基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人的研制與測(cè)試

鈕鳴宇 鈕德明　

基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人的研制與測(cè)試

鈕鳴宇1鈕德明2

（1.廣西醫(yī)科大學(xué)，廣西 南寧 530021；2.廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 崇左 532200）

為在高校推行國(guó)際網(wǎng)球聯(lián)合會(huì)推出的非職業(yè)網(wǎng)球選手水平評(píng)定的測(cè)試方法（簡(jiǎn)稱(chēng)ITN），研制了一種基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人，并闡述了它的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。為驗(yàn)證它的功能和效果，進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該機(jī)器人有助于初學(xué)者進(jìn)行基礎(chǔ)動(dòng)作練習(xí)；有利于擊球技術(shù)的鞏固和提高；有效地增加了訓(xùn)練強(qiáng)度；解決了教練和場(chǎng)地不足的問(wèn)題，提高了訓(xùn)練效果。該機(jī)器人應(yīng)用于網(wǎng)球訓(xùn)練教學(xué)，具有成本低、功能強(qiáng)、效果好等特點(diǎn)，是一種值得推廣的“機(jī)器教練”。

網(wǎng)球；陪練機(jī)器人；擊球；球感

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，如何對(duì)普通高等院校網(wǎng)球課程的學(xué)生所掌握的網(wǎng)球技術(shù)進(jìn)行真實(shí)的測(cè)評(píng)始終是個(gè)問(wèn)題，以往使用的評(píng)價(jià)方式更偏重于擊打的精度而忽視了擊打的力度，因此難以顯示被測(cè)試者的真實(shí)水平。國(guó)際網(wǎng)球聯(lián)合會(huì)推出了非職業(yè)網(wǎng)球選手水平評(píng)定的測(cè)試方法[1]（簡(jiǎn)稱(chēng)ITN），較好地利用網(wǎng)球技術(shù)水平三要素：穩(wěn)定、球速、準(zhǔn)確來(lái)綜合評(píng)價(jià)高校網(wǎng)球教學(xué)班的學(xué)生所掌握的網(wǎng)球技術(shù)水平[2]。為了在普通高等院校推行ITN，需要研制一種基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人來(lái)作為輔助網(wǎng)球訓(xùn)練教學(xué)的“機(jī)器教練”[3-8]。采用基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人輔助網(wǎng)球的訓(xùn)練教學(xué)，能有效地增加學(xué)生課內(nèi)訓(xùn)練的時(shí)間；能使初學(xué)者的球感獲得較快提升；能讓學(xué)生按教師的要求，反復(fù)練習(xí)設(shè)定的網(wǎng)球基本技術(shù)和動(dòng)作，使學(xué)生的網(wǎng)球基本技術(shù)得以迅速提高。通過(guò)一個(gè)學(xué)期的應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了網(wǎng)球陪練機(jī)器人在網(wǎng)球訓(xùn)練教學(xué)中的效果，是一種值得大力推廣的“機(jī)器教練”。

1 基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

網(wǎng)球陪練機(jī)器人應(yīng)具有“機(jī)器教練”的功能：一是按訓(xùn)練要求拋出一定力度、角度、速度、頻率的球讓練習(xí)者擊打；二是對(duì)練習(xí)者擊打球的準(zhǔn)確性、擊球速度和擊球個(gè)數(shù)有考核記錄。為實(shí)現(xiàn)“機(jī)器教練”的功能，網(wǎng)球陪練機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。網(wǎng)球陪練機(jī)器人[9]由牽拉帶組件、框架、球網(wǎng)、網(wǎng)球測(cè)速器、鉸鏈組件、攔球網(wǎng)、收集網(wǎng)球兜、支架、拋球機(jī)組成。其中，在框架和支架的下部安裝牽拉帶組件，在其上部裝有鉸鏈組件，打開(kāi)框架和支架時(shí)，它們構(gòu)成穩(wěn)定的三角架；網(wǎng)球測(cè)速器用螺栓固定在框架中部，當(dāng)網(wǎng)球被擊打而穿過(guò)雷達(dá)測(cè)速區(qū)時(shí)，球速被網(wǎng)球測(cè)速器記錄下來(lái)；在支架上安裝攔球網(wǎng)，在框架和支架的下部安裝收集網(wǎng)球兜，當(dāng)網(wǎng)球被擊打在攔球網(wǎng)上時(shí)，網(wǎng)球隨即從攔球網(wǎng)表面滾進(jìn)收集網(wǎng)球兜，然后進(jìn)入拋球機(jī)的網(wǎng)球收集機(jī)構(gòu)；在框架下部中央安放一臺(tái)拋球機(jī)，它以一定速度和頻率將網(wǎng)球收集機(jī)構(gòu)內(nèi)的網(wǎng)球拋至練習(xí)者的擊球位置，還可以按照練習(xí)者的要求拋出不同弧度和不同距離的球，供練習(xí)者練習(xí)設(shè)定的擊球技術(shù)和動(dòng)作。練習(xí)者將球擊打進(jìn)框內(nèi)，才為有效，否則，球打飛了，練習(xí)球越來(lái)越少，也就不能連續(xù)練習(xí)下去。當(dāng)本次練習(xí)完成，可查看控制器上記錄的擊球個(gè)數(shù)和擊球速度。

