CN115543010A - 一种力反馈手柄及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种力反馈手柄及其控制方法，属于触觉、力觉的人机交互技术领域。所述力反馈手柄不仅具有小型化的特点，而且具有转动惯量小，响应好的优点，其可应用于龙门吊操作、极端环境的机器人操纵以及直升机牵引等。本发明的力反馈手柄在两个自由度方向上的运动相互独立，无需解耦。在使用时，通过使操作手柄在两个自由度上的位置与反馈力交互控制，即一个自由度的位置绝对值增大，另一个自由度的阻尼力相应增大，可以防止误触。

Description

一种力反馈手柄及其控制方法

技术领域

本发明涉及力反馈技术，属于触觉、力觉的人机交互技术领域，具体涉及一种紧凑型二自由度力反馈手柄，主要用于海上作业装置工作，对极端环境机器人、直升机牵引等远程遥操纵。

背景技术

随着现如今工业的迅速发展以及人类认知环境的范围不断扩大，一些特种移动机器人在野外极端环境作业或直升机牵引入库时难以实现完全自主，需要人员参与作业。由于主动端远程控制从动端时，受环境影响，作业人员操作时对临场感有较强的依赖性，因此高性能的人机接口装置就很重要。

直升机具有在狭窄特殊环境垂直起降和空中悬停的优势，所以在日常的民用以及军事应用的需求量越来越大。直升机及其附属产业的研究随需求量增加而不断推进。

直升机停靠在地面或者舰船上时，需要进行入库回收保养。由于直升机工作环境是空中，靠旋翼与尾桨的旋转和变位来工作，而直升机入库是在地面或舰船上进行的，依靠自身结构无法完成，因此需要直升机牵引装置将直升机牵引入库。直升机牵引装置可分为欧系“鱼叉”-格栅助降系统、萨马赫牵引装置；俄系助降网装置、绞车牵引装置和美系ASIST助降系统。比较这几种牵引装置，美系的ASIST助降系统可以适应最严苛的情况。

美系ASIST助降系统是由集合两个单自由度摇杆的手操盒内进行操纵，牵引直升机入库或出库。在直升机牵引装置牵引的过程中，由于直升机后轮是万向轮，整体的系统是一个欠驱动系统，因此动力学十分复杂。在操作的过程中，操作者需要不断操作手操盒，进而调整直升机牵引装置，因此导致直升机入库和出库的操纵效率较低。

近年来，力反馈装置已经成为各国实验室的研究热点，而将力反馈装置运用到直升机牵引装置的研究较少。力反馈手柄控制直升机牵引的应用可以提高直升机入库和出库的效率，提升操纵稳定性和安全性。

公布号为CN 105116961 A的发明专利采用内框和中心筒的结构，设计二自由度运动的框架，并且在Y轴的另一侧设置配重平衡Y轴驱动装置带来的重力干扰。但是这种结构电机是横向平面安装的体积大，增加了手柄的体积，并且采用两个框架转动，通过增加配重来实现静态平衡会造成动态运动时转动惯量过大，操纵不稳的情况。

目前所提出的力反馈装置大多结构较为复杂，导致控制效果欠缺。另外，力反馈仅仅体现在对道路的障碍物与路感，对从端的控制对象的运动学考虑不足，手柄控制从动端的横向与纵向的运动与反馈力关系的研究欠缺，以二自由度力反馈手柄为例，手柄在操纵高速运动的探险汽车时，手柄控制行驶速度的自由度转动角度必为较大值，若控制转向的自由度转动角度也较大时，即汽车转向角速度较大，则控制的探险汽车易出现失稳，甚至侧翻等危险工况。

公布号为CN 113012516 A的发明专利采用框架来传动，利用旋转编码器采集电机位置信息进而控制月球车；其用三台力矩电机控制手柄的三个自由度，手柄的不同位姿状态对应不同反馈力矩。由于一个自由度带有电机转动，转动惯量更大。这种控制方法在操纵高速直线运动的从端时易误操作，从端易发生失稳现象，影响操纵稳定性和安全性。

