TWI736380B - 運動感測模組 - Google Patents

Abstract

一種運動感測裝置，包括多個第一、第二磁阻感測器、多個第二磁阻感測器以及處理器。處理器執行以下步驟S1、S2。步驟S1：處理器從這些第一磁阻感測器的第一部分與這些第二磁阻感測器的第二部分定義出至少一第一座標系。處理器從這些第一磁阻感測器的第三部分與這些第二磁阻感測器的第四部分定義出至少一第二座標系。第一座標系與第二座標系彼此旋轉對稱。步驟S2：這些第一、第二磁阻感測器對一外來磁場產生多個感測結果，處理器並依據這些感測結果在第一、第二座標系的基礎下進行運算，以得一運算結果，並根據運算結果以量測出運動資訊。

Description

運動感測模組

本發明是有關於一種運動感測模組，且特別是有關於一種具有磁阻感測器的運動感測模組。

隨著科技的進步，用來偵測物體的運動感測器被廣泛地應用於虛擬實境(Virtual reality,VR)、擴增實境(Augmented Reality,AR)、無人機或智慧家庭等不同領域。光學式運動感測器具有高精度、快速等優勢，但容易被環境光、塵埃或物體所影響，且成本較高。慣性運動感測器(inertial sensor)則具有高精度、快速等優勢，惟其會被環境磁場所影響。全球定位系統(Global Positioning System,GPS)現階段僅用於戶外，而其應用有所受限。

因此，採用磁性感測器來偵測物體運動狀態的運動感測器由於可以避免上述問題在近年來亦被廣泛地使用，其主要原理是藉由磁場對時間的變化以及相應的演算方式來判斷物體速度或物體位置。一般來說，磁場對時間的函數是連續的平滑曲線，若在曲線轉折處的前、後將磁場對時間進行微分運算所得到的微分結果的方向是不一樣的，造成運算出來的速度值會在某些時刻的前、 後會急遽向上、急遽向下，而此現象會導致後續判斷物體速度、位置時出現嚴重的誤差。

本發明提供一種運動感測裝置，其具有良好的感測能力。

本發明的一實施例的運動感測裝置，適於裝載於一待測物上且用以感測待測物的運動資訊。待測物置於一外來磁場的磁場範圍內。運動感測模組包括多個第一磁阻感測器、多個第二磁阻感測器以及處理器。這些第一磁阻感測器設置於第一參考平面上。這些第二磁阻感測器設置於第二參考平面上。第一參考平面不同於第二參考平面且與第二參考平面平行。這些第一磁阻感測器的位置分別對應於這些第二磁阻感測器的位置。處理器與這些第一磁阻感測器與這些第二磁阻感測器耦接。處理器將這些第一磁阻感測器分為不同的第一部分與第三部分並將這些第二磁阻感測器分為不同的第二部分與第四部分。處理器執行以下步驟：步驟S1：處理器從這些第一磁阻感測器的第一部分與這些第二磁阻感測器的第二部分定義出至少一第一座標系。處理器從這些第一磁阻感測器的第三部分與這些第二磁阻感測器的第四部分定義出至少一第二座標系。第一座標系與第二座標系彼此旋轉對稱。以及步驟S2：這些第一磁阻感測器與這些第二磁阻感測器對一外來磁場產生多個感測結果，處理器並依據這些感測結果在第一座標系與第二座標系的基礎下進行運算，以得一運算結果，並根據運 算結果以量測出運動資訊。

在本發明的一實施例中，上述的處理器更執行以下步驟步驟S3：重複步驟S1與步驟S2，以求出其他的第一座標系與其他的第二座標系的相應的運算結果。以及步驟S4：將所有的運算結果取至少一部分平均後，以量測出運動資訊。

