肩部振荡杆的研发和应用

摘要：基于振动训练的特点和优势，针对肩部周围肌肉，通过各种试验优选原料和配方，研发生产一种能刺激肩部周围肌肉的振荡杆。应用实验表明该振荡杆能满足研发要求，对肩部周围肌肉有明显的刺激作用。

关键词：振动训练；研发；振荡杆

中图分类号：G804.6　文献标识码：A　文章编号：1004―4590(2011)06―0072―04

1　研发目的

振动(vibration)是物体的振荡运动(oscillatory motion)，所有具有质量和弹性的物体都有振动的能力。人体具有弹性组织，所以人体的弹性组织――肌肉可以产生振荡运动。振动训练(Vibration Training)是一种利用器械来引起肌肉振荡的训练方法。Johnston是世界上最早对振动刺激进行研究的生理学家，早在1907年就研究发现对肌肉和肌腱进行局部振动刺激可以增强肌肉收缩的力量。

振动训练起初应用于康复领域，促进病理状态下肌肉的机能优化、正常状态下肌肉的机能强化，很受康复医生的青睐。由于其对肌肉性能的改善效果明显，它能够以相对较小的附加负荷有效的提高肌肉的最大力量、快速力量，而且对人体的平衡能力、骨骼密度、柔韧能力及血液的激素水平等产生正面影响，逐渐引起了运动训练专家的关注，俄罗斯的体操教练

员Nasarov是第一个真正将振动刺激用于运动训练的人。随着振动训练应用领域的壮大，相应的振动训练设备也逐步面世，如进行下肢训练的振动训练台、进行上肢训练的振动棒(杆)。

进行上肢训练的振动棒，是一种桨叶振荡片，能产生正反方向振动惯性的器械。，它利用器械的惯性进行振动训练。在棒或杆的中央把手部位进行加速或用力增加桨叶的摆动幅度，则能感受到它产生源源的澎湃动力，而且它前后摆动所产生的阻力需要人们身体各部位的肌群参与并中和它的力度。相互作用之下它产生重力将更多的效能回馈给人体的肌肉、关节和头脑，给身体各部位带来剧烈的感受。肌肉因此而获得在各项运动中的技能调整比起其他产品所创造同位元肌群的收缩作用更为高效，更能提高人体肌肉纤维的力量和持久耐力，它也能增加关节的最大延伸活动变化范围，更能有效地保护使用者的关节，同时，它也提供协调性、柔韧性、最佳体态和发挥肌肉力量等有效功能。在手腕推法和手臂摆放不同的姿态时，它可以准确针对人体上半身的某些特定肌群目标，因此它常被作为运动训练和物理康复特别器械来使用。

目前市场上比较常见的肩部振动训练设备主要有两种：bodyblade和flexi bar。这两种设备均系进口器材，购买美元本土器材方便，且要么价格较为昂贵，要么型号较少，不能适合各种人群的需求。

随着运动训练理论和科技的发展，体能、康复训练在竞技体育、全民健身和大众体育中得到全方位的深入开展，体能、康复训练器材的需要量不断增加，但相关器材目前多系国外进口，专项器材的研发和本土化生产在国内处于起步阶段，因此自主研发和深入开发体能、康复训练器材设备是一项重要的工作，研发肩部振动训练设备即为该工作的一个初步探索，从而拓展体育产业的新思路。同时，还可以使使用者降低成本，便于购买。

2　研发设计肩部振荡杆的要求

作为体能、康复训练器材，肩部振荡杆应该对肩部周围的肌肉有刺激作用。

作为体能、康复训练器材，肩部振荡杆应该具备的特性：①低过敏、耐汗渍、无毒、可回收；②杆体结构小巧、简洁、美观，便于抓握发力；③有较强的弯曲强度，弹性模量在21GPa左右；④振动频率在4.6Hz左右。

3　杆体结构的设计和原料及配方的选择

鉴于振荡杆是在周期性振动条件下使用，振动频率及弯曲强度决定着产品的使用效果及安全性，所以从以上两个方面确定配方。影响材料性能的决定因素是其结构，此外成型工艺也对产品性能起重要作用。

3.1　杆体结构的设计

根据杆体结构要求简洁、美观、便于抓握发力的要求，杆体为桨叶状，中央有抓握把手，两端有包胶配重，形状见图1所示。

桨叶宽度为5cm，厚度为0.5cm，整个杆体长度为155cm，中央把手长度为31cm，配重长度为9cm，把手宽度为5.1cm，厚度为4.9cm。

3.2　原料及配方的选择

振荡杆是在周期应力下使用，需要具有一定的抗疲劳性能，有研究表明单向纤维增强复合材料具有较好的耐疲劳性，故采用拉挤工艺(图2)研究树脂基体、纤维含量及填料对产品弯曲性能及振动频率的影响。

