JP5805237B2 - 荷重検出システム - Google Patents

Description

本発明は、被験者の歩行時（走行時も含む）の運動状態を解析できるようにした荷重検出システムに関するものであり、より詳しくは、左右のフォースプレートの境界部分を踏んだ場合であっても、その足の位置や荷重を検出できるようにした荷重検出システムに関するものである。

従来、被験者の歩行状態を解析できるようにしたシステムとして、図９に示すようなシステムが提案されている。このシステムは、右足が載せられる右側フォースプレート９Ｒと、左足が載せられる左側フォースプレート９Ｌと、その左右のフォースプレート９Ｒ、９Ｌのそれぞれの表裏を周回するベルト（図示せず）と、左右のフォースプレート９Ｒ、９Ｌの下方四隅に設けられたロードセル９１とを備えてなるものであり、周回するベルト上を歩行することによって、歩行時における左右の足の位置や荷重を検出できるようにしたものである。

このようなシステムを用いれば、歩行時における左右の足の位置や荷重を検出することができるようになり、歩行時における歩き方の癖や筋力の偏りなどを判断することができるようになる。

特開２０１３−２２６３４０公報

しかしながら、このような荷重検出システムを用いて歩行時の足の位置や荷重を検出する場合、次のような問題があった。

すなわち、従来の荷重検出システムでは、左右のフォースプレートのうち、右側のフォースプレート９Ｒを右足用、左側のフォースプレート９Ｌを左足用としているが、このように左右に分離して設けていると、歩行状態から走行状態に移行した場合、図９に示すように、左右のフォースプレートの境界部分を踏んでしまう可能性がある。このため、従来では、このような状態を避けるために、左右のフォースプレート９Ｒ、９Ｌのうち、一方のフォースプレート９Ｒを幅広に構成して、走行時にその幅広のフォースプレート９Ｒ上を走らせるようにしているが、このように左右の幅を変えると歩行時における左右のバランスが悪くなってしまう。また、一方のフォースプレート９Ｒを幅広くしたとしても、左右のフォースプレート９Ｒ、９Ｌを跨った位置境界を踏む可能性を排除できず、このような場合には、左右のフォースプレート９Ｒ、９Ｌに分けた足の位置や荷重を検出してしまうため、その検出データを捨てざるを得なかった。

そこで、本発明は上記課題に着目してなされたものであり、左右のフォースプレートの境界部分を踏んだ場合であっても、その足の位置や荷重を正確に検出できるようにした荷重検出システムを提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、左右に設けられたフォースプレートと、当該左右のフォースプレートを踏んだ際のそれぞれの足の荷重を検出する荷重検出センサと、前記左右のフォースプレート上を周回するベルトと、前記荷重検出センサを用いて左右それぞれのフォースプレートを踏む被験者の足の位置を検出する位置検出手段とを備えてなる荷重検出システムにおいて、前記位置検出手段が、左右のフォースプレートでそれぞれの足の位置を検出するとともに、左右のフォースプレートを一枚のフォースプレートとみなして足の位置を検出するようにしたものである。

このように構成すれば、左右のフォースプレートのそれぞれに足を付いて歩行する際には、左右のフォースプレートで足の位置や荷重を検出することができるとともに、左右のフォースプレートの境界部分を踏んだ場合については、一枚のフォースプレートとして、その踏んだ位置や荷重を検出することができるようになる。

また、このような発明において、歩行状態から走行状態への移行状態を検出する移行検出手段を設け、前記位置検出手段が歩行状態から走行状態への移行を検出した場合、左右のフォースプレートを一枚のフォースプレートとみなして足の位置を検出する。

このように構成すれば、ゆっくりと歩行する歩行状態では左右のフォースプレートを踏むことができるため、、左右のフォースプレートでそれぞれの足の位置や荷重を検出することができ、一方、足を踏み外しやすい走行状態では、一枚のフォースプレートとして足の位置やその荷重を検出することができるようになる。

