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二元超冗余机器人构型综合及动力学特性分析研究
添加时间: 2021/7/30 12:08:30 来源: 作者: 点击数:

国家自然科学基金

  

二元超冗余机器人构型综合及动力学特性分析研究 

报告正文

一)立项)依据与研究内容(4000-8000 字):

1. 项目的立项依据(研究意义、国内外研究现状及发展动态分析,需结合科学研究发展趋势来论述科学意义;或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录)

l 项目背景及研究意义

人类认识世界、改造世界发展进程,作为重要手段和工具的机器人正面临越来越多的新挑战。对于相当多的任务而言,人们希望开发出轻质、控制简单、成本低、鲁棒性强、高精度的机器人。

目前,大多数机器人系统都属于连续驱动机器人系统,即机器人中各关节都可作连续运动,而且使用连续驱动器,如电机、液压缸等。为实现机器人运动的高精度和高重复运动精度,必须使用复杂且昂贵的控制系统和传感器,从而带来系统复杂性加大、重量、成本和能耗增加,可靠性降低等副作用。为了减少或去除这些副作用,各国学者提出了各种理论与方法,在过去的十余年中(1994-2005)二元驱动技术和机器人技术相结合产生的二元超冗余机器人(Binary Hyper Redundant Robot)逐渐显示出良好的前景和可观的应用潜力,成为当前国际机器人学界的前沿研究主题之一[1,5~23]MIT (麻省理工学院)Dubowsky教授,JHU(约翰霍普金斯大学)Chirikjian教授等学者认为,二元驱动对机器人系统的影响可能会如同数字电路对电子系统的影响一般深远[1,20]

二元驱动器(Binary actuator)是离散驱动器中特殊的一类,只具有两个离散的稳定状态,即01,对应于驱动器的两个极限位置,例如电磁铁1所示为MITS.Dubowsky研究组开发的二元驱动器。

    1. MIT S.Dubowsky研究组开发的二元驱动器

二元超冗余机器人则是由多个二元驱动的并联机器人模块串联而成,如图2所示为MIT S.Dubowsky研究组开发的以3-RRS并联机构为模块的二元超冗余机器人[16-20],在每个RRS分支运动链中有一个二元驱动器,这样动平台的工作空间由23个点组成,每个点上姿态是确定的,如图3所示[16]。由于单个二元机器人工作空间位姿有限,为了完成一定的操作任务,必须将多个二元机器人模块串联成二元超冗余机器人。因此二元超冗余机器人的工作空间是一个离散的点集,包含2n个点,n是驱动器数。如果不考虑驱动方式,纯粹从机构拓扑结构来看,二元超冗余机器人属于串-并联机构,但却和同为串-并联机构的变几何桁架机构有本质的区别。

2. MIT S.Dubowsky研究组开发的二元超冗余机器人

3. 3-RRS 二元并联机构的8个位姿

和传统的连续驱动机器人系统相比,二元机器人系统的优点在于:不需要反馈控制、定位精度和重复定位精度高、低成本、轻质、高负载能力、更简单的计算机控制接口、鲁棒性强(部分驱动器失效后仍能完成操作);其缺点在于:离散的工作空间、运动学逆解运算量极大等[1,20]

总的来说,二元超冗余机器人从概念形成到研究展开不过仅仅十几年,在星际探索、医疗、精密操作等方面都有着良好的应用前景,MIT野外与空间机器人实验室的S.Dubowsky教授连续获得NASA(美国国家航天局)先进概念计划的资助,正在研究二元超冗余机器人在星际探索中的应用,如作为步行机的足以适应行星上复杂的地形,或作为机械臂等,如图4所示。目前二元超冗余机器人属于一项前瞻性的应用基础研究,在国际上方兴未艾,国内基本尚为空白,及时地开展相关研究,有助于尽早取得理论和关键技术上的自主创新,占据此新兴领域的制高点。

     

4. MIT二元超冗余机器人在星际探索中的应用

l 二元超冗余机器人系统的国内外研究现状及分析

u JHU Chirikjian团队研究工作[1,5~14]

