¿Cómo cuantificar las huelgas de artes marciales?

Subtitulado: Ah, soy fuerte con la Fuerza, pero ¿cómo lo mido?

Con todas las debidas disculpas por parafrasear a Yoda , estoy tratando de medir una fuerza. Afortunadamente, es una fuerza más fácil de medir que los midiclorianos .

Cuando doy clases particulares a otros en karate, una de las cosas que enfatizo es un enfoque en la técnica detrás de los golpes básicos. La experiencia ha demostrado que la técnica adecuada puede generar mucha más fuerza detrás de cualquier golpe. El problema con el que me encuentro es que, aunque un estudiante afirma que puede "sentir" que la diferencia en una huelga es más poderosa, a menudo vuelven a su técnica incorrecta porque no se han convencido de que la diferencia está realmente allí.

Me gustaría diseñar un sistema que mida la fuerza detrás de un ataque. En particular, necesito identificar algún sensor en el punto de impacto que pueda usarse. National Geographic ha hecho algo muy similar , pero el equipo que usan, como los maniquíes de pruebas de choque, es prohibitivamente costoso. Del mismo modo, no necesito la resolución o precisión proporcionada por ese equipo. Si alguien golpea con 100 o 101 lb _f de fuerza es irrelevante. Quiero demostrar cuándo pasar de 100 a 200.

¿Qué sensor o sistema podría usar para medir la fuerza al impacto de varios golpes de karate? Idealmente, podría montar el dispositivo en un guante de enfoque , o similar, y ser capaz de conectar la almohadilla a un sistema ajustable para poder medir varios golpes.

Mis principales limitaciones de diseño son:

• costo más bajo
• mediciones repetibles
• rango de 0–2,000 lb _f

No estoy buscando un diseño de sistema completo, que incluya todos los dispositivos electrónicos de monitoreo. Solo estoy tratando de concentrarme en un sensor que pueda proporcionar una salida medible de algún tipo, como el voltaje.

También tenga en cuenta que planeo pasar cables al dispositivo, por lo que ya tengo una manera fácil de alimentar el sistema. Puedo volverme inalámbrico en algún momento, pero usaría una batería y quiero que esta pregunta permanezca enfocada en el sensor mismo.

Podrías golpear un péndulo y medir el ángulo al que se balancea. He descubierto que las botellas de refresco de tres litros llenas de agua y colgadas de una cuerda son buenas para golpear. Conociendo el peso de la botella, un pequeño trigonometría le dará la energía, de la cual puede obtener la fuerza.

Editar: si la transferencia de energía del puño al objetivo ocurre durante un período de tiempo lo suficientemente corto, entonces la aceleración de la botella hacia adelante será aproximadamente la aceleración centrípeta a través del fondo del arco. La energía potencial en la parte superior del columpio es igual a la energía cinética en la parte inferior.

$a$

$v$

$r$

$PE$

$m$

$g$

$h$

$KE$

$m$

$v$

$h$$r$$\theta$

Creo que lo que estás buscando es un sensor de fuerza de impacto . No estoy seguro de lo caros que son los sensores vinculados, por lo que también podría usar un sensor de aceleración y hacer un poco de matemática. Es probable que la segunda opción sea menos precisa, ¡pero sospecho que también será significativamente menos costosa!

Sé que dijiste que no querías el diseño completo del sistema, pero pensé que iría por el crédito extra en el segundo enlace. ;)

Creo que lo que quieres es un sensor de presión piezoeléctrico . Es posible que pueda robar uno de una báscula de baño antigua, pero los sensores en una báscula solo pueden ser buenos hasta ~ 100 lb de fuerza. Estos transductores piezoeléctricos convierten la presión aplicada en un voltaje pequeño a través de los dos cables. Esta presión puede convertirse en fuerza midiendo el área de superficie del sensor.

Para leerlo, necesitará construir una etapa de amplificación, que probablemente consista en una etapa de preamplificador de bajo ruido y una etapa de amplificación más robusta. La segunda parte es un circuito que contiene el valor máximo, ya que probablemente esté más interesado en la fuerza máxima aplicada. Probablemente pueda hacer tanto la segunda etapa de amplificación como cualquier procesamiento de datos con un Arduino .

Debe tener cuidado al montar el transductor piezoeléctrico en el guante de enfoque. Desea que sea algo que la gente pueda golpear sin transferir demasiada presión al sensor. Una vez que lo haya construido, puede calibrarlo colocando pesos conocidos encima.

