本发明涉及机器人技术领域，具体的讲，是一种人、机直接互动的用于体育、武术训练特别适用于太极拳内力、揉劲训练环节的太极推手机器人。
背景技术：
太极拳的练习一直制约着太极拳的普及和发展，行业内常言‘太极拳十年不出门’，其是指习练者难以练出太极拳的神韵(内力、揉劲)——即自信心，而难以在人前展示，造成这一制约的环节就是太极练习中的“推手”。推手需要一对一的对练，陪练者也需要有适当的水准、功力、动作的规范度以及良好的耐心、时间上的吻合；而这些因素在现实中很难满足。
针对上述技术问题，我国发明专利cn201610374146.1，提出了一种解决办法，该专利提供了基于一种语言的对太极拳动作“规范”程度的识别判定方法，其主要存在的问题如下：太极拳是源自中国“太极文化”的体现在运动养生方面的一个载体。经过千年传承的太极拳，在国内、国外有着上百个流派，每个流派又都有着自己独特的体现在动作姿态方面的套路和功法，每个人的教法都各有不同，每个习练者的悟性又不尽相同，由此可知，太极拳并不是一个走标准靠打分来评判的领域，上述专利的技术思路与太极拳的练习思路背道而驰，其所强调的“精准性”和“唯一性”并不利于太极拳的练习，且只能是阻碍太极运动的发展。
综上所述，如何正确解决太极拳练习中“推手”练习这一关键环节所存在的问题，即成为了本领域技术人员的重要研究方向。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于体育、武术陪练的太极推手机器人，旨在解决太极拳练习中推手练习这一关键环节。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用于体育、武术陪练的太极推手机器人，包括：
机器人主体，采用人体仿真设计；
驱动系统，用于驱动机器人主体执行动作；
机器人与环境交换系统，用于实现机器人与外部设备的协调；
感受系统，用以获得机器人主体内部和外部环境状态中的信息；
控制系统，根据预设程序或接收外部反馈信号，下达机器人主体动作的控制命令；
人机交互系统，用于实现人与机器人的交互功能。
进一步的，所述机器人主体包括头部、颈部、躯干部、肩周部、上臂部、肘关节部、下臂部、腕部、手部、指部、腰部、胯部、大腿部、膝关节部、小腿部、踝部、脚部、机座；；上述部件均匹配设置有对应的驱动机构，所有的驱动机构组合构成驱动系统。
进一步的，所述驱动机构采用液压传动和/或电动传动。
进一步的，机器人与环境交换系统为外部设备连接接口、设备识别及驱动系统。
进一步的，所述感受系统包括内部传感器模块和外部传感器模块。
进一步的，所述内部传感器模块包括：视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器、嗅觉传感器、内部温度传感器、内部湿度传感器、方向传感器；所述外部传感器包括：外部温度传感器、外部湿度传感器、力度传感器。
进一步的，所述驱动系统还包括有阻尼力度调节装置。
进一步的，所述人机交互系统包括指令给定装置和信息显示装置。
在进一步的实施方案中，太极推手机器人还包括有人脸识别系统。
在进一步的实施方案中，太极推手机器人还包括有语音识别系统和语音系统。
本发明的设计原理：将机器人的机械结构与多自由度执行动作、外部信息反馈相结合，每一个大件都有若干个自由度的机械系统，同时，同步采集外部信息，根据外部信息的反馈控制调整机器人的执行动作，由此实现实时的对练反馈，一方面侧重应用于太极拳习练者在内力、揉劲(或称缠丝劲)等方面的练习，另一方面，避免了太极拳练习的唯一性，实现了太极拳练习中的多样性，适应“百家”，提高了机器人的应用范围。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
