CN109603133B - 桨栓组件、赛艇装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桨栓组件、赛艇装置及其工作方法。该桨栓组件具有包括压力感测机构、角速度传感器和角位置感测机构在内的多种用于测量不同参数的组件，这些组件能够方便、实时、精确地测量在使用者利用赛艇装置进行训练时的多种参数，这些参数包括桨栓对桨栓轴的作用力、桨栓相对于桨栓轴的转动角速度和桨栓相对于桨栓轴的角位置。进一步地，该赛艇装置经由专用的工作方法能够基于上述参数获得平均功率、桨频、里程来评判使用者的动作规范性和一致性以及同步性等性能，从而为使用者提供重要的训练参考。

Description

桨栓组件、赛艇装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及赛艇领域，更具体地涉及一种桨栓组件、包括多个上述桨栓组件的赛艇装置及该赛艇装置的工作方法。

背景技术

在现有技术中，赛艇模拟系统能够让使用者模拟真实的赛艇动作，在不用真正下水情况下获得相对真实的训练感受和比赛感受。同时赛艇模拟系统能够在使用者进行训练的过程中采集相关参数以进行统计，从而用于评判与使用者相关的各项性能。

例如公开号为CN 102114334A，名称为“赛艇荡桨池的辅助训练系统”的中国发明专利申请公开了一种赛艇荡桨池的辅助训练系统，其能够采集桨力、脚蹬力和拉桨角度三个关键基本信息，计算出使用者每一桨的桨力和脚蹬力的峰值、均值以及拉桨幅度、拉桨速度等主要技术动作指标，并用图形直观的方式显示桨力-时间曲线、脚蹬力-时间曲线、拉桨角度-时间曲线和功率曲线，通过与国内外优秀运动员的各指标曲线图及自身最好成绩曲线图的对比，使得可以在训练过程中及时了解使用者的训练情况，根据各技术动作指标及曲线图发现关键技术动作的不足或错误之处，并针对不足或错误之处提出正确或更为有效的训练方法，有利于使用者建立和固化技术感觉，最大程度地提高技术训练的实效性。

但是，例如上述专利文献的现有技术采集使用者利用赛艇模拟系统进行训练过程中的参数的方式不便，并且对各种参数的采集结果不精确，因此难以有效地对使用者的训练情况进行准确有效的评估。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺陷而做出了本发明。本发明的一个目的在于提供一种新型的桨栓组件，其能够在使用者利用赛艇装置进行训练时方便、精确且实时地测量多种参数。本发明的另一个目的在于提供包括上述桨栓组件的赛艇装置及其工作方法，该赛艇装置能够利用桨栓组件测量的多种参数获得期望的数据以对预定的性能进行准确有效的评判。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案。

本发明提供了一种如下的桨栓组件，所述桨栓组件包括：桨栓轴，所述桨栓轴整体直线状地延伸并用于安装于赛艇装置的桨栓架；桨栓，所述桨栓以能够相对于所述桨栓轴绕着所述桨栓轴的中心轴线在预定范围内转动的方式安装于所述桨栓轴，所述桨栓形成有供船桨穿过的通孔；压力感测机构，所述压力感测机构安装于所述桨栓轴并且能够随着所述桨栓转动以相对于所述桨栓固定，所述压力感测机构介于所述桨栓和所述桨栓轴之间，所述压力感测机构能够实时测量在所述船桨划动过程中所述桨栓对所述桨栓轴产生的作用力；角速度传感器，所述角速度传感器固定于所述桨栓，所述角速度传感器能够实时测量在所述船桨划动过程中所述桨栓相对于所述桨栓轴的转动角速度；以及角位置感测机构，所述角位置感测机构包括固定于所述桨栓的角位置传感器，所述角位置传感器能够实时测量在所述船桨划动过程中所述桨栓相对于所述桨栓轴的角位置。

