JP2018134059A - 収穫装置及び収穫方法 - Google Patents

Abstract

【課題】果物や野菜の果実等を効率よく連続収穫すること。【解決手段】収穫装置は、摘果用ハンド１と、摘果用ハンド１を植生中に移動させる関節型アーム４と、摘果用ハンド１または関節型アーム４に加わる荷重を検出するトルクセンサ２３と、トルクセンサ２３により検出された荷重に基づいて摘果用ハンド１または関節型アーム４と植生との間の干渉の有無を検出し、干渉が検出された場合に前記干渉を解消する制御を行う制御部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、果物または野菜の果実等を収穫する収穫装置および収穫方法に関する。

近年、農作物の収穫作業の自動化が望まれている。このような自動収穫を行う例として、例えば特許文献１に記載される収穫装置が知られている。

図１０は、一般的なトマトの結実状態の概略図である。図１１は、特許文献１に記載された従来の収穫装置８０の要部の概略構成図である。

従来の収穫装置８０は、栽培畝内の主茎１２から吊り下がる果房１６から果実１３を収穫する際、マニピュレータ８１を果房１６中に伸ばし、マニピュレータ８１の先端に配置している採果ハサミ８２で小果梗１５を切断する。そのため、マニピュレータ８１や採果ハサミ８２が、主茎１２や収穫対象外の果実などと干渉する可能性がある。

例えば、収穫動作が終了して、マニピュレータ８１を定位置に復帰させたり、次に収穫する果実位置へ採果ハサミ８２を移動させたり、走行車両８３を移動させたりするとき、マニピュレータ８１や採果ハサミ８２が、主茎１２や果実１３、果房１６を避けきれずにそれらに引っ掛かることで、主茎１２を切断したり果実１３を傷付けたりするなど、植生にダメージを与える懸念がある。

このようなことから、干渉が発生した場合、干渉を検出して収穫装置の運転をすみやかに停止させ、植生の安全を確保する必要がある。

装置と障害物の干渉を検出して動作を停止させる装置は、例えば特許文献２に記載されている。

図１２は、関節数を３（第１関節９２，第２関節９４，第３関節９６）、リンク数を３（第１リンク９１，第２リンク９３，第３リンク９５）として構造を簡略化した装置９０の概略図を表しており、第３リンク９５が障害物９７に当たったとき、第３リンク９５が逃げ角９８分だけ回転する逃げ動作を示している。

この装置９０は、第３リンク９５と障害物９７との衝突を逃げ角９８により検出し、衝突が検出された場合に停止処理を実行する。

特許第３７５７２７９号公報 特許第４７５６６１８号公報

前述のように、収穫装置８０による収穫動作では、果実１３を小果梗１５の部分で切り離して収穫するために、採果ハサミ８２を、主茎１２にぶら下がっている果房１６中に挿入することになる。

菜園等で栽培されている状態では、果房１６や主茎１２は密集して多数存在している。そのため、実際の収穫動作においては、密集した果房１６や主茎１２などの植生中に採果ハサミ８２を挿入し、小果梗１５を採果ハサミ８２で切断することにより果実１３の収穫動作を行い、収穫動作終了後、採果ハサミ８２を植生中から引き抜き、次の収穫位置へ収穫装置８０を移動し、収穫動作を継続することになる。

このとき、植生から採果ハサミ８２が上手く引き抜けずに、主茎１２と干渉したまま収穫装置８０を移動させると、採果ハサミ８２やマニピュレータ８１に主茎１２を引っ掛けたまま移動することになる。その結果、最悪の場合、主茎１２を切断したり、引き倒したりすることになる。

そのため、装置９０のように、マニピュレータ８１や採果はさみ８２に、マニピュレータ８１が主茎１３を引っ掛けたときに、逃げ角９８に相当する角度を検出するような機構を設けて、収穫装置８０の移動を停止させ、作業者が、干渉状態を解除する必要がある。

しかし、採果ハサミ８２は、収穫動作毎に植生中に挿入され、また、植生中から引き抜かれるため、植生の状態によっては主茎１３を引っ掛ける確率が高く、そのたびに装置８０を停止させていては連続収穫が効率よくできなくなる。

