WO2009074704A1 - Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales. - Google Patents
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Definitions
- Robotic system with off-road capability and multiple manipulator arm, and control and sensory elements separable and at the same time functional.
- the present invention pertains to the sectors of control and transport vehicles, specifically that of the control systems of the position, heading or altitude of vehicles and that of motor vehicles with special loads.
- Dexterous manipulation that is, the ability to manipulate elements accurately
- a high power-to-weight ratio is needed to be able to lift and move debris or victims.
- Several robotic systems with a built-in manipulator have been proposed.
- the load capacity is usually limited, and even more dexterity, by having only one arm.
- this characteristic represents an important limitation for the operator that directs it.
- For this type of rescue operations a certain degree of autonomous navigation is needed.
- the selection of objectives at a local level, and especially manipulation requires the intervention of human operators through teleoperation.
- ES 2 156 767 proposes a robotic system with off-road capabilities capable of recognizing an affected area to identify victims or objects of interest. However, it does not have handlers that allow it to rescue victims or remove hazardous material.
- ES 2 188 411 a mobile robot equipped with a manipulator arm of five degrees of freedom is described. However, it is not able to move through uneven terrain and the manipulator is not able to avoid obstacles in handling by not exceeding the limit of the six degrees of freedom.
- a modular sensor system is described in US 6 859 359. This system allows a robotic system to have different types of sensors and switch between them easily (through human intervention), but does not solve their simultaneous deployment on the same robotic platform.
- a type of remote controller for a lightweight robotic system is presented in TJS 6 438 456, but its capabilities are limited to facilitating the entry of orders and the output of information, the processing of which is not done on board the vehicle to limit its need for processability.
- Intervention in disaster areas requires mobile platforms capable of moving through rough terrain, and at the same time incorporating elements of manipulation.
- This document describes a robotic system with off-road capability and multiple manipulator arm, and separable and functional control and sensory elements.
- the system consists of a mobile platform with chain traction, a multiple manipulator mounted on the mobile platform, a control system, a wireless communications system, an external sensor system and an internal sensor system.
- the robotic system receives information from the environment through the external sensor system. These sensors collect information about obstacles, surrounding terrain, etc., and send it to the control system.
- Said control system generates orders for the robotic system locomotion system, and is divided into two subsystems: high and low level.
- the internal sensors provide information about the state of the robotic system, so that the high-level control subsystem can generate the appropriate orders to approximate the mission objective based on knowledge of the current state. These orders are received by the low-level control subsystem that transforms them into appropriate slogans for the means of action of the robotic system.
- the sensory system and the high-level control subsystem can be removed from the robotic system to increase its payload and / or decrease its vulnerability, maintaining its functionality at all times through radio communications that transmit information about the environment and the environment. own robotic system, on the one hand, and orders on the other.
- a multiple manipulator arm is installed on the mobile platform, consisting of a main arm with five degrees of freedom plus a double manipulator mounted at the end of the main arm.
- This double manipulator has two manipulators of three degrees of freedom each, plus a fourth degree of freedom common to both in their union to the main arm.
- each of the two terminal elements is arranged in a series of nine degrees of freedom, which provides kinematic redundancy that avoids obstacles to manipulate a given load. They are also installed on the platform the sensory elements that the application needs, such as CCD cameras for navigation or laser scanners.
- the whole assembly is powered by an electric generator installed on board, or in a trailer.
- Figure 1 General scheme of the robotic system, in which the mobile platform with traction can be distinguished by chains (a), the multiple manipulator (b) mounted on the front of the mobile platform, and the control system (c) at the back of the mobile platform.
- FIG. 1 Schematic of the multiple manipulator arm, in which the main manipulator arm can be seen with its first joint (d), its second joint (e), the third joint (f), the fourth joint (g) and the fifth joint (h); and the double manipulator arm (i) mounted at the end of the main arm through the joint (1), and composed of the left arm (j) and the right arm (k).
- the first, second and third joints can be seen, indicated as (m), (n) and (o) for the right arm and as (p), (q) and (r) for the left arm .
- the system ( Figure 1) consists of a mobile platform with chain traction (a), a multiple manipulator (b) mounted on the mobile platform, a control system (c), a wireless communications system, an external sensor system and an internal sensor system.
- the mobile platform allows the assembly to move through uneven terrain, and has traction through chains.
- Each chain has its own motor, which in the preferred embodiment of the invention are of a hydraulic type because of their greater power-to-size ratio, but which can be electric or otherwise. It incorporates sensors that report the speed, attitude, etc., of the platform, and also has retractable struts that can be extended to stabilize the assembly when the manipulator arm is operated.
