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机器人的诞生和机器人学的建立及发展,是20世纪自动控制领域最具说服力的成就,是20世纪人类科学技术进步的重大成果。现在全世界已经有万台机器人,销售额每年增加20%及以上。机器人技术和工业得到了前所未有的发展。机器人技术是现代科学与技术交叉和综合的体现,先进机器人的发展代表着国家综合科技实力和水平,因此目前许多国家都已经把机器人技术列入本国21世纪高科技发展计划随着机器人应用领域的不断扩大。机器人已从传统的制造业进入人类的工作和生活领域;另外,随着需求范围的扩大,机器人结构和形态的发展呈现多样化。高端系统具有明显的仿生和智能特征,其性能不断提高,功能不断扩展和完善;各种机器人系统便逐步向具有更高智能和更密切与人类社会融洽的方向发展一、早期机器人的发展机器人的起源要追溯到多年前。“机器人”是存在于多种语言和文字的新造词,它体现了人类长期以来的一种愿望,即创造出一种像人一样的机器或人造人,以便能够代替人去进行各种工作。直到40多年前,“机器人”才作为专业术语加以引用,然而机器人的概念在人类的想象中却已存在三千多年了。早在我国西周时代(公元前年—前年),就流传着有关巧匠偃师献给周穆王一个艺妓(歌舞机器人)的故事。春秋时代(公元前年—前年)后期,被称为木匠祖师爷的鲁班,利用竹子和木料制造出一个木鸟。它能在空中飞行,“三日不下”,这件事在古书《墨经》中有所记载,这可称得上世界第一个空中机器人。东汉时期(公元25年—年),我国大科学家张衡,不仅发明了震惊世界的“候风地动仪”,还发明了测量路程用的“计里鼓车”。车上装有木人、鼓和钟,每走1里,击鼓1次,每走10里击钟一次,奇妙无比。三国时期的蜀汉(公元年—年),丞相诸葛亮既是一位军事家,又是一位发明家。他成功地创造出“木牛流马”,可以运送军用物资,可成为最早的陆地军用机器人。在国外,也有一些国家较早进行机器人的研制。公元前3世纪,古希腊发明家戴达罗斯用青铜为克里特岛国王迈诺斯塑造了一个守卫宝岛的青铜卫士塔罗斯。瑞士钟表名匠德罗斯父子三人于公元—年间,设计制造出三个像真人一样大小的机器人——写字偶人、绘图偶人和弹风琴偶人。它们是由凸轮控制和弹簧驱动的自动机器,至今还作为国宝保存在瑞士纳切特尔市艺术和历史博物馆内。同时,还有德国梅林制造的巨型泥塑偶人“巨龙哥雷姆”,日本物理学家细川半藏设计的各种自动机械图形,法国杰夸特设计的机械式可编程织造机等。年,加拿大摩尔设计的能行走的机器人“安德罗丁”,是以蒸汽为动力的。这些机器人工艺珍品,标志着人类在机器人从梦想到现实这一漫长道路上,前进了一大步。二、近代机器人的发展年,原捷克斯洛伐克剧作家卡雷尔·凯培克在他的科幻情节剧《罗萨姆的万能机器人》中,第一次提出了“机器人”(Robot)这个名词,被当成了机器人一词的起源。在捷克语中,Robot这个词是指一个赋役的努力。20世纪初期,机器人已躁动于人类社会和经济的母胎之中,人们含有几分不安地期待着它的诞生。他们不知道即将问世的机器人将是个宠儿,还是个怪物。针对人类社会对即将问世的机器人的不安,美国著名科学幻想小说家阿西莫夫于年在他的小说《我是机器人》中,首先使用了机器人学(Robotics)这个词来描述与机器人有关的科学,并提出了有名的“机器人三守则”:(1)机器人必须不危害人类,也不允许他眼看人将受害而袖手旁观;(2)机器人必须绝对服从于人类,除非这种服从有害于人类;(3)机器人必须保护自身不受伤害,除非为了保护人类或者是人类命令它做出牺牲。这三条守则,给机器人社会赋以新的伦理性,并使机器人概念通俗化更易于为人类社会所接受。至今,它仍为机器人研究人员、设计制造厂家和用户,提供了十分有意义的指导方针。通常可将机器人分为三代。第一代是可编程机器人。这类机器人一般可以根据操作员所编的程序,完成一些简单的重复性操作。这一带机器人从20世纪60年代后半期开始投入使用,目前他在工业界得到了广泛应用。第二代是感知机器人,即自适应机器人,它是在第一代机器人的基础上发展起来的,具有不同程度的“感知”能力。这类机器人在工业界已有应用。第三代机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制,它可以把感知和行动智能化结合起来,因此能在非特定的环境下作业,故称之为智能机器人。