CN111571557A - 一种行走机构上的平衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种行走机构上的平衡装置，包括包括上载物板、下平衡板、平衡推杆、升降推杆以及支架结构，所述下平衡板上方设有所述上载物板，所述下平衡板的一个侧边与所述上载物板的一个侧边活动连接，且所述下平衡板的对侧边与所述支架结构活动连接，所述下平衡板、上载物板和支架结构构成Z型开合式风琴结构；所述平衡推杆位于所述下平衡板下方，其首端与下平衡板的下表面活动连接；所述升降推杆位于所述上载物板下方，其首端与上载物板的下表面活动连接，本发明解决了现有技术中双向平衡机构稳固性和耐用性不足的问题，通过采用Z型开合式风琴结构，实现双向平衡功能，同时将承载重量均匀分散至支架机构中，增加行走机构的稳定性和耐用性。

Description

一种行走机构上的平衡装置

技术领域

本发明涉及机械运动设备技术领域，具体的说是一种行走机构上的平衡装置。

背景技术

行走机构是行走式机器人的重要执行部件，它由行走驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。行走机构一方面支承机器人的机身、臂部和手部，因而必须具有足够的刚度和稳定性；另一方面，还需根据作业任务的要求，实现机器人中上部设备保持平衡。

现如今，负重爬楼机器人异军突起，为人类的生活带来了诸多便利，而实现负重攀爬功能最为重要的机构便是行走机构中的平衡装置，它可以使机器人在爬楼或崎岖路面行走时，保持承载的重物处于水平状态，避免倾覆危险。

现有技术中行走机构上的平衡装置主要分为主要分为单向平衡和双向平衡两大类：

如图1-3所示的单向平衡装置，其采用一支电动推杆，以伸长或缩短来调校设于该装置的水平，达到单向平衡的效果。这种单向平衡的好处是，该设于上方的板块，都与整体支架活动连接，乘载重物的重量，并不会全部由推杆或马达等机械承担，令稳固度和耐用度大增。但坏处是，由于只是单向平衡，板块只能单向开合，如图3a和3b所示。当该行走机构以后方攀上障碍物时，该平衡机构的确能发挥平衡的作用，如图3c所示；但当后方跨过障碍物之后，该机构会向后倾斜，由于该平衡机构只能单向运作，如图3d所示，因此令上方的板块大幅倾斜，对设于上方的乘客或对象会构成翻倒的危险，因此大大限制了该机构的功能。

为解决单向平衡在功能上的不足，双向平衡装置应运而生：如图4所示，在该四轮行走机构之上的平衡装置，采用了一种半圆板式的摆动方案，利用一个带剎车磁铁的马达，随着半圆板的外围摆动，实现了能够前后摆动的双向平衡。但该装置之上所承受的重量，全部由马达的中轴所承受，即使有剎车磁铁来固定该装置，但力量始终过度集中于一点之上，导致安全性、耐用性和实用性的不足；如图5所示，该行走机构中的双向平衡装置，在座椅之下的中间，设置了一个前后摆动的活动连接，实现了能够前后摆动的双向平衡。但同样力量过度集中于一点之上，要剎停该装置有一定的困难；如图6a至6b所示，该平衡装置采用了一支电动推杆，以伸长或缩短的方式来拉动另一支电动推杆，使其中心的滑轮围着半圆板而摆动，实现了能够前后摆动的双向平衡，该装置虽解决了图4和图5所示装置的剎停问题，但装置上的重量全部由电动推杆来独力承受，导致电动推杆的负荷过重，无法长久使用；如图7a至7b所见，该平衡装置采用两支电动推杆，以一升一降的方式来实现能够前后摆动的双向平衡，并解决了如图4至图6所示装置的缺点，重物的重量会由两支电动推杆来分别承受，并且能随意剎停，但实际使用时，由于两支推杆中上下共4个连接件都必须活动连接，造成设置于该平衡装置之上的载物板，根本无法稳定，尤其是左右两边的摇摆会非常厉害，无法承载较重的重物。

综合上述，现有双向平衡装置的最大缺点，正是缺乏了像单向平衡装置般，可以将承载的重量直接传递至整体支架之上的结构，导致推杆或马达等机械结构的负荷过重，安全性和耐用性不足。

