仿生蜘蛛机器人的设计与研究.docx
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仿生蜘蛛机器人的设计与研究
毕业设计（论文）
仿生蜘蛛机器人的设计与研究
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学号：
专业：
机械工程及自动化
系别：
机械与电气工程系
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2022年4月
摘要
本文总结了背景和目标,仿生蜘蛛机器人的简单介绍。
通过研究机器人的六足仿生的运动,这种设计已确定脚结构,使用3自由度的分析实现向前运动,把运动的机器人。
想象的组件和装配映射仿生蜘蛛机器人以及相关部件的检查,确保机械设计的可行性都包含在总设计。
关键词：
仿生；机器人；机构
ABSTRACT
Thepaperhassummarizedthebackgroundandthegoalofitstopicandhasmadethesimpleintroductionofthebionichexapodrobot.Throughtheresearchofthemotionofthesixfeetoftherobot,Thisdesignhasdeterminedthefootstructure，usingtheanalysisof3degreesoffreedomrealizestheforwardmotionandturningmotionoftherobot.Picturingofthecomponentandassemblymappingofthebionichexapodrobotaswellastheinspectionofrelatedpartswhichensuresthefeasibilityofthemachinerydesignarebothincludedinthetotaldesign.
KEYWORDS：
bionics；hexapodrobot；machinery
绪论
课题背景及目的
机器人的出现是科技不断发展的必然产物，随着,社会的不断发展,机器人的不断应用也将会推动生产力的发展,同时为也人类文明的进步做出了巨大贡献。
人工智能技术的研究主要是智能机器方向,所以如今对智能机器人的科研程度已经是一个国家科学以及技术的竞争的一个重要方面。
一个国家啊对智能机器人研发的程度体现出国家的综合的科技实力，新型机器人的研发更是表示出一个国家他的尖端科技。
现在，世界上机器人在生活中的的应用是很普骗的，机器人更是有各种各样的种类。
机器人已经更加的多元化啊。
不想以前那么单一。
研究机器人的结构环境定点操作的非结构化环境的转变,在军事侦察、太空探索、救灾、抢险救灾、行星等方向展示了广阔前景。
一些我们人类无法达到的环境。
机器人却可以在那里正常工作，人类研究出的机器人不仅仅只有动物的外行还有更多的其他的功能。
更加多元化啊。
除了传统的设计方法,人们也关注生物世界,寻找神奇的生物从自然中汲取灵感,他们采用了运动机制和行为的运动和控制机器人,使机器人不仅感到思维有一定的功能,这些功能控制行动,用生物或类似于人类的智慧利用仿生学的相关知识。
与设计相结合。
使得仿生机器人的研究更加多样化。
仿生蜘蛛机器人是模仿多足的动物的运动的方式的特殊一种的机器人。
经过调查显示,在地球上有大约二分之一的陆地那些常规的载具，像汽车火车履带式的载具都无法到达。
自然界中却有很多生物却可以自由的活动在那里。
因此,仿生机器人的运动方式更有着其他不具有的能力优势,仿生机器人运动方式流动性良好,能适应各种崎岖路面。
仿生蜘蛛机器人在崎岖和路况极差的地面上的运动速度仍然很快，而且能耗较少[2]。
这些仿生机器人有着难以超越的优势，如果我们想在我们生活中推广。
