仿人柔性机械手说明书 - 图文

毕业设计（论文）

仿人柔性机械手设计

摘 要

灵巧机械手是近年来机器人领域讨论的热门话题，世界上很多国家的研究机构都开展了关于机械手的研究。本文重点讨论了机械手的运动系统，包括机构，传动和驱动，本课题主要研究内容如下：

第一章 概述。主要介绍课题来源、国内外现状以及本文所要作的工作。

第二章 灵巧机械手总体方案设计。先后介绍了灵巧机械手总体方案的初步设计，灵巧机械手的设计步骤、主要参数的计算、关键的结构设计，机械传动系统和电气驱动设计。

第三章 对方案二的改进设计综述。论述了方案二的结构与传动设计。

第四章 关键结构（零部件）的分析和设计。为了提高机械手的运动速度和控制精度，要求机械手的传动机构具有结构紧凑、体积小、重量轻、无间隙和响应快的特点。

第五章 总结和提高。本章是对全文的总结，在总结的基础上进一步的指出了本课题研究存在的问题，及灵巧机械手研究发展方向等。

关键词：仿人柔性机械手 工作原理 机构设计 自由度

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Design of Humanoid Flexible Manipulator

Abstract

The flexible manipulator is the hot issue that the robot realm discusses in recent years and Many research institutions have conducted research on the robot. This essay discussed the sport system of flexible manipulator, include mechanism, transmission and drive, this topic mainly studied the contents as follows:

Chapter 1 Outline. Introduce the subject of the source of the topic at home and abroad as well as the work which will be accomplished.

Chapter 2 Overall program design. Introduce the preliminary design of the dexterous manipulator of the overall program, design steps, the calculation of the main parameters, the key structural design, mechanical transmission, and electric-driven design.

Chapter 3 The plan of the two design improvement. Discusses the structre and transmission design

Chapter 4 Analysis and design of key structures (parts). In order to improve the robot's movement speed and control accuracy, the robot drive mechanism has a compact structure, small size, light weight, seamless and fast response.

Chapter 5 Summarize and improve. This chapter is a summary of the full text, and further pointed out the problems in this research, and Dexterous Manipulator direction of development on the basis of summing up.

Keywords: Flexible manipulator; Working principle; Mechanical design; Freedom degree

II

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目录

1. 引言 ······················································································ 1

1.1 课题来源 ············································································· 1 1.2 国内外现状 ··········································································· 2 1.3 关键技术 ············································································· 4 1.3.1 小而强的驱动 ··································································· 5 1.3.2 丰富的感觉 ····································································· 5 1.3.3 聪明的大脑 ····································································· 6

2. 灵巧机械手方案设计 ······························································· 7

2.1 灵巧手设计的基本原则 ······························································ 7 2.1.1 手型的选择 ····································································· 7 2.1.2 自由度的选择 ··································································· 7 2.1.3 驱动器的选择 ··································································· 7 2.2 总体方案的比较 ····································································· 8

3. 方案二的改进设计综述 ··························································· 10

3.1 手指机构的传动方案设计 ·························································· 10 3.2 FRJ-11灵巧手的整体结构设计 ···················································· 11 3.2.1 关节的结构设计 ······························································· 11 3.2.2 手指关节间连接机构的设计 ·················································· 13 3.2.3 手掌的结构设计与制作 ························································· 13

4. 关键结构（零部件）设计与分析 ··············································· 15

4.1 手指机构设计 ······································································· 15 4.1.1 拇指机构运动学分析 ························································ 18 4.1.2 4关节手指机构（食指，中指）运动学分析 ································· 19 4.2 传动与结构设计 ···································································· 21 4.3 驱动设计 ············································································ 24

5. 结论与展望 ·········································································· 25

5.1 结论 ················································································· 25

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5.2 未来展望 ············································································ 25

结语 ························································································· 27 参考文献 ·················································································· 28 致谢 ························································································ 29

IV

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1.引言

机器人多指灵巧手是一种仿人手的装置,它具有力觉、触觉、视觉和温度感知能力,可以代替人在危险、恶劣的环境下完成普通装置所不能完成的复杂操作任务。多指手的每个手指都相当于一个独立的、具有多自由度的微型机器人,这样通过协调各个手指间的相互运动就可以实现对不同类型物体的精确操作。但同时多指手的使用使得整个系统的复杂性增加,另外,由于操作上的要求,仿人形灵巧手本身的体积有比较严格的要求,所以设计一种高性能且紧凑的控制系统对多指灵巧手的起着至关重要的作用。

本论文根据人手抓取物体的仿生学原理所设计机器人手爪为3指手爪，其中一个为拇指，两个分别为食指和中指，并且按人手机构布局。3个手指共有11个自由度。其中拇指有3个自由度，其余两根手指分别相当于食指和中指，它们结构相同，都具有4个自由度。每个关节分别采用一个电机进行驱动。本文在完成了对机械手结构设计的同时，还对各手指进行了运动学分析，以便于对机械手实现控制。

在此，我通过整个设计过程，阅读相关文献资料，我对灵巧机械手技术有了一个全新的认识，对我们国家的机械手技术产生很大的信心，也对机械手技术的未来充满期待。相信随着我们国家国民经济水平提高，我国的机械手技术也会有一个相当大的飞跃，一定会赶上甚至超过世界先进水平。

1.1 课题来源

自40多年前，第一台计算机控制的机械臂出现之日起，人类将机械的概念延伸到了一个新的领域——机器人。在制造领域，可以看到众多机械臂在替代人们执行各种操作任务，如喷漆，焊接，搬运，装配等。然而还有许多操作任务单靠机械臂的运动无法完成，例如太空，水下，核辐射等环境下的实验，维护。排险等复杂任务。于是像人手一样的机械手成为期待的目标。然而人类能否造出如此灵巧的机械手呢？在机械技术领域研究人员一直在探索解答这一问题的技术途径。经过十几年的研究，世界一些大学和研究机构开发出多种机械灵巧手样机。它们日益显示出在危险和有害环境下代替人类执行复杂操作任务的可能性。像人一样，机器人需要用它的手与环境发生作用。机器人发展初期，面向的需求首先是制造领域，早期的工业机器人主要执行上下料的简单任务，功能单一的两指夹持器就能满足任务需要。随着技术的进步，工业机器人开始向更多的应用领域发展，上百种专门用途的“手”，统称为末端执行器，使机器人能够应对丰富多样的人物对象，从轮胎，玻璃到布料，从大型金属热轧件到微小的电子器件。尽管如此，末端执行器仍然是制约机

