可穿戴智能设备的用户交互技术

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 李剑炜

随着电子设备和人工智能技术的发展，用户交互在智能设备中的重要性与日俱增，现如今的传统电子设备已经无法满足用户对于便携性和功能性的需求。而更为轻便智能的可穿戴设备作为传统电子设备的替代品逐渐被广大用户所接受。本文将从人机交互的角度对可穿戴设备的现有技术进行回顾，对该领域的各种主流技术的重点专利申请、重要生产商及其研究重点进行总结，最后展望了未来可穿戴智能电子设备的发展前景。

目前，可穿戴设备的用户交互数据包括的采集方式有用户的身体数据（如脑电波、心率、脉搏）、生物电数据（如静息电位）；面部、手指、身体躯干等的行为检测；眼部以及目光追踪；环境数据（如温度、湿度、海拔、空气清洁度等）；场景适应（如热致变色、光致变色、电致变色等）。还有例如通过肌电图（EMG)以及结合麦克风或其他声学传感器来识别口腔运动。

除此之外，智能穿戴设备更期望达到的目的是使用普通电子设备时不局限于传统场景、使可穿戴设备达到与普通智能终端实现同样的功能、以及通过近距离接触获取身体信息达到万物互联等。其中，为了使智能穿戴设备达到以上功能，其需要的技术分布覆盖了传感器、终端互联、集成芯片、电源控制和操作系统等多个方面。

可穿戴智能设备可按照穿戴方式分为头戴式、腕带式、携带式和身穿式四种类型，根据类型的不同，设备执行不同的功能，也使用不同种类的交互方式。下面将四类设备的主要产品及交互方式进行举例。

1 头戴式设备

头戴式设备最常见的有：头盔式AR设备、眼镜式AR设备等。其特点包括：可以展示用户所在的真实场景与虚拟场景的融合、可利用骨传导或耳机发送私密声音信号、与用户所在的空间属性和头颈运动属性高度相关。头戴式智能设备的交互方式有：耳机或骨传导；增强现实或虚拟现实；语音控制；肢体运动感应（如陀螺仪或重力传感器）；身体信息感应（如脑电波）等。智能眼镜的专利申请主要集中在三星、谷歌、微软、索尼等国外公司手中。对于引起广泛关注的谷歌眼镜是谷歌公司在2012年推出的，与此同时谷歌公司申请了一件用于虚拟输入设备的方法和系统的相关专利，利用用户佩戴的眼镜将虚拟键盘投射到平面上，并获取手指的位置判定将要产生的动作。此外，在2015年微软也为其智能穿戴技术申请了涉及微型投影仪的眼镜，用以使眼镜佩戴者可以通过手势进行智能控制，并配合智能指环和手表等设备共同使用。

在国外技术大潮的影响之下，国内公司也相应提出了针对智能头戴技术的专利申请。联想提出的专利申请中，基于用户瞳孔位置变化确定用户视线注视的位置，使用户可以控制例如针对显示的阅读应用的翻页、视频应用的快进快退等，实现无需传统的手指操作即可达到浏览多媒体的功能。小米公司提出了一种拍摄控制方法及装置，使得智能穿戴设备检测到用户预设动作的同时自动触发智能终端进行拍照，从而实现遥控拍照的功能。

而对于使用脑电波进行交互的可穿戴设备，三星公司申请的专利中根据采集用户的脑电波，确定用户对于注视信息的偏好程度，便于电子设备配置用户显示内容UI。此外，LG公司更是使用了用户视线与手势相结合的方式进行交互，使在不抛弃传统手势的基础上增加了更多与可穿戴智能终端交互的功能。

2 腕带式设备

腕带式设备是现如今智能穿戴设备中最普及和最常见的类型，包括有智能手表和运动手环等。在现如今各厂商智能手表的推广，以及以欧姆龙代表的医疗产品在智能手环上的应用，作为最易于实现的智能穿戴设备的腕带式设备已经成功应用在了普通人的日常生活中。根据统计机构最新数据，苹果公司的iWatch、Gamin（佳明）运动手表和华为智能手表合并的市场份额达到了接近70%。

腕带式智能穿戴设备特点包括：可贴近式测量用户身体参数、最接近用户的行为习惯（利用手或肢体）、一般利用低功耗通信技术（如蓝牙4.0）与手机App配合使用、作为传统移动智能设备的辅助工具（如接收通知、快速设置）等等。腕带式设备的交互方式与普通智能终端也更加相似，因此也更容易被用户接受。

