JP5917272B2 - バッテリ保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリモジュールのバッテリ保護装置に関する。

下記特許文献１には、バッテリをフロントフレーム、リアフレーム、及びサイドフレームによって、バッテリを保護する構造が開示されている。

特開２０１１−９１７８号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、フロントフレーム、リアフレーム、及びサイドフレームによってバッテリを保護するので、外部からの衝撃に対して十分な干渉距離を確保することができない。また、脚式移動ロボットの場合は、バッテリ保護装置の形状、寸法は、外形デザインの制約によりバッテリ保護装置の形状、寸法の自由度が低い。

そこで本発明は、脚式移動ロボットに搭載されるバッテリの保護性能を向上するバッテリ保護装置を提供することを目的とする。

本発明は、複数のバッテリセルを有するバッテリモジュールを保護するバッテリ保護装置であって、前記バッテリモジュールを収納するバッテリケースと、前記バッテリケースの一側面に設けられ、且つ、前記バッテリケースの外面側に突出した複数の剛性の高い第１保護部材と、前記バッテリケースの前記一側面に設けられ、且つ、前記バッテリケースの外面側に突出した前記第１保護部材より剛性の低い第２保護部材と、を備え、前記第２保護部材は、複数の前記第１保護部材の間に配置されていることを特徴とする。

前記バッテリ保護装置であって、前記第２保護部材は、前記第１保護部材より前記バッテリケースの外方向に向かって突出してもよい。

前記バッテリ保護装置であって、前記第１保護部材及び第２保護部材は、複数の緩衝孔を有してもよい。

前記バッテリ保護装置であって、前記バッテリケースの前記一側面は、前記バッテリモジュールの出し入れ口となる開口部を有してもよい。

前記バッテリ保護装置であって、前記第１保護部材及び前記第２保護部材は、前記開口部側に設けられた開閉機構によって、前記開口部を開閉してもよい。

前記バッテリ保護装置であって、前記バッテリケースの内部であって、前記第１保護部材及び前記第２保護部材が設けられている側とは反対側には、前記バッテリモジュールと外部機器とを接続するためのコネクタが設けられてもよい。

前記バッテリ保護装置であって、前記バッテリモジュールは、前記第１保護部材及び前記第２保護部材が設けられている側で保持ベルトによって保持されてもよい。

前記バッテリ保護装置であって、前記バッテリモジュールと前記保持ベルトとの間に、前記保持ベルトを屈曲させる慣性力伝達部材が配置されてもよい。

前記バッテリ保護装置であって、前記バッテリモジュールの角と前記保持ベルトとの間に前記慣性力伝達部材が配置されてもよい。

本願発明によれば、バッテリモジュールを収納するバッテリケースの一側面に、複数の剛性の高い第１保護部材と、第１保護部材より剛性の低い第２保護部材を設け、第２保護部材は第１保護部材の間に配置されているので、緩衝距離を伸ばすことができ、バッテリモジュールの保護性能が向上する。例えば、バッテリ保護装置を搭載するロボットが衝撃を受けた場合であっても、第１保護部材及び第２保護部材が衝撃を吸収し、バッテリモジュールを保護することができる。また、第２保護部材の両側に、剛性の高い第１保護部材を設けたので、斜め方向からの衝撃に対してもバッテリモジュールを保護することができる。

実施の形態にかかるバッテリ保護装置を有する脚式移動ロボットの全体構成を示す斜視図である。 バッテリ保護装置の構成を示す図である。 図２に示すバッテリ保護装置において、第１保護部材及び第２保護部材を開いた状態を示す図である。 保持ベルトによる慣性力の分散を説明するためバッテリ保護装置の断面図である。 開閉機構の要部平面図である。 図６Ａは、第１保護部材及び第２保護部材を第１段階まで開いた時の開閉機構の状態を示す図であり、図６Ｂは、第１保護部材及び第２保護部材を第２段階まで開いたときの開閉機構の状態を示す図であり、図６Ｃは、第１保護部材及び第２保護部材を完全に開いた時の開閉機構の状態を示す図である。

