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整理為word格式整理為word格式整理為word格式畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告課題名稱智能輪椅的設(shè)計(jì)(機(jī)械部分)院系機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)班機(jī)電1201姓名胡天華評(píng)分指導(dǎo)教師李奕武昌首義學(xué)院整理為word格式整理為word格式整理為word格式武昌首義學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué)生姓名胡天華學(xué)號(hào)20121100016專業(yè)班級(jí)機(jī)電1201院(系)機(jī)械與自動(dòng)化學(xué)院指導(dǎo)教師李奕職稱副教授課題名稱智能輪椅的設(shè)計(jì)(機(jī)械部分)1.課題設(shè)計(jì)的目的和意義聯(lián)合國(guó)發(fā)表報(bào)告指出,全世界人口老齡化進(jìn)程正在加快,今后50年內(nèi),60歲以的人口比例預(yù)計(jì)將會(huì)番一番,由于各種災(zāi)難和疾病造成的殘障人士也逐年增加,他們存在不同程度的能力喪失,如行走、視力、動(dòng)手及語言等[1][2]。為了給老年人和殘障人士提供性能優(yōu)越的代步工具,幫助他們提高行動(dòng)自由度及重新融入社會(huì),目前美國(guó),德國(guó),日本,法國(guó),加拿大,西班牙及中國(guó)等國(guó)家對(duì)智能輪椅進(jìn)行了研究,使智能輪椅具有記憶地圖,避障,自動(dòng)行走,與用戶交互等功能。智能輪椅是將智能機(jī)器人技術(shù)運(yùn)用于電動(dòng)輪椅,融合多種領(lǐng)域的研究,包括機(jī)器視覺,機(jī)器人導(dǎo)航和定位,模式識(shí)別,多傳感器融合及用戶接口等,設(shè)計(jì)機(jī)械,控制,傳感器,人工智能等技術(shù),也稱智能輪椅式移動(dòng)機(jī)器人[3][4]隨著社會(huì)的發(fā)展,特別是城市的快速擴(kuò)張和建設(shè),以及人口老齡化問題越來越嚴(yán)重和殘障者數(shù)量的不斷增加,對(duì)輔助步行工具的需求日益提高。而高樓大廈鱗次櫛比,越來越多的天橋,公園的臺(tái)階,小區(qū)上下樓等,卻越來越困擾著輪椅使用者。輪椅作為殘障者的唯一出行工具,受到了越來越多的制約,傳統(tǒng)輪椅已經(jīng)不能滿足多數(shù)人的需求。而隨著科技的發(fā)展及技術(shù)的進(jìn)步,輪椅,應(yīng)該被加以改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的環(huán)境。近十幾年,國(guó)內(nèi)外的許多大學(xué).公司和研究機(jī)構(gòu)都對(duì)爬樓梯的裝置進(jìn)行了深入的研究,提出了各種各樣的產(chǎn)品或解決方案??傮w而言,根據(jù)爬升結(jié)構(gòu)的不同,通常采用三種結(jié)構(gòu)原理[5]一種是采用行星輪機(jī)構(gòu),他們不僅繞自身的軸旋轉(zhuǎn)還饒一個(gè)所有輪的共同軸線旋轉(zhuǎn);一種結(jié)構(gòu)是履帶輪型爬梯輪椅;一種結(jié)構(gòu)是步進(jìn)支撐式?,F(xiàn)如今,我國(guó)的輪椅產(chǎn)業(yè)發(fā)展較緩慢,能爬樓梯的多功能輪椅在國(guó)內(nèi)尚無成熟的產(chǎn)品。隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展,人們生活水平的不斷提高,考慮老年人及殘疾人對(duì)出行方便性的需求,研制具有爬樓梯功能的輪椅具有重大現(xiàn)實(shí)意義。整理為word格式整理為word格式整理為word格式通過本次設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到一下目的①在調(diào)查研究、消化資料的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一臺(tái)具有爬樓梯能力的輪椅。要求在爬樓梯時(shí)輪椅被充分抬起,連續(xù)以相同的幅度上升(下降)直到足以攀登上(下)第二級(jí)臺(tái)階,確保椅子的角度不變,確保坐輪椅的人不翻到。②在沒有樓梯時(shí),具有平地行走能力與轉(zhuǎn)彎能力,并且可以實(shí)現(xiàn)水平方向移動(dòng)。③輪椅應(yīng)具有安全可靠、舒適輕便、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。④總結(jié)和鞏固在校4年所學(xué)的知識(shí),使之進(jìn)一步深化和系統(tǒng)化;2.