基于身体反馈的新型家庭运动游戏开发:可用性研究

简介

身体活动不足，定义为身体活动水平低于最佳健康状况以及预防疾病和过早死亡的一般建议水平[1]，是一项公共卫生挑战[2]，全球有超过14亿(约四分之一)成年人缺乏体育锻炼[3.］．一些常见的运动障碍，包括缺乏时间、缺乏动力、经济限制、使用设施和适当设备的机会有限，以及恶劣天气等环境因素，都与身体活动水平低有关。4，5］．在家锻炼有可能克服其中一些锻炼障碍，因为它减轻了旅行的需要，如果在室内进行，还可以克服恶劣天气的障碍。COVID-19大流行加速了这一趋势，由于体育设施关闭，许多人在家锻炼[6］．

迄今为止，许多基于家庭的运动研究都集中在简单的体重训练、阻力带训练和传统的训练方法(即散步和慢跑)[7-12］．虽然这些方法通常在改善健康指标方面有效，但由于动机问题干扰了定期锻炼，它们的有效性可能会受到阻碍。新的，有吸引力的，有效的策略可能有助于克服这些常见的锻炼障碍。此外，这些策略有可能将身体活动水平提高到世界卫生组织建议的每周至少150-300分钟的中等强度身体活动或75-150分钟的高强度身体活动，或相当的组合[13]，在越来越多不活跃的人群中。

运动游戏(exergames)通过在电子游戏中整合体能训练，同时结合体能训练和认知训练[14］．运动游戏已被证明能改善认知和身体健康。15-19]同时提供比传统健身更有吸引力的锻炼环境[17，18，20.，21］．关于在家锻炼游戏的整合和使用，文献表明，在家庭环境中锻炼游戏可以获得较高的训练依从性和依从性[22-24］．此外，研究表明，在儿童和老年人中，家庭运动游戏的可行性和可用性可接受的比例较高[22，25］．此外，结果显示了良好的情绪体验以及对动机方面的积极反应[22，23］．定期的exergame系统更新，包括更有吸引力的游戏，有助于将体验和动机保持在较高的水平。25］．此外，在COVID-19大流行期间，锻炼游戏被认为是一种有效的在家保持身体活动的训练方法[26］．然而，文献指出了完美的技术功能的重要性[22]，因为容易出错的系统会超出外部支持，降低培训动机[25］．此外，在某些情况下，社会和临床指导对于在家中持续参与运动仍然是必要的[27］．总的来说，运动游戏有潜力成为一种有吸引力和有效的家庭训练策略。

exexcube (Sphery Ltd)，一款身临其境的混合现实功能健身游戏[21，28]，与传统的训练方法相比，这种训练方法提供了同样令人愉快和激励人心的体验[21，29］．在exexcube中，玩家被三面墙包围，作为投影屏幕和身体互动的触觉界面。定制的运动跟踪系统跟踪玩家的动作。根据持续的心率(HR)跟踪和用户在游戏中的表现，通过改变训练强度和游戏难度来实时调整游戏以适应个性化的要求。29，30.］．exexcube作为一种可行且有效的运动游戏的潜力在之前已经得到了证实。21，29，30.］．然而，静止版本最初是为在健身房环境中使用而设计的，而不是在家庭环境中使用。

为了让更多的人可以使用ExerCube，从而减少主要的运动障碍，开发一款基于家庭的ExerCube将是有利的。因此，本研究的目的有三个:首先，通过将静止版的exexcube的空间引导和激励触觉反馈转化为家庭使用的exergame设置，开发一个可用的基于家庭的exergame系统;其次，评估基于家庭的健身游戏及其早期身体反馈系统的可用性和训练体验;第三，确定进一步以用户为中心的系统设计迭代的途径。

方法

身体反馈系统的设计过程

在以用户为中心的迭代设计过程中，开发了沉浸式身体反馈系统，以保持身体沉浸式设置的好处(图1A)在家中使用(图1B).设计过程的第一阶段是分析现有的固定运动游戏系统，并确定其技术机会，重点关注允许沉浸式训练体验的属性。最重要的发现是，由三面墙提供的触觉和空间体验必须转化为身体反馈系统。我们的重点是利用现有的硬件和玩家的身体来实现额外的反馈系统。

