JP2014168967A - Handcart - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、車輪を備え、当該車輪を駆動、制御する手押し車に関するものである。 The present invention relates to a handcart that includes wheels and that drives and controls the wheels.
従来、手押し車では、特許文献1に示すように、速度超過時に、進行方向に押す力に対するモータ出力を緩めて、手押し車を減速させる技術があった。 Conventionally, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-133620, there is a technique for slowing down a wheelbarrow by loosening a motor output with respect to a pushing force in a traveling direction when the speed is exceeded.
しかし、倒立振子制御を用いた手押し車においては、仮にモータ出力を緩めると、倒立振子制御自体に影響を与える可能性があった。 However, in the handcart using the inverted pendulum control, if the motor output is loosened, the inverted pendulum control itself may be affected.
また、一般的な歩行補助車には手動ブレーキがついているが、握力の低下した高齢者等は、そもそもブレーキ操作ができない場合があった。 In addition, although a general walking assistance vehicle has a manual brake, there are cases where elderly people with reduced grip strength cannot perform the braking operation in the first place.
そこで、この発明は、倒立振子制御を行いながら、速度超過時に減速させる手押し車を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a handcart that decelerates when the speed is exceeded while performing inverted pendulum control.
本発明の手押し車は、車輪と、該車輪を回転可能に支持する本体部と、前記車輪を駆動、制御する駆動制御部と、前記本体部の移動速度を検出する速度センサ部と、前記本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出する角度変化検出手段と、を備えている。 The wheelbarrow of the present invention includes a wheel, a main body that rotatably supports the wheel, a drive control unit that drives and controls the wheel, a speed sensor that detects a moving speed of the main body, and the main body. Angle change detecting means for detecting the angle change of the inclination angle of the pitch direction of the part.
駆動制御部は、前記本体部の角度変化が0となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が第1の角度になるよう前記車輪の回転を制御する第1の制御モードと、前記速度センサ部により検出した移動速度が所定の閾値を超えた場合、前記駆動制御部が、前記本体部の角度変化が0となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が第2の角度になるよう前記車輪の回転を制御する第2の制御モードと、を有する。 The drive control unit includes a first control mode for controlling rotation of the wheel so that an angle change of the main body unit becomes 0 and an inclination angle of the main body unit with respect to a vertical direction becomes a first angle; and the speed sensor When the movement speed detected by the unit exceeds a predetermined threshold, the drive control unit is configured such that the change in the angle of the main unit is 0 and the inclination angle of the main unit with respect to the vertical direction is the second angle. And a second control mode for controlling the rotation of the wheel.
そして、本発明の手押し車は、前記第2の制御モードにおける本体部の位置が、前記第1の制御モードにおける本体部の位置に対して、前記本体部の進行方向と逆方向であることを特徴とする。 In the handcart of the present invention, the position of the main body in the second control mode is opposite to the traveling direction of the main body with respect to the position of the main body in the first control mode. Features.
このように、本発明の手押し車は、速度超過時には、通常時よりも進行方向に対して逆方向に本体部を傾けて倒立振子制御を行うことで、ユーザが手押し車を押す方向とは逆方向に力がかかることになり、ユーザの手押し車を押す力を弱めて減速させることができる。 As described above, the wheelbarrow of the present invention performs the inverted pendulum control by tilting the main body portion in the direction opposite to the traveling direction at the time of overspeed, which is opposite to the direction in which the user pushes the wheelbarrow. A force is applied in the direction, and the user can decelerate the force by pushing the wheelbarrow.
また、速度超過の基準となる閾値は、本体部の進行方向によって異なっていてもよい。例えば、前進時よりも後進時の閾値を低く設定する。また、閾値は、ユーザにより手動で調整できるようにしてもよい。 Moreover, the threshold value serving as a reference for excess speed may be different depending on the traveling direction of the main body. For example, the threshold value for backward travel is set lower than that for forward travel. The threshold value may be manually adjusted by the user.