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器人应用的一个主要因素。于是，开发多用途机械手成为早期灵巧机械手研究的缘由和动机。

随着工业化的实现，信息化的到来，我们开始进入知识经济的新时代。创新是这个时代的源动力。文化的创新、观念的创新、科技的创新、体制的创新改变着我们的今天，并将改造我们的明天。新旧文化、新旧思想的撞击、竞争，不同学科、不同技术的交叉、渗透，必将迸发出新的精神火花，产生新的发现、发明和物质力量。机械手技术就是在这样的规律和环境中诞生和发展的。科技创新带给社会与人类的利益远远超过它的危险。人若失去双手，其生活和工作能力将极大降低。传统机器人多限于制造领域，一个重要原因在于缺乏对复杂环境和对象的操作能力。研究和开发类似人手的智能灵巧手，对于机器人技术在更为广泛的领域获得应用将会产生重要作用。机器人的发展史已经证明了这一点。机器人的应用领域不断扩大，从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜入水下、飞往空间；......。机器人展示出它们的能力与魅力，同时也表示了它们与人的友好与合作。

“工欲善其事，必先利其器”。人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中，不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。世间万物，人力是第一资源，这是任何其它物质不能替代的。尽管人类社会本身还存在着不文明、不平等的现象，甚至还存在着战争，但是，社会的进步是历史的必然，所以，我们完全有理由相信，象其它许多科学技术的发明发现一样，机器人也应该成为人类的好助手、好朋友。中国的未来在科学。展望21世纪，科学技术的灯塔指引着更加美好的明天。

怀着对灵巧机械手技术的浓厚兴趣和美好憧憬，这次毕业设计我选择了灵巧机械手作为自己的课题，希望能通过这次毕业设计加深对现在国内外机械手方面的先进技术和成果 的了解，锻炼自己探索和创新的能力，树立为祖国科学技术的发展而奋斗的信心。

1.2 国内外现状

20世纪70年代至今，出现了多种灵巧手样机。从20世纪70年代开始，伴随着计算机控制技术的发展，出现了模拟人手结构的多指手。例如Okada手采用3个手指分别模仿人手的拇指，食指和中指，总共11个自由度，采用直流电动机驱动。

20世纪70年开发的多指手，在运动方面一考虑手指机构自由度为主，没有明显的手掌，也没有触觉，力觉等外部传感器，靠测量关节位置和力矩来控制指尖位置和抓持力。

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20世纪80年代初，美国斯坦福大学的学者Salisbury以灵巧性为焦点，探索了灵巧手的设计理论和控制方法。他从运动学的观点出发，研究灵巧手需要满足哪些条件才能实现对物体的抓持和操作。为此，他系统的分析了包含摩擦在内的接触约束，指出若要能稳定抓持物体，并对物体施加任意的力和运动，灵巧手至少需要3个手指，且每个手指需要3个自由度。

20世纪80年代中期，美国Utah大学生物医学设计中心和麻省理工人工智能实验室联合开发了Utah/MIT手，该手的设计兼顾了仿人和简单性的原则，采用模块化设计的思想，将4个手指设计成相同的结构，在掌上采用仿人式布局。每个手指4个自由度，整手16个自由度，是当时自由度最多的仿人机械手。

20世纪90年代，美国国家航空宇航局（NASA）和德国宇航中心（DLR）瞄准空间机器人系统，相继开发出功能更强的灵巧手。NASA的喷气推进实验室首先开发了4指灵巧手，气候Johnson空间中心又开发了Robonaut手。DLR的机器人研究中心也先后开发出了两种型号的4指灵巧手。

自从1997年本田（Honda）公司率先推出人形机器人（humanoid robot）以来，Sony,HP等公司相继进入开发行列，相继研发了P3，Qrio等多种人形机器人。日本Gifu大学一人形机器人和康复医疗为背景，在2002年开发出5个手指16个自由度的GifuⅡ手。

从1987年开始，北京航空航天大学机器人研究所持续开展了机器人灵巧手的理论与实验研究，先后研制了4种灵巧手样机。即BH-1型为3指9自由度灵巧手，采用钢丝绳传动，驱动电机置于手掌之外；BH-2型改变了3个手指的配置，设计成拟人手；BH-3型将3指9电动机全部集成于手掌，并配有关节转角和指端力传感器；BH-4型为4指16自由度灵巧手，采用齿轮传动，电动机集成于手指和手掌，带关节位置传感器。

可以看出我国的灵巧机械手技术和发达国家相比还有相当大的差距，这是由许多因素造成的，但是我们应该看到可喜的一面，在短短的不到二十年的时间，我国的机器人技术 已经发展的相当迅速，我们坚信在科技创新的推动下，我国的机械手以及机器人技术必将获得更快更好的发展。表1-1列举了国外一些设计开发实例。

表1-1 灵巧手样机

研究者 （时间） Rich Walker等 （2004年） 手名称 指数 自由度 驱动类型 传感器种类 Shadow Hand 5 24 人工肌肉 肌肉压力、关节位置、分布式触觉力传感器 4

