專業短跑訓練機的研究與設計

丁道旭 商慶清 時維鐸

摘 要：研究與設計的專業短跑訓練機可以模擬真實的跑步環境，對運動員跑步動作的步頻、步幅、發力時機，進行整體的技術訓練，糾正多余的錯誤動作，并在跑步機上不斷的進行反復訓練，達到對運動員技術動作的分解與定型。對于不同運動員訓練的特殊需要，教練根據運動員跑步過程中的發力情況，調節跑步機的阻尼大小，以便對其動作進行改進，并可對運動員長期的訓練進行記錄，以此總結出各個運動員的生理周期，更好的調整制定訓練計劃，提高訓練效果。

關鍵詞：短跑訓練 設計 效果

中圖分類號：G8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-0-02

每次短跑的技術革新或是每次訓練設備的改進，又或者是比賽場地的升級，都能促進短跑成績的提高。比如1936年起跑器的使用，是短跑成績的第一次飛躍；1968年美國3M公司在墨西哥第19屆奧運會上首次鋪設的塑膠跑道；以及跑鞋的不斷改進，都不斷刷新著世界短跑記錄。我國短跑主要靠傳統的方式進行專項訓練，如拖拽配重、人工踢拉橡皮條、固定跑等，主要依靠教練肉眼觀察改正運動員的錯誤動作，人為干擾因素過多，無法體現競賽時的真實情況。國外的短跑訓練器械比較多，比如拖拽專門減速傘跑，肘膝關節固定橡皮條人工拖拽跑，踝關節可調斜坡板練習器。而我國的短跑成績一直不理想，中國的短跑技術和訓練手段都存在一些問題，通過調查了解，深感改善訓練的器材和手段的迫切。短跑是一項由高速率的“擺動—扒地”動作產生最高位移速度的周期性運動，其突出特征是創造最高速度。在通過對短跑運動員跑步時腿部力量大小與方向進行分析的基礎上，研究與開發一種專業短跑訓練機，使運動員能夠發展最佳速度力量，使教練可以更加科學的調整運動訓練的方式方法，更好地挖掘運動員的潛力，為提高運動成績提供科學的訓練器材。

1 專業短跑訓練機的總體設計

雖然現在有一些健身跑步機，但它與專業跑步訓練機有很大差距，而現代短跑運動技術崇尚的核心是如何利用人體自身的運動技能來創造最大的專項運動速度，而非采用大負荷訓練來獲取很大的絕對力量。因此迫切需要一款專業短跑訓練機為運動員的訓練和教練的指導提供科學的訓練手段和方法。美國MORDIC TRACK公司以傳統的跑步機為原理，結合滑雪訓練的要求，研制了新型滑雪訓練器等。從國內喬山跑步機、格林電動跑步機等的結構和功能，和運動員拖拽配重訓練，在此基礎上得了些啟發希望能夠研制一種對短跑訓練有輔助作用的跑步機。結合訓練短跑運動員的實際需要，確定阻尼跑步機的基本功能。如圖1所示。

圖1 專業短跑訓練機示意圖

1.1 跑步訓練機理

傳統的體育運動訓練大多遵從“三從一大”訓練原則，“三從”是從難、從嚴、從實戰出發，“一大”是堅持大運動量訓練。現在要強調科學訓練，設計這款專業短跑訓練機的著眼點是遵循“三從一大原則”中從實戰出發的原則，盡可能使設計的輔助訓練和比賽時的動作相近，在通過對短跑運動員跑步時腿部力量大小與方向進行分析的基礎上，利用運動員的后蹬力驅動跑步機，并且通過拉力傳感器測出運動員的后蹬力。從而調整規范運動員的跑步動作，發揮最佳速度力量，提高短跑運動員訓練效率，為教練員更加科學的調整運動訓練的方式方法，更好地挖掘運動員的潛力，提高運動成績提供科學的訓練器材。運動員獲得向前的反作用力是跑動的唯一動力，不論是積極趴地技術還是以前強調的后蹬技術都是為了獲得向前的動力，至于哪種技術更合理，必須的科學的方法來計量。通過拉力傳感器的數據就可以看出哪種動作、多大步幅、多大步頻能產生最大的驅動力，更適合中國運動員或者某一個運動員，這樣就比憑感覺或者簡單的模仿外國運動員的技術更加科學。通過對運動員每天的數據測定，還可以反映運動員的生理周期，避免了通過采血樣化驗分析運動量測控方便衛生安全，為運動員提高運動成績提供科學的訓練器材。

1.2 短跑專業短跑訓練機設計

短跑專業短跑訓練機總體設計；本設計分為兩部分，一部分是機械部分、另一部分是跑步數據的采集、分析處理和顯示系統。機械部分包括傳動系統、阻尼系統，傳動系統包括兩個轉動輪、皮帶構成和支撐板。跑步數據的采集、分析處理和顯示系統包括硬件部分和軟件部分。

