CN106927079A - 一种基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对直径为6.8mm‑7mm的铝质管壳工业雷管，提供了一种基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统和方法。一种基于机器视觉的给工业雷管抓取和装箱系统包括机器人模块、机器视觉系统模块和工件平台模块。其中机器人模块包括六轴工业机器人、专用防爆抓手、力觉传感器和PLC控制箱，专用防爆抓手安装在六轴工业机器人末端的转动机械手上，力觉传感器安装在专用防爆抓手的抓手上；机器视觉系统模块包括单目摄像机、光源、工控机一体机和机器视觉软件系统，单目摄像机通过支架固定在专用防爆抓手上，多个光源均匀分布在拍照区的四周。工件平台模块包括拍照区平台和装箱平台。本发明基于机器视觉的工业雷管和装箱系统结构简单、集成度高、安装方便。利用机器视觉系统，保证雷管抓取的安全性、准确性，运用六轴工业机器人代替人工，达到无人或少人包装的目的，提高工业雷管生产搬运的工作效率，满足未来工业雷管生产线智能化、安全性和可靠性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业雷管智能抓取的控制方式的技术研究，属于民爆自动化生产行业领域。
背景技术
工业雷管作为一种易燃易爆的物品，其生产搬运方式受到了诸多限制。传统上的搬运包装多采用人工分拣装箱，生产效率低，安全事故多发。因此，实现工业雷管的无人抓取自动装箱是目前民爆自动化生产行业研究的重点。
保证工业雷管生产搬运过程中的安全性是雷管生产搬运的关键。利用机械自动化代替人工即保护了工作人员的人身安全，同时又提高了生产效率。经检索发现，现在的工业雷管生产搬运多是在雷管生产及装箱后的搬运过程中实现了自动化，但是对于工业雷管的抓取装箱依然采用人工。申请号为CN201420269844.1，发明名称为工业电雷管自动化连续化装配装置，公告日为2014年10月08日的发明专利，其公开了一种工业电雷管自动化连续化装配装置，包括输送电雷管放置盒的输送皮带，输送皮带一侧设置电检装置、编码装置、提管装置和收管装置，输送皮带的另一侧设置分别与电检装置、编码装置、提管装置和收管装置相对应的推送气缸和阻挡气缸，电检装置一侧设置防爆工作间。该工业雷管自动化连续化装配装置虽然实现了工业电雷管装配连续化、自动化生产工艺，提高了生产效率，但是对于雷管的抓取装箱没有实现无人操作。
发明内容
本发明针对直径为6.8mm-7mm的铝质管壳工业雷管，提供了一种结构简单、集成度高、安装方便的基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统。
一种基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统，包括机器人模块、机器视觉系统模块和工件平台模块。所述机器人模块包括六轴工业机器人、专用防爆抓手、力觉传感器和PLC控制箱，所述专用防爆抓手安装在六轴工业机器人末端的转动机械手上；所述六轴工业机器人和专用防爆抓手分别与PLC控制箱连接；所述力觉传感器采用PVDF压电薄膜传感器；所述机器视觉系统模块包括单目摄像机、光源、工控机一体机和机器视觉软件系统，所述单目摄像机为基恩士单目摄像机，所述单目摄像机通过支架固定在专用防爆抓手上，所述光源均匀分布在拍照区的四周，所述单目摄像机和工控机一体机分别与PLC控制箱连接，所述机器视觉软件系统利用基恩士自配软件及算法将工件的像素坐标转换为全局坐标，针对工业雷管的不同姿态，经机器视觉软件系统分析运算后，得出工业雷管的位置坐标，引导六轴工业机器人进行抓取并移动至装箱平台处进行装箱。本发明基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统通过将机器人模块与机器视觉系统模块结合在一起，根据雷管抓取特性，通过机器视觉系统模块软件部分进行视觉分析运算，得出工业雷管的位置坐标，然后引导六轴工业机器人进行抓取装箱，一方面保证工业雷管抓取的安全性、准确性，另一方面运用六轴工业机器人代替人工，达到无人或少人包装的目的，提高工业雷管生产搬运的工作效率，满足未来工业雷管生产线智能化、安全性和可靠性的要求。
