Wie kann man Kampfkunststreiks quantifizieren?

Untertitel: Ah, stark bin ich mit der Macht, aber wie messe ich es?

Trotz aller Entschuldigungen für die Umschreibung von Yoda versuche ich, eine Kraft zu messen. Glücklicherweise ist es leichter zu messen als Midi-Chlorianer .

Wenn ich andere im Karate unterrichte, ist eines der Dinge, die ich hervorhebe, ein Fokus auf die Technik hinter den Grundschlägen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass die richtige Technik hinter jedem Schlag viel mehr Kraft hervorbringen kann. Das Problem, auf das ich stoße, ist, dass ein Student behauptet, er könne den Unterschied in einem Schlag, der mächtiger ist, "fühlen", aber oft auf seine falsche Technik zurückgreifen, weil er sich nicht davon überzeugt hat, dass der Unterschied wirklich da ist.

Ich möchte ein System entwerfen, das die Kraft hinter einem Streik misst. Insbesondere muss ich einen Sensor am Aufprallpunkt identifizieren, der verwendet werden kann. National Geographic hat etwas sehr Ähnliches getan , aber die Ausrüstung, die sie verwenden, wie Crashtest-Dummies, ist unerschwinglich teuer. Ebenso benötige ich keine Auflösung oder Genauigkeit, die von diesem Gerät bereitgestellt wird. Ob jemand Erfolg mit 100 oder 101 lb _f Kraft ist unwesentlich. Ich möchte demonstrieren, wann es dann von 100 auf 200 geht.

Welchen Sensor oder welches System könnte ich verwenden, um die Kraft beim Aufprall von verschiedenen Karate-Schlägen zu messen? Im Idealfall könnte ich das Gerät in einem Fokussierhandschuh oder ähnlichem montieren und das Pad an einem einstellbaren System anbringen, sodass verschiedene Schläge gemessen werden können.

Meine hauptsächlichen Designbeschränkungen sind:

• Niedrigere Kosten
• wiederholbare Messungen
• Bereich von 0 bis 2.000 lb _f

Ich suche kein komplettes Systemdesign, das die gesamte Überwachungselektronik enthält. Ich versuche nur, mich auf einen Sensor zu konzentrieren, der eine messbare Ausgabe liefern kann, z. B. Spannung.

Beachten Sie auch, dass ich vorhabe, Kabel zum Gerät zu verlegen, damit ich das System bereits auf einfache Weise mit Strom versorgen kann. Ich werde vielleicht irgendwann drahtlos, aber ich würde dann eine Batterie verwenden und ich möchte, dass diese Frage auf den Sensor selbst konzentriert bleibt.

Sie könnten einfach ein Pendel schlagen und den Winkel messen, in den es schwingt. Ich habe festgestellt, dass drei Liter Soda-Flaschen, die mit Wasser gefüllt sind und an einem Seil hängen, gut zum Schlagen sind. Wenn Sie das Gewicht der Flasche kennen, gibt ein kleiner Trigger die Energie, aus der Sie die Kraft gewinnen können.

Bearbeiten: Wenn die Energieübertragung von der Faust zum Ziel innerhalb einer ausreichend kurzen Zeitspanne erfolgt, entspricht die Beschleunigung der Flasche nach vorne ungefähr der zentripetalen Beschleunigung durch den Boden des Bogens. Die potentielle Energie am oberen Ende des Schwungs ist gleich der kinetischen Energie am unteren Ende.

$a$ = Zentripetalbeschleunigung

$v$ = Geschwindigkeit entlang des Bogens

$r$ = Radius (Seillänge)

$PE$ = potentielle Energie

$m$ = Masse

$g$ = Erdbeschleunigung (ca. 9,80665 m / s ² oder 32,1740 ft / s ² )

$h$ = Höhe

$KE$ = kinetische Energie

$m$ = Masse

$v$ = Geschwindigkeit entlang des Bogens

$h$ = Höhe = Seillänge = der größte Winkel des Seils zur Vertikalen$r$$\theta$

Ich denke, dass ein Aufprallkraftsensor das ist, wonach Sie suchen. Ich bin mir nicht sicher, wie teuer die verknüpften Sensoren sind, sodass Sie auch einen Beschleunigungssensor verwenden und ein wenig rechnen können. Die zweite Option dürfte ungenauer sein, aber ich vermute, dass sie auch deutlich günstiger sein wird!

