OpenSim环境下青年男性启动步态的下肢生物力学特征研究

为分析健康青年男性启动步态的下肢生物力学特征,使用BTS-SMARTDX运动捕捉系统测试,基于OpenSim模拟仿真出肌力的变化,结果表明:gait2392模型可以准确模拟健康青年男性的启动步态;在APA阶段,支撑侧踝关节背屈、膝关节屈曲,启动侧髋关节外展;支撑侧踝关节背屈肌、启动侧髋关节外展肌相互协调,完成加载启动侧、卸载支撑侧的任务;在卸载阶段,以膝关节屈曲为主导带动下肢运动,跖屈肌执行蹬伸功能;在执行阶段,以膝关节伸展为主导向前摆动,股直肌执行屈髋和伸膝双功能。研究结果可以为下肢助力外骨骼设计与研究提供帮助。

基于OpenSim的柔性下肢助力外骨骼设计及仿真分析

针对目前刚性外骨骼存在穿戴舒适性差、外骨骼关节难以与人体关节匹配、对人体自由度限制较多等问题,设计了一种柔性下肢助力外骨骼,该外骨骼采用柔性弹力带储能装置,可实现行走时对人体下肢肌肉进行助力。使用OpenSim软件建立了柔性外骨骼人机交互的模拟,以实现其最佳助力方案为目标,建立了多关节助力、单关节助力人机耦合模型;研究了不同关节助力组合对人体助力的影响以及不同弹簧刚度外骨骼人机耦合模型对膝关节、髋关节和踝关节的影响。结果表明,单关节助力方案优于多关节助力方案,随着弹簧刚度的增加,当达到20 N/mm时,单踝关节助力方案助力效果最好。模拟仿真结果表明,穿戴踝关节外骨骼后与不穿戴的情况相比,在行走过程中,人体总体能量消耗、小腿主要运动肌肉受力均有所减小,减小了穿戴者的肌肉负担,达到了助力目的。

基于OpenSim预测青少年跖屈肌无力的下肢生物力学行为

背景:跖屈肌无力是痉挛型脑瘫和腓骨肌萎缩症患者的常见肌肉缺陷,临床上会表现出异常步态,而跖屈肌无力与异常步态间的关系尚不明晰。目的:探讨跖屈肌无力单因素作用时对下肢生物力学行为的影响,以揭示跖屈肌无力诱发异常步态的机制,为跖屈肌无力患者康复训练提供指导。方法:基于OpenSim Moco建立矢状面内骨肌多体动力学预测框架,预测正常受试者下肢关节角和肌肉激活变化,结合实验数据逆运动学和肌电图激活时间,验证框架有效性。减小等距肌肉力进行跖屈肌无力建模并将预测得到的下肢关节角、关节力矩和肌肉能量消耗,与正常受试者对比,以分析跖屈肌无力对下肢生物力学的影响。结果与结论:①基于Moco的预测框架较真实地预测了正常受试者步行过程中的下肢生物力学变化(关节角归一化相关系数≥0.73,均方根误差≤7.10°);②跖屈肌无力时模型采用小步幅且支撑相上升的“脚跟行走”步态,当跖屈肌无力达到80%时,肌肉能量消耗为5.6914 J/(kg·m),腓肠肌和比目鱼肌激活度最大分别为0.72,0.53,可能致使跖屈肌无力患者步行时更易疲劳;③当跖屈肌无力超过40%时,肌肉能量消耗显著升高;跖屈肌无力超过60%时,下肢关节角和关节力矩出现较明显恶化,说明跖屈肌无力对步态的影响可能存在“阈值”,这或许对应于医护人员进行临床干预的时间点。

全民健身下OpenSim仿真预测三种健身方式的健身效益

以一名专业运动员从事慢跑、快走、跳绳三种健身方式在相同运动量前提下所做机械功以及关节承受载荷为前提进行逆向动力学计算,以此评估不同运动带来的健身效益与运动损伤风险。将vicon光电系统、Kistler三维测力台采集到的不同动作的运动学和动力学数据输入开源软件OpenSim中进行仿真,以仿真结果为边界条件反复进行动力学迭代计算,得到各项指标的收敛值。结果表明:跳绳带来的健身效益更好;快走与跳绳造成的损伤风险更少。从健身效益和损伤风险两个角度对比分析结果表明:三种健身方式中,跳绳是最佳健身方式。

