CN217024565U - 自动货物装卸系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种自动货物装卸系统，货物(3)通过机械臂(22)在运输车辆(4)上进行码垛装车或拆码垛卸货，其特征在于，可移动的检测机器人(1)包括支架(11)，所述支架上设置有深度数据测量装置(12)，可移动的上下货机器人(2)包括柔性传送带(21)和机械臂(22)，所述机械臂(22)上设置有标定盘(23)。通过为作为手的上下货机器人和作为眼的检测机器人提供各自的可移动性，大幅提升了系统的覆盖范围，并且通过在机械臂上设置标定盘，方便实现每一次移动后的手眼标定。

Description

自动货物装卸系统

技术领域

本公开涉及物流领域，尤其涉及一种自动货物装卸系统。

背景技术

在生产企业中，存在将诸如化肥、粮食等袋装物品或箱装物品装入运货车厢的“码垛”需求。目前普遍采用人工搬运的方式在车厢内码放货物，这种装车方式需要大量的人力，劳动强度大、工作效率低且通常难以实现最优码放。

随着工业自动化和物流产业的发展，已经有越来越多的生产和物流企业试图利用机器人实现货物装车自动化。但现有的自动化装车方案存在安装成本高、装卸效率低、操作范围小等问题。

为此，需要一种能够以合理成本实现自动高效货物装卸的方案。

实用新型内容

本公开要解决的一个技术问题是提供一种自动货物装卸系统，该系统通过引入可移动的检测机器人和上下货机器人，提升机器视觉的检测范围和机械臂的可操作范围，并且通过设置标定盘方便地实现手眼标定，由此实现对大型装载车辆的货物装卸。

根据本公开的第一个方面，提供了一种自动货物装卸系统，货物通过机械臂在运输车辆上进行码垛装车或拆码垛卸货，其特征在于，可移动的检测机器人包括支架，所述支架上设置有深度数据测量装置，可移动的上下货机器人包括柔性传送带和机械臂，所述机械臂上设置有标定盘。

可选地，所述检测机器人包括与所述支架相连接的可移动机构。

可选地，所述可移动机构是安装在地面上的滑轨。

可选地，所述支架设置在两根滑轨之间的龙门架。

可选地，所述可移动机构沿着所述运输车辆的长度方向布置。

可选地，机械臂安装在所述柔性传送带靠近所述支架的一端。

可选地，所述柔性传送带的所述端布置在所述支架可在其上移动的滑轨之上，并且所述支架用作所述柔性传送带的阻挡装置。

可选地，所述柔性传送带的一端连接自动出货或进货系统。

可选地，所述深度数据测量装置是用于测量目标视野内物体深度信息的3D相机。

可选地，所述深度数据测量装置包括：结构光投射装置，用于向所述运输车辆投射结构光；以及具有预定相对空间位置关系的第一和第二图像传感器，用于各自对投射有所述结构光的所述运输车辆进行成像以获取第一和第二二维图像。

可选地，所述深度数据测量装置包括：可见光图像传感器，用于在所述结构光投射装置不投射所述结构光时对所述运输车辆进行成像以获取可见光图像。可见光图像与第一和第二二维图像共同用于确定所述揽收台内包裹的三维分布深度信息。

可选地，所述机械臂包括用于拾取货物的拾取装置，所述拾取装置包括：机械抓手和/或真空吸盘。

通过为作为手的上下货机器人和作为眼的检测机器人提供各自的可移动性，大幅提升了系统的覆盖范围，并且通过在机械臂上设置标定盘，方便实现每一次移动后的手眼标定。由此，能够在系统仅配备一个深度相机和一个机械臂的有限前期投入的情况下，实现对大型货车的全自动货物装卸。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的自动货物装卸系统的组成示意图。

图2A-C示出了根据本实用新型一个实施例的自动货物装卸系统在不同位置操作的俯视示意图。

图3示出了自动货物装卸系统中使用的深度数据测量装置的组成示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在生成和物流企业中，经常会遇到将生产出的或是仓储的大量物品进行装车运输的需求。在常规操作中，利用人工搬运的方式在车厢内码放货物，这种装车方式需要大量的人力，劳动强度大、工作效率低且通常难以实现物品的最优码放。

