一种水球陆地射门训练装置开发与研制

何长波,高 俊

( 哈尔滨师范大学 体育科学学院，黑龙江 哈尔滨 150025 )

自竞技运动现代化以来，科技就成为竞技运动向“更高、更快、更强”挑战的有力保障。从数字化的高速摄影机到数字全息CT，再到生物力学分析系统，科技以人脑对体育行为和活动信息的加工以及肢体对体育行为和活动技术的练习，构建体育运动技术优化结构到功能的时空结构变革[1]。这种体育与现代科技融合发展的新模式为竞技运动中科学化的训练提供了契机，也为水球竞技运动训练手段的科学化发展指明了方向。

水球运动，作为一项集游泳、摔跤、柔道于一体的，在比赛中得分制胜的同场对抗性竞技运动项目，其运动员需要在激烈的对抗下完成射门得分[2]。但在高强度的比赛中，运动员射门的准确性与成功率往往较低。因此，加强水球运动员的射门训练就成为比赛得分制胜的关键问题。但目前，水球射门训练所采用的训练手段，大都是运动员在水中进行的多球射门练习。这种训练，一方面受水中环境的影响运动员无法进行长时间、高强度、大批次的多球练习；另一方面，受场地器材的限制，1次只能训练2～3人，训练费事费力，制约了竞技水平的提升。因此，急需研制一种辅助性的训练器械，帮助运动员提升射门技术水平。基于此，本文研制了一种水球陆地射门训练装置，为推进我国水球运动发展、完善训练、提高运动员运动能力与竞技水平提供参考。

1 水球陆地射门训练装置的设计思路

水球陆地射门训练装置，是对水球运动员反应能力、射门专项技术等进行强化训练的辅助性训练设备。目前，国内外水球岸上训练器材不但较少，而且没有专门性的射门训练器械，教练员只能用传统的人工训练方法提高运动员的反应能力和随机应变特征[3]。这种基于主观判断的训练手段，极大地制约了运动员竞技水平的提升。因此，设计一种以实用性强、价格低、小型化、操作简便为特点水球射门训练装置，就成为当前满足教练员和运动员所需、推动训练科学化发展的关键。

新型水球陆地射门训练装置，要解决水球运动岸上训练无法进行射门练习以及专项训练中光反应问题。因此，其设计思路就要突出科技化、自动化、光电结合、全程监控以及符合水球运动训练发展方向的特点。第一，处理器选择单片机中应用广泛、具有高效处理能力的芯片，如AVR系列单片机、PIC系列单片机或430系列单片机。其由高性能RISC结构的CPU、存储器、I/O接口、复位电路等组成的系统结构，具有实用、低价、省电、高速和体积小等特点[4-5]，既能实现仪器高效的操控性又能保证数据的高速处理与传输。第二，构建一种以LED为光源的光电系统。其具有精确控制光型及发光角度、光色柔和、无眩光、体积小、重量轻，及单管驱动电压1.5～3.5 V、省电、寿命长、不易损坏的特点，能保证光电信号的准确性与可靠性[6-8]。第三，设计一种训练车和训练门。由装载槽、导轨、拟水材质、滑轮、万向节构成的训练器械主体，能模拟水面、守门员，帮助运动员进行射门练习。第四，以EDA平台设计的数字集成电路，实现仪器数字集成电路系统的最优化与快速成型[9]。

2 水球陆地射门训练装置的技术方案

为实现水球运动岸上训练、模拟水球运动的射门练习，研制的水球陆地射门练习装置，主要由两大部分构成，包括由运动员可控移动的训练车和专项射门技能练习的训练门。其中训练车主要模拟运动员在水中的体感，提供射门所需的运动状态；而训练门主要模拟水中的水球门，为运动员提供射门的运动情景和训练功能。整套器械的创新点在于，模拟运动员在水中的训练环境，易于进行的岸上多样化、高强度训练和准确的客观记录评价，为运动员射门专项技能的提升提供科学的训练方式和手段。因此，技术方案提出训练车由车体和弹簧座构成，车为电驱动具有可万向行走的特征；而弹簧座主要为运动员提供模拟水中晃动的射门感觉。训练门由球门、带有发光点的球门挡板、移动式守门员等具体零部件构成；球门采用带有凹槽的金属材质的框体；球门挡板由PVC、橡胶等多种材质构成并附有LED发光点；仿真前守门员站立的薄板为PVC或合成树脂材质[10-11]制成的人形薄板且立于球门前的导轨上，通过电动开关控制左右移动，模拟守门员的防守位置。此外，在电控装置的微型电路控制下实现器械中发光体和导向元件的总体驱动器。

