基于TRIZ 理論的運動智能護腕改良設計研究

徐計斌

（邵陽學院，湖南 邵陽 422100）

在2035 年全面建成體育強國和健康中國目標背景下，全民健身已成為我國重要的民生規劃之一。同時，為了號召全民科學鍛煉，中共中央、國務院印發的《“健康中國2030”規劃綱要》中制定了一系列與科學鍛煉健身相關的指導內容[1]。參閱有關文件，其中明確指出，面對日益嚴重的人口老齡化問題，要降低中老年人群的患病率，強健體魄，減少發病率、死亡率與殘疾率，延長壽命。中老年人群體在健身鍛煉過程中，需要關注的問題是，應在運動中選擇一定強度的抗阻力訓練。進一步而言，針對中老年人群體抗阻力訓練，由于使用器械不當或選擇了過大的阻力，極易造成人體出現嚴重的肌肉損傷，這與健康中國戰略初衷相違背。

目前市場上智能佩戴產品功能較為豐富，但缺乏針對中老年群體的阻力預警功能及阻力記憶功能。具備此類功能的產品可保證達到一定訓練效果的同時，也可輔助健身人員預防骨質疏松，防止肌肉損傷。因此本文旨在設計一款具有阻力預警功能及阻力記憶功能的智能佩戴產品，通過TRIZ 理論深入分析智能護腕系統，利用通用參數建立相關矛盾矩陣，根據相關發明原理來設計相關智能佩戴護腕，解決痛點，最終實現其在佩戴訓練中選擇合適的阻力及強度進行訓練的目的。

1 TRIZ 理論相關概述

TRIZ 理論是一種解決發明問題的方法和工具，利用理論中通用參數對成千上萬個問題進行解構并歸納，建成直觀的矛盾沖突矩陣，得到相關的發明原理，進而指導人們形成解決所發現問題的思路并提供可參考的解決方案，分析對比得到最優解[2]。所以通過使用TRIZ 理論，解決問題的思維邏輯會更加的清晰，能更加客觀系統地將問題分解并解決。

2 運動智能護腕的研究現狀

2.1 國外研究現狀

通過相關市場數據得知，市面上大多數與健身相關的智能佩戴產品，其功能十分豐富。隨著智能佩戴產品的高需求及快速發展，這些產品已經相對成熟，并取得了良好的效果。Pustozerov 等[3]在其文獻中了介紹了一種智能手環來監測妊娠期糖尿病患者的健康狀態，該手環系統還可以收集并處理患者的生活方式和膳食數據。通過實驗證實，穿戴電子肌肉護腕對手腕損傷和促進功能恢復有顯著效果。相關研究成果指出，關于運動性肌肉損傷和恢復是一個復雜的研究領域，影響運動性肌肉損傷和恢復的因素有很多，例如性別、年齡、營養等[4]。Markus 等[5]在其相關文獻中寫道，目前在運動性肌肉損傷和恢復領域，囿于影響因素間的復雜性，佩戴產品要兼具以上功能，還需做進一步研究。綜上所述，目前國外關于運動智能佩戴產品領域的研究，使得相關產品通過技術迭代日趨先進，功能愈發全面的同時，在預防運動性肌肉損傷方面略顯不足，還需在該細分領域下投入更多研究。

2.2 國內研究現狀

相較于國外研究，目前國內相關智能佩戴產品，在滿足一定功能的前提下，側重于老年人群的智能佩戴體驗，進而通過市場反饋對產品進行研究并改良。唐昊陽等[6]在《基于用戶行為邏輯的智能手環交互設計》一文中，針對老年人群用戶行為邏輯，設計出更加人性化的智能手環交互界面，讓老年人群更好地體驗到智能服務的便捷。瞿儲飛梵等[7]在《疫情背景下的老年人智能手環設計》一文中，針對新冠感染疫情期間，老年人群作為疫情重點關注對象，改良了智能佩戴產品，使得老年人群在疫情期間的出行更加方便，同時也緩解了疫情期間老年人群的身心壓力。根據2021—2022 年中國下沉市場智能手環消費行為報告顯示，2020 年中國可穿戴產品出貨量接近1.1 億臺，同比增長接近7.5%，其中，智能佩戴產品的應用場景也在持續擴展，在智能佩戴產品的用戶群體中，有接近34%的人會選擇運動中佩戴智能手環，同時這個數據也在不斷上升，說明大家也越來越關注健康運動及預防運動損傷。通過相關實驗數據了解到，智能佩戴設備數據監測的精準度與標準，相較于醫療專用設備存在著一定的差距。但是，智能佩戴設備相較其他醫療設備，為人們提供了更加全面系統的有一定參考性的健康管理方案。綜上所述，目前國內運動智能佩戴產品還有很大的發展潛力，智能佩戴產品的功能豐富性及相關檢測性是用戶關注的重點，針對中老年群體預防運動肌肉損傷的運動智能佩戴產品的研究還是相對較少。

3 TRIZ 理論在運動智能護腕中的應用

3.1 系統分析

從系統分析的角度，將運動智能護腕比作一個功能結構完整的系統，根據不同的功能進行系統分層，實現各系統層間矛盾的可視化，以便從子系統的角度考量尋找矛盾及相應的解，從整體到局部再從局部到整體全方位考量運動智能護腕。根據系統分層原理及市場上相關的運動智能佩戴產品，將某一種智能護腕作為研究對象進行解構，如圖1 所示。