在本發明的一實施例中，上述的運動資訊為待測物的速度。

在本發明的一實施例中，在步驟S2中，處理器根據這些感測結果在第一座標系與第二座標系的基礎下進行以下方程式運算，以量測待測物的速度：

其中，

為待測物的速度，

為處理器根據這些感測結果在第一座標系與第二座標系的基礎下進行捷可比矩陣運算後的矩陣的反矩陣，且

為這些感測結果對時間的微分運算。

在本發明的一實施例中，上述的處理器將待測物的速度對時間積分後，並依據待測物的初始位置以得待測物在一特定時刻下的位置資訊。

在本發明的一實施例中，上述的處理器以第一部分中的一第一磁阻感測器做為一座標原點磁阻感測器，且以第一部分中相鄰於座標原點磁阻感測器的二第一磁阻感測器以及對應於座標原點磁阻感測器的一第二磁阻感測器做為座標方向磁阻感測器。 座標原點磁阻感測器至一座標方向磁阻感測器的向量定義為第一座標系的方向向量。

在本發明的一實施例中，上述的處理器以第二部分中的一第二磁阻感測器做為一座標原點磁阻感測器，且以第二部分中相鄰於座標原點磁阻感測器的二第二磁阻感測器以及對應於座標原點磁阻感測器的一第一磁阻感測器做為座標方向磁阻感測器。座標原點磁阻感測器至一座標方向磁阻感測器的向量定義為第二座標系的方向向量。

在本發明的一實施例中，上述的這些第一磁阻感測器的位置一對一地對位於這些第二磁阻感測器的位置。

在本發明的一實施例中，上述的第一部分該第二部分彼此旋轉對稱，該第三部分與該第四部分彼此旋轉對稱。

基於上述，在本發明實施例的運動感測裝置中，處理器將設於不同參考平面上的第一、第二磁阻感測器定義出彼此旋轉對稱的第一、第二座標系，並根據這些磁阻感測器對外來磁場感測出的多個感測結果在第一、第二座標系的基礎下進行運算。由於若只藉由第一或第二座標系其中一者，會在某些時刻的前、後所得到的運算結果的方向是相反的。本發明實施例的運動感測裝置藉由同時考慮第一、第二座標系的運算結果，可消除運算過程中衍生的誤差，故其能夠精準地量測待測物的運動資訊。

100:運動感測裝置

110:磁阻感測器

1101:第一磁阻感測器

1102:第二磁阻感測器

120:處理器

C、C₀~C₃:第一座標系

C’、C₀’~C₃’:第二座標系

CO、CO’:座標原點磁阻感測器

CD、CD’:座標方向磁阻感測器

P1~P4:第一至第四部分

P₀、P₁:參考平面

O:中點

OB:待測物

X、Y、Z:X軸、Y軸、Z軸

圖1為本發明的一實施例的運動感測裝置裝設於一待測物上的示意圖。

圖2A為圖1中的運動感測裝置的方塊示意圖。

圖2B為圖1中運動感測裝置的多個磁阻感測器的架構示意圖。

圖3A至圖3D分別繪示為不同的第一座標系與第二座標系。

圖4A為地球磁場的經過捷可比矩陣(Jacobian matrix)運算的方程式。

圖4B為地球磁場對時間微分的方程式。

圖5A為處理器依據磁阻感測器感測的感測結果僅在第一座標系的基礎下所計算出的待測物速度。

圖5B為處理器依據磁阻感測器感測的感測結果僅在第二座標系的基礎下所量測出的待測物速度。

圖5C為處理器依據磁阻感測器感測的感測結果在第一、第二座標系的基礎下所量測出的待測物速度。

圖1為本發明的一實施例的運動感測裝置裝設於一待測物上的示意圖。圖2A為圖1中的運動感測裝置的方塊示意圖。圖2B為圖1中運動感測裝置的多個磁阻感測器的架構示意圖。圖3A 至圖3D分別繪示為不同的第一座標系與第二座標系。圖4A為地球磁場的經過捷可比矩陣運算的方程式。圖4B為地球磁場對時間微分的方程式。

為求方便說明，本實施例的運動感測裝置100可視為在兩兩互相垂直的X軸、Y軸、Z軸所構成的一三維空間內。

請參照圖1，於本實施例中，運動感測裝置100適於裝載於待測物OB上且用於感測待測物OB的運動資訊，其中待測物OB例如是人，但不以此為限。並且，待測物OB置於外來磁場的磁場範圍，其中外來磁場例如是地球磁場(未示出)，但不以此為限。請參照圖2A與圖2B，運動感測裝置100包括多個磁阻感測器110與處理器120，於以下的段落中會詳細說明上述元件與其對應的配置關係。

