CN113070887B - 天花作业机器人以及作业方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种天花作业机器人及其作业方法，属于天花作业机器人技术领域。本申请提出一种天花作业机器人的作业方法，包括：定位步骤：将作业点P在天花环境二维地图中的坐标(x,y)映射并得到作业点P在所述底盘环境二维地图中的坐标(x’,y’)；导航到位步骤：根据地面数据信息结合底盘环境二维地图引导行走底盘行走，使用顶部激光雷达实时校对底盘激光雷达的数据信息，以判定天花作业机器人准确到位；作业步骤：在顶部激光雷达引导下，天花作业装置在作业点P进行天花作业。本申请还提出一种天花作业机器人。该天花作业机器人以及作业方法能够提高天花作业类机器人的作业位置精度，从而提高了天花作业类机器人的作业质量。

Description

天花作业机器人以及作业方法

技术领域

本申请涉及天花作业机器人技术领域，具体而言，涉及一种天花作业机器人以及作业方法。

背景技术

随着全球人口老龄化的进程加速，劳动力短缺的问题给各行各业尤其是建筑业带来了巨大挑战。随着计算机技术及机器人技术的日益成熟，将机器人应用于建筑业成为大势所趋，建筑机器人也顺应时代快速发展。天花作业类机器人是建筑机器人的主要类型之一，普通的天花作业类机器人使用底盘定位信息结合上装装置结构信息求解作业位置，受到外参标定等误差的影响，这样的位置解算常常会使实际作业位置与预设作业区域有偏差。

发明内容

为此，本申请提出一种天花作业机器人以及作业方法，能够提高天花作业类机器人的作业位置精度，从而提高了天花作业类机器人的作业质量。

本申请实施例提出一种天花作业机器人的作业方法，所述天花作业机器人包括行走底盘、天花作业装置、底盘激光雷达、顶部激光雷达和控制装置，所述天花作业装置设于所述行走底盘上，所述底盘激光雷达安装于所述行走底盘，所述行走底盘、所述底盘激光雷达、所述顶部激光雷达均与所述控制装置电连接；

所述作业方法包括：

定位步骤：在天花板标注作业点P，通过所述顶部激光雷达收集天花板的数据信息，控制装置根据所接收的天花板数据信息构建天花板环境二维地图，控制装置将作业点P在所述天花环境二维地图中的坐标(x,y)映射到底盘环境二维地图中，得到作业点P在所述底盘环境二维地图中的坐标(x’,y’)；

导航到位步骤：通过所述底盘激光雷达收集地面的数据信息，所述控制装置根据所接收的地面数据信息结合预设的底盘环境二维地图引导所述行走底盘行走，以使所述天花作业机器人向作业点P移动，使用所述顶部激光雷达实时校对所述底盘激光雷达的数据信息，当所述底盘激光雷达检测到所述行走底盘移动至所述底盘环境二维地图中的坐标(x’,y’)，且所述顶部激光雷达检测到所述天花作业装置移动至所述天花环境二维地图中的坐标(x,y)时，判定所述天花作业机器人准确到达作业点P；

作业步骤：在所述顶部激光雷达引导下，所述天花作业装置在作业点P进行天花作业。

使用本申请实施例中的作业方法，天花作业机器人在底盘激光雷达引导下向作业点P移动，使用顶部激光雷达校对并提高天花作业机器人的到位精度，在顶部激光雷达引导下进行天花作业，提高了作业质量。

另外，根据本申请实施例的天花作业机器人的作业方法还具有如下附加的技术特征：

根据本申请的一些实施例，所述定位步骤还包括：设定N个作业点，N个作业点分别为P1、P2……Pn，重复进行S1定位步骤，得到作业点P1、P2……Pn在底盘环境二维地图中的坐标。

