體育運(yùn)動輔助訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用展望

聶志強(qiáng)

（聊城大學(xué)體育學(xué)院，山東 聊城 252000）

“沒有人民健康，就沒有全民小康?！绷?xí)近平總書記提出要推進(jìn)健康中國的發(fā)展理念，將人民健康水平放在國家發(fā)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(fā)展的熱點(diǎn)領(lǐng)域，人民也漸漸認(rèn)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(jìn)健康的重要手段。毛主席也提出過“增強(qiáng)人民體質(zhì)”的體育精神，體育事業(yè)的發(fā)展是關(guān)乎人民健康、提升全民身體素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)之一，其戰(zhàn)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(zhì)教育為目的各類體育運(yùn)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(lǐng)。

運(yùn)動是一種涉及體力和技巧的由一套規(guī)則或習(xí)慣所約束的活動，對人類而言它是保持有效機(jī)體有序運(yùn)行及靈活性的基本活動形式。其中，體育的主要目的有兩個(gè)，一個(gè)是鍛煉身體，增強(qiáng)體質(zhì)，增進(jìn)健康；另一個(gè)是教育功能，體育是教育的主要手段，培養(yǎng)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(yùn)動中各種動作的完成與人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹目s影，是促進(jìn)人們健康水平，提高生活質(zhì)量的重要手段。目前，體育運(yùn)動也被認(rèn)為是一種健康文化，是社會進(jìn)步的重要保障。為此，不斷完善體育事業(yè)發(fā)展，引入體育運(yùn)動輔助機(jī)器人等高新技術(shù)成果，推動其向更高、更快、更強(qiáng)的方向發(fā)展也逐漸成為科研工作者們關(guān)注的焦點(diǎn)。

如何通過機(jī)器人輔助體育訓(xùn)練幫助運(yùn)動員或普通人群提升運(yùn)動能力，甚至修復(fù)受損運(yùn)動功能，建立高效的體育訓(xùn)練方法，提升訓(xùn)練特征水平及腦-機(jī)-體匹配效率，建立客觀的訓(xùn)練評估預(yù)測體系是體育訓(xùn)練領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)亦難點(diǎn)。傳統(tǒng)的體育運(yùn)動訓(xùn)練方法多以經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)為準(zhǔn)，主觀性、機(jī)械式訓(xùn)練為主，缺乏客觀性、科學(xué)化標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，無法充分發(fā)揮訓(xùn)練者自我機(jī)體的多方位調(diào)節(jié)機(jī)制下，尤其是對于體育損傷后康復(fù)訓(xùn)練上述缺陷尤為顯著。為此，開發(fā)主被動多模式人-機(jī)匹配輔助訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，充分發(fā)揮體育訓(xùn)練過程中的自身機(jī)體調(diào)節(jié)作用，強(qiáng)化中樞-外周神經(jīng)誘導(dǎo)功能，是探索新一代體育訓(xùn)練方式發(fā)展的重要研究方向。

1 運(yùn)動輔助訓(xùn)練機(jī)器人研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的體育訓(xùn)練器材，如劃船器、牽引器、杠鈴等，根據(jù)不同的運(yùn)動項(xiàng)目訓(xùn)練需求，有不同的使用方法和作用。而針對運(yùn)動損傷的輔助器材，如輪椅、助行器，拐等，時(shí)至今日仍被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動輔助與康復(fù)訓(xùn)練過程中，發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵性作用。然而，目前的體育訓(xùn)練仍然大多以過度的體力負(fù)載與經(jīng)驗(yàn)灌輸為代價(jià)，存在競技性體育的周期縮短與過程損傷風(fēng)險(xiǎn)，尤其運(yùn)動后損傷的康復(fù)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(xùn)練與康復(fù)訓(xùn)練方法，如功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES）、機(jī)械外骨骼（Exoskeleton，Exo）、智能機(jī)器人等，應(yīng)用于體育運(yùn)動訓(xùn)練及康復(fù)輔助系統(tǒng)的研究開發(fā)中，提供客觀性、科學(xué)化標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)意義重大。近年來已經(jīng)有相關(guān)技術(shù)研究得到實(shí)際應(yīng)用，按體育運(yùn)動項(xiàng)目分類，列舉幾個(gè)范例：足球機(jī)器人（足球標(biāo)準(zhǔn)動作檢測系統(tǒng)）、乒乓球機(jī)器人、羽毛球機(jī)器人、拳擊機(jī)器人、基本動作訓(xùn)練機(jī)器人。

