機器人驅(qū)動方式及其在焊接機器人中的應(yīng)用

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(上海電力學(xué)院 自動化工程學(xué)院，上海 200090)

0 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機器人技術(shù)也迅速發(fā)展。機器人是一種集合控制技術(shù)、機械電子技術(shù)、計算機技術(shù)、材料和仿生學(xué)的智能產(chǎn)物，可以代替人類在危險、惡劣、人類無法進(jìn)入的工作環(huán)境下工作。

機器人的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，遍及各個方面，如在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)、航空航天等領(lǐng)域均有重要用途。因此對機器人的驅(qū)動能源和驅(qū)動方式的研究非常重要。應(yīng)用領(lǐng)域不同，機器人的驅(qū)動方法亦不同。國內(nèi)外學(xué)者對機器人的驅(qū)動能源和驅(qū)動方式進(jìn)行了深入而廣泛的研究。

1 機器人的分類

機器人的分類方法有很多，文中主要論述了機器人的驅(qū)動能源和驅(qū)動方式分類。按照動力能源可分為傳統(tǒng)能源和新型能源兩大類，其中傳統(tǒng)能源主要包括電能和化石能源，新型能源包括太陽能、燃料電池、風(fēng)能、溫差能、波浪能、生物質(zhì)能等。按照驅(qū)動方式可以劃分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和新型驅(qū)動裝置。

2 機器人能源類型研究

機器人的動力能源有很多種，在機器人研究初期主要采用的能源為傳統(tǒng)的動力能源(電能和化石能源)。

2.1 傳統(tǒng)能源

電能主要是指電纜供電和電池供電。在非移動機器人中通常采用電纜供電的方式，電源穩(wěn)定方便，不影響機器人的操作；有纜移動機器人在運行過程中，電纜與地面或者管道的摩擦增加了機器人的損耗，限制了機器人的最大運行距離?，F(xiàn)有研究的移動機器人一般都采用可攜帶的電池為機器人的運行提供能量，但是電池的容量有限，無法實現(xiàn)機器人的長距離作業(yè)。

任蒼斯等人[1]針對單一電能驅(qū)動的飛行機器人存在的續(xù)航時間短，有效載負(fù)荷能力較低的缺點，設(shè)計了一種并聯(lián)式油電混合動力多軸飛行機器人，在保證飛行機器人穩(wěn)定飛行、垂直起降、穩(wěn)定懸停的前提下，延長了續(xù)航時間，提高了載荷能力。趙峰[2]設(shè)計了一種由動力電池和超級電容組成的混合電源供電的煤礦環(huán)境探測機器人，利用混合動力能源可提供大電流放電的優(yōu)勢，以提高機器人的越障能力。呂應(yīng)明等人[3]采用了蓄電池和超級電容器組成的復(fù)合電源代替單一電源，利用超級電容器功率密度大、使用壽命長、充放電速度快的優(yōu)點，在保證移動機器人重量不變的條件下，提高了系統(tǒng)的動力性能，延長了電源的使用壽命。

2.2 新型能源

針對機器人傳統(tǒng)動力能源存在的缺點，許多研究人員都嘗試將新型能源，如太陽能、風(fēng)能、溫差能、波浪能、生物質(zhì)能等清潔能源單獨或組合應(yīng)用到機器人系統(tǒng)中。劉呈則等人[4]針對戶外或特殊環(huán)境(如水下)機器人作業(yè)時間長，傳統(tǒng)蓄電池功率重量比低的問題，設(shè)計了由功率重量比高的質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動的自主機器人系統(tǒng)，減小了機器人的體積，滿足了機器人長時間作業(yè)的要求。王田苗等人[5]對極地漫游機器人進(jìn)行了研究，針對野外探測機器人自身攜帶電池能量有限，且極地地區(qū)無充電樁等客觀因素，將極地能源補充作為一個研究重點，南極地區(qū)每年的極夜時間很長，而風(fēng)能時間分布較太陽能更加均勻，可以常年向機器人提供再生能源，因此將風(fēng)能作為基地漫游機器人的主要能源。白鶴[6]仿照已有的太陽能風(fēng)帆驅(qū)動的太空船和水中船舶，建立了太陽能風(fēng)帆驅(qū)動的機器人動力學(xué)模型，同時利用太陽能和風(fēng)能，既滿足了機器人的能量需求，又減少了機器人太陽能板占用的面積。呂學(xué)勤等人[7]將燃料電池混合動力系統(tǒng)應(yīng)用于自主機器人，利用燃料電池和蓄電池組成的混合動力能源的清潔環(huán)保，啟動快，供電時間長的優(yōu)點，以及蓄電池可以存儲機器人電機制動回饋的能量的特點，滿足了無纜自主機器人的遠(yuǎn)程長時間運行的需求。