3 水球陆地射门训练装置的研制

3.1 训练车的研制

训练车结构见图1。车体包括车体机架、悬臂架、电动万向车轮、电控装置和蓄电池、操纵杆和从动万向轮[12]。该设计结构借鉴了双驱万向行走电动车的原理，其电动万向车轮和从动万向车轮分别安置于车体悬臂架的端部和前臂梁端部；电控装置和蓄电池安置于车体内部，其操纵杆与蓄电池和电控装置连接，用于控制车体的移动。弹簧座包括车座、定位杆车座支撑架和弹簧，车座支撑架有支撑脚和弹簧槽[12]。支撑脚的底部与车体连接、顶部置于弹簧槽底、弹簧安置于弹簧槽内，定位杆在弹簧中心空腔内并固定在车座底部。由于要模拟运动员在水中的射门动作，要求弹簧座能做弹跳式的运动。这就要求弹簧座既要能承受运动员身体高强度的重力冲击，同时还能保证器械支撑体的稳固。因此，支撑脚选择了以等腰梯形为特征的圆台，意在于分解运动员施加在支撑脚上的下压力和身体重力，增强其器械的可靠性和稳定性。此外，嵌入式复合弹簧座的设计还有利于模拟水的浮力效应，让运动员的射门过程更接近于真实体感。

图1 训练车结构

3.2 训练门的研制

训练门结构见图2。包括球门、模拟水面、模拟守门员导轨、导向元件、电控装置、LED发光点和微动开关KEYO[12]。球门的大小与真实水球球门一致，门框和球网布置LED发光点，用于标记射门点和让运动员形成射门的时空感觉，意在通过训练提升运动员射门的准确性。模拟水面的装载槽中装有硅胶一类的材质，目的在于一方面模拟水面起伏不定和水表面张力的感觉，另一方面模拟水球射门过程中球体与水面摩擦减速及水面对水球的反弹效果特征，以近似于水面摩擦过程的硅胶材料提升训练器械应用中的真实感。模拟守门员与真人大小一致，采用强度较高的PVC材质制造并固定于球门前的导轨之上。导轨的电动机构通过导向元件与电控装置连接，各电子元器件之间以一种半微控技术进行综合设计[13-14]。这种半微控化的设计既简化了设计结构，又提高了设计质量，同时还可以通过单片机I/O接口控制电机运转以实现正传和反转；并利用单片机调节脉冲宽度改变输出频率，实现改变电机转速的目的[15-16]，使得仿真守门员在微动开关的控制下实现的左右的快速移动。而且基于不同电动功率下的守门员移动速度，还能有效提升器械的防守强度、增大运动员的射门难度。这种多样化的训练手段和训练模式不但能适应不同等级运动员射门训练的需求，还能切实挖掘运动员的最大训练强度，让射门训练装置真正成为水球运动科学化训练的“利器”。

图2 训练门设计结构

3.3 光电系统的研制

射门装置的光电系统结构见图3。光电系统置于球门挡板内，由透光层、弹性层发光体固定层和底层组成[12]，其中透光层和底层的边缘固定连接在一起构成中空的袋状，而发光体固定层和弹性层等则置于内部。透光层采用的是具有预设透光孔的质地厚实的高韧性尼龙纤维材质，一方面保证光信号的透出，又避免对弹性层弹性性能的影响；另一方面保证球网在训练中的抗击打性能，避免内部的LED灯和KEY微动开关损坏。弹性层主要是以高弹性的橡胶材质为基础，并通过嵌入微动开关KEY和LED发光点于凹槽或通孔之中(与透光孔相对应)共同构成用于采集水球击打后的弹性形变信息信号系统，以此用于判断、分析运动员射门击打的准确性。此外，为进一步保护LED发光点避免在水球射门训练的过程中受球的直接击打而损坏，还专门设计了保护罩。将每个LED发光点放置在专门研发的保护罩中，由其承受水球击打的冲击力，避免LED发光点受力损毁。发光体固定层采用具有一定柔性PVC材质的搁架结构，既以柔性材料保证球门挡板整体的形变特征，又以搁架结构保证LED发光点能准确地固定之上，形成光电信息采集的矩阵结构。最后，采用基于聚氨酯改良的橡胶底层[17]，以一次成型的制模技术压制成球门挡板的外形，在降低研制成本的同时保证球门挡板的耐用性。

图3 光电系统设计结构

4 结束语

该新型水球射门训练装置，解决了岸上训练无法进行射门练习以及专项训练中的光反应问题。目前经国家知识产权局审批，该仪器已经获得国家专利(专利号: ZL201120573715.8)。该训练装置能够模拟运动员在水中的射门训练，并通过改变模拟守门员守门的位置增强对抗性。同时还可通过光电系统指出目标点，变换射门训练的时空特征以满足模拟水中训练所需的判断条件，从而实现运动员在岸上完成整个射门训练，有效地弥补了水球训练手段不足及辅助器械较少的问题，能够满足水球教练员和运动员训练所需。此外，该训练器械价格较低、使用方便、坚固可靠，具有广泛推广的价值与意义。

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