Как определить количество ударов боевых искусств?

Подзаголовок: Ах, я силен, но как я могу это измерить?

Со всеми извинениями за перефразирование Йоды , я пытаюсь измерить силу. К счастью, измерить силу легче, чем мидихлорианы .

Когда я обучаю других каратэ, я подчеркиваю, что основное внимание уделяется технике основных ударов. Опыт показывает, что правильная техника может дать гораздо больше сил за любой удар. Проблема, с которой я сталкиваюсь, заключается в том, что, хотя студент заявляет, что он может «чувствовать» разницу в более сильном ударе, он часто возвращается к своей неправильной технике, потому что не убедил себя, что разница действительно есть.

Я хотел бы разработать систему, которая измеряет силу удара. В частности, мне нужно определить какой-то датчик в точке удара, который можно использовать. National Geographic сделала нечто очень похожее , но используемое ими оборудование, такое как манекены для краш-тестов, слишком дорого. Кроме того, мне не нужно разрешение или точность, обеспечиваемая этим оборудованием. Если кто - то ударил с 100 или 101 фунтов _е силы не имеет значения. Я хочу продемонстрировать, когда тогда перейти от 100 до 200.

Какой датчик или систему можно использовать для измерения силы при ударе от различных ударов каратэ? В идеале я мог бы смонтировать устройство в фокусировочной перчатке или чем-то подобном и иметь возможность прикрепить площадку к регулируемой системе, чтобы можно было измерять различные удары.

Мои основные конструктивные ограничения:

• низкая стоимость
• повторяемые измерения
• диапазон 0–2000 фунтов _f

Я не ищу полный дизайн системы, который включал бы всю контрольную электронику. Я просто пытаюсь сфокусироваться на датчике, который может обеспечить измеримый выход, например, напряжение.

Также обратите внимание, что я планирую проложить провода к устройству, поэтому у меня уже есть простой способ питания системы. В какой-то момент я могу подключиться к беспроводной сети, но тогда я бы использовал батарею, и я хочу, чтобы этот вопрос был сосредоточен на самом датчике.

Вы можете просто ударить маятник и измерить угол, на который он качается. Я обнаружил, что трехлитровые бутылки содовой, наполненные водой и свисающие с веревки, хороши для удара. Зная вес бутылки, маленький триггер даст энергию, из которой вы сможете получить силу.

Редактировать: Если передача энергии от кулака к цели происходит в течение достаточно короткого промежутка времени, то ускорение бутылки вперед будет приблизительно центростремительным ускорением в нижней части дуги. Потенциальная энергия в верхней части качания равна кинетической энергии в нижней части.

$a$

$v$

$r$

$PE$

$m$

$g$

$h$

$KE$

$m$

$v$

$h$$r$$\theta$

Я думаю, что датчик силы удара - это то, что вы ищете. Я не уверен, насколько дороги соединенные датчики, чтобы вы могли также использовать датчик ускорения и немного подсчитать. Второй вариант, вероятно, будет менее точным, но я подозреваю, что он также будет значительно дешевле!

Я знаю, что вы сказали, что вам не нужен полный дизайн системы, но я подумал, что мне понадобится дополнительная скидка во второй ссылке. ;)

Я думаю, что вы хотите пьезоэлектрический датчик давления . Вы можете украсть один из старых весов для ванной комнаты, но датчики в весах могут быть эффективны только до ~ 100 фунтов силы. Эти пьезоэлектрические преобразователи преобразуют приложенное давление в небольшое напряжение на двух выводах. Это давление можно преобразовать в силу путем измерения площади поверхности датчика.

Чтобы его прочитать, вам необходимо построить ступень усиления, возможно, состоящую из ступени предусилителя с низким уровнем шума и более надежной ступени усиления. Вторая часть - это схема, в которой хранится максимальное значение, поскольку вас, вероятно, больше всего интересует максимальное приложенное усилие. Вероятно, вы можете выполнить как второй этап амплификации, так и любую обработку данных с Arduino .

Вы должны быть осторожны при установке пьезоэлектрического преобразователя на фокусировочную рукоятку. Вы хотите сделать что-то такое, что люди могут пробить, не перенося слишком большого давления на датчик. Как только вы его построите, вы можете откалибровать его, поместив на него известные веса.

