用于清洁的Scara机械臂末端关节分析

清洁机器人系统架构：
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基座平台
 ├── 控制板（STM32/CAN通信）
 ├── J1底座旋转（谐波减速器）
 ├── J2肩旋转（谐波减速器）
 └── J3 Z轴升降（滚珠丝杠）

J3升降轴末端
 └── J4手腕Z轴旋转（行星减速器一体化关节）

J4末端
 ├── J5俯仰第1节（Ry轴，行星减速器）— 连杆 L5
 └── J6俯仰第2节（Ry轴，行星减速器）— 连杆 L6

J6末端 → 末端执行器
 ├── 力传感器（六维或单轴）
 ├── 磁吸快换模组
 ├── 刷头驱动电机（BLDC）
 └── 可更换清洁模组
 ├── 内壁清洁模组
 ├── 外壁清洁模组
 ├── 座垫清洁模组
 └── 底座清洁模组

说明：
├─ 力传感器在末端，用于力控反馈 
├─ 磁吸模组在末端，用于快速更换清洁模组 
├─ J4的作用是旋转使清洁模组正对目标表面 
└─ J5和J6使用不同连杆长度以适应不同行程 

四种清洁任务的运动需求分析：
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任务A：内壁清洁
├─ 目标表面：内部曲面（壁内侧）
├─ 末端到达位置：中心向外约 R_inner ≈ 180–200mm，高度 H = 100–400mm
├─ 清洁模组朝向：法向指向轴心（朝向中心）
├─ 末端行程：沿螺旋线从上到下（约300mm高度范围）
└─ 关键：末端需沿内壁法向方向贴壁运动

任务B：外壁清洁
├─ 目标表面：外部曲面（壁外侧）
├─ 末端到达位置：中心向外约 R_outer ≈ 250–280mm，高度 H = 0–450mm
├─ 清洁模组朝向：法向指向外壁（背向中心）
├─ 末端行程：从上到下（约450mm高度范围）
└─ 关键：末端需从侧面绕过边缘到达外壁

任务C：座垫清洁
├─ 目标表面：座圈表面（水平面）
├─ 末端到达位置：中心 R_seat ≈ 150–220mm，高度 H_seat ≈ 400mm
├─ 清洁模组朝向：垂直向下
├─ 末端行程：沿座圈环形路径（约20–30秒/圈）
└─ 关键：末端需在座圈面上水平移动

任务D：底座周围清洁
├─ 目标表面：与地面接缝处（水平面或小角度倾斜）
├─ 末端到达位置：中心向外 R_floor ≈ 280–350mm，高度 H ≈ 0–50mm
├─ 清洁模组朝向：斜向下或水平
└─ 关键：需绕过底部最宽处

清洁四任务的空间参数：
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任务 径向距离(mm) 高度(mm) 模组朝向 关键约束
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内壁 R₁=180–200 H=100–400 指向轴心（法向） 贴壁螺旋向下
外壁 R₂=250–280 H=0–450 背向轴心（法向） 绕过边缘
座垫 R₃=150–220 H=400 垂直向下 水平环形路径
底座 R₄=280–350 H=0–50 斜向下/水平 绕过底部

空间关系图（俯视图）：
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 Y (mm)
 ↑
 350 │ ● R₄ 底座
 │
 280 │ ●─────────────────● ← 外壁
 │ ● ●
 200 │ ●───────────────────────────● ← 内壁
 │ ● │ │
 150 │ ● │ (空洞) │
 │ ● │ │
 0 └────────────────────────────────────────→ X (mm)
 0 100 200 300 400

注：轴心在 (0,0)
 R₁(内壁) < R₂(外壁) < R₃(座垫) < R₄(底座)

J4的作用：绕Z轴旋转，调整清洁模组的朝向

功能1：使清洁模组正对目标表面
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有多个清洁面，每个面的法向方向不同：