- the main arm ( Figure 2) has five degrees of freedom actuated by actuators which in the preferred embodiment of the invention are hydraulic, but which can be, for example, electric or other.
- actuators which in the preferred embodiment of the invention are hydraulic, but which can be, for example, electric or other.
- the first (d), second (e), third joints are hydraulic, but which can be, for example, electric or other.
- each joint incorporates angular sensors that allow knowing the angle at which it is in relation to the adjacent element.
- these sensors are optical angular encoders, but they can be of another type, such as potentiometers or resolvers.
- the double manipulator arm (i) reproduces the structure of the human arms, and is attached to the main manipulator arm. It consists of two arms, left (j) and right (k), that share a degree of common freedom (1) that joins them to the main arm. Each one also has three degrees of freedom (m, n, o) for the left branch and three others (p, q, r) for the right branch. Both arms can in turn be equipped with different terminal elements, and incorporate angular sensors in each joint to know the angle rotated. In the preferred embodiment these sensors are optical angular encoders, but they can be of another type, such as potentiometers or resolvers.
- the double manipulator arm can be removed so that the main arm assembles a different element, such as a shovel, a hook or other element that may be necessary.
- the control system is divided into two subsystems: low level and high level.
- the low-level subsystem is responsible for reading the internal sensors of the robot (such as those mentioned in the description of the manipulator arm or in the description of the mobile platform) and generates the appropriate setpoints for the corresponding actuators so that the objective that the references you receive from the high-level control subsystem mark.
- Said subsystem communicates with the low-level subsystem by means of radio communications, so that it can be disassembled from the robotic system while maintaining its full functionality, while increasing the available payload of the robotic system and reducing its vulnerability.
- the high-level control subsystem receives information from the external sensors of the robotic system, which capture information from the environment in which it is located, from obstacles, roads, possible victims, dangerous elements, etc., and in accordance with the tasks dictated by the human operator generates the appropriate references for the low level subsystem.
- the sensory system is composed of internal sensors, already mentioned in the description of the different elements of the robotic system, and external sensors.
- external sensors the robotic system can incorporate those dictated by the nature of the mission, but in the preferred embodiment of the invention it has a CCD camera mounted on the mobile platform and coupled to a 3D laser scanner, and a set of a CCD camera and a thermal camera mounted on the common joint of the double manipulator arm.
- the system allows to intervene in situations of natural disasters or others at risk in which human beings cannot intervene due to the limitations of the environment or the existing risks. It allows moving in uneven terrain thanks to the mobile platform equipped with chains, and has a multiple manipulator arm that allows access to difficult areas avoiding obstacles by having more than six degrees of freedom from the base to the end. In addition, it has a payload that can be extended by disassembling the control subsystem or the sensory subsystem, or both, which also reduces the vulnerability of the robotic system as a whole. Applications in which these characteristics are necessary range from the rescue of victims in disasters such as earthquakes or landslides to the removal or deactivation of explosive devices.
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Abstract
Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales. El sistema consta de una plataforma móvil con tracción por medio de orugas, un sistema de control a bordo, un conjunto de sensores que obtienen información tanto del entorno como de la actitud del sistema robótico en su conjunto y un brazo manipulador múltiple. Este brazo permite al sistema manipular con destreza cargas de interés, como elementos peligrosos o víctimas de desastre. Gracias a que el sistema de control y el sistema sensorial son separables del sistema robótico pero mantienen su funcionalidad y comunican sus consignas y la información del entorno mediante enlaces por radio, la carga de pago del sistema robótico puede incrementarse si es necesario desmontando los mencionados sistema de control y/o sistema sensorial.
Description
Título
Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales.
Sector técnico
La presente invención pertenece a los sectores del control y los vehículos de transporte, concretamente al de los sistemas de control de la posición, rumbo o altitud de vehículos y al de los vehículos a motor con cargas especiales.
Técnica anterior
Las operaciones de búsqueda y rescate en escenarios de desastres plantean importantes problemas a los equipos de intervención, y en particular a los sistemas robóticos diseñados para trabajar en ellos: entornos desconocidos y no estructurados, movilidad sobre terreno difícil, detección y manipulación de víctimas y material peligroso, o retirada de escombros, por nombrar sólo unos pocos. Estos problemas implican enfrentarse con diferentes dificultades en el caso de sistemas robóticos, que cubren distintos niveles: a) Locomoción y mecánica. Se han usado robots de pequeño tamaño en minería y en búsqueda de víctimas. Estos elementos, ligeros y de bajo coste, pueden desplegarse en grupos y son útiles para la exploración de derrumbes. Sin embargo, se necesitan vehículos más robustos y potentes que sean capaces de subir por las pendientes del terreno o de moverse sobre los escombros. En este sentido, los vehículos con cadenas proporcionan mejor tracción que los ruedas debido a su mayor área de contacto. b) La manipulación diestra (es decir, la capacidad de manipular elementos con precisión) se necesita para manejar o retirar elementos peligrosos, como materiales contaminantes o artefactos explosivos. Además, se necesita una elevada relación potencia-peso para poder levantar y mover escombros o víctimas. Se han propuesto varios sistemas robóticos con un manipulador incorporado. Sin embargo la capacidad de carga suele ser limitada, y aún más su destreza, al disponer de un solo brazo. Sobre todo en el caso de sistemas teleoperados, esta característica supone una importante limitación para el operador que lo dirige.
