Robots industriales: tecnología y aplicaciones

Hoy en día, la robótica industrial desempeña un papel importante en las empresas manufactureras. Para conseguir la máxima eficacia, seguridad y ventaja competitiva en el mercado actual, las soluciones de fabricación automatizada son muy útiles.

Los robots de fabricación automatizan las tareas repetitivas, minimizan los márgenes de error hasta tasas insignificantes y ayudan a los trabajadores humanos a esforzarse en áreas más productivas de la empresa.

En este artículo analizaremos por qué los robots industriales son una de las soluciones de automatización de la fabricación con mayor crecimiento en la industria y cuáles son sus fundamentos, características y aplicaciones.

Qué se entiende por robótica industrial

La robótica industrial se utiliza ampliamente en muchos ámbitos de la industria, ya que garantiza la rapidez, la precisión y la eficacia, especialmente cuando los empleados tienen que realizar tareas peligrosas o repetitivas.

En pocas palabras, la robótica industrial se define como un control automático, reprogramable en tres o más ejes.

Los robots industriales suelen caracterizarse por estar compuestos de un sistema articulado, similar a un brazo humano, que se utiliza para la ejecución automática de tareas y la manipulación de objetos.

Historia de los robots industriales: quién los inventó y su evolución

La invención de las máquinas de control numérico (CN), la popularidad del ordenador (1950) y el circuito integrado (años 70) contribuyeron a que se empezara a desarrollar el primer robot industrial.

Los primeros robots industriales fueron capaces de sustituir a los humanos en las tareas pesadas, peligrosas y monótonas. Sin embargo, no tenían ningún tipo de sensor externo y se utilizaban para tareas sencillas como recoger y colocar.

Con el tiempo, los desarrolladores pudieron crear movimientos más complejos, colocar sensores externos y añadir más aplicaciones como la soldadura, el triturado, el lijado y el ensamblaje.

Desde entonces, los robots industriales han sido capaces de reducir costes, aumentar la productividad, mejorar la calidad y ayudar a asumir tareas peligrosas o dañinas.

George Charles Devol, considerado el padre de la robótica, inventó el primer prototipo de robot industrial, el Unimate, en 1954.

Este primer prototipo, Unimate, se fabricó en 1961 y se instaló en la fábrica de General Motors para la manipulación de la fundición a presión y la soldadura por puntos. Su producción costó 65.000 dólares, pero se vendió por 18.000 dólares. Después, General Motors instaló otros 66 Unimates y Ford también se interesó por ellos.

El futuro de los robots industriales era ciertamente brillante con todo el interés y la inversión puesta en el sector del automóvil.

Los brazos robóticos industriales modernos siguieron evolucionando en los años 60 y 70 en todo el mundo. La competencia de las empresas seguía produciendo una gran demanda de robots industriales.

En 1963 se creó el brazo robótico Rancho Arm de seis articulaciones para ayudar a los discapacitados. A éste le siguió el Tentacle Arm, diseñado por Marvin Minsky en 1968. Era capaz de levantar a una persona y tenía 12 articulaciones.

La primera historia de éxito de una empresa que desarrolló un robot industrial específico se creó en 1967. Esta empresa desarrolló un robot para completar una aplicación de pintura en spray y acabó convirtiéndose en ABB.

En años posteriores, el desarrollo de la robótica industrial siguió evolucionando de forma rápida y, en 1969, el Standford Arm acabó dando lugar a la producción de brazos comerciales. En concreto, el Stanford Arm fue uno de los primeros brazos accionados electrónicamente y controlados por ordenador.

Al Stanford Arm le siguió el Silver Arm en 1974. El Silver Arm fue creado por David Silver, del MIT, para realizar montajes precisos mediante sensores táctiles y de presión junto a un microordenador.

Podría seguir contando más avances de la robótica industrial hasta la actualidad, pero habría que dedicarle un libro entero.

En la actualidad, se espera que se instalen casi 2 millones de nuevas unidades de robots industriales en fábricas de todo el mundo.

Este dato nos enseña que la evolución de la robótica inteligente y la automatización son vitales para hacer frente a las nuevas tendencias de consumo, a la demanda de variedad de productos o a los retos derivados de las barreras comerciales.

La simplificación, la colaboración y la digitalización son factores clave que beneficiarán la implantación de robots.