磁阻感測器110指其電阻可經由外在磁場變化而對應改變的感測器，其種類包括異向性磁阻感測器、穿隧磁阻感測器、巨磁阻感測器或磁通閘，但不以此為限。於本實施例中，這些磁阻感測器110的數量例如是八個，且分別設置於不同且彼此平行的參考平面P₀、P₁，其中四個磁阻感測器110以矩陣方式(2x2)設置於參考平面P₀(或稱第一參考平面)，且分別標示S₀₀、S₀₁、S₀₂、S₀₃，且稱為第一磁阻感測器1101。類似地，另四個磁阻感測器110亦以矩陣方式(2x2)設置於參考平面P₁(或稱第二參考平面)，且分別標示S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃，且稱為第二磁阻感測器1102。這些第一磁阻感測器1101的位置分別對應於這些第二磁阻感測器1102的 位置，且其對應關係例如是一對一地對位關係。此外，在X軸方向上，兩相鄰的磁阻感測器110之間的間距為△x，在Y軸方向上，兩相鄰的磁阻感測器110之間的間距△y，在Z軸方向上，兩相鄰的磁阻感測器110之間的間距△z。這些磁阻感測器110的中點標示為O。

處理器120例如是可對訊號進行不同運算的裝置。於本實施例中，處理器120例如包括計算器、微處理器(Micro Controller Unit,MCU)、中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程式化之控制器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)或其他類似裝置，本發明並不以此為限。於本實施例中，處理器120與這些磁阻感測器110耦接，並記錄不同磁阻感測器110的位置資訊。

於以下的段落中會詳細地說明本實施例的運動感測裝置100的量測方式。

請參照圖1、圖2A與圖2B，當待測物OB移動時，這些磁阻感測器110所感受到的地球磁場會隨著時間所變動，而處理器120則依據外來磁場隨時間的變動來判斷待測物OB的運動資訊，其中運動資訊例如是待測物OB的速度，但不以此為限。接著，處理器120會依序執行以下的步驟。

步驟S1：首先，處理器120根據這些第一、第二磁阻感 測器1101、1202的位置定義出至少一第一座標系C與相應的至少一第二座標系C’。定義的方法是：處理器120先將這些第一磁阻感測器1101分為不同的第一部分P1與第三部分P3，並將這些第二磁阻感測器1102分為不同的第二部分P2與第四部分P4，其中第一部分P1與第二部分P2彼此互為旋轉對稱(Rotational Symmetry)，第三部分P3與第四部分P4彼此互為旋轉對稱，所謂旋轉對稱是指兩個部分中的一者針對這些磁阻感測器110的中點O以一定角進行旋轉後，與另一者重合，即稱旋轉對稱。

請參照圖3A，圖3A示出第一種的第一座標系C₀與第二座標系C₀’。在圖3A中，處理器120將第一部分P1令為標示為S₀₀、S₀₁、S₀₂的第一磁阻感測器1101，第三部分P3令為標示為S₀₃的第一磁阻感測器1101，第二部分P2令為標示為S₁₀、S₁₁、S₁₂的第二磁阻感測器1102，第四部分P4令為標示為S₁₃的第二磁阻感測器1102。

因此，處理器110定義圖3A第一座標系C₀的方法例如是以第一部分P1中的一第一磁阻感測器1101(S₀₀)做為座標原點磁阻感測器CO，且以第一部分P1中相鄰於座標原點磁阻感測器CO的二第一磁阻感測器1101(S₀₁、S₀₂)做為座標方向磁阻感測器CD。座標原點磁阻感測器CO至一座標方向磁阻感測器1101(S₀₁或S₀₂)的向量定義為第一座標系C₀的方向向量，並且，座標原點磁阻感測器CO與與其位置對應的第四部分P4的第二磁阻感測器1102(S₁₃)定義為第一座標系C₀的方向向量。

類似地，處理器110定義圖3A第二座標系C₀’的方法例如是以第二部分P2中的標示為S₁₀的一第二磁阻感測器1102做為座標原點磁阻感測器CO’，且以第二部分P2中相鄰於座標原點磁阻感測器CO’的並標示為S₁₁、S₁₂的二第二磁阻感測器1102做為座標方向磁阻感測器CD’。座標原點磁阻感測器CO’至一座標方向磁阻感測器1102(S₁₁或S₁₂)的向量定義為第二座標系C₀’的方向向量，並且，座標原點磁阻感測器CO’與其位置對應的第一磁阻感測器1101(S₀₃)定義為第二座標系C₀’的方向向量。

