杠桿傳動重力式力量訓練器械優化設計

摘要：為了提高杠桿傳動重力式力量訓練器械的性能，探索器械的優化設計方法。研究以模擬人體膝關節肌力矩為例，通過實驗獲得人體膝關節伸肌等動向心收縮的力矩一角度特征曲線，采用圖解法對杠桿傳動重力式力量訓練器械的阻力矩進行肌力矩的模擬，優化設計器械杠桿傳動裝置。結果：優化設計的器械改變了傳統設計杠桿末端點與滑輪拉力作用點之間的位置關系，優化定位了滑輪拉力作用點相對于杠桿末端點的位置。結論：優化的設計使得器械阻力矩相對于傳統設計而言更符合人體肌力矩，解決了器械的全載負荷問題并在一定程度上解決了可利用慣性、肌肉疲勞和器械噪聲等問題。

關鍵詞：力量訓練；器械；優化設計

中圖分類號：G 818.3文章編號：1009—783X(2009)05—0616—04文獻標志碼：A

重力式力量訓練器械又稱為組合式力量訓練器械，其使用安全、簡單、方便，維修和保養較為容易，具有較高的性價比，在運動訓練和大眾健身中被廣泛使用。但是，重力式力量訓練器械在性能上還存在許多問題，主要有全載負荷、可利用慣性、肌肉疲勞和器械噪聲等一系列問題，需要對器械的設計做進一步深入研究。

動力傳動裝置是影響重力式力量訓練器械性能的核心部件，目前器械的動力傳動基本是通過杠桿或凸輪來實現。我國生產的重力式力量訓練器械基本上采用杠桿傳動方式，器械提供的阻力曲線不符合人體用力曲線，沒有解決器械性能上的上述問題。本研究以模擬膝關節肌力矩為例，探索如何在器械原有結構基礎上優化杠桿傳動裝置，使器械阻力與人體肌力盡可能相符，進一步提高器械性能，從而更好服務于運動訓練和大眾健身。

1 研究方法

1，1實驗法

1)實驗對象：江蘇省柔道、賽艇、自行車等項目優秀運動員56名。

2)實驗方法及內容：實驗設備采用美國LUMEX公司生產的CYBEX6000力量測試與訓練系統，系統誤差小于+1％。實驗對被試的膝關節肌進行等動向心力量測試，測試角速度為60°／s，每個被試練習3次，測試4次，實驗共對被試的左右側膝關節肌進行了448次測試。

1，2圖解法

觀察、測量杠桿傳動重力式力量訓練器械17組，并根據其工作原理，采用圖解法測量杠桿傳動式器械的工作力臂并計算其阻力矩，對杠桿傳動裝置進行優化設計。

2 結果與分析

2，1肌力矩一角度特征

實驗結果選取了每個被試重復性較好、能反映力量特征的測試，共計264條膝關節伸肌力矩一角度特征曲線，在伸膝范圍內每隔10°讀取力矩數值，計算其平均數(x)和標準差(SD)，結果見表1。關節角度定義：根據CYBEX6000力量測試與訓練系統手冊中的定義，關節伸直為解剖學零角度位置，屈為正角度，過伸為負角度。

根據實驗結果，在60°／s的慢速力量測試中，膝關節伸肌平均峰力矩為223Nm，平均峰力矩角為60°。在峰力矩附近，從50°到70°的范圍內，特征曲線的曲率較小，肌力矩出現了一個平臺。Kannus ＆ Beynnon對143名成年男子和106名成年女子作了膝伸肌等動向心測試，在慢速60°／s時峰力矩角平均都為54°。楊靜宜對200名男女運動員和20名普通男女大學生作了膝伸肌等動向心測試，測試速度為60。／s峰力矩角出現在50°～70°之間。以上研究結果都與本實驗膝伸肌峰力矩出現的角度大致相當，峰力矩附近的力矩值是一個近似的平臺，力矩值差異不大。在本次測試中，膝關節伸肌平均特征曲線起始角度為95.7°+3.7°，結束角度為15.4°5+8.8°，在曲線起始及結束位置肌力矩為零。從總體看，關節肌力矩一角度特征曲線是倒u型的曲線。

