DE102006007623B4 - Robot with a control unit for controlling a movement between an initial pose and an end pose - Google Patents
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Abstract
Roboter, insbesondere Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden (a1, a2) und einer Steuereinheit (12) zum Steuern einer Bewegung eines Greifarms des Roboters zwischen einer Anfangsposition (14) und einer Endpose (16), wobei die Steuereinheit (12) eine Speichereinheit (30) zum Speichern einer Landkarte (32) umfasst, in der zumindest eine Störkontur (34) verzeichenbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) dazu vorgesehen ist, einen Bewegungspfad (36) des Greifarms zwischen der Anfangspose (14) und der Endpose (16) selbsttägig in Abhängigkeit von der Landkarte (32) und in Schritten, die der Schrittweite der Landkarte (32) entsprechen, zu generieren und dass die Steuereinheit (12) derart programmiert ist, dass sie die Landkarte (32) zum Generieren des Bewegungspfades (36) in wenigstens zwei Bereiche (38, 40) mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt, sie den Bewegungspfad in einem ersten Bereich (40) aus ersten Segmenten und in einem zweiten Bereich (38) aus zweiten Segmenten generiert, wobei der erste Bereich (40) weniger Störkonturen aufweist als der zweite Bereich (38), und wobei die ersten Segmente im ersten Bereich (40) länger sind als die zweiten Segmente im zweiten Bereich (38).Robots, in particular industrial or articulated robots, having at least two degrees of freedom of movement (a1, a2) and a control unit (12) for controlling a movement of a robotic arm of the robot between an initial position (14) and an end pose (16), the control unit (12) a memory unit (30) for storing a map (32) in which at least one interference contour (34) is charac - terised, characterized in that the control unit (12) is provided for defining a movement path (36) of the gripping arm between the initial pose (14 ) and the end pose (16) are generated on a daily basis as a function of the map (32) and in steps corresponding to the step size of the map (32) and that the control unit (12) is programmed to display the map (32). for generating the movement path (36) into at least two areas (38, 40) with different levels of detail, it divides the movement path in a first area (40) of first segments and in a second region (38) of second segments, wherein the first region (40) has fewer interference contours than the second region (38), and wherein the first segments in the first region (40) are longer than the second segments in the second region ( 38).
Description
Die Erfindung betrifft einen Roboter, insbesondere von einem Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose und ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters, zwischen einer Anfangspose und einer Endpose in wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden, wobei ein Bewegungspfad zwischen der Anfangspose und der Endpose generiert wird.The invention relates to a robot, in particular of an industrial or articulated robot, having at least two degrees of freedom of movement and a control unit for controlling a movement between an initial pose and an end pose and a method for controlling a movement of a robot between an initial pose and an end pose in at least two Degrees of freedom of movement, whereby a movement path is generated between the initial pose and the final pose.
Aus dem Stand der Technik ist ein Roboter, beispielsweise ein Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden bekannt. Der Roboter umfasst eine Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose entlang eines vorprogrammierten Bewegungspfads, der sich aus stückweise linearen oder kreisbogenförmigen Pfadsegmenten zusammensetzt. Zum Programmieren des Bewegungspfads ist es bekannt, dass ein Bediener in einem Teach-In Vorgang einen Greifarm des Roboters manuell auf dem Pfad führt und dabei Störkonturen in der Reichweite des Greifarms umgeht. Die Steuereinheit speichert einzelne Überschleifpunkte des Pfads und reproduziert die Bewegung näherungsweise durch eine stückweise geradlinige Bewegung, die die Überschleifpunkte verbindet. Alternativ können die einzelnen Überschleifpunkte beim Programmieren der Steuereinheit eingegeben werden. Als ”geradlinig” oder ”linear” sollen in diesem Zusammenhang insbesondere auch solche Bewegungen bezeichnet werden, die in einem achsbezogenen Koordinatensystem des Roboters gerade verlaufen. In dem achsbezogenen Koordinatensystem des Roboters können neben linearen auch rotatorische Achsen in kartesischen Koordinaten dargestellt sein. From the prior art, a robot, for example an industrial or articulated robot, with at least two degrees of freedom of movement is known. The robot includes a controller for controlling movement between an initial pose and an end pose along a preprogrammed motion path comprised of piecewise linear or arcuate path segments. For programming the movement path, it is known that an operator in a teach-in operation manually guides a gripper arm of the robot on the path while avoiding interfering contours within the reach of the gripper arm. The control unit stores individual blending points of the path and approximately reproduces the motion by a piecewise rectilinear motion connecting the blending points. Alternatively, the individual rounding points can be entered when programming the control unit. In this context, "movements that are straight in an axis-related coordinate system of the robot" should also be referred to as "straight-line" or "linear". In the axis-related coordinate system of the robot, not only linear but also rotatory axes can be represented in Cartesian coordinates.
