一种用于兵乒球运动的辅助训练装置、系统及方法

1.本发明属于运动设备领域，具体涉及一种用于兵乒球运动的辅助训练装置、系统及方法。

背景技术：

2.乒乓球运动训练主要通过两类方法锻炼专业技术。一是阅读专业书籍、观看教学视频等线上学习线下训练，此法训练水平有限、易形成难以改正的错误技术动作、缺乏力的美感，并可能导致运动损伤。二是聘请线下教练员进行学习，教练员通过示范动作、观察受训者具体情况给出改进建议，此法受限于教学资源往往一对多进行，无法针对学生个体进行差异性教学，对教练技术水平和精力有极高的要求，无法普及到全国范围。
3.然而目前我国的乒乓球训练教学现状存在“教练员资源缺乏，综合素养水平不高”、“乒乓球训练计划设置粗略”、“内容单一”、“缺少新的训练设备”等问题，无法满足广大乒乓球爱好者专业技术动作训练需求。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于兵乒球运动的辅助训练装置，所述辅助训练装置可以帮助初学者更快掌握兵乒球的基本技术动作，以满足日趋增长的专业训练需求，推动乒乓球运动训练的数字化和自主化发展。
5.本发明的第二个目的在于提供一种用于兵乒球运动的辅助训练系统。
6.本发明的第三个目的在于提供一种用于兵乒球运动的辅助训练方法。
7.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
8.一种用于兵乒球运动的辅助训练装置，包括辅助模块、用于将所述辅助模块安装在受训者身上的穿戴模块、电源模块以及设置在辅助模块上的检测模块和控制模块，其中，
9.所述辅助模块包括外骨骼主体以及设置在外骨骼主体上的驱动机构，其中，所述外骨骼主体包括护腕支架、护臂支架和腰部支架；所述驱动机构包括用于驱动所述外骨骼主体中的肩关节转动的肩关节转动机构、用于驱动所述外骨骼主体中的大臂转动的大臂转动机构、用于驱动所述外骨骼主体中的肘部转动的肘部转动机构；
10.所述检测模块用于监测受训者的身体部位的运动训练数据，其中，所述运动训练数据包括速度、加速度；所述检测模块包括手腕九轴传感器、手臂九轴传感器和腰部九轴传感器；
11.所述控制模块用于控制肩关节转动机构、大臂转动机构、肘部转动机构动作；
12.所述电源模块用于给各个用电模块提供电源。
13.优选的，所述电源模块包括设置在所述腰部支架上的电源背包、电源开关、散热孔和电源灯，其中，所述电源背包与所述腰部支架相连；所述电源开关用于实现电源控制；所述电源灯显示不同的使用模式。
14.优选的，所述外骨骼主体内设置有柔性材料，用于贴合人体手臂走向。
15.优选的，所述穿戴模块为绑带，所述绑带包括腕部绑带、大臂绑带以及双肩绑带，其中，所述腕部绑带用于将所述护腕支架安装在所述受训者的腕部，所述大臂绑带用于将所述护臂支架安装在所述受训者的大臂，而所述双肩绑带则将所述腰部支架安装在所述受训者的腰部。
16.优选的，所述外骨骼主体在肩关节、大臂和肘部处分别设置有肩关节转轴、大臂转轴和肘部转轴，所述肩关节转动机构、所述大臂转动机构、所述肘部转动机构分别用于驱动所述肩关节转轴、所述大臂转轴和所述肘部转轴转动。
17.优选的，所述肩关节转动机构、所述大臂转动机构、所述肘部转动机构采用电机驱动。
18.一种用于兵乒球运动的辅助训练系统，包括所述的辅助训练装置、显示装置、交互装置以及中央控制装置，其中，所述显示装置用于显示标准的兵乒球击打动作及分解动作；所述交互装置用于与受训者进行交互，通过语音和视觉的方式正确引导受训者的挥拍轨迹和身体发力顺序；所述中央控制装置针对受训者的个人信息，匹配训练方案。
19.一种兵乒球运动辅助训练方法，包括以下步骤：
20.s1：采集优秀运动员挥动球拍的技术动作，每个技术动作采集80-100个样本并进行筛选，构建运动训练模型，即标准动作库；
21.s2：受训者输入个人信息，所述的个人信息包括年龄、性别、身高、体重、惯用手、握拍方式、训练基础、训练目标；中央控制装置将根据输入的个人信息与标准动作库进行匹配；
22.s3：受训者穿戴好辅助训练装置，并启动电源；