目前,这类机器人处于试验阶段,将向实用化方向发展。年,被誉为“工业机器人之父”的JosephF.EngelBerger创建了世界上第一个机器人公司——Unimation公司,并参与设计了第一台Unimate机器人。这是一台用于压铸的五轴液压驱动机器人,手臂的控制由一台计算机完成。它采用了分离式固体数控元件,并装有存储信息的磁鼓,能够记忆完成个工作步骤。与此同时,另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业机器人,即Versatran机器人。它主要用于机器之间的物料运输、采用液压驱动。该机器人的手臂可以绕底座回转,沿垂直方向升降,也可以沿半径方向伸缩。一般认为Unimate和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。到80年代后期,由于传统机器人用户应用工业机器人已经饱和,从而造成工业机器人产品的积压,不少机器人厂家倒闭或被兼并,是国际机器人学研究和机器人产业出现不景气。到90年代初,机器人产业出现复苏和继续发展迹象。但是,好景不长,~年又跌入低谷。年后,世界机器人数量逐年增加,增长率也较高,年丹麦乐高公司推出了机器人套件,让机器人的制造变得像搭积木一样相对简单又能任意拼装,从而使机器人开始走入个人世界。机器人学以较好的发展势头进入21世纪。年丹麦iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba,他能避开障碍,自动设计行进路线,还能在电量不足时,自动驶向充电座,这是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。近年来,全球机器人行业发展迅速,年全球机器人行业总销售量比年增长10%。人性化、重型化、智能化已经成为未来机器人产业的主要发展趋势。现在全世界服役的工业机器人总数在万台以上。此外,还有数百万服务机器人在运行我国是从20世纪80年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。年,我国开展了“七五”机器人攻关计划,年,我国的“”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究和应用开发的主要是高校及有关科研院所等。最初我国在机器人技术方面研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术。随后,我国在机器人技术及应用方面取得了很大的成就,主要研究成果有:哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人,北京自动化研究所年研制的喷涂机器人,年完成的高压水切割机器人,沈阳自动化研究所研制完成的有缆深潜m机器人、无缆深潜机器人、遥控移动作业机器人。我国在仿人形机器人方面,也取得很大的进展。例如,中国国防科学技术大学经过10年的努力,于年成功地研制出我国第一个仿人形机器人——“先行者”,其身高厘米,重20公斤。它有与人类似的躯体、头部、眼睛、双臂和双足,可以步行,也有一定的语言功能。它每秒走一步到两步,但步行质量较高:既可在平地上稳步向前,还可自如地转弯、上坡;既可以在已知的环境中步行,还可以在小偏差、不确定的环境中行走。三、未来机器人的展望展望未来,对机器人的需求是多面的。在制造工业由于多数工业产品的商品寿命逐渐缩短,品种需求加多,这就促使产品的生产就要从传统的单一品种成批大量生产逐步向多品种小批量柔性生产过渡。有各种加工装备、机器人、物料传送装置和自动化仓库组成的柔性制造系统,以及由计算机统一调度的更大规模的集成制造系统将逐步成为制造工业的主要生产手段之一。随着工业机器人数量的快速增长和工业生产的发展,对机器人的工作能力也提出了更高的要求,特别是需要各种具有不同程度智能的机器人和特种机器人。这些智能机器人,有的能够模拟人类用两条腿走路,可在凹凸不平的地面上行走移动;有的具有视觉和触觉功能,能够进行独立操作、自动装配和产品检验;有的具有自主控制和决策能力。这些智能机器人,不仅应用各种反馈传感器,而且还运用人工智能中各种学习、推理和决策技术。