CN111113377B - 具有姿态校准系统的人形机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有姿态校准系统的人形机器人及其控制方法,涉及一种机器人及其控制方法,机器人具有与人体运动关节一致的机器人运动关节;其姿态校准系统包括倾角传感器、角速度传感器、单片机;单片机包括信号采集单元、存储单元、中央处理器、电源管理单元、驱动单元。方法是在每个机器人运动关节都安装有倾角传感器、角速度传感器,在运行中倾角传感器、角速度传感器分别采集各个关节的实时数值,并和标准倾角值、标准角速度值作比较;当两个数值偏差都超过阈值时,中央处理器立即断开运动执行模块的电源,机器人处于停止关闭状态。本发明可防止运行中机械松动导致的动作偏差,可防止机器人受到碰撞摔坏,其性能可靠,结构简单,成本低,易于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人及其控制方法,特别是一种具有姿态校准系统的人形机器人及其控制方法。
背景技术
随着工业4.0、人工智能技术、5G通信技术的快速发展,机器人产业得到迅猛发展,尤其是商用、服务、教育机器人的普及已经成为了趋势,市面上随处可见运动机器人、服务机器人、教育机器人、唱歌跳舞机器人、对话机器人等。
但是,市场上常见的机器人都存在一系列的缺陷,特别是双足机器人、人形机器人,主要存在以下不足:1.机器人在运行时,机械结构的松动,尤其是螺丝松动导致一些机器人关节松动,使其执行动作产生偏差,达不到运行的效果;2.机器人在运行时,如果发生机器人因人为或者意外碰撞、倒地等剧烈撞击,其供电系统一直处于工作状态,很容易造成电机负载过大而烧坏、电机齿轮崩裂、电源漏电、控制系统紊乱等问题,自我保护能力很差;3.进而增加了维护人员的工作量和用户的成本,造成能源的损耗,用户安全得不到保障。
授权公告号为CN107962595B发明专利公开了一种机器人倒地保护系统及方法,该机器人采用平衡感应模块和碰撞检测模块采集信号,当平衡信号和/或碰撞的强度信号高于阈值就报警;当平衡信号高于阈值才对碰撞的强度信号进行判断是否高于碰撞强度阈值,只有平衡信号和碰撞的强度信号都高于阈值才进行断电;发送求助信息包括地图位置信息、图像信息以及声音信息的至少一种;采用这样的方法存在的缺陷主要有:1.当人形机器人跳舞时,做翻滚动作或者倒立动作,平衡感应模块采集的平衡信号就会超过阀值,立刻发送报警信号,严重阻碍人形机器人做高难度动作;2. 只有平衡信号和碰撞的强度信号都高于阈值才进行断电,只能对碰撞起到保护作用,无法对机器人运行时突然掉电摔倒起到保护,因为突然供电不足自己摔倒,所以平衡信号高于阀值,碰撞信号低于超过阀值,只有机器人摔倒和地面发生碰撞时,碰撞信号才高于阀值;3.发送的求助信号只精准到位置信息,没有办法精准到每个电机,增加检修人员工作量;4.当平衡信号和碰撞的强度信号都高于阈值直接断电,只是起到防止机器人燃烧,无法对电机、齿轮和机身起到保护,因为直接断电机器人立刻摔倒,电机和齿轮很容易损坏,甚至机身结构产生形变。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种具有姿态校准系统的人形机器人及其控制方法,以解决现有机器人存在的机械结构松动,使机器人执行动作产生偏差,达不到运行的效果;人为碰撞倒地剧烈撞击造成电机烧坏、电机齿轮崩裂、电源漏电、控制系统紊乱的不足之处。
解决上述技术问题的技术方案是:一种具有姿态校准系统的人形机器人,包括机器人腿部系统、机器人机身系统、机器人手部系统、机器人头部系统、机器人电源系统;该机器人是个多自由度人型机器人,具有与人体运动关节一致的机器人运动关节;该机器人还包括有姿态校准系统,所述的姿态校准系统包括倾角传感器、角速度传感器、单片机;所述的单片机包括信号采集单元、存储单元、中央处理器、电源管理单元、驱动单元;所述的倾角传感器、角速度传感器分别安装在各个机器人运动关节上,倾角传感器、角速度传感器的信号输出端通过信号采集单元与中央处理器的信号输入端连接;存储单元与中央处理器的信号输入输出端连接;中央处理器的信号输出端分别与电源管理单元、驱动单元的信号输入端连接,电源管理单元、驱动单元的信号输出端分别与运动执行模块的信号输入端连接;上述的运动执行模块包括所述的机器人腿部系统、机器人机身系统、机器人手部系统、机器人头部系统。
