力作用位置检测器及其检测方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种力作用位置检测器及其检测方法。

背景技术

在很多场合中，我们都需要检测力作用在某一曲面上的作用位置，比如在体育对抗中，也需要对选手的击打位置进行检测。目前的运动护具主要体现在优化防震、缓冲性能上对运动员的身体进行防护。无法对运动员的训练数据进行统计，不能很好的统计训练数据进而进行针对性练习，运动员学习提升速度慢，如果训练不得当，运动员容易养成不良习惯，对身体造成严重的伤害，人体不同部位承受击打力度是不同的，如眼部、面部、头部、心脏以及穴位(如太阳穴)等，训练或竞赛中需要精确测得打击位置，以便对效果进行评判。现有的力量型运动护具不能科学有效得出学员的击打着力点，也容易由于错误的击打对运动员的身体造成严重的伤害。

现有的击打着力点检测方法大多采用压力传感器，通过检测压力传感器受压造成的电信号变化来判断击打着力点的大体位置，这种检测方法需要将压力传感器布满所需检测的所有位置，成本较高，且检测精度略低，如专利号CN201820314546.8中公开的一种跆拳道电子护具套装，需要大量压力传感器布满全身进行检测，成本较高，且对着力点的检测精度略低。

专利号CN201810830473.2中公开的一种电子护具，采用圆柱状导电硅胶和下侧对应的断点电路进行打击位置的检测，当导电硅胶接触断点电路时产生电信号来判断着力点位置，这种方式能够达到着力点位置的精确检测，但成本将会大幅度提高，且断点电路也需要布满所有需要检测的位置，规模较大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请提出了一种力作用位置检测器及其检测方法，以便能够精确的检测力的作用位置，且成本较低。

为了实现上述目的，本申请一方面提出了一种力作用位置检测器，包括基体，在所述基体上设有两个弹性导体层，分别记做第一弹性导体层和第二弹性导体层，每个弹性导体层中均包括若干根弹性导体，每个弹性导体层中的任意两根弹性导体之间不相交，所述第一弹性导体层和第二弹性导体层不在同一平面上，当所述第一弹性导体层和第二弹性导体层中的弹性导体叠加在一起时会形成网格状，当不存在力的作用时，所述第一弹性导体层和第二弹性导体层不接触，当存在力的作用时，所述第一弹性导体层中的至少一根弹性导体和第二弹性导体层中的至少一根弹性导体能够接触；所述力作用位置检测器还包括检测系统，所述检测系统包括第一弹性导体选择模块，第二弹性导体选择模块，测量、控制与数据处理模块以及时基与电源模块，所述第一弹性导体层中的所有弹性导体均与所述第一弹性导体选择模块相连接，所述第二弹性导体层中的所有弹性导体均与所述第二弹性导体选择模块相连接，所述第一弹性导体选择模块和第二弹性导体选择模块均与所述测量、控制与数据处理模块相连接，所述时基与电源模块用于为所述检测系统提供时钟信号和电能，所述第一弹性导体选择模块以及第二弹性导体选择模块作为输出口时能够使选中的弹性导体带有高电平；作为输入口时能够检测选中的弹性导体上的电压信号并传输给测量、控制与数据处理模块；所述测量、控制与数据处理模块用于预先对两个弹性导体层中的每根弹性导体进行编号、还用于采集所述第一弹性导体选择模块以及第二弹性导体选择模块传输回来的各弹性导体的电平值，将高电平信号的弹性导体的编号进行处理得到着力点的范围。

在一些实施例中，所述弹性导体采用导电橡胶。

在一些实施例中，当存在力的作用时，所述第一弹性导体层中的至少一根弹性导体和第二弹性导体层中的至少一根弹性导体能够接触，将能够形成接触的部位记做检测节点；在所述第一弹性导体层和第二弹性导体层之间设有绝缘层，在所述绝缘层上设有若干个通孔，各个通孔与各个检测节点一一对应，使得当有力的作用时，所述第一弹性导体层中的至少一根弹性导体和第二弹性导体层中的至少一根弹性导体能够通过通孔接触。

在一些实施例中，所述力作用位置检测器还包括无线通讯与传输模块，所述无线通讯与传输模块与所述测量、控制与数据处理模块相连接，用于将所述测量、控制与数据处理模块处理得到的着力点位置信息通过有线或无线的方式传输出去。

在一些实施例中，所述力作用位置检测器还包括显示与记录模块，所述显示与记录模块与所述无线通讯与传输模块相连接，所述显示与记录模块用于将接收到的着力点位置信息进行显示。

本申请的另一方面提出了一种基于上述力作用位置检测器的力作用位置检测方法，包括以下步骤：

步骤1、预先对两个弹性导体层中的每根弹性导体进行编号；

步骤2、将第一弹性导体层/第二弹性导体层中的至少一根弹性导体置为高电平；

步骤3、检测第二弹性导体层/第一弹性导体层中所有弹性导体的电平信号，若存在电平信号为高电平的弹性导体，则记录该弹性导体的编号；

步骤4、重复步骤2-3，直至将第一弹性导体层/第二弹性导体层中的全部弹性导体置为高电平一次，记录第二弹性导体层/第一弹性导体层中相应的电平信号为高电平的弹性导体的编号；

