CN101513567B - 智能化超等长阻力训练及诊断系统 - Google Patents

Abstract

一种智能化超等长阻力训练及诊断系统，包括训练架，设置于训练架上的负重装置，还包括与负重装置相连以控制负重装置减速的安全装置。还包括对训练过程中的动态力量、位移、加速度讯号采集、转换与分析的讯号测量与分析系统。该讯号测量与分析系统提供开放的同步讯号传输平台，还配合设置有运动生物讯号的同步采集与测量装置。该系统不仅有助于提高训练安全性，还可以计算受试者施予杠铃的力量以及爆发力的输出，并监控训练强度与训练量等指标，达到训练与肌肉力量诊断的双重目的；还能藉由测力系统、肌电图仪与位移计或加速度传感器来探讨负重超等长动作的动态负荷与神经力学特征与差异，为有效发展爆发力的训练方法寻求科学研究的参数与依据。

Description

智能化超等长阻力训练及诊断系统

技术领域

本发明属于运动技术器械领域，涉及肌力与爆发力训练及诊断系统。

背景技术

肌力与爆发力是近代竞技运动决定胜负的关键，没有过人的肌力与爆发力几乎难以在竞争激烈的竞技运动中生存。在许多竞争极为剧烈的竞技运动上，要能争取一席之地，肌力与爆发力是成功与否的关键性体能要素，也是教练、运动员急欲寻求突破与发展的训练课题，因此，为了有效提升运动表现，教练与无数的运动科学家无不致力于寻求有效提升肌力与爆发力的训练方法，同时也建构了许多肌力与爆发力的训练理论。

重量训练(weight training，WT)就是长久以来用来训练肌肉力量的主要手段，也被认为是提升最大肌力的有效方法。然而，诸多研究显示，重量训练虽可有效增进肌肉力量，但却不足以改善动态运动表现(Fry & Kraemar，1991)，甚至会对动作速度产生制约作用(Bloomfield et al，1990)，进而限制了爆发力的发展。

现代竞技运动所追求的目标是更高、更快、更远，根据运动学原理，这些目标都是由速度所决定的，而依据动量定理，速度又是由力的冲量决定的。传统的重量训练虽仍扮演着增进肌力的重要角色，但似乎无法满足现代高度追求速度与爆发力的竞技需求。体育运动中，将肌肉的功率称作爆发力，爆发力是力量与速度的函数，因此，为了提升竞技运动表现，符合大多数动态运动表现的需求，除了最大肌力的训练外，必须考虑速度方面的训练，方能达到提升爆发力与竞技表现的目的。

为了适应大多数动态的运动表现，使训练更逼近实际的竞赛状态，后来又发展出超等长训练(plyometrics training，PT)，作为提升动作速度与爆发力的手段。超等长训练是一种预先牵拉肌肉(prestretch)，使肌肉成离心收缩被动拉长，迫使最终的向心收缩阶段能产生更强而有力收缩的一种爆发力训练方式(Kritpet，1989)。这种训练型态的优势表现在充分利用肌肉弹性能(elasticenergy)与激发肌肉的牵张反射(stretch reflex)特性上(Schmidtbleicher，1992)，其训练目的在于连结动作力量与动作速度，以产生瞬发性反射作用(explosive-reaction)的动作型态，它经常被用来指跳深训练(depth jump)，也可含盖任何利用肌肉牵张反射特性，以产生瞬发性反射动作的训练型态(Chuand Plummer，1984)。这种训练方式主要在于结合速度训练和力量训练以求增加爆发力，它的目的是为了在最短的时间产生最大的力量的总和。近年来，超等长训练广受运动教练的欢迎，并将这种训练方式结合了运动技术训练，广泛地应用于现代运动训练课程中，并获得很好的训练效果(Komi，2003)。在一些需要强大爆发力的运动项目，例如篮球、排球、短距离竞速赛跑、跳跃运动、投掷运动和体操等，超等长训练也被认为是必要的训练手段。蔡丰任、刘宇(1998)曾以控速增量及控量增速的深跳训练为手段，实施每周两次共为期八周的超等长训练负荷定量控制方式，结果显示：两实验组的垂直跳分别进步了7公分及7.8公分，动作速度进步了10.26％及10.52％，爆发力进步了10.72％及10.23％，但以Squat Jump为测验手段的动态最大肌力值却未显着改变，而且，所造成的爆发力提升之效果，是因此训练方式提升了动作速度而非动作力量。这个研究说明了超等长训练在增进爆发力与动作速度上有很大的帮助，但对于最大肌力的发展有其限制。该研究也建议：超等长训练若能结合重量训练应可更全面性地发展爆发力。Adams et al(1992)的研究，比较六周的传统蹲举重量训练、超等长训练、蹲举重量训练结合超等长训练，三种不同的训练方式对爆发力发展的影响即显示：结合重量训练与超等长训练比起单独进行重量训练或超等长训练的方式，更可有效增进爆发力与垂直跳能力。

