JP3727657B2 - フィンガ・パッド力検知システム - Google Patents

Description

発明の背景
1. 発明の分野
本開示は、同時に出願された以下の米国特許出願で提供された開示に関連するものである。米国特許出願第08/338,369、「薄板曲げ計画の生成及び実行方法」（デービッド・アラン・ブーン、他）、同特許出願第08/385,829、「曲げ操作のバックゲージとセンサ・ベース制御のための方法と装置」（リチャード・Ｍ・ムーア・ジュニア、他）、同特許出願第08/338,115、「ロボット運動計画及び制御方法」（デービッド・アラン・ブーン、他）。これら出願の全内容は、そっくりそのまま本文書内で参考という形で編入される。
本発明は、フィンガ・パッド力センサと当接する材料の力を表す電気信号を提供するフィンガ・パッド力検知システムに係る。より詳細には、本発明は、システムのフィンガ・パッド力センサに当接する平面物体に加えられる力の表示を提供するために使用される、フィンガ・パッド力検知システムに関する。
2．背景と関連情報
例えば薄板等、平面材料から製品を製造する大量生産システムにおいて、所望の製品を速く、正確に、そしてできる限り最小のコストで製造する必要がある。大きなバッチの製品を生産する大量生産システムは、生産される製品当たりのコストが比較的低くなるよう、エラー・コスト、製造機械の設置、微調整の分配が可能である。だが、できる限り最小のコストで製品を生産することが、引き続き強調されている。
製品当たりのコストは、大量生産システムの規模の経済を持たず、従って大量生産システムと同じ大きな製品バッチサイズにエラーや間違いのコストを分散できない小バッチ、注文部品製造システムでは更に重要である。従って、このような小バッチ、注文部品製造システムでは、コスト有効度を高くし、他競合製造業者に負けないコストで製品製造を行うため、最初から正確に所望の製品を製造する自動化機械を利用しなければならない。エラーは、製品製造の前、或はその最中に訂正される必要がある。それでもまだ、大きなバッチ・サイズを持つ大量生産システムであろうと、小バッチ、注文部品製造システムであろうと、製品を製造するときは、できる限り多くのエラーを削除できることが望まれる。
一般に、オートメ化された大量生産システムにおいて起こる大多数の生産エラーは、製造システムが、製造プロセスの変動を適切に補償できないことに起因している。そのような変動の1つは、ここで記載するオートメ化された大量生産製造システムの例に関連して後述するが、薄板製品の製造に関連して使用される薄板の厚さである。製造プロセスの変動は、実際の製造システムが動作する前にモデル化するのは難しいため、リアルタイムで製造プロセスの変動を検出し、補償するためセンサが使用される。
本発明のフィンガ・パッド力センサは、例えば、コンピュータ支援設計システムにより記述される小バッチ薄板部品を効率的に製造する自動化金属曲げワークステーションの関連して使用可能である。自動化されたワークステーションには、必要なバッチ、ダイ、グリッパ、センサを選択し、製造シーケンスを決定し、次に曲げ機械を動作させるソフトウェアの適当なデータを生成するプロセス・プランナが含まれうる。プロセス計画の作成後、ワークステーション・ベースのシステムが、オペレータがあとで検討できるようプロセス・ヒストリを記録する一方、製造プロセス中の曲げ機械のリアルタイムのセンサ・ベース制御を提供する。
本発明のフィンガ・パッド力センサをなしでそのような自動化金属曲げ機械を使用することにはいくつかの欠点がある。例えば、元来の曲げ機械は教示ー再生方法を通してプログラム化されるため、所望の部品を製造するために曲げ機械の微調整、調整に多大な時間が必要となる。更に、システムの微調整後でも、部品製造中にそれでも不良が起こる。このような不良には、例えば、パンチ工具との衝突、部品の位置不良のための曲げ不良等が含まれる。一般に、このような不良が起きるのは、曲げ機械が、ワークの位置、方位を正確に知る知能を有していないことに起因する。
従来のシステムにおける部品位置の不確実性には多くの理由がある。これらには、曲げ機械のロード機構内に存在する機械的スロップ、ロボット・グリッパが曲げ操作中にワークを離す時の部品位置情報の損失、取り扱い中のロボット・グリッパでのワークの滑り、取り扱い中のワークの曲がり等が含まれる。本発明は、薄板曲げ機械システムをフィンガ・パッド力センサで補強することにより、そのようなワーク位置の不確実性に対処するものである。
本発明のフィンガ・パッド力センサ・システムは、例えば、前記の自動化薄板曲げ製造システムで起こるプロセスの変動を検出することにより、従来技術の前記欠点を克服するものである。これらフィンガ・パッド力センサのいくつかは、自動化薄板曲げ製造システムの一部を形成するロボットの掴みパッドに埋め込まれる。ロボット・グリッパが掴んでいる薄板ワークに外部の力が加えられる時、ゴム・パッドが変形し、センサ出力が変化する。センサは、ロボット・グリッパの一部として設計され、よってワークと共に走行する。このような設計により、製造システムは、自動化曲げの全段階、つまり材料獲得、材料取扱い、機械のロード・アンロード、において何時でもワークの“状態”を監視することが可能となる。これら各領域では、積極的に検出され、制御されなければならない薄板とグリッパ間の動的力の問題が存在する。本発明で使用されるセンサは、ワークと製造システム間の計画外の衝突を検出し、また差し迫ったワークの滑りを検出するため、製造システムがロードステーションのワークと、プレス・ブレーキとを一致させることを可能にするものである。そのようなロボット・グリッパにおける切迫したワークの滑りは、ロボットが大きな部分あまり速く加速させる時に起こる。
発明の概要と目的
前記から、この技術分野では、例えば、検知システムにより提供されるデータに基づくワーク操作プロセスにおける変位を訂正するため、システム内で起こる重大なプロセスの変動を検出するため、大、小両方のバッチ自動化製造システムで容易に使用可能な、力センサ・システムの方法及び装置が未だに必要とされていることは明白である。従って、本発明の主な目的は、自動化製造システムにおけるプロセスの変動を検出し、特に自動化薄板曲げ機械システムに適用される力センサ・システムを提供するための方法及びその装置を提供することである。
更に詳細には、本発明の目的は、ロボットの掴みパッドの一部を形成し、例えば、金属曲げ製造プロセス中に、ワーク上に加えられる力の変動を検出するフィンガ・パッド力システムを提供することである。
