JPH05329784A - マスタ・スレーブロボットの制御方式 - Google Patents
マスタ・スレーブロボットの制御方式Info
- Publication number
- JPH05329784A JPH05329784A JP16385892A JP16385892A JPH05329784A JP H05329784 A JPH05329784 A JP H05329784A JP 16385892 A JP16385892 A JP 16385892A JP 16385892 A JP16385892 A JP 16385892A JP H05329784 A JPH05329784 A JP H05329784A
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- JP
- Japan
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- multiplying
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Abstract
(57)【要約】
【目的】バイラテラル応答特性を容易に変更可能にす
る。 【構成】スレーブから伝送された外力の情報にゲインK
1を乗じた値Aと、スレーブから伝送されたスレーブア
ームの加速度・速度・位置の各運動情報に各々目標慣性
・目標粘性・目標弾性の各係数をかけて合計した値にゲ
インK2を乗じた値Bとの和(A+B)をマスタへの制
御入力とする。マスタから伝送された外力の情報にゲイ
ンK3を乗じた値Cと、マスタから伝送されたマスタア
ームの加速度・速度・位置の各運動情報に各々目標慣性
・目標粘性・目標弾性の各係数をかけて合計した値にゲ
インK4を乗じた値Dとの和(C+D)をスレーブへの
制御入力とする。
る。 【構成】スレーブから伝送された外力の情報にゲインK
1を乗じた値Aと、スレーブから伝送されたスレーブア
ームの加速度・速度・位置の各運動情報に各々目標慣性
・目標粘性・目標弾性の各係数をかけて合計した値にゲ
インK2を乗じた値Bとの和(A+B)をマスタへの制
御入力とする。マスタから伝送された外力の情報にゲイ
ンK3を乗じた値Cと、マスタから伝送されたマスタア
ームの加速度・速度・位置の各運動情報に各々目標慣性
・目標粘性・目標弾性の各係数をかけて合計した値にゲ
インK4を乗じた値Dとの和(C+D)をスレーブへの
制御入力とする。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、マスタ・スレーブロボ
ットの制御方式に関する。
ットの制御方式に関する。
【0002】
【従来の技術】操作者の操るマスタロボットの動作に従
ってスレーブロボットを作動させるマスタ・スレーブロ
ボットの制御方式において、ロボットのアームの手先に
仮想的な機械的インピーダンスを実現する、すなわち仮
想インピーダンスをバイラテラル応答特性として実現す
るマスタ・スレーブロボットの制御方式が考案されてい
る。例えば、文献(横小路、吉川:理想的な筋運動感覚
を与えるマスタ・スレーブマニピュレータのバイラテラ
ル制御:計測自動制御学会論文集、Vol.27,No.1,pp.56-
63,1991 )では、まず理想的なバイラテラル応答特性の
定義とこれを実現するための制御方式を構成し、次にこ
の制御方式の制御ループのゲインを適切に下げることで
マスタロボットとスレーブロボットとの間に目標とする
仮想的なインピーダンスを実現する制御方式が提案され
ている。あるいは文献(古田、小菅ら:仮想内部モデル
に基づくマスタ・スレーブの制御:計測自動制御学会論
文集、Vol.24,No.2,pp.176-182,1988 )では、仮想内部
モデルに追従する制御系をマスタ・スレーブロボットの
制御系として適用し、仮想内部モデルとして仮想的なイ
ンピーダンスを設定することでマスタ・スレーブロボッ
トの手先に目標とする仮想的なインピーダンスを設定す
る方式を提案している。これらは仮想的なインピーダン
スをバイラテラル応答特性として実現する技術のうち、
各システムの指令値や出力の偏差をフィードバックしア
ーム手先の動特性の制御とバイラテラル制御を一度に実
行する方式に相当する。一方、文献(舘、榊:インピー
ダンス制御型マスタ・スレーブ・システム(I):日本
ロボット学会誌、Vol.8,No.3,pp.1-12,1990 )では、マ
スタ・スレーブの各アームで各々局所的にインピーダン