为了结合超等长训练可提升动作速度和爆发力，而重量训练可提升最大肌力和爆发力的双重优点，并去除可能的缺点，目前在澳洲已研发一种称为Plyometric Power System(Plyopower Technologies制，Australia)的训练器，进行所谓的超等长重量训练(plyometric weight training)，这种训练方式主要是利用类似史密斯训练器(Smith Machine)，进行负重弹震式蹲跳(weightedballistic jump squat)或负重超等长蹲跳(weighted plyometric jump squat)的下肢爆发力训练，也可进行有无反向动作(with or without countermovement)仰卧推掷(bench press throw)的上肢爆发力训练。这是一种在适当负重下的特殊高速动作，强调在整个向心收缩期的动作过程必须快速且无减速制动期，并在向心末期将负荷连人带杠蹬离地面(下肢负重蹲跳)或将重物掷出离手(上肢仰卧推掷)。已有一些研究验证了负重超等长训练对垂直跳爆发力的效果比单纯超等长训练或单纯高阻力重量训练要来得好得多(Newton，2005)。

研究也显示传统式的仰卧推举(bench press)与仰卧推掷(bench throw)在动作速度与力量输出的差异，仰卧推掷因在向心期没有减速制动过程，动作速度呈现越来越快的结果，而且力量与冲量值也保持在相对高的水平，因此，仰卧推掷对爆发力的发展有更好的效果。

在负重蹲跳的最佳负荷方面，Wilson et al(1993)的研究指出：以30％的最大随意收缩(maximal voluntary contraction，MVC)的负荷来训练，可获得最大爆发力的增加，该研究同时也发现：以30％MVC的负重蹲跳训练对垂直跳表现的效果最好。Dugan et al(2004)的研究及Newton(2005)的研究指出：对于训练有素的运动员而言，以最大等长肌力MVC的30％负荷来进行负重蹲跳训练，可输出最大的爆发力峰值，以此负荷来训练可获得最佳的爆发力训练效果；但是，对于训练水平较差的受试者而言，10％MVC的负荷反而可产生最大的爆发力值，因此，在选择负荷时应依据运动员的训练水平而定。

综合以上研究背景的探讨可知：重量训练可有效增进最大肌力，但不足以改变动态的运动表现；而超等长训练可有效提升动作速度与爆发力，但对最大肌力的发展有其限制。

上述训练方法虽可增加力量与爆发力表现，但是，运动员在负重的情况下进行超等长训练，落地时杠铃的重量以及地面的冲击力，对运动员的安全及心理层面无疑有负面影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能化超等长阻力训练及诊断系统，协助运动员提高训练安全性及训练效果。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种智能化超等长阻力训练及诊断系统，包括训练架，设置于训练架上的负重装置，还包括与负重装置相连以控制负重装置减速的安全装置。

