專業(yè)短跑訓(xùn)練機的研究與設(shè)計

丁道旭 商慶清 時維鐸

摘 要：研究與設(shè)計的專業(yè)短跑訓(xùn)練機可以模擬真實的跑步環(huán)境，對運動員跑步動作的步頻、步幅、發(fā)力時機，進行整體的技術(shù)訓(xùn)練，糾正多余的錯誤動作，并在跑步機上不斷的進行反復(fù)訓(xùn)練，達到對運動員技術(shù)動作的分解與定型。對于不同運動員訓(xùn)練的特殊需要，教練根據(jù)運動員跑步過程中的發(fā)力情況，調(diào)節(jié)跑步機的阻尼大小，以便對其動作進行改進，并可對運動員長期的訓(xùn)練進行記錄，以此總結(jié)出各個運動員的生理周期，更好的調(diào)整制定訓(xùn)練計劃，提高訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞：短跑訓(xùn)練 設(shè)計 效果

中圖分類號：G8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-0-02

每次短跑的技術(shù)革新或是每次訓(xùn)練設(shè)備的改進，又或者是比賽場地的升級，都能促進短跑成績的提高。比如1936年起跑器的使用，是短跑成績的第一次飛躍；1968年美國3M公司在墨西哥第19屆奧運會上首次鋪設(shè)的塑膠跑道；以及跑鞋的不斷改進，都不斷刷新著世界短跑記錄。我國短跑主要靠傳統(tǒng)的方式進行專項訓(xùn)練，如拖拽配重、人工踢拉橡皮條、固定跑等，主要依靠教練肉眼觀察改正運動員的錯誤動作，人為干擾因素過多，無法體現(xiàn)競賽時的真實情況。國外的短跑訓(xùn)練器械比較多，比如拖拽專門減速傘跑，肘膝關(guān)節(jié)固定橡皮條人工拖拽跑，踝關(guān)節(jié)可調(diào)斜坡板練習(xí)器。而我國的短跑成績一直不理想，中國的短跑技術(shù)和訓(xùn)練手段都存在一些問題，通過調(diào)查了解，深感改善訓(xùn)練的器材和手段的迫切。短跑是一項由高速率的“擺動—扒地”動作產(chǎn)生最高位移速度的周期性運動，其突出特征是創(chuàng)造最高速度。在通過對短跑運動員跑步時腿部力量大小與方向進行分析的基礎(chǔ)上，研究與開發(fā)一種專業(yè)短跑訓(xùn)練機，使運動員能夠發(fā)展最佳速度力量，使教練可以更加科學(xué)的調(diào)整運動訓(xùn)練的方式方法，更好地挖掘運動員的潛力，為提高運動成績提供科學(xué)的訓(xùn)練器材。

1 專業(yè)短跑訓(xùn)練機的總體設(shè)計

雖然現(xiàn)在有一些健身跑步機，但它與專業(yè)跑步訓(xùn)練機有很大差距，而現(xiàn)代短跑運動技術(shù)崇尚的核心是如何利用人體自身的運動技能來創(chuàng)造最大的專項運動速度，而非采用大負荷訓(xùn)練來獲取很大的絕對力量。因此迫切需要一款專業(yè)短跑訓(xùn)練機為運動員的訓(xùn)練和教練的指導(dǎo)提供科學(xué)的訓(xùn)練手段和方法。美國MORDIC TRACK公司以傳統(tǒng)的跑步機為原理，結(jié)合滑雪訓(xùn)練的要求，研制了新型滑雪訓(xùn)練器等。從國內(nèi)喬山跑步機、格林電動跑步機等的結(jié)構(gòu)和功能，和運動員拖拽配重訓(xùn)練，在此基礎(chǔ)上得了些啟發(fā)希望能夠研制一種對短跑訓(xùn)練有輔助作用的跑步機。結(jié)合訓(xùn)練短跑運動員的實際需要，確定阻尼跑步機的基本功能。如圖1所示。

