CN212522923U - 拾球机器人系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种拾球机器人系统，包括：控制单元、拾取单元、避障单元、驱动单元、视觉单元、惯性测量单元、电源单元、其中，所述视觉单元被配置为包括通过USB和/或网口与控制单元通信连接的激光雷达、工业相机或摄像头；所述惯性测量单元被配置为包括陀螺仪和加速计。本实用新型通过在系统中设置与相机相配合的激光雷达，实现对球体的精准定位与最优路径规划，通过在驱动单元上设置惯性测量单元，对机器人当前的姿态进行获取，进而可以在行进前对机器人的位姿进行校正，基于校正后的机器人的位姿重新创建地图，能有效提高建立地图的精度，进而保证行进过程中能不断的对机器人进行修正，保证行进的精准度。

Description

拾球机器人系统

技术领域

本实用新型涉及机器人领域。更具体地说，本实用新型涉及一种用在拾取乒乓球情况下使用的拾球机器人系统。

背景技术

随着经济的发展，社会的进步，机器人智能化技术也逐渐被运用到各项运动中，比如：乒乓球运动中的发球机器人，可以发出不同球速的球，由于其智能化以及便捷性，为运动员们的日常训练提供了极大的便利。但在各种乒乓球类训练场所，运动员在训练过程中，地面上出现大量的无效球，而且运动员经过训练后的身体消耗很大，去一个一个去捡，既浪费时间又消耗体力。因此，如果有一种智能拾球机器人能够自主完成捡球工作，将可以解决人工捡球带来的弊端。但由于训练场所的复杂性和多变性，这就要求拾球机器人具有实时定位、感知环境以及自动导航实现避障完成拾取等相关功能。

现有技术中普遍存在定位精度低、导航效果差的问题，具体的如现有技术中申请号为CN201810309634.3，专利名称为一种基于视觉的机器人拾球方法，其视觉单元因只包括摄像头，故而在拾取过程中对球的位置识别精准度较差，而申请号CN201811253670.9，专利名称为：一种基于机器视觉的乒乓球拾取移动机器人及控制方法，其具有拾取装置结构简单，平台轻巧，占用空间小，自动化程度高，其通过激光雷达配合相机，提高乒乓球识别率，提升拾取准确率和效率的优点，但由于无法对机器人自身的姿态进行获取，故而影响机器人的行进过程中的精准度。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种拾球机器人系统，包括：