而人机交互作为智能手表未来主要的突破方向，必须要满足更多样化的感知和交互操作模式。从最简单的通过手指按压触摸屏上的按键实现相应功能，到通过感测肌肉、关节、外部环境等方式进行智能穿戴设备的控制，可穿戴智能设备的用户交互朝着更多功能更方便用户使用的方向改变。例如LG公司申请的专利通过位置传感器感测与预设的激活手势相对应的位置变化，如使用终端与手表贴近或触碰，使用户在没有按下辅助按钮的情况下可以激活手表式移动终端的屏幕，达到快速配对的功能。更多的生产厂商使用了基于手臂肌肉电流检测和运动传感器来进行手势识别的方案。西安电子科技大学的专利申请提出了基于动作识别的智能手表及动作识别方法，使用者可以通过手臂的抬起、晃动和移动方向对设备内菜单进行控制。索尼公司的专利申请更提出了关闭触摸传感器，仅通过加速度传感器来判断用户姿势，进一步开启智能设备不同功能的技术方案。

此外，智能手表较多应用于医疗健康领域，利用生物传感器实现健康预警、病情监控等。而借助环境传感器采集的温度、湿度、气体、气压、紫外线等环境数据，主要用于环境监测、天气预报、健康提醒等。

3 携带式设备

与智能手环相比，智能携带式设备普及范围更小，也没有智能手环应用的广泛。其现有代表包括：Airtag、Smarttag。例如苹果公司在2021年春季发布会上发布的Airtag以及三星在更早时间发布的Smarttag，都是通过将物品绑定蓝牙发送器已达到防丢防走失功能。而与智能防丢设备相比，耳戴式设备更具有便携性和通用型。耳戴式设备的主要用途是通信和音频播放，轻便、长续航、易充电等优势功能已成为耳戴式设备的基本特点。例如苹果公司的Airpods系列产品，在2020年全球无线耳机市场中占据了将近一半的份额。其不但能够实现语音控制、触摸响应、蓝牙连接等基本功能，而且在支持无线充电后，也真正实现了成为一款纯无线的智能穿戴设备。

4 身穿式设备

由于获取的数据更加精确，身穿式设备相较于其他智能穿戴设备而言，更多的应用在专业度较高的领域。例如俱乐部中关于运动员的身体状况管理、医院中对于病人的远程监控、或者极端条件下作业人员的安全监控等方面。现有的能够近距离接触到的身穿式设备包括：三星SmartSuits、UnderArmour智能跑鞋、Nike HyperAdapt Trainer等。其特点有：直接穿在身体上或与日常穿着结合、高精度获取待测数据。相对应的交互方式包括：借助服装材料的特殊性进行反馈（如变色、身体的压力及触觉反馈）；肢体运动感应（如肌肉检测）；可贴近式测量用户身体参数；基于特殊服装材料，实现防护、伪装、提升身体性能等功能。

例如耐克公司申请的专利提出的通过在运动鞋中增加芯片，将用户的运动信息包括运动路径、卡路里等进行分析，以此实现对用户运动行为的监测。索尼公司申请的专利提出的智能可穿戴设备可以根据传感器收集用户生物特征中的一项或多项进行分析，并将用户的健康状态上传至远程计算机进行评估。以及可嵌入人体内部仿生性能的智能服装，可提高人体机能的柔性外骨骼、适用于各种环境参数的主动式热管理皮肤衣等。更多的，身穿式设备可以应用于军事领域，在作战中可以根据采集到的环境信息智能调整防护手段，如热致变色、光致变色、电致变色，以帮助作战人员躲避红外、雷达追踪；智能识别环境属性，在识别到有害化学物时，能响应外部刺激，为穿着者提供即时阻隔和保护。

随着高分辨率显示设备、柔性屏幕、微型处理器、多功能传感器等技术的飞速发展，智能穿戴设备从概念走向市场，也从相对独立的智能移动计算机转向了电子智能生态系统中的一分子。与云平台或跨平台系统的便捷交互，智能采集数据信息，适配多种便于用户交互行为的智能穿戴应用，以及建立与物联网的有机联系已经成了可穿戴设备成功的关键所在。这一切都为交互设计提供了很大的发挥作用的空间。开发人员与用户体验的同步提升共同促进了可穿戴设备用户交互领域突飞猛进的发展。由上面列举的可穿戴智能设备的发展和类型变化，基于现如今5G应用的快速发展，我们可以预见到今后的可穿戴设备的用户交互将会朝着代替传统计算设备、密集互联和专用化方向发展。普通的基于用户接触进行响应的交互方式将会在不久的未来逐渐退出市场，而利用各种精密的传感器、神经网络、云计算、语音识别系统、或者依靠判断用户的普通行为进行用户需求的判断即将取代硬性的用户手势交互成为新产品的发展趋势。同时，也可以利用交互设计注重用户使用模式及服务体系设计的优势，通过创新性应用和生态系统的设计，推动可穿戴设备在现有技术基础上的进一步发展。