摘 要

本研究采用行动研究方法，比较研究方法，理论研究方法，文献综述方法和经验总结方法研究不同的人机运动数据获取方式与多通道人机交互方式之间的关系，并将它们作为产品设计的切入点，有机地结合起来，提出了基于多渠道智能人机交互系统的产品设计流程，并从设计方法的角度将其引入到具体的产品设计实践中。通过设计实践，验证了该设计流程的可行性，证明了在运动过程中可以有效节省时间，空间和设计资源，同时，人机交互的舒适性，自然性，高效性和兼容性都得以提高，能更好地调动人们的体育积极性。科学管理健康数据，进一步推动全民健身事业的发展。传统体育器材应具有以下特点：体育指导的科学性，有效性和合理性。体育数据更新的及时性和准确性，以及数据的互连和互通。运动效果的直观性和清晰性以及更为重要的娱乐趣味性。本论文运用现代科技手段，更好地促进全民健身产业发展，以强健国人体魄为导向,来优化传统运动器材。

关键词：多通道人机交互；运动数据采集；产品设计；智能运动

Abstract

This study is to discuss the different man-machine movement data acquisition and multi channel human-computer interaction as the breakthrough point of product design. It uses action research method, comparative study method, theoretical research method, literature data method, experience summary method to study the relationship between the two, and carries out organic integration, and puts forward the multi-channel intelligent transportation. The design process of the man-machine interaction system and the introduction of specific product design practice from the perspective of design methodology. Through the design practice, the feasibility of the design is verified. It is proved that the time, space and design resources can be effectively saved in the movement process. At the same time, the comfort, nature, efficiency and compatibility of human-computer interaction in the product are improved, and the enthusiasm of the people's movement is mobilized better, and the health data can be managed more scientifically. To promote the national fitness program step by step, the traditional sports equipment should have the scientific nature, effectiveness and rationality of sports guidance. Motion data update is timeliness, accuracy, and data interoperability. The visualization and clarity of the movement effect and the more important entertainment interest. This paper uses modern science and technology to better promote the national fitness industry, and strengthen the healthy human body as the guide to optimize the traditional sports equipment.

Key Words：multichannel man-machine interaction; Motion data acquisition; Product design; Intelligent motion

目 录

第1章 绪论 1

1.1设计研究的背景 1

1.2设计研究的目的及意义 1

第2章 动感单车的车速和使用者的心率数据实时采集的硬件设计 2

2.1引言 2

2.2动感单车的光电测速方法 2

2.3 动感单车的霍尔测速方法 4

2.4 实时心率检测方法 4

2.5 控制电路整体方案设计 5

第3章 多通道人机交互方式 6

3.1 引言 6

3.2 对虚拟骑行环境中语义对象进行深入研究 6

3.3 确定骑行产品的交互方式和功能 7

3.4 设计骑行产品通道的相关使用逻辑流程 7

3.5 对产品进行具体工业设计 7

第4章 可行性评估 8

第5章 结语和展望 9

参考文献 10

致谢 11

第1章 绪论

1.1 设计研究的背景

世界卫生组织2012年的统计数据显示：在全球范围内，有超过75 %的人正处于“亚健康”。中国是一个人口大国，中国的医学专家指出，中国是一个亚健康国家人口最多的国家。“亚健康”人群的比例已经超过70％。 在半个世纪的研究基础上，世界卫生组织认为“健康”不仅是身体上的缺乏、疾病和虚弱，还有完整的身心状态和良好的社会适应性。“亚健康”是健康与疾病之间的一种生命状态。中国70％处于“亚健康”状态。 简而言之，70％的“亚健康”人基本上没有身体组织，身体器官，肌肉身体障碍和缺陷，但自我感觉差，活动减少，适应能力下降，虚弱，疲劳，反应迟钝、常常处于焦虑，无聊，无助，不安，生理和心理极度疲劳、萎靡不振的状态。亚健康应该被理解为现代人身体和精神不健康的表现，而不是疾病。预防和消除“亚健康”状况是目前世界卫生组织的一项重要战略。消除“亚健康”已成为21世纪新的健康目标。