主要參考文獻(xiàn)綜述2.1智能輪椅的發(fā)展趨勢(shì)爬樓輪椅研究屬于機(jī)器人研究范圍之內(nèi),因此應(yīng)用型智能機(jī)器人技術(shù)是爬樓梯輪椅及其智能輪椅所當(dāng)然是其發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外研究了很多面向殘疾人及行動(dòng)不方便人群的輔助行走機(jī)器人,這其中就包括智能輪椅,其功能多樣化,基本上滿足行動(dòng)不方便人群和殘疾人的要求。但是,大部分還停留在試驗(yàn)簡(jiǎn)短或者少數(shù)定做,并沒有產(chǎn)業(yè)化,市場(chǎng)化。所以,在研究上其發(fā)展空間很大,未來的研究將會(huì)朝以下幾個(gè)方向發(fā)展。2.1.1智能化智能輪椅要走向?qū)嶋H應(yīng)用,必須綜合應(yīng)用智能技術(shù),優(yōu)化控制算法,增強(qiáng)自動(dòng)規(guī)劃和基于傳感智能,如實(shí)現(xiàn)自然語言控制,視覺平滑控制,以及在惡劣環(huán)境下自如行走等。也可以結(jié)合一些新科技如計(jì)算機(jī)通訊,網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)開發(fā)適應(yīng)遠(yuǎn)程通訊的需要。2.1.2人性化智能化輪椅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者應(yīng)該充分考慮到行動(dòng)不方便人士的要求,從實(shí)際情況著手考慮,設(shè)計(jì)穩(wěn)定性好,安全舒適,合理的智能輪椅。例如增強(qiáng)輪椅可以上升的功能,iBOT就具備這樣的功能,以便使用者和正常人對(duì)話,以及進(jìn)行簡(jiǎn)單的力所能及的活動(dòng)。選擇透氣性好舒適的坐墊,安裝報(bào)警裝置,還可以安裝剎車系統(tǒng),使輪椅操作方式盡可能簡(jiǎn)單化。2.1.3模塊化智能輪椅要實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)及市場(chǎng)化,就必須實(shí)現(xiàn)模塊化。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)有基本模塊和各個(gè)功能模塊組成,每個(gè)功能模塊控制一種功能,以便于可以根據(jù)需求選擇,配置最適合自己的輪椅,于此同時(shí)模塊化也可以降低生產(chǎn)成本,提高了智能輪椅的性價(jià)比。整理為word格式整理為word格式整理為word格式隨著人工智能,模式識(shí)別,圖像處理,計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展,智能輪椅的功能將更為完善豐富,也將真正進(jìn)入老年人和殘疾人的生活。綜上所述,國(guó)外在爬樓梯裝置方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史了,研究出來的種類多,有一些已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化,取得了很大的成果。但是,他們研究出來的產(chǎn)品大多是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,有許多產(chǎn)品價(jià)格在十幾萬以上,這對(duì)于中國(guó)的普通老百姓來說可望而不可及。國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)來說比較晚,雖然也誕生了很多專利,但由于受到體積,重量,穩(wěn)定性及安全性的限制,還沒有產(chǎn)品真正的投入使用。從國(guó)內(nèi)外爬樓梯裝置的特點(diǎn)可以看出,爬樓梯輪椅裝置發(fā)展至今除了軌道式爬樓梯裝之外,大多數(shù)爬樓梯輪椅裝置的自主性都不高,仍然需要在旁人的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)上下樓運(yùn)動(dòng)。而且存在許多問題值得深入研究。由此可見,為了解決輪椅使用受限的難題,同時(shí)還要考慮我國(guó)的國(guó)情,考慮到使用者的經(jīng)濟(jì)承受能力,研究一種價(jià)格低廉,功能多樣的爬樓輪椅勢(shì)在必行。目前,市場(chǎng)上爬樓梯輪椅多種多樣,種類繁多。但是比較優(yōu)秀,實(shí)用,價(jià)格低廉的爬樓梯輪椅少之又少。目前,最為先進(jìn)的爬樓輪椅為美國(guó)的iBOT。圖1美國(guó)iBOT由美國(guó)著名發(fā)明家迪恩·卡門發(fā)明的爬山輪椅iBOT3000圖1美國(guó)iBOT從外表看上去,iBOT與普通輪椅不大一樣;它有6個(gè)輪子,前面一對(duì)為直徑10厘米的實(shí)心腳輪,后面兩對(duì)為直徑30厘米的充氣輪胎。