專利名稱：武術(shù)招式練習系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種武術(shù)招式練習系統(tǒng)，其包括固定機架、運動體、電機和控制系統(tǒng)，其中所述固定機架用于支承所述運動體。
背景技術(shù)：
在人們?nèi)粘Ｉ钪校褂酶魇礁鳂拥慕∩碓O備，如跑步機、舉重機械等等。對于熱愛太極推手運動的人來說，經(jīng)常希望能有相應的推手教練與自己互來互往地對著練習。但這經(jīng)常是費事的，因為經(jīng)常找不到對手，尤其是找不到高水準的對手進行陪練。因此在技術(shù)上需要一款體育器材能滿足這種練習的需要。2009年9月9日公開的中國專利文獻CN201304228公開了一種用于武術(shù)健身訓練的機器人。利用電動機帶動偏心輪使機器人前臂向前打出同時機器人的活動機腿向上踢出，并可在機器人身部安裝電腦記分器和發(fā)聲裝置，使得練習者每擊打在有效部位，電腦會自動記分并發(fā)出語音提示。改變了一般武術(shù)訓練輔助器械缺乏動感、枯燥乏味的缺點，此多功能用于武術(shù)教學的機器人使武術(shù)訓練變得生動有趣、且由于用于武術(shù)教學的機器人的外形可設計成類似于人體外形，使練習者感到像與真人對抗一樣，大大提高其練習的積極性、反應能力和靈活性，有利于快速提升搏擊打水平。但該專利文獻并不適宜于諸如太極等武術(shù)招式的練習，而僅僅是公開了一種被動承受練習者攻擊的模擬真人。2006年2月8日公開的中國專利文獻CN1730132A公開了一種自動太極推手機，其如圖1所示。該自動太極推手機包括機架1、運動體2、電動機3、彈性裝置和控制電路，控制電路的控制開關(guān)5分別位于機架的前端、后端，運動體設2在機架I內(nèi)，運動體2設有輪子7和推手把8，電動機3設于運動體2內(nèi)、其輸出端與輪子7連接；輪子7在機架內(nèi)I運動，彈性裝置的一端連接于機架1、另一端連接于運動體2 ;控制電路的控制輸出端連接電動機3的控制輸出端，使運動體2運動。該專利雖然解決了現(xiàn)實生活人們在練習時找同伴練習太極推手困難的問題，方便了練習者練習太極推手，但由于其推手把僅僅只能進行前進和后退的二維運動，因此不能真實地模擬真人太極運動時雙手(或單手)的三維軌跡，沒有在技術(shù)上從三個維度實現(xiàn)機器手的仿真運動。這樣的產(chǎn)品模擬的過程簡單，缺乏太極推手的真實空間感覺，也不能令用戶達到全方位的練習效果。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于，提供一種三維空間的武術(shù)招式練習系統(tǒng)，其允許用戶按照自己所需要的武術(shù)招式進行逼真的三維招式練習或?qū)W習。根據(jù)本發(fā)明的武術(shù)招式練習系統(tǒng)，其包括固定機架、運動體、電機和控制系統(tǒng)，其中所述固定機架用于支承所述運動體。所述運動體包括水平旋轉(zhuǎn)臺架部分、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分以及直線伸縮臂；所述電機包括用于分別驅(qū)動所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分以及直線伸縮臂的第一、第二和第三電機，使得所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分在旋轉(zhuǎn)時帶動所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分以及直線伸縮臂在水平面上做旋轉(zhuǎn)運動，所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分在旋轉(zhuǎn)時帶動所述直線伸縮臂在垂直面上做旋轉(zhuǎn)運動，以及所述直線伸縮臂的敞露末端做直線運動；所述控制系統(tǒng)包括電機控制器以及分別被電連接到所述第一、第二和第三電機的第一、第二和第三電機驅(qū)動器，其中由所述電機控制器控制所述第一、第二和第三電機驅(qū)動器，使得所述第一、第二和第三電機驅(qū)動器按照預定時序分別驅(qū)動所述第一、第二和第三電機，以便所述的敞露末端沿著預定軌跡做空間三維運動。通過本發(fā)明提出的該方案，用戶或使用者能夠自由地選擇自己需要練習的武術(shù)招式，譬如某種太極推手的招式，然后跟隨所述的敞露末端練習推手動作。由于該敞露末端可以模仿高水平體育教練的動作，好似一個虛擬的專家教師，所以能夠教會練習者學會高水平的、準確練習動作。為了練習的舒適性，可以在所述的敞露末端裝設一個木制的、金屬的、玻璃的或塑料的優(yōu)選為可旋轉(zhuǎn)的球狀物，以供練習者的手進行接觸。這里，所述電機控制器可以通過控制器適配器與所述電機驅(qū)動器相連接，以便實現(xiàn)對所述電機驅(qū)動器的接口和控制。