工业机器人技术基础-第5章工业机器人控制系统.pptx

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,任何控制系统具备其控制功能，针对工业机器人，我们要了解工业机器人控制系统功能、特点、结构组成，了解当前主流工业机器人的控制系统分类、所采用的机器人操作系统开发平台，理解工机器人驱动系统，并能分析出不同类型驱动系统的特点和优劣。

本节导入,机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下。

记忆功能,示教功能,与外围设备联系功能,坐标设置功能,人机接口,传感器接口,位置伺服功能,故障诊断安全保护功能,机器人控制技术和传统机械系统控制技术没有本质区别，但机器人控制系统也有许多特殊之处，如下：

每个关节由一个伺服系统控制，多个关节的运动要求各个伺服系统协同工作以实现联动控制,工业机器人的空间点位运动控制，需要进行复杂的坐标变换运算，以及矩阵函数的逆运算,其数学模型是一个多变量、非线性和变参数的复杂模型，控制中经常使用复杂控制技术,机器人控制系统由控制计算机、示教编程器、操作面板等组成。

如图所示。

图5-1工业机器人控制系统组成,数字和模拟,量输入输出,打印机接口,磁盘存储,操作面板,示教盒,磁盘存储,磁盘存储,回转伺服控制器,手腕伺服控制器,大臂伺服,控制器,手腕回转伺服控制器,磁盘存储,视觉系统,控制,计算机,通信接口,网络接口,视觉系统声音、图像接口,等接口,滑觉和力觉传感器,手腕旋转伺服控制器,

（1）

（2）,：

控制系统的调度指挥机构；：

与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互；,（3）（4）（5）（6）（7）（8）,：

由各种操作按键、状态指示灯构成；：

存储机器人工作程序的外围存储器；：

各种状态和控制命令的输人或输出；：

记录需要输出的各种信息；：

用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制；：

完成机器人各关节位置、速度和加速度控制；,（9）（10）,：

用于和机器人配合的辅助设备控制；：

实现机器人和其他设备的信息交换；,：

也称伺服驱动器，为中间环节。

（11）（12）,：

可通过以太网实现数台或单台机器人的直,接通信，数据传输速率高达/；：

支持多种流行的现场总线规格，如：

Devicenet、ABRemoteI/0、Inter-bus-s、profibus-DP、M-NET等。

用一台计算机实现全部控制功能,采用主、从两级处理器实现系统的全部控制功能,系统控制的每一个模块各有不同的控制任务和控制策略,1、集中控制系统基于的集中控制系统里，充分利用资源开放性的特点，开放性好，多种控制卡，传感器设备等都可通过标准插槽或通过标准串口、并口集成到控制系统中。

结构简单，硬件成本较低，便于信息的采集和分析，易于实现系统的最优控制，整体性与协调性较好，基于的系统硬件扩展较为方便。

由于工业机器人控制涉及位置控制、速度控制、加速度控制、轨迹规划等各种数据，对实时性要求较高，但集中控制系统类型在实时性方面存在缺陷。

2、主从控制系统主实现管理、坐标变换、轨迹生成和系统自诊断等；从实现所有关节的动作控制。

主从控制方式系统实时性较好，适于高精度、高速度控制，但其系统扩展性较差，维修困难。

3、分散控制系统按系统的性质和方式将系统控制分成几个模块，各模式之间可以是主从关系，也可以是平等关系。

这种方式实时性好，易于实现高速、高精度控制，易于扩展，可实现智能控制，是目前流行的方式。

系统灵活性好，控制系统的危险性降低，采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。

生产设备,示教盒,操作台,接口,计算机,感觉系统与接口,公用内存,一级控制,二级控制,伺服电动机,号单片机,号单片机,号单片机,/,速度控制,脉宽调制放大器,码盘测速发电机,伺服单元,图5-2分散式控制框图,分散控制系统是目前流行的方式，其控制框图如图所示。

