WO2018078224A1 - Orthèse dynamique active destinée à la handiplongée - Google Patents
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Definitions
- hydrostatic levitation stabilizing vests for example the device according to US3747139, using a reserve of air whose volume is modifiable, are not suitable for a disabled diver of this type, because the diving suit synthetic foam contracts when the depth increases. The legs then tend to fall as the diver descends under water, he can not operate his fins to straighten up.
- the articulated flippers according to Patent No. FR2659862 (A1) do not. can be used by a disabled person with lower limbs. In any case such a person can not perform cyclical wave movements beneficial for his spine and the joints of his legs.
- the device according to the invention consists in replacing the fins with an active dynamic orthosis, when the diver can not use them because of a permanent or temporary motor paralysis, resulting from a disease or a accident for example.
- FIG. 2 shows an association of the control surfaces with two perpendicular stabilizing planes, integrated with the support.
- FIG. 3 shows a positioning of drive gear motors for control surfaces for a perfect hydrodynamic integration.
- FIG. 4 shows the detail of a connection of a servo motor to a rudder, for better guidance in rotation of the control surfaces.
- Figure 6 shows a realization of the control box, in two parts mounted on rotating handles.
- FIG. 7 shows the preferred hydrodynamic integration to the body (1), a pneumatic rotary actuator.
- the control is done manually, using an electronic box (6) fixed on the traction unit.
- An electrical socket (7) disposed thereon allows the power supply with its battery.
- An electric cable (5) then transports this energy to the power circuit (25) with two leads, as well as the transfer of the control data with two other additional leads.
- This cable comprises a male multipole sealed at each of its ends, in correspondence with the socket (7) disposed on the traction unit and another identical socket fixed on the body (1) of the active dynamic orthosis.
- the device according to the invention comprises two elevators (2) and (3) which are rotated by two independent rotary actuators.
- the diver can therefore control the pitch by varying the incidence of these control surfaces in the same direction, positive or negative. This results in a corresponding movement of diving or ascent.
- the plunger By varying the incidence of the control surfaces in opposition, positive on the left and negative on the right or the opposite, the plunger will roll in a clockwise or counterclockwise direction, with respect to the longitudinal axis of displacement. OY.
- the control commands are carried out by two toggle switches, with a neutral central position and spring return. These switches are magnetic type, insensitive to hydrostatic pressure and waterproof, they have two keys.
- the device comprises a rudder (4) associated with two elevators (2) and (3).
- a stabilizing plane (8) according to the reference 0X1 Y, is disposed in the extension of the two elevators. This stabilizing plane comprises an extension (9), forward for fastening the footwear.
- the rudder (4) is preceded by a drift along the plane OYZ1 profiled symmetrical leading edge and forming part of the support (1).
- the support (1) is made in a single part comprising the drift and the stabilizer plane.
- the rudder supporting the rudder (4) is removable and in this case the diver uses only the two elevators that allow to initiate bends dive and climb, manually changing the impact of the traction unit with lateral double flow, in the vertical plane OYZ1.
- This type of use is particularly suitable for making underwater ballets. More particularly with the use of a traction gear with lateral double flow, built according to a hydrodynamic wing profile, for example the model Mantaraya biturbo deposited under Registration No. 00 4320, classification 12-06, publication 601 581 and 601,582.
- the rotary actuator is produced by the combination of a tubular servomotor (10) with a gearbox (11) whose output axis (12) directly drives the corresponding control gear .
- the diameter of the tubular servomotor is as small as possible to integrate into the rudder profile, thus improving the hydrodynamic capacity of the orthosis.
- the electric servo motor will preferably be of the "step-by-step” type with locking in position.
- FIG. 4 shows a preferred embodiment by which the guidance in rotation is ensured by the axis (12) and by a ring (14) of self-lubricating plastic material sliding directly on the stator of the electric motor, properly arranged for this purpose. regarding surface condition and oxidation.
- the two orifices (13) allow the water to circulate around the servomotor to cool it.
- the rotational connection is provided by a pin (16) associated with two elastic rings (15).
- control box (6) has two switches (17) and (18), with spring return in neutral position, sealed and insensitive to hydrostatic pressure.