根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的優(yōu)選方案，所述第一電機通過第一變速箱經(jīng)第一耦合器耦合到所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分的轉(zhuǎn)動樞軸上；所述第二電機通過第二變速箱經(jīng)第二耦合器耦合到所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分的轉(zhuǎn)動樞軸上；以及所述第三電機形成為一種與所述直線伸縮臂耦合的線性致動器。通過該措施，各個電機可以與相應被控制的臺架部分或伸縮臂精密的耦合，以便控制后者精準地沿著預定軌跡運動。有利地，所述固定機架可以被固定在一個基座上。這樣，通過適當?shù)卦O置基座的高度，可以按照需要制造整個練習系統(tǒng)的高度。根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的進一步改進，在所述電機控制器上電連接一臺個人計算機，用于向所述電機控制器輸入所述預定軌跡的編程數(shù)據(jù)，以便所述第一、第二和第三電機按照所述電機控制器的控制而使所述的敞露末端沿著所述預定軌跡做空間三維運動。通過該措施使得操作者有可能通過該計算機對整個練習系統(tǒng)進行設置、編程、修改、更新等等。所述個人計算機可以內(nèi)部存儲或外接有三維動作軌跡數(shù)據(jù)庫，所述數(shù)據(jù)庫包括可供用戶選擇的多種武術(shù)招式的軌跡數(shù)據(jù)。所述軌跡數(shù)據(jù)可以是通過使用Kinect技術(shù)或其他類似的運動捕獲技術(shù)來捕獲動作而事先獲取的動作樣本的軌跡數(shù)據(jù)。由于代表練習動作的敞露末端運動軌跡是根據(jù)三維動作軌跡數(shù)據(jù)庫的軌跡數(shù)據(jù)移動的，這種數(shù)據(jù)庫保障了用戶能夠?qū)Χ喾N武術(shù)招式進行選擇的可能性。另外，所述個人計算機還可以電連接一個操作者顯示器，以允許操作者編程和管理所述預定軌跡的數(shù)據(jù)以及對所述控制系統(tǒng)進行干預操作。通過該措施設立了合適的圖形用戶界面GUI，使得操作者有可能直觀地對整個練習系統(tǒng)進行設置、編程、修改、更新等等。在一種對用戶更為友好的方案中，在面朝所述敞露末端做武術(shù)招式練習的用戶的正前方設置一個用戶顯示器，該用戶顯示器與所述個人計算機通信，以便后者將與武術(shù)招式練習動作有關(guān)的信息顯示給用戶。這樣，用戶在使用本發(fā)明系統(tǒng)進行練習的同時，能夠觀看相關(guān)的練習信息，使得練習更為有趣而不枯燥。所述與武術(shù)招式練習動作有關(guān)的信息可以包括武術(shù)教練的同步練習的影像和/或音樂。通過該措施使得用戶能夠模仿教練的動作進行練習，增強練習效果。在用戶練習動作的位置可以設有左右腳平衡位置傳感器，用于實時檢測雙腳的重力分布數(shù)據(jù)，于是，所述個人計算機有線或無線地接收該重力分布數(shù)據(jù)，并將其與最優(yōu)的黃金練習參考數(shù)據(jù)值進行比較。
所述個人計算機還可以被用于將實時檢測的雙腳重力分布數(shù)據(jù)和最優(yōu)的黃金練習參考數(shù)據(jù)值分別形成圖形，并將傳輸?shù)剿鲇脩麸@示器上顯示以供用戶參考比較。用戶通過參考比較自己的數(shù)據(jù)和黃金參考圖形，可以適時調(diào)整自己的練習步伐以便與黃金參考圖形相一致，從而達到最佳練習狀態(tài)。所述武術(shù)招式尤其可以為太極推手。太極推手是一種以手的動作為主，并配合全身移動的體育運動，因此特別適合于本發(fā)明的應用。在所述的系統(tǒng)的進一步方案中，所述第一電機和第二電機可以采用松下公司產(chǎn)品型號Minas A4 MQMA022S1，所述第三電機可以采用松下公司產(chǎn)品型號Minas A5MSMD022G1。所述第一和第二電機驅(qū)動器可以采用松下公司產(chǎn)品型號MADDT1207，所述第三電機驅(qū)動器可以采用松下公司產(chǎn)品型號MADHT1507。可以理解，這些產(chǎn)品型號僅僅為舉例性的，顯然也可以采用其他類型的產(chǎn)品。此外，所述個人計算機內(nèi)/外可以安裝有用于連接所述電機控制器和所述電機驅(qū)動器的控制器適配器。所述適配器譬如可以采用產(chǎn)品型號ADLINK MNET-4XM0。通過該適配器將個人計算機與電機控制器連接，從而實現(xiàn)經(jīng)電機驅(qū)動器驅(qū)動各個電機。除了可以被用于體育練習的用途外，所述系統(tǒng)還可以被用于舞蹈動作練習或?qū)W習，或被用于推拿保健，或用于其他類似的用途。應當理解，本發(fā)明實現(xiàn)了敞露末端沿著操作者設定的預定軌跡做空間三維運動。因此，對于需要跟隨該預定軌跡做運動的應用，均適合于本發(fā)明。這種練習尤其適合于18歲以上的成年人，并且男女通用。


接下來通過附圖來詳細地講述本發(fā)明的實施例。在這些圖上，相同的附圖標記表示相同或類似的單元/元件。其中
