多功能柔韌性訓練裝置的設計與研發

戈俊

1. 前言

在日常教學與訓練中，柔韌性素質的發展是必不可少的，但是往往這又是教練員和運動員最難克服的難點。目前已有的用于進行腿部韌帶拉伸使用的普通健身器械，功能單一，不能同時實現橫向、縱向劈腿，且操作繁雜，不能夠很方便的為使用者所用。即使專業的訓練裝置，往往結構、形狀確定，難于調整，這就造成其有以下缺陷：①身體姿態無法正確擺放。正確的身體姿態是拓展柔韌的前提，需要教練員持續不斷的糾正運動員在拓展柔韌期間的錯誤動作，如果該項目運動員的數量較多，那么這無形中就浪費了許多的訓練時間。②無法適用于不同身體狀態的運動員。不同的運動員，自身的柔韌基礎素質有差異。在進行柔韌性拓展練習過程中，教練員會輔助運動員進行柔韌的拉伸，其輔助力度難以精確的把握，往往會造成不必要的運動損傷，導致運動員的運動壽命降低。本技術針對上述問題，提供了一種能夠使得運動員無需輔助，自己就能完成柔韌性的練習，且能夠完成并腿體前屈、分腿體前屈、縱劈腿、橫劈腿等多種訓練的柔韌性訓練裝置。

2. 研究方法

2.1 文獻資料法

運用文獻資料法，對目前已有的用于進行腿部韌帶拉伸使用的健身器械進行分析，以“訓練器械”、“柔韌性”為檢索詞在中國知網數據庫搜索1999年1月1日-2017年1月1日的文獻，累計獲得文獻53篇，選取與本選題密切相關文獻16篇進行重點閱讀，通過對相關研究文獻的研讀與梳理，為本研究的開展提供理論和方法支持。

2.2 畫圖設計法

針對現有的柔韌性訓練器所存在的問題，解決柔韌性訓練中身體姿態無法正確擺放和無法適用于不同身體狀態的運動員等一系列的柔韌練習的難點，利用所學知識以及在專家的指導下設計了用于自動控制操作的柔韌性訓練裝置。本設計過程有以下幾個方面的內容。

2.2.1 方案草圖設計

圖1 方案草圖

如圖1是該柔韌性訓練裝置所要達到的動作效果分析圖。根據該圖可以看出該柔韌性訓練裝置需要達到下肢固定、大腿升降和小腿抬升的目的。

2.2.2 建模方案設計

如圖2所示，方案一為柔韌性訓練裝置的初步想法的犀牛模型，該方案可以使使用者通過物理的機械結構自主完整所要達到的動作目的。但后期發現該方案只能完成雙腿橫向劈叉的功能，并不能完成前后劈叉動作，因此，此方案被舍棄。

圖2 初步想法圖

如圖3所示，方案二為將先進的機械臂技術利用到柔韌性訓練裝置設計的犀牛建模圖，該健身器械部件模型的建立包括了靠背、坐墊、控制把手、機械臂、主體機和支撐架的建模。

圖3 犀牛建模圖

2.2.3 渲染出圖

該柔韌性訓練裝置的渲染出圖采用leyshot軟件來渲染，如圖4所示。該裝置的配色方案主要采用了黑白兩色，給人簡潔清爽的視覺效果。控制把手處的按鈕采用了鮮艷的紅色，可以讓人方便的看到。

圖4 柔韌性訓練裝置常態示意圖

2.2.4 設計二維模型圖

后期的二維模型線稿主要是用犀牛導入CAD中來完成的，如圖5所示。

圖5 二維模型線稿

3. 研究結果與分析

3.1 各主要零部件的狀態和作用

柔韌性訓練裝置(如圖6所示)，包括了靠背、坐墊、控制把手、機械臂、主體機和支撐架。在主機體的上部設置坐墊；在主機體后部上方設置靠背；在主機體中部兩側設置控制把手；在主體機的前下部設置兩個機械臂。兩個機械臂包括分腿驅動裝置、豎直軸、髖關節驅動裝置、大腿支撐臂、膝關節驅動裝置、小腿支撐臂；大腿支撐臂的兩端分別通過髖關節驅動裝置、膝關節驅動裝置與豎直軸的上端、小腿支撐臂的一端相連；髖關節驅動裝置包括髖關節電機，用于帶動大腿支撐臂相對于豎直軸在豎直面內擺動；豎直軸下端通過分腿驅動裝置設置在主機體上，分腿驅動裝置包括分腿驅動電機，用于驅動豎直軸相對于主機體在水平面內擺動；膝關節驅動裝置包括膝關節電機，用于帶動小腿支撐臂相對于大腿支撐臂在豎直面內擺動，與小腿支撐臂垂直的腳底支撐板的下部與小腿支撐臂末端相連，腳底支撐板的上部設置有供前腳掌伸入的腳背固定環。

