弓弩射击方式的优选重量配置分析

在阅读文章之前，麻烦您点击一下“关注”，既方便您进行讨论与分享，还能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持！

介绍

世界射箭联合会是奥运会和残奥会射箭运动的国际联合会。射箭有三种风格:反曲弓、复合弓和裸弓。反曲弓和裸弓使用相同类型的弓，但裸弓风格不允许瞄准器和响片。

稳定系统的主要功能是控制弓的位移、旋转和振动，以及弓弦释放时的动态动作。船首的重心位置与稳定系统的重量分布有关。

笛卡尔坐标系以压力按钮为中心，X轴沿箭头方向，平行于地面，Y轴位于弓的平面上。

没有稳定装置，弓的轮齿将与手柄处于相同高度。释放时，弓会绕+Z轴旋转。稳定系统将齿轮移到手柄前的-Y方向。

释放时，弓在X方向上开始旋转，然后绕- Z轴旋转。这种动态行为有助于将上肢远离射手

当重心在手柄前下方约4英寸时，弓表现良好。

在裸弓风格中，稳定系统受限于添加到立管的重量和/或阻尼器的规则。

裸弓风格中的稳定系统对位移和+X轴旋转有影响，对+Y轴旋转几乎没有影响。未来的研究将研究减震装置和效果。

一、方法

开发了一种以弓箭手为中心的方法来定义光弓射击风格的最佳重量配置。考虑到性能和用户体验，以科学方法为基础进行设计。

分析包括主观指标(瞄准阶段行为、感知振动等)和客观指标(振动和动态行为测试)。通过调查问卷和振动测试，收集射箭运动员的反馈和数据，来确定最佳重量配置。

重量配置分为11个区域，包括上下肢和立管不同位置。这将有助于优化精度和提升射箭体验。

实验布置

实中使用Gray AIX 2019立管和Win&Win Wiawis NS木材四肢(32磅)。砝码为Gas Pro Barebow砝码，分别为350g、250g和200g。

采用标准的裸弓钩法射出箭矢。间隙射击被用作瞄准方式。弓设置为反曲风格，并遵循卡明斯基的调整程序。测试包括11种不同的砝码配置。

振动

使用PCB压电公司的三轴加速度计和国家仪器公司的数据采集系统记录与拍摄阶段相关的振动。

信号速率为12,000 Hz，共记录了180,000个样本，测量持续时间为15秒。进行了六次测试，记录了船首五个不同位置的加速度数据。

位置1在上肢上，距离肢体末端350mm；位置2在竖板上，距离顶部40mm；位置3在竖管上，靠近二次压力按钮的孔；位置4在立管下部；位置5在下肢。

图4显示了位置1的三个加速度信号示例，其他位置和重量配置的数据类似。报告的加速度以g(地球重力加速度)为单位。

数据在加速度计定义的本地坐标系中报告，其中X轴与肢体对齐(正向上)，Y轴垂直于肢体中线向左，Z轴垂直于肢体后部向后。

信号在11.02秒到11.184秒之间的X和Y方向上不为零(持续时间为0.164秒)，而在11.31秒的Z方向上不为零(持续时间0.29秒)。

最大峰值为Z加速度达到1150.2 g，与文献中公布的箭头加速度相当。Y方向的震动是预期的，因为光弓释放机制会导致弦在本地坐标系中进行未知的加速度。

信号的功率谱显示多个激励频率的峰值高达4000 Hz。基于统计方法的分析计算了最大到最小差异(P2P)和均方根值(RMS)。数据经过旋转到全局坐标系中。

信号的衰减和持续时间

11种重量配置的时间信号表明弓的振动被阻尼。振动的来源包括弦和四肢之间的摩擦、空气中的阻力、弓系统的材料滞后和弓箭手的手。

与共振模式相关的阻尼比分析并未显示与射击体验的感知质量强相关。假设弓箭手通过振幅和弓停止振动所需的时间来感知阻尼效果。

对于小于15°的振幅，计算弓停止振动所需的时间，并评估第一个和最后一个非零读数之间的时间。振动持续时间分析显示在位置1具有与拍摄体验感知质量强相关性。

振动分析

弓箭手对弓的振动水平的感知在表2中列出。通过计算皮尔逊相关系数®和可预测可变性比例的百分比(V=r^2)，在表3中展示。

皮尔逊相关系数®大于0.5表示正相关，小于-0.5表示负相关。如果在数据和感知之间发现直接或反向的关系，数据以粗体突出显示。

表3报告了位置1的比较。可变性(V)是对一个变量中总可变性的比例度量，可以根据它与其他变量的关系来预测。换句话说，它表示数据点接近回归方程所形成的直线的百分比。

位置1和2显示了有限的相关性水平，位置3没有显示任何相关性，而位置4和5显示了非常有限的相关性。

所有突出显示的相关性都是负的，表明减少振动与改善感觉有关。然而，有趣的是，质量和Y方向的P2P之间显示了正相关性，即感知质量随着Y方向振动幅度的增加而增加。

这可能是因为弓箭手在Y方向的振动中不太敏感，因此皮尔逊系数只是一个数学事件，而非因果关系。

需要注意的是质量和度量之间的相关性有限。建议的解释是，弓箭手以两种不同的方式感知弓的振动：声音传播和竖管的机械振动。

声音主要由弦和肢体的高频振动成分引起，而机械振动则是通过手指、手腕、手臂和肩膀感知的低频振动。

文献显示，人的手臂对高达500 Hz的振动敏感。因此，原始振动信号经过500 Hz的低通滤波器滤波。

除了P2P和RMS之外，引入了一种新的度量来评估作用在手臂上的振动强度：疲劳损伤。使用雨流计数方法对滤波信号中的峰值进行计数，并将损伤计算为分类箱边缘的平均值乘以出现次数。

