JP5910426B2 - 全方向車輪、全方向車輪ユニット及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、転蛇せずに全方向に移動可能な全方向車輪、全方向車輪ユニット及び移動体に関する。

近年、転蛇せずに全方向に移動可能な全方向車輪や、この全方向車輪を用いた移動体が種々提案されている。
例えば下記特許文献１では、車輪の直進方向に対して直交する横方向へ自在に回転する複数の転動ローラにより転動面が形成された全方向車輪が提案されている。ここでは、各転動ローラが先端部の直径を基端部の直径よりも小さくし、周面により車輪外周円の円弧を形成する形状に形成され、さらに先端部が隣り合う転動ローラの基端部の凹部に部分的に侵入している。

このような全方向車輪を前輪に一対装着し、後輪にそれぞれ独立に正転及び逆転駆動される駆動輪を装着することで、例えば車椅子等の移動体を構成することができる。
この移動体では、左右の後輪に同じ駆動力を負荷することで、一対の前輪を正転又は反転させて前後に移動することができる。左右の後輪の駆動力を調整することで前輪の転動ローラを転動させることで左右に移動することが可能となっている。

またこのような全方向車輪を全車輪として車軸に対して傾斜して配置し、それぞれ独立に駆動可能にして移動体を構成すると、各全方向車輪の駆動力を調整することで全方向に移動することが可能である。

特開２００８−２０７７６０号公報

しかしながら、複数の転動ローラにより転動面が形成された全方向車輪では、各転動ローラの接地面積が少ないため、例えば雪道や凍結路におけるトラクションが不足することがあった。また段差に接触した際のかき上げ力をより向上させることや、轍や凹凸に対する安定性や乗り越え力を一層向上させることも望まれていた。

また旋回時には、複数の転動ローラに順次乗り継いて転動するため、停止した駒を次々に回転させながら旋回することになる。そのため旋回時に脈動振動が生じる場合があることが明らかになった。

そこで、本発明は、何れの方向に移動する場合でも路面に対する十分なグリップ力が得られ、悪路での走行性能を向上できるとともに、段差や轍等でより安定して走行できる全方向車輪、全方向車輪ユニット又は移動体を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の全方向車輪は、転動面が複数のクローラーにより形成され、該複数のクローラーが、互いに隣接して配設される駆動クローラーと従動クローラーからなり、該複数の駆動クローラー及び従動クローラーの各クローラーベルトが外側に突出した複数のシューを有し、各シューの外表面が前記転動面に対応した弧形状を有し、前記クローラーベルトが前記転動面の周方向と交差する方向に移動可能であり、前記従動クローラーは、前記駆動クローラーに従動して移動する。

複数のクローラーが転動軸と平行に配置されているのが好適である。
互いに隣接するクローラーベルトのシューの端部同士は、転動面の周方向に噛合しているのが好適である。
複数のクローラーの少なくとも一部において、クローラーベルトはクローラー駆動部により駆動される駆動クローラーからなるのがよい。その場合、クローラー駆動部は、転動軸を中心に回動駆動される駆動体を備え、駆動クローラーは、それぞれ起動輪と起動輪に接続した動力伝達部とを備え、動力伝達部が駆動体に接続されているのが好ましい。

上記目的を達成する本発明の全方向車輪ユニットは、上記のような全方向車輪と、全方向車輪を転動させる車輪駆動部と、を備えている。

上記目的を達成する本発明の移動体は、上記のような全方向車輪と、全方向車輪を転動させる車輪駆動部と、を備えている。
この移動体では、転動面が複数の転動ローラにより形成された補助車輪を備えていてもよい。

本発明の全方向車輪によれば、転動面が複数のクローラーにより形成され、各クローラーのクローラーベルトが転動面の周方向と交差する方向に移動可能である。そのため、各クローラーのクローラーベルトを移動させないで転動させると、転動軸と直交する方向に全方向車輪を移動できる。転動させないで各クローラーベルトを移動させると、転動軸に沿う方向に全方向車輪を移動できる。そして各クローラーベルトを移動させつつ転動させると、全方向車輪をクローラーベルトの移動量と転動量との割合に応じて斜めに移動させることができる。よって転蛇せずに全方向への移動が可能である。
そして複数のクローラーにより転動面が形成されているので、何れの方向に移動する場合でも、路面に対する十分なグリップ力を確保できる。そのため、雪道や凹凸のある路面等の悪路での走行性能を向上することができ、段差や轍等でも安定して走行できる。