根据本申请的一些实施例，所述定位步骤还包括：作业顺序设定步骤：设定天花作业机器人依次到达作业点P1、P2……Pn并进行天花作业。

通过作业顺序设定步骤，能够引导天花作业机器人依次进行从P1-Pn的多个作业点位的自动作业，从而提高作业效率。

根据本申请的一些实施例，在执行所述导航到位步骤移动至作业点Pi之前还包括判断步骤：判断i是否小于等于n，若i小于等于n，重复进行所述导航到位步骤和所述作业步骤；若i大于n，判定作业完成。

通过在每次导航到位步骤之前执行判断步骤，能够判断是否已完成最后一个作业点的天花作业，及时结束一次作业任务。

根据本申请的一些实施例，所述定位步骤之前还包括顶部激光雷达外参标定步骤,所述顶部激光雷达外参标定步骤包括：天花作业机器人移动并记录轮式里程计数据与顶部激光雷达数据；根据天花作业机器人的结构参数获取顶部激光雷达相对于天花作业机器人的车体坐标系原点的位置，并建立顶部激光雷达与车体坐标系之间的变换矩阵T，从而提高顶部激光雷达的信息数据收集精度。

根据本申请的一些实施例，所述顶部激光雷达外参标定步骤还包括：使用变换矩阵T与轮式里程计数据拼接顶部激光雷达的点云数据，以点云数据中每个点的K近邻误差作为优化目标，对变换矩阵T进形优化计算，得到优化后的变换矩阵T’，进一步提高顶部激光雷达的信息数据收集精度。

根据本申请的一些实施例，所述定位步骤之前还包括顶部激光雷达倾角校平步骤，所述顶部激光雷达倾角校平步骤包括：在顶部激光雷达上加装惯性传感器；通过惯性传感器读取横滚角与俯仰角，并配合惯性传感器对顶部激光雷达进行校平，使所述横滚角和所述俯仰角归零，以提高顶部激光雷达的信息数据收集精度。

本申请实施例还提出一种天花作业机器人，所述天花作业机器人包括行走底盘、天花作业装置、底盘激光雷达、顶部激光雷达和控制装置，所述天花作业装置设于所述行走底盘上，所述底盘激光雷达安装于所述行走底盘，所述行走底盘、所述底盘激光雷达、所述顶部激光雷达均与所述控制装置电连接，所述底盘激光雷达用于收集地面的数据信息，所述顶部激光雷达用于收集天花板的数据信息，控制装置用于根据所接收的地面数据信息结合预设的底盘环境二维地图引导所述行走底盘行走，还用于根据所接收的天花板数据信息构建天花环境二维地图。

本实施例中的天花作业机器人具有较好的作业点到位精度和作业位置精度，从而提高了天花作业质量。由于结合地面环境二维地图与天花环境二维地图共同作业，还具有较好的鲁棒性。

根据本申请的一些实施例，所述天花作业装置包括作业执行机构和上装机构，所述上装机构安装于所述行走底盘，所述上装机构的执行端安装有所述作业执行机构，所述顶部激光雷达安装于所述作业执行机构。

根据本申请的一些实施例，惯性传感器，安装于所述顶部激光雷达。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请第一方面实施例提供的天花作业机器人的结构示意图；

图2为本申请第一方面实施例提供的天花作业机器人的控制装置的电连接关系图；

图3为本申请第二方面实施例提供的作业方法的示意图；

图4为本申请第二方面实施例提供的作业方法中顶部激光雷达倾角校平步骤的原理示意图；

图5为本申请第二方面实施例提供的作业方法中地面环境二维地图与天花环境二维地图的映射关系示意图。

图标：100-天花作业机器人；110-行走底盘；120-天花作业装置；121-作业执行机构；122-上装机构；130-底盘激光雷达；140-顶部激光雷达；150-控制装置；160-机架；170-惯性传感器；200-地面；300-天花板。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在使用天花作业机器人自动导航至作业点并进行天花作业的过程中，由于地面会包括一些障碍物，预设的底盘环境二维地图中会记录这些障碍物的位置信息。但是，由于在实际导航过程中这些障碍物的位置可能发生移动，以及天花作业机器人本身存在结构误差，导致使用预设的底盘环境二维地图进行导航时到点精度较差。由于天花环境二维地图中没有记录地面的障碍物的位置信息，并无法直接使用天花环境二维地图引导天花作业机器人行走。