优选地，所述角位置感测机构还包括固定于所述桨栓轴的永磁体，所述角位置传感器基于其相对于所述永磁体的位置来实时测量所述桨栓相对于所述桨栓轴的所述角位置。

优选地，所述桨栓包括：桨栓套筒部，所述桨栓套筒部以外套于所述桨栓轴的方式安装于所述桨栓轴，所述压力感测机构介于所述桨栓套筒部和所述桨栓轴之间；以及桨支撑部，所述桨支撑部形成有所述通孔并且固定于所述桨栓套筒部的一侧。

更优选地，所述桨栓还包括固定于所述桨栓套筒部的安装部，所述安装部的内部形成有至少安装所述角速度传感器和所述角位置传感器的安装空间，并且所述安装部相对于所述桨栓套筒部位于与所述一侧相反的另一侧。

更优选地，所述永磁体在沿着所述桨栓轴的轴向上与所述安装部配置在不同位置，并且所述角位置传感器在所述轴向上与所述永磁体相对。

更优选地，所述压力感测机构包括：筒状主体部，所述筒状主体部夹在所述桨栓套筒部和所述桨栓轴之间且所述筒状主体部以外套于所述桨栓轴的方式安装于所述桨栓轴；以及多个压力应变片，所述多个压力应变片以分别朝向所述一侧和与所述一侧相反的另一侧的方式固定于所述筒状主体部。

更优选地，所述多个压力应变片的数量为至少四个，每两个所述压力应变片组成一组，不同组的所述压力应变片设置在所述筒状主体部的在轴向上的不同位置，并且在各组所述压力应变片中，一个所述压力应变片朝向所述一侧且另一个所述压力应变片朝向所述另一侧。

本发明还提供了一种如下的赛艇装置，所述赛艇装置为赛艇模拟系统或者用于真实比赛的赛艇，并且所述赛艇装置包括多个以上技术方案中任意一项技术方案所述的桨栓组件。

本发明还提供了一种所述赛艇装置的工作方法，通过所述桨栓组件的压力感测机构、角速度传感器和角位置感测机构测量的参数确定包括桨频、平均功率和里程的预定数据，以对包括动作规范性和/或同步性的预定性质进行评判。

优选地，通过所述压力感测机构、所述角速度传感器和所述角位置感测机构测量的参数的周期性变化确定所述桨频；并且/或者

基于所述角位置传感器测量的角位置确定在一个划桨周期内的多个选定时间点，并通过如下式(1)确定在各所述选定时间点的瞬时功率，然后对每相邻的数个所述选定时间点的瞬时功率进行二阶多项式拟合并且对得到的连续曲线进行积分运算以获得该划桨周期的平均功率，

P＝F1×L1×ω＝F2×L2×ω＝L1×L2/(L1+L2)×F×ω…式(1)

其中P为所述瞬时功率，F1为使用者对所述船桨的一端部施加的沿着与所述船桨的延伸方向正交的方向的作用力，F2为水对所述船桨的另一端部施加的沿着与所述船桨的延伸方向正交的方向的作用力，F为所述压力感测机构测量的作用力并且等于F1与F2之和，L1为所述船桨的从所述使用者对所述船桨的一端部施力的作用点到所述桨栓的在所述船桨的延伸方向上的距离，L2为所述船桨的从所述水对所述船桨的另一端部施力的作用点到所述桨栓的在所述船桨的延伸方向上距离，ω为计算所述瞬时功率的当前时间点的由所述角速度传感器测量的所述桨栓的角速度；并且/或者

通过所述平均功率和所述桨频与经验数据进行比较来通过查表法获得所述里程。

通过采用上述技术方案，本发明提供了一种新型的桨栓组件以及包括上述桨栓组件的赛艇装置及其工作方法。该桨栓组件具有包括压力感测机构、角速度传感器和角位置感测机构在内的多种用于测量不同参数的组件，这些组件能够方便、实时、精确地测量在使用者利用赛艇装置进行训练时的多种参数，这些参数包括桨栓对桨栓轴的作用力、桨栓相对于桨栓轴的转动角速度和桨栓相对于桨栓轴的角位置。进一步地，该赛艇装置经由专用的工作方法能够基于上述参数获得平均功率、桨频、里程来评判使用者的动作规范性和一致性以及同步性等性能，从而为使用者提供重要的训练参考。

