CN111728827A - 动力下肢外骨骼控制方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种动力下肢外骨骼控制方法、装置和系统，其中，系统包括：第一、二电机控制器分别获取左、右膝关节电机发送的左、右膝关节角度和左、右膝关节电流信号并发送给主控制单元；第三、四电机控制器分别获取左、右髋关节电机发送的左、右髋关节角度和左、右髋关节电流信号并发送给主控制单元；主控制单元根据左、右膝关节角度、左、右膝关节电流信号、左、右髋关节角度和左、右髋关节电流信号计算外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力，并根据外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力控制外骨骼执行相应的运动动作。由此，能够减少下肢外骨骼在数据采集方面的代价，减少控制系统的复杂性，提高外骨骼运动的稳定性。

Description

动力下肢外骨骼控制方法、装置和系统

技术领域

本申请涉及外骨骼机器人技术领域，特别涉及一种动力下肢外骨骼控制方法、装置和系统。

背景技术

动力式下肢外骨骼起源于军事领域，用于增强士兵行走和负重能力，后来逐渐转为民用，目的在于辅助截瘫患者重建行走功能、为下肢运动功能减弱的老年人提供行走助力。

外骨骼探索阶段开始于20世纪60年代，南斯拉夫Mihailo Pupin研究所Vukobratovic提出下肢运动系统理论，并设计了动力仿人外骨骼，首次用于截瘫患者。20世纪80年代，动力式外骨骼进入了积累阶段，清华大学张济川等人设计出我国第一款下肢动力外骨骼—下肢高位截瘫患者用电动步行机。21世纪动力式设备迈入快速发展阶段，2001年以色列ReWalk Robotics公司设计的ReWalk和2005年美国Ekso Bionics公司设计的eLEGS目前已经用于临床使用并商业化，可帮助患者在多种环境下活动。

相关技术中，通过传感器采集信息，对于躯干加速度、足底力等信息的采集，需要使用单独的传感器。这些传感器不仅增加了外骨骼的成本，还增加了外骨骼的体积和加工复杂度。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的一个目的在于提出一种动力下肢外骨骼控制系统，能够减少下肢外骨骼在数据采集方面的代价，减少控制系统的复杂性，提高外骨骼运动的稳定性。

本申请提出一种动力下肢外骨骼控制方法。

本申请提出一种动力下肢外骨骼控制装置。

本申请一方面实施例提出了一种动力下肢外骨骼控制系统，包括：左膝关节电机、右膝关节电机、第一电机控制器、第二电机控制器、左髋关节电机、右髋关节电机、第三电机控制器、第四电机控制器和主控制单元；所述第一电机控制器获取所述左膝关节电机发送的左膝关节角度和左膝关节电流信号并发送给所述主控制单元；所述第二电机控制器获取所述右膝关节电机发送的右膝关节角度和右膝关节电流信号并发送给所述主控制单元；所述第三电机控制器获取所述左髋关节电机发送的左髋关节角度和左髋关节电流信号并发送给所述主控制单元；所述第四电机控制器获取所述右髋关节电机发送的右髋关节角度和右髋关节电流信号并发送给所述主控制单元；所述主控制单元根据所述左膝关节角度、所述左膝关节电流信号、所述右膝关节角度、所述右膝关节电流信号、所述左髋关节角度、所述左髋关节电流信号、所述右髋关节角度和所述右髋关节电流信号计算外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力，并根据所述外骨骼的脚到地面的距离和所述地面作用力控制外骨骼执行相应的运动动作。

本申请另一方面实施例提出了一种动力下肢外骨骼控制方法，包括：建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型；根据所述动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算地面作用力；根据所述左膝关节角度、所述右膝关节角度、所述左髋关节角度、所述右髋关节角度和传动比计算外骨骼的脚到地面的距离；根据所述地面作用力和所述外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面；根据所述外骨骼的脚是否接触地面，确定下肢的当前状态，根据所述下肢的当前状态控制外骨骼执行相应的运动动作。

