賈一暉

(寶雞市寶雞中學(xué),陜西 寶雞721013)

0 引言

可穿戴技術(shù)主要是指用戶能戴在身上的電子設(shè)備或產(chǎn)品,即可以在日?；顒?dòng)或工作中整合計(jì)算特性,采用具有一定實(shí)用功能和特點(diǎn)的,可直接穿戴的儀器、設(shè)備,或是與用戶衣服或配件設(shè)備相整合的可佩戴儀器、設(shè)備。隨著社會(huì)技術(shù)的不斷發(fā)展,未來的智能可穿戴設(shè)備將會(huì)改變我們的生活方式?？纱┐骷夹g(shù)是由美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)60年代提出來的一種創(chuàng)新性技術(shù)。隨著人們對(duì)健康的逐漸關(guān)注,智能可穿戴設(shè)備在市場(chǎng)上的銷售也逐漸增加,技術(shù)也不斷成熟,2015年在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯市舉辦的國(guó)際消費(fèi)電子展上,很多公司推出了新型智能可穿戴產(chǎn)品,如MICA智能手鐲、智能腰帶以及智能手環(huán)等,意味著智能可穿戴產(chǎn)品將成為新的發(fā)展方向。智能手環(huán)是可穿戴式智能設(shè)備中的一種。作為目前備受用戶關(guān)注的科技產(chǎn)品,其擁有的強(qiáng)大功能正悄無聲息地滲透和改變?nèi)藗兊纳?。且隨著近年來我國(guó)城市的亞健康人群逐年增多,人們對(duì)于自身的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)愈發(fā)關(guān)注。因而本文為獲取更為精確的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),提出了比現(xiàn)有智能穿戴設(shè)備更為實(shí)用,且成本更低,外觀更加新穎,模塊開發(fā)性高的智能手環(huán)。

該手環(huán)基于用戶體驗(yàn),結(jié)合在電影及游戲中常用的動(dòng)作捕捉技術(shù)中的慣性傳感器,通過產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)流程中對(duì)用戶的體驗(yàn)進(jìn)行分析和測(cè)試,進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析,從而建立了以用戶體驗(yàn)和技術(shù)測(cè)試為中心的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程。

1 手環(huán)內(nèi)部器件設(shè)計(jì)

該款手環(huán)由于需要結(jié)合現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)捕捉功能(涉及到動(dòng)作坐標(biāo)、速度、加速度的實(shí)時(shí)捕捉),而需裝配相應(yīng)的慣性傳感器(可裝配與手機(jī)類同的微型電子陀螺儀、加速度計(jì)等元器件,可整合于電路板,或單獨(dú)以模塊形式與電路連接),以檢測(cè)和測(cè)量被測(cè)物體的加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng)。

本文中可使用的慣性傳感器有低精度和中級(jí)精度MEMS慣性傳感器。其中,低精度MEMS慣性傳感器作為消費(fèi)電子類產(chǎn)品主要用在手機(jī)、GPS導(dǎo)航、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音樂播放器等。由于具有加速度測(cè)量、傾斜測(cè)量、振動(dòng)測(cè)量甚至轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量等基本測(cè)量功能,有待挖掘的消費(fèi)電子應(yīng)用也會(huì)隨著該產(chǎn)品的換代研發(fā)而不斷出現(xiàn)。而中級(jí)MEMS慣性傳感器作為工業(yè)級(jí)及汽車級(jí)產(chǎn)品,則主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP或ESC)GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng),汽車安全氣囊、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、工程機(jī)械等。為了優(yōu)化傳感器性能并盡可能縮短開發(fā)時(shí)間,需要深入了解二者的選擇,需要根據(jù)成本定位,市場(chǎng)對(duì)測(cè)量響應(yīng)時(shí)間、精度、工作速度和精度的要求,及用戶選擇等因素確定。而對(duì)于傳感器的前期校準(zhǔn)計(jì)劃可以針對(duì)影響最大的因素進(jìn)行定制,從而減少測(cè)試時(shí)間和補(bǔ)償算法開銷。面向具體應(yīng)用的解決方案將適當(dāng)?shù)膫鞲衅髋c必要的信號(hào)處理結(jié)合在一起,如果具備高性價(jià)比并且提供現(xiàn)成可用的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)接口,從而消除一定的實(shí)施和生產(chǎn)障礙。