内壁清洁时：
├─ 目标表面：内壁（曲面）
├─ 清洁模组朝向：应指向轴心（法向朝内）
├─ 假设J1+J2将末端定位到点 P(x,y)
│ └─ 该点的法向方向：指向轴心（-x,-y方向）
├─ 但模组的"前向"由J1+J2+J4共同决定
└─ 需要J4旋转补偿，使模组前向与法向一致

外壁清洁时：
├─ 目标表面：外壁（曲面）
├─ 清洁模组朝向：应背向轴心（法向朝外）
├─ 模组前向应与外壁法向一致
└─ 需要J4旋转补偿不同的角度

结论：J4调整模组前向，使其无论在什么平面位置
 都能朝向正确的目标表面法向

如果没有J4，清洁模组能否正对目标表面？
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假设去掉J4，工具前向固定在某个方向（设为+X方向）

场景：清洁内壁（绕圆周一圈）

Step 1：模组在 θ=0° 位置（X轴正方向）
├─ 末端位置：(R, 0)
├─ 工具前向：+X
├─ 目标法向：指向轴心 = -X
└─ 问题：工具朝向(-X) ≠ 目标法向(+X) ❌

Step 2：模组在 θ=90° 位置（Y轴正方向）
├─ 末端位置：(0, R)
├─ 工具前向：+X（固定方向）
├─ 目标法向：指向轴心 = -Y
└─ 问题：工具朝向(-X) ≠ 目标法向(-Y) ❌

结论：在没有J4的情况下，
 工具前向在空间中固定不变（+X方向），
 而内壁各点的法向方向随角度变化（-X,-Y,+X,+Y,...）。
 无法使工具始终正对目标表面 ❌

加上J4后：
├─ J4旋转角度 = θ_to face - (θ₁ + θ₂)
│ └─ θ₁+θ₂：将末端定位到目标点的平面角度
│ └─ θ_to face：工具需要朝向的角度（由清洁任务决定）
│ - 清洁内壁时：θ_to face = 该点的法向角度
│ - 清洁外壁时：θ_to face = 该点的法向角度 + 180°
│ - 清洁座垫时：θ_to face = 任意（座垫是水平面）
│
└─ 通过J4的补偿，工具前向始终等于目标法向 ✅

J4在不同清洁任务中的角度需求：
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设：θ_arm = θ₁ + θ₂（J1+J2的累积平面角度，决定末端位置）
 φ_tool = θ₄（J4的旋转角度，决定工具前向）

清洁内壁时（工具朝向轴心）：
├─ 目标法向角度 = θ_arm ± 180°
├─ φ_tool = θ_arm - θ_arm ± 180° = ±180°
└─ 结果：工具永远朝向轴心，无论末端在圆周哪个位置 

清洁外壁时（工具背向轴心）：
├─ 目标法向角度 = θ_arm（直接朝外）
├─ φ_tool = θ_arm - θ_arm = 0°
└─ 结果：工具永远背向轴心，无论末端在圆周哪个位置 

清洁座垫时（工具垂直向下）：
├─ 座垫是水平面，无特定"法向"要求
├─ φ_tool = 任意角度
└─ 工具只需垂直向下，角度不影响清洁效果 

结论：J4对于清洁内壁和外壁是**必需的**，
 对于座垫清洁是**可选的**（但保留不影响功能）。

替代方案分析：如果不用J4独立关节，能否实现相同功能？
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方案A：用J1+J2联动代替J4（❌ 不可行）
├─ 逻辑：让J1+J2既负责位置定位，又负责工具朝向调整
├─ 不可行原因：
│ ├─ J1+J2的角度和决定了末端在X-Y平面的位置
│ ├─ 同时J1+J2的角度和也决定了工具的朝向
│ └─ 当你改变J1+J2来调整朝向时，末端位置也随之改变
├─ 后果：无法在保持末端位置不变的情况下调整工具朝向
└─ 结论：❌ 不可能

