一种残疾人坐式越野滑雪技能测试及模拟训练平台

摘要

本发明提出的一种残疾人坐式越野滑雪技能测试及模拟训练平台，包括两子平台，固定于两子平台之间的垫台，位于垫台上的滑雪椅及电控系统；子平台包括气动控制系统和无线三维测力平台；气动控制系统均分别包括机械式无杆气缸、气源单元和背压控制模块，机械式无杆气缸作为本平台的滑道，由机械式无杆气缸的活塞沿气缸腔体轴向的往复运动来模拟滑雪过程中人体与撑杆落点间的相对运动；无线三维测力平台设置于机械式无杆气缸顶部，用于采集滑雪杖与无线三维测力平台顶部相接触时两者的作用力。本发明将气压传动应用于越野滑雪模拟中，通过气压驱动实现活塞快速自动回程，且滑雪杖可以自由抬起进行正常滑雪运杆，实现坐姿越野滑雪动作的全过程模拟。

说明书

技术领域

本发明涉及滑雪训练器材技术领域，特别涉及一种残疾人坐式越野滑雪技能测试及模拟训练平台。

背景技术

残疾人坐式越野滑雪是一项对体能要求极高的残疾人奥运会雪上项目，被誉为“雪上马拉松”。坐式滑雪需要在一对滑雪板上装备一个坐式滑雪器，残疾人运动员坐在滑雪器上撑杖滑行。然而，我国的残疾人坐式越野滑雪运动起步较晚、发展缓慢，和欧洲国家相比存在着较大的差距。

目前在非雪季最常见的越野滑雪训练方法是残疾人运动员坐在底下安装滑轮板的滑雪器上，在室外的沥青路上模拟越野滑雪技术动作。然而，在坚硬的沥青路上滑雪杖可能会给背部、肩膀和手臂带来不必要的压力，甚至极有可能会造成肌肉损伤。另外，夏季室外温度较高、空气湿度较大，残疾人运动员长时间在太阳底下训练极易中暑。当遇到暴雨天气时，室外越野滑雪模拟训练无法正常进行，影响训练进度。

在残疾人坐式越野滑雪的户外训练过程中，运动员的心率、耗氧量、三维撑杆力、技术动作等数据的监测比较困难，科研人员工作量巨大。同时，由于外界环境因素的干扰，所监测到的越野滑雪相关运动数据稳定性较差。这些问题导致了我国残疾人坐式越野滑雪运动的相关理论研究较少，且教练很难依据全面、可靠的训练数据为每一个残疾人运动员制定出个性化的技能强化训练方案。

为了使残疾人坐式越野滑雪模拟训练不再受季节和场地因素的限制，同时还可以监测残疾人运动员的训练数据，亟需一种供残疾人坐式越野滑雪运动员使用的室内训练测试装置。

目前越野滑雪运动员常用的越野滑雪训练器械，如美国专利US8986167(公告日2015.03.24)公开的一种模仿越野滑雪的训练器材，其滑雪杖底部尖端需要附着在导轨上的滑块上，该训练器械虽然能够很好地模拟越野滑雪运动的撑杆阶段，但由于在训练过程中，滑雪杖不能从导轨上抬起，不能实现越野滑雪全过程的正确模拟。同时，该设备只能监测到沿导轨方向的撑杆力数据，但不能实现撑杆三维力数据的全面监测。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出了一种残疾人坐式越野滑雪技能测试及模拟训练平台，既能实现室内越野滑雪撑杆动作的模拟训练，又能实现运动数据的实时监测，从而提升我国残疾人坐式越野滑雪运动员竞技水平、完善我国残疾人坐式越野滑雪运动科研理论体系。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种残疾人坐式越野滑雪技能测试及模拟训练平台，其特征在于，包括两套相互对称且彼此独立控制的子平台，固定于两个子平台之间的垫台，安装于所述垫台之上的滑雪椅，以及电控系统；各子平台均分别包括气动控制系统和无线三维测力平台；