更に詳細には、本発明の目的は、何度も一致を要求せず、コスト高の構成要素も必要としない簡単、且つ信頼性のある電子回路機構を利用する、ワーク移動操作のためのフィンガ・パッド力センサのシステムを提供することである。
本発明の別の目的は、金属曲げ製造プロセスで起きる様々な製造御プロセス上のバラツキの検出、克服で使用される、信頼性のある、比較的廉価なプロセス変動検出器機構を提供することである。
本発明の更なる目的は、製造プロセス中のワーク不一致、製造システムの様々な構成要素とワークの衝突、ロボット・グリッパ内でのワークの滑り等、様々な製造プロセスの変動に対して訂正が行えるよう、金属曲げ製造プロセス中に薄板ワーク上に作用する力を監視するシステムを提供することである。
簡単に言えば、本発明の前記及び他の目的は、グリッパに保持されるワークに対する力及び衝撃情報を提供するため、ロボットのグリッパに固着される1セットのセンサを提供することにより達成される。各センサは、ゴム・パッドLEDの組合せが、剪断力により変形される時、位置鋭敏検出器の出力が変化し，よってワークに付加される力の影響に比例する出力電流を提供するよう、位置鋭敏検出器と反対に揃えられるLEDを含む変形可能ゴム・パッドから形成される。
各位置鋭敏検出器による電流出力は、別個に電圧に変換され、電圧間の差が算出される。次に、この差電圧信号が、コンピュータ制御オフセット無効化回路とDCフィルタリング回路の両方に供給され、センサが経験する力量を表すDC信号、センサが経験する力の衝撃を表すAC信号が生成される。
【図面の簡単な説明】
図1は、自動化薄板曲げ機械で典型的に利用される様々な構成要素を示す図である；
図2は、本発明のフィンガ・パッド力センサの断面図である；
図3は、図2のフィンガ・パッド力センサの一部拡大図である；
図4は、剪断荷重下での本発明のフィンガ・パッド力センサの断面図である；
図5は、同じ剪断荷重下での図4のフィンガ・パッド力センサの一部拡大図である；
図6は、1次元センサを有するフィンガ・パッド力センサを利用する、ロボット・グリッパの前端頂面図である；
図7は、2次元センサを有するフィンガ・パッド力センサを利用する、ロボット・グリッパの前端頂面図である；
図8A、8Bは、本発明のフィンガ・パッド力センサで使用される信号条件エレクトロニクスの略ブロック図である；
図9A〜9Dは、図8に示す信号条件エレクトロニクスとしての使用に適した電気回路の略図である；
図10は、本発明のフィンガ・パッド力センサを自動化金属曲げ機械に組み合わせた状態を示すブロック図である；
図11は、本発明のフィンガ・パッド力センサ用の階層型サポートソフトウェアを示す図である；
図12は、上下が逆転した本発明のフィンガ・パッド力センサ用パッドの好適実施例を示す図である；
図13は、プレス・ブレーキのパンチとダイにより曲げられているワークを掴むグリッパを示す図である。
好適実施例の詳細な説明
次に本発明の好適実施例を図面を基に詳細に説明するが、図において同様部分は同様の符号で示されるものとする。図1において、ワーク102を拾い上げるのに材料ローダ・アンローダ100が使用される自動化された薄板曲げ機械10が示されている。ワーク102は、5自由度を有するロボット104により材料ローダ・アンローダ100から取り出される。更に詳細には、本発明のフィンガ・パッド力センサ・システムが固着されたロボットのグリッパ106は、後で詳しく説明するように、ワーク102を掴み、ダイ・レール108に沿い、プレス・ブレーキ112のバックストップ110に対する位置に移動する。適切に位置決定されると、パンチ工具114を使い、ワーク102が加工される。ロボット104がワークの掴みを調整する必要がある場合、再位置決定グリッパ116が利用される。
前記で詳細に説明したように、自動化薄板曲げ製造システム10と他同じような形態の製造システムを利用する時、様々な製造プロセス上の変動が起きる。例えば、ロボット104によって材料ローダ・アンロード・ステーション100で拾い上げられる時、或はロボット104がワーク102を曲げ用のプレス・ブレーキ112に設置するときにワークが不一致になりうる。また、ワーク102とプレス112、ロボット104、又は他の障害物間で衝突が起きる場合がある。もう1つの一般的製造プロセスにおける変動は、ワーク102とロボット104のグリッパ106との間の滑りである。これは、ロボット104が、大きなワーク102を保持している間にあまり急激に加速する時に起きるものである。
従って、本発明のフィンガ・パッド力センサは、図2、3に示すように、それら製造プロセス上の変動をリアルタイム補償するよう開発されたものである。特に、本発明のフィンガ・パッド力センサ・システムは、ロボット104がワーク102を適切に一致させ、ワークと自動化薄板曲げシステム10の様々な構成要素との間の衝突検出、及び・又は回復を支援し、ワーク102がロボット104のグリッパ106にある時のその滑りの阻止を支援する。
前記の目標は、フィンガ・パッド力システムのハードウェア、ソフトウェアと自動化薄板曲げ機械10のそれとを統合することにより達成される。フィンガ・パッド力センサ・システムのハードウェア、即ち、フィンガ・パッド力センサ210と関連信号条件付き回路基盤1000は、アナログーディジタル変換器基盤1002とディジタル出力基盤1004により、薄板曲げ機械のコンピュータ1006にインタフェース接続される。ディジタル出力基盤1004により、曲げ機械のコンピュータ1006による力センサの信号条件付け回路基盤1000のオフセット無効化機能の制御が可能となる。本発明のフィンガ・パッド力センサ・システムと自動化金属曲げ機械の統合は、図10に示されている。
フィンガ・パッド力センサのソフトウェアには、曲げ機械のコンピュータ1006がセンサ出力値を読み出しセンサ出力電圧値を等価の力値に変換し、信号条件付け回路基盤1000のオフセット無効化モジュールを制御し、センサ・ベースの制御戦略を実行するのを許容するルーチンが含まれる。図11に示すように、センサ・ソフトウェアは、3レベル階層よりなる。最も低いレベルは、アナログーディジタル基盤1002、ディジタル化可能出力基盤1004のための第1レベルのデバイス・ドライブ・ソフトウェア1104である。第1レベルのデバイス・ドライバは、曲げ機械コンピュータ1006がアナログーディジタル基盤1002、ディジタル出力基盤1004との通信を可能にする命令を定める。次の第2レベルのデバイス・ドライバ・ソフトウェアと呼ばれるレベル1102には、フィンガ・パッドセンサ・システムのデバイス・ドライバが含有される。センサ・システムの第2レベル・デバイス・ドライバは、センサ出力の読出し、変換、信号条件付け基盤1000のオフセット無効化モジュール作動のルーチンを含め、曲げ機械コンピュータ1006によるフィンガ・パッド力センサの信号条件付け回路基盤1000との通信を可能にするルーチンを含む。第2レベルのデバイス・ドライバは、第1レベルのデバイス・ドライバが定める命令に基づき構築される。第3レベルのソフトウェア1100は、曲げ機械のアプリケーション・ソフトウェア（例、実行シーケンサ）全体に埋め込まれる実時間アプリケーション・ルーチンを含有する。
