CN105054952A - 拳击运动靶体上作用力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拳击运动靶体上作用力测量装置,该作用力测量装置包括靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、位姿识别单元、速度识别单元和传感系统信号处理器，所述靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、位姿识别单元、速度识别单元分别与传感系统信号处理器连接，所述速度识别单元用于采集出拳速度，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、肩关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器。利用三维力压力传感器，可以检测出作用在拳击靶体上x、y、z三个方向的力，将作用在靶体上的三维压力数据用于训练指导，提高成绩，测定方法方便简单。

Description

拳击运动靶体上作用力测量装置

技术领域

本发明属于运动辅助训练领域，涉及到拳击运动，具体涉及到一种拳击运动靶体上作用力测量装置。

背景技术

在跆拳道、拳击的运动项目中,运动员击打动作可分为按规定动作击打靶体和随意击打靶体两种情况。运动员击打目标时力的大小和方向、击打动作间的时间间隔、击打部位是否准确等,都能够定量地刻画出运动员动作完成质量的状况。让教练员能够根据数据来指导运动员进行科学训练。提高训练质量和增强实战能力,因此有着重要现实意义。

为了提高跆拳道、拳击运动员日常训练的科学性,根据这类竞技体育的一些特点和它对传感器特性的一些特殊要求,设计出一种新型的三维力传感器。它能准确、实时反映出动员击打目标时力的大小和方向、击打动作间的时间间隔、击打部位的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种拳击运动靶体上作用力测量装置，采用电容式压力传感器采集足底压力，通过对电容式压力传感器的驱动电极和感应电极位置的合理布置，并引进差动电容方法，实现对运动员作用在靶体上的三维力测量。

本发明的技术方案是：一种拳击运动靶体上作用力测量装置，该作用力测量装置包括靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、位姿识别单元、速度识别单元和传感系统信号处理器，所述靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、位姿识别单元、速度识别单元分别与传感系统信号处理器连接，所述速度识别单元用于采集出拳速度，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、肩关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、腰部压力传感器、肩关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器均采用凹槽式电容压力传感器。所述设置在每个拳击手套内的拳击手套压力测量单元均包括十组凹槽式电容压力传感器和无线通信单元，所述十组凹槽式电容压力传感器分别对应于收的十个指关节，所述拳击手套压力测量单元通过无线通信单元和传感系统信号处理器进行信号传递。所述数据处理单元包括数据过滤单元、数据分类单元、数据融合处理单元和数据库单元，所述数据过滤单元用于过滤传感器采集的错误数据，所述数据分类单元对过滤后的数据进行分类，数据融合处理单元根据数据分类单元分类的各个传感器采集的数据进行融合处理输出二维数据表，数据库单元用于存储检测数据和标准数据，所述标准数据为拳击打靶指标的最优数据。

所述凹槽式电容压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的三角形梳齿结构，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。

拳击运动靶体上作用力测量装置，所述凹槽式电容压力传感器还包括上下PCB基板，所述PCB基板为正四边形，沿PCB基板对角线将电极分为四个区域，相对区域组成一对差动的电容单元模块，电极为多个齿条型电极组成的梳齿状电极，各个区域的电极按阶梯状摆成三角形外形。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述三角形结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+a_δ)*b₀/99％，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度，a_δ为条状电容单元的电极间距。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述传感系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。所述传感器系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/D变换电路和控制电路，所述高速切换电路包括三级切换电路，前一级切换电路的输出为下一级切换电路的输入信号，最后一级切换电路经A/D变换电路送入控制电路。

本发明有如下积极效果：利用三维力压力传感器，可以检测出作用在拳击靶体上x、y、z三个方向的力，将作用在靶体上的三维压力数据用于训练指导，提高成绩，测定方法方便简单。本发明在电容传感器测量三维力的基础上，有效使用平板有效面积，并且通过差动等方法有效解决三维力间耦合，从而使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。采用凹槽结构，调高传感器扰度。

