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基于振动力量训练的新型健身器材开发研究 摘要 当今新兴的边缘学科运动生理学迅猛发展，作为运动生理学的主要应 用研究课题之一振动力量训练的研究，正受到越来越多的关注。大量研究 表明，振动力量训练能明显提高肌肉的最大力量、爆发力和抗冲击、缓冲能力。 本文将振动力量训练的理论知识，运用到实际体育锻炼和体育竞技当中，设计 出基于振动力量训练的新型健身器材。论文主要研究内容有： 1 、本文概述了运动生理学和运动生理学中的振动力量训练等理论，并总结 出振动力量训练的关键振动参数。 2 、根据振动力量训练理论，结合拉力健身器材的实际特点，进行了与健身 器材相结合的激振装置的设计。这包括激振装置的结构设计，激振装置的动力 学参数和电磁参数的设计与计算。 3 、对所设计的激振装置电磁系统进行有限元分析，通过仿真计算，验证了 所设计的电磁式激振装置完全能满足设计要求。分析了电磁系统主要电磁参数 对电磁力的影响，找出其规律，为进一步优化电磁式激振装置的电磁参数提供 参考和指导。 4 、进行了自动开关控制设计，并设计了m c u 电路控制，实现激振装置振 动频率和振幅的调节控制，满足振动力量训练中附加不同频率、不同振幅的振 动刺激的需要。 关键词：振动力量训练电磁式激振装置新型健身器材参数设计有限元 分析控制系统设计 r e s e a r c ho an e wt y p eo fs p o r t se q u j p m e n tb a s e do n v i b r a t i o s t r e n g t ht r a i n i n g a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h es u b j e c to fs p o r t sp h y s i o l o g y ，a san e wi m e r d i s c i p l i n a r yn e l d ，i s q u i c k l yd e v e l o p i n g a tt h es a m et i m e ，v i b r a t i o ns t r e n g t ht 豫i n i n g ，a so n eo fs t u d y f i e l do fs p o n sp h y s i o l o g y ，h a sr e c e i v e dm o r e 髓dm o r e 砒t e m i o n ag r e a td e a lo f s t u d ys h o w e dt h a tv i b r a t i o ns t r e n g t ht r a i n i n gc a ni m p r o v et h em u s c u l a rm a x i m a l s t r e n 豇h ，e x p l o s i v es t r e n g t h ，a n dm u s c l en e x i b i l i t y t h eo b j e c t i v eo f t h i sl i t e r a t u r e s t u d yi st oa p p 】yt h et h e o r yo fv i b r a t i o ns t r e n g t ht r a i n i n gt ov i g o r o u se x e r c i s ea n d a t h l e t i c t r a i n i n g a n di t i st od e s i g nan e wt y p eo fs p o n se q u i p m e n tb a s e do n v i b r a t i o ns t r e n g t h t r a i n i n g i nt h i sd i s s e n a t i o n ，t h e r ea r es e v e r a ls e c t i o n sa s f o l l o w i n g ： f i r s t l y ，ab r i e fs u m m a r yo fk n o w l e d g ei nm ef i e l do fs p o r t sp h y s i o l o g ya n d v i b r a t i o ns t r e n g 也t n i n i n gi sp r o v i d e d t h ev i b r a t i o np a r a i n e t e r so fv i b f a t i o n s t 托n g t ht r a i n i n ga r es 啪m a r i z e d s e c o n d l y ，av m r a t i n gd e v i c ei n t e g n t e di n t os p o r t