CN110926679A - 力的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及力的检测领域，具体公开了一种力的检测方法和检测装置，该力的检测方法包括：负载检测步骤：由驱动器驱动设置有力传感器的操纵件对操纵对象进行模拟操纵动作，从而由所述力传感器获得进行所述操纵动作所需要的力的负载参数信息；空载检测步骤：在不存在操纵对象的空载状态下，由驱动器驱动所述操纵件进行模拟操纵动作，并由所述力传感器获得进行所述空载状态下的模拟操纵动作所需要的力的空载参数信息。根据本申请的技术方案，通过负载参数信息与空载参数信息的补偿，可得到精确的检测信息，从而消除检测装置自身因素在动态检测过程中对检测结果的干扰。

Description

力的检测方法和装置

技术领域

本申请涉及力的检测领域，更具体地说，涉及一种力的检测方法和检测装置。

背景技术

在工业生产中，为了保证生产的操纵对象能够满足使用需求，在操纵对象出厂前，需要对质量进行严格的把控。其中，由于很多操纵对象在实际应用中都需要处于动态环境，为了操纵对象获得良好的动作力学特性，如开启、锁紧、打开、旋转等，所需的力需要处于合适范围之内，因此对操纵对象进行动态环境下的力的检测尤为重要。例如汽车转向管柱，作为安装在方向盘与转向器之间的连接部件，转向管柱的手柄锁紧与开启的力的大小，能够给驾驶人调节方向盘带来直接的感官影响，因此在完成制造后需要对转向管柱的手柄锁紧与开启时两种动态的力进行精确的测量，以使用户在使用时有良好的用户体验。

但是在动态过程中，由于检测装置和被测操纵对象一起运动，从而使检测装置的重力、加速度和其他干扰因素对检测结果产生不利的影响，进而导致检测结果精度有限。为了解决这一问题，传统上通常采用通过改变检测装置的机械结构或者更换检测装置的材质的方式来减小对检测结果的影响，然而这种方式增加了检测装置的设计成本与材料成本，可能会导致检测装置不耐用，减轻检测装置的重量依然不能消除上述干扰因素对检测结果的影响。

因此，如何能够消除检测装置自身因素在动态检测过程中对检测过程的干扰，成为本领域需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提出了一种力的检测方法，以消除检测装置自身因素在动态检测过程中对检测结果的干扰。

根据本申请，提出了一种力的检测方法，包括：负载检测步骤：由驱动器驱动设置有力传感器的操纵件对操纵对象进行模拟操纵动作，从而由力传感器获得进行操纵动作所需要的力的负载参数信息；和空载检测步骤：在不存在操纵对象的空载状态下，由驱动器驱动操纵件进行模拟操纵动作，并由力传感器获得进行空载状态下的模拟操纵动作所需要的力的空载参数信息。

优选地，空载检测步骤在负载检测步骤之前或之后进行；和/或负载状态下的模拟操纵动作与空载状态下的模拟操纵动作是一致的；和/或空载检测步骤进行多次。

优选地，该力的检测方法包括：根据负载参数信息和空载参数信息获得补偿后的力的实际参数信息。

优选地，负载参数信息包括力传感器所检测到与时间相关的力的负载状态值；空载参数信息包括力传感器所检测到与时间相关的力的空载状态值；根据负载参数信息和空载参数信息获得补偿后的力的实际参数信息包括将每个时间点处的力的负载状态值减去相同时间点处的力的空载状态值。

优选地，操纵件的模拟操纵动作包括平面内的平移或转动，或三维空间内的平移和/或转动。

优选地，力传感器通过检测操纵件的形变来获得力的负载参数信息或空载参数信息；和/或驱动器包括伺服电机、伺服机械手、工业机器人的驱动臂。

优选地，该检测方法在操纵对象的制造过程中进行。

优选地，该检测方法包括对空载检测步骤获得的空载检测信息设置有效时间，在该有效时间过后再次进行空载检测步骤。

优选地，操纵对象包括转向管柱，力的负载参数信息或空载参数信息包括惯性力、摩擦力、重力、和弹力中的至少一种。

根据本申请的另一方面，还提供了一种力的检测装置，该力的检测装置包括：驱动器，该驱动器用于驱动操纵件进行模拟操作动作；力传感器，该力传感器设置在操纵件上；控制器，该控制器与力传感器电连接，用于获得操纵件进行负载状态下的模拟操纵动作时力传感器所检测的力的负载参数信息，以及用于获得操纵件进行空载状态下的模拟操纵动作时力传感器所检测的力的空载参数信息。

