TWM613059U - 武術大槍姿態感測裝置 - Google Patents

Abstract

本新型涉及一種武術大槍姿態感測裝置，係將二感測單元分別安裝於大槍的槍頸、槍尾，藉以收集該槍頸、該槍尾的角加速度、加速度或/及地磁強度之感測訊號後對外輸出，再以一計算機設備接收該二感測單元的訊號，並經過該計算機設備所設運算轉換模組轉換成大槍某時間的運行姿態及整體的運行軌跡並輸出，以俾利經由智慧運動模組分析及智慧化比對，幫助學員，教練學習或教學大槍，方便練習訓練找到最適合的槍法招式。

Description

武術大槍姿態感測裝置

本新型係關於一種武術運動教學訓練領域，尤指一種大槍姿態感測之範疇。

請參閱圖1所示，大槍1為中國古兵器之一，屬長條器械，由於大槍1為古代征戰重要利器，技術發展甚早，其槍法流傳極普遍；迄今，武術以刀、槍、劍、棍為四大器械，其中大槍1被稱為「百兵之王」，傳世槍法著名者有「楊家槍」，而大槍的武術運動亦為亞運武術比賽項目之一。

通常，大槍1係由一槍頭11、一槍頸12、一槍桿13及一槍尾14所組成，常見練習大槍槍法的方式，乃聘請專業教練，由專業教練傳授槍法的正確姿態，以避免造成運動意外，且透過教練從旁的觀察提醒，修正錯誤的大槍運行的姿態。然而，若採一對一的教授方式，通常所需費用較為高昂，一般社會大眾難以長期負擔，若是採一對多的教授方式，學習效果又相當有限。

亦有以事先錄影，事後觀看自己運行大槍姿態的教學訓練模式，然而此種方式由於監視錄影機的定點視角關係，容易出現視角盲區，學習效果亦相當有限，故實有需要對當今大槍訓練、練習或教學模式進行改善。

緣此，鑑於既有大槍的訓練或教學方式存在的問題點，故本新型人乃窮極心思新型了一種武術大槍姿態感測裝置，且依照槓桿原理，大槍的槍尾動一點，其槍頸就會動很大，因此，在該大槍的槍尾及槍頸分別裝設一感測單元，經由智慧型手機APP、平板電腦或一般計算機電腦蒐集及分析該二感測單元的感測數據，讓使用者能夠及時得到回饋，然後將相關數據傳回到AI數據中心保存(即雲端伺服器)，並沒和附近槍友或是課程等社群資訊傳送回使用者支手機，以增加使用者黏著度，藉此可幫助學員練習及找到最適合自己的槍法招式，幫助教練教學，幫助推廣大槍競技比賽，記錄每場比賽的競技數據，幫助相關協會推廣大槍運動，此本新型之主要目的所在。

為達上述功效及目的，本新型運用如下技術手段:關於本新型武術大槍姿態感測裝置，係包含有:一第一感測器，係裝設於大槍的槍頸，其包含有一第一通信模組、一第一控制單元、一第一姿態感測單元及一電池單元；其中該第一姿態感測單元輸出該槍頸的位置變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之訊號；一第二感測器，係裝設於大槍的槍尾，其包含有一第二通信模組、一第二控制單元、一第二姿態感測單元及一電池單元；其中該第二姿態感測單元輸出該槍尾的位置變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之訊號；及一計算機設備，係耦接該第一感測器、該第二感測器，其更包含有一中央處理單元及一輸出單元，其中該中央處理單元接收該第一感測器、該第二感測器的感測訊號，以計算並轉換出該大槍的某時間運行姿態或/及整體運行軌跡，並輸出於該輸出單元。

其中該計算機設備係有線電性連接或無線耦接該第一感測器、該第二感測器。

其中該第一姿態感測單元係包含三軸形式的第一陀螺儀、第一加速度計或/及第一地磁傳感器；而該第二姿態感測單元係包含三軸形式的第二陀螺儀、第二加速度計或/及第二地磁傳感器。

其中該中央處理單元更包含有一第一運算轉換單元，且該第一運算轉換單元係依據該第一感測器及第二感測器的訊號，轉換成大槍槍頸位置的一第一姿態角訊號，以及該大槍槍尾位置一第二姿態角訊號。