Я собираюсь предложить немного менее полезный ответ, вставив дыры в ответах других, чтобы объяснить, почему они не идеальны, а затем предложив неполный, плохо продуманный мой собственный ответ.

Большинство ответов здесь страдают от одного из трех камней преткновения:

1. они требуют, чтобы излишне большие зажимы были выполнимы со сложностями, которые делают их нежелательными (маятник, я смотрю на вас здесь)
2. они игнорируют законы реакционных сил Ньютона в их значении.
3. решение нелепо сложно для поставленной задачи.

Итак, начиная с маятника, во-первых, очень новое решение, теоретически очень хорошее, но здесь есть две проблемы: как установить маятник? Держит ли инструктор конец струны высоко над головой и надеется, что его не ударили? Или вы используете качели типа А, которые вы можете найти на детской площадке? Если это так, вы можете просто пойти на игровую площадку, встать на качелях и заставить их ударить вас / площадку, это бесплатное решение. Если вы хотите что-то более техническое, и вы выясняете, как подвесить маятник, как вы гарантируете, что они ударяют его прямо, в плоскости, в которой вы измеряете высоту, не тратя впустую ведро энергии, вращающее коробку с молоком? Если вы когда-либо использовали качели для шин в детстве, вы знаете, что качать их в выбранной вами плоскости, без вращения, сложно. Чем меньше масса коробки, тем больше вы будете видеть только мгновенную силу, которая может быть тем, что вы хотите, я не борюсь, поэтому я не знаю, но я знаю, что самый тяжелый удар будет подкреплен куча энергии, а не очень короткий импульс интенсивного импульса. Стандартизация между ударами также будет проблемой, так как количество времени контакта с коробкой сильно повлияет на ее высоту (энергия = сила х расстояние).

Все, что вы держите в руках, потребует от вас не двигаться; если вы не Супермен, вы будете немного двигаться, особенно по мере того, как ваши ученики будут улучшаться, поэтому зарегистрированная сила будет уменьшаться, так как вы будете меньше сопротивляться ударам, а это значит, что ваши ученики увидят мрачную отдачу от улучшения их техника. Вряд ли идеал. Единственный способ исправить это - прикрепить его к чему-то жесткому и заставить его ударить. Я хотел бы предложить стену или подобное, если вы можете.

Проводящая пена? Насколько это сложно? Это хорошее теоретическое решение, но я не могу представить, что это самая простая установка.

Таким образом, решение - любое решение должно отвечать трем критериям: оно должно быть дешевым и веселым, оно должно иметь повторяемые результаты, и его необходимо как-то откалибровать.

Основываясь на варианте решения @ ToyB, листовая рессора - самое простое решение: она крепится на доске к стене. На каждом конце пружина должна иметь прорезь с прорезью с помощью болта, чтобы прикрепить пружину к доске, позволяя пружине отклоняться. Прикрепите тензодатчик к задней части и подключите его к простому вольтметру. Вы можете купить все необходимые компоненты за 10 долларов .

Откалибруйте, поместив диапазон весов на пружину (для этого просто поместите пружину на ее доску на стол) и измерьте напряжения. Чтобы добавить шаг к сложности, но улучшить решение, замените простой вольтметр на простой регистратор данных и запишите кривую напряжения, которую вы получите при попадании на пружину, затем используйте Excel или аналогичный и справочную таблицу с вашими отношениями напряжения и силы, чтобы дать своим студентам полную кривую силы своих хитов.

Вы могли бы даже иметь несколько вариантов пружин для людей / ударов различных ударов, чтобы улучшить вашу точность. Я полагаю, вы могли бы достичь всего этого менее чем за 50 долларов .

Проводящая пена изменит свое сопротивление при сжатии, поэтому она является хорошим дешевым датчиком силы, если у вас есть система, позволяющая выполнять множество измерений в быстрой последовательности и запоминать датчик с наименьшим сопротивлением.

В зависимости от силы, которую вы хотите измерить, вы можете использовать несколько слоев друг над другом, и, поскольку вы можете разрезать его в любую форму, вы не ограничены (маленькой) поверхностью конкретного датчика.

