Нож тренировочный
TRAINING KNIFE

Область применения устройства: боевые единоборства, самооборона без оружия, обучение сотрудников силовых структур.
Известны тренировочные ножи, выполненные из дерева, пластмассы или резины, применяемые при тренировках или соревнованиях по боевым единоборствам, самообороне без оружия или при обучении сотрудников силовых структур [Воронов Дм. «Тренировочные ножи», журнал «Калашников. Оружие, боеприпасы, снаряжение», 2012 г., №1, с. 98]. Существенным недостатком таких устройств является невозможность объективного определения момента и силы касания ножа тела или одежды соперника, что приводит к субъективной оценке момента касания соперником, тренером или рефери. При этом соперник не в состоянии оценить силу и опасность укола или пореза, что отрицательно сказывается на процессе обучения.
Таким образом, функциональные возможности, а значит, и эффективность тренировочного процесса, являются весьма ограниченными.
Известна рапира, снабженная встроенным электрошокером слабой силы воздействия и датчиком укола [Полезная модель РФ №155869. Спортивная рапира]. Использование электрошокера, срабатывающего при касании (уколе) тела или одежды соперника позволяет последнему оценить реальный момент укола. Недостатком устройства является невозможность срабатывания электрошокера при нанесении удара лезвием клинка (порезе). Недостатком устройства является также невозможность объективной оценки тренером или рефери момента касания.
Таким образом, функциональные возможности, а значит, и эффективность тренировочного процесса, являются весьма ограниченными.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является тренировочный нож со встроенным электрошокером по патенту США [Патент США №7353984 Electrical shocking device for defence training]. Данное устройство содержит корпус, выполненный преимущественно из материала с высокими диэлектрическими свойствами, состоящий из клинка, включающего по меньшей мере одно лезвие и острие, а также рукоятки, при этом в корпусе, преимущественно, в рукоятке, размещены источник питания и генератор тока высокого напряжения, выходы которого соединены с размещенной в клинке по меньшей мере одной парой выходных рабочих электродов, между которыми возникает электрический искровой или дуговой разряд при подаче на них высокого напряжения от упомянутого генератора при включении пусковой кнопки, расположенной в рукоятке.
Недостатком устройства является отсутствие встроенного датчика касания клинка тела или одежды соперника, поэтому в устройстве предусмотрена непрерывная (непрерывно-импульсная) работа генератора тока высокого напряжения при включении пусковой кнопки пользователем, вне зависимости от наличия или отсутствия касания клинка тела или одежды соперника. Такое техническое решение приводит к нерациональному растрачиванию электрической энергии источника питания, необходимости постоянно удерживать пусковую кнопку пользователем, а также возможности отсутствия воздействия на соперника при случайном соскальзывании пальца пользователя с пусковой кнопки.
Недостатком устройства является также невозможность объективной, а не только визуальной, оценки момента касания клинка тела или одежды соперника, а также невозможность объективно, а не только визуально, различать приемы применения ножа (укол или порез) тренером или рефери, тем более, что вследствие постоянно действующего высокого напряжения на рабочих электродах ножа, искровой или дуговой разряд возникает не в момент касания тела или одежды соперника острия или лезвия клинка ножа, а чуть ранее, на некотором расстоянии между ножом и телом или одеждой соперника, которое определяется величиной выходного высокого напряжения. С учетом того, что в данном случае пробивное расстояние составляет примерно 15…30кВ/см, вполне вероятны «ложные» касания, когда нож еще не достигает тела соперника, а боль от разряда он уже почувствует.
Вследствие данного недостатка точность определения самого факта и момента правильного выполнения приемов борьбы (нанесения укола или пореза) является весьма ограниченной.
Таким образом, функциональные возможности, а значит, и эффективность тренировочного процесса, являются весьма ограниченными.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
Целью предлагаемого изобретения является создание устройства, свободного от указанных недостатков.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности при определении самого факта и момента правильного выполнения приема борьбы (нанесения укола или пореза) с применением тренировочного ножа. В итоге достигается основной результат - повышение эффективности тренировочного процесса.
Технический результат достигается тем, что нож тренировочный, содержащий корпус, выполненный преимущественно из материала с высокими диэлектрическими свойствами, состоящий из клинка, включающего по меньшей мере одно лезвие и острие, а также рукоятки, в корпусе, преимущественно, в рукоятке, размещены источник питания и генератор тока высокого напряжения, выходы которого соединены с размещенной в клинке по меньшей мере одной парой выходных электродов, вход управления генератора тока высокого напряжения соединен с размещенным в клинке, преимущественно вдоль лезвия и вблизи острия, по меньшей мере одним датчиком касания лезвием или острием клинка тела или одежды соперника, упомянутый датчик может быть выполнен с возможностью различения типа касания клинка тела или одежды соперника, преимущественно как «укол» при касании острием или «порез» при касании лезвием клинка, соответственно выходные сигналы датчика касания могут различаться в зависимости от типа касания, высокое напряжение включается на время срабатывания упомянутого датчика, либо на время срабатывания упомянутого датчика, увеличенное или уменьшенное на заранее заданный промежуток времени, либо на время срабатывания упомянутого датчика, но не более или не менее, чем на заранее заданный промежуток времени, либо на заранее заданный промежуток времени от момента касания клинка тела или одежды соперника, при этом значение выходного сигнала упомянутого датчика касания может быть пропорциональным значению усилия касания тела или одежды соперника, а значение выходной мощности генератора тока высокого напряжения может быть пропорциональным значению выходного сигнала упомянутого датчика касания.
