CN109481930A - 一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用，包括相互连接的姿态检测模块和主控制模块，所述主控制模块通过收集实时姿态检测数据并发送至设有的上位机中进行数据分析和统计，或者直接在所述主控制模块中进行数据分析。本发明通过在训练中引入了数据分析系统，使得训练时可通过数据采样分析能够量化指标，从而更有效的指导和指定训练计划，以便学员能够清楚了解自己的缺陷和优势。

Description

一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用

技术领域

本发明属于姿态检测技术领域，具体涉及一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用。

背景技术

格斗术训练时,有一种方法就是学员要带上拳击手套、护腿和头盔,然后倾全力与对方打斗,尽力施用各种摔打、擒拿技术。一般的练习技巧为，对付试图擒抱自己腿部的人，可以提膝攻击对方面部。在近距离的缠打中，运用肘部猛击对方，从而摆脱对方的扭抱。对方若运用抱单腿技术摔拿，可以逆时针方向猛转身体，同时抬起被抱之腿。这个动作使对方抱腿之手臂处于自己左臂弯之下，挟腿，紧紧夹住对方攻击手臂,然后身体下压,同时用力内挟左腿。当对方挥右腿踢击时，要抬右左小臂阻挡对方攻击之腿，然后右臂上翻下压，左臂钩抱对方的进攻之腿。用左手紧抓对方下部接近脚趾处，然后身体下压,迫使对方身体倒地,制住对方脚踝。制住对方脚踝的关键是身体用力下压,同时将对方的脚趾用力拧向对方的臀部。反向攻击对方进攻之腿,右手抓住对方的脚踝，左臂由下向上钩住对方的腿，左臂用力向上向自己身体方向钩,同时身体后仰减少对方踢击的力量。紧紧制住对方的腿,身体向后仰成弧形，向后倒地，身体同时左拧。继续宁转身体，将对方宁倒在自己的身侧。然后借助于蹩拿对方的小腿,将对方制服。该技术的关键是左臂紧紧钩住对方腿的膝弯部位，右手抓劳对方脚踝内侧并且猛力下拉对方小腿抬高对方的脚。

这样,虽然可以使学员掌握扎实的站立姿势的扭斗擒拿技术，可以使他们强化自己的抗打击能力、提高自己的倒地缠斗、擒拿技术；但学员在施用扭斗、擒拿技术时可能会因效果很差而付出很多代价，带上手套会是学员的擒拿和扭打都很不理想。所以练习格斗或者摔跤时，会采用假人或者类人形的结构作为目标靶进行练习，这种方式可以练习技战术动作，并且佩戴好护具后击打软质的假人也不会对人体造成较大伤害，还能够使练习的学员无需担心力量控制不足造成练习对象受伤的问题。

但现有的假人或者类人形目标靶仅仅是一种软质表层内填充蓬松材料的结构，仅仅作为一个目标假人，无法提供额外的作用。现在许多运动训练中引入了数据分析系统，许多运动训练时通过数据采样分析能够量化指标，从而更有效的指导和指定训练计划，以便学员能够清楚了解自己的缺陷和优势。目前传统的训练机构均靠教练或教官肉眼判断训练是否有效，受限于专业教练人数的匮乏，同时缺乏规范化依据，导致了训练机构无法进行大规模人员训练或考核。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种系统能够采集格斗或者摔跤时的目标靶姿态并将数据上传进行分析的检测系统及其在假人中的应用。

本发明所采用的技术方案为：一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用，包括相互连接的姿态检测模块和主控制模块，所述主控制模块通过收集实时姿态检测数据并发送至设有的上位机中进行数据分析和统计。

首先，该系统分为三个部分，其中包括用于姿态实时检测的模块，类似现有的运动手环或者手机中的计步芯片，可以实时检测设置的目标靶对应位置的运动状态从而分析出该位置的姿态信息并以数据的方式进行发送。然后各个姿态检测模块将信息发送至主控制模块中，并由主控制模块发送至上位机上进行统计和分析。

