CN109605371B - 一种移动式混联机器人加工集成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动式混联机器人加工集成系统，包括：控制柜，用于接收来自操作者的加工指令，根据加工指令，生成移动轨迹指令和加工路径指令；全向移动平台，用于按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位，并在移动至加工工位后进行伸缩运动，实现全向移动平台对混联机器人的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工；混联机器人，用于按照加工路径指令，对待加工工件进行加工。本发明采用高性能混联机器人，辅以全向智能移动平台及视觉测量技术，由数控系统集成控制加工，为大型复杂构件高效、高精度、高柔性加工提供一种全新解决方案，可满足整体精密加工的找正、铣面、钻孔需求，以突破加工技术瓶颈。

Description

一种移动式混联机器人加工集成系统

技术领域

本发明属于机械工程技术领域，尤其涉及一种移动式混联机器人加工集成系统。

背景技术

大型复杂构件，如大型航天器舱体构件、风电叶片、高铁车体结构件等，在航空航天、能源和交通领域有着广泛的应用，其具有尺寸大、型面复杂等特点，对形位精度与表面质量要求极高。因此，大型复杂构件加工对加工装备和工艺技术均提出了挑战。尺寸大导致超出现有加工设备的能力范围；形貌复杂需要加工装备具备高柔性化；高的形位精度与表面质量要求加工装备具有极高的加工精度。

如何解决上述大型复杂构件现场高效、高精度、高柔性加工难题是本领域技术人员亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种移动式混联机器人加工集成系统，采用高性能混联机器人，辅以全向智能移动平台及视觉测量技术，由数控系统集成控制加工，为大型复杂构件高效、高精度、高柔性加工提供一种全新解决方案，可满足整体精密加工的找正、铣面、钻孔需求，以突破加工技术瓶颈。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种移动式混联机器人加工集成系统，包括：控制柜、全向移动平台和混联机器人；其中，控制柜和混联机器人安装在全向移动平台上；

控制柜，用于接收来自操作者的加工指令，根据加工指令，生成移动轨迹指令和加工路径指令；

全向移动平台，用于按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位，并在移动至加工工位后进行伸缩运动，实现全向移动平台对混联机器人的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工；

混联机器人，用于按照加工路径指令，对待加工工件进行加工。

优选的，还包括：视觉测量系统；其中，视觉测量系统安装在混联机器人的执行末端；

视觉测量系统，用于对待加工工件进行空间测量，将测量结果发送至控制柜，以使控制柜根据测量结果对待加工工件与全向移动平台的相对位姿进行修正。

优选的，控制柜，包括：

全向移动平台控制模块，用于根据加工指令，生成初始移动轨迹指令；以及，在位姿计算模块的补偿控制下，输出修正后的移动轨迹指令；

混联机器人控制模块，用于根据加工指令，生成初始加工路径指令，以及，在误差补偿模块的补偿控制下，输出修正后的加工路径指令；

位姿计算模块，用于接收视觉测量系统输出的测量结果，根据测量结果，确定全向移动平台与待加工工件的相对位姿，对全向移动平台控制模块进行补偿控制；

误差补偿模块，用于接收视觉测量系统输出的测量结果，根据测量结果，修正加工参数，对混联机器人控制模块进行补偿控制。

优选的，还包括：力传感器、位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构；其中，位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构设置在全向移动平台上，力传感器安装在稳定支撑结构上；

稳定支撑结构，用于稳定支撑全向移动平台，可伸缩运动，全向移动平台在移动至加工工位后，通过稳定支撑结构进行伸缩运动；

力传感器，用于对各稳定支撑结构的受力进行实时监测，将实时监测的受力信息发送至控制柜；

位移传感器，用于对各稳定支撑结构的伸缩长度进行实时测量，将实时测量的长度信息发送至控制柜；

倾角传感器，用于对全向移动平台在水平面内的倾角进行实时测量，将实时测量的倾角信息发送至控制柜。

优选的，控制柜，还包括：调平模块，用于根据力传感器发送的受力信息、位移传感器发送的长度信息和倾角传感器发送的倾角信息，生成调平指令，将调平指令发送至全向移动平台控制模块；其中，全向移动平台控制模块还用于，根据调平指令对各稳定支撑结构进行调平，控制各稳定支撑结构的同时运动，保证调平的正确性及各稳定支撑结构受力相等。