为此，本公开提出了一种自动货物装卸系统，该系统提供了分离设置且各自可移动的检测机器人和上下货机器人，由此能够以单个深度测量装置实现对更大区域内的货物自动装载或卸货。检测机器人用作系统的“眼”，上下货机器人用作系统的“手”，并且通过设置在上下货机器人上的(尤其是设置在机械臂拾取装置上的)标定盘来实现方便地手眼协同标定。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的自动货物装卸系统的组成示意图。

如图所示，自动货物装卸系统包括可移动的检测机器人1以及可移动的上下货机器人2。在此，检测机器人1实现为龙门架11上安装的深度相机12，作为系统的“眼”，用于获知其视野范围内各个物体的位置。上下货机器人2实现为从柔性传送带21上持续获取货物以进行装载的机械臂22(或者在卸货流程中，持续从货箱拾取货物来提供给柔性传送带21的机械臂22)，作为系统的“手”，用于在“眼”的指导下，将货物放到车辆的货箱的适当位置，或是从车辆获取的适当位置处拾取货物。

为了方便说明，如下将着重对上货过程进行描述，此时，本实用新型的自动货物装卸系统可以实现为自动货物装车系统，上下货机器人2实现为上货机器人，用于将来自仓库和/或自动出货系统的货物转移至车辆的车厢，即，货物通过上下货机器人2的机械臂在运输车辆4上进行码垛装车。但本领域技术人员应该理解的是，在其他实施例中，相同配置的这一系统也可以实现为卸货系统，并且上下货机器人2实现为下货机器人，用于将车厢内的获取转移至仓库和/或自动进货系统，即货物3通过机械臂22从运输车辆上进行拆码垛卸货，并经由传送带21的反向传输，送至进货口。

在图1的实施例中，检测机器人1实现为由可在两个滑轨13和14上移动的龙门架11来提供移动性，并由安装在龙门架11上的深度数据测量装置12(下文中也可称为深度相机12)来提供检测能力。换句话说，检测机器人1是移动形式和移动范围由滑轨和龙门架限定的具有有限移动能力的“眼”。

上货机器人2则可实现为设置在靠近柔性传送带21的一侧的机械臂22，并且由柔性传送带21提供一定程度的可移动性，由机械臂22提供在特定范围内的货物拾取和释放。换句话说，上货机器人2是移动形式和范围由柔性传送带限定，并在由柔性传送带确定的所述范围内，通过机械臂22实现拾取和释放的“手”。

传送带系统是制造业中的一个重要组成部分，用于将物料沿预定路径传送至指定位置。目前许多工厂的柔性制造系统在处理及存贮物料时都以计算机及机械手作为辅助设备，而将传送带作为主要传输设备。因此，系统效率很大程度上取决于传送带系统的灵活程度。常规的传送带系统由于每条传送带间的连接是固定的，因此它们之间的相对位置是不能改变的。相比之下，“柔性”传送带可以指能够为传送带两端(上料端和下料端)之一或两者提供一定程度的可移动范围的传送带。

为了配合检测机器人1的移动能力，本公开中使用柔性传送带21为上货机器人2提供与检测机器人1的移动能力相适应的移动能力，即，起码能够为机械臂22所在一侧提供可移动性，从而使得机械臂22能够与深度相机12保持相对固定(上述相对固定具有一定冗余性，因此需要标定盘参与标定)。具体地，虽然未在图1中示出(图1所示柔性传送带21可以看作是完整柔性传送带的一部分，即，靠近机械臂22的那一端的柔性传送带部分)，但柔性传送带的一端可以与出货系统相连。上述出货系统可以是人工或是自动出货系统，用于将仓库或是厂房中的存储的货物提供给柔性传送带，后者则可以通过传送皮带的运动，将货物运送到柔性传送带的另一端，即，靠近机械臂22的一端。由于深度相机12的视野范围和机械臂22的活动范围有限，因此在面对如图1所示的具有长车厢的运输车辆4时，为了在车厢内装满货物，龙门架需要在图中A、B、C所示的三个位置(即，滑轨14上的位置A’、B’、C’，可以对应于滑轨13上被遮挡的位置A、B、C，也可对应于图2单轨实现中的位置A、B、C)停留，相应地柔性传送带21底部装有滚轮，可以进行柔性程度内的伸缩，以使得机械臂22可以相应地位于A、B、C位置附近，从而实现对车厢前部、中部和后部的货物码垛(参见图2A-C)。