进一步地，所述专用防爆抓手包括连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座、抓手、耐磨销夹紧头、支撑架、防爆外壳。
进一步地，所述连接法兰盘其上部分与六轴工业机器人末端转动机械手连接，下部分与支撑架相连接。材料为45#钢。
进一步地，所述抓取气缸用于推动抓手的张开及闭合。
进一步地，所述气缸阀座安装有气缸的换向阀件，控制抓手抓取雷管。
进一步地，所述耐磨销夹紧头安装在抓取气缸上，利用其上的耐磨销在抓手上的滑槽内活动控制抓手的张开与闭合。
进一步地，所述支撑架是专用防爆抓手的整体支撑部件，连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座等通过螺栓固定在上面。
进一步地，所述抓手主要用于雷管的抓取，抓手抓取接触的两个面上有半圆槽，直径大小略小于雷管直径大小，便于固定抓取后的雷管。
进一步地，所述PVDF压电薄膜传感器中的敏感单元分为三层：表层和底层采用硅橡胶作为接触保护层和基底缓冲层，以使传感器具有柔性；中间层是PVDF压电薄膜，薄膜厚200um。
进一步地，所述防爆外壳材料为低密度、高强度的轻合金，形状类似于一个外罩，将专用防爆抓手其他部分包围起来起到保护作用。
进一步地，所述装箱平台上放置有防静电的70发雷管箱，所述雷管箱箱体外材质为钢板，箱体内为木质蜂窝状结构，便于固定和隔离抓取后的各工业雷管。
本发明还提供了一种采用上述基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统进行抓取和装箱的方法。
一种采用上述基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统进行抓取和装箱的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，单目摄像机的标定。选用圆形特征的平面模板为标定参照物，选取一个工件坐标系来描述工件的位姿信息，计算摄像机的外参数dx 和dy，获取工件坐标系相对于六轴工业机器人基座标系的原点偏移量及六轴工业机器人各关节的旋转角度，确定工件坐标系与六轴机器人基坐标系的空间关系，完成标定。
第二步，拍照定位。PLC控制箱控制六轴工业机器人复位至复位点后，启动六轴工业机器人，六轴工业机器人带动安装在专用防爆抓手上的单目摄像机移动至拍照区平台上的拍照点进行拍照采集工业雷管图像；
第三步，抓取工业雷管。PLC控制箱控制六轴工业机器人带动其上的专用防爆抓手运动至拍照点下方的工业雷管处，然后PLC控制箱再控制专用防爆抓手的气缸，张开抓手，同时防爆抓手向下移动直至合适距离，启动抓取动作进行抓取。
第四步，利用PVDF压电薄膜传感器感应抓取的力度大小。PVDF敏感单元产生的电荷经电荷放大装置将电荷信号转换成电压信号，再通过数据采集和处理系统进行数据采集和处理，反馈到机器人控制中心。
第五步，工业雷管的搬运装箱。运用合适抓取力度抓取后的工业雷管随专用防爆抓手一起由六轴工业机器人控制运动到装箱平台上的雷管箱体上方，然后专用防爆抓手松开将工业雷管放置在雷管箱体内木质蜂窝状结构的凹槽里。