发明内容

为了克服以上的问题，本发明提供了一种力反馈手柄以及控制方法，所述力反馈手柄结构紧凑简单，转动惯量小，动态响应好，并且力反馈手柄在两个自由度方向上的运动相互独立，无需解耦，在操作使用时能够提高从端的操纵稳定性。本发明在使用时，通过控制操作手柄在两个自由度上的位置与反馈力进行交互控制，即一个自由度的位置绝对值增大，则另一个自由度的阻尼力相应增大，可以防止误触。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。

第一方面，本发明提出一种力反馈手柄，所述力反馈手柄包括操纵手柄、连接模块、第一轴、两个相同的第二半轴；连接模块包括第一连接单元、第二连接单元，第二连接单元将两个第二半轴连接成第二轴，并使两个半轴轴心线位于同一直线上，与第一轴的轴心线垂直，在第二连接单元上有开口，操作手柄一端穿过该开口，另一端通过第一连接单元固定在第一轴上，操作手柄所在轴线与第一轴的轴心线的交点为第二轴的中点，固定好的操作手柄在其与第一轴确定的平面内能够独立于第一轴旋转；控制操作手柄在第二连接单元的开口中绕第一轴的轴心线转动，能够通过第一连接单元带动第一轴独立于第二轴绕第一轴的轴心线转动；控制操作手柄在第二连接单元的开口中绕第二轴的轴心线转动，能够通过操作手柄带动第二连接单元转动而再通过第二连接单元带动第二轴独立于第一轴绕第二轴的轴心线转动。

在上述技术方案中，操作手柄所在轴线与第一轴的轴心线的交点为第二轴的中点，因此第一轴的轴心线、第二轴的轴心线和操作手柄的轴心线相交于一点，而第一轴的轴心线与第二轴的轴心线垂直，第一轴垂直平分第二轴，使得操作手柄在两个方向的回转轴心线相交于一点，从而保证操作手柄的运动空间为部分球体，空间位置可以容易分解到第一轴和第二轴，映射唯一确定，不存在奇异点。控制操作手柄在第二连接单元的开口中绕第一轴的轴心线转动，能够通过第一连接单元带动第一轴独立于第二轴绕第一轴的轴心线转动，控制操作手柄在第二连接单元的开口中绕第二轴的轴心线转动，能够通过操作手柄带动第二连接单元转动而再通过第二连接单元带动第二轴独立于第一轴绕第二轴的轴心线转动，因此操作手柄在各个方向的运动都是相互独立的，不需要解耦。有利于实现操作手柄在两个自由度上的位置与反馈力矩能够交互控制，即一个自由度的位置绝对值增大，则另一个自由度的阻尼力相应增大，在这种交互控制方式中，可以防止误触，以保证操作的稳定性。

作为上述技术方案的改进，在力反馈手柄加入传动模块和驱动模块，以辅助实现操作手柄在一个自由度的位置绝对值增大，则另一个自由度的阻尼力相应增大。其中，所述传动模块包括第一齿轮组合、第二齿轮组合，第一齿轮组合位于第一轴的一端，第二齿轮组合位于第二轴的一端；所述驱动模块包括第一驱动、第二驱动；控制第一驱动能够使第一齿轮组合配合转动从而使第一轴绕第一轴的轴心线旋转；控制第二驱动能够使第二齿轮组合配合转动从而使第二轴绕第二轴的轴心线旋转。

在上述技术方案中，第一连接单元包括操纵叉、安装销；安装销将操纵叉固定在第一轴上，操纵叉用于连接操作手柄的一端。当操作手柄绕第一轴转动时，操作手柄通过安装销使得第一轴绕其轴心线转动。

在上述技术方案中，第二连接单元的一种实施方式为：其通过螺母与两个半轴连接，连接块横跨在第一轴上，中间有开口，使位于开口中的操作手柄能在开口中沿平行于第二轴的方向自由运动，也能在开口中沿垂直与第二轴的方向运动；当操作手柄沿垂直与第二轴的方向运动时，能够带动连接块转动而使第二轴绕第二轴的轴心线转动。

