Bagaimana cara menghitung serangan seni bela diri?

Subtitle: Ah, aku kuat dengan the Force, tapi bagaimana aku mengukurnya?

Dengan semua permintaan maaf karena parafrase Yoda , saya mencoba untuk mengukur kekuatan. Untungnya, ini adalah kekuatan yang lebih mudah untuk diukur daripada midi-chlorian .

Ketika saya mengajari orang lain dalam karate, salah satu hal yang saya tekankan adalah fokus pada teknik di balik serangan dasar. Pengalaman menunjukkan bahwa teknik yang tepat dapat menghasilkan lebih banyak kekuatan di balik setiap serangan. Masalah yang saya hadapi adalah bahwa meskipun seorang siswa mengklaim mereka dapat "merasakan" perbedaan dalam pemogokan menjadi lebih kuat, mereka sering kembali ke teknik yang salah mereka karena mereka belum meyakinkan diri sendiri bahwa perbedaan itu benar-benar ada.

Saya ingin merancang sistem yang mengukur kekuatan di balik serangan. Secara khusus, saya perlu mengidentifikasi beberapa sensor pada titik dampak yang dapat digunakan. National Geographic telah melakukan sesuatu yang sangat mirip , tetapi peralatan yang mereka gunakan, seperti crash test Dummies, sangat mahal. Demikian juga, saya tidak membutuhkan resolusi atau akurasi yang disediakan oleh peralatan itu. Apakah seseorang dipukul dengan kekuatan 100 atau 101 lb _f adalah tidak penting. Saya ingin menunjukkan kapan kemudian beralih dari 100 menjadi 200.

Sensor atau sistem apa yang dapat saya gunakan untuk mengukur kekuatan yang terkena dampak dari berbagai serangan karate? Idealnya, saya dapat memasang perangkat di sarung fokus , atau serupa, dan dapat memasang pad ke sistem yang dapat disesuaikan sehingga berbagai serangan dapat diukur.

Kendala desain prinsip saya adalah:

• biaya rendah
• pengukuran berulang
• kisaran 0–2,000 lb _f

Saya tidak mencari desain sistem yang lengkap, yang akan mencakup semua elektronik pemantauan. Saya hanya mencoba untuk fokus pada sensor yang dapat memberikan semacam keluaran yang dapat diukur, seperti tegangan.

Perhatikan juga bahwa saya berencana untuk menjalankan kabel ke perangkat, jadi saya sudah memiliki cara mudah untuk menyalakan sistem. Saya mungkin pergi nirkabel di beberapa titik, tetapi saya akan menggunakan baterai dan saya ingin pertanyaan ini tetap fokus pada sensor itu sendiri.

Anda bisa menekan pendulum dan mengukur sudut ayunannya. Saya telah menemukan bahwa tiga botol soda soda diisi dengan air dan digantung dengan tali bagus untuk memukul. Mengetahui berat botol, sedikit trigonometri akan memberikan energi, dari mana Anda bisa mendapatkan kekuatan.

Sunting: Jika transfer energi dari kepalan tangan ke target terjadi melalui rentang waktu yang cukup singkat, maka akselerasi botol ke depan akan mendekati percepatan sentripetal melalui bagian bawah busur. Energi potensial di bagian atas ayunan sama dengan energi kinetik di bagian bawah.

= percepatan sentripetal$a$

= kecepatan di sepanjang busur$v$

= radius (panjang tali)$r$

= energi potensial$PE$

= massa$m$

= akselerasi karena gravitasi (sekitar 9,80665 m / s²atau 32,1740 kaki / s²)$g$

= tinggi$h$

= energi kinetik$KE$

= massa$m$

= kecepatan di sepanjang busur$v$

= tinggi r = panjang tali θ = sudut terbesar tali dari vertikal$h$$r$$\theta$

Saya pikir sensor gaya benturan adalah yang Anda cari. Saya tidak yakin seberapa mahal sensor yang terhubung sehingga Anda juga bisa menggunakan sensor akselerasi dan melakukan sedikit perhitungan. Opsi kedua kemungkinan akan kurang akurat tetapi saya menduga itu juga akan jauh lebih murah!

