Como quantificar ataques de artes marciais?

Legendado: Ah, sou forte com a Força, mas como faço para medi-la?

Com todas as desculpas devidas por parafrasear Yoda , estou tentando medir uma força. Felizmente, é uma força mais fácil de medir do que os midi-chlorians .

Quando dou aulas de karatê para outras pessoas, uma das coisas que enfatizo é o foco na técnica por trás dos ataques básicos. A experiência demonstrou que a técnica adequada pode gerar muito mais força por trás de qualquer ataque. O problema que encontro é que, embora um estudante afirme que pode "sentir" que a diferença em uma greve é ​​mais poderosa, eles frequentemente voltam à sua técnica incorreta porque não se convenceram de que a diferença está realmente presente.

Eu gostaria de projetar um sistema que mede a força por trás de uma greve. Em particular, preciso identificar algum sensor no ponto de impacto que pode ser usado. A National Geographic fez algo muito semelhante , mas o equipamento que eles usam, como manequins de teste de colisão, é proibitivamente caro. Da mesma forma, não preciso da resolução ou precisão fornecida por esse equipamento. Se alguém atingido com 100 ou 101 lb _f de força é irrelevante. Quero demonstrar quando passar de 100 para 200.

Que sensor ou sistema eu poderia usar para medir a força no impacto de vários ataques de karatê? Idealmente, eu poderia montar o dispositivo em uma luva de foco , ou similar, e ser capaz de conectar o pad a um sistema ajustável para que vários ataques pudessem ser medidos.

Minhas principais restrições de design são:

• custo mais baixo
• medições repetíveis
• faixa de 0–2.000 lb _f

Não estou procurando um projeto completo do sistema, que inclua todos os componentes eletrônicos de monitoramento. Só estou tentando focar em um sensor que possa fornecer uma saída mensurável de algum tipo, como tensão.

Observe também que pretendo executar cabos no dispositivo, por isso já tenho uma maneira fácil de alimentar o sistema. Posso ficar sem fio em algum momento, mas usaria uma bateria e quero que essa pergunta permaneça focada no próprio sensor.

Você pode simplesmente acertar um pêndulo e medir o ângulo em que ele oscila. Descobri que garrafas de refrigerante de três litros cheias de água e penduradas em uma corda são boas para bater. Conhecendo o peso da garrafa, um pequeno gatilho dará a energia, da qual você pode obter a força.

Edit: Se a transferência de energia do punho para o alvo ocorrer através de um intervalo de tempo suficientemente curto, a aceleração da garrafa para a frente será aproximadamente a aceleração centrípeta na parte inferior do arco. A energia potencial na parte superior do balanço é igual à energia cinética na parte inferior.

= aceleração centrípeta$a$

= velocidade ao longo do arco$v$

= raio (comprimento da corda)$r$

= energia potencial$PE$

= massa$m$

= aceleração devido à gravidade (cerca de 9,80665 m / s²ou 32,1740 ft / s²)$g$

= altura$h$

= energia cinética$KE$

= massa$m$

= velocidade ao longo do arco$v$

= altura r = comprimento do cabo θ = o maior ângulo do cabo da vertical$h$$r$$\theta$

Eu acho que um sensor de força de impacto é o que você está procurando. Não tenho certeza de quanto os sensores vinculados são caros, então você também pode usar um sensor de aceleração e fazer um pouco de matemática. A segunda opção provavelmente será menos precisa, mas suspeito que também será significativamente menos cara!

Eu sei que você disse que não queria o design completo do sistema, mas imaginei que iria pedir um crédito extra no segundo link. ;)

Eu acho que o que você quer é um sensor de pressão piezoelétrico . Você pode roubar um de uma balança de banheiro antiga, mas os sensores em uma balança podem ser bons apenas até ~ 100 libras de força. Esses transdutores piezoelétricos convertem a pressão aplicada em uma pequena tensão nos dois terminais. Essa pressão pode ser convertida em força medindo a área da superfície do sensor.

Para lê-lo, você precisará construir um estágio de amplificação, provavelmente consistindo de um estágio de pré-amplificador de baixo ruído e um estágio de amplificação mais robusto. A segunda parte é um circuito que mantém o valor máximo, pois você provavelmente está mais interessado na força máxima aplicada. Provavelmente, você pode realizar o segundo estágio de amplificação e qualquer processamento de dados com um Arduino .