23.s4：受训者进行标准测试，所述的标准测试是指根据受训者输入的个人信息与标准动作库中的信息进行匹配后，中央控制装置自动给出按照以标准动作库中的动作为标准的测试，根据受训者的技术动作与标准动作之间的差异，中央控制装置评估受训者的技能水平后，匹配针对受训者个人水平的训练计划；
24.s5：进入学习模式下，显示装置中显示的真人演示视频和分解动作，在辅助训练装置中的外骨骼主体的外力辅助、交互装置的语音和视觉的引导下，正确引导受训者的挥拍轨迹和身体发力顺序；
25.s6：当手腕九轴传感器、手臂九轴传感器和腰部九轴传感器检测到受训者的运动训练数据均高于设定阀值，且该运动训练数据出现的次数占总训练次数的比例高于设定数值，则中央控制装置判断受训者在学习模式下的训练目标达标，开始进入自由练习模式，并再次进行标准测试，中央控制装置根据测试结果提供最优的练习难度和训练标准；
26.s7：在自由练习模式下，通过手腕九轴传感器、手臂九轴传感器和腰部九轴传感器来检测受训者的手腕、手臂以及腰部的运动训练数据；
27.s8：检测模块实时监测受训者的运动训练数据的变化，并对比预期目标数据；当检测模块检测到受训者的训练表现低于预期目标的次数占总训练次数的比例低于预期数值，中央控制装置则降低训练标准和训练难度，并通过辅助训练装置提供外力辅助，帮助受训者完成训练指标；当受训者的训练表现高于预期目标的次数占总训练次数的比例大于或等于预期数值，中央控制装置则会提高训练难度和训练标准，当受训者的水平高于中央控制装置设置的训练标准后，中央控制装置判断受训者已熟练掌握该项技术动作；
28.s9：受训者的详细训练情况和建议会呈现训练总结中，并记录在中央控制装置的存储单元内，受训者可随时回顾长期的训练情况，中央控制装置能够针对性地分析当前的学习目标和学习进度并为受训者提供下一步的训练计划。
29.优选的，在步骤s1中，所述运动训练模型的构建步骤为：
30.步骤1：将arduinonano33blesense传感器固定在优秀运动员的手腕上；
31.步骤2：将arduinonano33blesense传感器与tensorflow蓝牙连接；
32.步骤3：优秀运动员挥动球拍，调整动作以触动arduinonano33blesense传感器的阈值；
33.步骤4：在tensorflow上创建动作样本组；
34.步骤5：对优秀运动员的技术动作进行捕捉，每个技术动作捕捉80-100个样本；
35.步骤6：对样本进行筛选，构建运动训练模型。
36.优选的，在步骤s5和s8中，所述肩关节转动机构、所述大臂转动机构、所述肘部转动机构分别驱动并控制所述肩关节转轴、所述大臂转轴和所述肘部转轴的转动速度和转动幅度，实现对受训者施加外力，辅助受训者正确挥拍和调整身体发力顺序。
37.本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
38.1、本发明的兵乒球运动辅助训练装置中的检测模块采用手腕九轴传感器、手臂九轴传感器和腰部九轴传感器：通过所述手腕九轴传感器、所述手臂九轴传感器和所述腰部九轴传感器来检测受训者的手腕、手臂和腰部的运动训练数据(例如速度和加速度)，以此来识别受训者不同的基本技术动作类型，实现击球事件的检测；通过检测受训者的运动训练数据与设定阀值对比，来判断受训者的技术动作是否达标，相对于设置单个传感器而言，具有更好的监测效果。
39.2、本发明的兵乒球运动辅助训练装置中的外骨骼主体中设置有肩关节转动机构、手臂转动机构以及肘部转动机构，通过所述肩关节转动机构、所述手臂转动机构以及所述肘部转动机构来驱动肩关节、手臂和肘部转动，从而使得受训者可以正确挥拍以及身体能够完成正确的挥拍动作。
40.3、本发明的兵乒球运动辅助训练系统在教学时利用人体动作识别技术快速捕捉受训者的乒乓球技术动作，转化为客观的可视化运动数据加以指导和规范，可视化程度强；另外，外骨骼主体可以提供额外的动力来引导受训者练习以养成正确的肌肉记忆，强化初学者在学习过程中的本体感觉，培养良好的动作习惯；检测用户的运动训练数据，提供科学的训练建议，针对性强，更加专业化。