本発明の全方向車輪ユニットによれば、上述のような全方向車輪と全方向車輪を転動させる車輪駆動部とを備えているので、全方向車輪を全方向に駆動できるユニットを実現することができる。そのため、このようなユニットを装着するだけで全方向に移動可能な移動体を容易に実現することができる。

本発明の移動体によれば、上述のような全方向車輪と全方向車輪を転動させる車輪駆動部とを備えているので、転蛇せずに全方向に移動可能な移動体を実現できることに加え、各全方向車輪で十分なグリップ力が得られるため、悪路でも安定して優れた走行性能を発揮する移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る全方向車輪を装着した移動体を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る全方向車輪ユニットを示す概略正面図である。 本発明の第１実施形態に係る全方向車輪を示す斜視図である。 （ａ）は本発明の第１実施形態に係る全方向車輪の駆動クローラーを示す斜視図、（ｂ）はクローラーベルトを外した状態を示す斜視図である。 （ａ）は本発明の第１実施形態に係る全方向車輪の従動クローラーを示す斜視図、（ｂ）はクローラーベルトを外した状態を示す斜視図である。 （ａ）は本発明の第１実施形態に係る全方向車輪の駆動クローラーと従動クローラーとを組み合わせた状態を示す斜視図であり、（ｂ）は駆動クローラーと従動クローラーとの連結部の連結状態を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る移動体を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る移動体の補助輪を示す斜視図である。 本発明の変形例に係る移動体を示す斜視図である。

以下、幾つかの実施形態を示して、本発明を詳細に説明する。
［第１実施形態］
先ず、本発明の第１の実施形態について図を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の移動体１０は、フレーム１１と、フレーム１１の４方に装着された４つの全方向車輪２０と、全方向車輪２０を転動させる車輪駆動部２１と、を備えている。移動体は特に限定されるものではなく、例えば車椅子等の軽車両であっても、乗用車等の車両やロボットなどであってもよい。フレーム１１の形状は任意であり、フレーム１１には各種の車体や部材が装着されるが、詳細な図示は省略している。

この移動体１０は、図２に示すように、全方向車輪２０と全方向車輪２０を転動させる車輪駆動部２１とを一体化した全方向車輪ユニット２５がフレーム１１に装着されている。全方向車輪ユニット２５は、フレーム１１に設けられたサスペンション機構２７に支持されている。

各全方向車輪２０は、図３に示すように、転動軸Ｌ周りに回転可能で、側周囲の転動面が複数のクローラー３０により形成されている。ここで、転動軸Ｌとは全方向車輪２０が転動する際の仮想の中心軸であり、転動面とは各車輪が転動して路面と接触する面である。

中心側には、複数のクローラー３０を周方向に連続するように配列して固定するホイールリム部２２と、ホイールリム部２２を支持するように中心に設けられたハブ部２３とを備える。ハブ部２３は、転動軸Ｌに沿う一方の端面側で図２に示す車輪駆動部２１の出力軸２１ａと接合可能となっている。車輪駆動部２１はモータにより構成され、それぞれ出力軸２１ａの回転方向、回転速度、回転量が制御されて、所望の転動が可能である。

この実施形態では、図２及び図３に示すように、車輪駆動部２１とともに複数のクローラー３０を駆動するためのクローラー駆動部３１が設けられている。クローラー駆動部３１は、全方向車輪２０の内側端部に装着されて、ハブ部２３の周囲に転動軸Ｌを中心に回動可能な駆動体３５と、駆動体３５を回転駆動させるモータ３５ａと、を備えている。

クローラー駆動部３１は、車輪駆動部２１とは独立に駆動体３５を回転駆動可能に構成されており、モータ３５ａにより駆動体３５の回転方向、回転速度、回転量が制御されて、各クローラー３０を長手方向に沿って周回移動させることが可能となっている。

