CN110920450A - 一种电动汽车全自动充电系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种电动汽车全自动充电系统，包括执行机构、传感系统以及控制中心，执行机构用于接收运动指令，并根据所述运动指令带动与所述电动汽车的充电插座对接的充电插头的运动；传感系统包括用于感知所述电动汽车的充电插座的位置的视觉传感系统，以及设置在执行机构的充电插头末端的力传感器，所述力传感器用于感知当所述充电插头与所述充电插座对接时的反馈力；所述传感系统用于将所述充电插座的位置以及所述反馈力发送给控制中心；控制中心用于根据所述充电插座的位置及所述反馈力，解算出所述执行机构的运动指令，并将所述运动指令发送给所述执行机构。本申请实现了车辆充电的全自动控制，提高了车辆充电的全自动化能力。

Description

一种电动汽车全自动充电系统

技术领域

本申请属于工业机器人控制技术领域，特别涉及一种电动汽车全自 动充电系统。

背景技术

充电技术是建设基于互联网的电动汽车公共充电服务网络的一个关 键技术，充电体验很大程度上决定了用户的用车体验。由于现有电池技 术水平的限制，电动汽车一次充电数小时仅能行驶有限的路程。现要求 用户使用完电动汽车后为车辆手动充电，该方式的弊端在于影响用户体 验，且占用大量的人力资源。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种电动汽车全自 动充电系统，实现充电机器人的全自动智能控制。

本申请电动汽车全自动充电系统，包括：执行机构，用于接收运动 指令，并根据所述运动指令带动与所述电动汽车的充电插座对接的充电 插头的运动；传感系统，包括用于感知所述电动汽车的充电插座的位置 的视觉传感系统，以及设置在执行机构的充电插头末端的力传感器，所 述力传感器用于感知当所述充电插头与所述充电插座对接时的反馈力； 所述传感系统用于将所述充电插座的位置以及所述反馈力发送给控制中 心；以及控制中心，用于根据所述充电插座的位置及所述反馈力，解算 出所述执行机构的运动指令，并将所述运动指令发送给所述执行机构。

优选的是，所述执行机构包括六自由度串联机器人。

优选的是，所述控制中心通过USB通信接口采集所述视觉传感系统的 数据。

优选的是，所述控制中心与所述执行机构通过以太网的TCP/IP协议 进行通信。

优选的是，所述控制中心与所述执行机构通过三个端口进行通信， 分别为：用于实现机器人信息采集的第一接口；用于向机器人发送控制 指令的第二接口；以及用于接收机器人的反馈力的第三接口。

优选的是，通过所述第一接口采集的机器人信息包括机器人寄存器 的工具端位置地址、速度地址、各个关节角度地址以及各个关节角速度 地址。

优选的是，通过所述第一接口采集机器人信息时包括将所述控制中 心设定为客户端，将所述机器人设置为服务端，由所述控制中心发送连 接请求，获取所述机器人的工具端信息，所述机器人的工具端包括能够 驱动所述充电插头运动的机械臂。

优选的是，所述控制中心包括：第一解算单元，用于根据所述充电 插座的位置解算出所述执行机构的第一运动指令，所述执行机构根据所 述第一运动指令带动所述充电插头对接至所述电动汽车的充电插座处； 第二解算单元，用于根据所述反馈力解算出所述执行机构的第二运动指 令，所述执行机构根据所述第二运动指令调整所述充电插头的位姿，以 使所述充电插头对准所述充电插座；以及第三解算单元，用于在所述充 电插头对准所述充电插座后，给出所述执行机构的第三运动指令，所述 执行机构根据所述第三运动指令带动所述充电插头插接至所述充电插座 内。

