CN112998864B - 一种用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,属于骨折复位技术领域。用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统包括环形台、偏置式铰链体和伸缩杆,环形台用于固定下肢,偏置式铰链体包括第一铰体、第二铰体和连接块,第一铰体的一端与连接块的一端通过第一转轴转动连接,第一铰体的另一端适于与环形台可拆卸连接,第二铰体的一端与连接块的另一端通过第二转轴转动连接,其中,第一转轴与第二转轴垂直,伸缩杆的两端均适于通过偏置式铰链体与环形台铰接,其中,伸缩杆适于与第二铰体的另一端可拆卸连接。提高了骨折复位手术的成功率。
Description
技术领域
本发明涉及骨折复位技术领域,具体而言,涉及一种用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统。
背景技术
胫骨骨折包括胫骨骨干骨折和胫骨平台骨折。胫骨骨干骨折在全身骨折中约占29.45%,10岁以下儿童尤为多见,我国每年约有三千万人遭受骨折创伤,其中约有一千万人遭受胫骨骨干骨折。
传统的骨折复位手术需要两名医生对肌肉首先进行牵引,其次借助X光等影像实现复位摆正工作,由于医生需要长期暴露在X光射线下工作,因此对医生的身体健康十分不利,容易诱发癌性病变。在操作过程中,总是存在身体过度运动的危险,导致肌肉、组织和韧带撕裂,从而造成后期复位效果不理想,而且手术效果因医生技术水平的不同差异性很大,手术完成的精确度难以保证,因此同质性较差。另外,人手的操作精度远低于机器人的操作精度,对于外科医生来说,在传统的复位技术中,在大的力和扭矩下进行精细的调整和保持可能很难进行。
发明内容
本发明旨在提高骨折复位的成功率。
为解决上述问题,本发明提供了一种用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,包括:
环形台,所述环形台用于固定下肢;
偏置式铰链体,所述偏置式铰链体包括第一铰体、第二铰体和连接块,所述第一铰体的一端与所述连接块的一端通过第一转轴转动连接,所述第一铰体的另一端适于与所述环形台可拆卸连接,所述第二铰体的一端与所述连接块的另一端通过第二转轴转动连接,其中,所述第一转轴与所述第二转轴垂直;以及
伸缩杆,所述伸缩杆的两端均适于通过所述偏置式铰链体与所述环形台铰接,其中,所述伸缩杆适于与所述第二铰体的另一端可拆卸连接。
进一步地,所述环形台包括环形台本体与凸起平台,所述环形台本体上环绕所述环形台的轴线开设有第一安装结构,所述第一安装结构适于安装多个环绕所述环形台的轴线分布的骨针夹持器,所述环形台本体朝外设置有多个所述凸起平台,所述伸缩杆的两端适于通过所述偏置式铰链体与所述凸起平台铰接。
进一步地,所述第一安装结构包括第一螺纹孔,多个所述第一螺纹孔环绕所述环形台的轴线开设于所述环形台上。
进一步地,所述环形台设置有两个,两个所述环形台分别为固定环和复位环,所述固定环和所述复位环相对且间隔设置,两个所述伸缩杆的一端均与所述固定环的一个所述凸起平台铰接,两个所述伸缩杆的另一端分别与所述复位环的两个所述凸起平台铰接;两个所述伸缩杆的一端均与所述复位环的一个所述凸起平台铰接,两个所述伸缩杆的另一端分别与所述固定环的两个所述凸起平台铰接;任意相邻的两个所述伸缩杆之间的夹角均相等。
进一步地,所述第一铰体开设有第一敞口槽,所述第二铰体开设有第二敞口槽,所述连接块的一端位于所述第一敞口槽中,所述连接块的另一端位于所述第二敞口槽中。
进一步地,令与所述固定环连接的所述偏置式铰链体为第一偏置式铰链体,与所述复位环连接的所述偏置式铰链体为第二偏置式铰链体,所述第二偏置式铰链体中的所述第二铰体中安装有轴承,所述轴承中安装有法兰轴,所述法兰轴的一端与所述伸缩杆可拆卸连接,所述法兰轴的另一端穿过所述轴承并设置有防脱螺母。