$E=mgh$

E = энергия в джоулях,

m = масса в кг,

г = 9.81m / с ^ 2,

h = перепад высот в м

Это будет общее количество энергии, передаваемой цели. К сожалению, это количество энергии не обязательно является показателем того, насколько разрушительным / завершающим бой является удар, так как его медленное продвижение на эту высоту потребует такой же энергии.

$a=2s/t^2$

а = ускорение в м / с ^ 2

s = расстояние между датчиками в м

t = время в с

У вас будет две цели, возможно, в порядке важности:

1.) как можно быстрее разогнать его 2.) поднять как можно выше

Если вы достигнете цели 1, вы можете вызвать сотрясение мозга / сломанное ребро, при условии, что у вас достаточно 2, что означает, что вам также нужно будет пробить удар! Если вы достигнете цели 2 с плохой целью 1, вы оттолкнете своего противника, не нанеся реального ущерба. Думаю, мне не нужно углубляться в это, потому что вы - инструктор по каратэ, извиняюсь за то, что изучил то, что вы, вероятно, уже знаете, просто лучше быть точным и полным. Осторожно, эти значения не будут «реальными» в том смысле, что из-за распределения массы через движущийся маятник у вас будет более сложная формула для расчета реальных значений. Тем не менее, вы получите числовые значения, которые вы можете иметь выше или ниже, и вы можете «откалибровать» его, дав себе удар, устанавливая цели для своих учеников. Также,

Штамм Guage прикреплен к цели будет полезно.

В отличие от пьезо, они очень долговечны против силы удара (кристаллы пьезо имеют тенденцию разрушаться при быстром воздействии давления).

Они могут быть прикреплены к почти произвольной «доске», которая дает очень мало, поэтому в отличие от типов маятника, они не будут фальсифицировать результаты с приложением силы медленнее или не впитывать энергию в собственную гибкость маятника. Если вы используете бутылку с водой, как предложено в другом ответе, «перемешивание воды» с ударом потратит большую часть энергии, и только часть ее будет направлена ​​на движение самой бутылки.

И, изменяя материал, к которому вы их прикрепляете, вы можете настроить их практически на любую силу - они измеряют напряжение в материале и, основываясь на модуле Юнга материала, они могут быть адаптированы к восприятию чего-либо от сил Ньютона, до грузы на мостах и ​​корпусах грузовых судов.

Как к ним подойти практически? Вы выбираете какую-то доску, пруток или другую поверхность, которая будет служить целью поражения и будет слегка изгибаться при ударе, но достаточно сильной, чтобы не сломаться, крепко прикрепленной с обоих концов. Вы приклеиваете датчик к «безопасной» стороне, где-то около точки удара. Затем вы используете какой-нибудь простой микроконтроллер ( PSoC4 приходит на ум, прост в программировании и со всем остальным оборудованием, необходимым на плате) и измеряете пиковые изменения сопротивления. Простая программа, которая выбирает пиковое сопротивление через определенный порог в течение данного периода времени и отправляет его через RS232 на ПК, должна быть достаточно простой.

Как откалибровать это? Разместите приспособление горизонтально, поместите известный статический вес в точку удара, измерьте разницу между сопротивлением, не обремененным, и весом. Вес 1 кг будет оказывать силу в 9806 ньютонов, и если вы не очень увлекаетесь материалом, линейное приближение модуля Юнга будет довольно хорошим; Ваши показания будут линейно пропорциональны силе, поэтому для получения измерения в Ньютонах будет достаточно простой пропорции.

Вот несколько предложений по разработке системы

Я предлагаю использовать подход типа полимерного мочевого пузыря, используемый в системах обнаружения пассажей в автомобильной промышленности. Этот патент описывает автомобильную заявку. Система мочевого пузыря будет частью рукавицы фокуса, которая включает в себя базовый датчик перепада давления MEMS. Когда датчик давления будет определять силу удара, данные будут обрабатываться простым микропроцессором, таким как Atmel tiny, MSP430 или PIC. Если выбран аналоговый датчик давления, то необходима ступень аналогового внешнего интерфейса (AFE), но также доступны опции I2C или SPI.

Другой подход заключается в использовании инерциального измерительного блока (IMU), который обеспечивает пару от двух до шести степеней свободы (DOF) с микропроцессором, таким как MSP430 или PIC. У этих ИДУ есть гироскопы и акселерометры. Этот подход даст больше данных, которые можно использовать для последующего анализа. Также связь осуществляется через I2C или SPI с микропроцессором.

