CN103303449B - 一种水下作业机器人 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及机器人技术，具体为一种水下作业机器人，特别是涉及一种可在高辐射、弱酸性的水体环境中(如核电站用)进行观测、打捞等作业的水下作业机器人。
背景技术
[0002] 机器人技术的迅猛发展大大推动了机器人在各个领域的应用，尤其是在一些特殊环境下，机器人已经成为不可或缺的设备。随着人类对海洋开发利用的不断深入，工业化、城市化进程的不断推进，人们所面临的水下作业日益增多，作业环境日益复杂，作业难度也日益增大。如在核电站中，经常需要对不慎落入乏燃料水池中的异物进行打捞作业，由于水池中具有较高的辐射且水体呈弱酸性，操作难度可想而知。目前，水下工程作业大多由潜水员完成，随着人员价值的不断提高和作业难度的加大，水下作业机器人在科学考察、救助打捞等水下工程中显得越发重要。《水下机械手结构设计与研究》(安江波等，机械工程与自动化，第2期2009年4月)一文中，开发了一种AUV用三自由度水下机械手，其结构紧凑、运动灵活，但仅在机械臂末端配置了机械手爪一种末端执行器，致使其只能完成一些特定的作业任务。专利文献“水下多功能机器人(CN 1876486 A) ”和《水下机器人多功能作业工具包》(滕宇浩等，机器人，第24卷第6期2002年11月)中，涉及的水下作业机器人虽具有多种末端执行器，但其驱动电机均布置于末端执行器之中，不仅加大了密封难度、提高了制造成本，而且不便于末端执行器的快速更换，更重要的是，二者均未实现机器人整体的模块化设计，不能根据不同的任务需求，选择性地安装必要的功能模块，或者调整各模块间的相对位置。总之，现今能用于水下作业，尤其是特殊环境中(如核电站)水下作业的机器人不仅种类数量较少，而且一般为专用设备，在处理多任务时，一般需要多种设备协调配合，不仅操作复杂，而且需要投入大量资金。
发明内容
[0003] 针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是:提供一种水下作业机器人。该机器人主要用于核电站，集自动监控、打捞异物等功能于一体，可在高辐射、空间狭小、水体呈弱酸性等特殊环境下作业，可靠性高、操作方便；该机器人采用模块化设计思想，可根据不同的任务需求选择性安装水下摄像机、机械手等组件或调整组件的安装位置，拆换方便，而主体控制模块不变，只需在控制面板中激活相应组件的功能即可。
[0004] 本发明解决所述技术问题的技术方案是:设计一种水下作业机器人，采用模块化设计，其特征在于该机器人主要包括车体模块、机械手模块或/和水下摄像机模块、功能组件模块以及控制模块，各模块之间的机械与电气完全隔离；
[0005] 所述车体模块主要由六轮六驱密封车体、车体直流伺服电机、车体电机驱动器、车体水下超声传感器、车体温度压力传感器、水下照明灯、车体防水插头、车体充气阀以及车体防辐射铅板组成，对称布置于车体内部的两套带有制动器的车体直流伺服电机，经车体锥齿轮与车体后轴连接，分别驱动车体两侧用同步带连接的车轮前后、左右无级变速运动；车体电机驱动器布置于车体内部隔板之上，用于驱动车体直流伺服电机运动；车体水下超声传感器与水下照明灯安装于车体前侧功能组件模块储物盒之下；车体温度压力传感器通过传感器支架安装于车体内部；车体防水插头安装于车体后侧，在车体内侧分别与车体电机驱动器和车体温度压力传感器连接，在车体外侧与零重力电缆连接，实现车体内部电器元件与岸上控制模块的电气连接；车体充气阀位于车体后侧左下角；车体防辐射铅板布置于车体内部腔体周围；
