JP7082348B2 - 把持移送装置、この把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置 - Google Patents

把持移送装置、この把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置 Download PDF

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Description

本発明は、対象物を把持して移送する装置に関し、詳しくは、太陽光利用型植物工場の水耕栽培施設において栽培されるホウレンソウ等の葉物野菜を収穫するための葉物野菜収穫装置に関する。
太陽光型植物工場とは、温室等において、太陽光の利用を基本とし、季節や天候、生育ステージにより人工光を活用し、夏季の高温抑制技術等を用いて、培養液の制御が可能な水耕栽培等により、周年・計画生産を行なう栽培システムである。そして、この太陽光型植物工場に適用される水耕栽培とは、土や培地を用いずに、作物に適した培養液を主体として栽培する方法で、土耕と違い連作障害もなく、生育スピードも速く、再現性の高い栽培方法であり、定植、収穫等の作業も、クリーンかつ労働負担を軽減するものである。
しかしながら、水耕栽培の葉物は露地物よりも葉が広がる等の理由から、収穫作業の機械化は難しい。そのため、人が収穫作業を行うのが通常であり、当該作業における肉体労働の負担を軽減できていない。また、農業従事者の高齢化とともに農業就労者の減少は、一人ひとりの農業従事者の負担を加増している。さらに収穫は朝夕に行うことからパートタイムでの労働を割り当てることが難しく、農業就労者の減少という課題を解決するに至っていない。
そこで、収穫作業の機械化を図るための技術として、収穫チャックを適用することで、葉物野菜を被うように保持して、下葉処理・切断分離を行う技術が開示されている(特許文献1参照)。また、葉物野菜の水耕栽培ではないが、収穫作業に類似する米の育苗において、育苗マットごと持ち上げて、下側の根を切断する技術が開示されている(特許文献2参照)。
特許第3095662号公報 特許第3290892号公報
特許文献1に開示された収穫装置では、微妙な位置調整を要さずに収穫できるが、装置のサイズが大きくなるとともに複雑な構成となる。また、下葉が広がるように生育した水耕栽培のホウレンソウ等葉物野菜を収穫チャックで被う際に、多少でも位置ズレが生ずると、収穫チャックによって商品となるホウレンソウを傷つけるおそれがある。すなわち、品質を保持しつつ、収穫を機械化・自動化するには、葉物野菜茎の適正な位置を把持する必要があり、本技術はこの課題解決に至っていない。
そして、特許文献2に開示された技術を太陽光利用型植物工場の水耕栽培施設に適用するには、装置のサイズを大きくしなければならず、また根切り後の移送や下葉処理にも時間を要することとなることから実現は難しい。
本発明は、前記背景におけるこれらの実情に鑑みてなされたものであり、水耕栽培における葉物野菜の収穫作業を軽減するとともに、収穫物の品質を人の収穫したものと同等に維持することができる把持移送装置、この把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置を提供することをその目的とする。
本発明は、面から突出する対象物を把持する装置である。本発明の一態様である把持装置は、該面上を平行に移動する移動架台と、該移動架台から前記面と離れるように延在した連結部と、該連結部の前記面と反対側の端部に回動中心を有し、前記面が接平面とされる円弧を軌道とし、該軌道が前記対象物を通過するように設置された回動自在なアームと、前記移動架台上に前記対象物が視野に入るように設置された撮像装置と、を備え、前記アームには、前記撮像装置の視野方向の前記対象物を把持する把持用アクチュエータと、が装着されており、前記撮像装置が取得した画像に基づき、予め設定された前記対象物の把持箇所を同定し、同定された該把持箇所に前記把持用アクチュエータが対向する前記軌道となるように前記アームの前記回動中心を前記移動架台によって移動させる構成としている。
前記構成によれば、把持するアームと位置決めを行うための画像を取得する撮像装置とが機構・構造的に連結された構造体に備えられている。このように物理的に一義的に位置が設定できる構成としていることから、画像認識の結果のフィードバックも容易になるとともに、位置決めの狂いも生じにくく、校正等の作業が簡便になる。従って、全体として工程の生産性を向上させ、確実な把持によって品質の劣化を生じさせることも少なくなる。また、このように簡単な構成であることから製造コストも低減できる。
