電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置的研制及應(yīng)用

王 琨，孫建功，王新建，席海龍，李小生，楊 鋼，吳鐘權(quán)

任意球是現(xiàn)代足球比賽中的重要進(jìn)攻和得分手段， 由任意球直接破門或發(fā)動(dòng)進(jìn)攻產(chǎn)生的進(jìn)球數(shù)占進(jìn)球總數(shù)的1/3 左右[1-2]，在實(shí)力相當(dāng)?shù)那闆r下，任意球是制勝的主要方式之一。然而在任意球的防守中，組建人墻是最重要和必須的防守手段， 包括人墻排列的位置、人數(shù)和位移動(dòng)作等，都已成為防守方干擾和影響主罰隊(duì)員的行動(dòng)方法。 本研究依托2007 年“電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)人墻訓(xùn)練裝置”實(shí)用新型專利技術(shù)的基礎(chǔ)[3]，實(shí)施樣機(jī)實(shí)物研發(fā)和應(yīng)用，其研究目的是提供一種全新人墻輔助訓(xùn)練裝置， 能夠模擬出與現(xiàn)代足球比賽任意球環(huán)節(jié)相匹配的條件與環(huán)境， 并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試印證模擬功能的效果。 通過教練員或教師遙控可以使“人墻”上下和側(cè)向跳動(dòng)，以提升“人墻”的動(dòng)態(tài)功能，改變目前“固定人墻”對罰任意球訓(xùn)練產(chǎn)生不完整的影響效力， 使訓(xùn)練更加符合任意球攻與防互為應(yīng)對條件的效能， 也使訓(xùn)練場景氛圍和相關(guān)配合更加貼近比賽實(shí)際狀況； 建立能夠提升罰任意球訓(xùn)練效率、 質(zhì)量和拓展戰(zhàn)術(shù)配合等創(chuàng)新輔助手段；同時(shí)形成的原創(chuàng)訓(xùn)練裝備和應(yīng)用研究成果，致力于為轉(zhuǎn)換新型產(chǎn)品和普及應(yīng)用奠定基礎(chǔ)， 力求為促進(jìn)中國足球運(yùn)動(dòng)競技水平的提高， 強(qiáng)化足球訓(xùn)練的科技支撐作用。

1 動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置研制

1.1 人墻訓(xùn)練裝置的工作原理

電磁離合器斷電， 斜跳底座在扭簧的作用下旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)斜向跳躍； 垂直起跳電機(jī)通過絲杠帶動(dòng)絲杠螺母、 鎖合狀態(tài)的快速鎖合脫離模塊及彈簧壓板向下運(yùn)動(dòng)， 對壓簧進(jìn)行壓縮， 當(dāng)碰觸到壓縮行程開關(guān)時(shí)，完成蓄能。 快速鎖合脫離模塊，在壓簧的和拉簧的共同作用下，帶動(dòng)固定在滑軌上的放大機(jī)構(gòu)、模擬充氣人安裝板及模擬充氣人， 實(shí)現(xiàn)垂直方向的穩(wěn)定跳躍[4]。

圖1 人墻運(yùn)動(dòng)原理圖Figure1 Principle of Human Wall Movement

考慮人墻跳躍的穩(wěn)定性、 跳躍高度以及抗足球擊打等方面的因素，以圖1 所示的運(yùn)動(dòng)原理為基礎(chǔ)，運(yùn)用三維軟件UG 構(gòu)建動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置的虛擬建模及仿真，其虛擬樣機(jī)效果如圖2 所示。通過仿真結(jié)果的分析， 驗(yàn)證了人墻垂直和側(cè)上跳躍工作原理的可行性。

圖2 虛擬樣機(jī)三維效果圖Figure2 Virtual Prototype 3-D Effect

1.2 控制方案設(shè)計(jì)

采用模塊化編程實(shí)現(xiàn)不同人墻跳躍組合， 通過RS485 接口和無線數(shù)傳模塊， 實(shí)現(xiàn)操控觸摸屏和下位總控系統(tǒng)PLC 之間的無線通訊，觸發(fā)的跳躍組態(tài)指令無線驅(qū)動(dòng)PLC 進(jìn)行相應(yīng)的模塊化程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)不同組合的人墻動(dòng)作遙控[5]。

