CN110763319A - 一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人 - Google Patents
一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种砝码搬运机器人,应用于机器人领域,为了解决现有的台秤、磅秤在计量检测中采用人工搬运砝码存在计量检测效率低下的问题;本发明的砝码搬运机器人包括:人机交互设备、工控主机、运动控制器、电器柜以及机械本体;所述人机交互设备与工控主机相连,所述工控主机与运动控制器相连,所述运动控制器与电器柜相连,所述电器柜与机械本体相连;所述电器柜至少包括伺服驱动器,所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪,机械手爪与伺服电机相连,所述伺服驱动器在运动控制器的控制下驱动伺服电机,所述伺服电机在伺服驱动器的驱动下控制机械手爪移动,所述机械手爪用于抓取锁形砝码。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域,特别涉及一种用于砝码搬运的机器人。
背景技术
计量检定在计量工作中具有十分重要的地位。它是统一盘值,确保计量器具准确一致的重要措施;是进行量值传递或量值溯源的重要形式;是为国民经济建设提供计量保证的重要条件,是对全国计量实行国家监督的一种手段。但是现有的台秤、磅秤在计量检测中仍存在采用人工抓取、放置、运送砝码的操作方式,不仅人工劳动强度大,并且工作效率不高。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,通过控制机械手爪自动搬运砝码,提高了台秤、磅秤的计量检定效率。
本发明采用的技术方案为:一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,包括:人机交互设备、工控主机、运动控制器、电器柜以及机械本体;所述人机交互设备与工控主机相连,所述工控主机与运动控制器相连,所述运动控制器与电器柜相连,所述电器柜与机械本体相连;所述电器柜至少包括伺服驱动器,所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪,机械手爪与伺服电机相连,所述伺服驱动器在运动控制器的控制下驱动伺服电机,所述伺服电机在伺服驱动器的驱动下控制机械手爪移动;所述机械手爪用于抓取锁形砝码。
进一步地,所述伺服电机包括:X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机以及C轴伺服电机;所述X轴伺服电机控制机械手爪在X轴方向的运动,所述Y轴伺服电机控制机械手爪在Y轴方向的运动,所述Z轴伺服电机控制机械手爪在Z轴方向的运动,所述C轴伺服电机控制机械手爪绕Z轴旋转;当X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机采用齿轮+齿条的传动方式时,所述机械手爪与C轴伺服电机的从动同步带轮轴相连。
进一步地,所述机械手爪包括:基座,固定于基座上的第一气缸、第二气缸,与第一气缸连接的右夹,与第二气缸连接的左夹,还包括:导杆,所述导杆中部与基座底部固定连接,导杆两端穿过左夹与右夹各自的固定部件;所述左夹与右夹常态为张开状态;当第一气缸、第二气缸在运动控制器的控制下各自推杆外伸时,对应的左夹与右夹转为闭合状态。
更进一步地,所述机械手爪还包括:固定于基座上的第三气缸,固定于基座底部的滑轨座,与滑轨座滑动连接的两个滑块,记为右滑块、左滑块,所述第一气缸缸体与右滑块相连,第二气缸缸体与左滑块相连,所述右滑块与左滑块分别与第三气缸相连,所述运动控制器通过提供IO信号控制第三气缸的伸缩动作;通过第三气缸推杆的伸缩改变左夹与右夹之间的距离,所述导杆中部与滑轨座固定连接。
