KR950005415B1 - 자동 로롯 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

자동 로롯 장치

제1도는 그리퍼 바로 위에 장착된 CCD 카메라를 갖는 로봇 암의 그리퍼 단부, 및 공작 기계의 공작물 네스트 및 비콘의 사시도.

제2도는 공작 기계의 공작물을 조작하는 로봇 암을 갖는 AGV(자동 유도 운반 장치)의 측면도.

제3도는 시스템 레벨의 블럭 계통도.

제4도는 관측 조정 모드를 도시한 블럭 계통도.

제5도는 교습 모드를 도시한 블럭 계통도.

제6도는 재생 모드를 도시한 블럭 계통도.

제7도는 중심 궤적을 산출하기 위해 교습 및 재생 모드에 의해 사용된 서브루틴을 도시한 블럭 계통도.

제8도는 중심 궤적을 산출할 때 사용된 윈도우를 도시한 도면.

제9도는 AGV와 공작 기계 사이에 공작물 운반을 개시하기 위한 AGV와 공작 기계 사이의 핸드쉐이크 시퀀스를 도시한 블럭 계통도.

제10도는 AGV와 공작 기계 사이에 공작물 운반의 종료시의 AGV와 공작 긱계 사이의 핸드쉐이크 시퀀스를 도시한 블럭 계통도.

제11도는 제어 컴퓨터, CCD 카메라 및 로봇 암을 도시한 블럭 계통도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : CCD 카메라 2 : 로봇 암 그리퍼 단부

3 : 관측 케이블 4 : 로봇 암

5 : 그리퍼 어셈블리 6 : 그리퍼 핑거

7 : 작동 박스 10 : 공작물 감지기

11 : 공작물 12 : AGV(자동 유도 운반 장치)

13 : 공작 기계 14 : 탐지 비톤

15 : 공작 기계 상부 표면 16 : 공작물 네스트

17 : 네스트 비콘 18 : 푸쉬 버튼 스위치

19 : 스위치 비콘 20, 21, 22 및 23 : 결합부

24 : 제어 컴퓨터 25 : 인터페이스 회로

본 발명은 이동식 로봇 또는 자동 유도 운반 장치(AGV)에 관한 것으로, 더욱 상세히 말하자면 컴퓨터 제어식 로봇 암의 CCD(고체 촬상 장치) 카메라로부터의 가시영상의 컴퓨터 제어 및 처리에 관한 것이다.

집적 회로와 같은 소형이고 정교한 부품을 제조하기 위한 자동화된 유연성 제조시스템 및 셀(cell)과 같은 기존의 조립 공정에서는 자동 유동 운반 장치(이후부터, AGV라고 함)와 어셈블리 또는공작 기계, 또는 공작물 보관 위치 사이에서 공작물이 정확하게 운반되어야 한다. 이 문제는 공작물 운반을 완전히 하는데 인간이 조정하기 않는 완전한 자동 동작이 바람직한 시스템에서 두드러지게 나타난다. 전형적으로, 기존의 공작물 공정 시스템은 이러한 인간의 조력없이 성공적으로 운반하도록 고도로 정확하게 도킹(docking)하거나 파킹되어야 한다.

특히, 소형 공작물이 포함된 경우에, 전형적인 AGV는 이 AGV와 공작 기계 또는 보관 위치 사이에 자동을 이 공작물을 운반하기 전에 공작물의 정확한 위치를 확인할 수 없다.

또한, 성공적인 공작물 운반에 바람직한 것은 공작물의 존재 또는 부재가 검출되게 하는 것이다. 즉, 공작 기계에 공작물이 없는 경우에, 이 사실은 자동적으로 확인되어야 한다.

정확한 공작물 운반의 문제점에 관련된 것은 AGV의 정확한 파킹을 확실하게 하는 작업이다. 가끔, AGV를 도킹 또는 파킹 위치에 기계적으로 유도하기 위해 정지부 또는 원뿔형 장치가 사용된다. 이 기계 장치들은 AGV를 진동시키고 이 장치들을 배치 및 장착하기 위한 적합한 위치를 알아야 하다는 단점이 있다.

