CN106038173A - 基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人 - Google Patents

基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人。包括：座椅(1)、机柜(2)、显示设备(3)、四自由度机械臂(4)和/或四自由度机械臂(5)；机柜(2)通过电源和通信线缆与四自由度机械臂(4)或(5)实现电气连接；显示设备(3)通过电源和通信线缆与机柜(2)电气连接；四自由度机械臂(4)和/或四自由度机械臂(5)通过刚性连接(6)固定在座椅背面的支撑结构上。本公开实现了基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，提供一种全新结构的康复机器人。

Description

基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人
技术领域
本公开涉及康复机器人技术领域，尤其涉及一种基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人。
背景技术
现有技术中，脑卒中、肢体残疾病人对肢体康复的需求主要有：康复前期由外界带动肢体活动，康复中期进行自主活动，康复后期由外界在自主活动时提供一定阻尼。目前主要的康复手段仍是靠理疗师手动协助病人进行此类康复活动，需要占用大量时间并且康复效果更多取决于理疗师的个人经验水平，变动较大，不可预测。
目前在世界范围内，康复外骨骼的研发是一个大趋势。与传统人工辅助康复治疗相比，康复过程中可通过外骨骼中集成的数据采集功能加以量化，从而可对康复的效果进行较为精确的评估。国内外陆续已有部分上肢康复外骨骼处于产品化的不同阶段，值得一提的是，目前尚未有产品进入大规模的临床应用。按照所提供的功能，现有产品大致可分为如下几类：
单纯提供数据采集功能的外骨骼。其并无内置关节驱动器而只包含角度传感器，无法提供助力或阻尼，病人佩戴后需要自主进行肢体活动。此类产品适用面较窄同时功能单一，只能提供过程中病人肢体的角度位移信息。
提供数据采集和驱动功能的刚性外骨骼。其除记录治疗过程中的角度信息外还通过关节的驱动提供运动功能，从而可以帮助病人实现辅助运动。个别产品的少数关节中内置了力传感器作为安全保护措施。但此类产品运行中，控制系统并不能主动针对病人手臂的实时出力和受力情况进行主动实时调整，使用体验较差。
提供数据采集，驱动和力度感知的半柔性外骨骼。主要区别在于部分关节采用了可变柔性关节，从而使产品具备了一定的安全性和实时出力测量的能力。但此类产品中的力量测量与控制系统并未整合，令其实际使用体验并无本质区别。同时其使用的可变柔性关节使用直线弹簧和钢丝绳提供力矩感应和柔性，结构复杂，测量精度低，反应迟缓，对位移的控制不精确。
现有技术中的康复机器人方案中，主要存在如下问题：
功能方面：各关节的阻抗无法做到精细可调，从而无法实现针对病人在康复不同阶段，肢体不同关节各自需求的调整，无法提供个性化的康复方案和体验。康复初期病人肢体的移动需要外骨骼提供助力(力输入为正)，康复中后期病人则需要外骨骼提供阻尼(力输入为负)，而现有产品的助力幅度无法随着康复进程的推进针对每个关节的每个自由度进行实时的、精细的力度调整。
安全方面：现有技术的安全性主要是靠如下几种手段来保证：硬性动限，预先输入的力、力矩传感器测量极值，以及关节内置弹簧的柔性。由于现有产品中大多数关节不具有力感知功能，当关节负载或者角度突然发生较大变化的时候这些关节的安全性并不能获得充分的保证。同时即使是配备了力、力矩传感器的关节，由于其关节控制系统闭环中并不包括传感器数据，针对额外负载和突然加速的实时反应速度也相应较低。因此现有产品的理论安全性较为有限，有一定的危险性，特别是对肢体强度尚未恢复、尚处于康复早期的病人来说更加明显。
结构方面：现有产品的结构受限于如下几个方面：人体结构，工艺，材料，力传感器集成，可变柔性关节的种类选择。上述限制造成现有产品零件总数多，结构复杂，重量大，调整困难，对病人肢体适应性差，佩戴体验较差。
成本方面：结构复杂带来的副作用就是技术实现成本较高，直接导致了如下后果：国内所有外骨骼均为单侧使用，当病人双侧上肢均有康复需求时要占用多一倍的康复时间和成本。产品单价较高，直接导致康复外骨骼产品迟迟无法普及。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开实施例提供一种基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，包括：