两级分布式控制系统，通常由上位机、下为机和网络组成。

上位机,下位机,相互协调工作通讯总线可以是RS-232、RS-485、EEE-488以及USB总线等形式,可以进行不同的轨迹规划和控制算法进行插补细分、控制优化等的研究和实现现在，以太网和现场总线技术的发展为机器人提供了更快速、稳定、有效的通讯服务。

尤其是现场总线，它应用于生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向多结点数字通信，从而形成了新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统FCS（FiledbusControlSystem）。

：

系统灵活性好，控制系统的危险性降低采用多处理器的分散控制，有利于系统功能的并行执行提高系统的处理效率，缩短响应时间分布式结构对于具有多自由度的工业机器人而言，当轴的数量增加到使控制算法变得很复杂时，其控制性能会恶化，甚至可能会导致系统的重新设计。

与之相比，分布式结构的每一个运动轴都由一个控制器处理，这意味着，系统有较少的轴间耦合和较高的系统重构性。

（1）操作系统是一种嵌入式实时操作系统（RTOS），是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。

工业机器人是实时性要求极高的工业装备，ABB、KUKA等均选用VxWorks作为主控制器操作系统。

（2）是美国微软公司推出的嵌入式实时操作系统，与Windows系列有较好的兼容性。

其丰富的开发资源对于在示教器等开发上具有较好的优势，如ABB等公司采用WindowsCE开始示教器系统。

机器人操作系统，是工业机器人控制系统的“软部分”，实质上都是采用了嵌入式实时操作系统。

（3）嵌入式由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足自己的应用。

其中大部分都遵从GPL，是开放源代码和免费的，可以稍加修改后应用于用户自己的系统；有庞大的开发人员群体，无需专门的人才，只要懂Unix/Linux和C语言即可；支持的硬件数量庞大。

众多中小型机器人公司和科研院所选择Linux作为机器人操作系统。

（4）/是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器（DSP）。

它的主要特点是公开源代码、可移植性好、可固化、可裁剪性、占先式内核、可确定性等。

该系统在教学机器人、服务机器人、工业机器人科研等领域得到较多的应用。

工业机器人的驱动系统是直接驱使各运动部件动作的机构，对工业机器人的性能和功能影响很大。

工业机器人驱动方式主要有：

液压式、气动式和电动式。

利用各种电动机产生的力矩和力，直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构,以压缩空气为动力源驱动，气动执行机构包括气缸、气动马达,以有压力的油液作为传递工作介质，实现机器人的动力传递和控制,由于低惯量，大转矩交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器的广泛采用，电动驱动系统在机器人中被大量选用。

该类系统不需能量转换，使用方便，控制灵活。

适用于承载能力大，惯量大以及在防焊环境中工作的机器人。

但液压系统需进行能量转换，速度控制多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低。

具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点。

适用于中、小负荷的机器人。

但因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械人中，如在冲压机器人。

包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。

伺服电动机一般需要配套伺服驱动器构成伺服驱动系统。

包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。

包括永磁感应步进电动机。

步进电动机和驱动器构成步进驱动系统，一般应用在对位置等精度要求较低的开环控制系统中。

当前，业界一般公认所谓工业机器人“四大家族”品牌是、安川、，国产工业机器人也取得了良好的市场份额。

本节介绍了国内外典型工业机器人系统，并以固高的可重组工业机器人系统进行了案例分析和拓展。

本节导入,为目前最新推出的控制系统机器人大部分用于焊接、喷涂及搬运用图5-3ABB公司IRB1410机器人,图所展示的机器人型号为IRB1410，其承重能力为5KG，上臂可承受18KG的附加载荷，最大工作半径1444mm，常用于焊接与范搬运，具有再扩展一个外部轴的能力。

图5-4ABB公司IRC5控制系统,（变压器）,（主计算机）,（轴计算机）,（串口测量板）,（齿轮箱）,（编码器）,（电机）,（驱动板）,IRC5控制系统由主电源、计算机供电单元、计算机控制模块（计算机主体）、输入输出板、Customerconnections（用户连接端口（）、FlexPendant接口（示教盒接线端）、轴计算机板、驱动单元（机器人本,体、外部轴）等组成，其情况如图所示。

