射箭训练装置与方法与流程

本发明涉及弓箭技术，具体是一种进行射箭训练的装置与方法。

背景技术：

弓箭自古以来就为人类广泛使用。当今，弓箭仍然在运动、娱乐、狩猎等领域具有广泛的用途。掌握射箭所必要的技能需要一定的练习，但使用通常的弓箭不易寻找合适的练习场所；并且，由于弓不可空放，因而在练习过程需要损耗箭以及磨损弓本身；还有，通常的弓并不能很方便地调整拉力等参数。因此，需要新的技术与装置，实现更优效果的射箭训练。

技术实现要素：

本发明提供射箭训练装置与方法，实现仿真效果的射箭训练。

本发明采用如下技术方案：

射箭训练装置，其特征是：

具有弓把、弓臂、弓弦、弦拉力计、弦拉长计、弦收放器、弓射光器、弓主控器、靶感光器；

定义弓架就是除去弓弦以外、组成弓的机械外形的部分，其组成主体为弓把和弓臂；

定义方向的前后符合通常的弓箭领域的含义，即箭射出时所指的方向为前、而射手开弓时牵拉弓弦的方向为后；

定义开弓过程符合通常的弓箭领域的含义，即射手以一手握持弓把、一手向后牵拉弓弦、直至结束牵拉并准备释放的过程；

定义弦距符合通常的弓箭领域的含义，即弓弦的初始位置与弓把之间的距离，弦距是可调节的，但在开弓过程中，弦距保持不变；

定义在开弓过程中，开弓拉力是射手牵拉弓弦向后的力的大小；

定义在开弓过程中，开弓拉距是开弓拉力在弓弦上的作用点向后移动的距离；

开弓过程中，弓架具有可确定的几何形状；

开弓过程中，弓弦处于绷紧状态，弓弦在绷紧状态时，由于弹性所造成的弓弦长度延伸是可确定的；

定义开弓过程中，弓弦与弓臂的两个连接点之间的长度为弦视长；

开弓过程中，弦拉长计测量弦视长的变化量，并将该变化量输出到弓主控器；

定义开弓过程中，射手施加在弓弦上的、沿弓弦伸展方向的拉力为开弓弦力；

开弓过程中，弦拉力计测量开弓弦力，并将其大小输出到弓主控器；

开弓过程中，弦收放器接收收弦信号与收弦速率信号，当接收到收弦信号时，弦收放器缩短弦视长，并依据收弦速率信号，确定单位时间内弦视长缩短的量；

开弓过程中，弦收放器接收放弦信号与放弦速率信号，当接收到放弦信号时，弦收放器增加弦视长，并依据放弦速率信号，确定单位时间内弦视长增加的量，放弦速率信号表示的放弦速率越大，则单位时间内弦视长增加的量越大，放弦速率信号表示的放弦速率越小，则单位时间内弦视长增加的量越小；

开弓过程中，弓主控器根据当前所接收的弦视长的变化量，结合弓架的几何形状，计算出开弓拉距的当前值；

开弓过程中，弓主控器根据当前所接收的开弓弦力的大小，结合开弓拉距的当前值和弓架的几何形状，计算出开弓拉力的当前值；

开弓过程中，弓主控器根据开弓拉距的当前值，结合弓自身所对应的特性参数，得出射手当前本应施加的开弓拉力值，作为当前的拉力本值；

开弓过程中，弓主控器比较开弓拉力的当前值与当前的拉力本值，当开弓拉力的当前值小于当前的拉力本值时，向弦收放器输出收弦信号与收弦速率信号，其中，收弦速率是依据开弓拉力当前值与当前拉力本值的差值而确定的；

开弓过程中，弓主控器比较开弓拉力的当前值与当前的拉力本值，当开弓拉力的当前值大于当前的拉力本值时，向弦收放器输出放弦信号与放弦速率信号，其中，放弦速率是依据开弓拉力当前值与当前拉力本值的差值而确定的，若开弓拉力当前值与当前拉力本值的差值的绝对值越大，则放弦速率越大，若开弓拉力当前值与当前拉力本值的差值的绝对值越小，则放弦速率越小，若弦视长已达到所设定的最大值，则停止输出放弦信号与放弦速率信号；