在上述技术方案中，所述第一齿轮组合、第二齿轮组合均为锥齿轮组合，每个锥齿轮组合包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，第二锥齿轮与第一锥齿轮垂直传动连接；第一锥齿轮固定在第一轴的一端或者第二轴的一端，第二锥齿轮固定在与第一轴或第二轴对应的传动轴上；当传动轴转动时，使得第二锥齿轮随着转动，并带动对应的第一锥齿轮转动，从而使第一锥齿轮所在的轴转动。通过采用锥齿轮传动变向，使操作手柄占用的体积更小。

在上述技术方案中，所述第一驱动、第二驱动均包括电机和减速器，当电机驱动传动轴转动时，通过减速器调整增加扭矩。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电机通过光电编码器检测操作手柄位置的变化，进而通过控制电机调整力矩，以实现当一个自由度的位置绝对值增大，另一个自由度的阻尼力相应增大。在这个技术方案中，当电机驱动传动轴转动时，位于传动轴上的第二锥齿轮转动，并带动第一锥齿轮转动，从而使第一锥齿轮所在的轴转动产生角度，该角度通过光电编码器测量获得。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一轴、第二轴的两端装有轴承，通过轴承端盖实现其所在轴的轴向定位，通过轴系传动，使操作手柄的转动惯量小。

作为上述技术方案的进一步改进，所述力反馈手柄还包括箱体，箱口四边有轴承安装座孔，用于放置第一轴和第二轴的两端，以帮助固定和支撑第一轴和第二轴。

第二方面，本发明提出一种针对上述任一所述力反馈手柄的控制方法。所述方法通过使力反馈手柄的第一轴和第二轴两个自由度上的位置与反馈力矩满足下述关系，以实现交互控制：

其中：M₁为第一轴的反馈力矩，θ₂为第二轴的转动角度，M₂为第二轴的反馈力矩，θ₁为第一轴的转动角度，k₁、k₂为位置与反馈力矩交互控制系数。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1、一种实施方式中的力反馈手柄结构示意图；

图2、一种实施方式中的安装架示意图；

图3、将图1的力反馈手柄放入图2中的安装架的示意图；

图中：1、操作手柄，2、箱盖，3、轴承端盖，4、箱体，5、操纵叉，6、安装销，7、键，8、第二半轴，9、第一锥齿轮，10、第二锥齿轮，11、传动轴，12、减速器，13、电机，14、连接块，15、螺母，16、第二半轴，17、轴承，18、第一轴，19、第一锥齿轮，20、第二锥齿轮，21、传动轴，22、减速器，23、电机，24、支持架。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，尽管在附图中示出了发明的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在本申请的描述中，需要理解的是，在结合图采用的指示的方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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；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申请中的具体含义。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在一种实施方式中，使用力反馈手柄遥操纵直升机牵引。该力反馈手柄的结构图示意图如图1-3所示。在实施时，力反馈手柄力使用了下述构件：

操作手柄(1)，箱盖(2)，轴承端盖(3)，箱体(4)，操纵叉(5)，安装销(6)，键(7)，第二半轴(8，16)，第一锥齿轮(9，19)，第二锥齿轮(10，20)，传动轴(11，21)，减速器(12，22)，电机(13，23)，连接块(14)，螺母(15)，轴承(17)，第一轴主轴(18)，支持架(24)。

第一轴主轴(18)、第二半轴(8，16)通过轴承(17)实现动态配合，通过轴承端盖(3)实现各自所在轴的轴向定位。

操纵叉(5)、安装销(6)构成第一连接单元。操纵叉用于连接操作手柄的一端，操纵叉通过安装销固定在第一轴(18)上。安装销两侧做耐磨处理，且装配方式为中间过盈装配，两边间隙装配。固定好的操作手柄在其与第一轴确定的平面内能够独立于第一轴旋转。