进一步的，还包括用于供电的供电系统，所述供电系统包括供电电路和充电电池。这里优化供电方式，通过设有内置的蓄电池给整个系统提供电能。因为本系统一般设置在可移动的物体中，且整个系统耗电量较小，可通过设置合适容量的充电电池来提供长时间的续航能力，同时通过设置在合适的位置又不会影响整个系统的运行。而供电电路即为一种线性稳压电路，通过线性稳压电路后进行电气隔离及优化之后分两路进行分别供电，分别是主控制系统和姿态检测模块。

进一步的，所述姿态检测模块包括用于检测设置位置的运动状态的多轴传感器和与多轴传感器连接的数据处理器，所述数据处理器将多轴传感器实时发出的姿态数据进行数据上传。六轴力传感器即是通常说的多轴传感器(由三轴加速器与三轴螺旋仪组成)，它的使用主要是靠三轴加速器XYZ完成：三轴加速器首先检测横向加速，再检测角度旋转和平衡。三轴加速器就是感应XYZ(立体空间三个方向，前后左右上下)轴向上的加速，比如突然把psp2往前推，psp2就知道你是在向前加速了，从而实现类似赛车加速的操作。三轴陀螺仪是分别感应Roll(左右倾斜)、Pitch(前后倾斜)、Yaw(左右摇摆)的全方位动态信息。通过多轴传感器进行姿态检测能够高效的检测对应部位以一固定点作为参照物的位置变化数据，即使对应位置仅局部发生位置偏移，也能够通过设置在相应部位的姿态检测模块进行数据反馈。这里还可通过在局部设有三轴的磁场偏转检测，从而到更好的检测效果。

而对应设置的数据处理器是一种数据收集芯片，一般采用型号为N76E003的单片机mcu，它提供丰富的特殊功能模块，包括：1KRAM其中包括256字节SRAM，768字节XRAM。最多可达18个标准管脚。两组标准16位定时器/计数器：定时器0及1，一组带有3路管脚输入捕获模式的16位定时器：定时器2，一组看门狗定时器(WDT)，一组自唤醒定时器(WKT)，一组带自动重装载功能，可用于产生标准波特率的定时器：定时器3。两组标准串行口(UART)，这两组串行口具有帧错误侦测及自动地址识别功能。一组SPI，一组I2C，6通道增强型PWM输出，8路12位ADC。上述功能对应产生18个中断源，具有4级中断优先级配置。N76E003支持3组时钟源输入，所有时钟源支持软件切换立即生效功能(on-the-fly)。3组时钟源包括：外部时钟，10kHz内部RC振荡时钟和一个出厂时已校准到室温下精度达±1％的16MHz内部高速时钟。N76E003提供额外的电源监控管理模块，例如上电复位和4级低电压检测，该模块用于保障芯片在上电及掉电时系统稳定工作。N76E003可运行在两种低功耗模式－空闲模式和掉电模式，可通过软件选择运行在哪种模式。空闲模式时，芯片主时钟关闭，但部分功能模块仍然运行。掉电模式下芯片全部时钟关闭确保芯片功耗达到最低。在正常工作模式下，也可选择主时钟除频方式工作，确保在功耗和性能之间灵活运用。

一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用在类人形结构中的应用。这里将整个系统设置在类人形的结构中，例如一种格斗训练假人。一般该假人类似沙包的结构，外部为耐磨皮革材质包裹，里面是颗粒状的填充物，或者海绵填充物，外部的皮革包裹并缝合形成人形结构，从而便于击打和训练。又或者是高阶训练的假人，包括可活动的四肢和躯干，而关节处采用可活动的球碗球座连接，四肢和躯干采用硅胶材质，可模拟真实人体的质量和密度，且具有较好的耐久度，经常作为训练测试假人，例如在车辆碰撞中使用的假人，但本发明中使用的类人形结构会在表面采用较为软质的硅胶层，而内侧设置较为硬质的硅胶层，用来增加重量。而外部的硅胶会吸收大量的冲击力，通过较大幅度的形变来吸收振幅，从而避免给使用者带来较大的伤害。在该假人的关节处还设有阻尼转轴，通过增加有一定的转动阻尼模拟人体的被动受力状态。