本申请又一方面实施例提出了一种动力下肢外骨骼控制装置，包括：建立模块，用于建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型；第一计算模块，用于根据所述动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算地面作用力；第二计算模块，用于根据所述左膝关节角度、所述右膝关节角度、所述左髋关节角度、所述右髋关节角度和传动比计算外骨骼的脚到地面的距离；判断模块，用于根据所述地面作用力和所述外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面；控制模块，用于根据所述外骨骼的脚是否接触地面，确定下肢的当前状态，根据所述下肢的当前状态控制外骨骼执行相应的运动动作。

本申请实施例所提供的技术方案可以包含如下的有益效果：

通过第一、二电机控制器分别获取左、右膝关节电机发送的左、右膝关节角度和左、右膝关节电流信号并发送给主控制单元；第三、四电机控制器分别获取左、右髋关节电机发送的左、右髋关节角度和左、右髋关节电流信号并发送给主控制单元；主控制单元根据左、右膝关节角度、左、右膝关节电流信号、左、右髋关节角度和左、右髋关节电流信号计算外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力，并根据外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力控制外骨骼执行相应的运动动作。由此，能够减少下肢外骨骼在数据采集方面的代价，减少控制系统的复杂性，提高外骨骼运动的稳定性。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本申请实施例所提供的一种动力下肢外骨骼控制系统的结构示意图；

图2为本申请实施例所提供的一种动力下肢外骨骼控制方法的流程示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种动力下肢外骨骼结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的下肢外骨骼行走的流程图；

图5为本申请实施例所提供的下肢外骨骼迈右腿的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的下肢外骨骼右腿处于支撑期的结构示意图；

图7为本申请实施例所提供的一种动力下肢外骨骼控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参照附图描述根据本申请实施例提出的动力下肢外骨骼控制方法、装置和系统。

本申请实施例的动力下肢外骨骼控制系统，能充分利用当前已有的数据信息，反算出其他未知数据信息，在不增加传感器的前提下，增加控制器的感知能力，从而使得控制更稳定。

具体地，外骨骼的左/右髋关节和左/右膝关节电机控制器向主控制单元提供各个电机的角度和电流信号，主控制单元通过基于地面作用力估计的控制方法，对收到的信号进行处理，并向四个电机控制器提供预期位置信号，实现对下肢外骨骼的运动控制。本发明的控制系统可适用于不安装足底力传感器的下肢外骨骼，在减少外骨骼传感器数量的同时，还能够对行走步态进行准确控制，识别下肢的摆动或支撑相位，减少了控制系统的复杂性，提高了外骨骼运动的稳定性。

图1为本申请实施例所提供的一种动力下肢外骨骼控制系统的结构示意图。

如图1所示，该动力下肢外骨骼控制系统包括：左膝关节电机101、右膝关节电机201、第一电机控制器102、第二电机控制器202、左髋关节电机301、右髋关节电机401、第三电机控制器302、第四电机控制器402和主控制单元500。

在本申请实施例中，第一电机控制器102获取左膝关节电机101发送的左膝关节角度和左膝关节电流信号并发送给主控制单元500；第二电机控制器202获取右膝关节电机201发送的右膝关节角度和右膝关节电流信号并发送给主控制单元500。

第三电机控制器302获取左髋关节电机301发送的左髋关节角度和左髋关节电流信号并发送给主控制单元500；第四电机控制器402获取右髋关节电机401发送的右髋关节角度和右髋关节电流信号并发送给主控制单元500。

进一步地，主控制单元500根据左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力，并根据外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力控制外骨骼执行相应的运动动作。

图2为本申请实施例所提供的一种动力下肢外骨骼控制方法的流程示意图。

如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤201，建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型。

本申请的一个实施例中，建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型，包括：获取大腿质量和绕大腿质心的转动惯量、小腿质量和绕小腿质心的转动惯量、大腿长度及大腿质心位置、小腿长度及大腿质心位置和髋、膝关节驱动器内部的摩擦力、传动系统转动惯量和传动效率；根据大腿质量和绕大腿质心的转动惯量、小腿质量和绕小腿质心的转动惯量、大腿长度及大腿质心位置、小腿长度及大腿质心位置和髋、膝关节驱动器内部的摩擦力、传动系统转动惯量和传动效率建立动力学模型。