控制单元；

与控制单元通信连接以执行相关动作的拾取单元；

与控制单元通信连接以在行进过程中规避障碍物的避障单元；

对各单元进行搭载，并与控制单元通信连接以行进至指定位置的驱动单元；

与控制单元通信连接以对球体进行识别的视觉单元；

通过网口和/或IIC总线与控制单元通信连接的惯性测量单元，以及与控制单元电性连接以提供+5v，+3.3V，12V电压的电源单元；

其中，所述视觉单元被配置为包括通过USB和/或网口与控制单元通信连接的激光雷达、多个工业相机或摄像头；

所述惯性测量单元被配置为包括陀螺仪和加速计。

优选的是，所述避障单元被配置为包括：

设置在驱动单元外部壳体上的碰撞开关、超声波模块、红外检测模块。

优选的是，所述驱动单元被配置为包括：

车架，其上设置有至少四个车轮，有至少两个相对设置的车轮里设置有驱动电机；

设置在车架上的底层控制器，其被配置为采用stm32驱动板；

其中，所述驱动电机上设置有相配合的编码器，所述编码器通过IO接口与底层控制器通信连接，所述驱动电机的电机驱动器通过PWM接口与底层控制器通信连接。

优选的是，所述拾取单元被配置为包括：

设置在驱动单元上的拾取式第一机械手；

以及设置在驱动单元前端的吸取式第二机械手；

与第一机械手、第二机械手相配合的动作驱动器；

其中，所述驱动单元上还搭载有与第二机械手连通的储球室。

优选的是，所述第一机械手被配置为包括：

与车架相配合的多节第一机械臂；

设置在第一机械臂自由端的呈围合状的多个弧形夹持件，各夹持件的内侧臂上设置有柔性层；

其中，相对的夹持件通过相配合的夹持气缸进而构成一组夹持部。

优选的是，所述第二机械手被配置包括：

与车架相配合的多节且内部中空的第二机械臂；

设置在第二机械臂自由端的铲球盒，其纵截面被配置为呈U形结构，且在与第二机械臂相配合的一端设置有锥形过渡段；

设置在储球室内的抽风机；

其中，所述储球室在与第二机械臂相配合的位置上设置有进球口，所述储球室在与进球口间隔2-3个球的距离设置有隔板；

所述隔板通过相配合的锥形过风管与抽风机的风管连通，所述隔板上设置有多个透气孔。

本实用新型至少包括以下有益效果：其一，本实用新型通过在系统中设置与相机相配合的激光雷达，在获取球体的运动位置后，利用激光雷达的SLAM(simultaneouslocalization and mapping，即即时定位与地图构建)实时定位与建图技术，确定移动平台的位置，并在此地图上采用运动距离最短的路径规划算法选出最优路径，使移动平台以最短的路径运动到目标球附近，实现对球体的精准定位与最优路径规划。

其二，本实用新型通过在驱动单元上设置惯性测量单元，对机器人当前的姿态进行获取，进而可以在行进前对机器人的位姿进行校正，基于校正后的机器人的位姿重新创建地图，能有效提高建立地图的精度，进而保证行进过程中能不断的对机器人进行修正，保证行进的精准度。

其三，本实用新型通过提供两种拾取用机械手，使得其能不适应不同位置，不同个数球体的拾取需要。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施例中拾球机器人系统的组成框图；

图2为本实用新型的另一个实施例中驱动单元与拾取单元配合的结构示意图；

图3为图2中铲球盒的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语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实用新型和简化描述，并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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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实用新型中的具体含义。

图1示出了根据本实用新型的一种拾球机器人系统的实现形式，其中包括：

控制单元1，其被配置为采用微处理器，用于与拾取装置、惯性测量单元、激光雷达、底层控制器连接，分别接收并处理各模块的数据，然后对某些模块输出控制信号进行控制，在具体操作中用于对获取图像中的乒乓球进行检测确定目标球图像坐标系下的坐标和待拾取乒乓球图像坐标系下的坐标；根据目标球图像坐标系下的坐标确定移动平台运动的角度和速度发送给驱动单元的控制模块；将待拾取乒乓球的在图像坐标系下的坐标转换为机械臂坐标系下的坐标，并将待拾取乒乓球机械臂坐标系下的坐标发送给机械手臂的控制模块，机械手臂的控制模块，用于根据待拾取乒乓球机械臂坐标系下的坐标进行拾取球动作，并将球放置在储球模块中；

与控制单元通信连接以执行相关动作的拾取单元2，主要由拾球的机械结构、计数模块、对应的驱动装置组成，其通过拾取装置的机械结构对地面上的球进行拾取，并将拾取到的球存放到存储仓中，而计数模块对成功拾取的球进行计数，其中拾取的方式可以采用倒吸、夹取等；

与控制单元通信连接以在行进过程中规避障碍物的避障单元3，用于机器人的接触式避障或近距离非接触式避障，当机器人遇到静止障碍物时，局部避障传感器输出反馈信号传给微型处理器，微型处理器控制驱动模块躲避障碍物；

对各单元进行搭载，并与控制单元通信连接以行进至指定位置的驱动单元4，其用于对系统中其它单元进行集成，使各单元可安装于其上，以在其发生位移时，其它单元可以实时的伴随移动，在实际操作中，避障单元、激光雷达可以根据需要设置在驱动单元的外壳周围，所述驱动单元的底层控制器、电机驱动，控制单元和电源单元设置在移动平台内部；