整理為word格式整理為word格式整理為word格式iBOT通過復(fù)雜的陀螺儀系統(tǒng)保持平衡,當(dāng)輪椅上分布的傳感器感受到重心的變化時(shí),它們馬上把這些信息傳輸?shù)轿挥谧蜗旅娴目刂坪兄???刂坪杏袔讉€(gè)“奔騰Ⅲ”處理器和預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序,這些程序會(huì)“命令”輪椅的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)整,保持平衡。iBOT共有3種運(yùn)動(dòng)模式,一種是正常模式,像普通輪椅一樣在平地上前進(jìn),6只輪子同時(shí)著地;如果遇到崎嶇的路面,沙地或斜坡,它就進(jìn)入四輪驅(qū)動(dòng)狀態(tài),靠4個(gè)后輪行走。第二種是直立模式,只靠一對(duì)后輪接觸地面,iBOT可以保持這種站立姿勢(shì),也能“直立行走”。第3種是爬樓模式,兩對(duì)后輪交替“爬”到上一級(jí)(或下一級(jí))臺(tái)階上。iBOT的動(dòng)力由兩個(gè)充電電池提供,充一次電需要4小時(shí),充電后可以走15-24公里,它在平地上的最大速度為每小時(shí)9.6公里。作為世界上第一種會(huì)爬樓梯的輪椅,iBOT可以輕松地在高度為21厘米以下的樓梯上爬上爬下,還能跨過最高不超過15厘米的障礙。此外,它還可以在沙灘、斜坡和崎嶇的路面上前進(jìn),并能爬上不那么陡的小山坡。在殘障人士看來,iBOT最了不起的本領(lǐng)“金雞獨(dú)立”才是最讓他們感覺體貼的功能。它把他們升到正常人高度,使他們能夠完成諸如到書架上取書、靠在吧臺(tái)上喝酒等普通人能夠做的動(dòng)作,更重要的是,它給患者一種平等的感覺,這對(duì)幫助患者建立自信來說太重要了。具備自我姿態(tài)平衡穩(wěn)定功能,使用智能手柄操作。最大爬坡能力30度,最大臺(tái)階高度21CM,售價(jià)30000美元。iBOT配備了一套計(jì)算機(jī)傳感器和陀螺儀,具有很強(qiáng)的自動(dòng)尋找平衡能力。它有4個(gè)同樣大小的輪子,上樓梯過程中,乘坐者背靠樓梯,手扶樓梯把手,當(dāng)身體重量落在兩個(gè)后輪上時(shí),前面兩個(gè)輪子就會(huì)抬起,從后輪上面翻轉(zhuǎn)過去,落至更高一級(jí)的樓梯上。乘坐者通過這種調(diào)整重心的辦法,可以操作輪椅兩對(duì)輪子不斷翻轉(zhuǎn),沿樓梯一級(jí)一級(jí)向上移動(dòng)。下樓時(shí)原理類似,乘坐者仍面向樓下,通過身體前傾來控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。據(jù)介紹,由于其獨(dú)特的平衡能力,輪椅在上下樓梯的過程中始終能保持穩(wěn)定,座位也一直處于水平。不過,在沒有他人輔助的情況下,乘坐者想要獨(dú)立的上下樓,至少必須一只手具有活動(dòng)能力。iBOT采用輪式機(jī)構(gòu),具有多種運(yùn)行模式,既能在平坦路面上快速行走,也能爬樓梯穿斜坡,這些都是我們需要借鑒的地方,但為了能夠保持始終平衡、自動(dòng)調(diào)整重心,iBOT使用了多個(gè)傳感器和陀螺儀系統(tǒng),這當(dāng)然會(huì)提高輪椅的自動(dòng)行走能力,但無疑很大程度上加大復(fù)雜程度和成本、價(jià)格,對(duì)推廣來說造成很大困難。本次設(shè)計(jì)要避免一味追求全自動(dòng)化的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念,改用電機(jī)驅(qū)動(dòng)+手工輔助的方式,由輔助人員來完成上下樓梯過程中的重心調(diào)整難題,避免復(fù)雜的平衡系統(tǒng),必將大大降低成本。整理為word格式整理為word格式整理為word格式整理為word格式整理為word格式整理為word格式3.課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容首先,通過分析比較國(guó)內(nèi)外三種主流的爬樓機(jī)構(gòu),結(jié)合實(shí)際情況,選擇星輪式作為爬樓輪椅爬樓裝置。裝置需要采用一個(gè)或多個(gè)電機(jī)控制其平地運(yùn)動(dòng)和爬樓運(yùn)動(dòng)。其次,為了提高使用安全性,需要對(duì)由人和裝置組成的系統(tǒng)的重心作適時(shí)調(diào)節(jié),應(yīng)盡量降低重心使其運(yùn)行平穩(wěn)。由于樓梯具有一定的傾角,前后著地之間水平方向的距離減小了,在下樓時(shí)系統(tǒng)容易前傾,重心靠近前支點(diǎn);相反,上樓時(shí)系統(tǒng)易后仰,重心靠近后支點(diǎn),這都使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。隨著樓梯傾角的增加,這種問題更加明顯,因此必須采用一定的措施適時(shí)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重心。