体育用品智能可穿戴技术及其应用研究

郭艳琴

(扬州市职业大学 江苏扬州 225100)

随着我国社会发展水平的逐步提升，文体类用品的研发也逐步向智能化方向转型，尤其是新型体育用品的研发，不仅要满足使用者的活动需求及使用场景，还要从功能和设计方面进行优化，进一步增强智能可穿戴体育用品的实际应用价值。该文从理论分析以及文献研究的角度出发，综合交互理论探究了智能可穿戴体育用品的研发方向以及技术应用情况，以此来为我国相关体育用品研发领域的技术升级提供参考。

1 基础理论分析

1.1 智能化技术的应用现状

智能化技术是现代化社会发展的产物，能够结合人们的生产生活需求，打造多元化的智能化产品以及管理模式，其主要依托传感技术以及多设备网络连接技术，降低数据处理的难度，能够实现各领域之间的交互。而从交互理念的角度来看智能化技术的应用，需要综合物联网技术来完成升级和创新，强调人与数字产品或者信息服务之间的互动和交流。

1.2 智能可穿戴技术

智能可穿戴技术是以智能可穿戴设备为载体研发的技术体系，强调以人为本的交互理念，其产品类型众多。一方面，产品本身为可穿戴产品，在此基础上附加智能化技术来提升产品的功能；另一方面，部分不可穿戴的智能化产品，通过生产模式转型之后，改变原有的生产规格以及使用形式，将其转换成可穿戴的智能化产品。而该文是建立在体育用品的基础上进行的研究，体育用品的类型极为多样，其中原本具备穿戴功能的体育用品是人们日常生活中必不可少的设备，如防护用具、头戴用具、服饰、鞋子、智能手环、智能检测设备，等等。而以交互理念为依托打造的智能可穿戴的体育产品，其主要目的在于获取人在活动过程中的生理信号，进行信号采集和能量采集，同时监测人的日常行动状态，满足某些服务需求。

2 智能可穿戴体育用品的技术研发

2.1 智能可穿戴体育用品类型分析

通过对近些年文体领域的产品研发情况来看，智能可穿戴体育用品的类型多种多样，也迎合新时期社会发展的需求，进行了大规模的改革和创新，在众多电商平台上以及线下实体店都有销售。而较为常见的智能可穿戴体育用品类型，涉及监测领域以及数据可视化领域，比如心率监测设备、运动定位设备、动作矫正，以及卡路里消耗设备、步数监测设备，等等。

绝大部分的智能可穿戴体育产品会通过非侵入式的传感器检测运动者的生理数据以及各项信息。其中所应用的技术包括但不限于智能化技术、物联网技术、传感技术，等等。

2.2 智能可穿戴体育用品的技术分析

为了进一步迎合运动者的实际需求，体育产品的功能也逐步多元化，尤其在数据监测方面的呼声更高，为了进一步促进智能可穿戴体育用品的研发，需要同时满足可穿戴、智能化监测、日常交互等需求，这对于技术体系的要求较高。

2.2.1 心率监测技术

心率监测技术主要获取运动者的心率信号，同时将其中的干扰信号排除，并且将获取到的信号信息转换成可视化的数据。而常规的心率监测技术主要是获取运动者的动脉血压、脉搏波动情况、心电图等数据。但是，心电图以及脉搏波动情况容易受到电信号和其他因素的干扰，为了进一步降低干扰影响程度，全面增加监测时长，增强运动员以及运动爱好者的穿戴舒适度，当前较为常见的心率监测技术主要是采取光电容积法作为心率传感器的主要制备方式，该方法混合了滤波算法，能够进一步提升可穿戴设备的可靠性，也可以减少心率获取的误差。

2.2.2 定位技术

追踪定位技术是智能可穿戴体育用品的常规功能，而且主要的应用场景包括了对运动者本身的定位以及运动期间对观测对象的定位两种。前者主要建立在GPS 系统的基础上进行定位，而后者是建立在光学捕捉以及视觉运动捕捉的基础上，针对运动期间需要关注的对象进行定位［1］。该技术在实际应用的过程中需要进行复杂的运算，涉及的成本较高，同时存在耗电量较大的现象。因此，近些年对于定位技术的研发，通常将成本控制以及运算调整作为重点。比如，有一部分产品可以结合使用者运动期间的动能情况进行检测，综合惯性辅助定位技术以及GPS定位技术，在运动者未产生动能时，定位系统会暂时关闭，检测到动能之后会再次开启。此方式可以延长设备的使用时间，还可以提升使用寿命。