2，2器械傳統設計

傳統設計的杠桿傳動重力式力量訓練器械工作原理如圖1所示，圖1中杠桿OB為動力傳動裝置，A處定滑輪為直接通過鋼絲繩和杠桿相連并影響力臂值大小的定滑輪。器械動力傳動裝置傳統設計的主要特征是杠桿末端B點與定滑輪拉力作用點A點一般都水平設置，其優點是定滑輪(A點處)位置可以根據器械結構隨意設置，牽引重力塊的鋼絲繩布線簡單。在所研究的17組采用傳統方式設計的膝關節伸肌練習器械中，杠桿末端B點與定滑輪拉力作用點A點的位置相對關系一般是水平距離400 mm，垂直距離為零。重力塊組合質量在2.5～120 kg之間，杠桿長度在400～600mm之間。

為便于和實驗所獲得的膝關節肌力矩數值的比較，本研究令器械最大阻力矩與實驗最大肌力矩相等，研究參考了國內外十幾種同類產品，器械總負荷一般在120 kg左右，負荷儲備系數確定為2.5，因而選取重力塊組合質量45 kg、杠桿長506 mm來計算器械參數，即在關節運動幅度范圍內，采用圖解法每隔10°測量器械工作力臂值，并計算相應角度的器械阻力矩，計算公式為：力矩一力×力臂。膝關節伸肌在60°／s等動測試中，肌力平均特征曲線起始角度為95.7°+3，7°。在重力式力量訓練器械工作過程中，考慮肢體環節的啟動、鋼絲繩松弛等原因，根據實際情況計算時適當放大杠桿工作范圍，確定杠桿從關節角度100。起開始工作；肌力平均特征曲線結束角度為(15.4+8.8)°，由于器械在工作結束階段的運動是減速的過程，相應角度上肌力矩值增大，因而將力臂值及阻力矩值都計算到0°。本研究中，傳統設計器械的參數數值見表2。

2，3器械優化設計

根據表1中的實驗結果，在關節運動的范圍內肌力矩數值是由小到大再到小的趨勢。根據表2中器械傳統設計的結果，器械阻力矩數值在關節運動的起始位置附近力矩值最大，在關節運動的過程中力矩值逐漸減小，是由大到小的趨勢。顯然，器械阻力矩與肌肉特定的力矩一角度特征曲線不符，主要表現在2個方面，一是在峰力矩附近不能滿足全載負荷，二是起始力矩過大。器械優化設計的目標即改變傳統設計的不足之處，實現器械阻力矩符合或盡可能符合人體肌力矩。

在關節肌力量練習過程中，肌力矩是一個隨關節角度變化而不斷變化的指標，重力式力量訓練器械如何才能夠提供可變力矩呢?已知在器械工作的過程中，重力塊的組合質量不變，重力也不變，實現變力矩只有依靠改變作用力的力臂長度。杠桿傳動重力式力量訓練器械的工作原理即依靠杠桿在不同工作位置自然形成力臂，由于在不同工作位置力臂值不同，器械阻力矩也就隨著發生相應的改變。杠桿傳動重力式力量訓練器械為了加強力量訓練的針對性，傳動裝置的轉動大多采用與人體關節同軸轉動方式，力臂長度不但取決于杠桿長度還取決于滑輪拉力作用點的位置，拉力作用點的位置在滑輪支點確定后不會有大的改變，杠桿在運動過程中也不會像凸輪一樣發生形狀改變。因而，對杠桿傳動器械的優化設計其實質是如何尋找合適的定滑輪拉力作用點，使杠桿在不同工作位置形成合理的力臂值，從而提供符合人體肌力矩的阻力矩。