本发明的进一步技术方案是:所述的姿态校准系统还包括有后台管控单元、移动设备、声光报警器,所述的单片机还包括有信息发送单元、报警信号输出单元,所述的中央处理器的信号输出端通过信息发送单元与后台管控单元、移动设备的信号输入端连接,中央处理器的信号输出端还通过报警信号输出单元与安装在机器人机身系统上的声光报警器连接。
本发明的另一技术方案是:一种具有姿态校准系统的人形机器人控制方法,该方法是在具有姿态校准系统的人形机器人的每个机器人运动关节都安装有倾角传感器、角速度传感器,机器人在安装调试完成时通过倾角传感器、角速度传感器采集各个机器人运动关节的初始倾角值、初始角速度并存储在存储单元中作为标准倾角值、标准角速度;在机器人运行中,倾角传感器、角速度传感器分别实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值、实时角速度值,并和存储单元中的标准倾角值、标准角速度值实时作比较;当仅有倾角偏差值超过设置阈值,中央处理器发出相应调整偏差指令,控制出现偏差的对应运动执行模块调整动作使倾角偏差值为零;当倾角偏差值、角速度偏差值同时超过阈值时,中央处理器通过电源管理单元断开运动执行模块的电源及机器人电源系统,机器人处于停止关闭状态。
本发明的进一步技术方案是:当倾角偏差值、角速度偏差值同时超过设置阈值还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元和移动设备;同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。
本发明的再进一步技术方案是:该方法包括以下步骤:
a). 采集标准倾角值和标准角速度值
机器人在完成调试时,通过倾角传感器、角速度传感器采集各个机器人运动关节的倾角值β1、β2、…、βm和角速度值ω1、ω2、…、ωm,并存储在存储单元中;倾角值β1、β2、…、βm和角速度值ω1、ω2、…、ωm为各个机器人运动关节运行时的标准倾角值和标准角速度值,m为机器人运动关节的数量;
b). 采集实时倾角值和实时角速度值
机器人运行时,倾角传感器实时采集运行时各个机器人运动关节的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φm及实时角速度值V1、V2、…、Vm;
c).分别求取偏差值Ki和偏差值Pi
分别将实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φm及实时角速度值V 1、V2、…、Vm与存储在存储单元中的标准倾角值β1、β2、…、βm及角速度值V 1、V2、…、Vm做比较,运行时的实时倾角值与标准倾角值的偏差值Ki(i=1,2 … m)为:K1=│Φ1-β1│、K2=│Φ2-β2│、…、Km=│Φm-βm│,实时角速度值与标准角速度值的偏差值Pi(i=1,2 … m)为:P1=│V1-ω1│、P2=│V2-ω2│、…、Pm=│Vm-ωm│;
d).判断偏差值Ki和偏差值Pi是否大于阈值
判断偏差值Ki和偏差值Pi是否大于阈值0,当Ki(i=1,2 … m)=0、Pi(i=1,2 … m)=0时,重复执行步骤b);当Ki(i=1,2 … m)>0,Pi(i=1,2 … m)=0时,执行步骤e);当Ki(i=1,2 … m)>0,Pi(i=1,2 … m)>0时,执行步骤f);
e). 调整偏差值
中央处理器输出控制信号g0,通过驱动单元驱动运动执行模块执行对应电机,调整偏差值Ki=0(i=1,2 … m);
f).发送故障信息和断开电机电源
当Ki>0(i=1,2 … m)和Pi>0(i=1,2 … m)时,中央处理器输出控制信号g1,由信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号在内的故障信息给后台管控单元和移动设备,并通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器,同时由中央处理器输出控制信号g2,通过电源管理单元断开运动执行模块的电源及电源系统,机器人处在停止关闭状态。
