基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇 芳，張曉麗，單 丁，宋 維，劉 琳，趙彥鵬，卜偉平，劉何慶，吳 銓，鄧 略，張莉莉*

（1.空軍特色醫(yī)學(xué)中心航空生理鑒定訓(xùn)練研究室，北京 100142；2.空軍特色醫(yī)學(xué)中心空天醫(yī)學(xué)總體論證研究室，北京 100142；3.西安益翔航電科技有限公司，西安 710119；4.空軍特色醫(yī)學(xué)中心航空救生研究室，北京 100142）

0 引言

近年來(lái)，隨著我軍主戰(zhàn)機(jī)型的更新?lián)Q代，飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性能和作戰(zhàn)性能大大提高。一方面，飛行員在飛行訓(xùn)練及空戰(zhàn)中佩戴的裝備增多，致使頸部負(fù)荷增大；另一方面，飛行過(guò)程中的高載荷導(dǎo)致在大機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作中，飛行員的頸、腰關(guān)節(jié)長(zhǎng)時(shí)間受到較大負(fù)荷。脊柱周圍肌群的力量對(duì)于人體承擔(dān)這些負(fù)荷至關(guān)重要，飛行員需要重點(diǎn)在頸、腰關(guān)節(jié)的后伸、左旋轉(zhuǎn)、右旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作下進(jìn)行專項(xiàng)力量訓(xùn)練。因此，如何在常規(guī)軍事體能訓(xùn)練中強(qiáng)化飛行員的力量訓(xùn)練，尤其腰腹部核心力量和頸部力量訓(xùn)練是我軍飛行員頸腰部肌肉群訓(xùn)練研究的重點(diǎn)。目前，頸功能的訓(xùn)練大多采用機(jī)械式抗阻訓(xùn)練和徒手頸肌訓(xùn)練模式，但缺乏頸部旋轉(zhuǎn)和左右側(cè)屈訓(xùn)練[1]。而腰部訓(xùn)練器材以健腹器和扭腰盤(pán)為主，訓(xùn)練過(guò)程中存在脊柱運(yùn)動(dòng)，影響腰背肌和腹肌的充分鍛煉，因而對(duì)加強(qiáng)腰椎的外源性穩(wěn)定、預(yù)防和治療腰肌勞損的作用有限[2]。

大量實(shí)踐結(jié)果表明，最有效的腰腹部肌肉力量訓(xùn)練動(dòng)作應(yīng)包括前屈后伸、左右側(cè)屈、左右扭轉(zhuǎn)，頸部肌肉力量訓(xùn)練動(dòng)作應(yīng)包括前屈后伸、左右側(cè)屈、左右扭轉(zhuǎn)[3]。本研究設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠兼顧以上各種動(dòng)作的訓(xùn)練，還具備訓(xùn)練數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄與反饋功能，以幫助飛行員精準(zhǔn)掌握頸腰部肌肉訓(xùn)練時(shí)的自身狀況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)反饋是利用被觀測(cè)信號(hào)歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的輸出反饋，通過(guò)挖掘歷史數(shù)據(jù)的有用信息形成的反饋法則，達(dá)到控制訓(xùn)練的目的?；趧?dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)通過(guò)記錄、實(shí)時(shí)處理訓(xùn)練中的有用信息，形成對(duì)訓(xùn)練有利的相應(yīng)引導(dǎo)，并以音頻或數(shù)據(jù)的反饋形式呈現(xiàn)給訓(xùn)練者，達(dá)到提高訓(xùn)練效果的目的。

基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要包括砝碼計(jì)數(shù)器、行程測(cè)量器、測(cè)力裝置和控制器等。本系統(tǒng)依托的頸腰肌功能力量訓(xùn)練設(shè)備共有6臺(tái)，分別為頸部左右旋轉(zhuǎn)功能力量訓(xùn)練設(shè)備、頸部前屈后伸功能力量訓(xùn)練設(shè)備、頸部左右側(cè)屈功能力量訓(xùn)練設(shè)備、腰部左右旋轉(zhuǎn)功能力量訓(xùn)練設(shè)備、腰部前屈后伸功能力量訓(xùn)練設(shè)備和腰部左右側(cè)屈功能力量訓(xùn)練設(shè)備，每臺(tái)訓(xùn)練設(shè)備可實(shí)現(xiàn)2個(gè)訓(xùn)練動(dòng)作，兼具等張和等長(zhǎng)2種訓(xùn)練模式。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1 基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