Saya tahu Anda mengatakan bahwa Anda tidak ingin desain sistem yang lengkap, tetapi saya pikir saya akan mendapatkan kredit tambahan di tautan kedua. ;)

Saya pikir yang Anda inginkan adalah sensor tekanan piezoelektrik . Anda mungkin bisa mencuri satu dari skala kamar mandi yang lama, tetapi sensor dalam skala hanya mungkin bagus hingga ~ 100 lbs kekuatan. Transduser piezoelektrik ini mengubah tekanan yang diterapkan ke tegangan kecil di kedua kabel. Tekanan ini dapat dikonversi menjadi gaya dengan mengukur luas permukaan sensor.

Untuk membacanya, Anda perlu membangun tahap amplifikasi, mungkin terdiri dari tahap preamp noise rendah dan tahap amplifikasi yang lebih kuat. Bagian kedua adalah sirkuit yang memegang nilai maksimum karena Anda mungkin paling tertarik pada gaya maksimum yang diterapkan. Anda mungkin dapat melakukan amplifikasi tahap kedua dan pemrosesan data apa pun dengan Arduino .

Anda harus berhati-hati bagaimana Anda memasang transduser piezoelektrik ke sarung tangan fokus. Anda ingin membuatnya menjadi sesuatu yang dapat ditinju orang tanpa memindahkan terlalu banyak tekanan melewati sensor. Setelah dibangun, Anda dapat mengkalibrasi dengan menempatkan bobot yang diketahui di atasnya.

Saya akan menawarkan jawaban yang sedikit kurang membantu dengan melubangi jawaban orang lain untuk menjelaskan mengapa mereka tidak ideal, lalu menawarkan jawaban saya sendiri yang tidak lengkap dan kurang dipikirkan.

Mayoritas jawaban di sini menderita salah satu dari tiga batu sandungan:

1. mereka membutuhkan jig besar yang tidak perlu agar dapat dilakukan dengan kompleksitas yang membuatnya tidak diinginkan (pendulum, saya melihat Anda di sini)
2. mereka mengabaikan Hukum Newton tentang kekuatan reaksioner dalam implikasinya.
3. solusinya sangat kompleks untuk tugas yang dihadapi.

Ok, jadi dimulai dengan pendulum, pertama-tama, solusi yang sangat baru, dalam teori yang sangat bagus, tetapi ada dua masalah di sini: bagaimana Anda memasang pendulum? Apakah instruktur memegang ujung senar tinggi di atas kepala mereka dan berharap mereka tidak tertabrak? Atau apakah Anda menggunakan bingkai A seperti ayunan yang mungkin Anda temukan di taman bermain? Jika demikian, Anda mungkin hanya pergi ke taman bermain, berdiri di ayunan dan minta mereka memukul Anda / pad, itu solusi gratis. Jika Anda menginginkan sesuatu yang lebih teknis dan Anda tahu cara menangguhkan pendulum, bagaimana Anda menjamin bahwa mereka memukulnya tepat, di pesawat tempat Anda mengukur ketinggian, tanpa membuang-buang energi yang memutar karton susu? Jika Anda pernah menggunakan ayunan ban sewaktu kecil, Anda akan tahu bahwa mengayunkannya di pesawat yang Anda pilih, dan tanpa berputar, itu rumit. Semakin ringan massa karton semakin Anda akan melihat kekuatan sesaat saja, yang bisa menjadi apa yang Anda inginkan, saya tidak bertarung jadi saya tidak tahu, tapi saya tahu bahwa pukulan terberat akan didukung oleh tumpukan energi, bukan dorongan momentum intens yang sangat singkat. Standarisasi antar pukulan juga akan menjadi tantangan karena jumlah waktu kontak dengan karton akan sangat mempengaruhi tingginya (energi = kekuatan x jarak).

Apa pun yang Anda pegang di tangan Anda akan mengharuskan Anda untuk tidak bergerak; kecuali jika Anda adalah Superman, Anda akan bergerak sedikit, terutama ketika siswa Anda meningkat, sehingga kekuatan yang terdaftar akan berkurang karena Anda memberikan perlawanan yang lebih sedikit terhadap pukulan, yang berarti siswa Anda akan melihat pengembalian deminishing pada peningkatan teknik mereka. Sangat tidak ideal. Satu-satunya perbaikan untuk ini adalah me-mount ini ke sesuatu yang kaku dan membuat mereka menekan itu. Saya akan menyarankan dinding atau sejenisnya jika Anda bisa.

