基于蹬力、蹬離時(shí)間檢測的智能起跑器的開發(fā)與應(yīng)用研究1

張明軍，張文宇，劉 敏

（1.惠州學(xué)院 體育學(xué)院，廣東 惠州 516007；2.廣東石油化工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，廣東 茂名 525000；3.惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東 惠州 516007）

我國《田徑競賽規(guī)則》規(guī)定［1］，400米及400米以下（包括4×200米、異程接力和4×400米接力的第一棒）各項(xiàng)徑賽的起跑必須使用起跑器.起跑器能夠?yàn)槎拙崾狡鹋艿倪\(yùn)動員發(fā)力提供支撐，幫助運(yùn)動員盡快從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入奔跑狀態(tài)，為跑速的逐步增加提供有利條件［2-4］.各級別田徑比賽的標(biāo)準(zhǔn)起跑器蹬足板角度均可以調(diào)節(jié)，由于目前我國國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有關(guān)于起跑器角度的相關(guān)規(guī)定，因此，市售的各品牌起跑器分別設(shè)置了4至6檔的角度調(diào)節(jié)選擇，但是均沒有標(biāo)注具體的角度數(shù)值.

體育科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)［2，3，5］：不同運(yùn)動員在不同角度起跑器上能夠獲得不同的起跑蹬力、沖量、初速度和加速度，是影響短跑成績的重要因素.因此，運(yùn)動員、教練員以及體育學(xué)者均非常重視起跑器角度的個體化研究.我國田徑協(xié)會根據(jù)相關(guān)大樣本的研究結(jié)果，推薦了起跑器安裝的方法，既是目前普遍采用“短式”、“中式”和“長式”等.安裝起跑器時(shí)，運(yùn)動員根據(jù)自己的腳長，確定前后起跑器的位置參數(shù)，并在推薦的起跑器角度范圍內(nèi)選擇合適的角度.運(yùn)動員、教練員經(jīng)過長期訓(xùn)練，通常依據(jù)多方面因素，能夠選擇一個比較適合自己的起跑器角度.在日常短跑教學(xué)、訓(xùn)練實(shí)踐中，甚至是正式比賽時(shí)，運(yùn)動員憑借自我感覺確定的起跑器角度是否為最佳選擇，能否提供最有效的起跑支持，尚沒有科學(xué)有效的評價(jià)手段與方法.

為了幫助運(yùn)動員、教練員科學(xué)選地?fù)褡罴训钠鹋芷鹘嵌?，筆者研發(fā)一種基于蹬力、蹬離時(shí)間檢測的智能起跑器［6］，包括智能起跑器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng).通過測定起跑時(shí)足底壓力、起跑器蹬離時(shí)間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，推薦個體最佳起跑蹬腳板角度.

1 原理與測試方法

1.1 工作原理

圖1 工作原理圖

1.1.1 智能起跑器足底壓力、蹬離時(shí)間測試系統(tǒng)

智能起跑器足底壓力測試系統(tǒng)由基于STC89C52的單片機(jī)、壓力傳感器和液晶顯示屏構(gòu)成.壓力傳感器安裝于在起跑器蹬足板上，檢測運(yùn)動員起跑時(shí)足底對傳感器的作用力，保存最大受力值.自動記錄運(yùn)動員起跑器蹬離時(shí)間數(shù)據(jù).起跑器蹬離時(shí)間為：蜂鳴啟動器發(fā)出起跑信號后開始計(jì)時(shí)，測試者起跑后蹬離起跑器，壓力恢復(fù)為零時(shí)終止計(jì)時(shí).足底壓力、蹬離時(shí)間數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后，LCD液晶屏顯示實(shí)時(shí)最大受力值、蹬離時(shí)間.智能起路器工作原理及外形見圖1-圖3.

圖2 智能起跑器外形

圖3 智能起跑器足底壓力、蹬離時(shí)間測試系統(tǒng)外形

當(dāng)一次測試完成后，數(shù)據(jù)清零時(shí)，單片機(jī)可通過串口接口把數(shù)據(jù)傳輸給起跑器終點(diǎn)服務(wù)器，并提供給PC端數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.由于運(yùn)動員起跑時(shí)足底作用力與起跑器蹬足板近似垂直，由此傳感器可獲取運(yùn)動員起跑時(shí)的作用力，根據(jù)反作用力原理，受力值越大，起跑蹬力越大，可以作為起跑器角度選擇的參考依據(jù).跑器蹬離時(shí)間反應(yīng)運(yùn)動員起跑效率，蹬離時(shí)間越小，足底離開起跑器的速度越快，也是跑器角度選擇的參考依據(jù).

本系統(tǒng)不僅僅攜帶、安裝方便，而且成本低廉，計(jì)時(shí)精確度高（可達(dá)千分之一秒）.計(jì)時(shí)器的核心模塊ESP8266不僅用于WiFi通信，同時(shí)作為獨(dú)立處理器控制傳感器/顯示器，優(yōu)化了外圍電路.且ESP8266的WiFi有效通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)400米，可在田徑場跑道任意地點(diǎn)進(jìn)行短跑時(shí)間的測試，能夠廣泛應(yīng)用于400米及及400米以下的短跑項(xiàng)目中.

