仿生機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能仿真【仿生物三指機械手】【說明書+CAD+PROE+仿真】
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西華大學(xué)畢業(yè)實習(xí)報告
實習(xí)生姓名
班 級
聯(lián)系電話
指導(dǎo)教師姓名
職 稱
聯(lián)系電話
實習(xí)單位（地點）
西華大學(xué)
實習(xí)起止時間
2011 年 3 月 18日始， 2011 年 4 月 01 日止，共 2 周 14 （天）
1.仿生機械手簡介
1.1仿生機械的概述
仿生學(xué)是近期發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，仿生學(xué)的的發(fā)展促進(jìn)了與之密切相關(guān)的的仿生機械學(xué)的誕生和發(fā)展。機器人機構(gòu)在仿生機械領(lǐng)域中發(fā)展最快，也是應(yīng)用最廣泛的仿生機構(gòu)。模仿各類動物的行走﹑爬行的動作，為移動機器人的設(shè)計與構(gòu)思提供了美好的前景。在這里主要介紹生物運動機理與仿生機構(gòu)的設(shè)計構(gòu)思，為開展仿生機構(gòu)的研究提供入門知識。
在仿生機械中，仿生機構(gòu)作為仿生機械的重要組成部分，是模仿生物的運動形態(tài)﹑生理結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計制造出的功能更集中效率更高﹑應(yīng)用更加廣泛并具有生物特征的機構(gòu)，是仿生機械中完成機械運動的物質(zhì)載體。
模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學(xué)科稱為仿生機械學(xué)，它是20世紀(jì)60年代末期由生物學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、機械工程、控制論和電子技術(shù)等學(xué)科相互滲透、結(jié)合而形成的一門邊緣學(xué)科。在自然界中,生物通過物競天擇和長期的自身進(jìn)化,已對自然環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。它們的感知、決策、指令、反饋、運動等機能和器官結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比人類所曾經(jīng)制造的機械更為完善。
模仿生物形態(tài)結(jié)構(gòu)創(chuàng)造機械的技術(shù)有悠久的歷史。15世紀(jì)意大利的列奧納多．達(dá)芬奇認(rèn)為人類可以模仿鳥類飛行,并繪制了撲翼機圖。到19世紀(jì),各種自然科學(xué)有了較大的發(fā)展,人們利用空氣動力學(xué)原理,制成了幾種不同類型的單翼機和雙翼滑翔機。1903年，美國的W.萊特和O.萊特發(fā)明了飛機。然而，在很長一段時間內(nèi)，人們對于生物與機器之間到底有什么共同之處還缺乏認(rèn)識，因而只限于形體上的模仿。直到20世紀(jì)中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發(fā)和軍事技術(shù)的需要，迫切要求機械裝置應(yīng)具有適應(yīng)性和高度的可靠性。而以往的各種機械裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，迫切需要尋找一條全新的技術(shù)發(fā)展途徑和設(shè)計理論。隨著近代生物學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，生物在能量轉(zhuǎn)換、控制調(diào)節(jié)、信息處理、辨別方位、導(dǎo)航和探測等方面有著以往技術(shù)所不可比擬的長處。同時在自然科學(xué)中又出現(xiàn)了“控制論”理論。它是研究機器和生物體中控制和通信的科學(xué)?？刂普撌菧贤夹g(shù)系統(tǒng)和生物系統(tǒng)工作原理之間的橋梁，它奠定了機器與生物可以類比的理論基礎(chǔ)。1960年 9月在美國召開了第一屆仿生學(xué)討論會，并提出了“生物原型是新技術(shù)的關(guān)鍵”的論題，從而確立了仿生學(xué)學(xué)科，以后又形成許多仿生學(xué)的分支學(xué)科。1960年由美國機械工程學(xué)會主辦，召開了生物力學(xué)學(xué)術(shù)討論會。1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機構(gòu)討論會，從而確立了生物力學(xué)和生物機構(gòu)學(xué)兩個學(xué)科，在這個基礎(chǔ)上形成了仿生機械學(xué)。
