CN110062612A - 用于肌肉力量支持的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于补充肌肉力量的装置。所述装置包括:柔性支持结构,所述柔性支持结构被配置成在所述装置的使用期间穿戴在使用者的身体上;以及致动器单元,所述致动器单元被配置成当第一身体部位移动时施加拉力到所述柔性支持结构的第一拉力元件上以便补充肌肉力量。所述第一拉力元件沿第一路径通过所述柔性支持结构的引导带延伸到所述致动器单元,所述引导带横向于路径纵向方向限制所述第一路径的一部分。所述第一拉力元件进一步被配置成在所述装置的使用期间紧固到所述第一身体部位。
Description
技术领域
本发明涉及用于支持肌肉力量的装置和方法。尤其是,本发明涉及用于支持手部肌肉的装置和方法。
背景技术
手动活动,特别是基于重复和剧烈手部运动的手动活动,可以导致人体肌肉骨骼系统的疾病。这可能导致减少的肌肉力量和结缔组织问题。例如,受影响的人可能失去施加足够抓握力或足够手指力的能力,这可能在握住和操纵物体时导致问题,或受影响的人的行动能力可能由于持续的过度疼痛或磨损症状而受损。
除了人体肌肉骨骼系统的所述疾病之外,减少或(在给定情况下)太低的肌肉力量也可能是由于阻碍的(保护性)手套的使用、较差的可接近性、或握住或操纵重物或硬物的需要。
为了支持肌肉力量或使手部疾病康复,根据现有技术已知各种便携式装置。例如,US 3707963 A、EP 2436358 A1、WO 2014/033613 A2和WO 2014/068509 A2示出了由刚性元件构成的自支持装置,通过该自支持装置可以引导和支持手部的运动。理想地,这种类型的装置必须以一定方式设计成其枢轴点与人体关节的旋转轴线重合。否则,偏差可导致使用者的紊乱和损伤以及对人体运动的限制。为了满足这一要求,刚性结构需要附加的空间,这在手部区域常常很难获得。
此外,US 7573577 B2公开了一种柔性整形外科手套,其在手部的背侧上具有支持手指延伸的弹簧元件。此外,手套可以用于训练抓握力。US 8029414 B2和US 9067325 B2继而示出了配备或联接有拉力元件和电动机以用于抓握增强(尤其用于动力抓握)的手套。因此,这些装置主要致力于支持动力抓握,尤其是其中所有手指和拇指围绕物体的动力抓握的变体。然而,就本发明人最佳所知,可支持各种可能抓握和手部运动的装置在本领域中是未知的。
发明内容
本发明的目的是改善现有技术中已知的用于支持人体运动的概念。
为此,本发明提供根据权利要求1所述的仿生装置,其以可穿戴(纺织品)服装的形式复制人体部位(尤其是手部)的肌肉和与肌肉相互作用的结缔组织的功能。
根据本发明的肌肉力量支持装置包括:柔性支持结构,该柔性支持结构被配置成在装置的使用期间穿戴在使用者的身体上;以及致动器单元,该致动器单元被配置成在柔性支持结构的第一拉力元件上施加拉力以在第一身体部位的移动期间支持肌肉力量,其中第一拉力元件沿第一路径延伸通过柔性支持结构的引导带到达致动器单元,引导带在垂直于路径纵向方向的方向上限制第一路径的部分,第一拉力元件被配置成在装置的使用期间通过第一紧固元件附接到第一身体部位,并且引导带沿力传递方向定位经过第一紧固件。
柔性支持结构可以被配置成放置在肢体上,尤其是在使用者手部的一个或多个手指上。
致动器单元可以配置成通过绷带或者臂带或腿带附接到使用者。
柔性支持结构可以包括尤其是紧固在支持结构的手掌侧和背侧上的多个拉力元件,其中拉力元件沿支持结构中的不同路径被引导至致动器单元,并且致动器单元适于在拉力元件上施加拉力。
柔性支持结构可以至少部分地在内侧和/或外侧上设置有聚合物层。
例如,柔性支持结构可包括覆盖拉力元件的外层(例如,聚合物层)。
这里,如在整个说明书和权利要求书中使用,术语“柔性支持结构”应当特别地理解为包括柔性元件(诸如纺织品元件)的结构,其可以在诸如肢体的身体部位上或在肢体的部分或部位上传递力。由于支持结构的柔性,该力特别地基本上非冲击地施加,而是(均匀地)分布在身体部位的特定区域上。此外,支持结构的柔性允许使用者在一定限度内影响力方向或在一定限度内从给定力方向偏移,从而允许更自然的运动。
