CN117549284B - 一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,包括支撑结构;所述支撑结构包括立柱,支架和底板;所述立柱为垂直设置,上端与所述支架连接,下端与所述底板可转动连接;所述支架用于和人体腿部相连接;所述底板用于和人体脚部接触并承受来自脚部的压力;所述立柱包括柱体,第一驱动机构和第一伸缩机构;所述第一伸缩机构与所述第一驱动机构的一端固定连接;所述第一伸缩机构远离所述第一驱动机构的一端与所述柱体可转动连接,且其转轴方向与所述立柱和所述底板可转动连接的转轴方向为同一轴线;所述第一驱动机构远离所述第一伸缩机构的一端与所述柱体可转动连接。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机械技术领域,尤其是涉及一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人。
背景技术
协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人是一种先进的机器人技术,用于对人类行走能力进行模拟和提升。这种机器人旨在模仿人类踝关节的运动和适应性,以实现在各种地形上帮助人类更加稳定省力地行走。
然而,现有技术的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人也存在一些缺点。
首先,这种机器人的设计通常非常复杂,需要精确的机械和电子部件来模拟人类踝关节的运动。这种复杂性可能导致机器人在实际应用中容易出现故障或需要频繁维护。
其次,由于仿生踝关节外骨骼机器人的设计和制造需要高度的技术水平和专业知识,因此其制造成本通常较高。这限制了机器人在某些领域(如医疗保健或军事领域)的广泛应用。
此外,现有技术的机器人缺乏足够的灵活性来适应不同的环境条件。这限制了机器人在复杂环境中的表现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,以解决现有技术中存在的至少一项技术问题。
为解决上述技术问题,本发明提供的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,包括支撑结构;
所述支撑结构包括立柱,支架和底板;
所述立柱为垂直设置,上端与所述支架连接,下端与所述底板通过第一连接轴可转动连接;
所述支架用于和人体腿部相连接;
所述底板用于和人体脚部接触并承受来自脚部的压力;
所述立柱包括柱体,第一驱动机构和第一伸缩机构;
所述第一伸缩机构与所述第一驱动机构的一端固定连接;
所述第一伸缩机构远离所述第一驱动机构的一端与所述柱体通过第二连接轴可转动连接,且其转轴方向与所述立柱和所述底板可转动连接的转轴方向平行;
所述第一驱动机构远离所述第一伸缩机构的一端与所述柱体可转动连接。
进一步地,所述协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人还包括第二驱动机构和第二伸缩机构;
所述第二驱动机构固定设置在柱体上,其上设置所述第二伸缩机构;
所述第二伸缩机构远离所述第二驱动机构的一端与所述底板连接。
进一步地,所述协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人还包括第三驱动机构,第一升降机构和第二升降机构;
所述底板包括上板和下板;
所述第二升降机构设置在所述上板和所述下板之间;
所述第三驱动机构一端设置在上板上,另一端与所述第一升降机构连接;
所述第一升降机构另一端与所述下板固定连接。
进一步地,所述第一升降机构包括齿轮,齿条和升降架;
所述第三驱动机构能够驱动所述齿轮上下运动;
所述齿条固定设置在所述升降架内侧并与所述齿轮配合;
所述齿轮的运动带动两侧所述齿条,从而通过所述升降架带动所述下板与上板发生相对移动。
进一步地,所述下板包括包括多个模块,用于更加灵活地达到平衡效果并有利于适应多种复杂地形。
优选地,所述下板包括左右对称的两块,用于调节脚踝的内外翻情况。
进一步地,还包括与所述立柱和所述底板可转动连接的转轴方向相正交的第三连接轴;
所述第三连接轴受所述第三驱动机构的驱动,用于调节上板的位置形态,从而防止足踝关节出现过度内外翻的情况。
进一步地,所述第二驱动机构为两个,并对称地设置在所述柱体的两侧;
每个所述第二驱动机构分别通过一个所述第二伸缩机构与所述底板连接;
所述第二驱动机构能够通过所述第二伸缩机构驱动所述底板运动,从而为踝关节提供内翻或外翻的力矩,有效降低人在复杂地形上行走时足踝关节功能受损比例。
