帶測速功能的轉髖核心力量訓練裝置研制

劉麗輝, 朱立斌, 劉書勇， 高 俊, 馬靜巖

(1. 綏化學院 體育系, 黑龍江 綏化 152061； 2. 哈爾濱師范大學 體育科學學院, 黑龍江 哈爾濱 150025； 3. 哈爾濱師范大學 教務處，黑龍江 哈爾濱 150025)

核心穩定力量訓練,是指針對人體以脊柱、骸關節和骨盆為結構核心區域的肌肉群進行以強化肌肉力量、促進各肌群協調工作的專門性訓練[1]。人體這一部位正好處于上下肢的結合部位,具有承上啟下的樞紐作用,加強這一區域肌群的肌肉強度和控制能力,不僅能有效地提高運動技術水平,還能減少運動損傷、延長運動壽命。因此,自20世紀90年代提出以來,深受各國競技運動界的重視,已經成為當代運動訓練重要的理論之一。我國體育界自新千年后開始在競技運動訓練中嘗試應用此項理論,從已有的結果來看,運用這一理論在不同項目中展開體能訓練,確實提高了運動員的競技水平、促進了運動技能的發展[2]。但我國對核心穩定力量訓練的研究還處于探索階段,其訓練器材的缺乏嚴重阻礙了運動員核心穩定力量訓練的開展與實施。基于此,本研究以核心穩定力量訓練為依據,研制一種專門提高運動員核心區域肌肉力量與協調性的訓練器材,為我國核心穩定力量訓練的研究提供參考。

1 帶測速功能的轉髖核心力量訓練裝置的設計思路

在訓練中,為提高訓練者的核心穩定力量,教練員和體能訓練師常常在專項力量的練習中結合專項動作,以不同技術動作優化組合的訓練手段提高訓練者的專項力量水平。其中,轉髖是力量訓練中必須要進行的一個內容。因為轉髖是多項運動,如投擲、摔跤、籃球、排球、乒乓球等中經常出現的動作。為強化轉髖動作訓練,同時提高機體對核心區域的肌群控制能力,人們研制了多種以轉髖為運動模式、以振動為肌肉刺激源的核心穩定力量練習器械。這些以轉髖為動作模式的核心穩定力量訓練器械,在一定程度上的確提高了訓練者機體核心區域的力量水平與控制能力。但隨著訓練的不斷深入，發展振動傳遞的力雖然自下而上刺激了機體核心區域的肌群,但由于振動刺激呈規律性的變化,使得在一段時間后機體核心肌群一旦適應了這種規律性的刺激,其訓練的效果就會下降,難以滿足長期訓練過程中的使用要求和效果[3-4]。因此,研制一種具有變換振動刺激、以轉髖為動作模式的核心穩定力量訓練器材,就成為提高運動員轉髖訓練發展核心力穩定力量的必然要求。

帶測速功能振動上固定轉髖核心力量訓練裝置的設計思路主要突出以下3點:

(1) 能夠有效提升訓練者核心肌群的力量水平與不同肌群的協調控制能力；

(2) 兼顧、可靠、耐用,適合不同運動項目運動員進行核心肌群的練習；

(3) 能夠對訓練者核心肌群訓練中的振動頻率和速率進行數字化顯示與監控。

因此,該裝置的研制不僅要集支撐機構、轉動機構、振動機構于一體,還要將數字測量、顯示系統融入其中,在滿足運動員轉髖動作模式核心力量訓練的同時,也符合當代運動訓練器械高效能、多功能、科學化的發展特點。為此構建以底盤、平衡座、檔桿、頂柱、踏板為基礎的主體結構,加入以轉動軸、軸套、旋轉阻力器和振動支持桿、限位塊、雙腳限位凸起為器件的轉動和振動機構,在轉動和振動機構中安裝測距傳感器、測速發電機、測速顯示器等電子元件,并通過信號處理器和量化控制電路加以調控,實現對訓練過程的量化監控。訓練裝置的主體材料主要以不銹鋼和鋁合金為主,輔助材料主要以橡膠、靜音軸承和PVC板材為主,電子元器件主要以性價比適中的集成電路、LED光源、液晶顯示屏為主[5]。如,LM324、AD623型號的集成電路,RS232、RS485型號的串行通信驅動電路, AM320240L9TNQW-T01H、PT035TN23型號的液晶顯示屏等[6-7]。

