CN109702500B - 两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，包括间隙活动设于底座上方的动台面，底座设有呈矩形顺次分布的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元；第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元独立伸缩且设于动台面。设垂直于动台面为z轴，第二驱动单元到第一驱动单元为y轴，第二驱动单元到第三驱动单元为x轴，则动台面能完成沿着z轴上下升降，并能完成x轴倾斜转动和y轴倾斜转动。本发明的优点是结构简单紧凑、位移行程大、无位移耦合、动台面及底座具有大中空，易于集成位移传感器。

Description

两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台

技术领域

本发明属于纳米定位技术领域，涉及纳米定位系统中的微位移机构，特别涉及一种两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台。

背景技术

压电微动平台是一种通过压电执行器驱动可产生弹性变形的柔性机构来传递位移与力的微位移机构。由于它没有铰链和轴承，所以不需要装配，不存在传动间隙，不产生摩擦与磨损；由于采用压电执行器驱动，故其位移分辨率可达到纳米级，响应时间可达到毫秒级，且刚度大、体积小、承载能力强。因此，它被广泛应用于精密加工与测试、光纤对接、微零件装配、细胞微操作等需要微/纳米定位的技术领域中。如，在精密及超精密加工中，可实现刀具的微进给或加工误差的补偿；在精密测量中，可实现传感器的微调节；在扫描探针显微镜中，同微扫描探针相结合，可实现对微结构形貌的测量；在光纤对接中，可实现直径为几微米至十几微米的两光纤的精密对准；在MEMS（微机电系统）装配中，同微夹钳相结合，可将微轴、微齿轮装配成微部件；在生物工程中，同微冲击探针相结合，可向细胞注入或从细胞中提取相应成分。

现有两转动（绕x、y轴旋转）一平动（沿z向移动）并联压电微动平台大都基于Stewart 并联平台结构，通过三个或四个实现驱动功能的连杆将动平台和定平台相连接来实现。这种实现方式平台刚度高，响应快，但也存在以下不足：由于连杆较长，使动平台远离定平台，进而一方面使使平台结构庞大、不紧凑，另一方面使平台高度过大，难以应用于要求平台具有低厚度的场合；由于未采用位移放大机构，平台位移行程小；绕一个轴旋转时，同时会产生绕另一个轴的耦合转角。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供一种结构简单紧凑、厚度低、位移行程大、无位移耦合的两转动一平动并联压电微动平台。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，包括间隙活动设于底座上方的动台面，底座设有呈矩形顺次分布的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元；第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元独立伸缩且设于动台面下。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元这四个驱动单元的结构相同，包括压电执行器组，以及一级桥式放大机构和二级桥式放大机构，一级桥式放大机构平行于底座，压电执行器组的两个伸缩端分别顶设于一级桥式放大机构内，二级桥式放大机构套设于一级桥式放大机构的外围，且二级桥式放大机构所在的平面垂直于压电执行器组的伸缩方向，二级桥式放大机构螺固于动台面和底座。

上述的一级桥式放大机构包括顶设于压电执行器组两伸缩端的第一刚性部和第二刚性部，以及间隙分设于压电执行器组两侧的第三刚性部和第四刚性部，使第一刚性部、第三刚性部、第二刚性部和第四刚性部两两连接的第一柔性薄板；

二级桥式放大机构包括螺固于第三刚性部的第五刚性部，螺固于第四刚性部的第六刚性部，螺固于动台面的第七刚性部，螺固于底座的第八刚性部；使第五刚性部、第七刚性部、第六刚性部和第八刚性部两两连接的第三柔性薄板，一级桥式放大机构和二级桥式放大机构分别呈菱形。

上述的压电执行器组包括结构相同且彼此间隙设置的第一压电执行器和第二压电执行器，第一压电执行器和第二压电执行器互相平行，且处于同一水平面内。

上述的一级桥式放大机构还包括使第一刚性部、第三刚性部、第二刚性部和第四刚性部两两连接的第二柔性薄板，第二柔性薄板间隙设于压电执行器和第一柔性薄板之间。一级桥式放大机构中一对平行的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第三刚性部、第一刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部另一侧的一对平行的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第三刚性部513、第二刚性部512也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部两侧的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第四刚性部、第一刚性部、第二刚性部也构成双平行四连杆机构，在压电执行器组受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第三刚性部和第四刚性部沿第二螺纹孔和第三螺纹孔的轴线输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