1.3 人墻訓(xùn)練裝置的制作

1.3.1 零部件計(jì)算、加工、安裝與測試

依據(jù)高速攝像機(jī)， 結(jié)合比賽起跳錄像分析給出的人墻分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[6]，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊等，完成滾珠絲杠、壓縮彈簧、垂直和斜向起跳電機(jī)、鎖楔機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)及校核計(jì)算、 零件圖及裝配圖繪制。 在滿足抗足球擊打能力所需的剛度和設(shè)計(jì)要求的前提下，本著輕量化、便攜性、可靠性及安全性的原則，完成相應(yīng)零件的選材，按照圖紙的技術(shù)要求、編制的裝配工藝及檢測標(biāo)準(zhǔn)，完成相應(yīng)的零件加工、單個(gè)人墻機(jī)械本體裝配及測試。

1.3.2 充氣人的使用與安裝

以我國足球運(yùn)動(dòng)員的平均身高、身體寬度、身體厚度等統(tǒng)計(jì)參數(shù)為充氣人尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)， 以文獻(xiàn)分析和視頻分析結(jié)果獲得的足球遠(yuǎn)動(dòng)員射門速度、射門方向、爆發(fā)力量等統(tǒng)計(jì)參數(shù)[6]，為充氣人的材質(zhì)選擇、內(nèi)部支撐與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、額定充氣壓力和制作工藝及抗擊打仿形效果的依據(jù)， 模擬充氣人如圖3所示。

圖3 訓(xùn)練中單獨(dú)使用的充氣人Figure3 Inflators Used Alone in Training

仿形充氣人通過充氣將腿部下端嵌入底座，經(jīng)由掛鉤固定， 可以在足球場上實(shí)現(xiàn)靜態(tài)人墻的站立組合， 也可以分布在不同區(qū)域站位來滿足多樣化的訓(xùn)練形式需求。此外，在充氣人的肩胛部和臀部分別設(shè)置4 處掛件，與單個(gè)人墻跳躍裝置連接，通過快捷安裝與拆卸，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)目組合的人墻裝置，整體人墻的效果如圖4 所示。

圖4 充氣人墻的整體效果Figure4 The Integral Effect of the Inflators Wall

2 動(dòng)態(tài)足球人墻應(yīng)用研究

確定足球罰任意球真實(shí)人墻（True Wall，TW）與研制的電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)足球人墻 （Simulation Wall，SW）訓(xùn)練裝置的運(yùn)動(dòng)參數(shù)吻合程度，對SW 的研制應(yīng)用效果進(jìn)行測試與評價(jià)。

2.1 測試對象與方法

2.1.1 測試對象

選擇男子足球一級隊(duì)員6 名,為TW，其基本情況為：身高（183.17±4.07） cm；體重（75.00±2.28） kg。研制的SW 共6 人組合（圖4），每個(gè)SW 高度180 cm，軀干寬度50 cm，厚度18 cm。

2.1.2 測試方法

分別對足球罰任意球過程中TW 和SW 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)測量。 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[6]，選擇1

個(gè)任意球罰球區(qū)域最多的一點(diǎn)為罰球點(diǎn)， 并按照實(shí)戰(zhàn)要求對TW 和SW 排列進(jìn)行起跳實(shí)驗(yàn)測量。 由任意球主罰隊(duì)員踢罰各種弧線任意球，運(yùn)用2臺(tái)高速攝像機(jī)分別拍攝TW 和SW 的起跳過程（圖5）。

圖5 拍攝現(xiàn)場示意圖（俯視）Figure5 Camera Scene（Bird′s View）

攝像機(jī)1 采用定機(jī)平面攝影，拍攝頻率120 fps，拍攝距離15 m，機(jī)高（主光軸高）1.10 m，主光軸與TW、SW 排列平面垂直，在人墻位置拍攝比例尺，長度為1.50 m， 坐標(biāo)方向：x 與人墻平面平行，y 與地面垂直，拍攝人墻起跳和騰空的全過程。 攝像機(jī)2位于人墻正側(cè)面，采用掃描攝影，拍攝頻率120 fps，拍攝距離25 m，機(jī)高1.10 m，跟蹤掃描拍攝球從罰球點(diǎn)飛行到達(dá)人墻的全過程。 TW 和SW 測量的起跳方式有兩種，一是垂直起跳，二是側(cè)向起跳，即人墻垂直起跳同時(shí)TW 和SW 最外側(cè)1 名向外側(cè)上起跳。

