KR102362476B1 - 오차보정을 이용한 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

오차보정을 이용한 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템에 관한 것으로서, 갠트리(Gantry)가 x축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 x축레일부, 상기 갠트리(Gantry)가 y축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 y축레일부, 상기 y축레일부에 부착되어 슬라이딩하며 이송물 또는 유체 공급 호스를 파지하는 픽업부, 상기 픽업부가 z축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 z축레일부, 상기 x축레일부, 상기 y축레일부 및 상기 z축레일부에 마련되어 상기 갠트리의 이동을 전기에너지를 이용하여 동작시키는 모터부, 상기 픽업부의 작업위치 및 유체공급유량을 포함하는 작업데이터를 수신하는 데이터수신부 및 상기 수신된 작업위치와 상기 갠트리의 현재 위치를 비교하여 상기 픽업부의 이동방향과 거리를 제어하는 이동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

오차보정을 이용한 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템 및 그 방법{3D ROTARY GANTRY PRECISION POSITIONING SYSTEM AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 갠트리 위치 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 x축, y축, z축으로 구성된 3차원으로 회전하는 갠트리의 정밀위치를 제어하는 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템에 관한 것이다.
갠트리는, 하중이 큰 대형 운반물의 반입 및 반출시 운반물의 최대 폭과 최대 높이에 따라 건물 내 조립설치되어 안전하고 빠르게 운반물을 운반하는 장치로서 간단하게는 상하식 갠트리부터 3축이동이 가능하도록 설계될 수 있다.
또한, 갠트리를 이용하여 건설 또는 결합하는 결합식 작업이 증가함에 따라 갠트리가 단순히 하중이 큰 운반물의 이동수단이 아닌 섬세한 결합이 가능한 시스템으로서의 성능이 요구되고 있는 실정이다.
그러나, 작업자가 제어하는 경우 안전사고의 가능성이 여전히 존재하고 있고, 정확한 결합을 위하여 갠트리를 운용하는 경우 다양한 각도에서 넓은 시야가 요구되기 때문에 작업자의 제어로 갠트리를 정밀 제어하기에 많은 문제점이 있다.
따라서, 갠트리를 정밀 제어하여 운반물의 이송위치를 정확하게 결정하고 콘크리트 타설이 효과적으로 이루어지는 시스템에 대한 연구가 요구된다.
한국등록특허 제10-1095690호
본 발명은 3차원으로 회전하는 갠트리를 정밀 제어함으로써, 이송물의 위치를 정밀하게 설정하여 이송시킴에 목적이 있다.
또한, 갠트리에 자동 유량 제어 밸브를 마련함으로써, 콘크리트와 같은 유체를 정밀하게 타설함에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템은, 갠트리(Gantry)가 x축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 x축레일부, 상기 갠트리(Gantry)가 y축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 y축레일부, 상기 y축레일부에 부착되어 슬라이딩하며 이송물 또는 유체 공급 호스를 파지하는 픽업부, 상기 픽업부가 z축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 z축레일부, 상기 x축레일부, 상기 y축레일부 및 상기 z축레일부에 마련되어 상기 갠트리의 이동을 전기에너지를 이용하여 동작시키는 모터부, 상기 픽업부의 작업위치 및 유체공급유량을 포함하는 작업데이터를 수신하는 데이터수신부 및 상기 수신된 작업위치와 상기 갠트리의 현재 위치를 비교하여 상기 픽업부의 이동방향과 거리를 제어하는 이동제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 픽업부는, z축 방향 거리 측정을 위한 레이저 거리센서를 포함하고, 상기 이동제어부는, 상기 수신된 작업위치 내의 x좌표 및 y좌표를 이용하여 상기 픽업부의 x축 레일부 및 y축레일부의 이동을 결정하고, 상기 수신된 작업위치 내의 z좌표와 상기 레이저 거리센서를 통해 산출한 거리정보를 이용하여 상기 픽업부의 z좌표 이동거리를 최종결정하여 상기 픽업부의 이동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 최종결정된 픽업부의 z좌표 이동거리(Dfinal)는, 하기 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021149964910-pat00001
여기서, Dfinal은 최종결정된 픽업부의 z좌표 이동거리, Dfirst는 픽업부의 현재 위치 z좌표와 작업위치 내 z좌표와의 거리, N은 유량 수위면과 픽업부의 이격필요거리(상수), Dlevel은 픽업부의 현재위치 z좌표와 유량 수위면 사이의 거리(상기 레이저 거리센서를 통해 측정됨)를 각각 의미함
본 발명의 일측에 따르면, 상기 픽업부의 현재위치 z좌표와 유량 수위면 사이의 거리(Dlevel)는, 상기 레이저 거리센서를 통해 기설정된 제1 횟수 측정한 값들의 제1 평균값 및 제1 표준편차를 산출하고, 상기 레이저 거리센서를 통해 기설정된 제2 횟수 측정한 값들의 제2 평균값 을 산출하여 상기 제1 평균값과 제2 평균값의 최종 평균값(Afinal)을 Dlevel으로 결정될 수 있다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 제2 평균값의 산출은, 상기 제2 횟수 측정한 값들 중 노이즈를 제거한 후 평균값을 산출하되, 상기 제2 횟수 측정한 값들과 제1 평균값의 편차가 제1 표준편차의 3배수를 초과하는 값은 노이즈로 결정될 수 있다.
