该作品以各种陪练机器人为核心工具，目前初步开发出1款乒乓球陪练机器人，以表情识别、轨迹预测、数据处理等10余个算法为核心技术。在陪练时，基本功能为接发球，具备难度选择、语音指导、情感交流、模式选择等4种功能。主要应用于体育训练、体育竞技等领域，主要的应用场所为学校、体育馆、健身房、乒乒球训练中心等4大场合，获多家乒乓球俱乐部测试认可。

1、 创新点

（1）视觉系统：中国制造机器人“悟”和“空”身高1.60米、重55公斤，眼睛部分是摄像头，用来捕捉球的速度和位置，手臂则根据计算机运算做出挥拍回球动作。乒乓球从球桌的这头到那头，时间不到一秒，要成功回球 “悟”和“空”靠的却是一套复杂的识别系统、定位系统、计算系统和控制系统^[1]。“对手”击球的瞬间，机器人对面的摄像机以每秒120幅图像的速度捕捉球的运动轨迹，并在瞬间把信息回传给机器人的“眼睛”，通过“大脑”的快速处理。但是我们的机器人视觉系不仅可以完成上述功能统还可以用来关注人的行为特征，这些行为特征可以理解为多分类问题，例如：可以识别人的发球姿势，把运动员分为几个级别，根据不同的级别来改变陪练难度，相当于匹配一个旗鼓相当的对手。不仅如此，摄像机还需要观察人的脸部表情特征，如果发现人的表情变得疲倦或难受，机器人可以询问运动员是否需要休息，多与运动员进行沟通或者鼓舞之类，在得到运动员的语音反馈信息后便可根据语音识别系统进行输出回答，实现真正的智能化陪练体系。提高了训练效率。

（2）产品新颖性：发球机只能单纯的发球，用户无法做到较大的技术提升，无法模拟真实场景的战斗，并且发球机不能与用户进行实时交流，枯燥乏味，极大地削弱了大家的训练兴趣。但是乒乓球机器人可以发球，捡球，接球，语音指导，实时交流，模式选择，难易度选择多种功能。

2、 关键技术

（1）决策系统：决策系统可以将视觉系统收集到的信息进行整合，最后进行决策输出。首先，决策系统依赖于大数据和机器学习，机器学习将在大数据的帮助下输入无穷个样本，这些样本包括用户平时的行为打法，国际顶尖运动员的打球技巧等，不断自我训练提高水平。通过视觉系统捕捉到用户和球的信息后，在决策系统中进行检索相应回球方案，最终将指令发送到控制系统，控制系统驱动机械臂进行回球。

（2）控制系统：德国达姆施塔技术大学的Katharina Muelling和她的团队^[2]打造的这款机器人装备有一个单独的手臂和一台观察比赛场地的摄像机。这个团队通过一种名为“动觉自学”的方法赋予机器人一些初级技术，他们通过身体动作指导机器手臂，机器人的系统则会记住击球动作。配备了这些“基础条件”的机器手臂就能够通过它的摄像机观察乒乓球的位置并且完成恰当的移动来把球击打回球桌的另一侧。最初它无法击中任何乒乓球，甚至是发球机器稳定发射的乒乓球也不行。但是它的系统被设计成学习如何调整并组合移动，不久之后它就能击中79%由发射器射出的乒乓球。我们设计的控制系统主要为了实现机械臂对球的击打，分为三个模块：机器人的运动学模块、机器人对乒乓球台避障模块，机器人击球动作路径设计模块^[3]。

①机器人的运动学求解模块

乒乓球机器人的视觉系统在完成对乒乓球的目标检测以及轨迹预测后，会计算出机器人应该到达的位置和姿态，如何将三维空间的位置信息与机器人关节空间的关节转动角度相对应起来，被称为机器人的运动学问题。 首先我们利用 D-H 法。该方法是在每个关节处建立一个三维坐标系，然后通过相连关节间的旋转平移矩阵来描述有机器人基座坐标系到末端坐标系间的关系。从而，机械表可以转动或者平移起来。

②机器人对乒乓球台的避障路径规划

机器人在运动过程中可能会遇到乒乓球台，所以需要设计可行的避障方法，使得机器人在不会碰到障碍物情况下根据系统的不同需求选取一条最优路径进行运动，这类问题被称为机器人避障路径规划问题。