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的太極推手機。圖2-3示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的機械組成部分的正視圖、側(cè)視圖。圖4示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。圖5示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)中在電機、電機驅(qū)動器和電機適配器之間的電路連接圖。圖6示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的全面的電路連接圖。圖7示出了在本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的個人計算機中采用的電機控制器。圖8示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的系統(tǒng)運行流程圖。圖9示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的個人計算機上呈現(xiàn)的控制圖形界面。圖10-14示出了控制本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的各個程序流程。圖15示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)使用的用于測量用戶練習時的重力分布的測量儀器。圖16示出了在本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的個人計算機上顯示的測量重力分布圖。
具體實施方式
圖1涉及現(xiàn)有技術(shù)的太極推手機，其已在本申請的背景技術(shù)部分中被闡述。圖2示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的機械組成部分202的正視圖；圖3示出了其側(cè)視圖。本發(fā)明的該實施例譬如工作在AC 220V的交流電源，時間間歇例如為l/30s。如這些圖所示，所給出的武術(shù)招式練習系統(tǒng)包括固定機架107，由水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109以及直線伸縮臂110構(gòu)成的運動體，電機101-103。這些部件由圖4所示的控制系統(tǒng)212進行控制。所述固定機架107用于支承所述運動體108、109、110。所述電機101-103包括第一電機101、第二電機102和第三電機103，用于分別驅(qū)動所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109以及直線伸縮臂110。所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108在旋轉(zhuǎn)時帶動所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109以及直線伸縮臂110在水平面上做旋轉(zhuǎn)運動，所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109在旋轉(zhuǎn)時帶動所述直線伸縮臂110在垂直面上做旋轉(zhuǎn)運動，以及所述直線伸縮臂110的敞露末端111做直線運動。這里，所述第一電機101和第二電機102米用松下公司產(chǎn)品型號為Minas A4MQMA022S1的伺服電機，其額定扭矩為0. 64Nm，最大扭矩為1. 91Nm。圖4所示的控制系統(tǒng)212包括電機控制器401以及分別被電連接到所述第一電機101、第二電機102和第三電機103的第一電機驅(qū)動器206 (I)、第二電機驅(qū)動器206 (2)和第三電機驅(qū)動器206 (3)。由所述電機控制器401控制所述第一電機驅(qū)動器206 (I)、第二電機驅(qū)動器206 (2)和第三電機驅(qū)動器206 (3)，使得所述第一電機驅(qū)動器206 (I)、第二電機驅(qū)動器206 (2)和第三電機驅(qū)動器206 (3)按照預定時序分別驅(qū)動所述第一電機101、第二電機102和第三電機103，以便圖3所示的敞露末端111沿著預定軌跡1008做空間三維運動。這里，所述第一 206 (I)和第二電機驅(qū)動器206 (2)米用松下公司產(chǎn)品型號MADDT1207。所述第三電機驅(qū)動器206 (3)采用松下公司產(chǎn)品型號MADHT1507。如圖2、3清楚地所示，所述第一電機101通過第一變速箱104經(jīng)第一耦合器112耦合到所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108的轉(zhuǎn)動樞軸上。第二電機102通過第二變速箱105經(jīng)第二耦合器113耦合到所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109的轉(zhuǎn)動樞軸上。