基于OpenSim的人体下肢生物力学性能仿真实验_颜兵兵.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 8 期 2023 年 8 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.8 Aug.2023 收稿日期:2023-03-10 基金项目:高等教育本科教育教学改革研究重点委托项目(SJGZ20220123);黑龙江省教育科学规划重点课题(GJB1423137);黑龙江省高等教育教学改革研究项目(SJGY20210865);黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目(2021-KYYWF-0562)作者简介:颜兵兵(1976),男,黑龙江佳木斯,博士,教授,硕士生导师,主要研究方向为机器人技术及
2、应用,。通信作者:马常友(1982),男,黑龙江穆棱,硕士,副教授,主要研究方向为机器人动力学仿真,新工科专业创新人才培养模式研究,。引文格式:颜兵兵,吴豪豪,毕冉,等.基于 OpenSim 的人体下肢生物力学性能仿真实验J.实验技术与管理,2023,40(8):120-125.Cite this article:YAN B B,WU H H,BI R,et al.OpenSim-based simulation of biomechanical properties of human lower limbsJ.Experimental Technology and Management,20
3、23,40(8):120-125.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.08.018 基于 OpenSim 的人体下肢生物力学性能仿真实验 颜兵兵,吴豪豪,毕 冉,马常友,杜云明(佳木斯大学 机械工程学院,黑龙江 佳木斯 154007)摘 要:强化人体生物力学性能分析能力有助于提高学生处理外骨骼机器人研究过程中解决人机共融技术问题的技术手段。该文以助力型外骨骼机器人为研究背景,基于 OpenSim 仿真平台提出了一个人体下肢生物力学性能分析实验教学方案,以技术层、输入层、模型层和输出层体系结构为视角,梳理
4、出由人体下肢运动信息采集到生物力学性能分析的实验仿真流程。使用 OpenSim 软件建立人体下肢参数化肌骨模型,经由逆运动学和逆动力学求解器获取下肢运动过程中的关节角与关节力矩,为助力型外骨骼的助力机制研究提供数据支撑。关键词:实验教学设计;OpenSim;生物力学仿真;人体下肢运动 中图分类号:TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)08-0120-06 OpenSim-based simulation of biomechanical properties of human lower limbs YAN Bingbing,WU Haohao,BI Ran,
5、MA Changyou,DU Yunming(School of Mechanical Engineering,Jiamusi University,Jiamusi 154007,China)Abstract:Reinforcing the human biomechanical performance analysis capability helps to improve the technical means for students to deal with the technical problems of human-machine integration in the resea
6、rch process of exoskeleton robots.This paper proposes an experimental teaching program for human lower limb biomechanical performance analysis based on OpenSim simulation platform with the research background of assisted exoskeleton robot,and sorts out the experimental simulation process from human
7、lower limb motion information acquisition to biomechanical performance analysis from the perspective of technology layer,input layer,model layer and output layer architecture.OpenSim software is used to build a parametric musculoskeletal model of the human lower limb,and the joint angles and joint m
8、oments during the lower limb motion are obtained through the inverse kinematics and inverse dynamics solvers to provide data support for the study of the booster mechanism of the booster exoskeleton.Key words:experimental teaching design;OpenSim;biomechanical simulation;human lower limb movement 随着助