前記態様の把持装置において、前記アームの回動面に直交した面に、前記連結部の先端側を臨むように形成された開口を有する収容部を前記移動架台上にさらに備え、、前記面は複数の植栽用孔が規則的に形成された水耕栽培用の長尺の栽培ベッドに収容された水耕パネルであり、前記対象物は前記植栽用孔に植生された葉物野菜であり、前記把持箇所は前記葉物野菜の葉部分と前記植栽用孔との間の茎部分であり、前記把持用アクチュエータが前記茎部分を把持し、前記葉物野菜を前記水耕パネルから分離し、前記アームが回動して、分離された前記葉物野菜を前記収容部に移送するように構成する葉物野菜収穫装置とすることができる。

この構成によれば、水耕栽培される野菜、特にホウレンソウ、サラダ菜、レタス等の葉物野菜の収穫において、茎部分を把持して収穫物を固定することで商品となる部分を水耕パネルから分離して、この分離した部分を収容部へ移送保管することができる。このためこれまで人的に依存していた一連の収穫作業を機械化することができるとともに、従来の野菜の品質を維持することができる。また、現状の植物工場の水耕栽培施設を大きく変更しないでも本発明を適用できることから、設置費用の負担は少ない。
前記態様において、前記把持用アクチュエータが前記茎部分を把持し、前記水耕パネルから前記葉物野菜を引き抜くように構成することができる。
前記構成によれば、把持した後に葉物野菜を上方へ移動(引き抜き方向に移動)させて、切断位置を確保する、もしくは、引き抜いて水耕パネルから分離することができる。ここで、切断は手作業によっても良いし、機械化しても良い。このように、葉物野菜を上方へ移動させることで、露地物よりも葉が広がる水耕栽培の葉物野菜であっても、商品部分と下葉や根の部分を容易に分離することができ、作業の効率化とともに商品の品質を維持することができる。
前記態様において、前記移動架台上の前記撮像装置と隣接した位置に前記茎部分を切断する切断部をさらに備え、該切断部は切断を行う前記茎部分へ移動する走行台を有する構成とすることができる。
この構成によれば、把持した葉物野菜を切断部によって切断することで商品部分と下葉や根の部分を容易に分離することができ、作業の効率化とともに商品の品質を維持することができる。なお、切断部は回動アームに取り付ける構成とすることもでき、係る構成においては、例えば把持用アクチュエータの下方にハサミ状の切断装置を配設することで、走行台を必要としない構成とすることもできる。
前記態様において、前記移動架台が前記栽培ベッドの前記長尺方向に移動自在であるように構成することができる。
前記構成によれば葉物野菜収穫装置を次に収穫する葉物野菜へ移動させることができる。さらに、所定の栽培ベッドに生育された葉物野菜の収穫が終了した後に、収容部に収容された葉物野菜を出荷位置まで搬送することができる。この構成によれば、一連の収穫作業から収穫物の搬送までも機械化して、作業の効率を向上させることができ、これまでの人的な負担を軽減させることができる。なお、切断部の走行台は移動架台の移動によっても実現することもできる。
本発明は、水耕栽培における葉物野菜の収穫作業を軽減するとともに、収穫物の品質を人の収穫したものと同等に維持することができる把持移送装置、この把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に太陽光利用型植物工場の水耕栽培施設の概要を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る葉物野菜収穫装置の平面図である。 本発明の一実施形態に係る葉物野菜収穫装置の側断面図である。 本発明の一実施形態に係る葉物野菜収穫装置の収穫作業手順を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る画像解析による位置同定を示す説明図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の把持装置を適用した葉物野菜収穫装置に係る好適な実施の形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。