본 발명은 AGV 또는 이동식 로봇에 장착되는 공작물을 조작하는 유연성 로봇 암의 그리퍼(gripper) 단부에 장착된 CCD 카메라를 제공한다. 로봇 암의 그리퍼 단부는 공작물을 파지(grasp) 및 해제하게 위한 컴퓨터로 제어가능한 그리퍼를 포함한다.

카메라는 그리퍼에 인접하여 견고하게 장착되고 그리퍼 좌표 시스템에 고정 좌표 또는 기준 프레임을 갖고 있다. 또한 본 발명은 공작 기계 상의 공작물 네스트(nest)에 대해 소정 위치에 최소한 2개의 능동 또는 수동 탐지 비콘(beacon)을 제공한다. 이 비콘은 카메라에 의해 검출되고 그 다음에는 시각 정보가 정보를 처리하고 공작물을 집거나 놓을 때 로봇 암을 유도하는 AGV 상의 제어 컴퓨터로 운반된다.

또한, 가시 정보는 AGV가 공작물을 적재 또는 하적할 준비가 되어 있다는 것을 공작기계가 알수 있도록, 공작 기계에 배치된 스위치를누를 때 로봇 암을 유도하도록 사용될 수 있다.

공작물 운반 절차 동안, 로봇 암은 공작물 네스트에 높은 정확도로 유도되어 어느 경우라도 공작물이 집어올려지거나 놓여지게 한다. 높은 정확도는 로봇 암의 그리퍼 단부에 대해 비콘의 위치에 관한 가시 정보를 AGV 컴퓨터에 제공하는 CCD 카메라를 사용함으로써 달성된다. 본 발명은 유도 감지기로서 사용되는 CCD 카메라가 그리퍼에 인접하게 배치되어 그리퍼에 대해 비콘의 시야 크기를 확장시킨다는 종래 기술보다 우수한 장점을 갖는다. 또한, 카메라가 그리퍼 좌표 시스템 내에 고정되어 있기 때문에, 카메라는 그리퍼에 대해 항상 동일한 방향으로 향하므로, 로봇암의 그리퍼 단부가 기울어지거나 회전하는 문제가 전혀 없다. 그러므로, 목표하는 비콘은 그리퍼가 공작물 네스트를 향해 이동할 때 항상 시야 내에서 유지될 수 있다. 고도의 조작 정확성은 로봇 암이 집적 회로 제조에 관련된 것과 같은 매우 작은 부품을 운반할 수 있게 한다. 그러므로, 인간의 조력을 필요로 하지 않고서 완전히 자동으로 부품을 운반할 수 있다.

로봇 암 그리퍼 단부가 암의 구간 어디에라도 정확하게 배치될 수 있기 때문에, 이에 대응하여 AGV 도킹 정확성의 요구 조건이 적어질 수 있다. 이것은 AGV가 성공적으로 적재 운반하기 위해 매우 정확하게 배치되어야 하는 종래 기술의 시스템보다 유리하다. 파킹이 정확할 수록 기술적으로 달성하기가 더욱 곤란할 뿐만 아니라 값이 더욱 비싸지게 되는데, 그 이유는 비싼 유도 장비를 사용해야 되기 때문이다.

본 발명의 한 실시예는 공작물 네스트에 배치된 비콘을 포함한다. 로봇 암의 CCD 카메라의 배경으로부터, 비콘의 시야는 공작물이 공작물 네스트에 존재할 때 차단되고, 공작물이 존재하지 않을 때 차단되지 않는다. 그러므로, 제어 컴퓨터는 공작물이 네스트에 존재하는지의 여부를 결정할 수 있다. 이 특징은 다른 공작물을 네스트에 이미 배치된 한 공작물 위에 배치하는 것을 막고 네스트에 배치되지 않은 공작물을 AGV가 집어 올리지 못하게 한다. 또한, 제어 컴퓨터가 공작물이 이미 지정된 공작 기계에 있거나 예상된 공작물이 지정된 공작 기계에 없다는 것을 감시 컴퓨터에 알릴 수 있기 때문에 공작 대상물 추적 작업이 간단해진다.

