ES2333930A1 - Robot paralelo con cuatro grados de libertad. - Google Patents

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Abstract

Robot paralelo con cuatro grados de libertad que comprende cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1), estando cada una de dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) unida por un primer extremo a una plataforma móvil (3) configurada para portar una herramienta (4) y por un segundo extremo a un elemento fijo (5). Dicha plataforma móvil (3) está constituida por un elemento rígido, es decir, no flexible, o un elemento formado por la unión de una serie de miembros de tal modo que dicha unión sea rígida y no permita un movimiento relativo entre los diferentes miembros, formando por lo tanto un único elemento desde un punto de vista mecánico.

Description

Robot paralelo con cuatro grados de libertad.
Objeto de la invención
El robot de la invención tiene por objeto mover una plataforma que porta una herramienta para la manipulación de objetos o para la realización de acciones pick & place, con cuatro grados de libertad (tres traslaciones y un giro en torno a una dirección vertical), con aceleraciones y velocidades muy altas en cualquier dirección.
Antecedentes de la invención
Un robot paralelo comprende un soporte fijo o placa base sobre el cual se montan unos actuadores que, actúan sobre unos brazos articulados o cadenas cinemáticas que se unen a una plataforma móvil, en la cual se dispone la correspondiente herramienta.
En las publicaciones de patente estadounidenses US-A-4976582 y US 6729202 se describen robots paralelos con tres grados de libertad y en la publicación de patente europea EP-A-1084802 se describe un robot paralelo con cuatro grados de libertad, en concreto, tres traslaciones y un giro.
Los robots paralelos con cuatro grados de libertad, tres traslaciones y un giro en torno a una dirección principal, son muy adecuados para realizar tareas de manipulación o ensamblaje de piezas, y son mas sencillos, rápidos y baratos que robots paralelos más complejos, por ejemplo con 6 grados de libertad. A priori, se podría pensar en la definición de un robot paralelo de cuatro grados de libertad a partir de uno de complejidad inferior, como podría ser un robot de tres grados de libertad. Por ejemplo, en la publicación de Patente US 4.976.582 se describe la posibilidad de obtener un cuarto grado de libertad mediante la incorporación de una cuarta cadena cinemática que acciona directamente el cuarto grado de libertad (el giro de la herramienta), pero una solución de este tipo hace que este robot no presente una estructura paralela, por lo que queda fuera del campo de aplicación de la invención.
EP-A-1084802 describe un robot paralelo en el cual las uniones de la plataforma móvil son del tipo articulación, lo que permite alcanzar altas velocidades y aceleraciones. En concreto comprende cuatro cadenas cinemáticas, unidas por un lado a la plataforma móvil y por el otro, a través de actuadores rotativos, a la placa base.La plataforma móvil esta constituida por dos barras que se unen en sus extremos a las cuatro cadenas cinemáticas y una barra adicional, montada entre las dos primeras barras a través de uniones articuladas. La barra adicional es la que porta la herramienta. Con esta plataforma móvil se puede obtener una rotación de la herramienta de \pm 45º. Para conseguir una rotación mayor, es preciso incorporar elementos adicionales, por ejemplo, coronas dentadas.
Además, este diseño tiene un comportamiento poco homogéneo. Para compensar esta limitación, el propio titular de la Patente EP 1 084 802 desarrolló una nueva configuración descrita en la publicación: "I4: a new parallel mechanism for SCARA motions" Proc. of IEEE ICRA: Int. Conf. on Robotics and Automation, Taipei, Taiwan, September 14-19, 2003. En esta nueva configuración, la plataforma móvil comprende uniones prismáticas en lugar de uniones articuladas y las coronas dentadas se sustituyen por piñones-cremallera, reduciendo así los riesgos de colisión entre los elementos de la plataforma móvil.
La publicación WO-A-2006/087399 propone una solución a los problemas antes mencionados mediante una plataforma móvil constituida por cuatro elementos vinculados entre sí por uniones articuladas y cuatro cadenas cinemáticas formadas por cuatro barras paralelas siendo al menos dos paralelas y unidas mediante juntas de rotación esféricas.
Dicha solución presenta como desventajas el hecho de que la plataforma móvil debe ser montada uniendo los diferentes elementos que la constituyen, así como que el funcionamiento y realización de las juntas de rotación esféricas difícilmente corresponden con los valores teóricos.