在二级桥式放大机构中第五刚性部、第七刚性部、第六刚性部、第八刚性部和第三柔性薄板构成平行四连杆机构，二级桥式放大机构中的第三柔性薄板使第七刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

一级桥式放大机构51和二级桥式放大机构52能将压电执行器组53的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面3的位移行程。

上述的第七刚性部正对动台面设有第一螺纹孔，动台面设有与第一螺纹孔相对应的第一沉孔，第一沉孔和第一螺纹孔螺固有第一螺钉；第八刚性部正对底座设有第六螺纹孔，底座设有与第六螺纹孔相对应的第二沉孔，第二沉孔和第六螺纹孔螺固有第六螺钉；第三刚性部正对第五刚性部设有第二螺纹孔，第五刚性部设有与第二螺纹孔相对应的第二通孔，第二通孔和第二螺纹孔螺固有第二螺钉；第四刚性部正对第六刚性部设有第三螺纹孔，第六刚性部设有与第三螺纹孔(631)相对应的第一通孔，第一通孔和第三螺纹孔螺固有第三螺钉；第一刚性部设有连通第一压电执行器的第四螺纹孔，第四螺纹孔内旋设有第四螺钉；第一刚性部设有连通第二压电执行器的第五螺纹孔，第五螺纹孔内旋设有第五螺钉。

上述的底座的外围设有围挡，中央设有贯通底座的管状体，围挡和管状体间隙设于动台面的下方，动台面设有与管状体轮廓相适配的中空孔。中空孔不仅能减小底座1及动台面5的质量，而且当平台用作光学系统的调节机构是，还能当作通光孔径；一级桥式放大机构、二级桥式放大机构和底座分别为一体成型机构。

与现有技术相比，本发明的两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，包括间隙活动设于底座上方的动台面，底座设有呈矩形顺次分布的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元；第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元独立伸缩且设于动台面下。通过协调控制第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元和第四驱动单元的运动，能实现动台面的两转动一平动，与现有两转动一平动并联压电微动平台相比，本发明的优点是：

1) 相对于现有两转动一平动并联微动平台中用于连接动平台和定平台的连杆较长，使动平台远离定平台，进而使平台结构庞大、不紧凑，本发明中驱动单元的输出方向垂直于压电执行器的轴线，压电执行器的轴线平行于动台面与底座底面，动台面靠近底座底面，从而使平台整体结构简单紧凑。

2) 一级桥式放大机构中采用结构相同、轴线互相平行且处于同一水平面内的两个压电执行器来驱动，能在保证驱动单元输出位移的情况下，减小压电执行器的驱动面积，降低一级桥式放大机构的厚度，进而降低驱动单元及整个微动平台的厚度。

3) 驱动单元中的两级桥式放大机构能将压电执行器的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面的位移行程。

4) 一级桥式放大机构中一对平行的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第三刚性部、第一刚性部构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部另一侧的一对平行的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第三刚性部、第二刚性部也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部两侧的第一柔性薄板和第二柔性薄板同第四刚性部、第一刚性部、第二刚性部也构成双平行四连杆机构，在驱动单元受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第三刚性部和第四刚性部沿第二螺纹孔和第三螺纹孔的轴线输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

5) 二级桥式放大机构中的第三柔性薄板使第七刚性部既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

6) 驱动单元整体结构紧凑，使其能够设置于底座四角，为底座集成位移传感器（如电容式位移传感器）预留出了足够的空间，从而使位移传感器（如电容式位移传感器）的集成易于实现。

7) 驱动单元靠近底座的四角，位移传感器靠近底座的围挡，从而能使动台面及管状体具有大中空，这不仅能显著减小动台面的质量，大大提高平台的固有频率，而且当平台用作光学系统的调节机构时，这种大中空孔可以作为大通光孔径。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是图2中去除动台面和第一螺钉后的分解示意图；

图4是图3中第一驱动单元的立体结构示意图；

图5是图4的分解示意图；

图6是本发明一级桥式放大机构的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图6为本发明的结构示意图。其中的附图标记为：底座1、围挡11、管状体1、第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23、第四驱动单元24、动台面3、中空孔31、第一螺钉41、第一螺纹孔411、第一沉孔412、第二螺钉42、第二螺纹孔421、第二通孔422、第三螺钉43、第三螺纹孔431、第一通孔432、第四螺钉44、第四螺纹孔441、第五螺钉45、第五螺纹孔451、第六螺钉46、第六螺纹孔461、第二沉孔462、一级桥式放大机构51、第一刚性部511、第二刚性部512、第三刚性部513、第四刚性部514、第一柔性薄板515、第二柔性薄板516、二级桥式放大机构52、第五刚性部521、第六刚性部522、第七刚性部523、第八刚性部524、第三柔性薄板525、压电执行器组53、第一压电执行器531、第二压电执行器532。