1—牽拉帶組件；2—框架；3—球網(wǎng)；4—網(wǎng)球測(cè)速器；5—鉸鏈組件；6—攔球網(wǎng)；7—收集網(wǎng)球兜；8—支架；9—拋球機(jī)。

1.2 網(wǎng)球拋球機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)球拋球機(jī)[10]是網(wǎng)球陪練機(jī)器人的關(guān)鍵部分，它主導(dǎo)了網(wǎng)球的拋出和回收。如圖2所示，網(wǎng)球拋球機(jī)由滾輪、機(jī)座、拉桿、機(jī)殼、調(diào)控盒、機(jī)架、進(jìn)球管、螺栓、網(wǎng)球收集機(jī)構(gòu)、落球撥叉、出球角調(diào)節(jié)器、摩擦輪、彎管輪、可彎曲射球管、擺動(dòng)機(jī)架、摩擦管、步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)絲桿、定位柱組成。

91—滾輪；92—機(jī)座；93—拉桿；94—機(jī)殼；95—調(diào)控盒；96—機(jī)架；97—進(jìn)球管；98—螺栓；99—網(wǎng)球收集機(jī)構(gòu)；910—落球撥叉；911—出球角調(diào)節(jié)器；912—摩擦輪；913—彎管輪；914—可彎曲射球管；915—擺動(dòng)機(jī)架；916—摩擦管；917—步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)絲桿；918—定位柱。

在機(jī)座下方安裝有滾輪和定位柱；機(jī)殼安裝在機(jī)座上方，機(jī)殼的右上角是網(wǎng)球的拋出口；機(jī)架與機(jī)座連接，拋球機(jī)的構(gòu)件安裝在機(jī)架上。網(wǎng)球收集機(jī)構(gòu)由集球盤(pán)和螺旋滾道組成，它可有效避免多個(gè)網(wǎng)球擠兌而進(jìn)不了出球中心孔；送球機(jī)構(gòu)由進(jìn)球管、落球撥叉、電磁鐵組成，在電磁鐵的作用下，落球撥叉按設(shè)定頻率將網(wǎng)球送入摩擦管；發(fā)射機(jī)構(gòu)由摩擦管、摩擦輪、直流電機(jī)組成，直流電機(jī)和摩擦輪直接連接，直流電機(jī)帶動(dòng)摩擦輪高速旋轉(zhuǎn)，摩擦輪將動(dòng)能傳遞到摩擦管內(nèi)的網(wǎng)球上，網(wǎng)球獲得動(dòng)能而被射出；出球角調(diào)整機(jī)構(gòu)由可彎曲射球管、出球角調(diào)節(jié)器、步進(jìn)電機(jī)組成，出球角調(diào)節(jié)器采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，出球角調(diào)節(jié)器通過(guò)鋼絲繩的拉緊，或放松，可將可彎曲射球管的彎曲角變小或增大，不同的出球角，可以送出不同弧度、不同距離、不同落點(diǎn)的球。在機(jī)座上安裝擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由擺動(dòng)機(jī)架、步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)絲桿組成，在步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)絲桿的驅(qū)動(dòng)下，擺動(dòng)機(jī)架帶動(dòng)可彎曲射球管作橫向擺動(dòng)，調(diào)節(jié)可彎曲射球管的擺動(dòng)角。網(wǎng)球拋球機(jī)的功能模塊如圖3所示。

圖3 網(wǎng)球拋球機(jī)的功能模塊

1.3 基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 硬件設(shè)計(jì)