本発明に係る一態様である把持装置は、該面上を平行に移動する移動架台と、該移動架台から前記面と離れるように延在した連結部と、該連結部の前記面と反対側の端部に回動中心を有し、前記面が接平面とされる円弧を軌道とし、該軌道が前記対象物を通過するように設置された回動自在なアームと、前記移動架台上に前記対象物が視野に入るように設置された撮像装置と、を備え、前記アームには、前記撮像装置の視野方向の前記対象物を把持する把持用アクチュエータと、が装着されており、前記撮像装置が取得した画像に基づき、予め設定された前記対象物の把持箇所を同定し、同定された該把持箇所に前記把持用アクチュエータが対向する前記軌道となるように前記アームの前記回動中心を前記移動架台によって移動させる構成であれば、その具体的態様はいかなるものであっても構わない。以下は、本発明に係る把持装置の一態様として、葉物野菜収穫装置について説明するが、これに限定されず、ロボットハンド等への適用も可能であることは言うまでもない。
はじめに本発明が適用される太陽光利用型植物工場の水耕栽培施設の概要と、本発明の第1実施形態に係る把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置について図1~図3に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施形態に太陽光利用型植物工場の水耕栽培施設の概要を示す説明図であり、その断面を示している。図2は、本発明の一実施形態に係る葉物野菜収穫装置の平面図である。図3は、本発明の一実施形態に係る葉物野菜収穫装置の側断面図である。
<太陽光利用型植物工場の水耕栽培の説明>
本発明を適用できる太陽光利用型植物工場の水耕栽培としては、1973年にイギリスで開発された技術であって、緩やかな傾斜のついた栽培ベッドに、培養液を少量ずつ流下させながら栽培する薄膜水耕システムがある。このシステムの英語名は、nutrient film techniqueと言い、頭文字をとってNFT水耕といわれている。このNFT水耕は、培養液を薄く循環させることによって、空気中の酸素をより多く溶解させ、液面上の作物の根が酸素を空中からも取り入れることができるため、酸素欠乏が起こりにくく、多くの太陽光利用型植物工場の水耕栽培において適用されている。
図1を参照すると、図示しないビニールハウス内に水耕栽培設備10が配置される。水耕栽培設備10は、ビニールハウス内の床20に、例えば桁長の異なる脚13を図1の左右に配した栽培ベッド12を備えている。本実施形態では、栽培ベッド12は、緩やかな傾斜θとなるように、図1に示すような桁長の異なる脚13を利用しているが、この形態に限定されることはない。また、図1には5列に並んだ葉物野菜を示しているが、説明のため簡略化したものであり、この形態に限定はされない。
栽培ベッド12は、傾斜θの上方に備えられた給液部14から供給され、傾斜θの下方に備えられた排液部15へ排出される培養液18の流路であり、葉物野菜1に培養液18の養分を付与できるように一定時間培養液18を保持する容器ともなっている。栽培ベッド12は、一体構造の容器であっても、構造枠体に防水シート等の組み合わせ構造であっても良い。
栽培ベッド12には、水耕パネル11が培養液18を流す空間19を介して収容される。水耕パネル11は、傾斜θの高い位置から低い位置へ延設された略直方体であって、外部と培養液18を流す空間19とを貫通する植栽用孔16が複数形成されている。植栽用孔16には葉物野菜1の苗が植栽される。
水耕栽培設備10を上から眺めた図2も併せて参照すると、水耕パネル11に形成された植栽用孔16は、傾斜θの直交方向においても設けられており、千鳥状に配置されている。なお、これは一例であり、格子状に配列されている場合であっても良い。
水耕パネル11は、例えば発砲プラスチック製の板材を適用することができ、培養液18上に水耕パネル11を浮かべることができる。また、葉物野菜1の苗を植栽用孔16に植栽する際には、ウレタン製等の吸水ができる貫通孔を有するポット上のホルダー内に苗を挿入、保持して、このホルダーを植栽用孔16に挿入させても良い。
このように太陽光利用型植物工場の水耕栽培では、緩やかな傾斜θをつけた栽培ベッド12に、給液部14から培養液18を流下させ、水耕パネル11の植栽用孔16に植栽された葉物野菜1の苗に養分を与え、培養液18を排液部15から排液する。排液された培養液18は、循環させて再び給液部14から栽培ベッド12内に流入される。太陽光利用型植物工場の水耕栽培では、栽培室内はクリーンな環境に保たれるため野菜に付着する菌数が極めて少ないため、栽培中は農薬を一切使用せずに栽培することができる。