1.1.2 智能起跑器PC端數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)基于C/C++語言編寫而成.PC連入ESP8266服務(wù)器的WiFi之后，可進(jìn)行TCP/IP通信，獲取儲存在服務(wù)器的時(shí)間值和壓力值，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理.PC端軟件與服務(wù)器通信，無需手動記錄每一次的壓力值與時(shí)間值，便可使用專用軟件直接統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、制表，并繪制統(tǒng)計(jì)圖.根據(jù)不同項(xiàng)目的使用要求，軟件可對部分參數(shù)（如跑步距離）進(jìn)行修改，方便不同運(yùn)動項(xiàng)目的擴(kuò)展應(yīng)用.

1.2 測試方法

1.2.1 測試對象

體育教育專業(yè)三年級田徑專項(xiàng)男學(xué)生20名，身高（172.2± 1.5）cm、年齡（21± 0.2）歲、體重（65.6±0.5）kg，均熟練掌握短跑起跑技術(shù).基本情況見表1.

二年級公共體育課田徑選修男學(xué)生20名，身高（169.3± 1.1）cm、年齡（20± 0.3）歲、體重（62.2±0.1）kg，無系統(tǒng)田徑學(xué)習(xí)和訓(xùn)練經(jīng)歷，經(jīng)過培訓(xùn)均熟練掌握短跑起跑技術(shù)，其本情況見表1.

表1 測試對象基本情況

1.2.2 測試方法

1.2.2.1 智能起跑器測試方法組合

確定起跑器安裝方式，再確定前起跑器蹬足板角度，隨后逐一設(shè)置后起跑器角度，完成一次測試.依次調(diào)節(jié)前起跑器蹬足板角度，重復(fù)上述方案，即可以完成一次固定起跑器安裝方法的測試.

1.2.2.2 智能起跑器測試操作流程

智能起跑器使用方法與標(biāo)準(zhǔn)起跑器使用方法基本一致.運(yùn)動員安裝好智能起起跑器，并將前后起跑器蹬足板調(diào)節(jié)到測試角度，在發(fā)令槍鳴槍以后起跑，全力完成規(guī)定的短跑距離（30米）.安裝在起跑器蹬足板上的足底壓力測試系統(tǒng)自動檢測蹬力、蹬離時(shí)間數(shù)據(jù)，通過無線通信系統(tǒng)向數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，完成足底數(shù)據(jù)的檢測、分析.運(yùn)動員依次完成各種起跑器角度的測試.

1.2.2.3 智能起跑器測試質(zhì)量控制

為了提高測試的準(zhǔn)確性，每名學(xué)生每個起跑器角度均需要測試三次，保證足夠的休息時(shí)間、熱身活動和整理活動，確保測試者能夠全力以赴完成測試，獲得盡可能準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)結(jié)果，最終納入統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為三次的均值.

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將綜合分析運(yùn)動員每一次測試角度下的足底力學(xué)、蹬離時(shí)間數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)圖表，最終推薦最佳起跑器蹬足板角度.

1.2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

數(shù)據(jù)理采用SPSS16.0統(tǒng)計(jì)軟件，以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，體育教育專業(yè)田徑專項(xiàng)學(xué)生和公共體育學(xué)生的數(shù)據(jù)之間進(jìn)行單因素方差分析，LSD檢驗(yàn).取P＜0.05、P＜0.01分別表示組間數(shù)據(jù)差異具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義和非常顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.

2 結(jié)果

2.1 后起跑器蹬力、蹬離時(shí)間變化情況

測試結(jié)果顯示：短式、中式和長式起跑時(shí)，后起跑器蹬力均隨著蹬足板角度增加而逐漸增加；蹬離時(shí)間也逐漸延長.長式起跑時(shí)，后起跑器蹬力在各角度時(shí)均高于短式和中式；蹬離時(shí)間在各角度時(shí)均長于短式和中式（表2）.

隨機(jī)選擇的一個測試對象的數(shù)據(jù)顯示，長式后起跑器的蹬力在70度時(shí)達(dá)到最大值238.10N，蹬離時(shí)間為167.30ms；短式和中式后起跑器的蹬力隨著蹬足板角度增加也逐漸增加，在70度時(shí)達(dá)到最大值176.77N和211.80N，蹬離時(shí)間分別為147.70ms和148.88ms（表2）.

表2 體育專業(yè)XXX同學(xué)長式后起跑器蹬力、蹬離時(shí)間變化情況

2.2 前起跑器蹬力、蹬離時(shí)間變化情況

測試結(jié)果顯示：短式、中式和長式起跑時(shí)，前起跑器蹬力均隨著蹬足板角度增加而逐漸增加；蹬離時(shí)間也逐漸延長.長式起跑時(shí)，前起跑器蹬力在各角度時(shí)均大于短式和中式；蹬離時(shí)間在各角度時(shí)均長于短式和中式（表3）.

