一种压电电击式防暴钢叉及其输出电压调节方法与流程

本发明属于警用设备技术领域，具体涉及一种压电电击式防暴钢叉及其输出电压调节方法。

背景技术：

我国正处于社会转型期，各种社会矛盾凸显，贫富分化加剧，暴力犯罪明显增多，并呈现出突发性、激情化、暴力性的特点。长期以来，公安武警等警务执法人员在控制抓捕持刀持械暴力犯罪人员的过程中，由于使用武器的限制，缺少合适理想的控制抓捕装备，屡屡导致任务失败或造成一些不必要的伤亡。防暴钢叉是一种非人身接触式控制装备，整体由“u”型叉头和叉把组成，伸展全长约两米左右，没有锐利棱角，结构简单，使用方便，专门对付持刀持械的犯罪分子，能够在中远距离上实现对犯罪嫌疑人的阻挡、控制，既能保障执法人员的人身安全，又能有效制服正在实施暴力侵害的违法犯罪人员，且避免对其造成过度伤害。目前国内市场上已有较多种类防暴钢叉，但功能机构单一的传统防暴钢叉已不足以应对日趋严峻的安保维稳形势。在面对凶残罪犯的时候，传统类型的防暴钢叉的处置能力就稍显不足，因此具有电击功能的防暴钢叉就应运而生，带电击功能的防暴钢叉具有强大的震撼和威慑作用，能快速使正在实施暴力侵害的犯罪分子失去侵害能力，终止其犯罪行为，将其制服，减少执法人员的长时间肢体接触，即能保障使用人员的人身安全，又不对被使用人员产生永久性伤害。现有的电击式防暴钢叉与大多数电击武器一样，主要采用蓄电池供电，电池供电防暴叉有其局限性：一是使用次数有限，电池供电电击武器的使用次数主要由电池容量决定，电池容量越大，使用次数就越多，而钢叉外形决定电池的容量不能太大，因此其放电使用次数有限，连续工作能力有限不强；二是存在安全隐患，传统蓄电池在高温环境下使用，存在爆炸自燃的危险；三是工作电路结构复杂，传统充电电池一般有特殊的保护电路，以防止过充或过放；四是污染环境，废旧电池处理难度大，易产生污染。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种压电电击式防暴钢叉，其结构简单，设计合理，实现方便且成本低，能够有效应用在执法人员执法过程中，有效制服正在实施暴力侵害的违法犯罪人员，操作安全方便，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种压电电击式防暴钢叉，包括叉把和固定连接在叉把顶端的叉头，所述叉把顶端还固定连接有正极电极针和负极电击针，所述叉把内设置有用于为正极电极针和负极电击针提供电压和电流的压电电击机构，所述压电电击机构包括压电晶体和与压电晶体的输出端连接的电压放大器，以及用于叩击压电晶体的压电晶体叩击组件和用于为压电晶体叩击组件提供压力的压力传输组件。

上述的一种压电电击式防暴钢叉，所述压力传输组件包括握手杆和滑杆，所述握手杆的一端伸入叉把内且通过第一铰接轴与叉把铰接，所述握手杆的另一端外漏在叉把外且通过第二铰接轴与外漏在叉把外的滑杆的一端铰接，所述滑杆的另一端伸入叉把内且通过第三铰接轴与所述压电晶体叩击组件铰接。

上述的一种压电电击式防暴钢叉，所述压力传输组件包括握把、齿条、齿轮组和棘轮往复机构，所述握把的一端伸入叉把内且通过销轴与叉把铰接，所述握把的另一端外漏在叉把外且与齿条连接；所述齿轮组包括第一小齿轮、双联齿轮和第二小齿轮，所述第一小齿轮与齿条啮合，所述双联齿轮的小齿轮与第一小齿轮啮合，所述双联齿轮的大齿轮与第二小齿轮啮合；所述棘轮往复机构包括一侧侧面设置有内啮合齿的棘轮和凸起设置在棘轮另一侧侧面的凸轮，以及与凸轮配合的从动滚子、与棘轮的内啮合齿配合的棘爪和用于带动棘爪转动的转盘，所述转盘与第二小齿轮和棘爪均固定连接，所述从动滚子与所述压电晶体叩击组件转动连接。