c) Para este tipo de operaciones de rescate se necesita un cierto grado de navegación autónoma. Sin embargo, la selección de los objetivos a un nivel local, y sobre todo la manipulación, requieren la intervención de operadores humanos a través de teleoperación. En este caso, y también de acuerdo con lo expuesto en el punto anterior, las diferencias entre el manipulador y los brazos de un ser humano limitan los resultados. d) A nivel de percepción, se presentan requerimientos diferentes según se trate de localización de víctimas o materiales peligrosos, o de navegación. En ambos casos son útiles las técnicas tridimensionales, por ejemplo mediante escáneres tridimensionales para generar mapas volumétricos. En cambio, para localizar víctimas en desastres es más útil la visión térmica.
Para solucionar todos estos problemas se han desarrollado distintos sistemas robóticos. Por ejemplo, en ES 2 156 767 se propone un sistema robótico con capacidades todoterreno capaz de reconocer una zona afectada para identificar víctimas u objetos de interés. Sin embargo, no dispone de manipuladores que le permitan rescatar víctimas o retirar material peligroso.
En ES 2 188 411 se describe un robot móvil dotado de un brazo manipulador de cinco grados de libertad. No obstante, no es capaz de moverse por terreno desigual y el manipulador no es capaz de evitar obstáculos en la manipulación al no superar el límite de los seis grados de libertad. En US 6 859 359 se describe un sistema modular de sensores. Dicho sistema permite que un sistema robótico pueda contar con diferentes tipos de sensores y cambiar entre ellos con facilidad (a través de la intervención humana), pero no soluciona el despliegue simultáneo de los mismos en una misma plataforma robótica.
En TJS 6 438 456 se presenta un tipo de controlador remoto para un sistema robótico ligero, pero sus capacidades se limitan a facilitar la entrada de órdenes y la salida de la información, cuyo procesamiento no se hace a bordo del vehículo para limitar su necesidad de capacidad de procesamiento.
Resumiendo, el estado de la técnica presenta varias limitaciones:
1) La intervención en zonas de desastre necesita plataformas móviles capaces de moverse por terreno abrupto, y al mismo tiempo incorporar elementos de manipulación.
2) La manipulación de elementos peligrosos o la extracción de víctimas exige, por una parte, una estructura lo más parecida posible a la de los brazos de un ser humano, para facilitar la teleoperación; y por otra, una elevada potencia y capacidad de carga.
3) Las tareas que debe completar un sistema robótico para aplicaciones de rescate son, por una parte, la navegación en entornos no estructurados, y por otra, la localización de elementos muy concretos (como víctimas o materiales peligrosos). Ambas tareas tienen requisitos muy diferentes desde el punto de vista de los sensores necesarios.
Divulgación de Ia invención
El presente documento describe un sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales.
El sistema consta de una plataforma móvil con tracción mediante cadenas, un manipulador múltiple montado sobre la plataforma móvil, un sistema de control, un sistema de comunicaciones inalámbricas, un sistema de sensores externos y un sistema de sensores internos. El sistema robótico recibe información del entorno a través del sistema de sensores externos. Dichos sensores recaban información acerca de obstáculos, terreno circundante, etc., y la envían al sistema de control. Dicho sistema de control genera órdenes para el sistema de locomoción del sistema robótico, y se encuentra dividido en dos subsistemas: de alto y bajo nivel. Al mismo tiempo, los sensores internos proporcionan información acerca del estado del sistema robótico, de modo que el subsistema de control de alto nivel pueda generar las órdenes apropiadas para aproximarse al objetivo de la misión a partir del conocimiento del estado actual. Estas órdenes son recibidas por el subsistema de control de bajo nivel que las transforma en consignas apropiadas para los medios de actuación del sistema robótico. Llegado el caso, el sistema sensorial y el subsistema de control a alto nivel pueden desmontarse del sistema robótico para aumentar su carga de pago y/o disminuir su vulnerabilidad, manteniendo su funcionalidad en todo momento mediante comunicaciones radio que transmiten la información del entorno y del propio sistema robótico, por una parte, y las órdenes por otra.