中国专利文献CN207412322U公开了一种可调节升降轮椅，包括轮椅支座、车轮，所述轮椅支座与升降装置相连，升降装置包括第一支撑板、第二支撑板，第一支撑板与第二支撑板之间分别安装有第一升降杆、第二升降杆、第三升降杆、第四升降杆，第一升降杆与第二升降杆交叉相连，第三升降杆与第四升降杆交叉相连，第一升降杆与第三升降杆之间安装有固定杆，第一支撑板上安装有第一电动推杆，第一电动推杆与固定杆相连；第二支撑板与轮椅支座推板一侧旋转相连，第二支撑板上安装有第二电机推杆，第二电机推杆与轮椅支座推板另一侧相连。该装置不仅能够灵活调节座椅的高度，而且能够调整座椅的角度，便于轮椅和床之间的转移，但该装置采用单向平衡装置，因此平衡装置只能单向运作，功能比较单一。

中国专利文献CN108904164A公开了一种电动轮椅的座椅支撑结构，包括后撑杆、转钮、后滑板、右旋滑块、左旋滑块、右电推杆、左电推杆、前滑板、前撑杆、丝杠，主车架上端面安装有两条导轨，右旋滑块安装于前滑板上侧，左旋滑块安装于后滑板上侧，丝杠的前半段为右旋螺纹，后半段为左旋螺纹，左电推杆、右电推杆下端均与前滑板构成球面副，上端均与座椅连接板构成球面副，前撑杆下端与前滑板构成转动副，后撑杆下端与后滑板构成转动副，前撑杆上端、后撑杆上端和转钮后端，三者构成同轴转动副，座椅连接板后端与转钮前端构成转动副，该设备中的座椅支撑结构能够在动态行驶过程中自动调平，并且机构自由度高，能够适应复杂路况，极大提高轮椅乘坐的舒适性，但该设备需要保持轮椅水平时，其操作较为复杂，并且由于结构限制，设备整体体积较大，十分占用空间。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明公布了一种行走机构上的平衡装置，本发明通过采用Z型开合式风琴结构，实现双向平衡功能，同时将承载重量均匀分散至支架机构中，增加行走机构的稳定性和耐用性，解决了现有技术中双向平衡机构稳固性和耐用性不足的问题。

推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动装置。可用于各种简单或复杂的工艺流程中做为执行机械使用，以实现远距离控制、集中控制或自动控制，本发明中的平衡推杆和升降推杆均为此类型的驱动装置，本发明中平衡推杆和升降推杆的首端是指推杆上靠近伸缩杆的一端，尾部是指推杆上远离伸缩杆的一端。

本发明所公开的具体的技术方案如下：一种行走机构上的平衡装置，包括上载物板、下平衡板、平衡推杆、升降推杆以及支架结构，所述下平衡板上方设有所述上载物板，所述下平衡板的一个侧边与所述上载物板的一个侧边活动连接，且所述下平衡板的对侧边与所述支架结构活动连接，所述下平衡板、上载物板和支架结构构成Z型开合式风琴结构；所述平衡推杆位于所述下平衡板下方，其首端与下平衡板的下表面活动连接；所述升降推杆位于所述上载物板下方，其首端与上载物板的下表面活动连接。

本发明采用双推杆与开合式双承托板结构相结合的方式，通过推杆分别控制上载物板和下平衡板的开合，实现了双向平衡效果，同时该平衡装置上重物的重量可通过推杆和承托板结构均匀分布在支架机构上，使支架机构受力均匀，既保障了支架的受力强度，也进一步提高了支架机构的稳定性，避免重心偏移。

进一步的，所述上载物板的下表面设置有陀螺仪，所述陀螺仪与所述平衡推杆及升降推杆之间通过有线或无线方式连接。

陀螺仪作为在本发明的平衡机构中的一个控制元件，发挥了重要作用，平衡机构实现保持水平状态的过程中，陀螺仪可探测平衡装置是否倾斜以及倾斜的角度，将陀螺仪所探测到数据汇总至控制系统，进而实现平衡装置自动调平。