所述气动控制系统，包括机械式无杆气缸、气源单元和背压控制模块；所述机械式无杆气缸作为所述站姿越野滑雪技能测试及模拟训练平台的滑道，由所述机械式无杆气缸的活塞沿气缸腔体轴向的往复运动来模拟滑雪过程中人体与撑杆落点间的相对运动；所述背压控制模块包括通过管道依次连接的第二过滤器、电控比例阀、气控背压阀和压力传感器；所述机械式无杆气缸的后端盖上设有三个气口，所述机械式无杆气缸的前端盖上设有一个气口；所述气源单元的出气口通过依次设有T型三通接头、减压阀和三位五通电磁阀的管道形成主支路，该主支路通过所述三位五通电磁阀后形成前腔供/排气支路和后腔供气支路，分别与机械式无杆气缸的第四气口和第一气口连通，所述前腔供/排气支路上设有调压阀，所述后腔供气支路上设有单向阀和节流阀；所述气源单元的出气口通过所述T型三通接头后还形成有与机械式无杆气缸的第二气口连通的背压控制支路，所述背压控制模块设置于该背压控制支路上；所述机械式无杆气缸的第三气口与一快速排气支路连通；该快速排气支路上设有二位二通电磁阀；所述机械式无杆气缸的侧壁上沿气缸轴向设有多个磁性开关，所述电控系统通过机械式无杆气缸活塞的磁环与各磁性开关接触、断开时的信号变化，检测所述机械式无杆气缸中活塞的位置从而控制电控比例阀、三位五通电磁阀和二位二通电磁阀的动作；

所述无线三维测力平台，通过一直线往复机构设置于所述机械式无杆气缸顶部；所述直线往复机构包括固定于机械式无杆气缸顶部的直线滑轨、沿该直线滑轨往复运动的导轨滑块、以及分别与导轨滑块和机械式无杆气缸的活塞连接的安装架；所述无线三维测力平台包括固定于所述安装架上的三维力传感器和无线放大器、固定于三维力传感器上表面的受力板以及覆盖于受力板之上的雪地模拟垫，所述三维力传感器将采集的三维力数据通过无线放大器传输至所述电控系统。

与现有技术相比，本发明具有以下特点及有益效果：

本发明可以使坐姿越野滑雪模拟训练不再受季节和场地因素的限制，将坐姿越野滑雪模拟训练场地由室外扩展至室内，同时还可以在一定程度上避免室外坐姿越野滑雪模拟训练对运动员身体造成的损伤。

本发明由气压驱动，具有动作迅速、反应快、调节方便等优点，可驱动滑块实现快速自动回程。同时，在滑块回程过程中，滑雪杖可以自由抬起进行正常滑雪运杆，从而克服现有的滑轨拉绳式越野滑雪模拟器的滑雪杖无法正常抬起的问题，实现坐姿越野滑雪动作的全过程模拟，给使用者以更加真实的坐姿越野滑雪感受。

另外，本发明还可以实时监测并保存使用者进行坐姿越野滑雪模拟训练时两侧的撑杆三维力，这些数据可以用于使用者的运动数据分析，得到使用者的撑杆力大小、左右撑杆力不对称性、撑杆节奏等撑杆技能参数，以量化使用者的越野滑雪撑杆能力水平。

附图说明

图1是本发明实施例的一种残疾人坐式越野滑雪技能测试及模拟训练平台的整体结构示意图；

图2是图1中单个子平台的侧视图；

图3、4单个子平台的气缸控制系统的气动原理图；

图5是本套平台的无线三维测力平台结构示意图；

图6是无线三维测力平台对运动员撑杆力监测的流程图；

图7是残疾人坐式越野滑雪运动员在本套平台上的撑杆示意图。

图中：10-后底板、20-中底板、30-前底板、40-机械式无杆气缸、41-安装架、42-挡块、43-直线导轨、44-导轨滑块、45-第一电磁开关、46-第二电磁开关、47-第三电磁开关、48-第四电磁开关、50-垫台、60-滑雪椅、70-前侧支撑件、80-液压缓冲器、90-无线三维测力平台、91、雪地模拟垫、92-受力板、93、三维力传感器、94-无线放大器、100-气动控制单元、110-后侧支撑件、120-减震器、130-减震器支座、140-气源单元、141-气源、142-储气罐、143-冷干机、144-第一过滤器、150-背压控制模块、151-第二过滤器、152-电控比例阀、153-气控背压阀、154-压力传感器、161-T型三通接头、162-减压阀、163-三位五通电磁阀、170-前腔供/排气支路、171-调压阀、180-后腔供气支路、181-单向阀、182-节流阀、190-快速排气支路、191-二位二通电磁阀、192-消音器。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明一种残疾人坐式越野滑雪技能测试及模拟训练平台进行详细说明。

