電動模擬動態足球人墻訓練裝置的設計

席海龍，楊 鋼，孫建功（.西安體育學院，陜西西安，70068：.陜西科技大學，陜西西安，700）

電動模擬動態足球人墻訓練裝置的設計

席海龍1，楊 鋼1，孫建功2
（1.西安體育學院，陜西西安，710068：2.陜西科技大學，陜西西安，710021）

針對目前人墻訓練裝置安全性差、固定靜止擺放的缺點，本研究設計一種通過操作手柄開關電機的接通和斷開來實現被控制電機的轉動，在電機驅動下模擬足球人墻進行訓練的裝置，從而提高足球任意球訓練的質量和效率。對足球裝備器材研發有一定的意義。

足球；電動；模擬；人墻裝置

0 引言

現代足球比賽中任意球是進球得分的重要進攻手段，國際足聯技術報告多次提到世界杯比賽中有1/3的進球與任意球有著直接或間接的關系，因此各國都非常重視任意球的攻防訓練。目前，在訓練中采用的排人墻形式主要有兩種，一是根據對方罰任意球的地點和位置，組織隊員排列人墻這種形式，優點是隊員更接近于比賽實踐要求的環境和條件，不足之處是由于主罰隊員在練習的同時，需要6到7名的隊員協助，造成不必要的人力消耗。另一種形式，采用在門前不同位置設立若干個固定模擬物（如標志桿或人形靶），這種形式的特點是結構簡單，實用方便，可以代替人墻站位來模擬任意球的訓練，但這種形式的人形靶是固定靜止不動的，達不到比賽中的真實環境和條件也難以實現“人墻”干擾后二次攻守的場景和訓練機會，直接限制了主罰與攻守隊員按照實戰要求和標準進行訓練，使得訓練與比賽相對脫節，勢必影響到在比賽中的臨場發揮。

本研究試圖改變目前足球訓練任意球時普遍使用脫離比賽實踐的固定靜態人墻訓練器材，提供一種全新裝置，通過教練員遙控可以使"人墻"上下跳動和左右擺動，能夠模擬出更加符合現代足球比賽實踐要求的環境和條件，使訓練更加貼近比賽。研制該訓練輔助裝置對提高訓練任意球的質量和效率，提高足球訓練的科學化水平，增添相關訓練裝備器材和新產品具有重要的現實意義。

1 電動模擬動態足球人墻訓練裝置的設計的總體思路

本裝置的設計初衷來源于訓練中遇到的實際問題，目前尚未見到相似的模擬足球人墻訓練裝置。設計目的是提高足球訓練的自動化水平，減小訓練成本，提高訓練效率。總體設計思路如下圖1。

2 裝置機械控制系統的設計

電動模擬動態足球人墻訓練裝置主要用于在足球訓練和比賽過程中，能夠模擬足球隊員，實現自動彈跳，以達到對任意球進行攔防的目的。該系統的組成部分有：帶有滾動輪的底座、電機及其控制系統、鍵盤控制單元、曲柄-滑塊機構和安裝有假橡膠人的支撐基板共五大部分組成。此系統設計要求，操作簡單方便，性能穩定可靠，而且易于移動，室內外均可使用。設計要求步進電機控制下的模擬人自動彈跳系統，控制模擬橡膠人能實現垂直方向上距離為0.3m的彈跳。

根據要求，系統劃分為電機及其控制部分、機械傳動系統兩大模塊。其中電機及其控制模塊分為單片機控制部分，電機驅動部分，開關輸入部分。機械傳動部分是系統的執行模塊，可分為曲柄-滑塊機構，帶滑輪的底座及支撐板等其它部件。模塊框圖如圖2 所示。

圖2　系統框圖

為了提高整個系統快速動態響應特性，電機正常工作中處于常轉狀態，通過相應電磁離合器的吸合及吸合時間控制，實現各電機的協同控制，完成指定的人墻跳躍和移動運動。其中主移動電機安裝正反電磁離合器，實現人墻橫向的往復移動。根據設計本裝置中擬采用PLC為控制核心，結合輸出繼電器的開合及系統自帶的定時器功能，實現不同任意球射門條件下樣機的指定運動，其中定時器的時間參數可以依據變化規律的研究結果及樣機調試實時設定。

