專利名稱:可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種電子機(jī)械裝置,特別是用于家庭教育或娛樂的可構(gòu)建寓教于 樂型的機(jī)器人產(chǎn)品,尤其涉及一種通過(guò)模塊式電路板、機(jī)械結(jié)構(gòu)及外殼由孩子自行拼裝,可 通過(guò)手柄遙控或自動(dòng)控制,具備自動(dòng)感知家具、樓梯等障礙并避讓,在一定范圍內(nèi)跟隨移動(dòng) 物體,室內(nèi)光線強(qiáng)度檢測(cè)、觸碰檢測(cè)、電量檢測(cè)、狀態(tài)提示、灰度識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、錄音留言選 擇播放、音樂播放、定時(shí)提醒播放等功能,從而提高青少年動(dòng)手能力,增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣以及了 解電子學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、模糊邏輯學(xué)等多學(xué)科知識(shí)普及的可構(gòu)建寓教于樂 型機(jī)器人。
背景技術(shù):
家庭教育是孩子成長(zhǎng)過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。而目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用在家 庭教育領(lǐng)域的產(chǎn)品種類非常單一,而多以?shī)蕵沸偷碾娮赢a(chǎn)品為主。用于娛樂的電子機(jī)械裝 置均用簡(jiǎn)單的模擬電路或者簡(jiǎn)單的單片機(jī)實(shí)現(xiàn),只能實(shí)現(xiàn)某些簡(jiǎn)單的機(jī)械動(dòng)作或者固定的 外界刺激下表現(xiàn)出某些預(yù)設(shè)的動(dòng)作,基本上不具備智能活動(dòng),用戶無(wú)法對(duì)其應(yīng)激性行為進(jìn) 行可編程設(shè)定;國(guó)外的某些智能產(chǎn)品的價(jià)格又十分昂貴,抑制了孩子們的購(gòu)買欲。國(guó)內(nèi)家庭 教育類的電子產(chǎn)品中,通過(guò)娛樂啟發(fā)教育,集教育和娛樂于一身的智能機(jī)器人十分缺乏,青 少年很難找到一套良好的啟蒙教育套件,能對(duì)電子學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、自動(dòng)控 制等學(xué)科知識(shí)有一定的了解和認(rèn)識(shí)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種可廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研、家庭教育以及娛樂等方 面,有效提高青少年學(xué)習(xí)興趣的可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人,該機(jī)器人的電路板模塊化拼裝 設(shè)計(jì)便于青少年學(xué)習(xí)和理解電路工作原理,做到將理論知識(shí)與科學(xué)實(shí)踐相結(jié)合??蓸?gòu)建寓 教于樂型機(jī)器人能仿真生物的應(yīng)激性,具有一定的智能,并可以讓用戶自行調(diào)整參數(shù),全部 電子機(jī)械裝置及外殼由用戶自行拼裝。本實(shí)用新型可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人是由機(jī)身殼 體、手柄殼體以及機(jī)身與手柄內(nèi)部的控制電路構(gòu)成,機(jī)身殼體頭部有一對(duì)帶發(fā)光LED燈的 眼睛,頭部有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu);胸前有液晶顯示屏和機(jī)器人電源開關(guān),腹部有用于錄音的麥克風(fēng)小 孔和一個(gè)用于播放聲音的揚(yáng)聲器;身體前部左右兩側(cè)分別各有一對(duì)用于障礙物檢測(cè)的圓 形凸起,里面設(shè)置有超聲波元件;身體中后部左右兩側(cè)分別各有一個(gè)用于檢測(cè)光線的橢圓 形凸起,里面設(shè)置有光敏元件;身體底部前后有一圈防撞杠作為保護(hù),其中后部的防撞杠內(nèi) 嵌一個(gè)觸碰式開關(guān);底盤有對(duì)稱嵌在左右兩側(cè)的兩個(gè)輪子,前部還安裝一個(gè)小型的、可以作 360度旋轉(zhuǎn)的萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)輪;機(jī)身控制電路由控制主芯片及其外圍電路模塊發(fā)光電路、發(fā)聲 