进一步的，所述下平衡板为一侧开口的框型结构，所述下平衡板的中部位置设有横梁，所述横梁与所述平衡推杆的首端活动连接，所述框型结构上设有开口的一侧分别伸延出第一连接板，所述第一连接板与所述升降推杆的尾部活动连接。

进一步的，所述支架结构包括上支架、中支架和下支架，所述中支架与所述上支架固定连接，所述下支架倾斜设置，且表面与所述上支架及中支架的端部固定连接，所述下支架的最低端设有第二连接板，所述第二连接件与平衡推杆的尾部活动连接。

进一步的，所述下平衡板与所述第一连接板固定连接构成一个整体构件，且在连接位置通过连接件与所述上支架活动连接。

进一步的，还包括控制系统，所述控制系统与所述陀螺仪、升降推杆以及平衡推杆采用有线连接或无线方式连接，所述控制系统控制上载物板的动作状态。

进一步的，所述上载物板的动作状态包括升高、下降、、前倾和后倾状态。

通过控制系统操控升降推杆完成升降以及倾斜动作，同时将陀螺仪传回的倾斜信号进行处理转化为平衡推杆的伸缩长度信号，使平衡推杆自动调节平衡装置保持水平，本发明中的平衡装置操作简单，自动化程度高。

进一步的，所述升降推杆与上载物板构成省力杠杆结构，其支点位于所述上载物板与下平衡板的结合部；所述平衡推杆与下平衡板构成费力杠杆结构，其支点位于所述下平衡板与上支架结合部，因此本发明的平衡装置中平衡推杆的推力大于升降杠杆的推力，其刚度也大于升降杠杆，由于省力杠杆省力费距离，费力杠杆费力省距离的特点，通过调整支点与力作用点的距离，可使平衡装置拥有最大升降的范围，同时整体体积保持最小，大大节省占用空间。

本发明同现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明中采用Z型开合式风琴结构，利用上载物板以及下平衡板中开合位置的不同角度，使设置于该机构上承载的对象，可以向前或向后随意摆动，达到双向平衡的效果。

2)本发明中采用升降推杆和平衡推杆结合的双推杆结构，通过控制升降推杆的伸长度，达到载物板升高或降落的功能，同时利用陀螺仪自动测出上载物板的倾斜程度，并依照倾斜程度，自动控制平衡推杆进行伸缩，保持上载物板的水平，操作简单，安全性高。

3)本发明中重物的重量可通过上载物板与下平衡板传递至推杆，并最终均匀分散至整个支架机构上，降低了两支推杆所承受的压力，避免重量集中在一处，提升了平衡装置的承载能力，也避免平衡装置的重心发生较大偏移，提高了安全性和耐用性。