附图说明

图1a是示出了根据本发明的一实施方式的桨栓组件的结构的立体示意图；图1b是示出了图1a中的桨栓组件的结构的另一立体示意图；图1c是示出了图1a中的桨栓组件的结构的主视示意图；图1d是示出了图1a中的桨栓组件的结构的侧视示意图；图1e是示出了图1a中的桨栓组件的结构的仰视示意图。

图2a是示出了图1a中的桨栓组件的压力感测机构的结构的立体示意图；图2b是示出了图2a中的压力感测机构的结构的另一立体示意图；图2c示出了图1a中的桨栓组件的结构的立体示意图，其中压力感测机构处于与其它组件的分离状态。

图3是示意性示出了根据本发明的赛艇模拟系统(赛艇装置的示例)的结构图。

图4是用于说明根据本发明的赛艇模拟系统的工作方法的说明图。

附图标记说明

1桨栓 11桨栓套筒部 12桨支撑部 121基架部 122连杆部 13安装部 12h通孔 2桨栓轴 3永磁体 4压力感测机构 41筒状主体部 42压力应变片 5船桨 6桨池 7支架 8中间座椅。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

以下将首先结合说明书附图说明根据本发明的一实施方式的桨栓组件的结构。

(桨栓组件的结构)

如图1a至图2c所示，根据本发明的一实施方式的桨栓组件包括彼此组装在一起的桨栓1、桨栓轴2、压力感测机构4、角速度传感器(未示出)和角位置感测机构(部分未示出)，其中由于角速度传感器和角位置感测机构的角位置传感器均收纳于桨栓1的安装部13的内部的安装空间内，因此在图中并未示出角速度传感器和角位置传感器。

具体地，在本实施方式中，桨栓1包括整合在一起的桨栓套筒部11、桨支撑部12和安装部13。

桨栓套筒部11形成有与桨栓轴2匹配的大致圆柱形的安装孔，桨栓套筒部11以外套于桨栓轴2的方式安装于桨栓轴2，使得桨栓1整体能够相对于桨栓轴2绕着桨栓轴2的中心轴线在预定范围内转动，并且桨栓1在桨栓轴2的轴向上不能相对于桨栓轴2运动。

桨支撑部12包括固定于桨栓套筒部11的一侧的基架部121和铰接于该基架部121的连杆部122，该连杆部122能够相对于基架部121转动以处于打开位置和封闭位置。当连杆部122处于打开位置时，能够将船桨的适当部位置于基架部121所形成的凹部内；当连杆部122处于闭合位置时，通过该基架部121和连杆部122之间的配合能够形成有截面为大致四方形的通孔12h，使得船桨5处于穿过该通孔12h且由桨支撑部12支撑的状态。

安装部13相对于桨栓套筒部11位于与一侧相反的另一侧且固定于桨栓套筒部11。安装部13的内部形成有用于安装角速度传感器和角位置传感器及其它必要的电路板和导线等的安装空间。

在本实施方式中，桨栓轴2整体直线状地延伸并用于安装于赛艇装置的桨栓架。在桨栓轴2安装于桨栓架的情况下，优选使得桨栓轴2的轴向与水平面正交。

在本实施方式中，如上所述，角速度传感器和角位置感测机构的角位置传感器均收纳于安装部13内，使得角速度传感器和角位置传感器均相对于桨栓1固定。角速度传感器能够实时测量在船桨5(如图4所示)划动过程中桨栓1相对于桨栓轴2的转动角速度并且角位置传感器能够实时测量在船桨5划动过程中桨栓1相对于桨栓轴2转动之后的角位置。优选地，在安装部13的内部，角位置传感器置于与桨栓轴2正交的平面内，用于采集在该平面内桨栓1相对于桨栓轴2转动的角度(基本相当于船桨5在水平面内的摆动角度)，从而得到上述角位置；同时角速度传感器也置于该平面内，用于采集桨栓1相对于桨栓轴2转动的角速度(基本相当于船桨5在水平面内的摆动角速度)。