從TW 17 次和SW 39 次測試中，分別選取1 名人墻2 次起跳作為研究樣本， 這樣共得到TW 和SW 的樣本量各為12 次。 依據(jù)對攝像機(jī)1、2 高速錄像結(jié)果觀察，TW 和SW 測試樣本選取標(biāo)準(zhǔn)為：罰球速度快，起跳速度快、跳得高（TW），起跳時(shí)機(jī)好，即球飛行到人墻時(shí)人墻剛好跳到最高點(diǎn)。

采用APAS 圖像解析軟件對攝像機(jī)1 捕獲TW和SW 圖像進(jìn)行解析（數(shù)字平滑采用低通濾波法，截止頻率8 Hz）獲得其相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。 攝像機(jī)2 記錄罰球隊(duì)員從腳接觸足球到人墻的時(shí)間等情況。

2.1.3 主要數(shù)據(jù)指標(biāo)

TW 和SW 跳起高度、 起跳速度， 側(cè)上起跳角度、側(cè)上跳起到最高點(diǎn)時(shí)頭頂橫向移動(dòng)最大距離，球踢出后到達(dá)人墻的時(shí)間、速度，TW 和SW 動(dòng)作反應(yīng)時(shí)等。 主要數(shù)據(jù)指標(biāo)的定義與符號表示見表1。

表1 數(shù)據(jù)指標(biāo)定義與符號表示Tabel1 Data Index Definitions and Symbolic Representations

2.1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel2007 對相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，運(yùn)用SPSS17.0 對TW 與SW 各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均值進(jìn)行差異性檢驗(yàn) （TW 與SW 組間比較采用獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)，SW 組內(nèi)比較采用配對T 檢驗(yàn)），差異顯著性水平為P＜0.05，差異非常顯著性水平為P＜0.01。 表內(nèi)數(shù)據(jù)無特殊說明均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 TW 和SW 垂直跳比較

從表2 結(jié)果看到，SW 的跳起高度顯著大于TW（P＜0.01），但SW 的起跳速度卻顯著小于TW（P＜0.01）。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理， 原地垂直跳中人體重心跳起高度大于50 cm， 其起跳速度至少應(yīng)大于3.00 m/s。 而SW 的起跳速度僅為（2.31±0.16） m/s，如果SW 按照這一速度起跳， 其騰起最大高度理論計(jì)算值不會(huì)超過28 cm。SW 的動(dòng)力主要來源于壓縮彈簧釋放的勢能，在起跳初始階段需克服摩擦阻力等因素，影響了起跳速度。 為此， 在每個(gè)SW 上增加兩條2.0 mm×18 mm×300 mm（簧絲直徑×彈簧外徑×彈簧長度）拉簧作為動(dòng)力補(bǔ)充（圖1），以減小跳起后的速度損失，即SW 騰空后VY 為勻減速， 動(dòng)力補(bǔ)充的作用在于減小VY 的下降，從而達(dá)到增加騰起高度的效果。經(jīng)解析計(jì)算SW 由動(dòng)力補(bǔ)充增加的騰起高度為（24.02±1.44） cm，使SW 的騰起高度不小于50 cm，較好地解決了這一問題，達(dá)到了設(shè)計(jì)和使用要求。

表2 TW 和SW 垂直跳數(shù)據(jù)與比較（N=12）Tabel2 TW and SW Vertical Jump Data and Comparison(N =12)

2.2.2 TW 和SW 側(cè)上跳比較

在足球比賽中，為進(jìn)一步擴(kuò)大人墻防守范圍，人墻兩端球員會(huì)根據(jù)罰球來球線路向側(cè)上跳起。 本研究中的SW 模擬這一動(dòng)作。從表3 結(jié)果看到，側(cè)上跳中TW 與SW 側(cè)上起跳角度和跳起到最高點(diǎn)時(shí)頭頂水平移動(dòng)最大距離均無顯著性差異（P＞0.05），因此SW 較好地模擬吻合了TW 的實(shí)際狀態(tài)。

表3 TW 和SW 側(cè)上跳數(shù)據(jù)與比較（N=12）Tabel3TWandSWSideJumpDataandComparison(N=12)