圖1 專業(yè)短跑訓(xùn)練機示意圖

1.1 跑步訓(xùn)練機理

傳統(tǒng)的體育運動訓(xùn)練大多遵從“三從一大”訓(xùn)練原則，“三從”是從難、從嚴、從實戰(zhàn)出發(fā)，“一大”是堅持大運動量訓(xùn)練。現(xiàn)在要強調(diào)科學(xué)訓(xùn)練，設(shè)計這款專業(yè)短跑訓(xùn)練機的著眼點是遵循“三從一大原則”中從實戰(zhàn)出發(fā)的原則，盡可能使設(shè)計的輔助訓(xùn)練和比賽時的動作相近，在通過對短跑運動員跑步時腿部力量大小與方向進行分析的基礎(chǔ)上，利用運動員的后蹬力驅(qū)動跑步機，并且通過拉力傳感器測出運動員的后蹬力。從而調(diào)整規(guī)范運動員的跑步動作，發(fā)揮最佳速度力量，提高短跑運動員訓(xùn)練效率，為教練員更加科學(xué)的調(diào)整運動訓(xùn)練的方式方法，更好地挖掘運動員的潛力，提高運動成績提供科學(xué)的訓(xùn)練器材。運動員獲得向前的反作用力是跑動的唯一動力，不論是積極趴地技術(shù)還是以前強調(diào)的后蹬技術(shù)都是為了獲得向前的動力，至于哪種技術(shù)更合理，必須的科學(xué)的方法來計量。通過拉力傳感器的數(shù)據(jù)就可以看出哪種動作、多大步幅、多大步頻能產(chǎn)生最大的驅(qū)動力，更適合中國運動員或者某一個運動員，這樣就比憑感覺或者簡單的模仿外國運動員的技術(shù)更加科學(xué)。通過對運動員每天的數(shù)據(jù)測定，還可以反映運動員的生理周期，避免了通過采血樣化驗分析運動量測控方便衛(wèi)生安全，為運動員提高運動成績提供科學(xué)的訓(xùn)練器材。

1.2 短跑專業(yè)短跑訓(xùn)練機設(shè)計

短跑專業(yè)短跑訓(xùn)練機總體設(shè)計；本設(shè)計分為兩部分，一部分是機械部分、另一部分是跑步數(shù)據(jù)的采集、分析處理和顯示系統(tǒng)。機械部分包括傳動系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)包括兩個轉(zhuǎn)動輪、皮帶構(gòu)成和支撐板。跑步數(shù)據(jù)的采集、分析處理和顯示系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。

2 短跑專業(yè)短跑訓(xùn)練機機械部分設(shè)計

跑步機機械部分由前滾筒組件、后滾筒組件、中板組件、阻尼調(diào)節(jié)組件、張緊組件、跑步帶等六部分組成。前滾筒和后滾筒組件的軸固定安裝在跑步機基架上，跑步機運轉(zhuǎn)時，滾筒圍繞中心軸轉(zhuǎn)動，用此安裝方法可以提高滾筒運轉(zhuǎn)速度，同時也可增加支撐力。中板組件由6個小托輥、蓋板和加強筋組成，使用時主要有小托輥和加強筋共同承擔支撐力，托輥和蓋板結(jié)合使用減少跑步帶磨損。阻尼調(diào)節(jié)組件通過螺紋無級調(diào)節(jié)阻尼器距離驅(qū)動輥距離，來調(diào)節(jié)阻尼器對驅(qū)動輥的作用力大小，鍛煉者根據(jù)個人情況選擇阻力大小，達到更好的鍛煉效果。張緊組件主要用于保護跑步帶，通過調(diào)節(jié)跑步帶松緊來延長跑步帶壽命，由于使用螺紋無級調(diào)節(jié)，不受跑步帶變形大小局限。跑步帶可以選擇尼龍帶也可以選擇橡膠，根據(jù)使用情況自行選擇。如圖2所示。

3 跑步數(shù)據(jù)的采集、分析處理和顯示系統(tǒng)

3．1 系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計

根據(jù)功能要求確定微控制STC89C51RC、USB接口芯片PDIUSBD12、外部存儲器AT28C256、拉力傳感器（TJL_1S型）等，利用ProtelE畫出跑步機控制系統(tǒng)的原理圖，確定了硬件方案的可行性。以微處理器為核心，輔以相應(yīng)的外圍電路，以實現(xiàn)對信號的采集和控制；硬件設(shè)計中采用模塊化的設(shè)計思想，提高研發(fā)產(chǎn)品的通用性，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)的風(fēng)險。具體分為七大模塊：信號采集模塊、顯示模塊、鍵盤管理模塊、外部存儲模塊、USB接口模塊、時鐘模塊、報警模塊。原理框圖如圖3所示。

