CN111374584B - 一种视觉擦窗机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视觉擦窗机器人，所述机器人通过其图像接收单元获取窗户的图像信息，并通过分析图像信息以及距离传感器的数据，得到窗户边框具体位置和形状等信息，再根据这些信息控制所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨过所述待清洁的窗的框架，从而避免了擦窗过程中多次需要人工移动擦窗机器人的不便，让擦窗机器人更加智能、更加方便。

Description

一种视觉擦窗机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能擦窗设备领域，尤其是涉及一种视觉擦窗机器人及其控制方法。

背景技术

擦窗机器人，又称自动擦窗机、智能擦窗器、智能窗户清洁器等，是智能家用电器的一种。擦窗机器人的出现，主要是为了帮助人们解决高层擦窗、室外擦窗难的问题。它能凭借自身底部的真空泵或者风机装置，牢牢地吸附在玻璃上，然后借助一定的人工智能，自动探测窗户的边角距离、规划擦窗路径。擦窗机器人一般会利用自身吸附在玻璃上的力度来带动机身底部的抹布擦掉玻璃上的脏污。擦窗机器人目前市场种类并不多，原理大致相同。其中一款主流产品是玻妞擦窗机器人，玻妞擦窗机器人的最大特点就是具有两个清洁轮，通过两个清洁轮进行旋转擦拭，清洁轮的外观是圆型的，所有窗角是擦不到的，不过不影响玻璃的干净，清洁力比较强。但是对于具有多扇玻璃的窗户，如图1a所示的窗户具有两扇玻璃11，左边玻璃和右边玻璃中间隔着窗的框架12，上述现有技术中的擦窗机器人，只能擦完一扇玻璃后，需要人工手动移动到另外一扇窗上继续擦拭，而无法一次性对窗全部玻璃进行清洁。特别是对于旧式的具有多个框架的窗户，如图1b所示的窗户，窗玻璃11被框架12分成6个区域，现有技术中的擦窗机器人对其进行清洁时，一共需要6次人工手动移动擦窗机器人，才能将窗户清洁完毕。另外，对于单个窗玻璃面积较小的情况下，现有技术中的擦窗机器人则无法进行清洁。

发明内容

本发明提供了一种视觉擦窗机器人及其控制方法，以解决相关技术中多扇玻璃的窗户不能一次性清洁的问题。具体技术方案如下：

一种视觉擦窗机器人，包括行走单元、清洁单元、驱动单元和控制单元，行走单元和清洁单元设置在所述擦窗机器人的底部，控制单元与驱动单元连接。所述擦窗机器人还包括：图像接收单元，与控制单元连接，用于接收待清洁的窗的图像，并识别所述待清洁的窗的信息，其中，所述待清洁的窗的信息至少包括：所述待清洁的窗的形状信息；距离传感单元，与控制单元连接，用于检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架、边框或者其它障碍物的距离；所述擦窗机器人根据所述待清洁的窗的形状信息和窗的框架位置，通过最短路径问题算法来得到擦窗机器人在所述待清洁窗的清洁起点和清洁路线；伸缩转向单元，一端与所述驱动单元连接，另一端与所述行走单元连接，用于通过所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨越所述待清洁的窗的框架，避免擦窗过程中，擦窗机器人需要人工移动；所述行走单元为吸附转盘，所述吸附转盘通过连接件连接到所述伸缩转向单元，并通过传动组件连接到所述擦窗机器人的机体上设置的与所述驱动单元传动连接的旋转中心轴上，以使得所述吸附转盘在所述驱动单元的驱动下以多种方式可旋转的设置在所述伸缩转向单元的底部；所述伸缩转向单元包含内管和外管，所述内管和所述外管之间设有传动齿，以使得所述内管可相对于所述外管转动；所述内管具有容纳所述传动组件的空间，以使得所述传动组件相对于所述伸缩转向单元相对运动。

进一步地，所述图像接收单元是设置在所述擦窗机器人上的摄像头。

进一步地，根据所述距离传感单元检测到的所述擦窗机器人的边缘与所述待清洁的窗的框架、边框或者其它障碍物的距离信息，来控制所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作。