附图说明

图1为本发明具体实施方式条状电容单元及其坐标系；

图2是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图；

图3是本发明的具体实施方式的条状电容单元右向偏移示意图；

图4是本发明的具体实施方式的条状电容单元左向偏移示意图；

图5为本发明具体实施方式差动电容对初始的错位图；

图6为本发明具体实施方式差动电容对在τ_x激励下的错位图；

图7为本发明具体实施方式法向激励求和的信号流程图；

图8为本发明具体实施方式切向激励差动的信号流程图；

图9为本发明具体实施方式梳齿状平行板电容器剖面结构；

图10为本发明具体实施方式压力传感器的电极位置图；

图11为本发明具体实施方式压力传感器的电极布置图；

图12为图3中A处放大图；

图13为本发明具体实施方式压力传感器的上极板平面设计图；

图14为本发明具体实施方式压力传感器的下极板平面设计图；

其中，1上PCB基板，2下PCB基板，3绝缘介质，4驱动电极，5感应电极。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明的主要思路是：在拳击靶体内分布设置有多个压力传感器，压力传感器用来检测拳击时的三维力，通过计算机读取到的电容值间隔来判定拳击的频率，对每个传感器进行编号，将传感器编号与拳击靶体的位置一一对应，来进行击打部位准确性分析。

一种拳击运动靶体上作用力测量装置，该作用力测量装置包括靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、位姿识别单元、速度识别单元和传感系统信号处理器，所述靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、位姿识别单元、速度识别单元分别与传感系统信号处理器连接，所述速度识别单元用于采集出拳速度，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、肩关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、腰部压力传感器、肩关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器均采用凹槽式电容压力传感器。

所述设置在每个拳击手套内的拳击手套压力测量单元均包括十组凹槽式电容压力传感器和无线通信单元，所述十组凹槽式电容压力传感器分别对应于收的十个指关节，所述拳击手套压力测量单元通过无线通信单元和传感系统信号处理器进行信号传递。

所述数据处理单元包括数据过滤单元、数据分类单元、数据融合处理单元和数据库单元，所述数据过滤单元用于过滤传感器采集的错误数据，所述数据分类单元对过滤后的数据进行分类，数据融合处理单元根据数据分类单元分类的各个传感器采集的数据进行融合处理输出二维数据表，数据库单元用于存储检测数据和标准数据，所述标准数据为拳击打靶指标的最优数据。根据采集影响拳击的各个数据，并对数据进行融合处理，进一步提升拳击运动分析的精度。所有的凹槽式电容压力传感器均经过A/D转换和放大器后于数据处理单元连接。

如图9，为本发明压力传感器的剖面图，平膜结构作为电容器的上极板，凹槽结构作为电容器的下极板，上下极板分别胶贴于上下PCB基板上，两极板之间设有绝缘介质。通过凹槽结构，扩大了驱动基板平膜挠度的空间，有利于增大测量的范围和改善压力传感器的测量线性度。

根据凹槽式电容压力传感器的特点，其主要的制备工艺步骤如下：首先，在基底上分别刻蚀深度为g₁，边长为a₁的方形凹槽，再在边长为a₁的凹槽的基底上，在刻蚀一个深度为g₂，边长为a₂的凹槽；以此类推，直至刻蚀到可放置本发明最内侧的极板，然后在刻蚀好的凹槽上安置好感应极板，最后，按照平面填充模式，沉积绝缘层，完成凹槽式压力传感器的设计。

如图9-14，为本发明压力传感器的极板结构图，图10为上下极板重叠的结构图，图中，虚线表示的是下极板，实线表示的是上极板，图10主要是为了表示上下极板的位置错开及电极的布置位置，三角形表示的是极板组成的外形轮廓，极板的形状如图11-14。

压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，每个组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成三角形梳齿结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度。两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。平行板面积S＝M(a₀+a_δ)b₀/99％，其中，条M为条状电容数量，b₀为条状电容的长度，a₀条状电容的宽度。所述条状电容的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。传感系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。电容单元模块每个条状电容单元引线通过并联方式或者独立连接到引线接口板。

1、条状电容单元的转换特性

(1)激励信号和坐标系

将条状电容单元置于图1所示的直角坐标系中，极板平面长度b₀、宽度a₀、介质厚度d₀。三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴，即方向，法向和切向应力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容的响应；法向应力σ_n＝Fn/A，其中A＝a₀·b₀为极板法向受力面，Fn＝Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ_x＝Fx/A，τ_y＝Fy/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