与控制单元通信连接以对球体进行识别的视觉单元5，其用于采集周围环境图像和待拾取乒乓球图像，并将采集到的图像发送给数据处理模块；

通过网口和/或IIC总线与控制单元通信连接的惯性测量单元(惯性单元)6，以及与控制单元电性连接以提供+5v，+3.3V，12V电压的电源单元7，用于机器人的各模块供电，保障机器人的正常运作，以输出不同的电压(+5v，+3.3V，12V等等)，更进一步的能通过相配合的模块实现电压检测，稳压稳流，电量的计量和剩余电量等；

其中，所述视觉单元被配置为包括通过USB和/或网口与控制单元通信连接的激光雷达8、工业相机9或摄像头，工业相机或摄像头为多个，设置在驱动单元前端，用于采集机器人所处场地周围的球的图像，即采集乒乓球所在的周围环境图像并将采集到的图像发送给控制单元，设置在机械手臂的前端，用于采集待拾取乒乓球图像，并将采集到的图像发送给控制单元，以通过图像处理算法分析球的颜色，形状等信息确定球的相对位置和相对距离，激光雷达用于采集机器人周围环境信息，并根据激光雷达采集的机器人周围环境信息构建室内环境地图；

所述惯性测量单元被配置为包括陀螺仪(未示出)和加速计(未示出)，由陀螺仪和加速计组成，加速计会得到瞬时加速度，陀螺仪可以得到角速度，整体功能：通过对加速度和角速度进行结算，得到机器人自身的姿态，底层控制通过IIC总线对IMU的数据进行采集，然后对采集到的数据进行解算，得到机器人自身的姿态，在这种方案中，通过激光雷达以解决现有拾球机器人的定位精度低，导航效果差，可移植程度低，通用性差，感知障碍物存在盲区的问题。使用低成本、低精度的激光传感器能有效解决机器人定位精度低、导航效果差、由于存在障碍物对环境光照影响较大的情况。一方面利用激光传感器数据建立地图精度更高；另一方面，推动了低成本、低精度激光传感器在日常生活及科学研究中的应用，通过惯性测量单元能实时地对机器人的位姿进行获取，进而可以在行进前对机器人的位姿进行校正，基于校正后的机器人的位姿重新创建地图，能有效提高建立地图的精度，而采用激光雷达建立地图、利用摄像头或相机获取球体方位的方法属于现有技术，具体可参照现有技术中的《一种基于机器视觉的乒乓球拾取移动机器人》，而利用惯性测量单元对机器人姿态进行获取也属于现有技术，可参照现有技术中的《基于惯性测量仪的在线机器人参数辨识方法》，而本实用新型只是将工业相机、激光雷达、惯性测量单元集成在用于拾取的机器人系统中。

如图1，在另一种实例中，所述避障单元被配置为包括：

设置在驱动单元外部壳体上的碰撞开关10、超声波模块11、红外检测模块，现有技术中的拾球机器人通常采用红外二极管或超声波较为低廉的传感器进行定位导航避障，虽然上述各传感器价格低廉，但是定位精度和障碍物识别精度低，而且无法为机器人避障导航提供足够的信息，而采用这种方案的避障单元，能有效提高对障碍特的识别和定位精度，进而有效地保证驱动单元稳步运行。

如图1，在另一种实例中，所述驱动单元被配置为包括：

车架，其上设置有至少四个车轮(驱动轮)12，有至少两个相对设置的车轮里设置有驱动电机13；

设置在车架上的底层控制器14，其被配置为采用stm32驱动板，用于控制电机速度及移动平台的转动角度；

其中，所述驱动电机上设置有相配合的编码器15，所述编码器通过IO接口与底层控制器通信连接，所述驱动电机的电机驱动器16通过PWM接口与底层控制器通信连接，在这种结构中驱动单元包括由驱动轮、驱动电机、编码器、电机驱动器、底层控制器，用于机器人的方向和速度控制，反馈机器人的速度信息。方向控制包括：前进、后退，左右转向。该模块数量可以含有2组或4组(如果为两组，则含有两组从动轮)，驱动轮通过连接轴连接在驱动电机的转轴上，驱动电机上带有编码器，编码器用于检测驱动轮的转速。通过底层控制器控制驱动电机转动，底层控制器，比如：stm32驱动板，主要通过IO口读取编码器在特定周期内的脉冲数据，然后通过控制器中的定时器功能解码该数据，计算得到相应的位姿，主要包括：线速度和角速度。