se q u i p m e n ti sd e s i g n e d ， w h i c hi sb a s e do nt h et h e o r yo fv i b r a t i o n s t r e n g t ht r a i n i n g a n dt h ea c t u a l c h a r a c t e r i s t i co fak i n do fp u l ls p o r t se q u i p m e n t t h ep r o c e s so fd e s i g ni n c l u d e st h e s t r u c t u r ed e s i g no ft h ev i b r a t i n gd e v i c ea n dt h ec a l c u l a t i o no f “n e t i c sp a r a m e t e r s 姐de l e c t r o m a g n e t i s mp a r 锄e t e r so ft h ev i b r a t i n gd e v i c e t h i r d i y ，t h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fe l e c t r o m a g n e t i s ms y s t e mo ft h e v i b r a t i n gd e v i c ei si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nr e s u i t sa g r e ew e l lw i t ht h ed e s i g n d e m 粕d s t h ee f 艳c t so ft h ec h a n g eo fm a i np 盯啪e t e r so fe l e c t r o m a g n e t i s mo n e l e c t r o m a g n e t i s mp o w e ri sa n a l y z e d 她dt l l er e l a t i o nb e t w e e nt h e mi sc o n c l u d e d ， t h e r e b yp r o v i d i n gm eb a s i sf o re l e c t r o m a g n e t i s mp a r a m e t e r sd e s i g no f t h ev i b r a t i n g d e v i c e f i n a l l y ，t h ed e s i g no ft h ea u t o m a t i cs w i t c hc o n t r 0 1f o rt h ev i b r a t i n gd e v i c ei s p r o v i d e d m e a n w h i l e ，a m p l i t u d e a i l dv i b r 砒i n gf f e q u e n c yr e g u l a t i o nc o n t r 0 1i s d e s i g n e db yu s i n gm c u ，w h i c hs a t i s f t h e d e m a n d so fd i f 如r e n t v i b r a t i n g f r e q u e n c ya n dd i f f b r e n ta m p l i t u d ei nv i b r a t i o ns t r e n g t ht r a i n i n g k e yw o r d s ： v i b r a t i o ns t r e n g t ht r a i n i n g v i b r a t i n gd e v i c eo fe l e c t r o m a g n e t i s m ， an e wt y p eo fs p o r t se q u i p m e n t ， p a r a m e t e rd e s i g n ， f i n i t e e l e m e n ta n a i y s i s ( f e a ) ，c o n t r o ls y s t e md e s i g n 图1 1 图1 2 图2 一l 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 一l l 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 一l 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 插图清单 局部振动力量训练5 全身振动力量训练6 坐姿人受垂直激振，各部分出现的症状】o 电磁振动台的类型一16 