冰雪運動可穿戴裝備關鍵技術研究綜述與展望

摘 要：冰雪運動可穿戴裝備通過數據采集與分析對冰雪愛好者的運動狀態進行實時監測并反饋，有助于他們體姿調整，進而提高滑雪競技水平。冰雪運動可穿戴裝備相關關鍵技術已經成為國內外學者研究的熱點。綜述冰雪運動的運動學和動力學與多傳感器融合技術、能源供給與優化的可穿戴裝備續航能力以及友好的人機交互虛擬現實技術等研究進展，總結各種研究的優劣性，可以為冰雪運動可穿戴裝備今后的研發奠定堅實的理論基礎。最后對冰雪運動可穿戴裝備研究的前景進行展望。

關鍵詞：冰雪運動；可穿戴裝備；多傳感器融合；續航能力；人機交互

中圖分類號：TP212.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）28-0102-04

Abstract： Wearable equipment for winter sports provides real-time monitoring and feedback by collecting and analyzing data of the exercise status of winter sportsman， which can help them adjust their body postures and improve the level of skiing competition. The key technologies related to wearable equipment for winter sports have become a hot research topic for domestic and international scholars. This paper summarizes the research progress of kinematics and dynamics and multi-sensor fusion technology， energy supply and optimization of wearable equipment and friendly human-computer interaction virtual reality technology，36ZJFLUG2W9PxoMVcvY80g== and analyses the advantages and disadvantages of various studies， which can lay a solid theoretical foundation for the future research and development of winter sports wearable equipment. Finally， the prospect of the research on wearable equipment for winter sports is prospected.

Keywords： winter sport; wearable equipm36ZJFLUG2W9PxoMVcvY80g==ent; multi-sensor fusion; endurance; human-computer interaction

冰雪運動可穿戴裝備可以實時感知、收集并上傳人體生理數據，以高山滑雪為例，可穿戴裝備對于滑雪者做出直滑、剎車、轉彎等滑雪動作時的足底壓力值、地面反作用力、轉彎半徑、腿部支撐角度等數據進行采集，可以為后續滑行速度、加速度和腿部支撐力等計算提供數據支撐。這對于修正滑雪姿態，提高訓練效率具有重要意義。近年來，將可穿戴裝備應用于冰雪運動以及冰雪運動狀態下可穿戴裝備的關鍵技術已經成為國內外學者的研究熱點。通過對國外學者研究文獻的梳理，冰雪運動可穿戴裝備關鍵技術的研究主要集中在滑雪力學分析與多傳感器融合、能源供給優化與續航技術和友好高效的人機交互技術等幾個方面。

1 冰雪運動可穿戴裝備關鍵技術研究現狀

1.1 滑雪力學分析與多傳感器融合技術

身體傾斜和雪板變形是滑雪力學中的2個關鍵特征。在研究滑雪力學方面常用可穿戴裝備中的多傳感器融合技術采集人體運動參數，進而分析滑雪者水平和改進途徑。目前，多傳感融合技術主要體現在壓力鞋墊、慣性傳感器、光學動作捕捉等方面。

Nakazato等[1]比較了便攜式測力板施力點（FAP）和壓力鞋墊壓力中心（COP）。他們還評估了FAP/COP特征之間的統計差異是否受到滑雪模式、滑雪者技術水平或坡度的影響。滑雪者進行了20組雙轉滑雪，并對2個系統的時間特征進行了統計分析，以比較它們的相似性和重復性。結果表明：這2個系統在縱向（前后）的時間特征方面具有高度可比性。便攜式力板系統提供了關于3D力、力矩和FAP的數據，有助于更好地理解滑雪力學。壓力鞋墊系統確定了滑雪靴和COP的壓力分布，對滑雪者的舒適性至關重要。這項研究為高山滑雪的研究提供了有價值的數據，并可以作為未來研究滑雪板加載模式、滑雪者損傷預防和一般滑雪板力學的參考。然而，為了更好地理解COP和FAP之間的關系，以及通過滑雪靴上部傳遞的力對這種關系的影響，還需要進一步的研究。