优选地，操纵件包括：刚性操纵件，驱动器驱动刚性操纵件进行模拟操作动作时，力传感器通过刚性操纵件的形变测得力的负载参数信息和/或空载参数信息；或组合式操纵件，组合式操纵件包括固定于驱动器的第一部分和用于接触操纵对象的第二部分，第一部分与第二部分之间连接有力传感器。

根据本申请的技术方案，除了负载检测步骤之外，还在没有设置操纵对象的空载状态下进行空载检测步骤，由操纵件的力传感器获得进行空载状态下的模拟操纵动作所需要的力的空载参数信息，从而获知包括操纵件的检测装置本身的动态特性作用于力传感器上的分量。因此，通过负载参数信息与空载参数信息的补偿，即可获得更加精确的力的实际参数信息，从而消除检测装置自身参数（如重量、速度、加速度等）在动态检测过程中对检测结果的干扰。

本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请。在附图中：

图1为根据本申请优选实施方式的力的检测方法的流程图；

图2为根据本申请优选实施方式的力的检测装置的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请的技术方案。

一、力的检测方法

如图1所示，根据本申请的力的检测方法，该检测方法包括负载检测步骤：由驱动器驱动设置有力传感器的操纵件对操纵对象进行的模拟操纵动作，从而由力传感器获得进行操纵动作所需要的力的负载参数信息；和

空载检测步骤：在不存在操纵对象的空载状态下，由驱动器驱动所述操纵件进行模拟操纵动作，并由所述力传感器获得进行所述空载状态下的模拟操纵动作所需要的力的空载参数信息。

传统上，为了避免动态检测过程中检测装置自身因素对检测结果的干扰，大都通过改变检测装置的材质或结构以减小干扰程度。但无论如何，检测装置自身在动态检测过程中所带来的干扰因素依然存在。

而在本申请的技术方案中，如图1和图2所示，为了能够消除检测装置自身在动态过程中对检测结果的干扰，除了负载检测步骤外，还包括空载检测步骤，以获得检测装置自身的动态参数信息，进而能够排除检测装置本身的干扰。

在下文中将分别从“负载检测步骤”、“空载检测步骤”、“延伸应用”等方面展开论述。

（1）负载检测步骤

在负载检测步骤中，由驱动器驱动设置有力传感器的操纵件对操纵对象进行模拟操纵动作，从而由所述力传感器获得进行所述操纵动作所需要的力的负载参数信息。也就是说，驱动器带动操纵件进行模拟操纵动作（例如，可以模拟人在实际使用时的操纵动作），以实现对操纵对象（如汽车车门、转向管柱等）的操纵（如锁紧、释放、打开、关闭等）。

在这个动态检测过程中，通过设置在操纵件上的力传感器能获得进行模拟操纵动作所需要的力的负载参数信息，如锁紧或打开需要多大的力或力矩。但需要注意的是，在负载检测步骤中，由于操纵对象的操纵是由驱动器带动操纵件来实现的，因此在驱动器带动操纵件的动态动作过程中，必然会由于驱动器和/或操纵件的弹力、重量、速度、惯性力等自身因素而产生作用于力传感器的分量，从而导致对检测结果的干扰。

驱动器可以包括伺服电机、伺服机械手、工业机器人的驱动臂等。而对于操纵动作需求较为单一的操纵对象，例如只需简单的推、拉、提、放等动作即可满足工作需要的，也可使用如电机、油缸、气缸等作为线型驱动器。