本发明实施例的一种残疾人坐式越野滑雪技能测试及模拟训练平台，包括两套相互对称且彼此独立控制的子平台，固定于两个子平台之间的垫台50，固定于垫台50之上的滑雪椅60以及与两个子平台电连接的电控系统(该电控系统在图中未示意出)。各子平台结构相同，现以其中一个子平台为例进行说明。

参见图1～5，子平台包括气动控制系统和无线三维测力平台90。其中，

气动控制系统包括机械式无杆气缸40、气源单元140和背压控制模块150；机械式无杆气缸40作为本平台的滑道，由机械式无杆气缸40的活塞沿气缸腔体轴向的往复运动来模拟滑雪过程中人体与撑杆落点间的相对运动，且在初始状态时，机械式无杆气缸40的滑块和活塞位于机械式无杆气缸40的行程前端位置，在回程的前一刻，机械式无杆气缸40的滑块和活塞位于机械式无杆气缸40的撑杆行程末端位置；背压控制模块150包括通过管道依次连接的第二过滤器151、电控比例阀152、气控背压阀153和压力传感器154。机械式无杆气缸40的前后端盖上设有四个气口，第一气口～第三气口(a、b、c)均位于机械式无杆气缸40的后腔端盖上，第四气口d位于机械式无杆气缸40的前腔端盖上。气源单元140的出气口通过依次设有T型三通接头161、减压阀162和三位五通电磁阀163的管道形成主支路，该主支路通过三位五通电磁阀163后形成前腔供/排气支路170和后腔供气支路180分别与机械式无杆气缸40的第四气口d和第一气口a连通，前腔供/排气支路170上设有调压阀171，后腔供气支路180上设有单向阀181和节流阀182；气源单元140的出气口通过T型三通接头161后还形成有与机械式无杆气缸40的第二气口b连通的背压控制支路，所述背压控制模块150设置于该背压控制支路上；机械式无杆气缸40的第三气口c与一快速排气支路190连通，快速排气支路190内设有一二位二通电磁阀191。机械式无杆气缸40的侧壁上沿气缸轴向设有多个磁性开关，电控系统通过机械式无杆气缸40活塞的磁环与各磁性开关接触、断开时的信号变化，检测机械式无杆气缸40中活塞的位置从而控制电控比例阀152、三位五通电磁阀163和二位二通电磁阀191的动作。

参见图5，无线三维测力平台90通过直线往复机构设置于机械式无杆气缸40顶部。直线往复机构包括固定于机械式无杆气缸40顶部的直线滑轨43、沿该直线滑轨43往复运动的导轨滑块44以及分别与导轨滑块44和机械式无杆气缸40的活塞连接的安装架41，无线三维测力平台固定于安装架41上，导轨滑块44、安装架41及机械式无杆气缸中的活塞三者联动；安装架41的一侧还设有挡块42，与机械式无杆气缸的减震器120相配合，来限制导轨滑块44的运动行程。无线三维测力平台90包括固定于安装架41上的三维力传感器93和无线放大器94、固定于三维力传感器93上表面的受力板92以及覆盖于受力板92之上的雪地模拟垫91。当滑雪杖对雪地模拟垫91产生作用力时，该作用力由受力板92传递后被三维力传感器93采集，并通过无线放大器94传输至电控系统，可用于分析滑雪运动员的发力状态。

本发明实施例中各部件的具体实现方式及功能分别描述如下：

机械式无杆气缸40作为本平台的滑道，使得机械式无杆气缸40的活塞和滑块可以沿着气缸腔体的轴向做往复运动。为了保证在测试、训练过程中机械式无杆气缸40的稳固性，在机械式无杆气缸40与地面之间设置有底板，且在机械式无杆气缸40的前后端通过分别前侧支撑件70和后侧支撑件110与底板固定连接。前侧支撑件70和后侧支撑件110均采用强度较好的钢板，且设置了加强筋，在保证机械式无杆气缸40与底板连接强度的同时还用于防止在安装架41进程和回程制动的冲击作用下发生变形，影响使用寿命。底板由后底板10、中底板20和前底板30拼接而成，相邻两块底板之间采用螺栓连接，以便于工作人员对底板进行拆装和运输。

