CN108879553A - 一种用于四分裂高压线的除冰机器人 - Google Patents

一种用于四分裂高压线的除冰机器人 Download PDF

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    • H02GINSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G7/00Overhead installations of electric lines or cables
    • H02G7/16Devices for removing snow or ice from lines or cables

Abstract

本发明提供的是一种用于四分裂高压线的除冰机器人。包括三层甲板,第一甲板(Ⅰ)、第二甲板(Ⅱ)、第三甲板(Ⅲ)依次从上到下排列,第一甲板(Ⅰ)与第二甲板(Ⅱ)之间由18根立柱4支撑,第二甲板(Ⅱ)与第三甲板(Ⅲ)之间通过两根导杆(3)连接,导杆(3)穿过第三甲板主板(Ⅲ‑7)上的水平导轨(Ⅲ‑3),通过导杆上夹子(Ⅱ‑23)和导杆下夹子(Ⅱ‑24)连接第二甲板主板(Ⅱ‑22)。本发明整体采用模块化设计,机器整体除冰效率高,越障速度快,采用自背电源进行供电,无线控制与图像传输,控住人员可以在较为舒适的环境进行操控。电源采用可重复充电的方式,相比于有线控制,无线控制自由度更高。

Description

一种用于四分裂高压线的除冰机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种高压线的除冰机器人,具体地说是一种用于四分裂高压线的 除冰机器人。
背景技术
[0002] 随着目前生产生活对电力的依靠越来越大,高压输电系统凭借其超高的传输效率 成为了输电网的重要组成部分,同时,多分裂高压线更加进一步提升了电力的传输效率。其 中,以四分裂高压线与二分裂高压线的应用最为广泛。在我国南方的冬季,经常由于气候问 题造成高压线被冰雪覆盖,甚至压断电线,压塌输电塔,造成电力系统的整体瘫痪,影响到 人们的正常生产生活。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,机器人技术日新月异, 采用机器人代替人工完成恶劣环境下的繁重作业成为可能。目前输电高压导线路除冰措施 主要依靠人工用拉杆、竹棒等沿线敲打,使覆冰脱落,甚至悬挂在高压线上,用绝缘锤敲打, 不仅效率低下,而且对电力工人的生命安全造成了极大的威胁。因此,迫切要求研宄一种新 型除冰方法来取代人工除冰。利用除冰机器人实现输电线路在线除冰是目前输电线路除冰 技术的发展趋势,此方法使除冰工作降低了成本,提高了效率,同时保障了人身安全。研制 安全有效的除冰机械以代替人工进行沿线除冰具有较好的应用前景和实用意义。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种效率高,对电线损伤小,模块化设计的用于四分裂高 压线的除冰机器人。
[0004] 本发明的目的是这样实现的:包括三层甲板,第一甲板I、第二甲板n、第三甲板m 依次从上到下排列,第一甲板I与第二甲板n之间由is根立柱4支撑,第二甲板n与第三甲 板m之间通过两根导杆3连接,导杆3穿过第三甲板主板m-7上的水平导轨m-3,通过导杆 上夹子n -23和导杆下夹子n -24连接第二甲板主板n -22;
[0005] 第一甲板I上布置有小皮带轮al-l、驱动轮回转支架1-2、驱动轮1-3、皮带al-4、大 皮带轮1-5、直流伺服电机al-6、联轴器aI-7、丝杠aI-8、轴承支座I-9、丝杠螺母aI-l〇、水平 导轨al-11、滑块al-12、驱动电机al-13、行星轮减速器al-14、锥齿轮箱1-15、小皮带轮bl-16、皮带bl-17、夹紧轴1-18、第一甲板主板1-19;
