基于惯性传感器的智能手环设计

贾一晖

(宝鸡市宝鸡中学,陕西 宝鸡721013)

0 引言

可穿戴技术主要是指用户能戴在身上的电子设备或产品,即可以在日常活动或工作中整合计算特性,采用具有一定实用功能和特点的,可直接穿戴的仪器、设备,或是与用户衣服或配件设备相整合的可佩戴仪器、设备。随着社会技术的不断发展,未来的智能可穿戴设备将会改变我们的生活方式。可穿戴技术是由美国麻省理工学院媒体实验室在20世纪60年代提出来的一种创新性技术。随着人们对健康的逐渐关注,智能可穿戴设备在市场上的销售也逐渐增加,技术也不断成熟,2015年在美国内华达州拉斯维加斯市举办的国际消费电子展上,很多公司推出了新型智能可穿戴产品,如MICA智能手镯、智能腰带以及智能手环等,意味着智能可穿戴产品将成为新的发展方向。智能手环是可穿戴式智能设备中的一种。作为目前备受用户关注的科技产品,其拥有的强大功能正悄无声息地渗透和改变人们的生活。且随着近年来我国城市的亚健康人群逐年增多,人们对于自身的运动数据愈发关注。因而本文为获取更为精确的运动数据,提出了比现有智能穿戴设备更为实用,且成本更低,外观更加新颖,模块开发性高的智能手环。

该手环基于用户体验,结合在电影及游戏中常用的动作捕捉技术中的惯性传感器,通过产品整个设计流程中对用户的体验进行分析和测试,进而指导设计和数据分析,从而建立了以用户体验和技术测试为中心的整个产品开发设计流程。

1 手环内部器件设计

该款手环由于需要结合现有的运动捕捉功能(涉及到动作坐标、速度、加速度的实时捕捉),而需装配相应的惯性传感器(可装配与手机类同的微型电子陀螺仪、加速度计等元器件,可整合于电路板,或单独以模块形式与电路连接),以检测和测量被测物体的加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动。

本文中可使用的惯性传感器有低精度和中级精度MEMS惯性传感器。其中,低精度MEMS惯性传感器作为消费电子类产品主要用在手机、GPS导航、游戏机、数码相机、音乐播放器等。由于具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测量功能,有待挖掘的消费电子应用也会随着该产品的换代研发而不断出现。而中级MEMS惯性传感器作为工业级及汽车级产品,则主要用于汽车电子稳定系统(ESP或ESC)GPS辅助导航系统,汽车安全气囊、工业自动化、大型医疗设备、工程机械等。为了优化传感器性能并尽可能缩短开发时间,需要深入了解二者的选择,需要根据成本定位,市场对测量响应时间、精度、工作速度和精度的要求,及用户选择等因素确定。而对于传感器的前期校准计划可以针对影响最大的因素进行定制,从而减少测试时间和补偿算法开销。面向具体应用的解决方案将适当的传感器与必要的信号处理结合在一起,如果具备高性价比并且提供现成可用的标准系统接口,从而消除一定的实施和生产障碍。

其中,对于手环电子器件的耗电方面,通过与电子实验室的合作,计划采用可充电2节满电,共6V电压的可充电纽扣锂电池(每块厚度3.2mm,直径20mm),以满足供电最低的4.8V需求;电池安装于方形电路板的正下方直接为电路板供电,若需拆卸更换电池或维修电路等,则需将手环与表带分离,并打开电池后盖(过盈配合及防水胶连接,保证一定的防水性能)。但在续航时间方面,对于人们7×24小时连续佩戴的手环而言,在何时充电才能避免数据断档,是在日后需要精确测试和计算以确定的。此外,电池的稳定性,内部电路集成及电池装配位置,电路供电参数,是否无符合的型号而需定制等问题都将依据电路方面的设计进行调整。手环主体内部根据前期雏形采纳方形电路板(长宽均12mm),可选择是否保留原有LED灯闪烁,以表示手环正常工作,而充电接口开口位置需在后续电路板确定后再进行后期设计。

除内部电路及元器件外,该智能手环还包括如表1中的组件。

表1 智能手环构成

2 手环结构及功能设计

由于手环外观需要采用3D曲面设计,因而本文使用工业设计的专业软件Rhino及其强大的曲面插件T－splines完成表身及表带的三维设计。而Rhino是美国Robert Mc Neel&Assoc开发的PC上强大的专业3D造型软件,其可以广泛地应用于三维动画制作、工业制造、科学研究以及机械设计等领域。它包含了所有的NURBS建模功能,建模流畅,所以常被用于建模设计,之后导出高精度模型予其他三维软件使用。此外,其配套的插件T－splines作为NURBS细分形式补充的新建模方式,是由T－Splines公司领导开发的一种全新建模技术,它结合了Nurbs和细分表面建模技术的特点,虽然和Nurbs很相似,不过它极大地减少了模型表面上的控制点数目,可进行局部细分和合并两个Nurbs面片等操作,从而使得建模操作速度和渲染速度都得到了很大提升。