4)本发明中各组成部分的结构紧凑，因此整体体积较小，搬运或储存时，占用空间小，较为灵活。

附图说明

图1是现有技术中一种采用单向平衡装置的爬楼机；

图2是现有技术中另一种采用单向平衡装置的爬楼轮椅；

图3a是现有技术中采用单向平衡装置的爬楼行走机构在平衡电动推杆缩短时的状态；

图3b是现有技术中采用单向平衡装置的爬楼行走机构在平衡电动推杆伸长时的状态；

图3c是现有技术中采用单向平衡装置的爬楼行走机构，攀上障碍物时的状态；

图3d是现有技术中采用单向平衡装置的爬楼行走机构，攀下障碍物时的状态；

图4是现有技术中一种采用双向平衡装置的四轮行走机构；

图5是现有技术中另一种采用双向平衡装置的行走机构；

图6a是现有技术中采用单推杆支撑的双向平衡装置向前倾斜时的状态；

图6b是现有技术中采用单推杆支撑的双向平衡装置向后倾斜时的状态；

图7a是现有技术中采用双推杆支撑的双向平衡装置向前倾斜时的状态；

图7b是现有技术中采用双推杆支撑的双向平衡装置向后倾斜时的状态；

图8是本发明中一种行走机构上的平衡装置的立体结构图；

图9是本发明中一种行走机构上的平衡装置的侧面结构图；

图10是本发明实施例中支架机构1的组成结构图；

图11是本发明实施例中平衡推杆机构2的组成结构图；

图12是本发明实施例中升降推杆机构3的组成结构图；

图13是本发明实施例中的平衡装置处于下降时的状态；

图14a是本发明实施例中的平衡装置处于上升过程时的状态；

图14b是本发明实施例中的平衡装置上升完成后上载物板处于水平时的状态；

图15是本发明实施例中行走机构向后倾斜时平衡装置完成前倾动作的状态；

图16是本发明实施例中行走机构向前倾斜时平衡装置完成后倾动作的状态；

图17a是本发明实施例套用于行走机器人，实现上落乘客或货物功能时的状态；

图17b是本发明实施例套用于行走机器人，实现拿取或升高货物功能时的状态；

图17c是本发明实施例套用于行走机器人，向前翻越障碍时的状态；

图17d是本发明实施例套用于行走机器人，向前越过障碍后的状态；

图17e是本发明实施例套用于行走机器人，实现攀爬楼梯功能时的状态；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

本实施例中为叙述方便，下文中所称的“前”、“后”对应附图本身的左、右方向，所称的“上”、“下”与附图本身的上、下方向一致，但并不对本发明中的结构产生限定作用。

如图8-9所示，本实施例中所提供的行走机构上的平衡装置包括如下结构：支架机构1、平衡推杆机构2和升降推杆机构3。

如图10所示，支架机构1(支架的结构，不限于本实施例中的行走机构所限定的具体形状结构，任何可实现支撑和承重功能，且推杆运动灵活无干涉的形状结构均可用于本发明中)包括一个下支架10、两个中支架11和两个上支架12，两个中支架11水平放置，每个中支架11上方固定连接一个呈镰刀型的上支架12，所述下支架10为平板结构，且沿水平夹角45°方向斜向设置，其表面与所述上支架12以及中支架11的端部固定连接，支架机构的主要功能是将机构承载的重量，平均分散于支架上承受，避免个别机械或部件负担过重。

如图12所示，升降推杆机构3主要由升降推杆32(升降推杆32，优选采用电动推杆、液压推杆或其他具有相同直线位移功能的推杆)、升降推杆伸缩杆321、升降推杆底扣322、上载物板30、陀螺仪31和两个连接部件所组成，所述上载物板30的下表面固定连接有陀螺仪31，所述上载物板30一端与所述升降推杆32中升降推杆伸缩杆321通过连接件302活动连接，另一端固定连接有连接件301，所述下平衡板21一端固定连接有连接件211，所述连接件301和连接件211活动连接，该升降推杆机构的主要功能是透过升降推杆伸缩杆321的伸长或缩短，使本发明中的行走机构实现升高或降低的功能，而陀螺仪31会将倾斜的讯息传递至平衡推杆机构2上，使本机构能够发挥双向平衡的作用，并且将上载物板30所承载的重量，分散传递于支架机构1之上。

如图11所示，平衡推杆机构2主要由平衡推杆20(平衡推杆20，优选采用电动推杆、液压推杆或其他具有相同直线位移功能的推杆)、平衡推杆底扣201、平衡推杆伸缩杆202、下平衡板21、连接板22和四个连接部件所组成，所述平衡推杆20竖直穿过在两个中支架11的中间空隙处，所述下平衡板21为一侧开口的框型结构，所述下平衡板21的中部位置设有横梁，所述横梁与所述平衡推杆20中的平衡推杆伸缩杆202通过连接件212活动连接，所述框型结构上设有开口的一侧分别伸延出第一连接板22，所述第一连接板22与所述升降推杆32的尾部通过升降推杆底扣322活动连接，所述升降推杆底扣322固定在所述第二连接板102上，且通过连接件101将下支架10与第二连接板102固定连接，该平衡推杆机构主要功能是由平衡推杆20接收陀螺仪31倾斜的讯息，通过平衡推杆伸缩杆202的伸长或缩短状态，来调节上载物板30的水平，并且将上载物板30所承载的重量，分散传递于支架机构1之上。

本实施例中还包括控制系统(图中未标出)，所述控制系统与所述陀螺仪31、升降推杆32以及平衡推杆20采用有线连接或无线讯号连接，其控制上载物板30的动作状态。其中，所述上载物板30的动作状态包括升高、下降、前倾和后仰状态。

