CN114427932B - 一种用于碰撞假人的质心测量方法及质心测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于碰撞假人的质心测量方法及质心测量仪。假人质心测量方法包括：在假人的各个分总成上选定至少三个标记点；将各个分总成分别放置到质心测量仪上，测量各个分总成在局部坐标系中的局部质心坐标和各个标记点在局部坐标系中的局部坐标；组装各个分总成，并根据试验要求将假人定位到车辆座椅上；测量各个分总成的标记点在整体坐标系中的整体坐标；根据所述局部质心坐标、所述局部坐标和所述整体坐标，计算各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标；根据各个分总成的所述整体质心坐标，计算假人质心坐标。该方法无需将假人整体以特定姿态摆放至特定的假人质心测量装置上，简单快捷，无需复杂的假人质心测量装置，通用性强。

Description

一种用于碰撞假人的质心测量方法及质心测量仪

技术领域

本发明涉及质心测量领域，具体而言，涉及一种用于碰撞假人的质心测量方法及质心测量仪。

背景技术

汽车碰撞测试假人可用于对汽车的安全性能进行检测评价，假人的质心位置对车辆检测时的安全性有着重要影响，假人在车辆中的坐姿状态直接影响着假人的质心位置，质心位置的差异直接导致车辆碰撞时假人的运动姿态不同，造成的假人损伤也不同，从而对汽车的安全性能评价产生影响。

现阶段国内外关于人体结构的质心测试方法很多，如专利《一种假人质心测量装置及测量方法》阐述了一种碰撞假人的质心测试装置的结构，可基于此特定装置对特定姿态的假人质心进行测量。专利《一种人体各部分质心位置及质量的测试方法》主要是基于力矩平衡法结合人体姿势的变换，可以实现对真实人体的各部分质心位置进行测量。但根据研究发现目前对于假人质心的测试方法比较局限，且假人质心测试方式较为单一，针对假人质心设计的测试装置通常比较复杂，且需要假人摆放到特定的结构姿态才能进行测量，一旦假人姿态变换就无法用该装置再次获取假人质心位置，缺少通用性，现有技术中缺乏不同坐姿下假人质心位置的测量方法。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于碰撞假人的质心测量方法及质心测量仪，该方法无需将假人整体以特定姿态摆放至特定的假人质心测量装置上，简单快捷，无需复杂的假人质心测量装置，通用性强。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种用于碰撞假人的质心测量方法，包括：

在假人的各个分总成上选定至少三个标记点；

将各个分总成分别放置到质心测量仪上，测量各个分总成在局部坐标系中的局部质心坐标和各个标记点在局部坐标系中的局部坐标；

组装各个分总成，并根据试验要求将假人定位到车辆座椅上；

测量各个分总成的标记点在整体坐标系中的整体坐标；

根据所述局部质心坐标、所述局部坐标和所述整体坐标，计算各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标；

根据各个分总成的所述整体质心坐标，计算假人质心坐标。

进一步地，所述分总成至少为16个。

进一步地，所述局部坐标系采用质心测量仪上的坐标系；所述整体坐标系以假人所在座椅右后侧安装点为原点，xy面与水平地面平行，x方向平行于车门下横梁，z方向垂直于水平地面。

进一步地，所述根据所述局部质心坐标、所述局部坐标和所述整体坐标，计算各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标包括：

针对每个分总成，根据所述局部质心坐标和所述局部坐标，计算各个标记点与局部质心之间的距离；

根据所述距离和所述整体坐标，计算各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标。

进一步地，每个分总成上的标记点为三个，所述各个标记点与局部质心之间的距离采用以下公式计算：

d_Ai ²=（x_局部质i-x_局部Ai）²+（y_局部质i-y_局部Ai）²+（z_局部质i-z_局部Ai）²

d_Bi ²=（x_局部质i-x_局部Bi）²+（y_局部质i-y_局部Bi）²+（z_局部质i-z_局部Bi）²

d_Ci ²=（x_局部质i-x_局部Ci）²+（y_局部质i-y_局部Ci）²+（z_局部质i-z_局部Ci）²；

其中，d_Ai为标记点A与局部质心之间的距离，d_Bi为标记点B与局部质心之间的距离，d_Ci为标记点C与局部质心之间的距离；x_局部质i为分总成i的质心在局部坐标系x轴的坐标，y_局部质i为分总成i的质心在局部坐标系y轴的坐标，z_局部质i为分总成i的质心在局部坐标系z轴的坐标；x_局部Ai为分总成i的标记点A在局部坐标系x轴的坐标，y_局部Ai为分总成i的标记点A在局部坐标系y轴的坐标，z_局部Ai为分总成i的标记点A在局部坐标系z轴的坐标；x_局部Bi为分总成i的标记点B在局部坐标系x轴的坐标，y_局部Bi为分总成i的标记点B在局部坐标系y轴的坐标，z_局部Bi为分总成i的标记点B在局部坐标系z轴的坐标；x_局部Ci为分总成i的标记点C在局部坐标系x轴的坐标，y_局部Ci为分总成i的标记点C在局部坐标系y轴的坐标，z_局部Ci为分总成i的标记点C在局部坐标系z轴的坐标。