普及发挥这些仿生机器人的最大价值。
让我们生活更加便捷，我们只能毫不松懈不停的对仿生机器人进行深入研究。
仿生机器人研究现状及发展趋势
国外仿生机器人研究现状
（1）LAURON系列六足机器人
德国卡尔斯鲁厄大学是一个科研机构,有着悠久历史的学校机器人的开发团队有足够多的仿生机器人持续了数年的集中研究和开发。
以下是他们的发现。
团队领导是右侧的六足仿生机器人（如图是一种特定的六个同样的肉体,头和脚。
整个身体机制设备不仅具有纳米微控制器,系统处理单元、电源开关和照相机,和所有组件都安装在它的身体,这样我们就能完全满足要求的自主权。
的总重量是32公斤,宽度是米,可以携带15公斤的重量,不影响其操作,运动速度最高可达M/s。
不仅在它的小身体配备轴角编码器,压力传感器、倾角传感器、红外测距传感器和其他传感器和摄像机配备一个视觉传感器。
六条腿的机器人主要是依靠各种传感
器和对接收到的信号分析,反馈处理随意运动在凹凸的表面。
（2）哈姆雷特是一个由坎特伯雷大学的学生和教授的研究小组开发出了一个在2000年底模仿昆虫六条腿走路的机器人。
它也是一种微型伺服机器人。
哈姆雷特是基于竹节虫是一个全方位步态模仿,和正在开发的步行机器人（如图。
它共有六十三关节行走的脚,每个关节运动控制。
两端配备了一个机械腿框架结构,每个装有三维力传感器的结构和每只脚,受碳纤维保护膜保护。
机器人使用两层分布式控制框架、硬件和两个综合控制板驱动信号和力信号,和态度的传感信号处理操作。
机器人的大小是650mmx500mmx400mm,总重量公斤,可以在复杂的地面匀速运动的速度米/秒。
它有独立的行走和攀爬能力。
（3）Lobstei机器龙虾
在美国国防高级研究计划局部门支持的海上作战部队和波士顿在美国,一个东北大学联合开发了一种模仿龙虾八足步行机器人。
（如图它能完成我的检测和引爆在海底作业。
它有4x8英寸的壳,壳,由八3自由度的腿,可以完成浮动和爬行,头部设有两个钳,舵由液压控制,8英寸长尾与水流的控制拉伸,保持飞机的稳定性。
龙虾肌肉类型驱动器,驱动机联合行动由形状记忆合金（秦力量可以人工肌肉）控制。
控制器包括一套完整的关于龙虾的行为数据,数据库基本上囊括了所有组织的指令的龙虾步态。
当然,它还可以消除的鱼雷传感器和installedSome炸药。
（4）Hexplorer2000六足步行机器人
Hexplorer步行机器人的研究和开发加拿大大学（如图,它有六英尺,分布在一个圆形的身体。
每个机械腿是由三个独立的控制上面的三个关节。
TIC2000系列DSP控制系统,该系统采用分级控制7块DSP芯片,每个控制三个腿的关节和其他中央控制器,其他6件发送和接收指令。
每一条腿。
都是独立的。
存在的子系统。
只要控制中心传输信号，就可以控制单独的腿。
实现六条腿的步态规划，通信通过CAN总线接口和事件管理模式。
国内仿生机器人研究现状
对于仿生学的研究在我国起步较晚,我国从上个世纪的80代末和90年代初才开始设计这方面的研究。
在上个世纪九十年代初,北京航空航天大学在中国开发了前四模仿动物机器人。
这是一个重达两吨,采用液压驱动机器人。
1989年3月,沈阳自动化研究所、长春光机合作进行的海蟹,是一个六英尺,25度极自由的六条腿的机器人,总重量约1500公斤,下降到500米。
1980年,中国科学,用四边形和凸轮的理论发明了八脚蟹步行机,被广泛的应用在水下。
涵虚博士1989年,已经进行了四足步行机器人的设计和研究,而且成功地开发了一种四足步行机,和步行测试，钱博士在地面,墙两栖机器人的爱是特殊的,和一个六足步行机器人的步态运动学的研究。
等发达JTUWM系列91年pei-sun马四足步行机器人是由pei-sun妈,机器人采用两级分布式控制系统,计算机模拟电路JTUWM-III对角步态,配备了PVDF测力传感器。
02,guo-zheng燕,徐小云和其他人在同一时间开始研究小型六足仿生机器人的设计,如图1所示,13日步行机器人的尺寸分别是:
30毫米,40毫米,20毫米的重量只有克,平均散步可以保持约3毫米/秒的速度,以一个恒定的速度移动。
此外,清华大学DTWN框架发展的三个三脚机器人，华中科技大学“4+2”多个双腿行走机器人和MINIQUAD多足步行机器人如图1-15所示,多个机器人运动和控制计划的同时,此外,腿,墙相关模块功能的实现进行了详细的设计和研究。
国家“863”的支持下,智能机器人主题,北京航空航天大学的发展更简单操作灵巧的手。
BH4——采用精密灵巧手齿轮结构,四个手指,有16个节点,每一个联合使用直流电机驱动,电机,安装在手指。
主要控制系统多目标分层控制系统。
理想的轨迹跟踪和协调层四个手指关节位置控制是完成四个电脑控制器。
手指控制器都在相同的物理控制器内的每一个关节,为了提高控制精度的相互传递信息,使控制误差小。
除了北航机器人微小型仿生机器鱼的研究团队（孩子）技术的研究已经取得了突破性的进展,仿生机器鱼”模型是成功的,同时控制机器鱼检测。
哈尔滨工业大学开发的仿人手臂和仿人双足机器人柔性机器人。
仿人手臂的空间大的特点,而没有奇异位置的关节,如结构紧凑，控制软件的整个过程可以爬,超越障碍等。
除了附近的最优联合功率限制。
仿生机器人通过生物拟态的性能和行为，将它的结构特点、运动和行为是应用在机器人的设计上。
开发了一些具有生物的外观或功能的机器人系统。
仿生机器人的诞生是由于仿生技术和机器人技术的集成,在仿生学、信息科学、力学、微电子控制、计算机科学、组织、、传感器技术、人工智能、和许多其他科目,所以机器人的优势传统的机器人,和生物运动机理和行为方式,应用于机器人的运动控制理论模型,本质上是对数以百万年来大自然的发展过程的“自然选择”来提高机械手的运动能力和效率,使其超越原始理论的障碍,大大提高机器人的运动特性和工作效率。
仿生机器人大致可分为仿人机器人,和模仿人类的生物机器人，仿人机器人是机器人技术的前沿课题的一个具有挑战性的技术问题,主要是研究多自由度机器人机械臂关节,指的是结合两只脚行走机器人灵巧手的身体,模仿人类的生物机器人行走机器人,主要研究了蛇形机器人,水下机器人和机器人、飞行方向和热门话题的研究主要涉及到运动的仿生机理的仿生机器人,仿生控制机制、信息感知仿生、仿生能量代谢和合成的仿生材料。
目前，我国已经研发了几款比较典型的仿生多足机器人，像仿壁虎四足机器人、仿竹节虫六足机器人、仿螳螂六足机器人、仿蜘蛛八足机器人、仿蝎八足机器人等[3]。
机器人在农业。
国防。
娱乐和服务等行业都得到良好的应用，机器人正朝着智能化的方向发展，将人工智能与仿生学相结合制造出类生物机器人。
近年来由于日本仿生机器ASIMO\还有、美国火星探测器等项目的研制成功，智能机器人的研究和发展，最重要的是是能够代替人在危险、恶劣等环境中从事特殊工作的特种智能机器人的研究和发展，已经是各国政府制定高技术计划的一个重要内容，支撑智能机器人的关键技术——感知与智能控制技术已成为机器人研究领域的热点之一[1]。
在1990年代早期,美国麻省理工学院教授布鲁克斯的帮助下学生,产生一批蚊子机器人,名叫昆虫,这些小习惯非常相似和蟑螂。
他们不没有自己的想法、,仅仅是根据编辑的程序。
日本和俄罗斯创建了一个电子机器蟹,深海探测,收集样本,捕捉海洋生物,海底焊接等，几年之前。
一些科技工作者送给圣地亚哥动物园一些鸟电子机器,它可以模仿女性秃鹫,喂小秃鹰，美国发明了一种机器名叫查理金枪鱼,长米,是由2843个零件组成的。
通过摇摆身体和尾巴,真的可以像鱼游泳,公里每小时的速度。
可以使用它在海上连续工作几个月,映射和探测水下海洋污染,您还可以使用它来拍摄,因为它模仿金枪鱼。
作为一个军事侦察和科学探索的工具,它的发展和应用前景非常广泛。
目前,中国科学院已经开发出类似的仿生机器鱼。
研究制造昆虫机器人,其前景也非常好。