Ich weiß, dass Sie gesagt haben, dass Sie nicht das komplette Systemdesign wollen, aber ich dachte, ich würde das zusätzliche Guthaben im zweiten Link in Anspruch nehmen. ;)

Ich denke, Sie wollen einen piezoelektrischen Drucksensor . Möglicherweise können Sie eine alte Personenwaage stehlen, aber die Sensoren in einer Waage sind möglicherweise nur für eine Kraft von bis zu 100 Pfund geeignet. Diese piezoelektrischen Wandler wandeln den angelegten Druck zwischen den beiden Leitungen in eine kleine Spannung um. Dieser Druck kann durch Messen der Sensoroberfläche in Kraft umgewandelt werden.

Um es auszulesen, müssen Sie eine Verstärkerstufe bauen, die wahrscheinlich aus einer rauscharmen Vorverstärkerstufe und einer robusteren Verstärkerstufe besteht. Der zweite Teil ist eine Schaltung, die den Maximalwert enthält, da Sie wahrscheinlich am meisten an der maximal ausgeübten Kraft interessiert sind. Sie können wahrscheinlich sowohl die zweite Stufe der Verstärkung als auch jede Datenverarbeitung mit einem Arduino durchführen .

Sie müssen vorsichtig sein, wie Sie den piezoelektrischen Wandler am Fokussierhandschuh montieren. Sie möchten es zu etwas machen, das Menschen schlagen können, ohne zu viel Druck am Sensor vorbei zu übertragen. Sobald Sie es gebaut haben, können Sie es kalibrieren, indem Sie bekannte Gewichte darauf legen.

Ich werde eine etwas weniger hilfreiche Antwort anbieten, indem ich Löcher in die Antworten anderer stecke, um zu erklären, warum sie nicht ideal sind, und dann eine unvollständige, schlecht durchdachte Antwort von mir selbst anbiete.

Die Mehrzahl der Antworten leidet unter einem von drei Stolpersteinen:

1. sie erfordern unnötig große Vorrichtungen, um mit Komplexitäten fertig zu werden, die sie unerwünscht machen (Pendel, ich sehe dich hier an)
2. Sie ignorieren Newtons Gesetze der reaktionären Kräfte in ihrer Implikation.
3. die lösung ist für die jeweilige aufgabe absurd komplex.

Ok, also beginnend mit dem Pendel zunächst eine sehr neuartige Lösung, theoretisch eine sehr gute, aber hier gibt es zwei Probleme: Wie montieren Sie das Pendel? Hält der Lehrer das Ende der Saite hoch über den Kopf und hofft, dass er nicht getroffen wird? Oder verwenden Sie einen schaukelartigen A-Rahmen, den Sie vielleicht auf einem Spielplatz finden? Wenn ja, können Sie auch einfach auf einen Spielplatz gehen, sich auf eine Schaukel stellen und sich von ihnen / einem Pad schlagen lassen, es ist eine kostenlose Lösung. Wenn Sie etwas Technischeres wollen und wissen, wie Sie das Pendel aufhängen können, wie Sie sicherstellen, dass es in der Ebene, in der Sie die Höhe messen, genau aufschlägt, ohne einen Eimer Energie zu verschwenden, der den Milchkarton dreht? Wenn Sie als Kind jemals eine Reifenschaukel benutzt haben, wissen Sie, dass es schwierig ist, sie in einem Flugzeug Ihrer Wahl zu schwingen, ohne sich zu drehen. Je leichter die Masse des Kartons ist, desto mehr werden Sie nur die augenblickliche Kraft sehen, die das sein könnte, was Sie wollen. Ich kämpfe nicht, also weiß ich nicht, aber ich weiß, dass der schwerste Schlag gesichert wird Haufen Energie, kein sehr kurzer Impuls intensiver Dynamik. Die Standardisierung zwischen den Schlägen ist ebenfalls eine Herausforderung, da die Kontaktzeit mit dem Karton die Höhe, auf die er ansteigt, stark beeinflusst (Energie = Kraft x Abstand).

