CN211178424U - 埋入式自动测斜机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及测量倾斜度领域，具体为一种埋入式自动测斜机器人。一种埋入式自动测斜机器人，包括无线探头(2)，其特征是：还包括提升装置(3)和供电箱(4)，提升装置(3)固定在测斜管(1)顶部，提升装置(3)包括远程通讯天线(301)、主控电路(302)、步进电机(303)、提升模块(304)、蓝牙通讯模块(310)、无线充电模块(311)和密封外壳(312)；供电箱(4)通过电缆连接提升装置(3)。本实用新型结构紧凑，环境适应性强。

Description

埋入式自动测斜机器人

技术领域

本实用新型涉及测量倾斜度领域，具体为一种埋入式自动测斜机器人。

背景技术

测斜仪是一种岩土工程测量仪器，广泛用于边坡、基坑、大坝等自然土体或结构物的深部水平位移的测量。传统的测量方式是人工使用一个测量探头，手动下放到测斜管中，在提升过程中每隔0.5米记录一次数据。后续出现了固定式的测斜仪，即在每个测量位置（如每0.5米处）安装一个探头，并用电缆线串联起来，此类测斜仪实现了现场无人值守自动化监测的目的，但是由于每个测量位置都需要一个探头，大幅增加了系统的成本。

授权公告号为209247002U的中国专利于2019年08月13日公开了一种全自动测斜系统，具有自动提升能力，解决了自动化监测成本问题，但是提升装置体积较大，在基坑、大坝等工地现场往往受到现场安装空间限制。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺陷，提供一种结构紧凑、环境适应性强的测斜设备，本实用新型公开了一种埋入式自动测斜机器人。

本实用新型通过如下技术方案达到发明目的：

一种埋入式自动测斜机器人，用于测量基坑侧壁上测斜管的倾角，并通过倾角换算出基坑侧壁在水平方向上因形变导致的位移量，包括无线探头，无线探头设于测斜管内，其特征是：还包括提升装置和供电箱，

提升装置固定在测斜管顶部，提升装置包括远程通讯天线、主控电路、步进电机、提升模块、定滑轮、编码器、测力传感器、提升线、防水轴套、蓝牙通讯模块、无线充电模块和密封外壳，

远程通讯天线、主控电路、步进电机、提升模块、定滑轮、编码器、测力传感器、提升线、防水轴套、蓝牙通讯模块和无线充电模块都设于密封外壳内，远程通讯天线设于密封外壳的顶部，蓝牙通讯模块和无线充电模块设于密封外壳的底部；

步进电机的输出轴连接提升模块的输入轴，提升模块的外侧面上依次设有至少三个定滑轮，其中一个定滑轮上设有编码器和测力传感器，提升线的一端拴系在提升模块上，提升线的另一端依次缠绕各个定滑轮后从密封外壳底部穿出连接无线探头，提升线和密封外壳的连接处衬有防水轴套；

主控电路通过通信线分别连接步进电机、编码器和测力传感器，蓝牙通讯模块和无线探头通过蓝牙信号无线连接，无线充电模块通过无线充电信号连接无线探头；

供电箱通过电缆连接提升装置。

所述的埋入式自动测斜机器人，其特征是：测斜管的内侧壁上依次间隔地设有测斜槽，提升装置密封外壳的外侧壁上依次间隔地设有提升齿，提升齿的数量不多于测斜槽的数量，提升齿的形状与尺寸都和测斜槽的形状与尺寸互相匹配，每个提升齿分别嵌入一个测斜槽内使提升装置和测斜管之间不发生相对转动。

所述的埋入式自动测斜机器人，其特征是：提升模块包括花键轴、绕线轴套、往复丝杆、滑块和提升管，花键轴、绕线轴套、往复丝杆和滑块都设于提升管内；花键轴的顶端作为转动端设于提升管顶部并通过减速机连接步进电机的输出轴，绕线轴套箍在花键轴外，绕线轴套内的突齿和花键轴外的键互相啮合，往复丝杆设于花键轴的正下方，往复丝杆的底端固定在提升管的底部，滑块内设有销钉，滑块旋在往复丝杆上且滑块的顶部和绕线轴套的底部固定，滑块内的销钉的外端嵌入往复丝杆外螺纹的螺牙内，提升线的一端拴系在绕线轴套上。