基于OpenSim的人体下肢生物力学性能仿真实验

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。

OpenSim环境下扁平足患者步态支撑期踝周肌群肌力分析

目的:探讨扁平足步态支撑期特征与下肢肌力间的关系。方法:招募20名受试者,通过足弓高度指数将受试者划分为正常足组(n=10)和扁平足组(n=10)。采用步态测试和OpenSim模拟仿真,对两种足型受试者的步态周期运动学参数、支撑期地面反作用力和踝周肌群肌力进行对比分析。结果:扁平足行走时支撑期占比和足跟离地时间高于正常足(P<0.05),踝关节在步态过程中表现出过度外翻(P<0.05);着地时髋膝关节屈曲角度高于正常足(P<0.05);扁平足支撑期地面反作用力两峰值F1和F3相对值低于正常足(P<0.05);扁平足步态支撑期胫骨前肌、胫骨后肌、腓肠肌、腓骨长肌、腓骨短肌、趾长屈肌、拇长屈肌最大肌力小于正常足(P<0.05)。结论:OpenSim能够较好地模拟扁平足步态特征,扁平足通过着地时更大的髋膝屈曲角度来弥补踝背屈肌群肌力较弱造成的缓冲震荡能力不足。其较低的足弓使胫骨后肌、趾长屈肌、拇长屈肌在支撑中期具有较高的激活程度。扁平足比目鱼肌在蹬伸阶段表现出比正常足更高的推进贡献率,但整体推进能力仍低于正常足。

OpenSim对跳跃动作上下肢肌肉协调性的仿真分析

本文基于OpenSim建立了一个包括上下肢在内的人体整体骨骼肌肉仿真模型,通过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,并结合逆运动学、逆动力学等仿真工具寻求上下肢肌肉协调工作提升原地纵跳动作效果的实证。结果表明:本文所建立的人体整体肌肉骨骼仿真模型具有高度可靠性,分析得出摆臂原地纵跳动作中三角肌前束对重心的提高贡献最大。研究结果可为将来上下肢助力外骨骼的设计与研究提供帮助。

OpenSim肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用进展

OpenSim是由美国斯坦福大学开发的一款开源的生物力学分析软件,主要用于人体肌肉骨骼系统的建模、可视化及仿真模拟分析。近年来,已逐渐应用于膝关节生物力学分析领域,但未见相关综述报道。本文系统阐述OpenSim建模及仿真模拟过程,从基础和临床角度分析OpenSim肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用优势及局限,并从建模准确性、验证建模准确性的标准及未来潜在的仿真研究方向进行探讨,以期为后续OpenSim肌骨模型在膝关节生物力学研究中的应用提供借鉴和参考。

基于软件OpenSim的人体运动建模理论及其应用领域概述

红外捕捉系统、高速摄像、平面摄影、表面肌电测试等现行实验室测试手段不能显示人体运动时肌肉产生肌力的具体信息以及准确阐释神经-肌肉协调机制。因此,计算机模拟与仿真应运而生。目前,国内用来进行人体动作仿真的软件主要有Life MOD、Any Body、ANSYS等,这些软件有其自身的缺陷,如肌肉控制不够精确、价钱昂贵等。为了更好解决肌肉模拟问题,斯坦福大学团队研发了一款免费软件Open Sim,它是基于C++和JAVA语言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的开放性软件。以计算机建模与数学理论推导为基础,对Open Sim建模理论和步骤进行详细介绍,为国内从事运动生物力学研究学者提供一些理论参考;同时,探讨未来利用Open Sim建模仿真研究的主要方向,例如通过Open Sim的模拟研究可以探求偏瘫步态、帕金森步态等异常步态的神经-肌肉机制,为异常步态康复手段的改进和完善提供依据。

运动生物力学仿真建模软件LifeMOD和OpenSim的建模比较

随着技术的发展,生物力学使用先进的动作捕捉技术对人体的运动学数据进行采集分析,但是这些方法都无法得到肌肉力。要对人体运动关键的肌肉力进行计算分析,就要对人体运动进行仿真建模,而目前仿真建模的方法很多,本文从建模的方法上比较了目前主流的建模软件LifeMOD和OpenSim,揭示他们各自的特点,从而为今后进行仿真建模研究时可以根据研究的需要做出最佳的选择。

