服務(wù)于運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)的智能語(yǔ)音手表的開(kāi)發(fā)研究

摘要：本文在分析服務(wù)于運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)的智能語(yǔ)音手表的開(kāi)發(fā)背景和開(kāi)發(fā)設(shè)想的基礎(chǔ)上，探討了智能語(yǔ)音手表開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)方案，旨在彌補(bǔ)傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)手段的不足，并通過(guò)為運(yùn)動(dòng)者提供更加全面、及時(shí)、個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)服務(wù)，來(lái)降低運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生率和嚴(yán)重程度，提高運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。隨著人們健康意識(shí)的增強(qiáng)，參與體育運(yùn)動(dòng)的人數(shù)不斷增加，運(yùn)動(dòng)損傷的問(wèn)題也日益凸顯。目前，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)手段主要包括運(yùn)動(dòng)前的熱身、正確的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)指導(dǎo)、防護(hù)裝備的使用等，但這些方法存在一定的局限性。例如，熱身活動(dòng)的不規(guī)范或不到位可能無(wú)法有效降低損傷風(fēng)險(xiǎn)；運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，教練或?qū)I(yè)人員無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)運(yùn)動(dòng)者的狀態(tài)，難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)等。在此背景下，研發(fā)一款能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警并提供有效處理方案的損傷防護(hù)智能手表具有重要意義。一方面，它可彌補(bǔ)傳統(tǒng)防護(hù)手段的不足；另一方面，通過(guò)為運(yùn)動(dòng)者提供更加全面、及時(shí)、個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)服務(wù)，來(lái)降低運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生率和嚴(yán)重程度，提高運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。1、服務(wù)于運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)的智能語(yǔ)音手表的開(kāi)發(fā)背景1.1、基于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和大眾健身過(guò)程中運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)的需求在體育運(yùn)動(dòng)中，常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)損傷主要是腳踝扭傷、肌肉拉傷、擦傷、韌帶撕裂、骨折等。高發(fā)場(chǎng)景主要集中在各類體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所，如健身房、體育場(chǎng)、戶外運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等。例如，在健身房中，使用器械不當(dāng)或過(guò)度訓(xùn)練可能導(dǎo)致?lián)p傷；在戶外長(zhǎng)跑過(guò)程中，由于路況復(fù)雜、體力消耗大等因素，也容易發(fā)生意外損傷。目前，基于運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生時(shí)間的不確定性和損傷部位多發(fā)性等特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者對(duì)損傷防護(hù)的需求愈發(fā)迫切。一方面，他們希望能夠在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中及時(shí)獲得專業(yè)的指導(dǎo)和建議，以避免因錯(cuò)誤的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)或過(guò)度訓(xùn)練而導(dǎo)致?lián)p傷；另一方面，一旦發(fā)生損傷，希望能夠迅速得到準(zhǔn)確的處理方法和急救措施，從而降低損傷的嚴(yán)重程度。1.2、基于智能語(yǔ)音技術(shù)的智能手表在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢(shì)目前，許多智能手表能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的心率、血壓、血氧等生理數(shù)據(jù)，還可通過(guò)內(nèi)置的加速度傳感器和陀螺儀等設(shè)備監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的動(dòng)作姿態(tài)，為運(yùn)動(dòng)者提供運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和疲勞程度評(píng)估，并及時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤姿勢(shì)提醒，可在一定程度上預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生。同時(shí)，在健康管理方面，智能手表也發(fā)揮著重要作用。它不僅可以記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，還能對(duì)睡眠質(zhì)量、壓力指數(shù)等健康指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，為用戶提供全面的健康洞察。