電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)

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

電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)

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

針對(duì)目前人墻訓(xùn)練裝置安全性差、固定靜止擺放的缺點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)一種通過(guò)操作手柄開(kāi)關(guān)電機(jī)的接通和斷開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)被控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下模擬足球人墻進(jìn)行訓(xùn)練的裝置，從而提高足球任意球訓(xùn)練的質(zhì)量和效率。對(duì)足球裝備器材研發(fā)有一定的意義。

足球；電動(dòng)；模擬；人墻裝置

0 引言

現(xiàn)代足球比賽中任意球是進(jìn)球得分的重要進(jìn)攻手段，國(guó)際足聯(lián)技術(shù)報(bào)告多次提到世界杯比賽中有1/3的進(jìn)球與任意球有著直接或間接的關(guān)系，因此各國(guó)都非常重視任意球的攻防訓(xùn)練。目前，在訓(xùn)練中采用的排人墻形式主要有兩種，一是根據(jù)對(duì)方罰任意球的地點(diǎn)和位置，組織隊(duì)員排列人墻這種形式，優(yōu)點(diǎn)是隊(duì)員更接近于比賽實(shí)踐要求的環(huán)境和條件，不足之處是由于主罰隊(duì)員在練習(xí)的同時(shí)，需要6到7名的隊(duì)員協(xié)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(shè)立若干個(gè)固定模擬物（如標(biāo)志桿或人形靶），這種形式的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用方便，可以代替人墻站位來(lái)模擬任意球的訓(xùn)練，但這種形式的人形靶是固定靜止不動(dòng)的，達(dá)不到比賽中的真實(shí)環(huán)境和條件也難以實(shí)現(xiàn)“人墻”干擾后二次攻守的場(chǎng)景和訓(xùn)練機(jī)會(huì)，直接限制了主罰與攻守隊(duì)員按照實(shí)戰(zhàn)要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訓(xùn)練，使得訓(xùn)練與比賽相對(duì)脫節(jié)，勢(shì)必影響到在比賽中的臨場(chǎng)發(fā)揮。

本研究試圖改變目前足球訓(xùn)練任意球時(shí)普遍使用脫離比賽實(shí)踐的固定靜態(tài)人墻訓(xùn)練器材，提供一種全新裝置，通過(guò)教練員遙控可以使"人墻"上下跳動(dòng)和左右擺動(dòng)，能夠模擬出更加符合現(xiàn)代足球比賽實(shí)踐要求的環(huán)境和條件，使訓(xùn)練更加貼近比賽。研制該訓(xùn)練輔助裝置對(duì)提高訓(xùn)練任意球的質(zhì)量和效率，提高足球訓(xùn)練的科學(xué)化水平，增添相關(guān)訓(xùn)練裝備器材和新產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)的總體思路

本裝置的設(shè)計(jì)初衷來(lái)源于訓(xùn)練中遇到的實(shí)際問(wèn)題，目前尚未見(jiàn)到相似的模擬足球人墻訓(xùn)練裝置。設(shè)計(jì)目的是提高足球訓(xùn)練的自動(dòng)化水平，減小訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效率?？傮w設(shè)計(jì)思路如下圖1。

2 裝置機(jī)械控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置主要用于在足球訓(xùn)練和比賽過(guò)程中，能夠模擬足球隊(duì)員，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)彈跳，以達(dá)到對(duì)任意球進(jìn)行攔防的目的。該系統(tǒng)的組成部分有：帶有滾動(dòng)輪的底座、電機(jī)及其控制系統(tǒng)、鍵盤控制單元、曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)和安裝有假橡膠人的支撐基板共五大部分組成。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，操作簡(jiǎn)單方便，性能穩(wěn)定可靠，而且易于移動(dòng)，室內(nèi)外均可使用。設(shè)計(jì)要求步進(jìn)電機(jī)控制下的模擬人自動(dòng)彈跳系統(tǒng)，控制模擬橡膠人能實(shí)現(xiàn)垂直方向上距離為0.3m的彈跳。

根據(jù)要求，系統(tǒng)劃分為電機(jī)及其控制部分、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)兩大模塊。其中電機(jī)及其控制模塊分為單片機(jī)控制部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，開(kāi)關(guān)輸入部分。機(jī)械傳動(dòng)部分是系統(tǒng)的執(zhí)行模塊，可分為曲柄-滑塊機(jī)構(gòu)，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(tǒng)框圖

為了提高整個(gè)系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，電機(jī)正常工作中處于常轉(zhuǎn)狀態(tài)，通過(guò)相應(yīng)電磁離合器的吸合及吸合時(shí)間控制，實(shí)現(xiàn)各電機(jī)的協(xié)同控制，完成指定的人墻跳躍和移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。其中主移動(dòng)電機(jī)安裝正反電磁離合器，實(shí)現(xiàn)人墻橫向的往復(fù)移動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)本裝置中擬采用PLC為控制核心，結(jié)合輸出繼電器的開(kāi)合及系統(tǒng)自帶的定時(shí)器功能，實(shí)現(xiàn)不同任意球射門條件下樣機(jī)的指定運(yùn)動(dòng)，其中定時(shí)器的時(shí)間參數(shù)可以依據(jù)變化規(guī)律的研究結(jié)果及樣機(jī)調(diào)試實(shí)時(shí)設(shè)定。