座椅1、机柜2、显示设备3、四自由度机械臂4和/或四自由度机械臂5；
机柜2通过电源和通信线缆与四自由度机械臂4或5实现电气连接；显示设备3通过电源和通信线缆与机柜2电气连接；四自由度机械臂4和/或四自由度机械臂5通过刚性连接6固定在座椅背面的支撑结构上。
所述显示设备3为外接显示屏或虚拟现实设备。
所述四自由度机械臂4和/或四自由度机械臂5，包括：
第一关节驱动器8、肩部刚性连接件9、第二关节驱动器10、肩部刚性连接件11、第三关节驱动器12、上臂刚性连接件13、第四关节驱动器14、小臂连接件15和扶手16；
第一关节驱动器8通过刚性连接件6与座椅1背面支架连接；第二关节驱动器10与第一关节驱动器8通过肩部刚性连接件9连接；第三关节驱动器12与第二关节驱动器10通过肩部刚性连接件11连接；第四关节驱动器14与第三关节驱动器12通过上臂刚性连接件13连接；扶手16与第四关节驱动器14通过小臂连接件15连接；扶手16与小臂连接件15之间通过滑块凹槽的方式连接。
所述第一关节驱动器8、第二关节驱动器10、第三关节驱动器12、第四关节驱动器14分别为可变柔性关节驱动器。
所述第一关节驱动器8、第二关节驱动器10、第三关节驱动器12、第四关节驱动器14，分别包括：
伺服电机17、谐波减速机18、环形力矩传感器19、转矩输出盘20、初级减速齿轮组26；
伺服电机17驱动初级减速齿轮组26，初级减速齿轮组26驱动谐波减速机18；谐波减速机18的输出端通过刚性连接与环形力矩传感器19相连接；环形力矩传感器19通过刚性连接与转矩输出盘20相连接。
所述关节驱动器中内置角度编码器；角度编码器和环形力矩传感器19的信号数据由机柜2中的数据采集系统负责采集并与环形力矩传感器19所在关节的控制系统交联。
所述关节驱动器中内置紧急刹车机构22；刹车机构22在通电时处于解锁状态，关节驱动器可以在电机驱动下转动；当刹车机构22断电时，锁死初级减速齿轮组26，关节驱动器无法再继续转动；刹车机构22的电源由外置紧急刹车按钮或机械臂控制软件接通与切断。
关节驱动器输入端内壳25和输出端外壳26之间设置刚性干涉21，作为硬性动限，限制每个对应关节的旋转范围。
所述基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人用于包括肩关节、肘关节、腕关节或上述任意组合的上肢关节康复；或
髋关节、膝关节、踝关节或上述任意组合的下肢关节治疗；或
上述任意关节的组合治疗。
一种康复操作方法，基于如上所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，包括：
康复患者坐于座椅1中，四自由度机械臂4和/或四自由度机械臂5通过绑带和扶手与康复患者的手臂实现物理连接；扶手16与小臂连接件15之间通过滑块凹槽的方式连接以提供一个被动旋转自由度，其旋转轴线与康复患者腕关节的旋转轴线重合；第一关节驱动器8、第二关节驱动器10、第三关节驱动器12的转动轴线之间在活动时能够为硬性/软性动限允许的任意夹角，其交点一直位于康复患者的肩关节活动中心；第四关节驱动器14的转动轴线与康复患者的肘关节转动轴线重合；刚性连接件的选择为至少一个可调螺杆，或者为通过增材制造手段生产的更符合康复患者轮廓的不可调连接件；康复患者上臂通过一条或数条刚性连接环或柔性绑带与四自由度机械臂4或5固定；康复患者小臂通过至少一条刚性连接环或柔性绑带与四自由度机械臂4或5固定；康复患者手掌通过扶手16与小臂连接件固定。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
提供数据采集，驱动，力矩感知和各关节柔性单独可调的柔性外骨骼。使用内置的环形力矩传感器作为测量手段，所有负载均通过该传感器传递，提高测量的精确性。实时测量每个关节的力矩并与控制系统闭环交联，每个关节的阻抗均为单独实时可调，可令部分关节提供阻抗的同时剩余关节提供零重力或者助力。每个关节均有外置硬性动限和内置过载保护，保证使用的安全性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人总体结构图；
图2是根据另一示例性实施例示出的一种基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人总体结构图；
图3是根据一示例性实施例示出的机械臂的结构示意图；