由于采用上述结构,本发明之具有姿态校准系统的人形机器人及其控制方法与现有技术相比,具有以下有益效果:
1.防止机器人运行中机械松动导致的动作偏差:
本发明的姿态校准系统是在每个机器人运动关节都安装有倾角传感器、角速度传感器,机器人在安装调试完成时通过倾角传感器、角速度传感器采集各个机器人运动关节的初始倾角值、初始角速度并存储在存储单元中作为标准倾角值、标准角速度;在机器人运行中,倾角传感器、角速度传感器分别实时采集各个关节的实时倾角值、实时角速度值,并和存储单元中的标准倾角值、标准角速度值实时作比较;当仅倾角值出现偏差时,中央处理器发出相应调整偏差指令,使其与标准值相等。因此,本发明在运行时,如果出现由于机械结构的松动,尤其是螺丝松动导致的机器人关节松动,使其执行动作产生偏差时,可通过姿态校准系统自动调整偏差,从而达到正常的运行效果,实现机器人姿态自动校准效果。
2.防止机器人受到碰撞摔坏:
本发明的姿态校准系统是在每个机器人运动关节都安装有倾角传感器、角速度传感器,机器人在安装调试完成时通过倾角传感器、角速度传感器采集各个机器人运动关节的初始倾角值、初始角速度并存储在存储单元中作为标准倾角值、标准角速度;在机器人运行中,倾角传感器、角速度传感器分别实时采集各个关节的实时倾角值、实时角速度值,并和存储单元中的标准倾角值、标准角速度值实时作比较;当仅倾角值出现偏差时,中央处理器发出相应调整偏差指令,使其与标准值相等。当倾角偏差值、角速度偏差值同时超过阈值时,判断为机器人即将摔倒,中央处理器通过电源管理单元断开运动执行模块的电源及机器人电源系统,机器人处于停止关闭状态。因此,本发明在检测到机器人即将摔倒时,及时断开各个电机的电源,从而可达到防止机器人受到碰撞后电机还一直处于工作状态而造成电机负载过大而烧坏、电机齿轮崩裂、电源漏电、控制系统紊乱的效果。
3.减少维修人员工作量:
本发明在运行中,倾角传感器、角速度传感器实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值、角速度传感器并和存储单元中的标准倾角值、标准角速度值实时比较,当两个偏差均超过设置阈值时还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元和移动设备,并通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。因此,本发明可以精准定位到损坏的机器人,从而达到减少维修人员工作量,提高工作效率,减少运营成本的效果。
4. 性能可靠:
本发明在机器人运行中,倾角传感器、角速度传感器分别实时采集各个关节的实时倾角值、实时角速度值,并和存储单元中的标准倾角值、标准角速度值实时作比较。当仅倾角值出现偏差时,中央处理器发出相应调整偏差指令,使其与标准值相等。当倾角偏差值、角速度偏差值同时超过阈值时,判断为机器人即将摔倒,中央处理器通过电源管理单元断开运动执行模块的电源及机器人电源系统,机器人处于停止关闭状态。因此,本发明是采用倾角值、角速度值两个参数来综合判断机器人是否即将摔倒,其判断比较准确,性能可靠。
5.结构简单,成本低:
本发明的结构采用比较简单,生产成本较低,易于推广使用。
下面,结合附图和实施例对本发明之具有姿态校准系统的人形机器人及其控制方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1:实施例一所述本发明之具有姿态校准系统的人形机器人的结构示意图,
图2:实施例一所述姿态校准系统的结构框图,
图3:实施例二所述本发明之具有姿态校准系统的人形机器控制方法的流程图,
图中的各标号说明如下:
1-机器人腿部系统,2-机器人机身系统,3-机器人手部系统,4-机器人头部系统,
5-姿态校准系统,501-倾角传感器,502-角速度传感器,503-单片机,
5031-信号采集单元,5032-存储单元,5033-中央处理器,5034-报警信号输出单元,5035-电源管理单元,5036-驱动单元,5037-信息发送单元,
