KR102095796B1 - 수분로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원예시설과 같은 온실에서 사용할 수 있는 이동 기능과 꽃 감지 기능 및 자동화된 수분 기능을 구비한 인공 수분용 로봇에 관한 것이다. 기존의 선행기술들은 농부가 인력으로 인공수분 장치를 가지고 다니면서, 꽃가루도 채취하고 수분도 하는 것이었다. 그러나 농부들이 작업 시에 쉽게 피로하게 되고, 작업능률도 떨어지고, 6월부터 10월까지 원예시설 내부의 높은 온도로 인하여 꽃 수분작업을 인력으로 하는 것은 한계가 있었다.
최근 수분용 벌을 사용하는 농가도 많이 있으나, 벌의 가격도 비싸고 벌의 관리도 쉽지 않아 이도 어려운 실정이다. 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 이동바퀴와 구동모터로 구성되는 구동부;를 하부에 구비한 수분로봇 본체; 및 2개 이상의 수분로봇 암; 및 상기 암의 최하단부에 구비되어 상기 암을 회전시키는 암 회전축; 및 상기 2개 이상의 암 중 최상단의 암의 끝단에 구비되어 2개의 서보모터에 의하여 상하 및 좌우로 방향을 전환할 수 있는 수분핸드; 및 상기 수분핸드 후단부의 암 상단에 구비되는 레이저거리계; 및 상기 레이저거리계의 위쪽에 설치되는 카메라를 포함하여 구비되는 것을 특징으로 하는 수분로봇을 제공함으로써, 좁은 원예시설 내에서 안전하고 편리하게 사용할 수 있는 인공수분장치를 제공한다.

Description

수분로봇{Flower cross pollination Robot}

본 발명은 원예시설과 같은 온실에서 사용할 수 있는 꽃 인공 수분용 로봇에 관한 것으로 이동기능과 꽃 감지 기능 및 자동화된 수분 기능을 구비한 인공 수분용 로봇에 관한 것이다.

기존의 기술로는 사람이 들고 다니면서 사용하는 꽃가루 인공 수분기에 관한 발명이 있었다. 이 기술은 꽃가루와 공기가 혼합된 혼합공기를 분출하여 다수의 꽃에 수분이 이루어지게 하여 인공수분작업을 빨리할 수 있게 하고, 수분 되지 못한 꽃가루를 회수하여 재사용할 수 있게 함으로써 꽃가루를 절감할 수 있는 송풍형인공수분기에 관한 것이다

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또 다른 기술로는 꽃가루를 원하는 분사량과 분사속도로 원하는 방향으로 쉽게 분사시키면서도 전원 및 공기를 제공하는 동력부가 분리형으로 구비되어 사용자가 작업 시에 무게의 부담을 느끼지 않으며 유지보수가 간단함과 더불어, 공기 펌프식으로 압축공기를 통해 꽃가루를 분사하는 방식을 이용하여 전원을 오프했을 경우 바로 작동이 멈춤으로써 꽃가루의 불필요한 낭비를 방지할 수 있는 인공 수분기에 관한 것이다.

또 다른 기술로는 인공적 수분을 하기 위하여 과수류의 꽃으로부터 인위적으로 꽃가루를 채취하는 기술이다. 과수류의 수분율을 높이고자 실시되는 인공 수분을 위해 과수류의 꽃을 강한 회전력을 이용하여 과수류의 꽃으로부터 꽃가루를 채취하는 기술이다.

등록특허 10-1576845 공개특허공보 10-2016-0014806 등록특허공보 10-1553959

본 발명은 상기의 선행기술들이 농부의 인력으로 장치를 가지고 다니면서, 꽃가루도 채취하고 수분도 하는 것이었다. 그런데, 대부분의 원예시설에서는 좁은 공간에 많은 작물을 기르기 위하여 가능한 높이를 높여 작물을 재배하고 있는 실정이다. 기존의 방법들은 농부가 직접 손으로 사용하기 때문에 연속적으로 높은 곳을 작업하게 되면 쉽게 피로하게 되고, 작업능률도 떨어지고, 6월부터 10월까지 원예시설 내부의 높은 온도로 인하여 꽃 수분작업은 인력으로 하는 것에 한계가 있다. 수분용 벌을 사용하는 농가도 많이 있으나, 벌의 가격도 비싸고 벌의 관리도 쉽지 않아 꿀벌을 이용한 수분도 어려운 실정이다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여,

