摘要：为了提高杠杆传动重力式力量训练器械的性能，探索器械的优化设计方法。研究以模拟人体膝关节肌力矩为例，通过实验获得人体膝关节伸肌等动向心收缩的力矩一角度特征曲线，采用图解法对杠杆传动重力式力量训练器械的阻力矩进行肌力矩的模拟，优化设计器械杠杆传动装置。结果：优化设计的器械改变了传统设计杠杆末端点与滑轮拉力作用点之间的位置关系，优化定位了滑轮拉力作用点相对于杠杆末端点的位置。结论：优化的设计使得器械阻力矩相对于传统设计而言更符合人体肌力矩，解决了器械的全载负荷问题并在一定程度上解决了可利用惯性、肌肉疲劳和器械噪声等问题。
关键词：力量训练；器械；优化设计
中图分类号：G 818.3文章编号：1009—783X(2009)05—0616—04文献标志码：A
重力式力量训练器械又称为组合式力量训练器械，其使用安全、简单、方便，维修和保养较为容易，具有较高的性价比，在运动训练和大众健身中被广泛使用。但是，重力式力量训练器械在性能上还存在许多问题，主要有全载负荷、可利用惯性、肌肉疲劳和器械噪声等一系列问题，需要对器械的设计做进一步深入研究。
动力传动装置是影响重力式力量训练器械性能的核心部件，目前器械的动力传动基本是通过杠杆或凸轮来实现。我国生产的重力式力量训练器械基本上采用杠杆传动方式，器械提供的阻力曲线不符合人体用力曲线，没有解决器械性能上的上述问题。本研究以模拟膝关节肌力矩为例，探索如何在器械原有结构基础上优化杠杆传动装置，使器械阻力与人体肌力尽可能相符，进一步提高器械性能，从而更好服务于运动训练和大众健身。
1 研究方法
1，1实验法
1)实验对象：江苏省柔道、赛艇、自行车等项目优秀运动员56名。
2)实验方法及内容：实验设备采用美国LUMEX公司生产的CYBEX6000力量测试与训练系统，系统误差小于+1％。实验对被试的膝关节肌进行等动向心力量测试，测试角速度为60°／s，每个被试练习3次，测试4次，实验共对被试的左右侧膝关节肌进行了448次测试。
1，2图解法
观察、测量杠杆传动重力式力量训练器械17组，并根据其工作原理，采用图解法测量杠杆传动式器械的工作力臂并计算其阻力矩，对杠杆传动装置进行优化设计。
2 结果与分析
2，1肌力矩一角度特征
实验结果选取了每个被试重复性较好、能反映力量特征的测试，共计264条膝关节伸肌力矩一角度特征曲线，在伸膝范围内每隔10°读取力矩数值，计算其平均数(x)和标准差(SD)，结果见表1。关节角度定义：根据CYBEX6000力量测试与训练系统手册中的定义，关节伸直为解剖学零角度位置，屈为正角度，过伸为负角度。
根据实验结果，在60°／s的慢速力量测试中，膝关节伸肌平均峰力矩为223Nm，平均峰力矩角为60°。在峰力矩附近，从50°到70°的范围内，特征曲线的曲率较小，肌力矩出现了一个平台。Kannus ＆ Beynnon对143名成年男子和106名成年女子作了膝伸肌等动向心测试，在慢速60°／s时峰力矩角平均都为54°。杨静宜对200名男女运动员和20名普通男女大学生作了膝伸肌等动向心测试，测试速度为60。／s峰力矩角出现在50°～70°之间。以上研究结果都与本实验膝伸肌峰力矩出现的角度大致相当，峰力矩附近的力矩值是一个近似的平台，力矩值差异不大。在本次测试中，膝关节伸肌平均特征曲线起始角度为95.7°+3.7°，结束角度为15.4°5+8.8°，在曲线起始及结束位置肌力矩为零。从总体看，关节肌力矩一角度特征曲线是倒u型的曲线。
