KR20020000750A - 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템 - Google Patents

전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템 Download PDF

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KR20020000750A KR1020010074532A KR20010074532A KR20020000750A KR 20020000750 A KR20020000750 A KR 20020000750A KR 1020010074532 A KR1020010074532 A KR 1020010074532A KR 20010074532 A KR20010074532 A KR 20010074532A KR 20020000750 A KR20020000750 A KR 20020000750A
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    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/30Arrangements for controlling the direction of rotation

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Abstract

본 발명은 병원이나 호텔 등에서 입원환자나 투숙객에게 공급되는 식판을 적층하여 운반하는 단체 급식용 전동식 온ㆍ냉 배선카에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전진과 후진 및 회전시에 필요한 사람의 힘을 적게 들이면서 안전하게 배선카를 운행할 수 있도록, 핸들에 센서를 부착하여 검출된 신호로써 구동용 BLDC 모터의 속도와 정역 및 ON/OFF를 제어하는 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 배선카의 핸들에 부착된 스트레인 게이지의 센서와, 센서에서 나오는 전압 변화의 아날로그 신호를 설정된 게인값만큼 증폭하는 증폭기와,아날로그 신호에 포함된 노이즈를 제거하는 저역필터와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 ADC와, ADC에서 나온 디지털 신호를 가산 및 보정의 연산처리와 제어신호를 산출하는 마이크로 컴퓨터와, 마이크로 컴퓨터에서 출력되는 제어신호를 아날로그 신호로 변환시키는 DAC와, 아날로그로 변환된 제어 신호로써 BLDC 모터를 제어하는 BLDC 제어기와, 구동용 BLDC 모터로 구성된 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템이 제공된다.

Description

전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템{An assist control system for electro-mechanical hot-and-cool service cart}
본 발명은 병원이나 호텔 등에서 입원환자나 투숙객에게 공급되는 식판을 적층하여 운반하는 단체 급식용 전동식 온ㆍ냉 배선카에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전진과 후진 및 회전시에 필요한 사람의 힘을 적게 들이면서 안전하게 배선카를 운행할 수 있도록, 핸들에 센서를 부착하여 검출된 신호로써 구동용 BLDC 모터의 속도와 정역 및 ON/OFF를 제어하는 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템에 관한 것이다.
종래의 전동식 온ㆍ냉 배선카는 손잡이부와는 별도로 전동식의 운전 레버를 장착하여 전진과 후진과 방향 회전 및 속도 조작 등을 운전 레바로 조작하는 구조로 되어 있고, 운전 레바에서 손을 떼면 자동 정지되며, 경사로에 정지시 안전하게정차할 수 있는 브레이크 시스템을 적용하여 운전시 불필요한 동작이나 힘이 일체 필요없는 구조로 되어 있어, 다량의 식판과 음식을 운반하는데 매우 편리하게 되어 있다. 그리고, 내부는 단열이 우수한 칸막이에 의해 온장실과 냉장실로 나뉘어져 있고, 간단한 조작만으로도 요리에 맞춰진 적정 온도설정이 가능할 뿐만 아니라 한번 세팅 이후부터는 설정온도를 기억하므로 반복 설정할 필요가 없어 매우 편하게 급식을 할 수 있게 구성되어 있다.
그러나, 이와같은 종래의 전동식 온ㆍ냉 배선카는 핸들 외에 별도의 운전 레버로써 전동 운전을 하는 것으로, 속도 및 방향의 조절을 운전 레버에 부착된 각종 조작구를 조작하여 행함으로써 신속한 제어가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
즉, 다량의 음식을 운반하는 배선카는 전동식이라고 하더라도 신속한 상황 대처에서는 인력이 필요하게 되는데, 긴박한 상황에서는 핸들에서 손을 떼고 운전 레버에 설치된 조작기를 찾아 조작하여야 하므로 매우 위험한 상황이 초래된다.