Nakazato等[2]研究了2個問題。首先，他們提供了壓力鞋墊（PI）系統和便攜式測力板（FP）系統測量高山滑雪中垂直地面反力（vGRF）的參考數據。其次，他們分析了PI和FP系統測量到的vGRF的差異是否與滑雪者的水平、滑雪方式和斜坡角度有關。滑雪者在陡坡（23°）和平緩坡（15°）上以2種滑雪技術分別進行了10次雙轉彎，同時使用了PI和FP系統進行測量。結果表明：PI系統通常低估了FP系統測量到的總vGRF。然而，這種差異取決于轉彎過程的不同階段（內、外、轉刃），并且還受到滑雪者水平、滑雪方式和斜坡角度的影響。所有這些因素在很大程度上影響了2個系統所確定的vGRF之間的差異。由此可見，該方法存在一定的局限性。

Bessone等[3]使用無線鞋墊與慣性運動單元（IMU）相結合，以確定在著陸過程中可能存在的運動學和動力學之間的相關性，研究分為2個部分。第一部分使用無線鞋墊可以量化不同參與者、不同跳臺滑雪和不同著陸技術之間的地面反作用力（GRF）分布、大小和沖量。第二部分為了探測動力學和運動學之間的可能相關性，并引入多傳感器融合，將慣性傳感器與無線鞋墊結合測試。結果表明：無線鞋墊可以為滑雪者提供具體的反饋，幫助他們改善著陸時的地面反作用力和沖量。然而，由于鞋墊的低采樣率可能會對收集到的結果產生影響。第二部分提出了將慣性傳感器與力鞋墊相結合的方法。事實上，運動員的生物力學因性別、專業知識和年齡而有所不同，導致反作用力和沖量的差異。因此，該研究也具有一定的局限性。

Grega等[4]利用慣性傳感器來測量跳臺滑雪運動員的運動學和關節動力學。研究中，4名跳臺滑雪運動員在實驗室環境中通過模擬跳臺進行跳躍，總共進行了20次跳躍的記錄，所有測量到的力和力矩都在之前模擬研究的范圍內。相比于安裝在運動臺上的測力平臺，該系統能夠通過間接方式提供跳臺滑雪運動員身體各部分關節的力和力矩值，并測量奔跑和起飛階段的地面反作用力。結果表明：系統能夠在室內和室外實驗中，通過間接方式提供跳臺滑雪運動員身體各部分關節的力和力矩值，以及IR（In-Run）和TO（Take-Off）階段的地面反作用力。這種運動學評估和動力學參數的估計可以應用于任何跳臺滑雪項目。未來，該研究可以進一步擴展，用于分析飛行和著陸過程中的動力學參數，從而更全面地了解和評估跳臺滑雪運動員的表現。

Lee等[5]利用多傳感器技術，采用可穿戴式運動捕捉系統和多尺度計算機仿真技術，對滑雪過程中的短彎和中彎進行了運動分析。使用可穿戴運動捕捉系統同時記錄了運動員全身運動和腳底壓力數據，并分析了右下肢髖關節、膝關節和踝關節在短彎和中彎時的運動學和動力學。結果表明：與使用光學相機和定制測力板來測量運動和地面反作用力相比，可穿戴系統能夠獲得更全面的數據，而且不受滑雪時空間的限制。可穿戴運動捕捉系統在滑雪過程中對于獲得運動和足底壓力數據非常有效。同時，通過采集全身運動和足底壓力數據，可以更準確地計算關節的運動學和動力學參數，這對滑雪者的技術評估和訓練優化具有重要的應用價值。

1.2 能源供給與優化技術

考慮可穿戴裝備便攜性的需求，滑雪者對裝備續航能力有著極高的要求。目前，針對裝備續航能力優化與提高主要有熱發電技術、動態電源管理、任務適時卸載和機器學習算法等方式。

Thielen等[6]開發了一種利用人體熱能供電的可穿戴裝備。以TEG（熱發電機）為研究對象，探索了熱采集器和功率調節電路之間的相互作用，即使用高輸出電壓、低熱阻的lTEG結合高效的主動控制單電感DC-DC（直流-直流）轉換器，以及使用高熱阻、低電阻的mTEG結合低輸入電壓耦合電感的DC-DC轉換器。結果表明：mTEG方法每個區域的輸出功率提高了65%，輸出功率可提高1%～15%。熱能采集器可以顯著延長電池的工作時間。然而，這種轉換器的能量轉換效率需要進一步改善，如開發更高效的轉換器、利用新興技術等。

