體育用品智能可穿戴技術及其應用研究

郭艷琴

(揚州市職業大學 江蘇揚州 225100)

隨著我國社會發展水平的逐步提升，文體類用品的研發也逐步向智能化方向轉型，尤其是新型體育用品的研發，不僅要滿足使用者的活動需求及使用場景，還要從功能和設計方面進行優化，進一步增強智能可穿戴體育用品的實際應用價值。該文從理論分析以及文獻研究的角度出發，綜合交互理論探究了智能可穿戴體育用品的研發方向以及技術應用情況，以此來為我國相關體育用品研發領域的技術升級提供參考。

1 基礎理論分析

1.1 智能化技術的應用現狀

智能化技術是現代化社會發展的產物，能夠結合人們的生產生活需求，打造多元化的智能化產品以及管理模式，其主要依托傳感技術以及多設備網絡連接技術，降低數據處理的難度，能夠實現各領域之間的交互。而從交互理念的角度來看智能化技術的應用，需要綜合物聯網技術來完成升級和創新，強調人與數字產品或者信息服務之間的互動和交流。

1.2 智能可穿戴技術

智能可穿戴技術是以智能可穿戴設備為載體研發的技術體系，強調以人為本的交互理念，其產品類型眾多。一方面，產品本身為可穿戴產品，在此基礎上附加智能化技術來提升產品的功能；另一方面，部分不可穿戴的智能化產品，通過生產模式轉型之后，改變原有的生產規格以及使用形式，將其轉換成可穿戴的智能化產品。而該文是建立在體育用品的基礎上進行的研究，體育用品的類型極為多樣，其中原本具備穿戴功能的體育用品是人們日常生活中必不可少的設備，如防護用具、頭戴用具、服飾、鞋子、智能手環、智能檢測設備，等等。而以交互理念為依托打造的智能可穿戴的體育產品，其主要目的在于獲取人在活動過程中的生理信號，進行信號采集和能量采集，同時監測人的日常行動狀態，滿足某些服務需求。

2 智能可穿戴體育用品的技術研發

2.1 智能可穿戴體育用品類型分析

通過對近些年文體領域的產品研發情況來看，智能可穿戴體育用品的類型多種多樣，也迎合新時期社會發展的需求，進行了大規模的改革和創新，在眾多電商平臺上以及線下實體店都有銷售。而較為常見的智能可穿戴體育用品類型，涉及監測領域以及數據可視化領域，比如心率監測設備、運動定位設備、動作矯正，以及卡路里消耗設備、步數監測設備，等等。

絕大部分的智能可穿戴體育產品會通過非侵入式的傳感器檢測運動者的生理數據以及各項信息。其中所應用的技術包括但不限于智能化技術、物聯網技術、傳感技術，等等。

2.2 智能可穿戴體育用品的技術分析

為了進一步迎合運動者的實際需求，體育產品的功能也逐步多元化，尤其在數據監測方面的呼聲更高，為了進一步促進智能可穿戴體育用品的研發，需要同時滿足可穿戴、智能化監測、日常交互等需求，這對于技術體系的要求較高。

2.2.1 心率監測技術

心率監測技術主要獲取運動者的心率信號，同時將其中的干擾信號排除，并且將獲取到的信號信息轉換成可視化的數據。而常規的心率監測技術主要是獲取運動者的動脈血壓、脈搏波動情況、心電圖等數據。但是，心電圖以及脈搏波動情況容易受到電信號和其他因素的干擾，為了進一步降低干擾影響程度，全面增加監測時長，增強運動員以及運動愛好者的穿戴舒適度，當前較為常見的心率監測技術主要是采取光電容積法作為心率傳感器的主要制備方式，該方法混合了濾波算法，能夠進一步提升可穿戴設備的可靠性，也可以減少心率獲取的誤差。

2.2.2 定位技術

追蹤定位技術是智能可穿戴體育用品的常規功能，而且主要的應用場景包括了對運動者本身的定位以及運動期間對觀測對象的定位兩種。前者主要建立在GPS 系統的基礎上進行定位，而后者是建立在光學捕捉以及視覺運動捕捉的基礎上，針對運動期間需要關注的對象進行定位［1］。該技術在實際應用的過程中需要進行復雜的運算，涉及的成本較高，同時存在耗電量較大的現象。因此，近些年對于定位技術的研發，通常將成本控制以及運算調整作為重點。比如，有一部分產品可以結合使用者運動期間的動能情況進行檢測，綜合慣性輔助定位技術以及GPS定位技術，在運動者未產生動能時，定位系統會暫時關閉，檢測到動能之后會再次開啟。此方式可以延長設備的使用時間，還可以提升使用壽命。