電路、障礙物檢測(cè)電路、光線檢測(cè)電路、碰撞檢測(cè)電路、灰度檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、計(jì)算 機(jī)接口電路構(gòu)成,發(fā)光電路連接發(fā)光LED9燈,發(fā)聲電路連接揚(yáng)聲器,障礙物檢測(cè)電路連接 身體前部?jī)蓚?cè)的超聲波元件,光線檢測(cè)電路連接身體中后部?jī)蓚?cè)的光敏元件,碰撞檢測(cè)電 路連接身體后部防撞杠內(nèi)的觸碰開關(guān),灰度檢測(cè)電路連接身體底部的灰度元件,電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與輪子電機(jī)連接,計(jì)算機(jī)接口電路與身體后部USB 口連接;手柄殼體上蓋上部有一個(gè) 液晶顯示屏,顯示屏左右兩側(cè)對(duì)稱分布了功能操作輸入鍵盤,設(shè)有菜單方向、確認(rèn)、退出及 機(jī)器人方向移動(dòng),設(shè)有左電機(jī)前進(jìn)、后退,右電機(jī)前進(jìn)、后退按鍵,以及照明、功能切換按鍵, 電性連接該手柄主控芯片,上蓋下部中間是開關(guān)機(jī)按鍵,按鍵左側(cè)是用于操控機(jī)器人移動(dòng) 方向的搖桿,按鍵右側(cè)是用于設(shè)置機(jī)器人移動(dòng)速度的滑動(dòng)桿,手柄殼體頂部有計(jì)算機(jī)接口, 底部有一個(gè)麥克風(fēng)小孔,里面設(shè)置有用于語(yǔ)音識(shí)別的麥克風(fēng)。手柄殼體下蓋分為主殼體與 左右電池蓋殼體三部分,前部左右各分布一對(duì)由用戶預(yù)設(shè)的功能按鍵,下蓋中上部的圓形 點(diǎn)陣是手柄用于發(fā)聲的揚(yáng)聲器,手柄控制電路由控制主芯片及其外圍電路模塊射頻通信 電路、語(yǔ)音識(shí)別電路構(gòu)成,射頻通信電路內(nèi)置發(fā)射接收天線,語(yǔ)音識(shí)別電路連接手柄底部的 麥克風(fēng),可擦寫語(yǔ)音識(shí)別芯片用于識(shí)別語(yǔ)音指令??蓸?gòu)建寓教于樂型機(jī)器人的機(jī)身殼體后 部防撞杠有彈性裝置設(shè)計(jì),可用于檢測(cè)碰撞和觸摸的觸碰開關(guān)??蓸?gòu)建寓教于樂型機(jī)器人 的底盤有電池盒以及兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪??刂齐娐钒寮澳K化功能電路板裝置在底盤內(nèi)部??蓸?gòu) 建寓教于樂型機(jī)器人機(jī)身可以通過(guò)USB 口或射頻通訊口,把用戶設(shè)定的程序下載到該機(jī)器 人機(jī)身內(nèi)的控制主芯片上,從而令機(jī)器人具有類似智能生物的應(yīng)激性,檢測(cè)部件被觸發(fā)時(shí) 產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)激動(dòng)作,如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、原地旋轉(zhuǎn)、發(fā)聲、閃燈等功能,形成一個(gè)復(fù)雜而完 善的智能系統(tǒng);可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人也可以通過(guò)遙控手柄分別調(diào)取單個(gè)檢測(cè)部件功能 模塊,并觸發(fā)其相應(yīng)的應(yīng)激動(dòng)作,以達(dá)到教育的目的。 本實(shí)用新型可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人采用ARM處理器作為控制主芯片,一方面適 合對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用、自動(dòng)控制等進(jìn)行啟蒙教育,便于深入淺出地對(duì)相關(guān)概念進(jìn)行解釋,讓使用 者對(duì)機(jī)器人有感性和理性的了解和認(rèn)識(shí)。另一方面,該可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人能仿真生 物的應(yīng)激性,具有一定的智能,并且可由用戶自行調(diào)整參數(shù)、設(shè)定操作流程,全部電子機(jī)械 裝置及外殼由用戶自行拼裝,增加趣味性,寓教于樂。
