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帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 摘要 本文主要论述了国家体育总局备战奥运科技攻关项目之一帆板摇帆模 拟训练测试系统的详细研制过程。 首先，论述了帆板运动的特点特别是帆板摇帆的动作特点，并根据帆板摇帆 动作的特点，建立“运动员一运动一环境”的多体动力学模型，通过数值模拟和 计算机仿真获得实际训练、比赛中运动员所需的训练条件以及技术条件、技术要 求等多方面的资料，然后确定器材参数、控制参数的配置：按照安全、可靠、实 用、美观、方便的原则设计制造出摇帆模拟训练测试系统的机械结构，并详细论 述了其结构特点。 其次，论述了等动技术的特点、功能定位与国内外研究现状。根据等动阻力 的特性介绍了阻力源的设计方案采用伺服控制系统，并详细介绍了阻力源的 结构。然后根据p i d 控制的特点论述了如何把p i d 控制算法应用于本系统等动 算法。重点介绍了如何利用m a t i ，a b s i m u l i n k 工具对拟采用的p i d 等动控制 算法进行在不同输入激励下的实时仿真分析，并把仿真结果与理论分析结果相比 较得出结论：本控制系统中采用的算法是正确的，所优化的p i d 参数是合理的。 最后，本文对软件开发过程中的一些关键技术，如人员信息数据库和训练信 息数据库的开发过程，安全管理、端口操作、训练曲线绘制、帮助文件的制作等 给予了详细阐述，并在必要之处给出了程序代码。 关键词：帆板摇帆、系统仿真、p ld 控制、软件系统 帆扳摇帆模拟训练测试系统的研制 d e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r i n go fs i m u l a t i v et r a i n i n ga n dt e s t i n g s y s t e mo fs a i l b o a r dp u m p i n g a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ed e v e l o p i n gp r o c e s so fd e v e l o p m e n ta n d m a n u f a c t u r i n go fs i m u l a t i v et r a i n i n ga n dt e s t i n gs y s t e mo fs a i l b o a r dp u m p i n gt h a t i so n eo ft h ep r o j e c t st h a tt a c k l et h ek e yp r o b l e mo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fs t a t e s p o r tg e n e r a la d m i n i s t r a t i o no fc h i n a f i r s t ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fs a i l i n gs p o r t ，e s p e c i a l l yt h ea c t i o n c h a r a c t e r i s t i co fs a i l b o a r dp u m p i n ga n db u i l dt h em u l t i - b o d yd y n a m i c sp r o t o t y p eo f a t h l e t e - s p o r t - e n v i r o n m e n ta c c o r d i n gt ot h e ma n dg e t sa l lk i n d so fd o c u m e n t ss u c ha s t h et r a i n i n gp a r a m e t e r sa n dt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s ，t h e na s c e r t a i n st h ee q u i p m e n t p a r a m e t e r sa n dm a n u f a c t u r e st h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h es y s t e ma c c o r d i n gt o s e c u r i t yp r i n c i p l e ，l i a b i l 畸p r i n c i p l e ，c o n v e n i e n c ep r i n c i p l ea n dd i s c u s s e st h es t m c t u r e n a t u r eo fi ti nd e t a i l s e c o n d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i ci s o k i n e t i ct e c