连接块(14)和螺母(15)构成第二连接单元。通过螺母将连接块的两端分别与两个第二半轴连接。连接块呈U型，垂直横跨在第一轴上，在横跨部分的中间有方形开口，操作手柄未被固定的一端从该开口伸出。在开口中，操作手柄能够在保持第一轴状态不变的情况下，带动连接块转动，从而带动第二轴绕自身轴心线转动，也能利用开口在不带动连接块转动的情况下，通过操纵叉带动第一轴绕自身轴心线转动。即：操作手柄在第一轴方向和第二轴方向的运动都是相互独立的，不需要解耦。当第一轴垂直平分第二轴时，且操纵叉固定在第一轴的中点时，操作手柄在两个自由度方向上的转动对称，由于操作空间是部分球面，故空间位置可以容易分解到第一轴和第二轴，映射唯一确定，不存在奇异点，方便实现控制算法。

第一锥齿轮(9，19)，第二锥齿轮(10，20)，传动轴(11，21)构成传动模块，减速器(12，22)，电机(13，23)构成驱动模块。在上述实施方式中，采用两组传动模块和两组驱动模块，一组传动模块位于第一轴的一端，另一组传动模块位于第二轴的一端，一组驱动模块用于驱动第一轴的传动模块，另一组驱动模块用于驱动第二轴的传动模块。通过驱动模块能够使传动模块转动，从而使各自所在的轴绕该轴的轴心线转动。以其中的一组为例：第一锥齿轮(9)位于第二轴的一端，用键(7)连接安装，第二锥齿轮位于传动轴的一端，用键连接安装，两个锥齿轮相互垂直传动连接。传动轴的另一端位于电机的输出端，通过控制电机提供驱动力转动，使其上的第二锥齿轮转动，带动第一锥齿轮转动而带动第二轴绕其自身轴心线旋转。在电机上有减速器增加扭矩，延长电机使用寿命。各组电机内部均有光电编码器，用于测量各组对应轴转动的角度。利用轴系且采用锥齿轮传动变向，使得整体占用体积较小，从而实现了一种结构简单且紧凑型的力反馈手柄。

为保护力反馈手柄的结构，所述力反馈手柄还包括安装架，如图2所示。安装架包括支持架、箱体和箱盖。箱体固定在支持架上，箱体侧面围挡，每个侧面的上方有轴承安装座孔，用于放置第一轴和第二轴的两端，下底面有口，将力反馈手柄安装在箱体中，驱动模块的电机能够从下底面伸出。箱盖有开口，用于操纵手柄放置在箱体和支持架中时，能够从开口伸出箱盖。箱体与箱盖通过定位销定位，螺钉连接。

当操作者操作手柄时，操作手柄的运动可以分解为两部分：绕第一轴转动和绕第二轴转动。绕第一轴转动时，操作手柄通过安装销使得第一轴绕其轴心线转动，第一轴的转动通过键连接传到该轴对应的锥齿轮组，进而传至对应的电机传动轴，经过与该传动轴连接的减速器传至对应的电机轴，并带动安装在该电机轴上的光电编码器转动，采集到操作手柄在第一轴转动的角度。绕第二轴转动时，操作手柄与第二轴的连接块通过线面接触与滑动，使得第二轴转动部分可以绕第二轴转动，进而通过键连接将运动传至该轴对应的锥齿轮组，由对应的第二锥齿轮通过键连接将运动经过对应的减速器，再传至对应的电机轴，安装在该电机轴上的光电编码器采集到相应的脉冲数，计算出操作手柄绕第二轴转动的角度。力反馈的实现与采集人手操作信号正好相反，由第一电机或第二电机发出功率传至操作手柄输出，从而实现操作手柄在两个自由度上的位置与反馈力矩交互控制，即：操作手柄的两个自由度各自满足下述关系：

其中：M₁为第一轴的反馈力矩，θ₂为第二轴的转动角度，M₂为第二轴的反馈力矩，θ₁为第一轴的转动角度，k₁、k₂为位置与反馈力矩交互控制系数，通过各自由度所需最大阻尼力与电机转动最大角度的三次方的比值确定。