本発明は、果物や野菜の果実等を効率よく連続収穫することが可能な収穫装置および収穫方法に関する。

上記目的を達成するために、本発明の収穫装置は、摘果用ハンドと、摘果用ハンドを植生中に移動させるアームと、摘果用ハンドまたはアームに加わる荷重を検出する検出部と、検出部により検出された荷重に基づいて摘果用ハンドまたはアームと植生との間の干渉の有無を検出し、干渉が検出された場合に干渉を解消する制御を行う制御部と、を備える。

また、本発明の収穫方法は、検出部が、摘果用ハンド、または、摘果用ハンドを植生中に移動させるアームに加わる荷重を検出する検出工程と、制御部が、検出工程において検出された荷重に基づいて摘果用ハンドまたはアームと植生との間の干渉の有無を検出し、干渉が検出された場合に干渉を解消する制御を行う制御工程と、を含む。

本発明の収穫装置および収穫方法によれば、果物や野菜の果実等を効率よく連続収穫することができる。

本発明の実施の形態にかかる収穫装置の概略構成の一例を示す図 通路に敷設されている軌道上に収穫装置を配置した状態を示す図 マニピュレータの関節型アームを畝中に伸ばした状態を上から見た概略図 収穫装置が行う収穫動作について説明するフローチャート 収穫装置が行う収穫動作について説明するフローチャート 収穫装置が行う収穫動作について説明するフローチャート 収穫装置が行う収穫動作について説明するフローチャート 収穫動作時の関節型アームの動きを示す図 主茎が関節型アームおよび摘果用ハンドと干渉した状態を示す図 一般的なトマトの結実状態の概略図 従来の収穫装置の要部の概略構成図 関節数を３、リンク数を３として構造を簡略化した装置の概略図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を付しており、説明を省略する場合もある。

まず、本発明の実施の形態における収穫方法に用いる収穫装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる収穫装置１００の概略構成の一例を示す図である。図２は、通路に敷設されている軌道１１上に収穫装置１００を配置した状態を示す図である。

この収穫装置１００は、トマトなどの果実等を収穫することを目的とする装置である。もちろん、果物の果実や、畝にランダムになるナスやキュウリなどの果菜類の果実等にも適用可能である。

トマトは路地や施設内で栽培されるが、本実施の形態では、施設内で栽培されているトマトを収穫することを前提に説明する。このような施設内では、通常、作業者が栽培や収穫作業を行うための通路が設けてあり、その通路の両脇の畝にトマトなどの果菜が植えつけられている。

例えば、図２に示されるように、通路の両脇には、主茎１２にぶら下がった状態で果実１３が結実している。そして、収穫装置１００は、畝と畝の間の軌道１１上を移動しながら自動で収穫作業を行っている。もちろん、無軌道での移動作業であっても良い。

図１に示す収穫装置１００は、摘果用ハンド１、マニピュレータ２、粗認識カメラ５、精認識カメラ６、移動機構部７、制御部８、コンベア９、収納部１０を備える。マニピュレータ２は、上下方向に移動可能なスライド機構３と関節型アーム４とを有する。

収穫装置１００は、移動機構部７の働きにより軌道１１に沿って移動する。移動機構部７は、例えば、収穫装置１００を移動させる車輪である。そして、収穫装置１００は、果実１３を粗認識カメラ５と精認識カメラ６で検出し、マニピュレータ２の先端に搭載された摘果用ハンド１で収穫する。

具体的には、粗認識カメラ５は、収穫装置１００が畝と畝の間の軌道１１上を移動する際、畝に沿った領域を撮像する。制御部８は、粗認識カメラ５により撮影された画像に基づいて、精認識カメラ６が収穫対象の果実を撮影できる位置まで収穫装置１００を移動させる。

また、精認識カメラ６は、収穫対象の果実を撮影する。制御部８は、精認識カメラ６により撮影された画像に基づいて果実の３次元における位置や、色、大きさなどから収穫すべき果実があるか否かを判定する。

そして、制御部８は、収穫すべき果実があると判定した場合に、摘果用ハンド１、および、マニピュレータ２を制御して、その果実の収穫を行う。収穫された果実は、コンベア９によって収納部１０に運ばれ、収納部１０に収納される。

