JPH01164583A - エンドエフェクタ - Google Patents

エンドエフェクタ

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JPH01164583A
JPH01164583A JP62321298A JP32129887A JPH01164583A JP H01164583 A JPH01164583 A JP H01164583A JP 62321298 A JP62321298 A JP 62321298A JP 32129887 A JP32129887 A JP 32129887A JP H01164583 A JPH01164583 A JP H01164583A
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JP
Japan
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end effector
force
torque
drive system
capture
Prior art date
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Pending
Application number
JP62321298A
Other languages
English (en)
Inventor
Akira Dobashi
土橋 亮
Naoki Noguchi
直樹 野口
Kesatoshi Kuraoka
倉岡 今朝年
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Space Development Agency of Japan
Hitachi Ltd
Original Assignee
National Space Development Agency of Japan
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to CA000586487A priority patent/CA1297136C/en
Priority to US07/286,866 priority patent/US4955654A/en
Publication of JPH01164583A publication Critical patent/JPH01164583A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/08Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085Force or torque sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G4/00Tools specially adapted for use in space
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S294/00Handling: hand and hoist-line implements
    • Y10S294/907Sensor controlled device

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はエンドエフェクタに係り、特に位置及び角度の
少なくとも一方が不一致状態の物体を把持するのに好適
なエンドエフェクタに関する。
〔従来の技術〕
従来の装置は米国特許筒4,105,241号に記載さ
れ、宇宙船作業機のリモート・マニピュレータ・システ
ム(RMS)の標準エンドエフェクタ(SEE)として
実用化されているが、上記位置及び角度の少なくとも一
方の不一致を矯正する際に大きな力(又はトルク)がエ
ンドエフェクタに加わり、エンドエフェクタ寿命を短か
いものにしていた。
以下、従来の装置の構成と動作について説明する。
第1図は本発明の適用されるエンドエフェクタ装置を示
すもので、101は把持部、102は宇宙作業機、10
3はRMS (リモートマニピュレータシステム)で6
自由度を持つ。104はペイロード、即ちRMS 10
3で取扱う対象物である。
105は被把持体であり、ペイロード104に取り付け
られる。106はTVカメラであり、オペレータはこの
画像を見てRMS103を操作する。
把持部101は被把持体105を捕獲・固定することに
よりペイロード104を把持・確保することができる。
宇宙作業機102に取付けられた6自由度のRMS 1
03は全長10mを超える巨大なアームであり先端に把
持部101を装備することにより、RMSの位置決め精
度が悪くてもペイロード104を捕獲できる特徴を有す
る。このようにして、把持部101で確保されたペイロ
ード104はRMS 103により、任意の位置に任意
の方向で位置決めされる。
第2図は文献NASA−CP−2221に示された図で
、原理的にU、S、P第4,105,241号に示され
たものであり、把持部101の主な構造を示している。
すなわち、201′は駆動系。
202はバックプレート、203はボールスプライン、
204はスネア大ギア、205は回転リング、206は
スネアケーブル、207は固定リング、208はボール
スクリュー、209はステータススイッチ(1)、21
0はステータススイッチ(2)、211はステータスス
イッチ(3)。
212はエンドプレート、213はグローブ。
214は電気コネクタ、215は支持体、216はキャ
リア217はポールナツトである。
把持部101はバックプレート202に取付けられた駆
動系201内のDCブラシレスモータにより駆動される
。モータの出力トルクは駆動系201内の平歯車アセン
ブリ(図示せず)とボールスプライン203を介してス
ネア大ギア204に取付けられた回転リング205を駆
動する。回転リング205には3本のスネアケーブル2
06の一端が取付けられており、スネアケーブル206
の他端は、支持体215を介して回転リング205の外
側にある固定リング207に付いている。したがって、
回転リング205が回転することによりスネアケーブル
206も回転し、3本のケーブルで作る軸が開閉する。
又、モータの出力トルクは駆動系201内の平歯車を介
して3本のボールスクリュー208を回転させる。モー
タの出力トルクの伝達は駆動系201内のクラッチとブ
レーキ(図示せず)により、ボールスプライン203と
ポールナツト−208とに切替えられる。ボールスクリ
ュー208の先端にはキャリア216がポールナツト2
17を介して付いており、ボールスクリュー208が回
転することにより、キャリア216が前後に移動する。
キャリア216にはスネアの回転リング205.固定リ
ング207が付いているため、ボールスクリュー208
が回転することにより、スネアケーブル206も引込ま
れたり、引出されたりする。キャリア216の移動状況
は、ステータススイッチ209〜211により確認され
る把持部101の開口部側(バックプレート202の反
対側)にはエンドプレート212があり、この面が被把
持体105とのインタフェース面になる。エンドプレー
ト212にはグローブ213が有り、被把持体105の
回転を固定する機能を有する。又、エンドプレート21
2には電気コネクタ214があり、被把持体105.ペ
イロード104との電気的なインタフェースも取ること
ができる。
第3図は被把持体105の主な構造を示し、301はベ
ースプレート、302は把持体シャフト、303はガイ
ドアーム、304は電気コネクタ、305は被把持ター
ゲットである。
第4図は把持部101の動作を示す説明図であり、10
1は把持部、105は被把持体205は回転リング、2
06はスネアケーブル、207は固定リング、302は
把持体シャフトである。また、第4図の(1)は捕獲開
始状態、(2)は捕獲工程、(3)は捕獲終了状態を示
す。
次に、第1図、第2図、第3図2第4図により把持部1
01の動作を説明する。
第4図(1)において、動作開始前では第2図の把持部
101はキャリア216が完全に引き出され、又スネア
ケーブル206は回転リング205、固定リング20?