一种拉力健身器材一1 7 电磁式激振装置17 新型拉力健身器材18 激振装置力学模型2 0 电磁铁的形式2 3 铁心磁通密度的选择_ 2 4 漏磁系数的选择曲线2 4 分磁环2 9 分磁环的布置方案3 0 单u 型交流电磁系统草图3 2 振动装置电磁系统求解场域3 8 三角形单元3 9 电磁系统几何模型4 4 电磁系统有限元模型4 4 求解场等势线图4 5 磁通量矢量图4 6 线圈匝数对电磁力的影响4 8 电流频率对电磁力的影响4 9 加载电压对电磁力的影响4 9 接近开关的安装5 2 激振装置自动开关控制线路图5 3 激振装置控制系统框图一5 4 m a x 0 3 8 信号发生电路5 4 专用程控放大器示意图5 5 模拟开关组合程控放大电路5 6 幅值程控电路5 6 图5 8 图5 9 图5 一l o 图5 1 1 图5 一1 2 a t 8 9 c 5 1 引脚封装图 单片机控制系统主电路图 系统程序总体结构 调压器调节振幅原理 可变电阻调节振幅原理 5 7 5 8 5 9 6 0 6 0 表格清单 表2 1振动力量训l 练研究概观 表3 1磁滞损耗和涡流损耗的计算系数 表3 2比值系数推荐表 表3 3线圈综合传热系数的经验数据 表3 4各种温度下铜的电阻率 表4 1各参数取值范围 表5 1a o a l 设置编码 附表1电磁参数分析数据 ”船 船船们 卯 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒肥工业右堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 弘陡为 签字日期：硝年善月w 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阕。本人 授权金匿王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者躲弘使为 导师繇 签字日期：弦西年g 月为日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 签字日期： 电话： 邮编： 0 母 月伽 致谢 衷心感谢我尊敬的导师刘正士教授! 本论文从选题，研究内容的落实到研 究过程中难题的解决，以及最后论文的撰写、修改，无不凝聚了刘老师辛勤的 心血。没有刘老师的悉心指导，就没有今天论文的顺利完成。而且在这三年的 研究生学习与生活上，刘老师一直不断地给予我不倦的教诲和无私的关怀，为 我提供了许多实践的机会，大大锻炼了我独立解决问题和实际运用知识的能力。 导师渊博广阔的学识、严谨的治学态度、敏锐深邃的洞察力、真诚的待人方式， 都深深地感染和影响着我，让我在今后的人生道路上多了一笔无价的精神财富。 感谢李志远教授，李老师对我的论文、学习和研究都给予了极大的支持和 重要的指导。 感谢陈品老师，论文第五章的内容曾得到他的悉心指点。使作者受益匪浅。 感谢王勇副教授、陆益明老师、毕传兴老师、许滨老师等噪声振动研究所 的老师，在我的课题研究过程中给我的指导和大力的帮助。 感谢陈恩伟、孙松良、翟清泉、李卫兵、邓本波、朱光胜、方忠甫等博士 研究生同学的指导和帮助，感谢所有关心和帮助过我的老师和同学们。 感谢在百忙中抽出宝贵时间对论文进行评审的专家、学者们。 最后，深深感谢我的父母、小妹和我的女朋友王慧，是他们在背后默默地 支持和鼓励，才使我顺利完成学业和在人生旅途中不断前进。 谨以此文献给所有关心、支持和帮助过我的师长、亲人、同学和朋友们! 作者：张健滔 2 0 0 5 年7 月1 8 日 第一章绪论 在2 0 0 4 年雅典奥运会上，中国健儿们英勇拼搏夺得了3 2 枚金牌、1 7 枚银 牌、1 4 枚铜牌，以骄人的成绩为祖国和人民争得了荣誉。中国体育的蓬勃发展 是和科学技术密不可分的，体育运动的生命力在很大程度上取决于体育实践科 学化的深度和广度。运动生理学是生理学的一个分支，是专门研究人体的运动 能力及对运动反应和适应的过程，是体育科学中一门重要的基础理论学科。运 动生理学的研究任务是：在对人体的机能活动规律有了基本认识的基础之上， 进一步探讨体育运动对人体机能影响的规律及机制，阐明体育教学和运动训练 过程中的生理学原理，研究不同年龄、性别和训练水平的人群进行运动时的生 理特点。以达到增进健康、增强体质、防治某些疾病和提高运动技术水平的目 的【1 ，2 1 。 1 1 运动生理学的发展 现代奥林匹克是从1 9 世纪末开始的。大众体育的开展和竞技运动的交流不 断地推动着专门理论的发展，到了2 0 世纪中叶，运动对人体的影响和训练提高 运动成绩的理论基础知识的积累日益丰富，终于形成了独立的科学体系。运动 生理学作为一门新兴学科，当之无愧地屹立于现代科学之林【l 4 j 。 解剖学是研究人体生理学的先导。1 5 3 4 年由a v e s a l i u s 所著的人体结 构是一个划时代的里程碑。英国历史学家m f o s t e r 爵士对此书有很高的评 价：“它不仅是现代解剖学的开端，而且也是现代生理学的开端。