본 발명에 따르면, 3차원으로 회전하는 갠트리를 정밀 제어함으로써, 이송물의 위치를 정밀하게 설정하여 이송시킬 수 있다.
또한, 갠트리에 자동 유량 제어 밸브를 마련함으로써, 콘크리트와 같은 유체를 정밀하게 타설할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시례에 따른 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템의 블록도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시례에 따른 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시례에 따라 픽업부의 이동방향과 거리를 산출하기 위한 공간 상의 좌표를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시례에 따라 픽업부의 이동방향과 거리를 산출하기 위한 좌표상의 거리값을 설명하기 위한 도면이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시례 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시례들을 참조하면 명확해질 것이다.
본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시례에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.
이하, 본 발명인 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템 및 그 방법은 첨부된 도 1 내지 도 4를 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시례에 따른 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템의 블록도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시례에 따른 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템의 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일실시례에 따라 픽업부의 이동방향과 거리를 산출하기 위한 공간 상의 좌표를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시례에 따라 픽업부의 이동방향과 거리를 산출하기 위한 좌표상의 거리값을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시례에 따른 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템(100)은 x축레일부(110), y축레일부(120), 픽업부(130), z축레일부(140), 모터부(150), 데이터수신부(160), 이동제어부(170)를 포함할 수 있다.
상기 x축레일부(110)는, 갠트리(Gantry)가 x축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되어 상기 갠트리가 x축 이동할 수 있는 경로를 제공할 수 있다.
이때, 상기 x축레일부(110)의 높이는 상기 갠트리의 이송 물체 또는 유체 공급 높이에 맞게 설계하여 마련될 수 있다.
상기 y축레일부(120)는, 상기 갠트리(Gantry)가 y축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되어 상기 갠트리가 y축 이동할 수 있는 경로를 제공할 수 있다.
상기 픽업부(130)는, 상기 y축레일부에 부착되어 슬라이딩하며 이송물 또는 유체 공급 호스를 파지할 수 있다.
이때, 상기 유체 공급 호스는, 상기 유량제어부(미도시)의 신호에 대응하여 유량 공급 유무 및 유량 공급량을 조절할 수 있다.
상기 z축레일부(140)는, 상기 픽업부가 z축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되어, 상기 갠트리가 z축 이동할 수 있는 경로를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 z축 높이는 상기 갠트리의 이송 물체 크기 또는 유체 공급 높이에 따라 설정되어 마련될 수 있다.
상기 모터부(150)는, 상기 x축레일부(110), 상기 y축레일부(120) 및 상기 z축레일부(140)에 마련되어 상기 갠트리를 이동을 전기에너지를 이용하여 동작시킬 수 있다.
여기서, 상기 모터부(150) 내 모터는 서보모터를 이용하고, 상기 서보모터를 통해 이동된 거리는 상기 이동제어부(170)에 전송되어, 상기 이동제어부(170)가 갠트리의 현재 위치를 파악하도록 관리될 수 있다.
상기 데이터수신부(160)는, 상기 픽업부의 작업위치 및 유체공급유량을 포함하는 작업데이터를 수신할 수 있다.