Aus der
Die
Aus der
Die
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Roboter mit einer Steuereinheit auszustatten, die eine ungewollte Kollision des Roboters mit Gegenständen in seiner Reichweite wirkungsvoll verhindert, und eine zum Generieren eines Bewegungspfades aufzuwendende Rechenzeit reduziert.The invention is in particular the object of equipping a generic robot with a control unit, which effectively prevents an unwanted collision of the robot with objects in its range, and reduces a computing time expended for generating a movement path.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Roboter, insbesondere einen Industrie- oder Gelenkroboter, nach Anspruch 1 mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose, wobei die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern einer Landkarte umfasst, in der zumindest eine Störkontur verzeichenbar ist, sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 18 zum Steuern eines solchen Roboters.The object is achieved by a robot, in particular an industrial or articulated robot, according to claim 1 having at least two degrees of freedom of movement and a control unit for controlling a movement between an initial pose and an end pose, wherein the control unit comprises a memory unit for storing a map, in the at least a Störkontur is verzeichenbar, and by a method according to claim 18 for controlling such a robot.
Die Erfindung geht aus von einem Roboter, insbesondere von einem Industrie- oder Gelenkroboter, mit wenigstens zwei Bewegungsfreiheitsgraden und einer Steuereinheit zum Steuern einer Bewegung zwischen einer Anfangspose und einer Endpose.The invention is based on a robot, in particular an industrial or articulated robot, having at least two degrees of freedom of movement and a control unit for controlling a movement between an initial pose and an end pose.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit eine Speichereinheit zum Speichern einer Landkarte umfasst, in der zumindest eine Störkontur verzeichnet werden kann. Die Steuereinheit kann zu beliebigen Punkten bzw. Posen der Bewegung überprüfen, ob der Punkt oder die Pose innerhalb oder außerhalb einer Störkontur liegt. Erkennt die Steuereinheit, dass der Punkt oder die Pose innerhalb der Störkontur liegt, kann sie ein Warnsignal erzeugen oder eine Bewegung blockieren. Dadurch kann eine Kollision mit einem von der Störkontur dargestellten Gegenstand sicher vermieden werden.It is proposed that the control unit comprises a memory unit for storing a map, in which at least one interference contour can be recorded. The control unit can check at any points or poses of the movement, whether the point or the pose lies inside or outside a disturbing contour. If the control unit detects that the point or pose is within the interference contour, it may generate a warning signal or block movement. As a result, a collision with an object represented by the interference contour can be reliably avoided.
Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Steuereinheit kann prinzipiell zur Steuerung jedes Roboters genutzt werden, der sich im Bereich von statischen oder zumindest nur langsam veränderlichen Gegenständen bewegt. Wegen des vergleichsweise großen Rechenzeitaufwands bei den notwendigen Koordinatentransformationen ist die erfindungsgemäße Lösung jedoch besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit Gelenkrobotern oder SCARA-Robotern in der industriellen Anwendung einsetzbar.An inventively designed control unit can in principle be used to control each robot, which moves in the range of static or at least only slowly changing objects. Because of the comparatively large computational time required for the necessary coordinate transformations, however, the solution according to the invention is particularly advantageous in the art Can be used in conjunction with articulated robots or SCARA robots in industrial applications.