<把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置の説明>
次に、本発明の実施形態に係る把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置について説明する。図2の全体を表す平面図に示すように葉物野菜収穫装置100は水耕パネル11が収容された栽培ベッド12の傾斜θに沿って外縁に敷設されたレール110をまたぐように配置されている。
平面視で略長方形の葉物野菜収穫装置100は、矢視X方向に移動する。進行側には水耕パネル11に形成された植栽用孔16の位置に対応するように把持切断部200が配設されている。また、後方側には収穫した葉物野菜1を収容する収容部が配設されている。進行方向Xは、傾斜θの上方から下方に設定することで、移動を容易にすることもできる。
図2に示す水耕パネル11の植栽用孔16は、4列と5列が千鳥状に形成されており、把持切断部200は、進行方向Xの直進路に設けられている植栽用孔16で生育した葉物野菜1を収穫するように対向して配置されている。図2の実施形態では、計9台の把持切断部200が並行かつ千鳥状に配置しているが、これらの配置は水耕パネル11の植栽用孔16の配置に応じて設定され、本実施形態には限定されない。
次に図3を併せて参照して、把持切断部200について説明する。図3は、図2にて複数配設された把持切断部200の一台の断面およびレール110に対応する外縁部分を示した説明図である。
把持切断部200は、移動架台250と、移動架台250と結合された移動架台250の進行方向Xへ延出された連結部260と、連結部260の延出された端部付近を回動中心RPとして、進行方向Xへ回動自在RMとしたアーム210と、アーム210の回動の先端222に備えられた把持用アクチュエータ220と、移動架台250上に配設された切断装置230、撮像装置240、収容部120と、レール110に対応するように配置され移動架台250を進行方向Xへ移動させるローラー251と、を備えている。
移動架台250および収容部120は、図2に示すように一つの水耕パネル11に対して、一つが対応している一方、その他については、進行方向X(もしくは傾斜θの方向)の直進路に設けられている植栽用孔16に対応して複数配設されている。
移動架台250は、レール110上をローラー251によって進行方向Xへ葉物野菜収穫装置100全体を移動させる。ローラー251の駆動は、モータ、詳しくはサーボモータ、ステップモータ等を使用することができる。移動及び停止は、葉物野菜1の把持切断位置に合わせるように制御される。
移動架台250の形状・形態・材料等は、特に限定されないが、衛生的な植物工場内での利用および培養液18等による湿度環境、栽培ベッド12の強度等を考慮して適宜設定することが好ましい。この移動架台250は、葉物野菜1を収穫後にはレール110上から取り外して、例えば当該レール110を利用して、その後の清掃作業を行うための清掃装置を作動させるために使用することもできる。このように本実施形態に係る葉物野菜収穫装置100の構成にて移動に用いるレール110は、収穫だけの単一目的以外にも利用することができる。
連結部260は、移動架台250から上方に延出し、さらに進行方向Xへ延出するように形成される。連結部260は、移動架台250に備えられている撮像装置240、切断装置230と、アーム210に備えられている把持用アクチュエータ220とを機構的に連結する構造体であり、剛体として機能する。このように構成することで一義的に位置が設定できる構成となるため、複雑な位置補正をするための調節機構を簡易化することができる。なお、前記したように切断部230を回動するアーム210に取り付ける構成とすることもでき、この場合においても構造機構的に一義的に位置を設定できる。
連結部260の進行方向Xの先端側にはアーム210の回動中心RPを含んだ回動駆動部261が備えられている。回動駆動部261は、アーム210を回転自在RMの方向(進行方向X)に回動させる回動中心RPと回動のための駆動力を与えるモータ、詳しくはサーボモータ、ステップモータ等を備えている。
回動駆動部261は、さらに水耕パネル11の進行方向Xと直交する方向に回動中心RPを移動させる機構を備えている。この移動は撮像装置240の照準を定めた後に、把持箇所221の位置にアーム210の円弧ARCが通過して、把持アクチュエータ220が把持箇所221に到達するようにされている。なお、水耕パネル11は、規則的に植栽用孔16が形成されていることから、この移動量は極めて少なく、植栽用孔16の孔径を超えることはない。
