一种可检测前进和旋转速度的轮椅冰壶推杆的制作方法

本发明属于体育运动专用装置技术领域，涉及一种可以检测冰壶脱杆时前进速度和旋转角速度的轮椅冰壶推杆。

背景技术：

轮椅冰壶是一项重要的残疾人冬季运动会的集体竞赛项目，轮椅冰壶与普通冰壶的差别主要有两个方面：第一个差别是投壶运动员坐在轮椅上使用推杆投壶；第二个差别是不允许扫冰。轮椅冰壶推杆长度可根据运动员投壶习惯自行调节，但最长不能超过2.45m，直径约3cm。推杆前端设有用于连接冰壶手柄的卡口套，推杆后端设有用于投壶运动员抓握的手柄，卡口套与用于连接推杆前端的手柄杆通过单轴铰链连接。卡口套比较短，其长度小于冰壶手柄的长度。理想情况下，推杆铰链轴通过冰壶的几何中心。

普通冰壶在投掷出手后，两名冰壶队员可以在冰壶运动轨迹前根据冰壶运行状况进行适当的刷冰，从而改变冰壶前方冰面的表面形貌，减小冰面的摩擦系数，进而增加冰壶的运动时间，增大冰壶的运动距离，此外，实验表明，适当的刷冰可以有效减小冰壶运动轨迹的偏转距离，因此可以看出，刷冰对冰壶的运动距离以及冰壶的运动轨迹都具有重要的影响。总之，冰壶运动中，队员用冰刷刷地起辅助作用，使冰壶按照预期轨迹移动，修正冰壶运动轨迹。

投壶时，首先投壶运动员固定好轮椅，用手握住推杆手柄，用卡口套套住冰壶手柄。根据位于大本营一侧的主力队员指示确定投壶线路，然后抓握推杆手柄一侧的手臂的肩肘腕关节协调运动向前推杆，使套在卡口套上的冰壶按预定线路运动一段距离进行加速。在投掷线之前达到预期前进速度后使冰壶与卡口套脱离，完成一次投壶动作。如果战术需要投弧线球，则在向前推杆的同时手臂旋转进行旋杆，使冰壶在脱杆时既有向前速度又有旋转角速度。逆时针旋杆时，冰壶获得逆时针旋转的角速度，冰壶运动轨迹弧线向左旋进。顺时针旋杆时，冰壶获得顺时针旋转的角速度，冰壶运动轨迹弧线向右旋进，，进而实现预定投壶路线，达到理想投壶效果。

传统冰壶通过扫冰在一定程度上修正投壶时造成的冰壶运动速度和方向上的不足，提高冰壶成功率。但是轮椅冰壶不允许扫冰，则其成功率完全依赖于冰壶脱离推杆时的前进速度和旋转角速度，也就是对于特定的冰壶赛道，冰壶是否成功按预期轨迹运动完全取决于投壶运动员操纵推杆投壶瞬间的经验发挥和身心状态。且投壶过程中冰壶的离杆速度和旋转角速度也只能依靠运动员长时间的训练经验进行判断。

综上，目前为止，无法对投壶过程中冰壶的离杆速度和旋转角速度进行实时检测，投壶的成功与失败缺乏科学而有效的定量分析，极大的影响了轮椅冰壶运动员投壶成功率的提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种可检测前进和旋转速度的轮椅冰壶推杆。该推杆使得轮椅冰壶运动员在投壶时可以检测推杆头和冰壶实时的运动参数，给轮椅冰壶教练及运动员提供投壶过程状态数据的定量参考，综合冰壶运动结果，给运动员的投壶提供更精确的指导，提高投壶成功率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种可检测前进和旋转速度的轮椅冰壶推杆，包括推杆杆体和套接在该推杆杆体一端的推杆头，该推杆头包括套接在所述推杆杆体一端的手柄杆和与该手柄杆单轴铰链连接的卡口套，所述卡口套为半圆形片状结构，该卡口套与投壶手柄卡扣配合安装；其特征在于，在所述卡口套一端设有一壳体，该壳体的两端分别由前盖、后盖封装，所述壳体内设有用于实时测量轮椅冰壶离杆时前进速度和旋转速度的运动参数测量单元，该运动参数测量单元通过有线传或无线方式与外部进行数据传输；