[0006] 第二甲板n上布置有除冰电机n -1、行星轮减速器b n -2、小齿条n -3、小齿轮n _ 4、除冰棒n -5、水平导杆n _6、丝杠b n _7、直流伺服电机b n -8、丝杠螺母b n -9、滑块b n _ io、连杆an-li、大齿轮n-12、减速器n-13、驱动电机bn-14、悬挂轮n-15、连杆bn-16、 抬升杆n-17、抬升舵机n-18、凸轮n-19、外包弹簧的安装柱n-20、弹簧n-21、第二甲板 主板n -22、导杆上夹子n -23、导杆下夹子n -24、除冰支架n -25、辅助旋转座n -26、辅助 支架 II -27、皮带 c n -28、皮带d II-29;
[0007]第三甲板m上布置有机械手m-i、大齿条m-2、水平导轨m-3、夹紧舵机ni-4、齿 轮in-5、线性推杆m-6、第三甲板主板m-7。
[0008] 本发明还可以包括:
[0009] 1 •驱动电机al-l3与行星轮减速器al-14通过联轴器连接,再通过联轴器接锥齿轮 箱1-15,小皮带轮al-l通过卡箍固定在锥齿轮输出轴上,小皮带轮aW与后方的两个安装 在从动皮带轮轴箱两侧的小皮带轮bl-16通过皮带bl-17连接,四个小皮带轮与所有大皮带 轮1-5通过皮带连接,大皮带轮1-5和驱动轮1-3安装在同一根轴上,构成驱动轮驱动机构。
[0010] 2.直流伺服电机aI-6通过联轴器aI-7连接丝杠aI-8,丝杠aI-8与丝杠螺母al-io 配合,丝杠螺母al-10用螺栓固定在滑块al-12上,丝杠aI-8通过轴承安装在轴承支座1-9 上,两个支座中间连接两个水平导轨al-ll与丝杠aI-8平行,穿过滑块al-12上的配合孔,滑 块al-12两侧各用销连接一个夹紧轴1-18,夹紧轴1-18插入驱动轮回转支架1-2的镂空槽并 与其上表面贴合,构成驱动轮夹紧机构。
[0011] 3.抬升舵机n-18和凸轮n-19用连接,凸轮n-19与抬升杆n-17接触,连杆bn- 16通过销轴两端分别连接抬升杆n -17和悬挂轮的支架,四个外包弹簧的安装柱n -20穿过 抬升杆与第一甲板主板间外包弹簧n-2i连接,构成悬挂轮翻转机构。
[0012] 4.除冰电机n-i通过平行方向皮带连接两侧的带轮,两个带轮各有垂直方向的皮 带连接另外的终端带轮,终端带轮和除冰棒组合都通过螺栓连接在同一根传动轴上,构成 除冰机构。
[0013] 5.直流伺服电机b n -8通过联轴器连接丝杠b n -7,丝杠b n -7与丝杠螺母b n -9配 合,丝杠螺母b n -9用螺栓固定在滑块b n - io上,丝杠b n -7通过轴承安装在轴承支座上,两 个支座中间连接两个水平导轨n -6与丝杠b n -9平行,穿过滑块b n -10上的配合孔,滑块b n -io两侧分别和连杆a n -i 1通过销轴连接,再通过销轴连接小齿条n -3,小齿条n -3和小 齿轮n -4啮合,小齿轮n -4和除冰支架n -25通过键安装在同一根轴上,构成冰架翻转机 构。
[0014] 6.夹紧舵机m-4的输出轴连接齿轮m-5和另一个齿轮啮合,两个齿轮上通过螺钉 连接各一个机械手m-i,四个机械手组件通过螺钉安装在线性推杆m-6上,分布在第三甲 板主板ni-7的四角。第二甲板n和第三甲板in通过两根导杆3连接。导杆3穿过第三甲板主 板m-7上的水平导轨m-3,通过导杆上夹子n -23和导杆下夹子n -24连接第二甲板主板 n -22,此时大齿轮n -12和机械臂中的大齿条m-2啮合,驱动电机b n -14和大齿轮n -12通 过减速器n-13连接,构成机械臂结构。
[0015] 本发明的工作原理为:
[0016] 1)驱动轮驱动机构由驱动电机al-13通过行星轮减速器al-14减速,然后接锥齿轮 箱1-15,锥齿轮将动力传动给齿轮轴两侧的小皮带轮al-l,这两个小皮带轮al-l通过皮带 与后方的两个安装在从动皮带轮轴箱两侧的小皮带轮bl-16通过皮带bl-17连接,四个小皮 带轮将动力通过皮带aI-4传递给大皮带轮1-5,大皮带轮带动同轴的驱动轮1-3旋转,达到 驱动机器人前进的目的。其中,驱动轮回转支架1-2的回转中心与四个小皮带轮1-4处于同 轴线的位置,保证了在驱动轮位置发生变化时,动力装置可以不进行移动,精简了动力机 构。
[0017] 2)驱动轮夹紧机构采用直流伺服电机aI-6通过联轴器aI-7带动丝杠aI-8旋转,丝 杠推动丝杠螺母al-10前后运动,丝杠螺母al-10带动滑块al-12与夹紧轴I-18前后运动,驱 动轮回转支架1-2在重力作用下与夹紧轴贴合,在旋转架的斜面作用下,实现驱动轮的夹紧 与张开。
[0018] 3)悬挂轮翻转机构主要由抬升舵机n-is转动凸轮n-i9带动抬升杆n-17向上运 动,通过连杆b n -16机构使悬挂轮n -15向两侧张开,此时抬升杆压缩位于抬升杆和一层甲 板之间的穿过安装柱(外包弹簧)n-2〇的弹簧n-2i,使弹簧n-2i蓄力。在凸轮n-19从远 休止点向近休止点运动时,抬升杆n -17在弹簧n -21的作用下向下运动,使悬挂轮n -15翻 转回高压线的上方。
[0019] 4)除冰机构采用左右两个除冰机构,最终动力由机器人主体中的除冰电机n -1提 供,通过皮带传递给除冰机构。每个除冰机构由四个除冰棒n -5组成,在惯性作用下进行敲 击,在遇到电线时可自动越过。
[0020] 5)除冰架翻转机构采用直流伺服电机bn-8输出为丝杠bn-7旋转,丝杠bn-7推 动丝杠螺母b n -9前后运动,丝杠螺母b n -9带动滑块b n -10前后运动,通过连杆a n -11推 动小齿条n-3使得小齿轮n-3转动,实现两侧除冰架同时翻转。在小齿条滑槽中安装有弹 簧,在旋转架向两侧张开时弹簧压缩,抵抗重力;在旋转架闭合时弹簧恢复到原长,作为辅 助动力协助丝杠工作。
[0021] 6)机械臂结构机械手m-i由夹紧舵机m-4驱动,能够将电线上半部分全部包围。 机械臂与机器人主体之间的往复运动的实现是由固定在机器人内部的驱动电机bn-14通 过减速器n-13后,带动大齿轮n-i2旋转,大齿轮n-12带动机械臂中的齿条前后运动,完 成机械臂的伸出与缩回。
[0022] 本发明提供了一种用于四分裂高压线的除冰机器人,是一种高效率除冰机器人, 在极端条件下能提供高效率的除冰任务。除冰机器人在四分裂高压线上行走,并且翻越障 碍,除去高压线上由于极端气候形成的冰层。
[0023] 本发明以轮式驱动为主,采用两侧四组八个轮进行夹紧,在四分裂高压线下方两 根电线上运动。其中越障采用机械臂与双轮夹紧同时工作的机构,在越障时驱动轮与悬挂 轮相当于一组机械手,机械臂与机械臂上的机械手向前延伸,抓住电线前端,车轮松开电 线,机器人主体与机械手发生相对运动,越过障碍后再次夹紧,收起机械手,进行下一阶段 的除冰工作。除冰方式选用敲击法,与电流法相比效率更高,与铣削法相比对电线损伤更 小。整体机器人采用模块化设计,除冰机构可拆除,机器人上留有安装其余的组件的空间, 作为后期模块化的主体。
附图说明
[0024] 图1为本发明的用于四分裂高压线的除冰机器人的示意图。
[0025]图2为第一甲板的示意图。
[0026] 图3为第二甲板的示意图。
[0027] 图4为第三甲板的示意图。
[0028]图5为驱动轮夹紧机构的示意图。
[0029]图6为悬挂轮翻转机构的示意图。
[0030]图7为除冰架翻转机构的示意图。
具体实施方式