所述第三電機103形成為一種與所述直線伸縮臂110耦合的線性致動器。該線性致動器采用松下公司產(chǎn)品型號為Minas A5 MSMD022G1或A5 MSMD0221S的伺服電機。這里，線性致動器驅(qū)動直線伸縮臂110的導螺紋螺距為10mm，驅(qū)動行程為800mm，推力300N，額定速度為500mm/s。由于所述第一電機101通過第一變速箱104到第一耦合器112的連接是直線的，因此第一變速箱104采用變比為1:100的直線型變速箱，譬如型號AB90-100-L3-P2，其額定速度為3500rpm,最大速度為6000rpm,最大扭矩為240Nm。這樣,通過采用第一變速箱104,第一電機101的速度便被縮小，并由此增大用于驅(qū)動所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108的扭矩。另夕卜，這對于控制所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108轉(zhuǎn)動的精度也是有利的，因為控制分辨率被提聞了。在所示的例子中，由于所述第二電機102通過第二變速箱105到第二耦合器113的連接是呈直角拐彎的，因此第二變速箱105采用變比為1:100的直角彎曲型變速箱，譬如型號ABR90-100-L3-P2，其額定同樣速度為3500rpm，最大速度為6000rpm，最大扭矩為240Nm。在地方允許的情況下，第二變速箱105根據(jù)需要也可以采用與第一變速箱104 —樣的直線型變速箱；或第一和第二變速箱104、105均采用直角彎曲型變速箱。第二變速箱105可以達到與第一變速箱104 —樣的效果。用于將第一變速箱104耦合到所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108的轉(zhuǎn)動樞軸上的第一耦合器112可以采用型號為LK6-C65-2020的耦合器。所述第二耦合器113也是如此。該型號的耦合器的雙側(cè)鉆孔直徑為20mm，扭矩為15Nm。如圖2所示，所述固定機架107被固定在一個基座100上，以便將承載了直線伸縮臂Iio的垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109設置在所需要的高度。固定機架107譬如由黃銅材料制造，或采用鋁6061等其它材料。例如，在復原回位的狀態(tài)下，垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109的最高部分離地高度參考練習者的高度而被設定為1. 49m?；?00接觸地面的部分被設置為
O.6m*0. 6m的方形鋼盤，該鋼盤可以承受222N的水平推力，以至于一般用戶不會將整個機架推倒。垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109可以被構(gòu)造為約1. 21m，被構(gòu)造為可伸縮地在垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109延伸的直線伸縮臂110約O. 8m長。譬如在圖3所示的實施例中，用戶練習平臺114被設置為長度為2. 4m,高度H為8-10英寸(Inch)。在圖3所示的練習平臺上，還示出了人的腳印圖樣Pos，以便練習者方便入位進行練習。圖4示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。如圖所示，在所述電機控制器401上電連接了一臺個人計算機208，用于向所述電機控制器401輸入所述預定軌跡1008的編程數(shù)據(jù)，以便所述第一電機101、第二電機102和第三電機103按照所述電機控制器401的控制而使所述直線伸縮臂110的敞露末端111沿著所述預定軌跡1008做空間三維運動，從而完成一系列的練習動作。這里，雖然圖4中所示的電機控制器401位于個人計算機208之外，但所示的是一種邏輯連接?？梢岳斫?，在實際的實施過程中，電機控制器401可以在物理上位于個人計算機208之內(nèi)。電機控制器401通過圖6、7所示的控制器適配器207與電機驅(qū)動器206電連接。在本實施例中，所述武術(shù)招式可以為多種太極推手動作。在所述個人計算機208內(nèi)部存儲或外接有三維動作軌跡數(shù)據(jù)庫209，所述數(shù)據(jù)庫209包括可供用戶選擇的多種武術(shù)招式的軌跡數(shù)據(jù)。所述軌跡數(shù)據(jù)可以通過使用Kinect技術(shù)捕獲動作而事先獲取的動作樣本的軌跡數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是時域內(nèi)軌跡的三維數(shù)據(jù)。從而允許將多種運動映射到如前所述的機械系統(tǒng)。所述個人計算機208電連接一個操作者顯示器210，以允許操作者211編程和管理所述預定軌跡1008的數(shù)據(jù)以及對所述控制系統(tǒng)212進行干預操作。為方便操作，所述個人計算機208可以配備相應的鼠標和鍵盤。在面朝所述直線伸縮臂110的敞露末端111做武術(shù)招式練習的用戶203的正前方設置一個例如為LCD顯示器的用戶顯示器201，該用戶顯示器201與所述個人計算機208通信，以便后者將與武術(shù)招式練習動作有關(guān)的信息顯示給用戶。所述與武術(shù)招式練習動作有關(guān)的信息包括武術(shù)教練的同步練習的影像和/或音樂
