专利名称：拳击综合训练系统的制作方法
技术领域：
拳击综合训练系统技术领域拳击综合训练系统是为提高拳击运动员实战能力而设计的设备。该系统 的耐力训练、速度训练和方案训练可以训练耐力、出拳速度、反应、移动等 各项实战击打技术。该系统也可应用于健身、娱乐等，属于体育电子领域。
技术背景随着我国综合国力的提高，拳击事业飞速发展。然而我国拳击训练的方 法基本上采用传统的训练模式。击打训练主要使用手靶、沙袋等设备，这些 设备都不能采集和分析训练时的出拳力量、出拳速度、击打位置等参数。训 练纪录数据没有真正电子化、系统化。教练不能通过具体的训练数据进行纵 向和横向的比较，只能凭经验提供一些指导，不利于训练与实战的互相参照。 实用新型内容本实用新型的目的是提供一套拳击综合训练系统，使训练纪录数据真正 电子化、系统化，使拳击运动员能够了解自己的优缺点。为实现上述目的，本实用新型采取如下技术方案。拳击综合训练系统由上位机1和下位机2组成。上位机1是一台通用计算机，上位机1上的软件 管理拳击运动员资料、编辑基本训练方案、与下位机通信和处理方案训练结 果等。下位机2由机械部分和电路部分组成。机械部分是一个人形的气囊18。 电路部分由七大部分构成，即中央处理器3、击打点部分4、人机交互部分5、数据存储器6、压力传感器7、通信模块8、 HAG部分9。其中击打点部分4 包括击打键10、提示灯11、击打键锁存电路12和提示灯驱动电路13。人机 交互部分5包括液晶14、打印机15、音频控制电路16和键盘17。中央处理器3有多个输出输入端，分别与通信模块8、数据存储器6、人 机交互部分5、提示灯驱动电路13、击打键锁存电路12、压力传感器7、 JTAG 部分9的输入输出端连接；中央处理器3还通过通信模块8与上位机1的输 入输出端连接，通过提示灯驱动电路13与提示灯11的输入端连接，通过击 打键锁存电路12与击打键10的输入端连接，通过压力传感器7与气囊18的 输出端连接；中央处理器3与人机交互部分5中的打印机15、音频控制电路 16的输入端连接。训练前，由人机交互部分5通知中央处理器3通过通信模块8从上位机1 下载拳击运动员信息和基本训练方案，并存储到数据存储器6中。之后，中 央处理器3依靠人机交互部分5设置拳击运动员的训练方式，并将训练方式 存储到数据存储器6中。训练时，中央处理器3按照设置好的训练方式通过 提示灯驱动电路13控制提示灯11的亮与灭，提示拳击运动员进行击打训练。 在提示灯11亮的时间内，中央处理器3不仅通过击打键锁存电路12获得击 打键10的状态判断击中的位置、反应时间，还通过压力传感器7获得气囊18 压力的变化算出拳重的大小。训练结束后，中央处理器3把击中位置、反应 时间和拳重大小存储到数据存储器6中；打印机15会自动打印耐力训练和速 度训练的训练结果。人机交互部分5可以察看、打印训练结果，也可将训练结果通过通信模块8上传给上位机1作进一步的处理。在训练的整个过程中，音频控制电路16会发出各类提示音提示训练的过程和结果。JTAG部分9用 于中央处理器3中的代码调试和下载。所述的中央处理器3选择LPC2214，它有144个管腿、两个32位定时计 数器、 一个实时时钟、两个标准的UART、数据地址线、 一个8路10位的ADC 转换器等片内外设。本系统能够测量拳重的大小，设计的训练方法分为耐力训练、速度训练 和方案训练三种。拳击综合训练系统能够采集拳击运动员击打气囊的各种信息，包括击打 的位置、气囊压力的变化、击打键被击打中的时间等。可以算出出拳的力量、 出拳的速度等参数。人机交互部分可以方便教练的指导和对训练情况的了解。 该系统中训练结果的显示对于拳击运动员了解自己的优缺点，树立自己的信 心和制定新的目标都有很大的作用。
