KR101718872B1 - 타겟 타격 시의 파워 측정 장치 - Google Patents

타겟 타격 시의 파워 측정 장치 Download PDF

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KR101718872B1 KR1020170024533A KR20170024533A KR101718872B1 KR 101718872 B1 KR101718872 B1 KR 101718872B1 KR 1020170024533 A KR1020170024533 A KR 1020170024533A KR 20170024533 A KR20170024533 A KR 20170024533A KR 101718872 B1 KR101718872 B1 KR 101718872B1
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Abstract

본 발명은 전문 운동선수나 일반인들의 타격 훈련이나 운동 연습 등에 사용되는 타격기는 물론, 무도 시합, 연습 대련, 격투기 훈련 등에 사용되는 전자 호구 등과 같은 타겟에 타격을 가했을 때의 파워를 정확하고 정밀하게 측정하는 장치에 관한 것이다.
본 발명은 타격기나 전자 호구 등과 같은 타겟으로 에어 포켓 타입의 타겟을 적용하고, 타격 시에 에어 포켓의 체적변화를 검출하는 방식으로 타겟에 가해지는 파워를 검출하는 한편, 타겟에 가해지는 충격력을 기반으로 파워를 측정하여 타격에 따른 점수를 판정하는 새로운 파워 측정 시스템을 구현함으로써, 타격 시의 파워를 보다 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 등 점수 판정에 효율성을 높일 수 있고, 각종 겨루기 종목과 관련한 공정한 평가를 할 수 있음은 물론 일반인들도 운동 연습에 대한 흥미를 얻을 수 있는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치를 제공한다.

Description

타겟 타격 시의 파워 측정 장치{DEVICE FOR MEASURING POWER IN TARGET STRIKING}
본 발명은 타겟 타격 시의 파워 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전문 운동선수나 일반인들의 타격 훈련이나 운동 연습 등에 사용되는 타격기는 물론, 무도 시합, 연습 대련, 격투기 훈련 등에 사용되는 전자 호구 등과 같은 타겟에 타격을 가했을 때의 충격력(파워)을 정확하고 정밀하게 측정하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 타격식 스포츠 선수들은 신체 보호를 위해 호구를 착용하며, 훈련생의 효과를 높이기 위해 수련용 미트나 쉴드, 샌드백 등을 이용하고 있다.
이러한 호구 및 수련용 도구들은 훈련생의 신체 보호를 우선하다 보니 단순한 기능에서 벗어나지 못해 왔다.
즉, 일반 호구를 비롯한 수련용품들은 훈련생을 보호하면서 단순 타격 연습만 할 수 있도록 되어 있기 때문에 선수나 훈련생이 훈련 중에 타격한 타점이나 타격 강도를 확인할 수 없고, 그 결과 타격의 정확도나 강도에 대해 확인이 곤란한 문제가 있다.
이러한 점을 고려하여 최근에는 타격식 스포츠로서의 태권도를 비롯하여 각종 격투기 종목에서도 전자 호구가 개발되어 채점 방식의 수단으로 사용되고 있다.
보통 전자 호구는 태권도, 권투, 가라데, 킥복싱 등과 같은 무도에 사용되는 것으로서, 타격에 따른 점수를 판별할 수 있도록 개발된 것이다.
이러한 전자 호구는 접점방식의 전자칩을 내장한 형태로서, 전자칩의 접점으로부터 득점여부를 판별하도록 하는 타입으로 되어 있다.
예를 들면, 전자 호구로 타격이 가해질 때, 그 타격으로부터 전자 호구 내의 전자칩이 접점되도록 한 후, 그 접점신호가 전광판으로 무선 전송되도록 하는 타입으로 되어 있다.
그러나, 이와 같은 전자 호구는 타격으로 인해 상대방이 받는 충격의 강도 등은 전혀 고려하지 않고, 단지 접촉에 의한 전자칩의 접점신호만을 입력받아 점수를 측정하는 방식인 관계로 실질적인 점수를 판정하는 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
한편, 한국공개특허 10-2005-0015554호에는 무도 시합이나 연습 대련을 위해 착용하는 전자 호구로서, 에어백 타입으로 이루어진 전자 호구를 채택하고, 전자 호구를 타격할 때 그 타격에 따른 득점 여부를 수신장치를 가지는 전광판으로 무선 전송하여 디스플레이시킬 수 있도록 하는 형태의『전자호구의 타격에 따른 송신장치 및 그 송신방법』이 개시되어 있다.
