體育用品智能可穿戴技術(shù)及其應(yīng)用研究

郭艷琴

(揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué) 江蘇揚(yáng)州 225100)

隨著我國社會(huì)發(fā)展水平的逐步提升，文體類用品的研發(fā)也逐步向智能化方向轉(zhuǎn)型，尤其是新型體育用品的研發(fā)，不僅要滿足使用者的活動(dòng)需求及使用場景，還要從功能和設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步增強(qiáng)智能可穿戴體育用品的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。該文從理論分析以及文獻(xiàn)研究的角度出發(fā)，綜合交互理論探究了智能可穿戴體育用品的研發(fā)方向以及技術(shù)應(yīng)用情況，以此來為我國相關(guān)體育用品研發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)升級(jí)提供參考。

1 基礎(chǔ)理論分析

1.1 智能化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

智能化技術(shù)是現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的產(chǎn)物，能夠結(jié)合人們的生產(chǎn)生活需求，打造多元化的智能化產(chǎn)品以及管理模式，其主要依托傳感技術(shù)以及多設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，降低數(shù)據(jù)處理的難度，能夠?qū)崿F(xiàn)各領(lǐng)域之間的交互。而從交互理念的角度來看智能化技術(shù)的應(yīng)用，需要綜合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來完成升級(jí)和創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)人與數(shù)字產(chǎn)品或者信息服務(wù)之間的互動(dòng)和交流。

1.2 智能可穿戴技術(shù)

智能可穿戴技術(shù)是以智能可穿戴設(shè)備為載體研發(fā)的技術(shù)體系，強(qiáng)調(diào)以人為本的交互理念，其產(chǎn)品類型眾多。一方面，產(chǎn)品本身為可穿戴產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上附加智能化技術(shù)來提升產(chǎn)品的功能；另一方面，部分不可穿戴的智能化產(chǎn)品，通過生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型之后，改變?cè)械纳a(chǎn)規(guī)格以及使用形式，將其轉(zhuǎn)換成可穿戴的智能化產(chǎn)品。而該文是建立在體育用品的基礎(chǔ)上進(jìn)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?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚脑O(shè)備，如防護(hù)用具、頭戴用具、服飾、鞋子、智能手環(huán)、智能檢測設(shè)備，等等。而以交互理念為依托打造的智能可穿戴的體育產(chǎn)品，其主要目的在于獲取人在活動(dòng)過程中的生理信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)采集和能量采集，同時(shí)監(jiān)測人的日常行動(dòng)狀態(tài)，滿足某些服務(wù)需求。

2 智能可穿戴體育用品的技術(shù)研發(fā)

2.1 智能可穿戴體育用品類型分析

通過對(duì)近些年文體領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)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(shí)期社會(huì)發(fā)展的需求，進(jìn)行了大規(guī)模的改革和創(chuàng)新，在眾多電商平臺(tái)上以及線下實(shí)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(jiān)測領(lǐng)域以及數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域，比如心率監(jiān)測設(shè)備、運(yùn)動(dòng)定位設(shè)備、動(dòng)作矯正，以及卡路里消耗設(shè)備、步數(shù)監(jiān)測設(shè)備，等等。

絕大部分的智能可穿戴體育產(chǎn)品會(huì)通過非侵入式的傳感器檢測運(yùn)動(dòng)者的生理數(shù)據(jù)以及各項(xiàng)信息。其中所應(yīng)用的技術(shù)包括但不限于智能化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感技術(shù)，等等。

2.2 智能可穿戴體育用品的技術(shù)分析

為了進(jìn)一步迎合運(yùn)動(dòng)者的實(shí)際需求，體育產(chǎn)品的功能也逐步多元化，尤其在數(shù)據(jù)監(jiān)測方面的呼聲更高，為了進(jìn)一步促進(jìn)智能可穿戴體育用品的研發(fā)，需要同時(shí)滿足可穿戴、智能化監(jiān)測、日常交互等需求，這對(duì)于技術(shù)體系的要求較高。

2.2.1 心率監(jiān)測技術(shù)

心率監(jiān)測技術(shù)主要獲取運(yùn)動(dòng)者的心率信號(hào)，同時(shí)將其中的干擾信號(hào)排除，并且將獲取到的信號(hào)信息轉(zhuǎn)換成可視化的數(shù)據(jù)。而常規(guī)的心率監(jiān)測技術(shù)主要是獲取運(yùn)動(dòng)者的動(dòng)脈血壓、脈搏波動(dòng)情況、心電圖等數(shù)據(jù)。但是，心電圖以及脈搏波動(dòng)情況容易受到電信號(hào)和其他因素的干擾，為了進(jìn)一步降低干擾影響程度，全面增加監(jiān)測時(shí)長，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員以及運(yùn)動(dòng)愛好者的穿戴舒適度，當(dāng)前較為常見的心率監(jiān)測技術(shù)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(jìn)一步提升可穿戴設(shè)備的可靠性，也可以減少心率獲取的誤差。

