体育运动辅助训练机器人技术的研究现状与应用展望

聂志强

（聊城大学体育学院，山东 聊城 252000）

“没有人民健康，就没有全民小康。”习近平总书记提出要推进健康中国的发展理念，将人民健康水平放在国家发展的重要层面，不断提高人民的健康水平。近年来，体育与健康融合也成为我国发展的热点领域，人民也渐渐认识到健康对生活和工作的必要性。体育是改善人民体制，促进健康的重要手段。毛主席也提出过“增强人民体质”的体育精神，体育事业的发展是关乎人民健康、提升全民身体素质的重要环节之一，其战略意义不言而喻。为此，近年来我国从人体健康水平提升角度，开展以素质教育为目的各类体育运动教育及竞赛性体育活动等 。这种活动需要高科技的投入，需要高科技的引领。

运动是一种涉及体力和技巧的由一套规则或习惯所约束的活动，对人类而言它是保持有效机体有序运行及灵活性的基本活动形式。其中，体育的主要目的有两个，一个是锻炼身体，增强体质，增进健康；另一个是教育功能，体育是教育的主要手段，培养人民健康意识，艰苦奋斗的精神，形成终身体育的体育理念。体育运动中各种动作的完成与人们日常工作和生活的缩影，是促进人们健康水平，提高生活质量的重要手段。目前，体育运动也被认为是一种健康文化，是社会进步的重要保障。为此，不断完善体育事业发展，引入体育运动辅助机器人等高新技术成果，推动其向更高、更快、更强的方向发展也逐渐成为科研工作者们关注的焦点。

如何通过机器人辅助体育训练帮助运动员或普通人群提升运动能力，甚至修复受损运动功能，建立高效的体育训练方法，提升训练特征水平及脑-机-体匹配效率，建立客观的训练评估预测体系是体育训练领域的研究热点亦难点。传统的体育运动训练方法多以经验指导为准，主观性、机械式训练为主，缺乏客观性、科学化标准指导，无法充分发挥训练者自我机体的多方位调节机制下，尤其是对于体育损伤后康复训练上述缺陷尤为显著。为此，开发主被动多模式人-机匹配辅助训练机器人系统，充分发挥体育训练过程中的自身机体调节作用，强化中枢-外周神经诱导功能，是探索新一代体育训练方式发展的重要研究方向。

1 运动辅助训练机器人研究现状

传统的体育训练器材，如划船器、牵引器、杠铃等，根据不同的运动项目训练需求，有不同的使用方法和作用。而针对运动损伤的辅助器材，如轮椅、助行器，拐等，时至今日仍被广泛应用于运动辅助与康复训练过程中，发挥着不可替代的关键性作用。然而，目前的体育训练仍然大多以过度的体力负载与经验灌输为代价，存在竞技性体育的周期缩短与过程损伤风险，尤其运动后损伤的康复与辅助方法，单一被动式特征缺陷明显。为此，引入新型辅助训练与康复训练方法，如功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）、机械外骨骼（Exoskeleton，Exo）、智能机器人等，应用于体育运动训练及康复辅助系统的研究开发中，提供客观性、科学化标准指导意义重大。近年来已经有相关技术研究得到实际应用，按体育运动项目分类，列举几个范例：足球机器人（足球标准动作检测系统）、乒乓球机器人、羽毛球机器人、拳击机器人、基本动作训练机器人。

1.1 足球标准动作检测系统

众所周知，足球是一项技能为主导的同场对抗性项目，随着现代足球运动的发展，足球比赛竞争日益激烈，攻防节奏也日益加快，对足球运动员专项技术动作的评估是当前研究的热点，也是难度较大的研究技术。为此，基于动作捕捉的检测系统，利用足球标准检测系统，对足球比赛中的视频图像进行还原和剪辑处理，针对足球比赛中足球运动员的技术动作进行图像处理，实现足球技术动作的捕捉，为后面的分析提供便利。该系统应用有助于球员的训练，同时可以建立庞大的足球训练数据库，为球员大赛前的训练或科学化的现代足球体育教育提供重要的技术依据。伴随多年来的不断更新换代与技术革新，目前国内外的足球动作检测系统已经较为完善而且应用十分广泛。