Система потребует простой системы питания, как простая перезаряжаемая кнопка батареи. USB-система зарядки может быть вашим лучшим выбором. Система зарядки USB активирует функцию загрузки данных. Также некоторый тип механизма сбора энергии, такой как вибрация, может использоваться для генерирования энергии, необходимой для питания системы, подобно некоторым новым спортивным тренажерам, таким как беговые дорожки, эллиптические велосипеды и т. Д. Это может быть отличным приложением с низким энергопотреблением.

Другой вариант - подключить носимый, например, бит соответствия, который обеспечит не только источник питания, но также хранение, просмотр и анализ данных. Fit bit также даст возможность подключиться к смартфону в режиме реального времени для анализа и обратной связи со студентом.

Переход с фокуса на Smart может быть очень выгодным предложением. Этого можно достичь разными способами. Использование Cortex ARM M0 micro с BLE на кристалле может быть лучшим вариантом, доступным в настоящее время. Многие поставщики, такие как NXP, Freescale и Cypress, предлагают эту опцию. Еще лучше - Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart в модуле. Ниже приведен пример такого устройства.

Все эти поставщики предлагают доступный набор для разработки с малым форм-фактором.

Наконец, для решения VOC студенты, обеспечивающие в реальном времени измеримую обратную связь между правильными и неправильными методами, заставят студентов стремиться к совершенству.

Ссылки:

• Система определения веса пассажира с компенсацией положения пассажира
• Датчики давления PS
• 6 степеней свободы Цифровая комбинированная плата IMU
• Модуль Seeed Micro BLE с корпусом Cortex-M0 на основе nRF51822
• Kinetis KW2x - 2,4 ГГц RF, аналоговый смешанный сигнал, IEEE® 802.15.4, микроконтроллеры малой мощности (MCU)
• Продукты и решения для Bluetooth-соединения Smart
• Программируемая система на кристалле (PSoC®) + Bluetooth Low Energy

Вот действительно дешевый и веселый способ показать размер воздействия. Возьмите 2 фанерные плиты, поместите большую пружину сжатия между одной и другой доской, чтобы пружина была зажата, но снималась, по крайней мере, одной из досок, как «Н». Прикрутите это к стене. "H |" Возьмите шарики игрового размера (детская замазка) установленного размера внутри пружины (вероятно, в пластиковом пакете или аналогичном, чтобы сэкономить на беспорядке), установите 2-ую доску и сильно ударьте по ней. Удар по игровой площадке вызовет различную деформацию в зависимости от того, насколько сильно она была поражена.

Если вы делаете доску, прикрепленную к стене, так, чтобы стороны вокруг нее были похожи на коробку, поместите 5 (короче боковых сторон) пружин сжатия (четыре угла и середина, удерживающая замазку), у вас, вероятно, может быть кусок веревки, который можно вытащить вторая доска для простоты попадания в playdo.

Это слишком упрощенно? это действительно зависит от того, насколько научным вам нужен результат и насколько вы хороши с паяльником, в отличие от 6 кусков дерева и 5 пружин сжатия

Проблема с количественной оценкой ударной силы заключается в короткой длительности импульса «пика». Весы для ванной комнаты обычно демпфируются, чтобы дать постоянные показания статической силы и не улавливают переходные пики. Баллистические маятники также имеют проблемы, некоторые из которых обсуждались. Тем не менее, для обучения молодых бойцов, я бы сказал, что вам на самом деле не нужно количественно определять силу, а, скорее, сравнивайте их показатели во времени и позволяйте им сравнивать себя с другими студентами. Чтобы сделать это, все, что вам нужно сделать, это заполнить открытую коробку (около 30 см) толстым слоем глины для лепки и закрепить коробку на стене. Когда ученик наносит удар, глина будет действовать как свидетельский материал и пластически деформироваться. Просто измерьте максимальную глубину депрессии и запишите это в личную запись студента.

Глина, конечно, пригодна для повторного использования, но вам, возможно, придется поэкспериментировать, чтобы получить правильную лепку для лепки: Рома Пластилина была предпочтительным материалом для баллистики огнестрельного оружия, но Пластилин или Play-Doh могут быть менее болезненными для молодого каратэ-ка.