さらに、前記移行検出手段が、所定のタイムサイクル内に左右のフォースプレートで１回の荷重を検出した場合に、歩行状態から走行状態に移行したとみなす。

すなわち、走行時には片足ずつ着地しながら走行するため、そのタイムサイクル内で足の接地が１回となれば、これを「走行状態への移行」とみなして、その位置や荷重を検出することができるようになる。

また、他の実施の移行検出手段として、左右のフォースプレートで同時に荷重を検出しなかった場合に、歩行状態から走行状態に移行したとみなすようにすることもできる。

本発明によれば、左右に設けられたフォースプレートと、当該左右のフォースプレートを踏んだ際のそれぞれの足の荷重を検出する荷重検出センサと、前記左右のフォースプレート上を周回するベルトと、前記荷重検出センサを用いて左右それぞれのフォースプレートを踏む被験者の足の位置を検出する位置検出手段とを備えてなる荷重検出システムにおいて、前記位置検出手段が、左右のフォースプレートでそれぞれの足の位置を検出するとともに、左右のフォースプレートを一枚のフォースプレートとみなして足の位置を検出するようにしたもので、左右のフォースプレートのそれぞれに足を付いて歩行する際には、左右のフォースプレートで足の位置や荷重を検出することができ、また、左右のフォースプレートの境界部分を踏んだ場合は、一枚のフォースプレートとして、その踏んだ位置や荷重を検出することができるようになる。

本発明の一実施の形態における荷重検出システムの概略斜視図 同形態における縦長方向の断面概略図 図２におけるＡ−Ａ断面図 同形態における各フォースプレートで足の位置を検出する原理を示す図 歩行状態と走行状態を示す足の接地状態を示す図 同形態における左右のフォースプレートの境界部分を踏んだ状態を示す図 同形態における左右のフォースプレートを一枚のフォースプレートとして足の位置を検出する状態を示す図 同形態における荷重検出システムの機能ブロック図 従来例を示す図

以下、本発明の一実施の形態における荷重検出システム１について説明する。

この実施の形態における荷重検出システム１は、図１に示すように、右足が載せられる右足用フォースプレート２Ｒと、左足が載せられる左足用フォースプレート２Ｌと、これらの右足用フォースプレート２Ｒや左足用フォースプレート２Ｌの表裏を周回する無端ベルト４と、これらの右足用フォースプレート２Ｒや左足用フォースプレート２Ｌの四隅に設けられた荷重検出センサ５ａ〜５ｈを備えて構成され、右足用フォースプレート２Ｒに載せられた右足の位置や荷重を右足用フォースプレート２Ｒの荷重検出センサ５ａ〜５ｄで検出するとともに、左足用フォースプレート２Ｌに載せられた左足の位置や荷重を左足用フォースプレート２Ｌの荷重検出センサ５ｅ〜５ｈを用いて検出するようにしたものである。そして、特徴的に、被験者が歩行状態から走行状態に移行した場合に、図７に示すように、右足用フォースプレート２Ｒと左足用フォースプレート２Ｌを一枚のフォースプレート２とみなして、前後左右全体の荷重検出センサ５ａ〜５ｈで足の位置や荷重を検出できるようにしたものである。以下、本実施の形態における荷重検出システム１の構成について詳細に説明する。

まず、この荷重検出システム１を構成するフォースプレート２は、左右同じ幅の右足用フォースプレート２Ｒや左足用フォースプレート２Ｌから成るものであって、例えば、幅５０ｃｍ、長さ２００ｃｍの金属製プレートなどで構成される。これらフォースプレート２は、枠体内に同一面を構成するように左右に並べて設けられ、それぞれの四隅下方に荷重検出センサ５ａ〜５ｈを設けて支持できるようになっている。この荷重検出センサ５ａ〜５ｈは、６分力ロードセルなどのようにＸＹＺ軸方向の荷重を検出するとともに、それぞれの軸回りのモーメントを検出できるようになっている。