2，2器械传统设计
传统设计的杠杆传动重力式力量训练器械工作原理如图1所示，图1中杠杆OB为动力传动装置，A处定滑轮为直接通过钢丝绳和杠杆相连并影响力臂值大小的定滑轮。器械动力传动装置传统设计的主要特征是杠杆末端B点与定滑轮拉力作用点A点一般都水平设置，其优点是定滑轮(A点处)位置可以根据器械结构随意设置，牵引重力块的钢丝绳布线简单。在所研究的17组采用传统方式设计的膝关节伸肌练习器械中，杠杆末端B点与定滑轮拉力作用点A点的位置相对关系一般是水平距离400 mm，垂直距离为零。重力块组合质量在2.5～120 kg之间，杠杆长度在400～600mm之间。
为便于和实验所获得的膝关节肌力矩数值的比较，本研究令器械最大阻力矩与实验最大肌力矩相等，研究参考了国内外十几种同类产品，器械总负荷一般在120 kg左右，负荷储备系数确定为2.5，因而选取重力块组合质量45 kg、杠杆长506 mm来计算器械参数，即在关节运动幅度范围内，采用图解法每隔10°测量器械工作力臂值，并计算相应角度的器械阻力矩，计算公式为：力矩一力×力臂。膝关节伸肌在60°／s等动测试中，肌力平均特征曲线起始角度为95.7°+3，7°。在重力式力量训练器械工作过程中，考虑肢体环节的启动、钢丝绳松弛等原因，根据实际情况计算时适当放大杠杆工作范围，确定杠杆从关节角度100。起开始工作；肌力平均特征曲线结束角度为(15.4+8.8)°，由于器械在工作结束阶段的运动是减速的过程，相应角度上肌力矩值增大，因而将力臂值及阻力矩值都计算到0°。本研究中，传统设计器械的参数数值见表2。
2，3器械优化设计
根据表1中的实验结果，在关节运动的范围内肌力矩数值是由小到大再到小的趋势。根据表2中器械传统设计的结果，器械阻力矩数值在关节运动的起始位置附近力矩值最大，在关节运动的过程中力矩值逐渐减小，是由大到小的趋势。显然，器械阻力矩与肌肉特定的力矩一角度特征曲线不符，主要表现在2个方面，一是在峰力矩附近不能满足全载负荷，二是起始力矩过大。器械优化设计的目标即改变传统设计的不足之处，实现器械阻力矩符合或尽可能符合人体肌力矩。
在关节肌力量练习过程中，肌力矩是一个随关节角度变化而不断变化的指标，重力式力量训练器械如何才能够提供可变力矩呢?已知在器械工作的过程中，重力块的组合质量不变，重力也不变，实现变力矩只有依靠改变作用力的力臂长度。杠杆传动重力式力量训练器械的工作原理即依靠杠杆在不同工作位置自然形成力臂，由于在不同工作位置力臂值不同，器械阻力矩也就随着发生相应的改变。杠杆传动重力式力量训练器械为了加强力量训练的针对性，传动装置的转动大多采用与人体关节同轴转动方式，力臂长度不但取决于杠杆长度还取决于滑轮拉力作用点的位置，拉力作用点的位置在滑轮支点确定后不会有大的改变，杠杆在运动过程中也不会像凸轮一样发生形状改变。因而，对杠杆传动器械的优化设计其实质是如何寻找合适的定滑轮拉力作用点，使杠杆在不同工作位置形成合理的力臂值，从而提供符合人体肌力矩的阻力矩。
优化的设计重点解决传统设计的主要缺点，即起始力矩