[0006] 所述的机械手模块主要由基座、腰部、大臂、小臂以及末端执行器组成，其中基座、腰部、大臂、小臂之间依次通过中空关节轴连接，机械手内部充气和走线；基座主要由基座箱体、腰部关节轴、基座直流伺服电机、基座电机驱动器、基座温度压力传感器、基座防水插头、基座充气阀以及基座防辐射铅板组成；基座箱体下侧与车体上部机械连接，上侧经垂直于基座箱体上平面的中空腰部关节轴与腰部连接；基座直流伺服电机布置于基座箱体内部，经基座锥齿轮与腰部关节轴连接，驱动腰部水平旋转；驱动机械手各关节及末端执行器的直流伺服电机的基座电机驱动器均布置于基座箱体内部，位于基座直流伺服电机的两侧；基座温度压力传感器安装于基座箱体内部基座直流伺服电机之上；基座充气阀布置于基座箱体后侧左下角；基座防辐射铅板布置于基座箱体内部腔体周围；腰部的外形前端呈方形，后端为圆柱形，主要由腰部箱体、肩部关节轴和腰部直流伺服电机组成，下侧经腰部关节轴与基座箱体连接，左侧经中空肩部关节轴与大臂箱体连接，其中两个中空轴的轴线垂直且共面；带有制动器的腰部直流伺服电机布置于腰部箱体内部，其轴线与腰部箱体中轴线重合，经腰部锥齿轮与肩部关节轴相连，驱动大臂俯仰转动；大臂的外形呈圆柱形，主要由大臂箱体、肘部关节轴和大臂直流伺服电机组成，前部右侧经中空肘部关节轴与小臂箱体连接，后部右侧经肩部关节轴与腰部连接，其中两个中空轴的轴线平行；带有制动器的大臂直流伺服电机布置于大臂箱体内部，其轴线与大臂箱体中轴线重合，经一对大臂锥齿轮与肘部关节轴连接，驱动小臂实现俯仰转动；小臂外形为圆柱形，主要由小臂箱体、腕部套轴外轴、腕部套轴芯轴、末端执行器直流伺服电机、腕部直流伺服电机、小臂摄像机和小臂水下超声传感器组成，前端经轴线与小臂箱体中轴线重合的腕部套轴外轴与末端执行器连接，后部左侧经肘部关节轴与大臂连接，两轴轴线共面且垂直，与末端执行器连接的腕部套轴外轴轴线与腰部箱体中轴线共面；末端执行器直流伺服电机、腕部直流伺服电机前后布置于小臂箱体内部，其轴线与均小臂箱体中轴线重合，分别经联轴器和圆柱齿轮与腕部套轴芯轴和腕部套轴外轴连接，驱动末端执行器整体旋转；小臂摄像机通过支架安装在小臂箱体右侧；小臂水下超声传感器通过支架安装在小臂摄像机旁；末端执行器主要为一两指面手爪，手爪主要由手爪支架、手指、滚珠丝杠、丝杠螺母、套筒、滑套、拉杆和自适应粘取末端组成，其中手爪经快换机构分别实现手爪支架与腕部套轴外轴和滚珠丝杠与腕部套轴芯轴的连接，安装在滚珠丝杠上的丝杠螺母与滑套相连，滑套与安装在手爪支架上的套筒相连，手爪支架两侧分别经销轴连接一个手指，前端安装有自适应粘取末端的两个拉杆后端与滑套前端连接，且中部与手指中部经销轴连接，腕部套轴芯轴转动带动滑套移动，进而经拉杆带动手指及自适应粘取末端运动，实现手爪的开合及自适应粘取末端位姿的调整，腕部套轴外轴的转动带动手爪支架旋转，进而实现手指的旋转；
[0007] 所述的水下摄像机模块主要由水下摄像机、水下摄像照明灯和二维云台组成，其中水下摄像机与水下摄像照明灯刚性连接在二维云台的输出轴上；
[0008] 所述的功能组件模块主要有储物盒、水下吸尘器和水下切割器；水下吸尘器或/和水下切割器可作为末端执行器安装在机械手上；所述储物盒可根据任务需求安装于车体设计位置上；储物盒由储物盒框架、盒底和盒盖组成，盒底经螺钉与储物盒框架连接，盒盖与储物盒框架经合页连接，所述储物盒框架、盒底和盒盖均采用格栅结构设计；
[0009] 所述的控制模块主要分为主控制台和手控盒，二者均位于陆上，通过零重力电缆与水下作业机器人主体连接，实现对机器人主体的自动、半自动和手动控制；所述主控制台内控制系统主要包括常规的电源管理系统、车体运动控制系统、摄像机云台控制系统、机械手动作控制系统、探测传感系统、视频信号采集与处理系统和记录存储系统，并在控制面板上显示相应的信息、布置相应的动作按钮；所述手控盒通过数据总线的通讯方式与主控制台共享所有控制系统，实现对水下作业机器人主体的控制，其面板上同样布置相应的信息显示窗口及动作按钮。
[0010]与现有技术相比，本发明水下作业机器人的特点在于:
[0011] (I)适用于特殊环境；具有较强的耐辐射、耐弱酸、耐高温能力，可在高辐射或有毒害的水下、大气环境中，或者人员无法到达的现场，长时间进行大范围的监控、打捞等作业。