请参照图1和图2，本申请第一方面实施例提出一种天花作业机器人100，包括行走底盘110、天花作业装置120、底盘激光雷达130、顶部激光雷达140和控制装置150，天花作业装置120设于行走底盘110上，底盘激光雷达130安装于行走底盘110，行走底盘110、底盘激光雷达130、顶部激光雷达140均与控制装置150电连接，底盘激光雷达130用于收集地面200的数据信息，顶部激光雷达140用于收集天花板300的数据信息。

控制装置150用于根据所接收的地面数据信息结合预设的底盘环境二维地图引导行走底盘110行走，还用于根据所接收的天花板数据信息构建天花环境二维地图。

使用本申请实施例中的天花作业机器人100进行天花作业，能够使用底盘激光雷达130收集地面数据信息以引导行走底盘110行走，并同时通过顶部激光雷达140收集天花板的数据信息，控制装置150将接收到的天花板数据信息与地面数据信息进行校对以判断天花作业机器人100是否到达作业点，并使用顶部激光雷达140引导天花作业装置120进行天花作业。

通过该种形式，能够提高天花作业机器人100的作业点到位精度，以及保证天花作业装置120的作业位置精度，从而提高了天花作业质量。由于结合地面环境二维地图与天花环境二维地图共同作业，还具有较好的鲁棒性。

在本申请的一些实施例中，天花作业装置120包括作业执行机构121和上装机构122，上装机构122安装于行走底盘110,上装机构122的执行端安装有作业执行机构121，顶部激光雷达140安装于作业执行机构121。

其中，顶部激光雷达140安装于作业执行机构121与上装机构122的执行端相连的支架上，作业执行机构121可以为涂浆执行单元、抹平执行单元或者喷漆执行单元等，上装机构122为六轴机械手、三轴直线驱动机构或者竖向升降机构等。

将顶部激光雷达140安装于作业执行机构121，顶部激光雷达140随作业执行机构121的移动同步移动，能够基于作业执行机构121检测天花环境的数据信息，提高了作业执行机构121的作业精度。

在其他实施例中，行走底盘110,包括机架160，也可以将顶部激光雷达140安装于机架160的顶部，也能采集天花环境的数据信息。

可选地，天花作业机器人100还包括惯性传感器170，安装于顶部激光雷达140，用于检测顶部激光雷达140的倾角。配合上装就122，能够将顶部激光雷达140的俯仰角和横滚角调整为零，使顶部激光雷达140基于天花作业机器人100的主坐标系的实际位置与理论位置偏差较小，从而提高顶部激光雷达140所收集的天花环境的数据信息的精度。

本申请第二方面实施例提出一种天花作业机器人的作业方法，能够实现高精度、高质量的天花作业。

下面以本申请第一方面实施例中的天花作业机器人100为例，来具体阐述作业方法的具体步骤。

然而，该作业方法不局限于使用第一方面实施例中的天花作业机器人100来实施。

请参照图3，天花作业机器人的作业方法包括：

顶部激光雷达140的外参标定步骤S1,用于标定顶部激光雷达140相对于天花作业机器人100的外参，从而提高顶部激光雷达140的信息收集精度。外参标定步骤S1具体包括：

天花作业机器人100移动并记录轮式里程计数据与顶部激光雷达140的数据；

根据天花作业机器人100的结构参数获取顶部激光雷达140相对于天花作业机器人100的车体坐标系原点的位置，并建立顶部激光雷达140的坐标系与车体坐标系之间的变换矩阵T。

具体而言，顶部激光雷达140的坐标系与车体坐标系之间的变换矩阵：

R表示旋转向量，t表示平移向量

进一步地，顶部激光雷达140的外参标定步骤还包括：

使用变换矩阵T与轮式里程计数据拼接顶部激光雷达140的点云数据，以点云数据中每个点的K近邻误差作为优化目标，采用非线性优化库对变换矩阵T进形优化计算，得到优化后的变换矩阵T’。

