CN114735099A - 一种类尺蠖攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于攀爬机器人技术领域，涉及一种类尺蠖攀爬机器人，采用基于磁场调控的绳驱动式可变刚度的柔性夹持部、类尺蠖型的伸缩部，伸缩部包括柔性躯壳、弹性卷板、卷曲电机；卷曲电机的输出轴上设有卷筒；夹持部中设有限位通槽，卷曲电机固定设于两个夹持部中的一个上，弹性卷板的一端与卷筒固定连接，另一端穿过限位通槽与另一个夹持部固定连接；卷曲电机驱动卷筒旋转，使弹性卷板伸展或收卷，从而改变两个夹持部的距离。本发明中机器人采用尺蠖型延升式步态，夹持部用于抱附待攀爬壁面，机器人攀爬过程中抓手夹持角度可调、长度可控、夹持刚度可变，伸缩部采用类卷尺驱动仿蠕虫伸缩的方式，实现了机器人的稳定攀附与无损监测。

Description

一种类尺蠖攀爬机器人

技术领域

本发明属于攀爬机器人技术领域，涉及一种类尺蠖攀爬机器人。

背景技术

重大高空基础设施如斜拉桥悬索的在线监测评估与预警是国内外健康监测领域公认的难题。以人力为主的监测手段不仅费时费力，监测质量无法保证且存在一定的安全隐患。

爬杆机器人作为新型特种机器人有望代替人类实现高空安全作业。研究人员根据运动形式及黏附方式的不同，研制出了各种攀爬机器人，如RiSE，Stickybot，Treebot，CCrobot，ARA robot等。按照黏附方式的不同，可分为湿黏附、范德华力、爪刺式、frictional gripping等。然而，不同黏附方式的机器人往往仅适用于特定的攀爬表面，如磁吸式机器人适用于铁磁表面，真空式机器人适用于光滑表面，爪刺式机器人适用于粗糙表面，无法满足变结构复杂工作表面。按照运动形式的不同，攀爬机器人可分为Sinusoidalgait，body bending，Tripod gait，Extend-contract等。其中，延升式机构响应速度快、调控简单，如Woody项目。传统延升式结构采用推杆、气缸等作为动力源，该结构体积大、质量重，导致机器人整体笨重，如《IEEE机器人学报》在2011年第27卷第6期，第1107-1117页中出版的“Climbing Strategy for a Flexible Tree Climbing Robot-Treebot”，公开了一种爬树机器人，采用柔性丝杆作为升降传动机构，该结构工作空间大、体积大。

近年来攀爬机器人从尺蠖类爬行昆虫身上获得灵感，研制了许多仿生攀爬机器人。如《软机器人》在2018年第5期第5卷出版的“Switchable Adhesion Actuator forAmphibious Climbing Soft Robot”中基于模仿尺蠖运动形式，研制了气动软体攀爬机器人。又如《机械设计与研究》在2020年07月26日出版的“基于SMA驱动的仿尺蠖微型机器人”中提出了一款基于形状记忆合金驱动的尺蠖机器人。然而，现有尺蠖机器人大多采用软体材料作为机器人本体，存在负载低、速度慢两大关键问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于解决尺蠖机器人负载低、速度慢的问题，提供一种类尺蠖攀爬机器人。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种类尺蠖攀爬机器人，包括伸缩部以及设于所述伸缩部两端的夹持部，所述伸缩部包括柔性躯壳、弹性卷板、卷曲电机；两个所述夹持部分别固定设于所述柔性躯壳的两端；所述卷曲电机的输出轴上设有卷筒；所述夹持部中设有限位通槽，所述卷曲电机固定设于两个夹持部中的一个上，所述弹性卷板的一端与卷筒固定连接，另一端穿过所述限位通槽与另一个夹持部固定连接；所述弹性卷板的横截面呈弧形，其收卷于所述卷筒上时的内侧面为凹面，外侧面为凸面；所述卷曲电机驱动卷筒旋转，使弹性卷板伸展或收卷，从而改变两个夹持部的距离。

进一步，所述弹性卷板为弹簧钢制成；所述柔性躯壳采用柔性压阻材料制成；所述柔性躯壳上设有用于监测其电阻变化的电阻监测装置，通过监测柔性躯壳的电阻值来监测柔性躯壳的伸缩距离，并利用柔性躯壳的电阻与伸缩距离的关系来控制伸缩部的伸缩长度，柔性躯壳的外观采用类蠕虫的节状结构，其两端小，中间大，收缩时两端可向内嵌入中部，形态控制稳定，利于爬行。

