本發(fā)明屬于運動訓練機器人，涉及一種智能網球擊球訓練裝置，具體地說，涉及一種可模擬不同網球軌跡并可視化反饋動作表現的體育訓練機器人。

背景技術：

1、網球運動需要精細控制擊球動作，熟練掌握擊球技術是網球訓練中的重要環(huán)節(jié)。目前，初學者擊球訓練主要依賴自主感悟或教練指導。然而，由于訓練場地稀缺、陪練費用高、教練水平參差不齊，影響了初學者網球訓練的積極性和效率，尤其是在居家環(huán)境下難以開展網球技術學習與訓練。

2、近年來，為提高網球擊球動作的訓練效率，出現了一些可幫助訓練進行擊球訓練的自動化裝置。主要包括在較小空間即可應用的定點擊球訓練器和在實際球場開展訓練的網球發(fā)球機兩大類。如申請?zhí)枮?02110512964.4的專利提出了一種網球訓練用定點擊球器，網球由周向均勻分布的固定在托體上柔性支撐片承載，避免了需要將支撐穿過球體來進行固定。該裝置的優(yōu)點是既能固定網球，也不會阻擾網球的橫向運動，能使訓練者獲得真實的擊球體驗；缺點是擊球點固定，無法模擬多方向來球訓練，更無法對訓練者的擊球表現進行反饋。申請?zhí)枮?02410076733.7的專利提出了一種包含指定模式、隨機模式、智能級別模式等多種運動模式的四輪網球發(fā)球機，可預判來球軌跡和落點，據此判斷運動員的能力級別，并調整為對應級別的回球訓練。該裝置的優(yōu)點是發(fā)球和回球的速度、落點更加多樣化，且融入了一定的智能策略，使得訓練更加靈活。缺點是訓練者無法及時感知到擊球的效果并做出相應的動作調整，且依賴網球場地開展訓練。綜上，現有的網球擊球訓練裝置智能化程度不足，缺乏能夠自主感知訓練者動作并有效反饋擊球效果的訓練機器人。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種可模擬復雜球路的網球擊球訓練機器人設計方案，使其具有其高度調節(jié)、精準移動、受擊后自平衡等能力，并提出對訓練者動作的感知和分析方法與交互策略。此技術打破了場地的限制，為訓練者提供一個可控的擊球訓練實體裝置，降低了網球訓練的門檻，為訓練者提供一種動作分析的工具，有助于實現現代智能化網球訓練。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案實現的，結合附圖說明如下：

3、一種網球擊球訓練機器人，包括移動模塊、擊球模塊、交互模塊和控制模塊；

4、移動模塊作為機器人的底座，設置在擊球模塊下方，控制模塊固定在移動模塊上，交互模塊分布于在擊球模塊周圍。

5、進一步地，所述移動模塊包括兩個電機輪，兩個電機輪通過支架連接至底板，底板上方安裝外殼；殼體內包含控制模塊、擊球模塊的部分部件和交互模塊的藍牙音箱；

6、所述移動模塊采用雙輪差速驅動，即控制電路板分別控制兩個電機輪的轉速與角度，當兩個電機輪轉速相同時網球陪練機器人能夠直線行駛，當兩個電機輪存在速度差時網球陪練機器人能夠靈活轉向；移動模塊通過pid控制策略完成自平衡。

7、進一步地，所述擊球模塊包括彈簧減震器、高度調節(jié)機構、阻尼調節(jié)機構和網球；彈簧減震器由四根相同的彈簧和上下兩塊正方形連接板組成；所述彈簧減震器布置在移動模塊上方，下方連接板通過四個螺栓固定在移動模塊的底板上；上方連接板通過四個螺栓與高度調節(jié)機構相連。

8、高度調節(jié)機構包括一個電動推桿a、一個超聲測距傳感器a、傳感器支撐板a以及擋板；電動推桿a下方通過四個螺栓孔鎖緊在彈簧減震器的上方連接板上，電動推桿a上方使用兩個相對的螺栓與阻尼調節(jié)機構連接；傳感器支撐板a分為左右兩部分，通過前后螺栓鎖緊在電動推桿側面并連為一體；所述支撐板設有一長方形平臺，用來承載超聲測距傳感器，并用緊固螺釘將超聲波測距傳感器固定在平臺；所述支撐板側面設有類似手臂支撐面，用來與交互模塊連接；