以嵌入式微處理器STM32F103ZET6作為硬件系統(tǒng)的控制核心，其功能是將按鍵信號(hào)通過(guò)解碼，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制電平，最后由相應(yīng)單元電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成要求的操作。其硬件系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制框圖

1.3.1.1 嵌入式微處理器STM32F103ZET6

嵌入式微處理器STM32F103ZET6以Cortex-M3為內(nèi)核，擁有更卓越的性能、更高的代碼密度、更寬的應(yīng)用面、更具實(shí)時(shí)特性、低功耗、低成本等眾多優(yōu)點(diǎn)。

STM32F103ZET6的工作頻率為72 MHz；內(nèi)置高達(dá)512 K的 FLASH存儲(chǔ)器和64 K的RAM內(nèi)存，其中，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器支持在線編程；具有豐富的通用I/O端口。

1.3.1.2 紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)

采用遙控器芯片TC9148P構(gòu)建一對(duì)紅外發(fā)射和接收系統(tǒng)，分別安裝在網(wǎng)球拋球機(jī)紅外接收器和紅外遙控器上。當(dāng)按下遙控器某鍵時(shí)，其信號(hào)發(fā)生器發(fā)出8路不同時(shí)序的掃描脈沖，依次掃描鍵盤(pán)，將獲得的按鍵值調(diào)制成串行編碼脈沖，該脈沖再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路由紅外二級(jí)管發(fā)射出去。當(dāng)紅外接收器接收到光信號(hào)后，經(jīng)過(guò)光電放大電路、專(zhuān)門(mén)解碼芯片將其復(fù)原成串行編碼脈沖，然后由嵌入式微處理器按照編碼或解碼的協(xié)議轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制電平，最后由相應(yīng)單元電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件完成要求的操作。

1.3.1.3 驅(qū)動(dòng)模塊

控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)網(wǎng)球拋球機(jī)的拋球力大小，控制步進(jìn)電機(jī)的左右旋轉(zhuǎn)步距角來(lái)調(diào)整網(wǎng)球拋球機(jī)的發(fā)射角和擺動(dòng)角，這就要求驅(qū)動(dòng)電路必須具有調(diào)速精準(zhǔn)、驅(qū)動(dòng)平順、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)。L298N 功率集成芯片滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電路的要求，選用L298N功率集成芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器、線圈、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵等元件，其驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)46 V，直流電流總和可達(dá)4 A，內(nèi)部有2個(gè)PWM功率放大器。

1.3.1.4 數(shù)據(jù)采集器

系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有拋球機(jī)拋球個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)員擊球個(gè)數(shù)以及球速。

網(wǎng)球拋球機(jī)拋球個(gè)數(shù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)出球控制器的電磁鐵開(kāi)關(guān)次數(shù)實(shí)現(xiàn)。電磁鐵開(kāi)關(guān)連接至STM32F103ZET6的PA0引腳，配置該引腳為外部中斷輸入，拋球機(jī)每拋出一個(gè)球，電磁鐵開(kāi)關(guān)形成一個(gè)有效的觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)拋球計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。

系統(tǒng)采用CSP100球類(lèi)測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量擊球速度。測(cè)速原理是根據(jù)接收到的反射波頻移量的計(jì)算而得出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度，STM32F103ZET6通過(guò)串口讀取速度值并顯示至TFT-LCD。根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，球速大于某個(gè)值時(shí)記為有效擊球。

1.3.1.5 顯示屏

系統(tǒng)配置7寸TFT-LCD，該顯示屏控制器ILI9341自帶顯存，容量為172 800 Byte，顏色數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為RGB565，分辨率為1 024*600。在顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，TFT-LCD被設(shè)計(jì)成SRAM模式與STM32F1032ET6的FSMC接口通信，實(shí)時(shí)顯示拋球機(jī)拋球個(gè)數(shù)、運(yùn)動(dòng)員擊球個(gè)數(shù)以及球速等數(shù)據(jù)信息。

1.3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件主程序主要包括實(shí)現(xiàn)初始化、識(shí)別接收紅外信號(hào)、執(zhí)行按鍵操作和啟用子程序等功能。初始化程序?yàn)橄到y(tǒng)通電后做好準(zhǔn)備，當(dāng)接收到紅外遙控器發(fā)送的信號(hào)后，判別獲得的按鍵值，然后將按鍵值傳給嵌入式微處理器。嵌入式微處理器根據(jù)所得按鍵值執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能操作，同時(shí)在顯示屏上顯示正執(zhí)行的功能操作狀態(tài)，其程序控制模塊如圖5所示。