在健身房里，人们骑着普通的动力自行车锻炼身体，但他们总是感到无聊，没有兴趣，乏味枯燥，这还让人非常疲倦。运动者们越来越重视体育健身的质量和效果，并且希望能在一个轻松愉快的环境中锻炼身体，科学健身观念越来越受到人们的青睐，没有运动数据采集装置的普通动态自行车就是孤立的运动设备，无法与设定的场景相连接，使得运动者在骑行和锻炼过程中缺乏趣味性。而且由于没设有运动数据采集装置，普通动态自行车也无法获取运动者的运动数据，无法反馈运动情况，使运动员处于盲目的健身及适应状态，运动效果无法提高。本文研究设计的骑行运动健身设备可以实时了解自己的运动状况，实时调整运动者的运动强度，从而达到最佳的运动效果。

1.2 设计研究的目的及意义

本文在一台普通的健身房动感单车的基础上，设计并安装了动感单车骑行速度采集装置和使用者心率采集装置。然后设置使用无线传输方式将采集到的信息传输到PC，从而带动虚拟游戏场景漫游的同时心率实时显示，了解使用者的运动状态，调节运动强度，解决了使用者在健身过程中枯燥乏味的问题，使使用者在动态自行车运动中能够实时感受到虚拟场景并能看到使用者心率的状态，增加了动态自行车运动的趣味娱乐性。同时解决了使用者在运动健身过程中不能实时了解自身运动状态的问题，提高了动感单车运动的科学性和安全性，能够满足人们通过动感单车运动以达到保持健康,娱乐身心的需求。

如何提高动感单车运动的科学性和交互性是本文研究的关键问题，保证使用者的运动安全性，让他们到良好的沉浸体验。本文设计并开发了动感单车的数据采集装置，实时采集运动单车的运动数据，包括速度的数据和人体心率变化的数据，通过51单片机对数据进行处理将其实时传输。将自行车码表和心率环测量的数据和本文研制的数据采集装置测量的动态单车的运动数据进行比较，从而验证了此装置的科学性。制作虚拟场景，通过无线WiFi模块将动感单车骑行与多通道虚拟现实人机交互系统相连接，实现数据采集装置的交互性。为了交互方式更自然，用户体验和沉浸感更加好，将多种单一通道的交互设备进行重构、设计、集成，整合设计于某一种或某一系列实体产品中。本文在动感单车数据采集装置设计开发和对多通道人机交互设计的基础上，提出了多通道人机交互系统的设计流程。 在理论层面上，本研究进一步丰富了产品设计方法论的理论体系。 在实际意义上，本研究可以提高设计师产品设计的效率和质量。提升产品的用户交互的效率和体验。

1. 动感单车的车速和使用者的心率数据实时采集的硬件设计

2.1 引言

为了实时监测使用者的运动状态,保障骑行使用者的安全,本章必须对动感单车的车速和使用者的心率数据进行实时采集。本章采用两种方法对动感单车运动的实时车速采集:一、光电测速方法;二、霍尔測速方法。使用者的心率数据采用手握心率传感器进行采集。并搭建于51单片机动感单车运动数据采集的硬件框架的基础上，采用合适的电子元器件来设计单片机最小的控制系统,实现动感单车运动数据采集整体硬件设计。

2.2 光电测速法

光电传感器结构简单，外形简单易操作。光电测速方法精度高，对应时间短，与被测物体无直接接触，应用范围广。体积小易于安装。光电传感器可用于测量其他非电气参数，例如零件的直径，表面粗糙程度、变形程度，位移，振幅，速度和加速度，以及应力检测和形状检测等。当然，光电传感器主要用于检测直接导致光量变化的参数，例如光强度，光照的范围，温度条件，辐射和气体成分检测；一般情况下光源、光电元件和光路通路可以组成一个光电传感器。光电传感器可通过将光强度改变成电信号来实现系统控制。

光电测速方法需要光电传感器和光盘的配合来采集自行车的速度。光栅盘安装在动感单车驱动轮轮毂中心处。直径为64毫米，光栅格的数为50格。本文所采用的光电测速方法，由于纺纱车的灯箱数量多，分布密集，可以实时测量纺纱车的速度。动感单车车轮只需要通过微小角度的转动产生脉冲信号，便可以获得车速数据。从而保证了实时性。