在用戶練習動作的位置設有左右腳平衡位置傳感器204、205，用于實時檢測雙腳的重力分布數(shù)據(jù)，所述個人計算機208有線或無線地接收該重力分布數(shù)據(jù)，并將其與最優(yōu)的黃金練習參考數(shù)據(jù)值進行比較。所述個人計算機208還將實時檢測的雙腳重力分布數(shù)據(jù)和最優(yōu)的黃金練習參考數(shù)據(jù)值分別形成圖形，并將傳輸?shù)剿鲇脩麸@示器201上顯示以供用戶參考比較。在所述個人計算機208內(nèi)/外安裝有用于連接所述電機控制器401的適配器207，所述電機控制器401和適配器207分別采用產(chǎn)品型號ADLINK Motionnet PC1-7856和ADLINK MNET-4XM0 的運動卡。
圖5示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)中在電機、電機驅(qū)動器和電機適配器之間的一般電路連接圖。圖中，以上所述A4/A5型號的電機驅(qū)動器206通過編碼電纜300與電機101、102、103相連接。在本發(fā)明的實施例中，所述A4/A5型號的電機101、102、103是一種具有編碼器的電機，以便通過所述編碼電纜被編碼。另外，電機101、102、103通過驅(qū)動電纜301和制動電纜302被連接到電機驅(qū)動器206的“四芯驅(qū)動電纜”接口上。電機驅(qū)動器206通過電纜連接到適配器207并由此連接到電機控制器401。該電機控制器401和適配器207在這里分別采用產(chǎn)品型號ADLINK Motionnet PC1-7856和ADLINK MNET-4XM0，其主要端口被說明如下
JP8:外部電源輸入連接器(+24V)&數(shù)字輸入 共用和緊急輸入管腳，
HSl, HS2: Motionnet 通信信號連接器(RJ45)，
CNl:伺服接口信號的阻斷，
I0IF1-4:機械輸入/輸出和GPIO信號連接器，
CM1-4:伺服接口信號連接器，
S1:從ID開關(guān)，
S2:通信速度選擇開關(guān)，
S3, S5:允許/禁止DO以便重置伺服驅(qū)動器，
JP3:終接電阻器跳線，
JP4:允許/禁止EMG信號，
JP5, JP6:共用電源或差分電源選擇跳線。在圖5所示的一般電路連接的基礎上，圖6更為詳細地示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的三個電機101-103至電機控制器適配器207的電路連接圖。如圖所示，第一電機101和第二電機102均采用A4型號的電機，而用于線性致動器的第三電機103采用A5型號的電機。這些電機至電機控制器適配器207的連接已在結(jié)合圖5的說明中被討論，這里不再贅述。需要說明的是，包括型號為ADLINK Motionnet PC1-7856的電機控制器401可以在外部通過控制器適配器接口 207被連接到個人計算機208，或者被集成在個人計算機208內(nèi)。圖7示出了在本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的個人計算機中采用的型號為ADLINKMotionnet PC1-7856的電機控制器401的示意圖。下面來介紹本發(fā)明系統(tǒng)運行時所采用的工作流程。圖8示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的系統(tǒng)運行流程圖。系統(tǒng)在步驟501開始開機。通過引入步驟502進行重置。結(jié)果是在步驟503中所述直線伸縮臂110帶動敞露末端111返回到原位。在步驟504，由進行練習的用戶根據(jù)需要輸入運動招式的號碼和重復時間。接下來在步驟505啟動運動的執(zhí)行并在步驟506執(zhí)行所選擇的武術(shù)練習招式。這時，用戶/練習者可以站在平臺114上，用右手或左手的腕部接觸敞露末端111，并跟隨其路徑進行運動，同時身體其他部分也可以配合進行相應的動作。譬如，該運動可以取決于練習者的站姿，通常，當右腳前站時，可以用右手跟隨運動；當左腳前站時，可以用左手跟隨運動。在執(zhí)行運動的過程中，可以由用戶隨時在步驟508停機或重置，或因系統(tǒng)過載而導致在步驟508停機。如果不是這種情況，該過程在步驟507結(jié)束和關(guān)機。
