CN105835062A - 用于运行和/或监控多轴机器的方法和系统 - Google Patents
用于运行和/或监控多轴机器的方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
根据本发明的方法包括如下步骤:使多轴机器、特别是机器人或工具机器(2)的至少一个轴致动;切换配属于该轴的制动器;并确定切换时间点(t2,t7)和轴的运动状态开始变换的反应时间点(t5,t8)之间的反应时间(t合,t开)。附加地或替代地,该方法还包括以下步骤:在制动器闭合时使轴反向地致动;并检测轴的反向最大偏移之间的运动间隙(s1,s2)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定多轴机器、特别是机器人的轴的制动器的反应时间和/或运动间隙的方法,一种根据该反应时间或运动间隙来运行和/或监控机器的方法,以及用于执行所述方法的一种系统和一种计算机程序产品。
背景技术
多轴机器、例如特别是机器人的轴制动器在切换制动器和改变所对应的轴的运动状态或者说导致运动状态变化的反应时间点之间具有反应时间或者说闭合时间。运动状态特别可以包括轴的转速、转速变化、速度或者加速度或减速度(延迟),特别是轴的转速、转速变化、速度或者加速度或减速度。在运动状态改变或者说变换的意义下,速度变化或转速变化例如可以通过参考参数转速或速度的相对变化来定义,这种相对变化为约大于2%、约大于5%、特别优选约大于10%并特别是约大于20%。为了产生预设的加速度或减速度,制动器必须施加一定的最小制动力,以便由此改变运动状态。特别是制动器也可以(最大的)额定制动力来制动。类似地,制动器在切换制动器和反应时间点之间有断开时间,从该反应时间点起,制动器至多还施加一定的最大制动力,或者说至多还能够施加一定的最大制动力,特别是被完全抬起或者说至少基本上不再施加或不能再施加制动力。
为简洁起见,在本发明中将这样的闭合时间或断开时间通称为制动器的反应时间。该反应时间可以特别是取决于制动器的机械、液压、气动、(电)磁和/或信号技术和/或能源技术的惯性、磨损等。
此外,已闭合的制动器具有运动间隙,使得轴能够关于该运动间隙而通过一定的力、特别是在(最大)额定制动力的水平上运动。这种运动间隙也可以特别是与制动器的磨损有关。
对当前反应时间和/或这种运动间隙的识别可以有利地改进对机器的运行和/或监控。因此,例如可以在已知当前反应时间的情况下,相应地更早或更晚地切换制动器,以代替对此在轨迹规划中的理论最大值或者说最坏情况值。同样,例如可以在轨迹规划中将已知的当前运动间隙考虑进去,并对轴进行相应地校准。
当已知的当前反应时间或已知的当前运动间隙超过预设的边界值时,可以探测到所监控机器的错误状态。
发明内容
因此本发明的目的在于对多轴机器、特别是机器人的运行和/或监控进行改进。
本发明的目的通过一种用于确定制动器的反应时间的方法或者说一种用于确定制动器的运动间隙的方法来解决。本发明还提出了一种在考虑到根据上述方法确定的反应时间或运动间隙的情况下运行或监控多轴机器的方法,本发明又提出了一种用于执行上述方法的系统或计算机程序产品。
根据本发明的第一个方面,用于确定多轴机器、特别是机器人的轴制动器的反应时间的方法具有以下步骤:
a)使轴致动;
b)切换制动器;并
c)确定在制动器的切换时间点和轴的运动状态开始发生变换的反应时间点之间的反应时间。
在一种实施方式中,在使轴致动期间切换制动器并确定反应时间点。优选为了识别反应时间点或在预设的时间过去之后停止使轴致动。特别是可以利用驱动器以恒定的速度使轴致动,直至判定制动器已动作或已到达反应时间点。这样的判定例如可以通过力-力矩传感器来实现,该力-力矩传感器检测作用于驱动器和轴之间的力或力矩。替代地或附加地,这种判定也可以基于通过驱动器的电流消耗来实现。在一种实施方式中,反应时间特别可以是制动器的闭合时间。据此在一种实施方式中,制动器在步骤b)从断开状态切换到闭合状态。反应时间点可以例如是能够规定好预设的转速变化的时间点。特别是可以将反应时间点定义为这样的时间:在该时间中轴的转速相对于切换时间点的转速降低了约1%以上,优选为5%以上,并特别优选为10%上。