其中該中央處理單元更包含有一第二運算轉換單元，且該第二運算轉換單元依據該第一姿態角訊號、該第二姿態角訊號分別轉換成該大槍槍頸位置的位置座標(X ₁,Y ₁,Z ₁)，以及該大槍槍尾位置的位置座標(X ₂,Y ₂,Z ₂)之參數。

其中該第一感測器、第二感測器分別再增設一第一麥克風、一第二麥克風，據以同步收集該大槍運行所造成的聲音，並以動態影音形式輸出於該輸出單元。

另包含一雲端伺服器，係藉由網際網路以通信連接該計算機設備，且保存該大槍的移動資訊，讓該雲端伺服器成為AI數據中心。

特別一提，本新型可另包含一雲端伺服器，係藉由網際網路以通信連接該計算機設備，讓該雲端伺服器成為AI數據中心，俾利進行大槍練習數據保存、智慧運動模組分析及智慧化比對。

請參閱圖1所示，本新型涉及一種武術大槍姿態感測裝置，其主要係將一大槍1的槍頸12及槍尾14分別裝設一第一感測器2及一第二感測器3，經由智慧型手機APP、平板電腦或個人電腦等之計算機設備4蒐集及分析該第一感測器2、該第二感測器3的感測訊號，讓使用者能夠及時得到回饋，然後將相關數據傳回到一雲端伺服器5的AI數據中心進行儲存，以俾利經由該雲端伺服器5所設一智慧運動模組分析及智慧化比對，來幫助學員訓練學習該大槍1的槍數，讓本新型提供方便練習訓練找到最適合的槍法招式，以增加使用者黏著度。

請參閱圖2至圖4所示，其中本新型武術大槍姿態感測裝置A係在該大槍1的槍頸12所設該第一感測器2係更包含有一第一通信模組21、一第一控制單元22、一第一姿態感測單元23、一第一麥克風24、一電池模組25等；又該第一姿態感測單元23係更包含有一第一陀螺儀231、一第一加速度計232、一第一地磁傳感器233或其組合；其中該第一感測器2提供輸出該槍頸12的位置E變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之第一感測訊號SS1。

同理，在該大槍1的槍尾14所設該第二感測器3係更包含有一第二通信模組31、一第二控制單元32、一第二姿態感測單元33、一第二麥克風34、一電池模組35等；又該第二姿態感測單元33係更包含有一第二陀螺儀331、一第二加速度計332、一第一地磁傳感器333或其組合；其中該第二感測器3提供輸出該槍尾14的位置F變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之第二感測訊號SS2。

特別一提，前述該第一陀螺儀23、該第二陀螺儀33、該第一加速度計24、第二加速度計34、該第一地磁傳感器25、該第二地磁傳感器35較佳均設為三軸型式的感測裝置；於必要時，該第一感測器2與該第二感測器3可以加裝一濾波單元，可以濾除慣性元件(例如前述的陀螺儀、加速度計、地磁傳感器或其組合)本身的雜訊及其他外界環境所造成之影響而導致輸出訊號之誤差。

請參閱圖1及圖2所示，另設一計算機設備4以耦接於該第一感測器2、該第二感測器3，且該計算機設備4係有線電性連接或無線耦接該第一感測器2、該第二感測器3；換言之，該計算機設備4可以是智慧型手機APP、平板電腦或個人電腦等，而該計算機設備4更包含有一中央處理單元41及一輸出單元42；其中該中央處理單元41接收該第一感測器2、該第二感測器3的訊號，經其所設一第一運算轉換單元411及一第二運算轉換單元412，以計算並轉換出該大槍1的某時間的運行姿態及整體運行軌跡，並輸出於該輸出單元42。

本新型其它實施態樣，可另包含一雲端伺服器5，係藉由網際網路(internet)以通信連接該計算機設備，且保存該大槍1的移動資訊(即運行軌跡)，讓該雲端伺服器5成為AI數據中心，俾利提供給其所設智慧運動模組分析及智慧化比對，以幫助學員，教練學習或/及教學大槍1，以方便練習訓練找到最適合的槍法招式。