过滤信号的相关性在表4到8中报告，其中损伤X、Y和Z表示不同方向上的损伤，损伤是先前值的平方和的平方根。

数据分析显示滤波后的信号度量与位置2-5的感知振动之间具有高相关性，表明弓箭手对振动幅度和振动能量敏感。

损伤与感知质量之间也显示出良好的相关性。在位置4，Z方向的峰峰值与感觉的好坏呈正相关，说明弓箭手对该指标不敏感。

重量配置为额定350-200和250-200的配重被推荐为最佳配置，始终表现出符合标准的最低振动水平。

二、船首动态行为分析

Arduino的MPU6050传感器记录了弓的位移和船首在横摇、纵摇和偏航中的旋转。传感器记录了弓在X、Y和Z方向上的位移以及围绕全局X、Z和Y轴的旋转。

传感器放置在位置3的按钮旁边，以比较记录的弓的动态行为和记录的弓箭手的感受。

记录每个重量配置的四次发射，并对记录值和记录值的绝对值取平均值。通过计算皮尔逊相关系数®和可预测可变性的比例(V=r^2)，将感知质量与记录的度量相关联。

结果见表9。数据分析显示，弓箭手仅考虑整体位移来评估弓的动态行为，主要集中在Z轴和俯仰方向的旋转。

这些结果可以通过考虑弓的力学特性以及弓和弓箭手手之间的作用来解释。船头在X方向上的位移是预期的，因此弓箭手忽略了这个分量，而Y方向的位移通常在弓的旋转中丢失。

然而，有趣的是，弓箭手对偏航方向的位移并不敏感。

三、主观指标:精确度

表10显示了每个重量配置的30个箭的得分。目标距离为50米，是一个直径122厘米、10环目标，最高分为300分。

这些得分来自动物园湖俱乐部的16名高级弓箭手。第3列和第4列报告了X和10的数量，以及每个重量配置的9的数量(符合标准WA评分要求)。

还添加了“总体质量”列，其中包括三个主观指标(重量平衡、振动和动态特性)的平均值，供参考。

尽管表10中报告的分数差异在平均分的两个标准偏差范围内，这是比较弓设置的标准方法，但在这项研究中，重量配置的相对性能结果是不确定的。

根据Park的理论方法，假设11种重量配置的平均分数为250，可以评估射手的技术水平指数。通过模拟30支箭的多端发射，计算出平均分数为256.35，标准偏差为6.15。

在95%的置信度下（两个标准偏差），可能的分数范围为244.05到268.65。从相对性能的角度来看，每个实验分数都无法确定。

除了裸配置的分数，表10中所有记录的分数都在两个标准偏差范围内。由于只有30个箭头的一端，无法假设该分数为该重量配置的平均分数。

Matlab程序用于验证稳定的平均分数所需的箭数量。建议每个重量配置至少射击30-35支箭（900-1050支箭），以获得足够稳定的平均分，并与其他重量配置进行比较。

从相对性能比较的角度来看，这种方法是无效的。此外，Park提出的另一种方法需要大量的箭来说明射击的可变性。

然而，这个经验可以得出一些评论。在测试中，弓箭手可以迅速适应弓的缺点，射出一些箭后，无论重量配置如何，都可以有效地射击。

良好的射击技术能够克服弓的不足，这解释了为什么在裸弓社区中对最佳重量配置没有共识。弓箭手不会花费大量时间尝试所有可能的重量配置，而是接受弓的行为并习惯它。

尽管分数和体重配置之间的关系不明显，但投篮时的身体感觉与体重配置之间存在明显的关系。

更平衡的弓可以给射箭运动员带来优势，使他们在长时间比赛结束时不那么疲劳。据弓箭手报告，配置为350-250的弓在长时间比赛中会使他们非常疲劳。

因此，这种重量配置不合适。在之前确定的三种最佳重量配置中，只有350-200和250-200两种在精度分析后被提出。

结论

这项研究表明，仅基于性能的方法无法完全捕捉弓箭手和弓之间复杂的相互作用。为了解决这个问题，开发了一种方法，考虑了主观和客观指标以及它们之间的关系。

确定与射箭运动员感知相关的客观指标需要大量努力，并借鉴了人体力学知识和射箭社区的经验。

相关性分析提供了对问题更深入的理解，并在理解弓箭手对弓的性能要求方面非常有效。这些知识可以用于从性能和用户体验的角度设计更好的射箭设备。

有人建议，这种方法可以用于改进各种类型的以人为中心的运动器材。

参考文献

1.世界射箭联合会。世界射箭，https://worldarchery.sport/about-us(2014-2021年，2022年6月13日访问)。

2.世界射箭联合会。运动器材，https://worldarchery.sport/sport/equipment(2014-2022年，2022年8月10日访问)。

3.射箭指导。反曲弓和光弓的区别，https://archery guidance . com/recurve-and-bare bow-differences/(2022，2022年6月13日访问)。

4.弗兰吉利五世，弗兰吉利m。异教徒射手。意大利罗马:Press Up S.r.l，2013。