本系統(tǒng)中頸肌功能力量訓(xùn)練和腰肌功能力量訓(xùn)練的硬件設(shè)備設(shè)計(jì)參照相同的電氣設(shè)計(jì)方案和標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。

本系統(tǒng)的關(guān)鍵器件均采用小功率器件，總功率小于15 W。外部電源選用12 V、2 A的斬波式交流直流穩(wěn)壓變換器，具有可靠性高和適用性好的特點(diǎn)。同時(shí)配置最大輸出功率為24 W的直流電源適配器。

系統(tǒng)內(nèi)部的直流電源分配管理，是將外部電源提供的12 V直流電按照系統(tǒng)各個(gè)器件的需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換分配。系統(tǒng)關(guān)鍵器件的電源需求分別為：串口屏采用12 V供電，最大電流350 mA；砝碼計(jì)數(shù)器采用5 V供電，最大電流250 mA；行程測(cè)量器采用12 V供電，最大電流100 mA；測(cè)力裝置采用12 V供電，最大電流100 mA；控制器采用3.3 V供電，最大電流300 mA[6]。為給系統(tǒng)預(yù)留足夠的功率余量，12 V電源輸入采用最大輸出電流為2 A的隔離型開(kāi)關(guān)電源適配器，12 V轉(zhuǎn)5 V采用最大輸出電流為2 A的直流斬波式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，5 V轉(zhuǎn)3.3 V采用最大輸出電流為1 A的線性穩(wěn)壓器。

串口屏是本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，一方面用于顯示系統(tǒng)的工作參數(shù)，另一方面用于接收用戶的觸摸輸入，控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。為確保系統(tǒng)的可靠性并同時(shí)滿足系統(tǒng)功能要求，采用低溫串口屏模組，可在最低溫度達(dá)到-30℃的環(huán)境下正常工作[7]。

砝碼計(jì)數(shù)器是用來(lái)監(jiān)測(cè)訓(xùn)練者當(dāng)前訓(xùn)練所用配重的器件，根據(jù)配重?cái)?shù)量和單片配重砝碼質(zhì)量即可計(jì)算出訓(xùn)練所用總配重。鑒于人體腰部肌肉和頸部肌肉的絕對(duì)力量差異，腰部訓(xùn)練設(shè)備和頸部訓(xùn)練設(shè)備分別采用了不同的配重方案：腰部訓(xùn)練設(shè)備的配重砝碼單片5 kg，厚度25.4 mm，每臺(tái)設(shè)備20個(gè)，最大配重100 kg；頸部訓(xùn)練設(shè)備的配重砝碼單片2.5 kg（其中首砝碼采用單片5 kg），厚度16.2 mm，每臺(tái)設(shè)備31個(gè)，最大配重80 kg。訓(xùn)練設(shè)備中的配重砝碼在靜止?fàn)顟B(tài)下是豎直堆疊的，砝碼中心間距即砝碼厚度。訓(xùn)練設(shè)備的插銷根據(jù)不同需要插入不同配重砝碼中心孔，在訓(xùn)練時(shí)插銷及插銷以上所有配重砝碼被拉動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)，因此只需檢測(cè)插銷的位置，再根據(jù)砝碼厚度即可計(jì)算出當(dāng)前所用配重砝碼的個(gè)數(shù)。訓(xùn)練設(shè)備采用的砝碼計(jì)數(shù)器原理如圖2所示，采用電感式金屬檢測(cè)元件作為基本器件（左側(cè)圓形示意），在配重砝碼堆疊方向上依次放置，其中心正對(duì)配重砝碼插銷，當(dāng)該電感式金屬檢測(cè)元件檢測(cè)到插銷靠近時(shí)，其輸出邏輯電平將會(huì)發(fā)生變化，控制器即可準(zhǔn)確讀出當(dāng)前插銷的位置[8]。

