JP7368135B2 - 複数の可動部を有する物品搬送システム - Google Patents

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Description

本発明は、複数の可動部を有する物品搬送システムに関する。
容器内に不規則に配置された複数の物品をカメラで撮像し、得られた画像の画像処理によって各物品の位置を検出して、検出された位置に基づいてロボットによる取出動作を行う取出装置が周知である(例えば特許文献1参照)。
また、コンベヤによって搬送される複数の物品をカメラで撮像し、得られた画像の画像処理によって物品の位置を検出して、検出された位置に基づいて、カメラの下流側に配置された複数のロボットによって物品を移送するシステムが周知である(例えば特許文献2参照)。
さらに、2本のアームを有する搬送用ロボットを用いてワークを取り出す際に、アーム毎に旋回方向と旋回角度を計算し、旋回量が最小となるアームを選択して、選択したアームをワークの取り出しに使用するようにした搬送システムが周知である(例えば特許文献3参照)。
特開2014-087913号公報 国際公開第2014/013607号 特開平10-329069号公報
可動部を複数備えたロボットを用いて複数の物品を搬送する用途・システムでは、全ての物品をできるだけ短時間で搬送し終えることを目的として、各物品をいずれの可動部に搬送させるかを演算・決定する場合が多い。しかしそのような場合、特定の可動部に負荷が集中し、該特定の可動部のメンテナンス頻度のみが上昇することがある。搬送システム全体としての管理や保守の観点からは、各可動部のメンテナンス頻度はできるだけ平均化されることが望ましい。
本開示の一態様は、複数の物品の各々の3次元位置を検出するセンサと、前記物品を所定の搬送位置へ搬送する、第1及び第2の可動部を備えたロボットと、前記ロボットを制御する制御部と、前記複数の物品の各々を前記第1及び第2の可動部のいずれか1つで搬送する際の、前記可動部の各々の移動量の予想値を、前記物品の各々の3次元位置に基づいて計算する移動量計算部と、前記第1及び第2の可動部の各々の移動量の実績値を記憶する記憶部と、前記第1の可動部の、前記実績値及び前記予想値に基づいて取得された値と、前記第1の可動部の、前記実績値及び前記予想値に基づいて取得された値との差が最小となるか所定の値未満になるように、前記複数の物品の各々を、前記第1及び第2の可動部のうちいずれの可動部を使用して搬送するかについての分配パターンを決定する分配決定部と、を有する、物品搬送システムである。
本開示によれば、各可動部の移動量が平均化されるので、各可動部の負荷も分散・平均化される。よって可動部のメンテナンスの時期や間隔も均等化することができ、搬送システム全体としての保守・管理が容易になる。
第1実施例に係る物品搬送システムの構成を示す図である。 第1実施例におけるワーク検出処理を示すフローチャートである。 第1実施例における分配・搬送処理を示すフローチャートである。 図3のフローチャートにおける分配パターンの決定処理を示すフローチャートである。 コンベヤ上のワークとワーク搬送位置との位置関係を示す平面図である。 コンベヤ上のワークとワーク搬送位置との位置関係を示す側面図である。 ワークが10段積みされた例を示す図である。 第2実施例に係る物品搬送システムの構成を示す図である。 第3実施例における分配・搬送処理を示すフローチャートである。 図9のフローチャートにおける分配パターンの決定処理を示すフローチャートである。
(第1実施例)
図1は、第1実施例に係る物品搬送システム10の基本構成例を示す図である。物品搬送システム10は、複数の物品(ワーク)12の各々の3次元位置を検出するセンサ14と、ワーク12を所定の搬送先(ここではパレット等)16a及び16bへそれぞれ搬送する、複数の可動部を備えたロボット(ここでは2台のロボット)18a及び18bと、ロボット18a及び18bを制御する制御部20と、複数のワーク12の各々をロボット18a及び18bのいずれか一方で搬送する際の、ロボット18a及び18bのそれぞれの可動部(ここではロボットアーム22a及び22b)の移動量を、各ワーク12の3次元位置に基づいて計算する移動量計算部24と、可動部22aの移動量と可動部22bの移動量との差が最小となるか、所定の値未満となるように、各ワーク12を、ロボットアーム22a及び22bのうちいずれを使用して搬送するかについての分配パターンを決定する分配決定部26とを有する。