上述步骤中单目摄像机的标定：将单目摄像机安装在其轴心垂直于工作台平面且在正中央的位置，由于工业雷管不高且工作台也不大的特点，这样因为摄像机的安装误差引起的图像的畸变就会较小，工业雷管不高就会使图像采集到的目标物体上表面的中心位置与理论需求的下表面的中心位置的误差就会较小。基于单目平面视觉的标定，不用考虑CCD摄像机的内参数，只需计算得到CCD摄像机的外参数即可完成整体标定。这样摄像机的位姿相对于机器人基坐标系就是不变的，这样相机安装位置标定好后，就是常值。首先，选用圆形特征的平面模板为标定参照物，选取一个工件坐标系来描述工业雷管的位姿信息，对摄像机采集的工业雷管图像的每一个像素对应在工件坐标系下XOY 面上的物理尺寸dx和dy（即摄像机的外参数） 进行计算。然后，在确定了dx 和dy后，再知道工件坐标系原点与机器人基坐标系原点的偏移量和各个坐标轴的旋转角度，才能将工业雷管在工件坐标系中的位姿转化到在机器人基坐标系下的位姿。工件坐标系原点与机器人基坐标系原点的偏移量和各个坐标轴的旋转角度是通过直接选择工件坐标系X 轴和Y 轴上的点作为特定点，再通过操作机器人对其进行机器人基坐标系下的定位获得的。
上述步骤中工业雷管的位置坐标是通过机器视觉软件系统进行分析运算得出的。所述机器视觉软件系统利用基恩士自配软件及算法将工件的像素坐标转换为全局坐标，针对工业雷管的不同姿态，经机器视觉系统软件部分分析运算后，得出工业雷管的位置坐标，引导六轴工业机器人进行抓取并移动至装箱平台处进行装箱。
进一步地，所述拍照区平台光源分布均匀，光线充足，确保拍照质量。
进一步地，所述专用防爆抓手包括连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座、抓手、耐磨销夹紧头、支撑架、防爆外壳。
进一步地，所述连接法兰盘其上部分与六轴工业机器人末端转动机械手连接，下部分与支撑架相连接。材料为45#钢。
进一步地，所述抓取气缸用于推动抓手的张开及闭合。
进一步地，所述气缸阀座安装有气缸的换向阀件，控制抓手抓取雷管。
进一步地，所述耐磨销夹紧头安装在抓取气缸上，利用其上的耐磨销在抓手上的滑槽内活动。
进一步地，所述支撑架是专用防爆抓手的整体支撑部件，连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座等通过螺栓固定在上面。
进一步地，所述抓手主要用于雷管的抓取，抓手抓取接触的两个面上有半圆槽，直径大小与雷管直径大小相符，便于固定抓取后的雷管。
进一步地，所述PVDF压电薄膜传感器中的敏感单元分为三层：表层和底层采用硅橡胶作为接触保护层和基底缓冲层，以使传感器具有柔性；中间层是PVDF压电薄膜，薄膜厚200um。
进一步地，所述防爆外壳材料为低密度、高强度的轻合金，形状类似于一个外罩，将专用防爆抓手其他部分包围起来起到保护作用。
本发明基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统通过将机器人模块与机器视觉系统模块结合在一起，根据雷管抓取特性，通过机器视觉系统模块的机器视觉软件系统进行视觉分析运算，得出工业雷管的位置坐标，然后引导六轴工业机器人进行抓取装箱，一方面保证工业雷管抓取的安全性、准确性，另一方面运用六轴工业机器人代替人工，达到无人或少人包装的目的，提高工业雷管生产搬运的工作效率，满足未来工业雷管生产线智能化、安全性和可靠性的要求。
附图说明
图1为基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统的结构示意图；
图2为图1中专用防爆抓手的结构示意图；
图3为基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统进行工业雷管抓取和装箱的方法的方框原理图；
图4为力觉传感器结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施事例及附图对本发明产品进行进一步的详细说明。