图4是根据一示例性实施例示出的关节驱动器结构示意图；
图5是根据另一示例性实施例示出的关节驱动器结构示意图；
图6是根据另一示例性实施例示出的关节驱动器结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人总体结构图，包括：
本发明的主要结构由座椅1、机柜2、显示设备3、四自由度机械臂4或5组成。其中座椅1，用于在康复训练过程中支撑病人身体，同时作为整台仪器的底座，所有其他结构均固定在其上，起到支撑和稳定的作用。机柜2通过电源和通信线缆与四自由度机械臂4或5实现电气连接，用于实时数据采集、反馈、针对病人操作输入做出反应、对四自由度机械臂4或5进行实时控制并在系统层面保护病人安全的作用。显示设备3既可以是固定在底座上的单独显示屏，也可以是头戴式虚拟现实设备。当为显示屏时，其通过可调支架固定在地面上，通过电源和通信线缆与机柜2实现电气连接，实现视频信号的实时通讯。当为头戴式虚拟现实设备时，其通过有线或无线通信方式与机柜2实现视频信号的实时通信。四自由度机械臂4或5通过刚性连接6固定在座椅背面的支撑结构上，并通过绑带和扶手与康复患者的手臂实现物理连接。
特别的，上述的机械臂4或5可以同时安装，也可以仅根据需要安装一侧的机械臂4或5。本实施例中，不仅包括单侧机械臂的解决方案，还包括双侧机械臂的解决方案。用户可以根据需要选择单侧或双侧机械臂的康复机器人，在使用双侧机械臂时，显然比单侧机械臂有着更高的康复效率。
本公开的显示设备可以是外接显示设备，如平板显示器，或头戴式显示设备如虚拟现实和增强现实眼镜。
如图2所示，为本公开实施例提供的一个具体康复机器人实现装置，其中，没有包含显示设备，仅包含了座椅、机械臂，并且包含了双侧机械臂。
如图3所示，为本公开实施例提供的机械臂的结构示意图，此处以右侧机械臂5为例，机械臂的结构布置如下：
第一关节驱动器8通过刚性连接件6与座椅背面支架连接。第二关节驱动器10与第一关节驱动器8通过肩部刚性连接件9连接。第三关节驱动器12与第二关节驱动器10通过肩部刚性连接件11连接。第四关节驱动器14与第三关节驱动器12通过上臂刚性连接件13连接。扶手16与第四关节驱动器14通过小臂连接件15连接。扶手16与小臂连接件15之间通过滑块凹槽的方式连接以提供一个被动旋转自由度，其旋转轴线与康复患者腕关节的旋转轴线重合。第一、二、三关节驱动器8、10、12的转动轴线之间在活动时可能为硬性/软性动限允许的任意夹角，但其交点一直位于康复患者的肩关节活动中心。第四关节驱动器14的转动轴线与康复患者的肘关节转动轴线重合。刚性连接件的选择可能为一个或多个可调螺杆，或者为通过增材制造手段生产的更符合康复患者轮廓的不可调连接件。康复患者上臂通过一条或数条刚性连接环或柔性绑带与机械臂5固定。康复患者小臂通过一条或数条刚性连接环或柔性绑带与机械臂固定。康复患者手掌通过扶手16与小臂连接件固定。
本公开实施例的扶手16所提供的腕关节被动旋转自由度可由关节驱动器提供的主动自由度代替。
本公开实施例中，主要特点如下：肩部可实现三自由度，轴线交点；肘部：单自由度，轴线位置；连接件选择：螺杆或3D打印；机械臂与手臂的连接机构。
具体的，如图4所示，为本公开实施例提供的关节驱动器结构示意图，具体如下：
本公开实施例关节驱动器为可变柔性关节。其主要结构包括伺服电机17驱动初级减速齿轮组26，初级减速齿轮组26驱动谐波减速机18。谐波减速机18的输出端通过刚性连接与环形力矩传感器19相连。环形力矩传感器19则通过刚性连接与转矩输出盘20相连接。关节驱动器中同时内置角度编码器。角度编码器和环形力矩传感器19的信号数据由机柜2中的数据采集系统负责采集并与环形力矩传感器19所在关节的控制系统交联。
关节驱动器中内置紧急刹车机构22。刹车机构22在通电时处于解锁状态，此时关节驱动器可以在电机驱动下转动。当刹车机构22断电时即锁死初级减速齿轮组26，此时关节驱动器无法再继续转动。刹车机构22的电源可由外置紧急刹车按钮或机械臂控制软件接通与切断。
具体的，如图5所示，为本公开实施例中关节驱动器的结构示意图，其中，包括了伺服电机17、谐波减速机18、环形力矩传感器19。其中的环形力矩传感器19是现有技术中所没有实现的。
为了保证康复患者的安全，如图6所示，关节驱动器输入端内壳25和输出端外壳26之间设计有刚性干涉21作为硬性动限，限制每个关节的旋转范围，保证在康复训练过程中每个关节的活动范围不会超过人体关节的极限。