操纵件可以包括刚体操纵件或组件型操纵件。其中，刚体操纵件根据所需操纵对象的不同而可以具有不同形状，通常可以为一体成型制成，材质可以包括铝合金、不锈钢等金属材质，也可由其它具备类似性质的材料制成，如工业陶瓷。组件型操纵件为满足不同的工况场合，包括至少两个组件组合而成，其中至少一个组件连接驱动器，至少一个组件用于接触操纵对象，组件之间可以设置为具有相对位移裕度，也可设置有至少一个力传感器。另外，上述操纵件上通常设置有拨爪等适于操纵的结构，以对操纵对象进行操作，如进行拨动、推动或拉动等动作。

力的负载参数信息是在负载检测步骤中，力传感器采集到的参数信息，包括驱动器带动操纵件控制操纵对象进行模拟操纵动作的过程中，操纵动作从启动到停止的整个时间段内每一时间点的反映到力传感器的力或力矩的数值。该力的负载参数信息包括检测装置自身以及操纵对象被操纵过程中产生的惯性力、摩擦力、重力和弹力中的至少一种。也就是说，在设置有操纵对象的负载状态下，当进行动态检测时，反应到操纵件上的力传感器的信息不仅包括力的实际参数信息，也包括检测装置自身作用到力传感器上分量的力参数信息。

针对不同的操纵对象，上述模拟操纵动作需要有不同的实现方式，其中，操纵件的模拟操纵动作包括但不限于平面内的平移或转动或三维空间内的平移和/或转动，从而能够模拟出各种操纵对象在其实际工作运行中的动作状态。

（2）空载检测步骤

为了获知驱动器和/或操纵件自身因素对动态检测的干扰，在本申请提供的力的检测方法中，还包括空载检测步骤。在不存在操纵对象的空载状态下，由驱动器驱动操纵件进行模拟操纵动作，并由力传感器获得进行空载状态下的模拟操纵动作所需要的力的空载参数信息。

在该不存在操纵对象的空载状态下，例如在没有设置作为操纵对象的转向管柱的情况下，利用驱动器带动操纵件进行模拟操纵动作，可以由操纵件上的力传感器直接获得驱动器和/或操纵件自身因素作用于该力传感器的分量，从而获得驱动器和/或操纵件自身因素对动态检测结果的干扰。

空载检测步骤中的驱动器、操纵件等可以与上述负载检测步骤中一致，主要区别在于是否设置有操纵对象。优选情况下，负载检测步骤与空载检测步骤共用一套包括驱动器和操纵件的检测装置。

空载参数信息是在空载检测步骤中，力传感器采集到的参数信息，包括驱动器带动操纵件进行模拟操纵动作的过程中，操纵动作从启动到停止的整个时间段内每一时间点的反映到力传感器的力的数值，该过程中没有操纵对象。该力的空载参数信息至少包括检测装置自身在模拟操纵动作中过程中产生的惯性力、摩擦力、重力和弹力中的至少一种。也就是说，在没有操纵对象的负载状态下，当进行动态检测时，反应到操纵件上的力传感器的信息仅包括检测装置自身作用到力传感器上分量的力参数信息。

在本申请提供的力的检测方法中，根据实际工况环境的不同，力传感器以不同的方式进行测量。优选情况下，力传感器通过检测操纵件的形变来获得力的负载参数信息和空载参数信息。其中，形变的方式与操纵件的结构有关，如果是刚体操纵件，则力传感器是通过操纵件本身材质的形变进行检测；如果是组件型的操纵件，则力传感器通过操纵件组件之间的相对微小位移进行检测。此外，根据实际工况环境的不同，可以选用不同种类的力传感器，包括但不限于应变管式力传感器、膜片式力传感器、应变梁式力传感器、以及组合式力传感器等。

空载检测步骤和负载检测步骤的顺序一般无特别要求，根据不同情况，空载检测步骤可以在负载检测步骤之前或之后进行。

此外，由于在不同的动态环境下，检测装置所造成的干扰也是不同的，因此，为了获得与负载检测信息相对应的空载检测信息，优选情况下，负载状态下的模拟操纵动作与空载状态下的模拟操纵动作是一致的。例如操纵动作保持一致，包括操纵件的位移、驱动器的出力、以及每个分解动作的时长等元素均一致，此外尽可能使负载检测步骤与空载检测步骤的如温度、湿度、空气密度等工作环境因素也均一致，从而进一步减小补偿可能存在的误差。