它彻底终结了 1 4 世纪的思想禁锢，在真正意义上开始了医学的复兴。”【l 】 对科学界而言，运动生理学简直太年轻了。一直到1 9 世纪后期，生理学家 的主要任务还仅限于获得具有临床价值的信息。身体对运动的反应几乎无人理 睬。尽管在1 9 世纪中期，人们已经知道经常活动对身体有益，但直到1 9 世纪 晚期，肌肉生理学才引起生理科学家注意。1 8 8 9 年出版的身体运动的生理学 ( f l a g r a n g e 著) ，是运动生理学第一本教科书，但当时许多概念使人们大惑 不解，无法自圆其说。从世界范围内纵观运动生理学的发展，在二十世纪初应 首推英国的生理学家希尔( h i l l ) ，当时曾出版了他的三部运动生理学名著：肌 肉活动、人类的肌肉运动调节速度与疲劳的因素、有生命的机械等。 为此，一些生理学工作者认为，希尔是“运动生理学之父”【j j 。 在运动生理学领城，论及实验室的影响，首推哈佛疲劳实验室( h a r v a r d f a t 追u el a b o r a t o r y h f l ) 。该实验室建立于1 9 2 7 年，关闭于1 9 4 7 年。在这2 0 多年期间它红极一时，成为当时运动生理学领城的“麦加圣地”。当时以生物学 家d b d i l l 牵头，凝聚和团结了一批年轻的科学家，创造了一个良好的研究 第一章绪论 在2 0 0 4 年雅典舆运会上，中国健儿们英勇拼搏夺得了3 2 枚金牌、1 7 枚银 牌、1 4 枚铜牌，以骄人的成绩为祖国和人民争得了荣誉。中国体育的蓬勃发展 是和科学技术密不可分的，体育运动的生命力在很大程度上取决于体育实践科 学化的深度和广度。运动生理学是生理学的一个分支，是专门研究人体的运动 能力及对运动反应和适应的过程，是体育科学中一门重要的基础理论学科。运 动生理学的研究任务是：在对人体的机能活动规律有了基本认识的基础之上， 进一步探讨体育运动对人体机能影响的规律及机制，阐明体育教学和运动训练 过程中的生理学原理，研究不同年龄、性别和训练水平的人群进行运动时的生 理特点。以达到增进健康、增强体质、防治某些疾病和提高运动技术水平的目 的【l ，2 1 。 1 1 运动生理学的发展 现代奥林匹克是从1 9 世纪末开始的。大众体育的开展和竞技运动的交流不 断地推动着专门理论的发展，到了2 0 世纪中叶，运动对人体的影响和训练提高 运动成绩的理论基础知识的积累日益丰富，终于形成了独立的科学体系。运动 生理学作为一门新兴学科，当之无愧地屹立于现代科学之林【卜4 1 。 解剖学是研究人体生理学的先导。1 5 3 4 年由a v e s a l i u s 所著的人体结 构是一个划时代的里程碑。英国历史学家m f o s t e r 爵士对此书有很高的评 价：“它不仅是现代解剖学的开端，而且也是现代生理学的开端。它彻底终结了 1 4 世纪的思想禁锢，在真正意义上开始了医学的复兴。”【1 1 对科学界而言，运动生理学简直太年轻了。一直到1 9 世纪后期，生理学家 的主要任务还仅限于获得具有临床价值的信息。身体对运动的反应几乎无人理 睬。尽管在1 9 世纪中期，人们已经知道经常活动对身体有益，但直到1 9 世纪 晚期，肌肉生理学才引起生理科学家注意。18 8 9 年出版的身体运动的生理学 ( f l a g r a n g e 著) ，是运动生理学第一本教科书。但当时许多概念使人们大惑 不解，无法自圆其说。从世界范围内纵观运动生理学的发展，在二十世纪初应 首推英国的生理学家希尔( h i l l ) ，当时曾出版了他的三部运动生理学名著：肌 肉活动、人类的肌肉运动调节速度与疲劳的因素、有生命的机械等。 为此，一些生理学工作者认为，希尔是“运动生理学之父”【1 】。 在运动生理学领城，论及实验室的影响，首推哈佛疲劳实验室( h a r v a r d f a t i g u el a b o r a t o r y - h f l ) 。该实验室建立于1 9 2 7 年，关闭于1 9 4 7 年。在这2 0 多年期间它红极一时，成为当时运动生理学领城的“麦加圣地”。当时以生物学 家d b d i l l 牵头，凝聚和团结了一批年轻的科学家，创造了一个良好的研究 家d b d i l l 牵头，凝聚和团结了一批年轻的科学家，创造了一个良好的研究 环境。他们研究了耐力运动的生理学，描述了长跑等项目的生理需求。其中一 些最成功的实验并非完成于实验室，而是跋涉于内华达沙漠、密西西比河三角 洲、加利福尼亚雪山顶。他们的研究成果为现代运动和环境生理学奠定了基础。 从2 0 世纪2 0 年代运动生理学成为一门独立的学科开始，随着其它自然学 科及生物学技术的发展，运动生理学在这将近一个世纪的发展十分迅速。首先， 研究的领域更加广泛，层次更加深入。从整体、器官水平的研究深入到细胞、 亚细胞及分子水平的研究；其次，在研究方法上随着电子技术的高速发展，分 析化学的进展及其在生理学上的应用，运动生理学在研究手段、实验方法上引 进了不少的新技术、新成果；再者，随着各门学科的互相渗透，运动生理学和 运动医学、运动生物化学等学科互相渗透，从而使研究的领域日益开阔，对问 题的研究愈加深入。 