附图l:拳击综合训练系统原理框图。 附图2:击打点部分电路原理图。 附图3:通信模块电路原理图。附图4:人机交互部分中液晶、键盘、音频控制电路的电路原理图。 附图5:数据存储器电路原理图。 附图6: JTAG部分电路原理图。附图7:电源部分的电路原理图。 附图8:耐力训练流程图。 附图9:速度训练流程图。 附图10:方案训练流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本系统进一步说明。附图1是拳击综合训练系统原理框图。参照附图1，拳击综合训练系统由 上位机1和下位机2组成。上位机1是一台通用计算机，下位机2由机械部 分和电路部分组成。机械部分是一个人形的气囊18。电路部分由七大部分构 成，即中央处理器3、击打点部分4、人机交互部分5、数据存储器6、压力 传感器7、通信模块8、 JTAG部分9。其中击打点部分4包括击打键10、提 示灯11、击打键锁存电路12和提示灯驱动电路13。人机交互部分5包括液 晶14、打印机15、音频控制电路16和键盘17。训练前，由人机交互部分5通知中央处理器3通过通信模块8从上位机1 下载拳击运动员信息和基本训练方案，并存储到数据存储器6中。之后，中 央处理器3依靠人机交互部分5设置拳击运动员的训练方式，并将训练方式 存储到数据存储器6中。训练时，中央处理器3按照设置好的训练方式通过 提示灯驱动电路13控制提示灯11的亮与灭，提示拳击运动员进行击打训练。 在提示灯11亮的时间内，中央处理器3不仅通过击打键锁存电路12获得击 打键10的状态判断击中的位置、反应时间，还通过压力传感器7获得气囊18压力的变化算出拳重的大小。训练结束后，中央处理器3把击中位置、反应时间和拳重大小存储到数据存储器6中；打印机15会自动打印耐力训练和速 度训练的训练结果。人机交互部分5可以察看、打印训练结果，也可将训练 结果通过通信模块8上传给上位机1作进一步的处理。在训练的整个过程中， 音频控制电路16会发出各类提示音提示训练的过程和结果。JTAG部分9用 于中央处理器3中的代码调试和下载。中央处理器3选择LPC2214，它有144个管腿、两个32位定时计数器、 一个实时时钟、两个标准的UART、数据地址线、 一个8路10位的ADC转 换器等片内外设。附图2是击打点部分4的电路原理图。击打点部分4由击打键IO、提示 灯ll、击打键锁存电路12和提示灯驱动电路13构成。通过提示灯驱动电路 13控制提示灯11的亮与灭，提示有效击打位置。击打键锁存电路12用于锁 存击打键10的状态。气囊18上分别粘贴了十个提示灯11和击打键10。附图 2中的两个座JP7、 JP8它们用于连接贴在气囊18上面的提示灯11和击打键 10。上拉电阻R57-R66是为保证提示灯11正常工作的限流电阻。两颗驱动芯 片ULN2003 (U18、 U19)可以提供每一个提示灯11需要的220mA左右的电 流。两颗芯片ULN2003 (U18、 U19)与芯片LPC2214的十个管腿P0.2-P0.7、 P0.10-P0.13相连。这十个管腿P0.2-P0.7、 P0.10-P0.13任一个置为高的时候提 示灯11亮，置为低的时候提示灯11灭。击打键驱动电路12由五颗芯片CD4093 (U5、 U6、 U7、 U8、 U9)、 一颗芯片75452 (U20)组成。五颗芯片CD4093(U5、 U6、 U7、 U8、 U9)和电阻连接构成RS触发器。两个座JP7、 JP8分 别连接五颗芯片CD4093 (U5、 U6、 U7、 U8、 U9)的6腿和13腿，用来锁 存十个击打键10的状态。芯片LPC2214的管腿P0.15-P0.24分别与五颗芯片 CD4093 (U5、 U6、 U7、 U8、 U9)的3腿和7腿相连，用于扫描10个击打 键10的状态。扫描到芯片CD4093的3、 7腿为高的时候表示此处未被拳击运 动员击打中，为低的时候表示拳击运动员击打中此位置。芯片75452 (U20) 是一个与非门，它的两个管腿(1、 2腿)与芯片LPC2214的一个管腿P0.25 连接，它的第三腿分别与五颗芯片CD4093的1腿连接。