DE102017216863B3 - Method and robot system for adapting a robotic insert to a work process - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Robotersystem zum Anpassen eines Robotereinsatzes an einen Arbeitsprozess, an dem ein Roboter (4) und ein menschlicher Nutzer (9) gemeinsam beteiligt sind, mit dem Roboter (4), einer Prozessverwaltungseinheit (1), einer Steuereinheit (2), einer Raumverwaltungseinheit (3), einem Sensor (5) und einer Zustandsauswerteeinheit (6), wobei eine Kategorisierung des Arbeitsprozesses vorgenommen wird.The present invention relates to a method and a robot system for adapting a robotic insert to a working process in which a robot (4) and a human user (9) are co-involved with the robot (4), a process management unit (1), a control unit (2), a room management unit (3), a sensor (5) and a state evaluation unit (6), wherein a categorization of the work process is performed.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Robotersystem zum Anpassen eines Robotereinsatzes an einen Arbeitsprozess.The present invention relates to a method and a robot system for adapting a robotic insert to a working process.
Robotersysteme unterschiedlichster Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So offenbart die Druckschrift
Die Druckschrift
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Robotersystem zu entwickeln, das den genannten Nachteil vermeidet, mit dem also eine prozessbezogene Anpassung eines Robotereinsatzes möglich ist.The present invention is therefore based on the object to develop a method and a robot system that avoids the mentioned disadvantage, so that a process-related adaptation of a robotic insert is possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Robotersystem nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a method according to
Bei einem Verfahren zum Anpassen eines Robotereinsatzes an einen Arbeitsprozess, an dem ein Roboter und ein menschlicher Nutzer gemeinsam beteiligt sind, ist eine Prozessverwaltungseinheit beteiligt, die eine durchzuführende Prozessaufgabe auswählt oder anhält und einen aktuellen Zustand, der von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer durchzuführenden Prozessaufgabe sowie ein Sicherheitsniveau der Prozessaufgabe beurteilt. In einer Steuereinheit, die den Roboter steuert, sind Musteraufgaben gespeichert, die von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer gemeinsam durchgeführt werden können. Mindestens eine der Musteraufgaben wird als die durchzuführende Prozessaufgabe von der Steuereinheit nach Maßgabe der Prozessverwaltungseinheit ausgewählt. Eine Raumverwaltungseinheit modelliert adaptiv mindestens einen multischichtigen dynamischen Überwachungsraum, in dem sich zumindest der Roboter befindet, in Abhängigkeit von der durchzuführenden Prozessaufgabe. Diese Modellierung erfolgt basierend auf Messdaten mindestens eines Sensors, der den multischichtigen dynamischen Überwachungsraum definiert und überwacht. Die Raumverwaltungseinheit definiert außerdem mindestens eine Randbedingung für das Durchführen und mindestens eine Randbedingung für das Erledigen der Prozessaufgabe. Durch eine Zustandsauswerteeinheit werden ein aktueller Zustand der Prozessaufgabe und ein aktuelles Sicherheitsniveau der Prozessaufgabe ermittelt und ein Erfüllen der Randbedingung, d. h. der Randbedingung für das Durchführen der Prozessaufgabe und der Randbedingung für das Erledigen der Prozessaufgabe, durch ein Einordnen des aktuellen Zustands der Prozessaufgabe und des Sicherheitsniveaus der Prozessaufgabe in dem multischichtigen dynamischen Überwachungsraum durch die Prozessverwaltungseinheit überprüft und in eine Kategorie in Abhängigkeit von der Einordnung die Prozessaufgabe einsortiert.In a method of adapting a robotic task to a working process in which a robot and a human user are co-involved, a process management unit that selects or halts a process task to be performed and a current state of the process task to be performed by the robot and the human user and assessed a security level of the process task. In a control unit that controls the robot, there are stored pattern tasks that can be performed jointly by the robot and the human user. At least one of the pattern tasks is selected as the process task to be performed by the control unit in accordance with the process management unit. A room management unit adaptively models at least one multi-layered dynamic surveillance space in which at least the robot is located, depending on the process task to be performed. This modeling is based on measurement data of at least one sensor that defines and monitors the multilevel dynamic interception space. The room management unit also defines at least one constraint for performing and at least one constraint for completing the process task. By means of a state evaluation unit, a current state of the process task and a current security level of the process task are determined and a fulfillment of the boundary condition, i. H. the boundary condition for performing the process task and the boundary condition for completing the process task, checked by the process management unit by classifying the current state of the process task and the security level of the process task in the multi-layered dynamic interworking space and sorting the process task into a category depending on the classification ,