그러나, 이와 같은『전자 호구의 타격에 따른 송신장치 및 그 송신방법』의 경우에 타격의 강약에 따른 득점의 데이터 정보를 저장한다는 언급만 있을 뿐, 타격의 강약에 따른 점수를 판별하는 구체적인 방법에 대해서는 제시하지 못하고 있고, 결국 이 역시도 타격 시의 파워를 정확하게 측정하는 측면에서 미흡한 점이 있는 등 점수를 판정하는 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
한국 공개특허 10-2005-0015554호 한국 공개특허 10-2014-0080413호 한국 공개특허 10-1999-0074222호
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 타격기나 전자 호구 등과 같은 타겟으로 에어 포켓 타입의 타겟을 적용하고, 타격 시에 에어 포켓의 체적변화를 검출하는 방식으로 타겟에 가해지는 파워를 검출하는 한편, 타겟에 가해지는 충격력을 기반으로 파워를 측정하여 타격에 따른 점수를 판정하는 새로운 파워 측정 시스템을 구현함으로써, 타격 시의 파워를 보다 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 등 점수 판정에 효율성을 높일 수 있고, 각종 겨루기 종목과 관련한 공정한 평가를 할 수 있음은 물론 일반인들도 운동 연습에 대한 흥미를 얻을 수 있는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치는 다음과 같은 특징이 있다.
상기 타겟 타격 시의 파워 측정 장치는 타겟에 부착되고 타격을 받았을 때 체적 변화를 일으키는 에어 포켓과, 상기 에어 포켓에서 연장되는 튜브 상에 설치되어 에어 포켓의 체적 변화에 따른 압력 변화를 검출하는 압력센서와, 상기 압력센서에 의해 감지된 공기 압력 변화값의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, 상기 A/D 변환기로부터 입력되는 공기 압력 변화값에 대한 디지털 신호를 기반으로 타격의 강약에 대한 파워를 연산하여 점수로 판정하는 컨트롤 모듈과, 상기 컨트롤 모듈로부터 판정된 점수 신호를 디스플레이 장치의 수신 모듈에 무선으로 전송하는 송신 모듈을 포함하는 형태로 이루어질 수 있다.
특히, 상기 컨트롤 모듈에서는 압력센서의 시스널 전압이 상승하는 시점부터 상승이 멈추는 꼭지점까지의 최대 전압인 피크(Peak) 전압을 이때까지 걸린 시간으로 나눈 값인 평균 충격력을 측정하고, 이렇게 측정한 평균 충격력으로 타격의 강약에 대한 점수를 직접 얻을 수 있다.
여기서, 상기 컨트롤 모듈에서는 평균 충격력 측정 시 에어 포켓의 물성, 장착상태, 형상 및 크기와, 타격부위의 물리적 변화를 고려한 물성보정계수를 더 곱하여 평균 충격력을 측정할 수 있다.
바람직한 실시예로서, 상기 컨트롤 모듈에서는 타겟의 내부에 장착되는 에어 포켓들을 각각 타격할 수 있는, 임의로 정해놓은 충격량(운동량)으로 테스트 벤치를 제작한 후에 수회의 타격에 따른 평균값을 최종 보정계수에 적용하고, 최종보정계수를 더 곱하여 평균 충격력을 측정함으로써, 보다 더 정확한 평균 충격력을 얻을 수 있게 된다.
또한, 상기 컨트롤 모듈의 송신 모듈과 디스플레이 장치의 수신 모듈 간의 무선 송수신 방식은 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification) 방식 등이 적용될 수 있다.
그리고, 상기 타겟의 경우 로봇, 무술 훈련기, 전자 타격기, 전자 호구, 수련용 미트나 수련용 쉴드, 샌드백, 차량 충돌테스트용 더미 등이 적용될 수 있다.
본 발명에서 제공하는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치는 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 타겟에 가해지는 충격력(량)에 기초하여 파워(충격력)를 측정한 후에 타격에 따른 점수를 판정(도출)하는 방식을 적용함으로써, 정밀 타격 강도를 측정하여 타격 시의 파워(충격력)를 보다 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 등 점수 판정에 효율성을 높일 수 있으며, 따라서 각종 겨루기 종목과 관련한 공정한 평가를 할 수 있음은 물론 일반인들도 운동 연습에 대한 흥미를 얻을 수 있다.