动作状态1—下降：

如图13所示，当操控者将升降推杆32缩至最短时，平衡推杆20会因应陀螺仪31发出相应倾斜讯号而自动缩至最短，使该平衡机构处于最低的平路模式状态，方便乘客上落或卸除货物。

动作状态2—上升：

如图14a所示，当操控者操控平衡装置进入上升状态时，升降推杆32中的升降推杆伸缩杆321伸长，通过连接件302，会将与其固定连接的上载物板30推至前倾状态，与30固定连接的陀螺仪31会同时向前倾斜，陀螺仪31会发出前倾讯号给平衡推杆20。

如图14b所示，前倾讯号会自动启动平衡推杆20，令平衡推杆伸缩杆202伸长，通过连接件212，推动与其固定连接的下平衡板21向后倾斜，同时与下平衡板21固定连接的连接件211，会推动连接件301，使与连接件301固定连接的上载物板30的水平角度由前倾变为水平状态。

此外，升降推杆32内部设置了限位开关，当升降推杆伸缩杆321伸至最长时，驱使321伸长的动力会自行终断，令321停止伸长。为保持上载物板30水平，处于前倾状态的陀螺仪31，会发出讯号给平衡推杆20，令其伸长，直至达到上载物板30处于水平状态。

动作状态3—前倾：

如图15所示，在平衡装置已经启动、升降推杆伸缩杆321伸至最长的状况下，当该行走机构向后倾斜(图中表示为行走机构左高右低)时，与上载物板30固定连接的陀螺仪31亦会同时向后倾斜，陀螺仪31会将向后倾斜的讯号传递至平衡推杆20，使平衡推杆伸缩杆202缩短，通过连接件212，将与连接件212固定连接的下平衡板21前倾，并通过连接件211，以及与连接件211活动连接的连接件301，使上载物板30前倾至水平状态。

在平衡装置已经启动、升降推杆伸缩杆321伸至最长的状况下，当该行走机构继续向后倾斜，平衡推杆伸缩杆202会继续缩短来调节上载物板30的水平，直至202缩至最短为止。若前倾动作的角度不足，可以通过调节连接件212与连接件213的距离、更改平衡推杆伸缩杆202和升降推杆伸缩杆321的长度，以便调节前倾的角度。

动作状态4—后倾：

如图16所示，在平衡装置已经启动、升降推杆伸缩杆321伸至最长的状况下，当该行走机构向前倾斜(图中表示为行走机构左低右高)，陀螺仪31亦会同时向前倾斜，陀螺仪31会将向前倾斜的讯号传递至平衡推杆20，使平衡推杆伸缩杆202伸长，通过与平衡推杆伸缩杆202活动连接的连接件212，使下平衡板21后倾，通过连接件211，会将动力传递至与连接件211活动连接的连接件301，令上载物板30后倾至水平状态。

在平衡装置已经启动、升降推杆伸缩杆321伸至最长的状况下，当该行走机构继续向前倾斜，平衡推杆伸缩杆202会继续伸长来调节上载物板30的水平，直至平衡推杆伸缩杆202伸至最长为止。若后倾的角度不足，可以通过调节连接件212与连接件213的距离、更改平衡推杆伸缩杆202和升降推杆伸缩杆321的长度，以便调节后倾的角度。

同时本实施例中的行走机构能够实现以下功能：

1.上落乘客或上落货物：

如图17a所示，将本发明设置于现有载人行走机构之上，当平衡推杆20和升降推杆32处于缩至最短的平路模式状态，上载物板30与地面的距离是最短的，实践了方便乘客上落或卸除货物的功能。

2.乘客拿取高物或升高货物：

如图17b所示，将本发明设置于现有载人行走机构之上，当启动平衡装置，升降推杆32伸至最长，向前倾斜了的陀螺仪31会发出讯号令平衡推杆20伸长，使上载物板30与地面的距离增加，实践了方便乘客拿取高物或提高视野的功能。