 

Qué es y cómo funciona un robot industrial

Un robot industrial es un sistema autónomo de sensores, controladores y actuadores que ejecuta funciones y operaciones específicas en una línea de fabricación o procesamiento.

El término robot proviene de la palabra checa robota, que se traduce como "trabajo forzado".

Esto describe bastante bien a la mayoría de los robots, ya que están diseñados para trabajos de fabricación pesados y repetitivos. Se encargan de tareas que son difíciles, peligrosas o aburridas para los seres humanos.

En la practica, los robots funcionan de forma continua a través de ciclos de movimiento repetitivos según las instrucciones de un conjunto de comandos llamado programa.

Estas máquinas minimizan o eliminan el factor humano para obtener diversas ventajas en cuanto a velocidad de procesamiento, capacidad y calidad.

No hay que confundir los robots industriales tradicionales con una tecnología robótica más reciente denominada robots colaborativos.

Los robots colaborativos, o cobots, están diseñados para trabajar simultáneamente y en estrecha colaboración con un operador humano.

Son mucho más pequeños pero más versátiles. Están equipados con sofisticados sensores que les permiten percibir las acciones del personal cercano.

El robot de fabricación más común es el brazo robótico. Un brazo robótico típico está formado por siete segmentos metálicos, unidos por seis articulaciones.

El ordenador controla el robot haciendo girar motores paso a paso conectados a cada articulación (algunos brazos más grandes utilizan sistemas hidráulicos o neumáticos).

A diferencia de los motores normales, los motores paso a paso se mueven en incrementos exactos. Esto permite al ordenador mover el brazo con gran precisión, repitiendo exactamente el mismo movimiento una y otra vez. El robot utiliza sensores de movimiento para asegurarse de que se mueve justo lo necesario.

Un robot industrial con seis articulaciones se parece mucho a un brazo humano: tiene el equivalente a un hombro, un codo y una muñeca.

Por lo general, el hombro está montado en una estructura de base fija en lugar de en un cuerpo móvil. Este tipo de robot tiene seis grados de movimiento, lo que significa que puede pivotar de seis maneras diferentes. Un brazo humano, en comparación, tiene siete grados de movimiento.

El trabajo de su brazo es mover su mano de un lugar a otro. Del mismo modo, el trabajo del brazo robótico es mover un efector final de un lugar a otro.

Los brazos robóticos se pueden equipar con todo tipo de efectores finales, que se adaptan a una aplicación concreta. Un efector final común es una versión simplificada de la mano, que puede agarrar y transportar diferentes objetos.

Las manos robóticas suelen llevar incorporados sensores de presión que indican al ordenador la fuerza con la que el robot agarra un objeto determinado.

Esto evita que el robot deje caer o rompa lo que lleva. Otros efectores finales son los sopletes, los taladros y los pulverizadores.

Los robots industriales están diseñados para hacer exactamente lo mismo, en un entorno controlado, una y otra vez.

Para enseñar a un robot a hacer su trabajo, el programador guía el brazo a través de los movimientos mediante un controlador manual.

El robot almacena la secuencia exacta de movimientos en su memoria y la repite una y otra vez cada vez que llega una nueva unidad a la cadena de montaje.

 

Componentes de un robot industrial

Los robots industriales son potentes máquinas capaces de realizar numerosas aplicaciones de fabricación, desde las más sencillas hasta las más complejas.

El diseño de los robots industriales los hace capaces de realizar funciones similares a las humanas.

Este diseño consta de cinco componentes principales: el controlador, los sensores, el brazo del robot, el efector final y el accionamiento.

Controlador

El controlador del robot es un ordenador que está conectado al robot y le sirve de "cerebro". Todos los robots industriales necesitan un controlador para poder funcionar.

Este controlador se utiliza para instruir al robot sobre cómo operar a través de un código, lo que se conoce más comúnmente como un programa.

Los programas robóticos se introducen en el controlador mediante el uso de un teach pendant (consola).

Una vez introducido el programa en el controlador, éste enviará la información del programa a la CPU (unidad central de procesamiento) del robot.

La CPU es un pequeño chip situado en el interior del robot que le permite procesar y ejecutar el programa.

