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人手有多少自由度?

2018-06-09科学

首先从我阅读到的学术文章来看,这个问题下回答24个自由度的答案是不够严谨的。我被这个问题困扰过很久很久,我还是更加相信 学术上主流解剖学理论 的观点,即:

  • 27个: 考虑整只手相对空间的6自由度(3个平移自由度+3个旋转自由度);
  • 21个: 不考虑整只手相对空间的6自由度,即单纯人手本体上的自由度;
  • 首先注明这个答案的出处:Paper: Handrix: Animating the Human Hand

    这篇文章的红色方框内容详细介绍了人手 27个自由度 的分布情况,此文章的引用量如下:

    这篇文章是计算机图像学的文章,它这段人手自由度数量及分布的论据是引用的如下这篇文章,即 专业的人体解剖学著作——Grant's Atlas of Anatomy ,其引用量如下:

    Book: Grant' s Atlas of Anatomy

    我是机器人方向的PhD。在机器人领域,尤其是机械手设计这块,对人手自由度的数量的认知实际上是不规范的,我觉得应该统一认知, 以生物解剖学的理论为基准

    具体分析如下:

    这张图是人手的具体解剖学图,从解剖学的观点来看,21个自由度(不考虑手腕)按照如下得到:

  • 食指+中指+无名指+小拇指:4+4+4+4=16
  • 1st DoF: distal phalange与middle phalange之间的张开闭合;

    2nd DoF: middle phalange与proximal phalange之间的张开闭合;

    3rd DoF: proximal phalange与metacarpus之间的张开闭合;

    4th DoF: proximal phalange与metacarpus之间的外展内收;

  • 大拇指:5
  • 1st DoF: distal phalange与proximal phalange之间的张开闭合;

    2nd DoF: proximal phalanx与metacarpal之间的张开闭合;

    3rd DoF: proximal phalanx与metacarpal之间的外展内收;

    4th DoF: metacarpal与trapezium之间的张开闭合;

    5th DoF: metacarpal与trapezium之间的外展内收;

    因此不包括手腕关节是16+5=21个自由度。

    如果我们以带」血肉「的真实人手更为直观来看,21个自由度分配如下:

    特别要注意的是图中的红色所标注区域,从解剖学自由度观点来看,是不具备自由度的(本质上是与食指+中指+无名指+小拇指的3rd DoF一致)

    如果单纯地把一只」手「丢到空间中去考虑自由度的话,自然而然是需要考虑手腕关节带来的额外自由度,加上额外的3个自由度的平移(Translation)与3个自由度的旋转(Rotation),因此一只手有多少自由度? 最严谨的答案是:21+6=27个。