3.爬坡或跨越障碍：

如图17c所示，将本发明设置于现有载人行走机构之上，当该机构向前跨越障碍，前轮到达障碍物的顶端时，车身会大幅向后倾斜，此时本发明装置的平衡装置会启动，升降推杆32会伸至最长，平衡推杆20会因应上载物板30的水平状况而缩短，实现平衡装置中的前倾动作，令机构之上的乘客或对象能与地面保持水平。

如图17d所示，当该行走机构行驶至前轮着地，障碍物会令车身大幅向前倾斜，此时平衡推杆20会因应上载物板30的水平状况而伸长，实现平衡装置中的后倾动作，令机构之上的乘客或对象能与地面保持水平。

4.攀爬楼梯：

如图17e所示，将本发明设置于现有载人行走机构之上，当该机构攀爬楼梯时，车身会大幅向前倾斜，此时平衡推杆20会因应上载物板30的水平状况而伸长，实现平衡装置中的后倾动作，令机构之上的乘客或对象能与地面保持水平。

5.承重：

假设在上载物板30中间位置承载着100kg的重物，由于上载物板30中连接件301和连接件302的双承托结构，其中50kg的重量会通过连接件302传递至升降推杆32，再经由升降推杆底扣322，连接件221，第一连接板22，连接件213、连接件121、上支架12，最终50kg的重量分别传递于下支架10和中支架11之上；另外的50kg重量，由连接件301传递，经连接件211、下平衡板21，连接件212和连接件213，最后将剩余50kg的重量分别传递于平衡推杆伸缩杆202和连接件121，再散布于整体支架之上。

本实施例中的结构环环相扣，可以将重量平均分散在整体支架上，大大减少推杆机械或任何单一组件的负担，使该机构的承重量、安全性和耐用性大增。

需注意的是，本装置也可通过人工设定升降推杆与平衡推杆的伸长量来实现双向平衡效果，操作人员可通过同时操控双推杆或单一推杆的方式来调节平衡状态。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种行走机构上的平衡装置，其特征为：包括上载物板、下平衡板、平衡推杆、升降推杆以及支架结构，所述下平衡板上方设有所述上载物板，所述下平衡板的一个侧边与所述上载物板的一个侧边活动连接，且所述下平衡板的对侧边与所述支架结构活动连接，所述下平衡板、上载物板和支架结构构成Z型开合式风琴结构；所述平衡推杆位于所述下平衡板下方，其首端与下平衡板的下表面活动连接；所述升降推杆位于所述上载物板下方，其首端与上载物板的下表面活动连接。

2.根据权利要求1所述的平衡装置，其特征为：所述上载物板的下表面设置有陀螺仪，所述陀螺仪与所述平衡推杆及升降推杆之间通过有线或无线方式连接。

3.根据权利要求2所述的平衡装置，其特征为：所述下平衡板为一侧开口的框型结构，所述下平衡板的中部位置设有横梁，所述横梁与所述平衡推杆的首端活动连接，所述框型结构上设有开口的一侧分别伸延出第一连接板，所述第一连接板与所述升降推杆的尾部活动连接。

4.根据权利要求3所述的平衡装置，其特征为：所述支架结构包括上支架、中支架和下支架，所述中支架与所述上支架固定连接，所述下支架倾斜设置，且表面与所述上支架及中支架的端部固定连接，所述下支架的最低端设有第二连接板，所述第二连接件与平衡推杆的尾部活动连接。

5.根据权利要求4所述的平衡装置，其特征为：所述下平衡板与所述第一连接板固定连接构成一个整体构件，且在连接位置通过连接件与所述上支架活动连接。

6.根据权利要求5所述的平衡装置，其特征为：还包括控制系统，所述控制系统与所述陀螺仪、升降推杆以及平衡推杆采用有线或无线方式连接，所述控制系统控制上载物板的动作状态。

7.根据权利要求6所述的平衡装置，其特征为：所述上载物板的动作状态包括升高、下降、前倾和后倾状态。

8.根据权利要求7所述的平衡装置，其特征为：所述升降推杆与上载物板构成以上载物板与下平衡板的结合部为支点的省力杠杆结构；所述平衡推杆与下平衡板构成以下平衡板与上支架的结合部为支点的费力杠杆结构。

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