專利名稱：智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于運(yùn)動(dòng)技術(shù)器械領(lǐng)域，涉及肌力與爆發(fā)力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
肌力與爆發(fā)力是近代競(jìng)技運(yùn)動(dòng)決定勝負(fù)的關(guān)鍵，沒有過人的肌力與爆發(fā)力幾乎難以在競(jìng)爭(zhēng)激烈的競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中生存。在許多競(jìng)爭(zhēng)極為劇烈的競(jìng)技運(yùn)動(dòng)上，要能爭(zhēng)取一席之地，肌力與爆發(fā)力是成功與否的關(guān)鍵性體能要素，也是教練、運(yùn)動(dòng)員急欲尋求突破與發(fā)展的訓(xùn)練課題，因此，為了有效提升運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，教練與無數(shù)的運(yùn)動(dòng)科學(xué)家無不致力于尋求有效提升肌力與爆發(fā)力的訓(xùn)練方法，同時(shí)也建構(gòu)了許多肌力與爆發(fā)力的訓(xùn)練理論。
重量訓(xùn)練(weight training，WT)就是長(zhǎng)久以來用來訓(xùn)練肌肉力量的主要手段，也被認(rèn)為是提升最大肌力的有效方法。然而，諸多研究顯示，重量訓(xùn)練雖可有效增進(jìn)肌肉力量，但卻不足以改善動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)(Fry & Kraemar，1991)，甚至?xí)?duì)動(dòng)作速度產(chǎn)生制約作用(Bloomfield et al，1990)，進(jìn)而限制了爆發(fā)力的發(fā)展。
現(xiàn)代競(jìng)技運(yùn)動(dòng)所追求的目標(biāo)是更高、更快、更遠(yuǎn)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，這些目標(biāo)都是由速度所決定的，而依據(jù)動(dòng)量定理，速度又是由力的沖量決定的。傳統(tǒng)的重量訓(xùn)練雖仍扮演著增進(jìn)肌力的重要角色，但似乎無法滿足現(xiàn)代高度追求速度與爆發(fā)力的競(jìng)技需求。體育運(yùn)動(dòng)中，將肌肉的功率稱作爆發(fā)力，爆發(fā)力是力量與速度的函數(shù)，因此，為了提升競(jìng)技運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，符合大多數(shù)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的需求，除了最大肌力的訓(xùn)練外，必須考慮速度方面的訓(xùn)練，方能達(dá)到提升爆發(fā)力與競(jìng)技表現(xiàn)的目的。
為了適應(yīng)大多數(shù)動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，使訓(xùn)練更逼近實(shí)際的競(jìng)賽狀態(tài)，后來又發(fā)展出超等長(zhǎng)訓(xùn)練(plyometrics training，PT)，作為提升動(dòng)作速度與爆發(fā)力的手段。超等長(zhǎng)訓(xùn)練是一種預(yù)先牽拉肌肉(prestretch)，使肌肉成離心收縮被動(dòng)拉長(zhǎng)，迫使最終的向心收縮階段能產(chǎn)生更強(qiáng)而有力收縮的一種爆發(fā)力訓(xùn)練方式(Kritpet，1989)。這種訓(xùn)練型態(tài)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在充分利用肌肉彈性能(elasticenergy)與激發(fā)肌肉的牽張反射(stretch reflex)特性上(Schmidtbleicher，1992)，其訓(xùn)練目的在于連結(jié)動(dòng)作力量與動(dòng)作速度，以產(chǎn)生瞬發(fā)性反射作用(explosive-reaction)的動(dòng)作型態(tài)，它經(jīng)常被用來指跳深訓(xùn)練(depth jump)，也可含蓋任何利用肌肉牽張反射特性，以產(chǎn)生瞬發(fā)性反射動(dòng)作的訓(xùn)練型態(tài)(Chuand Plummer，1984)。這種訓(xùn)練方式主要在于結(jié)合速度訓(xùn)練和力量訓(xùn)練以求增加爆發(fā)力，它的目的是為了在最短的時(shí)間產(chǎn)生最大的力量的總和。