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Lotti等 （2004年） Kawasaki等 （2004年） Butterfass等 （2001年） UBH3 5 20 电动机 电动机位置、张力、关节位置传感器 Gifu Hand Ⅱ 5 16 电动机 电动机位置、6维指尖力、分布式触觉传感器 DLR-Hand Ⅱ 4 13 电动机 电动机位置、关节位置、关节力矩、6维指尖力传感器 Schulz，S.等（2000年） Lovchik （1999年） A.Caffaz等 （1998年） Jacobsen （1984年） Salisbury （1983年） Ultralight Hand 5 10 人工肌肉 关节位置、压力传感器 Robonaut Hand 5 14 电动机 电动机位置、关节位置、张力、触觉传感器 DIST Hand 4 16 电动机 电动机位置、关节位置、三维指尖力传感器 Utah/MIT Hand 4 16 气缸 电动机位置、关节位置、张力、触觉传感器 Stanford/JPL Hand 3 9 电动机 电动机位置、张力、指尖力、指尖触觉传感器 1.3 关键技术

随着科技水平的不断进步和新兴交叉学科不断涌现,如太空探索、核能开发、医疗器械等都对机器人技术提出了更高的要求,而传统的工业机器人末端夹持器有一些缺点,如灵活性差,感知能力低下,力的控制精度不高等。近二十几年来,多指灵巧手的研究工作得到了迅速的发展,并逐渐成为一个专门的研究领域。

灵巧手设计是一个复杂的迭代，选择与决策过程，包含了分析，综合，集成等活动，每项活动对最终的设计都会产生严重的影响。人手有运动和感知两个主要功能。运动功能时期能够操作不同形状和大小的物体；感知功能使其能通过接触获得物体特征，探知未知环境。人手的这两个主要功能还必须通过肌肉的动力和大脑的控制才能实现。因此，灵巧手的设计可以分为3个子系统：①运动：包括机构，传动和控制；②传感：包括传感器及其信号处理；③控制：包括底层的运动和力控制，以及上层的抓持和操作规划。作为还未毕业的在校学生，对灵巧手及机器人技术等知识是比较缺乏的，这次灵巧手的设计的内容

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主要完成了运动子系统的设计，即结构和传动的设计。

在灵巧手的设计中，驱动，传感和控制是3个主要成分，也是灵巧手设计开发的难点。因此，灵巧手的开发有3个关键技术需要解决。 1.3.1 小而强的驱动

灵巧手需要小而轻的驱动器，常见类型为电动机。目前所见的灵巧手最多有24个自由度。自由度越多，设计难度越大。难题之一是如何安置众多驱动器，使得灵巧手的尺寸接近人手。现在的微型电动机体积过大，无法在尺寸和力矩指标上同时满足要求。若将电动机集成在手内，同时保证尺寸足够小，则手指端的输出力太小，例如不超过10-30N。若要获得更大的力，电动机只能安装在手外，如放于小臂内，用柔绳传递运动和力。这正是现在许多灵巧手样机采用的传动方式。如果要取代复杂的柔绳传动系统，则需要尺寸小、力矩大的微型电动机。人工肌肉是新近出现的另一种驱动方式，不过尺寸庞大仍然是一个未解决的问题。 1.3.2 丰富的感觉

用于灵巧手的传感器主要有位置和触觉传感器。测量关节位置是实现手指运动控制所必需的基本要求。常见做法是用码盘测量电动机轴转角，经减速比缩小后，关节角的计算值可以有较高的分辨率，但传动间隙和变形会产生严重影响测量结果的准确性和可靠性。理想的方式是直接测量关节转角，在现有设计中，可以看到将霍尔元件、电位计和关学传感器用于关节角位置测量的实例。

在环境对象不确定的应用场合，没有接触信息反馈，很难想象灵巧手能完成任何任务。从人的经验可以直接观察到触觉与手的灵巧性关系密切。你如果有过手指冻僵的经历，就会体验到没有足够的触觉信息，人手会变得笨拙。触觉传感器分为两类：力传感器和接触传感器。力的测量方式有多种，测钢丝绳张力和手指关节力矩，可以分别采用1维力和力矩传感器。也有复杂一点的3维力传感器测指端接触力大小和方向。再复杂一些，可以用6维力/力矩传感器测量接触力的位置、大小和方向。力传感器响应快、性能比较稳定，但只能测量合力，无法识别接触点的数量和分布。后者靠接触传感器测量。这类传感器通常由多个触点组成阵列，用来测量接触区域和触点的压力，从而可以获得接触点的位置、接触区域的形状和力信息。由此，还可以进一步获得摩擦信息，以便判断是否发生滑动。尽管灵巧手样机的开发采用了多种触觉传感器，但究竟使用哪种触觉传感器或几种结合更好，还没有明确答案。另外，接触传感器在分辨率、信号处理、走线，以及制作和价格等方面离应用还有距离。

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其他类型传感器，如接近觉、视觉、加速度、振动等，通常是针对特殊任务需要而增加的。

传感技术离我期望的应用目标还有很大的距离，特别是触觉传感器，已经吸引了大量研究投入。尽管如此，在提高可靠性、分辨率、灵敏度等方面仍然面临重重困难。灵巧手在运动学结构上越来越接近人手，但由于触觉传感功能滞后，限制了机械功能的发挥。 1.3.3 聪明的大脑

即便有了像人手一样的运动和传感功能，如果没有控制系统，这些潜能就不能发挥，就像人若“手巧”必需“心灵”一样。

目前用于灵巧手的控制策略分为两类：主从控制和自主控制。主从控制的特征是人直接参与控制过程，在控制系统中扮演判断、决策与规划的角色。而在自主控制中，人不直接参与控制过程，运动规划所需要的判断和决策过程已通过算法形式植入机器人控制器，即机器人有自己的大脑。

主从控制系统通常由操作者、人机交互设备、灵巧手及其控制器组成。操作者的主要任务是进行任务和运动规划，根据视觉、力觉等信息反馈，做出判断和行动。人机交互设备采集操作者手的动作，将其转化为灵巧手的运动或力控制指令。控制器根据人机交互设备输出的指令，对驱动器进行位置或力伺服控制。当灵巧手的结构接近人手时，运动映射变得直观而简便。因此，主从控制比较适合于仿人手。

