)國內(nèi)研發(fā)空白的同時(shí)也具有創(chuàng)新應(yīng)用價(jià)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(xùn)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(fù)載抗阻訓(xùn)練器”的雛形構(gòu)想中，訓(xùn)練器主要由三部分模塊構(gòu)成：1.外抗阻負(fù)載與滑行模塊;2.鏈接與緩沖模塊;3.穿戴式負(fù)載模塊。本文研究對象為“可穿戴式冰上負(fù)載抗阻訓(xùn)練器”中的鏈接與緩沖模塊（圖1），重點(diǎn)對其整體結(jié)構(gòu)及材料選擇進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 研究方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)法

圍繞鏈接與緩沖模塊的形態(tài)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(jìn)行備選方案的定性與定量比較實(shí)驗(yàn);基于相近方案的共同預(yù)期目標(biāo)，比較各類方案間的效果差異;最后根據(jù)各項(xiàng)對比結(jié)果，綜合考量得出適宜的模塊設(shè)計(jì)方案，作為后續(xù)生產(chǎn)及測試應(yīng)用的訓(xùn)練器材。

2.2.2 文獻(xiàn)資料法

利用中國知網(wǎng)、維普數(shù)據(jù)庫、谷歌學(xué)術(shù)等國內(nèi)外專業(yè)學(xué)術(shù)網(wǎng)站，對冰球運(yùn)動員相關(guān)訓(xùn)練器材、運(yùn)動器械材料、機(jī)械連接結(jié)構(gòu)等進(jìn)行文獻(xiàn)內(nèi)容檢索，為本文提供可借鑒的研究基礎(chǔ)。

2.2.3 邏輯分析法

圍繞“可穿戴式冰上負(fù)載抗阻訓(xùn)練器”中的鏈接與緩沖模塊簡易適用的目標(biāo)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的若干備選方案，制作簡易實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⒖紤]整體的制作成本，得出適宜的鏈接與緩沖模塊設(shè)計(jì)結(jié)果。后續(xù)待結(jié)合“可穿戴式冰上負(fù)載抗阻訓(xùn)練器”整體的配套使用，以及冰球運(yùn)動員的實(shí)際體驗(yàn)，檢驗(yàn)本模塊的鏈接與緩沖效果，評估是否有助于提高冰球運(yùn)動員的專項(xiàng)訓(xùn)練能力。

3 模塊設(shè)計(jì)與研究結(jié)果

由于本次研究的模塊位于“外抗阻負(fù)載與滑行模塊”與“穿戴式負(fù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和狀態(tài)的相對穩(wěn)固，才能帶動訓(xùn)練器整體的協(xié)調(diào)運(yùn)動。以下將根據(jù)鏈接與緩沖模塊細(xì)分的部位和發(fā)揮的特點(diǎn)，分別進(jìn)行有側(cè)重面的設(shè)計(jì)和論述。

3.1 連接部件主體設(shè)計(jì)及材料選擇

鏈接與緩沖模塊是整套訓(xùn)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(fù)載托盤和穿戴式負(fù)載模塊上的兩處掛環(huán)。連接部件主體應(yīng)較為輕便，具備抗拉性，受壓力和彎折時(shí)要具有一定的韌性。據(jù)此可輕易排除繩、鏈等柔性連接結(jié)構(gòu)，因其無法在縱向承受壓力或橫向彎折時(shí)保持穩(wěn)定形態(tài)，進(jìn)而連桿成為最適宜的選擇。

連桿設(shè)計(jì)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。基于便捷發(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(fù)載（即追求更多前進(jìn)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(yùn)動員身高的差異會對連接的高度產(chǎn)生影響。對此，本文參考了吳健波[11]學(xué)位論文中引用的阿爾文·狄里（Alvin R. Tilley）和亨利·德里福斯事務(wù)所（Henry Dreyfuss Associates）編輯所著《設(shè)計(jì)中的男女尺度（The Measure of Man&Woman Factors in Design）》一書中總結(jié)的數(shù)據(jù)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(fù)載托盤的中軸面（垂直于地面）為基準(zhǔn)，設(shè)中軸面上運(yùn)動員穿冰球刀直立時(shí)腰部連接點(diǎn)與掛環(huán)的連線與地面呈60°為最大傾角;經(jīng)取樣測量，運(yùn)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(jù)圖2，由三角函數(shù)關(guān)系可知：