Дополнительной особенностью устройства является то, что упомянутый датчик касания может быть выполнен с возможностью регулирования его чувствительности при производстве и/или эксплуатации ножа.
Дополнительной особенностью устройства является то, что упомянутый датчик касания может быть выполнен в виде полости в корпусе или упругой трубки, снабженной установленными на ее концах источником излучения, преимущественно оптического диапазона, излучающим непрерывный или импульсный сигнал, и соответствующим ему фотоприемником.
Дополнительной особенностью устройства является то, что упомянутый источник питания может быть выполнен в виде аккумуляторной батареи, а в корпусе, преимущественно в рукоятке, может быть установлен разъем для подключения источника питания к зарядному устройству.
Дополнительной особенностью устройства является то, что средняя мощность тока высокого напряжения составляет величину, меньшую, чем 0,3 Вт.
Дополнительной особенностью устройства является то, что оно может быть снабжено световым индикатором, выполненным преимущественно в виде по меньшей мере одного подсвечивающего часть ножа светодиода, установленного в ноже, который включается непрерывно или импульсно либо при включении питания, либо в момент касания клинка тела или одежды соперника, при этом параметры свечения индикатора, преимущественно яркость, или длительность, или частота повторения, или цвет свечения, либо любая их комбинация, могут быть установлены на время срабатывания упомянутого датчика, либо на время срабатывания упомянутого датчика, увеличенное или уменьшенное на заранее заданный промежуток времени, либо на время срабатывания упомянутого датчика, но не более или не менее, чем на заранее заданный промежуток времени, либо на заранее заданный промежуток времени от момента касания клинка тела или одежды соперника, и зависеть от типа касания.
Дополнительной особенностью устройства является то, что оно может быть дополнительно снабжено схемой записи и хранения данных об истории его применения, преимущественно данных о ноже, данных о пользователе, данных о дате, времени и типе (укол, порез) каждого срабатывания, а считывание упомянутых данных может производиться преимущественно через разъем зарядки источника питания, либо беспроводным способом.
Дополнительной особенностью устройства является то, что оно может быть дополнительно снабжено соединенным с упомянутыми датчиком, или генератором тока, или схемой записи и хранения данных, радиопередатчиком, расположенным в ноже, либо на теле или одежде пользователя.
Дополнительной особенностью устройства является то, что оно может быть дополнительно снабжено соединенным с генератором тока радиоприемником, расположенным в ноже, либо на теле или одежде пользователя, принимающим сигнал от рефери или тренера, преимущественно для внешнего принудительного отключения генератора тока высокого напряжения.
Дополнительной особенностью устройства является то, что оно может быть дополнительно снабжено звуковым индикатором момента касания клинком тела или одежды соперника, при этом параметры звукового сигнала, преимущественно громкость, или длительность, или частота звукового сигнала, либо любая их комбинация, могут быть установлены на время срабатывания упомянутого датчика, либо на время срабатывания упомянутого датчика, увеличенное или уменьшенное на заранее заданный промежуток времени, либо на время срабатывания упомянутого датчика, но не более или не менее, чем на заранее заданный промежуток времени, либо на заранее заданный промежуток времени от момента касания клинка тела или одежды соперника, и зависеть от типа касания.
Дополнительной особенностью устройства является то, что оно может быть дополнительно снабжено средством идентификации пользователя.
Дополнительной особенностью устройства является то, что упомянутый корпус может быть выполнен из по меньшей мере двух частей, соединенных с помощью разборного соединения.
Дополнительной особенностью устройства является то, что упомянутый корпус может быть выполнен полностью литым из диэлектрического материала преимущественно с помощью литья под давлением в соответствующей пресс-форме, преимущественно из резины, полиэтилена, полипропилена или силикона, а элементы ножа могут быть размещены на несущей раме, выполненной преимущественно в виде печатной платы, установленной в упомянутую пресс-форму, при этом в корпусе могут быть предусмотрены отверстия для доступа к регулировочным элементам, индикаторам и разъемам, преимущественно закрываемые съемными крышками.
Дополнительной особенностью устройства является то, что упомянутый генератор тока высокого напряжения может быть снабжен схемой стабилизации выходной мощности устройства при снижении напряжения электропитания.
Дополнительной особенностью устройства является то, что в нем может быть предусмотрена возможность непрерывной или ступенчатой регулировки выходной мощности с помощью регулировочного элемента или переключателя, расположенного преимущественно в рукоятке.
Дополнительной особенностью устройства является то, что значения выходных параметров светового или звукового индикаторов, либо любой их комбинации, может быть пропорциональным значению выходного сигнала упомянутого датчика касания.
Заявленная совокупность существенных признаков находится в прямой причинно-следственной связи к достигаемому техническому результату.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию «новизна», т.к. оно не известно из уровня техники.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию «изобретательский уровень», т.к. оно не следует очевидным образом из известных технических решений.
Предложенное устройство является промышленно применимым, т.к. может быть реализовано существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.
Краткое описание иллюстраций к описанию предлагаемого устройства.
Фиг. 1. Общий вид устройства.
Фиг. 2. Основные устройства в рукоятке.
Фиг. 3. Основные устройства в клинке.
Фиг. 4. Варианты расположения и подключения рабочих электродов.
Фиг. 5. Основные элементы предлагаемого датчика касания в отсутствие касания тела или одежды соперника.
Фиг. 6. Основные элементы предлагаемого датчика касания при касании лезвия клинка тела или одежды соперника.
Фиг. 7. Основные элементы предлагаемого датчика касания при касании острия клинка тела или одежды соперника.
