CN113323988B - 主动式竖向定位设备及具有其的稳定器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主动式竖向定位设备，该定位设备用于将载荷定位在竖向上的确定位置，其包括：沿竖向支撑载荷的重力平衡器；竖向微调装置，其与所述重力平衡器并联设置且被构造用于对载荷竖向上进行微调。由此，提供一种反应灵敏、结构简单、补偿效果好的主动式竖向定位设备。进一步，还提供了一种成像装置用稳定器。

Description

主动式竖向定位设备及具有其的稳定器

技术领域

本发明涉及摄影拍摄装置的机械防抖动或者位置控制技术领域，具体涉及一种竖向定位设备、竖向减震装置及具有这样的竖向减震装置的稳定器和拍摄设备。

背景技术

对于例如在测量机械、制造机械、光学仪器或者拍摄设备等高精度机电系统来说，尽可能地避免或者最小化来自外部环境的震动或者抖动对于保持系统中的功能部件的期望位置而言是非常重要的。作为一种机械防抖式解决方案，稳定器目前已经随着直播和旅行自拍的火爆而成为了普通消费者争相追捧的新型消费电子产品。

对于稳定器而言，其在消费者静止拍摄时的自拍稳定性绝对没得说。不过如果普通消费者以第一人称走路拍摄，画面会有明显的上下步伐的抖动，从而影响摄影效果，容易降低画面的清晰度，还不便对美好的场景进行抓拍。同样地，对于无人机或者无人车搭载的成像装置来说，由于路面的颠簸或者气流的影响，也会产生不期望的竖向上的震动，从而不利于拍摄效果的提升。

已知的是，诸如斯坦尼康等厂商在内尝试利用诸如平行四边形结构搭配弹性件或阻尼件对载荷进行竖向机械减振，然而在实践中发现，弹性件或阻尼件往往只能起到缓冲和储蓄冲击力，延迟释放的作用，但并不能如上所述的将功能部件(例如镜头)保持在竖向上的期望位置，因此这种机械减振的方式是不令人满意的。更为严重的是，平行四边形结构本身的体积和重量均很巨大，这显然不符合目前稳定器小型化和便携化的流行趋势，作为减震方案并不为普通消费者所接受。

在此基础上，有人提出利用电机等致动器装置来竖向上补偿功能部件在震动时偏离期望位置的移位，但由于功能部件往往都非常的沉重，因此要求电机具有很大的转矩，这意味着电机的体积巨大、能耗巨大且需要很好的热耗散，这对于稳定器或者无人机或者无人车这类注重小型化和轻量化的自带电源产品而言，出于竖向减震的目的来增加这种类型的电机是根本不现实的。

因此，行业内仍存在提供一种令人满意的、商业上可行的竖向减震装置和竖向定位设备的需求。

发明内容

本发明旨在提供一种能至少部分地解决上述现有技术的种种不足的主动式竖向定位设备。

根据本发明的一方面，提供了一种主动式竖向定位设备，该定位设备用于将载荷定位在竖向上的确定位置，其特征在于，所述竖向定位设备包括：沿竖向支撑载荷的重力平衡器，其被构造成以基本不变的力平衡所述载荷静态时的重力；竖向微调装置，其与所述重力平衡器并联设置且被构造用于对载荷竖向上进行微调，其包括：用于测量所述载荷的竖向位置的位置传感器；位置控制器，其被构造成将来自位置传感器的实际位置与预设位置进行比较得出竖向偏移并基于该竖向偏移向外输出控制信号；操作连接至所述重力平衡器的调节机构，其与所述位置控制器通信连接以基于所述控制信号使载荷沿所述竖向偏移的反方向运动，从而将载荷定位在竖向上的确定位置。