- the computer integrated in the control box (6) comprises a PWM (Pulse Width Modulator) or PCM (Coded Pulse Modulation) coding module for controlling the three movements of
- control information is transferred to the standard power electronic circuit (25) equipped with a decoder, included in the corresponding servomotor, by the two wires dedicated to the transfer of data belonging to the cable (5).
- the duration of the pressure on a switch is converted into angular displacement by the computer of the power section.
- the 10 will preferably be multiplexed according to the CAN protocol in accordance with the ISO 11898 standard. This is to limit to two the number of conducting wires dedicated to the data transfer of the cable (5).
- the supply of electrical energy is via the plug (7), located on the traction unit. This power supply is represented in the circuit diagram by the positive and negative terminals connected to the battery of the traction unit.
- the rocker switch (20) serves to control the yaw movement and the toggle switch (21) makes it possible to select one of the three cyclic modes programmed in the control unit integrated computer (6), then the return to mode manual, by a series of four pulses.
- the remote control (23) in the form of a sealed housing can be connected directly to the socket (7) integrated in the traction unit and connected by an electric cable to the control box.
- the receiver (22) is connected to a socket of the body (1), identical to the socket (7).
- control box is made in two parts
- Each of the two parts of the housing is integrated in a limited rotation handle (26), with central return by two springs mounted in opposition, bearing on the body (1) and on both opposite sides of the lever (27). .
- the limitation of the angular rotation is ensured by two stops arranged on the
- FIG. 7 shows a more economical and more efficient embodiment of the orthosis by opposing two pneumatic flexible diaphragm cylinders (29). These two pneumatic cylinders are supported on either side of an extension (30) of the rudder (2) acting as a lever. The opposite faces are in contact with the body (1), in a cavity arranged for this purpose.
- This actuator thus behaves like a rotary pneumatic cylinder with double effect, with an angle of rotation equal to twice the maximum incidence Alpha. It is an integral part of the body (1), from a conceptual point of view.
- These two cylinders are controlled by a solenoid valve (31). It is supplied with compressed air along the duct (32), by a compressed air cartridge removable and rechargeable, mounted on the body (1).
- the corresponding rudder is articulated on the support (1) along an axis (28) associated with an angular position sensor (34).
- This type of very economical design is especially intended for a design of the orthosis according to a bio-design project. Blocking in any position is achieved by mounting an "all or nothing" solenoid valve (33) on the compressed air supply duct of each flexible pneumatic cylinder.
- the profile of this type of cylinder will preferably be rectangular, disposed along its length in the transverse position in the plane OX1 Y, and parallel to the axis (28).
- the cable (5) can advantageously be replaced by a transmission-reception system in the form of a transmitter (23), using radio waves, laser or ultrasound.
- the transfer of the control information to the receiver (22) can be done directly in the water with an antenna placed on the traction unit, or by using a waveguide in the form of a coaxial cable, whose stripped ends form an antenna, arranged near the emitting parts and receiver, remote control.
- the waveguide will consist of an optical fiber.
- a power source of reduced size is then integrated in the body (1) in the form of a rechargeable battery, for controlling the solenoid valves and the power supply of the receiver (22).
- the alternative automatic pitch control causes a cyclic undulation of the plunger body in the vertical plane GYZ.
- the alternative automatic roll control causes a cyclic alternative twist of the plunger body along the axis of movement GY.
- the alternative automatic control of the yaw causes a lateral cyclic bending of the body in the horizontal plane GXY.
- the device according to the invention is particularly intended for the economical industrial production by injection-reaction of polyurethanes, in the context of a bio-design project with direct integration of the mechanical functions concerning the drive in rotation of the control surfaces. It is not limited to the embodiments described and shown, but the designer warns will bring any variant within his mind.
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif hydrodynamique de contrôle de la trajectoire d'un plongeur handicapé et entraîné par un engin de traction. Ce dispositif comporte deux gouvernes de profondeur, (2) et (3), indépendantes et motorisées par deux actionneurs rotatifs. Elles sont placées dans le plan 0X1Y afin de contrôler le roulis et le tangage. Une troisième gouverne de direction (4) motorisée est disposée dans le plan OYZ1, permet de contrôler le mouvement de lacet. Le support de gouvernes (1) comporte un plan destiné à la fixation du chaussant. La commande des gouvernes se fait manuellement par l'intermédiaire d'un boîtier électronique (6) fixé sur l'engin de traction. La présente invention se situe dans le domaine de la plongée sous-marine motorisée et plus particulièrement celle des personnes handicapées, de façon temporaire ou permanente.