Sobre la plataforma móvil se encuentra instalado un brazo manipulador múltiple, que consta de un brazo principal de cinco grados de libertad más un manipulador doble montado al final del brazo principal. Este manipulador doble cuenta con dos manipuladores de tres grados de libertad cada uno, más un cuarto grado de libertad común a ambos en la unión de los mismos al brazo principal. Así se dispone en cada uno de los dos elementos terminales de una serie de nueve grados de libertad, lo que proporciona redundancia cinemática que permite evitar obstáculos para manipular una determinada carga. Asimismo, también se encuentran instalados
sobre la plataforma los elementos sensoriales que necesite la aplicación, como por ejemplo cámaras CCD para navegación o escáneres láser.
Todo el conjunto se encuentra alimentado mediante un generador eléctrico instalado a bordo, o en un remolque.
Descripción de las figuras
Figura 1. esquema general del sistema robótico, en el que se puede distinguir la plataforma móvil con tracción mediante cadenas (a), el manipulador múltiple (b) montado sobre la parte frontal de la plataforma móvil, y el sistema de control (c) en la parte trasera de la plataforma móvil.
Figura 2. esquema del brazo manipulador múltiple, en el que se puede apreciar el brazo manipulador principal con su primera articulación (d), su segunda articulación (e), la tercera articulación (f), la cuarta articulación (g) y la quinta articulación (h); y el brazo manipulador doble (i) montado en el extremo del brazo principal a través de la articulación (1), y compuesto por el brazo izquierdo (j) y el derecho (k). En cada uno de esos brazos pueden apreciarse las articulaciones primera, segunda y tercera, señaladas como (m), (n) y (o) para el brazo derecho y como (p), (q) y (r) para el brazo izquierdo.
Maneras de realización de la invención
A continuación se describe un ejemplo de realización de la invención de carácter no limitativo.
El sistema (Figura 1) consta de una plataforma móvil con tracción mediante cadenas (a), un manipulador múltiple (b) montado sobre la plataforma móvil, un sistema de control (c), un sistema de comunicaciones inalámbricas, un sistema de sensores externos y un sistema de sensores internos.
La plataforma móvil permite que el conjunto se desplace por terreno desigual, y cuenta con tracción mediante cadenas. Cada cadena cuenta con su propio motor, que en la realización preferida de la invención son de tipo hidráulico por su mayor relación potencia-tamaño, pero que pueden ser eléctricos o de otro tipo. Incorpora sensores que informan de la velocidad, actitud, etc., de la plataforma, y además cuenta con puntales retráctiles que pueden extenderse para estabilizar el conjunto cuando se opera el brazo manipulador.
El brazo principal (Figura 2) cuenta con cinco grados de libertad actuados mediante actuadores que en la realización preferida de la invención son hidráulicos, pero que pueden ser,
por ejemplo, eléctricos o de otro tipo. Las articulaciones primera (d), segunda (e), tercera
(f), cuarta (g) y quinta (h) se muestran en la Figura 2. Cada articulación incorpora sensores angulares que permiten conocer el ángulo en el que se encuentra respecto al elemento adyacente. En la realización preferida estos sensores son codificadores angulares ópticos, pero pueden ser de otro tipo, como por ejemplo potenciómetros o resólvers.
El brazo manipulador doble (i) reproduce la estructura de los brazos humanos, y se encuentra anexo al brazo manipulador principal. Consta de dos brazos, izquierdo (j) y derecho (k), que comparten un grado de libertad común (1) que los une al brazo principal. Además cuentan cada uno con tres grados de libertad (m, n, o) para la rama izquierda y oíros tres (p, q, r) para la rama derecha. Ambos brazos pueden equiparse a su vez con diferentes elementos terminales, e incorporan sensores angulares en cada articulación para conocer el ángulo girado. En la realización preferida estos sensores son codificadores angulares ópticos, pero pueden ser de otro tipo, como por ejemplo potenciómetros o resólvers. Además, cuentan en el extremo con sensores de fuerza y par de seis ejes (tres fuerzas y tres pares), que permiten conocer los esfuerzos que cada brazo ejerce con su elemento terminal sobre el entorno. Adicionalmente, el brazo manipulador doble puede desmontarse para que el brazo principal monte un elemento diferente, como por ejemplo una pala, un gancho u otro elemento que pudiera ser necesario.