h n o l o g y , f u n c t i o na n d s t u d ys t a t u sq u oa n di n t r o d u c e st h ed e s i g n i n gb l u ep d n ta c c o r d i n gt ot h en a t u r eo f i s o k i n e t i cr e s i s t a n c ea n da c c o u n t sf o ri t ss t r u c t u r ea tl e n g t h i ta l s od i s c u s s e sh o wt o a p p l yp i dc o n t r o lt h e o r yt ot h ei s o k i n e t i ca r i t h m e t i cu s e di nt h i sp r o j e c ta n dh o wt o s i m u l a t et h ec o n t r o la r i t h m e t i cu n d e rd i f f e r e n ti n p u tb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n b yc o m p a r i n gs i m u l a t i o nr e s u l t 谢mt h e o r ya n a l y s i sr e s u l t , i tc o n c l u d e s 恤a tt h e a r i t h m e t i cu s e di sr i g h ta n dp i dp a r a m e t e r sa r er e a s o n a b l e t h i r d ，t h i sp a p e rd i s c u s s e ss o m ek e yt e c h n o l o g i e sd u r i n gs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ， f o re x a m p l et h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fh u m a nd a t a b a s ea n dt r a i n i n gi n f o r m a t i o n d a t a b a s e ，s e c u r i t ym a n a g e m e n t ，p o r to p e r a t i o n ，d r a w i n go ft r a i n i n gg r a p ha n ds h o w s t h e i rp r o g r a mi fn e c e s s a r y k e yw o r d s ：s a i l b o a r dp u m p i n g 、s y s t e ms i m u l a t i o n 、p i dc o n t r o l 、s o f t w a r e s y s t e m 帆板摇帆模拟训练测试系统的m 铂 1 前言 1 1 项目的来源、国内外背景及研究现状 1 1 1 项目的背景 竞技帆板运动是以风力为动力，通过运动员在板体上不断做出身体调整来维 持板体的操作平衡，并使帆发挥最佳受风效果，保持帆板在各航段以最佳速度行 驶，在最短的时间内行驶完规定竞赛航程的一项竞技活动。 在帆板运动中，有效的摇帆是优秀帆板运动员必须掌握的一门技术，它是在 关键的时刻超越对手、影响对手、保持自己优势的锐利武器。 1 9 9 2 年国际帆联修改规则，取消了原先每浪只允许摇帆三次的限制，允许无 限制摇帆。实践证明，摇帆确实能加快帆板的运行速度，于是有关摇帆的科学研 究成了国内外众多帆板教练员及科研工作者的研究重点，如在可以摇帆的范围内 研讨摇帆的实用性，研究摇帆提高航速的机理，分析摇帆方式、方法及摇帆的训 练技术，研制摇帆模拟训练的器材等。 自从我国在1 9 7 9 年由国家体育总局青岛航海运动学校试制成功第一条帆板 以来，我国的帆板运动得到了各级政府、体委的有力支持，很快普及到1 5 个省 市、3 0 多个城市。经过各界的共同努力，我国的帆板运动水平虽开展时间不长 但进步很快。1 9 8 2 年我国帆板运动员首次在第9 届亚运会亮相是排名第四，到 第1 0 届、第1 1 届和第1 2 届亚运会时，所设的帆板金牌尽收中国帆板运动员的 囊中。在重大国际竞赛中，女子选手曾获得过三次世界锦标赛金牌，并在第2 5 届巴塞罗那奥运会获得银牌，我国香港帆板运动员李丽珊获得第2 6 届亚特兰大 奥运会金牌1 2 j 。 虽然我国的帆板运动在国内外取得了一些不俗的成绩，但是客观来讲，我国 与世界帆板运动水平较发达的国家相比还有很大的差距，目前我国的帆船帆板总 体水平不是很高，迄今为止我国在奥运会帆船帆板比赛中只获得过女子帆板银 牌。主要原因是训练水平不高，训练手段简单，训练设备落后，不能进行定量训 练，已经成为阻碍我国帆板运动发展的制约因素。在这种情况下，为提高我国帆 板运动水平，研制“帆板摇帆模拟训练测试系统的研制”是非常有必要的。 1 1 2 项目的来源 北京成功申办2 0 0 8 年奥运会，给中国的体育事业带来了前所未有的发展机 遇。