进一步地，各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标采用以下公式计算：

d_Ai ²=（x_整体质i-x_整体Ai）²+（y_整体质i-y_整体Ai）²+（z_整体质i-z_整体Ai）²

d_Bi ²=（x_整体质i-x_整体Bi）²+（y_整体质i-y_整体Bi）²+（z_整体质i-z_整体Bi）²

d_Ci ²=（x_整体质i-x_整体Ci）²+（y_整体质i-y_整体Ci）²+（z_整体质i-z_整体Ci）²；

其中，d_Ai为标记点A与局部质心之间的距离，d_Bi为标记点B与局部质心之间的距离，d_Ci为标记点C与局部质心之间的距离；x_整体质i为分总成i的质心在整体坐标系x轴的坐标，y_整体质i为分总成i的质心在整体坐标系y轴的坐标，z_整体质i为分总成i的质心在整体坐标系z轴的坐标；x_整体Ai为分总成i的标记点A在整体坐标系x轴的坐标，y_整体Ai为分总成i的标记点A在整体坐标系y轴的坐标，z_整体Ai为分总成i的标记点A在整体坐标系z轴的坐标；x_整体Bi为分总成i的标记点B在整体坐标系x轴的坐标，y_整体Bi为分总成i的标记点B在整体坐标系y轴的坐标，z_整体Bi为分总成i的标记点B在整体坐标系z轴的坐标；x_整体Ci为分总成i的标记点C在整体坐标系x轴的坐标，y_整体Ci为分总成i的标记点C在整体坐标系y轴的坐标，z_整体Ci为分总成i的标记点C在整体坐标系z轴的坐标。

进一步地，所述假人质心坐标采用以下公式计算：

其中，x_假人为假人在整体坐标系中x轴的坐标，y_假人为假人在整体坐标系中y轴的坐标，z_假人为假人在整体坐标系中z轴的坐标，k为分总成的数量，m_i为分总成i的质量。

第二方面，本发明提供了一种质心测量仪，所述质心测量仪包括台架、控制组件、支撑架、支撑台、电机、分总成放置组件、传感器测量台和数据采集分析系统，所述控制组件设置于所述台架，所述传感器测量台设置于所述台架和所述支撑台之间，所述控制组件用于控制所述支撑架的升降，所述支撑台设置于所述支撑架上方，所述电机和所述分总成放置组件均设置于所述支撑台上方，所述电机用于控制所述分总成放置组件的转动，所述数据采集分析系统用于计算分总成在局部坐标系中的局部质心坐标。

进一步地，所述控制组件包括旋转钮，所述旋转钮设置于所述台架侧面。

进一步地，所述传感器测量台与所述台架之间设有重力传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的用于碰撞假人的质心测量方法基于各个分总成在局部坐标系中的局部质心坐标、各个标记点在局部坐标系中的局部坐标以及各个标记点在整体坐标系中的整体坐标来计算假人整体质心坐标，由于上述局部质心坐标和局部坐标是在假人试验前可以得到的，并且是固定不变的，因此在将各分总成组装成假人，且无论假人摆放为何种姿态，只要可测量出上述整体坐标，就可以计算出整体质心坐标，无需将假人整体以特定姿态摆放至特定的假人质心测量装置上，简单快捷，无需复杂的假人质心测量装置，通用性强。

进一步地，本发明所提供的质心测量仪由于采用了控制组件、支撑架、支撑台、电机和分总成放置组件等结构，在测量各总成的局部质心坐标和局部坐标时，不需要将分总成和工装拆卸，只需要将分总成和工装共同旋转90度即可测得，测量便捷性强，而传统的测量装置在测量质心三维坐标时通常要将假人部件和工装拆卸下来，再手动进行旋转，才能完成测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1是本发明提供的用于碰撞假人的质心测量方法的流程示意图；