全方向車輪の複数のクローラー３０は、図４（ａ）（ｂ）に示すような駆動クローラー３３と、図５（ａ）（ｂ）に示すような従動クローラー４３とを備えている。各駆動クローラー３３及び従動クローラー４３は、図３に示す通り、全方向車輪２０の転動方向と交差する向き、本実施形態では転動軸Ｌと平行に配置されている。
駆動クローラー３３と従動クローラー４３とは、互いに隣接した状態で交互にホイールリム部２２に周方向に並べて配置されている。

駆動クローラー３３は、クローラーベルト３４がクローラー駆動部３１により駆動されるクローラー３０である。この駆動クローラー３３は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、サポートフレーム３２と、サポートフレーム３２に装着された起動輪３６、遊動輪３７及び転輪３８と、これらに架け渡された無端帯状のクローラーベルト３４と、起動輪３６を回転駆動するための動力伝達部３９と、を備えている。

サポートフレーム３２は、全方向車輪２０に負荷される荷重に対して十分な剛性を有して形成されており、後述する従動クローラー４３に設けられたフレーム固定部４５を介して全方向車輪２０のホイールリム部２２に両端側で固定され、全方向車輪２０の転動方向と交差する向きに配置される。このサポートフレーム３２には、起動輪３６、遊動輪３７及び転輪３８を保持する本体部３２ａと、本体部３２ａの厚み方向の両側に設けられて全方向車輪２０の内周側に向けてクローラー３３の幅よりも外側まで突出した補強部３２ｂと、を有している。

補強部３２ｂの側縁側には、ホイールリム部２２に沿って配列させたときに近接する駆動クローラー３３同士を連結する連結部３２ｃが設けられている。連結部３２ｃは、駆動クローラー３３の幅方向両側に凹凸形状に形成されており、本体部３２ａの一方側に設けられた連結部３２ｃと他方側に設けられた連結部３２ｃとで、凹凸が逆に形成されている。 この連結部３２ｃでは、互いに近接する一方のサポートフレーム３２における連結部３２ｃの凹凸形状と、他方のサポートフレーム３２における連結部３２ｃの凹凸形状とを、互いに噛み合わせて両連結部３２ｃに連結ロッド３２ｄを貫通させることで連結するように構成されている。

起動輪３６は、全方向車輪２０の内端部側となる位置に装着されており、外周にはクローラーベルト３４の内周面の凹凸に噛合可能な形状に形成されているが、詳細な図示は省略している。この起動輪３６に動力伝達部３９が連結されて回転駆動可能となっている。

動力伝達部３９は、後述する従動クローラー４３のフレーム固定部４５内に回転自在に支持されている。一端側がクローラーベルト３４の軌道よりも外側に突出して配置され、他端側がクローラーベルト３４の軌道の内側に配置されている。

動力伝達部３９の両端にはそれぞれギヤ３９ａ，３９ｂが設けられており、一端側のギヤ３９ａが全方向車輪２０の内側に配置されたクローラー駆動部３１の駆動体３５のギヤ溝と噛合している。他端側のかさ歯車からなるギヤ３９ｂは、起動輪３６に固定されたかさ歯車からなるギヤ３６ａと噛合しており、本体部３２ａの厚さ方向の両側に配置された一対の起動輪３６が、ギヤ３６ａと共に回転可能となっている。駆動体３５が回転することで動力伝達部３９を介して起動輪３６が回転駆動される。
複数の駆動クローラー３３の動力伝達部３９は、全て同一の駆動体３５に噛合しており、それらの駆動クローラー３３のクローラーベルト３４が全て同じ方向、移動速度及び移動量で移動することができる。

遊動輪３７及び複数の転輪３８は、本体部３２ａの厚み方向の両側に回転自在に支持されている。遊動輪３７はサポートフレーム３２の起動輪３６とは反対側に配置されており、複数の転輪３８は、サポートフレーム３２における全方向車輪２０の外周側に配置されている。

クローラーベルト３４は、例えばゴムにより無端帯状に形成されている。無端帯状のクローラーベルト３４の外側には、複数のシュー３４ａがそれぞれ略同形状で略等間隔に突出して設けられている。