本文选用的槽型光电传感器为H42bB6，如图1.1所示。槽式光电传感器，槽的两侧装有光发射器和接收器。光电传感器向光输出脉冲信号以完成控制动作。该光发射器能发射出红外光或可见光。当光发射器和接收器未被阻挡时，光可以被接收器接收。当光发射器和接收器被阻挡时，接收器不能接收光。

图1.1 槽型光电传感器

槽的宽度很小，槽型光电传感器的检测距离一般只有几厘米。槽型光电传感器的尺寸参数如表1.1所示。

表1.1

光电传感器、光栅盘安装位置以及光电传感器和光栅盘匹配。 本文采用增量计数法采集动态自行车的车轮转速。 当车轮转动时，槽形光电传感器的发光端发出的红外光被光栅盘交替屏蔽，光电传感器依次输出脉冲信号，从而获得动态自行车车轮转速数据。

2.3霍尔测速法

霍尔传感器采用霍尔效应原理，使位移驱动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电加热，也就是将位移信号转换为电信号。霍尔元件由半导体材料制成。它具备的优点有：体积小，响应时间短，磁场灵敏，结构简单，输出信号稳定和使用寿命长等，具有非常广泛的应用前景。霍尔元件在磁场中运动产生的电位差非常小，所以一般霍尔元件在一个芯片上与放大电路、温度补偿电路和稳压电源集成。

本文采用霍尔传感器来测量旋转动态自行车轮的转速。可以对比光电传感器测量动态传感器制动轮转速的准确性，并且在不改变旋转自行车机械本体结构的情况下，降低成本。

本文选用的霍尔传感器为3144霍尔传感器,其集成模块如图1.2所示。

图1.2 3144霍尔传感器

此3144霍尔传感器模块的尺寸为2.7cm x 1.4mm，工作电压为直流5V。它具有电源指示和信号输出指示，单向信号输出，电路板输出开关量，灵敏度可调，磁场切割时输出信号和直接连接单片机等特点。 当这个霍尔传感器模块被触发时，它输出一个高电平，当它没有被触发时，它输出一个低电平。 为了能产生磁场，本文使用对应于3144霍尔传感器的34个磁钢。 如图1.3所示，动力自行车的驱动轮轮毂上均匀排列着34块磁钢。当动态自行车的驱动轮旋转时，磁钢与底座传感器接触感应产生脉冲信号，从而获得动态自行车的车轮转速。

图1.3 霍尔传感器与磁钢配合图

2.4实时心率检测方法

为了使动感单车骑行的运动更加科学，本文选择的手心率监测模型为SH601，如图1.4所示，实时监测锻炼者的心率，提醒使用者注意运动风险，防止意外发生。该手持式心率模块通过手柄上的金属电极获得人手手掌的电信号，然后经过放大和滤波等信号调理后，从其中提取R波并进行整形输出，最后将心率信号转换成可由单片机直接测量的方波信号。本文使用的手持式心率模块为直流2.4V - 5.5V，抗干扰能力强，信号输出稳定。根据人体工程学原理，将手持心率模块中带有金属电极的手柄安装在动感单车的车把上。当人体心跳时，会产生一定宽度的高电平，如图1.5所示。与医用心率血压检测仪的心率相对比，手握心率检测仪测量得到的心率数据更加精确，并且可以准确地反馈出当前用户的锻炼状态，从而更适合于动感动车的心率数据采集。所以，本文选用手握心率检测仪进行心率数据采集。

图1.4 手握心率模块图 图1.5 手握心率检测仪及其方波信号

2.5 控制电路整体方案设计

为了实现动感单车的虚拟科学健身系统，设计了图1.6所示的虚拟动感单车健身系统的总体结构框图。系统解决方案主要由电源模块、单片机模块、光电传感器模块、霍尔传感器模块、手持式心率检测模块、蓝牙模块、虚拟场景模块组成。每个模块都有其不同的功能。电源模块用作整个装置的电源，是0 - 12V的可调直流电压源。单片机模块的功能是对采集后的运动数据进行处理。光电传感器模块用于测量动感单车的车速。霍尔传感器也用于测量速度。手持心率检测模块用于测量使用者骑行时的心率。蓝牙模块则主要负责数据通信。