本発明に係るバッテリ保護装置について、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１は、実施の形態にかかるバッテリ保護装置１０を有する脚式移動ロボット１２の全体構成を示す斜視図である。バッテリ保護装置１０は、二足歩行により移動する脚式移動ロボット（以下、ロボットと呼ぶ）１２に設けられ、ロボット１２は、胴部１４と、一対の脚機構部１６と、一対の腕機構部１８と、頭部２０とにより構成される人間型ロボットである。

ロボット１２の胴部１４は、脚機構部１６及び腕機構部１８と連設されるとともに、頭部２０を支持する主胴部２２と、主胴部２２の背面部に設けられた副胴部２４とを有する。

主胴部２２の上部の左右両側には、肩部２６が設けられ、左右一対の肩部２６に内蔵された図示しない肩関節に各腕機構部１８が設けられている。各腕機構部１８は、人間の手を模したハンド部２８を先端に備えるとともに、ハンド部２８と肩部２６との間に、肘関節３０及び手首関節３２を備えている。

また、主胴部２２の下端部には腰部３４が設けられており、腰部３４が備える左右一対の股関節３６から各脚機構部１６が下方に設けられている。各脚機構部１６は、人間の足を模した足平部３８を先端に備えるとともに、足平部３８と股関節３６との間に、膝関節４０及び足首関節４２を備えている。

脚機構部１６及び腕機構部１８の各関節は、図示しない電動モータにより駆動されるようになっている。また、主胴部２２の上端部に支持された頭部２０には、視覚用の図示しない撮像装置が内蔵されている。

ロボット１２は、骨組みとなる図示しないフレームを有し、表面が外装パネル４４によって覆われている。この外装パネル４４は、ロボット１２の外観を構成する。主胴部２２は、その内部にバッテリ保護装置１０を有し、主胴部２２の外装パネル４４を外すことで、バッテリ保護装置１０が露出する。

副胴部２４の内部には、図示しないが脚機構部１６及び腕機構部１８の各関節を駆動する前記電動モータのドライバ回路ユニットや、ロボット１２の動作制御を行なうコントロールユニット、後述するバッテリモジュール４６の出力電圧のレベルを、電動モータ等を動作させるためのレベルに変換するＤＣ／ＤＣコンバータ等が収納されている。バッテリモジュール４６は、複数のバッテリセルを有する。

なお、以下、前後、左右、上下は、ロボット１２から見た方向に従う。つまり、ロボット１２の正面方向（主胴部２２側）を前、背面方向（副胴部２４側）を後とし、正面方向に向かって左側を左、右側を右とする。また、上方向（頭部２０側）を上、下方向（脚機構部１６側）を下とする。

図２は、バッテリ保護装置１０の構成を示す図である。バッテリ保護装置１０は、バッテリモジュール４６を収納する箱型形状のバッテリケース５０と、バッテリケース５０の一側面に設けられた剛性の高い２つの第１保護部材５２と、バッテリケース５０の前記一側面に設けられた第１保護部材５２より剛性の低い第２保護部材５４とを有する。第１保護部材５２は、例えば、チタン系の金属で構成され、第２保護部材５４は、例えば、チタン系の金属より剛性が低いが、重量が軽いアルミニウム系の金属で構成される。また、バッテリケース５０は、マグネシウム系の金属で構成されている。第２保護部材５４は、第１保護部材５２より剛性が低いので、正面から衝撃を受ける場合、３本とも剛性の高い第２保護部材を使用するより、バッテリ内部に発生する加速度が小さくなる効果がある。

バッテリケース５０の前記一側面は、開口部５６を有し、開口部５６は、バッテリモジュール４６を出し入れするための出し入れ口となっている。この開口部５６がロボット１２の正面側となるように、バッテリ保護装置１０は、ロボット１２内に配置される。この開口部５６は、ロボット１２の取り外し可能な外装パネル４４によって前方が覆われており、該外装パネル４４を取り外すことで、開口部５６が露呈する。

