體育運動輔助訓練機器人技術的研究現狀與應用展望

聶志強

（聊城大學體育學院，山東 聊城 252000）

“沒有人民健康，就沒有全民小康。”習近平總書記提出要推進健康中國的發展理念，將人民健康水平放在國家發展的重要層面，不斷提高人民的健康水平。近年來，體育與健康融合也成為我國發展的熱點領域，人民也漸漸認識到健康對生活和工作的必要性。體育是改善人民體制，促進健康的重要手段。毛主席也提出過“增強人民體質”的體育精神，體育事業的發展是關乎人民健康、提升全民身體素質的重要環節之一，其戰略意義不言而喻。為此，近年來我國從人體健康水平提升角度，開展以素質教育為目的各類體育運動教育及競賽性體育活動等 。這種活動需要高科技的投入，需要高科技的引領。

運動是一種涉及體力和技巧的由一套規則或習慣所約束的活動，對人類而言它是保持有效機體有序運行及靈活性的基本活動形式。其中，體育的主要目的有兩個，一個是鍛煉身體，增強體質，增進健康；另一個是教育功能，體育是教育的主要手段，培養人民健康意識，艱苦奮斗的精神，形成終身體育的體育理念。體育運動中各種動作的完成與人們日常工作和生活的縮影，是促進人們健康水平，提高生活質量的重要手段。目前，體育運動也被認為是一種健康文化，是社會進步的重要保障。為此，不斷完善體育事業發展，引入體育運動輔助機器人等高新技術成果，推動其向更高、更快、更強的方向發展也逐漸成為科研工作者們關注的焦點。

如何通過機器人輔助體育訓練幫助運動員或普通人群提升運動能力，甚至修復受損運動功能，建立高效的體育訓練方法，提升訓練特征水平及腦-機-體匹配效率，建立客觀的訓練評估預測體系是體育訓練領域的研究熱點亦難點。傳統的體育運動訓練方法多以經驗指導為準，主觀性、機械式訓練為主，缺乏客觀性、科學化標準指導，無法充分發揮訓練者自我機體的多方位調節機制下，尤其是對于體育損傷后康復訓練上述缺陷尤為顯著。為此，開發主被動多模式人-機匹配輔助訓練機器人系統，充分發揮體育訓練過程中的自身機體調節作用，強化中樞-外周神經誘導功能，是探索新一代體育訓練方式發展的重要研究方向。

1 運動輔助訓練機器人研究現狀

傳統的體育訓練器材，如劃船器、牽引器、杠鈴等，根據不同的運動項目訓練需求，有不同的使用方法和作用。而針對運動損傷的輔助器材，如輪椅、助行器，拐等，時至今日仍被廣泛應用于運動輔助與康復訓練過程中，發揮著不可替代的關鍵性作用。然而，目前的體育訓練仍然大多以過度的體力負載與經驗灌輸為代價，存在競技性體育的周期縮短與過程損傷風險，尤其運動后損傷的康復與輔助方法，單一被動式特征缺陷明顯。為此，引入新型輔助訓練與康復訓練方法，如功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）、機械外骨骼（Exoskeleton，Exo）、智能機器人等，應用于體育運動訓練及康復輔助系統的研究開發中，提供客觀性、科學化標準指導意義重大。近年來已經有相關技術研究得到實際應用，按體育運動項目分類，列舉幾個范例：足球機器人（足球標準動作檢測系統）、乒乓球機器人、羽毛球機器人、拳擊機器人、基本動作訓練機器人。

1.1 足球標準動作檢測系統

眾所周知，足球是一項技能為主導的同場對抗性項目，隨著現代足球運動的發展，足球比賽競爭日益激烈，攻防節奏也日益加快，對足球運動員專項技術動作的評估是當前研究的熱點，也是難度較大的研究技術。為此，基于動作捕捉的檢測系統，利用足球標準檢測系統，對足球比賽中的視頻圖像進行還原和剪輯處理，針對足球比賽中足球運動員的技術動作進行圖像處理，實現足球技術動作的捕捉，為后面的分析提供便利。該系統應用有助于球員的訓練，同時可以建立龐大的足球訓練數據庫，為球員大賽前的訓練或科學化的現代足球體育教育提供重要的技術依據。伴隨多年來的不斷更新換代與技術革新，目前國內外的足球動作檢測系統已經較為完善而且應用十分廣泛。

