CN102612423A - 机器人及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种可以同时实现良好的安全性和优异的控制性能的关节机器人及其控制装置。该机器人具有：基部；设置在基部上的三个电机；轴中心线垂直于基部表面的支承柱；滑轮；组装有非线性弹簧的三根丝索；与负载联接的输出轴；具有联接到输出轴的小齿轮和设置在支承柱上端的固定部件的差动机构；设置在差动机构的环上的万向接头；以及设置在差动机构的固定部件上的丝索导向装置，利用两根丝索并经由滑轮将差动机构的两个侧齿轮和两个电机一对一地连接起来，利用剩余的另一根丝索通过丝索导向装置将剩余的另一个电机和万向接头连接起来。

Description

机器人及其控制装置

技术领域

本发明涉及改变多自由度姿态的机器人及其控制装置。

背景技术

最近，服务机器人以人机合作工业机器人的研究正方兴未艾地进行。由于这些机器人与人直接接触，因此，其安全性的保证就变得很重要。为了保持机器人整体的安全性，要求机器人的各关节是柔性和轻量的。但是，当关节的刚度变低时，机器人的作业精度或响应性等控制性能就会变差。

为了使机器人兼顾安全性和控制性能，若从关节的自由度来看，现有的关节机器人利用冗余的丝索（Wire）驱动机构（例如，参考专利文献1）。

在丝索驱动机构中，加入非线性弹簧和张力传感器，  一边控制各丝索的张力，一边对实际的旋转角度进行反馈。

这样，现有的关节机器人通过对冗余致动器的力进行控制，来同时控制机器人的姿态和刚度。

在先技术文献

专利文献

[专利文献1]：特开2004-322283号公报

发明内容

本发明要解决的技术问题

但是，对于现有的关节机器人，其所有的丝索都直接连接到末端侧部件，即使丝索的张力没有变化，但当姿态变化时，有效转矩也会发生很大变化，因此，存在可动范围较窄这样的问题，还存在无法实现能接近想要服务的人的动作范围这样的问题。此外，由于现有的关节机器人的控制装置将与指令刚度对应的转矩和姿态反馈控制所需要的转矩值相加作为电机的转矩指令值，从而使刚度控制与姿态控制相互干涉，因此，还存在下述问题：当刚度改变时，姿态响应特性变化，并且当受到较大的外扰时，实际的刚度与刚度指令值会产生很大偏差，从而无法保证安全性。

本发明鉴于这样的问题而进行，其目的在于提供一种下述这样的关节机器人及其控制装置从而能够同时实现良好的安全性和优异的控制性能，即：除丝索和非线性弹簧之外，还引入差动机构作为电机和输出轴之间的联接机构，同时，根据姿态的反馈控制所需要的转矩指令和刚度的目标指令来发出丝索的张力指令以控制丝索的张力，在较宽的范围内使关节的姿态角度和刚度独立且正确地遵从目标指令。

解决问题的手段

为解决所述问题，本发明如下述这样构成。

技术方案1所述的发明是一种关节机器人，其具有：基部；三个电机，其设置在所述基部上；三个卷绕装置，其分别安装在这些电机上；支承柱，其被设置为轴中心线垂直于所述基部的表面；万向节，其安装在所述支承柱的上端；可动盘，其安装在所述万向节上；三个万向接头，其设置在所述可动盘的底部；三根丝索，其一对一地连接三个所述卷绕装置和三个所述万向接头，并组装有非线性弹簧；以及输出轴，其被固定为使其轴中心线垂直于所述可动盘的上表面，其中，以下述方式设置固定直角坐标系xyzo：将所述支承柱的轴中心线与所述基部的表面的交点作为原点o，将所述支承柱的轴中心线作为z轴，并将离开所述基部的表面的方向作为z轴的正方向，使y轴平行于所述万向节的与所述支承柱接触的轴的轴中心线，以下述方式设置移动直角坐标系x′y′z′o′：将所述输出轴的轴中心线与所述可动盘的下表面的交点作为原点o′，将所述输出轴的轴中心线作为z′轴，并将从所述可动盘的上表面离开的方向作为z′轴的正方向，使x′轴平行于所述万向节的与所述可动盘联接的轴的轴中心线，并且所述移动直角坐标系x′y′z′o′与所述可动盘一起移动，将三个所述电机配置成：使一个所述卷绕装置位于x的负轴，使其余的两个所述卷绕装置分别位于xoy坐标系的第1象限和第4象限，将三个所述万向接头配置成使三个所述万向接头在x′o′y′坐标系中的相位分别与三个所述卷绕装置在所述xoy坐标系中的相位为相同的值。并且，利用三根所述丝索将位于该不同的两个坐标系的各自相同的相位的三个所述卷绕装置与三个所述万向接头一对一地连接起来。

此外，技术方案2中所述的发明是一种关节机器人，其具有：基部；三个电机，其设置在所述基部上；三个卷绕装置，其分别安装在三个所述电机上；支承柱，其被设置为轴中心线垂直于所述基部的表面；旋转轴接头，其安装在所述支承柱的上端；旋转轴，其安装在所述旋转轴接头上；回转轴接头，其安装在所述旋转轴的上端；可动盘，其安装在所述回转轴接头上；三个万向接头，其设置在所述可动盘的底部；三根丝索，其一对一地连接三个所述卷绕装置和三个所述万向接头，并组装有非线性弹簧；以及输出轴，其被固定为使其轴中心线垂直于所述可动盘的上表面，其中，以下述方式设置移动直角坐标系x′y′z′o′：将所述输出轴的轴中心线与所述可动盘的下表面的交点作为原点o′，将所述输出轴的轴中心线作为z′轴，并将离开所述可动盘的上表面的方向作为z′轴的正方向，使y′轴与所述回转轴的轴中心线平行，并且所述移动直角坐标系x′y′z′o′与所述可动盘一起移动，以下述方式设置固定直角坐标系xyzo：将所述支承柱的轴中心线与所述基部的表面的交点作为原点o，将所述支承柱的轴中心线作为z轴，并将离开所述基部的表面的方向作为z轴的正方向，当所述输出轴的轴中心线与所述旋转轴的轴中心线一致时，y轴与y′轴平行，将三个所述电机配置成：使一个所述卷绕装置位于x的负轴，使其余的两个所述卷绕装置分别位于xoy坐标系中的第1象限和第4象限，将三个所述万向接头配置成：使三个所述万向接头在x′o′y′坐标系中的相位分别与三个所述卷绕装置在所述xoy坐标系中的相位为相同的值，并且利用三根所述丝索将位于x的负轴的所述卷绕装置与位于x′的负轴的所述万向接头、位于xoy坐标系的第1象限的所述卷绕装置与位于x′o′y′坐标系的第4象限的所述万向接头、以及位于xoy坐标系中的第4象限的所述卷绕装置与位于x′o′y′坐标系的第1象限的所述万向接头分别连接起来。