Sensores

Los sensores proporcionan a los robots industriales información sobre su espacio de trabajo. Los tipos de sensores más comunes son los sistemas de visión y los micrófonos, que actúan como los ojos y los oídos de un robot.

Los sensores permiten a los robots adaptarse dinámicamente a su entorno de trabajo enviando señales a la CPU del robot.

Brazo robótico

Un brazo de robot industrial se utiliza para posicionar el efector final del robot.

Los brazos robóticos pueden variar en tamaño y forma, pero en general están diseñados para imitar un brazo humano con partes similares a los hombros, codos y muñecas.

Estas piezas son las que permiten a los robots colocar correctamente los efectores finales para realizar una aplicación.

Cada una de las partes de un brazo robótico sirve como un grado de libertad individual o eje. La mayoría de los robots industriales tienen 6 ejes para un rango de movimiento similar al de un ser humano.

Efector final

Los efectores finales están unidos al extremo de un brazo robótico y actúan como la mano del robot. Se denominan comúnmente herramientas de fin de brazo (EOAT) y varían en función del tipo de aplicación.

Algunos robots pueden estar equipados con múltiples efectores finales que pueden cambiarse automáticamente con el uso de un cambiador de herramientas, lo que permite al robot completar diferentes tipos de aplicaciones.

Accionamiento

El accionamiento de un robot industrial es el motor que mueve las diferentes partes del robot. Los accionamientos de los robots suelen ser hidráulicos, eléctricos o neumáticos.

Los accionamientos hidráulicos pueden proporcionar mayor potencia y velocidad, mientras que los eléctricos suelen ser menos potentes. Los robots más pequeños suelen utilizar accionamientos neumáticos.

Tipos de robots industriales

Los robots industriales se clasifican según la configuración de su brazo. Un brazo robótico se compone de enlaces y articulaciones.

Variando el número y el tipo de estos dos componentes se obtienen robots con diferentes configuraciones.

A continuación se presentan los seis tipos de robots industriales que más nos solicitan las empresas para su instalación.

Robot cartesiano

Un robot cartesiano está compuesto por tres articulaciones prismáticas. Por tanto, la herramienta se limita al movimiento lineal. El nombre de cartesiano se deriva del sistema de coordenadas cartesianas tridimensionales, que consta de los ejes X, Y y Z.

Los robots cartesianos son el sistema robótico más sencillo, ya que su funcionamiento sólo implica movimientos de traslación.

Esto es adecuado para aplicaciones que sólo requieren un movimiento en ángulo recto sin necesidad de orientar la carga.

Además, como una o dos de sus articulaciones prismáticas suelen estar apoyadas en ambos extremos, están construidos para soportar cargas más pesadas que otros tipos de robots.

Un ejemplo de robot cartesiano es una máquina de pórtico. Las máquinas de pórtico, también conocidas como grúas de pórtico, se utilizan para recoger y colocar grandes cargas, como las paletizadas.

Robot antropomórfico o de brazo articulado

Los robots articulados son los más utilizados en los procesos de fabricación. Se utilizan para realizar operaciones más complejas como la soldadura, el montaje de productos y el mecanizado.

Las herramientas de fin de brazo (EOAT) montadas en robots articulados están diseñadas para tener seis grados de libertad.

El brazo del robot consta de al menos tres articulaciones de giro. Puede añadirse una cuarta articulación de giro a la muñeca del brazo para hacer girar el EOAT.

Su área de trabajo también es esférica, similar a la del tipo de robot esférico que veremos más adelante.

Robot cilíndrico

Como su nombre indica, un robot cilíndrico tiene un rango de movimiento cilíndrico. Este tipo consta de una articulación de revolución y dos articulaciones prismáticas.

La junta de revolución está situada en la base del brazo y permite la rotación de los eslabones en torno al eje del robot.

Las dos articulaciones prismáticas se utilizan para ajustar el radio y la altura del área de trabajo cilíndrico del robot.

En los diseños compactos, se elimina la articulación prismática utilizada para ajustar el radio del brazo.

Esta configuración de una articulación prismática y una de revolución es útil en operaciones sencillas de recogida y colocación en las que la alimentación del producto se encuentra en un solo lugar.

Robot SCARA

Un SCARA es un tipo de robot que tiene un brazo flexible en el plano horizontal o XY, pero rígido en la dirección vertical o eje Z.