2.2.3 步數監測技術

步數監測技術主要應用在跑步以及徒步等體育運動中，這類運動產品通常需要持續運轉，并且幫助運動者了解當前所處的位置、加速度、跑步里程、跑步頻率等相關信息。這種類型的產品在設計的過程中需要考慮不同運動項目下使用者的實際情況，并且結合人體不同部位上的數據進行校準。例如，一部分產品將步數傳感器放置在手臂、腰帶以及口袋等位置，其檢測結果均有一定的差異性。而大量的實踐證明，傳感器設置在緊貼身體并且靠近手臂位置時，計步器的測量數據最為精準。因此，在可穿戴體育用品設計的過程中，用于進行步數檢測的設備，通常以護腕、運動衣、運動手環為主，能夠提升檢測結果的精準性，也可以提升運動者的使用舒適程度。

2.2.4 動作矯正技術

動作矯正設備以及穿戴產品的研發，其主要目的在于了解人體運動之后的實際姿態，進行肌肉關節壓力的檢測，捕捉人體活動期間的動態，然后進行數據收集（見圖1）。其系統主要依托慣性傳感單元進行運作，如三軸陀螺儀、磁力計、加速度計等設備［2］，可以矯正運動者運動前后的動作姿態，讓運動者在使用過程中能夠時刻掌握正確的運動方法和姿勢。從研究方向上來講，需要進一步提升人和可穿戴產品之間的多感官交互質量，從而增強人運動期間對錯誤動作的敏感度，在提升動作準確性的同時，也可以避免運動傷害。

圖1 智能運動姿勢矯正帶

2.2.5 能量消耗檢測技術

能量消耗檢測技術主要指的是獲取人在運動過程中的時間、運動強度、心跳等信息，配合前期輸入的個人信息進行推算，確定一段時間內運動之后所消耗的能量。該種技術在應用的過程中需要追蹤人體運動的動態規律，并且進行長時間續航才可以提升計算結果的精準性。而從目前的可穿戴體育設備研發角度來講，自供電的設備能夠解決電池續航問題，而動能收集技術也可以將人體運動期間的動能轉化成電能，由此可以實現電能循環。

3 體育用品智能可穿戴技術的應用問題分析

在運動領域可穿戴技術的交互性主要呈現在人體內、信號反饋和數據評估3個層面，為了進一步提升體育用品可穿戴技術的應用價值，更需要從用戶的角度考慮如何進行技術升級才可以增強交互的科學性和合理性，并且考慮可穿戴產品本身的運動舒適性，能夠為體育用品的研發提供更為明確的方向。

3.1 傳感精準度的問題分析

傳感精度是可穿戴體育產品研發過程中的主要影響因素，會影響信息傳遞的時效性和反饋及時性，對于用戶的正常運動行為也會造成限制。因此，新時期的可穿戴智能體育用品的研發，從傳感精度角度講，需要全面監測人體的細微變化，如結合運動心率以及呼吸特點所設置的低壓變形傳感器可以改變壓力傳感器的原有矩陣結構，準確地檢測出人體運動過程中小于1kPa的壓力［3］。也有學者經過研究得出了電容性傳感器能夠在寬線性范圍內進行機械變形［4］，這一特點可以廣泛應用在當前的紡織類可穿戴體育產品中，其柔軟舒適的特性可以提高運動者的使用舒適程度。另外，借助針織品的特性所設計的智能可穿戴腕帶，靠近人體皮膚的區域設置了汗液取讀區域，在運動的過程中可以及時檢測人體的體表溫度以及汗液分泌情況。

同時，由于佩戴在四肢檢測的精準度遠高于胸戴式設備，也可以結合使用者的不同需求，將其放置在其他位置，從而提升檢測結果的精準性。

3.2 信息輸入反饋實時性的影響

在數據信息處理的過程中，需要嚴格按照處理的標準性進行分析，其中以數據預處理和數據提取為主，還涉及數據分類。初始數據中的干擾信息會對后續的輸入和反饋造成影響，所以在初始數據處理期間，必須將其中的干擾信息清除。這期間所利用的濾波技術主要包含了移動平均濾波器、互補濾波器以及卡爾曼濾波器，能夠順利分離出原有數據中的干擾信息，快速地將正確的數據錄入系統，從而實現數據監測。