Фиг. 8. Временные диаграммы выходных сигналов предлагаемого датчика касания при касании лезвия и острия клинка тела или одежды соперника.
На Фиг. 1 приведен общий вид устройства. Корпус 1 состоит из клинка 2, рукоятки 3, гарды 4, разделяющей рукоятку и клинок (в некоторых вариантах воплощения устройства гарда может отсутствовать), и заднего упора рукоятки 5 (в некоторых вариантах воплощения устройства задний упор также может отсутствовать). Клинок 2 содержит по меньшей мере одно лезвие 6 (в случае обоюдоострого ножа клинок содержит два лезвия, расположенных на противоположных сторонах продольной поверхности клинка) и острие 7. Корпус предназначен для выполнения нескольких основных функций:
• внешней имитации боевого ножа при ведении поединков;
• установки и соединения в нем всех необходимых узлов и элементов устройства.
Возможны несколько вариантов конструктивного исполнения корпуса, в частности (не ограничиваясь этим):
• сборный корпус, когда корпус выполнен по меньшей мере из двух частей, обладающих диэлектрическими свойствами, соединенных с помощью разборного соединения;
• монолитный корпус, когда он может быть выполнен полностью литым из диэлектрического материала, преимущественно из резины, полиэтилена, полистирола, полипропилена или силикона (возможно использование и других материалов с подходящими свойствами, обеспечивающими нужную гибкость клинка, чтобы не нанести травму сопернику), а внутренние узлы устройства могут быть установлены на несущей раме, выполненной, например, в виде печатной платы, которая, после установки и монтажа узлов, помещается в литьевую пресс-форму. При этом в корпусе могут быть предусмотрены отверстия, предназначенные для доступа к регулировочным элементам, индикаторам и разъемам, закрываемые в случае необходимости съемными крышками (на рисунках не показаны). Такая монолитная конструкция корпуса значительно повышает эксплуатационную надежность устройства, поскольку удары ножом и по ножу, падение ножа на твердое покрытие пола и т.п., не приведет к разрушению корпуса или даже каким-либо дефектам его поверхности, составных частей или внутренних элементов.
На Фиг. 2 приведен пример размещения основных функциональных узлов устройства в рукоятке: источник электропитания 8, разъем для подзарядки и записи/считывания данных 9, кнопка включения питания 10, генератор тока высокого напряжения 11, регулятор (переключатель) 12 выходной мощности генератора 11, индикатор 13 работоспособности источника питания 8, звуковой индикатор касания 14, радиопередатчик 15, радиоприемник 16, схема 17 записи/считывания данных, идентификатор 18 пользователя, крышка рукоятки 19, кольцо для крепления темляка 20.
Источник питания 8 служит для обеспечения электропитанием всех элементов устройства, которые в нем нуждаются. Источник питания 8 может быть выполнен неперезаряжаемым (в виде одноразового элемента или батарейки), либо перезаряжаемым (в виде аккумуляторного элемента или батареи). В последнем случае он может быть снабжен разъемом 9 для подключения внешнего зарядного устройства, если же он снабжен встроенным зарядным устройством (на рисунке не показан), то разъем 9 может быть использован для подключения сетевого шнура (на рисунке не показан). Подзарядка перезаряжаемого источника питания 8 может быть выполнена как от обычной бытовой электросети соответствующего странового стандарта, так и от автомобильной бортовой электросети. Перезаряжаемый источник питания может быть выполнен как извлекаемым, так и не извлекаемым, неперезаряжаемый источник питания - только извлекаемым.
Необходимо отметить, что в другом конструктивном исполнении устройства зарядка перезаряжаемого источника питания может осуществляться беспроводным способом.
Миниатюрные источники питания широко используются в различных областях техники. В качестве конкретного примера технического воплощения миниатюрного перезаряжаемого источника питания можно привести аккумуляторную батарею типа ICR 16500 (1200 мА*час) производства компании UltraFire.
Источник питания 8 подключен к другим узлам устройства через кнопку включения питания 10, в частности, к генератору тока высокого напряжения 11.
Генератор тока высокого напряжения 11 предназначен для формирования выходных сигналов устройства для болевого воздействия на соперника при касании лезвием или острием клинка тела или одежды соперника.
Подобные генераторы широко применяются в гражданском оружии самообороны (электрошоковых устройствах), однако они обладают большой мощностью, поскольку предназначены для нанесения временного поражения правонарушителям. Для предлагаемого устройства может быть использован аналогичный генератор, но со значительно меньшей выходной мощностью, обеспечивающей болевые ощущения у соперника той или иной силы при касании ножом его тела или одежды, но абсолютно безопасные для его здоровья. В соответствии с действующим российским законодательством и государственными стандартами безопасная мощность воздействия электрошоковых устройств на эквивалентной нагрузке (1 кОм) должна превышать 0,3 Вт и не может превышать 3,0 Вт при длительности однократного воздействии не более 3 с. В предлагаемом устройстве максимальная мощность воздействия на эквивалентной нагрузке не будет превышать 0,3 Вт, поэтому изделие заведомо не является оружием и абсолютно безопасно для пользователя и его соперника. Пониженная мощность генератора 11 позволяет выполнить его миниатюрным и без труда разместить его в рукоятке ножа. Тем не менее, конструкцией может быть предусмотрена возможность повышения выходной мощности устройства, если это необходимо конкретному заказчику или пользователю.
Генератор 11 может быть снабжен также схемой стабилизации выходной мощности устройства при снижении напряжения питания (например, из-за разряда батареи), что повышает эксплуатационную надежность устройства.