둘째, 무술 훈련 시의 데이터 내지는 측정된 모든 점수와 훈련도 및 성취도 등의 모든 데이터를 무선 통신 시스템인 와이파이 또는 블루투스를 사용하여 편리성을 추구할 수 있다.
셋째, 무도인으로서의 공정한 평가와 더불어 훈련에 대한 흥미를 얻을 수 있으므로, 우리나라 무술인 태권도의 활성화를 도모할 수 있다.
넷째, 무술 훈련기, 전자 타격기, 전자 호구, 수련용 미트나 수련용 쉴드, 샌드백 등과 같은 다양한 장비에 적용이 가능할 뿐만 아니라 체육관이나 학교 등 다양한 장소에서 다양한 방식으로 적용할 수 있으므로, 제품의 활용도 향상과 더불어 품질을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 타격 시의 파워 측정 장치를 나타내는 블럭도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 타격 시의 파워 측정 장치를 적용한 무술 훈련기의 일 예를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 타격 시의 파워 측정 장치에서 압력변화에 따른 시그널 값을 예시한 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 타격 시의 파워 측정 장치에서 무술 훈련기 형태의 타겟을 적용하는 경우 무술 훈련기 골격을 나타내는 사시도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 타격 시의 파워 측정 장치를 나타내는 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 타격 시의 파워 측정 장치를 적용한 무술 훈련기의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 타겟 타격 시의 파워 측정 장치는 타격 시 타겟에 가해지는 충격력으로 타격의 강약(파워)에 대한 점수를 판정하여, 타격 시의 파워를 보다 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 등 점수 판정에 효율성을 높일 수 있는 방식으로 이루어진다.
이를 위하여, 상기 파워 측정 장치는 타겟(10)에 부착되는 것으로 타격을 받았을 때 체적 변화를 일으키는 에어 포켓(11)을 포함한다.
상기 에어 포켓(11)은 공기가 채워져 부풀어 오른 형상의 공기 주머니 형태로 이루어지게 되며, 이러한 공기 주머니의 일측에는 튜브(12)가 연결됨과 더불어 이때의 튜브(12) 상에는 후술하는 압력센서(13)가 연결될 수 있게 된다.
이에 따라, 상기 에어 포켓(11)이 타격을 받는 경우 에어 포켓(11)의 체적 변화에 따른 공기 압력변화를 압력센서(13)가 검출할 수 있게 된다.
그리고, 상기 타겟(10)은 로봇, 무술 훈련기, 전자 타격기, 전자 호구, 수련용 미트나 수련용 쉴드, 샌드백, 차량 충돌테스트용 더미 등 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 본 발명에서는 소정의 캐릭터 형상을 한 무술 훈련기를 타겟(10)으로 적용한 예를 보여준다.
이러한 무술 훈련기 형태의 타겟(10)을 적용하는 경우, 에어 포켓(11)은 무술 훈련기의 머리 부분, 어깨 부분, 팔 부분, 복부 부분, 옆구리 부분, 다리 부분 등 다양한 부위에 내장 또는 노출되는 구조로 설치될 수 있으며, 이렇게 각 에어 포켓(11)이 머리, 복부, 옆구리(좌/우) 등에 배치되므로서, 몸체 구분 부위별 타격 및 정밀 타격 강도 측정이 가능하게 된다.
그리고, 각각의 에어 포켓(11)은 타겟(10)의 내부를 따라 배관되는 튜브(12)를 통해 컨트롤 모듈측 압력센서(13)에 연결될 수 있다.
또한, 상기 파워 측정 장치는 에어 포켓(11)에서 연장되는 튜브(12) 상에 설치되어 에어 포켓(11)의 체적 변화에 따른 압력 변화를 검출하는 압력센서(13)를 포함한다.
상기 압력센서(13)는 타겟(10) 상의 컨트롤 모듈(15) 일측에 설치되면서 컨트롤 모듈(15)과는 전기적으로 연결되고, 타겟(10)에 있는 각 에어 포켓(11)과는 튜브(12)를 통해 연결된다.
예를 들면, 무술 훈련기 형태의 타겟(10)을 적용하는 경우 압력센서(13)는 타겟(10)의 고정을 위해 약 200kg 가량의 물통으로 이루어진 부스터 탱크 등과 같은 타겟 베이스(19)의 내부 또는 외부 일측에 설치될 수 있게 된다.