在實(shí)際動(dòng)作中，TW 兩側(cè)隊(duì)員可能會(huì)根據(jù)罰球隊(duì)員踢出球的速度預(yù)先判定球的線路， 為進(jìn)一步擴(kuò)大防守面積，而提前向兩側(cè)跨步移動(dòng)并向側(cè)上跳起，這樣側(cè)上跳位移會(huì)有較大增加。本研究的SW 還不能模擬這種情況，這需要對SW 進(jìn)一步改進(jìn)增加該功能。

2.2.3 TW 和SW 垂直跳反應(yīng)時(shí)比較

從表4 結(jié)果看到，TW 的蹬伸時(shí)間TR 顯著大于SW （P＜0.01）（經(jīng)實(shí)際測量SW 的TR 最大不超過150 ms，本研究取最大值），表明SW 的啟動(dòng)反應(yīng)速度快，SW 的設(shè)計(jì)運(yùn)用效果優(yōu)于TW 的反應(yīng)速度。

表4 TW 和SW 垂直跳反應(yīng)時(shí)及相關(guān)數(shù)據(jù)與比較（N=12）Tabel4 TW and SW Vertical Jump Response Time and Relative Data(N=12)

TW 的騰空時(shí)間TF 顯著小于SW（P＜0.01），這是由于SW 騰起高度顯著大于TW（表2）。而在動(dòng)作總時(shí)間上（TR+TF），TW 與SW 的差別不具有顯著性（P＞0.05）。由此看到，SW 在這一指標(biāo)上很好地模擬并吻合了所測試TW 的狀態(tài)。

從表4 結(jié)果還看到， 無論是TW 還是SW 它們的動(dòng)作總時(shí)間（TR+TF）均大于罰球隊(duì)員將球踢出后到達(dá)人墻的時(shí)間TB，并存在非常顯著性差別（P＜0.01），罰球隊(duì)員踢出球的平均球速VB 為81.63～84.15 km/h。而世界最優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員踢球的最大平均速度可達(dá)120 km/h[7]，球踢出后到達(dá)人墻的時(shí)間為0.27 s 左右，因此TW 和SW 都來不及在罰球隊(duì)員踢出球后開始起跳，在到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)封堵來球，必須根據(jù)罰球隊(duì)員的罰球狀態(tài)提前預(yù)判而產(chǎn)生動(dòng)作， 以期在跳起高度上達(dá)到封堵來球的最佳效果。 在這一點(diǎn)上SW 與TW 的結(jié)果相吻合。

另外表4 可見， 罰球隊(duì)員在面對SW 狀態(tài)下的VB 大于TW 狀態(tài)下的VB，盡管其差別不具有顯著性（P＞0.05），但是從一定意義上講，在任意球訓(xùn)練中罰球隊(duì)員在面對SW 時(shí)完全放下在面對TW 時(shí)可能會(huì)傷及隊(duì)友（人墻）的心理顧慮，即罰球隊(duì)員在采用SW 訓(xùn)練中敢于運(yùn)用各種腳法“放開”用力踢球，更加接近比賽實(shí)際。 在這一點(diǎn)上，SW 的訓(xùn)練效果要優(yōu)于TW。

2.4 SW 的穩(wěn)定性與疲勞

為檢測SW 的穩(wěn)定性，對SW 進(jìn)行96 次連續(xù)起跳測試， 分別選擇最前5 次和最后5 次垂直跳的高度進(jìn)行比較，以確定SW 的穩(wěn)定性與疲勞。最前5 次與最后5 次SW 垂直跳的高度分別為（50.03±0.59）cm、（51.15±1.54） cm；經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)T 檢驗(yàn)均值差異無顯著性（P＞0.05）。 由此看到SW 具有較好的穩(wěn)定性和抗疲勞效果。

3 結(jié)論

本研究研制的電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置， 能夠較好地模擬真實(shí)人墻罰任意球動(dòng)作效果。“人墻訓(xùn)練裝置”在跳起模式、高度等指標(biāo)與真實(shí)人墻吻合度較好，具有良好的應(yīng)用穩(wěn)定性；在訓(xùn)練應(yīng)用中能夠消除罰球隊(duì)員傷及隊(duì)友的顧慮， 為罰任意球訓(xùn)練營造符合實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練條件。 同時(shí)該裝置已獲得國家發(fā)明專利[8]，為進(jìn)一步研發(fā)與后續(xù)形成“人墻訓(xùn)練裝置”產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。