上述的一种压电电击式防暴钢叉，所述压电晶体叩击组件包括滑块、冲击弹簧、复位弹簧、叩击头和压力传递头，所述滑块的一端与所述压力传输组件连接，所述滑块的另一端与冲击弹簧的一端连接，所述冲击弹簧的另一端与叩击头的一端连接，所述叩击头的另一端与复位弹簧的一端连接，所述复位弹簧的另一端与压力传递头的一端连接，所述压力传递头的另一端对准压电晶体设置，所述叩击头、复位弹簧、压力传递头和压电晶体均设置在压电晶体壳体内，所述叩击头与冲击弹簧连接的一端外露在压电晶体壳体外部，所述叩击头中部与压电晶体壳体滑动连接。

上述的一种压电电击式防暴钢叉，所述叩击头中部对称设置有两个凸起，所述压电晶体壳体上设置有供凸起插入其中实现叩击头中部与压电晶体壳体滑动连接的滑槽。

上述的一种压电电击式防暴钢叉，所述电压放大器为程控电压放大器，所述叉把内还设置有微处理器，所述微处理器的输入端接有档位选择开关、用于对防暴钢叉的使用环境温度进行检测的温度传感器和用于对防暴钢叉的使用环境湿度进行检测的湿度传感器，所述电压放大器与微处理器的输出端连接。

本发明还公开了一种方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，能够产生最佳的电击效果的压电电击式防暴钢叉的输出电压调节方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、当用户需要使用防暴钢叉对暴乱者进行电击时，先对暴乱者的体型进行观察，当判断为暴乱者的体重在40kg～50kg时，通过档位选择开关选择一档，对应所述压电电击机构为正极电极针和负极电击针提供的电压为27kv～28kv；当判断为暴乱者的体重在50kg～70kg时，通过档位选择开关选择二档，对应所述压电电击机构为正极电极针和负极电击针提供的电压为28kv～29kv；当判断为暴乱者的体重在70kg～100kg时，通过档位选择开关选择二档，对应所述压电电击机构为正极电极针和负极电击针提供的电压为29kv～30kv；同时，所述温度传感器对防暴钢叉使用环境的温度进行检测并将检测到的温度信号实时传输给微处理器，所述湿度传感器对防暴钢叉使用环境的湿度进行检测并将检测到的湿度信号实时传输给微处理器；

步骤二、所述微处理器将选择的档位、温度信号和湿度信号输入预先构建的bp神经网络模型中，得出所述bp神经网络模型的输出，所述bp神经网络模型的输出为所述压电电击机构为正极电极针和负极电击针提供的电压值；用户操作所述压力传输组件，所述压力传输组件带动所述压电晶体叩击组件叩击压电晶体，压电晶体产生电压并输出给电压放大器，所述微处理器根据所述bp神经网络模型的输出控制所述电压放大器的输出电压为所述bp神经网络模型输出的电压值，加载在正极电极针和负极电击针上，对暴乱者进行电击。

上述的方法，所述压力传输组件包括握手杆和滑杆，所述握手杆的一端伸入叉把内且通过第一铰接轴与叉把铰接，所述握手杆的另一端外漏在叉把外且通过第二铰接轴与外漏在叉把外的滑杆的一端铰接，所述滑杆的另一端伸入叉把内且通过第三铰接轴与所述压电晶体叩击组件铰接；所述压电晶体叩击组件包括滑块、冲击弹簧、复位弹簧、叩击头和压力传递头，所述滑块的一端与所述压力传输组件连接，所述滑块的另一端与冲击弹簧的一端连接，所述冲击弹簧的另一端与叩击头的一端连接，所述叩击头的另一端与复位弹簧的一端连接，所述复位弹簧的另一端与压力传递头的一端连接，所述压力传递头的另一端对准压电晶体设置，所述叩击头、复位弹簧、压力传递头和压电晶体均设置在压电晶体壳体内，所述叩击头与冲击弹簧连接的一端外露在压电晶体壳体外部，所述叩击头中部与压电晶体壳体滑动连接；