制御部20、移動量計算部24及び分配決定部26は、例えばCPU等の演算処理装置(プロセッサ)であり、ロボット制御装置28内に収納可能である。またロボット制御装置28は、種々のデータを記憶可能なメモリ等の記憶部30をさらに有してもよい。さらに、これらの構成要素の少なくとも一部は、ロボット制御装置28とは別の計算機(パーソナルコンピュータ等)に具備されてもよい。
第1実施例では、複数のワーク12を所定の搬送速度で所定の搬送方向(図示例では矢印32で図示)に逐次的に運搬する、ベルトコンベヤ等のコンベヤ34が設けられる。またセンサ14としては、例えば汎用の3次元ビジョンセンサが使用可能であり、センサ14は所定の計測領域内のワークの3次元位置及び姿勢を検出することができる。3次元ビジョンセンサの具体例としては、ステレオビジョン方式、ストラクチャード・ライト方式、レーザ三角測量方式、タイム・オブ・フライト(TOF)方式のセンサが挙げられる。また3次元ビジョンセンサ以外のセンサ14の具体例としては、2次元カメラと距離センサを組み合わせたものが挙げられ、この場合は、2次元カメラで測定対象のX,Y座標に関する情報を測定・取得し、距離センサで測定対象のZ座標に関する情報を測定・取得することにより、測定対象の3次元位置及び姿勢を検出することができる。
ロボット18aは、例えば6軸の多関節ロボットであり、そのアーム22aの先端に取り付けられた、ワーク12を保持可能なハンド36aを有する。ロボット18aは後述する分配パターンに基づいて、コンベヤ34によって搬送されているワーク12を逐次的に(図示例では1つずつ)把持して搬送位置16aに搬送することができる。同様に、ロボット18bは、例えば6軸の多関節ロボットであり、そのアーム22bの先端に取り付けられた、ワーク12を保持可能なハンド36bを有する。ロボット18bも後述する分配パターンに基づいて、コンベヤ34によって搬送されているワーク12を逐次的に(図示例では1つずつ)把持して搬送位置16bに搬送することができる。
なお第1実施例に係る物品搬送システム10は、各々が可動部(アーム)を備えた2台のロボット18a及び18bを含むが、これに限られない。例えば、可動部を備えたロボットは3台以上であってもよいし、各ロボットはワーク12を搬送可能なものであれば、6軸の多関節ロボットに限られない。また実質1台のロボットが、複数の可動部(アーム)を有し、各可動部が独立してワークの保持・搬送動作を行えるようにしてもよい。本願明細書ではいずれの態様も、「複数の可動部を備えたロボット」に含まれるものとする。
以下、物品搬送システム10における処理の流れについて説明する。ここでは図1に示すように、ワーク12が2段に積み重ねられた状態でコンベヤ34によって搬送されるものとする。
図2は、センサ14による検出処理の一例を示すフローチャートである。先ずコンベヤ34に設けたエンコーダ38等を用いて、コンベヤ34が所定距離移動したか(より具体的には、前回検出時からのコンベヤ34の搬送部(ベルト等)の送り量が所定距離に達したか)を、制御装置28等が判定し(ステップS1)、コンベヤ34が所定距離移動しているときは、センサ14がコンベヤ34上の所定領域を撮像する(ステップS2)。この所定領域は通常、最も上流側のロボット(ここではロボット18a)の設置位置より一定距離上流側の、コンベヤ34上の領域として設定され、当該一定距離は例えば、ロボットの性能や後述する処理の実行速度等に基づいて設定可能である。
次のステップS3では、センサ14の制御装置や画像処理装置(図示せず)等を用いて、S2で取得した画像の画像処理等を行い、コンベヤ34上の所定領域内のワーク12の有無、さらに所定領域内にワーク12が存在している場合はその3次元位置を検出する。このとき、ロボットによるワークの把持を容易に行うために、ワーク12の姿勢をさらに検出してもよい。ステップS1-S3の処理は、所定の時間周期で反復される。センサ14が検出したワーク12の3次元位置等に関する情報(データ)は、制御装置28に送られ、後述するステップS4の処理に使用される。