气源单元140包括依次连接的气源141、储气罐142、冷干机143和第一过滤器144。气源141采用低噪音的螺杆式空压机，用于向前腔供/排气支路170、后腔供气支路180和背压控制支路中供应一定压力的气体，以驱动设备运转。储气罐142安装于气源141之后的管路上，利用储气罐142可以降低因气源141(空压机)不连续工作而导致的压力脉动，从而确保供气的充足和平稳。可选地，储气罐142上安装有气压表，用于显示储气罐142中所储存的气体压力大小。冷干机143安装于储气罐142之后的管路上，利用冷干机143冷却和干燥供入后续支路的气体，以延长各气动元件的使用寿命。第一过滤器144安装于冷干机143之后的管路上，第一过滤器144用于保证供入后续支路中气体的清洁性，以防止气体中的杂质造成气路堵塞。

主支路中，气源单元140的出气口即第一过滤器144的出气口通过T型三通接头161后先经过减压阀162对主支路中的气源进行稳压，使气源处于恒定状态，减小因气源气压突变时对气动元件的损伤，随后与三位五通电磁阀163的进气口连通。三位五通电磁阀163具有两个工作口，第一工作口与后腔供气支路180的进气口连通，第二工作口与前腔供/排气支路170的一端连通，机械式无杆气缸40前腔的气体可经由与第四气口d相连的前腔供/排气支路170通过三位五通电磁阀163的排气口排出，为了减小排气时的噪音，三位五通电磁阀163的排气口处设有消音器。

后腔供气支路180中，经三位五通电磁阀163第一工作口输送的气体依次通过单向阀181和节流阀182后流入机械式无杆气缸40的第一气口a。单向阀181用于防止气缸后腔中的气体经三位五通电磁阀163排出，即第一气口a仅作为进气口。通过节流阀182调节气缸后腔中气体的压力来调节机械式无杆气缸中活塞及滑台回程动作的快慢。

前腔供/排气支路170中，该支路的两端分别与三位五通电磁阀163的第二工作口和机械式无杆气缸40的第四气口d连通，前腔供/排气支路170上的调压阀171用于调节供入气缸前腔的气体压力大小，气缸前腔内不同的气体压力分别对应不同的撑杆阻力级别。进程时，前腔供/排气支路170通过第四气口d向机械式无杆气缸40供气，回程时，前腔供/排气支路170将机械式无杆气缸40前腔中的气体经第四气口排出，排出的气体最终由三位五通电磁阀163的排气口排出。

背压控制支路中，背压控制模块150包括通过管道依次连接的第二过滤器151、电控比例阀152、气控背压阀153和压力传感器154。第二过滤器151的进气口通过T型三通接头161与气源单元140的出气口连通，第二过滤器151的出气口与电控比例阀152的进气口连通，电控比例阀152的出气口与气控背压阀153的第一进气口连通，气控背压阀153的第二进气口经过压力传感器154后与机械式无杆气缸40的第二气口b连通，背压控制支路中管道的管径小于主支路中管道的管径(本实施例中，背压控制支路中的气路元件所接通的气管的管径为4mm，主气路管径为12mm)。第二过滤器151用于保证供入到电控比例阀152气体的清洁性，以防止气体中的杂质造成电控比例阀152的堵塞和损坏。所述电控比例阀152以电控系统发送的电信号作为控制信号，用于控制气控背压阀153的背压设定值大小。气控背压阀153用于调节机械式无杆气缸40后腔的气压大小，当机械式无杆气缸40后腔中的气体压力大于背压设定值时，机械式无杆气缸40后腔中的多余的气体会通过第二气口b从气控背压阀153的出气口排出；当机械式无杆气缸40后腔中的气体压力小于或者等于背压设定值时，第二气口b不排气，在机械式无杆气缸40后腔中形成憋压。压力传感器154用于实时监测机械式无杆气缸40后腔中的背压值大小(即机械式无杆气缸40后腔中的气压大小)，以便于工作人员进行机械式无杆气缸40后腔背压变化的调试。