이동바퀴와 구동모터로 구성되는 구동부;를 하부에 구비한 수분로봇 본체; 및 2개 이상의 수분로봇 암; 및 상기 암의 최하단부에 구비되어 상기 암을 회전시키는 암 회전축; 및 상기 2개 이상의 암 중 최상단의 암의 끝단에 구비되어 2개의 서보모터에 의하여 상하 및 좌우로 방향을 전환할 수 있는 수분핸드; 및 상기 수분핸드 후단부의 암 상단에 구비되는 레이저거리계; 및 상기 레이저거리계의 위쪽에 설치되는 카메라를 포함하여 구비되는 것을 특징으로 하는 수분로봇을 과제해결수단으로 제공한다.

또, 다른 수단으로는 상기 수분로봇의 구동을 위하여 수분로봇 컨트롤러를 더 구비하며, 상기 수분로봇 컨트롤러는 전후좌우 4개의 버튼으로 구성되어 수분로봇을 전후좌우로 이동 제어하는 수분로봇 컨트롤러; 및 상기 수분핸드를 상하좌우로 움직이기 위한 수분핸드 제어부; 및 상기 2개 이상의 암을 상기 암 회전축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전을 제어하는 회전축 제어부; 및 상기 2개 이상의 로봇암을 상하로 움직이기 위한 수분로봇 암 상하 제어부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수분로봇을 제공한다.

또, 다른 수단으로는 상기 수분핸드에 꽃의 암술에 수술의 꽃가루를 수분시키기 위하여 상기 수분핸드의 중심부에 여러 개의 작은 파이프의 출구를 모아 하나의 다발로 형성되는 고압의 공기를 분출하는 수분핸드 꽃가루 분출구; 및 상기 꽃가루 분출구의 타단에 연결되어 고압의 공기와 함께 꽃가루가 수분핸드 꽃가루 분출구로 배출될 수 있도록 꽃가루를 보관하는 꽃가루 탱크; 및 상기 꽃가루 탱크는 그 타단에 고압의 공기를 유입하는 고압공기 유입구를 구비하며; 상기 수분핸드의 내측 테두리 끝단에는 상기 수분핸드 꽃가루 분출구에서 분출되는 꽃가루와 고압의 공기에 의하여 수술에서 떨어지는 꽃가루와 상기 분출되는 꽃가루 중 공기에 의하여 암술에 수분되지 못하고 흩어지는 꽃가루를 흡입하여 다시 사용하기 위한 꽃가루 흡입구가 1개 이상 형성되며, 상기 꽃가루 흡입구의 타단에는 사이클론 공기 유입부가 연결되고, 상기 사이클론 공기 유입부가 연결된 사이클론 본체에는 사이클론 공기 출구가 상기 사이클론 본체의 상단에 연결되고, 상기 사이클론 본체의 하단에는 모아진 꽃가루를 상기 꽃가루 탱크로 연결하기 위한 연결부를 구비한 솔레노이드 밸브가 구성되며, 상기 솔레노이드 밸브의 열림과 닫힘에 의하여 상기 사이클론 본체의 흡입된 꽃가루가 상기 꽃가루 탱크로 유입되는 것을 제어하게 되며, 상기 사이클론 본체에서는 꽃가루만 사이클론 본체에 남고 공기는 사이클론 공기 출구로 빠져나가는 것을 특징으로 하는 수분로봇을 제공한다.

또, 다른 수단으로 상기 수분핸드는 사용자의 정의에 의하여 좌우로 넘어진 숫자 8형태의 움직임 또는 좌우 움직임 또는 상하 움직임 또는 상하좌우 움직임의 결합 및 터는 동작과 흔드는 동작 등의 자유 움직임을 통하여 수분핸드 전방에 위치한 꽃의 암술에 꽃가루가 보다 많이 결합될 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 수분로봇을 제공한다.

