Come quantificare gli attacchi di arti marziali?

Sottotitolato: Ah, sono forte con la Forza, ma come lo misuro?

Con tutte le dovute scuse per parafrasare Yoda , sto cercando di misurare una forza. Fortunatamente, è una forza più facile da misurare rispetto ai midi-clorici .

Quando insegno agli altri nel karate, una delle cose che sottolineo è l'attenzione alla tecnica alla base degli strike di base. L'esperienza ha dimostrato che la tecnica corretta può produrre molta più forza dietro ogni colpo. Il problema che incontro è che anche se uno studente afferma di poter "sentire" la differenza in uno sciopero essere più potente, spesso ritornano alla loro tecnica errata perché non si sono convinti che la differenza sia davvero lì.

Vorrei progettare un sistema che misura la forza dietro uno sciopero. In particolare, devo identificare alcuni sensori nel punto di impatto che possono essere utilizzati. Il National Geographic ha fatto qualcosa di molto simile , ma l'attrezzatura che usano, come i manichini da crash test, è proibitivamente costosa. Allo stesso modo, non ho bisogno della risoluzione o della precisione fornite da quella apparecchiatura. Che qualcuno colpisca con una forza di 100 o 101 libbre _f è irrilevante. Voglio dimostrare quando poi passerò da 100 a 200.

Quale sensore o sistema potrei usare per misurare la forza all'impatto di vari colpi di karate? Idealmente, potrei montare il dispositivo in un guanto di messa a fuoco , o simile, ed essere in grado di collegare il pad a un sistema regolabile in modo da poter misurare vari colpi.

I miei principali vincoli di progettazione sono:

• costo più basso
• misurazioni ripetibili
• intervallo di 0–2000 libbre _f

Non sto cercando una progettazione completa del sistema, che includa tutta l'elettronica di monitoraggio. Sto solo cercando di concentrarmi su un sensore in grado di fornire un output misurabile di qualche tipo, come la tensione.

Si noti inoltre che ho intenzione di far passare i cavi al dispositivo, quindi ho già un modo semplice per alimentare il sistema. Potrei passare al wireless ad un certo punto, ma allora userei una batteria e voglio che questa domanda rimanga focalizzata sul sensore stesso.

Potresti semplicemente colpire un pendolo e misurare l'angolo a cui oscilla. Ho scoperto che le bottiglie di soda da tre litri riempite con acqua e appese a una corda sono buone per colpire. Conoscendo il peso della bottiglia, un piccolo grilletto darà l'energia, da cui è possibile ottenere la forza.

Modifica: se il trasferimento di energia dal pugno al bersaglio avviene in un arco di tempo abbastanza breve, allora l'accelerazione della bottiglia in avanti sarà approssimativamente l'accelerazione centripeta attraverso il fondo dell'arco. L'energia potenziale nella parte superiore dell'oscillazione è uguale all'energia cinetica nella parte inferiore.

$a$ = accelerazione centripeta

$v$ = velocità lungo l'arco

$r$ = raggio (lunghezza della fune)

$PE$ = energia potenziale

$m$ = massa

$g$ = accelerazione dovuta alla gravità (circa 9.80665 m / s ² o 32.1740 ft / s ² )

$h$ = altezza

$KE$ = energia cinetica

$m$ = massa

$v$ = velocità lungo l'arco

r $h$ = altezza = lunghezza della fune = l'angolo maggiore della fune dalla verticale$r$$\theta$

Penso che un sensore di forza d'impatto sia quello che stai cercando. Non sono sicuro di quanto siano costosi i sensori collegati, quindi potresti anche usare un sensore di accelerazione e fare un po 'di matematica. La seconda opzione sarà probabilmente meno accurata, ma sospetto che sarà anche significativamente meno costosa!

So che hai detto che non volevi la progettazione completa del sistema, ma ho pensato che avrei optato per il credito extra nel secondo link. ;)

Penso che quello che vuoi sia un sensore di pressione piezoelettrico . Potresti essere in grado di rubarne uno da una vecchia bilancia pesapersone, ma i sensori in una bilancia possono essere buoni solo fino a ~ 100 libbre di forza. Questi trasduttori piezoelettrici convertono la pressione applicata in una piccola tensione attraverso i due conduttori. Questa pressione può essere convertita in forza misurando la superficie del sensore.

Per leggerlo dovrai costruire uno stadio di amplificazione, probabilmente composto da uno stadio preamplificatore a basso rumore e uno stadio di amplificazione più robusto. La seconda parte è un circuito che contiene il valore massimo poiché probabilmente sei più interessato alla forza massima applicata. Probabilmente puoi fare sia il secondo stadio di amplificazione sia qualsiasi elaborazione dei dati con un Arduino .