이에 따라, 타격을 받은 에어 포켓(11)의 체적 변화에 따른 공기 압력변화를 압력센서(13)에서 검출하게 되고, 이렇게 검출된 아날로그의 공기 압력변화값은 A/D 변환부(14)로 보내져 디지털 신호(시그널 전압)로 변환된 후에 컨트롤 모듈(15)측에 제공될 수 있게 된다.
여기서, 상기 A/D 변환기(Analog/Digital converter)는 압력센서(13)에 의해 감지된 공기 압력 변화값의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 기능을 한다.
또한, 상기 파워 측정 장치는 압력센서(13)로부터 A/D 변환기(14)를 거쳐 입력되는 공기 압력 변화값에 대한 디지털 신호를 기반으로 타격의 강약에 대한 파워를 연산하여 점수로 판정하는 컨트롤 모듈(15)을 포함한다.
상기 컨트롤 모듈(15)은 무술 훈련기 형태의 타겟(10)을 적용하는 경우에 타겟 베이스(19)의 내부 일측에 설치될 수 있으며, 이러한 컨트롤 모듈(15)은 A/D 변환기(14)로부터 입력되는 디지털 신호에 기초하여 파워에 대한 점수를 판정할 수 있게 된다.
예를 들면, 상기 컨트롤 모듈(15)은 압력센서(13)의 시스널 전압이 상승하는 시점부터 상승이 멈추는 꼭지점까지의 최대 전압인 피크(Peak) 전압을 시스널 전압이 상승하는 시점부터 꼭지점까지 상승하여 멈출 때까지의 걸린 시간으로 컨트롤 모듈의 CPU가 나눈 값이 평균 충격력이며, 이 값에 보정과 각 모드별 계산식을 적용하여 합산하면, 타격의 강약에 대한 점수를 직접 얻을 수 있게 된다.
특히, 상기 컨트롤 모듈(15)에서 평균 충격력을 측정할 때, 에어 포켓의 물성, 장착상태, 형상 및 크기와, 타격부위의 물리적 변화 등을 고려한 물성보정계수를 더 곱하여 평균 충격력을 측정함으로써, 보다 정확한 평균 충격력을 얻을 수 있게 된다.
그리고, 상기 컨트롤 모듈(15)에서 평균 충격력을 측정할 때, 타겟(10)의 내부에 장착되는 에어 포켓들을 각각 타격할 수 있는, 임의로 정해놓은 충격량(운동량)으로 테스트 벤치를 제작한 후에 수회의 타격에 따른 평균 값으로서, 이를 최종보정계수에 적용한 다음, 최종 보정계수를 곱하여 평균 충격력을 측정함으로써, 보다 더 정확한 평균 충격력을 얻을 수 있게 된다.
또한, 상기 파워 측정 장치는 컨트롤 모듈(15)측 정보를 모니터나 전광판, 휴대 단말기 등과 같은 디스플레이 장치(16)에 제공하기 위한 수단을 포함한다.
이를 위하여, 상기 컨트롤 모듈(15)측에는 송신 모듈(18)이 구비됨과 더불어 상기 디스플레이장치(16)측에는 수신 모듈(17)이 구비된다.
이때의 컨트롤 모듈(15)의 송신 모듈(18)과 디스플레이 장치(16)의 수신 모듈(17) 간의 무선 송수신 방식은 와이파이(Wi-Fi), 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification) 등 다양한 무선 송수신 방식이 적용될 수 있게 된다.
이에 따라, 컨트롤 모듈(15)에서 판별된 점수는 송신 모듈(18)의 안테나를 통해 디스플레이 장치(16), 예를 들면 모니터 내의 수신 모듈(17)로 전송되는 한편, 상기 수신 모듈(17)은 송신 모듈(18)로부터 전송되어 오는 디지털의 점수 신호를 안테나를 통해 수신하게 되고, 계속해서 이렇게 수신된 점수 신호를 모니터로 출력하게 되므로서, 모니터에는 타격자의 파워에 대한 점수가 디스플레이될 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 타겟 타격 시의 파워 측정 장치에 대한 구체적인 실시예에 대해 설명한다.
먼저, 물체가 충돌할 때 계의 운동량은 보존되며 가해진 충격량은 운동량의 변화와 같음을 이해하고 실험적 관계식과 이론식이 일치하는 가를 알아보면 다음과 같다.
