Тренажер-силомер для измерения динамических параметров удара - RU2359728C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к тренажерам для бокса и других видов силовых единоборств, там, где требуется оценить силу и энергию удара спортсмена, его физическую форму и даже уровень боксерского мастерства, а также может быть использовано как развлекательный аттракцион.

В настоящее время в мире существует множество различных устройств, от дешевых и простых до дорогих и технически сложных, позволяющих измерить силу удара в боевых единоборствах. Причем у всех производителей результаты измерений, как правило, существенно отличаются, хотя все они претендуют на корректность измерений.

Самые распространенные датчики, используемые для измерения силы удара - это тензодатчики, пьезорезистивные и пьезоэлектрические датчики силы. Все они калиброваны, обладают высокой точностью и активно используются для измерения силы ударов в технологических процессах, так как для этих целей и были разработаны. Но удары, как правило, наносятся не по датчикам, а по деталям или элементам, используемым в технологическом процессе. Давление же на датчики передается через материалы или среды, обладающие совершенно различными свойствами. Естественно, что, имея после удара на выходе датчиков только форму ударного импульса, можно говорить о силе удара только в каких-то относительных единицах. При выполнении технологических операций абсолютные значения силы удара, как правило, не важны. Тем не менее, калибровка измерений даже в случаях, когда свойства, размеры и форма соударяющихся тел не меняется, очень сложна.

При измерениях в спорте удары тоже наносятся не по жестким датчикам, а по различным демпфирующим подушкам и приспособлениям, которые защищают руки спортсменов от возможных травм. И когда необходимо получить абсолютные значения силы ударов задача осложняется и становится практически неразрешимой даже в случае выбора одной мишени-эталона, так как ударные конечности разные, а удара-эталона не существует.

Таким образом, измеряя силу удара с помощью этих датчиков, в конечном счете, измеряют силу, возникающую при ударе, и пытаются ее интерпретировать как искомую силу удара, а она по законам физики определяется упругими свойствами мишени и ударной конечности, а также их размерами, формой и относительной скоростью движения. Таким образом, даже рассматривая удар как столкновение двух тел (ударной конечности и мишени), обладающих определенными свойствами, формой и массой, не возможно провести однозначную калибровку. Удар же, гораздо более сложен и продолжителен, чем простое столкновение. Поэтому, имея только форму ударного импульса и не имея полноценной калибровки невозможна получить корректные результаты при измерении силы и энергии удара с помощью тензодатчиков, пьезорезистивных и пьезоэлектрических датчиков силы и давления.

Известен динамометрический тренажер для бокса и других видов единоборств для определения параметров удара, заключающийся в измерении давления в момент удара по мишени, в качестве которой используют боксерский мешок (см. патент РФ №2265470, МПК А63В 69/32). Тренажер содержит подвешиваемый ударный снаряд, внутри которого расположена эластичная капсула, связанная с блоком индикации с помощью датчика давления, установленного внутри капсулы, и одного или нескольких функциональных преобразователей сигнала датчика давления. Эластичная капсула выполнена из вязкоупругого несжимаемого материала, а в качестве датчика давления в нем установлен звуковой пьезоэлектрический излучатель мембранного типа, снабженный подмембранной камерой, при этом входы функциональных преобразователей связаны с пьезоэлектрическим слоем звукового пьезоэлектрического излучателя непосредственно или через согласующий элемент. Функциональные преобразователи и блок индикации выполнены на базе компьютера, при этом в качестве входа функциональных преобразователей использована звуковая карта компьютера.

Недостатком является недостоверность результатов измерений в силу описанных выше причин.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является тренажер для измерения динамических параметров удара, содержащий боксерский мешок с расположенными в нем жестким корпусом и, по меньшей мере, одним датчиком, блок обработки сигналов датчика, соединенный с блоком индикации (см. патент DE 10323348, МПК А63В 69/34).