同一個測試對象的數(shù)據(jù)顯示，長式前起跑器的蹬力在70度時(shí)達(dá)到最大值210.11N，蹬離時(shí)間為187.01ms；短式和中式前起跑器的蹬力隨著蹬足板角度增加也逐漸增加，在70度時(shí)達(dá)到最大值158.09N和194.44N，蹬離時(shí)間分別為151.09ms和155.80ms（表3）.

表3 體育專業(yè)XXX同學(xué)前起跑器蹬力、蹬離時(shí)間變化情況

2.2 不同專業(yè)學(xué)生起跑器蹬力、蹬離時(shí)間比較

體育專業(yè)和公共體育學(xué)生在蹬力和蹬離時(shí)間之間存在一些差異，長式后起跑器測試結(jié)果顯示，體育專業(yè)學(xué)生各個角度蹬力數(shù)值的均數(shù)均顯著大于公共體育學(xué)生，差距均具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）；起跑器在60度時(shí)體育專業(yè)學(xué)生蹬離時(shí)間顯著小于公共體育學(xué)生，差距具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）（表4）.

表4 不同專業(yè)學(xué)生長式后起跑器蹬力、蹬離時(shí)間比較（n=20）

3 討論

基于蹬力、蹬離時(shí)間檢測的智能起跑器開發(fā)目的是用于測定起跑時(shí)足底壓力、起跑器蹬離時(shí)間數(shù)據(jù)，推薦個體最佳起跑蹬腳板角度.通過實(shí)驗(yàn)測試了智能起跑器的性能，雖然實(shí)驗(yàn)樣本量和實(shí)驗(yàn)方案不夠嚴(yán)謹(jǐn)，不足以全面檢驗(yàn)產(chǎn)品，但是仍然比較準(zhǔn)確地記錄了運(yùn)動員在不同起跑器角度下的足底蹬力和蹬離時(shí)間，并能夠依據(jù)短跑起跑專業(yè)知識判定最佳的起跑角度.

起跑器的主要功能是幫助運(yùn)動員迅速擺脫靜止?fàn)顟B(tài)，獲得最大啟動速度.排除技術(shù)因素的影響，起跑時(shí)蹬力的大小直接與啟動速度相關(guān)，同時(shí)盡可能縮短蹬離時(shí)間，盡快擺脫靜止?fàn)顟B(tài)［7，8］.本研究通過對體育專業(yè)學(xué)生的測試發(fā)現(xiàn)，長式后起跑器數(shù)據(jù)顯示，70度時(shí)蹬力達(dá)到最大值238.10N，蹬離時(shí)間為167.30ms；60度時(shí)蹬力為次最大值235.56N，蹬離時(shí)間為142.01ms（見表2）.綜合考慮蹬力和蹬離時(shí)間的共同影響［2，8，9］，為了避免產(chǎn)生最大蹬力而導(dǎo)致蹬離時(shí)間過長的情況，選擇產(chǎn)生次最大蹬力的60度，且蹬離時(shí)間明顯少于最大值，該起跑器角度可能為該測試對象的最佳選擇.綜合考慮長式前起跑器蹬力和蹬離時(shí)間的共同影響，選擇產(chǎn)生次最大蹬力的50度，且蹬離時(shí)間明顯少于最大值，該起跑器角度可能為該測試對象的最佳選擇（見表3）.

通過對體育專業(yè)學(xué)生和公共體育學(xué)生的測試，發(fā)現(xiàn)了兩組之間在蹬力和蹬離時(shí)間上的顯著差異.蹬力和蹬離時(shí)間直接反映出短跑運(yùn)動能力的優(yōu)劣，體育專業(yè)的短跑專項(xiàng)學(xué)生經(jīng)過長期系統(tǒng)的短跑專項(xiàng)訓(xùn)練，下肢爆發(fā)力顯著增加，反應(yīng)時(shí)間明顯縮短.因此測試數(shù)據(jù)均顯著好于未經(jīng)過訓(xùn)練的公共體育學(xué)生（見表4）.

作為一種設(shè)計(jì)科學(xué)，性能可靠，使用簡便的智能起跑器，可以廣泛應(yīng)用于學(xué)校體育和競技體的短跑教學(xué)、訓(xùn)練.還可以作為評估短跑教學(xué)、訓(xùn)練成效的輔助工具，通過測試運(yùn)動員不同訓(xùn)練階段的足底蹬力、蹬離時(shí)間等數(shù)據(jù)，分析、評估教學(xué)、訓(xùn)練成效，發(fā)現(xiàn)問題，完善訓(xùn)練方案，為教師、教練員和運(yùn)動員提供一種科學(xué)、可靠和便利的短跑教學(xué)、訓(xùn)練器材.