基于用戶體驗及運動追蹤的可穿戴設備創新設計

張淼　綦曉倩　李詠梅

摘要：通過對現有可穿戴運動設備的調查和分析，突破現有的記錄步數和跟蹤睡眠功能，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、創新、用戶體驗的角度出發，重新定義一套可穿戴運動設備，包括戴在手腕、腳踝上的運動姿態追蹤設備以及放在地面上的動態追蹤攝像機，二者結合實現高精度的動作和姿態捕捉;重新定義交互方式和反饋形式，增強運動過程中人與機器的互動。

關鍵詞：工業設計 可穿戴運動設備 交互方式 運動追蹤 用戶體驗

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

引言

微電子、計算機和現代無線通信技術的高速發展，使可穿戴設備具有許多新特點，更強的計算能力、更大的存儲空間、更高的數據傳輸速率、更小設備規格、更低的成本以及更加友好的人機交互能力等[1]，通過內部集成傳感器進行數據讀取、輸出，并可通過無線方式傳送給其他電子設備以進行評估。日益發展的全民健身和大數據時代到來，為人們的運動體驗和健康監測帶來更多可能性[2]。Weast等[3]提出一種具有電子數據存儲的運動表現監視和跟蹤設備;Einarsson[4]提出一種通過佩戴柔順物品進行反饋的可穿戴設備;PonsMoll等[5]基于相機圖像，提出在室外環境中對滿足任意方向或位置運動約束的高難度姿勢進行采樣;He等[6]提出可穿戴式身體傳感器網絡;Shull等[7]進行可穿戴傳感系統應用于臨床環境中的步態分析;Gravina等[8]討論基于身體傳感器網絡的問題和優勢，關注其在人類活動識別中的應用;WongC等[9]進行可穿戴傳感技術在生物力學的研究，可在自由生活環境中持續、長期地監測運動學和動力學。然而，目前可穿戴運動產品的體驗依然較為單一[10]，很多運動手環只能夠實現記步、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為主的小范圍運動愛好者，如街舞、傳統舞蹈、瑜伽等，帶來更實用的功能和豐富的體驗。

一、現有可穿戴運動設備分析

可穿戴設備可定義為一種小型電子設備，通過傳感器進行數據讀取、輸出，這些數據可通過無線方式傳送給其他電子設備以進行評估。過去幾年，可穿戴設備的應用大幅增長，主要用于健康監測、人機交互、教育教學工具。

（一）材質分析

可穿戴運動設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，是對市面上現有產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）調節方式分析

進行可穿戴產品設計，不單單是對產品形態以及結構的研究，同時還要考慮到適用人群。使用者的身體差異導致每個人的手腕粗細不等，因此，需考慮固定帶的適配度，尺寸、調節方式、固定方式等，以保證滿足大多數用戶需求，如表2所示。

（三）可穿戴產品形態分析

如圖2所示，現有可穿戴產品形態大多數以跑道形、圓形、長方形以及圓角方形為基礎形態。在這些形態的基礎上，對造型進行等距或者不等距圓角處理、基礎形態拼接處理、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，呈現給用戶一種或運動、或輕薄、或科技的視覺感受。

（四）可穿戴產品交互方式分析

對于可穿戴設備而言，不同的交互方式影響著用戶和設備之間溝通效果，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、可穿戴運動設備用戶分析

用戶體驗設計，以人為中心，從生理、心理需求出發，讓用戶參與到設計當中來。在用戶體驗設計過程中，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。針對現有可穿戴產品以及其他運動設備在運動領域上的缺口，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、毽子等傳統運動設備，并能從中獲得樂趣的年輕人。根據用戶定位，對2名街舞愛好者、1名舞蹈專業學生、1名瑜伽教師、1名瑜伽愛好者進行實地訪談，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、頭腦風暴等方法，對可穿戴運動產品的使用步驟和過程進行分析，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，總結使用群體多種需求模式，提出解決方案。

調查發現，用戶在使用可穿戴設備運動或者學習一項新技能時，經歷從新手到熟練的過程，分別對應初學階段、練習階段、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、認知、可用性等，還要從行為和情感層面出發，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、可穿戴運動設備創新設計

