基于用戶體驗及運動追蹤的可穿戴設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計

張淼　綦曉倩　李詠梅

摘要：通過對現(xiàn)有可穿戴運動設(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，旨在打造一套針對街舞、輪滑等街頭運動及瑜伽、舞蹈的新的運動方式。從開放、娛樂、創(chuàng)新、用戶體驗的角度出發(fā)，重新定義一套可穿戴運動設(shè)備，包括戴在手腕、腳踝上的運動姿態(tài)追蹤設(shè)備以及放在地面上的動態(tài)追蹤攝像機(jī)，二者結(jié)合實現(xiàn)高精度的動作和姿態(tài)捕捉;重新定義交互方式和反饋形式，增強(qiáng)運動過程中人與機(jī)器的互動。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計 可穿戴運動設(shè)備 交互方式 運動追蹤 用戶體驗

中圖分類號：TB47文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-0069（2020）07-0122-04

引言

微電子、計算機(jī)和現(xiàn)代無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，使可穿戴設(shè)備具有許多新特點，更強(qiáng)的計算能力、更大的存儲空間、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]，通過內(nèi)部集成傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、輸出，并可通過無線方式傳送給其他電子設(shè)備以進(jìn)行評估。日益發(fā)展的全民健身和大數(shù)據(jù)時代到來，為人們的運動體驗和健康監(jiān)測帶來更多可能性[2]。Weast等[3]提出一種具有電子數(shù)據(jù)存儲的運動表現(xiàn)監(jiān)視和跟蹤設(shè)備;Einarsson[4]提出一種通過佩戴柔順物品進(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)境中對滿足任意方向或位置運動約束的高難度姿勢進(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)的問題和優(yōu)勢，關(guān)注其在人類活動識別中的應(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)、長期地監(jiān)測運動學(xué)和動力學(xué)。然而，目前可穿戴運動產(chǎn)品的體驗依然較為單一[10]，很多運動手環(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作要領(lǐng)為主的小范圍運動愛好者，如街舞、傳統(tǒng)舞蹈、瑜伽等，帶來更實用的功能和豐富的體驗。

一、現(xiàn)有可穿戴運動設(shè)備分析

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

（一）材質(zhì)分析

可穿戴運動設(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，是對市面上現(xiàn)有產(chǎn)品在材料運用上的概括和歸納。表1是對不同材料的特點分析。

（二）調(diào)節(jié)方式分析

進(jìn)行可穿戴產(chǎn)品設(shè)計，不單單是對產(chǎn)品形態(tài)以及結(jié)構(gòu)的研究，同時還要考慮到適用人群。使用者的身體差異導(dǎo)致每個人的手腕粗細(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，以保證滿足大多數(shù)用戶需求，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)給用戶一種或運動、或輕薄、或科技的視覺感受。

（四）可穿戴產(chǎn)品交互方式分析

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

二、可穿戴運動設(shè)備用戶分析

用戶體驗設(shè)計，以人為中心，從生理、心理需求出發(fā)，讓用戶參與到設(shè)計當(dāng)中來。在用戶體驗設(shè)計過程中，需考慮用戶的感覺需求、交互需求、情感需求、社會需求、自我需求"1。針對現(xiàn)有可穿戴產(chǎn)品以及其他運動設(shè)備在運動領(lǐng)域上的缺口，將用戶定位為對街舞、滑板等街頭文化較為熱愛、更喜歡自由開放的運動形式，或喜歡在閑暇之余玩跳繩、毽子等傳統(tǒng)運動設(shè)備，并能從中獲得樂趣的年輕人。根據(jù)用戶定位，對2名街舞愛好者、1名舞蹈專業(yè)學(xué)生、1名瑜伽教師、1名瑜伽愛好者進(jìn)行實地訪談，了解并分析用戶需求，將所得信息歸納整理，建立需求模型，如圖4所示。

通過模擬使用情境、頭腦風(fēng)暴等方法，對可穿戴運動產(chǎn)品的使用步驟和過程進(jìn)行分析，建立用戶行為模型，見表4所示。找出用戶在不.同場景中行為方式的差異及潛在問題，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)，用戶在使用可穿戴設(shè)備運動或者學(xué)習(xí)一項新技能時，經(jīng)歷從新手到熟練的過程，分別對應(yīng)初學(xué)階段、練習(xí)階段、互動階段。在此過程中，不僅要滿足用戶的基本功能需求、實用、認(rèn)知、可用性等，還要從行為和情感層面出發(fā)，滿足用戶的心理需求，保證豐富的滿足、愉悅、安全、沉浸感，從而形成一種全新的體驗方式。