近年來，超等長(zhǎng)訓(xùn)練廣受運(yùn)動(dòng)教練的歡迎，并將這種訓(xùn)練方式結(jié)合了運(yùn)動(dòng)技術(shù)訓(xùn)練，廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練課程中，并獲得很好的訓(xùn)練效果(Komi，2003)。在一些需要強(qiáng)大爆發(fā)力的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，例如籃球、排球、短距離競(jìng)速賽跑、跳躍運(yùn)動(dòng)、投擲運(yùn)動(dòng)和體操等，超等長(zhǎng)訓(xùn)練也被認(rèn)為是必要的訓(xùn)練手段。蔡豐任、劉宇(1998)曾以控速增量及控量增速的深跳訓(xùn)練為手段，實(shí)施每周兩次共為期八周的超等長(zhǎng)訓(xùn)練負(fù)荷定量控制方式，結(jié)果顯示兩實(shí)驗(yàn)組的垂直跳分別進(jìn)步了7公分及7.8公分，動(dòng)作速度進(jìn)步了10.26％及10.52％，爆發(fā)力進(jìn)步了10.72％及10.23％，但以Squat Jump為測(cè)驗(yàn)手段的動(dòng)態(tài)最大肌力值卻未顯著改變，而且，所造成的爆發(fā)力提升之效果，是因此訓(xùn)練方式提升了動(dòng)作速度而非動(dòng)作力量。這個(gè)研究說明了超等長(zhǎng)訓(xùn)練在增進(jìn)爆發(fā)力與動(dòng)作速度上有很大的幫助，但對(duì)于最大肌力的發(fā)展有其限制。該研究也建議超等長(zhǎng)訓(xùn)練若能結(jié)合重量訓(xùn)練應(yīng)可更全面性地發(fā)展爆發(fā)力。Adams et al(1992)的研究，比較六周的傳統(tǒng)蹲舉重量訓(xùn)練、超等長(zhǎng)訓(xùn)練、蹲舉重量訓(xùn)練結(jié)合超等長(zhǎng)訓(xùn)練，三種不同的訓(xùn)練方式對(duì)爆發(fā)力發(fā)展的影響即顯示結(jié)合重量訓(xùn)練與超等長(zhǎng)訓(xùn)練比起單獨(dú)進(jìn)行重量訓(xùn)練或超等長(zhǎng)訓(xùn)練的方式，更可有效增進(jìn)爆發(fā)力與垂直跳能力。
為了結(jié)合超等長(zhǎng)訓(xùn)練可提升動(dòng)作速度和爆發(fā)力，而重量訓(xùn)練可提升最大肌力和爆發(fā)力的雙重優(yōu)點(diǎn)，并去除可能的缺點(diǎn)，目前在澳洲已研發(fā)一種稱為Plyometric Power System(Plyopower Technologies制，Australia)的訓(xùn)練器，進(jìn)行所謂的超等長(zhǎng)重量訓(xùn)練(plyometric weight training)，這種訓(xùn)練方式主要是利用類似史密斯訓(xùn)練器(Smith Machine)，進(jìn)行負(fù)重彈震式蹲跳(weightedballistic jump squat)或負(fù)重超等長(zhǎng)蹲跳(weighted plyometric jump squat)的下肢爆發(fā)力訓(xùn)練，也可進(jìn)行有無反向動(dòng)作(with or without countermovement)仰臥推擲(bench press throw)的上肢爆發(fā)力訓(xùn)練。這是一種在適當(dāng)負(fù)重下的特殊高速動(dòng)作，強(qiáng)調(diào)在整個(gè)向心收縮期的動(dòng)作過程必須快速且無減速制動(dòng)期，并在向心末期將負(fù)荷連人帶杠蹬離地面(下肢負(fù)重蹲跳)或?qū)⒅匚飻S出離手(上肢仰臥推擲)。已有一些研究驗(yàn)證了負(fù)重超等長(zhǎng)訓(xùn)練對(duì)垂直跳爆發(fā)力的效果比單純超等長(zhǎng)訓(xùn)練或單純高阻力重量訓(xùn)練要來得好得多(Newton，2005)。
研究也顯示傳統(tǒng)式的仰臥推舉(bench press)與仰臥推擲(bench throw)在動(dòng)作速度與力量輸出的差異，仰臥推擲因在向心期沒有減速制動(dòng)過程，動(dòng)作速度呈現(xiàn)越來越快的結(jié)果，而且力量與沖量值也保持在相對(duì)高的水平，因此，仰臥推擲對(duì)爆發(fā)力的發(fā)展有更好的效果。
在負(fù)重蹲跳的最佳負(fù)荷方面，Wilson et al(1993)的研究指出以30％的最大隨意收縮(maximal voluntary contraction，MVC)的負(fù)荷來訓(xùn)練，可獲得最大爆發(fā)力的增加，該研究同時(shí)也發(fā)現(xiàn)以30％ MVC的負(fù)重蹲跳訓(xùn)練對(duì)垂直跳表現(xiàn)的效果最好。Dugan et al(2004)的研究及Newton(2005)的研究指出對(duì)于訓(xùn)練有素的運(yùn)動(dòng)員而言，以最大等長(zhǎng)肌力MVC的30％負(fù)荷來進(jìn)行負(fù)重蹲跳訓(xùn)練，可輸出最大的爆發(fā)力峰值，以此負(fù)荷來訓(xùn)練可獲得最佳的爆發(fā)力訓(xùn)練效果；但是，對(duì)于訓(xùn)練水平較差的受試者而言，10％MVC的負(fù)荷反而可產(chǎn)生最大的爆發(fā)力值，因此，在選擇負(fù)荷時(shí)應(yīng)依據(jù)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練水平而定。