进一步地,所述用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统还包括紧定螺钉,所述凸起平台上开设有安装孔和定位螺孔,所述安装孔与所述定位螺孔相通,所述第一铰体远离所述第二铰体的一端设置有安装轴,所述安装轴的径向上开设有孔槽,所述安装轴适于安装于所述安装孔中,所述紧定螺钉适于与所述定位螺孔连接后插入所述孔槽中。
进一步地,所述用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统还包括定位销,所述凸起平台上还开设有定位销孔,所述第一铰体一侧开设有凹槽,所述定位销安装于所述定位销孔后置于所述凹槽中。
进一步地,所述用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统还包括挡板,所述挡板适于与所述凸起平台连接并限制所述紧定螺钉。
进一步地,所述伸缩杆为丝杠传动结构。
与现有技术相比,本发明提供的一种用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,具有但不局限于以下技术效果:
可将两个环形台一上一下布置,可以将上方的环形台当做静平台(或叫做固定环),将下方的环形台当做动平台(或叫做复位环),静平台与外部装置(比如手术床等)连接固定不动,通过在固定环和复位环之间铰接适当数量的伸缩杆,并可通过固定环固定下肢骨折近端,复位环固定下肢骨折远端,腿部在静平台和动平台中固定后,可借助例如光学导航系统识别动平台的位置和姿态,由计算机规划出骨折复位的方案,解算出每根伸缩杆的运动长度,之后通过控制各个伸缩杆的运动长度带动末端的动平台到达指定的位置和姿态,以此完成骨折复位,其中,由于第一转轴和第二转轴是分别转动连接在连接块两端的,使得偏置式铰链体中的两个自由度垂直且不相交,构成一种“偏置式”虎克铰,减少了或者杜绝了第一铰体和第二铰体发生干涉的问题,进而进一步满足复位环的灵活性,同时,通过控制伸缩杆的伸缩运动实现复位环运动而完成骨折复位,省去了医生人力操作,避免了医生出现操作疲劳,提高了骨折复位手术的成功率;
另外,由于伸缩杆可以与第二铰体远离连接块的一端可拆卸连接,第一铰体远离连接块的一端适于与所述环形台可拆卸连接,即伸缩杆与偏置式铰链体可拆卸连接,环形台与偏置式铰链体可拆卸连接,这种伸缩杆的模块化、环形台的模块化、偏置式铰链体的模块化设计更加便于后续的更换、维修、装运等操作。
附图说明
图1为本发明实施例的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统的示意性结构图;
图2为图1中A处的方大图;
图3为本发明实施例的偏置式铰链体的示意性结构图。
附图标记说明:
1-环形台,12-凸起平台,121-安装孔,122-定位螺孔,123-定位销孔,124-挡板安装螺孔,13-第一螺纹孔;
2-伸缩杆;
3-偏置式铰链体,31-第一铰体,311-第一敞口槽,312-安装轴,313-孔槽,314-凹槽,32-第二铰体,321-第二敞口槽,33-连接块,34-第一转轴,35-第二转轴,36-法兰轴,37-防脱螺母;
5-挡板,51-挡板安装螺钉;
6-定位销。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
而且,附图中Z轴表示竖向,也就是上下位置,并且Z轴的正向(也就是Z轴的箭头指向)表示上,Z轴的负向(也就是与Z轴的正向相反的方向)表示下。
同时需要说明的是,前述Z轴的表示含义仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
胫骨骨折包括胫骨骨干骨折和胫骨平台骨折,胫骨骨干骨折在全身骨折中约占29.45%,10岁以下儿童尤为多见,我国每年约有三千万人遭受骨折创伤,其中约有一千万人遭受胫骨骨干骨折。