图5-5KUKA控制系统结构,机器人程序,控制程序,核心功能,系统通讯,可视化编程操作界面,控制软件,示教器,KUKA是四大家族中最“软”的机器人厂商，最新的控制系统KRC4使用了基于x86的硬件平台，运行“VxWorks+Windows”系统，把能软件化的功能全部用软件来实现了，包括伺服控制（ServoControl），,安全管理（SafetyController）,软PLC（SoftPLC）等，如图所示。

FANUC机器人的控制系统主要分为硬件和软件两部分。

硬件部分主要有控制单元、电源装置、用户接口电路、控制单元、存储电路、关节伺服驱动单元和传感单元；软件部分主要包括机器人轨迹规划算法和关节位置控制算法的程序实现以及整个系统的管理、运行和监控等功能。

采用32位CPU控制，以提高机器人运动插补和坐标变换的运算速度；采用64位数字伺服驱动单元，同步控制6轴运动运动，精度大大提高；支持离线编程技术，技术人员可通过设置参数，优化机器人运动程序；控制器内部结构相对集成化，具有结构简单、价格便宜等特点。

MOTOMANUP6是日本安川公司MOTOMAN系列工业机器人中的一种，其运动控制系统采用专用的计算机控制系统MOTOMANUP6计算机控制系统功能系统伺服控制、操作台和示教编程器控制、显示服务、自诊断、I/O通信控制、坐标变换、插补计算、自动加速和减速计算、位置控制、轨迹修正、平滑控制原点和减速点开关位置检测、反馈信号同步等MOTOMANUP6工作方式采用示教再现的工作方式，在示教和再现过程中，计算机控制系统均处于边计算边工作的状态，且系统具有实时中断控制和多任务处理功能,由于国内存在一批在工业机器人运动控制领域长期深入研究的企业，并且具有大量资金投入和长时间的市场验证，目前国产控制系统（控制器）已经拥有了自己的技术特点和市场基础。

1、新松SRCC5等系列控制器新松机器人自动化股份有限公司是中国机器人产业前10名的核心牵头企业，新松SRCC5是其新一代机器人智能控制系统，有如下特点：

支持虚拟仿真、机器视觉（2D/3D）、力觉传感等多种智能技术的应用；采用全新的控制柜设计，性能提升，体积缩减，重量降低，安全性提高；采用触摸屏横版示教盒，高灵敏度的触屏体验，适用于新型系统所有机型。

5.2.5国产工业机器人控制系统,2、广州数控GSK-RC等系列控制器在丰富的机床数控技术积累基础上，广州数控掌握了机器人控制器、伺服驱动、伺服电机的完全知识产权。

其中GSK-RC是广州数控自主研发生产，具有独立知识产权的机器人控制器。

3、华中数控CCR等系列控制器从1999年开始，华中数控就开发出了华中型机器人的控制系统和教育机器人，华中数控经过近二十年的发展，目前已掌握了多项机器人控制和伺服电机的关键核心技术，在控制器、伺服驱动器和电机这三大核心部件领域均具备了很大的技术优势。

而CCR系列是华中数控自主研发的重要机器人控制系统。

5.2.5国产工业机器人控制系统,4、固高科技GUC等系列控制器目前，固高GUC系列控制系统涵盖了从三轴到八轴各类型号机器人，其中技术难度最大的八轴机器人控制系统已经可以实现批量生产。

与此同时，从2010年开始，固高科技逐渐提出了驱控一体化的产品体系架构，并推出六轴驱控一体机。

5、汇川技术IMC100等系列控制器汇川技术公司掌握了高性能矢量变频技术、PLC技术、伺服技术和永磁同步电机等核心平台技术。

2013年，公司开始拓展到控制器领域，2014年推出了基于EtherCAT总线的IM100机器人控制器，目前其主要针对市场包括小型六关节、小型SCARA以及并联机器人等新兴领域。