В данном тренажере сенсоры ускорения (датчики) предварительно вмонтированы в так называемый носитель (сенсорный стержень), который помещен в боксерский мешок. Точность измерения (даже в относительных единицах) этого устройства очень низка по следующим причинам:

- В качестве набивки используют стандартные наполнители - песок, опилки, текстиль, хлопок, смягчающие удар и поглощающие его энергию. После каждого удара по такому наполнителю изменяется внутренняя структура мешка и гасится энергия удара, что сказывается на точности проводимых измерений.

- В качестве материалов носителя предлагают использовать и легкие материалы - алюминий, пластмассу и даже древесину. Волна деформации, распространяющаяся после удара, вызывает смещение легкого носителя и его сильную высокочастотную вибрацию (сенсор сделан в форме трубы и труба гудит, а фильтруются только низкочастотные помехи, что также приводит к повышению погрешности измерений.

- Сенсорный стержень имеет гладкую внешнюю поверхность, что дает ему возможность скользить при ударах в материале набивки, что также ведет к некорректности измерений, при этом стержень относительно тонкий, что также уменьшает сцепление с набивкой.

- При измерениях не учитывается ускорение по вертикальной оси. Однако в реальных ударах вертикальная составляющая всегда присутствует и значительна по величине, поэтому учитывать ее для точности измерений просто необходимо.

Недостатком противопоставленного решения является также то, что оно позволяет проводить измерения в относительных единицах.

В основу настоящего изобретения положена задача создания простого и вместе с тем высокотехнологичного и надежного устройства, позволяющего измерить силу и энергию удара спортсмена в численном эквиваленте, а также оценить физическую форму спортсмена и уровень боксерского мастерства.

Технический результат заключается в повышении точности измерений абсолютных значений силы удара спортсменов при использовании стандартных боксерских мешков при исключении необходимости калибровки.

Поставленная задача решается тем, что в тренажере-силомере для измерения динамических параметров удара, содержащем боксерский мешок с расположенными в нем жестким корпусом и по меньшей мере одним датчиком, блок обработки сигнала с датчика, соединенный с блоком индикации, согласно решению материал поверхности корпуса выбран из условия обеспечения максимального сцепления с материалом набивки мешка для исключения послойного смещения набивочного материала, при этом датчик представляет собой трехосный акселерометр.

Корпус выполнен с обрезиненной поверхностью.

В тренажере может быть использован один датчик, при этом он расположен в геометрическом центре зоны нанесения ударов, одновременно являющимся центром тяжести мешка, при этом отношение длины мешка к его диаметру не превышает значение 1,7. Датчиков может быть два, при этом они расположены вдоль центральной оси мешка на краях корпуса или на расстоянии, равном или меньшем диаметру мешка. Количество датчиков может быть равно трем и более, при этом они расположены вертикально вдоль центральной оси мешка на одинаковом расстоянии, равном или меньшем диаметру мешка, а отношение длины мешка к его диаметру больше 1,7. При этом мешок условно разделен соответственно две, три и более части равной массы, а датчики расположены вдоль центральной оси мешка в центре тяжести каждой части.

Блок обработки сигнала выполнен с возможностью работы в режиме измерения силы, энергии удара и времени соударения и режиме измерения суммы энергий или сил ударов за определенный промежуток времени.

При втором режиме работы на индикацию выводятся сумма энергий или сил ударов (тоннаж) за определенный промежуток времени, что позволяет оценить не только физическую форму спортсменов, но и уровень боксерского мастерства.

Тренажер может дополнительно содержать монетоприемник, соединенный с блоком индикации и выполненный с возможностью возврата монет при условии, что числовое выражение результата удара на индикаторе будет содержать две или три одинаковые цифры. Тренажер может дополнительно содержать один или два датчика угловых ускорений, расположенных на корпусе на максимальном удалении от вертикальной и горизонтальной оси мешка.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен тренажер с одним датчиком, расположенным в центре тяжести, совпадающим с геометрическим центром зоны нанесения ударов; на фиг.2 - одна из возможных форм мешка; на фиг.3 - вариант тренажера с тремя датчиками, расположенными вертикально вдоль центральной оси мешка, где 1 - боксерский мешок (мишень); 2 - датчик ускорений; 3 - блок обработки сигнала; 4 - корпус; 5 - блок индикации; 6 - монетоприемник; 7 - D - диаметр мешка; 8 - L - высота мешка; 9 - F - вертикальный размер зоны нанесения ударов.