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经过重新思考，工业设计师和运动科学家对身体反馈系统的不同概念进行了阐述。为了确保这些概念是以用户为中心的，我们与5个年轻成年人进行了焦点小组讨论，他们是基于家庭的健身游戏的潜在目标用户。焦点小组访谈的目的是探索目标群体之前玩exergames的经历;定义最佳运动游戏体验的需求、偏好和期望;并使用半结构化访谈指南提供关于详细的身体反馈系统的反馈。半结构化访谈指南是基于关于家庭健身游戏的问题，特别是关于使用身体反馈系统扩展游戏体验的问题而制定的。

基于焦点小组会议的反馈，基于家庭的exergame的第一个版本以反馈手套为特色，开发用于提供与游戏互动所需的空间感知和激励触觉反馈。振动电机被用来模拟触摸和打孔的触觉，而不需要物理墙壁。通过光和声音的视觉和听觉反馈作为额外的交互模式，开发了游戏的沉浸式体验。

可用性研究

研究设计与程序

健康成人(年龄≥18岁)参与本研究。参与者在参与前提供知情同意。参加者在瑞士伯尔尼的因赛尔斯皮塔尔大学医院进行了2次访问。访问1通过游戏内教程让参与者熟悉运动游戏，该教程提供了如何正确完成每个身体动作的深入指导，然后参与者在游戏中进行简短的练习。然后，参与者完成了四次5分钟的运动，每次运动之间大约有2分钟的恢复时间。每次会议都为参与者提供了不同的反馈方式(即，他们是通过听觉、触觉还是视觉刺激获得反馈;图2)．在访问2中，参与者完成了与访问1相同的4个5分钟的锻炼。然而，完成锻炼的顺序是随机的。在两次访问中，参与者在完成每次运动后都被问及一些问题，以评估他们对身体反馈系统的看法。在访问2内完成所有运动游戏课程后，参与者被要求完成一系列问卷调查，以评估可用性和他们的运动游戏训练体验。然后，参与者完成了与研究团队成员的半结构化访谈，以评估他们的整体锻炼游戏体验。所有访谈均由作者BS进行，以消除研究者偏见。

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伦理批准

这项研究获得了瑞士伯尔尼州伦理委员会(REQ-2021-00061)的伦理批准豁免。

家庭Exergame设置的描述

“Sphery Racer”(由Sphery Ltd公司开发)是一款为ExerCube环境设计的单人游戏体验，被用作游戏环境。“球形赛车”要求玩家通过悬浮板上的角色在快节奏的赛道上前进。定制的运动跟踪系统(HTC Vive跟踪器)将玩家的运动(基于功能性训练)转移到这个虚拟角色上，从而转移到虚拟赛道上。在比赛过程中，玩家会遇到需要全身功能锻炼的障碍(如深蹲、弓步和立卧撑)和额外的认知挑战，包括通过决定何时进行哪种运动来快速处理信息(如反应时间和协调挑战)。每次正确完成和计时的练习都可以获得积分。玩家可以通过5个游戏关卡前进。每个级别都可以通过连续进行一定数量的正确执行的物理练习(组合)来达到。如果球员犯错，他们也会被降职。水平越高，游戏速度越快(即体育锻炼出现得越快)。体能和认知方面的挑战越大，得分乘数就越大。 To further ensure an ideal workout experience, the home-based exergame incorporates technology that adapts the game speed to the individualized requirements based on continuous HR tracking, aiming to keep the players at 80% of their maximal HR.