芯片LPC2214的管 腿P0.25为低的时候击打键IO都有效，为高的时候击打键10的状态全部清为 高，击打键10的状态无效。这样可以提示、确定拳击运动员的击打位置并且 清除上一次击打的状态。附图3是通信模块8电路原理图。通信模块8的作用是与上位机1进行 数据交互。交互的数据包括拳击运动员的基本信息、训练的基本方案、训练 的结果等信息。电平转化芯片SP3232E (U21)与芯片LPC2214的两个UART 连接，即芯片LPC2214的管腿(PO.O-PO.l、 P0.8-P0.9)和芯片SP3232E的11、 12、 10、 9腿相连。其中一个UART (PO.O、 PO.O用于与上位机1通信。另 一个UART (P0.8、 P0.9)用于控制人机交互部分5中的打印机15。接口座 Jl是用于通信的接口。使用有线通信的时候，接口座J1用于连接数据线；使 用无线通信的时候接口座Jl用于连接无线发射模块。座JP6连接人机交互部 分5中的打印机15。附图4是人机交互部分5中的液晶14、键盘17、音频控制电路16电路 原理图。接口座JP3连接外壳上面的键盘17，接口座JP9连接外壳上面的液 晶14。芯片555 (U16)用于驱动喇叭(U17)出声各类提示音。芯片LPC2214 的管腿？3.29连接芯片555 (U16)的4腿，芯片LPC2214的管腿P3.29为高 的时候喇叭响。喇叭响的时间与管腿P3.29置高的时间长短有关。芯片CH452S (U15)的管腿(DIG0、 DIG1、 SEG0-SEG7)与接口座JP3连接管理外壳上 面的16个控制按键。芯片LPC2214的管腿P0.30、P1.17-P1.19与芯片CH452S (U15)的管腿DOUT、 LOAD、 DIN、 DLCK连接，芯片LPC2214可以在中 断程序中读出16个控制按键的状态。芯片LPC2214的管腿P0.28、 P0.29通 过接口座JP9与液晶14连接，用串行通信的方式将需要显示的数据显示出来。附图5是数据存储器6电路原理图。两颗芯片HY628400A (Ul、 U2)与 芯片LPC2214的地址线和数据线Al-A19、 D0-D15连接构成数据存储器6。 使用芯片DS1210S (U3)来管理数据存储器6的电源，防止电源关闭时数据 存储器6中的数据丢失。附图6是JTAG部分9电路原理图。芯片LPC2214的管腿P1.26-P1.31、 RESET通过接口座Pl与U-link连接用于调试下载程序到芯片LPC2214中。 外部复位按键通过芯片MAX811 (U14)来复位芯片LPC2214。图7是电源部分的电路原理图。系统的电源很关键，电源接口座JP1连 接外部12V和5V的电源。外部电源能够提供4A (5V)左右的电流。芯片 SPX1117M3-3.3(U4)为芯片LPC2214提供3.3V的电源，芯片SPX1117M3-1.8(U10)为芯片LPC2214提供1.8V的电源。接口座JP2用于连接压力传感器 7，给压力传感器7提供电源并获得气囊18压力的变化。压力传感器7输出的电压波形有很多的毛刺，依靠高速ADC转换器来解 决这些干扰。本系统设计能够识别的精度是一秒内使用规范的拳法击打气囊4 拳，即每出一拳的时间大于250ms。因此要获得击打时电压变化的最大值， 用150 250ms的时间采集每一拳形成的波形即可。本系统设定采集的时间为 200ms。设置ADC转换时间为5.5us，此时间远远小于200ms。 100次ADC 转换的总时间在600us左右，此值也远远小于200ms。因为击打时电压变化的 波形比较缓慢，使用平均的方法既可以有效减少干扰也能够采集到电压变化 的最大值。每次把获得的100个电压值视为一个采集点，即把100个电压值 的平均值作为一个采集点。200ms时间内可以采集到330个左右的平均值。 最后把这些均值排序就可以获得电压的最大值。有效解决了干扰信号对采集 数据的影响。解决了信号干扰的问题，就能获得可靠的电压变化波形，依此算出拳重。 