5.2.5国产工业机器人控制系统,为了让机器人完成各种作业，如能搬运重物、打磨工件，该类机器人需要控制好位置和力觉，以保障良好的定位和加工精度；还有部分机器人配备了工业相机，能识别形状、颜色，甚至能进行产品的几何尺寸测量、缺陷检测。

本节导入,3D工业相机（激光三角测量）,电流反馈速度反馈位置反馈图5-7工业机器人伺服系统,位置指令,的编码器反馈给伺服驱动器，形成相应的控制系统。

伺服系统组成框图如图所示。

1、工业机器人伺服驱动器工业机器人伺服系统包括伺服驱动器和伺服电机，伺服驱动器接受上位机控制器指令后进行处理后发送并驱动伺服电机，伺服电机自带,图5-8工业机器人伺服系统,工业机器人伺服驱动器是指控制机器人伺服电机的专用控制器，可通过位置、速度和转矩三,种方式对工业机器人伺服电机进行闭环控制。

工业机器人伺服系统实物如图所示。

400W、1KW、2KW、5.5KW、7.5KW、11KW、18KW伺服驱动器,增量式光电编码器伺服驱动器旋转变压器伺服驱动器磁编码器伺服驱动器高精度编码器伺服驱动器EtherCAT总线伺服驱动器Powerlink总线伺服驱动器Mechatrolink总线伺服驱动器,新型模式ALLinONE上位机运动控制保持不变，把伺服驱动器和伺服电机做一体化集成，这样电机与驱动器的线缆就得到了极大的节约；与之对应的是，伺服电机保持不变，运动控制和伺服驱动做一体化的集成。

ONE,由于空间相对分散，上层中央控制器和底层执行机构相对物理空间比较远,TWO,可以控制几十台上百台设备，使用非常方便,典型的伺服系统控制结构是上位控制器和伺服驱动器基于脉冲指令和总线通讯的方式。

2、工业机器人伺服控制基本流程位置控制是工业机器人的基本控制任务。

由于机器人是由多轴（关节）组成的，每轴的运动都将影响机器人末端执行器的位姿。

如何协调各轴的运动，使机器人完成作业要求的轨迹，是个关键问题。

图5-9工业机器人位置控制,光电码盘,关节控制器,位置调节器,速度调节器,矩阵调节器,功率放大,给定,位置,期望,位置,位置反馈,速度反馈,电流反馈,关节控制器（下位机）是执行计算机，负责伺服电动机的闭环控制及实现所有关节的动作协调。

它在接收主控制器（上位机）送来的各关节下一步期望达到的位姿后，又作一次均匀细分，使运动轨迹更为平滑，,然后将各关节下一细分步期望值逐渐点送给伺服电动机，同时检测光电码盘信号，直至准确到位，如图所示。

目前，机器人伺服驱动器一般都有三种控制方式：

速度控制方式、转矩控制方式和位置控制方式。

这三种控制方式的选用方法具备通用性，下面以埃斯顿伺服驱动器为例进行说明。

3、工业机器人伺服驱动器控制方式选用方法,控制方式,通过发脉冲来控制,用模拟量来控制,转矩模式对机器人的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩速度或位置模式对位置和速度有一定要求，对实时转矩不是很关心速度控制方式上位控制器有比较好的闭环控制功能或控制器运算速度比较快位置控制方式系统对实时性没有明确要求或控制器本身的运算速度很慢转矩控制方式上位控制器为高端类型,1、机器视觉系统构成机器视觉系统是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统。

根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。

图像系统对信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

/,图像,内存中,应用,被测物体模拟视频流数字图像/图像传感器图5-10采用模拟相机的视觉系统构成,光源镜头摄像机图像采集卡,机器视觉软件,按照相机的类型，视觉系统一般可以分为三类。