Tiene dos eslabones, dos juntas de revolución y una única junta prismática. Los eslabones y la base están conectados por las juntas de revolución orientadas en el mismo eje.

La articulación prismática sólo sirve para subir o bajar el EOAT. La envolvente de trabajo resultante de un SCARA es toroidal. Su aplicación es similar a la de un robot cilíndrico.

Suelen utilizarse para el ensamblaje, la paletización y las aplicaciones biomédicas.

Robot delta

Un robot delta consta de al menos tres eslabones conectados a un EOAT y a una base común.

El EOAT está conectado a los eslabones mediante tres juntas universales no accionadas.

La base, por su parte, está conectada por tres juntas prismáticas o tres juntas accionadas por revoluciones. Las juntas accionadas funcionan conjuntamente para que el EOAT tenga cuatro grados de libertad.

En los diseños que utilizan articulaciones prismáticas, se suele conectar un cuarto eslabón o eje al EOAT para permitir la rotación.

El EOAT de un robot delta puede moverse a lo largo de todos los ejes cartesianos y también puede girar alrededor del eje vertical.

El resultado es un área de trabajo en forma de cúpula. La acción simultánea de las tres articulaciones accionadas hace que los robots delta sean adecuados para aplicaciones de recogida y colocación rápida en las industrias farmacéutica, alimentaria y electrónica.

Robot esférico

Los robots esféricos, también conocidos como robots polares, utilizan el sistema de coordenadas polares tridimensionales r, θ y φ.

En lugar de tener una zona de trabajo en forma de prisma rectangular, los robots polares tienen un alcance esférico.

Su rango de movimiento tiene un radio igual a la longitud del enlace que conecta el EOAT y la articulación de revolución más cercana.

Esta configuración permite que los robots polares tengan el mayor alcance para una longitud de brazo determinada en comparación con otros tipos de robots.

El alcance de un robot esférico puede ampliarse aún más utilizando un segundo eslabón conectado por una articulación prismática.

Debido a su amplio alcance, los robots polares se utilizan habitualmente en aplicaciones de carga de máquinas.

 

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Aplicaciones de los robots industriales

Los robots industriales son ya habituales en numerosas fábricas, almacenes y sectores de todo el mundo. Existen de forma literal cientos de casos de uso de los robots en la actualidad.

En este apartado vamos a describir los más comunes.

Robots de montaje

La industria del automóvil fue una de las primeras en adoptar los robots industriales para el montaje.

Hoy en día, los robots de montaje se encuentran en aplicaciones mucho más allá de la automoción.

Existe una necesidad creciente de ensamblaje robótico de alta velocidad de piezas pequeñas.

La exactitud y la velocidad del ensamblaje robótico a menudo suponen un mayor rendimiento y una mayor precisión de lo que se puede conseguir con la mano de obra humana.

Robots dispensadores de adhesivos

Un robot dispensador aplica adhesivos y selladores en una variedad de aplicaciones.

Estas pueden incluir la fijación de piezas entre sí, la colocación de piezas en un sellador y muchas otras más.

Los trabajos más pequeños, como la aplicación de pegamento y resina epoxi, requieren un robot compacto y de alta velocidad.

Manipulación y picking

Los robots que transportan mercancías dentro de un almacén, o que recogen artículos de un contenedor y los colocan en un contenedor de envío, son ejemplos de robots de manipulación y recogida.

Con el auge del comercio electrónico, hay una gran y creciente demanda de robots que puedan preparar y satisfacer los pedidos.

Robots de carga y alimentación de máquinas

Los robots de alimentación de máquinas introducen las piezas en las máquinas y las retiran una vez finalizada la operación.

Un ciclo típico consiste en que un brazo robótico coja una pieza de una bandeja, la introduzca en la máquina, espere a que se complete la operación y, a continuación, retire la pieza terminada y la coloque en la misma bandeja, o quizás en otra diferente.

Robots de fresado

Cortar material a partir de una pieza "en bruto" y darle forma hasta convertirla en una pieza acabada mediante una fresadora es una de las operaciones industriales más comunes y esenciales.

Las fresadoras se han automatizado cada vez más con la llegada del CNC (control numérico por ordenador) en la década de 1960.