人的重量在整個(gè)系統(tǒng)中占有很大的比例,因此通過調(diào)節(jié)座椅相對(duì)于裝置的位置便能改變系統(tǒng)的重心;同時(shí)通過調(diào)整機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)座椅的傾角,使之大體保持水平。此外,處于安全性考慮,為智能輪椅安裝保險(xiǎn)剎車裝置,在有需要的時(shí)候使輪子鎖死,防止意外的危險(xiǎn)發(fā)生。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)平地模式與爬樓模式之間的平滑切換也是重要的問題,通過減速器控制,使使用者能控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,達(dá)到切換模式的目的。 整理為word格式整理為word格式整理為word格式4.設(shè)計(jì)方案1.1星輪式星輪式爬樓輪椅的爬樓機(jī)構(gòu)由均勻分布在“Y”型、“五星”或“+”字形系桿上的若干個(gè)小輪構(gòu)成。各個(gè)小輪既可以繞各自的軸線自轉(zhuǎn),又可以隨著系桿一起繞中心軸公轉(zhuǎn)。在平地行走時(shí),各小輪自轉(zhuǎn),而爬樓梯時(shí),各小輪一起公轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)爬樓梯的功能。目前星型輪機(jī)構(gòu)爬樓輪椅不論是Y型、十字型還是五星型,由于其星輪輪距和深度固定,而樓梯臺(tái)階的高、寬尺寸不一,在爬行中容易出現(xiàn)錯(cuò)位打滑現(xiàn)象,存在的安全隱患。國(guó)內(nèi)星型輪爬樓機(jī)由于沒有防滑制動(dòng)功能,在上下樓時(shí)需要人力牽引以防止其往下滑行,對(duì)于自重近50公斤的輪椅加人體重量,一旦出現(xiàn)打滑將難以控制。因此,星型輪機(jī)構(gòu)爬樓機(jī)的安全性還有待提高,但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低廉,在經(jīng)濟(jì)不寬裕的家庭仍有一定的市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)外發(fā)明了多種星型輪式爬樓輪椅,大多數(shù)都采用兩組由3個(gè)、4個(gè)或者5個(gè)小輪組成的星型輪,星輪式爬樓輪椅由于安全性不高以及體積較大,且難以在所有住宅樓梯上使用(對(duì)臺(tái)階寬高尺寸有限制),因此難以普及。這也是星型輪式爬樓梯輪椅盡管發(fā)明專利很多,真正實(shí)施和推廣的卻很少的主要原因。圖圖2典型行星輪輪椅爬梯機(jī)構(gòu) 整理為word格式整理為word格式整理為word格式1.2履帶式圖3圖3履帶式爬梯輪椅機(jī)構(gòu)為克服這一缺點(diǎn),國(guó)內(nèi)外提出過各種各樣的改進(jìn)機(jī)構(gòu),圖1.4就是一種改進(jìn)的輪-履帶混合機(jī)構(gòu)的爬樓梯輪椅,它在平地行走時(shí)利用輪式機(jī)構(gòu),爬樓梯時(shí)放下履帶機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。圖圖4改良輪-履帶混合機(jī)構(gòu)爬梯輪椅整理為word格式整理為word格式整理為word格式1.3步進(jìn)支撐式圖5典型間歇式的爬梯輪椅圖1.5圖5典型間歇式的爬梯輪椅圖1.5典型間歇式的爬梯輪椅同,保證車輛平穩(wěn)行走,當(dāng)輪椅需要上下臺(tái)階的時(shí)候,首先通過蝸桿2的上升,抬起其所連的輪子,前移至臺(tái)階上,再將蝸桿2抬起,移至臺(tái)階上,整個(gè)動(dòng)作都模仿人上樓梯的動(dòng)作,運(yùn)動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn),但是對(duì)控制的要求比較高,操作比較復(fù)雜。尤其是步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的智能化安全報(bào)警和階沿防滑制動(dòng)技術(shù)還不被國(guó)內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)廠商所掌握。由于步進(jìn)支撐式爬樓輪椅的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜而又高度集成的模塊化結(jié)構(gòu),加之大量高硬度輕質(zhì)材料的使用導(dǎo)致造價(jià)高昂。盡管如此,政府和殘疾人家屬出于對(duì)殘疾人和老年人上下樓安全的絕對(duì)保障需要,還是會(huì)優(yōu)先考慮更加安全的而非更廉價(jià)的爬樓輪椅。相信隨著步進(jìn)支撐式爬樓輪椅高度的可靠性和安全性體現(xiàn),將會(huì)逐漸成為未來主流的爬樓輪椅服務(wù)于更多的殘疾人和老年人群體。