此外,如在整个说明书和权利要求中使用,术语“致动器单元”特别地应当被理解为在电信号的控制下被配置成向连接到致动器单元的元件施加力的单元。因为致动器单元可以在装置的使用期间通过绷带或者臂带或腿带附接到使用者,所以拉力元件可以因此相对于绷带或相对于臂带或腿带移动。由于相对运动,可以启动或支持肢体或肢体的部分的移动。
此外,如在整个说明书中使用,术语“绷带”特别地应当被理解为(在装置的使用期间)围绕臂、腿或其他身体部位力配合地吊挂的可扩展元件,其中例如可扩展元件可以采用带(即,臂带、腿带、或围绕身体部位的带或皮带)的形式。绷带可以例如由弹性材料制成,其在装置的使用期间围绕臂或腿以扩展状态缠绕,并且由于弹性材料的恢复力而与臂或腿力配合地连接。
此外,如在整个说明书中使用,措辞“支持结构的手掌侧/背侧”,特别地应当被理解为支持结构的与手部的手掌侧/背侧相邻或相对的部分。此外,如在整个说明书和权利要求中使用,术语“拉力元件”特别地应当被理解为适于将由致动器单元施加的力传递到连接点的元件(例如,丝、线、绳、缆线、带或橡胶带)。在该上下文中,如在整个说明书和权利要求中使用,术语“路径”特别地应当被理解为(直的或弯曲的)轨迹,对应的拉力元件可以在装置的使用期间沿该轨迹(滑动地)移位。这里,术语“轨迹”应当被广义地解释并且还包括垂直于运动的方向与“理想线”的限定偏差,其例如在具有游隙的引导件和/或由弹性材料制成的引导件的情况下可能发生。
此外,应当注意,如在整个说明书和权利要求书中使用,诸如“第一、第二、第三等”的形容词主要用于区分术语或由所述术语指出的元件。例如,对“第三拉力元件”的提及并不意味着本发明需要第一和第二拉力元件,而是仅用于关于包括多于一个拉力元件的实施例简化对特定拉力元件的提及。此外,如在整个说明书和权利要求中使用,诸如“第一、第二、第三等”的形容词不应当被解释为必然指不同特征,因为可能存在其中不同功能可通过不同的(相同的)特征或通过单个特征来实现的实施例。
优选地,柔性支持结构被形成为手套,其中使用者的手部的一个或多个手指被手套的一个或多个护套包围。
这里,如在整个说明书和权利要求书中使用,术语“手套”特别地应当被理解为包围着使用者手部的一个或多个手指、掌并且通常还有腕的纺织品服装,其中术语“包围”应当被宽泛地解释并且应当包括具有一个或多个开口的手套,例如用于通风。此外,除了在使用期间(以扩展状态)力配合地包围手部的一个或多个手指和腕的弹性手套之外,还设想在使用期间以扩展状态仅力配合地包围一个或多个手指和腕中的某些部分的手套。
优选地,每个拉力元件固定到柔性支持结构的带状环,其中柔性支持结构的至少一个环被配置成环绕手部的指骨,并且柔性支持结构的至少一个环适于环绕手部的掌骨。
通过由致动器单元在拉力元件上施加拉力,可以在路径方向上或在路径区段的方向上朝向致动器单元拉动连接到拉力元件的环。因此,如果路径沿手掌侧延伸,则环绕有环的指骨被弯曲,并且如果路径沿手部的背侧延伸,则环绕有环的指骨被延伸,或者环绕有环的腕变得更强烈地拱起。
优选地,柔性支持结构的被配置成环绕单个手指的环的数量大于或等于所述单个手指的指骨(指骨)的数量。
这允许单独地对付每个指骨并从而允许支持复杂的手部运动。例如,可以为手指的每个指骨提供至少一个环,其中在装置的使用期间,环在所述指骨的远端处或在远端处的区域内环绕所述指骨。
柔性支持结构的被配置成环绕手部的掌骨的至少一个环优选地进一步被配置成沿着掌的手掌侧的肌脊、在拇指处和在小指处延伸。
因此,例如,通过朝向手掌引导拇指的掌骨,可以关于动力抓握支持包围的掌。
优选地,拉力元件被引导通过柔性支持结构的环。
这使靠近身体的平的引导件成为可能,其实现独立的指骨相对于彼此的限定移动。
优选地,致动器单元包括多个拉力单元,该多个拉力单元特别地包括由形状记忆合金制成的元件。