其中,對(duì)于手環(huán)電子器件的耗電方面,通過與電子實(shí)驗(yàn)室的合作,計(jì)劃采用可充電2節(jié)滿電,共6V電壓的可充電紐扣鋰電池(每塊厚度3.2mm,直徑20mm),以滿足供電最低的4.8V需求;電池安裝于方形電路板的正下方直接為電路板供電,若需拆卸更換電池或維修電路等,則需將手環(huán)與表帶分離,并打開電池后蓋(過盈配合及防水膠連接,保證一定的防水性能)。但在續(xù)航時(shí)間方面,對(duì)于人們7×24小時(shí)連續(xù)佩戴的手環(huán)而言,在何時(shí)充電才能避免數(shù)據(jù)斷檔,是在日后需要精確測(cè)試和計(jì)算以確定的。此外,電池的穩(wěn)定性,內(nèi)部電路集成及電池裝配位置,電路供電參數(shù),是否無符合的型號(hào)而需定制等問題都將依據(jù)電路方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。手環(huán)主體內(nèi)部根據(jù)前期雛形采納方形電路板(長(zhǎng)寬均12mm),可選擇是否保留原有LED燈閃爍,以表示手環(huán)正常工作,而充電接口開口位置需在后續(xù)電路板確定后再進(jìn)行后期設(shè)計(jì)。

除內(nèi)部電路及元器件外,該智能手環(huán)還包括如表1中的組件。

表1 智能手環(huán)構(gòu)成

2 手環(huán)結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

由于手環(huán)外觀需要采用3D曲面設(shè)計(jì),因而本文使用工業(yè)設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件Rhino及其強(qiáng)大的曲面插件T－splines完成表身及表帶的三維設(shè)計(jì)。而Rhino是美國(guó)Robert Mc Neel&Assoc開發(fā)的PC上強(qiáng)大的專業(yè)3D造型軟件,其可以廣泛地應(yīng)用于三維動(dòng)畫制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。它包含了所有的NURBS建模功能,建模流暢,所以常被用于建模設(shè)計(jì),之后導(dǎo)出高精度模型予其他三維軟件使用。此外,其配套的插件T－splines作為NURBS細(xì)分形式補(bǔ)充的新建模方式,是由T－Splines公司領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的一種全新建模技術(shù),它結(jié)合了Nurbs和細(xì)分表面建模技術(shù)的特點(diǎn),雖然和Nurbs很相似,不過它極大地減少了模型表面上的控制點(diǎn)數(shù)目,可進(jìn)行局部細(xì)分和合并兩個(gè)Nurbs面片等操作,從而使得建模操作速度和渲染速度都得到了很大提升。

相比于上述的智能手環(huán)的功能,其材料和造型設(shè)計(jì)同樣非常重要,使用材料舒適,并且造型符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的智能手環(huán),而不會(huì)使長(zhǎng)時(shí)間佩戴的用戶出現(xiàn)佩戴不適感。此外,手環(huán)與表帶的結(jié)合通過表帶內(nèi)凹部分和外凸邊,與手環(huán)主體部分通過表帶的彈力和手環(huán)與之的過盈配合緊固在一起,從而保證了日常使用過程中將不會(huì)出現(xiàn)主體脫離表帶而丟失的情況。而且表帶采用類似37°手環(huán)的紐扣式設(shè)計(jì),便于用戶的佩戴使用,同時(shí)由于表帶和表體可分離,因而表帶也可依據(jù)市場(chǎng)需求及客戶要求進(jìn)行個(gè)性化定制

目前智能手環(huán)最重要的功能之一即為運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)。用戶可通過手機(jī)查看智能手環(huán)的同步數(shù)據(jù),包含當(dāng)日運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、空閑時(shí)間、運(yùn)動(dòng)路程、走路步數(shù)和能量消耗等情況,而本文的手環(huán)由于根據(jù)使用者手腕擺動(dòng)幅度及動(dòng)作姿態(tài)等。除上述功能外,還包含對(duì)日常運(yùn)動(dòng)少的用戶,可以制定目標(biāo),此外,該智能手環(huán)還能根據(jù)年齡、性別、身高、體重以及活動(dòng)的強(qiáng)度和時(shí)間來計(jì)算消耗的熱量,并可利用運(yùn)動(dòng)時(shí)的心率得出科學(xué)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和方式,以獲得更佳的運(yùn)動(dòng)效果。

3 手環(huán)外觀設(shè)計(jì)及渲染

智能手環(huán)的造型設(shè)計(jì)是在滿足用戶對(duì)基本實(shí)用功能需求的基礎(chǔ)上,綜合線條變化、空間虛實(shí)關(guān)系等特定精神審美性設(shè)計(jì)因素所構(gòu)成的物質(zhì)實(shí)體。由于智能手機(jī)的功能特殊性,在其造型設(shè)計(jì)中除了對(duì)其點(diǎn)、線、面、體量感和質(zhì)感以及色彩等元素進(jìn)行考慮,它也有自身特色與要求。