为了对车厢不同位置进行货物码垛，可以控制龙门架11和柔性传送带21设置有机械臂22的一端都移动到一个对应位置(例如，龙门架11移动到位置A，柔性传送带21设置有机械臂22的一端移动到靠近位置A；龙门架11移动到位置B，柔性传送带21设置有机械臂22的一端移动到靠近位置B等)。但由于检测机器人1和上货机器人2彼此并不固定，并且是通过各自运动到达指定位置，因此会因为引入电机驱动的机械相对运动而导致两者之间的相对位置改变。换句话说，龙门架11和柔性传送带21在机械控制下的协同运动仍然会引入偏差，例如几个厘米的横向偏差。上述偏差对于机械臂22的可靠拾取和释放是不可容忍的，因此需要引入去除上述偏差的机制。

为此，在每到达一个新位置(例如，ABC中的任意位置)时，仍然需要进行手眼标定，以使得相机12检测到的深度数据和机械臂22的运动数据重新在同一个xyz坐标系中协同。为此，本公开直接在机械臂22，尤其是机械臂22的拾取装置上设置一个标定盘，如图1所示的有棋盘图案的物体23，由此实现检测机器人1和上货机器人2之间的快速标定。

为了阐明本公开的自动货物装卸系统的可移动性，图2A-C示出了根据本实用新型一个实施例的自动货物装卸系统在不同位置操作的俯视示意图。虽然在图1中示出了在两根滑轨13和14上滑动的龙门架11的形式，但应该理解的是，检测机器人1的可移动性，也可以经由其他方式实现。例如，可以实现为单根滑轨13以及能够在滑轨13上滑动的支架11的形式(如图2所示)，甚至可以实现为能够自由活动的底座(例如，可以向各个方向运动的万向轮底座，并且不需要用于限制活动范围的滑轨)和固定在其上的支架的形式。

在检测机器人的可移动机构用于规定深度相机12的移动路径的情况下，例如在图1的双滑轨龙门架以及图2A-C的单滑轨支架的实施例中，可移动机构(图1中的滑轨13和14，以及图2A-C中的滑轨13)可以沿着所述运输车辆(4)的长度方向布置，并且可移动机构本身的长度要比所述深度数据测量装置(12)在所述长度方向上的视野覆盖范围要长。换句话说，滑轨13和14的长度应该长于图中虚线框指示的视野长度，例如，可以与该系统需要装卸的货车中的最长型号的长度相匹配。另外，虽然未在图中示出，但可以在每个滑轨两侧安装阻挡装置，以防止龙门架或者支架11滑出。

如下将结合图1和图2A-C，对自动货物装卸系统的组成和操作进行描述。

首先，运输车辆4驶入自动货物装卸系统并停放在恰当位置。即，运输车辆4的前进方向与图1的滑轨方向一致，并且位于龙门架11以及滑轨13和14所覆盖的体积范围内。

由于车辆4的车厢42较长，深度相机12的视野(如图1中的虚线所示)无法一次覆盖整个车厢范围，并且机械臂22的操作范围也有限，因此相机12所在支架11首先行进至位置A(图1和图2A可以看作是不同实施例中的位置A)。上述位置A可以位于车厢42的前侧，由此相机12的深度测量视野可以如图1和图2A中的虚线所示，覆盖大型货车4的车厢前部。此时，柔性传送带21也随之行进，使得位于传送带21一侧的机械臂22也来到车厢前部附近。由于此时柔性传送带21的下料口相距箭头所示的上料口最远，因此此时的柔性传送带21被伸拉到相对平直的状态。

