基于TRIZ 理論的運(yùn)動智能護(hù)腕改良設(shè)計(jì)研究

徐計(jì)斌

（邵陽學(xué)院，湖南 邵陽 422100）

在2035 年全面建成體育強(qiáng)國和健康中國目標(biāo)背景下，全民健身已成為我國重要的民生規(guī)劃之一。同時(shí)，為了號召全民科學(xué)鍛煉，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》中制定了一系列與科學(xué)鍛煉健身相關(guān)的指導(dǎo)內(nèi)容[1]。參閱有關(guān)文件，其中明確指出，面對日益嚴(yán)重的人口老齡化問題，要降低中老年人群的患病率，強(qiáng)健體魄，減少發(fā)病率、死亡率與殘疾率，延長壽命。中老年人群體在健身鍛煉過程中，需要關(guān)注的問題是，應(yīng)在運(yùn)動中選擇一定強(qiáng)度的抗阻力訓(xùn)練。進(jìn)一步而言，針對中老年人群體抗阻力訓(xùn)練，由于使用器械不當(dāng)或選擇了過大的阻力，極易造成人體出現(xiàn)嚴(yán)重的肌肉損傷，這與健康中國戰(zhàn)略初衷相違背。

目前市場上智能佩戴產(chǎn)品功能較為豐富，但缺乏針對中老年群體的阻力預(yù)警功能及阻力記憶功能。具備此類功能的產(chǎn)品可保證達(dá)到一定訓(xùn)練效果的同時(shí)，也可輔助健身人員預(yù)防骨質(zhì)疏松，防止肌肉損傷。因此本文旨在設(shè)計(jì)一款具有阻力預(yù)警功能及阻力記憶功能的智能佩戴產(chǎn)品，通過TRIZ 理論深入分析智能護(hù)腕系統(tǒng)，利用通用參數(shù)建立相關(guān)矛盾矩陣，根據(jù)相關(guān)發(fā)明原理來設(shè)計(jì)相關(guān)智能佩戴護(hù)腕，解決痛點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)其在佩戴訓(xùn)練中選擇合適的阻力及強(qiáng)度進(jìn)行訓(xùn)練的目的。

1 TRIZ 理論相關(guān)概述

TRIZ 理論是一種解決發(fā)明問題的方法和工具，利用理論中通用參數(shù)對成千上萬個(gè)問題進(jìn)行解構(gòu)并歸納，建成直觀的矛盾沖突矩陣，得到相關(guān)的發(fā)明原理，進(jìn)而指導(dǎo)人們形成解決所發(fā)現(xiàn)問題的思路并提供可參考的解決方案，分析對比得到最優(yōu)解[2]。所以通過使用TRIZ 理論，解決問題的思維邏輯會更加的清晰，能更加客觀系統(tǒng)地將問題分解并解決。

