专业短跑训练机的研究与设计

丁道旭 商庆清 时维铎

摘 要：研究与设计的专业短跑训练机可以模拟真实的跑步环境，对运动员跑步动作的步频、步幅、发力时机，进行整体的技术训练，纠正多余的错误动作，并在跑步机上不断的进行反复训练，达到对运动员技术动作的分解与定型。对于不同运动员训练的特殊需要，教练根据运动员跑步过程中的发力情况，调节跑步机的阻尼大小，以便对其动作进行改进，并可对运动员长期的训练进行记录，以此总结出各个运动员的生理周期，更好的调整制定训练计划，提高训练效果。

关键词：短跑训练 设计 效果

中图分类号：G8 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-0-02

每次短跑的技术革新或是每次训练设备的改进，又或者是比赛场地的升级，都能促进短跑成绩的提高。比如1936年起跑器的使用，是短跑成绩的第一次飞跃；1968年美国3M公司在墨西哥第19届奥运会上首次铺设的塑胶跑道；以及跑鞋的不断改进，都不断刷新着世界短跑记录。我国短跑主要靠传统的方式进行专项训练，如拖拽配重、人工踢拉橡皮条、固定跑等，主要依靠教练肉眼观察改正运动员的错误动作，人为干扰因素过多，无法体现竞赛时的真实情况。国外的短跑训练器械比较多，比如拖拽专门减速伞跑，肘膝关节固定橡皮条人工拖拽跑，踝关节可调斜坡板练习器。而我国的短跑成绩一直不理想，中国的短跑技术和训练手段都存在一些问题，通过调查了解，深感改善训练的器材和手段的迫切。短跑是一项由高速率的“摆动—扒地”动作产生最高位移速度的周期性运动，其突出特征是创造最高速度。在通过对短跑运动员跑步时腿部力量大小与方向进行分析的基础上，研究与开发一种专业短跑训练机，使运动员能够发展最佳速度力量，使教练可以更加科学的调整运动训练的方式方法，更好地挖掘运动员的潜力，为提高运动成绩提供科学的训练器材。

1 专业短跑训练机的总体设计

虽然现在有一些健身跑步机，但它与专业跑步训练机有很大差距，而现代短跑运动技术崇尚的核心是如何利用人体自身的运动技能来创造最大的专项运动速度，而非采用大负荷训练来获取很大的绝对力量。因此迫切需要一款专业短跑训练机为运动员的训练和教练的指导提供科学的训练手段和方法。美国MORDIC TRACK公司以传统的跑步机为原理，结合滑雪训练的要求，研制了新型滑雪训练器等。从国内乔山跑步机、格林电动跑步机等的结构和功能，和运动员拖拽配重训练，在此基础上得了些启发希望能够研制一种对短跑训练有辅助作用的跑步机。结合训练短跑运动员的实际需要，确定阻尼跑步机的基本功能。如图1所示。

图1 专业短跑训练机示意图

1.1 跑步训练机理

传统的体育运动训练大多遵从“三从一大”训练原则，“三从”是从难、从严、从实战出发，“一大”是坚持大运动量训练。现在要强调科学训练，设计这款专业短跑训练机的着眼点是遵循“三从一大原则”中从实战出发的原则，尽可能使设计的辅助训练和比赛时的动作相近，在通过对短跑运动员跑步时腿部力量大小与方向进行分析的基础上，利用运动员的后蹬力驱动跑步机，并且通过拉力传感器测出运动员的后蹬力。从而调整规范运动员的跑步动作，发挥最佳速度力量，提高短跑运动员训练效率，为教练员更加科学的调整运动训练的方式方法，更好地挖掘运动员的潜力，提高运动成绩提供科学的训练器材。运动员获得向前的反作用力是跑动的唯一动力，不论是积极趴地技术还是以前强调的后蹬技术都是为了获得向前的动力，至于哪种技术更合理，必须的科学的方法来计量。通过拉力传感器的数据就可以看出哪种动作、多大步幅、多大步频能产生最大的驱动力，更适合中国运动员或者某一个运动员，这样就比凭感觉或者简单的模仿外国运动员的技术更加科学。通过对运动员每天的数据测定，还可以反映运动员的生理周期，避免了通过采血样化验分析运动量测控方便卫生安全，为运动员提高运动成绩提供科学的训练器材。

1.2 短跑专业短跑训练机设计

短跑专业短跑训练机总体设计；本设计分为两部分，一部分是机械部分、另一部分是跑步数据的采集、分析处理和显示系统。机械部分包括传动系统、阻尼系统，传动系统包括两个转动轮、皮带构成和支撑板。跑步数据的采集、分析处理和显示系统包括硬件部分和软件部分。

