冰球运动员“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”链接与缓冲模块研究

韩帅 王灿 张佳欣 宋赫奕 张连涛

摘 要：在冰球运动员“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”整体构想的基础上，研发训练器的链接与缓冲模块。采用实验、文献资料、逻辑分析等方法，以连接部件的形式与尺寸、外负载端的连接方式、近身端的连接方式等几个方面为研发要点，通过对设计方案、实验品的不断筛选，优化得出训练器的链接与缓冲模块的基本结构与材料选择。

关键词：冰球;冰上负载;抗阻训练器;链接与缓冲模块

中图分类号：G862.3/G818.3                  文献标识码：A                  文章编号：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

冰球是一项非常注重体能的运动项目，冰球比赛有着快速的攻防节奏和激烈的身体对抗，因而具有很强的观赏性。国外冰球发达国家不止在赛事体系建设[1-2]、人才培养模式[3-4]、冰球文化塑造[5]上理念先进，保障到位，对于冰球运动员的科学训练[6]、体能恢复[7]、运动康复[8]等方面也都有着精细的研究，因此其冰球队具有高水平的竞赛能力是理所当然的;而我国在对冰球运动认知和发展方面的诸多滞后，也正是亟待解决的现实问题。

为了缩小我国同国外冰球发达国家在冰球竞技水平上的差距，我们除了要在管理和训练方法上借鉴国外冰球发达国家的先进经验外，还应加强基础科学研究、训练器材研发等方面的力度，以此促进我国冰球运动员竞技水平的提高[9]。据前期调查，当前国内针对冰球运动的器材专利涉及装备、场地、射门训练、传球训练等方面，市场具体应用情况不明;同时未见有针对冰球运动员下肢专项力量的辅助训练器材，成型的下肢专项力量训练器材则多数应用于田径等陆地项目上[10]。对此，研究关注冰球运动员下肢专项力量的提升，聚焦于冰球训练器材的研发，并将器材使用场景从常见的陆地移至冰上，设计“可穿戴式冰上抗阻训练器”，在填补国内研发空白的同时也具有创新应用价值。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

此前的研究[9]已对“可穿戴式冰上抗阻训练器”的功用和研发意义作了阐述，本文不再赘述。在“可穿戴式冰上負载抗阻训练器”的雏形构想中，训练器主要由三部分模块构成：1.外抗阻负载与滑行模块;2.链接与缓冲模块;3.穿戴式负载模块。本文研究对象为“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”中的链接与缓冲模块（图1），重点对其整体结构及材料选择进行设计。

2.2 研究方法

2.2.1 实验法

围绕链接与缓冲模块的形态及结构设计、主体部件材料的选择、同其他模块的连接与匹配等几方面，分别进行备选方案的定性与定量比较实验;基于相近方案的共同预期目标，比较各类方案间的效果差异;最后根据各项对比结果，综合考量得出适宜的模块设计方案，作为后续生产及测试应用的训练器材。

2.2.2 文献资料法

利用中国知网、维普数据库、谷歌学术等国内外专业学术网站，对冰球运动员相关训练器材、运动器械材料、机械连接结构等进行文献内容检索，为本文提供可借鉴的研究基础。

2.2.3 逻辑分析法

围绕“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”中的链接与缓冲模块简易适用的目标，针对主体部件规格尺寸、材料选择，以及同其他模块连接结构设计的若干备选方案，制作简易实验模型并考虑整体的制作成本，得出适宜的链接与缓冲模块设计结果。后续待结合“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”整体的配套使用，以及冰球运动员的实际体验，检验本模块的链接与缓冲效果，评估是否有助于提高冰球运动员的专项训练能力。

3 模块设计与研究结果

由于本次研究的模块位于“外抗阻负载与滑行模块”与“穿戴式负载模块”之间，其在起动与加速的过程中主要发挥链接的作用，而在转向与减速的过程中主要起到缓冲的作用，因此将其合称命名为“链接与缓冲模块”。但无论链接与缓冲模块发挥哪种作用，都要保证连接结构和状态的相对稳固，才能带动训练器整体的协调运动。以下将根据链接与缓冲模块细分的部位和发挥的特点，分别进行有侧重面的设计和论述。

3.1 连接部件主体设计及材料选择

链接与缓冲模块是整套训练器的中央环节，模块主体的两端需固定有金属挂环，分别用于连接滑动负载托盘和穿戴式负载模块上的两处挂环。连接部件主体应较为轻便，具备抗拉性，受压力和弯折时要具有一定的韧性。据此可轻易排除绳、链等柔性连接结构，因其无法在纵向承受压力或横向弯折时保持稳定形态，进而连杆成为最适宜的选择。