504-后台管控单元,505-移动设备,506-声光报警器。
6-机器人电源系统,7-关节电机。
具体实施方式
实施例一:
一种具有姿态校准系统的人形机器人,包括机器人腿部系统1、机器人机身系统2、机器人手部系统3、机器人头部系统4、姿态校准系统5、机器人电源系统6;该机器人是个多自由度人型机器人,具有与人体运动关节一致的m(m=19)个机器人运动关节;该m个机器人运动关节均包括有一个关节电机7。所述的机器人腿部系统1、机器人手部系统3的顶端分别与机器人机身系统2的输出端连接;机器人头部系统4的底端与机器人机身系统2的输出端连接;所述的姿态校准系统5和机器人电源系统6相连接且都安装在机器人机身系统2内。
所述的姿态校准系统5包括倾角传感器501、角速度传感器502、单片机503、后台管控单元504、移动设备505、声光报警器506;所述的单片机503包括信号采集单元5031、存储单元5032、中央处理器5033、报警信号输出单元5034、电源管理单元5035、驱动单元5036、信息发送单元5037;所述的倾角传感器501、角速度传感器502分别安装在各个机器人运动关节上,倾角传感器501、角速度传感器502的信号输出端通过信号采集单元5031与中央处理器5033的信号输入端连接;存储单元5032与中央处理器5033的信号输入输出端连接;中央处理器5033的信号输出端分别与电源管理单元5035、驱动单元5036的信号输入端连接,电源管理单元5035、驱动单元5036的信号输出端分别与运动执行模块的信号输入端连接;所述的中央处理器5033的信号输出端还通过信息发送单元5037与后台管控单元504、移动设备505的信号输入端连接,中央处理器5033的信号输出端还通过报警信号输出单元5034与安装在机器人机身系统2上的声光报警器506连接。
上述的运动执行模块包括所述的机器人腿部系统1、机器人机身系统2、机器人手部系统3、机器人头部系统4,且该机器人腿部系统1、机器人机身系统2、机器人手部系统3、机器人头部系统4均属于现有技术。
上述的信号采集单元5031、存储单元5032、中央处理器5033、报警信号输出单元5034、驱动单元5036、均采用常用的电子元器件,电源管理单元5035为常用的电源开关,信息发送单元5037为常用的无线发射器。
实施例二:
一种具有姿态校准系统的人形机器人控制方法,该方法是在具有姿态校准系统的人形机器人的每个机器人运动关节都安装有倾角传感器501、角速度传感器502,机器人在安装调试完成时通过倾角传感器501、角速度传感器502采集各个机器人运动关节的初始倾角值、初始角速度并存储在存储单元5032中作为标准倾角值、标准角速度;在机器人运行中,倾角传感器501、角速度传感器502分别实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值、实时角速度值,并和存储单元5032中的标准倾角值、标准角速度值实时作比较;当仅有倾角偏差值超过设置阈值,中央处理器5033发出相应调整偏差指令,控制出现偏差的对应运动执行模块调整动作使倾角偏差值为零;当倾角偏差值、角速度偏差值同时超过阈值时,中央处理器5033通过电源管理单元5035断开运动执行模块的电源及机器人电源系统6,机器人处于停止关闭状态。
当倾角偏差值、角速度偏差值同时超过设置阈值还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元504和移动设备505;同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器506。
该方法包括以下步骤:
a). 采集标准倾角值和标准角速度值
机器人在完成调试时,通过倾角传感器501、角速度传感器502采集各个机器人运动关节的倾角值β1、β2、…、βm和角速度值ω1、ω2、…、ωm,并存储在存储单元5032中;倾角值β1、β2、…、βm和角速度值ω1、ω2、…、ωm为各个机器人运动关节运行时的标准倾角值和标准角速度值,m为机器人运动关节的数量,一般取19个;
b). 采集实时倾角值和实时角速度值