考虑到在空载检测步骤进行过程中可能存在的，如温度、湿度等其它环境因素，优选情况下，空载检测步骤多次进行，从而能够根据获得的多组空载检测信息取平均值，使得最终得到的空载检测信息更加精确。

（3）补偿

通过空载检测步骤，能够由力传感器获得检测装置自身的动态参数信息，即包括了检测装置自身的干扰因素的空载参数信息。通过该空载参数信息与负载参数信息的补偿，消除检测装置自身因素在动态检测过程中对检测过程的干扰，从而获得更加精确的力的实际参数信息。

在进行补偿之前，负载参数信息与空载参数信息可以呈现出多种表现形式。通常负载参数信息与空载参数信息可以是以时间为横坐标、参数信息（如力或力矩的数值）为纵坐标，统计而成地力的负载曲线图与空载曲线图。除此之外，参数信息表现出的数据形式还可以是其它动态以及非线性的数学模型，也可以直接呈现为数据图表。

在上述力的检测方法中，负载参数信息包括力传感器所检测到与时间相关的力的负载状态值；空载参数信息包括力传感器所检测到与时间相关的力的空载状态值。可以通过负载状态值和空载状态值进行数据补偿。优选情况下，将每个时间点处的所述力的负载状态值减去相同时间点处的所述力的空载状态值，也就是说将对应时间点的力负载状态值减去力空载状态值，从而获得排除空载干扰值的实际值。

根据不同的工况条件，也可以选择其他数据补偿方式（根据不同的计算公式），例如将每个时间点处的所述力的负载状态值减去相同时间点处的所述力的空载状态值的2倍或数倍。

二、延伸应用

本申请的力的检测方法可以单独应用。也可以应用于实际生产中，例如该检测方法在操纵对象的制造过程中进行，以判断作为操纵对象的产品是否具有合格的力学特性。

优选情况下，先进行空载检测步骤，将该空载检测步骤检测得出的空载状态值作为补偿值，应用于后续的多个相同的操纵对象的负载状态值，将力的负载状态值减去力的空载状态值，从而获得对每个操纵对象测得的力的实际参数信息。

然而随着时间的推移，环境中的温度、湿度以及机构老化等因素可能会导致实际的工况状态相对于之前检测得出的空载检测信息有所变化。因此，为了能够保证上述补偿的有效性，优选情况下，该检测方法包括对空载检测步骤获得的空载检测信息设置有效时间，在该有效时间过后再次进行空载检测步骤，更新空载状态值。将更新后的空载状态值应用于上述计算中，从而保证了补偿的有效性。

如上所述，本申请的力的检测方法可以应用于多种操纵对象的质量检测。例如，操纵对象可以是车门，优选情况下操纵对象为转向管柱。

作为安装在方向盘与转向器之间的连接部件，转向管柱的手柄锁紧与开启的力的大小，能够给驾驶人调节方向盘带来直接的感官影响，因此需要对转向管柱的手柄锁紧与开启时两种动态的力进行精确的测量。而通过本申请的力的检测方法用于上述转向管柱，能够消除检测装置自身因素在动态检测过程中对检测过程的干扰，从而更加精准地检测出转向管柱在动态环境下的力的实际参数信息，有利于提升产品质量。力的负载参数信息或空载参数信息包括惯性力、摩擦力、重力、弹力等力中的至少一种。

以上对本申请提供的力的检测方法以及延伸应用进行了详细地描述。下面将对本申请所提供的力的检测装置进行描述，其中该力的检测装置利用上述力的检测方法进行检测。在下文中，将省略对力的检测方法的描述，而重点描述力的检测装置的相关特征。

三、力的检测装置

本申请还提供一种力的检测装置，该力的检测装置包括：驱动器、力传感器以及控制器。该力的检测装置用于实现上述力的检测方法。

该驱动器驱动操纵件进行模拟操作动作。根据不同的工况场合，驱动器可以选择不同的种类，所需模拟的操作动作较为复杂时，优选地，驱动器包括伺服电机、伺服机械手、工业机器人的驱动臂等。而对于操纵动作需求较为单一的操纵对象，例如只需简单的推、拉、提、放等动作即可满足工作需要，也可使用如电机、油缸、气缸等作为驱动器。