进一步地,所述机械手爪为L型勾手;所述L型勾手包括:本体与勾体两个部分,所述勾体上设有V型槽。
更进一步地,所述机械手爪还包括:与L型勾手本体固定连接的第四气缸,所述第四气缸与勾体同侧,还包括与第四气缸推杆相连的C型压块,所述第四气缸在运动控制器的控制下推杆外伸带动C型压块与锁形砝码上表面紧密接触,将锁形砝码握柄固定在勾手上。
进一步地,所述机械手爪为C型勾手,所述C型勾手包括本体与勾体两个部分,所述勾体上设有V型槽。
更进一步地,所述机械手爪还包括:与C型勾手顶部固定连接的支架,所述支架上固定有第五气缸、第六气缸,第五气缸的推杆通过第一连杆连接有第一顶杆,第六气缸的推杆通过第二连杆连接有第二顶杆,所述运动控制器通过提供IO信号控制第五气缸、第六气缸的伸缩动作;通过第五气缸、第六气缸各自推杆的伸缩动作改变第一顶杆与第二顶杆之间的距离。
进一步地,所述机械本体还包括拉压力传感器,当X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机采用齿轮+齿条的传动方式时,所述机械手爪通过拉压力传感器与C轴伺服电机的从动同步带轮轴相连。
进一步地,所述机械本体还包括激光测距传感器,所述激光测距传感器与工控主机相连,用于检测被测称重台面尺寸。
本发明的有益效果:本发明的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,所述人机交互设备与工控主机相连,所述工控主机与运动控制器相连,所述运动控制器与电器柜相连,所述电器柜与机械本体相连;所述电器柜至少包括伺服驱动器,所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪,所述伺服电机在伺服驱动器的控制下控制机械手爪移动;所述机械手爪用于抓取锁形砝码;通过4自由度的龙门结构,实现了机械手爪在空间的移动,并提出了三种机械手爪的实现方式,保证砝码的有效抓取;并结合拉压力传感器,监控手爪抓取状态;本发的搬运砝码机器人有效地提高了台秤、磅秤的计量检测效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的砝码搬运机器人电器连接示意图;
图2为本发明实施例提供的机械本体采用的四自由度直角坐标结构图;
图3为本发明实施例提供的气缸连杆型双夹手的机械手爪结构图;
图4为本发明实施例提供的图3中机械手爪夹紧砝码握杆的状态图;
图5为本发明实施例提供的气缸顶部压紧L型勾手的机械手爪结构图;
图6为本发明实施例提供的图5中机械手爪抓握砝码的状态图;
图7为本发明实施例提供的气缸两侧压紧C型勾手的机械手爪结构图;
图8为本发明实施例提供的图7中机械手爪抓握砝码的状态图;
图9为本发明实施例提供的机械手爪通过力传感器连接C轴伺服电机的从动同步带轮轴的结构示意图;
附图标记:1为X轴伺服电机,2为Y轴伺服电机,3为Z轴伺服电机,301为一级齿轮,302为单一齿轮,303为齿条,4为C轴伺服电机,401为同步带,402为同步带轮,5为机械手爪,6为拉压力传感器,7为激光传感器,11为基座,12为第一气缸,13为第二气缸,141为右夹,142为左夹,15为导杆,16为第三气缸,17为滑轨座,18为滑块,21为L型勾手本体,22为L型勾手勾体,23为第四气缸,24为C型压块,31为C型勾手本体,32为C型勾手勾体,33为支架,34为第五气缸,35为第六气缸,36为第一顶杆,37为第二顶杆。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容,下面结合附图1-9对本发明内容进一步阐释。