步骤二中用户操作所述压力传输组件，所述压力传输组件带动所述压电晶体叩击组件叩击压电晶体的具体过程为：

步骤a1、用户压下握手杆时，握手杆带动滑杆运动，滑杆推动滑块向靠近压电晶体的位置运动，冲击弹簧压缩并将力传递给叩击头，叩击头在压电晶体壳体内滑动并向靠近压电晶体的位置运动，叩击压电晶体，复位弹簧压缩并将力传递给压力传递头，压力作用在压电晶体上；

步骤a2、用户松开握手杆时，复位弹簧复位，推动叩击头在压电晶体壳体内滑动并复位，冲击弹簧复位，滑块和滑杆均复位。

上述的方法，所述压力传输组件包括握把、齿条、齿轮组和棘轮往复机构，所述握把的一端伸入叉把内且通过销轴与叉把铰接，所述握把的另一端外漏在叉把外且与齿条连接；所述齿轮组包括第一小齿轮、双联齿轮和第二小齿轮，所述第一小齿轮与齿条啮合，所述双联齿轮的小齿轮与第一小齿轮啮合，所述双联齿轮的大齿轮与第二小齿轮啮合；所述棘轮往复机构包括一侧侧面设置有内啮合齿的棘轮和凸起设置在棘轮另一侧侧面的凸轮，以及与凸轮配合的从动滚子、与棘轮的内啮合齿配合的棘爪和用于带动棘爪转动的转盘，所述转盘与第二小齿轮和棘爪均固定连接，所述从动滚子与所述压电晶体叩击组件转动连接；所述压电晶体叩击组件包括滑块、冲击弹簧、复位弹簧、叩击头和压力传递头，所述滑块的一端与所述压力传输组件连接，所述滑块的另一端与冲击弹簧的一端连接，所述冲击弹簧的另一端与叩击头的一端连接，所述叩击头的另一端与复位弹簧的一端连接，所述复位弹簧的另一端与压力传递头的一端连接，所述压力传递头的另一端对准压电晶体设置，所述叩击头、复位弹簧、压力传递头和压电晶体均设置在压电晶体壳体内，所述叩击头与冲击弹簧连接的一端外露在压电晶体壳体外部，所述叩击头中部与压电晶体壳体滑动连接；

步骤二中用户操作所述压力传输组件，所述压力传输组件带动所述压电晶体叩击组件叩击压电晶体的具体过程为：

步骤b1、用户压下握把时，握把带动齿条运动，齿条带动第一小齿轮转动，第一小齿轮带动双联齿轮转动，双联齿轮带动第二小齿轮转动，第二小齿轮带动转盘转动，转盘带动棘爪转动，棘爪带动棘轮转动，棘轮带动凸轮转动，当凸轮运动到与从动滚子相接触的位置时，从动滚子转动并推动滑块向靠近压电晶体的位置运动，冲击弹簧压缩并将力传递给叩击头，叩击头在压电晶体壳体内滑动并向靠近压电晶体的位置运动，叩击压电晶体，复位弹簧压缩并将力传递给压力传递头，压力作用在压电晶体上；当凸轮运动到离开从动滚子的位置时，复位弹簧复位，推动叩击头在压电晶体壳体内滑动并复位，冲击弹簧复位，滑块和滑杆均复位；如此循环，实现了叩击头连续叩击压电晶体；

步骤b2、用户松开握把时，复位弹簧复位，推动叩击头在压电晶体壳体内滑动并复位，冲击弹簧复位，滑块和滑杆均复位。

上述的方法，步骤二中所述bp神经网络模型的构建方法为：

步骤c1、样本数据采集：采用医学模拟人作为电击实验对象，分别在一档、二档和三档三种模式下，不同的温度和湿度环境下，进行多次电击实验，得到档位、温度、湿度和对应的所述压电电击机构为正极电极针和负极电击针提供的电压值的数据组，并存储在微处理器中；