快速排气支路50中，设有二位二通电磁阀191和消音器192，二位二通电磁阀191的进气口与机械式无杆气缸40的第三气口c连通，消音器192设置于二位二通电磁阀191的排气口处。当机械式无杆气缸40后腔中的气压需要快速下降时(例如，撑杆时，当活塞及滑块到达某一位置时，所模拟的撑杆阻力需要快速下降时，需要调整气缸后腔中的气压快速下降，而气控背压阀153的出气口排气速度较慢)，二位二通电磁阀191动作，将机械式无杆气缸40后腔中的气体全部排出。

在机械式无杆气缸40的侧面从前至后依次设有第一磁性开关45、第二磁性开关46、第三磁性开关47、第四磁性开关48和减震器120，减震器120由安装于机械式无杆气缸40侧壁的减震器支座130固定。各磁性开关和减震器120在机械式无杆气缸40侧面的位置可根据实际需要进行随意调整。其中，各磁性开关用于检测机械式无杆气缸40活塞及滑台的位置，当活塞中的磁环靠近磁性开关时，磁性开关中的触点闭合，产生的电信号传输到电控系统中，电控系统根据不同位置的磁性开关信号控制三位五通电磁阀163、电控比例阀152、二位二通电磁阀191动作；当活塞中的磁环离开磁性开关时，磁性开关中的触点断开，电信号消失。减震器120用于阻止活塞及滑台在撑杆结束后继续向后移动，其位置可根据使用者越野滑雪的最大撑杆行程进行设定，具有良好的通用性。此外，向机械式无杆气缸40前腔充入一定压力气体可以起到削弱活塞及滑台向后移动时受到的阻力作用，可以通过改变机械式无杆气缸40前腔中的压力大小来实现撑杆阻力大小的控制，当发生中途脱杆时，机械式无杆气缸40前腔的压力还可以推动滑台继续向后移动，到达行程末端位置。

进一步地，由于机械式无杆气缸40的活塞及滑台回程速度较快，为避免撞坏机械式无杆气缸40的前端盖，在机械式无杆气缸40前端设置液压缓冲器80。该液压缓冲器80可将90％以上的冲击能通过节流孔吸收转化为油热能并散发掉，使高速移动的活塞及滑台快速制动并静止于起点位置。

机械式无杆气缸40上设有直线导轨43，安装架41与安装于直线导轨43上的导轨滑块44连接，用于承载无线三维测力平台90。挡块42安装于安装架41下方，用于撑杆结束后与减震器120接触，使无线三维测力平台90静止。三维力传感器93设于安装架41上方，用于监测越野滑雪运动员撑杆时的三维力数据。受力板92设置于三维力传感器93上方，用于承载传递撑杆力。雪地模拟垫91设置于受力板92上方，用于与滑雪杖底部的尖端接触。雪地模拟垫91为10～15mm厚的减震垫，运动员手持滑雪杖并可将滑雪杖底部的尖端扎进雪地模拟垫91中，或从雪地模拟垫91中拔出。雪地模拟垫91采用具有超强韧性和弹性的材料制成，如硅胶和聚氨酯橡胶等，滑雪杖底部尖端的扎进或拔出对雪地模拟垫91造成的损害较小，可长时间使用。当雪地模拟垫91损坏严重时，工作人员需更换新的雪地模拟垫，以防止影响本发明的正常使用。由于雪地模拟垫91具有超强的韧性和弹性，运动员可将滑雪杖尖端从雪地模拟垫91中自由抬起、落下，从而可以更加真实地还原越野滑雪运动员的雪上动作。无线放大器94设于安装架41侧面，用于将三维力传感器93采集到的三维力信号(F

进一步地，为了防止由于受力板92质量过大造成三维力传感器93在液压缓冲器80快速制动时发生的损坏，受力板92采用航空铝材质，背面设有若干加强筋。这样可以在保证受力板92强度的同时，尽可能降低受力板的质量。

固定于两个子平台之间的垫台50的位置可根据使用者的习惯进行灵活调整，垫台50顶部设有滑雪椅60，运动员坐在该滑雪椅60上，且滑雪椅60的安装面略高于两侧无线三维测力平台，这样可以防止在平台运动过程中与运动员的下肢发生接触，危及运动员人身安全。垫台50的底部设有多个脚杯，用于垫台50的水平调整。