Los robots de fresado llevan la automatización del CNC al siguiente nivel, permitiendo el cambio automático de herramientas y el funcionamiento sin supervisión.

El uso de la robótica para realizar el fresado puede mejorar la precisión y la flexibilidad de la operación, reducir el número de piezas defectuosas y mejorar la seguridad de los trabajadores.

La mejora de las condiciones de trabajo puede ayudar a retener a los empleados.

Robots de perforación

La perforación manual es un trabajo agotador y a menudo peligroso. La perforación robótica ofrece más precisión y repetitividad que la perforación manual. El rendimiento aumenta y los trabajadores se liberan para centrarse en un trabajo más gratificante.

El fresado y el taladrado son similares en el sentido de que ambos implican EOAT diseñadas para eliminar el material de una pieza de trabajo mediante la rotación y el corte.

Por ello, las dos operaciones se combinan a veces en un solo robot. El brazo del robot puede cambiar automáticamente de herramienta para alternar entre el fresado y el taladrado.

Robots de corte por láser

Para muchas aplicaciones, el corte por láser puede representar una solución superior al corte mecánico.

El corte por láser ofrece una menor posibilidad de deformación del material, y la precisión puede mejorarse porque el rayo láser que realiza el corte no se mella con el uso.

Algunos materiales son difíciles o incluso imposibles de cortar sin utilizar el láser. De hecho, la primera máquina de corte por láser que se utilizó en la producción fue para perforar agujeros en matrices de diamante.

A medida que los láseres se han ido haciendo más potentes, ha sido posible que corten materiales más gruesos.

Sin embargo, cuando se trata de cortar placas de acero gruesas, por ejemplo, el corte por plasma puede seguir siendo una solución más rentable.

Robots de soldadura

La soldadura es un proceso en el que los elementos se unen poniendo un material de relleno fundido (soldadura) en la unión.

La soldadura proporciona una unión bastante permanente, pero que puede revertirse volviendo a fundir la soldadura.

Algunos ejemplos del uso de la soldadura son las tuberías de cobre en fontanería, así como la electrónica, la joyería y el instrumental médico.

Las estaciones de soldadura robotizadas van desde las más pequeñas, de sobremesa, para volúmenes de producción relativamente bajos, hasta los grandes sistemas que manejan índices de producción muy elevados.

Los sistemas robotizados dan lugar a una mayor productividad, precisión y repetibilidad.

Robots de fundición a presión

La fundición a presión es ideal para fabricar simultáneamente muchos diseños de piezas intrincados y diferentes. Sin embargo, no suele implicar la creación de piezas de gran tamaño.

Los materiales que tienen un punto de fusión elevado, como el acero, no son adecuados para la fundición a presión. Los materiales típicos son el zinc, el cobre y el magnesio.

Los brazos robóticos pueden automatizar la extracción de la pieza de la matriz, la colocación de la pieza en un baño de enfriamiento, la eliminación del material sobrante y su colocación en un sistema de transporte.

Cuando las piezas salen de la matriz, están muy calientes y suelen enfriarse introduciéndolas en agua.

A menudo se utilizan sierras de cinta para cortar el material sobrante y el no deseado.

Estos procesos exponen a los operarios al peligro. El uso de robots para realizar estas operaciones es más seguro y menos fatigoso para los operarios. El rendimiento mejora y la productividad aumenta.

Pintura y revestimiento

La pintura y el revestimiento industriales son los procesos de aplicación de pintura u otros revestimientos a una pieza.

En la fabricación, la pieza que se va a pintar o revestir está bien definida en términos de forma y tamaño, por lo que las operaciones de pintura y revestimiento son muy repetitivas.

Por ello, las operaciones de pintura y revestimiento son idóneas para la automatización robótica.

Los resultados son uniformes y de gran calidad, y las máquinas pueden trabajar de forma continua sin pausas ni tiempos de inactividad, salvo para el mantenimiento periódico.

Al utilizar la robótica, los trabajadores no tienen que estar expuestos a humos nocivos o al exceso de pulverización, y la seguridad mejora.

Embalaje y paletización

El embalaje y la paletización son dos operaciones comunes a la fabricación, los almacenes y los centros de distribución.

A medida que continúa la tendencia hacia paquetes más pequeños, aumenta la naturaleza repetitiva de las operaciones de embalaje y paletización.