由此，与现有技术相比，根据本发明的主动式竖向定位设备通过新颖的机械减震的设计使载荷能以失重的方式悬浮设置，这种新颖的机械设计具有结构简单、布置紧凑、空间利用率高等有益效果，这对于商品的小型化和便携化是非常有益的，有利于提高产品的整体竞争力。同时，由于载荷一直是处于其重力被基本平衡的状态或者说处于失重状态，因此在此处的竖向位置调节中，微电机或者小型的伺服电机是可行的。这种电机具有调控快速和精准的优点，同时这种电机所需的能耗和散热量均是小的，这对于稳定器或者无人机或者无人车这类的产品来说并不会造成不可接受的负担。

在一个优选实施方式中，其中所述重力平衡器为气浮式重力平衡器，其包括：支承气缸，在其底部设置有经由充气口与供气气源的气路相连通的压力室；容置在支承气缸内的柱塞杆，其伸出支承气缸外的自由端连接有用于支承载荷的载荷支承板。由此，经由这样的设计，以低成本的方式实现了对载荷的可靠的竖向增稳。

在一个优选实施方式中，所述供气气源包括储存有恒定压力气体的恒压气缸，其中所述恒压气缸与所述支承气缸并排布置并借助于供气管路向所述支承气缸的压力室供气。

在一个优选实施方式中，还包括至少一个直线引导机构，所述直线引导机构包括固定设置在所述载荷支承板上的直线轴承座和固定设置在导轨上的直线轴承，其中所述导轨由所述恒压气缸固定支承。由此，以成本低廉且可靠的方式确保竖向支承机构和力产生机构能长期地在竖向方向上向变速平衡机构施加作用力。

在一个优选实施方式中，所述支承气缸还包括位于上部的第二充气口且所述柱塞杆的活塞使所述支承气缸的上部的截面积不同于所述支承气缸的下部以允许竖向支承载荷。

在一个优选实施方式中，所述调节机构包括：电机，其中所述电机的输出端连接有滚珠丝杠；与所述滚珠丝杠螺纹连接的丝杠螺母，其固定设置在与所述载荷支承板相连接的安装座内。

在一个优选实施方式中，其中所述重力平衡器为磁浮式重力平衡器，其包括：柱塞杆，其自由端连接有用于支承载荷的载荷支承板且所述柱塞杆至少部分地设置有中心柱磁铁，其中所述中心柱磁铁的充磁方向为轴向；套设位于所述柱塞杆外侧的外壳，其中所述外壳带有至少一个充磁方向为径向的环磁铁以向所述柱塞杆提供用于平衡所述载荷静态时的重力的磁浮力。

在一个优选实施方式中，所述中心柱磁铁由至少两块瓦形磁铁围成，其中所述瓦形磁铁能够沿径向移远或者移近，从而改变所述中心柱磁铁与所述环磁铁间的磁路，进而改变施加至所述柱塞杆上的磁浮力。由此，以简单的方式允许该竖向减震装置适应不同重量的载荷，从而提高了该竖向减震装置的通用性。

根据本发明的另一方面，还提供了一种成像装置用稳定器，其包括能够至少在两个轴线上对成像装置增稳的增稳装置和用于竖向支撑该增稳装置的竖向定位设备，其中该竖向定位设备为所述的竖向定位设备。由此，能够消除竖向震动对成像装置的影响。

本发明的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本公开后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的竖向定位设备的立体图；

图2示出了带有图1中的竖向定位设备的成像装置用稳定器的立体图；

图3示出了气浮式重力平衡器的另一实施例。

附图标记说明

1.竖向定位设备 2.载荷 10.重力平衡器 11、11A.支承气缸

12.柱塞杆 13.载荷支承板 14、14A、14B.充气口

15.恒压气缸 16、16A、16B.供气管路 17.直线引导机构

171.直线轴承座 172.直线轴承 173.导轨 174.防脱落止挡

18.螺帽 19.连接板 20.竖向微调装置 30.调节机构 31.电机

32.滚珠丝杠 33.丝杠螺母 34.安装座 35.轴承 36.联轴器

37.电机安装座 41.传感器安装座 42.减震球

具体实施方式

现参考附图，详细说明本发明所公开的竖向定位设备的示意性方案。尽管提供附图是为了呈现本发明的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或局剖以更好地示出和解释本发明的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。

