基于用戶需求的智能運動傳感器創新設計

摘要：針對運動訓練不科學造成的肌肉損傷，且目前運動傳感器缺乏運動狀況的實時監測和反饋，首先，分析運動性肌肉損傷的原因和修復方法，提出基于表面肌電信號的生理測量是用于實時監測肌肉疲勞的主要方法。其次，對運動損傷相關用戶需求進行調研，最后，結合人因與工效學和心理學理論進行運動傳感器優化設計，旨在運動中實時監測肌肉狀況，提供運動員科學高效的個性化訓練方案，同時為智能運動監測設備的外觀設計提供了有效參考。

關鍵詞：運功性肌肉損傷；智能運動傳感器；運動監測；肌肉電信號；肌肉損傷預防

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）09-0116-04

Abstract：Aiming at the muscle injury caused by unscientific exercise training and the lack of real-time monitoring and feedback of exercise status of the current sports sensor，the causes and repair methods of exercise muscle injury are analyzed firstly，and physiological measurements based on surface EMG signals are proposed for real-time monitoring of muscle fatigue. Secondly，the user needs related to sports injuries are investigated，and finally the sports sensor optimization design is carried out by combining human factors and ergonomics and psychological theories，aiming to monitor muscle conditions in real time during sports，provide scientific and efficient personalized training programs for athletes，and provide an effective reference for the appearance design of intelligent sports monitoring equipment.

Keywords：Movement muscle injury；Smart sensors；Motion monitoring；Muscle electrical signals；Muscle injury prevention

引言

肌肉損傷是國際運動創傷的主要病種，是影響運動員訓練和競賽能力的主要傷病，也是日常體育運動的常見損傷，在運動訓練和日常鍛煉中都很難預防。競技體育中發生肌肉損傷會耽誤運動員的訓練計劃和比賽成績，嚴重的如腿筋拉傷和髕腱病可能會終止職業生涯?，F階段的運動，藥物，理療等損傷治療方法簡單，療效緩慢。目前運動監測中的傳感器僅進行數據記錄，無法做到生理狀況的實時監控和及時反饋。此外，傳感器聚焦于技術研發，對其外觀是否符合用戶審美需求等方面的設計研究較為匱乏。因此，本研究提出基于表面肌電信號的智能運動傳感器創新設計，從根源解決問題，預防肌肉損傷，對已發生的損傷確定損傷原因，制訂恢復計劃。結合人因與工效學和心理學理論進行外觀設計優化，符合用戶審美和認知需求。

一、運動損傷

（一）運動性肌肉損傷

近年來，由人類運動所引起的肌肉損傷疾病在逐年增加。運動性肌肉損傷是指反復高強度運動，非慣常運動，抗阻運動，長時間運動以及離心運動等對肌細胞骨架和肌細胞膜所造成的損傷[1]。過度使用肌肉會給肌腱帶來壓力而導致肌腱炎，肌肉過勞廣泛的損傷有橫紋肌溶解癥，肌球蛋白尿，嚴重的會導致急性腎衰竭等危及生命的疾病。肌肉二度受傷會導致肌肉纖維化和鈣化，嚴重影響肌肉力量，造成不可逆的組織變化。日后多種并發癥和傷病復發會造成機體進一步損害。運動員肌肉損傷主要因為訓練負荷過大脫離實際需求，運動過程中依賴教練的主觀經驗指導?，F階段具體的肌肉損傷防治系統研究相對較少，且損傷在醫生和運動專家準確診斷后輕度損傷修復2-4天，中度損傷7-15天，重度損傷15-28天[2]。一定程度上對運動訓練計劃造成了負面影響。