密切联系运动竞赛、注意经济效益与社会效益是当前运动生理学研究工作 的特点之一。在当今竞技运动为夺取金牌而拼博的热潮中，运动生理学必须为 运动实践服务。为此广大运动生理学工作者走出实验室，到运动场做现场的研 究。近几十年这方面的工作深受教练员和运动员的欢迎。如研究肌肉疲劳与恢 复；为肌肉训练提供科学的依据；监测运动员的生理机能；合理安排运动负荷； 探讨加速运动员恢复的手段；在不同时间间隔内测量乳酸含量，为加大运动强 度提供依据等等。这些直接为运动实践服务的研究给运动生理学的发展以强大 的生命力2 1 。 1 2 运动生理学中的力量训练 1 2 1 肌肉力量 人体所有的运动都是在对抗阻力的情况下产生的。因此，肌肉力量在运动 中具有至关重要的作用。运动员在其它条件相同的情况下，肌肉力量的大小是 决定运动成绩的主要因素陋7 】。 某一块肌肉做最大收缩时所产生的张力为该肌肉的绝对肌力。肌肉的绝对 肌力和肌肉的横断面大小有关，肌肉的横断面越大，其绝对肌力越大。而肌肉 横断面的大小又取决于组成该肌肉的肌纤维数量和每条肌纤维的粗细。绝对肌 力只能反应肌肉力量的大小，而不能反应肌肉每条肌纤维力量的大小。因此， 引出了相对肌力的概念。相对肌力是指肌肉单位横断面积( 一般为1 厘米2 肌 肉横断面积) 所具有的肌力。如果一块肌肉的绝对肌力为8 0 千克，肌肉横断面 积为4 0 厘米2 ，则相对肌力为8 0 4 0 = 2 ( 干克厘米2 ) 。 在整体情况下，一个人所能举起的最大重量称为该人的绝对力量。绝对力 量的大小和体重有关，在一般情况下，体重越大绝对力量越大。如果将某人的 绝对力量被他的体重除，可得到此人的相对力量，即每千克体重的肌肉力量。 1 2 2 决定和影响肌肉力量的因素 决定和影响肌肉力量的因素是各种各样的，如性别、年龄、体重、肌肉长 度、肌肉的收缩速度、肌肉体积、肌肉的神经调节等因素都会对肌肉产生影响。 此外肌肉力量还受到外界刺激条件的影响。研究和实践证实肌肉振动刺激、 温度、气味、声音、光亮等刺激，都对肌肉力量有一定影响。希尔早在2 0 世纪 5 0 年代就发现，体温升高2 力量就有提高。格劳兹发现，上臀浸入5 0 的热 水中8 分钟，力量也有提高。运动员在训练和比赛之前要做充分的准备活动， 其目的之一，就是为了使身体发热，使各系统为即将到来的剧烈运动做好准备， 从而达到提高运动能力的目的。赛前按摩，特别是按摩时涂擦某些有刺激性、 能够发热的药膏，更能增加发热的效果【5 l 。 训练和停止训练也会对肌肉力量产生影响。训练中，肌肉力量的发展受负 荷强度、动作速度、动作幅度、一组练习的重复次数和每组练习的间歇时间等 各种训练因素的影响。如果停止力量训练，练出来的力量就会逐渐消退。力量 消退的速度大约为提高速度的三分之一。也就是说力量提高得快，停止训练 后消退很也快。经过长时期逐渐练出来的力量，停止训练后，保持的时间也长。 训练获得的力量，停止训练后，虽然会逐渐消退，但一部分力量会保持很久， 甚至永远保持下去。 显然，要发展力量，就要有计划地强化训练，要保持力量，就要坚持力量 训练。究竟隔多久训练一次才能保持已获得的力量，这要看力量发展到什么水 平。如果力量发展水平不高，要保持原来的力量，相隔“较长”时间训练一次 就行了。但是，如果力量发展水平很高的运动员，已经接近他的极限水平，要 保持这种水平，训练间隔时间长就不行了。如果在很高的水平上还要继续提高， 那就要更勤奋刻苦地训练才行。高水平的举重运动员几乎每天都要进行力量训 练。 决定和影响肌肉力量的因素是各种各样的，这些因素可以包括训练学因素、 解剖学因素、生理学因素、生物力学因素，以及运动员的心理素质和外界条件 因素等。认识和理解上述因素，有助于提高力量训练的科学性和有效性。 1 2 3 力量训练的方法【5 】 运动实践中教练员们创造了各种各样发展肌肉力量的方法，或是作用于整 个肌肉系统，或是有选择地作用于某些肌肉群。针对不同的训练目的和训练目 标，可以选择不同的力量训练方法。这些具有不同作用的力量练习，形成了现 代力量训练方法的基础。全面系统地了解力量训练的方法与手段，深刻认识和 有效地进行力量训练，是竞技体育科学训练的基础。 不同的分类标准有不同的力量训练方法，当前主要有以下几种分类方法： l 、按肌肉工作的形式划分： 1 可分为退让性练习法、克制性练习法、等长练习法、等动练习法和超等长 练习法。 2 、按力量的性质划分： 可划分为动力性练习法和静力性练习法。 3 、按训练的目的划分； 可划分为一般力量、辅助力量和专项力量练习法。 4 、按练习的条件和方式划分： 可划分为克服外部阻力练习法和克服自身体重练习法。 5 、按练习效果划分： 可划分为发达肌肉练习法、肌肉内协调( 神经肌肉功能) 练习法、综合练 习法( 把前两种练习方法结合起来) 。 6 、按力量练习中练习的阻力和速度划分： 可分为速度性和力量性克制练习法、速度性和力量性退让练习法。 