Als ”Landkarte” soll in diesem Zusammenhang eine mehrdimensionale Datenstruktur bezeichnet werden, die auch eine Überlagerung oder Projektion einer oder mehrerer eindimensionaler Datenstrukturen sein kann. Die Landkarte ist eine Abbildung, die jeder Pose des Roboters einen Wert zuordnet, aus dem entnommen werden kann, ob sich der Roboter bzw. einer seiner Greifarme innerhalb oder außerhalb der Störkontur befindet. Ein schneller Zugriff auf die Landkarte kann erreicht werden, wenn die Dimension der Landkarte kleiner oder gleich einer Zahl der Bewegungsfreiheitsgrade des Roboters ist.In this context, a "map" is to be understood as a multidimensional data structure, which may also be an overlay or projection of one or more one-dimensional data structures. The map is an illustration that assigns to each pose of the robot a value from which it can be deduced whether the robot or one of its gripper arms is located inside or outside the interference contour. Quick access to the map can be achieved if the dimension of the map is less than or equal to a number of degrees of freedom of movement of the robot.
Die Landkarte wird besonders vorteilhaft in einem Initialisierungsprozess des Roboters generiert, um die beim Ermitteln eines Bewegungspfades aufzuwendende Rechenzeit möglichst gering zu halten.The map is generated particularly advantageously in an initialization process of the robot in order to minimize the time required to calculate a movement path.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, einen Bewegungspfad zwischen der Anfangspose und der Endpose selbsttätig in Abhängigkeit von der Landkarte zu generieren. Dadurch kann ein Bedienkomfort deutlich erhöht werden, da nur noch ein Anfangs- und Endpunkt der Bewegung programmiert werden muss, sofern sich die Umgebung des Roboters und damit die zu berücksichtigende Störkontur nicht ändert. Es kann eine systematische Trennung zwischen den anwendungspezifischen Bewegungsdaten bzw. den Koordinaten der anzusteuernden Posen und den oftmals anwendungsunabhängigen Störkonturen erreicht werden. Unter „vorgesehen” soll in diesem Zusammenhang auch „ausgelegt” und „ausgestattet” verstanden werden.According to the invention, it is proposed that the control unit is provided to automatically generate a movement path between the initial pose and the final pose as a function of the map. As a result, ease of use can be significantly increased since only one start and end point of the movement must be programmed, provided that the environment of the robot and thus the interference contour to be considered does not change. A systematic separation between the application-specific movement data or the coordinates of the poses to be controlled and the often application-independent interference contours can be achieved. In this context, "provided" should also be understood to mean "designed" and "equipped".
Wenn die Steuereinheit derart programmiert ist, dass sie die Landkarte zum Generieren des Bewegungspfads in wenigstens zwei Bereiche mit unterschiedlicher Detailgenauigkeit aufteilt, kann eine zum Generieren des Bewegungspfads aufzuwendende Rechenzeit deutlich reduziert werden, da auf überflüssige Detailtreue in Bereichen, die weitläufig frei von Störkonturen sind, verzichtet werden kann. In solchen Bereichen kann die Steuereinheit den Bewegungspfad aus langen Segmenten zusammensetzen, während in kritischen Bereichen mit stark strukturierten Störkonturen ein kleinschrittiger Bewegungsablauf generiert werden kann. Das Generieren des Bewegungspfads kann weiter beschleunigt werden, wenn die Bewegung vorzugsweise durch solche Bereiche geführt wird, die hinsichtlich der Detailgenauigkeit unkritisch sind und nur in Fällen, in denen es unvermeidbar oder in einem Gesamtzusammenhang vorteilhaft ist, die Bewegung in Bereiche geführt wird, in denen zur Kollisionsvermeidung eine hohe Detailgenauigkeit notwendig ist.If the control unit is programmed in such a way that it divides the map into at least two areas with different levels of detail in order to generate the movement path, then a computing time to generate the movement path can be significantly reduced, since superfluous detail in areas which are largely free from interference contours can be waived. In such areas, the control unit can assemble the motion path from long segments, while in critical areas with highly structured interference contours, a small-step motion sequence can be generated. The generation of the movement path can be further accelerated if the movement is preferably guided through those areas which are not critical with regard to the precision of detail and only in cases in which it is unavoidable or advantageous in an overall context, the movement is guided into areas in which For collision avoidance a high degree of detail is necessary.