Description
Orthèse dynamique active destinée à la handiplongée
Le pilotage d'un engin de traction sous-marin à une hélice est relativement difficile en raison du décalage vertical entre l'axe longitudinal du plongeur, avec celui de l'engin de traction. En effet le pilote est obligé de se placer au-dessus du flux généré par l'hélice. Le système est alors en déséquilibre dynamique et le plongeur doit constamment corriger la trajectoire en utilisant ses palmes. Mais un plongeur handicapé moteur, paraplégique par exemple, ne peut pas piloter un tel engin avec efficacité, parce que il ne peut pas se servir de palmes de natation.
D'autre part les gilets stabilisateurs à sustentation hydrostatiques, par exemple le dispositif selon le brevet US3747139, utilisant une réserve d'air dont le volume est modifiable, ne sont pas adaptés à un plongeur handicapé de ce type, parce que la combinaison de plongée en mousse synthétique se contracte lorsque la profondeur augmente. Les jambes ont alors tendance à tomber au fur et à mesure que le plongeur descend sous l'eau, il ne peut pas actionner ses palmes pour se redresser.
Les palmes articulées selon le brevet N°FR2659862 (A1), par exemple, ne. peuvent être utilisées par une personne handicapée des membres inférieurs. Dans tous les cas une telle personne ne peut effectuer des mouvements ondulatoires cycliques bénéfiques pour sa colonne vertébrale et les articulations de ses jambes.
Afin de remédier à ces inconvénients, le dispositif selon invention consiste à remplacer les palmes par une orthèse dynamique active, lorsque le plongeur ne peut les utiliser en raison d'une paralysie motrice permanente ou bien temporaire, résultant d'une maladie ou d'un accident par exemple.
Cette solution technique permet de maintenir un effet de portance hydrodynamique au niveau des pieds du plongeur, en faisant varier l'incidence de trois gouvernes. A cet effet, deux gouvernes de profondeur entraînées chacune par un actuateur rotatif et placées dans le plan horizontal, permettent de contrôler le roulis et le tangage. Une troisième gouverne de direction motorisée, placée dans le plan vertical OYZ1 , permet de contrôler le mouvement de lacet. De plus, la force de traînée de l'orthèse, opposée à la traction de l'engin, tend à aligner les jambes avec la colonne vertébrale. Le support de l'ensemble, comporte un plan destiné à la fixation du chaussant dans lequel le plongeur peut disposer ses pieds. Cette invention sera mieux comprise à l'étude de deux modes de réalisation particuliers, pris à titre d'exemple nullement limitatif, et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente en perspective le principe de fonctionnement du dispositif en association avec un engin de traction à double flux latéral.
- la figure 2 présente une association des gouvernes avec deux plans stabilisateurs perpendiculaires, intégrés au support.
- la figure 3 présente un positionnement des moto-réducteurs d'entraînement des gouvernes pour une parfaite intégration hydrodynamique.
- la figure 4 montre le détail d'une liaison d'un servo-moteur à une gouverne, pour un meilleur guidage en rotation des gouvernes.
- la figure 5 présente l'association du circuit de commande avec le circuit de puissance.
* la figure 6 présente une réalisation du boitier de commande, en deux parties montées sur des poignées rotatives.
- la figure 7 présente l'intégration hydrodynamique préférentielle au corps (1) , d'un actuateur rotatif pneumatique.
La commande se fait manuellement, à l'aide d'un boitier électronique (6) fixé sur l'engin de traction. Une prise électrique (7) disposée sur celui-ci permet l'alimentation électrique avec sa batterie. Un câble électrique (5) assure alors le transport de cette énergie vers le circuit de puissance (25) avec deux fils conducteurs, ainsi que le transfert des données de commande avec deux autres fils conducteurs supplémentaires. Ce câble comporte une prise multipolaire mâle étanche à chacune de ses extrémités, en correspondance avec la prise femelle (7) disposée sur l'engin de traction et une autre prise identique fixée sur le corps (1) de cette l'orthèse dynamique active.