将上述力反馈手柄应用于直升机，其控制方法的目的在于：当直升机牵引在高速纵向或横向运动时，操作手柄提供阻尼力，保证横向或纵向只有一个方向速度值大，防止操作人员误触，提高操纵的稳定性和安全性，提升直升机回收入库或者出库的成功率。其中，将横向对应于第一轴的方向，将纵向对应于第二轴的方向。

操作者控制操作手柄，第一光电编码器和第二光电编码器检测到操作手柄位置发生变化，控制直升机牵引的工作，关系表达式为：

V₁＝k_v1θ₁，V₂＝k_v2θ₂

式中：V₁为直升机在第一轴的分速度，θ₁为直升机在第一轴的转动角度，V₂为直升机在第二轴的分速度，θ₂为直升机在第二轴的转动角度，k_v1、k_v2通过各自由度所需最大阻尼力与电机转动最大角度的最大阈值的比值确定，控制操作手柄各个自由度转动角度范围：-15°～15°，所对应的速度值比例为：-1～1。各个自由度转动角度范围可根据实际情况改变阈值。

随着操作人员操纵手柄，通过控制器给第一电机和第二电机输出转矩的指令，电机分别传至手柄的力范围：-20～20N。

通过控制两个自由度的反馈力矩和位置关系实现交叉对应，以提升操纵的稳定性。若第一轴反馈力矩M₁，第二轴位置θ₂，则两个自由度的反馈力矩和位置关系的交叉对应关系为：

第一轴对应的电机通过其对应的电机传动轴、锥齿轮组将第一轴输出力矩传至操作手柄。当第二轴角度θ₂，即纵向线速度V₂增大时，为保证直升机牵引的稳定性，则横向线速度V₁应减小，增加第一轴阻尼力可以给操作者触觉提醒，横向阻尼力变大，不易横向操作手柄，防止误触。

同理，第二轴反馈力M₂与第一轴位置θ₁关系：

第二轴对应电机通过其对应的电机传动轴、轴锥齿轮组将第二轴输出力矩至操作手柄。当第一轴角度θ₁，即横向线速度V₁增大时，为保证直升机牵引的稳定性，则纵向线速度V₂应减小，增加第二轴阻尼力可以给操作者触觉提醒，防止误触。

操作者不再操作手柄时，松开手柄超过5s，两组光电编码器检测到对应的轴位置变化范围在很小的范围，控制器的计时器计时到5s，启动手柄复位模式。两个光电编码器将采集到的实际位置与原点位置做差值，并将差值输入PID控制器，通过PID控制器控制两个电机驱动手柄复位。

由于力反馈手柄在回收时的力反馈功能，可以结合进一步的避障以及路径规划，在操作手柄端进行位置引导，帮助操作者回收直升机，提高直升机回收效率。

综上可见，当将本发明的力反馈手柄应用于直升机时，控制方法简便，避免了大量计算。在对力反馈手柄实时控制过程中，充分考虑到直升机牵引的横向线速度(第一轴操纵)与纵向线速度(第二轴操纵)不能同时过量，在操作手柄即主端在某一自由度位置值过大时，通过对另一个自由度的电机施加大阻尼力，防止误操作，提升了操作的稳定性和安全性。不同应用场景会有不同的速度，本发明的力反馈手柄在两个自由度上独立运动，可方便根据不同的应用场景设置参数来实施控制。同时，相对传统的手操盒回收直升机的时候全靠操作者的视觉和经验来判断操作的细节问题，增加力矩反馈功能。

本发明的力反馈手柄，不仅可用于直升机，还可用于海上作业装置、极端环境机器人等远程遥操作。本发明中的连接件可采用具有相同功能的其它连接件进行替换。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种力反馈手柄，其特征在于：