进一步地，角位置感测机构除了包括相对于桨栓1固定的角位置传感器之外还包括固定于桨栓轴2的永磁体3。角位置传感器基于其相对于永磁体3的位置来实时测量桨栓1相对于桨栓轴2转动的角位置，永磁体3在桨栓轴2的轴向上与安装部13配置在不同位置，并且使得角位置传感器在轴向上与永磁体3相对。另外，在桨栓组件安装于桨栓架的情况下，该永磁体3优选地位于安装部13的下方。

在本实施方式中，主要如图2a至图2c所示，压力感测机构4包括筒状主体部41和固定于筒状主体部41的四个压力应变片42。

筒状主体部41具有大致圆筒形状并且其内部形成有与桨栓轴2的预定部位对应的形状。在筒状主体部41安装于桨栓轴2的情况下，筒状主体部41能够随着桨栓1转动但是在桨栓轴2的轴向上不能相对于桨栓轴2运动，并且筒状主体部41夹在桨栓套筒部11和桨栓轴2之间且以外套于桨栓轴2的方式安装于桨栓轴2。该筒状主体部41优选地采用铝合金制成并且作为桨栓轴2的轴套。

四个压力应变片42均固定于筒状主体部41，并且四个压力应变片42中的两个压力应变片42朝向桨支撑部12所在的一侧且另外两个压力应变片42朝向与该一侧相反的另一侧。四个压力应变片42中的两个压力应变片42组成一组，两组压力应变片42设置在筒状主体部41的在轴向上的不同位置。在各组压力应变片42中，一个压力应变片42朝向上述一侧且另一个压力应变片42朝向上述另一侧。这样，四个压力应变片42能够测量在船桨5划动过程中在水平面中桨栓1对桨栓轴2的朝向一侧和另一侧的作用力(基本上等于船桨5在与船桨5和桨栓轴2所在的平面正交的方向上对桨栓轴2施加的作用力)，而且四个压力应变片42能够组成采集上述作用力参数的全桥结构。

总的来说，根据本发明的一实施方式的桨栓组件与根据现有技术的桨栓相比在结构上不仅增加了压力感测机构4、角速度传感器和角位置感测机构，还增加了安装部13用于安装角速度传感器和角位置传感器及其它必要的电路板和导线。

以上详细说明了根据本发明的一实施方式的桨栓组件的结构，以下将简单说明包括该桨栓组件的赛艇模拟系统(赛艇装置的示例)的结构及其工作方法。

(赛艇模拟系统的结构及其工作方法)

根据本发明的赛艇模拟系统可以包括多个上述桨栓组件。如图3所示，该赛艇模拟系统主要由船桨5、双侧的桨池6(图中仅示出一侧的桨池6)、支架7(包括根据本发明的桨栓组件)和中间座椅8四部分组成。该赛艇模拟系统可根据需要设计成单人、双人或多人使用的结构，包括上述四部分的单元在纵向上叠加的数量对应使用的人数。

具体地，桨池6可以由双层不锈钢构成。根据流体力学原理，每个桨池6的纵向两端设计为圆滑过渡的形状，桨池6的中间位置设置凸起的挡水坝(如图3中阴影部分所示)，并且在桨池6内适量注水。使用时船桨5的桨面带动水流形成循环流动(如图3中的箭头所示)，避免产生不规则浪涌，以接近真实划桨体验。

进一步地，为避免桨池6中的水时间长后变质，所注水须满足国家《生活饮用水卫生标准》，并使用水质净化药片。另外，桨池6优选根据使用情况定期换水。

另外，中间座椅8和支架7按照实际赛艇尺寸设计，可根据需要的人数进行级联安装。

此外，虽然图中未示出，但是根据本发明的赛艇模拟系统还优选包括例如平板电脑的处理系统。根据本发明的桨栓组件所采集的参数数据经过初步处理后，通过例如串口实时上传给该处理系统。该处理系统通过下述的工作方法处理参数数据，获得里程、桨频、平均功率等数据以评判使用者的动作规范性及多人训练的一致性、同步性等，最终优选地显示在处理系统的例如显示屏的输出部上。

