CN212797138U - 一种多自由度攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机器人的技术领域，更具体地，涉及一种多自由度攀爬机器人，包括回转组件、摆转组件、包含若干磁吸附单元的磁吸附组件，两组所述回转组件连接于摆转组件的两端，所述磁吸附组件与回转组件连接，所述磁吸附单元包括同轴设置的第一径向磁铁和第二径向磁铁，所述第一径向磁铁连接有驱动第一径向磁铁转动调整磁力大小的传动组件。本实用新型将双足攀爬与永磁吸附技术结合，保证高效的攀爬行动能力和越障能力，行动范围广、行动精度高、行动敏捷迅速、灵活性高，可运用于各种工作场景，代替人工在各种恶劣环境工作或者高空作业，节省大量劳动力投入，安全且高效。

Description

一种多自由度攀爬机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人的技术领域，更具体地，涉及一种多自由度攀爬机器人。

背景技术

在一些特定环境下，存在着一些工作条件恶劣、危险的工作和任务，这些工作和任务由人类完成起来十分困难，例如：运货船船舱内部的检查、输电铁塔检修、储油罐清洗等任务。这些工作环境要么工作空间密闭狭小，要么处于高空，对于人类来说效率低、劳动强度大、费时费力、且伴随着一定危险性。为了解决这些难题，工作小车、四足机器人等方案陆续被提出；为了使得工作小车、四足机器人能够在垂直平面上爬行，给工作小车、四足机器人加装吸附装置，如电磁吸附式、真空吸附式以及利用旋翼反推吸附，从而衍生得到履带是吸盘吸附攀爬车、旋翼式攀爬机器人、电磁吸附四足攀爬机器人。

尽管形式多样的攀爬机器人陆续诞生，但仍然难以胜任上述工作，具体地：(1)旋翼式攀爬机器人虽然可以在一定的高空工作，但存在噪音大、可靠性低的缺点，高空中风力等因素会对其造成影响，稳定性不足于胜任检修这类精细工作，在船舱这类封闭狭小环境，其精度控制同样无法达到要求，若坠落也将造成巨大损失；(2)履带式吸盘吸附攀爬小车虽然能进行较为精准的运动路线规划，但其行动灵活性差，行动缓慢，效率低下，转弯困难，且越障能力差，只能在大平面上工作，难以跨越各种角度的平面；(3)电磁铁吸附四足攀爬机器人具有一定的越障能力，但其本身结构和电磁吸附结构都较为复杂，重量大，成本高，且当断电时整个机器人会因失去磁力而松脱坠落，造成损失和危险，特别是高空作业时存在着很大的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种多自由度攀爬机器人，在复杂的环境中可敏捷、顺畅地行动，具有较高的行动精度、较高的越障能力及空间平面过渡能力。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

提供一种多自由度攀爬机器人，包括回转组件、摆转组件、包含若干磁吸附单元的磁吸附组件，两组所述回转组件连接于摆转组件的两端，所述磁吸附组件与回转组件连接，所述磁吸附单元包括同轴设置的第一径向磁铁和第二径向磁铁，所述第一径向磁铁连接有驱动第一径向磁铁转动调整磁力大小的传动组件。

本实用新型的多自由度攀爬机器人，回转组件及摆转组件构成攀爬机器人的躯体，回转组件实现磁吸附组件与躯体各种角度的相对回转，摆转组件可控制躯体的整体姿态，通过对回转组件、摆转组件的调控可实现各种形式路径的攀爬；通过调节第一径向磁铁和第二径向磁铁调节磁吸附组件的磁力，保证在攀爬过程中磁吸附组件紧紧贴合在攀爬结构表面；本实用新型将双足攀爬与永磁吸附技术结合，保证高效的攀爬行动能力和越障能力，可运用于各种工作场景，代替人工在各种恶劣环境工作或者高空作业，节省大量劳动力投入，安全且高效。