本申请的一个实施例中，当人机之间不存在交互力时，动力学模型为：

其中，q表示广义髋、膝关节转角，J表示关节雅可比矩阵的转置，F表示地面作用力，M表示质量、惯性矩阵，C表示广义科里奥利力，T表示广义髋、膝关节力矩，可表示为如下形式：

其中，K_T表示髋、膝电机的转矩常数，I表示髋、膝电机的电流信号，J_T表示髋、膝关节驱动器的等效转动惯量，T_f表示髋、膝关节驱动器内部的摩擦力。

步骤202，根据动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算地面作用力。

步骤203，根据左膝关节角度、右膝关节角度、左髋关节角度、右髋关节角度和传动比计算外骨骼的脚到地面的距离。

步骤204，根据地面作用力和外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面。

步骤205，根据外骨骼的脚是否接触地面，确定下肢的当前状态，根据下肢的当前状态控制外骨骼执行相应的运动动作。

在本申请的一个实施例中，根据动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算地面作用力，包括：将左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号代入

中，求解地面作用力F。

其中，对地面作用力F进行低通滤波处理后得到的值作为地面作用力。

在本申请的一个实施例中，根据地面作用力和外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面，包括：若地面作用力的竖直方向分量大于第一设定阈值且外骨骼的脚到地面的距离小于第二设定阈值时，判定脚接触地面。

在本申请的一个实施例中，为了实现对足底力的计算，需要先对人机系统的下肢动力学进行建模和系统识别，根据此模型以及电机控制器反馈的数据，可以计算得到足底力的测量值，然后经过一个低通滤波作为足底力的估计值；通过足底力的估计值，以及外骨骼的脚到地面距离判断出当前脚是否接触地面；根据这个判断，决定是否执行下一个运动动作。

为了本领域人员更加清楚上述实施例，下面结合图3-图6进行详细说明。

图3为本申请实施例所提供的一种动力下肢外骨骼结构示意图。

如图3所示，该动力下肢外骨骼包括，10-外骨骼硬壳背包(装有主控制单元11)、20-髋关节电机及电机控制器、30-外骨骼大腿，40-膝关节电机及电机控制器、50-外骨骼小腿、12-外骨骼骨盆支架、20a-左髋关节电机及电机控制器、30a-左侧外骨骼大腿、40a-左膝关节电机及电机控制器、50a-左侧外骨骼小腿。

在本申请实施例中，外骨骼硬壳背包10安装在外骨骼骨盆支架12上，外骨骼硬壳背包10中装有主控制单元11，左髋关节电机及电机控制器20a控制左侧外骨骼大腿30a的运动，左膝关节电机及电机控制器40a控制左侧外骨骼小腿50a的运动，右侧的电机及控制器布置与左侧对称。

图4为本申请实施例所提供的下肢外骨骼行走的流程图。

如图4所示，控制器控制下肢外骨骼不断在迈左腿、左腿支撑、迈右腿、右腿支撑这四个状态中循环，从而带动穿戴者向前行走移动。

图5为本申请实施例所提供的下肢外骨骼迈右腿的结构示意图。

如图5所示，在此状态下，主控制单元11控制右侧外骨骼大腿30b和右侧外骨骼小腿50b配合运动向前迈出，同时循环检测右侧髋关节电机控制器20b、右侧膝关节电机控制器40b的电机角度和电流信号，并根据公式计算得到足底力的估计值，当检测到足底力的竖直方向分量大小超过阈值且脚到地面高度低于阈值时，判断右脚触地，并切换到右腿支撑状态。