본 발명의 다른 실시에는 주요한 항행(primary navigation) 시스템으로부터 얻을 수 있는 것 보다 큰 파킹 정밀도를 달성하기 위해 로봇 암 및 CCD 카메라를 사용한다. 이 실시예에서, 자동 조정을 담당하는 AGV의 컴퓨터는 제어 컴퓨터로부터 데이타를 수신한다. AGV가 바람직한 파킹 위치의 예상된 위치의 로봇 암의 길이 내에 있을 때, 로봇 암 및 카메라는 공작 기계 또는 그 외의 다른 파킹 장소의 탐지 비콘을 찾고, 이것이 발견되었을 때, AGV 항행 컴퓨터는 바람직한 파킹 장소에 관련하여 AGV 위치를 정밀하게 결정할 수 있다. 이때, 유도 시스템은 AGV가 바람직한 킹 위치로 정확하게 오게 할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 로봇 암은 공작물 운반이 바람직하게 된다는 것을 공작 기계에 알리도록 공작 기계에 배치된 스위치를 누르는데 사용된다. 비콘은 스위치 근처에 배치되고, 제어 컴퓨터와 상호 동작하여 이동(trip)하도록 스위치와 충분히 강하게 접촉하게 로봇 암의 그리퍼 단부를 유도하는 CCD 카메라에 스위치의 위치를 나타내기 위한 것이다. 또한, 이 비콘은 핸드쉐이킹(handshaking) 시퀀스의 일부로서 AGV에 신호를 보내는 데도 유용한다.

본 발명의 한 장점은 본 발명의 상술한 한가지 이상의 특징을 실시하기 위해 단일 구조, 즉 로봇 암 및 CCD 카메라를 제공한다는 것이다. CCD 카메라를 사용하는 다른 장점은 카메라가 로봇 암에 장착될 때 중요한 고려대상인 크기 및 무게를 작게 한 것이다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 목적 및 장점에 대해 상세하게 설명하겠다.

제1도에 도시한 바와 같이, 고체 촬상 장치(CCD) 카메라(1)은 로봇 암 그리퍼단부(2)에 장착된다. 관측 케이블(3)은 본 분야에 널리 공지된 인터페이스 회로(25)를 통해 범용 컴퓨터[여기서는, 제11도에 도시한 제어 컴퓨터(24)를 참조]로 로봇 암(4)를 따라 CCD 카메라로부터 연장된다. 로봇 암(4)는 제11도에 도시한 바와 같이 인터페이스 회로(25)를 통해 제어 컴퓨터(24)에 접속된다. 또한, 로봇 암 그리퍼 단부(2)에는, CCD 카메러(1)에 바로 인접하여, 대향하는 그리퍼 핑거(finger, 6)을 포함하는 그리퍼 어셈블리(5)가 장착된다. 그리퍼 핑거(6)은 화상표(8 또는 9)의 방향과 함께 또는 분리하여 핑거(6)을 동시에 미끄러져 이동시키도록 한 셋트의 기어(gear)을 작동시키기 위해 제어 컴퓨터(24)에 의해 모터가 제어되는 자동 박스(7)내에 미끄러질 수 있게 장착된다. 각각의 핑거(6)에는 제2도에 도시한 공작물(11)과 같은 공작물의 존재 또는 부재를 감지하기 위한 공작물 감지기(10)이 장착된다. 양호하게도, 감지기(10)은 공지된 광학 감지기 또는 근접 검출기이다.

제2도에서 알 수 있는 바와 같이, 로봇 암(4)는 여러번 결합(joint)되어 상당히 유연하다. 결합부는 참조 번호(20, 21, 22 및 23)으로 표시되어 있다. 결합부(23)은 로봇 암 그리퍼 단부(2)가 축상에서 회전할 수 있게 하는 회전 결합부이다.

이제 제2도를 참조하면, AGV(12)는 그리퍼 핑거(6)에 의해 유지된 공작물(11)을 갖는 로봇 암(4)가 장착되어 있는 것으로 도시되어 있다. 로봇 암(4) 및 공작물은 로봇 암이 그리퍼 핑거(6)을 분리시켜 이동시킴으로써 공작물을 놓거나 핑거(6)을 함께 이동시키고, AGV(12)쪽으로 로봇 암을 수축시킴으로써 공작물을 제거할 수 있는 상태로 도시되어 있다. 공작물을 놓기 위해서는 2개의 공작물 감지기(10)이 공작물(11)의 존재를 더 이상 검출하지 않는다는 것을 제어 컴퓨터(24)에 나타낼 때까지 핑거(6)을 펴야한다. 이와 마찬가지로, 공작 기계(13)으로부터 공작물(11)을 제거하려면 2개의 공작물 감지기(10)이 공작물의 존재를 검출하는데 충분한 거리로 핑거(6)들이 서로를 향해 이동해야 한다.