进一步的，在假人的应用中，所述姿态检测模块包括设置在类人形结构的上部的上部检测模块和设置在类人形结构的下部的下部检测模块。这里选择最关键的部位进行设置，其中假人立在地面上，通过抱起、扛起或其他摔跤的技战术动作使得假人摔倒，并通过设置在上部的上部检测模块来计算上部的位置偏移数据。因为假人摔倒大都是两种情况，一种是以下部为原点，上半身受到冲击力而向冲击力的延长线方向运动，这是上部位置偏移量最大。另一种是下部或者腿部受到侧向的冲击力导致腿部失去支撑向一侧偏移，而此时上部反而偏移量较小，故通过在下部和上部均设有姿态检测模块从而较好的检测整个假人的运动姿态，主要是假人摔倒过程的状态。

进一步的，在假人的应用中，所述上部检测模块和下部检测模块均包括用于检测设置位置的运动状态的多轴传感器和与多轴传感器连接的数据处理器，所述数据处理器将多轴传感器实时发出的姿态数据进行数据上传。

进一步的，在系统中，所述姿态检测模块包括用于检测外力的压电式压力传感器，所述压电式压力传感器与所述数据处理器连接。

进一步的，在假人的应用中，所述类人形结构为软质假人，所述软质假人表面设有多个目标区，所述目标区内设有压电式压力传感器，所述压力传感器与最近的数据处理器连接进行数据传输。

进一步的，在系统和该系统在假人的应用中，所述多轴传感器的型号为MPU6050；所述主控制模块型号为STM32。MPU-6000(6050)为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。当连接到三轴磁强计时，MPU-60X0提供完整的9轴运动融合输出到其主I2C或SPI端口(SPI仅在MPU-6000上可用)。以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(EulerAngleforma)的融合演算数据。具有131LSBs/°/sec敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)。可程式控制，且程式控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速器。移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。

进一步的，在系统和该系统在假人的应用中，所述主控制模块还连接有用来无线传输数据的无线传输模块，所述无线传输模块型号为nRF24L01。nRF24L01是工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。其具有体积小稳定性高的优点。

值得说明的是，其中主控制系统为整个假人检测控制系统的核心部分，整个控制系统再细分为六大模块，分别为2.4G的无线传输模块、实时时钟模块、姿态检测模块、数据处理模块、充电电路控制模块、数据整合控制模块。

本发明的有益效果为：

现有的假人或者类人形目标靶仅仅是一种软质表层内填充蓬松材料的结构，仅仅作为一个目标假人，无法提供额外的作用。本发明通过在训练中引入了数据分析系统，使得训练时可通过数据采样分析能够量化指标，从而更有效的指导和指定训练计划，以便学员能够清楚了解自己的缺陷和优势。相较于目前传统的训练机构均靠教练或教官肉眼判断训练是否有效，本发明不受限于专业教练人数的匮乏，同时具有规范化依据，导致了训练机构可以进行大规模人员训练或考核。

附图说明

图1是本发明的供电系统的结构示意图；

图2是本发明系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

本实施例提供一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用，如图1和图2所示，包括相互连接的姿态检测模块和主控制模块，所述主控制模块通过收集实时姿态检测数据并发送至设有的上位机中进行数据分析和统计。该系统分为三个部分，其中包括用于姿态实时检测的模块，类似现有的运动手环或者手机中的计步芯片，可以实时检测设置的目标靶对应位置的运动状态从而分析出该位置的姿态信息并以数据的方式进行发送。

然后各个姿态检测模块将信息发送至主控制模块中，并由主控制模块发送至上位机上进行统计和分析。整个系统还包括用于供电的供电系统，所述供电系统包括供电电路和充电电池。通过设有内置的蓄电池给整个系统提供电能。