2 短跑专业短跑训练机机械部分设计

跑步机机械部分由前滚筒组件、后滚筒组件、中板组件、阻尼调节组件、张紧组件、跑步带等六部分组成。前滚筒和后滚筒组件的轴固定安装在跑步机基架上，跑步机运转时，滚筒围绕中心轴转动，用此安装方法可以提高滚筒运转速度，同时也可增加支撑力。中板组件由6个小托辊、盖板和加强筋组成，使用时主要有小托辊和加强筋共同承担支撑力，托辊和盖板结合使用减少跑步带磨损。阻尼调节组件通过螺纹无级调节阻尼器距离驱动辊距离，来调节阻尼器对驱动辊的作用力大小，锻炼者根据个人情况选择阻力大小，达到更好的锻炼效果。张紧组件主要用于保护跑步带，通过调节跑步带松紧来延长跑步带寿命，由于使用螺纹无级调节，不受跑步带变形大小局限。跑步带可以选择尼龙带也可以选择橡胶，根据使用情况自行选择。如图2所示。

3 跑步数据的采集、分析处理和显示系统

3．1 系统控制电路的硬件设计

根据功能要求确定微控制STC89C51RC、USB接口芯片PDIUSBD12、外部存储器AT28C256、拉力传感器（TJL_1S型）等，利用ProtelE画出跑步机控制系统的原理图，确定了硬件方案的可行性。以微处理器为核心，辅以相应的外围电路，以实现对信号的采集和控制；硬件设计中采用模块化的设计思想，提高研发产品的通用性，缩短开发时间，降低开发的风险。具体分为七大模块：信号采集模块、显示模块、键盘管理模块、外部存储模块、USB接口模块、时钟模块、报警模块。原理框图如图3所示。

1）数据采集模块。数据采集模块主要有拉力传感器和AD转换芯片组成。为测量运动员的后蹬力量，选用蚌埠d光测控仪表厂生产地拉力传感器（型号：TJL_1S），测力范围：0～200 kg，输出标准电压0～5 V。数模转换芯片选用AD678，12位精度的AD转换芯片，通过数据采集模块把后蹬力量的模拟信号转换成数字信号传送给微控制器。

图2 跑步机机械部分（拆下皮带）

2）微控制器，系统的核心部件，实现系统的智能控制。

图3 硬件模块设计原理框图

3）键盘管理模块。用户可方便的对系统进行控制，如复位、消音、数据清零、调整时间等。由于微控制器I/O口线有限。本系统选择PCF8574对I/O口串行扩展。

4）显示模块。通过时钟芯片PCF8583，为系统提供可靠的实时记录时间。通过液晶屏显示力量数据和时间。

5）USB接口模块。实现数据转存或直接与计算机连接。

3.2 系统控制电路的软件设计

8051系列的单片机支持汇编和C语言，汇编语言是单片机开发的低级语言，具有程序执行效率高、占用内存容量小、实时性较好等优点。考虑到本系统对于实时性要求较高、同时程序并不太复杂，因此采用汇编语言。整个控制系统的软件部分采用模块化的设计思想，首先根据产品功能的要求明确整个控制系统的工作流程，设计出主程序的流程图，再根据各项功能设计出各个子程序，以此完成对整个系统的控制，控制系统主程序的流程图如图4所示。

软件部分可以分为以下几个主要子程序：键盘中断子程序、时钟中断子程序、AD转换子程序、U盘管理子程序、显示子程序、报警子程序等。各子程序的功能简介如下。

1）键盘中断子程序：读键盘，响应按键相对应的功能。2）时钟中断子程序：提供整个程序中需要的中断定时。3）AD转换子程序：将采集到的拉力传感器的输出值进行AD转换并保存。4）U盘管理子程序：将保存在EEPROM中的数据按时间顺序转存到U盘中。5）显示子程序：实时显示记录的数据。6）报警子程序：当EEPROM容量不足时报警，提醒用户及时转存数据。7）PC机上编写LabView程序，读取U盘数据，以图形方式显示，方便教练观察运动员跑步时的发力情况以及比较准确推测运动员的生理周期。训练数据显示及处理界面如图5所示。

4 结语

本研究与设计的专业短跑训练机可以模拟真实的跑步环境，对运动员跑步动作的步频、步幅、发力时机，进行整体的技术训练，纠正多余的错误动作，并在跑步机上不断的进行反复训练，达到对运动员技术动作的分解与定型。对于不同运动员训练的特殊需要，教练根据运动员跑步过程中的发力情况，调节跑步机的阻尼大小，以便对其动作进行改进，并可对运动员长期的训练进行记录，以此总结出各个运动员的生理周期，更好的调整制定训练计划，提高训练效果。

图4 控制系统主程序的流程图

图5 训练数据及处理界面

参考文献

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