図3は、センサ14の検出結果を利用して、ロボット18a又は18bでワーク12を搬送する際の処理の一例を示すフローチャートである。先ずステップS4において、所定の領域(ここではセンサ14の検出範囲に概ね相当)内に、3次元位置等が検出済でかつ後述する分配処理が行われていないワークが存在しているか否かを判定し、そのようなワークがある場合はステップS5に進む。
ステップS5では、上述の分配決定部26が、上述のワークをいずれのロボットで搬送させるかを表す分配パターンを決定する。以下、その詳細について図4のフローチャートを用いて説明する。ここでは、2段に積まれた一塊のワークの個数をn(図1の例では上段1つ、下段2つの計3つ)とし、上流側のロボット18aが把持・搬送可能なワークの存在範囲をXa~Xbとする。なおXa及びXbは、コンベヤ34の搬送方向32に沿った方向(X方向)の座標である。
先ずステップS51において、センサ14からの検出データから、分配処置を行うべきワークの個数nを設定する。次にステップS52において、上述の分配決定部26等が、n個のワーク12の各々を、ロボット18a又は18bが搬送する場合の複数(好ましくは全て)の組み合わせ(分配パターン)を作成・設定する。本実施例ではワークの個数がnであり、可動部(ロボット)の個数は2であるので、ワークの分配には最大2通りが考えられるが、下段のワークを上流側のロボット18aが搬送し、かつ該下段のワークの上方に部分的にでも重畳している上段のワークを下流側のロボット18bが搬送するような組み合わせは除外される。
次のステップS53では、ステップS52で設定された組み合わせの各々について、ロボット18aの可動部22aの移動量と、ロボット18bの可動部22bの移動量とを計算する。以下、その具体例を説明する。
図5及び図6はそれぞれ、コンベヤ34上のワーク12とワーク搬送位置16a(16b)との位置関係を例示する平面図及び側面図である。ここでは、ロボット18a又は18bの代表点(例えばツール先端点)としてその位置が表されるハンド36a又は36bが、その初期位置P0から、搬送対象ワーク12の直上のワークアプローチ位置P1を経てワークの把持位置P2に移動してワーク12を把持し、退避位置P3(ここでは概ねP1に一致)及び搬送場所16a又は16bの直上の搬送アプローチ位置P4を経て、ワーク12を搬送場所16a又は16bに載置できる搬送位置P5まで移動するものとする。
ここで、P0~P5のうち最もハンドの移動距離が長いP3~P4を例にとると、上段のワークの移動距離L1及び下段のワークの移動距離L2はそれぞれ、以下の式(1)及び(2)で表すことができる。但し、ワークはP3からP4まで直線移動するものとし、Hは各ワークの高さである。
L1 = √((X-X0)+(Y-Y0)+H) (1)
L2 = √((X-X0)+(Y-Y0)) (2)
上述のように、上流側のロボット18aは、X座標がXa~Xbの範囲内のワークを把持・搬送することができるが、ここではロボット18aは、複数のワークを搬送する場合、最初のワークはそのX座標がXaのときに把持して搬送し、最後のワークはそのX座標がXbのときに把持して搬送するものとする。さらに、ロボット18aが3つ以上のワークを搬送する場合は、その個数をkとすると、最初と最後のワーク以外のワークは、そのX座標が以下の式(3)で表される値となったときにロボット18aによって把持・搬送できる。但し式(3)において、i=1,2,…k-2である。
X = Xa+(Xb-Xa)/(k-1))×i (3)
上述の式(3)等から、各ワークを搬送するときの可動部(ここではアーム先端に取り付けたハンド)の移動距離又はワーク搬送距離の予想値を、可動部の移動量として求めることができる。ロボット18bについても同様である。
次にステップS54において、S53で求めた全ての分配パターンの中から、ロボット18aの可動部の移動量とロボット18bの可動部の移動量との差が最も小さいか、又は所定の値未満である分配パターンが、実際にワークを搬送する際の分配パターンとして選択・決定される。ここでの移動量は、同じ可動部が複数のワークを逐次的に搬送する場合は、各ワークを搬送するとしたときの移動量の合計値を表す。このようにすれば、n個のワークを搬送する際の、各ロボットの負担が平均化された分配パターンを自動的に求めることができる。なお所定の値は例えば、ロボットアーム等の可動部のメンテナンス頻度等を考慮して、経験的に定めることができる。