所述的埋入式自动测斜机器人，其特征是：防水轴套包括密封件、密封垫、压板和密封螺钉，密封外壳的底部设有通孔，密封件为锥形且中心轴线处设有通孔，密封件设于密封外壳底部的外侧且密封件的尖端朝向密封外壳的底部，密封件和密封外壳这两者各自的通孔互相对齐，密封垫的中部设有和密封件外形构成过盈配合的通孔，密封垫通过中部的通孔箍在密封件外，压板的中部设有和密封件底面构成过盈配合的通孔，压板盖在密封垫的底面上且使密封件的底面从压板中部的通孔穿出，压板、密封垫和密封外壳的底部用至少两枚密封螺钉依次连接，提升线的底端依次从密封外壳底部的通孔和密封件中心轴线处的通孔穿出。

所述的埋入式自动测斜机器人的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：

① 安装：将提升装置设于测斜管内且使提升装置的顶部固定在测斜管入口处，保证提升装置的顶部和测试现场的地面齐平；

② 供电：电缆的一端连接供电箱，电缆的另一端密封地连接提升装置；

③ 设置：通过云服务器或智能移动终端向主控电路设置提升参数，包括采样率、提升间隔、总深度；

④ 通讯：提升参数设置完成后，若未到采样时刻，主控电路自动与无线探头通讯，使无线探头进入休眠状态；

⑤ 测量：若到采样时刻时，主控电路自动进行一次测量，测量步骤如下所述：

a. 提升装置通过蓝牙通讯模块唤醒无线探头，无线探头开始采集倾角数据，

b. 主控电路驱动步进电机反向转动，步进电机输出轴反向转动带动提升模块匀速（如0.5m/min）下放无线探头，

c. 在下放过程中，提升装置记录编码器的数据以测算下放深度，

d. 当无线探头下放至设定深度（如40米）时，主控电路控制步进电机停转，

e. 随后主控电路驱动步进电机正向转动，步进电机正向转动带动提升模块匀速提升提升无线探头，

f. 当无线探头提升至测量点（如每隔0.5米一个测量点）时，主控电路控制步进电机停转，

g. 无线探头根据采集到的倾角数据判断无线探头自身的姿态，当数据稳定时，无线探头自动记录倾角数据，

h. 当到达测量点1分钟后，主控电路驱动步进电机继续正向转动以提升无线探头至下一个测量点，

i. 重复f到h步骤，直到完成对各个测量点的倾角数据测量并将无线探头提升到初始位置，

j. 无线探头回到初始位置后，提升装置通过蓝牙通讯模块和无线探头通讯，获取本次测量对各个测量点采集的所有倾角数据，以及无线探头的电池电量情况，

k. 若无线探头电池电量小于90%，提升装置打开无线充电模块，无线充电模块对无线探头充电，直到将无线探头电池电量充满，

l. 提升装置通过蓝牙通讯模块将无线探头调至休眠状态，停止倾角测量和电池状态监控；

⑥ 发送：至此完成一次测量，提升装置通过LoRa或NB-IoT网络，将数据发送到云监测平台。

所述的埋入式自动测斜机器人的使用方法，其特征是：

步骤③时，主控电路和云服务器或智能移动终端的通讯方式选用LoRa通讯协议或NB-IoT通讯协议，

选用LoRa通讯协议时，在测试现场设有LoRa网关，进行本地多设备的组网，使主控电路通过LoRa网关和云服务器或智能移动终端连接，

选用NB-IoT通讯协议时，主控电路直接接入云服务器；

步骤⑤时，无线探头在提升和下放过程中，当主控电路根据编码器的数据测得的位置处于自动充电位置时，主控电路控制步进电机停转，提升装置刹车，无线探头开始充电；当主控电路根据测力传感器测得的拉力值判断提升装置发生卡滞时，主控电路控制步进电机停转，提升装置刹车，同时发出报警信息，等待人工处理。