连杆设计首先要研究长度的问题，长度则取决于人体牵引连杆的部位。基于便捷发力、不使连杆过长以及不把牵引力过多用于竖直方向提拉负载（即追求更多前进方向分力）等综合因素的考量，连杆链接人体的部位不能太高，因此腰部成为理想选择，而运动员身高的差异会对连接的高度产生影响。对此，本文参考了吴健波[11]学位论文中引用的阿尔文·狄里（Alvin R. Tilley）和亨利·德里福斯事务所（Henry Dreyfuss Associates）编辑所著《设计中的男女尺度（The Measure of Man&Woman Factors in Design）》一书中总结的数据资料：男性腰部平均高度为1 016 mm，其身材比例与中国人体尺寸比例非常相近。此外，研究以人体和滑动负载托盘的中轴面（垂直于地面）为基准，设中轴面上运动员穿冰球刀直立时腰部连接点与挂环的连线与地面呈60°为最大倾角;经取样测量，运动员穿冰球刀平均可增加高度92 mm;挂环横截面中心距离地面高度为63 mm。则根据图2，由三角函数关系可知：

代入各高度数值，计算得L连杆≈1 206.66 mm，可近似得知连杆长度（不含两端金属挂环）应不短于1.2 m，实际应用中为适应不同运动员身高的差异，可制作长度为1.4～1.5 m的连杆。在连杆主体材料的选择上，各类金属材料由于密度、硬度较大，缺乏韧性，不利于在转向与减速的过程中增强缓冲作用，因此排除金属制杆。从当前体育器材中广泛应用的材料来看，要同时具有质轻、力学性能优异、良好的加工成型性能和可设计性强等众多优点，纤维增强复合材料是较为理想的选择[12]。经查询材料的部分参数，符合连杆需求的材料大体包括玻璃纤维和碳纤维，两种材料主要特性的对比，见表1。

从上述材料特性数据的对比情况来看，相同形体的碳纤维材料制杆比玻璃纤维材料制杆重量更轻、更耐拉伸，当然两者都远不会在冰面牵引“外抗阻负载与滑行模块”时达到材料的极限拉伸强度。其中相对重要的指标是连杆的抗弯强度，尽管训练器在实际使用过程中可能产生的弯曲力也不易达到材料的极限抗弯强度，但碳纤维和玻璃纤维均属脆性材料，在受力过大时不会发生大幅度形变，而是直接断裂，在微观层面表现为界面破坏和纤维断裂综合作用下造成的多级破坏[13]。由于材料在损坏后无法修复只能更换，因此对于经常会承受弯曲力的连杆部件来说，选择抗弯强度更大的碳纤维要优于使用玻璃纤维。

连杆的抗弯能力关乎连杆粗细的选择，对此，如按常见的直径20 mm碳纤维杆的极限抗弯强度计算，连杆抗弯能力约为408.2 N。根據此前对青年冰球运动员牵拉轮胎滑行能力的测验，能力突出者最多能在冰上同时牵拉3个轮胎（单个轮胎平均质量12 kg）向前滑行[9]。研究则按更加极限的情况考虑，如高水平成人冰球运动员牵拉能力更强、滑行速度更高、急停距离更短等。设以超量的60 kg（5个轮胎）负载计算，并要求在1 m的直线距离内匀减速至静止，则按连杆抗弯能力计算，加速度约为-6.8 m/s2，可以对应承受的最大滑行速度约为3.7 m/s。牵拉的负载越重，运动员所能达到的最高滑行速度就会越慢。在李双玲[14]等对青年女子冰球运动员滑行速度的研究中，测得我国优秀青年女子冰球运动员正滑36 m的平均速度约为5.2 m/s。如在牵拉60 kg外部负载的情况下，还要使运动员达到我国优秀青年女子冰球运动员正滑36 m平均速度的70%，显得特别不切实际。因此，连杆（内芯）使用直径20 mm的碳纤维杆完全可以承受降速时的缓冲压力，如在实际使用过程中各方向受力均在材料应力范围内，也可适当采用空心连杆代替实心连杆，以进一步降低重量、增大弹性。

此外，从连接部件的造价方面来说，尽管碳纤维杆的价格约为玻璃纤维杆的5倍，但作为当今社会建筑及日用品中的常用材料，碳纤维杆的价格依然十分低廉，完全可供采纳。如想进一步提高连杆的拉伸及抗冲击性能，可以选取碳纤维增强基复合材料，如碳纤维树脂复合材料[15];也可尝试玻璃纤维与碳纤维混杂复合材料，但零件的制作成本也会随之提高。

3.2 外负载端连接结构与成品

在链接与缓冲模块同“外抗阻负载与滑行模块”的接触部位，连接结构主要用于提供牵引力或制动力，重点发挥出链接的作用。根据3.1节的论述，连接部件的主体为连杆，连杆只有同“外抗阻负载与滑行模块”中的滑动负载托盘牢固相连，才能有效牵引托盘进行运动。而如何实现牢固连接是本节研究的重点，即设计连杆外负载端的连接结构。

