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橋式起重機(jī)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計
譯 文
摘 要
本文提出了自動機(jī)械衛(wèi)星（RS）雙機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動的規(guī)劃設(shè)計?；谖⒅亓Νh(huán)境下RS運(yùn)動特性的分析，兩個機(jī)械手分為主機(jī)械手和從機(jī)械手。接著介紹了雙機(jī)械手RS協(xié)調(diào)運(yùn)動的四種模式：穩(wěn)定功能、平衡功能、調(diào)整功能和協(xié)作運(yùn)轉(zhuǎn)。還介紹了雙機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃算法。最后，給出了微重力環(huán)境下，RS俘獲目標(biāo)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃姆N協(xié)調(diào)運(yùn)動的計算機(jī)仿真結(jié)果。仿真試驗(yàn)顯示本文所提出的運(yùn)動模型和規(guī)劃算法是非常有效的。
關(guān)鍵詞：自動機(jī)械衛(wèi)星、運(yùn)動規(guī)劃、雙機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動、構(gòu)位空間、微重力環(huán)境
0 介紹
隨著空間技術(shù)的發(fā)展，諸如構(gòu)造和修理人造衛(wèi)星和航天飛機(jī)等的航天員艙外活動越來越多。但是，航天員艙外活動非常危險并且費(fèi)用昂貴，因此使用空間機(jī)器人來代替宇航員的需要變得日益急迫。這種機(jī)器人可以在太空中自由飛行，因此命名為自由飛行空間機(jī)器人。自動機(jī)械衛(wèi)星就是自由飛行空間機(jī)器人的非常重要的一類，它由人造衛(wèi)星和安裝在人造衛(wèi)星上的機(jī)械手組成。
空間機(jī)器人需要多機(jī)械手來在微重力環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜的操作，雙機(jī)械手RS是多機(jī)械手系統(tǒng)中重要的一員，并且雙機(jī)械手的研究是多機(jī)械手研究的基礎(chǔ)。為了增加機(jī)械手的功能并降低它們之間的意外干擾，應(yīng)該研究RS多機(jī)械手的協(xié)調(diào)運(yùn)動。多機(jī)械手的協(xié)調(diào)運(yùn)動包括協(xié)調(diào)任務(wù)、協(xié)調(diào)動作和協(xié)調(diào)控制。盡管在[1，2]中提出了有關(guān)多機(jī)械手RS的動力學(xué)和協(xié)調(diào)控制，但是多機(jī)械手RS協(xié)調(diào)運(yùn)動規(guī)劃的相關(guān)研究還是非常有限。
一般機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃問題是在給定環(huán)境和任務(wù)下，尋找無碰撞自動運(yùn)動路徑和軌道。運(yùn)動規(guī)劃有多種方法，例如構(gòu)位空間方法、人工位場方法和拓?fù)浞椒āＳ捎赗S在空間微重力環(huán)境中缺乏固定基礎(chǔ)，空間機(jī)械手的運(yùn)動將擾亂其基礎(chǔ)人造衛(wèi)星的位置和姿態(tài)，并改變RS機(jī)械手的工作空間。直接采取帶有固定基礎(chǔ)的地面機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃方法 ，以及規(guī)劃路徑和軌道是非常危險的，對RS有可能是錯誤的。因此，對微重力環(huán)境下RS運(yùn)動特性的研究是非常重要的。
1 微重力環(huán)境下RS的運(yùn)動特性
這里討論的RS由人造衛(wèi)星主體和k空間機(jī)械手組成。假設(shè)沒有外力和外部扭力施加在該系統(tǒng)上，并且RS可以在微重力環(huán)境中自由飛行或飄浮。機(jī)械手的每一處接點(diǎn)都是由扭力控制器控制的旋轉(zhuǎn)接點(diǎn)。整個系統(tǒng)的能量守恒。