圖2 砝碼計(jì)數(shù)器原理示意圖

行程測(cè)量器用于測(cè)量配重砝碼的運(yùn)動(dòng)距離，與砝碼數(shù)量（質(zhì)量）相結(jié)合計(jì)算訓(xùn)練者訓(xùn)練時(shí)消耗的熱量。行程測(cè)量是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。常用的距離測(cè)量技術(shù)包括超聲回波測(cè)量、光學(xué)飛行時(shí)間（time of flight，TOF）測(cè)量、機(jī)械拉繩測(cè)量、毫米波雷達(dá)測(cè)量等。其中，機(jī)械拉繩測(cè)量技術(shù)由于在工作過(guò)程中存在機(jī)械磨損，壽命和可靠性較低，不適合本系統(tǒng)。其余幾種技術(shù)均為回波反射原理測(cè)距，對(duì)反射面的平整度和面積有較高的要求。而本系統(tǒng)的配重砝碼表面凹凸不平，且反射面不夠大，用反射方法難以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。為此，采用點(diǎn)光源設(shè)計(jì)了激光測(cè)距模組，該模組在1 m處的光斑直徑小于6 mm，測(cè)距精度達(dá)到±1 mm[9]。

測(cè)力裝置采用LCP116-4kN傳感器，用于測(cè)量等長(zhǎng)訓(xùn)練中訓(xùn)練者的發(fā)力。在設(shè)計(jì)力量訓(xùn)練設(shè)備時(shí)，將等長(zhǎng)訓(xùn)練和等張訓(xùn)練模式的切換插銷與力傳感器合二為一。在進(jìn)行等張訓(xùn)練時(shí)，插銷處于拔出狀態(tài)，使用者通過(guò)肌肉發(fā)力帶動(dòng)配重砝碼運(yùn)動(dòng)，從而完成等張訓(xùn)練；在進(jìn)行等長(zhǎng)訓(xùn)練時(shí)，插銷處于插入狀態(tài)，此時(shí)設(shè)備的訓(xùn)練部件被剛性固定，使用者保持固定的身體姿勢(shì)，肌肉發(fā)力時(shí)訓(xùn)練部件不會(huì)產(chǎn)生位移，從而完成等長(zhǎng)訓(xùn)練。

IC卡讀寫(xiě)器用于讀取IC卡中的用戶信息，并存儲(chǔ)所有相關(guān)訓(xùn)練數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用13.56 MHz的S50卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，采用射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行讀寫(xiě)，具有可靠性高且容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)[10-11]。IC卡讀寫(xiě)器通過(guò)通用異步收發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver transmitter，UART）串口與控制器通信。

控制器是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心器件，協(xié)調(diào)控制串口屏顯示用戶操作的輸入和相關(guān)信息的顯示輸出、采集力傳感器輸出、IC卡讀卡和寫(xiě)卡、配重砝碼行程測(cè)量、配重砝碼計(jì)數(shù)等。除了屏幕顯示，還配備了語(yǔ)音提示功能，增加了受訓(xùn)者獲取信息的通道，也幫助受訓(xùn)者更專注地訓(xùn)練。本系統(tǒng)選用STM32F103R8T6微控制器，該控制器是一個(gè)集成片上系統(tǒng)，擁有豐富的外設(shè)資源，包括UART接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、通用輸入輸出接口（general purpose input/output，GPIO）等，應(yīng)用的可靠性高、可獲得性強(qiáng)。該控制器通過(guò)定義的接口實(shí)現(xiàn)與其他功能單元的連接。

1.2 軟件實(shí)現(xiàn)

基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)軟件按照工作流程分為系統(tǒng)初始化、人機(jī)交互界面顯示、IC卡讀寫(xiě)、配重計(jì)算、砝碼行程計(jì)算、等長(zhǎng)訓(xùn)練力量讀取、訓(xùn)練過(guò)程數(shù)據(jù)計(jì)算等模塊，各模塊功能相對(duì)獨(dú)立。系統(tǒng)軟件的核心算法采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)工具為Keil 5 MDK，可實(shí)現(xiàn)代碼編寫(xiě)和編譯一體化?？紤]到系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求并不高，因此未搭載操作系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，也提高了系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度。系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

系統(tǒng)初始化模塊首先完成處理器GPIO管腳的定義與映射，其次對(duì)中斷端口和定時(shí)器端口進(jìn)行設(shè)置，然后對(duì)使用的外設(shè)和內(nèi)部公共數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，最后對(duì)觸摸屏參數(shù)進(jìn)行定義。

