冰球运动员“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”穿戴式负载模块研究

韩 帅，唐 琨，张佳欣，宋赫奕，张连涛

（1.黑龙江省体育科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150008；2.黑龙江建筑职业技术学院 军事体育部，黑龙江 哈尔滨 150025；3.哈尔滨医科大学 体育教研部，黑龙江 哈尔滨 150081）

1 引言

冰球作为一项基于对抗的快节奏运动，较强的力量是冰球运动员最不可或缺的体能要素。同时因为人种与体质的差异，我国冰球运动员体重相比外国优秀运动员要轻，力量方面的运动素质也普遍偏低，从而更加凸显出增强体能训练的重要意义。对于体能训练的方法，负重式练习在田径、篮球、排球等竞赛项目，以及健美运动和大众健身上都有广泛应用，速度滑冰也有以此作为陆地辅助训练手段的尝试，但直接在冰面上进行负重式训练目前尚缺乏针对性研究。

黑龙江省作为我国冰球项目的发源地，在青少年冰球运动员的训练中曾长期使用传统的冰上力量训练方法，如通常会采取牵拉轮胎的方式滑行。此举虽然可以依靠拖拽重物锻炼力量，但在训练效果、器材质量、安全性上都难尽人意，“可穿戴式冰上抗阻训练器”也正是基于这样的状况和需求，值得进行研发应用。

2 “可穿戴式冰上负载抗阻训练器”穿戴式负载模块设计思想

2.1 整体预想设计

此前的研究已对“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“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”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”中的穿戴式负载模块（图1），重点对其整体结构、材料选择和连接方式进行设计。

图1 穿戴式负载模块预想结构Figure 1. Expected structure of wearable load module

2.2 穿戴式负载模块的优化

本次研究的模块是训练器的最后一部分，因其装配在冰球运动员的身体上，由运动员借助“链接与缓冲模块”牵引“外抗阻负载与滑行模块”，或可在本模块上悬挂其他小型重物进行单独使用，从而将其命名为“穿戴式负载模块”。基于此前的研究已将腰部作为链接及牵引连杆的理想位置，即知本模块需穿戴于冰球运动员的上身，为增强使用整套器材训练时的安全性，可将其穿戴在冰球护具之外。由于本模块与运动员接触最为紧密，因此需额外围绕简易适用的目标和预期的使用感受，对穿戴式负载模块的设计进行论述。

由图1可知，穿戴式负载模块的预想结构中包含10个部件。但在对“外抗阻负载与滑行模块”和“链接与缓冲模块”的设计过程中，以及同冰球教练员及运动员进行交流后，研究逐渐对穿戴式负载模块的核心功能和使用方法有了进一步的理解，意识到可以通过优化预想结构中的若干部件，在满足必要功能的前提下，精简结构，节约成本，设计出更加合理有效、便于穿戴的模块。

优化的部分一方面涉及与手臂及颈肩关联的部件。其中，部件7“臂部阻力弹带”市场成品较多，可以根据需要进行购置，作为额外的配件加挂于模块，无需另行设计；部件8“悬吊肩带”和部件10“颈肩挂带托”的设计初衷，是为了借助肩部搭挂保障模块不下坠脱落，更贴合“穿戴式”模块样貌。但随着研究的深入，越发强调模块直接在腰部实现稳固穿戴，同时肩带也需要根据运动员的不同身长制成可伸缩样式，增加了器材穿戴时的麻烦，从而对部件8和部件10进行了删减。

优化的部分另一方面涉及较多的腰部部件。其中，部件1～6的“内、外转动钢环”“内外转动钢环转动支撑轮”“外转动钢环上、下托转动轮”“外转动钢环转动轮固定螺杆”等，设计初衷是内圈钢环主要用于运动员穿戴，外圈钢环主要用于连接负载，内外圈钢环之间设有滚轮，从而实现对外部负载的动态牵引。但随着研究的深入，发现预想的设计会不可避免地造成复杂结构，精细的滚轮能否在反复承受应力之下不变形、不失效存在未知，外部负载如何与外圈钢环进行连接并实现便捷的拆卸也成为问题。因此，在腰部部件的核心功能——“稳固穿戴＋牵引外部负载”未能得到突出发挥的情况下，仅自身结构上就存在诸多障碍显然是事倍功半的，对其进行精简也就成为必然。关于腰部部件的改进设计，将在3.1节、3.2节做更具体的分析论述。此外，对于部件9“负重块装袋”，其情况与部件7“臂部阻力弹带”大体类似。综上所述，研究对穿戴式负载模块的预想结构进行了较大幅度的修改，总体上朝着更简易、更便捷的方向加以设计。