具体而言，K近邻误差△k通过K近邻查询的方式得到，K近邻查询是指通过给定查询点及正整数K，从点云中找到距离查询点最近的K个数据。而K近邻误差△k即距离该给定查询点最近K个点的平均距离，K近邻误差△k的大小可以衡量一个点云中的给定查询点的离散程度。

通过进一步优化变换矩阵T，能够提高顶部激光雷达140的外参标定精度，从而提高顶部激光雷达140的坐标系相对于天花作业机器人的车身坐标系的实际计算位置的精度。

作业方法还包括：顶部激光雷达倾角校平步骤S2，用于校平顶部激光雷达140的倾角，使顶部激光雷达140的坐标系在车身坐标系中的位置与理论设计位置重合。

顶部激光雷达倾角校平步骤包括：

在顶部激光雷达140上加装惯性传感器170；

通过惯性传感器170读取横滚角α与俯仰角β，并配合惯性传感器170对顶部激光雷达140进行校平，使横滚角α和所述俯仰角β归零。

请参照图4，具体而言，惯性传感器170设有坐标系xyz，x轴与天花作业机器人100的移动正方形平行，z轴向上垂直于行走底盘110。横滚角α为绕x轴转动的倾角，俯仰角β为绕y轴转动的倾角。

惯性传感器170检测顶部激光雷达140的横滚角α与俯仰角β并发送α倾角信号和β倾角信号至控制装置150，上装机构122响应α倾角信号和β倾角信号并调整顶部激光雷达140的位姿，直至横滚角α＝0°，俯仰角β＝0°。

作业方法还包括：定位步骤S3，定位步骤用于根据预先标注的作业点P，构建天花环境二维地图，并建立作业点P在天花环境二维地图中的坐标与底盘环境二维地图中的坐标的映射关系。

定位步骤S3包括单个作业点定位步骤S31，包括：

在天花板300标注作业点P，通过顶部激光雷达140收集天花板300的数据信息，控制装置150根据所接收的天花板数据信息构建天花环境二维地图，控制装置150将作业点P在所述天花环境二维地图中的坐标(x,y)映射到底盘环境二维地图中，得到作业点P在底盘环境二维地图中的坐标(x’,y’)。

通过单个作业点定位步骤S31，能够获取作业点P在天花环境二维地图中的坐标(x，y)，控制装置150将作业点P在天花环境二维地图中的坐标(x，y)记录为作业点P在天花环境二维地图中的位置，进行天花环境二维地图的构建。将天花环境二维地图中的坐标(x,y)通过映射关系得到在底盘环境二维地图中的坐标(x’,y’)，控制装置150将作业点P在底盘环境二维地图中的坐标(x’,y’)记录为作业点P在底盘环境二维地图中的位置。

映射过程具体如下：

天花作业机器人100在静止状态时，通过顶部激光雷达140收集当前位姿在天花环境二维地图中的坐标为(xa，ya)，当前位姿在地面环境二维地图中的坐标为(xb，yb)，当作业点P在天花环境二维地图中的坐标为(x，y)时，作业点P在地面环境二维地图中的坐标(x’，y’)为：

进一步地，定位步骤S3还包括多作业点定位步骤S32，包括：

设定N个作业点，N个作业点分别为P1、P2……Pn，重复进行单个作业点定位步骤S31，得到作业点P1、P2……Pn在底盘环境二维地图中的坐标。

请参照图5，具体而言，当作业点为Pi时，i为1-n之间的整数，作业点Pi在天花环境二维地图中的坐标为(xi，yi)，在地面环境二维地图中的坐标为(xi’，yi’)。通过依次将作业点P1-Pn的天花环境二维地图中的坐标记入天花环境二维地图，完成天花环境二维地图的构建，并得到每个作业点在底盘环境二维地图中的坐标，使每个作业点均具备在天花环境二维地图中的坐标和在地面环境二维地图中的坐标为(xi’，yi’)，以指导多个作业点的连续作业。