另外，本发明还提供了一种以上赛艇模拟系统的工作方法，概括来说，该工作方法通过赛艇模拟系统用桨栓组件的压力感测机构4、角速度传感器和角位置感测机构测量的参数确定包括桨频、平均功率和里程等的预定数据，以对包括动作规范性和同步性的预定性质进行评判。

具体地，关于桨频，通过压力感测机构4、角速度传感器和角位置感测机构测量的参数的周期性变化确定桨频。

关于平均功率，基于角位置传感器测量的角位置θ(如图4所示)确定在一个划桨周期内的多个选定时间点，并通过如下式(1)确定在选定时间点的瞬时功率，然后对每相邻的数个选定时间点的瞬时功率进行二阶多项式拟合并且对得到的连续曲线进行积分运算以获得该划桨周期的平均功率，

P＝F1×L1×ω＝F2×L2×ω＝L1×L2/(L1+L2)×F×ω式(1)

其中P为瞬时功率，并且如图4所示，F1为使用者对船桨5的一端部施加的在水平面内沿着与船桨5的延伸方向正交的方向的作用力，F2为水对船桨5的另一端部施加的在水平面内沿着与船桨5的延伸方向正交的方向的作用力，F为压力感测机构4测量的作用力并且等于F1与F2之和，L1为船桨5的从使用者对船桨5的一端部施力的作用点到桨栓1的在船桨5的延伸方向上的距离，L2为船桨5的从水对船桨5的另一端部施力的作用点到桨栓1的在船桨5的延伸方向上距离，ω为计算瞬时功率的当前时间点的由角速度传感器测量的桨栓1的角速度。

关于里程，通过平均功率和桨频与经验数据进行比较来通过查表法获得里程。

以上对本发明的具体实施方式进行了详细地阐述，但是还需要说明的是：

I.根据本发明的电路和各传感器/感测机构可以通过如下器件实现。

电路系统核心可以是Cortex-M0内核的MCU，主频48M，其带有多个串口及外设接口、12位高精度的多通道ADC及蓝牙4.1BLE，其具有足够的性能和优秀的低功耗特性。系统可根据需要采用电池或交流适配器供电，通讯方式采用485总线，也可根据需要采用蓝牙BLE方式。

压力感测机构4可以使用4个3mm×3mm压力应变片42组成全桥测量结构，可以使用ADI的AD8557高精度数字可变增益变送器专用前端进行模拟放大。

角位置感测机构可以采用AMS的AS5171A高精度角位置传感器，配合结构上的外部磁场(永磁体3)。

角速度传感器可以采用ST的LMS330DLC六轴传感器，它同时还带有3轴加速度传感器。

II.虽然在以上的具体实施方式中没有明确说明，但是根据本发明的桨栓组件的桨栓轴可以与现有技术的桨栓轴具有相同的结构。

III.根据本发明的赛艇模拟系统还可以实现如下的有益效果：

实现了无需真正下水即获得真实的赛艇体验；

结构简单，可通过级联实现不同人数的需求，既可用于一般体验，也可用于专业训练；

只在桨栓组件上增加多种传感器，实现了方便、实时且高精度的参数数据采集；

根据本发明的桨栓组件也可用于普通赛艇，通用性强；以及

配合专用的工作方法进行精确的评判之外，也可以多个赛艇模拟系统联动进行模拟比赛。

Claims (8)

1.一种桨栓组件，其特征在于，所述桨栓组件包括：

桨栓轴，所述桨栓轴整体直线状地延伸并用于安装于赛艇装置的桨栓架；

桨栓，所述桨栓以能够相对于所述桨栓轴绕着所述桨栓轴的中心轴线在预定范围内转动的方式安装于所述桨栓轴，所述桨栓形成有供船桨穿过的通孔，所述桨栓包括桨栓套筒部和桨支撑部，所述桨栓套筒部形成有与所述桨栓轴匹配的圆柱形的安装孔，所述桨栓套筒部以外套于所述桨栓轴的方式安装于所述桨栓轴，所述桨支撑部形成有所述通孔并且固定于所述桨栓套筒部的一侧；

