一種水球陸地射門(mén)訓(xùn)練裝置開(kāi)發(fā)與研制

何長(zhǎng)波,高 俊

( 哈爾濱師范大學(xué) 體育科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025 )

自競(jìng)技運(yùn)動(dòng)現(xiàn)代化以來(lái)，科技就成為競(jìng)技運(yùn)動(dòng)向“更高、更快、更強(qiáng)”挑戰(zhàn)的有力保障。從數(shù)字化的高速攝影機(jī)到數(shù)字全息CT，再到生物力學(xué)分析系統(tǒng)，科技以人腦對(duì)體育行為和活動(dòng)信息的加工以及肢體對(duì)體育行為和活動(dòng)技術(shù)的練習(xí)，構(gòu)建體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)到功能的時(shí)空結(jié)構(gòu)變革[1]。這種體育與現(xiàn)代科技融合發(fā)展的新模式為競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中科學(xué)化的訓(xùn)練提供了契機(jī)，也為水球競(jìng)技運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練手段的科學(xué)化發(fā)展指明了方向。

水球運(yùn)動(dòng)，作為一項(xiàng)集游泳、摔跤、柔道于一體的，在比賽中得分制勝的同場(chǎng)對(duì)抗性競(jìng)技運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，其運(yùn)動(dòng)員需要在激烈的對(duì)抗下完成射門(mén)得分[2]。但在高強(qiáng)度的比賽中，運(yùn)動(dòng)員射門(mén)的準(zhǔn)確性與成功率往往較低。因此，加強(qiáng)水球運(yùn)動(dòng)員的射門(mén)訓(xùn)練就成為比賽得分制勝的關(guān)鍵問(wèn)題。但目前，水球射門(mén)訓(xùn)練所采用的訓(xùn)練手段，大都是運(yùn)動(dòng)員在水中進(jìn)行的多球射門(mén)練習(xí)。這種訓(xùn)練，一方面受水中環(huán)境的影響運(yùn)動(dòng)員無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度、大批次的多球練習(xí)；另一方面，受場(chǎng)地器材的限制，1次只能訓(xùn)練2～3人，訓(xùn)練費(fèi)事費(fèi)力，制約了競(jìng)技水平的提升。因此，急需研制一種輔助性的訓(xùn)練器械，幫助運(yùn)動(dòng)員提升射門(mén)技術(shù)水平?；诖耍疚难兄屏艘环N水球陸地射門(mén)訓(xùn)練裝置，為推進(jìn)我國(guó)水球運(yùn)動(dòng)發(fā)展、完善訓(xùn)練、提高運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)能力與競(jìng)技水平提供參考。

1 水球陸地射門(mén)訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)思路

水球陸地射門(mén)訓(xùn)練裝置，是對(duì)水球運(yùn)動(dòng)員反應(yīng)能力、射門(mén)專項(xiàng)技術(shù)等進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練的輔助性訓(xùn)練設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)外水球岸上訓(xùn)練器材不但較少，而且沒(méi)有專門(mén)性的射門(mén)訓(xùn)練器械，教練員只能用傳統(tǒng)的人工訓(xùn)練方法提高運(yùn)動(dòng)員的反應(yīng)能力和隨機(jī)應(yīng)變特征[3]。這種基于主觀判斷的訓(xùn)練手段，極大地制約了運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平的提升。因此，設(shè)計(jì)一種以實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格低、小型化、操作簡(jiǎn)便為特點(diǎn)水球射門(mén)訓(xùn)練裝置，就成為當(dāng)前滿足教練員和運(yùn)動(dòng)員所需、推動(dòng)訓(xùn)練科學(xué)化發(fā)展的關(guān)鍵。