${\mathrm{\σ}}_n=E\·{\mathrm{\ϵ}}_n=E\·{\mathrm{\δ}}_n/d_0=\frac{F_n}{A}---\left(1\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_x=\±{\mathrm{\γ}}_x\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_x/d_0=\±\frac{F_x}{A}---\left(2\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_y=\±{\mathrm{\γ}}_y\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_y/d_0=\±\frac{F_y}{A}---\left(3\right)$

式中，E为弹性介质的杨氏模量(单位：GN/m²)，G为弹性介质的抗剪模量(单位：GN/m²)，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为电容器上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。

(2)电容公式及其输入输出特性

矩形平行板电容器的初始电容为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·a_0\·b_0}{d_0}---\left(4\right)$

式中，ε₀真空电介质常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n/E，代入(4)得到输入输出特性

$C_n={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_n)}={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-\frac{F_n}{AE})}---\left(5\right)$

(3)法向应力作用下的线性度和灵敏度

a、法向线性度

在(5)式中F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的，因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中ε_n<<1，将(5)按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小，(5)式可简化为：

$C_n=C_0(1+\mathrm{\&epsiv;})=C_0(1+\frac{F_n}{A\&CenterDot;E})---\left(6\right)$

可见在C_n与F_n的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。

b、灵敏度

按法向灵敏度的定义

按(6)式可得线性灵敏度，

$S_{n1}=C_0/\mathrm{AE}={\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r/d_{0}E---\left(7\right)$

而按(5)式则

$S_{n2}=\frac{{\mathrm{dC}}_n}{{\mathrm{dF}}_n}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\mathrm{\&epsiv;}}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\frac{F_n}{A\&CenterDot;E}}---\left(8\right)$

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

(4)切向应力τ_x和τ_y激励下的电容变化

切向应力τ_x和τ_y并不改变极板的几何尺寸参数b₀和a₀，对介质厚度d₀也不产生影响。然而τ_x和τ_y改变了平行板电容器的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。现以OX方向为例，极板在τ_x作用下的错位偏移δ_x。

在图2中当τ_x为零时，a_0上＝a_0下是正对的，基板之间有效截面A_τ＝a₀·b₀；在图3中，在τ_x右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移δ_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀；图4中，当τ_x为左向时，错位偏移δ_x则向左，而A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)\&CenterDot;b_0}{d_0}---\left(9\right)$

根据剪切虎克定律

τ_x＝γ_x·G＝G·δ_x/d₀(10)

将(10)代入(9)可得

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x\&CenterDot;b_0}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(11\right)$

(11)式即为切应力下的输入—输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系。

而其灵敏度

$S_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\&tau;}x}}{{\mathrm{dF}}_x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(12\right)$

公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τ_y与C_τy的特性与技术指标，只不过式中矩形电容传感器的长边b₀应设置于OX轴方向，而其短边a₀则在OY方向。

(5)差动电容单元的引进

图3和图4所示的电容器结构性变化，只说明电容输出与切向应力±τ_x输入的关系，电容增量都是负的，因此这种初始电容结构不适宜作为对±τ_x得到增减电容的响应。为此本发明对电容器上下极板的初始结构进行调整，构成一对差动电容对(C_L与C_R)，具体如图5所示。

图5中，一对电容C_L和C_R电极尺寸a₀、b₀、d₀均相同，初始错位偏移δ₀也相同，区别在于左边电容器C_L上层δ₀尖角的指向为+OX，而右边电容器C_R上层δ₀尖角指向-OX。

当τ_x＝0时，即图中阴影部分所对应的电容，在此基础上如在-F_X激励下产生±δ_x的错误偏移，形成如图6所示的电容增减效果。

$C_L=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_0\&PlusMinus;{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}---\left(13\right)$

图6中C_L和C_R差动电容对同一个τ_x将产生±δ_x和±ΔC_τ的响应。

δ₀的大小应满足可取δ₀＝10μm，由此，公式(11)可修改为

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_{\mathrm{\&tau;}0}+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}{F}_x---\left(14\right)$