再び図3を参照し、ステップS6では、センサ14が検出した領域内に、いずれのロボットに搬送されるかが決定済みでありかつ実際には搬送されていないワークの有無を検出し、そのようなワークがなければ処理はステップS4に戻るが、そのようなワークがあれば、決められた分配パターンに従ってワークを搬送する(ステップS7)。ステップS4-S7の処理は、センサ14が搬送すべきワークを新たに検出したら実行される。
上述の実施例では、ワークが2段積みの場合を説明したが、ワークが3段以上に積み重なっていても同様の処理が適用可能である。例えば図7に示すように、ワーク12が10段積みされており、各ワークの高さHが100mmであり、コンベヤ上のワークの載置位置からワーク搬送位置までの水平距離(Y-Y0)が500mmである場合を考える。
通常、各ロボットの負荷を平均化するためには、各ロボットが搬送するワークの個数を等しくすることが先ず考えられるが、図7の場合では2つのロボットがそれぞれ5個のワーク(具体的には、ロボット18aが上の5つのワーク、ロボット18bが下の5つのワーク)を搬送すると仮定すると、ロボット18aの可動部の搬送距離Laと、ロボット18bの可動部の搬送距離Lbは、それぞれ以下の式(4)及び(5)(単位はmm)のようになり、ロボット18aの方がロボット18bより負担がかなり大きいことがわかる。
La = 1030+943+860+781+707 = 4321 (4)
Lb = 640+583+539+510+500 = 2772 (5)
そこで本実施例を適用すると、ロボット18aが上の4つのワークを搬送し、ロボット18bが下の6つのワークを搬送するとする分配パターンが自動的に決定され、そのときのロボット18aの可動部の搬送距離La′と、ロボット18bの可動部の搬送距離Lb′は、それぞれ以下の式(6)及び(7)(単位はmm)のようになり、両ロボットの移動量が平均化されていることがわかる。
La′ = 1030+943+860+781 = 3614 (6)
Lb′ = 707+640+583+539+510+500 = 3479 (7)
よって本実施例では、複数のワークが積み重なった状態でも、これらのワークを搬送するときのロボットの負荷を平均化することができる。このようにワークの3次元位置(特に高さ情報)を利用してワークの分配パターンを決定することにより、メンテナンス頻度等をロボット間でほぼ等しくすることができ、搬送システム全体としてのメンテナンスや管理も容易になる。また本実施例のように、複数のワークがコンベヤ等によって所定速度で搬送されている場合は、一定時間内に全てのワークを搬送先に搬送し終える必要があるが、本実施例ではロボットの移動量が平均化されるので、各ロボットの搬送所要時間も平均化することができる。
なお上述の例では、P0~P5までの各ロボットの可動部の移動距離を移動量として求めたが、移動距離が同じであっても、ロボットにかかる負荷としては、ロボットがワークを把持しているときの方が把持していないときよりも大きい。そこで例えば、ロボットの可動部の移動距離の計算を、ロボットがワークを保持している経路P2~P5に限って行い、経路P2~P5の距離(すなわちワークの搬送距離)を可動部の移動量として用いてもよい。或いは、ロボットがワークを保持している経路P2~P5と、把持していない経路P0~P2にそれぞれ異なる(具体的には、後者の方が軽い)重み付けをした上でそれらの合計を求め、得られた合計値を各可動部の移動量として用いてもよい。
また上述の例では、ロボットの可動部の移動量として可動部(ワーク)の移動距離を使用したが、ロボットのメンテナンス頻度という観点からは、可動部を駆動する軸のうちの少なくとも1つの累積回転角度を可動部の移動量として使用した方が好ましい場合がある。以下、その具体例を説明する。
上述したP3~P4へのハンドの移動経路において、該ハンドを駆動する軸(ここではJ1軸とする)の回転角度位置が(-35°→+120°→+10°)と変化したとすると、J1軸の移動量(累積回転角度量)は265°(=155°+110°)となる。但し-35°→+120°、及び+120°→+10°の間は、回転角度位置は単調に変化(単調増加又は単調減少)したものとする。