在测量拳击运动员拳重前，需要获得电压对力转换系数。即基准电压为K。，时 的电压对力转换系数、。之后，通过ADC转换器采集到拳击运动员击打气 囊18时电压的最大值「，，利用公式F"^ = t(^ax - 「o')就可以算出击中气 囊18时的拳重。采用以下的方式获得不同基准电压下电压对力的转换系数。一个质量附千克的球悬挂在一个支架上，绳的长度为A米。将球拉至水 平后放手，球自由落体后，击打中固定在支架正下方气囊18身上的提示灯11。当击打键10闭合时，开始采集电压变化的整个包络。设定r是采集整个包络的总时间，《是采集到一个电压值F,的时间，V是击中气囊18时球的速度， F(/)是拳重，W是采集到的电压值的个数。依据能量守恒定律有...........................公式(1)依据动量定律有以下公式m V = J": F 公式(2)将公式尸(0 = ^)]代入公式(2)就有<formula>formula see original document page 11</formula> ........................公式(3)公式(1)代入公式(3)，离散化后的公式是 最后化简得出电压对力的转换系数公式如下<formula>formula see original document page 11</formula> ........................公式")依据公式(4)只要获得基准电压r。、采集的总时间r 、所有采集到的电压的和，以及采集到的电压的个数w就可以算出电压对力的转换系数A。 其中《可以由^获得。在做铁球击打实验获取w直时，因为气囊18充气时很难操作，不可能准确获得1000mV至3000mV内2000个基准电压，也就 不可能获得与之对应的2000个电压对力的转换系数。由于基准电压与电压对 力转换系数不是线性关系，所以测量少量的基准电压和对应的系数不能反映 其他基准电压下对应的系数。考虑既满足实验条件又能将曲线线性化的方式来解决这个问题。根据击打时手的舒适度，基准电压的范围为750mV至2500mV。基准电压的变化以 50mV为单位，如第一个基准电压为2500mV，第二个基准电压就为2450mV。 测量完这些基准电压下的转化系数后，那么相邻基准电压间的电压与转换系 数的曲线可以被视为直线，即将基准电压与电压对力转换系数曲线线性化。 这样就可以获得任意基准电压下的转换系数。计算方法如下设定己经获得基准电压r。，、 。的电压对力转化系数^、 A:^，那么<formula>formula see original document page 12</formula>对介于K,、 间的基准电压为r。，的电压对力转化系数夂可用下面的公式算出 H<formula>formula see original document page 12</formula> 公式(5)利用公式(5)获得750mV 2500mV范围内任意基准电压对应的电压对力的转换系数、。下面一个关键的问题就是获取击打气囊18时电压的最大值、ax。当拳击运动员击打中有效位置时，定时计数器定时200ms，开启ADC转换器采集100个电压值，求这100个值的均值。对这200ms内的所有均值进行排序，同时保留最大20个值。最后求这20个均值的均值就是需要的最大的电压值「max。按照公式i^ =^『_-^)算出击打中气囊18时的拳重。训练方法分为三大类，