Busa konduktif? Seberapa kompleks hal ini? Ini solusi teoretis yang bagus tapi saya tidak bisa membayangkan itu menjadi instalasi paling sederhana.

Jadi, solusinya - solusi apa pun harus memenuhi tiga kriteria: harus murah dan ceria, harus memiliki hasil berulang, dan harus dikalibrasi entah bagaimana.

Membangun varian dari solusi @ ToyB, pegas daun adalah perbaikan paling sederhana di sini, dipasang di papan untuk sesuatu seperti dinding. Di setiap ujung pegas harus memiliki slot yang dipotong dengan baut untuk melampirkan pegas ke papan sementara memungkinkan pegas untuk membelokkan. Pasang pengukur regangan ke belakang dan hubungkan ke voltmeter sederhana. Anda dapat membeli semua komponen yang diperlukan dengan harga $ 10.

Kalibrasi dengan menempatkan berbagai bobot pada pegas (cukup tempatkan pegas, di papannya, di atas meja untuk melakukan ini) dan mengukur voltase. Untuk menambahkan langkah pada kompleksitas tetapi meningkatkan solusinya, tukar voltmeter sederhana untuk datalogger sederhana dan catat kurva voltase yang Anda dapatkan saat menekan pegas, lalu gunakan Excel atau yang serupa dan tabel pencarian dengan hubungan kekuatan tegangan Anda dengan beri siswa Anda kurva kekuatan lengkap dari hit mereka.

Anda bahkan dapat memiliki beberapa opsi pegas untuk orang / pukulan hit yang berbeda untuk meningkatkan akurasi Anda. Saya membayangkan Anda bisa mencapai semua ini dengan kurang dari $ 50.

Busa konduktif akan mengubah resistansi ketika dikompresi, jadi itu membuat sensor gaya yang baik dan murah, selama Anda memiliki sistem untuk membuat banyak pengukuran dalam suksesi cepat dan ingat yang memiliki resistansi paling kecil.

Bergantung pada gaya yang ingin Anda ukur, Anda dapat menggunakan beberapa lapisan di atas satu sama lain, dan karena Anda dapat memotongnya menjadi bentuk apa pun, Anda tidak terbatas pada permukaan (kecil) dari sensor tertentu.

$E=mgh$

E = energi dalam Joules,

m = massa dalam kg,

g = 9,81 m / s ^ 2,

h = perbedaan tinggi dalam m

Ini akan menjadi jumlah total energi yang ditransfer ke target. Sayangnya, jumlah energi ini tidak selalu mewakili seberapa merusak / mengakhiri sebuah serangan, karena mendorongnya ke ketinggian itu secara perlahan akan membutuhkan energi yang sama.

$a=2s/t^2$

a = akselerasi dalam m / s ^ 2

s = jarak antar sensor dalam m

t = waktu dalam s

Anda akan memiliki dua tujuan, sesuai urutan kepentingannya:

1.) membuatnya mempercepat secepat mungkin 2.) mendapatkannya setinggi mungkin

Jika Anda mencapai tujuan 1, Anda dapat menyebabkan gegar otak / patah tulang rusuk, dengan asumsi Anda memiliki cukup 2, yang berarti Anda juga perlu mendorong melalui serangan! Jika Anda mencapai tujuan 2 dengan tujuan buruk 1, Anda akan mendorong lawan Anda tanpa menyebabkan kerusakan nyata. Saya kira saya tidak benar-benar perlu mengembangkan ini karena Anda adalah seorang instruktur karate, permintaan maaf untuk membahas hal-hal yang mungkin sudah Anda ketahui, yang terbaik adalah tepat dan lengkap. Perhatian, nilai-nilai ini tidak akan "nyata" dalam arti bahwa karena distribusi massa melalui pendulum bergerak Anda akan memiliki formula yang lebih rumit untuk menghitung nilai-nilai nyata. Namun, Anda akan mendapatkan nilai numerik yang bisa Anda dapatkan lebih tinggi atau lebih rendah, dan Anda bisa "mengkalibrasi" dengan memberikan tendangan sendiri, menetapkan target untuk siswa Anda. Juga,

Sebuah gauge ketegangan melekat target akan sangat membantu.

Tidak seperti piezzo, mereka sangat tahan terhadap gaya tipe benturan (kristal piezzo cenderung pecah ketika tekanan diterapkan dengan cepat).

