CN109159115A - 一种面向科普的触觉通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向科普的触觉通信装置，所述触觉通信装置包括：主操作台、具有主端电机和主端编码器的主端握持组件、具有从端电机和从端编码器的从端夹持组件、具有传送带电机的从端换物台、具有主端电机的主端控制电路和从端控制电路，所述从端换物台位于从端夹持组件的下方，其中，所述主端控制电路分别与所述主操作台、主端握持组件和从端控制电路连接，所述从端控制电路分别与从端夹持组件、从端换物台连接。
Description
技术领域
本发明涉及触觉通信领域，尤其涉及一种面向科普的触觉通信装置。
背景技术
人类在19世纪发明了电话，实现了听觉的通信；20世纪，利用摄像机和电视实现了视觉的通信。在人类认识自然和改造自然的过程中，人类的视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉起到了至关重要的作用。在21世纪，人类还能实现触觉的通信。在当今科技展览和科普类活动中，利用电话和电视进行通信技术展示已经较为常见，但是在各类科技展览、展示和科普中仍然缺少作为人类执行复杂任务的重要感官——触觉的通信装置。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中缺少作为人类执行复杂任务的重要感官——触觉的通信装置的技术问题，提供一种面向科普的触觉通信装置。
本发明提供一种实施例的面向科普的触觉通信装置，所述触觉通信装置包括：主操作台、具有主端电机和主端编码器的主端握持组件、具有从端电机和从端编码器的从端夹持组件、具有传送带电机的从端换物台、具有主端电机的主端控制电路和从端控制电路，所述从端换物台位于从端夹持组件的下方；
所述主操作台包括至少两个软硬度选择按钮，用于接收到至少两个软硬度选择按钮中其中一个按钮的按下信号时，通过主端控制电路输出控制信号至从端控制电路以控制所述从端换物台的传送带电机转动；
所述从端控制电路，用于接收所述主操作台的控制信号，并根据控制信号控制传送带电机转动以移动被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体，并当该可被夹物体移动到从端夹持组件的指定位置时控制传送带电机停止转动并输出定位信号至所述主端控制电路；
所述主端控制电路，用于在接收到至少两个软硬度选择按钮中其中一个按钮的按下信号时判断是否接收到所述定位信号，并当接收到所述定位信号时将所述定位信号反馈至所述主操作台，以及获取主端编码器的编码信息和从端电机控制信息，发送主端电机控制信息至所述从端控制电路并根据主端编码器的编码信息和从端电机控制信息得到主端电机的控制量，并且在所述主端握持组件被施加握合力矩时，根据主端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述主端电机转动；
所述从端控制电路，用于获取从端编码器的编码信息、主端电机控制信息和所述握合力矩，发送从端电机控制信息至所述主端控制电路，并根据从端编码器的编码信息、主端电机控制信息和所述握合力矩得到从端电机的控制量，以及根据从端电机的控制量驱动所述从端电机以带动从端夹持组件夹住被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体；
其中，所述主端控制电路分别与所述主操作台、主端握持组件和从端控制电路连接，所述从端控制电路分别与从端夹持组件、从端换物台连接。
本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：当被夹物体被传送到目的位置后，用户可以开始操作主端握持组件，此时所述主端握持组件被施加握合力矩，所述主端控制电路根据主端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述主端电机转动以带动主端握持组件的闭合动作，接着由于所述主端控制电路和从端控制电路之间进行通讯，从而从端控制电路根据从端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述从端电机转动以带动从端夹持组件的闭合动作，使得从端夹持组件可以夹住被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体，那么操作主端握持组件的用户便可以感受到可被夹物体的软硬程度，使得面向科普的触觉通信装置装调简单和成本相对低廉。