なお、角度変化検出手段は、本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出するピッチ角センサ(傾斜角センサ)を用いてもよいし、本体部に一端が連結され、ピッチ方向に回転することが可能な支持部と、当該支持部の他端に回転可能に支持された補助輪を有する場合には、本体部と支持部の交差角を検知し、当該交差角から本体部の傾斜角を推定してもよい。 The angle change detection means may use a pitch angle sensor (inclination angle sensor) that detects an angle change of the inclination angle of the main body portion in the pitch direction, and one end is connected to the main body portion and rotates in the pitch direction. In the case of having a supporting part capable of rotating and an auxiliary wheel rotatably supported at the other end of the supporting part, the crossing angle of the main body part and the supporting part is detected, and the inclination angle of the main body part from the crossing angle May be estimated.
なお、ユーザが本体部から手を離した場合には、第1の制御モードに復帰してもよい。 Note that when the user releases his / her hand from the main body, the first control mode may be restored.
この発明によれば、倒立振子制御を行いながら、速度超過時に減速させることができる。 According to this invention, it is possible to decelerate when the speed is exceeded while performing inverted pendulum control.
図1は、本発明の移動体の実施形態である手押し車1の外観図である。図2は、手押し車1の構成を示す制御構成図である。
FIG. 1 is an external view of a
手押し車1は、例えば、直方体形状の本体部10を備えている。本体部10は、鉛直方向(図中Z,−Z方向)に長く、奥行き方向(図中Y,−Y方向)に短い形状である。本体部10は、内部に制御用の基板や電池等を内蔵している。
The
本体部10の鉛直下方向(−Z方向)の下部のうち、右側(図中X方向)の端部および左側(図中−X方向)の端部には、主輪11が取り付けられている。これら一対の主輪11は、それぞれ独立して駆動軸に取り付けられ、同期して回転する。ただし、これら主輪11は、それぞれ個別に駆動させ、回転させることも可能である。また、この実施形態においては、主輪11は2輪である例を示しているが、2輪に限られるものではない。
Of the lower part of the
本体部10の鉛直方向上部には、例えば、円筒形状のハンドル15の一端が取り付けられ、ハンドル15の他端には、T字型のグリップ部16が取り付けられている。グリップ部16には、電源スイッチ等のユーザインタフェース(図2に示すユーザI/F28)が設けられている。ハンドル15のうち、グリップ部16に近い位置には手動ブレーキ29が取り付けられている(手動ブレーキは、本発明において必須の構成ではない)。ユーザは、グリップ部16を握る、あるいは前腕等をグリップ部16に載せ、グリップ部と前腕等の摩擦により、手押し車1を押すことができる。
なお、本体部10は、実際にはカバーが取り付けられ、内部の基板等が外観上見えないようになっている。
For example, one end of a
The
本体部10の背面(−Y方向)には、棒状の支持部12の一端が取り付けられる。支持部12の一端は、本体部10に回転可能に接続されている。支持部12の他端には、補助輪13が取り付けられる。支持部12は、本体部10を支持するものであり、本体部10の転倒を防止するためのものである。なお、支持部12および補助輪13は、本発明において必須の構成ではないが、補助輪13を設けることで、電源オフ時に本体部10が鉛直方向から大きく傾いた状態となった場合においても、主輪11および補助輪13が接地されることにより、手押し車1を押すことができる。また、支持部12および補助輪13は、2つ以上であってもよい。
One end of a rod-