不同力量训练方法产生的训练刺激不同，所以会产生不同的训练效果。了 解不同力量练习方法的优缺点，是变换负荷刺激方式、进行科学训练、不断提 高力量训练效果的前提和基础【5 】。 1 3 振动力量训练的现状和发展 在力量训练中如何有效地提高肌肉力量并且避免运动损伤的产生。一直是 广大教练员和运动员关注的问题。振动力量训练法是一种动态的力量训练方法， 肌肉一直被动地接受振动台的冲击刺激，人体对这种动态的冲击产生适应，提 高了肌肉抗冲击缓冲和动态条件下发力的能力。振动力量训练作为一种新兴的 训练手段，能明显提高肌肉的最大力量、爆发力和抗冲击、缓冲能力。其主要 优点是能以相对小的负荷量使肌肉的力量得到明显的提高【8 10 1 。 对振动力量训练的大量研究和积累，目前已经取得了一定的成果。研究表 明振动肌肉刺激能够提高肌肉的力量( j o h n s t o ne ta l _ ，1 9 7 0 ；s a m u e l s o ne ta 1 ， 1 9 8 9 ；i s s u r i ne ta 1 ，19 9 4 ；i s s u r i na n dt e n e n b a u m ，19 9 9 ；w a m 肌e ta 1 ，2 0 0 2 ) ， 能改善神经肌肉受损的病人的行动( h a g b a r t ha 1 1 de k l u n d ，1 9 6 6 ) ，能促进肌肉运 动感觉的复原( b u r k ee ta 1 ，1 9 9 6 ) ，能为预防骨头受伤( f l i e g e re ta 1 ，1 9 9 8 ) 和 提供从本质上研究疲劳效应( h e r z o g e ta 1 ，1 9 9 4 ；g a b r i e le ta 1 ，2 0 0 2 ) 】。 概括来说我国运动生理学的发展历程，大体经历了：初建( 建国初期一1 9 6 6 年) 、停滞( 1 9 6 6 1 9 7 2 年) 、恢复( 1 9 7 2 1 9 7 8 年) 和发展( 1 9 7 8 年一至今) 这样四个阶段【l 】。目前，随着传统的力量训练方法己不能符合运动过程中肌肉 用力真实方式的矛盾日益突出，国内的振动力量训i 练研究正在升温，特别是上 海体育学院、河北师范大学体育学院、温州师范学院体育系等院校，对振动力 量训练做了很多深入的研究。 振动力量训练主要分为二种o 】： 1 、局部振动力量训练 局部振动力量训练主要针对上肢肌肉进行力量训练，运动员在训练的时候 上肢肌肉受到振动刺激。如图l 一1 运动员在进行上肢拉力训练时，受到激振装 置产生的振动刺激作用。b i s s u r i n 等对附加振动刺激的手臂在臂牵引器上进 行最大力量训练。结果发现附加振动组最大力量提高了4 9 8 ，正常训练组只 提高了1 6 4 。w 曲r e 【1 2 】在常规力量中附加振动训练，受试者的最大力量提高 了2 4 一3 4 ，明显高于以往文献中报道的常规力量训练肌肉力量的增大值。 i s s u r i n 在前臂最大伸展位置对肌二头肌附加振动刺激，结果发现优秀运动员的 最大力量和平均力量分别增加1 0 4 和l o 2 ，业余运动员分别增加7 9 和 l o 7 【1 3 “】。a r m s t m n g 也发现手握力在4 0 h z 的附加振动刺激下增加了5 0 。 丽n l ! 登! ! 苎j 图l 一1 局部振动力量训练1 3 2 、全身振动力量训练i l 5 j 全身振动力量训练主要专门针对腿部力量进行训练，运动员脚部接受振动 刺激，比较符合绝大多数运动项目的动作技术特点和发力的要求。德国科隆体 育大学s c h w a r z e r 以站姿进行垂直方向的振动训练，每周3 次，每次以最大力 量的6 0 完成1 2 次，振动频率为1 0 2 4h z ，振幅为6 m m ，运动员的最大力量 提高了4 0 。这种训练方法要求对振动频率和接振时间进行严格控制。图1 2 为全身振动力量训练原理图，运动员站在产生刺激振动的振动台进行力量训练。 图1 2 b 为国外已生产出来的一种全身振动力量训练健身器材，它不仅能产生 垂直振动，还能产生水平以及斜向振动。 a ) 全身振动力量训练原理图【9 】b ) 全身振动力量训练产品图【1 5 】 图l 一2全身振动力量训练 生理学研究证明：训练水平低的肌肉，只有6 0 的肌纤维参加活动，而训 练水平良好的运动员可以达到9 0 。即使是最优秀的举重运动员，在其肌肉随 意的收缩过程中，也不可能动员所有的运动单位参加运动。这是由机体的自身 保护机制作用和肌肉的动态收缩特点所决定的。振动刺激作为一种外在刺激， 能使潜在的运动单位进一步激活，从而使肌肉在克服特定负荷的前提下，动员 更多甚至全部运动单位参加活动，增大了肌肉的力量。 众多国内外专家对振动力量训练理论进行了大量深入细致的研究，在理论 和实践中初步形成一套科学、有效的振动力量训练体系，但真正突出其学科的 应用性，体现体育科技对运动训练、全民健身实践的指导和服务功能，这些方 面还处于初级摸索阶段。 