压力感测机构，所述压力感测机构安装于所述桨栓轴并且能够随着所述桨栓转动以相对于所述桨栓固定，所述压力感测机构介于所述桨栓的桨栓套筒部和所述桨栓轴之间，所述压力感测机构能够实时测量在所述船桨划动过程中所述桨栓对所述桨栓轴产生的作用力，所述压力感测机构包括筒状主体部和多个压力应变片，所述筒状主体部夹在所述桨栓套筒部和所述桨栓轴之间且所述筒状主体部以外套于所述桨栓轴的方式安装于所述桨栓轴，所述多个压力应变片以分别朝向所述一侧和与所述一侧相反的另一侧的方式固定于所述筒状主体部；

角速度传感器，所述角速度传感器固定于所述桨栓，所述角速度传感器能够实时测量在所述船桨划动过程中所述桨栓相对于所述桨栓轴的转动角速度；以及

角位置感测机构，所述角位置感测机构包括固定于所述桨栓的角位置传感器，所述角位置传感器能够实时测量在所述船桨划动过程中所述桨栓相对于所述桨栓轴的角位置。

2.根据权利要求1所述的桨栓组件，其特征在于，所述角位置感测机构还包括固定于所述桨栓轴的永磁体，所述角位置传感器基于其相对于所述永磁体的位置来实时测量所述桨栓相对于所述桨栓轴的所述角位置。

3.根据权利要求2所述的桨栓组件，其特征在于，所述桨栓还包括固定于所述桨栓套筒部的安装部，所述安装部的内部形成有至少安装所述角速度传感器和所述角位置传感器的安装空间，并且所述安装部相对于所述桨栓套筒部位于与所述一侧相反的另一侧。

4.根据权利要求3所述的桨栓组件，其特征在于，所述永磁体在沿着所述桨栓轴的轴向上与所述安装部配置在不同位置，并且所述角位置传感器在所述轴向上与所述永磁体相对。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的桨栓组件，其特征在于，所述多个压力应变片的数量为至少四个，每两个所述压力应变片组成一组，不同组的所述压力应变片设置在所述筒状主体部的在轴向上的不同位置，并且

在各组所述压力应变片中，一个所述压力应变片朝向所述一侧且另一个所述压力应变片朝向所述另一侧。

6.一种赛艇装置，其特征在于，所述赛艇装置为赛艇模拟系统或者用于真实比赛的赛艇，并且所述赛艇装置包括多个根据权利要求1至5中任一项所述的桨栓组件。

7.一种权利要求6所述的赛艇装置的工作方法，其特征在于，通过所述桨栓组件的压力感测机构、角速度传感器和角位置感测机构测量的参数确定包括桨频、平均功率和里程的预定数据，以对包括动作规范性和/或同步性的预定性质进行评判。

8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于，

通过所述压力感测机构、所述角速度传感器和所述角位置感测机构测量的参数的周期性变化确定所述桨频；并且/或者

基于所述角位置传感器测量的角位置确定在一个划桨周期内的多个选定时间点，并通过如下式(1)确定在各所述选定时间点的瞬时功率，然后对每相邻的数个所述选定时间点的瞬时功率进行二阶多项式拟合并且对得到的连续曲线进行积分运算以获得该划桨周期的平均功率，

P＝F1×L1×ω＝F2×L2×ω＝L1×L2/(L1+L2)×F×ω…式(1)

其中P为所述瞬时功率，F1为使用者对所述船桨的一端部施加的沿着与所述船桨的延伸方向正交的方向的作用力，F2为水对所述船桨的另一端部施加的沿着与所述船桨的延伸方向正交的方向的作用力，F为所述压力感测机构测量的作用力并且等于F1与F2之和，L1为所述船桨的从所述使用者对所述船桨的一端部施力的作用点到所述桨栓的在所述船桨的延伸方向上的距离，L2为所述船桨的从所述水对所述船桨的另一端部施力的作用点到所述桨栓的在所述船桨的延伸方向上距离，ω为计算所述瞬时功率的当前时间点的由所述角速度传感器测量的所述桨栓的角速度；并且/或者

通过所述平均功率和所述桨频与经验数据进行比较来通过查表法获得所述里程。