또, 다른 수단으로 상기 수분로봇의 암이 상하로 이동하며 녹색과의 색깔의 차이에 의하여 상기 카메라에 의하여 꽃을 감지하고, 꽃이 감지되면 색의 분포에 의하여 꽃의 중심을 찾고, 상기 찾아진 꽃의 중심에 상기 레이저거리계를 이용하여 거리를 측정한 후, 상기 암을 이동하여 상기 수분핸드가 상기 꽃의 중심에 위치하도록 하고, 상기 수분핸드의 꽃가루 분출구에서 고압공기와 함께 꽃가루를 분출하여 상기 수분핸드의 꽃가루 흡입구에서 꽃가루를 흡입하는 것을 특징으로 하는 수분로봇의 수분방법을 제공한다.

또, 다른 수단으로 상기 수분핸드는 고압공기와 함께 꽃가루를 분출할 때 상하, 좌우, 또는 누워진 숫자8의 형태로 상기 수분핸드가 움직이도록 제어함으로써 암술에 꽃가루가 더욱 잘 접촉할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 수분방법을 제공한다.

또, 다른 수단으로 상기 수분로봇의 암이 작물의 최상단 또는 정해진 높이에 위치하여 설정된 일 방향으로 직진하며 상기 카메라에서 감지되는 영상 중 녹색 이외의 색에 반응하여 꽃을 찾아 이동하며, 상기 카메라에 꽃이라 판단되는 색이 찾아진 경우, 상기 찾아진 꽃무리의 중심을 영상처리를 통하여 찾고, 이 이미지의 중심부를 상기 레이저거리계를 이용하여 거리를 측정하여, 상기 암을 이동하여 상기 수분핸드가 상기 꽃의 중심에 위치하도록 하고, 상기 수분핸드의 꽃가루 분출구에서 고압공기와 함께 꽃가루를 분출하여 상기 수분핸드의 꽃가루 흡입구에서 꽃가루를 흡입하는 과정을 일정시간 수행하여 꽃가루 수분을 하고, 다시 전진하며 상기 카메라의 색의 변화를 감지하여 꽃을 찾는 과정을 반복하여 작물이 더 이상 없을 때까지 일 방향으로 수분을 하는 것을 특징으로 하는 수분로봇의 수분방법을 제공한다.

본 발명에 사용한 상기 영상처리는 기본적인 영상처리 방법으로 이미지로부터 색의 경계를 찾고, 찾아진 경계로부터 이미지의 픽셀수를 계산하여 이미지의 면적과 이미지의 중심을 계산하고, 이로부터 녹색이 아닌 이미지를 꽃이라 파악하고, 꽃이라 파악된 이미지들의 중심의 분포를 보아 꽃무리를 찾고, 꽃무리들의 중심점들로부터 꽃무리의 중심점을 찾는 방법을 이용한다.

상기 꽃무리의 중심점과 상기 꽃들의 중심점을 있는 선과 상기 꽃들의 중심점들 간의 연결선으로부터 꽃무리의 크기와 좌우로 분포된 꽃무리인지, 상하로 또는 원형에 가깝게 분포된 꽃무리인지 꽃무리의 형태를 찾아낼 수 있다.

본 발명은 사용자가 높이만 맞춰주면 카메라의 영상처리 시스템이 녹색 이외의 색을 감지하여 색의 분포를 감지하여 찾아진 색의 중심부를 찾아내고, 레이저 거리계로 색의 중심부와의 거리를 측정한 후, 여러 개의 꽃을 한 번에 수분할 수 있어 수분 효율과 능률이 좋고, 시설 내부에 설치된 레일 등을 따라 움직이며 수분할 수 있어 작업능률도 향상할 수 있는 장점이 있다.

도 1 본 발명의 전체 구성도
도 2 본 발명의 수분핸드
도 3 본 발명의 수분핸드 확대도
도 4 본 발명의 수분핸드 움직임 설명도
도 5 본 발명을 사용하게될 온실에 핀 꽃의 모습
도 6 본 발명을 사용하게될 온실
도 7 벌이 수분하는 모습

본 발명의 구체적인 작용 및 효과를 도1 내지 7을 이용하여 설명하면 아래와 같다.