新型水球陸地射門(mén)訓(xùn)練裝置，要解決水球運(yùn)動(dòng)岸上訓(xùn)練無(wú)法進(jìn)行射門(mén)練習(xí)以及專項(xiàng)訓(xùn)練中光反應(yīng)問(wèn)題。因此，其設(shè)計(jì)思路就要突出科技化、自動(dòng)化、光電結(jié)合、全程監(jiān)控以及符合水球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練發(fā)展方向的特點(diǎn)。第一，處理器選擇單片機(jī)中應(yīng)用廣泛、具有高效處理能力的芯片，如AVR系列單片機(jī)、PIC系列單片機(jī)或430系列單片機(jī)。其由高性能RISC結(jié)構(gòu)的CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口、復(fù)位電路等組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有實(shí)用、低價(jià)、省電、高速和體積小等特點(diǎn)[4-5]，既能實(shí)現(xiàn)儀器高效的操控性又能保證數(shù)據(jù)的高速處理與傳輸。第二，構(gòu)建一種以LED為光源的光電系統(tǒng)。其具有精確控制光型及發(fā)光角度、光色柔和、無(wú)眩光、體積小、重量輕，及單管驅(qū)動(dòng)電壓1.5～3.5 V、省電、壽命長(zhǎng)、不易損壞的特點(diǎn)，能保證光電信號(hào)的準(zhǔn)確性與可靠性[6-8]。第三，設(shè)計(jì)一種訓(xùn)練車和訓(xùn)練門(mén)。由裝載槽、導(dǎo)軌、擬水材質(zhì)、滑輪、萬(wàn)向節(jié)構(gòu)成的訓(xùn)練器械主體，能模擬水面、守門(mén)員，幫助運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行射門(mén)練習(xí)。第四，以EDA平臺(tái)設(shè)計(jì)的數(shù)字集成電路，實(shí)現(xiàn)儀器數(shù)字集成電路系統(tǒng)的最優(yōu)化與快速成型[9]。

2 水球陸地射門(mén)訓(xùn)練裝置的技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)水球運(yùn)動(dòng)岸上訓(xùn)練、模擬水球運(yùn)動(dòng)的射門(mén)練習(xí)，研制的水球陸地射門(mén)練習(xí)裝置，主要由兩大部分構(gòu)成，包括由運(yùn)動(dòng)員可控移動(dòng)的訓(xùn)練車和專項(xiàng)射門(mén)技能練習(xí)的訓(xùn)練門(mén)。其中訓(xùn)練車主要模擬運(yùn)動(dòng)員在水中的體感，提供射門(mén)所需的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；而訓(xùn)練門(mén)主要模擬水中的水球門(mén)，為運(yùn)動(dòng)員提供射門(mén)的運(yùn)動(dòng)情景和訓(xùn)練功能。整套器械的創(chuàng)新點(diǎn)在于，模擬運(yùn)動(dòng)員在水中的訓(xùn)練環(huán)境，易于進(jìn)行的岸上多樣化、高強(qiáng)度訓(xùn)練和準(zhǔn)確的客觀記錄評(píng)價(jià)，為運(yùn)動(dòng)員射門(mén)專項(xiàng)技能的提升提供科學(xué)的訓(xùn)練方式和手段。因此，技術(shù)方案提出訓(xùn)練車由車體和彈簧座構(gòu)成，車為電驅(qū)動(dòng)具有可萬(wàn)向行走的特征；而彈簧座主要為運(yùn)動(dòng)員提供模擬水中晃動(dòng)的射門(mén)感覺(jué)。訓(xùn)練門(mén)由球門(mén)、帶有發(fā)光點(diǎn)的球門(mén)擋板、移動(dòng)式守門(mén)員等具體零部件構(gòu)成；球門(mén)采用帶有凹槽的金屬材質(zhì)的框體；球門(mén)擋板由PVC、橡膠等多種材質(zhì)構(gòu)成并附有LED發(fā)光點(diǎn)；仿真前守門(mén)員站立的薄板為PVC或合成樹(shù)脂材質(zhì)[10-11]制成的人形薄板且立于球門(mén)前的導(dǎo)軌上，通過(guò)電動(dòng)開(kāi)關(guān)控制左右移動(dòng)，模擬守門(mén)員的防守位置。此外，在電控裝置的微型電路控制下實(shí)現(xiàn)器械中發(fā)光體和導(dǎo)向元件的總體驅(qū)動(dòng)器。