进一步：还包括对训练过程中的动态力量、位移、加速度讯号采集、转换与分析的讯号测量与分析系统。

该讯号测量与分析系统提供开放的同步讯号传输平台，还配合设置有运动生物讯号的同步采集与测量装置。

该运动生物讯号包括肌电图、肌动图、心电图、电子关节角度中的一种或一种以上。

在训练系统上供训练者站立的位置设置有一维测力平台以测量训练者下肢所承受的地面反作用力以及爆发力。

在该负重装置上设置有位移传感器或加速度传感器。

该安全装置包括制动器、传动齿轮和用于感测负重装置上下位移的位移传感器(或加速度传感器)，该制动器与传动齿轮通过皮带轮相配合，可整体设置固定于训练架之上，传动齿轮上卷绕牵引索，牵引索的一端连接负重装置。

该负重装置是杠铃。

该牵引索由位移传感器中穿过，该位移传感器设置在训练架上。

由于采用了上述方案，本发明：

在训练系统上加装电脑控制的安全减速装置，可以减少杠铃下落时的冲击力；

在训练系统上安装：一维测力平台测量下肢所承受的地面反作用力以及爆发力；在杠铃上安装位移传感器或加速度传感器，计算受试者施予杠铃的力量以及爆发力的输出，并监控训练强度与训练量等指标，达到训练与肌肉力量诊断的双重目的。

运动训练实际上是神经肌肉系统接受刺激(训练)产生适应、再刺激再适应的重复循环过程，旧的、原有的训练方法即便再好，经过一定的循环重复过程后，神经肌肉系统很难再产生新的突破性适应，必须调整变换训练方式、训练强度与训练量等或发展新的训练方法。超等长重量训练是一种新型的训练方法，它可以通过调整负重重量与动作速度改变训练强度以致训练量；提供一种科学化训练与诊断的系统正是本发明的目的。利用该系统可以在电脑的控制下，对负重杠铃进行减速制动，并在运动员脚下安装测力装置(测力平台Forceplate)，以及在杠铃上安装位移传感器或加速度传感器，借以测量受试者下肢的肌肉力量与爆发力，以及受试者施加给杠铃的动态力量与爆发力。本发明应用价值在于：该系统的主要内容除了超等长重量训练与测试分析的软硬件系统外，具体实验方法是以不同负荷(最大等长肌力的0％，10％，20％，30％)的负重下蹲反弹蹲跳(weighted countermovement jump squat)为其训练手段，并藉由测力系统、肌电图仪与位移计或加速度传感器来探讨负重超等长动作的动态负荷与神经力学特征与差异，期能为有效发展爆发力的训练方法寻求科学研究的参数与依据。

附图说明

图1为分析、诊断控制系统流程图。

图2为肌力诊断参数图。

图3为本发明实施例装配图的正视结构示意图。

图4为本发明实施例装配图的左视结构示意图。

图5为本发明实施例装配图的俯视结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

肌肉力量诊断方法：

1、最大等长力量：分别读取最大力量(Fmax)、达最大力值的时间(Tmax)、快速肌力指数(Speed-Strength-Index，SSI＝Fmax/Tmax)、发力率(Rate ofForce Development，RFD)、最大发力率(MRFD)和初始发力率(Initial RFD或IRFD)等肌力诊断参数(如图2所示)，进一步用于评估在不同负荷与不同动作下的肌力诊断参数上的差异。

2、动态离心收缩与向心收缩力量：根据测力台与位移计或加速度计的测量结果，可以首先将训练动作分为离心收缩阶段与向心收缩阶段，并可分别读取力量、加速度、速度、位移等基本参数，对于训练与诊断比较重要的参数包括：力量、动作速度、爆发力、做功量等，其中爆发力(功率)是力量与速度的函数，可准确表示训练强度，而做功量表示训练量。此外根据力量与爆发力输出的下降情况，也可定义疲劳指数评估肌肉耐力情况。