进一步地,所述第二伸缩机构与所述底板之间还设置有连接座;
所述连接座下部与所述底板固定连接,上部与所述第二伸缩机构连接。
进一步地,所述底板上还设置有固定部,用于将人体脚部与所述底板紧密固定。
进一步地,所述固定部一侧固定连接在所述底板的一侧上,另一侧固定或可拆卸地设置在所述底板的另一侧上。
进一步地,所述支架内侧设计为圆弧形,用于和人体小腿后部的形状相适应。
进一步地,所述支架的形状与大小可调节,可根据使用者的身体参数调节至适当的尺寸与形状。
进一步地,所述上板与下板之间设置有第二升降机构;
所述第二升降机构包括交叉连杆,导杆和弹簧;
所述交叉连杆可滑动地设置在所述导杆上;
所述弹簧套设在所述导杆上,其两端与所述交叉连杆的两端连接。
进一步地,所述第二升降机构还包括限位轴;
所述限位轴设置一个或多个,用于避免所述上板与所述下板贴近时令所述交叉连杆受到挤压而损坏。
进一步地,还包括连轴节点;
所述连轴节点设置在所述第一连接轴上,其上通过设置的轴孔与所述第二连接轴和所述第三连接轴连接。
优选地,所述第一驱动机构为气缸;
或者,所述第一驱动机构为电机或油缸。
优选地,所述第一伸缩机构为活塞推杆装置;
或者,所述第一伸缩机构为螺纹套筒装置或卷轴卷绳装置。
优选地,所述第二驱动机构为电机;
或者,所述第二驱动机构为气缸或油缸。
优选地,所述第二伸缩机构为卷轴卷绳装置;
或者,所述第二伸缩机构为活塞推杆装置或螺纹套筒装置。
优选地,所述第三驱动机构为气缸;
或者,所述第三驱动机构为电机或油缸。
采用上述技术方案,本发明具有如下有益效果:
(1)协同驱动:基于人体比目鱼肌与腓肠肌协同驱动方式,结合工程仿生学原理,采用气缸和双电机协同驱动模式实现对踝关节跖屈运动的高效助力。
(2)地形自适应性:采用气缸-齿轮齿条机构保证复杂地形上人体穿戴踝关节外骨骼后足底的稳定性,并有效预防踝关节因过度内外翻导致的关节损伤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人的第一视角的立体结构示意图;
图2为一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人的第二视角的立体结构示意图;
图3为一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人的主视图;
图4为一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人的侧视剖面图;
图5为一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人的连轴节点的立体结构示意图;
图6为一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人的底板与连轴节点的立体结构示意图。
附图标记:
1-支撑结构;2-立柱;3-支架;4-底板;5-柱体;6-第一驱动机构;7-第一伸缩机构;8-第二驱动机构;9-第二伸缩机构;10-第三驱动机构;11-第一升降机构;12-第二升降机构;13-上板;14-下板;15-齿轮;16-齿条;17-升降架;18-第三连接轴;19-连接座;20-固定部;21-交叉连杆;22-导杆;23-弹簧;24-限位轴;25-第一连接轴;26-第二连接轴;27-连轴节点。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。
如图1-6所示,本实施例提供的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,包括支撑结构1;
所述支撑结构1包括立柱2,支架3和底板4;
所述立柱2包括柱体5,第一驱动机构6和第一伸缩机构7;
所述立柱2为垂直设置,上端与所述支架3连接,下端与所述连轴节点27通过第一连接轴25可转动连接;
所述支架3用于和人体腿部相连接;
所述底板4用于和人体脚部接触并承受来自脚部的压力;
所述第一伸缩机构7与所述第一驱动机构6的一端固定连接;
所述第一伸缩机构7远离所述第一驱动机构6的一端与所述柱体5通过第二连接轴26可转动连接,且其转轴方向与所述第一连接轴25方向平行;
所述第一驱动机构6远离所述第一伸缩机构7的一端与所述柱体5可转动连接。