Alles, was Sie in Ihren Händen halten, erfordert, dass Sie sich nicht bewegen. Wenn Sie kein Superman sind, werden Sie sich ein wenig bewegen, insbesondere wenn sich Ihre Schüler verbessern. Die registrierte Kraft wird nachlassen, wenn Sie den Schlägen weniger Widerstand entgegensetzen. Dies bedeutet, dass Ihre Schüler nachlassen, wenn sie sich verbessern ihre Technik. Kaum ideal. Die einzige Möglichkeit, dies zu beheben, besteht darin, es an etwas Starrem zu befestigen und es darauf einwirken zu lassen. Ich würde eine Wand oder ähnliches vorschlagen, wenn Sie können.

Leitfähiger Schaum? Wie komplex wird das? Es ist eine schöne theoretische Lösung, aber ich kann mir nicht vorstellen, dass dies die einfachste Installation ist.

Die Lösung - jede Lösung muss drei Kriterien erfüllen: Sie muss billig und gut gelaunt sein, reproduzierbare Ergebnisse liefern und irgendwie kalibriert werden.

Aufbauend auf einer Variante der @ ToyB-Lösung ist hier eine Blattfeder die einfachste Lösung, die auf einem Brett an einer Wand befestigt ist. An jedem Ende sollte die Feder einen Schlitz haben, durch den ein Bolzen geschnitten ist, um die Feder an der Platine zu befestigen und gleichzeitig die Feder auslenken zu lassen. Befestigen Sie einen Dehnungsmessstreifen an der Rückseite und schließen Sie ihn an ein einfaches Voltmeter an. Sie könnten alle notwendigen Komponenten für 10 US-Dollar kaufen .

Kalibrieren Sie, indem Sie eine Reihe von Gewichten auf die Feder legen (legen Sie dazu einfach die Feder auf die Platine, auf einen Tisch) und messen Sie die Spannungen. Um die Komplexität zu erhöhen, aber die Lösung zu verbessern, tauschen Sie das einfache Voltmeter gegen einen einfachen Datenlogger aus und zeichnen Sie die Spannungskurve auf, die Sie erhalten, wenn Sie auf die Feder schlagen. Verwenden Sie dann Excel oder eine ähnliche Methode und eine Nachschlagetabelle mit Ihrer Spannungs-Kraft-Beziehung zu Geben Sie Ihren Schülern eine vollständige Kraftkurve ihrer Treffer.

Sie könnten sogar ein paar Frühlingsoptionen für Personen / Schläge mit unterschiedlichen Treffern haben, um Ihre Genauigkeit zu verbessern. Ich könnte mir vorstellen, dass Sie all dies für weniger als 50 US-Dollar erreichen können .

Leitfähiger Schaumstoff ändert seinen Widerstand, wenn er zusammengedrückt wird. Dies macht ihn zu einem guten, billigen Kraftsensor, solange Sie ein System haben, mit dem Sie viele Messungen schnell hintereinander durchführen und sich an das mit dem geringsten Widerstand erinnern können.

Abhängig von der Kraft, die Sie messen möchten, können Sie mehrere Schichten übereinander verwenden, und da Sie sie in eine beliebige Form schneiden können, sind Sie nicht auf die (kleine) Oberfläche eines bestimmten Sensors beschränkt.