본 발명에서는 운동량과 충격량이라는 두가지 새로운 개념과 운동량 보존이라는 새로운 보존법칙을 이용할 것이다.
운동량 보존법칙은 에너지 보존법칙만큼 중요한 법칙이다.
광속에 가깝게 빠른 속도로 운동하는 물체나 원자의 구성요소같이 매우 작은 크기의 물체처럼 뉴턴의 법칙이 적절하지 못한 경우에도 운동량 보존법칙은 유효하다.
또한, 뉴튼 역학체계 안에서 운동량 보존은 뉴튼법칙을 직접적으로 적용하기 힘든 경우에도 운동상황을 효과적으로 분석할 수 있게 해준다.
뉴튼의 제2법칙, ∑F = ma 를 다른 형태로 고쳐보면
∑F = m(dv/dt) = d(mv) /dt = dp/dt ------(1)
여기서 질량 m은 상수이므로 미분기호 속으로 들어갈 수 있고, mv 를 그 입자의 운동량 또는 선 운동량이라 부르고 p = mv 로 나타낸다.
물체의 운동량, p = mv 와 운동에너지, K = 1/2 mv2 은 물체의 질량과 속도에 의존한다.
두 물리량의 근본적인 차이는 무엇일까 순전히 수학적으로 말한다면 운동량은 크기가 속도에 비례하는 벡터이고 운동에너지는 속력의 제곱에 비례하는 스칼라 이다.
그러나, 운동량과 운동에너지의 물리적인 차이를 알기 위해 본 발명에서는 운동량에 밀접히 관련된 충격량을 먼저 정의해야만 한다.
어떤 물체가 t1 부터 t2 까지 Δt 시간간격 동안 일정한 총힘 ∑F 가 작용되었다면 충격량은 총힘과 시간간격의 곱으로 나타내고 J 로 표시한다.
J = ∑F (t2 - t1) = ∑FΔt ---------(2)
(1)식 으로부터 dp/dt 는 총운동량 변화량 p 2 - p 1 를 시간간격 t2 - t1 으로 나눈 것과 같기 때문에 ∑F = (p 2 - p 1) / (t2 - t1) 이고 이식을 변형하면 ∑F (t2 - t1) = p 2 - p 1 이된다. 이 식을 위의 (2)식과 비교하면
J = p 2 - p 1 --------(3)
이 되며, 이를 충격량-운동량 정리(Impulse-Momentum Theorem)라고 한다.
즉, 한 물체에 주어진 시간동안 생긴 운동량 변화는 물체에 작용한 총 힘의 충격량과 같다.
충격량(Impulse 衝擊量)은 ∑F 와 방향이 같은 벡터량이며, SI 단위는 newton-second (Ns) 이다.
충격량-운동량 정리는 힘이 일정하지 않은 경우에도 적용되는데 뉴턴의 제2법칙, 위의 (1)식을 시간에 대해 적분해보면 확인할 수 있다.
Figure 112017019146520-pat00001
Figure 112017019146520-pat00002
--------(4)
이 정의에 의해서 충격량-운동량 정리인 (3)식은 알짜힘이 시간에 따라 변하는 경우에도 적용된다.
Figure 112017019146520-pat00003
[그림1] 충격량 (Ch8. Univ. Physics. by Young)
위의 [그림1]의 (b)에서 보는 바와 같이 일정한 운동량을 가진 물체가 충돌할 경우, 딱딱한 충돌(hard collision)이나 부드러운 충돌(cushioned collision)에 관계없이 똑같은 충격량을 가짐을 보여준다(곡선 하단의 면적은 같다).
그러나, 딱딱한 충돌은 짧은 시간에 큰 힘을, 부드러운 충돌은 비교적 긴 시간에 작은 힘의 서로 다른 충격력(impulsive force)이 물체에 가해짐을 알 수 있다.
즉, 어떤 물체 A가 일정한 무게와 속도의 일정한 운동에너지를 가지고 B라는 물체와 충돌을 일으켰을 때의 충돌에너지는 B의 물성, 즉 질량, 경도, 탄성계수, 놓여져 있는 상태 등의 여러 가지 변수에 대하여 동일하지만, B의 물체에 전달된 충격력은 물성에 따른 변형과 이동에 의한 작용 및 반작용 등의 여러가지 변수에 의해서 달라질 수 있다.