此外，一些智能手表還具備個(gè)性化的健康建議和提醒功能，幫助用戶更好地管理自身健康。由此可見(jiàn)，隨著科技的不斷進(jìn)步，智能手表在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用已呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展趨勢(shì)。2、服務(wù)于運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)的智能語(yǔ)音手表的開(kāi)發(fā)設(shè)想目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)智能手表的研發(fā)也逐漸受到關(guān)注。一些高校和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了相關(guān)研究項(xiàng)目，致力于將智能技術(shù)與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)適合中國(guó)運(yùn)動(dòng)者需求的智能手表。基于此，本研究項(xiàng)目“‘呼叫小護(hù)’——賽場(chǎng)運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)智能助手”嘗試將智能語(yǔ)音助手與運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)深度融合，使智能手表不僅具備常規(guī)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能，還能在運(yùn)動(dòng)者受傷時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音助手快速查詢到對(duì)應(yīng)的損傷處理視頻，為運(yùn)動(dòng)者提供及時(shí)、準(zhǔn)確的處理指導(dǎo)。同時(shí)，針對(duì)本款智能語(yǔ)音手表的下一步開(kāi)發(fā)，本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)想今后在對(duì)智能手表的不斷升級(jí)和完善過(guò)程中，要進(jìn)一步嘗試優(yōu)化智能手表中的數(shù)據(jù)處理算法，通過(guò)對(duì)大量運(yùn)動(dòng)損傷數(shù)據(jù)的分析和研究，提高對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷的預(yù)警準(zhǔn)確性，使之能夠更精準(zhǔn)地識(shí)別運(yùn)動(dòng)者的異常狀態(tài)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，降低運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。此外，在運(yùn)動(dòng)損傷處理建議的個(gè)性化方面還陸續(xù)增加，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)者的身體狀況、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣以及損傷類型等因素，為其提供個(gè)性化、精準(zhǔn)化的處理建議和康復(fù)計(jì)劃等內(nèi)容，以滿足不同運(yùn)動(dòng)者在不同損傷情況下的需求。3、服務(wù)于運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)的智能語(yǔ)音手表的設(shè)計(jì)方案作為省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，“‘呼叫小護(hù)’——賽場(chǎng)運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)智能助手”項(xiàng)目旨在利用智能語(yǔ)音助手與運(yùn)動(dòng)損傷相結(jié)合的方式，向大眾普及運(yùn)動(dòng)損傷的相關(guān)知識(shí)，降低運(yùn)動(dòng)損傷對(duì)于大眾所造成的危害。本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的服務(wù)于運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)的智能語(yǔ)音手表主要具有以下四個(gè)功能區(qū)。3.1、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)功能（1）運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集。與目前市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)智能手表一樣，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)智能手表也是通過(guò)內(nèi)置的多種先進(jìn)傳感器，來(lái)實(shí)時(shí)采集豐富的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，為運(yùn)動(dòng)者提供全面的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。首先，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如跑步、健身等，利用心率傳感器采集心率數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)時(shí)反映運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和身體的疲勞程度，為運(yùn)動(dòng)者調(diào)整運(yùn)動(dòng)節(jié)奏提供關(guān)鍵依據(jù)。其次，利用加速度傳感器感知運(yùn)動(dòng)者在三維空間中的加速度變化，進(jìn)而準(zhǔn)確獲取運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、步數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡等信息。例如，在跑步時(shí)，精確記錄每一步的步頻、步幅以及跑步速度等數(shù)據(jù)；在健身訓(xùn)練中，能夠精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)力量訓(xùn)練的動(dòng)作次數(shù)和節(jié)奏。