Voy a ofrecer una respuesta un poco menos útil al hacer agujeros en las respuestas de los demás para explicar por qué no son ideales, y luego ofrecer una respuesta incompleta y mal pensada.

La mayoría de las respuestas aquí sufren de uno de los tres escollos:

1. requieren jigs innecesariamente grandes para ser factibles con complejidades que los hacen indeseables (péndulo, te estoy mirando aquí)
2. ignoran las leyes de Newton de las fuerzas reaccionarias en su implicación.
3. La solución es absurdamente compleja para la tarea en cuestión.

Bien, comenzando con el péndulo, en primer lugar, una solución muy novedosa, en teoría muy buena, pero aquí hay dos cuestiones: ¿cómo se monta el péndulo? ¿El instructor sostiene el extremo de la cuerda por encima de su cabeza y espera que no lo golpeen? ¿O utiliza un marco en forma de columpio que puede encontrar en un parque infantil? Si es así, también puedes ir a un patio de juegos, pararte en un columpio y que te golpeen / una almohadilla, es una solución gratuita. Si quieres algo más técnico y sabes cómo suspender el péndulo, ¿cómo garantizas que lo golpeen directamente, en el plano en el que mides la altura, sin desperdiciar un cubo de energía girando el cartón de leche? Si alguna vez usó un columpio de neumático cuando era niño, sabrá que hacerlo en un avión de su elección, y sin girar, es complicado. Cuanto más ligera sea la masa del cartón, más verás fuerza instantánea, que podría ser lo que quieras, no lucho, así que no sé, pero sí sé que el golpe más fuerte será respaldado montón de energía, no un impulso muy breve de ímpetu intenso. La estandarización entre golpes también será un desafío ya que la cantidad de tiempo de contacto con el cartón afectará en gran medida la altura a la que se eleva (energía = fuerza x distancia).

Cualquier cosa que tengas en tus manos requerirá que no te muevas; a menos que sea Superman, se moverá un poco, especialmente a medida que sus alumnos mejoren, por lo que la fuerza registrada se reducirá a medida que proporcione menos resistencia a los golpes, lo que significa que sus alumnos verán rendimientos perjudiciales al mejorar Su técnica. Apenas ideal. La única solución a esto es montar esto en algo rígido y hacer que golpeen eso. Sugeriría una pared o similar si puedes.

¿Espuma conductora? ¿Qué tan complejo se está volviendo esto? Es una buena solución teórica, pero no puedo imaginar que sea la instalación más simple.

Entonces, la solución: cualquier solución debe cumplir tres criterios: debe ser barata y alegre, debe tener resultados repetibles y debe calibrarse de alguna manera.

Partiendo de una variante de la solución de @ ToyB, un resorte plano es la solución más simple aquí, montada en un tablero sobre algo parecido a una pared. En cada extremo, el resorte debe tener una ranura cortada con un perno a través de él para unir el resorte al tablero mientras permite que el resorte se desvíe. Conecte un medidor de tensión a la parte posterior y conéctelo a un voltímetro simple. Puede comprar todos los componentes necesarios por $ 10.

Calibre colocando un rango de pesos en el resorte (simplemente coloque el resorte, en su tablero, en una mesa para hacer esto) y mida los voltajes. Para agregar un paso a la complejidad pero mejorar la solución, cambie el voltímetro simple por un registrador de datos simple y registre la curva de voltaje que obtiene al golpear el resorte, luego use Excel o similar y una tabla de búsqueda con su relación de fuerza de voltaje con dé a sus alumnos una curva de fuerza completa de sus golpes.

Incluso podría tener algunas opciones de resorte para personas / golpes de diferentes golpes para mejorar su precisión. Me imagino que podrías lograr todo esto por menos de $ 50.

La espuma conductora cambiará su resistencia cuando se comprime, por lo que es un sensor de fuerza bueno y barato, siempre que tenga un sistema para realizar muchas mediciones en rápida sucesión y recuerde el que tenga la menor resistencia.

Dependiendo de la fuerza que desee medir, puede usar varias capas una encima de la otra, y debido a que puede cortarlo en cualquier forma, no está restringido a la superficie (pequeña) de un sensor específico.

$E=mgh$

E = energía en julios,

m = masa en kg,

g = 9.81 m / s ^ 2,

h = diferencia de altura en m

Esta será la cantidad total de energía transferida al objetivo. Desafortunadamente, esta cantidad de energía no es necesariamente representativa de cuán destructivo / finaliza una pelea, ya que empujarlo a esa altura lentamente requerirá la misma energía.