그래서, 본 발명에서는 충격량을 측정할 수 있는 타격기를 제작하여, [그림1]에서의 볼록한 사인파를 사용하여 평균충격력을 도출해 사용할 것이며, 공식은 다음과 같다.
충격력(impulsive force,衝擊力)N=델타mv(운동 변화량=충격량Ns)/델타t(시간변화량S)
충격력N=충격량Ns/시간s
다시 설명하면, 때리는 권투선수의 주먹에 대한 운동에너지와 가격을 당했을 때의 충격에너지를 측정하는 것이 아닌, 타격으로 인해 에어 포켓의 체적 변화에 대한 압력변화를 공기 압력센서(Air Pressure sensor)로서 간접 검출한다.
즉, 주먹의 크기(에어 포켓에 닿는 면적)와 미는 힘의 세기와 속도에 대하여 에어 포켓이 찌그러지는 정도에 따른 공기압력의 변화 값을 시간으로 나눠 분석한다.
조금 더 자세히 설명하자면, 도 3에서 에어 포켓을 타격 시, 컨트롤 모듈에서 압력센서의 시그널 전압이 상승하는 시점부터 상승이 멈추는 꼭지점의 최대 전압을 피크(Peak)전압이라 하고, 이 값을 이때까지 걸린 시간으로 나눈값을 가상 평균 충격력이라 한다.
하지만, 본래의 충격력을 산출하려면 사인파 전체 면적의 충격량을 계산하여, 사인파의 상승지점부터 하강지점까지의 전체 시간으로 나눠야 되지만, 충격력에 대한 물리적 변형과 간섭 등에 의한 서징(Surging) 등을 필터링하기 쉽고, 계산이 빠르며, 편리함은 물론, 무도에서의 순간파괴력은 충격력이 전달될 때까지의 시간만으로 판단하는 것이 더 정확하기 때문에 반파의 피크(Peak)전압을 우선시하여 사용하며, 보정이나 필요에 따라 언제든지 충격량을 도출하여 사용할 수 있다.
즉, 압력변화에 따른 시그널 값의 피크전압으로 계산해 보면 아래와 같은 임의의 가상 충격력 값을 도 3의 그래프와 같이 도출해 낼 수 있다.
a=2/0.5=4
b=2/1=2
c=5/0.5=10
하지만, 위의 값은 에어 포켓이 타격을 받아 찌그러지는 동안의 체적변화에 따른 에어 포켓 내 공기압력 변화를 측정한 것으로서, 아직 정확한 충격력으로 보긴 힘들다.
왜냐하면, 포켓의 물성, 즉 경도, 탄성계수, 인장력, 기본 공기압력, 장착상태, 포켓의 형상 및 크기, 타격 부위의 두께 등 여러가지 물리적 변화에 따라서 위의 예시 값은 달라질 수 있기 때문이다.
그래서, 에어 포켓의 물성을 규격화하고 타격기(타겟)의 물성과 장착되는 형태와 위치에 따라서 전체적인 물성보정이 필요하다.
최대 시그널 값/시간x물성보정계수
이와 같은 물성보정계수를 보정하는 하나의 예를 설명하면 다음과 같다.
타격기 내부에는 타격기를 지탱하면서 에어 포켓의 위치를 결정하는 뼈대, 즉 골격(도 4의 도면부호 20)이 들어가고, 각 위치에 맞는 머리, 배, 측면 옆구리 좌,우 등에 에어 포켓이 골격으로부터 장착되어진 상태로 금형틀 내에 설치되어진다.
이후 타격기 몸체(바디)를 구성하는 재료인 발포성 우레탄계열의 재료가 주입되어지면, 에어 포켓은 각 위치에서 스킨(외피)으로부터 약10mm 정도로서 가급적 얇은 두께로 유지된다.
이후 틀에서 탈영한 후에 포켓의 위치 및 조립상태 확인 등의 검사를 진행하기 위해 에어 포켓에 일정공기압(0.7bar)을 넣어 누설여부를 판단하고, 다시 사용표준 공기압력(0.1~0.3bar)을 주입하면서, 정해진 충격량(운동량)으로 만들어진 테스트 벤치를 이용하여 타겟의 에어 포켓을 타격하면서 시널값의 피크전압과 응답속도 등을 관찰하면서 최적의 상태에서 표준 공기압력을 결정한다.