제1도를 다시 참조하면, 한 쌍의 탐지 비콘(14)는 공작물 네스터(16) 근처의 공작 기계(13)의 상부 표면(15) 내에 배치된다. 공작물 네스트(16)은 공작 기계에 의해 공작물 위에서 동작되는 동안 공작물을 유지하기 위한 것이다. 양호하게도, 2개의 탐지 비콘(14)는 한 쌍의 발광 다이오드(LED)로 구성되고 CCD 카메라(1)에 의해 검출될 수 있다.

탐지 비콘(14)가 CCD 카메라(1)에 의해 검출된 후에, 제어 컴퓨터(24)는 카메라(1)로부터의 가시 정보를 처리하고, 이로부터 로봇 암에 대한 탐지 비콘(14)의 위치를 결정한다. 제어 컴퓨터(24)는 탐지 비콘에 대한 공작물 네스트의 예상된 위치를 메모리 내에 기억시키므로, 제어 컴퓨터(24)가 로봇 암에 대한 탐지 비콘의 위치를 인지한 후, 로봇 암에 대해 공작물 네스트의 위치를 계산하기 위한 기하학적 구성이 간단하다. 로봇 암(4)에 대한 공작물 네스트의 위치를 알 고 있으므로, 제어 컴퓨터(24)는 공작 기계(13)으로부터 공작물을 놓거나 제거하기 위해 로봇 암을 조종하기 위한 경우에 큰 정밀도로 알게 된다.

본 발명의 한 실시예는 제1도에 도시한 바와 같이 공작물 네스트(16)에 배치된 네스트 비콘(17)을 포함한다. 양호하게도, 이 비콘은 또한 LED로 되어 있다. 네스트 비콘(17)은 공작물이 네스트 내에 존재하지 않을 때 CCD 카메라(1)로부터 볼수 있고, 내스트 비콘은 공작물이 네스트 내에 있을 때 보일 수 없다. 결국, 적재/하적 시퀀스를 개시하기 전에, 제어 컴퓨터(24)는 공작물이 네스트에 예상 위치에 CCD 카메라(1)을 조준하도록 로봇 암을 조정함으로써 네스트에 미리 존재하고 있는지이 여부를 신속하게 결정할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 제1도에 도시한 바와 같이 공작 기계(13)의 상부 표면(15)상에 모두 장착된 푸쉬 버튼 스위치(18) 및 밀접하게 인접한 스위치 비콘(19)를 포함한다. 양호하게도, 스위치 비콘(19)는 LED이다. 이상적으로, 공작 기계(13)은 컴퓨터로 제어되고, 스위치 비콘(19) 및 푸쉬 버튼 스위치(18)은 로봇 암 그리고 어셈블리(5)로 스위치를 누르고 CCD 카메라(1)로 비콘의 온/오프 상태를 모니터(monitor)함으로써, AGV와 공작 기계 사이를 정확히 핸드쉐이킹하는데 사용된다.

제어 컴퓨터(24)는 CCD 카메라(1)로 스위치 비콘(19)를 발견함으로써 푸쉬 버튼 스위치(18)을 탐지한다. 제어 컴퓨커(24)가 그리퍼 어셈블리를 스위치 비콘쪽으로 배향시켜 푸쉬 버튼 스위치와 확실히 접촉할 수 있도록 그리퍼 어셈블리(45)는 충분히 크고, 푸쉬 버튼 스위치(18)은 스위치 비콘(19)에 충분히 가까이 있다.

LED/푸쉬 버튼-스위치 결합체를 사용기 보다는 핸드 쉐이크 시퀀스를 실행하기 위해 적외선(IR) LED가 사용될 수 있다. 유사한 특성으로, IR LED 또는 그 외의 다른 파장이 모든 비콘용으로 사용될 수 있다. 전형적인 CCD 카메라가 IR 파장에 가장 민감한 것으로 공지되어 있기 때문에 IR이 유력하나, 가시 광선 스펙트럼인 LED가 고장난 장치를 용이하게 찾아내기 때문에 바람직하다.

