OpenSim人体仿真建模及生物力学分析系统

【翁天森-运动机能形态学团队】

OpenSim软件是基于C++和JAVA语言为基础开发的一款应用于肌肉模型开发、模拟仿真与分析神经肌肉系统功能的开放性软件。

该软件是以肌肉-肌腱长度(lMT)、肌肉最大等长收缩力(FMO)、羽状角(α)、肌肉激活程度(a)、肌肉生理横截面积(PCSA)、肌腱松弛长度(lTsS)、最适肌纤维长度(Lmo)等肌肉形态参数为基础，建立的通用人体骨肌模型。

通过实验室测得的实验数据，对上述通用模型进行缩放，从而建立符合个体特征的个性化模型；通过逆向运动学(IK)求解，使建立的模型与人体实际状况匹配。进而通过RRA方法，把外部力(地面反作用力)与人体惯性参数相结合，把逆向动力学计算时的误差控制到较小。最后通过CMC改变上述的肌肉参数，如激活程度、最大等长收缩力等，并达到模拟计算的结果，从而达到计算机分析动作的要求。

仿真数据准备

在OpenSim 中仿真的所有数据，都是在原始数据基础上经过加工得出的，常规运动学数据（运动轨迹、关节角度）由三维动作捕捉系统采集，动力学数据（地面反作用、压力中心）由三维测力台采集。

一、运动学数据

目前一般用VICON、MOTION等红外捕捉系统，该设备主要由运动相机和数据分析软件构成。

运动相机主要用于标志点的拍摄，然后传输给分析软件计算得出人体关节的多自由度运动参数。在拍摄动作时，给实验对象关键部位贴上固定标记点，将附着点的动态表现进行三维数字化计算，并由解析系统记录其运动学数据，包括速度、位移和加速度，当运动相机以高帧率连续拍摄时，得到的是该点的运动轨迹，这样通过在人体的解剖学标记点进行标记，就能得到每个标记点的连续空间三维坐标，从而得到整个人体的运动情况。

二、动力学数据

由三维测力台采集，其工作原理是将刚体与测力台的接触视为点接触，把刚体看做是一个质点，测量这个质点在三个方向上的力Fx、Fy、Fz，该点的力矩Mx、My、Mz和压力中心。

测试对象根据研究任务和实验设计做出规定的动作；对于测试数据往往通过系统自带的数据采集及分析软件进行处理，得到测力台分析软件提供的测量参数或推导参数。

OpenSim建模理论与过程

OpenSim软件建模理论来源于Hill方程和Hill肌肉三元素模型。整个模拟过程主要由模型缩放(Scaling)、逆向运动学(inverse kinematics, IK)、剩余残差计算(residual reduction algorithm, RRA)、肌肉计算控制(computed muscle control, CMC) 4部分组成。

1️⃣通常，OpenSim软件建立人的通用模型，会采用某一个人的肌肉特点和身高、体重数据。若欲将通用人体模型用于某一特定的运动仿真，就需要以测量解剖学标记点数据为基础，依据测量数据与通用模型数据的比例关系，将各模型关节的肌肉附着点坐标、骨骼的长度以及各关节的质量进行比例缩放，对通用模型进行数据编辑。

2️⃣逆向动力学计算过程，目的在于使得肌肉骨骼模型与三维捕捉系统捕捉的原始数据吻合。三维捕捉系统捕捉到的测试者身上所贴的标记点，和肌肉骨骼模型上相应的标记位置之间必然有误差，误差的解决是通过最小二乘法将真实位置数据和模型上虚拟位置数据拟合在一起。

3️⃣OpenSim建模的最终目的，在于计算参与动作各肌肉的力量，故在计算过程中，需借助外部接触力(主要是指地面反作用力)，并通过逆向动力学来计算推导。

逆向动力学计算受制于运动学数据和地面反作用力，并且在求解逆向动力学方程时受到诸如自由度等未知条件的影响。因此，实验测试时运动学和地面反作用力数据的误差，以及肌肉-肌腱模型的不准确，使得计算结果违背牛顿第二定律。实验室测试的力，与利用牛顿第二定律计算所得力之间存在差距称为“力残差”，这个力残差只能通过轨迹优化和环节质量调整等方法来减小，一般认为力最大剩余残差0-10 N，力矩剩余残差0-50N·m为好。

4️⃣肌肉计算与控制通过静态优化和比例微分（PD）控制组合实现。

实施CMC计算前，先要计算人体模型的初始状态，如关节角度、关节角加速度和肌肉状态（如肌肉活性度和纤维长度）等，从定义的动作中获取关节角加速度和速度值。

注：在计算前，通常无法知道肌肉初始状态，为了计算出可用的初始肌肉状态值，CMC一般设置在计算肌肉状态前的0.03秒开始执行。肌力在初始时间间隔内，会不断变化且不均衡，在这个时间间隔中的仿真通常不准确，所以，为了保证计算的准确性，通常把CMC的执行时间至少提前0.03秒。

最后，OpenSim软件的分析工具，通过一组指定模型输入数据及执行，在每个时间该工具都会在模型上运行一组分析。可用的分析包括运动学（记录广义坐标、广义速度和加速度）、身体运动学（记录每个身体的配置以及它们的速度）。此外，它还会记录模型的整体质心，以及该质心的速度和加速度，记录模型每个刚体产生的广义力、速度和力量。

参考文献

[1]黄玉飞.动作仿真技术在体育运动训练领域的应用研究[J].安阳工学院学报,2018,17(04);111-14.

[2]戎科,钱竞光.运动生物力学仿真建模软件LifeMOD和OpenSim的建模比较[J].南京体育学院学报(自然科学版),2015,14(05):38-42.

[3]宋和胜,钱竞光,唐潇.基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述[J].医用生物学, 2015，30（04）；373-379.

[4]曲峰,张美珍,尹彦,李翰君. 测力台测试方法及分析指标的筛选[C]//.第12届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编.,2008:87-88.