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【翁天森-運(yùn)動(dòng)機(jī)能形態(tài)學(xué)團(tuán)隊(duì)】

OpenSim軟件是基于C++和JAVA語言為基礎(chǔ)開發(fā)的一款應(yīng)用于肌肉模型開發(fā)、模擬仿真與分析神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能的開放性軟件。

該軟件是以肌肉-肌腱長度(lMT)、肌肉最大等長收縮力(FMO)、羽狀角(α)、肌肉激活程度(a)、肌肉生理橫截面積(PCSA)、肌腱松弛長度(lTsS)、最適肌纖維長度(Lmo)等肌肉形態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)，建立的通用人體骨肌模型。

通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)上述通用模型進(jìn)行縮放，從而建立符合個(gè)體特征的個(gè)性化模型；通過逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)(IK)求解，使建立的模型與人體實(shí)際狀況匹配。進(jìn)而通過RRA方法，把外部力(地面反作用力)與人體慣性參數(shù)相結(jié)合，把逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)的誤差控制到較小。最后通過CMC改變上述的肌肉參數(shù)，如激活程度、最大等長收縮力等，并達(dá)到模擬計(jì)算的結(jié)果，從而達(dá)到計(jì)算機(jī)分析動(dòng)作的要求。

仿真數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在OpenSim 中仿真的所有數(shù)據(jù)，都是在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上經(jīng)過加工得出的，常規(guī)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)（運(yùn)動(dòng)軌跡、關(guān)節(jié)角度）由三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集，動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)（地面反作用、壓力中心）由三維測(cè)力臺(tái)采集。

一、運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)

目前一般用VICON、MOTION等紅外捕捉系統(tǒng)，該設(shè)備主要由運(yùn)動(dòng)相機(jī)和數(shù)據(jù)分析軟件構(gòu)成。

運(yùn)動(dòng)相機(jī)主要用于標(biāo)志點(diǎn)的拍攝，然后傳輸給分析軟件計(jì)算得出人體關(guān)節(jié)的多自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在拍攝動(dòng)作時(shí)，給實(shí)驗(yàn)對(duì)象關(guān)鍵部位貼上固定標(biāo)記點(diǎn)，將附著點(diǎn)的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)進(jìn)行三維數(shù)字化計(jì)算，并由解析系統(tǒng)記錄其運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，包括速度、位移和加速度，當(dāng)運(yùn)動(dòng)相機(jī)以高幀率連續(xù)拍攝時(shí)，得到的是該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣通過在人體的解剖學(xué)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，就能得到每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的連續(xù)空間三維坐標(biāo)，從而得到整個(gè)人體的運(yùn)動(dòng)情況。

二、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)

由三維測(cè)力臺(tái)采集，其工作原理是將剛體與測(cè)力臺(tái)的接觸視為點(diǎn)接觸，把剛體看做是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，測(cè)量這個(gè)質(zhì)點(diǎn)在三個(gè)方向上的力Fx、Fy、Fz，該點(diǎn)的力矩Mx、My、Mz和壓力中心。

測(cè)試對(duì)象根據(jù)研究任務(wù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)做出規(guī)定的動(dòng)作；對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)往往通過系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)采集及分析軟件進(jìn)行處理，得到測(cè)力臺(tái)分析軟件提供的測(cè)量參數(shù)或推導(dǎo)參數(shù)。

OpenSim建模理論與過程

OpenSim軟件建模理論來源于Hill方程和Hill肌肉三元素模型。整個(gè)模擬過程主要由模型縮放(Scaling)、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)(inverse kinematics, IK)、剩余殘差計(jì)算(residual reduction algorithm, RRA)、肌肉計(jì)算控制(computed muscle control, CMC) 4部分組成。

1??通常，OpenSim軟件建立人的通用模型，會(huì)采用某一個(gè)人的肌肉特點(diǎn)和身高、體重?cái)?shù)據(jù)。若欲將通用人體模型用于某一特定的運(yùn)動(dòng)仿真，就需要以測(cè)量解剖學(xué)標(biāo)記點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)與通用模型數(shù)據(jù)的比例關(guān)系，將各模型關(guān)節(jié)的肌肉附著點(diǎn)坐標(biāo)、骨骼的長度以及各關(guān)節(jié)的質(zhì)量進(jìn)行比例縮放，對(duì)通用模型進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯。

2??逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算過程，目的在于使得肌肉骨骼模型與三維捕捉系統(tǒng)捕捉的原始數(shù)據(jù)吻合。三維捕捉系統(tǒng)捕捉到的測(cè)試者身上所貼的標(biāo)記點(diǎn)，和肌肉骨骼模型上相應(yīng)的標(biāo)記位置之間必然有誤差，誤差的解決是通過最小二乘法將真實(shí)位置數(shù)據(jù)和模型上虛擬位置數(shù)據(jù)擬合在一起。

3??OpenSim建模的最終目的，在于計(jì)算參與動(dòng)作各肌肉的力量，故在計(jì)算過程中，需借助外部接觸力(主要是指地面反作用力)，并通過逆向動(dòng)力學(xué)來計(jì)算推導(dǎo)。

逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算受制于運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)和地面反作用力，并且在求解逆向動(dòng)力學(xué)方程時(shí)受到諸如自由度等未知條件的影響。因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)和地面反作用力數(shù)據(jù)的誤差，以及肌肉-肌腱模型的不準(zhǔn)確，使得計(jì)算結(jié)果違背牛頓第二定律。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的力，與利用牛頓第二定律計(jì)算所得力之間存在差距稱為“力殘差”，這個(gè)力殘差只能通過軌跡優(yōu)化和環(huán)節(jié)質(zhì)量調(diào)整等方法來減小，一般認(rèn)為力最大剩余殘差0-10 N，力矩剩余殘差0-50N·m為好。

4??肌肉計(jì)算與控制通過靜態(tài)優(yōu)化和比例微分（PD）控制組合實(shí)現(xiàn)。

實(shí)施CMC計(jì)算前，先要計(jì)算人體模型的初始狀態(tài)，如關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角加速度和肌肉狀態(tài)（如肌肉活性度和纖維長度）等，從定義的動(dòng)作中獲取關(guān)節(jié)角加速度和速度值。

注：在計(jì)算前，通常無法知道肌肉初始狀態(tài)，為了計(jì)算出可用的初始肌肉狀態(tài)值，CMC一般設(shè)置在計(jì)算肌肉狀態(tài)前的0.03秒開始執(zhí)行。肌力在初始時(shí)間間隔內(nèi)，會(huì)不斷變化且不均衡，在這個(gè)時(shí)間間隔中的仿真通常不準(zhǔn)確，所以，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，通常把CMC的執(zhí)行時(shí)間至少提前0.03秒。

最后，OpenSim軟件的分析工具，通過一組指定模型輸入數(shù)據(jù)及執(zhí)行，在每個(gè)時(shí)間該工具都會(huì)在模型上運(yùn)行一組分析?？捎玫姆治霭ㄟ\(yùn)動(dòng)學(xué)（記錄廣義坐標(biāo)、廣義速度和加速度）、身體運(yùn)動(dòng)學(xué)（記錄每個(gè)身體的配置以及它們的速度）。此外，它還會(huì)記錄模型的整體質(zhì)心，以及該質(zhì)心的速度和加速度，記錄模型每個(gè)剛體產(chǎn)生的廣義力、速度和力量。

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