2 運(yùn)動智能護(hù)腕的研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

通過相關(guān)市場數(shù)據(jù)得知，市面上大多數(shù)與健身相關(guān)的智能佩戴產(chǎn)品，其功能十分豐富。隨著智能佩戴產(chǎn)品的高需求及快速發(fā)展，這些產(chǎn)品已經(jīng)相對成熟，并取得了良好的效果。Pustozerov 等[3]在其文獻(xiàn)中了介紹了一種智能手環(huán)來監(jiān)測妊娠期糖尿病患者的健康狀態(tài)，該手環(huán)系統(tǒng)還可以收集并處理患者的生活方式和膳食數(shù)據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穿戴電子肌肉護(hù)腕對手腕損傷和促進(jìn)功能恢復(fù)有顯著效果。相關(guān)研究成果指出，關(guān)于運(yùn)動性肌肉損傷和恢復(fù)是一個(gè)復(fù)雜的研究領(lǐng)域，影響運(yùn)動性肌肉損傷和恢復(fù)的因素有很多，例如性別、年齡、營養(yǎng)等[4]。Markus 等[5]在其相關(guān)文獻(xiàn)中寫道，目前在運(yùn)動性肌肉損傷和恢復(fù)領(lǐng)域，囿于影響因素間的復(fù)雜性，佩戴產(chǎn)品要兼具以上功能，還需做進(jìn)一步研究。綜上所述，目前國外關(guān)于運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品領(lǐng)域的研究，使得相關(guān)產(chǎn)品通過技術(shù)迭代日趨先進(jìn)，功能愈發(fā)全面的同時(shí)，在預(yù)防運(yùn)動性肌肉損傷方面略顯不足，還需在該細(xì)分領(lǐng)域下投入更多研究。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相較于國外研究，目前國內(nèi)相關(guān)智能佩戴產(chǎn)品，在滿足一定功能的前提下，側(cè)重于老年人群的智能佩戴體驗(yàn)，進(jìn)而通過市場反饋對產(chǎn)品進(jìn)行研究并改良。唐昊陽等[6]在《基于用戶行為邏輯的智能手環(huán)交互設(shè)計(jì)》一文中，針對老年人群用戶行為邏輯，設(shè)計(jì)出更加人性化的智能手環(huán)交互界面，讓老年人群更好地體驗(yàn)到智能服務(wù)的便捷。瞿儲飛梵等[7]在《疫情背景下的老年人智能手環(huán)設(shè)計(jì)》一文中，針對新冠感染疫情期間，老年人群作為疫情重點(diǎn)關(guān)注對象，改良了智能佩戴產(chǎn)品，使得老年人群在疫情期間的出行更加方便，同時(shí)也緩解了疫情期間老年人群的身心壓力。根據(jù)2021—2022 年中國下沉市場智能手環(huán)消費(fèi)行為報(bào)告顯示，2020 年中國可穿戴產(chǎn)品出貨量接近1.1 億臺，同比增長接近7.5%，其中，智能佩戴產(chǎn)品的應(yīng)用場景也在持續(xù)擴(kuò)展，在智能佩戴產(chǎn)品的用戶群體中，有接近34%的人會選擇運(yùn)動中佩戴智能手環(huán)，同時(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)也在不斷上升，說明大家也越來越關(guān)注健康運(yùn)動及預(yù)防運(yùn)動損傷。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)了解到，智能佩戴設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)測的精準(zhǔn)度與標(biāo)準(zhǔn)，相較于醫(yī)療專用設(shè)備存在著一定的差距。但是，智能佩戴設(shè)備相較其他醫(yī)療設(shè)備，為人們提供了更加全面系統(tǒng)的有一定參考性的健康管理方案。綜上所述，目前國內(nèi)運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品還有很大的發(fā)展?jié)摿?，智能佩戴產(chǎn)品的功能豐富性及相關(guān)檢測性是用戶關(guān)注的重點(diǎn)，針對中老年群體預(yù)防運(yùn)動肌肉損傷的運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品的研究還是相對較少。

3 TRIZ 理論在運(yùn)動智能護(hù)腕中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)分析

從系統(tǒng)分析的角度，將運(yùn)動智能護(hù)腕比作一個(gè)功能結(jié)構(gòu)完整的系統(tǒng)，根據(jù)不同的功能進(jìn)行系統(tǒng)分層，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)層間矛盾的可視化，以便從子系統(tǒng)的角度考量尋找矛盾及相應(yīng)的解，從整體到局部再從局部到整體全方位考量運(yùn)動智能護(hù)腕。根據(jù)系統(tǒng)分層原理及市場上相關(guān)的運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品，將某一種智能護(hù)腕作為研究對象進(jìn)行解構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 運(yùn)動智能護(hù)腕功能系統(tǒng)分解

能量系統(tǒng)：為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動智能護(hù)腕的基本工作要求，本文選擇市面上常見的充電底座金屬觸點(diǎn)對準(zhǔn)產(chǎn)品背面充電口金屬觸點(diǎn)的充電方式進(jìn)行能量供應(yīng)。