各シュー３４ａの外表面形状は、シュー３４ａの長手方向の中腹部分が両端部に比べて突出した緩やかな凸曲面を有する弧形状となっている。このシュー３４ａの外表面は全方向車輪２０の転動面の一部を形成するものであるため、各弧形状は転動面に対応した形状、即ち、円形の転動面の一部の弧を構成する形状となっている。
なお、各シュー３４ａの間隔及び深さは、従動クローラー４３のクローラーベルト４４のシュー４４ａに対応しているが、詳細な説明は後述する。

従動クローラー４３は駆動クローラー３３に従動するクローラー３０である。この従動クローラー４３は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、サポートフレーム４２と、サポートフレーム４２に装着された一対の遊動輪４７及び転輪４８と、これらに架け渡された無端帯状のクローラーベルト４４と、を備えている。従動クローラー４３の一対の遊動輪４７間の距離及びクローラーベルト４４の長さは、駆動クローラー３３の起動輪３６及び遊動輪３７間の距離やクローラーベルト３４の長さより短く形成されている。

サポートフレーム４２は、全方向車輪２０に負荷される荷重に対して十分な剛性を有して形成され、互いに隣接する駆動クローラー３３のサポートフレーム３２に隣接して配置されている。サポートフレーム４２には、長手方向の両端側にクローラーベルト４４よりも外側まで突出するように設けられた延長部４９と、各延長部４９からさらに外側まで延設されたフレーム固定部４５と、が備えられている。
両端側の各フレーム固定部４５は、駆動クローラー３３のクローラーベルト３４より外側となる位置まで突出して設けられており、両フレーム固定部４５が全方向車輪２０のホイールリム部２２に固定されている。
このフレーム固定部４５は中空に形成され、その内部には駆動クローラー３３の動力伝達部３９が配設されている。全方向車輪２０の車両内側となるフレーム固定部４５の底部には、駆動クローラー３３と連結するための連結突起４５ａが設けられている。この連結突起４５ａは、駆動クローラー３３の連結部３２ｃと噛み合わせて連結ロッド３２ｄを貫通させることで連結される。

一対の遊動輪４７及び複数の転輪４８は、サポートフレーム４２に回転自在に支持されている。一対の遊動輪４７は、サポートフレーム４２の長手方向両端に配置されており、複数の転輪３８は、サポートフレーム４２における全方向車輪２０の外周側に配置されている。

クローラーベルト４４は、例えばゴムにより無端帯状に形成されている。無端帯状のクローラーベルト４４の外側には、複数のシュー４４ａがそれぞれ略同形状で略等間隔に突出して設けられている。

各シュー４４ａの外表面形状は、駆動クローラー３３のクローラーベルト３４と同様に、シュー４４ａの長手方向の中腹部分が両端部に比べて突出した緩やかな凸曲面を有する弧形状となっており、転動面に対応した形状、即ち、円形の転動面の一部の弧を構成する形状となっている。
各シュー４４ａの間隔及び深さは、駆動クローラー３３のクローラーベルト３４のシュー３４ａに対応している。

このような駆動クローラー３３と従動クローラー４３とが組み合わされてホイールリム部２２に固定された状態を、図６（ａ）（ｂ）に示す。この状態では、駆動クローラー３３と従動クローラー４３とは、ホイールリム部２２に沿う周方向に交互に配置された状態で互いに連結されている。図６（ｂ）に示すように、各従動クローラー４３の両隣に配置された駆動クローラー３３の連結部３２ｃ同士が噛み合わされ、さらに従動クローラー４３の連結突起４５ａが噛み合わされた状態で、連結ロッド３２ｄにより連結されており、この連結構造が全周にわたり連続している。そして、各従動クローラー４３のフレーム固定部４５がそれぞれホイールリム部２２に固定されている。

一方、クローラーベルト３４，４４では、各シュー３４ａ，４４ａの一方又は双方の両端部がクローラーベルト３４，４４の幅方向に突出して設けられており、図６（ａ）に示すように、突出部分が、互いに隣接するクローラーベルト３４，４４の各シュー３４ａ，４４ａ間の溝に噛合している。そのため、駆動クローラー３３のクローラーベルト３４が駆動されて移動すると、従動クローラー４３のクローラーベルト４４がそれに従動して移動することが可能である。