本申请公开的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人在工作时,脚部踩在所述底板4上,所述支架3与人体腿部相连接。在使用过程中,所述第一伸缩机构7与所述柱体5之间可转动,所述立柱2通过所述连轴节点27与所述底板4可转动,使得机器人能够在静止与活动状态下均能与人踝关节的形态相适应。当人体穿戴仿生踝关节外骨骼处于站立状态(约步态周期的20%~45%)时,通过所述第一驱动机构6驱动所述第一伸缩机构7为所述支架3提供的向上支持力,为人体提供站立支撑力,维持人体站立的稳定性,减少人体自身比目鱼肌做功,进而降低人体代谢能耗。
作为本申请的进一步实施方案,所述协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人还包括第二驱动机构8和第二伸缩机构9;
所述第二驱动机构8固定设置在柱体5上,其上设置所述第二伸缩机构9;
所述第二伸缩机构9远离所述第二驱动机构8的一端与所述底板4连接。
本申请公开的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人在工作时,所述第二驱动机构8能够驱动所述第二伸缩机构9伸长或收缩,从而达到牵引或释放所述底板4的效果。当人体处于行走步态蹬地期(约步态周期的45%~65%)时,机器人通过所述第二驱动机构8与所述第二伸缩机构9的配合能够模仿人体腓肠肌收缩牵引足底的功能,为人体足踝关节提供跖屈助力。
作为本申请的进一步实施方案,所述协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人还包括第三驱动机构10,第一升降机构11和第二升降机构12;
所述底板4包括上板13和下板14;
所述第二升降机构12设置在所述上板13和所述下板14之间;
所述第三驱动机构10一端设置在上板13上,另一端与所述第一升降机构11连接;
所述第一升降机构11另一端与所述下板14固定连接。
本申请公开的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人在工作时,所述第二升降机构12能够为所述上板13与所述下板14的靠近与远离提供导向限位功能。所述第三驱动机构10能够驱动所述第一升降装置带动所述下板14运动,从而实现所述上板13与所述下板14的相对运动。
作为本申请的进一步实施方案,所述第一升降机构11包括齿轮15,齿条16,升降架17和设置在所述升降架上的限位导向装置;
所述第三驱动机构10能够驱动所述齿轮15上下运动;
所述齿条16通过所述限位导向装置设置在所述升降架17内侧并与所述齿轮15配合;
所述齿轮15的运动带动两侧所述齿条16,从而通过所述升降架17带动所述下板14与上板13发生相对移动。
本申请公开的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人在工作时,所述第三驱动机构10带动所述齿轮15上下运动,由于两侧的齿条16与所述下板14固定,因此齿轮15的运动带动齿条16和下板14运动,由升降装置实现不同地形下底板4的高度差,最终保证上板13的平稳性。
作为本申请的优选实施方案,所述限位导向装置为滑轨。
作为本申请的进一步实施方案,所述下板14包括多个模块,用于更加灵活地达到平衡效果并有利于适应多种复杂地形。
作为本申请优选的实施方案,所述下板14包括左右对称的两块,用于调节脚踝的内外翻情况。
作为本申请的进一步实施方案,还包括与所述第一连接轴25和所述第二连接轴26的轴向方向相正交的第三连接轴18;
所述第三连接轴18与所述底板4固定连接;
在所述第三驱动机构10的驱动下,所述上板13能够在所述第三连接轴18的周向方向上调整位置形态,从而防止足踝关节出现过度内外翻的情况。
作为本申请的优选实施方案,所述第三连接轴18与所述底板4为一体化组件。
作为本申请的进一步实施方案,所述第二驱动机构8为两个,并对称地设置在所述柱体5的两侧;
每个所述第二驱动机构8分别通过一个所述第二伸缩机构9与所述底板4连接;
所述第二驱动机构8能够通过所述第二伸缩机构9驱动所述底板4运动,从而为踝关节提供内翻或外翻的力矩,有效降低人在复杂地形上行走时足踝关节功能受损比例。
本申请公开的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人在工作时,可能会遇到不平地面的高度差大于外骨骼足底板4限位的高度的情况,此时左右两侧的所述第二驱动机构8通过驱动所述第二伸缩机构9从而控制所述底板4的状态,提供内翻或外翻力矩,以防止人体足踝关节功能损伤,有效保证足底的稳定性和地形的自适应性。
作为本申请的进一步实施方案,所述第二伸缩机构9与所述底板4之间还设置有连接座19;
所述连接座19下部与所述底板4固定连接,上部与所述第二伸缩机构9连接。
