基于用户体验及运动追踪的可穿戴设备创新设计

张淼　綦晓倩　李咏梅

摘要：通过对现有可穿戴运动设备的调查和分析，突破现有的记录步数和跟踪睡眠功能，旨在打造一套针对街舞、轮滑等街头运动及瑜伽、舞蹈的新的运动方式。从开放、娱乐、创新、用户体验的角度出发，重新定义一套可穿戴运动设备，包括戴在手腕、脚踝上的运动姿态追踪设备以及放在地面上的动态追踪摄像机，二者结合实现高精度的动作和姿态捕捉;重新定义交互方式和反馈形式，增强运动过程中人与机器的互动。

关键词：工业设计 可穿戴运动设备 交互方式 运动追踪 用户体验

中图分类号：TB47文献标识码：A 文章编号：1003-0069（2020）07-0122-04

引言

微电子、计算机和现代无线通信技术的高速发展，使可穿戴设备具有许多新特点，更强的计算能力、更大的存储空间、更高的数据传输速率、更小设备规格、更低的成本以及更加友好的人机交互能力等[1]，通过内部集成传感器进行数据读取、输出，并可通过无线方式传送给其他电子设备以进行评估。日益发展的全民健身和大数据时代到来，为人们的运动体验和健康监测带来更多可能性[2]。Weast等[3]提出一种具有电子数据存储的运动表现监视和跟踪设备;Einarsson[4]提出一种通过佩戴柔顺物品进行反馈的可穿戴设备;PonsMoll等[5]基于相机图像，提出在室外环境中对满足任意方向或位置运动约束的高难度姿势进行采样;He等[6]提出可穿戴式身体传感器网络;Shull等[7]进行可穿戴传感系统应用于临床环境中的步态分析;Gravina等[8]讨论基于身体传感器网络的问题和优势，关注其在人类活动识别中的应用;WongC等[9]进行可穿戴传感技术在生物力学的研究，可在自由生活环境中持续、长期地监测运动学和动力学。然而，目前可穿戴运动产品的体验依然较为单一[10]，很多运动手环只能够实现记步、睡眠跟踪以及通知提醒等基本功能，很难为其他以技巧和动作要领为主的小范围运动爱好者，如街舞、传统舞蹈、瑜伽等，带来更实用的功能和丰富的体验。

一、现有可穿戴运动设备分析

可穿戴设备可定义为一种小型电子设备，通过传感器进行数据读取、输出，这些数据可通过无线方式传送给其他电子设备以进行评估。过去几年，可穿戴设备的应用大幅增长，主要用于健康监测、人机交互、教育教学工具。

（一）材质分析

可穿戴运动设备一般情况下由可穿戴主体（包括传感器）和固定带组成，这两部分材质的运用决定了佩戴是否舒适、是否贴肤、是否轻薄透气以及成本。如图1所示，是对市面上现有产品在材料运用上的概括和归纳。表1是对不同材料的特点分析。

（二）调节方式分析

进行可穿戴产品设计，不单单是对产品形态以及结构的研究，同时还要考虑到适用人群。使用者的身体差异导致每个人的手腕粗细不等，因此，需考虑固定带的适配度，尺寸、调节方式、固定方式等，以保证满足大多数用户需求，如表2所示。

（三）可穿戴产品形态分析

如图2所示，现有可穿戴产品形态大多数以跑道形、圆形、长方形以及圆角方形为基础形态。在这些形态的基础上，对造型进行等距或者不等距圆角处理、基础形态拼接处理、突起或凹陷处理、弧面处理、分件处理以及纹理处理等，使可穿戴件造型各异，呈现给用户一种或运动、或轻薄、或科技的视觉感受。

（四）可穿戴产品交互方式分析

对于可穿戴设备而言，不同的交互方式影响着用户和设备之间沟通效果，影响着用户使用反馈。不同的交互方式有着各自的特点以及不足，图3是10种常见的交互方式，表3是对这10种交互方式的分析。

二、可穿戴运动设备用户分析

用户体验设计，以人为中心，从生理、心理需求出发，让用户参与到设计当中来。在用户体验设计过程中，需考虑用户的感觉需求、交互需求、情感需求、社会需求、自我需求"1。针对现有可穿戴产品以及其他运动设备在运动领域上的缺口，将用户定位为对街舞、滑板等街头文化较为热爱、更喜欢自由开放的运动形式，或喜欢在闲暇之余玩跳绳、毽子等传统运动设备，并能从中获得乐趣的年轻人。根据用户定位，对2名街舞爱好者、1名舞蹈专业学生、1名瑜伽教师、1名瑜伽爱好者进行实地访谈，了解并分析用户需求，将所得信息归纳整理，建立需求模型，如图4所示。

通过模拟使用情境、头脑风暴等方法，对可穿戴运动产品的使用步骤和过程进行分析，建立用户行为模型，见表4所示。找出用戶在不.同场景中行为方式的差异及潜在问题，总结使用群体多种需求模式，提出解决方案。

调查发现，用户在使用可穿戴设备运动或者学习一项新技能时，经历从新手到熟练的过程，分别对应初学阶段、练习阶段、互动阶段。在此过程中，不仅要满足用户的基本功能需求、实用、认知、可用性等，还要从行为和情感层面出发，满足用户的心理需求，保证丰富的满足、愉悦、安全、沉浸感，从而形成一种全新的体验方式。