41.4、受训者的训练模式具有阶段性学习特征，分为学习模式和自由练习模式，可供各类基础受训者使用，具有针对性。另外，两种模式在训练前都需要分别进行标准测试并根据测试结果提供最优的练习难度和训练标准，匹配个人训练计划，保证准确性和高效率；真人教学演示视频和传感器识别能够正确引导初学者挥拍轨迹和身体发力顺序，智能化及时调整。检测模块时刻检测运动训练数据对比预期目标数据，随时调整训练标准和难度，更新用户的训练计划。另外，受训者的详细训练情况和建议会呈现训练总结中，用户可在数字平台上中回顾长期的训练情况，随时回顾并针对性分析当前的学习目标和进度，推荐相关课程，为受训者提供下一步的训练计划。
42.5、本发明的兵乒球运动辅助训练系统的人体动作识别技术和外力辅助，模拟传统
中，同时接收中央控制装置的控制指令，该控制模块可以是安装在所述护腰支架上的控制器，通过电源模块2为其提供电力，其内部设置有通信模块，例如wifi模块。
52.参见图1-图5，所述电源模块2用于给各个用电模块提供电源，该电源模块2包括设置在所述腰部支架103上的电源背包201、电源开关202、散热孔203和电源灯204，其中，所述电源背包201与所述腰部支架103相连接；所述电源开关202用于实现电源控制；所述电源灯204，实现指示功能。
53.参见图1-图5，所述外骨骼主体1内设置有柔性材料，用于贴合人体手臂走向。
54.参见图1-图5，所述穿戴模块4为绑带，所述绑带包括腕部绑带、大臂绑带以及双肩绑带，其中，所述腕部绑带用于将所述护腕支架101安装在所述受训者的腕部，所述大臂绑带用于将所述护臂支架102安装在所述受训者的大臂，而所述双肩绑带则将所述腰部支架103安装在所述受训者的腰部。
55.实施例2
56.参见图1-图5，本发明的用于兵乒球运动的辅助训练系统，包括所述的辅助训练装置、显示装置、交互装置以及中央控制装置，其中，所述显示装置用于显示标准的兵乒球击打动作及分解动作；所述交互装置用于通过语音和视觉的方式正确引导受训者的挥拍轨迹和身体发力顺序；所述中央控制装置针对受训者的个人信息，匹配训练方案；
57.其中，所述显示装置可以是电子显示屏；
58.其中，所述交互装置可以集成在所述电子显示屏中，通过电子显示屏显示图像以及播放语音，来实现对受训者进行引导。
59.其中，所述中央控制装置可以是计算机。
60.参见图6，本发明的兵乒球运动辅助训练方法，包括以下步骤：
61.s1：采集优秀运动员挥动球拍的技术动作，每个技术动作采集80-100个样本并进行筛选，构建运动训练模型，即标准动作库；
62.s2：受训者输入个人信息，所述的个人信息包括年龄、性别、身高、体重、惯用手、握拍方式、训练基础、训练目标；中央控制装置将根据输入的个人信息与标准动作库进行匹配；
63.s3：受训者穿戴好辅助训练装置，并启动电源；
64.s4：受训者进行标准测试，所述的标准测试是指根据受训者输入的个人信息与标准动作库中的信息进行匹配后，中央控制装置自动给出按照以标准动作库中的动作为标准的测试，根据受训者的技术动作与标准动作之间的差异，例如通过图像识别技术来获取图像，比较受训者的动作与标准动作之间的重合程度，并依据重合程度来评估受训者的技能水平，匹配针对受训者个人水平的训练计划；
65.s5：进入学习模式下，显示装置中显示的真人演示视频和分解动作，在辅助训练装置中的外骨骼主体1的外力辅助、交互装置的语音和视觉的引导下，正确引导受训者的挥拍轨迹和身体发力顺序；
66.s6：当中央控制装置判断受训者在学习模式下的训练目标达标，开始进入自由练习模式，并再次进行标准测试，中央控制装置根据测试结果提供最优的练习难度和训练标准；其中，判断受训者在学习模式下的训练目标达标的依据为：当手腕九轴传感器301、手臂九轴传感器302和腰部九轴传感器303检测到受训者的运动训练数据均高于设定阀值，且该
高于设定阀值的运动训练数据出现的次数占总训练次数的比例高于设定数值；
67.s7：在自由练习模式下，通过手腕九轴传感器301、手臂九轴传感器302和腰部九轴传感器303来检测受训者的手腕、手臂以及腰部的运动训练数据；
68.s8：检测模块3实时监测受训者的运动训练数据的变化，并对比预期目标数据；当检测模块3检测到受训者的训练表现低于预期目标的次数占总训练次数的比例低于预期数值(即受训者的训练表现长期低于预期目标)，中央控制装置则降低训练标准和训练难度，并通过辅助训练装置提供外力辅助，帮助受训者完成训练指标；当受训者的训练表现高于预期目标的次数占总训练次数的比例大于或等于预期数值(即受训者的训练表现长期高于预期目标)，中央控制装置则会提高训练难度和训练标准，当受训者的水平高于中央控制装置设置的训练标准后，中央控制装置判断受训者已熟练掌握该项技术动作；