③机器人击球动作路径规划

根据前文的工作虽然可以让机器人不碰撞的运动到目标点，但是机器人到达目标点后，将直接停在目标点上，使得机器人没有运动速度，无法完成击球动作，所以需要对机器人最后的击球路径进行单独设计。

3、适用范围

我们的目标涉及较广，涵盖不同年龄段的人群。从两方面来看，第一：在面对内卷的今天，急于寻求自我的突破成为一种趋势，科技似乎成为了一种有效的训练手段。第二：在步伐急促的社会中，许多人想做自己喜欢的事情但是没有伙伴，比如跑步，健身，游泳等，而我们的陪练机器人能够陪伴用户，并能够为用户提供专业的建议。

图1.1 陪练机器人类型图

4、可行性

我们的服务主要是通过线上结合线下推广，带用户免费进行沉浸式体验，可在条件允许的情况下承诺七天无理由退换。前期通过薄利的方式迅速占领市场份额和建立良好的口碑，后期通过不断改进销售模式来达到最佳盈利。

                            图1.2 盈利模式分析

5、推广前景

乒乓球运动是一项规则简单，竞技性强，趣味性高的球类运动，在国内外广受欢迎。我国更是乒乓球大国，乒乓球爱好者众多，有着广泛的群众基础，而且在乒乓球国际专业赛事上也取得了优异成绩。快速激烈的乒乓球运动可以锻炼参与者具有良好的运动能力、判断能力以及反应能力。乒乓球机器人作为机器人的一个应用分支，可以通过与人对打，辅助乒乓球运动员进行击球训练，节约训练成本，具有广阔的应用前景。同时，由于乒乓球机器人涉及到深度学习，机器人控制等多种技术，具有很高的研究价值，也是机器人制造公司展示他们产品性能的良好平台。

随着科技的不断发展，机器人的身影遍布社会生产和人类生活的各个领域，解放人类的双手的同时也在一定程度上将人类的大脑解放。与此同时，多国政府都出台过促进机器人产业发展的政策，部分国家甚至将机器人上升到了国家战略的程度。有了国家政策的扶持，同时乒乓球运动是一项在我国很受欢迎的体育运动，开展乒乓球机器人实验在我国有广阔的应用前景。

6、市场分析

运动控制是机器人的核心部件，近年来，随着工业机器人的兴起，运动控制及伺服电机市场迅速放大，不过进入2018年后，机器人的增长开始放缓，进一步影响到了伺服运动控制的市场。据业内最新数据显示，2019年第一季度全球运动控制产品出货量比2018年同比下降了0.2％，不过，比2018年第四季度增长了0.6％。报告显示2019年第一季度，整个市场中最大的类别是电机，此部分占据了39％的出货量，其次是执行器和机械系统，这部分占据18％的出货量，然后是电子驱动器，占比17％的出货量。虽然销售数据略有下降，但业内对运动控制的市场前景较为乐观，因为从2018年第四季度到2019年第一季度看到了增长的趋势。运动控制和电机技术在全球自动化发展中发挥着重要的作用，尤其在智能制造的大趋势下，这些工具将变得更智能、更强大和更高效率。

从整个行业的外部环境、市场趋势和愿景来看，未来机器人及其自动化产品市场仍然会有较大的机遇。新一轮赛道上，智能制造将成来企业的核心竞争力。目前，企业处于升级自动化，机器换人和搭建智能工厂的重要阶段，这一过程将会带了很多的市场机遇。

其次，人工智能、物联网、大数据等先进技术的兴起，这些方案的落地将基于机器人等自动化基础设施，服务业实现数字化、信息化和智能化的过程将进一步促进自动化组件市场的增长。

我国目前约有14亿人口，成年人口约为11亿。不管是科学家还是运动员，亦或者是学生，乃至各行各业的人，都迫切寻求提高自我能力，以寻求国家富强和大众认可。基于此，陪练机器人，可与不同行业的人展开竞赛，以练代促，在与人类展开追逐竞赛的同时，面对人类的缺陷及时给出相应的解决策略，达到人类能力的不断提高。

7、经济社会效益预测

对于孤单的运动员来说，有个陪练教练在身边不停地鼓励就像习武的人有个师傅在旁边指导一样，无形中会增加心中的许多力量。陪练机器人涉及的技术较为复杂，且属于高精密仪器。如果使用不当可能造成损毁，所以一方面要提高产品的质量，另一方面要提高使用的便捷性。

  以下是我们根据产品生产、销售、利润计算得到的前景预测：
预计销售趋势分析：