数字化短道速滑弯道专项力量训练器的研制

蒙猛　杨春怀

摘要：针对我国短道速滑运动员总体专项力量能力与韩国和世界优秀运动员的差距，尤其是在比赛中“突然加速”与弯道超越对手的能力较差的问题，设计一种数字化短道速度滑冰弯道力量训练器。训练器由底盘框架、梯形长方体钢框和平叉型框等构成框架，装有圆盘踏动传动系统、风阻转盘传动系统、压力传感器和光电开关传感器等，以及数据采集摄像机、计算机组成。运动员模拟弯道蹬动训练时，站在转盘边缘做双腿交叉剪切用力向右蹬动，使踏动转盘逆时针转动，来克服传动系统阻力、风阻力转盘产生的阻力负载，同时主轴的转速光码盘系统、压力传感器、摄像机将蹬动速率、压力、视频信号传给计算机模拟成动作压力周期曲线信号数据同时显示并记录，实现数据化训练，依据数据评估训练效果，提高运动成绩。

关键词：数字化； 短道速度滑冰； 弯道力量训练器

中图分类号：11G862.1 11文献标识码：11A11文章编号：111002ˉ3488（2011）05ˉ0092ˉ05

1引言

短道速滑是我国冬季运动奥运金牌争夺重点项

在冬季优势项目中表现突出，而近年逐步完成了新老交替，尤其是年轻选手的快速成长[1-2]。但我们看到，我国运动员的总体专项力量能力与韩国和世界优秀运动员有一定的差距，尤其是在比赛中“突然加速”与弯道超越对手的能力较差[3-4]。短道速滑是以弯道用力获得加速度为特点的项目。运动员在弯道突然加速过人，以及精确滑行线路的控制与长时间高速领滑技战术的实施，需要超强的专项力量耐力作为保障。在运动员陆地训练期，结合冰上技术、战术，快速蹬伸髋、膝和踝关节获取蹬冰加速度的反向阻力，并以实际比赛项目的技术动作程序步频、蹬动力量、时间等条件实施超负荷专项力量训练方法是获得专项力量耐力能力的必要手段和条件[5-6]，针对上述问题，借助多学科技术构建完善专项器材是重要技术内容。仅此，也是我们在备战冬奥会短道速滑过程中需要解决的瓶颈问题之一。2009年国家体育总局立项《数字化短道速滑弯道专项力量训练器研究》攻关课题，目的研究制造一种数字化陆地短道速滑弯道专项力量模拟训练器械，特别是运动员按照弯道技术条件进行强化模拟训练、根据获取蹬冰加速度大小的反向阻力要求调整外加阻力负荷并通过各传感系统、摄录系统将训练过程中的数据（蹬动力量、蹬动速率、动作视频）记录下来，进行分析评估，为短道运动员更科学地进行专项力量训练，提供新技术平台。目前短道速度滑冰专项力量模拟训练器的研究在国内研究应用较少，以往主要是借鉴速度滑冰陆地训练的方法手段较多，徒手的滑行滑跳等[7-8]，韩国加拿大等国是短道速滑强国，特别在专项力量训练能力训练方面有独到之处[9-10]，但在数字化专项器材研究方面报道较少，类似本研究的数字化陆地短道速滑弯道专项力量器械国内、外未见报道。