由于6臺(tái)訓(xùn)練設(shè)備的功能參數(shù)各不相同，所以在系統(tǒng)初始化完成后，首先根據(jù)設(shè)備的配置文件選擇啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備的應(yīng)用程序。IC卡讀寫(xiě)模塊進(jìn)行IC卡在線周期性檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)IC卡離線后，清除頁(yè)面顯示內(nèi)容，等待IC卡再次上線。當(dāng)IC卡再次上線后，讀取IC卡中的訓(xùn)練者基本信息，同時(shí)將訓(xùn)練信息緩存至本地[12]。

圖3 基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)軟件工作流程圖

配重計(jì)算模塊通過(guò)磁感應(yīng)原理檢測(cè)磁感應(yīng)插銷在靜態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的配重位置，為避免因訓(xùn)練過(guò)程中砝碼動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致的感應(yīng)錯(cuò)誤，該模塊采用與砝碼行程相結(jié)合的方式判斷砝碼質(zhì)量，采用激光測(cè)距模組測(cè)量砝碼被拉起的行程，10 ms采樣一次，對(duì)連續(xù)采樣50次的數(shù)值采用算術(shù)平均濾波法濾波，得到的數(shù)值作為砝碼行程和配置計(jì)算的輸入條件。當(dāng)砝碼行程與行程初始誤差大于10 mm時(shí)，砝碼質(zhì)量保持現(xiàn)有值不變。

訓(xùn)練過(guò)程數(shù)據(jù)計(jì)算模塊在單次動(dòng)作完成后計(jì)算單次功率、累計(jì)消耗熱量、累計(jì)行程、動(dòng)作總次數(shù)。同時(shí)將計(jì)算結(jié)果緩存至內(nèi)存中，當(dāng)訓(xùn)練結(jié)束后將累計(jì)后的數(shù)值發(fā)送至IC卡讀寫(xiě)模塊。

1.3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)頁(yè)面數(shù)據(jù)顯示、訓(xùn)練數(shù)據(jù)設(shè)定、頁(yè)面切換以及語(yǔ)音播放功能，開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行頁(yè)面元素的加載，加載完成后顯示自由模式訓(xùn)練頁(yè)面。當(dāng)IC卡讀寫(xiě)模塊讀取到訓(xùn)練者基本信息后，將信息發(fā)送至人機(jī)交互界面，人機(jī)交互界面顯示訓(xùn)練者基本信息，并將訓(xùn)練過(guò)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新顯示。該界面采用Visual TFT可視化編程工具設(shè)計(jì)，快速生成以串口指令為依托的顯示工程，實(shí)現(xiàn)核心處理器與觸摸屏的交互功能。

2 系統(tǒng)功能

基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)通過(guò)訓(xùn)練過(guò)程的動(dòng)態(tài)反饋，達(dá)到指導(dǎo)訓(xùn)練的目的。本系統(tǒng)的具體功能包括IC卡識(shí)別與讀取、自由模式（等張）訓(xùn)練及顯示、指導(dǎo)模式（等張）訓(xùn)練及顯示、訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)定、等長(zhǎng)訓(xùn)練力量設(shè)定與顯示、訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（1）IC卡識(shí)別與讀?。簩?shí)時(shí)判斷IC卡是否在線，IC卡離線時(shí)，彈出“請(qǐng)插卡”對(duì)話框；首次判斷出IC卡在線時(shí)彈出“正在讀卡”對(duì)話框，讀卡完畢后對(duì)話框消失。IC卡識(shí)別與讀取界面如圖4所示。

圖4 IC卡識(shí)別與讀取界面

（2）自由模式訓(xùn)練及顯示：自由模式下實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前砝碼質(zhì)量、當(dāng)前砝碼行程、單次動(dòng)作累積次數(shù)、單次功率、消耗熱量、當(dāng)前訓(xùn)練時(shí)間、累積總次數(shù)。單次動(dòng)作訓(xùn)練完成后提供音效反饋。自由模式界面如圖5所示。