1.2 乒乓球机器人

最初的乒乓球机器人大多是一种单头的乒乓球多球发球机，只具有发球的本领，而无还手的能力，可以代替教练或陪练，连续不断地发出变化多端的球，后来逐渐发展到能回击对手来球的新一代乒乓球机器人。该机器人主要包含机械系统、视觉系统、控制系统三个核心部分，为乒乓球教育或比赛提供了更为标准化、客观性的训练模式。

早在20世纪八九十年代，乒乓球机器人的相关研究就已经备受关注，如，美国Andersson、瑞士苏黎世高等工业学院等均推出了各自的乒乓球机器人成果，如越南Tosy公司的人形乒乓球机器人TOPIO、美国的乒乓球机器人SARCOS（图1）等。乒乓球机器人的研究在我国起步较晚，上海交通大学、西安工程科技学院、浙江大学等研究机构也纷纷推出了各自的乒乓球机器人成果，包括对乒乓球的轨道预测研究，乒乓球机器人的腕部结构、自由度的研究等等。

图1 美国的人形乒乓球机器人SARCOS

1.3 羽毛球机器人

羽毛球是一项普及程度很高的运动，羽毛球大众化趋势也越来越明显，已经成为人们日常锻炼中选择项目较多的一项运动。目前，羽毛球运动还仅仅局限于人与人之间的合作，才能进行的运动项目。这样存在一些问题，比如搭档之间的技术差异，很难在对打中实现个人有针对性的羽毛球运动。这就需要借鉴现代大数据的发展和高科技在体育中的应用，解决人与人之间技术性差异。随着体育运动的深入发展，相关的自动化装备已经开发并应用到体育项目的训练和活动中，在日常的体育训练中已得到应用 。

羽毛球机器人可以满足人们进行羽毛球训练的需求，羽毛球及技能主要功能是根据运动个人的需求，设计训练个人适合的发球、接球。羽毛球机器人作为一项人们参与羽毛球运动的机器，既能够做到陪练、适合训练的要求；又能够作为一个教学组织工具，实现不同人群的羽毛球技战术训练，如图2所示。这项成果其实在国内已经有相关研究成果，并已经推向实际应用中 。

图2 一种羽毛球训练机器人结构设计示意图

1.4 拳击机器人

拳击运动往往是伴随着更高的力量冲击元素，对机器人自动化要求比较高，为此，有关拳击机器人的发展研究工作起步较晚。一般拳击机器人配备了高速计算机视觉和运动识别系统，该系统能识别用户的拳击动作，并通过移动拳击袋避开拳头做出反应。

2018年，德国SkyTec Interactive推出了一款人工智能训练沙包——BOT BOXER，如图3所示，这是一个特别厉害的“拳击高手”，可有效帮助人类拳击手提高或改进他们的训练。当然，不同的人有不同的技术水平，所以该系统是可调节的，例如反应时间、机器人的运动范围、误差频率和冲孔后恢复所需的时间等等。此外，该机器人可以模拟人类拳击手，随着战斗的进行，它的耐力开始减弱，包含多种模式：自由训练模式、综合作战模式等。伴随着自适应自动化水平的不断提升，该类机器人将趋于完善，具备更优的系统训练性能。

图3 智能机器人训练沙袋BOTBOXER

1.5 基本动作训练机器人

这类机器人的概念比较广泛，简单的运动器材都满足基本动作训练的需求，而且从学校体育到社区活动场所都可以提供基本动作训练的相关器具。为此，最新的基本动作训练机器人的研究已经不仅仅局限于人类正常生活，已经向特种应用方向发展。