Devi stare attento a come monti il ​​trasduttore piezoelettrico sul manico di messa a fuoco. Vuoi renderlo qualcosa che le persone possono dare un pugno senza trasferire troppa pressione oltre il sensore. Una volta che lo hai costruito, puoi calibrarlo posizionandoci sopra pesi noti.

Offrirò una risposta leggermente meno utile facendo buchi nelle risposte degli altri per spiegare perché non sono ideali, offrendo quindi una risposta incompleta, scarsamente pensata attraverso la mia risposta.

La maggior parte delle risposte qui soffre di uno dei tre ostacoli:

1. richiedono maschere inutilmente grandi per essere fattibili con complessità che le rendono indesiderabili (pendolo, ti sto guardando qui)
2. ignorano le leggi di Newton sulle forze reazionarie nelle loro implicazioni.
3. la soluzione è assurdamente complessa per il compito da svolgere.

Ok, quindi a partire dal pendolo, prima di tutto, una soluzione molto nuova, in teoria molto buona, ma ci sono due problemi qui: come si monta il pendolo? L'istruttore tiene l'estremità della corda alta sopra la testa e spera di non essere colpito? O usi un telaio a forma di altalena che potresti trovare in un parco giochi? Se è così, puoi anche andare in un parco giochi, stare su un'altalena e farti colpire da un pad, è una soluzione gratuita. Se vuoi qualcosa di più tecnico e scopri come sospendere il pendolo, come fai a garantire che lo colpiscano esattamente nel piano in cui misuri l'altezza, senza sprecare un secchio di energia che gira il cartone del latte? Se hai mai usato un'altalena da pneumatico da bambino, saprai che oscillarla su un piano di tua scelta e senza girare è difficile. Più leggera è la massa del cartone, più vedrai solo la forza istantanea, che potrebbe essere quello che vuoi, non combatto, quindi non lo so, ma so che il colpo più pesante verrà sostenuto mucchio di energia, non un breve impulso di intenso slancio. Anche la standardizzazione tra i colpi sarà una sfida poiché la quantità di tempo di contatto con il cartone influirà notevolmente sull'altezza a cui sale (energia = forza x distanza).

Tutto ciò che tieni in mano ti richiederà di non muoverti; a meno che tu non sia Superman, ti sposterai un po ', specialmente quando i tuoi studenti miglioreranno, quindi la forza registrata diminuirà man mano che fornirai meno resistenza ai colpi, il che significa che i tuoi studenti vedranno rendimenti minacciosi sul miglioramento la loro tecnica. Difficilmente ideale. L'unica soluzione a questo è montare questo su qualcosa di rigido e farlo colpire. Suggerirei un muro o simile se puoi.

Schiuma conduttiva? Quanto è complesso questo? È una buona soluzione teorica ma non riesco a immaginare che sia l'installazione più semplice.

Quindi, la soluzione - ogni soluzione deve soddisfare tre criteri: deve essere economica e allegra, deve avere risultati ripetibili e deve essere calibrata in qualche modo.

Basandosi su una variante della soluzione di @ ToyB, una molla a balestra è la soluzione più semplice qui, montata su una tavola a qualcosa come un muro. Ad ogni estremità la molla dovrebbe avere una fessura tagliata con un bullone attraverso di essa per fissare la molla alla scheda lasciando che la molla si fletta. Collegare un estensimetro sul retro e collegarlo a un semplice voltmetro. È possibile acquistare tutti i componenti necessari per $ 10.

Calibrare posizionando una gamma di pesi sulla molla (basta posizionare la molla, sulla sua scheda, su un tavolo per farlo) e misurare le tensioni. Per aggiungere un passo alla complessità ma migliorare la soluzione, scambia il voltmetro semplice con un semplice registratore di dati e registra la curva di tensione che ottieni quando colpisci la molla, quindi usa Excel o simili e una tabella di ricerca con la tua relazione tensione-forza con dai ai tuoi studenti una curva di forza completa dei loro colpi.

Potresti anche avere alcune opzioni a molla per persone / colpi di colpi diversi per migliorare la tua precisione. Immagino che potresti ottenere tutto questo per meno di $ 50.

La schiuma conduttiva cambierà la sua resistenza quando viene compressa, quindi costituisce un buon sensore di forza economico, purché si disponga di un sistema per effettuare molte misurazioni in rapida successione e ricordare quello con la minima resistenza.

A seconda della forza che si desidera misurare, è possibile utilizzare diversi strati uno sopra l'altro e poiché è possibile tagliarlo in qualsiasi forma, non si è limitati alla (piccola) superficie di un sensore specifico.