传统的骨折复位手术需要两名医生对肌肉首先进行牵引,其次借助X光等影像实现复位摆正工作,由于医生需要长期暴露在X光射线下工作,因此对医生的身体健康十分不利,容易诱发癌性病变。
在操作过程中,总是存在身体过度运动的危险,导致肌肉、组织和韧带撕裂,从而造成后期复位效果不理想,而且手术效果因医生技术水平的不同差异性很大,手术完成的精确度难以保证,因此同质性较差。
另外,人手的操作精度远低于机器人的操作精度,对于外科医生来说,在传统的复位技术中,在大的力和扭矩下进行精细的调整和保持可能很难进行。
基于以上传统的骨骼复位手术的缺陷,参见图1,本发明实施例提供了一种用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,包括环形台1和伸缩杆2,所述环形台1上环绕所述环形台1的轴线开设有第一安装结构,所述第一安装结构适于安装多个环绕所述环形台的轴线分布的骨针夹持器,所述环形台1包括环形台本体和凸起平台12,所述环形台本体朝外设置有多个凸起平台12,所述环形台1设置有两个,两个所述环形台1分别为上方的固定环和下方的复位环,所述固定环和所述复位环相对且间隔设置;所述伸缩杆2的一端与所述固定环的所述凸起平台12铰接,所述伸缩杆2的另一端与所述复位环的所述凸起平台12铰接。具体地,第一安装结构设置于环形台本体上。
这里,通过环形台1供患者的腿穿过,可以将上方的固定环当做静平台,将下方的复位环当做动平台,静平台固定不动,通过第一安装结构安装固定骨针夹持器,多个骨针夹持器安装好后呈环形分布在环形台本体上,确保每个方位都有骨针夹持器,进而通过骨针夹持器可以夹持骨针以确保多个骨针可以朝向环形台1中心,通过调节骨针相对于骨针夹持器的位置以使骨针抵触腿部骨折处以完成腿部的固定,腿部在静平台和动平台中固定后,可借助光学导航系统识别动平台的位置和姿态,由计算机规划出骨折复位的方案,解算出每根伸缩杆2的运动长度,之后通过控制各个伸缩杆2的运动长度带动末端的动平台到达指定的位置和姿态,以此完成骨折精确的复位。
本实施例提供的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统具有高精度,体积小,高承载力等优点,十分适用于胫骨骨折复位手术,通过控制伸缩杆2的运动长度来实现动平台的位置和姿态改变,提高了手术的成功率。
由于在整个骨折复位手术中,是通过伸缩杆2的伸缩运动实现骨折的复位,避免了医生亲自手动复位,医生不用长期暴露在X光射线下工作,保护了医生的身体健康,避免癌性病变。
又由于整个骨折复位手术中,是通过伸缩杆2的伸缩运动实现骨折的复位,避免了医生亲自手动复位,不需要医生亲自使力,节省了人力,避免医生出现疲劳。
另外,也不会因医生技术水平的不同而导致手术完成的差异,解放了对高技术水平医生的需求。
可以理解的是,所述第一安装结构是设置在环形台本体上的,其是用于安装固定骨针夹持器的,因此,所述第一安装结构可以是设置在环形台本体上的固定装置、夹紧装置等可以实现骨针夹持器安装固定的一切机构、装置。
优选地,所述第一安装结构等间距分布在环形台本体上,保证骨针可以更均匀的抵触在患者腿部,固定效果更好。
可以理解的是,由于环形台本体是供腿部穿过的,所以环形台本体的“环形”指的是其内圈是圆形的,对于其外圈形状不做限定,外圈形状可以是圆形,方形等。当然优选的是环形台本体的内圈和外圈都是圆形,这样更加美观,其次,加工也很方便,也不会占用较多的空间。
参见图1,可选地,所述第一安装结构包括第一螺纹孔13,多个所述第一螺纹孔13环绕所述环形台1的轴线开设于所述环形台本体上。
这里,第一安装结构是开设在环形台本体上的第一螺纹孔13,进而通过将骨针夹持器与第一螺纹孔13螺纹连接以实现骨针夹持器的安装固定,拆装更方便。