进一步地，所述摆转组件包括第一摆转电机、第二摆转电机、第三摆转电机、第一连杆及第二连杆，所述第一摆转电机连接于回转组件与第一连杆间，所述第二摆转电机连接于回转组件与第二连杆间，所述第一摆转电机连接于第一连杆与第二连杆连接处。

进一步地，所述回转组件包括回转电机及第三连杆，所述回转电机与磁吸附组件配合连接且所述回转电机的旋转方向与第一摆转电机、第二摆转电机、第三摆转电机的旋转方向垂直，所述第三连杆连接于回转电机与第一摆转电机或第二摆转电机之间。

进一步地，所述磁吸附组件包括第一底座及第二底座，所述第一底座位于第二底座上方，所述传动组件安装于第一底座与第二底座之间，所述第一径向磁铁和第二径向磁铁置于磁铁腔内且磁铁腔安装于第二底座。

进一步地，所述传动组件包括主动带轮、多组从动带轮及同步带，所述主动带轮连接有驱动电机，所述同步带环绕于主动带轮和从动带轮且所述同步带带动多组从动带轮同步转动。

进一步地，所述从动带轮设有带轮轴，所述带轮轴末端设有异形轴段；所述第一径向磁铁连接有限位卡块，所述限位卡块设有与异形轴端嵌合的异形槽；所述第二底座设有限位槽，所述限位卡块与限位槽配合。

进一步地，所述限位槽为圆心角大于180°的扇形槽。

进一步地，所述同步带旁侧接触设有用于调节同步带松紧程度的涨紧组件。

进一步地，所述涨紧组件包括惰轮、惰轮架、固定块及调节件，所述固定块安装于第二底座，所述调节件与固定块活动连接且所述惰轮架连接于调节件的端部，所述惰轮架与第二底座滑动连接，所述惰轮转动安装于惰轮架且惰轮紧贴于同步带表面。

进一步地，所述磁吸附组件的底部设有辅助摩擦组件，所述辅助摩擦组件包括连接于磁吸附组件底部的弹簧件及与弹簧件连接的固定架，所述固定架内嵌置有增摩结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的多自由度攀爬机器人，将双足攀爬与永磁吸附技术结合，保证高效的攀爬行动能力和越障能力，行动范围广、行动精度高、行动敏捷迅速、灵活性高，可运用于各种工作场景，代替人工在各种恶劣环境工作或者高空作业，节省大量劳动力投入，安全且高效。

附图说明

图1为本实用新型的多自由度攀爬机器人的结构示意图；

图2为多自由度攀爬机器人的回转组件与摆转组件的结构示意图；

图3为多自由度攀爬机器人的磁吸附组件的结构示意图；

图4为多自由度攀爬机器人的磁吸附单元的安装示意图I；

图5为多自由度攀爬机器人的磁吸附单元的安装示意图II；

图6为多自由度攀爬机器人的传动组件的结构示意图；

图7为多自由度攀爬机器人的辅助摩擦组件的结构示意图；

图8为多自由度攀爬机器人尺蠖爬行的步态示意图；

图9为多自由度攀爬机器人翻转的步态示意图；

图10为多自由度攀爬机器人平面过渡的步态示意图；

图11为为多自由度攀爬机器人360°翻越的步态示意图；

附图中：1-回转组件；11-回转电机；12-第三连杆；2-摆转组件；21-第一摆转电机；22-第二摆转电机；23-第三摆转电机；24-第一连杆；25-第二连杆；3-磁吸附组件；31-第一径向磁铁；32-第二径向磁铁；33-第一底座；34-第二底座；35-磁铁腔；36-钢柱；37-限位卡块；38-限位槽；39-滑槽；4-传动组件；41-主动带轮；42-从动带轮；43-同步带；44-驱动电机；45-张紧轮；46-带轮轴；5-涨紧组件；51-惰轮；52-惰轮架；53-固定块；54-调节件；6-辅助摩擦组件；61-第一弹簧固定架；62-弹簧；63-第二弹簧固定架；64-固定架；65-增摩结构。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

