冰壺運動軌跡裝置的發明與設計

李文婷關富余周妍

（1.哈爾濱體育學院研究生院 黑龍江 哈爾濱 150008；2.哈爾濱體育學院體育教育訓練學院 黑龍江 哈爾濱 150008；3.哈爾濱體育學院冬季奧林匹克學院 黑龍江 哈爾濱 150008）

1、前言

中國冰壺在短短幾十年的發展就取得了今天的斐然成績，但與之相對分應的科學研究卻相對落后。本研究對冰壺的運動軌跡進行研究，分別就冰壺任意滑行軌跡、刷冰軌跡兩個方面進行運動分析，建立運動學方程使其可以較真實的模擬出冰壺的運動軌跡，并以直觀圖像展示出不同初速度、角速度、刷冰等情況下對冰壺運動軌跡的影響，能找出投壺質量的關鍵因素，從而指導冰壺運動訓練。因此，為了更好地輔助投壺運動員進行訓練，準確地把握投壺方向，減少投壺方向的偏離，精準地將冰壺按照既定的方向投出，對訓練過程進行數據統計，并科學合理的提出訓練輔助策略，為冰壺能夠精準落位起著重要作用。如果運用智能化的器材與數據來分析完善冰壺投壺的運動軌跡，以輔助性訓練幫助運動員們改進技術，以減小一點差距。對穩定控制壺的運行軌跡發明出優化運動軌跡裝置，更好的控制與改變冰壺的運動軌跡，以提高投壺成功率達到戰術目的，從而指導冰壺運動訓練，幫助運動員提高訓練水平，減少比賽中的失誤，在保障運動員取得優異成績上具有重要意義。實現冰壺運動軌跡的場景理解和視覺測量，構建了基于智能視覺的冰壺識別與測量系統。該系統完全基于真實場景而非模擬環境，涵蓋了冰壺運動中的多種姿態和運動情況（例如：推出、滑行、自由碰撞、運動員擦冰等），從精準的賽道、冰壺、運動員識別到還原運動軌跡以及人體姿態，能夠實現理解與分析冰壺運動過程的任務。系統搭設了改進的網絡算法，達到了實時反饋的目的，同時實驗結果顯示測量誤差較小，能夠為輔助訓練提供及時有效且真實的反饋信息。

2、研究方法

2.1、文獻資料法

本文通過實地測量收集并整理比賽規則、冰壺的尺寸、冰壺場地、場地冰面等資料，并查閱冰壺運動軌跡、仿真軌跡等方面信息，利用中國知網、哈爾濱體育學院圖書館等資源進行文獻收集與整理，了解當前冰壺運動軌跡裝置的最新研究方向與進展，對收集到的信息進行整合，為本文研究奠定理論基礎。

2.2、專家訪談法

通過實地拜訪、電話交流、論壇討論等方式，討論冰壺運動軌跡裝置的具體實施方案以及方案的可操作性，根據實際條件和開展情況，對冰壺運動軌跡裝置設計的合理性與專家進行探討與分析，對于實際操作中可能出現的問題，儀器探測的誤差，聽取專家的可行性建議和意見。

2.3、錄像觀察法

通過視頻觀察法發現冰壺的速度運行軌跡可以分為三個階段，第一階段是自由滑行，該階段的特點是冰壺滑行速度較快，但旋轉較慢，運行軌跡近乎于直線；第二階段是刷冰，該階段冰壺在刷過的冰面滑行，滑行速度較沒有刷過的冰面速度快，而且旋轉更加緩慢，運行軌跡更加筆直，但通過刷冰可以修改冰壺的滑行方向；第三階段是自由滑行，沖向營壘，這階段冰壺的速度明顯降低，但旋轉速度提升，這階段的運行軌跡出現明顯的偏轉。再次用理論分析法，分析冰壺運動軌跡的受力。

2.4、數理統計法

通過生物力學的基本理論、角速度、方程等方法對冰壺出手后的滑行軌跡、方向、角速度、摩擦力等進行計算，對冰壺運動軌跡的路徑變化的影響因素進行研究計算，運動軌跡的探測與計算都需要文獻的參考，然后進行數據的統計與歸納。

3、研究結果與分析

3.1、研究的結果與分析

冰壺在整個的滑行過程中，受慣性的作用，重心前傾，冰壺底面接觸圓環前半部分（下面簡稱前環，后半部分簡稱后環）會將冰粒融化并清除一些碎冰屑，這樣前環和后環后所接觸的冰面是不同的，當然所產生的摩擦力也不同。過程可分為三個階段：第一階段前環和粗糙的冰面相接觸，后環和較光滑的冰面相接觸；第二階段整個冰壺底面都和光滑的冰面相接觸；第三階段冰壺的速度較慢，這造成表層冰面的瞬時融化，形成了一層非常薄的液體薄膜，這層薄膜在冰壺和冰面之間會產生一個粘滯力。而且液體會在旋轉的作用下帶到前環，故此合力偏移，所以偏移軌跡明顯而且旋轉加劇。最后分別從平面移動和旋轉兩個角度構建冰壺的運動軌跡方程。多相機同步數據采集模塊、力學與環境數據采集模塊、主控機軟件模塊。冰壺在冰面上滑行可以視為剛體的平面運動，可以將其分解為質心的平動和繞過質心軸的定軸旋轉。以前衛線的中心為O,前衛線中線為x軸，垂直于x軸的是y軸，垂直于冰面的軸為z軸建立坐標系。