En référence à la figure 1 , le dispositif conforme à l'invention comprend deux gouvernes de profondeur (2) et (3) qui sont entraînées en rotation par deux actuateurs rotatifs indépendants. Le plongeur peut donc contrôler le tangage en faisant varier l'incidence de ces gouvernes dans le même sens, positif ou bien négatif. Il en résulte un mouvement correspondant de plongée ou d'ascension.
En faisant varier l'incidence des gouvernes en opposition, positive à gauche et négative à droite ou bien le contraire, le plongeur suivra un mouvement de roulis dans le sens horaire ou bien dans le sens trigonométrique, par rapport à l'axe longitudinal de déplacement OY. A cette fin les ordres de commande sont effectués par deux interrupteurs à bascule, avec une position centrale neutre et rappel par ressort. Ces interrupteurs sont de type magnétique, insensibles à la pression hydrostatique et étanches, ils comportent deux touches.
Tel que représenté sur la figure 2, le dispositif comprend une gouverne de direction (4) associée à deux gouvernes de profondeur (2) et (3). Un plan stabilisateur (8) selon le référentiel 0X1 Y, est disposé dans le prolongement des deux gouvernes de profondeur. Ce plan stabilisateur comprend un prolongement (9), vers l'avant destiné à la fixation du chaussant. La gouverne de direction (4) est précédée par une dérive selon le plan OYZ1 , profilée en bord d'attaque symétrique et faisant partie du support (1).
Selon ce mode de réalisation, le support (1) est réalisé en une seule partie comprenant la dérive et le plan stabilisateur. Selon un autre mode de réalisation préférentiel la dérive soutenant la gouverne de direction (4) est démontable et dans ce cas le plongeur n'utilise que les deux gouvernes de profondeur qui permettent d'amorcer des virages en plongée et en ascension, en modifiant manuellement l'incidence de l'engin de traction à double flux latéral, dans le plan vertical OYZ1. Ce type d'utilisation est particulièrement adapté à la réalisation de ballets subaquatiques. Plus particulièrement avec l'utilisation d'un engin de traction à double flux latéral, construit selon un profil d'aile hydrodynamique, par exemple le modèle Mantaraya biturbo déposé sous N°d'enregistrement 00 4320, classement 12-06, publication 601 581 et 601 582.
Selon le mode de fonctionnement de la figure 3, l'actuateur rotatif est réalisé par l'association d'un servo-moteur tubulaire (10) avec un réducteur (11) dont l'axe de sortie (12) entraîne directement la gouverne correspondante. Le diamètre du servo-moteur tubulaire est le plus réduit possible pour pouvoir s'intégrer dans le profil de la gouverne, en améliorant ainsi la capacité hydrodynamique de Porthèse. Le servo moteur électrique sera de préférence de type "Pas à pas" avec blocage en position.
La figure 4 montre un mode de réalisation préférentiel par lequel le guidage en rotation est assuré par l'axe (12) et par une bague (14) en matériau plastique autolubrifiant coulissant directement sur le stator du moteur électrique, correctement aménagé à cet effet en ce qui concerne l'état de surface et l'oxydation. Les deux orifices (13) permettent à l'eau de circuler autour du servomoteur pour le refroidir. La liaison en rotation est assurée par une goupille (16) associée à deux anneaux élastiques (15). Ainsi est réalisée une parfaite intégration hydrodynamique de l'actuateur rotatif, dans le profil de la gouverne selon le plan OY21.
