工业机器人1.docx
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工业机器人1
第一章概论
第一节机器人的发展史
一、机器人概述
机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自20世纪60年代初问世以来，经历了近50年的发展已取得显著成果。
走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的实用化，昭示着机器人技术灿烂的明天。
在科技界，科学家会给每一个科技术语一个明确的定义。
但机器人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的意见。
原因之一是机器人还在发展，新的机型，新的功能不断涌现，领域不断扩展。
但根本原因主要是因为机器人涉及到了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。
就像机器人一词最早诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。
也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。
其实并不是人们不想给机器人一个完整的定义，自机器人诞生之日起人们就不断地尝试着说明到底什么是机器人。
但随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。
1886年法国作家利尔亚当在他的小说《未来夏娃》中将外表像人的机器起名为“安德罗丁”（android），它由4部分组成：
（1）生命系统（平衡、步行、发声、身体摆动、感觉、表情、调节运动等）；
（2）造型材料（关节能自由运动的金属覆盖体，一种盔甲）；
（3）人造肌肉（在上述盔甲上有肉体、静脉、性别等身体的各种形态）；
（4）人造皮肤（含有肤色、机理、轮廓、头发、视觉、牙齿、手爪等）。
为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：
（1）机器人不应伤害人类；
（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
这是给机器人赋予的伦理性纲领。
机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。
美国国家标准局（NBS）的定义：
“机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。
国际标准化组织（ISO）的定义：
“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务。
”
机器人具有以下特性：
（1）一种机械电子装置；
（2）动作具有类似于人或其他生物体的功能；
（3）可通过编程执行多种工作，有一定的通用性和灵活性；
（4）有一定程度的智能，能够自主地完成一些操作。
进入20世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器人相继问世，
1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出，它是一个电动机器人，装有无线电发报机，可以回答一些问题，但该机器人不能走动。
1959年第一台工业机器人（采用可编程控制器、圆柱坐标机械手）在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。
现代机器人的研究始于20世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。
自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。
大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。
与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。
另一方面，原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。
在这一需求背景下，美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人。
现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
3.我国机器人的发展
有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。
其实这是一种误解，在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处，它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国机器人学研究起步较晚，但进步较快，已经在工业机器人、特种机器人和智能机器人各个方面区的了明显的成就，为我国机器人学的发展打下了坚实的基础。