Mereka dapat dilampirkan ke "papan" sewenang-wenang yang menghasilkan sangat sedikit, jadi tidak seperti jenis pendulum mereka tidak akan memalsukan hasil dengan gaya yang diterapkan lebih lambat, atau menenggelamkan energi ke dalam fleksibilitas pendulum itu sendiri. Jika Anda menggunakan botol air, seperti yang disarankan dalam jawaban yang berbeda, "mengaduk air" dengan dampaknya akan menenggelamkan sebagian besar energi, hanya sebagian yang digunakan untuk mendorong botol itu sendiri.

Dan dengan mengubah bahan yang Anda pasangkan, Anda dapat menyetelnya ke hampir semua gaya - mereka mengukur tekanan pada materi dan mendasarkan pada Young's Modulus material, mereka dapat disesuaikan untuk merasakan apa pun dari gaya sub-Newton, hingga banyak di jembatan dan lambung kapal barang.

Bagaimana pendekatan menggunakannya secara praktis? Anda memilih semacam papan, batang, atau permukaan lain yang akan berfungsi sebagai target sasaran dan akan sedikit membungkuk pada benturan, tetapi cukup kuat sehingga tidak akan patah, melekat kuat dengan kedua ujungnya. Anda menempelkan pengukur ke sisi "aman", di suatu tempat di sekitar titik dampak. Kemudian Anda menggunakan beberapa mikrokontroler sederhana ( PSoC4 datang ke pikiran, mudah diprogram dan dengan semua perangkat keras yang diperlukan on-board) dan mengukur perubahan resistensi puncak. Sebuah program sederhana yang mengambil resistensi puncak dari ambang batas tertentu dalam kerangka waktu yang diberikan dan mengirimkannya ke RS232 ke PC harus cukup sederhana.

Bagaimana cara mengkalibrasi? Tempatkan alat secara horizontal, letakkan bobot statis yang diketahui pada titik tumbukan, ukur perbedaan antara tahanan yang tidak terbebani dan dengan bobot. Berat 1kg akan memberikan kekuatan 9,806 newton, dan kecuali Anda sangat menyukai materialnya, perkiraan linier Young's Modulus cukup bagus; pembacaan Anda akan sebanding secara linear dengan gaya, sehingga proporsi sederhana akan cukup untuk mendapatkan pengukuran dalam Newton.

Ini adalah beberapa saran untuk mengembangkan sistem

Saya sarankan menggunakan pendekatan tipe kandung kemih polimer yang digunakan dalam Passage Occupancy Detection Systems di industri otomotif. Paten ini menjelaskan tentang aplikasi otomotif. Sistem kandung kemih akan menjadi bagian dari sarung tangan fokus, yang mencakup sensor tekanan diferensial dasar MEMS. Ketika gaya benturan akan terdeteksi oleh sensor tekanan, data akan diproses oleh mikroprosesor sederhana seperti Atmel mungil, MSP430 atau PIC. Dalam hal sensor tekanan analog dipilih maka tahap Analog Front End (AFE) diperlukan, tetapi opsi I2C atau SPI juga tersedia.

Pendekatan lain adalah dengan menggunakan unit pengukuran inersia (IMU) yang menyediakan pasangan dua hingga enam derajat kebebasan (DOF) dengan mikroprosesor seperti MSP430 atau PIC. IMU ini memiliki Giroskop dan akselerometer. Pendekatan ini akan memberikan lebih banyak data yang dapat digunakan untuk analisis nanti. Juga komunikasi dilakukan melalui I2C atau SPI ke mikroprosesor

Sistem ini akan membutuhkan sistem daya yang sederhana seperti baterai tombol isi ulang yang sederhana. Sistem pengisian daya USB mungkin menjadi pilihan terbaik Anda. Sistem pengisian USB akan mengaktifkan opsi pengunduhan data. Juga beberapa jenis mekanisme pemanenan energi seperti getaran dapat digunakan untuk menghasilkan energi yang dibutuhkan untuk menyalakan sistem, mirip dengan beberapa mesin olahraga baru seperti treadmill, sepeda elips dll. Ini bisa menjadi aplikasi berdaya rendah yang hebat.