自主控制系统的难题是如何使机器人有一个聪明的大脑。机器人要能够知道物体在何处、物体的形状如何，并能够自主规划如何完成抓取和操作任务。一方面根据理论设计的规划算法还不能满足控制的实时需要，另一方面这些理论的假设条件依赖于触觉和视觉信息。受触觉传感器性能的限制，目前还无法获得足够准确和完整的触觉信息。因此，除个别极为简单的例子，只能利用仿真方法验证运动规划算法，还无法在物理系统上加以证实。

另一种过渡策略是将主持控制与自主控制两者结合。由人承担抽象的难以量化的任务定义工作，由灵巧手自主完成细微操作任务。让机器人的控制系统学习人的知识，并将其转化为运动控制指令。在这里，人工智能的一些理论和方法，如模式识别、神经网络等可以用来识别人手的抓持类型，并建立人手与灵巧手之间的抓持映射关系。

在这次设计中采用的是3指11自由度的机械手结构，相当于人手的拇指，食指和中指。采用微型电磁电机驱动,就可以像内置型灵巧手那样,将电机全部置于手掌内,形成独立的手部结构;同时可以借鉴外置型灵巧手的方式,采用线驱动方式使手指结构变得更加简单,从而使灵巧手可以获得像人手一样的自由度，并且提高了可靠性，降低了成本。

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2.灵巧机械手方案设计

设计灵巧手需要首先根据用途确定其功能要求和设计指标。用途不同带来设计结果的差异。灵巧手设计需要考虑的因素很多，影响灵巧手总体方案的几个主要因素包括手型，自由度，驱动种类，传感器种类等，在本论文中主要研究了前三个因素。

2.1 灵巧手设计的基本原则

2.1.1 手型的选择

近年来，灵巧手的设计趋于拟人化，控制策略可能是其中一个主要原因。由于技术的制约，实现自主控制目前遇到许多障碍，因此利用人的操作经验进行主从控制是当前的一个方向。目前国内外比较流行的主要是3～5指的灵巧手。为了使结构简单，降低制作成本和操作可靠性，可以选择3指灵巧手作为设计方向，并且按照人手来配置手指的布局。 2.1.2 自由度的选择

在自由度的选择上，可以选择与人手一样多的自由度，也可以在保证灵巧手功能要求的前提下选择尽可能少的自由度。这样做的出发点主要有两个，一是兼顾传感和控制所能达到的水平。虽然自由度是衡量灵巧的一个重要指标，但当传感和控制功能很弱时，多自由度的优势仍然无法体现出来。二是我们对灵巧手功能的强弱与自由度的多少之间的关系尚不清楚，所以要在自由度不足的情况下观察灵巧手的抓持操作能力所受的影响，这样不仅能帮助我们识别和理解问题，还可以找到问题的答案。 2.1.3 驱动器的选择

在机器人灵巧手的设计中,驱动器的形式主要有电磁(电机)驱动、液(气)压驱动和采用记忆合金等[ 1～5 ]。现在在灵巧手的研究中,电机驱动是主要的驱动方式。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用使电机、驱动电路板与手指机械本体融为一体,实现灵巧手手指的模块化。

灵巧手需要小而轻的驱动器，常见的为电动机。目前灵巧手最多有24个自由度。自由度越多，设计难度越大。那就要解决如何安放众多驱动器的问题。一般的微型电机由于体积太大只能安置在手外，用柔性绳传递运动和力。这正是很多灵巧手样机的采用的方式。人工肌肉是最近出现的另一种驱动方式，不过体积庞大仍然是一个未解决的问题。

选择驱动器时，需充分考虑集成化的要求。这里的集成化是指将灵巧手的驱动，控制 和传感等系统集成与手中，从而使灵巧手成为一个相对独立的模块。由此带来的好处是使灵巧手作为一种通用的机器人末端执行器，可以方便的应用于不同的机器人手臂系统，从

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而简化结构，提高可靠性，降低成本。

2.2 总体方案的比较

根据上述要求，在本此设计中初步选定了两套机械手方案。下面对两个方案进行分析比较。

方案一如图2.1所示，采用仿人手布局设计，共有三根手指，分别相当于人手的拇指，食指和中指。其中拇指有3个自由度，食指与中指各有4个自由度。所以此灵巧手手爪共有11个关节, 11个自由度, 每个关节都用电机来通过柔性绳驱动，电机内置于手掌内。可以方便地实现对手指的驱动控制。

图2.1 FRJ-12灵巧手

方案二如图2.2所示，柔性手共有两个手指，每个手指有5个关节，图中只有画两个关节，其余各关节与此类似。该柔性手的每个手指由多个关节串联而成，手指传动部分由钢丝绳及摩擦滚轮组成，每个手指由两根钢丝绳牵引，一侧为握紧，一侧为放松。这样的手爪可抓取不同外形的物体，并使物体表面受力均匀。该手爪同样采用电动机作为驱动器，但是电动机是外置的。

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图2.2 多关节柔性手

比较以上两个方案，在指数的选择上方案一选用了三指布局，手指也采用仿人手设计，便于操作，结构简单。方案二使用的是两指多关节手指对称布局，虽然在结构上要比较简单，但是操作的灵活性较差。

在自由度的选取上，方案一共有11个自由度，每个关节都分别有一个电机驱动，这样可以实现每个关节的独立运动，提高手爪的灵活性。方案二有10个自由度，每个手指有5个自由度，每个手指采用两个电机驱动，一个为握紧，一个为放松。每个手指上的各个关节都在钢丝绳的牵引下同时运动，灵活性较差。