本实用新型的结构特点如下：

本实用新型由供电箱、提升装置和测斜装置三个部分组成：

1. 运输时，无线探头与提升装置是分离的，提升装置下方露出提升线的线头，线头处设有连接扣，提升装置的顶部设有电缆锁紧头，提升装置的顶盖可以打开，内部有电源接线座；现场安装时，先通过连接扣将无线探头和提升线的线头连接牢固，然后将无线探头和提升装置整体下放至测斜管中；测斜装置测斜管的内侧壁上设有测斜突齿及测斜凹槽，提升装置密封外壳的外侧壁上设有提升突齿及提升凹槽，安装时应互相啮合着放入；

2. 供电箱负责向提升装置供电，支持AC220V市电与太阳能两种方式输入，输出到提升装置为直流24V；

3. 提升装置主要包括远程通讯天线、主控电路、步进电机、提升模块、防水轴套、蓝牙通讯模块、无线充电模块，

3.1 主控电路负责提升装置的测控工作，通过步进电机带动提升线提升或下放无线探头，在提升或下放过程中，主控电路通过安装在定滑轮处的编码器计算当前深度，提升时，如果测力传感器读数过大，主控电路会暂停提升，发出报警，提示人工介入；蓝牙通讯模块负责与无线探头进行通讯，无线充电模块负责对无线探头进行充电；

3.2 提升模块由往复丝杆、滑块、绕线轴套与花键轴组成，步进电机通过减速机带动花键轴转动，而花键轴与绕线轴套通过花键啮合，从而带动绕线轴套转动；绕线轴套底部与滑块同轴固定，绕线轴套转动时带动滑块转动；滑块内的销钉的外端嵌入往复丝杆外螺纹的螺牙内，往复丝杆为固定不动件，当滑块在转动时带动滑块内的销钉沿着往复丝杆的外螺纹转动，通过外螺纹的传动作用使滑块在绕往复丝杆转动时还沿往复丝杆的轴向平动，且带动绕线轴套作同步的转动和平动，从而实现绕线与放线功能；

3.3 无线探头与提升装置由提升线连接，无线探头本身具备防水功能，可以在水下60米以上深度工作，提升装置出口处装有橡胶制的防水轴套，保证提升线上下运动的同时，可以支持1米的水压不漏水，确保提升装置的防水性；

4. 无线探头内置倾角传感器、充电电池及管理电路，提升装置会将无线探头下放到测斜管中，然后等距提升，在测量点停顿时，无线探头会自动记录倾斜数据。

本实用新型采用特殊结构设计，实现提升装置的最小化，使得整个测量机器人可以埋入现场测斜管中，不受现场安装条件限制，也不占用工地现场的作业空间。

本实用新型具有如下有益效果：

1. 体积小巧，可埋入测斜管，不影响工地现场作业；

2. 防水可靠，满足现场严苛工况；

3. 实现小体积，大绕线量，可以支持大于60m提升线的收集。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中提升模块的结构示意图；

图3是本实用新型中防水轴套的结构示意图；

图4是本实用新型中提升装置通过测斜槽和提升齿的配合实现在测斜槽内定位的结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本实用新型。

实施例1

一种埋入式自动测斜机器人，用于测量基坑侧壁上测斜管1的倾角，并通过倾角换算出基坑侧壁在水平方向上因形变导致的位移量，包括无线探头2、提升装置3和供电箱4，如图1～图4所示，具体结构是：

无线探头2设于测斜管1内，提升装置3固定在测斜管1顶部，提升装置3包括远程通讯天线301、主控电路302、步进电机303、提升模块304、定滑轮305、编码器306、测力传感器307、提升线308、防水轴套309、蓝牙通讯模块310、无线充电模块311和密封外壳312，

远程通讯天线301、主控电路302、步进电机303、提升模块304、定滑轮305、编码器306、测力传感器307、提升线308、防水轴套309、蓝牙通讯模块310和无线充电模块311都设于密封外壳312内，远程通讯天线301设于密封外壳312的顶部，蓝牙通讯模块310和无线充电模块311设于密封外壳312的底部；

步进电机303的输出轴连接提升模块304的输入轴，提升模块304的外侧面上依次设有至少三个定滑轮305，其中一个定滑轮305上设有编码器306和测力传感器307，提升线308的一端拴系在提升模块304上，提升线308的另一端依次缠绕各个定滑轮305后从密封外壳312底部穿出连接无线探头2，提升线308和密封外壳312的连接处衬有防水轴套309；