도7은 꿀벌이 먹이활동 중에 수분을 하고 있는 도면으로 꿀벌의 몸에 난 작은 털들에 의하여 꽃의 암술에 수술에서 나온 꽃가루가 묻혀지게 된다.

도1에 도시된 수분로봇의 바퀴는 일반 바퀴일 수 있으나 도6에 도시된 시설과 같이 바닥에 레일 또는 난방을 위한 보일러 배관이 깔린 경우 레일을 따라 이동할 수 있는 바퀴의 형태도 무방하다(미도시).

도1에 이동바퀴와 구동모터가 도시되어 있으나, 구동모터는 모든 바퀴에 직결식으로 또는 감속기어를 통하여 결합될 수 있고, 경우에 따라 2개만 구비되고 나머지 바퀴는 아이들 바퀴일 수 있고, 모터구동 제어와 레이저거리계의 거리측정, 카메라를 이용한 이미지 프로세싱을 위한 제어부를 수분로봇의 본체에 구비한다(미도시).

2개 이상의 수본로봇 암을 구비하며, 본 실시 예에서는 3개의 암과 1개의 암을 지지하며 회전하는 회전축이 구성되었다. 상기 3개의 암은 각각 또는 동시에 상하로 이동할 수 있고, 상기 회전축에 의하여 상기 암이 회전할 수 있다. 이들 회전축 및 암은 각각 구동을 위한 구동모터와 감속부가 구비되고 상기 제어부와 연결되어 제어부의 신호에 의하여 그 움직임이 제어된다.

상기 최상단부 암의 전단에 구비되는 수분핸드는 꽃의 암술에 꽃가루를 수분시키기 위하여 상기 수분핸드의 중심부에 여러 개의 작은 파이프의 출구를 모아 하나의 다발로 형성되는 고압의 공기를 분출하는 수분핸드 꽃가루 분출구; 및 상기 꽃가루 분출구의 타단에 연결되어 고압의 공기와 함께 꽃가루가 수분핸드 꽃가루 분출구로 배출될 수 있도록 꽃가루를 보관하는 꽃가루 탱크; 및 상기 꽃가루 탱크는 그 타단에 고압의 공기를 유입하는 고압공기 유입구를 구비하며; 상기 수분핸드의 내측 테두리 끝단에는 상기 수분핸드 꽃가루 분출구에서 분출되는 꽃가루와 고압의 공기에 의하여 수술에서 떨어지는 꽃가루와 상기 분출되는 꽃가루 중 공기에 의하여 암술에 수분되지 못하고 흩어지는 꽃가루를 흡입하여 다시 사용하기 위한 꽃가루 흡입구가 1개 이상 형성되며, 상기 꽃가루 흡입구의 타단에는 사이클론 공기 유입부가 연결되고, 상기 사이클론 공기 유입부가 연결된 사이클론 본체에는 사이클론 공기 출구가 상기 사이클론 본체의 상단에 연결되고, 상기 사이클론 본체의 하단에는 모아진 꽃가루를 상기 꽃가루 탱크로 연결하기 위한 연결부를 구비한 솔레노이드 밸브가 구성되며, 상기 솔레노이드 밸브의 열림과 닫힘에 의하여 상기 사이클론 본체의 흡입된 꽃가루가 상기 꽃가루 탱크로 유입을 제어하게 되며, 상기 사이클론 본체에서는 꽃가루만 사이클론 본체에 남고 공기는 사이클론 공기 출구로 빠져나가도록 동작한다. 상기 솔레노이드를 구동하기 위하여서는 일정시간 간격으로 솔레노이드를 개방하는 방법과, 상기 사이클론 본체 하단에 광센서(미도시)를 구비하여 꽃가루가 상기 사이클론 본체 하단에 설정량 이상 모아진 경우 광센서로 이를 감지하여 상기 솔레노이드를 구동하여 꽃가루를 사이클론 본체에서 꽃가루 탱크로 이동할 수 있다. 상기 동작을 위한 공기 압력은 상기 도1에 도시된 에어펌프를 이용하게 된다. 또한 상기 수분핸드의 아래쪽 흡입구는 좌우로 넓게 구비하여 떨어지는 꽃가루를 더 많이 흡수할 수 있는 구조도 가능하다.