图1至图6为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，包括间隙活动设于底座1上方的动台面3，底座1设有呈矩形顺次分布的第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24；第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24独立伸缩且设于动台面3下。通过协调控制第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24的运动能实现动台面3的两转动及一平动。

实施例中，如图3、4和图5所示，第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24这四个驱动单元的结构相同，包括压电执行器组53，以及一级桥式放大机构51和二级桥式放大机构52，一级桥式放大机构51平行于底座1，压电执行器组53的两个伸缩端分别顶设于一级桥式放大机构51内，二级桥式放大机构52套设于一级桥式放大机构51的外围，且二级桥式放大机构52所在的平面垂直于压电执行器组53的伸缩方向，二级桥式放大机构52螺固于动台面3和底座1。当压电执行器组53通电压伸长时，一级桥式放大机构51中的第三刚性部513和第四刚性部514向压电执行器组53方向收缩，二级桥式放大机构52中的第五刚性部521和第六刚性部522向压电执行器组53方向收缩，从而使二级桥式放大机构52中的第七刚性部523向上位移，继而使动台面3抬升；当压电执行器组53断电后，动台面3恢复原位。实施例中，如图4和图5所示，一级桥式放大机构51包括顶设于压电执行器组53两伸缩端的第一刚性部511和第二刚性部512，以及间隙分设于压电执行器组53两侧的第三刚性部513和第四刚性部514，使第一刚性部511、第三刚性部513、第二刚性部512和第四刚性部514两两连接的第一柔性薄板515；

二级桥式放大机构52包括螺固于第三刚性部513的第五刚性部521，螺固于第四刚性部514的第六刚性部522，螺固于动台面3的第七刚性部523，螺固于底座1的第八刚性部524；使第五刚性部521、第七刚性部523、第六刚性部522和第八刚性部524两两连接的第三柔性薄板525，一级桥式放大机构51和二级桥式放大机构52分别呈菱形；当压电执行器组53通电伸长时，撑开第一刚性部511和第二刚性部512，通过第一柔性薄板515牵拉聚拢第三刚性部513和第四刚性部514，第三刚性部513和第四刚性部514又分别牵拉第五刚性部521和第六刚性部522，继而通过第三柔性薄板525推动第七刚性部523往动台面3方向抬升，最终第七刚性部523推动动台面3抬升；当压电执行器组53断电后，第七刚性部523带动动台面3复位。

实施例中，如图5所示，压电执行器组53包括结构相同且彼此间隙设置的第一压电执行器531和第二压电执行器532，第一压电执行器531和第二压电执行器532为相同的压电执行器，第一压电执行器531和第二压电执行器532互相平行，且处于同一水平面内。第一压电执行器531和第二压电执行器532处于同一水平面；在桥式放大机构51中采用这样的设置的两个压电执行器能在保证驱动单元输出位移的情况下减小单个压电执行器驱动面积，降低一级桥式放大机构51的厚度，进而降低整个第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24的厚度以及整个微动平台的厚度。

实施例中，如图4和图5所示，一级桥式放大机构51还包括使第一刚性部511、第三刚性部513、第二刚性部512和第四刚性部514两两连接的第二柔性薄板516，第二柔性薄板516间隙设于压电执行器和第一柔性薄板515之间；一级桥式放大机构51中一对平行的第一柔性薄板515和第二柔性薄板516同第三刚性部513、第一刚性部511构成单平行四连杆机构，而位于第三刚性部513另一侧的一对平行的第一柔性薄板515和第二柔性薄板516同第三刚性部513、第二刚性部512也构成单平行四连杆机构，这两个单平行四连杆机构构成双平行四连杆机构；同样，位于第四刚性部514两侧的第一柔性薄板515和第二柔性薄板516同第四刚性部514、第一刚性部511、第二刚性部512也构成双平行四连杆机构，在压电执行器组53受到电压作用时，上述的双平行四连杆机构能使第三刚性部513和第四刚性部514沿第二螺纹孔421和第三螺纹孔431的轴线输出严格的平动位移，而不会产生寄生位移。

