舵機(jī)控制型機(jī)器人設(shè)計要點
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1、 課程設(shè)計項目說明書 舵機(jī)控制型機(jī)器人設(shè)計 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級 2013 級機(jī)械創(chuàng)新班 姓 名 吳澤群 王志波 謝嘉恒 袁土良 指導(dǎo)教師 王苗苗 提交日期 2016 年 4 月 1 日 華 南 理 工 大 學(xué) 廣 州 學(xué) 院 任 務(wù) 書
2、 茲發(fā)給 2013 級機(jī)械創(chuàng)新 班學(xué)生 吳澤群 王志波 謝嘉恒 袁土良 《產(chǎn)品設(shè)計項目》課程任務(wù)書,內(nèi)容如下: 1. 題目: 2.應(yīng)完成的項目: 舵機(jī)控制型機(jī)器人設(shè)計 1.設(shè)計舵機(jī)機(jī)器人并實現(xiàn)運動 2.撰寫機(jī)器人說明書 3.參考資料以及說明: [1] 孫桓 . 機(jī)械原理 [M]. 北京 . 第六版 ; 高等教育出版社, 2001 [2] 張鐵,李琳,李杞儀 . 創(chuàng)新思維與設(shè)計 [M]. 國防工業(yè)出版社, 2005 [3] 周藹如 . 林偉健 .C++程序設(shè)計基礎(chǔ) [M].
3、電子工業(yè)出版社 . 北京 .2012.7 [4] 唐增宏 . 常建娥 . 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計 [M]. 華中科技大學(xué)出版社 . 武漢 .2006.4 [5] 李琳 . 李杞儀 . 機(jī)械原理 [M]. 中國輕工業(yè)出版社 . 北京 .2009.8 [6] 何庭蕙 . 黃小清 . 陸麗芳 . 工程力學(xué) [M]. 華南理工大學(xué) . 廣州 .2007.1 4.本任務(wù)書于 2016 年 2 月 27 日發(fā)出,應(yīng)于 2016 年 4 月 2 日前完成,然后提交給指導(dǎo)教師進(jìn)行評定。 指導(dǎo)教師(導(dǎo)師組) 簽發(fā) 2016
4、年 月 日 評語: 總評成績: 指導(dǎo)教師簽字: 年 月 日 目 錄 摘 要 1 第一章 緒論 2 1.1 機(jī)器人的定義及應(yīng)用范圍
5、 2 1.2 舵機(jī)對機(jī)器人的驅(qū)動控制 2 第二章 舵機(jī)模塊 3 2.1 舵機(jī) 3 2.2 舵機(jī)組成 3 2.3 舵機(jī)工作原理 4 第三章 總體方案設(shè)計與分析 6 3.1 機(jī)器人達(dá)到的目標(biāo)動作 6 3.2 設(shè)計原則 6 3.3 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu) 6 3.4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 6 3.4.1 中央控制模塊 7 3.4.2 舵機(jī)驅(qū)動模塊 7 3.5 機(jī)器人腿部整體結(jié)構(gòu) 8 第四章 程序設(shè)計 9 4.1 程序流程圖 9 4.2 主要中斷程序 9 4.3 主程序 11 參考文獻(xiàn) 13 附
6、錄 14 一.程序 14 二.硬件圖 17 摘 要 機(jī)器人是上個世紀(jì)中葉迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機(jī)電一體化產(chǎn)品, 在發(fā)達(dá)國家, 工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大, 遍及工業(yè)、國防、宇宙空間、海洋開發(fā)、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域。進(jìn)入 21 世紀(jì),人們已經(jīng)越來越 親身地感受到機(jī)器人的深入生產(chǎn),深入生活,深入社會的堅實步伐。 機(jī)器人技術(shù)在不斷發(fā)展提高, 機(jī)器人系統(tǒng)中的驅(qū)動裝置也在不斷更新, 用以滿足更高 的控制要求。舵機(jī)就是在機(jī)器人驅(qū)動裝置發(fā)展中誕生的新型驅(qū)動裝置。 本次
7、課程設(shè)計應(yīng)用 MG995舵機(jī)與 C51單片機(jī)來對二足機(jī)器人完成一系列制定的動作, 用單片機(jī)實現(xiàn)了對舵機(jī)的控制,概述了程序控制思路。基于舵機(jī)實現(xiàn)對二足機(jī)器人關(guān)節(jié)控 制信號產(chǎn)生,關(guān)節(jié)擺動速度和角度還有同步運動的控制,使其能完成如向前行走、向后行 走、蹲下、起立、檢測障礙等一系列動作。次設(shè)計可用于學(xué)校機(jī)器人教學(xué),還可以用于機(jī) 器人玩具產(chǎn)品開發(fā)等領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞 : 二足機(jī)器人; MG995舵機(jī)控制;動作設(shè)計; C51 單片機(jī)