圖5 自由模式界面

（3）指導(dǎo)模式訓(xùn)練及顯示：指導(dǎo)模式下實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前砝碼質(zhì)量、當(dāng)前砝碼行程、單次動(dòng)作累積次數(shù)、單次功率、消耗熱量、當(dāng)前訓(xùn)練時(shí)間、目標(biāo)組數(shù)和當(dāng)前已完成組數(shù)、目標(biāo)次數(shù)與當(dāng)前次數(shù)以及休息倒計(jì)時(shí)時(shí)間。單組動(dòng)作訓(xùn)練完成后提供音效反饋。指導(dǎo)模式界面如圖6所示。

圖6 指導(dǎo)模式界面

（4）等長(zhǎng)訓(xùn)練力量設(shè)定與顯示：等長(zhǎng)訓(xùn)練開(kāi)啟后，訓(xùn)練者可設(shè)定力量值，界面實(shí)時(shí)顯示訓(xùn)練力（如圖6中右上角所示），訓(xùn)練力未達(dá)到設(shè)定值時(shí)有鼓勵(lì)音效反饋，達(dá)到設(shè)定值后有放松音效反饋。

（5）訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)定：可設(shè)定能量消耗值、每組需完成次數(shù)、訓(xùn)練總組數(shù)、休息倒計(jì)時(shí)時(shí)間、砝碼拉起有效高度，設(shè)置完成后點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存設(shè)置數(shù)據(jù)。訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)定界面如圖7所示。

（6）訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：訓(xùn)練完成后設(shè)備可自動(dòng)將訓(xùn)練數(shù)據(jù)寫(xiě)入IC卡中，在數(shù)據(jù)寫(xiě)入過(guò)程中有“數(shù)據(jù)保存中”對(duì)話框和音頻反饋，并可在后續(xù)訓(xùn)練中進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)讀取。訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面如圖8所示。

3 應(yīng)用效果

圖7 訓(xùn)練目標(biāo)設(shè)定界面

圖8 訓(xùn)練數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面

基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)于2020年完成了部隊(duì)適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證，飛行員應(yīng)用后反饋：本系統(tǒng)達(dá)到了原設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠?yàn)槎嗄Ｊ较碌娘w行員頸腰肌訓(xùn)練提供動(dòng)態(tài)的訓(xùn)練反饋信息，幫助訓(xùn)練者及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握訓(xùn)練狀況和訓(xùn)練進(jìn)程；系統(tǒng)各功能模塊工作正常，能夠?qū)崿F(xiàn)訓(xùn)練力量、訓(xùn)練配重、訓(xùn)練次數(shù)、能量消耗及訓(xùn)練行程等訓(xùn)練過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄與反饋，而且人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔直觀，整個(gè)系統(tǒng)使用方便、運(yùn)行順暢；系統(tǒng)在療養(yǎng)院層面的訓(xùn)練環(huán)境中能夠穩(wěn)定工作，支持多臺(tái)訓(xùn)練設(shè)備在不同工作模式下的同時(shí)運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

基于動(dòng)態(tài)反饋的飛行員頸腰肌多模式訓(xùn)練系統(tǒng)可對(duì)訓(xùn)練中的砝碼負(fù)荷、運(yùn)動(dòng)行程、負(fù)荷次數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，形成訓(xùn)練者做功、單次和累計(jì)能量消耗等反饋信息，幫助訓(xùn)練者掌握訓(xùn)練目標(biāo)、把握訓(xùn)練進(jìn)程和評(píng)估訓(xùn)練效果。系統(tǒng)累積的有效數(shù)據(jù)可形成個(gè)體訓(xùn)練數(shù)據(jù)檔案，便于訓(xùn)練者了解自身狀況，制訂和實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練目標(biāo)，有效管理訓(xùn)練并調(diào)動(dòng)訓(xùn)練的積極性。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的配重計(jì)算模塊需要與激光行程測(cè)量模塊配合使用，在訓(xùn)練過(guò)程中由于激光測(cè)量的累積誤差偶爾會(huì)導(dǎo)致配重計(jì)算出現(xiàn)偏差，所以在后續(xù)的研究中擬設(shè)計(jì)獨(dú)立的配重計(jì)算模塊，提升訓(xùn)練過(guò)程中配重計(jì)算的準(zhǔn)確性。另外，由于時(shí)間和試用量的限制，本系統(tǒng)在高溫、高濕及高海拔等苛刻環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用后的穩(wěn)定性、訓(xùn)練者大量累積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能以及系統(tǒng)維護(hù)和配置備件需求等問(wèn)題，還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。