第１保護部材５２及び第２保護部材５４の上部は、バッテリケース５０の上面部５０ａ側に取り付けられ、第１保護部材５２及び第２保護部材５４の下部は、バッテリケース５０の底面部５０ｂ側に取り付けられる。第２保護部材５４は、バッテリケース５０の幅方向（左右方向）中央に設けられ、第１保護部材５２は、第２保護部材５４を中心に左右両側に対称的に設けられる。つまり、第１保護部材５２の間に第２保護部材５４が設けられる。図３に示すように、第１保護部材５２及び第２保護部材５４は、後述する開閉機構５８によって開口部５６を開閉することが可能である。

上面部５０ａには、第１保護部材５２及び第２保護部材５４と係合する凹部６０ａ、６０ｂが形成されており（図３参照）、第１保護部材５２の上部が凹部６０ａと嵌合することで、第１保護部材５２は、上面部５０ａに取り付け可能となる。また、第２保護部材５４の上部も同様に凹部６０ｂと嵌合することで、第２保護部材５４は、上面部５０ａに取り付け可能となる。第１保護部材５２及び第２保護部材５４は、２つの締結バー６２、６４によって互いに接続されている。第１保護部材５２及び第２保護部材５４の下部は、開閉機構５８を介して底面部５０ｂに取り付けられている。

なお、凹部６０ａ、６０ｂには、第１保護部材５２及び第２保護部材５４の上部を左右方向から挟む込む弾性部材（図示略）が設けられており、この弾性部材によって前記第１保護部材５２及び第２保護部材５４が上面部５０ａに取り付けられる。

第１保護部材５２及び第２保護部材５４は、前面部５２ａ、５４ａと、後面部５２ｂ、５４ｂと、前面部５２ａ、５４ａと後面部５２ｂ、５４ｂとを繋ぐ接続部５２ｃ、５４ｃとを有する。前面部５２ａ、５４ａの上部は、図２に示すように、前方向に傾斜した形状を有しており、これにより、第１保護部材５２及び第２保護部材５４の上部の前後方向における厚みが、下部よりも厚くなっている。つまり、接続部５２ｃ、５４ｃの上部の前後方向における厚みが、下部よりも厚くなっている。

第１保護部材５２及び第２保護部材５４の前後方向の厚みが他の部位より厚くなっている部位は、ロボット１２の重心位置付近にあり、ロボット１２が衝撃を受けた場合に、最も衝撃を受けやすい部分である。従って、最も衝撃を受けやすい部位の前後方向における厚みを厚くすることで緩衝距離を長くすることができ、バッテリモジュール４６を効果的に保護することができる。第１保護部材５２及び第２保護部材５４は、複数の緩衝孔６６、６８を有している。詳しくは、複数の緩衝孔６６は、幅方向に沿って第１保護部材５２の接続部５２ｃを貫通するように設けられ、複数の緩衝孔６８は、幅方向に沿って第２保護部材５４の接続部５４ｃを貫通するように設けられている。本実施の形態では、第１保護部材５２には、４つの緩衝孔６６が上下方向に沿って設けられており、第２保護部材５４にも４つの緩衝孔６８が上下方向に沿って設けられている。

接続部５２ｃ、５４ｃの幅方向における厚みは、前面部５２ａ、５４ａ及び後面部５２ｂ、５４ｂの幅方向における厚みより薄く設定され、前面部５２ａ、５４ａ及び後面部５２ｂ、５４ｂの幅方向における厚みは、略等しい。また、第１保護部材５２の幅方向における厚みは、第２保護部材５４より厚く設定され、第２保護部材５４は、第１保護部材５２より前方（バッテリケース５０の外方向）に向かって突出している。

バッテリモジュール４６は、保持ベルト７０によって保持されている。この保持ベルト７０は、バッテリケース５０の両側の側面部５０ｃの上部に、その両端がピン７２で接続され、その中間部がバッテリモジュール４６の前方側（開口部５６側）に設けられている。保持ベルト７０は、バッテリモジュール４６の上部を保持する。

この保持ベルト７０は、例えば、ロボット１２が前方から衝撃を受けて、第１保護部材５２及び第２保護部材５４に衝撃が加わった場合に、慣性力によってバッテリモジュール４６が前方に移動しないようにバッテリモジュール４６を保持し、その移動を係止するものである。この保持ベルト７０によって、バッテリモジュール４６の背面とバッテリケース５０の背面部５０ｄ（図６Ａ参照）とが当接した状態となる。保持ベルト７０は、ＣＦＲＰベルト、ＧＦＲＰベルト、ＢＦＲＰベルト等の衝撃緩和ベルトで構成されている。

