冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡裝置的發(fā)明與設(shè)計(jì)

李文婷關(guān)富余周妍

（1.哈爾濱體育學(xué)院研究生院 黑龍江 哈爾濱 150008；2.哈爾濱體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150008；3.哈爾濱體育學(xué)院冬季奧林匹克學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150008）

1、前言

中國(guó)冰壺在短短幾十年的發(fā)展就取得了今天的斐然成績(jī)，但與之相對(duì)分應(yīng)的科學(xué)研究卻相對(duì)落后。本研究對(duì)冰壺的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，分別就冰壺任意滑行軌跡、刷冰軌跡兩個(gè)方面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程使其可以較真實(shí)的模擬出冰壺的運(yùn)動(dòng)軌跡，并以直觀圖像展示出不同初速度、角速度、刷冰等情況下對(duì)冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，能找出投壺質(zhì)量的關(guān)鍵因素，從而指導(dǎo)冰壺運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。因此，為了更好地輔助投壺運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行訓(xùn)練，準(zhǔn)確地把握投壺方向，減少投壺方向的偏離，精準(zhǔn)地將冰壺按照既定的方向投出，對(duì)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并科學(xué)合理的提出訓(xùn)練輔助策略，為冰壺能夠精準(zhǔn)落位起著重要作用。如果運(yùn)用智能化的器材與數(shù)據(jù)來(lái)分析完善冰壺投壺的運(yùn)動(dòng)軌跡，以輔助性訓(xùn)練幫助運(yùn)動(dòng)員們改進(jìn)技術(shù)，以減小一點(diǎn)差距。對(duì)穩(wěn)定控制壺的運(yùn)行軌跡發(fā)明出優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡裝置，更好的控制與改變冰壺的運(yùn)動(dòng)軌跡，以提高投壺成功率達(dá)到戰(zhàn)術(shù)目的，從而指導(dǎo)冰壺運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，幫助運(yùn)動(dòng)員提高訓(xùn)練水平，減少比賽中的失誤，在保障運(yùn)動(dòng)員取得優(yōu)異成績(jī)上具有重要意義。實(shí)現(xiàn)冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡的場(chǎng)景理解和視覺(jué)測(cè)量，構(gòu)建了基于智能視覺(jué)的冰壺識(shí)別與測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)完全基于真實(shí)場(chǎng)景而非模擬環(huán)境，涵蓋了冰壺運(yùn)動(dòng)中的多種姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)情況（例如：推出、滑行、自由碰撞、運(yùn)動(dòng)員擦冰等），從精準(zhǔn)的賽道、冰壺、運(yùn)動(dòng)員識(shí)別到還原運(yùn)動(dòng)軌跡以及人體姿態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)理解與分析冰壺運(yùn)動(dòng)過(guò)程的任務(wù)。系統(tǒng)搭設(shè)了改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)算法，達(dá)到了實(shí)時(shí)反饋的目的，同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示測(cè)量誤差較小，能夠?yàn)檩o助訓(xùn)練提供及時(shí)有效且真實(shí)的反饋信息。

2、研究方法

2.1、文獻(xiàn)資料法

本文通過(guò)實(shí)地測(cè)量收集并整理比賽規(guī)則、冰壺的尺寸、冰壺場(chǎng)地、場(chǎng)地冰面等資料，并查閱冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡、仿真軌跡等方面信息，利用中國(guó)知網(wǎng)、哈爾濱體育學(xué)院圖書(shū)館等資源進(jìn)行文獻(xiàn)收集與整理，了解當(dāng)前冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡裝置的最新研究方向與進(jìn)展，對(duì)收集到的信息進(jìn)行整合，為本文研究奠定理論基礎(chǔ)。

2.2、專(zhuān)家訪談法

通過(guò)實(shí)地拜訪、電話交流、論壇討論等方式，討論冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡裝置的具體實(shí)施方案以及方案的可操作性，根據(jù)實(shí)際條件和開(kāi)展情況，對(duì)冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡裝置設(shè)計(jì)的合理性與專(zhuān)家進(jìn)行探討與分析，對(duì)于實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，儀器探測(cè)的誤差，聽(tīng)取專(zhuān)家的可行性建議和意見(jiàn)。

2.3、錄像觀察法

通過(guò)視頻觀察法發(fā)現(xiàn)冰壺的速度運(yùn)行軌跡可以分為三個(gè)階段，第一階段是自由滑行，該階段的特點(diǎn)是冰壺滑行速度較快，但旋轉(zhuǎn)較慢，運(yùn)行軌跡近乎于直線；第二階段是刷冰，該階段冰壺在刷過(guò)的冰面滑行，滑行速度較沒(méi)有刷過(guò)的冰面速度快，而且旋轉(zhuǎn)更加緩慢，運(yùn)行軌跡更加筆直，但通過(guò)刷冰可以修改冰壺的滑行方向；第三階段是自由滑行，沖向營(yíng)壘，這階段冰壺的速度明顯降低，但旋轉(zhuǎn)速度提升，這階段的運(yùn)行軌跡出現(xiàn)明顯的偏轉(zhuǎn)。再次用理論分析法，分析冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡的受力。