为了充分体现东道主的优势，并在2 0 0 8 年奥运会中占据天时、地利、人和 的情况下取得优异的成绩，为提高我国运动训练科学化水平和我国竞技体育综合 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 实力，充分调动各方面科技力量，针对我国运动训练中的关键问题，深入开展备 战2 0 0 8 年奥运会科技工作，争取在运动训练科学研究和开发的若干领域取得突 破，国家体育总局提出了“奥运争光计划”，即“金牌战略计划”，即除了在传统 的优势项目中继续保持外，旨在通过加大科研力量，在一共5 大项4 9 小项的边 缘项目中也加大投入，力争夺金。奥运项目中水上运动项目金牌数量是仅次于田 径项目的“第二大户”，其中的帆船、帆板项目在青岛举行，中国海洋大学地处 青岛，是一所以海洋为特色的综合性大学，为了发挥本身的优势并为青岛的奥运 事业作贡献，中国海洋大学工程学院和青岛航海运动学校联合投标了备战2 0 0 8 年奥运会科研攻关项目之一“帆板摇帆模拟训练测试系统”，并一举中标。 1 1 3 国内外研究现状 在国外，根据所查阅的文献以及在互联网上检索到的资料，迄今为止，国外 没有发现专门针对帆板运动摇帆训练的训练装置，仅有一些进行辘助体能训练的 简易器械。在项目的研制过程中，在向我国帆板界的一些专家、教练、领队请教 的过程中这一点也得到了证实【3 j 1 4 j 。 在国内，我国的帆板运动开展时间不长，训练手段和训练设备都相当落后， 前几年各省市的教练员普遍采用拉橡皮筋、拉杠铃片、拉石块等方法来提高运动 员的摇帆力量及耐久力，虽取得一定效果，但与实际摇帆的体能要求仍有较大差 距，且不能模拟实际的摇帆动作，训练只能取得事倍功半的效果。 1 2 研究本项目的意义 国家体育总局明确提出，“决策科学化是体育工作的关键”。为实现竞技体育 “奥运争光计划”的战略目标，提高我国竞技运动训练决策科学化水平，是竞技 体育发展的当务之急。帆船帆板运动以l o 余块金牌作为奥运会的重头戏之一， 其运动水平对奥运战略有重大影响，是各国竞相发展的重点项目。我国帆船帆板 运动近年来虽然有了长足的发展，但训练中传统经验决策仍占据主要地位，多定 性、少定量的决策方法已限制了我国帆船帆板运动的发展。为顺利实现我国帆板 运动在奥运会上零的突破，结合现代先进计算机技术，使帆船帆板运动的训练工 作智能化、科学化、定量化，是世界帆船帆板运动的发展趋势，也是我国帆船帆 板训练工作者的奋斗目标。自从国际帆联放开对帆板摇帆的限制后，在系统了解 帆船帆板运动项目特点的基础上，认为帆板运动训练的最重要的环节就是摇帆训 练，帆板运动能否取得理想的成绩摇帆训练的效果起着决定性的作用【“。研制该 系统对提高国内外的帆板运动水平都有重大意义。 首先，解决了国家及地方各帆板运动队训练设备落后的现状，提高我国的帆 板运动水平。以往，在岸上，各帆板队训练主要依靠简陋的设备进行简单的体能 训练。若进行专项帆板技战术训练则必须到海上才能够进行，条件艰苦，对运动 帆板摇忱漠拟训练测试系统的研制 员身体损害严重。开发出本系统，也可以在陆地上进行帆板技战术训练，大大弥 补了这一遗憾。 其次，由于本摇帆模拟训练测试系统能最大限度地模拟帆板的摇帆动作，因 此使用本模拟训练测试系统可以帮助提高运动员的摇帆技术动作，帮助国家帆板 队进行科学化训练，从而提高运动成绩。 最后，由于国内外没有类似的模拟训练测试系统，因此本系统填补了该项在 国内外的空白。我国各级帆板队有效使用本模拟训练系统，在陆上训练将占得先 机，在最短的时间内取得优异成绩，提高我国帆板运动的竞技水平，为国家帆板 队在2 0 0 8 年北京奥运会乃至2 0 0 4 年雅典奥运会中夺得金牌做出贡献。 1 3 项目研究内容 别别羹 基本摇帆动作 二二二1 二二 固定功能 具有等动等张阻力特性 能预置等张力大小 能设置等张模式的速度 确保等动等张力大小安全 身 一 向 臂 长 调 w 左 右 舷 摇 帆 调 节 身 体 后 倾 模 拟 便 携 性 不 同 风 段 模 拟 最低功能ll 扩展功能 机械结构部分 等 动 阻 力 源 f 摇帆模拟 l 阳练测试 i l 系统 i 一 i一 机电控制部分 工 控 计 算 机 触 摸 屏 数 据 采 集 卡 软 件 部 分 不 同 风 压 中 心 模 拟 教 练 口 贝 登 录 二 实 时 训 练 数据管理 任务管理 摇帆测试 人员管理 任务模式 阻力模式 训练模式 图卜1 摇帆模拟训练测试系统功能结构图 经过考察，对拟研制的帆板摇帆模拟训练测试系统所应具备的功能，和各位 釜一 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 教练员、运动员都已达成共识。即应满足系统机械结构的各种调整功能，保证操 作的方便性、模拟的真实性，并带有运动参数和身体生理参数( 主要是心率) 的 测试和评价功能。 首先是机械结构部分的研制。按照满足需求、经济合理、可靠性、最优化、 标准化、安全性、便携性和人机工程学等原则设计制造出系统的机械结构部分， 使之能够最大限度地模拟摇帆的基本动作平摇、转摇和振摇和帆板的受力特 点，并能满足其他调节如左右舷摇帆、桅杆前后左右调节等功能【1 0 】。 其次是阻力源的研制。先根据阻力源和机械系统机械结构部分的位置关系设 计制造阻力源的结构。