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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻翻譯） 第 10 頁
畢業(yè)設(shè)計
文獻翻譯
院（系）名稱
工學(xué)院機械系
專業(yè)名稱
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名
武迪
學(xué)號
080105505
指導(dǎo)教師
楊漢嵩
2012年 03 月 10 日 綜合性應(yīng)急機器人的運動模式
M.M. Svinina,*, K. Yamadab, K. Uedab
無機仿生控制研究中心，理化學(xué)研究所，森山區(qū)，名古屋463-0003，日本
機械工程，神戶大學(xué)，納達區(qū)，神戶657-8501，日本
2001年5月7日，2001年9月17日
本文研究的是穩(wěn)定的步態(tài)運動機器人的出現(xiàn)。一個分類器的系統(tǒng)，正在加強實施學(xué)習(xí)計劃，步態(tài)機器人是用于八條腿感官機器人的電機控制合成。機器人沒有對環(huán)境的先驗知識和自己的內(nèi)部模型。這僅僅是個假設(shè)，機器人能夠獲得通過學(xué)習(xí)如何達到目標(biāo)區(qū)域的穩(wěn)定步態(tài)。在學(xué)習(xí)過程中的控制系統(tǒng)是由鋼筋信號自組織。到達目標(biāo)區(qū)域。德納一個全球性的獎勵，提出議案得到當(dāng)?shù)氐莫剟睿艘徊绞〉脑拝s得到當(dāng)?shù)靥幜P。隨著學(xué)習(xí)的進展，在分類器系統(tǒng)的操作規(guī)則的數(shù)量穩(wěn)定在一定水平，相應(yīng)的步態(tài)模式。根據(jù)仿真和實驗測試所提出的自組織系統(tǒng)的可行性。最小的模擬模型不需要構(gòu)造復(fù)雜的計算方案只用于模擬。仿真數(shù)據(jù)，被下載到真正的機器人控制系統(tǒng)，來發(fā)展最小的機器人模型。總體而言，10個模擬數(shù)據(jù)成功
運行了7個真正的機器人。?Elsevier科學(xué)有限公司保留所有權(quán)利。
1. 分類器系統(tǒng)
我們的方法是用機器人控制系統(tǒng)進行建模,由一個分類器系統(tǒng)輸出控制命令回應(yīng)一個感官輸入。在分類器系統(tǒng)中，實際觀測空間和行動傳感器操作規(guī)則確定的狀態(tài)空間映射到確定的行為。
該傳感器狀態(tài)空間的發(fā)展，作為學(xué)習(xí)進步,其結(jié)構(gòu)是自組織(圖2)。分類器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類似于威爾遜提出的最基本的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[28]。本質(zhì)上的區(qū)別在于建立它的連續(xù)狀態(tài)與動作空間。
1.1運動規(guī)則
讓ns作為傳感器的數(shù)量和x={ x1，…，xn }T作為機器人的感官輸入。應(yīng)該系統(tǒng)是一套操作準(zhǔn)則，R. 準(zhǔn)則r∈R定義如下:r;=
, V={ v1，…， vns }T是狀態(tài)向量與記憶的準(zhǔn)則，W={w1,…, wns}T是權(quán)重向量，u是準(zhǔn)則的效用，a是準(zhǔn)則r相應(yīng)的操作活動。實用u實在學(xué)習(xí)過程中的一個實數(shù)表示的相對值。它沒有任何直接的物理意義，并只可能與相關(guān)準(zhǔn)則的力量和內(nèi)部能量相聯(lián)系。該實用程序可能具有生物學(xué)意義，因為它是從準(zhǔn)則的父繼承和稍后的進化過程中改變的。
在某種意義上，如果V匹配當(dāng)前的感管輸入X，準(zhǔn)則r變得活躍,能激發(fā)其作用。權(quán)重向量W是用來比較V和X的。wi∈[0,1]是荷蘭的‘不在意’符號的連續(xù)模擬。當(dāng)wi接近于零是，第i個傳感器測量就不那么重要了。其中W=0是所謂的無限期準(zhǔn)則。在目前的狀態(tài)X下無論任何地方的機器人都可以被激活。所有其他的準(zhǔn)則都是明確的。他們可以被附近的V激活，使用重量W定義在其附近。準(zhǔn)則的特異性：作為衡量明確的準(zhǔn)則。其中λ是時間依賴的尺度參數(shù)。當(dāng)λ接近1時，準(zhǔn)則規(guī)定的行為會有更多的反應(yīng)。另一方面，隨著λ越接近0，行為便變得更加積極主動（即會有更多不受限制地在探索環(huán)境的方式）。
其實，在我們的實現(xiàn)，這是不夠的，僅僅保留一個模糊期準(zhǔn)則。R中的所有其他準(zhǔn)則都是明確的。開始R是由最初實用u0模糊準(zhǔn)則分配的。隨著學(xué)習(xí)的進步，R，nr的總數(shù)通過復(fù)制和廢止而變化。
