智能搏擊教練機(jī)器人的設(shè)計(jì)

趙國飛，邊洪寧

（山東協(xié)和學(xué)院，山東 濟(jì)南 250109）

0 引 言

2016年6月23日，國務(wù)院印發(fā)《全民健身計(jì)劃（2016—2020年）》國發(fā)〔2016〕37號(hào)文，明確提出開展全民健身活動(dòng)，推廣武術(shù)、太極拳、健身氣功等民族民俗民間傳統(tǒng)和鄉(xiāng)村農(nóng)味農(nóng)趣運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。同年7月26日，國家體育總局武術(shù)運(yùn)動(dòng)管理中心印發(fā)《中國武術(shù)發(fā)展五年規(guī)劃（2016-2020年）》。據(jù)中國武術(shù)協(xié)會(huì)不完全統(tǒng)計(jì)，目前中國學(xué)習(xí)武術(shù)的人口超過6 500萬，占世界總習(xí)武總?cè)藬?shù)的四分之一；現(xiàn)有武術(shù)館、校、院、社1.2萬余所，常年在武館習(xí)武的人數(shù)達(dá)200萬余人。如此龐大的群體是推動(dòng)武術(shù)搏擊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。在美國，搏擊被公認(rèn)是發(fā)展最快的體育產(chǎn)業(yè)。2000年終極格斗錦標(biāo)賽UFC被娛樂大亨洛倫佐.菲爾蒂塔兄弟以200萬美金買下，14年后UFC市值已超過18億美金，市值翻了900倍[1]。

近年來，散打、拳擊、跆拳道等武術(shù)搏擊行業(yè)正處于飛速發(fā)展階段，國內(nèi)外搏擊市場(chǎng)發(fā)展如火如荼。但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前搏擊行業(yè)在訓(xùn)練方面存在兩大問題：

（1）即基本訓(xùn)練仍采用傳統(tǒng)器械；

（2）雇用專業(yè)陪練價(jià)格不菲。

以上兩大問題導(dǎo)致搏擊訓(xùn)練效率較低及訓(xùn)練成本過高[2]。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一款智能搏擊教練機(jī)器人（以下簡稱“智能教練”），該設(shè)計(jì)主要利用傳感器技術(shù)和機(jī)械原理，以人形機(jī)器人的形式實(shí)現(xiàn)與訓(xùn)練者一對(duì)一的搏擊訓(xùn)練陪練。該系統(tǒng)投入市場(chǎng)后，不僅會(huì)大大方便廣大搏擊運(yùn)動(dòng)員和搏擊愛好者，同時(shí)還可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

本系統(tǒng)利用內(nèi)置壓力傳感器監(jiān)測(cè)搏擊者的打擊力度，將打擊力度分為若干等級(jí)，各等級(jí)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的語音回復(fù)。當(dāng)機(jī)器人身體某部位的壓力傳感器監(jiān)測(cè)到數(shù)值時(shí)，會(huì)根據(jù)各受壓點(diǎn)的力度大小及位置判斷當(dāng)前搏擊者的動(dòng)作，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的直流電機(jī)做出簡單出拳出腿等動(dòng)作回應(yīng)。各點(diǎn)的打擊力度可在觸摸屏上顯示。同時(shí)，底座小輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下使 “智能教練”進(jìn)退自如，增強(qiáng)了靈活性和專業(yè)性。

系統(tǒng)包括兩種模式，即對(duì)練模式與陪練模式。對(duì)練模式即模擬真實(shí)的擂臺(tái)競(jìng)賽。對(duì)練模式下，“智能教練”將按搏擊規(guī)則與使用者實(shí)戰(zhàn)對(duì)練。此過程中“智能教練”的體能會(huì)隨著比賽時(shí)間的推移及受到使用者的打擊力度而下降，模擬真實(shí)搏擊比賽過程中運(yùn)動(dòng)員因體力下降而出現(xiàn)的反應(yīng)變緩，攻擊力度減小等狀況。

陪練模式用于日常訓(xùn)練。陪練模式下，“智能教練”只防守不進(jìn)攻。它可借助底座輪子實(shí)現(xiàn)整體移動(dòng)、躲閃，最大程度模仿搏擊教練的動(dòng)作。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互性，系統(tǒng)增加了語音播報(bào)功能、自動(dòng)出擊功能、顯示功能、觸摸屏選擇訓(xùn)練模式等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件概況