Selon la figure 5, le boitier de commande (6) comporte deux interrupteurs
(17) et (18) , avec rappel par ressort en position neutre, étanches et insensibles à la pression hydrostatique. Le calculateur intégré au boîtier de commande (6) comporte un module de codage PWM (Modulateur de largeur d'impulsion) ou bien PCM (Modulation d'impulsion codée), pour commander les trois mouvements de
05 base. L'information de commande est transférée au circuit électronique de puissance standard (25) équipé d'un décodeur, inclus au servo-moteur correspondant, par les deux fils conducteurs dédiés au transfert des données appartenant au câble (5). La durée de la pression sur un interrupteur est convertie en déplacement angulaire par le calculateur de la partie puissance. Ces ordres
10 seront de préférence multiplexés selon le protocole CAN conforme à la norme ISO 11898. Ceci afin de limiter à deux le nombre de fils conducteurs dédiés au transfert des données, du câble (5). L'alimentation en énergie électrique se fait par l'intermédiaire de la prise (7), située sur l'engin de traction. Cette alimentation est représentée sur le schéma électrique par les bornes positives et négative, reliées 5 à la batterie de l'engin de traction. L'interrupteur à bascule (20) sert à contrôler le mouvement de lacet et l'interrupteur à bascule (21) permet de sélectionner un des trois modes cycliques programmés dans le calculateur intégré au boitier de commande (6), puis le retour en mode manuel, par une série de quatre impulsions.
20 Selon un mode de réalisation préférentiel, la télécommande (23) sous forme d'un boitier étanche, peut se brancher directement sur la prise (7) intégrée à l'engin de traction et reliée par un câble électrique au boitier de commande. Le récepteur (22) est branché sur une prise du corps (1) , identique à la prise (7).
Selon la figure 6, le boitier de commande est réalisé en deux parties
: 25 interconnectées, pour un contrôle optimal de l'hortèse, en utilisant les deux mains.
Chacune des deux parties du boitier est intégré à une poignée à rotation limitée (26), avec rappel en position centrale par deux ressorts montés en opposition, en prenant appui sur le corps (1) et sur les deux faces opposées du levier (27). La limitation de la rotation angulaire est assurée par deux butées disposées sur la
30 poignée fixe correspondante et venant en appui sur le levier (27). D'autre part ce levier, lié mécaniquement à la poignée rotative, actionne un double interrupteur a bascule (17) ou bien (18), selon la poignée droite ou gauche. Ainsi un pouce est libéré pour actionner l'accélérateur progressif de l'engin de traction et l'autre peut contrôler le mouvement de lacet par l'intermédiaire d'un double interrupteur à
; 35 bascule (20), avec rappel en position neutre. Un autre double interrupteur à
bascule (21), permet de sélectionner le mode automatique pour les mouvements de tangage, de roulis et de lacet, ainsi que le retour en mode manuel par quatre impulsions successives. Le blocage en position neutre est activé par une impulsion sur la touche opposée de cet interrupteur, une deuxième impulsion force le retour en mode manuel. Les réglages de la fréquence et de l'amplitude des trois mouvements automatiques sont préprogrammés sur la carte électronique de commande. Un affichage à trois diodes (19) sert à visualiser le mode automatique choisi. Les interrupteurs sont reliés au calculateur intégré au boîtier (6) qui génère un signal codé de commande cydique. La carte électronique programmable correspondante peut être de type "Arduino" ou bien conçue à la demande.
La figure 7 montre une réalisation plus économique et plus performante, de Porthèse, par le montage en opposition de deux vérins pneumatiques souples à membrane (29). Ces deux vérins pneumatiques sont en appui de part et d'autre d'un prolongement (30) de la gouverne (2), faisant office de levier. Les faces opposées sont en contact avec le corps (1), dans unie cavité aménagée à cet effet. Cet actuateur se comporte donc comme un vérin pneumatique rotatif à double effet, avec un angle de rotation égal à deux fois l'incidence maximale Alpha. Il fait partie intégrante du corps (1), du point de vue conceptuel. Ces deux vérins sont pilotés par une électrovanne (31). Celle-ci est alimentée en air comprimé selon le conduit (32), par une cartouche d'air comprimée démontable et rechargeable, montée sur le corps (1). La gouverne correspondante est articulée sur le support (1) selon un axe (28) associé à un capteur de position angulaire (34). Ce type de conception très économique est tout particulièrement destinée à une conception de l'orthèse selon un projet de bio-design. Un blocage en une position quelconque est réalisée par le montage d'une électrovanne "Tout ou rien" (33) sur le conduit d'alimentation en air comprimé de chaque vérin pneumatique souple. Le profil de ce type de vérin sera de préférence rectangulaire, disposé selon sa longueur en position transversale dans le plan OX1 Y, et parallèle à l'axe (28).