本系统一般设置在可移动的物体中，且整个系统耗电量较小，可通过设置合适容量的充电电池来提供长时间的续航能力，同时通过设置在合适的位置又不会影响整个系统的运行。而供电电路即为一种线性稳压电路，通过线性稳压电路后进行电气隔离及优化之后分两路进行分别供电，分别是主控制系统和姿态检测模块。

姿态检测模块包括用于检测设置位置的运动状态的多轴传感器和与多轴传感器连接的数据处理器，所述数据处理器将多轴传感器实时发出的姿态数据进行数据上传。

这里所述的多轴传感器一般采用六轴传感器，而六轴传感器即是通常说的多轴传感器(由三轴加速器与三轴螺旋仪组成)，它的使用主要是靠三轴加速器XYZ完成：三轴加速器首先检测横向加速，再检测角度旋转和平衡。三轴加速器就是感应XYZ(立体空间三个方向，前后左右上下)轴向上的加速，比如突然把psp2往前推，psp2就知道你是在向前加速了，从而实现类似赛车加速的操作。三轴陀螺仪是分别感应Roll(左右倾斜)、Pitch(前后倾斜)、Yaw(左右摇摆)的全方位动态信息。通过多轴传感器进行姿态检测能够高效的检测对应部位以一固定点作为参照物的位置变化数据，即使对应位置仅局部发生位置偏移，也能够通过设置在相应部位的姿态检测模块进行数据反馈。

而对应设置的数据处理器是一种数据收集芯片，一般采用型号为N76E003的单片机mcu，它提供丰富的特殊功能模块，包括：1KRAM其中包括256字节SRAM，768字节XRAM。最多可达18个标准管脚。两组标准16位定时器/计数器：定时器0及1，一组带有3路管脚输入捕获模式的16位定时器：定时器2，一组看门狗定时器(WDT)，一组自唤醒定时器(WKT)，一组带自动重装载功能，可用于产生标准波特率的定时器：定时器3。

上述功能对应产生18个中断源，具有4级中断优先级配置。N76E003支持3组时钟源输入，所有时钟源支持软件切换立即生效功能(on-the-fly)。3组时钟源包括：外部时钟，10kHz内部RC振荡时钟和一个出厂时已校准到室温下精度达±1％的16MHz内部高速时钟。

N76E003提供额外的电源监控管理模块，例如上电复位和4级低电压检测，该模块用于保障芯片在上电及掉电时系统稳定工作。N76E003可运行在两种低功耗模式－空闲模式和掉电模式，可通过软件选择运行在哪种模式。空闲模式时，芯片主时钟关闭，但部分功能模块仍然运行。掉电模式下芯片全部时钟关闭确保芯片功耗达到最低。在正常工作模式下，也可选择主时钟除频方式工作，确保在功耗和性能之间灵活运用。

所述姿态检测模块包括用于检测外力的压电式压力传感器，所述压电式压力传感器与所述数据处理器连接。

实施例2：

本实施例是一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用在类人形结构中的应用。用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统及其应用包括相互连接的姿态检测模块和主控制模块，所述主控制模块通过收集实时姿态检测数据并发送至设有的上位机中进行数据分析和统计。

其中，类人形结构即为一种假人，该假人类似沙包的结构，外部为耐磨皮革材质包裹，里面是颗粒状的填充物，或者海绵填充物，外部的皮革包裹并缝合形成人形结构，从而便于击打和训练。

而高阶训练的假人，包括可活动的四肢和躯干，而关节处采用可活动的球碗球座连接，四肢和躯干采用硅胶材质，可模拟真实人体的质量和密度，且具有较好的耐久度，经常作为训练测试假人，例如在车辆碰撞中使用的假人，但本发明中使用的类人形结构会在表面采用较为软质的硅胶层，而内侧设置较为硬质的硅胶层，用来增加重量。而外部的硅胶会吸收大量的冲击力，通过较大幅度的形变来吸收振幅，从而避免给使用者带来较大的伤害。在该假人的关节处还设有阻尼转轴，通过增加有一定的转动阻尼模拟人体的被动受力状态。