进一步地，所述图像接收单元可以是wifi、蓝牙或者其它可以连接到外部设备的连接装置。

进一步地，在所述擦窗机器人工作状态下，所述距离传感单元实时检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架、边框或者其它障碍物的距离，并反馈给控制单元。

一种视觉擦窗机器人的控制方法，具体包括：步骤1：通过摄像头拍摄所述待清洁的窗的图像，得到所述擦窗机器人的清洁起点和清洁路线；步骤2：将擦窗机器人放置到所述清洁起点，启动所述擦窗机器人，真空泵开始工作，分别位于A端和A’端吸附转盘上的吸盘同时吸附在玻璃表面上，两者吸力的大小和吸附的方式始终相同；步骤3：控制单元分别控制动力在所述A端和所述A’端的所述吸附转盘上输出的大小和方向，驱动所述吸附转盘轮流以垂直于玻璃表面的竖直轴为中心旋转或静止，使两者交替成为高速端或低速端，使两者之间形成转速差；步骤4：所述A端和所述A’端的驱动单元交替进行运转速差控制，距离传感器实时检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架、边框或者其它障碍物的距离，并反馈给所述控制单元；步骤5：所述擦窗机器人按所述清洁路线进行清洁，当所述擦窗机器人经过所述清洁路线的需要跨越窗的框架的位置时，通过所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨越所述待清洁的窗的框架。

本发明所述的视觉擦窗机器人，通过其图像接收单元获取窗户的图像信息，并通过分析图像信息以及距离传感器的数据，得到窗户边框具体位置和形状等信息，再根据这些信息控制所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨过所述待清洁的窗的框架，从而避免了擦窗过程中多次需要人工移动擦窗机器人的不便，让擦窗机器人更加智能、更加方便。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1a、图1b是实现生活中的带框架的两种窗户的示意图；

图2是根据本发明实施例提供的视觉擦窗机器人的系统框架示意图；

图3是根据本发明实施例提供的视觉擦窗机器人的结构示意图；以及

图4是根据本发明实施例提供的视觉擦窗机器人的底部结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

一种视觉擦窗机器人，包括行走单元2、清洁单元3、驱动单元4和控制单元5，行走单元2和清洁单元3设置在所述擦窗机器人的底部，控制单元5与驱动单元4连接。所述擦窗机器人还包括：图像接收单元8，与控制单元5连接，用于接收待清洁的窗的图像，并识别所述待清洁的窗的信息，其中，所述待清洁的窗的信息至少包括：所述待清洁的窗的尺寸、形状信息；距离传感单元7，与控制单元5连接，用于检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架12、边框11或者其它障碍物的距离；伸缩转向单元6，一端与所述驱动单元4连接，另一端与所述行走单元6连接，用于通过所述驱动单元4驱动所述伸缩转向单元6的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元2进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨过所述待清洁的窗的框架12。

当需擦竖直玻璃表面时，擦窗机器人还包含吸附单元1，擦窗机器人的机体通过吸附单元1吸附在玻璃表面。

擦窗机器人通过图像接收单元8接收待清洁的窗的图像，并识别出所述待清洁的窗的尺寸、形状信息，通过距离传感单元7检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架12、边框11或者其它障碍物的距离；通过所述驱动单元4驱动所述伸缩转向单元6的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元2进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨过所述待清洁的窗的框架12，从而避免了擦窗过程中多次需要人工移动擦窗机器人的不便，让擦窗机器人更加智能、更加方便。

