摘要：文章面向专业户外自行车骑行团队，将智能可穿戴技术应用到骑行手套设计中，以强化户外装备功能、信息可视化表达、智能安全预警等安全保障。以用户体验理论为基础，基于用户需求分析，运用用户体验设计方法对目标用户进行调研，针对目前骑行手套薄弱点进行相关可穿戴技术应用的研究分析，提出智能户外自行车骑行手套设计方案。将智能可穿戴技术应用于户外运动装备，可系统保障户外运动安全、增强设备便携性、提升专业团队骑行互动性，为同类运动装备的设计提供参考。
关键词：工业设计；智能骑行手套；可穿戴技术；运动装备；户外骑行
体育健康被写进“十四五规划”，一系列促进体育健康发展的政策已发布，“户外运动”“智能体育”成为高频热词。国务院《全民健身计划（2021—2025年）》特别强调重点培育发展智能体育、户外运动等体育产业，衍生更多新业态、新模式、新产品，并将骑行运动作为推广项目。
目前人们已生活在由智能产品、系统和环境组成的智能生态圈中，智能化设计将革新户外运动领域。可穿戴设备借助传感器直接获取用户动作、语言及生理信息等。可穿戴技术推动运动智能化已具备一定研究基础。国内应用可穿戴技术的研究多集中在运动、医疗康复领域，如：杨观赐，李杨等对可穿戴式传感器应用于运动进行了研究现状综述；黄东晋、姚院秋等将可穿戴设备与虚拟现实结合设计了一款安全、有效的健身设备。国外研究聚焦可穿戴技术应用在运动防护、康复运动方面，Nahed Jalloul、Amit Sethi等通过数据监测实现预防伤害、利用可穿戴传感器进行远程康复训练等；Naghmeh Niknejad等列举了目前运动领域使用的智能可穿戴设备。国内外有关可穿戴技术应用在户外骑行装备方面的研究较少。户外骑行运动具有环境不确定、难以实施救援等不安全因素。
一、户外骑行装备概述
美骑发布的《2019中国运动自行车调查报告》显示，骑行爱好者中18—25岁人群占比33.96%、3—40岁人群占比25.92%、26—30岁人群占比19.01%。由此可知骑行爱好者中青年人和中年人居多，这部分群体对新事物接纳程度相对较高，如智能手环、VR头显、智能腕表等。移动互联网技术的深度发展，使消费者对智能可穿戴设备产生了更多层面、更多领域的需求。专业自行车骑行爱好者对功能多样化、智能化的户外装备充满期待。目前，自行车装备市场中智能骑行头盔、智能骑行服等已出现，但智能骑行手套产品较少。调研分析骑行手套市场，现有产品设计目的主要集中在保暖及对手部的缓冲保护上，其设计、功能比较单一。经焦点小组访谈得知专业户外骑行队的骑行者手部不仅要掌握骑行方向，还要通过特定手势动作传达路况信息以避免引发连锁的摔倒、堆积。
因此，为保障骑手安全，强化装备智能化、功能多样化，提供更佳骑行体验，基于用户体验设计和实际调研数据，将智能可穿戴技术运用到户外专业骑行手套设计中。
二、智能骑行手套的设计理念
目前，骑行手套的设计主要集中在抗风、保暖、透气、吸汗等材质变化，及掌心防滑减震、指尖触屏、添加擦汗布等附加功能需求方面，在多变的骑行环境中这些设计仅能提供基础保障。专业户外骑行路途较远，由团队领头骑行者带领及“破风”。自行车没有转向灯等提示设备，行进中骑行者会通过做出特定手势向后方队友传递路况信息。骑行环境多变且复杂，实际骑行中会出现传达路况信息不明确及中断的现象，这极有可能引起一连串的安全事故。
智能骑行手套增加动作识别技术将动作信号识别转化为语音信号，并辅助可视化表达，多通道交互提供稳定的信息交流，实现交互自然性、情境适应性。增加天气预警功能，为骑手在户外环境带来有力保障。骑行队组内通过蓝牙技术互联互通，实现队员实时定位、传达信息信号。以小程序为载体增加定制信息获取模块，满足团队休息时的社交需求，收集数据信息，依托大数据为户外运动研究提供数据样本参考。智能骑行手套设计流程见图1。
三、智能骑行手套相关的可穿戴技术
20世纪60年代，麻省理工学院The MIT Media Lab（媒体实验室）提出“可穿戴设备”，并引起众多国内外学者关注。20世纪七八十年代，Steve Mann首创的可穿戴式计算机已初步展露出现代智能可穿戴设备雏形。
（一）动作识别和传感器
高精度动作识别一方面依托可穿戴设备内部的磁强计、加速度传感器和陀螺仪等获取多方位数据，另一方面通过传感器融合算法进行计算比较。传感器组合和传感器融合算法不仅可增多识别动作种类，还可使误差降至2%～5%。