然后设计一种伺服控制系统实现帆板帆面受力的等动特 性。该阻力源所提供的阻力特性应该满足以下特点：a 1 能根据需求方便地进行“等 动等张”的切换；b ) 能对等张阻力的大小进行预置；c ) 能实现不同风段阻力 特性的切换和预置： 最后软件部分的开发。本部分的主要内容包括：a ) 用户可以结合阻力源进 行各种参数的设置以进行实时训练。可以实时显示摇帆时间、摇帆频率、做功量 等运动学参数和心率等生理参数并能对这些数据加以保存。b ) 不同用户在自己 的使用权限范围内对人员信息资料进行科学管理。c ) 训练信息管理模块功能包括 对系统数据进行存储、打印和修改。 1 4 研究方案的确定 1 4 1 系统机械结构 1 系统机械结构要求 满足需求原则所设计的系统机械结构应能最大限度地满足帆板运动员 训练的要求，实现帆板摇帆的基本动作要求：平摇、振摇、转摇和复合摇动。还 能够对机械结构进行适当的调整以满足不同的需要。 经济合理原则所设计的系统机械结构应该结构先进、功能好、成本低、 使用维修方便、在产品的寿命周期内，用最低的成本实现产品的规定功能，做到 物美价廉。 可靠性原则在规定使用条件和规定时间内，产品能完成规定功能的可靠 程度要高，故障率低。 最优化原则在给定的设计目标下，用优化设计方法，从若干可行方案中 找到优选的方案。 标准化原则所设计的系统机械结构所使用的各种零部件的规格、参数的 选择都应符合国家标准，零部件应能撮大限度地与同类产品的零部件通用，同一 产品中的零部件尽可能互换，产品应成系列发展。 帆扳摇帆模拟训练测试系统的研制 安全性原则由于系统机械结构需要承受的载荷较大，因此应该绝对保证 安全。要保证训练者和管理者的安全和系统机械结构本身的安全，以及保证设备 对周围环境无危害。 便携性原则由于运动队的训练并不是在某个固定的地方，因此系统机械 结构应能进行方便的拆卸、运输、安装。 人机工程学原则所设计的系统机械结构要充分考虑到训练者、系统机械 结构和训练环境之问的相互关系。使用户在使用本系统机械结构的过程中操作便 捷，环境舒适，反应灵敏，提高效率。应使产品在使用中与人体相协凋，根据人 体身高、臂长及出力等各种数据，来确定机器高度：操作零件尺寸、重量和排列 位置等【1 7 1 1 8 l 。 2 系统机械结构研究方案的确定 ( 1 ) 建立“运动员一运动一环境”的多体动力学模型。通过数值计算和计 算机仿真获得真实体育运动、比赛中运动员所需的训练条件以及技术条件、技术 要求( 如力量、速度、动作、需要训练的肌肉群等) 方面的资料。 ( 2 ) 根据所建的多体动力学模型，可以为获得高速度、稳定性和可操作性 作所需要的器材参数、控制参数( 如阻力大小) 的配置、分析环境变化对训练要 求( 如肌肉群、训练强度、运动的力量速度等) 的影响以及模拟体育训练系统的 结构设计、技术性能指标的确定等提供科学的指导。 ( 3 ) 根据建立的多体动力学模型和运动员实际运动的动作特征进行体育器 材的设计制造。 1 ) 首先进行机械结构的设计。结合有关帆板运动专家、国家级教练员、运 动员和专业体育健身器材生产厂家工程师的意见，根据机械产品设计的要求、帆 板运动摇帆的动作特点、人机工程学等各方面的实际情况的要求确定系统机械结 构的各种参数，包括器械的外形、体积和控制参数等1 。 2 ) 根据确定的体育器材的各种参数及系统机械结构的结构特征，利用 s o l i d w o r k s 2 0 0 3 、a u t o c a d 2 0 0 0 等绘图软件，绘制图纸。并在计算机上对机械系 统迸行虚拟装配，并对其进行受力分析、强度校核和运动分析，模拟体育健身器 材或训练器械的工作情况，进行快速分析比较，以优化设计方案1 2 q 。 1 4 2 等动阻力源 1 等动阻力源功能要求 运动员的摇帆动作通过模拟桅杆和摇卡t 转化为拉索的直线运动，再通过拉索 带动阻力源，阻力源提供的等动阻力能很好地模拟帆板驶帆时空气动力或摇帆时 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 风帆气动力与风帆帆行风矢量合成的气动力i l 。 根据风作用在帆上的力的特点近似有等动特性( 等动的概念将在后面的 章节中作详细阐述) ，因此阻力源所提供的阻力特性应该满足以下特点： a ) 阻力应该具有等动和等张特性，并能根据需求方便地进行“等动等张” 的切换： b ) 能对等张阻力的大小进行预置； c ) 根据等动特性，能对阻力源的速度及在不同速度条件下所需阻力大小进 行方便的调节； d ) 实现不同风段阻力特性( 不同摇帆方式) 的切换和预置； e ) 阻力源可以提供的阻力必须能满足运动员训练的需求，至少能提供l o o k g 的阻力。 2 等动阻力源方案确定 ( 1 ) 等动阻力源方案确定 综合比较国内外的各种等动阻力源的优劣，包括电磁阻原理、风轮原理、水 轮原理、液压原理等，以上阻力源的特点总是存在这样或那样的缺点。本方案中 提出了一种全新的等动阻力模式，即根据伺服电机的机械特性易于控制的特点， 决定采用“滚筒一伺服电机一拉索”的阻力源结构【3 9 1 1 4 0 4 1 a 2 l 。 ( 2 ) 等动算法的确定 采用“滚筒一伺服电机一拉索”的阻力源结构，根据等动阻力的特性，根据 “运动员的拉力一拉索的速度一滚筒的转动速度一电机的转动速度”，对伺服电 机按照某种算法根据伺服电机的输入速度对电机的输出转矩进行控制，从而实现 阻力的等动特性。 