图1.6 动感单车虚拟科学健身系统整体结构框图

1. 多通道人机交互方式

3.1 引言

多通道交互是指用户通过多个不同渠道或不同形式的同一渠道同时感知产品信息并与其交互。 例如，用户可以通过使用诸如语音，眼睛，手势，表情等的自然交互方式与计算机系统进行通信互动。多通道交互以高效，自然，平行和合作的方式追求人机对话。基于硬件设计的动感单车运动数据采集与多通道虚拟现实人机交互系统的产品设计过程案例研究。在本研究中，笔者以室内健身车为例，对产品设计过程进行了具体的实践解释。

3.2 对虚拟骑行环境中语义对象进行深入研究

在产品设计之前，已经开发出一套自行车骑行游戏系统，所以笔者直接对此游戏的虚拟环境语义对象进行了研究分析。在这个自行车骑行虚拟环境中，用户主要任务是在规定时间内跟随地图指示按道路路径骑行，触发与场景相关的指令，如诗词填写通关前行。这个过程中，虚拟人通过感知通道感知信息（视、听、嗅、触），在感知到这些信息后通过效应通道（手、脚、身体）等作出反馈，形成一个交互信息闭环空间。

3.3确定骑行产品的交互方式和功能

自行车作为最受欢迎的交通和健身方式之一。触觉是最重要的感官通道。俯仰、滚转、阻力和颠簸是关键的体验因素。其次，视觉和听觉通道在本产品中也是必要的感知通道，同时减少由游戏场景引起的眩晕。在效果通道中，用户通过效果通道执行基本的骑行动作(转弯、踏板、刹车)和游戏规则动作。

3.4骑行产品通道设计的相关使用逻辑流程

除了视觉通道之外，触觉和听觉被识别为用户的主要交互通道。触觉通道的典型行为包括控制龙头、踏板和等。在中间件(编码器、光电门等)接收动作信息后，系统执行数据处理。反馈包括速度、阻力、颠簸、俯仰、滚转等体感给用户，并且这些感觉通过伺服电动缸、磁粉控制器和气弹簧实现。此外，由于游戏的交互需求，触觉行为需要在车把上增加“触发”按钮，并且听觉通道直接由音频提供。在骑乘过程中，用户的感知通道和效果通道同时工作，不断与产品交换信息，信息在系统中循环，相互补充。此时，用户在虚拟环境中的骑乘体验更接近自然。

3.5 对产品进行具体工业设计

首先对室内健身自行车的外部形态进行选择并提出多个概方案，再根据机械的传动方式、材料和技术工艺等因素确定产品的内部结构，然后根据其内部结构对多个方案考量，确定后再进一步设计外部形态，包括整体的造型、色彩和人机尺寸等。经过方案的不断迭代推敲，最后确定最佳方案，如图2.1。

图2.1 动感单车造型

1. 可行性评估

多通道室内健身自行车的设计部分完成。为了测评效果，作者首先在建模软件中进行了运动仿真模拟，结构设计成功地完成了俯仰、滚转、阻力、颠簸等功能。接下来，参照结构设计组装和处理原型，对虚拟骑乘游戏的虚拟环境进行了调试，并进行了实际测试。自行车可以正常使用，达到了预期的目的。头晕的感觉比普通健身车减轻，但仍然存在。这就是虚拟现实体验。不可避免的问题。该案例从产品设计的角度阐述了虚拟环境中的多通道人机交互。阐述了多通道人机交互系统的设计流程。该设计过程提高了设计人员的产品设计效率和质量，合理调整和整合了各种交互过程，提高了用户交互效率和产品体验。

本文的虚拟骑行场景由Unity３D建模，通过投影机，呈现在3ｍ＊3ｍ 的墙壁中。动感单车为virzoom室内动感单车。本文研究开发的动感单车数据采集系统可以为运动者提供可靠的运动数据，增强动感单车虚拟健身过程中的沉浸感和娱乐性。

1. 结语与展望

多渠道虚拟现实人机交互系统将多通道交互与虚拟现实的特点合理结合，将用户体验带入新的层面。 在此系统的产品设计过程研究的基础上，有效节省了时间，空间和设计资源，提高了设计效率和质量，同时人，产品和虚拟之间的自然，高效和互动兼容性环境得以实现。 在这个系统中，虚拟现实造成的头晕在技术上还没有解决。 作为产品设计师，如何从产品设计和交互设计的角度尽可能地减少头晕是下一个研究课题。