内に収納された状態になっている。オペレータは第1図
のRMS 103を操作してペイロード104について
いる被把持体105の被把持体シャフト302が把持部
101の開口部内に入るように、RMS 103のTV
カメラ106で第3図の被把持ターゲット305を見な
から把持部101を位置決めする。
この状態が第4図(1)である9次に、回転リング20
5が回転し3本のスネアケーブル206が回転し始め、
被把持体シャフト302に近づいていくこの状態が第4
図(2)σである。回転リング205が完全に回転し、
スネアケーブル206が被把持体シャフト302を締め
付けると、被把持体シャフト302は把持部101の中
心に位置することになる。この状態が第4図(2)Iで
ある。次にボールスクリュー208が回転し、スネアケ
ーブル206をキャリア216ごと把持部101側に引
込む。その結果、把持部101のエンドプレート212
と被把持体105のベースプレート301は密着して、
ガイドアーム303はグローブ213にセットされ、被
把持体105は6自由度いずれの方向に対しても固定さ
れる。
(第4図(3)) 以上の動作は第5図に示すシーケンスにより実行される
。まず最初にオペレータは、キャリア216が完全に引
出されていることをステータススイッチ(1)209の
rEND  EFFEC−TOREXTENDJシグナ
ル、及びスネアが完全に開いていることをステータスス
イッチ(4)(図示せず)のrsNAREs  0PE
NJシグナルにより確認する6次にオペレータはRMS
103により把持部101を位置決めして、被把持体シ
ャフト302が把持部101の開口部内にあることをT
Vカメラ106により確認後、回転リング205のスイ
ッチを投入して回転させる。
回転リング205が完全に80°回転し終るとスティタ
ススイッチ(5)(図示せず)がONL、。
rSNARES  CLOSEJシグナルが出力される
。さらに、その時スネアケーブル206が被把持体シャ
フト302を締付けていると、スネアケーブル206の
張力によりスネアケーブル206の先端のスプリングが
スティタススイッチ(b)(図示せず)を動作し、rP
AYLOADPRESENTJシグナルが出力され、こ
の2つのANDにより、引込み動作に移る。この際、運
転モードが自動のときは自動的に引込みを開始し、手動
のときはオペレータの操作により引込みを開始する。こ
のようにしてボールスクリュー208が回転し、キャリ
ア216が引込まれていく。そうして、把持部101の
エンドプレート212と被把持体105のベースプレー
ト301がちょうど接触する状態までキャリア216が
引込まれるとスティタススイッチ(2)210がONし
、シグナルが出力される。その後さらにキャリア216
を引込み最後まで引込み切るとスティタススイッチ(3
)211シグナルが出力され、把持を完了する。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記従来技術のエンドエフェクタは、前述のようにグラ
ツプル・フィクスチャ(GF)と呼ばれる専用の把持対
象物をまずパ捕獲″シ、次にそれを″引込み″、リジダ
イズするというシーケンスにより制御され、−度捕獲動
作を開始すると最大質量30tのペイロードをその慣性
力に抗して短時間に捕獲しなければならない。エンドエ
フェクタとグラップルフィクスチャとの位置及び角度の
不一致量(ミスアライメント)が大きいと、上記慣性力
は大きな力(又はトルク)をなる。宇宙における潤滑は
、油脂類の使用が極端に制約されており、このような過
大力(トルク)は駆動系2回転リング、ボールスクリュ
ー等の把持力伝達要素の真空潤滑劣化を早め、寿命を短
かくするという問題がある。
一方、RMSは全長10mを超える巨大なものであり、
視野の狭さもあって、RMS先端方向とペイロードの重
心を一致させることはむつかしい。
このため、SEEに過大な力をかけて捕獲せざるを得な
い事情にあった。
本発明の目的は、把持動作の際にエンド・エフェクタに
大きな力(又はトルク)がかからないようにカフィード
バック制御して、長寿命のエンド・エフェクタを実現す
ることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、エンドエフェクタ内に力センサを内蔵させ、
エンドエフェクタにかかる力(又はトルク)を検出し、