즉, 에어 포켓으로부터 스킨까지의 두께 및 밀도 등에 의해 에어 포켓의 변형률이 달라지기 때문에, 표피의 두께가 두꺼우면 타격량에 대한 충격 흡수율이 커지므로 에어 포켓의 변형률이 작아지며, 이때에는 스킨의 두께가 얇은 것 보다 사용표준압력을 적게 한다.
다시 말해서 스킨의 표준 두께와 밀도일 때의 사용평균압력이 0.2bar로 셋팅되어질 때가 피크전압과 응답속도등의 특성이 가장 적절해진다면, 이때의 보정계수값을 1이라했을 때, 스킨의 두께가 두껍고 밀도가 낮아서 충격흡수율이 높아서 표준공기압력을 낮은 0.1bar로 셋팅했다고 하면 물성 보정계수는 0.9가되고, 반대로 스킨의 두께가 얇고 밀도가 높아서 충격흡수율이 적어 표준공기압력을 0.3bar로 셋팅했다고 하면 물성보정계수는 1.1이 되는 것으로 정의하며, 이는 물리적특성에 따른 체적변위에 대한 보정이라 보면 될 것이다.
스킨이 표준두께와 밀도일 때 충격력N= 피크전압/시간 X 1
스킨이 표준두께보다 두껍고 낮은 밀도일 때 충격력N= 피크전압/시간 X 0.9
스킨이 표준두께보다 얇고 높은 밀도일 때 충격력N= 피크전압/시간 X 1.1
그러나, 아무리 규격화 해서 제작을 한다 해도 조립 및 제작오차가 발생하게 되므로, 제작 최종단계의 보정으로서, 모든 생산공정을 규격화하여 타격기를 제작하고, 타격기 내에 장착되어진 에어 포켓들을 각각 타격할 수 있는, 임의로 정해놓은 충격량(운동량)으로 테스트 벤치를 제작한 후에 수회의 타격에 따른 평균 값으로서, 가능한 최소에서 최대까지 여러 단계로서 정해놓고 타격하면서 최종 보정을 수행함으로써 보다 정확한 평균 충격력을 측정하는 것이 바람직하다.
평균충격력=최대시그널값/시간x물성보정계수x최종보정계수
이와 같은 최종보정계수를 보정하는 하나의 예를 설명하면 다음과 같다.
앞서 언급한 물성보정은 각 타겟의 에어 포켓에 대한 물성 보정이었다면, 이는 최종 점검 및 보정으로서, 타격기 전체 즉 타격기 본체(바디)를 조립용 철판(도 4의 도면부호 21)에 조립하고 물통(타겟 베이스)을 조립용 철판 위에 올려 놓음으로서 타격기 본체가 고정된 상태가 된다.
조립공차 및 타격기 본체의 밀도에 따른 질량차이와 내부 골격에 해당하는 스프링강의 구조물 설치각도 및 조립상태에 대한 물리적 작용반작용에 대한 공기압력센서의 시그널전압의 피크특성과 응답 속도를 최종 캘리브레이션하는 단계이다.
즉, 조립되는 철판과 물통의 무게가 일정할 때, 타격기 본체의 밀도에 따른 평균 질량(KG)이 7.5KG일 때, 골격에 해당하는 스프링강의 평균상수(spring constant , -常數)가 1이라고 가정하고, 동일한 충격량(운동량)인 1뉴턴의 힘으로 타격 시의 작용 및 반작용력이 달라짐에 대한 에어포켓의 평균변형률을 적용키 위함이다.
이를 공식에 대입하면 아래와 같다
평균충격력N=충격량/시간X물성 보정계수X최종보정계수(본체 질량X스프링상수)
전자하드웨어 스팩 및 점수도출 상세 설명
*공기압력센서 시그널범위 = 500 ~ 4500 mv
공기압력센서 응답속도 = 3Khz
샘플링 속도 = 1Khz
분해능력 = 12bit = 4096단계로 나눌 수 있다.
시그널 사용전압 값이 4500-500= 4000mv가 된다면, 4000mv를 4096단계로 나눈, 즉 1 ~ 4000단계로 점수를 계산할 수 있다.