如图1至图7所示为本实用新型的多自由度攀爬机器人的实施例，包括回转组件1、摆转组件2、包含若干磁吸附单元的磁吸附组件3，两组回转组件1连接于摆转组件2的两端，磁吸附组件3与回转组件1连接，磁吸附单元包括同轴设置的第一径向磁铁31和第二径向磁铁32，第一径向磁铁31连接有驱动第一径向磁铁31转动调整磁力大小的传动组件4。本实施例采用磁吸附单元，适用于可被磁力吸附的金属结构上的攀爬作业。本实施例的第一径向磁铁31、第二径向磁铁32的磁极位于左右两侧，在传动组件不工作时，第一径向磁铁31与第二径向磁铁32处于异极重叠状态。

本实施例在实施时，回转组件1及摆转组件2构成攀爬机器人的躯体，回转组件1实现磁吸附组件3与躯体各种角度的相对回转，摆转组件2可控制躯体的整体姿态，通过对回转组件1、摆转组件2的调控可实现各种形式路径的攀爬；通过调节第一径向磁铁31与第二径向磁铁32的相对角度以调节磁吸附组件的磁力，保证在攀爬过程中磁吸附组件3紧紧贴合在攀爬结构表面。

在其中一个实施例中，摆转组件2包括第一摆转电机21、第二摆转电机22、第三摆转电机23、第一连杆24及第二连杆25，第一摆转电机21连接于回转组件1与第一连杆24间，第二摆转电机22连接于回转组件1与第二连杆25间，第一摆转电机21连接于第一连杆24与第二连杆25连接处。实施时，第一摆转电机21工作可带动第一连杆24旋转，第二摆转电机22工作可带动第二连杆25旋转，第三摆转电机23工作可调节第一连杆24、第二连杆25之间的相对夹角，如此，通过控制第一摆转电机21、第二摆转电机22及第三摆转电机23，从而调整攀爬机器人整体姿态，实现尺蠖、翻转式爬行、空间平面过渡、180°越障以及360°翻越等步态。本实施例通过控制第一摆转电机21、第二摆转电机22及第三摆转电机23的工作参数控制第一连杆24及第二连杆25的旋转角度。

在其中一个实施例中，回转组件1包括回转电机11及第三连杆12，回转电机11与磁吸附组件3配合连接且回转电机11的旋转方向与第一摆转电机21、第二摆转电机22、第三摆转电机23的旋转方向垂直，第三连杆12连接于回转电机11与第一摆转电机21或第二摆转电机22之间，如图1、图2所示。攀爬过程中，其中一组磁吸附组件3吸附在金属结构上，另一组磁吸附组件3松开，吸附在金属结构的磁吸附组件3上的回转电机11工作，可带动攀爬机器人躯体旋转，使其适用于多种场景的攀爬作业。本实施例的第三连杆12可为环形结构，包裹于第一摆转电机21、第二摆转电机22的部分圆周，将第一摆转电机21、第二摆转电机22稳定地安装于回转电机11的输出端。

在其中一个实施例中，磁吸附组件3包括第一底座33及第二底座34，第一底座33位于第二底座34上方，传动组件4安装于第一底座33与第二底座34之间，第一径向磁铁31和第二径向磁铁32置于磁铁腔35内且磁铁腔35安装于第二底座34。如此安装，结构紧凑，可减小攀爬机器人的体积。本实施例的第一底座33与第二底座34紧固连接，可通过在第一底座33或第二底座34外缘设置若干钢柱36从而保持第一底座33与第二底座34之间的间隙，以便于传动组件4的安装；为便于回转组件1的安装，本实施例的第一底座33可设置用于回转电机11安装的安装部。另外，本实施例的磁铁腔35为钢制结构，但钢制磁铁腔是为了获得较好的导磁性能和强化磁力而做出的优选，并不作为本实用新型的限制性规定。第一径向磁铁31、第二径向磁铁32与磁铁腔35同轴设置，传动组件4带动第一径向磁铁31旋转以调节磁力大小。