2 帶測速功能的轉髖核心力量訓練裝置的技術方案與工作原理

2.1 技術方案

該訓練裝置一方面通過變換振動方式來提高人體對刺激反應的神經控制能力,達到提高肌肉的刺激程度和改善肌肉間協調程度；另一方面使以前不能動員的肌肉中的高閾值運動部位得到動員,并提高機體核心區域肌群肌肉收縮中各運動單位的協調工作能力。同時,該訓練裝置還可以對振動頻率和振動速率進行量化控制,為訓練者提供不同類型的核心力量訓練,以滿足訓練個性化的需求。為實現這一技術設想,該裝置主要由承載機構、轉動機構、振動機構和數字式電子電路系統等部分組成。其中,承載機構是訓練裝置的主體結構,主要擔負承載訓練者和其他系統機構；轉動機構主要用于訓練者的轉髖動作練習,為訓練者提供不同模式的轉髖運動模式；振動機構主要為訓練者提供不同速率與頻率，用于刺激機體核心肌群的振動；而數字式電子電路系統在為訓練裝置提供電源實現訓練器械各機構的有效運行的同時,還要控制測距傳感器、測速發電機、測速顯示器等電子元件信號的發射與接收,為運動員和教練員提供準確的訓練信息。

2.2 工作原理

該訓練裝置讓訓練者通過髖部轉動并結合振動刺激的訓練模式,實現對機體核心肌群力量的增強和不同肌群的協同發展。在開啟訓練裝置的電源后,訓練者先要設置儀器的振動速率與頻率,然后站在雙腳限位凸起處并用手握住振動支持桿。當一切準備就緒后,訓練者按動振動支撐桿上的振動開關即開始訓練。振動開關開啟后,電子電路會將訓練者預先設置的訓練模式信息傳遞給信號處理器,處理器將輸入的信號處理量化后控制電路將信息同時發送至各系統組件，控制各部分協同工作[8-9]。振動電機工作后,將振動能量傳輸至振動機構和轉動機構工作并作用于人體；與此同時,測距傳感器、測速發電機會對振動速率和強度頻率進行監控,并將各系統運行的信息反饋至測速顯示器,讓運動員和教練員時時掌握訓練情況。訓練中,訓練者為克服不穩定狀態并保持正確的用力姿勢,需要通過腰、骨盆、髖關節及下肢的配合,調動不同肌群主動參與到轉髖動作的工作中來,參與穩定身體平衡及動作的發力。這不僅有助于改善不同肌群在轉髖運動中的工作與協同模式,還讓更多的微細肌群得到有效的聯動,以此實現提升核心肌群的力量和對運動動作控制能力的訓練目標。

3 帶測速功能振動上固定轉髖核心力量訓練裝置的研制

3.1 器械的整體研制

該新型的帶測速功能、振動上固定轉髖核心力量訓練裝置結構見圖1。訓練裝置由底座、底盤、平衡座、兩組振動支持桿、轉動軸、軸套、旋轉阻力器、踏板和量化控制電路等組件構成[10]。底座上設有凹槽,底盤設置在底座的正上方,平衡座固定設置在底盤的下端面上,平衡座的底面是半徑為R的弧面,底盤與底座之間通過平衡座可轉動連接。在實際使用過程中,平衡座置于凹槽內，一是便于固定,二是凹槽的側壁能夠起到限位的作用,此外還可以通過調整凹槽的寬度或深度來限制平衡座左右搖擺的幅度,使其能適應不同運動等級訓練者的需求。

圖1 帶測速功能振動上固定轉髖核心力量訓練裝置結構

踏板設置在底盤的正上方,踏板與底盤之間通過豎直設置的轉動軸連接,且轉動軸的上端和下端分別于踏板和底盤之間固定連接,軸套套裝在踏板下端的轉動軸上,旋轉阻力器安裝在轉動軸與軸套之間。訓練者在轉髖的過程中,新型的旋轉阻力器能夠隨時測量轉動軸與軸套之間的阻力,進而了解運動員在轉髖時所用的力量和角度,實時測量出訓練者轉髖時所用的力量。

