武術のストライキを定量化する方法は？

字幕： ああ、私はフォースに強いのですが、どうやって測るのですか？

ヨーダの言い回しに謝罪するとともに、私は力を測定しようとしています。幸いなことに、それはミディクロリア人よりも測定しやすい力です。

空手で他の人を指導するとき、私が強調することの1つは、基本的なストライキの背後にあるテクニックに焦点を当てることです。経験から、適切な手法は、ストライキの背後に多くの力を生み出すことができることが示されています。私が遭遇する問題は、生徒がストライキの違いをより強力に「感じる」ことができると主張しているにもかかわらず、違いが本当にそこにあると確信していないため、間違ったテクニックに戻ることが多いということです。

ストライキの背後にある力を測定するシステムを設計したいと思います。特に、使用できる衝撃のポイントでセンサーを特定する必要があります。National Geographicは非常によく似た処理を行っていますが、クラッシュテストダミーなど、使用する機器は非常に高価です。同様に、その機器が提供する解像度や精度も必要ありません。誰かが100または101 lb _fの力で叩いたかどうかは重要ではありません。その後、100から200に移行するタイミングを示したいと思います。

さまざまな空手の打撃からの衝撃力を測定するために、どのセンサーまたはシステムを使用できますか？理想的には、デバイスを フォーカスミットなどに取り付け、パッドを調整可能なシステムに取り付けて、さまざまなストライクを測定できるようにすることができます。

私の主な設計上の制約は次のとおりです。

• より低いコストで
• 繰り返し測定
• 0〜2,000 lb _fの範囲

すべての監視電子機器を含む完全なシステム設計を探しているわけではありません。私は、電圧などのある種の測定可能な出力を提供できるセンサーに焦点を合わせようとしています。

また、デバイスへの配線を計画しているため、すでにシステムに電力を供給する簡単な方法があることに注意してください。ある時点でワイヤレス接続することもありますが、その場合はバッテリーを使用するので、この質問はセンサー自体に焦点を合わせたままにしておきます。

振り子にぶつかり、振り子の角度を測定できます。私は、水で満たされ、ロープからぶら下がっている3リットルのソーダ瓶が打撃に適していることを発見しました。ボトルの重量がわかれば、小さなトリガーがエネルギーを与え、そこから力を得ることができます。

編集：拳からターゲットへのエネルギーの移動が十分に短い時間間隔で発生する場合、ボトルの前方への加速は、アークの底部を通る求心加速度にほぼ等しくなります。スイングの上部のポテンシャルエネルギーは、下部の運動エネルギーに等しくなります。

$a$ =求心加速度

$v$ =円弧に沿った速度

$r$ =半径（ロープの長さ）

$PE$ =潜在エネルギー

$m$ =質量

$g$ =重力による加速度（約9.80665 m / s ²または32.1740 ft / s ²）

$h$ =高さ

$KE$ =運動エネルギー

$m$ =質量

$v$ =円弧に沿った速度

R $h$ =高さ =ロープの長さ =垂直からのロープの最大角度$r$$\theta$

私はと考えて衝撃力センサーは、あなたが探しているものです。リンクされたセンサーがどれほど高価かはわかりませんので、加速度センサーを使用して少し計算することもできます。2番目のオプションは精度が低い可能性がありますが、大幅に安価になると思われます！

完全なシステム設計を望んでいないとおっしゃったことは知っていますが、2番目のリンクでは追加のクレジットが必要だと思いました。;）

あなたが欲しいのは圧電圧力センサーだと思います。古いバスルームスケールから盗むことができるかもしれませんが、スケール内のセンサーは最大100 lbsの力しか使えない場合があります。これらの圧電トランスデューサは、印加された圧力を2本のリードにかかる小さな電圧に変換します。この圧力は、センサーの表面積を測定することで力に変換できます。

それを読み取るには、おそらく低ノイズのプリアンプ段とより堅牢な増幅段で構成される増幅段を構築する必要があります。2番目の部分は、適用される最大の力におそらく最も関心があるため、最大値を保持する回路です。おそらく、増幅の第2段階とArduinoを使用したデータ処理の両方を行うことができます。