如图1-2，在另一种实例中，所述拾取单元被配置为包括：

设置在驱动单元上的拾取式第一机械手17，其用于通过第一机械手的作用对位于边角，不利于在规模吸取的球体进行拾取；

设置在驱动单元前端的吸取式第二机械手18，其用于通过第二机械手对地面较多球体的情况下进行吸取操作，进而保证其拾取机器人的速度，同时采用这种方式的拾取操作，对球体的定位精度可以下调，进而保证其动作反应的速度满足实际操作中的要求；

与第一机械手、第二机械手相配合的动作驱动器19，其用于驱动各机械手完成相应的动作，而这种通过动作驱动器使机械手完成定势动作属于现有技术，如产线上的机械手臂完成拾取、转向、放置等动作，故在此不再叙述；

其中，所述驱动单元上还搭载有与第二机械手连通的储球室20，在这种方案中通过中空的第二机械手，可以将拾取的球体传输至储球室，完成对拾取后球的存储动作，而根据需要还可以设置相配合的计数模块，对拾取的个数进行计数，也可以在储球室底部设置相配合的压力传感器，根据其内部的质量对球的个数进行进行判断。

如图2，在另一种实例中，所述第一机械手被配置为包括：

与车架相配合的多节第一机械臂21；

设置在第一机械臂自由端的呈围合状的多个弧形夹持件22，各夹持件的内侧臂上设置有柔性层(未示出)；

其中，相对的夹持件通过相配合的夹持气缸23进而构成一组夹持部，在这这种结构中，通过多节式的机械臂，使得第一机械手可以根据需要进行弯曲、偏转、旋转，而在夹持件的内侧设置柔性层，其原因在于与乒乓球的外部结构以及质量相配合，增加夹持部的摩擦系数，进而保证其夹持效果，而多个呈围合状的夹持部在夹持气缸的作用下，向中心处缩紧，而位于中心处的乒乓球在夹持部的作用下向上移动，位于夹持部的中心处，完成对乒乓球的拾取操作，进一步通过第一机械臂的作用，将拾取后的乒乓球放置于储球室中，而为了保证其夹持效果，各夹持部的自由端内侧可以设置相应的锥形面或弯折部，使得其夹持效果更好。