新开发的体表反馈系统集成到跟踪系统的手套中，通过不同的体表反馈方式提供空间引导和激励触觉反馈。出现了闪烁的灯光(视觉反馈)、震动(触觉反馈)和声音(听觉反馈)(取决于预定义的设置，图2)，即参与者在正确的时间窗内进行了正确的锻炼。当参与者犯错误(错误的运动或不正确的时间)时，设备会显示红色(视觉反馈)。此外，灯光的颜色也会随着游戏关卡的不同而改变(关卡1:非常深的青色;二级:深蓝色;三级:深蓝-石灰绿;四级:中度橙色;第五级:深洋红色)。

可用性评估和Exergame训练经验

Exergame可用性使用系统可用性量表(SUS;α=点)(31，32]，由10个项目组成，按李克特5分制评分(0:不正确;4:真的)。总体可用性得分被计算出来，然后乘以2.5得到满分100分的分数。在这项研究中，“可接受的解决方案”的得分至少为70分;在50到70之间是“勉强可以接受的”;而低于50则是“不可接受的”。32，33］．参与者的运动训练体验通过流短量表(FSS;α= .90)(34］．金融监督院由13个项目组成，按照李克特7分制(1:完全没有;7:非常多)，并从4个维度进行测量:整体流动、表现流畅性、活动吸收和感知重要性。在整体心流、表现流畅性和活动吸收等维度上，得分接近7分代表积极得分。在感知重要性方面，接近1的分数被认为是积极的分数。参与者对运动训练的享受程度使用身体活动享受量表(pace;α= .96点)(35-38]，由18个双极语句组成，每个语句之间有7个点。为了评估游戏中的沉浸感，参与者完成了沉浸式体验问卷(IEQ)，该问卷由31个项目组成，采用7分李克特量表(1=完全不同意;7 .非常同意39］．IEQ分析将这些反应分为以下几类:完全沉浸、挑战、控制、现实世界的分离、情感投入和认知投入[39］．最后一项沉浸感测量采用10分制(1:完全不沉浸;10:非常沉浸)。为了评估身体和认知感知的用力程度，采用了一种改良的10分博格量表(1:非常、非常轻;10:非常重)被使用[40］．最后，设计了半结构化访谈，以提供可用性和培训体验的具体评估。访谈包括几个类别的问题:总体而言，游戏软件，游戏控制，家庭使用，专注力，动机，训练(身体和认知)，以及进一步的想法，包括愿望和想法。

数据分析

定量数据(问卷调查和感知运动量表评分)进行分析并描述性地报告。半结构化访谈由三位作者(AMN、AS和YR)进行评估。作者采用了基于定性内容分析的迭代主题编码方法(整体体验，游戏[软件]，游戏控制[硬件]，家庭使用，专注，动机，培训，以及进一步的想法，包括愿望和想法)[41］．编码的主题基于研究开始前确定的半结构化访谈类别。对于所有的访谈，编码员根据访谈指南的类别分别转录和编码数据。在迭代中，编码员讨论出现的结果，直到达成一致。最后，两位作者(AMN和AS)进一步总结了结果，将个别陈述汇编成主要发现。

结果

参与者

共16名受试者(女9名，男7名;平均年龄25岁，SD 3岁)。1名参与者由于技术问题(与身体反馈系统的电池源连接问题)未能完成访问1;因此，15名参与者(n=9名女性，n=6名男性;平均年龄25岁，SD 3岁)完成了两次研究访问。

问卷的反应

问卷数据载于表1．

访谈数据:身体反馈系统

关于身体反馈系统的问题显示，在访问1期间，参与者没有注意到视觉反馈模式下的闪光和颜色。然而，当错误发生时出现的红色灯光被参与者强烈地感知到了。震动(触觉反馈)，以及在游戏中引入这种反馈的时间，都被参与者立即记录下来。振动被认为是支持性的。如果震动被认为是分散注意力，那只是在参与者熟悉游戏的开始。声音(听觉反馈)被强烈地感知到。然而，这种声音并不悦耳，而且质量也受到了批评。许多参与者更喜欢声音和振动的结合。很少有人喜欢只有振动的版本。