[0031] 下面举例对本发明做更详细的描述。
[0032] 一层甲板部分,安装有机器人的轮式行走机构以及轮式行走机构的夹紧装置,能 够实现的主要功能是沿电线行走。由两组丝杠的安装基座、驱动轮架总成、驱动电机减速器 总成等部件组成。由于采用了双轮夹紧的驱动方式,为了保证运动时不发生因为外力而使 驱动轮1-3发生停转,使驱动电机al-13抱死,同时考虑到整体结构上要将位于甲板中心的 驱动电机al-13的动力传递给位于机器人四个角落的驱动轮1-3来带动机器人运动,因此选 用锥齿轮箱I-15来将动力由沿对称中心旋转变为沿垂直于电线方向与甲板方向旋转。驱动 电机al-13通过行星轮减速器al-14将动力输入给锥齿轮,经过在锥齿轮箱1-15中变换方 向,将动力传递给两侧的两个小皮带轮bl-16。小皮带轮bl-16中共有三个皮带槽,其中一个 用于与从动小皮带轮al-l连接,另外两个用于驱动大皮带轮1-5转动,由大皮带轮1-5通过 安装有轴承的轴带动驱动轮1-3转动。夹紧机构能够保证机器人在恶劣环境下依旧能够正 常的工作。其轴承支座1-9及滑块al-12均为PP共聚物制成,具有低温强度高及重量轻的优 势。考虑到塑料中螺纹孔的强度不足,因此丝杠螺母al-10与滑块al-12安装采用了螺钉与 螺母的组合,在滑块al-12远离丝杠螺母al-10的一侧设置有六角形的螺母开槽,丝杠螺母a I-10采用沉头螺钉孔,保证了即便安装螺母al-10也不会影响滑块al-12的整体的宽度。滑 块两侧的夹紧轴1-18采用间隙配合插进滑块al-12内部,之后采用螺钉螺母进行固定。
[0033]二层甲板部分,考虑到除冰机构重量大,需要稳定性高,因此采用直流伺服电机b n -8输出为丝杠b n -7旋转,丝杠b n -7推动丝杠螺母b n -9前后运动,丝杠螺母b n -9带动 滑块b n -10前后运动,通过连杆a n -i 1推动小齿条n -3使得小齿轮n -3,实现两侧除冰架 同时翻转。在小齿条n -3滑槽中安装有弹簧,在旋转架向两侧张开时弹簧压缩,抵抗重力; 在旋转架闭合时弹簧恢复到原长,作为辅助动力协助丝杠bn-7工作。在丝杠螺母bn-9行 进到离电机最远的时候,小齿条n-3、丝杠螺母b n-9和连杆an-ii三杆共线,形成沿齿条 方向的自锁,保证了其在工作时的稳定性。考虑到转架的长度以及动力的布置问题,设置后 部辅助旋转轴箱以及旋转轴,旋转轴箱同时承担着安装皮带轮的功能,保证了旋转中心与 下部皮带轮的同轴心。悬挂轮的翻转主要由抬升舵机n-i8转动凸轮n-19带动抬升杆n-17向上运动,通过连杆bn-16机构使悬挂轮n-15向两侧张开,此时抬升杆压缩位于抬升杆 和一层甲板之间的穿过安装柱(外包弹簧)n-20的弹簧n-21,使弹簧n-2i蓄力。在凸轮 n-i9从远休止点向近休止点运动时,抬升杆n-i7在弹簧n-2i的作用下向下运动,使悬挂 轮n-i5翻转回高压线的上方。
[0034] 三层甲板部分,机械臂的结构设计较为简单,由机械臂甲板和四个线性推杆m-6 作为机械手的伸缩臂,夹紧舵机m-4驱动齿轮m-5闭合机械手in-1,能够将电线上半部分 全部包围。机械臂与机器人主体之间的往复运动的实现是由固定在机器人内部的驱动电机 b n -14通过减速器n -13后,带动大齿轮n -12旋转,大齿轮n -12带动机械臂中的齿条前后 运动,完成机械臂的伸出与缩回。