本公开实施例所述的机械臂关节设置为一种方式。同样的原理设计可用于包括肩关节、肘关节、腕关节以及任意组合的上肢关节，或者髋关节、膝关节、踝关节以及任意组合的下肢关节。
本公开实施例记载的力矩传感器位置，设计与数据采集方式只是一种可能的实现方式。任何通过力矩传感器传递关节全部扭矩并通过测量传感器形变获取关节扭矩的实现方式，只要应用于外骨骼，即在本公开保护之内。
进一步的，本公开实施例的运行需要控制软件系统的帮助。关节驱动器的控制软件采集的数据包括角度编码器提供的关节位移信号和力矩传感器提供的关节扭矩信号。并能通过伺服电机17的输出在关节上实现根据当前负载，负载方向，负载变化率及历史改变关节转动角度，角速度及角加速度，或根据当前关节转动角度，角速度及角加速度改变前负载，负载方向，负载变化率。从而使整条外骨骼机械臂4或5在总体控制软件综合各个关节的输入信号后可实现如下功能：助力，零重力，阻抗，过载保护，急停。
本公开实施例的关节驱动器之间、关节驱动器和扶手之间的连接件可以是螺杆、丝杠或其他可调长度的连接方式，亦可为运用增材制造方式生产的连接件。
本实施例中，与当前类似产品相比，肢体力量测量与诊断，针对每个关节可定制。通过测量每个关节驱动器上测得的输入力矩，可获得针对每个佩戴者每个关节不同方向上力量的精确数据，从而对病人各关节当前的健康状况获得清晰的评估，便于医护人员制定下一步的康复计划。
肢体活动助力、零重力、阻尼，针对每个关节可定制。通过测量关节驱动器的当前位置和输入力矩，针对软件模式设定的区别，可为每个关节分别提供如下三种活动模式：助力，零重力和阻尼，从而可以获得高度定制化的康复手段。举例来说，可以在为肩关节相关肌肉提供锻炼的同时为康复进程较为滞后的肘关节提供移动时的助力。
康复数据的分析与汇总，历史记录与云端备份。康复训练过程中采集的病人所有肢体活动与力量数据均经过软件进行处理、汇总，并将历史记录保存于云端服务器。医护人员将可随时随地审阅、评估病人的康复进程并对康复计划进行相应修改。同时由于数据在云端备份，即使康复患者随后前往不同的康复机构，数据仍可随之迁移并由新机构的医护人员读取并使用。
外置紧急停止功能。由于关节驱动器内置刹车功能，产品提供外置紧急刹车功能。当佩戴者或医护人员认为必要时可激活此功能，此时机械臂电源切断，每个关节驱动器都将锁死。
软性动限，过载保护与急停。通过测量关节驱动器的当前位置和输入力矩，控制软件可实时监控突然的或幅度较大的位移与负载变化，当变化的总量或速率超出软件内设定的软性动限与过载保护阈值时，软件将自动停止机械臂的运行或者切断通往机械臂的电源以保证用户的安全。阈值可针对佩戴者每个关节的具体情况进行单独设置，满足不同佩戴者的潜在不同需求以保证更强的安全性。
关节驱动器的内在柔顺性，针对每个关节可定制。关节驱动器控制系统中位移与力矩交联的控制模式令每个关节可表现出柔顺性，从而将负载的变化率保持在佩戴者感到舒适的范围内，不会由于外骨骼位移或者负载的突然变化导致佩戴者收到损伤。
简化的可变柔性关节内部结构。采用的可变柔性关节内部结构与传统机器人关节驱动器相比仅增加一个零件，即环形力矩传感器。与现有应用于康复外骨骼的可变柔性关节内部结构中包含直线弹簧、钢丝绳以及相应形变测量手段的结构相比，零件总数少，控制系统软件编写难度低。
简化的外骨骼自身结构及其重量和惯性。同样采用可变柔性关节的其他外骨骼相比，简化的驱动器内部结构省略了：外置传感器及相应的装配、测量、校准要求，将驱动器的动作传导到外骨骼活动部位的传动机构及其带来的安装、测量误差，以提供柔性连接和提高安全性为目的的滑块、丝杆、弹簧、尼龙绳。上述结构及为其连接、支撑的连接件及其重量。
产品成本、使用成本与功能。由于简化的结构带来的成本下降，令本发明可在同类产品三分之一的价格下提供支持双臂操作的产品。有双侧肢体康复需要的病人只需付出同样的时间和经济成本即可获得两倍的收益。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：
座椅(1)、机柜(2)、显示设备(3)、四自由度机械臂(4)和/或四自由度机械臂(5)；
机柜(2)通过电源和通信线缆与四自由度机械臂(4)或(5)实现电气连接；显示设备(3)通过电源和通信线缆与机柜(2)电气连接；四自由度机械臂(4)和/或四自由度机械臂(5)通过刚性连接(6)固定在座椅背面的支撑结构上。
2.根据权利要求1所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，所述显示设备(3)为外接显示屏或虚拟现实设备。