8、 1 第一章 緒論 1.1 機(jī)器人的定義及應(yīng)用范圍 機(jī)器人是能自動執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。既可以接受人類指揮,又可以運行預(yù)先編排的 程序,也可以根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則行動。 它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的一些工作,例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè),或是危險的工作。 國際上對機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般說來,人們都可以接受這種說法,即機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器,是一種可編程和多功能的,
9、用來搬運材料、零件、工具的操作機(jī);或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?!? 機(jī)器人的產(chǎn)生是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展的綜合結(jié)果,也是生產(chǎn)力發(fā)展的必然結(jié)果,人們總是期待有種機(jī)器能夠代替我們?nèi)氖聫?fù)雜和繁重的體力勞動,社會的發(fā)展總是需要進(jìn)行大批量的生產(chǎn)制造,需要不斷的提高生產(chǎn)效率,可以說機(jī)器人是為了滿足我們的發(fā)展需要而創(chuàng)造出來的。而后發(fā)展的各種各樣的機(jī)器人也是由于人類的需要所設(shè)計的,隨著人們需求角度的增加,各種各樣的機(jī)器人還會在今后問世。 我國的機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā),將機(jī)器人分為兩大類,即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度機(jī)器人。而特
10、種機(jī)器人則是除工業(yè)機(jī)器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人,包括:服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、娛樂機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等。 1.2 舵機(jī)對機(jī)器人的驅(qū)動控制 機(jī)器人上身的手臂結(jié)構(gòu)是由多舵機(jī)組成的。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器,適用于需 要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。 在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中,舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電 系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu),其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與 之接口。 舵機(jī)與外界的連接端口只有三端,其中與單片機(jī)的接口只有一端,稱之為控制線,另 外兩
11、端分別接電源與電源地,為電源線與地線。舵機(jī)的控制信號是 PWM信號,利用占空比 的變化改變舵機(jī)的位置。 本設(shè)計的二足機(jī)器人的 6 個運動關(guān)節(jié)都是用舵機(jī)實現(xiàn),設(shè)計機(jī)器人的動作其實就是對 結(jié)構(gòu)機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)的一個控制過程。 2 第二章 舵機(jī)模塊 2.1 舵機(jī) 舵機(jī)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。 其輸入信號為周期為 20Ms,脈寬變化范圍為 0.5Ms 到 2.5Ms 的 PWM波。 PWM信號經(jīng)過解調(diào)后得到一個直流偏置電壓,舵機(jī)中的直流電機(jī)與一個電位器相連,直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動電位器轉(zhuǎn)動,電
12、位器又可以輸出一個電壓(這是反饋信號),直流偏置電壓與這個電位器得到的電壓經(jīng)過電壓比較器后得到的電壓差輸入控制芯片中,來完成對對舵機(jī)的控制。所以對舵機(jī)的控制,即對 PWM波形的控制。 以上說的是位置伺服舵機(jī)的原理,其實速度伺服舵機(jī)的原理是大同小異的,只不過隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)動的電位器變成了事先固定好的電位器或電阻,輸出一個固定的電壓,這個電壓對應(yīng)的就是使舵機(jī)停轉(zhuǎn)的 PWM信號得到的直流偏置電壓值,所以也可以通過調(diào)整這個電壓的值,來調(diào)整舵機(jī)停轉(zhuǎn)的 PWM脈寬。 當(dāng) PWM的脈寬為 0.5Ms 或 2.5Ms 時,舵機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的速度最快, 當(dāng)脈寬越接近 1.5Ms 時轉(zhuǎn)速越慢,當(dāng)脈