图3是根据本发明实施例提供的擦窗机器人的结构示意图。如图3所示，该擦窗机器人具体组成部分及其工作原理如下：所述擦窗机器人包括：行走单元2为吸附转盘1,擦窗机器人通过交替旋转吸附转盘1实现扭动行进。擦窗机器人包括机体9，机体9上设有控制单元5、驱动单元4、伸缩转向单元6、距离传感单元7、图像接收单元8和真空泵10。其中，吸附转盘1通过连接件连接到伸缩转向单元6，并通过传动组件连接到机体9上设置与驱动单元4传动连接的旋转中心轴上，使得吸附转盘1在驱动单元4的驱动下以多种方式可旋转的设置在伸缩转向单元6的底部。连接件可以是与吸附转盘1连接的独立设置的轴承件，其中，轴承件包含内圈和外圈，内圈和外圈之间设有滚珠使得内圈可相对于外圈转动。外圈与擦窗机器人的伸缩转向单元6固定连接，内圈与吸附转盘1固定连接。伸缩转向单元6包含内管和外管，内管和外管之间设有传动齿使得内管可相对于外管转动，以实现转向功能；内管具有容纳传动组件的空间，使得传动组件可以相对于伸缩转向单元6相对运动，保证了吸附转盘1在驱动单元4的驱动下进行旋转运动。同时，伸缩转向单元6也是通过连接件连接到机体9上，连接件也为轴承件，其连接原理和吸附转盘1与伸缩转向单元6的连接原理相同，不再赘述。

简单的吸附转盘1仅具有吸盘，吸盘通过其旋转中心轴连接到伸缩转向单元6，该方案吸盘的材质要求较高。真空泵10通过抽气管与吸盘相连，当真空泵10开始工作时，真空泵10在吸盘内产生负压，吸盘产生吸力，将擦窗机器人吸附在玻璃上。

在另外可选的实施例中，吸附转盘1包含支架和吸盘，吸盘通过抽气管连接真空泵10。吸盘为环形的软胶吸盘，吸盘设置在支架的底部。在支架的底部设有环形的凹槽，软胶吸盘通过弹性垫圈嵌设在凹槽内定位。吸盘在工作时产生形变，弹性垫圈可以吸收形变，使吸盘更加贴合的吸附在玻璃上。清洁单元3固定在支架或所述吸盘的中空区域内，清洁单元3可为清洁抹布或百洁布等。下面详细描述本发明擦窗机器人如何实现扭动行进。

在擦窗机器人的机体9底部两侧A端和A’端设置一对可旋转吸附转盘1，每一吸附转盘1包括支架和吸盘。吸盘设置在吸附转盘1的底部。吸附转盘1通过传动组件与驱动单元4传动连接。控制单元5通过控制驱动单元4的输出动力在两个吸附转盘1上输出的大小和方向，驱动吸附转盘1以垂直于玻璃表面的竖直轴为中心旋转或静止，使两者交替成为高速端或低速端，形成转速差，使得擦窗机器人通过交替旋转A端和A’端的吸附转盘1，实现擦窗机器人的扭动行走。

一般来说，驱动单元4为电机，但本发明并不以此为限。电机输出端与传动组件相连，传动组件包括减速机构和传动机构，电机输出的动力通过减速机构减速后通过传动机构传递给吸附转盘1。传动机构通过轴承件连接在擦窗机器人的机体9和伸缩转向单元6内。

一般来说，控制单元5为嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)，如单片机。其内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。在本发明中，控制单元5采用MCU 8XC930，本领域内的技术人员应明白，控制单元也可以采用的MCU或者其它DSP处理器来代替。

在本发明中，控制单元5可以实现功能：

1、根据图像接收单元8接收待清洁的窗的图像，识别出所述待清洁的窗的形状信息，输出擦窗机器人对所述待清洁的窗的清洁起点和清洁路线，并通过一屏幕显示出来。

2、根据距离传感单元7检测到的所述擦窗机器人的边缘与窗的框架12、边框11或者其它障碍物的距离信息，来控制驱动单元4驱动所述伸缩转向单元6的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元2进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨过所述待清洁的窗的框架12；

3、控制驱动单元4的输出动力在两个吸附转盘1上输出的大小和方向，驱动吸附转盘1以垂直于玻璃表面的竖直轴为中心旋转或静止，使两者交替成为高速端或低速端，形成转速差，使得擦窗机器人通过交替旋转A端和A’端的吸附转盘1，实现擦窗机器人的扭动行走。