开弓过程中，若开弓拉力消失，则弓主控器向射光器输出击发信号；

弓射光器接收到击发信号时，发出与射手的瞄准线一致的光束；

靶感光器记录弓射光器所发出的光束的照射位置，作为射箭的命中结果。

所述的射箭训练装置，其特征是：

所述的开弓过程中，弓架具有可确定的几何形状，是：

在开弓过程中，弓架不发生由于弹性而造成的不可忽略的形变，从而其几何形状是固定的。

所述的射箭训练装置，其特征是：

所述的开弓过程中，弓弦处于绷紧状态，弓弦在绷紧状态时，由于弹性所造成的弓弦长度延伸是可确定的，是：

在开弓过程中，弓弦不发生由于弹性而造成的不可忽略的长度延伸。

所述的射箭训练装置，其特征是：

所述的弦拉长计测量弦视长的变化量，是通过测量弓弦所绕经的滑轮的转数而获取的。

所述的射箭训练装置，其特征是：

所述的弦拉力计测量开弓弦力，是将弦拉力计与弓弦串联连接在一起而实施测量的。

所述的射箭训练装置，其特征是：

所述的开弓过程中，弦收放器接收放弦信号与放弦速率信号，当接收到放弦信号时，弦收放器增加弦视长，并依据放弦速率信号，确定单位时间内弦视长增加的量，放弦速率信号表示的放弦速率越大，则单位时间内弦视长增加的量越大，放弦速率信号表示的放弦速率越小，则单位时间内弦视长增加的量越小，是：

弓弦的可伸长部分预先绕在转轮上；

转轮转动而放出绕在转轮上的部分弓弦，所放出的部分弓弦，经由弓弦与弓臂的连接点处放出，从而增加了弦视长；

放弦速率越大，则转轮转动越快，从而弦视长在单位时间内的增加量越大，而放弦速率越小，则转轮转动越慢，从而弦视长在单位时间内的增加量越小；

弓臂通常分为上弓臂与下弓臂，弓弦与上弓臂和下弓臂各有一个连接点，从而弓弦与弓臂有两个连接点，所放出的部分弓弦，是从该两个连接点处同时放出的，且在同样时间段内所放出的长度是相同的。

所述的射箭训练装置，其特征是：

有弹性部件与弓弦串联连接，弹性部件位于弦收放器与弦拉力计所处的位置之间。

所述的射箭训练装置，其特征是：

所述的若开弓拉力消失，则弓主控器向射光器输出击发信号，是：

弓主控器当前所接收的开弓拉力的减小速率超过设定的阈值，则弓主控器向射光器输出击发信号。

所述的射箭训练装置，其特征是：

所述的弓射光器接收到击发信号时，发出与射手的瞄准线一致的光束，是：

弓射光器所发出光束与其几何轴线一致；

对于采用后部窥孔与前部瞄准器而构成瞄准机制的弓而言，将用于拉正窥孔的窥孔皮筋绑缚为与瞄准线一致，然后将弓射光器附着在窥孔皮筋上，并使弓射光器的几何轴线与皮筋绷直的方向一致。

射箭训练方法，其特征是：

采用几何形状确定的、无弹性形变的弓臂；

采用长度可收放的、无弹性延伸的弓弦；

定义开弓拉力是射手牵拉弓弦向后的力；

定义开弓拉距是开弓拉力在弓弦上的作用点向后移动的距离；

开弓过程中，测量当前时刻弓弦的长度变化量以及弓弦所受的拉力，并依此得出当前时刻的开弓拉距与开弓拉力；

依据测量所得当前时刻的开弓拉距，比对预设的弓的特性参数，得出当前时刻本应施加的开弓拉力值，并将本应施加的开弓拉力值与测量所得的开弓拉力相对比，若本应施加的开弓拉力值小于测量所得的开弓拉力，则增加弓弦的长度，反之，则缩短弓弦的长度；