如上所述的力传感器，该力传感器设置在操纵件上。根据实际工况环境的不同，可以选用不同种类的力传感器，包括但不限于应变管式力传感器、膜片式力传感器、应变梁式力传感器、以及组合式力传感器等。

如上所述的控制器，根据不同的工况需求，可以包括：手机、平板电脑、计算机、工业终端等。此外，该控制器与力传感器电连接，用于获得操纵件进行负载状态下的模拟操纵动作时力传感器所检测的力的负载参数信息，以及用于获得操纵件进行空载状态下的模拟操纵动作时力传感器所检测的力的空载参数信息。其中，根据不同工况场合，上述电连接，既可以是电路形式的有线连接，也可以是通过通信网络、本地WiFi以及蓝牙等形式的无线连接。

而为了适应不同的工况场合，如上所述的操纵件包括但不限于刚性操纵件或组件式操纵件，根据操纵件的不同，力传感器检测的方式也不同。其中，在使用刚性操纵件的情况下，驱动器驱动刚性操纵件进行模拟操作动作时，力传感器通过刚性操纵件的微小形变测得力的负载参数信息和/或空载参数信息；而在使用组件式操纵件的情况下，组件式操纵件包括固定于驱动器的第一部分，以及用于接触操纵对象的第二部分，第一部分与第二部分之间连接有力传感器。可以理解的是，这里的第一部分和第二部分的表述仅是为了便于区分的可以互换的概念，并无任何实际意义。

根据如上所述的力的检测装置，其中，操纵件还包括过载保护装置。优选情况下，过载保护装置设置在驱动器与操纵件的连接处，当过载保护装置承受的力的大小超过一定的值，过载保护装置自动断开驱动器与操纵件的连接，和/或向控制器发送提醒信息。通过该过载保护装置，避免了上述力的检测装置在遇到意外而损坏的情况。比如工作人员操作有误，使得驱动器输出的力过大，而导致操纵件或传感器断裂损坏的情况。

下面通过实施例来对本申请的方案进行举例说明。

使用本申请提供的力的检测方法以及检测装置，测量汽车电动转向管柱手柄的开启力。

如图2所示，检测装置包括：测量钩爪10、滑块20、压力传感器30。在测量过程中，检测装置固定在机器人手臂上。通过机器人手臂驱动检测装置将汽车电动转向管柱的手柄拨开，从而用于测量汽车电动转向管柱手柄的开启力。

首先进行空载检测步骤：不放入汽车电动转向管柱，测量动作与后面的负载检测步骤保持一致，包括开始采集压力传感器的时机、采集压力时间长度、机器人的移动轨迹等。

具体地，首先在操作界面上将模式选择为补偿循环，再选择工件类型，将手动模式切换到自动模式，按下启动按钮。机器人会将检测装置运动到测量开始位置，启动补偿测量。形成补偿循环测量数据、曲线，连续测量三次，取三次测量平均值。

例如，检测到第一次时刻为1ms时测得的补偿力为84.756N，第二次时刻为1ms时测得的补偿力为85.457N，第三次时刻为1ms时测得的补偿力为86.197N。通过上述三次时刻为1ms时的补偿力数值，从而得出补偿力的平均值为85.47N。

然后进行负载检测步骤：首先将待测的汽车电动转向管柱设置于相应检测位置，在操作屏上将模式选择为生产循环，再选择工件类型，将手动模式切换到自动模式，按下启动按钮。机器人手臂驱动检测装置到达指定位置，该位置是开始采集开启力的起始点，当开始采集时会记录整个压力传感器的测量数据与曲线。