附图说明
图1是本发明提供的面向科普的触觉通信装置一种实施例的结构示意图。
图2是本发明提供的主端握持装置一种实施例的结构示意图。
图3是本发明提供的从端夹持装置一种实施例的结构示意图。
图4是本发明提供的从端换物台一种实施例的结构示意图。
图5是本发明提供的主操作台一种实施例的结构示意图。
图6是本发明提供的主端控制电路原理示意图。
图7是本发明提供的从端控制电路原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明中提供一种实施例的面向科普的触觉通信装置，如图1所示，所述触觉通信装置包括：主操作台4、具有主端电机11的主端握持组件1、具有从端电机21的从端夹持组件2、具有传送带电机31的从端换物台3、主端控制电路5和从端控制电路6，所述从端换物台3位于从端夹持组件2的下方；
所述主操作台4包括至少两个软硬度选择按钮41，用于接收到至少两个软硬度选择按钮41中其中一个按钮的按下信号时，通过主端控制电路5输出控制信号至从端控制电路6以控制所述从端换物台3的传送带电机转动；
所述从端控制电路6，用于接收所述主操作台4的控制信号，并根据控制信号控制传送带电机31转动以移动被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体32，并当该可被夹物体32移动到从端夹持组件2的指定位置时控制传送带电机31停止转动并输出定位信号至所述主端控制电路5；
所述主端控制电路5，用于在接收到至少两个软硬度选择按钮中其中一个按钮的按下信号时判断是否接收到所述定位信号，并当接收到所述定位信号时将所述定位信号反馈至所述主操作台4，以及获取主端编码器的编码信息和从端电机控制信息，发送主端电机控制信息至所述从端控制电路并根据主端编码器的编码信息和从端电机控制信息得到主端电机的控制量，并且在所述主端握持组件1被施加握合力矩时，根据主端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述主端电机11转动；
所述从端控制电路6，用于获取从端编码器的编码信息、主端电机控制信息和所述握合力矩，发送从端电机控制信息至所述主端控制电路5，并根据从端编码器的编码信息、主端电机控制信息和所述握合力矩得到从端电机的控制量，以及根据从端电机的控制量驱动所述从端电机以带动从端夹持组件2夹住被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体32；
其中，所述主端控制电路5分别与所述主操作台4、主端握持组件1和从端控制电路6连接，所述从端控制电路6分别与从端夹持组件2、从端换物台3连接。
本发明的触觉通信装置，当被夹物体被传送到目的位置后，用户可以开始操作主端握持组件，此时所述主端握持组件被施加握合力矩，所述主端控制电路根据主端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述主端电机转动以带动主端握持组件的闭合动作，接着由于所述主端控制电路和从端控制电路之间进行通讯，从而从端控制电路根据从端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述从端电机转动以带动从端夹持组件的闭合动作，使得从端夹持组件可以夹住被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体，那么操作主端握持组件的用户便可以感受到可被夹物体的软硬程度，使得面向科普的触觉通信装置装调简单和成本相对低廉。