近年来，伴随着各国对航天事业发展的日益重视，为了消除或减轻载人航天中失重引起的宇航员空间适应性综合征，并满足太空中宇航员体育锻炼的需求，纷纷开展相关研究，尝试在太空舱内设置一些运动训练设备，如利用柔索驱动单元搭建的深蹲训练、卧推训练机器人、太空舱跑步机等等。哈尔滨工程大学推出基于绳索牵引的航天员机能训练机器人、柔索驱动的宇航员深蹲训练机器人、宇航员康复训练机器人等等，该类机器人的深入研究及其不断发展进步，保障了宇航员在太空中的身体机能与操作可靠性锻炼需求，应用范例如图4所示 。

图4 多模式航大员训练机器人跑步训练场景

2 运动辅助训练机器人未来应用展望

智能机器人以其丰富的科学技术内涵、可重构的多样化布局，广泛应用在机械加工、航空航天、医疗、体育、娱乐、服务等诸多领域，多年来倍受国内外学术界和产业界关注。比尔.盖茨预言未来家家都有机器人，他分析了机器人发展的现状，展示了机器人这个新兴产业极有可能改变人类社会生活的方方面面所需面临的种种挑战与机遇，点燃了机器人普及的“导火索” 。其中，发展体育辅助训练机器人技术对我国有限教育资源的利用和优化国民体能素质至关重要，对特殊领域人员，如宇航员、消防员、军事人员等体能训练与技能保持都有很大的帮助。特别近年来脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI）技术的引入为运动损伤康复提供了新思路。BCI研究初衷是为残疾人提供一个与外界进行交流的通信方式，让他们通过这样的系统用自己的思维操控轮椅、假肢等。随着BCI技术的日益成熟，以及不断取得重大的突破性成果进展，人们对智能机器人的需求逐渐增加，BCI机器人的概念也应运而生，多种技术（如FES技术、Exo等）融合是其重要特征之一，如瘫痪少年利用BCI外骨骼机器人为2014年巴西世界杯开球，如图5所。此外，利用BCI控制FES可比单纯FES激活更多大脑皮层功能活动，诸多研究表明，正常受试者采用BCI系统进行了运用想象动作模式控制FES实验，FES结合运动个能产生更强的运动皮层功能激活。且基于脑-机接口系统的神经反馈训练方式以其可观察、可量化、可自我调节的优势获得了研究者及临床医师的关注，BCI结合多类辅助器具建立新型运动康复辅助系统模式成了未来相关研究的重要方向 。

图5 瘫痪少年为2014年巴西世界杯开球

然而，对于运动辅助训练机器人的发展目前仍面临诸多挑战：（1）体育训练项目多种多样，进而导致人机交互信息复杂、机器分析处理程序烦琐、所付时间代价也大，难以实际推广应用；（2）从人群适用性角度，考虑不同机器人系统的机械结构适用性、时效性，如何兼顾不同人群的使用要求是一大挑战；（3）系统模型自适应性较差，所谓自适应性是指自动根据数据特征调整其处理顺序、参数、边界或约束条件，使其与所处理数据的统计分布、结构特征相适应，以取得最佳处理效果当前大多数体育训练机器人系统模型尚难以达到上述自适应数据处理水平，无法满足自适应交互控制的要求。

当然，还有更多层面的挑战制约着体育训练机器人的广泛应用及推广，未来将围绕上述挑战开展更为深入的研究，以开发主被动多模式人-机匹配辅助训练机器人系统，充分发挥体育训练过程中的自身机体调节作用，强化中枢-外周神经诱导功能，是探索新一代体育训练方式发展的重要研究方向 。

3 结 语

运动辅助训练机器人已经广泛应用到竞技体育与国民素质教育的诸多领域，关于运动功能康复中的控制和评估策略相关研究也逐步受到研究者们的关注，将有效提升现代化素质教育中相关体育训练的教学质量及辅助增强体育伤残康复训练效果。因此，努力提高国内各种机器人的技术水平，特别是设计出适合于各种体育训练用途的智能机器人机构和提高其控制水平，发挥并普及其应用推广优势，将进一步促进国民健康水平及竞技体育事业的高效发展与稳健提升。