方案B：在末端执行器内部安装单独的舵机（可行但有代价）
├─ 在末端执行器内集成一个小舵机，驱动清洁模组旋转
├─ 优点：可以去掉J4独立关节
├─ 代价：
│ ├─ 舵机扭矩小（通常0.5–2 N·m），无法承受清洁反力
│ ├─ 清洁接触力（5–10N）直接作用于舵机输出轴
│ ├─ 舵机齿轮容易磨损，寿命短
│ └─ 需要额外的驱动电路和控制信号
└─ 结论：🟡 仅适合轻载场景，重载清洁任务不可靠

方案C：J4独立关节（✅ 最优）
├─ J4是独立的Z轴旋转关节，与J1/J2功能解耦
├─ J1+J2：负责末端X-Y平面位置
├─ J4：负责工具朝向（独立于位置）
├─ 优点：
│ ├─ 位置和朝向完全解耦，控制逻辑清晰
│ ├─ 谐波/行星减速器可承受清洁反力
│ ├─ 位置控制精度高（±0.1°）
│ └─ 结构可靠，寿命长
└─ 结论：✅ 推荐

最终结论：J4是必要的
 它使位置控制和朝向控制完全解耦，
 是实现"在任意位置使工具正对目标表面"的关键关节。

清洁四任务的三维空间需求：
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问题本质：有内壁（近轴）、外壁（远轴）、座垫（高）、底座（低）
这四个目标不在同一个球面上，因此需要俯仰关节来调整末端高度。

四任务的末端位置特征：

任务A：内壁清洁
├─ 径向：R₁=180–200mm（近轴）
├─ 高度：H=100–400mm（覆盖内壁主要区域）
├─ 俯仰角：末端向下倾斜，面向内壁
└─ 特点：高度变化大（300mm范围），但径向固定

任务B：外壁清洁
├─ 径向：R₂=250–280mm（远轴，比内壁远约80mm）
├─ 高度：H=0–450mm（覆盖外壁全部高度）
├─ 俯仰角：末端向外倾斜，面向外壁
└─ 特点：高度变化最大（450mm范围），径向也最远

任务C：座垫清洁
├─ 径向：R₃=150–220mm（覆盖座圈范围）
├─ 高度：H=400mm（固定高度，座圈面高度）
├─ 俯仰角：末端垂直向下（俯仰角≈90°或-90°）
└─ 特点：高度固定，径向在座圈范围内变化

任务D：底座清洁
├─ 径向：R₄=280–350mm（最宽处以外）
├─ 高度：H=0–50mm（地面附近）
├─ 俯仰角：末端斜向下或接近水平
└─ 特点：径向最远，高度最低

核心问题：
├─ 内壁径向 R₁=200mm，外壁径向 R₂=280mm → 差值 80mm
├─ 这80mm的径向差，需要由俯仰链的水平投影来实现
└─ 仅靠J1+J2的水平移动能覆盖这80mm吗？

俯仰链如何贡献水平径向运动？
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SCARA底座的运动贡献（J1+J2+J3）：
├─ J1+J2：X-Y平面定位，最大径向 R_scara = L1 + L2 = 280+250=530mm
├─ J3：Z轴升降，不贡献水平运动
└─ 结论：SCARA底座本身就能达到 R=280mm（超过外壁需求）

俯仰链（J5+J6）的水平投影贡献：
├─ 俯仰链位于J4轴心位置（J4是Z轴旋转关节）
├─ 俯仰链水平投影 = L5·cos(θ₅) + L6·cos(θ₅+θ₆)
│ └─ 当俯仰角为0°时：投影 = L5 + L6（最大）
│ └─ 当俯仰角为90°时：投影 = 0
│
└─ 俯仰链不增加最大径向距离（SCARA已覆盖）
 俯仰链的实际作用是调整末端的俯仰角度

J5和J6使用不同连杆长度，以实现不同行程的清洁

含义1：不同清洁任务需要不同的末端高度范围
├─ 内壁清洁：H=100–400mm（高度范围300mm）
├─ 外壁清洁：H=0–450mm（高度范围450mm）
├─ 底座清洁：H=0–50mm（高度范围50mm）
└─ 分析：J3升降（500mm行程）已覆盖所有高度需求
 J5/J6的俯仰可能用于调整末端接近角