圖15為可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人機(jī)身與手柄控制電路的通信電路圖。圖16為可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人手柄控制電路的語(yǔ)音識(shí)別電路圖。圖17為可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人機(jī)身與手柄組合的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1、2中,機(jī)身殼體由一系列的外殼組件拼裝而成,外殼使用ABS塑料,頭頂部有 擴(kuò)展接口裝置設(shè)計(jì)7,用于安裝外置SD存儲(chǔ)設(shè)備,頭前部有一對(duì)帶發(fā)光LED燈的眼睛6,可 以獨(dú)立控制亮和滅,頭部有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)15;胸前有液晶顯示屏4,可以顯示工作狀態(tài)及參數(shù), 以及機(jī)器人電源開關(guān)3,方便用戶操作,腹部有用于錄音的麥克風(fēng)小孔2和一個(gè)用于播放聲 音的揚(yáng)聲器1,身體前部左右兩側(cè)分別各有一對(duì)用于障礙物檢測(cè)的圓形凸起5,里面設(shè)置有 超聲波元件,身體中后部左右兩側(cè)分別各有一個(gè)用于檢測(cè)光線的橢圓形凸起8,里面設(shè)置有 光敏元件,計(jì)算機(jī)接口電路與身體后部USB 口連接10,身體底部前后有一圈防撞杠作為保 護(hù),其中后部的防撞杠內(nèi)嵌一個(gè)觸碰式開關(guān)11 ;底盤有對(duì)稱嵌在左右兩側(cè)的兩個(gè)輪子9,前 部還安裝一個(gè)小型的、可以作360度旋轉(zhuǎn)的萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)輪12,底盤前輪的后面是灰度傳感元 件13,在機(jī)器人移動(dòng)過(guò)程中可以檢測(cè)地面灰度的區(qū)別,底盤中間是電池盒14,可使用充電 電池或普通堿性電池為機(jī)器人提供能量。圖3、4中,手柄殼體由一系列的外殼組件拼裝而成,外殼使用ABS塑料,手柄殼體 上蓋上部有一個(gè)液晶顯示屏2,顯示屏左右兩側(cè)對(duì)稱分布了功能操作輸入鍵盤3及機(jī)器人 方向移動(dòng)按鍵4,上蓋下部中間是開關(guān)機(jī)按鍵7,按鍵左側(cè)是用于操控機(jī)器人移動(dòng)方向的搖 桿5,按鍵右側(cè)是用于設(shè)置機(jī)器人移動(dòng)速度的滑動(dòng)桿6,手柄殼體頂部有計(jì)算機(jī)接口 1,底部 有一個(gè)麥克風(fēng)小孔8,里面設(shè)置有用于語(yǔ)音識(shí)別的麥克風(fēng);手柄殼體下蓋分為主殼體與左 右電池蓋殼體11三部分,前部左右各分布一對(duì)由用戶預(yù)設(shè)的功能按鍵9,下蓋中上部的圓 形點(diǎn)陣是手柄用于發(fā)聲的揚(yáng)聲器10。圖5中,主控電路由主控芯片和外圍電路構(gòu)成,主控芯片采用ARM處理器,通過(guò)標(biāo) 準(zhǔn)I/O接口、AD轉(zhuǎn)換接口、SPI數(shù)據(jù)通信接口等采集機(jī)身外圍傳感器的數(shù)據(jù),處理器內(nèi)核進(jìn) 行處理,并產(chǎn)生相應(yīng)的反饋,如前進(jìn)、后退、身體轉(zhuǎn)動(dòng)、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)、眼睛閃爍、發(fā)音等,綜合這 些動(dòng)作,機(jī)器人更可以展現(xiàn)出擬人化的躲避障礙物、尋找光源等功能。另外產(chǎn)品配備PC端 圖形化軟件編程平臺(tái),用戶可自行編制機(jī)器人的行為,通過(guò)USB接口下載至機(jī)身,使用戶在 體驗(yàn)機(jī)器人樂趣的同時(shí),可以學(xué)習(xí)到各種傳感器的工作原理以及編程規(guī)范、技巧,起到寓教 于樂的作用。圖6中,發(fā)光裝置由3個(gè)三極管和6個(gè)發(fā)光LED組成,Ql控制白色LED D3、D4、D5、 D6,Q2控制紅色LED D2,Q3控制藍(lán)色LED Dl,處理器的I/O驅(qū)動(dòng)三極管的開關(guān),來(lái)控制LED 的開關(guān),同時(shí)增大了驅(qū)動(dòng)能力。整個(gè)機(jī)器人含兩個(gè)發(fā)光裝置,并可以獨(dú)立控制。圖7A中,整個(gè)機(jī)身含兩路障礙檢測(cè)發(fā)射裝置,并可以獨(dú)立控制,每一路都由升壓 電路和發(fā)射頭構(gòu)成,處理器輸出固定頻率的PWM波,經(jīng)升壓后驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭發(fā)射信號(hào)到待檢 測(cè)的物體表面。圖7B中,整個(gè)機(jī)身含兩路障礙檢測(cè)接收裝置,并可以獨(dú)立控制,每一路都由一個(gè) 運(yùn)算放大器將接收到的反射信號(hào)進(jìn)行放大,放到后的信號(hào)送到U5進(jìn)行比較,以確定該路是 否檢測(cè)到物體,比較的結(jié)果送到處理器處理,并可根據(jù)與發(fā)射檢測(cè)信號(hào)時(shí)的時(shí)間進(jìn)行比較,結(jié)合信號(hào)傳播速度計(jì)算待檢測(cè)物體距機(jī)器人本身的距離。