基于蹬力、蹬离时间检测的智能起跑器的开发与应用研究1

张明军，张文宇，刘 敏

（1.惠州学院 体育学院，广东 惠州 516007；2.广东石油化工学院 经济管理学院，广东 茂名 525000；3.惠州学院 电子信息与电气工程学院，广东 惠州 516007）

我国《田径竞赛规则》规定［1］，400米及400米以下（包括4×200米、异程接力和4×400米接力的第一棒）各项径赛的起跑必须使用起跑器.起跑器能够为蹲踞式起跑的运动员发力提供支撑，帮助运动员尽快从静止状态进入奔跑状态，为跑速的逐步增加提供有利条件［2-4］.各级别田径比赛的标准起跑器蹬足板角度均可以调节，由于目前我国国家标准中没有关于起跑器角度的相关规定，因此，市售的各品牌起跑器分别设置了4至6档的角度调节选择，但是均没有标注具体的角度数值.

体育科学研究发现［2，3，5］：不同运动员在不同角度起跑器上能够获得不同的起跑蹬力、冲量、初速度和加速度，是影响短跑成绩的重要因素.因此，运动员、教练员以及体育学者均非常重视起跑器角度的个体化研究.我国田径协会根据相关大样本的研究结果，推荐了起跑器安装的方法，既是目前普遍采用“短式”、“中式”和“长式”等.安装起跑器时，运动员根据自己的脚长，确定前后起跑器的位置参数，并在推荐的起跑器角度范围内选择合适的角度.运动员、教练员经过长期训练，通常依据多方面因素，能够选择一个比较适合自己的起跑器角度.在日常短跑教学、训练实践中，甚至是正式比赛时，运动员凭借自我感觉确定的起跑器角度是否为最佳选择，能否提供最有效的起跑支持，尚没有科学有效的评价手段与方法.

为了帮助运动员、教练员科学选地择最佳的起跑器角度，笔者研发一种基于蹬力、蹬离时间检测的智能起跑器［6］，包括智能起跑器数据采集系统和数据分析系统.通过测定起跑时足底压力、起跑器蹬离时间数据，数据分析系统分析数据，推荐个体最佳起跑蹬脚板角度.

1 原理与测试方法

1.1 工作原理

图1 工作原理图

1.1.1 智能起跑器足底压力、蹬离时间测试系统

智能起跑器足底压力测试系统由基于STC89C52的单片机、压力传感器和液晶显示屏构成.压力传感器安装于在起跑器蹬足板上，检测运动员起跑时足底对传感器的作用力，保存最大受力值.自动记录运动员起跑器蹬离时间数据.起跑器蹬离时间为：蜂鸣启动器发出起跑信号后开始计时，测试者起跑后蹬离起跑器，压力恢复为零时终止计时.足底压力、蹬离时间数据经单片机处理后，LCD液晶屏显示实时最大受力值、蹬离时间.智能起路器工作原理及外形见图1-图3.

图2 智能起跑器外形

图3 智能起跑器足底压力、蹬离时间测试系统外形

当一次测试完成后，数据清零时，单片机可通过串口接口把数据传输给起跑器终点服务器，并提供给PC端数据分析系统，进行数据分析.由于运动员起跑时足底作用力与起跑器蹬足板近似垂直，由此传感器可获取运动员起跑时的作用力，根据反作用力原理，受力值越大，起跑蹬力越大，可以作为起跑器角度选择的参考依据.跑器蹬离时间反应运动员起跑效率，蹬离时间越小，足底离开起跑器的速度越快，也是跑器角度选择的参考依据.

本系统不仅仅携带、安装方便，而且成本低廉，计时精确度高（可达千分之一秒）.计时器的核心模块ESP8266不仅用于WiFi通信，同时作为独立处理器控制传感器/显示器，优化了外围电路.且ESP8266的WiFi有效通信距离最远可达400米，可在田径场跑道任意地点进行短跑时间的测试，能够广泛应用于400米及及400米以下的短跑项目中.

1.1.2 智能起跑器PC端数据采集、分析系统

数据分析系统基于C/C++语言编写而成.PC连入ESP8266服务器的WiFi之后，可进行TCP/IP通信，获取储存在服务器的时间值和压力值，并进行相应的数据处理.PC端软件与服务器通信，无需手动记录每一次的压力值与时间值，便可使用专用软件直接统计数据、制表，并绘制统计图.根据不同项目的使用要求，软件可对部分参数（如跑步距离）进行修改，方便不同运动项目的扩展应用.

1.2 测试方法

1.2.1 测试对象

体育教育专业三年级田径专项男学生20名，身高（172.2± 1.5）cm、年龄（21± 0.2）岁、体重（65.6±0.5）kg，均熟练掌握短跑起跑技术.基本情况见表1.

二年级公共体育课田径选修男学生20名，身高（169.3± 1.1）cm、年龄（20± 0.3）岁、体重（62.2±0.1）kg，无系统田径学习和训练经历，经过培训均熟练掌握短跑起跑技术，其本情况见表1.

表1 测试对象基本情况

1.2.2 测试方法

1.2.2.1 智能起跑器测试方法组合

确定起跑器安装方式，再确定前起跑器蹬足板角度，随后逐一设置后起跑器角度，完成一次测试.依次调节前起跑器蹬足板角度，重复上述方案，即可以完成一次固定起跑器安装方法的测试.