綜合以上研究背景的探討可知重量訓(xùn)練可有效增進(jìn)最大肌力，但不足以改變動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)；而超等長(zhǎng)訓(xùn)練可有效提升動(dòng)作速度與爆發(fā)力，但對(duì)最大肌力的發(fā)展有其限制。
上述訓(xùn)練方法雖可增加力量與爆發(fā)力表現(xiàn)，但是，運(yùn)動(dòng)員在負(fù)重的情況下進(jìn)行超等長(zhǎng)訓(xùn)練，落地時(shí)杠鈴的重量以及地面的沖擊力，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的安全及心理層面無疑有負(fù)面影響。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，協(xié)助運(yùn)動(dòng)員提高訓(xùn)練安全性及訓(xùn)練效果。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是 一種智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，包括訓(xùn)練架，設(shè)置于訓(xùn)練架上的負(fù)重裝置，還包括與負(fù)重裝置相連以控制負(fù)重裝置減速的安全裝置。
進(jìn)一步還包括對(duì)訓(xùn)練過程中的動(dòng)態(tài)力量、位移、加速度訊號(hào)采集、轉(zhuǎn)換與分析的訊號(hào)測(cè)量與分析系統(tǒng)。
該訊號(hào)測(cè)量與分析系統(tǒng)提供開放的同步訊號(hào)傳輸平臺(tái)，還配合設(shè)置有運(yùn)動(dòng)生物訊號(hào)的同步采集與測(cè)量裝置。
該運(yùn)動(dòng)生物訊號(hào)包括肌電圖、肌動(dòng)圖、心電圖、電子關(guān)節(jié)角度中的一種或一種以上。
在訓(xùn)練系統(tǒng)上供訓(xùn)練者站立的位置設(shè)置有一維測(cè)力平臺(tái)以測(cè)量訓(xùn)練者下肢所承受的地面反作用力以及爆發(fā)力。
在該負(fù)重裝置上設(shè)置有位移傳感器或加速度傳感器。
該安全裝置包括制動(dòng)器、傳動(dòng)齒輪和用于感測(cè)負(fù)重裝置上下位移的位移傳感器(或加速度傳感器)，該制動(dòng)器與傳動(dòng)齒輪通過皮帶輪相配合，可整體設(shè)置固定于訓(xùn)練架之上，傳動(dòng)齒輪上卷繞牽引索，牽引索的一端連接負(fù)重裝置。
該負(fù)重裝置是杠鈴。
該牽引索由位移傳感器中穿過，該位移傳感器設(shè)置在訓(xùn)練架上。
由于采用了上述方案，本發(fā)明 在訓(xùn)練系統(tǒng)上加裝電腦控制的安全減速裝置，可以減少杠鈴下落時(shí)的沖擊力； 在訓(xùn)練系統(tǒng)上安裝一維測(cè)力平臺(tái)測(cè)量下肢所承受的地面反作用力以及爆發(fā)力；在杠鈴上安裝位移傳感器或加速度傳感器，計(jì)算受試者施予杠鈴的力量以及爆發(fā)力的輸出，并監(jiān)控訓(xùn)練強(qiáng)度與訓(xùn)練量等指標(biāo)，達(dá)到訓(xùn)練與肌肉力量診斷的雙重目的。
運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)際上是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)接受刺激(訓(xùn)練)產(chǎn)生適應(yīng)、再刺激再適應(yīng)的重復(fù)循環(huán)過程，舊的、原有的訓(xùn)練方法即便再好，經(jīng)過一定的循環(huán)重復(fù)過程后，神經(jīng)肌肉系統(tǒng)很難再產(chǎn)生新的突破性適應(yīng)，必須調(diào)整變換訓(xùn)練方式、訓(xùn)練強(qiáng)度與訓(xùn)練量等或發(fā)展新的訓(xùn)練方法。超等長(zhǎng)重量訓(xùn)練是一種新型的訓(xùn)練方法，它可以通過調(diào)整負(fù)重重量與動(dòng)作速度改變訓(xùn)練強(qiáng)度以致訓(xùn)練量；提供一種科學(xué)化訓(xùn)練與診斷的系統(tǒng)正是本發(fā)明的目的。