3 水球陸地射門(mén)訓(xùn)練裝置的研制

3.1 訓(xùn)練車的研制

訓(xùn)練車結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。車體包括車體機(jī)架、懸臂架、電動(dòng)萬(wàn)向車輪、電控裝置和蓄電池、操縱桿和從動(dòng)萬(wàn)向輪[12]。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)借鑒了雙驅(qū)萬(wàn)向行走電動(dòng)車的原理，其電動(dòng)萬(wàn)向車輪和從動(dòng)萬(wàn)向車輪分別安置于車體懸臂架的端部和前臂梁端部；電控裝置和蓄電池安置于車體內(nèi)部，其操縱桿與蓄電池和電控裝置連接，用于控制車體的移動(dòng)。彈簧座包括車座、定位桿車座支撐架和彈簧，車座支撐架有支撐腳和彈簧槽[12]。支撐腳的底部與車體連接、頂部置于彈簧槽底、彈簧安置于彈簧槽內(nèi)，定位桿在彈簧中心空腔內(nèi)并固定在車座底部。由于要模擬運(yùn)動(dòng)員在水中的射門(mén)動(dòng)作，要求彈簧座能做彈跳式的運(yùn)動(dòng)。這就要求彈簧座既要能承受運(yùn)動(dòng)員身體高強(qiáng)度的重力沖擊，同時(shí)還能保證器械支撐體的穩(wěn)固。因此，支撐腳選擇了以等腰梯形為特征的圓臺(tái)，意在于分解運(yùn)動(dòng)員施加在支撐腳上的下壓力和身體重力，增強(qiáng)其器械的可靠性和穩(wěn)定性。此外，嵌入式復(fù)合彈簧座的設(shè)計(jì)還有利于模擬水的浮力效應(yīng)，讓運(yùn)動(dòng)員的射門(mén)過(guò)程更接近于真實(shí)體感。

圖1 訓(xùn)練車結(jié)構(gòu)

3.2 訓(xùn)練門(mén)的研制

訓(xùn)練門(mén)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。包括球門(mén)、模擬水面、模擬守門(mén)員導(dǎo)軌、導(dǎo)向元件、電控裝置、LED發(fā)光點(diǎn)和微動(dòng)開(kāi)關(guān)KEYO[12]。球門(mén)的大小與真實(shí)水球球門(mén)一致，門(mén)框和球網(wǎng)布置LED發(fā)光點(diǎn)，用于標(biāo)記射門(mén)點(diǎn)和讓運(yùn)動(dòng)員形成射門(mén)的時(shí)空感覺(jué)，意在通過(guò)訓(xùn)練提升運(yùn)動(dòng)員射門(mén)的準(zhǔn)確性。模擬水面的裝載槽中裝有硅膠一類的材質(zhì)，目的在于一方面模擬水面起伏不定和水表面張力的感覺(jué)，另一方面模擬水球射門(mén)過(guò)程中球體與水面摩擦減速及水面對(duì)水球的反彈效果特征，以近似于水面摩擦過(guò)程的硅膠材料提升訓(xùn)練器械應(yīng)用中的真實(shí)感。模擬守門(mén)員與真人大小一致，采用強(qiáng)度較高的PVC材質(zhì)制造并固定于球門(mén)前的導(dǎo)軌之上。導(dǎo)軌的電動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)向元件與電控裝置連接，各電子元器件之間以一種半微控技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)[13-14]。這種半微控化的設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，又提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)還可以通過(guò)單片機(jī)I/O接口控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)正傳和反轉(zhuǎn)；并利用單片機(jī)調(diào)節(jié)脈沖寬度改變輸出頻率，實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的[15-16]，使得仿真守門(mén)員在微動(dòng)開(kāi)關(guān)的控制下實(shí)現(xiàn)的左右的快速移動(dòng)。而且基于不同電動(dòng)功率下的守門(mén)員移動(dòng)速度，還能有效提升器械的防守強(qiáng)度、增大運(yùn)動(dòng)員的射門(mén)難度。這種多樣化的訓(xùn)練手段和訓(xùn)練模式不但能適應(yīng)不同等級(jí)運(yùn)動(dòng)員射門(mén)訓(xùn)練的需求，還能切實(shí)挖掘運(yùn)動(dòng)員的最大訓(xùn)練強(qiáng)度，讓射門(mén)訓(xùn)練裝置真正成為水球運(yùn)動(dòng)科學(xué)化訓(xùn)練的“利器”。

