CN114903376A - 一种自适应楼梯清洁机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自适应楼梯清洁机器人,可以实现对住宅区高层建筑的楼梯台阶的高效率清洁。此自适应楼梯清洁机器人主要由楼梯攀爬机构、底盘传动机构、四轮换向机构、清扫机构、拖洗机构、传感器与工控机系统;其中楼梯攀爬机构为穿插式机构,可以平稳地攀爬楼梯;四轮换向机构可以快速精确地在正常移动与清扫楼梯间切换,从而实现在台阶上横向清洁操作;清扫与拖洗机构采用干湿分离的结构,拖洗机构具有自清洁功能,清扫拖洗可以同时进行,大幅提高清洁效率。机器人通过传感器实现防跌落、防撞等环境感知功能,传感器连接在工控机系统上;此自适应楼梯清洁机器人具有小巧、高效、稳定、智能的优点。

Description

一种自适应楼梯清洁机器人
技术领域
本发明属于清扫机器人技术领域,特别是一种自适应楼梯清洁机器人。
背景技术
随着机器人技术的发展,机器人的应用领域越来越广。在许多居民住宅小区,清洁工有限的体力耐力可能无法胜任繁重的高层楼梯清洁工作。不仅工作质量和效率会大幅下降,繁重的清扫工作还会增加清洁工身体的风险。具有清洁楼梯功能的机器人还未广泛普及,若将机器人技术充分运用在楼梯清扫工作中,可以大幅度减小人力物力的投入,节约清洁成本,提高清洁效率,提高居民生活质量。
目前国内外对楼梯清洁机器人的设计多采用履带式或多箱体式设计,其攀爬楼梯的机构稳定性不足,另外履带会对台阶面造成损伤。对清洁机构的设计有的采用了单一的负压吸尘清洁方式,没有加入对台阶的拖洗,清洁效果难以保证;有的采用了和街道垃圾清扫车相同的“先扬尘再吸尘”的方案,不仅清洁效果不好,还会降低密闭的楼梯间的空气质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应楼梯清洁机器人,以实现对住宅区(高层)居民楼的楼梯台阶的稳定、高效率、干湿俱备的清洁。
实现本发明目的的技术解决方案为:
一种自适应楼梯清洁机器人,包括:
清扫机构,能够在传动机构带动下上下移动,用于对高一级台阶进行清扫;
拖洗机构,用于对低一级台阶进行拖洗;
楼梯攀爬机构,设有前端的万向轮和后端两个的攀爬机构驱动轮,能够相对机器人底盘上下移动;前端的万向轮用于支撑在高一级台阶上,攀爬机构驱动轮用于支撑在第一级台阶上;
楼梯攀爬机构下行时对机器人进行抬升动作,实现清扫机构、拖洗机构、四轮换向机构与地面分离,并能够在台阶上向前移动,带动机器人向台阶内侧移动,将四轮换向机构移动至高一级台阶上;楼梯攀爬机构上行时带动对机器人进行下降动作,实现清扫机构、拖洗机构、四轮换向机构与地面的接触;
四轮换向机构,设置在机器人底盘下端,能够在楼梯攀爬机构下行后实现90度转向,在楼梯攀爬机构上行时带动机器人横向移动,带动清扫机构和拖洗机构左右横移;完成清洗清扫后清洗动作后,带动机器人前进,实现楼梯攀爬机构向高一级台阶前进。
本发明与现有技术相比,其显著优点是:
(1)穿插式攀爬楼梯台阶的机构,配合万向轮与两轮驱动机构可以平稳地攀爬标准住宅区楼梯,同时对于一定限度的非标准台阶也可自适应攀爬。
(2)丝杠多连杆式的底盘换向机构,可以快速精确地在正常移动与清扫楼梯间切换,其中正常移动状态下,四个驱动轮旋转至前后方向,可以平稳地前后行驶,需要清扫楼梯时,四个驱动轮在丝杠与多连杆的控制下旋转90°,从而在台阶上横向移动以配合进行清洁操作。
(3)干湿分离的清洁机构,采用螺旋状毛刷与吸尘器结合以实现清扫,采用具有自清洁功能的拖洗机构,并且清扫与拖洗可以同时进行,大幅提高清洁效率。
附图说明
图1是本发明一种自适应楼梯清洁机器人的整体结构示意图;