所述运动参数测量单元，包括集成在一芯片模组上的三轴加速度计、三轴陀螺仪、信号差分放大电路、滤波电路、姿态解算模块和数据传输模块，以及为所述运动参数测量单元内各器件供电的电源模块；其中，所述三轴陀螺仪和三轴加速度计均依次通过所述信号差分放大电路、滤波电路与姿态解算模块的输入端相连。

进一步地，所述运动参数测量单元的芯片模组上还集成有与所述信号差分放大电路输入端相连的三轴地磁力计，用于消除所述三轴加速度计的漂移误差。

进一步地，所述壳体为圆柱形，该壳体与所述前盖以活动卡扣形式旋转连接；所述前盖固定在所述卡口套一端；所述后盖与壳体采用螺纹连接，或采用间隙配合连接。

本发明对于当前轮椅冰壶运动员使用的推杆相比，可以实时检测投壶时推杆的偏转角度，运动员投壶时的冲量(推力的大小)以及冰壶出手时的加速度和冰壶自转的角速度。有效的提升了轮椅冰壶运动员日常训练水平，对于教练员掌握运动员的技能水平具有较大的指导作用，进而提高投壶成功率。此外，本轮椅冰壶推杆结构简单，与现有轮椅冰壶推杆的兼容性较好，只需在现有轮椅冰壶推杆的推杆头端部增设一个运动参数测量单元即可实现本发明效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为图1中壳体与安装板5的结构示意图。

图3为图2中安装板与芯片模组的安装示意图。

图4为图2中安装板与电源模块的安装示意图。

图5是本发明实施例中推杆头的运动简图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对新型轮椅冰壶推杆的具体实施方式做进一步详细描述，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至如图4所示，本发明是基于传感技术的一种可检测前进和旋转速度的轮椅冰壶推杆，包括推杆杆体8和套接在推杆杆体8一端的推杆头，该推杆头包括套接在推杆杆体8一端的手柄杆3和与手柄杆3单轴铰链连接的卡口套2，卡口套2为半圆形片状结构，该卡口套2与投壶手柄11卡扣配合安装，投壶手柄11与冰壶10固定连接。在卡口套2一端设有一壳体1，该壳体的两端分别由前盖9、后盖4封装，壳体1内设有用于实时测量轮椅冰壶离杆时前进速度和旋转速度的运动参数测量单元，该运动参数测量单元通过有线传或无线方式与外部的pc端进行数据传输。

壳体1为圆柱形，尺寸与卡口套2相匹配，用于封装壳体1的前盖9固定在卡口套2一端，壳体1与卡口套2端部的前盖9以活动卡扣形式旋转连接。后盖4与壳体1采用内外螺纹形式的螺纹连接，或采用间隙配合连接。

运动参数测量单元包括集成在一芯片模组6上的用于测量冰壶离杆时加速度的三轴加速度计、用于测量冰壶离杆时旋转角速度的三轴陀螺仪、信号差分放大电路、滤波电路、姿态解算模块和数据传输模块，以及为运动参数测量单元内各器件供电的电源模块7，该电源模块可以集成在芯片模组上，或者为了满足安装空间需求与芯片模组分离，并通过有线方式与运动参数测量单元内的其他器件连接，电源模块可采用3.3v/5v电源，其中电源正极与芯片模组的vcc端口通过导线连接，电源负极与芯片模组的gnd端口通过导线连接。进一步地，为了消除三轴角速度计的漂移误差，芯片模组上还集成有与信号差分放大电路输入端相连的三轴地磁力计。所述三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁力计、信号差分放大电路、滤波电路和姿态解算模块均为可通过本领域的常规器件予以实现。此外，可将三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴地磁力计、信号差分放大电路、滤波电路和姿态解算模块用六轴运动传感器或九轴运动传感器替换；本实施例中采用型号为mpu6050的六轴运动传感器。数据传输模块可选用有线数据传输模块或无线数据传输模块(包括433mhz、蓝牙和zigbee无线模块)；本实施例中采用蓝牙模块进行无线传输。运动参数测量单元的工作过程如下：对三轴加速度计和三轴陀螺仪测量的实时数据(即冰壶离杆瞬时的加速度和旋转的角速度)，需要将该数据通过信号差分放大电路进行信号放大，而放大后的数据有较大的噪声干扰，不能直接用于姿态角度解算，需进行数字滤波和动态卡尔曼滤波处理后得到的模拟信号传输至姿态解算模块中，姿态解算模块将接收到的模拟信号转化为含有时间、空间角度和加速度等信息电信号(具体为：利用滤波后的三轴陀螺仪、三轴加速度计等数据，根据四元数或其他常规算法解算出俯仰角、滚转角和偏航角)，即将运动数据解算得到姿态角度数据，该姿态角度数据通过数据传输模块传输至外部pc端，用于向用户显示实时测得的轮椅冰壶的姿态角度，由该姿态角度可以得到轮椅冰壶离杆时的前进速度和旋转速度。