替代地,也可以将反应时间点定义为,轴在该时间点将停止,特别是其速度将低于预设的最大值,优选为零。
特别是在当到达切换时间点时轴未加速运动的条件下,即,轴的速度恒定,由驱动器施加在轴上的力矩恒定并且轴的加速度等于零,可以采用其他的标准来确定反应时间点。
反应时间点例如可以是能够规定好预设的速度变化的时间点。特别是可以将该反应时间点定义为这样的时间:在该时间中,轴的速度相比于切换时间点的转速或相比于轴的最大速度降低了约1%以上,优选为约5%以上,并特别优选为约10%以上。
进一步地,反应时间点例如可以是能够规定好预设的加速度的时间点。特别是可以将该反应时间点定义为这样的时间:在该时间中,轴的加速度的大小相比于驱动器的最大加速或平均加速增加约1%,优选为约5%,并特别优选为约10%。
进一步地,反应时间点可以例如是能够规定好驱动器和轴之间的预设力矩变化的时间点。特别是可以将反应时间点定义为这样的时间:在该时间中,力矩的大小相比于可施加的最大力矩或可施加的平均力矩增加约1%,优选为约5%,并特别优选为约10%。
优选还可以采用两个或多个上述标准的结合来确定反应时间点。
在另一种实施方式中,反应时间点特别可以是制动器的断开时间。在一种实施方式中,制动器在步骤b)中从闭合状态切换至断开状态,在此,反应时间点是轴的运动状态发生变化的时间点,也就是例如轴开始运动,特别是其速度超过预设的最小值(优选不等于零),或者轴至少转动预设的角度,例如转动至少约1度,优选转动至少约5度。
这两种实施方式可以彼此结合,在此,在一种扩展方案中,先在第一个步骤b)中将制动器从断开状态切换至闭合状态并确定反应时间或闭合时间,随后根据需要在确定如后文所述的、根据本发明第二方面的运动间隙之后,在第二个步骤b)中将制动器从闭合状态切换至断开状态并确定断开时间。同样,也可以反过来先在第一个步骤b)中将制动器从闭合状态切换至断开状态并确定断开时间,随后在第二个步骤b)中将制动器从断开状态切换至闭合状态并确定反应时间或闭合时间。
在一种实施方式中,特别是借助位置检测装置,尤其是通过检测利用位置检测装置所检测到的轴的位置或姿势、特别是角位置从何时开始变化或不再变化,来检测轴的运动状态的变换或反应时间点,特别是停止或者说低于预设的速度最大值,或开始运动或者说超过预设的速度最小值。附加地或替代地,在一种实施方式中,借助运动状态检测装置(例如速度检测装置、加速度检测装置和/或力矩检测装置),特别是通过检测利用速度检测装置所检测到的轴的速度、尤其是转速从何时起低于预设的最大值或超过预设的最小值,优选为等于或不等于零,来检测轴的运动状态的变换或反应时间点。附加地或替代地,在一种实施方式中,借助加速度检测装置,特别是通过检测利用加速度检测装置所检测到的轴的加速度、特别是角加速度从何时开始变化或不再变化,来检测轴的运动状态的变换或反应时间点。由此可以例如通过不等于零的加速度来检测轴的运动状态发生变化、即例如轴开始运动的反应时间点。运动状态检测装置例如可以是力矩传感器,其优选被设置在机器的两个可相对枢转的节肢之间的关节中。替代地或附加地,可以通过测量使轴致动的驱动器的电流消耗来确定运动状态。
在一种实施方式中,切换时间点是这样的时间点:在到达该时间点时,特别是信号技术和/或能源技术地激活或检测对制动器的切换。相应地,在一种扩展方案中,切换时间点是这样的时间点:在该时间点上,将通过信号技术命令切换制动器,或者说发出或接收用于使制动器切换的信号。在另一种扩展方案中,切换时间点是这样的时间点:在该时间点上将通过能源技术激活对制动器的切换,或者说断开或连接对制动器的能源供应,或者特别是借助传感器来检测这样的断开或连接。
根据本发明的第二个方面,用于确定多轴机器、特别是机器人或工具机器的至少一个所配属的轴的制动器的运动间隙的方法具有以下步骤:
i)在制动器闭合时反向地使轴致动;并
j)检测在轴的反向最大偏移之间的运动间隙。
在一种实施方式中,在轴被反向致动期间检测运动间隙。优选可以在检测到制动反应时停止对轴的致动。
在一种实施方式中,一次或多次地重复步骤i)、j),或者多次地在制动器闭合时使轴反向致动,并根据在此检测到的轴的反向最大偏移之间的单个运动间隙来确定(总)运动间隙。(总)运动间隙特别可以是单个运动间隙的最大值、最小值或平均值。由此能够有利地提高所确定的运动间隙的准确定和/或可靠性。
在一种实施方式中,可以将第一方面和第二方面如前所述地相互结合,其中,特别是首先在轴被致动的情况下使制动器闭合,并确定反应时间或闭合时间,随后在制动器(继续)闭合的情况下一次或多次使轴反向致动,并由此确定运动间隙,随后在轴被致动的情况下断开已闭合的轴,并由此确定断开时间。在一种实施方式中,同样也可以仅实施第一方面或第二方面。相应地,在上文和下文中既涉及第一方面,也涉及第二方面。
在一种实施方式中,轴被电机地致动,特别是被反向地或者说沿相反方向地和/或至少在切换制动器的切换时间点和轴的运动状态开始变换的反应时期之间的时间间隔内被电机地致动。
在一种实施方式中,轴被以预设的力电机地致动,或者说轴被电机地加载预设的力,在本文中为了简洁起见,也将反平行的力偶或转矩称为力。
通常可以特定于力地确定反应时间或运动间隙。因此正如开始所述的那样,反应时间或闭合时间可以是制动器被切换和通过制动器使轴的运动状态开始改变或变换的反应时间点之间的时间。这种改变或变换例如可以通过由制动器施加或能够施加一定的最小制动力、特别是(最大)额定制动力来产生。类似地,断开时间可以是制动器被切换和一反应时间点之间的时间,制动器从该反应时间点开始至多还施加一定的最大制动力,或者说至多还能够施加一定的最大制动力,特别是被完全抬起或者说至少基本上不再施加或不能再施加制动力。相应地,运动间隙可以是这样的间隙:轴能够关于该间隙而通过一定的力、特别是在(最大)额定制动力的水平上运动。
在一种实施方式中,与摩擦力和/或重力相关地预先设定这样的力。因为除了电机施加的力之外,摩擦力和/或重力也可以作用在轴上,这些力能够全部反作用于制动器或支持制动器。因此在一种实施方式中,可以优选特定于合力地确定反应时间或运动间隙,在此,合力或作用在轴上的力的和可以包括摩擦力、重力和由电机施加的力。特别是可以将电机地使轴致动或加载于轴的力提高一反作用于该致动的摩擦力和/或重力,和/或降低一支持该致动的重力。
特别是在轴的静止状态下,为了实现轴的位置变化而必需施加的力取决于在两个方向上几乎相同作用的摩擦力F摩擦和根据方向起作用的重力F重力。制动器可以在两个方向上施加一定的最小制动力F制动器。因此在一种实施方式中,为了能够判定间隙或位置差,可以将必须施加的两个力选择为
F1=F重力–(F摩擦+F制动器)和
F2=F重力+(F摩擦+F制动器)。
在施加力F1和F2的情况下分别得到的轴的位置的差可以定义该间隙。
重力,在某些情形下还有摩擦力,特别是与机器的轴的姿势有关。因此在一种实施方式中,根据机器姿势来预先设定电机施加的、用于使轴致动的力。
在一种实施方式中,与摩擦力和/或重力的相关性可以基于模型地或基于先前的致动来确定。
在一种实施方式中,电机地使轴致动或加载于轴的力可以基于制动器的、特别是最大的额定力来预先设定。如前所述地,可以特定于力地确定反应时间或运动间隙。通过基于制动器的特别是最大的额定力来预先设定该力,可以有利于检测制动器的额定负载,特别是确定反应时间或闭合时间,直到制动器施加或能够施加其额定力,或者在制动器最大额定负载的情况下确定运动间隙。在一种实施方式中,所预设的力只是制动器的特别是最大额定力的一部分,例如10%、50%或75%。因此在一种实施方式中,例如可以确定一断开时间,从该断开时间开始,制动器不再或不能够再施加该部分力,即,轴开始运动。