2.1结构设计

在对短道速滑弯道蹬冰技术结构、生物力学分析的基础上，设计了符合弯道蹬动技术的性能特征规律的训练器（图1）。

2.2主要结构功能

2.2.1框架结构与功能

由底盘框架、梯形长方体钢框、斜角钢支架、平叉型框组成的器械框架，在中通轴两端轴座内侧，对称焊接斜角钢支架，斜角钢支架外端焊接在平叉型框外端头上，平叉型框内端头焊接在中心轴套上，外端头焊接滑轮钢槽，嵌装托盘滑轮，水平叉型框架右端横连接梁中部固定一个带螺扣的铰链支杆，穿过固定梯形长方体钢框架右横框上的钢套中间的带螺扣的旋柄。中心轴上头端带有钢托盘并带有钢摩擦槽，长方体钢框架梯形横撑外两端处焊接铰链钢槽，安装铰链支杆，铰链支杆下端焊接鉸链钢槽，安装弹簧拉伸臂，弹簧拉伸臂另一端铰链固定在长方体钢框架外端中部，铰链支杆中部有连接杆，连接铰链支杆，上端连接杆上套装滑动靠臂，滑动靠臂上固定海绵靠托，风阻转盘轴套伸出一个钢臂，前端头带有轴承缸套。框架系统主要功能是定位了器械构建的空间位置和机械运动方式。

2.2.2踏动圆盘传动系统

钢托盘上面固定踏蹬圆盘，6个螺栓将踏蹬圆盘同心固定在中心轴钢托盘，梯形长方体钢框的方体框中间安装一个两头带有轴座的中通轴，中通轴的中部、中前部装有圆盘传动齿轮和风阻转盘传动伞齿轮，中心轴穿过中心轴套，端头固定1个中心轴伞齿轮与通轴的中部的圆盘传动齿轮啮合。踏动圆盘传动系统的功能是将运动员右向剪切蹬动产生圆盘旋转距力和转速，传给中通轴圆盘传动齿轮和风阻转盘传动伞齿轮并产生机械旋转摩擦阻力。

2.2.3风阻转盘阻力系统

长方体钢框架左侧横架上固定风阻转盘传动轴，右端头固定一个行走传动链轮和风阻转盘传动轴右伞齿轮，阻转盘传动右伞齿轮与通轴的中前部的圆盘传动齿轮啮合，风阻转盘传动轴左端头右伞齿轮与固定在长方体钢框架上的风阻转盘传动立伞轮啮合，传动立伞轮轴下端固定传动皮带轮，传动皮带轮上套有三角皮带，环绕在梯形长方体钢框架前横撑上固定的风阻转盘轴套伸出的风阻转盘轴下端的皮带轮上，风阻转盘轴上端均匀焊接6个叶片杆，叶片杆上均匀固定风阻叶片，风阻转盘轴顶端套有钢套，钢套上端焊接风阻转盘托钢板，风阻转盘托钢板上面固定风阻转盘。风阻转盘阻力系统的功能是倍增传动踏动圆盘转矩、速度使风阻转盘风阻叶片、高速旋转，使踏动圆盘产生反向阻力和产生视觉移动速度。

2.2.4行走系统

长方体钢框架左侧横架上固定风阻转盘传动轴，右端头固定一个行走传动链轮，行走牙轮上套装链条，连接固定在长方体钢框架中间连接架上的行走飞轮轴左端头的行走飞轮上，右端固定行走轮。行走系统的主要功能是可使整个训练器械在踏动圆盘转动时绕固定圆环半径旋转。

2.2.5倾角靠铰链支杆

长方体钢框架梯形横撑外两端处焊接铰链钢槽，安装铰链支杆，铰链支杆下端焊接铰链钢槽，安装弹簧拉伸臂，弹簧拉伸臂另一端铰链固定在长方体钢框架外端中部，铰链支杆中部有连接杆，连接铰链支杆，上端连接杆上套装滑动靠臂，滑动靠臂上固定海绵靠托，风阻转盘轴套伸出一个钢臂，前端头带有轴承缸套。运动员调整好踏动转盘的倾斜角度和转盘转动制动力后，站在转盘边缘做好弯道姿势，身体向左倾斜，肩、腰部靠在滑动靠臂上，左手握住支杆中部连接杆，双腿开始用力交叉剪切向右蹬动使踏动转盘逆时针转动，右臂同时摆动，倾角靠铰链支杆的功能是使身体固定变化的倾斜角度。