Кроме того, в бытовой технике широко используются, например, электрические зажигалки для газовых плит, в которых применяется пьезоэлектрический генератор, обладающий невысоким, но в целом достаточным для вызывания боли при касании его выходных электродов, выходным напряжением.
В последнее время на рынке появились китайские игрушки, формирующие болезненный, но безопасный разряд тока высокого напряжения, также использующие миниатюрные генераторы, которые можно использовать для предлагаемого устройства.
В одном из вариантов воплощения устройства генератор 11 может быть снабжен регулятором 12 выходной мощности генератора 11. Регулятор 12 может быть выполнен в виде потенциометра (позволяющего плавно менять выходную мощность генератора) или миниатюрного переключателя по меньшей мере на два положения (позволяющего менять выходную мощность генератора 11 ступенчато), исполнительный механизм регулятора 12 выведен на поверхность корпуса или же доступ к нему обеспечивается с помощью отверстия, выполненного в рукоятке корпуса (на рисунке не показаны). Следует отметить, что с ростом выходной мощности генератора 11 увеличивается ощущение боли у соперника при касании. Для начинающих спортсменов, как правило, регулятор мощности 12 устанавливается в положение, соответствующее минимальной выходной мощности генератора 11. Для более опытных спортсменов или сотрудников силовых органов возможна установка регулятора в положение или положения, соответствующие более высокому значению выходной мощности генератора 11.
Для контроля работоспособности и состояния источника питания 8 (степени заряженности в случае, если он выполнен в виде перезаряжаемой батареи) может быть использован индикатор 13, подключенный к выходам источника питания 8.
Устройство может быть также снабжено звуковым индикатором 14 касания, который может выполнять нескольких функций:
• функции дополнительной индикации только факта или факта и типа касания;
• функции дополнительной индикации команд от тренера или рефери, например, о принудительном прекращении поединка (при этом возможно принудительное отключение генераторов тока высокого напряжения одного или обоих ножей, применяемых в поединке);
• функции дополнительной индикации факта сильного разряда источника электропитания, при котором возможна потеря функциональности ножа.
При этом звуковые сигналы, сигнализирующие о разных событиях, могут различаться по своим выходным параметрам (например, не ограничиваясь этим, громкостью, длительностью и частотой повторения звуковых импульсов и т.п.).
В качестве звуковых индикаторов широко применяются миниатюрные акустические излучатели, управляемые электрическим током, например, AL-60SP01 производства компании EKULIT.
Введение в схему устройства звукового датчика с различными опциями значительно расширяет его функциональные возможности.
Устройство может быть также снабжено радиопередатчиком 15, который предназначен для передачи данных о состоянии ножа, информации о пользователе и событий применения ножа во время тренировок или поединков на удаленные приемные устройства, которые могут быть размещены у тренера, рефери или на судейском столе. Стандарты, в которых может работать радиопередатчик, широко известны в технике телекоммуникаций, например, это может быть стандарт WiFi, Bluetouth и т.п. Чипы радиопередатчиков в указанных стандартах также широко распространены и свободно продаются на рынке радиокомпонентов.
Устройство может быть также снабжено радиоприемником 16, который предназначен для приема управляющих и иных сигналов от удаленных передающих устройств, которые могут быть размещены у тренера, рефери или на судейском столе, в частности, для приема сигналов принудительного выключения генератора тока высокого напряжения при слишком длительном воздействии на соперника (например, если взаимное расположение соперников во время поединка (например, положение типа «клинч») приводит к таковому длительному воздействию). Стандарты, в которых может работать радиоприемник, широко известны в технике телекоммуникаций, например, это может быть стандарт WiFi, Bluetouth и т.п. Чипы радиоприемников в указанных стандартах также широко распространены и свободно продаются на рынке радиокомпонентов.
Радиопередатчик 15 и радиоприемник 16 могут быть конструктивно объединены в один чип. Примером такого чипа является сравнительно недорогой приемопередатчик MeshBee OpenSourceZigBee RF Module производства компании SeeedStudio.
Введение в схему устройства радиопередатчика и радиоприемника значительно расширяет его функциональные возможности.
Устройство может быть также снабжено схемой 17 записи/считывания данных, предназначенной для записи и/или считывания следующих данных:
• об идентификационных данных ножа (дата выпуска, серийный номер и т.п.);
• об идентификационных данных пользователя (анкетные данные (фамилия, имя, дата рождения, спортивный разряд/категория и т.п.), образцы отпечатков пальцев, образцы радужной оболочки глаз, коды доступа и т.п.);
• о событиях применения ножа в поединках или на тренировках (дата, время, тип касания (укол или порез), величина усилия касания, пользователь и т.п.);
• иных данных, которые являются важными для производителя, пользователя, соперника, тренера или рефери.
Запись/считывание упомянутых данных может производиться через соответствующий разъем либо беспроводным способом, в том числе с помощью упомянутого радиопередатчика 15.
Введение в схему устройства схемы записи/считывания данных значительно расширяет его функциональные возможности и эксплуатационную надежность, а также служит для повышения точности его работы, поскольку позволяет с точностью до долей секунды фиксировать и запоминать каждый момент касания.
Устройство может быть также снабжено идентификатором 18 пользователя, который служит для определения конкретного пользователя, собирающегося вступать в поединок с применением предлагаемого устройства.
Идентификатор пользователя может быть полезным, если для каждого пользователя предусматривается индивидуальная предустановка параметров изделия (например, цвет и/или иные параметры свечения светового индикатора, звуковая частота звукового индикатора и т.п.), а также хранения в памяти устройства всех событий, связанных именно с данным пользователем.