式中，为切应力为零时的初始电容，(14)式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_X是线性关系，而其灵敏度

2、接触式平行板电容设计

(1)平行板电容的平面设计

参见图11、图12、图14和图13中的电极平面布置，在一个10×10mm²的基板中心作十字分隔，形成四个区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其中Ⅰ、Ⅱ区域为对τ_y做出响应的差动电容单元组合，而Ⅲ、Ⅳ区域为对τ_x做出响应的差动电容单元组合。

外围线为10×10mm²的PCB板四根边缘线，对PCB基板应精确切割以保证形状和尺寸上的精准。影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面，其几何形状和尺寸也应在机械成型时保持精准，为脱模方便并可拼拆，更应维持尺寸精度，最终以保证消除三维力对电容响应的相互干扰。

电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的三角形梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。由公式(12)a₀愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故单个电容均为长条状。设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容单元之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为a₀+a_δ。为了充分利用方形基板的平面空间，使N(a₀+a_δ)b₀≈1/4方形基板表面积，N为每个区域内的条状电容单元数，则有N(a₀+a_δ)＝5mm，式中，槽宽a_δ不宜过大，否则不利于使用基板上的有效平面空间，也不宜过小，要受到失蜡铸造工艺的约束。为使法向灵敏度S_n和切向灵敏度S_τ，按公式(7)和(12)，令a₀·G＝d₀·E，当d₀＝0.1mm时，则a₀＝0.15mm，若令a_δ＝0.05mm，则N＝25。因此，整个极板的条状电容单元M为100个。

为了实现τ_x和τ_y之间切向响应不相互产生影响，驱动电极长度两端预留δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留理论上应保证其计算值为 ${10}^{-5}\&times;\frac{70\&times;{10}^3}{2.4\&times;{10}^6}=2.9\&times;{10}^{-8}m={10}^{-2}um<<1um,$ 故在工艺上应保证b_0驱－b_0底≥0.01mm。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应不产生任何影响，每个条状电容的驱动电极与感应电极在各区域中的平面布置应保证一定的错位偏移，如取感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准。而置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)，以保证τ_y在Ⅰ、Ⅱ区域电容单元产生差动电容输出响应，而在Ⅲ、Ⅳ区域电容单元则产生对τ_x的差动电容响应，设置一个初始错位偏移δ_xo，其取值应保证其计算值与δ₀类似，其初始错位偏移均设置δ_xo＝δ_yo＝0.01mm，以保证四个区域中的电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。

(2)法向应力计算

由公式(6)可改写单个电容器的法向响应电容

$C_{ni}=N(C_0+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;Fn}{d_{0}E})---\left(15\right)$

其中，i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，因每个区域中，N是每个区域的条状电容单元的数量，N个条状电容单元是并联的。

如再将其求和，可得上式即为σ_n的电容总响应。

尽管单个电容的求和可通过电极引线的并联连接实现。但一旦并接好，就不再能实现求差组合，故实际的求和组合要通过中间变换器的输出再求和，见图10，求和的信号流程框图。

图中，中间变换器K可以是电压对电容或频率对电容的传输系数，从而完成对法向响应的合成。

$O_n=4KN(C_0+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;Fn}{d_{0}E})---\left(16\right)$

(3)切向应力计算

C_Ⅰ对C_Ⅱ和C_Ⅲ对C_Ⅳ可以实现两对差动组合，见图11，经差动技术处理，差动输出的总响应

$O_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{2{\mathrm{NK\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{a_{0}G}{F}_x---\left(17\right)$

上式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τx产生影响。即自动消除了σ_n和τ_y对τ_x的总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ₀消除,同理可以求得O_τy。

(4)主要材料选择及其特性参数

梳齿状平行板电容器的结构剖面图类似于图9所示的三明治结构。图9中9和10为上下PCB基板，8为胶贴于PCB基板上的驱动电极铜箔，7为下层基板上的感应电极铜箔。极板距d₀＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数ε_γ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E_铜＝103GPa。故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。

(5)电极引线设计

无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个感应电极则需用各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。