Chirikjian等对二元超冗余机器人系统的研究主要集中于运动学,包括运动学正解[8]、运动学反解[6,9,13,14]、工作空间[6,9]、参数综合[5,10-11]和轨迹规划[7]等,其建造的实验系统的模块有两种,一种是平面变几何珩架机构;一种是Stewart并联机构,并以气缸作为二元驱动器,结构较为粗笨。

二元超冗余机器人运动学正解相对简单,LeeChirikjian[8]提出一种基于齐次变换的运动学正解计算方法。对二元机器人系统,运动学反解是通过搜索二元机器人的位姿空间得到和期望姿态误差最小的末端操作手位姿。Chirikjian等提出了基于工作空间点密度的运动学反解算法[6,9,13,14],这种方法将工作空间离散成一定数目的单元,然后对每个单元分别计算工作空间点密度。尽管该方法速度很快,但离散工作空间需要占用大量计算机内存。为了避免内存瓶颈的影响,SuthakornChirikjian又提出只考虑工作空间中心的改进算法[12],但该算法的准确性严重依赖于机器人单元模块的形状和工作空间的位姿。文献[5]对二元超冗余机器人系统的工作空间和参数优化问题进行了研究;文献[10]使用欧氏群上的傅立叶变换对二元机器人进行尺度综合;文献[11] 通过离散运动群上的傅立叶变换来快速计算二元机器人的位姿和工作空间。

u MIT Dubowsky 团队研究工作[15-20]

Dubowsky在美国国家航天局先进概念研究所(NASA Institute for Advanced Concepts)资助下,正在研究以星际探索为应用背景的二元超冗余机器人系统。Dubowsky等提出了二元机器人驱动智能装置BRAID(Binary Robotic Articulated Intelligent Device)的概念,并进行了大量相关理论和实验技术研究[15-20]BRAID实际上就是以多个采用嵌入式二元驱动器和柔性铰链的3自由度3-RPS并联机构为模块,串联构成面向不同任务的二元超冗余机器人系统,具有轻质、简单、鲁棒等优点。可用作步行机足,两台火星车之间的连接器、机械手等。

文献[15]提出将二元驱动机器人用于空间探索,介绍了相关5项实验研究,其中一项即为BRAID;文献[16]则对基于BRAID的二元超冗余机器人系统的结构设计、驱动器及控制、运动学等做了研究。值得注意的是,文献[16]中提出一种基于遗传算法的运动学反解方法,由于二元机器人系统的本身固有的“0/1”特性,遗传算法在运动学反解中很有应用潜力,但目前研究尚未深入。文献[15,16]中的实验装置都采用了记忆合金二元驱动器。文献[17,18]研究了使用介质聚合物二元驱动器的BRAID的运动学,驱动器优化等。文献[19]研究了模块化可重构的BRAID及电磁二元驱动器的设计。文献[20]则是对以前工作的阶段性介绍。

u 其他研究工作[21-23]

ZanganehJ. Angeles提出基于样条曲线的运动学反解方法[21]Kim等提出基于连续变量优化方法的运动学反解方法[22]。此外、我国学者马培荪等研制了离散驱动的6自由度蛇形柔性臂,并对运动学参数进行了优化设计[23],但其模块使用的并非并联机构

纵观以上研究,目前国内外的相关研究都主要集中在二元超冗余机器人系统的运动学逆解、工作空间等方面理论研究和实验结果业已证明少自由度并联机构适合作为二元超冗余机器人的模块 [15-20]然而,二元超冗余机器人系统中许多机构学基本问题的研究尚不深入,有的甚至无人涉足,现分别评述如下:

(1) 缺乏二元超冗余机器人的构型综合和优选研究

机构构型是决定机构性能的根本因素,作为二元超冗余机器人模块单元的少自由度并联机构的构型综合已取得重大突破,我国机构学家黄真[24]、杨廷力[25]、高峰[26]、方跃法[27]等在这一方面做了大量开拓性的工作,取得了国际领先的地位。但目前构型综合的首要目标是综合出连续运动并联机构,而将瞬时运动并联机构作为型综合的副产品剔除掉。一般认为,瞬时运动并联机构仅能用于某些微操作任务。目前在国际并联机器人学界和工业界,对瞬时运动并联机构的理论研究和实际应用少之又少,远远滞后于连续运动并联机构。选准瞬时运动并联机构适宜的应用场合,尽早开展相关的理论与实验研究,将很有希望在这一基本空白的领域取得自主创新