以下结合附图分别说明这三种训练方法。附图8是耐力训练流程图。耐力训练是训练拳击运动员长时间击打的体能，即在规定训练时间和拳重阈值的条件下尽可能多击打。训练的结果数据是有效拳数和有效拳重。有效拳数是指总有效拳数；有效拳重是指所有有效 拳的拳重之和。其中有效拳是指拳击运动员击打中点亮的提示灯11并且拳重 超过拳重阈值的拳。具体算法如下第一步，音频控制电路16发出耐力训练开始提示音，液晶14显示拳击 运动员信息，点亮所有的提示灯ll，开启定时计数器定时耐力训练的总时间。 进入第二步。第二步，判断训练时间是否结束。如果没有结束，所有击打键10有效， 进入第三步，否则进入第六步。第三步，扫描击打键10的状态，如果有击打键10闭合，进入第四步，否则回到第二步。第四步，ADC转换器采集压力传感器7输出的电压值，获取电压变化的 最大值，算出拳重，进入第五步。第五步，判断拳重大小是否超过拳重阈值。如果超过拳重阈值，存储该 拳重，有效拳数加一，音频控制电路16发出有效拳提示音，回到第二步。否 则直接回到第二步。第六步，计算有效拳数和有效拳重，存储训练结果数据，进入第七步。第七步，熄灭所有提示灯11，音频控制电路16发出耐力训练结束提示音， 液晶14显示耐力训练结束，打印训练结果，退出耐力训练。附图9是速度训练流程图。速度训练是训练拳击运动员快速有力出拳的 击打能力，即在规定较短的时间和拳重阈值的条件下拳击运动员尽可能又快又有力的击打。训练的结果数据是出拳速度和平均拳重。出拳速度指平均每 一有效拳所花的时间，即训练时间除以有效拳数。平均拳重指平均每一有效 拳的出拳力量，即有效拳重除以有效拳数。具体算法如下-第一步，音频控制电路16发出速度训练开始提示音，液晶14显示拳击 运动员信息，点亮所有的提示灯ll，开启定时计数器定时速度训练的总时间。 进入第二步。第二步，判断训练时间是否结束。如果没有结束，所有击打键io有效，进入第三步，否则进入第六步。第三步，扫描击打键10的状态，如果有击打键10闭合，进入第四步，否则回到第二步。第四步，ADC转换器采集压力传感器7输出的电压值，获取电压变化的 最大值，算出拳重，进入第五步。第五步，判断拳重大小是否超过拳重阈值。如果超过拳重阈值，存储该 拳重，有效拳数加一，音频控制电路16发出有效拳提示音，回到第二步。否 则直接返回第二步。第六步，计算出拳速度和平均拳重，存储训练结果数据，进入第七步。第七步，熄灭所有提示灯11，音频控制电路16发出速度训练结束提示音， 液晶14显示速度训练结束，打印训练结果，退出速度训练。附图10是方案训练流程图。方案训练是训练拳击运动员的实战击打能力， 采用每次只有一个有效击打位置的训练方式。由提示灯ll亮的位置、提示灯11亮的持续时间、拳重阈值和提示灯11亮的位置的变化时间四个参数来控制。 通过提示灯11亮来模拟目前此处是对方的弱点；灯亮的持续时间是模拟此处 可以击打的有效时间；拳重阈值是模拟对手能够承受的抗击打能力；位置变 化是模拟前一个可以击打的机会已经失去，出现了新的可以击打的机会，要 求拳击运动员快速反应并有力的击打中提示灯11亮的位置。教练操作机械手 配合方案训练出拳，模拟实际的对抗比赛，以此来达到训练拳击运动员实战 击打能力的目的。训练结果数据是击打位置、反应时间和拳重。方案训练中 满足提示灯11亮的持续时间内击中提示灯11亮的位置和拳重大于拳重阈值 两个条件的拳才叫有效拳。具体算法如下第一步，音频控制电路16发出开始方案训练提示音；液晶14显示某名 拳击运动员正进行方案训练；读取方案训练中的基本训练方案号和重复次数 等信息；存储该拳击运动员的编号、基本训练方案号和重复次数信息，作为 方案训练结果的数据头。进入第二步。第二步，判断方案训练是否结束，即判断所有的基本训练方案是否运行 完毕。如果方案训练没有结束，读取基本方案训练号，进入第三步，否则进 入第十八步。第三步，判断正在运行的基本训练方案的重复次数是否运行完毕。如果 重复次数运行完毕，回到第二步。否则进入第四步。第四步，判断正在运行的基本训练方案中的数据是否读取完毕。如果读 取完毕，回到第三步。否则进入第五步。第五步，读取正在运行的基本训练方案中的有效击打位置、提示灯ll亮 的持续时间和有效击打位置的变化时间三个数据，进入第六步。第六步，清除击打键10的状态并且使击打键10都有效；点亮有效击打 位置的提示灯ll;开启定时计数器定时灯亮的持续时间，进入第七步。第七步，判断灯亮的持续时间是否结束。