在其中一个实施例中，传动组件4包括主动带轮41、多组从动带轮42及同步带43，主动带轮41连接有驱动电机44，同步带43环绕于主动带轮41和从动带轮42，主动带轮41和从动带轮42通过涨紧的同步带43传动，多组从动带轮42同步转动，如图3、图5所示。本实施例采用带传动的传动方式，但这种传动方式是为了结构简单作出的优选，并不作为限制性规定，其他能够带动多组从动带轮42同步旋转的传动方式也可适用于本实用新型。在实施时，驱动电机44工作驱动主动带轮41旋转，主动带轮41通过同步带43带动从动带轮42同步转动，从动带轮42的数量与每组磁吸附组件3的磁吸附单元的数量相等且一一对应，本实施例磁吸附单元可设置两组以上，两组以上的磁吸附单元沿第二底座34边缘呈环形均匀分布。其中，为便于传动组件4的安装，本实施例可在第一底座33、第二底座34的对应位置开设安装孔；为便于同步带43的稳定传动，本实施例在不同位置设置有与同步带43外表面紧密接触的张紧轮45。

在其中一个实施例中，从动带轮42设有带轮轴46，带轮轴46末端设有异形轴段；第一径向磁铁31连接有限位卡块37，限位卡块37设有与异形轴端嵌合的异形槽；第二底座34设有限位槽38，限位卡块37与限位槽38配合，如图4、图5所示。带轮轴46与第一径向磁铁31之间的传动通过异形轴段和异形槽对应配合实现，但这是为了装配简便、传动稳定而做出的优选，并不作为限制性规定，其他能够固定异形轴段与第一径向磁铁31的连接方式也可适用于本实用新型。

在其中一个实施例中，限位槽38为圆心角大于180°的扇形槽。第一径向磁铁31从第一径向磁铁31、第二径向磁铁32异极重叠旋转至同极重叠的过程中处于一个磁力从较小逐渐增大到较大的状态，利用此特性，可控制磁吸附组件3的吸附和松开。当末端需要吸附时，通过控制驱动电机44正转带动第一径向磁铁31旋转略大于180°，第一径向磁铁31与第二径向磁铁32接近于同极重叠，对外表现出强磁力，可以吸附于金属结构表面且不发生相对滑动；同时由于第一径向磁铁31、第二径向磁铁32之间会表现出一个趋于异极重叠的磁力，当第一径向磁铁31旋转略大于180°时，该磁力朝着角度继续增大的方向，与扇形槽一起将第一径向磁铁31限制在一个稳定的状态，形成自锁，在断电情况下，第一径向磁铁31仍保持静止，可防止磁吸附组件3失去吸力，从而起到断电保护的作用；当需要松开时，控制驱动电机44反转带动第一径向磁铁31回转至两磁铁异极重叠状态，对外表现为很小的磁力，磁吸附组件从金属结构表面松脱，结合躯干整体结构姿态变化爬行。

在其中一个实施例中，同步带43旁侧接触设有用于调节同步带43松紧程度的涨紧组件5。涨紧组件5用于改变同步带43的松紧程度及同步带43的方向，以确保各从动带轮42的同步转动。

在其中一个实施例中，涨紧组件5包括惰轮51、惰轮架52、固定块53及调节件54，固定块53安装于第二底座34，调节件54与固定块53活动连接且惰轮架52连接于调节件54的端部，惰轮架52与第二底座34滑动连接，惰轮51转动安装于惰轮架52且惰轮51紧贴于同步带43表面，如图3、图6所示。本实施例通过调整调节件54移动惰轮51和惰轮架52，通过调整惰轮51的位置调整同步带43的方向和松紧程度。具体地，第二底座34设有滑槽39，惰轮架52在滑槽39内单自由度滑动，具有稳定的涨紧效果，且调整简便。本实施例除设置涨紧组件调节同步带43松紧程度外，还可设置多组固定的第二惰轮紧贴于同步带43的不同位置以获得更好的涨紧效果和传动效果。