これら右足用フォースプレート２Ｒや左足用フォースプレート２Ｌのそれぞれには、表裏に周回する無端ベルト４が設けられる（図２および図３参照）。この無端ベルト４は、フォースプレート２上を被験者が歩行する際に、指定された速度で周回するようになっており、駆動手段４０を用いて駆動できるようになっている。この駆動手段４０としては、ここでは無端ベルト４の両端にプーリー４２を設けるとともに、フォースプレート２の下方に設けられたモーター４１を用いてプーリー４２を回転させて無端ベルト４を周回させるようになっている。なお、図２においては、フォースプレート２や駆動手段４０の側面図を示しているが、これらの駆動手段４０は、左右の無端ベルト４に対応してそれぞれ設けられ、図８に示すコンピューター８からの指示に従って駆動する。

この無端ベルト４の両外側上方には、図１に示すような手摺部３が設けられる。この手摺部３は、被験者が握って身体を安定させられるようにしたものであって、被験者の身長に合わせた高さ位置に調整できるようになっている。この手摺部３については、単に被験者の体重を支えるだけのものであってもよいし、あるいは、図示しない手摺センサを設けて、人間が転倒しそうになった場合に生じる所定値以上の荷重を検出した場合に、モーター４１を停止させるようにしてもよい。

このような構成において、この実施の形態では、被験者の足の位置を検出できるような位置検出手段６を設けている。

この位置検出手段６としては、図８に示すように、右足位置検出手段６Ｒや左足位置検出手段６Ｌや全体位置検出手段６Ｗが設けられる。このうち、右足位置検出手段６Ｒや左足位置検出手段６Ｌは、それぞれ同じ構成を有するものであって、フォースプレート２の前後左右の下方に設けられた荷重検出センサ５ａ〜５ｈからの出力値によって被験者の足の位置を検出する。

このような荷重検出センサ５ａ〜５ｈによって被験者の足の位置を検出する場合の右足位置検出手段６Ｒや左足位置検出手段６Ｌ、全体位置検出手段６Ｗの検知方法について図４や図５を用いて説明する。

まず、右足位置検出手段６Ｒや左足位置検出手段６Ｌは、無端ベルト４に足を接地させた場合に、それぞれのフォースプレート２における荷重検出センサ５ａ〜５ｈにかかる荷重と前後方向のモーメントの釣り合い式＜式１＞から、前後方向の足の座標位置ＬＦやＬＲなどを算出する。この釣り合い式は、図４（ａ）の足の位置を中心とするモーメントの釣り合いを示している。

＜式１＞
ＰＦ×ＬＦ＝ＰＢ×ＬＢ
Ｌ＝ＬＦ＋ＬＢ
ＰＦ：前方向の２つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＰＢ：後方向の２つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＬＦ：足の位置から前方の荷重検出センサまでの距離
ＬＢ：足の位置から後方の荷重検出センサまでの距離
Ｌ：前後の荷重検出センサの距離

これらの数値のうち、ＰＦ、ＰＢは、図４（ａ）に示すように、荷重検出センサ５ａ〜５ｈからの出力値であり、Ｌは前後の荷重検出センサ５ａ〜５ｈの距離として既知であるため、これらの値から、それぞれのフォースプレート２における前後方向の足の位置ＬＦやＬＢを算出することができる。

同様に、フォースプレート２上における左右方向の足の位置についても、それぞれのフォースプレート２における荷重検出センサ５ａ〜５ｈにかかる荷重と左右方向のモーメントの釣り合い式＜式２＞から、その左右方向の足の座標位置ＷＲやＷＬなどを算出することができる。この釣り合い式は、図４（ｂ）の足の位置を中心とするモーメントの釣り合いを示している。

＜式２＞
ＰＬ×ＷＬ＝ＰＲ×ＷＲ
Ｗ＝ＷＬ＋ＷＲ
ＰＲ：右方向の２つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＰＬ：左方向の２つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＷＲ：足の位置から右側の荷重検出センサまでの距離
ＷＬ：足の位置から左側の荷重検出センサまでの距離
Ｗ：左右の荷重検出センサの距離

これらの数値のうち、ＰＲ、ＰＬは、図４（ｂ）に示すように、荷重検出センサ５ａ〜５ｈからの出力値であり、Ｗは左右の荷重検出センサ５ａ〜５ｈの距離として既知であるため、これらの値から、それぞれのフォースプレート２における左右方向の足の位置ＷＲやＷＬなどを算出することができる。