Идентификатор 18 пользователя может также служить блокирующим устройством, обеспечивающим невозможность несанкционированного использования устройства. В последнем случаем идентификатор пользователя может работать в нескольких режимах:
• блокировка только генератора тока высокого напряжения до определения пользователя, которому разрешен доступ к применению устройства;
• блокировка генератора тока высокого напряжения, или светового индикатора, или звукового индикатора, либо любой их комбинации, до определения пользователя, которому разрешен доступ к применению устройства.
После определения пользователя для фиксации готовности устройства к работе могут быть использованы упомянутые световой или звуковой индикаторы, либо их комбинация, либо отдельный индикатор готовности.
Идентификатор пользователя может быть выполнен с запоминанием индивидуальных параметров или кодов доступа нескольких пользователей.
Оперативная идентификация пользователя весьма широко известна в современной технике и используется в смартфонах, ноутбуках, оборудовании контроля доступа и т.п. В частности, известны идентификационные анализаторы (сканеры) отпечатков пальцев, радужной оболочки глаза и т.п. Известны также так называемые магнитные «проксимити-карты», а также простейшие кодовые замки и т.п. В качестве примера можно привести миниатюрный сканер отпечатков пальцев типа AS608 (FPM10A) производства компании Adafruit Industries.
На заднем упоре 5 рукоятки 3 может быть установлена съемная крышка 19, защищающая органы управления и индикации устройства от ударов во время поединка. Крышка 19 может быть снабжена кольцом 20 для крепления темляка (на рисунке не показан).
Некоторые элементы устройства, например, радиопередатчик 15, радиоприемник 16 и т.п., могут быть размещены на теле или одежде пользователя. В последнем случае проводники, соединяющие эти узлы с ножом, должны быть выполнены прочными, гибкими, и не мешать пользователю и его сопернику проводить поединки.
В ином варианте конструкции упомянутые узлы (или их часть) могут быть размещены в клинке при соблюдении условий электромагнитной совместимости с выходными рабочими электродами, на которые подается высокое напряжение.
На Фиг. 3 приведен пример размещения основных функциональных узлов устройства в клинке: по меньшей мере одна пара выходных рабочих электродов 21, подключенных к разнополярным выходам генератора 1 Соответственно, по меньшей мере один датчик касания 22, выход которого подключен к входу управления генератора 11, световой индикатор 23 касания (в ином варианте конструкции может быть размещен в рукоятке), схема 24 управления индикатором 23, подключенная к выходу датчика касания 22 или генератору 11 (в ином варианте конструкции может быть размещена в рукоятке).
Выходные рабочие электроды 21 устройства предназначены для непосредственной передачи болевого воздействия сопернику. Электроды каждой пары выходных рабочих электродов 21 расположены на противоположных плоскостях клинка 2 вдоль лезвия 6 и вблизи острия 7 клинка, либо на одной плоскости клинка 2. Электроды пары разнесены друг от друга на расстояние, обеспечивающее при включении генератора 11 возникновение между ними искрового или дугового разряда в режиме «холостого хода», т.е. когда клинок не касается тела или одежды соперника. Это расстояние зависит от значения амплитуды напряжения выходного сигнала генератора 11 и определяется напряжением высоковольтного разряда (пробоя воздушного промежутка между электродами), которое составляет примерно 1,5…3,0 кВ/мм. Обычно упомянутое расстояние составляет несколько миллиметров. В момент касания тела соперника между электродами возникает электрический ток, проходящий через тело соперника в области касания и вызывающий у соперника кратковременное болевое ощущение. В момент касания одежды соперника на последнего воздействует высоковольтный разряд, также вызывающий у соперника кратковременное болевое ощущение. В отсутствие факта касания генератор 11 не включается, и соперник не испытывает какую-либо боль. Включение генератора 11 только при срабатывании датчика касания 22 повышает эксплуатационную надежность заявляемого устройства по сравнению с прототипом, поскольку источник питания8 используется не непрерывно после включения устройства, а только при срабатывании датчика 22, следовательно, его долговечность будет значительно выше.
Варианты расположения и подключения рабочих электродов к выходам генератора тока высокого напряжения приведены на Фиг. 4, где показаны: электроды одной полярности 25, электроды противоположной полярности26. В одном варианте конструкции (Фиг. 4а) разнополярные электроды 25 и 26, между которыми возникает искровой или дуговой разряд, располагаются друг напротив друга (или со смещением) на противоположных плоскостях клинка 2 вдоль лезвия 6 и вблизи острия 7 клинка, в другом варианте (Фиг. 4б) разнополярные электроды 25 и 26 расположены на некотором расстоянии друг от друга на одной стороне клинка (обычно для увеличения расстояния между разнополярными электродами для увеличения длины искрового или дугового разряда).
Подбор мест расположения электродов 25 и 26, а также расстояний между ними, позволяет добиться высокой точности соответствия между моментом касания и моментом начала воздействия высокого напряжения на соперника, что повышает эксплуатационную надежность и точность работы устройства.
Датчик касания 22 предназначен для определения момента (в некоторых реализациях предлагаемого устройства - и типа) касания клинком соперника при выполнении приемов борьбы во время поединка.