^“在支架11和柔性传送带21移动到预定位置之后，深度相机12可以基于机械臂22上的标定盘23进行快速“手眼标定”，由此将深度相机12和机械臂基座统一在同一个坐标系中。在快速标定中，由于深度相机12与标定盘23的相对位置可以通过标定操作本身获得，而机械臂22的拾取端与基座的相对位置可以通过机械臂22多轴运动而被准确获知，因此可以通过方程联立消除标定盘23与拾取端之间的相对位置信息，从而直接根据深度相机12相对于标定盘23的标定结果以及拾取端相对于基座的位置信息来求取深度相机12和机械臂基座的相对位置，例如，获取相比于默认相对位置的偏差，并进行偏差补偿，从而实现深度相机12和机械臂22基座之间的快速标定。这样，机械臂22就可以在深度相机12的指导下，拾取柔性传送带21上持续传送的货物3，并放置在车厢42前部的预定位置。

当如图2A的灰色区域所示，深度相机12判定货物已经装满车厢42的前部时，则可以控制支架11移动至新的位置，如图2B所示的位置B。位置B可以位于车厢42的中部，由此相机12的深度测量视野可以如图2B中的虚线所示，覆盖大型货车4的车厢42的中部区域。此时，柔性传送带21也随之行进，使得位于传送带21一侧的机械臂22也来到车厢中部附近。由于此时柔性传送带21的下料口相距箭头所示的上料口的距离变近，因此此时的柔性传送带21的弯曲程度加大。

当如图2B的灰色区域所示，深度相机12判定货物已经装满车厢42的中部时，则可以控制支架11移动至新的位置，如图2C所示的位置C。位置C可以位于车厢42的尾部，由此相机12的深度测量视野可以如图2C中的虚线所示，覆盖大型货车4的车厢42的尾部区域。此时，柔性传送带21也随之行进，使得位于传送带21一侧的机械臂22也来到车厢尾部附近。由于此时柔性传送带21的下料口相距箭头所示的上料口的距离变得更为接近，因此此时的柔性传送带21的弯曲程度最大。

当如图2C的灰色区域所示，深度相机12判定货物已经装满车厢42的尾部时，系统就可判定当前车辆已经装载完毕。此时，车辆4可以驶离，以便进行后续车辆的装载。

应该注意到，当上料口位置固定时，柔性传送带21仍然保持相同的传送带长度，并且可以通过自身的弯曲来实现不同的出料口位置，并且其上可以同时传送相同数量的货物3。

柔性传送带21安装有机械臂22的那一端可以布置在滑轨13之上。在此，布置在滑轨13之上并不意味着柔性传送带21需要在滑轨13上滑动。如图1所示，柔性传送带21底部可以配备有轮子来提供可移动性，并且通过物理地位于滑轨13之上而能够被滑轨13限制横向移动。即，由于滑轨13位于柔性传送带21的底部的两侧轮子之间，因此能够起到控制柔性传送带21的横向移动的作用。进一步地，安装在滑轨13上的支架11可以用作柔性传送带21的阻挡装置，例如，使得柔性传送带21与支架11联动，以到达车厢的前部、中部和尾部附近。

在本实用新型中，优选使用能够主动投射结构光的深度数据测量装置作为深度相机12来实现对视野区域深度信息的获取。图3示出了根据本实用新型一个实施例的用于自动货物装卸系统的深度数据测量装置的正视图。在图1和图2A-C的例子中，上述正视图示出的光出入窗口可以朝下或斜向下设置，以便对车厢的目标区域(例如，虚线框指示区域)进行拍摄。

