一种双臂型拳击陪练机器人的制作方法

本发明涉及计算机技术辅助机器人应用于体育运动领域，尤其涉及一种双臂型拳击陪练机器人。

背景技术：

如今，我国在注重文化教育同时也进行素质教育，加强体育活动的开展，积极推广拳击运动。国家体育总局运动管理中心主任李强表示“拳击运动进入世界大学生体育联合会将是必然的趋势”。目前，我国有近3000所大学，其中已有北京体育大学、上海体育学院、武汉体育学院等30多个体育高校开设了拳击专业课程，而其它高校以及中小学正不断增开拳击类选修课。我国约有660个城市，城市里配有众多的运动健身场所，很多运动健身场所都成立了拳击俱乐部或社团，集聚了大量的拳击运动爱好者。这些不仅有利于拳击运动的深入推广，还有利于提升市民和学生的身体、心理素质，增强自我保护能力，尤其是女性。然而，根据知名的职业拳击数据网站boxrec统计，中国职业拳手数量却只有498名(排名第7)，职业拳王数量只有2名，与其它国家仍有一定差距。据此可计算，平均每个城市不足1名职业拳击运动员，每个高校连1/6名都不到。综上所述，随着拳击运动的深入推广，我国将面对大量拳击教练员的需求，面临具有实战经验的专业人员数量严重不足的情况。

随着机器人技术的不断成熟，国内外拳击机器人的研究正逐渐成为热点。这些研究表明拳击陪练机器人可分为两大研究方向：1)无机械臂型；2)有机械臂型。

对于无机械臂型，2017年黄正先设计了基于压力传感器和嵌入式系统的拳击教学机器人。当拳击手击中沙袋中气囊时，该机器人能实时显示拳手攻击的力量，并通过集成语音播报等功能增强人机交互性，然而由于只采用沙袋方式训练的原因，该机器人虽然完成了对运动员力量测量的功能，但是不能实现仿人化攻击的功能。2018年德国科学家成功研制出了一款botboxer陪练型机器人。该机器人形状类似于一个摇杆，可四周360度摇摆。机器人上端部分固定一个圆柱形拳击靶(或沙袋)，同时还配备高速计算机视觉和动作识别系统，能够快速躲避拳手的攻击，实现陪练的功能。该机器人同样采用沙袋方式训练，虽然提供了躲闪和娱乐等功能，但是沙袋不能出拳攻击训练运动员的防守能力，同样存在仿人性不足的问题。2019年黄鑫等人设计并研究了桌面型拳击机器人，该机器人具有占地空间小、噪声低、灵敏度高的优点，其形状设计与botboxer相似，上端为一个圆柱形拳击沙袋，但其底座采用橡胶材质和弹簧方式减震，故而该机器人易于在室内作为小型娱乐设施。综上研究表明：无臂型拳击机器人能有效完成运动员攻击训练，却难完成运动员防御训练，存在陪练性不足的问题。

对于有机械臂型，尤其是双臂结构的仿人机器人，相比无臂结构，能更好地模仿真人，提高训练的真实感。2019年李勇兵等人实现了一种基于手机微信遥控的家庭娱乐拳击机器人，通过设计模糊控制算法远程控制机器人底盘滚动速度，并且遥控机器人双臂完成简单的出拳动作。该研究提供了一种实用的家庭拳击娱乐机器移动的精确控制方法。上述研究表明：已有的双臂结构拳击机器人具有仿人性，能提高人机互动性和娱乐性，但缺少专业化拳击训练的功能。

综上分析，无臂机器人存在仿人化不足的缺点，而具有仿人化的双臂机器人不能实现专业的拳击训练，故双臂结构拳击陪练机器人的发明，能有效模仿真人拳击动作，提高运动员的防御训练，克服已有设计仿人化不足的缺点。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供了提供一种双臂型拳击陪练的机器人，基于计算机视觉和机器人技术，不仅能提供拳击运动的攻击训练，还能提供拳击运动的防御训练，从而解决大众对拳击教练的大量需求的问题，同时还能增强拳击运动的娱乐互动性。