优选的是，所述控制中心包括车辆识别单元，用于接收所述视觉传 感系统所采集的图像，识别车辆信息。

优选的是，所述视觉传感系统通过图像匹配识别所述电动汽车的充 电插座。

本申请实现了车辆充电的全自动控制，提高了充电全自动化能力。

附图说明

图1是本申请电动汽车全自动充电系统的一优选实施例的系统架构 图；

图2是本申请电动汽车全自动充电系统的一优选实施例的充电插座 结构示意图；

图3是本申请图2所示实施例的A-A剖示意图；

图4是本申请图2所示实施例的力反馈示意图；

图5是本申请电动汽车全自动充电系统的一优选实施例的控制中心 的控制流程图；

图6是本申请电动汽车全自动充电系统的一优选实施例的图像匹配 流程图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本 申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细 的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件 或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施 方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示 例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本 申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图 对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种电动汽车全自动充电系统，用于控制机器人实现 全自动智能充电。

如图1所示，本申请电动汽车全自动充电系统，主要包括：

执行机构，用于接收运动指令，并根据上述运动指令带动与上述电 动汽车的充电插座对接的充电插头的运动。

传感系统，包括用于感知上述电动汽车的充电插座的位置的视觉传 感系统，以及设置在执行机构的充电插头末端的力传感器，上述力传感 器用于感知当上述充电插头与上述充电插座对接时的反馈力；上述传感 系统用于将上述充电插座的位置以及上述反馈力发送给控制中心。

控制中心，用于根据上述充电插座的位置及上述反馈力，解算出上 述执行机构的运动指令，并将上述运动指令发送给上述执行机构。

执行机构、传感系统以及控制中心通过通信接口和控制电路建立连 接。机器人为执行机构，也是基础平台，视觉传感系统中的视觉传感器 对充电插座进行识别与定位，控制中心即工控机。通过控制中心协调控 制机器人和视觉传感器及系统控制电路，实现电动汽车的自动充电。

整个系统的各个组成部分之间通过电路及通信接口建立连接。其中 视觉传感器实现对电动汽车充电插座位置识别与空间定位，并将坐标位 置数据传输到控制中心，控制中心再将此信息进行处理转换后变为机器 人指令发送给机器人控制器，控制机器人执行机构到达目标位置，完成 充电任务，根据设定的时间充电完毕后，机器人回到初始位置，等待下 次指令。

在一些可选实施方式中，上述执行机构包括六自由度串联机器人， 例如采用遨博的型号为I10的六自由度串联机器人。

机器人自动充电的自动插接过程要求对充电插座准确定位，极小的 错位会导致插接接触力过大从而导致插接件之间的卡滞、楔紧、擦伤， 损坏插头或插座甚至造成机器人的损坏。虽然通过提高系统各个装置的 安装精度及图像处理系统本身的精度来提高插接精度，但提高的精度有 限且要想更高提高精度带来的成本过高，这就需要通过对机器人末端采 取相应的力控制策略使得系统在自动插接过程中有一定的补偿和校正定 位误差的能力。

电动汽车的充电插座以及由机器人控制的充电插头一般为7孔结构， 如图2所示，充电插座包括一个较大的外筒，该较大的外筒内包括7个小 孔，A-A剖处3个小孔与C-C剖处的2个小孔内径相同，B-B剖处的2个小孔 内径略小，图3给出了A-A剖面示意图，其它剖面示意图略。

其中，插头先插入插座的较大外筒内，之后再继续插入插座的较小 的7个小孔内，插头与插座接触深度约为32mm，这其中包括在7个小孔处 的约为25mm的接触深度，其中，A-A剖面插针与插口接触深度20mm， B-B剖面为8mm。

充电插头与充电插座配合的外筒，直径分别为51mm和51.5mm，间隙 为0.5mm。充电插头插针与充电插座配合的7个小孔中，如图3所示，插座 具有插座针以及插座针上的插座孔，插头具有插头孔及插头孔内的插头 针，插头孔接纳插座针，插座孔接纳插头针。