請再參閱圖2及圖3所示，因該大槍1的第一感測器2與該第二感測器3係為相同的感測裝置，故該第一感測器2與該第二感測器3使用相同的載體座標系統(body coordinate system)，而軸向Xr、Yr、Zr則設為外部參考座標系統(reference coordinate system)；其中姿態角(Euler Angle，又稱尤拉角或歐拉角)的主要功能在於獲得該第一感測器2、該第二感測器3的載體座標系統與該參考座標系統之間的相對角度或轉動關係。

進一步，物的姿態角可包含一滾轉角ϕ (roll angle)、一俯仰角θ(pitch angle)及一偏航角ψ(yaw angle)；其中該滾轉角ϕ係為一感測器沿著軸向X軸轉動之角度，其可由該感測器的位置移動，於軸向X軸的角速度變化後，經由一次積分而得到；在其它的實施態樣中，該滾轉角ϕ也可為該感測器沿著軸向X軸轉動之角度，其可由該感測器位置移動中加速度計三軸向所量測地球重力分量的變化而得到。

另外，該俯仰角θ係為該感測器沿著軸向Y軸轉動之角度，其可由該感測器的位置移動，於軸向Y軸的角速度變化後，經由一次積分而得到；在其它的實施態樣中，該俯仰角θ也可為該感測器沿著軸向Y軸轉動之角度，其可由該感測器的位置移動中加速度計三軸向所量測地球重力分量的變化而得到。

而，該偏航角ψ係為該感測器沿著軸向Z軸轉動之角度，其可由該感測器的位置移動，於軸向Z軸的角速度變化後，經由一次積分而得到；在其它的實施態樣中，該偏航角ψ也可為該感測器沿著軸向Z軸轉動之角度，其可由該感測器的位置移動中加速度計三軸向所量測地球重力分量的變化而得到。

因此，基於前述姿態角的滾轉角ϕ、俯仰角θ及偏航角ψ可由該第一感測器2的第一姿態感測單元23、該第二感測器3的二姿態感測單元33，經其移動位置時之角速度、加速度、磁場強度或地磁方位或其組合，而分別獲得該大槍1槍頸12及槍尾14的姿態角。

進一步，如圖2至圖5所示，該第一運算轉換單元411可依據該第一姿態感測單元23所設三軸向的該第一陀螺儀231、該第一加速度計232、該第一地磁傳感器233或其組合，其位置E由第一位置移動至第二位置之位置變化所產生之角速度、加速度、地磁方位或其組合等之第一感測訊號SS1，而得到大槍1槍頸12移動的一第一姿態角(即第一姿態訊號PS1)；同理，該第二運算轉換單元412可依據該第二姿態感測單元33所設三軸向的該第二陀螺儀33、該第二加速度計34、該第二地磁傳感器35或其組合，其位置F由第三位置移動至第四位置之位置變化所產生之角速度、加速度、地磁方位或其組合等之第二感測訊號SS2，而得到大槍1槍尾14移動的一第二姿態角(即第二姿態訊號PS2)。

另外，該第二運算轉換單元412係可接收該第一運算轉換單元411所輸出的第一姿態角訊號PS1及第二姿態訊號PS2，且經一轉換矩陣C（t）進行位置座標轉換。其中該轉換矩陣C（t）如下所示： 【數學式1】 C（t）＝

進一步，透過該第一感測器2的第一姿態感測單元23經該第一運算轉換單元411獲得該槍頸12由第一位置移動到第二位置的過程中，在某一時間在三維空間中的姿態角變化，並且可利用姿態角變化而獲得某一時間的轉換矩陣C。於此，該第二運算轉換單元412更可將該轉換矩陣C乘上該第一感測器2於第一位置的一第一位置向量V1，以得到該第一感測器2於第二位置之一第二位置向量V2，進而可得到該第二位置的座標(X ₁,Y ₁,Z ₁)。其運算式如下所示： 【數學式2】 V2= C（t）×V1