또한 핸들을 사용하지 않고 운전 레버를 조작하면서 진행하다가 긴박한 상황에서 운전 레버에 인력을 부가하여 진행 방향이나 정지를 시킬 경우는 운전 레버가 순수 인력을 기반으로하는 구조를 갖지 못하여 긴박한 상황에 대처하지 못하는 단점이 있다. 그리고, 운전 레버에서 손을 떼고 핸들로 조작하려면 시간적인 차이로 인해 위험을 회피할 수 없고, 운전 레버를 놓으면 정지하도록 구성된 종래의 배선카에서는 단지 정지만을 시킬 뿐이므로 더욱 더 위험을 피하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여, 배선카의 조작용 핸들의 양단에 스트레인 게이지를 부착하여 핸들을 잡고 있는 좌우 손의 조작력을 검출하고, 마이크로 컴퓨터를 사용하여 전진과 후진 및 회전의 정도를 판단하여 구동 모터를 제어하므로써, 상황에 따라 별도의 조작 행동없이 핸들에 전달되는 힘만으로 배선카를 제어할 수 있으므로 안전하고 조작이 쉬우며 긴급상황에 신속히 대처할 수 있는 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 어시스트 제어 시스템의 블록도
도 2는 본 발명의 어시스트 제어 시스템의 전원 회로도
도 3은 본 발명에 사용되는 BLDC 모터의 구동 회로의 구조도
도 4는 본 발명의 어시스트 제어 시스템의 구조도
도 5는 본 발명의 인력 검출부의 회로도
도 6은 본 발명의 인력검출 센서와 증폭기만을 상세히 도시한 회로도
도 7은 본 발명의 가산 및 보정의 회로도
도 8은 본 발명의 파워 어시스트 제어 회로도
도 9는 본 발명의 파워 어시스트 제어 회로의 전원 회로도
도 10은 본 발명의 온도 조절 회로도
도 11은 본 발명의 베터리 잔량표시 회로도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 핸들 2, 2' : 센서 3, 3' : 증폭기
4 : 마이크로 컴퓨터 5, 5 ' : 연결 컨넥터 6, 6' : BLDC 제어기
7 : 충전기 8, 8' : 베터리 9 : 냉온 제어기
10 : 파워 스플라이 11, 11' : BLDC 모터 12 : 어시스트 제어 시스템
13 : 감속기 14 : 휠 15, 15' : 저역필터
16, 16' : ADC 17, 17' : Latch 18, 18' : DAC
19 : 오작동 램프 20 : ON/OFF 상태 램프 21 : 경보 램프
22 : 근접 스위치 23 : 7805 레귤레이터 24 : MAX232
25 : Op Amp 26 : 7812 레귤레이터
이하 본 발명의 구성 및 작용을 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 어시스트 제어 시스템의 블록도로서, 배선카에 설치된 핸들(1)의 양단에 부착된 스트레인 게이지를 사용한 센서(2)(2')와, 센서(2)(2')에서 검출된 아날로그 신호를 증폭하는 증폭기(3)(3')와, 증폭된 신호를 비교 연산하는 가산 및 보정의 역할을 하는 AT89C52의 마이크로 컴퓨터(4)와, 연결 컨넥터(5)(5')가 접속되어 BLDC 제어기(6)(6')에 속도지령 신호 등이 출력되어 진다.
밧데리 잔량표시기 및 회로에는 사용중인 베터리의 방전상태를 표시하도록 구성되어 있다.
도 2는 본 발명의 어시스트 제어 시스템의 전원 회로도로서, AC 220의 전원으로 충전기(7)에 의해 2대의 베터리(8)(8')가 충전되고, 냉온 제어기(9)의 전원은 소형의 스위칭 파워 스플라이(10)가 사용되며, 2대의 12[V]의 베터리(8)(8')가 직렬로 연결되어 공급되는 24[V]는 BLDC 모터(11)(11') 및 본 발명의 어시스트 제어 시스템(12)의 전원으로 사용되고 있다.
