Comment quantifier les frappes d'arts martiaux?

Sous-titré: Ah, je suis fort avec la Force, mais comment puis-je le mesurer?

Toutes mes excuses pour avoir paraphrasé Yoda , j'essaie de mesurer une force. Heureusement, c'est une force plus facile à mesurer que les midi-chloriens .

Lorsque je donne des cours de karaté à d'autres, l'une des choses que j'insiste est de mettre l'accent sur la technique derrière les frappes de base. L'expérience a montré que la bonne technique peut donner beaucoup plus de force à toute frappe. Le problème que je rencontre est que même si un étudiant prétend qu'il peut «sentir» la différence d'une frappe plus puissante, il revient souvent à sa technique incorrecte parce qu'il ne s'est pas convaincu que la différence est vraiment là.

Je voudrais concevoir un système qui mesure la force derrière une grève. En particulier, je dois identifier un capteur au point d'impact qui peut être utilisé. National Geographic a fait quelque chose de très similaire , mais l'équipement qu'ils utilisent, comme les mannequins de crash test, est d'un coût prohibitif. De même, je n'ai pas besoin de la résolution ou de la précision fournies par cet équipement. Que quelqu'un frappe avec 100 ou 101 lb _f de force est sans importance. Je veux montrer quand passer de 100 à 200.

Quel capteur ou système pourrais-je utiliser pour mesurer la force à l'impact de diverses frappes de karaté? Idéalement, je pourrais monter l'appareil dans un gant de mise au point , ou similaire, et être en mesure de fixer le coussin à un système réglable afin que diverses frappes puissent être mesurées.

Mes principales contraintes de conception sont:

• moindre coût
• mesures reproductibles
• plage de 0 à 2 000 lb _f

Je ne cherche pas une conception complète du système, qui comprendrait toute l'électronique de surveillance. J'essaie simplement de me concentrer sur un capteur qui peut fournir une sortie mesurable, comme la tension.

Notez également que je prévois de faire passer les câbles à l'appareil, j'ai donc déjà un moyen simple d'alimenter le système. Je vais peut-être devenir sans fil à un moment donné, mais j'utiliserais alors une batterie et je veux que cette question reste concentrée sur le capteur lui-même.

Vous pouvez simplement frapper un pendule et mesurer l'angle auquel il oscille. J'ai trouvé que des bouteilles de soda de trois litres remplies d'eau et suspendues à une corde sont bonnes pour frapper. Connaissant le poids de la bouteille, un petit trig donnera l'énergie, à partir de laquelle vous pourrez obtenir la force.

Edit: Si le transfert d'énergie du poing à la cible se produit pendant un laps de temps assez court, alors l'accélération de la bouteille vers l'avant sera approximativement l'accélération centripète à travers le bas de l'arc. L'énergie potentielle en haut de la balançoire est égale à l'énergie cinétique en bas.

$a$ = accélération centripète

$v$ = vitesse le long de l'arc

$r$ = rayon (longueur de corde)

$PE$ = énergie potentielle

$m$ = masse

$g$ = accélération due à la gravité (environ 9,80665 m / s ² ou 32,1740 ft / s ² )

$h$ = hauteur

$KE$ = énergie cinétique

$m$ = masse

$v$ = vitesse le long de l'arc

$h$ = hauteur = longueur de corde = le plus grand angle de la corde par rapport à la verticale$r$$\theta$

Je pense qu'un capteur de force d'impact est ce que vous recherchez. Je ne sais pas combien sont chers les capteurs liés, vous pouvez donc également utiliser un capteur d'accélération et faire un peu de calcul. La deuxième option est probablement moins précise, mais je pense qu'elle sera également beaucoup moins chère!

Je sais que vous avez dit que vous ne vouliez pas la conception complète du système, mais j'ai pensé que j'irais pour le crédit supplémentaire dans le deuxième lien. ;)

Je pense que ce que vous voulez, c'est un capteur de pression piézoélectrique . Vous pourrez peut-être en voler un dans une ancienne balance de salle de bain, mais les capteurs d'une balance peuvent ne peser que jusqu'à 100 livres de force. Ces transducteurs piézoélectriques convertissent la pression appliquée en une petite tension aux bornes des deux fils. Cette pression peut être convertie en force en mesurant la surface du capteur.

Pour le lire, vous devrez construire un étage d'amplification, probablement composé d'un étage de préampli à faible bruit et d'un étage d'amplification plus robuste. La deuxième partie est un circuit qui contient la valeur maximale car vous êtes probablement le plus intéressé par la force maximale appliquée. Vous pouvez probablement faire à la fois la deuxième étape de l'amplification et tout traitement de données avec un Arduino .