ス制御系を構成し、さらにマスタ・スレーブの双方の力
や運動の情報を用いることで仮想的なインピーダンスを
バイラテラル応答特性として実現する方式を提案してい
る。
ってスレーブロボットを作動させるマスタ・スレーブロ
ボットの制御方式において、ロボットのアームの手先に
仮想的な機械的インピーダンスを実現する、すなわち仮
想インピーダンスをバイラテラル応答特性として実現す
るマスタ・スレーブロボットの制御方式が考案されてい
る。例えば、文献(横小路、吉川:理想的な筋運動感覚
を与えるマスタ・スレーブマニピュレータのバイラテラ
ル制御:計測自動制御学会論文集、Vol.27,No.1,pp.56-
63,1991 )では、まず理想的なバイラテラル応答特性の
定義とこれを実現するための制御方式を構成し、次にこ
の制御方式の制御ループのゲインを適切に下げることで
マスタロボットとスレーブロボットとの間に目標とする
仮想的なインピーダンスを実現する制御方式が提案され
ている。あるいは文献(古田、小菅ら:仮想内部モデル
に基づくマスタ・スレーブの制御:計測自動制御学会論
文集、Vol.24,No.2,pp.176-182,1988 )では、仮想内部
モデルに追従する制御系をマスタ・スレーブロボットの
制御系として適用し、仮想内部モデルとして仮想的なイ
ンピーダンスを設定することでマスタ・スレーブロボッ
トの手先に目標とする仮想的なインピーダンスを設定す
る方式を提案している。これらは仮想的なインピーダン
スをバイラテラル応答特性として実現する技術のうち、
各システムの指令値や出力の偏差をフィードバックしア
ーム手先の動特性の制御とバイラテラル制御を一度に実
行する方式に相当する。一方、文献(舘、榊:インピー
ダンス制御型マスタ・スレーブ・システム(I):日本
ロボット学会誌、Vol.8,No.3,pp.1-12,1990 )では、マ
スタ・スレーブの各アームで各々局所的にインピーダン
ス制御系を構成し、さらにマスタ・スレーブの双方の力
や運動の情報を用いることで仮想的なインピーダンスを
バイラテラル応答特性として実現する方式を提案してい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】仮想的なインピーダン
スをバイラテラル応答特性として実現する技術として、
従来は、各システムの指令値や出力の偏差をフィードバ
ックしアーム手先の動特性の制御とバイラテラル制御を
一度に実行する方式と、マスタ・スレーブの各マニピュ
レータで各々局所的にインピーダンス制御系を構成しさ
らに双方の力や運動の情報を伝送することで仮想的なイ
ンピーダンスをバイラテラル応答特性として実現する方
式が存在する(特開昭62−297080号公報参
照)。ところが、上記の前者の方式では、システム構成
が複雑でシステム間の制御系の依存性が深くなり、実用
化する上で、マスタあるいはスレーブの制御系の応答性
や安定性が全体の制御系に直接影響するためロバスト性
が低い、バイラテラル応答特性の変更が難しい、全体の
システムの特性評価は全体のシステムを結合してからで
ないと難しい、という問題点がある。また、後者の方式
では、局所的なインピーダンス制御を構成しているため
マスタあるいはスレーブの制御系が全体の制御系に直接
影響するためロバスト性が低いという問題はないもの
の、バイラテラル応答特性の変更が難しい、全体のシス
テムの特性評価は全体のシステムを結合してからでない
と難しい、という問題点がある。この発明の目的は、仮
想的なインピーダンスをバイラテラル応答特性として実
現するマスタ・スレーブロボットの制御技術として、高
いロバスト性、容易なバイラテラル応答特性の変更、容
易なバイラテラル応答特性の評価を実現する制御方法を
提供することと、提案する制御方式において理想的なバ
イラテラル応答特性を実現するための制御ゲインの設定
法を提供することにある。
スをバイラテラル応答特性として実現する技術として、
従来は、各システムの指令値や出力の偏差をフィードバ
ックしアーム手先の動特性の制御とバイラテラル制御を
一度に実行する方式と、マスタ・スレーブの各マニピュ
レータで各々局所的にインピーダンス制御系を構成しさ
らに双方の力や運動の情報を伝送することで仮想的なイ
ンピーダンスをバイラテラル応答特性として実現する方
式が存在する(特開昭62−297080号公報参
照)。ところが、上記の前者の方式では、システム構成
が複雑でシステム間の制御系の依存性が深くなり、実用