需要说明的是，当组件被称为“固定”至另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“支撑”或“支承”或“安置”于另一个组件，它可以是直接支承或支撑或安置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。在下文中被用于描述附图的某些方向性术语，例如“横”、“竖”、“前”、“后”、“内”、“外”、“上方”、“下方”和其它方向性术语，将被理解为具有其正常含义并且指正常看附图时所涉及的那些方向。除另有指明，本说明书所述方向性术语基本按照本领域技术人员所理解的常规方向。本发明中所使用的术语“第一”、“第二”及其类似术语，在本发明中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个部件与其它部件进行区分。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在图1中，示意性地示出了本发明的一个实施方式的主动式竖向定位设备1，其中该竖向定位设备1用于将载荷2定位在竖向上的确定位置。在此，作为一种示例，该载荷可以是用于拍摄图像/视频的成像装置，例如数码相机、摄像机，也可以为具有摄像功能的手机、平板电脑等便携式通讯装置，同样该载荷也可以是搭载有该成像装置的增稳装置(参见图2)。其中，该竖向定位设备包括沿竖向支撑载荷的重力平衡器10，其被构造成以基本不变的力平衡所述载荷静态时的重力，在图1-2所示出的实施例中，该重力平衡器10被构造成气浮式重力平衡器，如图1所示，该气浮式重力平衡器包括：支承气缸11，在其底部设置有经由充气口14与供气气源的气路相连通的压力室；容置在该支承气缸11内的柱塞杆12，其中该柱塞杆12的下端设置在支承气缸11内且设置有承受气体压力作用的活塞(不可见，未图示出)，其中该活塞设置在压力室内从而在气体的作用下向柱塞杆12施加向上的作用力，该柱塞杆12的上端(自由端)伸出支承气缸外并连接至用于支承载荷的载荷支承板13。在压力室内的气体压力保持基本不变的情况下，可以允许该气浮式重力平衡器10以基本不变的力来平衡所述载荷2静态时的重力。

在此，为了实现在支承气缸11内的基本不变的压力，优选地该供气气源包括存储有恒定压力气体的恒压气缸15，其中如图1所示，该恒压气缸15与支承气缸11并排布置并借助于供气管路16向支承气缸11的压力室供气。在此该恒压气缸15的体积大于该支承气缸11的体积并且两者间借助于供气管路16相连通。为了防止在长期使用过程中，支承气缸11和恒压气缸15发生不期望的相对移位，在此将支承气缸11和恒压气缸15经由呈板状的连接板19共同连接在一起，其中借助于螺帽18将支承气缸11与连接板19相连接的端板锁紧。同时，还可同样借助于另一螺帽将恒压气缸15与连接板19固定连接。

在使用时，来自外部的供气首先被输送入该恒压气缸15内并随后经由供气管路16经过充气口14充入支承气缸11内，保持供气直至支承气缸11内达到一定的气体压力，优选地，此时该载荷2的重力能够使得该柱塞杆12位于支承气缸11的一半行程处，即在载荷2的重力作用下，使充入支承气缸11内的气体量达到使气体压力能在柱塞杆12的运动行程的中间位置处平衡该载荷2静态时的重力。此时可以停止向恒压气缸15和支承气缸11供气并使两者保持封闭。经由这样的设计，无需额外使用气压计对支承气缸11内的气体压力进行监测，从而减小了制作成本并简化了控制策略。进一步，本发明的该竖向定位设备的载荷范围大致在1千克至3千克的范围内，因此期望该支承气缸11所积蓄的气体压力是可调的以适应于不同重量的载荷。

如图1所示，在该载荷2未经受竖向震动时，由于气浮式重力平衡器10对于载荷的静态重力补偿或者重力平衡作用，使得载荷可以形成“悬浮”效果，这对于摄影师来说是很有吸引力的。而当载荷经受竖向震动时(例如摄影师为了实现以第一人称的运动拍摄，例如步行自拍)，来自身体的起伏运动会例如借助于摄影师的手使得载荷在竖向上发生不期望的相对移动。应该注意，本文中竖向震动泛指具有竖向分量的震动，即只要震动在竖直方向具有分量，即可称作竖向震动，换言之，竖向震动的宏观运动方向并不一定是竖直方向的，也可以与竖直方向具有一定的夹角。