1.1 足球標(biāo)準(zhǔn)動作檢測系統(tǒng)

眾所周知，足球是一項(xiàng)技能為主導(dǎo)的同場對抗性項(xiàng)目，隨著現(xiàn)代足球運(yùn)動的發(fā)展，足球比賽競爭日益激烈，攻防節(jié)奏也日益加快，對足球運(yùn)動員專項(xiàng)技術(shù)動作的評估是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，也是難度較大的研究技術(shù)。為此，基于動作捕捉的檢測系統(tǒng)，利用足球標(biāo)準(zhǔn)檢測系統(tǒng)，對足球比賽中的視頻圖像進(jìn)行還原和剪輯處理，針對足球比賽中足球運(yùn)動員的技術(shù)動作進(jìn)行圖像處理，實(shí)現(xiàn)足球技術(shù)動作的捕捉，為后面的分析提供便利。該系統(tǒng)應(yīng)用有助于球員的訓(xùn)練，同時(shí)可以建立龐大的足球訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫，為球員大賽前的訓(xùn)練或科學(xué)化的現(xiàn)代足球體育教育提供重要的技術(shù)依據(jù)。伴隨多年來的不斷更新?lián)Q代與技術(shù)革新，目前國內(nèi)外的足球動作檢測系統(tǒng)已經(jīng)較為完善而且應(yīng)用十分廣泛。

1.2 乒乓球機(jī)器人

最初的乒乓球機(jī)器人大多是一種單頭的乒乓球多球發(fā)球機(jī)，只具有發(fā)球的本領(lǐng)，而無還手的能力，可以代替教練或陪練，連續(xù)不斷地發(fā)出變化多端的球，后來逐漸發(fā)展到能回?fù)魧κ謥砬虻男乱淮古仪驒C(jī)器人。該機(jī)器人主要包含機(jī)械系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三個(gè)核心部分，為乒乓球教育或比賽提供了更為標(biāo)準(zhǔn)化、客觀性的訓(xùn)練模式。

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

圖1 美國的人形乒乓球機(jī)器人SARCOS

1.3 羽毛球機(jī)器人

羽毛球是一項(xiàng)普及程度很高的運(yùn)動，羽毛球大眾化趨勢也越來越明顯，已經(jīng)成為人們?nèi)粘ｅ憻捴羞x擇項(xiàng)目較多的一項(xiàng)運(yùn)動。目前，羽毛球運(yùn)動還僅僅局限于人與人之間的合作，才能進(jìn)行的運(yùn)動項(xiàng)目。這樣存在一些問題，比如搭檔之間的技術(shù)差異，很難在對打中實(shí)現(xiàn)個(gè)人有針對性的羽毛球運(yùn)動。這就需要借鑒現(xiàn)代大數(shù)據(jù)的發(fā)展和高科技在體育中的應(yīng)用，解決人與人之間技術(shù)性差異。隨著體育運(yùn)動的深入發(fā)展，相關(guān)的自動化裝備已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用到體育項(xiàng)目的訓(xùn)練和活動中，在日常的體育訓(xùn)練中已得到應(yīng)用 。

羽毛球機(jī)器人可以滿足人們進(jìn)行羽毛球訓(xùn)練的需求，羽毛球及技能主要功能是根據(jù)運(yùn)動個(gè)人的需求，設(shè)計(jì)訓(xùn)練個(gè)人適合的發(fā)球、接球。羽毛球機(jī)器人作為一項(xiàng)人們參與羽毛球運(yùn)動的機(jī)器，既能夠做到陪練、適合訓(xùn)練的要求；又能夠作為一個(gè)教學(xué)組織工具，實(shí)現(xiàn)不同人群的羽毛球技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，如圖2所示。這項(xiàng)成果其實(shí)在國內(nèi)已經(jīng)有相關(guān)研究成果，并已經(jīng)推向?qū)嶋H應(yīng)用中 。

