排球发球机的工业设计研究

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【摘 要】排球作为世界三大球之一，在世界体坛有着重要的地位，竞争也越来越激烈。而目前排球的日常训练是由人工发球来完成的，而随着人的体力及情绪的下降，发球的质量得不到保证与持续，人工发球已经不能适合大的运动量。同时如此大的日发球量也会增加教练或陪练的负荷。因此研究能够代替人工发球，提供高质量发球的排球发球机是非常有必要的。本论文是基于合肥工业大学于2006年研制的排球发球机，通过功能论的工业设计方法对其进行再设计，使排球发球机能与使用者、使用环境形成一个人――机――环境三者相和谐的关系。

【关键词】排球；发球机；工业设计；功能

1、概论

当今体育的竞赛，不仅仅是体能上的竞争、战术上的竞争，也是科技上的较量。科技含量高、高效率的体育训练设备在运动员的日常训练及水平提高方面起得至关重要的作用。排球是一项攻防两重性的体育运动，由于其运动特点与比赛规律，要求运员能掌握全方面的技术。而目前通过人工发球来完成的日常训练已经不能满足运动员的训练需求。人工发球达不到国际水平，而且会随着人体力与情绪的下降，发球质量也会下降，训练效果得不到保证，因此研究能够代替人工发球，提供高质量发球的排球发球机是非常有必要的。

国内对排球发球机的研究已有一段时间，也有多项研究成果，但是总体来看国内的研究仍然处于样机的状态，并没有向产品转变。目前国内市场上也没有找到相关的产品。

2、排球运动的特点及训练方式法

2.1排球运动的特点

排球是一项具有较高技巧性的运动。在大多数比赛中，比赛规则要求运动员轮换位置，因此任何位置的队员都会参与防守与进攻，这就要求排球运动员对全面地掌握各项基本技术。排球技术包含两类：一、有球技术，有发球、传球、垫球、扣球和拦网等；二、无球技术，包括准备姿势、移动、起跳和掩护等。排球技术由步法和手法结合，并与躯干、视野、和球场意识相互配合，融为一体。

2.2排球基本技术的训练方法

训练方法是否正确，在很大程度上影响着排球队的训练效果，排球日常训练中运用的训练方法主要有几种：1)、重复训练法，即单一在同一个阶段训练中多次重复采用，并不断提高。多次重复有利于形成条件反射。2）、变换训练法，即变换不同的训练方法与手段来解决一项技术，可以使队员更全面地解决同一问题。3）、串联训练法，训练中将各项技术有机地结合起来，使运动有效地适应比赛。4）、综合训练法，把两项及两项以上的技术与战术系统结合起来训练，在各种对抗条件下进行训练。5）、多球训练法，用多球进行某一项技术训练可以增加训练的密度、难度与节奏，能有效提高效果。6）、对抗训练法，有一定基础后可以采用对立面的训练形式。7）、竞赛训练法，采用双方有胜负的模拟比赛，对运动员在比赛场的正常发挥有及不良情绪的克服有特殊意义。8）、模拟训练法，模拟比赛可能出现的各种环境，对运动员适应能力的训练方法。

3、排球发球机原型及发球原理

3.1原排球发球机的功能原理

合肥工业大学研制成排球发球机包含十二个结构，构成四大机构：1）、发球机构：提供动力，使球产生运动；2）、挡球机构：可调角度，实现不出的扣球动作；3）、导向机构：调节发球机构与挡球机构的相对位置；4）、移动机构：实现发球机的整体移动与固定。该发球机的扣球球速可达30米/秒，球速和旋转可控。击球高度2米至3.7米，可控制送球。

该发球机发球原理是通过两个飞快旋转的飞轮对排球产生的摩擦力作用向上运动，再通过有三个自由度的挡球板将球挡出。发球机带有一个自动上升托盘，托盘上升使球与飞轮接触，在摩擦力的作用下飞出。通过调节两个飞的转速度，使两轮对球两侧的摩擦力不同，从而产生旋转，在排球再经挡板的挡出后发到场内。挡球板有三个自由度，因此球的速度、方向、旋转可控，发球机基本可以实现人工发球发出球的运动状态。

4、排球发球机的方案设计

4.1排球发球机的设计要求

排球运动技术的全面性及高度技巧性的特点要求排球发球机具有发球、抛球、扣球等多种送球功能，并且速度、旋转、方向、高度等方面可控，以配合排球日常训练中的各种训练方法，并且能满足多种强度、密度、节奏的训练方法。因此对排球发球机提出了设计要求：新排球发球机一种模拟人实现发球、抛球和扣球功能，相关参数可控的，集接发球、接扣球、扣球及拦网技术练习于一体并能满足多种训练方法的排球训练设备，以此来有针对性的对运动员的接发球和扣球技能进行训练，从而达到提高运动员水平的目的。

1）发球机可模拟发球、扣球和抛球；2）发球速度、旋转、方向、高度等参数可控；3）发球强度、密度、节奏可控；4）易用的操作面板；5）便于移动；6）造型美观；7）与使用环境相谐调。

4.2功能系统图及结构系统图

功能系统是产品的本质所在，是设计对象的软件，而结构系统是功能系统的外在和具体表现，是设计对象的硬件。功能系统图和结构系统图的绘制有利于设计对象的深入设计。通过前面的分析，对发球发球机进行功能整理后，得出以下功能系统图和结构系统图。

4.3方案设计

1）发球机的挡球机构是一个具有三个自由度的挡板，可以实现发球、扣球的速度、旋转的控制。为了实现抛球功能及其相关参数的可调，将发球机构的机座设计成三个部分：主机座C、副机座A和副机座B。副机座A用于调整角度，副机座B用于调整方向，主机座C用于整体移动。

2）置球机构包括储球仓、进球仓、输送拨叉和电子托盘。排球从储球仓进入到进球仓后，进入可转动的输送拨叉后随着拨叉转动到一定位置后滚进电子托盘，托盘上升使排球与飞速旋转的飞轮接触，在摩擦产生的作用力下排球被送出。通过调整输送拨叉的转速，可以实现发球机发球节奏的控制。

3）排球发球机的直接使用对象是专业的排球运动员，与运动员是一个协助、对抗的互动关系，因此最终方案利用产品语意的方法，通过发球机的造型语意向使用者传达产品功能实现方式，并能够起到提示作用。发球机还设有可视窗口，可以看到排球在机器内上升到发出的过程，改变了原发球机黑箱子的做法。