[0035]四分裂高压线除冰机器人的工作过程为:首先,工作人员把机器人送到四分裂高 压线上,悬挂轮n-15与驱动轮1-3夹紧电线2,驱动电机al-13将前进的动力传递给驱动轮 1-3,使机器人沿电线2向前运动,除冰电机D-1带动除冰棒II-5旋转,实现除冰。越障时,机 械臂向前进方向伸展,并向电线2伸出机械手m-i,机械手m-i夹紧电线2,除冰支架n-25 向两侧翻转,驱动轮1-3与电线2分离,悬挂轮n-15在凸轮n-19作用下向两侧翻转,完成上 述操作之后连接机械手线性推杆m-6伸长,使整个机器人向高压线下方移动,为越障做好 准备;机械臂向回收缩,由于此时机械手及机械臂与电线2固定,根据相对运动,机器人主体 向前运动,第一对驱动轮i-3从障碍下方越过障碍;机械手将整体向上拉动,悬挂轮n _15挂 回高压线上方,驱动轮1-3与悬挂轮n -15将电线2夹紧,除冰支架n -25恢复到工作状态;反 复以上操作,使第二对驱动轮1-3越过障碍。
[0036]此四分裂高压线除冰机器人在除冰机器人领域有明显的优势。四分裂高压线由于 其输电损耗较小,普及率日渐变高,如使用传统除冰机器人,只能进行单根线的除冰工作。 本装置应用于高压线除冰,在极端天气越发多发的当今有着广泛的应用。内部主要零件除 使用金属外,使用了大量可降解可重复利用的有机材料,在保证了整体强度的同时,减轻了 整体结构的重量,同时减少了金属的使用率,有利于环境的维护。同时金属相对塑料在冬季 携带上有更多的不便,大量使用工程塑料也体现了更好的人机功效。整体设计尺寸与一人 相当,中部有足够的空间,方便进行背负作业。加工方面,塑料制品的零件主体均为注塑,不 能注塑的细节采用机加工,节约了加工工时,方便自动化生产。结构过于复杂的零件考虑分 件处理,减少毛坯到零件过程中的废料的产生。由于机构中有大量的镜像结构,尽量保证了 不产生手性零件,增加通用零件数量。对于外观相似零件,如销轴,不同长度的采用不同口 径进行区分,避免由于二次装配错误引起事故。
[0037] 整体采用模块化设计,两侧的转向架上如不安装除冰机构,可选装其余机构。如机 械手等,进行除了除冰外的其他高压线上工作,实现了一机多用。
[0038] 机器整体除冰效率高,越障速度快,采用自背电源进行供电,无线控制与图像传 输,控住人员可以在较为舒适的环境进行操控。电源采用可重复充电的方式,相比于有线控 制,无线控制自由度更高。

Claims (8)

1. 一种用于四分裂高压线的除冰机器人,其特征是:包括三层甲板,第一甲板(I)、第二 甲板(n )、第三甲板(m)依次从上到下排列,第一甲板⑴与第二甲板(n)之间由18根立柱 4支撑,第二甲板(n)与第三甲板(m)之间通过两根导杆⑶连接,导杆⑶穿过第三甲板主 板(瓜-7)上的水平导轨(m-3),通过导杆上夹子(n -2¾和导杆下夹子(n -¾)连接第二甲 板主板(n-22)。
2. 根据权利要求1所述的用于四分裂高压线的除冰机器人,其特征是:第一甲板CO上 布置有小皮带轮a (1-1)、驱动轮回转支架(1_2)、驱动轮(1-3)、皮带a (1-4)、大皮带轮(I-5)、直流伺服电机a (1-6)、联轴器a (1-7)、丝杠a (1-8)、轴承支座(1-9)、丝杠螺母a (1-10)、 水平导轨a (1-11)、滑块a (1-12)、驱动电机a (1-13)、行星轮减速器a (1-14)、锥齿轮箱(I-15)、小皮带轮b (1-16)、皮带b (1-17)、夹紧轴(1-18)、第一甲板主板(1-19); 第二甲板(n)上布置有除冰电机(n-1)、行星轮减速器b(n_2)、小齿条(n-3)、小齿 轮(n-4)、除冰棒(n-5)、水平导杆(n_6)、丝杠b(n_7)、直流伺服电机b(n_8)、丝杠螺母 b(n-9)、滑块b(n-io)、连杆a(n-ii)、大齿轮(n-i2)、减速器(n-i3)、驱动电机b(n-14)、悬挂轮(n-15)、连杆b(n-16)、抬升杆(n-17)、抬升舵机(n-i8)、凸轮(n-19、外包 弹簧的安装柱(n-2〇、弹簧(n-21、第二甲板主板(n -22、导杆上夹子(n _23)、导杆下夹子 (n-24)、除冰支架(n-25)、辅助旋转座(n-26)、辅助支架(n-27)、皮带c(n-28)、皮带d (n-29); 第三甲板(m)上布置有机械手(ni-i)、大齿条(ni-2)、水平导轨(m-3)、夹紧舵机(in-4)、齿轮(m-5)、线性推杆(m-e)、第三甲板主板(m-7)。