此外，技术方案3中所述的发明,其一边根据丝索的张力指令和所述丝索的张力信号进行张力的控制，一边根据姿态角度的目标指令、刚度的目标指令以及所述各电机的旋转角度信号生成所述各丝索的张力指令，从而控制所述关节机器人的姿态角度和刚度，技术方案3中所述的发明具有：姿态角度推定部，其根据各电机的旋转角度信号和各丝索的张力信号计算出姿态角度的推定值；姿态角度控制部，其接收所述姿态角度的目标指令与所述姿态角度的推定值之间的偏差，并输出姿态转矩指令；以及张力指令计算部，其根据所述姿态转矩指令、所述刚度的目标指令以及所述姿态角度的推定值计算出张力指令。

此外，作为其它发明，其具有：基部；三个电机，其设置在所述基部上；支承柱，其被设置为轴中心线垂直于所述基部的表面；滑轮；三根丝索，其组装有非线性弹簧；以及输出轴，其与负载联接，此外，还具有：差动机构，其小齿轮与输出轴连接，其固定部件设置在所述支承柱的上端；万向接头，其设置在所述差动机构的环上；以及丝索导向装置，其设置在所述差动机构的固定部件上，用两根所述丝索将分别与所述差动机构的两个侧齿轮联接的两个滑轮和分别与两个所述电机联接的两个滑轮之间一对一地连接起来，利用剩余的另一根所述丝索通过所述丝索导向装置将与其余的另一个电机联接的滑轮和所述万向接头之间连接起来。

技术效果

通过下述机器人并构造下述控制装置可以在较宽的范围内使关节的姿态角度和刚度独立且正确地遵从目标指令。该机器人具有：从关节自由度来看冗余的电机；丝索，其联接电机和输出轴以传递动力，并且组装有非线性弹簧；以及差动机构。该控制装置根据姿态的反馈控制所需要的姿态转矩指令和刚度的目标指令来发出丝索的张力指令，以控制丝索的张力。

此外，通过在高速度移位时对刚度的目标指令给以较小的值，在以高加减速并且低速度移位时对将刚度的目标指令给以较大的值，能够同时兼顾良好的安全性和优异的控制性能。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施例的关节机器人的结构图。

图2是与第1控制技术相关的控制装置的框图。

图3是与第2控制技术相关的控制装置的框图。

图4是表示第2实施例的关节机器人的结构图。

图5是表示第3实施例的关节机器人的结构图。

图6是可以独立控制横摇（rolling）、仰俯（pitching）、以及各自刚度的关节机器人的结构图。

图7是可以独立控制偏摇、仰俯、以及各自刚度的关节机器人的结构图。

图8是与本发明的第4实施方式相关的关节机器人的结构图。

图9是与本发明的第5实施方式相关的关节机器人的结构图。

图10是与本发明的第6实施方式相关的关节机器人的结构图。

图11是与本发明的第7实施方式相关的关节机器人的结构图。

图12是与本发明的第8实施方式相关的关节机器人的结构图。

图13是与本发明的第9实施方式相关的关节机器人的结构图。

图14是与本发明的第10实施方式相关的关节机器人的结构图。

图15是与本发明的第11实施方式相关的关节机器人的结构图。

具体实施方式

以下，关于本发明的实施方式，参考附图进行说明。

实施例1

图1是表示本发明的第1实施例的关节机器人的结构图。图1a是主视图，图1b是侧视图。在图中，电机1、2、3的定子被设置在基部4的上部，旋转轴的末端与滑轮5、6、7联接。支承柱14被设置为使轴中心线垂直于基部4的上部。差动机构20具有：固定部件21，其设置在支承柱14的末端；支承轴22，其固定至固定部件21的两侧；侧齿轮26和27，其分别装有滑轮24和25，并以支承轴22为中心转动；小齿轮28，其与侧齿轮26和27同时接触；以及环23，其以支承轴22为中心转动。输出轴17的一端被固定在小齿轮28上，另一端联接负载，中部隔着轴承被环23约束。丝索8联接滑轮5和滑轮24，丝索10连接滑轮6和滑轮25。丝索9通过设置在固定部件21上的丝索导向装置15将滑轮6与设置在环23上的万向接头16连接起来。此外，在丝索8、9、10上分别组装有非线性弹簧11、12、13。此处，所谓非线性弹簧，就是其弹性系数不是固定值，而是随位移而发生改变的弹簧。例如，使用使节距阶梯变化的螺旋弹簧。但并不仅限于此，也可以采用如下结构，在两个电机和利用丝索与各电机联接的两个定滑轮之间组合动滑轮。通过驱动电机1、2和3，使输出轴17一边旋转一边以支承轴22为中心回转。