Você precisa ter cuidado ao montar o transdutor piezoelétrico na luva de foco. Você quer fazer algo que as pessoas possam perfurar sem transferir muita pressão além do sensor. Depois de construí-lo, você pode calibrá-lo colocando pesos conhecidos sobre ele.

Vou oferecer uma resposta um pouco menos útil, abrindo brechas nas respostas de outras pessoas para explicar por que elas não são ideais e, em seguida, oferecendo uma resposta incompleta e mal pensada por mim mesmo.

A maioria das respostas aqui sofre de um dos três obstáculos:

1. eles exigem gabaritos desnecessariamente grandes para serem viáveis ​​com complexidades que os tornam indesejáveis ​​(pêndulo, estou olhando para você aqui)
2. eles ignoram as leis das forças reacionárias de Newton em suas implicações.
3. a solução é absurdamente complexa para a tarefa em questão.

Ok, então começando pelo pêndulo, antes de tudo, uma solução muito nova, em teoria, muito boa, mas há duas questões aqui: como você monta o pêndulo? O instrutor segura o fim da corda bem acima da cabeça e espera que não sejam atingidos? Ou você usa uma moldura tipo balanço que pode ser encontrada em um playground? Nesse caso, você também pode simplesmente ir a um playground, ficar em um balanço e fazer com que eles batam em você / em um bloco, é uma solução gratuita. Se você quer algo mais técnico e descobre como suspender o pêndulo, como garante que ele o bata diretamente, no plano em que você mede a altura, sem desperdiçar um balde de energia girando a caixa de leite? Se você já usou um balanço de pneu quando criança, saberá que girá-lo em um plano de sua escolha e sem girar é complicado. Quanto mais leve a massa da caixa, mais você verá apenas força instantânea, que pode ser o que você deseja, não luto, então não sei, mas sei que o golpe mais forte será suportado pilha de energia, não um impulso muito breve de momento intenso. A padronização entre os golpes também será um desafio, pois a quantidade de tempo de contato com a caixa afetará bastante a altura em que ela se eleva (energia = força x distância).

Qualquer coisa que você segure em suas mãos exigirá que você não se mova; a menos que você seja o Super-homem, você se moverá um pouco, especialmente à medida que seus alunos melhorarem, de modo que a força registrada diminuirá à medida que você fornecer menos resistência aos golpes, o que significa que seus alunos verão retornos devastadores ao melhorar sua técnica. Dificilmente ideal. A única solução para isso é montar isso em algo rígido e fazer com que eles atinjam isso. Eu sugeriria uma parede ou similar, se puder.

Espuma condutora? Quão complexo isso está ficando? É uma boa solução teórica, mas não consigo imaginar que seja a instalação mais simples.

Portanto, a solução - qualquer solução deve atender a três critérios: precisa ser barata e alegre, precisa ter resultados repetíveis e precisa ser calibrada de alguma forma.

Com base em uma variante da solução da @ ToyB, uma mola de lâmina é a solução mais simples aqui, montada em uma placa em algo como uma parede. Em cada extremidade, a mola deve ter uma ranhura cortada com um parafuso para prendê-la à placa, permitindo que a mola se desvie. Anexe um extensômetro na parte traseira e conecte-o a um voltímetro simples. Você pode comprar todos os componentes necessários por US $ 10.

Calibre colocando vários pesos na mola (basta colocar a mola, em seu quadro, em uma mesa para fazer isso) e meça as tensões. Para adicionar um passo à complexidade, mas melhorar a solução, troque o voltímetro simples por um registrador de dados simples e registre a curva de voltagem que você obtém ao atingir a mola, use o Excel ou similar e uma tabela de pesquisa com sua relação tensão-força para dê a seus alunos uma curva de força completa de seus acertos.

Você pode até ter algumas opções de primavera para pessoas / golpes de hits diferentes para melhorar sua precisão. Eu imagino que você poderia conseguir tudo isso por menos de US $ 50.

A espuma condutora altera sua resistência quando comprimida, tornando-o um sensor de força bom e barato, desde que você tenha um sistema para fazer muitas medições em rápida sucessão e lembrar da que tem menos resistência.

Dependendo da força que você deseja medir, você pode usar várias camadas uma sobre a outra e, como pode cortá-la em qualquer forma, não fica restrita à (pequena) superfície de um sensor específico.