2.4、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

通過(guò)生物力學(xué)的基本理論、角速度、方程等方法對(duì)冰壺出手后的滑行軌跡、方向、角速度、摩擦力等進(jìn)行計(jì)算，對(duì)冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡的路徑變化的影響因素進(jìn)行研究計(jì)算，運(yùn)動(dòng)軌跡的探測(cè)與計(jì)算都需要文獻(xiàn)的參考，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與歸納。

3、研究結(jié)果與分析

3.1、研究的結(jié)果與分析

冰壺在整個(gè)的滑行過(guò)程中，受慣性的作用，重心前傾，冰壺底面接觸圓環(huán)前半部分（下面簡(jiǎn)稱前環(huán)，后半部分簡(jiǎn)稱后環(huán)）會(huì)將冰粒融化并清除一些碎冰屑，這樣前環(huán)和后環(huán)后所接觸的冰面是不同的，當(dāng)然所產(chǎn)生的摩擦力也不同。過(guò)程可分為三個(gè)階段：第一階段前環(huán)和粗糙的冰面相接觸，后環(huán)和較光滑的冰面相接觸；第二階段整個(gè)冰壺底面都和光滑的冰面相接觸；第三階段冰壺的速度較慢，這造成表層冰面的瞬時(shí)融化，形成了一層非常薄的液體薄膜，這層薄膜在冰壺和冰面之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)粘滯力。而且液體會(huì)在旋轉(zhuǎn)的作用下帶到前環(huán)，故此合力偏移，所以偏移軌跡明顯而且旋轉(zhuǎn)加劇。最后分別從平面移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)角度構(gòu)建冰壺的運(yùn)動(dòng)軌跡方程。多相機(jī)同步數(shù)據(jù)采集模塊、力學(xué)與環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、主控機(jī)軟件模塊。冰壺在冰面上滑行可以視為剛體的平面運(yùn)動(dòng)，可以將其分解為質(zhì)心的平動(dòng)和繞過(guò)質(zhì)心軸的定軸旋轉(zhuǎn)。以前衛(wèi)線的中心為O,前衛(wèi)線中線為x軸，垂直于x軸的是y軸，垂直于冰面的軸為z軸建立坐標(biāo)系。

（1）旋轉(zhuǎn)。

（2）平動(dòng)。

圖1

3.2、討論與分析

對(duì)于冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡裝置進(jìn)行研發(fā)分為以下三個(gè)部分：

（1）運(yùn)動(dòng)員使用冰刷的發(fā)力特點(diǎn)不同；刷冰的運(yùn)動(dòng)軌跡則呈現(xiàn)出前后折返的N字型軌跡，這刷冰方法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅可以節(jié)省運(yùn)動(dòng)員在刷冰時(shí)所消耗的能量，而且可以對(duì)目標(biāo)范圍的冰面進(jìn)行大強(qiáng)度的快速刷冰，引導(dǎo)冰壺更好的運(yùn)行針對(duì)運(yùn)動(dòng)員投壺時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，我們除去地面的摩擦、運(yùn)動(dòng)員技術(shù)水平等因素，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)紅外線感應(yīng)、3D模擬、云計(jì)算等裝置來(lái)矯正輔助運(yùn)動(dòng)員的出手習(xí)慣和力量，以幫助運(yùn)動(dòng)員在圖像呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)分析等助力下，找到最合適的投壺運(yùn)動(dòng)軌跡；

（2）冰壺出去之后運(yùn)動(dòng)軌跡的變化預(yù)測(cè)；冰壺投出后有一段滑行距離，如果在投壺時(shí)能夠預(yù)判壺的準(zhǔn)確落點(diǎn)，那么在投壺過(guò)程中，會(huì)減少很多的失誤，就能穩(wěn)定控制出壺方向，在這一部分，是采用精準(zhǔn)測(cè)距、感應(yīng)測(cè)距、C++的軌跡仿真訓(xùn)練等裝置來(lái)把握冰壺軌跡，減少偏離；

（3）碰撞后軌跡的變化預(yù)測(cè)；科學(xué)判斷碰撞之后冰壺的下一個(gè)落點(diǎn)，同時(shí)在訓(xùn)練過(guò)程中，運(yùn)用力學(xué)基礎(chǔ)及運(yùn)動(dòng)方程等方法，反復(fù)與運(yùn)動(dòng)員磨合，減小碰撞后的運(yùn)動(dòng)軌跡失誤的判斷。運(yùn)用Visual C++與Matlab相結(jié)合的方式，開(kāi)發(fā)無(wú)碰撞冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)分為三個(gè)模塊分別是基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置（水平初速度和初始角速度）、刷冰參數(shù)設(shè)置（刷冰起始時(shí)間和刷冰停止時(shí)間）和動(dòng)畫(huà)演示（自由滑行和刷冰后的運(yùn)行軌跡）。使用刷冰模塊時(shí)需輸入刷冰的起止時(shí)間，時(shí)間應(yīng)設(shè)置在合理的范圍內(nèi)，再點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)演示”按鈕，便可以繪制出刷冰后的冰壺運(yùn)行軌跡。系統(tǒng)默認(rèn)的刷冰起始時(shí)間為10s，終止時(shí)間為20s。