Descripción de la invención
La invención se refiere a un robot paralelo, capaz de mover una plataforma en la que porta una herramienta con cuatro grados de libertad, tres traslaciones y un giro en torno a una dirección vertical, el cual comprende cuatro cadenas cinemáticas articuladas o brazos articulados, pudiendo ser éstos iguales. Cada una de estas cadenas cinemáticas está unida por un primer extremo a una plataforma móvil, por ejemplo de forma poligonal, preferentemente de forma cuadrada. En dicha plataforma móvil puede situarse una herramienta. Por un segundo extremo las cadenas cinemáticas articuladas se unen a un elemento fijo.
De acuerdo con la invención dicha plataforma móvil está constituida por un elemento rígido. Por elemento rígido se entiende un único elemento no flexible, o un elemento formado por la unión de una serie de miembros de tal modo que dicha unión sea rígida y no permita un movimiento relativo entre los diferentes miembros, formando por lo tanto un único elemento desde un punto de vista mecánico.
De esta manera se consigue que la realización sea más sencilla al evitar la unión de los diferentes elementos de la plataforma móvil mediante juntas esféricas u otro tipo de juntas. Como ya se ha mencionado, la plataforma de la presente invención es rígida, es decir, constituida por un único elemento rígido o por una pluralidad de ellos unidos sin que exista ningún grado de libertad en la unión. El modelado cinemático de la plataforma, por lo tanto, se simplifica al no tener ésta ningún grado de libertad. Por último, el desgaste o riesgo de rotura de la plataforma móvil queda minimizado por la ausencia de movimiento relativo entre los diferentes elementos de la misma.
Cada cadena cinemática articulada de la presente invención puede comprender dos primeras barras paralelas unidas por sus extremos mediante respectivas primeras juntas de rotación a dos segundas barras paralelas. Una de las primeras barras estará situada en la proximidad de la plataforma móvil y la otra en la proximidad del elemento fijo. Las dos segundas barras unirán las dos primeras barras en la dirección del elemento fijo a la plataforma móvil. Dicha unión de las primeras barras y las segundas barras forma un paralelogramo articulado. Los lados de dicho paralelogramo articulado, es decir, las primeras barras y segundas barras, quedan todos contenidos en un mismo plano. Esta configuración se mantiene tanto en la posición de reposo como en el movimiento de la cadena cinemática. Esto es debido a que los ejes de giro de las citadas primeras juntas de rotación son todos paralelos y a su vez perpendiculares al plano que contiene las primeras y segundas barras.
Las dos primeras barras pueden comprender en su zona media unas segundas juntas de rotación con sus ejes de giro paralelos entre sí. Una primera de las segundas de rotación está configurada para unirse a la plataforma móvil y una segunda de las segundas juntas de rotación configurada para unirse al elemento fijo.
Los ejes de giro de las segundas juntas de rotación pueden ser paralelos a los ejes formados por las dos primeras barras, permitiendo un movimiento de rotación en torno al eje que definen las propias primeras barras.
La primera de las segundas juntas de rotación, de cada una de las cadenas cinemáticas articuladas puede estar unida a la plataforma móvil mediante una barra articulada y a través de una cuarta junta de rotación, siendo los ejes de giro de cada una de las cuartas juntas de rotación paralelos entre sí. De esta forma, la barra articulada se une por un extremo a la plataforma móvil (a través de la cuarta junta de rotación) y por otro extremo a la cadena cinemática articulada (a través de la primera de las segundas juntas de rotación).
Los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación pueden ser perpendiculares al plano de la plataforma móvil. Se contempla como posibilidad de que la segunda de las segundas juntas de rotación, de cada cadena cinemática articulada del robot paralelo esté unida al elemento fijo mediante un actuador lineal o junta prismática.
Dicho elemento fijo puede estar formado por cuatro barras fijas en las que deslizan las juntas prismáticas mencionadas anteriormente. Cada cadena cinemática articulada estará montada mediante la segunda de las segundas juntas de rotación a la junta prismática correspondiente, según un eje paralelo a la extensión de una de las primeras barras. La posición de dichas barras fijas puede ser horizontal, vertical o inclinada respecto a un plano horizontal o vertical.
Frente a la configuración en la que el elemento fijo esté constituido por barras y su unión a las cadenas cinemáticas sea a través de una junta prismática que simultáneamente permite el giro de dichas barras respecto a las cadenas cinemáticas en las segundas de las segundas juntas de rotación, se contempla adicionalmente la posibilidad de que las cadenas cinemáticas articuladas estén unidas al elemento fijo mediante barras articuladas que se unen por un primer extremo a la segunda de las segundas juntas de rotación de cada cadena cinemática articulada y por un segundo extremo a terceras juntas de rotación motorizadas que están fijadas al elemento fijo.
La posición de cada tercera junta de rotación puede ser tal que su eje de rotación sea paralelo al eje de giro de las segundas juntas de rotación.