作为本申请的进一步实施方案,所述底板4上还设置有固定部20,用于将人体脚部与所述底板4紧密固定。
作为本申请的进一步实施方案,所述固定部20一侧固定连接在所述底板4的一侧上,另一侧固定或可拆卸地设置在所述底板4的另一侧上。
本申请公开的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人在工作时,所述固定部20可以采取现有技术中鞋类的鞋面结构。
作为本申请的进一步实施方案,所述支架3内侧设计为圆弧形,用于和人体小腿后部的形状相适应。
作为本申请的进一步实施方案,所述支架3的形状与大小可调节,可根据使用者的身体参数调节至适当的尺寸与形状。
作为本申请的进一步实施方案,所述上板13与下板14之间设置有第二升降机构12;
所述第二升降机构12包括交叉连杆21,导杆22和弹簧23;
所述交叉连杆21可滑动地设置在所述导杆22上;
所述弹簧23套设在所述导杆22上,其两端与所述交叉连杆21的两端连接。
作为本申请的优选实施方案,所述交叉连杆21一端与所述导杆22固定,另一端通过滑块设置在所述导杆22上。
作为本申请的进一步实施方案,所述第二升降机构12还包括限位轴24;
所述限位轴24设置一个或多个,用于避免所述上板13与所述下板14贴近时令所述交叉连杆21受到挤压而损坏。
本申请公开的一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人在工作时,所述交叉连杆21受到所述导杆22的导向限位并运动,所述弹簧23能够在所述交叉连杆21处于上下伸展或收缩状态时提供回复力。当所述交叉连杆21在竖直方向上的高度达到极端状态时所述限位轴24能够起到保护作用。
如图5所示为本申请的进一步实施方案,还包括连轴节点27;
所述连轴节点27包括三个轴孔,分别用于与所述第一连接轴25,所述第二连接轴26和所述第三连接轴18进行连接;
用于与所述第三连接轴18连接的轴孔的轴向方向与另外两个轴孔的轴向方向垂直。
作为本申请优选的实施方案,所述第一驱动机构6为气缸;
或者,所述第一驱动机构6为电机或油缸。
作为本申请优选的实施方案,所述第一伸缩机构7为活塞推杆装置;
或者,所述第一伸缩机构7为螺纹套筒装置或卷轴卷绳装置。
作为本申请优选的实施方案,所述第二驱动机构8为电机;
或者,所述第二驱动机构8为气缸或油缸。
作为本申请优选的实施方案,所述第二伸缩机构9为卷轴卷绳装置;
或者,所述第二伸缩机构9为活塞推杆装置或螺纹套筒装置。
作为本申请优选的实施方案,所述第三驱动机构10为气缸;
或者,所述第三驱动机构10为电机或油缸。
采用上述技术方案,本发明具有如下有益效果:
(1)协同驱动:基于人体比目鱼肌与腓肠肌协同驱动方式,结合工程仿生学原理,采用气缸和双电机协同驱动模式实现对踝关节跖屈运动的高效助力。
(2)地形自适应性:采用气缸-齿轮齿条机构保证复杂地形上人体穿戴踝关节外骨骼后足底的稳定性,并有效预防踝关节因过度内外翻导致的关节损伤。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (13)
1.一种协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,包括支撑结构(1);
所述支撑结构(1)包括立柱(2),支架(3)和底板(4);
所述立柱(2)为垂直设置,上端与所述支架(3)连接,下端与所述底板(4)通过第一连接轴(25)可转动连接;
所述支架(3)用于和人体腿部相连接;
所述底板(4)用于和人体脚部接触并承受来自脚部的压力;
所述立柱(2)包括柱体(5),第一驱动机构(6)和第一伸缩机构(7);
所述第一伸缩机构(7)与所述第一驱动机构(6)的一端固定连接;
所述第一伸缩机构(7)远离所述第一驱动机构(6)的一端与所述柱体(5)通过第二连接轴(26)可转动连接,且其转轴方向与所述立柱(2)和所述底板(4)可转动连接的转轴方向平行;
所述第一驱动机构(6)远离所述第一伸缩机构(7)的一端与所述柱体(5)可转动连接;
所述协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人还包括第三驱动机构(10),第一升降机构(11)和第二升降机构(12);
所述底板(4)包括上板(13)和下板(14);
所述第二升降机构(12)设置在所述上板(13)和所述下板(14)之间;
所述第三驱动机构(10)一端设置在上板(13)上,另一端与所述第一升降机构(11)连接;
所述第一升降机构(11)另一端与所述下板(14)固定连接;