$E=mgh$

E = energia em Joules,

m = massa em kg,

g = 9,81m / s ^ 2,

h = diferença de altura em m

Essa será a quantidade total de energia transferida para o alvo. Infelizmente, essa quantidade de energia não é necessariamente representativa de quão destrutivo / final da luta é, pois empurrá-lo para essa altura lentamente exigirá a mesma energia.

$a=2s/t^2$

a = aceleração em m / s ^ 2

s = distância entre sensores em m

t = tempo em s

Você teria dois objetivos, sem dúvida em ordem de importância:

1.) faça acelerar o mais rápido possível 2.) obtenha o mais alto possível

Se você atingir o objetivo 1, poderá causar uma concussão / costela quebrada, supondo que você tenha o suficiente 2, o que significa que você também precisará fazer a greve! Se você atingir o objetivo 2 com um objetivo ruim 1, afastará seu oponente sem causar nenhum dano real. Eu acho que realmente não preciso expandir isso, pois você é um instrutor de karatê, desculpas por revisar coisas que você provavelmente já conhece, é melhor ser preciso e completo. Cuidado, esses valores não serão "reais" no sentido de que, devido à distribuição da massa através do pêndulo em movimento, você terá uma fórmula mais complicada para calcular os valores reais. No entanto, você obterá valores numéricos que podem ter maior ou menor valor e poderá "calibrá-lo" dando um chute, definindo metas para seus alunos. Além disso,

Um extensômetro conectado a um alvo seria útil.

Ao contrário do piezzo, eles são muito duráveis ​​contra a força do tipo impacto (os cristais do piezzo tendem a quebrar quando a pressão é aplicada rapidamente).

Eles podem ser anexados a uma "prancha" arbitrária que produz muito pouco; portanto, diferentemente dos tipos de pêndulos, eles não falsificam os resultados com força aplicada mais devagar ou afundam a energia na flexibilidade do pêndulo. Se você usar uma garrafa de água, como sugerido em uma resposta diferente, "mexer a água" com o impacto afundará grande parte da energia, apenas parte dela será usada para impulsionar a própria garrafa.

E, alterando o material ao qual você os anexa, você pode ajustá-los a praticamente qualquer força - eles medem a tensão no material e, com base no módulo de Young do material, podem ser adaptados para detectar qualquer coisa, desde as forças sub-Newton, até cargas em pontes e cascos de navios de carga.

Como abordá-lo na prática? Você escolhe algum tipo de tábua, barra ou outra superfície que servirá como alvo atingido e dobrará um pouco com o impacto, mas forte o suficiente para que não se encaixe, firmemente presa às duas extremidades. Você cola o medidor no lado "seguro", em algum ponto do ponto de impacto. Depois, use um microcontrolador simples (o PSoC4 vem à mente, fácil de programar e com todo o hardware restante necessário na placa) e mede as alterações de pico de resistência. Um programa simples que escolha o pico de resistência acima de determinado limite dentro de um determinado período de tempo e o envie pelo RS232 para o PC deve ser bastante simples.

Como calibrá-lo? Coloque a engenhoca horizontalmente, coloque um peso estático conhecido no ponto de impacto, meça a diferença entre a resistência livre e com o peso. O peso de 1 kg exercerá 9,806 newtons de força e, a menos que você tenha gostado muito do material, a aproximação linear do módulo de Young é muito boa; suas leituras serão linearmente proporcionais à força; portanto, uma proporção simples será suficiente para obter a medida em Newtons.

Estas são algumas sugestões para desenvolver o sistema

Sugiro usar uma abordagem do tipo bexiga polimérica usada em sistemas de detecção de ocupação de passagem na indústria automotiva. Esta patente descreve o aplicativo automotivo. O sistema da bexiga faria parte da luva de foco, que inclui um sensor de pressão diferencial de base MEMS. Quando a força de impacto for detectada pelo sensor de pressão, os dados serão processados ​​pelo microprocessador simples, como um Atmel tiny, MSP430 ou PIC. Caso o sensor de pressão analógico seja escolhido, é necessário um estágio de extremidade frontal analógica (AFE), mas as opções I2C ou SPI também estão disponíveis.