图2是整体剖面结构示意图;
图3是楼梯攀爬机构结构示意图;
图4是底盘传动机构结构示意图;
图5是四轮换向机构结构示意图;
图6是清扫机构结构示意图;
图7是拖洗机构外部结构示意图;
图8是拖洗机构内部结构示意图;
图9是拖洗机构中的拖地带缠绕方式示意图。
图10为清洁机器人在楼梯清扫过程状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
如图1-10图所示,本发明的一种自适应楼梯清洁机器人,包括:楼梯攀爬机构、底盘传动机构、四轮换向机构、清扫机构、拖洗机构、传感器与工控机系统;
所述楼梯攀爬机构由第一轴承座101、第一升降丝杠102、升降导轨103、升降导轨滑块104、攀爬臂105、第一驱动电机106、第一同步带轮107、第一轴承108、第二驱动电机109、支撑板110、直角减速机111、攀爬机构驱动轮112、第一同步带114、导轨座115、第一电机支架116、万向轮117组成;
如图1-3所示,所述楼梯攀爬机构中,第一轴承座101分别固定于外壳001的内侧顶部和机器人底盘113上,第一轴承108安装在第一轴承座101中;第一升降丝杠102的上下两端安装在两个第一轴承108中;导轨座115固定于机器人底盘113上;升降导轨103安装在升降导轨底座115上;升降导轨滑块104与第一升降丝杠102螺纹配合,并与升降导轨103滑动配合,升降导轨103对升降滑块104的上下滑动进行导向;升降滑块104通过孔轴配合安装在攀爬臂105上;支撑板110固定在攀爬臂105的后部下端;两个第二驱动电机109以攀爬臂105为中心,对称固定在支撑板110的方形孔中;两个直角减速机111分别安装于两个第二驱动电机109上;两个攀爬机构驱动轮112分别安装在两个直角减速机111的输出轴端;第一驱动电机支架116固定于机器人底盘113上;第一驱动电机106安装在第一电机支架116上;第一同步带轮107固定在第一升降丝杠102上且靠近机器人底盘113的一端(下端);第一驱动电机106的输出轴和第一同步带轮107通过第一同步带114连接;万向轮117安装在攀爬臂105的前部下端。位于后部的两个攀爬机构驱动轮112处于同一高度,位于前部的万向轮117高于两个攀爬机构驱动轮112,以适应楼梯的台阶。
所述底盘传动机构由第二轴承座201、第二升降丝杠202、清洁机构导轨203、第三驱动电机204、清洁导轨滑块205、第二电机支架206、第二轴承207、第二同步带208、第二同步带轮209、清扫机构固定板210、清洁导轨固定板211组成;
如图1、2、4所示,所述底盘传动机构中,四个第二轴承座201分别固定于外壳001的内侧顶部和机器人底盘113上;四个第二轴承207分别安装在四个第二轴承座201中;两个第二升降丝杠202分别安装在四个第二轴承207中;第二驱动电机支架206固定于机器人底盘113;第三驱动电机204安装在第二驱动电机支架206上;其中一个第二升降丝杠202的底部设有两个第二同步带轮209(同轴),另一个第二升降丝杠202的底部设有一个第二同步带轮209,第三驱动电机204的输出轴通过第二同步带208与设有两个第二同步带轮209中的一个连接,同轴设置的另一个第二同步带209通过第二同步带208与另一个丝杠202上的第二同步带轮209连接。清洁导轨203固定于外壳001内侧;清洁导轨滑块205安装在清洁导轨203上,清洁导轨203用于清洁导轨滑块205上下滑动的导向;清扫机构固定板210与第二升降丝杠202通过螺纹配合,且通过清洁导轨固定板211与清洁导轨滑块205相连。清扫机构固定板210用于连接清扫机构。