在这方面,如在整个说明书和权利要求中使用,术语“形状记忆合金”特别地应当被理解为在固态下当改变物理参数(例如,通过加热)时转变成特定形状并因此能用于执行工作的合金。
由形状记忆合金制成的元件优选是螺旋形的。
通过使用由形状记忆合金制成的弹簧状元件,可以实现拉力元件到致动器单元的弹性连接并且保持致动器单元紧凑。
优选地,柔性支持结构包括臂部分,该臂部分被配置成放置在使用者的前臂上,并且致动器单元的拉动方向沿前臂延伸。
这允许致动器单元能以灵活且自适应的方式被连接,从而防止手部运动被致动器单元阻挡或者防止装置的围绕手部的部分阻碍或阻止对难以接近的物体的接近或操纵。
优选地,第一路径被配置成在身体的关节上经过,该关节将第一身体部位的骨骼连接到第二身体部位的骨骼。
这允许通过拉力来支持关节的弯曲、延伸、外展、内收或旋转。
优选地,第一路径被配置成至少部分地平行于身体的肌腱和/或肌肉延伸,从而允许将自主的肌力施加到第一身体部位。
这允许适应自然运动的肌肉力量支持。
第一拉力元件优选地具有第一紧固元件(例如环),该第一紧固元件被配置成在装置的使用期间完全或部分地围绕第一身体部位。
这减小了力传递对第一身体部位的位置的依赖性。
优选地,该装置还包括第二拉力元件,该第二拉力元件沿第二路径被引导至致动器单元并且被配置成在装置的使用期间通过第一紧固元件附接到第一身体部分。
这扩展了关于对第一身体部位的支持移动方向的可能性。
优选地,致动器单元被配置成在第一拉力元件和第二拉力元件上施加相互独立的拉力。
因此,可以支持第一身体部位的对抗性移动。
优选地,该装置还包括第三拉力元件,该第三拉力元件沿第三路径被引导至致动器单元并且被配置成在装置的使用期间附接到第三身体部位,其中第三拉力元件的第三紧固元件被形成为引导带。
这允许降低支持结构的复杂性。
优选地,引导带配置成包围第二身体部位。
引导带和紧固元件可以例如由柔性材料或材料的组合制成,其在垂直于拉伸方向的方向上是柔性的,但考虑到预期的拉力在拉动方向上基本上是无弹性的。
优选地,柔性支持结构被配置成在装置的使用期间穿戴在皮肤上或衣服上并且设置有聚合物层。
例如,引导带可以被设置有防滑硅树脂层。
优选地,第一紧固元件被配置成在装置的使用期间穿戴在皮肤上或衣服上并且设置有聚合物层。
例如,紧固元件可以被设置有防滑硅树脂层。
优选地,引导带具有通道并且第一拉力元件穿过该通道。
因此,可以避免拉力元件与皮肤之间的接触。
优选地,该装置还包括具有传感器单元的控制系统,其中控制系统被配置成控制第一拉力。
优选地,传感器单元包括用于检测力、移动、伸展、弯曲、肌肉活动、脉搏率和/或代谢率的传感器。
优选地,控制系统被配置成在使用装置时最小化使用者的能量成本。
优选地,致动器单元包括第一拉力元件附接到的形状记忆合金螺旋形元件。
然而,致动器单元还可以包括电动机、气动或液压致动器、或由聚合物纤维或碳纳米管制成的人造肌肉。
优选地,柔性支持结构形成为纺织品服装的至少一部分。
例如,柔性支持结构可以包括套袖、背心、裤子、裤腿、长袜或短袜。此外,引导带和/或紧固元件可以合并到纺织品服装中。优选地,该装置附接到人体,监测手的自主运动,并且基于所监测的自主运动将拉力施加在拉力元件上。
这允许支持人的各种手部运动。
附图说明
在以下基于示例性实施例的详细描述中将更详细地解释本发明,其中参考附图,其中:
图1示出了根据本发明的装置的示例性实施例的示意图;
图2示出了拉力单元的示例性实施例的示意图;
图3示出了柔性支持结构的一部分的示例性实施例的示意图;
图4示出了根据本发明的另一个装置的柔性支持结构的示例性实施例的示意图;
图5示出了根据本发明的又一装置的柔性支持结构的示例性实施例的示意图;
图6示出了用于肌肉力量支持的方法;以及
图7示出了用于肌肉力量支持的另一种方法。