在二级桥式放大机构52中第五刚性部521、第七刚性部523、第六刚性部522、第八刚性部524和第三柔性薄板525构成平行四连杆机构，二级桥式放大机构52中的第三柔性薄板525使第七刚性部523既能绕x轴旋转，又能绕y轴旋转，并且使第七刚性部523在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角，进而使动台面3在绕一个轴旋转时，不会产生绕另一个轴的耦合转角。

一级桥式放大机构51和二级桥式放大机构52能将压电执行器组53的输入位移放大10倍以上，从而能极大地扩大动台面3的位移行程。

实施例中，如图4和图5所示，第七刚性部523正对动台面3设有第一螺纹孔411，如图2所示，动台面3设有与第一螺纹孔411相对应的第一沉孔412，第一沉孔412和第一螺纹孔411螺固有第一螺钉41；如图5所示，第八刚性部524正对底座1设有第六螺纹孔461，如图2所示，底座1设有与第六螺纹孔461相对应的第二沉孔462，第二沉孔462和第六螺纹孔461螺固有第六螺钉46；如图6所示，第三刚性部513正对第五刚性部521设有第二螺纹孔421，如图5所示，第五刚性部521设有与第二螺纹孔421相对应的第二通孔422，如图4和图5所示，第二通孔422和第二螺纹孔421螺固有第二螺钉42；如图5所示，第四刚性部514正对第六刚性部522设有第三螺纹孔431，第六刚性部522设有与第三螺纹孔431631相对应的第一通孔432，如图4和图5所示，第一通孔432和第三螺纹孔431螺固有第三螺钉43；如图5所示，第一刚性部511设有连通第一压电执行器531的第四螺纹孔441，如图4所示，第四螺纹孔441内旋设有第四螺钉44；如图5所示，第一刚性部511设有连通第二压电执行器532的第五螺纹孔451，如图4所示，第五螺纹孔451内旋设有第五螺钉45。

实施例中，如图所示，如图1和图2所示，底座1的外围设有围挡11，中央设有贯通底座1的管状体12，围挡11和管状体12间隙设于动台面3的下方，动台面3设有与管状体12轮廓相适配的中空孔31。围挡11和管状体12能防止灰尘进入平台内，中空孔31不仅能减小底座1及动台面5的质量，而且当平台用作光学系统的调节机构是，还能当作通光孔径；一级桥式放大机构51、二级桥式放大机构52和底座1分别为一体成型机构。

本发明的工作原理：

设垂直于动台面3为z轴，第二驱动单元22到第一驱动单元21为y轴，第二驱动单元22到第三驱动单元23为x轴，则动台面5产生两转动一平动的运动过程如下：

若只给第二驱动单元22和第三驱动单元23的压电执行器施加相同的电压，且第一驱动单元21和第四驱动单元24不施加电压，则动台面3仅绕x轴沿顺时针产生转角，而不会产生耦合转角。若只给第一驱动单元21和第四驱动单元24的压电执行器施加相同的电压，且第二驱动单元22和第三驱动单元23不施加电压，则动台面3仅绕x轴沿逆时针产生转角，而不会产生耦合转角。

若只给第一驱动单元21和第二驱动单元22的压电执行器施加相同的电压，且第三驱动单元23和第四驱动单元24不施加电压，则动台面3仅绕y轴沿顺时针产生转角，而不会产生耦合转角。若只给第三驱动单元23和第四驱动单元24的压电执行器施加相同的电压，且第一驱动单元21和第二驱动单元22不施加电压，则动台面3仅绕y轴沿逆时针产生转角，而不会产生耦合转角。

对第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24的压电执行器同时施加相同的电压，则第一驱动单元21、第二驱动单元22、第三驱动单元23和第四驱动单元24 z向输出相同的位移，动台面3则沿z向输出严格的直线位移，而不会产生耦合位移。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (6)