本系统采用的是p i n 控制算法，根据计算机仿真确定各个环节的系数。 1 4 3 机电控制方案确定 ( 1 ) 采用p c 一1 0 4 嵌入式计算机； ( 2 ) 自行研制数据采集卡( a d ，d a 转换) ； ( 3 ) 输入设备采用触摸屏，显示屏采用液晶显示屏。 1 4 4 软件部分 1 软件功能要求 阢皈摇帆模拟训练测试系统的刮f 制 软件包含以下基本功能模块： 1 ) 实时训练。在本模块，用户可以结合阻力源进行各种参数的设置以进行 实时训练。训练过程中，用户可以实时观察到以数据、曲线、柱状图、进度条的 形式显示摇帆时间、摇帆频率等运动学参数和心率等生理参数。 2 ) 人员信息管理。在本模块，教练员和运动员对本系统有不同的使用权限， 不同用户应该在自己的使用权限范围内对资料进行相关的管理，可以进行添加用 户、删除用户、修改信息资料、修改密码等信息管理操作。 3 ) 训练信息管理。训练信息管理模块功能包括对系统数据进行保存、打印 和修改。对系统数据的访问不需专门授权，可直接在系统中进行数据输出。为了 确保系统的安全性、防止误操作的发生，系统对数据库结构和库内数据的修改以 安全口令为安全性保障，只有取得修改权限的用户才能有权进行操作根据所输入 的各种运动参数和生理参数，按照一定的原则对收集到的信息进行比较、计算、 整理，然后给出训练结果、效果及相应的建议，系统能提供的主要的建议有训练 负荷的控制、训练效果的量化评定以及训练计划的制定等，最后所有的数据都存 入数据库1 2 5 j 。 4 ) 帮助文件：该模块主要介绍软件的安装、卸载、系统的详细使用方法、 使用中的注意事项、故障处理等。 5 ) 帆板百科知识全书：该模块介绍大量有关帆船帆板运动的知识、各种运 动参数和生理参数的功能及选取原则等，极大地方便了用户对帆船帆板运动的不 同层次的了解以及对不同程度的训练要求等，大大方便了用户的使用。 2 软件研究方案的确定 根据实际需要，“帆板摇帆模拟训练测试系统”软件部分的研制拟采用下列 方案： 主要的开发工具是d e l p h i6 0 ，为了增加软件系统画面的美观，系统界面的 各种特效控件用p h o t o s h o p 制作。 软件系统编制过程中用到的技术如下： 人员信息管理及训练信息管理 本模块通过o d b c 驱动程序来调用数据库，并用结构化查询语言s o l 来对数 据库进行各种操作，由于不同的数据库文件有不同的驱动程序，本程序中使用的 数据库文件是s o l 数据库文件，并创建其驱动程序。使用i n t e r b a s es q ll i n k 、 o d b c 、o l e 等技术，使其成为一个开放的系统，可与其它软件共享信息2 m 。 实时训练系统模块 a ) 根据研制的工控计算机和数据采集设备、以及心率接收装置等，利用端1 3 汇编语言程序直接对串口进行操作。 本系统采用伺服电机系统，需要直接对i 0 地址进行读写操作，针对这一问 9 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 题，在程序的编制过程中使用d e l p h i 以内嵌汇编的方式编写了一个模块 p o r t p a s ，可方便地实现直接对i o 地址的读写操作，代码简捷且执行速度较快。 在系统中，有些数据需要后台处理，因此，对一个w i n d o w s 程序员来说，线 程提供了非常大的好处，在本系统中，需要创建多个附属线程。 w i n 3 2 通信编程接口( a p i ) 用来以交互的流模式发送或者接收数据。在设置 通信配置和发送错误敏感( e r r o rs e n s i t i v e ) 、无限制( n o nt i m ec r i t i c a l ) 的数据时，该接口尤其有用【9 4 】【9 9 】。在本系统开发过程中，多处用到了通信编 程接口( a p i ) 。 1 5 项目取得的成果 经过项目组一年多的努力，帆板摇帆模拟训练测试系统已经研制成功，系统 的照片如图卜2 所示。该训练测试系统是一项涉及机械设计制造、精密仪器、机 电一体化、计算机控制、软件开发等诸多高新技术范畴的创新，它不仅能最大限 度地模拟帆板运动的摇帆动作，而且增加了运动参数和身体生理参数的测试和评 价功能。 该系统的机械结构部分的主立架采用三脚架结构支撑，强度高，剐性好，安 全可靠。外形大方，造型美观，色彩搭配和谐，结构设计符合人机工程学。能最 大限度地模拟帆板摇帆技术动作，通过对某些部件的方便的调节可以实现 ( 1 ) 对风帆气动力作用中心的变化进行模拟。 ( 2 ) 摇杆方便的上下调节，以满足不同身高的运动员训练的需要。 ( 3 ) 对不同风段的阻力特性进行模拟。 ( 4 ) 对运动员在摇帆过程中在帆板板体上不同站位位置的模拟。 本系统的阻力源采用最先进的微电子、计算机、运动控制技术和伺服控制技 术，能够实现阻力特性的调整，运动参数的测试和数字化控制。本系统研制的是 当今使用最广泛、训练阻力类型最科学的等动阻力源，使用本系统的等动阻力源 可以方便地进行下列设置： ( 1 ) 实现“等动”与“等张”阻力类型的切换； ( 2 ) 对等张训练阻力的大小进行预置： ( 3 ) 对阻力源的速度及在不同速度条件下所需阻力大小进行方便的调节； ( 4 ) 实现不同风段阻力特性( 不同摇帆方式) 的切换和预置。 