优选的，还包括：至少两个麦克纳姆轮；其中，至少两个麦克纳姆轮安装在全向移动平台下方；各麦克纳姆轮由全向移动平台控制模块分别独立控制，按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位；在移动至加工工位后，各稳定支撑结构在移动轨迹指令控制下进行伸缩运动，实现对全向移动平台的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工。

优选的，混联机器人控制模块，用于加工路径指令转换为混联机器人各关节电机转动的角度和速度，开启主轴，带动主轴末端的刀具转动，实现混联机器人对待加工工件的切削加工。

优选的，混联机器人为少自由度并联机构上串接2自由度转头实现构型；其中，少自由度并联机构为：自由度数目界于2和5之间的并联机构。

优选的，待加工工件上设置有至少三个靶标点；视觉测量系统，用于对待加工工件上的至少三个靶标点的空间坐标进行实时测量，得到测量结果，将测量结果发送至控制柜，以使控制柜根据测量结果对待加工工件与全向移动平台的相对位姿进行修正。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所述的移动式混联机器人加工集成系统，继承了机床精度、刚度高和关节型机器人作业空间大、可重构性强的优点，辅以全向智能移动平台及视觉测量技术，解决了大型复杂构件现场高效、高精度、高柔性要求的加工难题。

(2)本发明以全向移动平台的稳定支撑结构来实现全向移动平台的自适应调平，以保证混联机器人的最佳作业。

(3)本发明以全向移动平台的自主导航技术实现初步寻位，然后基于视觉特征与加工特征的配准技术，实现混联机器人的精准寻位。

(4)本发明改变了传统机床加工模式及机器人固定工位加工模式，使大型或超大、重载产品在无需转运的情况下完成加工制造，提高了加工的灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例中一种移动式混联机器人加工集成系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种控制柜的结构框图；

图3是本发明实施例中一种中心不动点法的解算示意图；

图4是本发明实施例中一种移动式混联机器人加工集成系统的坐标系示意图；

图5是本发明实施例中一种移动式混联机器人加工集成系统的位姿关联示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，该移动式混联机器人加工集成系统，包括：控制柜、全向移动平台和混联机器人。其中，控制柜和混联机器人安装在全向移动平台上。在本实施例中，控制柜，用于接收来自操作者的加工指令，根据加工指令，生成移动轨迹指令和加工路径指令；全向移动平台，用于按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位，并在移动至加工工位后进行伸缩运动，实现全向移动平台对混联机器人的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工；混联机器人，用于按照加工路径指令，对待加工工件进行加工。

在本发明的一优选实施例中，该移动式混联机器人加工集成系统还可以包括：视觉测量系统。其中，视觉测量系统安装在混联机器人的执行末端。视觉测量系统，用于对待加工工件进行空间测量，将测量结果发送至控制柜，以使控制柜根据测量结果对待加工工件与全向移动平台的相对位姿进行修正。

在本发明的一优选实施例中，如图2，控制柜，具体可以包括：全向移动平台控制模块，用于根据加工指令，生成初始移动轨迹指令；以及，在位姿计算模块的补偿控制下，输出修正后的移动轨迹指令；混联机器人控制模块，用于根据加工指令，生成初始加工路径指令，以及，在误差补偿模块的补偿控制下，输出修正后的加工路径指令；位姿计算模块，用于接收视觉测量系统输出的测量结果，根据测量结果，确定全向移动平台与待加工工件的相对位姿，对全向移动平台控制模块进行补偿控制；误差补偿模块，用于接收视觉测量系统输出的测量结果，根据测量结果，修正加工参数，对混联机器人控制模块进行补偿控制。