Durch die Kategorisierung anhand des aktuellen Zustands, d. h. inwieweit die jeweilige Prozessaufgabe bereits abgeschlossen ist, und ein Sicherheitsniveau, das in einer Interaktion des Roboters mit dem menschlichen Nutzer zusammenhängt, kann eine zuverlässige Klassifizierung durchgeführt werden, anhand derer der Fortgang des Verfahrens an den Ist-Zustand angepasst werden kann. Da die Prozessaufgabe sich aus mindestens einer, typischerweise jedoch mehreren Musteraufgaben zusammensetzt, kann ein Status der gestellten Prozessaufgabe jederzeit einfach bestimmt werden.By categorizing based on the current state, i. H. To what extent the respective process task has already been completed, and a level of security that is related to an interaction of the robot with the human user, a reliable classification can be carried out, by means of which the progress of the method can be adapted to the actual state. Since the process task is composed of at least one, but typically several, sample tasks, a status of the set process task can be easily determined at any time.
Dies erfolgt typischerweise in eine von vier Kategorien, wobei eine erste Kategorie diejenigen Aufgaben umfasst, bei denen die Randbedingungen der Prozessaufgabe, die gemeinsam von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer durchgeführt wird, nicht oder nicht mehr erfüllt werden können, sodass die Prozessverwaltungseinheit die Prozessaufgabe stoppt. In einer zweiten Kategorie sind vorzugsweise diejenigen Aufgaben zusammengefasst, bei denen die Randbedingungen der Prozessaufgabe, die gemeinsam von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer durchgeführt wird, zeitweise nicht erfüllt werden können, aber in einem definierten Zeitraum wieder erfüllt werden können, sodass die Prozessverwaltungseinheit die Prozessaufgabe zeitweise anhält. Die Aufgaben, bei denen die Randbedingung der Prozessaufgabe, die gemeinsam von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer durchgeführt wird, für das Durchführen der Prozessaufgabe erfüllt wird, aber die Randbedingung der Prozessaufgabe für deren Erledigung nicht erfüllt wird, können die dritte Kategorie bilden, bei der die Prozessverwaltungseinheit die Prozessaufgabe durchführt. Schließlich kann eine vierte Kategorie vorgesehen sein, bei der die Randbedingung der Prozessaufgabe für das Erledigen der Prozessaufgabe erfüllt wird, sodass die Prozessverwaltungseinheit die Prozessaufgabe abschließt und eine nachfolgende Prozessaufgabe auswählt oder eine Auswahl von Prozessaufgaben stoppt. Unter dem Begriff „multischichtig“ oder „mehrschichtig“ soll dabei verstanden werden, dass mehrere Parameter zum Überwachen herangezogen werden.This is typically done in one of four categories, where a first category includes those tasks where the constraints of the process task performed jointly by the robot and the human user can not or no longer be met so that the process management unit stops the process task , In a second category, those tasks are preferably summarized in which the boundary conditions of the process task, which is carried out jointly by the robot and the human user, can not be met temporarily, but can be met again within a defined period of time, so that the process management unit performs the process task temporarily stops. The tasks in which the constraint of the process task performed jointly by the robot and the human user for performing the process task is met but the constraint of the process task for completing it is not met can form the third category in which the process management unit performs the process task. Finally, a fourth category can be provided, in which the boundary condition of the process task for completing the process task is fulfilled, so that the process management unit completes the process task and selects a subsequent process task or stops a selection of process tasks. The term "multi-layered" or "multi-layered" should be understood to mean that several parameters are used for monitoring.