예를 들어, 시그널 피크 볼테이지가 3000mv라 하고, 샘플링 속도가 1Khz(1000/1초)면, 1ms가 된다고 할 때, 3000mv까지 변위 시간이 3ms인 A라는 사람과 1ms인 B라는 사람의 가상 충격력을 계산하면,
A = 3000/3 = 1000N
B = 3000/1 = 3000N
A와 B 두 사람의 피크전압은 같았지만 속도의 차이만큼 B의 충격력이 큰 것을 알 수 있다.
하지만, 충격량은 속도가 지연된 만큼 A가 크다.
이렇게 가상 충격력 값에 물성보정계수와 최종보정계수를 적용하여 충격력을 얻어 파워 측정을 하고, 이를 점수로 판정한다.
이와 같이, 본 발명의 타겟 타격 시의 파워 측정 장치에 따르면, 무술 훈련 시의 데이터 내지는 측정된 모든 점수와 훈련도 및 성취도 등의 모든 데이터를 무선 통신 시스템인 와이파이 또는 블루투스를 통해 제공받아 편리성을 추구하고, 온라인 상의 서버를 구축하여 관리 또는 분석하는 무도 스포츠 웨어러블 기기로서의 활용가치와 게임으로서의 가능성을 도모할 수 있는 한편, 이는 무도인으로서의 공정한 평가와 더블어 순위와 훈련에 대한 흥미를 얻을 수 있으므로, 우리나라 무술인 태권도의 활성화를 도모할 수 있다.
10 : 타겟
11 : 에어 포켓
12 : 튜브
13 : 압력센서(Air pressure sensor)
14 : A/D 변환기
15 : 컨트롤 모듈
16 : 디스플레이 장치
17 : 수신 모듈
18 : 송신 모듈
19 : 타겟 베이스
20 : 스프링강 재질의 골격
21 : 타격기 조립용 철판

Claims (4)

  1. 타겟(10)의 머리 부분, 어깨 부분, 팔 부분, 복부 부분, 옆구리 부분, 다리 부분에 부착되고 타격을 받았을 때 체적 변화를 일으키는 에어 포켓(11)과, 상기 에어 포켓(11)에서 연장되는 튜브(12) 상에 설치되어 에어 포켓(11)의 체적 변화에 따른 압력 변화를 검출하는 압력센서(13)와, 상기 압력센서(13)에 의해 감지된 공기 압력 변화값의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(14)와, 상기 A/D 변환기(14)로부터 입력되는 공기 압력 변화값에 대한 디지털 신호를 기반으로 타격의 강약에 대한 파워를 연산하여 점수로 판정하는 컨트롤 모듈(15)을 포함하며,
    상기 컨트롤 모듈(15)에서는 압력센서(13)의 시그널 전압이 상승하는 시점부터 상승이 멈추는 꼭지점 까지의 최대 전압인 피크(Peak) 전압을 이때까지 걸린 시간으로 나눈 값인 평균 충격력을 측정하고, 이렇게 측정한 평균 충격력으로 타격의 강약에 대한 점수를 판정하고,
    상기 컨트롤 모듈(15)에서는 평균 충격력 측정 시 에어 포켓의 물성, 장착되는 형태와 위치, 형상 및 크기, 타격 부위의 물리적 변화에 따라서 물성보정계수를 더 곱하여 평균 충격력을 측정하고,
    상기 컨트롤 모듈(15)에서는 타겟(10)의 내부에 장착되는 에어 포켓들을 각각 타격할 수 있는 타겟 테스트 벤치를 제작한 후에 수회의 타격에 따른 충격량-운동량을 측정하여 기 저장해 놓은 데이터 정보로부터의 최종보정계수를 더 곱하여 평균 충격력을 측정하는 것을 특징으로 하는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈(15)은 컨트롤 모듈(15)로부터 판정된 점수 신호를 디스플레이 장치(16)의 수신 모듈(17)에 무선으로 전송하는 송신 모듈(18)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 컨트롤 모듈(15)의 송신 모듈(18)과 디스플레이 장치(16)의 수신 모듈(17) 간의 무선 송수신 방식은 와이파이(Wi-Fi) 또는 블루투스(Bluetooth) 또는 RFID(Radio Frequency Identification) 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타겟(10)으로는 로봇, 무술 훈련기, 전자 타격기, 전자 호구, 수련용 미트나 수련용 쉴드, 샌드백, 차량 충돌테스트용 더미 중 어느 하나가 적용되는 것을 특징으로 하는 타겟 타격 시의 파워 측정 장치.
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