圖2 一種羽毛球訓(xùn)練機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1.4 拳擊機(jī)器人

拳擊運(yùn)動往往是伴隨著更高的力量沖擊元素，對機(jī)器人自動化要求比較高，為此，有關(guān)拳擊機(jī)器人的發(fā)展研究工作起步較晚。一般拳擊機(jī)器人配備了高速計(jì)算機(jī)視覺和運(yùn)動識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(yīng)。

2018年，德國SkyTec Interactive推出了一款人工智能訓(xùn)練沙包——BOT BOXER，如圖3所示，這是一個(gè)特別厲害的“拳擊高手”，可有效幫助人類拳擊手提高或改進(jìn)他們的訓(xùn)練。當(dāng)然，不同的人有不同的技術(shù)水平，所以該系統(tǒng)是可調(diào)節(jié)的，例如反應(yīng)時(shí)間、機(jī)器人的運(yùn)動范圍、誤差頻率和沖孔后恢復(fù)所需的時(shí)間等等。此外，該機(jī)器人可以模擬人類拳擊手，隨著戰(zhàn)斗的進(jìn)行，它的耐力開始減弱，包含多種模式：自由訓(xùn)練模式、綜合作戰(zhàn)模式等。伴隨著自適應(yīng)自動化水平的不斷提升，該類機(jī)器人將趨于完善，具備更優(yōu)的系統(tǒng)訓(xùn)練性能。

圖3 智能機(jī)器人訓(xùn)練沙袋BOTBOXER

1.5 基本動作訓(xùn)練機(jī)器人

這類機(jī)器人的概念比較廣泛，簡單的運(yùn)動器材都滿足基本動作訓(xùn)練的需求，而且從學(xué)校體育到社區(qū)活動場所都可以提供基本動作訓(xùn)練的相關(guān)器具。為此，最新的基本動作訓(xùn)練機(jī)器人的研究已經(jīng)不僅僅局限于人類正常生活，已經(jīng)向特種應(yīng)用方向發(fā)展。

近年來，伴隨著各國對航天事業(yè)發(fā)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(yīng)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(guān)研究，嘗試在太空艙內(nèi)設(shè)置一些運(yùn)動訓(xùn)練設(shè)備，如利用柔索驅(qū)動單元搭建的深蹲訓(xùn)練、臥推訓(xùn)練機(jī)器人、太空艙跑步機(jī)等等。哈爾濱工程大學(xué)推出基于繩索牽引的航天員機(jī)能訓(xùn)練機(jī)器人、柔索驅(qū)動的宇航員深蹲訓(xùn)練機(jī)器人、宇航員康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人等等，該類機(jī)器人的深入研究及其不斷發(fā)展進(jìn)步，保障了宇航員在太空中的身體機(jī)能與操作可靠性鍛煉需求，應(yīng)用范例如圖4所示 。