圧電トランスデューサをフォーカスミットに取り付ける方法に注意する必要があります。センサーを通過する圧力を過度に伝達することなく、人々がパンチできるようなものにしたいのです。一度構築したら、その上に既知の重りを置いて調整できます。

他の人の答えに穴を開けて、なぜ彼らが理想的でないのかを説明し、不完全で不十分な思考を自分の答えで提供することで、少し有用性の低い答えを提供します。

ここでの回答の大部分は、3つの障害の1つに苦しんでいます。

1. それらは、それらを望ましくない複雑さで実現可能にするために不必要に大きなジグを必要とします（振り子、私はここであなたを見ています）
2. 彼らはその意味で反動力のニュートンの法則を無視します。
3. このソリューションは、当面のタスクにはとてつもなく複雑です。

さて、振り子から始めて、まず、非常に斬新な解決策、理論的には非常に良い解決策ですが、ここには2つの問題があります。インストラクターは弦の端を頭の上に高く保持し、ぶつからないように願っていますか？それとも、遊び場で見つけるかもしれないスイングのようなAフレームを使用していますか？もしそうなら、遊び場に行って、ブランコに乗って、彼らにあなた/パッドを打たせてもよい、それは無料の解決策です。もっと技術的なものが必要で、振り子を吊るす方法を見つけた場合、ミルクカートンを回すエネルギーのバケツを無駄にすることなく、高さを測定する平面で、振り子がどのようにまっすぐに当たることを保証するのですか？子供の頃にタイヤスイングを使用したことがあるなら、選択した飛行機でスピンせずにスイングするのが難しいことがわかります。カートンの質量が軽いほど瞬間的な力しか見えなくなります。これはあなたが望むものである可能性があります。私は戦いませんので、私は知りませんが、最も重い打撃がバックアップされることは知っています激しい勢いの非常に短いインパルスではなく、エネルギーの山。打撃間の標準化も課題です。カートンとの接触時間が、上昇する高さに大きく影響するためです（エネルギー=力x距離）。

手に持っているものはすべて、動かないことを要求します。あなたがスーパーマンでない限り、特に生徒が向上するにつれて少し動こうとするので、打撃に対する抵抗が少なくなると、登録されている力が弱まります。彼らのテクニック。ほとんど理想的ではありません。これに対する唯一の修正は、これを剛性のあるものにマウントし、それらをヒットさせることです。可能であれば、壁などをお勧めします。

導電性フォーム？これはどれほど複雑になっていますか？それは素晴らしい理論的解決策ですが、私がそれが最も単純なインストールであることを想像することはできません。

そのため、解決策-すべての解決策は3つの基準を満たしている必要があります。それは、安価で陽気である必要があり、再現可能な結果を​​得る必要があることです。

@ToyBのソリューションのバリエーションに基づいて、ここでは板バネが最も簡単な修正であり、壁のようなものにボードに取り付けられています。スプリングの両端に、ボルトを挿入してスロットを切って、スプリングをボードに取り付けながら、スプリングをたわませます。ひずみゲージを背面に取り付け、簡単な電圧計に接続します。必要なすべてのコンポーネントを10 ドルで購入できます。

スプリングに一連の重りを置いて調整し（これを行うには、スプリングをボード上、テーブル上に置くだけ）、電圧を測定します。複雑さにステップを追加してソリューションを改善するには、単純な電圧計を単純なデータロガーに交換し、バネを打つときに得られる電圧曲線を記録し、Excelまたは類似のものとルックアップテーブルを使用して電圧と力の関係を生徒にヒットの完全なフォースカーブを提供します。

精度の向上のために、さまざまなヒットの人/打撃に対していくつかのスプリングオプションを使用することもできます。これらすべてを50 ドル未満で達成できると思います。