在驱动与传动方面，方案一采用微型电机,可以像内置型灵巧手那样,将电机全部置于手掌内,形成独立的手部结构；同时可以借鉴外置型灵巧手的方式,采用线驱动方式使手指结构变更加简单,从而使灵巧手可以和普通人手一般大小,获得与人手一样多的关节和自由度数量，便于灵巧手的模块化设计。方案二使用外置的驱动器通过钢丝绳驱动关节转动。其优势在于:可以利用高功率的驱动器产生非常大的驱动力,如气压驱动;驱动器的外置可以使手指结构变得简单,从而使得多关节多自由度的灵巧手成为可能,然而,由于驱动器的外置,这种灵巧手很难和各种机器人手臂相联,而且手的工作空间变得有限,工作灵活性降低。综上所述，采用方案一的3指机械手作为这次毕业设计的研究方向。

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3.方案二的改进设计综述

由上一章对两种方案的比较，可以看出方案二也有着许多不可替代的优点。譬如，设计结构简单，虽然驱动器外置，但是这种仿人灵巧手我个人认为是最适合用来做单一的抓握运动的，而且适合大批量生产，这一章我对方案二适当进行了改进：增加为5指灵巧手，外形完全仿人化设计，因为专用于抓握工作，所以取消侧摆关节。以下即为对被弃用的方案二改进的具体内容，主要论述其传动和结构方面的设计，其他运动学及驱动方面的设计就不再论述，总的设计还是以方案一为主，我将在第四章开始对方案一进行完全的设计综述。

3.1 手指机构的传动方案设计

此手指机构的运动方案设计主要考虑的因素是在满足运动要求的前提下传动要平稳可靠结构要简单维护要方便，上一章也已经提到采用钢丝绳来传递运动和动力，这种传动方案的设计完全满足设计方案要求的平稳可靠。

图3.1是用solidworks画的此灵巧手的三维模型图，命名为FRJ-11。它是5手指5自由度仿人手。整个系统采用钢丝绳传动，各手指的传动机构系统基本相同，所以就以中指为例说明机构的传动方案。

图3.1 FRJ-11灵巧手

图3.2所示为中指三维模型，手指结构主要有两部分组成：硬固机构部分、手指软连机构部分。硬固机构由首指节、中指节、末指节组成，依次首尾轴向连接，串联在一起；手指软连机构由两钢丝绳一端分别从正反两面拴在末指节固定端，依次穿过中指节、末指节的穿孔处到达电机驱动轮上。当手指需要伸开时，驱动电机外转，外部钢丝绳主动拉紧，内部钢丝绳从动放松，末指节只受手背牵引力时，手指垂直方向运动伸直，此时，内钢丝

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伸展段最长，外钢丝伸展段最短。当手指需要弯曲时，驱动电机内转，外部钢丝绳从动放松，内部钢丝绳主动拉紧，末指节只受手心牵引力时，手指垂直方向运动弯曲，此时，内钢丝伸展段最短，外钢丝伸展段最长。可以看出和上一章的方案二基本是相似的，都是采用两根钢丝绳牵引，利用钢丝绳的拉紧，放松，实现了传动方案的结构简单，维护方便。说明一点，各指节的转动支点与钢丝绳固线点位置是决定机器手运动速度和抓握力大小的关键。

图3.2 FRJ-11灵巧手

3.2 FRJ-11的整体结构设计

若要机器手具有抓握和放置两种运动方式，则机器手要有手掌和手指机构，此外还要有机器手手指之间的平衡机构。为了使机器手能够按照指定的方向和角度运动，机器手还必须有运动方向和角度调节机构，自我保护机构也是不可少的。此外，需要电机传动、机器手臂辅助联动机构。

一般情况下机器手为自由半张状态，由直流电机驱动，机器手的手指采用连杆、电机、连接轴、万向节等组成，动力源是电机，机器手对被持物体的形状、大小、重量的规划由规划、视觉、触觉和控制系统给出，本章主要研究机构部分的设计。 3.2.1 关节的结构设计

在关节的制作过程中，选材是很重要的。材料的硬度和刚度都是选材的标准，如果用铝片制作手指模型的话，会因为硬度不够，很容易就裂了。用薄铁片制作后变形又会比较厉害。最终我选择了硬度和刚度都比较合适的铝合金。

图3.3、3.4、3.5、所示为我设计的手指各关节三维模型,分别为远指节，中指节和近指节。

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图3.3 远指节

图3.4 中指节

图3.5 近指节

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3.2.2 手指关节间连接机构的设计

手指关节的连接是整个手指能协调运动的关键，为此，我采用各种试验方法，最终我采用了圆形钢管连接，并在钢管上安装一个小滑轮，使得手指各关节的连接更加紧凑。加一个小滑轮还有一个好处，就是能让钢丝绳拉得更加方便协调。制作模型如图3.6。

图3.6 小滑轮机构

3.2.3 手掌的结构设计与制作

手掌的作用就是用来连接五个手指，使其有一定的位置布局。另外，几乎整个驱动系统与控制电板都要安装在手掌中。

为了使五个手指的布局更接近于人手，我仿照真人的手掌形状设计了一个机械手掌，这个手掌比真人手掌的表面积要大些，为的是更适合手指的安装与连接和驱动系统以及控制电板的合理布局。最终我设计了如图3.7所示的手掌模型。

图3.7 手掌

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在制作手掌的过程中，我遇到了一系列的问题。首先就是选材问题，手掌的功能就是装载，所以需要有一定的容积，考虑到控制面板的大小还有舵机以及电源的放置，手掌的材料要有一定的硬度，并且很容易成型，最终我选择了有一定厚度的铝塑板。其次，手掌的外部结构比较复杂，它的一端要用来连接手指，另一端还要有一定的表面积来支撑整个手在平面上的稳定伫立。最后我采用了比较简单的矩形模块，使得以上问题有所改善。