3 裝置電器控制系統的設計

訓練裝置由彈跳裝置A和B及左右移動部分組成，系統分別由三臺電動機提供動力，電機、電磁離合器和其控制系統分別裝在小車和A、B部分上。

3.1按鈕控制過程分為幾種工作狀態

按TQ1按鈕，A部和B部同時動作；按TQ2按鈕只有A部動作而B部不動；同理按TQ3按鈕B部動作A部不動。左右移動部分由鈕子開關T4控制，當T4處于斷開狀態時按TQ1~TQ3按鈕時A部或B部只作上跳動作，當開關T4閉合時，按動TQ1~TQ3按鈕時A部或B部除上跳動作外還同時做左右方向的水平移動。

3.2電動機主電路及控制電路的組成和控制過程

電動機主回路由三相電源、斷路器PSW1、交流接觸器PK1~PK3、熱繼電器RT1~RT3、電動機M1~M3及控制按鈕等組成。

閉合斷路器PSW1，按QD1按鈕，接觸器PK1線圈得電吸合，PK1主觸點閉合，電動機M1通電啟動運行，同時輔助觸點PK1閉合自保，松開QD1按鈕電機仍可繼續運行，完成啟動過程。按TZ按鈕PK1線圈失電主觸點斷開，電動機M1停止運行。其余兩臺電動機的啟動和停止操作過程與此相同。如圖3所示。

圖3　電動機主電路及控制電路的組成和控制示意圖

圖1　 設計的總體思路

3.3電磁離合器部分電路組成和控制過程

電磁離合器控制電路由繼電器TK1～TK4、時間繼電器TS1～TS4、電磁離合器驅動線圈EM1～EM3及開關和按鈕組成。

T4開關用于選擇A、B部是否水平移動，當T4閉合時A、B部在上跳的同時做水平移動。按TQ1按鈕，繼電器TK1線圈得電吸合，同時，時間繼電器TS1線圈也吸合，輔助觸點TK1閉合自保，其余TK1輔助觸點也同時接通，繼電器TK2～TK4線圈與時間繼電器TS2～TS4的線圈全部得電吸合（T4開關閉合狀態），主觸點TK2～TK4同時閉合，電磁離合器驅動線圈EM1～EM3同時吸合動作，系統的A、B部同時上跳并水平移動。時間繼電器延時斷開的輔助觸點TS1～TS4經過設定的延時時間后斷開，使繼電器TK1～TK4失電，主觸點TK2～TK4斷開，電磁離合器分離，完成動作。

按TQ2按鈕，繼電器TK2線圈得電吸合，時間繼電器TS2線圈吸合，主觸點TK2閉合，電磁離合器EM1得電動作，A部做上跳動作。如果此時T4開關是閉合狀態，則繼電器TK4吸合，其主觸點TK4閉合，電磁離合器EM3線圈得電動作，A部同時做水平移動動作，時間繼電器延時斷開的輔助觸點TS2、TS4經過設定的延時時間后斷開，使繼電器TK2、TK4失電，主觸點TK2、TK4斷開，電磁離合器分離，完成動作。

按TQ3按鈕，部得動作過程與此相仿。如圖4所示。

4 小結

本文就電動模擬動態足球人墻訓練裝置的設計進行了論述，技術關鍵在于控制系統中，移動主電機與兩個跳躍電機之間的協同控制，以及機電系統對控制指令的快速響應問題。控制系統軟件編程的方案設計、模塊劃分及遙控裝置的軟硬件設計、與樣機高速可靠通信技術的實現。目前，電動模擬動態人墻訓練裝置的設計、研發及應用在國內還是空白，由此可見，通過技術創新，優化設計，研制出符合訓練需要的模擬實際人墻效果的動態訓練裝置，具有廣闊的前景和非凡的意義。

中國足球協會.足球教練員培訓教程［M］北京.北京體育大學出版社.2007.

The Power-driven Training Simulator of Mobile Wall of Defenders

Xi Hailong1，Yang Gang1，Sun Jiangong2
（1.Xian Physical Education University，Xi’an，710068；2.Shannxi University of Science and Technology，Xi’an，710021）

This is research on a newly-designed wall training device to neutralize poor safety and lack of dynamic situation in football training.The simulation of mobile wall training is achieved by a motor which is manipulated by an operating handle to switch power supply.The device will improve efficiency and quality of free-kick training，bringing new prospect for development of football equipments.

football；power-driven；simulation；device of wall of defenders

圖4　電磁離合器部分電路組成和控制示意圖

2012年度國家體育總局重點研究領域課題.課題編號：2012B039

席海龍（1976-），男，陜西延安人，副教授，研究方向：足球教學與訓練。

楊鋼（1956-），男，陜西西安人，教授，碩士生導師，研究方向：足球教學與訓練。

孫建功（1980-），男，陜西西安人，副教授，研究方向：機械制造及其自動化