Ist die Steuereinheit derart programmiert, dass sie die Landkarte zum Generieren des Bewegungspfads in mehrere Unterkarten mit vorgegebenen Pfad-Teilen aufteilt, kann das Generieren des Pfads weiter beschleunigt werden, da zum Durchqueren der den Unterkarten entsprechenden Bereiche des Bewegungsraums des Roboters auf die vorgegebenen Pfad-Teile zurückgegriffen werden kann. Die vorgegebenen Pfad-Teile verbinden vorzugsweise Randpunkte der Unterkarten geradlinig miteinander.If the control unit is programmed in such a way that it divides the map into several sub-maps with predetermined path parts in order to generate the movement path, the generation of the path can be further accelerated since the areas of the movement space of the robot corresponding to the sub-maps are traversed to the prescribed paths. Parts can be used. The predetermined path parts preferably connect edge points of the sub-maps in a straight line with each other.
Ein Transformationsvorgang von einem raumbezogenen Koordinatensystem auf ein achsbezogenes Koordinatensystem kann auf den Initialisierungsprozess der Steuereinheit vorverlegt werden, wenn die Speichereinheit zum Speichern der Landkarte in dem achsbezogenen Koordinatensystem vorgesehen ist. Beim Generieren des Bewegungspfads ist dann eine Koordinatentransformation nicht mehr notwendig.A transformation process from a space-based coordinate system to an axis-related coordinate system may be advanced to the initialization process of the control unit when the memory unit is provided for storing the map in the axis-related coordinate system. When generating the motion path then a coordinate transformation is no longer necessary.
Eine Referenzfahrt des Roboters kann verkürzt werden bzw. ganz entfallen, wenn der Roboter wenigstens einen Absolutwert-Geber zum erfassen eines Absolutwerts von wenigstens einer Koordinate einer aktuellen Pose umfasst. Besonders vorteilhaft sind Ausgestaltungen der Erfindung, in denen alle Achsen des Roboters bzw. eines Greifarms des Roboters mit Absolutwert-Gebern ausgestattet sind.A reference travel of the robot can be shortened or eliminated altogether if the robot comprises at least one absolute value encoder for detecting an absolute value of at least one coordinate of a current pose. Particularly advantageous embodiments of the invention, in which all the axes of the robot or a gripper arm of the robot are equipped with absolute encoders.
Die Steuereinheit kann die Störkontur selbsttätig erkennen, wenn der Roboter wenigstens einen Sensor zum Erkennen der Störkontur umfasst. In einer besonders flexiblen Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor Teil einer Kamera, insbesondere einer CCD-Kamera, die Bilder von einer Umgebung des Roboters erfasst. Durch einschlägige Bildverarbeitungsprogramme kann die Steuereinheit aus den von der Kamera erfassten Bildern die Störkontur ermitteln und in die Landkarte eintragen.The control unit can automatically detect the interference contour if the robot comprises at least one sensor for detecting the interference contour. In a particularly flexible embodiment of the invention, the sensor is part of a camera, in particular a CCD camera, which captures images of an environment of the robot. By means of relevant image processing programs, the control unit can determine the interference contour from the images captured by the camera and enter it in the map.