フィンガ・パッド力センサのアプリケーション・ルーチンには、力検知のためのセンサ・ベース制御戦略、それにデータ獲得ルーチンが含まれる。図11に示すように、アプリケーション・プログラムは、より精巧なアプリケーションルーチンの構築ブロックとして、第2レベルのデバイス・ドライバで定められるソフトウェア・ルーチンを使用する。これは、例えば、キメラII実時間プログラミング環境：プログラム文書化、デービット・B・スチュアート、ドナルド・Ｅ・シュミッツ、パラディープ・Ｋ・コスラ著、1991年カーネギー・メロン大学発行、ページ154〜167、に記載の共通のソフトウェア・パラダイムである。
製造プロセス期間中に、ロボット104がワーク102をプレス・ブレーキ112から取り外そうとする時、曲げられるワーク102がパンチ工具114と衝突する可能性がある。この衝突は、センサ信号に大きな、急激な変化を引き起こし、これは曲げ機械の衝突からの回復を支援するセンサ・ベース制御ルーチンを開始させるのに使用できる。センサ・ルーチンは、また、ロボット104がパンチ工具114から離れるよう、ロボット・プログラムを中断させるのにも使用できる。これにより、ワーク102、ロボット104、パンチ工具114、センサ210への損傷が防げる。センサ・ルーチンは、次にプロセス・プランナにエラーを知らせ、パンチ工具114と曲げられたワーク102間の衝突から回復するため、衝撃力方向に関するセンサの情報を利用することによって、ロボット104の経路の調整に使うことができる。また、ロボット104は、プレス・ブレーキ112からの道すじを“感じ”られるよう、センサ210から得られるフィードバックを使い、新しく調整された経路に沿って移動するよう指示可能である。従って、本発明のフィンガ・パッド力センサ・システムでは、このようなエラーが再び起きるのを防ぐため、製造プロセス中のエラー検出、検知されたエラーを補償するためのセンサ・ベース制御スキームの両方が使用される。
本発明のフィンガ・パッド力センサーは、前記のように、ロボット104のグリッパ106に実装される。このようにして、1セットのセンサは、多くの力検知アプリケーションのために利用できる。ロボット104のグリッパ106は、ワーク102がその周辺環境と相互作用する時、力がワーク102からグリッパ106に転送されるため、力センサ実装に理想的場所である。また、1セットの力センサ210はワーク102と共に走行し、ワーク102に影響を与え、特にワーク102を曲げのためプレス・ブレーキ112にロードする手順中に起こる力を測定するため、常に存在している。
各力センサー210は、ロボットの平行ジョー・グリッパ106の不可欠な構成要素として形成され、事実上ロボット104のフィンガ・パッドを形成する。図2、3に示すように、本発明のフィンガ・パッド力センサは、1つ以上の位置鋭敏検出器206（説明を明快にするため、ここでは単一の位置鋭敏検出器のみ示されている）をアルミ実装板202に載置することにより、製造される。アルミ実装板202は、グリッパ106の既存ネジ・ホール（図示せず）を使い、ロボット104のグリッパ106の底部半分106bに固着される。
ゴム・パッド200は中に凹部212を有し、例えば接着剤により、薄板ベース・プレート304に実装される。ベース・プレート304はその中にホールを有し、LED300からの光が位置鋭敏装置206に到達することを可能にしている。ゴム・パッド200とそのベース304は、ネジ306によりアルミ実装板202の上部面に固着される。更に、掴み表面を均一にするため、もう1つのゴム・パッド208が同様にアルミ板に実装される。同じようにして、ネジ（図示せず）等の適当な手段によりグリッパ上部106aに固定される薄板ベース・プレート204に、他の多くのゴム・パッド208が接着剤により実装される。ゴム・パッド200のLED300からの光は、ゴム・パッドのベース・プレートがアルミ板202に装着されるホールを通して、拡大されたネジの制限内で、ゴム・パッド200とそのベース・プレート304を移動することにより、位置鋭敏検出器206の中央に集中できる。或は、アルミ実装板202は、位置鋭敏装置206をセンサ・パッドLED300に対して中央位置に押すため、小さなセットのネジがその側面に挿入できるよう、設計することが可能である。アルミ実装板202は、図3に示すネジ308等、適切な装置により底部グリッパ106bに実装される。
前記構成により、実装板202を素早くグリッパ底部106bから取り除くことができるため、センサ210へのアクセスが容易に可能となる。従って、ロボット104のグリッパ106は、センサ210修理の修理のため、長期間サービスを解除される必要はない。
図3では、中に凹部212が形成されたゴム・パッド200、そのアルミ板202に実装された位置鋭敏検出器206を含む図2の拡大部が示されている。力センサ210は、例えば、望ましくは1mm×3.5mmの鋭敏領域を有する1次元位置鋭敏検出器から形成される。できれば2次元位置鋭敏検出器が利用されるのが望ましい。1次元位置鋭敏検出器は、日本の浜松フォトニクス株式会社提供のパーツ第S3274-01でよい。2次元位置鋭敏検出器は、同社提供のパーツ第S4744でよい。
凹部212を埋めるゴム・パッド200部内のゴム・パッド200に埋め込まれる赤外線発光ダイオード（LED）300は、1次元センサで使われる小型2mmワイドLEDパーツ第LD261-5、2次元センサで使われる小型1mmワイドLEDパーツ第SFH405-3が望ましい。これら構成要素は両方とも、シーメンズ・コンポーネンツ社（カリフォルニア州クペルチノ）より入手できる。