代入各高度數(shù)值，計(jì)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(yīng)不短于1.2 m，實(shí)際應(yīng)用中為適應(yīng)不同運(yùn)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(zhuǎn)向與減速的過程中增強(qiáng)緩沖作用，因此排除金屬制桿。從當(dāng)前體育器材中廣泛應(yīng)用的材料來看，要同時(shí)具有質(zhì)輕、力學(xué)性能優(yōu)異、良好的加工成型性能和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是較為理想的選擇[12]。經(jīng)查詢材料的部分參數(shù)，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(shù)據(jù)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(dāng)然兩者都遠(yuǎn)不會在冰面牽引“外抗阻負(fù)載與滑行模塊”時(shí)達(dá)到材料的極限拉伸強(qiáng)度。其中相對重要的指標(biāo)是連桿的抗彎強(qiáng)度，盡管訓(xùn)練器在實(shí)際使用過程中可能產(chǎn)生的彎曲力也不易達(dá)到材料的極限抗彎強(qiáng)度，但碳纖維和玻璃纖維均屬脆性材料，在受力過大時(shí)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(fù)只能更換，因此對于經(jīng)常會承受彎曲力的連桿部件來說，選擇抗彎強(qiáng)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(guān)乎連桿粗細(xì)的選擇，對此，如按常見的直徑20 mm碳纖維桿的極限抗彎強(qiáng)度計(jì)算，連桿抗彎能力約為408.2 N。根據(jù)此前對青年冰球運(yùn)動員牽拉輪胎滑行能力的測驗(yàn)，能力突出者最多能在冰上同時(shí)牽拉3個(gè)輪胎（單個(gè)輪胎平均質(zhì)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(yùn)動員牽拉能力更強(qiáng)、滑行速度更高、急停距離更短等。設(shè)以超量的60 kg（5個(gè)輪胎）負(fù)載計(jì)算，并要求在1 m的直線距離內(nèi)勻減速至靜止，則按連桿抗彎能力計(jì)算，加速度約為-6.8 m/s2，可以對應(yīng)承受的最大滑行速度約為3.7 m/s。牽拉的負(fù)載越重，運(yùn)動員所能達(dá)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(yùn)動員滑行速度的研究中，測得我國優(yōu)秀青年女子冰球運(yùn)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(fù)載的情況下，還要使運(yùn)動員達(dá)到我國優(yōu)秀青年女子冰球運(yùn)動員正滑36 m平均速度的70%，顯得特別不切實(shí)際。因此，連桿（內(nèi)芯）使用直徑20 mm的碳纖維桿完全可以承受降速時(shí)的緩沖壓力，如在實(shí)際使用過程中各方向受力均在材料應(yīng)力范圍內(nèi)，也可適當(dāng)采用空心連桿代替實(shí)心連桿，以進(jìn)一步降低重量、增大彈性。

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

3.2 外負(fù)載端連接結(jié)構(gòu)與成品

在鏈接與緩沖模塊同“外抗阻負(fù)載與滑行模塊”的接觸部位，連接結(jié)構(gòu)主要用于提供牽引力或制動力，重點(diǎn)發(fā)揮出鏈接的作用。根據(jù)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(fù)載與滑行模塊”中的滑動負(fù)載托盤牢固相連，才能有效牽引托盤進(jìn)行運(yùn)動。而如何實(shí)現(xiàn)牢固連接是本節(jié)研究的重點(diǎn)，即設(shè)計(jì)連桿外負(fù)載端的連接結(jié)構(gòu)。