図３は、マニピュレータ２の関節型アーム４を畝中に伸ばした状態を上から見た概略図である。なお、図３では、主茎１２は、果実１３の周辺にある部分のみ示されている。

関節型アーム４は、第１関節１７、第２関節１９、第３関節２１、第１アーム１８、第２アーム２０、第３アーム２２、および、トルクセンサ２３を有する。

関節型アーム４は、第１関節１７、第２関節１９、および、第３関節２１により、第１アーム１８、第２アーム２０、および、第３アーム２２を伸ばしたり、あるいは、たたんだりすることができる。

また、トルクセンサ２３は、摘果用ハンド１、または、関節型アーム４にかかる荷重、および、荷重がかかる方向を検出する検出部である。制御部８は、トルクセンサ２３から荷重の情報を取得し、所定値以上の荷重がかかった場合に摘果用ハンド１、または、関節型アーム４と植生との間で干渉が発生したと判定する。

つぎに、収穫装置１００が行う収穫動作について説明する。図４〜図７は、収穫装置１００が行う収穫動作について説明するフローチャートである。図８は、収穫動作時の関節型アーム４の動きを示す図である。ここで、図８（ａ）は、収穫動作を行う前の関節型アーム４の定位置の一例を示している。図９は、主茎１２が関節型アーム４および摘果用ハンド１と干渉した状態を示す図である。

図４に示すように、まず、制御部８は、粗認識カメラ５、および、精認識カメラ６で撮影された画像を解析して、果実の結実状態、および、果実の３次元の位置座標の情報を取得する（ステップＳ１）。

そして、制御部８は、取得した情報から、収穫すべき果実があるか否かを判定する（ステップＳ２）。収穫すべき果実があると判定した場合（ステップＳ２においてＹＥＳの場合）、収穫装置１００は収穫動作を開始する（ステップＳ３）。この収穫動作については、後に図５を用いて詳しく説明する。

その後、制御部８は、トルクセンサ２３から取得した荷重の情報に基づき、摘果用ハンド１、または、関節型アーム４に異常な荷重がかかっているか否かを判定する（ステップＳ４）。

異常な荷重がかかっていない場合（ステップＳ４においてＮＯの場合）、制御部８は、収穫動作が終了したか否かを判定する（ステップＳ５）。収穫動作が終了していない場合（ステップＳ５においてＮＯの場合）、ステップＳ４以降の処理が再度実行される。

収穫動作が終了している場合（ステップＳ５においてＹＥＳの場合）、収穫されずに残っている他の果実について、ステップＳ１以降の処理が再度実行される。収穫動作が終了していない場合（ステップＳ５においてＮＯの場合）、収穫動作が継続されるとともに、ステップＳ４以降の処理が実行される。

ステップＳ４において、異常な荷重がかかっている場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、制御部８は、関節型アーム４、または、摘果用ハンド１と植生との間で干渉が発生していると判定し、その干渉を解消する動作を開始する（ステップＳ６）。干渉を解消する動作については、後に図６を用いて詳しく説明する。

その後、制御部８は、摘果用ハンド１、または、関節型アーム４に異常な荷重がかかっているか否かを判定する（ステップＳ７）。異常な荷重がかかっていない場合（ステップＳ７においてＮＯ）、制御部８は、干渉を解消する動作が終了したか否かを判定する（ステップＳ８）。干渉を解消する動作が終了していない場合（ステップＳ８においてＮＯの場合）、干渉を解消する動作が継続されるとともに、ステップＳ７以降の処理が再度実行される。

干渉を解消する動作が終了している場合（ステップＳ８においてＹＥＳの場合）、収穫されずに残っている果実について、ステップＳ１以降の処理が再度実行される。

ステップＳ７において、異常な荷重がかかっている場合（ステップＳ７においてＹＥＳ）、制御部８は、収穫装置１００の運転を停止する処理を行う（ステップＳ９）。この場合、作業者が干渉状態を解消することになる。

ここで、ステップＳ３において開始される収穫動作について図５、および、図８を用いて詳しく説明する。

この収穫動作では、まず、制御部８は、収穫しない果実２４、主茎１２、果梗１４、小果梗１５、他の株２５などの障害物を避けながら、関節型アーム４を定位置から伸ばし、摘果用ハンド１を収穫対象の果実１３近傍の摘果位置に配置する（ステップＳ１０）。この様子が、図８（ａ）〜図８（ｅ）に示されている。