在访问2后，大多数参与者对添加或省略反馈表示认可。几乎一半的参与者选择了触觉反馈(振动)作为他们最喜欢的反馈，因为它被认为是谨慎的，不那么分散注意力。同样，几乎一半的参与者更喜欢振动和声音的结合，因为反馈和激励效果更明显。在第二次研究访问中，不同水平的颜色变化得到了更好的分类。闪光没有被正确识别，因为它大部分都在视野之外。

在第1次和第2次访问中，颜色和闪光灯既没有被认为是支持的，也没有被认为是分散注意力的。所有参与者都非常积极地感知振动，并且不会分散注意力。所有参与者也立即登记了声音反馈的使用情况。然而，近一半的参与者认为这种声音太大了。同样，由于质量差、声音延迟和音量大，声音被描述为相当不支持。许多参与者甚至因为同样的原因在游戏中被声音分散了注意力。

关于在手腕上的肩带连接身体反馈系统，大约一半的参与者认为它们并不讨厌，而其余的人则认为这种形式的连接不太舒服，因为在锻炼时汗水、电缆和电池背包。

访谈数据:总体培训可用性和体验

总体经验

总体而言，参与者喜欢这项研究以及游戏和培训体验。他们在训练中体验到积极的感觉，并将其描述为一些新的东西，有趣的，创新，很酷的，有趣的，激励，身临其境的，娱乐，互动，直观的，清晰的，简单的，有效的,具有挑战性的．

游戏软件

大部分参加者都喜欢这个游戏(设计，潜入另一个世界，忽略培训方面，新概念,不同的动作)．有些参与者表示，他们会建议调整游戏的某些功能(片面的运动，上身相对较少,重复的练习)．此外，大多数参与者都能理解这个游戏(游戏解释了需要做什么，在第二次训练时，已经比较容易了,教程解释了练习)．嘉宾提到了提高游戏可理解性的几个方面:练习时间安排，已执行练习的登记,移动执行说明．电子游戏环境和叙事框架被积极评价，甚至没有被参与者在执行exergame时注意到。一些参与者希望通过不同的游戏场景拥有更多的多样性(例如，更真实的游戏环境)在将来。此外，所有参与者都注意到游戏适合他们的个人表现技能(游戏速度)。

家庭使用

参与者可以想象在家里用exergame系统(时间和材料少，封锁[COVID-19]，恶劣的天气,对于不想接受暴露训练的人)．他们会将游戏安装在客厅、地下室或办公室，并希望花费最多5.7分钟(SD 3.8)的时间来安装系统，这意味着游戏应该快速且容易安装。对于许多参与者来说，他们家里现有的电视足够大，可以在家里玩健身游戏。他们提到的某些方面是他们不想在家里使用该系统的原因:设置困难，房间大小,喜欢在大自然中做运动(例如,在森林里慢跑)．

焦点

所有参加者在训练期间专注于比赛(即将到来的练习，锻炼执行，取得高分，游戏的刺激,被游戏环境所吸引)，很少关注周围发生的事情。他们中很少有人在训练时注意到自己的身体(房间内的运动和位置记录不一致)．大多数参与者都沉浸在游戏环境中。他们中的一些人觉得沉浸感被打断了，因为不一致的练习登记练习或比赛延期．一些参与者对当前的设置感到不满，他们更喜欢虚拟现实(VR)眼镜。大多数参与者都因游戏环境而(不同程度地)从训练强度中分心。

动机

参与者被激励着在游戏中移动并变得更好(流动的感觉，高分，游戏的因素，正确的移动执行,高的组合）．许多参与者表示，他们更有动力进行运动训练，而不是去健身房。

培训

此外，大多数参与者在运动游戏中感到身体和认知受到了挑战(即将到来的练习，在第一次训练中更多,游戏越快或越艰苦，你需要思考的就越多)，但并没有达到极限。与会者认为他们面临的最大挑战如下:正确的练习执行，时机（当比赛变得很快的时候)，保持高度集中,从房间的一边切换到另一边)．对一些参与者来说，这些动作感觉很自然，而对另一些人来说，这些动作感觉部分自然(原地慢跑很奇怪而且箭步动作的执行)．参与者每周最多训练2.5次(标准偏差1.0)(范围为每周1-4次)，最多30.0分钟(标准偏差11.7分钟)(范围为10-60分钟)。