1.2 乒乓球機器人

最初的乒乓球機器人大多是一種單頭的乒乓球多球發球機，只具有發球的本領，而無還手的能力，可以代替教練或陪練，連續不斷地發出變化多端的球，后來逐漸發展到能回擊對手來球的新一代乒乓球機器人。該機器人主要包含機械系統、視覺系統、控制系統三個核心部分，為乒乓球教育或比賽提供了更為標準化、客觀性的訓練模式。

早在20世紀八九十年代，乒乓球機器人的相關研究就已經備受關注，如，美國Andersson、瑞士蘇黎世高等工業學院等均推出了各自的乒乓球機器人成果，如越南Tosy公司的人形乒乓球機器人TOPIO、美國的乒乓球機器人SARCOS（圖1）等。乒乓球機器人的研究在我國起步較晚，上海交通大學、西安工程科技學院、浙江大學等研究機構也紛紛推出了各自的乒乓球機器人成果，包括對乒乓球的軌道預測研究，乒乓球機器人的腕部結構、自由度的研究等等。

圖1 美國的人形乒乓球機器人SARCOS

1.3 羽毛球機器人

羽毛球是一項普及程度很高的運動，羽毛球大眾化趨勢也越來越明顯，已經成為人們日常鍛煉中選擇項目較多的一項運動。目前，羽毛球運動還僅僅局限于人與人之間的合作，才能進行的運動項目。這樣存在一些問題，比如搭檔之間的技術差異，很難在對打中實現個人有針對性的羽毛球運動。這就需要借鑒現代大數據的發展和高科技在體育中的應用，解決人與人之間技術性差異。隨著體育運動的深入發展，相關的自動化裝備已經開發并應用到體育項目的訓練和活動中，在日常的體育訓練中已得到應用 。

羽毛球機器人可以滿足人們進行羽毛球訓練的需求，羽毛球及技能主要功能是根據運動個人的需求，設計訓練個人適合的發球、接球。羽毛球機器人作為一項人們參與羽毛球運動的機器，既能夠做到陪練、適合訓練的要求；又能夠作為一個教學組織工具，實現不同人群的羽毛球技戰術訓練，如圖2所示。這項成果其實在國內已經有相關研究成果，并已經推向實際應用中 。

圖2 一種羽毛球訓練機器人結構設計示意圖

1.4 拳擊機器人

拳擊運動往往是伴隨著更高的力量沖擊元素，對機器人自動化要求比較高，為此，有關拳擊機器人的發展研究工作起步較晚。一般拳擊機器人配備了高速計算機視覺和運動識別系統，該系統能識別用戶的拳擊動作，并通過移動拳擊袋避開拳頭做出反應。

2018年，德國SkyTec Interactive推出了一款人工智能訓練沙包——BOT BOXER，如圖3所示，這是一個特別厲害的“拳擊高手”，可有效幫助人類拳擊手提高或改進他們的訓練。當然，不同的人有不同的技術水平，所以該系統是可調節的，例如反應時間、機器人的運動范圍、誤差頻率和沖孔后恢復所需的時間等等。此外，該機器人可以模擬人類拳擊手，隨著戰斗的進行，它的耐力開始減弱，包含多種模式：自由訓練模式、綜合作戰模式等。伴隨著自適應自動化水平的不斷提升，該類機器人將趨于完善，具備更優的系統訓練性能。

圖3 智能機器人訓練沙袋BOTBOXER

1.5 基本動作訓練機器人

這類機器人的概念比較廣泛，簡單的運動器材都滿足基本動作訓練的需求，而且從學校體育到社區活動場所都可以提供基本動作訓練的相關器具。為此，最新的基本動作訓練機器人的研究已經不僅僅局限于人類正常生活，已經向特種應用方向發展。