附加地或替代地,在一种实施方式中,以预设的速度、特别是转速使轴被电机地致动。在一种实施方式中,特别是可以预先设定一速度并使轴被速度调节地致动,或者说速度调节地预先设定使轴被电机地致动的力,在此,在一种扩展方案中,可以将该力限制在一预设的值,特别是限制在制动器的(最大)额定力。由此能够特别简单、精确地确定反应时间或运动间隙。
如前所述,对当前反应时间和/或当前运动间隙的识别特别是能够实现对多轴机器、特别是机器人的监控,特别是对于是否有一个或多个制动器尤其是由于磨损而具有过大的闭合时间和/或断开时间和/或运动间隙。相应地根据本发明的另一个方面,按照在此所述的方法来确定机器的一个或多个制动器的当前反应时间,并在所确定的反应时间处于预设范围之外时激活错误反应。附加地或替代地,按照在此描述的方法确定机器的一个或多个制动器的当前运动间隙,并在所确定的运动间隙处于预设的范围之外时激活错误反应。
在一种实施方式中,基于通过执行如前所述的方法而确定的反应时间或运动间隙,预先设定该范围。由此可以有利地探测、特别是记录制动器的变化。
错误反应特别可以包括输出错误信号和/或使机器停止,特别是闭合制动器。
附加地或替代地,除了监控之外,还可以如前所述地通过考虑多轴机器、特别是机器人的当前反应时间和/或当前运动间隙来改进其运行。相应地根据本发明的另一个方面,按照在此所述的方法确定机器的一个或多个制动器的当前反应时间,并使机器在考虑到该反应时间的情况下运行,特别是规划其运动,尤其是基于所确定的反应时间来预先设定、特别是调整机器的控制程序中的断开和/或闭合指令的时间点。附加地或替代地,按照在此所述的方法确定机器的一个或多个制动器的当前运动间隙,并使机器在考虑到该反应时间的情况下运行,特别是规划其运动,尤其是基于所确定的运动间隙预先设定、特别是调整机器控制程序中的运动指令。
根据本发明的另一个方面,提出一种用于运行和/或监控多轴机器、特别是机器人的系统,用于硬件技术和/或软件技术地执行根据本发明的方法。
为此,在一种实施方式中,该系统具有用于使轴致动的装置,用于切换制动器的装置和用于确定切换时间和轴的运动状态发生变换的反应时间点之间的反应时间的装置。
在一种实施方式中,该系统具有用于检测轴的运动状态变换的装置,速度或加速度检测装置,和/或用于检测切换时间点的装置,在该切换时间点上特别是信号技术和/或能源技术地激活对制动器的切换。
在一种实施方式中,该系统具有用于在制动器闭合时使轴反向致动的装置和用于检测轴的反向最大偏移之间的运动间隙的装置。
在一种实施方式中,该系统具有一装置,用于以预设的速度和/或预设的力使轴被电机地致动;在一种扩展方案中,该系统具有一装置,用于根据摩擦力和/或重力、特别是根据机器姿势,尤其是基于模型或基于先前的致动,和/或基于制动器的特别是最大的额定力来预先设定力。
在一种实施方式中,该系统具有一装置,用于使多轴机器、特别是机器人在考虑到反应时间或运动间隙的情况下运行,特别是用于规划其运动,该反应时间或运动间隙是通过用于确定反应时间的装置或用于检测运动间隙的装置来确定或检测的。
在一种实施方式中,该系统具有一装置,用于基于反应时间或运动间隙来监控多轴机器、特别是机器人,该反应时间或运动间隙通过用于确定反应时间的装置或用于检测运动间隙的装置来确定或检测;该系统还具有一装置,用于在所确定的反应时间或运动间隙处于预设的范围之外时激活错误反应。
一种在本发明的意义下可以硬件技术和/或软件技术地实现的装置,特别是具有优选与存储和/或总线系统数据或信号连接的处理单元,特别是数字处理单元,尤其是微处理单元(CPU),和/或具有一个或多个程序或程序模块。CPU可以被设计用于:完成作为存放于存储系统中的程序被执行的指令;检测来自数据总线的输入信号和/或将输出信号输出至数据总线。存储系统可以具有一个或多个特别是不同的存储介质,尤其是光学介质、磁性介质、固体介质和/或其他非易失性介质。程序可以被设计为,能够体现或执行在此所述的方法,从而使CPU能够执行这样的方法的步骤,并由此能够特别是运行或监控机器。
附图说明
