冰球運動員“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”穿戴式負載模塊研究

韓 帥，唐 琨，張佳欣，宋赫奕，張連濤

（1.黑龍江省體育科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150008；2.黑龍江建筑職業技術學院 軍事體育部，黑龍江 哈爾濱 150025；3.哈爾濱醫科大學 體育教研部，黑龍江 哈爾濱 150081）

1 引言

冰球作為一項基于對抗的快節奏運動，較強的力量是冰球運動員最不可或缺的體能要素。同時因為人種與體質的差異，我國冰球運動員體重相比外國優秀運動員要輕，力量方面的運動素質也普遍偏低，從而更加凸顯出增強體能訓練的重要意義。對于體能訓練的方法，負重式練習在田徑、籃球、排球等競賽項目，以及健美運動和大眾健身上都有廣泛應用，速度滑冰也有以此作為陸地輔助訓練手段的嘗試，但直接在冰面上進行負重式訓練目前尚缺乏針對性研究。

黑龍江省作為我國冰球項目的發源地，在青少年冰球運動員的訓練中曾長期使用傳統的冰上力量訓練方法，如通常會采取牽拉輪胎的方式滑行。此舉雖然可以依靠拖拽重物鍛煉力量，但在訓練效果、器材質量、安全性上都難盡人意，“可穿戴式冰上抗阻訓練器”也正是基于這樣的狀況和需求，值得進行研發應用。

2 “可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”穿戴式負載模塊設計思想

2.1 整體預想設計

此前的研究已對“可穿戴式冰上抗阻訓練器”的功用和研發意義作了闡述，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”中的穿戴式負載模塊（圖1），重點對其整體結構、材料選擇和連接方式進行設計。

圖1 穿戴式負載模塊預想結構Figure 1. Expected structure of wearable load module

2.2 穿戴式負載模塊的優化

本次研究的模塊是訓練器的最后一部分，因其裝配在冰球運動員的身體上，由運動員借助“鏈接與緩沖模塊”牽引“外抗阻負載與滑行模塊”，或可在本模塊上懸掛其他小型重物進行單獨使用，從而將其命名為“穿戴式負載模塊”。基于此前的研究已將腰部作為鏈接及牽引連桿的理想位置，即知本模塊需穿戴于冰球運動員的上身，為增強使用整套器材訓練時的安全性，可將其穿戴在冰球護具之外。由于本模塊與運動員接觸最為緊密，因此需額外圍繞簡易適用的目標和預期的使用感受，對穿戴式負載模塊的設計進行論述。

由圖1可知，穿戴式負載模塊的預想結構中包含10個部件。但在對“外抗阻負載與滑行模塊”和“鏈接與緩沖模塊”的設計過程中，以及同冰球教練員及運動員進行交流后，研究逐漸對穿戴式負載模塊的核心功能和使用方法有了進一步的理解，意識到可以通過優化預想結構中的若干部件，在滿足必要功能的前提下，精簡結構，節約成本，設計出更加合理有效、便于穿戴的模塊。

優化的部分一方面涉及與手臂及頸肩關聯的部件。其中，部件7“臂部阻力彈帶”市場成品較多，可以根據需要進行購置，作為額外的配件加掛于模塊，無需另行設計；部件8“懸吊肩帶”和部件10“頸肩掛帶托”的設計初衷，是為了借助肩部搭掛保障模塊不下墜脫落，更貼合“穿戴式”模塊樣貌。但隨著研究的深入，越發強調模塊直接在腰部實現穩固穿戴，同時肩帶也需要根據運動員的不同身長制成可伸縮樣式，增加了器材穿戴時的麻煩，從而對部件8和部件10進行了刪減。

優化的部分另一方面涉及較多的腰部部件。其中，部件1～6的“內、外轉動鋼環”“內外轉動鋼環轉動支撐輪”“外轉動鋼環上、下托轉動輪”“外轉動鋼環轉動輪固定螺桿”等，設計初衷是內圈鋼環主要用于運動員穿戴，外圈鋼環主要用于連接負載，內外圈鋼環之間設有滾輪，從而實現對外部負載的動態牽引。但隨著研究的深入，發現預想的設計會不可避免地造成復雜結構，精細的滾輪能否在反復承受應力之下不變形、不失效存在未知，外部負載如何與外圈鋼環進行連接并實現便捷的拆卸也成為問題。因此，在腰部部件的核心功能——“穩固穿戴＋牽引外部負載”未能得到突出發揮的情況下，僅自身結構上就存在諸多障礙顯然是事倍功半的，對其進行精簡也就成為必然。關于腰部部件的改進設計，將在3.1節、3.2節做更具體的分析論述。此外，對于部件9“負重塊裝袋”，其情況與部件7“臂部阻力彈帶”大體類似。綜上所述，研究對穿戴式負載模塊的預想結構進行了較大幅度的修改，總體上朝著更簡易、更便捷的方向加以設計。