圖9示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的個人計算機上呈現(xiàn)的控制圖形界面GUI。用戶利用該界面可以選擇所需要的武術(shù)招式Tl movement至T9 movement。在這些武術(shù)招式的右邊，顯示“connect”，“disconnect”和“Axis info. ”三個按鈕。通過點擊這三個按鈕，將分別出現(xiàn)相應的圖形界面以供操作者進行交互。這將在下文結(jié)合圖10-14進行詳細敘述。圖10-14示出了控制本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)的各個程序流程。在本實施例中，本發(fā)明采用Visual Basic . NET編程語言來實現(xiàn)。顯然，根據(jù)所示的流程，采用任意的其它語言均可以實現(xiàn)所示的功能流程。圖10示出了操作流程的“主類”，其打開了整個流程運行的入口。在步驟601，進行主程序載入和初始化，包括讀取控制腳本，設置機械臂參數(shù)，載入路徑信息。這里，機械臂參數(shù)包括所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109以及直線伸縮臂110的物理參數(shù)。在步驟605中，通過點擊圖9所示的圖標“Axislnfo. ”，將會拖入“Axis Info. ”窗口視圖。接著，進行回復原位操作，并對單個軸進行控制以便實施校準。這里，單個軸指的是所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分108、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分109以及直線伸縮臂110的運動樞軸。在步驟602中，通過點擊圖9所不的圖標“connect”,設置多個軸參數(shù),并將伺服系統(tǒng)打開,如圖9右邊所示。步驟進入到604，這里，通過按壓“disconnect”圖標可以將伺服系統(tǒng)關(guān)斷，在步驟607中結(jié)束程序。方框步驟606中示出了定時器具有Ims的觸發(fā)間歇，用于執(zhí)行圖11所不的“Axislnfo”類的 TimertaskO ,以及執(zhí)行圖 13 所不的“RobotArm”類的 TimertaskO。圖11示出了圖10所示流程要調(diào)用的“Axislnfo”類。在步驟700進行初始化，以便建立標簽來顯示各軸的數(shù)據(jù)，以及建立按鈕來控制各個軸。該步驟700有兩個分支701和702。在分支步驟701中，通過點擊“Go Home”來執(zhí)行回復原位。在分支步驟702中，通過點擊“To Zero”按鈕而去到原點位置。方框步驟703中示出了該“Axislnfo”類中的TimertaskO，用于更新標簽中顯示的值。圖13示出了圖10所示流程要調(diào)用的“RobotArm”類。在步驟901進行初始化，以便設定每個軸的范圍和偏移值。該步驟901有四個分支902-905。在分支步驟902中，通過調(diào)用“GoHome O”函數(shù)來執(zhí)行回復原位。在分支步驟903中，通過調(diào)用“GoCenter O”函數(shù)而將機械臂移到原點位置。在分支步驟904中，通過調(diào)用“moveto O”函數(shù)而將機械臂移到特定位置。在分支步驟905中，通過調(diào)用“MovePath O”函數(shù)而啟動路徑移動。方框步驟906中示出了該“RobotArm”類中的TimertaskO，用于檢測機械臂的狀態(tài)，如果該臂正在執(zhí)行路徑移動，這在它已到達當前目標位置的情況下輸入下一個目標位置。圖12、14分別示出了該實施例還能用到的另外兩個類。在圖12所示的“Arm_Position”類中，在步驟801中調(diào)用函數(shù)SetXYZPositionO。接著在步驟802中判斷Absolute是否為真。若是，則在步驟804中存儲坐標值而不考慮偏移值，并將XYZ坐標變換成極坐標。若不是，則在步驟803中存儲坐標值而考慮偏移值，并將XYZ坐標變換成極坐標。圖14中所示的“Paths”類給出了兩個函數(shù)。方框1001所示的第一個函數(shù)LoadPointsO用于讀入包含路徑信息的.CSV文件；讀入用戶雙腳位置的最先的兩條線并計算雙腳位置中心；讀取其余的線，計算和存儲每個點相對于以上雙腳位置中心的距離，并沿Y-Z平面將運動進行鏡像。。圖15示出了本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)使用的用于測量用戶練習時的重力分布的測量儀器1011。該測量儀器1011例如被設置在圖3中由附圖標記Pos所示的位置?？梢岳斫?，該測量儀器1011被嵌入式地設于平臺114內(nèi)，以至于不影像用戶/練習者的正常練習。該測量儀器1011譬如為兩個并聯(lián)設置的Wii平衡板。所述測量儀器1011所實時測得的重力分布數(shù)據(jù)被傳輸?shù)絺€人計算機208進行處理和顯示。圖16示出了在本發(fā)明武術(shù)招式練習系統(tǒng)202的個人計算機208上顯示的重力測量分布圖。如該圖左邊所示，通過設定重力采樣的頻率和周期，利用計算機屏幕可以直觀地顯示相應的重力數(shù)據(jù)分布情況。