化する上で、マスタあるいはスレーブの制御系の応答性
や安定性が全体の制御系に直接影響するためロバスト性
が低い、バイラテラル応答特性の変更が難しい、全体の
システムの特性評価は全体のシステムを結合してからで
ないと難しい、という問題点がある。また、後者の方式
では、局所的なインピーダンス制御を構成しているため
マスタあるいはスレーブの制御系が全体の制御系に直接
影響するためロバスト性が低いという問題はないもの
の、バイラテラル応答特性の変更が難しい、全体のシス
テムの特性評価は全体のシステムを結合してからでない
と難しい、という問題点がある。この発明の目的は、仮
想的なインピーダンスをバイラテラル応答特性として実
現するマスタ・スレーブロボットの制御技術として、高
いロバスト性、容易なバイラテラル応答特性の変更、容
易なバイラテラル応答特性の評価を実現する制御方法を
提供することと、提案する制御方式において理想的なバ
イラテラル応答特性を実現するための制御ゲインの設定
法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】各アームの手先に予め設
定した目標インピーダンス(目標慣性・目標粘性・目標
弾性)を実現するようにマスタとスレーブの各システム
で局所的にインピーダンス制御するようなマスタ・スレ
ーブロボットにおいて、スレーブから伝送された外力の
情報にゲインK1を乗じた値Aと、スレーブから伝送さ
れたスレーブアームの加速度・速度・位置の各運動情報
に各々目標慣性・目標粘性・目標弾性の各係数をかけて
合計した値にゲインK2を乗じた値Bとの和(A+B)
を、マスタへの制御入力とし、マスタから伝送された外
力の情報にゲインK3を乗じた値Cと、マスタから伝送
されたマスタアームの加速度・速度・位置の各運動情報
に各々目標慣性・目標粘性・目標弾性の各係数をかけて
合計した値にゲインK4を乗じた値Dとの和(C+D)
を、スレーブへの制御入力とする。
定した目標インピーダンス(目標慣性・目標粘性・目標
弾性)を実現するようにマスタとスレーブの各システム
で局所的にインピーダンス制御するようなマスタ・スレ
ーブロボットにおいて、スレーブから伝送された外力の
情報にゲインK1を乗じた値Aと、スレーブから伝送さ
れたスレーブアームの加速度・速度・位置の各運動情報
に各々目標慣性・目標粘性・目標弾性の各係数をかけて
合計した値にゲインK2を乗じた値Bとの和(A+B)
を、マスタへの制御入力とし、マスタから伝送された外
力の情報にゲインK3を乗じた値Cと、マスタから伝送
されたマスタアームの加速度・速度・位置の各運動情報
に各々目標慣性・目標粘性・目標弾性の各係数をかけて
合計した値にゲインK4を乗じた値Dとの和(C+D)
を、スレーブへの制御入力とする。
【0005】
【作用】仮想的なインピーダンスをバイラテラル応答特
性として実現するマスタ・スレーブロボットの制御技術
として、高いロバスト性、容易なバイラテラル応答特性
の変更、容易なバイラテラル応答特性の評価を実現する
制御方法を実現できる。また、提案する制御方式におい
て理想的なバイラテラル応答特性を実現できる。なお、
上記マスタ・スレーブロボットの制御方式において、全
てのゲインを1とすることによって対象物を直接操作す
るような操作感覚が得られる理想的なバイラテラル応答
特性が得られる。
性として実現するマスタ・スレーブロボットの制御技術
として、高いロバスト性、容易なバイラテラル応答特性
の変更、容易なバイラテラル応答特性の評価を実現する
制御方法を実現できる。また、提案する制御方式におい
て理想的なバイラテラル応答特性を実現できる。なお、
上記マスタ・スレーブロボットの制御方式において、全
てのゲインを1とすることによって対象物を直接操作す
るような操作感覚が得られる理想的なバイラテラル応答
特性が得られる。
【0006】以下、本発明の原理を説明する。マスタと
スレーブを各システムでローカルにインピーダンス制御
し、各アームの手先の目標インピーダンスを一致させて
おく。このときマスタとスレーブの各々の状態式と対象
物の状態式を次の式(1)から式(3)のように表す。
スレーブを各システムでローカルにインピーダンス制御
し、各アームの手先の目標インピーダンスを一致させて
おく。このときマスタとスレーブの各々の状態式と対象
物の状態式を次の式(1)から式(3)のように表す。
【0007】
【数1】
【0008】マスタへはスレーブでの外力と運動状態の
情報を、スレーブへはマスタの操作力と運動状態の情報