瞬时并联机构在发生连续运动后,动平台的自由度数目或性质将发生变化。在连续驱动下,瞬时并联机构有无穷多个位形的自由度需要判定;而在二元驱动条件下,瞬时并联机构只有2n个位形(n为单个模块中二元驱动器数, 3≤n≤5),在每个位形下机构的自由度都可以通过螺旋理论确定,为瞬时并联机构的应用扫请了最大的障碍,因此,本项申请提出将瞬时并联机构作为二元超冗余机器人的模块。不但开辟了瞬时并联机构的全新应用领域,也将丰富二元超冗余机器人的构型。

对二元超冗余机器人来说,目前只是简单地选取一种少自由度并联机构,如3-RRS,然后将数个相同并联模块串联来构成整个系统。尚未有人系统地研究何种并联构型适合用作二元超冗余机器人的模块、根据何种判据选取合适的模块、以及用模块构建系统的方式等。因此,在并联机构构型综合理论基础之上研究二元超冗余机器人的构型综合方法和拓扑性能,具有重要的理论价值和实际意义

(2) 缺乏二元超冗余机器人运动敏感性研究;

运动敏感性是指并联机器人的自由度和运动特性受制造误差装配间隙以及杆件弹性变形的影响程度。运动敏感性强,或者说运动鲁棒性差的并联机构,极易受制造误差和间隙影响,在锁住所有驱动器后动平台仍能发生连续自运动。例如Park[28]发现,Tsai提出的3-UPU移动并联机构对轴承和轴的制造误差和装配间隙引起的小位移扭转极为敏感(extremely sensitive)目前,少自由度并联机构运动敏感性尚未得到系统深入的研究

当二元机器人工作时,二元驱动器要分别在两个极限位置锁定并切换,对应于两个稳定的离散状态01。如果作为二元超冗余机器人模块的少自由度并联机构运动敏感性差,在二元驱动器的01状态下,二元机器人容易发生自运动,导致失控。可见,并联模块的运动敏感性对二元超冗余机器人能否正常工作具有极为重要的意义 

 (3) 缺乏二元超冗余机器人动力学特性研究;

对于并联机构已有多种动力学建模方法[3934],如:Lagrange方法,Newton-Euler方法,影响系数方法,Kane方法,螺旋理论和基于李群/李代数的建模方法等。由于运用的力学原理和数学工具不同,这些方法各有优劣,但总的来说,这些方法建立的动力学方程都十分复杂,求解困难。如何合理地简化并联机构动力学模型、寻求高效算法、对建立并联机构的动态优化设计理论具有重要意义。

高精度和轻质是二元超冗余机器人的两大优点,然而轻质运动构件的引入使得并联模块和整个系统都具有一定的柔性。在进行高速、大载荷操作时,系统运动具有大范围刚性位移和局部弹性变形强耦合的特点,此外,二元驱动器的柔性对系统的动态性能也会产生影响,因此传统刚性机器人的动力学建模分析方法已经不能很好地描述二元超冗余机器人的动力学特性,严重影响二元超冗余机器人的理论研究和实际工程应用。当前,二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模理论和方法研究已经凸显其重要性与紧迫性

此外,构件和驱动器柔性的影响使得二元超冗余机器人的弹性振动对系统的稳定和精度的负面影响加剧,必须予以高度重视。目前对并联机构的振动特性的研究还相当有限[35]。对于连续驱动的并联机构,每个位姿下并联机构等同于一个空间结构,由于工作空间内有无数个位姿,这就难以使用有限元法分析系统所有位姿处的结构动态特性。而二元超冗余机器人的工作空间由有限个位姿组成,以现有的计算机软、硬件发展水平,完全可以通过有限元法计算出每个位姿处系统的固有频率、响应、振型、阻尼和刚度等参数,全面掌握系统的振动特性,进而为结构动态优化设计奠定基础。