優化的設計重點解決傳統設計的主要缺點，即起始力矩大且峰力矩小。器械的起始力矩較大對器械性能會產生不利的影響，峰力矩又是衡量肌力水平的核心指標。圍繞這2個主要的因素，設計以圖解法參照人體膝關節肌力特征曲線劃分杠桿工作范圍，確定杠桿在不同角度的工作位置。優先滿足器械起始力矩和峰力矩的形成條件，并因此確定定滑輪拉力作用點的精確位置。優化設計的器械工作原理如圖2所示，設計改變了傳統設計杠桿末端點與定滑輪拉力作用點之間的位置關系，兩點的位置不再是水平設置。本研究定位杠桿末端B點與定滑輪在新位置上的拉力作用點C的相對位置為：水平距離40 mm，垂直距離130 mm，這樣的設計保證了器械阻力矩對關節肌起始力矩和峰力矩的模擬。至于由此產生的鋼絲繩布線問題，可以通過增加一個中間定滑輪來解決，這種局部的改變不會對器械原有主體結構產生影響。本研究依然選取重力塊質量45 kg、杠桿長506 mm來計算重力式力量訓練器械的阻力矩，計算方法同上，力臂值及阻力矩值也從100°計算到0°，數值見表3。

2，4 器械不同設計阻力矩比較

2，4，1起始階段力矩

根據表1實驗數據，膝關節伸的起始力矩為零。傳統設計器械的起始力矩為223Nm，是器械阻力矩的最大值，隨著關節運動器械阻力矩逐漸減小。優化設計后，器械起始阻力矩為零，隨著關節運動阻力矩逐漸遞增到最大，和肌力矩具有相同的趨勢。

器械起始階段阻力矩的不同會對其性能產生較大影響。首先，重力式力量訓練器械如果存在較大起始力矩，關節運動時肢體及支架在轉動過程中就會產生角加速度，形成爆發式用力。由于運動慣性，在運動的下一關節角度或范圍內，肌力矩減小或等于零仍能使肢體及支架轉過該關節角度或范圍，出現空載現象。在這里，可利用慣性不利于力量訓練。減小器械起始力矩可以在一定程度上避免環節角加速度的產生，從而減小器械的可利用慣性。其次，器械如果存在較大的起始力矩，關節運動在開始一段范圍內做功也較多，造成該范圍內肌肉收縮的極大超負荷。力量訓練雖然遵循超負荷原理，但是超負荷并不是無限的。過大的負荷很容易導致肌肉的疲勞，使每次訓練重復次數減少，導致在實際運動中主要做功范圍(峰力矩附近)的肌力得不到有效鍛煉。設計較小的器械起始力矩，在一定程度上可以減緩肌肉疲勞的發生，提高力量訓練的效率。第三，器械較大的起始力矩會令器械產生很大的噪聲。在本文的研究中，傳統設計器械起始力矩為223Nm，是所能夠提供阻力矩的最大值，重力塊回落結束時器械力矩也是223Nm，而關節肌在重力塊回落結束時的力矩遠遠小于這個數值，無法控制重力塊的回落速度。重力塊的回落速度越大產生的撞擊就越劇烈，噪聲也就越大。優化設計的器械起始力矩為零，重力塊在回落快結束的一段范圍內重力矩也較小，肌肉就很容易控制重力塊的回落速度，因而可以在很大程度上減小撞擊噪聲。

器械起始力矩較大會影響性能，本研究在器械的起始工作位置將阻力矩設計為零，在一定程度上解決了上述性能問題，但是，器械的起始阻力矩過小是否也會對器械的性能產生負面影響呢?在肌力矩特征曲線中間階段力矩中，峰力矩是評價肌肉做功能力的最重要指標，Jensen＆Warren等以90°／s的速度作伸膝等動測試，起始力矩設置了2種，一是50N的低負荷，二是相應角度下75％的最大等長收縮力量。結果表明，無論是向心還是離心收縮，起始力矩對峰力矩無顯著影響。Bobbert＆Harlaar分別以30°／s、60°，S、120°／s和210°／s的速度作伸膝等動測試，起始力矩設置一是低負荷，即相應角度下5％最大等長收縮力量，二是相應角度下95％最大等長收縮力量。結果仍然表明，起始力矩對中間力矩無顯著影響。也就是說，器械起始力矩的大小不會影響中間力矩，器械的起始力矩設計為零不會對力量訓練效果產生負面影響。力量訓練的基本理論是建立在希爾方程的基礎之上的，希爾方程描述了骨骼肌收縮時負荷與速度的關系：負荷增加，收縮速度減?。环粗摵蓽p小，則收縮速度增大。將器械的起始力矩設計為零減小了肌肉工作的初始負荷，為快速達到峰力矩值創造了條件，充分利用了人體運動時肌肉克服負荷和發揮收縮速度之間的內在聯系，可以取得較好的力量訓練效果。

