10.23 穿戴式冰雪运动装备运动风险和效能评价关键技术平台研究进展
<p>穿戴式冰雪运动装备运动风险和效能评价关键技术平台研究进展
张健，田寅生，王荣辉，胡 斌，沈燕飞，陈 骐，胡更开，陈先中
北京体育大学学报
2022年1月 第45卷 第1期
研究目的：项目促进了头盔、护具、雪板、雪鞋等常用穿戴式装备风险和效能指标检测的标准化进程，最终成果为一个与国际接轨的运动风险和效能评价公共技术平台。
文章脉络：
越来越多的冰雪项目成为了大众娱乐的宠儿，开始形成了一定规模的粘性用户。我国面临的问题是，产业蓬勃发展，基础配套的建设远远滞后，崛起的道路上充满了荆棘。
1 穿戴式冰雪运动装备研究现状
1.1 穿戴式冰雪运动装备运动风险和运动效能的定义
在国际标准化组织下属的运动安全与表现分委会中，明确将大部分穿戴装备定义为个体防护装备，这些产品的主要用途为保护用户免受低、中、高各等级的危害。
根据Jakob Nielsen对可用性分类，产品的可用性与5类产品的子属性相关：可学习性、效率、可记忆性、失误以及满意度。这些指标可以称之为效能指标。虽然效能指标种类繁多并且对用户满意度的贡献十分微弱，但却是品牌竞争力的体现。
1.2 穿戴式冰雪运动装备用户群体调查
第一类用户以短期体验为主要目的，参与动机较低，参与次数无规律性，通常称之为体验型用户。这种用户的装备大多为场地租用产品。来源有两种：（1）成本低廉的世界著名品牌的租用级别产品；（2）容易发生装备损坏的国外冰雪场淘汰的二手装备。
第二类用户是具有一定化学经验的高端用户，是产品的粘性用户和品牌粉丝。他们一般不满足于租用装备，自费购买个人装备。一些来自国外的著名运动品牌材料和结构涉及均高于ISO 的要求，外观和可用性上都有独创性涉及。
第三类用户是专业运动员或极限运动达人，他们是该领域的专家，需要定期训练和参加比赛，对装备的性能要求极为苛刻。这类产品一般以赞助形式提供给用户，品牌可以通过夺冠运动员获得极大的声望和关注度。
我国体验型用户人数较多，高端用户转化率低于欧美各国，并且我国冬奥项目的发展并不均衡，定制款产品的 性能与国外顶尖选手之间仍存在一定差距。
1.3 穿戴式冰雪装备制造产业发展现状
我国在海外资本和技术的支持下，在辽宁、山东、广东等地陆续建立了代工厂。各个代工企业目前已承担了全球70%以上的中低级产品的生产任务。
目前这些企业的规模不断萎缩，甚至出现停产停工的现象，但另一方面知名品牌的高端产品价格依旧挺拔。原因是：（1）受国内防疫政策的影响，影响了雪场的营收状况。（2）大部分原材料来自国外上游企业，受疫情影响产能不足，优先供给高端产品生产。（3）原材料价格波动，低端产品成本上涨，压缩企业利润。（4）冰雪装备制造业私企太多，技术人才不足，缺乏积累和硬实力，逐步丧失了国际竞争力。
1.4 穿戴式冰雪运动装备质量监管情况调查
调查显示大部分企业对自身生产产品的质量标准熟悉度不高，仅了解其中的部分标准号和标准中部分内容。部分企业的检测装置陈旧，检测方法未严格按照ISO标准执行。一些规模较小的企业由于缺乏相关人才，更是直接省略了质量检测环节。
位于河北石家庄市的河北质检研究院是国内具备较完整冰雪运动装备质检资质的单位。其他的第三方检测机构大多只能承担部分产品的质检工作，无法满足国内冰雪装备制造企业的需要。由于国内质检服务内容相对匮乏，我国的制造企业会将海外订单的质检交给品牌方实施，自身品牌则选择第三方机构或放弃质检环节，产品被中国用户打上“劣质品”的标签。
1.5 总结
我国的冰雪制造业虽受到疫 情的影响，但总体发展势头仍然良好。但是在法规制定和基础配套建设上进展缓慢，难以适应用户、企业以及国家发展的需要。
2 穿戴式冰雪运动装备运动风险与效能关键技术平台研究进展
2.1 项目简介
《穿戴式冰雪运动装备运动风险和效能评价关键技术平台研究》项目的主要研究目标为：（1）针对穿戴式装备，开展运动风险及运动效能评价的基础理论研究，建立分级量化评估指标体系；（2）研发运动风险及运动效能关键参数测试设备；（3）建立与国际接轨的冰雪运动装备运动风险和运动效能评价公共技术平台。
2.2 主要研究内容及课题结构分解
该项目由5个课题构成。分别是：(1)课题一：穿戴式冰雪运动装备的运动风险基础理论及量化分级指标体系研究；（2）课题二：穿戴式冰雪运动装备效能增强和评价关键理论技术研究；（3）课题三：穿戴式冰雪运动装备运动风险关键参数测试技术及设备研发；（4）课题四：穿戴式冰雪运动装备效能的感知认知测评技术研究；（5）课题五：穿戴式冰雪运动装备运动风险和效能评价关键技术的转化应用和公共平台示范研究。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=f38e9f7e890870b643d1d55777c4d6ab&file=file.png" alt="" />
2.3 主要研究成果
2.3.1 运动风险和效能评估指标体系研究
根据前期的文献调研及流行病学分析，冰雪运动中头面部损伤为最主要的损伤方式，其次是手肘及膝关节。评价头盔防护性能主要通过缓冲性能这个指标进行评估。标准中通常采用200~300G的过载冲击头盔外壳的各个方向，通过头盔表面的损伤程度评估头盔的防护等级。
基于前期的文献综述和专家调研，构建了工效指标体系，共分为2个层次，每层的指标要素数均在9个以内。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=ba1c9feea497f1327370017711338e04&file=file.png" alt="" />
下图为一级指标和部分二级指标的评分结果。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=773ca76e3e0caeaf6c2089c6978c052d&file=file.png" alt="" /></p>