여기서, 상기 데이터수신부(160)는 외부 단말로부터 픽업부의 작업위치 및 유체공급유량 데이터를 수신하거나, 픽업부 등에 마련된 센서를 통해 필요 데이터를 수신할 수도 있다.
상기 센서는 3축 위치 센서, 거리감지 센서, 유량 감지센서를 포함할 수 있으며, 상기 3축 위치 센서 및 거리감지 센서는 상기 픽업부(130)에 마련될 수 있다.
또한, 상기 유량감지 센서는, 상기 픽업부(130)에 유량 공급호스가 체결되는 경우, 상기 유량 공급호스에 마련되어 유량 공급호스로부터 공급되는 유체의 유량을 감지할 수 있다.
상기 이동제어부(170)는, 상기 수신된 작업위치와 상기 갠트리의 현재 위치를 비교하여 상기 픽업부의 이동방향과 거리를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 이동제어부(170)는 상기 작업데이터 및 상기 모터부(150)에서 수신한 서보모터 이동 데이터 등을 취합하여 상기 갠트리의 위치를 산출하고, 이를 수신된 작업위치와 비교하여 상기 픽업부의 이동방향과 거리를 제어할 수 있다.
이때, 상기 갠트리의 위치는 기설정된 스마트기기 및 모니터링이 가능한 모니터링 시설에 표시될 수 있다.
여기서, 상기 기설정된 스마트기기는 무선통신이 가능한 스마트폰, 태블릿pc, 노트북 등을 의미할 수 있다.
상기와 같은 작업을 수행하기 위해, 상기 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템은 x축레일부, y축레일부 및 z축레일부를 마련하고 픽업부에 이송물을 이송하는 경우 이송물 전용 픽업대를 장착할 수 있고, 콘크리트 등의 유체를 공급하는 경우에는, 유체 공급 호스를 체결하는 픽업부를 마련할 수 있다.
보다 상세하게는 상기 픽업부는, z축 방향 거리 측정을 위한 레이저 거리센서를 포함하고, 상기 이동제어부는, 상기 수신된 작업위치 내의 x좌표 및 y좌표를 이용하여 상기 픽업부의 x축 레일부 및 y축레일부의 이동을 결정하며, 상기 수신된 작업위치 내의 z좌표와 상기 레이저 거리센서를 통해 산출한 거리정보를 이용하여 상기 픽업부의 z좌표 이동거리를 최종결정하여 상기 픽업부의 이동을 제어할 수 있다.
보다 상세하게는, 픽업부가 3축 이동을 통하여 원하는 지점에 이동한 후 상기 픽업부가 파지한 이송물 또는 유체공급호스 등을 통해 작업이 수행될 수 있는데, 픽업부의 이동은 이동제어부를 통해 이루어질 수 있다.
이동 제어부는 데이터수신부가 수신한 작업데이터로부터 작업위치를 추출하며, 상기 추출된 작업위치에는 3축 좌표계 내에서의 이동목표지점 좌표값이 포함될 수 있다. 이때, 작업데이터에 포함된 작업위치는 외부 단말 등을 통해 산출된 결과값인데, 현장에서 센싱된 정보를 통해 판단한 이동목표지점과 불일치하는 경우가 발생할 수 있으므로, 이를 종합적으로 판단하여 이동방향과 거리를 제어할 수 있다.
따라서, 상기 픽업부의 z좌표 이동거리(Dfinal)를 최종결정하는 과정이 이루어질 수 있으며, 이는 하기 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112021149964910-pat00002
여기서, Dfinal은 최종결정된 픽업부의 z좌표 이동거리, Dfirst는 픽업부의 현재 위치 z좌표와 작업위치 내 z좌표와의 거리, N은 유량 수위면과 픽업부의 이격필요거리(상수), Dlevel은 픽업부의 현재위치 z좌표와 유량 수위면 사이의 거리(상기 레이저 거리센서를 통해 측정됨)를 각각 의미함.