圖6 柔韌性訓練裝置

3.1.1 靠背

靠背(如圖7所示)可以作為支撐運動員后背所用，當腿部被機械臂舉起，拓展柔韌時，可用于支撐。當進行體前屈柔韌拓展時，靠背可以通過扶手上的操作按鈕等調節裝置進行靠背前后角度的調節，同時給予運動員上體前傾的負荷壓力，好似后面有人輔助壓體前屈一樣。

3.1.2 坐墊

坐墊(如圖8所示)是主要起到支撐作用的部件，需要符合人體工程學的同時，也需要有機械部件使它隨著不同的使用方式運動。坐墊支撐運動員的體重，同時保證運動員的身體姿態的完整和準確性。坐墊有調節高低的功能，以及前后傾斜角度的調節，與靠背傾斜角度的調節相互配合可以達到運動員平躺的效果。

圖8 坐墊部件模型

3.1.3 控制把手

控制把手(如圖9所示)是控制系統，需要方便的被使用者操作，由于操作系統是用來控制全身運動，因此選擇可活動的操作手桿比固定的操作面板更合適。控制把手具有支撐身體平衡的功能。扶手上的操作按鈕可以調節靠背、坐墊的前后傾斜角度，坐墊升降，以及腿部機械臂的屈伸、內收、外展、高度、伸縮，以及前后左右轉動等功能的控制。

圖9 控制把手部件模型

3.1.4 機械臂

機械臂(如圖10所示)是整個柔韌性裝置的執行機構。由于機械臂的每個關節只可以實現一種運動形式。豎直軸：活動范圍很大，類似于人體的股骨頭轉動原理。保證完成大腿基本的生理轉動。大腿支撐臂：根據運動員大腿長度可做伸縮調整。膝關節轉動軸：類似于人體的膝關節活動原理，保證膝關節的屈伸。小腿支撐臂：可根據運動員小腿長度進行調節。跟腱及腳踝：支撐托板在跟腱及腳踝處形成支撐。腳底支撐板：對腳底形成支撐，腳背固定環固定腳背區域。

圖10 機械臂部件模型

圖11 主體機部件模型

3.1.5 主機體

主體機(如圖11所示)是用來包裹內部電機的部件，不僅需要保護內部電機，更需要避免棱角，讓使用者更安全的使用，因此選擇圓潤的造型最為合適。

3.1.6 支撐架

支架(如圖12所示)主要提到穩定器械的作用，所以該部件選擇了工字型樣式，支撐架上固定防滑腳墊，穩固安全。

圖12 支架部件模型

3.2 具體實施方式

柔韌性訓練裝置(如圖13所示)，包括主機體1，架桿11，坐墊2，靠背3，靠背桿31，兩個扶手4，兩個機械臂5，腳底支撐板6，腳背固定環7。所述的機械臂包括分腿驅動電機51、豎直軸52、髖關節電機53、大腿支撐臂上段54、伸縮調節螺紋管55、大腿支撐臂下段56、膝關節電機57、小腿支撐臂上段58、小腿支撐臂下段59。

3.2.1 柔韌性訓練裝置調整大腿支撐臂長度

參見圖13所示，伸縮調節螺紋管55的兩端分別通過螺旋方向相反的螺紋與大腿支撐臂上段54和大腿支撐臂下段56形成螺紋副。例如，伸縮調節螺紋管55通過左旋螺紋與大腿支撐臂上段54相連，通過右旋螺紋與大腿支撐臂下段56相連，大腿支撐臂上段54和大腿支撐臂下段56不轉動，轉動伸縮調節螺紋管55，伸縮調節螺紋管55即可同時旋入大腿支撐臂上段和大腿支撐臂下段內，后者同時從大腿支撐臂上段和大腿支撐臂下段內旋出，大腿支撐臂下段軸向移動，改變了大腿支撐臂下段與大腿支撐臂上段之間的軸向距離，從而調節由大腿支撐臂上段54、伸縮調節螺紋管55、大腿支撐臂下段56組成的整個大腿支撐臂的總長度。

圖13 平躺狀態的柔韌性訓練裝置側視示意圖

3.2.2 柔韌性訓練裝置分腿狀態演示

圖14 分腿狀態的柔韌性訓練裝置立體示意圖

參見圖14所示，伸縮調節螺紋管55與小腿支撐臂上段和小腿支撐臂下段的連接結構相同。大腿支撐臂上段54通過髖關節電機53與豎直軸52的上端相連；大腿支撐臂下段56通過膝關節電機57與小腿支撐臂上段58相連；豎直軸下端分腿驅動電機與主體機相連。小腿支撐臂下段垂直的腳底支撐板6的下部與小腿支撐臂下段末端相連，腳底支撐板的上部設置有供前腳掌伸入的基本呈長方形的腳背固定環7。在小腿支撐臂上段上固定小腿肌肉支撐托板9，在小腿支撐臂下段上固定有跟腱及腳踝支撐托板10。支撐架12固定連接在主機體上并支撐在地面，使得本訓練裝置保持穩定。