如果第j個空間機(jī)械手具有nj個旋轉(zhuǎn)連接，則系統(tǒng)可以被看作是由N1個鏈接（N＝n1+n2+…+nk）組成的多鏈接自由飛行（飄浮）系統(tǒng)。研究人造衛(wèi)星的姿態(tài)時，要在衛(wèi)星主體上建立協(xié)調(diào)系統(tǒng)。如果Ω和Φ分別是RS衛(wèi)星姿態(tài)角矢量和空間機(jī)械手接點(diǎn)角矢量，它們分別為3-D和N-D矢量。衛(wèi)星姿態(tài)的極小改變δΩ可以表示為機(jī)械手極小運(yùn)動δΦ的函數(shù) δΩ＝G(Φ) δΦ………………………………………………………(1)
此處，G是一個 3×N的擾動靈敏度矩陣。δΩ定義為瞬時擾動。G的奇異值分解給出了衛(wèi)星最大干擾和最小干擾的方向和數(shù)量。如果Φ的變化量ΔΦ使衛(wèi)星姿態(tài)的變化量為ΔΩ，在公式（1）的數(shù)值積分將給出一個新的公式：ΔΩ＝F(Φ, ΔΦ) ………………………………… (2)
公式（2）表達(dá)的方程由一個不能顯式表達(dá)的數(shù)值積分得到。這需要對G重復(fù)進(jìn)行數(shù)值積分的大量的計算。
2 雙機(jī)械手RS地面模型及其C-空間量子化
為了研究RS自主控制技術(shù)，首先建立一個RS地面試驗(yàn)臺，通過空氣軸承來模擬微重力環(huán)境。RS試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢栽谠囼?yàn)臺中自由地飛行。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?
如圖2.1所示。
圖2.1雙機(jī)械手RS地面試驗(yàn)?zāi)Ｐ?
假設(shè)機(jī)械手有N個接點(diǎn)組成，且它們的角度為Φi，i=1，2，…,N。當(dāng)機(jī)械手的基礎(chǔ)固定時，矢量Φ=（Φ1，Φ2…,ΦN）組成機(jī)械手的C空間。對于微重力環(huán)境下的RS試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠碚f，需要其他一些參數(shù)來決定RS的相對位置，例如Ω，人造衛(wèi)星姿態(tài)角矢量。用Ψ=(Ψ1, Ψ2)和Θ=(Θ1, Θ2)和表示兩個機(jī)械手的接點(diǎn)角矢量。這里Φ=(Ψ,Θ)，RS模型的相對位置由(Ω, Ψ1, Ψ2, Θ1, Θ2)來確定，其中Ψ1, Ψ2,Θ1,Θ2的值可以相互獨(dú)立。任何接點(diǎn)的運(yùn)動都會影響Ω的值：ΔΩ=F(Ψ,Θ, ΔΨ, ΔΘ)。
其中，F(xiàn)為公式（2）定義的函數(shù)。Ψ（或Θ）的變化會影響衛(wèi)星的姿態(tài)以及衛(wèi)星姿態(tài)矢量Ω的變化，從而導(dǎo)致機(jī)械手位置的變化。盡管干擾使控制問題變得復(fù)雜，但是依然有可能利用動態(tài)干擾來簡化航天任務(wù)。例如，通過機(jī)械手的運(yùn)動，可以將衛(wèi)星姿態(tài)和另一個機(jī)械手的位置變動到需要的相對方位上。
由于高維和復(fù)雜的動態(tài)控制問題，RS相對位置之間的關(guān)系很難用顯式表達(dá)。本文提出了C空間量子化方法，即將每個接點(diǎn)角Φi平均地分成Ni個點(diǎn)，如下公式（4）所示：
Φ(i, j)＝Φi’＋（Φi”－ Φi’）·j/（Ni－1）
i＝1,2,3,4. j＝0，1，…，Ni－1 Φi∈[Φi’,Φi”] (4)
因此，機(jī)械手的角矢量（Φ1，Φ2，Φ3，Φ4）量化為N1×N2×N3×N4點(diǎn)。定義這些點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)（C-節(jié)點(diǎn)），并記C-節(jié)點(diǎn)為（a1，a2，a3，a4），ai∈[1, Ni],其中，ai 為正整數(shù)，i=1,2,3,4。對Ω也進(jìn)行同樣的過程。所有的C-節(jié)點(diǎn)及任意兩個相鄰節(jié)點(diǎn)的鏈接組成了RS量子化C-空間中的一個參考節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)(CNN)。