2.2.3 步数监测技术

步数监测技术主要应用在跑步以及徒步等体育运动中，这类运动产品通常需要持续运转，并且帮助运动者了解当前所处的位置、加速度、跑步里程、跑步频率等相关信息。这种类型的产品在设计的过程中需要考虑不同运动项目下使用者的实际情况，并且结合人体不同部位上的数据进行校准。例如，一部分产品将步数传感器放置在手臂、腰带以及口袋等位置，其检测结果均有一定的差异性。而大量的实践证明，传感器设置在紧贴身体并且靠近手臂位置时，计步器的测量数据最为精准。因此，在可穿戴体育用品设计的过程中，用于进行步数检测的设备，通常以护腕、运动衣、运动手环为主，能够提升检测结果的精准性，也可以提升运动者的使用舒适程度。

2.2.4 动作矫正技术

动作矫正设备以及穿戴产品的研发，其主要目的在于了解人体运动之后的实际姿态，进行肌肉关节压力的检测，捕捉人体活动期间的动态，然后进行数据收集（见图1）。其系统主要依托惯性传感单元进行运作，如三轴陀螺仪、磁力计、加速度计等设备［2］，可以矫正运动者运动前后的动作姿态，让运动者在使用过程中能够时刻掌握正确的运动方法和姿势。从研究方向上来讲，需要进一步提升人和可穿戴产品之间的多感官交互质量，从而增强人运动期间对错误动作的敏感度，在提升动作准确性的同时，也可以避免运动伤害。

图1 智能运动姿势矫正带

2.2.5 能量消耗检测技术

能量消耗检测技术主要指的是获取人在运动过程中的时间、运动强度、心跳等信息，配合前期输入的个人信息进行推算，确定一段时间内运动之后所消耗的能量。该种技术在应用的过程中需要追踪人体运动的动态规律，并且进行长时间续航才可以提升计算结果的精准性。而从目前的可穿戴体育设备研发角度来讲，自供电的设备能够解决电池续航问题，而动能收集技术也可以将人体运动期间的动能转化成电能，由此可以实现电能循环。

3 体育用品智能可穿戴技术的应用问题分析

在运动领域可穿戴技术的交互性主要呈现在人体内、信号反馈和数据评估3个层面，为了进一步提升体育用品可穿戴技术的应用价值，更需要从用户的角度考虑如何进行技术升级才可以增强交互的科学性和合理性，并且考虑可穿戴产品本身的运动舒适性，能够为体育用品的研发提供更为明确的方向。

3.1 传感精准度的问题分析

传感精度是可穿戴体育产品研发过程中的主要影响因素，会影响信息传递的时效性和反馈及时性，对于用户的正常运动行为也会造成限制。因此，新时期的可穿戴智能体育用品的研发，从传感精度角度讲，需要全面监测人体的细微变化，如结合运动心率以及呼吸特点所设置的低压变形传感器可以改变压力传感器的原有矩阵结构，准确地检测出人体运动过程中小于1kPa的压力［3］。也有学者经过研究得出了电容性传感器能够在宽线性范围内进行机械变形［4］，这一特点可以广泛应用在当前的纺织类可穿戴体育产品中，其柔软舒适的特性可以提高运动者的使用舒适程度。另外，借助针织品的特性所设计的智能可穿戴腕带，靠近人体皮肤的区域设置了汗液取读区域，在运动的过程中可以及时检测人体的体表温度以及汗液分泌情况。

同时，由于佩戴在四肢检测的精准度远高于胸戴式设备，也可以结合使用者的不同需求，将其放置在其他位置，从而提升检测结果的精准性。

3.2 信息输入反馈实时性的影响

在数据信息处理的过程中，需要严格按照处理的标准性进行分析，其中以数据预处理和数据提取为主，还涉及数据分类。初始数据中的干扰信息会对后续的输入和反馈造成影响，所以在初始数据处理期间，必须将其中的干扰信息清除。这期间所利用的滤波技术主要包含了移动平均滤波器、互补滤波器以及卡尔曼滤波器，能够顺利分离出原有数据中的干扰信息，快速地将正确的数据录入系统，从而实现数据监测。