思想包括愿望和想法

最后，参与者希望在未来继续玩健身锻炼游戏，因此他们希望进一步扩展，以在更长的时间内保持训练动机在一个高水平:一个教程更详细的练习描述；更小，更方便，更可靠游戏控制器;选项关于反馈选择和电子游戏环境;还有更多不同的训练动作．

讨论

主要研究结果

这项研究的目的有三个:首先，通过将静止版的exexcube的空间引导和激励触觉反馈转化为家庭使用的exergame设置，开发一个可用的基于家庭的exergame系统;其次，评估基于家庭的健身游戏及其早期身体反馈系统的可用性和训练体验;第三，确定进一步以用户为中心的系统设计迭代的途径。研究结果表明，这种基于家庭的运动游戏及其身体反馈系统对年轻健康人群是有用的。对于身体反馈系统，参与者最喜欢触觉反馈和触觉与听觉的结合反馈，因为它们具有支持和激励属性。此外，问卷调查和半结构化访谈表明，参与者喜欢激励、互动和沉浸式游戏和培训体验。此外，基于家庭的运动游戏系统的未来迭代结果出现在这个评估过程中。

Exergame及其反馈系统的可用性

根据Bangor等人的研究，SUS分数为70.5 (SD 12)是一个可接受的分数[32，33]，满足本研究的“可接受解”值(至少设为70)。除了SUS之外，系统的可用性也反映在参与者的访谈回答中。参与者很快就理解了如何控制运动游戏，并认为它是不言自明和全面的。此外，参与者享受原型身体反馈系统的体验，并可以想象在家里使用这个运动游戏。这项研究的结果与文献一致，表明参与者发现锻炼游戏是一种可接受的和可用的解决方案，在家庭环境中进行训练[22，25］．因此，以用户为中心的集成迭代设计过程似乎是设计可用的锻炼游戏的一个重要方面。42，43］．

尽管如此，采访中提到的某些方面将进一步提高系统的可用性，从而提高游戏体验。这些建议包括模拟参考点(如地板标记)或数字参考点(如游戏内视觉或听觉信号)，为玩家定义训练区域。在固定的exexcube中，玩家被3面界定训练区域的墙壁包围。未来开发工作的挑战是如何定义训练区域，以维持玩家的训练体验和高水平的流程。与训练领域相关的另一个挑战是练习的时机，这意味着玩家何时必须开始运动以达到目标并获得满分。在exexcube中，目标从前壁移动到侧壁。因此，基于家庭的系统应该提供支持玩家决定移动时间的替代信息。与空间有关的另一个挑战是训练室，因为每个用户在家里的空间条件不同。因此，基于家庭的系统应具有一定的灵活性(如通过校准)，以适应不同的房间情况。此外，exergame应该包括对所执行动作的进一步信息和解释。 This aspect is even more important for home-based exergame training compared to training in a fitness class that is usually supervised by an instructor.

关于身体反馈装置，该系统还需要进一步开发，并集成到现有的设备中(如跟踪系统)，使exergame作为一个完整的系统工作。这一步应该可以提高系统的可用性。此外，视觉和听觉反馈必须得到改善，以便为上述家庭运动游戏系统的挑战提供额外的支持系统。此外，反馈应该更好地整合到现有的exergame场景中，为玩家提供身体投射的游戏体验。总的来说，这项研究表明，家庭健身游戏及其早期身体反馈系统，对年轻健康的成年人来说是一个可用的训练系统。为进一步提高家庭健身游戏的可用性和训练体验，揭示了未来研发工作中必须面对的有前景的途径和挑战。