Die Musteraufgabe umfasst ein Aufnehmen eines Objekts, ein Ablegen des Objekts, ein Bewegen des Objekts, ein Bewegen des Roboters, ein Transportieren des Objekts, ein Festhalten des Objekts und bzw. oder ein Übergeben des Objekts, sodass alle wesentlichen, ein im multischichtigen dynamischen Überwachungsraum befindliches Objekt betreffenden Aufgaben definiert sind.The pattern task includes picking up an object, dropping the object, moving the object, moving the robot, transporting the object, holding the object, and / or handing over the object so that all of the essential, one in multi-layer dynamic interception space objects are defined.
Der multischichtige dynamische Überwachungsraum wird typischerweise aus mindestens einer dreidimensionalen Geometriekomponente generiert, die dem Roboter, Teilen des Roboters und bzw. oder mindestens einem weiteren Objekt im multischichtigen dynamischen Überwachungsraum von der Raumverwaltungseinheit zugeordnet wird. Der multischichtige dynamische Überwachungsraum kann daher aus einer oder mehreren dreidimensionalen Geometriekomponenten bestehen, wobei sich jede der Geometriekomponenten in beliebiger Lage im Raum befinden kann und von der Raumverteilungseinheit dem Roboter, Teilend es Roboters und bzw. oder dem weiteren Objekt zugeordnet wird. Hierdurch kann eine flexible Anpassung des multischichtigen dynamischen Überwachungsraums an den jeweiligen Prozess erfolgen. Typischerweise werden mehrere dieser dreidimensionalen Geometriekomponenten zugeordnet, sodass einerseits der zu überwachende Raum an den Roboter bzw. das jeweilige Objekt angepasst wird, wobei auch ein Nutzer mit einer derartigen dreidimensionalen Geometriekomponente versehen werden kann.The multi-layered dynamic interception space is typically generated from at least one three-dimensional geometry component that is assigned to the robot, parts of the robot, and / or at least one other object in the multilevel dynamic interworking space by the room management unit. The multi-layered dynamic interception space may therefore consist of one or more three-dimensional geometry components, wherein each of the geometry components may be located in any position in space and assigned by the space distribution unit to the robot, divide it robot and / or the other object. In this way, a flexible adaptation of the multi-layered dynamic monitoring space to the respective process can take place. Typically, several of these three-dimensional geometry components are assigned, so that on the one hand the space to be monitored is adapted to the robot or the respective object, whereby a user can also be provided with such a three-dimensional geometry component.
Andererseits kann bei zeitlichen Veränderungen des Objekts, dem die dreidimensionale Geometriekomponente zugeordnet wurde, diese Zuordnung an den aktuellen Zustand angepasst werden. Ein von dem multischichtigen dynamischen Überwachungsraum belegter Raumabschnitt kann anhand der dem Roboter zugeordneten dreidimensionalen Geometriekomponente mittels mindestens eines Gelenkwinkels eines Robotergelenks des Roboters von der Raumverwaltungseinheit bestimmt werden. Hierdurch wird eine zuverlässige Detektion des Roboters und seiner räumlichen Ausrichtung ermöglicht.On the other hand, with temporal changes of the object to which the three-dimensional geometry component has been assigned, this assignment can be adapted to the current state. A space section occupied by the multi-layered dynamic surveillance space can be determined by the room management unit based on the three-dimensional geometry component assigned to the robot by means of at least one joint angle of a robot joint of the robot. This allows a reliable detection of the robot and its spatial orientation.