定義8種C-節(jié)點(diǎn)的相鄰關(guān)系，即RS實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臉?biāo)準(zhǔn)運(yùn)動。對每個具有8種標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動的C-節(jié)點(diǎn)計算ΔΩ以建立一個標(biāo)準(zhǔn)基。在標(biāo)準(zhǔn)基中，基左邊為向量（a1，a2，a3，a4）和一種標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動，基右邊為ΔΩ的值。則RS的C-空間就轉(zhuǎn)化成了一個運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)基，它刻劃了RS的運(yùn)動。在這個規(guī)劃中，我們可以從標(biāo)準(zhǔn)基中獲得ΔΩ的值而無須進(jìn)行大量計算。因此，這種方法可以支持運(yùn)動規(guī)劃運(yùn)行得更快。
3 機(jī)械手協(xié)調(diào)方案
兩個機(jī)械手可以平等地工作來實(shí)現(xiàn)相同的目標(biāo)，如共同抓住目標(biāo)；或不平等地工作，如一個機(jī)械手完成需要的操作，另一個在某些方面協(xié)助第一個完成操作。為了分析雙機(jī)械手協(xié)調(diào)模式，我們提出了相對概念：主機(jī)械手和從機(jī)械手。
定義
主機(jī)械手（M-機(jī)械手）：完成主操作任務(wù)的機(jī)械手叫做主機(jī)械手。
從機(jī)械手（A-機(jī)械手）：幫助主機(jī)械手完成主操作任務(wù)的機(jī)械手叫做從機(jī)械手。
A-機(jī)械手的協(xié)助功能一般是擾亂衛(wèi)星主體的姿態(tài)。它的影響包括維持衛(wèi)星穩(wěn)定或相對穩(wěn)定，以及使衛(wèi)星主體變換到需要的姿態(tài)或位置。前一個降低M-機(jī)械手運(yùn)動所造成的干擾；后一個通過制造干擾，使主體變換到需要的姿態(tài)。
通過上述分析，我們定義四種RS雙機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動模式。
穩(wěn)定功能：A-機(jī)械手通過抓取空間中的某些固定結(jié)構(gòu)來穩(wěn)定衛(wèi)星主體。
平衡功能：A-機(jī)械手通過移動來使衛(wèi)星免受M-機(jī)械手的干擾。
調(diào)整功能：A-機(jī)械手通過移動來干擾衛(wèi)星的姿態(tài)，來修正M-機(jī)械手的操作位置或工作空間。
協(xié)作運(yùn)轉(zhuǎn)：兩個機(jī)械手同時地平等地進(jìn)行空間操作。
對于RS試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，四種協(xié)調(diào)運(yùn)作模式通常更形象地表示為：Ψ和Θ分別表示M-機(jī)械手的角矢量和A-機(jī)械手接點(diǎn)的角矢量；Ω表示主體姿態(tài)矢量。
穩(wěn)定功能：Δθ＝0，ΔΩ＝0，規(guī)劃運(yùn)動路徑Ψ。
平衡功能：運(yùn)動路徑Ψ給定，保持Ω不變或在某一特定范圍內(nèi)變動，規(guī)劃運(yùn)動路徑θ。
調(diào)整功能：運(yùn)動路徑Ψ給定，Ω的初始值Ωi和最終值Ωj給定，規(guī)劃運(yùn)動路徑θ。
協(xié)作運(yùn)轉(zhuǎn)：操作任務(wù)給定，規(guī)劃運(yùn)動路徑Ψ和θ。
4 協(xié)調(diào)運(yùn)動規(guī)劃算法
首先，給定協(xié)調(diào)運(yùn)動模式的一般算法。然后，討論每種協(xié)調(diào)運(yùn)動模式下的特殊問題。
算法
第一步 建立RS運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)基：
1) 在定義域內(nèi)將Φj平均地分成Ni個點(diǎn)，i=1,2,3,4。
2) 構(gòu)造C-節(jié)點(diǎn)，表示為（a1，a2，a3，a4）。
3) 對每個節(jié)點(diǎn)和八種標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動，計算ΔΩ并根據(jù)（a1，a2，a3，a4）的地址存儲在內(nèi)存中。