在本发明的一优选实施例中，该移动式混联机器人加工集成系统还可以包括：力传感器、位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构。其中，位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构设置在全向移动平台上，力传感器安装在稳定支撑结构上。其中，稳定支撑结构，用于稳定支撑全向移动平台，可伸缩运动，全向移动平台在移动至加工工位后，通过稳定支撑结构进行伸缩运动；力传感器，用于对各稳定支撑结构的受力进行实时监测，将实时监测的受力信息发送至控制柜；位移传感器，用于对各稳定支撑结构的伸缩长度进行实时测量，将实时测量的长度信息发送至控制柜；倾角传感器，用于对全向移动平台在水平面内的倾角进行实时测量，将实时测量的倾角信息发送至控制柜。

在本发明的一优选实施例中，控制柜还可以包括：调平模块，用于根据力传感器发送的受力信息、位移传感器发送的长度信息和倾角传感器发送的倾角信息，生成调平指令，将调平指令发送至全向移动平台控制模块。其中，全向移动平台控制模块还用于，根据调平指令对各稳定支撑结构进行调平，控制各稳定支撑结构的同时运动，保证调平的正确性及各稳定支撑结构受力相等。

在本发明的一优选实施例中，该移动式混联机器人加工集成系统，还包括：至少两个麦克纳姆轮。其中，至少两个麦克纳姆轮安装在全向移动平台下方；各麦克纳姆轮由全向移动平台控制模块分别独立控制，按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位；在移动至加工工位后，各稳定支撑结构在移动轨迹指令控制下进行伸缩运动，实现对全向移动平台的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工。

在本发明的一优选实施例中，混联机器人控制模块，具体可以用于加工路径指令转换为混联机器人各关节电机转动的角度和速度，开启主轴，带动主轴末端的刀具转动，实现混联机器人对待加工工件的切削加工。

在本发明的一优选实施例中，混联机器人为少自由度并联机构上串接2自由度转头实现构型。其中，少自由度并联机构为：自由度数目界于2和5之间的并联机构。

在本发明的一优选实施例中，待加工工件上设置有至少三个靶标。视觉测量系统，具体用于对待加工工件上的至少三个靶标点的空间坐标进行实时测量，得到测量结果，将测量结果发送至控制柜，以使控制柜根据测量结果对待加工工件与全向移动平台的相对位姿进行修正。

在本发明的一优选实施例中，调平模块在接收到倾角传感器发送的倾角信息后，可以采用中心不动点法，计算得到各稳定支撑结构的伸缩误差，将伸缩误差发送至全向移动平台控制模块；移动平台控制模块根据伸缩误差，采用统一时间划分法，控制各稳定支撑结构的同时运动。位移传感器实时监测各稳定支撑结构的伸缩位移，以保证调平的正确性。力传感器实时监测各稳定支撑结构的受力情况，防止出现虚腿的情况，并保证各稳定支撑结构受力值相等或在一个力波动范围内。

在本发明的一优选实施例中，中心不动点法的具体实现方式可以如下：

如图3，设：全向移动平台调平后坐标系为O-XYZ；P_i(i＝1,2,3,4)为各稳定支撑结构的支撑点的坐标(在本实施例中，以四个稳定支撑结构为例进行说明)，P_i坐标表示为(x_i，y_i，z_i)；P_center为中心不动点，坐标表示为(x_c，y_c，z_c)。

由于地面不平整等因素导致倾角传感器测量得：ROT(Y,α)：绕Y轴旋转角度为α；ROT(X,β)，绕X轴旋转β。

假设理想状态下全向移动平台只有旋转，则全向移动平台任意一点坐标(x，y，z)可改变为(x₀,y₀,z₀)，可用下式求得：

[x₀,y₀,z₀]^T＝ROT(X,β)ROT(Y,α)[x,y,z]^T

P_0i为旋转后的各稳定支撑结构的支撑点的坐标，表示为(x_0i，y_0i，z_0i)，由于全向移动平台倾角较小，且默认z_i为0，即可的得出各稳定支撑结构的伸缩误差与倾角的关系：z_0i＝-αx_i-βy_i。