Cho等[7]提出了一種專門用于ARC（實際遠程控制）的新型低功耗實時操作系統（RTOS）。ARC是一種可穿戴的腕表式遙控器，也可用作各種消費電子裝備的通用遙控器。該RTOS系統占用空間約為9 KB，并采用了包括動態電源管理和器件電源管理在內的低功耗技術。通過使用所提出的低功耗技術，能源消耗可以節省高達47%。結果表明：使用該RTOS系統的ARC裝備在延長電池壽命方面表現出了顯著的優勢。該研究對于為可穿戴裝備開發更有效的操作系統和低功耗技術具有重要意義。通過減少能源消耗，這種RTOS系統可以延長可穿戴裝備的使用時間，提高使用者的體驗，促進可穿戴技術的廣泛應用。

Ragona等[8]提出了一種可穿戴裝備在移動云計算中執行任務的卸載的優化方法。基于多種卸載場景為研究對象，包括本地處理（在可穿戴裝備和智能手機上）以及根據使用的技術（LTE和WiFi）進行任務卸載。以使用能耗和傳輸時間作為主要性能指標，從智能手機和可穿戴裝備的角度進行測量。結果表明：任務的最優卸載方式并不唯一，綜合考慮能耗和傳輸時間，制定出針對不同情境的最佳卸載策略。這項研究的實施對于推動可穿戴裝備和移動云計算的發展，改善用戶體驗以及提高能源效率都具有潛在的積極意義。

Huang等[9]提出了一種無電池的可穿戴裝備傳感平臺，該平臺利用鞋的形狀因素從行走或跑步中獲取動能，為裝備提供傳感、處理和無線通信的動力。這種平臺涵蓋了商用可穿戴裝備的所有功能，并且通過使整個系統收集能量來實現自給自足。結果表明：該系統可以在幾秒鐘的行走后很快喚醒，并且具有足夠的藍牙吞吐量來支持多種應用。這種無電池的可穿戴裝備傳感平臺為未來的可穿戴裝備設計提供了新的思路和可能性，有望在運動監測、健康醫療、軍事應用等領域得到廣泛應用。

Fafoutis等[10]研究了嵌入式機器學習的優勢，即在可穿戴傳感器上進行知識提取，而不是通過低功耗網絡傳輸豐富的原始數據。研究集中在一個簡單的分類任務，并使用基于加速度計的可穿戴傳感器進行實驗。結果表明：嵌入式機器學習具有將無線電和處理器占用率降低幾個數量級的潛力。此外，通過在裝備本地執行機器學習模型，可穿戴傳感器可以以較低的功耗在裝備上進行數據處理和決策，而無需頻繁地與外部網絡通信。結果表明：這種方法可以減少電池消耗，并且可以在資源受限的環境中擴展可穿戴裝備的使用時間。這項研究對于許多領域，包括健康監測、體育訓練和環境感知等都有潛在的應用價值。

1.3 人機交互技術

人機交互技術實現可穿戴裝備與人的對話，直接、便捷地實現人機溝通，使滑雪者實時掌握自己的滑行狀態和改善信息。目前，人機交互技術研究主要集中在虛擬滑雪系統、體感交互技術、AR/VR技術等。

Li等[11]設計并開發了一個友好的人機交互虛擬滑雪系統，針對滑雪周期短和運動損傷易發等問題。他們采用了軟硬件結合的系統構建方法，設計了個性化、定制化的人機交互界面，根據用戶的實時動態測量數據實現與虛擬滑雪角色的運動交互。而通過硬件裝備控制虛擬角色的頭部視覺、手部運動和下肢運動，并提供多模態感官反饋來響應用戶的動作。結果表明：用戶能夠自然地與系統進行交互，體驗過程中沒有不良反應，實現了和諧的人機交互，解決了現實滑雪中存在的問題，并提供了良好的用戶體驗。