利用該系統(tǒng)可以在電腦的控制下，對(duì)負(fù)重杠鈴進(jìn)行減速制動(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)員腳下安裝測(cè)力裝置(測(cè)力平臺(tái)Forceplate)，以及在杠鈴上安裝位移傳感器或加速度傳感器，借以測(cè)量受試者下肢的肌肉力量與爆發(fā)力，以及受試者施加給杠鈴的動(dòng)態(tài)力量與爆發(fā)力。本發(fā)明應(yīng)用價(jià)值在于該系統(tǒng)的主要內(nèi)容除了超等長(zhǎng)重量訓(xùn)練與測(cè)試分析的軟硬件系統(tǒng)外，具體實(shí)驗(yàn)方法是以不同負(fù)荷(最大等長(zhǎng)肌力的0％，10％，20％，30％)的負(fù)重下蹲反彈蹲跳(weighted countermovement jump squat)為其訓(xùn)練手段，并藉由測(cè)力系統(tǒng)、肌電圖儀與位移計(jì)或加速度傳感器來探討負(fù)重超等長(zhǎng)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)負(fù)荷與神經(jīng)力學(xué)特征與差異，期能為有效發(fā)展爆發(fā)力的訓(xùn)練方法尋求科學(xué)研究的參數(shù)與依據(jù)。
圖1為分析、診斷控制系統(tǒng)流程圖。
圖2為肌力診斷參數(shù)圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例裝配圖的正視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例裝配圖的左視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例裝配圖的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
肌肉力量診斷方法 1、最大等長(zhǎng)力量分別讀取最大力量(Fmax)、達(dá)最大力值的時(shí)間(Tmax)、快速肌力指數(shù)(Speed-Strength-Index，SSI＝Fmax/Tmax)、發(fā)力率(Rate ofForce Development，RFD)、最大發(fā)力率(MRFD)和初始發(fā)力率(Initial RFD或IRFD)等肌力診斷參數(shù)(如圖2所示)，進(jìn)一步用于評(píng)估在不同負(fù)荷與不同動(dòng)作下的肌力診斷參數(shù)上的差異。
2、動(dòng)態(tài)離心收縮與向心收縮力量根據(jù)測(cè)力臺(tái)與位移計(jì)或加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果，可以首先將訓(xùn)練動(dòng)作分為離心收縮階段與向心收縮階段，并可分別讀取力量、加速度、速度、位移等基本參數(shù)，對(duì)于訓(xùn)練與診斷比較重要的參數(shù)包括力量、動(dòng)作速度、爆發(fā)力、做功量等，其中爆發(fā)力(功率)是力量與速度的函數(shù)，可準(zhǔn)確表示訓(xùn)練強(qiáng)度，而做功量表示訓(xùn)練量。此外根據(jù)力量與爆發(fā)力輸出的下降情況，也可定義疲勞指數(shù)評(píng)估肌肉耐力情況。
瞬間功率P(t)＝F(t)*V(t) 也稱爆發(fā)力或訓(xùn)練強(qiáng)度 單次做功量Wi＝∫t+T|P(t)|·dtT為單次動(dòng)作時(shí)間 總做功量W＝∑Wi也稱訓(xùn)練量并可代表能量(熱量)消耗 肌耐力指數(shù) 所需要解決的技術(shù)關(guān)鍵有 1、杠鈴減速制動(dòng)器用于杠鈴下落時(shí)的制動(dòng)減速，提高訓(xùn)練系統(tǒng)的安全性。
2、一維測(cè)力臺(tái)系統(tǒng)測(cè)量作用于受試者下肢的力量與爆發(fā)力，并精確評(píng)估超等長(zhǎng)重量訓(xùn)練時(shí)的訓(xùn)練強(qiáng)度與訓(xùn)練量。
3、位移傳感器(linear position transducer)或加速度傳感器(accelerometer)測(cè)量受試者施加給杠鈴的力量、杠鈴移動(dòng)速度、加速度與功率，并精確計(jì)算與評(píng)估針對(duì)杠鈴的訓(xùn)練強(qiáng)度與訓(xùn)練量。
4、訊號(hào)測(cè)量與分析系統(tǒng)訓(xùn)練過程中的動(dòng)態(tài)力量、位移、加速度訊號(hào)采集、轉(zhuǎn)換與分析。本系統(tǒng)提供開放的同步訊號(hào)傳輸平臺(tái)，可以配合肌電圖(EMG)、肌動(dòng)圖(MMG)、心電圖(ECG)、電子關(guān)節(jié)角度計(jì)(Goniometer)等進(jìn)行多種運(yùn)動(dòng)生物訊號(hào)的同步采集與測(cè)量。