アーム210は、長尺の棒状の構造体であり、回動中心RPに対して旋回運動を行う。アーム210の回動中心RPの反対側の先端222には把持用アクチュエータ220が備えられている。回動中心RPから先端222の長さは、略アーム210が鉛直状態になったときに水耕パネル11との間に間隙を有するように設定される。この間隙は移動架台250上の切断装置230が葉物野菜1の把持箇所221の下側を切断するためのスペースとなる。
把持用アクチュエータ220は、軟弱な葉物野菜1の把持箇所221である茎部分を傷つけないようにハンドリングするものである。把持の形態は限定されないが、例えばベクトル制御を行うステップモータ、誘電体人工筋肉、空圧人工筋肉、空気バネ、医療用鉗子などを適用したロボットハンド等とすることができる。把持用アクチュエータ220は、確実な把持と葉物野菜1を傷つけないことを両立するアクチュエータ及び把持部分の材料を選択することが好適である。
撮像装置240は、移動架台250上に配設され、把持箇所221付近の画像を取得する。得られた画像は画像分析を行い、適正な把持箇所221となる茎部分を認定する。また、撮像装置240は、アーム210の先端222が把持箇所221に到達するように照準を定めるための制御信号算出にも使用される。
撮像装置240には、CCDイメージセンサ等の撮像素子を適用することができる。検出する光線は、可視光、赤外光など、撮像する状況に応じて選択することができる。例えば、赤外光、特に近赤外光を適用すれば、外部からの光源が少ない場面であっても、照準を定めるための画像を取得することができる。
切断装置230は、移動架台250上に撮像装置240の撮像方向、アーム210の円弧ARCの軌跡方向と同方向に移動して、葉物野菜1の把持箇所221の下方の茎部分を切断する。切断方法は、刃物、ハサミ、ワイヤー等を適用することができる。なお、切断装置230の移動は、切断装置230自体に移動装置を備えるものでも、移動架台250を進行方向Xへ前進させるものでも良く、限定はされない。
収容部120は、収穫された葉物野菜1を収容する容器であり、開口121が形成された箱である。収容部120は、一般に市販されているプラスチック製の野菜かご等を適用することができる。
<葉物野菜1の収穫手順>
次に、図4,5も併せて参照して、本発明の実施形態に係る葉物野菜収穫装置100が葉物野菜1を収穫する手順について説明する。図4は、本発明の一実施形態に係る葉物野菜収穫装置の収穫作業手順を示す説明図である。図5は、本発明の一実施形態に係る画像解析による位置同定を示す説明図である。
図4(A)を参照すると、アーム210の回動中心RPがほぼ葉物野菜1を垂下できる位置となるように、移動架台250が配置される。アーム210は、進行方向Xの反対側に待機した状態を維持する。撮像装置240は、図5(A)に示すような把持箇所221付近の画像242を取得する。得られた画像242は画像分析を行い、適正な把持箇所221となる茎部分を認定する。
次に、撮像装置240は、図5(B)に示すように把持箇所221に照準位置243を算出する。その後、算出された照準位置243に従い、把持箇所221の位置にアーム210の円弧ARCが通過して、把持アクチュエータ220が把持箇所221に到達するように、回動駆動部261を水耕パネル11の進行方向Xと直交する方向に移動させる。
次に、図4(B)に示すように、照準位置243に基づいて、把持用アクチュエータ220が葉物野菜1の把持箇所221を把持する。ここで、葉物野菜1を把持した状態で上方に引き抜くために、把持用アクチュエータ220を上下方向に移動させる機構を備えることもできる。例えば、平板状の棒に歯切りをした(歯がつけられた)ラックに把持用アクチュエータ220を装着し、アーム210に備えたピニオンギアと組み合わせて、ピニオンギアを回動制御させることで、把持用アクチュエータ220を上下させることができる。なお、これは一例であり、形状記憶合金などの伸縮可能なアクチュエータ等に把持用アクチュエータ220を装着する構成でもよく、使用環境に応じて適宜選択することができる。