所述力反馈手柄包括操纵手柄、连接模块、第一轴、两个相同的第二半轴；

连接模块包括第一连接单元、第二连接单元，第二连接单元将两个第二半轴连接成第二轴，并使两个半轴轴心线位于同一直线上，与第一轴的轴心线垂直，在第二连接单元上有开口，操作手柄一端穿过该开口，另一端通过第一连接单元固定在第一轴上，操作手柄所在轴线与第一轴的轴心线的交点为第二轴的中点，固定好的操作手柄在其与第一轴确定的平面内能够独立于第一轴旋转；

控制操作手柄在第二连接单元的开口中绕第一轴的轴心线转动，能够通过第一连接单元带动第一轴独立于第二轴绕第一轴的轴心线转动；

控制操作手柄在第二连接单元的开口中绕第二轴的轴心线转动，能够通过操作手柄带动第二连接单元转动而再通过第二连接单元带动第二轴独立于第一轴绕第二轴的轴心线转动。

2.根据权利要求1所述的力反馈手柄，其特征在于，所述力反馈手柄还包括传动模块和驱动模块；

所述传动模块包括第一齿轮组合、第二齿轮组合，第一齿轮组合位于第一轴的一端，第二齿轮组合位于第二轴的一端；

所述驱动模块包括第一驱动、第二驱动；

控制第一驱动能够使第一齿轮组合配合转动从而使第一轴绕第一轴的轴心线旋转；

控制第二驱动能够使第二齿轮组合配合转动从而使第二轴绕第二轴的轴心线旋转。

3.根据权利要求1所述的力反馈手柄，其特征在于：第一连接单元由操纵叉、安装销构成，通过安装销将操纵叉固定在第一轴上，操纵叉用于连接操作手柄的一端。

4.根据权利要求1所述的力反馈手柄，其特征在于：

第二连接单元为连接块，其通过螺母与两个半轴连接，连接块横跨在第一轴上，中间有开口，使位于开口中的操作手柄能在开口中沿平行于第二轴的方向自由运动，也能在开口中沿垂直与第二轴的方向运动；当操作手柄沿垂直与第二轴的方向运动时，能够带动连接块转动而使第二轴绕第二轴的轴心线转动。

5.根据权利要求2所述的力反馈手柄，其特征在于：

所述第一齿轮组合、第二齿轮组合均为锥齿轮组合，每个锥齿轮组合包括第一锥齿轮和第二锥齿轮，第二锥齿轮与第一锥齿轮垂直传动连接；

第一锥齿轮固定在第一轴的一端或者第二轴的一端，第二锥齿轮固定在与第一轴或第二轴对应的传动轴上；

当传动轴转动时，使得第二锥齿轮随着转动，并带动对应的第一锥齿轮转动，从而使第一锥齿轮所在的轴转动。

6.根据权利要求5所述的力反馈手柄，其特征在于：

所述第一驱动、第二驱动均包括电机和减速器，当电机驱动传动轴转动时，通过减速器调整增加扭矩。

7.根据权利要求6所述的力反馈手柄，其特征在于：

所述电机内部有光电编码器；

当电机驱动传动轴转动时，位于传动轴上的第二锥齿轮转动，并带动第一锥齿轮转动，从而使第一锥齿轮所在的轴转动产生角度，该角度通过光电编码器测量获得。

8.根据权利要求1所述的力反馈手柄，其特征在于：

所述第一轴、第二轴的两端装有轴承，通过轴承端盖实现其所在轴的轴向定位。

9.根据权利要求1所述的力反馈手柄，其特征在于：

所述力反馈手柄还包括箱体，箱口四边有轴承安装座孔，用于放置第一轴和第二轴的两端。

10.一种根据权利要求1-9任一所述力反馈手柄的控制方法，其特征在于：

通过使力反馈手柄的第一轴和第二轴两个自由度上的位置与反馈力矩满足下述关系，以实现交互控制：

其中：M₁为第一轴的反馈力矩，θ₂为第二轴的转动角度，M₂为第二轴的反馈力矩，θ₁为第一轴的转动角度，k₁、k₂为位置与反馈力矩交互控制系数。

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