另外，循環神經網絡以及卷積神經網絡，也是數據分析中較為常見的方法，通過前期的參數預設來進行輸入信號準確度的判斷，從而提升數據檢測的精準性。

縱觀當前絕大部分的紡織類可穿戴體育產品來看，綜合生理數據進行監測，還要考慮增強用戶的體驗感，并且圍繞用戶對于產品的認同度和使用體驗進行成本分析。例如，考慮用戶運動過程中的具體行為和邏輯規律，以此為依托進行技術的升級，構建科學的數據分析和處理體系，能夠讓智能可穿戴體育產品更好地為使用者服務。

3.3 電量續航問題

智能化技術的應用必然以電量為依托，而智能化體育可穿戴產品的使用，其耗電情況和產品的功能、使用時間、硬件功率消耗等因素有直接關系。而戶外的運動條件下，很難實現智能設備和智能可穿戴產品的長時間充電，那么其電量消耗必須滿足長時間運動的需求，由此需要進一步提升儲能性能。

在這一領域絕大部分的智能可穿戴體育產品的儲能方式都是通過能量采集完成，如摩擦電、生物電、過壓電等，能夠實現產品自身電能的循環。同時，從功耗運行的角度來講，也可以通過算法進一步降低設備的運行功耗，全面延長電池使用壽命。

4 以交互理念為依托的體育用品智能可穿戴技術應用

交互理念強調人與產品之間的全方位交互，不僅要提升信息輸入輸出的科學性和合理性，還要增強產品本身的使用價值和性價比。因此，堅持了解用戶的實際使用需求和特點，能夠為智能可穿戴體育產品的研發提供更明確的方向。

4.1 人和環境信息之間的交互

從體育運動的角度來講，可穿戴產品主要體現在距離監測以及運動狀態監測方面，針對當前絕大部分的體育健身可穿戴產品研發情況來看，針對人體的生理信號進行監測是最主要的研究方向，同時還包含了穿戴時長、距離等相關環境信息的采集。而人體數據和環境數據的感應本身較為復雜，二者不能獨立設置，可以采取陀螺儀檢測不同運動者在不同環境下的步距，綜合速度能夠計算出使用者的行走步數以及行走距離［5］。該信息又可以作為能量消耗的主要計算依據，實現人和環境信息之間的交互。而這種方式也不僅限于現實空間的運動行為，在虛擬空間，如利用VR技術打造的運動類游戲以及互動類產品，也可以通過與系統后臺數據進行對接，實現運動時間以及能量消耗的監測，同樣可以實現運動和健身的目的。

4.2 人與產品之間的交互

人和體育用品之間的交互主要體現在可穿戴、使用過程兩個方面。首先，智能體育可穿戴產品需要讀取人的生理信號以及相關需求，通過深度學習以及云計算能夠理解人的具體需求，然后進行數據運行。在這個過程中計算機的理解能力和數據處理能力之間有著直接的關聯，當前也有眾多學者提出了疲勞測試系統以及評估平臺，能夠結合脈搏、心率、腦電波等信息檢測人體是否處于疲勞階段。這是建立在運動醫學的基礎上構建的智能化產品，能夠大大拓展體育智能穿戴產品的功能。

同時，該項技術在交互的過程中還涉及其他終端設備的對接，如可以和使用者的手機藍牙進行連接，可以通過藍牙模塊反饋監測結果給用戶，也可以結合手機進行信息的調整。這種監測系統能夠建立在多模塊傳感以及計算機技術的基礎上，實現使用者和智能可穿戴設備之間的信息交互。

4.3 人與人的交互

可穿戴技術不僅體現在個人與環境乃至產品之間的交互，還涉及人與人之間的交互，尤其在戶外運動的過程中，可以實現團隊合作和個體之間的配合。這種技術體系在當前的馬拉松以及集體運動中較為常見，如可以由領跑者或示范人員穿戴相應的產品，穿戴設備的后側會附加柔性顯示屏［6］，其能夠及時了解跑步者的運動狀態，所有的數據信息都可以通過共享的方式進行傳達。這能夠進一步發揮智能交互產品的陪伴屬性以及協同屬性，進而滿足不同運動者的實際運動需求。

5 結語

綜上所述，在信息技術繁榮發展的環境下，智能化技術已經成為新時代運動不可分割的一部分。而通過智能化技術打造的智能可穿戴體育產品，不僅有著極強的現代化特點，還可以獲取使用者運動期間產生的各項數據和信息，能夠給用戶提供最為真實可靠的運動保障，也可以營造智能化的運動體驗，其中一系列技術體系需要在使用的過程中不斷進行升級，讓智能可穿戴體育用品逐漸走向大眾，也可以推動文旅產品設計理念的創新。