仿生機械研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機器人。生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生體材料力學(xué)和生體流體力學(xué)，生體機械力學(xué)和生體流體力學(xué)?？刂企w和機器人是根據(jù)從生物了解到的知識建造的工程技術(shù)系統(tǒng)。其中用人腦控制的稱為控制體(如肌電假手、裝具)；用計算機控制的稱為機器人。仿生機械學(xué)的主要研究課題有擬人型機械手、步行機、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機械。
1.2課題的研究目的和意義
自從1960年第一臺機器人問世以來，機器人技術(shù)有了迅猛的發(fā)展，在國防、科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，代替人們從事一些復(fù)雜的、危險的、或者非人可達(dá)的工作，從而減輕了人們的勞動強度，提高了效率，擴(kuò)大了人類活動的空間。但是就目前國內(nèi)外的工業(yè)機器人而一言，大都是針對專門的任務(wù)而設(shè)計的，使用的也是夾鉗式或平行移動式的單自由度末端執(zhí)行器。這種末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，對于實現(xiàn)負(fù)荷的大范圍運動作業(yè)十分有效，但卻存在以下幾個方面的缺點：
1.它對物體的夾持和定位是通過施加較大的壓力所產(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)的，不存在抓取的幾何封閉和力封閉，因此難于達(dá)到很高的抓取精度，穩(wěn)定性和可靠性差。
2.它限制了機器人系統(tǒng)的精細(xì)作業(yè)水平。傳統(tǒng)的機器人通過臂調(diào)整末端位置，通過手腕調(diào)整末端姿態(tài)。由于臂的尺寸較大，因此通過整個臂部的運動很難實現(xiàn)物體的精確位姿調(diào)整和操作，且動態(tài)響應(yīng)較差。
3.它缺少精確的力控制，只能完成夾持力要求不高的作業(yè)。
4.不能適應(yīng)物體外形的變化。
多指靈巧手的研制有助于解決上述問題。因為作為末端執(zhí)行器的靈巧手相當(dāng)于安裝在機器人臂上的可獨立實現(xiàn)精細(xì)操作運動的一組機器人，通過機器人臂實現(xiàn)粗定位，利用靈巧手實現(xiàn)精確定位。若采用適當(dāng)?shù)淖ト》绞胶妥ト∫?guī)劃算法，從理論上可以抓取任意形狀的物體并且對物體施加任意的運動和力。這對提高機器人智能化作業(yè)水平有著重要的意義。本課題通過對靈巧手手指結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及對控制系統(tǒng)的研究，想解決以下幾個問題:
（1）能適應(yīng)被操作對象外形的變化、盡可能抓取不同形狀的物體;
（2）能控制操作力，以便對不同材質(zhì)的對象進(jìn)行操作;
（3）能對被抓物體進(jìn)行微小的位姿調(diào)整;
（4）通過上位機控制完成抓取運動規(guī)劃，能夠使靈巧手平穩(wěn)的運動并能實
現(xiàn)對物體的穩(wěn)定抓取。
1.3國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀
1962年美國就有一種類似多指靈巧手的手爪制造出來。但是真正的靈巧手是1974年日本的okada手[1]，如圖1.1所示。
該手具有三個手指，有一個手掌，拇指有三個自由度，另兩個手指各有四個自由度。各自由度都是由電機驅(qū)動，并由鋼絲和滑輪完成運動和動力的傳遞，屬于n驅(qū)動方式。該手的抓取重量為0.8Kg，自重0.24Kg。這種手的靈巧性比較好，但由于拇指只有三個自由度，還不是最靈巧的手。此外，在結(jié)構(gòu)上，各個手指細(xì)長而單薄，難以實現(xiàn)較大的抓取力和操作力。
德國宇航中心研制的DLR手被公認(rèn)為迄今為止世界上最復(fù)雜、智能化和集成化最高的仿人機器人多指靈巧手[2]。如圖1.2所示，該手是一種仿人手，它是由四個完全相同手指組成，每個手指有四個關(guān)節(jié)。整個手共由1000個機械零件以及1500個電子元件和112個傳感器組成。其中，末端的兩個關(guān)節(jié)同人手類似，存在著機械禍合，使用一個驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動?；P(guān)節(jié)使用兩個驅(qū)動器，實現(xiàn)兩個方向的運動。DLR手采用電驅(qū)動方式，使用微型直線驅(qū)動器作為驅(qū)動元件，n+1驅(qū)動方式。該直線驅(qū)動器將旋轉(zhuǎn)電機、旋轉(zhuǎn)直線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和減速機構(gòu)融為一體。所以它可將所有的驅(qū)動器集成在手指或手掌中，減小了手指的尺寸，同時使腿的傳動距離縮短，提高了動態(tài)響應(yīng)。DLR手在每個手指上集成有28個傳感器，包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關(guān)節(jié)力矩傳感器、位置傳感器、速度傳感器和溫度傳感器等。