1.2運動選擇
在R中與對方進行權(quán)利競爭會引發(fā)他們的運動。對于所有rj∈R的準(zhǔn)則，目前感官狀態(tài)X和準(zhǔn)則的狀態(tài)向量Vj之間的加權(quán)距離定義為：其中，dk是隨時間變化的縮放參數(shù)，它被定義為在學(xué)習(xí)過程中觀察到的第k個傳感器的最高和最低值之間的最大區(qū)別。
接下來，我們定義匹配率：其中，Tm是一個常數(shù)。注意的是即使沒有明確的準(zhǔn)則匹配的感官輸入X，模糊的準(zhǔn)則也總是起作用。事實上，不管是否遇到狀態(tài)X，W=0和m=1總是匹配。這使得模糊準(zhǔn)則可能的候補得以被選擇。這在學(xué)習(xí)過程的開始特別重要，模糊準(zhǔn)則往往認為是新準(zhǔn)則的執(zhí)行和新準(zhǔn)則生成的重要因素。
也要注意，當(dāng)模糊準(zhǔn)則被執(zhí)行，與此活動相關(guān)的準(zhǔn)則按照[amin，amax]均勻分布隨機生成。
成功的準(zhǔn)則是按照概率加權(quán)的方法給出了的玻爾茲曼分布:參數(shù)T的溫度含義是保持設(shè)置的狀態(tài)空間開發(fā)和探索之間的平衡。
1.3信貸分配
公用事業(yè)的準(zhǔn)則是每次更新后，優(yōu)勝者將執(zhí)行其活動。實用調(diào)整機制包括以下幾個部分。
直接收益分配。直接收益分配P是只在特定狀態(tài)下給予優(yōu)勝者的準(zhǔn)則。其中有兩種類型：回報（P>0）和懲罰（P<0）?；貓笫茄刂?guī)則的順序傳播，從而引發(fā)他們的活動折扣率γ（即當(dāng)前和以前的優(yōu)勝者）：其中N是優(yōu)勝者鏈的深度，0<γ<1。這相當(dāng)于分享利潤盈利的策略在隨著時間逐漸貼進一步向后倒退。在這里，rw（1）是rw的父類，而rw（2）又是rw（1）的父類，以此類推。
桶橋策略。當(dāng)前的優(yōu)勝者rw交其用途的一部分，Δu，恢復(fù)到以前的優(yōu)勝者，rw：要注意的是準(zhǔn)則rw（1）增加了其效用。然而，我們沒有減少的規(guī)則rw實用性，這是我們的戰(zhàn)略和傳統(tǒng)之間的主要區(qū)別。如果觸發(fā)的動作只由數(shù)量有限的準(zhǔn)則（R的子集）和他們遞交ΔU到另一個準(zhǔn)則決定，那么每個準(zhǔn)則的效用有望逐步收斂到這些規(guī)則之間的最高效用。因此，行動準(zhǔn)則，以這種方式進行合作，可以存活一段時間，這期間的回報是很少的。這可以根據(jù)自組織的準(zhǔn)則尋找一個最終的獎賞。
征稅。每當(dāng)一個明確的準(zhǔn)則rw觸發(fā)其活動，其效用被更新為：準(zhǔn)則rw激活率cf比照支付的成本，以防止死鎖或循環(huán)的行為。在某種意義上說，準(zhǔn)則是征稅的執(zhí)行權(quán)。需要注意的是模糊準(zhǔn)則是免稅的，因為它的主要功能是生成新的規(guī)則。
蒸發(fā)。當(dāng)機器人到達目標(biāo)狀態(tài)時，所有的規(guī)則都減少他們實用蒸發(fā)率η<1：從某種意義上講，它所對應(yīng)的是‘通貨膨脹’。其效用低于閾值以下的規(guī)則將被刪除。
1.4復(fù)制
在選擇優(yōu)勝者規(guī)則rw的時候，我們執(zhí)行與此規(guī)則相關(guān)的行動aw。接下來的事情就是我們應(yīng)該關(guān)心行動之后的執(zhí)行以及效用的調(diào)整，這個過程就是復(fù)制過程。在我們的系統(tǒng)中，除了rw觸發(fā)的行動導(dǎo)致倒退或者崩潰這種情況，優(yōu)勝者規(guī)則rw總是生成一個新規(guī)則rc(孩子規(guī)則)。復(fù)制過程的詳細信息形式化如下。
如果優(yōu)勝者是模糊規(guī)則，復(fù)制的規(guī)則參數(shù)就設(shè)置為：vic=xi，wic=1，i=1，…，ns。
我們稱之為‘經(jīng)驗記憶’。效用的新規(guī)則，其作用的代碼是通過父類實現(xiàn)的：ac=aw，uc=uw。
另一方面，如果優(yōu)勝者是一個明確規(guī)則，我們試圖‘推廣經(jīng)驗’，那么新產(chǎn)生的規(guī)則是廣義的。
要注意的是，即使其匹配率mw<1，具有較高的實用uw的規(guī)則rw也可以在競爭中取勝。在我們的系統(tǒng)中，優(yōu)勝者再次提供的一個通用的規(guī)則rc的匹配率mw，是在某一確定的閾值θr，i.e,mw<θr范圍內(nèi)。下面的表達式是與θr有關(guān)的實用規(guī)則uw的表達式：θr=exp（-Truw）。其中Tr是個常量。言下之意是，具有較高匹配率但實用性低的規(guī)則，我們允許其通過復(fù)制障礙，反之亦然。
