JP2011163106A - Control device of motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、油圧ショベルの旋回や車両の走行のような、大きな慣性負荷を駆動する電動機の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for an electric motor that drives a large inertia load such as turning of a hydraulic excavator or traveling of a vehicle.
油圧ショベルの旋回において、エネルギー損失の少ない電動機による電動駆動方式が採用されている。電動駆動で走行するホイールローダや電気自動車も商品化されている。電動駆動方式は、電動機を減速させるときに発電機機能として制動エネルギーを回生できるという利点もある。 In the swing of a hydraulic excavator, an electric drive system using an electric motor with little energy loss is adopted. Wheel loaders and electric vehicles that run on electric drive have been commercialized. The electric drive system also has an advantage that braking energy can be regenerated as a generator function when the motor is decelerated.
しかしながら、油圧ショベルの旋回では、作業姿勢や負荷の大小に応じて旋回慣性が大きく変化するため、旋回慣性が小さい際には、旋回最大トルクで加減速を行うと角加速度が大きくなりすぎて急加速し、操作感覚が悪くなるという問題がある。 However, when turning a hydraulic excavator, the turning inertia changes greatly depending on the working posture and the load, so when the turning inertia is small, if acceleration / deceleration is performed with the maximum turning torque, the angular acceleration becomes too large and suddenly increases. There is a problem that it accelerates and the operation feeling becomes worse.
また、車両の走行では、電動機による加減速が大きすぎると、駆動輪がスリップして走行が不安定になるという問題がある。 Further, when the vehicle is traveling, if the acceleration / deceleration by the electric motor is too large, there is a problem that the driving wheel slips and the traveling becomes unstable.
このような問題を解消するために、慣性が変化した際の操作感覚改善を目的として、油圧ショベルの旋回電動駆動で、慣性体を作動させるときの旋回加速度を調整する手段が提案されている(例えば、特許文献1参照)。あるいは、走行車両で、駆動輪のスリップを検出して、スリップしないように、あるいは最適なスリップ率となるように駆動力を制御する手段が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In order to solve such a problem, a means for adjusting the turning acceleration when the inertial body is actuated by the turning electric drive of the hydraulic excavator has been proposed for the purpose of improving the operational feeling when the inertia changes ( For example, see Patent Document 1). Alternatively, there has been proposed a means for detecting slipping of driving wheels in a traveling vehicle and controlling the driving force so as not to slip or to achieve an optimum slip rate (see, for example, Patent Document 2).
特許文献1に記載されたものは、旋回加速度を設定する調整ボリュームを設けて、オペレータが調整ボリュームを使って好みの旋回加速度を選んで設定できるようにして、レバー操作量に応じた旋回の速度制御を行うとともに設定した加速度で加速できるようにしているので、旋回慣性が小さい場合に旋回角加速度が大きくなりすぎて操作感覚が悪くなるという問題を解決することができる。しかし、作業状態によって旋回加速度の設定を頻繁に切り換えるのは、オペレータにとって煩雑で実用的ではない。設定をいずれかの値に固定して変更しなければ、それは発明の趣旨にそぐわない訳であるが、作業状態の変化に関わらず加速度が一定になって、作業状態の変化を感じにくいという問題がある。 The device disclosed in
特許文献2に記載されたものは、走行路面と駆動輪との最大摩擦係数を取得して、スリップを生じることのない出力可能な最大駆動力を算出し、スリップを検出して、スリップの有無によって駆動力を変えて制御することにより、走行の安定性と適切な加速性を確保している。しかし、駆動輪と路面のスリップを検出するための高性能な車速センサあるいは車体加速度センサが必要になってコスト高になるという問題がある。また、スリップ率による最大摩擦係数の変化を利用して制御を行うと、スリップによって駆動輪が摩耗するという問題や、氷雪道路の発進時にスリップを許容して走行不安定を起こすという問題が生じる。 In Patent Document 2, the maximum friction coefficient between the traveling road surface and the drive wheels is obtained, the maximum driving force that can be output without causing the slip is calculated, the slip is detected, and the presence or absence of the slip is detected. By controlling by changing the driving force, the stability of driving and proper acceleration are ensured. However, there is a problem that a high-performance vehicle speed sensor or a vehicle body acceleration sensor for detecting a slip between the driving wheel and the road surface is required, resulting in an increase in cost. In addition, when the control is performed by utilizing the change in the maximum friction coefficient due to the slip ratio, there arises a problem that the drive wheels are worn by the slip, and a problem that the slip is allowed when starting on an icy and snowy road and the running becomes unstable.