所述四轮换向机构由蜗轮蜗杆减速电机301、联轴器302、传动连杆303、丝杠固定座304、左旋丝杠螺母座305、左旋丝杠306、螺母座导轨307、丝杠支承座308、电机连杆309、微型减速电机310、换向机构驱动轮311、右旋丝杠螺母座312、四轮换向机构底盘313、右旋丝杠314组成;
如图1、2、5所示,所述四轮换向机构中,四轮换向机构底盘313通过螺栓连接在机器人底盘113下端;左、右旋丝杠306、314通过两个丝杠固定座304和两个丝杠支承座308固定在四轮换向机构底盘313上;左、右旋丝杠螺母座305、312分别安装在左、右旋丝杠306、314上;蜗轮蜗杆减速电机301通过两个联轴器302将其两个输出轴与左、右旋丝杠306、314联接;左、右旋丝杠306、314的两端分别设有丝杠固定座304、丝杠支承座308进行转动支撑。两个传动连杆303的一端与左、右旋丝杠螺母座305、312转动连接,另一端分别与左右两端的电机连杆309转动连接;电机连杆309转动连接在四轮换向机构底盘313上;微型减速电机310与换向机构驱动轮311安装在电机连杆309的电机安装端;蜗轮蜗杆减速电机301、丝杠固定座304、丝杠支承座308均固定在四轮换向机构底盘313上。
所述清扫机构由清扫刷401、进尘口402、进尘口连接件403、垃圾收集仓404、吸尘风机405、支撑桁架406、清扫电机支架407、清扫电机408组成;
如图1、2、6所示,所述清扫机构中,进尘口连接件403安装在支撑桁架406的一端;进尘口402和垃圾收集仓404与进尘口连接件403相连;吸尘风机405固定在垃圾收集仓404的顶部;清扫刷401的一端与清扫电机408相连;清扫电机408通过清扫电机支架407固定在支撑桁架406上。垃圾收集仓404左右两侧对称的设有一个清扫刷401。
所述拖洗机构由滚轴支架501、第一粗滚轴502、第二粗滚轴503、细滚轴504、第一传动齿轮505、第二传动齿轮506、第三同步带轮507、第三同步带508、第四同步带轮509、清洗电机510、水箱511、拖地带512组成;
如图1、2、7、8、9所示,所述拖洗机构中,清洗电机510固定在水箱511顶部,清洗电机510连接第四同步带轮509,第四同步带轮509通过第三同步带508连接第三同步带轮507;两个第一粗滚轴502的两端分别通过滚轴支架501固定于水箱511底部;拖地带512从水箱511的一侧绕出,绕过位于水箱511下方的两个第一粗滚轴502(位于水箱外部),再从另一侧进入水箱511;
拖洗机构的水箱511内部结构如图8所示,6个细滚轴504安装在水箱511的内侧;两个第二粗滚轴503一端安装在水箱511内侧,另一端分别与水箱511外侧的第一传动齿轮505、第二传动齿轮506连接;细滚轴504的轴向与粗滚轴503的轴向平行布置。第三同步带轮507与其中一个第二粗滚轴50相连,两个第二粗滚轴503侧端分别设有第一传动齿轮505和第二传动齿轮506,第一传动齿轮505和第二传动齿轮506相啮合。
水箱511内部拖地带512的缠绕方式示意图如图9所示(图中虚线表示水位,水箱两侧设有拖地带512穿过的槽口),两个二粗滚轴503的外侧分别设有两个细滚轴504,两个二粗滚轴503的下侧分别设有一个细滚轴504。拖地带512的一端固定缠绕在一个第二粗滚轴503上,然后绕过位于其下端的一个细滚轴504后,穿过该第二粗滚轴503侧端的两个细滚轴504之间,然后绕过下方的两个第一粗滚轴502,向上绕过另一个第二粗滚轴503侧端的两个细滚轴504之间,在绕过位于其下端的一个细滚轴504后,另一端固定缠绕在另一个第二粗滚轴503上。