を伝送し、それらにゲイン k1,k2,k3,k4 をかけて制御
入力とする。マスタ、スレーブの各々の制御式は式
(4)と式(5)のようになる。
情報を、スレーブへはマスタの操作力と運動状態の情報
を伝送し、それらにゲイン k1,k2,k3,k4 をかけて制御
入力とする。マスタ、スレーブの各々の制御式は式
(4)と式(5)のようになる。
【0009】
【数2】
【0010】こうして実現したマスタ・スレーブの制御
系で理想応答を実現するには、各アームの目標インピー
ダンスは変える必要はなく、ゲイン k1,...,k4 を次の
式(6)のように設定すればよい。
系で理想応答を実現するには、各アームの目標インピー
ダンスは変える必要はなく、ゲイン k1,...,k4 を次の
式(6)のように設定すればよい。
【0011】
【数3】
【0012】このときマスタ・スレーブ・システムは理
想的なバイラテラル応答特性を持つ。これらのことは次
のようにして説明できる。機械系であるマスタ・スレー
ブ・システムを電気系へのアナロジーを用いて解析する
ことは、文献(B.Hannaford:A Design Framework for T
eleoperators with Kinesthetic Feedback:IEEE Transa
ction of Robotics and Automation, RA-5-4, pp.426-4
34)にも示されているように良く知られた方法である。
すなわち、マスタ・スレーブ・システムのバイラテラル
特性を4端子回路網のいわゆるハイブリッド行列を用い
て表すと、本発明による手法では、
想的なバイラテラル応答特性を持つ。これらのことは次
のようにして説明できる。機械系であるマスタ・スレー
ブ・システムを電気系へのアナロジーを用いて解析する
ことは、文献(B.Hannaford:A Design Framework for T
eleoperators with Kinesthetic Feedback:IEEE Transa
ction of Robotics and Automation, RA-5-4, pp.426-4
34)にも示されているように良く知られた方法である。
すなわち、マスタ・スレーブ・システムのバイラテラル
特性を4端子回路網のいわゆるハイブリッド行列を用い
て表すと、本発明による手法では、
【0013】
【数4】
【0014】と表される。ここでZaはMo,Bo, Ko から成
る目標インピーダンスである。このハイブリッド行列の
各要素はバイラテラル特性の力と運動の伝達特性を表
す。ここで明らかなように、提案する手法ではゲイン k
1,…,k4 によって目標インピーダンスとは独立にバイ
ラテラル特性を調整できる自由度が大きい。本発明の方
式を電気系へのアナロジーで表した図を図2に示す。こ
こでZ2a とZ3a 、e2a とe3a 、e1,2とe3,4、f1とf4は各
々マスタとスレーブの目標インピーダンス、制御入力、
外力、運動を表す。また、全てのゲインを1とおくと明
らかに、
る目標インピーダンスである。このハイブリッド行列の
各要素はバイラテラル特性の力と運動の伝達特性を表
す。ここで明らかなように、提案する手法ではゲイン k
1,…,k4 によって目標インピーダンスとは独立にバイ
ラテラル特性を調整できる自由度が大きい。本発明の方
式を電気系へのアナロジーで表した図を図2に示す。こ
こでZ2a とZ3a 、e2a とe3a 、e1,2とe3,4、f1とf4は各
々マスタとスレーブの目標インピーダンス、制御入力、
外力、運動を表す。また、全てのゲインを1とおくと明
らかに、
【0015】
【数5】
【0016】となるが、これは理想的なバイラテラル応
答特性を表している。以上本発明による手法を機械系で
あるマスタ・スレーブ・システムを電気系へのアナロジ
ーを用いて解析することで説明した。
答特性を表している。以上本発明による手法を機械系で
あるマスタ・スレーブ・システムを電気系へのアナロジ
ーを用いて解析することで説明した。
【0017】
【実施例】次に、本発明の実施例のブロック図を図1に
示して説明する。マスターアーム1aを動かすと、角
度、角速度、各加速度は仮想インピーダンス制御器4a
に入力されるとともに、座標変換演算部2aによって直
交座標系の運動位置、運動速度、運動加速度に変換さ
れ、仮想インピーダンスモデル3aに入力される。ま
た、マスターアーム1aに取り付けられた力検出器5a
で検出した力は力座標変換演算部6aに入力されるとと