Alternativamente, los ejes de rotación de las terceras juntas de rotación pueden ser paralelos a los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación.
Las terceras juntas de rotación pueden ser accionadas por motores rotativos.
Las cuatro cadenas cinemáticas articuladas del robot paralelo pueden ser iguales o bien el robot paralelo puede comprender una combinación de las cadenas cinemáticas descritas.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de la invención según una primera realización.
Figura 2.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de la invención según una segunda realización.
Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de la invención según una tercera realización.
Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de la invención según una cuarta realización.
Figura 5.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de la invención según una quinta realización.
Figura 6.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de la invención según una sexta realización.
Figura 7.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de la invención según una séptima realización.
Figura 8.- Muestra una vista en perspectiva del mecanismo objeto de la invención según una octava realización.
Realización preferente de la invención
El robot paralelo propuesto en la presente invención tiene por objeto mover una plataforma móvil (3) que porta una herramienta (4) para la manipulación de objetos o tareas de pick & place, con cuatro grados de libertad, tres de traslación y un giro en torno a una dirección vertical.
Dicho robot se compondrá de una plataforma móvil (3), plataforma capaz de desplazarse con los cuatro grados de libertad anteriormente citados, perfectamente adaptada para portar las herramientas (4) y/u objetos que se consideren oportunos, que se unirá a un elemento fijo (5) por medio de cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1) de idéntica morfología, cadenas cinemáticas articuladas (1) que estarán compuestas por diferentes elementos unidos entre sí por juntas cinemáticas inferiores (juntas de rotación o prismáticas).
Refiriéndonos a la Fig 1, la plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1) de idéntica morfología PRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) estarán compuestas por un accionamiento lineal prismático o junta prismática (15), dispuestos sobre una base fija y orientados en la dirección mostrada en la Fig 1. Dicho actuador lineal (15) definirá la primera junta cinemática que compone la cadena PRPaRR, en este caso una junta prismática (P).
Sobre dicha junta prismática (P) se situará un elemento dotado de una segunda junta de rotación (R) (13) cuyo eje está dispuesto perpendicularmente a la dirección del actuador lineal y paralelo a la segunda de las primeras barras (7), según se puede observar en la Fig 1. Dicha segunda junta de rotación (13) de la segunda primera barra (7) servirá para unir el actuador lineal (15) con la estructura de paralelogramo articulado (1).
Dicha estructura paralelogramo articulado (Pa) (1) está formada por cuatro barras articuladas (6, 7, 9, 10) unidas entre sí por primeras juntas de rotación (R) (8), dotadas de movimiento plano gracias al hecho de que los ejes (11) de las cuatro juntas de rotación (R) (8) que la definen son paralelos. La longitud respectiva de las primeras barras (6, 7) será idéntica, del mismo modo que también será idéntica la longitud de las segundas barras (9, 10). Según puede observarse en la Fig 1, las primeras barras articuladas (6, 7) se unen a los diferentes elementos de la cadena cinemática por medio de segundas juntas de rotación (R) (12, 13), las juntas prismáticas (15) y una barra articulada (14). Los ejes de ambas segundas juntas de rotación (R) (12, 13) se definen estrictamente paralelos entre sí. En la realización mostrada en la mencionada figura 1, los ejes de las segundas juntas de rotación (12, 13) son perpendiculares a todos y cada uno de los ejes (11) de las primeras juntas de rotación (R) (8) que definen la estructura paralelogramo articulado. En la figura 7 se ha representado una realización en la cual los ejes de las segundas juntas de rotación (12, 13) son paralelos entre sí pero no son perpendiculares a los ejes (11) de las primeras juntas de rotación (8).
La plataforma móvil (3), sobre la que se situará el objeto y/o herramienta (4) a desplazar, se une a la estructura paralelogramo articulado por la primera de las primeras barras (12). La unión se realiza mediante una barra articulada (14), que se une a la plataforma móvil (3) a través de una cuarta junta rotativa (R) (17), con su eje de giro perpendicular al plano de la plataforma móvil (3). En las figuras 6 y 7 se representa una realización en la cual los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación (17) son paralelos entre sí, pero en este caso sus ejes no son perpendiculares al plano de la plataforma móvil (3).
La estructura del robot queda completada una vez son ensambladas las cuatro cadenas cinemáticas articuladas (3) que lo componen.