进一步，所述柔性压阻材料为由聚二甲基硅氧烷基体及其改性添加剂制备而成，所述改性添加剂为碳纳米管或石墨。

进一步，所述夹持部包括机架、电磁铁、柔性手指，所述柔性手指有两个，分别设于所述机架的两侧，所述电磁铁设于两个所述柔性手指之间，并与机架固定连接；所述机架与柔性躯壳固定连接；

所述柔性手指的前端为指尖，后端为指根；所述指根与机架连接；所述柔性手指中沿指尖至指根方向设有通孔，所述通孔中设有腱绳，所述腱绳一端与指尖固定连接，另一端穿过所述通孔与电磁铁的推杆连接；所述电磁铁的推杆通过所述腱绳带动柔性手指弯曲。

进一步，所述柔性手指包括手指底板与手指指面；所述手指底板由若干层采用磁流变弹性体材料制成的柔性基体构成；所述手指指面上设有若干个弯曲槽；所述通孔设于手指指面内，所述通孔的轴线呈倾斜布置，其靠近指尖的一端至手指底板的高度大于靠近指根的一端至手指底板的距离。

进一步，所述柔性基体有多层，且每层柔性基体的弹性模量从底面到顶面依次降低；所述磁流变弹性体材料由高分子聚合物及微纳米磁性粒子填充物组成；其中高分子聚合物可选聚二甲基硅氧烷；磁性粒子填充物为微纳磁性粒子选自含铁、镍或其他铁磁金属的微纳米粒子，其中羰基铁粉为较优选择。柔性基体采用多层设计，提高了手指弯曲能力。

进一步，在电磁铁带动柔性手指弯曲的同时，利用电磁铁产生的磁场作用于填充有微纳米磁性粒子的柔性手指上，使微纳米磁性粒子按照感应场的模式重新排列，微纳米磁性粒子间的作用力使得其相互挤压，从而增加柔性手指的整体刚度。电磁铁作为动力源，电磁铁拉动腱绳使手指弯曲的同时励磁磁场作用于手指内部的铁磁颗粒，使手指模量增大，用一个动力源实现了抓取与变刚度的同步控制，大大提高了能效比。

进一步，所述柔性手指中嵌设有弹性杆；所述弹性杆上套设有若干个关节，并通过关节的设置位置控制弹性杆的弯折点。

进一步，所述夹持部还包括手指伸缩机构，所述手指伸缩机构包括手指座、设于柔性手指的指根端的手指套、手指伸缩电机，所述手指座与机架连接，所述手指套设于所述手指座内，并与手指座滑动连接；所述手指套上设有齿条，所述手指伸缩电机固定设于所述手指座上，所述手指伸缩电机的输出轴上设有齿轮，齿轮与齿条啮合，从而驱动柔性手指在手指座内滑动。

进一步，所述夹持部还包括手指转动机构，所述手指转动机构包括转动轴、固定设于所述机架上的双轴电机；所述转动轴固定设于所述手指座上，并与所述机架转动连接；所述转动轴上固定设有从动齿轮；所述双轴电机的输出轴上设有主动齿轮；所述主动齿轮与从动齿轮啮合，从而驱动柔性手指绕转动轴转动。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中机器人采用尺蠖型延升式步态，夹持部用于抱附待攀爬壁面，伸缩部通过弹性卷板的蜷曲/伸展实现机器人整体的伸缩，实现了机器人的稳定攀附与无损监测。

2、本发明中伸缩部采用可卷曲伸缩的弹性卷板，弹性卷板采用类卷尺的结构，具有收卷时易弯折，伸展时不易弯折的优点，并通过限位通槽限制其弯曲，提高弹性卷板伸展时的抗弯性能，从而提高负载能力；当柔性躯壳在弹性卷板带动下发生拉伸或挤压时，由于改性添加剂的存在，其电阻值会发生变化，通过阻值的变化可计算躯干伸缩距离，从而对伸缩进行控制。与传统攀爬机器人采用丝杆、推杆等刚性机械结构作为升降系统相比，具有质量轻、展开行程大、收缩体积小等优势。

3、本发明中的夹持部采用基于磁场调控的可变刚度的柔性手指，具有刚度可调、长度可变、角度可控的优点；该柔性手指借鉴灵长目动物手指结构，由骨骼、关节、肌肉、皮肤刚柔软不同模量的材料耦合而成。弹性杆的弹性模量最大，相当于骨骼，起到支撑手指及手指弯曲后提供回弹力的作用。关节用于限制弹性杆纵向移动和限制手指弯曲点。外层的柔性基体相当于人手的皮肤，起到保护及支撑作用，当手指弯曲夹取物品时，外层基体同时提供摩擦力及黏附力，实现对物品的稳定抓取。腱绳相当于肌肉，收缩时可驱动手指弯曲，实现弯曲角度的无极调节。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中的类尺蠖攀爬机器人整体示意图；