以上のような全方向車輪２０によれば、転動面が複数のクローラー３０により形成され、各クローラー３０のクローラーベルト３４は転動面の周方向と交差する方向に移動可能である。そのため、各クローラー３０のクローラーベルト３４を移動させないで転動させると、転動軸Ｌと直交する方向に全方向車輪２０を移動できる。転動させないで各クローラーベルト３４を移動させると、転動軸Ｌに沿う方向に全方向車輪２０を移動できる。そして、各クローラーベルト３４を移動させつつ転動させると、全方向車輪２０をクローラーベルト３４の移動量と転動量との割合に応じて斜めに移動させることができる。よって、転蛇することなく全方向への移動が可能である。

そして複数のクローラー３０により転動面が形成されているので、何れの方向に移動する場合でも、路面に対する十分なグリップ力を確保できる。従って、雪道や凹凸のある路面等の悪路での走行性能を向上することができ、段差や轍等でも安定して走行できる。
また互いに隣接配置されて同じように移動する複数のクローラー３０のシュー３４ａ，４４ａにより路面と接触するため、クローラー３０を乗り換える際に速度の差がなく、旋回時等において脈動が生じることも防止できる。

この全方向車輪２０では、複数のクローラー３０が転動軸Ｌと平行に配置されているので、転動方向とクローラー３０の移動方向とを直交方向に設定することができ、移動方向の制御を簡素化し得る。

この全方向車輪２０では、クローラーベルト３４が外側に突出した複数のシュー３４ａを有し、各シュー３４ａの外表面が転動面に対応した弧形状を有するので、複数のクローラー３０により転動面が形成されていても、転動方向の表面形状を円形に形成することができる。そのため転動時に全方向車輪２０を滑らかに移動させることができる。

この全方向車輪２０では、複数のクローラー３０の少なくとも一部は、クローラーベルト３４がクローラー駆動部３１により駆動される駆動クローラー３３からなるので、全方向車輪２０を転動方向と交差する方向に確実に移動させることができる。

この全方向車輪２０では、互いに隣接するクローラーベルト３４，４３のシュー３４ａ，４４ａの端部同士が、転動面の周方向に噛合しているので、周方向にシュー３４ａ，４４ａを順次滑らかに乗り換えることができ、走行時の振動を防止することができる。
またこのようにすれば、一部のクローラー３０のクローラーベルト３４を移動させると、他のクローラー３０のクローラーベルト３４を従動させることができる。そのため複数のクローラー３０のクローラーベルト３４を移動させるための構成を簡素化できる。

この全方向車輪２０では、クローラー駆動部３１が転動軸Ｌを中心に回動駆動される駆動体３５を備え、駆動クローラー３３がそれぞれ起動輪３６と、起動輪３６に接続した動力伝達部３９と、を備え、動力伝達部３９が駆動体３５に接続されているので、複数の駆動クローラー３３を共通の駆動体３５により駆動することができ、駆動クローラー３３の駆動機構を簡素化し得る。

このような全方向車輪２０を有する全方向車輪ユニット２５によれば、全方向車輪２０と、全方向車輪２０を転動させる車輪駆動部２１と、を備えているので、この全方向車輪ユニット２５を装着することで、全方向に移動可能な移動体１０を容易に実現することができる。

このような全方向車輪２０を有する移動体１０によれば、全方向車輪２０と、全方向車輪２０を転動させる車輪駆動部２１と、を備えているので、転蛇せずに全方向に移動可能な移動体１０を実現できることに加え、各全方向車輪２０で十分なグリップ力が得られるため、悪路でも安定して優れた走行性能を発揮する移動体１０が得られる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図７及び図８は、他の実施形態に係る移動体１０を示している。
この移動体１０は、フレーム１１の四方に、転動面が複数の転動ローラ５１により形成された補助車輪５０を備え、フレーム１１の中腹部に上述のようなクローラー３０を備えた全方向車輪２０が左右一対備えられている。

