(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111457188.9 (22)申请日 2021.12.02 (71)申请人 北京理工大 学 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5 号 (72)发明人 霍波　黄毅　蒋量　陈雪　高先智　 (74)专利代理 机构 北京保识知识产权代理事务 所(普通合伙) 11874 代理人 陈晓清 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种在OpenSim软件中基于运动学数据的地 面反力计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种在OpenSim软件中基于运 动学数据的地面反力计算方法， 属于人体肌骨动 力学模拟技术领域。 一种在OpenSim软件中基于 运动学数据的地面反力计算方法， 通过迭代运行 OpenSim的逆动力学分析计算地面反力， 能够计 算出现有方法所不能得到的三轴的力矩， 从而提 供更完整的地面反力信息。 且本方法直接使用 OpenSim模型库中较为精确的人体模型， 避免了 现有方法使用简化人体模型 带来的计算 误差。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 114201864 A 2022.03.18 CN 114201864 A 1.一种在OpenSim软件中基于运动学数据的地面反力计算方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： S1、 在OpenSim软件中选取一个通用人体全身肌肉骨骼模型， 基于受试者的身体尺寸和 体重， 缩放该模型的尺寸和质量； S2、 使用动作捕捉系统获取受试者运动时的标志点数据或惯性传感器数据， 将所获得 数据信息 输入到OpenSim软件中进行逆运动学分析， 得到受试者 运动过程中的关节角度； S3、 当受试者落地时为单腿着地， 编写Python函数， 将地面反力的6个分量的初始值均 设为0， 同时将力的作用点设定在OpenSim软件中人体模 型上落地时着地腿部的根骨坐标系 原点， 据此构建 OpenSim软件的外力设置文件和外力数据文件； S4、 通过OpenSim软件的应用程序接口调用InverseDynamicsTool类， 输入所述S2中逆 运动学分析获取 的关节角度数据， 同时结合所述S3中创建的初始外力数据， 运行逆动力学 分析； S5、 读取所述S4中逆动力学计算结果中的6个残差分量， 并计算全运动过程中残差的均 方根值； S6、 若所述S5中计算所得残差的均方根值大于预设的阈值， 则将其叠加至对应方向的 地面反力分量上， 生成新的外力数据文件； S7、 输入所述S6中得到的新的外力数据文件， 重复S4 ‑S6， 再次运行逆动力学分析并进 行残差均方根 值计算； S8、 若所述S5中计算所得残差的均方根值小于该方向分量预设的阈值， 则此时外力数 据文件中的地 面反力和力矩即为计算得到的地 面反力， 予以输出。 2.根据权利 要求1所述的一种在OpenSim软件中基于运动学数据的地面反力计算方法， 其特征在于， 所述S3和S5中提到的6个力分量包括 三轴的力分量和三轴的力矩分量。 3.根据权利 要求1所述的一种在OpenSim软件中基于运动学数据的地面反力计算方法， 其特征在于， 可代替所述S3地， 当受试者落地时为双腿着地， 编写Python函数， 将双腿地面 反力的6个分量的初始值均设为0， 同时将双腿地面反力的作用点设定在OpenSim软件中人 体模型对应腿的根骨坐标系原点， 据此构建OpenSim软件新的外力设置文件和 外力数据文 件。 4.根据权利 要求1所述的一种在OpenSim软件中基于运动学数据的地面反力计算方法， 其特征在于， 可代替所述S 6地， 当受试者落地时为双 腿着地， 将残差在两腿上均分 并叠加到 对应方向的地 面反力分量上， 生成新的外力数据文件。 5.根据权利 要求1所述的一种在OpenSim软件中基于运动学数据的地面反力计算方法， 其特征在于， 所述S6和S 8中提到的阈值设定为0.0 01。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114201864 A 2一种在OpenSim软件中基于运动学数据的地面反力计算方 法 技术领域 [0001]本发明涉及人体肌骨动力学模拟技术领域， 具体为一种在OpenSim软件中基于运 动学数据的地 面反力计算方法。 背景技术 [0002]人体肌骨动力学模拟技术目前已广泛应用于步态 分析、 竞技体育专项动作分析和 人机工效评估等诸多 领域。 人体运动过程中所 受的地面反力是进 行肌骨动力学模拟的必 要 条件之一。 现有的获取人体地面反力的方法包括直接测量方法和基于运动学 的计算方法。 直接测量方法通过一些力 传感器直接测得地面反力， 常用的测量设备有三维测力台和足底 压力鞋垫等。 基于运动学 的地面反力计算方法需要构建人体模型， 使用逆向动力学方法计 算出产生给定运动所需的地 面反力。 [0003]上述地面反力的直接测量方法由于传感器的使用均具有一定局限性； 三维测力台 一般只能在实验室条件下使用， 而足底压力鞋垫的穿戴可能影响受试者的动作， 增大损伤 风险， 并且这些测量设备一般价格昂贵， 不易推广。 上述基于运动学的地面反力计算方法仅 能计算出三维力向量， 而不能计算出地面反力的力矩， 且计算方法对运动学数据和人体模 型的精度要求高； 鉴于上述原因， 我们提出了一种在OpenSim软件中基于运动学数据的地面 反力计算方法。 发明内容 [0004]1、 本发明要解决的技 术问题 [0005]本发明的目的在于提供一种适用范围更广， 使用更为方便的基于运动学数据的地 面反力计算方法， 能够更为全面的提供地 面反力信息， 且计算结果更为精确。 [0006]2、 技术方案 [0007]为实现上述目的， 本发明提供如下技 术方案： [0008]一种在OpenSim软件中基于运动学 数据的地 面反力计算方法， 包括以下步骤： [0009]S1、 在OpenS im软件中选取一个通用人体全身肌肉骨骼模型， 基于受试者的身体尺 寸和体重， 缩放该模型的尺寸和质量； [0010]S2、 使用动作捕捉系统获取受试者运动时的标志点数据或惯性传感器数据， 将所 获得数据信息输入到OpenSim软件中进行逆运动学分析， 得到受试者运动过程中的关节角 度； [0011]S3、 当受试者落地时为单腿着地， 编写Python函数， 将地面反力的6个分量的初始 值均设为0， 同时将力的作用点设定在OpenSim软件中人体模型上落地时着地腿部的根骨坐 标系原点， 据此构建 OpenSim软件的外力设置文件和外力数据文件； [0012]S4、 通过OpenSim软件中应用程序接口调用InverseDynamicsTool类， 输入所述S2 中逆运动学分析获取的关节角度数据， 同时结合所述S3中创建的初始外力数据， 运行逆动 力学分析；说　明　书 1/4 页 3 CN 114201864 A 3