圖4 多模式航大員訓(xùn)練機(jī)器人跑步訓(xùn)練場景

2 運(yùn)動輔助訓(xùn)練機(jī)器人未來應(yīng)用展望

智能機(jī)器人以其豐富的科學(xué)技術(shù)內(nèi)涵、可重構(gòu)的多樣化布局，廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工、航空航天、醫(yī)療、體育、娛樂、服務(wù)等諸多領(lǐng)域，多年來倍受國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。比爾.蓋茨預(yù)言未來家家都有機(jī)器人，他分析了機(jī)器人發(fā)展的現(xiàn)狀，展示了機(jī)器人這個(gè)新興產(chǎn)業(yè)極有可能改變?nèi)祟惿鐣畹姆椒矫婷嫠杳媾R的種種挑戰(zhàn)與機(jī)遇，點(diǎn)燃了機(jī)器人普及的“導(dǎo)火索” 。其中，發(fā)展體育輔助訓(xùn)練機(jī)器人技術(shù)對我國有限教育資源的利用和優(yōu)化國民體能素質(zhì)至關(guān)重要，對特殊領(lǐng)域人員，如宇航員、消防員、軍事人員等體能訓(xùn)練與技能保持都有很大的幫助。特別近年來腦-機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）技術(shù)的引入為運(yùn)動損傷康復(fù)提供了新思路。BCI研究初衷是為殘疾人提供一個(gè)與外界進(jìn)行交流的通信方式，讓他們通過這樣的系統(tǒng)用自己的思維操控輪椅、假肢等。隨著BCI技術(shù)的日益成熟，以及不斷取得重大的突破性成果進(jìn)展，人們對智能機(jī)器人的需求逐漸增加，BCI機(jī)器人的概念也應(yīng)運(yùn)而生，多種技術(shù)（如FES技術(shù)、Exo等）融合是其重要特征之一，如癱瘓少年利用BCI外骨骼機(jī)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(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)用想象動作模式控制FES實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)ES結(jié)合運(yùn)動個(gè)能產(chǎn)生更強(qiáng)的運(yùn)動皮層功能激活。且基于腦-機(jī)接口系統(tǒng)的神經(jīng)反饋訓(xùn)練方式以其可觀察、可量化、可自我調(diào)節(jié)的優(yōu)勢獲得了研究者及臨床醫(yī)師的關(guān)注，BCI結(jié)合多類輔助器具建立新型運(yùn)動康復(fù)輔助系統(tǒng)模式成了未來相關(guān)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(yùn)動輔助訓(xùn)練機(jī)器人的發(fā)展目前仍面臨諸多挑戰(zhàn)：（1）體育訓(xùn)練項(xiàng)目多種多樣，進(jìn)而導(dǎo)致人機(jī)交互信息復(fù)雜、機(jī)器分析處理程序煩瑣、所付時(shí)間代價(jià)也大，難以實(shí)際推廣應(yīng)用；（2）從人群適用性角度，考慮不同機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)適用性、時(shí)效性，如何兼顧不同人群的使用要求是一大挑戰(zhàn)；（3）系統(tǒng)模型自適應(yīng)性較差，所謂自適應(yīng)性是指自動根據(jù)數(shù)據(jù)特征調(diào)整其處理順序、參數(shù)、邊界或約束條件，使其與所處理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布、結(jié)構(gòu)特征相適應(yīng)，以取得最佳處理效果當(dāng)前大多數(shù)體育訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)模型尚難以達(dá)到上述自適應(yīng)數(shù)據(jù)處理水平，無法滿足自適應(yīng)交互控制的要求。

當(dāng)然，還有更多層面的挑戰(zhàn)制約著體育訓(xùn)練機(jī)器人的廣泛應(yīng)用及推廣，未來將圍繞上述挑戰(zhàn)開展更為深入的研究，以開發(fā)主被動多模式人-機(jī)匹配輔助訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)，充分發(fā)揮體育訓(xùn)練過程中的自身機(jī)體調(diào)節(jié)作用，強(qiáng)化中樞-外周神經(jīng)誘導(dǎo)功能，是探索新一代體育訓(xùn)練方式發(fā)展的重要研究方向 。

3 結(jié) 語

運(yùn)動輔助訓(xùn)練機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用到競技體育與國民素質(zhì)教育的諸多領(lǐng)域，關(guān)于運(yùn)動功能康復(fù)中的控制和評估策略相關(guān)研究也逐步受到研究者們的關(guān)注，將有效提升現(xiàn)代化素質(zhì)教育中相關(guān)體育訓(xùn)練的教學(xué)質(zhì)量及輔助增強(qiáng)體育傷殘康復(fù)訓(xùn)練效果。因此，努力提高國內(nèi)各種機(jī)器人的技術(shù)水平，特別是設(shè)計(jì)出適合于各種體育訓(xùn)練用途的智能機(jī)器人機(jī)構(gòu)和提高其控制水平，發(fā)揮并普及其應(yīng)用推廣優(yōu)勢，將進(jìn)一步促進(jìn)國民健康水平及競技體育事業(yè)的高效發(fā)展與穩(wěn)健提升。