転動ローラ５１は、車輪の直進方向に対して直交する横方向へ自在に回転する駒により転動面が形成されており、公知の全方向車輪に相当する構成を有している。ここでは、各転動ローラ５１の先端部の直径を基端部の直径よりも小さくし、周面により車輪外周円の円弧を形成する形状に形成され、先端部が隣り合う転動ローラの基端部の凹部に部分的に侵入して構成されており、各転動ローラ５１がそれぞれ転動面の周方向に対して交差方向に回転可能となっている。
この転動ローラ５１は第１実施形態と同様のサスペンション機構２７によりフレーム１１に支持されている。
その他は、第１実施形態と同様である。

このような実施形態であっても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。しかも転動面が複数の転動ローラ５１により形成された補助車輪５０を備えているので、クローラー３０を備えた全方向車輪２０の使用数を抑えて、転蛇せずに全方向に移動可能な移動体１０を安価に提供することができる。

なお上記各実施形態は、本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば上記第１実施形態では、４輪全てがクローラー３０を用いた全方向車輪２０からなり、第２実施形態では、６輪のうちの中腹部に配置された２輪がクローラー３０を用いた全方向車輪２０からなる例について説明したが、クローラー３０を用いた全方向車輪２０の配置や数は何ら限定されるものではなない。例えば図９に示すように、６輪のうちの４隅にクローラー３０を用いた全方向車輪２０を配置し、中腹部に配置された２輪を他の車輪により構成することも可能である。

上記実施形態では、駆動クローラー３３のクローラーベルト３４のシュー３４ａと従動クローラー４３のクローラーベルト４４のシュー４４ａとが噛合することで、駆動クローラー３３に従動して従動クローラー４３が移動できるようにした例を説明したが、例えば、ギヤ、ベルト等の他の伝達手段を用いて、駆動クローラー３３に従動して従動クローラー４３が移動できるように構成することも可能である。

Ｌ 転動軸
１０ 移動体
１１ フレーム
２０ 全方向車輪
２１ 車輪駆動部
２１ａ 出力軸
２２ ホイールリム部
２３ ハブ部
２５ 全方向車輪ユニット
２７ サスペンション機構
３０ クローラー
３１ クローラー駆動部
３２ サポートフレーム
３２ａ 本体部
３２ｂ 補強部
３２ｃ 連結部
３２ｄ 連結ロッド
３３ 駆動クローラー
３４ クローラーベルト
３４ａ シュー
３５ 駆動体
３６ 起動輪
３７ 遊動輪
３８ 転輪
３９ 動力伝達部
３９ａ ギヤ
３９ｂ ギヤ
４２ サポートフレーム
４３ 従動クローラー
４４ クローラーベルト
４４ａ シュー
４５ フレーム固定部
４５ａ 連結突起
４７ 遊動輪
４８ 転輪
５０ 補助車輪
５１ 転動ローラ

Claims (8)

1. 転動面が複数のクローラーにより形成され、該複数のクローラーが、互いに隣接して配設される駆動クローラーと従動クローラーからなり、該複数の駆動クローラー及び従動クローラーの各クローラーベルトが外側に突出した複数のシューを有し、各シューの外表面が前記転動面に対応した弧形状を有し、前記クローラーベルトが前記転動面の周方向と交差する方向に移動可能であり、前記従動クローラーは、前記駆動クローラーに従動して移動する、全方向車輪。
2. 前記複数のクローラーは、転動軸と平行に配置されている、請求項１に記載の全方向車輪。
3. 互いに隣接する前記クローラーベルトの前記シューの端部同士が、前記転動面の周方向に噛合している、請求項１又は２に記載の全方向車輪。
4. 前記駆動クローラーのクローラーベルトがクローラー駆動部により駆動される、請求項１乃至３の何れかに記載の全方向車輪。
5. 前記クローラー駆動部は、転動軸を中心に回動駆動される駆動体を備え、
   前記駆動クローラーは、それぞれ起動輪と該起動輪に接続した動力伝達部とを備え、該動力伝達部が上記駆動体に接続されている、請求項４に記載の全方向車輪。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載の全方向車輪と、該全方向車輪を転動させる車輪駆動部と、を備えた全方向車輪ユニット。
7. 請求項１乃至５の何れかに記載の全方向車輪と、該全方向車輪を転動させる車輪駆動部と、を備えた移動体。
8. 転動面が複数の転動ローラにより形成された補助車輪を備えている、請求項７に記載の移動体。

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