如图2-3，在另一种实例中，所述第二机械手被配置包括：

与车架相配合的多节且内部中空的第二机械臂24；

设置在第二机械臂自由端的铲球盒25，其纵截面被配置为呈U形结构，且在与第二机械臂相配合的一端设置有锥形过渡段26；

设置在储球室内的抽风机27；

其中，所述储球室在与第二机械臂相配合的位置上设置有进球口28，所述储球室在与进球口间隔2-3个球的距离设置有隔板29；

所述隔板通过相配合的锥形过风管30与抽风机的风管连通，锥形过风管的作用在于扩大抽风口径，同时可以与进球口在空间上对应，保证其抽吸效果，所述隔板上设置有多个透气孔(未示出)，在这种结构中，通过抽风机产生的抽吸作用力将位于铲球盒前端的乒乓球，在铲的作用下将多个乒乓球置于铲球盒内，进一步的通过控制多节式第二机械臂处于上扬状，进而使得第二机械臂的各节在空间上处于倾斜状，而第二机械臂的内部中空状态使得其成为将铲球盒与储球室导通的关键环节，而位于铲球盒内各乒乓球可以在自身结构、以及通过第二机械臂的倾斜状态下，以及抽风机的抽吸作用下，顺利的从铲球盒内进入至储球室内，而抽风机的前端设置隔板的作用就在于，保证其抽吸作用力具有较大的空间，对乒乓球具有一定的抽吸引导效果，但不会将乒乓球吸附在隔板上，同时不会堵塞在风管上，同时可以通过设置抽风机的间断式作用，使得其具有抽吸效果，同时在不具有抽吸的作用下，乒乓球会在重力的作用下落至储球室内，而根据需要储球室内可以设置与外部设备相配合的出球口，进而保证顺利出球，而根据需要隔板与储球室底部具有预定距离，以保证其储球量满足使用要求，而储球室内在与进球口相配合的位置上，可以设置至少一个倾斜面31，以对球进行引导。

本实用新型的机器人各部件的工作原理在于：

电机转速控制：底层控制器通过PWM功能进行脉宽调制实现驱动电机转速的调节，并且通过采用PID算法形成反馈闭环调速系统。

编码器速度采样：底层控制器通过定时器解码编码器在特定周期内产生的脉冲信号，得到对应的线速度和角速度信息。

相机检测球的信息：根据相机采集到的图像信息，运用计算机视觉算法分析球的特征，比如：颜色，形状等，结合相机的参数和场景的深度信息计算出球的相对位姿，然后运用路径规划算法规划出一条最优的路径。

拾取装置拾取球：当机器人到达指定吸球位置时，微型处理器输出动作指令给底层控制器，底层控制器将信号解析，通过IO口控制拾取装置中的动作驱动器，动作驱动器结合拾取装置的机械结构将前方的球进行拾取，其中拾取的方式可以采用倒吸、夹取等，如果拾取成功，计数模块检测到反馈信号，最终反馈给微型处理器。

局部避障单元避障：当机器人遇到静止障碍物时，局部避障传感器通过发出光信号或声信号感知障碍物，输出信号给微型处理器，微型处理器控制驱动模块躲避障碍物，实现机器人的接触式避障或近距离非接触式避障，局部避障单元包含的传感器：碰撞开关、超声波模块、红外模块等(不局限这些)。

激光雷达采集机器人周围的环境信息，微处理器根据检测的环境信息构建周围环境的地图，生成代价地图，同时，相机模块检测机器人周围球的图像，微处理器通过算法得到球的位姿，局部传感器检测机器人周围的障碍物信息，微处理器通过算法得到障碍物的位姿，将球和障碍物的信息加载到地图中。根据惯性测量单元IMU检测出机器人旋转角度和编码器测出驱动轮的转速，微处理器根据旋转角度和驱动轮转速融合进行航迹推算，预测出机器人在环境地图中的位置，激光雷达实时采集环境特征，微处理器将预测的环境特征与实际环境特征进行匹配，如果匹配成功，则更新机器人的定位信息，如果没有匹配成功则更新环境地图，同时相机与局部传感器分别检测球、障碍物信息并加载到地图中，微处理器根据机器人在环境地图中的当前位置、环境地图以及球的信息规划出机器人的运动轨迹，控制驱动模块使机器人到达可拾取球的位置并在行进过程中躲避障碍物，当达到可拾取位置，控制拾取模块拾取球，成功拾取后，继续检测周围的环境信息和球的信息，而对于激光雷达传感器构建地图的方法，可以采用成熟的GMapping、Hector、Cartographer等算法。

综上，本实用的拾球机器人在实际操作中具有以下效果：

1、具有激光雷达的乒乓球拾球机器人，获取的环境信息更加的全面，建立的地图更加的完整，反馈障碍物的信息更加真实，能够探测地表障碍物及高于机器人的障碍物，对易碰撞、易跌落等的复杂环境感知能力强，不容易受困于各类障碍物中，工作更加的可靠；同时，也因为建立的地图更加的完整，可以相应的减少碰撞、超声波、红外、防跌落等传感器的设置，减少扫地机器人的复杂程度，并能减少因传感器数目较多带来的信息处理及地图错误等带来的故障。