또한, 탐지 비콘(14)는 보관 위치뿐만 아니라 공작 기계상의 프로세싱 위치용으로 제공될 수 있다. 그러므로, AGV는 부품을 보관할 수 있고 보관 위치로부터 부품을 검색할 수 있다.

이제 제3도를 참조하면, AGV 공작물 운반 시스템의 전체적인 시스템이 도시되어 있다. AGV가 스텝(100)에서 작동 개시된 후, 제어 컴퓨터(24)는 스텝(101)에서 알수 있는 바와 같이, 버블(bubble) 메모리 또는 그 외의 다른 비휘발성 대용량 기억 장치로부터 AGV 공작물 운반 장치를 작동시키는데 필요한 소프트웨어를 운반한다. 스텝(102)에서는 조작자에 의해 관측 시스텝의 조정 여부가 판단된다. 관측 시스템이 전혀 조정되지 못하였거나, CCD 카메라(1)의 광학축 주위에서 CCD 카메라 좌표 스템의 x-y면이 회전함으로 인해 재조정이 요구되는 경우에, 조작자는 스텝(103)에서 관측 시스템의 조정을 선택하게 된다.

관측 조정 모드는 제4도에 도시되어 있다. 이 모드의 목적은 CCD 카메라 x-y 좌표계와 그리퍼 x-y좌표계 사이의 관계를 알아내기 위한 것이다. 2개의 x-y면은 기계적인 정렬에 의해 평행하게 될 수 있으나, 2개의 x-축이 평행하고 2개의 y-축이 평행하도록 카메라(1)을 기계적으로 회전시키기가 매우 어렵다. 그러므로, 2셋트의 축들 사이의 소정의 회전각은 관측 조정 모드(103)로서 발견되고, CCD 카메라(1)에 의해 관측된 물체의 좌표는 그리퍼 좌표계의 항이 되도록 제어 컴퓨터(24)에 의해 수학적으로 조정된다. 카메라(1)과 그리퍼 어셈블리(5)는동일한 구조[로봇 암 그리퍼 단부(2)]상에 장착되기 때문에, 그리퍼 어셈블리 또는 CCD 카메라의 구성 부품이 변화되거나 방해되지 않는 한 2개의 좌표계 사이의 관계는 고정된채로 유지되다.

AGV 공작물 운반 시스템의 전체적인 기준 프레임은 AGV 기본 좌표계이고, 이 좌표계에서, 제어 컴퓨터(24)는 공작 기계(13)에 배치된 여러가지 구조물의 위치, 공작물 네스트(16)의 위치를 계산할 때 작동한다. 그러므로, CCD 카메라(1)에 의해 검출된 물체의 좌표는 결구 기본 좌표계의 항으로 되어야 한다. 로봇 암의 기계적인 기하학적 형태가 제어 컴퓨터(24)에 알려지므로, 그리퍼 좌표계 내의 물체 좌표는 제어 컴퓨터에 의해 AGV 기본 좌표계의 좌표로 수학적으로 변환될 수 있다. 그러므로, CCD 카메라 좌표계와 그리퍼 좌표계간의 수학적 관계를 관측 조정 모드(103)에서 결정함으로써, 제어 컴퓨터(24)는 CCD 카메라 좌표계의 좌표를 AGV 기본 좌표계의 좌표로 수학적으로 변환할 수 있다.

제3도를 다시 참조하면, 조작자는 스텝(104)에서 교습 모드(105)로 들어갈 것인지의 여부를 판단한다. 교습 모드(105)의 목적은 비콘 및 공작물 네스트의 각각의 공작 기계의 서로 다른 논리적인 배치(layout)에 대해 각 비콘의 AGV 기본 좌표 및 공작물 네스트의 x,y 및 세타 오프셋(theta offset)를 알아내어 제어 컴퓨터(24)의 메모리에 저장하기 위한 것이다. 세타는 x-y면 내의 x축에 평행한 선으로부터 측정한 각이다. 한 예로써, 10개의 공작 기계를 갖는 유연성 제조 셀에는 단지 3개의 논리적인 배치만이 존재한다. 즉, 한개 이상의 기계는 비콘과 공작물 네스트의 동일한 정렬 상태 및 각 비콘과 공작물 네스트이 사이의 동일한 기하학적 공간과 각을 갖는다. 소정의 이 논리 배치들은 비콘(19)중 한 비콘에 관련된 푸쉬 버트 스위치(18)을 갖게 되는데, 본 발명의 한 실시예는 각각의 공작물 네스트(16)의 내측에 네스트 비콘(17)을 포함한다. 교습 모드(105)는 제5도, 제7도 및 제8도에 도시되어 있다.