如图1所示,本发明的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,至少包括:人机交互设备、工控主机、运动控制器、电器柜以及机械本体;所述人机交互设备与工控主机相连,所述工控主机与运动控制器相连,所述运动控制器与电器柜相连,所述电器柜与机械本体相连;所述电器柜至少包括伺服驱动器,所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪,所述伺服电机在伺服驱动器的控制下控制机械手爪移动;所述机械手爪用于抓取锁形砝码。
如图2所示,本发明的机械本体部分采用龙门结构,含X、Y、Z、C四个方向自由度;即X轴伺服电机1,Y轴伺服电机2,Z轴伺服电机3,C轴伺服电机4,考虑负载较重和横梁跨度较大,X轴采用了双伺服电机同步驱动,经同步带减速传动后,依靠齿轮齿条啮合将旋转运动转化为X轴方向的平移运动;Y轴电机用一级齿轮传动降速增力,经齿轮齿条转为Y轴方向平移运动;Z轴伺服电机用一级齿轮301传动降速增力,经单一齿轮302齿条303转为Z轴升降运动;C轴电机经同步带401带动机械手爪绕Z轴旋转;机械手爪与C轴电机从动同步带轮轴402相连。
本发明的X轴伺服电机1,Y轴伺服电机2,Z轴伺服电机3除了采用上述的齿轮+齿条的传动方式外,还可以是滚珠丝杆+螺母滑块的传动方式,当采用丝杆螺母传动时,所述机械手爪5与Z轴伺服电机滚珠丝杆上的螺母滑块相连。
所述人机交互设备包括鼠标、键盘、显示器等;所述工控主机与人机交互设备相连,如图1所示,工控主机通过VGA/HDMI端口与显示器相连,通过USB端口与鼠标、键盘相连;所述工控主机通过ISA/PCI总线与运动控制器相连;所述运动控制器用于控制伺服电机(X/Y/Z/C)的协同运动和IO信号处理,通常以板卡形式插接在工控主机机箱的内部。
实际应用中人机交互设备、工控主机、运动控制器设于操作台上。
所述电器柜包括:伺服驱动器、中间继电器、转接端子以及信号调理模块,所述运动控制器分别与伺服驱动器、中间继电器、转接端子以及信号调理模块相连。
所述机械本体包括:伺服电机、电磁阀、气缸、霍尔开关、超声传感器、拉压力传感器6、激光测距传感器7等。所述霍尔传感器也叫磁性开关,配合气缸使用,用于检测气缸活塞(与推杆固连)是否运动到位。
所述伺服驱动器在运动控制器的控制下驱动伺服电机,所述转接端子分别与霍尔开关、超声传感器、光电限位开关相连,信号调理电路与拉压力传感器6相连;中间继电器接收运动控制器下发的气缸控制输出信号,接通对应继电器触点,对应的电磁阀得电,与该电磁阀连接的气缸冲压,当继电器释放,电磁阀失电,与该电磁阀连接的气缸复位。本发明实施例中的气缸采用活塞式气缸。
运动控制器向伺服电机下发脉冲、方向信号,伺服电机向运动控制器传送报警、使能等其他IO信号;运动控制器向中间继电器下发气缸控制输出信号,运动控制器向转接端子下发其他IO信号,拉压力传感器6通过信号调理模块向运动控制器传输AD信号。
机械手爪是直接抓取砝码的重要部件,本发明实施例提供了三种实现方式:
实施例一、气缸连杆型双夹手
包括:基座11,固定于基座上的第一气缸12、第二气缸13,与第一气缸12连接的右夹141,与第二气缸13连接的左夹142,还包括:导杆15,所述导杆15中部与基座11底部固定连接,导杆15两端与左夹142与右夹141各自的固定部件连接;所述左夹142与右夹141常态为张开状态;当第一气缸12、第二气缸13在运动控制器的控制下各自推杆外伸时,对应的右夹141与左夹142转为闭合状态。
为了防止砝码在运送中发生旋转,如图3所示,本发明的气缸连杆型双夹手还包括:固定于基座上的第三气缸16,固定于基座底部的滑轨座17,与滑轨座滑动连接的两个滑块18,记为右滑块、左滑块,所述第一气缸12缸体与右滑块相连,第二气缸13缸体与左滑块相连,所述右滑块与左滑块分别与第三气缸16相连,所述运动控制器通过提供IO信号控制第三气缸16的伸缩动作;通过第三气缸16推杆的伸缩改变左夹与右夹之间的距离,通过第三气缸16推杆的外伸推动左夹142与右夹141沿着导杆15向外移动,最终抵靠在砝码握杆两端的内侧面上,能够兼顾大小不同的砝码;