三、可穿戴运动设备创新设计

（一）运动姿态追踪技术

常用的运动姿态追踪软硬件技术主要有IMU惯性测量单元[12]、DepthCamera深度摄像机[13]以及传统摄像头和OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary）结合技术[14]。虽然这些方法得到了一定研究，但在实际设备应用中还存在一定问题。

由于加速度原始数据存在误差，系统无法积分出准确的速度[15]导致IMU惯性测量单元存在动作识别不精准，无法获得准确的运动状态及位移信息[16]等问题。DepthCamera深度摄像机虽然可以实现三

维空间内的距离探测，完成位置和运动的推算[17]，实现对多人、简单动作的有效识别[18]，但对于多层次的空间信息识别能力有限，重叠关节的前后位置分辦效果不好，多人环境下无法有效区分用户，且造价昂贵。基于传统摄像头和OpenCV结合技术的像素计算量一般较大，且需要被追踪对象特征明显，如穿着色彩鲜艳的服饰。

為了较好地实现对人体运动姿态的追踪，本文用OpenCV框架辅助下的IMU原始数据的积分和追踪计算技术。IMU原始数据虽然无法实现六自由度（三个正交方向的位移和三个姿态角）的追踪，但借助计算机视觉OpenCV图像分析技术去判断每个动作及关节运动的起止时间点，可以保证多人情形下运动姿态的精准识别。

（二）可穿戴运动设备结构设计

新型可穿戴运动设备由地面跟踪主机和可穿戴扣子两部分构成。可穿戴扣子由用户佩戴，地面追踪主机放置在活动区域的侧面或中央。

1.主机设计

通过对现有可穿戴运动设备的调查和分析[19]，主机采用圆滑造型设计[20]，配合重心调节结构，实现360°地面旋转追踪。整体采用塑件材质，中间层为硅胶套，硅胶套处的塑件可拆卸清洗，同时保证旋转的平稳性。前面板与硅胶套、后盖高度之比为3：5：2，材质的视觉比为1：1，符合形态美学法则黄金比例。主机置于地面时，斜边与地面夹角成40°，在保证整体造型美观的基础上，能够提供最佳拍摄视角。

后盖采用开合操作，对齐后旋转;后盖缺口设计便于放置充电线，并在连接外部设备后能够保证主机的正常旋转;后盖缺口形状与主机侧面斜度保持一致，造型整体感强。整体造型及结构如图5所示。

4个可穿戴扣子可放置在主机后盖中的底座上，保证产品的整体性及外出便携性。底座上带有充电触点，室外运动时可快速完成充电操作。充电座侧面分别是主机开关按钮、USBTypeC接口、提带元素设计，如图6所示。

2.可穿戴扣子设计

可穿戴扣子壳体由金属外壳和塑料外壳组成，如图7。固定带选用布料材质，末端放置一卡扣，实现固定和调节功能。

四、穿戴运动设备功能实现

地面跟踪主机的外壳包括前面板1.与前面板联结的塑料套2.包裹塑料套外壁的硅胶套3.后盖4.前面板内部安装镜头5.镜头与主板总线连接。前面板内部镜头的外围设有交互区域触控元件6.该元件搭载有环状排布的贴片式LED和电容触控电路的印刷电路板，以此实现与用户的交互。当地面追踪主机转离正面位置时，环状排布的贴片式LED的“亮、灭序列”随即向前移动，保证用户看到的仍然是直立的交互界面。塑料壳体之间的分件处，设有发声原元件7.该发声单元可播放音频，并借助线性振动单元向用户传递节奏信息。在硅胶套内的主壳体内侧安装有平衡配重调节机构，由步进电机驱动并绕轴线旋转。

用户在使用时，地面追踪主机自动检测到用户即将接触影像传感器的边界或者运动到画幅之外时，会自动驱动平衡配重调节机构的步进电机、带动平衡配重向用户运动趋势的方向运动，使机体向用户所在的方向滚动，进而使用户重新回到影像传感器画幅中央，保证追踪功能的正常工作，如图8。

后盖内有充电座8、充电/视频输出接口9、电源开关10，当可穿戴扣子电量耗尽时，用户可打开后盖，将可穿戴扣子插到充电座上，地面跟踪主机即将自己的电能输出给扣子;主机电量耗尽时，将电缆插在后盖内的充电接口上即可，如图9所示。

可穿戴扣子的壳体由金属外壳11和包裹的塑料外壳12组成，壳体底部设有用于连接在身体上的钣金环以及连接结构13，在金属外壳内部设有电池和搭载有惯性测量单元、全向天线、充电触点、线性振动单元的电路板，在塑料外壳12的左侧包裹部分内部设有充电触点和全向天线。而惯性测量单元可采集用户手腕和脚踝位置的运动趋势，结合地面追踪主机的镜头画面，还原出其关节动作，并通过不同的振动反馈样式向用户传达“动作是否标准”等指引信息。

该装置可同时满足多人互动模式，每名用户分别佩戴一枚可穿戴扣子，地面追踪主机自动将佩戴有可穿戴扣子的人识别为参与者，并为其提供互动功能，图10为样机制作及测试。

结论

针对街舞、瑜伽、跳绳等小范围运动方式，重新思考运动情境和可穿戴类产品的关联性，进行模块化、创新型产品设计，突出辅助运动功能及实时追踪功能，让使用者沉浸在更加放松有趣、自然的互动体验中，为可穿戴运动产品设计构建了一种新的使用场景、交互形式和思路参考。

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