此外，残疾人坐式越野滑雪运动员在使用本套平台进行越野滑雪模拟训练之前，需先将滑雪椅固定在垫台上。残疾人坐式越野滑雪运动员可以使用自己高度专业化、个性化的滑雪椅及滑雪杖，从而可以更加真实地还原残疾人坐式越野滑雪运动员的雪上动作，并确保所采集到的数据的可靠性。

参见图7，残疾人坐式越野滑雪运动员在使用本平台进行越野滑雪模拟训练时，运动员需坐在垫台50的滑雪椅60上首先进行落杆，即滑雪杖尖端扎进无线三维测力平台90的雪地模拟垫91中，然后撑杆推动无线三维测力平台90及安装架41向后运动。在撑杆过程中(按照图7中①→②→③进行)，撑杆阻力的模拟是通过控制气缸腔中气压的变化来实现的。当无线三维测力平台90到达撑杆行程末端时，运动员收杆(回程过程按照图7中③→④→①进行)，滑雪杖尖端从无线三维测力平台90的雪地模拟垫91中脱离。同时，无线三维测力平台90及安装架41在气体推动的作用下，快速返回起点位置，以准备进入下一次撑杆。具体地，本发明中气动控制系统的工作过程如下：

在气动控制系统在通电通气后，首先，三位五通电磁阀163的Y1端得电，即三位五通电磁阀163的左侧位通气，来自气源的压缩空气通过管路依次经过单向阀181、节流阀182、机械式无杆气缸40的第一气口a进入气缸后腔，待气缸后腔内气压上升到所需要的气压值后，三位五通电磁阀163的Y1端失电、Y2端得电，即三位五通电磁阀163的右侧位通气，来自气源的压缩空气经调压阀171进入气缸前腔，使气缸前腔内充满一定压力的气体。此时，机械式无杆气缸40的活塞及滑块位于气缸前端位置，使用者撑杆推动滑台向后移动，当活塞中的磁环靠近第一磁性开关45所在的位置时，第一磁性开关45中的触点闭合，产生的电信号发送到电控系统中，然后电控系统控制电控比例阀152输出在该位置点所设定的气压值到气控背压阀153中，进而控制气缸后腔气压变化；当活塞中的磁环离开第一磁性开关45时，第一磁性开关45中的触点断开，电信号消失。滑块在使用者撑杆作用下继续向后移动，当活塞中的磁环到达第二磁性开关46附近时，电控系统控制电控比例阀152输出该位置点所设定的气压值到气控背压阀153中，气缸后腔中的气压按照设定继续下降。然后，当活塞中的磁环到达第三磁性开关47附近时，电控系统控制二位二通电磁阀191动作，快速排气支路190打开，气缸后腔中的气压快速下降。当活塞及滑块继续向后移动、快到达行程末端时，使用者撑杆结束、滑雪杖从滑台上抬起。

当活塞及滑块到达行程末端时，活塞及滑块在减震器120的作用下停止在第四磁性开关48附近，第四磁性开关48触发电信号发送到电控系统中，然后电控系统控制二位二通电磁阀191关闭停止排气、电控比例阀152使气缸后腔形成憋压，然后电控系统控制三位五通电磁阀163的Y2端失电、Y1端得电，即三位五通电磁阀163的左侧位通气，来自气源的压缩空气通过管路入气缸后腔，驱动活塞及滑块依次经过第三磁性开关47、第二磁性开关46、第一磁性开关45快速返回并在起点位置静止，气缸前腔中的气体经前腔供/排气支路170、三位五通电磁阀163排到外界大气中。当机械式无杆气缸40活塞中的磁环到达第一磁性开关45附近时，磁性开关45产生的电信号发送到电控系统中，然后电控系统控制三位五通电磁阀163的Y1端失电、Y2端得电，即三位五通电磁阀163的右侧位通气，向气缸前腔供入一定压力的气体。同时电控系统控制电控比例阀152输出起点位置处对应的气压到气控背压阀153中，使机械式无杆气缸40后腔中的气压下降并稳定在初始背压设定值，以模拟越野滑雪撑杆初始阻力。在活塞及滑块快速回程的同时，使用者将滑雪杖收回，准备进行下一次撑杆。