在其中一个实施例中，磁吸附组件的底部设有辅助摩擦组件6，辅助摩擦组件6包括连接于磁吸附组件3底部的弹簧件及与弹簧件连接的固定架64，固定架64内嵌置有增摩结构65，本实施例的增摩结构65可设置为增摩橡胶。具体地，弹簧件包括第一弹簧固定架61、弹簧62及第一弹簧固定架63，弹簧62的两自由端分别与第一弹簧固定架61、第一弹簧固定架63连接，第一弹簧固定架61安装于第一底座33，第一弹簧固定架63穿过第二底座34与固定架64连接，固定架64可设置磁吸附单元穿过的通孔，固定架64及增摩结构65的端面可略盖住磁吸附单元的下表面，如图7所示。本实施例实施时，辅助摩擦组件6因磁吸附组件3与金属结构之间的吸力作用受压，弹簧62收缩并产生反向推力，使得增摩结构65对金属结构表面产生压力，由此产生摩擦力。

两组磁吸附组件表示为磁吸附组件I和磁吸附组件II，以上实施例或以上任意多个实施例组合得到的攀爬机器人均至少可实现以下四种工作模式：

尺蠖步态的工作模式，如图8所示：磁吸附组件I和磁吸附组件II均为吸附的状态，如图8(a)所示；控制磁吸附组件I末端磁力减小，从金属结构表面松脱，以磁吸附组件II末端为支点，控制摆转组件使得磁吸附组件I向上移动一定距离，随后控制磁吸附组件I再次吸附，如图8(b)所示；控制磁吸附组件II末端磁力减小，从金属结构表面松脱，以磁吸附组件I末端为支点，控制摆转组件，控制磁吸附组件II向上移动一定距离，如图8(c)所示；随后控制磁吸附组件II再次吸附，如图8(d)所示；完成一步的爬行，如此循环往复，即可实现以尺蠖步态攀爬。

翻转步态的工作模式，如图9所示：磁吸附组件I和磁吸附组件II均为吸附的状态，如图9(a)所示；控制磁吸附组件II末端磁力减小，从金属结构表面松脱，如图9(b)所示；以磁吸附组件I末端为支点，控制摆转组件使得磁吸附组件II翻转至磁吸附组件I以上位置，如图9(c)所示；随后控制磁吸附组件II再次吸附，如图9(d)所示；完成一步的爬行，如此循环往复，即可实现以翻转步态攀爬。

空间平面过渡步态的工作模式，如图10所示：磁吸附组件I和磁吸附组件II位于一平面且均为吸附状态，如图10(a)所示；控制磁吸附组件II末端磁力减小，从金属结构表面松脱，如图10(b)所示；以磁吸附组件I末端为支点，控制摆转组件使得磁吸附组件II翻转至另一平面，随后控制磁吸附组件II再次吸附，如图10(c)所示；控制磁吸附组件I末端磁力减小，磁吸附组件I从一平面松脱，如图10(d)所示；以磁吸附组件II末端为支点，控制摆转组件和回转组件，将磁吸附组件I转动至另一平面，并控制磁吸附组件I末端再次吸附，如图10(e)所示；完成一步的爬行，如此循环往复，即可实现以空间平面过渡步态攀爬。