一般的に、ロボットの各軸の回転角度位置がXからXまで変化する間に、回転角度位置が増加から減少、或いは減少から増加に転じる回数がn回であるとし、さらに増加から減少、或いは減少から増加に転じるときの角度をX,X,…Xとすると、各軸の累積回転角度(移動量)Dは次の式(8)で表すことができる。なお式(8)において、k=1,2,…nである。なお各軸の回転角度位置は、各軸に設けたエンコーダ等(図示せず)の検出値から求めてもよいし、ロボット制御装置から各ロボットに送られる動作指令に含まれる指令値から求めてもよい。
D = Σ(|X-Xk-1|) (8)
式(8)を用いて、各ロボットの軸の移動量(累積回転角度)を分配パターン毎に計算することにより、最適な分配パターンを選択・決定することができる。なお軸の移動量としては、各ロボットにおいて可動部を駆動する軸のうち、特定の軸(例えばJ1軸)のみの移動量を用いてもよいし、可動部の駆動に関連する全ての軸(例えばJ1~J6軸)の移動量の合計値を用いてもよい。またJ1~J6軸間でメンテナンスの手間やコストが大きく異なる場合は、各軸の移動量に所定の重み付けをした上で合計値を求め、該合計値を、最適な分配パターンを決定する際の移動量として用いてもよい。このように各軸の移動量を利用することは、後述する第2実施例及び第3実施例にも適用可能である。
(第2実施例)
図8は、第2実施例に係る物品搬送システム10′の基本構成例を示す図である。第2実施例は、制御部(制御装置)の個数のみが第1実施例と相違し、他の構成要素や処理については第1実施例と同様でよい。第1実施例では複数台のロボットを実質1つの制御装置で制御するのに対し、物品搬送システム10′は、ロボット18aを制御する制御部(ロボット制御装置28a)と、ロボット18bを制御する制御部(ロボット制御装置28b)とを有し、ロボット制御装置28a及び28bは、イーサネット(登録商標)40等によって互いに通信可能に接続される。
第2実施例では、上流側のロボット18aを制御する制御装置28aが、第1実施例における制御装置28の処理を行い、最適な分配パターンを決定する。そして制御装置28aは、ロボット18aに対しては、決定された分配パターンに基づいて、ロボット18aが搬送すべきワークをピックアップしてパレット16aに搬送する旨の指令を送るとともに、ロボット18bの制御装置28bに対しては、ロボット18aが搬送しない(すなわちロボット18bが搬送すべき)ワークの情報を送信する。よって制御装置28bは、制御装置28aからの情報に基づいて、ロボット18bを制御すればよい。
第2実施例では制御部(制御装置)の個数が第1実施例より多いので、物品搬送システム全体のコスト面ではやや不利となるが、一般に1つの制御部で制御できるロボットの台数には上限があり、また本開示における演算処理を1つの制御部で行うのは、そのCPUの性能等から難しい場合がある。そのような場合、第2実施例のように各ロボットに制御部を設けることが好ましい。
(第3実施例)
第3実施例は、物品搬送システムの構成としては第1又は2実施例と同様でよいが、最適な分配パターンを決定するための処理が第1又は第2実施例とは異なる。以下、その具体例を、図9のフローチャートを参照しつつ説明する。
図9のフローチャートにおけるステップS14~S17はそれぞれ、図3のフローチャートのS4~S7と同様でよい。但し図9では、ステップS17の後に、各ロボットの実際の移動量(可動部の移動距離又は各軸の移動量等)を、記憶部30(図1参照)等に記憶するステップS18を含む点で、図3のフローチャートと相違する。
次に、最適な分配パターンを決定する処理S15の詳細を、図10のフローチャートを参照しつつ説明する。ステップS151~S153はそれぞれ、図4のフローチャートと同様でよいが、図4のS53で計算する各ロボットの移動量は、各ロボットの移動量の予想値とも言える。
そこで次のステップS154では、ステップS18で記憶した各ロボットの移動量の実績値を、ステップS153で計算した予想値に加算する。
第3実施例は、図1に例示するように、n個のワークの塊が複数ある場合に好適に適用可能である。すなわち、n個のワークの塊の1つを搬送したときのロボット18a及び18のそれぞれの移動量を実績値として記憶しておき(S18)、次のn個の塊を搬送する際の各ロボットの移動量の予想値を計算する(S151~S153)。この計算は、第1実施例と同様でよい。