Typischerweise erfolgt eine Abschätzung eines zukünftig von dem multischichtigen dynamischen Überwachungsraum belegten Raumabschnitts anhand der dem Roboter zugeordneten dreidimensionalen Geometriekomponente mittels mindestens eines aktuellen Gelenkwinkels und einer aktuellen Gelenkwinkelgeschwindigkeit eines Robotergelenks des Roboters, wobei die Abschätzung durch die Raumverwaltungseinheit bestimmt wird. Dies erlaubt es, auch im zeitlichen Verlauf zu erwartende Posen des Roboters im Lauf des anzupassenden Verfahrens zu antizipieren.Typically, an estimation of a space section occupied in future by the multi-layered dynamic interrogation space is made using the three-dimensional geometry component associated with the robot by means of at least one current joint angle and a current joint angular velocity of a robot joint of the robot, the estimate being determined by the space management unit. This makes it possible to anticipate poses of the robot to be expected over the course of the procedure to be adapted over time.
Eine Ausdehnung und eine Lage des multischichtigen dynamischen Überwachungsraums während des Durchführens der Prozessaufgabe können durch Ermitteln des von der dem Roboter zugeordneten Geometriekomponente belegten Raumabschnitts von der Raumverwaltungseinheit angepasst werden, um auch den zu überwachenden multischichtigen dynamischen Überwachungsraum an das ablaufende Verfahren anzupassen.An extent and a position of the multi-layered dynamic interstice during execution of the process task can be adapted by determining the space section occupied by the geometry component assigned to the robot by the room management unit in order to adapt the multilevel dynamic interstice to be monitored to the running process.
Vorzugsweise ist die Randbedingung für das Durchführen oder die Randbedingung für das Erledigen der Prozessaufgabe aus dem Zustand der Prozessaufgabe und bzw. oder dem Sicherheitsniveau der Prozessaufgabe ausgewählt.The boundary condition for performing or the boundary condition for completing the process task is preferably selected from the state of the process task and / or the security level of the process task.
Ein Robotersystem zum Anpassen eines Robotereinsatzes an einen Arbeitsprozess, an dem ein Roboter und ein menschlicher Nutzer gemeinsam beteiligt sind, weist den Roboter, eine Prozessverwaltungseinheit, eine Steuereinheit, eine Raumverwaltungseinheit, eine Zustandsauswerteeinheit und einen Sensor auf. Die Prozessverwaltungseinheit dient zum Auswählen oder Anhalten einer durchzuführenden Prozessaufgabe sowie zum Beurteilen eines aktuellen Zustands der von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer durchzuführenden Prozessaufgabe und eines Sicherheitsniveaus der Prozessaufgabe. Die Steuereinheit ist eingerichtet zum Ansteuern des Roboters, wobei in der Steuereinheit Musteraufgaben, die von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer gemeinsam durchgeführt werden können und sollen, gespeichert sind. Die Steuereinheit ist hierbei zum Auswählen mindestens einer der Musteraufgaben als der durchzuführenden Prozessaufgabe von der Steuereinheit nach Maßgabe der Prozessverwaltungseinheit ausgebildet.A robot system for adapting a robot use to a working process in which a robot and a human user are involved in common includes the robot, a process management unit, a control unit, a room management unit, a state evaluation unit, and a sensor. The process management unit serves to select or stop a process task to be performed and to judge a current state of the process task to be performed by the robot and the human user and a safety level of the process task. The control unit is set up to drive the robot, wherein pattern tasks that can and should be carried out jointly by the robot and the human user are stored in the control unit. In this case, the control unit is designed to select at least one of the pattern tasks as the process task to be performed by the control unit in accordance with the process management unit.