次に、手押し車1の構成および基本動作について説明する。図2に示すように、手押し車1は、傾斜角センサ20、制御部21、ROM22、RAM23、ジャイロセンサ24、主輪駆動部25、主輪用ロータリエンコーダ26、支持部用ロータリエンコーダ27、ユーザI/F28、および手動ブレーキ29を備えている。
Next, the configuration and basic operation of the
制御部21は、手押し車1を統括的に制御する機能部であり、ROM22に記憶されているプログラムを読み出し、当該プログラムをRAM23に展開することで種々の動作を実現する。傾斜角センサ20は、本体部10のピッチ方向(図1における主輪11の軸を中心とする回転方向)の鉛直方向に対する傾斜角を検知し、制御部21に出力する。ジャイロセンサ24は、本体部10のピッチ方向の角速度を検知し、制御部21に出力する。なお、手押し車1は、本体部10の各方向の加速度を検知する加速度センサや、補助輪13の回転角度を検知するロータリエンコーダ等をさらに備えていてもよい。
The
主輪用ロータリエンコーダ26は、主輪11の回転角度を検知し、検知結果を制御部21に出力する。支持部用ロータリエンコーダ27は、本体部10と支持部12とのなす角度である交差角度を検知し、検知結果を制御部21に出力する。
The main
基本動作として、制御部21は、ジャイロセンサ24および傾斜角センサ20の検知結果に基づいて、本体部10のピッチ方向の傾斜角の変化を検知し、本体部10のピッチ方向の角度変化が0となるように、かつ本体部10の鉛直方向に対する傾斜角度が目標値(例えば、0や0に近い値)になるように、主輪駆動部25を制御する。
As a basic operation, the
図3は、制御部21のブロック線図である。制御部21は、主輪速度検出部211、速度制限判断部212、目標傾斜角度設定部213、傾斜角度検出部214、本体部傾斜角度制御器215、傾斜角速度検出部216、および本体部傾斜角速度制御器217を備えている。
FIG. 3 is a block diagram of the
主輪速度検出部211は、主輪用ロータリエンコーダ26から入力される主輪11の回転角度を微分し、主輪11の角速度を算出する。
The main wheel
傾斜角度検出部214は、傾斜角センサ20の検知結果に基づいて本体部10の傾斜角度を算出する(例えばローパスフィルタ処理等を行う)。
The tilt
傾斜角速度検出部216は、ジャイロセンサ24の検知結果に基づいて本体部10の傾斜角速度を算出する(例えばローパスフィルタ処理等を行う)。
The tilt angular
本体部傾斜角度制御器215は、目標傾斜角度設定部213から入力される目標傾斜角度(例えば0度)と、傾斜角度検出部214から入力された現時点の本体部10の傾斜角度と、の差分値を入力し、この差分値が0となるような本体部10の傾斜角速度を算出する。そして、本体部傾斜角速度制御器217は、本体部傾斜角度制御器215で算出された傾斜角速度と、傾斜角速度検出部216から入力された現時点の本体部10の傾斜角速度と、の差分値を入力し、この差分値が0となるようなトルク値を算出する。
The main body
本体部傾斜角速度制御器217で算出されたトルク値は、主輪駆動部25に入力される。主輪駆動部25は、主輪11に取り付けられた軸を回転させるモータを駆動する機能部であり、入力されたトルク値を主輪11のモータに印加し、主輪11を回転させる。
The torque value calculated by the main body tilt
このようにして、手押し車1は、倒立振子制御を行い、本体部10の姿勢を一定に保つように制御する。これにより、手押し車1は、ユーザがグリップ部16を握って手押し車1を押した場合でも一定の姿勢を保つことができる。
In this way, the
そして、本実施形態の手押し車1では、速度制限判断部212が、主輪11の角速度に応じて、目標傾斜角度設定部213の目標傾斜角度を設定する。すなわち、速度制限判断部212は、主輪11の角速度が所定の閾値以下であるときは、目標傾斜角度設定部213の目標傾斜角度を第1の角度(例えば上記0度)に設定する(第1の制御モード)。また、速度制限判断部212は、主輪11の角速度が所定の閾値を超えた場合、目標傾斜角度設定部213の目標傾斜角度を第2の角度に設定する(第2の制御モード)。ただし、第2の制御モードにおける本体部10の位置は、第1の制御モードにおける本体部10の位置に対して、進行方向と逆方向となるように設定される。
In the
図4は、主輪11の角速度と目標傾斜角度の関係を示した図である。なお、同図において、角速度が正とは、本体部10の右面側から見て時計回りに主輪11が回転する方向を示す。また、傾斜角度が正とは、本体部10の右面側から見て時計回りに本体部10が回転する方向を示す。すなわち、傾斜角度が正の場合に本体部10が進行方向に対して前方に傾き、傾斜角度が負の場合に本体部10が進行方向に対して後方に傾いている。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the angular velocity of the