瞬间功率P(t)＝F(t)*V(t)也称爆发力或训练强度

单次做功量 $W_i={\∫}^{t+T}\left|P\left(t\right)\right|\·\mathrm{dt}$ T为单次动作时间

总做功量：W＝∑W_i也称训练量并可代表能量(热量)消耗

所需要解决的技术关键有：

1、杠铃减速制动器：用于杠铃下落时的制动减速，提高训练系统的安全性。

2、一维测力台系统：测量作用于受试者下肢的力量与爆发力，并精确评估超等长重量训练时的训练强度与训练量。

3、位移传感器(linear position transducer)或加速度传感器(accelerometer)：测量受试者施加给杠铃的力量、杠铃移动速度、加速度与功率，并精确计算与评估针对杠铃的训练强度与训练量。

4、讯号测量与分析系统：训练过程中的动态力量、位移、加速度讯号采集、转换与分析。本系统提供开放的同步讯号传输平台，可以配合肌电图(EMG)、肌动图(MMG)、心电图(ECG)、电子关节角度计(Goniometer)等进行多种运动生物讯号的同步采集与测量。

5、系统配套诊断软件：实现数据的自动采集、传输和分析诊断控制。包括训练指标的测量与计算，开发相关生物力学肌力测试与诊断指标，包括静态最大等长收缩力量测试(最大力量、发力率、快速肌力指数、力量耐力等)、动态离心收缩与向心收缩力量测试(力量、速度、爆发力、做功量等)、训练强度、训练量以及疲劳指数等相关生物力学参数的精确计算，上述指标可以数据表、线图、柱状图的形式表示，并进行统计学分析和个体训练的监控，为教练员和运动员的训练提供科学决策依据。并且可以兼顾训练、测试、肌力诊断与数字化实现电脑与网络控制功能。

运动员开始训练前，根据项目对肌肉力量的要求，设置训练计划，如测试运动员的静态最大等长收缩力量1RM，然后设定其本次负荷为1RM的10％或者其它数据进行训练，记录收缩过程的力量、速度和爆发力及做功量，评价运动员是否达到最佳刺激。并同时记录该运动员此时的运动负荷和疲劳指数。如已经达到最佳负荷，记录训练强度、训练量和疲劳指数，以便于下一次训练时直接进行到最佳负荷状态，不再调整，并直接记录训练的指标。进行一段时间的训练后，再测试肌力指标和生物力学参数，然后根据这些数据及训练计划进行调整。在不同的训练时间，运动员可以直观地找到自己前次训练的记录和此次的训练计划。同时，可以在不同的运动员训练时进行快速的转化。

软件配置方面，可以实现：

输入数据包括，个人资料(编号、姓名、性别、年龄、身高、体重、运动项目等)、系统设定(输入装置、取样频率、力量参数、位置参数)、测试设定(测试项目、运动模式、测试模式、参数)。输出数据包括，动态运动测试(肌肉力量、动作速度、爆发力、作功量、次数、时间、最佳功率比)、静态运动测试(最大等长肌肉力量、发力率、起始力、快速肌力指数等)、结果报表(训练量、训练强度与疲劳指数等相关生物力学参数)。训练助手能协助使用者快速设定与测量、分析资料。

通过本系统软硬件的运行可以实现：具有电子数字化感应功能，可真正量化力量、速度、训练强度与训练量等；微型化信号放大与运算硬件电路；数字化显示技术；多频道I/O接口，可选择同步连接电子电子关节角度计、肌电图等生物信号。

一、分析、诊断控制系统流程(如图1所示)

二、分析、诊断控制系统功能

1、诊断上下肢最大力量、爆发力(速度力量)、力量耐力

2、控制运动过程的负荷强度和负荷量

三、诊断控制系统的具体实现方法及步骤

1、诊断上下肢最大力量、爆发力(速度力量)、力量耐力

(1)利用杠铃位移传感器输出的数据，描记杠铃位移-时间函数曲线，对于该曲线进行数学分析，并应用牛顿运动学基本定律来评估上肢最大力量、爆发力、力量耐力。

(2)利用压力传感器输出的数据，描记下肢力量-时间函数曲线，对于该曲线进行数学分析，评估下肢静态和动态力量表现，最大力量、爆发力、力量耐力。

具体的肌肉力量诊断方法如下：

1、最大等长力量：分别读取最大力量(Fmax)、达最大力值的时间(Tmax)、快速肌力指数(Speed-Strength-Index，SSI＝Fmax/Tmax)、发力率(Rate ofForce Development，RFD)、最大发力率(MRFD)和初始发力率(Initial RFD或IRFD)等肌力诊断参数(如图2)，进一步用于评估在不同负荷与不同动作下的肌力诊断参数上的差异。