Zum adaptiven Modellieren mindestens eines multischichtigen dynamischen Überwachungsraums, in dem sich zumindest der Roboter befindet, in Abhängigkeit von der durchzuführenden Prozessaufgabe basierend auf Messdaten des mindestens einen Sensors, ist die Raumverwaltungseinheit eingerichtet. Der Sensor definiert und überwacht auch den multischichtigen dynamischen Überwachungsraum. Die Raumverwaltungseinheit dient auch zum Definieren mindestens einer Randbedingung für das Durchführen und mindestens einer Randbedingung für das Erledigen der Prozessaufgabe. Die Zustandsauswerteeinheit dient einem Ermitteln eines aktuellen Zustands der Prozessaufgabe und eines aktuellen Sicherheitsniveaus der Prozessaufgabe basierend auf den Messdaten des mindestens einen Sensors. Die Prozessverwaltungseinheit ist eingerichtet, ein Erfüllen der Randbedingungen durch ein Einordnen des aktuellen Zustands der Prozessaufgabe und des Sicherheitsniveaus im multischichtigen dynamischen Überwachungsraum in eine Kategorie und in Abhängigkeit von der Einstufung der Prozessaufgabe durchzuführen.For adaptively modeling at least one multi-layered dynamic surveillance space in which at least the robot is located, depending on the one to be performed Process task based on measurement data of at least one sensor, the room management unit is set up. The sensor also defines and monitors the multi-layered dynamic interception space. The room management unit also serves to define at least one constraint for performing and at least one constraint for completing the process task. The state evaluation unit is used to determine a current state of the process task and a current security level of the process task based on the measurement data of the at least one sensor. The process management unit is set up to fulfill the boundary conditions by classifying the current state of the process task and the security level in the multi-layered dynamic surveillance space into a category and depending on the classification of the process task.
Vorzugsweise wird das Einsortieren des aktuellen Zustands der Prozessaufgabe und des Sicherheitsniveaus der Prozessaufgabe mittels vier Kategorien durchgeführt. Eine erste Kategorie umfasst hierbei typischerweise diejenigen Aufgaben, bei denen die Randbedingungen der Prozessaufgabe, die gemeinsam von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer durchgeführt werden, nicht oder nicht mehr wieder erfüllt werden können, sodass die Prozessverwaltungseinheit die Prozessaufgabe stoppt. Einer zweiten Kategorie können diejenigen Aufgaben zugeordnet sein, bei denen die Randbedingungen der Prozessaufgabe, die gemeinsam von dem Roboter und dem menschlichen Nutzer durchgeführt wird, zeitweise nicht erfüllt werden können, aber in einem definierten Zeitraum wieder erfüllt werden können, sodass die Prozessverwaltungseinheit die Prozessaufgabe zeitweise anhält. Aufgaben, bei denen die Randbedingungen der Prozessaufgabe für das Durchführen der Prozessaufgabe erfüllt werden, sind vorzugsweise einer dritten Kategorie zugeordnet, sofern die Randbedingungen für das Erledigen nicht erfüllt werden. In diesem Fall führt die Prozessverwaltungseinheit die Prozessaufgabe durch. In einer vierten Kategorie können schließlich diejenigen Aufgaben enthalten sein, bei denen die Randbedingung der Prozessaufgabe für das Erledigen der Prozessaufgabe erfüllt wird, sodass die Prozessverwaltungseinheit die Prozessaufgabe abschließt und eine nachfolgende Prozessaufgabe auswählt oder eine Auswahl von Prozessaufgaben stoppt.Preferably, the sorting of the current state of the process task and the security level of the process task is carried out by means of four categories. Here, a first category typically includes those tasks in which the constraints of the process task, which are performed jointly by the robot and the human user, can not be met or can no longer be met, so that the process management unit stops the process task. A second category can be assigned those tasks in which the boundary conditions of the process task, which is performed jointly by the robot and the human user, can not be met temporarily, but can be met again within a defined period of time, so that the process management unit temporarily performs the process task stops. Tasks in which the boundary conditions of the process task for performing the process task are fulfilled are preferably assigned to a third category, provided the boundary conditions for doing so are not met. In this case, the process management unit performs the process task. Finally, in a fourth category, those tasks may be included in which the constraint of the process task for completing the process task is fulfilled so that the process management unit completes the process task and selects a subsequent process task or stops a selection of process tasks.
Das bestehende Robotersystem kann mit dem bereits beschriebenen Verfahren verwendet werden, d. h., das beschriebene Verfahren ist dazu ausgelegt, mit dem beschriebenen Robotersystem durchgeführt zu werden.The existing robot system can be used with the already described method, i. h., the described method is designed to be performed with the described robot system.