センサ210は、グリッパ106が保持するワーク102に外部力が作用する時、ゴム・パッドが変形し、それによりLED300は位置鋭敏検出器206の鋭敏領域に沿って移行させられる。位置鋭敏検出器206は、図4、5に示すように、光源の移行を検出し、位置鋭敏検出器206からの電気出力が影響を受ける。図4は、ゴム・パッド208、200により掴まれるワーク102の左手側に付加される切断力Ｆ下で瞬時力センサ210の切断図である。簡潔に説明するため、図4では、図2の残りの構成要素全てが示されているわけではない。
図5は、図4に示すように、切断力Ｆがワーク102に付加される時のLED300と位置鋭敏検出器206間の斜交関係を示す、LED300を搬送するゴム・パッド200を含む、図4の一部の拡大500図である。位置鋭敏検出機206からの出力における変化は、ワーク102が経験する力量とその適用方向を決定するために利用できる。センサ210は、少なくとも1ポンド、各検知方向において少なくとも10ポンドの範囲の測定解像度を有することが望ましい。
一般に、ゴム・パッド200は、1次元センサに対して、1/2インチ×1インチ×3/8インチのサイズを測定し（2次元センサに対しては、1×1×3/8）、LED300のためその中に凹部212とLED300に接続されるワイヤのためのチヤンネル302を有することが望ましい。ゴム・パッド200へのLED300の埋め込みには、エポキシ接着剤が利用される。ゴム・パッド200にLED300を埋め込むプロセスには、ゴム・パッド200の機械的特性が大幅に変化しないよう、パッド・200からできるだけ少ないゴム材料を取り除き、少量のエポキシ・セメントのみ利用することが含まれる。グリッパ106の正面端上では、少なくとも2次元のセンサ210が利用されるのが望ましい。
図6は、グリッパ106の正面端の頂面図である。本発明の説明では、センサ210がグリッパ底部106bに固着され、ゴム・パッド208がグリッパ上部106aに固着されるが、代わりに、センサ210をグリッパ上部106aに固着し、ゴム・パッド208をグリッパ底部106bに固着することも可能であり、或いセンサ210をグリッパ106の上部、底部両方に固着することも可能である。
図7は、4つの2次元力センサ210aの位置、方位を示す、グリッパ106の正面端の頂面図である。4つの2次元力センサ210aは、図2の実装板202へのセンサ210の実装に関連し前記した同じ方法で実装板に実装される。4つの2次元センサ210aを使い、上低セットのセンサ210aからの出力間の差を測定することにより、ワーク102に付加される剪断と通常力間の区別が可能となる。上部、底部センサにより検出される力の方向、程度は、剪断力がセンサー210aの平面に付加される場合同じであり、一方ワーク102に通常力が付加される場合異なる。一般に、センサ210、210aにより監視される剪断力は、11b〜10ポンドを保証する。
パッド200、208を形成するのに使われるゴムは、45ショアA硬度を有するネオプレン・ゴムよりなることが望ましい。このようなゴム・パッドは、センサの応答時間、回復時間に影響を与えるヒステリシス、クリープ特性の両方を示すことが判明している。ゴム・パッド200のクリープ特性により、ロボット104のグリッパ106がまず閉じる時、センサ出力の定着時間が遅くなる。センサ出力の遅い定着時間は、300psiの一般的名目掴み力以上の圧縮力をセンサにプリロードすることにより減少可能である。或は、各別個に付加されたロードに対してのセンサ出力平均的変化を含むルックアップ・テーブルの作成も可能である。このようなテーブルには、センサのロード、アンロード両方の期間中に起きた変化、つまりクリープ、回復両方のための変化が含まれる。このようなルックアップ・テーブルは、このフィンガ・パッド力センサ・システムにより生成される出力信号との関連で使用されるソフトウェアで利用可能である。
ゴム・パッドのヒステリシス、クリープ特性は、またセンサの帯域幅にも影響を与える。このような望ましくない性格は、わずかの補強フィラーとより多くの天然ゴムとからなるゴム材を利用することにより、減少可能である。例えば、ゴム・パッドは、代わりに、液状ウレタンを、LED300、その関連ワイヤ、パッドのベース・プレート304がすでに各位置に固定された鋳型に注ぎ込むことにより、同じように45ショアA硬度を有する鋳造可能ウレタンより作成できる。ゴム・パッドは、次にウレタン硬化として形成される。このセンサ210製造方法により、LED埋込みゴム・パッド間のバラツキが減少され、LEDがゴム・パッドの中央に位置付けされ、位置鋭敏検出器206に直角に配置されることが保証される。液状ウレタンは、例えば、コナップ社（ニューヨーク州オーリーン）提供のパーツ第CONATHANE、TU-500でよい。
図12は、本発明のフィンガ・パッド力センサー・システム（上下逆転図示）で使用される、別の望ましいセンサ・パッドの設計を示す図である。この設計は、前記のLED埋込みゴム・パッドをいくつかの点で改良したものである。この改良点には、より容易な製造、センサ・パッドにおけるLED300のより正確な設置、ロード下におけるより良い剪断変位が含まれる。図2のセンサ・パッド200のように、1つの固体ゴムにLED300を設置する代わりに、この別のアプローチでは、センサ・パッド200aを形成する3つの材料層が使用される。3層は、コルク・ゴム・パッド1200、銅面プリント回路基盤（PCB）1202、天然ゴム製のゴム・パッド1204から形成される。
コルク・ゴム・パッド1200により、良い掴み面が提供され、ロボット104により移動される薄板部分上で使われるオイルが吸収される。コルク・ゴム・パッドの寸法は、1”×1”×1/16”が望ましい。銅面プリント回路基盤1202はLED300を保持し、LED300をワイヤ1206を通して電源、グラウンドに接続する。線1208は、基盤を2つの銅部（電源部とグラウンド部）に電気的に分離するため、PCB1202の銅面からエッチングされる。つぎに、LED300が、プリント回路基盤1202の銅側面上のホールにきちんと嵌合される。LED300のリードが、次に各側1リードで、銅基盤に半田付けされる。ワイヤ1206は、LED300の動作用に、電源、グラウンド信号を供給するため、各銅部に半田付けされる。銅PCB1202基板の寸法は、1''×1''×1/16''が望ましい。
第３層は、LED300からの光が、位置鋭敏検出器206,206aへ通過できるようにその中央に切り取られるホール1210と、ワイヤ1206を銅のPCB1202へ通過させるために、パッド1204の隅部に形成された第２のホール1212とを有するショアA硬度４５の天然ゴムパッド1204から構成される。ゴム・パッド1204の寸法は、1''×1''×1/8''が望ましい。