[0012] (2)采用模块化设计，功能强大；各模块之间的机械电气完全隔离，可根据不同的任务需求选择性安装水下摄像机、机械手等模块，或者调整各模块的安装位置，拆换方便，而主体控制模块不变，只需在控制面板中激活相应模块的功能即可。
[0013] (3)车体模块采用六轮六驱车体，外形小巧、运动灵活、通过性能及负载能力强，并可更快速更换不同尺寸、类型车轮以满足任务需求。实施例的车体外形尺寸长X宽X高为400mmX200mmX 150mm,运动速度实现0-24m/min无级变速，在光滑的钢板上爬坡能力彡30°，并能够实现原地转弯。
[0014] (4)机械手模块构型巧妙，各关节偏置布置，增大了各关节的转角范围，使各关节的转角范围达到或接近360度，极大地拓展了机械手的工作空间，并能实现机械手在不工作时，各机械臂折叠于基座上方。实施例的机械手大臂、小臂的横截面为直径为60_的圆，强度大、刚度高；机械手完全伸展后，能够抓取距机械手基座前端677_处的2kg重物。
[0015] (5)机械手采用轴中走线，即各机械臂中的电气元件所连接的线缆均经机械臂间的中空轴与基座的防水插头相连接，不仅美观，而且减少了所需防水插头的数量，增加了密封的可靠性，同时避免了线缆与机械手可能发生的缠绕，影响机械手的工作。
[0016] (6)采用多传感信息融合技术，能综合处理水下摄像机、小臂摄像机、车体及小臂上超声传感器的各路信息，可实现目标异物的精确定位，机械手的准确抓取。
[0017] (7)具有体积小巧，运动灵活，功能多样，可靠性高，实用性强，操作方便等优点。
附图说明
[0018] 图1为本发明水下作业机器人一种实施例的总体主视结构示意图；
[0019] 图2为本发明水下作业机器人一种实施例的总体俯视结构示意图；
[0020] 图3为本发明水下作业机器人一种实施例的总体左视结构示意图；
[0021] 图4为本发明水下作业机器人一种实施例的总体A向结构示意图；
[0022]图5为本发明水下作业机器人三种实施例模块化装配结构示意图；其中，
[0023]图5 (a)为本发明水下作业机器人一种实施例的水下摄像机安装在车体正上方的结构示意图；
[0024]图5(b)为本发明水下作业机器人一种实施例的水下摄像机安装在车体前侧的结构示意图；
[0025]图5(c)为本发明水下作业机器人一种实施例的车体更换大尺寸车轮的结构示意图；
[0026] 图6为本发明水下作业机器人一种实施例的车体装配结构主视示意图；
[0027]图7为本发明水下作业机器人一种实施例的车体装配结构俯视示意图；
[0028] 图8为本发明水下作业机器人一种实施例的车体装配结构左视示意图；
[0029]图9为本发明水下作业机器人一种实施例的机械手装配结构示意图；其中，
[0030] 图9 (a)为本发明水下作业机器人一种实施例的机械手基座装配结构示意图；
[0031] 图9(b)为本发明水下作业机器人一种实施例的机械手腰部装配结构示意图；
[0032]图9 (C)为本发明水下作业机器人一种实施例的机械手大臂装配结构示意图；
[0033] 图9 (d)为本发明水下作业机器人一种实施例的机械手小臂与末端执行器装配结构主视不意图；
[0034] 图9 (e)为本发明水下作业机器人一种实施例的机械手小臂与末端执行器装配结构右视不意图；
[0035]图10为本发明水下作业机器人一种实施例的水下摄像机装配结构示意图；
[0036]图11为本发明水下作业机器人一种实施例的储物盒装配结构示意图；
[0037] 图12为本发明水下作业机器人一种实施例的控制模块示意图。
具体实施方式
[0038] 下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于下述实施例的描述。