则有：P₁＝(b/2,-d/2,0),P₂＝(b/2,d/2,0),P₃＝(-b/2,d/2,0),P₄＝(-b/2,-d/2,0)，P_center＝(0,0,0),即可求得各稳定支撑结构的具体伸缩误差为：

e₁＝-bα/2+dβ/2

e₂＝-bα/2-dβ/2

e₃＝bα/2-dβ/2

e₄＝bα/2+dβ/2

其中，b和d分别表示相邻两稳定支撑结构之间的间隔。

在本发明的一优选实施例中，统一时间划分法的具体实现方式可以如下：

在上述中心不动点法的基础上，保持中心点不动，根据计算出的稳定支撑结构伸缩误差e_i(i＝1,2,3,4)，结合设定的最大速度v_max与最大加速度a_max，伸缩最大误差e_max运动的时间最长，以运动时间最长的那个稳定支撑结构的时间节点作为其他3个稳定支撑结构的时间节点的基准，重新计算其他3个稳定支撑结构的最大速度v_maxi与最大加速度a_maxi，进而保证全向移动平台调平的同步稳定，计算公式如下：v_max/v_maxi＝a_max/a_maxi＝e_max/e_i。

在本发明的一优选实施例中，位姿计算模块的工作原理可以如下：

位姿是用于描述刚体在空间中的位置和姿态，以待加工工件与全向移动平台的相对位姿为例，需要建立两个基本的坐标系，即待加工工件全局坐标系O₀-X₀Y₀Z₀与全向移动平台坐标系O₄-X₄Y₄Z₄，如图4所示。全向移动平台坐标系相对于待加工工件全局坐标系的平移和旋转即构成了坐标系O₁-X₁Y₁Z₁在坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中的位姿表示。而在求解待加工工件与全向移动平台的相对位姿时，中间又涉及多个坐标系系，如靶标点局部坐标系O₁-X₁Y₁Z₁、视觉测量系统坐标系O₂-X₂Y₂Z₂、混联机器人坐标系O₃-X₃Y₃Z₃。而视觉测量系统坐标系、混联机器人坐标系、全向移动平台坐标系是固连到一起的，因此它们之间的相对位姿是保持不变的，可以通过激光跟踪仪在加工前期进行一次标定，即可确定。待加工工件全局坐标系与靶标点局部坐标系同样是固连一起的，采取相同方法可以确定。所以位姿计算模块的核心是将待加工工件与全向移动平台的相对位姿求解转化为视觉测量系统坐标系与靶标点局部坐标系的相对位姿求解，进而实现对全向移动平台在待加工工件全局坐标系的精确定位。

为实现位姿求解，靶标点P_bi在靶标点局部坐标系表示为^LP_bi，由高精度视觉测量系统通过视觉特征与加工特征(靶标点)的配准，即可得出靶标点在视觉测量系统坐标系的坐标，表示为^GP_bi。P_bi ^L＝[^LP_bi，1]^T，P_bi ^G＝[^GP_bi，1]^T，则存在一个线性变换T，使得T·P_bi ^L＝P_bi ^G。其中，T为4×4的方阵，且表示为：

其中，R_3×3表示旋转矩阵，M_3×1表示平移向量。

采用奇异值分解法(SVD)或三点法或最小二乘法求解出位姿T中的各个参数。

将位姿关联关系表达绘制于图4中，可以得到图5。图中靶标点局部坐标系相对于待加工目标全局坐标系的位姿被表示为T_1-0，靶标点局部坐标系相对于视觉测量系统坐标系的位姿为T_2-1，混联机器人坐标系相对于视觉测量系统坐标系的位姿为T_3-2，混联机器人坐标系相对于全向移动平台坐标系的位姿被表示为T_4-3，则根据位姿求解方法，可以求出全向移动平台坐标系相对于待加工目标全局坐标系的位姿T_4-0：