如图所示，深度数据测量装置12包括结构光投射装置121，用于向目标区域(例如，车厢内)投射结构光。为了与环境光加以区分，优选投射红外结构光，或是紫外结构光。在此，结构光可以是散斑结构光，也可以是条纹结构光。测量装置12可以使用图像传感器对投射的结构光进行成像，并从拍摄的二维图像中通过计算获取拍摄区域的深度信息。在图3的例子中，测量装置12采取双目成像结构，即，设置有两个图像传感器，第一图像传感器122和第二图像传感器123，两个图像传感器具有预定的相对空间位置关系，并且各自对投射有所述结构光的目标区域进行成像以获取第一和第二二维图像。随后可以通过像素窗口匹配和三角计算来获取视野范围内的货物的三维分布深度信息，即，计算出被测空间(目标区域)内照射到结构光的xy分布面上各个点的高度z取值，并由此获取目标区域内当前货物的三维信息。

测量装置12还可以包括可见光图像传感器124，优选可以是RGB传感器。RGB传感器124可以在投射结构光之外的时刻进行拍摄，以获取目标区域的可见光图像，上述图像能够与在前获取的深度信息合成，以获取更为准确的货物体积和位置信息。

虽然图3中示出了基于双目成像的深度数据测量装置(3D相机)，并且带有可见光成像功能，但应该理解的是，在其他实施例中，也可以基于单目与参考图像的比较来实现深度成像，并且可见光成像功能也是可选的。

在测量装置12拍摄到了计算深度信息/三维信息所需的图像之后，就可以利用计算装置基于所述第一和第二二维图像(以及可选的可见光图像)确定目标区域内货物的三维分布深度信息。上述计算装置可以位于测量装置12内，此时测量装置12除了具备测量功能外，其本身还具备深度数据生成功能。在其他实施例中，上述计算装置可以位于测量装置12之外，例如，位于自动货物装卸系统的单独设置的控制设备内。无论哪种形态，测量装置12都需要与外部进行数据通信(例如，有线或无线通信)，以将拍摄的图像信息和/或深度计算结果送出，用于对机械臂22的操作进行控制。

对于机械臂22的操作而言，在某些实施例中，深度相机12的视野范围除了覆盖需要进行码垛的车厢区域之外，还可以覆盖柔性传送带21靠近机械臂22的至少部分区域，从而能够对机械臂22要从传送带21上拾取的货物的三维信息进行测量，由此对机械臂22的货物拾取、移动和释放全程进行视觉指导。

在其他实施例中，深度相机12的视野范围可以仅覆盖需要进行码垛的车厢区域，换句话说，深度相机12仅对机械臂22要将当前拾取的货物放在哪里进行视觉指导，而不参与指导机械臂22从传送带21上对货物3的拾取。此时，机械臂22可以依靠自身的视觉系统(例如，机械臂22上也可以安装有轻型深度相机)，也可以依靠传送和拾取系统的合理设计来实现对货物3的准确拾取。在机械臂22自身安装有深度相机的情况下，机械臂22可以根据自身的视觉能力判定货物的高度和位置并进行拾取。而在依靠传送和拾取系统的合理设计来实现准确拾取的情况下，机械臂22其实并没有“看见”传送带上货物的准确位置，而仅仅是每次都在一个固定位置进行拾取(即，此时机械臂22默认能够在同一位置获取到要抓取的货物)。此种情况尤其适用于车辆上要装载的全部货物都具有相同外包装的应用场景。在装载货物外形变化时，通常需要通过对机械臂22的拾取位置的再编程或是对拾取头的更换来进行适配。

为此，系统可以包括控制装置，用于基于车厢内的当前深度信息，确定机械臂22在车厢内释放货物时坐标值，例如，机械臂22的机械手释放货物时的xyz取值。在例如货物拾取朝向与释放朝向具有偏差时(例如，车停歪了)，机械臂22的机械手还可以在拾取后释放前进行一定角度的旋转，以使得货物3被以期望的朝向放置在车辆内。而在深度相机12为机械臂22的货物拾取提供视觉指导的情况下，系统还可以包括第二控制装置，用于基于传送带21上的三维分布深度信息，确定机械臂22拾取货物时的坐标值，例如用于将拾取吸盘对准货物上表面中心。

