張淼　綦曉倩　李詠梅

摘要：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備的調(diào)查和分析，突破現(xiàn)有的記錄步數(shù)和跟蹤睡眠功能，旨在打造一套針對(duì)街舞、輪滑等街頭運(yùn)動(dòng)及瑜伽、舞蹈的新的運(yùn)動(dòng)方式。從開(kāi)放、娛樂(lè)、創(chuàng)新、用戶(hù)體驗(yàn)的角度出發(fā)，重新定義一套可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備，包括戴在手腕、腳踝上的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤設(shè)備以及放在地面上的動(dòng)態(tài)追蹤攝像機(jī)，二者結(jié)合實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)作和姿態(tài)捕捉;重新定義交互方式和反饋形式，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人與機(jī)器的互動(dòng)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì) 可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備 交互方式 運(yùn)動(dòng)追蹤 用戶(hù)體驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-0069（2020）07-0122-04

引言

微電子、計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的高速發(fā)展，使可穿戴設(shè)備具有許多新特點(diǎn)，更強(qiáng)的計(jì)算能力、更大的存儲(chǔ)空間、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、更小設(shè)備規(guī)格、更低的成本以及更加友好的人機(jī)交互能力等[1]，通過(guò)內(nèi)部集成傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、輸出，并可通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送給其他電子設(shè)備以進(jìn)行評(píng)估。日益發(fā)展的全民健身和大數(shù)據(jù)時(shí)代到來(lái)，為人們的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)和健康監(jiān)測(cè)帶來(lái)更多可能性[2]。Weast等[3]提出一種具有電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)監(jiān)視和跟蹤設(shè)備;Einarsson[4]提出一種通過(guò)佩戴柔順物品進(jìn)行反饋的可穿戴設(shè)備;PonsMoll等[5]基于相機(jī)圖像，提出在室外環(huán)境中對(duì)滿(mǎn)足任意方向或位置運(yùn)動(dòng)約束的高難度姿勢(shì)進(jìn)行采樣;He等[6]提出可穿戴式身體傳感器網(wǎng)絡(luò);Shull等[7]進(jìn)行可穿戴傳感系統(tǒng)應(yīng)用于臨床環(huán)境中的步態(tài)分析;Gravina等[8]討論基于身體傳感器網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題和優(yōu)勢(shì)，關(guān)注其在人類(lèi)活動(dòng)識(shí)別中的應(yīng)用;WongC等[9]進(jìn)行可穿戴傳感技術(shù)在生物力學(xué)的研究，可在自由生活環(huán)境中持續(xù)、長(zhǎng)期地監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。然而，目前可穿戴運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品的體驗(yàn)依然較為單一[10]，很多運(yùn)動(dòng)手環(huán)只能夠?qū)崿F(xiàn)記步、睡眠跟蹤以及通知提醒等基本功能，很難為其他以技巧和動(dòng)作要領(lǐng)為主的小范圍運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者，如街舞、傳統(tǒng)舞蹈、瑜伽等，帶來(lái)更實(shí)用的功能和豐富的體驗(yàn)。

一、現(xiàn)有可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備分析

可穿戴設(shè)備可定義為一種小型電子設(shè)備，通過(guò)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、輸出，這些數(shù)據(jù)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳送給其他電子設(shè)備以進(jìn)行評(píng)估。過(guò)去幾年，可穿戴設(shè)備的應(yīng)用大幅增長(zhǎng)，主要用于健康監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、教育教學(xué)工具。

（一）材質(zhì)分析

可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備一般情況下由可穿戴主體（包括傳感器）和固定帶組成，這兩部分材質(zhì)的運(yùn)用決定了佩戴是否舒適、是否貼膚、是否輕薄透氣以及成本。如圖1所示，是對(duì)市面上現(xiàn)有產(chǎn)品在材料運(yùn)用上的概括和歸納。表1是對(duì)不同材料的特點(diǎn)分析。