在附图中,相同和功能相似的元件由相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出了用于肌肉力量支持的装置10的手掌侧(左侧)和背侧(右侧)的示意图。装置10包括呈手指手套形式的柔性支持结构12和连接到支持结构12的前臂绷带14。具有多个拉力单元18的致动器单元16附接到前臂绷带14。如图2所示,拉力单元18可以各自包括由形状记忆合金制成的多个螺旋元件18a,其长度可以通过控制器(未示出)的控制信号来缩短。然而,应当注意,关于拉力单元18,本发明不限于由记忆合金制成的螺旋元件18a;而是,所需的拉力可以由任意人造肌肉(例如,由扭曲塑料纤维或碳纳米管制成的人造肌肉)或由电动机产生。
如图1所示,拉力单元18在其近端处连接到前臂绷带14并且在其远端处连接到多个拉力元件20,这些拉力元件沿其路径部分用实线并部分用虚线来描绘(为了清楚起见)。拉力元件20被形成为线或(单丝)绳,每一个的远端附接到被形成为带状环22的紧固元件。带状环22结合/合并到手指手套中,使得(基本上)防止环22沿远侧方向或近侧方向的滑移。通过使拉力元件20移位,环22围绕指骨收紧并在指骨上施加力。在这点上,应当注意,通过环22的与拉力元件20相对的部分在指骨上施加力。
为此,环22优选地垂直于拉动方向是柔性的,但(基本上)不可延伸。因此,围绕指骨收紧的环22适于使用者手指的形状而不会损害拉力的传递。此外,如图1所示,手掌侧上的一个拉力元件20和手部背侧上的另一个拉力元件可以通过环22成对地连接并相对于彼此偏移,使得可以支持沿不同方向的移动并且尤其是支持手骨的弯曲和延伸。
如图1所示,手掌侧上的拉力元件20a、20b和20c的路径沿着食指、中指、无名指和小指的中线延伸,并且适于使相应手指弯曲。拉力元件20a的路径来源于指深屈肌(FDP)的肌腱的路径,并且针对直接支持远侧指骨的弯曲以及间接支持中间指骨和近侧指骨的弯曲。拉力元件20b的路径来源于指浅屈肌(FDS)的肌腱的路径,并且针对直接支持中间指骨的弯曲以及间接支持近侧指骨的弯曲。拉力元件20c的路径来源于骨间肌(IOs)的肌腱的路径,并且针对支持近侧指骨的弯曲。
拇指的弯曲和对抗可以由拉力元件20d和20e支持,而拉力元件20f支持使拇指外展。虽然拉力元件20a-20c的路径沿着手指的中线延伸,但拉力元件20d-20f的路径不沿着拇指的中线延伸,而是从中线偏移沿着手掌到手腕延伸。该路径改善关于拉力元件20d-20f的动力流,并且允许对拇指的掌骨的精确力支持引导。
食指、中指、无名指和小指的指骨的延伸可以由拉力元件20g和20h支持。如图1所示,拉力元件20g和20h分别在掌骨的远端水平处分成从指骨中线偏移的两股。这改善了穿着舒适性。此外,拉力元件20i支持拇指在静止时的延伸和定位。
拉力元件20j、20k、20l和20m针对手腕的运动并被配置成独立于直接作用在指骨上的拉力元件20a-20i被致动,即受力或拉紧。拉力元件20j和20k支持手掌的弯曲,而拉力元件20l和20m支持手掌的延伸。手掌的外展和内收可以分别由拉力元件20j和20l以及拉力元件20k和20m支持。通过用力协调地加载拉力元件20j-20l,也可以支持手腕的对准。
图3示出了沿柔性支持结构12的内侧的拉力元件20的引导件的示例性实施例。带状引导带24设置有呈通道24a形式的引导元件,拉力元件20延伸通过通道24a。替代地,拉力元件20也可以在上臂和前臂分别与引导带24之间通过引导带24被引导。通道24a界定拉力元件20的横向于位移方向的路径,并由此形成沿着限定路径滑动地引导拉力元件20的引导件。如图3所示,除了直线通道24a之外或代替该直线通道,可以提供弯曲通道24a。此外,为了保护人体皮肤,可以在拉力元件20与皮肤表面之间提供连续(纺织品)保护层,使得避免拉力元件20与皮肤之间的直接接触。
此外,如图1所示,用作引导带24的环22不仅可以设置在指骨的远端以用于使手指弯曲,而且还可以设置在指骨的近端,例如,在近侧指骨的近端处,以便即使在指骨弯曲时也会提供拉力元件20的靠近身体的限定引导。