大且峰力矩小。器械的起始力矩较大对器械性能会产生不利的影响，峰力矩又是衡量肌力水平的核心指标。围绕这2个主要的因素，设计以图解法参照人体膝关节肌力特征曲线划分杠杆工作范围，确定杠杆在不同角度的工作位置。优先满足器械起始力矩和峰力矩的形成条件，并因此确定定滑轮拉力作用点的精确位置。优化设计的器械工作原理如图2所示，设计改变了传统设计杠杆末端点与定滑轮拉力作用点之间的位置关系，两点的位置不再是水平设置。本研究定位杠杆末端B点与定滑轮在新位置上的拉力作用点C的相对位置为：水平距离40 mm，垂直距离130 mm，这样的设计保证了器械阻力矩对关节肌起始力矩和峰力矩的模拟。至于由此产生的钢丝绳布线问题，可以通过增加一个中间定滑轮来解决，这种局部的改变不会对器械原有主体结构产生影响。本研究依然选取重力块质量45 kg、杠杆长506 mm来计算重力式力量训练器械的阻力矩，计算方法同上，力臂值及阻力矩值也从100°计算到0°，数值见表3。
2，4 器械不同设计阻力矩比较
2，4，1起始阶段力矩
根据表1实验数据，膝关节伸的起始力矩为零。传统设计器械的起始力矩为223Nm，是器械阻力矩的最大值，随着关节运动器械阻力矩逐渐减小。优化设计后，器械起始阻力矩为零，随着关节运动阻力矩逐渐递增到最大，和肌力矩具有相同的趋势。
器械起始阶段阻力矩的不同会对其性能产生较大影响。首先，重力式力量训练器械如果存在较大起始力矩，关节运动时肢体及支架在转动过程中就会产生角加速度，形成爆发式用力。由于运动惯性，在运动的下一关节角度或范围内，肌力矩减小或等于零仍能使肢体及支架转过该关节角度或范围，出现空载现象。在这里，可利用惯性不利于力量训练。减小器械起始力矩可以在一定程度上避免环节角加速度的产生，从而减小器械的可利用惯性。其次，器械如果存在较大的起始力矩，关节运动在开始一段范围内做功也较多，造成该范围内肌肉收缩的极大超负荷。力量训练虽然遵循超负荷原理，但是超负荷并不是无限的。过大的负荷很容易导致肌肉的疲劳，使每次训练重复次数减少，导致在实际运动中主要做功范围(峰力矩附近)的肌力得不到有效锻炼。设计较小的器械起始力矩，在一定程度上可以减缓肌肉疲劳的发生，提高力量训练的效率。第三，器械较大的起始力矩会令器械产生很大的噪声。在本文的研究中，传统设计器械起始力矩为223Nm，是所能够提供阻力矩的最大值，重力块回落结束时器械力矩也是223Nm，而关节肌在重力块回落结束时的力矩远远小于这个数值，无法控制重力块的回落速度。重力块的回落速度越大产生的撞击就越剧烈，噪声也就越大。优化设计的器械起始力矩为零，重力块在回落快结束的一段范围内重力矩也较小，肌肉就很容易控制重力块的回落速度，因而可以在很大程度上减小撞击噪声。
器械起始力矩较大会影响性能，本研究在器械的起始工作位置将阻力矩设计为零，在一定程度上解决了上述性能问题，但是，器械的起始阻力矩过小是否也会对器械的性能产生负面影响呢?在肌力矩特征曲线中间阶段力矩中，峰力矩是评价肌肉做功能力的最重要指标，Jensen＆Warren等以90°／s的速度作伸膝等动测试，起始力矩设置了2种，一是50N的低负荷，二是相应角度下75％的最大等长收缩力量。结果表明，无论是向心还是离心收缩，起始力矩对峰力矩无显著影响。Bobbert＆Harlaar分别以30°／s、60°，S、120°／s和210°／s的速度作伸膝等动测试，起始力矩设置一是低负荷，即相应角度下5％最大等长收缩力量，二是相应角度下95％最大等长收缩力量。结果仍然表明，起始力矩对中间力矩无显著影响。也就是说，器械起始力矩的大小不会影响中间力矩，器械的起始力矩设计为零不会对力量训练效果产生负面影响。力量训练的基本理论是建立在希尔方程的基础之上的，希尔方程描述了骨骼肌收缩时负荷与速度的关系：负荷增加，收缩速度减小；反之，负荷减小，则收缩速度增大。将器械的起始力矩设计为零减小了肌肉工作的初始负荷，为快速达到峰力矩值创造了条件，充分利用了人体运动时肌肉克服负荷和发挥收缩速度之间的内在联系，可以取得较好的力量训练效果。