Eine externe Eingabe der Landkarte kann vermieden werden, die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, die Landkarte abhängig von einer vorgegebenen Störkontur zu generieren. Eine Vorgabe der Störkontur ist dabei besonders komfortabel und ohne aufwändige Umrechnungsvorgänge in einem World-Koordinatensystem des Roboters möglich.An external input of the map can be avoided, the control unit is provided to generate the map depending on a predetermined interference contour. A specification of the interference contour is particularly comfortable and without complicated conversion operations in a world coordinate system of the robot possible.
Die zum Generieren der Landkarte aufzuwendende Rechenzeit kann reduziert werden, wenn die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, zum Generieren der Landkarte ein auf höchstens 20 Parameter beschränktes Modell für eine Außenkontur eines Greifarms zu nutzen. Wegen der durch die modellhafte Näherung gewonnenen Rechenzeitvorteile kann auf einen schnellen Prozessor und großen Arbeitsspeicher verzichtet werden, wodurch sich letztlich auch Kostenvorteile für die Herstellung des Roboters ergeben.The computation time required to generate the map can be reduced if the control unit is intended to use a model for an outer contour of a gripper arm limited to a maximum of 20 parameters for generating the map. Because of the model time approximation gained computational advantages can be dispensed with a fast processor and large memory, which ultimately also result in cost advantages for the production of the robot.
Eine besonders schnelle und einfache Bestimmung der Störkontur kann erreicht werden, wenn das Modell die Außenkontur des Greifarms durch wenigstens ein Polygon darstellt.A particularly fast and simple determination of the interference contour can be achieved if the model represents the outer contour of the gripping arm by at least one polygon.
Alternativ oder ergänzend dazu kann das Modell die Außenkontur des Greifarms durch wenigstens einen Kreis darstellen. Auch Kombinationen von Kreisen und Polygonen oder anderen einfachen geometrischen Formen sind denkbar. Das Modell muss im Allgemeinen nicht die volle dreidimensionale Außenkontur des Greifarms darstellen, sondern kann auf eine Projektion von der Dimension der Landkarte beschränkt werden.Alternatively or additionally, the model may represent the outer contour of the gripper arm by at least one circle. Also combinations of circles and polygons or other simple geometric shapes are conceivable. The model generally does not have to represent the full three-dimensional outer contour of the gripper arm, but can be limited to a projection on the dimension of the map.
Eine hinreichend präzise Modellierung eines Greifarms des Roboters kann mit geringem Aufwand dadurch erreicht werden, dass jeder unabhängige Armteil des Greifarms durch eine einzige elementare geometrische Form, beispielsweise durch ein Polygon, beschrieben wird.A sufficiently precise modeling of a gripper arm of the robot can be achieved with little effort that each independent arm of the gripper arm is described by a single elementary geometric shape, for example by a polygon.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Roboters, insbesondere eines Roboters der oben beschriebenen Art.Furthermore, the invention relates to a method for controlling a movement of a robot, in particular a robot of the type described above.
Es wird vorgeschlagen, dass beim Generieren des Bewegungspfads eine Landkarte genutzt wird, in der zumindest eine Störkontur verzeichnet ist. Eine Kollision mit durch die Störkontur dargestellten Gegenständen oder Hindernissen in einer Reichweite des Roboters kann dadurch vermieden werden.It is proposed that when generating the movement path a map is used in which at least one interference contour is recorded. A collision with objects or obstacles represented by the interference contour in a range of the robot can be avoided.
Weitere Merkmale der Erfindung und deren Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.Further features of the invention and its advantages will become apparent from the following description. The figures show embodiments of the invention. The figures, the description and the claims contain numerous features in combination which the skilled person will also consider individually and summarize to meaningful further combinations.