도 3은 본 발명에 사용되는 BLDC 모터(11)(11') 구동 회로의 구조도로서, 본 발명의 어시스트 제어 시스템(12)에 연결되는 연결 컨넥터(5')와 BLDC 제어기(6) (6')와 BLDC 모터(11)(11')와 감속기(13) 및 휠(14)로 구성되어 있다.
도 4는 본 발명의 어시스트 제어 시스템(12)의 구조도로서, 배선카의 핸들 (1)의 양단에 설치된 센서(2)(2')의 아날로그 신호가 증폭기(3)(3')에서 증폭되고, 증폭된 신호는 저역필터(15)(15')에서 잡음이 제거되며, ADC(16)(16')를 거치면서 아날로그 신호가 마이크로 컴퓨터(4)가 처리할 수 있는 디지털 신호로 변환되고, 마이크로 컴퓨터(4)에 의해 두개의 구동용 BLDC 모터(11)(11')의 BLDC 제어기(6) (6')에 속도지령 신호가 산출되면 BLDC 모터(11)(11')를 제어하는 디지털 제어 신호는 Latch(17)(17')에서 하나씩 저장되어 출력되고, 디지털 신호는 다시 DAC(18) (18')에서 BLDC 모터(11)(11')를 구동시키는 아날로그 신호로 변환되며, BLDC 제어기(6)(6')에서 BLDC 모터(11)(11')로 속도지령 신호와 각각의 구동용 BLDC 모터 (11)(11')의 정ㆍ역신호 및 ON/OFF 신호가 출력된다.
그리고 센서(2)(2')의 오작동이 발생하면 오작동 신호를 발생시키는 오작동 램프(19)와, BLDC 모터(11)(11')의 ON/OFF 램프(20)와, 베터리(8)(8')가 저전압이 되면 표시기를 통하여 경보를 하는 경보 램프(21)와, 비상정지 및 물체근접 신호를 마이크로 컴퓨터(4)에 입력시키는 근접 스위치(22)가 구성되어 있다.
도 5는 본 발명의 인력 검출부의 회로도로서, 센서(2)(2')와 AD623의 증폭기(3)(3')가 연결되어 있고, 센서(2)(2')는 스트레인 게이지 50[Kgㆍf]가 사용된다. 인력 검출부의 회로는 핸들(1)의 양쪽 가장자리 부분에 설치된 센서(2)(2')에 의해 인력이 검출되고, 양쪽에서 검출된 아날로그 신호는 증폭기(3)(3')에서 증폭되며, 가산기를 통하여 두 신호를 가산하여 제어회로에 입력하는 방식으로 구성된다. 인가 전압은 7805 레귤레이터(23)에 의해 5[V]의 정전압이 인가된다.
도 6은 본 발명의 인력검출 센서(2)(2')와 증폭기(3)(3') 만을 상세히 도시한 회로도로서, 센서(2)(2')에서 검출된 인력 아날로그 신호가 AD623의 증폭기(3) (3')로 출력되어 각각 V1과 V2로 증폭되어 출력된다.
도 7은 본 발명의 가산 및 보정의 회로도로서, AT89C52의 마이크로 컴퓨터 (4)가 기능을 수행하고, 아날로그 신호가 증폭기(3)(3')와 ADC(16)(16')를 거쳐 디지털 신호로 변환되어 마이크로 컴퓨터(4)에 의해 가산되고, 다시 ADC(16)(16')로 피드백되어 자기 보정되며, DAC(18)(18')를 거쳐 아날로그 신호로 변환된 후 연결 컨넥터(5)에 의해 BLDC 제어기(6)(6')로 출력된다.
도 8은 본 발명의 파워 어시스트 제어 회로도로서, 마이크로 컴퓨터(4)에 ADC(16)(16')와 DAC(18)(18')와 컴퓨터 시리얼 통신용 MAX232(24) 및 UA741의 Op Amp(25)의 결선이 도시되어 있다. ADC(16)(16')의 6,7번 핀으로 증폭되고 필터된 아날로그 신호가 입력되고, DB0 ~ DB7의 8개의 핀으로 디지털로 변환된 신호가 출력되어 AT89C52의 마이크로 컴퓨터(4)로 입력된다.