（1）旋轉。

（2）平動。

圖1

3.2、討論與分析

對于冰壺運動軌跡裝置進行研發分為以下三個部分：

（1）運動員使用冰刷的發力特點不同；刷冰的運動軌跡則呈現出前后折返的N字型軌跡，這刷冰方法的優點在于不僅可以節省運動員在刷冰時所消耗的能量，而且可以對目標范圍的冰面進行大強度的快速刷冰，引導冰壺更好的運行針對運動員投壺時的運動軌跡，我們除去地面的摩擦、運動員技術水平等因素，有針對性地設計紅外線感應、3D模擬、云計算等裝置來矯正輔助運動員的出手習慣和力量，以幫助運動員在圖像呈現、數據分析等助力下，找到最合適的投壺運動軌跡；

（2）冰壺出去之后運動軌跡的變化預測；冰壺投出后有一段滑行距離，如果在投壺時能夠預判壺的準確落點，那么在投壺過程中，會減少很多的失誤，就能穩定控制出壺方向，在這一部分，是采用精準測距、感應測距、C++的軌跡仿真訓練等裝置來把握冰壺軌跡，減少偏離；

（3）碰撞后軌跡的變化預測；科學判斷碰撞之后冰壺的下一個落點，同時在訓練過程中，運用力學基礎及運動方程等方法，反復與運動員磨合，減小碰撞后的運動軌跡失誤的判斷。運用Visual C++與Matlab相結合的方式，開發無碰撞冰壺運動軌跡的仿真系統。系統分為三個模塊分別是基礎參數設置（水平初速度和初始角速度）、刷冰參數設置（刷冰起始時間和刷冰停止時間）和動畫演示（自由滑行和刷冰后的運行軌跡）。使用刷冰模塊時需輸入刷冰的起止時間，時間應設置在合理的范圍內，再點擊“數據演示”按鈕，便可以繪制出刷冰后的冰壺運行軌跡。系統默認的刷冰起始時間為10s，終止時間為20s。

①要保證數據的穩定性和真實性

由冰壺的規則可知，該運動是技巧主導兼策略性的體育項目，運動員的技術能力很大程度上決定了比賽的成敗。在數據的輔助模擬練習有保障的情況下，那么能給結果帶來不錯的正面效應。反之，數據的偏差會導致整個訓練計劃的前功盡棄，而且建模相對復雜，耗時耗力，數據輸出量大而精密，對于數據的改變和精準度需要嚴格要求，保證實驗過程中數據的準確性。此外一定要對于數據進行云備份，并及時更新數據庫。

②根據運動員自身情況來調節反饋結果

由于冰壺在運動中軌跡的改變在極大程度上具有不確定性，運動員不管是在訓練中還是在比賽時，都有可能出現失誤，冰壺出手后的軌跡無法預判。因此，就需要教練員在日常訓練中結合運動員自身的運動風格、運動場地的變化，技戰術的采用做針對性的訓練。根據數據和圖像的反饋，運動員結合自身的實際情況在最少的干擾下來做擬合訓練。

③加強實操磨合

由于系統和計算僅輸出結果，且僅停留在理論，對于很多細枝末節沒有辦法調節，對運動員的技術和控制能力有很高的要求，在整合數據之后，運動員要反復磨合，以達到理想狀態。

4、結論

冰壺運動軌跡裝置的研發能在一定程度上幫助運動員對投壺速度、出手后的運動軌跡及碰撞后冰壺的落點做一個預判作，在日常訓練中減少誤差和失利，有利于運動員得到客觀且及時有效的反饋信息，能幫助運動員改善自己的動作，從而提高成績。冰壺速度感應裝置的研發能在一定程度上幫助運動員對投壺方向、出手后的方向及碰撞后方向的落點做出一個更加精準的預判。根據研究表明，冰壺速度的感應裝置能達到輔助的要求。首先能完善投壺的的位置和冰面不同，摩擦力也不同，利用感應測距得到數據，通過圖像結合數據來輔助運動員完成投壺；其次冰壺出手后的位置變化能夠進行模擬仿真路線，對于方向的把控有很好的完善，設計三個機位的追蹤系統來輔助定位，四周測距，減少偏離；最后碰撞預測落點，同步安裝相機，通過力學方程、冰壺碰撞后的方位感應圖像呈現，算出角速度及運動速度、摩擦力，精確判斷冰壺的移動方向和落點，未來可以根據實驗中影響冰壺運動軌跡，滑行速度的因素，整改冰壺的技戰術，調整運動員的訓練方案，讓冰壺運動軌跡裝置能夠及時檢測到運動員在比賽和訓練中體現出來的問題、錯誤并及時調整，盡可能的把該裝置充分利用在訓練中，通過裝置及時有效的反饋訓練和比賽中運動員的成績和狀態，運動員能以最快方式找出問題并調整，從而達到目標，提高運動成績。