其中，当时刻为1ms时，手柄开启力测量数据为84.86N，由该数值减去上述空载检测步骤中补偿力的平均值85.47N，从而得出1ms时的实际开启力的大小为-0.61N的绝对值0.61N。可以理解的是，这里的“-”号是指在开启手柄的过程中，检测装置受到的手柄阻力的方向与空载检测步骤中补偿力的方向相反。当检测装置受到的手柄阻力的方向与空载检测步骤中补偿力的方向相同时，在同一时刻的负载检测数值大于空载检测步骤中补偿力的数值，此时补偿得出的实际开启力的数值为正数。

以此类推，除上述第1ms以外的其它时刻的开启力也能够用上述方法得出，从而测量汽车电动转向管柱手柄的整个开启的动态过程中所需要的力，如表-1所示。

表-1

上述空载检测步骤完成后，所得的各个时刻的补偿力的平均值，可在一定时间（该有效时间由人为设置）以内作为补偿信息，用于负载检测步骤之后对负载开启力进行补偿运算。通过将补偿力的平均值与每个对应时刻的负载开启力求差，从而得出每个时刻的实际开启力，并能够通过补偿后数值的正负判断该实际开启力的方向。

以上详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。

Claims (11)

1.力的检测方法，该检测方法包括：

负载检测步骤：由驱动器驱动设置有力传感器的操纵件对操纵对象进行模拟操纵动作，从而由所述力传感器获得进行所述操纵动作所需要的力的负载参数信息；和

空载检测步骤：在不存在操纵对象的空载状态下，由驱动器驱动所述操纵件进行模拟操纵动作，并由所述力传感器获得进行所述空载状态下的模拟操纵动作所需要的力的空载参数信息。

2.根据权利要求1所述的力的检测方法，其中，所述空载检测步骤在所述负载检测步骤之前或之后进行；和/或

所述负载状态下的模拟操纵动作与所述空载状态下的模拟操纵动作是一致的；和/或

所述空载检测步骤进行多次。

3.根据权利要求1所述的力的检测方法，其中，该力的检测方法包括：根据所述负载参数信息和空载参数信息获得补偿后的力的实际参数信息。

4.根据权利要求3所述的力的检测方法，其中，

所述负载参数信息包括所述力传感器所检测到与时间相关的力的负载状态值；

所述空载参数信息包括所述力传感器所检测到与时间相关的力的空载状态值；

根据所述负载参数信息和空载参数信息获得补偿后的力的实际参数信息包括将每个时间点处的所述力的负载状态值减去相同时间点处的所述力的空载状态值。

5.根据权利要求1所述的力的检测方法，其中，所述操纵件的模拟操纵动作包括平面内的平移或转动，或三维空间内的平移和/或转动。

6.根据权利要求5所述的力的检测的方法，其中，

所述力传感器通过检测所述操纵件的形变来获得所述力的负载参数信息或空载参数信息；和/或

所述驱动器包括伺服电机、伺服机械手、工业机器人的驱动臂。

7.根据权利要求4所述的力的检测方法，其中，该检测方法在所述操纵对象的制造过程中进行。

8.根据权利要求7所述的力的检测方法，其中，该检测方法包括对所述空载检测步骤获得的空载检测信息设置有效时间，在该有效时间过后再次进行空载检测步骤。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的力的检测方法，其中，所述操纵对象包括转向管柱，所述力的负载参数信息或空载参数信息包括惯性力、摩擦力、重力和弹力中的至少一种。

10.力的检测装置，该力的检测装置包括：

驱动器，该驱动器用于驱动操纵件进行模拟操作动作；

力传感器，该力传感器设置在所述操纵件上；

控制器，该控制器与所述力传感器电连接，用于获得所述操纵件进行负载状态下的模拟操纵动作时所述力传感器所检测的力的负载参数信息，以及用于获得所述操纵件进行空载状态下的模拟操纵动作时所述力传感器所检测的力的空载参数信息。

11.根据权利要求10所述的力的检测装置，其中，所述操纵件包括：

刚性操纵件，所述驱动器驱动所述刚性操纵件进行模拟操作动作时，所述力传感器通过所述刚性操纵件的形变测得所述力的负载参数信息和/或空载参数信息；或

组合式操纵件，所述组合式操纵件包括固定于所述驱动器的第一部分和用于接触操纵对象的第二部分，所述第一部分与第二部分之间连接有所述力传感器。

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