近年來，伴隨著各國對航天事業發展的日益重視，為了消除或減輕載人航天中失重引起的宇航員空間適應性綜合征，并滿足太空中宇航員體育鍛煉的需求，紛紛開展相關研究，嘗試在太空艙內設置一些運動訓練設備，如利用柔索驅動單元搭建的深蹲訓練、臥推訓練機器人、太空艙跑步機等等。哈爾濱工程大學推出基于繩索牽引的航天員機能訓練機器人、柔索驅動的宇航員深蹲訓練機器人、宇航員康復訓練機器人等等，該類機器人的深入研究及其不斷發展進步，保障了宇航員在太空中的身體機能與操作可靠性鍛煉需求，應用范例如圖4所示 。

圖4 多模式航大員訓練機器人跑步訓練場景

2 運動輔助訓練機器人未來應用展望

智能機器人以其豐富的科學技術內涵、可重構的多樣化布局，廣泛應用在機械加工、航空航天、醫療、體育、娛樂、服務等諸多領域，多年來倍受國內外學術界和產業界關注。比爾.蓋茨預言未來家家都有機器人，他分析了機器人發展的現狀，展示了機器人這個新興產業極有可能改變人類社會生活的方方面面所需面臨的種種挑戰與機遇，點燃了機器人普及的“導火索” 。其中，發展體育輔助訓練機器人技術對我國有限教育資源的利用和優化國民體能素質至關重要，對特殊領域人員，如宇航員、消防員、軍事人員等體能訓練與技能保持都有很大的幫助。特別近年來腦-機接口（Brain-Computer Interface，BCI）技術的引入為運動損傷康復提供了新思路。BCI研究初衷是為殘疾人提供一個與外界進行交流的通信方式，讓他們通過這樣的系統用自己的思維操控輪椅、假肢等。隨著BCI技術的日益成熟，以及不斷取得重大的突破性成果進展，人們對智能機器人的需求逐漸增加，BCI機器人的概念也應運而生，多種技術（如FES技術、Exo等）融合是其重要特征之一，如癱瘓少年利用BCI外骨骼機器人為2014年巴西世界杯開球，如圖5所。此外，利用BCI控制FES可比單純FES激活更多大腦皮層功能活動，諸多研究表明，正常受試者采用BCI系統進行了運用想象動作模式控制FES實驗，FES結合運動個能產生更強的運動皮層功能激活。且基于腦-機接口系統的神經反饋訓練方式以其可觀察、可量化、可自我調節的優勢獲得了研究者及臨床醫師的關注，BCI結合多類輔助器具建立新型運動康復輔助系統模式成了未來相關研究的重要方向 。

圖5 癱瘓少年為2014年巴西世界杯開球

然而，對于運動輔助訓練機器人的發展目前仍面臨諸多挑戰：（1）體育訓練項目多種多樣，進而導致人機交互信息復雜、機器分析處理程序煩瑣、所付時間代價也大，難以實際推廣應用；（2）從人群適用性角度，考慮不同機器人系統的機械結構適用性、時效性，如何兼顧不同人群的使用要求是一大挑戰；（3）系統模型自適應性較差，所謂自適應性是指自動根據數據特征調整其處理順序、參數、邊界或約束條件，使其與所處理數據的統計分布、結構特征相適應，以取得最佳處理效果當前大多數體育訓練機器人系統模型尚難以達到上述自適應數據處理水平，無法滿足自適應交互控制的要求。

當然，還有更多層面的挑戰制約著體育訓練機器人的廣泛應用及推廣，未來將圍繞上述挑戰開展更為深入的研究，以開發主被動多模式人-機匹配輔助訓練機器人系統，充分發揮體育訓練過程中的自身機體調節作用，強化中樞-外周神經誘導功能，是探索新一代體育訓練方式發展的重要研究方向 。

3 結 語

運動輔助訓練機器人已經廣泛應用到競技體育與國民素質教育的諸多領域，關于運動功能康復中的控制和評估策略相關研究也逐步受到研究者們的關注，將有效提升現代化素質教育中相關體育訓練的教學質量及輔助增強體育傷殘康復訓練效果。因此，努力提高國內各種機器人的技術水平，特別是設計出適合于各種體育訓練用途的智能機器人機構和提高其控制水平，發揮并普及其應用推廣優勢，將進一步促進國民健康水平及競技體育事業的高效發展與穩健提升。