Selon ce mode de réalisation de la partie puissance, le câble (5) peut avantageusement être remplacé par un système d'émission-réception sous la forme d'un émetteur (23), utilisant les ondes radio, laser ou bien des ultrasons. Le transfert des informations de commande au récepteur (22) peut se faire directement dans l'eau avec une antenne placée sur l'engin de traction, ou bien en utilisant un guide d'onde sous la forme d'un câble coaxial, dont les extrémités dénudées forment antenne, disposées à proximité des parties émettrice et
réceptrice, de la télécommande. Dans le cas d'utilisation d'une diode laser le guide d'onde sera constitué par une fibre optique. Une source d'énergie électrique de dimension réduite est alors intégrée dans le corps (1) sous la forme d'une batterie rechargeable, pour le pilotage des électro-vannes et l'alimentation du récepteur (22).
Ainsi un plongeur désirant se relaxer ou bien re-éduquer son corps et plus particulièrement sa colonne vertébrale, peut le faire sans effort en sélectionnant un mode automatique et en suivant l'engin de traction.
Le contrôle automatique alternatif du tangage entraîne une ondulation cyclique du corps du plongeur dans le plan vertical GYZ.
Le contrôle automatique alternatif du roulis entraîne une torsion alternative cyclique du corps du plongeur selon l'axe de déplacement GY.
Le contrôle automatique alternatif du lacet provoque une flexion cyclique latérale du corps dans le plan horizontal GXY.
Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la production industrielle économique par injection-réaction de polyuréthanes, dans le cadre d'un projet de bio-design avec intégration directe des fonctions mécaniques concernant l'entraînement en rotation des gouvernes. Il n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais le concepteur avertit saura y apporter toute variante conforme à son esprit.
Claims
REVENDICATIONS
1) Orthèse dynamique active comprenant deux gouvernes de profondeur et une gouverne de direction, motorisées par trois actionneurs rotatifs indépendants, comportant un plan de fixation du chaussant, caractérisée en ce que le pilotage est réalisée par l'intermédiaire d'un boîtier manuel de commande électronique (6) fixé sur l'engin de traction.
2) Orthèse dynamique active selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l'alimentation électrique et le transfert des données de commande, sont réalisés par un câble électrique (5) comportant une prise multi-polaire mâle à chaque extrémité, en correspondance avec une prise électrique femelle (7) montée sur l'engin de traction et une autre prise identique sur le corps (1).
3) Orthèse dynamique active selon la revendication 1, caractérisée en ce que les données de commande sont transmises par un émetteur branché sur la prise (7), associé à un récepteur branché sur une prise identique fixée sur le corps (1 ).
4) Orthèse dynamique active selon la revendication 1 caractérisée en ce que le boîtier de commande est construit en deux parties inter-connectées et fixées sur deux poignées rotatives installées sur les deux poignées de maintien de l'engin de traction.
5) Orthèse dynamique active selon les revendications 1,2,3 et 4 caractérisée en ce que le boîtier de commande (6) comporte un interrupteur à bascule supplémentaire (21) destiné à la commande de l'orthèse en mode automatique cyclique concernant les mouvements de tangage, de roulis, de lacet, et le retour en mode manuel, par quatre impulsions successives sur la première touche.
6) Orthèse dynamique active selon la revendication (5) caractérisée en ce que le blocage en position neutre des gouvernes, puis le retour en mode manuel, sont activés par deux impulsions successives sur la deuxième touche.
7) Orthèse dynamique active selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisée en ce que l'actuateur rotatif est réalisé par deux vérins pneumatiques souples (29) en contact de part et d'autre du prolongement (30) de la gouverne correspondante et en appui dans une cavité aménagée du corps (1).
8) Orthèse dynamique active selon la revendication 7 caractérisée en ce que le blocage de l'actuateur pneumatique dans une position quelconque est réalisé par deux électrovannes (33) commandées par l'interrupteur à bascule (21).
9) Orthèse dynamique active selon la revendication 8 caractérisée en ce que l'axe de pivot (28) actionne un capteur de position angulaire (34).
10) Orthèse dynamique active selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisée en ce que le support de la dérive de direction (4) est démontable.
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