我国工业机器人起步于70年代初，大致可分为3个阶段：
70年代的萌芽期，80年代的开发期，90年代的实用化期。
我国于1972年开始研制工业机器人，数十家研究单位和院校分别开发了固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人，并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。
80年代，机器人步入了跨越式发展时期。
进行了工业机器人基础技术、基础元器件、几类工业机器人整机及应用工程的开发研究。
完成了示教再现式工业及其成套技术的开发，研制出喷涂、弧焊、点焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件，并在生产中经过实际应用考核，其性能指标达到80年代初国外同类产品的水平。
为了跟踪国外高技术，在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人、高功能装配机器人和各类特种机器人，进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性能传感器及新材料等的应用研究。
90年代，由于市场竞争加剧，一些企业认识到必须要用机器人等自动化设备来改造传统产业，从而进一步走向产业化。
在喷涂机器人，点、弧焊机器人，搬运机器人、装配机器人、矿山、建筑、管道作业的特种工业机器人技术和系统应用的成套技术继续开发和完善，进一步开拓市场，扩大应用领域，从汽车制造业逐步扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域。
美国机器人学会（RIA）只将以上第三类至第六类视做机器人。
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。
所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。
机器人最适合在那些人类无法工作的环境中工作。
它们已在许多工业部门获得广泛应用。
它们可以比人类工作得更好并且成本低廉。
例如，因为焊接机器人能够更均匀一致地运动，它可以比焊接工人焊得更好。
此外，机器人无需焊接工人工作时使用护目镜、防护服、通风设备及其必要的防护措施。
因此，只要焊接工作设置由机器人自动操作并不再改变，而且该焊接工作也不是太复杂，那么机器人就比较适合做这样的工作并能提高生产效率。
同样，海底勘探机器人远不像人类潜水员工作时需要太多的关注，机器人可以在水下停留更长的时间，并潜入更深的水底而仍能承受住巨大的压力，而且它也不需要氧气。
机器人的应用领域正不断扩大、种类日趋增多、性能不断提高，并逐步向智能化方向发展，追求目标是融入人类的生活，和人类一起协同工作，从事一些人类无法从事的工作，以更大的灵活性给人类社会带来更多的价值。
将从已广泛应用的汽车、机械制造、电子工业等生产领域扩展到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域，进而应用在非工业领域中，如农业、林业、畜牧业和养殖业等。
机器人将成为人类社会生产活动的“主劳力”，人类将从繁重、重复单调、有害健康和危险的生产劳动中解放出来，从而有更多的时间去学习、研究和创造。
将人送入太空进行宇宙探索非常危险和昂贵，机器人将代替人从事空间作业和太空探索。
目前，航天飞机已经将舱外作业机器人带入太空进行太空作业，火星探测车已被送到火星表面上，并成功地完成了预定的探测任务。
水下机器人已能下潜到万米左右的深度，地下探测机器人正在快速发展，将用于海底和地底的探索与开发、海洋和地下资源的利用、水下作业与救生等。
军用机器人可以是一个武器系统，如机器人坦克、无人作战飞机、自主式地面车辆、扫雷机器人等，也可以是武器装备上的一个系统或装置，如军用飞机的“副驾驶员”系统、坦克炮装弹机器人系统、武器装备的自动故障诊断与排除系统等。
将来可能出现机器人化的部队或兵团，在未来战争中将会出现机器人对机器人的战斗。
服务机器人将越来越多地进入家庭和服务产业，从事清洁卫生、园艺、炊事、垃圾处理、家庭护理与服务等。
在医院，机器人可以从事手术、化验、运输、康复及病人护理等。
在商业和旅游业中，导购、导游、表演机器人将得到发展，智能机器人玩具和宠物将不断增加，各种机器人比赛和表演将百花争艳。
机器人不再只是用于生产作业的工具，大量的服务、表演、教育及玩具机器人将进入人类社会，使我们的生活更加方便和丰富多彩。
第二节机器人研究领域和内容
一、机器人组成及其与外部的关系
二、机器人技术涉及的研究领域有：
1、传感器技术：
得到与人类感觉机能相似的传感器技术；
2、人工智能计算机科学：
得到与人类智能或控制机能相似能力的人工智能或计算机科学；
3、假肢技术；
4、工业机器人技术：
把人类作业技能具体化的工业机器人技术；
5、移动机械技术：
实现动物行走机能的行走技术；