상기 제어부에서 수분로봇의 수분효율을 높이기 위하여 수분핸드의 움직임을 제어할 수 있다. 즉, 사용자의 수분핸드 움직임 설정에 의하여 좌우로 넘어진 숫자 8형태의 움직임 또는 좌우 움직임 또는 상하움직임 또는 상하좌우 움직임 및 임의의 진동을 주는 동작을 결합하여 수분핸드 전방에 위치한 꽃의 암술에 꽃가루가 보다 많이 결합될 수 있도록 제어한다.

또한, 수분을 위한 꽃가루의 수집을 위한 경우에는 상기 수분핸드의 중심부를 꽃술에 가까이 접근하여 강력한 흡입력으로 꽃가루를 수집할 수도 있다.

상기 수분로봇의 최상단 암의 수분핸드 뒤에 위치한 레이저거리계와 카메라는 상기 제어부의 이미지처리부와 결합되어 카메라에서 영상을 획득하고, 획득된 영상으로부터 색 정보를 추출하여 작물에 따라 설정된 꽃의 색 분포를 2차원 영상으로 찾아 그 색들의 면적중심을 찾는다. 대부분의 작물은 꽃이 드문드문 피는 경우도 있지만 꽃이 무리지어 피는 경우가 많이 있어, 한 번에 여러 개의 꽃을 동시에 수분하기 위하여 꽃들의 무리를 찾고, 무리의 중심을 수분의 중심으로 하여 상기 수분핸드가 움직일 수 있도록 한다. 찾아진 면적중심에 상기 레이저 센서를 조준하여 거리를 측정하고, 측정된 거리를 바탕으로 상기 수분핸드가 접근하여 공기의 흡입과 고압의 공기분사를 반복하며 꽃을 수분하게 된다. 상기 도2에 공기의 흡입구와 분출구를 구분해 두었으나, 경우에 따라서 흡입구과 배출구를 반대로 제어하여 공기가 이동할 수 있음은 물론이다.

100 : 수분로봇 110 : 이동바퀴 또는 레일바퀴
120 구동모터 130 : 에어펌프
140 수분암 회전축 150 : 수분로봇 암
160 카메라 170 : 레이저 거리계
180 수분핸드 181 : 수분핸드 꽃가루 흡입구
182 수분핸드 꽃가루 분출구 183 : 사이클론 공기 유입부
184 사이클론 공기 출구 185 : 사이클론 본체
186 솔레노이드 밸브 187 : 고압공기 유입구
188 꽃가루 탱크 189 : 꽃가루
200 수분로봇 컨트롤러 210 : 수분로봇 구동 제어부
220 수분로봇 수분핸드 제어부 230 : 수분로봇 회전축 제어부
240 수분로봇 암 상하 제어부

Claims (7)