基于OpenSim的3D多用户虚拟教学系统研究

基于开源系统OpenSim搭建了三维多用户虚拟教学平台,创建了3D虚拟教学环境,并将其应用到实际教学中。在该系统中,用户可以通过文字、语音等方式相互交流,而且可以自行创建各种虚拟物体,可充分发挥学生想象力,激发创造力,并提高动手能力。通过拟真的虚拟实践教学,搭建各种虚拟教学环境,可有效节约现实资源,提高教学效率,丰富学生实践经验,具有较强的灵活性与可用性。该系统还通过与数字校园平台数据关联,实现了单点登录,而且采用了短信网关,实现了虚拟用户与现实用户的实时沟通。

长距离跑后“足外翻”姿态增加膝关节内侧接触力：基于OpenSim肌骨建模及机器学习预测的研究

目的:揭示跑者在长距离跑后下肢关节的负荷与足姿态的变化及膝关节接触力分布且验证二者关联,为快速预测膝关节负荷提供简易手段。方法:运用OpenSim个体化肌骨建模分析业余跑者5 km跑后下肢关节的运动学、动力学及膝关节接触力变化,采用一维统计参数映射(Statistical Parametric Mapping 1d)分析法检测差异性,结合足姿态参数与膝关节总接触力及膝关节内外侧接触力训练并检验机器学习算法。结果:1)5 km跑后,髋关节蹬离期伸角度、支撑初期外旋角度及踝关节蹬离期跖屈角度均显著增大;2)髋关节支撑期伸力矩及支撑初期外展力矩、踝关节支撑期跖屈力矩均显著增大,膝关节支撑初期及蹬离期屈力矩均显著降低;3)膝关节蹬离期总接触力显著减小,支撑初期内侧接触力显著增大而支撑初期及蹬离期外侧接触力均显著减小;4)机器学习算法模型发现,足外翻程度增大引起膝关节总接触力及内侧接触力快速增大而外侧接触力逐步减小。结论:1)长距离跑后下肢关节负荷出现幅值及重新分布的变化,表现出增大的髋关节伸及外展力矩,减小的膝关节屈力矩及增大的踝关节跖屈力矩,可能与足姿态变化及相关肌群肌力有关;2)长距离跑后膝关节内侧接触力快速增大且与量化的足姿态参数呈线性关系;3)通过足姿态参数指标可快速预测膝关节接触力的变化,跑者可实地评估足姿态参数以预测膝关节负荷的幅值和分布变化,辅助科学合理的安排跑量及训练计划,降低跑步相关的膝关节损伤风险。

基于影像学构建个体化OpenSim下肢肌骨模型的生物力学研究应用进展

由于OpenSim肌骨系统模拟平台开源性,近年来快速发展且被大量研究使用。个体化OpenSim肌骨模型可计算基础的运动学与动力学数据,揭示神经肌肉控制、肌肉力量和几何学变化及关节接触力等信息;结合影像学建模分析病理步态的神经肌肉控制及辅具的人机工效学评估等研究均表明其应用的可靠性与可行性,但存在耗时及足踝关节模拟的局限性。构建个体化病理肌骨模型,能提升临床生物力学及医学工程学研究的精准性和多样性,揭示不同病理特点,并为制定精准的诊断与康复方案、健康监测与评估状况及外部装置的工效学定制与测评提供科学依据,以及为未来该领域研究提供启示与方向。

基于OpenSim对负重蹲起动作的多体动力学仿真及验证

目的:通过开源多体动力学软件OpenSim仿真计算负重蹲起动作的肌力变化规律。方法:选择一名男性田径运动员为研究对象,同步Vicon红外捕捉系统、AMTI测力台和表面肌电记录运动学、动力学与肌电数据,通过SoildWorks、Matlab及OpenSim软件建立人体负重蹲起的数学模型,并优化计算出相关肌肉群肌力。结果:股四头肌分别在30%与70%左右时刻出现两次峰值,其值为10000N和9060N;腘绳肌在31%和70%左右时刻出现两次峰值,其值为2046N和3901N;臀大肌与腓肠肌肌力(1803N、1514N)没有明显的峰值,但在整个深蹲过程中都有持续的收缩。结论:屈髋角度、伸髋力矩及主动屈膝力矩是准备阶段人-杠平衡的关键因素;在下降阶段和膝屈曲向膝伸展的转换阶段,下肢关节肌肉发力顺序应一致;股四头肌峰值出现在半蹲状态,此后股四肌力便不遵循肌肉-长度关系最佳化原理,此时腘绳肌为主要发力肌群;OpenSim动态优化算法在基于肌肉兴奋收缩耦联的基础上进行肌力计算,弥补了表面肌电与多刚体力学模型的不足。