若测量所得当前时刻的开弓拉力趋于消失，则沿着瞄准的方向发出光束；

靶感应光束照射的位置，以此位置作为射箭命中目标的结果。

本发明的有益效果在于：（1）能够真实模拟射手开弓放箭的动作过程；（2）能够模拟不同的拉力拉距特性，从而适用于反曲弓、复合弓等各种类型的弓；（3）没有弹性受力变形部件，具有高安全性；（4）不耗费箭，使用成本低；（5）不受场所的局限；（6）配合电子靶，目标模拟能力强，娱乐性好。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是增加和缩短弦的长度的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

弓、箭、弓弦、弓把、弓臂、滑轮、弦踞、拉距、开弓、开弓距离、箭、瞄准器、窥孔、前、后等名词与术语，都符合弓箭及其相关技术领域内通常的含义，在此不对这些名词与术语作出特别的定义或限定。

图1所示为射箭训练装置的结构示意图。忽略螺栓、减震片等小型配件，从外观形状来看，除去弓弦以外，弓的整体形状是由弓把110、上弓臂120（备注：弓臂有时也称为弓片）、下弓臂130为主而构成的；为了简便清晰，在此称由弓把110、上弓臂120和下弓臂130为主而构成的弓的整体为弓架。其中，上弓臂120和下弓臂130都可以沿前后方向改变与弓把110的相对位置，从而可以调整弦距；例如，当把上弓臂120和下弓臂130向后移动时，弦距则增加。选定一种弦距而将上弓臂120和下弓臂130调整就绪后，在开弓的过程中，上弓臂120和下弓臂130不再移动，从而保持弦距不变。在开弓过程中，上弓臂120、下弓臂130以及弓把110都不发生不可忽略或不可预知的弹性形变，从而使得弓架具有可确定的几何形状。滑轮310安装在上弓臂120与弓弦的连接处，滑轮320安装在下弓臂130与弓弦的连接处；实际上，滑轮310和滑轮320就构成了弓弦与弓臂（或弓弦与弓架）的上下两个连接点。称位于滑轮310和滑轮320之间的弓弦，为弦视段210；弦视段210包含射手用于牵拉弓弦实施开弓动作和搭箭的弓弦部分；弦视段210的长度称为弦视长。在开弓过程中，随着射手向后牵拉弓弦，弦视长将不断增大，直到开弓过程的最后而达到其最大值。如果将装置所涉及的全部弓弦作为一个整体，则弓弦的连接顺序为：其首端由弦收放器530出发，然后串联连接弦拉力计520，再绕过弓把上端滑轮330，进而以弦视段的形式绕经滑轮310而连接到滑轮320，最后，经弓把下端滑轮340，其尾端回到弦收放器530；在弓弦所经路径中，依据弓架的形状，弓弦会在每个折弯处绕经滑轮，例如本实施例中绕经滑轮330和滑轮340；所有弓弦绕过或绕经的滑轮，都应尽可能地减小弦绕着滑轮活动时所受到的摩擦力。

不同于反曲弓等传统形式的弓，现代复合弓由于采用诸如“凸轮”等力的转换结构，在开弓过程中，拉力随着拉距并不是单调变化的，而是具有一个“小－大－小”的变化过程；并且，拉距也并不能一味向后增加，而是具有一个最大值；不同特性的弓，这种体现在拉力、拉距之中的作用关系也是不同的。真实反映这些特性是提高射箭训练装置性能的关键；为此，需要实时测量开弓过程中的拉距和拉力的数值，并据以调整装置对射手行为的响应。