13、寬為 1.5Ms 時舵機(jī)停轉(zhuǎn) 2.2 舵機(jī)組成 圖 2-1 舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3 舵機(jī)的輸入線共有三條,如圖 2-1 所示,紅色中間,是電源線,一邊黑色的是地線, 這輛根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證,主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格,一是 4.8V ,一是 6.0V ,分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn),即輸出力矩不同,
14、6.0V 對應(yīng)的要大一些,具 體看應(yīng)用條件; 另外一根線是控制信號線, Futaba 的一般為白色, JR 的一般為桔黃色。 另 外要注意一點, SANWA的某些型號的舵機(jī)引線電源線在邊上而不是中間,需要辨認(rèn)。但記 住紅色為電源,黑色為地線,一般不會搞錯。本次用的舵機(jī)型號為 MG995,接地線為褐色, 控制線為橙色。 2.3 舵機(jī)工作原理 控制電路板接受來自信號線的控制信號,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,電機(jī)帶動一系列齒輪組,減 速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計是相連的,舵盤轉(zhuǎn)動的同時,帶動 位置反饋電位計,電位計將輸出一個電壓信
15、號到控制電路板,進(jìn)行反饋,然后控制電路板 根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向和速度,從而達(dá)到目標(biāo)停止。其工作流程為:控制信號 →控制電路板→電機(jī)轉(zhuǎn)動→齒輪組減速→舵盤轉(zhuǎn)動→位置反饋電位計→控制電路板反饋。 流,才可發(fā)揮舵機(jī)應(yīng)有的性能。 舵機(jī)的控制信號周期為 20MS的脈寬調(diào)制( PWM)信號,其中脈沖寬度從 0.5-2.5MS, 相 對應(yīng)的舵盤位置為 0-180 度,呈線性變化。也就是說,給他提供一定的脈寬,它的輸出軸 就會保持一定對應(yīng)角度上,無論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變,直到給它提供一個另外寬度的脈沖信 號,它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)位置上如圖 7 所求。舵機(jī)
16、內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路,產(chǎn)生 周期為 20MS,寬度 1.5MS 的基準(zhǔn)信號,有一個比出較器,將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較, 判斷出方向和大小,從而生產(chǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。由此可見,舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動器, 轉(zhuǎn)動范圍不能超過 180 度,適用于那些需要不斷變化并可以保持的驅(qū)動器中,比如說機(jī)器 人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。 4
17、 圖 2-2 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸出脈沖的關(guān)系 5 第三章 總體方案設(shè)計與分析 3.1 機(jī)器人達(dá)到的目標(biāo)動作 1)外形與人手相似,包括肩、上臂、下臂、手腕及手等幾部分;
18、 2)雙手可以做出各種簡單的動作并實現(xiàn)自主行走的功能 ; 3.2 設(shè)計原則 本項目中的機(jī)器人, 它不但具有人類的外形特征, 手臂能實現(xiàn)各種不同的動作, 要求成本低廉,功能相對來說也比較單一,因此在保證性能的情況下,我們盡量不要采用高 檔的材料和元器件?;谝陨系目紤],我們有下面幾條設(shè)計原則: 1)經(jīng)濟(jì)性:在滿足功能的前提下盡可能采用簡單的方案,使用常見的、供應(yīng)豐富的材料和元器件,以降低生產(chǎn)成本: 2)可靠性:機(jī)器人的使用環(huán)境比較惡劣,有電機(jī)啟制動火花對無線通訊及控制系統(tǒng) 的干擾,有可能遇到的碰撞以及關(guān)節(jié)被卡住造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)等各種情況,