3 “可穿戴式冰上负载抗阻训练器”穿戴式负载模块部件材料选择与结构

3.1 腰部穿戴部件的选择

随着对穿戴式负载模块预想结构的优化，对模块的设计便集中在腰部部件。除为了满足模块简易适用的需求外，研究舍弃钢环结构的另一方面重要原因在于，内径固定的钢环无法有效调节松紧，适用范围较窄。如内径设定过小，则运动员不易将钢环穿戴于冰球护具之外；如内径设定过大，加之去掉肩带等部件，在使用时钢环容易脱落。想让模块能够适合不同身型和腰围的冰球运动员使用，就必须保证腰部穿戴部件可以调节松紧，故而腰带类设计就此替代了直径固定的钢环结构。

在确定了改进方向后，研究最先考虑采用的是类似于金属拧箍的部件，其既保障了一定的结构强度，也可通过手动旋拧调节松紧。但经查询各种规格的金属拧箍产品之后发现，无论拧箍的内径是大是小、箍带是宽是窄、箍环单层双层，其共有的特点是箍带皆由较薄的铝合金所制。从拧箍“收束管体”的标准功用来说，使用金属薄带恰如其分，但如将之作为腰带用于牵引外部负载，则会存在一些问题。一是较薄的铝合金箍带常规仅用于静态加固，而非反复承受应力，自身材料强度难以保证；二是为连接外部负载，需要在箍带上焊接或者穿铆连接部件，焊点的高温或钻孔的去料将进一步导致箍带强度下降，有可能在外部负载过大时出现突然断裂；三是依靠螺纹方式实现的松紧调节，可能会随着箍带的磨损出现打滑或是松扣，运动员穿戴金属拧箍的感受也未必良好。综上所述，采用金属制带的设想亦被淘汰。

问题似乎瞬间变得简单起来，直接采用日常所使的皮带不就行了吗？事实也的确如此，皮带兼具足够的抗拉强度、方便调节松紧和穿戴便捷舒适等诸多优点，可以基本满足使用要求。但这里仍有两个问题值得探讨：一是皮带的弹性如何选取更为适宜，二是皮带如何与外部负载进行连接，尤其要防止连接部件对软质皮带造成过快的磨损。关于弹性问题，研究准备了一条日用皮带和一条弹力腰带，由冰球运动员分别穿戴后进行冰面牵拉重物的测试。结果发现，当重物较轻时，运动员使用皮带和弹力带牵拉的效果与感受无明显差别。但随着重物质量的增加，运动员的起动逐渐变得困难，此时穿戴皮带牵拉的重物呈现分段突进式滑动，运动员的腹部也有勒紧的感觉；穿戴弹力带牵拉的重物呈现缓慢加速式滑动，运动员的发力也变得更加平稳。由此可知，尽管同为软质腰带，但使腰带具有一定的伸缩弹性更宜于冰球运动员保持流畅的技术动作；虽然需要额外克服一部分来自弹力带本身的弹性阻力，但相比于骤增骤降的发力方式，相对平缓的力量变化也有助于减少运动员脊柱和腰腹部肌肉的损伤。因此，研究进一步替换掉日用皮带，选取弹力腰带作为模块的穿戴部件。此外也可根据需要，在弹力腰带上临时加挂预想结构中的部件7“臂部阻力弹带”，弹带另一端绑接在运动员手腕处，辅助手臂力量训练。关于外部连接问题，由于涉及连接部件的结构及对滑动方式的选择，将在3.2节中做具体论述。

3.2 腰部连接部件的设计

在确定了模块的穿戴部件为弹力腰带后，随之而来的就是设计与之连接的部件。此部件既要能紧密固定在弹力腰带上，也要能穿入连杆的金属闭合挂环实现对接，还同时决定了连杆近身端的滑动方式，可以说是关乎冰球运动员部分人身安全、穿戴感受和器材应用效果的一个核心部件。为同时满足上述设计要求，研究将腰部连接部件进一步拆分成两部分，分别用于固定弹力腰带和滑动对接连杆，并各自命名为“固定组件”和“滑接组件”。