图2是本发明中假人各个总成的位置；

图3是本发明提供的质心测量仪在支撑架升高后的结构示意图；

图4是本发明提供的质心测量仪在支撑架降低后的结构示意图；

图5是局部坐标系YZ平面的示意图；

图6是局部坐标系XYZ平面的示意图；

图7是上臂分总成上三个标记点的位置示意图；

图8是整体坐标系的示意图。

图标：1-头部；2-颈部；3-胸部；4-臀部；5-左上臂；6-左下臂；7-左手；8-右上臂；9-右下臂；10-右手；11-左大腿；12-左小腿；13-左脚；14-右大腿；15-右小腿；16-右脚；17-电机；18-支撑台；19-支撑架；20-旋转钮；21-数据采集分析系统；22-传感器测量台；23-重力传感器。

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，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，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的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供了一种用于碰撞假人的质心测量方法，包括以下步骤：

S110、在假人的各个分总成上选定至少三个标记点；

S120、将各个分总成分别放置到质心测量仪上，测量各个分总成在局部坐标系中的局部质心坐标和各个标记点在局部坐标系中的局部坐标；

S130、组装各个分总成，并根据试验要求将假人定位到车辆座椅上；

S140、测量各个分总成的标记点在整体坐标系中的整体坐标；

S150、根据所述局部质心坐标、所述局部坐标和所述整体坐标，计算各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标；

S160、根据各个分总成的所述整体质心坐标，计算假人质心坐标。

上述假人优选为碰撞假人。

为便于进行下述操作，需首先准备好质心测量仪，三坐标测量仪，宝马标记贴（用于标记上述标记点）。

（1）假人总成离散化

首先将整个进行假人离散化拆分，分成16个总成如图2所示，头部1、颈部2、胸部3、臀部4、左上臂5、左下臂6、左手7、右上臂8、右下臂9、右手10、左大腿11、左小腿12、左脚13、右大腿14、右小腿15、右脚16，拆分后的螺丝也应重新安装到总成位置中，不允许丢弃。此处主要考虑到人体关节连接问题，将假人分成16个分总成。

（2）分总成局部坐标质心测量

将假人各部分总成放置到质心测量仪上（如图3和图4所示，应当理解的是，也可以采用传统的质心测量装置），质心测量仪采用一体化测量设计结构，针对同一部件不需要对工装进行拆卸，核心装置包括重力传感器23，数据采集分析系统21，旋转钮20，支撑架19（由丝杠和上端支撑板组成），支撑台18，分总成放置组件（也可以理解为夹具工装）等，该质心测量仪也具有称取质量的功能。

示例性地，如图3所示，将左上臂5放置于质心测量仪上，左上臂5位于电机17的一侧，电机17可以通过其旋转轴带动左上臂5旋转。

具体测试方法如下：

①首选定义出用于测量的局部坐标系，局部坐标系的定义是以电机旋转轴的前端面圆心为坐标系原点，平行于电机17的旋转轴的方向为x方向，平行于台面且垂直于电机旋转轴的方向为y方向，垂直于台面的方向为z方向，如图5和图6所示。

②利用旋转钮20通过旋转丝杠，带动操控支撑架19托举支撑台18到脱离传感器测量台22的位置，将夹具工装安装到电机17上，再将支撑架19降低，使支撑台18完全承载到传感器测量台22上。此时数据采集分析系统21可以根据力矩平衡原理自动计算出空载时，在局部坐标系下工装的质心位置。然后再将假人的分总成安装到夹具工装上，重复上面的操作，可以先测出部件x方向和y方向两个方向的质心。

③然后进一步操控旋转钮20，使支撑架19抬起支撑台18，脱离传感器测量台22，利用电机电源启动电机17将分总成部件旋转90°，然后再将支撑架19降低，直到完全承载到传感器测量台22上，即可测量x方向和z方向的质心。组合即可测出部件在该质心测量仪局部坐标系下的质心位置，同时利用质心测量仪测量出，假人各部位的质量m_i。最终测得的16个假人分总成质心位置和质量如表1所示。