机器人还包括与所述第一连接轴(25)和所述第二连接轴(26)的轴向方向相正交的第三连接轴(18);
所述第三连接轴(18)与所述底板(4)固定连接;
在所述第三驱动机构(10)的驱动下,所述上板(13)能够在所述第三连接轴(18)的周向方向上调整位置形态,从而防止足踝关节出现过度内外翻的情况;
机器人还包括连轴节点(27);
所述连轴节点(27)包括三个轴孔,分别用于与所述第一连接轴(25),所述第二连接轴(26)和所述第三连接轴(18)进行连接;
用于与所述第三连接轴(18)连接的轴孔的轴向方向与另外两个轴孔的轴向方向垂直。
2.根据权利要求1所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人还包括第二驱动机构(8)和第二伸缩机构(9);
所述第二驱动机构(8)固定设置在柱体(5)上,其上设置所述第二伸缩机构(9);
所述第二伸缩机构(9)远离所述第二驱动机构(8)的一端与所述底板(4)连接。
3.根据权利要求1所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述第一升降机构(11)包括齿轮(15),齿条(16)和升降架(17);
所述第三驱动机构(10)能够驱动所述齿轮(15)上下运动;
所述齿条(16)固定设置在所述升降架(17)内侧并与所述齿轮(15)配合;
所述齿轮(15)的运动带动两侧所述齿条(16),从而通过所述升降架(17)带动所述下板(14)与上板(13)发生相对移动。
4.根据权利要求1所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述下板(14)包括多个模块,用于更加灵活地达到平衡效果并有利于适应多种复杂地形。
5.根据权利要求2所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述下板(14)包括左右对称的两块,用于调节脚踝的内外翻情况。
6.根据权利要求5所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述第二驱动机构(8)为两个,并对称地设置在所述柱体(5)的两侧;
每个所述第二驱动机构(8)分别通过一个所述第二伸缩机构(9)与所述底板(4)连接;
所述第二驱动机构(8)能够通过所述第二伸缩机构(9)驱动所述底板(4)运动,从而为踝关节提供内翻或外翻的力矩,有效降低人在复杂地形上行走时足踝关节功能受损比例。
7.根据权利要求2所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述第二伸缩机构(9)与所述底板(4)之间还设置有连接座(19);
所述连接座(19)下部与所述底板(4)固定连接,上部与所述第二伸缩机构(9)连接。
8.根据权利要求1所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述底板(4)上还设置有固定部(20),用于将人体脚部与所述底板(4)紧密固定。
9.根据权利要求8所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述固定部(20)一侧固定连接在所述底板(4)的一侧上,另一侧固定或可拆卸地设置在所述底板(4)的另一侧上。
10.根据权利要求1所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述支架(3)内侧设计为圆弧形,用于和人体小腿后部的形状相适应。
11.根据权利要求1所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述支架(3)的形状与大小可调节,可根据使用者的身体参数调节至适当的尺寸与形状。
12.根据权利要求1所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述第二升降机构(12)包括交叉连杆(21),导杆(22)和弹簧(23);
所述交叉连杆(21)可滑动地设置在所述导杆(22)上;
所述弹簧(23)套设在所述导杆(22)上,其两端与所述交叉连杆(21)的两端连接。
13.根据权利要求12所述的协同驱动地形自适应性仿生踝关节外骨骼机器人,其特征在于,所述第二升降机构(12)还包括限位轴(24);
所述限位轴(24)设置一个或多个,用于避免所述上板(13)与所述下板(14)贴近时令所述交叉连杆(21)受到挤压而损坏。
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