導電性発泡体は圧縮すると抵抗を変化させるため、多くの測定を連続して行い、抵抗が最小のものを覚えているシステムがある限り、優れた安価な力センサーになります。

測定する力に応じて、複数のレイヤーを重ねて使用できます。また、任意の形状にカットできるため、特定のセンサーの（小さな）表面に制限されません。

$E=mgh$

E =ジュールのエネルギー、

m = kg単位の質量、

g = 9.81m / s ^ 2、

h = mの高さの差

これは、ターゲットに転送されるエネルギーの合計量になります。残念ながら、このエネルギー量は、ストライクがどの程度破壊的/戦闘終了するかを必ずしも表すものではありません。その高さまでゆっくりと押すには同じエネルギーが必要です。

$a=2s/t^2$

a = m / s ^ 2の加速度

s = m単位のセンサー間の距離

t =時間（s）

おそらく重要度の高い2つの目標があります。

1.）できるだけ速く加速させる2.）できるだけ高くする

目標1を達成した場合、十分な2があるとすれば、脳震盪/ rib骨骨折を引き起こす可能性があります。これは、ストライキをプッシュする必要があることを意味します。照準1が貧弱で照準2を達成した場合、実際のダメージを与えることなく相手を押しのけることができます。あなたは空手インストラクターであるため、これについて詳しく説明する必要はないでしょう。おそらく既に知っていることをおforびすることをおpreciseびします。正確かつ完全であることが最善です。注意、これらの値は、移動する振り子を介した質量の分布により、実際の値を計算するためのより複雑な式を持つという意味で「実際の」値ではありません。ただし、数値を高くしたり低くしたりすることができます。自分でキックを与え、生徒の目標を設定することで「調整」できます。また、

ターゲットに取り付けられたひずみゲージが役立ちます。

ピエゾとは異なり、衝撃タイプの力に対して非常に耐久性があります（ピエゾ結晶は、圧力が急速に加えられると粉砕する傾向があります）。

それらはほとんど任意の「ボード」に取り付けることができるため、振り子タイプとは異なり、力をゆっくり加えても結果が改ざんされたり、振り子の柔軟性にエネルギーが吸収されたりすることはありません。別の回答で示唆されているように、水筒を使用すると、衝撃で「水をかき混ぜる」ことでエネルギーの大部分が沈み、その一部だけが瓶自体を推進します。

そして、それらをアタッチするマテリアルを変更することで、ほぼあらゆる力に調整することができます-マテリアルの応力を測定し、マテリアルのヤング率に基づいて、サブニュートン力から橋および貨物船の船体にかかる荷重。

それらを実際に使用してアプローチする方法は？ヒットターゲットとして機能し、衝撃で多少曲がりますが、スナップしないように十分に強く、両端でしっかりと取り付けられた、ある種の板、棒、またはその他の表面を選択します。衝撃点付近の「安全な」側にゲージを接着します。次に、いくつかのシンプルなマイクロコントローラー（PSoC4が思い浮かび、プログラミングが簡単で、残りのハードウェアをすべてオンボードで必要とする）を使用して、ピーク抵抗の変化を測定します。所定の時間枠内で特定のしきい値を超えるピーク抵抗を選択し、それをRS232経由でPCに送信する単純なプログラムは、十分に単純なはずです。

調整方法 装置を水平に置き、衝撃点に既知の静的重量を置き、邪魔にならない抵抗と重量との差を測定します。1kgの重量は9.806ニュートンの力を発揮しますが、素材に非常に凝っていない限り、ヤング率の線形近似はかなり良好です。読み出しは力に直線的に比例するため、ニュートンで測定するには単純な比率で十分です。

これらは、システムを開発するためのいくつかの提案です

自動車業界の通路占有検出システムで使用されているポリマーブラダータイプのアプローチを使用することをお勧めします。この特許は、自動車用途を説明しています。膀胱システムは、MEMSベースの差圧センサーを含むフォーカスミットの一部になります。衝撃力が圧力センサーで検出されると、データはAtmel tiny、MSP430、PICなどの単純なマイクロプロセッサーで処理されます。アナログ圧力センサーを選択した場合、アナログフロントエンド（AFE）ステージが必要ですが、I2CまたはSPIオプションも利用できます。

もう1つのアプローチは、MSP430やPICなどのマイクロプロセッサと2〜6自由度（DOF）の組み合わせを提供する慣性測定ユニット（IMU）を使用することです。これらのIMUにはジャイロスコープと加速度計があります。このアプローチにより、後の分析に使用できるデータが増えます。また、通信はI2CまたはSPIを介してマイクロプロセッサに行われます