[0039] 本发明设计的水下作业机器人(简称机器人，参见图1-12)，采用模块化设计，主要包括车体模块1、机械手模块2或/和水下摄像机模块3、功能组件模块4以及控制模块5。本发明设计的机器人各模块之间机械、电气完全隔离，且组装方便，可根据不同的任务需求，选择性安装水下摄像机模块3或/和机械手模块2等模块，或者调整各模块之间的安装位置(参见图5)。
[0040] 所述车体模块I主要用于实现机器人的灵活运动，并可根据需要搭载水下摄像机3和/或机械手2等部件模块；机械手模块2用于实现对异物的打捞和抓取；摄像机模块3在二维云台的作用下，可实现水平、俯仰两个方向的转动，与车体模块I相配合，可实现空间全方位的实时监控；功能组件模块4为机器人执行特殊任务时所配备的专用工具(如用于存放异物的储物盒)；控制模块5通过水下零重力电缆与水下作业机器人实现电气连接，控制机器人以自动、半自动和手动方式完成所需的作业任务。
[0041] 所述车体模块I与水下摄像机模块3可以实现不同安装方式。例如，水下摄像机3可以安装在车体I正上方，便于实现对车体前方及两侧的观测，且降低机器人的总体高度(参见图5(a));水下摄像机3还可通过支架安装在车体I前侧，进一步降低了机器人的总体高度和截面尺寸，比较适合在管道等狭长的空间中作业(参见图5(b));车体I可更换大尺寸的车轮，以提高车体的通过性及运动速度，适合于空旷、复杂的地形环境(参见图5(c))0
[0042] 本发明中的车体模块I主要由六轮六驱密封车体11、车体直流伺服电机12、车体电机驱动器13、车体水下超声传感器14、车体温度压力传感器15、水下照明灯16、车体防水插头17、车体充气阀18以及车体防辐射铅板19等部件组成(参见图6-8)，用于搭载水下摄像机3或/和机械手2等部件。对称布置于车体11内部的两套带有制动器的车体直流伺服电机12，经车体锥齿轮110与车体后轴111连接分别驱动车体11两侧用同步带112连接的车轮113，实现机器人前后、左右无级变速运动。车体电机驱动器13布置于车体11内部隔板114之上，用于驱动车体直流伺服电机12运动。水下超声传感器14与水下照明灯16安装于车体11前侧功能组件模块储物盒41之下，分别用于测量车体11前方障碍物及异物距车体11的距离与增加车体11前方的照明亮度。车体温度压力传感器15通过传感器支架安装于车体11内部，用于检测车体11内部的气压、温度。防水插头17安装于车体11后侧，在车体11内侧与车体电机驱动器13、车体温度压力传感器15等电器元件连接，在车体11外侧与零重力电缆连接，实现车体内部电器元件与岸上控制模块的电气连接。车体充气阀18位于车体11后侧左下角，用于向车体11内部充气，以平衡车体11外部水压，提高密封可靠性，并与车体11内部的车体温度压力传感器15配合使用，实现泄露检测。车体防辐射铅板19布置于车体11内部腔体周围，用于屏蔽辐射、保护车体11内部的电器元件。
[0043] 本发明中的机械手模块2主要由基座21、腰部22、大臂23、小臂24以及末端执行器25组成(参见图1)，其中基座21、腰部22、大臂23和小臂24之间依次通过中空关节轴26连接，并在机械手内部充气和走线。典型设计是机械手2的各关节偏置布置，即与同一关节相连接的两个机械臂的中轴线不共面，避免各机械臂之间的干涉，提高了关节的转角范围，增大了机械手的工作空间。基座21由基座箱体211、腰部关节轴212、基座直流伺服电机213、基座电机驱动器214、基座温度压力传感器215、基座防水插头216、基座充气阀217以及基座防辐射铅板218等部件组成(参见图9(a))。基座箱体211下侧通过螺钉实现与车体11上部的机械连接，上侧经垂直于箱体211上平面的中空腰部关节轴212与腰部22连接。基座直流伺服电机213布置于箱体211内部，经基座锥齿轮与腰部关节轴212连接，驱动腰部22实现水平方向上的旋转。