Vous devez être prudent lorsque vous montez le transducteur piézoélectrique sur le gant de mise au point. Vous voulez en faire quelque chose que les gens peuvent frapper sans transférer trop de pression devant le capteur. Une fois que vous l'avez construit, vous pouvez l'étalonner en plaçant des poids connus dessus.

Je vais offrir une réponse un peu moins utile en creusant des trous dans les réponses des autres pour expliquer pourquoi elles ne sont pas idéales, puis en proposant une réponse incomplète et mal pensée de ma part.

La majorité des réponses ici souffrent d'une des trois pierres d'achoppement:

1. ils nécessitent des gabarits inutilement grands pour être réalisables avec des complexités qui les rendent indésirables (pendule, je vous regarde ici)
2. ils ignorent les lois de Newton sur les forces réactionnaires dans leur implication.
3. la solution est absurdement complexe pour la tâche à accomplir.

D'accord, donc en commençant par le pendule, tout d'abord, une solution très nouvelle, en théorie très bonne, mais il y a deux problèmes ici: comment monter le pendule? L'instructeur tient-il l'extrémité de la corde au-dessus de sa tête et espère-t-il qu'il ne sera pas touché? Ou utilisez-vous un cadre en forme de balançoire que vous pourriez trouver sur un terrain de jeu? Si c'est le cas, vous pouvez tout aussi bien aller à une aire de jeux, vous tenir debout sur une balançoire et les faire vous frapper / un pad, c'est une solution gratuite. Si vous voulez quelque chose de plus technique et que vous savez comment suspendre le pendule, comment garantissez-vous qu'il le frappe carrément, dans le plan dans lequel vous mesurez la hauteur, sans gaspiller un seau d'énergie à faire tourner le carton de lait? Si vous avez déjà utilisé une balançoire pour enfant, vous saurez que la faire pivoter dans un avion de votre choix, et sans tourner, est difficile. Plus la masse du carton est légère, plus vous ne verrez que la force instantanée, ce qui pourrait être ce que vous voulez, je ne me bats pas donc je ne sais pas, mais je sais que le coup le plus lourd sera sauvegardé un tas d'énergie, pas une impulsion très brève d'une dynamique intense. La normalisation entre les coups sera également un défi car le temps de contact avec le carton affectera considérablement la hauteur à laquelle il monte (énergie = force x distance).

Tout ce que vous tenez entre vos mains va vous obliger à ne pas bouger; à moins que vous ne soyez Superman, vous allez bouger un peu, surtout à mesure que vos élèves s'améliorent, de sorte que la force qui est enregistrée va diminuer car vous offrez moins de résistance aux coups, ce qui signifie que vos élèves verront des retours décevants sur l'amélioration leur technique. À peine idéal. La seule solution à ce problème est de monter ceci sur quelque chose de rigide et de le faire toucher. Je suggérerais un mur ou similaire si vous le pouvez.

Mousse conductrice? À quel point cela devient-il complexe? C'est une belle solution théorique mais je ne peux pas imaginer que ce soit l'installation la plus simple.

Donc, la solution - toute solution doit répondre à trois critères: elle doit être bon marché et joyeuse, elle doit avoir des résultats reproductibles et elle doit être calibrée d'une manière ou d'une autre.

S'appuyant sur une variante de la solution de @ ToyB, un ressort à lames est la solution la plus simple ici, monté sur une planche sur quelque chose comme un mur. À chaque extrémité, le ressort doit avoir une fente coupée avec un boulon à travers pour fixer le ressort à la planche tout en permettant au ressort de fléchir. Fixez une jauge de contrainte à l'arrière et connectez-la à un simple voltmètre. Vous pouvez acheter tous les composants nécessaires pour 10 $ .

Calibrez en plaçant une gamme de poids sur le ressort (placez simplement le ressort, sur sa carte, sur une table pour ce faire) et mesurez les tensions. Pour ajouter une étape à la complexité mais améliorer la solution, remplacez le voltmètre simple par un enregistreur de données simple et enregistrez la courbe de tension que vous obtenez lorsque vous frappez le ressort, puis utilisez Excel ou similaire et une table de recherche avec votre relation tension-force pour donnez à vos élèves une courbe de force complète de leurs coups.

Vous pouvez même avoir quelques options de ressort pour les personnes / coups de différents coups pour améliorer votre précision. J'imagine que vous pourriez réaliser tout cela pour moins de 50 $ .

La mousse conductrice changera sa résistance lorsqu'elle est comprimée, ce qui en fait un bon capteur de force bon marché, tant que vous avez un système pour effectuer de nombreuses mesures en succession rapide et vous rappeler celle qui a la moins de résistance.

En fonction de la force que vous souhaitez mesurer, vous pouvez utiliser plusieurs couches les unes au-dessus des autres et, comme vous pouvez la couper dans n'importe quelle forme, vous n'êtes pas limité à la (petite) surface d'un capteur spécifique.