智能机器人还应用许多最新的智能技术,如临场感技术、虚拟现实技术、多真体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、放声技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等。可以说,智能机器人将是未来机器人技术发展的方向。什么是工业机器人?工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置,它能自动执行工作,是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥,也可以按照预先编排的程序运行,现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。组成结构工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构:包括臂部、腕部和手部,有的机器人还有行走机构。大多数工业机器人有3～6个运动自由度,其中腕部通常有1～3个运动自由度。驱动系统包括动力装置和传动机构,用以使执行机构产生相应的动作。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号,并进行控制。工业机器人种类移动机器人(AGV)工业机器人的一种类型,它由计算机控制,具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能。广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能,也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统(以AGV作为活动装配平台);同时可在车站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。点焊机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点,焊接质量明显优于人工焊接,大大提高了点焊作业的生产率。主要用于汽车整车的焊接工作,生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系,向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国,在该领域占据市场主导地位。弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域,国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。激光加工机器人激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中,通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。真空机器人一种在真空环境下工作的机器人,主要应用于半导体工业中,实现晶圆在真空腔室内的传输。真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强,其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对中国买家严加审查,归属于禁运产品目录,真空机械手已成为严重制约我国半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。洁净机器人一种在洁净环境中使用的工业机器人。随着生产技术水平不断提高,其对生产环境的要求也日益苛刻,很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行,洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。工业机器人产业链分析工业机器人行业上游是核心零部件,主要的是减速机和控制系统,这相当于机器人的“大脑”,中游是机器人本体,就是机器人的“身体”,下游是系统集成商,国内企业都集中在这个环节上。