在具体实施中，图5所示，主操作台4包含总开关42、按钮41、显示屏45、扬声器46和操作面板47，其中按钮41包括准备按钮、停止按钮和三个软硬度选择按钮，按钮41、总开关42、显示屏45和扬声器46分布在操作面板47上。总开关42控制着整个系统电源的通断，总开关42的按下与弹起对应电源的接通与断开。准备按钮与停止按钮控制系统的运行与停止。当一切准备就绪，即可按下准备按钮，系统开始运行。若要停止运行，或运行过程中出现紧急情况，按下停止按钮，系统立即停止运行。三个软硬度选择按钮分别对应三种不同软硬程度的被夹物体32：海绵、橡胶、金属块。按下其中某个按钮，则从端换物台3上对应硬度的被夹物体32将传送到从端夹持组件2下方，以供从端夹持组件2操作。显示屏45采用LCD液晶显示屏，实现运行过程中各项参数与状态的显示，比如显示主端电机与从端电机的实时位置、力矩等参数，以及从端换物装置是否已将被夹物体传送到目的位置等。扬声器46实现语音播报功能，当被夹物体32被传送到目的位置后，扬声器46用于接收所述定位信号，并根据所述定位信号进行语音提示，即扬声器播报语音，提醒用户可以开始操作主端握持组件1，在所述主端握持组件1被施加握合力矩时，所述主端控制电路5根据主端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述主端电机11转动以带动主端握持组件1的闭合动作，接着由于所述主端控制电路5和从端控制电路6之间进行通讯，从而从端控制电路6根据从端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述从端电机21转动以带动从端夹持组件2的闭合动作，使得从端夹持组件2可以夹住被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体32，那么操作主端握持组件1的用户便可以感受到可被夹物体32的软硬程度以得到一种装调简单、成本相对低廉的面向科普的触觉通信装置。
在具体实施中，所述主端电机控制信息包括主端编码器角度、主端编码器的角速度和主端电机受力大小，所述从端电机控制信息包括从端编码器角度、从端编码器的角速度和从端电机受力大小。
在具体实施中，所述软硬度选择按钮的数量和从端换物台上放置的可被夹物体的数量一致。具体的，如图1和图5所示，主操作台4上的软硬度选择按钮为3个，从端换物台3上放置的可被夹物体32也为3个，方便用户的操作。
在具体实施中，如图3所示，从端换物台3包括支撑平台38、位于支撑平台38上的传送带33、一一对应位于传送带33两端的两个转动轴37、多个高度不同光电检测开关34和多个长度不同的遮光片36，所述多个高度不同光电检测开关34设置在传送带33的下方且位于从端夹持组件2的正下方，多个遮光片36位于在传送带33的下方且光电检测开关34与多个遮光片36相对设置，两个转动轴37分别与传送带驱动电机31连接，当传送带33在运动时可带动其中的一个遮光片36使得其中一个光电检测开关34断开。具体的，可被夹物体32的数量与所述遮光片36的数量一致，且每个可被夹物体32位于对应遮光片36的正上方。所述从端换物台4还包括一一对应位于靠近传送带33两端的两个限位开关35，所述限位开关35和光电检测开关36位于所述传送带33的同一侧以防止可被夹物体32的掉落。
具体的，如图4所示，从端换物台3有一支撑平台38做支撑作用，支撑平台38上安装传送带33，传送带33左右各有一个转动轴37，左端转动轴37可自由转动，右端转动轴37通过皮带与放置在支撑平台38下方的传送带驱动电机31的电机轴连接，因此可由电机的转动带动传送带的运动。支撑平台38上在靠近传送带两端各安装一个限位开关35，在传送带33中间位置安装多个光电检测开关34，光电检测开关34均采用光电对管实现。光电对管分为一个发射管与一个接收管，发射管发射光线，接收管根据是否接收到光线输出不同的电平，从端控制电路6中的I/O接口可检测到该电平。不同可被夹物体32对应的遮光片36高低不同，光电检测开关34的数量与可被夹物体32数量相同，不同可被夹物体32对应的遮光片36遮挡的是不同的光电检测开关34，只需要判断是哪个光电检测开关34被遮挡了就可以判断是哪个按钮对应的可被夹物体32运动到传送带33中央。传送带33上有软、较硬、硬这三种不同软硬程度的物体，从左至右分别为海绵、橡胶、铁块。