Der Roboter kann als mobiler Roboter oder als stationär im multischichtigen dynamischen Überwachungsraum angeordneter Roboter ausgebildet sein.The robot can be designed as a mobile robot or as a robot arranged stationarily in the multi-layered dynamic surveillance space.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der
Es zeigen:
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1 einen schematischen Ablaufplan des Verfahrens; -
2 eine schematische Darstellung einer Parametrisierung eines Arbeitsprozesses; -
3 verschiedene Szenarien einer Raummodellierung und -
4 eine Anpassung und Ausdehnung einer Lage eines Überwachungsraums an die Roboterbewegung.
-
1 a schematic flowchart of the method; -
2 a schematic representation of a parameterization of a working process; -
3 different scenarios of a spatial modeling and -
4 an adaptation and extension of a position of a surveillance space to the robot movement.
In
Startend von einem menschlichen Verhalten
Ein Arbeitsprozess bzw. eine Prozessaufgabe ist hierbei eine einzelne oder eine Kombination mehrerer der vorab definierten Musteraufgaben, wobei benötigte Information über jede Prozessaufgabe, wie beispielsweise eine Zielposition bei der Musteraufgabe Bewegen, Merkmale eines aufzuhebenden Objekts bei der Musteraufgabe „Übergabe“ und so weiter, in Form von Text, Bild, Sprache oder Ähnlichem eine Parametrisierung beschrieben wird. Die Steuereinheit
Die Raumverwaltungseinheit
In
Die Prozessverwaltungseinheit
Neben dem einen bzw. mehreren multischichtigen dynamischen Überwachungsräumen definiert die Raumverwaltungseinheit
Die Prozessverwaltungseinheit
Durch einen Vergleich eines Ist-Zustands der Prozessaufgabe bzw. des Arbeitsprozesses und der Sicherheit mit den vordefinierten Randbedingungen urteilt die Prozessverwaltungseinheit
Bei Niveau
In der zweiten Kategorie bzw. auf Niveau zwei werden die Randbedingungen für die Durchführung der Prozessaufgabe zwar zeitweise nicht befriedigt, aber könnten in einem definierten Zeitraum wieder befriedigt werden. Ein typisches Beispiel dafür ist, wenn die Randbedingung „Anwesenheit eines bestimmten Menschen in einem bestimmten multischichtigen dynamischen Überwachungsraum“ bei der Aufgabe „Übergabe“ zeitweise nicht befriedigt wird, bedeutet dies, dass ein Mensch noch nicht bereit ist, wenn der Roboter
Auf dem Niveau drei bzw. einer dritten Kategorie werden die Randbedingungen für die Durchführung der Prozessaufgabe befriedigt bzw. erfüllt, aber die Randbedingung für das erfolgreiche Erledigen der Prozessaufgabe wird nicht erfüllt. Ein typisches Beispiel dafür ist, wenn die Musteraufgabe „Festhalten eines Objekts
Schließlich ist eine vierte Kategorie vorgesehen bzw. ein viertes Niveau, bei dem die Randbedingungen für die erfolgreiche Erledigung einer Aufgabe erfüllt werden. Ein typisches Beispiel hierfür ist, wenn die Randbedingung „Festhalten eines Objekts
Eine Musteraufgabe wird nun in Abhängigkeit von dem Befriedigungsniveau bzw. Erfüllungsniveau der Randbedingungen für die Durchführung und Erledigung einer Musteraufgabe und des vorgegebenen Arbeitsprozesses durch die Prozessverwaltungseinheit
Da ein Überwachungsbereich typischerweise entweder als zweidimensionale Zone auf einen Boden oder als ein auf dem Boden aufrecht stehender dreidimensionaler Raum dargestellt wird, in der vorliegenden Erfindung jedoch eine dynamische Anpassung erfolgen soll, wird ein multischichtiger dynamischer Überwachungsraum
Der multischichtige dynamische Überwachungsraum
In der zweiten Zeile von
In ähnlicher Weise ist auch in der dritten Zeile von
Schließlich zeigt
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werde.Only features disclosed in the embodiments of the various embodiments can be combined and claimed individually.
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- 2018-09-18 WO PCT/EP2018/075122 patent/WO2019057679A1/en active Application Filing
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