由于在通常的弓箭及其技术领域中，关于拉距以及拉力的定义存在多个具有差别的版本，为了使得描述更加精确，本发明特别定义了“开弓拉力”与“开弓拉距”。定义开弓拉力是在开弓过程中，射手牵拉弓弦向后的力的大小。定义开弓拉距是在开弓过程中，开弓拉力在弓弦上的作用点向后移动的距离。一般来说，开弓拉力在弓弦上的作用点位于“弦环”或者“箭尾槽”处，也就是弓弦最后方的位置。从含义来看，本发明所定义的“开弓拉距”及其最大值不同于通常所称的“拉距”及其最大值。但这些名词术语之间的差异，并不影响对本发明所描述的技术方案的理解与运用；因为，该技术领域的人员，能够很容易地明白这些名词术语之间的差别以及如何弥合差别而得到相互转换关系。例如，通常所说的拉距，是以弓把为起点来计量弓弦被拉开的距离，而本发明所说的开弓拉距，是以弓弦被拉开时的初始位置为计量起点，二者之间相差弓弦的初始位置到弓把的距离；这一相差的距离实际上就是弦距，而弦距在开弓过程中是确定的。再例如，在以弓把为起点而计算拉距时，还存在不同定义的版本，可能会导致结果相差一个弓把握柄的宽度；但这种偏差显然是可以消解的，因为弓把握柄的宽度是可知的。因此，本发明所特别定义的开弓拉力与开弓拉距，不影响对通常所说的拉力和拉距的理解与运用；同时，排除了可能存在的差异，使得描述更加精确。

为了测量开弓拉距的当前值，采用弦拉长计510。由于弓架的几何形状是确定的，因此，弦视长的初始长度是确定的，即，弦视段位于弦视段初始位置220时的长度。所以，只需测量出弦视长的变化量，就可计算出弦视长的当前值，进而求出所对应的开弓拉距数值。可以有多种途径测量弦视长的变化量；在本实施例中，假定弦拉长计510是计数滑轮330的转数而确定弦视长的变化量的。假设滑轮330的直径是10厘米，滑轮330每转动一个圆周对应20个电脉冲且每个电脉冲对应的圆周弧段的弧长相同（光电或磁感应等装置可以实现这一结果，在此不予赘述），滑轮正转（假设正转使弦视长增加）时的每个电脉冲使计数增加一个、而反转时的每个电脉冲则使计数减少一个；那么，弦拉长计510只需计数脉冲的数目，就可以计算出沿滑轮330所增加的弦视长为“ ”。又由于开弓时，弓弦对上弓臂和下弓臂的拉力是对称的，从而弦视长沿滑轮330（以及沿滑轮310）所增加的长度，是与弦视长沿滑轮340（以及沿滑轮320）所增加的长度是一样的，进而求得弦视长的增加总量为“”。需要指出的是，尽管弓弦具有一定的延伸率，但通常弓弦的材料特性体现为“韧性”而并非“弹性”，因此，由于弹性而造成的弓弦长度变化并不明显，尤其是弓弦已处于绷紧状态之后；出于这样的原因，在测量弦视长的增加量时，可以忽略掉弓弦延伸率的影响，从而由于弹性而造成的弓弦长度延伸是可确定的（即，予以忽略）；当然，也可以使用更加复杂、全面的计算函数而将延伸率所导致的长度变化计算出来，从而由于弹性而造成的弓弦长度延伸总是可确定的（本实施例不对此展开描述）。弦拉长计510将所测量的弦视长的变化量传输给弓主控器610。

为了测量弓弦的当前受力大小，采用弦拉力计520。弦拉力计520可采用任何机械的、电子的、或集成形式的拉力测量装置；只要其具有两个机械连接端以便与弓弦串联连接、以及具有“拉力-电信号”转换部件和输出测量结果的接口。此外，为了避免弦拉力计520自身可能具有的弹性形变对弦长度测量的影响，弦拉力计520应安装在弦拉长计510之后、或者是比弦拉长计510更加背离滑轮330的位置处；比如，将弦拉力计520安装在弦拉长计510和弦收放器530之间的位置处。由于弦拉力计520是与弦串联连接的，因此所测量的是沿着弓弦伸展方向的拉力；称射手施加在弓弦上的、沿弓弦伸展方向的拉力为开弓弦力。需要注意的是，弦拉力计520的测量结果应考虑弦本身的初始拉力；也就是说，在开弓过程刚开始时，由于弦预先已经是绷紧了的，所以，在射手施加牵引弓弦的拉力之前，弦本身已经具有一定的初始拉力；这种初始拉力可以作为已知数值，由弦拉力计520自行测量记录下来并在最终的结果中扣除即可。或者，也可以将这种弦的初始拉力预先测量并存储在弓主控器610中，从而由弓主控器610从所接收的弦拉力计520的结果中去除即可；不管怎样的方式，都是可以消除掉相关的测量误差的，在此不多赘述。此外，由滑轮所增加的阻力也应予以扣除；但滑轮阻力通常较小而可以予以忽略。弦拉力计520将所测量的开弓弦力传输给弓主控器610。