图2是与第1控制技术相关的控制装置的框图。在图中，目标指令生成部201生成输出轴17的回转角度α的目标指令值α^*、输出轴17的旋转角度β的目标指令值β^*、以及刚度的目标指令值η^*。通过编码器101、102以及103，分别检测电机1、2和3的旋转角度θ₁、θ₂、以及θ₃。张力传感器104、105以及106，分别检测丝索8、9以及10的张力F₁、F₂以及F₃。姿态角度推定部205接收编码器101、102以及103的输出和张力传感器104、105以及106的输出，以输出回转角度α的推定值α_s和旋转角度β的推定值β_s。姿态角度控制部202、203分别接收回转角度α的目标指令值α^*与推定值α_s之间的偏差e_α、和旋转角度β的目标指令值β^*与推定值β_s之间的偏差e_β，并输出回转转矩指令T_αc和旋转转矩指令T_βc。张力指令计算部204根据回转转矩指令T_αc和旋转转矩指令T_βc计算丝索8、9和10的张力指令F_1c、F_2c以及F_3c。张力控制部206、207以及208分别接收丝索8的张力指令F_1c与张力F₁之间的偏差、丝索9的张力指令F_2c与张力F₂之间的偏差、以及丝索10的张力指令F_3c与张力F₃之间的偏差，并输出电机1、2和3的电流指令I_1c、I_2c、和I_3c。此外，209、210和211是电机驱动部，其分别根据电机1、2和3的电流指令I_1c、I_2c、和I_3c来对各电机进行驱动控制。

图3是与第2控制方法相关的控制装置的框图。在图中，角度传感器107、108分别检测回转角度度α和旋转角度β。本控制装置和与第1控制方法相关的控制装置不同的部分在于，设置角度传感器代替姿态角度推定部。

以下，对动作原理进行说明。

首先，导出关节机器人的运动方程式。

以下述方式设置直角坐标系xyzo：将支承轴22的轴中心线与输出轴17的轴中心线的交点作为原点o，将支承轴22的轴中心线作为y轴，将支承柱14的中心线作为z轴，并将离开基部4的方向作为z轴的正方向，将输出轴17的轴中心线与z轴一致的位置作为关节机器人机构的初始位置。将通过初始位置上的万向接头16的中心点A与直角坐标系的原点o的直线、和通过点B与直角坐标系的原点o的直线所形成的角度设定为φ，所述点B是丝索9与丝索导向装置15的上部相接触的点。此外，将所有的丝索完全伸展但其张力为0（亦即，非线性弹簧的伸缩量是0）的状态作为初始状态。并且，假定将所有的丝索控制成使其总是完全伸展（丝索的张力是0以上）。

设丝索8、9、10的张力分别为F₁、F₂以及F₃。当设滑轮24和25的半径为R时，由丝索8和10的张力F₁和F₃产生的转矩分别成为：

T₁=F₁R    （1）

和

T₃=F₃R    （2）

此外，当设线段Ao的长度为L_AO，设线段Bo的长度为L_BO时，由丝索9的张力F2产生的转矩成为：

T₂=F₂h    （3）

这里，h是从点o到直线AB的距离，由式（4）表示为：

[算式4]

从而，使关节机器人100的机械可动部以支承轴22的轴中心线为中心回转的回转转矩就成为：

T_α＝T₁+T₃-T₂＝F₁R+F₃R-F₂h    （5）

此外，使关节机器人100的机械可动部以输出轴17的轴中心线为中心旋转的旋转转矩成为：

T_β＝(T₁-T₃)n＝(F₁-F₃)nR      （6）

这里，n是小齿轮与侧齿轮的齿轮比。

将丝索8、9、10在与差动机构接触的点的丝索上端位移量分别设为ρ₁、ρ₂、ρ₃（将离开非线性弹簧的方向作为正）。如式（7）～式（9）那样表示丝索上端位移量ρ₁、ρ₂、ρ₃与回转角度度α和旋转角度β之间的关系。

α＝-(ρ₁+ρ₃)/2R  （7）

β＝-(ρ₁-ρ₃)/nR  （8）

[算式9]

以式（10）表示非线性弹簧11、12、13产生的力f1、f2、f3与对应的伸缩量σ1、σ2、σ3之间的关系：

f₁＝k₁(σ₁)σ₁，f₂＝k₂(σ₂)σ₂，f₃＝k₃(σ₃)σ₃    （10）

这里k₁(·)，k₂(·)，k₃(·)是非线性弹簧的弹性系数，是单调递增函数。这里，为简单计，将k₁(·)，k₂(·)，k₃(·)当作线性函数。此外，由于非线性弹簧的张力与丝索的张力相等，因此，丝索8、9、10的张力F₁、F₂、F₃与非线性弹簧11、12、13的伸缩量σ₁、σ₂、σ₃之间的关系就成为：

$F_1=k_1{\mathrm{\σ}}_1^2,$ $F_2=k_2{\mathrm{\σ}}_2^2,$ $F_3=k_3{\mathrm{\σ}}_3^2---\left(11\right)$

此处，k₁、k₂、k₃是常数。

将丝索伸缩量设为0（实际的丝索存在伸缩，但只要把该伸缩量看作非线性弹簧伸缩的一部分即可），各丝索的上端位移量就成为与该丝索对应的非线性弹簧的伸缩量和滑轮（5、6、7）的卷绕量之和。此外，若设滑轮5、6、7的半径为r，则

ρ₁＝σ₁+θ₁r，ρ₂＝σ₂+θ₂r，ρ₃＝σ₃+θ₃r    （12）

成立。这里，θ₁、θ₂、θ₃分别是电机1、2、3的旋转角度（在电机和滑轮间存在齿轮的情况下，是将齿轮比乘以电机旋转角度后的值）。

其次，根据上述方程式，说明姿态角度推定部205和张力指令计算部204的具体实现方法。

根据式（11）则为：

[算式13]

${\mathrm{\σ}}_1=\sqrt{F_1/K_1},$ ${\mathrm{\σ}}_3=\sqrt{F_3/K_3}---\left(13\right)$

当将式（11）代入式（12）时，则成为，

[算式14]

${\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{F_1/K_1}+{\mathrm{\θ}}_{1}r,$ ${\mathrm{\ρ}}_3=\sqrt{F_3/K_3}+{\mathrm{\θ}}_{3}r---\left(14\right)$

此外，将式（14）代入式（7）和式（8）中，则回转角度α的推定值α_s和旋转角度β的推定值β_s分别如式（15）和式（16）那样得出。

[算式15]

${\mathrm{\α}}_s=\sqrt{F_1/K_1}+\sqrt{F_3/K_3}+{\mathrm{\θ}}_{1}r+{\mathrm{\θ}}_{3}r)/2R---\left(15\right)$

[算式16]