1.纤维集束架；2.网眼板；3.玻纤预处理；4.树脂浸渍槽；5.成型模具；6.后处理；7.牵引机

3.2.1　树脂基体对产品弯曲性能及振动频率的影响

纤维增强复合材料常用树脂基体主要有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂及乙烯基树脂。环氧树脂基复合材料拉挤成型时由于摩擦力大、后固化等原因较少被采用；酚醛树脂虽然不存在上述问题，但固化产物受热时会放出有毒成分，鉴于本产品与人体直接接触，要求低过敏、无毒，因此也不采用。

不饱和树脂复合材料的弹性模量为40.16GPa，乙烯基树脂复合材料的弹性模量为22.75GPa，因此选用乙烯基树脂作为纤维增强复合材料的树脂基体。

3.2.2　玻纤及填料含量对复合材料弯曲性能及振动频率影响

当玻纤为45根(469)纱+300g，连续毡4片(50+60)(4800)时(氢氧化铝调料含量为30％wt)，样品的固有频率为4.21HZ，弹性模量为18GPa；当玻纤为49根(469)纱+300g连续毡4片(50+60)时(氢氧化铝调料含量为30％wt)，样品的固有频率为4.53HZ。改变填料氢氧化铝的含量，试验发现，氢氧化铝含量为25％wt，当玻纤为45根(469)纱+300g连续毡4片(50+60)时，样品的固有频率为4.25HZ；当玻纤为49根(469)纱+300g连续毡4片(50+60)时，样品的振动频率为4.45HZ；当玻纤为50根(469)纱+300g连续毡4片(50＋55)时，样品的固有频率为4.54HZ，弹性模量为15.91GPa，当玻纤为54根(469)纱+300g连续毡2片(50+55)时，样品的固有频率为4.78HZ，弹性模量为20.6GPa。

从以上分析可以看出，当基体树脂固定，改变玻纤含量和填料含量都可以起到调节样品固有频率的作用，增加玻纤含量和提高填料比重都可以使样品固有频率和弹性模量增大。此外，产品的固有频率和弹性模量还受表面毡的影响，随毡用量的增加而提高。

3.3　肩部振荡杆的主要原料和基本配方

根据以上分析，得出自行研发的实用新型肩部振荡杆的主要原料和生产配方。

3.3.1　主要原料

基体：乙烯基树脂

增强体：2400玻璃纤维纱

玻璃纤维连续毡

填料：聚乙烯(粉末)

氢氧化铝(粉末)

3.3.2　推荐生产配方

首选配方：50―52根(469)纱+300g连续毡4片(50+

60)；弹性模量估值在18―21Gpa；固有频率估值在4.55―4.65之间。

备选配方：50―53根(469)纱+300g连续毡2片(50+65)；弹性模量估值在18―21Gpa；固有频率估值在4.56―4.65之间。

3.4　弯曲强度

弯曲强度是指试样在弯曲过程中承受的最大弯曲应力，检验依据为中华人民共和国国家标准GB／T9341―2008《塑料弯曲性能得到测定》，检验机构为江苏省产品质量监督检验研究院。通过检验，根据以上配方研发生产的实用新型振荡杆试样的弯曲强度为733MPa。

4　肩部振荡杆的应用研究

EMG是运动生理学、临床医学和康复医学中研究肌肉活动的一种有效手段，通过电极直接连接人体肌肉，引导、记录神经肌肉活动时的一维时间序列信号，其变化与参与活动的运动单位数量、运动单位活动模式和代谢状态等因素有关，这种变化能实时地、准备地反映肌肉活动状态和功能状态。

为了了解研发的实用新型肩部振荡杆的功能，验证该振荡杆是否符合研发要求，通过表面肌电采集系统采集肩部在额状面、矢状面和水平面三个平面内振动时肩部周围的肌肉的活动情况，并为运动员的体能训练、康复训练以及大众健身提供参考。

4.1　研究内容和方法

4.1.1　研究对象

江苏省篮球队男子运动员六名、江苏省排球队男子运动员六名共12名被试，他们的基本信息如表1所示。所有被试身体状况良好，实验前无肌肉疲劳现象以及影响本实验的损伤。

4.1.2　仪器和材料 ME6000十六导肌电信号收集和分析系统(芬兰，MEGA公司)，计算机，自行研发的实用新型振荡杆，Ag―Agc1一次性心电极(上海申风)，75％酒精，棉签，砂纸，万用表等。

4.1.3　实验方法

实验动作为三个：右手持振荡杆肩关节水平屈位在额状面(F)上下振动(图3)、右手持振荡杆肩关节外展位在矢状面(S)前后振动(图4)、右手持振荡杆肩关节最大屈(头顶位)在水平面(H)左右振动(图5)。