根据对“外抗阻负载与滑行模块”中滑动负载托盘挂环的设计[9]，链接与缓冲模块需要同该“宽挂环”进行匹配连接，才能有效发挥链接作用。由于两个模块之间仅有此一个连接处，因此链接与缓冲模块的外负载端结构必须要卡紧“宽挂环”，不能使两个模块发生相对的水平位移，才能够保证外部负载在运行时被有效牵引。对此，研究特别设计了金属U型挂环（图3）与滑动负载托盘的“宽挂环”对接，连接时U型挂环的2个卡臂从两侧夹住“宽挂环”，使卡臂的2个环孔与“宽挂环”的环孔对齐并穿入金属销，金属销中段保持光滑、两端制成螺纹，最后从两端加装手动螺母进行固定，实现外负载端的稳定链接。其中，金属销的横截面直径应略小于10 mm，以使其能在挂环孔中实现顺畅的轴向旋转。另外，对于U型挂环与连杆的连接，研究将U型挂环的另一端设计成圆槽，通过将连杆插入圆槽后再横向钻孔穿销，从而实现U型挂环与连杆的稳定链接。U型挂环的整体样式，见图4。

3.3 近身端连接结构与成品

在链接与缓冲模块同“穿戴式负载模块”的接触部位，连接结构主要用于发挥缓冲作用，连接只是一种必要形式。根据3.1节的论述，连接部件的主体为连杆，但和“外抗阻负载与滑行模块”牢固相连的要求不同的是，连杆和“穿戴式负载模块”即运动员身体一端的连接结构可以相对灵活。在研究初期，关于近身端的连接方式也曾一度考虑采取和外负载端相同的固定式结构，因其能够最直接、最大化地传递运动员的力量。但经过和冰球教练员及运动员交流后了解到，冰球运动员在起动姿态上的习惯因人而异，如常用的正向起动、侧身起动等。如果近身端和外负载端均采用固定式连接结构，则意味着将冰球运动员、硬质连杆和滑动负载托盘三者连成一条直线，此时只有采取正向起动才能相对便于发力，对于习惯侧身起动的运动员则颇为不便，从而压缩了训练器整体的适用范围。因此，如何实现灵活连接是本节研究的重点，即设计连杆近身端的连接结构。

所谓灵活的连接，即是使连杆的近身端可以相对运动员的身体进行位移。此位移因是发生在运动员各种动作姿态之时、各种运动状态之下，任何情况使连杆出现竖直方向上的位移都是不合适的，这不利于保障运动员的安全和进行有效控制。因此连杆近身端的位移应当发生在水平方向，即环绕运动员的腰部进行滑动。可以满足滑动的结构多种多样，实际上，连杆近身端的连接结构是与“穿戴式负载模块”的部分结构相互配合的，双方共同确定了滑动的方式，并匹配着对接的结构。为合理划分研究篇幅，有关近身端滑动方式选择的分析，以及相应的“穿戴式负载模块”的对接结构，将在后续对“穿戴式负载模块”的研究中进行专章论述，这里暂只介绍连杆近身端的结构设计。

为保障近身端的滑动效果及在滑动过程中连杆不会脱落，研究特别设计了金属闭合挂环（图5）与“穿戴式负载模块”连接。闭合挂环设置20 mm的环孔直径，使其能有较宽的水平转向幅度和实现顺畅的轴向旋转;金属环体直径10 mm，以保证其在受力时具有足够的零件强度。另外，对于闭合挂环与连杆的连接，研究将闭合挂环的另一端设计成圆槽，通过将连杆插入圆槽后再横向钻孔穿销，从而实现闭合挂环与连杆的稳定链接。

4 结语

“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”的研发，旨在提升我国冰球运动员体能和技术能力。链接与缓冲模块作为抗阻训练器中重要的连接部分，只有其实现稳定灵活的运转衔接，才能使整个抗阻训练器得以安全有效地发挥功用。经过对链接与缓冲模块进行的结构设计和材料遴选，研究得出了相对适宜的模块制造方案：以连杆作为模块主体，选用碳纤维材料保障连杆的坚韧与轻便;外负载端设计金属U型挂环，通过穿销牢固对接滑动负载托盘的“宽挂环”，有效发挥链接作用;近身端采用灵活的连接方式，设计金属闭合挂环沿腰部滑动，便于运动员采取多种方式起动及发力，有效发挥链接作用，保障运动员的人身安全。通过对冰球辅助训练器材的研发与应用，促进冰球运动员下肢专项力量和滑行耐力素质的提升，助其提高运动成绩。

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