主控电路302通过通信线分别连接步进电机303、编码器306和测力传感器307，蓝牙通讯模块310和无线探头2通过蓝牙信号无线连接，无线充电模块311通过无线充电信号连接无线探头2；

供电箱4通过电缆连接提升装置3。

本实施例中，如图4所示：测斜管1的内侧壁上依次间隔地设有测斜槽13，提升装置3密封外壳312的外侧壁上依次间隔地设有提升齿313，提升齿313的数量不多于测斜槽13的数量，提升齿313的形状与尺寸都和测斜槽13的形状与尺寸互相匹配，每个提升齿313分别嵌入一个测斜槽13内使提升装置3和测斜管1之间不发生相对转动。

本实施例中，提升模块304如图2所示：提升模块304包括花键轴51、绕线轴套52、往复丝杆53、滑块54和提升管55，花键轴51、绕线轴套52、往复丝杆53和滑块54都设于提升管55内；花键轴51的顶端作为转动端设于提升管55顶部并通过减速机连接步进电机303的输出轴，绕线轴套52箍在花键轴51外，绕线轴套52内的突齿和花键轴51外的键互相啮合，往复丝杆53设于花键轴51的正下方，往复丝杆53的底端固定在提升管55的底部，滑块54内设有销钉，滑块54旋在往复丝杆53上且滑块54的顶部和绕线轴套52的底部固定，滑块54内的销钉的外端嵌入往复丝杆53外螺纹的螺牙内，提升线308的一端拴系在绕线轴套52上。

本实施例中，防水轴套309如图3所示：防水轴套309包括密封件61、密封垫62、压板63和密封螺钉64，密封外壳312的底部设有通孔，密封件61为锥形且中心轴线处设有通孔，密封件61设于密封外壳312底部的外侧且密封件61的尖端朝向密封外壳312的底部，密封件61和密封外壳312这两者各自的通孔互相对齐，密封垫62的中部设有和密封件61外形构成过盈配合的通孔，密封垫62通过中部的通孔箍在密封件61外，压板63的中部设有和密封件61底面构成过盈配合的通孔，压板63盖在密封垫62的底面上且使密封件61的底面从压板63中部的通孔穿出，压板63、密封垫62和密封外壳312的底部用至少两枚密封螺钉64依次连接，提升线308的底端依次从密封外壳312底部的通孔和密封件61中心轴线处的通孔穿出。