如运动员的最大力量越大，说明其绝对力量越大，达最大力值的时间越大，最大发力率越大，说明运动员的爆发力越好。在不同的负荷条件下发展不同的肌肉力量。发力率和初始发力率从另一个角度反映该运动员的最大力量和爆发力的参数。在不同的负荷和不同动作时，肌力表现各不相同。在此基础上，如果该运动员此时需要发展力量耐力，调整运动负荷时采用加大运动负荷的方法；如果运动员需要发展最大力量和爆发力，则用减少运动负荷的量来进行调整。

2、动态离心收缩与向心收缩力量：根据测力台与位移计或加速度计的测量结果，可以首先将训练动作分为离心收缩阶段与向心收缩阶段，并可分别读取力量、加速度、速度、位移等基本参数，对于训练与诊断比较重要的参数包括：力量、动作速度、爆发力、做功量等，其中爆发力(功率)是力量与速度的函数，可准确表示训练强度，而做功量表示训练量。此外根据力量与爆发力输出的下降情况，也可定义疲劳指数评估肌肉耐力情况。

瞬间功率P(t)＝F(t)*V(t)也称爆发力或训练强度

单次做功量 $W_i={\∫}^{t+T}\left|P\left(t\right)\right|\·\mathrm{dt}$ T为单次动作时间

总做功量：W＝∑W_i也称训练量并可代表能量(热量)消耗

请参阅图2的肌力诊断参数图，其中：快速肌力指数SSI＝Fmax/Tmax；

发力率FRD＝ΔF/Δt；

初始发力率IRFD＝ΔF30/Δt30

精确控制爆发力训练的负荷强度和负荷量

根据计算机分析结果，同步监控运动员的训练强度、训练量(训练量是训练强度和时间的函数)，精确评估运动员在训练中的负荷强度和负荷量，并且通过计算机控制杠铃减速制动器，辅助进行训练。

以磁粉制动器为例：

1、调定缓冲拉力

在运动员开始训练之前，先根据训练的需要，调定磁粉制动器的输入电流的大小，从而设定磁粉制动器输出轴转矩的大小，磁粉制动器再通过与之相连的传动装置来改变固定在传动装置的纲绳的拉力，从而完成缓冲拉力的调定。

2、调定杠铃的砝码重量(m)

根据运动员训练的需要，确定加在杠铃上的砝码的重量。

3、将位移传感器与电脑之间的数据采集线路连接好。

4、数据的实时显示与保存

当运动员开始训练时，杠铃上下移动，使位移传感器输出电信号，经计算机实时采集并处理后，将杠铃的位移-时间曲线实时显示在电脑屏幕上。当运动员一次训练结束时，系统自动提示将本次训练的位移随时间的变化数据保存到数据库中。

5、数据处理，得出其他派生数据

对移位随时间变化的数据进行求导，得到速度(v)随时间变化的曲线，再对速度(v)进行求导，得到加速度(a)随时间变化的曲线。然后再根据杠铃的重量(包括砝码的重量)和牛顿定律，F＝m*a，求出力F。

然后由公式P(t)＝F(t)*V(t)求出瞬间功率，也称爆发力或训练强度，由公式 $W_i={\∫}^{t+T}\left|P\left(t\right)\right|\·\mathrm{dt}$ (T为单次动作时间)，求出单次做功量，由公式W＝∑W_i求出总做功量，也称训练量并可代表能量(热量)。