${\mathrm{\β}}_s=\sqrt{F_1/K_1}-\sqrt{F_3/K_3}+{\mathrm{\θ}}_{1}r-{\mathrm{\θ}}_{3}r)/2R---\left(16\right)$

此外，若求解式（7）和式（8）的联立方程式，则为，

ρ₁＝-Rα-0.5nRβ    （17）

ρ₃＝-Rα+0.5nRβ    （18）

如果将式（17）、式（18）以及式（9）的两边对α进行偏微分，并注意式（4），则为：

[算式19]

$\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_1}{\∂\mathrm{\α}}=-R,$ $\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_2}{\∂\mathrm{\α}}=h,$ $\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_3}{\∂\mathrm{\α}}=-R---\left(19\right)$

此外，如果将式（17）、式（18）、以及式（9）的两边对β进行偏微分，则为：

[算式20]

$\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_1}{\∂\mathrm{\β}}=-0.5\mathrm{nR},$ $\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_2}{\∂\mathrm{\β}}=0,$ $\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_3}{\∂\mathrm{\β}}=0.5\mathrm{nR}---\left(20\right)$

如果将式（12）的两边对α进行偏微分，则为，

[算式21]

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_1}{\∂\mathrm{\α}}=\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_1}{\∂\mathrm{\α}},$ $\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_2}{\∂\mathrm{\α}}=\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_2}{\∂\mathrm{\α}},$ $\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_3}{\∂\mathrm{\α}}=\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_3}{\∂\mathrm{\α}}---\left(21\right)$

此外，如果将式（12）的两边对β进行偏微分，则为，

[算式22]

$\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_1}{\∂\mathrm{\β}}=\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_1}{\∂\mathrm{\β}},$ $\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_2}{\∂\mathrm{\β}}=\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_2}{\∂\mathrm{\β}},$ $\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_3}{\∂\mathrm{\β}}=\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_3}{\∂\mathrm{\β}}---\left(22\right)$

如果将式（11）的两边对α进行偏微分，则为，

[算式23]

$\frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{\α}}=2\sqrt{K_1{F}_1}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_1}{\∂\mathrm{\α}},$ $\frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{\α}}=2\sqrt{K_2{F}_2}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_2}{\∂\mathrm{\α}},$ $\frac{\∂F_3}{\∂\mathrm{\α}}=2\sqrt{K_3{F}_3}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_3}{\∂\mathrm{\α}}---\left(23\right)$

此外，如果将式（11）的两边对β进行偏微分，则为

[算式24]

$\frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{\β}}=2\sqrt{K_1{F}_1}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_1}{\∂\mathrm{\β}},$ $\frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{\β}}=2\sqrt{K_2{F}_2}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_2}{\∂\mathrm{\β}},$ $\frac{\∂F_3}{\∂\mathrm{\β}}=2\sqrt{K_3{F}_3}\frac{\∂{\mathrm{\σ}}_3}{\∂\mathrm{\β}}---\left(24\right)$

将式（19）代入式（21），进而，将式（21）代入式（23）时，则为，

[算式25]

$\frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{\α}}=-2R\sqrt{K_1{F}_1},$ $\frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{\α}}=2h\sqrt{K_2{F}_2},$ $\frac{\∂F_3}{\∂\mathrm{\α}}=-2R\sqrt{K_3{F}_3}---\left(25\right)$

此外，将式（20）代入式（22），进而，将式（22）代入式（24）时，则为，

[算式26]

$\frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{\β}}=-\mathrm{nR}\sqrt{K_1{F}_1},$ $\frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{\β}}=0,$ $\frac{\∂F_3}{\∂\mathrm{\β}}=\mathrm{nR}\sqrt{K_3{F}_3}---\left(26\right)$

如果将式（4）的两边对α进行偏微分，则为，

$\frac{\∂h}{\∂\mathrm{\α}}=\frac{L_{\mathrm{Ao}}{L}_{\mathrm{Bo}}\{(L_{\mathrm{Ao}}^2+L_{\mathrm{Bo}}^2)\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α})-L_{\mathrm{Ao}}{L}_{\mathrm{Bo}}(1+{\cos }^2(\mathrm{\φ}+\mathrm{\α}))\}}{{\{(L_{\mathrm{Ao}}^2+L_{\mathrm{Bo}}^2)-2L_{\mathrm{Ao}}{L}_{\mathrm{Bo}}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α})\}}^{1.5}}---\left(27\right)$

如果将式（5）的两边对α进行偏微分，则回转刚度为，

[算式28]

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\α}}=-\frac{\∂T_{\mathrm{\α}}}{\∂\mathrm{\α}}=-R(\frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{\α}}+\frac{\∂F_3}{\∂\mathrm{\α}})+\frac{\∂F_2}{\∂\mathrm{\α}}h+F_2\frac{\∂h}{\∂\mathrm{\α}}---\left(28\right)$

此外，将式（25）和式（27）代入式（28）时，则为，

[算式29]

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\α}}=-\frac{\∂T_{\mathrm{\α}}}{\∂\mathrm{\α}}=2R^2(\sqrt{K_1{F}_1}+\sqrt{K_3{F}_3})+{2h}^2\sqrt{K_2{F}_2}+g\left(\mathrm{\α}\right)F_2---\left(29\right)$

这里

[算式30]

$g\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{L_{\mathrm{Ao}}{L}_{\mathrm{Bo}}\{(L_{\mathrm{Ao}}^2+L_{\mathrm{Bo}}^2)\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α})-L_{\mathrm{Ao}}{L}_{\mathrm{Bo}}(1+{\cos }^2(\mathrm{\φ}+\mathrm{\α}))\}}{{\{(L_{\mathrm{Ao}}^2+L_{\mathrm{Bo}}^2)-2L_{\mathrm{Ao}}{L}_{\mathrm{Bo}}\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\α})\}}^{1.5}}$

如果将式（6）的两边对β进行偏微分，则旋转刚度为，

[算式31]

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\β}}=-\frac{\∂T_{\mathrm{\β}}}{\∂\mathrm{\α}}=-\mathrm{nR}(\frac{\∂F_1}{\∂\mathrm{\β}}-\frac{{\∂F}_3}{\∂\mathrm{\β}})---\left(31\right)$