상기 [수학식 1]에 의해 픽업부의 z좌표 이동거리(Dfinal)가 산출되는 과정은 도 3 및 도 4를 참고하여 보다 상세하게 설명한다. 도 3 및 도 4에서는 거푸집 내에 콘크리트를 공급하는 과정을 수행하는 중 픽업부의 z좌표 이동거리(Dfinal)가 산출되고 보정되는 과정을 예시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 픽업부를 중심으로 마련되는 3차원 좌표계 상에서 xy평면 상의 이동이 우선적으로 이루어지면, z축 이동을 통해 콘크리트를 추가 공급할 수 있는데, 이때 z축 상에서의 콘크리트 추가 공급 지점을 보정하는 과정이 필요하다.
일례로, 작업데이터에 포함된 작업위치의 z축 좌표값은 콘크리트가 형성하는 수위면(410)과 일정한 거리를 유지하도록 산출된 것인데, 실제 현장에서 레이저 거리센서를 통해 픽업부와 콘크리트 수위면(410) 사이의 거리(Dlevel)를 측정한 결과는 작업위치의 z축 좌표값 산출에 사용된 정보와 상이할 수 있다.
따라서, z축 좌표값 산출시에 예상했던 콘크리트 수위면(410)보다 레이저 거리센서를 통해 센싱한 수위면이 더 낮은 위치에 있는 경우, 상기 작업위치의 z축 좌표값보다 더 낮은 위치로 픽업부가 이동되어야 하고, 레이저 거리센서를 통해 센싱한 수위면이 더 높은 위치에 있는 경우, 상기 작업위치의 z축 좌표값보다 더 높은 위치로 픽업부가 이동되어야 이동 후의 픽업부와 수위면 사이의 거리(N : 기설정된 값으로 상수값)가 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 레이저 거리센서를 통해 픽업부와 콘크리트 수위면(410) 사이의 거리(Dlevel)와 작업위치의 z축 좌표값에 대응하여 예상된 이동예정거리(Dfirst)의 차이값을 계산하고, 그 값이 픽업부와 수위면 사이에 유지되어야 하는 이격거리(N)와의 오차값을 계산한 후, 상기 오차값을 작업위치의 z축 좌표값에 대응하여 예상된 이동예정거리(Dfirst)에 보정하는 과정으로 최종 결정되는 픽업부의 z좌표 이동거리(Dfinal)가 산출될 수 있다.
한편, 레이저 거리센서를 통해 측정되는 상기 픽업부의 현재위치 z좌표와 유량 수위면 사이의 거리(Dlevel)는, 정밀한 측정을 위해 아래 과정을 통해 산출될 수 있다.
상기 픽업부의 현재위치 z좌표와 유량 수위면 사이의 거리(Dlevel) 산출은 우선, 상기 레이저 거리센서를 통해 기설정된 제1 횟수 측정한 값들의 제1 평균값 및 제1 표준편차를 산출하고, 상기 레이저 거리센서를 통해 기설정된 제2 횟수 측정한 값들의 제2 평균값 을 산출하여 상기 제1 평균값과 제2 평균값의 최종 평균값(Afinal)을 Dlevel으로 결정할 수 있다.
일례로, 1차 측정을 통해 5차례에 걸쳐 거리를 측정하고, 이들의 평균값(제1평균값)과 표준편차를 산출한 후, 2차 측정을 통해 10차례에 걸쳐 거리를 측정하고 2차 측정값들의 평균값(제2 평균값)을 산출한 후 제1 평균값과 제2 평균값의 평균을 산최종 평균값으로 산출하여 그 값을 픽업부의 현재위치 z좌표와 유량 수위면 사이의 거리(Dlevel)로 결정할 수 있다.
이때, 제2 평균값의 산출 과정에서 10차례에 걸쳐 측정된 거리값 중 노이즈가 존재하는 경우에는 상기 노이즈를 제거한 나머지를 이용하여 제2 평균값을 산출할 수 있다.
즉, 상기 제2 평균값의 산출은, 상기 제2 횟수 측정한 값들 중 노이즈를 제거한 후 평균값을 산출하되, 상기 제2 횟수 측정한 값들과 제1 평균값의 편차가 제1 표준편차의 3배수를 초과하는 값은 노이즈로 결정할 수 있다.