$E=mgh$

E = energia in joule,

m = massa in kg,

g = 9,81 m / s ^ 2,

h = dislivello in m

Questa sarà la quantità totale di energia trasferita all'obiettivo. Sfortunatamente, questa quantità di energia non è necessariamente rappresentativa di quanto sia distruttivo / finale un combattimento, poiché spingendolo lentamente a quell'altezza richiederà la stessa energia.

$a=2s/t^2$

a = accelerazione in m / s ^ 2

s = distanza tra i sensori in m

t = tempo in s

Avresti due obiettivi, probabilmente in ordine di importanza:

1.) farlo accelerare il più velocemente possibile 2.) farlo salire il più in alto possibile

Se raggiungi l'obiettivo 1 potresti causare una commozione cerebrale / fratture costanti, supponendo che tu ne abbia abbastanza di 2, il che significa che dovrai anche superare lo strike! Se raggiungi l'obiettivo 2 con un obiettivo 1 scarso, allontanerai il tuo avversario senza causare danni reali. Immagino di non aver bisogno di approfondire questo perché sei un istruttore di karate, mi scuso per aver analizzato cose che probabilmente già conosci, è meglio essere precisi e completi. Attenzione, questi valori non saranno "reali", nel senso che a causa della distribuzione della massa attraverso il pendolo mobile si avrà una formula più complicata per calcolare i valori reali. Tuttavia, otterrai valori numerici che puoi avere più alti o più bassi e potresti "calibrarli" dandogli un calcio, impostando obiettivi per i tuoi studenti. Anche,

Sarebbe utile un estensimetro collegato a un bersaglio.

A differenza del piezzo, sono molto resistenti alla forza del tipo di impatto (i cristalli piezzo tendono a frantumarsi quando la pressione viene applicata rapidamente).

Possono essere attaccati a una "tavola" praticamente arbitraria che produce pochissimo, quindi a differenza dei tipi a pendolo non falsificheranno i risultati con una forza applicata più lentamente, né affonderanno l'energia nella flessibilità stessa del pendolo. Se usi una bottiglia d'acqua, come suggerito in una risposta diversa, "mescolando l'acqua" con l'impatto affonderà una parte importante dell'energia, solo una parte di essa andrà a spingere la bottiglia stessa.

E cambiando il materiale a cui li attacchi, puoi sintonizzarti praticamente su qualsiasi forza - misurano lo stress nel materiale e basandosi sul Modulo di Young del materiale, possono essere adattati per rilevare qualsiasi cosa dalle forze sub-Newton, a carichi su ponti e scafi di navi merci.

Come affrontarli praticamente? Scegli una specie di tavola, barra o altra superficie che servirà come bersaglio colpito e si piegherà un po 'sull'impatto, ma abbastanza forte da non spezzarsi, fissata saldamente con entrambe le estremità. Incollate il calibro sul lato "sicuro", da qualche parte attorno al punto di impatto. Quindi si utilizza un semplice microcontrollore ( viene in mente PSoC4 , facile da programmare e con tutto l'hardware rimanente necessario a bordo) e si misurano i cambiamenti di resistenza di picco. Un semplice programma che raccoglie la resistenza di picco oltre una certa soglia entro un determinato intervallo di tempo e lo invia al PC tramite RS232 dovrebbe essere abbastanza semplice.

Come calibrarlo? Posizionare il dispositivo di aggancio in orizzontale, posizionare un peso statico noto nel punto di impatto, misurare la differenza tra la resistenza libera e il peso. 1 kg di peso eserciterà una forza di 9.806 newton e, a meno che non abbiate esagerato con il materiale, l'approssimazione lineare del Modulo di Young è piuttosto buona; le letture saranno linearmente proporzionali alla forza, quindi sarà sufficiente una semplice proporzione per ottenere la misurazione in Newton.

Questi sono alcuni suggerimenti per sviluppare il sistema

Suggerisco di utilizzare un approccio di tipo vescicale polimerico utilizzato nei sistemi di rilevamento dell'occupazione dei passaggi nell'industria automobilistica. Questo brevetto descrive l'applicazione automobilistica. Il sistema vescicale sarebbe parte del guanto di messa a fuoco, che include un sensore di pressione differenziale base MEMS. Quando la forza di impatto verrà rilevata dal sensore di pressione, i dati verranno elaborati dal semplice microprocessore come un Atmel tiny, MSP430 o un PIC. Nel caso in cui venga scelto un sensore di pressione analogico, è necessario uno stadio Analog Front End (AFE), ma sono disponibili anche opzioni I2C o SPI.