“智能教練”由橡膠人形靶及硬件電路兩部分組成。人形靶是使用者直接擊打的對(duì)象，主要包括人型機(jī)械架、擊打點(diǎn)、機(jī)械臂（含2只手臂和1條腿）、驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的直流電機(jī)和光電傳感器。在人形靶的頭、腹、腰部安裝有壓力傳感器，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在人形靶的背部。橡膠人形靶的外型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

硬件電路由CPU模塊、AD數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、顯示模塊和語音模塊組成。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 智能搏擊教練機(jī)器人外型結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖

光電傳感器及頭、腹、兩腰的壓力傳感器相互配合，采集前方有無訓(xùn)練人及當(dāng)前訓(xùn)練者的姿勢(shì)等信息，傳送給S3C2440。CPU根據(jù)訓(xùn)練者上一個(gè)動(dòng)作狀態(tài)控制電機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂模擬出拳出腿動(dòng)作，同時(shí)，控制顯示模塊顯示當(dāng)前出擊的力量等級(jí)，并通過語音模塊播報(bào)相關(guān)信息。

光電傳感器采集的光電信號(hào)通過光耦和CD4093芯片連接至CPU的I/O口。CPU通過CD4093芯片和光耦控制大功率MOS管IRF3205的導(dǎo)通和截止來控制電機(jī)。光耦的作用在于隔離開發(fā)板、光電傳感器、電機(jī)[3]。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 CPU模塊

S3C2440基于ARM920T核心，0.13 μm的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU，AMBA總線和哈佛結(jié)構(gòu)高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16 kB指令高速緩存和16 kB數(shù)據(jù)高速緩存。每個(gè)都由具有8字長的行組成。它采用了新的總線架構(gòu)，如先進(jìn)的微控制總線構(gòu)架（AMBA），16/32位RISC體系架構(gòu)和以ARM920TCPU為核心的指令集，擁有24個(gè)外部中斷端口和130個(gè)復(fù)用輸入/輸出端口[4]。

指令、數(shù)據(jù)高速緩存，具備寫緩沖和物理地址TAGRAM，可大大減少執(zhí)行主存儲(chǔ)器帶寬和延遲性能的影響。同時(shí)還具有低功耗、簡單、精致等優(yōu)點(diǎn)，且全靜態(tài)設(shè)計(jì)適合對(duì)成本和功率較敏感的應(yīng)用。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

AD數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和ADC轉(zhuǎn)換器組成。傳感器主要包括壓力傳感器和光電傳感器。

（1）壓力傳感器

該模塊采用半導(dǎo)體壓力傳感器采集“搏擊教練”被擊打瞬間的壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)“搏擊教練”的傳感器受到擊打時(shí)，半導(dǎo)體晶體會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)?，從而使得電阻值發(fā)生變化，通過該變化可計(jì)算出相應(yīng)壓力的大小。

采用MPX5100SERIES壓力傳感器。該傳感器需要5 V直流電源供電，量程為100 kPa，對(duì)應(yīng)的輸出為0～5 V。AD轉(zhuǎn)換器使用S3C2440內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)化器，為確保AD轉(zhuǎn)換器能采集到更大范圍壓力傳感器的輸出壓力，同時(shí)保證AD轉(zhuǎn)換器能采集到微小壓力的變化，故將壓力傳感器輸出端經(jīng)過一個(gè)由高精度電阻構(gòu)成的分壓電路后，傳輸給ADC轉(zhuǎn)換器輸入端，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)分壓比例為5/6時(shí)效果最佳。分壓電路原理如圖3所示。

圖3 高精度電阻分壓電路原理圖

（2）光電傳感器

光電傳感器采用擴(kuò)散反射型光電開關(guān)，用于分析判斷使用者的位置。將傳感器的發(fā)光部分及收光部分裝入“搏擊教練”頭部位置。當(dāng)使用者在其攻擊范圍內(nèi)時(shí)，傳感器發(fā)出的光線被反射回來，傳感器輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，CPU根據(jù)信號(hào)進(jìn)行判斷，發(fā)出控制指令。