例如,一些人开发一个灵活的机器昆虫的腿,大小只有1/3的信用卡,您可以轻松地跳过障碍像蟋蟀,几乎一个小时能向前。
蜜蜂机器人开发的科学家在美国,后安装太阳能电池板和传感器可以自主飞行很长时间。
这种机器昆虫是最特别的地方突破的概念“影响关节必须添加引擎”。
机器人是人工智能的方向迅速发展,仿生机器人的发展非常快。
机器人有价值是它可以做很多人类不能完成的任务,人是一个生命体征,动物,对生活环境有很高的要求。
尽管机器人是一种机器,它没有生命体征,只有在恶劣的环境工作将身体材料有更高的要求。
所以你可以让机器人来完成那些人类无法代替人工任务。
与人类研究的扩大,以及人类生活水平的不断提高,机器人的发展也越来越重要[3]。
所以机器人肯定会朝着仿生方向发展。
曾经在IEEE机器人学与仿生学国际学术会议上，与会的机器人专家就指出：
“模仿生物的身体结构和功能，从事生物特点工作的仿生机器人，有望代替传统的工业机器人，成为成为未来机器人的发展方向[1]。
设计思路
仿生学原理分析
仿生式蜘蛛机器人，顾名思义，我们借鉴自然界当中昆虫的运动原理。
脚是昆虫的运动器官。
昆虫有3步行,在胸部,胸部和胸部都有一双,我们反过来叫前面的脚,脚和背部的脚。
每只脚髋,旋转,股骨,胫骨,睑板和前大数。
髋是一天的基础,比短。
旋转是没有活动通常与腿部分紧密相连。
腿部分最长最厚部分。
第四季度叫做胫骨,往往是又细又长,一排排的荆棘。
第五节叫做大数,一般由2-5节和部分:
为了方便走路。
小结束还有两个坚硬和锋利的爪子,它可以用来把握对象。
步行是一组三条腿,前后肢的一边和另一边的脚托架结构,形成了一个三角形的三条腿在地上,往后推,另三条腿举起来取代。
前足后固定对象在它的爪子把昆虫的身体向前,足以支持和提高身体的一边,脚后促进虫体之前,同时使蜗杆转动。
这种运动方式使昆虫可以在什么时候停止都可以，由因为中心遗址是不变的。
还有一部分昆虫不用全部的腿走路。
他们的一些腿有了其他功能，产生了变化。
行走就主要靠中和后足来完成。
比如说刀螂。
两只前腿不会用来走路。
而是自己的武器、依靠剩下的四条腿运动
参考上面的昆虫脚结构,我想出了一个简单的方式来表达。
一只脚两个关节的活动,联合使用控制型转变，另一个联合使用偏摆,让脚可以提高,作为一种上下。
仿生蜘蛛机器人的研究方法及思路
决定这次研究的仿生蜘蛛机器人为六条腿的结构，要想完成设计首先得完成机构的设计。
之后才可以进行系统的设计。
整机机械结构、自由度、驱动方式，传动机构，都会影响机器人的性能。
而且，仿设计出来的机器人机构不仅得满足技术条件。
而且得满足经济条件。
必须在满足机器人的预期技术指标的条件下，考虑用合理用材、便捷制造安装、价格低廉和可靠性高等问题。
仿生蜘蛛机器人机制包括身体和腿两部分、,首先得决定腿的数量。
以及其他数据。
现有计算多组机器人包括三、四、六尺、八尺以上,脚的数量大,重载和慢镜头,和青年的数量似乎更灵活的运动。
数选择的因素主要包括:
稳定、节能、冗余、联合控制性能的要求,生产成本,质量,复杂的传感器和可能的步态,等等,腿配置指的是脚的行走机器人相对于身体的位置和姿态的安排,确定分布形式,还需要考虑一些细节,比如腿在主平面几何配置和相对弯曲腿的方向杆,等等。
此次设计腿的分布如图1所示。
图1仿生蜘蛛机器人腿的分布示意图
Fig1Bionicsixfootrobotlegdistributiondiagram
综合足的数量等因素，此次设计的行走步态决定用三角步态，这也是六足机器人步行方式通常采用的。
三角步态中，六足机器人身体的一侧的前足和后足与另一侧的中足共同组成一组。
其他三条足组成另外一组。
整体设计方案
工作原理分析
六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态是仿生蜘蛛机器人实现步行的典型步态。
以下主要分析三角步态原理。
三角步态原理分析