もに、前記仮想インピーダンス制御器4aへ出力され
る。仮想インピーダンスモデル3aは、(式5)に示し
たように各パラメータMo、Bo、Koを運動加速度、
運動速度、運動位置にそれぞれ乗じて、その和をゲイン
K4へ出力する。力座標変換演算部6aでは、検出した
力を直交座標系の力F0に変換し、ゲインK3へ出力さ
れる。ゲインK3の出力Cと、ゲインK4の出力Dは加
算器7aで加算されてF2となる。F2、力検出器5b
の出力と、スレーブアーム1bの角出力が仮想インピー
ダンス制御器4bへ入力される。仮想インピーダンス制
御器4bは、(式9)からスレーブアーム1bを駆動す
る制御出力Fbを求める。
示して説明する。マスターアーム1aを動かすと、角
度、角速度、各加速度は仮想インピーダンス制御器4a
に入力されるとともに、座標変換演算部2aによって直
交座標系の運動位置、運動速度、運動加速度に変換さ
れ、仮想インピーダンスモデル3aに入力される。ま
た、マスターアーム1aに取り付けられた力検出器5a
で検出した力は力座標変換演算部6aに入力されるとと
もに、前記仮想インピーダンス制御器4aへ出力され
る。仮想インピーダンスモデル3aは、(式5)に示し
たように各パラメータMo、Bo、Koを運動加速度、
運動速度、運動位置にそれぞれ乗じて、その和をゲイン
K4へ出力する。力座標変換演算部6aでは、検出した
力を直交座標系の力F0に変換し、ゲインK3へ出力さ
れる。ゲインK3の出力Cと、ゲインK4の出力Dは加
算器7aで加算されてF2となる。F2、力検出器5b
の出力と、スレーブアーム1bの角出力が仮想インピー
ダンス制御器4bへ入力される。仮想インピーダンス制
御器4bは、(式9)からスレーブアーム1bを駆動す
る制御出力Fbを求める。
【0018】
【数6】
【0019】さて、今までのべたマスターからスレーブ
側への信号の流れと全く同様なしくみで、スレーブから
マスター側への信号の作られる。すなわち、ゲインK1
の出力Aと、ゲインK2の出力Bは加算器7bで加算さ
れてF1となる。F1は仮想インピーダンス制御器4a
を経て制御出力Faとなる。制御出力Faはマスターア
ームを動かす際に反力として働くものである。したがっ
て、ゲインの値を加減するとで制御出力Fa、Fbを加
減できることになり、バイラテラル応答特性の変更が可
能となる。なお、K1〜K4の全てのゲインを1とすれ
ば、最も自然な感覚に近い特性が得られる。
側への信号の流れと全く同様なしくみで、スレーブから
マスター側への信号の作られる。すなわち、ゲインK1
の出力Aと、ゲインK2の出力Bは加算器7bで加算さ
れてF1となる。F1は仮想インピーダンス制御器4a
を経て制御出力Faとなる。制御出力Faはマスターア
ームを動かす際に反力として働くものである。したがっ
て、ゲインの値を加減するとで制御出力Fa、Fbを加
減できることになり、バイラテラル応答特性の変更が可
能となる。なお、K1〜K4の全てのゲインを1とすれ
ば、最も自然な感覚に近い特性が得られる。
【0020】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、仮
想的なインピーダンスをバイラテラル応答特性として実
現するマスタ・スレーブロボットの制御技術として、高
いロバスト性、容易なバイラテラル応答特性の変更、容
易なバイラテラル応答特性の評価を実現する制御方法を
実現できる。また、提案する制御方式において理想的な
バイラテラル応答特性を実現できる。
想的なインピーダンスをバイラテラル応答特性として実
現するマスタ・スレーブロボットの制御技術として、高
いロバスト性、容易なバイラテラル応答特性の変更、容
易なバイラテラル応答特性の評価を実現する制御方法を
実現できる。また、提案する制御方式において理想的な
バイラテラル応答特性を実現できる。
【図1】本発明のブロック図である。
【図2】本発明によるマスタ・スレーブロボットの制御
方式を電気系へのアナロジーで表したものである。
方式を電気系へのアナロジーで表したものである。
1a マスターアーム 1b スレーブアーム 2a,2b 座標変換演算部 3a,3b 仮想インピーダンスモデル 4a,4b 仮想インピーダンス制御器 5a,5b 力検出器 6a,6b 力座標変換演算部 7a,7b 加算器
Claims (1)
- 【請求項1】予め設定した目標インピーダンス(目標慣
性・目標粘性・目標弾性)を実現するようにマスタとス
レーブの各システムで局所的にインピーダンス制御する