(1)本发明将机器人主体、驱动系统、机器人与环境交换系统、感受系统、控制系统、人机交互系统有机地结合为一体，可以实现在三维空间多维度的完全仿真的肢体、骨骼运动、以及可以调控的肢体姿态和力度，赋予了实体机器人在体育训练领域的拟人化功能，填补了武术训练中人、机结合的空白。
(2)本发明中采用智能传感器实现机器人的信息反馈，从而提高了机器人的机动性、适应性、灵活度和智能化的水准。
(3)本发明可以预设单推、双推、定步推、活步推、乱步推等多种程序性教学、练习，亦可实现不设预案的自由推手、博弈对抗，实现多样，适用性强。
(4)本发明通过外联设备接口，实现多种功能的匹配与组合，可以走进家庭、机关企业、馆场会所等任何空间，将人们的零散时间吸引到运动、锻炼的方向来，提高人们的身体健康水平的同时感受太极文化的魅力，当前，世界范围内还没有相关的辅助装备可用。
具体实施方式
为了使得本领域技术人员对本发明有更清晰的认知和了解，以下结合实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当知晓的，下述所描述的具体实施例只是用于解释本发明，方便理解，本发明所提供的技术方案并不局限于下述实施例所提供的技术方案，实施例所提供的技术方案也不应当限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种用于体育、武术陪练的太极推手机器人，该太极推手机器人以机器人为主体，结合驱动系统、机器人与环境交换系统、感受系统、控制系统、人机交互系统，由此实现高自由度的练习。
本实施例中，机器人主体采用人体仿真设计，其包括头部、颈部、躯干部、肩周部、上臂部、肘关节部、下臂部、腕部、手部、指部、腰部、胯部、大腿部、膝关节部、小腿部、踝部、脚部、机座；。机器人每一个大件都有若干个自由度的机械系统，本领域技术人员可以根据使用对象的不同，设置为3～6个运动自由度或是更多。机器人主体根据实际的配置情况可以分为圆柱坐标型和行走型机器人，其中，圆柱坐标型机器人的基座不具备行走、屈膝及弯腰功能(无对应的可活动机械结构和驱动机构)，圆柱坐标型机器人可构成多轴机器人单或双臂(根据机器人手臂设置数量而定)。机器人的腰部可以转动和升降调节，手臂由肩周、上臂、肘关节、下臂、手腕、手组成，用于最基本的人、机对练。行走功能的机器人，则具备完全的拟人动作功能，具备完全仿真的外形、尺寸、功能，材料及质感，可以结合外联设备或内嵌程序用于高级别武术对练或完成特殊任务。
根据机器人的动作设定或需求，机器人各部件均匹配设置有对应的驱动机构，所有的驱动机构组合构成驱动系统。本实施例中，机器人的动作取决于机器人的运动关节，如踝、膝、胯、腰、肩、颈、肘、腕、指等关节，各关节的动作需要进行驱动，因此，在各个关节即每个运动自由度安置传动装置，构成其驱动系统。驱动机构可以是液压传动、电动传动、或者是多种传动结合起来的应用综合系统，可以是直接驱动或者通过相关机械传动机构进行间接传动等多种形式。上述驱动机构的结构、安装方式等在机器人领域均为成熟技术，本领域技术人员可以根据实际的工况情况进行选择，在此不作赘述。
优选的，在本实施例中，驱动系统还包括有阻尼力度调节装置，阻尼力度调节装置的作用在于对机器人出招的力度进行调节，本领域技术人员可以根据实际情况设计3-5个力度的调节档，根据练习者的功力(人体机能)情况，可以自行选择匹配的反馈力度，避免机器人的反馈力度过大而伤害练习者。
更进一步的，为了使得本实施例所提供的机器人的智能化程度更高，与阻尼力度调节装置还匹配有一套智能化的力度感知系统，该系统内嵌至控制系统，其通过力度传感器采集对练者的出招力度情况，采集的力度数据反馈至控制系统，控制系统根据接收的力度数据，控制阻尼力度调节装置进行调节档的选择，实现依据习练者肢体来力的力度自动适配回力力度。