整理為word格式整理為word格式整理為word格式4.1上下樓梯輪椅機(jī)構(gòu)的確定通過對(duì)比以上各種機(jī)構(gòu)及現(xiàn)有的上下樓梯輪椅,分析其各自的優(yōu)勢(shì)和不足之處,主要考慮到運(yùn)動(dòng)的靈活性,控制的難易度,能量的利用率,使用的安全性等,最終選用輪式機(jī)構(gòu),為了能實(shí)現(xiàn)上下樓梯的功能,借鑒國(guó)內(nèi)外爬梯輪椅的功能,采用行星輪機(jī)構(gòu)。價(jià)格安全性傳動(dòng)效率操作性復(fù)雜程度履帶式中高低中中步行式高高中高高星輪式低中低低低1.輪式機(jī)構(gòu)在平地行走時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì),這是其他機(jī)構(gòu)所不能比的;而在輪椅車載絕大數(shù)時(shí)間內(nèi)還是在平地上運(yùn)行。為了保證輪椅車在絕大數(shù)時(shí)間里的考慮,輪式機(jī)構(gòu)是第一選擇。2.為了使輪式機(jī)構(gòu)具有跨越障礙的能力,通過綜合比較,決定選用行星輪系。行星輪系通過行星輪繞回轉(zhuǎn)中心的公轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)攀爬樓梯的功能。而且這樣選擇使平地行走和攀爬樓梯可以使用同一個(gè)機(jī)構(gòu),降低設(shè)計(jì)的難度。3.通過分析輪式尤其是星輪式爬樓裝置的優(yōu)越性設(shè)計(jì)了一款星輪式爬樓梯電動(dòng)梯輪椅,在此過程中進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),傳動(dòng)裝置以及整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),并進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算,爬升裝置是爬樓梯輪椅的關(guān)鍵,在深入研究爬樓梯輪椅工作機(jī)理基礎(chǔ)上,充分考慮爬樓輪椅爬升裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸以及爬升功率﹑安全性等要求。設(shè)計(jì)成型一款星輪式爬樓梯電動(dòng)輪椅,此輪椅既可以越障爬樓,又具有電動(dòng)輪椅功能[1]作為爬樓梯輪椅時(shí),具有對(duì)不同尺寸樓梯適應(yīng)能力強(qiáng),安全性好,整體重量輕巧,結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn),作為電動(dòng)輪椅使用時(shí),可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)動(dòng)輪椅的要求整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖6圖6行星輪椅模型爬梯過程整理為word格式整理為word格式整理為word格式圖圖7行星輪爬梯步驟示意圖5.實(shí)施計(jì)劃1周:開題報(bào)告答辯2-7周:根據(jù)擬定的課題實(shí)施方案,進(jìn)行深入研究。對(duì)所設(shè)計(jì)的行星輪使用原理進(jìn)行分析計(jì)算,根據(jù)任務(wù)書所提供的資料計(jì)算行星輪尺寸。根據(jù)重量估算及選擇電機(jī)。根據(jù)基本尺寸繪制主要零部件草圖和總體裝配圖。8-10周:檢查所有計(jì)算結(jié)果,確保計(jì)算的正確性。編寫設(shè)計(jì)說明書,撰寫并提交畢業(yè)設(shè)計(jì)論文初稿,給指導(dǎo)教師批改論文,聽取老師意見,修改論文,定稿。形成畢業(yè)設(shè)計(jì)全部文件。11周:畢業(yè)設(shè)計(jì)論文格式審查,答辯資格審查。12-13周:準(zhǔn)備答辯,整理資料。13周:進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)/論文修改,完成答辯, 整理為word格式整理為word格式整理為word格式6.主要參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]田玉梅,殘疾人和老年人的居住空間無障礙研究[D],天津科技大學(xué),2003[2]李日邦,王五一,譚見安,我國(guó)老齡化發(fā)展的研究、趨勢(shì)和區(qū)域差異[J],地理研究,1999(2);18-25[3]何清華,黃素平,黃建雄,智能輪椅的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J],機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用

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