在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)方面,由于需要考慮市場(chǎng)中消費(fèi)者為換取產(chǎn)品服務(wù)、體驗(yàn)的購(gòu)買心理因素及成本因素,因而表體及表帶設(shè)計(jì)除采用現(xiàn)有智能手環(huán)表帶常用的橡膠材質(zhì)外,表體可采用復(fù)合材料以降低成本和制造難度,例如硅膠、3D打印常用的光敏樹脂(需后期打磨處理),碳纖維(高端定制,或批量成本較低時(shí)采用)等材料。

為滿足不同的客戶需求,表帶的顏色樣式和表體外觀樣式可根據(jù)客戶需求,可在后續(xù)提供一定的訂制樣式以供選擇。表身材料定為電子硅膠材料,為區(qū)別于其他運(yùn)動(dòng)手環(huán),從外觀上具有一定的創(chuàng)新性,無屏幕設(shè)計(jì),表面為三維復(fù)雜曲面設(shè)計(jì),突破了大眾對(duì)手環(huán)的傳統(tǒng)定義。而為得到不同的外觀方案,可采用表面電鍍鍍膜(可鍍制不同金屬材料,獲得定制的外觀),采用不同的材料加工處理工藝,如噴砂處理,拋光處理,CNC數(shù)控打磨等表面處理工藝。此外,本文列舉了2款手環(huán)外觀方案。其中,第一款手環(huán)外觀由于采用透明電子硅膠材料,因而若在光照下,可以獲得如水晶般澄澈的半透明效果,此外,再通過右下角不同的內(nèi)表面處理工藝而可獲得不同的外觀圖樣,保證外部美觀,光滑表面的同時(shí),可展現(xiàn)出使用者的個(gè)人特質(zhì)。手環(huán)渲染使用工業(yè)設(shè)計(jì)常用軟件Keyshot完成,如圖1、圖2所示。

圖1 手環(huán)渲染實(shí)例1

圖2 手環(huán)渲染實(shí)例2

4 結(jié)論

本文主要采用工業(yè)設(shè)計(jì)常用的Rhino軟件,其插件T－splines,以及渲染軟件Keyshot,完成了一款通過慣性傳感器,記錄佩戴著手腕相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),從而推測(cè)運(yùn)動(dòng)者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的智能手環(huán)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)。為提高該產(chǎn)品的實(shí)用性,在未來可依據(jù)產(chǎn)品發(fā)售的市場(chǎng)規(guī)模及研發(fā)成本等因素,添加配套于手環(huán)的其他功能模塊,如血壓監(jiān)測(cè),用戶心情狀態(tài)推測(cè),以及用于推薦給用戶保持或更改日常運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的消息相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊,幫助使用者更好地記錄日常生活中的鍛煉、休息等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)與云端同步,起到通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活的作用,同時(shí)也可以利用手環(huán)電路板上預(yù)留的LED閃爍燈和可加裝的蜂鳴器給予用戶定制自己良好生活習(xí)慣的時(shí)鐘,以保證定時(shí)進(jìn)食,定量喝水,養(yǎng)成早睡早起的好習(xí)慣。

在后續(xù)智能可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)中,還可通過將現(xiàn)有醫(yī)用健康手環(huán)測(cè)量脈搏、心率、皮膚溫度,環(huán)境光照及噪音水平,以及其它環(huán)境信息功能與現(xiàn)有或換代產(chǎn)品進(jìn)行整合,而通過健康手環(huán),使得病人即使不在醫(yī)院,家人及醫(yī)生也能追蹤并了解該用戶的健康情況。同時(shí),還可整合各類其他可穿戴式技術(shù)或技術(shù)設(shè)備,如嵌入技術(shù)、語音識(shí)別技術(shù)、眼球識(shí)別技術(shù)以及其他新型技術(shù)整合到可穿戴設(shè)備中,來實(shí)現(xiàn)智能可穿戴產(chǎn)品的功能。因而后續(xù)完善產(chǎn)品更多功能是產(chǎn)品開發(fā)中最重要的一環(huán)之一。

[1]胡茂曉.慣性動(dòng)作捕捉前端設(shè)備與數(shù)據(jù)傳輸研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2015.

[2]劉晶晶.智能手機(jī)設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2013.

[3]劉曉峰,葉穎穎.造型思維訓(xùn)練與工業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)接的個(gè)案研究——以“無聲心跳手環(huán)”設(shè)計(jì)為例[J].學(xué)研探索,2015,(20).