Существует множество широко известных в технике вариантов технического воплощения датчиков касания, например (не ограничиваясь этим):
концевой датчик, выполненный в виде нормально разомкнутой миниатюрной кнопки, который срабатывает на замыкание при возникновении усилия нажатия на подпружиненный контакт и размыкается при окончании этого усилия. Для технической реализации предлагаемого устройства потребуется несколько таких датчиков, размещенных вдоль лезвия и на острие клинка, однако при этом необходимо выполнить требования по электромагнитной совместимости этих датчиков и высоковольтных выходных рабочих электродов устройства;
сенсорный датчик, широко применяемый в смартфонах, ноутбуках и т.п., выполненный, например, в виде резистивного или емкостного датчика, либо датчика на основе эффекта Холла и т.д., срабатывающего даже при легком нажатии на чувствительную поверхность датчика. Для технической реализации предлагаемого устройства потребуется несколько таких датчиков, размещенных вдоль лезвия и на острие клинка, однако при этом необходимо выполнить требования по электромагнитной совместимости этих датчиков и высоковольтных выходных рабочих электродов устройства;
волоконно-оптический датчик, в котором усилие давления на волоконный световод (при касании световода) изменяет его оптические свойства и, соответственно, изменяет амплитуду или иные параметры (например, фазу) оптического сигнала, передаваемого световодом. Такие датчики являются технически весьма сложными и, соответственно, дорогими устройствами.
Кроме того, известны также датчики касания, основанные на пьезоэлектрическом эффекте, применении тензорезисторов и т.п.
Следует отметить, что конкретный физический эффект, на основе которого работает датчик, для реализации заявленного изобретения не принципиален.
Один из вариантов возможного технического воплощения датчика касания 22 представлен на Фиг. 5 и содержит внутреннюю полость 27, выполненную в корпусе вдоль лезвия (или дополнительную упругую, как правило, диэлектрическую (что необязательно, но удобно для данной реализации конструкции устройства), трубку, установленную в эту полость) на концах которой установлены источник 28 оптического излучения (например, светодиод или лазерный диод, как правило, снабженные линзой или иным оптическим устройством для коллимации излучения) и соответствующий ему фотоприемник 29 (например, фоторезистор или фотодиод, как правило, также снабженные линзой или иным оптическим устройством, обеспечивающим фокусирование изучения на чувствительную поверхность фотоприемника), снабженные при необходимости схемами формирования электрических сигналов 30 для источника излучения и усиления/компарирования выходных сигналов фотоприемника 31 (эти схемы могут быть функционально и конструктивно объединены со схемой управления генератора тока высокого напряжения 11, либо входить в его состав, либо вообще отсутствовать). Выход фотоприемника 29 (или выход схемы усиления/компарирования 31, если она присутствует) подключен ко входу управления генератора тока высокого напряжения 11. Сигнал от источника изучения 28 может быть непрерывным или импульсным. Трубка 27 проложена вдоль лезвия 6 клинка и в то же время ее торец со встроенным в него источником излучения 28 находится вблизи острия 7. На внутреннюю поверхность полости (или трубки) 27 на некотором расстоянии от источника излучения может быть нанесено светоотражающее покрытие, обеспечивающее лучшую передачу излучения на фотоприемник (на Фиг. 5 не показано).
Принцип работы датчика 22 при выполнении приема «порез» показан на Фиг. 6. Датчик работает следующим образом. В отсутствие усилия касания лезвия 6 клинка 2 тела или одежды соперника фотоприемник 29 принимает сигнал 32 нормальной мощности от источника излучения 27. При наличии стабильного сигнала 32 на выходе фотоприемника 29 генератор тока высокого напряжения 11 находится в выключенном состоянии. В случае касания тела или одежды соперника лезвием 6 клинка 2 внешняя сторона лезвия 6, являющаяся стенкой полости 27, испытывает местную деформацию за счет воздействия усилия касания 33, что приводит к ослаблению или полной потере сигнала 32 на входе фотоприемника 29. Соответственно, малое значение амплитуды или отсутствие сигнала 32 на выходе фотоприемника 29 воспринимается генератором тока высокого напряжения 11 как сигнал его включения (запуска).
Принцип работы датчика 22 при выполнении приема «укол» показан на Фиг. 7. При касании тела или одежды соперника острием 7 клинка 2 за счет усилия касания 34положение источника излучения 28 в полости 27 изменяется (происходит его угловое смещение), что приводит к ослаблению или полной потере сигнала 35, воспринимаемого фотоприемником 29.
Можно добиться такой настройки датчика 22, что функции изменения параметров сигналов 32 и 35 (при «порезе» и «уколе» соответственно) будут разными, особенно при использовании упомянутого светоотражающего покрытия (для выполнения приема «порез» светоотражающее покрытие «помогает» прохождению сигнала 32 к фотоприемнику 29, а при выполнении приема «укол», светоотражающее покрытие не «помогает» прохождению сигнала 35, поскольку оно начинается на таком расстоянии от источника излучения, что сигнал 35 на него не попадает из-за углового смещения источника излучения 28), что позволит датчику 22 различать эти приемы, передавая соответствующие сигналы управления звуковому 14 и световому 23 индикаторам касания, а также в схему записи/считывания событий 17. Другой особенностью датчика является конструктивная возможность обеспечения пропорциональности сигнала на его выходе усилию давления на полость (трубку) 27 или источник излучения 28, то есть, усилию касания. Это дает возможность варьирования выходных параметров генератора тока высокого напряжения 11 в зависимости от величины усилия касания. Чем выше усилие касания 33, тем сильнее происходит деформация полости (трубки) 27, следовательно - тем сильнее происходит снижение амплитуды сигнала 32. Аналогичным образом, чем выше усилие касания 34, тем сильнее происходит угловое смещение источника излучения 28, соответственно, тем сильнее происходит снижение амплитуды сигнала 35. Таким образом, между значениями скорости снижения и абсолютным значением амплитуды выходного сигнала датчика касания 22 сигналов 32 и 35 может быть существенная разница, которая и позволяет различить тип касания. Данный эффект изображен на Фиг. 8, на котором приведены три выходных сигнала датчика касания (сигналы 36, 37 и 38) при выполнении приема «порез» (при трех различных усилиях касания 32), и те же три сигнала при выполнении приема «укол» (при трех тех же по значению усилиях касания 35). Разные сигналы на входе генератора тока высокого напряжения 11 могут управлять выходными параметрами генератора 11, например, частотой повторения, или длительностью или амплитудой выходных импульсов генератора 11, в результате эффект воздействия может быть пропорциональным усилию касания и разным для касания типа «укол» или «порез».