そこで、本発明の課題は、作業状態や載荷状態に応じて旋回慣性が大きく変化する油圧ショベルの旋回駆動に適用すると、旋回角加速度の設定を切り換える必要が無くて、旋回慣性が小さい場合には角加速度が大きくなり過ぎず、作業状態に応じて角加速度も変化して、良好な操作感覚が得られる電動機の制御装置を提供することである。あるいは、車両の走行駆動に適用すると、高価な車速センサや車体加速度センサを必要とせずに、駆動輪のスリップを抑制して加速や減速ができる電動機の制御装置を提供することである。 Therefore, when the present invention is applied to the turning drive of a hydraulic excavator whose turning inertia greatly changes depending on the working state and the loaded state, it is not necessary to switch the setting of turning angular acceleration, and the turning inertia is small. It is an object of the present invention to provide a motor control device in which the angular acceleration does not become excessively large and the angular acceleration changes according to the work state, and a good operational feeling can be obtained. Alternatively, when applied to driving of a vehicle, there is provided an electric motor control device that can accelerate and decelerate by suppressing slipping of drive wheels without requiring an expensive vehicle speed sensor or vehicle body acceleration sensor.
前記の課題を解決するために、本発明は、駆動される慣性体の慣性より小さい慣性を有する駆動系を介して慣性体を駆動する電動機の回転を、操作量を可変とする操作端の操作によって制御し、前記操作端の操作量を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転を検出する回転検出手段と、前記操作検出手段と前記回転検出手段の各検出値に基づいて前記電動機を制御する電動機制御手段とを備えた電動機の制御装置において、前記慣性体は作業状態あるいは載荷状態で慣性の大きさが変化する作業手段あるいは載荷手段を含み、前記電動機の加速あるいは減速を行う際に、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の出力トルクによって前記慣性体の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする構成を採用した。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an operation of operating the operating end to change the operation amount of the rotation of the electric motor that drives the inertial body through a drive system having an inertia smaller than the inertia of the driven inertial body. And an operation detecting means for detecting the operation amount of the operating end, a rotation detecting means for detecting the rotation of the electric motor, and controlling the electric motor based on detection values of the operation detecting means and the rotation detecting means. In the motor control device comprising the motor control means, the inertial body includes a work means or a loading means whose magnitude of inertia changes in a working state or a loaded state, and when accelerating or decelerating the motor, A configuration is adopted in which the maximum value of the angular acceleration of the electric motor is limited to a predetermined value equal to or less than the angular acceleration that accelerates the minimum value of the inertial body by the output torque of the electric motor. .
また、前記の課題を解決するために、本発明は、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の最大出力トルクによって前記慣性体の慣性の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする構成を採用した。 In order to solve the above problem, the present invention provides a predetermined value equal to or less than an angular acceleration at which the maximum value of angular acceleration of the electric motor is accelerated by the maximum output torque of the electric motor to minimize the minimum value of inertia of the inertial body. The structure characterized by limiting to is adopted.
前記電動機で駆動する慣性体は、油圧ショベルの旋回体および旋回体に搭載される作業装置からなる慣性体とすることができる。 The inertial body driven by the electric motor can be an inertial body composed of a swing body of a hydraulic excavator and a work device mounted on the swing body.
前記電動機で駆動する慣性体は、駆動輪の摩擦で駆動力を得て走行する走行体とすることができる。 The inertial body driven by the electric motor can be a traveling body that travels by obtaining a driving force by friction of driving wheels.