360°翻越步态的工作模式，如图11所示：磁吸附组件I和磁吸附组件II位于同一侧面且均为吸附状态，如图11(a)所示；控制磁吸附组件II末端磁力减小，从金属结构表面松脱，如图11(b)所示；以磁吸附组件I末端为支点，控制摆转组件和回转组件使得磁吸附组件II翻转至相对侧面，如图11(c)、11(d)所示；控制磁吸附组件II末端再次吸附，如图11(e)所示；控制磁吸附组件I末端磁力减小，从金属结构表面松脱，如图11(f)所示；以磁吸附组件II末端为支点，控制摆转组件和回转组件使得磁吸附组件I翻转至相对侧面磁吸附组件II下方，如图11(g)所示；控制磁吸附组件I末端再次吸附，如图11(h)所示；完成一步的翻越，如此循环往复，即可实现以360°翻越步态攀爬。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多自由度攀爬机器人，其特征在于，包括回转组件(1)、摆转组件(2)、包含若干磁吸附单元的磁吸附组件(3)，两组所述回转组件(1)连接于摆转组件(2)的两端，所述磁吸附组件(3)与回转组件(1)连接，所述磁吸附单元包括同轴设置的第一径向磁铁(31)和第二径向磁铁(32)，所述第一径向磁铁(31)连接有驱动第一径向磁铁(31)转动调整磁力大小的传动组件(4)。

2.根据权利要求1所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述摆转组件(2)包括第一摆转电机(21)、第二摆转电机(22)、第三摆转电机(23)、第一连杆(24)及第二连杆(25)，所述第一摆转电机(21)连接于回转组件(1)与第一连杆(24)间，所述第二摆转电机(22)连接于回转组件(1)与第二连杆(25)间，所述第一摆转电机(21)连接于第一连杆(24)与第二连杆(25)连接处。

3.根据权利要求2所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述回转组件(1)包括回转电机(11)及第三连杆(12)，所述回转电机(11)与磁吸附组件(3)配合连接且所述回转电机(11)的旋转方向与第一摆转电机(21)、第二摆转电机(22)、第三摆转电机(23)的旋转方向垂直，所述第三连杆(12)连接于回转电机(11)与第一摆转电机(21)或第二摆转电机(22)之间。

4.根据权利要求1至3任一项所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述磁吸附组件(3)包括第一底座(33)及第二底座(34)，所述第一底座(33)位于第二底座(34)上方，所述传动组件(4)安装于第一底座(33)与第二底座(34)之间，所述第一径向磁铁(31)和第二径向磁铁(32)置于磁铁腔(35)内且磁铁腔(35)安装于第二底座(34)。

5.根据权利要求4所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述传动组件(4)包括主动带轮(41)、多组从动带轮(42)及同步带(43)，所述主动带轮(41)连接有驱动电机(44)，所述同步带(43)环绕于主动带轮(41)和从动带轮(42)且所述同步带(43)带动多组从动带轮(42)同步转动。

6.根据权利要求5所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述从动带轮(42)设有带轮轴(46)，所述带轮轴(46)末端设有异形轴段；所述第一径向磁铁(31)连接有限位卡块(37)，所述限位卡块(37)设有与异形轴端嵌合的异形槽；所述第二底座(34)设有限位槽(38)，所述限位卡块(37)与限位槽(38)配合。

7.根据权利要求6所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述限位槽(38)为圆心角大于180°的扇形槽。

8.根据权利要求5至7任一项所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述同步带(43)旁侧接触设有用于调节同步带(43)松紧程度的涨紧组件(5)。

9.根据权利要求8所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述涨紧组件(5)包括惰轮(51)、惰轮架(52)、固定块(53)及调节件(54)，所述固定块(53)安装于第二底座(34)，所述调节件(54)与固定块(53)活动连接且所述惰轮架(52)连接于调节件(54)的端部，所述惰轮架(52)与第二底座(34)滑动连接，所述惰轮(51)转动安装于惰轮架(52)且惰轮(51)紧贴于同步带(43)表面。

10.根据权利要求1所述的多自由度攀爬机器人，其特征在于，所述磁吸附组件的底部设有辅助摩擦组件(6)，所述辅助摩擦组件(6)包括连接于磁吸附组件(3)底部的弹簧件及与弹簧件连接的固定架(64)，所述固定架(64)内嵌置有增摩结构(65)。

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