Для повышения чувствительности, соответственно, точности определения момента касания, и эксплуатационной надежности устройства в клинок могут быть установлены несколько датчиков касания, часть из которых располагается вдоль лезвия или обоих лезвий клинка, а часть - вблизи острия клинка. В этом случае выход из строя одного или даже нескольких датчиков 22 не приводит к выходу из строя всего устройства. Кроме того, наличие нескольких датчиков 22 позволяет проще различать тип касания, поскольку сигналы на генератор 11 будут приходить от разных датчиков.
Датчик может быть выполнен с возможностью настройки или регулирования его чувствительности при производстве и/или эксплуатации ножа.
Конструктивная сложность, сложность процедуры настройки и стоимость такого датчика в производстве небольшие, а чувствительность и электромагнитная совместимость его высокие, что позволяет добиться весьма конкурентноспособных характеристик предлагаемого устройства при приемлемой для пользователя цене.
Световой индикатор 22 может включаться при включении электропитания ножа, и/или после идентификации пользователя (если это предусмотрено схемой устройства), и/или в момент касания тела или одежды соперника. В первом и втором случае - это просто индикация (для пользователя, соперника, тренера или рефери) того, что нож включен и готов к использованию в поединке, во третьем случае производится индикация факта касания, то есть успешного выполнения соответствующего приема борьбы в поединке.
У соперников для удобства их идентификации, как правило, ножи должны светиться разным цветом. Для этого в устройстве может быть предусмотрена предустановка цвета светового индикатора (в случае использования многоцветного индикатора), либо применение на разных ножах световых индикаторов разного цвета. Первый вариант представляется предпочтительным, поскольку в этом случае для конкретного поединка не нужно специально подбирать ножи с разным цветом свечения световых индикаторов.
Световой сигнал светового индикатора может быть непрерывным или импульсным с заранее заданной длительностью импульсов и частотой их повторения, что определяется алгоритмом работы схемы управления 23 индикатором 22. Световой сигнал может действовать только в период касания клинка тела или одежды соперника, или может формировать световой сигнал заранее заданной длительности.
Применение светового индикатора в различных вариантах его использования позволяет значительно расширить функциональные возможности заявляемого устройства, повысить его эксплуатационную надежность (рефери или тренеру легче определить, каким именно ножом нанесен удар или укол) и точность определения момента фиксации касания противника (например, для тренера или рефери поединков).
В качестве световых индикаторов, как правило, могут использоваться полупроводниковые светодиоды, в том числе двух- или многоцветные, широко применяемые в радиоэлектронике. В качестве примера можно привести двуцветный (красный, зеленый) светодиод типа BL-HGEUF36J поверхностного монтажа производства компании BRIGHTLEDELECTRINICCORP.
В качестве схем управления 23 индикатора 22 могут быть применены широко известные в радиоэлектронике цифровая логика, микропроцессоры и/или аналоговые времязадающие цепи.
Для более точной оценки силы удара ножом возможно управление мощностью или другими параметрами воздействия генератора тока высокого напряжения, а также параметрами свечения светового индикатора (например, не ограничиваясь этим, интенсивностью, длительностью и частотой повторения световых импульсов и т.п.), либо параметрами звукового индикатора (например, не ограничиваясь этим, громкостью, длительностью и частотой повторения звуковых импульсов и т.п.), либо их любой комбинацией, в зависимости от усилия, возникающего при касании.
Это может оказаться важным, если поединок или процесс обучения требует анализа силы удара, а не только факта касания.
Если касание сильное и длительное, можно формировать выходной сигнал генератора тока высокого напряжения с длительностью воздействия, равной длительности касания. Однако, в случае слишком длительного касания полезно ограничивать максимальную длительность сигнала воздействия.
Если касание легкое и короткое, то иногда удобнее формировать выходной сигнал генератора тока высокого напряжения с заранее заданной длительностью воздействия.
При этом сигнал воздействия может быть непрерывным или импульсным.
Устройство в полной возможной комплектации работает следующим образом.
В исходном состоянии источник питания выключен, соответственно все узлы обесточены, устройство неработоспособно.
При включении источника питания 8 пусковой кнопкой 10 напряжение питания подается на генератор 11, датчик касания 22, а также на световой 23 и звуковой 14 индикаторы, схему записи и хранения данных 14, схему идентификации пользователя 18, радиопередатчик 15, радиоприемник 16. Индикатор питания 13 при этом указывает на работоспособность и состояние источника питания 8 (например, зеленый цвет его свечения указывает на готовность устройства к работе, красный цвет свечения указывает на то, что источник питания разряжен и устройство не готово к работе).