本発明の電動機の制御装置は、駆動される慣性体の慣性より小さい慣性を有する駆動系を介して慣性体を駆動する電動機の回転を、操作量を可変とする操作端の操作によって制御し、前記操作端の操作量を検出する操作検出手段と、前記電動機の回転を検出する回転検出手段と、前記操作検出手段と前記回転検出手段の各検出値に基づいて前記電動機を制御する電動機制御手段とを備えた電動機の制御装置において、前記慣性体は作業状態あるいは載荷状態で慣性の大きさが変化する作業手段あるいは載荷手段を含み、前記電動機の加速あるいは減速を行う際に、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の出力トルクによって前記慣性体の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする構成を採用することにより、油圧ショベルの旋回駆動に適用すると、作業姿勢や負荷の大小に応じて旋回慣性が小さい場合にも、旋回加速や減速の際の角加速度が大きくなりすぎず、急激な加速をせずに良好な操作感覚を得ることができるという効果がある。 The motor control device of the present invention controls the rotation of the electric motor that drives the inertial body via a drive system having an inertia smaller than the inertia of the driven inertial body by operating the operation end with a variable operation amount, Operation detection means for detecting the operation amount of the operation end, rotation detection means for detecting rotation of the electric motor, and electric motor control means for controlling the electric motor based on detection values of the operation detection means and the rotation detection means. The inertial body includes working means or loading means whose magnitude of inertia changes in a working state or a loaded state, and when the motor is accelerated or decelerated, an angle of the motor By adopting a configuration in which the maximum value of acceleration is limited to a predetermined value equal to or less than the angular acceleration that accelerates the minimum value of the inertial body by the output torque of the electric motor. When applied to the swing drive of a hydraulic excavator, even when the swing inertia is small depending on the working posture and load, the angular acceleration during swing acceleration and deceleration does not become too large, and it is good without sudden acceleration There is an effect that a sense of operation can be obtained.
車両の走行駆動に適用すると、高価な車速センサや車体加速度センサを必要とせずに、駆動輪のスリップを抑制して加速や減速ができる。駆動輪のスリップを抑制することにより、駆動輪の摩耗の低減や、氷雪道路発進時の走行不安定を防止することができるという効果がある。 When applied to vehicle driving, it is possible to accelerate and decelerate by suppressing slipping of driving wheels without requiring an expensive vehicle speed sensor or vehicle body acceleration sensor. By suppressing the slip of the drive wheel, there are effects that it is possible to reduce the wear of the drive wheel and to prevent running instability when starting on an icy and snowy road.
また、本発明の電動機の制御装置は、前記電動機の角加速度の最大値を、前記電動機の最大出力トルクによって前記慣性体の慣性の最小値を加速する角加速度以下の所定の値に制限することを特徴とする構成を採用することにより、油圧ショベルの旋回作動などのように、操作レバーをフル操作して電動機の最大出力トルクが短時間に出力しても、小さな旋回慣性の加速や減速の際の角加速度が大きくなりすぎず、慣性の大きさに応じて角加速度も変化して、良好な操作感覚を得ることができるという効果がある。 In the motor control device of the present invention, the maximum value of the angular acceleration of the motor is limited to a predetermined value equal to or less than the angular acceleration that accelerates the minimum value of inertia of the inertial body by the maximum output torque of the motor. By adopting a configuration that features a small swing inertia acceleration and deceleration even when the operation lever is fully operated and the maximum output torque of the motor is output in a short time, such as a swing operation of a hydraulic excavator. The angular acceleration at the time does not become too large, and the angular acceleration also changes according to the magnitude of inertia, so that an excellent operational feeling can be obtained.