本模拟训练测试系统可以设定下列训练模式： ( 1 ) 正常训练模式( 对训练时间和动作次数无要求) ； ( 2 ) 预先设定训练时间； ( 3 ) 预先设定训练次数； ( 4 ) 预先设定总做功量； 0 帆扳摇帆模拟训练删试系统的研制 图卜2 帆板摇帆模拟训练测试系统照片 本系统采用嵌入式计算机、数据采集卡、液晶显示屏和触挨屏组成的一体机， 技术先进、功能强大、造型美观、使用方便。 本系统实时训练模块可以实现系统比较完备的训练功能。本设备具有上肢等 动力量、速度、耐力和爆发力等训练项目，可最大限度地模拟真实比赛情况。 本系统带有完备的运动员训练情况数据库和人员信息管理数据库。本项目在 采集数据的基础上建立运动员的训练数据库，包括各种运动参数和生理参数以及 训练过程中的各种曲线，教练员可以充分利用这些数据帮助确定训练效果及制定 训练计划等，以提高科学训练水平。利用人员信息管理数据库可以对运动队人员 的信息档案进行科学的管理。 总之，充分利用本系统对提高帆板运动员的体能、专项体能、专项技能、摇 帆水平和训练效果将会有很大的帮助，充分利用该训练测试系统可以改变当前帆 板训练设备落后的现状，使用专用仪器器材量化训练指标进行运动诊断和有针对 性的训练，为提高训练水平和训练质量，为我国帆板队在奥运会比赛中取得好成 帆扳摇帆模 | ： 训练测试系统的研制 绩做出贡献。 目前，“f y x i 型帆板摇帆模拟训练测试系统”已经于2 0 0 4 年2 月1 2 同通 过国家体育总局水上运动管理中心专家组的预验收，专家组对项目给予了非常高 的评价，一致认为本系统的各项性能指标达到了国际先进水平，属“国内首创， 国际领先”。目前，该系统已交付福建东山国家帆板队备战2 0 0 4 年雅典奥运会使 用。国家队训练图片如图卜3 所示。 图1 - 3国家队队员使用本系统进行训练 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 2帆板摇帆模拟训练测试系统机械结构的设计 图2 - 1 一次摇帆动作的过程 有效的摇帆是优秀帆板运动员必须掌握的一门技术，它是在关键的时刻超越 对手、影响对手、保持自己优势的锐利武器。 顾名思义，摇帆就是对帆具进行连续的、有节律性的摇动，摇帆的基本技术 动作分为四个部分 2 1 ，如图2 1 ： ( 1 ) 摇帆的发动： 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 ( 2 ) 利用整个身体运动加速； ( 3 ) 利用上身控制增强加速运动； ( 4 ) 恢复并准备下一次摇帆。 摇帆是要充分利用身体重量向下及上风拉帆杆，使帆具开始摇动。随着帆具 的运动，板体需要加速，为此，腿部由屈曲状态伸直。当动作完成得恰到好处时 帆具就达至u 相当大的速度。最后，运动员应完全在板体上站直。因为摇帆是通过 杠杆作用实现的，所以髓骨的姿势、躯干肌的力量控制着动作的效果和稳定性。 随着帆具的继续加速，手臂逐渐拉帆靠近身体( 即收帆) 。最后使后手臂爆 发性地向内收帆。在整个摇帆过程中帆杆的前部大致遵循一个椭圆形的运动轨 迹。 应当注意，在有效的摇帆过程中，手臂不要孤立做功，要和背部肌肉协同以 产生足够强的摇帆力量。在每一舷的摇帆过程中，躯干两侧肌肉负荷是不均衡的， 产生有效收帆运动的手臂肌肉收缩之前，躯干肌肉即进行收缩。简而言之，摇帆 需要全身的整体协调运动来完成，并通过上身来控制。 复位包括为下一次摇帆立起帆具，仍然是收帆状态，帆具尽可能向前倾斜， 为下次舀风动作做准备。后手臂逐渐伸直，当帆具向前移动时，有效地向外送帆。 2 1 2 帆剖面的摇动 摇帆时，沿帆面任高度处的剖面都在摇动，所以研究帆剖面的摇动，也就 是整个帆的摇动。任何摇帆动作都可以将其分解为帆剖面的两种最基本的摆动方 式，即平动和旋转运动。平动又分前后和侧向移动，转动又分为绕首转和绕尾转， 这里的“首”指的是桅杆，“尾”指的是帆后边1 2 j ，如图2 2 所示。 龛毒产茅 _ 图22 帆剖面的平动和旋转运动 根据上述的平摇和转摇两个基本的摇帆动作，我们又可以把摇帆动作分为以 下几类： 平摇：平摇定义为大幅度的、频率较慢的帆面的前后摇动； 振摇：振摇定义为小幅度的、频率较快的帆面的前后摇动； 帆扳摇帆模拟训练测试系统的研制 转摇：如上所述，转摇定义为帆面的绕首摇动和绕帆后边摇动； 复合摇：复合摇定义为摇帆动作是最基本的平摇动作和转摇动作的结合。 2 _ 2 结构组成 2 2 1 机械结构 根据在第一节中阐述的有关帆板摇帆动作的特点，建立“运动员一运动一环 境”的多体动力学模型，通过数值模拟和计算机仿真获得实际训练、比赛中运动 卜踏板；2 - 左右调节装置；3 一模拟桅杆；4 一摆动双滑轮；5 一后端主立架；6 斜立柱；7 一 底架；8 万向节 图23 系统机械结构的总体结构图 员所需的训练条件以及技术条件、技术要求等多方面的资料，然后确定器材参数、 控制参数的配置；按照安全、可靠、实用、美观、方便的原则设计制造出摇帆模 拟训练测试系统的基本结构【3 4 【3 5 】，如图2 3 。主要由底架、后端主立架、斜立柱 和可调式摇杆及附属结构组成。 2 2 2 拉索走向 该系统机械结构的拉索走向图如图2 4 所示。