其中，充电插头所形成的插头孔在A-A剖面和C-C剖面处直径为 14.5mm，对应的插座针外径为14mm，间隙为0.5mm；在B-B剖面处的 两个小孔中，插头孔直径为10mm，插座针直径为9.5mm，间隙为0.5mm。 而上述的插头针在A-A剖面处直径为6mm，在B-B剖面为3mm，他们与插座孔之间是没有间隙的。

通过分析，发现插接时的间隙是为0.5mm，在插接时会在插头与插 座空间内形成一个较封闭的空间，在视觉定位等存在误差定位情况下容 易发生卡阻，对插接精度要求较高。

在充电插头与充电插座相插接的过程中有很多因素都影响着插接的 效果，例如视觉传感部分在开始对充电插座孔心的定位精确度、充电插 头与充电插座的插接间隙、接触时接触力的方向和大小、充电插头与充 电插座的相对运动的调整趋势等。这些因素在插接过程中都是决定影响 成功的关键所在，特别是在多插针多孔插接过程中对这些因素的要求更 加严格。

为此，在一些可选实施方式中，上述控制中心包括：

第一解算单元，用于根据上述充电插座的位置解算出上述执行机构 的第一运动指令，上述执行机构根据上述第一运动指令带动上述充电插 头对接至上述电动汽车的充电插座处；第二解算单元，用于根据上述反 馈力解算出上述执行机构的第二运动指令，上述执行机构根据上述第二 运动指令调整上述充电插头的位姿，以使上述充电插头对准上述充电插 座；以及第三解算单元，用于在上述充电插头对准上述充电插座后，给 出上述执行机构的第三运动指令，上述执行机构根据上述第三运动指令 带动上述充电插头插接至上述充电插座内。

机器人在执行自动插接任务时，会受到很多因素的影响，要想最终 成功完成机器人自动插接必须对整个过程进行详细、全面的描述，并深 入的分析和研究，才能保证插接的成功。通过对自动插接任务的详细分 析，根据充电插头与充电插座的相对几何位置关系，在自动充电过程当 中，机器人的运动可以分为三段：视觉定位运动阶段、反馈力调整阶段、 调整完毕继续运动直到插接完成阶段。在第一段运动轨迹当中，机器人 的运动是为了到达视觉系统定位的目标点，第二段运动轨迹则是需要进 行接触调整的轨迹段，第三段是接触调整完毕完成插接进行阶段。

第一运动阶段是为整个插接过程做准备，此阶段通过视觉传感器定 位得到充电插座的位置信息，让机器人运动到此位置。当检测到充电插 头与充电插座产生接触则进入第二阶段，如图4所示，该阶段插头与插座 的外筒开始接触，并产生了接触力，这个阶段的决定了整个插接过程的 成功与失败。在这一阶段中，机器人要进行自主判断并尽可能减小插接 误差，以达到充电位置。在此过程中充电插头与充电插座极易发生卡阻。 机器人可以通过力控策略和算法完成机器人的位姿调整，直到插接完成 则电动汽车开始充电。直到调整完成，机器人末端继续运动达到要求的 充电位置，整个插接过程也就结束，充电也随之开始。

控制中心是整个系统的核心控制部件，其具有：

(1)上电断电功能：控制机器人的启动和停止等功能。

(2)通信功能：建立与视觉传感器和机器人之间的通信，实现充电 插座位置数据的接收和发送。

(3)协调控制功能：这个功能主要是实现机器人以及视觉传感器的 不同功能之间互相调用，协调系统各个硬件之间的工作，并实现对系统 运行状态的控制。

(4)数据采集和处理功能：需要能够采集视觉传感器的数据和机器 人的数据，这是系统能够完成自动插接的先决条件，同时还要对采集到 视觉传感器的数据的进行解析提取和转换处理。

(5)数据存储功能：实现对实验过程中采集的以及处理之后的数据 进行存储，这样有利于实验完成后对数据进行处理并完成实验结果分析。

(6)力控制功能：在获取了机器人末端的力信息之后，需要采取适 当的控制策略和算法输出机器人的运动调整位置，完成充电插头的位姿 调整，保障了机器人顺利地自动完成插接操作。通过这些模块的集成， 实现机器人的自动插接与充电功能。