进一步地，定位步骤S3还包括作业顺序设定步骤S33，包括：

天花作业机器人100依次到达作业点P1、P2……Pn并进行天花作业。

具体而言，控制装置150中设定从P1-Pn的多个作业点位，并设定天花作业机器人100的路径依次经过从P1-Pn的多个作业点位。

通过作业顺序设定步骤S33，能够引导天花作业机器人100依次进行从P1-Pn的多个作业点位的自动作业，从而提高作业效率。

作业方法还包括：判断步骤S4、导航到位步骤S5和作业步骤S6。在执行导航到位步骤S5之前，通过判断步骤S4来判断天花作业机器人100是否已完成最后一个作业点Pn的天花作业，从而判断一次多作业点位的任务是否完成。

判断步骤S4包括:

判断i是否小于等于n，若i小于等于n，天花作业机器人100执行下述的导航到位步骤S5和作业步骤S6；若i大于n，判定作业完成。

控制装置150中设定判断步骤S4，并根据判断结果控制天花作业机器人100动作。

例如：

n＝5，i＝1，i小于n，代表下序作业为对作业点P1的作业，天花作业机器人100执行导航到位步骤S5和作业步骤S6，导航至作业点P1并进行天花作业；

n＝5，i＝2，i小于n，天花作业机器人100重复执行导航到位步骤S5和作业步骤S6，移动至作业点P2并进行天花作业；

n＝5，i＝6，i大于n，此时代表上一次所作业的作业点为P5，即前次执行动作已对最后一个作业点进行作业，判定作业完成。

通过在每次导航到位步骤S5之前执行判断步骤S4，能够判断是否已完成最后一个作业点Pn的天花作业，及时结束一次作业任务。

导航到位步骤S5包括：

底盘导航步骤S51：通过底盘激光雷达130收集地面200的数据信息，控制装置150根据所接收的地面数据信息结合预设的底盘环境二维地图引导行走底盘110行走，以使天花作业机器人100向作业点Pi移动；

校对到位步骤S52：使用顶部激光雷达140实时校对底盘激光雷达130的数据信息，当底盘激光雷达130检测到行走底盘110移动至底盘环境二维地图中的坐标(xi’,yi’)，且顶部激光雷达140检测到天花作业装置120移动至天花环境二维地图中的坐标(xi,yi)时，判定天花作业机器人100准确到达作业点P。

通过底盘导航步骤S51，能够利用地面环境二维地图结合底盘激光雷达130引导行走底盘110向(xi’,yi’)移动，能够实现天花作业机器人100在地面200上的自主行走；通过校对到位步骤S52，能够检测天花作业装置120是否移动至天花环境二维地图中的坐标(xi,yi)，确保天花作业装置120到达天花作业的位置。结合地面环境二维地图与天花环境二维地图引导并判定天花作业机器人100到达作业点Pi，行走底盘110能够可靠行走于地面200，且具有较高的到位精度。

作业步骤S6包括：

在顶部激光雷达140引导下，天花作业装置120在作业点Pi进行天花作业。

采用天花环境二维地图进行天花作业引导，能够提高天花作业精度。

使用本申请第二方面实施例中的作业方法，天花作业机器人100在底盘激光雷达130引导下向作业点Pi移动，使用顶部激光雷达140校对并提高天花作业机器人100的到位精度，在顶部激光雷达140引导下进行天花作业，提高了作业质量。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天花作业机器人的作业方法，其特征在于，所述天花作业机器人包括行走底盘、天花作业装置、底盘激光雷达、顶部激光雷达和控制装置，所述天花作业装置设于所述行走底盘上，所述底盘激光雷达安装于所述行走底盘，所述行走底盘、所述底盘激光雷达、所述顶部激光雷达均与所述控制装置电连接；

所述作业方法包括：

定位步骤：在天花板标注作业点P，通过所述顶部激光雷达收集天花板的数据信息，控制装置根据所接收的天花板数据信息构建天花环境二维地图，控制装置将作业点P在所述天花环境二维地图中的坐标映射到底盘环境二维地图中，得到作业点P在所述底盘环境二维地图中的坐标(x’,y’)；