Vc和Wc為廣義新規(guī)則載體的設(shè)置如下：vic=xi，wic=1-|xi-vic|\di,i=1,…,ns.
為新的廣義規(guī)則的代碼實用性和靈活性設(shè)置為:ac=aw，uc=λcuw。
要注意的是，上述形成的新的廣義規(guī)則可以和一個更加寬廣的狀態(tài)空間相匹配，其中包括其父類的狀態(tài)。
2. 模擬實驗與測試結(jié)果
首先，學(xué)習(xí)步驟的可行性需要用模擬實驗來檢驗。如果機器人到達目標(biāo)區(qū)域，或者產(chǎn)生的行動步驟超過500，程序就會更新一次。參數(shù)設(shè)置如下：全局獎勵P=5，本地獎勵P=5，對應(yīng)行為的懲罰P=-5%, u0=10, umin=9.5, cf=0.015, γ=0.8, к=0.1, η=0.98, T=3, Tm=100, Tr=0.5。
10次模擬實驗連續(xù)進行，每一次的動作都會進化。模擬的不同僅在于初始生成的隨機數(shù)量。圖10中顯示了機器人第6次和第9次的運動軌跡。兩次都到達了目標(biāo)區(qū)域。注意即使在成功案例中，機器人也沒有使用最短路徑。實際上，前進方向的數(shù)據(jù)并沒有放進傳感器的學(xué)習(xí)步驟里。因此，選擇不同的前進方向，并沒有對應(yīng)的懲罰或者獎勵操作。另外一點，盡管機器人并不是直線到達目標(biāo)區(qū)域，但腿部的運動模式一直很穩(wěn)定。
圖11中展示了學(xué)習(xí)過程的動態(tài)曲線。記錄了到達目標(biāo)區(qū)域，所經(jīng)歷的懲罰，獎勵以及必須步驟的數(shù)目。圖表中，機器人得到的全局獎勵由向下的箭頭標(biāo)示。很顯然，隨著學(xué)習(xí)過程的進展，懲罰的次數(shù)逐漸減少。
圖11. 學(xué)習(xí)記錄
圖12展示了規(guī)則的總數(shù)，固定規(guī)則的數(shù)量，以及生成規(guī)則的數(shù)量。分別以點連線，細線，粗線表示。
圖12. 規(guī)則的生成
學(xué)習(xí)的動態(tài)過程展示了規(guī)則的總數(shù)，和到達目標(biāo)區(qū)域的必須步驟的數(shù)量之間，有相應(yīng)的關(guān)系。也就是說，總數(shù)減少之后，必須步驟也隨即減少。并且，懲罰的數(shù)量和新生成規(guī)則的數(shù)量之間，也有相應(yīng)的聯(lián)系。這就間接說明，不定規(guī)則的探索能力，逐漸可以歸納為有效固定規(guī)則的開發(fā)功能。實際上，僅有少量的固定規(guī)則才能產(chǎn)生“有用”的行為來引發(fā)機器人的動作，并且增強這些動作的實用性。同時，“不相關(guān)”規(guī)則的實用性逐漸降低，并且最終消失。因此，一段時間過后，剩余的規(guī)則就能發(fā)揮主導(dǎo)作用。
到達目標(biāo)的必須步驟在第35節(jié)之后，開始變得穩(wěn)定。這是因為機器人掌握了一定的行為規(guī)則。圖13中展示了機器人第90次的腿部動作記錄。
圖13. 腿部動作
模擬環(huán)境下，控制裝置生成新行為的能力不斷進化，現(xiàn)在也能夠在試驗中得到驗證。模擬數(shù)據(jù)（第90次以后的規(guī)則）被下載到機器人OCT1-b的控制系統(tǒng)中，會執(zhí)行一次實驗動作。在這次實驗動作中，機器人被相同的分類系統(tǒng)所控制。
整體來說，控制真實機器人的10次模擬數(shù)據(jù)中，有7次是成功的。為了說明實驗結(jié)果，我們選擇了一次成功的數(shù)據(jù)和一次不成功的實驗行為數(shù)據(jù)。機器人在第6次和第9次模擬實驗中的行為見圖14。在模擬試驗中進化出的直線前進的動作與不完美的模擬數(shù)據(jù)相比，并不健壯。這給了我們引出了另一個問題，就是修正模型中的噪點，并且在存在干擾因素的環(huán)境下，進化機器人的控制系統(tǒng)。
圖14. 真實機器人行為
圖15展示了實驗階段里機器人的步伐（腿部動作的角度）。所有的測試中，即使是失敗案例，機器人都在嘗試跟隨模擬實驗里的運動模式。某種意義上來說，動作步驟所組成的行為模式，可以看作是機器人控制系統(tǒng)中基因的組成“材料”。
圖15. 腿部動作記錄
3 總結(jié)
出現(xiàn)在運動機器人的穩(wěn)定步態(tài)研究在這個文件。一個分類器系統(tǒng)，實施實例基于強化學(xué)習(xí)計劃，用于感官八條腿的移動機器人的電機控制。機器人沒有先驗知識的環(huán)境，其自己的內(nèi)部模型，和目標(biāo)坐標(biāo)。這只是假設(shè)機器人可以通過學(xué)習(xí)獲得穩(wěn)定的步態(tài)如何達到目標(biāo)區(qū)。在學(xué)習(xí)過程中的加固信號控制系統(tǒng)是自組織。達到光源德納一個全球性的獎勵。向前議案獲得當(dāng)?shù)氐莫剟?，同時加強和下降沿下得到當(dāng)?shù)氐膽土P?？刂菩袆?。如學(xué)習(xí)進步，在數(shù)量上的行動規(guī)則分類器系統(tǒng)穩(wěn)定到一定程度。因此，運動模式全球行為（穩(wěn)定步態(tài)）出現(xiàn)，作為規(guī)則分類器系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)期間舉辦的過程。提出系統(tǒng)的可行性進行測試下仿真和實驗。虛擬船模型建造和使用不斷變化的機器人控制器在模擬環(huán)境下。驗證模型。