弓主控器610根据当前所接收的弦视长的变化量，结合弓架的几何形状，即可计算出开弓拉距的当前值。这是容易计算的：弦视长的初始值是由弓架的几何形状确定的，而弦视长的当前数值则等于弦视长的初始值加上弦视长的变化量，当开弓拉力的作用点位于弦视段的中点时，即可通过求解三角函数的方法而得出。例如：若弦视长的增加量为20厘米，弦视长的初始长度为80厘米，则开弓拉距的当前值等于“”；也就是弦视段210的最后方点到弦视段初始位置220的距离为30厘米，或者说，开弓拉力向后作用的距离为30厘米。

弓主控器610根据当前所接收的开弓弦力，结合开弓拉距的当前数值以及弓架的几何形状，即可计算出开弓拉力的当前值。这是容易计算的，因为：在已知开弓拉距和弓架几何形状的条件下，利用力的分解与合成原理，可以求出开弓拉力与开弓弦力之间的比例关系，从而即可将开弓弦力换算为开弓拉力。例如，由弓架所确定的弦视长初始值为80厘米，开弓拉力的作用点位于弦视段的中点，开弓拉距的当前值为30厘米，开弓弦力的当前值为50磅，则开弓拉力的当前值可计算为“（第一步计算），（第二步计算）”。

弓主控器610依据所预先存储或设置的被仿真的弓自身的“拉力-拉距”特性以及弦距等参数，即可得出被仿真的弓自身的“开弓拉力－开弓拉距”特性；从而，得出在当前的开弓拉距下，弓自身所对应的开弓拉力大小，并将此作为当前的拉力本值。弓主控器610对比当前的开弓拉力与拉力本值，若开弓拉力小于拉力本值时，向弦收放器530输出收弦信号、并依据二者的差值输出收弦速率的大小；若当前的开弓拉力大于当前的拉力本值时，向弦收放器530输出放弦信号、并依据二者的差值输出放弦速率的大小（比如，二者差值的绝对值越大，则放弦速率越大）。例如，当前经测量与计算所得到的开弓拉距为10英寸、开弓拉力为40磅；依据被仿真的弓自身的“拉力-拉距”特性参数，得出在对应开弓拉距10英寸的情况下，拉力本值为35磅；由于开弓拉力大于拉力本值，弓主控器610输出放弦信号而驱使弓收放器530增加弓弦长度，并将开弓拉力与拉力本值的差值的绝对值“”，作为驱使弓收放器530释放弓弦的速度的等级。若开弓拉距的当前值已达到所设定的最大值（对于复合弓而言，拉距有最大值限定），即使开弓拉力大于拉力本值，也不再发出放弦信号（在没有放弦信号的情况下，弦收放器忽略放弦速率信号）。

弦收放器530接受弓主控器610所发出的收弦信号和收弦速率信号、以及放弦信号和放弦速率信号，从而确定是增加还是缩短弦视长，以及增加和缩短弦视长的快慢。需要注意的是，假设开弓拉力作用于弦视段的中央，则开弓过程中弓弦对上弓臂和下弓臂的作用力是对称的，因此，无论是增加弦视长还是缩短弦视长，都应从弓弦与弓臂的两个连接点处同时、同长地进行。以增加弦视长为例，在确定时间段内，弦视长经由滑轮310所增加的长度，等于经由滑轮320所增加的长度。弦收放器530可具有多种形式的电子机械结构来满足弓弦收放的要求；下面给出的是一种示例结构。