4) 構(gòu)造CNN，即RS的運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)基。
第二步 設(shè)計目標(biāo)函數(shù)f(n)。f(n)由特定的協(xié)調(diào)運(yùn)動模式?jīng)Q定。
第三步 確定符合初始狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)n0并計算f(n0)，令n0為表示為n-當(dāng)前的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。
第四步 確定符合目標(biāo)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)和函數(shù)值。
第五步 用A-臨近（n-當(dāng)前）表示n-當(dāng)前臨近節(jié)點(diǎn)的集合，并選擇使f值最小的節(jié)點(diǎn)為擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)。在堆棧中保存n-當(dāng)前并令新的節(jié)點(diǎn)為n-當(dāng)前。
第六步 如果得到了目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或目標(biāo)函數(shù)的最終值，轉(zhuǎn)至第七步。如果經(jīng)過了L步驟，沒有得到最優(yōu)值，則放棄LT節(jié)點(diǎn)并標(biāo)記路徑。返回第五步。
第七步 將C-節(jié)點(diǎn)序列翻譯為RS操作手的接點(diǎn)角。
第九步 結(jié)束。
這里，f(n)是啟發(fā)式搜索中估計函數(shù)。采用A*算法， f(n)＝g(n)＋h(n)，n為n-當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，g(n)是初始節(jié)點(diǎn)n0和n節(jié)點(diǎn)之間的 代價，h(n)是節(jié)點(diǎn)n和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間代價的估計。
四種協(xié)調(diào)運(yùn)動模式的C-節(jié)點(diǎn)之間的代價d定義如下。對于穩(wěn)定功能，d表示兩個相對位置下M-機(jī)械手末端效應(yīng)器之間的距離；對于平衡功能和調(diào)整功能，d表示兩種狀態(tài)下，衛(wèi)星姿態(tài)角度之差；對于協(xié)調(diào)操作，d由目標(biāo)和兩個操作手末端效應(yīng)器之間的距離之和決定。
5 計算機(jī)仿真
仿真試驗(yàn)在IBM PC 386上進(jìn)行，RS運(yùn)動規(guī)劃和圖形仿真使用C語言來進(jìn)行編程。
RS模型的主操作是捕獲目標(biāo)并避免與工作空間中的障礙物發(fā)生碰撞。四種協(xié)調(diào)運(yùn)動模式下的計算機(jī)仿真結(jié)果如圖5.1－圖5.2所示。
計算機(jī)仿真顯示RS雙機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動規(guī)劃模式和算法是合理而有效的。3-D RS模型的運(yùn)動規(guī)劃和計算機(jī)仿真是作者的未來研究工作。
圖5.1 調(diào)整功能 圖5.2 協(xié)調(diào)操作
參考書目
[1].Yoshida K, Umctani Y. Dual-arm Coordination in Space Free-flying Robot. In Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, U.S.A., 1991, 1516-1521.
[2].Papadopoulos E. Dubowsky S. Coordinated Manipulator/Spacecraft Motion Control for Space Robotics System. In. Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, U.S.A., 1696-1701.