6、生物功能：
实现生物机能为目的的生物学技术。
三、机器人研究的基础内容
1、空间机构学
机器人机身和臂部机构的设计、机器人手部机构设计、机器人行走机构的设计、机器人关节部机构的设计。
2、机器人运动学
研究要涉及到组成这一系统的各杆件之间以及系统与对象之间的相互关系，为此需要一种有效的数学描述方法。
3、机器人静力学
静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。
4、机器人动力学
动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩与其位置、速度、加速度关系的方程式。
5、机器人控制技术
主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。
6、机器人传感器
机器人的感觉主要通过传感器来实现。
外部传感器有视觉、触觉、听觉、力觉传感器，内部传感器主要有位置、姿态、速度、加速度传感器。
7、机器人语言
机器人语言分为通用计算机语言和专用机器人语言，
四、机器人技术的发展趋势
未来机器人技术的主要研究内容集中在以下几个方面：
1、工业机器人操作机结构的优化设计技术。
探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载－自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。
2、机器人控制技术。
重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。
机器人控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。
3、多传感系统。
为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。
其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。
4、机器人遥控及监控技术，
机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。
5、虚拟机器人技术。
基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感应技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。
6、多智能体控制技术。
主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。
7、微型和微小机器人技术。
这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。
过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。
8、软机器人技术。
主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。
传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人对人是友好的。
9、仿人和仿生技术。
这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究。
第二章机器人本体的机械结构
第一节机器人的组成和分类
一、机器人的组成
大多数的机器人有四个共同的主要部件：
（1）机械部分
机械部分是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体而形成的开环运动学链系。
（2）驱动源
使各种机械部件产生运动的装置为驱动部件，驱动源可以是气动的、液压的或电动的，
（3）一个或多个传感器
传感器是将有关机械部件的内部信息和外部信息传递给机器人的控制器。
（4）控制器
控制器通过获取的信息确定机械部件各部分的正确运行轨迹、速度、位置和外部环境，使机械部件的各部分按预定程序在规定的时间开始和结束动作。
二、机器人的分类
1.按机器人的控制方式分类
1）非伺服机器
非伺服机器人按照预先编好的程序顺序进行工作，使用限位开关、制动器、插销板和定序器来控制机器人的运动。
（2）伺服控制机器人
伺服控制机器人通过传感器取得的反馈信号与来自给定装置的综合信号比较后，得到误差信号，经过放大后用以激发机器人的驱动装置，进而带动手部执行装置以一定规律运动，到达规定的位置或速度等，这是一个反馈控制系统
2.按机器人结构坐标系特点方式分类
（1）直角坐标型
（2）圆柱坐标型（3）极坐标型（4）多关节型
第二节机器人的主要技术参数
1．自由度：
是指描述物体运动所需要的独立坐标数。
2．工作空间：
是指机器人手臂或手部安装点所能达到的所有空间区域，不包括手部本身所能达到的区域。
3．工作速度：
机器人在工作载荷条件下、匀速运动过程中，机械接口中心或工具中心点在单位时间内所移动的距离或转动的角度。
4．工作载荷：