1.如图1和图2所示，一种基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统，包括机器人模块、机器视觉系统模块和工件平台模块。所述机器人模块包括六轴工业机器人（1）、专用防爆抓手（2）、力觉传感器（7）和PLC控制箱（3），所述力觉传感器（7）安装在防爆抓手（2）上的抓手（2-4）上；所述专用防爆抓手（2）安装在六轴工业机器人（1）末端的转动机械手上，所述六轴工业机器人（1）和专用防爆抓手（2）分别与PLC控制箱（3）连接；所述机器视觉系统模块包括单目摄像机（4）、光源、工控机一体机（5）和机器视觉软件系统，所述单目摄像机（4）为基恩士单目摄像机，所述单目摄像机（4）通过支架固定在专用防爆抓手（2）上，所述光源均匀分布在拍照区的四周，所述单目摄像机（4）和工控机一体机（5）分别与PLC控制箱（3）连接，所述机器视觉软件系统利用基恩士自配软件及算法将工件的像素坐标转换为全局坐标，针对工业雷管的不同姿态，经机器视觉系统软件部分分析运算后，得出工业雷管的位置坐标，引导六轴工业机器人（1）进行抓取并移动至工件平台模块的装箱平台处进行装箱。所述工件平台模块括用于放置待抓取工业雷管的拍照区平台，用于放置存放抓取后的工业雷管的箱体的装箱平台，所述拍照区平台位于工作平台的中间，所述装箱平台位于工作平台的一侧，所述装箱平台上放置有防静电的70发雷管箱（6），所述雷管箱（6）箱体外材质为钢板，箱体内为木质蜂窝状结构，便于固定和隔离抓取后的各工业雷管。本发明基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统通过将机器人模块与机器视觉系统模块结合在一起，根据雷管抓取特性，通过机器视觉系统模块的机器视觉软件系统进行视觉分析运算，得出工业雷管的位置坐标，然后引导六轴工业机器人（1）进行抓取装箱，一方面保证工业雷管抓取的安全性、准确性，另一方面运用六轴工业机器人（1）代替人工，达到无人或少人包装的目的，提高工业雷管生产搬运的工作效率，满足未来工业雷管生产线智能化、安全性和可靠性的要求。
2.如图1和图2所示，所述专用防爆抓手（2）包括连接法兰盘（2-1）、抓取气缸（2-2）、气缸阀座（2-3）、抓手（2-4）、耐磨销夹紧头（2-5）、支撑架（2-6）、防爆外壳（2-7）。所述连接法兰盘（2-1）上部分与六轴工业机器人末端转动机械手连接，下部分与支撑架相连接，材料为45#钢，所述抓取气缸（2-2）用于推动抓手的张开及闭合，所述气缸阀座（2-3）安装有气缸的换向阀件，所述抓手（2-4）抓取接触的两个面上有半圆槽，直径大小略小于雷管直径大小，便于固定抓取后的雷管，所述耐磨销夹紧头（2-5）安装在抓取气缸上，利用其上的耐磨销在抓手上的滑槽内活动控制抓手的张开与闭合，所述支撑架（2-6）连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座等通过螺栓固定在上面，所述防爆外壳（2-7）材料为低密度、高强度的轻合金，形状类似于一个外罩，将专用防爆抓手其他部分包围起来起到保护作用。抓取时，PLC控制箱（3）发出信号控制固定在气缸阀座（2-3）上的抓取气缸（2-2），从而控制抓手（2-4）张开，向下运动，运动到预先设定的合适位置时，抓取气缸（2-2）上的耐磨销夹紧头（2-5）推动抓手（2-4）运动，抓取工业雷管。同时PVDF压电薄膜传感器（7）感应专用防爆抓手（2）抓取力度的大小，从而使六轴工业机器人（1）控制专用防爆抓手（2）以合适的力度抓取工业雷管。抓有工业雷管的专用防爆抓手（2）在六轴工业机器人（1）控制下，按照预设的轨迹运动，将工业雷管放置在合适的位置，完成一次抓取工作。
如图1、图2和图3所示，一种基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统进行雷管抓取和装箱的方法，包括如下步骤：