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明に係る電動機の制御装置を組み込んだ油圧ショベルを示す。この油圧ショベルは、クローラ式の下部走行体31と、下部走行体31に図示しない旋回ベアリングで旋回自在に結合された上部旋回体32と、この上部旋回体32の前部に装着された掘削アタッチメント33とから成る。掘削アタッチメント33は、ブーム34、アーム35およびバケット36と、これらを作動させるブームシリンダ34a、アームシリンダ35aおよびバケットシリンダ36aを具備している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a hydraulic excavator incorporating an electric motor control device according to the present invention. The hydraulic excavator includes a crawler-type lower traveling
旋回の慣性体は、上部旋回体32と掘削アタッチメント33、および、バケット36内の土砂などから構成され、掘削アタッチメント33の状態とバケット36内の土砂などの有無や量により変化する。ブームシリンダ34a、アームシリンダ35a、バケットシリンダ36aを完全に伸張させて、かつ、バケット36内に何も入っていない場合に、前記慣性体の慣性はほぼ最小になる。狭い場所で旋回する場合に、掘削アタッチメントが周囲の物にあたらないようにするための作業姿勢である。バケット36が旋回半径の大きな位置にあって、内部に最大の重量物が入っていると、前記慣性体の慣性は最大になる。 The inertial body of the swing is composed of the
上部旋回体32には、図示しないエンジンや、エンジン駆動によって駆動される図示しない油圧ポンプなどの油圧駆動装置と、発電機5、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置7、および、図3に示すように、上部旋回体32を旋回作動させる電動機1と減速機41が搭載されている。減速機構の最終段では、減速機41の図示しない出力軸ピニオンが図示しない旋回ベアリングのインターナルギヤと噛み合って最終段減速機42を構成し、上部旋回体32を旋回させる。減速機41の内部のバックラッシュに比べて、最終段減速機42の出力軸ピニオンと旋回ベアリングのインターナルギヤとの間のバックラッシュはかなり大きな値である。油圧ポンプの吐出油は、図示しない走行用油圧モータとブーム34、アーム35およびバケット36の各シリンダ34a、35a、36aに、それぞれ図示しない制御弁を介して供給される。また、発電機5の電力は、図2に示すようにコンバータ6で電圧、電流が制御されて蓄電装置7に蓄えられるとともに、後述するインバータ4を介して電動機1に供給される。電動機1は永久磁石を回転子とする永久磁石式モータであり、本発明に係る電動機の制御装置は、この電動機1を制御して上部旋回体32を旋回作動させるものである。 The
図2は、本発明に係わる前記電動機1の制御装置の構成を示すブロック図である。この制御装置は、操作端2の操作量Xを検出する操作検出手段2aと、電動機1の角速度Nを検出する回転検出手段1aと、これらの検出された操作端2の操作量Xと電動機1の角速度Nから、電動機1の出力トルクの目標値Toを演算する演算手段としてのコントローラ3と、発電機5または蓄電装置から供給される電力に対して、電動機1の出力トルクをコントローラ3で演算された目標トルクToに制御する電動機制御手段としてのインバータ4とで構成されている。油圧ショベルの旋回の場合には操作端2は操作レバーであり、車両の走行の場合には操作端2はペダルである。 FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the control device for the
コントローラ3による演算と制御は、操作量Xと電動機1の角速度Nとに応じた電動機1のトルク制御でも良いし(例えば、WO2008/041395)、あるいは、操作量Xと電動機1の角速度Nとに応じた電動機1の角速度制御でも良い(例えば、特開2001−10783)。インバータ4の信号変換回路4aで目標トルク信号Toを目標電流信号Ioに変換し、電流制御回路4bで電動機1への出力電流Iを目標電流Ioとするようにフィードバック制御する。 The calculation and control by the controller 3 may be torque control of the