同理，進一步透過該第二感測器3的第二姿態感測單元33與該第一運算轉換單元411獲得該槍尾14由第三位置移動到第四位置的過程中，在某一時間在三維空間中的姿態角變化，並且可利用姿態角變化而獲得某一時間的轉換矩陣C。於此，該第二運算轉換單元412更可將該轉換矩陣C乘上該第二感測器3於第三位置之一第三位置向量V3，以得到該第二感測器3於第四位置之一第四位置向量V4，進而可得到該第四位置的座標(X ₂,Y ₂,Z ₂)。其運算式如下所示： 【數學式3】 V4= C（t）×V3

因此，請在參閱圖2至圖6所示，本新型主要藉由該第一感測器2、該第二感測器3分別裝設於該大槍1的槍頸12及槍尾14位置，依據其所設陀螺儀、加速度計或/及地磁傳感器據以對外輸出該槍頸12的位置E變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之第一感測訊號SS1，及對外輸出該槍尾14的位置F變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之第二感測訊號SS2，再經由該第一運算轉換單元411依據該第一感測訊號SS1、該第二感測訊號SS2分別計算出該大槍1槍頸12的第一姿態角(即第一姿態訊號PS1)、該大槍1槍尾14的第二姿態角(即第二姿態訊號PS2)，最後經由該第二運算轉換單元412依據該第一姿態訊號PS1、該第二姿態訊號PS2分別計算出該大槍1槍頸12位置E的位置座標(X ₁,Y ₁,Z ₁)及該大槍1槍尾14位置F的位置座標(X ₂,Y ₂,Z ₂)，進而透過該座標(X ₁,Y ₁,Z ₁)與該座標(X ₂,Y ₂,Z ₂)來定出該大槍1的整體姿態並儲存於該計算機設備4；如圖6所示，再依據數個位置E ₁、E ₂…E _n等之位置座標，以及相對應的數個位置F ₁、F ₂…F _n等之位置座標，便可以獲得該大槍1槍頸12的運行軌跡G1及大槍1槍尾14的相對應運行軌跡G2，最後得到大槍1的整體運行軌跡並儲存於該計算機設備4或上傳保存於該雲端伺服器5；如圖6及圖7所示，同時提供以畫面形式輸出於該輸出單元42，俾利學員事後觀看自己所運行的槍法並改善自己槍法的缺失，或由該雲端伺服器5的智慧運動模組分析及智慧化比對，幫助學員，教練學習或教學大槍，方便練習訓練找到最適合的槍法招式。

另本新型其它實施例，請參閱圖6及圖7所示，係可在該第一感測器2、第二感測器3分別再增設一第一麥克風26、一第二麥克風36，據以同步收集該大槍1運行所衍生的聲響，例如:分槍隔槍所造成的聲音、風切聲等，再配合前述大槍1槍頸12的位置E的運行軌跡G1及槍尾14的位置F的運行軌跡G2，便能以該大槍1的整體運行的軌跡，再以動態影音形式而輸出於該輸出單元42，俾利讓學員更能找到最適合的槍法招式。

綜合上述，可以歸納出武術大槍姿態感測方法，如圖8所示，係包含有:一大槍感測單元安裝步驟a，係將一第一感測器、一第二感測器分別安裝於一大槍的槍頸及槍尾；且該第一感測器、該第二感測器均設有一通信模組、一控制單元、一姿態感測單元、一麥克風及一電池單 元；一大槍移動姿態訊號收集步驟b，係藉由該第一感測器、該第二感測器分別收集該大槍槍頸、該槍尾的位置變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之訊號後對外輸出；一大槍移動姿態訊號轉換步驟c，係以一計算機設備接收該第一感測器、該第二感測器所傳來加速度、加速度或/及地磁強度之訊號，並經過該計算機設備的中央處理單元的一第一運算轉換單元轉換成大槍槍頸的姿態角，以及大槍槍尾的姿態角之訊號；一大槍姿態輸出步驟d，係以該計算機設備的中央處理單元的一第二運算轉換單元依據該大槍槍頸的姿態角及槍尾的姿態角訊號轉換成大槍槍頸位置座標(X ₁,Y ₁,Z ₁)及該槍尾位置座標(X ₂,Y ₂,Z ₂)之參數，以獲得大槍的某時間的運行姿態或/及整體的運行軌跡，並以動態影音形式輸出。