游戏及培训经历

访谈结果显示，参与者都很享受这次学习和培训经历。大多数参与者报告说，他们觉得自己沉浸在游戏环境中，并有动力在游戏中表现得更好。除了访谈结果外，问卷数据(FSS、PACES和IEQ)也显示出中高分，这表明参与者沉浸在游戏环境中，享受训练，并在锻炼游戏训练过程中体验到心流感。心流和沉浸感(游戏邦注:尤其是exergame训练方法所产生的心流和沉浸感)能够将玩家的注意力从体能训练中转移开。29，44-46］．就训练动机而言，这种训练经历和关注点的转移对于增加内在的训练动机至关重要，因此，对于缺乏锻炼的人来说，长期的训练动机和坚持是至关重要的[46，47］．这些发现与之前的研究相一致，这些研究表明，基于家庭的锻炼游戏可以引发良好的情绪体验，以及关于动机方面的积极反应[22，23］．

此外，exergame训练方法必须有一个单独有效的训练负荷来体验流[48，49]，并在较长时间内引发身体和认知方面的改善。评估的感知用力值显示身体和认知方面的中等强度。这与访谈结果一致，访谈结果显示参与者在运动游戏中感到身体和认知受到了挑战。世界卫生组织建议每周至少进行150-300分钟的中等强度体育活动，或每周75-150分钟的高强度体育活动，或两者相等的组合[13］．

总的来说，研究结果表明，这种运动游戏及其早期身体反馈系统有潜力成为一种有吸引力的基于家庭的训练解决方案。新开发的系统引发了类似的游戏和训练体验，正如之前使用ExerCube进行的研究所显示的那样。21，29，30.］．此外，这种以家庭为基础的运动游戏解决方案可以克服已确定的运动障碍，例如缺乏时间、使用设施和适当设备的机会有限、天气恶劣以及缺乏动力[4，5]，从而增加不爱运动人士的活动量[47，50］．然而，对在家使用这套系统的玩家来说，进一步的扩展和多样化的锻炼游戏可能有助于在较长时间的训练中保持动力和训练负荷在最佳水平[25］．

身体反馈系统

访谈数据显示，参与者很享受使用身体反馈系统的体验。特别是触觉反馈，无论是作为单一刺激，还是与视觉反馈相结合，都很受欢迎。这与之前关于锻炼游戏的研究结果一致，即触觉反馈能够积极地影响空间存在感、沉浸感、流动感和动机[21，51，52]以及化身[53］．

与其他研究相似，运动游戏中的触觉刺激比听觉和视觉反馈更受欢迎。54，55］．在我们的研究中，由于虚拟游戏场景中的新信息，视觉和听觉处理负载已经相当高，因此玩家有更多的触觉反馈资源，这也可能被放大。因此，听觉和视觉反馈的认知资源仍然是有限的，至少在第一次游戏过程中是如此。我们可以假设在玩家完成几次游戏回合后这种情况将发生改变。

总的来说，新设计的身体反馈系统的特点是很有前途的。然而，这项研究为进一步开发体表反馈系统提供了鼓舞人心的途径。例如听觉反馈，由于体育运动中对听觉反馈和音乐有特定的要求，需要进一步优化[56]和exergames [21］．

在未来的研究中，评估不同的身体反馈对赋权感觉的影响将是有趣的[57]和自尊[55]以及运动质量方面的影响[58］．

限制

这项研究的一个局限性是样本缺乏可变性;由于本研究的样本均为年轻健康的参与者，年龄范围较小(19-30岁)，因此在本研究中纳入更广泛的年龄范围将增加研究结果的普遍性。此外，两次访问之间没有明确的洗脱期，这意味着参与者在访问1和2之间有不同的时间段。然而，没有参与者两次就诊间隔超过2周;因此，所有参与者的熟悉程度都是相似的。

结论

总体而言，研究结果显示，年轻健康人群认为，这种基于家庭的锻炼游戏及其早期身体反馈系统可用，是一种愉快的训练体验。结果表明，这个运动游戏和它的身体反馈系统有潜力成为一个有吸引力的基于家庭的训练解决方案。此外，基于家庭的运动游戏系统的未来设计迭代出现了途径。未来的研究需要调查锻炼游戏在缺乏体育锻炼的人群中的可行性，评估参与者在家中反复使用锻炼游戏的经历，并检查初步训练对年轻人身体和认知功能的影响。