六条腿的昆虫行走时，一般不是六足同时直线前进，是把三对足分成两组，以三角形支架结构，互相交替前行。
目前，大部分仿生蜘蛛机器人采用了仿昆虫的结构，六条腿分布在身体的两侧，身体左面的前、后足及右面的中足为一组，右面的前、后足和左面的中足为另一组，分别组成两个三角形支架，靠大腿前后划动来实现支撑以及摆动过程，这就是最典型的三角步态行走方式。
但是因为身体重心比较低，容易稳定，所以这种行走方案可以得到广泛运用
机器人走动步态分析
项目设计总共用18个舵机实现步态。
每条腿三个舵机，分别控制跟关节和膝关节以及踝关节的运动，两个舵机安装呈正交，构成垂直以及水平方向的自由度。
因为腿具有水平和垂直平面的运动自由度，所以需要考虑利用三角步态来实现直线行走。
分别给18个舵机编号（1-18），如下图所示。
机器人机构总体设计
六条腿的机器人六条腿走路运动过程中分为两组,昆虫的身体一侧的前足和后腿在另一边的脚作为一组,剩下的三条腿和一群。
在运动的过程中,会有一组腿,一组脚,三个降落腿不仅使昆虫的身体稳定,摆动和驱动力,昆虫身体能完成直线或旋转运动。
本设计使用三角步态六英尺六条腿的机器人分为两组,1、3、5条腿作为一个群体,2,4,6为另一组腿。
六条腿的机器人通过控制两腿交替提高摆动,实现步行运动。
从身体的角度提升每条腿是开链结构,等效串联的手臂,同时在三条腿或六条腿和身体成分较为封闭链自由度并联机构。
步行机器人行走在正常情况下,胎停止支持腿与地面接触有摩擦,可以简化为点接触,相当于3自由度球面副的机制,加上与关节,膝盖和脚踝（对于单自由度,每个关节旋转）,每条腿有6对单自由度运动。
假设任何时候步行机器人的腿支撑阶段数n,然后用n模型空间多环并联机构分支机构,它的自由度可以计算下一个类型:
（1）
式中：
p----运动副数，p=4n；
----第i个运动副具有的自由度数，
=1（i=1~3n）,
=3（i=3n+1~4n），
L----独立封闭环数，L=n-1；
----第i个独立封闭环所具有的封闭约束条件数，
=6；
----消极自由度数，
=0；
和
----分别为局部自由度数和重复约束数，
。
将以上参数代入式
（1），可得：
F=3n+3n-（n-1）
6=6
由此可得到，不管步行机器人的几条腿处于支撑相，不论是三足支撑还是六足支撑，整个机构都是具有六个自由度的空间多环的并联机构，只是有时为三分支并联机构，有时为六分支并联机构。
六足步行机是这样行走，从机构学角度看就是三分支并联机构，六分支并联机构和串联开链机构两者之间不断变的复合型机构。
同时，上面的式子也说明，不管该步行机器人的步态和地面状况怎样，躯干在一定范围内都可灵活的到达任意位置，而且呈现要求的姿态。
仿生蜘蛛机器人腿分布示意图如图3所示。
图3仿生蜘蛛机器人腿分布示意图
Fig3Bionicsixfootrobotlegdistributiondiagram
仿生机器人蜘蛛六腿机身的盘上均匀分布,根据设计要求:
一条腿有三个自由度的运动,因此每条腿组装三个电机实现三个转动自由度。
电机装配位置腿和关节,膝盖和脚踝。
机身连接到主板的基础部分,关节,膝盖和脚踝,每个都有相应的自由度,以确保正常的运动。
胫骨关节连接,以保证良好的能动性,六条腿的机器人脚后通常使用昆虫脚设计的一部分,好的,优越的实用性和良好的灵活性。
腿交替来支持身体的质量在行走的过程中,和推动身体向前移动在负重条件,因此必须适应整个刚度和承载力的质量。
项目设计的仿生机器人蜘蛛,三个自由度的腿在一个类似的机构,包括膝盖和脚踝是由电机驱动和锥齿轮,为了使用简单的机构来获得更大的工作空间和灵活性。
电机通过控制相应的关节运动使机器人具有多个自由度,可以实现机器人走在任何时候自由的领域。
在结构上,以确保它可以更有效地模拟昆虫走路的方式来完成相对复杂的运动。
驱动系统在机器人仿生蜘蛛等效生物肌肉的作用,改变它,把腿关节机器人的姿态。