Un altro approccio sarà quello di utilizzare un'unità di misura inerziale (IMU) che fornisce da due a sei gradi di libertà (DOF) con un microprocessore come MSP430 o PIC. Queste IMU hanno giroscopi e accelerometri. Questo approccio fornirà più dati che possono essere utilizzati per successive analisi. Inoltre la comunicazione avviene tramite I2C o SPI al microprocessore

Il sistema richiederà un semplice sistema di alimentazione come una semplice batteria a bottone ricaricabile. Il sistema di ricarica USB potrebbe essere la scelta migliore. Il sistema di ricarica USB abiliterà l'opzione di download dei dati. Inoltre, è possibile utilizzare un qualche tipo di meccanismo di raccolta di energia come la vibrazione per generare energia necessaria per alimentare il sistema, in modo simile ad alcune delle nuove macchine da palestra come tapis roulant, bici ellittiche ecc. Questa può essere un'ottima applicazione a bassa potenza.

Un'altra opzione sarebbe quella di collegare un dispositivo indossabile come un bit di adattamento che non solo fornirà la fonte di alimentazione ma anche l'archiviazione, la revisione e l'analisi dei dati. Fit bit darà anche la possibilità di connettersi a uno smartphone di analisi in tempo reale e feedback allo studente.

Passare direttamente da Focus Mitt a Smart potrebbe essere una proposta di grande valore aggiunto. Questo può essere ottenuto in molti modi. L'uso di Cortex ARM M0 micro con un BLE su chip potrebbe essere la migliore opzione attualmente disponibile. Molti fornitori come NXP, Freescale e Cypress offrono questa opzione. È ancora meglio un Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart in un modulo. Di seguito è riportato un esempio di tale dispositivo.

Tutti questi fornitori offrono kit di sviluppo convenienti con fattore di forma ridotto.

Infine, indirizzare il COV agli studenti, fornendo un feedback misurabile in tempo reale tra tecniche corrette e errate, spingerà gli studenti a raggiungere la perfezione.

Riferimenti:

• Sistema di rilevamento del peso degli occupanti del veicolo con compensazione della posizione degli occupanti
• Sensori di pressione PS
• Scheda combo digitale IMU da 6 gradi di libertà
• Modulo Micro BLE visto con SoC basato su Cortex-M0 nRF51822
• Kinetis KW2x - 2,4 GHz RF, segnale misto analogico, IEEE® 802.15.4, microcontroller a bassa potenza (MCU)
• Prodotti e soluzioni per la connettività Bluetooth Smart
• Sistema su chip programmabile (PSoC®) + Bluetooth Low Energy

Ecco un modo davvero economico e allegro di mostrare le dimensioni di un impatto. Prendi 2 schede di compensato, metti una grande molla di compressione tra l'una e l'altra scheda in modo che la molla sia inserita a sandwich ma rimovibile da almeno una delle schede come una "H". Bolt questo a un muro. "H |" Prendi delle palline di dimensioni playdo (stucco per bambini) posizionale su queste all'interno della molla (probabilmente in un sacchetto di plastica o simile per risparmiare sul disordine), rimetti la seconda scheda e colpisci forte la scheda. L'impatto sul playdo causerà una deformazione diversa a seconda di quanto è stato colpito.

Se fai in modo che la tavola fissata al muro abbia i lati attorno come una scatola, posiziona 5 molle di compressione (più corte dei lati) (quattro angoli e il centro che tiene lo stucco) probabilmente potresti avere un pezzo di corda da estrarre la seconda scheda per facilitare l'accesso al playdo.

È troppo semplicistico? dipende da quanto scientifico vuoi il risultato e quanto sei bravo con un saldatore rispetto a 6 pezzi di legno e 5 molle di compressione

Il problema con la quantificazione della forza d'impatto è la breve durata di quello che di solito è un impulso "di punta". Le bilance da bagno sono generalmente smorzate per fornire una lettura costante di una forza statica e non catturano picchi transitori. Anche i pendoli balistici hanno problemi, alcuni dei quali sono stati discussi. Tuttavia, per addestrare i giovani combattenti, suggerirei che non è necessario quantificare la forza ma, piuttosto, confrontare le loro prestazioni nel tempo e lasciare che si confrontino con altri studenti. Per fare ciò, tutto ciò che devi fare è riempire una scatola aperta (circa 30 cm quadrati) con uno spesso strato di argilla da modellare e fissare la scatola al muro. Quando lo studente lancia un pugno, l'argilla fungerà da materiale testimone e si deformerà plasticamente. Basta misurare la massima profondità della depressione e registrarla sul record personale dello studente.

L'argilla è, ovviamente, riutilizzabile, ma potresti dover sperimentare per ottenere la giusta argilla da modellare: la Roma Plastilina era il materiale preferito per la balistica delle armi da fuoco, ma la plastilina o il Play-Doh potrebbero essere meno dolorosi per il giovane karate-ka.