本文所提出的結(jié)果我們初步運動模式的新興合成研究運動機器人。因此，有足夠的空間?在未來應(yīng)解決的關(guān)鍵點?例如，最小的模型似乎工作以及簡單導(dǎo)航任務(wù)，但其性能尚未測試更復(fù)雜的行為。接下來，分類器系統(tǒng)，我們作為一個學(xué)習(xí).引擎有許多參數(shù)調(diào)整到最佳值。此外，我們并沒有使用正規(guī)系統(tǒng)的程序，以評估性能因為這是一個不平凡的問題。在這方面，工作[31]的結(jié)果可能會提供一些??有價值的見解。
談到的框架，進一步發(fā)展最小的仿真模型，我們認為計算簡單最小的機型應(yīng)該是成反比，控制對象的復(fù)雜性成正比?？紤]隨著時間的簡單性和復(fù)雜性變化依靠數(shù)量上的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，正常模式也可以被視為在一個可進化的方式。?“進化的組件將允許關(guān)閉控制循環(huán)和減少學(xué)習(xí)控制器之間的差距。正在使用該模型。從這個角度來看，它會有趣的建立和利用之間的二元（行動狀態(tài)的映射）模型和控制器（狀態(tài)到動作映射）在開發(fā)協(xié)同進化場景。這里的關(guān)鍵問題是在之間的關(guān)系真實的評價和自我評價。在為了得到一些如何真正評價的頻率基本的了解下，發(fā)展個人計算時間，我們計劃探測相對簡單的一維或二維的問題控制任務(wù)。
黃河科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
工 學(xué)院 機 械 系 機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 2008 級 3 班
學(xué)號 080105505 學(xué)生 武 迪 指導(dǎo)教師 楊 漢 嵩
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 小型夾持式機械手及手臂設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計（論文）工作內(nèi)容與基本要求（目標(biāo)、任務(wù)、途徑、方法，應(yīng)掌握的原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）以及設(shè)計技術(shù)要求、注意事項等）
一、設(shè)計技術(shù)要求、原始資料（數(shù)據(jù)）、參考資料（文獻）
機器人在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用得特別廣泛，而其與外界環(huán)境直接接觸的部分是機械手，它可以代替人手，與外界環(huán)境中有毒以及有危害的物質(zhì)直接接觸以減少對人的危害，因此，設(shè)計機械手有特別重要的意義。
本課題要求設(shè)計出一個小型夾持式機械手及手臂部分。能實現(xiàn)對5kg?以內(nèi)的物品夾持，同時實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，抬起運動。
在做本課題時，需要查閱機械制圖、機械設(shè)計、機器人技術(shù)基礎(chǔ)等資料。
二、設(shè)計目標(biāo)與任務(wù)
設(shè)計出滿足要求的小型夾持式機械手及手臂，并完成該機械手及手臂主要部分的裝配圖與部分零件圖，查閱文獻資料不少于12篇，其中外文資料不少于2篇。
1、文獻綜述一篇，不少于3000字，與專業(yè)相關(guān)的英文翻譯一篇，不少于3000漢字。
2、畢業(yè)設(shè)計說明書一份，內(nèi)容與字?jǐn)?shù)都不少于規(guī)定的任務(wù)量。
3、圖紙若干（折合后不少于A1圖紙3張，可以用計算機繪圖）。
4、包含本次設(shè)計的所有內(nèi)容的光盤一張。
畢業(yè)設(shè)計（論文）撰寫規(guī)范及有關(guān)要求，請查閱《黃河科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)手冊》。
三、時間安排
1-4 周 完成開題報告、文獻翻譯、文獻綜述及總體方案設(shè)計