表1 假人各部分局部质心坐标及质量

（3）确定质心测量点到各部分总成质心点距离

具体步骤如下，在假人分总成表面寻找三个标记点为质心测量点，分别为Ai，Bi，Ci，测试出16个总成三个点在局部坐标系中的坐标值：

（3）确定质心测量点距离

在假人各部分总成上，寻找三个易于测量的表面标记点，具体步骤如下：

①在假人分总成表面寻找三个标记点，分别为Ai，Bi，Ci做好标记，以上臂为例（如图7所示），然后利用三坐标测量仪，建立与质心测量仪相同的局部坐标系。

②再利用三坐标测量仪，测量出Ai，Bi，Ci三个点在局部坐标系中的坐标点位置分别为测试出16个总成每个总成三个点在局部坐标系中的坐标点位置。

③然后利用局部坐标系中的坐标关系，计算出假人分总成质心到标记点A_i、标记点B_i和标记点C_i的距离，计算公式如下：

d_Ai ²=（x_局部质i-x_局部Ai）²+（y_局部质i-y_局部Ai）²+（z_局部质i-z_局部Ai）²

d_Bi ²=（x_局部质i-x_局部Bi）²+（y_局部质i-y_局部Bi）²+（z_局部质i-z_局部Bi）²

d_Ci ²=（x_局部质i-x_局部Ci）²+（y_局部质i-y_局部Ci）²+（z_局部质i-z_局部Ci）²；

其中：i=1-16，1-16分别代表头部、颈部、胸部、臀部、左上臂、左下臂、左手、右上臂、右下臂、右手、左大腿、左小腿、左脚、右大腿、右小腿、右脚。（x_局部质i，y_局部质i，z_局部质i）代表假人各部位的局部质心坐标值，（x_局部质Ai，y_局部质Ai，z_局部质Ai），（x_局部质Bi，y_局部质Bi，z_局部质Bi），（x_局部质Ci，y_局部质Ci，z_局部质Ci）分别代表Ai、Bi、Ci三个点在局部坐标系中的值。

④重复上述操作即可测试出假人所有部位标记点到质心的距离，如表2所示。

表2 每个总成质心对应的Ai，Bi，Ci三点位置距离

（4）假人的安放及定义整体坐标系建立

①将离散化的假人各部分总成组装起来，然后根据汽车安全带或汽车试验时的实际要求，调整座椅的前后到行程中间位置、上下距离行程中间及靠背角度25度位置，达到规定要求。

②将假人放置到座椅上进行定位，手部放置于方向盘上，假人位于座椅中间位置，背部与座椅贴合，左脚放置于休息踏板处，右脚放置于油门踏板处。

③假人摆放完毕后，建立假人的整体坐标系，如图8所示，以假人座椅的后部靠右的安装点螺丝中心为坐标原点，xy面为水平地面，x方向平行于车门下横梁，z方向垂直于水平地面。

（5）计算假人各部位在整体坐标系下的质心坐标

在（4）中建立的假人整体坐标系中，测量出每个总成的三个标记点Ai，Bi，Ci的坐标位置，然后根据质心到Ai，Bi，Ci三点的距离，列出方程如下，基于方程组中的三个方程推导出假人各自总成在整体坐标系中质心坐标值，具体计算公式如下：

d_Ai ²=（x_整体质i-x_整体Ai）²+（y_整体质i-y_整体Ai）²+（z_整体质i-z_整体Ai）²

d_Bi ²=（x_整体质i-x_整体Bi）²+（y_整体质i-y_整体Bi）²+（z_整体质i-z_整体Bi）²

d_Ci ²=（x_整体质i-x_整体Ci）²+（y_整体质i-y_整体Ci）²+（z_整体质i-z_整体Ci）²；

其中（x_整体质i，y_整体质i，z_整体质i）为各总成在假人整体坐标系下的质心坐标位置。推导出的假人各部分总成在整体坐标系中的位置如表3所示。

表3假人各部分在整体坐标系中的质心坐标位置

（6）基于各部分质心在整体坐标系下的坐标推导出假人质心坐标

假人属于多个部件组成的质心系统，可以在整体坐标系下，用以下公式进行推导得出假人在整体坐标系下的质心。假人整体坐标系中，三个分量计算公式为：

其中x_假人，y_假人，z_假人分别为假人在规定的整体坐标系下x方向，y方向和z方向的坐标值。求得的假人质心为（x_假人，y_假人，z_假人）。最终求得假人在整体坐标系下假人质心为（328.0，239.5，426.5）。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。

Claims (7)

1.一种用于碰撞假人的质心测量方法，其特征在于，包括：

在假人的各个分总成上选定至少三个标记点；

将各个分总成分别放置到质心测量仪上，测量各个分总成在局部坐标系中的局部质心坐标和各个标记点在局部坐标系中的局部坐标；

组装各个分总成，并根据试验要求将假人定位到车辆座椅上；

测量各个分总成的标记点在整体坐标系中的整体坐标；

根据所述局部质心坐标、所述局部坐标和所述整体坐标，计算各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标；