为减小机械手各机械臂的外形尺寸及转动惯量，驱动机械手各关节及末端执行器25的基座直流伺服电机和基座电机驱动器214均布置于基座箱体211内部，位于基座直流伺服电机213的两侧。基座温度压力传感器215安装于箱体内部基座直流伺服电机213之上，用于检测机械手内部的气压温度。基座充气阀217布置于箱体211后侧左下角，用于向机械手内部充气，以便平衡机械手外部水压，提高密封可靠性，并与基座箱体211内的基座温度压力传感器215配合使用，实现泄露检测。基座防辐射铅板218布置于基座箱体211内部腔体周围，用于屏蔽辐射、保护基座箱体211内部的电器元件。腰部22的外形是前端呈方形，后端为圆柱形的组合形体，包括腰部箱体221、肩部关节轴222和腰部直流伺服电机223等部件(参见图9 (b))，下侧经腰部关节轴212与基座箱体211连接，左侧经中空肩部关节轴222与大臂箱体231连接，其中两中空轴轴线垂直且共面。带有制动器的直流伺服电机223布置于腰部箱体221内部，其轴线与腰部箱体221中轴线重合，经锥齿轮224与肩部关节轴222相连，驱动大臂23实现俯仰方向上的转动。大臂23外形呈圆柱形，由大臂箱体231、肘部关节轴232和大臂直流伺服电机233等部件组成(参见图9(c))，前部右侧经中空肘部关节轴232与小臂箱体241连接，后部右侧经肩部关节轴222与腰部22连接，其中两中空轴轴线平行。带有制动器的大臂直流伺服电机233布置于大臂箱体231内部，其轴线与大臂箱体231中轴线重合，经一对大臂锥齿轮234与肘部关节轴232连接，驱动小臂24实现俯仰方向上的转动。小臂24外形为圆柱形，主要由小臂箱体241、腕部套轴外轴242、腕部套轴芯轴243、末端执行器直流伺服电机244、腕部直流伺服电机245、小臂摄像机246和水下超声传感器247等部件组成(参见图9(d)、(e))，前端经轴线与小臂箱体241中轴线重合的腕部套轴外轴242与末端执行器25连接，后部左侧经肘部关节轴232与大臂23连接，两轴轴线共面、垂直，与末端执行器25连接的腕部套轴外轴242轴线与腰部箱体221中轴线共面。末端执行器直流伺服电机244、腕部直流伺服电机245前后布置于小臂箱体241内部，其轴线与均小臂箱体241中轴线重合，分别经联轴器248和圆柱齿轮249与腕部套轴芯轴243和腕部套轴外轴242连接，驱动末端执行器25，为末端执行器25提供动力并实现末端执行器25的整体旋转。小臂摄像机246通过支架安装在小臂箱体241右侧，用于辅助监控、观测异物及末端执行器25的工作状况。水下超声传感器247通过支架安装在小臂摄像机246旁，用于检测异物距末端执行器25的距离。小臂摄像机246、水下摄像机模块3、车体11上的水下超声传感器14与小臂箱体241上水下超声传感器247相互配合，可实现异物的准确定位、精确抓取。末端执行器25主要为一两指面手爪，用于打捞、抓取异物，根据不同的任务需求可更换水下吸尘器等功能组件模块4。手爪由手爪支架251、手指252、滚珠丝杠253、丝杠螺母254、套筒255、滑套256、拉杆257、自适应粘取末端258等部件组成，其中手爪经快换机构分别实现手爪支架251与腕部套轴外轴242和滚珠丝杠253与腕部套轴芯轴243的连接，安装在滚珠丝杠253上的丝杠螺母254与滑套256相连，滑套256与安装在手爪支架251上的套筒255相连，手爪支架251两侧分别经销轴连接一个手指252，前端安装有自适应粘取末端258的两个拉杆257后端与滑套256前端连接且中部与手指252中部经销轴连接，于是腕部套轴芯轴243转动带动滑套256移动，进而经拉杆257带动手指252及自适应粘取末端258运动，实现手爪的开合及自适应粘取末端258位姿的调整，腕部套轴外轴242的转动带动手爪支架251旋转，进而实现手爪251的旋转。