図5は、本発明に係わる電動機1の出力トルクと角加速度の関係を示すグラフである。駆動系の慣性モーメントは、電動機1と減速機41および最終段減速機42のそれぞれの回転部分の慣性モーメントの総和である。前記慣性体の最小慣性モーメントは、前記駆動系の慣性モーメントの数倍から10倍程度の大きさであり、前記慣性体の最大慣性モーメントは、前記慣性体の最小慣性モーメントの数倍程度の大きさである。直線Cは前記駆動系の慣性を加速する際の特性、直線Dは前記慣性体の最小慣性を加速する際の特性、直線Eは前記慣性体の最大慣性を加速する際の特性を示す。損失などを考慮しなければ、角加速度は慣性モーメントに反比例し加速トルクに比例するので、同一のトルクで加速する場合には、慣性モーメントが小さいほど角加速度は大きくなる。前記慣性体の加速は、油圧ショベルの作業状態などに応じて、前記直線Dと前記直線Eの間で行われる。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the output torque and the angular acceleration of the
例えば、電動機1の出力トルクがT1の場合には、前記駆動系の角加速度は最終的にα11となる。電動機1から前記駆動系が順に加速して減速機41の内部の歯車が順にかみ合い、前記出力軸ピニオンと前記旋回ベアリングのインターナルギヤがかみ合って、その後で前記慣性体の駆動が開始される。前記慣性体の慣性が最小の場合には、角加速度α21で加速し、前記慣性体の慣性が最大の場合には角加速度α31で加速する。 For example, when the output torque of the
油圧ショベルの旋回の場合には、操作レバーはフル操作する場合が多く、そうすると電動機1の出力トルクは最大値Tmaxが出力される。前記駆動系の慣性は、図3の領域をはみ出して急加速して、最終段減速機42の出力軸ピニオンと旋回ベアリングのインターナルギヤ高速でぶつかってショックが発生する。そして、最終段減速機42の出力軸ピニオンと旋回ベアリングのインターナルギヤがかみ合うと、前記慣性体の慣性が最小の場合には、角加速度α2mで加速し、前記慣性体の慣性が最大の場合には角加速度α3mで加速する。角速度が最大値になるまでの時間は、前記慣性体の慣性が最大の場合には数秒かかるが、前記慣性体の慣性が最小値の場合には1秒以下となって、加速が急すぎて、オペレータにとって操作感覚が悪い。 In the case of turning of the hydraulic excavator, the operation lever is often fully operated, and as a result, the output torque of the
本発明では、電動機1の角加速度の最大値を、前記慣性体の慣性が最小の場合の加速特性を示す直線Dよりも角加速度が小さい直線Aに制限する。直線Aは電動機1の出力トルクに応じて比例関係に定められている。そうすると、電動機1の全ての出力トルクに対して直線Aよりも大きな角加速度は出力されず、操作感覚が向上する。操作端2が急操作された場合にも、電動機1の最大出力トルクTmaxの場合の角加速度も最大値がα0mに制限され、急激な加速が抑制されて操作感覚が大きく向上する。最終段減速機42の出力軸ピニオンの加速が大幅に小さな値になるので、旋回ベアリングのインターナルギヤにぶつかる際の歯面速度が遅くなって、ショックが大幅に低減するという付帯効果も生じる。 In the present invention, the maximum value of the angular acceleration of the
電動機1の角加速度の最大値を、前記慣性体の慣性が最小の場合の加速特性を示す直線Dよりも小さい直線Bに制限することも可能である。直線Bは電動機1の出力トルクに無関係に一定の値αbに定められていて、αbは直線Dの最大角速度α2mよりも小さな値である。そうすると、電動機1の角加速度がαbよりも大きくなった場合に角加速度がαbに制限される。操作端2が急操作された場合には、電動機1の出力トルクが大きくなると角加速度の最大値がαbに制限されて、急激な加速が無くなって操作感覚が大きく向上する。 It is also possible to limit the maximum value of the angular acceleration of the
図6に、本発明に係わる操作量Xと電動機1の角速度Nとに応じた電動機1のトルク制御を行う場合の制御フローチャートを示す。S101で操作量X(t)を計測し、S102で電動機の回転速度N(t)を計測する。S103で、計測したX(t)とN(t)とから、予めメモリに記憶したマップを使って電動機1の目標トルクTo(t)を演算する。S104で、時刻tの角速度N(t)と1サンプリングタイムΔtだけ前の時刻(t−1)の角速度N(t−1)とから、角加速度α(t)を演算する。S105で、演算された角加速度が最大角加速度αmaxより小さいかどうかを判定する。YESであれば、S107で、前段で演算されたTo(t)を出力する。NOであれば、S106で、前段で演算されたTo(t)から予め定めた補正値ΔTを減算してTo(t)を計算し直し、S107で出力する。ここで、最大角加速度αmaxは、直線Aあるいは直線Bで定義されている。 FIG. 6 shows a control flowchart in the case of performing torque control of the