圖1.2DLR多指靈巧手指
具代表性的多指靈巧手是1985年美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián)合研制的Utah/M工T靈巧手[3]，這是一種仿人手，其大小、形狀、功能都與人手相似。Utah/MIT手采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，四個手指(拇指、食指、中指和無名指)完全相同，每個手指有四個自由度，各手指都連接到手掌并且相對于手掌運動。手指的每個關(guān)節(jié)都由腿(繩索)、滑輪進(jìn)行遠(yuǎn)距離帶動，屬于2n驅(qū)動方式，驅(qū)動元件采用的是一排氣動伺服缸，能在指尖上產(chǎn)生31N的抓取力。16個位置傳感器裝在每個關(guān)節(jié)上，32個腿拉緊傳感器裝在腕后面。目前該手多用于實驗室的各種研究，它的主要問題是關(guān)節(jié)自由度太多，控制太復(fù)雜，難以實現(xiàn)實時的在線控制，還未得到實際應(yīng)用。
美國斯坦福大學(xué)研制的Stanford/JPL手(Salisbry手)[4]也是一種非常具有代表性的非仿人多指靈巧手。該手沒有手掌，共三個手指，每指三個關(guān)節(jié)，拇指相對另兩指布置。每個手指由四個直流力矩電機驅(qū)動，通過四條繩索張力的調(diào)節(jié)來控制三個關(guān)節(jié)力矩的大小，屬于n+1驅(qū)動。關(guān)節(jié)1、2有士90’的運動范圍，末端關(guān)節(jié)3有士135’的運動范圍。這種手每個手指的自由度只有三個，在抓取物體時，抓取點(指尖位置)一旦確定后，其抓取姿態(tài)就唯一確定。因此，實際上手指沒有冗余關(guān)節(jié)，也就沒有抓取的柔性，無法像人手一樣進(jìn)行靈巧、穩(wěn)定的抓取和操作。
此外，根據(jù)欠驅(qū)動原理研制的三指10個自由度的機器人手爪具有驅(qū)動元件數(shù)量少、抓取物體范圍廣泛等優(yōu)點，在欠驅(qū)動手爪的4個主要機構(gòu)中,欠驅(qū)動手指對抓取物體具有被動柔順和形狀自適應(yīng)的特性，首先對三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指機構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,提出合理的設(shè)計目標(biāo)和約束條件;然后根據(jù)設(shè)計目標(biāo),采用遺傳算法得到手指機構(gòu)的各個關(guān)節(jié)連桿尺寸和抓取物體時的特殊構(gòu)形,使得在抓取給定物體時各關(guān)節(jié)指面的接觸力達(dá)到均勻分布,得到高效的力傳遞和更加緊湊的機構(gòu)尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學(xué)合作研制出SARAH手爪 (Self-AdaptingRobotic Auxiliary Hand) [5]如圖1.3所示,該手爪共有10個自由度,只用兩個電機驅(qū)動,一個電機負(fù)責(zé)三個手指的開合;另一個負(fù)責(zé)調(diào)整手指方向,使其能采取不同的抓取姿勢抓取物體。SARAH手爪既可以用末關(guān)節(jié)指面捏取的方式完成各種精確捏取,如圖1.4所示，又可以用欠驅(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取，如圖1.5所示。
圖1.3 欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪
圖1.4欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用末關(guān)節(jié)指面捏取
圖1.5欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用欠驅(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取
在國內(nèi)，對靈巧手的研究是從20世紀(jì)80年代后期開始的，其中以北京航空航天大學(xué)研制的BH系列為代表，從1987年以來，北航已先后研制出BH一1、BH一2、BH一3型多指靈巧手，該型手是一種仿Stanford/JPL手，三指九自由度，每個手指由四個電機驅(qū)動，屬于n+1驅(qū)動方式。近幾年，北航開始研究BH一4型靈巧手，該手為四指十六自由度，采用模塊化設(shè)計，分為手指、手掌和機械接口三個模塊，改變手掌設(shè)計一可以獲得擬人或非擬人手，機械接口用于確定手與臂的連接，改變機械接口可以使靈巧手適應(yīng)不同的機械臂。傳動元件全部由齒輪副組成，電機完全置于手指中。傳動路線短，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。