Ich stimme Jeff zu 100% zu, der Vorteil davon ist, dass man es billig, sehr, sehr solide bauen kann. Die Höhe, auf die es schwingt, gibt Ihnen die Energie mit der Formel wo$E=mgh$

E = Energie in Joule,

m = Masse in kg

g = 9,81 m / s 2,

h = Höhenunterschied in m

Dies ist die Gesamtmenge an Energie, die auf das Ziel übertragen wird. Leider ist diese Energiemenge nicht unbedingt repräsentativ dafür, wie zerstörerisch / kampferfüllend ein Schlag ist, da ein langsamer Druck auf diese Höhe die gleiche Energie erfordert.

Die Knockout-Kraft wird auch durch die Beschleunigung des Kopfes in den wenigen Sekundenbruchteilen direkt nach dem Aufprall dargestellt, was eine Gehirnerschütterung verursacht. Dies könnte mit einer Schaltung gemessen werden, die die Zeit misst, die benötigt wird, um zwei eng beieinander liegende Punkte zu passieren, von denen der erste sehr nahe an der Anfangsposition des Pendels liegen sollte. Der Schlag sollte so ausgeführt werden, dass die Faust / der Fuß weiter geht als der letzte dieser Sensoren. Wenn diese Punkte im Verhältnis zur Bogenlänge des Pendels sehr nahe beieinander liegen, können Sie wobei$a=2s/t^2$

a = Beschleunigung in m / s ^ 2

s = Abstand zwischen Sensoren in m

t = Zeit in s

Sie hätten zwei Ziele, wohl in der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit:

1.) Lass es so schnell wie möglich beschleunigen. 2.) Lass es so hoch wie möglich werden

Wenn Sie Ziel 1 erreichen, können Sie eine Gehirnerschütterung / Rippenbruch verursachen, vorausgesetzt, Sie haben genug von 2, was bedeutet, dass Sie auch den Schlag durchsetzen müssen! Wenn Sie Ziel 2 mit einem schlechten Ziel 1 erreichen, stoßen Sie Ihren Gegner weg, ohne wirklichen Schaden zu verursachen. Ich glaube, ich muss das nicht weiter ausführen, da Sie ein Karate-Instruktor sind. Wir entschuldigen uns, dass Sie Dinge durchgearbeitet haben, die Sie wahrscheinlich bereits wissen. Es ist einfach am besten, präzise und vollständig zu sein. Achtung, diese Werte sind nicht "reell" in dem Sinne, dass Sie aufgrund der Verteilung der Masse durch das sich bewegende Pendel eine kompliziertere Formel zur Berechnung der reellen Werte haben. Sie erhalten jedoch numerische Werte, die höher oder niedriger sein können, und Sie können sie "kalibrieren", indem Sie selbst einen Kick geben und Ziele für Ihre Schüler festlegen. Ebenfalls,

Ein Dehnungsmessstreifen , der an einem Ziel angebracht ist, wäre hilfreich.

Im Gegensatz zu Piezo sind sie sehr widerstandsfähig gegen Aufprallkräfte (Piezokristalle zersplittern, wenn der Druck schnell ausgeübt wird).

Sie können an so ziemlich beliebigen "Brettern" befestigt werden, die nur sehr wenig Ertrag bringen. Im Gegensatz zu Pendeltypen verfälschen sie die Ergebnisse nicht, wenn die Kraft langsamer ausgeübt wird, oder sie leiten die Energie in die eigene Flexibilität des Pendels ein. Wenn Sie eine Wasserflasche verwenden, wie in einer anderen Antwort vorgeschlagen, wird durch das Umrühren des Wassers mit dem Aufprall ein Großteil der Energie verbraucht, nur ein Teil davon fließt in den Antrieb der Flasche.

Wenn Sie das Material ändern, an dem Sie sie anbringen, können Sie sie auf nahezu jede Kraft abstimmen. Sie messen die Beanspruchung im Material und basieren auf dem Young-Modul des Materials. Sie können angepasst werden, um alles von Sub-Newton-Kräften bis zu wahrzunehmen Ladungen auf Brücken und Schiffsrümpfen.