（二）表面肌電信號與運動性肌肉損傷

肌電信號是伴隨肌肉收縮動作產生的一種生物電流信號，產生于任意組織器官，主要用于監測肌肉狀態。肌電信號分為肌內信號和表面肌電信號，其中，在皮膚表面采集到的肌電信號稱為表面肌電信號。表面肌電信號相對來說是最容易獲取的一種電生理信號，將電極片放置在人體的皮膚表面，可以記錄到皮膚表面因肌肉收縮而產生的微弱的電位差，而這個微弱的電位信號通過肌電采集電路的放大和轉換就形成了可用作處理的表面肌電信號[3]。相較于針電極肌電信號，表面肌電信號在測量上具有非入侵式，無創傷，操作簡單等優點，還可用于測試較大范圍的肌肉電信號。對比傳統的力傳感器對肌力的估計，采集表面肌電信號的傳感器更加輕巧經濟。表面肌電信號定量反映受檢肌肉的局部狀態，肌力狀況，關節肌肉激活模式以及不同機群之間的協調性等肌肉活動的變化規律，可用于肌肉力量的評定，肌肉疲勞的診斷和神經肌肉功能的評價，運動技術合理性分析[4]。既能靜態測定肌肉活動，又可以動態持續記錄肌肉活動，及時反映肌肉的疲勞和興奮狀態，指導運動訓練，預防肌肉損傷。本研究中我們將表面肌電信號應用于智能運動傳感器的設計，針對運動過程中造成的肌肉損傷提出解決方案，用戶佩戴智能運動傳感器，實時檢測肌肉狀態，分析用戶體內肌肉信號，為用戶構建肌肉損傷預測模型，建立損傷恢復數據，定制個性化理療方案。

二、對解決運動損傷的用戶需求調研

首先，針對于運動傳感器用戶的真實需求進行調研，我們聯系了上海華山醫院的醫師，與專業醫師及相關患者進行了深度訪談，切實了解到專業醫師與患者們對于肌肉損傷以及智能運動傳感器的真實需求，如表1。其次，我們也對市面上的相關智能運動傳感器進行了競品分析，如表2所示。最后結合以上不同角度的調研，總結出目前智能運動傳感器的主要需求分為4個方面包括功能性需求，活動性需求，人機性需求以及造型性需求。

（一）功能性需求

1.實時監控肌肉狀態

由于運動員渴望和保持優秀的成績以及減輕受傷風險，在過去的10年里，針對運動監測話題的重視度呈指數級增長[5]。運動者通過訓練來促使身體適應，進而提升能力以達到更好的比賽目標。若沒有客觀的數據監測，不能精準地控制運動水平，當肌肉疲勞水平太高時會阻礙身體適應，導致肌肉拉傷等機體損傷。調研顯示，現有的運動傳感器不能實時進行運動員生理信息反饋，只有數據生成后才能了解肌肉狀況，對肌肉損傷治療造成延誤，錯過最佳治療時間，增加對身體的損傷。若實時監測肌電信號反饋肌肉狀態，根據運動者的身體疲勞情況及時調整運動方案，則可降低受傷、生病和非功能性過度延伸的風險，延長職業生涯壽命，增強運動員對培訓計劃的信念和信心[6]。

2.肌肉損傷程度判斷

運動技能的發展是以自身的身體素質為基礎，身體的健康水平決定了能否參加相關比賽。由于運動員訓練時間長，體負荷大以及訓練和比賽中各種不確定因素導致肌肉損傷發生率居高不下，肌肉損傷的評價分析需要大量的人力、物力。對于一些損傷需要在早期階段進行肌肉疲勞程度診斷，如果初始階段未發現，將持續影響運動員高強度訓練，后續會造成嚴重的肌肉疾病，無法繼續職業生涯。因此，對運動員而言肌肉損傷程度的及時判斷是十分必要的。

3.肌肉損傷情況預測

肌肉損傷的頻繁發生對運動員和團隊的經濟，身體，心理都有很大的影響。介于如此高的受傷率和隨之而來的修復成本，提前預知和及時規避肌肉損傷是迫切需要解決的需求。通過肌肉損傷風險監測，及時發現肌肉損傷癥狀，提前采取及時有效的防治措施，可以避免70%-80% 的急性運動損傷造成的死亡和休克。

（二）活動性需求

活動性需求是指智能運動傳感器尺寸較小，方便攜帶，可用于多部位監測。運動肢端佩戴的傳感器，其對于傳感器的大小及體形的要求更高?，F階段的運動監測設備不夠便捷，無法滿足運動員隨身攜帶，隨地監測的需求。日常訓練和模擬比賽過程中，訓練者不僅需要進行高強度的訓練，甚至在一些運動項目中需要激烈的身體對抗[7]。此外，不同專業的運動員從事的體育運動不同，重點性監測的肌肉部位也不同?，F有市場上存在的運動訓練監測穿戴裝備有頭戴式，手環式和各種綁帶式，單個設備對肌肉可監測范圍有一定限制，智能運動傳感器需要針對監測身體肌肉部位的不同具有可調節性，訓練者可根據不同的監測需求調整智能運動傳感器佩戴的位置，實時了解不同的肌肉狀況。