如图1、2所示,调整块601安装在清扫机构固定板210上,调整块601内部安装有弹簧602,弹簧602的另一端与清扫机构的支撑桁架406联接;拖洗机构中的水箱511、第三连接板605、第二连接板604、第一连接板603依次固定,第一连接板603固定在清扫机构固定板210上;
本发明的工作原理为:机器人初始状态为四轮换向机构中的四轮驱动,其楼梯攀爬机构的前后三轮、清扫机构的清扫刷401、拖洗机构的拖地带512均离地面一定高度;首先四轮换向机构驱动前进,机器人行驶至楼梯边缘,设置在机器人上的传感器与工控机系统检测到楼梯并发出指令;第一驱动电机106正向工作,通过第一同步带114、第一同步带轮107将动力传递到第一升降丝杠102;第一升降丝杠102匀速旋转,带动升降导轨滑块104相对机器人底盘113向下运动;通过孔轴配合安装有升降滑块104的攀爬臂105也向下运动,直至楼梯攀爬机构的前后三轮接触地面(万向轮117位于第一级台阶的外侧,两个攀爬机构驱动轮112位于地面层);在攀爬臂105向下运动的过程中,无论攀爬臂105前部的万向轮117和后部攀爬机构驱动轮112触地顺序如何,随着攀爬臂105绕着升降导轨滑块104凸台进行旋转,攀爬臂105前后轮的触地点总是可以自适应楼梯台阶的高度差;在机器人攀爬臂105自适应楼梯高度后,第一伺服驱动电机106继续工作,由于攀爬臂105使得前后三轮已接触台阶面,则使得机器人主体部分相对于攀爬臂105向上运动,即攀爬臂105作为机器人主体抬升的支撑结构;当机器人主体部分被攀爬臂105抬起一定高度时(此时四轮换向机构脱离地面),四轮转向机构开始工作,蜗轮蜗杆减速电机301正向工作,通过联轴器302带动左、右旋丝杠306、314同向旋转;左、右旋丝杠306、314上安装的左、右旋丝杠螺母座305、312会沿着螺母座导轨307分别以相反的方向直线运动,通过传动连杆303、电机连杆309带动四个换向机构驱动轮311以电机连杆309和四轮换向机构底盘313的固定轴为转轴进行旋转;通过控制器可以控制蜗轮蜗杆减速电机301的工作时间,进而控制四个换向机构驱动轮311的旋转角度(轴向转动90度),使得其可以从前后行驶切换至左右横移的模式;
当四轮换向机构中左右横移模式切换完成后,第一驱动电机106反向工作,使得升降丝杠102反向旋转,升降导轨滑块104相对升降丝杠102向上运动,带动机器人主体向下运动至四轮换向机构中的四轮重新接触地面;接着第一驱动电机106继续反向工作,使得楼梯攀爬机构的前后三轮离开地面一定高度;
第三驱动电机204通过同步带传动的方式将动力传递到第二升降丝杠202,第二升降丝杠202进行旋转,从而带动固定在清洁导轨滑块205上的清扫机构固定板210向下运动,直至清扫机构接触到地面(可通过在清扫机构上设置压力传感器等检测机构进行检测)。
清扫机构中的支撑桁架406通过弹簧601与清扫机构固定板210弹性联接,可以在弹簧弹性范围内始终保持清扫刷401与地面接触且产生一定压力,有利于增强清扫效果并实现清扫机构对台阶高度的自适应;
由四个微型减速电机310驱动四个换向机构驱动轮311使机器人横向移动,进行横向清扫、拖洗动作;
机器人可以同时对高一级的台阶进行清扫、对低一级的台阶进行拖洗,大幅提高清洁效率与清洁效果;
清扫机构的工作原理为:清扫电机408带动清扫刷401转动,扬起灰尘,连同地面的碎屑类垃圾一起扫入进尘口402;在垃圾收集仓404、进尘口402、吸尘风机405连接处做好密封,吸尘风机405工作往外吸出气流,在垃圾收集仓404内形成负压,帮助在进尘口402里的垃圾进入仓内。