$a=2s/t^2$

a = aceleración en m / s ^ 2

s = distancia entre sensores en m

t = tiempo en s

Tendría dos objetivos, posiblemente en orden de importancia:

1.) haz que acelere lo más rápido posible 2.) hazlo lo más alto posible

Si logra el objetivo 1, puede causar una conmoción cerebral / costilla rota, suponiendo que tenga suficiente de 2, lo que significa que también necesitaría empujar el golpe. Si logras el objetivo 2 con un objetivo pobre 1, alejarás a tu oponente sin causar ningún daño real. Supongo que realmente no necesito ampliar esto, ya que eres un instructor de karate, disculpas por repasar cosas que probablemente ya sabes, lo mejor es ser preciso y completo. Atención, estos valores no serán "reales" en el sentido de que debido a la distribución de la masa a través del péndulo móvil, tendrá una fórmula más complicada para calcular los valores reales. Sin embargo, obtendrá valores numéricos que puede tener más o menos, y podría "calibrarlo" dándole una patada a usted mismo, estableciendo objetivos para sus estudiantes. También,

Un calibre cepa unido a un objetivo sería útil.

A diferencia de los piezzo, son muy duraderos contra la fuerza del tipo de impacto (los cristales de piezo tienden a romperse cuando la presión se aplica rápidamente).

Se pueden unir a un "tablero" bastante arbitrario que produce muy poco, por lo que, a diferencia de los tipos de péndulo, no falsificarán los resultados con una fuerza aplicada más lentamente, ni hundirán la energía en la propia flexibilidad del péndulo. Si usa una botella de agua, como se sugiere en una respuesta diferente, "agitar el agua" con el impacto hundirá una gran parte de la energía, y solo una parte de ella impulsará la botella.

Y al cambiar el material al que los une, puede sintonizarlos con casi cualquier fuerza: miden el estrés en el material y se basan en el Módulo de Young del material, se pueden adaptar para detectar cualquier cosa, desde fuerzas sub-Newton hasta cargas en puentes y cascos de buques de carga.

¿Cómo abordar su uso prácticamente? Eliges algún tipo de tabla, barra u otra superficie que servirá como objetivo de golpe y se doblará un poco al impactar, pero lo suficientemente fuerte como para que no se rompa, unida firmemente con ambos extremos. Pega el indicador al lado "seguro", en algún lugar alrededor del punto de impacto. Luego usa un microcontrolador simple ( viene a la mente PSoC4 , fácil de programar y con todo el hardware restante necesario a bordo) y mide los cambios de resistencia máxima. Un programa simple que selecciona la resistencia máxima por encima de cierto umbral dentro de un período de tiempo determinado y lo envía a través de RS232 a la PC debería ser lo suficientemente simple.

¿Cómo calibrarlo? Coloque el artilugio horizontalmente, coloque un peso estático conocido en el punto de impacto, mida la diferencia entre la resistencia libre y con el peso. 1 kg de peso ejercerá una fuerza de 9.806 newtons, y a menos que te haya gustado mucho el material, la aproximación lineal del Módulo de Young es bastante buena; sus lecturas serán linealmente proporcionales a la fuerza, por lo que una proporción simple será suficiente para obtener la medida en Newtons.

Estas son algunas sugerencias para desarrollar el sistema.

Sugiero usar un enfoque de tipo de vejiga polimérica utilizado en los Sistemas de Detección de Ocupación de Pasaje en la industria automotriz. Esta patente describe la aplicación automotriz. El sistema de vejiga sería parte del guante de enfoque, que incluye un sensor de presión diferencial base MEMS. Cuando el sensor de presión detecte la fuerza de impacto, el microprocesador simple procesará los datos como un Atmel tiny, MSP430 o un PIC. En caso de que se elija un sensor de presión analógico, se requiere una etapa Analog Front End (AFE), pero las opciones I2C o SPI también están disponibles.