図4(A)の例では、主輪11の角速度が−6π〜+6π(rad/s)の場合、目標傾斜角度が0度に設定され、主輪11の角速度が−6π(rad/s)未満となった場合に目標傾斜角度が+π/8(rad)に設定され、主輪11の角速度が+6π(rad/s)を超えた場合に目標傾斜角度が−π/8(rad)に設定される。
In the example of FIG. 4A, when the angular velocity of the
すなわち、手押し車1の前進する速度がある程度速くなった場合には、本体部10が後方に傾くことになる。これにより、ユーザが手押し車を押す方向とは逆方向(後方)に力がかかることになり、ユーザの手押し車を押す力を弱めて減速させることができる。同様に、手押し車1の後進する速度がある程度速くなった場合には、本体部10が前方に傾くことになる。これにより、ユーザが手押し車を引く方向とは逆方向(前方)に力がかかることになり、ユーザの手押し車を引く力を弱めて減速させることができる。これら第2の制御モードにおいても、倒立振子制御は継続して行われているため、手押し車としての機能は保たれる。
That is, when the speed at which the
また、図4(B)に示すように、前進時と後進時とで、閾値を異なるものとしてもよい。図4(B)の例では、主輪11の角速度が−4π〜+6π(rad/s)の場合、目標傾斜角度が0度に設定され、主輪11の角速度が−4π(rad/s)未満となった場合に目標傾斜角度が+π/8(rad)に設定され、主輪11の角速度が+6π(rad/s)を超えた場合に目標傾斜角度が−π/8(rad)に設定される。したがって、後進時は、前進時よりも低い移動速度で目標傾斜角度が変化するため、さらに移動速度を抑えることができる。
Further, as shown in FIG. 4B, the threshold value may be different between forward and reverse. In the example of FIG. 4B, when the angular velocity of the
また、図4(C)に示すように、前進時と後進時とで、目標傾斜角度を異なるものとしてもよい。図4(C)の例では、主輪11の角速度が−4π(rad/s)未満となった場合に目標傾斜角度が+π/7(rad)に設定され、主輪11の角速度が+6π(rad/s)を超えた場合に目標傾斜角度が−π/8(rad)に設定される。したがって、後進時は、前方に大きく傾き、前進時よりもさらに移動速度を抑えることができる。
Further, as shown in FIG. 4C, the target inclination angle may be different between forward travel and reverse travel. In the example of FIG. 4C, when the angular velocity of the
また、図4(D)に示すように、移動速度が上がるほど、鉛直方向に対する傾きを大きくしてもよい。図4(D)の例では、主輪11の角速度が−4π〜+4π(rad/s)の場合、目標傾斜角度が0度に設定され、主輪11の角速度が−6π〜−4π(rad/s)の場合に目標傾斜角度が+π/12(rad)に設定され、主輪11の角速度が−6π(rad/s)未満の場合に目標傾斜角度が+π/8(rad)に設定される。また、主輪11の角速度が+4π〜+6π(rad/s)の場合に目標傾斜角度が−π/12(rad)に設定され、主輪11の角速度が+6π〜+8π(rad/s)の場合に目標傾斜角度が−π/8(rad)に設定され、主輪11の角速度が+8π(rad/s)を超えた場合に目標傾斜角度が−π/6(rad)に設定される。この場合、移動速度が上がるほど、本体部10が進行方向に対して逆方向に大きく傾くことになるため、速度を抑える効果が高くなる。
Further, as shown in FIG. 4D, the inclination with respect to the vertical direction may be increased as the moving speed increases. In the example of FIG. 4D, when the angular velocity of the
なお、閾値は、ユーザI/F28により、ユーザの操作を受け付けて、手動で変更できるようにしてもよい。
Note that the threshold value may be changed manually by accepting a user operation by the user I /
なお、上記実施形態では、本体部10のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検知する手段として、傾斜角センサ20およびジャイロセンサ24を用いる例を示したが、少なくともいずれか一方を備えていればよい。傾斜角センサ20のみ備えている場合、傾斜角センサ20で検知した本体部10の傾斜角度を微分して本体部10の傾斜角速度を算出する。ジャイロセンサ24のみ備えている場合、ジャイロセンサ24で検知した本体部10の傾斜角速度を積分して本体部10の傾斜角度を算出する。また、加速度センサを用いることも可能であるし、その他どの様なセンサを用いてもよい。