劉宏，生于1967年7月25日，分別在東北科技大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)獲得理學(xué)士學(xué)位和理碩士學(xué)位，他的導(dǎo)師為蔡鶴皋和洪炳熔教授。他的研究方向包括機(jī)器人技術(shù)和自主控制。
計算機(jī)數(shù)控機(jī)床的安全和維護(hù)
1 計算機(jī)數(shù)控機(jī)床的安全操作注意事項(xiàng)
在金屬切削操作中安全性一直是特別受關(guān)注的．由于計算機(jī)數(shù)控設(shè)備自動化程度高并且速度快，所以它是一個危險源。為了防止人員傷害和對設(shè)備的損壞，必須找出存在危險的根源，且操作人員必須提高警惕。主要的 潛在危險包括：旋轉(zhuǎn)部件，如主軸、主軸內(nèi)的刀具、卡盤、卡盤內(nèi)工件、帶著刀具的轉(zhuǎn)塔刀架以及旋轉(zhuǎn)的夾具裝置；運(yùn)動部件，如加工中心的工作臺、車床拖板、尾架頂尖，多工序旋轉(zhuǎn)托盤；程序錯誤，例如G00代碼的不正確使用而引起坐標(biāo)值錯誤，產(chǎn)生意想不到的快速移動；設(shè)置或改變偏移值時出錯，可能導(dǎo)致刀具與工件或刀具與機(jī)床之間的碰撞；隨意地更改已驗(yàn)證的程序，也會引起機(jī)床產(chǎn)生危險動作。為了減少或避免危險，盡量遵循以下保護(hù)措施。
(1) 使用機(jī)床制造商提供的機(jī)器原有保護(hù)罩。
(2) 帶上安全眼鏡、手套，穿上合適的衣服和鞋。
(3) 不熟悉機(jī)床操作前不要開動機(jī)床。
(4) 運(yùn)動程序之前，確認(rèn)零件已被正確夾緊。
(5) 驗(yàn)證一個程序時，遵循下列安全步驟：
2 啟用機(jī)床鎖定功能運(yùn)行程序，檢查程序中的語法錯誤 和幾何軌跡。
2 使用RAPID OVERRIDE快速倍率開關(guān)降低速度或空運(yùn)行程序。
2 采用單程序段執(zhí)行來確認(rèn)程序中的每一行。
2 刀具切削時，用FEED OVERRIDE進(jìn)給倍率開關(guān)減慢進(jìn)給速率，防止超負(fù)荷切削。
(6) 禁止用手處理切屑以及用切屑鉤子弄斷長而卷曲的切屑。編制不同的切屑狀態(tài)程序以便更好地控制切屑。如果要徹底清除切屑，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉機(jī)床。
(7) 如果懷疑刀片在編程的切屑狀態(tài)下有可能折斷時，可選擇一個更厚的刀片及減少進(jìn)給或切屑深度。
(8) 盡可能保持刀具懸出短些，因?yàn)樗赡艹蔀橐粋€導(dǎo)致刀片折斷的振動源。
(9) 當(dāng)頂尖支撐一個大零件時，確保中心孔足夠大足以支撐和夾住零件。
(10) 換刀、查找刀片或清理切屑時關(guān)閉機(jī)床。
(11) 替換已磨損或損壞的刀具和刀片。
(12) 列出現(xiàn)行刀具的偏移良清單，從機(jī)床上取下刀具，清除（設(shè)置為0）刀偏。
(13) 在未得到主管許可的情況下不得擅自更改程序。
(14) 如果你有任何與安全有關(guān)的擔(dān)憂，立即通知你的技術(shù)指 導(dǎo)和主管。
2 日常維護(hù)
2.1 外觀檢查
(1) 伺服電動機(jī)、探測器或數(shù)控主單元上的機(jī)床用油（切削 油，潤滑油）或者滲漏情況檢查。
(2) 可移動部件的電纜上有無損傷或電纜絞后合情況檢查。
(3) 過濾器堵塞情況檢查。
(4) 控制面板的門是否打開檢查。
(5) 外部環(huán)境震動檢查。
(6) 數(shù)控裝置單元是否放置在有灰塵的位置。
(7) 引起高頻的某物體是否位于控制單元附近。
2.2 檢查控制單元內(nèi)部
檢查以下故障是否被排除：
（1） 電纜連接器松動
（2） 裝配螺釘松動
（3） 固定放大器螺釘松動