2.2.2 定位技術(shù)

追蹤定位技術(shù)是智能可穿戴體育用品的常規(guī)功能，而且主要的應(yīng)用場景包括了對(duì)運(yùn)動(dòng)者本身的定位以及運(yùn)動(dòng)期間對(duì)觀測對(duì)象的定位兩種。前者主要建立在GPS 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行定位，而后者是建立在光學(xué)捕捉以及視覺運(yùn)動(dòng)捕捉的基礎(chǔ)上，針對(duì)運(yùn)動(dòng)期間需要關(guān)注的對(duì)象進(jìn)行定位［1］。該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過程中需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，涉及的成本較高，同時(shí)存在耗電量較大的現(xiàn)象。因此，近些年對(duì)于定位技術(shù)的研發(fā)，通常將成本控制以及運(yùn)算調(diào)整作為重點(diǎn)。比如，有一部分產(chǎn)品可以結(jié)合使用者運(yùn)動(dòng)期間的動(dòng)能情況進(jìn)行檢測，綜合慣性輔助定位技術(shù)以及GPS定位技術(shù)，在運(yùn)動(dòng)者未產(chǎn)生動(dòng)能時(shí)，定位系統(tǒng)會(huì)暫時(shí)關(guān)閉，檢測到動(dòng)能之后會(huì)再次開啟。此方式可以延長設(shè)備的使用時(shí)間，還可以提升使用壽命。

2.2.3 步數(shù)監(jiān)測技術(shù)

步數(shù)監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用在跑步以及徒步等體育運(yùn)動(dòng)中，這類運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品通常需要持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且?guī)椭\(yùn)動(dòng)者了解當(dāng)前所處的位置、加速度、跑步里程、跑步頻率等相關(guān)信息。這種類型的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)的過程中需要考慮不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目下使用者的實(shí)際情況，并且結(jié)合人體不同部位上的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。例如，一部分產(chǎn)品將步數(shù)傳感器放置在手臂、腰帶以及口袋等位置，其檢測結(jié)果均有一定的差異性。而大量的實(shí)踐證明，傳感器設(shè)置在緊貼身體并且靠近手臂位置時(shí)，計(jì)步器的測量數(shù)據(jù)最為精準(zhǔn)。因此，在可穿戴體育用品設(shè)計(jì)的過程中，用于進(jìn)行步數(shù)檢測的設(shè)備，通常以護(hù)腕、運(yùn)動(dòng)衣、運(yùn)動(dòng)手環(huán)為主，能夠提升檢測結(jié)果的精準(zhǔn)性，也可以提升運(yùn)動(dòng)者的使用舒適程度。

2.2.4 動(dòng)作矯正技術(shù)

動(dòng)作矯正設(shè)備以及穿戴產(chǎn)品的研發(fā)，其主要目的在于了解人體運(yùn)動(dòng)之后的實(shí)際姿態(tài)，進(jìn)行肌肉關(guān)節(jié)壓力的檢測，捕捉人體活動(dòng)期間的動(dòng)態(tài)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)收集（見圖1）。其系統(tǒng)主要依托慣性傳感單元進(jìn)行運(yùn)作，如三軸陀螺儀、磁力計(jì)、加速度計(jì)等設(shè)備［2］，可以矯正運(yùn)動(dòng)者運(yùn)動(dòng)前后的動(dòng)作姿態(tài)，讓運(yùn)動(dòng)者在使用過程中能夠時(shí)刻掌握正確的運(yùn)動(dòng)方法和姿勢(shì)。從研究方向上來講，需要進(jìn)一步提升人和可穿戴產(chǎn)品之間的多感官交互質(zhì)量，從而增強(qiáng)人運(yùn)動(dòng)期間對(duì)錯(cuò)誤動(dòng)作的敏感度，在提升動(dòng)作準(zhǔn)確性的同時(shí)，也可以避免運(yùn)動(dòng)傷害。

圖1 智能運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)矯正帶

2.2.5 能量消耗檢測技術(shù)

能量消耗檢測技術(shù)主要指的是獲取人在運(yùn)動(dòng)過程中的時(shí)間、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、心跳等信息，配合前期輸入的個(gè)人信息進(jìn)行推算，確定一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)之后所消耗的能量。該種技術(shù)在應(yīng)用的過程中需要追蹤人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)規(guī)律，并且進(jìn)行長時(shí)間續(xù)航才可以提升計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性。而從目前的可穿戴體育設(shè)備研發(fā)角度來講，自供電的設(shè)備能夠解決電池續(xù)航問題，而動(dòng)能收集技術(shù)也可以將人體運(yùn)動(dòng)期間的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，由此可以實(shí)現(xiàn)電能循環(huán)。