运动过程简述为：机器手抓握时5手指处于张开状态，5个手指靠5个舵机驱动实现抓握。当决策与控制系统判断出有抓紧需要时，发出指令让机器手实现抓握动作。抓握动作时动作参数设置有：抓握准备、抓握、保持、放开、恢复原来放松状态。它是利用电能转化为两根相互牵制拉扯手指的钢丝绳的伸缩机械能使手指在一个平面内运行；利用电能驱动连杆转化为机械能，使得手指可以相互运动，与前者结合实现各手指间的三维运动。机器手由5个可弯曲的手指机构和一个手掌机构连接而成。每个手指均为一个自由度，分别由一个电机驱动；拇指与食指、食指与中指、中指与无名指、无名指与小指之间有耦合机构，分别由一个电机驱动。拇指为两截运动串级耦合组成，其余四指为三节串级耦合组成。四个手指区别在于类人手长短不同，可以对非规则物体实现握、拿、捏、夹等动作。电源可以外接。

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毕业设计（论文）

4. 关键结构（零部件）设计与分析

这一章我开始进行方案一的灵巧手的设计，虽然FRJ-12从外形上看起来没FRJ-11这么仿人化，但是拥有侧摆关节却让它在性能上更加仿人化。

4.1 手指机构设计

FRJ－12的手指机构如图4.1所示，共有3个手指，11个自由度。如前所述，拇指有3个自由度，可实现1个侧摆运动和2个屈曲运动，在图中表示为3个独立的关节，分别为关节1，关节2和关节3。其中关节1与关节2的回转轴线垂直，关节2与关节3的轴线平行。其余两根手指分别相当于食指和中指，它们结构相同，都具有4个自由度。可实现1个侧摆运动和3个屈曲运动，在图中表示为4个独立的关节，分别为关节1，关节2，关节3和关节4。其中关节1与关节2的回转轴线垂直，关节2，关节3和关节4的轴线均平行。3根手指的各个关节均为独立运动的关节，分别由电动机通过柔性绳来驱动。

中指关节4食指拇指关节3关节2关节1关节2关节1图4.1 FRJ-12灵巧手手指结构

关节3

4.1.1 拇指机构运动学分析

拇指为3关节手指机构，每个关节有1个自由度，分别实现手指的侧摆和两个屈曲运动。手指机构的侧摆轴与屈曲轴垂直，所以此手指机构为侧摆型手指机构。下面对该手指

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毕业设计（论文）

机构进行运动学分析。 （1） 正运动学

下面给出关节角与指尖位置的关系，采用D-H法建立各指节的坐标系。如图4.2所示，

x0y0z0为定坐标系，其他为动坐标系，各指节长度分别为a1,a2,a3各关节转角分别为,n1,n2,n3,指尖在坐标系中的位置坐标为?x,y,z?, 对应的D-H参数见表4-1。

x2z3a3x3

n3n2y3x1a2y2z1y1a1x0n1z0y0图4.2 3关节手指（拇指）机构简图及坐标系

表4-1 3关节手指（拇指）机构D-H参数 关节号 1 2 3 杆号 1 2 3 ai/㎜ a1 a2 a3 di/㎜ 0 0 0 ?i?1/ (°) 0 -90 0 ni/(°) n1 n2 n3 对于该手指机构，各坐标间的齐次变换矩阵分别为：

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毕业设计（论文）

?c1?s00s1?ca1c1?as?A011111????0100??，

?0001????c2?s20a2c2?A1sc20a2s?22??2??0010??，

?0001????c3?s30a3c3?A2sc30a?3s33??3??0010??，

?0001????c1c23?c1s23s1a3c1c23?a2c1c2?a1c1?A0?s1c23?s1s23?c1a3s1c23?a2s1c2?a1s?1

3???s0a?23c233s23?a2s2? ?0001??

式中

si?sinni，ci?cosni，sji?sin(ni?nj)，cji?cos(ni?nj)，第4列前3个元素即为指尖在定参考系中的坐标?x,y,z?，因此有：

x??a3c23?a2c2?a1?c1， y??a3c23?a2c2?a1?s1，

z?a3s23?a2s2，

已知关节转角n1,n2,n3,由上述3式可求出指尖位置坐标?x,y,z?。

（2） 逆运动学

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(4-1)

i,j?1,2,3.(4-2) (4-3) (4-4)

毕业设计（论文）

已知指尖在参考坐标系中的位置?x,y,z?，求手指各关节的转角n1,n2,n3称为逆运动学问题，下面给出求解逆运动学问题的方程。

对于侧摆型手指机构，由式(4-2)，(4-3)有：

?y?n1?arctan??

?x?(4-5)

由式（4-2）,(4-4)联立，消去n1?n3得：

Bc2?Cs2?A

?A?n2??arctan?222?B?C?A?B??arctan ?C? (4-6)

(4-7)

?x??x?222????a?a?z?a式中，A??， B?2?a1?231?a2，C?2za2。 ?c?c?1??1?2类似地，由式（4-4）有：

Dc3?Es3?F

?E??arctan ?F?(4-8) (4-9)

?Dn3??arctan??222?E?F?D式中，D?z?a2s2,E?a3s2,F?a3c2.

已知指尖位置坐标，由上上述式可求出各关节的转角。 4.1.2 4关节手指机构（食指，中指）运动学分析

在此次毕业设计中，FRJ-12灵巧手的食指与中指采用的是仿人的4关节机构，其关节2与关节2的旋转轴线互相垂直，模拟人手掌指关节，其余各关节（关节2，3，4）的轴线互相平行。每个关节都有一个电机驱动，这样就可以实现手指的侧摆和屈曲运动。此4关节手指机构和拇指一样，也是侧摆型手指机构，下面就对该机构进行运动学分析。

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毕业设计（论文）

(1) 正运动学

类似于3关节手指机构，采用D-H法建立手指坐标系，如图4.3所示，x0y0z0为定坐标系，其他为动坐标系，各指节长度分别为a1,a2,a3,a4，各关节转角分别为n1,n2,n3,n4,指尖在坐标系中的位置坐标为?x,y,z?, 对应的D-H参数见表4-2.