此外，当将式（26）代入式（31）时，则为，

[算式32]

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{\β}}=-\frac{\∂T_{\mathrm{\β}}}{\∂\mathrm{\α}}=n^2{R}^2(\sqrt{K_1{F}_1}+\sqrt{K_3{F}_3})---\left(32\right)$

根据式（5）和式（6），则有，

F₁＝(T_α+T_β/n+F₂h)/2R    （33）

F₃＝(T_α-T_β/n+F₂h)/2R    （34）

当将式（33）和式（34）代入式（28）或式（33）中可知，回转刚度η_α和旋转刚度η_β都是F₂的函数。亦即，不能分别控制回转刚度η_α和旋转刚度η_β，但通过控制F₂，可以使它们同时变化。

因此，张力指令的计算如下述这样实现。

将T_α和T_β分别作为T_αc和T_βc，将F₁、F₂、F₃分别作为F_1c、F_2c和F_3c，在将回转刚度作为安全指标的情况下，将η_α作为η^*，此外，在使用第1控制技术的情况下，将α作为α_c，求解式（29）、式（33）、和式（34）的联立方程式，在将旋转刚度作为安全指标的情况下，将η_β作为η^*，求解式（32）、式（33）、和式（34）的联立方程式，这样，可求出张力指令F_1c、F_2c和F_3c。

此外，若给出与刚度的目标指令值η^*相对应的F₂的指令值F_2c，则不必求解联立方程式就能够根据式（33）和式（34）简单地计算F_1c和F_3c。

一般地，由于与姿态控制的主回路（main loop）相比较，在张力控制辅助回路（minor loop）中相位延迟较小，因此，可以大幅提高张力控制部的增益，张力控制辅助闭回路的响应特性较高。亦即，按照张力指令控制丝索的张力。从而，通过利用由式（33）和式（34）求出的张力指令，能够使回转转矩T_α和旋转转矩T_β遵从回转转矩指令T_αc和旋转转矩指令T_βc。亦即，刚度控制不会对姿态控制施加影响，能够独立且正确地控制刚度和姿态。

此外，对刚度的控制性能出现很大的影响是在输出轴17以高加减速和低速度移位的时候发生的。另一方面，对安全性应当考虑的是在输出轴17高速度移位的时候。因此，只要在高速度移位时对刚度的目标指令给以较小的值，在以高加减速和低速度移位时对刚度的目标指令给以较大的值即可。

并且，在支承轴22与基部4之间的距离以及丝索的长度足够长的情况下，关节机器人100的可动范围能够为：绕输出轴17的轴中心的旋转为360°，绕支承轴22的轴中心的回转接近180°（-ψ＜α＜180°-ψ）。此外，通过改变丝索导向装置15的设定位置，回转的可动范围几乎不会改变，但开始位置和停止位置发生改变。该关节机器人比起人的所有关节，其可动范围更宽，由于其可以回转和旋转，因此，作为人的肘关节最为合适。

这样，通过构造下述关节机器人并构造其控制装置，可以在较宽的范围内使关节的姿态角度和刚度独立且正确地遵从目标指令。该机器人具有：电机，从关节自由度来看这些电机是冗余的；丝索，其联接电机和输出轴并传递动力，并且组装有非线性弹簧；以及差动机构。该控制装置根据姿态的反馈控制所需要的姿态转矩指令和刚度的目标指令来发出丝索的张力指令，以控制丝索的张力。此外，通过在高速度移位时对刚度的目标指令给以较小的值，在以高加减速和低速度移位时给以较大的值，能够同时兼顾良好的安全性和优异的控制性能。

实施例2

图4是表示第2实施例的关节机器人的结构图。在图中，附图标记401、402、403是电机，定子被设置在基部420的上部。附图标记404、405、406是卷绕装置，其一边与电机的转子一起旋转，一边卷绕丝索。附图标记408、409、410是丝索，组装有非线性弹簧11、12、13。407是支承柱，设置为其轴中心线垂直于基部420的上表面。附图标记414是可动盘，在上部垂直固定有输出轴419。附图标记415是万向节，其具有相互垂直的两根轴，一根轴与支承柱407的末端连接，另一根轴与可动盘414连接。以下述方式设置固定直角坐标系xyzo：将支承柱14的轴中心线与基部420的上表面的交点作为原点o，将支承柱14的中心线作为z轴，并将离开基部420的上表面的方向作为z轴的正方向，使y轴与万向节415的与支承柱14接触的轴的轴中心线平行。此外，以下述方式设置移动直角坐标系x′y′z′o′：将万向节415的中心点作为原点o′，将输出轴419的轴中心线作为z′轴，并将离开基部420的方向作为z′轴的正方向，使x′轴与万向节415的与可动盘414连接的轴的轴中心线一致，并使移动直角坐标系x′y′z′o′与可动盘414一起移动。电机403和卷绕装置406被设置在x的负轴，电机401和卷绕装置404被设置在固定直角坐标系xyzo的第4象限，电机402和卷绕装置405被设置在固定直角坐标系xyzo的第1象限。在可动盘414下表面的A′、B′、C′点上，设置有万向接头416、417、418，该A′、B′、C′点在移动平面坐标系x′o′y′中的相位分别与卷绕装置404、405、406的丝索出入口A、B、C点在固定平面坐标系xoy中的相位相同。此外，在卷绕装置404与万向接头416之间安装有丝索408，所述丝索408上组装有非线性弹簧411，在卷绕装置405与万向接头417之间安装有丝索409，所述丝索409上组装有非线性弹簧412，在卷绕装置406与万向接头418之间安装有丝索410，所述丝索410上组装有非线性弹簧413。

以下，对动作原理进行说明。

由于被万向节415约束，因此，可动盘414只能绕y′轴和z′轴作旋转运动。设可动盘414绕y′轴和z′轴的旋转角度分别为α和β，与实施例1相同地设立联立方程式，使用第1控制技术或第2控制技术，就能够构成关节机器人的控制装置。此处省略其详细说明。