3.2.1 固定组件的设计

这一组件要解决如何与弹力腰带进行固定的问题。由于弹力腰带为软质材料且要反复承受应力，因此无法采取如金属间的焊接或者穿铆等方式加以固定；粘合或缝制的方式也会因低温、受力的应用环境而易于失效。对此，研究在淘汰了多种连接方案后，最终采取让弹力腰带居中、固定组件从正反两面夹紧腰带，利用两者发生相对运动趋势时产生的巨大静摩擦力实现固定，并最大限度地减少腰带的磨损。固定组件规格要同弹力腰带相匹配，并要设有穿连“滑接组件”的挂环，具体结构尺寸，见图2。相同的固定组件需制作2个，对应“滑接组件”的水平宽度及冰球运动员腰部正后方，固定在弹力腰带上。为实现夹紧固定效果，固定组件整体采用金属材料，每个固定组件的“夹板”要从中央一分为二；两个夹层内表面可制出纹理，用于增大接触面的粗糙程度；在四角设置直径3 mm的螺孔，穿入4个螺钉对接“夹板”，通过增大压力进一步实现加固，并适应组合应力的使用环境。固定组件的整体样式，见图3。

图2 固定组件结构尺寸示意Figure 2. Structural dimension diagram of fixed components

图3 固定组件三维示意Figure 3. 3D schematic diagram of fixed components

3.2.2 滑接组件的设计

这一组件要解决如何与连杆近身端进行对接的问题。由于此前的研究已经确定连杆和冰球运动员腰部进行灵活的连接，因此这里首先要完成对近身端滑动方式的选择，其次才是对近身端连接结构的设计。

在机械制造领域，可以实现灵活滑动的方式多种多样，例如常见的滚珠结构、滑槽结构和滑杆结构等。从结构的复杂程度上来说，滚珠结构因精度较高最难制作，滑槽结构其次，滑杆结构相对简易；从产生摩擦力的大小来说，滚珠因是滚动摩擦自然最小，滑槽和滑杆应大致接近。采用滚珠虽然滑动效果最佳，但由于自身较为精细，易在受到外力冲撞时发生变形，从而因磨损影响使用，润滑性也不易保证。采用滑槽将形成类似于曲柄滑块结构的连接方式，但与模块要便于穿戴及拆卸的需求不符；滑块接触滑槽的摩擦面较多，且滑槽间隙产生的碰撞力也会影响结构运动的稳定性。滑杆结构中由于闭合挂环为金属弧面，发生相对运动时可以兼有滚动摩擦与滑动摩擦，对润滑性要求不高；闭合挂环金属材料强度也可以满足牵引外部负载时各个方向的应力。出于简易且经济的考虑，研究经综合对比后，选择使用滑杆结构作为近身端灵活连接的滑动方式。

基于确定了滑杆连接的方式，滑接组件整体即可制成直径略小于10 mm的金属圆杆，同固定组件进行匹配。使用时在滑杆中央穿入连杆金属闭合挂环，两侧分别穿过固定组件的挂环，连接在冰球运动员的腰部正后方。滑杆中段保持光滑，两端可制成螺纹，用于加装手动螺母进一步实现固定。为避免转向或减速时连杆挂环顶撞到运动员腰部，滑杆可以设计成直角曲杆，至少在连杆挂环和运动员腰部之间保留10 mm的间距。为防止连杆挂环在水平方向滑动范围过大，出现外部负载“甩尾”失控的现象，并结合冰球运动员腰部的正常宽度，研究将曲杆用于充当滑杆的部分设定为200 mm（对应2个固定组件的间距也为200 mm），以此控制外部负载的摆动范围。滑接组件的整体规格及样式，见图4。此外，滑接组件在不穿接连杆及外部负载时，也可悬挂预想结构中的部件9“负重块装袋”，作为穿戴式负载辅助力量训练。

图4 滑接组件结构尺寸及三维示意Figure 4. Structural dimension and 3D schematic diagram of sliding assembly

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。穿戴式负载模块需重视结构的安全性、穿卸的便捷性及使用的稳定性，进而再与训练器的其他模块协同发挥功用。研究得出了相对适宜的模块制造方案：在不改变模块核心功能、不影响模块发挥作用的前提下，对预想结构进行大幅度优化；选取弹力腰带作为模块的穿戴部件，能在保障穿戴紧凑、便捷、舒适的同时，使冰球运动员保持流畅的技术动作；内外连接方面，设计固定组件从两面夹紧弹力腰带，依靠静摩擦力进行固定，选择滑杆结构作为近身端灵活连接的滑动方式，以直角曲杆作为滑接组件，控制外部负载的摆动范围。“可穿戴式冰上负载抗阻训练器”至此完成总体设计，后续将尝试在冰球运动员的实际训练中进行应用，检验其实际辅助效果。