A:武術大槍姿態感測裝置 B:武術大槍姿態感測方法 a:步驟 b:步驟 c:步驟 d:步驟 1:大槍 11:槍頭 12:槍頸 E:位置 G1:運行軌跡 13:槍桿 14:槍尾 F:位置 G2:運行軌跡 2:第一感測器 21:第一通信模組 22:第一控制單元 23:第一姿態感應單元 231:第一陀螺儀 232:第一加速度計 233:第一地磁傳感器 24:第一麥克風 25:電池模組 SS1:第一感測訊號 3:第二感測器 31:第二通信模組 32:第二控制單元 .33:第二姿態感應單元 331:第二陀螺儀 332:第二加速度計 333:第二地磁傳感器 34:第二麥克風 35:電池模組 SS2:第二感測訊號 4:計算機設備 41:中央處理單元 411:第一運算轉換單元 412:第二運算轉換單元 42:輸出單元 5:雲端伺服器

［圖1］本新型實施態樣暨學員練習大槍裝置之示意圖。 ［圖2］本新型大槍裝置架構及其所構築練習訓練系統。 ［圖3］本新型大槍裝置的二座標系統示意圖。 ［圖4］本新型計算機設備的第一運算轉換單元之示意圖。 ［圖5］本新型計算機設備的第二運算轉換單元之示意圖。 ［圖6］本新型大槍裝置運行姿態及整體的運行軌跡之示意圖。 ［圖7］本新型計算機設備的輸出單元之實施態樣圖。 ［圖8］本新型武術大槍裝置的姿態感測方法之步驟流程圖。

A:武術大槍姿態感測裝置

1:大槍

11:槍頭

12:槍頸

13:槍桿

14:槍尾

2:第一感測器

3:第二感測器

5:雲端伺服器

Claims (7)

1. 一種武術大槍姿態感測裝置，係包含有:一第一感測器，係裝設於大槍的槍頸，其包含有一第一通信模組、一第一控制單元、一第一姿態感測單元及一電池單元；其中該第一姿態感測單元輸出該槍頸的位置變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之訊號；一第二感測器，係裝設於大槍的槍尾，其包含有一第二通信模組、一第二控制單元、一第二姿態感測單元及一電池單元；其中該第二姿態感測單元輸出該槍尾的位置變化之角加速度、加速度或/及地磁強度之訊號；及一計算機設備，係耦接該第一感測器、該第二感測器，其更包含有一中央處理單元及一輸出單元，其中該中央處理單元接收該第一感測器、該第二感測器的感測訊號，以計算並轉換出該大槍的某時間運行姿態或/及整體運行軌跡，並輸出於該輸出單元。
2. 如請求項1述武術大槍姿態感測裝置，其中該計算機設備係有線電性連接或無線耦接該第一感測器、該第二感測器。
3. 如請求項1述武術大槍姿態感測裝置，其中該第一姿態感測單元係包含三軸形式的第一陀螺儀、第一加速度計或/及第一地磁傳感器；而該第二姿態感測單元係包含三軸形式的第二陀螺儀、第二加速度計或/及第二地磁傳感器。
4. 如請求項1所述武術大槍姿態感測裝置，其中該中央處理單元更包含有一第一運算轉換單元，且該第一運算轉換單元係依據該第一感測器及第二感測器的訊號，轉換成大槍槍頸位置的一第一姿態角訊號，以及該大槍槍尾位置一第二姿態角訊號。
5. 如請求項4述武術大槍姿態感測裝置，其中該中央處理單元更包含有一第二運算轉換單元，且該第二運算轉換單元依據該第一姿態角訊號、該第二姿態角訊號分別轉換成該大槍槍頸位置的位置座標(X ₁,Y ₁,Z ₁)，以及該大槍槍尾位置的位置座標(X ₂,Y ₂,Z ₂)之參數。
6. 如請求項1所述武術大槍姿態感測裝置，其中該第一感測器、第二感測器分別再增設一第一麥克風、一第二麥克風，據以同步收集該大槍運行所造成的聲音，並以動態影音形式輸出於該輸出單元。
7. 如請求項1所述武術大槍姿態感測裝置，另包含一雲端伺服器，係藉由網際網路以通信連接該計算機設備，且保存該大槍的移動資訊，讓該雲端伺服器成為AI數據中心。

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