（三）人機性需求

從佩戴智能運動傳感器的情況分析，傳感器的外形結構和材料是影響舒適性的兩大重要維度[8]。相關調研顯示，有近半數用戶在對現有的相關腕帶佩戴裝置設計的不足因素中選擇佩戴不舒服和美觀性不足兩個選項[9]。不適的原因包括佩戴過程中表帶與手臂之間的摩擦、產品材料的堅硬、表帶與手臂的緊密連接、缺乏空氣流通、皮膚容易出汗。作為運動監測需要的智能運動傳感器佩戴時和運動員貼身接觸，外觀形態要和佩戴部位達到良好的形態契合，否則長時間佩戴舒適度低會降低用戶的體驗感。腕帶要有良好的變形度和柔軟度貼合皮膚獲取監測數據，防止因手腕移動頻繁脫落或是滑動影響監測的精確性。由于運動訓練，運動員身體的高強度運動和靈活的肢體協調與配合，在使用過程中，智能運動傳感器的佩戴和使用不能影響運動者正常訓練動作發揮和肢體動作的流暢度，不能給訓練帶來額外負擔。為了減少用戶在使用產品產生束縛感和緊繃感，腕帶應考慮選擇親膚柔軟的材質。

（四）造型性需求

由于智能運動監測設備在國內發展時間較短，現有研究都是基于監測設備的技術和戰略方面，對于產品用戶體驗和外觀設計方面的分析較少。設計過程中忽略了使用者對智能運動傳感器美觀性的需求，產品缺乏一定的同理心和認同感。且從工業層面來看，在滿足功能的同時，整體外觀具有一定的美學特點可擴充產品的使用價值[9。外觀設計不僅是對外觀的美化和改造，還是智能運動傳感器技術創新和前沿的設計文化理念的外在體現[10]。

三、方案設計實踐

基于現有運動傳感器的不足，用戶需求點的調研總結和產品設計相關影響因素，采用小組討論的方式進行頭腦風暴，繪制基于表面肌電信號的智能運動傳感器設計的草圖，提升整體的設計感和創新性。

（一）草圖方案對比與優化

初步階段分組討論設計方案，從功能和使用的角度思考智能運動傳感器的外觀造型，重視使用的便攜性決定進行模塊化設計，提升產品的功能多樣化。在需求的基礎上進行方案的草圖繪制，得到3個方案，側邊可拆卸方案，硅膠一體式，魔術貼可拆卸式，如圖1。

通過仔細推敲決定采用總體外觀為跑道圓的方向進行細化，細化過程中考慮產品的生產工藝，方便工廠批量化生產，產品的外觀模型容易沖壓，出模，涂裝和總裝，降低生產加工成本。最終在草圖的模型推演中確定最終方案如圖2，產品材質選用軟硅膠和硬質塑料結合，產品本身不易臟，磨損和刮花；結構的模塊化設計；綜合考慮了產品尺寸，人機，美觀性以及裝配的創新性。

（二）產品主要功能

1.實時監測性

為實現系統性的人體肌肉狀態同步監測，智能運動傳感器配置統一生理采集器，通過實時監測運動過程中表面肌電信號高精度數據分析運動員的實時肌肉狀況和疲勞信息，構建肌肉損傷預測模型，在傷害發生前準確檢測機體的生理狀況，生成機體處于受傷邊緣“危險區域”的預警，解決了以往運動監測數據延遲的問題，且基于大量的分析數據降低損傷預測錯誤的可能性。在訓練過程中根據肌肉訓練狀態進行運動指導和動作的規范化，結合正確的生理學和相關科學制定可靠的運動指標，為訓練者量身定制訓練方案，預防肌肉損傷的同時，保證了訓練的科學有效。科學化、智能化的運動技術指導系統，改善了傳統教學模式中教練員指導經驗不足的問題[11]。

利用實時的表面肌電信號對肌肉損傷程度構建損傷狀況估計模型，系統評估和分析運動員的損傷程度——判斷運動員在訓練中累積的運動損傷，確定受傷部位，追蹤訓練出現的問題和原因，根據損傷程度采取準確的治療措施，減少傷痛，防止措施不當對機體造成進一步傷害，并且可以結合相關干預措施解決潛在的運動損傷，降低損傷發生的幾率。肌肉損傷估計模型節省了損傷評估的成本，提高了治療的準確性，對肌肉損傷程度的評價和分析具有普遍性。