3 體育用品智能可穿戴技術(shù)的應(yīng)用問題分析

在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域可穿戴技術(shù)的交互性主要呈現(xiàn)在人體內(nèi)、信號(hào)反饋和數(shù)據(jù)評(píng)估3個(gè)層面，為了進(jìn)一步提升體育用品可穿戴技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，更需要從用戶的角度考慮如何進(jìn)行技術(shù)升級(jí)才可以增強(qiáng)交互的科學(xué)性和合理性，并且考慮可穿戴產(chǎn)品本身的運(yùn)動(dòng)舒適性，能夠?yàn)轶w育用品的研發(fā)提供更為明確的方向。

3.1 傳感精準(zhǔn)度的問題分析

傳感精度是可穿戴體育產(chǎn)品研發(fā)過程中的主要影響因素，會(huì)影響信息傳遞的時(shí)效性和反饋及時(shí)性，對(duì)于用戶的正常運(yùn)動(dòng)行為也會(huì)造成限制。因此，新時(shí)期的可穿戴智能體育用品的研發(fā)，從傳感精度角度講，需要全面監(jiān)測人體的細(xì)微變化，如結(jié)合運(yùn)動(dòng)心率以及呼吸特點(diǎn)所設(shè)置的低壓變形傳感器可以改變壓力傳感器的原有矩陣結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確地檢測出人體運(yùn)動(dòng)過程中小于1kPa的壓力［3］。也有學(xué)者經(jīng)過研究得出了電容性傳感器能夠在寬線性范圍內(nèi)進(jìn)行機(jī)械變形［4］，這一特點(diǎn)可以廣泛應(yīng)用在當(dāng)前的紡織類可穿戴體育產(chǎn)品中，其柔軟舒適的特性可以提高運(yùn)動(dòng)者的使用舒適程度。另外，借助針織品的特性所設(shè)計(jì)的智能可穿戴腕帶，靠近人體皮膚的區(qū)域設(shè)置了汗液取讀區(qū)域，在運(yùn)動(dòng)的過程中可以及時(shí)檢測人體的體表溫度以及汗液分泌情況。

同時(shí)，由于佩戴在四肢檢測的精準(zhǔn)度遠(yuǎn)高于胸戴式設(shè)備，也可以結(jié)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(jié)果的精準(zhǔn)性。

3.2 信息輸入反饋實(shí)時(shí)性的影響

在數(shù)據(jù)信息處理的過程中，需要嚴(yán)格按照處理的標(biāo)準(zhǔn)性進(jìn)行分析，其中以數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)提取為主，還涉及數(shù)據(jù)分類。初始數(shù)據(jù)中的干擾信息會(huì)對(duì)后續(xù)的輸入和反饋造成影響，所以在初始數(shù)據(jù)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(shù)主要包含了移動(dòng)平均濾波器、互補(bǔ)濾波器以及卡爾曼濾波器，能夠順利分離出原有數(shù)據(jù)中的干擾信息，快速地將正確的數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測。

另外，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也是數(shù)據(jù)分析中較為常見的方法，通過前期的參數(shù)預(yù)設(shè)來進(jìn)行輸入信號(hào)準(zhǔn)確度的判斷，從而提升數(shù)據(jù)檢測的精準(zhǔn)性。

縱觀當(dāng)前絕大部分的紡織類可穿戴體育產(chǎn)品來看，綜合生理數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，還要考慮增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)感，并且圍繞用戶對(duì)于產(chǎn)品的認(rèn)同度和使用體驗(yàn)進(jìn)行成本分析。例如，考慮用戶運(yùn)動(dòng)過程中的具體行為和邏輯規(guī)律，以此為依托進(jìn)行技術(shù)的升級(jí)，構(gòu)建科學(xué)的數(shù)據(jù)分析和處理體系，能夠讓智能可穿戴體育產(chǎn)品更好地為使用者服務(wù)。

3.3 電量續(xù)航問題

智能化技術(shù)的應(yīng)用必然以電量為依托，而智能化體育可穿戴產(chǎn)品的使用，其耗電情況和產(chǎn)品的功能、使用時(shí)間、硬件功率消耗等因素有直接關(guān)系。而戶外的運(yùn)動(dòng)條件下，很難實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備和智能可穿戴產(chǎn)品的長時(shí)間充電，那么其電量消耗必須滿足長時(shí)間運(yùn)動(dòng)的需求，由此需要進(jìn)一步提升儲(chǔ)能性能。

在這一領(lǐng)域絕大部分的智能可穿戴體育產(chǎn)品的儲(chǔ)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?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品自身電能的循環(huán)。同時(shí)，從功耗運(yùn)行的角度來講，也可以通過算法進(jìn)一步降低設(shè)備的運(yùn)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(shù)應(yīng)用