本发明的其他优点和特征由本文的其他部分和实施例给出。在此局部示意性地:
图1示出了根据本发明一种实施方式的方法的流程;和
图2示出了一种机器人,其具有用于执行根据本发明一种实施方式的方法的系统。
其中,附图标记列表如下:
1 控制器
2 机器人
T 驱动转矩
n 转速
B 制动切换状态
轴位置
t(…)时间(点)
具体实施方式
图1示出了根据本发明一种实施方式的方法的流程,其以时间t为横坐标。在纵坐标方向上,以实线表示多轴机器人2(参看图2)的轴的制动器的切换状态B,以虚线表示轴的驱动器的转矩曲线T,点划线表示轴的速度曲线n,并利用点局部地表示轴的位置曲线
在第一时间段[t0,t1]中,不制动地使轴被致动。在此确定重力转矩和摩擦转矩,以便在随后确定反应时间和运动间隙时根据姿势使驱动转矩T减少或增大这些转矩。在该实施例中,为清楚起见忽略了重力影响和摩擦影响,特别是该实施例可以示例性地援引机器人2的第一竖直转动轴。
在第二时间段[t1,t5]中,轴被转速调节地致动,在此,驱动转矩被限制在制动器的最大额定力矩T最大。
在时间点t2将制动器切换至闭合状态。该时间点被检测为第一切换时间点t2,在到达该时间点时信号技术和/或能源技术地激活或检测对制动器的这种切换,例如:输出或接收相应的闭合信号,或者检测对主动抬起的制动器的能源供应的下降。这在图1中通过切换状态B的跳跃来示出。
在到达时间点t3时,制动器开始在轴上施加制动作用。这首先通过被转矩调节的驱动器的相应升高的驱动转矩T来补偿,直至达到制动器的最大额定转矩。制动器被切换和其制动作用开始之间的延迟可能例如由机械、液压、气动、(电)磁、信号和/或能源技术的惯性或感应而产生。
从时间点t4开始,制动器相对于被限制为T最大的驱动转矩使轴减速,直至在时间点t5时使轴停止。该时间点t5通过轴的位置传感器或速度传感器来检测,并通过机器人2的控制器1(参看图2)确定为第一反应时间点。
控制器确定第一切换时间点t2和第一反应时间点t5之间的差,并作为当前反应时间或闭合时间t合。
在随后的第三时间段[t5,t6]中,驱动器在制动器继续闭合的情况下首先以制动器的最大负额定力矩-T最大使轴反向地致动,并随后以(正的)最大额定力矩T最大重新使轴被致动。
在此,轴的位置传感器分别检测轴的反向最大偏移(参看图1)之间的单个运动间隙s1或s2。
由此,控制器1例如通过值s1、s2的平均值或选择较大的值来确定制动器的当前(总)运动间隙。
在随后的第四时间段[t6,t8]中,驱动器在制动器继续闭合的情况下例如以制动器的最大额定转矩T最大的50%使轴致动。
在到达时间点t7时将制动器切换至断开状态。该时间点被检测为第二切换时间点t7,在到达该时间点时信号技术和/或能源技术地激活或检测对制动器的这种切换,例如:输出或接收相应的闭合信号,或者检测对主动抬起的制动器的能源供应的上升。这在图1中通过切换状态B的(返回)跳跃来示出。
在到达时间点t8时,制动器的制动作用已被削减至驱动转矩0.5·T最大,轴开始运动(n>0)。该时间点t8通过轴的位置传感器或速度传感器或者加速度传感器来检测,并由控制器1确定为第二反应时间点。
控制器1确定第二切换时间点t7和第二反应时间点t8之间的差,并作为当前断开时间t开。
随后控制器1在考虑到所确定的当前反应时间t合、t开的情况下,通过在控制程序中相应地调整制动器的切换时间点来规划机器人2的运动。
此外,控制器1还监控机器人2,并在所确定的当前反应时间或当前运动间隙处于预设的范围之外时激活错误反应,例如输出错误信号。
控制器1以及用于检测切换时间点、运动状态的变换和运动间隙的传感器组成了根据本发明的一种实施方式的系统,该系统具有用于硬件和/或软件技术地执行在此所述方法的装置。
尽管在前面的说明书中说明了示例性的实施方式,但是关于此应该指出的是还可以有许多的变形。此外还应指出的是,所述示例性的实施方式仅仅是举例,其不应以任何方式限制保护范围、应用和结构。相反,本领域技术人员通过前面的说明能够关于至少一个示例性实施方式的变型得到启示,在此,特别是在不背离在权利要求书和与其等效的特征组合中所给出的保护范围的情况下,可以关于所述组件的功能和布局进行各种变型。