机器人运行时,倾角传感器501实时采集运行时各个机器人运动关节的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φm及实时角速度值V1、V2、…、Vm;
c).分别求取偏差值Ki和偏差值Pi
分别将实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φm及实时角速度值V 1、V2、…、Vm与存储在存储单元5032中的标准倾角值β1、β2、…、βm及角速度值V 1、V2、…、Vm做比较,运行时的实时倾角值与标准倾角值的偏差值Ki(i=1,2 … m)为:K1=│Φ1-β1│、K2=│Φ2-β2│、…、Km=│Φm-βm│,实时角速度值与标准角速度值的偏差值Pi(i=1,2 … m)为:P1=│V1-ω1│、P2=│V2-ω2│、…、Pm=│Vm-ωm│;
d).判断偏差值Ki和偏差值Pi是否大于阈值
判断偏差值Ki和偏差值Pi是否大于阈值0,当Ki(i=1,2 … m)=0、Pi(i=1,2 … m)=0时,重复执行步骤b);当Ki(i=1,2 … m)>0,Pi(i=1,2 … m)=0时,执行步骤e);当Ki(i=1,2 … m)>0,Pi(i=1,2 … m)>0时,执行步骤f);
e). 调整偏差值
中央处理器5033输出控制信号g0,通过驱动单元5036驱动运动执行模块执行对应电机,调整偏差值Ki=0(i=1,2 … m);
f).发送故障信息和断开电机电源
当Ki>0(i=1,2 … m)和Pi>0(i=1,2 … m)时,中央处理器5033输出控制信号g1,由信息发送单元5037发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号在内的故障信息给后台管控单元504和移动设备505,并通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器,同时由中央处理器5033输出控制信号g2,通过电源管理单元5035断开运动执行模块的电源及电源系统6,机器人处在停止关闭状态。
作为本实施例的一种变换,所述的机器人运动关节的数量m还可以取更多或更少,如15个、18个,20个,21个、22个……。
Claims (5)
1.一种具有姿态校准系统的人形机器人控制方法,其特征在于:该方法是在具有姿态校准系统的人形机器人的每个机器人运动关节都安装有倾角传感器(501)、角速度传感器(502),机器人在安装调试完成时通过倾角传感器(501)、角速度传感器(502)采集各个机器人运动关节的初始倾角值、初始角速度并存储在存储单元(5032)中作为标准倾角值、标准角速度;在机器人运行中,倾角传感器(501)、角速度传感器(502)分别实时采集各个机器人运动关节的实时倾角值、实时角速度值,并和存储单元(5032)中的标准倾角值、标准角速度值实时作比较;当仅有倾角偏差值超过设置阈值,中央处理器(5033)发出相应调整偏差指令,控制出现偏差的对应运动执行模块调整动作使倾角偏差值为零;当倾角偏差值、角速度偏差值同时超过阈值时,中央处理器(5033)通过电源管理单元(5035)断开运动执行模块的电源及机器人电源系统(6),机器人处于停止关闭状态。
2.根据权利要求1所述的具有姿态校准系统的人形机器人控制方法,其特征在于:当倾角偏差值、角速度偏差值同时超过设置阈值还同时通过信息发送单元发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号、故障电机编号在内的故障信息给后台管控单元(504)和移动设备(505);同时通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器。
3.根据权利要求2所述的具有姿态校准系统的人形机器人控制方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
a). 采集标准倾角值和标准角速度值
机器人在完成调试时,通过倾角传感器(501)、角速度传感器(502)采集各个机器人运动关节的倾角值β1、β2、…、βm和角速度值ω1、ω2、…、ωm,并存储在存储单元(5032)中;倾角值β1、β2、…、βm和角速度值ω1、ω2、…、ωm为各个机器人运动关节运行时的标准倾角值和标准角速度值,m为机器人运动关节的数量;