第一步，单目摄像机的标定。选用圆形特征的平面模板为标定参照物，选取一个工件坐标系来描述工件的位姿信息，计算摄像机的外参数dx 和dy，获取工件坐标系相对于六轴工业机器人基座标系的原点偏移量及六轴工业机器人各关节的旋转角度，确定工件坐标系与六轴机器人基坐标系的空间关系，完成标定。
第二步，拍照定位。PLC控制箱控制六轴工业机器人复位至复位点后，启动六轴工业机器人，六轴工业机器人带动安装在专用防爆抓手上的单目摄像机移动至拍照区平台上的拍照点进行拍照采集工业雷管图像；
3.第三步，抓取工业雷管。PLC控制箱控制六轴工业机器人带动其上的专用防爆抓手运动至拍照点下方的工业雷管处，然后PLC控制箱再控制专用防爆抓手的气缸，张开抓手，同时防爆抓手向下移动直至合适距离，启动抓取动作进行抓取。
4.第四步，利用PVDF压电薄膜传感器感应抓取的力度大小。PVDF敏感单元产生的电荷经电荷放大装置将电荷信号转换成电压信号，再通过数据采集和处理系统进行数据采集和处理，反馈到机器人控制中心。
5.第五步，工业雷管的搬运装箱。抓取后的工业雷管随专用防爆抓手一起由六轴工业机器人控制运动到装箱平台上的雷管箱体上方，然后专用防爆抓手松开将工业雷管放置在雷管箱体内木质蜂窝状结构的凹槽里。
上述步骤中单目摄像机的标定：将单目摄像机安装在其轴心垂直于工作台平面且在正中央的位置，由于工业雷管不高且工作台也不大的特点，这样因为摄像机的安装误差引起的图像的畸变就会较小，工业雷管不高就会使图像采集到的目标物体上表面的中心位置与理论需求的下表面的中心位置的误差就会较小。基于单目平面视觉的标定，不用考虑CCD摄像机的内参数，只需计算得到CCD摄像机的外参数即可完成整体标定。这样摄像机的位姿相对于机器人基坐标系就是不变的，这样相机安装位置标定好后，就是常值。首先，选用圆形特征的平面模板为标定参照物，选取一个工件坐标系来描述工业雷管的位姿信息，对摄像机采集的工业雷管图像的每一个像素对应在工件坐标系下XOY 面上的物理尺寸dx和dy（即摄像机的外参数） 进行计算。然后，在确定了dx 和dy后，再知道工件坐标系原点与机器人基坐标系原点的偏移量和各个坐标轴的旋转角度，才能将工业雷管在工件坐标系中的位姿转化到在机器人基坐标系下的位姿。工件坐标系原点与机器人基坐标系原点的偏移量和各个坐标轴的旋转角度是通过直接选择工件坐标系X 轴和Y 轴上的点作为特定点，再通过操作机器人对其进行机器人基坐标系下的定位获得的。
上述步骤中工业雷管的位置坐标是通过机器视觉软件系统进行分析运算得出的。所述机器视觉软件系统利用基恩士自配软件及算法将工件的像素坐标转换为全局坐标，针对工业雷管的不同姿态，经机器视觉系统软件部分分析运算后，得出工业雷管的位置坐标，引导六轴工业机器人进行抓取并移动至装箱平台处进行装箱。
如图2所示，所述专用防爆抓手包括连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座、抓手、耐磨销夹紧头、支撑架、防爆外壳。所述连接法兰盘其上部分与六轴工业机器人末端转动机械手连接，下部分与支撑架相连接。材料为45#钢。所述抓取气缸用于推动抓手的张开及闭合。所述气缸阀座安装有气缸的换向阀件，控制抓手抓取雷管。所述耐磨销夹紧头安装在抓取气缸上，利用其上的耐磨销在抓手上的滑槽内活动。所述支撑架是专用防爆抓手的整体支撑部件，连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座等通过螺栓固定在上面。所述抓手主要用于雷管的抓取，抓手抓取接触的两个面上有半圆槽，直径大小略小于雷管直径大小，便于固定抓取后的雷管。所述防爆外壳材料为低密度、高强度的轻合金，形状类似于一个外罩，将专用防爆抓手其他部分包围起来起到保护作用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统，其特征在于：包括机器人模块、机器视觉系统模块和工件平台模块；
所述机器人模块包括六轴工业机器人、专用防爆抓手、力觉传感器和PLC控制箱；