（4） 冷卻風(fēng)扇工作異常
（5） 電纜損傷
（6） 印刷電路板插入不正確
2.3 故障診斷和維修
當(dāng)發(fā)生運(yùn)行故障時，應(yīng)找出原因以便采取適當(dāng)?shù)拇胧┡懦?。為此，?yīng)執(zhí)行下列檢查：
2.3.1 檢查故障發(fā)生狀態(tài) 檢查下列幾個方面：
(1) 故障出現(xiàn)時間？
(2) 在何種操作過程中出現(xiàn)故障？
(3) 什么故障？
(4) 故障何時發(fā)生？
即故障發(fā)生時的具體時間。
(5) 在何種操作過程中發(fā)生故障？何種運(yùn)行方式？
a) 對于某項(xiàng)自動操作…程序號，序列號，程序內(nèi)容？
b) 對于手動操作…模式？
c) 什么操作步驟？
d) 前一步和后一步操作？
e) 設(shè)置/顯示的單元屏幕是什么？
f) 是否發(fā)生在輸入輸出操作過程中？
g) 機(jī)床系統(tǒng)狀態(tài)如何？
h) 是否發(fā)生在換刀過程中？
i) 受控制的軸跟蹤檢測情況如何？
(6) 發(fā)生了什么故障？
(7) 設(shè)置/顯示的單元屏幕上警告監(jiān)測的報警內(nèi)容。
(8) 運(yùn)用顯示警報診斷屏幕來檢查報告內(nèi)容。
(9) 驅(qū)動放大器狀態(tài)顯示什么？
(10) 根據(jù)驅(qū)動放大器狀態(tài)顯示檢查報告內(nèi)容。
(11) 加工順序報警顯示表示什么？
(12) CRT顯示屏幕是否正常？
(13) 控制軸是否在跟蹤？
(14) 故障頻率
(15) 什么時候故障發(fā)生？頻率怎樣？（另一臺機(jī)床的操作過程中故障是否出現(xiàn)？）
(16) 如果頻率很小或者在另一臺機(jī)床的操作過程中出現(xiàn)故障，那么，故障的原因可能是供電電壓的干擾。在這種情況下，檢查a.供應(yīng)電源是否正常（在另一臺機(jī)床的操作過程中是否發(fā)生瞬時壓降？）b.采取措施抗干擾。
(17) 是否發(fā)生在特殊工作模式？
(18) 什么時候達(dá)到最高行程？
(19) 同一類工作的頻率是多少？
(20) 當(dāng)執(zhí)行相同操作是故障是否發(fā)生？（重復(fù)性檢查）
(21) 改變狀態(tài)（進(jìn)給倍率，程序內(nèi)容，加工順序等等）。
(22) 是否發(fā)生相同的故障？
原文說明
原文說明的內(nèi)容是：提出了自動機(jī)械衛(wèi)星（RS）雙機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動的規(guī)劃設(shè)計。接著介紹了雙機(jī)械手RS協(xié)調(diào)運(yùn)動的四種模式。還介紹了雙機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃算法。最后，給出了微重力環(huán)境下，RS俘獲目標(biāo)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷乃姆N協(xié)調(diào)運(yùn)動的計算機(jī)仿真結(jié)果。仿真試驗(yàn)顯示本文所提出的運(yùn)動模型和規(guī)劃算法是非常有效的。另一篇是介紹計算機(jī)數(shù)控機(jī)床的安全和維護(hù)。
題名：《自動機(jī)械衛(wèi)星雙機(jī)械手協(xié)調(diào)運(yùn)動的規(guī)劃設(shè)計》
《計算機(jī)數(shù)控機(jī)床的安全和維護(hù)》
作者：劉宏 洪炳熔 蔡鶴皋
蔣忠理
來源：高校出版社《自動機(jī)械衛(wèi)星機(jī)械手》
機(jī)械工業(yè)出版社《機(jī)電與數(shù)控專業(yè)英語》
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