9、所述阻尼調節(jié)機構包括一個支撐筒、一個彈簧、一個網球支撐架、兩個相同的電動推桿b、一個剛性套、一個超聲測距傳感器b、傳感器支撐板b以及擋板；所述支撐筒下端通過螺栓與高度調節(jié)模塊相連，上端套在彈簧內，并焊接在一起；所述網球支撐架焊接在彈簧上端，網球穿過支撐架橫桿固定在其上；所述兩個電動推桿b對稱分布在支撐筒的兩側，電動推桿上、下端設有固定孔，通過長螺栓分別固定在支撐筒和剛性套上；所述剛性套套在彈簧外；所述傳感器支撐板b分為左右兩部分，通過橫向的螺栓鎖定在剛性套上，從而成為一體；所述超聲測距傳感器通過螺栓固定在支撐板上；所述擋板與高度調節(jié)機構的擋板為同一塊擋板。

10、進一步地，所述交互模塊由穿戴在訓練者身上的慣性測量單元imu、安裝在機器人表面的燈帶、藍牙音箱組成；imu傳感器采集訓練者的動作姿態(tài)信息，數據通過無線傳輸至機器人的單片機后，結合人體運動鏈理論求解運動學特征，通過燈帶將訓練者的動作表現直觀反饋給訓練者。

11、進一步地，所述人體運動鏈理論求解運動學特征，具體方法包括：

12、定義手部貢獻速度用來量化僅由身體部位i發(fā)力對手部產生的速度，對于網球擊球動作的關鍵部位簡化為胯(i＝1)，胸(i＝2)，肩(i＝3)，軸(i＝4)，手(i＝5)；

13、手部貢獻速度vci(t)是隨著時間t變化的函數，由下式計算：

14、

15、其中，特定身體部位關節(jié)位置為pi，持拍手位置為p5；ωi(t)表示關節(jié)i測得的角速度值，ωi(t)-ωi-1(t)表示僅由關節(jié)i運動在i處產生的角速度值；p5(t)-pi(t)表示，關節(jié)i處到持拍手的空間矢量；

16、計算手部累計貢獻速度vai(t)描述人體運動鏈關系:

17、

18、在手部累計貢獻速度中，設胯部在t1時刻達到最大值va1max，胸部在在t2時刻達到最大值va2max，肩部在t3時刻達到最大值va3max，肘部在t4時刻達到最大值va4max；胸部與胯部的時間差δt1＝t2-t1，肩部與胸部的時間差為δt2＝t3-t2，肘部與肩部的時間差為δt3＝t4-t3。

19、進一步地，結合人體運動鏈理論求解運動學特征，通過燈帶將訓練者的動作表現直觀反饋給訓練者，具體方法：

20、燈帶通過顏色顯示動作的協調性，綠色部分代表該部位動作協調性良好，黃色表示協調性一般，紅色表示協調性不好；根據專業(yè)運動員各部位發(fā)力時間差情況：δt1在0.01-0.03之間為綠色，-0.02至0.01、0.03至0.08之間為黃色，δt1小于-0.02或大于0.08則為紅色；δt2在0.01-0.03之間為綠色，-0.03至0.01、0.03-0.1之間為黃色，小于-0.03或大于0.1則為紅色；δt3在0.01-0.03之間為綠色，-0.03至0.01、0.03-0.08之間為黃色，小于-0.03或大于0.08則為紅色。