도 9는 파워 어시스트 제어 회로의 전원 회로도로서, 7805 레귤레이터(23)에의해 5[V]와, 7812 레귤레이터(26)에 의해 12[V]의 정전압이 만들어짐을 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 온도 조절 회로도로서, 온도센서는 DS1620 디지털 서모 스타트형 IC가 사용되고, 온도표시는 2 digit로 나타낸다. 슬렉트 스위치에 의하여 온도설정, 지연시간, 온도보정 및 상하 리미트를 설정하도록 설계되어 있고, 외부의 온도 표시는 2개의 LED에 의하여 적합여부로 나타내도록 구성되어 있으며, 온도 편차는 ±0.5[℃]이다.
도 11은 본 발명의 베터리 잔량표시 회로도로서, 베터리 전압이 +28[V]일 경우만 충전을 나타내고, +24[V]일 때 LED 램프가 3개 점등, 약 22[V]일 때 LED 램프가 2개 점등, 약 18[V] 이하일 경우 4개의 LED 램프는 완전 소등된다. 잔량 표시기는 4단계로 되어 있으며 +18[V] ~ +28[V]까지의 범위에서 동작한다.
이와같이 된 본 발명의 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템은 배선카의 핸들(1)을 잡은 손의 조작력에 의해서 배선카에 설치된 핸들(1)에 변형이 생기고, 이러한 변형에 따라 핸들(1)에 부착된 스트레인 게이지의 센서(2)(2')에서 나오는 미세한 저항 변화는 전압 변화로 바뀌며, 전압 변화의 아날로그 신호는 증폭기(3)(3')를 통과하여 설정된 게인값만큼 증폭되고, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 ADC(16)(16')로 들어가며, ADC(16)(16')에서 나온 디지털 신호는 마이크로 컴퓨터(4)에 의해 가산 및 보정처리되어 각종 제어신호가 산출되고, 다시 DAC(18)(18')에서 아날로그 신호로 변환되며, BLDC 제어기(6)(6')에 의해 구동용 BLDC 모터(11)(11')의 속도와 각각의 BLDC 모터(11)(11')의 정ㆍ역과 ON/OFF가 제어된다.
본 발명에서의 전원은 도 2에서와 같이 220[V]의 교류를 사용하여 베터리(8) (8')를 충전하고, 베터리(8)(8')는 2개가 직렬로 연결되어 24[V]가 되며, 24[V]로써 BLDC 모터(11)(11')와 어시스트 제어 시스템(12)의 전원으로 사용된다. 냉온 제어기(9)의 전원은 별도의 소형 파워 스플라이(10)가 사용되어 5[V]가 공급된다.
우선, 본 발명의 인력검출부의 회로의 작용을 도 1과 도 5와 도 6 및 도 7을 중심으로 설명하면 다음과 같다.
배선카를 운행할 때 양손으로 핸들(1)을 잡고 끌거나 밀고 하므로 양손의 힘은 바로 핸들(1)의 양측에 전달되고, 회전을 할 때는 좌우측에 주는 힘에 차이가 나게 된다. 따라서, 이러한 힘의 차이를 검출하여 회전의 방향과 회전의 정도를 감지할 수 있고, 이를 마이크로 컴퓨터(4)로 처리하여 BLDC 모터(11)(11')를 제어하여 적은 힘으로 배선카를 제어할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 핸들(1)의 좌우측에 작용하는 인력을 스트레인 게이지의 센서(2)(2')를 사용하여 부가되는 힘을 전압으로 검출하는 것으로, 회전과 전진 및 후진시의 전압의 크기와 양부(+/-)로써 판단하며, 전진과 후진 및 회전은 상호 연관되어 검출된다. 검출된 아날로그 신호는 작기 때문에 증폭기(3)(3')로 증폭시킨다. 증폭기(3)(3')는 AD623이 사용되고, 증폭된 아날로그 신호는 도 6에서의 V1과 V2로 출력된다.