Analizando la movilidad del robot paralelo es posible determinar como cada una de las cuatro cadenas cinemáticas articuladas (3) que lo componen restringen un grado de libertad a la plataforma móvil (3). Sin embargo, gracias a la particular morfología de las cadenas cinemáticas articuladas (3) empleadas y a la orientación de las diferentes juntas que las componen, la movilidad de la plataforma móvil (3) una vez ha sido ensamblado el manipulador es de cuatro grados de libertad, tres grados de libertad de traslación y uno de rotación.
Realizando un análisis cinemático convencional del robot paralelo representado en la Fig 1, se puede definir el correcto emplazamiento de los actuadores con objeto de eliminar la aparición de singularidades que impidan su controlabilidad, pero manteniendo su simetría. Este emplazamiento consistirá en el posicionamiento de los cuatro actuadores sobre un mismo plano en dos direcciones ortogonales según se muestra en la Fig 1, evitando la colinealidad de los actuadores dispuestos en la misma dirección. La realización de análisis análogos permitirá determinar de igual forma el emplazamiento idóneo de los actuadores para todas y cada una de las realizaciones que se proponen a continuación.
Refiriéndonos a la Fig 2, la plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1) de idéntica morfología PRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) estarán compuestas por un accionamiento lineal prismático o actuador lineal (15) dispuesto en una dirección vertical según se muestra en la Fig 2, actuador lineal (15) que definirá la primera junta cinemática que compone la cadena PRPaRR, en este caso una junta prismática (P). Sobre dicha junta prismática (15) se situará un elemento dotado de una segunda junta de rotación (R) (13) cuyo eje está dispuesto perpendicularmente a la dirección del actuador lineal y paralelo al elemento inferior de la estructura paralelogramo articulado (Pa) o segunda de las primeras barras (7), según se puede observar en la Fig 2. El resto del montaje del robot paralelo es idéntico a lo comentado al describir la Fig 1.
Refiriéndonos a la Fig 3, la plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1) de idéntica morfología PRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) estarán compuestas por un accionamiento lineal prismático o actuador lineal (15) dispuesto en una dirección inclinada según se muestra en la Fig 3, actuador lineal (15) que definirá la primera junta cinemática que compone la cadena PRPaRR, en este caso una junta prismática (P). Sobre dicha junta prismática (P) se situará un elemento dotado de una segunda junta de rotación (R) (13) cuyo eje está dispuesto perpendicularmente a la dirección del actuador lineal y paralelo al elemento inferior de la estructura paralelogramo articulado (Pa) o segunda de las primeras barras (7), según se puede observar en la Fig 3. El resto del montaje del robot paralelo es idéntico a lo comentado al describir la Fig 1.
Refiriéndonos a la Fig 4, la plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1) de idéntica morfología RRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) estarán compuestas por unas terceras juntas de rotación (16), accionadas por un motor rotativo, cuyo eje está orientado en una dirección paralela a los ejes de giro de las segundas juntas de rotación (12, 13), según se muestra en la Fig 4, tercera junta de rotación (16) que definirá la primera junta cinemática que compone la cadena RRPaRR, en este caso una junta de rotación (R). Unida a dicha junta de rotación (R) (16) se situará una barra articulada (18) dotada de una junta de rotación (R) (13) o segunda junta de rotación de la segunda primera barra, paralela a la tercera junta de rotación (R) (16), cuyo eje está dispuesto paralelamente a la segunda primera barra (7) de la estructura del paralelogramo articulado (Pa), según se puede observar en la Fig 4. Dicha segunda junta de rotación (13) servirá para unir el elemento móvil (18) con la estructura del paralelogramo articulado. El resto del montaje del robot paralelo es idéntico a lo comentado al describir la Fig 1.
Refiriéndonos a la Fig 5, la plataforma móvil (3) se unirá al elemento fijo (5), mediante cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1) de idéntica morfología RRPaRR. Dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) estarán compuestas por unas terceras juntas de rotación (16), accionadas por un motor rotativo, cuyo eje es paralelo a los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación (17), según se muestra en la Fig 5, tercera junta de rotación que definirá la primera junta cinemática que compone la cadena RRPaRR, en este caso una junta de rotación (R). El resto del montaje del robot paralelo es idéntico a lo comentado al describir la Fig 1.
En la figura 6 se representa una realización en la cual los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación (17) son paralelos entre sí pero están dispuestos oblícuamente (no perpendiculares) al plano de la plataforma móvil (3). El resto de los componentes del robot son similares a los mostrados en la figura 1.
En la figura 7 se representa una realización en la cual los ejes de las segundas juntas de rotación (12, 13) son paralelos entre sí pero están dispuestos en dirección oblicua (no paralela respecto de los ejes formados por las primeras barras (6, 7). El resto de los componentes del robot son similares a los mostrados en la figura 1.