Outra abordagem será usar uma unidade de medida inercial (IMU) que forneça dois a seis graus de liberdade (DOF) a um microprocessador como o MSP430 ou PIC. Essas IMU possuem giroscópios e acelerômetros. Essa abordagem fornecerá mais dados que podem ser usados ​​para análises posteriores. A comunicação também é feita via I2C ou SPI com o microprocessador

O sistema exigirá um sistema de energia simples, como uma simples bateria recarregável de botão. O sistema de carregamento de energia USB pode ser sua melhor escolha. O sistema de carregamento USB ativará a opção de download de dados. Além disso, algum tipo de mecanismo de captação de energia, como vibração, pode ser usado para gerar energia necessária para alimentar o sistema, semelhante a algumas das novas máquinas de ginástica, como esteiras, bicicletas elípticas, etc. Essa pode ser uma ótima aplicação de baixa potência.

Outra opção seria conectar um dispositivo vestível, como um bit de ajuste, que não apenas fornecerá a fonte de energia, mas também armazenamento, revisão e análise de dados. O bit de ajuste também dará a capacidade de conectar-se a um telefone inteligente para análise e feedback em tempo real ao aluno.

Indo diretamente do foco para o Smart pode ser uma proposta de grande valor agregado. Isso pode ser alcançado de várias maneiras. Usar o Cortex ARM M0 micro com um BLE no chip pode ser a melhor opção disponível no momento. Muitos fornecedores, como NXP, Freescale e Cypress, oferecem essa opção. É ainda melhor um Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth de baixa energia / Bluetooth inteligente em um módulo. Abaixo está um exemplo desse dispositivo.

Todos esses fornecedores oferecem kit de desenvolvimento acessível para fator de forma pequeno.

Finalmente, para abordar o VOC dos alunos, fornecer feedback mensurável em tempo real entre técnicas corretas e incorretas fará com que os alunos desejem alcançar a perfeição.

Referências:

• Sistema de detecção de peso do ocupante do veículo com compensação da posição do ocupante
• Sensores de pressão PS
• Placa combinada digital IMU de 6 graus de liberdade
• Módulo Micro BLE visto com SoC nRF51822 baseado em Cortex-M0
• Kinetis KW2x - RF de 2,4 GHz, sinal misto analógico, IEEE® 802.15.4, microcontroladores de baixa potência (MCUs)
• Produtos e soluções para conectividade Bluetooth inteligente
• Sistema em chip programável (PSoC®) + Bluetooth Low Energy

Aqui está uma maneira realmente barata e alegre de mostrar o tamanho de um impacto. Pegue 2 tábuas de madeira compensada, coloque uma grande mola de compressão entre uma e a outra para que a mola fique ensanduichada, mas removível por pelo menos uma das tábuas como um "H". Aparafuse isso em uma parede. "H |" Coloque bolas de tamanho definido de playdo (crianças putty) sobre estas dentro da primavera (provavelmente em um saco plástico ou similar para economizar na bagunça), recoloque a segunda prancha e bata com força na prancha. O impacto no playdo causará deformações diferentes, dependendo da força com que foi atingido.

Se você fizer com que a placa fixada na parede tenha lados à sua volta como uma caixa, coloque 5 molas de compressão (mais curtas que os lados) (quatro cantos e o meio segurando a massa), provavelmente você poderá ter um pedaço de barbante para puxar o segundo tabuleiro para facilitar o acesso ao playdo.

Isso é muito simplista? realmente depende de quão científico você deseja o resultado e de quão bom você é com um ferro de solda, em vez de 6 pedaços de madeira e 5 molas de compressão

O problema com a quantificação da força de impacto é a curta duração do que geralmente é um pulso "de pico". As balanças de banheiro geralmente são amortecidas para fornecer uma leitura constante de uma força estática e não capturam picos transitórios. Pêndulos balísticos também têm problemas - alguns dos quais foram discutidos. No entanto, para treinar jovens lutadores, sugiro que você não precise realmente quantificar a força, mas sim comparar o desempenho deles ao longo do tempo e deixá-los se comparar com outros alunos. Para fazer isso, basta preencher uma caixa aberta (cerca de 30 cm quadrados) com uma espessa camada de argila de modelagem e fixar a caixa na parede. Quando o aluno dá um soco, o barro age como um material de testemunha e se deforma plasticamente. Apenas meça a profundidade máxima da depressão e registre-a no registro pessoal do aluno.

A argila é, obviamente, reutilizável, mas você pode ter que experimentar para obter a argila certa para modelagem: Roma Plastilina era o material preferido para balística de armas de fogo, mas Plasticine ou Play-Doh podem ser menos dolorosas para o jovem karatê-ka.