스트레인 게이지의 센서(2)(2')와 증폭기(3)(3')에는 5[V]가 인가되는데, 이는 7805 레귤레이터(23)에 의해 5[V]로 형성된 정전압을 사용한 것이다. 7805 레귤레이터(23)는 입력전압에 대해 출력전압을 일정하게 유지시키기 위해 사용되고, 본 발명에서는 정전압을 5[V]로 만들어 마이크로 컴퓨터(4)를 비롯한 여러 IC에 공급하여 사용된다.
도 4에 도시된 저역필터(15)(15')는 증폭기(3)(3')에서 증폭된 아날로그 신호가 포함하고 있는 여러 노이즈를 제거하여 ADC(16)(16')로 출력하는 역할을 하는 것으로 오차의 한계를 줄이고, 정밀한 제어를 가능케 한다.
다음으로, 본 발명의 어시스트 제어 시스템을 도 3과 도 4와 도 11을 중심으로 설명하면 다음과 같다.
BLDC 모터(11)(11') 구동용 토오크 지령은 인력 검출부의 출력 전압을 사용하여 속도지령으로 전진과 후진이 제어되고, 좌우측의 2대의 BLDC 모터(11)(11')에 각각 정ㆍ역 구동을 행하게 되면 회전이 제어되며, 과전류 및 안전차단 회로는 BLDC 제어기(6)(6')에 BLDC 모터(11)(11')의 과전류 차단회로가 내장되어 있고, 비상정지 버튼을 두어 비상정지를 하도록 되어 있다. 저전압 경보 회로는 베터리(8) (8')의 방전 전압이 DC 18[V] 이하가 되면 경보가 울리도록 구성되고, 인체 검지회로는 근접 스위치(22)의 초음파 회로를 사용하여 경보음 만을 발생하도록 구성된다.
여기서, 속도지령 신호는 0 ~ +5[V]이고, 정ㆍ역 구동은 논리레벨 '0'일 때 역회전, 논리레벨 '1'일 때 정회전을 하도록 구성되고, BLDC 모터(11)(11')를 비상정지시키기 위하여 BLDC 모터 정지 스위치를 개방하면 BLDC 모터(11)(11')는 정지한다. BLDC 모터 정지 스위치가 개방되고 난 후, 마그네트 스위치(Ms)가 동작을 하여 제동을 하게 된다.
그리고, 온도 제어는 도 10에서와 같이 설정온도에 도달하였을 경우에 청색 램프, 그렇지 않을 경우에는 적색램프가 점등되도록 하고, 실제의 온도 및 설정온도 스위치는 미관을 고려하여 배선카의 내부에 설치된다. 온도센서는 디지털 온도센서가 사용되고, 측정 컴퓨터는 AT89C52의 마이크로 컴퓨터(4)가 사용되며, 온도설정과 릴레이 제어 및 온도표시를 행한다.
상기와 같은 본 발명의 배선카를 순수인력과 어시스트 제어 시스템을 비교한 실험에 의한 결과는 다음과 같다.
순수인력에 의한 경우에 시속 약1.44[Km/h]의 속도로 전진(당길 때) 및 후진(밀 때)하였을 경우의 기동시 소요되는 힘은 전진시에 83[Kgㆍf], 후진시에 64[Kgㆍf]가 소요되었고, 어시스트 제어를 하였을 경우에 배선카의 속도를 약 1.8[Km/h]로 하였을 경우 전진 기동시에 약 10[Kgㆍf], 후진 기동 초기에 약 40[Kgㆍf]이었으나 1초 후에는 10[Kgㆍf]의 힘이 소요되었다.