机器人与环境交换系统，主要用于实现机器人与外部设备的协调，本实施例中，机器人与环境交换系统为外部设备连接接口、设备识别及驱动系统。通过机器人与环境交换系统保障机器人的多元适应性、陪练、对练的实用性和难度要求，拓展机器人的适用范围、超强的学习模仿力和再现能力。
感受系统，用以获得机器人主体内部和外部环境状态中的信息，本实施例中，感受系统包括内部传感器模块和外部传感器模块，例如：视觉传感器、听觉传感器、触觉传感器、嗅觉传感器、内部温度传感器、湿度传感器、方向传感器、外部温度传感器、外部湿度传感器、力度传感器等。感受系统是机器人获取内部各设备状态及外部信息反馈的重要信息采集器件，采集的信息经过处理(如滤波处理、放大处理)后传输至控制系统，由控制系统进行分析处理，然后输出对应的控制指令。通过感受系统，提高了机器人的机动性、适应性、灵活度和智能化的水准。
控制系统，根据预设程序或接收外部反馈信号，输出机器人主体动作的控制命令，本实施例中，控制系统采用中央处理器，其内嵌有预设程序，如：推手的套路练习程序、图像处理程序、力度击打程序等；控制系统是机器人的“大脑”，机器人的所有运算及功能均通过该控制系统实现输出。本实施例中，根据需要可设计为开环控制系统、闭环控制系统；根据控制原理，控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统；根据控制运行的形式，控制系统可分为点位控制和轨迹控制。通过感受系统的外部信息采集反馈，控制系统根据不同的控制逻辑(原理)可实现机器人与陪练者无差别的完全随机的动态对练，例如：感受系统采集到对练者的动作轨迹、力度等信息，反馈至控制系统，控制系统根据内嵌的逻辑运算，随机反馈对练出招的控制指令，指令下达各执行机构进行执行，完成随机多练出招。
感受系统和控制系统相结合构成机器人的模仿功能，感受系统通过视觉传感器、力度传感器、方向传感器捕捉与机器人的对练对象的出招情况，控制系统中的图像处理程序、力度打击程序对捕捉的画面和力度进行分析处理后，对数据进行存储，在模仿出招的情况下，反馈到控制指令执行层面，实现机器人的模仿学习功能。
人机交互系统，用于实现人与机器人的交互功能，人机交互系统是操作人员与机器人控制并与机器人联系的装置，例如：计算机的标准终端、应用功能包、指令控制台、信息显示板、视频演示及教学、危险信号报警器、家用和办公室智能化模块以延伸环境自动化功能等。该系统归纳分类为：指令给定装置和信息显示装置，对练人员可以通过人机交互系统实现对机器人的各种功能的设置和选择。
本实施例所提供的机器人可以实现自主分析、自由研判生成完全拟人的智慧性肢体动作，实现随机的、自由的、不设预案的对抗训练与演示，其不局限于太极拳推手练习，还可拓展应用于木人桩、咏春拳、擒拿、点穴等对抗性较强的其它体育项目的对练。
实施例2
本实施例与实施例1的不同点在于，还增加了机器人的人脸识别系统，通过人脸识别系统实现机器人的人脸识别功能，通过该功能可拓展机器人的其它功能，例如：门童/门童机器人——机器人通过植入的人脸识别功能，当判断为家人、受邀访客时，予以放行；对练记忆——机器人通过人脸识别功能识别对练使用者后，后台自动处理根据该使用者的以往对练情况调节控制机器人的对练动作输出。
实施例3
本实施例在实施例1和/或实施例2的基础上，还增加有语音识别系统和语音系统，其中，语音识别系统实现机器人对外部人声的识别判断，在系统中置入相应的关键词，例如：人声命令，识别特定命令后做出特定的动作；人声反馈，对练中根据对练者的发声反馈执行对应的动作；语音系统为机器人的声音外放结构，结合该系统实现教学视频、音频的播放，同时，可以结合实施例2中的人脸识别功能，当识别判断成功后，发出对应的预设语音，例如：欢迎光临、请您离开等。
以上所述即为本发明的优选实施方案。应当说明的是，本领域技术人员，在不脱离本发明的设计原理及技术方案的前提下，还可以作出若干的改进，而这些改进也应当视为本发明的保护范围。