因此，藉由上述的定義過程可定義出第一、第二座標系C₀、C₀’，其中第一、第二座標系C₀、C₀’亦彼此互為旋轉對稱(Rotational Symmetry)，所謂旋轉對稱是指兩座標系中C₀、C₀’的一者針對這些磁阻感測器110的中點O以一定角進行旋轉後，與另一者重合，即稱旋轉對稱。

步驟S2：這些第一磁阻感測器1101與這些第二磁阻感測器1102對一外來磁場產生多個感測結果，處理器120並依據這些感測結果在第一、第二座標系C₀、C₀’的基礎下進行運算，以得一運算結果，並依據此運算結果量測出運動資訊，其中運動資訊例如是待測物OB的速度

。於以下的段落中會示例性地說明運算過程。

為了說明運算過程，先定義以下參數：

代表的意思是待測物速度在三維空間中的速度向量，其另一種表示方式為(V_x,V_y,V_z)，V_x,V_y,V_z三者分別代表的是待測物OB在X軸、Y軸、Z軸上的速度分量。

代表的意思是這些磁阻感測器110在X軸、Y 軸、Z軸方向上的位移，其另一種表示方式為(x,y,z)。假設地球磁場為

，其另一種表示方式為(B_x,B_y,B_z)，B_x,B_y,B_z三者分別代表的是地球磁場在X軸、Y軸、Z軸上的磁場分量。

因此，根據以下的方程式(1)可知：

其中

代表的是位移對時間微分，

代表的是位移對地球磁場微 分，

代表的是地球磁場對時間微分(另一種意義則代表待測物OB在移動過程中地球磁場的變化量)，把方程式(1)以分成X、Y、Z軸方向的角度來看，即成以下三個方程式(2)~(4)：

再轉換成向量的形式，即為以下的方程式(5)：

其中，

代表的是地球磁場經過捷可比矩陣運算後的矩陣，其意義代表為地球磁場在三維空間的梯度(gradient)。

為地球磁場經過捷可比矩陣運算後的矩陣的反矩陣。

請參照圖4A與圖4B，詳細來說，假設時間的變化量dt令為t_n秒至t_n+1秒的時間差值，在不同的時刻t_n、t_n+1秒下，這些第一、第二磁阻感測器1101、1102會針對外來磁場產生多個感測結果，S₀₁[x(t_n)]、S₀₁[x(t_n+1)]分別代表的是在時刻t_n秒、t_n+1秒時，標示為S₀₁的第一磁阻感測器1101對外來磁場產生的感測結果， 即S₀₁的第一磁阻感測器1101在時刻t_n秒、t_n+1秒時對外來磁場在X軸方向的感測到的磁場分量，其他的以此類推。處理器120會依據這些感測結果在第一、第二座標系C₀、C₀’的基礎下進行如方程式(5)的運算，方程式(5)中的

矩陣展開如圖4A所示，而

的方程式展開如圖4B所示。

請再參照圖4A，以

矩陣的第1行第1列的元素來說，其分母所示的△x為兩個磁阻感測器在X軸方向上的間距，其分子示出的結果如下方程式(6)：{S ₀₁[x(t _n+1)]-S ₀₀[x(t _n+1)]}+{S ₀₁[x(t _n )]-S ₀₀[x(t _n )]}-{S ₁₁[x(t _n+1)]-S ₁₀[x(t _n+1)]}+{S ₁₁[x(t _n )]-S ₁₀[x(t _n )]}---(6)接著，再把上述的方程式(6)拆成兩個方程式(7)、(8)來看：{S ₀₁[x(t _n+1)]-S ₀₀[x(t _n+1)]}+{S ₀₁[x(t _n )]-S ₀₀[x(t _n )]}---(7)