圖1 運動智能護腕功能系統分解

能量系統：為實現運動智能護腕的基本工作要求，本文選擇市面上常見的充電底座金屬觸點對準產品背面充電口金屬觸點的充電方式進行能量供應。

顯示系統：目前市面上智能佩戴產品的功能主要包含心率的監測、步數的記錄、顯示時間等。本研究在產品市面上現有功能的基礎上，豐富其功能，增加阻力預警功能及阻力記憶功能，方便使用者尤其是中老年群體在保證安全的前提下，進行適當的抗阻力運動，從而預防骨質疏松，減緩衰老。

防護系統：目前市面上的抗阻力防護的產品智能化程度較低，傳統的護腕對手腕提供支撐，從而防止肌肉損傷，能夠起到一定的防護作用，但是并不具備實時阻力記錄的記憶等其他功能。而傳統的智能手環有監測心率、記憶步數等功能，但是并沒有對使用者提供阻力防護等功能。

控制系統：通過連接手機APP，進行跟蹤控制調節產品的相關設置及功能選擇。

3.2 建立矛盾矩陣

通用參數選擇：根據前期的市場調查，發現現階段市面上運動智能佩戴產品功能雖較為豐富，心率的監測、步數的記錄等功能是智能佩戴產品中使用較多的功能，但是針對中老年群體的運動智能佩戴產品缺乏阻力預警功能及一定的阻力防護功能，可將設計有關運動智能佩戴產品的技術矛盾用TRIZ理論中的通用參數來進行描述，TRIZ 理論通用參數見表1。

表1 TRIZ 通用參數表

針對市面上現有的運動智能佩戴產品進行分析總結，本文設計一款針對中老年人群的運動智能護腕，解決問題的過程如下。

3.2.1 正向參數和負向參數的選擇

1）改善通用工程參數：“3 運動物體的長度”“5 運動物體的面積”“28 測量精度”。

2）惡化通用工程參數：“19 運動物品的能量消耗”“36 系統的復雜性”“8 靜止物體的體積”。

3.2.2 建立TRIZ 矛盾矩陣

根據選擇，改善通用工程參數及惡化通用工程參數，建立相關矛盾矩陣，見表2。

表2 運動智能護腕TRIZ 矛盾矩陣分析

TRIZ 理論提供了40 條發明原理，上述通過惡化通用工程參數及改善通用工程參數交匯對應得到相應的發明原理編號，結合本研究的前期相關調研及可行性分析，對得到的發明原理進行適用性及可行性的篩選和排除后，適合本研究的發明原理有：1 分割原則、3局部性質原則、6 多功能原則。

3.3 運動智能護腕設計

3.3.1 運動智能護腕方案設計

由表3 可知，對前述問題進行分析并結合TRIZ 發明原理的匯總與篩選，可提出解決有關問題的設想與方案。

表3 運動智能護腕方案設計匯總表

具體的設計方案如圖2 所示，其中，該運動智能護腕包括護帶主體部分1、智能顯示屏2、預警燈3、PLC控制器4、護帶殺菌層及吸汗層5、防滑護掌6、連接帶7 和防滑護掌表面的薄膜壓力傳感器8。

圖2 運動智能護腕結構圖

3.3.2 運動智能護腕功能設計

本設計主要針對中老年人群在抗阻力訓練時使用，采用PLC 控制器，在繼承心率檢測功能、顯示時間功能及藍牙功能的基礎上，增加了阻力預警功能及通過藍牙連接手機，在相關APP 上顯示阻力的記憶功能。此時模擬使用場景，對部分主要功能闡述如下。

當使用者進行力量訓練時，薄膜壓力傳感器感受到壓力超出或者低于設定值時，會向PLC 控制器發射信號，PLC 控制器控制預警燈分別亮紅燈或者黃燈，該設置解決了現有的一些運動智能佩戴產品大多不具備預警功能的問題，產品同時也具備了目前市面上大多智能佩戴產品所不具備的阻力記憶功能，可以記錄每一次中老年人群進行抗阻力訓練時所選擇的阻力及該阻力下進行訓練的次數和組數。

3.3.3 運動智能護腕材料設計

本研究考慮到運動時使用者出汗等其他相關因素，在護腕材質上進行了相關研究和選擇，護腕材質組成包括整個防護護腕護帶結構1；防護層2 的材質為滌綸乳膠絲材質；防護層2 的下方設置有透氣層3，透氣層3 的材質為棉纖維材質；透氣層3 的下方設置有殺菌層4，殺菌層4 的材質為甲殼素纖維材質；殺菌層4 的下方設置有吸汗層5，其材質為竹炭纖維材質。通過設置整個防護護腕護帶結構1 及棉纖維材質的透氣層3 配合甲殼素纖維材質的殺菌層4 與竹炭纖維材質的吸汗層5，不僅對手腕起到防護的作用，也能使護腕本體具有吸汗、殺菌、透氣的功能，提升使用者舒適度，如圖3 所示。

圖3 運動智能護腕材料圖

4 結束語

通過構建運動智能護腕系統并進行詳細分析，得到在研究中應注意解決的痛點及目前市面上競品的不足。

通過TRIZ 理論運用通用參數構建運動智能護腕矛盾矩陣，根據本研究相關調查和分析，選取適合本研究的發明原理進行方案的設計。

建立運動智能護腕問題方案分析表格，進行深度挖掘，總結得到方案設想與本研究的產品結構及功能和材料的選擇。解決了中老年群體盲目選擇訓練時產生的阻力及強度的問題，使其能在訓練中選擇合適的阻力及強度進行訓練，達到一定訓練效果的同時，預防骨質疏松，防止肌肉損傷。