19、對機(jī)器人控制系統(tǒng) 提出了一定的要求。 3)易維護(hù)性:包括機(jī)械維護(hù)和控制系統(tǒng)軟硬件維護(hù)。 機(jī)械上盡可能采用模塊化設(shè)計方法,減少零部件種類,提高通用性,便于安裝拆卸,同時也可以提高可靠性和經(jīng)濟(jì)性。控 制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計同樣采用模塊化設(shè)計,便于檢測調(diào)試。 4)強(qiáng)壯性:機(jī)器人的手臂都是由各個關(guān)節(jié)鏈接起來的,對剛性的要求比較高。在機(jī)械設(shè)計上,機(jī)器人應(yīng)具有較好的剛性和較小的傳動間隙,不至于發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械變形,各種 接插件不能松動、脫落。 3.3 智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)是定義一個智能機(jī)器人系統(tǒng)各部分之間相互關(guān)系和功能分配 ,確定
20、一個智能機(jī)器人或多個智能機(jī)器人的信息流通關(guān)系和邏輯上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計的控制系統(tǒng)是 以微處理器為基礎(chǔ) ,采用二級結(jié)構(gòu) ,即協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級。協(xié)調(diào)級實現(xiàn)和外界環(huán)境的信息交換功 能 ,包括人 2 機(jī)信息交換、外界環(huán)境信息的獲取和處理、生成控制指令等功能 ;執(zhí)行級實現(xiàn) 對各個關(guān)節(jié)進(jìn)行伺服控制 ,將接受的控制指令 ,分解成各關(guān)節(jié)的坐標(biāo) ,并對執(zhí)行器進(jìn)行伺服控制。 3.4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 按照機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) , 設(shè)計控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由中央控制模塊、舵機(jī)驅(qū)動模塊組 6 成。 3.4.1 中央控
21、制模塊 該模塊是整個控制系統(tǒng)的核心 , 采用微處理器 AT89S52 為核心構(gòu)成 , 負(fù)責(zé)輸入數(shù)據(jù)處理、舵機(jī)協(xié)調(diào)動作處理和顯示數(shù)據(jù)處理等功能。 機(jī)器人控制系統(tǒng)是一種典型的多軸實時運動控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)基本上是設(shè)計者基于自己的獨立結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)目的而開發(fā),它采用了專用計算機(jī)、專用機(jī)器人語言、專用微處理器的封閉式體系結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的控制器存在制造和使用成本高,開發(fā) 周期長,升級換代困難, 無法添加系統(tǒng)的新功能等一系列缺點。 該系統(tǒng)基于 TRIO運動控制卡的開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制系統(tǒng),采用 IPC+DSP的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)機(jī)器人的控制。這種機(jī)器人控制系統(tǒng)采用開放式硬件、軟件
22、結(jié)構(gòu),可以根據(jù)需要方便地擴(kuò)展功能,具有良好的開放性 和擴(kuò)展性,能適應(yīng)于不同類型機(jī)器人或機(jī)器人自動生產(chǎn)線。通過運動控制卡在工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,根據(jù)運動控制的相關(guān)理論和直流伺服電機(jī)的具有不易受干擾、易于用微機(jī)實現(xiàn)數(shù)字控制、無積累誤差等特性以及其動作迅速、反映快、維護(hù)簡單、可實現(xiàn)過載 自動保護(hù)等特點作為相關(guān)背景的基礎(chǔ)之上提出了基于 TRIO 運動控制卡的自動化程度和定位精度均較高的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)。這種機(jī)器人控制系統(tǒng)的重要特點在于它采用通用個人計算機(jī)加 DSP—多控制回路的開放式體系結(jié)構(gòu)以及它的網(wǎng)絡(luò)控制特性。
23、 圖 3-1 51 單片機(jī)最小系統(tǒng) 3.4.2 舵機(jī)驅(qū)動模塊 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器。 控制電路板接受來自信號線的控制信號 ,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動機(jī)帶動一系列齒輪組 ,減速后傳動至輸出舵盤。 舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計是相連的舵 7 盤轉(zhuǎn)動的同時 ,帶動位置反饋電位計 ,電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板 ,進(jìn)行反饋。然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向和速度,從而達(dá)到目標(biāo)停止。其工作流程為控制信號→控制電路板→電機(jī)轉(zhuǎn)動→齒輪組減速→舵
