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跳板跳水辅助训练系统的设计与开发

作　者: 曹春梅
导　师: 季林红
学　校: 清华大学
专　业: 机械工程
关键词: 跳板起跳高度辅助训练加速度光电信号
分类号: G861.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
下　载: 119次
引　用: 2次
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内容摘要

中国跳水运动水平很高,但传统的训练模式过分依靠经验。运用科学原理并采用合适的技术手段不但能够充分挖掘运动员的运动潜力,使其运动成绩取得突破性提高,而且还可以使运动员的训练更科学、更系统,并缩短运动员的培养周期,延长运动寿命。论文在对跳水运动队进行细致的需求分析的基础上,根据神经生物学中学习过程的思维环路,应用生物反馈原理设计并实现了世界上第一套跳板跳水辅助训练系统。该系统的设计开发满足如下几点要求:评估(反馈)的实时性,即运动员在完成动作之后很短时间内,就得到了评价结果,此时运动员对刚刚完成动作的记忆痕迹还没有消退;反馈形式要简明直观,方便运动员在任何时间环境下均能够及时地得到反馈结果;系统操作简便,不影响正常的训练,不增加运动员的心里负担。根据以上的设计要求,论文的主要工作是首先根据跳板的结构建立有限元模型,对此模型进行了振动特性分析和仿真分析,其次根据运动员的主要技术动作特性,把运动员和跳板简化为“人—板”系统,分析了简化系统的主要特性参数,得到了通过跳板运动学信号估计人体重心离板后最大高度的方法。在以上理论分析的基础上,本论文针对两模型的理论结论进行了实验验证和简化模型的改进,并通过实验全面分析了“人—板”系统的动态特性。论文完成了对跳板跳水辅助训练系统的结构设计、加工、和软硬件的安装调试,系统主要设计了跳板振动信息采集、视频信息采集、数据处理和结果输出等模块,能够实时地为跳水训练提供客观评价指标,解决了在实际训练中仅仅依靠经验评价训练结果的问题。用实验方法校正了整个系统的可行性和稳定性,分析了系统和加速度的误差来源,针对加速度测量值零漂移现象提出了几种有效的补偿方法。

全文目录

中文摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第一章引言  9-18
  1.1 课题背景和意义  9-10
  1.2 跳板的结构特性及相关领域的研究状况  10-16
    1.2.1 跳板的结构特性  11
    1.2.2 相关领域的研究状况  11-16
  1.3 本论文的工作目的和内容  16-18
第二章跳板跳水辅助训练系统的设计  18-40
  2.1 生物反馈理论及应用  18-21
    2.1.1 高级中枢神经运动控制学习过程的神经生物学描述  18-19
    2.1.2 训练系统的生物反馈设计思路  19-20
    2.1.3 生物反馈对跳板辅助训练系统的技术要求  20-21
  2.2 系统的结构功能设计  21-23
    2.2.1 系统总体结构设计  21-22
    2.2.2 系统功能设计  22-23
  2.3 辅助系统实现  23-24
    2.3.1 系统硬件结构  23-24
    2.3.2 系统软件实现  24
  2.4 采集开启模块  24-25
    2.4.1 原理  24-25
    2.4.2 功能实现  25
  2.5 跳水振动信号采集装置  25-27
    2.5.1 传感器安装位置的确定  25-26
    2.5.2 传感器的选择  26-27
  2.6 光电传感器装置  27-34
    2.6.1 光电传感器装置的功用  27
    2.6.2 光电传感器安装方案比较  27-30
    2.6.3 光电传感器装置的电路图  30-31
    2.6.4 光电传感器装置的原理  31-32
    2.6.5 支撑装置  32-34
  2.7 图像采集装置  34-35
    2.7.1 图像采集装置的功用  34
    2.7.2 功能实现  34-35
  2.8 声光输出装置  35-36
    2.8.1 声光输出装置的功用  35
    2.8.2 声光输出装置的功能设计  35-36
  2.9 数据处理  36-38
  2.10 构建跳板跳水辅助训练系统的关键技术分析  38
  2.11 本章小结  38-40
第三章跳板的动态性能研究与分析  40-71
  3.1 跳板动态特性的理论分析  40-51
    3.1.1 跳板理论模型的建立  40-43
    3.1.2 跳板振动特性的分析  43-48
    3.1.3 跳板动态特性的仿真分析  48-51
  3.2 “人-板”系统模型的研究  51-53
    3.2.1 “人-板”系统模型的建立  51
    3.2.2 “人-板”系统特性参数的分析  51-52
    3.2.3 离板点的确定  52-53
  3.3 空板试验研究  53-56
  3.4 “人-板”系统的实验研究  56-67
    3.4.1 位置差异性  57-59
    3.4.2 支点差异性  59-61
    3.4.3 质量差异性  61-62
    3.4.4 动态特性分析  62-67
  3.5 起跳过程分析  67-69
  3.6 本章小结  69-71
第四章加速度误差分析和实验研究  71-80
  4.1 误差分析  71-74
    4.1.1 加速度误差来源分析  71-72
    4.1.2 加速度测量值零漂移校正方法分析  72-74
  4.2 零漂移校正的实验研究  74-79
    4.2.1 周期信号的实验研究  74-76
    4.2.2 非周期信号的实验研究  76-79
  4.3 本章小节  79-80
第五章跳板跳水辅助训练系统的实验研究  80-87
  5.1 跳板跳水辅助训练系统的实验研究  80-86
    5.1.1 预试验  80-81
    5.1.2 具体试验  81-83
    5.1.3 跳板跳水辅助训练系统误差来源分析  83-86
  5.2 本章小节  86-87
第六章总结与展望  87-89
  6.1 总结  87-88
  6.2 下一步的研究与展望  88-89
    6.2.1 下一步研究工作  88
    6.2.2 应用前景展望  88-89
参考文献  89-91
致谢、声明  91-92
个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文  92

跳板跳水辅助训练系统的设计与开发

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