センサパッド200aは、適当な接着剤を使用し、3層1200〜1204を一体に設置することにより形成される。更に詳細には、コルク・ゴム・パッド1200は、プリント回路基盤層1202の非銅側に取り付けられ、ゴム・パッド1204は、プリント回路基盤層1202の銅側に取り付けられる。層形成されたセンサ・パッド200aの天然ゴム側が、次に適当な接着剤で薄板ベース・プレート304aに取り付けられる。ベースプレート304aは、LED300からの光が位置鋭敏検出器206,206aへ通過できるようにその中央部に形成されたホール1218と、ベースプレート304aをセンサのアルミ実装板202へ取り付けるために、その両端に形成されたネジホール1214と、ワイヤ1206を銅板1202へ供給するために、その隅部付近に形成された第４のホール1216を有する。
図8Aは、位置鋭敏検出器206の光電流出力信号を電圧信号に変換するのに使用される1次元力センサ信号条件付け回路の略図である。力センサ信号条件付け回路は、各センサに2つの信号、つまりセンサに加えられた力を測定するためのDCレベル信号、衝突を検出するためのAC信号、を生成する。
各1次元鋭敏検出器は、電流を電圧値v1、v2に変換する第1、第2電流ー電圧変換器800a、800bにそれぞれ供給される2つの出力電流i1、i2を生成する。これらの出力電圧v1、v2は、電圧v1から電圧v2を引き算することにより、光鋭敏検出器鋭敏領域206上でのLED300の相対光位置を判定する差増幅器802に供給される。差増幅器802からの出力は、オフセット無効化モジュール804、DCフィルタリング・モジュール806の両方に供給される。オフセット無効化モジュール804は、曲げ機械コンピュータにより制御さえるよう接続される。オフセット無効化モジュール804は、コンピュータ制御の下、グリッパ106が閉じ、ゴム・パッド200を圧縮させる時に起きる差出力（v1-v2）の大きなDC成分を取り除く用機能する。DCフィルタリング・モジュール806は、衝突検出のため、その差電圧での通過のみ許可するよう機能する。また、段階800〜806は全て、それらに入力される信号を増幅するように機能する。各力センサ210は、図８に示すような力センサ信号条件付け回路をそれぞれ利用する。
図7に示すように、2次元センサ210aが利用される場合、図8Aに示す回路機構がそれに応じ修正される。図8Aに示す回路への修正は、その操作特性が1次元（1-D）PSD206と同様なため、2次元（2-D）位置鋭敏装置（PSD）206aに対しては最小である。このタイプの2-DPSDについては、図8Aの回路機構が2回（各検知方向に1回）繰り返され、各モジュールに対して、増幅ゲイン、コンデンサ値が調整される。このような回路は図8Bにしめされている。
電流ー電圧変換器800で使用可能な具体的回路が、図9Aに示されている。差動増幅器802として使用される回路機構は、図9Bに、DCフィルタリング・モジュール806として使用される回路機構は、図9Cに、コンピュータ制御オフセット無効化モジュール804として使用される回路機構は、図9Dにそれぞれ示されている。
前記のように、本発明のフィンガ・パッド力検知システムは、ロード・ステーション、プレス・ブレーキでワーク不一致の訂正、計画外のワーク衝突の検出、差し迫ったワークの滑り検出に有益である。次に、これら各アプリケーション及び提案される検知戦略を、表1〜3を基に説明する。以下の各説明では、図7を基に前記したように、ロボット104のグリッパ106には、4つの2次元力検出器210aが設けられている。
第1のアプリケーションは、ロード・ステーションにおけるワークの一致である。ローダ・アンローダ100が、その吸着器で曲げられていないワーク102を拾い上げ、薄板ワーク102を曲げのためロボット104に供給する。これは、良く知られた方法で行われる。ワーク102は、普通ローダ・アンローダ100が拾い上げる前に大箱内で揃えられるが、ロード機構における機械的不完全性のため位置情報が損失されることがある。ロボット104に渡されたワーク102は、次に斜めに向けられる。ワークの不揃いが訂正されなければ、結局歪んだ曲げとなり、ワーク102は廃棄材として排除される。
ローダ・アンローダ100で機械的不完全性を補正することにより、ワーク位置の不確実性が訂正される。或は、ロード・ステーション100でのワーク102を一致させるため、表1に示すようなＬ字ブラケットが利用できる。フィンガ・パット力センサ・システムの力フィードバック情報を使い、ロボット104は、ワーク102の角を一致ブラケットの角に填合でき、その位置が曲げ機械112により正確に知られる。角の一致後、不一致度が、ワーク102の一致前後のロボット位置と方位間の差を算出することにより判定される。次に、位置及び方位オフセット値が、ワークの初期不一致を補正するため、製造プロセス全体を通しての他の全てのロボットの移動に加えられる。ロード・ステーションにおけるワークの不一致の訂正により、各曲げのためのプレス・ブレーキ112でのワーク102の再一致の必要性が減少し、或は排除される。
表1は、5工程からなる一致手順と、ワーク102の角と一致ブラケットの角の一致を達成する手順中においてセンサ210aが表す力を示す。ロボット104は、ローダ100からワーク102を獲得すると、ワーク102を時計方向に回転させ、次にブラケットの当接するまで、ワークを+y方向に移動させる。ロボット104は、最初、ワーク102の下方左角が確実にブラケットに接触するよう、ワーク102を時計回りに回転させる。各4つのセンサ210aにより生成されるx、y方向の力信号は、当接が起こったことを示す。詳細には、各4つのセンサ210aに結果的に生じる力信号は、ワーク102の下方左角が最初に一致ブラケットに接触する時、時計回りの方位にある。
このタスクの説明では、力モーメントのピボット・ポイントが、力センサ210aの実装板の中央に位置することが仮定されている。また、これら4つのセンサ210aの一部を形成する4つのゴム・パッド上に作用する圧縮力が同じであり、ゴム・パッドは全て同じ当接面領域を有することも仮定されている。本発明のフィンガ・パッド力センサ・システムで使用されるグリッパ106が、その設計のため、前部パッドより後部パッドの方に大きな圧縮力を有する場合、ピボット・ポイントは2つの後部センサの中心に向けて更に戻されるが、ここで記載する全体的な結果は同じである。