图4示出了根据本发明的另一装置10的柔性支持结构12的示例性实施例的示意图,该支持结构用于支持使用者前臂的运动(尤其是弯曲)。如图4所示,柔性支持结构12包括拉力元件20,该拉力元件具有以围绕使用者的前臂的环22形式的紧固元件。拉力元件20被引导通过围绕前臂和上臂的引导带24的通道24a,这些引导带即使在前臂弯曲时也会影响拉力元件20的靠近身体的引导。替代地,拉力元件20也可以在上臂和前臂分别与引导带24之间通过引导带24被引导。
图5示出了根据本发明的另一装置10的柔性支持结构12的示例性实施例的示意图,该支持结构用于支持使用者的腿部和躯干的运动。如图5所示,柔性支持结构12包括拉力元件20,这些拉力元件包括以围绕使用者的小腿的环22形式的紧固元件。拉力元件20被引导通过围绕大腿的引导带24,这些引导带即使当小腿弯曲时也会影响拉力元件24的靠近身体的引导。另外,柔性支持结构12包括拉力元件20,这些拉力元件包围使用者的上身和下身并且通过这些拉力元件可以支持脊柱的延伸。
图6概述了装置10在肌肉力量支持方法中的使用。在穿上28装置10之后,通过肌电图(EMG)传感器或力传感器监测身体部位(例如手部)的自主运动30。如果检测到自主运动或检测到的力值超过预定阈值,则可以在拉力元件20中的一些上施加32拉力以支持肌肉组织,即,通过经由装置10提供力来减小由肌肉系统在给定情况下将提供的力。
图7概述了装置10在另一种肌肉力量支持方法中的使用。在穿上装置10之后,通过肌电图(EMG)传感器或力传感器监测身体部位(例如手部)的自主运动。如果检测到自主运动或检测到的力值超过预定阈值,则可以在拉力元件20中的一些上施加拉力以支持肌肉组织,即,通过经由装置10提供力来减小由肌肉系统在给定情况下将提供的力。基于控制策略来确定由装置10向一部分拉力元件20施加的拉力,该控制策略被优化直到使用者的能量成本,即由使用者在特定时间范围内提供的能量总和,最小。
因此,所示装置10被设计为支持或缓解使用者的对应肌肉的便携式支持系统。然而,在此上下文中,应当注意,所示装置10(根据变化的解剖学状况被修改)可以用于支持所有身体部位,诸如手臂、腿、脚、甚至背部,因为人体肌肉和协作结缔组织的功能被装置10充分复制。
由装置10复制人体肌肉以及与其协作的结缔组织的功能如结合图1-图7描述为示例性的,通过致动器单元16、拉力元件20和引导带24的协作实现。致动器单元16可以直接或间接地连接到拉力元件20,并且以一定方式设计成在穿上28装置10时,拉力元件20和致动器单元16可以独立地添加到柔性支持结构12或者更确切地独立地附接到前臂套袖14。
参考数字列表
10 装置
12 支持结构
14 套袖
16 致动器单元
18 拉力单元
18a 元件
20a-m 拉力元件
22 紧固元件/环
24 引导带
24a 通道
26 关节
28、30、32 过程步骤
Claims (17)
1. 一种肌肉力量支持装置(10),包括:
柔性支持结构(12),所述柔性支持结构被配置成在所述装置(10)的使用期间穿戴在使用者的身体上;以及
致动器单元(16),所述致动器单元被配置成在所述柔性支持结构(12)的第一拉力元件(20)上施加拉力以在第一身体部位的运动期间支持肌肉力量;其中
所述第一拉力元件(20)沿第一路径延伸通过所述柔性支持结构(12)的引导带(24)到达所述致动器单元(16),所述引导带(24)在垂直于路径纵向方向的方向上限制所述第一路径的一部分;
所述第一拉力元件(20)被配置成在所述装置(10)的使用期间通过第一紧固元件(22)附接到所述第一身体部位;并且
所述引导带(24)沿力传递方向定位经过所述第一紧固元件(22)。
2.根据权利要求1所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述第一路径被配置成在所述身体的关节上经过,所述关节将所述第一身体部位的骨骼连接到第二身体部位的骨骼。