相比于上述的智能手环的功能,其材料和造型设计同样非常重要,使用材料舒适,并且造型符合人体工程学设计的智能手环,而不会使长时间佩戴的用户出现佩戴不适感。此外,手环与表带的结合通过表带内凹部分和外凸边,与手环主体部分通过表带的弹力和手环与之的过盈配合紧固在一起,从而保证了日常使用过程中将不会出现主体脱离表带而丢失的情况。而且表带采用类似37°手环的纽扣式设计,便于用户的佩戴使用,同时由于表带和表体可分离,因而表带也可依据市场需求及客户要求进行个性化定制

目前智能手环最重要的功能之一即为运动监测。用户可通过手机查看智能手环的同步数据,包含当日运动的时间、空闲时间、运动路程、走路步数和能量消耗等情况,而本文的手环由于根据使用者手腕摆动幅度及动作姿态等。除上述功能外,还包含对日常运动少的用户,可以制定目标,此外,该智能手环还能根据年龄、性别、身高、体重以及活动的强度和时间来计算消耗的热量,并可利用运动时的心率得出科学的运动强度和方式,以获得更佳的运动效果。

3 手环外观设计及渲染

智能手环的造型设计是在满足用户对基本实用功能需求的基础上,综合线条变化、空间虚实关系等特定精神审美性设计因素所构成的物质实体。由于智能手机的功能特殊性,在其造型设计中除了对其点、线、面、体量感和质感以及色彩等元素进行考虑,它也有自身特色与要求。

在产品造型设计方面,由于需要考虑市场中消费者为换取产品服务、体验的购买心理因素及成本因素,因而表体及表带设计除采用现有智能手环表带常用的橡胶材质外,表体可采用复合材料以降低成本和制造难度,例如硅胶、3D打印常用的光敏树脂(需后期打磨处理),碳纤维(高端定制,或批量成本较低时采用)等材料。

为满足不同的客户需求,表带的颜色样式和表体外观样式可根据客户需求,可在后续提供一定的订制样式以供选择。表身材料定为电子硅胶材料,为区别于其他运动手环,从外观上具有一定的创新性,无屏幕设计,表面为三维复杂曲面设计,突破了大众对手环的传统定义。而为得到不同的外观方案,可采用表面电镀镀膜(可镀制不同金属材料,获得定制的外观),采用不同的材料加工处理工艺,如喷砂处理,抛光处理,CNC数控打磨等表面处理工艺。此外,本文列举了2款手环外观方案。其中,第一款手环外观由于采用透明电子硅胶材料,因而若在光照下,可以获得如水晶般澄澈的半透明效果,此外,再通过右下角不同的内表面处理工艺而可获得不同的外观图样,保证外部美观,光滑表面的同时,可展现出使用者的个人特质。手环渲染使用工业设计常用软件Keyshot完成,如图1、图2所示。

图1 手环渲染实例1

图2 手环渲染实例2

4 结论

本文主要采用工业设计常用的Rhino软件,其插件T－splines,以及渲染软件Keyshot,完成了一款通过惯性传感器,记录佩戴着手腕相对运动状态,从而推测运动者运动状态的智能手环设计设计。为提高该产品的实用性,在未来可依据产品发售的市场规模及研发成本等因素,添加配套于手环的其他功能模块,如血压监测,用户心情状态推测,以及用于推荐给用户保持或更改日常运动习惯的消息相应的数据处理模块,帮助使用者更好地记录日常生活中的锻炼、休息等实时数据,并将这些数据与云端同步,起到通过数据指导健康生活的作用,同时也可以利用手环电路板上预留的LED闪烁灯和可加装的蜂鸣器给予用户定制自己良好生活习惯的时钟,以保证定时进食,定量喝水,养成早睡早起的好习惯。

在后续智能可穿戴设备的设计中,还可通过将现有医用健康手环测量脉搏、心率、皮肤温度,环境光照及噪音水平,以及其它环境信息功能与现有或换代产品进行整合,而通过健康手环,使得病人即使不在医院,家人及医生也能追踪并了解该用户的健康情况。同时,还可整合各类其他可穿戴式技术或技术设备,如嵌入技术、语音识别技术、眼球识别技术以及其他新型技术整合到可穿戴设备中,来实现智能可穿戴产品的功能。因而后续完善产品更多功能是产品开发中最重要的一环之一。

[1]胡茂晓.惯性动作捕捉前端设备与数据传输研究[D].济南：山东大学,2015.

[2]刘晶晶.智能手机设计研究[D].长春：吉林大学,2013.

[3]刘晓峰,叶颖颖.造型思维训练与工业设计对接的个案研究——以“无声心跳手环”设计为例[J].学研探索,2015,(20).