驱动系统必须拥有足够的功率对关节进行加、减速并带动负载，而且自身必须轻便、经济、精准、灵敏、可靠且便于维护六足机器人的腿生物结构示意图4所示[8]。
图4仿生蜘蛛机器人腿的生物结构示意图
Fig4Bionicsixfootrobotlegbiologicalstructurediagram
图2舵机安装示意图
Fig2Steeringgearinstalledscheme
（1）行走步态分析
由13，14，15，1，2，3，7，8，9，号舵机所控制的E,C,,A腿所处的状态一直保持一致；同样，4、5、6、10、11、12、16、17、18号所控制的B、D、F腿的状态也保持一致。
当一个三角形内的三条腿支撑时，另三条腿正在摆动。
支撑的三条腿使身体前进，摆动的腿对身体没有力以及位移作用，只使小腿向前运动，做好接下来支撑的准备。
步态函数，的占空系数为，支撑相还有摆动相经过调整，满足平坦地形时行走步态要求以及稳定裕量要求[7]。
（2）转弯步态分析
项目设计的机器人使用原位将与一只脚为中心转动,右旋转运动过程如下：
首先E,C,A,号腿先抬起，然后C,A号腿向前摆动，E腿保持不动。
此时B、D、F腿支撑。
然后A、C、E腿落地支撑，同时B、D、F腿抬起保持不动。
最后A、C腿向后摆动。
整个运动过程中B、D、E、F不做前后运动，只是上下运动。
电机的选择
选择电机时需要考虑机器人地质量以及最大扭矩。
必须要有机器人的腿的质量以及尺寸，通过查阅然后预算可以得出：
上腿（股节）有效长度是34mm，中腿（胫节）的有效长度是34mm,下腿（足）的有效长度是90mm。
上腿质量为190克，中腿为140克，下腿为150克。
然后对腿部做受力分析，做出受力简图5如下
图5仿生蜘蛛机器人腿的受力简图
Fig5Bionicsixfootrobotlegforcediagram
仿生蜘蛛机器人以地面做xoy平面，仿生蜘蛛机器人地重心在xoy平面上的投影为坐标原点O，z轴和机身垂直。
仿生蜘蛛机器人每条腿都会有3个自由度，每条腿都是由上腿和中腿以及下腿通过舵机连接形成。
在本次设计中，上腿的长度是34mm，中腿地长度是34mm，下腿地长度为90mm。
机体和上腿由A号舵机连接，上腿和中腿是B号舵机连接，中腿和下腿用C舵机连接。
腿着地的时候，上腿和中腿间的夹角为135°，中腿与下腿间的夹角为135°，抬腿的时候，B舵机逆时针转动30°。
在仿生蜘蛛机器人行走的过程中，要避免腿与腿会碰到，所以腿摆动的时候需要选择合适的角度，在本设计中运动控制的时候选择的摆动角度为30°。
针对仿生蜘蛛机器人支撑腿的受力状况，其虚位移平衡方程的分析如下：
首先用
表示质点系的广义坐标，即有
（2）
，
，
，
，
，
，
，
，
，则仿生仿生蜘蛛机器人步行足的广义平衡方程为：
（3）
（4）
其中M2、M3为膝关节和踝关节所需扭矩，l2、l3、m2、m3为胫节、足的长度和质量。
假设仿生蜘蛛机器人要按“三角步态”来行走，支撑相的三足均匀承受负荷，可以得到足的反力为：
（5）
仿生蜘蛛机器人在实际运动中，存在的情况。
据此，可推算出各关节所需的扭矩为：
（6）
（7）
当2=90°，2-3=30°时，由公式得，关节需输出扭矩最大值为：
（8）
（9）
计算得出，电机的最大输出扭矩要大于N
m。
根据得到的数据；来选用的伺服马达是TowPro的，型号是SG303。
主要技术参数如下：
转速：
秒／30度。
力矩：
。
尺寸：
40.4mm×19.8mm×36mm。
重量：
37.2g。
5V电源供电。
舵机的结构如图6所示
图6舵机的内部结构图
Fig6Internalstructureoftheactuator
通过整体的设计确定了仿生蜘蛛机器人的基本结构，通过电机的选择而确定仿生蜘蛛机器人的质量以及腿部的尺寸，为后面的零件设计做了充分准
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