b). 采集实时倾角值和实时角速度值
机器人运行时,倾角传感器(501)、角速度传感器(502)实时采集运行时各个机器人运动关节的实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φm及实时角速度值V1、V2、…、Vm;
c).分别求取偏差值Ki和偏差值Pi
分别将实时倾角值Φ1、Φ2、…、Φm及实时角速度值V 1、V2、…、Vm与存储在存储单元(5032)中的标准倾角值β1、β2、…、βm及标准角速度值ω1、ω2、…、ωm做比较,运行时的实时倾角值与标准倾角值的偏差值Ki(i=1,2 … m)为:K1=│Φ1-β1│、K2=│Φ2-β2│、…、Km=│Φm-βm│,实时角速度值与标准角速度值的偏差值Pi(i=1,2 … m)为:P1=│V1-ω1│、P2=│V2-ω2│、…、Pm=│Vm-ωm│;
d).判断偏差值Ki和偏差值Pi是否大于阈值
判断偏差值Ki和偏差值Pi是否大于阈值0,当Ki(i=1,2 … m)=0、Pi(i=1,2 … m)=0时,重复执行步骤b);当Ki(i=1,2 … m)>0,Pi(i=1,2 … m)=0时,执行步骤e);当Ki(i=1,2 … m)>0,Pi(i=1,2 … m)>0时,执行步骤f);
e). 调整偏差值
中央处理器(5033)输出控制信号g0,通过驱动单元(5036)驱动运动执行模块执行对应电机,调整偏差值Ki=0(i=1,2 … m);
f).发送故障信息和断开电机电源
当Ki>0(i=1,2 … m)和Pi>0(i=1,2 … m)时,中央处理器(5033)输出控制信号g1,由信息发送单元(5037)发送包括图片信息、位置信息、故障机器人编号在内的故障信息给后台管控单元(504)和移动设备(505),并通过报警信号输出单元发送声光报警信息到机器人机身系统上的声光报警器,同时由中央处理器(5033)输出控制信号g2,通过电源管理单元(5035)断开运动执行模块的电源及机器人电源系统(6),机器人处在停止关闭状态。
4.根据权利要求1所述的具有姿态校准系统的人形机器人控制方法,其特征在于:所述具有姿态校准系统的人形机器人,包括机器人腿部系统(1)、机器人机身系统(2)、机器人手部系统(3)、机器人头部系统(4)、机器人电源系统(6);该机器人是个多自由度人型机器人,具有与人体运动关节一致的机器人运动关节;该机器人还包括有姿态校准系统(5),所述的姿态校准系统(5)包括倾角传感器(501)、角速度传感器(502)、单片机(503);所述的单片机(503)包括信号采集单元(5031)、存储单元(5032)、中央处理器(5033)、电源管理单元(5035)、驱动单元(5036);所述的倾角传感器(501)、角速度传感器(502)分别安装在各个机器人运动关节上,倾角传感器(501)、角速度传感器(502)的信号输出端通过信号采集单元(5031)与中央处理器(5033)的信号输入端连接;存储单元(5032)与中央处理器(5033)的信号输入输出端连接;中央处理器(5033)的信号输出端分别与电源管理单元(5035)、驱动单元(5036)的信号输入端连接,电源管理单元(5035)、驱动单元(5036)的信号输出端分别与运动执行模块的信号输入端连接;上述的运动执行模块包括所述的机器人腿部系统(1)、机器人机身系统(2)、机器人手部系统(3)、机器人头部系统(4)。
5.根据权利要求4所述的具有姿态校准系统的人形机器人控制方法,其特征在于:所述的姿态校准系统(5)还包括有后台管控单元(504)、移动设备(505)、声光报警器(506),所述的单片机还包括有信息发送单元(5037)、报警信号输出单元(5034),所述的中央处理器(5033)的信号输出端通过信息发送单元(5037)与后台管控单元(504)、移动设备(505)的信号输入端连接,中央处理器(5033)的信号输出端还通过报警信号输出单元(5034)与安装在机器人机身系统(2)上的声光报警器(506)连接。
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