所述力觉传感器安装在专用防爆抓手的抓手上；所述专用防爆抓手安装在六轴工业机器人末端的转动机械手上；所述六轴工业机器人和专用防爆抓手分别与PLC控制箱连接；
所述机器视觉系统模块包括单目摄像机、光源、工控机一体机和机器视觉软件系统；
所述单目摄像机通过支架固定在专用防爆抓手上；所述光源均匀分布在拍照区的四周；所述单目摄像机和工控机一体机分别与PLC控制箱连接；
所述工件平台模块包括用于放置待抓取工业雷管的拍照区平台，用于放置存放抓取后的工业雷管的箱体的装箱平台；所述拍照区平台位于工作平台的中间，所述装箱平台位于工作平台的一侧。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统，其特征在于：所述专用防爆抓手包括连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座、抓手、耐磨销夹紧头、支撑架、防爆外壳。
3.根据权利要求2所述的连接法兰盘，其特征在于：其上部分与六轴工业机器人末端转动机械手连接，下部分与支撑架相连接，材料为45#钢。
4.根据权利要求2所述的抓取气缸，其特征在于：用于推动抓手的张开及闭合。
5.根据权利要求2所述的气缸阀座，其特征在于：安装有气缸的换向阀件，控制抓手抓取雷管。
6.根据权利要求2所述的耐磨销夹紧头，其特征在于：安装在抓取气缸上，利用其上的耐磨销在抓手上的滑槽内活动控制抓手的张开与闭合。
7.根据权利要求2所述的支撑架，其特征在于：是专用防爆抓手的整体支撑部件，连接法兰盘、抓取气缸、气缸阀座等通过螺栓固定在上面。
8.根据权利要求2所述的抓手，其特征在于：用于雷管的抓取，抓手抓取接触的两个面上有半圆槽，直径大小与雷管直径大小相符，便于固定抓取后的雷管。
9.根据权利要求2所述的防爆外壳，其特征在于：防爆外壳材料为低密度、高强度的轻合金，形状类似于一个外罩，将专用防爆抓手其他部分包围起来起到保护作用。
10.根据权利要求1所述的基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统，其特征在于：所述装箱平台上放置有防静电的70发雷管箱，所述雷管箱箱体外材质为钢板，箱体内为木质蜂窝状结构用于放置抓取后的工业雷管。
11.一种采用权利要求1所述基于机器视觉的工业雷管抓取和装箱系统进行抓取和装箱工业雷管的方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，单目摄像机的标定；
选用圆形特征的平面模板为标定参照物，选取一个工件坐标系来描述工件的位姿信息，计算摄像机的外参数dx 和dy，获取工件坐标系相对于六轴工业机器人基座标系的原点偏移量及六轴工业机器人各关节的旋转角度，确定工件坐标系与六轴机器人基坐标系的空间关系，完成标定；
第二步，拍照定位；
PLC控制箱控制六轴工业机器人复位至复位点后，启动六轴工业机器人，六轴工业机器人带动安装在专用防爆抓手上的单目摄像机移动至拍照区平台上的拍照点进行拍照采集工业雷管图像；
第三步，抓取工业雷管；
PLC控制箱控制六轴工业机器人带动其上的专用防爆抓手运动至拍照点下方的工业雷管处，然后PLC控制箱再控制专用防爆抓手的气缸，张开抓手，同时防爆抓手向下移动直至合适距离，启动抓取动作进行抓取；
第四步，利用PVDF压电薄膜传感器感应抓取的力度大小；
PVDF敏感单元产生的电荷经电荷放大装置将电荷信号转换成电压信号，再通过数据采集和处理系统进行数据采集和处理，反馈到机器人控制中心；
第五步，工业雷管的搬运装箱；
运用合适抓取力度抓取后的工业雷管随专用防爆抓手一起由六轴工业机器人控制运动到装箱平台上的雷管箱体上方，然后专用防爆抓手松开将工业雷管放置在雷管箱体内木质蜂窝状结构的凹槽里。
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