此時顯示的左右腳重力分別為30kg和30kg。圖18所示的兩個腳印圖形之間的小圓點代表練習者本人身體重心的位置；而左邊的大圓點則表示練習專家的重心位置。在圖16的右方顯示了教練練習時的影像，可供練習者同步參考。有利的是，以上顯示的雙腳重力分布信息和/或教練演示圖像被傳輸?shù)斤@示器201上供武術(shù)練習者實時地觀看。也可以在個人計算機208上不顯示以上變化曲線，而僅僅在顯示器201上顯示。為提高練習的效率和趣味性，在顯示器201上還以不同顏色同時地顯示虛擬最佳教練的雙腳重力分布變化的曲線，以供練習者參考和比較，從而調(diào)整自己雙腳的用力以便盡量與教練的圖形曲線相一致。所述虛擬最佳教練的雙腳重力分布變化的曲線可以通過事先測量而被存儲在個人計算機208的數(shù)據(jù)庫中。盡管上文參照本發(fā)明的最佳實施例對本申請作了描述。但是這種描述是例示性的，而不是限制性的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本申請公開內(nèi)容的基礎上可以對本發(fā)明作出各種改進和改型。這些改進和改型都屬于本發(fā)明的保護范圍，只要它們不脫離本發(fā)明的構(gòu)思。本發(fā)明的保護范圍由所附的權(quán)利要求書予以限定。
權(quán)利要求
1.一種武術(shù)招式練習系統(tǒng)，包括固定機架(107)、運動體(108、109、110)、電機(101-103)和控制系統(tǒng)(212)，其中所述固定機架(107)用于支承所述運動體(108、109、110)，其特征在于: 所述運動體(108、109、110)包括水平旋轉(zhuǎn)臺架部分(108)、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分(109)以及直線伸縮臂(110); 所述電機(101-103)包括用于分別驅(qū)動所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分(108)、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分(109)以及直線伸縮臂(110)的第一(101 )、第二( 102)和第三電機(103)，使得所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分(108)在旋轉(zhuǎn)時帶動所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分(109)以及直線伸縮臂(110)在水平面上做旋轉(zhuǎn)運動，所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分(109)在旋轉(zhuǎn)時帶動所述直線伸縮臂(110)在垂直面上做旋轉(zhuǎn)運動，以及所述直線伸縮臂(I 10)的敞露末端(111)做直線運動； 所述控制系統(tǒng)(212)包括電機控制器(401)以及分別被電連接到所述第一(101)、第二(102)和第三電機(103)的第一(206 (I))、第二(206 (2))和第三電機驅(qū)動器(206 (3))，其中由所述電機控制器(401)控制所述第一(206 (I))、第二(206 (2))和第三電機驅(qū)動器(206 (3))，使得所述第一(206 (I))、第二(206 (2))和第三電機驅(qū)動器(206 (3))按照預定時序分別驅(qū)動所述第一(101)、第二(102)和第三電機(103)，以便所述的敞露末端(111)沿著預定軌跡(1008)做空間三維運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述第一電機(101)通過第一變速箱(104)經(jīng)第一耦合器(112)耦合到所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分(108)的轉(zhuǎn)動樞軸上；所述第二電機(102)通過第二變速箱(105)經(jīng)第二耦合器(113)耦合到所述垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分(109)的轉(zhuǎn)動樞軸上；以及所述第三電機(103)形成為一種與所述直線伸縮臂(110)耦合的線性致動器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述固定機架(107 )被固定在一個基座(100 )上,在所述的敞露末端裝設一個木制的、金屬的、玻璃的或塑料的可旋轉(zhuǎn)球狀物，以供練習者的手進行接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的系統(tǒng)，其特征在于: 