バッテリモジュール４６と保持ベルト７０との間には、バッテリモジュール４６の慣性力を保持ベルト７０に伝達する複数の慣性力伝達部材７４が設けられている。慣性力伝達部材７４は、保持ベルト７０を屈曲させるように設けられている。慣性力伝達部材７４は、樹脂で形成されており、プラスティック等で構成されていてもよく、弾性力のある弾性部材で構成されていてもよい。この慣性力伝達部材７４によって、保持ベルト７０は、慣性力を分散させて衝撃を吸収することができる。

図４は、保持ベルト７０による慣性力の分散を説明するためバッテリ保護装置１０の断面図である。図４に示すように、慣性力伝達部材７４によって、保持ベルト７０は屈曲しているので、バッテリモジュール４６が前方に移動しようとする慣性力を保持ベルト７０が受けて、図４の矢印方向に分散させるので、慣性力を軽減させることができ、最終的には、保持ベルト７０が接続されているバッテリケース５０の側面部５０ｃで慣性力を受けることができる。なお、本実施の形態では、慣性力伝達部材７４は、バッテリモジュール４６の筐体の角部付近に設けられているが、慣性力伝達部材７４を角部付近以外の箇所に設けて、保持ベルト７０を屈曲させてもよい。また、慣性力伝達部材７４を弾性部材で構成した場合は、慣性力伝達部材７４がバッテリモジュール４６の慣性力を軽減して保持ベルト７０に伝達することができる。

このように、第１保護部材５２及び第２保護部材５４をバッテリケース５０に設けたので、緩衝距離を伸ばすことができ、バッテリモジュール４６の保護性能が向上する。例えば、ロボット１２が衝撃を受けた場合であっても、第１保護部材５２及び第２保護部材５４が衝撃を吸収し、バッテリモジュール４６を保護することができる。第２保護部材５４の両側に、剛性の高い第１保護部材５２を設けたので、斜め方向からの衝撃に対してもバッテリモジュール４６を保護することができる。

中央に設けられた第２保護部材５４は、第１保護部材５２より前方に向かって突出しているので、前方からの衝撃に対して更に緩衝距離を長くすることができ、第２保護部材５４は、その両側に設けられた第１保護部材５２より衝撃吸収力が高いことも相俟って、バッテリモジュール４６の保護性能が更に向上する。ロボット１２の主胴部２２の外装パネル４４が、幅方向中心で前方に突出している形状を有しているので、ロボット１２のデザイン上の制約の範囲内で最大限に緩衝距離を長くすることができる。

また、第１保護部材５２及び第２保護部材５４に複数の緩衝孔６６、６８を設けたので、第１保護部材５２及び第２保護部材５４の重量を軽減することができるとともに、緩衝効果を向上させることができる。つまり、緩衝孔６６、６８が無いときに比べ、緩衝孔６６、６８を設けると、衝撃吸収量が増加するとともに、衝撃荷重が低減され、且つ、第１保護部材５２及び第２保護部材５４の撓み量も軽減される。また、接続部５２ｃ、５４ｃの幅方向における厚みを、前面部５２ａ、５４ａ及び後面部５２ｂ、５４ｂより薄くしたので、第１保護部材５２及び第２保護部材５４の重量を軽減することができる。更に、第２保護部材５４は、第１保護部材５２より軽量の金属を用いたので第２保護部材５４の重量を軽減することができる。