3.根据权利要求1所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，所述四自由度机械臂(4)和/或四自由度机械臂(5)，包括：
第一关节驱动器(8)、肩部刚性连接件(9)、第二关节驱动器(10)、肩部刚性连接件(11)、第三关节驱动器(12)、上臂刚性连接件(13)、第四关节驱动器(14)、小臂连接件(15)和扶手(16)；
第一关节驱动器(8)通过刚性连接件(6)与座椅(1)背面支架连接；第二关节驱动器(10)与第一关节驱动器(8)通过肩部刚性连接件(9)连接；第三关节驱动器(12)与第二关节驱动器(10)通过肩部刚性连接件(11)连接；第四关节驱动器(14)与第三关节驱动器(12)通过上臂刚性连接件(13)连接；扶手(16)与第四关节驱动器(14)通过小臂连接件(15)连接；扶手(16)与小臂连接件(15)之间通过滑块凹槽的方式连接。
4.根据权利要求3所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第一关节驱动器(8)、第二关节驱动器(10)、第三关节驱动器(12)、第四关节驱动器(14)分别为可变柔性关节驱动器。
5.根据权利要求3所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，所述第一关节驱动器(8)、第二关节驱动器(10)、第三关节驱动器(12)、第四关节驱动器(14)，分别包括：
伺服电机(17)、谐波减速机(18)、环形力矩传感器(19)、转矩输出盘(20)、初级减速齿轮组(26)；
伺服电机(17)驱动初级减速齿轮组(26)，初级减速齿轮组(26)驱动谐波减速机(18)；谐波减速机(18)的输出端通过刚性连接与环形力矩传感器(19)相连接；环形力矩传感器(19)通过刚性连接与转矩输出盘(20)相连接。
6.根据权利要求5所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：
所述关节驱动器中内置角度编码器；角度编码器和环形力矩传感器(19)的信号数据由机柜(2)中的数据采集系统负责采集并与环形力矩传感器(19)所在关节的控制系统交联。
7.根据权利要求5所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：
所述关节驱动器中内置紧急刹车机构(22)；刹车机构(22)在通电时处于解锁状态，关节驱动器可以在电机驱动下转动；当刹车机构(22)断电时，锁死初级减速齿轮组(26)，关节驱动器无法再继续转动；刹车机构(22)的电源由外置紧急刹车按钮或机械臂控制软件接通与切断。
8.根据权利要求5所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：
关节驱动器输入端内壳(25)和输出端外壳(26)之间设置刚性干涉(21)，作为硬性动限，限制每个对应关节的旋转范围。
9.根据权利要求1所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：
所述基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人用于包括肩关节、肘关节、腕关节或上述任意组合的上肢关节康复；或
髋关节、膝关节、踝关节或上述任意组合的下肢关节治疗；或
上述任意关节的组合治疗。
10.一种康复操作方法，基于如权利要求1所述的基于可变柔性关节的康复外骨骼机器人，其特征在于，包括：
康复患者坐于座椅(1)中，四自由度机械臂(4)和/或四自由度机械臂(5)通过绑带和扶手与康复患者的手臂实现物理连接；扶手(16)与小臂连接件(15)之间通过滑块凹槽的方式连接以提供一个被动旋转自由度，其旋转轴线与康复患者腕关节的旋转轴线重合；第一关节驱动器(8)、第二关节驱动器(10)、第三关节驱动器(12)的转动轴线之间在活动时能够为硬性/软性动限允许的任意夹角，其交点一直位于康复患者的肩关节活动中心；第四关节驱动器(14)的转动轴线与康复患者的肘关节转动轴线重合；刚性连接件的选择为至少一个可调螺杆，或者为通过增材制造手段生产的更符合康复患者轮廓的不可调连接件；康复患者上臂通过一条或数条刚性连接环或柔性绑带与四自由度机械臂(4)或(5)固定；康复患者小臂通过至少一条刚性连接环或柔性绑带与四自由度机械臂(4)或(5)固定；康复患者手掌通过扶手(16)与小臂连接件固定。
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