但是由于國內(nèi)對機械手研究的滯后等原因，我國目前已經(jīng)制造出來的這些多指靈巧手在結(jié)構(gòu)方面都存在許多不完善的地方。因此，有必要對多指靈巧手結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析，并引進(jìn)合理的優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計出結(jié)構(gòu)更為合理的多指靈巧手，為多指靈巧手的實用化和其他方面的研究提供最理想的結(jié)構(gòu)。
1.4關(guān)節(jié)運動的驅(qū)動方式
機器人關(guān)節(jié)運動的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動方式和間接驅(qū)動方式兩種。直接驅(qū)動方式是驅(qū)動器的輸出軸和機器人的關(guān)節(jié)軸直接相連，間接驅(qū)動方式是把驅(qū)動器的力通過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等傳遞給關(guān)節(jié)。
直接驅(qū)動方式的驅(qū)動器和關(guān)節(jié)之間的機械系統(tǒng)較少，因而能夠減少摩擦等非線性因素的影響，控制性能比較好。然而，在另一方面為了直接驅(qū)動關(guān)節(jié)，驅(qū)動器的輸出力矩必須很大，除此之外，對于本設(shè)計，要求手指結(jié)構(gòu)要小巧的因素顯然決定了不能采取這種驅(qū)動方式。間接驅(qū)動方式也正是大部分機器人所采取的驅(qū)動方式，這種間接，驅(qū)動驅(qū)動器的輸出力矩一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動關(guān)節(jié)所需的力矩，因此，通常使用減速器。對于手臂的懸臂梁結(jié)構(gòu)，如果驅(qū)動器的安裝位置不當(dāng)，將會使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動器的負(fù)荷增大，對子手指結(jié)構(gòu)同樣也存在這個問題。對此通常采用的間接驅(qū)動機構(gòu)，常見的有以下幾種:
1.4.1繩索滑輪驅(qū)傳動方式
繩索滑輪驅(qū)傳動方式是常用的靈巧手驅(qū)傳動方式。這種傳動方式是比較有利的,它可以很方便地實現(xiàn)運動和動力的遠(yuǎn)距離傳送,也能較好的滿足靈巧手結(jié)構(gòu)上的要求,并且質(zhì)量輕、 慣性負(fù)載低、 摩擦較小、 經(jīng)濟(jì)實用、 耐用性強,傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.6所示。末端桿有兩個電機,分別驅(qū)動末端桿的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),以實現(xiàn)手指的夾持和松開。
圖1.6繩索滑輪驅(qū)傳動方式
但此種傳動方式具有力和運動傳遞的剛性不足的固有特點,并由此引起各種缺陷:
(1) 繩索有張力,容易變形,會引起傳動的滯后現(xiàn)象,使用時間長了,繩索會變松弛,將會帶來較大的運動傳遞誤差。
(2) 繩索在工作前還需要預(yù)緊,通常預(yù)緊力比較大,但又不能過大,張力過大可能會使繩索拉斷,不利于大負(fù)載條件下的抓取工作。
(3) 雖然繩索與滑輪或套筒的摩擦可以比較小,但采用這種方式需要正確布置繩索的走向,否則會產(chǎn)生很大的附加力和附加力矩。當(dāng)產(chǎn)生這種附加力矩時,會使運動出現(xiàn)耦合,增加控制的難度。這種摩擦具有嚴(yán)重的非線性和強耦合性,給控制帶來了很大的困難。
（4）繩索只能受拉，不能受壓，所以實現(xiàn)回程將會很困難?？刂屏σ坏┏{(diào),消除起來將是一件非常麻煩的事,但超調(diào)又是在實際中不可避免的。要想實現(xiàn)回程,只有在每個關(guān)節(jié)處再加置一個電機,使兩個電機配合工作實現(xiàn)一個關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn),這樣給手指的安裝和控制都會帶來不便。由上述分析可以看出,用繩索加滑輪這種傳動方式并不理想,不能滿足靈巧手的設(shè)計要求。
1.4.2 鏈條、鋼帶驅(qū)動
鏈條、鋼帶這種方式同樣是把驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開安裝，是遠(yuǎn)程驅(qū)動的手段之一，鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比，剛性高，可以傳遞較大的輸出，但設(shè)計上的限制也很大，在SCARA型的關(guān)節(jié)機器人中多采用了此法。
1.4.3 閉式鏈連桿傳動機構(gòu)的驅(qū)動方式
對于像靈巧手指這類不是很遠(yuǎn)距離的運動和動力傳送,連桿機構(gòu)也是可行的方法。手指機構(gòu)的主體是開環(huán)串聯(lián)三連桿機構(gòu),在此開環(huán)機構(gòu)上添加一些零自由度的桿組,就可以構(gòu)造出閉環(huán)連桿機構(gòu),通過這些桿組可以將手指根部的動力傳送到各個關(guān)節(jié),如圖1.7
圖1.7閉式鏈?zhǔn)种笝C構(gòu)