顯示系統(tǒng)：目前市面上智能佩戴產(chǎn)品的功能主要包含心率的監(jiān)測、步數(shù)的記錄、顯示時(shí)間等。本研究在產(chǎn)品市面上現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上，豐富其功能，增加阻力預(yù)警功能及阻力記憶功能，方便使用者尤其是中老年群體在保證安全的前提下，進(jìn)行適當(dāng)?shù)目棺枇\(yùn)動，從而預(yù)防骨質(zhì)疏松，減緩衰老。

防護(hù)系統(tǒng)：目前市面上的抗阻力防護(hù)的產(chǎn)品智能化程度較低，傳統(tǒng)的護(hù)腕對手腕提供支撐，從而防止肌肉損傷，能夠起到一定的防護(hù)作用，但是并不具備實(shí)時(shí)阻力記錄的記憶等其他功能。而傳統(tǒng)的智能手環(huán)有監(jiān)測心率、記憶步數(shù)等功能，但是并沒有對使用者提供阻力防護(hù)等功能。

控制系統(tǒng)：通過連接手機(jī)APP，進(jìn)行跟蹤控制調(diào)節(jié)產(chǎn)品的相關(guān)設(shè)置及功能選擇。

3.2 建立矛盾矩陣

通用參數(shù)選擇：根據(jù)前期的市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段市面上運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品功能雖較為豐富，心率的監(jiān)測、步數(shù)的記錄等功能是智能佩戴產(chǎn)品中使用較多的功能，但是針對中老年群體的運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品缺乏阻力預(yù)警功能及一定的阻力防護(hù)功能，可將設(shè)計(jì)有關(guān)運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品的技術(shù)矛盾用TRIZ理論中的通用參數(shù)來進(jìn)行描述，TRIZ 理論通用參數(shù)見表1。

表1 TRIZ 通用參數(shù)表

針對市面上現(xiàn)有的運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品進(jìn)行分析總結(jié)，本文設(shè)計(jì)一款針對中老年人群的運(yùn)動智能護(hù)腕，解決問題的過程如下。

3.2.1 正向參數(shù)和負(fù)向參數(shù)的選擇

1）改善通用工程參數(shù)：“3 運(yùn)動物體的長度”“5 運(yùn)動物體的面積”“28 測量精度”。

2）惡化通用工程參數(shù)：“19 運(yùn)動物品的能量消耗”“36 系統(tǒng)的復(fù)雜性”“8 靜止物體的體積”。

3.2.2 建立TRIZ 矛盾矩陣

根據(jù)選擇，改善通用工程參數(shù)及惡化通用工程參數(shù)，建立相關(guān)矛盾矩陣，見表2。

表2 運(yùn)動智能護(hù)腕TRIZ 矛盾矩陣分析

TRIZ 理論提供了40 條發(fā)明原理，上述通過惡化通用工程參數(shù)及改善通用工程參數(shù)交匯對應(yīng)得到相應(yīng)的發(fā)明原理編號，結(jié)合本研究的前期相關(guān)調(diào)研及可行性分析，對得到的發(fā)明原理進(jìn)行適用性及可行性的篩選和排除后，適合本研究的發(fā)明原理有：1 分割原則、3局部性質(zhì)原則、6 多功能原則。

3.3 運(yùn)動智能護(hù)腕設(shè)計(jì)

3.3.1 運(yùn)動智能護(hù)腕方案設(shè)計(jì)

由表3 可知，對前述問題進(jìn)行分析并結(jié)合TRIZ 發(fā)明原理的匯總與篩選，可提出解決有關(guān)問題的設(shè)想與方案。

表3 運(yùn)動智能護(hù)腕方案設(shè)計(jì)匯總表

具體的設(shè)計(jì)方案如圖2 所示，其中，該運(yùn)動智能護(hù)腕包括護(hù)帶主體部分1、智能顯示屏2、預(yù)警燈3、PLC控制器4、護(hù)帶殺菌層及吸汗層5、防滑護(hù)掌6、連接帶7 和防滑護(hù)掌表面的薄膜壓力傳感器8。