En la figura 8 se representa un robot de configuración no simétrica con dos cadenas cinemáticas RRPaRR similares a una de las cadenas cinemáticas representadas por ejemplo en la figura 4 y dos cadenas cinemáticas PRPaRR similares a una de las cadenas cinemáticas representadas por ejemplo en la figura 1.

Claims (16)

1. Robot paralelo con cuatro grados de libertad que comprende cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1), estando cada una de dichas cadenas cinemáticas articuladas (1) unida por un primer extremo a una plataforma móvil (3) configurada para portar una herramienta (4) y por un segundo extremo a un elemento fijo (5)
caracterizado porque
dicha plataforma móvil (3) está constituida por un elemento rígido.
2. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según la reivindicación 1, caracterizado porque cada cadena cinemática articulada (1) comprende dos primeras barras (6, 7) paralelas, unidas por sus extremos mediante respectivas primeras juntas de rotación (8) a dos segundas barras (9, 10) paralelas, formando dichas primeras barras (6, 7) y segundas barras (9, 10) un paralelogramo articulado de manera que las primeras barras y segundas barras quedan todas en un mismo plano, siendo los ejes de giro (11) de dichas primeras juntas de rotación (8) paralelos y perpendiculares al plano formado por las primeras barras (6, 7) y segundas barras (9, 10).
3. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según la reivindicación 2, caracterizado porque las dos primeras barras (6, 7) comprenden cada una en una zona media de dichas primeras barras unas segundas juntas de rotación (12, 13), con sus ejes de giro paralelos entre sí, estando una primera de las segundas juntas de rotación (12) configurada para unirse a la plataforma móvil (3) y una segunda de las segundas juntas de rotación (13) configurada para unirse al elemento fijo (5).
4. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según reivindicación 3, en el cual los ejes de giro de las segundas juntas de rotación (12, 13) son paralelos a los ejes formados por las propias primeras barras (6, 7).
5. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque la primera de las segundas juntas de rotación (12), de cada una de las cadenas cinemáticas articuladas (1), está unida a la plataforma móvil (3) mediante una barra articulada (14) a través de una cuarta junta de rotación (17, siendo los ejes de giro de cada una de las cuartas juntas de rotación (17) paralelos entre sí.
6. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según reivindicación 5 en el cual los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación (17) son perpendiculares al plano de la plataforma móvil (3).
7. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según una cualquiera de las reivindicaciones 2-6, caracterizado porque la segunda de las segundas juntas de rotación (13), de cada cadena cinemática articulada (1), está unida al elemento fijo (5) mediante juntas prismáticas (15).
8. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según la reivindicación 7, caracterizado porque el elemento fijo (5) comprende cuatro barras fijas sobre las que están montados de forma deslizable las juntas prismáticas (15) para cada una de las cadenas cinemáticas articuladas (1), estando cada cadena cinemática articulada (1) montada mediante la segunda de las segundas juntas de rotación (13) a la junta prismática (15) correspondiente, según un eje paralelo a la extensión de una de las primeras barras (6, 7).
9. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según una cualquiera de las reivindicaciones 7-8, caracterizado porque las cuatro barras fijas son horizontales.
10. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según una cualquiera de las reivindicaciones 7-8, caracterizado porque las cuatro barras fijas son verticales.
11. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según una cualquiera de las reivindicaciones 7-8, caracterizado porque las cuatro barras fijas son inclinadas respecto un plano horizontal y un plano vertical.
12. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según una cualquiera de las reivindicaciones 2-6, caracterizado porque las cadenas cinemáticas articuladas (1) están unidas al elemento fijo (5) mediante barras articuladas (18) que se unen por un primer extremo a la segunda de las segundas juntas de rotación (13), de cada cadena cinemática articulada (1) y por un segundo extremo a terceras juntas de rotación (16) motorizadas, fijadas dichas terceras juntas de rotación (16) motorizadas al elemento fijo (5).
13. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según la reivindicación 12, caracterizado porque los ejes de rotación de las terceras juntas de rotación (16) motorizadas de cada cadena cinemática articulada (1) es paralelo a los ejes de giro de las segundas juntas de rotación (12, 13).
14. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según la reivindicación 12, caracterizado porque los ejes de rotación de las terceras juntas de rotación (16) son paralelos a los ejes de giro de las cuartas juntas de rotación (17).
\newpage
15. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, caracterizado porque las cuatro cadenas cinemáticas articuladas (1) son iguales.
16. Robot paralelo con cuatro grados de libertad según cualquiera de las reivindicaciones 1-15, caracterizado porque la plataforma móvil (3) porta una herramienta (4).
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