次に、各ロボットについて実績値に予想値を加算し(S154)、その合計値の差が最小となるか、所定の値未満となる分配パターンを最適解として選択・決定する(S155)ことにより、予想値のみを使用する場合に比べ、各ロボットの負荷がより均一化された分配パターンを得ることができる。
応用例として、例えば第3実施例を図7に示したような10段積みのワークを1つのワーク群として、複数のワーク群がコンベヤによって搬送される場合に適用すると、以下のような効果が得られる。
上述のように、1つのワーク群のみの場合は、ロボット18aが上の4つのワークを搬送し、ロボット18bが下の6つのワークを搬送するパターンが最適な分配パターンとして選択されるが、式(6)及び(7)からわかるように、両ロボットの移動距離は全く同じではなく、一定の差(ここでは135mm)がある。よってこの分配パターンを繰り返すと、両ロボットの累積移動距離は徐々に拡大することになる。
ここで第3実施例を適用すると、各ロボットの移動量について過去の実績値が考慮されるので、複数のワーク群のうちのいくつかについては、ロボット18aが上の3つのワークを搬送し、ロボット18bが下の7つのワークを搬送するパターンが最適な分配パターンとして選択されることになる。このように第3実施例では、各ロボットの移動距離(負荷)をより高い精度で平均化することができる。
上述の実施例は、適宜組み合わせることもできる。例えば、第3実施例の演算処理を第2実施例の構成で行い、上流側のロボット18aで搬送すべきワークを、ロボット18aの可動部の移動量の実績値と予想値の合計値に基づいて決定し、さらに、ロボット18aで搬送しないワークの情報を、ロボット制御装置28aからロボット制御装置28bに送信することもできる。
なお上述の何れの形態においても、ロボットの可動部の移動経路(ワークの搬送経路)は、他のワークや周辺物等との干渉を回避するように設定されることが好ましい。なお干渉回避のための搬送経路を求める手段・方法については、周知技術が適用可能であるので、詳細な説明は省略する。
10、10′ 物品搬送システム
12 ワーク
14 センサ
16a、16b 搬送先
18a、18b ロボット
20 制御部
22a、22b 可動部
24 移動量計算部
26 分配決定部
28、28a、28b ロボット制御装置
30 記憶部
34 コンベヤ
36a、36b ハンド
38 エンコーダ
40 イーサネット

Claims (6)

  1. 複数の物品の各々の3次元位置を検出するセンサと、
    前記物品を所定の搬送位置へ搬送する、第1及び第2の可動部を備えたロボットと、
    前記ロボットを制御する制御部と、
    前記複数の物品の各々を前記第1及び第2の可動部のいずれか1つで搬送する際の、前記可動部の各々の移動量の予想値を、前記物品の各々の3次元位置に基づいて計算する移動量計算部と、
    前記第1及び第2の可動部の各々の移動量の実績値を記憶する記憶部と、
    前記第1の可動部の、前記実績値及び前記予想値に基づいて取得された値と、前記第2の可動部の、前記実績値及び前記予想値に基づいて取得された値との差が最小となるか所定の値未満になるように、前記複数の物品の各々を、前記第1及び第2の可動部のうちいずれの可動部を使用して搬送するかについての分配パターンを決定する分配決定部と、
    を有する、物品搬送システム。
  2. 前記移動量計算部は、前記第1及び第2の可動部を駆動する軸のうちの少なくとも1つの累積回転角度を、それぞれ前記第1及び第2の可動部の移動量として計算する、請求項1に記載の物品搬送システム。
  3. 前記移動量計算部は、前記第1及び第2の可動部によって搬送される物品の搬送距離を、それぞれ前記第1及び第2の可動部の移動量として計算する、請求項1に記載の物品搬送システム。
  4. 前記分配決定部は、前記第1及び第2の可動部の各々について、前記実績値に前記予想値を加算した値を用いて前記分配パターンを決定する、請求項1~3のいずれか1項に記載の物品搬送システム。
  5. 前記複数の物品を所定の搬送速度で所定の搬送方向に搬送するコンベヤをさらに有する、請求項1~4のいずれか1項に記載の物品搬送システム。
  6. 前記第1及び第2の可動部をそれぞれ制御する複数の制御部を有する、請求項1~5のいずれか1項に記載の物品搬送システム。
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