桿件1、桿件2和桿件3分別為根關(guān)節(jié)、中關(guān)節(jié)和末關(guān)節(jié),根關(guān)節(jié)固定于掌上。圖 2 中的桿件 1、4、6 被同軸驅(qū)動,電機直接驅(qū)動桿件1、4 和6 ,桿件 4 通過一個四連桿機構(gòu)帶動桿件2的運動。桿件6通過另外一個平面四連桿機構(gòu)驅(qū)動蓮花桿8 ,然后再通過第 3 個四連桿機構(gòu)驅(qū)動手指末關(guān)節(jié)桿 3。其中蓮花8的作用是在為了改善兩個平面四邊形之間的傳遞性能,這樣就實現(xiàn)了手指3個關(guān)節(jié)的獨立驅(qū)動?？紤]到一般四連桿機構(gòu)傳動的運動在傳動過程中有較大變化,因此采用輸出等于輸入的平行四邊形機構(gòu)?？梢钥闯?桿件3分別由桿件2和桿件9領(lǐng)銜的兩條支鏈直接并聯(lián)驅(qū)動,而這兩條支鏈又都串聯(lián)于桿件1上,所以手指末端的位形將由桿件1 的位形以及桿件1上的兩個平行四邊形機構(gòu)分別所引導(dǎo)的支鏈的位形共同確定。以上的特征說明了這是一種混聯(lián)結(jié)構(gòu),同時具備并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,即繼承了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速、 高剛度,又兼?zhèn)淞舜?lián)結(jié)構(gòu)的高靈活性;就驅(qū)動方式來說是并聯(lián)驅(qū)動,但對整個手指來說是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的,具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點。
閉式鏈傳動機構(gòu)的特點：
這種傳動結(jié)構(gòu)在常規(guī)驅(qū)動方式下與傳統(tǒng)的繩索滑輪驅(qū)傳動方式相比,有以下一些優(yōu)點:
(1)運動副為低副,接觸面為面接觸,低副兩元素間便于潤滑,桿件幾何構(gòu)形簡單,便于加工制造。
(2)剛性傳遞,變形小,沒有滯后性,通過幾何約束定位,傳動可靠,工作安全。
(3)桿件并聯(lián)驅(qū)動可以承受較大載荷,機械損耗比較小,這是連桿驅(qū)動最突出的優(yōu)點。
(4)桿件即可受拉也可受壓,一個電機就可實現(xiàn)關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn),回程方便,因此控制力一旦超調(diào),消除起來很簡單。
(5)閉式鏈采用平行四邊形機構(gòu)傳動,平行四邊形機構(gòu)有著輸入等于輸出的特性,因此手指的運動學(xué)和各種性能等同于開環(huán)平面 3 自由度連桿機構(gòu),因此運動學(xué)求解和性能分析得以簡化。由以上的分析比較可知,所設(shè)計的新型并聯(lián)連桿機構(gòu)傳動方式比傳統(tǒng)的繩索滑輪傳動有較好的優(yōu)勢,特別是針對傳統(tǒng)傳動方式傳遞剛性不足的固有缺陷,此種新型傳動方式具有一定的改善功效。當(dāng)然,這種傳動方式將會使靈巧手的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜些,在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計時需注意。
綜合上述驅(qū)動方式的分析和研究，本文中的機械手采用閉式鏈連桿傳動機構(gòu)的驅(qū)動方式驅(qū)動
1.5本文主要研究內(nèi)容
針對目前多指靈巧手研究中存在的問題，并考慮現(xiàn)有的研究條件，本文著重進(jìn)行以下研究工作:
1. 多指手結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究對多指手的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行綜合分析，選用合理的優(yōu)化方法對靈巧手結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從仿人手的角度，以人手結(jié)構(gòu)形式及比例參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行多指靈巧手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其有較好的機械特性，保證力傳遞的精度。并用Pro/e軟件進(jìn)行了多指靈巧手的三維造型。
2. 多指靈巧手的運動學(xué)和靜力學(xué)分析對所設(shè)計的三指靈巧手分析并建立了運動學(xué)模型，得出正、反向運動學(xué)方程，并對抓持狀態(tài)下各手指的運動姿態(tài)進(jìn)行了仿真。通過靜力學(xué)研究計算出在靜平衡狀態(tài)下各關(guān)節(jié)的力矩，為深入研究機械手的控制提供了理論依據(jù)。
3.進(jìn)行機械手的裝配和仿真。
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