本发明的技术方案是：一种双臂型拳击陪练机器人，包括相互连接的立体视觉装置、机械双臂装置、靶区装置、数据处理装置及信息显示互动装置，

所述的立体视觉装置包括深度摄像机及摄像相机支架，

所述的机械双臂装置包括仿人手臂的机器臂、仿真拳头、拳套及躯干支架，

所述的靶区装置包括沙袋、稳定支架及压力传感器，

所述的数据处理装置包括立体视觉数据读取和分析模块，压力传感器数据读取和分析模块，机器人双臂控制模块，虚拟模型数据处理模块及数据存储模块，

所述的信息显示互动装置包括信息显示模块及信息互动操作模块。

进一步的，所述深度摄像机经摄像相机支架支撑，安设在沙袋的上侧或下侧；所述摄像相机支架固定安置在躯干支架的后方、上方或左、右任一侧；

所述仿人手臂的机械臂分别固定安置在在躯干支架的两侧，且两侧仿人手臂的机械臂的高度一致；所述仿真拳头分别安置在两侧仿人手臂的机械臂上、远离躯干支架的一端；所述拳套罩设在仿真拳头的外部；

所述沙袋，经稳定支架固定，安置于躯干支架的上方；所述压力传感器安置在所述沙袋的内部；

所述稳定支架固定在躯干支架的后方或上方。

进一步的，所述的深度摄像机、仿人手臂的机器臂、压力传感器及信息显示互动装置分别连接在数据处理装置上。

进一步的，所述靶区装置中的沙袋及机械双臂装置中的躯干支架，关于垂直于地面的同一平面左右对称。

进一步的，所述深度摄像头到沙袋中心的距离范围0.1米至4米之间；

所述深度摄像机的镜头平面，与躯干支架上两侧仿人手臂的机械臂固定中点连线所在垂直于地面的平面成二面角，自镜头平面转向垂直地面平面，其夹角范围为0°到90°。

进一步的，所述仿人手臂的机器臂的自由度是在5到7之间；所述仿人手臂的机械臂长度在20cm到120cm之间。

进一步的，所述沙袋的高度是10cm至50cm之间，其直径宽度在10cm至50cm之间。

本发明的有益效果是：本发明的双臂型拳击机器人不仅能提供击打沙袋的攻击训练，还能提供防御机械臂攻击的防御训练，同时能对运动员起到动作姿态矫正和指导的作用，提供标准的拳击教学和训练，还能增加该运动的娱乐性，可大大减少对拳击教练的需求，促进市民运动和身体健康。

附图说明

图1本发明的结构及组织关系示意图；

图2本发明的实施例示意图；

图3本发明中人体骨架模型示意图；

图4本发明中3d人物模型拓扑变形网格示意图；

图中1是立体视觉装置，11是深度摄像机，12是摄像相机支架；

2是机械双臂装置，21是仿人手臂的机器臂，22是仿真拳头，23是拳套，24是躯干支架；

3是靶区装置，31是沙袋，32是稳定支架，33是压力传感器；

4是数据处理装置，41是立体视觉数据读取和分析模块，42是压力传感器数据读取和分析模块，43是机器人双臂控制模块，44是虚拟模型数据处理模块，45是数据存储模块；

5是信息显示互动装置，51是信息显示模块，52是信息互动操作模块。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图所述，一种双臂型拳击陪练机器人，包括相互连接的立体视觉装置1、机械双臂装置2、靶区装置3、数据处理装置4及信息显示互动装置5，

所述的立体视觉装置1包括深度摄像机11及摄像相机支架12，

所述的机械双臂装置2包括仿人手臂的机器臂21、仿真拳头22、拳套23及躯干支架24，

所述的靶区装置3包括沙袋31、稳定支架32及压力传感器33，

所述的数据处理装置4包括立体视觉数据读取和分析模块41，压力传感器数据读取和分析模块42，机器人双臂控制模块43，虚拟模型数据处理模块44及数据存储模块45，

所述的信息显示互动装置5包括信息显示模块51及信息互动操作模块52；

其中，通常情况下，靶区装置3即是陪练机器人的头部，立体视觉装置1即是陪练机器人的视觉系统，立体视觉装置1中的深度摄像机11经摄像相机支架12安置在靶区装置3中的沙袋31上侧；

所述的数据处理装置4通过有线线路连接在陪练机器人；

所述信息显示互动装置5通过有线线路连接在陪练机器人。

进一步的，所述深度摄像机11经摄像相机支架支撑12，安设在沙袋31的上侧或下侧；所述摄像相机支架12固定安置在躯干支架24的后方、上方或左、右任一侧，即落地方式支撑或悬挂方式支撑；