又由于第一安装结构是开设在环形台本体上的第一螺纹孔13,其不占用额外的空间,使得整体体积小,同时又能减小环形台1的重量,一举多得。
需要说明的是,第一螺纹孔13的开设位置不做限制,即可以是如图1所示的开设在环形台本体的上下方向上(即第一螺纹孔13的轴线与环形台1的轴线平行),也可以开设有在其他方向上,以满足安装固定后的骨针夹持器上的骨针能朝向环形台1的中心为准。
当然,优选地,第一螺纹孔13开设在环形台本体的上下方向上,且第一螺纹孔13最好是贯穿整个环形台本体的。
参见图1,可选地,两个所述伸缩杆2的一端均与所述固定环的一个所述凸起平台12铰接,两个所述伸缩杆2的另一端分别与所述复位环的两个所述凸起平台12铰接,两个所述伸缩杆2的一端均与所述复位环的一个所述凸起平台12铰接,两个所述伸缩杆2的另一端分别与所述固定环的两个所述凸起平台12铰接,任意相邻的两个所述伸缩杆2之间的夹角均相等。
这里,通过“两个所述伸缩杆2的一端同时与所述固定环的一个所述凸起平台12铰接,两个所述伸缩杆2的另一端分别与所述复位环的两个所述凸起平台12铰接,任意相邻的两个所述伸缩杆2之间的夹角均相等”,保证伸缩杆的伸缩方向不与环形台的轴线一致,如此,可以使得动平台(也就是下方的复位环,后文不再做解释)的姿态和位置更加多样。
需要说明的是,伸缩杆2的一端指的是伸缩杆2的顶端,伸缩杆2的另一端指的是伸缩杆2的底端。
参见图1,可选地,所述用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统还包括偏置式铰链体3,所述伸缩杆2的两端适于通过所述偏置式铰链体3与所述凸起平台12铰接,所述偏置式铰链体3包括第一铰体31、第二铰体32和连接块33,所述第一铰体31的一端与所述连接块33的一端通过第一转轴34转动连接,所述第一铰体31的另一端适于与所述凸起平台12固定连接,所述第二铰体32的一端与所述连接块33的另一端通过第二转轴35转动连接,所述第二铰体32的另一端适于与所述伸缩杆2的一端或另一端固定连接,其中,所述第一转轴34与所述第二转轴35垂直。
其中,“所述第二铰体32的另一端适于与所述伸缩杆2的一端或另一端固定连接”指的是:如果是与静平台(也就是上方的固定环,后文不再做解释)连接的偏置式铰链体3中的第二铰体32,则是和伸缩杆2的顶端固定连接;如果是与动平台连接的偏置式铰链体3中的第二铰体32,则是和伸缩杆2的底端固定连接。
这里,通过“所述第一铰体31的一端与所述连接块33的一端通过第一转轴34转动连接,所述第一铰体31的另一端适于与所述凸起平台12固定连接,所述第二铰体32的一端与所述连接块33的另一端通过第二转轴35转动连接,所述第二铰体32的另一端适于与所述伸缩杆2的一端或另一端固定连接”,使得偏置式铰链体3中的两个自动度是正交的且偏置的,这样,两个自由度相较于传统虎克铰的基础上,将汇交十字正交轴变为偏置正交轴,运动范围大,第一铰体31与第二铰体32之间不存在运动干涉问题。
参见图2和图3,可选地,所述第一铰体31开设有第一敞口槽311,所述第二铰体32开设有第二敞口槽321,所述连接块33的一端位于所述第一敞口槽311中,所述连接块33的另一端位于所述第二敞口槽321中。
这里,通过在所述第一铰体31上开设有第一敞口槽311,所述第二铰体32上开设有第二敞口槽321,并将连接块置于第一敞口槽311和第二敞口槽321中,可以减小偏置式铰链体3的体积。
参见图3,可选地,令与所述固定环连接的所述偏置式铰链体3为第一偏置式铰链体,与所述复位环连接的所述偏置式铰链体3为第二偏置式铰链体,所述第二偏置式铰链体中的所述第二铰体32中安装有轴承,所述轴承中安装有法兰轴36,所述法兰轴36的一端与所述伸缩杆2固定连接,所述法兰轴36的另一端穿过所述轴承并设置有防脱螺母37。
这里,第一偏置式铰链体也就是与静平台连接的偏置式铰链体3,第二偏置式铰链体也即是与动平台连接的偏置式铰链体3。