基于OpenSim人体步行腓肠肌静态生物力学分析

为准确、快速地研究人体下肢运动规律,构建人体下肢模型。针对该模型推导出了人体步行状态下腓肠肌相应的力学方程F1(t)。利用OpenSim搭建人体骨骼肌肉模型,并以腓肠肌进行静态力学分析为例,解析了肌肉在逆向运动学(IK)和残差缩减(RRA)两种不同分析方法中的肌肉激活度和力矩。研究结果表明:此模型能准确地模拟人体下肢肌肉的运动规律,利用RRA分析能够真实反映腓肠肌的受力情况,分析出肌肉激活度,为进一步揭示膝关节和踝关节的生物力学特性和为设计人体下肢康复机器人提供肌肉阻尼奠定基础。

基于Opensim的柔性外骨骼机器人的模拟仿真

现有的刚性外骨骼存在关节中心与人体下肢的生物关节中心较难对齐、限制人体运动的自由度和影响穿着舒适度等问题。针对上述问题,设计了一种由电机驱动的助力髋关节屈曲和伸展的柔性外骨骼机器人。基于该柔性外骨骼,利用三维动作捕捉系统和测力平台采集受试者在行走过程中的运动学和地面反作用力数据,运用生物力学分析软件Opensim建立人体-外骨骼模型;利用Opensim分别模拟计算出在行走时助力和不助力两种情况下驱动髋关节的主要肌肉的代谢值。模拟仿真结果表明:和不助力的情况相比,在行走过程中对髋关节助力会减小驱动髋关节运动的主要肌肉的代谢值,减小穿戴者肌肉的负担;在行走过程中减小穿戴者的能量消耗。

基于OpenSim的下肢外骨骼机器人仿真研究

针对可穿戴下肢外骨骼使用过程中康复效果评估标准不足的问题,通过OpenSim进行外骨骼机器人与人体肌肉骨骼模型的耦合运动分析研究.首先基于人体下肢运动康复需求设计下肢外骨骼机器人,然后搭建下肢外骨骼机器人与肌肉骨骼模型耦合的仿真对象,最后进行人机耦合模型的仿真分析研究.仿真结果表明,在穿戴没有关节驱动的外骨骼时,肌肉骨骼模型核心肌肉群的平均肌肉激活程度明显增加,核心肌肉力增长趋势与肌肉激活度一致,且输出量增加了约50%.被动模式下,肌肉骨骼模型摆动腿的关节输出扭矩均有不同程度下降.人机耦合模型的仿真研究为下肢外骨骼的优化设计提供了理论支撑.

OpenSim在人体骨肌系统生物力学中的应用

斯坦福大学开发的生物力学与步态分析软件OpenSim主要用于人体肌肉骨骼系统的可视化、建模与分析,在生物力学、神经科学、人体工程、康复工程、体育科学和教育等领域得到了广泛的应用。该文从人体骨肌系统仿真分析的发展历史,基于OpenSim的运动与动力学分析、生物力学应用建模、平台算法创新与外部软件的连接和功能扩展等方面对OpenSim的应用现状进行介绍,有助于研究人员系统地了解OpenSim在生物力学领域的最新研究进展和应用成果,为OpenSim在生物力学领域后续研究工作的开展提供参考。

平地行走模式下肌骨参数对肌肉代谢的影响

面向老年人日常行走助力方案及锻炼方式的关注度日益提升。本文针对不同肌肉骨骼参数,构建了适用于中国人体质的肌肉骨骼模型,利用OpenSim分别获取平地行走模式下衰老因素、身高与体重对人体下肢肌肉代谢及各关节扭矩的变化情况,探究肌骨参数对下肢运动的影响规律,并以下肢运动代谢为评价指标,通过正交试验综合评价相关肌骨参数对其影响程度。上述研究方法及结果为外骨骼助力行走装置的方案设计及科学运动锻炼的拟定提供了理论参考与数据支撑。

基于人体-外骨骼-负载耦合系统的静态等效串联链的质心估计方法

现有的质心估计方法只研究了外骨骼的质心变化情况,忽略了人体与外骨骼之间的耦合。为了研究人体-外骨骼-负载耦合系统的质心变化情况,提出了一种基于静态等效串联链的质心估计方法。首先,建立人体-外骨骼-负载耦合系统模型,通过人体运动特性采集实验采集模型所需的运动学参数;其次,在OpenSim仿真环境下模拟实验过程,得到不同负载情况下人体-外骨骼-负载耦合系统的质心变化情况;最后,通过理论计算与仿真,证明了质心模型的可行性。为外骨骼的人机携行研究提供了理论依据。