圖2 訓(xùn)練門(mén)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.3 光電系統(tǒng)的研制

射門(mén)裝置的光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。光電系統(tǒng)置于球門(mén)擋板內(nèi)，由透光層、彈性層發(fā)光體固定層和底層組成[12]，其中透光層和底層的邊緣固定連接在一起構(gòu)成中空的袋狀，而發(fā)光體固定層和彈性層等則置于內(nèi)部。透光層采用的是具有預(yù)設(shè)透光孔的質(zhì)地厚實(shí)的高韌性尼龍纖維材質(zhì)，一方面保證光信號(hào)的透出，又避免對(duì)彈性層彈性性能的影響；另一方面保證球網(wǎng)在訓(xùn)練中的抗擊打性能，避免內(nèi)部的LED燈和KEY微動(dòng)開(kāi)關(guān)損壞。彈性層主要是以高彈性的橡膠材質(zhì)為基礎(chǔ)，并通過(guò)嵌入微動(dòng)開(kāi)關(guān)KEY和LED發(fā)光點(diǎn)于凹槽或通孔之中(與透光孔相對(duì)應(yīng))共同構(gòu)成用于采集水球擊打后的彈性形變信息信號(hào)系統(tǒng)，以此用于判斷、分析運(yùn)動(dòng)員射門(mén)擊打的準(zhǔn)確性。此外，為進(jìn)一步保護(hù)LED發(fā)光點(diǎn)避免在水球射門(mén)訓(xùn)練的過(guò)程中受球的直接擊打而損壞，還專門(mén)設(shè)計(jì)了保護(hù)罩。將每個(gè)LED發(fā)光點(diǎn)放置在專門(mén)研發(fā)的保護(hù)罩中，由其承受水球擊打的沖擊力，避免LED發(fā)光點(diǎn)受力損毀。發(fā)光體固定層采用具有一定柔性PVC材質(zhì)的擱架結(jié)構(gòu)，既以柔性材料保證球門(mén)擋板整體的形變特征，又以擱架結(jié)構(gòu)保證LED發(fā)光點(diǎn)能準(zhǔn)確地固定之上，形成光電信息采集的矩陣結(jié)構(gòu)。最后，采用基于聚氨酯改良的橡膠底層[17]，以一次成型的制模技術(shù)壓制成球門(mén)擋板的外形，在降低研制成本的同時(shí)保證球門(mén)擋板的耐用性。

圖3 光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

該新型水球射門(mén)訓(xùn)練裝置，解決了岸上訓(xùn)練無(wú)法進(jìn)行射門(mén)練習(xí)以及專項(xiàng)訓(xùn)練中的光反應(yīng)問(wèn)題。目前經(jīng)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局審批，該儀器已經(jīng)獲得國(guó)家專利(專利號(hào): ZL201120573715.8)。該訓(xùn)練裝置能夠模擬運(yùn)動(dòng)員在水中的射門(mén)訓(xùn)練，并通過(guò)改變模擬守門(mén)員守門(mén)的位置增強(qiáng)對(duì)抗性。同時(shí)還可通過(guò)光電系統(tǒng)指出目標(biāo)點(diǎn)，變換射門(mén)訓(xùn)練的時(shí)空特征以滿足模擬水中訓(xùn)練所需的判斷條件，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員在岸上完成整個(gè)射門(mén)訓(xùn)練，有效地彌補(bǔ)了水球訓(xùn)練手段不足及輔助器械較少的問(wèn)題，能夠滿足水球教練員和運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練所需。此外，該訓(xùn)練器械價(jià)格較低、使用方便、堅(jiān)固可靠，具有廣泛推廣的價(jià)值與意義。

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