振動電機、振動片和振動開關位于振動支持桿上,而振動桿通過可伸縮支桿和彈性支撐柱與底盤相連。訓練者在練習時,可以使上體固定并安全踏上踏板，保證了訓練的有效性及安全。同時振動組件能夠為訓練帶來26～120 Hz、振幅小于10 mm的振動頻率[11]。振動通過手柄由上至下傳遞,對固定轉髖的腰髖部肌肉群強化振動刺激。

量化監控組件包括2個測距傳感器、平衡顯示電路和測速電路，分別位于平衡座兩側的底盤上。當訓練開始后,底盤發生傾斜時2個測距傳感器輸出的信號不同,通過比較器獲得2個測距傳感器輸出信號的電壓差信號發送給電壓驅動顯示器,該電壓驅動顯示器通過數字輸出接收到的電壓信號,進而直觀地顯示2個測距傳感器測量結果的差值,而該差值既反映了底盤的平衡狀態，同時也反映出訓練者的平衡控制能力。該訓練裝置將轉髖訓練、振動訓練與核心穩定力量訓練優化組合,使得專項輔助訓練具有多元化、多模式和多類型的特征,在提高訓練器械運用效率的同時也進一步促進訓練的科學化發展和訓練質量的提升。

3.2 控制系統的電路研制

該訓練裝置的控制模塊結構和控制模塊的電子電路框圖分別見圖2和圖3。控制模塊由測速發電機、信號處理電路和測速顯示器構成。測速發電機安裝在底盤上,且測速發電機與轉動軸的末端連接,測速發電機的輸出信號與信號處理電路連接,其產生的數據通過測速顯示器顯示,為教練員和訓練者提供訓練中實時測量出的運動員轉髖練習速度。控制模塊的電子電路由比較器、電壓驅動顯示器、A/D轉換器、通信驅動電路、調零電路和放大器構成。2個測距傳感器的測量信號輸出端分別連接比較器的2個電壓信號輸入端,比較器的比較結果輸出端連接電壓驅動顯示器的驅動信號輸入端,A/D轉換器的模擬信號輸入端連接比較器的比較結果輸出端,A/D轉換器的數字信號輸出端連接通信驅動電路的數據輸入端,調零電路的信號輸出端連接比較器的凋零信號輸入端,放大器串聯在比較器的比較結果輸出端,用于對比較器輸出的比較結果信號進行放大。放大后的數據信息既可以直接通過顯示器反饋給訓練者,也可以通過串行通信端口或無線通信電路發送給遠距離的計算機等信息讀取設備,為分析訓練結果和執行下一步的訓練計劃提供參考。

圖2 控制模塊結構框圖

圖3 控制模塊電子電路框圖

4 結語

該新型的帶測速功能、振動上固定轉髖核心力量的訓練裝置,目前已經通過了國家知識產權局審批獲得國家實用新型專利。該訓練裝置不僅解決了已有器材髖部核心肌群訓練模式單一、振動傳遞由下向上的簡單問題,還對振動訓練過程進行了量化的測量和準確的控制。該裝置一方面豐富了髖部核心肌群的訓練模式,提升了髖部核心肌群的訓練強度與水平；另一方面改變了振動傳遞的刺激模式,實現了對訓練肌群神經系統的多類型刺激,有效提升機體髖部核心區域主動與被動肌群的多元化應激反饋。此外,該裝置還以數字化的信息反饋模式,實現對振動速度與頻率的可控性以及對訓練過程和結果定性與定量的精確化分析,讓訓練者能有效地對訓練進行評估和對訓練過程進行掌控。該訓練裝置還具有價格低廉、使用方便、堅固可靠的特點。因此,該訓練裝置能夠滿足不同類型、不同項目運動員的訓練所需,并具有廣泛推廣的價值與意義。

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[11] 邵明輝,侯玉潔,韓繼光,等.變變位齒輪傳動的振動響應測試及分析[J].實驗技術與管理,2015,32(4):56-61.