当同时牵引丝索408和丝索409时，可动盘414绕y′轴并沿正方向旋转。A点和B点离y轴越近，可动范围越大，但牵引力却越小。另一方面，当丝索410牵引时，可动盘414绕y′轴并沿负方向旋转。C点离y轴越近，可动范围越大，但牵引力却越小。

当丝索408牵引时，可动盘414绕x′轴并沿正方向旋转。A点离x越近，可动范围就越大，但牵引力却越小。另一方面，当丝索409牵引时，可动盘414绕x′轴并沿负方向旋转。B点离x轴越近，可动范围越大，但牵引力却越小。

如上所述，由于可改变2自由度的姿态，因此，只用两根丝索就可操作，从而，当用三根丝索时，还可以调整刚度。

此外，如图6所示，增加了一组驱动单元，该驱动单元由电机、卷绕装置、组装有非线性弹簧的丝索、以及万向接头构成，将安装有4个卷绕装置的电机配置在固定平面坐标系xoy的不同象限内，将4个万向接头配置在移动平面坐标系x′o′y′的不同象限内，利用丝索将位于固定平面坐标系xoy的各象限的电机和位于移动平面坐标系x′o′y′的同一象限的万向接头联接起来，由此能够独立地控制横摇（绕x′轴的转动）、仰俯（绕y′轴的转动）、以及各自的刚度。

实施例3

图5是表示第3实施例的关节机器人的结构图。在图中，501是旋转轴接头，502是旋转轴，503是回转轴接头。此外，对与图4相同的部分标记同一符号，并省略其说明。以下述方式设置固定直角坐标系xyzo和移动直角坐标系x′y′z′o′，将回转轴接头503的旋转中心线作为y′轴，将回转轴接头503的旋转中心线与支承柱407的中心线的交点作为原点o′。并且，当输出轴419的轴中心线与旋转轴502的轴中心线一致时，y轴就与y′轴平行，其它与图4的实施例2相同。旋转轴502绕z轴转动。

对于图5所示的本实施例的关节机器人，安装具有旋转轴接头501、旋转轴502、以及回转轴接头503的部分来代替万向节415，并且，在卷绕装置404与万向接头417之间、以及在卷绕装置405与万向接头416之间分别安装丝索，以代替在卷绕装置404与万向接头416之间、以及在卷绕装置405与万向接头417之间分别安装丝索。

以下，对动作原理进行说明。

当丝索408和丝索409共同牵引时，可动盘414绕y′轴并沿正方向旋转。A点和B点离y轴越近，可动范围越大，但牵引力却越小。另一方面，当丝索410牵引时，可动盘414绕y′轴并沿负方向旋转。C点离y轴越近，可动范围越大，但牵引力却越小。

当丝索408牵引时，可动盘414绕z轴并沿负方向朝向。A点离x轴越远，可动范围越大，但牵引力却越小。另一方面，当丝索409牵引时，可动盘414绕z轴并沿正方向旋转。B点离x轴越远，可动范围越大，但牵引力却越小。

如以上所述，由于可改变2自由度的姿态，因此，只用两根丝索就可操作，从而，当用三根丝索时，还可以调整刚度。

此外，如图7所示，增加了一组驱动单元，该驱动单元由电机、卷绕装置、组装有非线性弹簧的丝索、以及万向接头构成，将安装有4个卷绕装置的电机配置在固定平面坐标系xoy的不同象限内，将4个万向接头配置在移动平面坐标系x′o′y′的不同象限内，利用丝索将位于固定平面坐标系xoy的第1、第4、第2、第3象限的电机分别与位于移动平面坐标系x′o′y′的第4、第1、第3、第2象限的万向接头联接起来，由此能够独立地控制偏转（绕z轴的转动）和仰俯（绕y′轴的转动）和各自的刚度。

实施例4

如图8所示，本实施方式的关节机器人1000具有：固定盘601；两个关节（以下，所有的关节都是两个转轴相互垂直的万向接头）；连杆604；6个旋转致动器（此处，旋转致动器至少包括旋转电机、齿轮、以及滑轮）；6根二关节筋（以下，将横跨两个关节的关节筋称为二关节筋，将横跨一个关节的关节筋称为单关节筋）；可动盘602。

将第1关节31联接在固定盘601的下表面中心部，将第2关节32联接在可动盘602的上表面中心部，并且，将连杆604联接在第1关节31和第2关节32之间。此外，第1关节31以下述方式设置：使其固定盘侧的旋转轴与固定盘601的平面平行，使连杆侧的旋转轴垂直于连杆604，第2关节32以下述方式设置：使可动盘侧的旋转轴与可动盘602的平面平行，使连杆侧的旋转轴垂直于连杆604。此外，6个旋转致动器51～56沿固定盘的圆周配置在大致等间隔的6个位置，6根二关节筋61～66的各自的一端分别联接到旋转致动器51～56，各自的剩余的另一端分别经由固定销71～76在与6个旋转致动器对应的6个位置联接至可动盘602的圆周。

其次，对本实施方式的关节机器人1000的动作进行说明。

第1关节31和第2关节32都是2自由度的万向接头，第1关节31的两个旋转轴相互垂直，并且固定盘侧的旋转轴与固定盘601的平面平行，连杆侧的旋转轴垂直于连杆604，第2关节32的两个旋转轴相互垂直，并且可动盘侧的旋转轴与可动盘602的平面平行，连杆侧的旋转轴与连杆604垂直，因此，可动盘能够绕第1关节31的两个旋转轴和绕第2关节32的两个旋转轴进行4自由度的旋转移位。另一方面，6根二关节筋61～66的任意三根不会进入同一平面上。此外，除非可动盘602相对固定盘601从平行状态姿态移位到接近90°的姿势，否则各二关节筋不会与各关节的各旋转轴平行，因此，各二关节筋产生的力相对于可动盘的移位独立地产生转矩。

如前所述，使用比机器人的自由度数多两个的多关节筋，能够以下述方式拮抗驱动机器人：总是施加固定的预张力，以免二关节筋从滑轮槽脱开。进而，通过在各旋转致动器的旋转电机和滑轮之间组装非线性弹簧构件，也能够独立地调整机器人的2自由度的刚度而不会对机器人的位置姿态产生影响。此处，所谓非线性弹簧，就是其弹性系数不是固定值，而是根据位移或张力而发生改变。