在一个实施例中，上述控制装置和第二控制装置可以是合并在一起的单独控制装置，例如，与前述计算装置一并由系统中除了测量装置12和机械臂22之外的单独控制设备实现。此时，测量装置12和机械臂22需要各自与控制设备通信。在另一个实施例中，上述控制装置和第二控制装置可以位于机械臂22内，在前述计算装置位于测量装置内的情况下，可以通过测量装置12和机械臂22的直接通信来实现基于测量装置的测量结果对机械臂22的拾取和释放控制。

无论计算装置和控制装置具有何种实现形式，在本实用新型中，都是基于深度数据测量装置(即，深度相机12)获取的深度信息，为机械臂22提供起码一个坐标(释放货物的坐标，或者优选地，提供拾取和释放两个坐标)，由此使得机械臂22能够将货物3放置在车厢42内的期望位置。

在优选的实施例中，深度相机12还可以根据获取的车厢42的尺寸信息和货物3的尺寸信息，自行确定货物3在车厢42中的码放模式。

进一步地，虽然在图1和图2A-C中示出了货箱形式的货物3，但是应该理解的是，本实用新型的自动货物装卸系统也可以用于其他形式的货物装卸，例如袋装货物的装卸。另外，虽然在图1和图2A-C中示出了在传送带21上相隔一定距离传送的货物3，但在其他实施例中，货物，例如袋装货物也可以几乎无间隔地在传送带21上连续传送。相应地，机械臂22可以实现为真空吸盘、抓手、特型拾取头，或其任意组合，以一次性拾取一个甚至多个货物。

上文中已经参考附图详细描述了根据本实用新型的自动货物装卸系统。本公开通过为作为“手”的上下货机器人和作为“眼”的检测机器人提供各自的可移动性，大幅提升了系统的覆盖范围，并且通过在机械臂上设置标定盘，方便实现每一次移动后的手眼标定。由此，能够在系统仅配备一个深度相机和一个机械臂的有限前期投入的情况下，实现对大型货车的全自动货物装卸。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (12)

1.一种自动货物装卸系统，货物(3)通过机械臂(22)在运输车辆(4)上进行码垛装车或拆码垛卸货，其特征在于，可移动的检测机器人(1)包括支架(11)，所述支架上设置有深度数据测量装置(12)，可移动的上下货机器人(2)包括柔性传送带(21)和机械臂(22)，所述机械臂(22)上设置有标定盘(23)。

2.如权利要求1所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述检测机器人(1)包括与所述支架(11)相连接的可移动机构(13，14)。

3.如权利要求2所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述可移动机构是安装在地面上的滑轨(13，14)。

4.如权利要求3所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述支架(11)是设置在两根滑轨(13，14)之间的龙门架。

5.如权利要求2所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述可移动机构沿着所述运输车辆(4)的长度方向布置。

6.如权利要求1所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述机械臂(22)安装在所述柔性传送带(21)靠近所述支架(11)的一端。

7.如权利要求6所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述柔性传送带(21)的所述一端布置在所述支架(11)可在其上移动的滑轨(14)之上，并且所述支架(11)用作所述柔性传送带(21)的阻挡装置。

8.如权利要求1所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述柔性传送带(21)的一端连接自动出货和/或进货系统。

9.如权利要求1所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述深度数据测量装置是用于测量目标视野内物体深度信息的3D相机。

10.如权利要求9所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述深度数据测量装置包括：

结构光投射装置，用于向所述运输车辆(4)投射结构光；以及

具有预定相对空间位置关系的第一和第二图像传感器，用于各自对投射有所述结构光的所述运输车辆(4)进行成像以获取第一和第二二维图像。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述深度数据测量装置包括：

可见光图像传感器，用于在所述结构光投射装置不投射所述结构光时对所述运输车辆(4)进行成像以获取可见光图像。

12.如权利要求1所述的自动货物装卸系统，其特征在于，所述机械臂(22)包括用于拾取货物(3)的拾取装置，所述拾取装置包括：

机械抓手；和/或

真空吸盘。

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