OpenSim教程三——使用OpenSim辅助开发减少行走代谢值的可穿戴式设备

概述

这篇文章介绍如何使用OpenSim 来评估步行助力装置的助力效果，以辅助其设计。其中会用到一个精简版的人体肌肉骨骼模型，通过肌肉驱动来使模型运动。我们分别在穿戴和不穿戴助行装置的条件下进行仿真，分析助行装置对人体步行过程中代谢值的影响。

一、导入模型

点击这里进入下载页面，按要求填写信息后即可下载本教程所需模型资料，得到压缩包MetabolicsExample.zip，解压后将里面同名文件夹下的gait10dof18musc_32粘贴到Opensim 安装目录（如F:\OpenSim 3.3）下的Models文件夹中，方便后续操作。
打开OpenSim，点击File->Open Model…,选择Models\Gait10dof18musc_32下的subject01_metabolics.osim，载入后，我们便可在展示窗口中看到模型。这是一个身高1.8m、体重75kg、在跑步机上以1.2m/s行走的男性肌肉骨骼模型，另外它还带有代谢值探针/计算器。

二、无助力下行走模拟

在后面的实验中，我们使用OpenSim 的肌肉计算控制（Computed Muscle Control, CMC）工具来产生运动模拟。我们首先用残差缩减算法（Residual Reduction Algorithm, RRA）工具得到运动学数据，然后用CMC来找到一组肌肉刺激（muscle excitations）来尽可能复现这个运动轨迹。
1、在原先的模型上加载运动学文件。点击File->Load Motion…,选择gait10dof18musc_32\RRA\ResultsRRA\subject_adjusted_Kinematics_q.sto,接着就可以在运动控制栏控制模型“走起来”。

2、用CMC生成一个肌肉驱动的运动模拟。在菜单栏选择Tools->Computed Muscle Control…打开计算机肉控制工具进行设置。点击Load…，选择CMC\walk_Setup_CMC.xml，加载预设的配置文件，可以看到一些原先空缺的栏目被填充了。

其中Desired kinematics是CMC要复现的运动轨迹;Tracking tasks定义轨迹复现任务中要追踪的坐标；Time range to process设置一个步态周期的时期；
点击Run，当计算好后即可看到运行结果。
3、评估CMC得出的结果能否很好复现输入的运动轨迹。选择Tools->Plot…打开画图工具，在Y-Quantity…中选择Load file…,再选择CMC\ResultsCMC\walk_subject_Kinematics_q.sto，并在点选框中选pelvis_tilt, hip_flexion_r, knee_angle_r和ankle_angle_r ，点击OK；在X-Quantity…中选择time，然后点击Add将CMC计算的各关节角度随时间变化的曲线画出来。接着再在Y-Quantity…中选择RRA\ResultsRRA\subject_adjusted_Kinematics_q.sto,其余操作一样，在原图上添加RRA输出的运动学数据下各关节角度随时间变化的曲线。可以局部放大来观察两组曲线的匹配情况。

三、无助力行走下代谢值分析

OpenSim里有有代谢值计算器，可以计算模型中每块肌肉的代谢率和代谢值，同样也可以计算全身的代谢率和代谢值。上面所用人体模型中包含一组代谢探针（metabolic probes）,当运行CMC时，探针分析器在后台计算步态周期中每块肌肉的代谢率和所有肌肉的能耗。
点击Tools->Plot…打开画图工具，在Y-Quantity…中点击Load File…，在CMC输出文件夹中找到walk_subject_MetabolicsReporter_probes.sto，并在点选框中点选metabolics_TOTAL, 然后点击OK。在X-Quantity…中选择time，最后点击Add画出一个步态周期中总代谢值曲线。

四、构建步行助力装置模型

这里我们在右脚脚踝上装一个扭力弹簧作为辅助行走的装置。事实上，我们不会真正添加一个扭簧，而是用OpenSim的CoordinateLimitForce来模拟类似的效果，即在踝关节转动超过一定角度时起阻尼作用。在模型展示窗口下方的Scripting Shell Window命令行中依次输入以下语句，添加一个CoordinateLimitForce到模型中。

# Get a handle to the current model and create a new copy
baseModel = getCurrentModel()
ankleSpringModel = baseModel.clone()
ankleSpringModel.setName(baseModel.getName() + '_ankle_spring')# Create the spring we'll add to the model (a CoordinateLimitForce in OpenSim)
ankleSpring = modeling.CoordinateLimitForce()
ankleSpring.setName('AnkleLimitSpringDamper')# Set the coordinate for the spring
ankleSpring.set_coordinate('ankle_angle_r')# Add the spring to the model
ankleSpringModel.addForce(ankleSpring)# Load the model in the GUI
loadModel(ankleSpringModel)

导入新模型后，在导航栏找到添加进来的扭簧：Navigator>walk_subject01_ankle_spring>Forces>Other Forces，选择AnkleLimitSpringDamper，然后修改里面的属性值：
–upper_stiffness=10.0，踝背屈时弹簧的强度；
–upper_limit=5.0，踝背屈超过5度时弹簧开始受力；
–lower_stiffness=1.0，跖屈时弹簧的强度；
–lower_limit=-90.0，踝跖屈超过90度时弹簧开始受力；
–damping=0.01，阻尼系数；
–transition=2.0，当踝关节转角超过预设值2度后，弹簧强度从0升到固定值。
在导航栏中右击模型的名字(walk_subject01_ankle_spring)，选择Save As…，命名为subject01_metabolics_spring.osim。

五、助力下行走模拟与代谢值分析

我们之前已经进行过无辅助下行走的仿真，下面我们来进行穿戴辅助设备下行走的仿真，看下踝关节助力设备能否真的降低人行走中的代谢值。
1、在当前模型（subject01_metabolics_spring.osim）下操作，打开CMC工具并加载CMC\walk_Setup_CMC.xml，将输出路径设为ResultsCMC_AnkleSpring，其它设置不变，点击Run运行，然后关闭CMC面板，观看模拟结果。
2、先画出无辅助行走时的代谢结果。在菜单栏中点击Scripts->Run…，选择scripts\plotBaselineResults.py，在跳出的提示框中选保存CMC结果的文件夹（CMC\ResultsCMC），然后就会生成一个步态周期中代谢总量变化曲线和各肌肉代谢率变化曲线。
3、添加助力行走的代谢结果。同样地，运行脚本addPlotDeviceResults.py，在跳出的提示框中选CMC\ResultsCMC_AnkleSpring，然后就会在原图上添加新的曲线。在Total Metabolic Enegy图中可以看到，助力行走下的代谢值曲线明显低于无助力行走下的代谢值曲线，说明踝关节助力装置确实能降低行走时的代谢值。

参考资料

【1】Uchida T K, Hicks J L, Dembia C L, et al. Stretching Your Energetic Budget: How Tendon Compliance Affects the Metabolic Cost of Running[J]. Plos One, 2016, 11(3):e0150378.链接
【2】Dembia C L, Silder A, Uchida T K, et al. Simulating ideal assistive devices to reduce the metabolic cost of walking with heavy loads.[J]. Plos One, 2017, 12(7):e0180320.链接
【3】官方教程