为了快速地消除载荷的竖向震动对于拍摄画质的影响，在本发明的竖向定位设备中还设置有竖向微调装置20，其与该重力平衡器10并联设置且被构造成对载荷竖向上进行微调从而将载荷2定位在竖向上的确定位置，这样使得该载荷能够在竖向上具有基本不变的绝对位置。

具体来说，如图1所示，在支承气缸11的一侧平行地设置有该竖向微调装置，其包括：用于测量载荷2的竖向位置的位置传感器；在此处，该位置传感器可以安装在借由减震球42连接至该载荷支承板13上的安装座41内，由于载荷2固定连接至该载荷支承板13，因此设置在安装座41内的位置传感器能灵敏地检测出该载荷2在竖向上的实时位置。在本实施例中，该位置传感器优选为惯性测量单元(IMU)。优选地，使该传感器免受来自外界的机械高频震动的影响(该高频震动可被视为是传感器的“噪声”)而主要识别由于摄影师步伐走动所带来的低频上下起伏，在该载荷支承板13和传感器安装座41间安装有用于阻尼来自外部的机械高频震动的四个减震球42，如图1所示，这些减震球42以分设在板状的传感器安装座41的四角的方式夹设在载荷支承板13和传感器安装座41之间。

同时，该竖向微调装置还包括操作连接至该重力平衡器10的调节机构30，在此，该调节机构30包括电机31，其中该电机31借助于电机安装座37固定连接至连接板19从而不会相对于支承气缸11发生不期望的移动。该电机的输出端优选经由联轴器36连接有穿设经过该连接板19的滚珠丝杠32，为了确保该滚珠丝杠可靠地相对于连接板19转动，其借由轴承35可枢转地穿设该连接板19。在该滚珠丝杠32的上端螺纹连接有丝杠螺母33，其中该丝杠螺母33固定设置在与载荷支承板13相连接的安装座34内。同时，竖向微调装置还包括位置控制器，在此该位置控制器例如可以是内设在该电机31中的印刷电路板，其被构造成将来自位置传感器的实际位置与预设位置进行比较得出竖向偏移并基于该竖向偏移向外输出控制信号。同时，该控制信号被传递至与该控制器通信连接的电机31从而基于控制信号使载荷沿所述竖向偏移的反方向运动，从而将载荷定位在竖向上的确定位置。

在本发明中，在该主动式竖向定位设备工作时，首先由设置在传感器安装座41上的传感器来执行载荷的竖向位置的测量以获取载荷的实际竖向位置。进一步，作为优选的方式，可在位置控制器中设定或者存储有载荷的预设竖向位置并且在载荷发生竖向震动时，该位置控制器被设计成根据预设竖向位置和实际竖向位置间的竖向偏移来控制电机31发生枢转，从而经由该电机31的动作使载荷沿震动方向的反方向运动，其结果是将载荷定位在竖向上的确定位置，这样使得该载荷能够在竖向上具有基本不变的绝对位置。

具体地，在载荷在竖向上发生震动时(例如由于摄影师的步伐所造成的微小起伏)，该位置传感器获取到载荷的实际竖向位置后将实际竖向位置的信号传输到位置控制器中。在此，本发明实施方式的位置传感器用于实时(或周期性)获取载荷的实际竖向位置并将实际竖向位置传输到位置控制器中，该位置控制器内具有预设的竖向位置信息并且基于所接收的实际竖向位置的信号来判断实际竖向位置与预设竖向位置是否存在竖向偏移。当实际的竖向位置高于预设的竖向位置时，即意味着载荷出现了快速的向上升高运动，此时位置控制器通过驱动电机31进行逆时针转动从而带动丝杠螺母33驱动载荷支承板13向下运动(即沿震动方向的反方向运动)，从而抵消了该载荷在竖直方向出现的抖动并将载荷定位在竖向上的确定位置。同样地，当实际的竖向位置低于预设的竖向位置时，即意味着载荷出现了快速的向下降落运动，此时位置控制器通过驱动电机31进行顺时针转动从而带动丝杠螺母33使载荷向上运动(即沿震动方向的反方向运动)，这同样能抵消了该载荷在竖直方向出现的抖动并将载荷定位在竖向上的确定位置。这种利用位置传感器、位置控制器和电机的主动增稳的方式响应时间更短，能够进行精准位移补偿。对于微小的上下起伏改善效果也很明显。