1. 이동바퀴와 구동모터로 구성되는 구동부;를 하부에 구비한 수분로봇 본체; 및 2개 이상의 수분로봇 암; 및 상기 암의 최하단부에 구비되어 상기 암을 회전시키는 암 회전축; 및 상기 2개 이상의 암 중 최상단의 암의 끝단에 구비되어 2개의 서보모터에 의하여 상하 및 좌우로 방향을 전환할 수 있는 수분핸드; 및 상기 수분핸드 후단부의 암 상단에 구비되는 레이저거리계; 및 상기 레이저거리계의 위쪽에 설치되는 카메라; 및
   전후좌우 4개의 버튼으로 구성되어 수분로봇을 전후좌우로 이동을 제어하는 수분로봇 컨트롤러; 및
   상기 수분핸드를 상하좌우로 움직이기 위한 수분핸드 제어부; 및
   상기 2개 이상의 암을 상기 암 회전축을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로의 회전을 제어하는 회전축 제어부; 및
   상기 2개 이상의 로봇암을 상하로 움직이기 위한 수분로봇 암 상하 제어부를 구비하고,
   상기 수분핸드에 꽃의 암술에 수술의 꽃가루를 수분시키기 위하여 상기 수분핸드의 중심부에 여러 개의 작은 파이프의 출구를 모아 하나의 다발로 형성되는 고압의 공기를 분출하는 수분핸드 꽃가루 분출구; 및 상기 꽃가루 분출구의 타단에 연결되어 고압의 공기와 함께 꽃가루가 수분핸드 꽃가루 분출구로 배출될 수 있도록 꽃가루를 보관하는 꽃가루 탱크; 및
   상기 꽃가루 탱크는 그 타단에 고압의 공기를 유입하는 고압공기 유입구를 구비하며; 상기 수분핸드의 내측 테두리 끝단에는 상기 수분핸드 꽃가루 분출구에서 분출되는 꽃가루와 고압의 공기에 의하여 수술에서 떨어지는 꽃가루와 상기 분출되는 꽃가루 중 공기에 의하여 암술에 수분되지 못하고 흩어지는 꽃가루를 흡입하여 다시 사용하기 위한 꽃가루 흡입구가 1개 이상 형성되며, 상기 꽃가루 흡입구의 타단에는 사이클론 공기 유입부가 연결되고,
   상기 사이클론 공기 유입부가 연결된 사이클론 본체에는 사이클론 공기 출구가 상기 사이클론 본체의 상단에 연결되고, 상기 사이클론 본체의 하단에는 모아진 꽃가루를 상기 꽃가루 탱크로 연결하기 위한 연결부를 구비한 솔레노이드 밸브가 구성되며,
   상기 솔레노이드 밸브의 열림과 닫힘에 의하여 상기 사이클론 본체의 흡입된 꽃가루가 상기 꽃가루 탱크로 유입을 제어하게 되며, 상기 사이클론 본체에서는 꽃가루만 사이클론 본체에 남고 공기는 사이클론 공기 출구로 빠져나가는 것을 특징으로 하는 수분로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수분핸드는 사용자의 정의에 의하여 좌우로 넘어진 숫자 8형태의 움직임 또는 좌우 움직임 또는 상하움직임 또는 상하좌우 움직임의 결합을 통하여 수분핸드 전방에 위치한 꽃의 암술에 꽃가루가 보다 많이 결합될 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 수분로봇.
3. 제2항의 수분로봇을 이용한 수분방법에 있어서,
   상기 수분로봇의 암이 상하로 이동하며 녹색과의 색깔의 차이에 의하여 상기 카메라에 의하여 꽃을 감지하고, 꽃이 감지되면 색의 분포에 의하여 꽃의 중심을 찾고, 상기 찾아진 꽃의 중심에 상기 레이저거리계를 이용하여 거리를 측정하여, 상기 암을 이동하여 상기 수분핸드가 상기 꽃의 중심에 위치하도록 하고, 상기 수분핸드의 꽃가루 분출구에서 고압공기와 함께 꽃가루를 분출하여 상기 수분핸드의 꽃가루 흡입구에서 꽃가루를 흡입하는 것을 특징으로 하는 수분로봇의 수분방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 수분핸드는 고압공기와 함께 꽃가루를 분출할 때 상하, 좌우, 또는 누워진 숫자8의 형태로 상기 수분핸드가 움직이도록 제어함으로써 암술에 꽃가루가 더욱 잘 접촉할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 수분로봇의 수분방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 수분로봇의 암이 작물의 최상단 또는 정해진 높이에 위치하여 설정된 일 방향으로 직진하며 상기 카메라에서 감지되는 영상 중 녹색 이외의 색에 반응하여 꽃을 찾아 이동하며, 상기 카메라에 꽃이라 판단되는 색이 찾아진 경우, 상기 찾아진 꽃의 중심에 상기 레이저거리계를 이용하여 거리를 측정하여, 상기 암을 이동하여 상기 수분핸드가 상기 꽃의 중심에 위치하도록 하고, 상기 수분핸드의 꽃가루 분출구에서 고압공기와 함께 꽃가루를 분출하여 상기 수분핸드의 꽃가루 흡입구에서 꽃가루를 흡입하는 과정을 일정시간 수행하여 꽃가루 수분을 하고, 다시 전진하며 상기 카메라의 색의 변화를 감지하여 꽃을 찾는 과정을 반복하여 작물이 더 이상 없을 때까지 일 방향으로 수분을 하는 것을 특징으로 하는 수분로봇의 수분방법.
   
   
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