x4n4z4a4z3a3x2n3z2a2x0n2z1a1=0y0图4.3 4关节手指机构简图及坐标系

表4-2 4关节手指机构D-H参数

关节号 1 2 3 4 n1z0?i?1/(°) 0 90 0 0 ai a1=0 a2 a3 a4 di 0 0 0 0 ni n1 n2 n3 n4 对于该手指机构，各坐标间的齐次变换矩阵分别为：

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毕业设计（论文）

?c1?sA10??1?0??0?c2?s1A2??2?0??000?10?s2c200?s1c10000100?0??0?， ?1?a2c2?a2s2??0?， ?1??c3?s2A3??3?0??0?s3c3000010a3c3?a3s3??0?，

?1??c4?s3A4??4?0??0?s4c4000010a4c4?a4s4??0?，

?1??c1c234?c1s234s1?a4c234?a3c23?a2c2?c1??sc????ss?cac?ac?ass123414234323221?123A40?A10A2A3A4??1234?s234c2340?(a4s234?a3s23?a2s2)? (4-10) ??001?0?式中

si?sinni，ci?cosni，sji?sin(ni?nj)，cij?cos(ni?nj)，

sjik?sin(ni?nj?nk)，cijk?cos(ni?nj?nk)，i,j?1,2,3,4。

第4列前3个元素即为指尖在定参考系中的坐标?x,y,z?，因此有：

x??a4c234?a3c23?a2c2?c1， y??a4c234?a3c23?a2c2?s1，

(4-11) (4-12) (4-13)

z??(a4s234?a3s23?a2s2)，

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毕业设计（论文）

已知关节转角n1,n2,n3,n4由上述3式可求出指尖位置坐标?x,y,z?。 （2） 逆运动学

已知指尖在参考坐标系中的位置?x,y,z?，求手指各关节的转角n1,n2,n3,n4下面给出求解逆运动学问题的方程。

对于侧摆型手指机构，由式(4-11)，(4-12)有：

?y?n1?arctan??

?x?(4-14)

式（4-11）,式(4-12) ，式(4-13),为关于转角n2,n3,n4的非线性方程组，没有解析解，需采用数值解法求解。

4.2 传动与结构设计

为保证传动结构紧凑并实现所需求的手指运动功能，FRJ-12机械手采用闭式弹性绳轮传动。该带传动是由固联于主动轴上的带轮，固联于从动轴的带轮和紧套在两轮上的弹性绳组成的。当原动机驱动主动轮转动时，由于带和带轮之间的摩擦，便拖动从动轮一起工作，并传递一定动力。其传动示意图如图4.4所示其主要优点是结构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸振等特点，在机械中应用广泛。

食指与中指采用相同的传动方案，如图4.5所示，它们4个关节的运动均有电动机通过弹性绳轮传动来实现，传动稳定，具有一定的传动比。电动机分别内置于手掌内部和手指关节处，使机械手的机构紧凑，增强了机械手的通用性能。

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vv图4.4 带传动示意图

毕业设计（论文）

关节2关节3关节4 n1

n2n3关节1n4图4.5 4关节手指（食指，中指）传动示意图

手指各关节传动过程如上图所示，电动机n1带动手指做侧摆运动，电动机n2带动关节2处的带轮做屈曲运动，电动机n3带动关节3处做屈曲运动，电动机n4带动关节4处的带轮做屈曲运动，各指节与带轮相连，跟随带轮一起转动。带轮与指节可以采用胶接的方式连接在一起，连接后与轴为间隙配合（关节1处除外），使其可以在轴上平稳的旋转，转动应均匀。关节1处的带轮与轴为过盈配合，当电动机带动带轮转动时，轴也随之转动，指节与侧摆轴也是过盈配合，这样该指节就可以随轴一起做侧摆运动，如图4.6所示。

指根关节下体手掌上盖φ8h6带轮指根关节上盖φ8h6φ8h6H7S7S7手掌下盖图4.6 食指，中指指根关节装配图

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毕业设计（论文）

拇指所采用的传动方案与食指和中指差不多，多是由电动机驱动，再由弹性绳带轮传

动，带动各关节运动。图4.7为拇指传动示意图。

关节2n2关节3n1关节1图4.7 拇指传动示意图

n324

毕业设计（论文）

5.结论与展望

5.1 结论

灵巧手与工业机器人一样是一个典型的机电系统，它集成了机构，驱动，传感和人机交互等关键技术，然而其复杂程度却远远超过传统工业机器人。由于时间，知识和经验等方面的不足，在这次毕业设计中我主要对灵巧手的结构和传动进行了设计，同时也对手指的运动进行了运动学方面的分析，而对灵巧手的传感与控制等方面并未做太多的研究。

在这次的毕业设计中所作的机械手样机是一个仿人3指灵巧手， 11个自由度，该机械手的机构和布局都是仿人设计的，类似与人手的食指，中指和拇指，所以能实现人手的一部分功能。但是还存在很多的不足与缺陷：

①首先，在结构设计上，由于缺乏实际经验，一些手指关节及指节部件都是由我自己设计，虽然也参考的一些现有的灵巧手样机，但没有太多的理论依据的支持。

②在灵巧手传感这一块上比较欠缺，由于时间和知识的原因，在本次的设计中并未考虑到如何使用传感器以及使用传感器的种类。

③在灵巧手的控制方面也没有研究，不过有很多人专门做灵巧手控制方面的研究，例如使用PLC控制，就可以借鉴使用。

5.2 未来展望

纵观灵巧手的发展历史，我们不难发现灵巧手，在现在新近出现的样机一4指至5指居多，在运动学结构上与人手越来越接近，灵巧手设计明显有拟人化的趋势。

采用拟人化设计的主要原因包括：

①事实证明人手具有丰富的操作功能，能够应付复杂多样的任务。

②灵巧手便于适应人类工作环境，如医院和家庭，操作面向人手设计的工具和其他对象。

③在人类不适宜亲临的现场，如：太空，水下以及核环境，可以比较方便的把人手的动作通过数据手套等人机交互设备传递给灵巧手，实现遥控操作。

④满足某些特殊需要，如：用于娱乐，护理等的人形机器人需要有人的外形和行为。 进入21世纪，机器人的拟人化程度进一步增强，例如：采用柔性铰链模拟人手关节，采用弹性材料包裹手指，模拟人手的柔软指面，采用新型的弹性元件模拟人手的肌肉，筋腱等。其中美国卡内基梅隆大学设计的ACT手，完全按照人手的解剖学进行设计，其骨骼形状，质量，质心，关节自由度，运动范围，关节轴之间的空间位置关系及传动方式都