图2为图1中伸缩部的剖视图；

图3为伸缩部的结构示意图；

图4为本发明中柔性手指示意图；

图5为柔性手指俯视图；

图6为柔性手指制备流程示意图；

图7为柔性手指弯曲角度与腱绳拉力间关联关系的线性拟合图；

图8为磁场改变磁流变弹性体材料弹性模量的数据图。

附图标记：1-柔性手指；2-手指座；3-手指套；4-从动锥齿轮；5-主动锥齿轮；6-上机架；7-电磁铁；8-主动锥齿轮；9-从动锥齿轮；10-柔性手指；11-推杆；12-腱绳；13-手指伸缩电机；14-柔性躯壳；15-手指伸缩电机；16-柔性手指；17-腱绳；18-下机架；19-柔性手指；20-手指伸缩电机；21-手指伸缩电机；22-双轴电机；23-卷曲电机；24-弹性卷板；25-弹性卷板；26-卷曲电机；27-转动轴；28-弹性杆；29-关节；30-柔性基体；31-卷筒。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～8，为一种类尺蠖攀爬机器人，包括控制模块、伸缩部以及安装在伸缩部两端的夹持部，两个夹持部分别为上夹持部、下夹持部；伸缩部包括柔性躯壳14、弹性卷板、卷曲电机；两个夹持部分别固定安装在柔性躯壳14的两端；卷曲电机26的输出轴上设置有卷筒31；夹持部中设置有限位通槽，卷曲电机固定安装在上夹持部上，弹性卷板的一端与卷筒固定连接，另一端穿过限位通槽与下夹持部固定连接；弹性卷板的横截面呈弧形，其收卷于卷筒上时的内侧面为凹面，外侧面为凸面；卷曲电机驱动卷筒旋转，使弹性卷板伸展或收卷，从而改变两个夹持部的距离。

其中卷曲电机与弹性卷板有两个，如图3所示，分别为卷曲电机23、卷曲电机26、弹性卷板24、弹性卷板25，用以增加负载能力，限位通槽设置在上机架6、下机架上18上。

其中，控制模块包括蓝牙模块、电机驱动模块、继电器、摄像头、主控模块等。通过向蓝牙串口发送指令实现机器人前进/后退步态的控制。摄像头采用ESP32摄像头模组，机器人上电即开始运行，将采集到的视频通过局域网传回至电脑或手机上以供后续图像处理。

其中，弹性卷板为弹簧钢制成，柔性躯壳14采用柔性压阻材料制成；柔性躯壳14上设置有用于监测其电阻变化的电阻监测装置，通过监测柔性躯壳14的电阻值来监测柔性躯壳14的伸缩距离，并利用柔性躯壳14的电阻与伸缩距离的关系来控制伸缩部的伸缩长度。采用的柔性压阻材料为由聚二甲基硅氧烷基体及其改性添加剂制备而成，改性添加剂为碳纳米管或石墨。柔性躯壳14的外观采用类蠕虫的节状结构，其两端小，中间大，收缩时两端可向内嵌入中部，形态控制稳定，利于爬行。

以上夹持部为例，其包括上机架6、电磁铁7、柔性手指，柔性手指有两个，分别为柔性手指1和柔性手指10，且分别安装在上机架6的两侧，电磁铁7安装在两个柔性手指之间，并固定在上机架6上；上机架6与柔性躯壳14固定连接；柔性手指1的前端为指尖，后端为指根；指根与上机架6连接；柔性手指1中沿指尖至指根方向设置有两个通孔，通孔设置在手指指面内，通孔的轴线呈倾斜布置，其靠近指尖的一端至手指底板的高度大于靠近指根的一端至手指底板的距离，通孔中设置有腱绳12，腱绳12一端与指尖固定连接，另一端穿过通孔与电磁铁7的推杆11连接；推杆11通过腱绳12带动柔性手指1弯曲。柔性手指1的弯曲角度与腱绳12拉力的关系见图7，根据图7中的拟合数据进行柔性手指1弯曲角度控制。

