一種水球陸地射門訓練裝置開發(fā)與研制

何長波,高 俊

( 哈爾濱師范大學 體育科學學院，黑龍江 哈爾濱 150025 )

自競技運動現(xiàn)代化以來，科技就成為競技運動向“更高、更快、更強”挑戰(zhàn)的有力保障。從數(shù)字化的高速攝影機到數(shù)字全息CT，再到生物力學分析系統(tǒng)，科技以人腦對體育行為和活動信息的加工以及肢體對體育行為和活動技術的練習，構建體育運動技術優(yōu)化結構到功能的時空結構變革[1]。這種體育與現(xiàn)代科技融合發(fā)展的新模式為競技運動中科學化的訓練提供了契機，也為水球競技運動訓練手段的科學化發(fā)展指明了方向。

水球運動，作為一項集游泳、摔跤、柔道于一體的，在比賽中得分制勝的同場對抗性競技運動項目，其運動員需要在激烈的對抗下完成射門得分[2]。但在高強度的比賽中，運動員射門的準確性與成功率往往較低。因此，加強水球運動員的射門訓練就成為比賽得分制勝的關鍵問題。但目前，水球射門訓練所采用的訓練手段，大都是運動員在水中進行的多球射門練習。這種訓練，一方面受水中環(huán)境的影響運動員無法進行長時間、高強度、大批次的多球練習；另一方面，受場地器材的限制，1次只能訓練2～3人，訓練費事費力，制約了競技水平的提升。因此，急需研制一種輔助性的訓練器械，幫助運動員提升射門技術水平。基于此，本文研制了一種水球陸地射門訓練裝置，為推進我國水球運動發(fā)展、完善訓練、提高運動員運動能力與競技水平提供參考。

1 水球陸地射門訓練裝置的設計思路

水球陸地射門訓練裝置，是對水球運動員反應能力、射門專項技術等進行強化訓練的輔助性訓練設備。目前，國內外水球岸上訓練器材不但較少，而且沒有專門性的射門訓練器械，教練員只能用傳統(tǒng)的人工訓練方法提高運動員的反應能力和隨機應變特征[3]。這種基于主觀判斷的訓練手段，極大地制約了運動員競技水平的提升。因此，設計一種以實用性強、價格低、小型化、操作簡便為特點水球射門訓練裝置，就成為當前滿足教練員和運動員所需、推動訓練科學化發(fā)展的關鍵。

新型水球陸地射門訓練裝置，要解決水球運動岸上訓練無法進行射門練習以及專項訓練中光反應問題。因此，其設計思路就要突出科技化、自動化、光電結合、全程監(jiān)控以及符合水球運動訓練發(fā)展方向的特點。第一，處理器選擇單片機中應用廣泛、具有高效處理能力的芯片，如AVR系列單片機、PIC系列單片機或430系列單片機。其由高性能RISC結構的CPU、存儲器、I/O接口、復位電路等組成的系統(tǒng)結構，具有實用、低價、省電、高速和體積小等特點[4-5]，既能實現(xiàn)儀器高效的操控性又能保證數(shù)據(jù)的高速處理與傳輸。第二，構建一種以LED為光源的光電系統(tǒng)。其具有精確控制光型及發(fā)光角度、光色柔和、無眩光、體積小、重量輕，及單管驅動電壓1.5～3.5 V、省電、壽命長、不易損壞的特點，能保證光電信號的準確性與可靠性[6-8]。第三，設計一種訓練車和訓練門。由裝載槽、導軌、擬水材質、滑輪、萬向節(jié)構成的訓練器械主體，能模擬水面、守門員，幫助運動員進行射門練習。第四，以EDA平臺設計的數(shù)字集成電路，實現(xiàn)儀器數(shù)字集成電路系統(tǒng)的最優(yōu)化與快速成型[9]。

2 水球陸地射門訓練裝置的技術方案

為實現(xiàn)水球運動岸上訓練、模擬水球運動的射門練習，研制的水球陸地射門練習裝置，主要由兩大部分構成，包括由運動員可控移動的訓練車和專項射門技能練習的訓練門。其中訓練車主要模擬運動員在水中的體感，提供射門所需的運動狀態(tài)；而訓練門主要模擬水中的水球門，為運動員提供射門的運動情景和訓練功能。整套器械的創(chuàng)新點在于，模擬運動員在水中的訓練環(huán)境，易于進行的岸上多樣化、高強度訓練和準確的客觀記錄評價，為運動員射門專項技能的提升提供科學的訓練方式和手段。因此，技術方案提出訓練車由車體和彈簧座構成，車為電驅動具有可萬向行走的特征；而彈簧座主要為運動員提供模擬水中晃動的射門感覺。訓練門由球門、帶有發(fā)光點的球門擋板、移動式守門員等具體零部件構成；球門采用帶有凹槽的金屬材質的框體；球門擋板由PVC、橡膠等多種材質構成并附有LED發(fā)光點；仿真前守門員站立的薄板為PVC或合成樹脂材質[10-11]制成的人形薄板且立于球門前的導軌上，通過電動開關控制左右移動，模擬守門員的防守位置。此外，在電控裝置的微型電路控制下實現(xiàn)器械中發(fā)光體和導向元件的總體驅動器。