5、系統(tǒng)配套診斷軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸和分析診斷控制。包括訓(xùn)練指標(biāo)的測(cè)量與計(jì)算，開發(fā)相關(guān)生物力學(xué)肌力測(cè)試與診斷指標(biāo)，包括靜態(tài)最大等長(zhǎng)收縮力量測(cè)試(最大力量、發(fā)力率、快速肌力指數(shù)、力量耐力等)、動(dòng)態(tài)離心收縮與向心收縮力量測(cè)試(力量、速度、爆發(fā)力、做功量等)、訓(xùn)練強(qiáng)度、訓(xùn)練量以及疲勞指數(shù)等相關(guān)生物力學(xué)參數(shù)的精確計(jì)算，上述指標(biāo)可以數(shù)據(jù)表、線圖、柱狀圖的形式表示，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和個(gè)體訓(xùn)練的監(jiān)控，為教練員和運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練提供科學(xué)決策依據(jù)。并且可以兼顧訓(xùn)練、測(cè)試、肌力診斷與數(shù)字化實(shí)現(xiàn)電腦與網(wǎng)絡(luò)控制功能。
運(yùn)動(dòng)員開始訓(xùn)練前，根據(jù)項(xiàng)目對(duì)肌肉力量的要求，設(shè)置訓(xùn)練計(jì)劃，如測(cè)試運(yùn)動(dòng)員的靜態(tài)最大等長(zhǎng)收縮力量1RM，然后設(shè)定其本次負(fù)荷為1RM的10％或者其它數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，記錄收縮過程的力量、速度和爆發(fā)力及做功量，評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員是否達(dá)到最佳刺激。并同時(shí)記錄該運(yùn)動(dòng)員此時(shí)的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和疲勞指數(shù)。如已經(jīng)達(dá)到最佳負(fù)荷，記錄訓(xùn)練強(qiáng)度、訓(xùn)練量和疲勞指數(shù)，以便于下一次訓(xùn)練時(shí)直接進(jìn)行到最佳負(fù)荷狀態(tài)，不再調(diào)整，并直接記錄訓(xùn)練的指標(biāo)。進(jìn)行一段時(shí)間的訓(xùn)練后，再測(cè)試肌力指標(biāo)和生物力學(xué)參數(shù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)及訓(xùn)練計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整。在不同的訓(xùn)練時(shí)間，運(yùn)動(dòng)員可以直觀地找到自己前次訓(xùn)練的記錄和此次的訓(xùn)練計(jì)劃。同時(shí)，可以在不同的運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)化。
軟件配置方面，可以實(shí)現(xiàn) 輸入數(shù)據(jù)包括，個(gè)人資料(編號(hào)、姓名、性別、年齡、身高、體重、運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目等)、系統(tǒng)設(shè)定(輸入裝置、取樣頻率、力量參數(shù)、位置參數(shù))、測(cè)試設(shè)定(測(cè)試項(xiàng)目、運(yùn)動(dòng)模式、測(cè)試模式、參數(shù))。輸出數(shù)據(jù)包括，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)測(cè)試(肌肉力量、動(dòng)作速度、爆發(fā)力、作功量、次數(shù)、時(shí)間、最佳功率比)、靜態(tài)運(yùn)動(dòng)測(cè)試(最大等長(zhǎng)肌肉力量、發(fā)力率、起始力、快速肌力指數(shù)等)、結(jié)果報(bào)表(訓(xùn)練量、訓(xùn)練強(qiáng)度與疲勞指數(shù)等相關(guān)生物力學(xué)參數(shù))。訓(xùn)練助手能協(xié)助使用者快速設(shè)定與測(cè)量、分析資料。
通過本系統(tǒng)軟硬件的運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)具有電子數(shù)字化感應(yīng)功能，可真正量化力量、速度、訓(xùn)練強(qiáng)度與訓(xùn)練量等；微型化信號(hào)放大與運(yùn)算硬件電路；數(shù)字化顯示技術(shù)；多頻道I/O接口，可選擇同步連接電子電子關(guān)節(jié)角度計(jì)、肌電圖等生物信號(hào)。