根据各个分总成的所述整体质心坐标，计算假人质心坐标；

其中，所述分总成是指假人身体的各个部位上所有零件组装起来的部件。

2.根据权利要求1所述的用于碰撞假人的质心测量方法，其特征在于，所述分总成至少为16个。

3.根据权利要求1所述的用于碰撞假人的质心测量方法，其特征在于，所述局部坐标系采用质心测量仪上的坐标系；所述整体坐标系以假人所在座椅右后侧安装点为原点，xy面与水平地面平行，x方向平行于车门下横梁，z方向垂直于水平地面。

4.根据权利要求1-3任一项所述的用于碰撞假人的质心测量方法，其特征在于，所述根据所述局部质心坐标、所述局部坐标和所述整体坐标，计算各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标包括：

针对每个分总成，根据所述局部质心坐标和所述局部坐标，计算各个标记点与局部质心之间的距离；

根据所述距离和所述整体坐标，计算各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标。

5.根据权利要求4所述的用于碰撞假人的质心测量方法，其特征在于，每个分总成上的标记点为三个，所述各个标记点与局部质心之间的距离采用以下公式计算：

d_Ai ²＝(x_局部质i-x_局部Ai)²+(y_局部质i-y_局部Ai)²+(z_局部质i-z_局部Ai)²

d_Bi ²＝(x_局部质i-x_局部Bi)²+(y_局部质i-y_局部Bi)²+(z_局部质i-z_局部Bi)²

d_Ci ²＝(x_局部质i-x_局部Ci)²+(y_局部质i-y_局部Ci)²+(z_局部质i-z_局部Ci)²；

其中，d_Ai为标记点A与局部质心之间的距离，d_Bi为标记点B与局部质心之间的距离，d_Ci为标记点C与局部质心之间的距离；x_局部质i为分总成i的质心在局部坐标系x轴的坐标，y_局部质i为分总成i的质心在局部坐标系y轴的坐标，z_局部质i为分总成i的质心在局部坐标系z轴的坐标；x_局部Ai为分总成i的标记点A在局部坐标系x轴的坐标，y_局部Ai为分总成i的标记点A在局部坐标系y轴的坐标，z_局部Ai为分总成i的标记点A在局部坐标系z轴的坐标；x_局部Bi为分总成i的标记点B在局部坐标系x轴的坐标，y_局部Bi为分总成i的标记点B在局部坐标系y轴的坐标，z_局部Bi为分总成i的标记点B在局部坐标系z轴的坐标；x_局部Ci为分总成i的标记点C在局部坐标系x轴的坐标，y_局部Ci为分总成i的标记点C在局部坐标系y轴的坐标，z_局部Ci为分总成i的标记点C在局部坐标系z轴的坐标。

6.根据权利要求5所述的用于碰撞假人的质心测量方法，其特征在于，各个分总成在整体坐标系中的整体质心坐标采用以下公式计算：

d_Ai ²＝(x_整体质i-x_整体Ai)²+(y_整体质i-y_整体Ai)²+(z_整体质i-z_整体Ai)²

d_Bi ²＝(x_整体质i-x_整体Bi)²+(y_整体质i-y_整体Bi)²+(z_整体质i-z_整体Bi)²

d_Ci ²＝(x_整体质i-x_整体Ci)²+(y_整体质i-y_整体Ci)²+(z_整体质i-z_整体Ci)²；

其中，d_Ai为标记点A与局部质心之间的距离，d_Bi为标记点B与局部质心之间的距离，d_Ci为标记点C与局部质心之间的距离；x_整体质i为分总成i的质心在整体坐标系x轴的坐标，y_整体质i为分总成i的质心在整体坐标系y轴的坐标，z_整体质i为分总成i的质心在整体坐标系z轴的坐标；x_整体Ai为分总成i的标记点A在整体坐标系x轴的坐标，y_整体Ai为分总成i的标记点A在整体坐标系y轴的坐标，z_整体Ai为分总成i的标记点A在整体坐标系z轴的坐标；x_整体Bi为分总成i的标记点B在整体坐标系x轴的坐标，y_整体Bi为分总成i的标记点B在整体坐标系y轴的坐标，z_整体Bi为分总成i的标记点B在整体坐标系z轴的坐标；x_整体Ci为分总成i的标记点C在整体坐标系x轴的坐标，y_整体Ci为分总成i的标记点C在整体坐标系y轴的坐标，z_整体Ci为分总成i的标记点C在整体坐标系z轴的坐标。

7.根据权利要求6所述的用于碰撞假人的质心测量方法，其特征在于，所述假人质心坐标采用以下公式计算：

其中，x_假人为假人在整体坐标系中x轴的坐标，y_假人为假人在整体坐标系中y轴的坐标，z_假人为假人在整体坐标系中z轴的坐标，k为分总成的数量，m_i为分总成i的质量。

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