3.2.3 柔韌性訓練裝置靠背、坐墊演示

參見圖15所示，靠背3后部連接在基本上下方向上延伸的靠背桿31上，靠背桿的下部通過靠背驅動電機8連接固定在主體機后部的架桿11上(如圖15)。靠背驅動電機帶動靠背桿、靠背在豎直面內相對于架桿、主機體擺動。

坐墊2底部通過坐墊驅動電機連接在升降桿21的上端(如坐墊驅動電機殼體固定在升降桿上，坐墊驅動電機的轉軸與坐墊固定連接)，坐墊驅動電機帶動坐墊相對于升降桿在豎直面內擺動。運動員坐在坐墊上，根據運動員自身分腿體前屈柔韌性以及橫叉胯部外展的基礎能力決定機械臂外展開度，靠背的調節加大運動員柔韌拓展的負荷壓力。

通過帶動升降桿上下移動的驅動裝置連接在主體機上。升降桿上下驅動裝置屬于現有技術，如它包括升降桿驅動電機、螺母絲杠機構等。升降桿驅動電機的殼體固定在主體機上，升降桿驅動電機的轉軸與絲杠固定，絲杠上有與絲杠配合的螺母，螺母與升降桿固定，升降桿位于主體機上的上下延伸的導向孔內。升降桿驅動電機動作，帶動絲杠轉動，螺母由于與升降桿固定只能軸向移動不能轉動，所以螺母就帶動升降桿一起沿導向孔上下移動，實現坐墊的升降。

3.2.4 柔韌性訓練裝置可編程控制器作用

可編程控制器與坐墊驅動電機、升降桿驅動電機、分腿驅動電機、髖關節電機、膝關節電機、靠背驅動電機產生電連接，與可編程控制器電連接的操作按鈕設置在扶手上；通過操作按鈕可以控制坐墊驅動電機、升降桿驅動電機、分腿驅動電機、髖關節電機、膝關節電機、靠背驅動電機的動作。

圖15 靠背前傾、坐墊后傾時的柔韌性訓練裝置側視示意圖

3.2.5 柔韌性訓練裝置縱劈腿柔韌演示

圖16 靠背放平、劈腿狀態的柔韌性訓練裝置立體示意圖

參見圖16、17所示，在該種狀態下，用于發展運動員的縱劈腿柔韌。右腿由右機械臂固定，保證膝關節和腳背伸直。調節靠背及坐墊的傾斜角度，達到和右腿保持水平延長的平躺姿態。由有機械臂固定的右腿被右機械臂緩慢抬起，達到拓展右腿柔韌性的目的，根據運動員自身特點及柔韌性的痛點來科學安全的調節機械臂舉起的高度和角度，達到最佳拓展目的。左右機械臂可以交換發展柔韌性。

圖17 靠背基本豎直、劈腿狀態的柔韌性訓練裝置立體示意圖

4. 結論與建議

4.1 結論

根據柔韌性訓練研究的意義和應用前景，綜合當前已有柔韌性訓練器械的研究現狀與發展前景，改進了原有器械的不足之處，解決了運動員的下肢的并腿體前屈、分腿體前屈、縱劈腿、橫劈腿柔韌性的拓展訓練。使運動員在獨立、安全的環境中，無需輔助，自己就能完成柔韌性的練習，通過器械自身矯正其姿態，通過靠背的調節加大運動員柔韌拓展的負荷壓力。充分的節省訓練時間，保證運動員的安全，大大提高了訓練效率，降低了運動訓練中柔韌素質拓展的時間。科學有效的實施因人而異的柔韌拉伸，避免了由人為過失而帶來不必要的運動損傷，延長了運動員的運動壽命。

4.2 建議

柔韌性訓練裝置基本達到了預先設計的要求，但由于設計者自身學科的限制，對于裝置的操控系統還有待改進與完善。目前是信息化的互聯網+時代，若要將訓練裝置更加智能化，更加便捷的通過遠程發送指令進行具體設備的操作，以便于教練員在實施運動訓練時可以通過移動終端發送指令進行該設備的操作，為其設備進行IP地址的分配，由于IPv6地址普遍使用，完全有可能在未來的設計中為任何一款電子訓練裝置設備植入相應的IP地址，已達到移動互聯，遠程操作的實際功效，希望能與有關學科交叉學習，不斷地優化發展操作控制系統。