步骤c2、建立三层bp神经网络：以档位、温度和湿度作为bp神经网络的输入，输入层节点数为3，以所述压电电击机构为正极电极针和负极电击针提供的电压值作为bp神经网络的输出，输出层节点数为1，隐层层节点数为输入层节点数与输出层节点数之和，建立三层bp神经网络；

步骤c3、训练三层bp神经网络：将步骤c1中的档位、温度和湿度数据作为三层bp神经网络的输入，并以与档位、温度和湿度数据对应的所述压电电击机构为正极电极针和负极电击针提供的电压值作为三层bp神经网络的输出，构建训练样本，对所述三层bp神经网络进行训练并得到训练好的三层bp神经网络。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明结构简单，设计合理，实现方便且成本低。

2、本发明通过压力传输组件将手持钢叉人员的手握力转换成压电晶体叩击组件对压电晶体的叩击，使压电晶体产生电能，然后通过电压放大器，增大电击电压，实现电击效应。

3、本发明采用压电晶体作为电能来源，压电晶体工作温度范围-40℃～135℃，使本发明的钢叉使用范围变广，不受地域环境影响。

4、本发明中压电晶体的使用次数可达上万次，大大提高了钢叉电击使用次数和连续工作能力；同时，压电晶体性能比较稳定，不会产生爆炸自燃等现象，不污染环境，使用安全。

5、本发明压电电击式防暴钢叉的输出电压调节方法的方法步骤简单，设计新颖合理，实现方便，能够产生最佳的电击效果。

6、本发明能够有效应用在执法人员执法过程中，有效制服正在实施暴力侵害的违法犯罪人员，操作安全方便，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明结构简单，设计合理，实现方便且成本低，能够有效应用在执法人员执法过程中，有效制服正在实施暴力侵害的违法犯罪人员，操作安全方便，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1中压电电击式防暴钢叉的结构示意图；

图2为本发明实施例2中压电电击式防暴钢叉的结构示意图；

图3为本发明实施例1和实施例2中压力传输组件中齿轮组和棘轮往复机构的结构示意图；

图4为本发明实施例1和实施例2中微处理器与其他各单元的连接关系示意图。

附图标记说明:

1—叉把；2—叉头；3-1—正极电极针；

3-2—负极电击针；4—压电晶体；5—电压放大器；

6-1—握手杆；6-2—滑杆；6-3—第一铰接轴；

6-4—第二铰接轴；6-5—第三铰接轴；7-1—握把；

7-2—齿条；7-3—第一小齿轮；7-4—双联齿轮；

7-5—第二小齿轮；7-6—内啮合齿；7-7—棘轮；

7-8—凸轮；7-9—棘爪；7-10—转盘；

7-11—从动滚子；7-12—销轴；9-1—滑块；

9-2—冲击弹簧；9-3—复位弹簧；9-4—叩击头；

9-41—凸起；9-5—压力传递头；9-6—压电晶体壳体。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的压电电击式防暴钢叉，包括叉把1和固定连接在叉把1顶端的叉头2，所述叉把1顶端还固定连接有正极电极针3-1和负极电击针3-2，所述叉把1内设置有用于为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供电压和电流的压电电击机构，所述压电电击机构包括压电晶体4和与压电晶体4的输出端连接的电压放大器5，以及用于叩击压电晶体4的压电晶体叩击组件和用于为压电晶体叩击组件提供压力的压力传输组件。

具体实施时，所述正极电极针3-1和负极电击针3-2均为钢针，所述正极电极针3-1和负极电击针3-2之间的直线距离为30mm，所述正极电极针3-1和负极电击针3-2的电击突出部分均为5mm。

本实施例中，所述压力传输组件包括握手杆6-1和滑杆6-2，所述握手杆6-1的一端伸入叉把1内且通过第一铰接轴6-3与叉把1铰接，所述握手杆6-1的另一端外漏在叉把1外且通过第二铰接轴6-4与外漏在叉把1外的滑杆6-2的一端铰接，所述滑杆6-2的另一端伸入叉把1内且通过第三铰接轴6-5与所述压电晶体叩击组件铰接。