$E=mgh$

E = énergie en Joules,

m = masse en kg,

g = 9,81 m / s ^ 2,

h = différence de hauteur en m

Ce sera la quantité totale d'énergie transférée à la cible. Malheureusement, cette quantité d'énergie n'est pas nécessairement représentative de la façon dont une attaque est destructrice / mettant fin au combat, car la pousser lentement à cette hauteur nécessitera la même énergie.

$a=2s/t^2$

a = accélération en m / s ^ 2

s = distance entre les capteurs en m

t = temps en s

Vous auriez deux objectifs, sans doute par ordre d'importance:

1.) faites-le accélérer aussi vite que possible 2.) faites-le aussi haut que possible

Si vous atteignez l'objectif 1, vous pouvez provoquer une commotion cérébrale / une fracture de la côte, en supposant que vous en avez assez de 2, ce qui signifie que vous devrez également passer à travers la frappe! Si vous atteignez le but 2 avec un mauvais but 1, vous repousserez votre adversaire sans causer de dégâts réels. Je suppose que je n'ai pas vraiment besoin de m'étendre sur ce sujet car vous êtes un instructeur de karaté, excuses pour avoir passé en revue des choses que vous connaissez probablement déjà, il vaut mieux être précis et complet. Attention, ces valeurs ne seront pas "réelles" dans le sens où en raison de la répartition de la masse à travers le pendule mobile vous aurez une formule plus compliquée pour calculer les valeurs réelles. Cependant, vous obtiendrez des valeurs numériques que vous pouvez avoir plus ou moins, et vous pouvez le "calibrer" en lui donnant un coup de pied vous-même, en fixant des objectifs pour vos élèves. Également,

Une jauge de contrainte attachée à une cible serait utile.

Contrairement au piézo, ils sont très résistants à la force de type impact (les cristaux piézo ont tendance à se briser lorsque la pression est appliquée rapidement).

Ils peuvent être attachés à une "planche" à peu près arbitraire qui donne très peu, donc contrairement aux types de pendule, ils ne fausseront pas les résultats avec une force appliquée plus lentement, ou ne plongeront pas l'énergie dans la flexibilité du pendule. Si vous utilisez une bouteille d'eau, comme suggéré dans une réponse différente, "agiter l'eau" avec l'impact absorbera une grande partie de l'énergie, une partie seulement de celle-ci étant utilisée pour propulser la bouteille elle-même.

Et en changeant le matériau auquel vous les attachez, vous pouvez les régler sur à peu près n'importe quelle force - ils mesurent la contrainte dans le matériau et en se basant sur le module d'Young du matériau, ils peuvent être adaptés pour détecter quoi que ce soit des forces sub-Newton, à charges sur les ponts et les coques des navires de fret.

Comment les approcher pratiquement? Vous choisissez une sorte de planche, barre ou autre surface qui servira de cible et se pliera quelque peu à l'impact, mais suffisamment solide pour ne pas se casser, attachée fermement aux deux extrémités. Vous collez l'indicateur du côté «sûr», quelque part autour du point d'impact. Ensuite, vous utilisez un microcontrôleur simple ( PSoC4 vient à l'esprit, facile à programmer et avec tout le matériel restant nécessaire à bord) et mesurez les changements de résistance de pointe. Un programme simple qui sélectionne la résistance de pointe au-dessus d'un certain seuil dans un délai donné et l'envoie via RS232 au PC devrait être assez simple.

Comment l'étalonner? Placer l'engin horizontalement, mettre un poids statique connu au point d'impact, mesurer la différence entre la résistance non encombrée et avec le poids. Le poids de 1 kg exercera une force de 9,806 newtons, et à moins que vous ne soyez très sophistiqué avec le matériau, l'approximation linéaire du module de Young est assez bonne; vos lectures seront linéairement proportionnelles à la force, donc une simple proportion suffira pour obtenir la mesure en Newtons.

Ce ne sont que quelques suggestions pour développer le système

Je suggère d'utiliser une approche de type vessie polymère utilisée dans les systèmes de détection d'occupation de passage dans l'industrie automobile. Ce brevet décrit l'application automobile. Le système de vessie ferait partie du gant de mise au point, qui comprend un capteur de pression différentielle de base MEMS. Lorsque la force d'impact sera détectée par le capteur de pression, les données seront traitées par le microprocesseur simple comme un Atmel tiny, MSP430 ou un PIC. Dans le cas où un capteur de pression analogique est choisi, un étage frontal analogique (AFE) est requis, mais les options I2C ou SPI sont également disponibles.