为了使运动参数测量单元稳定安装于壳体1内，壳体1内通过紧配合方式设有一安装板5，参见图2～4，本实施例中，电源模块7与芯片模组6采用分离设置，故安装板5由上下两部分组成，上部为u型块体51，在该u型块体的两侧壁之间设有一平台52，通过粘贴方式将芯片模组11固定于该平台52表面；安装板5的下部为l型块体53，该l型块体53的竖直段支撑于u型块体51的平台52上，l型块体53的水平段设有用于容纳电源模块7的凹槽，电源模块7粘贴固定于该凹槽内，且在l型块体53的水平段侧壁上开有线孔54，便于供连接电源模块7和运动参数测量单元内其余器件的电线穿过。

本实施例中的壳体1、前、后盖以及安装板5可采用聚乳酸(pla)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(abs)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚苯乙烯(ps)制成。

本实施例中，推杆杆体8和推杆头材料可以为钛合金、铝合金以及树脂材料等，推杆杆体8长度可以根据需要进行选择和加工。推杆杆体8和手柄杆3之间通过外螺纹连接方式连接。

本发明实施例中推杆头的运动简图如图5所示，以东北天坐标系作为坐标系xyz，且xoy代表冰面所在平面，yoz代表投壶杆所在垂面；令a为冰壶推杆轴线上的任意一点，b为推杆头轴线上的任意一点，c为冰壶推杆铰链轴线上的任意一点，坐标原点o为a、b、c三点所在轴线的交点；令冰壶推杆轴线与冰面的夹角∠aox＝α，冰壶手柄与xoz平面的夹角∠box＝β(即冰壶手柄的偏转角度)，冰壶推杆绕其轴线oa的转角手柄杆与卡口套的夹角∠aob＝φ(即冰壶推杆与冰壶手柄或冰面的夹角)；

所述三轴加速度计的读取参数为冰壶的三轴加速度a＝[ax，ay，az]，ax，ay，az分别为冰壶的加速度沿x,y,z轴的分量，对时间t(t0～t1)积分得出冰壶离杆时速度v为：

所述三轴陀螺仪的读取参数为冰壶的三轴角速度ω＝[ωx，ωy，ωz]，ωx，ωy，ωz分别为冰壶的角速度沿x,y,z轴的分量，即冰壶离杆时绕冰壶质心所在轴线旋转的角速度为ω。

所述的三轴陀螺仪/三轴磁力计检测运动角度参数时只需利用冰壶的三轴角速度对时间积分，得到冰壶推杆轴线与冰面的夹角α和冰壶推杆绕其轴线的转角然后可根据以下公式得到冰壶手柄的偏转角度β、冰壶推杆与冰壶手柄或冰面的夹角φ：

本发明是基于传感技术的一种可检测前进和旋转速度的轮椅冰壶投壶杖，轮椅冰壶运动员在投壶过程中，通过运动参数测量单元实时测得投壶过程中的姿态角度数据，并通过有线或者无线数据传输(包括433mhz、蓝牙和zigbee)，进而显示在上位机或者显示设备。最终获得冰壶离杆时的瞬时速度v、冰壶旋转的角速度ω以及投壶过程中推杆头的角度变化(可通过pc端上位机的用户功能界面显示)。