2.2.6数据采集与记录系统

托盘的底盘框架带有4个传感器，梯形长方体钢框架下面固定4块带窝套的钢板，窝套在传感器突出的圆柱头上，4个限位螺栓穿过长方体钢框和底盘框架将其限位固定。中通轴前端伸出轴座的端头嵌装1个轴转动光电开关码盘和光电开关传感器。一笔记本支架和摄像机在放置在器械的旁边。数据采集与记录系统的功能是在运动员训练过程中主轴的转速光码盘系统记录下主轴转速信号传给计算机模拟成蹬动速率信号数据，同时运动员踏动圆盘的动作压力由传感器产生压力信号传送给计算机模拟成动作压力周期曲线信号数据，同时，摄像机将训练过程的视频图像摄录在笔记本计算机上与模拟蹬动速率曲线、动作压力周期曲线数据同时显示记录。

软件及功能

9411冰雪运动11第33卷2.3工作原理

本数字化短道速度滑冰弯道力量训练器工作原理是：当运动员模拟弯道蹬动训练时，运动员调整好踏动转盘的倾斜角度和转盘转动制动力后，站在转盘边缘做好弯道姿势，身体向左倾斜，肩、腰部靠在滑动靠臂上，左手握住支杆中部连接杆，双腿开始用力交叉剪切向右蹬动使踏动转盘逆时针转动，右臂同时摆动，此时转动的踏动转盘中心轴头端的伞齿轮转动并传动主传动轴旋转，主传动轴前端风阻传动伞齿轮转动将风阻转盘传动轴右端头伞齿轮2：1转距传动给风阻转盘传动立伞轮并带动下皮带轮转动，下皮带轮又以2：1转距通过三角带将叶轮皮带轮转动风阻力转盘产生旋转风阻力，同时主轴的转速光码盘系统记录下主轴转速信号传给计算机模拟成蹬动速率信号数据，同时运动员踏动圆盘的动作压力由传感器产生压力信号传送给计算机模拟成动作压力周期曲线信号数据，同时，摄像机将训练过程的视频图像摄录在笔记本计算机上与模拟蹬动速率曲线、动作压力周期曲线数据同时显示记录，在训练过程中对风阻负荷变化轨迹进行自适应模拟成专项力量负荷与间歇节动奏，以及蹬动力实时测量，这种阻力源能自动跟踪运员肌肉力量的变化，实现对运动员运动参数如速度、蹬冰力、频率、幅度、功率数字化显示记录下来。

3实验与结果

3.1完成器械结构样机

本训练器在2011年8月完成实验样机（图2），并对其性能进行了调试，已达到了设计使用性能。

4结论与建议

利用现代多学科技术（机械、计算机、测量、视频技术）结合，实现了一种数字化陆地短道速滑弯道专项力量模拟训练器，经运动员的实验证明；器械构造的运动方式符合弯道蹬动技术（身体蹬冰腿内倾支撑45°膝关节前屈80°～60°、踝关节压缩小于60°后，快速伸展髋、膝和踝关节，脚跟最后阶段逐渐外展蹬冰）的性能特征。运动员可根据滑行加速度大小的要求，进行循环弯道蹬动训练，可调整加载器械阻力作用于蹬动腿，蹬动速度越快，风阻旋转盘阻力负荷越大的特点。通过各传感系统、摄录系统将训练过程中的数据（蹬动力量、蹬动速率、动作视频正面、侧面）记录下来，进行分析评估训练效果，为短道运动员更科学地进行专项力量训练，提供了新技术平台。

在数字化陆地短道速滑弯道专项力量模拟训练器的研制样机基础上，应进一步在结构功能、质量和使用方法等方面进一步研究、完善，并逐步进行其商品化开发，建议在运动队中积极推广与利用新数字化陆地短道速滑弯道专项力量模拟训练器的技术平台进行实验与训练，提高短道速滑运动员专项力量能力水平。9611冰雪运动11第33卷

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责任编辑：张连涛