Une autre approche consistera à utiliser une unité de mesure inertielle (IMU) qui fournit un couple de deux à six degrés de liberté (DOF) avec un microprocesseur comme le MSP430 ou PIC. Ces IMU ont des gyroscopes et des accéléromètres. Cette approche fournira plus de données pouvant être utilisées pour une analyse ultérieure. La communication se fait également via I2C ou SPI vers le microprocesseur

Le système nécessitera un système d'alimentation simple comme une simple pile bouton rechargeable. Le système de chargement d'alimentation USB pourrait être votre meilleur choix. Le système de chargement USB activera l'option de téléchargement de données. Un certain type de mécanisme de récupération d'énergie tel que les vibrations pourrait également être utilisé pour générer l'énergie nécessaire pour alimenter le système, similaire à certaines des nouvelles machines de gymnastique telles que les tapis roulants, les vélos elliptiques, etc. Cela peut être une excellente application à faible puissance.

Une autre option consisterait à connecter un accessoire portable tel qu'un embout adapté qui fournira non seulement la source d'alimentation mais également le stockage, la révision et l'analyse des données. Fit bit donnera également la possibilité de se connecter à un téléphone intelligent pour une analyse en temps réel et des commentaires à l'étudiant.

Passer directement du focus mitt au Smart peut être une excellente proposition à valeur ajoutée. Cela peut être réalisé de plusieurs manières. L'utilisation de Cortex ARM M0 micro avec un BLE sur puce pourrait être la meilleure option actuellement disponible. De nombreux fournisseurs tels que NXP, Freescale et Cypress proposent cette option. C'est encore mieux un Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart dans un module. Voici un exemple d'un tel appareil.

Tous ces fournisseurs proposent un kit de développement abordable à petit facteur de forme.

Enfin, pour aborder les COV avec les étudiants, fournir une rétroaction mesurable en temps réel entre les techniques correctes et incorrectes conduira les étudiants à atteindre la perfection.

Les références:

• Système de détection du poids des occupants du véhicule avec compensation de la position des occupants
• Capteurs de pression PS
• Carte combinée numérique IMU à 6 degrés de liberté
• Module Micro BLE Seeed avec SoC nRF51822 basé sur Cortex-M0
• Kinetis KW2x - RF 2,4 GHz, signal mixte analogique, IEEE® 802.15.4, microcontrôleurs basse consommation (MCU)
• Produits et solutions pour la connectivité Bluetooth Smart
• Système sur puce programmable (PSoC®) + Bluetooth Low Energy

Voici une façon vraiment bon marché et joyeuse de montrer la taille d'un impact. Prenez 2 planches de contreplaqué, mettez un grand ressort de compression entre l'une et l'autre planche pour que le ressort soit pris en sandwich mais amovible par au moins une des planches comme un "H". Fixez-le à un mur. "H |" Placez des boules de playdo (mastic pour enfants) de taille fixe sur ces derniers à l'intérieur du ressort (probablement dans un sac en plastique ou similaire pour économiser sur le désordre), remontez la 2ème planche et frappez la planche durement. L'impact sur le playdo entraînera une déformation différente selon la force de frappe.

Si vous faites en sorte que la planche fixée au mur soit entourée de côtés comme une boîte, placez 5 ressorts de compression (plus courts que les côtés) (quatre coins et le milieu tenant le mastic), vous pourriez probablement avoir un morceau de ficelle à tirer la deuxième planche pour faciliter l'accès au playdo.

Est-ce trop simpliste? cela dépend vraiment à quel point vous voulez le résultat scientifique et à quel point vous êtes bon avec un fer à souder par opposition à 6 morceaux de bois et 5 ressorts de compression

Le problème de la quantification de la force d'impact est la courte durée de ce qui est généralement une impulsion «de pointe». Les balances de salle de bain sont généralement amorties pour donner une lecture stable d'une force statique et ne captureront pas les pics transitoires. Les pendules balistiques ont également des problèmes - dont certains ont été discutés. Cependant, pour entraîner de jeunes combattants, je dirais que vous n'avez pas vraiment besoin de quantifier la force, mais plutôt de comparer leurs performances dans le temps et de les laisser se comparer aux autres élèves. Pour ce faire, il vous suffit de remplir une boîte ouverte (environ 30 cm2) avec une épaisse couche de pâte à modeler et de fixer la boîte au mur. Lorsque l'élève lance un coup de poing, l'argile servira de matériau témoin et se déformera plastiquement. Mesurez simplement la profondeur maximale de la dépression et notez-la dans le dossier personnel de l'élève.

L'argile est bien sûr réutilisable, mais vous devrez peut-être expérimenter pour obtenir la bonne pâte à modeler: Roma Plastilina était le matériau préféré pour la balistique des armes à feu, mais la pâte à modeler ou le Play-Doh pourraient être moins douloureux pour les jeunes karaté-ka.