三、可穿戴運動設(shè)備創(chuàng)新設(shè)計

（一）運動姿態(tài)追蹤技術(shù)

常用的運動姿態(tài)追蹤軟硬件技術(shù)主要有IMU慣性測量單元[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，但在實際設(shè)備應(yīng)用中還存在一定問題。

由于加速度原始數(shù)據(jù)存在誤差，系統(tǒng)無法積分出準(zhǔn)確的速度[15]導(dǎo)致IMU慣性測量單元存在動作識別不精準(zhǔn)，無法獲得準(zhǔn)確的運動狀態(tài)及位移信息[16]等問題。DepthCamera深度攝像機(jī)雖然可以實現(xiàn)三

維空間內(nèi)的距離探測，完成位置和運動的推算[17]，實現(xiàn)對多人、簡單動作的有效識別[18]，但對于多層次的空間信息識別能力有限，重疊關(guān)節(jié)的前后位置分辦效果不好，多人環(huán)境下無法有效區(qū)分用戶，且造價昂貴。基于傳統(tǒng)攝像頭和OpenCV結(jié)合技術(shù)的像素計算量一般較大，且需要被追蹤對象特征明顯，如穿著色彩鮮艷的服飾。

為了較好地實現(xiàn)對人體運動姿態(tài)的追蹤，本文用OpenCV框架輔助下的IMU原始數(shù)據(jù)的積分和追蹤計算技術(shù)。IMU原始數(shù)據(jù)雖然無法實現(xiàn)六自由度（三個正交方向的位移和三個姿態(tài)角）的追蹤，但借助計算機(jī)視覺OpenCV圖像分析技術(shù)去判斷每個動作及關(guān)節(jié)運動的起止時間點，可以保證多人情形下運動姿態(tài)的精準(zhǔn)識別。

（二）可穿戴運動設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

1.主機(jī)設(shè)計

通過對現(xiàn)有可穿戴運動設(shè)備的調(diào)查和分析[19]，主機(jī)采用圓滑造型設(shè)計[20]，配合重心調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，實現(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，斜邊與地面夾角成40°，在保證整體造型美觀的基礎(chǔ)上，能夠提供最佳拍攝視角。

后蓋采用開合操作，對齊后旋轉(zhuǎn);后蓋缺口設(shè)計便于放置充電線，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，室外運動時可快速完成充電操作。充電座側(cè)面分別是主機(jī)開關(guān)按鈕、USBTypeC接口、提帶元素設(shè)計，如圖6所示。

2.可穿戴扣子設(shè)計

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，實現(xiàn)固定和調(diào)節(jié)功能。

四、穿戴運動設(shè)備功能實現(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，以此實現(xiàn)與用戶的交互。當(dāng)?shù)孛孀粉欀鳈C(jī)轉(zhuǎn)離正面位置時，環(huán)狀排布的貼片式LED的“亮、滅序列”隨即向前移動，保證用戶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，并借助線性振動單元向用戶傳遞節(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)動并繞軸線旋轉(zhuǎn)。

用戶在使用時，地面追蹤主機(jī)自動檢測到用戶即將接觸影像傳感器的邊界或者運動到畫幅之外時，會自動驅(qū)動平衡配重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)、帶動平衡配重向用戶運動趨勢的方向運動，使機(jī)體向用戶所在的方向滾動，進(jìn)而使用戶重新回到影像傳感器畫幅中央，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、電源開關(guān)10，當(dāng)可穿戴扣子電量耗盡時，用戶可打開后蓋，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，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量單元、全向天線、充電觸點、線性振動單元的電路板，在塑料外殼12的左側(cè)包裹部分內(nèi)部設(shè)有充電觸點和全向天線。而慣性測量單元可采集用戶手腕和腳踝位置的運動趨勢，結(jié)合地面追蹤主機(jī)的鏡頭畫面，還原出其關(guān)節(jié)動作，并通過不同的振動反饋樣式向用戶傳達(dá)“動作是否標(biāo)準(zhǔn)”等指引信息。