第１保護部材５２及び第２保護部材５４の重量を軽減することで、ロボット１２が衝撃を受けた時にバッテリモジュール４６に掛かる最大荷重を軽減することができる。

また、保持ベルト７０を設けたので、ロボット１２が前方から衝撃を受けたことで第１保護部材５２及び第２保護部材５４が衝撃を受けた場合であっても、慣性力によってバッテリモジュール４６が前方に移動しないように保持することができ、バッテリモジュール４６の移動を係止することができる。保持ベルト７０がバッテリモジュール４６を保持するので、ロボット１２が衝撃を受けたことによって、後述するバッテリモジュール４６のコネクタ９６とバッテリケース５０内に設けられたコネクタ９８（図６Ａ参照）との嵌合が解除されることを防止することができ、衝撃を受けたことによってロボット１２が動作しなくなるという事態を防止することができる。つまり、コネクタ９６とコネクタ９８との接続が解除されると、電力供給が遮断されてロボット１２が停止してしまうが、本実施の形態では、保持ベルト７０を設けるので、このような弊害を防ぐことができる。

図５は、開閉機構５８の要部平面図、図６Ａは、第１保護部材５２及び第２保護部材５４を第１段階まで開いた時の開閉機構５８の状態を示す図であり、図６Ｂは、第１保護部材５２及び第２保護部材５４を第２段階まで開いたときの開閉機構５８の状態を示す図であり、図６Ｃは、第１保護部材５２及び第２保護部材５４を完全に開いた時の開閉機構５８の状態を示す図である。

開閉機構５８は、第１保護部材５２と連結され、バッテリケース５０の底面部５０ｂの前方に設けられた第１回転軸８０を中心に回動する回動部材８２と、回動部材８２の後端部に設けられた第２回転軸８４を介して連結された揺動部材８６と、揺動部材８６の後端部に設けられた第３回転軸８８を介して連結された摺動部材９０とを有する。摺動部材９０の後端には、バッテリケース５０の底面部５０ｂと摺動する摺動部９０ａが形成されている。

また、摺動部材９０の摺動部９０ａには、係止ローラ９２が回転自在に設けられており、第２回転軸８４には、押圧ローラ９４が回転自在に設けられている。

バッテリモジュール４６には、図６Ａに示すように、後方下部（開口部５６と反対側の下部）に給電用の雌型のコネクタ９６が設けられ、バッテリケース５０の内側であって、バッテリケース５０の背面部５０ｄには、雌型のコネクタ９６と嵌合する受電用の雄型のコネクタ９８が設けられている。コネクタ９８には、外部機器（例えば、前記したドライバ回路ユニット、コントロールユニット、及びＤＣ／ＤＣコンバータ等）が電気的に接続されており、コネクタ９６とコネクタ９８とを嵌合することで、バッテリモジュール４６の電力が前記外部機器に供給される。

また、バッテリモジュール４６の側壁には、当接ブロック１００が設けられている。当接ブロック１００は、バッテリモジュール４６の側壁から張り出す前後一対の端面（前端面１００ｆ及び後端面１００ｒ）を備え、図５に示すように、前端面１００ｆは、押圧ローラ９４と当接可能であり、後端面１００ｒは、係止ローラ９２と当接可能である。

このようなバッテリ保護装置１０は、次のように動作する。図２に示すように、バッテリケース５０にバッテリモジュール４６が収納された状態から、バッテリモジュール４６を取り出す場合は、先ず、保持ベルト７０を外し、図６Ａに示すように、第１保護部材５２及び第２保護部材５４を開方向（前方向）に移動させると、回動部材８２が第１回転軸８０を中心に、図６Ａの紙面に対して反時計方向に回転し、摺動部材９０が前方に向かって移動する。

摺動部材９０が前方に向かって移動すると、図６Ｂに示すように、摺動部９０ａに設けられた係止ローラ９２が当接ブロック１００の後端面１００ｒに当接して、摺動部材９０がバッテリモジュール４６に係止された状態となる。

更に、第１保護部材５２及び第２保護部材５４を開方向に移動させると、回動部材８２が第１回転軸８０を中心に回転し、摺動部９０ａに設けられた係止ローラ９２が当接ブロック１００の後端面１００ｒを押圧する。これにより、図６Ｃに示すように、バッテリモジュール４６がバッテリケース５０の開口部５６方向に向かって移動し、コネクタ９６とコネクタ９８との嵌合が解除される。