所述仿人手臂的机械臂21分别固定安置在在躯干支架24的两侧，且两侧仿人手臂的机械臂21的高度一致；所述仿真拳头22分别安置在两侧仿人手臂的机械臂上21、远离躯干支架24的一端；所述拳套23罩设在仿真拳头22的外部；

所述沙袋31，经稳定支架32固定，安置于躯干支架24的上侧；所述压力传感器33安置在所述沙袋31的内部；

所述稳定支架32固定在躯干支架24的后方或上方。

进一步的，所述的立体视觉装置1，机械双臂装置2，靶区装置3，信息显示互动装置5分别与数据处理装置4相联；具体的，所述的深度摄像机11、仿人手臂的机器臂21、压力传感器33及信息显示互动装置5分别连接在数据处理装置4上；

具体的，所述立体视觉装置1，是通过安装在摄像相机支架12上的深度摄像机11连接到数据处理装置4中立体视觉数据读取和分析模块41上；所述机械双臂装置2，是通过仿人手臂的机器臂21分别连接在数据处理装置4中机器人双臂控制模块43上；所述靶区装置3，是通过压力传感器33连接在数据处理装置4中压力传感器数据读取和分析模块42上；信息显示互动装置5连接在数据处理装置4中虚拟模型数据处理模块44上；

其中，所述的立体视觉装置1，采集运动员在镜头中运动信息，再通过数据处理装置4中立体视觉数据读取和分析模块41内拳部检测和人体动作姿态提取子模块，利用机器学习方式对拳部目标检测和运动员身体关键点定位，而在计算空间位置信息时，结合关键点位置和立体视觉摄像头的深度信息确定；

所述立体视觉装置1，采用带有深度信息的摄像头，如picozense深度摄像头11(分辨率480×640帧率30fps或分辨率320×480帧率60fps)放置在靶区装置3中沙袋31的上方或后上方，捕捉拳击运动员的图像rgb数据和深度depth数据，并发送rgb-d数据到数据处理装置4，提供拳击运动员的运动信息：出拳速度、人体运动姿态和空间位置。

所述的深度摄像机11，能够提供摄像机视场范围内的图像rgb数据，以及各个像数区域的深度或距离d信息的功能，达到记录运动员运动信息的目的。

所述的摄像相机支架12由多节子支架组合而成，深度摄像机11固定于摄像相机支架12的顶部，可上下调节摄像相机支架12中深度摄像机11固定点位置的高度；优选的，深度摄像机11高度范围为180cm～220cm。

进一步的，所述机械双臂装置2，是采用两个仿人手臂的机器臂21组成，优选的，单条的仿人手臂的机器臂21长度范围在20cm～120cm，该双臂固定在躯干支架24上，其高度可以调节，范围为110cm～170cm；

所述的仿人手臂的机器臂21，是通过5到7个机械自由度的控制形成人手臂中肩部、肘部、腕部的旋转功能，达到模仿人手臂功能的目的，优选的，机器臂自由度为肩部3自由度、小臂2～3自由度、手腕0～1自由度，如图2所示；

所述机械双臂装置2的自由度受到数据处理装置4中机器人双臂控制模块43的控制，提供基本防御训练的功能；

所述每条机器人双臂中自由度的旋转信息将被控制更新，从而模仿拳击陪练人员的攻击动作，提供基本直拳、勾拳、摆拳、组合拳等防御训练；

所述仿真拳头22连接在仿人手臂的机器臂21上其远离身躯支架24的一端，在仿真拳头22的外部套上拳击的拳套23，模拟真实拳击手，同时仿真拳头22和拳套23中带有缓冲减压材料，保护运动员的安全。

所述的靶区装置3的沙袋31，设置在稳定支架32上，以达到减少攻击时产生的震动对其它装置工作稳定性影响的目的；所述沙袋31大小与人的头部相当，采用圆柱型或椭球型，高度可调节，优选的，沙袋31的高度是10cm至50cm之间，其直径宽度在10cm至50cm之间，内部置有压力传感器33；