表1のステップ2に示すように、ワーク102がブラケットと当接した後、ロボット104は、ワーク102の側面がブラケット左側と完全に当接するまで、ワーク102を当接ポイントの回りで反時計方向に回転させる。このような当接が起こると、センサの読みが次の3つの可能性の1つを示すことになる。まず、センサ210aが時計方向で結果的に生じる力を読み取るよう、ピボット・ポイントの前進モーメントがピボット・ポイント下のモーメントより大きい。第2に、4つ全てのセンサ210aが、-y方向の力を読み取り、+x方向の小さな力もなんとかして読み取れるよう、ピボット・ポイント付近での相反するモーメントが等しい。第3の可能性は、センサ210aが、初期当接力より大きい、反時計方向の結果的に生じる力を読み取れるよう、ピボット・ポイントの後のモーメントが、ピボット・ポイントの前のモーメントよりも大きいことである。ワーク102の下方左角で初期の当接ポイントを作成することにより、本発明のフィンガ・パッド力検知システムにより生成される力の読みが、方向を変更し、或は同方向で大きさが大きくなるため、ワークとブラケット側での線当接力の識別が可能となる。
線当接が達成されると、次にロボット104は、ワーク102に作用する相反するモーメントを取り消すため、必要に応じワーク102を時計方向、或は反時計方向に回転する。このステップにより、ワーク102の方位が確立され、次のステップでのブラケット角との当接の検出がより容易になる。モーメントが取り消されると、ロボット104は、ブラケット側面との当接を維持し、ワーク102がブラケットの角に当接するまで、ワーク102を戻すように動かす。ブラケットとワーク102間の当接は、センサ210aにより生成される時計方向の結果的に生じる力の読みにより示される。このステップによりワーク102の位置が確立される。前記のように、ワーク102の位置、方位に対応するオフセット値は、製造プロセス全体を通して、ロード・プロセス変動を補償するために使用される。
一致プロセスの最後のステップであるステップ5で、ロボット104がその次の移動を実行する前に、角からワーク102が押し出される。このステップにより、ワークに作用するどのような力モーメントも取り除かれ、ロボット104が結局はワーク102を一致ブラケットから離す時、センサ210aの一部を形成するゴム・パッドのスプリングバックを防止する。
表2は、3つのステップと、ロボット104がワーク102をプレス・ブレーキ112のバックストップ110に対してきちんと位置せしめられるよう、プレス・ブレーキ112内にワーク102を一致させるのに使用される結果的に生じるセンサーの力の読みを示す。ワーク102がプレス・ブレーキ112に適切に一致させると、ワークは曲げられる。直線の曲げが望ましい。プレス・ブレーキ112のバックストップ110にワーク102を一致させる工程は、ロード・ステーション100に関連して前記した一致作業と同様である。だが、この作業は、ワーク102がプレス・ブレーキ112に2つの方法でロード可能という点で異なる。第1の方法は、ワーク102を所望の曲げ線に直角なグリッパ106でプレス・ブレーキ112にロードすることである。この形態のロードは、正面ロードと呼ばれる。第2の方法は、グリッパ106が曲げ線に平行であるロードである。この形態のロードは、側面ロードと呼ばれる。正面ロードを達成する工程は表2Aに、側面ロードを達成する工程は表2Bにそれぞれ示されている。各ロード技術には少し異なる検知戦略が必要であるが、目標は同じである、即ち、ワーク102の側面をプレス・ブレーキ112のバックストップ110に向かって置くことである。
ロボット104のグリッパ106が、度々フランジ上で曲げられるワーク102を保持するので、ワーク102が2つの最も後部のセンサ上まで伸びないため、図7に示す4つのセンサ210aのうち前側のたった２つのセンサのみが、ワーク102をバックストップ110に対して一致させるのに効率的に利用されうる。従って、プレス・ブレーキ112内でワーク102をバックストップ110に対して一致させる工程の以下の記載は、グリッパ106に実装される正面2つのセンサ210aからの入手できる情報のみを利用して記載される。
プレス・ブレーキ112でのワーク102の一致のための検知戦略、及び力センサの読みは、ローダ・アンローダ100のそれと同様なため、ここで再びそのような読みに関して説明はしない。
正面ロードによる一致手順は、表2Aに示す3つのステップを有する。まず、ロボット104が、ワーク102を、バックストップ110に接触するまでプレス・ブレーキ112内に前進させる。もし、ワークが正しく位置決めされなかった場合は、ワークは右バックストップの右角に接触し、よって時計方向のモーメントを生成し、或は左バックストップの左角に接触し、よって反時計方向のモーメントを生成する。センサ210aによって読まれる力パターンを分析することにより、バックストップ110の位置が知られるため、当接ポイントの判定が可能である。次に、ロボット104が、ワーク102を、両方のバックストップ110に接触するまで、当接ポイントの付近で回転させる。最後に、ロボット104は、ワーク102上に作用する相反するモーメントが所望の許容範囲内になるまで、ワーク102の位置を調整する。次に、ワーク102が一致され、プレス・ブレーキ112はワークの曲げに進むことができる。
プレス・ブレーキ112へのワーク102の側面ロードを達成する2つのステップが、表2Bに示されている。まず、ロボット104が、ワークが確実にグリッパ106から最も遠いバックストップ110に当たるよう、ワーク102をプレス・ブレーキ112に向け回転させる。次に、ロボット104は、ワーク102が2つのバックストップ110の最も遠い方の角に接触するまで、プレス・ブレーキ112内にワーク102を移動する。最後に、ロボット104は、ワーク102が第2のバックストップ110に接触するまで、当接ポイント付近でワーク102を回転させる。ロボット104は、ワーク102が両方のバックストップ110に接触するまでそれを操作するだけである。ロボット104は、ワーク102に加えられる相反するモーメントを釣り合わせようとするものではない。力方向では何らかの変化がなく、ワーク102と両方のバックストップ110との当接は測定された力での増加のみにより示されるので、各バックストップ110では補助の当接センサも利用される。