上述这些数据随时间变化的情况均可以数据表、线图、柱状图的形式表示，从而为后续的系统分析诊断提供数据来源。

磁粉制动器工作原理

磁粉制动器是由传动单元(输入轴)和从动单元(输出轴)合并而成。在两组单元之间的空间，填有粒状的磁粉(休积大约40微米)。当磁性线圈不导电时，转矩不会从传动轴传于从动轴，但如将线圈电磁通电，就由于磁力的作用而吸引磁粉产生硬化现象，在连继滑动之间会把转矩传达。

位移传感器可以选择美国SpaceAge Control公司，YDK62系列。

制动器可按以下技术参数确定：

1.制动器钢丝绳最大张力150公斤，行程2米。

2.制动力10--90公斤可调。

3.制动器钢丝绳回复力为3公斤。

4.控制器电压220伏，电流0.1--1A可调。

以下结合图3-5所示的实施例，进一步具体说明：

本发明的智能化超等长阻力训练及诊断系统，包括训练架1，设置于训练架上的负重装置，即杠铃2，还包括与杠铃2相连以控制杠铃2减速的安全装置。

该安全装置包括制动器4、传动齿轮5和用于感测杠铃2上下位移的位移传感器6(或加速度传感器)，该制动器4与传动齿轮5通过皮带轮7相配合，可整体设置固定于训练架1之上，传动齿轮5上卷绕牵引索8，牵引索8的一端连接杠铃2，传动齿轮5的正向或反向转动将带动杠铃2沿着训练架1向上或向下移动，换言之，杠铃2沿着训练架1向上或向下移动可以由传动齿轮5通过牵引索8来加以限制；制动器4系在杠铃上的拉绳9被拉动时起制动作用。

进一步，可将该位移传感器6(底座)设置于训练架1上，牵引索8由位移传感器6中穿过，位移传感器6通过感测牵引索8的位移同样可以确定杠铃2的位移。位移传感器6的另一端固定在负重装置——杠铃2上，可随杠铃2一起上下移动。

制动器4与电控系统(图中未显示)连接受其控制，位移传感器6与电控系统有通信连接，实时将感测杠铃2上下位移的信息反馈到电控系统进行处理，当感测到杠铃2向下移动的加速度超出设定值，表明可能是训练过程中杠铃2失控，此时电控系统立即发出保护指令使制动器4启动，进一步通过皮带轮7限制传动齿轮5的转动，进而再通过牵引索8限制杠铃2向下移动，避免发生事故。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能化超等长阻力训练及诊断系统，包括训练架，设置于训练架上的负重装置，与负重装置相连以控制负重装置减速的安全装置，其特征在于：还包括对训练过程中的动态力量、位移、加速度讯号采集、转换与分析的讯号测量与分析系统，该讯号测量与分析系统提供开放的同步讯号传输平台，还配合设置有运动生物讯号的同步采集与测量装置。

2.根据权利要求1所述的智能化超等长阻力训练及诊断系统，其特征在于：该运动生物讯号包括肌电图、肌动图、心电图、电子关节角度中的一种。

3.根据权利要求1所述的智能化超等长阻力训练及诊断系统，其特征在于：在训练系统上供训练者站立的位置设置有一维测力平台以测量训练者下肢所承受的地面反作用力以及爆发力。

4.根据权利要求1所述的智能化超等长阻力训练及诊断系统，其特征在于：在该负重装置上设置有位移传感器或加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的智能化超等长阻力训练及诊断系统，其特征在于：该安全装置包括制动器、传动齿轮和用于感测负重装置上下位移的位移传感器，该制动器与传动齿轮通过皮带轮相配合，整体设置固定于训练架之上，传动齿轮上卷绕牵引索，牵引索的一端连接负重装置。

6.根据权利要求1所述的智能化超等长阻力训练及诊断系统，其特征在于：该负重装置是杠铃。

7.根据权利要求5所述的智能化超等长阻力训练及诊断系统，其特征在于：该牵引索由位移传感器中穿过，该位移传感器设置在训练架上。

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