如果没有结束，进入第八步。 否则进入第十步。第八步，ADC转换器采集压力传感器7输出的电压值；扫描击打键10 的状态并且存储闭合的击打键10的位置。进入第九步。第九步，判断击打键10闭合的位置是否为提示灯11亮的位置。如果是 提示灯ll亮的位置，关闭定时计数器，读取反应时间，置位击中有效位置标 志，进入第十步。否则回到第七步。第十步，灭掉提示灯ll;判断是否击中有效位置。如果击中了有效位置，采集电压变化的最大值，进入第十一步。否则依靠第八步的数据算出拳重， 进入第十四步。第十一步，判断是否该退出采集压力传感器7的输出电压。如果不退出， 进入第十二步。否则算出拳重，进入第十三步。第十二步，ADC转换器采集压力传感器7输出的电压值，回到第十一步。第十三步，判断该拳是否为有效拳。如果是有效拳，音频控制电路16发 出有效拳提示音，进入第十四步。否则直接进入第十四步。第十四步，开启定时计数器定时有效击打位置的变化时间。进入第十五步。第十五步，判断有效击打位置的变化时间是否结束。如果结束，回到第 四步。否则进入第十六步。第十六步，判断该击打位置训练的训练结果是否存储。如果存储，回到 第十五步，否则进入第十七步。第十七步，存储训练结果击中位置、反应时间和拳重。回到第十五步。第十八步，存储训练结果的数据尾；音频控制电路16发出方案训练结束 提示音.，液晶14显示方案训练结束。退出方案训练。
权利要求1. 拳击综合训练系统，其特征在于拳击综合训练系统由上位机(1)和下位机(2)组成；上位机(1)是一台通用计算机；下位机(2)由机械部分和电路部分组成；所述的机械部分是一个人形的气囊(18)；所述的电路部分由七大部分构成，即中央处理器(3)、击打点部分(4)、人机交互部分(5)、数据存储器(6)、压力传感器(7)、通信模块(8)、JTAG部分(9)；其中击打点部分(4)包括击打键(10)、提示灯(11)、击打键锁存电路(12)和提示灯驱动电路(13)；人机交互部分(5)包括液晶(14)、打印机(15)、音频控制电路(16)和键盘(17)；中央处理器(3)有多个输出输入端，分别与通信模块(8)、数据存储器(6)、人机交互部分(5)、提示灯驱动电路(13)、击打键锁存电路(12)、压力传感器(7)、JTAG部分(9)的输入输出端连接；中央处理器(3)还通过通信模块(8)与上位机(1)的输入输出端连接，通过提示灯驱动电路(13)与提示灯(11)的输入端连接，通过击打键锁存电路(12)与击打键(10)的输入端连接，通过压力传感器(7)与气囊(18)的输出端连接；中央处理器(3)与人机交互部分(5)中的打印机(15)、音频控制电路(16)的输入端连接。
2、 根据权利要求1所述的拳击综合训练系统，其特征在于所述的中央处理 器采用的是ARM7TDMI-S核处理器LPC2214，有144个管腿、两个32位定 时计数器、 一个实时时钟、两个标准的UART、数据地址线、 一个8路10位 的ADC转换器。
专利摘要本实用新型涉及一种拳击综合训练系统，属于体育电子领域。由上位机(1)和下位机(2)组成；下位机由机械部分和电路部分组成；包括人形的气囊(18)、中央处理器(3)、击打点部分(4)、人机交互部分(5)、数据存储器(6)、压力传感器(7)、通信模块(8)、JTAG部分(9)。击打点部分包括击打键(10)、提示灯(11)、击打键锁存电路(12)和提示灯驱动电路(13)；人机交互部分包括液晶(14)、打印机(15)、音频控制电路(16)和键盘(17)；本实用新型解决了目前教练不能通过具体的训练数据进行纵向和横向的比较，不利于训练与实战的互相参照的缺陷，使拳击运动员能够了解自己的优缺点。
文档编号A63B69/34GK201088819SQ20072014965
公开日2008年7月23日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者何江波, 张子明, 施远征 申请人:北京工业大学