拖洗机构的工作原理为:清洗电机510转动,通过第四同步带轮509、第三同步带508、第三同步带轮507,带动第二传动齿轮506和右侧的第一粗滚轴503转动;同时第二传动齿轮506带动第一传动齿轮505以相同的速度按照相反方向转动,使得右侧的第一粗滚轴503放出拖地带,同时左侧的第一粗滚轴503可以卷起等长的拖地带;在两个第二粗滚轴502的作用下,拖地带512张紧并与地面接触。通过控制清洗电机510往复正反转动,就可以实现水箱511下方的拖地带反复左右移动,以完成对台阶面的擦洗。每次清洗电机510往一个方向转动,可以使擦洗地面的那部分拖地带512进入水箱,完全浸入水中,下个行程电机往相反方向转动时,水中浸泡清洁过的拖地带通过水箱内靠近侧面的两个小滚轴挤干水分,出水箱后再次擦拭地面,从而实现拖洗功能。
当机器人清扫、拖洗完成后,第三驱动电机204反向旋转,第二升降丝杠202反向旋转,带动固定在清洁导轨滑块205上的清扫机构固定板210向上运动恢复初始状态;同时第一驱动电机106正向工作,机器人重复上述抬升主体的动作,楼梯攀爬机构的前后三轮接触地面(万向轮117位于第一级台阶的外侧,两个攀爬机构驱动轮112位于地面层),同时蜗轮蜗杆减速电机301反向工作,机器人反向重复四轮换向的动作,使四轮换向机构切换为前后行驶模式;
第二驱动电机109驱动攀爬机构驱动轮112向前转动,万向轮117向第一级台阶内侧移动,同时四轮换向机构伴随机器人主体一起向前移动,并位于第一级台阶上侧,然后底盘传动机构上升(高于台阶高度),楼梯攀爬机构的前后三轮脱离地面,四轮换向机构的四个换向机构驱动轮311与第一级台阶接触,然后第二驱动电机109的动力通过直角减速机111传给驱动攀爬机构驱动轮112,四轮换向机构前进带动机器人向第一级台阶内侧移动,四轮换向机构前进带动万向轮117位于第二级台阶的外侧上端,两个攀爬机构驱动轮112位于第一级台阶的上端。在向前行进的过程中,传感器可以监测机器人主体的运动,通过对两个第二伺服驱动电机109进行差速控制,可以调整机器人主体的行驶方向。
当万向轮117接近第二级台阶立面时,第一驱动电机106反向工作,重复上述机器人放下主体的动作;接着第一驱动电机106继续反向工作,将楼梯攀爬机构的前后三轮高于下一级台阶一定高度(万向轮117支撑在第二级台阶的外侧,两个攀爬机构驱动轮112支撑在第一级台阶上);
重复上述机器人的抬升、四轮换向机构的前后行驶转换为左右横移的动作,重复执行下一次清扫、拖洗动作;
自适应楼梯清洁机器人可采用24V直流移动电源供电;除标准件外,在材料满足强度、刚度、稳定性等条件下,各类加工件优先选用POM作为原材料,POM材料具有质量轻、机械性能高、易加工等优点,可以减轻机器人的整体重量,降低功耗,以提高作业效率和整体续航。

Claims (8)

1.一种自适应楼梯清洁机器人,其特征在于,包括:
清扫机构,能够在传动机构带动下上下移动,用于对高一级台阶进行清扫;
拖洗机构,用于对低一级台阶进行拖洗;
楼梯攀爬机构,设有前端的万向轮和后端两个的攀爬机构驱动轮,能够相对机器人底盘上下移动;前端的万向轮用于支撑在高一级台阶上,攀爬机构驱动轮用于支撑在第一级台阶上;
楼梯攀爬机构下行时对机器人进行抬升动作,实现清扫机构、拖洗机构、四轮换向机构与地面分离,并能够在台阶上向前移动,带动机器人向台阶内侧移动,将四轮换向机构移动至高一级台阶上;楼梯攀爬机构上行时带动对机器人进行下降动作,实现清扫机构、拖洗机构、四轮换向机构与地面的接触;
四轮换向机构,设置在机器人底盘下端,能够在楼梯攀爬机构下行后实现90度转向,在楼梯攀爬机构上行时带动机器人横向移动,带动清扫机构和拖洗机构左右横移;完成清洗清扫后清洗动作后,带动机器人前进,实现楼梯攀爬机构向高一级台阶前进。
2.根据权利要求1所述的自适应楼梯清洁机器人,其特征在于,所述楼梯攀爬机构包括第一升降丝杠、升降导轨滑块、攀爬臂、第一驱动电机、第一同步带轮、第二驱动电机、减速机、攀爬机构驱动轮、第一同步带、万向轮;