控制中心一方面要与视觉传感器进行通讯，通过串口采集视觉传感 器的数据；一方面控制中心需要与机器人的通讯并向机器人控制器发送 运动指令，并完成与外部控制电路的信号收发，实现系统运行流程控制。 在一些可选实施方式中，上述控制中心通过USB通信接口采集上述视觉传 感系统的数据。

如图5所示，为控制中心的控制流程，控制中心软件通过程序打开USB 采集视觉传感器经过图像处理之后的十六进制数据，并对串口数据进行 提取与校验，校验符合要求则对其进行转化，串口数据不符合要求则故 障指示灯亮。用户按下遥控开关时同时初始化机器人并自动连接机器人， 并将经过解析转化后的充电插座的空间位置信息指令发送给机器人，机 器人执行指令并到达目标位置后，软件对此时获取的机器人传送来的力 信息进行判断与处理，根据相应的控制算法发送位姿调整指令给机器人， 机器人不断执行这些指令直到调整完毕。判断自动插接完成便开始对电 动汽车充电，并控制充电指示灯亮。程序也结束运行并等待下次触发。 机器人在充电完毕之后则回到原位等待下次应答运动控制指令。

在一些可选实施方式中，上述控制中心与上述执行机构通过以太网 的TCP/IP协议进行通信。

在一些可选实施方式中，上述控制中心与上述执行机构通过三个端 口进行通信，分别为：用于实现机器人信息采集的第一接口；用于向机 器人发送控制指令的第二接口；以及用于接收机器人的反馈力的第三接 口。

控制中心采用模块化编程的思想将程序分为与视觉传感器通信程序 模块、与机器人通信程序模块及GPIO程序模块等。其中与视觉传感器通 信的程序模块也是串口通信程序模块，即通过USB通信采集视觉传感器的 数据；与机器人通信程序模块是基于以太网的TCP/IP协议的，实现控制 中心与机器人通过三个不同的端口通信，分别实现机器人信息采集、控 制机器人的启动停止等以及向机器人发送指令和接收力数据的功能。 GPIO通信程序模块就是与系统控制电路连接的程序模块，实现系统的触 发响应及状态控制等功能。各模块的功能是协调运行的，程序不断检测 与响应外部触发信号，保证系统有条不紊地运行。

机器人在TCP/IP协议的基础上，提供了丰富的端口号用于与外部设 备的交互，典型的的一些端口及其定义如下表所示。

表1、端口定义表

端口	接口描述	使用用途
				机器人作为服务器
502	Modbus TCP协议，机器人作为服务器	接收机器人关节位置信息
			自定义：1234	脚本函数定义	发送位置数据
	机器人作为客户端
			502	Modbus TCP协议，机器人作为客户端	-
29999	Dashboard功能	控制机器人启动和停止

自动充电机器人既可以作为Modbus/TCP服务器，也可以作为 Modbus/TCP客户端，两者的主要区别在于消息请求方的不同。机器人作 为Modbus/TCP服务器，控制中心软件通过502端口可以控制机器人 的所有IO；控制中心软件通过29999端口可以远程控制程序运行状态。

控制中心与机器人之间的通讯采用Socket Message，通过以太网网 络接口实现总控制中心与机器人通讯。软件程序中由于要与机器人的2 个不同的端口进行通信，在程序里有两个Client。机器人要与控制中心 的端口通信，所以需要建立一个Server。

