丁道旭 商慶清 時(shí)維鐸

摘 要：研究與設(shè)計(jì)的專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)可以模擬真實(shí)的跑步環(huán)境，對(duì)運(yùn)動(dòng)員跑步動(dòng)作的步頻、步幅、發(fā)力時(shí)機(jī)，進(jìn)行整體的技術(shù)訓(xùn)練，糾正多余的錯(cuò)誤動(dòng)作，并在跑步機(jī)上不斷的進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到對(duì)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作的分解與定型。對(duì)于不同運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的特殊需要，教練根據(jù)運(yùn)動(dòng)員跑步過程中的發(fā)力情況，調(diào)節(jié)跑步機(jī)的阻尼大小，以便對(duì)其動(dòng)作進(jìn)行改進(jìn)，并可對(duì)運(yùn)動(dòng)員長(zhǎng)期的訓(xùn)練進(jìn)行記錄，以此總結(jié)出各個(gè)運(yùn)動(dòng)員的生理周期，更好的調(diào)整制定訓(xùn)練計(jì)劃，提高訓(xùn)練效果。

關(guān)鍵詞：短跑訓(xùn)練 設(shè)計(jì) 效果

中圖分類號(hào)：G8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（b）-0-02

每次短跑的技術(shù)革新或是每次訓(xùn)練設(shè)備的改進(jìn)，又或者是比賽場(chǎng)地的升級(jí)，都能促進(jìn)短跑成績(jī)的提高。比如1936年起跑器的使用，是短跑成績(jī)的第一次飛躍；1968年美國(guó)3M公司在墨西哥第19屆奧運(yùn)會(huì)上首次鋪設(shè)的塑膠跑道；以及跑鞋的不斷改進(jìn)，都不斷刷新著世界短跑記錄。我國(guó)短跑主要靠傳統(tǒng)的方式進(jìn)行專項(xiàng)訓(xùn)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(yùn)動(dòng)員的錯(cuò)誤動(dòng)作，人為干擾因素過多，無(wú)法體現(xiàn)競(jìng)賽時(shí)的真實(shí)情況。國(guó)外的短跑訓(xùn)練器械比較多，比如拖拽專門減速傘跑，肘膝關(guān)節(jié)固定橡皮條人工拖拽跑，踝關(guān)節(jié)可調(diào)斜坡板練習(xí)器。而我國(guó)的短跑成績(jī)一直不理想，中國(guó)的短跑技術(shù)和訓(xùn)練手段都存在一些問題，通過調(diào)查了解，深感改善訓(xùn)練的器材和手段的迫切。短跑是一項(xiàng)由高速率的“擺動(dòng)—扒地”動(dòng)作產(chǎn)生最高位移速度的周期性運(yùn)動(dòng)，其突出特征是創(chuàng)造最高速度。在通過對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)員跑步時(shí)腿部力量大小與方向進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究與開發(fā)一種專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)，使運(yùn)動(dòng)員能夠發(fā)展最佳速度力量，使教練可以更加科學(xué)的調(diào)整運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方式方法，更好地挖掘運(yùn)動(dòng)員的潛力，為提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)提供科學(xué)的訓(xùn)練器材。

1 專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)的總體設(shè)計(jì)

雖然現(xiàn)在有一些健身跑步機(jī)，但它與專業(yè)跑步訓(xùn)練機(jī)有很大差距，而現(xiàn)代短跑運(yùn)動(dòng)技術(shù)崇尚的核心是如何利用人體自身的運(yùn)動(dòng)技能來(lái)創(chuàng)造最大的專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)速度，而非采用大負(fù)荷訓(xùn)練來(lái)獲取很大的絕對(duì)力量。因此迫切需要一款專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)為運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和教練的指導(dǎo)提供科學(xué)的訓(xùn)練手段和方法。美國(guó)MORDIC TRACK公司以傳統(tǒng)的跑步機(jī)為原理，結(jié)合滑雪訓(xùn)練的要求，研制了新型滑雪訓(xùn)練器等。從國(guó)內(nèi)喬山跑步機(jī)、格林電動(dòng)跑步機(jī)等的結(jié)構(gòu)和功能，和運(yùn)動(dòng)員拖拽配重訓(xùn)練，在此基礎(chǔ)上得了些啟發(fā)希望能夠研制一種對(duì)短跑訓(xùn)練有輔助作用的跑步機(jī)。結(jié)合訓(xùn)練短跑運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際需要，確定阻尼跑步機(jī)的基本功能。如圖1所示。