圖5 總控模塊

直流電機(jī)的調(diào)速方式都采用脈寬調(diào)制（PWM）。嵌入式微處理器的高級(jí)定時(shí)器和通用定時(shí)器均可以產(chǎn)生和輸出PWM信號(hào)，其中高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)7路的PWM輸出。本系統(tǒng)采用高級(jí)定時(shí)器TIM1產(chǎn)生的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速。程序配置步驟為：（1）開(kāi)啟TIM1時(shí)鐘，配置PA9為復(fù)用輸出；（2）設(shè)置TIM1_CH2重映射到PA9；（3）設(shè)置TIM1的ARR和PSC；（4）設(shè)置TIM1_CH2的PMW模式；（5）使能TIM1的CH2輸出，使能TIM1；（6）修改TIM1_CCR2實(shí)現(xiàn)調(diào)整占空比，達(dá)到調(diào)速的目的。

控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖控制信號(hào)采用定時(shí)中斷的方式產(chǎn)生，改變定時(shí)時(shí)間，即可改變脈沖頻率，從而改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)在某角度內(nèi)擺動(dòng)時(shí)，根據(jù)擺動(dòng)角度和步距角計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的脈沖數(shù)Ⅳ（取偶數(shù)），然后反復(fù)動(dòng)作：正轉(zhuǎn)Ⅳ個(gè)步距角和反轉(zhuǎn)Ⅳ個(gè)步距角，以此實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)功能。出球角調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)射角調(diào)整的原理同上。出球角調(diào)整機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)都采用兩相步進(jìn)電機(jī)，用半步勵(lì)磁法實(shí)現(xiàn)0.9度的步距角，其脈沖分配由軟件方法實(shí)現(xiàn)。程序流程如圖6所示。需調(diào)速時(shí)，通過(guò)查表改變進(jìn)入中斷的定時(shí)時(shí)間即可。

圖6 步進(jìn)電機(jī)程序流程圖

2 基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人的應(yīng)用測(cè)試

2.1 用于測(cè)試樣機(jī)的主要功能及參數(shù)

主要功能：（1）通過(guò)遙控器遙控拋球速度、出球頻率、出球模式；（2）擊球數(shù)量及擊球速度統(tǒng)計(jì)分析功能。

主要參數(shù)：（1）拋出網(wǎng)球速度：20～140 km/h；（2）出球間隔時(shí)間：2～10 s；（3）發(fā)射角調(diào)節(jié)范圍：300°～750°；（4）擺動(dòng)角調(diào)節(jié)范圍：-150°～+150°；（5）擊打進(jìn)框的網(wǎng)球測(cè)速：20～320 km/h。

2.2 測(cè)試對(duì)象

選取廣西醫(yī)科大學(xué)大二網(wǎng)球選修女生班的學(xué)生為測(cè)試對(duì)象，該班級(jí)學(xué)生都是初學(xué)者，隨機(jī)將該班分成測(cè)試組和對(duì)照組，每組20人。

2.3 測(cè)試目的、內(nèi)容及方法

測(cè)試目的是驗(yàn)證網(wǎng)球陪練機(jī)器人所具有的功能是否有助于網(wǎng)球訓(xùn)練教學(xué)，采用網(wǎng)球陪練機(jī)器人來(lái)輔助網(wǎng)球教學(xué)，與傳統(tǒng)的網(wǎng)球教學(xué)方法作比較，在分析測(cè)試結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)采用網(wǎng)球陪練機(jī)器人輔助網(wǎng)球訓(xùn)練教學(xué)對(duì)提高高校網(wǎng)球課教學(xué)質(zhì)量和效率起到的作用。

測(cè)試內(nèi)容是按教學(xué)大綱要求安排網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中應(yīng)用最多的一項(xiàng)技術(shù)，即正、反手擊球練習(xí)[11]。