本实施例使用时，按如下步骤依次实施：

① 安装：将提升装置3设于测斜管1内且使提升装置3的顶部固定在测斜管1入口处，保证提升装置3的顶部和测试现场的地面齐平；

② 供电：电缆的一端连接供电箱4，电缆的另一端密封地连接提升装置3；

③ 设置：通过云服务器或智能移动终端向主控电路302设置提升参数，包括采样率、提升间隔、总深度等；

主控电路302和云服务器或智能移动终端的通讯方式选用LoRa通讯协议或NB-IoT通讯协议，

选用LoRa通讯协议时，在测试现场设有LoRa网关，进行本地多设备的组网，使主控电路302通过LoRa网关和云服务器或智能移动终端连接，

选用NB-IoT通讯协议时，主控电路302直接接入云服务器；

④ 通讯：提升参数设置完成后，若未到采样时刻，主控电路302自动与无线探头2通讯，使无线探头2进入休眠状态；

⑤ 测量：若到采样时刻时，主控电路302自动进行一次测量，测量步骤如下所述：

a. 提升装置3通过蓝牙通讯模块310唤醒无线探头2，无线探头2开始采集倾角数据，

b. 主控电路302驱动步进电机303反向转动，步进电机303输出轴反向转动带动提升模块304匀速（如0.5m/min）下放无线探头2，

c. 在下放过程中，提升装置3记录编码器306的数据以测算下放深度，

d. 当无线探头2下放至设定深度（如40米）时，主控电路302控制步进电机303停转，

e. 随后主控电路302驱动步进电机303正向转动，步进电机303正向转动带动提升模块304匀速提升提升无线探头2，

f. 当无线探头2提升至测量点（如每隔0.5米一个测量点）时，主控电路302控制步进电机303停转，

g. 无线探头2根据采集到的倾角数据判断无线探头2自身的姿态，当数据稳定时，无线探头2自动记录倾角数据，

h. 当到达测量点1分钟后，主控电路302驱动步进电机303继续正向转动以提升无线探头2至下一个测量点，

i. 重复f到h步骤，直到完成对各个测量点的倾角数据测量并将无线探头2提升到初始位置，

j. 无线探头2回到初始位置后，提升装置3通过蓝牙通讯模块310和无线探头2通讯，获取本次测量对各个测量点采集的所有倾角数据，以及无线探头2的电池电量情况，

k. 若无线探头2电池电量小于90%，提升装置3打开无线充电模块311，无线充电模块311对无线探头2充电，直到将无线探头2电池电量充满，

l. 提升装置3通过蓝牙通讯模块310将无线探头2调至休眠状态，停止倾角测量和电池状态监控；

无线探头2在提升和下放过程中，当主控电路302根据编码器306的数据测得的位置处于自动充电位置时，主控电路302控制步进电机303停转，提升装置3刹车，无线探头2开始充电；当主控电路302根据测力传感器307测得的拉力值判断提升装置3发生卡滞时，主控电路302控制步进电机303停转，提升装置3刹车，同时发出报警信息，等待人工处理；

⑥ 发送：至此完成一次测量，提升装置3通过LoRa或NB-IoT网络，将数据发送到云监测平台。

本实施例的结构特点如下：

本实施例由供电箱4、提升装置3和无线探头2三个部分组成：

1. 运输时，无线探头2与提升装置3是分离的，提升装置3下方露出提升线308的线头，线头处设有连接扣，提升装置3的顶部设有电缆锁紧头，提升装置3的顶盖可以打开，内部有电源接线座；现场安装时，先通过连接扣将无线探头2和提升线308的线头连接牢固，然后将无线探头2和提升装置3整体下放至测斜管1中；测斜管1的内侧壁上设有测斜突齿及测斜凹槽，提升装置3密封外壳312的外侧壁上设有提升突齿及提升凹槽，安装时应互相啮合着放入；

2. 供电箱4负责向提升装置3供电，支持AC220V市电与太阳能两种方式输入，输出到提升装置3为直流24V；

3. 提升装置3主要包括远程通讯天线301、主控电路302、步进电机303、提升模块304、防水轴套309、蓝牙通讯模块310、无线充电模块311，

3.1 主控电路302负责提升装置3的测控工作，通过步进电机303带动提升线308提升或下放无线探头2，在提升或下放过程中，主控电路302通过安装在定滑轮305处的编码器306计算当前深度，提升时，如果测力传感器307读数过大，主控电路302会暂停提升，发出报警，提示人工介入；蓝牙通讯模块310负责与无线探头2进行通讯，无线充电模块311负责对无线探头2进行充电；

3.2 提升模块304由往复丝杆53、滑块54、绕线轴套52与花键轴51组成，步进电机303通过减速机带动花键轴51转动，而花键轴51与绕线轴套52通过花键啮合，从而带动绕线轴套52转动；绕线轴套52底部与滑块54同轴固定，绕线轴套52转动时带动滑块54转动；滑块54内的销钉的外端嵌入往复丝杆53外螺纹的螺牙内，往复丝杆53为固定不动件，当滑块54在转动时带动滑块54内的销钉沿着往复丝杆53的外螺纹转动，通过外螺纹的传动作用使滑块54在绕往复丝杆53转动时还沿往复丝杆53的轴向平动，且带动绕线轴套52作同步的转动和平动，从而实现绕线与放线功能；

3.3 无线探头2与提升装置3由提升线308连接，无线探头2本身具备防水功能，可以在水下60米以上深度工作，提升装置3出口处装有橡胶制的防水轴套309，保证提升线308上下运动的同时，可以支持1米的水压不漏水，确保提升装置3的防水性；

4. 无线探头2内置倾角传感器、充电电池及管理电路，提升装置3会将无线探头2下放到测斜管1中，然后等距提升，在测量点停顿时，无线探头2会自动记录倾斜数据。

Claims (4)

1.一种埋入式自动测斜机器人，用于测量基坑侧壁上测斜管(1)的倾角，并通过倾角换算出基坑侧壁在水平方向上因形变导致的位移量，包括无线探头(2)，无线探头(2)设于测斜管(1)内，其特征是：还包括提升装置(3)和供电箱(4)，