传感器依托材料间特性的差异决定其在可穿戴设备中的不同表现。按照机械属性，传感器可分成柔性和刚性。刚性传感器技术相对成熟，可靠性高，但其硬度高所以表现形式较受限且用户体验不佳。柔性传感器能够实现弯曲和折叠动作，部分柔性传感器还具有一定延展性，可实现一定程度的伸缩，有益于传感器在可穿戴设备中的表现。柔性传感器的机械属性主要由特殊材质或特定材质结构决定。目前传感器构成材料主要为薄膜材料形式，并引入可延展材料（如液态金属、硅胶材料），以特殊设计结构（分形结构、岛桥结构、蛇形结构、空间弯折等）实现柔性伸缩。纺丝、纺织物作为基底，可实现柔性智能传感衣物。目前基于柔性传感器技术设计制造的智能手套和假肢甚至可以转化传递痛觉、味觉等生物信号，为可穿戴技术的发展提供了更多可能性。
（二）LED光源和北斗卫星导航系统
LED光源具备节能、亮度高、颜色可变化、成本低、体积小巧、驱动迅速等特点，这使得LED光源广泛应用于可穿戴设备。印刷电子技术与纺织材料结合的柔性电致发光材质为智能穿戴设备提供更多可能性。具备柔性电致发光技术的发光元件，可进行数次弯曲，完全翻折也不会被损坏，如有机发光半导体（OLED）柔性发光技术、冷光EL柔性发光技术、量子点（QD—LED）柔性发光技术等。2020年投产的喷墨打印OLED生产线实现OLED产品规模化量产，大幅降低OLED生产难度与成本。智能骑行手套可视化表达对分辨度没有过高要求，兼顾LED光源特点，使其成为设计首选。
北斗卫星导航系统能全时段带来准确、即时的位置信息与导航服务。已公布的北斗高精度可穿戴设备解决方案使可穿戴设备定位精确度提高至亚米级。北斗卫星导航系统在可穿戴设备中的应用已逐步成熟，户外领域表现良好，可为智能骑行手套提供稳定精准的定位服务。
（三）智能传输技术
智能穿戴设备间构建物联网以实现信息传递，通信技术至关重要。适合设备间短程连接的无线传输方式主要有蓝牙、Wi-Fi、超宽带（UWB）和紫蜂（Zigbee）等。蓝牙技术相较其他通信技术降低了同频段信号干扰，近距离数据传输过程表现稳定。2020年Bluetooth SIG发布《蓝牙核心规范（V5.2）》，蓝牙最远传输距离达300米，传输速度更快、耗能更低。基于5.2版蓝牙功能可构建多个智能骑行手套间物联网并实现信息传输。以智能设备为媒介、融合蓝牙技术和移动通信技术的可穿戴设备间信息交换更稳定、更高效。
四、智能骑行手套设计方案
基于对户外专业骑行者进行深度访谈，调研分析文献资料，并结合现有可穿戴设备，户外自行车骑行手套的智能化功能设计聚焦骑行手势识别、极端天气预警和实时定位等主要功能。以智能手机为载体，通过无线传输与智能骑行手套连接，实现骑行队组内数据信号稳定连接的传输转换。骑行者休息时，手机小程序实现部分人机交互和用户的社交需求。
参考现有户外自行车骑行手套材质、尺寸、基础功能，通过草图进行初步设计表达，确立基本造型、尺寸、CMF等。通过3D建模软件Rhino及渲染软件KeyShot进行整体设计展现，并邀请目标用户群以参与式设计方式对设计进行改进与调整。
（一）设计概念
户外专业自行车骑行团队行进中，骑手通过骑行手势传达路况信息的过程具有不稳定性且效率低，突发极端天气也会带来潜在危险，并会威胁骑行者生命安全。户外骑行者渴望装备具有安全保障且更具便捷性的智能可穿戴设备，目前国内户外自行车骑行相关智能可穿戴设备较少、智能可穿戴技术愈加成熟完善。
以保障骑行安全为前提，融合智能可穿戴技术，将骑行手势信息进行转化，发送至组队成员智能骑行手套中以语音为主辅以可视化图形的多通道方式进行传达，使组队成员明确前方道路信息。智能骑行手套附带天气预警功能，突发极端天气预警可减少意外发生。
（二）智能骑行手套硬件设计
为便于数据信息集中处理，将智能可穿戴技术以模块化形式依附于手套背面腕部。实用性、舒适性是造型设计的主要内容，智能骑行手套设计不仅要考虑功能实现，还要确保满足舒适及美观要求。
1.产品造型与功能模块结构设计
造型设计源于产品功能需求和人机工程理论分析，智能骑行手套采用较紧的方式包裹手部，掌心及腕部采用加厚设计。这种设计可保证手部灵活度，一定程度上缓解骑行过程腕部及手部肌肉劳损，并能在骑手摔倒时起到保护作用。为获取准确数据，智能功能模块置于手部及手腕连接处，同时兼顾造型表现。智能骑行手套指尖部增加导电纤维，便于触屏操作电子设备。
手背设置柔性LED发光区域，根据不同指示动作做出相应形状、颜色的可视化表达，便于骑行者快速接收、识别信息。智能骑行手套造型设计见图2。
手套颜色方面，采用不同梯度灰色，以橙色进行细节装饰。鲜艳、高饱和度颜色更能吸引人们注意，低饱和度灰色对显示信息的影响较小。