{S ₁₁[x(t _n+1)]-S ₁₀[x(t _n+1)]}+{S ₁₁[x(t _n )]-S ₁₀[x(t _n )]}---(8)也就是說，上述方程式(6)所述及的第1行第1列的元素代表的意義是：方程式(7)與方程式(8)相減，其中方程式(7)代表的意義是：第一座標系C₀中的標號S₀₁、標號S₀₀的二第一磁阻感測器1101在時刻t_n+1秒、在時刻t_n秒的感測結果相加後的相加結果，方程式(8)代表的意義是：第二座標系C₀’的標號S₁₀、標號S₁₁的二第一磁阻感測器1101在時刻t_n+1秒、在時刻t_n秒的感測結果相加後的相加結果。換言之，第1行第1列的元素代表的意義是這些感測結果在第一、第二座標系C₀、C₀’的基礎下進行運算的相加結果差異值。

圖5A為處理器依據磁阻感測器感測的感測結果僅在第一座標系的基礎下所計算出的待測物速度。圖5B為處理器依據磁阻感測器感測的感測結果僅在第二座標系的基礎下所量測出的待測物速度。圖5C為處理器依據磁阻感測器感測的感測結果在第一、第二座標系的基礎下所量測出的待測物速度。

請參照圖5A、圖5B，由此可看出，若處理器120單依據第一或第二座標系C₀、C₀’的基礎下所量測出的待測物OB速度，會因為運算的關係在某些時刻的前、後產生方向相反的波，或稱突波(surge)。具體來說，請參照圖5A，在時刻152秒以前，運算所得的速度會急遽向下，而在時刻152秒以後，運算所得的速度會急遽向上。反之，請參照圖5B，在時刻152秒以前，運算所得的速度會急遽向上，而在時刻152秒以後，運算所得的速度會急遽向下，上述現象會導致計算待測物OB速度的嚴重誤差。

請參照圖5C，由於在本實施例的運動感測裝置100中，處理器120會依據這些磁阻感測器110對外來磁場感測出的多個感測結果在彼此旋轉對稱的第一、第二座標系C₀、C₀’的基礎下進行上述如同方程式(5)與圖4A與圖4B的運算，而藉由在某些時刻的前、後在不同座標系C₀、C₀’運算所得到的速度方向是相反的，藉此以消除突波現象，故本實施例的運動感測裝置100其能夠精準地量測待測物OB的運動資訊。

並且，由於外來磁場的變化量大約是在幾個或幾十個毫高斯(mG)的大小，而雜訊的大小亦與其變化量差不多。倘若外來 磁場的變化量非常小時，習知技術會因為雜訊的關係而無法準確地量測待測物OB的速度。相對而言，本實施例的運動感測裝置100依據這些磁阻感測器110的感測結果，並在第一、第二座標系C₀、C₀’的基礎下進行捷可比矩陣運算後矩陣的反矩陣，捷可比矩陣運算後矩陣的反矩陣具有將兩個座標系C₀、C₀’的運算結果相加平均的效果，在這個過程中能夠將雜訊的效果降低，故運動感測裝置100能夠精準的量測。

若要進一步得到更精準的運動資訊，那麼處理器120承上述的步驟S1、S2後，會再執行以下的步驟。

步驟S3：處理器120會求出其他的第一座標系C₁~C₃、其他的第二座標系C₁’~C₃’的相應的運算結果，其中其他的第一、第二座標系C₁~C₃、C₁’~C₃’如圖3B至圖3D所示，於此不再贅述。

步驟S4：將所有的運算結果取至少一部分(可以是全部，也可以是一部分)平均後，以量測出運動資訊(速度)。據此，運動感測裝置100可進一步提高其精確度。

此外，於本實施例中，若運動感測裝置100依據上述過程得知了待測物OB速度，又得知了待測物OB起始位置，則可以將待測物OB速度積分後並依據待測物OB起始位置判斷出待測物OB在一特定時刻下的位置資訊。

綜上所述，在本發明實施例的運動感測裝置中，處理器將設於不同參考平面上的第一、第二磁阻感測器定義出彼此旋轉對稱的第一、第二座標系，並根據這些磁阻感測器對外來磁場感 測出的多個感測結果在第一、第二座標系的基礎下進行運算。由於若只藉由第一或第二座標系其中一者，會在某些時刻的前、後所得到的運算結果的方向是相反的。本發明實施例的運動感測裝置藉由同時考慮第一、第二座標系的運算結果，可消除運算過程中衍生的誤差，故其能夠精準地量測待測物的運動資訊。