（一）運動姿態追蹤技術

常用的運動姿態追蹤軟硬件技術主要有IMU慣性測量單元[12]、DepthCamera深度攝像機[13]以及傳統攝像頭和OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary）結合技術[14]。雖然這些方法得到了一定研究，但在實際設備應用中還存在一定問題。

由于加速度原始數據存在誤差，系統無法積分出準確的速度[15]導致IMU慣性測量單元存在動作識別不精準，無法獲得準確的運動狀態及位移信息[16]等問題。DepthCamera深度攝像機雖然可以實現三

維空間內的距離探測，完成位置和運動的推算[17]，實現對多人、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，重疊關節的前后位置分辦效果不好，多人環境下無法有效區分用戶，且造價昂貴。基于傳統攝像頭和OpenCV結合技術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。

為了較好地實現對人體運動姿態的追蹤，本文用OpenCV框架輔助下的IMU原始數據的積分和追蹤計算技術。IMU原始數據雖然無法實現六自由度（三個正交方向的位移和三個姿態角）的追蹤，但借助計算機視覺OpenCV圖像分析技術去判斷每個動作及關節運動的起止時間點，可以保證多人情形下運動姿態的精準識別。

（二）可穿戴運動設備結構設計

新型可穿戴運動設備由地面跟蹤主機和可穿戴扣子兩部分構成。可穿戴扣子由用戶佩戴，地面追蹤主機放置在活動區域的側面或中央。

1.主機設計

通過對現有可穿戴運動設備的調查和分析[19]，主機采用圓滑造型設計[20]，配合重心調節結構，實現360°地面旋轉追蹤。整體采用塑件材質，中間層為硅膠套，硅膠套處的塑件可拆卸清洗，同時保證旋轉的平穩性。前面板與硅膠套、后蓋高度之比為3：5：2，材質的視覺比為1：1，符合形態美學法則黃金比例。主機置于地面時，斜邊與地面夾角成40°，在保證整體造型美觀的基礎上，能夠提供最佳拍攝視角。

后蓋采用開合操作，對齊后旋轉;后蓋缺口設計便于放置充電線，并在連接外部設備后能夠保證主機的正常旋轉;后蓋缺口形狀與主機側面斜度保持一致，造型整體感強。整體造型及結構如圖5所示。

4個可穿戴扣子可放置在主機后蓋中的底座上，保證產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。充電座側面分別是主機開關按鈕、USBTypeC接口、提帶元素設計，如圖6所示。

2.可穿戴扣子設計

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，末端放置一卡扣，實現固定和調節功能。

四、穿戴運動設備功能實現

地面跟蹤主機的外殼包括前面板1.與前面板聯結的塑料套2.包裹塑料套外壁的硅膠套3.后蓋4.前面板內部安裝鏡頭5.鏡頭與主板總線連接。前面板內部鏡頭的外圍設有交互區域觸控元件6.該元件搭載有環狀排布的貼片式LED和電容觸控電路的印刷電路板，以此實現與用戶的交互。當地面追蹤主機轉離正面位置時，環狀排布的貼片式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，設有發聲原元件7.該發聲單元可播放音頻，并借助線性振動單元向用戶傳遞節奏信息。在硅膠套內的主殼體內側安裝有平衡配重調節機構，由步進電機驅動并繞軸線旋轉。

用戶在使用時，地面追蹤主機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，會自動驅動平衡配重調節機構的步進電機、帶動平衡配重向用戶運動趨勢的方向運動，使機體向用戶所在的方向滾動，進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。

后蓋內有充電座8、充電/視頻輸出接口9、電源開關10，當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，地面跟蹤主機即將自己的電能輸出給扣子;主機電量耗盡時，將電纜插在后蓋內的充電接口上即可，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，殼體底部設有用于連接在身體上的鈑金環以及連接結構13，在金屬外殼內部設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的左側包裹部分內部設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，結合地面追蹤主機的鏡頭畫面，還原出其關節動作，并通過不同的振動反饋樣式向用戶傳達“動作是否標準”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為樣機制作及測試。

結論

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品的關聯性，進行模塊化、創新型產品設計，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，為可穿戴運動產品設計構建了一種新的使用場景、交互形式和思路參考。

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