适用于初学者学习滑雪运动的新型仿生装备

【作者】 韩宇； 张锐； 陈凯祥； 王怀梁； 辛本禄； 曲博； 文立阁；

【机构】 吉林大学工程仿生教育部重点实验室； 吉林大学冰雪旅游场地装备与智能服务技术文化和旅游部重点实验室； 吉林市雪龙体育运动装备科技有限公司； 吉林大学机械与航空航天工程学院；

【摘要】 研究目的:随着冬奥会的顺利开展,滑雪等冰雪运动逐渐走入人们的视野。而对于初学者而言,穿戴滑雪板后在雪地里寸步难行,尤其是上坡路面。排除初学者因素,滑雪板对学习滑雪运动的影响至关重要。同时,滑雪和跑步、快走一样都属于有氧运动,能够达到增强心肺功能的目的。特别是在快速甚至急速的运动中,对于心肺功能的锻炼更是显而易见的,在室内外滑雪都可以达到增强心肺功能的效果。初学者在学习滑雪的时候,总是喜欢下坡的过程,而在上坡无法利用惯性达到位移,只能脱去滑雪板进行行走,较为麻烦。有研究表明,由于滑雪板在雪地较难行走这种特性,给初学者学习滑雪带来了极大困难。同时若是滑雪板刚度过大,滑雪运动员在运动过程中不宜控制其方向,尤其是上坡的时候,很容易发生原地踏步的情况,从而降低学习滑雪的效率。而滑雪板刚度较小,在上坡过程中滑雪板发生的变形较大,从而出现倒退的情况,这种影响是不可忽略的。因此,研究滑雪板在雪地上的行走性能对学习滑雪运动有着重要的理论意义、现实意义和工程意义。研究方法:驯鹿是一种生活在寒冷的冰雪环境的生物,在雪地奔跑能力十分惊人,主要体现在稳健、持久和高效。驯鹿足作为直接与雪地接触的部位,其对于雪地面上优越的奔跑能力起到十分关键的作用。当驯鹿在雪地奔跑或行走时,驯鹿足的前蹄起到切入冰层增大摩擦的作用,驯鹿足的软垫部位又起到了固定积雪,防止足蹄打滑的功能。因此,本文以驯鹿为仿生原型,结合工程仿生学的思想,根据驯鹿的形貌和足底曲线设计了在雪地路面上的行走结构,使滑雪板容易在平地、上坡、下坡行走,以解决新手学习滑雪时无法正常在上坡路面正常行走的问题。具体实施方式为:先通过体式显微镜和扫描电子显微镜对大体解剖后的驯鹿足蹄进行结构观察和分析,并采用工程仿生技术,将其与滑雪板结构相结合,设计滑雪板,并制定其工作原理;再结合多刚体动力学软件分析新型仿生滑雪板的工作情况,并与传统滑雪板进行仿真对比,对比新型仿生滑雪板的优越性能。研究结果:(1)本文所设计的新型滑雪板,主要包括滑雪板主体、前卡扣、仿生可行走防滑装置和后卡扣四个装置。其中,前卡扣是由两个前卡块并排构成,前卡扣具有第一卡口,后卡扣是由两个后卡块并排构成,后卡扣具有第二卡口,前卡扣向前倾斜,后卡扣向后倾斜,前卡扣和后卡扣相对布设,前卡扣和后卡扣固定在滑雪板主体表面,第一卡口和第二卡口向内相对。(2)仿生可行走防滑装置包括有两个仿生驯鹿足、仿生驯鹿横隔、两个可伸缩弹簧、一个可旋转杆和两个转轴,两个仿生驯鹿足的底面均布设若干间隔相同的仿生驯鹿横隔,两个仿生驯鹿足的内侧均设置有转轴,两个仿生驯鹿足通过转轴枢接在滑雪板主体的外侧,两个仿生驯鹿足上表面均固定连接可伸缩弹簧,两个可伸缩弹簧的上端之间固定可旋转杆,可旋转杆通过扳动能卡在前卡扣的第一卡口中,或后卡扣的第二卡口中。(3)仿生驯鹿足的边缘轮廓曲线是仿照驯鹿足底曲线进行设计的,由左侧曲线和右侧曲线衔接而成的,左侧曲线的方程为:y=10.58-0.72x+0.17x~2-0.02x~3;右侧曲线的方程为:y=3.29+0.71x-0.09x~2-9.86x~3。(4)仿生驯鹿横隔是仿照驯鹿足底微观横隔进行设计的,仿生驯鹿横隔的表面具有间隔布设的棱纹,棱纹为长方形,其长为5mm,宽为2mm,四角处的曲率半径为1mm。(5)当仿生可行走防滑装置处于水平状态时,仿生驯鹿足的仿生驯鹿横隔底面高于滑雪板主体的底面,使得穿戴者在滑雪时,仿生驯鹿足的仿生驯鹿横隔底面呈悬空状态,并不与雪面发生接触。(6)结合多刚体动力学软件,对其进行雪地爬坡仿真,其结果表明,在同样的雪地路面上,穿戴仿生新型滑雪板进行上坡行进时的通过性更高,且与传统的普通滑雪板相比较,仿生新型滑雪板的摩擦力提高了约45.5%～49.6%,进而实现了在雪地上较强的行走、爬坡的目的。(7)初学者穿戴新型仿生滑雪板在平地和上坡行走时,将仿生可行走防滑装置的可旋转杆向后扳动,卡在后卡扣的第二卡口中,仿生驯鹿足前倾,仿生驯鹿足的下尖部插入雪中,进行前行或上坡行走。下坡行走时,将仿生可行走防滑装置的可旋转杆向前扳动,卡在前卡扣的第一卡口中,仿生驯鹿足后倾,仿生驯鹿足的下尖部插入雪中,进行下坡行走。当穿戴者想在平地和上坡行走时,可将仿生可行走防滑装置的可旋转杆向后扳动,使其卡在后卡扣的第二卡口中,仿生驯鹿足前倾,仿生驯鹿足的下尖部插入雪中,进而达到方便前行的目的。研究结论:本研究突破了传统滑雪板的设计理念,师法自然,从动物界的生物获得灵感,应用工程仿生技术,采用形状、功能、原理仿生的方法,设计出一种能够在雪地路面上兼顾行走和滑行能力的滑雪板。该滑雪板可降低初学者练习滑雪时的难度和危险性,为新型滑雪板的设计与开发提供理论依据与研究思路。更多还原