（二）調(diào)節(jié)方式分析

進(jìn)行可穿戴產(chǎn)品設(shè)計(jì)，不單單是對(duì)產(chǎn)品形態(tài)以及結(jié)構(gòu)的研究，同時(shí)還要考慮到適用人群。使用者的身體差異導(dǎo)致每個(gè)人的手腕粗細(xì)不等，因此，需考慮固定帶的適配度，尺寸、調(diào)節(jié)方式、固定方式等，以保證滿(mǎn)足大多數(shù)用戶(hù)需求，如表2所示。

（三）可穿戴產(chǎn)品形態(tài)分析

如圖2所示，現(xiàn)有可穿戴產(chǎn)品形態(tài)大多數(shù)以跑道形、圓形、長(zhǎng)方形以及圓角方形為基礎(chǔ)形態(tài)。在這些形態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)造型進(jìn)行等距或者不等距圓角處理、基礎(chǔ)形態(tài)拼接處理、突起或凹陷處理、弧面處理、分件處理以及紋理處理等，使可穿戴件造型各異，呈現(xiàn)給用戶(hù)一種或運(yùn)動(dòng)、或輕薄、或科技的視覺(jué)感受。

（四）可穿戴產(chǎn)品交互方式分析

對(duì)于可穿戴設(shè)備而言，不同的交互方式影響著用戶(hù)和設(shè)備之間溝通效果，影響著用戶(hù)使用反饋。不同的交互方式有著各自的特點(diǎn)以及不足，圖3是10種常見(jiàn)的交互方式，表3是對(duì)這10種交互方式的分析。

二、可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備用戶(hù)分析

用戶(hù)體驗(yàn)設(shè)計(jì)，以人為中心，從生理、心理需求出發(fā)，讓用戶(hù)參與到設(shè)計(jì)當(dāng)中來(lái)。在用戶(hù)體驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需考慮用戶(hù)的感覺(jué)需求、交互需求、情感需求、社會(huì)需求、自我需求"1。針對(duì)現(xiàn)有可穿戴產(chǎn)品以及其他運(yùn)動(dòng)設(shè)備在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域上的缺口，將用戶(hù)定位為對(duì)街舞、滑板等街頭文化較為熱愛(ài)、更喜歡自由開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)形式，或喜歡在閑暇之余玩跳繩、毽子等傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)設(shè)備，并能從中獲得樂(lè)趣的年輕人。根據(jù)用戶(hù)定位，對(duì)2名街舞愛(ài)好者、1名舞蹈專(zhuān)業(yè)學(xué)生、1名瑜伽教師、1名瑜伽愛(ài)好者進(jìn)行實(shí)地訪(fǎng)談，了解并分析用戶(hù)需求，將所得信息歸納整理，建立需求模型，如圖4所示。

通過(guò)模擬使用情境、頭腦風(fēng)暴等方法，對(duì)可穿戴運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品的使用步驟和過(guò)程進(jìn)行分析，建立用戶(hù)行為模型，見(jiàn)表4所示。找出用戶(hù)在不.同場(chǎng)景中行為方式的差異及潛在問(wèn)題，總結(jié)使用群體多種需求模式，提出解決方案。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，用戶(hù)在使用可穿戴設(shè)備運(yùn)動(dòng)或者學(xué)習(xí)一項(xiàng)新技能時(shí)，經(jīng)歷從新手到熟練的過(guò)程，分別對(duì)應(yīng)初學(xué)階段、練習(xí)階段、互動(dòng)階段。在此過(guò)程中，不僅要滿(mǎn)足用戶(hù)的基本功能需求、實(shí)用、認(rèn)知、可用性等，還要從行為和情感層面出發(fā)，滿(mǎn)足用戶(hù)的心理需求，保證豐富的滿(mǎn)足、愉悅、安全、沉浸感，從而形成一種全新的體驗(yàn)方式。

三、可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤技術(shù)

常用的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)追蹤軟硬件技術(shù)主要有IMU慣性測(cè)量單元[12]、DepthCamera深度攝像機(jī)[13]以及傳統(tǒng)攝像頭和OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary）結(jié)合技術(shù)[14]。雖然這些方法得到了一定研究，但在實(shí)際設(shè)備應(yīng)用中還存在一定問(wèn)題。

