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人手有多少自由度?

2018-06-09科學

首先從我閱讀到的學術文章來看,這個問題下回答24個自由度的答案是不夠嚴謹的。我被這個問題困擾過很久很久,我還是更加相信 學術上主流解剖學理論 的觀點,即:

  • 27個: 考慮整只手相對空間的6自由度(3個平移自由度+3個旋轉自由度);
  • 21個: 不考慮整只手相對空間的6自由度,即單純人手本體上的自由度;
  • 首先註明這個答案的出處:Paper: Handrix: Animating the Human Hand

    這篇文章的紅色方框內容詳細介紹了人手 27個自由度 的分布情況,此文章的參照量如下:

    這篇文章是電腦影像學的文章,它這段人手自由度數量及分布的論據是參照的如下這篇文章,即 專業的人體解剖學著作——Grant's Atlas of Anatomy ,其參照量如下:

    Book: Grant' s Atlas of Anatomy

    我是機器人方向的PhD。在機器人領域,尤其是機械手設計這塊,對人手自由度的數量的認知實際上是不規範的,我覺得應該統一認知, 以生物解剖學的理論為基準

    具體分析如下:

    這張圖是人手的具體解剖學圖,從解剖學的觀點來看,21個自由度(不考慮手腕)按照如下得到:

  • 食指+中指+無名指+小拇指:4+4+4+4=16
  • 1st DoF: distal phalange與middle phalange之間的張開閉合;

    2nd DoF: middle phalange與proximal phalange之間的張開閉合;

    3rd DoF: proximal phalange與metacarpus之間的張開閉合;

    4th DoF: proximal phalange與metacarpus之間的外展內收;

  • 大拇指:5
  • 1st DoF: distal phalange與proximal phalange之間的張開閉合;

    2nd DoF: proximal phalanx與metacarpal之間的張開閉合;

    3rd DoF: proximal phalanx與metacarpal之間的外展內收;

    4th DoF: metacarpal與trapezium之間的張開閉合;

    5th DoF: metacarpal與trapezium之間的外展內收;

    因此不包括手腕關節是16+5=21個自由度。

    如果我們以帶」血肉「的真實人手更為直觀來看,21個自由度分配如下:

    特別要註意的是圖中的紅色所標註區域,從解剖學自由度觀點來看,是不具備自由度的(本質上是與食指+中指+無名指+小拇指的3rd DoF一致)

    如果單純地把一只」手「丟到空間中去考慮自由度的話,自然而然是需要考慮手腕關節帶來的額外自由度,加上額外的3個自由度的平移(Translation)與3個自由度的旋轉(Rotation),因此一只手有多少自由度? 最嚴謹的答案是:21+6=27個。