一、分析、診斷控制系統(tǒng)流程(如圖1所示) 二、分析、診斷控制系統(tǒng)功能 1、診斷上下肢最大力量、爆發(fā)力(速度力量)、力量耐力 2、控制運(yùn)動(dòng)過程的負(fù)荷強(qiáng)度和負(fù)荷量 三、診斷控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法及步驟 1、診斷上下肢最大力量、爆發(fā)力(速度力量)、力量耐力 (1)利用杠鈴位移傳感器輸出的數(shù)據(jù)，描記杠鈴位移-時(shí)間函數(shù)曲線，對(duì)于該曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)基本定律來評(píng)估上肢最大力量、爆發(fā)力、力量耐力。
(2)利用壓力傳感器輸出的數(shù)據(jù)，描記下肢力量-時(shí)間函數(shù)曲線，對(duì)于該曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，評(píng)估下肢靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力量表現(xiàn)，最大力量、爆發(fā)力、力量耐力。
具體的肌肉力量診斷方法如下 1、最大等長(zhǎng)力量分別讀取最大力量(Fmax)、達(dá)最大力值的時(shí)間(Tmax)、快速肌力指數(shù)(Speed-Strength-Index，SSI＝Fmax/Tmax)、發(fā)力率(Rate ofForce Development，RFD)、最大發(fā)力率(MRFD)和初始發(fā)力率(Initial RFD或IRFD)等肌力診斷參數(shù)(如圖2)，進(jìn)一步用于評(píng)估在不同負(fù)荷與不同動(dòng)作下的肌力診斷參數(shù)上的差異。
如運(yùn)動(dòng)員的最大力量越大，說明其絕對(duì)力量越大，達(dá)最大力值的時(shí)間越大，最大發(fā)力率越大，說明運(yùn)動(dòng)員的爆發(fā)力越好。在不同的負(fù)荷條件下發(fā)展不同的肌肉力量。發(fā)力率和初始發(fā)力率從另一個(gè)角度反映該運(yùn)動(dòng)員的最大力量和爆發(fā)力的參數(shù)。在不同的負(fù)荷和不同動(dòng)作時(shí)，肌力表現(xiàn)各不相同。在此基礎(chǔ)上，如果該運(yùn)動(dòng)員此時(shí)需要發(fā)展力量耐力，調(diào)整運(yùn)動(dòng)負(fù)荷時(shí)采用加大運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的方法；如果運(yùn)動(dòng)員需要發(fā)展最大力量和爆發(fā)力，則用減少運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的量來進(jìn)行調(diào)整。
2、動(dòng)態(tài)離心收縮與向心收縮力量根據(jù)測(cè)力臺(tái)與位移計(jì)或加速度計(jì)的測(cè)量結(jié)果，可以首先將訓(xùn)練動(dòng)作分為離心收縮階段與向心收縮階段，并可分別讀取力量、加速度、速度、位移等基本參數(shù)，對(duì)于訓(xùn)練與診斷比較重要的參數(shù)包括力量、動(dòng)作速度、爆發(fā)力、做功量等，其中爆發(fā)力(功率)是力量與速度的函數(shù)，可準(zhǔn)確表示訓(xùn)練強(qiáng)度，而做功量表示訓(xùn)練量。此外根據(jù)力量與爆發(fā)力輸出的下降情況，也可定義疲勞指數(shù)評(píng)估肌肉耐力情況。
瞬間功率P(t)＝F(t)*V(t) 也稱爆發(fā)力或訓(xùn)練強(qiáng)度 單次做功量Wi＝∫t+T|P(t)|·dtT為單次動(dòng)作時(shí)間 總做功量W＝∑Wi也稱訓(xùn)練量并可代表能量(熱量)消耗 肌耐力指數(shù) 請(qǐng)參閱圖2的肌力診斷參數(shù)圖，其中快速肌力指數(shù)SSI＝Fmax/Tmax； 發(fā)力率FRD＝ΔF/Δt； 初始發(fā)力率IRFD＝ΔF30/Δt30 精確控制爆發(fā)力訓(xùn)練的負(fù)荷強(qiáng)度和負(fù)荷量 根據(jù)計(jì)算機(jī)分析結(jié)果，同步監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練強(qiáng)度、訓(xùn)練量(訓(xùn)練量是訓(xùn)練強(qiáng)度和時(shí)間的函數(shù))，精確評(píng)估運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練中的負(fù)荷強(qiáng)度和負(fù)荷量，并且通過計(jì)算機(jī)控制杠鈴減速制動(dòng)器，輔助進(jìn)行訓(xùn)練。
以磁粉制動(dòng)器為例 1、調(diào)定緩沖拉力 在運(yùn)動(dòng)員開始訓(xùn)練之前，先根據(jù)訓(xùn)練的需要，調(diào)定磁粉制動(dòng)器的輸入電流的大小，從而設(shè)定磁粉制動(dòng)器輸出軸轉(zhuǎn)矩的大小，磁粉制動(dòng)器再通過與之相連的傳動(dòng)裝置來改變固定在傳動(dòng)裝置的綱繩的拉力，從而完成緩沖拉力的調(diào)定。