需要指出是，根据本发明中的竖向定位设备，载荷一直是处于其重力被基本平衡的状态或者说处于失重状态，因此在此种情形下电机82在旋转动作时并不需要负担任何载荷的重力，因此在此处的竖向位置调节中，微电机或者小型的伺服电机是可行的。这种电机具有调控快速和精准的优点，同时这种电机所需的能耗和散热量均是小的，这对于稳定器或者无人机或者无人车这类的产品来说并不会造成不可接受的负担。

进一步优选地，为了确保重力平衡器10和竖向微调装置20总是沿竖向方向上施加作用力以避免施力不均对竖向定位效果的不利影响，优选地，如图1-2所示，该竖向定位设备还包括至少一个直线引导机构17，其中该直线引导机构包括固定设置在恒压气缸15上端的导轨173，其中在该导轨173上固定设置有直线轴承172。相应地，在该载荷支承板13上固定设置有与该直线轴承172协同作用的直线轴承座171，从而在发生竖向震动时允许在该直线引导机构17的引导作用下使载荷支承板13和与之相连接的重力平衡器10和竖向微调装置20始终在竖向上运动。这对于该竖向定位设备的长时间的稳定工作是非常有益的。进一步优选地，如图1所示，在该导轨173的顶端设置有防脱落止挡174，以防止该载荷支承板13从该导轨173处滑脱出。

根据本发明的另一方面，在图3中示出了本发明的另一种气浮式重力平衡器10。不同于在图1中的气浮式重力平衡器，在图3中气缸11A的上部还设置有第二充气口14B，此时在气缸11A的下部设置有充气口14A。在工作时，供气通路16A将相同压力的气体分别供给至充气口14A和14B，此时为了确保柱塞杆12在上侧和下侧具有相同的气体压力的情况下仍能平衡载荷的静态重力，此时，支承气缸的上部的截面积不同于支承气缸的下部。具体来说，此时位于柱塞杆12下端的活塞可以气缸11A分为两侧：即位于下方的不带柱塞杆12的活塞部分和位于上方的带柱塞杆12的活塞部分，由于两者的面积是不同的以允许在气体压力作用下提供竖向支承载荷的向上的作用力。与图1中的实施方式相比，由于可省去恒压气缸15，这种方案的成本更低。

更进一步，除了气浮式重力平衡器10外，磁力式重力平衡器也是可行的。具体来说，该磁力式重力平衡器中，作为压力室和柱塞的替代，可以在盖柱塞杆上设置由至少两块瓦形磁铁围成的中心柱磁铁，这些瓦形磁铁的充磁方向被设计成沿中心柱磁铁轴向。与之相应的，设置有套设位于该柱塞杆外侧的外壁，其中该外壁带有至少一个充磁方向为进行的环磁铁，在此处，瓦形磁铁、环磁铁均可由钕铁硼材料制成。由此，在由环磁铁所形成的稳定的径向磁场的作用下，环磁铁可以始终与中心柱磁铁相互作用并提供一个稳定的基础磁浮力从而同样达到重力补偿的效果。

为适用于不同重量的载荷，该磁力式重力平衡器的磁浮力是可调的，具体来说，中心柱磁铁的多块瓦形磁铁能够沿着径向在环磁铁所形成的径向磁场内径向移远或者移近，这从而改变中心柱磁铁与环磁铁之间的磁路，达到调节基础磁浮力的功能，实现重力平衡器的磁浮重力平衡值在一定范围内是机械可调的，这有利于实现竖向定位设备的通用性。