1 4 本课题的提出和本论文的研究内容 通过前面的论述，我们知道振动力量训练作为一种新兴的训练方法，在长 期的研究和积累中，已初步形成一套科学而行之有效的训练体系。但到目前为 止，还没有真正把这种有效的训练方法运用到实际的训练中来。这有几点原因： 第一，振动力量训练方法在一些方面，还需进一步研究和探讨，以便在理论和 实践中形成一套成熟、完整、科学的力量训练体系。第二，作为一种新型的训 练方法，它并没有被更多的人特别是运动员和教练员所认识和接受。第三， 目前国内市场还没有能够进行振动力量训练的设备或健身器材，只有少数自行 研制的产品供实验室作为研究使用。在国家自然科学基金项目“数字运动员仿 6 真n o ：6 9 3 4 3 0 0 6 ”的支持下，本文正是基于将振动力量训练的理论知识运用 到实际体育锻炼和体育竞技当中来这一思想，设计出基于振动力量训练的新型 健身器材，真正体现出运动生理学为体育运动服务的宗旨。 为了实现上述目标，本文首先是在掌握振动力量训练理论的基础上，确定 了振动力量训练对人体产生训练效果的关键振动参数。在以此为设计依据的基 础上，设计出与健身器材相结合的激振装置，这里包括的研究内容有：激振装 置的振动方式的选择、激振装置的结构设计、电磁式激振装置的动力学参数和 电磁参数的设计与计算。并对所设计的激振装置电磁系统进行有限元分析：建 立该电磁系统有限元电磁计算模型，通过仿真计算，验证所设计的电磁式激振 装置是否能满足设计要求。分析电磁系统主要电磁参数对其输出性能的影响， 找出其规律，为进一步优化电磁式激振装置电磁参数提供参考和指导。最后对 激振装置进行了自动控制设计，实现了运动员训练过程中激振装置开关自动化。 设计出与激振装置配套使用的控制系统，并针对在振动力量训练中可能要附加 不同频率、不同振幅的振动刺激的要求，提出激振装置进行频率、振幅调节控 制的方法。 1 5 论文的总体结构安排 本文第一章概要介绍了运动生理学的发展，运动生理学中的力量训练以及 振动力量训练的现状和发展等一些相关的背景知识。第二章介绍了振动力量训 练的运动生理学基础，以及振动的主要参数和振动对人体产生影响的主要因素， 并确定了振动力量训练的关键振动参数。第三章是在第二章的基础上，设计出 与健身器材相结合的激振装置，主要包括其结构设计，动力学参数和电磁参数 的设计与计算等内容。第四章介绍对所设计的激振装置电磁系统进行有限元分 析。验证所设计的电磁式激振装置是否能满足设计要求，进一步分析电磁系统 主要电磁参数对其输出性能的影响规律，为优化电磁式激振装置电磁参数提供 参考和指导。第五章为新型健身器材的控制设计，包括对运动员训练过程中激 振装置开关自动化的设计和激振装置振动频率、振幅调节控制的设计。第六章 对本文的工作进行总结，以及指出一些有待解决的问题。 7 第二章振动力量训练理论及振动参数的选取 2 1 振动力量训练的运动生理学基础 运动生理学的研究证明：振动刺激作为一种外预性的刺激，能刺激肌肉的 本体感受器，特别是初级肌梭传入纤维末梢的兴奋性。振动刺激低频波从远到 近地在肌肉传导，激活了大量肌梭i a 传入纤维的兴奋性。其产生的动作电位经 过单突触或单突触和多突触途径a 运动神经元的活动。在肌肉主动收缩的前提 下，附加振动刺激能使潜在的运动单位进一步激活，从而使肌肉在克服特定负 荷的前提下，动员更多甚至全部运动单位参加活动，增大了肌肉的力量l g j 。 f o x 【1 6 】发现振动刺激能同时激活腱器，它的兴奋能加强伸肌的活性。在主动肌 和协同肌迅速而有力的收缩的同时，腱器的兴奋，使对抗肌及时而有力的放松， 提高了肌肉收缩的效率。 振动力量训练在增加屈肌力量的同时，伸肌力量也得到相应的发展。并且 增强了中枢神经系统之间的协调，提高了肌肉的反应和协调能力，克服了以往 常规力量训练特别是电刺激力量训练伸肌力量得不到同时发展的局限，避免了 因屈伸肌力量发展不均衡造成的肌肉拉伤以及运动成绩停滞不前的现象。 2 2 振动的主要参数和对人体影响的主要因素 局部振动和全身振动都可从人体直接接触振动的部位向其他部位传播，这 种振动传播符合振动在不同弹性介质中传播的物理学规律。人体不同组织，不 同部位对振动的传播是不同的。从物理学和生理学的观点看，人体是一个极其 复杂的系统。振动的作用不仅可引起机械效应，更重要的是引起生理和心理效 应。而且，同一振动作用于不同的人，其反应可能是不同的。 振动对机体的影响，一方面决定于振动的参数特性、振动着力点的部位、 接触振动作用的面积，以及影响振动传导的组织特性等，另一方面决定于机体 的反应特性。振动参数的选择不当，振动不但没有助于力量训练，反而会引发 头晕、胃病、头痛、耳呜、腰背病、白指、白手及接触振动部位的末梢神经和 血管受损等症状【 ，8 l 。所以振动参数的选择是新型健身器材设计的关键的第一 步。 2 2 。1 振动的主要参数 能够以函数关系表示的振动，按其运动的表现形式可以分为周期性振动和 非周期性振动。目前，用于训练的振动主要是周期性振动中的简谐振动。