2.輕量易用性

產品結構方面遵循易用性原則，進行模塊化和操作上的設計。智能運動傳感器的佩戴底座和主體部位進行模塊化設計，可拆卸成單個部件，易拆易組方便使用和維護[12]。底座和綁帶滿足不同形態部位的肌肉生理測量，協助用戶分區測量肌電信號，避免因測量部位不同更換不同的傳感器，提升智能運動傳感器的適配性和實際使用價值。優化操作方式，如圖3是不同的卡扣組合方式，便于用戶根據自身運動部位肌肉監測的需要選擇不同長度的綁帶及底座進行拆卸和組裝，解決了以往設備組成復雜，使用繁瑣的問題。模塊化設計簡化了智能運動傳感器使用時的操作步驟，節省了用戶使用的時間和精力，優化了用戶體驗。

3.人機舒適性

為考慮智能運動傳感器腕部佩戴的靈活性，注重佩戴時穩固性和腕帶扣扎方便性的設計。綁帶選用輕便柔軟，耐磨的硅膠材料，親膚舒適并具有一定的彈性，適合運動員長時間的佩戴。由于避免對人體肌肉和表面軟組織造成傷害，智能運動傳感器底座和人體佩戴接觸面進行符合人體腕部弧度的曲面設計，貼合人體，佩戴舒適，在使用過程中測量數據更準確，不容易因大幅度運動而偏移測量部位，如圖4。

為了滿足絕大多數運動用戶肌肉監測需求，進行智能運動傳感器尺寸調節，結合人體腕部尺寸進行腕帶設計。根據表3、4中男女的人機尺寸確定智能運動傳感器男女腕帶的尺寸，如圖5。

以上述腕帶尺寸參數為依據，進行腕帶設計，用戶根據自身腕部維度選擇調節孔洞，結合智能運動傳感器內部結構以及使用場景確定主體部分的尺寸，如圖6。

4.認知一致性

為了滿足用戶審美需求和心理認知需求，科技產品應從最原始的科技化和復雜化朝著時尚化和簡約化的方向發展，這樣更利于大眾接受和廣泛使用。智能運動傳感器設計外觀簡潔干凈，干練舒心。風格元素少即大腦需要處理的信息少，符合人們的認知習慣，對產品的認識快速清晰。整體采用相對圓潤的跑道圓造型設計，避免用戶在使用過程中造成棱角的磕碰，對皮膚的擦傷。表盤采用軟硅膠波紋設計，在外觀方面體現產品的運動科技性，造型上相較傳統造型有一定的創新性。由于不同感官體驗融入設計更易于符合用戶的自然心智模型，所以材質上選取軟的硅膠波紋和硬質殼體材質結合使得用戶在使用過程中有不同的觸感體驗。硅膠波紋提供傳感器開關功能，用戶可通過觸覺感知外觀造型紋理辨別產品功能，減少陌生或復雜的操作，在簡潔的設計中突出重要的功能，使操控變得更加簡單輕量。選用灰白和藍的對比配色。藍色讓人感受到開放平靜，較少體驗到威脅和壓力，緩解運動訓練緊張激烈的心理壓力。運用不同的色彩區分出軟硅膠觸摸部分和殼體組成部分的硬質塑料，功能劃分明顯的同時，帶來了純粹簡潔干凈的視覺感受，如圖7、8。

四、設計方案的模型制作與測試

為了驗證設計出的智能運動傳感器主體部分的不同卡扣設計能否正常使用，進行3D打印的模型手板制作，得到實物模型，見圖9。最后得出卡扣方案可行，同時使用樣機對腕帶的調節方式進行測試，可以方便進行拆卸和組裝，設計的操作滿意度和外觀滿意度達到預期目標。

總結與展望

基于表面肌電信號的智能運動傳感器設計為運動訓練者預防肌肉損傷和科學合理的訓練提供了新的優化設計和實踐經驗，能在運動訓練項目中提高訓練的高效性和安全性，避免了訓練的盲目和主觀性，改善了佩戴操作體驗和設計的人性化以及外觀的美觀性。同時模塊化設計理念進行智能運動傳感器的設計創新，實現產品部件的規范化和通用化，利于智能運動傳感器的大批量制作、運輸、儲存、包裝，幫助提升產品的綜合競爭力。用戶組裝流程簡單，提高了安裝的效率和操作的舒適性，解決了智能運動傳感器便攜性問題和對肌肉多部位全方面的監測和記錄。

基金項目：國家社科基金重大項目（17ZDA020）：設計形態學研究；2022教育高等教育司智能創新設計人因與工效學聯合實驗室項目（編號：202209LH16）

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