제3도를 다시 참조하면, 조작자는 자동 동작 모드(107)에 들어갈 것인지의 여부를 스탭(106)에서 판단한다. 자동 동작 모드는 AGV가 여러가지 공작 기계 또는 보관 위치로 및 이러한 공작 기계 또는 보관 위치로부터 공작물 운반하는 AGV 공작물 운반 시스템의 동작 모드이다. 자동 동작 모드는 제6도, 제7도 및 제8도에 도시되어 있다.

제9도는 공작물 운반 이전에 생기는 AGV(12)와 공작기계(13) 사이의 핸드 쉐이크 시퀀스를 도시한 것이다. 핸드 쉐이크의 한 목적은 다른 것이 공작물 운반을 개시하도록 준비되어 있다는 것을 AGV와 공작 기계에 알리기 위한 것이다. 제10도는 공작물이 성공적으로 운반된 후에 AGV와 공작 기계 사이에서 생기는 핸드 쉐이크 시퀀스를 도시한 것이다. 종료 핸드 쉐이크의 한 목적은 공작물 운반이 종결되고 각 운반 부품들이 다른 임무를 진행할 수 있다는 것을 AGV와 공작 기계가 알도록 한 것이다. 이 2개의 핸드 쉐이크 시퀀스로 제공된 다른 목적은 중앙 컴퓨터가 작업을 스케줄링하고, 물체의 흐름의 추적하며, AGV 및 공작 기계를 제어하는 경우에 대한 것이다. 이 목적은 작업이 성공적으로 개시 및 완료되거나 성공적으로 개시 및 완료되지 못할 때를 정확한 방법으로 중앙 컴퓨터가 알도록 한 것이다.

Claims (1)

1. 자동 로봇 장치에 있어서, 공작물을 운반하고 전달하기 위한 AGV(Automatic Guided Vehicles), 상기 AGV 상의 제어 컴퓨터, 공작물을 가동하기 위한 공작 기계, 공작물을 집어서 들어올려 명령된 위치에 내려 놓기 위해 로봇 암과 그리핑 암이 제어 컴퓨터에 의해 제어되는 암의 한단에 두개의 그리퍼 핑거(gripper fingers)를 갖는 그리퍼를 구비한 유연성 로봇 암(flexible robot arm), 공작 기계상에 장착되고, 공작 기계 상에서 공작물을 집어 올여 내러 놓을 장소를 탐지하기 위한 탐지 비콘 수단(locating beacon means),. 및 그리퍼 수단의 좌표계에 고정된 카메라를 포함하고, 상기 그리퍼 핑거 사이의 공간이 관측 수단의 관측 영역 내에 놓이도록 그리포 근처의 로봇 암에 부착되고, 상기 탐지 비콘 수단을 검출하기 위한 관측 수단(vision means)을 구비하고, 상기 관측 수단은 컴퓨터가 공작 기계상에서 집어 올리고 내려 놓을 장소(the pick up and set down place)를 계산할 수 있는 탐지 비콘 수단의 위치와 관련한 가시 정보(visual infornmation)를 제어 컴퓨터에 공급하며, 공작 기계 상에서 공작물을 집어 올리고 내려 놓기 위한 상기 장소는 네스트 수단(neat means)이고, 작동하는 동안 공작물을 정위치에 유지하는 기능을 제공하는 부가적인 역할을 하고, 상기 자동 로봇 장치는 공작물이 네스트 수단에 존재하는 지의 여부에 대한 정보를 제어 컴퓨터에 공급하기 위해 네스트 수단에 놓여 있으며, 관측 수단으로서 검출가능한 네스트 비콘 수단(nest beacon means)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 자동 로봇 장치.

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