振动 对人体产生作用效果的主要参数是振动频率、振幅和振动的加速度、作用持续 8 时间并与机体的反应性有关们。 可以用正弦函数表示为【1 9 】： x = a s i n ( 耐+ p ) 简谐振动是周期振动中最简单的一种，它 ( 2 1 ) 其中x 为位移，a 为振幅，为圆频率，p 为初相位。 振幅( a )：距离平衡位置( 正或负方向) 的最大距离，也称半振幅。振幅 的大小表示振动的强弱。 振动周期( t ) ：相邻波峰或波谷之间的时间。 振动频率( _ 厂) ：单位时间内振动的次数是周期的倒数。角频率与频率，、 周期的关系为： = 2 万= 兰兰( 2 2 ) 2 速度( x ) ：式( 2 1 ) 对时间t 求导： ；= a 脚c 。s o f + 妒) = a s i n f 甜+ p + 鲁1 ( 2 3 ) ， 加速度( x ) ：速度对时间t 求导： x = 一a 6 u 2s i i l 0 f + 力= a 珊2s i i l g ，+ 9 + 万) ( 2 4 ) 2 2 2 对人体影响的主要因素 综上所述，振动的基本物理参量是位移( 或振幅) 、频率( 或角频率) 、速 度和加速度0 1 。这四个物理参量的实际意义，可以概括为：1 、位移在研究强 度和变形时重要，因为它直接与机械变形有关。对人体的影响，振幅常常看作 是作用强度的指标。2 、加速度与作用力成正比，在研究机械疲劳、冲击等问题 上很重要，对人体也是一个重要的冲击量。3 、速度决定了人体对机械振动的敏 感程度。4 、频率则是寻找振源，分析振动的主要依据。人体各部对不同频率有 其不同的敏感性。总的来说，加速度和频率是评价振动对力量训练效果影响的 基本参量【17 1 。 ( 1 )振动强度 通常用振动加速度表示振动强度，它由振频和振幅确定。对于正弦振动， 其加速度峰值为： 式( 2 4 ) 中，当s i n ( 耐+ 伊+ 石) = l 时，加速度取最大值 工。= a 国2( 2 5 ) 式中x 。加速度峰值，珊频率，a 振幅。 在实际中，振动加速度常用加速度的均方根( r m s ，r o o tm e a ns q u a r e ) 表示： ；。= j 亭r o ( r ) 西x 2 、7 lr 【) 讲 ( 2 6 ) 式中t 时间，x 加速度( 正弦振动的z ，值约为加速度的2 2 倍) 。 实际振动刺激训练中，加速度受到一定范围的限制，一般在3 0 m s 2 左右。 低于此值振动对人体的作用效果不太明显；高于此值，并且受振的时间过长易 使人产生一系列不适反应：如振动性白指等振动病，并可能伴随有痛觉、振动 觉、触觉、温度觉等感觉障碍【1 7 18 1 。 ( 2 ) 振动频率 对于人体来讲振动频率以5 0 h z 为界分为低频和高频振动两种。低频主 要产生共振现象。5 0 h z 以上的高频振动，振动在人体组织的传播与声波相似， 大部分振动能量以波的形式通过组织传播。振动频率在6 0 9 0 h z 之间，由于眼 球的谐振，人体会产生“失调感”。再高的频率，人体就会产生一系列不适的现 象，如神经紊乱、内分泌失调、引起血管痉挛、并可能导致振动病等1 引。如 图2 一l 为坐姿人受垂直激振，人体各部位对不同激振频率产生反应出现的症状 【1 9 1 。 ( 3 ) 振动方向 振动在空间位置上有三个方向：x 轴、y 轴和z 轴并且具有3 个直线和3 个旋转自由度：即x 、y 、z 轴振动和沿y 轴旋转的俯仰，沿x 轴的旋转的滚 翻、沿z 轴旋转的偏航等振动。 振动对人体的影响，除了与上述因素有关外还与接振的时间有关。长时间 暴露在振动条件下，即使是较低强度的振动也能使人产生一系列不适现象。 图2 1 坐姿人受垂直激振，各部分出现的症状1 8 l o 2 3 振动参数的选取 振动力量训练分两种：局部振动力量训练和全身振动力量训练。目前，振 动力量训练多采用局部力量训练的方法，针对肢体的某一部分进行等张力量训 练。大量文献资料表明：振动力量训练的效果主要受振动频率和接振肌肉的初 始长度这两个因素的影响。人体接受的振动主要以低频为主，振动频率的选取 主要是由人体系统共振的频率范围决定的。 国内外学者针对手臂肌肉训练进行了大量的研究，并且在实践中证明其训 练效果是明显的。 b i s s u r i nf 1 3 】等对附加振动刺激的手臂在臂牵引器上进行最 大力量训练。每周3 次，每次6 组，每次练习以最大力量的8 0 一l o o 强度完 成他可能的最多次数。附加振动的频率为4 4 h z ，振幅为3 m m ，振动加速度为 2 2 m s ，结果发现最大力量附加振动组提高了4 9 8 ，正常训练组只提高了 1 6 4 。w e b r e i l2 j 在常规力量中附加振动训练，振动频率为2 5 h z 。振动训练进 行了5 周，每周训练2 次，每次4 组练习，每组重复8 次，强度为最大力量的 8 0 。受试者的最大力量提高了2 4 一3 4 ，明显高与以往文献中报道的常规 力量训练肌肉力量的增大值。a m s t r o n g l 2 0 j 也发现手握力在4 0 h z 的