导航到位步骤：通过所述底盘激光雷达收集地面的数据信息，所述控制装置根据所接收的地面数据信息结合预设的底盘环境二维地图引导所述行走底盘行走，以使所述天花作业机器人向作业点P移动，使用所述顶部激光雷达实时校对所述底盘激光雷达的数据信息，当所述底盘激光雷达检测到所述行走底盘移动至所述底盘环境二维地图中的坐标(x’,y’)，且所述顶部激光雷达检测到所述天花作业装置移动至所述天花环境二维地图中的坐标时，判定所述天花作业机器人准确到达作业点P；

作业步骤：在所述顶部激光雷达引导下，所述天花作业装置在作业点P进行天花作业。

2.根据权利要求1所述的天花作业机器人的作业方法，其特征在于，所述定位步骤还包括：

设定N个作业点，N个作业点分别为P1、P2……Pn，重复进行S1定位步骤，得到作业点P1、P2……Pn在底盘环境二维地图中的坐标。

3.根据权利要求2所述的天花作业机器人的作业方法，其特征在于，所述定位步骤还包括：

作业顺序设定步骤：设定天花作业机器人依次到达作业点P1、P2……Pn并进行天花作业。

4.根据权利要求3所述的天花作业机器人的作业方法，其特征在于，

在执行所述导航到位步骤移动至作业点Pi之前，所述作业方法还包括判断步骤：

判断i是否小于等于n，若i小于等于n，重复进行所述导航到位步骤和所述作业步骤；若i大于n，判定作业完成。

5.根据权利要求1所述的天花作业机器人的作业方法，其特征在于，所述定位步骤之前还包括顶部激光雷达外参标定步骤,所述顶部激光雷达外参标定步骤包括：

天花作业机器人移动并记录轮式里程计数据与顶部激光雷达数据；

根据天花作业机器人的结构参数获取顶部激光雷达相对于天花作业机器人的车体坐标系原点的位置，并建立顶部激光雷达与车体坐标系之间的变换矩阵T。

6.根据权利要求5所述的天花作业机器人的作业方法，其特征在于，所述顶部激光雷达外参标定步骤还包括：

使用变换矩阵T与轮式里程计数据拼接顶部激光雷达的点云数据，以点云数据中每个点的K近邻误差作为优化目标，对变换矩阵T进形优化计算，得到优化后的变换矩阵T’。

7.根据权利要求1所述的天花作业机器人的作业方法，其特征在于，所述定位步骤之前还包括顶部激光雷达倾角校平步骤，所述顶部激光雷达倾角校平步骤包括：

在顶部激光雷达上加装惯性传感器；

通过惯性传感器读取横滚角与俯仰角，并配合惯性传感器对顶部激光雷达进行校平，使所述横滚角和所述俯仰角归零。

8.一种天花作业机器人，用于执行如权利要求1-7中任一项所述的天花作业机器人的作业方法，其特征在于，所述天花作业机器人包括行走底盘、天花作业装置、底盘激光雷达、顶部激光雷达和控制装置，所述天花作业装置设于所述行走底盘上，所述底盘激光雷达安装于所述行走底盘，所述行走底盘、所述底盘激光雷达、所述顶部激光雷达均与所述控制装置电连接，所述底盘激光雷达用于收集地面的数据信息，所述顶部激光雷达用于收集天花板的数据信息，控制装置用于根据所接收的地面数据信息结合预设的底盘环境二维地图引导所述行走底盘行走，还用于根据所接收的天花板数据信息构建天花环境二维地图。

9.根据权利要求8所述的天花作业机器人，其特征在于，所述天花作业装置包括作业执行机构和上装机构，所述上装机构安装于所述行走底盘，所述上装机构的执行端安装有所述作业执行机构，所述顶部激光雷达安装于所述作业执行机构。

10.根据权利要求8所述的天花作业机器人，其特征在于，还包括：

惯性传感器，安装于所述顶部激光雷达。

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