本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设计，在10×10mm²的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有4个，对4个电容求和可得到法向Fn的信息，即整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成差动系统，又可获得F_X和F_y的信息，从而完整描述一个三维力。

由于拳击训练过程中，拳击的频率可能一秒钟有几次，因此，要求采样率较高。用多路信号高速切换电路、A/D变换电路和控制电路来采集压力传感器的信号，为了节省A/D变换电路，用一路A/D变换电路完成多路压力传感器的测量，多路信号高速切换电路和控制电路是系统的设计关键，切换速度影响到短暂的拳击过程中测试到的数据量。本发明设计的采集电路同时对256路传感器进行信号切换。来自控制电路的控制系统经过本地整形后，分三级进行切换，第一级使用32个8路切换器并行工作，输出32路信号,32路信号进入第二级切换器，采用4个8路切换器并行工作，得到4路信号，这4路信号进入第三级切换器，得到1路信号，进入A/D变换电路。A/D变换电路在变换过程中将数据读入计算机中暂存，所有数据读取完成后保存在计算机中。

在实际的使用过程中，将传感器进行编号，利用计算机将每个传感器测得的三维力与对应的拳击靶体的位置一一对应起来，并可以通过两次电容突变点的时间间隔，推算出拳击的频率。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拳击运动靶体上作用力测量装置，其特征在于，该作用力测量装置包括靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、位姿识别单元、速度识别单元和传感系统信号处理器，所述靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、位姿识别单元、速度识别单元分别与传感系统信号处理器连接，所述速度识别单元用于采集出拳速度，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、肩关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述靶体三维压力测量单元、拳击手套压力测量单元、腰部压力传感器、肩关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器均采用凹槽式电容压力传感器,所述凹槽式电容压力传感器包括驱动电极和感应电极，驱动电极为平膜结构，感应电极为凹槽结构，所述压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的三角形梳齿结构，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。

2.根据权利要求1所述的跨栏训练辅助装置，其特征在于，所述设置在每个拳击手套内的拳击手套压力测量单元均包括十组凹槽式电容压力传感器和无线通信单元，所述十组凹槽式电容压力传感器分别对应于收的十个指关节，所述拳击手套压力测量单元通过无线通信单元和传感系统信号处理器进行信号传递。

3.根据权利要求1所述的跨栏训练辅助装置，其特征在于，所述数据处理单元包括数据过滤单元、数据分类单元、数据融合处理单元和数据库单元，所述数据过滤单元用于过滤传感器采集的错误数据，所述数据分类单元对过滤后的数据进行分类，数据融合处理单元根据数据分类单元分类的各个传感器采集的数据进行融合处理输出二维数据表，数据库单元用于存储检测数据和标准数据，所述标准数据为拳击打靶指标的最优数据。

4.根据权利要求1所述的拳击运动靶体上作用力测量装置，其特征在于，所述凹槽式电容压力传感器还包括上下PCB基板，所述PCB基板为正四边形，沿PCB基板对角线将电极分为四个区域，相对区域组成一对差动的电容单元模块，电极为多个齿条型电极组成的梳齿状电极，各个区域的电极按阶梯状摆成三角形外形，所述相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。

5.根据权利要求1所述的拳击运动靶体上作用力测量装置，其特征在于,所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。

6.根据权利要求5所述的拳击运动靶体上作用力测量装置，其特征在于,所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

7.根据权利要求1所述的拳击运动靶体上作用力测量装置，其特征在于,所述三角形结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ，所述平行板面积S＝M(a₀+a_δ)*b₀/99％，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度，a_δ为条状电容单元的电极间距。

8.根据权利要求1所述的拳击运动靶体上作用力测量装置，其特征在于,所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。

9.根据权利要求1所述的拳击运动靶体上作用力测量装置，其特征在于,所述传感系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。

10.根据权利要求1所述的拳击运动靶体上作用力测量装置，其特征在于,所述传感系统信号处理器包括多路信号高速切换电路、A/D变换电路和控制电路，所述高速切换电路包括三级切换电路，前一级切换电路的输出为下一级切换电路的输入信号，最后一级切换电路经A/D变换电路送入控制电路。