T_4-0＝T_1-0·T_2-1·T_3-2·T_4-3

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种移动式混联机器人加工集成系统，其特征在于，包括：控制柜、全向移动平台、混联机器人、力传感器、位移传感器、倾角传感器、至少两个稳定支撑结构和至少两个麦克纳姆轮；其中，控制柜和混联机器人安装在全向移动平台上；位移传感器、倾角传感器和至少两个稳定支撑结构设置在全向移动平台上，力传感器安装在稳定支撑结构上；至少两个麦克纳姆轮安装在全向移动平台下方；

控制柜，用于接收来自操作者的加工指令，根据加工指令，生成移动轨迹指令和加工路径指令；

全向移动平台，用于按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位，并在移动至加工工位后进行伸缩运动，实现全向移动平台对混联机器人的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工；

混联机器人，用于按照加工路径指令，对待加工工件进行加工；其中，混联机器人为少自由度并联机构上串接2自由度转头实现构型；少自由度并联机构为：自由度数目界于2和5之间的并联机构；

视觉测量系统，用于对待加工工件上的至少三个靶标点的空间坐标进行实时测量，得到测量结果，将测量结果发送至控制柜，以使控制柜根据测量结果对待加工工件与全向移动平台的相对位姿进行修正；其中，视觉测量系统安装在混联机器人的执行末端；待加工工件上设置有至少三个靶标点；

稳定支撑结构，用于稳定支撑全向移动平台，可伸缩运动，全向移动平台在移动至加工工位后，通过稳定支撑结构进行伸缩运动；

力传感器，用于对各稳定支撑结构的受力进行实时监测，将实时监测的受力信息发送至控制柜；

位移传感器，用于对各稳定支撑结构的伸缩长度进行实时测量，将实时测量的长度信息发送至控制柜；

倾角传感器，用于对全向移动平台在水平面内的倾角进行实时测量，将实时测量的倾角信息发送至控制柜；

各麦克纳姆轮由全向移动平台控制模块分别独立控制，按照移动轨迹指令进行移动，直至加工工位；在移动至加工工位后，各稳定支撑结构在移动轨迹指令控制下进行伸缩运动，实现对全向移动平台的稳定支撑，并进行自适应调平，以保证后续加工；

其中：

控制柜，包括：

全向移动平台控制模块，用于根据加工指令，生成初始移动轨迹指令；以及，在位姿计算模块的补偿控制下，输出修正后的移动轨迹指令；以及，根据调平指令对各稳定支撑结构进行调平，控制各稳定支撑结构的同时运动，保证调平的正确性及各稳定支撑结构受力相等；

混联机器人控制模块，用于根据加工指令，生成初始加工路径指令，以及，在误差补偿模块的补偿控制下，输出修正后的加工路径指令；以及，将加工路径指令转换为混联机器人各关节电机转动的角度和速度，开启主轴，带动主轴末端的刀具转动，实现混联机器人对待加工工件的切削加工；

位姿计算模块，用于接收视觉测量系统输出的测量结果，根据测量结果，确定全向移动平台与待加工工件的相对位姿，对全向移动平台控制模块进行补偿控制；

误差补偿模块，用于接收视觉测量系统输出的测量结果，根据测量结果，修正加工参数，对混联机器人控制模块进行补偿控制；

调平模块，用于根据力传感器发送的受力信息、位移传感器发送的长度信息和倾角传感器发送的倾角信息，生成调平指令，将调平指令发送至全向移动平台控制模块；

其中，调平模块在接收到倾角传感器发送的倾角信息后，采用中心不动点法，计算得到各稳定支撑结构的伸缩误差，将伸缩误差发送至全向移动平台控制模块；移动平台控制模块根据伸缩误差，采用统一时间划分法，控制各稳定支撑结构的同时运动；位移传感器实时监测各稳定支撑结构的伸缩位移，以保证调平的正确性；力传感器实时监测各稳定支撑结构的受力情况，防止出现虚腿的情况，并保证各稳定支撑结构受力值相等或在一个力波动范围内；