このように、第１保護部材５２及び第２保護部材５４を開方向に移動させることで、バッテリモジュール４６をバッテリケース５０から取り出すことができるとともに、コネクタ９６とコネクタ９８との嵌合が解除されたときの反動も極めて少なく、起立状態のロボット１２から安定した姿勢を維持してバッテリモジュール４６を取り出すことができる。

また、バッテリモジュール４６をバッテリケース５０に収納する場合は、第１保護部材５２及び第２保護部材５４を開状態にし、バッテリモジュール４６をバッテリケース５０に挿入する。つまり、図６Ｃの状態にする。そして、第１保護部材５２及び第２保護部材５４を閉方向に移動させると、回動部材８２が第１回転軸８０を中心に、図６Ｃの紙面に対して時計方向に回転し、摺動部材９０が後方に移動する。

なお、上記実施の形態では、第１保護部材５２を２つ、第２保護部材５４を１つ設けるようにしたが、第１保護部材５２は３つ以上であってもよく、第２保護部材５４は２つ以上であってもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０…バッテリ保護装置 １２…脚式移動ロボット
１４…胴部 １６…脚機構部
１８…腕機構部 ２０…頭部
２２…主胴部 ２４…副胴部
４４…外装パネル ４６…バッテリモジュール
５０…バッテリケース ５０ａ…上面部
５０ｂ…底面部 ５０ｃ…側面部
５０ｄ…背面部 ５２…第１保護部材
５２ａ、５４ａ…前面部 ５２ｂ、５４ｂ…後面部
５２ｃ、５４ｃ…接続部 ５４…第２保護部材
５６…開口部 ５８…開閉機構
６０ａ、６０ｂ…凹部 ６２、６４…締結バー
６６、６８…緩衝孔 ７０…保持ベルト
７２…ピン ７４…慣性力伝達部材
８０…第１回転軸 ８２…回動部材
８４…第２回転軸 ８６…揺動部材
８８…第３回転軸 ９０…摺動部材
９０ａ…摺動部 ９２…係止ローラ
９４…押圧ローラ ９６、９８…コネクタ
１００…当接ブロック １００ｆ…前端面
１００ｒ…後端面

Claims (9)

1. 複数のバッテリセルを有するバッテリモジュールを保護するバッテリ保護装置であって、
   前記バッテリモジュールを収納するバッテリケースと、
   前記バッテリケースの一側面に設けられ、且つ、前記バッテリケースの外面側に突出した複数の剛性の高い第１保護部材と、
   前記バッテリケースの前記一側面に設けられ、且つ、前記バッテリケースの外面側に突出した前記第１保護部材より剛性の低い第２保護部材と、
   を備え、
   前記第２保護部材は、複数の前記第１保護部材の間に配置されている
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
2. 請求項１に記載のバッテリ保護装置であって、
   前記第２保護部材は、前記第１保護部材より前記バッテリケースの外方向に向かって突出している
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
3. 請求項１又は２に記載のバッテリ保護装置であって、
   前記第１保護部材及び第２保護部材は、複数の緩衝孔を有している
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のバッテリ保護装置であって、
   前記バッテリケースの前記一側面は、前記バッテリモジュールの出し入れ口となる開口部を有する
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
5. 請求項４に記載のバッテリ保護装置であって、
   前記第１保護部材及び前記第２保護部材は、前記開口部側に設けられた開閉機構によって、前記開口部を開閉する
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のバッテリ保護装置であって、
   前記バッテリケースの内部であって、前記第１保護部材及び前記第２保護部材が設けられている側とは反対側には、前記バッテリモジュールと外部機器とを接続するためのコネクタが設けられている
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
7. 請求項６に記載のバッテリ保護装置であって、
   前記バッテリモジュールは、前記第１保護部材及び前記第２保護部材が設けられている側で保持ベルトによって保持されている
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
8. 請求項７に記載のバッテリ保護装置であって、
   前記バッテリモジュールと前記保持ベルトとの間に、前記保持ベルトを屈曲させる慣性力伝達部材が配置されている
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
9. 請求項８に記載のバッテリ保護装置であって、
   前記バッテリモジュールの角と前記保持ベルトとの間に前記慣性力伝達部材が配置される
   ことを特徴とするバッテリ保護装置。
   

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