柔性手指1包括手指底板与手指指面；手指底板由若干层采用磁流变弹性体材料制成的柔性基体30构成；柔性手指1中嵌设有由半钛合金杆制成的弹性杆28；弹性杆28上套装有若干个PLA材质的关节29，并通过关节29的设置位置控制弹性杆28的弯折点。柔性手指1整体形状为底宽顶窄、底厚顶薄，即沿着指尖方向手指厚度减小、宽度降低。为了使手指更容易弯曲，沿指尖方向分布着多个弯曲槽，弯曲槽的槽宽沿指尖方向依次增大，槽深沿着指尖方向依次增大。

其中，柔性基体30有多层，且每层柔性基体30的弹性模量从底面到顶面依次降低；磁流变弹性体材料由高分子聚合物及微纳米磁性粒子填充物组成；其中高分子聚合物可选聚二甲基硅氧烷；磁性粒子填充物为微纳磁性粒子选自含铁、镍或其他铁磁金属的微纳米粒子，其中羰基铁粉为较优选择。柔性基体30采用多层设计，提高了手指弯曲能力。

在电磁铁7带动柔性手指1弯曲的同时，利用电磁铁7产生的磁场作用于填充有微纳米磁性粒子的柔性手指1上，使微纳米磁性粒子按照感应场的模式重新排列，微纳米磁性粒子间的作用力使得其相互挤压，从而增加柔性手指1的整体刚度。电磁铁7磁场对柔性手指1弹性模量的影响关系见图8，并根据图8中的数据进行弹性模量需求设计。

柔性手指1的指根端还设置有手指伸缩机构，手指伸缩机构包括手指座2、安装在柔性手指1的指根端的手指套3、手指伸缩电机21，手指座2与机架连接，手指套3安装在手指座2内，并与手指座2滑动连接；手指套3上设置有齿条，手指伸缩电机21固定安装在手指座2上，手指伸缩电机21的输出轴上设置有齿轮，齿轮与齿条啮合，从而驱动柔性手指1在手指座2内滑动。

柔性手指1的指根端还设置有手指转动机构，手指转动机构包括转动轴27、固定安装在机架上的双轴电机22；转动轴27固定安装在手指座2上，并与上机架6转动连接；转动轴27上固定设置有从动锥齿轮4；双轴电机22的输出轴上设置有主动锥齿轮5；主动锥齿轮5与从动锥齿轮4啮合，从而驱动柔性手指1绕转动轴27转动，实现抓取角度在一定范围内的自由调节。

柔性手指1的指根端还设置有手指伸缩机构，手指伸缩机构包括手指座2、安装在柔性手指1的指根端的手指套3、手指伸缩电机21，手指座2与机架连接，手指套3安装在手指座2内，并与手指座2滑动连接；手指套3上设置有齿条，手指伸缩电机21固定安装在手指座2上，手指伸缩电机21的输出轴上设置有齿轮，齿轮与齿条啮合，从而驱动柔性手指1在手指座2内滑动。

柔性手指10与柔性手指1结构相同，双轴电机22通过主动锥齿轮8与从动锥齿轮9啮合，从而带动柔性手指10转动，手指伸缩电机13驱动柔性手指10滑动，控制伸缩长度。

下夹持部与上夹持部结构相同，其中手指伸缩电机20用以控制柔性手指19的伸缩长度，手指伸缩电机15用以控制柔性手指16的伸缩长度。

其中，柔性手指制备过程如图6所示：

首先，准备好注塑所需的材料，PLA材质的关节两个，半钛合金的弹性杆一根，直径3mm铝棒两根，模具A、B。将关节穿过弹性杆做成竿稍，3mm铝棒穿过模具B，铝棒的位置即成型后腱绳路径。

准备道宁康PDMS橡胶。将PDMS橡胶中的A、B组分及铁磁颗粒按照10：1：1的质量分数比混合，利用机械搅拌器搅拌混合均匀，制得磁敏聚合物；将搅拌完成的混合物放入真空干燥箱中抽真空至0.8Mpa；将抽完真空的磁敏聚合物放入超声波震荡器中震荡15分钟直至完全消除磁敏聚合物中气泡；接着将磁敏聚合物倒入组装后的模具中，倒入体积为组装后模具体积的1/2；将倒入聚合物的模具放入鼓风干燥箱以40℃的温度干燥4小时。

取出干燥完成的模具，在半固化的磁敏聚合物表面放入竿稍。接着倒入A、B组分及铁磁颗粒的质量分数比为30：1：1的磁敏聚合物，直至聚合物倒满模具为止，按照同样的方法加热固化至定型，取出即可。