1.两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，包括间隙活动设于底座(1)上方的动台面(3)，其特征是：所述的底座(1)设有呈矩形顺次分布的第一驱动单元(21)、第二驱动单元(22)、第三驱动单元(23)和第四驱动单元(24)；所述的第一驱动单元(21)、第二驱动单元(22)、第三驱动单元(23)和第四驱动单元(24)独立伸缩且设于所述的动台面(3)下；所述的第一驱动单元(21)、第二驱动单元(22)、第三驱动单元(23)和第四驱动单元(24)的结构相同，包括压电执行器组(53)，以及一级桥式放大机构(51)和二级桥式放大机构(52)，所述的一级桥式放大机构(51)平行于所述的底座(1)，所述的压电执行器组(53)的两个伸缩端分别顶设于所述的一级桥式放大机构(51)内，所述的二级桥式放大机构(52)套设于一级桥式放大机构(51)的外围，且所述的二级桥式放大机构(52)所在的平面垂直于所述的压电执行器组(53)的伸缩方向，所述的二级桥式放大机构(52)螺固于所述的动台面(3)和所述的底座(1)。

2.根据权利要求1所述的两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，其特征是：所述的一级桥式放大机构(51)包括顶设于所述的压电执行器组(53)两伸缩端的第一刚性部(511)和第二刚性部(512)，以及间隙分设于所述的压电执行器组(53)两侧的第三刚性部(513)和第四刚性部(514)，使所述的第一刚性部(511)、第三刚性部(513)、第二刚性部(512)和第四刚性部(514)两两连接的第一柔性薄板(515)；

所述的二级桥式放大机构(52)包括螺固于所述的第三刚性部(513)的第五刚性部(521)，螺固于所述的第四刚性部(514)的第六刚性部(522)，螺固于所述的动台面(3)的第七刚性部(523)，螺固于所述的底座(1)的第八刚性部(524)；使第五刚性部(521)、第七刚性部(523)、第六刚性部(522)和第八刚性部(524)两两连接的第三柔性薄板(525)，所述的一级桥式放大机构(51)和所述的二级桥式放大机构(52)分别呈菱形。

3.根据权利要求2所述的两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，其特征是：所述的压电执行器组(53)包括结构相同且彼此间隙设置的第一压电执行器(531)和第二压电执行器(532)，所述的第一压电执行器(531)和第二压电执行器(532)互相平行，且处于同一水平面内。

4.根据权利要求3所述的两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，其特征是：所述的一级桥式放大机构(51)还包括使所述的第一刚性部(511)、第三刚性部(513)、第二刚性部(512)和第四刚性部(514)两两连接的第二柔性薄板(516)，所述的第二柔性薄板(516)间隙设于压电执行器组(53)和所述的第一柔性薄板(515)之间。

5.根据权利要求4所述的两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，其特征是：所述的第七刚性部(523)正对所述的动台面(3)设有第一螺纹孔(411)，所述的动台面(3)设有与所述的第一螺纹孔(411)相对应的第一沉孔(412)，所述的第一沉孔(412)和第一螺纹孔(411)螺固有第一螺钉(41)；所述的第八刚性部(524)正对所述的底座(1)设有第六螺纹孔(461)，所述的底座(1)设有与所述的第六螺纹孔(461)相对应的第二沉孔(462)，所述的第二沉孔(462)和第六螺纹孔(461)螺固有第六螺钉(46)；所述的第三刚性部(513)正对所述的第五刚性部(521)设有第二螺纹孔(421)，所述的第五刚性部(521)设有与所述的第二螺纹孔(421)相对应的第二通孔(422)，所述的第二通孔(422)和第二螺纹孔(421)螺固有第二螺钉(42)；所述的第四刚性部(514)正对所述的第六刚性部(522)设有第三螺纹孔(431)，所述的第六刚性部(522)设有与所述的第三螺纹孔(431)相对应的第一通孔(432)，所述的第一通孔(432)和第三螺纹孔(431)螺固有第三螺钉(43)；所述的第一刚性部(511)设有连通第一压电执行器(531)的第四螺纹孔(441)，所述的第四螺纹孔(441)内旋设有第四螺钉(44)；所述的第一刚性部(511)设有连通第二压电执行器(532)的第五螺纹孔(451)，所述的第五螺纹孔(451)内旋设有第五螺钉(45)。

6.根据权利要求5所述的两转动一平动大行程低厚度大中空并联压电微动平台，其特征是：所述的底座(1)的外围设有围挡(11)，中央设有贯通底座(1)的管状体(12)，所述的围挡(11)和所述的管状体(12)间隙设于所述的动台面(3)的下方，所述的动台面(3)设有与所述的管状体(12)轮廓相适配的中空孔(31)；一级桥式放大机构(51)、二级桥式放大机构(52)和底座(1)分别为一体成型机构。

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