ようなマスタ・スレーブロボットにおいて、 スレーブから伝送された外力の情報にゲインK1を乗じ
た値Aと、スレーブから伝送されたスレーブアームの加
速度・速度・位置の各運動情報に各々目標慣性・目標粘
性・目標弾性の各係数をかけて合計した値にゲインK2
を乗じた値Bとの和(A+B)を、マスタへの制御入力
とし、 マスタから伝送された外力の情報にゲインK3を乗じた
値Cと、マスタから伝送されたマスタアームの加速度・
速度・位置の各運動情報に各々目標慣性・目標粘性・目
標弾性の各係数をかけて合計した値にゲインK4を乗じ
た値Dとの和(C+D)を、スレーブへの制御入力とす
ることを特徴とするマスタ・スレーブロボットの制御方
式。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16385892A JPH05329784A (ja) | 1992-05-28 | 1992-05-28 | マスタ・スレーブロボットの制御方式 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16385892A JPH05329784A (ja) | 1992-05-28 | 1992-05-28 | マスタ・スレーブロボットの制御方式 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05329784A true JPH05329784A (ja) | 1993-12-14 |
Family
ID=15782099
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP16385892A Pending JPH05329784A (ja) | 1992-05-28 | 1992-05-28 | マスタ・スレーブロボットの制御方式 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05329784A (ja) |
Cited By (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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US9218053B2 (en) | 2011-08-04 | 2015-12-22 | Olympus Corporation | Surgical assistant system |
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US9423869B2 (en) | 2011-08-04 | 2016-08-23 | Olympus Corporation | Operation support device |
US9477301B2 (en) | 2011-08-04 | 2016-10-25 | Olympus Corporation | Operation support device and assembly method thereof |
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US9568992B2 (en) | 2011-08-04 | 2017-02-14 | Olympus Corporation | Medical manipulator |
US9632577B2 (en) | 2011-08-04 | 2017-04-25 | Olympus Corporation | Operation support device and control method thereof |
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US9851782B2 (en) | 2011-08-04 | 2017-12-26 | Olympus Corporation | Operation support device and attachment and detachment method thereof |
-
1992
- 1992-05-28 JP JP16385892A patent/JPH05329784A/ja active Pending
Cited By (13)
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