3.根据权利要求1或2所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述第一路径被配置成至少部分地平行于身体的允许向所述第一身体部位施加自主肌力的肌腱和/或肌肉行进。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述第一拉力元件(20)包括被配置成在所述装置(10)的使用期间完全或部分地围绕所述第一身体部位的所述第一紧固元件(22)。
5.根据权利要求4所述的肌肉力量支持装置(10),还包括:
第二拉力元件(20),所述第二拉力元件沿第二路径被引导至所述致动器单元(16)并且被配置成在所述装置(10)的使用期间通过所述第一紧固元件(22)附接到所述第一身体部位。
6.根据权利要求5所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述致动器单元(16)被配置成在所述第一拉力元件(20)和所述第二拉力元件(20)上施加相互独立的拉力。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),还包括:
第三拉力元件(20),所述第三拉力元件沿第三路径被引导至所述致动器单元(16)并且被配置成在所述装置(10)的使用期间附接到第三身体部位,其中所述第三拉力元件(20)的第三紧固元件(22)被形成为所述引导带(24)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述引导带(24)被配置成包围第二身体部位。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述引导带(24)具有通道并且所述第一拉力元件(18)穿过所述通道。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),还包括:
具有传感器单元的控制系统,其中所述控制系统被配置成控制所述第一拉力;并且
所述控制系统被配置成在使用所述装置(10)时最小化使用者的能量成本。
11.根据权利要求10所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述传感器单元包括用于检测力、移动、伸展、弯曲、肌肉活动、脉搏率和/或代谢率的传感器。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述致动器单元包括由形状记忆合金制成的螺旋元件(18a),所述第一拉力元件(20)附接到所述螺旋元件。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述柔性支持结构(12)被形成为纺织品服装的至少一部分。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述柔性支持结构(12)在内侧和/或外侧至少部分地设置有聚合物层。
15.根据权利要求13和14所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述柔性支持结构(12)被形成为手套,并且所述手套的一个或多个护套被配置成围绕所述使用者的手部的一个或多个手指。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的肌肉力量支持装置(10),其中所述柔性支持结构(12)包括臂部分,所述臂部分被配置成放置在所述使用者的前臂上,并且所述致动器单元(16)的拉动方向沿所述前臂延伸。
17.一种用于肌肉力量支持的方法,包括:
穿上(28)根据权利要求1至16中任一项所述的装置(10);
监测(30)自主运动;以及
基于所监测的自主运动向所述第一拉力元件(20)施加(32)拉力。
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