3 “可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”穿戴式負載模塊部件材料選擇與結構

3.1 腰部穿戴部件的選擇

隨著對穿戴式負載模塊預想結構的優化，對模塊的設計便集中在腰部部件。除為了滿足模塊簡易適用的需求外，研究舍棄鋼環結構的另一方面重要原因在于，內徑固定的鋼環無法有效調節松緊，適用范圍較窄。如內徑設定過小，則運動員不易將鋼環穿戴于冰球護具之外；如內徑設定過大，加之去掉肩帶等部件，在使用時鋼環容易脫落。想讓模塊能夠適合不同身型和腰圍的冰球運動員使用，就必須保證腰部穿戴部件可以調節松緊，故而腰帶類設計就此替代了直徑固定的鋼環結構。

在確定了改進方向后，研究最先考慮采用的是類似于金屬擰箍的部件，其既保障了一定的結構強度，也可通過手動旋擰調節松緊。但經查詢各種規格的金屬擰箍產品之后發現，無論擰箍的內徑是大是小、箍帶是寬是窄、箍環單層雙層，其共有的特點是箍帶皆由較薄的鋁合金所制。從擰箍“收束管體”的標準功用來說，使用金屬薄帶恰如其分，但如將之作為腰帶用于牽引外部負載，則會存在一些問題。一是較薄的鋁合金箍帶常規僅用于靜態加固，而非反復承受應力，自身材料強度難以保證；二是為連接外部負載，需要在箍帶上焊接或者穿鉚連接部件，焊點的高溫或鉆孔的去料將進一步導致箍帶強度下降，有可能在外部負載過大時出現突然斷裂；三是依靠螺紋方式實現的松緊調節，可能會隨著箍帶的磨損出現打滑或是松扣，運動員穿戴金屬擰箍的感受也未必良好。綜上所述，采用金屬制帶的設想亦被淘汰。

問題似乎瞬間變得簡單起來，直接采用日常所使的皮帶不就行了嗎？事實也的確如此，皮帶兼具足夠的抗拉強度、方便調節松緊和穿戴便捷舒適等諸多優點，可以基本滿足使用要求。但這里仍有兩個問題值得探討：一是皮帶的彈性如何選取更為適宜，二是皮帶如何與外部負載進行連接，尤其要防止連接部件對軟質皮帶造成過快的磨損。關于彈性問題，研究準備了一條日用皮帶和一條彈力腰帶，由冰球運動員分別穿戴后進行冰面牽拉重物的測試。結果發現，當重物較輕時，運動員使用皮帶和彈力帶牽拉的效果與感受無明顯差別。但隨著重物質量的增加，運動員的起動逐漸變得困難，此時穿戴皮帶牽拉的重物呈現分段突進式滑動，運動員的腹部也有勒緊的感覺；穿戴彈力帶牽拉的重物呈現緩慢加速式滑動，運動員的發力也變得更加平穩。由此可知，盡管同為軟質腰帶，但使腰帶具有一定的伸縮彈性更宜于冰球運動員保持流暢的技術動作；雖然需要額外克服一部分來自彈力帶本身的彈性阻力，但相比于驟增驟降的發力方式，相對平緩的力量變化也有助于減少運動員脊柱和腰腹部肌肉的損傷。因此，研究進一步替換掉日用皮帶，選取彈力腰帶作為模塊的穿戴部件。此外也可根據需要，在彈力腰帶上臨時加掛預想結構中的部件7“臂部阻力彈帶”，彈帶另一端綁接在運動員手腕處，輔助手臂力量訓練。關于外部連接問題，由于涉及連接部件的結構及對滑動方式的選擇，將在3.2節中做具體論述。

3.2 腰部連接部件的設計

在確定了模塊的穿戴部件為彈力腰帶后，隨之而來的就是設計與之連接的部件。此部件既要能緊密固定在彈力腰帶上，也要能穿入連桿的金屬閉合掛環實現對接，還同時決定了連桿近身端的滑動方式，可以說是關乎冰球運動員部分人身安全、穿戴感受和器材應用效果的一個核心部件。為同時滿足上述設計要求，研究將腰部連接部件進一步拆分成兩部分，分別用于固定彈力腰帶和滑動對接連桿，并各自命名為“固定組件”和“滑接組件”。