圖8中,光線檢測(cè)裝置由兩個(gè)光敏電阻Rsl和Rs2組成和對(duì)應(yīng)的分壓電阻R2和R3 組成,在光線發(fā)生變化的時(shí)候,Rsl和Rs2的阻值會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而分到Rsl和Rs2的電壓 也會(huì)跟隨變化,處理器通過(guò)檢測(cè)光敏電阻的電壓值,來(lái)確定外界光線的強(qiáng)度。圖9中,灰度檢測(cè)裝置由發(fā)光LED DlO及其限流電阻R3和光敏IC Q3及其采樣電 阻R4組成,DlO發(fā)出固定強(qiáng)度的光線,通過(guò)不同物體表面反射到Q3,驅(qū)動(dòng)Q3輸出相應(yīng)的電 流,使R4兩端產(chǎn)生一定的電壓變化,處理器通過(guò)采集R4兩端的電壓以確定物體表面的灰 度。圖10中,電量檢測(cè)裝置由電阻Rl和R2組成,隨著電壓的變化,R2兩端的電壓會(huì) 同時(shí)變化,處理器通過(guò)檢測(cè)R2兩端的電壓值確定當(dāng)前系統(tǒng)的電壓值。圖11中,觸碰檢測(cè)裝置由一個(gè)觸碰開關(guān)及其上拉電阻組成,當(dāng)機(jī)器人的尾部碰到 障礙物的時(shí)候,觸碰開關(guān)會(huì)閉合,輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電平變化,處理器一旦檢測(cè)到這種變 化,立刻做出停止電機(jī)等保護(hù)動(dòng)作。圖12中,聲音處理裝置由一個(gè)音頻處理芯片及其外圍電路組成,可以播放MP3、 WMA, WAV、MIDI格式的音頻,音頻信號(hào)可經(jīng)過(guò)Ml接口輸出到耳機(jī)或有源音箱。圖13中,馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)芯片和保護(hù)電路組成,驅(qū)動(dòng)芯片可同時(shí)分別控制兩 路電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向,使機(jī)器人能自由運(yùn)動(dòng),保護(hù)電路中,F(xiàn)USEl和FUSE2的作用是限制驅(qū) 動(dòng)芯片輸出的電流,保證電機(jī)不被大電流燒毀,D1-D8的作用是驅(qū)動(dòng)芯片輸出開關(guān)切換時(shí)為 電機(jī)提供續(xù)流的通路。圖14中,存儲(chǔ)裝置由一片8Mbit的串行flash芯片組成,通過(guò)SPI接口與處理器 交換數(shù)據(jù)。圖15中,通信裝置由機(jī)身部分和手柄部分組成,兩部分結(jié)構(gòu)相同,均用一種射頻 芯片及其外圍電路組成物理層接口電路,軟件上編寫固定的協(xié)議棧完成無(wú)線數(shù)據(jù)通信,實(shí) 現(xiàn)機(jī)身和手柄的相互控制和數(shù)據(jù)傳輸,并結(jié)合固定的跳頻算法防止干擾。圖16中,語(yǔ)音識(shí)別裝置由特定人語(yǔ)音識(shí)別芯片及其外圍電路組成,通過(guò)特定的開 發(fā)平臺(tái)可完成訓(xùn)練、識(shí)別、語(yǔ)音提示等功能。圖17中,是機(jī)器人機(jī)身與手柄遙控組合的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
權(quán)利要求1.一種可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人,由殼體和控制電路構(gòu)成,其特征在于殼體分為機(jī) 身殼體和手柄殼體兩大部分,分別由一系列的外殼組件拼裝而成;機(jī)身殼體頭部有一對(duì)帶 發(fā)光LED燈的眼睛,頭部有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu);胸前有液晶顯示屏和機(jī)器人電源開關(guān),腹部有用于錄 音的麥克風(fēng)小孔和一個(gè)用于播放聲音的揚(yáng)聲器;身體前部左右兩側(cè)分別各有一對(duì)用于障礙 物檢測(cè)的圓形凸起,里面設(shè)置有超聲波元件;身體中后部左右兩側(cè)分別各有一個(gè)用于檢測(cè) 光線的橢圓形凸起,里面設(shè)置有光敏元件;身體底部前后有一圈防撞杠作為保護(hù),其中后部 的防撞杠內(nèi)嵌一個(gè)觸碰式開關(guān);底盤有對(duì)稱嵌在左右兩側(cè)的兩個(gè)輪子,前部還安裝一個(gè)小 型的、可以作360度旋轉(zhuǎn)的萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)輪;機(jī)身控制電路由控制主芯片及其外圍電路模塊發(fā) 