①要保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和真實(shí)性

由冰壺的規(guī)則可知，該運(yùn)動(dòng)是技巧主導(dǎo)兼策略性的體育項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)能力很大程度上決定了比賽的成敗。在數(shù)據(jù)的輔助模擬練習(xí)有保障的情況下，那么能給結(jié)果帶來(lái)不錯(cuò)的正面效應(yīng)。反之，數(shù)據(jù)的偏差會(huì)導(dǎo)致整個(gè)訓(xùn)練計(jì)劃的前功盡棄，而且建模相對(duì)復(fù)雜，耗時(shí)耗力，數(shù)據(jù)輸出量大而精密，對(duì)于數(shù)據(jù)的改變和精準(zhǔn)度需要嚴(yán)格要求，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外一定要對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行云備份，并及時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)。

②根據(jù)運(yùn)動(dòng)員自身情況來(lái)調(diào)節(jié)反饋結(jié)果

由于冰壺在運(yùn)動(dòng)中軌跡的改變?cè)跇O大程度上具有不確定性，運(yùn)動(dòng)員不管是在訓(xùn)練中還是在比賽時(shí)，都有可能出現(xiàn)失誤，冰壺出手后的軌跡無(wú)法預(yù)判。因此，就需要教練員在日常訓(xùn)練中結(jié)合運(yùn)動(dòng)員自身的運(yùn)動(dòng)風(fēng)格、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地的變化，技戰(zhàn)術(shù)的采用做針對(duì)性的訓(xùn)練。根據(jù)數(shù)據(jù)和圖像的反饋，運(yùn)動(dòng)員結(jié)合自身的實(shí)際情況在最少的干擾下來(lái)做擬合訓(xùn)練。

③加強(qiáng)實(shí)操磨合

由于系統(tǒng)和計(jì)算僅輸出結(jié)果，且僅停留在理論，對(duì)于很多細(xì)枝末節(jié)沒(méi)有辦法調(diào)節(jié)，對(duì)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)和控制能力有很高的要求，在整合數(shù)據(jù)之后，運(yùn)動(dòng)員要反復(fù)磨合，以達(dá)到理想狀態(tài)。

4、結(jié)論

冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡裝置的研發(fā)能在一定程度上幫助運(yùn)動(dòng)員對(duì)投壺速度、出手后的運(yùn)動(dòng)軌跡及碰撞后冰壺的落點(diǎn)做一個(gè)預(yù)判作，在日常訓(xùn)練中減少誤差和失利，有利于運(yùn)動(dòng)員得到客觀且及時(shí)有效的反饋信息，能幫助運(yùn)動(dòng)員改善自己的動(dòng)作，從而提高成績(jī)。冰壺速度感應(yīng)裝置的研發(fā)能在一定程度上幫助運(yùn)動(dòng)員對(duì)投壺方向、出手后的方向及碰撞后方向的落點(diǎn)做出一個(gè)更加精準(zhǔn)的預(yù)判。根據(jù)研究表明，冰壺速度的感應(yīng)裝置能達(dá)到輔助的要求。首先能完善投壺的的位置和冰面不同，摩擦力也不同，利用感應(yīng)測(cè)距得到數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像結(jié)合數(shù)據(jù)來(lái)輔助運(yùn)動(dòng)員完成投壺；其次冰壺出手后的位置變化能夠進(jìn)行模擬仿真路線，對(duì)于方向的把控有很好的完善，設(shè)計(jì)三個(gè)機(jī)位的追蹤系統(tǒng)來(lái)輔助定位，四周測(cè)距，減少偏離；最后碰撞預(yù)測(cè)落點(diǎn)，同步安裝相機(jī)，通過(guò)力學(xué)方程、冰壺碰撞后的方位感應(yīng)圖像呈現(xiàn)，算出角速度及運(yùn)動(dòng)速度、摩擦力，精確判斷冰壺的移動(dòng)方向和落點(diǎn)，未來(lái)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)中影響冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡，滑行速度的因素，整改冰壺的技戰(zhàn)術(shù)，調(diào)整運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練方案，讓冰壺運(yùn)動(dòng)軌跡裝置能夠及時(shí)檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)員在比賽和訓(xùn)練中體現(xiàn)出來(lái)的問(wèn)題、錯(cuò)誤并及時(shí)調(diào)整，盡可能的把該裝置充分利用在訓(xùn)練中，通過(guò)裝置及時(shí)有效的反饋訓(xùn)練和比賽中運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)和狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)員能以最快方式找出問(wèn)題并調(diào)整，從而達(dá)到目標(biāo)，提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。