그리고, 동작점을 핸들(1)의 우측 가장 자리 부분에 하였을 경우의 핸들(1)의 좌우측 힘의 특성을 측정하면, 순수인력에 의한 경우는 전진시에는 우측부는 약 52[Kgㆍf], 좌측부는 약 13[Kgㆍf]의 힘이 작용되었고, 후진시에는 우측부는 약 40[Kgㆍf], 좌측부는 약 18[Kgㆍf]의 힘이 작용되었다. 어시스트 제어를 하였을 경우는 전진시에는 우측부는 19[Kgㆍf], 좌측부는 0[Kgㆍf]의 힘이 작용되었고, 후진시에는 우측부는 30[Kgㆍf], 좌측부는 5[Kgㆍf]의 힘이 작용하였다.
또한, 배선카를 90˚회전시킬 때 핸들(1)에 인가되는 힘은 순수 인력으로 회전시 우측부에 약 25[Kgㆍf], 좌측부에 약 -14[Kgㆍf]의 힘이 작용되었고, 어시스트 제어로 하였을 경우 -90˚회전시켰을 경우 우측부에 약 -8[Kgㆍf], 좌측에 19[Kgㆍf]가 작용되었다.
전후로 배선카를 움직일 때 소요되는 힘은 순수 인력에 의한 경우는 최대 88[Kgㆍf], 어시스트 제어를 하였을 경우는 최대 약 38[Kgㆍf]의 힘이 작용하였다.
아래의 표는 인력에 의한 힘의 작용과 어시스트 제어를 하였을 경우 힘의 특성을 비교한 표이다.
방향 핸들의 부하[Kgㆍf] 속도 [Km/h]
인력 전진 83 약 1.44
후진 64
어시스트 제어 전진 10 약 1.8
후진 40
이와같이 본 발명은 배선카의 조작용 핸들(1)의 양단에 스트레인 게이지의 센서(2)(2')를 부착하여 핸들(1)을 잡고 있는 좌우 손의 조작력을 검출하고, 마이크로 컴퓨터(4)를 사용하여 전진과 후진 및 회전의 정도를 판단하여 구동용 BLDC 모터(11)(11')를 제어하므로써, 상황에 따라 별도의 조작 행동없이 핸들(1)에 전달되는 힘만으로 배선카를 제어할 수 있으므로, 다량의 식판을 배선카로써 안전하게 운반할 수 있고, 조작이 쉬워 누구나 사용할 수 있으며, 긴급상황에 신속히 대처할 수 있는 있고, 별도의 전동 조작용 운전 레버의 설치가 필요없으므로 제작비용 등이 절감되는 등의 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 핸들(1)로 조작되는 배선카에 있어서, 배선카의 핸들(1)의 양단에 부착된 스트레인 게이지의 센서(2)(2')와, 센서(2)(2')에서 나오는 전압 변화의 아날로그 신호를 설정된 게인값만큼 증폭하는 증폭기(3)(3')와, 아날로그 신호에 포함된 노이즈를 제거하는 저역필터(15)(15')와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어 주는 ADC(16)(16')와, ADC(16)(16')에서 나온 디지털 신호를 가산 및 보정의 연산처리와 제어신호를 산출하는 마이크로 컴퓨터(4)와, 마이크로 컴퓨터(4)에서 출력되는 제어신호를 아날로그 신호로 변환시키는 DAC(18)(18')와, 아날로그로 변환된 제어 신호로써 BLDC 모터(11)(11')를 제어하는 BLDC 제어기(6)(6')와, 구동용 BLDC 모터(11)(11')로 구성된 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 마이크로 컴퓨터(4)는 자기 보정의 기능을 함을 특징으로 하는 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 마이크로 컴퓨터(4)는 핸들(1)의 양단에 부착된 센서(2) (2')에서 검출된 힘을 합력 또는 분해하여, 2개의 구동용 BLDC 모터(11)(11')를 구동시키는 제어 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전동식 온ㆍ냉 배선카의 어시스트 제어 시스템.
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