5-10 周 完成總體設(shè)計、完成部分機構(gòu)的裝配圖及部分零件圖并撰寫說明書
10-12 周 修改論文、資格審查等
13 周 畢業(yè)答辯
畢業(yè)設(shè)計（論文）時間： 2012 年 2 月 13 日至 2012 年 5 月 15 日
計 劃 答 辯 時 間： 2012 年 5 月 19 日
專業(yè)（教研室）審批意見：
審批人簽名：
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計開題報告表
課題名稱
小型夾持式機械手及手臂設(shè)計
課題來源
教師擬訂
課題類型
AX
指導(dǎo)教師
楊漢嵩
學(xué)生姓名
武迪
專 業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號
080105505
一、調(diào)研資料的準(zhǔn)備
根據(jù)任務(wù)書的要求，在做本課題之前，查閱了與該課題相關(guān)的資料,學(xué)習(xí)了使用各種電腦軟件繪圖工具等等，有：機械制圖、機械設(shè)計、機電一體化技術(shù)、機械制造工藝學(xué)與畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)手冊等一系列與設(shè)計相關(guān)的材料。有：AUTOCAD，CAXA等二維繪圖軟件。
二、設(shè)計的目的與要求
畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)教學(xué)中最后一個實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過該設(shè)計過程，可以檢驗我對所學(xué)知識融會貫通的程度，大量翻閱與課題相關(guān)的資料，豐富了自己的知識面，同時培養(yǎng)我處理工程中實際問題的能力，熟悉使用了制圖軟件，辦公軟件等等，提高了動手能力。因此對于這次的設(shè)計，我覺得意義特別重大。
三、設(shè)計的思路與預(yù)期成果
1、設(shè)計思路
這次設(shè)計的課題是小型機械手及手臂的設(shè)計，本課題應(yīng)該先去了解其作用，市場前景等因素，然后先整體后局部，先抽象后具體。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，在搜集、歸納分析資料的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)的主要 功能，確定實現(xiàn)系統(tǒng)主要功能的原理方案，并對各種方案進行分析和評價，進行方案選優(yōu)。深度理解機械手，及其手臂的整體結(jié)構(gòu)，弄清楚各部分工作的原理及相互之間的作用關(guān)系；其次根據(jù)所選參數(shù)并結(jié)合實際因素，運用二維軟件對各部分進行造型設(shè)計；最后參照已有的資料和多方經(jīng)驗，創(chuàng)造性的對機械手臂進行最佳的工藝過程安排。
2、預(yù)期的成果
（1）設(shè)計出既符合使用要求又經(jīng)濟合理的數(shù)控工作臺；
（2）完成文獻綜述一篇，不少與3000字，與專業(yè)相關(guān)的英文翻譯一篇，不少于3000字；
（3）繪制裝配圖和部分零件圖；
（4）完成內(nèi)容與字?jǐn)?shù)都不少于規(guī)定量的畢業(yè)設(shè)計說明書一份；
（5）刻錄包含本次設(shè)計所有內(nèi)容的光盤一張。
四、任務(wù)完成的階段內(nèi)容及時間安排
2月17日之前完成開題報告；
3月 2 日之前完成文獻翻譯；
3月13日之前完成文獻綜述及總體方案設(shè)計；
3月30日之前完成裝配圖和部分零件圖的繪制；
4月27日之前完成設(shè)計說明書；
4月30日之前完成所有設(shè)計任務(wù)并修改；
5月19日畢業(yè)答辯。
五、完成設(shè)計所具備的條件因素
我已修完機械制圖、機械設(shè)計、機電一體化技術(shù)、機械制造工藝學(xué)、、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、電工學(xué)、數(shù)控原理與系統(tǒng)、數(shù)控機床構(gòu)造及畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)等課程，同時借助圖書館的相關(guān)文獻資料并查詢相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)等資源。
指導(dǎo)教師簽名： 日期：
課題來源：（1）教師擬訂；（2）學(xué)生建議；（3）企業(yè)和社會征集；（4）科研單位提供
課題類型：（1）A—工程設(shè)計（藝術(shù)設(shè)計）；B—技術(shù)開發(fā)；C—軟件工程；D—理論研究；E—調(diào)研報告 （2）X—真實課題；Y—模擬課題；Z—虛擬課題
