simMACT

Presentation (english version below)

Une bibliothèque logicielle de calcul des couples d'actionnement articulaires humains maximaux pour l'aide à la conception de poste de travail ergonomiques.

simMACT (simulation of Maximal ACtuation Torques) est un projet de bibliothèque logicielle issue des travaux de recherche menés par l'INRS et Inria-AUCTUS. Ces travaux concernent l'estimation des performances physiques humaines pour la conception d'équipements de travail. L'objectif de simMACT est d'améliorer les fonctionnalités de simulation des efforts articulaires d'un logiciel de mannequin numérique (Digital Human Model, DHM) en y associant, comme une boite noire, un modèle biomécanique avancé. simMACT a fait l'objet d'une publication dans le journal Journal of Biomech Engineering.

simMACT repose sur deux éléments de base:

• un moteur de simulation musculo-squelettique, pour estimer les performances humaines dans des conditions aussi génériques que possible (réalisation d'une tâche dynamique);
• le formalisme mathématique des zonotopes, une classe particulière de polytopes, efficace pour modéliser l'actionnement d'un système rigide poly-articulé.

À ce jour, simMACT est au stade démonstrateur. Il utilise le moteur de simulation musculo-squelettique OpenSim à partir de sa version 4, mais d'autres outils pourraient être envisagés (AnyBody, BoB, etc.) à condition d'implémenter une interface logicielle adaptée. Les calculs de zonotopes et calculs annexes sont implémentés en langage Python (version 3.8 pour compatibilité avec OpenSim 4.+).

Diffusion et licence

simMACT est diffusé sur ce site selon aux termes de la licence BSD-3 clauses.

Organisation et exécution du code

Arborescence

Le code et les données nécessaires au fonctionnement de simMACT sont organisés comme suit:

• le dossier Models contient le(s) modèle(s) musculosqulettique(s) permettant de simuler les performances humaines. Pour permettre le test de simMACT, le modèle Arm26 fourni avec le logiciel OpenSim et une version adaptée du modèle MoBL issu des travaux de Saul et al. sont joints dans le repository. L'installation de OpenSim avec son API Python est laissée au soin des utilisateurs (il pourra être nécessaire d'installer également simBody pour visualiser le modèle musculosquelettique);
• le dossier Python contient les scripts d'interface avec OpensSim ainsi que les calculs de zonotope et autres calculs associés;
• le dossier Resources contient les illustrations et autres éléments permettant de comprendre le projet.

Code

Les scripts MSM_Processor et ZNT_Processor constituent la base de simMACT. Ils peuvent être exécutés tels quels (pour comprendre leurs fonctionalités) ou inclus dans des scripts plus complexes (par exemple pour simuler une tâche expérimentale). Les figures 1 et 2 illustrent certaines fonctionalités de MSM_Processor.

Figure 1: Figure 2:

Les figures 3 et 4 illustrent certaines fonctionalités de ZNT_Processor.

Figure 3: Figure 4:

D'autres scripts sont inclus dans ce repository: ils ont servi à des travaux de recherche en vue de la qualification de la fiabilité de simMACT (par exemple , https://esbiomech.org/conference/archive/2023maastricht/195.pdf, https://inria.hal.science/hal-04140099/document). Ces scripts sont pour l'instant à l'état de "documents de travail".

Les figures 5 et 6 obtenues à l'aide du script ACT_Analyzer.py présentent un exemple de code pour le calcul de la caractéristique Torque-Angle-Velocity de flexion-extension du coude à l'aide du modèle MoBL.

Figure 5: Figure 6:

Documentation

Le code est largement expliqué à l'aide de docstrings réparties dans les sources. Ces docstrings peuvent être exploitées par l'outil Sphinx, mais la génération automatique de cette documentation n'est pas encore implémentée.

Roadmap

Les actions suivantes sont envisagées à court, moyen ou long terme:

• mise en place de tests (unitaires, intégration) et de la documentation automatique;
• personnalisation du modèle musculosqulettique (géométrie et cinématique, paramétrage des muscles);
• prise en compte des effets dynamiques (déduire la gravité et les accélérations des capacités de couples);
• développement d’un calculateur en ligne (site web) pour éviter à l'utilisateur non expert d'avoir à installer OpenSim, SimBody, Python, etc.;
• prise en compte de critères de stabilité articulaire (par exemple, que l’épaule ne se "déboite pas");
• etc.

simMACT

A software library to compute human joint actuation torques for ergonomics purpose.

simMACT (simulation of Maximal ACtuation Torques) is a software library resulting from research carried out by INRS and Inria-AUCTUS. This work concerns the estimation of human physical performance for the design of work equipment. The aim of simMACT is to improve some simulation features of a digital mannequin software (Digital Human Model, DHM), namely the computation of joint actuation torques. It relies on an advanced biomechanical model. This work was the subject of a publication in the Journal of Biomech Engineering.

simMACT is based on two fundamental parts:

• a musculoskeletal simulation engine, to estimate human performance under the most generic conditions possible (performance of a dynamic task);
• the mathematical formalism of zonotopes, a particular class of polytopes, efficient for modeling the actuation of a rigid polyarticulated system.

To date, simMACT is in the demonstrator stage. It relies on the musculoskeletal simulation engine OpenSim from version 4.0. Other tools could be considered as well (such as AnyBody, BoB, etc.), provided a suitable software interface is available. Zonotope and related calculations are implemented in Python (version 3.8 for compatibility with OpenSim 4.+).

Distribution and license

simMACT is available from this site under the terms of the BSD-3 clauses license.

Code organization and execution

Folder structure

The code and data required to run simMACT are organized as follows:

• the Models folder contains the musculoskeletal model(s) used to simulate human performance. For the sake of testing simMACT, the Arm26 model supplied with the OpenSim software and an adapted version of the MoBL model from the work of Saul et al. are included into the repository. Users are to install OpenSim with its Python API. They may also need to install simBody to view the musculoskeletal model;
• the Python folder contains scripts for interfacing with OpensSim, as well as zonotope and related calculations;
• the Resources folder contains illustrations and other elements to help understand the project.

Code

The MSM_Processor and ZNT_Processor scripts form the basis of simMACT. They can be run as is (to understand their functionality) or included in more complex scripts (to simulate an experimental task, for example). Figures 1 and 2 illustrate some of the features of MSM_Processor.

Figure 1: Figure 2:

Figures 3 and 4 illustrate some of the features of MSM_Processor.

Figure 3: Figure 4:

Other scripts are included in this repository: they have been used for research into the reliability of simMACT (for instance, https://esbiomech.org/conference/archive/2023maastricht/195.pdf, https://inria.hal.science/hal-04140099/document). These scripts are currently only at the "work in progress" stage.

Figures 5 and 6, obtained using the ACT_Analyzer.py script, show sample code for calculating the Torque-Angle-Velocity bending-extension characteristic of the elbow using the MoBL model.

Figure 5: Figure 6:

Documentation

The code is largely explained using docstrings distributed throughout the source code. These docstrings can be processed by the Sphinx tool, but automatic generation of this documentation has not yet been implemented.

Roadmap

The following actions are planned for the short, medium and long term:

• implementation of tests (unit tests, integration tests) and automatic documentation;
• customization of the musculoskeletal model (geometry and kinematics, muscle parameterization);
• taking dynamic effects into account (deducing gravity and accelerations from torque capacities);
• development of an “on-line” calculator (website) to save the non-expert user having to install OpenSim, SimBody, Python, etc;
• inclusion of joint stability criteria (e.g. that the shoulder does not “dislocate”);
• etc.