如以上的说明，对于本实施方式的关节机器人1000，所有的致动器被配置在固定盘上，通过一个连杆、两个关节以及数根关节筋来驱动可动盘，由此，关节机器人的可动部就变得轻量，安全性变高。此外，通过组装非线性弹簧构件并根据需要调整刚度，能够同时兼顾良好的安全性和优异的控制性能。

实施例5

图9是与本发明的第5实施方式相关的关节机器人的结构图。

关节机器人2000在下述方面与第4实施方式的关节机器人1000不同，其它结构都相同地构成：增加了回转致动器608，并且，将第1关节31联接到回转致动器608的转子，以代替固定盘601。

回转致动器608由回转电机和齿轮构成，回转轴与固定盘601垂直。从而，可动盘602能够一边经由6根二关节筋并通过6个旋转致动器绕第1关节31的两个旋转轴和第2关节32的两个旋转轴进行4自由度旋转移位，一边经由第1关节31和连杆604以及第2关节32并通过回转致动器608绕垂直轴旋转。

实施例6

图10是本发明的第6实施方式的关节机器人的结构图。

该第6实施方式的关节机器人3000与第4实施方式的关节机器人1000的不同之处在于具有直线致动器609代替连杆604，其它结构都同样地构成。

在直线致动器609的两端联接着两个关节，伸缩方向与各关节的接近直线致动器的旋转轴垂直。从而，可动盘602能够一边经由6根二关节筋并通过6个旋转致动器绕第1关节31的两个旋转轴和第2关节32的两个旋转轴进行4自由度旋转移位，一边通过直线致动器609沿垂直方向平移。

实施例7

图11是本发明的第7实施方式的关节机器人的结构图。

在关节机器人4000中，增加了回转致动器608，并且，将第1关节31联接到回转致动器608的转子，以代替固定盘601。

回转致动器608的回转轴与固定盘601垂直。从而，可动盘602能够一边经由6根二关节筋并通过6个旋转致动器绕第1关节31的两个旋转轴和第2关节32的两个旋转轴进行4自由度旋转移位，并且通过直线致动器609沿垂直方向平移，一边经由第1关节31、直线致动器609、以及第2关节32并通过回转致动器608绕垂直轴转动。

实施例8

图12是本发明的第8实施方式的关节机器人的结构图。

在关节机器人5000中，将二关节筋中的一部分换成单关节筋，并且将所有单关节筋的一端与连杆604联接。

一端分别联接到旋转致动器的单关节筋67、68的剩下的另一端分别通过固定销77、78联接到连杆604。由于单关节筋67、68被配置在接近关节机器人的根部的位置，因此，以微小的伸缩就可以在可动盘602上引起较大的位移。另一方面，由于二关节筋61～64直接联接到可动盘602，因此，能够负担联接到可动盘602上的较大的负载。从而，根据需要，通过使单关节筋、或者二关节筋、或者单关节筋和二关节筋的组合进行伸缩，本实施方式的关节机器人5000能够以4自由度进行高速移动或者进行沉重负载的搬运等作业。

实施例9

图13是本发明的第9实施方式的关节机器人的结构图。

在关节机器人6000中，将二关节筋中的一部分改换为单关节筋，并且将所有单关节筋的一端联接到连杆604上。

一端分别联接到旋转致动器的单关节筋67、68的剩下的另一端分别通过固定销77、78联接到连杆604。由于单关节筋67、68被配置在接近关节机器人的根部的位置，因此，以微小的伸缩就可以在可动盘602上引起较大的位移。另一方面，由于二关节筋61～64直接联接到可动盘602，因此，能够负担联接到可动盘602上的较大的负载。从而，根据需要，通过使单关节筋、或者二关节筋、或者单关节筋和二关节筋的组合进行伸缩，本实施方式的关节机器人6000能够以5自由度进行高速移动或者进行沉重负载的搬运等作业。

实施例10

图14是本发明的第10实施方式的关节机器人的结构图。

在关节机器人7000中，将二关节筋中的一部分改换为单关节筋，并且将所有的单关节筋的一端联接到直线致动器609上。

一端分别联接到旋转致动器的单关节筋67、68的剩下的另一端分别通过固定销77、78联接到直线致动器609。由于单关节筋67、68被配置在接近关节机器人的根部的位置，因此，以微小的伸缩就可以在可动盘602上引起较大的位移。另一方面，由于二关节筋61～64直接联接到可动盘602，因此，可以负担联接到可动盘602上的较大的负载。从而，根据需要，通过使单关节筋、或者二关节筋、或者单关节筋和二关节筋的组合进行伸缩，本实施方式的关节机器人7000能够以5自由度进行高速移动或者进行沉重负载的搬运等作业。

实施例11

图15是本发明的第11实施方式的关节机器人的结构图。

在关节机器人8000中，将二关节筋中的一部分改换为单关节筋，并且将所有的单关节筋的一端联接到直线致动器609上。

一端分别联接到旋转致动器的单关节筋67、68的剩下的另一端分别通过固定销77、78联接到直线致动器609。由于单关节筋67、68被配置在接近关节机器人的根部的位置，因此，以微小的伸缩就可以在可动盘602上引起较大的位移。另一方面，由于二关节筋61～64直接联接到可动盘602，因此，可以负担联接到可动盘602上的较大的负载。从而，根据需要，通过使单关节筋、或者二关节筋、或者单关节筋和二关节筋的组合进行伸缩，本实施方式的关节机器人8000就能够以6自由度进行高速移动或者进行沉重负载的搬运等作业。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但只要是所谓的本领域技术人员，就能够在不脱离本发明的主旨的范围内根据所述实施方式可进行适当变更，此外，也可以将所述实施方式和变更例的方法进行适当的组合以进行利用。亦即，即使是实施了这样的变更等的技术，当然也包含在本发明的技术范围内。

例如，将旋转致动器的个数和二关节筋的根数同时以6为例，但只要同时是5以上即可。此外，在实施方式5～8中，将转动致动器的个数以6为例，将二关节筋和单关节筋的根数分别以4和2为例，但旋转致动器的个数也可以是5以上，二关节筋的根数也可以是3以上，并且，只要二关节筋的根数和单关节筋的根数之和与旋转致动器的个数相等即可。