要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。
2
目 錄
1．任務(wù)書……………………………………………………… 1
2．開題報告…………………………………………………… 2
3．指導(dǎo)教師評閱表…………………………………………… 4
4．主審教師評審表…………………………………………… 5
5．畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯評審與總成績評定表…………… 6
6．畢業(yè)設(shè)計說明書…………………………………………… 7
7．文獻綜述……………………………………………………44
8．文獻翻譯……………………………………………………54
9．光盤
10．設(shè)計圖紙或?qū)嶒灁?shù)據(jù)記錄
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 II 頁
小型夾持式機械手及手臂
摘 要
小型夾持式機械手由于可以代替人手，與外界環(huán)境中有毒以及有害的物質(zhì)直接接觸以減少對人的危害，并且具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點而受到越來越廣泛的重視。由于本設(shè)計要兼顧機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的要求，因此在機械手液壓控制系統(tǒng)的一般原理上進行了新的設(shè)計，并對機械手進行了軌跡規(guī)劃，使它較好的達到了實際的設(shè)計要求。鑒于本項目中機械手的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)工作已經(jīng)基本完成，本文主要側(cè)重于對液壓控制部分的設(shè)計工作進行描述。
首先，本文將概述小型夾持式機械手的基本組成和特點，并且闡述了國內(nèi)外研究狀況。
其次，本文將對機械手的總體方案進行設(shè)計，并最終確定傳動方案。
再次，本文將詳細闡述機械手的機械系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計過程。并給出示意圖和圖表加以說明。
最后，本文將對機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行有機的結(jié)合，并對小型夾持式機械手及手臂進行了簡單的軌跡規(guī)劃。
關(guān)鍵詞：夾持式，機械手，軌跡規(guī)劃
Small-sized and Holding-styled Mechanical Hand Am
Author :Wu di
Tutor : Yang Hansong
Abstract
The small-sized and holding-styled mechanical hand has been emphasized more and more widely because it can take the place of human hands and therefore avoid the direct touch with toxic and harmful materials to lessen the harm to people; also it can work repeatedly without feeling weary and worrying the dangerous condition; at the same time it has more strength than human hands when snatching heavy goods. This design makes some innovations based on the general principle of the hydraulic pressure control system of mechanical hand to meet the need of mechanical system and control system. Also the design makes projects on tracks for mechanical hand to make it meet the practical design needs better. The paper mainly describes how to design the hydraulic pressure control system because the design and realization of mechanical system and control system has been completed basically in the project.