Wie geht man damit praktisch um? Sie wählen eine Art Diele, Stange oder andere Oberfläche, die als Trefferziel dient und sich beim Aufprall etwas biegt, aber stark genug ist, dass sie nicht einrastet und fest mit beiden Enden verbunden ist. Sie kleben die Messuhr auf die "sichere" Seite, irgendwo um den Aufprallpunkt. Dann verwenden Sie einen einfachen Mikrocontroller ( PSoC4 fällt mir ein, ist einfach zu programmieren und enthält die gesamte verbleibende Hardware) und messen Änderungen des Spitzenwiderstands. Ein einfaches Programm, das innerhalb eines bestimmten Zeitraums Spitzenwiderstände über einen bestimmten Schwellenwert erfasst und über RS232 an den PC sendet, sollte einfach genug sein.

Wie kalibriere ich es? Stellen Sie den Apparat horizontal auf, setzen Sie ein bekanntes statisches Gewicht auf den Aufprallpunkt, messen Sie die Differenz zwischen dem unbelasteten Widerstand und dem Gewicht. Ein Gewicht von 1 kg übt eine Kraft von 9,806 Newton aus. Wenn Sie sich nicht besonders mit dem Material auskennen, ist die lineare Approximation des Youngschen Moduls ziemlich gut. Ihre Messwerte sind linear proportional zur Kraft, sodass ein einfaches Verhältnis ausreicht, um die Messung in Newton durchzuführen.

Dies sind nur einige Vorschläge zur Entwicklung des Systems

Ich schlage vor, einen polymeren Ansatz vom Blasentyp zu verwenden, der in Systemen zur Erkennung der Durchgangsbelegung in der Automobilindustrie verwendet wird. Dieses Patent beschreibt die Automobilanwendung. Das Blasensystem wäre Teil des Fokushandschuhs, der einen Differenzdrucksensor auf MEMS-Basis enthält. Wenn die Aufprallkraft vom Drucksensor erfasst wird, werden die Daten vom einfachen Mikroprozessor wie einem Atmel tiny, MSP430 oder einem PIC verarbeitet. Bei Auswahl eines analogen Drucksensors ist eine AFE-Stufe (Analog Front End) erforderlich, aber auch I2C- oder SPI-Optionen sind verfügbar.

Ein anderer Ansatz besteht darin, eine Trägheitsmesseinheit (IMU) zu verwenden, die eine Kopplung mit zwei bis sechs Freiheitsgraden (DOF) mit einem Mikroprozessor wie dem MSP430 oder PIC ermöglicht. Diese IMU haben Gyroskope und Beschleunigungsmesser. Dieser Ansatz liefert mehr Daten, die für eine spätere Analyse verwendet werden können. Auch die Kommunikation erfolgt über I2C oder SPI zum Mikroprozessor

Das System erfordert ein einfaches Stromversorgungssystem wie eine einfache wiederaufladbare Knopfbatterie. Das USB-Ladesystem ist möglicherweise die beste Wahl. Das USB-Ladesystem aktiviert die Option zum Herunterladen von Daten. Es könnte auch eine Art von Energiegewinnungsmechanismus wie Vibration verwendet werden, um Energie zu erzeugen, die zum Antreiben des Systems erforderlich ist, ähnlich wie bei einigen neuen Fitnessgeräten wie Laufbändern, elliptischen Fahrrädern usw. Dies kann eine großartige Niedrigenergieanwendung sein.

Eine andere Möglichkeit wäre, ein tragbares Element wie ein Fitbit anzuschließen, das nicht nur die Stromquelle, sondern auch die Speicherung, Überprüfung und Analyse von Daten ermöglicht. Mit dem Fit-Bit können Sie auch eine Verbindung zu einem Smartphone herstellen, um Echtzeitanalysen durchzuführen und dem Schüler Feedback zu geben.

Ein direkter Wechsel vom Fokushandschuh zum Smart könnte ein großer Mehrwert sein. Dies kann auf viele Arten erreicht werden. Die Verwendung von Cortex ARM M0 micro mit einer On-Chip-BLE ist möglicherweise die derzeit beste verfügbare Option. Viele Anbieter wie NXP, Freescale und Cypress bieten diese Option an. Noch besser ist ein Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart in einem Modul. Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für ein solches Gerät.