システムには、シンプルな充電式ボタン電池のようなシンプルな電源システムが必要です。USB電源充電システムが最良の選択かもしれません。USB充電システムは、データダウンロードオプションを有効にします。また、トレッドミル、エリプティカルバイクなどの新しいジムマシンの一部と同様に、振動などの何らかの種類のエネルギー収集メカニズムを使用して、システムに電力を供給するために必要なエネルギーを生成できます。

別のオプションは、電源だけでなく、データストレージ、レビュー、分析も提供するフィットビットなどのウェアラブルを接続することです。フィットビットは、リアルタイム分析と学生へのフィードバックのスマートフォンに接続する機能も提供します。

フォーカスミットからスマートに直接移行することは、大きな付加価値のある提案かもしれません。これはさまざまな方法で実現できます。オンチップBLEでCortex ARM M0 microを使用することは、現在利用可能な最良のオプションです。NXP、Freescale、Cypressなどの多くのベンダーがこのオプションを提供しています。モジュール内のCortex ARM M0 / M4 + Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smartがさらに優れています。以下はそのようなデバイスの例です。

これらのベンダーはすべて、手頃な価格の小型フォームファクターの開発キットを提供しています。

最後に、生徒のVOCに対処するために、正しいテクニックと間違ったテクニックの間にリアルタイムで測定可能なフィードバックを提供することで、生徒は完璧を達成したいという欲求を駆り立てます。

参照：

• 乗員位置補償付き車両乗員重量検出システム
• PS圧力センサー
• 6自由度IMUデジタルコンボボード
• Cortex-M0ベースのnRF51822 SoCを備えたSeeed Micro BLEモジュール
• Kinetis KW2x-2.4 GHz RF、アナログミックスドシグナル、IEEE®802.15.4、低電力マイクロコントローラー（MCU）
• Bluetooth Smart接続用の製品とソリューション
• プログラマブルシステムオンチップ（PSoC®）+ Bluetooth Low Energy

インパクトの大きさを示す、本当に安くて陽気な方法があります。合板を2枚取り、1枚ともう1枚の板の間に大きな圧縮バネを入れて、「H」のように少なくとも1枚の板でバネを挟むように取り外します。これを壁にボルトで固定します。「H |」プレイド（子供のパテ）のセットサイズのボールをスプリングの内側に置き（たぶんビニール袋など、混乱を防ぐために）、2番目のボードを再装着してボードを強く打ちます。プレイドへの衝撃は、打撃の強さに応じて異なる変形を引き起こします。

壁に固定されたボードの側面を箱のようにする場合は、5つ（側面よりも短い）の圧縮スプリング（4つのコーナーと中央にパテを保持する）を配置します。プレイドに簡単に行くための2番目のボード。

これは単純すぎますか？6ビットの木材と5つの圧縮スプリングとは対照的に、結果をどの程度科学的に求めるか、はんだごてがどれだけ優れているかによります

衝撃力の定量化の問題は、通常「ピーク」パルスの持続時間が短いことです。浴室の体重計は通常、静的な力の安定した測定値を与えるために減衰され、一時的なピークをキャプチャしません。弾道振り子にも問題があり、そのいくつかは議論されています。ただし、若い戦闘機を訓練する場合は、実際に力を定量化する必要はなく、むしろ時間をかけて彼らのパフォーマンスを比較し、他の学生と比較することをお勧めします。これを行うには、開いているボックス（約30 cm四方）に厚いモデリングクレイ層を入れ、ボックスを壁に固定するだけです。生徒がパンチを投げると、粘土は目撃材料として機能し、塑性変形します。うつ病の最大深度を測定し、これを学生の個人記録に記録するだけです。

粘土はもちろん再利用できますが、正しいモデリング粘土を得るために実験する必要があるかもしれません：Roma Plastilinaは銃器弾道の好ましい材料でしたが、PlasticineまたはPlay-Dohは若い空手家にとってそれほど痛みが少ないかもしれません。