3. 根据权利要求2所述的用于四分裂高压线的除冰机器人,其特征是:驱动电机a (I-13)与行星轮减速器a (1-14)通过联轴器连接,再通过联轴器接锥齿轮箱(I-1S),小皮带轮a (I-1)通过卡箍固定在锥齿轮输出轴上,小皮带轮a (1-1)与后方的两个安装在从动皮带轮 轴箱两侧的小皮带轮b (1-16)通过皮带b (1-17)连接,四个小皮带轮与所有大皮带轮(1-5) 通过皮带连接,大皮带轮(1-5)和驱动轮(1-3)安装在同一根轴上,构成驱动轮驱动机构。
4.根据权利要求2所述的用于四分裂高压线的除冰机器人,其特征是:直流伺服电机a (1-6)通过联轴器a (1-7)连接丝杠a (1-8),丝杠a (1-8)与丝杠螺母a (1-10)配合,丝杠螺母a (1-1〇)用螺栓固定在滑块a (1-12)上,丝杠a (1-8)通过轴承安装在轴承支座(1-9)上,两个 支座中间连接两个水平导轨a (1-11)与丝杠a (1-8)平行,穿过滑块a (1-12)上的配合孔,滑 块a (1-12)两侧各用销连接一个夹紧轴(I-18),夹紧轴(1-18)插入驱动轮回转支架(1-2)的 镂空槽并与其上表面贴合,构成驱动轮夹紧机构。
5.根据权利要求2所述的用于四分裂高压线的除冰机器人,其特征是:抬升舵机(n 一 18)和凸轮(n -19)用连接,凸轮(n-⑼与抬升杆(n -17)接触,连杆b (n-i6)通过销轴两 端分别连接抬升杆(n-17)和悬挂轮的支架,四个外包弹簧的安装柱(n _2〇)穿过抬升杆与 第一甲板主板间外包弹簧(n-21)连接,构成悬挂轮翻转机构。
6.根据权利要求2所述的用于四分裂局压线的除冰机器人,其特征疋:除冰电机(D _1) 通过平行方向皮带连接两侧的带轮,两个带轮各有垂直方向的皮带连接另外的终端带轮, 终端带轮和除冰棒组合都通过螺栓连接在同一根传动轴上,构成除冰机构。
7.根据权利要求2所述的用于四分裂高压线的除冰机器人,其特征是:直流伺服电机b (n -8)通过联轴器连接丝杠b (n -7),丝杠b (n -7)与丝杠螺母b (n -9)配合,丝杠螺母b (n -9)用螺栓固定在滑块b (n -lo)上,丝杠b (n -7)通过轴求女装仕雅承叉座上,两个支座 中间连接两个水平导轨(n-6)与丝杠b (n-9)平行,穿过滑块b (n-10)上的配合孔,滑块b (n-lo)两侧分别和连杆a (n-li)通过销轴连接,再通过销轴连接小齿条(n_3),小齿条 (n-3)和小齿轮(n-4)啮合,小齿轮(n-4)和除冰支架(n-25)通过键安装在同一根轴上, 构成冰架翻转机构。
8.根据权利要求2所述的用于四分裂高压线的除冰机器人,其特征是:夹紧舵机(ni-4) 的输出轴连接齿轮an-5)和另一个齿轮啮合,两个齿轮上通过螺钉连接各一个机械手(m-1),四个机械手组件通过螺钉安装在线性推杆(m-6)上,分布在第三甲板主板(m-7)的四 角,第二甲板(n)和第三甲板(m)通过两根导杆⑶连接,导杆⑶穿过第三甲板主板(ni-7)上的水平导轨(m-3),通过导杆上夹子(n-23)和导杆下夹子(n-24连接第二甲板主板 (n-22,此时大齿轮(n-i2和机械臂中的大齿条(in-2)啮合,驱动电机b (n-i4)和大齿轮 (n -12)通过减速器(n -13)连接,构成机械臂结构。
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