图6为本申请实施例所提供的下肢外骨骼右腿处于支撑期的结构示意图；

如图6所示，在此状态下，通过左脚蹬地来推动穿戴者向前运动，主控制单元11控制右侧外骨骼大腿30b和右侧外骨骼小腿50b配合运动完成外骨骼右腿伸展，同时循环检测右侧髋关节电机控制器20b、右侧膝关节电机控制器40b的电机角度和电流信号，并根据公式计算得到足底力的估计值，当检测到足底力大小低于设定阈值且脚到地面高度高于设定阈值时，判定右脚离地，并切换到迈右腿状态。当下肢外骨骼处于迈左腿状态时，与迈右腿状态类似，主控制单元11控制外骨骼左腿向前迈出，同时循环检测左侧髋、膝关节电机信息，并估计足底力、判断左脚是否触地，当左脚触地时，切换到左腿支撑状态。当下肢外骨骼处于左腿支撑状态时，与右腿支撑状态类似，主控制单元11控制外骨骼右腿蹬地使穿戴者向前运动，并估计足底力、判断左脚是否离地，当左脚离地时，切换到迈左腿状态。

图7为本申请实施例所提供的一种动力下肢外骨骼控制装置的结构示意图。

如图7所示，该装置包括建立模块701、第一计算模块702、第二计算模块703、判断模块704，控制模块705。

建立模块701，用于建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型；

第一计算模块702，用于根据动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算地面作用力；

第二计算模块703，用于根据左膝关节角度、右膝关节角度、左髋关节角度、右髋关节角度和传动比计算外骨骼的脚到地面的距离；

判断模块704，用于根据地面作用力和外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面；

控制模块705，用于根据外骨骼的脚是否接触地面，确定下肢的当前状态，根据下肢的当前状态控制外骨骼执行相应的运动动作。

进一步地，在本申请实施例的一种可能的实现方式中，还包括：获取模块，具体用于：获取大腿质量和绕大腿质心的转动惯量、小腿质量和绕小腿质心的转动惯量、大腿长度及大腿质心位置、小腿长度及大腿质心位置和髋、膝关节驱动器内部的摩擦力、传动系统转动惯量和传动效率；

根据大腿质量和绕大腿质心的转动惯量、小腿质量和绕小腿质心的转动惯量、大腿长度及大腿质心位置、小腿长度及大腿质心位置和髋、膝关节驱动器内部的摩擦力、传动系统转动惯量和传动效率建立动力学模型。

进一步地，在本申请实施例的一种可能的实现方式中，还包括：判断模块，具体用于：若地面作用力的竖直方向分量大于第一设定阈值且所外骨骼的脚到地面的距离小于第二设定阈值时，判定脚接触地面。

需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

本申请实施例的动力下肢外骨骼控制装置中，通过第一、二电机控制器分别获取左、右膝关节电机发送的左、右膝关节角度和左、右膝关节电流信号并发送给主控制单元；第三、四电机控制器分别获取左、右髋关节电机发送的左、右髋关节角度和左、右髋关节电流信号并发送给主控制单元；主控制单元根据左、右膝关节角度、左、右膝关节电流信号、左、右髋关节角度和左、右髋关节电流信号计算外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力，并根据外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力控制外骨骼执行相应的运动动作。由此，能够减少下肢外骨骼在数据采集方面的代价，减少控制系统的复杂性，提高外骨骼运动的稳定性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种动力下肢外骨骼控制方法系统，其特征在于，包括：左膝关节电机、右膝关节电机、第一电机控制器、第二电机控制器、左髋关节电机、右髋关节电机、第三电机控制器、第四电机控制器和主控制单元；

所述第一电机控制器获取所述左膝关节电机发送的左膝关节角度和左膝关节电流信号并发送给所述主控制单元；

所述第二电机控制器获取所述右膝关节电机发送的右膝关节角度和右膝关节电流信号并发送给所述主控制单元；

所述第三电机控制器获取所述左髋关节电机发送的左髋关节角度和左髋关节电流信号并发送给所述主控制单元；

所述第四电机控制器获取所述右髋关节电机发送的右髋关节角度和右髋关节电流信号并发送给所述主控制单元；

所述主控制单元根据所述左膝关节角度、所述左膝关节电流信号、所述右膝关节角度、所述右膝关节电流信号、所述左髋关节角度、所述左髋关节电流信号、所述右髋关节角度和所述右髋关节电流信号计算外骨骼的脚到地面的距离和地面作用力，并根据所述外骨骼的脚到地面的距离和所述地面作用力控制外骨骼执行相应的运动动作。