2、系统的通用性更好，可移植程度更高，更能在较复杂的环境中运行。

3、对于位于墙角或者藏于障碍物后的乒乓球能够很好的拾取。

4、本实用新型采用低成本、低精度的激光传感器数据构建地图。在整个建图的过程中利用IMU传感器对机器人的位姿进行校正，基于校正后的机器人的位姿重新创建地图，能有效提高建立地图的精度。能够促进低成本、低精度激光传感器在日常生活和科研中的应用。

5、激光传感器几乎能全天候工作，保持一个稳定的状态，不容易受光照等环境信息的影响，同时激光传感器能获得比较准确的距离信息。在对速度要求不高的情况下，使用低成本、低精度的激光传感器是完全满足要求的。

6、相比较于前几年来说，各大激光雷达公司研发竞争加剧，使得激光传感器的成本大幅度下降。几年前，用于无人驾驶汽车级别的激光雷达售价8000-75000美元，现在一些公司同级别产品只需要300美元。对于该实用新型使用的激光雷达，完全可以使用更低成本、低精度的产品，也能满足需要。

以上各方案均只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本实用新型时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本实用新型的说明的。对本实用新型的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种拾球机器人系统，其特征在于，包括：

控制单元；

与控制单元通信连接以执行相关动作的拾取单元；

与控制单元通信连接以在行进过程中规避障碍物的避障单元；

对各单元进行搭载，并与控制单元通信连接以行进至指定位置的驱动单元；

与控制单元通信连接以对球体进行识别的视觉单元；

通过网口和/或IIC总线与控制单元通信连接的惯性测量单元，以及与控制单元电性连接以提供+5v，+3.3V，12V电压的电源单元；

其中，所述视觉单元被配置为包括通过USB和/或网口与控制单元通信连接的激光雷达、多个工业相机或摄像头；

所述惯性测量单元被配置为包括陀螺仪和加速计。

2.如权利要求1所述的拾球机器人系统，其特征在于，所述避障单元被配置为包括：

设置在驱动单元外部壳体上的碰撞开关、超声波模块、红外检测模块。

3.如权利要求1所述的拾球机器人系统，其特征在于，所述驱动单元被配置为包括：

车架，其上设置有至少四个车轮，有至少两个相对设置的车轮里设置有驱动电机；

设置在车架上的底层控制器，其被配置为采用stm32驱动板；

其中，所述驱动电机上设置有相配合的编码器，所述编码器通过IO接口与底层控制器通信连接，所述驱动电机的电机驱动器通过PWM接口与底层控制器通信连接。

4.如权利要求3所述的拾球机器人系统，其特征在于，所述拾取单元被配置为包括：

设置在驱动单元上的拾取式第一机械手；

设置在驱动单元前端的吸取式第二机械手；

与第一机械手、第二机械手相配合的动作驱动器；

其中，所述驱动单元上还搭载有与第二机械手连通的储球室。

5.如权利要求4所述的拾球机器人系统，其特征在于，所述第一机械手被配置为包括：

与车架相配合的多节第一机械臂；

设置在第一机械臂自由端的呈围合状的多个弧形夹持件，各夹持件的内侧臂上设置有柔性层；

其中，相对的夹持件通过相配合的夹持气缸进而构成一组夹持部。

6.如权利要求4所述的拾球机器人系统，其特征在于，所述第二机械手被配置包括：

与车架相配合的多节且内部中空的第二机械臂；

设置在第二机械臂自由端的铲球盒，其纵截面被配置为呈U形结构，且在与第二机械臂相配合的一端设置有锥形过渡段；

设置在储球室内的抽风机；

其中，所述储球室在与第二机械臂相配合的位置上设置有进球口，所述储球室在与进球口间隔2-3个球的距离设置有隔板；

所述隔板通过相配合的锥形过风管与抽风机的风管连通，所述隔板上设置有多个透气孔。

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