散打移动测力靶的研制

摘要：研制开发了一种用于散打教学、训练和评价的移动测力靶。利用该测力靶可以测定散打练习者移动中的击打力值，以及单位时间内的打点次数，为执教者和练习者即时提供数值化的学习和训练效果信息。

关键词：体育器材；移动测力靶；散打

中图分类号：G852.4 文献标识码：A 文章编号：1006-7116(2010)08-0121-04

武术散打运动经过20多年的发展，现已成为深受人们喜爱的现代体育运动项目。在政策导向、经济环境的支持下，走上了竞技化和商业化共同发展的道路，科研进步使现代武术散打摆脱了以往技术超前理论滞后的不正常现象，初步建立起理论指导技术发展的科学、规范体系。然而我国各级散打运动队、学校和武馆多年来一直沿用传统的沙袋、手靶和脚靶等散打器材开展教学与训练。检索学术期刊全文数据库和中国知识产权局国家专利全文数据库，除散打固定测力仪外，现有器材仅限于在材料、形状和物理功能等方面有所突破，鉴于传统器材对指导、矫正和评价散打技术动作的实效性缺乏依据和固定测力仪只能量化散打的原地技术动作，课题组研制了散打移动测力靶，并对其进行教学、训练和评价实践检验。

1 散打移动测力靶功能及技术方案

1.1 功能

设备的“受力体”在非受力状态下，可实现前后0.6 m位移、沿水平轴360°和垂直轴360°旋转；“受力体”受力瞬间，位置被锁定，停止位移和旋转，靶子实施测力；每次击打结束后，“受力体”可立刻恢复可移动状态；显示屏可读取练习者击打次数、击打力最大值、最小值、平均值。

1.2　机械技术方案

散打移动测力靶结构如图1所示。

1)受力体3种位移形式。

人工推拉手轮(14)，可使丝杠(13)沿上控辊(8、12)、下控辊(11、20)之间带动受力体(1)产生前后位移。

人工旋转手轮(14)，可使丝杠(13)带动受力体(1)产生垂直360°旋转，为使受力体在旋转中省力和便于操作，配置配重体(15)实现旋转手轮(14)的动力平衡。

人工搬动手轮(14)，可使丝杠(13)、槽钢(19)及附属装置、受力体(1)沿立柱(23)产生水平360°旋转。

2)击打力测量与显示。

当练习者击打受力体(1)，压力弹簧(16)压缩变形，信号使电磁铁(24)吸合，控制梁(21)和半螺母(10)沿控制梁滑套(22)向下位移制动丝杠(13)。与此同时，受力体(1)向后挤压压力弹簧(16)，使伸缩轴(2)、磁钢(3)向后产生位移，磁钢(3)与传感器(18)所产生位移变化，经计算机处理后转化为力值在显示屏显示。当击打力消失后，压力弹簧(16)、磁钢(3)恢复到初始位置，显示屏显示本次击打力值、多次击打力平均值、最大值、最小值、击打次数。

3)卸载制动。

当击打力消失后，压缩弹簧(1 6)恢复原位，电磁铁(24)打开，在电磁铁控制弹簧(9)的协助下，拉动控制梁(21)和半螺母(10)沿控制梁滑套(22)向上恢复原位，丝杠(13)重新恢复自由移动状态。

1.3　电子技术方案

1)电控系统整体结构。

散打移动测力靶由数据采集、信号放大、A／D转换、数据传送、统计与显示等部分组成(见图2)。

2)霍尔元件测力原理。

将一载流导体放在磁场中，如果磁场方向与电流方向垂直，那么在与磁场和电流都垂直的方向上，将会出现横向电势，此电势称霍尔电势，此现象称霍尔效应。利用霍尔效应制成的磁敏元件称霍尔元件。能把外界非电信息转变成电信息输出的器件叫传感器。用霍尔元件制成的霍尔传感器，由于频响好，尺寸小，寿命长，目前广泛应用于测量控制及信息领域中。利用霍尔电压与外加磁场成正比的线形关系可做成多种电学和非电学测量的线性传感器。本项目正是利用霍尔元件的这一性质进行测力。当保持霍尔元件激励电流不变，让测力弹簧所接的磁性材料在一个均匀梯度磁场中移动，等效于霍尔元件在一个均匀梯度磁场中移动，输出的霍尔电势就取决于磁性材料在磁场中的位置。这样就将位移量转化为可测的电量。

3)信号滤波放大。

通过3个放大器完成信号滤波放大功能，第1级放大器功能为低通滤波滤除噪声，第2级放大器功能为5倍放大，第3级放大器功能为跟随。通过模拟信号处理电路，进入A／D的信号波形较好。

4)A／D转换。

本系统中使用的装换器是ADC0809――8,通道8位(ft)转换器，ADC0809是带有8位A／D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A／D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809由1个8路模拟开关、1个地址锁存与译码器、1个A／D转换器和1个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A／D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A／D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