モータにフィードバックすることにより、その力(又は
トルク)を制限するようにエンドエフェクタを制御しよ
うとするものである。
〔作 用〕
エンドエフェクタに内蔵された力センサは、エンドエフ
ェクタにがかる力(又はトルク)の大きさと方向を検知
する。エンドエフェクタ駆動系のサーボ制御装置は力信
号をフィードバックし、力(又はトルク)が設定値を越
えぬように駆動系のモータをサーボ制御することにより
、エンド・エフェクタには設定値以上の荷重がかからず
1把持力伝達要素にかかる負荷を軽減することができる
このサーボ制御装置はシーケンス制御装置に組み込まれ
、自動的に捕獲・引込みできる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第6図により説明する。
本実施例は第2図に示した把持部101に於いて、スネ
アケーブルにかかる力(又はトルク)を検知してサーボ
制御で動作するエンドエフェクタの捕獲機構駆動部の制
御ブロックを示すものであり、601はリレー、602
はアンプ、603はサーボモータ、604は速度センサ
、605はゲイン調整器、606は減速歯車、201は
速度制御装置、205は回転リング、206はスネアケ
ーブル、6o7は力センサである。
本実施例によれば、第4図(2)σに移るときに第5図
の捕獲動作ON信号によりリレー601がONし、定力
制御信号foがアンプ602を介して速度制御信号0工
として速度制御装置201に入力され、サーボモータ6
03の出力回転数OMは速度センサ604で検呂され、
ゲイン調整器605を介してフィードバックされる。サ
ーボモータ603の出力○丙は、回転リング205を駆
動し、スネアケーブル206を回転させる。スネアケー
ブル206が回転していってその回転角Qcが、角度O
Lに達すると把持体シャフト302と接触し始め、スネ
アケーブル張力が大きくなっていく。力センサ607は
、第2図のスネアケーブル206の支持体に取付けられ
た歪ゲージにより構成される。
第7図は、この方センサの構成を示すもので、701は
、定電圧電源、702,703,704は第2図の3本
のスネアケーブル206の支持体に貼付された歪ゲージ
、705,706,707は歪ゲージ702,703,
704の歪増幅器。
708は加算器である。
第7図の力センサによれば、3本のスネアケーブルに作
用する力は、歪ゲージ702,703゜704によって
検出され、歪増幅器705゜706.707によって増
幅され、その出力信号は加算器708によって加算され
、力センサ出力回路より力センサ信号として出力される
第8図は、第2図のスネアケーブル206の支持体に歪
ゲージを取付けた図である。206はスネアケーブル2
12はエンドプレート702は歪ゲージ710はケーブ
ル取付具711は支持体712は取付ボルトである。第
2図に示したように、スネアケーブルの一端は、回転リ
ング205に取つけられ、他端は、固定リング207に
取付けられている。第8図はその詳細を示す図でありケ
ーブル取付具710は、スネアケーブル206を、支持
体711に取付けており、支持体711は、取付ボルト
712を介して、固定リング207に取付けられる。
歪ゲージ702は、支持体711に貼付されていて、ス
ネアケーブル206が、グラップルシャフト302を捕
獲して張力を受けると、支持体711はケーブル張力に
比例した曲げ応力を発生しその結果、歪ゲージ702に
より歪として測定される。該歪は該曲げ応力と比例関係
にあるので結局、歪ゲージ702の歪を検出することに
よりケーブルに作用する力が測定できる。
第9図は、第6図における回転リング205の回転速度
Q n yスネアケーブル206に作用する力F、ペイ
ロード104の速度vpの変化につき、第6図に示した
本発明の制御を適用しない場合を実線とし、力センサ6
07によるカフィードバックを適用する場合を破線で示
したものである。
制御を適用しない場合には、第5図において。
捕獲動作による信号発生と共に、回転リング205が回
転し第9図(A)のように1回転速度は、σでQNOに
達しbまで一定回転した後、信号を切りCで停止する。
上記第9図(A)の回転リング205の動作によるスネ
アケーブル206の歪ゲージ702の測定値Fの変化は
、ペイロード104と把持部101との相対位置、相対
速度、ペイロード104の質量によって大きく変化する