所述的压力传感器33是，当运动员攻击沙袋31时其用于测量运动员的攻击力量，并将攻击力量数据传递给数据处理装置4中压力传感器数据读取和分析模块42；

所述数据处理装置4中的立体视觉数据读取和分析模块41，利用人体动作姿态提取子模块，获得立体视觉装置1中深度摄像机11所采集的运动员动作姿态；

获取主要动作姿态关键点包括：头部、颈部、腰部各1个关键点，肩部、肘部、腕部、胯骨、膝盖、脚踝各2个关键点；

进一步的，所述数据处理装置4中立体视觉数据读取和分析模块41，主要包含了：人体动作姿态提取子模块、拳部目标检测子模块、动作姿态分析评估子模块；

所述数据处理装置4中立体视觉数据读取和分析模块41内人体动作姿态提取子模块，提取的人体关键点并生成人体骨架模型，如图3所示；

所述数据处理装置4中立体视觉数据读取和分析模块41内拳部目标检测子模块，实时检测运动员左右拳的移动速度，并将所得速度结果保存在数据存储模块45中，然后再通过信息显示互动装置5中的信息显示模块51进行数值显示；

所述数据处理装置4中立体视觉数据读取和分析模块41内动作姿态分析评估子模块，对运动员动作姿态进行正确性和准确性评估，评估结果在信息显示互动装置5中信息显示模块51上显示；

所述数据处理装置4中虚拟模型数据处理模块44，根据立体视觉数据读取和分析模块41提取的运动员动作姿态信息，结合数据存储模块45中3d虚拟运动员模型，使模型生成相应的动作姿态，并在信息显示互动装置5中信息显示模块51上显示该所生成动作姿态的3d虚拟运动员；

所述数据处理装置4中虚拟模型数据处理模块44，利用3d图像拓扑变形技术或人体骨架模型技术，实现3d人物模型的动作姿态变形，3d模型的拓扑变形网格如图4所示；

进一步的，所述数据处理装置4中机器人双臂控制模块43，当运动员选择某类型或某组合类型一定时长的防御训练时，通过读取数据处理装置4中数据存储模块45中已保存的防御训练数据(仿人手臂的机器臂21的自由度控制序列)，提供对应的防御训练；

进一步的，所述数据处理装置4中数据存储模块45，保存立体视觉数据读取和分析模块41中立体视觉rgb-d数据、所提取的动作姿态信息数据、分析评估结果、压力传感器数据、互动操作模块的交互数据、3d虚拟模型数据、防御训练数据；

进一步的，所述的信息显示互动装置5中的信息显示模块51，主要包含了显示屏等硬件；信息互动操作模块52主要包含了触控设备等硬件；

所述信息显示互动装置5中信息显示模块51，显示所生成动作姿态的3d虚拟运动员，同时，显示拳部速度数值，攻击力量数值，动作评估得分，当前动作姿态错误位置，并附有错误位置的提示，以及防御训练的内容；

所述信息显示互动装置5中信息互动操作模块52，根据互动操作，显示3d虚拟运动员的不同方位，提供全方位观察。此外，其提供防御训练选择的人机交互功能，双臂部件从而能提供不同类型不同时长的防御训练；

另外，各装置之间是通过有线线路相互连接，也可是通过无线信号相互连接，其中，立体视觉装置1、机械双臂装置2及靶区装置3三个部件在空间上相互独立；

所述立体视觉装置1将捕捉到的深度和rgb数据传送到数据处理装置4；

所述机械双臂装置2受到数据处理装置4的控制而做出仿人动作；

所述靶区装置3对拳部的攻击力量进行测量，并将该数据传送至数据处理装置4；

所述数据处理装置4控制信息显示模块51上显示的内容；

所述信息显示模块51显示立体视觉装置1、机械双臂装置2及靶区装置3控制的相关的信息；

所述立体视觉装置1，捕捉拳击运动员图像rgb数据和深度d数据，用于提供运动员的运动信息：拳部速度、人体运动姿态和空间位置；

所述沙袋31，经稳定支架32固定，安置于躯干支架24的上方；该稳定支架24独立的作用是达到减少攻击时产生的震动对其它装置工作稳定性影响的目的；

进一步的，所述靶区装置3中的沙袋31及机械双臂装置2中的躯干支架24，关于垂直于地面的同一平面左右对称。

进一步的，所述深度摄像头11到沙袋31中心的距离范围0.1米至4米之间；

所述深度摄像机11的镜头平面，与躯干支架24上两侧仿人手臂的机器臂21固定中点连线所在垂直于地面的平面成二面角，自镜头平面转向垂直地面平面，其夹角范围为0°到90°。

进一步的，所述仿人手臂的机器臂21的自由度是在5到7之间；

所述仿人手臂的机器臂21长度在20cm到120cm之间。

进一步的，所述沙袋31的高度是10cm至50cm之间，其直径宽度在10cm至50cm之间。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

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