21、設擊球時刻為td，各個部位的手部累計貢獻速度值為va1(td)、va2(td)、va3(td)、va4(td)；身體部位i在擊球時的貢獻速度為cri

22、

23、cr值的大小在0-1之間，對應位置的燈帶亮度由cr值決定，cr值越大則燈帶越亮。即燈帶亮度代表對應位置的發(fā)力程度，越用力則亮度越大。

24、進一步地，通過藍牙音箱播報imu測得的擊球速度值，幫助訓練者及時改正技術動作。

25、進一步地，所述控制模塊由控制電路板和移動電源構成，能夠將控制指令轉換為各電機能夠處理的信號，從而執(zhí)行機器人的移動、調節(jié)、反饋功能；控制電路板控制移動模塊中的電機輪轉動以及擊球模塊的電動推桿伸縮，使網球模擬真實的軌跡移動到訓練者身前；當訓練者擊打來自訓練機器人的網球后，imu實時提取人體的骨架信息，并發(fā)送給控制電路板，控制電路板通過收到的骨架信息進行運動鏈的解算，得到人體各部位力量實時傳遞關系，并通過控制腿部燈帶、腰部燈帶、上肢燈帶反映出來。

26、一種網球擊球訓練機器人的人機交互方法，其特征在于：

27、控制電路板4-1通過控制移動模塊1中電機輪a和電機輪b的通斷，來實現網球擊球訓練機器人的啟停；控制電路板4-1通過控制移動模塊1中電機輪a和電機輪b的速度，來實現擊球模塊2網球2-13水平移動速度和方向的調節(jié)；控制電路板4-1通過控制移動模塊1中電機輪a和電機輪b的速度，來實現擊球模塊2底板1-3保持平衡；控制電路板4-1通過控制擊球模塊2中電動推桿a?2-2的伸縮速度和里程，來實現擊球模塊2網球2-13豎直方向和位置的調節(jié)；控制電路板4-1通過控制擊球模塊2中電動推桿b?2-6的伸縮速度和里程來控制擊球模塊2中彈簧2-11被剛性套2-7套住的長度，實現擊球阻尼的調節(jié)；控制電路板4-1通過控制腿部燈帶3-1、腰部燈帶3-2、上肢燈帶3-3的顏色與明暗，來實現從視覺上對擊球者擊球表現的反饋；控制電路板4-1通過控制藍牙音箱3-4的播報消息，來實現對擊球者動作表現的提示。

28、進一步地，當訓練者擊打來自訓練機器人的網球后，雙目相機實時提取人體的骨架信息，并發(fā)送給控制電路板4-1，控制電路板4-1通過收到的骨架信息進行運動鏈的解算，得到人體各部位力量實時傳遞關系，并通過控制腿部燈帶3-1、腰部燈帶3-2、上肢燈帶3-3反映出來；在擊打完時，藍牙音箱通過語音播報擊球速度；同時，控制電路板4-1檢測到底板1-3傾斜，并控制電機輪1-1旋轉后退以調整底板1-3角度使底板1-3重新平衡；平衡后，間隔一段時間控制電路板再次計算位置并控制網球以一定速度和軌跡飛來，如此循環(huán)往復，訓練者可以完成不同模式下的多球訓練。

29、與現有技術相比本發(fā)明的有益效果是：

30、1.本發(fā)明所述的網球擊球訓練機器人使用大直徑雙輪差速驅動并結合高度調整機構，實現網球空間位置的快速精準調節(jié)，可模擬網球運動中對手的來球軌跡，為訓練者提供難度可控的網球擊球練習物理載體。與傳統的靜態(tài)擊球訓練器相比，可更好匹配不同水平訓練者的練習要求，增加了訓練任務的多樣性。

31、2.本發(fā)明所述的網球擊球訓練機器人設計了擊球位置剛性調整機構，搭配網球運動速度模擬，實現訓練者擊球力度和阻力的體感反饋。與傳統的固定式擊球器相比，能夠為訓練者提供多樣化的擊球體驗。

32、3.本發(fā)明所述面向網球擊球訓練機器人的人機交互方法，能夠在科學感知分析訓練者動作的前提下，可視化反饋訓練者的動作表現。與傳統缺乏人機交互的訓練裝置相比，本專利所述人機交互方案能夠幫助訓練者快速認知自身動作存在的問題，促進訓練者生成正確動作的運動記憶，極大程度提升動作學習效率。