绳索走向结构由三段绳索l o 、 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 l l 、1 2 ，动滑轮3 、4 、7 、8 ，定滑轮1 、2 、5 、6 、9 组成。动滑轮3 和4 固定 在一起，二者作为一个整体上下滑动，动滑轮7 和8 固定在一起，二者作为一个 整体可以沿着系统机械结构机体的斜立柱上下滑动。 绳索1 0 的两端绕过动滑轮3 ，绳端向上，其一端绕过定滑轮2 、9 、8 ，另一 端绕过定滑轮1 、5 、6 、7 ，最后绳索两端通过卡头和绳索1 2 连接。绳索1 2 连 接到摇杆，作用力作用在绳索1 2 上。绳索绕过定滑轮4 绳端向下，一段固定， 另一段缠绕在阻力源的滚筒上。 绳索走向侧视图绳索走向主视图 1 、2 、5 、6 、9 - 定滑轮；3 、4 、7 、8 一动滑轮；1 0 、l l 、1 2 一绳索 图2 4 系统机械结构的拉索走向图 2 3 系统机械结构的功能要求及实现方法 对于本帆板摇帆模拟训练测试系统机械结构部分的功能，主要从以下几个方 面来分析：固定要求、晟低要求、其它要求【2 9 1 3 0 l d l 】【3 2 l 。 2 3 1 固定要求及实现方法 对于要设计的系统的机械结构部分，根据帆板摇帆运动的动作特点，确定本 系统机械结构部分的固定要求是：通过本机械结构部分( 或对其进行简单调整) 能方便地模拟摇帆的基本动作。如在第一节中介绍，帆板摇帆主要有平摇、转摇、 振摇和复合摇四种基本动作。抽象到模拟桅杆，亦即模拟桅杆必须能绕模拟桅杆 与机械结构部分底架的连接点在水平平面内做3 6 0 。旋转。 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 帆板的基本摇帆动作( 平摇、转摇、振摇和复合摇) 主要通过万向节结构来 实现。该万向节结构如图2j 所示 卜调节螺栓；2 - u 形铁块转动轴；3 一模拟桅杆；4 一u 形铁块；5 - u 形铁块；6 州形铁块转 动轴；7 一方管；8 一t 形方管。 图2 - 5 万向节的详细结构及连接图 模拟桅杆3 连接的是可调式摇杆结构，运动员训练时通过对可调式摇杆的作 用，通过图2 5 所示的万向节结构就可以实现基本的摇帆动作。 2 3 2 最低要求及实现方法 根据用户的情况、帆板运动的特点和人机工程方面的考虑，该系统的机械结 构部分应该具有下列最基本功能【j o 】： ( 1 ) 不同的运动员训练时，系统机械结构应该能根据不同运动员的身高而 进行适当的调节： ( 2 ) 应该能进行左舷或右舷摇帆： ( 3 ) 应该能模拟帆板摇帆时的运动员的上身向后倾斜的姿势； ( 4 ) 根据不同运动员的臂长，应该能对模拟桅杆的位置进行前后左右的适 当调节。 针对要求( 1 ) ，本设计通过可调式摇杆装置( 如图2 - 6 所示) 来实现。 帆板摇i 帆模拟训练测试系统的研制 1 、3 、6 、8 - 调节螺栓；2 一铝合金组焊件；4 、9 - 安装护套；5 一摇抨：? 一滑动套筒；1 0 - 铝合金管 图2 - 6 可调式模拟摇杆结构 铝合金组焊件2 插在铝合金管1 0 里面，松开调节螺栓l ，则铝合金组焊件2 可以在铝合金管l o 里面上下抽动，调节至合适的高度，拧紧调节螺栓l 就可以 满足摇杆5 的高度符合不同身高的运动员使用。 针对要求( 2 ) ，在底架的两侧均安装有可安装万向节结构的装置，如图2 7 所示。在图2 - 5 中，卸下万向节就可以把u 形铁块转动轴2 、模拟桅杆3 、u 形 铁块4 、u 形铁块5 、u 形铁块转动轴6 拆开卸下，然后安装在底架的另一侧的相 应结构上，即可以实现左舷或者右舷摇帆。 图2 7 左右舷摇帆调节装置 针对要求( 3 ) ，根据帆板运动摇帆动作的特点，运动员在摇帆时上身略微后 倾，这样运动员爿能发力均匀。为实现这。动作姿势的模拟，铂：本系统机械结构 r - 设f 了踏板装甫来进行模拟，如图2 8 所j 。 运动员训练时就_ 五【l 在踏板l 一，由于踏板的表血是一个带有定弧度用花纹钢 板做成的弧皿，所以，运动员i j ij 练时可以l _ 后倾斜一定角度，可以真实模拟运动 员实际驶帆时的姿势。并且由r 该花纹钢板表面粗糙，运动员训练时站在上面摩 擦力较人，能增强训练效果。 图2 - 8 踏板装置 针对要求( 4 ) ，在本系统机械结构中设计了模拟桅杆的前后左右调节装置 如图2 - 9 所示。 1 调1 i 螺栓；2 方箭；3 t 形方管：4 一调节螺栓：5 一方管；6 紧定螺栓：7 一模拟桅杆，8 l i 一万向节结构。 圈2 - 9 滑块调钳及万向转结构 叭扳抗帆模拟训练测试乐绩的硼洲 松动调节螺栓1 ，则，r 形方管町以套在方管2 卜滑动，拧紧调节螺栓11 j j t l , g 以固定方管2 羊t 彤方管的相埘位置。松动调节螺栓4 ，则方管or u 以在t 肜方 管：3 内厶二右抽动，拧紧调节螺栓4 则可以闭定细方管5 和t 形方管的相对位置。 调节螺栓6 只起紧定作用。如此操作便可以实现模拟桅杆7 的前后左右调节，从 而实现不同臂长以及不同摇帆习惯的运动员进行训练。 2 3 3 其它要求及实现方法 除了该系统机械结构必须具备的最低要求和固定要求之外，还应该尽量从用 户的角度考虑，增加系统机械结构部分的其它功能，从而方便用户使用”“。 1 便携性 由于实际条件的限制，运动员不能总是在一个地方进行陆上训练。所以，该 系统机械结构最好具有良好的便携性，由于该系统机械结构机体庞大，所以该系 统机械结构必须能进行方便的拆卸。