中国工业机器人产业链分析中国工业机器人上游零部件行业主要是减速机、伺服电机、变频器、控制器等,其中减速器、伺服电机及伺服系统在工业机器人成本中所占比重较大,分别为39%,28%,本体制造占比为22%。虽然减速机、伺服系统在工业机器人成本中所占比重较大,但国内减速机、伺服电机等关键零部件发展相对滞后,技术水平较低,产品稳定性差,与国外产品相比存在不少差距,导致国内工业机器人减速机、伺服电机等零部件主要依赖进口,国内企业工业机器人生产成本较高,竞争力较弱。其中进口减速机主要有纳博、ABB、Harmonic、住友等品牌,伺服电机主要有安川、库卡、松下、三菱等品牌。中国工业机器人主要零部件成本占比工业机器人销售多是通过直销渠道完成,而且以系统集成商居多。同时,工业机器人也可以通过经销商、代理商、贸易商、工程商等非直销当时进行销售,而且国外品牌进入中国市场一般先通过代理商形式进入。核心零部件一般是通过贸易商以及代理商等方式采购。工业机器人下游用户行业主要是汽车、电子电气、塑料橡胶、化工等领域,主要用于搬运、焊接、包装、码垛、切割、喷涂等,而且随着人工成本逐渐上升,工业自动化水平不断提高,工业机器人的运用领域逐步扩大,用途逐渐增多。工业机器人企业分析机器人行业正经历前所未有的激烈竞赛,新公司的不断涌现让人应接不暇。美国《机器人商业评论》(下称RBR)公布了第五届年度RBR50名单(全球最具影响力50家机器人公司),有三家中国公司跻身其中。年度RBR50的最终结果覆盖到了11个国家,除了大型企业集团,其中23%都是名不见经传的初创公司。中国的新松机器人自动化股份有限公司、大疆创新科技有限公司、富士康科技集团入选。前二者是全球无人机制造行业巨头也是中国机器人产业中的佼佼者。以下是入选RBR50前十名的机器人公司:NO.13DRobotics(3DR)3DR是一家非上市机器人公司,位于美国加州伯克利。致力于创新、灵活、可靠的私人无人机和相关技术的研发。该公司的个人智能无人机平台为消费者享受提供惊人的航拍图像和数据分析,还具备绘制地图、测量分析和3D建模等更多功能。NO.2ABBRobotics(ABB)ABB是一家专注于开发工业机器人及机械手的上市公司,位于瑞士苏黎世。在工业机器人、模块化生产系统与服务的供应领域占有主导地位。它为制造商提高生产效率、产品质量和保障工人安全提供强大的解决方案。随着制造商们逐渐开始寻求提高灵活性、敏捷性和竞争力的新方法,ABB在步入开拓新市场行列的同时,也渗透进传统行业。NO.3AethonAethon是一家专注于开发移动机器人的非上市公司,位于美国宾夕法尼亚州匹兹堡。Aethon是全球自主移动运输机器人供应商中的佼佼者。TUG机器人能够使内部物流运输任务自动化,它能够在动态且复杂的环境中自主导航,医院运输货物。NO.4谷歌谷歌专注于研发医疗、辅助、仿人、工业、机械手、移动机器人,位于美国加利福尼亚。年,谷歌连续快速收购了7家高级且技术多样化机器人公司——BostonDynamics、BotDolly、Holomni、IndustrialPerception、MekaRobtics、RedwoodRobotics、Schaft,Inc,当时在机器人行业引起了很大的轰动。NO.5亚马逊亚马逊专注于研发移动机器人,位于美国西雅图。亚马逊在北美地区甚至国际上扮演着一个在线零售商的角色,其通过零售网站来服务消费者,比如和,消费者主要从厂家和第三方经销商这两种渠道来购买产品。NO.6AutonomousSolutionsASI是一家专注研发移动机器人的非上市公司,总部位于美国犹他州门敦。十五年以来,ASI在矿业、农业、汽车、工业、安全和军事市场为客户提供无人驾驶车硬件和软件系统。ASI与一些世界领先的原始设备制造商在矿业、农业和安全领域有一项长达数年、投资数百万美元的机器人产品开发项目。NO.7CANVASTechnologyCANVASTechnology是一家专注于研发工业、移动机器人的非上市公司,位于美国科罗拉多博得尔。这是一家工业机器人创业公司,该公司目前仍在隐形模式下运行,但却已经吸引了许多投资机构的资金,比如VisionnaireVentures、AMECloudVentures、MoradoVenturePartners。