Тренажер-силомер содержит боксерский мешок 1. Все стандартные боксерские мешки применительно к нашей задаче можно разбить на две группы: короткие, если L/D<1,7 и длинные при L/D>1,7. К коротким мешкам можно отнести также все мешки грушевидной формы, а также мешки, имеющие форму, изображенную на фиг.2. В последнем случае учитываются только размеры массивной части мешка.

В случае короткого мешка, размер зоны нанесения ударов F примерно равен диаметру мешка D, поэтому, помещая датчик в геометрический центр зоны нанесения ударов, совпадающим с центром тяжести мешка, все удары, нанесенные с одинаковой силой в направлении датчика по любой точке зоны будут иметь одинаковое значение.

Датчик ускорений 2 и блок обработки сигнала 3 неподвижно закреплены в едином жестком и массивном корпусе 4, жестко закрепленном на мешке 1. В качестве датчика могут быть выбраны интегральные емкостные трехосные акселерометры, высокая линейность и точность которых позволит обойтись без калибровки.

Для измерения силы ударов с высокой точностью в идеале в качестве мишени следует выбрать круглый тяжелый твердый шар с датчиком в центре, покрытый мягким и легким слоем материала, защищающим конечности спортсменов от повреждений. Вся разработка конструкции тренажера направлена как раз на то, чтобы превратить стандартный боксерский мешок в идеальную для точных измерений мишень, сохранив изначальные качественные характеристики мешка.

Корпус 4 в представленном варианте крепится к материалу мешка 1 с помощью диска, жестко скрепленного с корпусом, для того чтобы в процессе эксплуатации датчик ускорений 2 не менял своего положения. Поперечный размер корпуса выбирается с одной стороны максимальным для повышения точности измерений, с другой стороны толщина набивочного слоя мешка в случае металлического корпуса не должна быть меньше 8-12 см, чтобы при ударе не ощущалось наличие корпуса с датчиком. Форма корпуса должна совпадать с формой мешка, а толщина набивочного слоя должна быть постоянна, особенно в зоне нанесения ударов. Материал поверхности корпуса и его рельеф выбраны из условия обеспечения максимального сцепления с материалом набивки мешка. Варианты - использовать корпус с ребристой обрезиненной поверхностью или просто оклеить корпус набивочным материалом, который, как правило, включает в себя резиновую крошку. Такая форма, размеры и свойства поверхности исключают послойное смещение набивочного материала мешка при ударах, что исказило бы результаты измерений. Корпус 4 изготавливается таким образом, чтобы при помещении его в мешок 1 центр тяжести мешка совпадал с геометрическим центром зоны нанесения ударов и местом расположения датчика 2.

Блок обработки сигнала 3 имеет проводную или беспроводную связь с блоком индикации 5, расположенным вне мешка 1. Тренажер может быть снабжен монетоприемником 6, который подключен к блоку индикации 5. Монетоприемник 6 выполнен с возможностью возвращения введенных монет по определенному алгоритму.

В случае длинных мешков (L/D>1,7), когда датчик один и находится в центре тяжести мешка, точность измерений падает, так как при ударах, доходящих 1000 кГс, жесткости конструкции становится недостаточно. Так как вес конструкции ограничен техническими средствами, увеличить жесткость мы не можем. Ввести в расчетные формулы какие-то коэффициенты тоже, так как они должны зависеть от места нанесения удара. Когда устройство содержит два или больше датчиков, подключенных к блоку обработки сигнала, датчики располагают вертикально вдоль центральной оси мешка. Весь мешок как бы делится на части одинаковой массы, причем размер каждой части по вертикали должен быть меньше диаметра мешка. В центре тяжести каждой такой части помещают датчик ускорений. Все это делается для упрощения процедуры расчета силы удара по такой конструкции. В этом случае, анализируя нелинейную зависимость ускорения по вертикали, можно не только точно рассчитать силу удара, а даже определить примерное место нанесенного удара. Как правило, достаточно 3-5 датчиков. Для длинных мешков также возрастают требования к качеству набивочного материала - для точности измерений нежелательны изменения плотности набивочного материала по вертикали в процессе эксплуатации мешка.