一方、移行検出手段７は、フォースプレート２を歩行している被験者が走行状態に移行したか否かを検出する。

この移行検出手段７として、第一の実施の形態では、片足を踏み出した時刻から再びそのフォースプレートで同じ足を接地させる直前の時刻までを一つのタイムサイクルとし、そのタイムサイクル内に荷重の検出が２回あった場合に「歩行状態」であると判断し、そのタイムサイクル内で荷重の検出が１回のみであった場合に「走行状態」であると判断する。すなわち、歩行時においては、図５（ａ）に示すように、片足を上げる前にもう片方の足は接地しているため、そのタイムサイクル内での荷重の検出が２回になる。一方、走行時においては、図５（ｂ）に示すように、飛び跳ねるように運動するため、両足が同時に接地することなく、タイムサイクル内での接地状態（荷重検出状態）が１回のみとなる。そこで、そのタイムサイクル内における荷重の検出回数に応じて「歩行状態」であるか「走行状態」であるか否かを判断し、そのタイムサイクル内での荷重の検出が２回から１回に移行したときに「歩行状態から走行状態に移行した」と判断する。

また、他の移行検出手段７として、左右のフォースプレート２の荷重検出センサ５ａ〜５ｈで同時に荷重を検出することができなかった場合に「歩行状態から走行状態に移行した」と判断することもできる。すなわち、走行状態では飛び跳ねた状態が含まれるため、同時に荷重を検出することができないタイミングが発生する。そこで、このように同時に荷重を検出することができないタイミングが発生した場合に「歩行状態から走行状態に移行した」と判断する。

そして、右足位置検出手段６Ｒや左足位置検出手段６Ｌは、「歩行状態」である場合に、左右のフォースプレート２において右足や左足の位置を検出するとともに、「走行状態」に移行した場合には、全体位置検出手段６Ｗによって、左右のフォースプレート２を一枚のフォースプレート２とみなして足の位置を検出する。

そして、移行検出手段７で「走行状態」であると判断された場合、図７に示すように、左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌを一枚のフォースプレート２として足の位置を検出するが、このとき、モーメントの釣り合い式＜式３＞から、前後方向の足の位置ＬＦやＬＢを算出することができる。

＜式３＞
ＰＦ'×ＬＦ＝ＰＢ'×ＬＢ
Ｌ＝ＬＦ＋ＬＢ
ＰＦ'：左右のフォースプレートにおける前方４つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＰＢ'：左右のフォースプレートにおける後方４つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＬＦ：足の位置から前方の荷重検出センサまでの距離
ＬＢ：足の位置から後方の荷重検出センサまでの距離
Ｌ：前後の荷重検出センサの距離

これらの数値のうち、ＰＦ'やＰＢ'は荷重検出センサ５の出力値であり、Ｌは前後の荷重検出センサ５の距離として既知であるため、これらの数値から前後方向の足の位置ＬＦやＬＢなどを算出することができる。

また、左右方向の足の位置については、同様にモーメントの釣り合い式で求めることができる。左右のフォースプレート２の境界部分を踏んだ場合（図６の場合）は、次の＜式４＞を用いて足の位置を算出する。

＜式４＞
ＰＲＲ'×ＷＲＲ＋ＰＲＬ'×ＷＲＬ＝ＰＬＬ'×ＷＬＬ＋ＰＬＲ'×ＷＬＲ
｜ＷＲＲ−ＷＲＬ｜＝Ｗ
｜ＷＬＬ−ＷＬＲ｜＝Ｗ
ＷＲＲ＋ＷＬＬ≒２Ｗ
ＰＲＲ':右足用フォースプレートの右２つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＰＲＬ':右足用フォースプレートの左２つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＰＬＲ':左足用フォースプレートの右２つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＰＬＬ':左足用フォースプレートの左２つの荷重検出センサのＺ軸方向の荷重合計値
ＷＲＲ：足の位置から右側フォースプレートの右側の荷重検出センサまでの距離
ＷＲＬ：足の位置から右側フォースプレートの左側の荷重検出センサまでの距離
ＷＬＲ：足の位置から左側フォースプレートの右側の荷重検出センサまでの距離
ＷＬＬ：足の位置から左側フォースプレートの左側の荷重検出センサまでの距離
Ｗ：一枚のフォースプレートの左右の荷重検出センサの距離