圖1 專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)示意圖

1.1 跑步訓(xùn)練機(jī)理

傳統(tǒng)的體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練大多遵從“三從一大”訓(xùn)練原則，“三從”是從難、從嚴(yán)、從實(shí)戰(zhàn)出發(fā)，“一大”是堅(jiān)持大運(yùn)動(dòng)量訓(xùn)練?，F(xiàn)在要強(qiáng)調(diào)科學(xué)訓(xùn)練，設(shè)計(jì)這款專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)的著眼點(diǎn)是遵循“三從一大原則”中從實(shí)戰(zhàn)出發(fā)的原則，盡可能使設(shè)計(jì)的輔助訓(xùn)練和比賽時(shí)的動(dòng)作相近，在通過對(duì)短跑運(yùn)動(dòng)員跑步時(shí)腿部力量大小與方向進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用運(yùn)動(dòng)員的后蹬力驅(qū)動(dòng)跑步機(jī)，并且通過拉力傳感器測(cè)出運(yùn)動(dòng)員的后蹬力。從而調(diào)整規(guī)范運(yùn)動(dòng)員的跑步動(dòng)作，發(fā)揮最佳速度力量，提高短跑運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效率，為教練員更加科學(xué)的調(diào)整運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方式方法，更好地挖掘運(yùn)動(dòng)員的潛力，提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)提供科學(xué)的訓(xùn)練器材。運(yùn)動(dòng)員獲得向前的反作用力是跑動(dòng)的唯一動(dòng)力，不論是積極趴地技術(shù)還是以前強(qiáng)調(diào)的后蹬技術(shù)都是為了獲得向前的動(dòng)力，至于哪種技術(shù)更合理，必須的科學(xué)的方法來(lái)計(jì)量。通過拉力傳感器的數(shù)據(jù)就可以看出哪種動(dòng)作、多大步幅、多大步頻能產(chǎn)生最大的驅(qū)動(dòng)力，更適合中國(guó)運(yùn)動(dòng)員或者某一個(gè)運(yùn)動(dòng)員，這樣就比憑感覺或者簡(jiǎn)單的模仿外國(guó)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)更加科學(xué)。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)員每天的數(shù)據(jù)測(cè)定，還可以反映運(yùn)動(dòng)員的生理周期，避免了通過采血樣化驗(yàn)分析運(yùn)動(dòng)量測(cè)控方便衛(wèi)生安全，為運(yùn)動(dòng)員提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)提供科學(xué)的訓(xùn)練器材。

1.2 短跑專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)設(shè)計(jì)

短跑專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)總體設(shè)計(jì)；本設(shè)計(jì)分為兩部分，一部分是機(jī)械部分、另一部分是跑步數(shù)據(jù)的采集、分析處理和顯示系統(tǒng)。機(jī)械部分包括傳動(dòng)系統(tǒng)、阻尼系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)包括兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪、皮帶構(gòu)成和支撐板。跑步數(shù)據(jù)的采集、分析處理和顯示系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分。

2 短跑專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)機(jī)械部分設(shè)計(jì)

跑步機(jī)機(jī)械部分由前滾筒組件、后滾筒組件、中板組件、阻尼調(diào)節(jié)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(jī)基架上，跑步機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾筒圍繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，用此安裝方法可以提高滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)速度，同時(shí)也可增加支撐力。中板組件由6個(gè)小托輥、蓋板和加強(qiáng)筋組成，使用時(shí)主要有小托輥和加強(qiáng)筋共同承擔(dān)支撐力，托輥和蓋板結(jié)合使用減少跑步帶磨損。阻尼調(diào)節(jié)組件通過螺紋無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)阻尼器距離驅(qū)動(dòng)輥距離，來(lái)調(diào)節(jié)阻尼器對(duì)驅(qū)動(dòng)輥的作用力大小，鍛煉者根據(jù)個(gè)人情況選擇阻力大小，達(dá)到更好的鍛煉效果。張緊組件主要用于保護(hù)跑步帶，通過調(diào)節(jié)跑步帶松緊來(lái)延長(zhǎng)跑步帶壽命，由于使用螺紋無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，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(jù)使用情況自行選擇。如圖2所示。

3 跑步數(shù)據(jù)的采集、分析處理和顯示系統(tǒng)

3．1 系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)功能要求確定微控制STC89C51RC、USB接口芯片PDIUSBD12、外部存儲(chǔ)器AT28C256、拉力傳感器（TJL_1S型）等，利用ProtelE畫出跑步機(jī)控制系統(tǒng)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(yīng)的外圍電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集和控制；硬件設(shè)計(jì)中采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，提高研發(fā)產(chǎn)品的通用性，縮短開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。具體分為七大模塊：信號(hào)采集模塊、顯示模塊、鍵盤管理模塊、外部存儲(chǔ)模塊、USB接口模塊、時(shí)鐘模塊、報(bào)警模塊。原理框圖如圖3所示。