在所述電機控制器(401)被電連接到一臺個人計算機(208)或安裝在該個人計算機(208)內(nèi)，用于從該個人計算機(208)向所述電機控制器(401)輸入所述預定軌跡(1008)的編程數(shù)據(jù)，以便所述第一(101)、第二(102)和第三電機(103)按照所述電機控制器(401)的控制而使所述的敞露末端(111)沿著所述預定軌跡(1008)做空間三維運動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述個人計算機(208)內(nèi)部存儲或外接有三維動作軌跡數(shù)據(jù)庫，所述數(shù)據(jù)庫包括可供用戶選擇的多種武術(shù)招式的軌跡數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述軌跡數(shù)據(jù)是通過使用Kinect技術(shù)捕獲動作而事先獲取的動作樣本的軌跡數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述個人計算機(208)電連接一個操作者顯示器(210)，以允許操作者(211)編程和管理所述預定軌跡(1008)的數(shù)據(jù)以及對所述控制系統(tǒng)(212)進行干預操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于: 在面朝所述敞露末端(111)做武術(shù)招式練習的用戶(203)的正前方設置一個用戶顯示器(201)，該用戶顯示器(201)與所述個人計算機(208)通信，以便后者將與武術(shù)招式練習動作有關(guān)的信息顯示給用戶。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述與武術(shù)招式練習動作有關(guān)的信息包括武術(shù)教練的同步練習的影像和/或音樂。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于: 在用戶練習動作的位置設有左右腳平衡位置傳感器(204，205)，用于實時檢測雙腳的重力分布數(shù)據(jù)，所述個人計算機(208 )有線或無線地接收該重力分布數(shù)據(jù)，并將其與最優(yōu)的黃金練習參考數(shù)據(jù)值進行比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所 述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述個人計算機(208 )還用于將實時檢測的雙腳重力分布數(shù)據(jù)和最優(yōu)的黃金練習參考數(shù)據(jù)值分別形成圖形，并將傳輸?shù)剿鲇脩麸@示器(201)上顯示以供用戶參考比較。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述武術(shù)招式為太極推手。
13.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述個人計算機(208)內(nèi)/外安裝有用于連接所述電機控制器(401)和所述電機驅(qū)動器(206)的控制器適配器(207)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述系統(tǒng)被用于舞蹈動作練習或?qū)W習，或被用于推拿保健。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于: 所述電機控制器(401)通過控制器適配器(207 )與所述電機驅(qū)動器(206 )相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及武術(shù)招式練習系統(tǒng)，包括固定機架、運動體、電機和控制系統(tǒng)。運動體包括水平旋轉(zhuǎn)臺架部分、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分及直線伸縮臂；電機包括用于分別驅(qū)動所述水平旋轉(zhuǎn)臺架部分、垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分以及直線伸縮臂的第一、第二和第三電機，使得水平旋轉(zhuǎn)臺架部分帶動垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分及直線伸縮臂在水平面上做旋轉(zhuǎn)運動，垂直旋轉(zhuǎn)臺架部分帶動直線伸縮臂在垂直面上做旋轉(zhuǎn)運動，直線伸縮臂的敞露末端做直線運動；控制系統(tǒng)包括電機控制器及分別被電連接到第一、第二和第三電機的第一、第二和第三電機驅(qū)動器。電機控制器控制第一、第二和第三電機驅(qū)動器，使得后者按照預定時序分別驅(qū)動第一、第二和第三電機，以便敞露末端沿著預定軌跡做空間三維運動。
文檔編號A63B69/00GK103071278SQ201310035138
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者黃啟杰 申請人:興倫中國體育研究所有限公司