姿态检测模块包括设置在类人形结构的上部的上部检测模块和设置在类人形结构的下部的下部检测模块。

其中假人立在地面上，通过抱起、扛起或其他摔跤的技战术动作使得假人摔倒，并通过设置在上部的上部检测模块来计算上部的位置偏移数据。因为假人摔倒大都是两种情况，一种是以下部为原点，上半身受到冲击力而向冲击力的延长线方向运动，这是上部位置偏移量最大。

另一种是下部或者腿部受到侧向的冲击力导致腿部失去支撑向一侧偏移，而此时上部反而偏移量较小，故通过在下部和上部均设有姿态检测模块从而较好的检测整个假人的运动姿态，主要是假人摔倒过程的状态。

在假人的应用中，所述上部检测模块和下部检测模块均包括用于检测设置位置的运动状态的多轴传感器和与多轴传感器连接的数据处理器，所述数据处理器将多轴传感器实时发出的姿态数据进行数据上传。

类人形结构为软质假人，所述软质假人表面设有多个目标区，所述目标区内设有压电式压力传感器，所述压力传感器与最近的数据处理器连接进行数据传输。这里所述的目标区是用来检测击打力的区域，而在表面会以颜色或者图案进行标识，便于使用者直接击打关键部位，并通过压力传感器间接检测该区域受到的瞬时最大冲击力指数。

这里所述的上部一般指头部，而下部一般指脚部。

多轴传感器的型号为MPU6050；所述主控制模块型号为STM32。MPU-6000(6050)为全球首例整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。当连接到三轴磁强计时，MPU-60X0提供完整的9轴运动融合输出到其主I2C或SPI端口(SPI仅在MPU-6000上可用)。以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数(quaternion)、欧拉角格式(EulerAngleforma)的融合演算数据。具有131LSBs/°/sec敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)。可程式控制，且程式控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速器。移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。

主控制模块还连接有用来无线传输数据的无线传输模块，所述无线传输模块型号为nRF24L01。nRF24L01是工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。其具有体积小稳定性高的优点。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统，其特征在于：包括相互连接的姿态检测模块和主控制模块，所述主控制模块通过实时收集姿态检测模块发送对的姿态数据并发送至设有的上位机中进行数据分析和统计。

2.根据权利要求1所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统，其特征在于：还包括用于供电的供电系统，所述供电系统包括供电电路和充电电池。

3.根据权利要求1所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统，其特征在于：所述姿态检测模块包括用于检测设置位置的运动状态的多轴传感器和与多轴传感器连接的数据处理器，所述数据处理器将多轴传感器实时发出的姿态数据进行数据上传。

4.权利要求1所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统在类人形结构中的应用。

5.根据权利要求4所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统的应用，其特征在于：所述姿态检测模块包括设置在类人形结构的上部的上部检测模块和设置在类人形结构的下部的下部检测模块。

6.根据权利要求4所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统的应用，其特征在于：所述上部检测模块和下部检测模块均包括用于检测设置位置的运动状态的多轴传感器和与多轴传感器连接的数据处理器，所述数据处理器将多轴传感器实时发出的姿态数据进行数据上传。

7.根据权利要求1-3所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统，其特征在于：所述姿态检测模块包括用于检测外力的压电式压力传感器，所述压电式压力传感器与所述数据处理器连接。

8.根据权利要求4所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统的应用，其特征在于：所述类人形结构为软质假人，所述软质假人表面设有多个目标区，所述目标区内设有压电式压力传感器，所述压力传感器与最近的数据处理器连接进行数据传输。

9.根据权利要求1-3所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统，其特征在于：所述多轴传感器的型号为MPU6050；所述主控制模块型号为STM32。

10.根据权利要求4所述的一种用于训练、教学、考评的摔跤假体检测系统的应用，其特征在于：所述主控制模块还连接有用来无线传输数据的无线传输模块，所述无线传输模块型号为nRF24L01。