2.一种动力下肢外骨骼控制方法，其特征在于，应用于主控制单元，包括以下步骤：

建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型；

根据所述动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算地面作用力；

根据所述左膝关节角度、所述右膝关节角度、所述左髋关节角度、所述右髋关节角度和传动比计算外骨骼的脚到地面的距离；

根据所述地面作用力和所述外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面；

根据所述外骨骼的脚是否接触地面，确定下肢的当前状态，根据所述下肢的当前状态控制外骨骼执行相应的运动动作。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型，包括：

获取大腿质量和绕大腿质心的转动惯量、小腿质量和绕小腿质心的转动惯量、大腿长度及大腿质心位置、小腿长度及大腿质心位置和髋、膝关节驱动器内部的摩擦力、传动系统转动惯量和传动效率；

根据所述大腿质量和绕大腿质心的转动惯量、所述小腿质量和绕小腿质心的转动惯量、所述大腿长度及大腿质心位置、所述小腿长度及大腿质心位置和所述髋、膝关节驱动器内部的摩擦力、所述传动系统转动惯量和所述传动效率建立所述动力学模型。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当人机之间不存在交互力时，所述动力学模型为：

其中，q表示广义髋、膝关节转角，J表示关节雅可比矩阵的转置，F表示所述地面作用力，M表示质量、惯性矩阵，C表示广义科里奥利力，T表示广义髋、膝关节力矩，可表示为如下形式：

其中，K_T表示髋、膝电机的转矩常数，I表示髋、膝电机的电流信号，J_T表示髋、膝关节驱动器的等效转动惯量，T_f表示髋、膝关节驱动器内部的摩擦力。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算地面作用力，包括：

将所述左膝关节角度、所述左膝关节电流信号、所述右膝关节角度、所述右膝关节电流信号、所述左髋关节角度、所述左髋关节电流信号、所述右髋关节角度和所述右髋关节电流信号代入

中，求解所述地面作用力F。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

对所述地面作用力F进行低通滤波处理后得到的值作为所述地面作用力。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述地面作用力和所述外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面，包括：

若所述地面作用力的竖直方向分量大于第一设定阈值且所述外骨骼的脚到地面的距离小于第二设定阈值时，判定脚接触地面。

8.一种动力下肢外骨骼控制装置，其特征在于，包括：

建立模块，用于建立人和外骨骼组成的人机系统的动力学模型；

第一计算模块，用于根据所述动力学模型、左膝关节角度、左膝关节电流信号、右膝关节角度、右膝关节电流信号、左髋关节角度、左髋关节电流信号、右髋关节角度和右髋关节电流信号计算地面作用力；

第二计算模块，用于根据所述左膝关节角度、所述右膝关节角度、所述左髋关节角度、所述右髋关节角度和传动比计算外骨骼的脚到地面的距离；

判断模块，用于根据所述地面作用力和所述外骨骼的脚到地面的距离判断外骨骼的脚是否接触地面；

控制模块，用于根据所述外骨骼的脚是否接触地面，确定下肢的当前状态，根据所述下肢的当前状态控制外骨骼执行相应的运动动作。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述建立模块，具体用于：

获取大腿质量和绕大腿质心的转动惯量、小腿质量和绕小腿质心的转动惯量、大腿长度及大腿质心位置、小腿长度及大腿质心位置和髋、膝关节驱动器内部的摩擦力、传动系统转动惯量和传动效率；

根据所述大腿质量和绕大腿质心的转动惯量、所述小腿质量和绕小腿质心的转动惯量、所述大腿长度及大腿质心位置、所述小腿长度及大腿质心位置和所述髋、膝关节驱动器内部的摩擦力、所述传动系统转动惯量和所述传动效率建立所述动力学模型。

10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述判断模块，具体用于：

若所述地面作用力的竖直方向分量大于第一设定阈值且所述外骨骼的脚到地面的距离小于第二设定阈值时，判定脚接触地面。

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