本实施例中，所述压电晶体叩击组件包括滑块9-1、冲击弹簧9-2、复位弹簧9-3、叩击头9-4和压力传递头9-5，所述滑块9-1的一端与所述压力传输组件连接，所述滑块9-1的另一端与冲击弹簧9-2的一端连接，所述冲击弹簧9-2的另一端与叩击头9-4的一端连接，所述叩击头9-4的另一端与复位弹簧9-3的一端连接，所述复位弹簧9-3的另一端与压力传递头9-5的一端连接，所述压力传递头9-5的另一端对准压电晶体4设置，所述叩击头9-4、复位弹簧9-3、压力传递头9-5和压电晶体4均设置在压电晶体壳体9-6内，所述叩击头9-4与冲击弹簧9-2连接的一端外露在压电晶体壳体9-6外部，所述叩击头9-4中部与压电晶体壳体9-6滑动连接。

具体实施时，所述滑杆6-2伸入叉把1内的一端通过第三铰接轴6-5与滑块9-1铰接。

本实施例中，所述叩击头9-4中部对称设置有两个凸起9-41，所述压电晶体壳体9-6上设置有供凸起9-41插入其中实现叩击头9-4中部与压电晶体壳体9-6滑动连接的滑槽。

本实施例中，如图4所示，所述电压放大器5为程控电压放大器，所述叉把1内还设置有微处理器10，所述微处理器10的输入端接有档位选择开关13、用于对防暴钢叉的使用环境温度进行检测的温度传感器11和用于对防暴钢叉的使用环境湿度进行检测的湿度传感器12，所述电压放大器5与微处理器10的输出端连接。

本实施例的压电电击式防暴钢叉的输出电压调节方法，包括以下步骤：

步骤一、当用户需要使用防暴钢叉对暴乱者进行电击时，先对暴乱者的体型进行观察，当判断为暴乱者的体重在40kg～50kg时，通过档位选择开关13选择一档，对应所述压电电击机构为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供的电压为27kv～28kv；当判断为暴乱者的体重在50kg～70kg时，通过档位选择开关13选择二档，对应所述压电电击机构为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供的电压为28kv～29kv；当判断为暴乱者的体重在70kg～100kg时，通过档位选择开关13选择二档，对应所述压电电击机构为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供的电压为29kv～30kv；同时，所述温度传感器11对防暴钢叉使用环境的温度进行检测并将检测到的温度信号实时传输给微处理器10，所述湿度传感器12对防暴钢叉使用环境的湿度进行检测并将检测到的湿度信号实时传输给微处理器10；

具体实施时，一档、二档和三档中，所述压电电击机构为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供的电流大小均为0.7ma～16ma，电流频率均为15hz～30hz。

步骤二、所述微处理器10将选择的档位、温度信号和湿度信号输入预先构建的bp神经网络模型中，得出所述bp神经网络模型的输出，所述bp神经网络模型的输出为所述压电电击机构为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供的电压值；用户操作所述压力传输组件，所述压力传输组件带动所述压电晶体叩击组件叩击压电晶体4，压电晶体4产生电压并输出给电压放大器5，所述微处理器10根据所述bp神经网络模型的输出控制所述电压放大器5的输出电压为所述bp神经网络模型输出的电压值，加载在正极电极针3-1和负极电击针3-2上，对暴乱者进行电击。

本实施例中，步骤二中用户操作所述压力传输组件，所述压力传输组件带动所述压电晶体叩击组件叩击压电晶体4的具体过程为：

步骤a1、用户压下握手杆6-1时，握手杆6-1带动滑杆6-2运动，滑杆6-2推动滑块9-1向靠近压电晶体4的位置运动，冲击弹簧9-2压缩并将力传递给叩击头9-4，叩击头9-4在压电晶体壳体9-6内滑动并向靠近压电晶体4的位置运动，叩击压电晶体4，复位弹簧9-3压缩并将力传递给压力传递头9-5，压力作用在压电晶体4上；