机器人的运动步态如下：

初始状态，机器人下夹持部夹持住待攀爬壁面，上夹持部脱附，伸缩部处于完全收缩状态。开始运动时，保持下夹持部夹持住壁面不移动，伸缩部在电机带动下开始伸长，使得机器人顶部向上移动。移动合适距离后停止，上夹持部夹持住攀爬壁面，此时，伸缩部处于伸长状态，上、下夹持部均处于夹取状态。接着，下夹持部张开，与夹持壁面脱附，伸缩部向上收缩带动机器人底部向上移动。移动合适距离后停止，下夹持部夹取待攀爬壁面。此时，伸缩部处于收缩状态，上、下夹持部均处于夹取状态，完成机器人的一个运动周期。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种类尺蠖攀爬机器人，包括伸缩部以及设于所述伸缩部两端的夹持部，其特征在于：所述伸缩部包括柔性躯壳、弹性卷板、卷曲电机；两个所述夹持部分别固定设于所述柔性躯壳的两端；所述卷曲电机的输出轴上设有卷筒；所述夹持部中设有限位通槽，所述卷曲电机固定设于两个夹持部中的一个上，所述弹性卷板的一端与卷筒固定连接，另一端穿过所述限位通槽与另一个夹持部固定连接；所述弹性卷板的横截面呈弧形，其收卷于所述卷筒上时的内侧面为凹面，外侧面为凸面；所述卷曲电机驱动卷筒旋转，使弹性卷板伸展或收卷，从而改变两个夹持部的距离。

2.根据权利要求1所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：所述弹性卷板为弹簧钢制成；所述柔性躯壳采用柔性压阻材料制成；所述柔性躯壳上设有用于监测其电阻变化的电阻监测装置，通过监测柔性躯壳的电阻值来监测柔性躯壳的伸缩距离，并利用柔性躯壳的电阻与伸缩距离的关系来控制伸缩部的伸缩长度。

3.根据权利要求2所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：所述柔性压阻材料为由聚二甲基硅氧烷基体及其改性添加剂制备而成，所述改性添加剂为碳纳米管或石墨。

4.根据权利要求1所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：所述夹持部包括机架、电磁铁、柔性手指，所述柔性手指有两个，分别设于所述机架的两侧，所述电磁铁设于两个所述柔性手指之间，并与机架固定连接；所述机架与柔性躯壳固定连接；

所述柔性手指的前端为指尖，后端为指根；所述指根与机架连接；所述柔性手指中沿指尖至指根方向设有通孔，所述通孔中设有腱绳，所述腱绳一端与指尖固定连接，另一端穿过所述通孔与电磁铁的推杆连接；所述电磁铁的推杆通过所述腱绳带动柔性手指弯曲。

5.根据权利要求4所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：所述柔性手指包括手指底板与手指指面；所述手指底板由若干层采用磁流变弹性体材料制成的柔性基体构成；所述手指指面上设有若干个弯曲槽；所述通孔设于手指指面内，所述通孔的轴线呈倾斜布置，其靠近指尖的一端至手指底板的高度大于靠近指根的一端至手指底板的距离。

6.根据权利要求5所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：所述柔性基体有多层，且每层柔性基体的弹性模量从底面到顶面依次降低；所述磁流变弹性体材料由高分子聚合物及微纳米磁性粒子填充物组成。

7.根据权利要求5所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：在电磁铁带动柔性手指弯曲的同时，利用电磁铁产生的磁场作用于填充有微纳米磁性粒子的柔性手指上，使微纳米磁性粒子按照感应场的模式重新排列，微纳米磁性粒子间的作用力使得其相互挤压，从而增加柔性手指的整体刚度。

8.根据权利要求4所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：所述柔性手指中嵌设有弹性杆；所述弹性杆上套设有若干个关节，并通过关节的设置位置控制弹性杆的弯折点。

9.根据权利要求4所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：所述夹持部还包括手指伸缩机构，所述手指伸缩机构包括手指座、设于柔性手指的指根端的手指套、手指伸缩电机，所述手指座与机架连接，所述手指套设于所述手指座内，并与手指座滑动连接；所述手指套上设有齿条，所述手指伸缩电机固定设于所述手指座上，所述手指伸缩电机的输出轴上设有齿轮，齿轮与齿条啮合，从而驱动柔性手指在手指座内滑动。

10.根据权利要求9所述的类尺蠖攀爬机器人，其特征在于：所述夹持部还包括手指转动机构，所述手指转动机构包括转动轴、固定设于所述机架上的双轴电机；所述转动轴固定设于所述手指座上，并与所述机架转动连接；所述转动轴上固定设有从动齿轮；所述双轴电机的输出轴上设有主动齿轮；所述主动齿轮与从动齿轮啮合，从而驱动柔性手指绕转动轴转动。

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