根據(jù)對“外抗阻負(fù)載與滑行模塊”中滑動負(fù)載托盤掛環(huán)的設(shè)計(jì)[9]，鏈接與緩沖模塊需要同該“寬掛環(huán)”進(jìn)行匹配連接，才能有效發(fā)揮鏈接作用。由于兩個(gè)模塊之間僅有此一個(gè)連接處，因此鏈接與緩沖模塊的外負(fù)載端結(jié)構(gòu)必須要卡緊“寬掛環(huán)”，不能使兩個(gè)模塊發(fā)生相對的水平位移，才能夠保證外部負(fù)載在運(yùn)行時(shí)被有效牽引。對此，研究特別設(shè)計(jì)了金屬U型掛環(huán)（圖3）與滑動負(fù)載托盤的“寬掛環(huán)”對接，連接時(shí)U型掛環(huán)的2個(gè)卡臂從兩側(cè)夾住“寬掛環(huán)”，使卡臂的2個(gè)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(jìn)行固定，實(shí)現(xiàn)外負(fù)載端的穩(wěn)定鏈接。其中，金屬銷的橫截面直徑應(yīng)略小于10 mm，以使其能在掛環(huán)孔中實(shí)現(xiàn)順暢的軸向旋轉(zhuǎn)。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(shè)計(jì)成圓槽，通過將連桿插入圓槽后再橫向鉆孔穿銷，從而實(shí)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(jié)構(gòu)與成品

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

所謂靈活的連接，即是使連桿的近身端可以相對運(yùn)動員的身體進(jìn)行位移。此位移因是發(fā)生在運(yùn)動員各種動作姿態(tài)之時(shí)、各種運(yùn)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(yùn)動員的安全和進(jìn)行有效控制。因此連桿近身端的位移應(yīng)當(dāng)發(fā)生在水平方向，即環(huán)繞運(yùn)動員的腰部進(jìn)行滑動。可以滿足滑動的結(jié)構(gòu)多種多樣，實(shí)際上，連桿近身端的連接結(jié)構(gòu)是與“穿戴式負(fù)載模塊”的部分結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。為合理劃分研究篇幅，有關(guān)近身端滑動方式選擇的分析，以及相應(yīng)的“穿戴式負(fù)載模塊”的對接結(jié)構(gòu)，將在后續(xù)對“穿戴式負(fù)載模塊”的研究中進(jìn)行專章論述，這里暫只介紹連桿近身端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(shè)計(jì)了金屬閉合掛環(huán)（圖5）與“穿戴式負(fù)載模塊”連接。閉合掛環(huán)設(shè)置20 mm的環(huán)孔直徑，使其能有較寬的水平轉(zhuǎn)向幅度和實(shí)現(xiàn)順暢的軸向旋轉(zhuǎn);金屬環(huán)體直徑10 mm，以保證其在受力時(shí)具有足夠的零件強(qiáng)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(shè)計(jì)成圓槽，通過將連桿插入圓槽后再橫向鉆孔穿銷，從而實(shí)現(xiàn)閉合掛環(huán)與連桿的穩(wěn)定鏈接。

4 結(jié)語

“可穿戴式冰上負(fù)載抗阻訓(xùn)練器”的研發(fā)，旨在提升我國冰球運(yùn)動員體能和技術(shù)能力。鏈接與緩沖模塊作為抗阻訓(xùn)練器中重要的連接部分，只有其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定靈活的運(yùn)轉(zhuǎn)銜接，才能使整個(gè)抗阻訓(xùn)練器得以安全有效地發(fā)揮功用。經(jīng)過對鏈接與緩沖模塊進(jìn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiān)韌與輕便;外負(fù)載端設(shè)計(jì)金屬U型掛環(huán)，通過穿銷牢固對接滑動負(fù)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(shè)計(jì)金屬閉合掛環(huán)沿腰部滑動，便于運(yùn)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(yùn)動員的人身安全。通過對冰球輔助訓(xùn)練器材的研發(fā)與應(yīng)用，促進(jìn)冰球運(yùn)動員下肢專項(xiàng)力量和滑行耐力素質(zhì)的提升，助其提高運(yùn)動成績。

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