次に、図4(C)に示すように、移動架台250が進行方向Xに僅かに移動することで葉物野菜1を水耕パネル11から僅かに上方へ移動させ、切断箇所となる茎部分を水耕パネル11から露出させる。また、移動架台250が進行方向Xに移動することで、切断装置230が切断箇所に到達して、葉物野菜1の把持箇所221の下方部分を切断・分離させる。なお、前記したように切断部230を回動するアーム210に取り付ける構成とした場合には、例えば把持用アクチュエータ220の下方にハサミ状の切断装置230を備えて、把持後に葉物野菜1の把持箇所221の下方を切断・分離させることもできる。
次に、図4(D)に示すように、分離され商品部分となった葉物野菜1は、把持用アクチュエータ220に把持されたまま、アーム210を進行方向Xと反対側へ旋回させて収容部120の上方へ移送される。そして、図4(E)に示すように、葉物野菜1の把持を開放して、収容部120に格納される。
以上説明したように、本発明は、水耕栽培における葉物野菜の収穫作業を軽減するとともに、収穫物の品質を人の収穫したものと同等に維持することができる把持移送装置、この把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置を提供することができる。
1・・・葉物野菜
10・・・水耕栽培設備
11・・・水耕パネル
12・・・栽培ベッド
13・・・脚
14・・・給液部
15・・・排液部
16・・・植栽用孔
18・・・培養液
19・・・空間
20・・・床
100・・・葉物野菜収穫装置
110・・・レール
120・・・収容部
121・・・開口
200・・・把持切断部
210・・・アーム
220・・・把持用アクチュエータ
221・・・把持箇所
222・・・先端
230・・・切断装置
240・・・撮像装置
242・・・画像
243・・・照準位置
250・・・移動架台
260・・・連結部
261・・・回転駆動部
θ・・・傾斜
RM・・・回動自在
RP・・・回動中心
ARC・・・円弧

Claims (5)

  1. 面から突出する対象物を把持する装置であって、
    該面上を平行に移動する移動架台と、
    該移動架台から前記面と離れるように延在した連結部と、
    該連結部の前記面と反対側の端部に回動中心を有し、前記面が接平面とされる円弧を軌道とし、該軌道が前記対象物を通過するように設置された回動自在なアームと、
    前記移動架台上に前記対象物が視野に入るように設置された撮像装置と、を備え、
    前記アームには、前記撮像装置の視野方向の前記対象物を把持する把持用アクチュエータと、が装着されており、
    前記撮像装置が取得した画像に基づき、予め設定された前記対象物の把持箇所を同定し、
    同定された該把持箇所に前記把持用アクチュエータが対向する前記軌道となるように前記アームの前記回動中心を前記移動架台によって移動させる、ことを特徴とする把持装置。
  2. 請求項1に記載の把持装置において、
    前記アームの回動面に直交した面に、前記連結部の先端側を臨むように形成された開口を有する収容部を前記移動架台上にさらに備え、
    前記面は複数の植栽用孔が規則的に形成された水耕栽培用の長尺の栽培ベッドに収容された水耕パネルであり、
    前記対象物は前記植栽用孔に植生された葉物野菜であり、
    前記把持箇所は前記葉物野菜の葉部分と前記植栽用孔との間の茎部分であり、
    前記把持用アクチュエータが前記茎部分を把持し、前記葉物野菜を前記水耕パネルから分離し、
    前記アームが回動して、分離された前記葉物野菜を前記収容部に移送することを特徴とする葉物野菜収穫装置。
  3. 前記把持用アクチュエータが前記茎部分を把持し、前記水耕パネルから前記葉物野菜を引き抜くことを特徴とする請求項2 に記載の葉物野菜収穫装置。
  4. 前記移動架台上の前記撮像装置と隣接した位置に前記茎部分を切断する切断部をさらに備え、
    該切断部は切断を行う前記茎部分へ移動する走行台を有する、ことを特徴とする請求項2または3に記載の葉物野菜収穫装置。
  5. 前記移動架台が前記栽培ベッドの前記長尺方向に移動自在であることを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか1項に記載の葉物野菜収穫装置。
JP2019033088A 2019-02-26 2019-02-26 把持移送装置、この把持移送装置を備えた葉物野菜収穫装置 Active JP7082348B2 (ja)

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