1）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要有拉力傳感器和AD轉(zhuǎn)換芯片組成。為測量運動員的后蹬力量，選用蚌埠d光測控儀表廠生產(chǎn)地拉力傳感器（型號：TJL_1S），測力范圍：0～200 kg，輸出標準電壓0～5 V。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片選用AD678，12位精度的AD轉(zhuǎn)換芯片，通過數(shù)據(jù)采集模塊把后蹬力量的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給微控制器。

圖2 跑步機機械部分（拆下皮帶）

2）微控制器，系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。

圖3 硬件模塊設(shè)計原理框圖

3）鍵盤管理模塊。用戶可方便的對系統(tǒng)進行控制，如復(fù)位、消音、數(shù)據(jù)清零、調(diào)整時間等。由于微控制器I/O口線有限。本系統(tǒng)選擇PCF8574對I/O口串行擴展。

4）顯示模塊。通過時鐘芯片PCF8583，為系統(tǒng)提供可靠的實時記錄時間。通過液晶屏顯示力量數(shù)據(jù)和時間。

5）USB接口模塊。實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存或直接與計算機連接。

3.2 系統(tǒng)控制電路的軟件設(shè)計

8051系列的單片機支持匯編和C語言，匯編語言是單片機開發(fā)的低級語言，具有程序執(zhí)行效率高、占用內(nèi)存容量小、實時性較好等優(yōu)點?？紤]到本系統(tǒng)對于實時性要求較高、同時程序并不太復(fù)雜，因此采用匯編語言。整個控制系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化的設(shè)計思想，首先根據(jù)產(chǎn)品功能的要求明確整個控制系統(tǒng)的工作流程，設(shè)計出主程序的流程圖，再根據(jù)各項功能設(shè)計出各個子程序，以此完成對整個系統(tǒng)的控制，控制系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4所示。

軟件部分可以分為以下幾個主要子程序：鍵盤中斷子程序、時鐘中斷子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序、U盤管理子程序、顯示子程序、報警子程序等。各子程序的功能簡介如下。

1）鍵盤中斷子程序：讀鍵盤，響應(yīng)按鍵相對應(yīng)的功能。2）時鐘中斷子程序：提供整個程序中需要的中斷定時。3）AD轉(zhuǎn)換子程序：將采集到的拉力傳感器的輸出值進行AD轉(zhuǎn)換并保存。4）U盤管理子程序：將保存在EEPROM中的數(shù)據(jù)按時間順序轉(zhuǎn)存到U盤中。5）顯示子程序：實時顯示記錄的數(shù)據(jù)。6）報警子程序：當EEPROM容量不足時報警，提醒用戶及時轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)。7）PC機上編寫LabView程序，讀取U盤數(shù)據(jù)，以圖形方式顯示，方便教練觀察運動員跑步時的發(fā)力情況以及比較準確推測運動員的生理周期。訓(xùn)練數(shù)據(jù)顯示及處理界面如圖5所示。

4 結(jié)語

本研究與設(shè)計的專業(yè)短跑訓(xùn)練機可以模擬真實的跑步環(huán)境，對運動員跑步動作的步頻、步幅、發(fā)力時機，進行整體的技術(shù)訓(xùn)練，糾正多余的錯誤動作，并在跑步機上不斷的進行反復(fù)訓(xùn)練，達到對運動員技術(shù)動作的分解與定型。對于不同運動員訓(xùn)練的特殊需要，教練根據(jù)運動員跑步過程中的發(fā)力情況，調(diào)節(jié)跑步機的阻尼大小，以便對其動作進行改進，并可對運動員長期的訓(xùn)練進行記錄，以此總結(jié)出各個運動員的生理周期，更好的調(diào)整制定訓(xùn)練計劃，提高訓(xùn)練效果。

圖4 控制系統(tǒng)主程序的流程圖

圖5 訓(xùn)練數(shù)據(jù)及處理界面

參考文獻

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