1.2.2.2 智能起跑器测试操作流程

智能起跑器使用方法与标准起跑器使用方法基本一致.运动员安装好智能起起跑器，并将前后起跑器蹬足板调节到测试角度，在发令枪鸣枪以后起跑，全力完成规定的短跑距离（30米）.安装在起跑器蹬足板上的足底压力测试系统自动检测蹬力、蹬离时间数据，通过无线通信系统向数据分析系统传送数据，完成足底数据的检测、分析.运动员依次完成各种起跑器角度的测试.

1.2.2.3 智能起跑器测试质量控制

为了提高测试的准确性，每名学生每个起跑器角度均需要测试三次，保证足够的休息时间、热身活动和整理活动，确保测试者能够全力以赴完成测试，获得尽可能准确的数据结果，最终纳入统计的数据为三次的均值.

数据分析系统将综合分析运动员每一次测试角度下的足底力学、蹬离时间数据，形成数据图表，最终推荐最佳起跑器蹬足板角度.

1.2.3 统计学处理

数据理采用SPSS16.0统计软件，以均数±标准差表示，体育教育专业田径专项学生和公共体育学生的数据之间进行单因素方差分析，LSD检验.取P＜0.05、P＜0.01分别表示组间数据差异具有显著统计学意义和非常显著统计学意义.

2 结果

2.1 后起跑器蹬力、蹬离时间变化情况

测试结果显示：短式、中式和长式起跑时，后起跑器蹬力均随着蹬足板角度增加而逐渐增加；蹬离时间也逐渐延长.长式起跑时，后起跑器蹬力在各角度时均高于短式和中式；蹬离时间在各角度时均长于短式和中式（表2）.

随机选择的一个测试对象的数据显示，长式后起跑器的蹬力在70度时达到最大值238.10N，蹬离时间为167.30ms；短式和中式后起跑器的蹬力随着蹬足板角度增加也逐渐增加，在70度时达到最大值176.77N和211.80N，蹬离时间分别为147.70ms和148.88ms（表2）.

表2 体育专业XXX同学长式后起跑器蹬力、蹬离时间变化情况

2.2 前起跑器蹬力、蹬离时间变化情况

测试结果显示：短式、中式和长式起跑时，前起跑器蹬力均随着蹬足板角度增加而逐渐增加；蹬离时间也逐渐延长.长式起跑时，前起跑器蹬力在各角度时均大于短式和中式；蹬离时间在各角度时均长于短式和中式（表3）.

同一个测试对象的数据显示，长式前起跑器的蹬力在70度时达到最大值210.11N，蹬离时间为187.01ms；短式和中式前起跑器的蹬力随着蹬足板角度增加也逐渐增加，在70度时达到最大值158.09N和194.44N，蹬离时间分别为151.09ms和155.80ms（表3）.

表3 体育专业XXX同学前起跑器蹬力、蹬离时间变化情况

2.2 不同专业学生起跑器蹬力、蹬离时间比较

体育专业和公共体育学生在蹬力和蹬离时间之间存在一些差异，长式后起跑器测试结果显示，体育专业学生各个角度蹬力数值的均数均显著大于公共体育学生，差距均具有显著统计学意义（P＜0.01）；起跑器在60度时体育专业学生蹬离时间显著小于公共体育学生，差距具有显著统计学意义（P＜0.01）（表4）.

表4 不同专业学生长式后起跑器蹬力、蹬离时间比较（n=20）

3 讨论

基于蹬力、蹬离时间检测的智能起跑器开发目的是用于测定起跑时足底压力、起跑器蹬离时间数据，推荐个体最佳起跑蹬脚板角度.通过实验测试了智能起跑器的性能，虽然实验样本量和实验方案不够严谨，不足以全面检验产品，但是仍然比较准确地记录了运动员在不同起跑器角度下的足底蹬力和蹬离时间，并能够依据短跑起跑专业知识判定最佳的起跑角度.

起跑器的主要功能是帮助运动员迅速摆脱静止状态，获得最大启动速度.排除技术因素的影响，起跑时蹬力的大小直接与启动速度相关，同时尽可能缩短蹬离时间，尽快摆脱静止状态［7，8］.本研究通过对体育专业学生的测试发现，长式后起跑器数据显示，70度时蹬力达到最大值238.10N，蹬离时间为167.30ms；60度时蹬力为次最大值235.56N，蹬离时间为142.01ms（见表2）.综合考虑蹬力和蹬离时间的共同影响［2，8，9］，为了避免产生最大蹬力而导致蹬离时间过长的情况，选择产生次最大蹬力的60度，且蹬离时间明显少于最大值，该起跑器角度可能为该测试对象的最佳选择.综合考虑长式前起跑器蹬力和蹬离时间的共同影响，选择产生次最大蹬力的50度，且蹬离时间明显少于最大值，该起跑器角度可能为该测试对象的最佳选择（见表3）.

通过对体育专业学生和公共体育学生的测试，发现了两组之间在蹬力和蹬离时间上的显著差异.蹬力和蹬离时间直接反映出短跑运动能力的优劣，体育专业的短跑专项学生经过长期系统的短跑专项训练，下肢爆发力显著增加，反应时间明显缩短.因此测试数据均显著好于未经过训练的公共体育学生（见表4）.

作为一种设计科学，性能可靠，使用简便的智能起跑器，可以广泛应用于学校体育和竞技体的短跑教学、训练.还可以作为评估短跑教学、训练成效的辅助工具，通过测试运动员不同训练阶段的足底蹬力、蹬离时间等数据，分析、评估教学、训练成效，发现问题，完善训练方案，为教师、教练员和运动员提供一种科学、可靠和便利的短跑教学、训练器材.