由于加速度原始數(shù)據(jù)存在誤差，系統(tǒng)無(wú)法積分出準(zhǔn)確的速度[15]導(dǎo)致IMU慣性測(cè)量單元存在動(dòng)作識(shí)別不精準(zhǔn)，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及位移信息[16]等問(wèn)題。DepthCamera深度攝像機(jī)雖然可以實(shí)現(xiàn)三

維空間內(nèi)的距離探測(cè)，完成位置和運(yùn)動(dòng)的推算[17]，實(shí)現(xiàn)對(duì)多人、簡(jiǎn)單動(dòng)作的有效識(shí)別[18]，但對(duì)于多層次的空間信息識(shí)別能力有限，重疊關(guān)節(jié)的前后位置分辦效果不好，多人環(huán)境下無(wú)法有效區(qū)分用戶(hù)，且造價(jià)昂貴?；趥鹘y(tǒng)攝像頭和OpenCV結(jié)合技術(shù)的像素計(jì)算量一般較大，且需要被追蹤對(duì)象特征明顯，如穿著色彩鮮艷的服飾。

為了較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的追蹤，本文用OpenCV框架輔助下的IMU原始數(shù)據(jù)的積分和追蹤計(jì)算技術(shù)。IMU原始數(shù)據(jù)雖然無(wú)法實(shí)現(xiàn)六自由度（三個(gè)正交方向的位移和三個(gè)姿態(tài)角）的追蹤，但借助計(jì)算機(jī)視覺(jué)OpenCV圖像分析技術(shù)去判斷每個(gè)動(dòng)作及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的起止時(shí)間點(diǎn)，可以保證多人情形下運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的精準(zhǔn)識(shí)別。

（二）可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備由地面跟蹤主機(jī)和可穿戴扣子兩部分構(gòu)成。可穿戴扣子由用戶(hù)佩戴，地面追蹤主機(jī)放置在活動(dòng)區(qū)域的側(cè)面或中央。

1.主機(jī)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有可穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備的調(diào)查和分析[19]，主機(jī)采用圓滑造型設(shè)計(jì)[20]，配合重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)360°地面旋轉(zhuǎn)追蹤。整體采用塑件材質(zhì)，中間層為硅膠套，硅膠套處的塑件可拆卸清洗，同時(shí)保證旋轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。前面板與硅膠套、后蓋高度之比為3：5：2，材質(zhì)的視覺(jué)比為1：1，符合形態(tài)美學(xué)法則黃金比例。主機(jī)置于地面時(shí)，斜邊與地面夾角成40°，在保證整體造型美觀(guān)的基礎(chǔ)上，能夠提供最佳拍攝視角。

后蓋采用開(kāi)合操作，對(duì)齊后旋轉(zhuǎn);后蓋缺口設(shè)計(jì)便于放置充電線(xiàn)，并在連接外部設(shè)備后能夠保證主機(jī)的正常旋轉(zhuǎn);后蓋缺口形狀與主機(jī)側(cè)面斜度保持一致，造型整體感強(qiáng)。整體造型及結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4個(gè)可穿戴扣子可放置在主機(jī)后蓋中的底座上，保證產(chǎn)品的整體性及外出便攜性。底座上帶有充電觸點(diǎn)，室外運(yùn)動(dòng)時(shí)可快速完成充電操作。充電座側(cè)面分別是主機(jī)開(kāi)關(guān)按鈕、USBTypeC接口、提帶元素設(shè)計(jì)，如圖6所示。

2.可穿戴扣子設(shè)計(jì)

可穿戴扣子殼體由金屬外殼和塑料外殼組成，如圖7。固定帶選用布料材質(zhì)，末端放置一卡扣，實(shí)現(xiàn)固定和調(diào)節(jié)功能。

四、穿戴運(yùn)動(dòng)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)