ここで、図８（ａ）は、関節型アーム４が定位置にある状態、図８（ｂ）は、摘果ハンド１が主茎１２とその他の株２５との間に向けて移動する状態、図８（ｃ）は、摘果ハンド１が主茎１２とその他の株２５との間に挿入された状態、図８（ｄ）は、摘果ハンド１が果実１３の方向に旋回した状態、図８（ｅ）は、切断する小果梗１５に摘果ハンド１が接近する状態を示している。

つぎに、制御部８は、摘果ハンド１を制御して、果実を収穫する（ステップＳ１１）。この様子が、図８（ｆ）に示されている。ここで、図８（ｆ）は、小果梗１５を摘果用ハンド１が切断している状態を示している。

その後、制御部８は、関節型アーム４をたたみ、関節型アーム４を図８（ａ）に示した定位置まで退避させる（ステップＳ１２）。このようにして、収穫動作が行われる。

収穫が終了した時点においては、摘果ハンド１、および、関節型アーム４の周辺には、主茎１２、収穫しない果実２４、その他の株２５が障害物として存在している。収穫後、関節型アーム４は、これらの障害物を避けつつ、収穫時に関節型アーム４が移動した軌跡を逆にたどることにより、図８（ａ）に示した定位置に戻る。

例えば、この場合、関節型アーム４は、図８（ｆ）、図８（ｅ）、図８（ｄ）、図８（ｃ）、図８（ｂ）、図８（ａ）に示された状態をたどることになる。

しかしながら、収穫対象の果実１３、その果実１３に隣接する収穫しない果実２４、または、主茎１２と摘果用ハンド１との接触や、果実１３を収穫することによる重量バランスの変化等で、収穫しない果実２４、主茎１２、他の株２５の位置は果実１３の収穫前の位置とは異なっていることがある。

そのため、収穫しない果実２４、主茎１２、他の株２５と間接型アーム４、または、摘果用ハンド１との間で干渉が生じ、それらに間接型アーム４、または、摘果用ハンド１が引っ掛かることがまれに起こる。

この様子が、図９（ａ）に示されている。図９（ａ）は、主茎１２が、関節型アーム４、および、摘果用ハンド１と干渉した状態を示す図である。

この状況で、関節型アーム４を図８（ａ）に示した定位置に動かそうとすると、主茎１２が引っ張られ、最悪主茎１２が切断されることになる。

この状態では、主茎１２の引掛かかりにより発生する反力の荷重が、関節型アーム４に加わる。トルクセンサ２３は、荷重の大きさと荷重方向とを検知することで、干渉状態の発生と干渉の向きを検出する。

なお、トルクセンサ２３は、図３に示した関節型アーム４の第１関節１７、第２関節１９、第３関節２１、第１アーム１８、第２アーム２０、第３アーム２２に設置することも可能である。また、荷重の大きさと荷重方向とは、各アームを駆動するモータの電流変化で検出することも可能である。

ここで、ステップＳ６において開始される干渉解消動作について図６、および、図９を用いて詳しく説明する。

図４のステップＳ４において、摘果用ハンド１、または、関節型アーム４に異常な荷重がかかっていると判定されると（ステップＳ４においてＹＥＳ）、制御部８は、収穫のために関節型アーム４が移動した軌跡を逆にたどるようにして、関節型アーム４を干渉前の状態に戻すようにする（ステップＳ２０）。図９（ｂ）には、この状態が示されている。

つぎに、制御部８は、干渉の向きと逆方向に収穫装置１００が移動するよう収穫装置１００を後退させる（ステップＳ２１）。例えば、制御部８は、トルクセンサ２３により干渉が検知されなくなるまで、最大株間距離（本例では６００ｍｍ）を限度に収穫装置１００を移動させる。図９（ｃ）には、この状態が示されている。

そして、制御部８は、収穫時に関節型アーム４が移動した軌跡を逆にたどることにより関節型アーム４をたたみ、関節型アーム４を図８（ａ）に示した定位置に戻す（ステップＳ２２）。

その後、制御部８は、収穫装置１００を後退開始位置にまで前進させ（ステップＳ２３）、この干渉解消動作を終了する。その後、図４のステップＳ１以降の処理が再度実行される。