Блок обработки 3 (для одного датчика) анализирует значения ускорений центра тяжести боксерского мешка 1, поступающих с датчика ускорений 2. На основе этих данных определяется начало и конец нанесения удара (время соударения), максимальное значение ускорения мишени во время соударения, рассчитывается максимальное значение силы удара, а также кинетическая энергия мешка после удара (энергия удара). Все эти данные выводятся на блок индикации 5.

Во втором режиме работы тренажера на блоке индикации 5 высвечиваются сумма энергий ударов - для определения уровня физической подготовки, либо сумма сил ударов (так называемый тоннаж ударов) - для определения уровня боксерского мастерства. Так как этот режим используется при имитации боксерского поединка - на блоке индикации 5 высвечивается номер раунда, количество нанесенных ударов и ведется отсчет времени. В начале и в конце раунда тренажер издает звук, похожий на звук гонга.

Достоинство этого тренажера заключается в том, что удары по мешку можно наносить не в определенном, а в любом направлении, кроме ударов сверху. Хотя, используя другую конструкцию подвеса мишени, можно измерять силу и таких ударов.

Для увеличения точности измерений в случаях, когда удар оказался направлен не в центр тяжести мешка и часть энергии удара ушла на вращение мешка, возможна установка дополнительно одного или двух датчиков угловых ускорений, с помощью которых учитывается сила, вращающая мешок вокруг вертикальной и горизонтальной оси и энергия этого вращения. Датчики в этом случае могут быть расположены на диске, с помощью которого корпус крепиться к мешку. Один датчик расположен в центре диска, а другой - на краю.

Этот тренажер позволяет не терять точности измерений даже в случае нанесения быстрой серии ударов, когда мешок раскачивается и не успевает принять исходное положение. Это позволяет суммировать энергию или силу ударов с высокой точностью и правильно оценить не только физическую форму спортсмена, но и уровень боксерского мастерства. Например, в режиме определения физической формы спортсмена имитируется боксерский поединок с 3 или 12 раундами по три минуты с одноминутным перерывом. Суммируя энергию ударов за время поединка можно легко оценить физическую форму спортсмена. Суммируя силу ударов (так называемый тоннаж) можно оценить и уровень боксерского мастерства, так как мастерство боксера как раз и заключается в том, чтобы нанести удар максимальной силы при меньших энергетических затратах.

Отсутствие в составе устройства механических частей и калибровки, а также использование высококачественных боксерских мешков делает это устройство высоконадежным, технологичным и точным. Тренажер окончательно решает проблему достоверности измерений силы удара в спортивных единоборствах, а также решает немаловажный вопрос об оценке физической формы и уровне боксерского мастерства спортсменов.

Реферат

Изобретение относится к тренажерам для бокса и других видов силовых единоборств. В боксерском мешке расположены жесткий корпус и по меньшей мере один датчик. Блок обработки сигнала с датчика соединен с блоком индикации. Материал поверхности корпуса выбран из условия обеспечения максимального сцепления с материалом набивки для исключения послойного смещения набивочного материала. Датчик представляет собой трехосный акселерометр. Корпус может быть выполнен с обрезиненной поверхностью. Один датчик может быть расположен в геометрическом центре зоны нанесения ударов, одновременно являющимся центром тяжести мешка. Мешок может быть условно разделен соответственно на, по меньшей мере, две части равной массы, а могут быть датчики расположены вдоль центральной оси мешка в центре тяжести каждой части. Блок обработки сигнала может быть выполнен с возможностью работы в режиме измерения силы, энергии удара и времени соударения и в режиме измерения суммы энергий или сил ударов за определенный промежуток времени. Тренажер может иметь монетоприемник для возврата денег. Один или два датчика угловых ускорений могут быть расположены на корпусе и удалены от вертикальной и горизонтальной оси мешка. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений значений силы удара спортсменов при использовании стандартных боксерских мешков. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула