JP6151263B2 - 能動的に安定化させたペイロード支持装置及び方法 - Google Patents
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Description
・支持されているバランスのとれた拡張ペイロードを案内し定位させるオペレータの直接の接触に反応しつつ、既存の支持ジンバルを介してペイロードに補助能動逆トルクがかかる。
・能動的に安定化させた3軸プラットフォームの直接オペレータ制御:このような3軸装置は、実際の使用においてはオペレータが直接触れることはなく、通常、ジョイスティックあるいはそのような遠隔制御インターフェースを用いてオペレータによって、常に自動的に電気的に操作される。
・錘、回転フライホィールを加えることなく、あるいはサイズを大きくすることなく、支持されている拡張ペイロードの慣性モーメントが大きくなり、ジンバルを介して拡張ペイロードに補助逆トルクを提供することでこの慣性が大きくなり、このトルクは、オペレータによって意図的に付加されたあるいは障害物を介して付加された外部トルクに比例して又は反しており、その結果、同様の錘とサイズ受動安定化装置に比較して、角度誤差が小さくなる。
・運動摩擦は、角速度とともに増える抵抗フィードバックトルクを生む静的慣性系と呼ばれ、オペレータがトルクを与えて拡張ペイロードのオリエンテーションを回転させるときにオペレータが感じる摩擦である。この運動摩擦は、より流動的で均一なパン及びチルト運動をさせる、オペレータの過剰なトルク脈動と、風邪による摩擦などの外部障害を有益に吸収し、ユーザは、おそらく、この特徴が特に、角度障害が拡大される「ズームイン」又は望遠ショットに有益であることがわかる。
・静的慣性系と呼ばれる静的摩擦トルクフィードバックは、直接オペレータ制御により特定のパン及びチルト定位がなされデバイスが静的である時に、ペイロードに取り付けたオペレータ制御面の制御をオペレータが開放すると、また外部力によって若干バランスが崩れ乱れた場合も、その方向を維持しようとする。
・ジンバルを介して拡張バランスペイロードにフィードバックトルクがかかり、このトルクは、オペレータがパン及びチルトトルクをかけ続けてペイロードを方向付けようとしても、ペイロードのチルト軸を局所水平にほぼ平行になるように、あるいは均等に、重力方向の測定に垂直に、そろえる方向にかかる。このチルト軸のアラインメントは、本発明はオペレータが自由に手又は身体に取付けて運ばれるにもかかわらず、パン−チルトヘッドに備え付けられている地面に取り付けた三脚の固有の水平フレーミング特性を提供する。
・上述した補助トルクの付加により、安定化装置は比較的穏やかに作動する。この装置を使用するオペレータは、装置が積極的に安定化されていることに気づくことなる、オペレータは受動安定化装置を直接操作しているが、慣れているオペレータのフィードバックによるものであり、例えば、三脚又は台車の従来の流体緩衝パン−チルトヘッドの制御可能性であると認識するであろう。
・従来の受動安定化装置を超えて大幅に機械的複雑さを増すことなく上述の要素を実行し、実際に、固体慣性センサ、プログラム可能なデジタル信号処理コントローラ、ディスクドライブ業界からのトルクアクチュエータ、及びその他の電子部品といった比較的コンパクトで軽量な電子部品を利用している。
(a)3本の実質的に互いにほぼ直交する軸周りのバランス部品アッセンブリの角速度と定位運動を測定し提供する角運動検知ユニットを使用するステップであって、このような角速度と定位運動が、オペレータの入力と外部障害物によって生じるものを含むステップと;
(b)3本の互いにほぼ直交する軸に所望の角速度と定位運動を提供するステップと;
(c)信号プロセッサを用いて、3本の実質的に互いに直交する軸についての測定した角速度と定位運動を、モデル角速度と定位運動とにそれぞれ比較して、互いにほぼ直交する軸のそれぞれについての比較を行うステップと;
(d)各比較に基づいて、3本の互いにほぼ直交する軸のそれぞれについて補助トルク信号を生成するステップと;
(e)それぞれのトルク発生器に各補助トルク信号を印加するステップと;
(f)ステップ(a)乃至(e)を繰り返して、フィードバックループを形成するステップ。
バランス構成アッセンブリは、「SLED」構造と呼ばれる構造を具える。図に示すSLED構造は米国特許第4,017,168号に記載されており、これはハンドヘルド写真撮影に使用する設備として設計されている。本発明の共同発明者であるGarrett Brown は、この特許の発明者でもある。SLED構造は、以下において、リグ又は安定化装置の略として引用される。例えば、カメラやそれに関連する設備といったペイロードを伴う安定化装置を、「バランス成分アッセンブリ」と呼ぶ。
例えば、慣性測定ユニット(IMUs)などの角運動検知ユニットは、通常、角回転速度と直線加速度及び、ユニットを取り付ける対象物又は乗物の重力に対する配位を測定する。本発明の実施例では、いわゆる「6度の自由度」という運動検知ユニットを使用して、取り付けた「SLED」+カメラの、3本の互いにほぼ直交する軸を中心とする合成角回転速度を、いわゆる「角速度センサ」によって測定し、3本のリニアで、かつ互いに直交する軸に沿った空間加速度を加速度計によって測定する。3つの角速度センサは、通常、カメラの回転の「ロール」軸、「チルト」軸、及び「パン」軸に整列して装着されている。角運動検知ユニットの直線加速度計は、通常、カメラの「上下」軸、「左右」軸、及び「前後」軸に沿って整列している。加速度計は、空間を通る実際の直線加速度、並びに重力による静的加速度に対応しており、後者は、地軸を基準とした「垂直/水平」方向に対するカメラペイロードの配位の静止状態角度を検出するのに使用できる。
角速度センサを使ってバランス成分アッセンブリの回転を推定することと、加速度計を使ってその重力加速度を推定することによって、アルゴリズムが、各運動検知ユニットに応答する図1に示す、次のサブアッセンブリによって行われる安定化の調整を図る安定化カウンタトルクを作るのに必要な信号の情報を有することになる。
要約すると、フィードバックコントローラ3が角運動検知ユニットサブアッセンブリ2から運動信号を受信し、アルゴリズムの組み合わせを介して安定化逆トルク信号を生成する。これらの逆トルク信号は、全軸トルク発生器4で物理的トルクに変換される。全軸トルク発生器は、例えば、安定化逆トルク信号に対応する3つの個別トルク発生器410、420、430を具える。トルク発生器410、420、430は、ロール軸、チルト軸、及びパン軸の周りにそれぞれトルクを発生させる。角運動検知ユニットは、結果としての回転配位と速度を測定し、フィードバックコントローラへフィードバックさせる代表的信号を生成し、所望の安定性を生み出すフィードバックループを完成する。
(1)ロール軸アルゴリズム320:トルク発生器410に装着されたジンバルのロール軸を介して補正トルクを与えることによって、水平平準化特性を実装する。
(2)パン軸モデルフォロワーアルゴリズム340:ジンバルを装着したトルク発生器430のパン軸を介して補正トルクを与えることで、慣性強化+この軸の静的及び動的摩擦を実装する。
(3)チルト軸モデルフォロワーアルゴリズム330:ジンバルを装着したトルク発生器420のチルト軸を介して補正トルクを与えることで、慣性強化+この軸の静的及び動的摩擦を実装する。
図2、図5のロール軸アルゴリズム320−水平平準化
本発明の実施例に係るロール軸アルゴリズム320は、アッセンブリ1に運動部品を追加することなく、水平平準化特性を提供する。従来の安定化装置のオペレータは、そのレベルを維持するに当たり、多大な精神的努力を払っている。自動的になされるこの低レベルの仕事により、オペレータは、手でカメラの動きのフレーミングと、そのセットを通るナビゲートに集中し、ショットを完成する。更に、能動的ジンバルトルクに平準化特性が提供されているので、安定化装置1を具えるバランス成分アッセンブリは、従来の低重心に代わってニュートラルにバランスすることができる。有利なことに、本発明の例示的実施例では、オペレータが自分の意志で、低重心リグの一定トルクに逆らうことなく傾けて、より大きなチルト角度でより安定なフレーミングを行うことができる。重要なことは、ロール軸アルゴリズム320が、全体にわたって、あるいは多くの実際のチルト角度に水平平準化を維持することができる一方、すべての又は多くの実際の実用速度でパニングもできる。
慣性強化に加えて、パン及びチルト軸アルゴリズム340、330が安定化装置アッセンブリに、標準地軸ベースカメラの流体緩衝パン−チルトヘッドからの生産的特徴、すなわち、動的及び静的摩擦を加える。これは、人工水平儀アルゴリズム310によって提供される固定慣性系と呼ばれる。静的摩擦は、カメラオペレータが、いわゆる最小の努力で「ロックオフ」と呼ばれる、固定パン/チルト配位を維持するのを支援する。動的摩擦は、特に長い(望遠)レンズを用いたパンとチルトのゆっくりしたスムーズさを強化する。これらの合成摩擦の両方とも、ガイド140への突風や過剰なオペレータの入力によるカメラ障害を小さくするのに役立つ。
慣性強化+有用な摩擦の合成が、受動バランス成分アッセンブリのパン軸とチルト軸に加えられる。物理的モデル341、331を刺激するパン軸とチルト軸のアルゴリズムを用いるのに加えて、パン軸とモデル軸のフォロワー346、336を使用する。基本的技術は、信号プロセッサ内の所望の強化バランス成分アッセンブリの物理特性を模倣した理想モデルのリアルタイムでのシミュレーションを構築するステップを具える。刺激を受けたバランス成分アッセンブリは、実際の静的バランス成分アッセンブリに与えられた外部パン/チルト賞味トルク信号343、333を推定することによって駆動される。次いで、刺激を受けたバランス成分アッセンブリの計算した所望の動きを、実際の静的バランス成分アッセンブリの測定した動きと比較して、その差異に基づいた補正フィードバクトルクを展開させて、物理的バランス成分アッセンブリの動きを刺激を受けたバランス成分アッセンブリの動きに合致させる。全軸トルク発生器4が十分に強力で、フィードバックループの帯域が十分に高ければ、バランス成分アッセンブリは通常、理想的な刺激を受けたモデルに非常によく合致する(及び、オペレータの間隔とほぼ同等の感覚にできる)。
経時角度位置=経時角速度の積分
「総トルク」=「構造的慣性モーメント」×「角加速度」
の式を作った。
「正味外部トルク」=「総トルク」−各軸についての「補助トルク」
である。
「補助トルク」=K1×(モデル速度−測定速度)
+
K2×(モデル角度−測定角度)
上述した標準「物理シミュレーションモデル+モデルフォロワー」アルゴリズムの実際の欠点は、本発明の様々な実施例によって解決できる。上述したアルゴリズムは、発生した補助トルクがオペレータが与えたトルクの強度を超えて十分に大きいときに限り有効であり、従って、物理リグを実質的にモデルに整列させておく。
オペレータが増大するトルクをかけるとすると、「スレーブ」(物理的構造)が「マスター」モデルを忠実に追従して、全方向軸トルク発生器4が最大トルクに達するまで、装置は所望の安定特性がある慣性の増大と摩擦を正確に提供する。この時点で、バランス成分アッセンブリの「感覚」は、リグをモデルに合致させるのに必要な追加の補助トルクが十分でないため、突然変化する。バランス成分アッセンブリは、すぐに同期した慣性を失い、オペレータが更にトルクをかけ続けると、予期せず速度が上がり始める。物理的構造の方向が急に前進するため、モデルの位置ゴールを大幅に追い越し始める。オペレータは、最終的にその変化を感じて、無意識にリグに掛けたトルクを小さくするか完全に開放し始める。トルク発生器のフィードバックループは、徐々に飽和状態になり、バランス成分アッセンブリが角度的にモデル位置ゴールの前にきて、反対方向に最大トルクをかけて、物理的リグを急激に「後退」させてモデルに合致させる。これによって、アルゴリズムが物理的リグとモデルの間の位置の合致を再度達成しようとするときに、面倒で受け入れられない「サーボ不安定性」又は「逆方向へのはね戻り」として生じているものがわかる。
チルト角の範囲、すなわち、水平から+/−80度程度以内で、上述のロール軸水平化アルゴリズムが実行される。所定の角度を超えて、天頂角に近づくと、水平に対するロール軸駆動がフィードバック強度において徐々に小さくなり、「慣性のみの」アルゴリズムに徐々に置き換えられ、現在のカメラロール角度を維持しようとする。本発明の実施例は、物理的構造の受動ロール慣性によるものであり、更に、上述したパン/チルト慣性強化アルゴリズムによって提供されるものと同様に、ロール軸能動慣性強化への移行を利用している。
上述のパン軸アルゴリズムは、パンレートの地軸に向けた測定と、人工水平儀アルゴリズムで提供される角度に応答している。測定した地軸に向けたパン軸は、局所重力にほぼ垂直に整列している。携帯型あるいは身体搬送型の物理的構造は、例えば、天頂角に傾いているため地軸パン軸は、カメラのパン軸には整列せず、実際は、90度直交する関係に近づく。したがって、本発明の実施例は、設定した「極限」スレッシュホールドを超えるチルト角度を検出すると、パン軸アルゴリズムを変形して、カメラ自体のパン軸に向けた測定角度及び速度に徐々に応答するようにする。このように、パン軸アルゴリズムは、極限チルト角度で、カメラを地軸に向けたパン軸ではなくカメラ自体のパン軸に対して安定させる。これは、厳しい地軸に向けたパン−チルトマウントモデルの係合と、望ましくないジンバルロック動作とからパン軸をはずすので望ましい。
特に、本発明の携帯型の実施例では、片手で支持することができ、さらにオリエンテーションも可能な更に生産性が高い変形を行うことができる。外側ハンドルと内側アッセンブリの間の弾性カップリングが、「ソフトエンドストップ」特性を提供することができ、これによって、オペレータがハンドルをジンバルの最大角度範囲を超えて回転させると、特に、通常制限された角度範囲のボイスコイルが使用されているロール軸とチルト軸に対して、カメラペイロードをスムースに角度方向に加速させる。このようなデバイスは、米国特許公開2011/0080563A1に見られ、このデバイスは、引用によりここに組み込まれている。本発明の例示的実施例は、無制限のパン角度回転範囲を有するが、パン軸を通る弾性カップリングによっても、片手搬送とオリエンテーションを行うことができる。この片手操作モードは、自動車などの運転にオペレータのフリーハンドが必要な場合に、特に有益である。ここに開示したアルゴリズムを、このような弾性的にカップリングしたパン軸トルク発生器に適用することができる。
上述したように、本発明の実施例は、オペレータが実際に直接かつ局所的に制御する安定化装置の安定性を主に強化している。しかしながら、遠隔制御可能な変形例を実装して、遠隔カメラプラットフォームについての上述した安定性特性を作ることができる。
全軸トルク発生器サブアッセンブリは、安定化装置アッセンブリ1の「SLED」の全軸ジンバルに連結されており、アルゴリズムによるフィードバックコントローラ3で提供される「補助トルク」信号に応答する。
Claims (20)
- 複数のトルク発生器を有するバランス成分アッセンブリを安定化する方法において:
(a)角運動検知ユニットを使用して、3本の互いにほぼ直交する軸における前記バランス成分アッセンブリの角速度と角度方向を測定し提供するステップであって、前記角速度と角度方向が、トルク発生器によって生成された角速度および角度方向と、オペレータの入力と外部障害によって生じたものを含む、ステップと;
(b)測定した前記角速度および角度方向から得られた総トルク信号から、前記トルク発生器によってかけられたトルクを減じて、正味外部トルクを提供するステップと;
(c)前記3本の互いにほぼ直交する軸における所望の角速度と角度方向をもつ物理モデルを提供するステップであって、当該物理モデルが前記正味外部トルクに対応しているステップと;
(d)信号プロセッサを用いて、測定した角速度および角度方向を、モデルの角速度および角度方向と、前記3本の互いに直交する軸の各々について比較して、当該互いに直交する軸の各々について個別のアルゴリズムを使用し、前記互いに直交する軸の各々についての比較を生成するステップと;
(e)角速度の差を第1のスケールファクタで乗じて、スケール化した角速度の差を形成し、角度方向の差を第2のスケールファクタで乗じて、スケール化した角度方向の差を形成するステップと;
(f)信号プロセッサを用いて、前記スケール化した角速度の差と前記スケール化した前記角度方向の差とを足すことによって、相互に直交する軸の各々について補助トルク信号を生成するステップと;
(g)前記補助トルク信号の各々を、それぞれのトルク発生器に与えるステップと;
(h)ステップ(a)乃至(g)を繰り返して、フィードバックループを形成するステップと;
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、前記三本の互いにほぼ直交する軸が、パン、チルト及びロール軸に対応することを特徴とする方法。
- 請求項1に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、前記角運動検知ユニットによって提供された前記測定した角速度と角度方向が、前記トルク発生器と前記角運動検知ユニットが取り付けられた「乗物」に関連し、当該方法が更に:
乗物に関連する角速度と角度方向を、人工水平儀アルゴリズムを用いて、地軸を基準とした角速度及び角度方向に変換するステップを具えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、前記補助トルク信号が、スタビライザの角度慣性を増加させることを特徴とする方法。
- 請求項2に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法が更に:
固定慣性フレームを基準とした静止トルクと摩擦トルクを前記物理モデルの、モデル化したチルトトルクと、モデル化したパントルクに加えるステップを具えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、慣性モーメントと動的ブレーキ摩擦係数が、各互いにほぼ直交する軸の測定した角速度の増加に応じて時間と共に自動的に小さくなることを特徴とする方法。
- 請求項6に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法が更に:
補助トルク制限を下回るスレッシュホールドトルクを提供するステップと;
外部トルクが前記スレッシュホールドトルクに達した時に前記補助トルクを低減させて、オペレータのトルク入力を小さくするようにオペレータに信号を出すステップを具えることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において前記オペレータの入力が、全軸トルク発生器にオペレータが遠隔で与えたトルクを含むことを特徴とする方法。
- 請求項2に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、
前記チルトに対応するチルト軸の角度が、ロール軸水平化アルゴリズムが使われている選択され
た範囲における角度に等しく;
前記チルト軸の角度が、慣性のみのアルゴリズムが使われている選択された範囲から外れている;
ことを特徴とする方法。 - 請求項9に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において、前記選択されたチルト軸角度範囲が約+/−80度であることを特徴とする方法。
- 請求項3に記載のバランス成分アッセンブリを安定化させる方法において:
チルト軸の角度がスレッシュホールド角度に等しいときに、パン軸アルゴリズムが、地軸を基準とする角速度と角度方向ではなく、乗物を基準とする角速度と角度方向に次第に応答するように変形されていることを特徴とする方法。 - ペイロードを安定化させる装置において:
前記ペイロードの中間の重心からずれた位置にある重心と、オペレータコントロールガイドと、全軸トルク発生器を有するジンバルとを具えるスタビライザと、
フィードバックコントローラと;
前記全軸トルク発生器で生成した角速度と角度方向を測定することができる角運動検知ユニットであって、前記角速度と角度方向が外部障害によって生じた角速度と角度方向を含む、ユニットと;
を具え、
前記全軸トルク発生器がロールトルク発生器と、チルトトルク発生器と、パントルク発生器とを具え;
前記全軸トルク発生器が当該フィードバックコントローラで発生した補助トルク出力信号によって駆動され;
前記フィードバックコントローラが、前記角運動検知ユニットに機能的に接続された信号プロセッサを具え、測定した角速度と角度方向とを入力として受信し、
前記信号プロセッサが: 人工水平儀アルゴリズムと、第1の軸アルゴリズムと、第2の軸アルゴリズムと、第3のパン軸アルゴリズムと、を具え;
前記信号プロセッサが、前記それぞれのアルゴリズムによって、測定した角速度と角度方向を処理して、前記第1、第2及び第3の軸の各々に与えるべき補助トルク信号を生成することができ、この補助トルクが与えられたときに、前記角速度と角度方向が物理モデルに合致するように変形した、
ことを特徴とする装置。 - 請求項12に記載の装置が、前記第2の軸と前記第3の軸における運動を制御するオペレータ制御面を具え、前記第1の軸における運動が、前記フィードバックコントローラのみによって制御されることを特徴とする装置。
- 請求項12に記載の装置において:
ハンドルアッセンブリであって、第3のトルク発生器の中空シャフトの周りを回転可能なシェルを有するハンドルアッセンブリと;
前記第3のトルク発生器のシャフトに固定したモータと;
前記第3のトルク発生器のシャフト内に配置され、前記モータに連結されたワイヤと;
前記第3のトルク発生器のシャフトの周りを回転自在であり、前記シェルに固定的に係合した上端キャップと;
前記シェルの底端部に固定的に係合した底端キャップであって、中にホールを有しそのホールに第3のトルク発生器を配置して固定的に取り付けた底端キャップと;を具え、
この構成により、前記シェルがほぼ制限なく前記第3の軸の出力シャフトの周りを、前記ワイヤがねじれることなく回転可能である、ことを特徴とする装置。 - 請求項12に記載の装置において、前記全軸トルク発生器が、第3、第2及びロールに対応する3本の互いに直交する軸においてトルクを発生することを特徴とする装置。
- 請求項12に記載の装置において、前記それぞれのアルゴリズムが、固定慣性フレームを基準として、前記物理モデルのモデル化第2トルクとモデル化第3トルクに静止トルクと摩擦トルクを加えることを特徴とする装置。
- 請求項12に記載の装置が更に、オペレータの入力によって制御された遠隔制御全軸トルク発生器を具えることを特徴とする装置。
- 請求項12に記載の装置が更に、受動トランスジンバルカップリングを具え、当該受動トランスジンバルカップリングが、追加の外部トルクを提供することを特徴とする装置。
- 複数のトルク発生器を有するバランス成分アッセンブリを安定化する方法において:
(a)角運動検知ユニットを使用して、3本の互いにほぼ直交する軸における前記バランス成分アッセンブリの角速度と角度方向を測定し提供するステップであって、前記角速度と角度方向が、オペレータの入力と外部障害によって生じたものを含む、ステップと;
(b)前記3本の互いにほぼ直交する軸における所望の角速度と角度方向をもつ物理モデルを提供するステップと;
(c)信号プロセッサを用いて、測定した角速度と角度方向を、モデル角速度と角度方向とを、前記3本の互いに直交する軸の各々について比較して、前記互いに直交する軸の各々についての比較を生成するステップと;
(d)それぞれの比較に基づいて、前記相互に直交する軸の各々について補助トルク信号を生成するステップと;
(e)前記補助トルク信号の各々を、それぞれのトルク発生器に与えるステップと;
(f)ステップ(a)乃至(e)を繰り返して、フィードバックループを形成するステップと;
を具え、
慣性モーメントと動的ブレーキ摩擦係数が、各互いにほぼ直交する軸の測定した角速度の増加に応じて時間と共に自動的に小さくなることを特徴とする方法。 - 複数のトルク発生器を有するバランス成分アッセンブリを安定化する方法において:
(a)角運動検知ユニットを使用して、3本の互いにほぼ直交する軸における前記バランス成分アッセンブリの角速度と角度方向を測定し提供するステップであって、前記角速度と角度方向が、オペレータの入力と外部障害によって生じたものを含む、ステップと;
(b)前記3本の互いにほぼ直交する軸における所望の角速度と角度方向をもつ物理モデルを提供するステップと;
(c)信号プロセッサを用いて、測定した角速度と角度方向を、モデル角速度と角度方向とを、前記3本の互いに直交する軸の各々について比較して、前記互いに直交する軸の各々についての比較を生成するステップと;
(d)それぞれの比較に基づいて、前記相互に直交する軸の各々について補助トルク信号を生成するステップと;
(e)前記補助トルク信号の各々を、それぞれのトルク発生器に与えるステップと;
(f)ステップ(a)乃至(e)を繰り返して、フィードバックループを形成するステップと;
を具え、
前記3本の互いにほぼ直交する軸のうちのチルト軸の角度が、ロール軸水平化アルゴリズムが使われている選択された範囲における角度に等しく;
前記チルト軸の角度が、慣性のみのアルゴリズムが使われている選択された範囲から外れていることを特徴とする方法。
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