2，4，2中间阶段力矩
为了使关节肌获得较好力量训练效果，重力式力量训练器械的设计应满足等动练习的2个优点，即动态用力和全载负荷。第一个条件重力式器械能够自然满足；第二个条件包含2层意思，一是在关节运动幅度或限定范围内能够给肌肉提供阻力，二是在关节运动的任一角度上负荷值不应小于相应的肌肉力矩值，即满足力量训练的超负荷原则，刺激肌肉产生相应的生理学适应，从而增强肌力。
就目前市场上的产品而言，采用传统方式设计的杠扦传动重力式力量训练器械，几乎都是在关节运动的起始位置附近力矩值最大，在关节运动的过程中力矩值逐渐减小，这与肌肉特定力矩角度曲线不符，在关节运动的关键范围内不能提供足够的阻力负荷，无法解决力量训练器械的全载负荷问题。如图3所示，曲线1为伸膝力矩一角度特征曲线，曲线2为传统设计器械提供的阻力曲线，曲线3为优化设计器械提供的阻力曲线。A点和B点为曲线1和曲线2的交点，从图3可以看出，在膝关节伸的过程中从A点到B点传统设计的器械提供的阻力矩小于伸膝的动力矩。峰力矩是肌力最为重要的指标，关节肌峰力矩角出现的50°～70°正处于A点到B点这一关节角度范围内，也就是说在肌力矩最大、最重要的关节角度上，传统设计的器械不能满足全载负荷。优化的设计优先满足了器械最大阻力矩的形成条件，因而在该范围内器械阻力矩与肌力矩相符，较好地解决了器械全载负荷问题。
2，4，3结束阶段力矩
根据设计结果，从图3可以看出优化设计器械在工作结束阶段阻力矩大于肌力矩和传统设计阻力矩，通过对B点以后每10。关节角度上不同设计阻力矩值的计算，优化设计器械比传统设计器械阻力矩平均值大25％左右。这种计算是基于器械在静态或准静态时的工作条件，实际上器械在动态工作过程中还会有其他作用力的存在。参照图2，器械动态工作时以0点为转动点的阻力矩计算公式如下：
式中右侧第一项为重力块重力力矩，第二项为钢丝绳牵拉重力块过程中摩擦力矩，第三项为重力块惯性力矩，第四项为肢体及支架的惯性力矩。其中，mg为所选组合重力块重力，L为钢丝绳拉力作用线与动力杠杆形成的力臂值，f是钢丝绳与滑轮之间的摩擦力，w为肢体及支架的转动角速度，I为肢体及支架的转动惯量。无论人体关节肌力固有特征曲线如何，在进行力量练习时，工作曲线都是器械的阻力曲线。由于摩擦力矩值很小，第二项可以忽略不计。在关节肌运动过了峰力矩以后，由于器械阻力矩都大于相应肌力矩，因而人体环节运动角速度是递减的，产生反向角加速度，则方程右侧第三、第四项为负值，这在一定程度上解决了设计上的曲线后段器械阻力矩较大的问题。
3 结论
1)研究对杠杆传动重力式力量训练器械的动力传动装置进行了优化设计，设计改变了传统设计中杠杆末端点与滑轮拉力作用点之间的位置关系，优化定位了滑轮拉力作用点相对于杠杆末端点的位置，既保证了器械阻力矩对关节肌力矩的模拟，又不会对器械原有主体结构产生影响。
2)优化的设计使得器械阻力矩在影响器械性能的起始力矩和峰力矩这2个关键因素上更符合人体肌力矩，解决了器械的全载负荷问题，并在一定程度上解决了器械可利用惯性、肌肉疲劳和器械噪声等问题，提高了杠杆传动重力式力量训练器械的性能。