图2是增加和缩短弦的长度的结构示意图。动力部件810（假设由电动机、变速箱以及控制电路所组成）的转动动力传递于驱动轮820，驱动轮820则带动绕弦轮830旋转，上延伸弦250和下延伸弦260都缠绕在绕弦轮830上；其中，上延伸弦250通向上弓臂（最终经由上弓臂的滑轮310而与弦视段相接），下延伸弦260通向下弓臂（最终经由下弓臂的滑轮320而与弦视段相接）。当需要增加或缩短弦视长时，则首先松开锁止销850以允许驱动轮820和绕弦轮830转动；若缩短弦视长，则驱动轮820以顺时针方向转动，带动绕弦轮830逆时针转动，从而将上延伸弦250和下延伸弦260进行缠绕；若缩短弦视长，则驱动轮820以逆时针方向转动，带动绕弦轮830顺时针转动，从而将上延伸弦250和下延伸弦260的缠绕部分放出（注意：这里所述的顺时针/逆时针转动与缩短/增加弦视长的对应关系，取决与弦缠绕的方式）。由于上延伸弦250和下延伸弦260都绕在同样直径的转轮上且转轮的转动量对于二者是一致的，所以，无论是缩短弦视长还是增加弦视长，都是同时、同长发生于弦视段与弓臂的两个连接点处。此外，可以将收弦速率和放弦速率作为控制驱动轮820转速的参数，例如，放弦速率越大，则通入电动机的电流越大，则驱动轮820逆时针转动得越快；这样，也就实现了增加和缩短弦视长的快慢的要求。在不需要改变弦视长时，锁止销850是锁定的，从而阻止驱动轮、绕弦轮的转动。

为了平衡拉力的波动、对射手提供更连续的拉力感受，以及为了绷紧初始状态时的弓弦等作用，可以将弹性部件（比如弹簧）串联连接于弓弦中。串联连接弹性部件需要避免弹性部件自身的拉伸对弦视长测量的影响，因此，弹性部件应串接在弦拉长计与弦收放器之间的某个位置处。

依据开弓拉力的测量结果，若开弓拉力的减小速率（即，单位时间内开弓拉力减小的绝对值）超过所设定的阈值，即可视为射手实施了“击发”（也就是，射手松开弓弦、释放对弓弦的拉力或撒放而使箭射出）。当检测到“击发”时，弓主控器610向弓射光器发出击发信号；当收到击发信号时，弓射光器发出与射手的瞄准线一致的光束。弓射光器可以具有多种形式。比如，弓射光器可以是筒形的、并固定在弓把上，安装的位置使其轴线与射手的瞄准线一致；在收到击发信号时，瞬时发出一束沿其轴线的光。再比如，复合弓经常使用后置的绑缚在主弓弦上的“窥孔”与前置的固定在弓把上的“瞄针”来形成瞄准线；这样，可以将用于拉正窥孔的窥孔皮筋绑缚为与瞄准线一致，将弓射光器附着在窥孔皮筋上，并使弓射光器的几何轴线与皮筋绷直的方向一致；在收到击发信号时，瞬时发出一束沿其轴线的光。弓射光器所发出的光可以是激光、红外光或其它类型的光束，只要能够形成聚焦的光点或光斑、并能够使靶感光器感应即可。

靶感光器感应弓射光器所发出光束的照射并记录照射的位置；该位置信息可以折算成射箭成绩。靶感光器可以具有其它辅助功能，从而使得射箭训练更有效果以及更有趣味性。比如，靶面可以作为一种 “屏幕”，显示出各种各样的目标形状、甚至是活动性的目标；再比如，靶可以具有存储、数据传输等功能，从而将每次射箭的成绩输送给手机等智能设备，便于对射箭的成绩进行汇总、分析、对照、打分等等。

可以在弓臂上附着随击发而摆动的摆锤，从而模拟随击发而产生的震动；可以安装能够检测弓把握持姿势的水平仪等装置，以帮助完善射手的动作规范；还可以安装能够调节弓整体质量的配重等。这些附加部件和装置，有助于使得仿真射箭的过程更加逼真、高效。

上述各实施例，只是按照本发明的技术方案所进行的具体实施方式；在本发明技术方案范围内进行的通常性变化和替换，都应当包含在本发明的保护范围内。

本发明适用于所有的依据本发明的内容而构造的装置与方法，以及不需其它发明性质的能力而可获得的变化形式。因此，本发明适用于同这里所描述的原理与特征相一致的最广的范围。