Claims (14)
1.一种用于确定多轴机器、特别是机器人(2)或工具机器的至少一个所配属的轴的制动器的反应时间的方法,该方法包括以下步骤:
使轴致动;
切换所述制动器;并
确定在切换时间点(t2,t7)和所述轴的运动状态开始变换的反应时间点(t5,t8)之间的反应时间(t合,t开)。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将所述制动器从断开状态切换至闭合状态,并且所述反应时间点是这样的时间点(t5):在该时间点上,所述配属的轴的转速相对于在所述切换时间点时的转速降低了约1%以上,或者所述配属的轴在该时间点上停止。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将所述制动器从断开状态切换至闭合状态,并且所述反应时间点是这样的时间点(t5):在该时间点上,为了保持速度所需要的力矩升高了约1%以上。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,将所述制动器从闭合状态切换至断开状态,并且所述反应时间点是这样的时间点(t8):在到达该时间点时,所述轴开始运动。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述轴的运动状态的变换借助位置检测装置、速度检测装置或加速度检测装置来检测。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法,其特征在于,所述切换时间点是这样的时间点(t2,t7):在到达该时间点时,特别是信号技术和/或能源技术地激活或检测对所述制动器的切换。
7.一种用于确定多轴机器、特别是机器人(2)或工具机器的至少一个所配属的轴的制动器的运动间隙的方法,该方法包括以上步骤:
在所述制动器闭合时使轴被反向地致动;并
检测在所述轴的反向最大偏移之间的运动间隙(s1,s2)。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,多次地在所述制动器闭合时使所述轴被反向地致动,并根据在此检测到的所述轴的反向最大偏移之间的单个运动间隙(s1,s2)来确定总运动间隙。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,使所述轴以预设的速度、特别是转速(n)和/或以预设的力、特别是预设的转矩(T最大、0.5·T最大)被电机地致动。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述力特别是基于模型或基于先前的致动并根据摩擦力和/或重力、特别是根据机器姿势来预先设定,和/或基于所述制动器的特别是最大的额定力(T最大)来预先设定。
11.一种用于使多轴机器、特别是机器人(2)运行的方法,其中,按照如前述权利要求中任一项所述的方法来确定所述机器的轴的至少一个制动器的反应时间(t合,t开)和/或运动间隙(s1,s2),并使所述机器在考虑到该反应时间或该运动间隙地情况下运行,特别是规划所述机器的运动。
12.一种用于监控多轴机器、特别是机器人的方法,其中,按照如前述权利要求中任一项所述的方法来确定所述机器的轴的至少一个制动器的反应时间(t合,t开)和/或运动间隙(s1,s2),并在所确定的反应时间或运动间隙处于预设的范围之外时激活错误反应。
13.一种用于运行和/或监控多轴机器、特别是机器人(2)的系统(1),所述系统被设置用于执行如前述权利要求中任一项所述的方法。
14.一种计算机程序产品,具有存储在计算机可读介质上的程序代码,用于执行如前述权利要求中任一项所述的方法。
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