手套材质方面，主体采用聚酯纤维透气材料，腕部采用弹力布料以满足不同尺寸用户。为实现良好耐磨、缓冲、防滑效果，加厚处采用TPU。
功能模块结构主要包括：体感陀螺仪、加速度传感器、磁强计传感器、中控芯片、LED 指示灯、扬声器、磁吸充电接口、蓝牙接收器、锂电池等。功能模块右上角设置LED提示灯，可显示电量、连接状态及信息提示等。模块表面采用雾面钛金属，以丝网印表现品牌细节。智能骑行手套外观部件见图3。
2.产品操作流程与使用状态
产品操作流程。首先，按开机键开启智能骑行手套，指示灯亮起呈绿色。然后，长按开机键3秒启动蓝牙连接模式，指示灯呈蓝色且规律闪烁状，同时开启手机蓝牙功能并打开小程序，进入配对界面，配对成功后设备指示灯呈蓝色长亮，弹出配对成功信息。进入小程序面对面组队页面，弹出输入验证码页面，该信息由组队发起人设置，输入后即可成功组队。或在搜索框搜索车队名称发起组队申请，车队管理员通过后即可组队。骑行中领骑人发出动作指令，智能骑行手套收集信息并处理为数据信号传输至各队员，队员手套发出震动提醒及语音提示，LED模块辅以可视化图形方式显示信息。动作转化可视化图形展示见图4。
天气条件不利于骑行时，手机发出信号，反馈在智能骑行手套显示模块，智能手套震动提醒及语音警示，用于提示骑行者对天气变化做好准备。操作流程图示见图5。
为保证信息时效性以及设备的持续稳定连接，智能骑行手套可实现两种模式的信息传输。网络状况良好状态下，依托通信信号进行组员间信息传输。网络状况不佳情况下，自动切换为通过蓝牙技术以点对点的模式传递信息。
（三）智能骑行手套小程序设计
骑手未骑行时，智能骑行手套小程序作为硬件的拓展聚焦社交分享、信息获取、设备连接等功能。骑行过程分为不同阶段（准备阶段、出发阶段、调整、再次出发、阶段休息等）。各阶段需求分析如下：准备阶段需满足路线规划、天气查询、组队等需求；出发阶段涉及导航、成员间互动、定位等需求；调整阶段和再次出发阶段包括身体数据检测、成员互动等需求；阶段休息包含旅程分享互动等社交需求。
1.用户研究
依据用户情境信息即个人特性、偏好、运动习惯等描画创建用户画像。采访用户画像阶段的参与者，总结、归纳出用户旅程图，获取痛点并寻找小程序设计切入点。用户旅程图分析见图6。
户外骑行运动相较于其他运动的最显著特点是环境信息多变，如光线、天气、温湿度甚至海拔高度、地貌及网络信号覆盖度等，这些信息关系到用户能否开展和完成运动计划。因此小程序应包含路线规划、天气查询、环境信息显示等功能。
智能骑行手套小程序要能快速连接硬件设备、展现硬件设备相应功能，如成员组队信息、定位信息等。小程序的社交功能既可提高智能骑行手套用户黏性和吸引力，也可存储更多数据信息，更好地为户外骑行运动研究提供样本参考。
2.界面设计
结合用户需求、硬件设备功能构建小程序基本框架。“社区”部分可发表骑行旅程攻略、建议、装备推荐等，获取热门骑行行程分享、攻略等。通过“关注”可便捷找到感兴趣的信息，并能及时获取“我的车队”信息等。“设备连接”部分通过蓝牙与智能骑行手套进行连接、查阅历史连接。“车队”部分可获取感兴趣的车队并申请加入。“首页”部分可通过个人中心添加或修改个人信息，查阅历史旅程、获得点赞收藏等。小程序基本框架见图7。
智能骑行手套收到指令可显示相应可视化图案，未骑行时用户可在小程序中选择震动或语音提醒模式，以多通道交互方式确保信息时效性。小程序界面展示见图8。
（四）整体设计及方案评价
通过制作数字模型和小程序实例，对产品的造型、功能模块、操作流程和用户使用体验进行验证。经验证，智能骑行手套性能稳定，能够强化功能保障骑行者安全，具备可行性。通过对整体设计研究发现，数据信号传输存在不稳定情况，有待后期进一步改进。整体设计展示见图9。
五、结语
通过产品市场和户外专业骑行队调研分析，针对用户痛点对骑行手套开展改进设计，增加动作识别技术将动作信号识别转化为语音辅以可视化信号、增加天气预警功能、通过蓝牙技术实现骑行队组内互联互通、以小程序为载体增加定制信息获取模块，并制作数字模型和小程序实例，验证应用可穿戴技术的方案可行性。智能骑行手套的设计还存在一定局限，如主要针对骑行的动作信号转换、天气预警提示，还需进一步对骑行手套的智能化功能进行改进，如生理数据、运动数据可视化及个性化定制等。
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