基于球形结构的足踝三维运动训练器材设计

季一超杨红春陈剑

（1浙江体育职业技术学院附属体育医院浙江杭州311231）

（2浙江体育科学研究所浙江杭州310004；3浙江理工大学浙江杭州310018）

【摘要】目的：踝关节力量训练是踝关节损伤后重要的康复治疗内容，也是增强专项运动能力的重要手段。目前踝关节训练方法少，训练设备不能满足踝关节多自由度的训练，因此利用球面运动特点设计一种多自由度的踝关节训练器材，提高训练效果。方法：踝关节训练器由球形槽、动作球、液压装置、脚踏板等机构组成，以可调液压施加摩擦为阻力，从而符合踝关节运动特点，可多维度训练踝关节肌肉力量。结果与结论：踝关节训练器符合踝关节运动解剖特点，可全面训练关节灵活性和肌肉力量，设备结构简单、成本低廉。

【关键词】踝关节；训练器材；球面运动；多维

【中图分类号】R493【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2015）36-0385-02

1.前言

踝关节是人体与地面接触的枢纽，行走、跑步和登高需要踝关节参与，可以说日常生活中每个行动都有踝关节参加，因而踝关节也易遭到损伤。在大众体育活动中和运动员训练比赛中，踝关节损伤是非常常见的运动损伤，约占运动性损伤的14%～17%[1]。其中扭伤是踝关节损伤最常见的方式，基于踝关节结构和功能的基本特征，绝大多数的扭伤为踝关节外侧韧带扭伤，约占踝关节扭伤的85%[2]。踝关节扭伤后如果没有正确及时的处理，再次扭伤的风险会极大地增加，并逐渐形成踝关节不稳。踝关节肌肉力量训练可以增强关节稳定性，是踝关节康复治疗的重要内容之一，也是预防损伤的重要手段；同时在竞技运动领域，增强踝关节力量，改善关节灵活性是促进专项运动能力提高的重要保证。

2.研究背景

2.1足部关节运动特征

足部主要包括距小腿关节、距下关节、横跗关节、跖趾关节、趾间关节等5个关节。与运动关系最密切的是距小腿关节和距下关节[3]。

距小腿关节俗称踝关节，由胫腓骨下端和距骨滑车构成，基本上是个单向关节，距骨主要在矢状面上沿一横轴活动使足能背屈和跖屈。距下关节是由距骨和跟骨的相应关节面构成的。行走时，踝关节和距下关节相互补充，联合活动，形成一个功能性复合体，类似一个万向关节。因此足部的活动可概括为：（1）围绕横轴的背屈、跖屈，（2）围绕纵轴的内旋、外旋，（3）围绕矢状轴的内翻、外翻[4]。

2.2足踝关节训练现状

由于从形态学上看足没有手那么灵活，不能抓握，所以踝关节的力量训练方法不如上肢那么丰富。目前使用最多的踝关节力量训练方法是通过对抗身体和器械重力进行的踝关节跖屈运动，如提踵练习或踮脚尖跳跃练习等，这类练习只能训练跖屈踝关节的比目鱼肌、腓肠肌等肌群，踝关节的其他肌群得不到主动训练，只起到了协同稳固的作用。而踝关节的运动模式不止跖屈一种，还有背屈、内翻、外翻、内旋、外旋等，整个踝关节周围的肌肉力量也都需要训练，才能维持合理的拮抗肌相对力量比，更好的保持关节稳定，尤其是踝关节损伤后需要进行全方位的关节基础力量训练。

目前在临床康复或者健身运动中踝关节背屈、内翻、外翻等动作主要依靠前脚掌处固定弹力带进行抗阻练习，或对抗治疗师（训练师）人为提供的阻力进行抗阻练习。弹力带抗阻练习有不易固定，操作较为复杂等不足之处，同时一对一的人工练习，成本较高，并且阻力难以精确恒定。总的来说目前的踝关节肌肉力量训练难以实现高强度、有针对性和高重复性。

现有的足踝训练装置分为活动度训练设备和肌肉力量训练设备。肌肉力量训练设备有的以电机提供阻力，成本较高[5-6]；有的只能提供背屈/跖屈一个自由度，或背屈/跖屈、内翻/外翻两个自由度的训练[7]，且踝关节运动轴心与阻力中心相距太远，使用极其不适。