3 水球陸地射門訓練裝置的研制

3.1 訓練車的研制

訓練車結構見圖1。車體包括車體機架、懸臂架、電動萬向車輪、電控裝置和蓄電池、操縱桿和從動萬向輪[12]。該設計結構借鑒了雙驅萬向行走電動車的原理，其電動萬向車輪和從動萬向車輪分別安置于車體懸臂架的端部和前臂梁端部；電控裝置和蓄電池安置于車體內部，其操縱桿與蓄電池和電控裝置連接，用于控制車體的移動。彈簧座包括車座、定位桿車座支撐架和彈簧，車座支撐架有支撐腳和彈簧槽[12]。支撐腳的底部與車體連接、頂部置于彈簧槽底、彈簧安置于彈簧槽內，定位桿在彈簧中心空腔內并固定在車座底部。由于要模擬運動員在水中的射門動作，要求彈簧座能做彈跳式的運動。這就要求彈簧座既要能承受運動員身體高強度的重力沖擊，同時還能保證器械支撐體的穩(wěn)固。因此，支撐腳選擇了以等腰梯形為特征的圓臺，意在于分解運動員施加在支撐腳上的下壓力和身體重力，增強其器械的可靠性和穩(wěn)定性。此外，嵌入式復合彈簧座的設計還有利于模擬水的浮力效應，讓運動員的射門過程更接近于真實體感。

圖1 訓練車結構

3.2 訓練門的研制

訓練門結構見圖2。包括球門、模擬水面、模擬守門員導軌、導向元件、電控裝置、LED發(fā)光點和微動開關KEYO[12]。球門的大小與真實水球球門一致，門框和球網(wǎng)布置LED發(fā)光點，用于標記射門點和讓運動員形成射門的時空感覺，意在通過訓練提升運動員射門的準確性。模擬水面的裝載槽中裝有硅膠一類的材質，目的在于一方面模擬水面起伏不定和水表面張力的感覺，另一方面模擬水球射門過程中球體與水面摩擦減速及水面對水球的反彈效果特征，以近似于水面摩擦過程的硅膠材料提升訓練器械應用中的真實感。模擬守門員與真人大小一致，采用強度較高的PVC材質制造并固定于球門前的導軌之上。導軌的電動機構通過導向元件與電控裝置連接，各電子元器件之間以一種半微控技術進行綜合設計[13-14]。這種半微控化的設計既簡化了設計結構，又提高了設計質量，同時還可以通過單片機I/O接口控制電機運轉以實現(xiàn)正傳和反轉；并利用單片機調節(jié)脈沖寬度改變輸出頻率，實現(xiàn)改變電機轉速的目的[15-16]，使得仿真守門員在微動開關的控制下實現(xiàn)的左右的快速移動。而且基于不同電動功率下的守門員移動速度，還能有效提升器械的防守強度、增大運動員的射門難度。這種多樣化的訓練手段和訓練模式不但能適應不同等級運動員射門訓練的需求，還能切實挖掘運動員的最大訓練強度，讓射門訓練裝置真正成為水球運動科學化訓練的“利器”。

圖2 訓練門設計結構

3.3 光電系統(tǒng)的研制

射門裝置的光電系統(tǒng)結構見圖3。光電系統(tǒng)置于球門擋板內，由透光層、彈性層發(fā)光體固定層和底層組成[12]，其中透光層和底層的邊緣固定連接在一起構成中空的袋狀，而發(fā)光體固定層和彈性層等則置于內部。透光層采用的是具有預設透光孔的質地厚實的高韌性尼龍纖維材質，一方面保證光信號的透出，又避免對彈性層彈性性能的影響；另一方面保證球網(wǎng)在訓練中的抗擊打性能，避免內部的LED燈和KEY微動開關損壞。彈性層主要是以高彈性的橡膠材質為基礎，并通過嵌入微動開關KEY和LED發(fā)光點于凹槽或通孔之中(與透光孔相對應)共同構成用于采集水球擊打后的彈性形變信息信號系統(tǒng)，以此用于判斷、分析運動員射門擊打的準確性。此外，為進一步保護LED發(fā)光點避免在水球射門訓練的過程中受球的直接擊打而損壞，還專門設計了保護罩。將每個LED發(fā)光點放置在專門研發(fā)的保護罩中，由其承受水球擊打的沖擊力，避免LED發(fā)光點受力損毀。發(fā)光體固定層采用具有一定柔性PVC材質的擱架結構，既以柔性材料保證球門擋板整體的形變特征，又以擱架結構保證LED發(fā)光點能準確地固定之上，形成光電信息采集的矩陣結構。最后，采用基于聚氨酯改良的橡膠底層[17]，以一次成型的制模技術壓制成球門擋板的外形，在降低研制成本的同時保證球門擋板的耐用性。

圖3 光電系統(tǒng)設計結構

4 結束語

該新型水球射門訓練裝置，解決了岸上訓練無法進行射門練習以及專項訓練中的光反應問題。目前經(jīng)國家知識產(chǎn)權局審批，該儀器已經(jīng)獲得國家專利(專利號: ZL201120573715.8)。該訓練裝置能夠模擬運動員在水中的射門訓練，并通過改變模擬守門員守門的位置增強對抗性。同時還可通過光電系統(tǒng)指出目標點，變換射門訓練的時空特征以滿足模擬水中訓練所需的判斷條件，從而實現(xiàn)運動員在岸上完成整個射門訓練，有效地彌補了水球訓練手段不足及輔助器械較少的問題，能夠滿足水球教練員和運動員訓練所需。此外，該訓練器械價格較低、使用方便、堅固可靠，具有廣泛推廣的價值與意義。

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