上述的通信使用的都是TCP/IP协议。需要建立三个SOCKET，分 别与两个Client和一个Server对应。这三个SOCKET分别对应三个 端口。

在一些可选实施方式中，通过上述第一接口采集机器人信息时包括 将上述控制中心设定为客户端，将上述机器人设置为服务端，由上述控 制中心发送连接请求，获取上述机器人的工具端信息，上述机器人的工 具端包括能够驱动上述充电插头运动的机械臂。对于第一接口，机器人 作为服务器，控制中心作为客户端，通过Modbus/TCP协议控制中心可 获取机器人的信息。Modbus/TCP规范的设计使得客户端的实现变得简 单。基本的运行处理过程如下：a.通过规定的端口建立与需求设备的连 接；b.给出Modbus报文格式，提交Modbus/TCP报文请求，随后发送 报文；c.等待应答；d.读完应答报文，完成一次数据交换过程；e.通信任 务结束时，关闭TCP连接，使Modbus/TCP服务器资源处于空闲状态 可以可为其它设备服务。

机器人作为Modbus/TCP服务器，有一系列Modbus地址供上位机 来访问。通过访问机器人的特定的Modbus地址，可以获取机器人的很 多信息，进而可以将这些信息显示到软件界面上。当然也可以通过这个 界面来监控并控制机器人的所用IO。

在一些可选实施方式中，主要用到其中的机器人寄存器的工具端位 置地址、速度地址、各个关节角度地址以及各个关节角速度地址。本项 目中运用Winsock套接字来实现控制中心与机器人Modbus/TCP的通 讯。在与机器人进行Modbus/TCP通信时，控制中心属于客户端，机器 人属于服务端。控制中心向机器人发送连接请求，机器人则响应控制中 心的请求。在程序中创建了套接字sockClient绑定端口以获取机器人工 具端等的位置信息

对于第二接口，机器人作为服务器，控制中心作为客户端，建立 SOCKET，通过端口向机器人发送一些指定的指令。通过端口，控制中心 与机器人建立基于TCP/IP协议的通信，可以发送给一些规定的指令给 机器人，例如启动、停止等，这种功能被称为Dashboard。此时机器人作 为服务器(Server)，监听端口，控制中心作为客户端(Client)。在启 动停止的程序以及给机器人发送指令过程中，使用简单的TCP/IP协议， 给机器人发送符合规范的数据，机器人即可接收并运行到指定位置。

在软件中建立了SOCKET，绑定端口，向机器人发送规定的指令， 包括机器人的启动、运行机器人程序和关闭机器等。例如典型的 Dashboard指令包括：play-启动当前加载程序；stop-停止机器人当前执行 的程序；pause-暂停机器人当前执行的程序；shutdown-关闭机器人系统； power on-使机器人本体通电；power off-使机器人本体断电；brakerelease- 释放致动器。

在一些可选实施方式中，上述控制中心包括车辆识别单元，用于接 收上述视觉传感系统所采集的图像，识别车辆信息。进而根据对应车辆 终端发送来的充电请求，对车辆进行充电。

在一些可选实施方式中，上述视觉传感系统通过图像匹配识别上述 电动汽车的充电插座。

为了实现该自动充电系统的建设，其中机器视觉识别电动汽车充电 端口是其中重要一环。只有能够准确的识别充电端口位姿，才能顺利的 引导充电机器人将充电电缆插头插入充电端口，完成整个充电过程。

本项目采用在充电机器人上安装视觉系统，获取充电机器人周围环 境的视觉信息，在此基础上采用图像处理相关算法对障碍物和电动汽车 充电端口进行识别，实现充电机器人定位并完成定位导航。

图像匹配是双目视觉系统中最重要的技术之一。图像匹配就是将不 同时间、不同传感器所获得的多幅图像进行匹配、叠加的过程。基于特 征信息的立体图像匹配不仅降低了匹配处理的时间和空间复杂度，还提 高了匹配的可信度。本项目中利用角点检测提取的图像特性信息，实现 图像的匹配。该方法的具体流程如图6所示。