1）數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要有拉力傳感器和AD轉(zhuǎn)換芯片組成。為測(cè)量運(yùn)動(dòng)員的后蹬力量，選用蚌埠d光測(cè)控儀表廠生產(chǎn)地拉力傳感器（型號(hào)：TJL_1S），測(cè)力范圍：0～200 kg，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓0～5 V。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片選用AD678，12位精度的AD轉(zhuǎn)換芯片，通過數(shù)據(jù)采集模塊把后蹬力量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給微控制器。

圖2 跑步機(jī)機(jī)械部分（拆下皮帶）

2）微控制器，系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能控制。

圖3 硬件模塊設(shè)計(jì)原理框圖

3）鍵盤管理模塊。用戶可方便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，如復(fù)位、消音、數(shù)據(jù)清零、調(diào)整時(shí)間等。由于微控制器I/O口線有限。本系統(tǒng)選擇PCF8574對(duì)I/O口串行擴(kuò)展。

4）顯示模塊。通過時(shí)鐘芯片PCF8583，為系統(tǒng)提供可靠的實(shí)時(shí)記錄時(shí)間。通過液晶屏顯示力量數(shù)據(jù)和時(shí)間。

5）USB接口模塊。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存或直接與計(jì)算機(jī)連接。

3.2 系統(tǒng)控制電路的軟件設(shè)計(jì)

8051系列的單片機(jī)支持匯編和C語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言是單片機(jī)開發(fā)的低級(jí)語(yǔ)言，具有程序執(zhí)行效率高、占用內(nèi)存容量小、實(shí)時(shí)性較好等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到本系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高、同時(shí)程序并不太復(fù)雜，因此采用匯編語(yǔ)言。整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，首先根據(jù)產(chǎn)品功能的要求明確整個(gè)控制系統(tǒng)的工作流程，設(shè)計(jì)出主程序的流程圖，再根據(jù)各項(xiàng)功能設(shè)計(jì)出各個(gè)子程序，以此完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，控制系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4所示。

軟件部分可以分為以下幾個(gè)主要子程序：鍵盤中斷子程序、時(shí)鐘中斷子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序、U盤管理子程序、顯示子程序、報(bào)警子程序等。各子程序的功能簡(jiǎn)介如下。

1）鍵盤中斷子程序：讀鍵盤，響應(yīng)按鍵相對(duì)應(yīng)的功能。2）時(shí)鐘中斷子程序：提供整個(gè)程序中需要的中斷定時(shí)。3）AD轉(zhuǎn)換子程序：將采集到的拉力傳感器的輸出值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并保存。4）U盤管理子程序：將保存在EEPROM中的數(shù)據(jù)按時(shí)間順序轉(zhuǎn)存到U盤中。5）顯示子程序：實(shí)時(shí)顯示記錄的數(shù)據(jù)。6）報(bào)警子程序：當(dāng)EEPROM容量不足時(shí)報(bào)警，提醒用戶及時(shí)轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)。7）PC機(jī)上編寫LabView程序，讀取U盤數(shù)據(jù)，以圖形方式顯示，方便教練觀察運(yùn)動(dòng)員跑步時(shí)的發(fā)力情況以及比較準(zhǔn)確推測(cè)運(yùn)動(dòng)員的生理周期。訓(xùn)練數(shù)據(jù)顯示及處理界面如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究與設(shè)計(jì)的專業(yè)短跑訓(xùn)練機(jī)可以模擬真實(shí)的跑步環(huán)境，對(duì)運(yùn)動(dòng)員跑步動(dòng)作的步頻、步幅、發(fā)力時(shí)機(jī)，進(jìn)行整體的技術(shù)訓(xùn)練，糾正多余的錯(cuò)誤動(dòng)作，并在跑步機(jī)上不斷的進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練，達(dá)到對(duì)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作的分解與定型。對(duì)于不同運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練的特殊需要，教練根據(jù)運(yùn)動(dòng)員跑步過程中的發(fā)力情況，調(diào)節(jié)跑步機(jī)的阻尼大小，以便對(duì)其動(dòng)作進(jìn)行改進(jìn)，并可對(duì)運(yùn)動(dòng)員長(zhǎng)期的訓(xùn)練進(jìn)行記錄，以此總結(jié)出各個(gè)運(yùn)動(dòng)員的生理周期，更好的調(diào)整制定訓(xùn)練計(jì)劃，提高訓(xùn)練效果。

圖4 控制系統(tǒng)主程序的流程圖

圖5 訓(xùn)練數(shù)據(jù)及處理界面

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