2、調(diào)定杠鈴的砝碼重量(m) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的需要，確定加在杠鈴上的砝碼的重量。
3、將位移傳感器與電腦之間的數(shù)據(jù)采集線路連接好。
4、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與保存 當(dāng)運(yùn)動(dòng)員開始訓(xùn)練時(shí)，杠鈴上下移動(dòng)，使位移傳感器輸出電信號(hào)，經(jīng)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集并處理后，將杠鈴的位移一時(shí)間曲線實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員一次訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提示將本次訓(xùn)練的位移隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。
5、數(shù)據(jù)處理，得出其他派生數(shù)據(jù) 對(duì)移位隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)，得到速度(v)隨時(shí)間變化的曲線，再對(duì)速度(v)進(jìn)行求導(dǎo)，得到加速度(a)隨時(shí)間變化的曲線。然后再根據(jù)杠鈴的重量(包括砝碼的重量)和牛頓定律，F(xiàn)＝m*a，求出力F。
然后由公式P(t)＝F(t)*V(t)求出瞬間功率，也稱爆發(fā)力或訓(xùn)練強(qiáng)度，由公式Wi＝∫t+T|P(t)|·dt(T為單次動(dòng)作時(shí)間)，求出單次做功量，由公式W＝∑Wi求出總做功量，也稱訓(xùn)練量并可代表能量(熱量)。
上述這些數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的情況均可以數(shù)據(jù)表、線圖、柱狀圖的形式表示，從而為后續(xù)的系統(tǒng)分析診斷提供數(shù)據(jù)來源。
磁粉制動(dòng)器工作原理 磁粉制動(dòng)器是由傳動(dòng)單元(輸入軸)和從動(dòng)單元(輸出軸)合并而成。在兩組單元之間的空間，填有粒狀的磁粉(休積大約40微米)。當(dāng)磁性線圈不導(dǎo)電時(shí)，轉(zhuǎn)矩不會(huì)從傳動(dòng)軸傳于從動(dòng)軸，但如將線圈電磁通電，就由于磁力的作用而吸引磁粉產(chǎn)生硬化現(xiàn)象，在連繼滑動(dòng)之間會(huì)把轉(zhuǎn)矩傳達(dá)。
位移傳感器可以選擇美國(guó)SpaceAge Control公司，YDK62系列。
制動(dòng)器可按以下技術(shù)參數(shù)確定 1.制動(dòng)器鋼絲繩最大張力150公斤，行程2米。
2.制動(dòng)力10--90公斤可調(diào)。
3.制動(dòng)器鋼絲繩回復(fù)力為3公斤。
4.控制器電壓220伏，電流 0.1--1A可調(diào)。
以下結(jié)合圖3-5所示的實(shí)施例，進(jìn)一步具體說明 本發(fā)明的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，包括訓(xùn)練架1，設(shè)置于訓(xùn)練架上的負(fù)重裝置，即杠鈴2，還包括與杠鈴2相連以控制杠鈴2減速的安全裝置。
該安全裝置包括制動(dòng)器4、傳動(dòng)齒輪5和用于感測(cè)杠鈴2上下位移的位移傳感器6(或加速度傳感器)，該制動(dòng)器4與傳動(dòng)齒輪5通過皮帶輪7相配合，可整體設(shè)置固定于訓(xùn)練架1之上，傳動(dòng)齒輪5上卷繞牽引索8，牽引索8的一端連接杠鈴2，傳動(dòng)齒輪5的正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)杠鈴2沿著訓(xùn)練架1向上或向下移動(dòng)，換言之，杠鈴2沿著訓(xùn)練架1向上或向下移動(dòng)可以由傳動(dòng)齒輪5通過牽引索8來加以限制；制動(dòng)器4系在杠鈴上的拉繩9被拉動(dòng)時(shí)起制動(dòng)作用。
進(jìn)一步，可將該位移傳感器6(底座)設(shè)置于訓(xùn)練架1上，牽引索8由位移傳感器6中穿過，位移傳感器6通過感測(cè)牽引索8的位移同樣可以確定杠鈴2的位移。位移傳感器6的另一端固定在負(fù)重裝置——杠鈴2上，可隨杠鈴2一起上下移動(dòng)。