3.2.1 固定組件的設計

這一組件要解決如何與彈力腰帶進行固定的問題。由于彈力腰帶為軟質材料且要反復承受應力，因此無法采取如金屬間的焊接或者穿鉚等方式加以固定；粘合或縫制的方式也會因低溫、受力的應用環境而易于失效。對此，研究在淘汰了多種連接方案后，最終采取讓彈力腰帶居中、固定組件從正反兩面夾緊腰帶，利用兩者發生相對運動趨勢時產生的巨大靜摩擦力實現固定，并最大限度地減少腰帶的磨損。固定組件規格要同彈力腰帶相匹配，并要設有穿連“滑接組件”的掛環，具體結構尺寸，見圖2。相同的固定組件需制作2個，對應“滑接組件”的水平寬度及冰球運動員腰部正后方，固定在彈力腰帶上。為實現夾緊固定效果，固定組件整體采用金屬材料，每個固定組件的“夾板”要從中央一分為二；兩個夾層內表面可制出紋理，用于增大接觸面的粗糙程度；在四角設置直徑3 mm的螺孔，穿入4個螺釘對接“夾板”，通過增大壓力進一步實現加固，并適應組合應力的使用環境。固定組件的整體樣式，見圖3。

圖2 固定組件結構尺寸示意Figure 2. Structural dimension diagram of fixed components

圖3 固定組件三維示意Figure 3. 3D schematic diagram of fixed components

3.2.2 滑接組件的設計

這一組件要解決如何與連桿近身端進行對接的問題。由于此前的研究已經確定連桿和冰球運動員腰部進行靈活的連接，因此這里首先要完成對近身端滑動方式的選擇，其次才是對近身端連接結構的設計。

在機械制造領域，可以實現靈活滑動的方式多種多樣，例如常見的滾珠結構、滑槽結構和滑桿結構等。從結構的復雜程度上來說，滾珠結構因精度較高最難制作，滑槽結構其次，滑桿結構相對簡易；從產生摩擦力的大小來說，滾珠因是滾動摩擦自然最小，滑槽和滑桿應大致接近。采用滾珠雖然滑動效果最佳，但由于自身較為精細，易在受到外力沖撞時發生變形，從而因磨損影響使用，潤滑性也不易保證。采用滑槽將形成類似于曲柄滑塊結構的連接方式，但與模塊要便于穿戴及拆卸的需求不符；滑塊接觸滑槽的摩擦面較多，且滑槽間隙產生的碰撞力也會影響結構運動的穩定性。滑桿結構中由于閉合掛環為金屬弧面，發生相對運動時可以兼有滾動摩擦與滑動摩擦，對潤滑性要求不高；閉合掛環金屬材料強度也可以滿足牽引外部負載時各個方向的應力。出于簡易且經濟的考慮，研究經綜合對比后，選擇使用滑桿結構作為近身端靈活連接的滑動方式。

基于確定了滑桿連接的方式，滑接組件整體即可制成直徑略小于10 mm的金屬圓桿，同固定組件進行匹配。使用時在滑桿中央穿入連桿金屬閉合掛環，兩側分別穿過固定組件的掛環，連接在冰球運動員的腰部正后方。滑桿中段保持光滑，兩端可制成螺紋，用于加裝手動螺母進一步實現固定。為避免轉向或減速時連桿掛環頂撞到運動員腰部，滑桿可以設計成直角曲桿，至少在連桿掛環和運動員腰部之間保留10 mm的間距。為防止連桿掛環在水平方向滑動范圍過大，出現外部負載“甩尾”失控的現象，并結合冰球運動員腰部的正常寬度，研究將曲桿用于充當滑桿的部分設定為200 mm（對應2個固定組件的間距也為200 mm），以此控制外部負載的擺動范圍。滑接組件的整體規格及樣式，見圖4。此外，滑接組件在不穿接連桿及外部負載時，也可懸掛預想結構中的部件9“負重塊裝袋”，作為穿戴式負載輔助力量訓練。

圖4 滑接組件結構尺寸及三維示意Figure 4. Structural dimension and 3D schematic diagram of sliding assembly

4 結語

“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”的研發，旨在提升我國冰球運動員體能和技術能力。穿戴式負載模塊需重視結構的安全性、穿卸的便捷性及使用的穩定性，進而再與訓練器的其他模塊協同發揮功用。研究得出了相對適宜的模塊制造方案：在不改變模塊核心功能、不影響模塊發揮作用的前提下，對預想結構進行大幅度優化；選取彈力腰帶作為模塊的穿戴部件，能在保障穿戴緊湊、便捷、舒適的同時，使冰球運動員保持流暢的技術動作；內外連接方面，設計固定組件從兩面夾緊彈力腰帶，依靠靜摩擦力進行固定，選擇滑桿結構作為近身端靈活連接的滑動方式，以直角曲桿作為滑接組件，控制外部負載的擺動范圍。“可穿戴式冰上負載抗阻訓練器”至此完成總體設計，后續將嘗試在冰球運動員的實際訓練中進行應用，檢驗其實際輔助效果。