69.s9：受训者的详细训练情况和建议会呈现训练总结中，并记录在中央控制装置的存储单元内，受训者可随时回顾长期的训练情况，中央控制装置能够针对性地分析当前的学习目标和学习进度并为受训者提供下一步的训练计划，例如根据兵乒球的练习动作依次从简单到复杂学习，当受训者掌握基本动作后，则模拟进行击球练习。
70.参见图6，在步骤s1中，所述运动训练模型的构建步骤为：
71.步骤1：通过arduino将软件代码上传至arduinonano33blesense传感器；
72.步骤2：将arduinonano33blesense传感器固定在优秀运动员的手腕上；
73.步骤3：将arduinonano33blesense传感器与tensorflow蓝牙连接；
74.步骤4：优秀运动员挥动球拍，调整动作以触动arduinonano33blesense传感器的阈值；
75.步骤5：在tensorflow上创建动作样本组；
76.步骤6：对优秀运动员的技术动作进行捕捉，每个技术动作捕捉80-100个样本；
77.步骤7：对样本进行筛选，构建运动训练模型。
78.其中，在上述步骤7中，通过arduinonano33blesense传感器获取身体佩戴部位处的角速度，加速度，并转换为电信号。通过捕捉优秀运动员的运动训练数据，然后通过tensorflow对动作样品组内不同的电信号，即运动训练数据进行机器学习和模型训练，得到用于检测和分类不同乒乓球基本技术动作的机器学习数据模型。
79.参见图6，在步骤s5和s8中，所述肩关节转动机构、所述大臂转动机构、所述肘部转动机构分别驱动并控制所述肩关节转轴104、所述大臂转轴105和所述肘部转轴106的转动速度和转动幅度，实现对受训者施加外力，辅助受训者正确挥拍和调整身体发力顺序。
80.上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种用于兵乒球运动的辅助训练装置，包括辅助模块、用于将所述辅助模块安装在受训者身上的穿戴模块、电源模块以及设置在辅助模块上的检测模块和控制模块，其特征在于，所述辅助模块包括外骨骼主体以及设置在外骨骼主体上的驱动机构，其中，所述外骨骼主体包括护腕支架、护臂支架和腰部支架；所述驱动机构包括用于驱动所述外骨骼主体中的肩关节转动的肩关节转动机构、用于驱动所述外骨骼主体中的大臂转动的大臂转动机构、用于驱动所述外骨骼主体中的肘部转动的肘部转动机构；所述检测模块用于监测受训者的身体部位的运动训练数据，其中，所述运动训练数据包括速度、加速度；所述检测模块包括手腕九轴传感器、手臂九轴传感器和腰部九轴传感器；所述控制模块用于控制肩关节转动机构、大臂转动机构、肘部转动机构动作；所述电源模块用于给各个用电模块提供电源。2.根据权利要求1所述的用于兵乒球运动的辅助训练装置，其特征在于，所述电源模块包括设置在所述腰部支架上的电源背包、电源开关、散热孔和电源灯，其中，所述电源背包与所述腰部支架相连；所述散热孔、所述电源开关以及所述电源灯均设置在所述电源背包上。3.根据权利要求1所述的用于兵乒球运动的辅助训练装置，其特征在于，所述外骨骼主体内设置有柔性材料，用于贴合人体手臂走向。4.根据权利要求1所述的用于兵乒球运动的辅助训练装置，其特征在于，所述穿戴模块为绑带，所述绑带包括腕部绑带、大臂绑带以及双肩绑带，其中，所述腕部绑带用于将所述护腕支架安装在所述受训者的腕部，所述大臂绑带用于将所述护臂支架安装在所述受训者的大臂，而所述双肩绑带则将所述腰部支架安装在所述受训者的腰部。5.根据权利要求1所述的用于兵乒球运动的辅助训练装置，其特征在于，所述外骨骼主体在肩关节、大臂和肘部处分别设置有肩关节转轴、大臂转轴和肘部转轴；所述肩关节转动机构、所述大臂转动机构、所述肘部转动机构分别用于驱动所述肩关节转轴、所述大臂转轴和所述肘部转轴转动。6.根据权利要求1所述的用于兵乒球运动的辅助训练装置，其特征在于，所述肩关节转动机构、所述大臂转动机构、所述肘部转动机构均采用电机驱动。7.