理解人体手臂七个自由度对应的运动

news2024/11/18 9:25:24

写本篇的目的在于,我发现很多人理不清人体手臂运动时内收/外展、屈曲/伸展等动作描述的关系,包括我自己也是!

我每次要用到的时候都要去查,记不下来,比较麻烦,于是归纳本篇,包含了我本人的理解

注:本文图片均为网络上截取,如有侵权请告知,可删

引入:七自由度机械臂和人手的关系

我们平时所见的机械臂一般有六自由度、七自由度两种,并且这两类机械臂都能够到达工作空间中的任意位置。

但是,既然六自由度机械臂已经能够达到工作空间中的任意位置了,那还要七自由度机械臂干嘛呢?

原因在于,六自由度机械臂在相对复杂的环境中会受到限制。

比如在需要避开特定障碍物的情况下,此时难以达到特定的位姿。

七自由度机械臂又称为冗余机械臂,即比六自由度机械臂多了一个关节,它是冗余的,但这一冗余给机械臂带来了更大的灵活性,比如它可以在避开特定障碍物的情况下在末端实现特定的位姿,这一点和人的手臂类似,

因此,七自由度机械臂有时也称为仿人机械臂,换个角度也可以知道:我们认为人的手臂有七个自由度。

为什么我们说人手有七个自由度?这其实和人体上肢的解剖学有关,本文不打算进行解剖学的分析,只教大家如何认知、划分、理解这七个自由度

引用(3 封私信 / 2 条消息) 人的手臂有几个自由度? - 知乎 (zhihu.com)回答的两张图

img

类似在机械臂上,如下

img

这两张图的数字1、2、3、4、5、6、7不是一一对应的,但我们目前只要知道人手臂的活动可以这样拆分就可以了,只做理解用途


人类肢体活动划分

坐标系引入

为了对手臂关节的运动进行描述,这里引入一个坐标系

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当人体处于立正姿势时,在人的肩关节、肘关节、腕关节处,

分别定义水平向前为X轴沿着相邻关节连线向上为Y轴Z轴根据右手定则得到

基于此,我们定义沿着三个轴旋转的运动名称为:

X轴Y轴Z轴
内收/外展内旋/外旋屈曲/伸展
adduction/abductioninternal/external rotationflexion/extension

手臂关节与上述坐标系的对应

回到人的手臂上来,大伙尝试下应该可以发现:

肩关节可以任意转动,因此有3个自由度,

肘关节有1个自由度,

腕关节有2个自由度,

此外,人的小臂也可以进行旋转,将其归类到肘关节的运动中,

因此人的手臂自由度为:3+1+1+2=7

这其实是一种简化的模型

接下来我们进一步将其联系到人体手臂上,在各关节处定义坐标系:

  • 肩关节

    根据上表以及坐标系的定义,

    • 沿着X轴的运动为内收/外展

      image-20240624215203963
    • 沿着Y轴的运动为内旋/外旋

      image-20240624215305168image-20240624215319482

    • 沿着Z轴的运动为屈曲/伸展

      image-20240624215520731
  • 肘关节

    我们将小臂的旋转运动归类到肘关节的自由度里来,因此有

    • 沿着Y轴的运动为内旋/外旋(旋前/旋后)

      image-20240624215803529
    • 沿着Z轴的运动为屈曲/伸展(屈/伸)

      image-20240624215903263
  • 腕关节

    脑梗偏瘫后的腕关节关节活动度训练:掌屈背伸、桡偏尺偏 (baidu.com)

    • 沿着X轴的运动为内收/外展(背伸/掌屈)

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    • 沿着Y轴的运动为内旋/外旋(桡偏/尺偏)

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与医学术语的联系

上面已经完成了所有的定义,然而在医学中,各关节对应的运动并不是全部由内收/外展、内旋/外旋、屈曲/伸展这几个词来描述,他们有一些专有名词,如下:

关节名/运动方向内收/外展(X)内旋/外旋(Y)屈曲/伸展(Z)
肩关节内收/外展内旋/外旋前屈/后伸
肘关节——————旋前/旋后屈曲/伸展
腕关节背伸/掌屈桡偏/尺偏——————
总结

划分与理解、记忆这几个动作的关键在于:

要在手臂关节上建立局部坐标关系,并且确定好坐标系各轴指向

基于此,在立正的姿势下,分X、Y、Z轴确定动作进行描述,

当然,其中对不同的关节,描述术语会略有不同。

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