如图所示为采用模拟相机的视觉系统构成。

/,图像,内存中,应用,图像数据,被测物体/图像传感器数字图像图5-11采用数字相机的视觉系统构成,光源镜头,机器视觉软件,数字摄像机,如图所示为采用数字相机的视觉系统构成。

/,图像,内存中,应用,模拟图像数据数字图像,被测物体,/图像传感器图5-12采用智能相机的视觉系统构成,光源,镜头,机器视觉软件,智能摄像机,如图所示为采用智能相机的视觉系统构成。

俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力目前市面上大多是基于和芯片的工业相机,将光信号转变成高清工业相机为有序的电信号在机器视觉系统设计中，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关,智能相机并不是一台简单的相机，而是一种高度集成化的微小型机器视觉系统，其将图像的采集处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多能、模块化、高可靠性、易于实现机器视觉解方案。

同时，由于应用了最新的、及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉领域的应用需求。

2、工业机器人视觉系统机器人视觉系统是指使机器人具有视觉感知功能的系统。

机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的二维图像，并进行分析和解释，,进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，最终确定其位置。

机器人视觉系统的软件由以下几个部分组成：

选用不同类型的计算机，就有不同的操作系统和它所支持的各种语言、数据库等既像预处理、分割、描述、识别和解释等算法,空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像几何模型决定的，这些几何模型参数就是摄像机参数，必须有实验和计算来确定，此过程称为摄像机标定。

摄像机标定的方法有很多，一般分为三类：

3、手眼系统标定,需要提供较多的已知条件，结合拍摄所得的二维图像中特定标定物以及提供的特征基元之间的投影关系进行几何运算。

传统的标定技术自标定技术,采用与传统标定技术完全不同的标定方式，放弃使用定标物仅通过对摄像机获取的图像序列求解。

基于主动视觉的标定技术利用摄像机获得二维图像以及摄像机的运动过程中的轨迹等运动参数来计算摄像机的内外参数。

手眼标定求取的是摄像机坐标系与机器人末端执行器坐标系之间的相对关系。

目前，一般采用的方法是：

在机器人末端处于不同位置和姿态下，对摄像机相对于靶标的外参数进行标定；根据摄像机相对于靶标的外参数和机器人末端的位置和姿态，计算获得摄像机相对于机器人末端的外参数、摄像机坐标系与机器人末端执行器坐标系的相对关系具有非线性和不稳定性。

如何获取手眼关系的有意义解成为研究关注的焦点之一。

由于求解的方法不同，出现了许多不同的手眼标定方法。

基于位置的视觉伺服控制模式（PUBVS）,基于图像的视觉伺服控制模式（IBV5）,4、机器视觉的伺服系统视觉伺服控制系统的运动学闭环由视觉反馈与相对位姿估计环节构成，摄像机不断采集同像，通过提取某种图像特征并进行视觉处理后得出机器人未端与目标物体的相对位姿估计。

根据任务描述和机器人及目标物体的当前状态，决定机器人相应的操作，并进行轨迹规划，产生相应的控制指令，最后驱动机器人运动。

根据视觉系统反馈的误差信号定义在三维笛卡尔空间还是图像特征空间，可将视觉伺服系统分为：

基于位置的视觉伺服系统是反馈信号在三维任务空间中以直角坐标形式定义，其视觉伺服控制结构如图所示。

图5-13基于位置的视觉伺服控制结构,基于位置的视觉伺服控制器,位姿估计,机器人控制器,视觉处理,关节角度传感器,反馈位姿,期望位姿,基于图像的视觉伺服系统是误差信号直接用图像特征来定义，是以图像平面中当的图像特征与期望图像特征间的误差量来设计控制器的，其视觉伺,服控制结构如图所示。

图5-14基于位置的视觉伺服控制结构,基于位置的视觉伺服控制器,机器人控制器,图像特征提取,关节角度传感器,当前图像特征,期望图像特征,可以是简单的几何特性，如点、线，圆、正方形、区域面积等,最经常使用的几何特征，点对应于物体的拐点、洞、物体或区城的质心为快速提取图像特征，多数系统采用特殊设计的目标、有明显特征的物体等。