兼顾不同大小的砝码具体指:对于大砝码,砝码握杆相对长一些,则左右滑块滑移距离远点,对于小砝码,砝码握杆相对短一些,则左右滑块滑移距离近一些,第三气缸连杆张角小一些。此种情况,所述导杆中部与滑轨座固定连接。
本实施例的左右夹各自采用两个夹片,以右夹为例,两个夹片活动固定对应的固定部件上,两个夹片闭合时呈Y字型,两个夹片中部采用齿轮啮合;两个夹片尾部采用弹簧连接,两个夹片分别通过连杆与第一气缸的推杆连接。
需要抓握砝码时:
1、第三气缸推杆下推,带动与其相连的两个连杆外撑,使左右滑块沿导轨座向外滑动,左右夹沿着导杆向外移动,如图4所示,最终抵靠在砝码握杆两端的内侧面上;
2、然后第一、第二气缸推杆外伸,带动各自的连杆张开,也就带动左右夹的尾部张开,把已经受拉伸的弹簧进一步拉伸;
3、左右夹尾部张开,依靠铰链作用以及夹片之间的齿轮啮合,左右夹在头部合拢,夹紧砝码握杆。
需要松开砝码时:
1、左右气缸推杆内缩,连杆内收,在弹簧拉力作用下,左右夹尾部合拢,头部张开;
2、中气缸推杆上提,带动两个连杆内收,使左右滑块沿导轨座向内滑动,左右夹沿着导杆向内移动,各自离开砝码握杆两端的内侧面。
实施例二、气缸顶部压紧L型勾手
如图5所示,L型勾手包括:本体21与勾体22两个部分,所述勾体22上设有V型槽。
为了防止后续运转砝码时,砝码在机械手上产生滑移和晃动,本实施例的L型勾手还包括:与L型勾手本体22固定连接的第四气缸23,所述第四气缸23与勾体22同侧,还包括与第四气缸23推杆相连的C型压块24,所述第四气缸23在运动控制器的控制下推杆外伸带动C型压块24与锁形砝码上表面紧密接触,将锁形砝码握柄固定在勾手上。
平时手爪为松开状态,气缸活塞推杆为缩回状态,C型压块端部与L型勾手之间的空隙较大。
需要抓握砝码时:
控制L型勾手的外伸侧平移插入砝码的握柄下方间隙中,随后向上提升,砝码握柄在重力作用下滑入L型勾手的V型槽中,控制气缸得气,推杆外伸,使C型压块端部压贴在砝码顶部的平面上,如图6所示,以防止后续运转砝码时,砝码在机械手上产生滑移和晃动。
需要松开砝码时:
确认砝码运送到位且底面已经接触支撑面后,先控制气缸活塞推杆收回,使C型压块离开砝码顶部平面,之后控制L型勾手短距离下移,离开砝码握柄,再水平移动,将L型勾手的外伸侧完全从砝码握柄下方的空隙中抽离出来。
实施例三、气缸两侧压紧C型勾手
如图7所示,C型勾手包括本体31与勾体32两个部分,所述勾体上设有V型槽。
为了防止后续运转砝码时,砝码在机械手爪上产生滑移和晃动,本实施例的C型勾手还包括:与C型勾手顶部固定连接支架33,所述支架33上固定有第五气缸34、第六气缸35,第五气缸34的推杆通过第一连杆连接有第一顶杆36,第六气缸35的推杆通过第二连杆连接有第二顶杆37,通过运动控制器控制第五气缸34、第六气缸35各自推杆伸缩动作,控制第一顶杆36与第二顶杆37之间的距离。
第五气缸34、第六气缸35的缸体与支架33固定连接,C型勾手与支架固定连接,平面铰链位于支架两侧凹槽与支架固定连接。
平时手爪为打开状态,气缸推杆收缩,通过球铰带动连杆呈正“八”字形外张,球铰带动顶杆沿导向孔向外平移。
需要抓握砝码时:
控制C型勾手的外伸侧平移插入砝码的握柄下方间隙中,随后向上提升,砝码握柄在重力作用下滑入C型勾手的V型槽中,控制气缸得气,推杆外伸,在球铰链和连杆作用下,左右顶杆夹紧砝码,如图8所示,以防止后续运转砝码时,砝码在机械手上产生滑移和晃动。
需要松开砝码时:
确认砝码运送到位且底面已经接触支撑面后,先控制气缸活塞推杆收回,使连杆和球铰链带动顶杆松开砝码,之后控制C型勾手短距离下移,离开砝码握柄,再水平移动,将C型勾手的外伸侧完全从砝码握柄下方的空隙中抽离出来。
本发明还提供以下方案以获取当前机械手爪外部受力情况,以准确判断提取砝码与放下砝码:
在机械手爪5通过拉压力传感器6与C轴从动同步带轮轴连接,如图9所示,使得主机控制程序中可以读取到当前机械手外部受力的情况。
砝码抓取阶段,空的手爪在下降过程或停下准备抓取时,通过力传感器应测到拉力为零或者很小才是正常的状态,如果检测到反向的压力,则表明是夹爪抵触到了砝码或别的物品;夹爪闭合,开始上提时,主机程序检测到负重急剧增加并且增量在设定的阈值范围内,就可以判定抓取成功。
砝码放置阶段,松开夹爪的时机或者位置也可以用类似方法判断,下降过程中,如果检测到负重急剧减少并且减少量在设定阈值范围内,就可以判定砝码已经触底,放置到位,可以松开夹爪了;从松开夹爪到空手上升过程中,拉力值应明显降低或者回零,这就说明砝码确实已经放下了,否则表明砝码没有完全脱离开。
本发明还提供以下方案在秤台尺寸和摆放位置不同情况下,自动确定秤台与机械手相对位置:
在龙门结构外加装围栏,围栏内部形成工作区域,在工作区域内安装相互垂直的X向挡块与Y向挡块用于初始秤台摆放的定位,然后加上激光测距传感器,在X向与Y向进行扫描来确定秤台的尺寸和位置,当秤台抵靠在预先设计安装的两个相互垂直的挡块上后,秤的位置与机器人的位置就固定了(秤台在机器坐标系下的位置就确定下来了),激光传感器安装在机械手爪附近,如图9所示,伺服电机采用齿轮+齿条传动时,激光传感器安装在Z轴伺服电机齿条上,随着X、Y、Z轴移动,但不随C轴转动;本领域技术人员应注意,本发明的机械本体部分采用龙门结构,X轴移动时,移动的是横梁和上面的部件;Y轴移动时,移动的是横梁上的部件,横梁自身不动;所述激光测距传感器随着X、Y、Z轴沿扫描线移动,并且读取测到的距离和坐标,可以自动计算出秤台的长宽高尺寸。
当伺服电机X、Y、Z采用滚珠丝杆+螺母滑块传动时,激光传感器则安装在Z轴伺服电机的螺母滑块上。
为了确保操作人员安全,本发明还包括以下实施例:
将超声测距传感器与机械手爪末端执行部件安装在一起,事先设定好超声的报警距离,比如20cm,当人员或物品在机器运动过程中,误入工作区域的时候,超声传感器可以检测到障碍物,使机器人及时停止动作,避免发生危险(这一安全检测功能也可以采用安全光幕来实现),所述工作区域的围栏上开设有小窗,便于人员透过围栏上的窗口直接观察工作区域的情况;通过在围栏上安装相机,且使相机视野涵盖砝码搬运机器人的活动范围,便于操作人员在围栏外的操作台电脑上观察内部情况。
机器人的4个自由度XYZC,在其极限位置都安装有光电式的限位开关,发生跑飞等意外状况时机器可以自动急停;而且,每个自由度都还安装有用于机械限位的挡块,可以真正在物理上限制活动部件的工作范围。
4个自由度的运动控制均采用交流伺服系统,在伺服驱动器上设置力矩上限,超出力矩范围时,该轴会自动停止工作并且显示报警信息,主机控制程序也会在检测到驱动报警信号后停止其他一切动作。
本领域的普通技术人员将会意识到,这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理,应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,包括:人机交互设备、工控主机、运动控制器、电器柜以及机械本体;所述人机交互设备与工控主机相连,所述工控主机与运动控制器相连,所述运动控制器与电器柜相连,所述电器柜与机械本体相连;所述电器柜至少包括伺服驱动器,所述机械本体至少包括伺服电机与机械手爪,机械手爪与伺服电机相连,所述伺服驱动器在运动控制器的控制下驱动伺服电机,所述伺服电机在伺服驱动器的驱动下控制机械手爪移动;所述机械手爪用于抓取锁形砝码。