三个可被夹物体32下方均悬挂一个遮光片，当某个可被夹物体32运动到传送带33中央，该可被夹物体32下方的遮光片36恰好处于对应光电检测开关34的发射管与接收管之间，挡住发射管向接收管发射的光线，从而改变光电检测开关34的输出电平，从端控制电路6便可据此判断传送带33上可被夹物体32是否已运动到传送带中央。当某个可被夹物体32运动到传送带33边缘，该可被夹物体32下方遮光片36也恰好处于传送带33边缘的限位开关35的发射管与接收管之间，挡住发射管向接收管发射的光线，从而改变限位开关35的输出电平，从端控制电路6可据此判断传送带33上可被夹物体32是否已运动到传送带33的边缘。也就是说，限位开关35的作用是放置传送带33上的可被夹物体32掉下来，即用限位开关35检测可被夹物体32体已经到达边缘。另外三个光电检测开关34和限位开关35的安装位置以及三个可被夹物体32的安装位置决定了每一时刻只能有一个开关被触发。从端夹持组件2正对着光电检测开关34，只要物体足够大，当检测到光电检测开关34被触发时，从端夹持组件2下方一定有一个物体能够被夹持到。当传送带33朝着任何一个方向运动时，当右侧边缘的限位开关35被触发，传送带33停止时，此时可作为初始状态。随后，主端按钮选择任意物体，如选择橡胶，则令传送带33向左转动，当中间的光电检测开关34第二次被触发时传送带33停止，则橡胶就在从端夹持组件2的下方。
在具体实施中，如图2所示，所述主端握持组件1包括握持把手12、主端轴与轴承13、主端电机11、主端编码器14和主端支撑件15，所述主端电机11和主端编码器14设置在所述主端支撑件15上，主端轴与轴承13分别与握持把手12和主端电机11连接。具体的，如图2所示，所述主端握持组件1主要包括握持把手12，主端轴和轴承13，主端电机11，主端编码器14和主端支撑组件15。握持把手12由密度小、强度高的铝合金材料制成，采用铝合金材料既保证了握持把手12的硬度，又不会由于握持把手12重量太重影响操作者的握持体验。握持把手12外轮廓设计为直条状，方便人手握持。握持把手12通过主端轴与轴承13安装在主端电机11的主端轴上，主端轴与轴承13又与主端电机11的电机轴连接，由此电机轴顺时针与逆时针两个方向的旋转运动转换为握持把手12的张开与闭合运动。主端编码器14安装在主端电机11后部，二者同轴连接，因此主端编码器14测得的转速便代表了主端电机11的转速。主端支撑组件15同样采用铝合金材料制成。所述主端握持组件1中其他各部件均安装在主端支撑组件15上，由主端支撑组件15提供支撑和固定作用。
在具体实施中，如图3所示，所述从端夹持组件2包括夹子22、从端轴与轴承23、从端电机21、从端编码器24和从端支撑件25，所述从端电机21和从端编码器24设置在所述从端支撑件25上，从端轴与轴承23分别与夹子22和从端电机21连接。具体的，如图3所示，所述从端夹持组件2主要包括夹子22，从端轴和轴承23，从端电机21，从端编码器24，从端支撑组件25。夹子22同样由密度小、强度高的铝合金材料制成，采用铝合金材料既保证了夹子22的硬度，又不会由于夹子22重量太重而增大从端电机21的运动阻力。夹子22的轮廓设计为折线型，方便夹持物体。夹子22安装在从端轴和轴承23上，从端轴与轴承23又与从端电机21的电机轴连接，由此将电机轴顺时针与逆时针两个方向的旋转运动转换为夹子22的张开与闭合运动。从端编码器24安装在从端电机21后部，二者同轴连接，因此从端编码器24测得的转速便代表了从端电机21的转速。从端支撑组件25同样采用铝合金材料制成。在从端夹持组件2中除从端支撑组件25的其他各部件均安装在从端支撑组件25上，由从端支撑组件25提供支撑和固定作用。
在具体实施中，如图6所示，所述主端控制电路5主要包括主端控制器51、第一主从通信接口52、主端I/O接口53、显示屏驱动模块54、语音驱动模块55、编码器读数接口56和主端电机驱动器57。为满足运行过程中对数据处理速度的较高要求，主端控制器51采用运算能力较强的STM32F407芯片。主从通信接口52采用以太网通信接口，主端控制器51与从端控制器61之间通过以太网进行数据交互，数据交互的通信协议基于TCP/IP协议，保证了数据交互的快速性与稳定性。主端控制器51通过主端I/O接口53与主操作台4的按钮电路相连，按钮电平信号通过主端I/O接口53输出至主端控制器51，主端控制器51以此判断哪个按钮被按下。