First, we will expound the basic components and features of the small-sized and holding-styled mechanical hand in this paper; then we summarize the research status home and abroad.
Second, we will design the general schemes for the mechanical hand and then select transmission for the final scheme.
Next we will elaborate on the principle and designing process of the mechanical system and hydraulic pressure control system. Also we give sketch maps and charts to explain.
Finally we combine the mechanical system with the hydraulic pressure control system organically and make simple projects on tracks of the small-sized and holding-styled mechanical hand and arm.
Key words: holding-styled, mechanical hand, projects on tracks
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(文獻綜述) 第 8 頁
畢業(yè)設(shè)計
文獻綜述
院（系）名稱
工學(xué)院機械系
專業(yè)名稱
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名
武迪
指導(dǎo)教師
楊漢嵩
學(xué)號
080105505
2012年 03 月 10 日
機械手設(shè)計
摘要：機械手是一種模擬人手操作的自動機械。它可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。應(yīng)用機械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動條件，保證人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
關(guān)鍵詞 ：夾持、機械手、手臂、發(fā)展、原理、應(yīng)用
前言
隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大.目前, 機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學(xué),船舶等領(lǐng)域,同時也已開始擴大到核能,航空,航天,醫(yī)藥,生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔,醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中.如,水下機器人,拋光機器人,打毛刺機器人,擦玻璃機器人,高壓線作業(yè)機器人,服裝裁剪機器人,制衣機器人,管道機器人等特種機器人以及掃雷機器人,作戰(zhàn)機器人,偵察機器人,哨兵機器人,排雷機器人,布雷機器人等軍用機器人都是機械手應(yīng)用的典型。機械手廣泛應(yīng)用于各行各業(yè).而且,隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩,未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺。
一、機械手的歷史
它是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。這兩種出現(xiàn)在六十年代初的機械手，是后來國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)節(jié)。
二、機械手的組成分類及驅(qū)動
2.1 機械手的組成
一般來說，機械手主要有以下幾部分組成：
1.手部(或稱抓取機構(gòu)) 包括手指、傳力機構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用。
2.傳送機構(gòu)（或稱臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。
3.驅(qū)動部分 它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓氣壓電力和機四種驅(qū)動形式。
4.控制部分 它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序（程序）、位置和時間（甚至速度與加速度）等。
5.其它部分 如機體、行走機構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。
2.2 機械手的分類
機械手從使用范圍、運動坐標(biāo)形式、驅(qū)動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為：
1. 按使用范圍分類：
（1）專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。
（2）通用機械手 指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工其的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。
2. 按運動坐標(biāo)型式分類：
（1）直角坐標(biāo)式機械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)；
（2） 圓柱坐標(biāo)式機械手 手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動；
（3）球坐標(biāo)式機械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉(zhuǎn)動(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)；
（4）多關(guān)節(jié)式機械手 這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。
3. 按驅(qū)動方式分類：
（1）液壓驅(qū)動機械手 以壓力油進行驅(qū)動；
（2）氣壓驅(qū)動機械手 以壓縮空氣進行驅(qū)動；
（3）電力驅(qū)動機械手 直接用電動機進行驅(qū)動；
（4）機械驅(qū)動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳遞給機械手的一種驅(qū)動方式。
4. 按機械手的臂力大小分類：
（1）微型機械手 臂力小于1㎏；
（2）小型機械手 臂力為1－10㎏；
（3）中型機械手 臂力為10－30㎏；
（4）大型機械手 臂力大于30㎏。
2.3 機械手的驅(qū)動
如前所述，機械手有四種驅(qū)動方式，而當(dāng)中的液壓與氣壓跟機械和電力相比，具有以下優(yōu)點：
1. 空間布局安裝不受嚴(yán)格的空間限制，能構(gòu)成其它方法難以組成的復(fù)雜驅(qū)動系統(tǒng)。