综上所述,基于少自由度并联机构的二元超冗余机器人属于并联机器人研究中的前沿领域,在空间探索、医疗、微操作等方面具有相当大的应用潜力。本项申请瞄准这一前沿领域中机构学研究的若干空白之处,以螺旋理论、李群、李代数为工具,研究基于少自由度并联机构的二元超冗余机器人的构型综合和优选、运动敏感性和动力学特性分析的相关理论与实验技术。项目研究成果对丰富并联机器人机构学基础理论,推动二元超冗余机器人应用关键技术研究具有重要意义。

参考文献

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2. 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。(此部分为重点阐述内容)

研究目标

针对目前二元超冗余机器人机构学基础理论研究中存在的空白欠缺之处,运用并联机器人机构学理论和现代数学工具,深入研究基于少自由度并联机构的二元超冗余机器人构型综合与优选、运动敏感性、柔性多体动力学建模、动力学模型简化与求解算法、振动特性分析等问题,并建造一台基于优选构型的含6个并联模块的二元超冗余机器人实验样机用于验证理论分析结果,探索其实际工程应用,为最终形成二元超冗余机器人动态优化设计理论奠定基础

研究内容

(A)  理论研究

1二元超冗余机器人的构型综合理论和优选方法研究

± 在模块层面,以约束螺旋综合理论为工具,研究二元驱动下少自由度并联机构的构型综合,特别是瞬时少自由度并联机构的构型综合,重点综合34自由度并联模块;在系统层面,以李群、李代数为工具,以综合出的并联模块为单元,研究二元超冗余机器人的构型综合的新理论与方法

± 研究二元驱动下并联模块构型优选方法,运用螺旋理论、微分流形和李群理论对机构拓扑性能进行研究,建立相应的评价指标,其中重点探讨机构拓扑结构与运动敏感性的内在联系,给出运动敏感性数学描述方法,建立相应评价指标,最后得到优选构型

± 开发基于OpenGL的可视化二元超冗余机器人计算机辅助构型综合软件

2二元超冗余机器人的运动学研究

± 研究优选构型的正、逆向运动学,特别是遗传算法在逆向运动学中的运用

3二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模理论研究

± 考虑轻质杆件和二元驱动器的柔性,以并联模块为子结构,使用有限元和拉格朗日方法,以符号数学软件Mathematica为工具,建立二元超冗余机器人系统的柔性多体动力学模型

± 探索基于LieLie代数的合理的动力学模型简化方法,给出高效、稳定的动力学方程求解算法

4二元超冗余机器人的振动特性分析研究

± 以有限元法为工具,对二元超冗余机器人系统进行理论模态分析,获取主要振动特性参数

± 以结构固有频率为约束,探讨二元超冗余机器人结构动力特性的优化设计

± 以速度、加速度为约束条件,初步探讨二元超冗余机器人结构动力响应的优化设计

(B) 实验研究

± UG NXAnsys环境下,完成优选机型的计算机辅助设计、分析和虚拟制造,包括零件设计、结构优化,运动学和动力学仿真

± 使用微型电机加限位锁紧机构构成二元驱动器

± 基于DSP芯片的控制系统软、硬件设计

± 实验样机加工、装配、调试、标定

± 以激振法对实验样机进行模态分析实验,测定振动特性参数,与理论结果相验证

拟解决的关键问题

± 并联机构拓扑结构与运动敏感性之间的内在联系,运动敏感性的数学描述和几何意义,以及相应的优选指标

± 基于有限元和拉格朗日方程的二元超冗余机器人系统的柔性多体动力学建模方法

± 基于Lie群、Lie代数理论的合理的动力学模型简化方法和动力学方程求解算法

± 二元超冗余机器人系统的理论模态分析和试验模态分析

3. 拟采取的研究方案及可行性分析。(包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明)

在进一步收集调研国内外相关文献的基础上,本项申请采用理论建模分析、计算机仿真,实验样机验证相结合的研究方法,主要偏重于二元超冗余机器人机构学理论与方法的研究

(A)   理论研究部分研究方案及可行性

1) 运用约束螺旋综合理论,完成瞬时并联机构的型综合,特别是34自由度并联机构。研究瞬时并联机构驱动副的选取问题。(可行性申请人在参与国家自然科学基金项目少自由度并联机器人及虚轴机床的机型构造理论及其综合50075074”研究中,已运用约束螺旋综合理论完成了全部九类少自由度连续运动并联机构的构型综合以此理论完成瞬时并联机构的型综合是可行的)