Dabei zeigen:Showing:
Der Roboter umfasst einen schwenkbaren Greifarm
Der Greifarm
Im Bereich des Greifarms
Die Steuereinheit
Es wären weitere Ausgestaltungen der Erfindung denkbar, bei denen die Landkarte mehr-, insbesondere dreidimensional ist, der Wertebereich der Landkarte
Die
In einem Initialisierungsvorgang nutzt die Steuereinheit
In einer realistischen Implementierung des Modells, die hier nicht explizit dargestellt ist, nähert das Steuerprogramm die Außenkontur
In einer ersten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell die Außenkontur
Eine aus der Störkontur-Konstellation gemäß
In einer zweiten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell bzw. die Steuereinheit
In einer dritten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell bzw. die Steuereinheit
In einer vierten Implementierung eines Steuerprogramms stellt das Modell die Außenkontur
In alternativen Ausgestaltungen der Erfindung können die Außenkontur
Die Steuereinheit
Die Steuereinheit
Wenn der Wert der Koordinate α1 dem entsprechenden Wert der Zielpose
Die beiden zuletzt beschriebenen Methoden der Pfad-Generierung können durch eine simultane Pfad-Generierung beschleunigt werden, die gleichzeitig von der Anfangspose
Die Steuereinheit
Eine in
Eine weitere, in
der Unterkarte
the sub-map
Eine in
In
Zum Erzeugen des Bewegungspfads
Innerhalb eines Rechtecks kann eine direkte Point-to-Point(PTP)-Bewegung erfolgen. Wenn beispielsweise eine Pose im Rechteck I erreicht wird und sich die Endpose
- Zwei benachbarte Rechtecke mit einer gemeinsamen Seite können hinsichtlich der vorhergehenden Verhaltensregel immer als ein Rechteck betrachtet werden. Wenn beispielsweise eine Pose im Rechteck II erreicht wird und sich die
Endpose 16 im Rechteck V befindet, kann sich der Greifarm10 ohne weitere Überschleifpunkte indie Endpose 16 bewegen.
Within a rectangle, a direct point-to-point (PTP) movement can occur. For example, if a pose in rectangle I is reached and the
- Two adjacent rectangles with a common page can always be considered as a rectangle with respect to the previous behavior rule. For example, if a pose in rectangle II is reached and the
final pose 16 Located in the rectangle V, the gripper arm can10 without further sanding points in thefinal pose 16 move.
Befindet sich keine Störkontur
Durch die Aufteilung der Landkarte
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird der Roboter nicht von einer integrierten Steuereinheit
Beim Generieren des Bewegungspfads
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Greifarmclaw arm
- 1212
- Steuereinheitcontrol unit
- 1414
- AnfangsposeAnfangspose
- 1616
- Endposeend pose
- 2222
- Sockelbase
- 2424
- Gelenkjoint
- 2626
- Absolutwert-GeberAbsolute encoder
- 2828
- Absolutwert-GeberAbsolute encoder
- 3030
- Speichereinheitstorage unit
- 3232
- Landkartemap
- 3434
- Störkonturinterference contour
- 3636
- Bewegungspfadmotion path
- 3838
- BereichArea
- 4040
- BereichArea
- 4242
- Unterkarteunder map
- 4444
- Pfad-TeilPath part
- 4646
- Sensorsensor
- 4848
- Linieline
- 5050
- Linieline
- 5252
- Polygonpolygon
- 5454
- Polygonpolygon
- 5656
- Kreiscircle
- 5858
- Außenkonturouter contour
- 6060
- Armteilarm
- 6262
- Armteilarm
- 6464
- Gegenstandobject
- 6666
- ÜberschleifpunktAbout grinding point
- a1a1
- Koordinatecoordinate
- a2a2
- Koordinatecoordinate
- A1A1
- Achseaxis
- A2A2
- Achseaxis
- XX
- Wertvalue
Claims (19)
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Owner name: KUKA LABORATORIES GMBH, 86165 AUGSBURG, DE |
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