3.新型踝关节训练器材设计

3.1器材设计方案

针对现有技术无法多方位有效加强踝关节力量的问题，本发明突破性的采用两球体之间的运动轨迹来适应踝关节类似万向关节的运动特点，进行踝关节力量训练，提供一种动作模式自由并可有效提高踝关节力量和灵活性的足踝训练装置。本器材主要包括一个开口的动作球和一个底座，动作球内置有脚踏板，底座上设置有一个限定动作球动作空间的球形槽。动作球和球形槽相配合的结构设计，可以在球形槽限定的空间内满足足踝各个角度的自由运动，从而多方位的全面练习踝关节活动度和肌力。

3.2器材结构介绍

如附图1、2、3所示，该足踝训练装置包括底座1、动作球2、调节阀3、动作球外壳7、限位滚珠8、座台9、摩擦片11、限位缺口12和液压机构13。底座1上设置有一个限定了动作球2动作空间的球形槽10，动作球2内设置有脚踏板5，脚踏板5上设置有脚跟挡板4和脚掌绑带6，液压机构13设置在底座内，液压机构13的调节阀3设置在底座1外侧。限位滚珠8总数为四个，呈正方形设置在球形槽10内侧的下半球中部位置上，限位滚珠8的一侧与动作球外壳7接触，限定动作球2与球形槽10均匀接触。限位柱16设置在球形槽10底部，动作球2底部有一限位缺口12，限位柱16与限位缺口12相匹配将动作球2的运动控制在一定范围内。摩擦片11为三个，三个摩擦片11一端紧靠动作球外壳7，另一端固定在液压管14上，并成等边三角形分布在球形槽10内侧的球径位置上，座台9开设有座台空腔15。

注：底座1、动作球2、调节阀3、脚跟挡板4、脚踏板5、脚掌绑带6、动作球外壳7、限位滚珠8、座台9、球形槽10、摩擦片11、限位缺口12、液压机构13、液压管14、坐台空腔15、底部限位柱16。

使用摩擦片可增加动作球相对底座转动的阻力，而液压机构可同步调节各摩擦片相对动作球的压力，从而较好的实现动作球转动阻力的平稳调节。摩擦片和液压机构为动作球转动时提供可调节的阻力，可以实现力量训练强度的调节。

球形槽内设置有若干限位滚珠，该限位滚珠的一端紧靠所述的动作球。在动作球和底座之间设置限位滚珠，便于限定动作球的动作空间，也便于阻力调节装置的使用。动作球底部设置有限位缺口，该限位缺口与限位柱配合，进一步限定了所述的动作球的动作空间。

脚踏板上设置有脚部固定装置，该装置由一块金属踏板、一个足跟固定板和两根固定带组成，使用时将脚通过脚跟挡板和脚掌绑带固定在脚踏板上即可进行关节各角度的灵活性训练；通过调节液压调节阀调节动作球的转动阻力，以进行踝关节各运动方向的力量的训练。

4.结论

踝关节活动可概括为：（1）围绕横轴的背屈、跖屈，（2）围绕纵轴的内旋、外旋，（3）围绕矢状轴的内翻、外翻，其活动特点类似万向关节。本发明利用球面运动特点与踝关节运动特点相结合，可实现足踝的多自由度训练，能够有效提高踝关节力量和灵活性，更好更全面的训练踝关节，同时结构简单、成本低廉。因此，本训练器材更符合人体工程学原理，能够多自由度的训练踝关节，为踝关节训练提供一个更好地方法，同时设备结构简单、成本低廉。

【参考文献】

[1]PufferJC.Thesprainedankle[J].ClinicalCornerstone,2001,3(5):38-49.

[2]DiamondJE.Rehabilitationofanklesprains.ClinSportsMed1989;8:877-9.

[3]魏勇，刘宇距骨下关节功能解剖和运动研究进展[J]体育科学，2008，28（12）：62-68.

[4]YukiTochigi.Effectofarchsupportsonankle-subtalarcomplexinstability:Abiomechanicalexperimentalstudy[J].FootAnkleInt.2003,24(8):634-639.

[5]谢彬.气动肌肉驱动的踝关节康复训练装置设计及控制特性硏究[D].广州：广东工业大学，2012.

[6]于海波.并联式踝关节康复机器人系统设计[D].秦皇岛：燕山大学，2006.

[7]侯娅品，程秀芳，徐千.踝关节康复机构的研究[J].河北联合大学学报，2013，35（2）：55-58.