2) 以李群李代数理论研究并联机构的运动敏感性与拓扑构型的内在联系,首先以分支位移流形描述并联机构分支运动链末端的运动,再考虑制造误差、装配间隙和构件柔性带来的小位移扭转对分支位移流形代数结构完整性的影响程度,最后选出运动鲁棒性好的并联机构(可行性:这一部分的研究在理论上具有相当难度,经过申请人和法国J.M.Hervé教授的共同努力,已取得一定成果,目前正在合作撰写一篇在拓扑构型层面上分析3自由度移动并联机构运动敏感性的论文)

3) 1)2)研究基础上,以运动敏感性为评价指标,优选出多种34自由度并联模块构型。使用优选并联模块三种方式构成含5个模块的二元超冗余机器人,包括:单纯3自由度模块;单纯4自由度模块以及34自由度并联模块混合三种结构。再运用2)中的研究方法,优选出鲁棒性好的构型(可行性:在1)2)研究基础上,这一步可以完成)

4) 以并联机器人机构学和空间机构学为工具,研究优选构型的正向运动学、着重深入研究遗传算法在逆向运动学中的应用 (可行性:虽然目前研究尚未深入,但遗传算法用于二元超冗余机器人的逆运动学问题已被证明是可行的)

5) 以并联模块为子结构,使用有限元法把每个并联模块离散为杆单元,求出任意单元上任意点在系统坐标系中位移、速度,然后计算出整个系统的动能、势能及非保守力所做的功,代入拉格朗日第二类方程,得到二元超冗余机器人的柔性多体动力学模型。推导使用符号数学软件Mathematica为工具(可行性:有限元和拉格朗日方程相结合的动力学建模方法是柔性多体动力学使用较多的一种方法,通过使用Mathematica,可以完成建模中极为复杂的推导)

6) 5)的基础上,研究利用李群李代数理论简化动力学模型并给出动力学方程的高效解法(可行性:动力学模型的合理简化是本项申请的最大难点之一,充分利用李群李代数在约束力学系统中的研究成果,融合并联机器人机构学和模态分析技术,可以完成这一工作)

7) 以有限元法对二元超冗余机器人系统进行理论模态分析,获取主要振动特性参数,并通过仿真和样机实验进行验证(可行性:在6)的基础上可以完成)

(B)   技术部分研究方案及可行性

8) 在确定结构参数后、运用UG NXAnsysCAD/CAE软件进行零部件的实体造型、装配和整机的外型布局设计、运动学,动力学仿真,有限元分析

9) 设计基于DSP的样机数控硬件系统和以VC++6.0为开发环境下的样机数控软件

10) 完成零部件的加工和整机的装配、调试、标定,并以激振法对样机进行模态分析实验,测定振动特性参数。

可行性:课题组相关成员能够熟练使用UG NXAnsys完成复杂机械系统的建模、装配、仿真分析和优化设计的全过程;具有丰富的DSP软、硬件开发和机电产品应用开发经验;申请项目依托的浙江省现代纺织装备技术重点实验室具有良好的软、硬件设施,所以样机研制的工作是可行的

4. 本项目的特色与创新之处。

特色:针对目前国内外对二元超冗余机器人的研究主要集中于运动学和二元驱动器的状态,选取二元超冗余机器人机构学中若干重要、但尚为空白的基础科学问题为研究方向,包括:构型综合与优选、运动敏感性、柔性多体动力学建模与动力学特性分析等。

创新之处:

± 提出使用瞬时少自由度并联机构作为二元超冗余机器人的模块单元,为瞬时少自由度并联机构理论研究和应用开拓了新的方向。

± 提出二元超冗余机器人的构型综合理论及方法

± 提出基于李群二元超冗余机器人的运动敏感性分析方法

± 二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模、基于李群李代数理论的动力学模型简化与算法研究

± 二元超冗余机器人的振动特性分析研究

5. 年度研究计划及预期研究结果。(包括拟组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等)

年度研究计划:

20191月-200195

l 国内外文献收集、调研;完成少自由度瞬时并联机构的型综合;与J.M.Hervé教授合作,继续研究并联机构的运动敏感性,撰写论文。

l 根据运动敏感性从少自由度连续并联机构和瞬时并联机构中优选并联模块构型;优选二元超冗余机器人构型;优选构型的正、逆向运动学研究及遗传算法的应用。撰写专利申请书和论文

l 开发基于OpenGL的可视化二元超冗余机器人计算机辅助构型综合软件;完成控制系统硬件的选购及软件开发;完成优选机型在UG NXAnsys环境下的零部件建模、装配和仿真。 

20195月-200710

l 研究二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模,基于李群李代数理论的动力学模型简化与算法研究,撰写论文

l 研究二元超冗余机器人的振动特性,进行理论模态分析和计算机仿真

l 完成样机零部件的加工、装配以及机电系统的集成调试

201910月-201912

l 研究二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模,基于李群李代数理论的动力学模型简化与算法研究,撰写论文

l 研究二元超冗余机器人的振动特性,进行理论模态分析和计算机仿真

l 完成样机零部件的加工、装配以及机电系统的集成调试

l 撰写研究总结报告,准备结题验收

预期研究成果:

在国内外重要期刊、会议发表高水平学术论文1篇;

申报国家发明专利一项

(二)研究基础与工作条件

1、工作基础(与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩)

项目申请人所在的武汉理工大学数字制造重点实验室,针对各种自动化控制、机电一体化等进行了长期的研究,获得了核心期刊和重要国际会议论文以及博硕士毕业论文等一系列的研究成果。

2、工作条件(包括已具备的实验条件,尚缺少的实验条件和拟解决的途径,包括利用国家实验室、国家重点实验室和部门重点实验室等研究基地的计划与落实情况)

申请人为武汉理工大学机电工程学院硕士研究生,机电系统集成技术、计算机集成控制、机械设计及制造、机器人技术应用等方面有丰富的经验和较强的实践能力,可为本项目的实施,特别是样机及控制系统的设计、制造、标定和调试提供重要的帮助和指导。实验室具有良好的软、硬件设施可供申请项目利用

3、申请人简介(包括申请人和项目组主要参与者的学历和研究工作简历,近期已发表与本项目有关的主要论著目录和获得学术奖励情况及在本项目中承担的任务。论著目录要求详细列出所有作者、论著题目、期刊名或出版社名、年、卷(期)、起止页码等;奖励情况也须详细列出全部受奖人员、奖励名称等级、授奖年等)

学术梯队

项目组依托武汉理工大学,可以借助重点实验室良好的软硬件条件,同时课题组的专家团队可以给项目组的研究提供技术指导。项目以教授/博士生导师为核心,博士和硕士研究生为骨干研究力量,其中:教授/博士生导师1人,博士研究生1人,硕士研究生1人。主要成员主持参加过多项国家、省部级研究项目,具有丰富的项目研究开发经验,使本项目在研究上得到有效保证。主要成员涉及磁悬浮技术、动力学、机械、流体等多学科领域。

4、承担科研项目情况(申请人和项目组主要参与者正在承担的科研项目情况,包括自然科学基金的项目,要注明项目的名称和编号、经费来源、起止年月、与本项目的关系及负责的内容等)

5、完成自然科学基金项目情况(对申请人负责的前一个已结题科学基金项目(项目名称及批准号)完成情况、后续研究进展及与本申请项目的关系加以详细说明。另附该已结题项目研究工作总结摘要(限500 字)和相关成果的详细目录)

(三)经费申请说明 购置5 万元以上固定资产及设备等,须逐项说明与项目研究的直接相关性及必要性。

本项目申请经费30万,其中研究经费24万元,劳务加绩效经费6万元。详情见经费申请表。

(四)其他附件清单(附件材料复印后随纸质《申请书》一并上交)(随纸质申请书一同报送的附件清单,如:不具有高级专业技术职务、同时也不具有博士学位的申请人应提供的推荐信;在职研究生申请项目的导师同意函等。在导师的同意函中,需要说明申请项目与学位论文的关系,承担项目后的工作时间和条件保证等)


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