9、力型外骨骼机器人研究的不断深入,如何实现外骨骼机器人动作与人体自身运动之间的相互协作、提高助力效果、改善穿戴体验是当前研究的重点问题。将计算机仿真技术与肌肉生物力学相结合成为解决这一重点问题的突破口,借助计算机仿真技术搭建人体肌肉骨骼模型,将其与外骨骼机器人模型进行耦合,用于模拟人与外骨骼之间的协调动作,开展人-外骨骼耦合模型的运动学和动力学仿真,进而计算运动过程中关节角、关节力矩和肌肉能耗,直观表述外骨骼机器人对人体运动以及能耗能方面的影响1。洪嘉振2设计了国内第一套计算机运动仿真系统“人体腾空运动仿真软件系统”,采用三维影片解析技 颜兵兵,等:基于 OpenSim 的人体下肢生物力学性能仿
10、真实验 121 术、运动动作定量分析和动作设计技术以及三维人体运动过程的动静态显示,实现了对人体腾空运动的计算机仿真研究和动作效果的预测。Seth 等3基于OpenSim 的肌肉骨骼模型,通过将受试者的运动学数据导入肌肉模型,获取模型行走过程中的生物力学特征,从而为运动生物力学研究提供新的研究思路。Raabe 等4在原有 OpenSim 模型的基础上,建立了一个新的全身模型,并对腰椎阶段的建模进行了优化,提供了模型建模优化方向。刘冰5采用 ODE 平台搭建了一个可用于刚体运动仿真的实验平台,利用 Kinect采集人体关键点运动数据实现人体运动仿真的实时再现,并进行了动作相似度评价。崔伟玲等6采
11、用OpenSim 平台建立了一个多自由度、多肌肉驱动的多体动力学模型,并运用 OpenSim 的剩余残差计算和肌肉计算控制算法对不同步态下的肌肉力进行模拟分析,获取相关运动的仿真数据。詹晓彤等7采用OpenSim 软件建立了一个完善的腰部肌骨系统模型,并运用OpenSim的逆动力学分析算法获取体前屈状态下腰部肌群的受力及代谢情况。Zhang 等8利用OpenSim 软件中的 Forward 工具开发了一个具有本体感受器的下肢肌肉骨骼模型,为科研人员对人体运动的分析提供了更具有人性化的模型。龙婷等9采集运动学数据和足底压力数据,通过 OpenSim 进行逆动力学仿真计算,获取下肢各肌肉在运动过程
12、中的长度、力量以及激活度变化情况。闫慧云等10采用 Vicon 红外摄像系统、Kistler 三维测力平台以及遥测肌电对摆臂与背手两种原地纵跳动作进行同步测试,并运用OpenSim 的逆运动学、逆动力学等仿真工具分析得到摆臂原地纵跳动作中三角肌前束对重心的提高贡献最大。范子珍等11提出一种基于 OpenSim 的外骨骼设计方法,将外骨骼机械本体嵌入人体肌肉骨骼模型中进行耦合仿真,获取外骨骼助力下的人体特定部位关节肌肉的状态。赵虎12利用 OpenSim 和肌骨建模软件建立不同足型的受试者步态模型,获取扁平足患者支撑阶段踝周肌群的肌力特征,旨在为扁平足患者实施更加针对性的治疗提供参考。马晓子等1
13、3使用 BTS-SMARTDX 运动捕捉系统获取人体运动数据,基于OpenSim 模拟仿真出肌力的变化,获取不同阶段下肢各关节和肌肉功能,为下肢助力外骨骼设计与研究提供帮助。Brambilla 等14基于 OpenSim 中的上肢模型,使用实验过程中获得的多向伸展运动数据进行肌肉激活估计,分别从 12 块肌肉和 32 块肌肉的肌电激活中提取了空间协同效应,并对其主要结构进行了比较分析,定量确定了肌肉运动模块的数量和结构,以期用于肌肉运动控制的评估。纵观人体运动仿真的研究发展,无论是早期的人体腾空运动仿真软件系统的设计应用,还是近年来通过搭建实验仿真环境,采集运动数据开展人体运动研究,亦或是通过
14、仿真获取肌肉受力情况及代谢的分析,都集中在对人体的运动学、动力学、肌肉力学的研究。可以看出,凭借完善的运动仿真工具包,能够定义不同的人体肌肉模型,并结合相关运动数据采集装备,实现不同运动行为的运动学、动力学、肌肉代谢等运动预测与动作优化等方面的研究。基于此,本文基于 OpenSim 的功能构成及仿真框架,提出了运用 OpenSim 开展人体下肢生物力学性能仿真的实验方案,包括肌骨参数模型的构建,以及人体下肢运动过程中各关节角、足底压力和关节力矩的仿真过程。1 实验方案总体设计 1.1 OpenSim 功能构成 OpenSim 是一个用于构建、分析与动态模拟肌肉骨骼系统的免费软件包,最早是在 2
15、007 年美国生物力学学会会议上推出的,在后续版本中,添加了一个应用程序编程接口(API),允许研究人员访问与自定义OpenSim 核心功能和 API,并扩展到 MATLAB 和Python,同时添加了一个功能完善的可视化工具。自首次发布以来,该软件已广泛应用于与生物力学研究相关的诸多领域,包括骨科和康复科学、神经科学、运动科学、医疗设备设计、人体工程学分析和设计、动画模拟、机器人研究和教育方面,其主要功能模块如图 1 所示。图 1 OpenSim 功能模块组成 1.2 OpenSim 仿真框架 基于 OpenSim 可进行肢体动作仿真与生物力学分析:首先,借助三维动作捕捉系统采集肢体标记点的
16、运动数据,利用 OpenSim 的模型缩放功能将肌骨模型与肢体进行参数匹配,通过 OpenSim 的逆运动学求解器将采集到的数据转换为肌骨模型各关节角度,实现肢体动作的运动学仿真;其次,借助六维测力板采集足底压力原始数据,通过数据转换模型将采集的原始数据转换为适用于 OpenSim 的数据格式;最后,将122 实 验 技 术 与 管 理 关节角(肢体运动数据)和足底压力(外部运动负载)作为输入参数,通过 OpenSim 的逆动力学求解器获取肢体运动过程中各关节的力与力矩。仿真框架如图 2 所示。图 2 基于 OpenSim 的人体生物力学仿真框架 1.3 仿真实验方案设计 基于 OpenSim
17、 的人体生物力学仿真框架,提出一个仿真实验体系结构(见图 3),包括技术层、输入层、模型层与输出层 4 个层面,采用体质测量仪、三维运动信息采集系统与压力板等实验工具,分别采集人体肢体基本信息、标记点数据与足底压力数据,经由参数化肌骨模型、逆运动学模型与逆动力学模型,计算获得体质数、关节角与关节力矩等关键数据,形成了人体下肢运动学与动力学建模与仿真实验方案,为后续相关技术研究提供数据支撑。图 3 基于 OpenSim 的仿真实验体系结构 2 参数化肌骨模型 2.1 肌肉力学模型 肌肉作为人体运动的驱动器,是人体生物力学研究的基础,OpenSim 肌肉模型是依据 Thelen15改进的Hill
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