表面肌电信号采集系统采集身体右侧肌肉的电信号，采用频率为1000Hz，共模抑制比(CMRR)为110dB，电阻小于100K。共选取11块肌肉，按照通道依次为：三角肌前、三角肌中、肱二头肌、肱三头肌、三角肌后、斜方肌上、斜方肌中、胸大肌、大圆肌、背阔肌、冈下肌。

运动员到达实验室后，进行五分钟的热身，然后学习并熟练掌握这三个测试动作。用笔在皮肤表面划出各块肌肉的精确电极位置，然后对皮肤表面进行清洁处理，电极沿着肌纤维的方向，电极间的距离为2―3cm。

三个测试动作的顺序随机选择，每个动作开始后，待振动稳定后连续采集5s的肌电信号，每个练习间隔5min以排除疲劳的影响。

4.1.4　信号处理

采集到的肌电信号全渡整流后计算振幅，计算窗口宽度为0.01s。取三个位置的最大振幅作为标准对肌肉活动的幅度进行标准化处理。

4.2　结果与分析

图6、7、8为某运动员在额状面、矢状面、水平面内振动时右侧11块肌肉的原始肌电信号图。

将各通道下经过标准化处理的振幅值进行统计，计算其均值，结果见表2所示。各肌肉分别在三个平面内运动，对各个平面内表现出最大振幅的人数进行统计，计算其百分数，结果见表3所示。

肌肉活动的幅度可以表明运动中运动单位募集的数量、肌肉激活的程度，肌肉收缩时，若需要力量较大，则需要动员较多的运动单位参与工作，运动单位的数量与肌电幅值成正比。手握着振荡杆的中央把手部位用力使杆体摆动起来后，它产生一种正反方向的振荡惯性，以反作用力的方式刺激肌肉产生收缩。肌肉在不同的位置，其初长度不一样，运动单位募集的数量、受到刺激的程度也不一样，肌肉活动的幅度也不一样，所以三个平面内各肌肉的振幅会有差异。以肌肉激活程度最大的那个面的振幅为标准，对各肌肉在各个面内的振幅做标准化处理。

从表2可以看出，除肱三头肌和胸大肌外，其余9块肌肉的振幅最大值都出现在额状面，这表明三角肌、肱二头肌、斜方肌、背阔肌、冈下肌这些肌肉在额状面内激活的程度较矢状面和水平面大，肱三头肌在矢状面内激活程度最大，胸大肌在水平面内激活最大。根据这个结果可知，在采用振荡杆进行肩部的锻炼或康复时，在额状面内上下振动的效果较好，其次为水平面内的左右振动。从图6、7、8三个平面的原始肌电信号图也可以看出，通道1―3、5―7、9―11的肌电信号在额状面内较强，通道4的信号强度三个平面相差不大，通道8的信号强度较其他通道而言比较弱，但额状面和水平面内的强度要高于矢状面。

这是从均值的角度来看的，然而从每个被试各肌肉在三个平面内的激活情况来看，激活程度最大的位置并不全是在额状面。对各个平面内各肌肉表现最大激活出现的人次进行统计，结果如表3所示。从表中可以看出，这11块肌肉中，仅有斜方肌上部，12位被试在额状面内的激活程度都是最大，其余10块肌肉，有些被试在矢状面内激活最大、有些在额状面内激活最大、或者有些在水平面内激活最大，个体的差异较大。出现这些情况的原因可能有以下几个方面。首先，各个被试对振荡杆的运动特点不的熟悉程度不一样，有些不能很好的掌握技术动作，完成三个动作时肩部周围的肌肉不能协调用力，导致某些肌肉负荷过大。随着被试对振荡运动的熟悉和熟练，这种状况可能会改善。其次，某些功能相似的肌肉，由于被试对动作的不熟练，导致在这个面运动过程中某些肌肉活动较大，某些肌肉活动较小，而在其他面运动时情况相反，从而引起较大的差异。再次，本实验的被试是专业篮球运动员和排球运动员，篮球和排球专项技术特点不同可能使得肩部肌肉的活动方式产生差异。最后，本实验没有针对每块肌肉进行MVICs(rrmxi―mum voluntary isometric contractions)测试，每块肌肉最大激活时的振幅并不知道，只是取用三个面内的最大值作为标准进行统计的，这可能对统计结果也会有一定的影响。

5　结论

5.1　自行研发的实用新型振荡杆对肩部周围的肌肉有明显的刺激作用，可以用于肩部锻炼和康复。

5.2　采用振荡杆进行肩部的锻炼或康复时，在额状面内上下振动的效果较好。

5.3　项目不同，采用该振荡杆进行锻炼时，肩部肌群的活动模式可能有差异。

5.4　未进行MVICs测试，不能较好的反应每块肌肉的活动程度。这是本实验的不足。