El sistema de control está dividido en dos subsistemas: de bajo nivel y de alto nivel. El subsistema de bajo nivel se encarga de leer los sensores internos del robot (como por ejemplo los mencionados en la descripción del brazo manipulador o en la descripción de la plataforma móvil) y genera las consignas apropiadas para los actuadores correspondientes de manera que se alcance el objetivo que le marcan las referencias que recibe del subsistema de control de alto nivel. Dicho subsistema se comunica con el subsistema de bajo nivel por medio de comunicaciones por radio, de manera que puede desmontarse del sistema robótico manteniendo su funcionalidad completa, al tiempo que se aumenta la carga de pago disponible del sistema robótico y se reduce su vulnerabilidad. El subsistema de control de alto nivel recibe la información de los sensores externos del sistema robótico, que capturan información del entorno en el que se encuentra el mismo, de obstáculos, caminos, posibles víctimas, elementos peligrosos, etc., y de acuerdo con las tareas dictadas por el operador humano genera las referencias apropiadas para el subsistema de bajo nivel.
El sistema sensorial está compuesto por los sensores internos, ya mencionados en la descripción de los diferentes elementos del sistema robótico, y por los sensores externos. Como sensores externos el sistema robótico puede incorporar los que dicte la naturaleza de la misión, pero en la realización preferida de la invención dispone de una cámara CCD montada en la
plataforma móvil y acoplada a un escáner láser 3D, y un conjunto de una cámara CCD y una cámara térmica montadas en la articulación común del brazo manipulador doble.
Aplicación industrial
El sistema permite intervenir en situaciones de desastres naturales u otras de riesgo en las que no puedan intervenir seres humanos por las limitaciones del entorno o los riesgos existentes. Permite moverse en terreno desigual gracias a la plataforma móvil dotada de cadenas, y dispone de un brazo manipulador múltiple que permite acceder a zonas difíciles evitando obstáculos al contar con más de seis grados de libertad desde la base hasta el extremo. Además, cuenta con una carga de pago que puede ampliarse desmontando el subsistema de control o el subsistema sensorial, o ambos, lo que también reduce la vulnerabilidad del sistema robótico en su conjunto. Las aplicaciones en las que estas características son necesarias van desde el rescate de víctimas en desastres como terremotos o derrumbes hasta la retirada o desactivación de artefactos explosivos.
Claims
1. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales, caracterizado porque comprende una plataforma móvil con tracción mediante cadenas, un brazo manipulador múltiple, un sistema de control, y un sistema sensorial; comprendiendo el brazo manipulador múltiple un brazo principal de cinco grados de libertad más un manipulador doble con tres grados de libertad en cada brazo y uno adicional común a ambos brazos en el punto de unión con el brazo manipulador de cinco grados de libertad sobre el que va montado, disponiendo cada uno de los dos elementos o brazos terminales una serie de nueve grados de libertad.
2. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según la reivindicación anterior caracterizado porque el sistema de control comprende un subsistema de bajo nivel y subsistema de alto nivel que se comunican entre sí mediante un sistema de comunicaciones inalámbricas, y el sistema sensorial comprende sensores internos que obtienen información del estado del sistema robótico y sensores externos que obtienen información del entorno de trabajo.
3. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque las comunicaciones inalámbricas son por radio.
4. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el subsistema de control de alto nivel y el sistema de sensores externos puedent. desmontarse del sistema robótico y mantener su funcionalidad gracias al enlace de comunicaciones por radio.
5. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el sistema de tracción incorpora sensores y puntales retráctiles que pueden extenderse para estabilizar el conjunto cuando se opera el brazo manipulador.
6. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque los actuadores del brazo manipulador principal, del brazo manipulador doble, y/o de las cadenas de tracción de la plataforma móvil son hidráulicos.
7. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque los actuadores del brazo manipulador principal, del brazo manipulador doble, y/o de las cadenas de tracción de la plataforma móvil son eléctricos.
8. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los sensores del brazo manipulador principal y/o del brazo manipulador doble son codificadores angulares ópticos, potenciómetros, resólvers, o sensores de fuerza y par de seis ejes.
9. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el brazo manipulador doble puede desmontarse para que el brazo principal monte un elemento diferente, por ejemplo una pala o un gancho.
10. Sistema robótico con capacidad todoterreno y brazo manipulador múltiple, y elementos de control y sensoriales separables y al mismo tiempo funcionales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende además una cámara CCD montada en la plataforma móvil y acoplada a un escáner láser 3D, y un conjunto cámara CCD — cámara térmica montadas en la articulación común del brazo manipulador doble.
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ES2343558A1 (es) | 2010-08-03 |
ES2343558B2 (es) | 2011-08-17 |
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