地面跟蹤主機(jī)的外殼包括前面板1.與前面板聯(lián)結(jié)的塑料套2.包裹塑料套外壁的硅膠套3.后蓋4.前面板內(nèi)部安裝鏡頭5.鏡頭與主板總線(xiàn)連接。前面板內(nèi)部鏡頭的外圍設(shè)有交互區(qū)域觸控元件6.該元件搭載有環(huán)狀排布的貼片式LED和電容觸控電路的印刷電路板，以此實(shí)現(xiàn)與用戶(hù)的交互。當(dāng)?shù)孛孀粉欀鳈C(jī)轉(zhuǎn)離正面位置時(shí)，環(huán)狀排布的貼片式LED的“亮、滅序列”隨即向前移動(dòng)，保證用戶(hù)看到的仍然是直立的交互界面。塑料殼體之間的分件處，設(shè)有發(fā)聲原元件7.該發(fā)聲單元可播放音頻，并借助線(xiàn)性振動(dòng)單元向用戶(hù)傳遞節(jié)奏信息。在硅膠套內(nèi)的主殼體內(nèi)側(cè)安裝有平衡配重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)并繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。

用戶(hù)在使用時(shí)，地面追蹤主機(jī)自動(dòng)檢測(cè)到用戶(hù)即將接觸影像傳感器的邊界或者運(yùn)動(dòng)到畫(huà)幅之外時(shí)，會(huì)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)平衡配重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)、帶動(dòng)平衡配重向用戶(hù)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的方向運(yùn)動(dòng)，使機(jī)體向用戶(hù)所在的方向滾動(dòng)，進(jìn)而使用戶(hù)重新回到影像傳感器畫(huà)幅中央，保證追蹤功能的正常工作，如圖8。

后蓋內(nèi)有充電座8、充電/視頻輸出接口9、電源開(kāi)關(guān)10，當(dāng)可穿戴扣子電量耗盡時(shí)，用戶(hù)可打開(kāi)后蓋，將可穿戴扣子插到充電座上，地面跟蹤主機(jī)即將自己的電能輸出給扣子;主機(jī)電量耗盡時(shí)，將電纜插在后蓋內(nèi)的充電接口上即可，如圖9所示。

可穿戴扣子的殼體由金屬外殼11和包裹的塑料外殼12組成，殼體底部設(shè)有用于連接在身體上的鈑金環(huán)以及連接結(jié)構(gòu)13，在金屬外殼內(nèi)部設(shè)有電池和搭載有慣性測(cè)量單元、全向天線(xiàn)、充電觸點(diǎn)、線(xiàn)性振動(dòng)單元的電路板，在塑料外殼12的左側(cè)包裹部分內(nèi)部設(shè)有充電觸點(diǎn)和全向天線(xiàn)。而慣性測(cè)量單元可采集用戶(hù)手腕和腳踝位置的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，結(jié)合地面追蹤主機(jī)的鏡頭畫(huà)面，還原出其關(guān)節(jié)動(dòng)作，并通過(guò)不同的振動(dòng)反饋樣式向用戶(hù)傳達(dá)“動(dòng)作是否標(biāo)準(zhǔn)”等指引信息。

該裝置可同時(shí)滿(mǎn)足多人互動(dòng)模式，每名用戶(hù)分別佩戴一枚可穿戴扣子，地面追蹤主機(jī)自動(dòng)將佩戴有可穿戴扣子的人識(shí)別為參與者，并為其提供互動(dòng)功能，圖10為樣機(jī)制作及測(cè)試。

結(jié)論

針對(duì)街舞、瑜伽、跳繩等小范圍運(yùn)動(dòng)方式，重新思考運(yùn)動(dòng)情境和可穿戴類(lèi)產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)行模塊化、創(chuàng)新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)，突出輔助運(yùn)動(dòng)功能及實(shí)時(shí)追蹤功能，讓使用者沉浸在更加放松有趣、自然的互動(dòng)體驗(yàn)中，為可穿戴運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種新的使用場(chǎng)景、交互形式和思路參考。

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