中心不动点法如下：

设：全向移动平台调平后坐标系为O-XYZ；P_i为各稳定支撑结构的支撑点的坐标，P_i坐标表示为(x_i，y_i，z_i)，i＝1,2,3,4；P_center为中心不动点，坐标表示为(x_c，y_c，z_c)；

由于地面不平整等因素导致倾角传感器测量得：ROT(Y,α)：绕Y轴旋转角度为α；ROT(X,β)，绕X轴旋转β；

假设理想状态下全向移动平台只有旋转，则全向移动平台任意一点坐标(x，y，z)可改变为(x₀,y₀,z₀)，可用下式求得：

[x₀,y₀,z₀]^T＝ROT(X,β)ROT(Y,α)[x,y,z]^T

P_0i为旋转后的各稳定支撑结构的支撑点的坐标，表示为(x_0i，y_0i，z_0i)，由于全向移动平台倾角较小，且默认z_i为0，即可得出各稳定支撑结构的伸缩误差与倾角的关系：z_0i＝-αx_i-βy_i；

则有：P₁＝(b/2,-d/2,0),P₂＝(b/2,d/2,0),P₃＝(-b/2,d/2,0),P₄＝(-b/2,-d/2,0)，P_center＝(0,0,0),即可求得各稳定支撑结构的具体伸缩误差为：

e₁＝-bα/2+dβ/2

e₂＝-bα/2-dβ/2

e₃＝bα/2-dβ/2

e₄＝bα/2+dβ/2

其中，b和d分别表示相邻两稳定支撑结构之间的间隔；

统一时间划分法如下：

在上述中心不动点法的基础上，保持中心点不动，根据计算出的稳定支撑结构伸缩误差e_i(i＝1,2,3,4)，结合设定的最大速度v_max与最大加速度a_max，伸缩最大误差e_max运动的时间最长，以运动时间最长的那个稳定支撑结构的时间节点作为其他3个稳定支撑结构的时间节点的基准，重新计算其他3个稳定支撑结构的最大速度v_maxi与最大加速度a_maxi，进而保证全向移动平台调平的同步稳定，计算公式如下：v_max/v_maxi＝a_max/a_maxi＝e_max/e_i；

位姿计算模块的工作原理如下：

建立两个基本的坐标系：待加工工件全局坐标系O₀-X₀Y₀Z₀与全向移动平台坐标系O₄-X₄Y₄Z₄；

全向移动平台坐标系相对于待加工工件全局坐标系的平移和旋转即构成了坐标系O₁-X₁Y₁Z₁在坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中的位姿表示；

靶标点P_bi在靶标点局部坐标系表示为^LP_bi，由高精度视觉测量系统通过视觉特征与加工特征(靶标点)的配准，得出靶标点在视觉测量系统坐标系的坐标，表示为^GP_bi；P_bi ^L＝[^LP_bi，1]^T，P_bi ^G＝[^GP_bi，1]^T，则存在一个线性变换T，使得T·P_bi ^L＝P_bi ^G；其中，T为4×4的方阵，且表示为：

其中，R_3×3表示旋转矩阵，M_3×1表示平移向量；

采用奇异值分解法(SVD)或三点法或最小二乘法求解出位姿T中的各个参数；

将位姿关联关系表达绘制于图中，靶标点局部坐标系相对于待加工目标全局坐标系的位姿被表示为T_1-0，靶标点局部坐标系相对于视觉测量系统坐标系的位姿为T_2-1，混联机器人坐标系相对于视觉测量系统坐标系的位姿为T_3-2，混联机器人坐标系相对于全向移动平台坐标系的位姿被表示为T_4-3，则根据位姿求解方法，求出全向移动平台坐标系相对于待加工目标全局坐标系的位姿T_4-0：

T_4-0＝T_1-0·T_2-1·T_3-2·T_4-3。

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