Alle diese Anbieter bieten ein kostengünstiges Entwicklungskit mit kleinem Formfaktor.

Um schließlich die VOC der Schüler anzusprechen, wird der Wunsch der Schüler nach Perfektion geweckt, indem in Echtzeit messbares Feedback zwischen korrekten und inkorrekten Techniken bereitgestellt wird.

Verweise:

• Fahrzeuginsassen-Gewichtserkennungssystem mit Insassenpositionsausgleich
• PS Drucksensoren
• 6 Freiheitsgrade IMU Digital Combo Board
• Seeed Micro BLE-Modul mit Cortex-M0-basiertem nRF51822 SoC
• Kinetis KW2x - 2,4-GHz-HF, analoges gemischtes Signal, IEEE® 802.15.4, Kleinleistungs-Mikrocontroller (MCUs)
• Produkte und Lösungen für Bluetooth Smart Connectivity
• Programmierbares System-on-Chip (PSoC®) + Bluetooth Low Energy

Hier ist eine wirklich billige und fröhliche Art, die Größe eines Aufpralls zu zeigen. Nehmen Sie 2 Sperrholzbretter und legen Sie eine große Druckfeder zwischen das eine und das andere Brett, so dass die Feder wie ein "H" zwischen mindestens einem der Bretter eingeklemmt, aber abnehmbar ist. Verschrauben Sie diese an einer Wand. "H |" Lass Kugeln aus Playdo (Kinderkitt) in fester Größe in die Feder legen (wahrscheinlich in einer Plastiktüte oder ähnlichem, um Unordnung zu vermeiden), baue das 2. Board wieder ein und schlage das Board hart an. Der Aufprall auf das Playdo führt zu unterschiedlichen Deformationen, je nachdem, wie stark es getroffen wurde.

Wenn Sie das an der Wand befestigte Brett wie eine Schachtel mit Seiten versehen, platzieren Sie 5 (kürzer als die Seiten) Druckfedern (vier Ecken und die Mitte, die den Kitt hält). Möglicherweise können Sie ein Stück Schnur herausziehen das zweite Board für den einfachen Einstieg ins Playdo.

Ist das zu simpel? Es kommt wirklich darauf an, wie wissenschaftlich Sie das Ergebnis wollen und wie gut Sie mit einem Lötkolben im Gegensatz zu 6 Stück Holz und 5 Druckfedern sind

Das Problem bei der Quantifizierung der Aufprallkraft ist die kurze Dauer eines normalerweise "spitzen" Impulses. Personenwaagen werden normalerweise gedämpft, um eine gleichmäßige Messung der statischen Kraft zu ermöglichen, und erfassen keine vorübergehenden Spitzen. Ballistische Pendel haben auch Probleme - von denen einige diskutiert wurden. Für die Ausbildung junger Kämpfer würde ich jedoch vorschlagen, dass Sie die Kraft nicht wirklich quantifizieren müssen, sondern ihre Leistung über die Zeit vergleichen und sie sich mit anderen Schülern vergleichen lassen. Dazu müssen Sie lediglich eine offene Schachtel (ca. 30 cm²) mit einer dicken Schicht Modelliermasse füllen und die Schachtel an der Wand befestigen. Wenn der Schüler einen Schlag ausführt, fungiert der Ton als Zeugenmaterial und verformt sich plastisch. Messen Sie einfach die maximale Tiefe der Depression und tragen Sie diese in die persönliche Akte des Schülers ein.

Der Ton kann natürlich wiederverwendet werden, aber Sie müssen möglicherweise experimentieren, um den richtigen Modellierton zu erhalten: Roma Plastilina war das bevorzugte Material für die Ballistik mit Schusswaffen, aber Plastilin oder Play-Doh sind für junge Karate-Ka möglicherweise weniger schmerzhaft.