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毕业设计（论文）

与人手极为相识，将拟人化从运动学和功能层次，提升到了解剖学层次。该手目前已有手指和拇指的样机。

灵巧手的发展除了有拟人化设计的趋势外，还向集成化设计发展。从灵巧手自由度数量和传感器的种类的需要，我们已经能够体会到它是一个复杂的系统，它包含了机械部件，驱动器，传感器，电子系统和数字控制。运动和感知的密切关系，使得系统集成化成为设计的关键和难点，小尺寸更显著的增加了问题的复杂性和难度。模块化是降低复杂度的一种有效的途径。

随着社会的进步和技术的发展，人类探索未知世界的步伐越来越快。同时，人们的生活方式的变化日新月异，更加关注生活质量。这些使得太空，医院，家庭，娱乐等服务领域正在成为机器人技术，应用的新领域。

美国国家航空宇航局（NASA）的Johoson空间中心正在开发机器人宇航员Robonaut，用于协助宇航员完成舱外任务。这些任务要求Robonaut能够像宇航员一样，在空间站外部行走，并使用宇航员的工具完成维护，装配，修理等一些基本操作。由于要面对宇航员的工作环境，并且操作任务复杂，Robonaut需要一双类似人手的灵巧手。

手外科和假肢可能成为灵巧手的另一个重要的应用领域。为此美国卡内基梅隆大学提出来一种全新的灵巧手螯合剂理念。他们正在开发的灵巧手样机不仅要实现运动学层次的拟人化，而且要具有与人手极为接近的解剖学结构。其应用目标是：

①在研究手遥操作，以及假手的精确操作中，模拟人手主动和被动力学； ②作为研究人手运动复杂神经控制的实验平台；

③作为神经和整形外科的测试平台，用于研究人手残疾实施手术修复的新技术。 纵观机器人灵巧手20多年的发展历程。我们惊喜的发现，它正一步一步地走近我们的生活，我们有理由相信并热切期待，在不远的将来，机器人灵巧手终将在人类不断创造文明的历史长河中，书写下辉煌的篇章！

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毕业设计（论文）

结语

为期几个月的毕业设计即将结束了，在这几个月里我在同学和老师的帮助下完成了仿人柔性机械手的设计任务。

毕业设计作为综合性的设计，它不同于以前教学中的实验、课程设计等实践环节。以前的所做的一些设计主要是根据相关的课本及老师所给资料去完成的，有一定的参照性，所以相对而言比较简单，不能完全达到锻炼自己动手能力的目的。而毕业设计则是对我大学四年所学知识的一个综合的训练及考核，是对所学知识的应用能力和大学所学理论知识对实践技能相结合的全面的检验。并对我如何根据要做的课题对现有的资料进行理解和运用的能力的考核。真正做到了理论联系实际，把以前所学的知识综合贯通进行实践，并在实践中不断学习和自我完善。

从刚确定毕业设计课题以来，我首先是查找一些相关的书籍及资料，然后分析设计，并根据实际情况拟定设计方案，从而达到优化方案。在研究设计机构时，我优化并简化了设计，这就省去了一部分时间。同时，通过这次毕业设计，我在各个方面都有了很大的提高，特别是在理论和实践结合方面使我受益匪浅，使大学里学习的理论知识在根本上得到一次最完整的实践和提高。也为我即将面临的工作奠定了很好的基础。

同时，在本次毕业设计中深深认识到自己的各个方面的不足之处，本着提高动手能力以及检测四年所学知识的目的，我严格要求自己，每一环节都认真对待，定期向指导老师报告进展情况和请教不懂的地方，得以完成任务。

在以后的工作中，我必须进一步深化在实践中去丰富理论，完善知识结构。由于环境条件的影响，理论与实践还是有一定的差距，这也要求我在实践中注意检验的积累。

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毕业设计（论文）

参考文献

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[7] 朱辉，曹桄，唐宝宁，陈大复. 画法几何及工程制图[M]. 上海：上海科学技术出版社，2003. [8] 谢存喜，张铁. 机器人技术及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，2005. [9] 华大年. 机械原理[M]. 北京：高等教育出版社，1994.

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致谢

经过半年的忙碌和工作，毕业设计接近了尾声，在这段时间中我所做的工作是比较肤浅的，很多方面由于知识跨度较大，我的设计方面的基础显得很欠缺，所以遇到了不小的困难。在论文写作的关键步骤上，导师给了我很大的帮助和指导，同时在学习的每一个细节上都为我考虑得很周到，论文能够完成，首先要感谢的是我的导师蒋老师。蒋老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，图纸分析等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计分析较为复杂烦琐，但是蒋老师仍然细心地纠正分析过程的错误，让我少走了很多弯道。除了敬佩蒋老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作

在本文的完成过程中，我还要感谢的是在大学期间给我授过课的老师，正是他们出色的工作使我掌握了较为扎实的基础知识，本课题的研究过程中我多次得益于大学阶段的学习。本文所引用文献的作者也给我了很大的帮助，正是他们做在前面的工作使我在做这个课题的时候有很多资料可以借鉴，有很多前人的方法可以参考，他们的工作大大的丰富了我的思路，给我了很多有益的启示。

然后，感谢我的家人。是他们在挫折时，给了我信心与前进的动力；是他们在快乐时，分享我的喜悦。感谢所有关心和帮助过我的人。

最后感谢我的母校四年来对我的大力栽培。 谢谢！

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