24、盤轉(zhuǎn)動→位置反饋電位計→控制 電路板反饋。 才可發(fā)揮舵機(jī)應(yīng)有的性能??刂菩盘栍山邮諜C(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片 ,獲得 直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路 ,產(chǎn)生周期為 20ms,寬度為 1.5ms 的基準(zhǔn)信號 ,將獲得 的直流偏置電壓與電位器的電壓比較 獲得電壓差輸出。最后 電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī) 驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時 ,通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn) ,使得電 壓差為 0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)然我們可以不用去了解它的具體工作原理 ,知道它的控制原理 就夠了。就象我們使用晶體管一樣 ,知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了 ,至于管內(nèi)的電子具體
25、怎么流動是可以完全不用去考慮的。 (1)電機(jī)參數(shù):空心杯電機(jī); 金屬齒輪結(jié)構(gòu); 雙滾珠軸承; 連接線長度 30 厘米;(2)技術(shù)參數(shù) : 尺寸:40mmX20mmX36.5mm 重量:62g 技術(shù)參數(shù):無負(fù)載速度 0.17 秒 /60 度(4.8V) 0.13 秒/60 度 (6.0V) 扭矩: 13KG 使用溫度 :-30~~+60 攝氏度 死區(qū)設(shè)定 :4 微秒 工作電壓 :3.0V-7.2V; 3.5 機(jī)器人腿部整體結(jié)構(gòu)
26、 圖 3-2 機(jī)器人下半部分共有 4 個舵機(jī),其中腳部兩個,主要實現(xiàn)抬腿功能;腿部兩個,主要實現(xiàn)向前前進(jìn)功能。 8 第四章 程序設(shè)計 4.1 程序流程圖 圖 4-1 4.2
27、主要中斷程序
void tt1() interrupt 1
{
// 右腳邁出
if (k 28、
{
a5=0;
a6=0;
}
if (c==10000)
{
k=0;
x4=16;
}
if(c==15000)
{
k=0;
x3=10;
x5=13;
10
}
//2 秒后左腳邁出
if (c==20000)
{
k=0;
x1=12;
}
if(c==25000)
{
x3=8;
}
//3 秒循環(huán)一次
if(c==30000)
{
k=0;
c 29、=0;
x1=22;
x4=13;
x5=22;
}
k++;
c++;
}
本次設(shè)計機(jī)器人行走的思路主要是模仿人走路。中斷函數(shù)設(shè)定為 0.1 毫秒執(zhí)行一次。
因此,給 K 一定的值便可以實現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)一定的角度, K 的變化范圍為 5 30、6;
11
TL0=156;// 定時 0.1 毫秒
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
while(1);
}
函數(shù)采用定時器 2 計時方式,定時 0.1 毫秒,計算方式為 256-100=156,高四位和低四位都為 156。
31、
12
參考文獻(xiàn)
[1] 孫桓 .機(jī)械原理 [M]. 北京 .第六版 ; 高等教育出版社, 2001
[2] 張鐵,李琳,李杞儀 .創(chuàng)新思維與設(shè)計 [M]. 國防工業(yè)出版社, 2005
[3] 周藹如 . 林偉健 .C++程序設(shè)計基礎(chǔ) [M]. 電子工業(yè)出版社 . 北京 .2012.7
[4] 唐增宏 . 常建娥 . 機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計 [M] . 華中科技大學(xué)出版社 . 武漢 .2006.4
[5] 李琳 . 李杞儀 . 機(jī)械原理 [M 32、] . 中國輕工業(yè)出版社 . 北京 .2009.8
[6] 何庭蕙 . 黃小清 . 陸麗芳 . 工程力學(xué) [M] . 華南理工大學(xué) . 廣州 .2007.1
13
附錄
一.程序
33、
# include 34、TMOD=0x02;
TH0=156;
TL0=156;// 定時 0.1 毫秒
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
while(1);
}
void tt1() interrupt 1 // 中斷函數(shù)
{
// 右腳邁出
if (k 35、
if (k 36、1=12;
}
if(c==25000)
{
x3=8;
}
//3 秒循環(huán)一次
if(c==30000)
{
k=0;
c=0;
x1=22;
x4=13;
x5=22;
}
k++;
c++;
}
16
二.硬件圖
37、
圖 1 電路板
17
三.整體圖
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