在本发明中，图像接收单元8为摄像头，其通过直接拍摄所述待清洁的窗来接收待清洁的窗的图像，其设置在擦窗机器人的机体9上。在实际使用时，用户可以用手拿着擦窗机器人的机体9，对着所述待清洁的窗进行拍摄来接收待清洁的窗的图像。

在另外可选的实施例中，图像接收单元8可以是wifi、蓝牙或者其它可以连接到外部设备的连接装置。外部设备预先获得所述待清洁的窗的图像，然后通过wifi、蓝牙或者其它连接装置将所述待清洁的窗的图像传输到擦窗机器人的控制单元5上。

在本发明中，距离传感单元7为红外距离传感器，其设置在擦窗机器人的机体9的最外侧的外壁上。在擦窗机器人工作状态下，红外距离传感器实时检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架12、边框11或者其它障碍物的距离，并反馈给控制单元5。

具体地说，视觉擦窗机器人工作过程如下：

步骤1：通过摄像头拍摄所述待清洁的窗，得到擦窗机器人的清洁起点和清洁路线。

具体来说，根据图像接收单元8接收待清洁的窗的图像，识别出所述待清洁的窗的形状信息，输出擦窗机器人对所述待清洁的窗的清洁起点和清洁路线，并通过一屏幕显示出来。其中，所述的窗的形状信息包括窗的形状、框架位置，并根据窗的形状、框架位置，利用最短路径问题的解决算法，如Floyd-Warshall等，给出对所述待清洁的窗的清洁起点和清洁路线。根据待清洁的窗户的形状和是否具有框架，以及框架的位置，擦窗机器人会自动计算出不同的清洁路线。

当待清洁的窗具有框架时，如图1a、图1b，所述清洁路线还包括，所述清洁路线需要跨过窗的框架的位置。

步骤2：将擦窗机器人放置到所述待清洁的窗的玻璃表面的清洁起点，按下按钮启动，真空泵10开始工作，分别位于A端和A’端吸附转盘1上的吸盘同时吸附在玻璃表面上，两者吸力的大小和吸附的方式始终相同。

步骤3：控制单元5分别控制动力在A端和A’端的一对吸附转盘1上输出的大小和方向，驱动一对吸附转盘1轮流以垂直于玻璃表面的竖直轴为中心旋转或静止，使两者交替成为高速端或低速端，使两者之间形成转速差。

具体来说，转速差为控制单元5控制驱动单元分别输出动力给吸附转盘1，转速差为一端的吸附转盘1相对于玻璃表面转动，另一端的吸附转盘1相对于玻璃表面静止而形成；或者，转速差为一端的吸附转盘1相对于玻璃表面高速转动，另一端的吸附转盘1相对于玻璃表面低速转动而形成。

步骤4：A端和A’端的驱动单元4交替进行运转速差控制，实现擦窗机器人在玻璃表面上的行走。红外距离传感器实时检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架12、边框11或者其它障碍物的距离，并反馈给控制单元5。

步骤5：擦窗机器人按所述清洁路线进行清洁。当擦窗机器人经过所述清洁路线的需要跨过窗的框架的位置时，吸附转盘1停止转动，并以其中一个吸附转盘1的吸盘为受力点，真空泵10继续通过对其进行抽气，使得其继续保持其力，同时真空泵10停止对另外一个吸附转盘1进行抽气，故其对应的吸盘不再产生吸力；接着，控制单元5通过控制驱动单元4驱动没有吸力的吸附转盘1所连接的伸缩转向装置进行缩短，直到该吸附转盘1离开玻璃的垂直距离高于窗的框架的高度，然后，控制单元5通过控制驱动单元4驱动没有吸力的吸附转盘1所连接的伸缩转向装置进行旋向，直到该吸附转盘完全离开窗的框架的位置，从而实现了擦窗机器人的一个吸附转盘1“跨越”了窗的框架，之后，控制单元5通过控制驱动单元4驱动没有吸力的吸附转盘1所连接的伸缩转向装置进行伸长，直到该吸附转盘1接触到玻璃并形成一定的压力，然后，启动真空泵10对其进行抽气，其对应的吸盘产生吸力，从而固定在玻璃上。同理，利用相同的方式，使得擦窗机器人的另外一个吸附转盘1也实现“跨越”窗的框架，从而最终完成了擦窗机器人的自动跨越窗的框架，而无需要人工手动操作，提高了扫地机器人的智能，也提高了便利性。