步骤5、将第二弹性导体层/第一弹性导体层中的至少一根弹性导体置为高电平；

步骤6、检测第一弹性导体层/第二弹性导体层中所有弹性导体的电平信号，若存在电平信号为高电平的弹性导体，则记录该弹性导体的编号；

步骤7、重复步骤5-6，直至将第二弹性导体层/第一弹性导体层中的全部弹性导体置为高电平一次，记录第一弹性导体层/第二弹性导体层中相应的电平信号为高电平的弹性导体的编号；

步骤8、将记录的弹性导体的编号进行处理，计算出着力点的范围：将记录的第一弹性导体层中的各个弹性导体的编号与记录的第二弹性导体层中的各个弹性导体的编号形成对应个数的交叉点，最外围的交叉点所围成的区域即为着力点的范围。

在一些实施例中，在所述步骤2中，将第一弹性导体层/第二弹性导体层中的一根弹性导体置为高电平。

在一些实施例中，在所述步骤5中，将第二弹性导体层/第一弹性导体层中的一根弹性导体置为高电平。

在一些实施例中，还设有步骤9、将得到的着力点位置信息进行显示。

本申请的该方案的有益效果在于上述力作用位置检测器及其检测方法能够降低制作成本，提高力作用位置的检测精度且缩小电路规模，并且所述力作用位置检测器具有柔软性和一定的伸展性，能够应用于体育对抗中选手的运动护具上，使选手在击打对方时，能够对击打位置进行精准检测。

附图说明

图1示出了实施例中力作用位置检测器的局部结构示意图。

图2示出了实施例中从两个不同方向来观察第一弹性导体层和第二弹性导体层的排布方式示意图，其中(a)是从一个方向观察；(b)是从另一个方向观察。

图3(a)示出了实施例中不存在击打力时，第一弹性导体层、第二弹性导体层和绝缘层之间的位置关系示意图；图3(b)示出了实施例中存在击打力时，第一弹性导体层、第二弹性导体层和绝缘层之间的位置关系示意图。

图4(a)和(b)示出了实施例中第一弹性导体层和第二弹性导体层中的各弹性导体的排布方式示意图。

图5示出了实施例中力作用位置检测器的检测原理示意图。

附图标记：A-第一弹性导体层，B-第二弹性导体层，C-绝缘层，D-通孔，M-基体，1-第一弹性导体选择模块，2-第二弹性导体选择模块，3-测量、控制与数据处理模块，4-无线通讯与传输模块，5-显示与记录模块，6-时基与电源模块。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式作进一步的说明。

如图1-5所示，本申请所涉及的力作用位置检测器包括基体M，在本实施例中，所述基体M可以采用发泡海绵，绝缘硅胶等，在所述基体M上设有两个弹性导体层，分别记做第一弹性导体层A和第二弹性导体层B，每个弹性导体层中均包括若干根弹性导体，所述弹性导体可以采用导电橡胶或者金属弹簧等；每个弹性导体层中的任意两根弹性导体之间不相交，所述第一弹性导体层A和第二弹性导体层B不在同一平面上，当所述第一弹性导体层A和第二弹性导体层B中的弹性导体叠加在一起时会形成网格状，具体的所述第一弹性导体层A和第二弹性导体层B中的各弹性导体的排布方式可采用如图1或4所示的方式，但不局限于此；当不存在力的作用时，所述第一弹性导体层A和第二弹性导体层B不接触，当存在力的作用时，所述第一弹性导体层A中的至少一根弹性导体和第二弹性导体层B中的至少一根弹性导体能够接触，如图3所示，将能够形成接触的部位记做检测节点。

具体的，在本实施例中，当不存在力的作用时，所述第一弹性导体层A和第二弹性导体层B不接触可以通过以下方式实现：在所述第一弹性导体层A和第二弹性导体层B之间设有绝缘层C，在所述绝缘层C上设有若干个通孔D，各个通孔D与各个检测节点一一对应，使得当有力的作用时，所述第一弹性导体层A中的至少一根弹性导体和第二弹性导体层B中的至少一根弹性导体能够通过通孔D接触。

在具体的设计过程中，所述绝缘层C的设计可以适当改变，只要能隔离所述第一弹性导体层A和第二弹性导体层B，且在受压时能在检测节点处镂空，使对应的弹性导体能够接触即可。