<p><img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=e3ac4f17b2c10cf466cc56413b052fee&file=file.png" alt="" /></p>
<p>2.3.2 基于人体的典型动作还原与分析
为了刻画运动人体的姿态，采用了人体逆向运动学求解的技术模型进行求解。
当所有的关节点的旋转角度都已知时，根据公式<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=279389525576813aca79480b63ecc6bd&file=file.png" alt="" />，从根节点出发，根据关节链上节点的父子关系可以很容易求出所有关节点的三维坐标。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=f891eab61ee9d1549afd1b4c65c9c2a0&file=file.png" alt="" />
首先，课题建立了人体姿态数据集，包括运动员的姿态数据、几何形状数据；其次，在这些数据集基础上，利用深度神经网络研究建立大数据驱动的数字化仿真人体的运动计算模型。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=2c102d0b902ee32438d087f8b742eaf5&file=file.png" alt="" /></p>
<p><img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=64a3978ce280e0e701123c8d5aa09b22&file=file.png" alt="" /></p>
<p><img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=62e5745f7fc87050f090fc63725c947c&file=file.png" alt="" /></p>
<p>2.3.3 冲击假人及运动风险测试冲击试验台设计
冲击假人系统主要包括测量系统、中央处理及采集系统、控制显示分析系统等组成。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=5bb219f93b957318342abd80534d78e0&file=file.png" alt="" />
系统的基本功能原理为：具有一定姿态的假人安装在滑台上，滑台背面安装压缩弹簧。直线电机拉回滑台将弹簧压缩到指定位置。释放后的滑台在弹簧力作用下做变加速运动。滑台运动至弹簧力为0时，滑台速度最高。此时滑台携带加速对象完成后续的动作，如着陆或碰撞等。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=a4a38c8b00b070e0afcf91511a8181e8&file=file.png" alt="" />
2.3.4 头盔视域功能检测
光电式激光和旋转测角度装置放置在检测点（即分别放置在左右眼的位置），通过管理软件，检测装置可以自动检测头盔水平和垂直视野角度。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=00aa67d1609de9f5b407246d2f0b2fb5&file=file.png" alt="" />
电机与编码器结构体通过螺钉固定在外壳内，通过外壳下方凸起的导轨槽结构可在底板上水平横向移动。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=b2510c1fed52b69c953e4144113c5910&file=file.png" alt="" />
2.3.5 护具活动性检测
角度测量是将护具戴于可仿真运动员肢体的屈曲、伸展运动假肢模型后，通过机器视觉测试不同冲击力下的角 度变化，并将冲击力和位置变化用力矩进行评估。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=3432134bc3da935932988ace35c04980&file=file.png" alt="" />
其中1为控制模块、2为可更换假肢模型、3为测量模块。
2.3.6 手套关键性能测试
课题采用电机驱动的仿生机械手进行手部运动的模拟。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=175df08185366affd2b42d9e919315ad&file=file.png" alt="" />
采用模拟舵机，舵机输出角位移并可以保持位置不变，绳子一端固定在手指关节处，另一端固定在舵机舵盘上，舵机转动，拉动绳子，带动指节运动。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=061f8d41f2fa050cdc922c67298ebe9a&file=file.png" alt="" />
2.4 未来展望
从标准的执行者到标准的制 定者，是冰雪制造产业走上独立、自主、创新发展道路的必由之路。该平台对现行标准进行方法和参数修订，并进一步成为中国冰雪制造标准的催化所，成为我国标准体系建设的核心力量。另外集中多方面人才，对国产 品牌进行技术扶持和指导，提高国产品牌的市场竞争力和用户认可度。
3 结束语
针对当前冰雪制造 业面临的痛点问题，以北京体育大学为核心的项目攻关团队，以技术标准的制定和监督为抓手，以产-学-研-检四位一体的穿戴式冰雪产品监测评估体系为主线，积极打造为中国冰雪制造业发展服务的科技服务平台。
思考：
1 该平台制定的标准是否能够得到推广，使每一种用户都能得到好的体验
2 拿假人假肢进行试验效果会很接近真人吗</p>