따라서, 제1 측정을 통해 측정된 거리값을 이용하여 제1 표준편차가 산출되면, 2차 측정을 통해 측정된 거리값 중 제1 평균값과의 편차가 표준편차의 3배를 초과할 정도라면 노이즈일 것으로 판단하여 이를 제외하고 제2 평균값을 산출함으로써, 거리 측정의 정확도를 보다 향상시킬 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 일실시례에 따르면, 각 레일부의 모터부에 마련된 서보모터 및 위치 센서로부터 위치를 산출하여 상기 3차원 회전 갠트리의 정밀 위치를 산출하여 정밀 작업을 수행 할 수 있다.
또한, 픽업부를 이동시키기 위해 산출된 예상 이동거리와 현장에서의 센서에 의해 측정된 거리를 모두 반영하여 보정값을 산출함으로써 현장 상황에 맞는 최적의 이동이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시례에 따르면, 3차원으로 회전하는 갠트리를 정밀 제어함으로써, 이송물의 위치를 정밀하게 설정하여 이송시킬 수 있다.
또한, 갠트리에 자동 유량 제어 밸브를 마련함으로써, 콘크리트와 같은 유체를 정밀하게 타설할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일실시례는 비록 한정된 실시례와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 일실시례는 상기 설명된 실시례에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 일실시례는 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템
110 : x축레일부
120 : y축레일부
130 : 픽업부
140 : z축레일부
150 : 모터부
160 : 데이터수신부
170 : 이동제어부

Claims (5)

  1. 갠트리(Gantry)가 x축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 x축레일부;
    상기 갠트리(Gantry)가 y축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 y축레일부;
    상기 y축레일부에 부착되어 슬라이딩하며 이송물 또는 유체 공급 호스를 파지하는 픽업부;
    상기 픽업부가 z축 방향으로 이동하도록 레일이 마련되는 z축레일부;
    상기 x축레일부, 상기 y축레일부 및 상기 z축레일부에 마련되어 상기 갠트리의 이동을 전기에너지를 이용하여 동작시키는 모터부;
    상기 픽업부의 작업위치 및 유체공급유량을 포함하는 작업데이터를 수신하는 데이터수신부; 및
    상기 수신된 작업위치와 상기 갠트리의 현재 위치를 비교하여 상기 픽업부의 이동방향과 거리를 제어하는 이동제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 픽업부는,
    z축 방향 거리 측정을 위한 레이저 거리센서를 포함하고,
    상기 이동제어부는,
    상기 수신된 작업위치 내의 x좌표 및 y좌표를 이용하여 상기 픽업부의 x축 레일부 및 y축레일부의 이동을 결정하고,
    상기 수신된 작업위치 내의 z좌표와 상기 레이저 거리센서를 통해 산출한 거리정보를 이용하여 상기 픽업부의 z좌표 이동거리를 최종결정하여 상기 픽업부의 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 최종결정된 픽업부의 z좌표 이동거리(Dfinal)는,
    하기 [수학식 1]에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112021149964910-pat00003

    여기서, Dfinal은 최종결정된 픽업부의 z좌표 이동거리, Dfirst는 픽업부의 현재 위치 z좌표와 작업위치 내 z좌표와의 거리, N은 유량 수위면과 픽업부의 이격필요거리(상수), Dlevel은 픽업부의 현재위치 z좌표와 유량 수위면 사이의 거리(상기 레이저 거리센서를 통해 측정됨)를 각각 의미함.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 픽업부의 현재위치 z좌표와 유량 수위면 사이의 거리(Dlevel)는,
    상기 레이저 거리센서를 통해 기설정된 제1 횟수 측정한 값들의 제1 평균값 및 제1 표준편차를 산출하고,
    상기 레이저 거리센서를 통해 기설정된 제2 횟수 측정한 값들의 제2 평균값 을 산출하여 상기 제1 평균값과 제2 평균값의 최종 평균값(Afinal)을 Dlevel으로 결정하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 평균값의 산출은,
    상기 제2 횟수 측정한 값들 중 노이즈를 제거한 후 평균값을 산출하되,
    상기 제2 횟수 측정한 값들과 제1 평균값의 편차가 제1 표준편차의 3배수를 초과하는 값은 노이즈로 결정하는 것을 특징으로 하는 3차원 회전 갠트리 정밀위치 제어 시스템.
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