2，4，2中間階段力矩

為了使關節肌獲得較好力量訓練效果，重力式力量訓練器械的設計應滿足等動練習的2個優點，即動態用力和全載負荷。第一個條件重力式器械能夠自然滿足；第二個條件包含2層意思，一是在關節運動幅度或限定范圍內能夠給肌肉提供阻力，二是在關節運動的任一角度上負荷值不應小于相應的肌肉力矩值，即滿足力量訓練的超負荷原則，刺激肌肉產生相應的生理學適應，從而增強肌力。

就目前市場上的產品而言，采用傳統方式設計的杠扦傳動重力式力量訓練器械，幾乎都是在關節運動的起始位置附近力矩值最大，在關節運動的過程中力矩值逐漸減小，這與肌肉特定力矩角度曲線不符，在關節運動的關鍵范圍內不能提供足夠的阻力負荷，無法解決力量訓練器械的全載負荷問題。如圖3所示，曲線1為伸膝力矩一角度特征曲線，曲線2為傳統設計器械提供的阻力曲線，曲線3為優化設計器械提供的阻力曲線。A點和B點為曲線1和曲線2的交點，從圖3可以看出，在膝關節伸的過程中從A點到B點傳統設計的器械提供的阻力矩小于伸膝的動力矩。峰力矩是肌力最為重要的指標，關節肌峰力矩角出現的50°～70°正處于A點到B點這一關節角度范圍內，也就是說在肌力矩最大、最重要的關節角度上，傳統設計的器械不能滿足全載負荷。優化的設計優先滿足了器械最大阻力矩的形成條件，因而在該范圍內器械阻力矩與肌力矩相符，較好地解決了器械全載負荷問題。

2，4，3結束階段力矩

根據設計結果，從圖3可以看出優化設計器械在工作結束階段阻力矩大于肌力矩和傳統設計阻力矩，通過對B點以后每10。關節角度上不同設計阻力矩值的計算，優化設計器械比傳統設計器械阻力矩平均值大25％左右。這種計算是基于器械在靜態或準靜態時的工作條件，實際上器械在動態工作過程中還會有其他作用力的存在。參照圖2，器械動態工作時以0點為轉動點的阻力矩計算公式如下：

式中右側第一項為重力塊重力力矩，第二項為鋼絲繩牽拉重力塊過程中摩擦力矩，第三項為重力塊慣性力矩，第四項為肢體及支架的慣性力矩。其中，mg為所選組合重力塊重力，L為鋼絲繩拉力作用線與動力杠桿形成的力臂值，f是鋼絲繩與滑輪之間的摩擦力，w為肢體及支架的轉動角速度，I為肢體及支架的轉動慣量。無論人體關節肌力固有特征曲線如何，在進行力量練習時，工作曲線都是器械的阻力曲線。由于摩擦力矩值很小，第二項可以忽略不計。在關節肌運動過了峰力矩以后，由于器械阻力矩都大于相應肌力矩，因而人體環節運動角速度是遞減的，產生反向角加速度，則方程右側第三、第四項為負值，這在一定程度上解決了設計上的曲線后段器械阻力矩較大的問題。

3 結論

1)研究對杠桿傳動重力式力量訓練器械的動力傳動裝置進行了優化設計，設計改變了傳統設計中杠桿末端點與滑輪拉力作用點之間的位置關系，優化定位了滑輪拉力作用點相對于杠桿末端點的位置，既保證了器械阻力矩對關節肌力矩的模擬，又不會對器械原有主體結構產生影響。

2)優化的設計使得器械阻力矩在影響器械性能的起始力矩和峰力矩這2個關鍵因素上更符合人體肌力矩，解決了器械的全載負荷問題，并在一定程度上解決了器械可利用慣性、肌肉疲勞和器械噪聲等問題，提高了杠桿傳動重力式力量訓練器械的性能。