机器人在规定的性能范围内，机械接口处能承受的最大负载量（包括手部）。
用质量、力矩、惯性矩来表示。
5．控制方式
机器人用于控制轴的方式，是伺服还是非伺服，伺服控制方式是实现连续轨迹还是点到点的运动。
6．驱动方式
指关节执行器的动力源。
7．精度、重复精度和分辨率
精度、重复精度和分辨率用来定义机器人手部的定位能力。
第三节机器人的机械结构与运动
一、机器人机械结构的组成
1、手部结构2、手腕结构3、臂部结构4、机身结构
二、机器人机构的运动
1.手臂和本体的运动
（1）垂直移动
指机器人手臂的上下运动。
这种运动通常采用液压缸机构或其他垂直升降机构来完成，也可以通过调整整个机器人机身在垂直方向上的安装位置来实现。
（2）径向移动
是手臂的伸缩运动。
机器人手臂的伸缩使其手臂的工作长度发生变化。
在圆柱坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的圆柱表面直径。
（3）回转运动
指机器人绕铅垂轴的转动。
这种运动决定了机器人能手臂所能到达的角位置。
2.手腕的运动
（1）手腕旋转
手腕绕小臂轴线的转动。
有些机器人限制其手腕转动角度小于360度。
另一些机器人则仅仅受到控制电缆缠绕圈数的限制，手腕可以转几圈。
（2）手腕弯曲
指手腕的上下摆动，这种运动也称为俯仰。
（3）手腕侧摆
指机器人手腕的水平摆动。
手腕的旋转和俯仰两种运动结合起来可以构成侧摆运动，通常机器人的侧摆运动由一个单独的关节提供。
三、机身和臂部机构
机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的部件。
常用的机身结构有：
（1）升降回转型机身结构；
（2）俯仰型机身结构；
（3）直移型机身结构；
（4）类人机器人机身结构。
2.臂部结构
手臂部件（简称臂部）是机器人的主要执行部件，它的作用是支承腕部和手部，并带动它们在空间运动。
根据臂部的运动和布局、驱动方式、传动和导向装置的不同，可分为：
（1）伸缩型臂部结构；
（2）转动伸缩型臂部结构；
（3）屈伸型臂部结构;
（4）其他专用的机械传动臂部结构
3.机身和臂部的配置型式
机身和臂部的配置形式基本上反映了机器人的总体布局。
（1）横梁式
（2）立柱式
（3）机座式
（4）屈伸式
四、手腕结构
手腕是连接手臂和手部的结构部件，它的主要作用是确定手部的作业方向。
多数将腕部结构的驱动部分安排在小臂上。
要确定手部的作业方向，一般需要三个自由度，这三个回转方向为：
（1）臂转：
绕小臂轴线方向的旋转。
（2）手转：
使手部绕自身的轴线方向旋转。
（3）腕摆：
使手部相对于臂进行摆动。
手腕结构多为上述三个回转方式的组合，组合的方式可以有多种形式，
常用的手腕组合的方式
臂转、腕摆、手转结构臂转、双腕摆、手转结构
五、手部机构
机器人的手部是最重要的执行机构，从功能和形态上看，它可分为工业机器人的手部和仿人机器人的手部。
工业机器人常用的手部按其握持原理可以分为:
（1）夹持类
（2）吸附类
1.夹持类
（）夹钳式
•手指1•传动机构2•驱动装置3•支架4
1）手指
①指端的形状
V型指平面指尖指特形指
②指面型式
根据工件形状、大小及其被夹持部位材质软硬、表面性质等的不同，手指的指面有光滑指面、齿型指面和柔性指面三种形式。
③手指的材料
对于夹钳式手部，其手指材料可选用一般碳素钢和合金结构钢。
为使手指经久耐用，指面可镶嵌硬质合金；高温作业的手指，可选用耐热钢；在腐蚀性气体环境下工作的手指，可镀铬或进行搪瓷处理，也可选用耐腐蚀的玻璃钢或聚四氟乙烯。
2）手部的传动机构
①回转型传动机构
斜楔杠杆式滑槽式杠杆回转型
①回转型传动机构
双支点连杆杠杆式齿条齿轮杠杆式
②平移型传动机构
四连杆机构平移型手部直线平移型手部结构
（2）钩托式手部
钩托式手部是不靠夹紧力来夹持工件，而是利用手指对工件钩、托、捧等动作来托持工件。
（3）弹簧式手部
弹簧式手部靠弹簧力的作用将工件夹紧，手部不需要专用的驱动装置，结构简单，只适于夹持轻小工件。
2.吸附类
吸附式手部靠吸附式取料。
根据吸附力的不同有气吸附和磁吸附二种。
吸附式手部适应于大平面、易碎、微小的物体，因此使用面也较大。
（1）气吸式
气吸式手部是工业机器人常用的一种吸持工件的装置。
它由吸盘、吸盘架及进排气系统组成，气吸式手部是利用吸盘内的压力与大气压之间的压力差而工作的。
按形成压力差的方法，可分为真空气吸、气流负压气吸、挤压排气负压气吸三种。
气吸式手部
真空气吸吸附手部气流负压吸附手部挤压排气式手部
气吸式手部具有结构简单、重量轻、使用方便可靠等优点。
广泛用于非金属材料或不可有剩磁的材料的吸附。
气吸式手部的另一个特点是对工件表面没有损伤，且对被吸持工件预定的位置精度要求不高；但要求工件上与吸盘接触部位光滑平整、清洁，被吸工件材质致密，没有透气空隙。
（2）磁吸式
磁吸式手部是利用永久磁铁或电磁铁通电后产生的磁力来吸附材料工件的，应用较广。
磁吸式手部不会破坏被吸件表面质量。
磁吸式手部比气吸式手部优越的方面是：
有较大的单位面积吸力，对工件表面光洁度及通孔、沟槽等无特殊要求。
磁吸式手部的不足之处是：