此外，智能手表還可以配備地磁傳感器，利用地球磁場(chǎng)特性，為戶外跑步、登山等運(yùn)動(dòng)提供方向指引，確保運(yùn)動(dòng)者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的安全性；今后，還可以配置氣壓傳感器，利用基于大氣壓力與海拔的關(guān)系的原理，測(cè)量海拔變化，以便為登山、徒步等戶外運(yùn)動(dòng)者提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考，幫助他們更好地適應(yīng)環(huán)境變化，預(yù)防高原反應(yīng)等可能導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)損傷。（2）數(shù)據(jù)可視化展示。為了讓運(yùn)動(dòng)者能夠直觀、清晰地了解自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，智能手表將采集到的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)以圖表和圖形的形式進(jìn)行可視化展示。在表盤(pán)界面上，以簡(jiǎn)潔明了的數(shù)字形式實(shí)時(shí)顯示心率、步數(shù)、運(yùn)動(dòng)距離等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，方便運(yùn)動(dòng)者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中快速查看。同時(shí)，通過(guò)與手機(jī)APP連接，在手機(jī)端呈現(xiàn)更詳細(xì)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)圖表。例如，以折線圖的形式展示運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的心率變化趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)者可以直觀地看到心率在不同運(yùn)動(dòng)階段的起伏情況，判斷運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度是否適宜；以柱狀圖對(duì)比不同時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)步數(shù)，了解自己的運(yùn)動(dòng)活躍度變化；以地圖軌跡的形式記錄戶外跑步、騎行等運(yùn)動(dòng)的路線，方便運(yùn)動(dòng)者回顧運(yùn)動(dòng)路徑和分析運(yùn)動(dòng)環(huán)境。此外，對(duì)于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，智能手表可以通過(guò)動(dòng)畫(huà)模擬的方式在手機(jī)APP上展示，將運(yùn)動(dòng)者的實(shí)際運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以三維模型的形式呈現(xiàn)出來(lái)，并與標(biāo)準(zhǔn)的正確姿態(tài)進(jìn)行對(duì)比，用不同顏色標(biāo)注出可能存在問(wèn)題的部位，如紅色表示姿勢(shì)錯(cuò)誤的關(guān)節(jié)或肢體部分，讓運(yùn)動(dòng)者更加直觀地了解自己的姿勢(shì)問(wèn)題，以便及時(shí)調(diào)整，有效預(yù)防因姿勢(shì)不當(dāng)而引發(fā)的運(yùn)動(dòng)損傷。這種可視化展示方式不僅提高了數(shù)據(jù)的可讀性，還增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)者對(duì)自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的感知和掌控能力，使他們能夠更加科學(xué)、合理地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，降低運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。3.2、損傷預(yù)警功能（1）異常數(shù)據(jù)識(shí)別。運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)智能手表通過(guò)內(nèi)置的先進(jìn)數(shù)據(jù)分析算法，對(duì)實(shí)時(shí)采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，精準(zhǔn)識(shí)別其中的異常情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)損傷的有效預(yù)警。以心率數(shù)據(jù)為例，算法會(huì)根據(jù)運(yùn)動(dòng)者的個(gè)人基本信息（如年齡、性別、身體狀況等）以及運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的特點(diǎn)，設(shè)定個(gè)性化的心率閾值范圍。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)心率傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)到心率超出該閾值時(shí)，例如長(zhǎng)時(shí)間高于最大心率的85%（最大心率一般計(jì)算公式為220-年齡），系統(tǒng)會(huì)立即判定為心率異常升高，這可能預(yù)示著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大，心臟負(fù)荷過(guò)重，存在引發(fā)心肌疲勞、心律失常甚至心肌梗死等嚴(yán)重心臟疾病的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)大大增加其他運(yùn)動(dòng)損傷（如肌肉拉傷、中暑等）的發(fā)生概率。對(duì)于運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)數(shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)識(shí)別算法基于加速度傳感器和陀螺儀傳感器收集的數(shù)據(jù)，構(gòu)建人體運(yùn)動(dòng)模型。