苑曉森[12]設計了滑雪體感交互系統的設計與實現過程。首先，明確了系統開發配置要求，研究了通信發送模塊，并對接收模塊進行數據解析。此外，還對UDP協議和TCP協議進行了對比分析。編寫系統發送位置信息代碼時，采用了UDP協議將虛擬人物位置信息傳輸到下位機Simulink仿真軟件。進一步研究了虛擬場景物體位置狀態，并為物體添加了碰撞器和觸發器。結果表明：通過單人和多人多次實驗，給出了滑雪得分和完成滑雪游戲所花費時間的結果。

Zhang[13]通過將虛擬現實技術引入滑雪模擬器系統中，實現了滑雪動作的正確模擬，不僅可以訓練滑雪者，縮短訓練周期，還可以通過新的傳播方式向公眾普及和推廣冬季運動。滑雪模擬器平臺控制系統的軟件架構采用模塊化思想設計，并與VR上位機進行通信。控制系統分為多個模塊，包括電機設定模塊、電機控制模塊和傳感器數據模塊等。結果表明：整個控制系統功能完善，通信界面友好，人機交互功能強。

Cheng等[14]設計的VR滑雪虛擬環境，巧妙地結合了氣象條件的影響，為用戶提供更為真實的滑雪體驗。首先設計了不同階段的降雪模擬，然后開發了智能環境風場模擬系統，動態模擬風力對滑行體驗的影響。此外，通過建立的風速變化函數，模擬雪場風力的波動，并根據風力啟動相應等級的風力模擬系統。他們還設計了一套溫度變化系統，根據風力和降雪量模擬實時溫度變化。結果表明：系統能夠采集滑雪運動數據，控制計算機虛擬仿真系統進行人機交互，使體驗者在虛擬滑雪場中能夠享受到真實的滑雪體驗。

2 前景與展望

智能可穿戴裝備在冰雪運動領域有著廣闊的前景和發展潛力。未來冰雪運動可穿戴裝備的發展主要集中在人工智能與大數據技術、生物識別技術、裝備輕量化設計和無線通信技術等方面，為運動員或滑雪愛好者提供更加全面、精準、個性化服務。

智能化和數據分析方面：隨著人工智能和大數據技術的不斷發展，冰雪運動可穿戴裝備將能夠更加智能化地分析和處理運動員的運動數據，提供更加個性化、精準的訓練建議和比賽策略。這將有助于運動員更好地了解自己的身體狀況和運動表現，提高訓練效果和比賽成績。

生物識別技術方面：生物識別技術如指紋識別、面部識別等將在冰雪運動可穿戴裝備中得到更廣泛的應用，以確保運動員的個人身份和數據安全。同時，生物識別技術還可以用于運動員的生理狀態監測，如心率、血氧飽和度等，為運動員提供更加全面的健康數據。

輕量化設計方面：隨著材料科學和制造技術的不斷發展，冰雪運動可穿戴裝備的輕量化設計將得到持續優化。更輕、更舒適、更耐用的材料將被應用于裝備中，提高運動員的舒適度和運動性能。

無線通信技術方面：隨著5G、6G等無線通信技術的發展，冰雪運動可穿戴裝備的無線通信技術將得到升級。更高速、更穩定的無線通信將使得運動員可以實時接收和分享運動數據，提高訓練效果和比賽效率。

3 結束語

本文綜述了冰雪運動可穿戴裝備主要關鍵技術的研究進展。滑雪力學分析與多傳感器融合方面，國內外學者采用多傳感器融合技術、計算機仿真技術等對高山滑雪、跳臺滑雪、滑雪轉彎和雪板力學性能等進行了研究；能源供給與優化技術方面，國內外學者對人體熱能高效轉換、低功耗技術、任務最優卸載和嵌入式機器學習等進行了研究；人機交互方面，國內外學者對滑雪模擬器、體感交互系統、VR虛擬環境等進行了研究。最后從人工智能與大數據技術、生物識別技術、裝備輕量化設計和無線通信技術等幾個角度歸納了冰雪運動可穿戴裝備的研究前景與展望。

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