交互理念強(qiáng)調(diào)人與產(chǎn)品之間的全方位交互，不僅要提升信息輸入輸出的科學(xué)性和合理性，還要增強(qiáng)產(chǎn)品本身的使用價(jià)值和性價(jià)比。因此，堅(jiān)持了解用戶的實(shí)際使用需求和特點(diǎn)，能夠?yàn)橹悄芸纱┐黧w育產(chǎn)品的研發(fā)提供更明確的方向。

4.1 人和環(huán)境信息之間的交互

從體育運(yùn)動(dòng)的角度來講，可穿戴產(chǎn)品主要體現(xiàn)在距離監(jiān)測以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測方面，針對(duì)當(dāng)前絕大部分的體育健身可穿戴產(chǎn)品研發(fā)情況來看，針對(duì)人體的生理信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測是最主要的研究方向，同時(shí)還包含了穿戴時(shí)長、距離等相關(guān)環(huán)境信息的采集。而人體數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的感應(yīng)本身較為復(fù)雜，二者不能獨(dú)立設(shè)置，可以采取陀螺儀檢測不同運(yùn)動(dòng)者在不同環(huán)境下的步距，綜合速度能夠計(jì)算出使用者的行走步數(shù)以及行走距離［5］。該信息又可以作為能量消耗的主要計(jì)算依據(jù)，實(shí)現(xiàn)人和環(huán)境信息之間的交互。而這種方式也不僅限于現(xiàn)實(shí)空間的運(yùn)動(dòng)行為，在虛擬空間，如利用VR技術(shù)打造的運(yùn)動(dòng)類游戲以及互動(dòng)類產(chǎn)品，也可以通過與系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)間以及能量消耗的監(jiān)測，同樣可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和健身的目的。

4.2 人與產(chǎn)品之間的交互

人和體育用品之間的交互主要體現(xiàn)在可穿戴、使用過程兩個(gè)方面。首先，智能體育可穿戴產(chǎn)品需要讀取人的生理信號(hào)以及相關(guān)需求，通過深度學(xué)習(xí)以及云計(jì)算能夠理解人的具體需求，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)行。在這個(gè)過程中計(jì)算機(jī)的理解能力和數(shù)據(jù)處理能力之間有著直接的關(guān)聯(lián)，當(dāng)前也有眾多學(xué)者提出了疲勞測試系統(tǒng)以及評(píng)估平臺(tái)，能夠結(jié)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(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的智能化產(chǎn)品，能夠大大拓展體育智能穿戴產(chǎn)品的功能。

同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)在交互的過程中還涉及其他終端設(shè)備的對(duì)接，如可以和使用者的手機(jī)藍(lán)牙進(jìn)行連接，可以通過藍(lán)牙模塊反饋監(jiān)測結(jié)果給用戶，也可以結(jié)合手機(jī)進(jìn)行信息的調(diào)整。這種監(jiān)測系統(tǒng)能夠建立在多模塊傳感以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)使用者和智能可穿戴設(shè)備之間的信息交互。

4.3 人與人的交互

可穿戴技術(shù)不僅體現(xiàn)在個(gè)人與環(huán)境乃至產(chǎn)品之間的交互，還涉及人與人之間的交互，尤其在戶外運(yùn)動(dòng)的過程中，可以實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)合作和個(gè)體之間的配合。這種技術(shù)體系在當(dāng)前的馬拉松以及集體運(yùn)動(dòng)中較為常見，如可以由領(lǐng)跑者或示范人員穿戴相應(yīng)的產(chǎn)品，穿戴設(shè)備的后側(cè)會(huì)附加柔性顯示屏［6］，其能夠及時(shí)了解跑步者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所有的數(shù)據(jù)信息都可以通過共享的方式進(jìn)行傳達(dá)。這能夠進(jìn)一步發(fā)揮智能交互產(chǎn)品的陪伴屬性以及協(xié)同屬性，進(jìn)而滿足不同運(yùn)動(dòng)者的實(shí)際運(yùn)動(dòng)需求。

5 結(jié)語

綜上所述，在信息技術(shù)繁榮發(fā)展的環(huán)境下，智能化技術(shù)已經(jīng)成為新時(shí)代運(yùn)動(dòng)不可分割的一部分。而通過智能化技術(shù)打造的智能可穿戴體育產(chǎn)品，不僅有著極強(qiáng)的現(xiàn)代化特點(diǎn)，還可以獲取使用者運(yùn)動(dòng)期間產(chǎn)生的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和信息，能夠給用戶提供最為真實(shí)可靠的運(yùn)動(dòng)保障，也可以營造智能化的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)，其中一系列技術(shù)體系需要在使用的過程中不斷進(jìn)行升級(jí)，讓智能可穿戴體育用品逐漸走向大眾，也可以推動(dòng)文旅產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新。