圖2 運(yùn)動智能護(hù)腕結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 運(yùn)動智能護(hù)腕功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要針對中老年人群在抗阻力訓(xùn)練時(shí)使用，采用PLC 控制器，在繼承心率檢測功能、顯示時(shí)間功能及藍(lán)牙功能的基礎(chǔ)上，增加了阻力預(yù)警功能及通過藍(lán)牙連接手機(jī)，在相關(guān)APP 上顯示阻力的記憶功能。此時(shí)模擬使用場景，對部分主要功能闡述如下。

當(dāng)使用者進(jìn)行力量訓(xùn)練時(shí)，薄膜壓力傳感器感受到壓力超出或者低于設(shè)定值時(shí)，會向PLC 控制器發(fā)射信號，PLC 控制器控制預(yù)警燈分別亮紅燈或者黃燈，該設(shè)置解決了現(xiàn)有的一些運(yùn)動智能佩戴產(chǎn)品大多不具備預(yù)警功能的問題，產(chǎn)品同時(shí)也具備了目前市面上大多智能佩戴產(chǎn)品所不具備的阻力記憶功能，可以記錄每一次中老年人群進(jìn)行抗阻力訓(xùn)練時(shí)所選擇的阻力及該阻力下進(jìn)行訓(xùn)練的次數(shù)和組數(shù)。

3.3.3 運(yùn)動智能護(hù)腕材料設(shè)計(jì)

本研究考慮到運(yùn)動時(shí)使用者出汗等其他相關(guān)因素，在護(hù)腕材質(zhì)上進(jìn)行了相關(guān)研究和選擇，護(hù)腕材質(zhì)組成包括整個(gè)防護(hù)護(hù)腕護(hù)帶結(jié)構(gòu)1；防護(hù)層2 的材質(zhì)為滌綸乳膠絲材質(zhì)；防護(hù)層2 的下方設(shè)置有透氣層3，透氣層3 的材質(zhì)為棉纖維材質(zhì)；透氣層3 的下方設(shè)置有殺菌層4，殺菌層4 的材質(zhì)為甲殼素纖維材質(zhì)；殺菌層4 的下方設(shè)置有吸汗層5，其材質(zhì)為竹炭纖維材質(zhì)。通過設(shè)置整個(gè)防護(hù)護(hù)腕護(hù)帶結(jié)構(gòu)1 及棉纖維材質(zhì)的透氣層3 配合甲殼素纖維材質(zhì)的殺菌層4 與竹炭纖維材質(zhì)的吸汗層5，不僅對手腕起到防護(hù)的作用，也能使護(hù)腕本體具有吸汗、殺菌、透氣的功能，提升使用者舒適度，如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動智能護(hù)腕材料圖

4 結(jié)束語

通過構(gòu)建運(yùn)動智能護(hù)腕系統(tǒng)并進(jìn)行詳細(xì)分析，得到在研究中應(yīng)注意解決的痛點(diǎn)及目前市面上競品的不足。

通過TRIZ 理論運(yùn)用通用參數(shù)構(gòu)建運(yùn)動智能護(hù)腕矛盾矩陣，根據(jù)本研究相關(guān)調(diào)查和分析，選取適合本研究的發(fā)明原理進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。

建立運(yùn)動智能護(hù)腕問題方案分析表格，進(jìn)行深度挖掘，總結(jié)得到方案設(shè)想與本研究的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能和材料的選擇。解決了中老年群體盲目選擇訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生的阻力及強(qiáng)度的問題，使其能在訓(xùn)練中選擇合適的阻力及強(qiáng)度進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到一定訓(xùn)練效果的同時(shí)，預(yù)防骨質(zhì)疏松，防止肌肉損傷。