Pilihan lain adalah dengan menghubungkan dpt dipakai seperti bit fit yang tidak hanya akan menyediakan sumber daya tetapi juga penyimpanan data, review dan analisis. Fit bit juga akan memberikan kemampuan terhubung ke ponsel pintar dari analisis waktu nyata dan umpan balik kepada siswa.

Langsung dari mitt fokus ke Smart mungkin merupakan nilai tambah yang bagus. Ini bisa dicapai dengan banyak cara. Menggunakan Cortex ARM M0 micro dengan BLE on-chip mungkin merupakan pilihan terbaik yang saat ini tersedia. Banyak vendor seperti NXP, Freescale, dan Cypress menawarkan opsi ini. Yang lebih baik lagi adalah Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart dalam modul. Di bawah ini adalah contoh dari perangkat tersebut.

Semua vendor ini menawarkan kit pengembangan faktor bentuk kecil yang terjangkau.

Akhirnya untuk mengatasi VOC para siswa, memberikan umpan balik terukur real-time antara teknik yang benar dan yang salah akan mendorong keinginan siswa untuk mencapai kesempurnaan.

Referensi:

• Sistem deteksi berat penghuni kendaraan dengan kompensasi posisi penghuni
• Sensor Tekanan PS
• 6 Derajat Freedom IMU Digital Combo Board
• Modul Micro BLE Rumput Laut dengan Berbasis Cortex-M0 nRF51822 SoC
• Kinetis KW2x - 2,4 GHz RF, Sinyal Campuran Analog, IEEE® 802.15.4, Mikrokontroler Daya Rendah (MCU)
• Produk dan solusi untuk konektivitas Bluetooth Smart
• System-on-Chip (PSoC®) yang Dapat Diprogram + Bluetooth Low Energy

Ini adalah cara yang benar-benar murah dan ceria untuk menunjukkan ukuran dampak. Ambil 2 papan kayu lapis, letakkan pegas kompresi besar di antara satu dan yang lain sehingga pegas terjepit tetapi dilepas oleh setidaknya satu papan seperti "H". Baut ini ke dinding. "H |" Dapatkan bola ukuran set playdo (dempul anak-anak) tempat ini di dalam musim semi (mungkin dalam kantong plastik atau serupa untuk menghemat kekacauan), mereparasi papan 2 dan memukul papan keras. Dampak pada playdo akan menyebabkan deformasi yang berbeda tergantung pada seberapa keras itu dipukul.

Jika Anda membuat papan yang dipasang ke dinding memiliki sisi di sekitarnya seperti kotak, tempatkan 5 (lebih pendek dari sisi) pegas kompresi (empat sudut dan tengah memegang dempul) Anda mungkin dapat memiliki seutas tali untuk menarik keluar papan kedua untuk kemudahan mencapai playdo.

Apakah ini terlalu sederhana? itu benar-benar tergantung seberapa ilmiah Anda menginginkan hasilnya dan seberapa baik Anda dengan besi solder dibandingkan dengan 6 bit kayu dan 5 pegas kompresi

Masalah dengan mengukur kekuatan impak adalah durasi pendek dari apa yang biasanya merupakan pulsa 'berpuncak'. Timbangan kamar mandi biasanya teredam untuk memberikan pembacaan kekuatan statis yang stabil dan tidak akan menangkap puncak sementara. Pendulum balistik juga memiliki masalah - beberapa di antaranya telah dibahas. Namun, untuk melatih para petarung muda, saya sarankan agar Anda tidak benar-benar perlu mengukur kekuatannya, melainkan membandingkan kinerja mereka dari waktu ke waktu dan membiarkan mereka membandingkan diri mereka dengan siswa lain. Untuk melakukan ini, yang perlu Anda lakukan adalah mengisi kotak terbuka (sekitar 30 cm persegi) dengan lapisan tebal tanah liat pemodelan dan memperbaiki kotak ke dinding. Ketika siswa melempar pukulan, tanah liat akan bertindak sebagai bahan saksi dan berubah bentuk secara plastis. Hanya mengukur kedalaman maksimum dari depresi dan catat ini pada catatan pribadi siswa.

Tanah liat itu, tentu saja, dapat digunakan kembali tetapi Anda mungkin harus bereksperimen untuk mendapatkan tanah liat pemodelan yang tepat: Roma Plastilina adalah bahan yang disukai untuk balistik senjata api tetapi Plastisin atau Play-Doh mungkin kurang menyakitkan bagi karate-ka muda.