被吸工件存在剩磁，吸附头上常吸附磁性屑（如铁屑等），影响正常工作。
因此对那些不允许有剩磁的零件要禁止使用。
对钢、铁等材料制品，温度超过723℃就会失去磁性，故在高温下无法使用磁吸式手部。
磁吸式手部按磁力来源可分为永久磁铁手部和电磁铁手部。
电磁铁手部由于供电不同又可分为交流电磁铁和直流电磁铁手部。
3.仿人机器人的手部
目前，大部分工业机器人的手部只有2个手指，而且手指上一般没有关节。
因此取料不能适应物体外形的变化，不能使物体表面承受比较均匀的夹持力，因此无法满足对复杂形状、不同材质的物体实施夹持和操作。
为了提高机器人手部和手腕的操作能力、灵活性和快速反应能力，使机器人能像人手一样进行各种复杂的作业，如装配作业、维修作业设备操作等，就必须有一个运动灵活、动作多样的灵巧手，即仿人手。
六、行走机构
行走机构是由驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。
它一方面支承机器人的机身、臂部和手部，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人实现在更广阔的空间内运动。
一般而言,行走机器人的行走机构主要有:
（1）车轮式行走机构
（2）履带式行走机构
（3）和足式行走机构
此外，还有步进式行走机构、蠕动式行走机构、混合式行走机构和蛇行式行走机构等，以适合于各种特别的场合。
1.车轮式行走机构
轮式行走机器人是机器人中应用最多的一种机器人,在相对平坦的地面上，用车轮移动方式行走是相当优越的。
（1）车轮的形式
车轮的形状或结构形式取决于地面的性质和车辆的承载能力。
充气球轮半球形轮传统车轮无缘轮（用于沙丘地形）（用于火星表面移动）（用于平坦的坚硬路面）（用来爬越阶梯及水田中）
（2）车轮的配置和转向机构
两后轮独立驱动前轮驱动和转向后轮差动前轮转向
后轮分散驱动四轮同步转向机构
（3）越障轮式机构
普通车轮行走机构对崎岖不平地面适应性很差，为了提高轮式车辆的地面适应能力，研究了越障轮式机构。
2.履带式行走机构
履带式行走机构适合于未加工的天然路面行走，它是轮式行走机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。
履带行走机构与轮式行走机构相比，有如下特点：
（1）支承面积大，接地比压小。
适合于松软或泥泞场地进行作业，下陷度小，滚动阻力小。
（2）越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式行走机构
（3）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力；
（4）结构复杂，重量大，运动惯性大，减振功能差，零件易损坏。
（2）履带行走机构的形状
形状一：
驱动轮及导向轮兼作支承轮，增大支承地面面积，改善了稳定性，此时驱动轮和导向轮只微量高于地面。
形状二：
不作支承轮的驱动轮与导向轮装得高于地面，链条引入引出时角度达50度，其好处是适合于穿越障碍，另外因为减少了泥土夹入引起的磨损和失效，可以提高驱动轮和导向轮的寿命。
3.足式行走机构
足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力，足式运动方式的立足点是离散的点，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，而轮式和履带行走工具必须面临最坏的地形上的几乎所有点；足式运动方式还具有主动隔振能力，尽管地面高低不平,机身的运动仍然可以相当平稳；足式行走在不平地面和松软地面上的运动速度较高，能耗较少。
不同足数对行走能力的评价
足数评价指标
1
2
3
4
5
6
7
8
保持稳定姿态的能力
无
无
好
最好
最好
最好
最好
最好
静态稳定行走的能力
无
无
无
好
最好
最好
最好
最好
高速静稳定行走能力
无
无
无
有
好
最好
最好
最好
动态稳定行走的能力
有
有
最好
最好
最好
好
好
好
用自由度数衡量的机械结构之简单性
最好
最好
好
好
好
有
有
有
（2）足的配置
正向对称分布前后向对称分布
第四节机器人的驱动机构
一、驱动方式
机器人关节的驱动方式有：
（1）液压式
（2）气动式
（3）电动式。
1.液压驱动
机器人的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点：
1）液压容易达到较高的单位面积压力（常用油压为25～63kg/cm2）,体积较小，可以获得较大的推力或转矩；
2）液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；
3）液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；
4）液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，
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