2．液壓與氣壓驅(qū)動傳遞的運動均勻平穩(wěn)，易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁的換向。
3. 操作控制方便，省力，易于實現(xiàn)自動控制、中遠距離控制、過載保護。與電氣控制、電子控制結(jié)合，易于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護。
4. 液壓與氣壓元件屬機械工業(yè)基礎(chǔ)件，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短設(shè)計、制造和降低制造成本。
基于以上幾點，液壓與氣壓驅(qū)動在生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛。液壓與氣壓作為機械手的兩種常見驅(qū)動方式，其發(fā)展也對機械手的應(yīng)用具有一定的促進作用。液壓與氣壓都是以流體（液壓油液或壓縮空氣）為工作介質(zhì)進行能量傳遞和控制的。液壓的優(yōu)點是單位質(zhì)量輸出功率大，因為液壓傳動的動力元件可以采用很高的壓力（一般可達32MPa,個別場合更高），因此，在同等輸出功率下具有體積小、質(zhì)量輕、運動慣性小、動態(tài)性能好的特點。而氣壓傳動的突出優(yōu)點是：介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且起源壓力較低，因此，氣壓機械手抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以一般適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。相比之下，液壓一般用于低速，重載和低污染的環(huán)境下。
眾所周知，液壓驅(qū)動多年來一直以礦物型液壓油為工作介質(zhì)，然而油壓存在著污染環(huán)境、易燃燒、浪費能源的嚴(yán)重問題，一方面有背于當(dāng)今制造業(yè)環(huán)保、節(jié)能的發(fā)展方向，另一方面在一定程度上限制了液壓技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和人類環(huán)保、能源危機意識的提高，除了繼續(xù)使用高水基液作為液壓介質(zhì)外，促使人們重新認識和研究以純水(不含任何添加劑的天然水(含海水和淡水))作為工作介質(zhì)的“綠色”液壓技術(shù)一純水液壓傳動技術(shù)，并在近20年來使其不論在理論上還是在應(yīng)用研究上，都得到了持續(xù)穩(wěn)定地復(fù)蘇和發(fā)展。
純水液壓傳動具有無污染危害，阻染性與安全性好、溫升小，介質(zhì)經(jīng)濟性好，維護監(jiān)測成本較低，黏度對溫度變化不敏感，壓力損失小，發(fā)熱小，傳動效率高，流量穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的剛性大等技術(shù)優(yōu)勢。雖然純水液壓傳動還存在泄漏與磨損、氣蝕、液壓沖擊、振動和噪聲、材料腐蝕與老化等技術(shù)難題，但隨著新工藝、新材料以及新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，終將會得以解決。未來，預(yù)計純水液壓將會是主要的發(fā)展熱點和方向。
三、機械手的應(yīng)用意義及發(fā)展趨勢
3.1 機械手應(yīng)用意義
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一(張志獻，2002)。新世紀(jì)，生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應(yīng)用很好的解決了這一情況，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故。
在機械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用具有以下意義：
3.1.1. 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度
應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。
3.1.2. 可以改善勞動條件、避免人身事故
在高 溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3.1.3.可以減少人力，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用 機 械 手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。
3.2 機械手的發(fā)展趨勢
目前國內(nèi)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
國外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
集中體現(xiàn)到一下三個方面。
3.2.1 重復(fù)高精度
精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次, 機械手到達同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個機器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預(yù)測的, 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機械手的重復(fù)精度將越來越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
3.2.2 模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機械手運動自如。模塊化機械手使同一機械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴大了機械手的應(yīng)用范圍, 是機械手的一個重要的發(fā)展方向。
3.3 .3 機電一體化
由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件, 使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
總結(jié)
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是很亮國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。生產(chǎn)水平及科學(xué)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序連接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動遷都非常大，有時還會出現(xiàn)失誤及傷害。顯然，這嚴(yán)重影響制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應(yīng)用和好的解決了這種情況，他不存在重復(fù)的偶然失誤，也能有效避免了人身事故。
綜上所述，隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩,未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺。
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