回転リング205が回転して七〇時間後、3本のスネア
ケーブル206の1本が、被把持体シャフト302に当
ると歪ゲージ702の値901は上昇する。その後スネ
アケーブル206の回転速度の増加率が一定であるから
、第9図(C)のようにペイロード104に一定力を与
えて加速しスネアケーブル206の該1本は、はぼ等し
いカが作用する。t2時間後、スネアケーブル206の
回転速度が一定になると、第9図(C)のように、ペイ
ロード104の速度も一定となり、スネアケーブル20
6の該1本に作用する力は901のように減少する。時
nRt 3になると、3本のスネアケーブル206の他
の1本にも被把持体シャフト302が当たり、該他の1
本の支持外(図示せず)に貼付した歪ケージ703の測
定値が902のように急激に増加する。このために、第
2図のスネアケーブル206のほかボールスクリュ20
3や軸受にも過大な力が作用し、特に宇宙用機器におい
ては、著しい寿命の低下につながる。
歪ゲージ703の測定値902のような大きな抵抗力を
受けると、ペイロード104は、第9図(C)のように
急速にブレーキをかけられ、これによって3本のスネア
ケーブルによりペイロード104は捕獲されることにな
る。
本発による第6図の制御装置を第2図の装置に適用した
結果が第9図の破線の場合である。
第6図による制御の特徴は、第9図(A)の結果となっ
ており、まず、捕獲動作の信号発生後t□待時間後、ス
ネアケーブル206のうちの1本が被把持体シャフト3
02に当たると力センサ607のフィードバックにより
、回転リング205の速度上昇が抑制される。このため
に、3本のスネアケーブルのうちの他の1本が被把持体
シャフト302に当たる時間がt3がらtsとなる。
次に回転リング205が、力センサ607のフィードバ
ックによって減速され、ペイロード104の速度が下る
まで、ゆくつりと動き、ペイロードの速度低下後に、捕
獲の完了を行なう。このために、捕獲完了に至るまでの
時間が長くなる。
上記の結果、スネアケーブル206のうちの1本に作用
する力は、第9図(B)のようにdehjからd′e”
h′j′に変化して、最大値が低下する。また、スネア
ケーブル206のうちの他の1本に作用する力は、fg
ijがらf’g”i’j′に変化して、最大値が低下す
る。この結果、スネアケーブル206.ボールスプライ
ン203減速歯車606の伝達要素にかがるカは軽減さ
れ、寿命を延ばすことができる。
第10図は、第6図の制御を行なうための動作シーケン
スを示したものである。すなわち、第6図の制御を適用
しない場合の第5図のシーケンスに対し、第10図では
、リレー601の作動と力制御信号入力のシーケンスが
追加される。
なお、第7図、第8図においては、支持体711に歪ゲ
ージ702を貼付する例を示したが、第11図のように
、ボールスプライン203の軸に貼付する方法でも、同
様の結果を得ることができる。
すなわち、第11図において、203は第2図に示した
ボールスプラインであり、204は同じくスネア大ギア
である。111はボールスプライン203に貼付された
歪ゲージブリッジであり。
112は回転コア、113は回転コイルである。
また、114は静止コア、115は静止コイルである。
116は演算回路、117は入力端子であり、118は
磁気シールドケース、119は歯車セットである。
次に第11図の作用を説明すると、ボールスプライン2
03を回転すると歯車セット119によってトルクがス
ネア大ギア204に伝達される。
スネア大ギア204に連結されたスネアケーブル206
(図示せず)が、被把持体シャフト302に当ると、歪
ゲージブロック111で軸トルクとして検出される。歪
ゲージブロック111には、入力端子117より静止コ
イル115より回転コイル113を経由して電源が供給
され、さらに、歪ゲージブロック111より回転コイル
113゜静止コイル115をへてトルク信号が取出され
、演算回路116につながる。なお、これらの信号回路
を保護するため、ケース内には、磁気シールドケース1
18が設けられている。
なお演算回路116は、歪ゲージブロック111のトル
ク信号を第6図のカフィードバック回路に用いるための
ものである。
以上の実施例では、力制御を捕獲動作に利用しているが
、同様にして引き込み動作にも使用できる。
さらに、直接力(又はトルク)を検出しなくとも、動力