含义2：不同清洁任务需要不同的末端水平偏移（超越SCARA范围）
├─ 假设J5/J6俯仰链有水平投影分量
├─ 但俯仰链的投影是垂直于Z轴的，不是水平的
└─ 俯仰链不能增加SCARA的水平径向范围

含义3：J5/J6是为了增加末端姿态的自由度
├─ J5单独俯仰：可达部分空间，但有盲区
├─ J5+J6串联俯仰：可达更大空间范围
├─ 特别是在底部（低高度+大径向）的清洁
└─ 需要J5+J6组合才能到达某些角落位置

含义4：外壁清洁需要更大的水平偏移
├─ 外壁比内壁远约 80mm（壁厚）
├─ 这个80mm差值可能需要J5/J6的某种运动来补偿
└─ 但这80mm差值用J1+J2的水平运动即可实现

重新审视问题：J5/J6真的是必需的吗？

方案A：去掉J6，仅保留J5单关节俯仰
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结构：J1+J2+J3+J4+J5（5关节）

可达性分析：
├─ 座垫清洁（H=400mm，R=150–220mm）：J3升降可覆盖 
├─ 内壁清洁（H=100–400mm，R=180–200mm）：J5俯仰可覆盖 
├─ 外壁清洁（H=0–450mm，R=250–280mm）：J5俯仰可覆盖 
├─ 底座清洁（H=0–50mm，R=280–350mm）：需要J5大幅俯仰 

结论：单关节J5理论上可覆盖所有清洁任务 

代价/收益分析：
├─ 去掉J6：减少1个关节，成本降低 400–800元
├─ 去掉J6：控制算法简化（J5单独控制）
├─ 去掉J6：末端负载略减（减少1个关节重量）
├─ 代价：俯仰角度全由J5承担，J5力矩更大
│ └─ J5需要承受更大的俯仰力矩
│ └─ 需要选用更大规格的J5电机和减速器
└─ 收益 vs 代价：省了1个关节，但J5规格要提升

方案B：保留J5+J6双关节串行俯仰（当前设计）
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结构：J1+J2+J3+J4+J5+J6（6关节）

优势分析：
├─ J5+J6组合可以覆盖更大的俯仰空间
│ └─ 特别是在"低高度+大径向"角落（底座区域）
│
├─ 两个关节分担力矩
│ └─ J5承受L6+末端的重量（力矩较小）
│ └─ J6直接承受末端重量（力矩最小）
│ └─ 比单关节J5承受全部力矩更轻松
│
├─ J5/J6不同连杆长度（L5≠L6）的作用
│ └─ 实际上就是串联的两个不同长度的连杆
│ └─ 两个不同长度连杆的组合效果：
│ - 可以改变末端的运动灵活度
│ - 可以达到单连杆无法到达的特殊位置
│ - 但对于清洁这种固定场景，作用有限
│
└─ 末端姿态灵活性
 └─ 两个俯仰关节可以组合出更多姿态
 └─ 对于需要特定接近角度的清洁任务有优势

结论：J5+J6双关节保留了更多设计余量，
 但在清洁这个特定场景下，
 这些余量可能并非必需。

单关节J5 vs 双关节J5+J6 的力矩对比：
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设：末端总重 G = 1.3kg × 9.8 = 12.74N
 L5 = 150mm（第一俯仰连杆）
 L6 = 60mm（第二俯仰连杆）

方案A（单关节J5）：
├─ J5力矩 = G × L5 = 12.74 × 0.15 = 1.91 N·m
├─ J5电机需求（1:10减速）：≈ 0.19 N·m
└─ 需要J5规格：额定扭矩 ≥ 3 N·m