100:運動感測裝置

C、C₀:第一座標系

C’、C₀’:第二座標系

CO、CO’:座標原點磁阻感測器

CD、CD’:座標方向磁阻感測器

P1~P4:第一至第四部分

P₀、P₁:參考平面

O:中點

S₀₀~S₀₃、S₁₀~S₁₃:標號

X、Y、Z:X軸、Y軸、Z軸

Claims (9)

1. 一種運動感測模組，適於裝載於一待測物上且用以感測該待測物的一運動資訊，該待測物置於一外來磁場的磁場範圍內，該運動感測模組包括： 多個第一磁阻感測器，設置於一第一參考平面上； 多個第二磁阻感測器，設置於一第二參考平面上，其中該第一參考平面不同於該第二參考平面且與該第二參考平面平行，其中該些第一磁阻感測器的位置分別對應於該些第二磁阻感測器的位置；以及 一處理器，與該些第一磁阻感測器與該些第二磁阻感測器耦接，其中該處理器將該些第一磁阻感測器分為不同的一第一部分與一第三部分並將該些第二磁阻感測器分為不同的一第二部分與一第四部分， 其中，該處理器執行以下步驟： 步驟S1：該處理器從該些第一磁阻感測器的該第一部分與該些第二磁阻感測器的該第二部分定義出至少一第一座標系，該處理器從該些第一磁阻感測器的該第三部分與該些第二磁阻感測器的該第四部分定義出至少一第二座標系，該第一座標系與該第二座標系彼此旋轉對稱；以及 步驟S2：該些第一磁阻感測器與該些第二磁阻感測器對一外來磁場產生多個感測結果，該處理器並依據該些感測結果在該第一座標系與該第二座標系的基礎下進行運算，以得一運算結果，並根據該運算結果以量測出該運動資訊。
2. 如請求項1所述的運動感測模組，其中，該處理器更執行以下步驟： 步驟S3：重複該步驟S1與該步驟S2，以求出其他的第一座標系與其他的第二座標系的相應的運算結果；以及 步驟S4：將所有的運算結果取至少一部分平均後，以量測出該運動資訊。
3. 如請求項1所述的運動感測模組，其中，該運動資訊為該待測物的速度。
4. 如請求項3所述的運動感測模組，其中，在該步驟S2中，該處理器根據該些感測結果在該第一座標系與該第二座標系的基礎下進行以下方程式運算，以量測該待測物的速度：

   

   其中，

   

   為該待測物的速度，

   

   為該處理器根據該些感測結果在該第一座標系與該第二座標系的基礎下進行捷可比矩陣運算後的矩陣的反矩陣，且

   

   為該些感測結果對時間的微分運算。
5. 如請求項3所述的運動感測模組，其中該處理器將該待測物的速度對時間積分後，並依據該待測物的初始位置以得該待測物在一特定時刻下的位置資訊。
6. 如請求項1所述的運動感測模組，其中， 該處理器以該第一部分中的一該第一磁阻感測器做為一座標原點磁阻感測器，且以該第一部分中相鄰於該座標原點磁阻感測器的二該第一磁阻感測器以及對應於該座標原點磁阻感測器的一該第二磁阻感測器做為座標方向磁阻感測器， 其中，該座標原點磁阻感測器至一該座標方向磁阻感測器的向量定義為該第一座標系的方向向量。
7. 如請求項1所述的運動感測模組，其中， 該處理器以該第二部分中的一該第二磁阻感測器做為一座標原點磁阻感測器，且以該第二部分中相鄰於該座標原點磁阻感測器的二該第二磁阻感測器以及對應於該座標原點磁阻感測器的一該第一磁阻感測器做為座標方向磁阻感測器， 其中，該座標原點磁阻感測器至一該座標方向磁阻感測器的向量定義為該第二座標系的方向向量。
8. 如請求項1所述的運動感測模組，其中該些第一磁阻感測器的位置一對一地對位於該些第二磁阻感測器的位置。
9. 如請求項1所述的運動感測模組，其中該第一部分與該第二部分彼此旋轉對稱，該第三部分與該第四部分彼此旋轉對稱。

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