主端控制器与主操作台4的显示屏通过主端I/O接口53进行通讯，实现主端控制器51对显示屏更为快速，便捷的驱动。语音驱动模块55采用ISD1820模块，语音驱动模块55直接与主端I/O接口53相连，同时语音驱动模块55与扬声器连接并可直接驱动扬声器，实现较大声音的语音播报。编码器读数接口56为RS485通讯接口，基于MAX485芯片完成接口硬件电路设计，编码器读数接口56采用差分信号负逻辑，且接线采用两线制接线方式，有效解决共模干扰问题，保证通信的稳定可靠。主端电机驱动器57为三相桥驱动组件，由主端控制器51输出的PWM信号决定三相桥导通情况，进而驱动主端握持装置中无刷电机的转动。
在具体实施中，如图7所示，从端控制电路6主要包括从端控制器61、第二主从通信接口62、从端I/O接口63、编码器读数接口64、从端电机驱动器65和传送带电机驱动器66。从端控制电路6的设计与主端控制电路5有较多类似，为满足对运算速度的较高要求，从端控制器61同样采用STM32F407芯片。第二主从通信接口62采用以太网通信接口，主端控制器51与从端控制器61之间通过以太网并基于TCP/IP协议进行数据交互。从端控制器61通过从端I/O接口636与从端换物台4上光电检测开关34及限位开关相连，光电检测开关34及限位开关35根据自身是否被遮光片36遮挡输出不同I/O电平，不同I/O电平通过从端I/O接口63传入从端控制器61，从端控制器61据此判断可被夹物体32是否已传送到光电检测开关34上方或者是否有可被夹物体32运动到限位位置，当判断被夹物体32已传送到光电检测开关34上方或者是否有可被夹物体32运动到限位位置时控制传送带电机驱动器66以使传送带电机停止转动并输出定位信号至所述主端控制器51。编码器读数接口64为RS485通讯接口，基于MAX485芯片完成接口硬件电路设计。从端电机驱动器65及传送带电机驱动器66为三相桥驱动组件，由从端控制器61输出的PWM信号决定三相桥导通情况，进而驱动从端夹持组件2中的从端电机21以及传送带驱动电机31的转动。
在具体实施中，面向科普的触觉通信装置的主端控制电路5对主端握持组件1实现控制操作过程如下：主端控制电路5中的控制程序开始运行后，首先完成各项初始化，然后开始读取主端电机11的编码器数值，接着读取从从端控制器61发送到主端控制器51的数据，从端控制器61发送到主端控制器51的数据具体为：从端编码器的编码数值以及根据从端编码器的编码数值计算得到从端编码器的编码角度、从端角速度和从端电机受力量。之后检测主操作台4上的三个软硬度选择按钮中哪个按钮已被按下，并判断对应软硬度的可被夹物体32是否已经移动到指定位置。若被夹物体没有运动到指定位置，则继续检测按钮状态；若可被夹物体32已经运动到位，则通过显示屏的显示以及语音模块的语音播报提示操作者可以开始下一步操作。接下来通过主端编码器的编码数值以及根据主端编码器的编码数值得到的所述主端电机控制信息和从端编码器的编码数值以及根据从端编码器的编码数值得到从端电机控制信息以计算出对主端电机51的控制量，并对主端电机的控制量将输出到电机驱动器以驱动主端电机51。最后判断是否接收到结束信号，若没有接收到结束信号，则返回程序开头继续读取编码器数值；若接收到结束信号，则程序结束。其中通过主端编码器的编码数值以及根据主端编码器的编码数值得到的所述主端电机控制信息和从端编码器的编码数值以及根据从端编码器的编码数值得到从端电机控制信息以计算出对主端电机51的控制量的公式如下：
其中，um(k)表示k时刻的主端电机控制量；θs(k)和θm(k)分别表示从端编码器角度和主端编码器角度；和分别表示根据从端和主端编码器角度计算得到的角速度；
fm(k)和fs(k)分别表示根据编码器角度和控制量计算得到的主端电机受力量和从端电机受力量。另外Kp，Kv和Kf分别一一对应表示位置控制增益、速度控制增益和力控制增益，
Kp>0、Kv>0，Kf>1。
根据编码器的编码数值计算速度可以采用差分法或其它工程上常用的方法，例如：
其中ts为采样时间。
力的计算方法可采用基于观测器的方法，例如：
其中，Lm(k)表示k时刻低通滤波输出变量；Jm表示主端转动惯量，Kl是观测器增益。