所述的视觉擦窗机器人，通过其图像接收单元获取窗户的图像信息，并通过分析图像信息以及距离传感器的数据，得到窗户边框具体位置和形状等信息，再根据这些信息控制所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨过所述待清洁的窗的框架，从而避免了擦窗过程中多次需要人工移动擦窗机器人的不便，让擦窗机器人更加智能、更加方便。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

Claims (6)

1.一种视觉擦窗机器人，包括行走单元、清洁单元、驱动单元和控制单元，行走单元和清洁单元设置在所述擦窗机器人的底部，控制单元与驱动单元连接，其特征在于，所述擦窗机器人还包括：

图像接收单元，与控制单元连接，用于接收待清洁的窗的图像，并识别所述待清洁的窗的信息，其中，所述待清洁的窗的信息至少包括：所述待清洁的窗的形状信息；

距离传感单元，与控制单元连接，用于检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架、边框或者其它障碍物的距离；

所述擦窗机器人根据所述待清洁的窗的形状信息和窗的框架位置，通过最短路径问题算法来得到擦窗机器人在所述待清洁窗的清洁起点和清洁路线；

伸缩转向单元，一端与所述驱动单元连接，另一端与所述行走单元连接，用于通过所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨越所述待清洁的窗的框架，避免擦窗过程中，擦窗机器人需要人工移动；

所述行走单元为吸附转盘，所述吸附转盘通过连接件连接到所述伸缩转向单元，并通过传动组件连接到所述擦窗机器人的机体上设置的与所述驱动单元传动连接的旋转中心轴上，以使得所述吸附转盘在所述驱动单元的驱动下以多种方式可旋转的设置在所述伸缩转向单元的底部；

所述伸缩转向单元包含内管和外管，所述内管和所述外管之间设有传动齿，以使得所述内管可相对于所述外管转动；

所述内管具有容纳所述传动组件的空间，以使得所述传动组件相对于所述伸缩转向单元相对运动。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述图像接收单元是设置在所述擦窗机器人上的摄像头。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，根据所述距离传感单元检测到的所述擦窗机器人的边缘与所述待清洁的窗的框架、边框或者其它障碍物的距离信息，来控制所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述图像接收单元是wifi、蓝牙或者其它可以连接到外部设备的连接装置。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的机器人，其特征在于，在所述擦窗机器人工作状态下，所述距离传感单元实时检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架、边框或者其它障碍物的距离，并反馈给控制单元。

6.一种视觉擦窗机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法用于控制权利要求1至5任一项所述的视觉擦窗机器人，所述控制方法包括：

步骤1：通过摄像头拍摄所述待清洁的窗的图像，得到所述擦窗机器人的清洁起点和清洁路线；

步骤2：将擦窗机器人放置到所述清洁起点，启动所述擦窗机器人，真空泵开始工作，分别位于A端和A’端吸附转盘上的吸盘同时吸附在玻璃表面上，两者吸力的大小和吸附的方式始终相同；

步骤3：控制单元分别控制动力在所述A端和所述A’端的所述吸附转盘上输出的大小和方向，驱动所述吸附转盘轮流以垂直于玻璃表面的竖直轴为中心旋转或静止，使两者交替成为高速端或低速端，使两者之间形成转速差；

步骤4：所述A端和所述A’端的驱动单元交替进行运转速差控制，距离传感器实时检测所述擦窗机器人的边缘与窗的框架、边框或者其它障碍物的距离，并反馈给所述控制单元；

步骤5：所述擦窗机器人按所述清洁路线进行清洁，当所述擦窗机器人经过所述清洁路线的需要跨越窗的框架的位置时，通过所述驱动单元驱动所述伸缩转向单元的伸缩和转向动作，从而带动所述行走单元进行伸缩和转向，以使得所述擦窗机器人跨越所述待清洁的窗的框架。

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