另外，循环神经网络以及卷积神经网络，也是数据分析中较为常见的方法，通过前期的参数预设来进行输入信号准确度的判断，从而提升数据检测的精准性。

纵观当前绝大部分的纺织类可穿戴体育产品来看，综合生理数据进行监测，还要考虑增强用户的体验感，并且围绕用户对于产品的认同度和使用体验进行成本分析。例如，考虑用户运动过程中的具体行为和逻辑规律，以此为依托进行技术的升级，构建科学的数据分析和处理体系，能够让智能可穿戴体育产品更好地为使用者服务。

3.3 电量续航问题

智能化技术的应用必然以电量为依托，而智能化体育可穿戴产品的使用，其耗电情况和产品的功能、使用时间、硬件功率消耗等因素有直接关系。而户外的运动条件下，很难实现智能设备和智能可穿戴产品的长时间充电，那么其电量消耗必须满足长时间运动的需求，由此需要进一步提升储能性能。

在这一领域绝大部分的智能可穿戴体育产品的储能方式都是通过能量采集完成，如摩擦电、生物电、过压电等，能够实现产品自身电能的循环。同时，从功耗运行的角度来讲，也可以通过算法进一步降低设备的运行功耗，全面延长电池使用寿命。

4 以交互理念为依托的体育用品智能可穿戴技术应用

交互理念强调人与产品之间的全方位交互，不仅要提升信息输入输出的科学性和合理性，还要增强产品本身的使用价值和性价比。因此，坚持了解用户的实际使用需求和特点，能够为智能可穿戴体育产品的研发提供更明确的方向。

4.1 人和环境信息之间的交互

从体育运动的角度来讲，可穿戴产品主要体现在距离监测以及运动状态监测方面，针对当前绝大部分的体育健身可穿戴产品研发情况来看，针对人体的生理信号进行监测是最主要的研究方向，同时还包含了穿戴时长、距离等相关环境信息的采集。而人体数据和环境数据的感应本身较为复杂，二者不能独立设置，可以采取陀螺仪检测不同运动者在不同环境下的步距，综合速度能够计算出使用者的行走步数以及行走距离［5］。该信息又可以作为能量消耗的主要计算依据，实现人和环境信息之间的交互。而这种方式也不仅限于现实空间的运动行为，在虚拟空间，如利用VR技术打造的运动类游戏以及互动类产品，也可以通过与系统后台数据进行对接，实现运动时间以及能量消耗的监测，同样可以实现运动和健身的目的。

4.2 人与产品之间的交互

人和体育用品之间的交互主要体现在可穿戴、使用过程两个方面。首先，智能体育可穿戴产品需要读取人的生理信号以及相关需求，通过深度学习以及云计算能够理解人的具体需求，然后进行数据运行。在这个过程中计算机的理解能力和数据处理能力之间有着直接的关联，当前也有众多学者提出了疲劳测试系统以及评估平台，能够结合脉搏、心率、脑电波等信息检测人体是否处于疲劳阶段。这是建立在运动医学的基础上构建的智能化产品，能够大大拓展体育智能穿戴产品的功能。

同时，该项技术在交互的过程中还涉及其他终端设备的对接，如可以和使用者的手机蓝牙进行连接，可以通过蓝牙模块反馈监测结果给用户，也可以结合手机进行信息的调整。这种监测系统能够建立在多模块传感以及计算机技术的基础上，实现使用者和智能可穿戴设备之间的信息交互。

4.3 人与人的交互

可穿戴技术不仅体现在个人与环境乃至产品之间的交互，还涉及人与人之间的交互，尤其在户外运动的过程中，可以实现团队合作和个体之间的配合。这种技术体系在当前的马拉松以及集体运动中较为常见，如可以由领跑者或示范人员穿戴相应的产品，穿戴设备的后侧会附加柔性显示屏［6］，其能够及时了解跑步者的运动状态，所有的数据信息都可以通过共享的方式进行传达。这能够进一步发挥智能交互产品的陪伴属性以及协同属性，进而满足不同运动者的实际运动需求。

5 结语

综上所述，在信息技术繁荣发展的环境下，智能化技术已经成为新时代运动不可分割的一部分。而通过智能化技术打造的智能可穿戴体育产品，不仅有着极强的现代化特点，还可以获取使用者运动期间产生的各项数据和信息，能够给用户提供最为真实可靠的运动保障，也可以营造智能化的运动体验，其中一系列技术体系需要在使用的过程中不断进行升级，让智能可穿戴体育用品逐渐走向大众，也可以推动文旅产品设计理念的创新。