つぎに、図４のステップＳ２において、収穫すべき果実がないと判定された場合（ステップＳ２においてＮＯの場合）の処理について、図７を用いて説明する。

まず、制御部８は、収穫装置１００の位置が畝の途中か否かを判定する（ステップＳ３０）。例えば、制御部８は、移動機構部７の車輪の回転数から収穫装置１００の位置を検出することができる。

収穫装置１００の位置が畝の途中ではなく、畝の終端である場合（ステップＳ３０においてＮＯの場合）、収穫装置１００は、そのまま収穫動作を終了する。収穫装置１００の位置が畝の途中である場合（ステップＳ３０においてＹＥＳの場合）、制御部８は、次の果実の収穫位置までの収穫装置１００の移動を開始する（ステップＳ３１）。

なお、収穫装置１００が次の果実の収穫位置まで移動しているときに、進路上に垂れ下がった主茎１２、または、果実１３が、関節型アーム４、または、摘果用ハンド１に引っかかり、干渉が発生する場合がある。そのため、制御部８は、次の果実の収穫位置まで、トルクセンサ２３にて干渉の発生がないことを確認しながら収穫装置１００を移動させる。

具体的には、制御部８は、収穫装置１００の移動中に、トルクセンサ２３から取得した荷重の情報、および、荷重がかかっている方向の情報に基づいて、摘果用ハンド１、または、関節型アーム４に収穫装置１００の進行方向から異常な荷重がかかっているか否かを判定する（ステップＳ３２）。

異常な荷重がかかっていない場合（ステップＳ３２においてＮＯの場合）、制御部８は、次の果実の収穫位置までの収穫装置１００の移動が終了したか否かを判定する（ステップＳ３３）。移動が終了していない場合（ステップＳ３３においてＮＯの場合）、ステップＳ３２以降の処理が再度実行される。

移動が終了した場合（ステップＳ３３においてＹＥＳの場合）、次の果実の収穫位置において、図４に示したステップＳ１以降の処理が再度実行される。

ステップＳ３２において、異常な荷重がかかっている場合（ステップＳ３２においてＹＥＳの場合）、制御部８は、ステップＳ３５、および、ステップＳ３６に示す干渉解消動作の回数（リトライ回数）が閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。

リトライ回数が閾値以下である場合（ステップＳ３４においてＮＯの場合）、図４のステップＳ９に示されるように、制御部８は、収穫装置１００の運転を停止する処理を行う。

リトライ回数が閾値以下でない場合（ステップＳ３４においてＹＥＳの場合）、制御部８は、収穫装置１００の移動を停止させる（ステップＳ３５）。そして、制御部８は、干渉の解消動作のために、収穫装置１００の進行方向とは逆向きに関節型アーム４を伸ばす制御を行う（ステップＳ３６）。なお、制御部８は、関節型アーム４を伸ばすとともに、摘果用ハンド１を開閉させる制御を行ってもよい。

その後、制御部８は、トルクセンサ２３から取得した荷重の情報、および、荷重がかかっている方向の情報に基づいて、摘果用ハンド１、または、関節型アーム４に収穫装置１００の進行方向から異常な荷重がかかっているか否かを判定する（ステップＳ３７）。

異常な荷重がかかっていない場合（ステップＳ３７においてＮＯの場合）、ステップＳ３０以降の処理が再度実行される。異常な荷重がかかっている場合（ステップＳ３７においてＹＥＳの場合）、制御部８は、収穫装置１００を一定の距離後退させる（ステップＳ３８）。この距離は、植生の株間距離の２分の１から１０分の１とすることが望ましい。

そして、制御部８は、トルクセンサ２３から取得した荷重がかかる方向の情報に基づいて、ステップＳ３７において検出された異常荷重の方向と逆方向の荷重がかかっているか否かを判定する（ステップＳ３９）。

逆方向の荷重がかかっている場合（ステップＳ３９においてＹＥＳの場合）、ステップＳ３７で検出された異常荷重の原因となった干渉がなくなったと判断され、ステップＳ３０以降の処理が再度実行される。