本系统机械结构通过以下设计来满足这一要 求。 本系统机械结构采用后端主立架、斜立柱和底架组合成三脚架结构支撑，强 度高，刚性好，安全可靠。因此，把系统机械结构中的后端主立架、斜立柱、底 架和可调式摇杆拆卸开来，就可以方便地运输，从而实现便携的目的。 详细结构结合下列示意图作详细说明： ( 1 ) 主立架和底架的连接 底架和后端主立架的详细连接结构如图2 1 0 所示：卸掉固定螺栓，则“l ” 形固定护板和主立架、底架便可分离开( 主立架和主立架横梁焊接为体) ，这 样就实现主立架和底架的方便安装与拆卸。 图2 一1 0 主立架与底架的连接结构 ( 2 ) 斜立柱与底架滑轮连接结构 如图2 - 11 所示，卸下滑轮轴螺栓、护板螺栓和护板与底架连接螺栓，“l ” 形斜立柱护板就可以和斜立柱与底架分离，立架和底架分离： 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 图2 - 1 1 斜立柱与底架滑轮结构 ( 3 ) 斜立柱与后端立架的连接结构 斜立柱和后端斜立柱连接结构如图2 1 2 。 护板螺柱 图2 一1 2 斜立柱与后端立架的连接结构 卸下护板螺栓，便可以卸下立架护板；卸下滑轮轴螺栓就可以卸下滑轮2 ； 进行类似操作可以卸下滑轮1 。 ( 4 ) 可调式模拟摇杆的拆卸 在图2 9 中，卸下u 形铁块转动轴就可以使模拟桅杆和与之相连接的方管分 开。底架、后端主立架、斜立柱、可调式摇杆这四部分可以方便地拆卸与安装， 拆卸后运输也比较方便，这样就实现该系统机械结构的便携性。 2 模拟不同风段的摇帆 由于在实际的帆板竞赛中，要经历迎风段、顺风段、侧顺风段和横风段，根 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 据帆板帆的受力特点，帆在不同的风段的受力特点不同，如果能在该系统机械结 构中通过机械结构来模拟帆板的帆在不同风段的受力特点，将会更加真实地模拟 帆板的实际运动。 采用“摇杆拉索左右调节结构”来模拟帆板的这一受力特性。如图2 一1 3 所 不： 图中调节螺栓是摇杆“左右移动护套调节螺栓”，该螺栓可以按照图中所示 弧线箭头方向松动或拧紧，螺栓松动时，摇杆上的摇杆套筒松动并可以按照图中 所示“摇杆套筒移动方向”移动，调节摇杆套筒到合适的位置，拧紧调节螺栓， 摇杆套筒在摇杆上的位置就固定。拉索可以固定在图2 1 3 中所示的三个拉索固 定孑l 内，从而就可以实现摇杆拉索在摇杆上的不同位置，以模拟帆板在不同风段 的阻力特性。 图2 1 3 摇杆拉索左右调节结构 3 对风作用在不同的风压中心的模拟 帆板的帆在风中的摆放位置不同时，风作用在帆上的作用点也不同，而且帆 的这一受力特点在很大程度上影响着帆板的运动成绩。能否对帆的这一受力特点 进行真实模拟将会影响运动员使用该系统机械结构的感觉，对提高运动员的成绩 也起着不可估量的作用。 对风在帆上的不同风压中心的模拟是通过“摆动双滑轮结构”来模拟的。其 具体结构如图2 1 4 所示： 该摆动双滑轮的作用有两个： ( 1 ) 沿图中箭头方向所示拉开调节螺栓，此时“摆动双滑轮”可以沿着斜 立柱按图中所示“摆动双滑轮上下移动方向”滑动，推动调节把手到合适的位置， 松开调节螺栓，“摆动双滑轮”就被卡死在斜立柱上，这样就实现绳索在不同的 最高处位置，以模拟风作用在帆上的不同作用中心。 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 图2 1 4 斜立柱摆动双滑轮结构 ( 2 ) 在进行不同风段的模拟训练或者运动员进行转摇训练时，与摇杆相连 接的拉索是左右摆动的，如果该滑轮固定在某一个位置不动，则拉索将会磨损滑 轮的侧壁，同时由于摩擦，也会使力的特性发生变化，所以一定要使拉索在不同 位置时，拉索也始终处于滑轮槽内。如图2 1 3 所示，该“摆动双滑轮”可以沿 箭头方向左右摆动( 摆幅达1 8 0 。) ，这样无论运动员进行转摇、平摇或复合摇 等各种摇帆动作或者摇杆套筒如何在摇杆上左右滑动，都能保证拉索在滑轮槽 内，从而解决了上述问题。 2 4 本章小结 1 本章首先简单介绍了帆板运动的特点，并结合摇帆时帆剖面的运动对帆 板摇帆的动作特点做了详细分析。 2 根据在第一节中阐述的有关帆板摇帆动作的特点，建立“运动员一运动 一环境”的多体动力学模型，通过数值模拟和计算机仿真获得实际训练、比赛中 运动员所需的训练条件以及技术条件、技术要求等多方面的资料，然后确定器材 参数、控制参数的配置； 3 按照机械设计的基本思路、程序、要求、原则、帆板摇帆的运动特点， 以及造型工程和人机工程的要求，设计出帆板摇帆模拟训练测试系统机械结构， 并给出总体效果图，对机械结构的总体结构做了详细说明。 4 结合帆板运动的特点和系统机械结构部分的结构特点详细介绍了利用该 系统机械结构部分如何实现对帆板摇帆动作。 帆板摇帆模拟训练测试系统的研制 3 阻力源的研制与仿真 3 1 等动技术概述 3 1 1 等动技术的基本概念 等动为一种阻力负荷类型。体育训练、民用健身训练器械的阻力负荷大体可 归纳为等张、等长、等动三种类型。 ( 1 ) 等张。就是在训练过程中无论动作过程中骨骼杠杆角度和肌肉纤维长 度如何变化，阻力负荷始终保持恒定，如重力砝码式阻力装置。使用这种阻力负 荷进行练