[0044] 本发明中的水下摄像机模块3主要由水下摄像机31、水下摄像照明灯32和二维云台33组成(参见图10)，其中水下摄像机31与水下摄像照明灯32刚性连接在二维云台33的输出轴上，在二维云台33的作用下，水下摄像机31和水下摄像照明灯32可实现水平、俯仰两个方向的转动。水下摄像机模块3与车体模块I相配合，可实现空间全方位实时监控。
[0045] 本发明中的功能组件模块4为用于完成不同任务时所配备的专用工具，主要为储物盒41、水下吸尘器和水下切割器等执行特殊任务时所配备的专用工具。其中水下吸尘器或/和水下切割器等可作为末端执行器安装在机械手上。所述储物盒41可根据任务需求安装于车体11前侧，用于存放机械手2打捞到的异物。储物盒41由储物盒框架411、盒底412和盒盖413组成(参见图11)，盒底412经螺钉与储物盒框架411连接，便于清理异物，盒盖413与储物盒框架411经合页连接，盒盖413的前端略向下倾斜，便于放入异物，并防止异物飘出。所述储物盒框架411、盒底412和盒盖413均采用格栅设计，以有效减小水阻力。
[0046] 本发明中的控制模块5主要分主控制台51和手控盒52，二者均位于陆上，通过零重力电缆53与水下作业机器人主体连接，实现对机器人主体的自动、半自动和手动控制(参见图12)。所述主控制台51内控制系统主要包括常规的电源管理系统、车体运动控制系统、摄像机云台控制系统、机械手动作控制系统、探测传感系统、视频信号采集与处理系统、记录存储系统，并在控制面板上显示相应的信息、布置相应的动作按钮等。所述手控盒52通过数据总线54的通讯方式与主控制台51共享所有控制系统，实现对水下作业机器人主体的控制，其面板上同样布置相应的信息显示窗口及动作按钮等。
[0047] 本发明机器人的工作原理和过程是:在执行作业之前，针对不同的作业任务，选择性安装不同的功能模块，并调整各模块的安装位置，使机器人的性能达到最优。利用吊装装置将组装后的机器人放入水池底部，控制模块控制机器人车体模块在水下摄像机模块的观测指引下运动到任务区域。机器人在控制模块的控制下通过机械手模块和/或储物盒、水下吸尘器、水下切割器等功能组件模块完成相应的作业任务。作业完成后，再通过吊装装置将机器人运送到岸上。
[0048] 本发明机器人虽基于核电站水下作业需求设计，但不排除应用于其他常规的水下作业。
[0049] 本发明未述及之处适用于现有技术。
[0050] 下面给出本发明的一个具体实施例:
[0051] 实施例1
[0052] 机器人由车体模块1、机械手模块2、水下摄像机模块3、功能组件模块4和控制模块5组成。在处理一般任务时，机器人主要由车体模块1、机械手模块2、水下摄像机模块3、功能组件模块4中的储物盒41装配而成。机器人在运动过程中，机械手模块2折叠于车体上方，此时机器人的外形尺寸长X宽X高为590mmX 294mmX 520mm。机器人车体模块I外形尺寸长X宽X高为400mmX200mmX150mm，可选择性安装不同尺寸车轮，本实施例装配直径为140mm的车轮，离地间隙为35mm，可实现0_24m/min无级变速，在光滑的钢板上爬坡能力彡30。ο
[0053] 机械手模块2由基座21、腰部22、大臂23、小臂24和末端执行器25组成，其中末端执行器25具有多种并可实现快速更换。机械手模块2各关节采用偏置布置的方式，转角范围较大，腰部关节212、肩部关节222、肘部关节232的转角范围均接近或达到360度。机械手模块2中机械臂的横截面为直径为60mm的圆，强度大、刚度高，机械臂完全伸展后，能够抓取距机械手基座21前端677mm处的2kg重物。
[0054] 水下摄像机模块3主要由二维云台33、水下摄像机31和水下摄像照明灯32组成。二维云台33水平和俯仰方向的转角范围依次为±180°和±150°。水下摄像机31能够实现10倍光学变焦。两个水下摄像照明灯32为12V/35W，散射角为26°。
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