光電路、發(fā)聲電路、障礙物檢測(cè)電路、光線檢測(cè)電路、碰撞檢測(cè)電路、灰度檢測(cè)電路、電機(jī)驅(qū) 動(dòng)電路、計(jì)算機(jī)接口電路構(gòu)成,發(fā)光電路連接發(fā)光LED燈,發(fā)聲電路連接揚(yáng)聲器,障礙物檢 測(cè)電路連接身體前部?jī)蓚?cè)的超聲波元件,光線檢測(cè)電路連接身體中后部?jī)蓚?cè)的光敏元件, 碰撞檢測(cè)電路連接身體后部防撞杠內(nèi)的觸碰開關(guān),灰度檢測(cè)電路連接身體底部的灰度元 件,電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與輪子電機(jī)連接,計(jì)算機(jī)接口電路與身體后部USB 口連接;手柄殼體上蓋 上部有一個(gè)液晶顯示屏,顯示屏左右兩側(cè)對(duì)稱分布了功能操作輸入鍵盤及機(jī)器人方向移動(dòng) 按鍵,上蓋下部中間是開關(guān)機(jī)按鍵,按鍵左側(cè)是用于操控機(jī)器人移動(dòng)方向的搖桿,按鍵右側(cè) 是用于設(shè)置機(jī)器人移動(dòng)速度的滑動(dòng)桿,手柄殼體頂部有計(jì)算機(jī)接口,底部有一個(gè)麥克風(fēng)小 孔,里面設(shè)置有用于語(yǔ)音識(shí)別的麥克風(fēng);手柄殼體下蓋分為主殼體與左右電池蓋殼體三部 分,控制電路由控制主芯片及其外圍電路模塊射頻通信電路、語(yǔ)音識(shí)別電路構(gòu)成,射頻通 信電路內(nèi)置發(fā)射接受天線,語(yǔ)音識(shí)別電路連接手柄底部的麥克風(fēng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人,其特征在于機(jī)身控制主芯片上 設(shè)置有可把用戶設(shè)定的程序下載到該可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人的USB 口或射頻通訊口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人,其特征在于機(jī)身殼體后防撞杠 有彈性裝置設(shè)計(jì),可用于檢測(cè)碰撞和觸摸的觸碰開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人,其特征在于機(jī)身殼體頭頂部有 擴(kuò)展接口裝置設(shè)計(jì),用于安裝外置SD存儲(chǔ)設(shè)備。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可構(gòu)建寓教于樂型機(jī)器人,其特征在于該機(jī)器人的遙控手 柄功能操作輸入鍵盤設(shè)有菜單方向、確認(rèn)、退出、左電機(jī)前進(jìn)、后退,右電機(jī)前進(jìn)、后退,照 明、功能切換、用戶預(yù)設(shè)按鍵,電性連接該手柄主控芯片、可擦寫語(yǔ)音識(shí)別芯片。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種模塊化電子機(jī)械裝置,特別是用于家庭教育或娛樂的可構(gòu)建寓于樂型機(jī)器人。通過(guò)功能豐富的外圍電路、精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)及遙控手柄,實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、原地旋轉(zhuǎn)、閃燈等功能。該機(jī)器人還具備自動(dòng)感知家具、樓梯等障礙并避讓,在一定范圍內(nèi)跟隨物體移動(dòng),光線檢測(cè)、觸碰檢測(cè)、電量檢測(cè)、灰度識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、音樂播放、定時(shí)提醒等功能。用戶對(duì)其應(yīng)激性行為進(jìn)行可編程設(shè)定,機(jī)器人會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果來(lái)運(yùn)行用戶設(shè)定的活動(dòng),實(shí)現(xiàn)交互式操作,令裝置更具智能化。該機(jī)器人由用戶自行拼裝模塊式電路板及外殼,可廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研、家庭教育及娛樂等方面,有效提高青少年學(xué)習(xí)興趣,便于學(xué)習(xí)和理解電子機(jī)械工作原理。
文檔編號(hào)G09B5/00GK201820390SQ20102014025
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
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