这里,通过在第二铰体32中安装有轴承,进而通过轴承安装有法兰轴36,法兰轴36的法兰部与伸缩杆2的底端固定连接,具体可以是在伸缩杆2的底端也设置有一个法兰轴,通过两个法兰轴的法兰部固定连接在一起,以此实现第二偏置式铰链体与伸缩杆2底端的快速拆装,伸缩杆2的顶端也可以通过一个法兰与上方的第一偏置式铰链体快速拆装,这种伸缩杆2的模块化、环形台1的模块化、偏置式铰链体3的模块化设计更加便于后续的更换、维修、装运等操作,第二铰体32中的法兰轴36的轴部穿过轴承并连接有防脱螺母37,以防止法兰轴36脱落,其中,通过轴承与法兰轴36使得第二铰体可以相对伸缩杆2旋转,作为一个被动自动度,加上第一转轴34和第二转轴35各自的一个自由度,使得第二偏置式铰链体具有三个自由度,运动更加灵活。
参见图1和图2,可选地,所述用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统还包括紧定螺钉,所述凸起平台12上开设有安装孔121和定位螺孔122,所述安装孔121与所述定位螺孔122相通,所述第一铰体31远离所述第二铰体32的一端设置有安装轴312,所述安装轴312的径向上开设有孔槽313,所述安装轴312适于安装于所述安装孔121中,所述紧定螺钉适于与所述定位螺孔122连接后插入所述孔槽313中。
这里,安装孔121优选是贯穿凸起平台12上下方向上,安装轴312安装在安装孔121后,用紧定螺钉连接至定位螺孔122中,随着紧定螺钉在定位螺孔122中的旋进,紧定螺钉会插入安装轴312径向上的孔槽313中,以此实现第一铰体31与凸起平台12的固定,通过如此结构,可以实现偏置式铰链体3与环形台1的快速拆装。
参见图1和图2,可选地,所述用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统还包括定位销6,所述凸起平台12上还开设有定位销孔123,所述第一铰体31一侧开设有凹槽314,所述定位销6安装于所述定位销孔123后置于所述凹槽314中。
这里,通过将定位销6安装入定位销孔123中,安装至定位销孔123中的定位销6正好置入凹槽314中,结合紧定螺钉,进一步限制第一铰体31,保证第一铰体31不会与凸起平台12发生相对运动。
参见图1和图2,可选地,所述用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统还包括挡板5,所述挡板5适于与所述凸起平台12连接并限制所述紧定螺钉。
这里,凸起平台12开设有定位螺孔122的一侧还可以开设有挡板安装螺孔124,挡板5通过挡板安装螺钉51和挡板安装螺孔124安装在凸起平台12上,一是可以遮盖住紧定螺钉,更加美观,更重要的是,可以防止紧定螺钉脱落。
可选地,所述伸缩杆2为丝杠传动结构。
这里,由于伸缩杆2的两端分别与环形台1的凸起平台12铰接的,因而丝杠传动结构可以是由电机配合同步带轮带动丝杠转动,丝杠上的螺母在被限制转动的情况下带着输出杆伸缩。
术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
虽然本发明公开披露如上,但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下,可进行各种变更与修改,这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,包括:
环形台(1),所述环形台(1)用于固定下肢;
偏置式铰链体(3),所述偏置式铰链体(3)包括第一铰体(31)、第二铰体(32)和连接块(33),所述第一铰体(31)的一端与所述连接块(33)的一端通过第一转轴(34)转动连接,所述第一铰体(31)的另一端适于与所述环形台(1)可拆卸连接,所述第二铰体(32)的一端与所述连接块(33)的另一端通过第二转轴(35)转动连接,其中,所述第一转轴(34)与所述第二转轴(35)垂直;以及