提升装置(3)固定在测斜管(1)顶部，提升装置(3)包括远程通讯天线(301)、主控电路(302)、步进电机(303)、提升模块(304)、定滑轮(305)、编码器(306)、测力传感器(307)、提升线(308)、防水轴套(309)、蓝牙通讯模块(310)、无线充电模块(311)和密封外壳(312)，

远程通讯天线(301)、主控电路(302)、步进电机(303)、提升模块(304)、定滑轮(305)、编码器(306)、测力传感器(307)、提升线(308)、防水轴套(309)、蓝牙通讯模块(310)和无线充电模块(311)都设于密封外壳(312)内，远程通讯天线(301)设于密封外壳(312)的顶部，蓝牙通讯模块(310)和无线充电模块(311)设于密封外壳(312)的底部；

步进电机(303)的输出轴连接提升模块(304)的输入轴，提升模块(304)的外侧面上依次设有至少三个定滑轮(305)，其中一个定滑轮(305)上设有编码器(306)和测力传感器(307)，提升线(308)的一端拴系在提升模块(304)上，提升线(308)的另一端依次缠绕各个定滑轮(305)后从密封外壳(312)底部穿出连接无线探头(2)，提升线(308)和密封外壳(312)的连接处衬有防水轴套(309)；

主控电路(302)通过通信线分别连接步进电机(303)、编码器(306)和测力传感器(307)，蓝牙通讯模块(310)和无线探头(2)通过蓝牙信号无线连接，无线充电模块(311)通过无线充电信号连接无线探头(2)；

供电箱(4)通过电缆连接提升装置(3)。

2.如权利要求1所述的埋入式自动测斜机器人，其特征是：测斜管(1)的内侧壁上依次间隔地设有测斜槽(13)，提升装置(3)密封外壳(312)的外侧壁上依次间隔地设有提升齿(313)，提升齿(313)的数量不多于测斜槽(13)的数量，提升齿(313)的形状与尺寸都和测斜槽(13)的形状与尺寸互相匹配，每个提升齿(313)分别嵌入一个测斜槽(13)内使提升装置(3)和测斜管(1)之间不发生相对转动。

3.如权利要求1或2所述的埋入式自动测斜机器人，其特征是：提升模块(304)包括花键轴(51)、绕线轴套(52)、往复丝杆(53)、滑块(54)和提升管(55)，花键轴(51)、绕线轴套(52)、往复丝杆(53)和滑块(54)都设于提升管(55)内；花键轴(51)的顶端作为转动端设于提升管(55)顶部并通过减速机连接步进电机(303)的输出轴，绕线轴套(52)箍在花键轴(51)外，绕线轴套(52)内的突齿和花键轴(51)外的键互相啮合，往复丝杆(53)设于花键轴(51)的正下方，往复丝杆(53)的底端固定在提升管(55)的底部，滑块(54)内设有销钉，滑块(54)旋在往复丝杆(53)上且滑块(54)的顶部和绕线轴套(52)的底部固定，滑块(54)内的销钉的外端嵌入往复丝杆(53)外螺纹的螺牙内，提升线(308)的一端拴系在绕线轴套(52)上。

4.如权利要求3所述的埋入式自动测斜机器人，其特征是：防水轴套(309)包括密封件(61)、密封垫(62)、压板(63)和密封螺钉(64)，密封外壳(312)的底部设有通孔，密封件(61)为锥形且中心轴线处设有通孔，密封件(61)设于密封外壳(312)底部的外侧且密封件(61)的尖端朝向密封外壳(312)的底部，密封件(61)和密封外壳(312)这两者各自的通孔互相对齐，密封垫(62)的中部设有和密封件(61)外形构成过盈配合的通孔，密封垫(62)通过中部的通孔箍在密封件(61)外，压板(63)的中部设有和密封件(61)底面构成过盈配合的通孔，压板(63)盖在密封垫(62)的底面上且使密封件(61)的底面从压板(63)中部的通孔穿出，压板(63)、密封垫(62)和密封外壳(312)的底部用至少两枚密封螺钉(64)依次连接，提升线(308)的底端依次从密封外壳(312)底部的通孔和密封件(61)中心轴线处的通孔穿出。

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