2 短跑專業短跑訓練機機械部分設計

跑步機機械部分由前滾筒組件、后滾筒組件、中板組件、阻尼調節組件、張緊組件、跑步帶等六部分組成。前滾筒和后滾筒組件的軸固定安裝在跑步機基架上，跑步機運轉時，滾筒圍繞中心軸轉動，用此安裝方法可以提高滾筒運轉速度，同時也可增加支撐力。中板組件由6個小托輥、蓋板和加強筋組成，使用時主要有小托輥和加強筋共同承擔支撐力，托輥和蓋板結合使用減少跑步帶磨損。阻尼調節組件通過螺紋無級調節阻尼器距離驅動輥距離，來調節阻尼器對驅動輥的作用力大小，鍛煉者根據個人情況選擇阻力大小，達到更好的鍛煉效果。張緊組件主要用于保護跑步帶，通過調節跑步帶松緊來延長跑步帶壽命，由于使用螺紋無級調節，不受跑步帶變形大小局限。跑步帶可以選擇尼龍帶也可以選擇橡膠，根據使用情況自行選擇。如圖2所示。

3 跑步數據的采集、分析處理和顯示系統

3．1 系統控制電路的硬件設計

根據功能要求確定微控制STC89C51RC、USB接口芯片PDIUSBD12、外部存儲器AT28C256、拉力傳感器（TJL_1S型）等，利用ProtelE畫出跑步機控制系統的原理圖，確定了硬件方案的可行性。以微處理器為核心，輔以相應的外圍電路，以實現對信號的采集和控制；硬件設計中采用模塊化的設計思想，提高研發產品的通用性，縮短開發時間，降低開發的風險。具體分為七大模塊：信號采集模塊、顯示模塊、鍵盤管理模塊、外部存儲模塊、USB接口模塊、時鐘模塊、報警模塊。原理框圖如圖3所示。

1）數據采集模塊。數據采集模塊主要有拉力傳感器和AD轉換芯片組成。為測量運動員的后蹬力量，選用蚌埠d光測控儀表廠生產地拉力傳感器（型號：TJL_1S），測力范圍：0～200 kg，輸出標準電壓0～5 V。數模轉換芯片選用AD678，12位精度的AD轉換芯片，通過數據采集模塊把后蹬力量的模擬信號轉換成數字信號傳送給微控制器。

圖2 跑步機機械部分（拆下皮帶）

2）微控制器，系統的核心部件，實現系統的智能控制。

圖3 硬件模塊設計原理框圖

3）鍵盤管理模塊。用戶可方便的對系統進行控制，如復位、消音、數據清零、調整時間等。由于微控制器I/O口線有限。本系統選擇PCF8574對I/O口串行擴展。

4）顯示模塊。通過時鐘芯片PCF8583，為系統提供可靠的實時記錄時間。通過液晶屏顯示力量數據和時間。

5）USB接口模塊。實現數據轉存或直接與計算機連接。

3.2 系統控制電路的軟件設計

8051系列的單片機支持匯編和C語言，匯編語言是單片機開發的低級語言，具有程序執行效率高、占用內存容量小、實時性較好等優點。考慮到本系統對于實時性要求較高、同時程序并不太復雜，因此采用匯編語言。整個控制系統的軟件部分采用模塊化的設計思想，首先根據產品功能的要求明確整個控制系統的工作流程，設計出主程序的流程圖，再根據各項功能設計出各個子程序，以此完成對整個系統的控制，控制系統主程序的流程圖如圖4所示。

軟件部分可以分為以下幾個主要子程序：鍵盤中斷子程序、時鐘中斷子程序、AD轉換子程序、U盤管理子程序、顯示子程序、報警子程序等。各子程序的功能簡介如下。

1）鍵盤中斷子程序：讀鍵盤，響應按鍵相對應的功能。2）時鐘中斷子程序：提供整個程序中需要的中斷定時。3）AD轉換子程序：將采集到的拉力傳感器的輸出值進行AD轉換并保存。4）U盤管理子程序：將保存在EEPROM中的數據按時間順序轉存到U盤中。5）顯示子程序：實時顯示記錄的數據。6）報警子程序：當EEPROM容量不足時報警，提醒用戶及時轉存數據。7）PC機上編寫LabView程序，讀取U盤數據，以圖形方式顯示，方便教練觀察運動員跑步時的發力情況以及比較準確推測運動員的生理周期。訓練數據顯示及處理界面如圖5所示。

4 結語

本研究與設計的專業短跑訓練機可以模擬真實的跑步環境，對運動員跑步動作的步頻、步幅、發力時機，進行整體的技術訓練，糾正多余的錯誤動作，并在跑步機上不斷的進行反復訓練，達到對運動員技術動作的分解與定型。對于不同運動員訓練的特殊需要，教練根據運動員跑步過程中的發力情況，調節跑步機的阻尼大小，以便對其動作進行改進，并可對運動員長期的訓練進行記錄，以此總結出各個運動員的生理周期，更好的調整制定訓練計劃，提高訓練效果。

圖4 控制系統主程序的流程圖

圖5 訓練數據及處理界面

參考文獻

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