伸缩杆(2),所述伸缩杆(2)的两端均适于通过所述偏置式铰链体(3)与所述环形台(1)铰接,其中,所述伸缩杆(2)适于与所述第二铰体(32)的另一端可拆卸连接;所述第二铰体(32)中安装有轴承,所述轴承中安装有法兰轴(36),所述法兰轴(36)的一端与所述伸缩杆(2)可拆卸连接,所述法兰轴(36)的另一端穿过所述轴承并设置有防脱螺母(37)。
2.根据权利要求1所述的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,所述环形台(1)包括环形台本体与凸起平台(12),所述环形台本体上环绕所述环形台(1)的轴线开设有第一安装结构,所述第一安装结构适于安装多个环绕所述环形台的轴线分布的骨针夹持器,所述环形台本体朝外设置有多个所述凸起平台(12),所述伸缩杆(2)的两端适于通过所述偏置式铰链体(3)与所述凸起平台(12)铰接。
3.根据权利要求2所述的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,所述第一安装结构包括第一螺纹孔(13),多个所述第一螺纹孔(13)环绕所述环形台(1)的轴线开设于所述环形台(1)上。
4.根据权利要求2所述的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,所述环形台(1)设置有两个,两个所述环形台(1)分别为固定环和复位环,所述固定环和所述复位环相对且间隔设置,两个所述伸缩杆(2)的一端均与所述固定环的一个所述凸起平台(12)铰接,两个所述伸缩杆(2)的另一端分别与所述复位环的两个所述凸起平台(12)铰接;两个所述伸缩杆(2)的一端均与所述复位环的一个所述凸起平台(12)铰接,两个所述伸缩杆(2)的另一端分别与所述固定环的两个所述凸起平台(12)铰接;任意相邻的两个所述伸缩杆(2)之间的夹角均相等。
5.根据权利要求1所述的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,所述第一铰体(31)开设有第一敞口槽(311),所述第二铰体(32)开设有第二敞口槽(321),所述连接块(33)的一端位于所述第一敞口槽(311)中,所述连接块(33)的另一端位于所述第二敞口槽(321)中。
6.根据权利要求2所述的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,还包括紧定螺钉,所述凸起平台(12)上开设有安装孔(121)和定位螺孔(122),所述安装孔(121)与所述定位螺孔(122)相通,所述第一铰体(31)远离所述第二铰体(32)的一端设置有安装轴(312),所述安装轴(312)的径向上开设有孔槽(313),所述安装轴(312)适于安装于所述安装孔(121)中,所述紧定螺钉适于与所述定位螺孔(122)连接后插入所述孔槽(313)中。
7.根据权利要求6所述的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,还包括定位销(6),所述凸起平台(12)上还开设有定位销孔(123),所述第一铰体(31)一侧开设有凹槽(314),所述定位销(6)安装于所述定位销孔(123)后置于所述凹槽(314)中。
8.根据权利要求6所述的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,还包括挡板(5),所述挡板(5)适于与所述凸起平台(12)连接并限制所述紧定螺钉。
9.根据权利要求1至8任一项所述的用于下肢骨折复位手术的并联机器人系统,其特征在于,所述伸缩杆(2)为丝杠传动结构。
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