逆方向の荷重がかかっていない場合（ステップＳ３９においてＮＯの場合）、制御部８は、収穫装置１００が進行方向とは逆向きに関節型アーム４を伸ばして後退を開始した後退開始位置まで後退したか否かを判定する（ステップＳ４０）。例えば、制御部８は、移動機構部７の車輪の回転数から後退開始位置まで後退したか否かを判定することができる。

収穫装置１００が後退開始位置まで後退していない場合（ステップＳ４０においてＮＯの場合）、ステップＳ３７以降の処理が再度実行される。収穫装置１００が後退開始位置まで後退した場合（ステップＳ４０においてＹＥＳの場合）、図４のステップＳ９に示されるように、制御部８は、収穫装置１００の運転を停止する処理を行う。

上記の一連の動作で、収穫装置１００は、畝中を移動しながら果実を収穫する。その際、収穫装置１００は、植生との干渉が最小限となるよう収穫動作を行い、干渉が発生してもそれを検知して、収穫装置１００の動作状況に対応した的確な干渉解消動作を行うことができる。

すなわち、収穫装置１００が自立的に、植生にダメージを与える干渉状態が発生することを回避し、干渉状態が発生したとしてもその状態を解消することで、収穫動作を継続することが可能になる。

したがって、干渉が発生する毎に収穫装置を一旦停止させ、作業者が都度、干渉発生現場に赴き、干渉状態を解除する作業が不要となる。その結果、作業者が工数を取られることなく、収穫装置１００の連続収穫運転が期待できる。

本発明にかかる収穫装置および収穫方法は、果物、または、野菜の果実等を収穫する収穫装置および収穫方法に適用できる。

１ 摘果用ハンド
２ マニピュレータ
３ スライド機構
４ 関節型アーム
５ 粗認識カメラ
６ 精認識カメラ
７ 移動機構部
８ 制御部
９ コンベア
１０ 収納部
１１ 軌道
１２ 主茎
１３ 果実
１４ 果梗
１５ 小果梗
１６ 果房
１７ 第１関節
１８ 第１アーム
１９ 第２関節
２０ 第２アーム
２１ 第３関節
２２ 第３アーム
２３ トルクセンサ
２４ 収穫しない果実
２５ 他の株
８０ 収穫装置
８１ マニピュレータ
８２ 採果ハサミ
８３ 走行車両
９０ 装置
９１ 第１リンク
９２ 第１関節
９３ 第２リンク
９４ 第２関節
９５ 第３リンク
９６ 第３関節
９７ 障害物
９８ 逃げ角
１００ 収穫装置

Claims (6)

1. 摘果用ハンドと、
   前記摘果用ハンドを植生中に移動させるアームと、
   前記摘果用ハンドまたは前記アームに加わる荷重を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された荷重に基づいて前記摘果用ハンドまたは前記アームと植生との間の干渉の有無を検出し、前記干渉が検出された場合に前記干渉を解消する制御を行う制御部と、
   を備えることを特徴とする収穫装置。
2. 前記制御部は、前記干渉が検出された場合に、収穫時に前記アームが移動した軌跡を逆にたどらせることにより前記干渉を解消する制御を行う請求項１に記載の収穫装置。
3. 前記検出部は、前記荷重がかかる方向をさらに検出し、前記制御部は、前記検出部により検出された荷重、および、前記荷重がかかる方向に基づいて、前記摘果用ハンドまたは前記アームと植生との間の干渉の有無を検出する請求項１に記載の収穫装置。
4. 前記制御部は、前記検出部により検出された荷重、および、前記荷重がかかる方向に基づいて、前記アームの向きを変更することにより前記干渉を解消する制御を行う請求項３に記載の収穫装置。
5. 前記制御部は、前記検出部により検出された荷重、および、前記荷重がかかる方向に基づいて、自装置を移動させることにより前記干渉を解消する制御を行う請求項３に記載の収穫装置。
6. 検出部が、摘果用ハンド、または、前記摘果用ハンドを植生中に移動させるアームに加わる荷重を検出する検出工程と、
   制御部が、前記検出工程において検出された荷重に基づいて前記摘果用ハンドまたは前記アームと植生との間の干渉の有無を検出し、前記干渉が検出された場合に前記干渉を解消する制御を行う制御工程と、
   を含むことを特徴とする収穫方法。
   

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