光電傳感器采用漫反射式光電開關(guān)，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過時(shí)，光電傳感器便產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。光電傳感器信號(hào)采集的有效張角范圍為15°，采集距離范圍為0～1.5 m，光電信號(hào)采集電路如圖4所示。

圖4 光電信號(hào)采集電路原理圖

2.2.3 顯示模塊

本系統(tǒng)采用三星公司生產(chǎn)的3.4寸320×240分辨率TFT真彩超薄液晶觸摸屏。S3C2440處理器的AD轉(zhuǎn)換器ADC和觸摸屏接口功能框圖如圖5所示。

圖5 ADC和觸摸屏的接口功能框圖

2.2.4 語音模塊

該部分功能由專用語音芯片UDA1341來實(shí)現(xiàn)。首先編譯UDA1341的驅(qū)動(dòng)，所使用的編譯工具為交叉編譯器arm-1inux-gcc3.4.1，編譯成功后將驅(qū)動(dòng)文件下載到ARM開發(fā)板并將驅(qū)動(dòng)掛載到系統(tǒng)，通過播放器播放各種mp3格式文件。

2.2.5 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制電路如圖6所示。該部分由CD4093、光耦4N26和大功率MOS管IRF3025組成。芯片CD4093的1，2腳和12，13腳分別與S3C2440處理器的30腳和28腳相連，分別控制模擬出拳、出腿。

圖6 電機(jī)控制電路原理圖

2.2.6 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖

使用“搏擊教練”時(shí)，首先需選擇模式。選擇“對(duì)練模式”時(shí)，程序啟動(dòng)控制“搏擊教練”的底座萬向輪并檢測(cè)使用者位置的光電傳感器。此時(shí)，光電傳感器發(fā)射信號(hào)，程序判斷傳感器是否接收到來自使用者身體反射的信號(hào)，如果接收到信號(hào)，則說明使用者在其攻擊范圍內(nèi)，否則繼續(xù)發(fā)射信號(hào)檢測(cè)，直至接收到信號(hào)為止。之后程序啟動(dòng)拳腿控制電機(jī)，發(fā)動(dòng)攻擊。同時(shí)，若壓力傳感器受到小于100 lb的打擊力量，則程序播放“Try Again”語音；若受到的打擊力量為200～300 lb，則程序播放“Great”語音；若受到的打擊力量大于300 lb，則程序播放“Perfect”語音；至此，程序運(yùn)行結(jié)束。

選擇陪練模式，程序只啟用壓力傳感器，檢測(cè)打擊力量并播放語音即可，無需啟用底座萬向輪和光電傳感器。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一個(gè)嵌入式Linux系統(tǒng)從軟件的角度，通常可分為四個(gè)層次，即引導(dǎo)加載程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序。

嵌入式系統(tǒng)軟件是拳擊娛樂系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)，其中包含AD數(shù)據(jù)采集模塊、UI用戶界面模塊、主控模塊、SQLite數(shù)據(jù)庫模塊、結(jié)果顯示模塊。

AD數(shù)據(jù)采集處理模塊：采集擊打點(diǎn)壓力值，通過測(cè)力算法計(jì)算擊打力量；結(jié)果顯示模塊：包括語言播報(bào)和LCD結(jié)果顯示，該模塊將AD數(shù)據(jù)采集模塊計(jì)算得到的擊打力量在顯示屏顯示并語音播報(bào)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)；自動(dòng)出擊模塊：采集光電信號(hào)并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)隨機(jī)模擬出拳；SQLite數(shù)據(jù)庫模塊：保存快速擊打模式下，每次擊打的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括擊打位置、力量大小和擊打時(shí)間，為UI模塊中的結(jié)果演示提供詳細(xì)擊打數(shù)據(jù)；UI用戶界面模塊：提供圖形化用戶界面，并以液晶觸摸屏的形式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的交互。

一個(gè)完整的系統(tǒng)需要硬件和軟件兼容結(jié)合，“智能教練”系統(tǒng)在充分考慮硬件和軟件的實(shí)際情況下實(shí)現(xiàn)了智能搏擊教練機(jī)器人的各項(xiàng)功能。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的智能搏擊教練機(jī)器人可代替人工搏擊教練，提高了專業(yè)搏擊運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練效率。該機(jī)器人最大的特色在于寓教于樂，使原本辛苦枯燥的搏擊訓(xùn)練變得生動(dòng)有趣。

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