Otro enfoque será utilizar una unidad de medición de inercia (IMU) que proporcione una pareja de dos a seis grados de libertad (DOF) con un microprocesador como el MSP430 o PIC. Estas IMU tienen giroscopios y acelerómetros. Este enfoque proporcionará más datos que pueden usarse para análisis posteriores. Además, la comunicación se realiza a través de I2C o SPI al microprocesador

El sistema requerirá un sistema de alimentación simple como una batería de botón recargable simple. El sistema de carga de energía USB puede ser su mejor opción. El sistema de carga USB habilitará la opción de descarga de datos. También se podría utilizar algún tipo de mecanismo de recolección de energía, como la vibración, para generar la energía necesaria para alimentar el sistema, similar a algunas de las nuevas máquinas de gimnasio, como cintas de correr, bicicletas elípticas, etc. Esta puede ser una gran aplicación de baja potencia.

Otra opción sería conectar un dispositivo portátil como un bit de ajuste que no solo proporcione la fuente de alimentación, sino también el almacenamiento, la revisión y el análisis de datos. Fit bit también le dará la capacidad de conectarse a un teléfono inteligente de análisis y retroalimentación en tiempo real para el estudiante.

Pasar directamente de focus mitt a Smart podría ser una propuesta de gran valor agregado. Esto se puede lograr de muchas maneras. El uso de Cortex ARM M0 micro con un BLE en chip podría ser la mejor opción disponible actualmente. Muchos proveedores como NXP, Freescale y Cypress ofrecen esta opción. Es aún mejor es un Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart en un módulo. A continuación se muestra un ejemplo de dicho dispositivo.

Todos estos proveedores ofrecen un kit de desarrollo asequible de factor de forma pequeño.

Finalmente, para abordar el VOC de los estudiantes, proporcionar comentarios mensurables en tiempo real entre las técnicas correctas e incorrectas impulsará el deseo de los estudiantes de alcanzar la perfección.

Referencias

• Sistema de detección de peso del ocupante del vehículo con compensación de posición del ocupante
• PS Sensores de presión
• Tarjeta combinada digital IMU de 6 grados de libertad
• Módulo Seeed Micro BLE con CorteCr-M0 basado en nRF51822 SoC
• Kinetis KW2x: RF de 2,4 GHz, señal mixta analógica, IEEE® 802.15.4, microcontroladores de baja potencia (MCU)
• Productos y soluciones para conectividad Bluetooth Smart
• Sistema en chip programable (PSoC®) + Bluetooth de baja energía

Aquí hay una forma realmente barata y alegre de mostrar el tamaño de un impacto. Tome 2 tablas de madera contrachapada, coloque un resorte de compresión grande entre una y otra tabla para que el resorte quede intercalado pero se pueda quitar al menos una de las tablas como una "H". Atornille esto a una pared. "H |" Coloque bolas de playdo (masilla para niños) de tamaño fijo en el interior de la primavera (probablemente en una bolsa de plástico o similar para ahorrar en el desorden), vuelva a colocar la segunda tabla y golpee la tabla con fuerza. El impacto en el playdo causará una deformación diferente dependiendo de qué tan fuerte fue golpeado.

Si hace que el tablero que está fijado a la pared tenga lados a su alrededor como una caja, coloque 5 resortes de compresión (más cortos que los lados) (cuatro esquinas y el centro que sostiene la masilla) probablemente podría tener un trozo de cuerda para sacar el segundo tablero para facilitar el acceso al playdo.

¿Es esto demasiado simplista? realmente depende de lo científico que desee el resultado y de lo bueno que sea con un soldador en lugar de 6 pedazos de madera y 5 resortes de compresión

El problema con la cuantificación de la fuerza de impacto es la corta duración de lo que generalmente es un pulso 'pico'. Las básculas de baño generalmente están amortiguadas para proporcionar una lectura constante de una fuerza estática y no capturarán picos transitorios. Los péndulos balísticos también tienen problemas, algunos de los cuales han sido discutidos. Sin embargo, para entrenar a los luchadores jóvenes, te sugiero que realmente no necesites cuantificar la fuerza, sino que compares su rendimiento a lo largo del tiempo y que se comparen con otros estudiantes. Para hacer esto, todo lo que necesita hacer es llenar una caja abierta (aproximadamente 30 cm cuadrados) con una capa gruesa de plastilina y fijar la caja a la pared. Cuando el estudiante lanza un puñetazo, la arcilla actuará como material testigo y se deformará plásticamente. Simplemente mida la profundidad máxima de la depresión y registre esto en el registro personal del estudiante.

La arcilla es, por supuesto, reutilizable, pero es posible que tenga que experimentar para obtener la arcilla de modelar adecuada: Roma Plastilina era el material preferido para balística de armas de fuego, pero la plastilina o Play-Doh podrían ser menos dolorosos para los jóvenes karate-ka.