これらの数値のうち、ＰＲＲ'、ＰＲＬ'、ＰＬＲ'、ＰＬＬ'は荷重検出センサ５ａ〜５ｈの出力値であり、Ｗは同一フォースプレート２Ｒ（２Ｌ）の左右の荷重検出センサの幅の値として既知であるため、これらの数値から左右方向の足の位置ＷＲＲ〜ＷＬＬなどを算出することができる。

このように算出された足の位置情報は荷重検出センサ５ａ〜５ｈの出力値である荷重とともにコンピューター８に出力されるが、このとき、足の荷重については、左右で合計８つの荷重検出センサ５ａ〜５ｈの検出値のうちＸＹＺ方向の荷重と軸回りのモーメントについてもコンピューター８に出力する。

次に、このように構成された荷重検出システム１を用いて歩行状態や走行状態を解析する場合の動作について説明する。

まず、被験者の歩行状態や走行状態を解析する場合、被験者に左右のフォースプレート２の上に立ってもらい、その状態で被験者の荷重（体重）を計測する。この被験者の体重の計測は、歩行時や走行時に体重の何パーセントがそれぞれの足にかかっているかなどを判断する際に用いることができる。

そして、このように体重を計測した後に、被験者にフォースプレート２上を歩行してもらう。歩行に際しては、コンピューター８によってモーター４１の回転速度を比較的低速に設定しておき、左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌを踏み外さないように被験者に歩行してもらう。そして、無端ベルト４の駆動によって歩行者にフォースプレート２Ｒ、２Ｌ上を歩行してもらい、それぞれのフォースプレート２Ｒ、２Ｌに設けられた荷重検出センサ５ａ〜５ｈから出力値を得る。そして、この出力値を用いて＜式１＞や＜式２＞によって足の位置情報を計算し、また、その際の右足や左足にかかった荷重とともにコンピューター８に出力する。

一方、この被験者の走行状態を解析する場合、コンピューター８から指令を出すことによって無端ベルト４の搬送速度を徐々に上げていく。すると、被験者は歩行状態から走行状態に移行するようになる。このような移行のタイミングは、移行検出手段７によって検知され、片足を踏み出した接地時刻から再びその足を接地させる直前の時刻までの荷重検出が１回になった場合に「走行状態」になったと判断する。もしくは、ある時刻に左右のフォースプレート２で荷重を検出することができなかった場合に「走行状態」に移行したと判断する。

このように被験者が走行状態に移行した場合、無端ベルト４の搬送速度や被験者の能力に応じて、千鳥状に足が動いてしまうため、図６に示すように左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌの境界部分を踏んでしまう可能性がある。このため、位置検出手段６（全体位置検出手段６Ｗ）では、「走行状態」に移行した場合に、左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌを図７に示すように一枚のフォースプレート２とみなし、＜式３＞や＜式４＞を用いて足の位置を算出するとともに、その際の荷重検出センサ５ａ〜５ｈの荷重をコンピューター８に出力する。

このようにすれば、従来のように左右のフォースプレートの幅を変えることなく被験者の足の位置や荷重などを検出することができるようになるとともに、左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌの境界部分を踏んでしまった場合でも、一枚のフォースプレート２としてその位置や荷重を検出することができる。これにより、被験者がフォースプレート２の位置を気にすることなく走行することができる。