In the above-described embodiment, the example using the
また、支持部用ロータリエンコーダ27から入力された本体部10と支持部12の交差角度から本体部10の傾斜角度を算出することも可能である。
It is also possible to calculate the tilt angle of the
図5は、変形例に係る制御部21のブロック線図である。図3に示した例とは、傾斜角度検出部214が傾斜角度検出部214Aとなっている点で異なる。図3と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 5 is a block diagram of the
この変形例では、傾斜角度検出部214Aは、支持部用ロータリエンコーダ27から入力された本体部10と支持部12の交差角度から本体部10の傾斜角度を推定する。
In this modification, the tilt
例えば、図6に示すように、本体部10と支持部12の交差角度をθ1、地面と垂直方向に対する本体部10の傾斜角度をθ2、本体部10の長さ(本体部10と支持部12の交差位置から主輪11までの長さ)をL1、支持部12の長さ(本体部10と支持部12の交差位置から補助輪13までの長さ)をL2とすると、L1cosθ2=L2cos(θ1−θ2)の関係から、地面と垂直方向に対する本体部10の傾斜角度θ2は、
For example, as shown in FIG. 6, the intersection angle between the
の計算式により算出することができる。このようにして、支持部用ロータリエンコーダ27から入力された本体部10と支持部12の交差角度から本体部10の傾斜角度を算出し、倒立振子制御を行うことも可能である。
It can be calculated by the following formula. In this way, it is possible to calculate the tilt angle of the
次に、図7は、タッチセンサを備えた手押し車1Bの構成を示す制御構成図であり、図8は、手押し車1Bにおける制御部21のブロック線図である。手押し車1Bは、図2に示した手押し車1に対して、さらに、人体が本体部10に触れているか否かを検知するタッチセンサ30を備えたものである。図7において図2と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図8において図3と共通する構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
Next, FIG. 7 is a control configuration diagram illustrating a configuration of the
タッチセンサ30は、例えばグリップ部16に設けられ、ユーザがグリップ部16を握る、あるいは前腕等をグリップ部16に載せると、人体が接触したことを検知できるようになっている。
The
この例では、図8に示すように、目標傾斜角度設定部213Aは、タッチセンサ30から検知結果を入力し、タッチセンサの検知結果に応じて、第1の制御モード(目標傾斜角度が0度または0度付近の状態)と第2の制御モード(鉛直方向に対して傾いた状態)とを切り替える。すなわち、目標傾斜角度設定部213Aは、タッチセンサ30から人体が接触していないことを検知した場合には、主輪11の角速度が所定の閾値を超えている場合であっても、目標傾斜角度を第1の角度(0度または0度付近)に設定する。
In this example, as illustrated in FIG. 8, the target inclination
これにより、ユーザが手押し車1Bを高速に押している状態において、手を離した場合にはすぐに本体部10の傾斜角度が0度付近に戻るため、例えばユーザ側に傾いているグリップ部16がユーザの身体に当たることを防止することができる。
As a result, when the user presses the
1…手押し車
10…本体部
11…主輪
12…支持部
13…補助輪
15…ハンドル
16…グリップ部
20…傾斜角センサ
21…制御部
22…ROM
23…RAM
24…ジャイロセンサ
25…主輪駆動部
26…主輪用ロータリエンコーダ
27…支持部用ロータリエンコーダ
28…ユーザI/F
29…手動ブレーキ
30…タッチセンサ
211…主輪速度検出部
212…速度制限判断部
213…目標傾斜角度設定部
214…傾斜角度検出部
215…本体部傾斜角度制御器
216…傾斜角速度検出部
217…本体部傾斜角速度制御器
DESCRIPTION OF
23 ... RAM
24 ...
29 ...