Esto puede afectar negativamente a la salud y la seguridad de los trabajadores.

La implementación de la robótica para estas tareas aumenta la productividad y ayuda a proteger a los operarios de las lesiones relacionadas con el trabajo.

Inspección y control de calidad

Algunos problemas de control de calidad son de vida o muerte, ya que una pieza defectuosa, o una pieza instalada de forma incorrecta, puede provocar una situación que ponga en peligro la vida.

La inspección humana suele tener una precisión del 80%. La inspección robótica puede tener una precisión del 100%.

 

Beneficios de los robots industriales

El uso de robots industriales y de la automatización ha experimentado un crecimiento exponencial en el sector de la fabricación en los últimos años.

Con la mejora de la eficiencia de la producción, la seguridad y la garantía de calidad en primera línea de los intereses de las empresas, no es de extrañar que se esté invirtiendo e implementando de forma sustancial la robótica en las instalaciones de fabricación de todo el mundo.

Aunque algunos pueden ver la automatización y robótica industrial como una amenaza potencial, la realidad es que cuando se combina con los empleados, los beneficios de la automatización robótica industrial se amplifican y pueden ayudar a garantizar que los fabricantes cumplan sus objetivos de producción de forma más eficiente.

Vamos a ver cuáles son las ventajas principales de la robótica industrial para las empresas de producción y fabricación.

Alta productividad

Los robots industriales pueden realizar tareas con precisión y repetitividad sin necesidad de paradas o descansos.

Esta capacidad de operar de forma continua y sin fatiga hace que los robots sean muy productivos y puede suponer un rápido retorno de la inversión (ROI) para los fabricantes.

La precisión de los robots también significa que se cometen menos errores en el proceso de producción, lo que a menudo se corresponde con una disminución de los residuos y de los costes de producción.

Velocidad y calidad constante

Los robots industriales pueden realizar tareas rutinarias con una calidad y velocidad constante, lo que puede permitir una producción más predecible y mayor que garantiza la elaboración de los productos siempre con las mismas especificaciones.

La capacidad de los robots industriales para realizar tareas rutinarias también permite asignar a los empleados funciones más complejas y satisfactorias, así como menos peligrosas.

Mejora de la seguridad en el trabajo

Un menor margen de error se traduce en una mayor seguridad en el lugar de trabajo.

Los robots pueden trabajar en entornos y tareas que se consideran de alto riesgo para los empleados humanos.

Por ejemplo, los robots pueden trabajar en entornos con temperaturas peligrosas o con mayores riesgos asociados, como en la minería o en ciertos tipos de fabricación.

Al utilizar sistemas de automatización robótica para estas tareas, los fabricantes pueden reducir de forma significativa los riesgos laborales a los que pueden estar expuestos los empleados.

Mejor utilización del espacio en la planta

Por último, los robots no requieren el mismo espacio que los seres humanos, lo que significa que los fabricantes pueden utilizar mejor su espacio en la planta para acomodar más inventario o líneas de producción.

Por ejemplo, los pasillos anchos destinados en principio a la circulación de personas pueden reducirse para dejar el espacio mínimo necesario para que circule un robot.

Conclusión

Los robots son una pieza importante del plan de la Industria 4.0. Las fábricas inteligentes del mañana dependerán de nuevos tipos de máquinas, como dispositivos colaborativos y dispositivos móviles interconectados.

El objetivo de la robótica habilitada para la Industria 4.0 es el tiempo de inactividad cero y la máxima eficiencia. A medida que los robots utilicen más sensores y estén más conectados digitalmente, serán mucho menos propensos a las interrupciones.

Al permitir que los robots comuniquen de forma más proactiva la información, como los tiempos de ciclo, las tasas de producción y los problemas de mantenimiento, a los sistemas de supervisión, un proceso de producción puede ser mejor supervisado y evaluado para ayudar tanto a la optimización como al mantenimiento preventivo.

Hay varios elementos clave de la Industria 4.0 que se aplican a la robótica, como la conectividad y los datos. La conectividad es el elemento básico por defecto.

Es difícil obtener algún valor si las máquinas no están conectadas de algún modo y no recogen datos, que por lo general se recopilan a partir de varios sensores integrados en los controladores, los brazos robóticos y las herramientas de fin de brazo (EOAT).

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