面向科普的触觉通信装置的从端控制电路6对从端夹持组件2实现控制操作过程和面向科普的触觉通信装置的主端控制电路5对主端握持组件1实现控制操作过程类似，不再一一描述。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (9)
1.一种面向科普的触觉通信装置，其特征在于：所述触觉通信装置包括：主操作台、具有主端电机和主端编码器的主端握持组件、具有从端电机和从端编码器的从端夹持组件、具有传送带电机的从端换物台、具有主端电机的主端控制电路和从端控制电路，所述从端换物台位于从端夹持组件的下方；
所述主操作台包括至少两个软硬度选择按钮，用于接收到至少两个软硬度选择按钮中其中一个按钮的按下信号时，通过主端控制电路输出控制信号至从端控制电路以控制所述从端换物台的传送带电机转动；
所述从端控制电路，用于接收所述主操作台的控制信号，并根据控制信号控制传送带电机转动以移动被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体，并当该可被夹物体移动到从端夹持组件的指定位置时控制传送带电机停止转动并输出定位信号至所述主端控制电路；
所述主端控制电路，用于在接收到至少两个软硬度选择按钮中其中一个按钮的按下信号时判断是否接收到所述定位信号，并当接收到所述定位信号时将所述定位信号反馈至所述主操作台，以及获取从端编码器的编码信息和从端电机控制信息，发送主端电机控制信息至所述从端控制电路并根据主端编码器的编码信息和从端电机控制信息得到主端电机的控制量，并且在所述主端握持组件被施加握合力矩时，根据主端电机的控制量和所述握合力矩驱动所述主端电机转动；
所述从端控制电路，用于获取从端编码器的编码信息、主端电机控制信息和所述握合力矩，发送从端电机控制信息至所述主端控制电路，并根据从端编码器的编码信息、主端电机控制信息和所述握合力矩得到从端电机的控制量，以及根据从端电机的控制量驱动所述从端电机以带动从端夹持组件夹住被按下按钮所对应软硬度的可被夹物体；
其中，所述主端控制电路分别与所述主操作台、主端握持组件和从端控制电路连接，所述从端控制电路分别与从端夹持组件、从端换物台连接。
2.如权利要求1所述的触觉通信装置，其特征在于：所述主端电机控制信息包括主端编码器角度、主端编码器的角速度和主端电机受力大小，所述从端电机控制信息包括从端编码器角度、从端编码器的角速度和从端电机受力大小。
3.如权利要求1所述的触觉通信装置，其特征在于：主操作台还包括扬声器，用于接收所述定位信号，并根据所述定位信号进行语音提示。
4.如权利要求1所述的触觉通信装置，其特征在于：所述软硬度选择按钮的数量和从端换物台上放置的可被夹物体的数量一致。
5.如权利要求1所述的触觉通信装置，其特征在于：从端换物台包括支撑平台、位于支撑平台上的传送带、一一对应位于传送带两端的两个转动轴、多个高度不同光电检测开关和多个长度不同的遮光片，所述多个高度不同光电检测开关设置在传送带的下方且位于从端夹持组件的正下方，多个遮光片位于在传送带的下方且光电检测开关与多个遮光片相对设置，两个转动轴分别与传送带驱动电机连接，当传送带在运动时可带动其中的一个遮光片使得其中光电检测开关断开。
6.如权利要求5所述的触觉通信装置，其特征在于：可被夹物体的数量与所述遮光片的数量一致，且每个可被夹物体位于对应遮光片的正上方。
7.如权利要求5所述的触觉通信装置，其特征在于：所述从端换物台还包括一一对应位于靠近传送带两端的两个限位开关，所述限位开关和光电检测开关位于所述传送带的同一侧。
8.如权利要求1所述的触觉通信装置，其特征在于：所述主端握持组件包括握持把手、主端轴与轴承、主端电机、主端编码器和主端支撑件，所述主端电机和主端编码器设置在所述主端支撑件上，主端轴与轴承分别与握持把手和主端电机连接。
9.如权利要求1所述的触觉通信装置，其特征在于：所述从端夹持组件包括夹子、从端轴与轴承、从端电机、从端编码器和从端支撑件，所述从端电机和从端编码器设置在所述从端支撑件上，从端轴与轴承分别与夹子和从端电机连接。
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