測(cè)試方法如下：對(duì)照組采用常規(guī)教學(xué)方法，采取一人“喂球”，學(xué)生一球一擊，輪流在球場(chǎng)上完成正、反手擊球練習(xí)；測(cè)試組采用網(wǎng)球陪練機(jī)器人輔助練習(xí)，正、反手擊球訓(xùn)練的方法如圖7所示：要求學(xué)生站在離網(wǎng)球陪練機(jī)器人5 m的地方，擊球時(shí)，做好完整的正、反手擊球動(dòng)作，并控制好力度。當(dāng)網(wǎng)球被拋出落地后，將網(wǎng)球擊打到框架內(nèi)，接著網(wǎng)球拋球機(jī)會(huì)按一定頻率拋出網(wǎng)球，練習(xí)者通過(guò)不斷地?fù)舸?，一輪練?xí)，直到三個(gè)球都打飛且無(wú)球進(jìn)框架內(nèi)，造成無(wú)球拋出為止；當(dāng)擊球的精度和力度都提高后，站位逐步向后移，移到8 m后，仍能連續(xù)多回合的將球擊打到框架內(nèi)。其目的是訓(xùn)練學(xué)生掌握正、反手擊球動(dòng)作的力度和精度，以及擊球動(dòng)作的完整性；培養(yǎng)盯球、跑位、擊球的有機(jī)協(xié)同球感[12]。每次課需完成100個(gè)正反手擊球的訓(xùn)練球數(shù)，數(shù)量可以累計(jì)，要求每輪連續(xù)三次以上的擊球進(jìn)入網(wǎng)球陪練機(jī)器人的框架內(nèi)，才能計(jì)入訓(xùn)練球數(shù)。

圖7 連續(xù)多回合正、反手擊球練習(xí)

2.4 考核與評(píng)價(jià)方式

18周的課程結(jié)束后，對(duì)測(cè)試組和對(duì)照組的學(xué)生按ITN要求進(jìn)行考核。

對(duì)測(cè)試組和對(duì)照組的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)分。正反手定位擊球評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是：正反手定位擊球落到指定區(qū)域的球[1]，一個(gè)計(jì)兩分，每個(gè)學(xué)生正反手定位擊球各10個(gè)，滿(mǎn)分為40分；正反手擊球動(dòng)作評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是：能按動(dòng)作要領(lǐng)完成揮拍動(dòng)作的，記9分；揮拍動(dòng)作連貫、有力的，記12分；揮拍動(dòng)作協(xié)調(diào)流暢、動(dòng)作規(guī)范，擊球質(zhì)量高的，記15分；綜合成績(jī)?yōu)檎词侄ㄎ粨羟虻目己顺煽?jī)，滿(mǎn)分為55分。

3 結(jié)果與分析

對(duì)測(cè)試組和對(duì)照組進(jìn)行考核測(cè)試，測(cè)試結(jié)果是：正手定位擊球落到指定區(qū)域的個(gè)數(shù)，測(cè)試組最高10個(gè)，2人，最低6個(gè)，2人，平均成功率為82%；對(duì)照組最高9個(gè)，2人，最低5個(gè)，3人，平均成功率為68%。反手定位擊球落到指定區(qū)域的個(gè)數(shù)，測(cè)試組最高10個(gè)，2人，最低6個(gè)，2人，平均成功率為79%；對(duì)照組最高9個(gè)，1人，最低5個(gè)，3人，平均成功率為66%。測(cè)試組和對(duì)照組測(cè)試結(jié)果及考核成績(jī)均呈正態(tài)分布，運(yùn)用體育統(tǒng)計(jì)學(xué)[13]作統(tǒng)計(jì)分析，并作檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試組和對(duì)照組正反手擊球考核成績(jī)對(duì)比表

注查檢驗(yàn)臨界值可知：當(dāng)=3時(shí)，=，因?yàn)椋?.05，所以＜0.05。

以穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、動(dòng)作完整性等三個(gè)維度對(duì)正反手擊球技術(shù)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)[14]。從表1中可以清楚地發(fā)現(xiàn)：相較正手擊球的平均成功率，測(cè)試組比對(duì)照組高出14.0%；反手擊球平均成功率對(duì)比中，測(cè)試組比對(duì)照組高出13.0%；因?yàn)椋?8 0.05，所以＜0.05，兩者有顯著性差異。從這些數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試組的學(xué)生正手、反手擊球成功率均顯著高于對(duì)照組的學(xué)生，說(shuō)明網(wǎng)球陪練機(jī)器人有助于提高學(xué)生正、反手擊球的力度和精度，以及擊球動(dòng)作的完整性。表1還顯示：測(cè)試組的學(xué)生正、反手擊球考核平均成績(jī)高于對(duì)照組6.9，因?yàn)椋?.05，所以＜0.05，顯示兩者有顯著性差異。數(shù)據(jù)表明測(cè)試組的學(xué)生動(dòng)作的完整性要顯著好于對(duì)照組的學(xué)生，說(shuō)明網(wǎng)球陪練機(jī)器人有助于提高學(xué)生的正反手擊球質(zhì)量和固定學(xué)生的正、反手擊球動(dòng)作。