所述力作用位置检测器还包括检测系统，所述检测系统包括第一弹性导体选择模块1，第二弹性导体选择模块2，测量、控制与数据处理模块3以及时基与电源模块6，所述第一弹性导体选择模块1，第二弹性导体选择模块2，测量、控制与数据处理模块3以及时基与电源模块6可以设置在所述基体M上，所述第一弹性导体层A中的所有弹性导体均与所述第一弹性导体选择模块1相连接，所述第二弹性导体层B中的所有弹性导体均与所述第二弹性导体选择模块2相连接，在本实施例中，所述第一弹性导体选择模块1和第二弹性导体选择模块2可采用74154译码器，MCP23017或MCP23S17带有串行接口的16位IO扩展器等；所述第一弹性导体选择模块1和第二弹性导体选择模块2均与所述测量、控制与数据处理模块3相连接，在本实施例中，所述测量、控制与数据处理模块3可采用STM32ZET6单片机或者ARM7等；所述时基与电源模块6用于为所述检测系统提供时钟信号和电能，可以实现击打位置的时间戳，也可以给多系统工作时提供时间基准。所述第一弹性导体选择模块1以及第二弹性导体选择模块2作为输出口时能够使选中的弹性导体带有高电平；作为输入口时能够检测选中的弹性导体上的电压信号并传输给测量、控制与数据处理模块3。所述测量、控制与数据处理模块3用于预先对两个弹性导体层中的每根弹性导体进行编号，例如第一弹性导体层A中的各弹性导体的编号依次为i1、i2……in，第二弹性导体层B中的各弹性导体的编号依次为j1、j2……jn；所述测量、控制与数据处理模块3还用于采集所述第一弹性导体选择模块1以及第二弹性导体选择模块2传输回来的各弹性导体的电平值，根据采集到的信息，将高电平信号的弹性导体的编号进行存储与处理，以得到着力点的范围。例如：i7-i9的电平信号为高电平，j2-j10的电平信号为高电平，则着力点范围在i7与j2和j10的交点以及i9与j2和j10的交点所围成的区域，也就是(7，2)(7，10)(9，2)(9，10)四点所围成的区域即为着力点的范围。

在本实施例中，所述力作用位置检测器还可以包括无线通讯与传输模块4，所述无线通讯与传输模块4与所述测量、控制与数据处理模块3相连接，用于将所述测量、控制与数据处理模块3处理得到的着力点位置信息通过有线或无线的方式传输出去。具体的所述无线通讯与传输模块4可以采用蓝牙模块(例如型号为NRF52810等的蓝牙模块)或者WIFI模块(例如型号为ESP8266等的WIFI模块)等无线通讯的方式；也可以采用总线技术如：i

在本实施例中，所述力作用位置检测器还可以包括显示与记录模块5，所述显示与记录模块5与所述无线通讯与传输模块4相连接，所述显示与记录模块5用于将接收到的着力点位置信息进行显示，便于观察。具体的所述显示与记录模块5可以采用LCD1602A，LCD12864，LED或电脑上位机软件等。

本申请所涉及的力作用位置检测方法包括以下步骤：

步骤1、预先对两个弹性导体层中的每根弹性导体进行编号。

步骤2、将第一弹性导体层A/第二弹性导体层B中的至少一根弹性导体置为高电平。在此优选的是将第一弹性导体层A/第二弹性导体层B中的一根弹性导体置为高电平，以便提高检测精度。

步骤3、检测第二弹性导体层B/第一弹性导体层A中所有弹性导体的电平信号，若存在电平信号为高电平的弹性导体，则记录该弹性导体的编号。这说明当存在力的作用时，该电平信号为高电平的弹性导体与步骤2中的弹性导体形成接触。

步骤4、重复步骤2-3，直至将第一弹性导体层A/第二弹性导体层B中的全部弹性导体置为高电平一次，记录第二弹性导体层B/第一弹性导体层A中相应的电平信号为高电平的弹性导体的编号。

步骤5、将第二弹性导体层B/第一弹性导体层A中的至少一根弹性导体置为高电平。在此优选的是将第二弹性导体层B/第一弹性导体层A中的一根弹性导体置为高电平，以便提高检测精度。

步骤6、检测第一弹性导体层A/第二弹性导体层B中所有弹性导体的电平信号，若存在电平信号为高电平的弹性导体，则记录该弹性导体的编号。这说明当存在力的作用时，该电平信号为高电平的弹性导体与步骤5中的弹性导体形成接触。

步骤7、重复步骤5-6，直至将第二弹性导体层B/第一弹性导体层A中的全部弹性导体置为高电平一次，记录第一弹性导体层A/第二弹性导体层B中相应的电平信号为高电平的弹性导体的编号。

步骤8、将记录的弹性导体的编号进行处理，计算出着力点的范围：将记录的第一弹性导体层A中的各个弹性导体的编号与记录的第二弹性导体层B中的各个弹性导体的编号形成对应个数的交叉点，最外围的交叉点所围成的区域即为着力点的范围。

上述力作用位置检测方法还可以设有步骤9、将得到的着力点位置信息进行显示。

上述检测方法按照时序控制弹性导体的接通，每遍历每根弹性导体为一个循环，一个循环结束后再进行下一次循环。

本申请所涉及的力作用位置检测器及其检测方法通过简单的具有弹性的可以导电的弹性导体分布在基体上进行线扫描来检测着力点位置，缩小了硬件电路的规模，同时用弹性导体替代传感器能够降低制作成本，所述弹性导体将基体划分成一个个小的区域，通过调整两根弹性导体之间的间隔可以改变检测节点的数量，进而改变着力点位置检测的精度，以满足不同用途的检测精度需求。