2.根据权利要求1所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述伺服电机包括:X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机以及C轴伺服电机;所述X轴伺服电机控制机械手爪在X轴方向的运动,所述Y轴伺服电机控制机械手爪在Y轴方向的运动,所述Z轴伺服电机控制机械手爪在Z轴方向的运动,所述C轴伺服电机控制机械手爪绕Z轴旋转;当X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机采用齿轮+齿条的传动方式时,所述机械手爪与C轴伺服电机的从动同步带轮轴相连。
3.根据权利要求2所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述机械手爪包括:基座,固定于基座上的第一气缸、第二气缸,与第一气缸连接的右夹,与第二气缸连接的左夹,还包括:导杆,所述导杆中部与基座底部固定连接,导杆两端穿过左夹与右夹各自的固定部件;所述左夹与右夹常态为张开状态;当第一气缸、第二气缸在运动控制器的控制下各自推杆外伸时,对应的左夹与右夹转为闭合状态。
4.根据权利要求3所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述机械手爪还包括:固定于基座上的第三气缸,固定于基座底部的滑轨座,与滑轨座滑动连接的两个滑块,记为右滑块、左滑块,所述第一气缸缸体与右滑块相连,第二气缸缸体与左滑块相连,所述右滑块与左滑块分别通过连杆与第三气缸相连,所述运动控制器通过提供IO信号控制第三气缸的伸缩动作;通过第三气缸推杆的伸缩改变左夹与右夹之间的距离,所述导杆中部与滑轨座固定连接。
5.根据权利要求2所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述机械手爪为L型勾手;所述L型勾手包括:本体与勾体两个部分,所述勾体上设有V型槽。
6.根据权利要求5所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述机械手爪还包括:与L型勾手本体固定连接的第四气缸,所述第四气缸与勾体同侧,还包括与第四气缸推杆相连的C型压块,所述第四气缸在运动控制器的控制下推杆外伸带动C型压块与锁形砝码上表面紧密接触,将锁形砝码握柄固定在勾手上。
7.根据权利要求2所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述机械手爪为C型勾手,所述C型勾手包括本体与勾体两个部分,所述勾体上设有V型槽。
8.根据权利要求7所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述机械手爪还包括:与C型勾手顶部固定连接的支架,所述支架上固定有第五气缸、第六气缸,第五气缸的推杆通过第一连杆连接有第一顶杆,第六气缸的推杆通过第二连杆连接有第二顶杆,所述运动控制器通过提供IO信号控制第五气缸、第六气缸的伸缩动作;通过第五气缸、第六气缸各自推杆的伸缩动作改变第一顶杆与第二顶杆之间的距离。
9.根据权利要求2-8任一项权利要求所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述机械本体还包括拉压力传感器,当X轴伺服电机、Y轴伺服电机、Z轴伺服电机采用齿轮+齿条的传动方式时,所述机械手爪通过拉压力传感器与C轴伺服电机的从动同步带轮轴相连。
10.根据权利要求2-8任一项权利要求所述的一种用于台秤计量检测的砝码搬运机器人,其特征在于,所述机械本体还包括激光测距传感器,所述激光测距传感器与工控主机相连,用于检测被测称重台面尺寸。
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- 2019-10-31 CN CN201911049598.2A patent/CN110763319B/zh not_active Expired - Fee Related
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