図7に、本発明に係わる操作量Xと電動機1の角速度Nとに応じた電動機1の速度制御を行う場合の制御フローチャートを示す。S201で操作量X(t)を計測し、S202で電動機1の回転速度N(t)を計測する。S203で、計測したX(t)から、予めメモリに記憶したマップを使って電動機1の目標角速度No(t)を演算する。S204で、時刻tの角速度N(t)と1サンプリングタイムΔtだけ前の時刻(t−1)の角速度N(t−1)とから、角加速度α(t)を演算する。S205で、演算された角加速度が最大角加速度αmaxより小さいかどうかを判定する。YESであれば、S207で、前段で演算されたNo(t)を出力する。NOであれば、S206で、1サンプリングタイム前の角速度N(t−1)から最大角加速度αmaxを使って目標角速度No(t)を計算し直し、S207で出力する。S208で角速度偏差ΔN(t)を演算する。S209で、予めメモリに保存した関係式を使って、角速度偏差から目標トルクTo(t)を演算し、S210で出力する。 FIG. 7 shows a control flowchart in the case where the speed control of the
図4は、電動走行車両の走行駆動装置と動力伝達を示した図である。前記走行駆動装置の駆動系の慣性モーメントは、電動機1と変速機・減速機52および駆動輪53のそれぞれの回転部分の慣性モーメントの総和である。走行体51に電動機1と変速機・減速機52、駆動輪53が搭載され、順に動力が伝達される。慣性体は、走行体51と走行体51に乗車する人や載荷物によって構成される(以降、それらを全て含めて走行体51とする)。走行体51の慣性は、前記走行駆動系の慣性よりも桁違いに大きい。駆動輪53の回転は摩擦を介して接地面54に伝達され、走行体51が走行する。駆動輪の回転速度と走行体の走行速度が同一であればスリップはしていない。駆動輪がスリップして、駆動輪の回転速度と走行体の走行速度が異なるということは、駆動輪の加速に走行体の加速が追いつかないということである。走行体の加速度よりも駆動輪の加速度を小さくするか同一にすれば、駆動輪はスリップしない。 FIG. 4 is a diagram showing a travel drive device and power transmission of an electric travel vehicle. The moment of inertia of the drive system of the travel drive device is the sum of the moments of inertia of the rotating portions of the
電動機1による駆動輪53の加速は、駆動輪53と接地面54との摩擦がゼロとすると図5の直線Cとなるが、実際には摩擦があるので、直線Cよりも小さな角加速度となる。本発明の電動機の制御装置は、前記直線Cよりも小さな角加速度で、さらに、前記走行駆動系の最小慣性の角加速度である直線Dよりも小さな角加速度である直線Aに沿って加速されるので、駆動輪54がスリップする可能性が大きく減少する。 The acceleration of the
走行車両に乗車する人や載荷物の質量を、走行車両に搭載したロードセルや荷重センサで計測して、走行体1の質量を推定することができる。あるいは、実走行での電動機1の出力トルクと角加速度を計測して、走行体1の質量を推定する方法もある(特許文献2)。走行体1の質量から走行体1の慣性モーメントは演算できるので、「角加速度=トルク÷慣性モーメント」の関係から、演算した慣性モーメントの値と同じか少し大きな値を使って直線Aの傾きを定めることにより、より確実に駆動輪のスリップを抑制することが可能になる。 The mass of the traveling
上述した実施形態では、電動機1の出力トルクによって前記慣性体の最小値を加速する角加速度以下の所定の値を、原点を通る直線A、あるいは、値が一定の直線Bとしたが、その二つの直線の組み合わせでも良く、あるいは、複数の直線の組み合わせでも良く、あるいは、曲線でもよい。 In the above-described embodiment, the predetermined value equal to or lower than the angular acceleration for accelerating the minimum value of the inertial body by the output torque of the
1 電動機
1a 回転検出手段
2 操作端
2a 操作検出手段
3 コントローラ
4 インバータ
4a 信号変換回路
4b 電流制御回路
5 発電機
6 コンバータ
7 蓄電装置
31 下部走行体
32 上部旋回体
33 作業アタッチメント
34 ブーム
34a ブームシリンダ
35 アーム
35a アームシリンダ
36 バケット
36a バケットシリンダ
37 コンバータ
41 減速機
42 最終段減速機
51 走行体
52 変速機・減速機
53 駆動輪
54 接地面DESCRIPTION OF
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