NO.8CarbonRoboticsCarbonRobotics是一家专注开发机器人的非上市公司,位于美国加利福尼亚州旧金山。该公司面向市场制造低成本的机械臂,KATIA是他们的第一款产品,具备工业机器人的功能,但其价格与可用性却只与一台笔记本电脑相当。NO.9ClearpathRoboticsClearpathRobotics是一家专注于开发工业、移动机器人的非上市公司,位于加拿大安大略省基奇纳的斯特拉斯堡。该公司专门为学术、工业和军事研发应用领域设计并制造无人驾驶车的解决方案。NO.10CyberdyneCyberdyne是一家专注研发医疗、辅助机器人的非上市公司,位于日本茨城町。该公司将Sankai教授的发明以及他在筑波大学的实验室商业化,该公司的旗舰产品是混合辅助肢体(HAL),能够通过皮肤解读神经信号,赋予或增强人类的运动机能。中国机器人产业的发展势头不可小觑三公司上榜NO.12大疆创新科技有限公司大疆创新科技有限公司是一家专注与移动机器人的非上市公司,位于中国深圳市南山区。该公司为影视、农业、环境保护、搜救与救援、能源基础设施等专业领域制造无人机及其相关摄像系统。NO.18富士康科技集团富士康科技集团是一家专注研发工业机器人的上市公司,位于中国台湾省台北市。由郭台铭于年,以美元创立了鸿海精密工业有限公司,即富士康科技集团的前身。NO.38新松机器人自动化有限公司新松机器人自动化有限公司是一家专注开发工业机器人的上市公司,位于中国辽宁省沈阳市。主营业务为研究与开发工业机器人应用以及自动生产线的装配和测试。其应用领域涵盖汽车、摩托车、工程机械、电子和电气装配等。许多国际知名企业自动化设备供应商都向上海新松提供过设备,比如德尔福(DELPHI)、WEBSTO、采埃孚(ZF)、CONTINENTAL、SDS等等。数据分析年度RBR50名单总涵盖11个国家,国家分布情况如下:加拿大(3)、中国(3)、丹麦(1)、德国(3)、印度(1)、以色列(1)、日本(9)、韩国(1)、瑞士(1)、英国(3)、美国(24)。年度的RBR50名单总涵盖11个国家,国家分布情况如下:加拿大(3)、丹麦(1)、法国(1)、德国(8)、日本(9)、韩国(1)、荷兰(1)、瑞士(3)、中国台湾(1)、英国(3)、美国(19)。经比对发现,年美国新上榜5家公司,德国5家公司落榜,瑞士只存留1家公司,法国和荷兰则完全落榜。同时也出现了一些新面孔,以色列、印度和中国。可以从RBR50名单中看出,欧洲的机器人产业大有严重下滑的趋势,亟需重振;印度的GreyOrange公司赶上了物流运输业迅猛发展的大势,其主打的移动机器人将在亚洲市场上有很大的发展潜力。请加工业智能化学习工业智能化知识英国的Delphi、SoilMachineDynamics、OpenBionics三家公司上榜,令人惊讶的是,OpenBionics这家小公司已经连续两年登榜了;加拿大继续凭借着Clearpath、Robotiq和新TitanMedical三家公司保持着实力。全球30%工业机器人卖到中国市场无论是中国制造的提出还是工业4.0概念的深入传播,都预示着我国制造业正在向着智能化、机械化方向迈进,工业机器人的快速发展就是其中最具代表性的一项产业。销售增速强劲年中国市场销量超过0台,同比增长36.6%,全球每售出3台机器人,就有1台卖到中国。中国工业机器人市场(来源:CRIA)年中国市场工业机器人销量约占全球30%(来源:IFR)中国工业机器人保有量占全球1/10(来源:IFR)不同类型机器人销量变化工业高端机器人增速加快国产机器人销量占比(来源:CRIA)在应用领域方面,搬运上下料机器人仍居第一,占总销量的53%,同比增长%;焊接销量占比19%,同比增长32%。国产工业机器人应用占比(来源:CRIA)政策推动力度更大中国制造中明确提出,到年工业机器人销量达到15万台,保有量达到80万台。中国制造重点领域技术路线图(来源:工信部)应用行业越来越广泛机器人的应用行业也是越来越广泛,在低端产能加速扩张,如陶瓷卫浴、家具制造、食品饮料、快消品、服饰鞋帽等;并进入到货币银行、仪器仪表、生物制药等新兴领域。年工业人机器人在各行业的销售比例(来源:CRIA)汽车行业汽车行业仍是工业机器人的第一大应用市场,其中零部件厂商需求大于整车厂,但要求较低。