下肢力量训练器

下肢力量训练器 目前我国的游泳运动竞技水平的专项力量训练的理论、观念比较滞后，训练方法、手段 相对单一。腿部力量训练仍然沿用五十年代的“杠铃”训练体系，游泳运动员下肢力量的获 得主要是靠杠铃深蹲、半蹲、单腿拉橡皮筋等原始训练方法，存在着下肢力量训练手段单调、 枯燥、训练的针对性不强等弊端。 本作品是一种最新研制的训练游泳运动员腿部力量的专用器材。该训练器材采用了曲柄 摇杆机构，能真实地模拟游泳运动员双腿交替运动，达到腿部摆动力量训练的目的。该曲柄 摇杆机构以摇杆为原动件，采用巧妙的设计克服了急回特性，并采用惯性轮克服死点位置。 同时该训练器械还具有使训练后腿部肌肉放松的功能。该训练器械填补了国内空白，弥补了 传统训练方式的不足，提高了训练质量和效率。 曲柄摇杆机构 惯性轮 摆腿架 连杆 机架 运动员上身伏卧在身体支撑腹板上，髋关节正好位于摆腿架与机架的铰接点（转动副） 上，双脚伸进脚套内并固定，双手抓住扶手，用力摆动双腿。双腿带动摆腿架摆动，下压连 杆，连杆带动惯性轮转动。左右腿的摆动是模仿游泳打水的动作交替进行的，左腿下压时右 腿上抬，惯性轮在左侧连杆作用下加速旋转，当左侧曲柄转到下极限位置时，连杆与曲柄共 线，曲柄摇杆机构处于死点位置 ，此时再大的压腿力都不能使惯性轮旋转，必须依靠惯性 轮的惯性越过死点位置。此后，右腿下压左腿上抬，惯性轮又加速转动，当右侧曲柄转到下 极限位置时，完成了一次左右腿加力过程。右侧曲柄继续转动，转过下极限位置时，便进入 了下一个循环。摆杆摆动的阻力由包裹惯性轮的摩擦带和压簧提供。除此之外，通过转换旋 钮简单调节，还可以实现不同运动的转换（自由泳、蝶泳）。 曲柄摇杆机构是本训练器设计的重点，也是《机械原理》和《机械设计》的综合运用， 优化是机构设计和结构化的设计，实现了所学理论知识到实践的转化。设计时需要根据所掌 握的游泳运动员平均身高和运动特点来确定训练器结构尺寸。这里取摆腿架长度的三分之一 ，摆腿架高度为h，摆腿架上下摆动的角度分别为α和β，惯性轮直径为d，11作为摇杆长度L 其轮缘到机架底面的距离为h，根据以上条件可以设计出训练器要求的曲柄摇杆机构（见图2 2）。 运动员使用该训练器进行训练时，与在水中游泳时的动作相似，两腿上下交替进行， 一腿处于最低点时，另一腿正好处于最高点。根据该训练器的特点，必 L1须设计成摆腿架上下摆动时，曲柄转过的角度相等，也就是说所设计的α1Bα曲柄摇杆机构不具有急回运动特性。以下是利用作图法确定各构件尺寸A B的方法： B2 β 在机架底面以上hβ高度上取一点A作为摆腿架与机架连接的转动1C11h副，以A为圆心作半径为Lm的圆弧。再过A点作两条射线，分别与水平1Dn 2线夹α、β角。射线与圆弧的交点设为B、B，显然AB=AB= L。连接12 121C2d/2+hB、B并延长，则曲柄转动中心必在BB延长线上。作距机架底面垂直1212 距离为d/2 +h的水平线mn，则直线BB与直线mn 的交点D即为曲柄212图2曲柄摇杆机构的设计 的转动中心。设曲柄半径为L，因为无急回运动特性的曲柄摇杆机构其CD 极位夹角必为零，根据几何关系知2L＝BB。以D为圆心作出曲柄圆，该圆与直线BB的CD1212 交点为C、C，L即为连杆长度。至此，要求摆角分别为α、β无急回运动特性的运动学设12BC 计完成，再经过具体结构化便可设计出满意的曲柄摇杆机构实际结构。 （1）训练器的调整。 对于不同身高的运动员，原则上不需任何复杂的调整。由于四肢较长，可以把脚套左 移、身体支撑腹板左移，但始终保证其髋关节位于摆腿架转动副处；曲柄的调整主要影响摆 腿幅度的大小，曲柄调整时只需把连接曲柄与连杆的转动副沿惯性轮径向外移即可。这样的 调整，不会导致曲柄摇杆机构产生急回运动的特性，不会出现每一侧摆杆往复摆动时惯性轮 转过的角度不等，左右摆杆不能协调工作的情况。针对不同的运动员有着不一样的身体素质， 运动员的训练强度也不同，本产品设计的可以通过拧紧或松动惯性轮旁边的螺母，方便、快 捷的改变摩擦系数的大小，从而控制阻力的大小。达到训练的目的。 （2）训练指标的检测。 本产品设计的指标系统可以检测运动员训练的时间、路程、卡路里、速度和心率。运 动员在训练过程中可以根据指标系统的数据调整训练强度。根据系统的数据检测运动员的训 练成果。同时，本系统专门设计了一个设定功能，运动员可以在训练之前先设定好训练的参 数（时间、路程、卡路里等），在运动员的训练效果达到预先设定的参数时，系统会发出报 警声，训练停止。 （3）放松系统。 放松训练这一功能是本产品的一个独特的创新之处，这是传统的训练器械所没有的。 运动员在训练过后，肌体处于兴奋状态。如果训练后不进行放松，过后大腿将会出现酸痛现 像。为了避免这种现像的出现，本产品增加了放松系统，主要的设计方案是利用电动机的转 动带动曲柄摇杆机构，从而带动摆腿架的上下运动，运动员的双腿在不发力了情况下得到上 下的运动达到放松的目的。放松装置采用带传动和齿轮传动，其中带传动的传动比是1：3， 齿轮传动的传动比是28：401，为了适应不同运动员放松的需要，该放松系统采用变频电机，通过扶手处的按钮可以调节放松时速度的大小，体现了该系统人性化的一面。 （4）脚踏调节系统。 为了适应不同身高运动员的需要，在摆腿架末端内侧挖有沟槽，可以使脚踏固定在摆 腿架的不同位置。 （5）摩擦系数可调节装置。 根据不同运动员所需训练强度的不同，可以通过调节产品后部的旋转螺丝来调节摩擦 带的张紧程度，从而得到不同的摩擦系数，运动员可根据自己的身体状况决定训练强度的大 小。 （6）不同游泳姿势的变换。 通过调节两惯性轮之间的角度，可实现自游泳和蝶泳两种姿势的变换。调节方法为将 两惯性轮之间的相对角度旋转90度，此时若两摆腿架处于同一高度，就为蝶泳的姿势，否则为自游泳的姿势。 （7）摆腿弧度大小可调。 为了适应不同运动员的运动习惯，摆腿架摆腿弧度的大小可以通过调节曲柄直径 的大小来变化。在产品的外侧开有径向槽，打开插板后可以方便的调节曲柄的直径，直径大 则弧度大，直径小则弧度小。 （8）摆腿高度可以调节 为了适应不同运动员的运动习惯，摆腿所在的高度也可以调节，通过调节连杆的 长度可以达到高度调节的目的。调节方法为调节连杆的长度，在连杆上攻有螺纹，通过旋转 连杆可使连杆伸长或缩短，从而达到调节摆腿高度的目的。 1）该训练器械实现了游泳运动员腿部力量专项训练，该训练方式与真实的游泳过程相一 致，真实地模拟了运动员在水中游泳时打腿的动作，使训练更加的有针对性；该运动器械的 训练方式是运动员趴到器械上，腿部固定到摆腿架上。腿的运动是上下的交替运动，和运动 员在水中运动时所需力量的方向是一致的，能够更好得起到训练的效果。 根据不同运动员的训练需要，该器械在很多部位都采取了可调节装置，例如：脚踏调节装 置、摩擦调节装置，使训练更加有针对性，通过简单地旋转按钮，即可达到上述调节的目的。 2）为了缓解运动疲劳，该器械专门增加了放松装置，该放松装置采用变频电机作为驱动 元件，可调节放松时放松速度的快慢，以适应运动员在不同的放松条件下的要求。该放松装 置由变频电机经过两级减速后带动惯性轮转动，进而带动摆腿架摆动，实现了运动员腿部力 量的放松。 3) 该设计与现在已有的设备相比较，其运动为连续运动，没有对腿部肌肉的冲击。该运 动器械的训练方式是运动员趴到器械上，腿部固定到摆腿架上，有腿部用力带动摆腿架摆动， 通过曲柄摇杆机构将该摆动转化为惯性轮的连续转动。由于惯性轮的作用，使得该器械运动 起来比较平稳，在短的训练行程中没有加速度，这样就没有冲击。这是现有的训练设备所不 具有的一大特点。 4）采用了《机械原理》和《机械设计》课程上学过的知识进行机构运动设计和结构化， 实现了所学理论知识到实践的转化； 5）为了克服死点位置难以启动的理论弊端，我们专门设计了一个机构，如下图所示： α 图4 无死点曲柄摇杆机构 用单曲柄摇杆机构把摇摆运动或者直线运动转化为圆周运动时，摇杆为主动件时，从 理论上机构必然有一个死点位置；本设计通过在圆盘（由曲柄演化而成）开设一个与旋转方 向相同的斜槽，在斜槽中装入一个弹簧和圆柱销，其中弹簧经压缩后装入，有一定大小的预 紧力，柱销可以沿着斜槽移动。曲柄摇杆机构处于死点位置时，作用力的分力压缩弹簧，使 圆柱销沿着斜槽移动，离开死点位置。 [1] 栗苓苓. 健美操对改善男大学生形体和提高柔韧性效应的实验研究[J]. 株洲工学院学报，2003，（2）： 131-133 [2] 彭延春，毕秀淑. 论健美运动的健身、健心效果[J]. 湖北体育科技，2002，（3）：342-343 [3] 王知行，刘廷荣主编. 机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2000 [4] 徐灏主编. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，1991