考虑到自动充电机器人双目视觉追踪的实时性和实际应用需求，实 时图像的采集是双目视觉追踪系统实现的基础和前提,图像信息的处理和 传输速度是视觉任务能否成功实现的关键，因此采用两路视频信号输入 采集图像。视频信号处理的要求多种多样，数据处理包括数据采集、格 式转换、数据接收、数据计算和数据通信的过程。

控制中心提供对机器人控制过程的实验模拟，通过实验验证系统的 各项性能指标，验证过程如下：点击‘巡视’按钮，自动充电系统进入 工作状态，双目视觉识别系统开始追踪电动汽车充电端口。点击‘瞄准’ 按钮，双目视觉系统通过边缘特征提取法识别充电端口位置。视觉系统 已经识别了充电端口，点击‘对正’按钮，双目视觉系统提取充电端口 三维位置。点击‘插接’按钮，视觉系统根据充电端口以及充电插口位 置信息进行路径规划，并控制自动机器人将充电接口插入充电端口。“当 前”项内充电插口位置与“视觉目标”项中充电端口位置基本一致。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施方式的系统、 方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上， 流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部 分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的 逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框 中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个 接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反 的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图 中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定 的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与 计算机指令的组合来实现。

描述于本申请实施方式中所涉及到的模块或单元可以通过软件的方 式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块或单元也可以设 置在处理器中，这些模块或单元的名称在某种情况下并不构成对该模块 或单元本身的限定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内， 可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此， 本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电动汽车全自动充电系统，其特征在于，包括：

执行机构，用于接收运动指令，并根据所述运动指令带动与所述电动汽车的充电插座对接的充电插头的运动；

传感系统，包括用于感知所述电动汽车的充电插座的位置的视觉传感系统，以及设置在执行机构的充电插头末端的力传感器，所述力传感器用于感知当所述充电插头与所述充电插座对接时的反馈力；所述传感系统用于将所述充电插座的位置以及所述反馈力发送给控制中心；以及

控制中心，用于根据所述充电插座的位置及所述反馈力，解算出所述执行机构的运动指令，并将所述运动指令发送给所述执行机构。

2.如权利要求1所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，所述执行机构包括六自由度串联机器人。

3.如权利要求1所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，所述控制中心通过USB通信接口采集所述视觉传感系统的数据。

4.如权利要求2所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，所述控制中心与所述执行机构通过以太网的TCP/IP协议进行通信。

5.如权利要求4所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，所述控制中心与所述执行机构通过三个端口进行通信，分别为：

用于实现机器人信息采集的第一接口；

用于向机器人发送控制指令的第二接口；以及

用于接收机器人的反馈力的第三接口。

6.如权利要求5所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，通过所述第一接口采集的机器人信息包括机器人寄存器的工具端位置地址、速度地址、各个关节角度地址以及各个关节角速度地址。

7.如权利要求5所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，通过所述第一接口采集机器人信息时包括将所述控制中心设定为客户端，将所述机器人设置为服务端，由所述控制中心发送连接请求，获取所述机器人的工具端信息，所述机器人的工具端包括能够驱动所述充电插头运动的机械臂。

8.如权利要求1所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，所述控制中心包括：

第一解算单元，用于根据所述充电插座的位置解算出所述执行机构的第一运动指令，所述执行机构根据所述第一运动指令带动所述充电插头对接至所述电动汽车的充电插座处；

第二解算单元，用于根据所述反馈力解算出所述执行机构的第二运动指令，所述执行机构根据所述第二运动指令调整所述充电插头的位姿，以使所述充电插头对准所述充电插座；以及

第三解算单元，用于在所述充电插头对准所述充电插座后，给出所述执行机构的第三运动指令，所述执行机构根据所述第三运动指令带动所述充电插头插接至所述充电插座内。

9.如权利要求1所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，所述控制中心包括车辆识别单元，用于接收所述视觉传感系统所采集的图像，识别车辆信息。

10.如权利要求1所述的电动汽车全自动充电系统，其特征在于，所述视觉传感系统通过图像匹配识别所述电动汽车的充电插座。

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