源をサーボモータとしてその電流iを検出してやれば、
トルクτと電流iはτ=Ki (Kは比例定数)の関係
があるので、電流iをフィードバック制御することによ
り力(又はトルク)が一定値以内に制御できる。
以上示したように、宇宙空間で浮遊する物体を捕獲する
ことは、捕獲の過程でペイロードに相対的な速度を与え
ることとなるため、捕獲の直前で衝撃的な力を捕獲機構
に作用させることになるが、本発明は、これを解消する
ことができる。
この技術は、位置決め装置において、力検出を行なって
対象物に合わせた位置決めを行なうカフィードバック方
式や、対象物の損傷を防止するために、把持装置の開度
を制御するカフィードバック方式とは、原理的に異なる
ものである。
すなわち、位置決めや開度の制御において行なわれる制
御は位置制御であるが、本発明においては位置制御は全
く行なわず、速度制御のみを行なうからである。
[発明の効果] 本発明によれば、エンドエフェクタにかかる荷重を任意
の認定値以下になるように制御できるために、エンドエ
フェクタの把持力伝達要素の長寿命化の効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の適用されるエンドエフェクタの外観図
、第2図はエンドエフェクタの把持部の構造図、第3図
は被把持体の構造図、第4図はエンドエフェクタの把持
動作を示す図、第5図は従来の装置の動作シーケンス図
、第6図は本発明の一実施例を示す図、第7図、第8図
は力センサの具体例を示す図、第9図は回転速度、力及
び速度の時間変化を示す図、第10図は本発明による装
置の動作シーケンス図、第11図は力センサの他の具体
例を示す図である。 101・・・把持部、601・・・リレー。 602・・・アンプ、603・・・サーボモータ。 604・・・速度センサ、605・・・ゲイン調整器。 606・・・減速歯車、6o7・・・力センサ。 jlSz  面 2θI  =%I動プロ、      20乙 スネ了
ケーフ゛ル202 バッグプレート     207 
回定リンフ゛203  ボ=ルスプライン   208
  ホ=ルスクリュー20+ スオア大ヤア    2
0り、21θ; 211  スデークススイッナ2θタ
 回転リング212  エンドプレート2/3  グロ
ーブ 第 3 図 纂 4− 図 捕瑳終了 第 5 z 祷i 第 7 図 607 ガtンサ 707  足を氏1Z本 702、703.704  歪−ゲーシフ05、 7θ
乙、707  重禮椙呑708 カス尊犀乱 第 8 聞 2θ6 スネアケーブル 207 回定−リソゲ 7θ2 虱ゲージ゛ 770  ケーブル取付具 ’111  支持棹、 ’I12  取付ボルト 第 q 回 0                   セ隼 lO

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、三次元空間に浮動して位置又は角度の少なくとも一
    方が不安定な対象物を捕獲する捕獲部と、該捕獲部にお
    ける捕獲動力を発生する駆動系と、該駆動系を制御する
    制御装置と、上記駆動系から上記捕獲部へ捕獲動力を伝
    達する伝達要素とを備えたエンドエフェクタにおいて、
    エンドエフェクタの捕獲動作時に上記捕獲部又は上記伝
    達要素又は上記駆動系にかかる力(又はトルク)を検出
    する力(又はトルク)センサと、該センサにより検出さ
    れる値が予め設定された所定値以内におさまるように上
    記駆動系の制御装置へフィードバック制御をかける手段
    とを設けたことを特徴とするエンドエフェクタ。 2、特許請求の範囲第1項において、上記エンドエフェ
    クタは順序動作による複合動作を行ない、これら複合動
    作は、シーケンス制御により自動的に駆動されることを
    特徴とするエンドエフェクタ。 3、特許請求の範囲第1項において、上記駆動系の動力
    源をサーボ電動機として、上記捕獲部又は上記伝達要素
    にかかる力(又はトルク)に相当する電流を上記センサ
    で検出してフィードバックすることにより、設定された
    値以上の力(又はトルク)が上記捕獲部又は上記伝達要
    素に作用しないようにすることを特徴とするエンドエフ
    ェクタ。
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