前記のように、本発明のフィンガ・パッド力検知システムは、衝撃検出でも利用可能である。このことは、このような検出により、ロボット104、パンチ及びダイ工具108、114、ワーク102への損傷を防ぐことができるため望ましいことである。更に、計画外の衝突の検出は、予想外のプロセス変動のプロセス・プランナ・ソフトウェアにおけるエラーがあることを示す。このようなエラーは、検出されると、新しいワークで再び製造プロセスを始める前に訂正されることができる。従って、ワーク102との計画外の衝突を検出し、もし可能であれば、衝撃から遠ざかることによりこれらの衝突から回復することが望ましい。
表3は、ワーク、或は部分102と障害物間の計画外の衝突の例を示す。そのような計画外の衝突を検出するため、衝撃力に応答してセンサ210aにより生成される情報が利用される。まず、センサ210aの騒音レベルと製造システムの機械的振動により生成される名目センサ読みとをはるかにこえる敷居値が設定される。自由空間移動中に敷居値以上の力がセンサ210aにより記録されると、衝撃が起きる。衝撃、或は衝突が起きると、センサ・ベース計画が、現在のロボット104運動計画に優先し、センサ210aから得た衝撃方向情報を使い、ロボット104を障害から離れさせる。次に、衝突時に進行中のロボット運動に応じ、所望のロボット移動を終了させるため、センサ210aが使われたり、使われなかったりする。
表3に示すように、ワーク102の右角が、通常知られた障害物が1つもなく“安全”な、或は開放空間領域において、知られざる障害物との計画外の衝突を受けている。ロボット運動プランナは、次にセンサ210aが生成した情報を使い、ワーク102を更に左側に移動し、そして再び正面ロード手順を試してみることができる。或は、ワーク102が、ロボット104がワークをプレス・ブレーキ112から引き出そうとする間に、パンチツール114と衝突する場合、センサ210aにより生成される信号を使い、ロボット104がプレス・ブレーキ112からのその退出を“感じる”ことが支援される。
或は、ロボット104、プレス・ブレーキ112への深刻な損傷を避けるため、別のアプローチも利用可能である。図8A、8Bを基に前記したように、2つの形態の信号が、各力センサの信号条件付け回路により生成される。つまり、力測定のDCレベル出力と、力読みにおける変遷のみを通過させるAC信号である。AC出力は、深刻な衝突に対して敷居力値を設定することにより衝撃検出に使用できる。センサ210aにより生成されるAC信号がプリセット敷居値に達する時、それは、ロボット104を停止させるためのシステム割り込みを起こすために使用することができる。従って、AC信号は、深刻な衝突を検出する時、ロボット104、曲げ機械112を停止させるハードウェア遮断を生成する安全装置として使用可能である。
前記第4の検出アプリケーションは、ロボットの急激な回転中に、ロボット104のグリッパ106内でのワーク102の滑り検出である。このような滑りは、ワーク102に作用する力がフィンガ・パッド検知システムのゴム・パッドとワーク102間の摩擦力を越える時に起こる。ワーク102がグリッパ106で滑る場合、ワーク102の位置、方位に関する情報がッ損失される。本発明のフィンガ・パッド力検知システムは、ロボット・システムに切迫した滑り状態を警告することにより、ワークの滑りを防止することに使用できる。この警告機構を使い、ロボット104の速度、或は加速の制御が可能である。例えば、効率良く動作するため、ロボット104は、センサ210aが、ワーク102が滑りそうであるため、ロボットがその速度を下げるよう指示するために使われる信号を生成するまで、できるだけ速くワーク102を移動させるよう指示されうる。
切迫したワーク滑りを検出する機構は、衝突検出とのい関連で議論したのと同様である。ゴム・パッドと薄板ワーク102間の名目摩擦力以下の力敷居値も利用される。センサ210aがこの敷居値以上の力を記録する時、ワーク102は滑り寸前であり、ロボット104が減速するよう警告・指示される。
本発明のフィンガ・パッド力センサ・システムにより生成される情報は、ロボット104の位置ベース制御システム内の開ループ・システムで使用される。例えば、前記の一致タスク中に、ロボット104は少しだけ移動され、次にセンサ210aの値が読まれる。センサ210aによって生成された信号に基づき、ロボット104の次の移動が判定される。或は、センサ210aの情報が、センサ210aの有効性、力当接に対するロボット104の応答性を改善するため、ロボット104の制御ループ内に結合可能である。この目的のため、力ベース制御ループは、ロボット104の位置コントローラの回りに配置可能である。これは、所望の力増分を比例定数を通し所望のロボット位置増分と関連付けることにより達成されうる。このようなスキームは、位置ベース比例力制御スキームと呼ばれ、その例が表4に示されている。このシステムは、以下のように作動する。例えば、ロボット104の運動が制限され、ロボットがワーク102をプレス・ブレーキ112のバックストップ110に対して押し上げた時、所望の力読みに達するまで、ロボット・コントローラが力制御スキームにスイッチングし、ロボット104がその移動を調整するのを支援可能である。このような方法は、アプリケーション・タスクを実施する自然な方法を提供し、例えば、衝撃等の重要な出来事を見損なう可能性を最小限にし、またワーク102への過度の力を付加する可能性を排除する理由から、望ましいものである。
更に、制限された運動方向で、つまりバックストップ110等、固定構造とワークの当接がある方向、での力コントローラと、自由運動方向、つまりグリッパ106以外の他の構造物とワーク102との間に物理的接触が1つもないような方向、での位置コントローラを同時に使用する柔軟性を有することも望ましい。このようなスキームは、ハイブリッド位置・力コントローラと呼ばれ、ロボット工学入門：機械工学と制御、第2版、Ｊ・Ｊ・クレイグ著、1989年アディソン・ウェズレイ・オブ・リーディング社発行、マサチュウセッツ州、に示され、説明されている。一方、「力と変位のハイブリッド制御に関連する問題と研究課題」ロボット工学とオートメ化に関するIEEE国際会議録、R・P・ポール著、1987年発行、ページ1966〜1971、に記載されるように、どちらかの制御モードを使う時、力、位置は予想外変化に対して監視される必要がある。このような変化は、ロボット手順における問題を示す場合がある。