3 裝置電器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

訓(xùn)練裝置由彈跳裝置A和B及左右移動(dòng)部分組成，系統(tǒng)分別由三臺(tái)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)、電磁離合器和其控制系統(tǒng)分別裝在小車和A、B部分上。

3.1按鈕控制過(guò)程分為幾種工作狀態(tài)

按TQ1按鈕，A部和B部同時(shí)動(dòng)作；按TQ2按鈕只有A部動(dòng)作而B(niǎo)部不動(dòng)；同理按TQ3按鈕B部動(dòng)作A部不動(dòng)。左右移動(dòng)部分由鈕子開(kāi)關(guān)T4控制，當(dāng)T4處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)按TQ1~TQ3按鈕時(shí)A部或B部只作上跳動(dòng)作，當(dāng)開(kāi)關(guān)T4閉合時(shí)，按動(dòng)TQ1~TQ3按鈕時(shí)A部或B部除上跳動(dòng)作外還同時(shí)做左右方向的水平移動(dòng)。

3.2電動(dòng)機(jī)主電路及控制電路的組成和控制過(guò)程

電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)M1通電啟動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)輔助觸點(diǎn)PK1閉合自保，松開(kāi)QD1按鈕電機(jī)仍可繼續(xù)運(yùn)行，完成啟動(dòng)過(guò)程。按TZ按鈕PK1線圈失電主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)M1停止運(yùn)行。其余兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止操作過(guò)程與此相同。如圖3所示。

圖3　電動(dòng)機(jī)主電路及控制電路的組成和控制示意圖

圖1　 設(shè)計(jì)的總體思路

3.3電磁離合器部分電路組成和控制過(guò)程

電磁離合器控制電路由繼電器TK1～TK4、時(shí)間繼電器TS1～TS4、電磁離合器驅(qū)動(dòng)線圈EM1～EM3及開(kāi)關(guān)和按鈕組成。

T4開(kāi)關(guān)用于選擇A、B部是否水平移動(dòng)，當(dāng)T4閉合時(shí)A、B部在上跳的同時(shí)做水平移動(dòng)。按TQ1按鈕，繼電器TK1線圈得電吸合，同時(shí)，時(shí)間繼電器TS1線圈也吸合，輔助觸點(diǎn)TK1閉合自保，其余TK1輔助觸點(diǎn)也同時(shí)接通，繼電器TK2～TK4線圈與時(shí)間繼電器TS2～TS4的線圈全部得電吸合（T4開(kāi)關(guān)閉合狀態(tài)），主觸點(diǎn)TK2～TK4同時(shí)閉合，電磁離合器驅(qū)動(dòng)線圈EM1～EM3同時(shí)吸合動(dòng)作，系統(tǒng)的A、B部同時(shí)上跳并水平移動(dòng)。時(shí)間繼電器延時(shí)斷開(kāi)的輔助觸點(diǎn)TS1～TS4經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后斷開(kāi)，使繼電器TK1～TK4失電，主觸點(diǎn)TK2～TK4斷開(kāi)，電磁離合器分離，完成動(dòng)作。

按TQ2按鈕，繼電器TK2線圈得電吸合，時(shí)間繼電器TS2線圈吸合，主觸點(diǎn)TK2閉合，電磁離合器EM1得電動(dòng)作，A部做上跳動(dòng)作。如果此時(shí)T4開(kāi)關(guān)是閉合狀態(tài)，則繼電器TK4吸合，其主觸點(diǎn)TK4閉合，電磁離合器EM3線圈得電動(dòng)作，A部同時(shí)做水平移動(dòng)動(dòng)作，時(shí)間繼電器延時(shí)斷開(kāi)的輔助觸點(diǎn)TS2、TS4經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后斷開(kāi)，使繼電器TK2、TK4失電，主觸點(diǎn)TK2、TK4斷開(kāi)，電磁離合器分離，完成動(dòng)作。

按TQ3按鈕，部得動(dòng)作過(guò)程與此相仿。如圖4所示。

4 小結(jié)

本文就電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)足球人墻訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，技術(shù)關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)中，移動(dòng)主電機(jī)與兩個(gè)跳躍電機(jī)之間的協(xié)同控制，以及機(jī)電系統(tǒng)對(duì)控制指令的快速響應(yīng)問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)軟件編程的方案設(shè)計(jì)、模塊劃分及遙控裝置的軟硬件設(shè)計(jì)、與樣機(jī)高速可靠通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。目前，電動(dòng)模擬動(dòng)態(tài)人墻訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)、研發(fā)及應(yīng)用在國(guó)內(nèi)還是空白，由此可見(jiàn)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出符合訓(xùn)練需要的模擬實(shí)際人墻效果的動(dòng)態(tài)訓(xùn)練裝置，具有廣闊的前景和非凡的意義。

中國(guó)足球協(xié)會(huì).足球教練員培訓(xùn)教程［M］北京.北京體育大學(xué)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(guó)家體育總局重點(diǎn)研究領(lǐng)域課題.課題編號(hào)：2012B039

席海龍（1976-），男，陜西延安人，副教授，研究方向：足球教學(xué)與訓(xùn)練。

楊鋼（1956-），男，陜西西安人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：足球教學(xué)與訓(xùn)練。

孫建功（1980-），男，陜西西安人，副教授，研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化