5)下位机和上位机功能。

由于传感器安装在受力体上，显示和控制电路安装在控制箱上，为了受力体可以灵活的移动，所以在受力体上安装了一套子系统，即下位机系统，它是以AT89S51为核心的单片机系统，它负责从ADC0809中获取受力体上受到的作用力的大小，然后通过串行通信模块与上位机系统联系，将受力情况及时的告知上位机，确保上位机及时锁定丝杠和正确的显示击打力值(见流程图3、4)。

6)锁定控制。

单片机的P3.4端输出低电平时，7407输出低电平，MOC3021的输入端有电流输入，输出端的双向晶闸管导通，触发外部的双向晶闸管KS导通，当P3，4端输出高电平时，MOC3021的输出端的双向晶闸管关断外部的双向晶闸管KS也关断(见图5)。

7)显示及人机交互部分。

显示部分使用四段共阴极级动态显示实现，与静态显示不同，动态显示技术让不同的数码管分时点亮。即某一个数码管的字段码从单片机的一个IO接口输出，通过单片机选通该数码管，让这个数码管显示自己的字符几个毫秒，然后将下一个数码管的字段码从单片机的同一个IO接口输出，通过单片机选通下一个数码管，让下一个数码管显示自己的字符几个毫秒，一次循环。由于人眼响应较慢，最后的效果是每一个数码管都在显示各自的字符。

人机交互部分通过键盘读入击打力最大值、最小值、平均值及击打次数指令，然后在显示部分显示出来。

2　样机检测

2008年5月19日，由河北省秦皇岛市产品质量监督检验所对样机进行了现场勘验。

2.1　测试使用设备

美国Iotech公司动态数据采集分析系统WaveBook512，WBKl4模块。NEC笔记本电脑(配动态

采集软件)。测力锤和力传感器(测力范围50KN)。

2.2　加载和检测方案

由测力锤和力传感器连接动态数据采集分析系统WaveBook512，首先对测力锤和力传感器进行标定。然后通过专用软件，用测力锤敲击散打靶受力体，用计算机连续采集击打信号。并记录每次散打数显示装置上显示的力值。最后对比上述结果进行误差分析。

2.3　检测结果

经计算散打移动测力靶平均误差为0.92％，在1％之内；在试验中受力体可实现水平、垂直360°旋转；同时可实现前后0.6 m流畅位移；靶子受力后可实现瞬间锁定测力并具有电子显示功能。

3　样机实验检验

3.1　教学实验检验

选取河北科技师范学院2007级散打选项课2个班(1班30人作为实验组，2班29人作为对照组)进行15周教学对比实验，两组年龄(19―21岁)、均无散打学习经历。实验组运用散打移动测力靶开展教学，对照组应用传统教学器材进行教学。教学实验后，实验组和对照组易犯错误发生率见表1。

表1结果显示，实验组5项技术错误率均低于对照组。其原因在于散打移动测力靶可以直观地反映出学生的击靶效果，教师能够客观地掌握学生对技术的掌握情况，及时对学生的错误技术环节进行纠正；同时学生可以利用散打移动测力靶随时比较自己的击靶效果，使学生的学习得到了自我反馈与监督。而传统教学中只能靠教师的观察对学生的易犯错误进行纠正，学生自练中要靠对教师讲解和示范的记忆进行练习，无法自我反馈练习效果。

3.2　训练实验检验

在秦皇岛武校散打班中各选11名学生分别作为实验组和对照组，两组年龄均为15～16岁、散打训练半年、经测试2组学生实验前移动中运用规定组合技术(右冲拳一左冲拳一右鞭腿)2 min击打次数和击打力以及体重级别均无显著性差异。经过15周(每天2 h，每周3次)训练后，对其2 min移动中运用散打组合技术(右冲拳一左冲拳一右鞭腿)的击靶次数和击打力值(累计)进行统计学分析，测试结果见表2。

表2结果显示，无论是2 min击打次数，还是累计击打力值实验组均高于对照组，并呈(非常)显著性差异。其原因在于散打移动测力靶的受力体能够在一定范围内随意地移动，实现了对练习者实战仿真的进攻训练，有效地训练了练习者步伐的灵活性，动作的协调性以及快速到达理想迎击位置的准确性，同时因为散打移动测力靶能够即时显示练习者的击打次数和击打力值，积极调动了练习者的情绪，使其有意注意集中在快速击靶和击打效果上，从而保证了练习强度和训练的实效性。

3.3　评价实验检验

选取河北科技师范学院2008级散打选项课6个班期末散打技能考试成绩在90分以上的3个级别组学生运用组合技术(右冲拳一左冲拳一右鞭腿)进行30次击靶实验，对各级别组个体30次击靶所得均值中最大值与最小值进行对比分析(见表3)。

技能考试成绩90分以上的学生应同属优秀范畴，同级别内散打技能水平应相差较小，但表3中各级别组个体30次击打力均值中最大值与最小值比较差异均呈非常显著性(P

参考文献：

[1]刘念禹，杨广辉，影响散打运动发展的主要因素分析[J]，体育文化导刊，2008(6)：81-82

[2]李汉桥，李忠桥，新型电脑拳击测试仪的研究[J]，体育学院学报，2001(3)：91－92