通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)庫(kù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的每一個(gè)動(dòng)作細(xì)節(jié)。例如，在舉重運(yùn)動(dòng)中，如果檢測(cè)到杠鈴上升過(guò)程中身體過(guò)度后仰或前傾，超出正常的安全角度范圍，或者在跑步時(shí)膝蓋內(nèi)扣、腳步拖地等異常姿勢(shì)，算法會(huì)迅速識(shí)別出這些姿勢(shì)錯(cuò)誤，并判斷為運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)異常。這些錯(cuò)誤姿勢(shì)會(huì)使身體各部位承受不均勻的壓力，導(dǎo)致關(guān)節(jié)、肌肉和韌帶受力失衡，從而極易引發(fā)扭傷、拉傷、挫傷等運(yùn)動(dòng)損傷。（2）預(yù)警方式與提示。當(dāng)智能手表識(shí)別到運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)異常并判定存在運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，會(huì)采用多種預(yù)警方式及時(shí)向運(yùn)動(dòng)者發(fā)出警報(bào)，并提供相應(yīng)的提示信息和建議，以幫助運(yùn)動(dòng)者采取有效的預(yù)防措施，避免損傷的發(fā)生或減輕損傷程度。在預(yù)警方式上，智能手表首先會(huì)通過(guò)強(qiáng)烈的震動(dòng)來(lái)提醒運(yùn)動(dòng)者。此外，手表的屏幕會(huì)立即顯示醒目的預(yù)警信息，以紅色字體突出顯示異常數(shù)據(jù)和可能存在的損傷風(fēng)險(xiǎn)，如“心率過(guò)高，可能導(dǎo)致心臟損傷，請(qǐng)降低運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度并休息”“跑步姿勢(shì)錯(cuò)誤，易引發(fā)膝蓋損傷，請(qǐng)調(diào)整姿勢(shì)”等，讓運(yùn)動(dòng)者能夠直觀地了解到問(wèn)題所在。通過(guò)這些及時(shí)有效的預(yù)警方式和詳細(xì)準(zhǔn)確的提示信息，智能手表能夠幫助運(yùn)動(dòng)者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行預(yù)防和糾正，為運(yùn)動(dòng)者的身體健康和運(yùn)動(dòng)安全提供有力保障。3.3、運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)功能（1）運(yùn)動(dòng)技巧指導(dǎo)。運(yùn)動(dòng)損傷防護(hù)智能手表借助智能語(yǔ)音助手或屏幕顯示，為用戶提供豐富多樣且詳細(xì)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)技巧指導(dǎo)，涵蓋多種常見(jiàn)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，旨在幫助用戶掌握正確的運(yùn)動(dòng)方法，提高運(yùn)動(dòng)效果，減少因運(yùn)動(dòng)技巧不當(dāng)而引發(fā)的損傷風(fēng)險(xiǎn)。在跑步技巧指導(dǎo)方面，智能手表會(huì)通過(guò)語(yǔ)音提示和屏幕動(dòng)畫(huà)演示相結(jié)合的方式，為用戶詳細(xì)講解正確的跑步姿勢(shì)和呼吸方法。例如，提醒用戶保持身體微微前傾，頭部正直，眼睛平視前方，肩膀放松下沉，手臂自然擺動(dòng)，擺動(dòng)幅度不宜過(guò)大，以減少不必要的能量消耗和身體晃動(dòng)。同時(shí)，告知用戶在跑步過(guò)程中要采用腹式呼吸法，即吸氣時(shí)腹部隆起，呼氣時(shí)腹部收縮，呼吸節(jié)奏應(yīng)與跑步步伐相配合，一般建議按照兩步一呼、兩步一吸或者三步一呼、三步一吸的節(jié)奏進(jìn)行呼吸，這樣可以保證身體獲得充足的氧氣供應(yīng)，減輕疲勞感，提高跑步效率，避免因呼吸不暢導(dǎo)致的岔氣等問(wèn)題。（2）制訂個(gè)性化訓(xùn)練計(jì)劃。個(gè)性化訓(xùn)練計(jì)劃制訂擬在本款智能語(yǔ)音手表的下一步升級(jí)中進(jìn)行開(kāi)發(fā)。主要設(shè)想為：通過(guò)收集和分析用戶的身體狀況、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和歷史運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法，為用戶量身定制個(gè)性化訓(xùn)練計(jì)劃，以滿足不同用戶的多樣化需求，幫助他們更科學(xué)、高效、安全地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，同時(shí)降低運(yùn)動(dòng)損傷的風(fēng)險(xiǎn)。3.4、應(yīng)急處理功能手表內(nèi)置了豐富的運(yùn)動(dòng)損傷處理方法數(shù)據(jù)庫(kù)，處理方法是由專業(yè)的運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)專家團(tuán)隊(duì)精心編寫(xiě)和審核，確保其科學(xué)性和準(zhǔn)確性。在存儲(chǔ)方式上，采用高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)，將文字說(shuō)明、圖片示例以及視頻演示等多種形式的處理方法進(jìn)行有序整合，以便快速查詢和調(diào)用。當(dāng)運(yùn)動(dòng)者發(fā)生損傷時(shí)，只需通過(guò)語(yǔ)音指令或在手表屏幕上進(jìn)行簡(jiǎn)單操作，輸入損傷類型或描述損傷癥狀，智能手表就能迅速?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)中篩選出對(duì)應(yīng)的處理方法，并以清晰、易懂的方式呈現(xiàn)給運(yùn)動(dòng)者。例如，若運(yùn)動(dòng)者遭遇腳踝扭傷，手表會(huì)立即顯示出詳細(xì)的處理步驟：首先應(yīng)停止運(yùn)動(dòng)，避免受傷部位進(jìn)一步受力；然后盡快找到安全的地方坐下或躺下，將受傷的腳踝抬高，略高于心臟水平，以促進(jìn)血液回流，減輕腫脹；接著使用冰袋或冷毛巾對(duì)受傷部位進(jìn)行冷敷，每次冷敷15—20min，每隔2—3h冷敷一次，冷敷時(shí)需注意避免冰袋直接接觸皮膚，防止凍傷；同時(shí)，可使用彈性繃帶對(duì)腳踝進(jìn)行適度包扎；最后，建議在損傷后的24—48h內(nèi)盡量避免負(fù)重行走，必要時(shí)可借助拐杖