一种用于兵乒球运动的辅助训练系统，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的辅助训练装置、显示装置、交互装置以及中央控制装置，其中，所述显示装置用于显示标准的兵乒球击打动作及分解动作；所述交互装置用于与受训者进行交互，通过语音和视觉的方式正确引导受训者的挥拍轨迹和身体发力顺序；所述中央控制装置针对受训者的个人信息，匹配训练方案。8.一种兵乒球运动辅助训练方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：采集优秀运动员挥动球拍的技术动作，每个技术动作采集80-100个样本并进行筛选，构建运动训练模型，即标准动作库；s2：受训者输入个人信息，所述的个人信息包括年龄、性别、身高、体重、惯用手、握拍方式、训练基础、训练目标；中央控制装置将根据输入的个人信息与标准动作库进行匹配；s3：受训者穿戴好辅助训练装置，并启动电源；
s4：受训者进行标准测试，所述的标准测试是指根据受训者输入的个人信息与标准动作库中的信息进行匹配后，中央控制装置自动给出按照以标准动作库中的动作为标准的测试，根据受训者的技术动作与标准动作之间的差异，中央控制装置评估受训者的技能水平后，匹配针对受训者个人水平的训练计划；s5：进入学习模式下，显示装置中显示真人演示视频和分解动作，在辅助训练装置中的外骨骼主体的外力辅助、交互装置的语音和视觉的引导下，正确引导受训者的挥拍轨迹和身体发力顺序；s6：当手腕九轴传感器、手臂九轴传感器和腰部九轴传感器检测到受训者的运动训练数据均高于设定阀值，且该运动训练数据出现的次数占总训练次数的比例高于设定数值，中央控制装置判断受训者在学习模式下的训练目标达标，开始进入自由练习模式，并再次进行标准测试，中央控制装置再次根据测试结果提供最优的练习难度和训练标准；s7：在自由练习模式下，通过手腕九轴传感器、手臂九轴传感器和腰部九轴传感器来检测受训者的手腕、手臂以及腰部的运动训练数据；s8：检测模块实时监测受训者的运动训练数据的变化，并对比预期目标数据；当检测模块检测到受训者的训练表现低于预期目标的次数占总训练次数的比例低于预期数值，中央控制装置则降低训练标准和训练难度，并通过辅助训练装置提供外力辅助，帮助受训者完成训练指标；当受训者的训练表现高于预期目标的次数占总训练次数的比例大于或等于预期数值，中央控制装置则会提高训练难度和训练标准，当受训者的水平高于中央控制装置设置的训练标准后，中央控制装置判断受训者已熟练掌握该项技术动作。9.根据权利要求8所述的兵乒球运动辅助训练方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述运动训练模型的构建步骤为：步骤1：将arduinonano33blesense传感器固定在优秀运动员的手腕上；步骤2：将arduinonano33blesense传感器与tensorflow蓝牙连接；步骤3：优秀运动员挥动球拍，调整动作以触动arduinonano33blesense传感器的阈值；步骤4：在tensorflow上创建动作样本组；步骤5：对优秀运动员的技术动作进行捕捉，每个技术动作捕捉80-100个样本；步骤6：对样本进行筛选，构建运动训练模型。10.根据权利要求9所述的兵乒球运动辅助训练方法，其特征在于，在步骤s5中，所述肩关节转动机构、所述大臂转动机构、所述肘部转动机构分别驱动并控制所述肩关节转轴、所述大臂转轴和所述肘部转轴的转动速度和转动幅度，实现对受训者施加外力，辅助受训者正确挥拍和调整身体发力顺序。

技术总结

本发明涉及一种用于兵乒球运动的辅助训练装置、系统及方法，其中，辅助训练装置包括辅助模块、穿戴模块、电源模块、检测模块和控制模块；所述辅助模块包括外骨骼主体和驱动机构；所述外骨骼主体包括护腕支架、护臂支架和腰部支架；所述驱动机构包括用于驱动所述外骨骼主体中的肩关节转动的肩关节转动机构、用于驱动所述外骨骼主体中的大臂转动的大臂转动机构、用于驱动所述外骨骼主体中的肘部转动的肘部转动机构；所述检测模块包括手腕九轴传感器、手臂九轴传感器和腰部九轴传感器。本发明的辅助训练装置可以帮助初学者更快掌握兵乒球的基本技术动作，以满足日趋增长的专业训练需求，推动乒乓球运动训练的数字化和自主化发展。展。展。