用于体育科研的铅球三维测力仪研制

　　1　引　　言

　　目前,随着体育运动竞技水平的不断提高,体育科研与科学训练的重要性日益突出。对于田径运动的铅球投掷项目来说,准确获得投掷过程中运动员的运 动学数据和动力学数据,研究运动员发力状态与运动成绩的关系,具有重要意义[1]。各级教练员和体育科研人员借助具体的数据分析不但可以直接用于指导教 学,及时纠正错误技术动作,而且还可以对高水平运动员进行技术分析诊断,尽快提高运动成绩,提高训练的技术含量,摆脱以往完全经验主义的作法。但与现今国 内外十分发达先进的体育运动学影像采集技术与仪器相比,相应的动力学数据采集仪器和相关技术显得落后不足,国内状况尤其明显[2]。若要采集铅球运动员投 掷过程中的动力学数据用于指导运动员训练,目前还没有很理想的专用仪器设备,严重制约了体育科研工作的深入开展。

　　为了解决针对铅球投掷项目的动力学数据采集手段和设备的匮乏问题,提出了一种新的动力学数据采集方法,并依此研制了一种新型体育科研与训练仪器 —铅球三维测力仪。它的核心是一种电阻应变式三维力传感器,质量7.26kg,直径130mm,具有国际标准男铅球的外形尺寸和重量,能够在三维空间实时 感知铅球运动员投掷过程中的发力状态,可以保证运动员在接近真实训练比赛环境下进行实测。教练员或体育科研人员用这种球形传感器替代普通铅球对运动员进行 投掷训练和测试,能够方便准确地采集到运动员投掷过程中手对铅球的作用力。再借助数据分析软件的帮助,教练员或体育科研人员可以直观地对铅球运动员的发力 技术动作进行量化评价,及时准确地做出有针对性的技术诊断和错误动作纠正。

　　2　测力仪结构设计

　　2.1　测力仪整体结构

　　铅球测力仪通过弹性体连接上下外壳构成一个整体,其他数据采集与处理电路、电源及重力补偿块,都紧密安装于铅球测力仪内部的空腔中。铅球测力仪 整体结构的三维造型如图1所示。由于内部空间有限,需要仔细考虑和计算各部件的安装位置和尺寸,以保证整体结构的稳固性和拆卸方便。为了保证与国际标准男 子用铅球相同的重量和手感,我们通过使用重力补偿块,可以把铅球测力仪调整到标准重量,且能够补偿原来由于结构不对称造成的质心偏离,使质心回到球心。

　　图2是铅球测力仪样机与国际标准男子用铅球实物对比照片。从图中可以看出,两者的外形尺寸基本一致。本铅球测力仪的主要技术指标为:数据采集时间5s,量程Fx、Fy和Fz皆为10～40kg力,测量精度为2%F.S.,过载能力200%。