前記速度センサ部により検出した移動速度が所定の閾値以下である場合、駆動制御部は、前記本体部の角度変化が0となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が第1の角度になるよう前記車輪の回転を制御する第1の制御モードと、前記速度センサ部により検出した移動速度が所定の閾値を超えた場合、前記駆動制御部が、前記本体部の角度変化が0となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が第2の角度になるよう前記車輪の回転を制御する第2の制御モードと、を有する。 When the movement speed detected by the speed sensor unit is equal to or less than a predetermined threshold, the drive control unit has an angle change of the main body unit of 0, and an inclination angle of the main body unit with respect to the vertical direction is a first angle. When the first control mode for controlling the rotation of the wheel and the moving speed detected by the speed sensor unit exceed a predetermined threshold, the drive control unit changes the angle of the main body unit to 0, and And a second control mode for controlling the rotation of the wheel so that the inclination angle of the main body with respect to the vertical direction becomes a second angle.
Claims (8)
該車輪を回転可能に支持する本体部と、
前記車輪を駆動、制御する駆動制御部と、
前記本体部の移動速度を検出する速度センサ部と、
前記本体部のピッチ方向の傾斜角の角度変化を検出する角度変化検出手段と、を有する手押し車であって、
前記駆動制御部は、前記本体部の角度変化が0となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が第1の角度になるよう前記車輪の回転を制御する第1の制御モードと、
前記速度センサ部により検出した移動速度が所定の閾値を超えた場合、前記駆動制御部が、前記本体部の角度変化が0となり、かつ鉛直方向に対する前記本体部の傾斜角度が第2の角度になるよう前記車輪の回転を制御する第2の制御モードと、
を有し、
前記第2の制御モードにおける本体部の位置が、前記第1の制御モードにおける本体部の位置に対して、前記本体部の進行方向と逆方向であることを特徴とする手押し車。 Wheels,
A main body that rotatably supports the wheel;
A drive controller for driving and controlling the wheels;
A speed sensor for detecting the moving speed of the main body,
An angle change detecting means for detecting an angle change of an inclination angle in the pitch direction of the main body, and a handcart having:
The drive control unit has a first control mode for controlling rotation of the wheel so that an angle change of the main body unit is 0 and an inclination angle of the main body unit with respect to a vertical direction is a first angle;
When the moving speed detected by the speed sensor unit exceeds a predetermined threshold, the drive control unit determines that the angle change of the main body unit is 0, and the inclination angle of the main body unit with respect to the vertical direction is the second angle. A second control mode for controlling the rotation of the wheel so that
Have
The handcart characterized in that the position of the main body in the second control mode is opposite to the traveling direction of the main body with respect to the position of the main body in the first control mode.
前記駆動制御部は、前記ピッチ角センサに基づいて制御することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の手押し車。 The angle change detecting means includes a pitch angle sensor that detects an inclination angle of the main body portion in a pitch direction,
The handcart according to any one of claims 1 to 3, wherein the drive control unit performs control based on the pitch angle sensor.
前記支持部の他端に回転可能に支持された補助輪を有する請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の手押し車。 One end connected to the main body, and a support capable of rotating in the pitch direction;
The handcart according to any one of claims 1 to 4, further comprising an auxiliary wheel rotatably supported at the other end of the support portion.
を含み、
前記駆動制御部は、前記交差角検知手段に基づいて制御することを特徴とする請求項5に記載の手押し車。 The angle change detecting means includes a crossing angle detecting means for detecting a crossing angle between the main body part and the support part,
The handcart according to claim 5, wherein the drive control unit performs control based on the intersection angle detection unit.
前記駆動制御部は、前記ピッチ角速度センサに基づいて制御することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の手押し車。 The angle change detection means includes a pitch angular velocity sensor that detects an inclination angular velocity in the pitch direction of the main body,
The handcart according to any one of claims 1 to 6, wherein the drive control unit performs control based on the pitch angular velocity sensor.
前記駆動制御部は、前記タッチセンサの出力に応じて、前記第1の制御モードと前記第2の制御モードとを切り替えることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の手押し車。 A touch sensor that detects whether or not a human body is touching the main body part is provided in a part of the main body part,
8. The manual push according to claim 1, wherein the drive control unit switches between the first control mode and the second control mode in accordance with an output of the touch sensor. car.
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