步骤a2、用户松开握手杆6-1时，复位弹簧9-3复位，推动叩击头9-4在压电晶体壳体9-6内滑动并复位，冲击弹簧9-2复位，滑块9-1和滑杆6-2均复位。

本实施例中，步骤二中所述bp神经网络模型的构建方法为：

步骤c1、样本数据采集：采用医学模拟人作为电击实验对象，分别在一档、二档和三档三种模式下，不同的温度和湿度环境下，进行多次电击实验，得到档位、温度、湿度和对应的所述压电电击机构为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供的电压值的数据组，并存储在微处理器10中；

步骤c2、建立三层bp神经网络：以档位、温度和湿度作为bp神经网络的输入，输入层节点数为3，以所述压电电击机构为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供的电压值作为bp神经网络的输出，输出层节点数为1，隐层层节点数为输入层节点数与输出层节点数之和，建立三层bp神经网络；

步骤c3、训练三层bp神经网络：将步骤c1中的档位、温度和湿度数据作为三层bp神经网络的输入，并以与档位、温度和湿度数据对应的所述压电电击机构为正极电极针3-1和负极电击针3-2提供的电压值作为三层bp神经网络的输出，构建训练样本，对所述三层bp神经网络进行训练并得到训练好的三层bp神经网络。

实施例2

如图2和图3所示，本实施例的压电电击式防暴钢叉，与实施例1不同的是：所述压力传输组件包括握把7-1、齿条7-2、齿轮组和棘轮往复机构，所述握把7-1的一端伸入叉把1内且通过销轴7-12与叉把1铰接，所述握把7-1的另一端外漏在叉把1外且与齿条7-2连接；所述齿轮组包括第一小齿轮7-3、双联齿轮7-4和第二小齿轮7-5，所述第一小齿轮7-3与齿条7-2啮合，所述双联齿轮7-4的小齿轮与第一小齿轮7-3啮合，所述双联齿轮7-4的大齿轮与第二小齿轮7-5啮合；所述棘轮往复机构包括一侧侧面设置有内啮合齿7-6的棘轮7-7和凸起设置在棘轮7-7另一侧侧面的凸轮7-8，以及与凸轮7-8配合的从动滚子7-11、与棘轮7-7的内啮合齿7-6配合的棘爪7-9和用于带动棘爪7-9转动的转盘7-10，所述转盘7-10与第二小齿轮7-5和棘爪7-9均固定连接，所述从动滚子7-11与所述压电晶体叩击组件转动连接。

具体实施时，所述从动滚子7-11与滑块9-1转动连接。

其余结构均与实施例1相同。

本实施例的压电电击式防暴钢叉的输出电压调节方法，与实施例1不同的是：步骤二中用户操作所述压力传输组件，所述压力传输组件带动所述压电晶体叩击组件叩击压电晶体4的具体过程为：

步骤b1、用户压下握把7-1时，握把7-1带动齿条7-2运动，齿条7-2带动第一小齿轮7-3转动，第一小齿轮7-3带动双联齿轮7-4转动，双联齿轮7-4带动第二小齿轮7-5转动，第二小齿轮7-5带动转盘7-10转动，转盘7-10带动棘爪7-9转动，棘爪7-9带动棘轮7-7转动，棘轮7-7带动凸轮7-8转动，当凸轮7-8运动到与从动滚子7-11相接触的位置时，从动滚子7-11转动并推动滑块9-1向靠近压电晶体4的位置运动，冲击弹簧9-2压缩并将力传递给叩击头9-4，叩击头9-4在压电晶体壳体9-6内滑动并向靠近压电晶体4的位置运动，叩击压电晶体4，复位弹簧9-3压缩并将力传递给压力传递头9-5，压力作用在压电晶体4上；当凸轮7-8运动到离开从动滚子7-11的位置时，复位弹簧9-3复位，推动叩击头9-4在压电晶体壳体9-6内滑动并复位，冲击弹簧9-2复位，滑块9-1和滑杆6-2均复位；如此循环，实现了叩击头9-4连续叩击压电晶体4；

步骤b2、用户松开握把7-1时，复位弹簧9-3复位，推动叩击头9-4在压电晶体壳体9-6内滑动并复位，冲击弹簧9-2复位，滑块9-1和滑杆6-2均复位。

其余方法均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。