從應(yīng)用測(cè)試可以看到：網(wǎng)球陪練機(jī)器人拋球的力度、高度、落點(diǎn)的重復(fù)率高，有助于學(xué)生基礎(chǔ)動(dòng)作的練習(xí)，所以測(cè)試組不僅正、反手定位擊球平均成功率高于對(duì)照組，而且對(duì)網(wǎng)球訓(xùn)練不積極的學(xué)生的最低擊球落到指定區(qū)域的個(gè)數(shù)也高于對(duì)照組；網(wǎng)球陪練機(jī)器人可按擊球動(dòng)作需要，拋出不同速度、不同弧度、不同距離、不同頻率的球，學(xué)生上手快，練習(xí)機(jī)會(huì)多，從量變到質(zhì)變，正是一次次的擊球練習(xí)，使初學(xué)者掌握了擊球的力量和時(shí)機(jī)，有利于提高擊球質(zhì)量，對(duì)督促學(xué)生學(xué)習(xí)和練習(xí)有積極的作用；網(wǎng)球陪練機(jī)器人能對(duì)擊中框內(nèi)的網(wǎng)球個(gè)數(shù)和球速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，這促使學(xué)生為了保持一定球速度下而不打飛球，在擊球練習(xí)中就會(huì)增強(qiáng)注視擊球落點(diǎn)的意識(shí)，提高了擊球的準(zhǔn)確性和力度；網(wǎng)球陪練機(jī)器人能回收擊中框內(nèi)網(wǎng)球，重復(fù)使用，學(xué)生不因撿球而耽誤練習(xí)，有效地增加了訓(xùn)練強(qiáng)度，增強(qiáng)了信心和興趣，不積極的學(xué)生也能獲得一些收獲；網(wǎng)球陪練機(jī)器人能與學(xué)生一對(duì)一、或一對(duì)二配對(duì)進(jìn)行訓(xùn)練，解決了高校網(wǎng)球教練和場(chǎng)地不足的問(wèn)題，提高了教師的教學(xué)效率[15]。

4 結(jié)論

以嵌入式微處理器STM32F103ZET6作為基于ITN的網(wǎng)球陪練機(jī)器人的控制核心，從而有效地實(shí)現(xiàn)了該機(jī)器人遙控拋球速度、出球頻率、出球模式，以及擊球數(shù)量及擊球速度統(tǒng)計(jì)分析的功能。經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的測(cè)試驗(yàn)證，該機(jī)器人有助于學(xué)生基礎(chǔ)動(dòng)作的練習(xí)；有利于擊球技術(shù)的鞏固和提高；有效地增加了訓(xùn)練強(qiáng)度；解決了教練和場(chǎng)地不足的問(wèn)題，增強(qiáng)了訓(xùn)練效果。該機(jī)器人應(yīng)用于網(wǎng)球訓(xùn)練教學(xué)，具有成本低、功能強(qiáng)、效果好等特點(diǎn)，是一種值得大力推廣的“機(jī)器教練”。

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Development and Testing of Tennis Sparring Robot Based on ITN

In order to implement the test method of non-professional tennis player's level evaluation introduced by International Tennis Federation in universities(referred to as ITN), a tennis sparring robot based on ITN is developed, and its working principle and structural characteristics are described. In order to verify its function and effect, the application test is carried out. The test results show that the robot is helpful for beginners to practice basic movements; it is beneficial to consolidate and improve the batting technique; it effectively increase the training intensity; the problem of lack of coaches and venues was solved, and the training effect was improved. The robot is used in tennis training teaching, and has the characteristics of low cost, strong function and good effect. It is a kind of "machine coach" worthy of promotion.

tennis; sparring robot; bat; feel of the ball

TP242

A

1008-1151(2023)09-0037-05

2022-11-24

2020年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2020KY71003）。

鈕鳴宇（1983－），女，廣西醫(yī)科大學(xué)體育部講師，研究方向?yàn)榫W(wǎng)球教學(xué)與訓(xùn)練、體育器械。

鈕德明，男，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化設(shè)備研制。