本発明の別のアスペクトによれば、ワークを掴むロボットの移動も、ワークの曲げ操作中に、適切に制御される。即ち、図13に示すように、グリッパ106a、106bに掴まれたワーク102が、プレス・ブレーキ112のパンチＰ，ダイDにより曲げられている時、ワーク102は、パンチＰ，ダイDにより図13のA方向に引っ張られる。この時、ワーク102が経験する剪断力は、グリッパ106a、106bに設置されるセンサ210により検出される。センサ210の信号が、次にロボット移動を制御するコントローラに伝達され、ワークが経験する剪断力が消えるよう、グリッパ106a、106bがA方向に移動される。この配置により、グリッパ106a、106bにより掴まれるワーク102は、曲げ操作中のグリッパ間での滑りが防止される。起こりうるグリッパに対するワークの滑りは、ロボットを制御するコントローラが、グリッパが保持するワークの正しい掴み位置の記憶を失ってしまうという問題、つまりコントローラのメモリ内に記憶されたワークの掴み位置が、グリッパにより掴まれたワークの実際の掴み位置と異なるという問題の原因となる。
以上、図を基に本発明の好適実施例のみ詳細に説明したが、前記教示に鑑み、本発明の範囲を越えることなく、次項に記載するクレイムの範囲内で多くの修正、変更が可能である

Claims (16)

1. ワークに加えられる剪断力を検出するフィンガ・パッド力センサ・システムであり、
   前記ワークを保持するグリッパを有するロボットと；
   前記ワークが受ける剪断力を検知するため、前記グリップと前記ワーク間に位置決定されるよう、前記グリッパに付け加えられる少なくとも１つのフィンガ・パッド力センサと、を備え、
   前記フィンガ・パッド力センサは、
   中に凹部が形成された１片の変形可能平面材料と；
   光が主に前記凹部の開口に向う方向に発せられるよう、前記凹部内に付け加えられる光源と；
   前記光源が発する光を受けるよう位置決定され、前記剪断力の大きさ、方向を表す少なくとも２つの出力信号を生成する位置鋭敏検出器と
   を備えるシステム。
2. 請求項１に記載のフィンガ・パッドカセンザシステムであり、
   前記１片の変形可能平面材料が、前記剪断力が前記１片の変形可能平面材料に加えられる時、前記位置鋭敏検出器の少なくとも２つの出力信号が変化するよう、前記位置鋭敏検出器上に付け加えられるシステム。
3. 請求項１乃至２のいずれか１項に記載のフィンガ・パッドカセンザシステムであり、前記変形可能平面材料は変形可能ゴムパッドであるシステム
4. シートの平面材に加えられる剪断力を測定する力センサであり、変形可能平面材料と；
   前記変形可能平面材料に形成される凹部と；
   前記変形可能平面材料の前記凹部に実装される光源と；
   前記光源より発せられる光が前記光鋭敏検出器に当たるように前記凹部に隣接実装される位置鋭敏検出器とを備え、前記変形可能平面材料に加えられる剪断力が、前記変形可能平面材料の変形を引き起こし、よって前記位置鋭敏検出器への光衝突位置が移動される力センサ。
5. 請求項４に記載の力センサであり、前記変形可能平面材料は変形可能ゴムパッドである力センサ。
6. 請求項４乃至５のいずれかに記載の力センサであり、
   前記変形可能平面材料が、ショアA45硬度を有する材料から形成される力センサ。
7. 請求項４乃至６のいずれかに記載の力センサであり、
   前記変形可能平面材料は、前記剪断力が前記変形可能平面材料に加えられる時、前記位置鋭敏検出器の出力信号が変化するよう、前記位置鋭敏検出器上に付け加えられる力センサ。
8. 請求項４乃至７のいずれかに記載の力センサであり、
   前記位置鋭敏検出器からの前記出力信号を受け取り、
   力の大きさ、方向、前記力センサによって感知される衝撃の発生を表す信号を生成するよう接続される処理回路機構を更に含む力センサ。
9. 請求項４乃至８のいずれかに記載の力センサであり、２次元位置鋭敏検出器を含む力センサ。
10. 請求項４乃至９のいずれかに記載のフィンガ・パッド力センサ・システムであり、
    前記フィンガ・パッド力センサは、
    ワークに当接する第１面と、第２面を有する第１のパッド（１２００）と；
    導電性部を有する基板（１２０２）であって、前記第１のパッド前記第２面が前記導電性部の形成されていない面に固定される基板（１２００）と；
    前記基板の前記導電性部に固定される光源と；
    前記光源が発する光の通過を可能にする開口部を中に有する第２のパッド（１２０４）であって、前記基板（１２０２）の前記導電性部が形成された面に固定されるパッド（１２０４）と；
    前記光源が発する前記光を受けるよう位置決定された位置感応検出器と、
    を備えるシステム。
11. 請求項１乃至９のいずれかに記載の力センサであり、前記光源が赤外線発光ダイオードである力センサ。
12. 請求項７に記載の力センサであり、
    前記処理回路機構が、
    前記力センサからの前記出力信号を出力電圧に変換する複数の電流一電圧変換器と；
    前記出力電圧を受け取り、そこから差信号を生成する差増幅器と；
    前記差信号を受け取り、前記力センサが受ける衝撃を表すAC信号が生成されるよう、DC成分をフィルタリング排除するフィルタリング回路とを備える力センサ。
13. 請求項１に記載のフィンガ・パッド力センサ・システムであり、
    前記フィンガ・パッド力センサから前記少なくとも２つの出力信号を受け取り、力の大きさ、方向、前記フィンガ・パッド力センサによって感知される衝撃の発生を表す信号を生成するよう接続される処理回路機構を更に含むシステム。
14. 請求項１３に記載のフィンガ・パッド力センサ・システムであり、
    前記処理回路機構が、
    前記力センサからの前記少なくとも２つ出力信号を出力電圧に変換する複数の電流一電圧変換器と；
    前記出力電圧を受け取り、そこから差信号を生成する差増幅器と；
    前記差信号を受け取り、前記フィンガ・パッド力センサによって感知される前記剪断力の大きさ、方向を表すDC信号を生成するコンピュータ制御オフセット無効回路と；
    前記差信号を受け取り、前記フィンガ・パッド力センサによって感知される衝撃を表すAC信号が生成されるよう、DC成分をフィルタリング排除するフィルタリング回路とを備えるシステム。
15. 請求項１に記載のフィンガ・パッド力センサ・システムであり、
    前記フィンガ・パッド力センサの４つが、前記グリッパの一方側に付け加えられ、それぞれ前記グリッパの一方側上の中央ポイントからおよそ等距離であるシステム。
16. 請求項１に記載のフィンガ・パッド力センサ・システムであり、
    前記フィンガ・パッド力センサが、２次元位置鋭敏検出器を含むシステム。

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