主要国家汽车行业机器人密度比较(来源:IFR)另外,新能源汽车快速发展带来电池制造、换电站等新兴需求也给工业机器人带来了新的市场。3C产业3C产业是机器人密度最低的行业,但也是增长空间最大的行业。年至年中国3C产业规模中日韩三国3C产业机器人密度比较(来源:IFR)国内外工业机器人产业链供应商一览(来源:WIND)未来10年机器人发展趋势机器人自身在变革,总体向更安全易用、更利于普及、更智能的方向发展。未来十年以下三大发展趋势可以解决行业痛点,促进机器人真正普及,也蕴藏着巨大投资机会。通用软件平台降低机器人行业门槛电脑和智能手机的快速普及主要内在动力就是通用的操作系统和应用软件,机器人也一样。不同的机器人厂商使用的操作系统、中间件以及编程语言各有区别,增加了使用成本和机器人应用范围。通用软件平台(操作系统)就是解决这一问题,让使用机器人像使用智能手机一样便利。常用机器人软件开发平台通用软件平台大大降低了机器人的开发门槛,社区中的成熟软件可以直接刷入机器人使用;未来配合3D打印技术,使小企业甚至个人也有机会成为机器人开发者。蕴含的机会在于,可能出现针对ROS系统的二次开发或者优秀的应用软件,成为像智能手机APP那样的“爆款”。人机协作促进机器人普及,机器人走向融合的开端人机协作是工业机器人发展的新形态,把人的智能和机器人的高效率结合在一起,共同完成作业;简单来说就是“人”直接用“手”来操作机器人。人机协作是机器人进化的必然选择,特点是安全、易用、成本低,普通工人可以像使用电器一样操作它。根据美国ABIResearch的报告,年至年期间,协作机器人市场份额有望增长10倍,从接近万美元升值到超过10亿美元。将由以下三个主要市场驱动:电子制造和电子智造、中小型企业及寻求机器人优化解决方案的企业。-E协作机器人出货量预测协作机器人结构简单,主要通过软件整合来实现功能。硬件构成主要是球形关节、反向驱动电机、力觉/视觉传感器及更轻的材料,传统的减速机等核心零部件未来将不再关键。目前协作机器人处于市场导入期,成本仍然较高,效率低,使用不如人意,主要机器人厂商推出各种协作机器人抢占入口,国内企业有了跟外资站在同一起跑线的机会。新松、埃夫特、遨博智能年都推出了协作机器人。机器视觉、深度学习让机器人更智能人工智能首先应用于工业机器人领域,主要就是机器视觉和深度学习。机器视觉是现有的机器人从自动化设备转变为智能机器的一个关键因素。最初是作为机器人的辅助工具,提高柔性和对工作环境的反馈,主要应用于引导和定位、检测和识别等,随着工业大数据和深度学习的发展,未来将使机器视觉成为智能生产系统的主导,做出决策和预判断。年全球机器视觉规模持续走高,达到36.7亿美元。主要分布在北美、德国、英国、日本、中国等地区和国家,其中中国占到8.1%;预计到年全球市场规模将达到50亿美元。-年全球机器视觉市场规模机器视觉地区占比深度学习推动机器人摆脱预编程序的束缚,真正走向智能化。深度学习使机器人可以像人一样通过学习掌握新的技能,适应未知的工作环境。深度学习在工业机器人的应用分为三个层次,一、机器人通过试错学会新技能;二、多台共享经验提高学习效率;三、机器人可以预防并且自行修复故障。目前已经到了第二个阶段。年是深度学习元年,深度学习走向商业化和开源。FANUC和人工智能初创企业PreferredNetworks合作推出了深度学习机器人,无需工程师调试可自己学会挑选工件。ABB、丰田都在开发基于深度学习的工业产品,国际巨头谷歌、facebook、特斯拉都宣布开源其深度学习服务。深度学习走向商业化和开源机器视觉和深度学习使初创企业或者小企业也有机会跟大型企业平等对话,对机器人行业潜在的影响是颠覆性的。结束语这是一个「中国制造」向「中国智造」转型的时代。机器人代替人去干一些重复性的事情,这样才能推进科技进步,人才才会进入新行业,每一个人的生产价值才会提高。前不久,作为全球第一大代工厂商富士康,在自动化探索的道路上给众多企业敲响了「机器替代人」的号角。我们可以大胆地预测,未来十年工业机器人市场会更加广阔,「机器替代人」会深入到各行各业,自动化转型也会成为众多企业发展的目标。

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