所述第一升降丝杠支撑在机器人壳体内,第一驱动电机固定在机器人底盘上,并通过第一同步带与第一同步带轮相连,第一同步带轮与第一升降丝杠相连;升降导轨滑块1与第一升降丝杠螺纹配合;机器人底盘上设有导向结构,用于对升降导轨滑块的上下移动进行导向;所述攀爬臂与升降导轨滑块相连,攀爬臂的前端设有万向轮,后端设有两个攀爬机构驱动轮,攀爬机构驱动轮通过第二驱动电机、减速机驱动。
3.根据权利要求1所述的自适应楼梯清洁机器人,其特征在于,所述四轮换向机构包括蜗轮蜗杆减速电机、联轴器、传动连杆、左旋丝杠、电机连杆、减速电机、换向机构驱动轮、四轮换向机构底盘、右旋丝杠;
所述蜗轮蜗杆减速电机、左旋丝杠、右旋丝杠均设置在四轮换向机构底盘上,四轮换向机构底盘连接在机器人底盘下端,蜗轮蜗杆减速电机的两个输出轴分别通过联轴器与左旋丝杠、右旋丝杠相连;左旋丝杠、右旋丝杠上均设有丝杠螺母座,丝杠螺母座上转动连接有两个传动连杆,传动连杆与电机连杆转动连接,电机连杆转动连接在四轮换向机构底盘上,换向机构驱动轮与电机连杆相连,并通过减速电机驱动。
4.根据权利要求1所述的自适应楼梯清洁机器人,其特征在于,所述传动机构包括第二升降丝杠、第三驱动电机、第二同步带、第二同步带轮、清扫机构固定板;
两个第二升降丝杠支撑在机器人壳体内,其中一个第二升降丝杠上设有两个第二同步带轮,另一个第二升降丝杠上设有一个第二同步带轮,第三驱动电机的输出轴通过第二同步带与其中一个第二升降丝杠上的一个第二同步带轮相连,另外两个第二同步带轮之间也通过一个第二同步带相连;所述清扫机构固定板与第二升降丝杠螺纹配合,机器人底盘上设有清扫机构固定板上下移动的导向机构;清扫机构固定板用于固定清扫机构。
5.根据权利要求4所述的自适应楼梯清洁机器人,其特征在于,所述清扫机构固定板上设有调整块,调整块内部安装有弹簧,弹簧的另一端与清扫机构连接。
6.根据权利要求1所述的自适应楼梯清洁机器人,其特征在于,所述清扫机构包括清扫刷、进尘口、进尘口连接件、垃圾收集仓、吸尘风机、支撑桁架、清扫电机;
所述进尘口连接件设置支撑桁架的一端;进尘口和垃圾收集仓与进尘口连接件相连;吸尘风机固定在垃圾收集仓的顶部;清扫刷的一端与清扫电机相连;清扫电机固定在支撑桁架上。
7.根据权利要求6所述的自适应楼梯清洁机器人,其特征在于,所述垃圾收集仓左右两侧对称的设有一个清扫刷。
8.根据权利要求1所述的自适应楼梯清洁机器人,其特征在于,所述拖洗机构包括滚轴支架、第一粗滚轴、第二粗滚轴、细滚轴、第一传动齿轮、第二传动齿轮、第三同步带轮、第三同步带、第四同步带轮、清洗电机、水箱、拖地带;
所述清洗电机固定在水箱顶部,清洗电机连接第四同步带轮,第四同步带轮通过第三同步带连接第三同步带轮;两个第一粗滚轴的两端分别通过滚轴支架固定于水箱底部;
六个细滚轴安装在水箱的内侧;两个第二粗滚轴一端安装在水箱内侧,另一端分别与水箱外侧的第一传动齿轮、第二传动齿轮连接;细滚轴的轴向与粗滚轴的轴向平行布置;第三同步带轮与其中一个第二粗滚轴相连,两个第二粗滚轴侧端分别设有第一传动齿轮和第二传动齿轮,第一传动齿轮和第二传动齿轮相啮合;
两个二粗滚轴的外侧分别设有两个细滚轴,两个二粗滚轴的下侧分别设有一个细滚轴;拖地带的一端固定缠绕在一个第二粗滚轴上,然后绕过位于其下端的一个细滚轴后,穿过该第二粗滚轴侧端的两个细滚轴之间,然后绕过下方的两个第一粗滚轴,向上绕过另一个第二粗滚轴侧端的两个细滚轴之间,在绕过位于其下端的一个细滚轴后,另一端固定缠绕在另一个第二粗滚轴上。
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