制動(dòng)器4與電控系統(tǒng)(圖中未顯示)連接受其控制，位移傳感器6與電控系統(tǒng)有通信連接，實(shí)時(shí)將感測(cè)杠鈴2上下位移的信息反饋到電控系統(tǒng)進(jìn)行處理，當(dāng)感測(cè)到杠鈴2向下移動(dòng)的加速度超出設(shè)定值，表明可能是訓(xùn)練過程中杠鈴2失控，此時(shí)電控系統(tǒng)立即發(fā)出保護(hù)指令使制動(dòng)器4啟動(dòng)，進(jìn)一步通過皮帶輪7限制傳動(dòng)齒輪5的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而再通過牽引索8限制杠鈴2向下移動(dòng)，避免發(fā)生事故。
上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，包括訓(xùn)練架，設(shè)置于訓(xùn)練架上的負(fù)重裝置，其特征在于還包括與負(fù)重裝置相連以控制負(fù)重裝置減速的安全裝置。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，其特征在于還包括對(duì)訓(xùn)練過程中的動(dòng)態(tài)力量、位移、加速度訊號(hào)采集、轉(zhuǎn)換與分析的訊號(hào)測(cè)量與分析系統(tǒng)。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，其特征在于該訊號(hào)測(cè)量與分析系統(tǒng)提供開放的同步訊號(hào)傳輸平臺(tái)，還配合設(shè)置有運(yùn)動(dòng)生物訊號(hào)的同步采集與測(cè)量裝置。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，其特征在于該運(yùn)動(dòng)生物訊號(hào)包括肌電圖、肌動(dòng)圖、心電圖、電子關(guān)節(jié)角度中的一種或一種以上。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，其特征在于在訓(xùn)練系統(tǒng)上供訓(xùn)練者站立的位置設(shè)置有一維測(cè)力平臺(tái)以測(cè)量訓(xùn)練者下肢所承受的地面反作用力以及爆發(fā)力。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，其特征在于在該負(fù)重裝置上設(shè)置有位移傳感器或加速度傳感器。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，其特征在于該安全裝置包括制動(dòng)器、傳動(dòng)齒輪和用于感測(cè)負(fù)重裝置上下位移的位移傳感器或加速度傳感器，該制動(dòng)器與傳動(dòng)齒輪通過皮帶輪相配合，可整體設(shè)置固定于訓(xùn)練架之上，傳動(dòng)齒輪上卷繞牽引索，牽引索的一端連接負(fù)重裝置。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，其特征在于
該負(fù)重裝置是杠鈴。
9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，其特征在于該牽引索由位移傳感器中穿過，該位移傳感器設(shè)置在訓(xùn)練架上。
全文摘要
一種智能化超等長(zhǎng)阻力訓(xùn)練及診斷系統(tǒng)，包括訓(xùn)練架，設(shè)置于訓(xùn)練架上的負(fù)重裝置，還包括與負(fù)重裝置相連以控制負(fù)重裝置減速的安全裝置。還包括對(duì)訓(xùn)練過程中的動(dòng)態(tài)力量、位移、加速度訊號(hào)采集、轉(zhuǎn)換與分析的訊號(hào)測(cè)量與分析系統(tǒng)。該訊號(hào)測(cè)量與分析系統(tǒng)提供開放的同步訊號(hào)傳輸平臺(tái)，還配合設(shè)置有運(yùn)動(dòng)生物訊號(hào)的同步采集與測(cè)量裝置。該系統(tǒng)不僅有助于提高訓(xùn)練安全性，還可以計(jì)算受試者施予杠鈴的力量以及爆發(fā)力的輸出，并監(jiān)控訓(xùn)練強(qiáng)度與訓(xùn)練量等指標(biāo)，達(dá)到訓(xùn)練與肌肉力量診斷的雙重目的；還能藉由測(cè)力系統(tǒng)、肌電圖儀與位移計(jì)或加速度傳感器來探討負(fù)重超等長(zhǎng)動(dòng)作的動(dòng)態(tài)負(fù)荷與神經(jīng)力學(xué)特征與差異，為有效發(fā)展爆發(fā)力的訓(xùn)練方法尋求科學(xué)研究的參數(shù)與依據(jù)。
文檔編號(hào)A63B69/00GK101513567SQ20081003377
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2008年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月22日
發(fā)明者宇 劉, 毅 肖, 黃靈燕 申請(qǐng)人:上海體育學(xué)院