このように本実施の形態によれば、左右に設けられたフォースプレート２Ｒ、２Ｌと、当該左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌを踏んだ際のそれぞれの足の荷重を検出する荷重検出センサ５ａ〜５ｈと、前記左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌ上を周回する無端ベルト４と、前記荷重検出センサ５ａ〜５ｈを用いて左右それぞれのフォースプレート２Ｒ、２Ｌを踏む被験者の足の位置を検出する位置検出手段６とを備えてなる荷重検出システム１において、前記位置検出手段６が、左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌでそれぞれの足の位置を検出するとともに、左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌを一枚のフォースプレート２とみなして足の位置を検出できるようにしたので、左右両足を同時に接地する歩行状態では左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌでそれぞれの足の位置を検出することができ、片足ずつをフォースプレート２Ｒ、２Ｌに接地する走行状態では一枚のフォースプレート２として足の位置を検出することができるようになる。これにより左右のフォースプレート２Ｒ、２Ｌの境界部分を踏んだ場合であっても、左右に分けて位置や荷重が出力されることがなく、その位置や荷重を正確に検出することができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、走行状態に移行したことを検知されて以降、一枚のフォースプレート２として足の位置や荷重などを検出するようにしたが、無端ベルト４の搬送速度によって一枚のフォースプレート２として足の位置や荷重などを検出できるようにしてもよく、あるいは、補助者の目視確認によって走行状態に移行したと判断された場合に、一枚のフォースプレート２として足の位置や荷重などを検出するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、荷重としてＸＹＺ軸方向の荷重やその軸回りのモーメントを出力するようにしたが、Ｚ軸方向のみの荷重を検出値として出力するようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態でＸＹＺ軸方向の荷重や軸回りのモーメントを出力するようにしているが、フォースプレート２と無端ベルト４が擦れることによって無端ベルト４の移動方向（Ｘ方向）に力が加わり、これによって、僅かながらフォースプレート２にＺ方向の力が掛かってしまう可能性がある。そこで、より正確にＺ方向の荷重を検出して人間の足の位置を検出できるように、Ｘ方向の摩擦力を検出し、その値からモーメントに応じたＺ方向の力を演算して、Ｚ方向の荷重を修正するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、荷重検出センサ５ａ〜５ｈとして６分力ロードセルを用いるようにしたが、荷重を検出できるようにしたものであれば、どのようなセンサを用いるようにしてもよい。

本発明は、歩行訓練を要する被介護者の歩行解析や、スポーツ選手の歩行もしくは走行解析などに用いることができる。

１・・・荷重検出システム
２・・・フォースプレート
２Ｒ・・・右足用フォースプレート
２Ｌ・・・左足用フォースプレート
３・・・手摺部
４・・・無端ベルト
４０・・・駆動手段
４１・・・モーター
４２・・・プーリー
５・・・荷重検出センサ
６・・・位置検出手段
６Ｒ・・・右足位置検出手段
６Ｌ・・・左足位置検出手段
６Ｗ・・・全体位置検出手段
７・・・移行検出手段
８・・・コンピューター

Claims (4)

1. 左右に設けられたフォースプレートと、
   当該左右のフォースプレートを踏んだ際のそれぞれの足の荷重を検出する荷重検出センサと、
   前記左右のフォースプレート上を周回するベルトと、
   前記左右それぞれのフォースプレートを踏む被験者の足の位置を検出する位置検出手段と、
   を備えてなる荷重検出システムにおいて、
   前記位置検出手段が、左右のフォースプレートでそれぞれの足の位置を検出するとともに、左右のフォースプレートを一枚のフォースプレートとみなして足の位置を検出できるようにしたことを特徴とする荷重検出システム。
2. 被験者が歩行状態と走行状態との移行状態を検出する移行検出手段を設け、
   前記移行検出手段が、歩行状態から走行状態に移行して以降、左右のフォースプレートを一枚のフォースプレートとみなして足の位置を検出するようにした請求項１に記載の荷重検出システム。
3. 前記移行検出手段が、所定のタイムサクル内に左右のフォースプレートで１回のみの荷重を検出した場合に、歩行状態から走行状態に移行したとみなすようにしたものである請求項２に記載の荷重検出システム。
4. 前記移行検出手段が、左右のフォースプレートで同時に荷重を検出しなかった場合に、歩行状態から走行状態に移行したとみなすようにしたものである請求項２に記載の荷重検出システム。

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