可以理解的是，上文所描述的不同类型的用于减震来自支承结构的竖向震动的竖向定位设备可以用于成像装置用的稳定器，例如但不限于手持稳定器、无人机、无人车等。并且可以理解，上述所描述的用于减震来自壳体的竖向震动的竖向减震装置同样可以用于拍摄设备，例如VR视频拍摄机器人或影视小车等。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。在不脱离本发明的构思和原则的前提下，本领域的技术人员可作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种主动式竖向定位设备，该定位设备用于将载荷定位在竖向上的确定位置，其特征在于，所述竖向定位设备包括：

沿竖向支撑载荷的重力平衡器，其被构造成以基本不变的力平衡所述载荷静态时的重力；

竖向微调装置，其与所述重力平衡器并联设置且被构造用于对载荷竖向上进行微调，其包括：

用于测量所述载荷的竖向位置的位置传感器；

位置控制器，其被构造成将来自位置传感器的实际位置与预设位置进行比较得出竖向偏移并基于该竖向偏移向外输出控制信号；

减震球，其被构造为设置在载荷支承板和传感器安装座之间，用于阻尼来自外部的机械高频震动；

操作连接至所述重力平衡器的调节机构，其与所述位置控制器通信连接以基于所述控制信号使载荷沿所述竖向偏移的反方向运动，从而将载荷定位在竖向上的确定位置。

2.如权利要求1所述的主动式竖向定位设备，其特征在于，其中所述重力平衡器为气浮式重力平衡器，其包括：

支承气缸，在其底部设置有经由充气口与供气气源的气路相连通的压力室；

容置在支承气缸内的柱塞杆，其伸出支承气缸外的自由端连接有用于支承载荷的载荷支承板。

3.如权利要求2所述的主动式竖向定位设备，其特征在于，所述供气气源包括储存有恒定压力气体的恒压气缸，其中所述恒压气缸与所述支承气缸并排布置并借助于供气管路向所述支承气缸的压力室供气。

4.如权利要求3所述的主动式竖向定位设备，其特征在于，还包括至少一个直线引导机构，所述直线引导机构包括固定设置在所述载荷支承板上的直线轴承座和固定设置在导轨上的直线轴承，其中所述导轨由所述恒压气缸固定支承。

5.如权利要求2所述的主动式竖向定位设备，其特征在于，所述支承气缸还包括位于上部的第二充气口且所述柱塞杆的活塞使所述支承气缸的上部的截面积不同于所述支承气缸的下部以允许竖向支承载荷。

6.如权利要求2所述的主动式竖向定位设备，其特征在于，所述调节机构包括：电机，其中所述电机的输出端连接有滚珠丝杠；

与所述滚珠丝杠螺纹连接的丝杠螺母，其固定设置在与所述载荷支承板相连接的安装座内。

7.如权利要求1所述的主动式竖向定位设备，其特征在于，其中所述重力平衡器为磁浮式重力平衡器，其包括：

柱塞杆，其自由端连接有用于支承载荷的载荷支承板且所述柱塞杆至少部分地设置有中心柱磁铁，其中所述中心柱磁铁的充磁方向为轴向；

套设位于所述柱塞杆外侧的外壳，其中所述外壳带有至少一个充磁方向为径向的环磁铁以向所述柱塞杆提供用于平衡所述载荷静态时的重力的磁浮力。

8.如权利要求7所述的主动式竖向定位设备，其特征在于，所述中心柱磁铁由至少两块瓦形磁铁围成，其中所述瓦形磁铁能够沿径向移远或者移近，从而改变所述中心柱磁铁与所述环磁铁间的磁路，进而改变施加至所述柱塞杆上的磁浮力。

9.如权利要求1至8中任一项所述的主动式竖向定位设备，其特征在于，所述位置传感器为惯性测量单元。

10.一种成像装置用稳定器，其包括能够至少在两个轴线上对成像装置增稳的增稳装置和用于竖向支撑该增稳装置的主动式竖向定位设备，其中该竖向定位设备为如权利要求1至9中任一项所述的竖向定位设备。

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