方案B（双关节J5+J6）：
├─ J6承受末端重量 → J6力矩 = G × L6 = 12.74 × 0.06 = 0.76 N·m
├─ J5承受J6+末端 → J5力矩 = G × (L5 + L6) = 12.74 × 0.21 = 2.68 N·m
│ └─ 这个计算是否正确？需要重新分析
│
├─ 实际传递到J5的力矩：
│ ├─ J6传递的反作用力矩（清洁接触力）= τ_contact
│ ├─ J6自身的重力力矩 = G × L6
│ └─ J5自身承受的 = J6反作用 + J6重力
│
├─ 更精确的计算（考虑重力）：
│ ├─ J6自重 ≈ 0.3kg × 9.8 = 2.94N（假设）
│ ├─ 末端+工具重 ≈ 1.3kg × 9.8 = 12.74N
│ ├─ J6输出轴力矩 = 12.74 × 0.06 = 0.76 N·m
│ ├─ J5输出轴力矩 = (12.74+2.94) × 0.15 = 2.35 N·m
│ └─ J5总计 ≈ 2.35 + 0.76 = 3.11 N·m（重力）
│
├─ 再加上清洁接触反力（接触力10N，力臂30mm）：
│ ├─ 反力矩 = 10 × 0.03 = 0.3 N·m（传递到J5）
│ └─ J5总计 ≈ 3.11 + 0.3 = 3.41 N·m

对比：
├─ 方案A（单关节J5）：1.91 + 0.3 = 2.21 N·m
├─ 方案B（双关节J5+J6）：3.41 N·m
└─ 结论：双关节J5+J6 的J5实际承受力矩更大（因为多了J6自重）

但注意：J5+J6双关节方案中，J6分担了部分力矩传递
├─ J6电机承受：末端重力 + 部分清洁反力
├─ J5电机承受：J6重力 + J6传递的力
└─ 整体上，两个关节的力矩更分散，每个关节负载更小

J5和J6双关节 vs J5单关节的最终判断：
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从功能需求角度：
├─ 单关节J5在几何上可以覆盖所有清洁任务 
├─ 双关节J5+J6覆盖的空间更大，但不是必需的 
└─ 结论：功能上，J6不是必需的，但J6有用

从力学角度：
├─ 单关节J5承受全部力矩（2.21 N·m）
├─ 双关节J5+J6分散力矩，但J5仍承受大部分（3.41 N·m）
├─ 实际上J5在双关节方案中受力更大（因为加了J6自重）
└─ 结论：力学上单关节J5更轻松，双关节J5反而更累

从成本角度：
├─ 保留J6：+1个一体化关节 = +400–800元
├─ 去掉J6：J5规格需提升一档 = +200–400元
└─ 成本差：保留J6多花 200–400元

从控制角度：
├─ 单关节J5：控制简单，逆运动学少1个变量
├─ 双关节J5+J6：需要分配两个关节的角度（6:4还是5:5？）
└─ 控制复杂度：单关节J5更简单

从设计余量角度：
├─ 双关节J5+J6：保留更多姿态灵活性
├─ 清洁场景固定，可能永远用不到双关节的全部能力
└─ 结论：如果场景固定，单关节J5更合理

最终建议：
├─ 如果追求成本最优和控制简单：去掉J6，仅保留J5
├─ 如果追求设计余量和未来扩展：保留J5+J6
└─ **推荐：去掉J6，仅保留J5单关节俯仰**
 理由：清洁是固定场景，J6的设计余量用不上，
 反而增加成本和控制复杂度。
 J5单独可以完成所有清洁任务，
 配合J4的朝向控制和J3的高度调节，
 足以覆盖内壁、外壁、座垫、底座的所有清洁需求。

三种关节配置方案对比：
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方案1（当前）：J1+J2+J3+J4+J5+J6（6关节）
├─ J4：Z轴旋转（工具朝向）
├─ J5+J6：串行俯仰（不同连杆长度）
├─ 优点：姿态灵活性最高，设计余量大
├─ 缺点：成本高，控制复杂，J6利用率低
└─ 适用：需要极致灵活性的场景

方案2（优化A）：J1+J2+J3+J4+J5（5关节，去掉J6）
├─ J4：Z轴旋转（工具朝向）
├─ J5：单关节俯仰（覆盖全部清洁任务）
├─ 优点：成本适中，控制简单，功能完整
├─ 缺点：姿态灵活性降低（但够用）
└─ 推荐度：✅ 最优性价比方案