附图符号说明

1、2、3、401、402、403…电机

4、420…基部

5、6、7、24、25…滑轮

8、9、10、408、409、410…丝索

11、12、13、411、412、413…非线性弹簧

14、407…支承柱

15…丝索导向装置

16、416、417、418…万向接头

17、419…输出轴

20…差动机构

21…固定部件

22…支承轴

23…环

26、27…侧齿轮

28…小齿轮

100…关节机器人

201…目标指令生成部

202、203…姿态角度控制部

204…张力指令计算部

205…姿态角度推定部

206、207、208…张力控制部

209、210、211…电机驱动部

101、102、103…编码器

104、105、106…张力传感器

107、108…角度传感器

404、405、406…卷绕装置

414…可动盘

415…万向节

501…旋转轴接头

502…旋转轴

503…回转轴接头

Claims (3)

1.一种机器人，该机器人具有：

基部；

至少三个电机，所述至少三个电机设置在所述基部上；

至少三个卷绕装置，所述至少三个卷绕装置分别安装在这些电机上；

支承柱，所述支承柱被设置为轴中心线垂直于所述基部的表面；

万向节，所述万向节安装在所述支承柱的上端；

可动盘，所述可动盘安装在所述万向节上；

至少三个万向接头，所述至少三个万向接头设置在所述可动盘的底部；

丝索，所述丝索一对一联接所述卷绕装置和所述万向接头，并且所述丝索组装有非线性弹簧；以及

输出轴，所述输出轴被固定为其轴中心线垂直于所述可动盘的上表面，

所述机器人的特征在于，

以下述方式设置固定直角坐标系xyzo：

将所述支承柱的轴中心线与所述基部的表面的交点作为原点o，将所述支承柱的轴中心线作为z轴，并将离开所述基部的表面的方向作为z轴的正方向，使y轴平行于所述万向节的与所述支承柱接触的轴的轴中心线，

以下述方式设置移动直角坐标系x′y′z′o′：

将所述输出轴的轴中心线与所述可动盘的下表面的交点作为原点o′，将所述输出轴的轴中心线作为z′轴，并将离开所述可动盘的上表面的方向作为z′轴的正方向，使x′轴平行于所述万向节的与所述可动盘接触的轴的轴中心线，并且所述移动直角坐标系x′y′z′o′与所述可动盘一起移动，

将所述电机配置成使一个所述卷绕装置位于x的负轴，并使两个以上的所述卷绕装置分别位于xoy坐标系的第1象限和第4象限，将所述万向接头配置成使所述万向接头在x′o′y′坐标系中的相位分别与所述卷绕装置在所述xoy坐标系中的相位为相同的值，并且利用所述丝索将位于该不同的两个坐标系的各自相同的相位的所述卷绕装置与所述万向接头一对一地连接起来。

2.一种机器人，该机器人具有：

基部；

至少三个电机，所述至少三个电机设置在所述基部上；

至少三个卷绕装置，所述至少三个卷绕装置分别安装在这些电机上；

支承柱，所述支承柱被设置为轴中心线垂直于所述基部的表面；

旋转轴接头，所述旋转轴接头安装在所述支承柱的上端；

旋转轴，所述旋转轴安装在所述旋转轴接头上；

回转轴接头，所述回转轴接头安装在所述旋转轴的上端；

可动盘，所述可动盘安装在所述回转轴接头上；

至少三个万向接头，所述至少三个万向接头设置在所述可动盘的底部；

丝索，所述丝索一对一地连接所述卷绕装置和所述万向接头，并且所述丝索组装有非线性弹簧；以及

输出轴，所述输出轴被固定为轴中心线垂直于所述可动盘的上表面，

所述机器人的特征在于，

以下述方式设置移动直角坐标系x′y′z′o′：

将所述输出轴的轴中心线与所述可动盘的下表面的交点作为原点o′，将所述输出轴的轴中心线作为z′轴，并将离开所述可动盘的上表面的方向作为z′轴的正方向，使y′轴与所述回转轴的轴中心线平行，并且所述移动直角坐标系x′y′z′o′与所述可动盘一起移动，

以下述方式设置固定直角坐标系xyzo：

将所述支承柱的轴中心线与所述基部的表面的交点作为原点o，将所述支承柱的轴中心线作为z轴，并将离开所述基部的表面的方向作为z轴的正方向，当所述输出轴的轴中心线与所述旋转轴的轴中心线一致时，y轴与y′轴平行，

将三个所述电机配置成使一个所述卷绕装置位于x的负轴，并使其余的两个所述卷绕装置分别位于xoy坐标系的第1象限和第4象限，将三个所述万向接头配置成使三个所述万向接头在x′o′y′坐标系中的相位分别与三个所述卷绕装置在所述xoy坐标系中的相位为相同的值，并且利用三根所述丝索将位于x的负轴的所述卷绕装置与位于x′的负轴的所述万向接头、位于xoy坐标系的第1象限的所述卷绕装置与位于x′o′y′坐标系的第4象限的所述万向接头、以及位于xoy坐标系的第4象限的所述卷绕装置与位于x′o′y′坐标系的第1象限的所述万向接头分别连接起来。

3.一种机器人的控制装置，其特征在于，

所述机器人的控制装置一边根据丝索的张力指令和所述丝索的张力信号进行张力控制，一边根据姿态角度的目标指令、刚度的目标指令以及各电机的旋转角度信号生成各丝索的张力指令，从而控制所述关节机器人的姿态角度和刚度，

所述机器人的控制装置具有：

姿态角度推定部，该姿态角度推定部根据各电机的旋转角度信号和各丝索的张力信号计算出姿态角度的推定值；

姿态角度控制部，该姿态角度控制部接收所述姿态角度的目标指令与所述姿态角度的推定值之间的偏差，并输出姿态转矩指令；以及

张力指令计算部，该张力指令计算部根据所述姿态转矩指令、所述刚度的目标指令以及所述姿态角度的推定值计算出张力指令。

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