Идентификатор пользователя 18 проводит анализ поступающего сигнала от пользователя для активации устройства (код доступа, отпечаток пальца и т.п.), сравнение его с информацией, хранящейся в схеме записи и хранения данных 14 и, в случае принятия положительного решения, передает соответствующий разрешающий сигнал на узлы и схемы, входящие в состав устройства, требующие такового подтверждения. Этими устройствами могут быть генератор 11, световой 23 и звуковой 14 индикаторы. Световой индикатор 23, в случае его работы в качестве идентификатора ножа, начинает непрерывно или в импульсном режиме светиться заранее предустановленным цветом (предустановка цвета может быть заводской или проводиться в оперативном режиме с помощью специального регулировочного элемента, например, переключателя, выведенного на поверхность ножа). В случае же работы индикатора 23 в качестве дополнительного индикатора касания (наряду со звуковым индикатором) он переходит в режим ожидания поступления сигнала срабатывания датчика касания 22. Генератор 11 при подаче питания и поступлении сигнала подтверждения от идентификатора пользователя 18 переходит в режим ожидания сигнала срабатывания датчика касания 22, который является сигналом запуска генератора 11.
При касании клинка ножа тела или одежды соперника датчик касания 22 срабатывает и передает соответствующий сигнал на световой 23 и звуковой 14 индикаторы и генератор 11, а также схему записи и хранения данных 14 (в которой фиксируется факт и тип касания, момент времени и длительность касания и другие необходимые атрибуты) и радиопередатчик 15.
Генератор 11 запускается и формирует сигнал тока высокого напряжения, поступающий на выходные электроды 21 устройства, а от них - на соперника. Соперник ощущает некоторую (небольшую и абсолютно безопасную для здоровья) боль и понимает, что получил удар (касание) ножом.
Возможны несколько вариантов воплощения заявляемого устройства с разными способами управления длительностью сигнала тока высокого напряжения, формируемого на выходе генератора 11, например (не ограничиваясь этим):
- длительность сигнала тока высокого напряжения соперника равна длительности касания лезвия или острия ножа тела или одежды соперника (то есть, по сути, времени срабатывания датчика 22) - самый простой вариант;
- длительность сигнала тока высокого напряжения равна длительности касания лезвия или острия ножа тела или одежды (времени срабатывания датчика 22), увеличенной (или уменьшенной) на заранее заданный промежуток времени, что достигается широко известными техническими решениями в электронике, например, путем использования дополнительной управляющей времязадающей RC-цепочки с возможностью ее предварительной настройки. Этот вариант полезен в том случае, когда касание слишком короткое (то есть малозаметное для соперника) или, наоборот, слишком долгое (чтобы не вызывать продолжительное ощущение боли у соперника);
- длительность сигнала тока высокого напряжения равна длительности касания лезвия или острия ножа тела или одежды (времени срабатывания датчика 22), но не более (или не менее), чем на заранее заданный промежуток времени, что также достигается широко известными техническими решениями в электронике, например, путем использования дополнительных управляющих времязадающих RC-цепочек с возможностью их предварительной настройки. Этот вариант также полезен в том случае, когда касание слишком короткое (то есть малозаметное для соперника) или, наоборот, слишком долгое (чтобы не вызывать продолжительное ощущение боли у соперника);
- длительность сигнала тока высокого напряжения равна заранее заданному промежутку времени от момента касания клинка тела или одежды соперника, что также достигается путем использования дополнительной управляющей времязадающей RC-цепочки с возможностью ее предварительной настройки. Техническое решение полезно в случае, когда важен только сам факт применения того или иного приема в борьбе.
В одном из воплощений устройства может быть предусмотрена также зависимость мощности воздействия от усилия касания: чем больше усилие касания - тем сильнее может быть воздействие и, соответственно, ощущение боли. Для тренировочных боев часто этого бывает достаточно, поскольку соперник понимает, что допустил ошибку и постарается в дальнейшем ее не повторять. Однако для объективизации факта выполнения приема во время поединка (рефери или тренер может пропустить момент касания, а соперник - попытаться скрыть факт касания) сигнал от датчика касания 22 включает звуковой индикатор 14, выдающий соответствующий типу касания звуковой сигнал, а также световой индикатор 23, если он работает в режиме индикации касания. Кроме того, сигнал от датчика касания 22 поступает на радиопередатчик 15, который формирует радиосигнал факта касания, поступающий на соответствующее приемное устройство, расположенное удаленно от ножа, например, на судейском столе.
В случае необходимости (например, при затянувшемся на длительное время факта касания соперника, соответственно, работы генератора 11, вызывающего длительное ощущение боли, и звукового индикатора 14) имеется возможность подачи с судейского стола, или от тренера, или от рефери поединка, сигнала принудительного выключения, поступающего в радиоприемник 16, с выхода которого сигнал принудительного выключения поступает на генератор 11, а также звуковой индикатор 14.
Предлагаемое устройство реализовано в производстве и в одном из своих конструктивных исполнений имеет следующие параметры: масса - 170 г, длина 293 мм, максимальная высота - 35 мм, максимальная толщина - 25 мм, предусмотрена возможность управления цветом светодиода-индикатора касания (красный/зеленый), датчик касания выполнен в виде оптоэлектронного канала согласно Фиг. 5-7 с возможностью управления чувствительностью, в устройстве имеется звуковой датчик касания, а также предусмотрена возможность установки схемы записи/считывания данных, максимальная мощность воздействия на эквивалентной нагрузке 1 кОм - 0,28 Вт, источник питания выполнен в виде аккумуляторной батареи (АКБ) с параметрами 3,6 В/320 мА*час, зарядка АКБ производится с помощью внешнего зарядного устройства, подключаемого через разъем типа USB, через который может производиться в том числе и запись/считывание данных.
Таким образом, совокупность новых элементов, введенных в конструкцию предлагаемого устройства, и схемы их взаимодействия, приводят к заявленным техническим результатам.