方案3（优化B）：J1+J2+J3+J5（去掉J4和J6）
├─ 去掉J4：工具朝向无法调整
├─ 去掉J6：姿态灵活性进一步降低
├─ 问题：外壁和内壁清洁需要不同朝向，无法实现
└─ 推荐度：❌ 不可行

综合评估：
├─ 方案1：成本高，但功能最完整（保留设计余量）
├─ 方案2：性价比最优，功能足够（推荐）
└─ 方案3：不可行（缺少J4，朝向无法调整）

力传感器在系统中的定位：
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安装位置：J6末端 → 力传感器 → 磁吸快换模组 → 清洁模组

作用链路：
├─ 清洁模组接触表面
├─ 接触力传递到力传感器
├─ 力传感器感知 Fx, Fy, Fz（力和力矩）
├─ 控制器读取力数据
├─ 控制器调整J1/J2/J3/J4/J5关节位置
└─ 保持恒定接触力

力传感器选型分析：
├─ 类型：单轴力传感器 或 六维力传感器
├─ 单轴力传感器：
│ ├─ 测量：末端法向力（Fz）
│ ├─ 足够：清洁主要关注法向接触力
│ ├─ 成本：低（500–2000元）
│ └─ 推荐度：✅ 够用且经济
│
├─ 六维力传感器：
│ ├─ 测量：Fx, Fy, Fz + Mx, My, Mz
│ ├─ 过度：不需要测量切向力和力矩
│ ├─ 成本：高（5000–20000元）
│ └─ 推荐度：❌ 过度配置

推荐：单轴力传感器（沿清洁模组法向方向）
├─ 量程：0–50N（清洁接触力范围5–15N）
├─ 精度：±0.1N（满足需求）
├─ 成本：约 800–1500元
└─ 接口：模拟电压输出或数字通信

磁吸快换模组的设计目的：
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功能：快速更换不同的清洁模组

清洁模组配置：
├─ 内壁清洁模组：旋转刷头（螺旋尼龙刷毛）
├─ 外壁清洁模组：平面擦拭头（超细纤维布）
├─ 座垫清洁模组：双面擦拭头（上下同时擦）
└─ 底座清洁模组：小型刷头（狭窄缝隙用）

磁吸快换的优势：
├─ 更换时间：< 3秒（人工操作）
├─ 定位精度：±0.5mm（磁吸自对心）
├─ 电气连接：自动接通（弹针连接器）
├─ 液体连接：自动接通（快插接头）
└─ 重量限制：≤ 1kg（J6负载约束）

磁吸快换的信号识别：
├─ 每个模组有唯一ID（磁编码片）
├─ J6末端传感器读取模组ID
├─ 控制器识别当前安装的模组类型
├─ 自动加载对应的参数和清洁轨迹
└─ 避免人工输入错误

侧视图：
 Z轴 ↑
 │
 │ ← 基座水箱（2L）
 │
 ╔════╧════╗
 ║ J1 ║ ← 底座旋转（谐波，LF-17-30，25 N·m）
 ╚════╤═════╝
 │
 ╔════╧════╗
 ║ J2 ║ ← 肩旋转（谐波，LF-14-30，15 N·m）
 ╚════╤═════╝
 │
 ╔════╧════╗
 ║ J3 ║ ← Z轴升降（滚珠丝杠一体，500mm行程）
 ╚════╤═════╝
 │
 ╔════╧════╗
 ║ J4 ║ ← 手腕Z轴旋转（行星一体，1:10，3 N·m）
 ╚════╤═════╝
 │
 ╔════╧════╗
 ║ J5 ║ ← 俯仰（行星一体，1:10，5 N·m）⚠️ 提升规格
 ╚════╤═════╝
 │
 [力传感器]
 │
 [磁吸快换]
 │
 ┌────┴────┐
 │ 内壁/外壁/ │
 │ 座垫/底座 │ ← 可更换清洁模组
 └─────────┘

俯仰链简化为：仅J5单关节俯仰（L5连杆）