該裝置可同時滿足多人互動模式，每名用戶分別佩戴一枚可穿戴扣子，地面追蹤主機(jī)自動將佩戴有可穿戴扣子的人識別為參與者，并為其提供互動功能，圖10為樣機(jī)制作及測試。

結(jié)論

針對街舞、瑜伽、跳繩等小范圍運動方式，重新思考運動情境和可穿戴類產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)行模塊化、創(chuàng)新型產(chǎn)品設(shè)計，突出輔助運動功能及實時追蹤功能，讓使用者沉浸在更加放松有趣、自然的互動體驗中，為可穿戴運動產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)建了一種新的使用場景、交互形式和思路參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉強(qiáng)，李桐，于洋等面向可穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)安全隱私保護(hù)技術(shù)綜述[J].計算機(jī)研究與發(fā)展，2018，55（）：14-29.

[2] Iervolino R， Bonavolonta F， Callari A. A wearable device for sport performance analysis and monitoring（C I/2017 IEEE International Workshop on Measurement and Networking （M&N） .IEEE， 2017： 1-6.

[3] Weast A B， CobbettJR， Crankson K， et al. Wearable device assembly having athletic functionality： U.S. Patent9， 011， 292（P] .2015-4-21.

[4] Einarsson P. Wearable device having feedback characteristics： U.S. Patent 8， 657， 772（P .2014-2-25.

[5] Pons -Moll G， Baak A， GallJ， et al. Outdoor human motion capture using inverse kinematics and von mises- fishersamplingIC /2011 International Conference on Computer Vision. IEEE， 2011： 1243-1250.

[6]He D， Chan S， Guizani M. User privacy and data trustworthiness in mobile crowd sensing [J]. IEEE WirelessCommunications， 2015， 22 （1） ： 28-34.

[7] ShullP B， Jirattigalachote W， Hunt M A， et al. Quantified self and human movement： a review on the clinical impact of wearable sensing and feedback for gait analysis and intervention [J]. Gait & posture， 2014， 40（1）： 11-19.

[8] Gravina R， Alinia P， Ghasemzadeh H， et al. Multi- sensor fusion in body sensor networks： State -of the-art and research challenges [J]. Information Fusion， 2017， 35： 68 -80.

[9]Wong C， ZhangZQ， LoB， et al. Wearable sensing for solid biomechanics： Areview [J]. IEEE Sensors Joumal， 2015， 15 （5） ： 2747-2760.

[10]鄒月輝，譚利.我國體育用品智能化發(fā)展研究——以可穿戴式運動產(chǎn)品為例[J].南京體育學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2015（4）：14.

[11]綦曉倩，張倩，薛水晶，蔡政，韓金杉新零售創(chuàng)新模式下智能醫(yī)用柜設(shè)計[J].包裝工程，2019，40（04）：52-58.

[12]任剡，房建成，許端，等光纖陀螺IMU全溫三方位速率/一位置標(biāo)定及分段線性插值補(bǔ)償方法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2013（1）：51-55.

[13]肖寒君.基于深度傳感器的手勢追蹤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[14]吳曉陽.基于OpenCV的運動目標(biāo)檢測與跟蹤[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[15]仇立杰，彭四偉.基于MEMS傳感器的三維空間運動軌跡提取方法[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2016，33（9）：292-295.

[16] Madgwick S O H， Harrison AJ L， Vaidyanathan R. Estimation of IMU and MARG orientation using a gradient descentalgorithm[C] //2011 IEEE international conference on rehabilitation robotics. EEE， 2011： 1-7.

[17]張金釗，張金鏑，孫穎.X3D互動游戲交互設(shè)計：可穿戴式交互技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[18]龐小月，郭睿楨，姚乃坡等體感交互人因?qū)W研究回顧與展望[J].應(yīng)用心理學(xué)，2014，20（3）：243-251.

[19]張宇希，張宇紅，曹恩國，李世國，張寒凝，蔣曉辦公空間智能空氣凈化加濕器設(shè)計研究[J].機(jī)械設(shè)計，2015，32（06）：11-1210

[20]馮豫韜，程光，邱兆熊視障群體快速收發(fā)力訓(xùn)練器的設(shè)計研究[J].機(jī)械設(shè)計，2019，36（01）：134-138.