实际应用中依赖于寻找图像上的明显突变处，它对应于物体的拐点或边缘。

由于并不是整个图像的数据都是有用的，所以提取特征的过程可只对感兴趣的区域进行操作。

区域的大小可依据实际情况，如由跟踪或处理速度来决定，区域的位置则可实时估计。

除了在一些自由度方向进行位置控制外，还需要在另一些自由度方向控制机器人末端执行器与工件之间的接触力，从而保证二者之间的正确接触。

当机器人在进行装配、加工、抛光等作业时，要求机器人末端执,行器与工件接触时保持一定大小的力。

这时，如果只对机器人实施位置控制，有可能由于机器人的位姿误差或工件放置的偏差，造成机器人与工件之间没有接触或损坏工件。

机器人控制中需解决四大关键问题,为了对机器人实施力控制，需要分析机器人末端执行器与环境的约束状态，并根据约束条件制定控制策略，此外，还需要在机器人末端安,装力传感器，用来检测机器人与环境的接触力。

控制系统根据预先制定的控制策略对这些力信息做出处理后，控制机器人在不确定环境下进行与该环境相适应的操作，从而使机器人完成复杂的作业任务。

1、位置伺服机器人的力控制最终是通过位置控制来实现，所以位置控制是机器人实现施力控制的基础。

另外，约束运动中机器人终端与刚性环境相接触时，微小的位移量往往产生较大的环域约束力，因此位置伺服的高精度是机器人力控制的必要条件。

经过几十年的发展，单独的位置伺服已达到较高水平。

因此，针对力控制力/位之间的强耦合，必须有效解决力/位混合后的位置伺服。

2、碰撞冲击及稳定性稳定性是机器人研究中的难题，现有的研究主要从碰撞冲击和稳定性两方面进行研究。

磁撞冲击机器人力控制过稳中，必然存在机器人与环境从非接触到接触的自然转换，Toumi根据能量关系建立起碰撞冲击动力学模型并设计出力调节器，其实质是用比例控制器加上积分控制器和一个平行速度反馈补偿器，有望获得较好的力跟综特性。

稳定性在力控制中普遍存在响应速度和系统稳定矛盾，因此，Roberts研究了腕力传感器刚度对力控制中动力学的影响，提出了在高刚度环境中使用柔软力传感器，能获得稳定的力控制，并和Stepien一起研究了驱动刚度在动力学模型中的作用。

3、未知环境的约束在力控制研究中，表面跟踪为极为常见的典型依从运动。

但环境的几何模型往往不能精确得到，多数情况是未知的。

因此对未知环境的几何特征作在线估计，或者根据机器人在该环境下作业时的受力情况实时确定力控方向（表面法向）和位控方向（表面切向），实际为机器人力控制的重要问题。

4、力传感器传感器直接影响力控制性，精度高（分辨率、灵敏度和线性度）、可靠性好和抗干扰能力强是机器人力传感器研究的目标。

就安装部位而言，可分为关节式力传感器、手腕式力传感器和手指式力传感器。

使用应变片进行力反馈，由于力反馈是直接加在被控制关节上，且所有的硬件用模拟电路实现，避开了复杂计算难题，响应速度快；控制系统具有高增益和宽频带，但通过实验和稳定性分析发现，减速机构摩擦力影响力反馈精度，因而使得关节控制系统产生极限环。

被安装于机器人手爪与机器人手胞的连接处，它能够获得在机器人手爪实际操作时大部分的力信息；另外由于精度高（分辨率、灵敏度和线性度等）、可靠性好、使用方便缘故，所以是力控制研究中常用的一种力传感器。

工业机器人集成控制系统是以工业机器人应用为核心的自动化集成控制系统，一般应用在自动化产线行业，综合、自动传送带、机器视觉、线性模组、数控机床等部件模块，实现某种特定功能的自动化上下料、分拣、缺陷检测等。

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