3 機器人的驅(qū)動方式

隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人的驅(qū)動方式也越來越多。傳統(tǒng)的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動三種。

3.1 傳統(tǒng)驅(qū)動

3.1.1液壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動是通過將油壓泵產(chǎn)生的工作油的壓力能轉(zhuǎn)變成的機械能實現(xiàn)力的傳遞。液壓驅(qū)動方式具有較高的功率重量比，低速時也能產(chǎn)生很大的驅(qū)動力，對于搬運重量大的物體具有很大優(yōu)勢；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可減小機器人的整體體積；液壓驅(qū)動的油液具有不可壓縮性，因此該驅(qū)動控制性能好，有較高的精度；對于極端惡劣的外部環(huán)境，也有很強的適應(yīng)能力。

2016年，谷歌子公司波士頓動力公司升級了最新款由液壓驅(qū)動四肢的Atlas機器人，Atlas不僅能在各種地形上自如行走，還能完成下蹲、撿物、開門等各種擬人動作，在受到外力攻擊時能保持機體的平衡，且被推倒后還能再次站起來[8]。陳志偉等人[9]仿照大型犬類后腿結(jié)構(gòu)研究設(shè)計了液壓驅(qū)動多足機器人單腿，并進(jìn)行了動態(tài)跳躍試驗，驗證了機器人單腿機械結(jié)構(gòu)和液壓缸參數(shù)設(shè)計的合理性。

雖然液壓驅(qū)動方式具有以上優(yōu)點，但是容易受液體泄漏的影響，不僅會破壞工作的穩(wěn)定性，降低控制精度，還會引起環(huán)境污染。液壓驅(qū)動的油液會受環(huán)境影響，粘稠度、純凈度等發(fā)生變化，進(jìn)而會影響機器人的正常工作，因此液壓驅(qū)動大多用于超大功率的機器人系統(tǒng)中。

3.1.2氣壓驅(qū)動

氣壓驅(qū)動的工作原理與液壓驅(qū)動類似，是以空氣壓縮機為動力源，以壓縮空氣為工作介質(zhì)，進(jìn)行能量傳遞。氣壓驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，氣源方便，經(jīng)濟性好，空氣壓縮后不會產(chǎn)生粘性過大的現(xiàn)象，因此氣壓驅(qū)動器能迅速變化，快速性好；氣壓驅(qū)動產(chǎn)生的廢氣不會污染環(huán)境。氣壓驅(qū)動方式通常用于搬運輕的物體和中、小負(fù)荷的工業(yè)機械手中。

任立敏等人[10]設(shè)計了一種具備柔性傳動能力的氣壓驅(qū)動微型管道機器人，將氣壓馬達(dá)作為機器人的外置動力源，與柔性長距離傳輸技術(shù)結(jié)合，驅(qū)動前端球形機器人在管道內(nèi)清除污垢，解決了發(fā)電廠冷凝器蒸汽回流回路等微型管道的監(jiān)測和維護問題。譚益松等人[11]設(shè)計了一種用于管道清潔的氣壓驅(qū)動機器人，仿照尺蠖式運動，固定前端或后端，中間收縮的方式，完成機器人的前進(jìn)后退運動，利用氣壓馬達(dá)驅(qū)動合金刀旋轉(zhuǎn)清理長距離復(fù)雜的管道內(nèi)壁。

氣壓驅(qū)動同時還存在一些缺點：氣壓驅(qū)動的功率重量比較小，使得整個機器人系統(tǒng)體積偏大，又因為空氣的可壓縮性，使得氣壓驅(qū)動的定位精度較低，不滿足超精度的工作要求。

3.1.3電氣驅(qū)動

電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過機械傳動間接去驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，以獲得機器人的各種運動。電氣驅(qū)動的成本較低且方便，適合用于大功率機器人。電氣驅(qū)動又分為三類，交流伺服電機驅(qū)動、步進(jìn)電機驅(qū)動和直流伺服電機驅(qū)動。直流電機具有無級調(diào)速的優(yōu)點，但經(jīng)濟性差；交流電機一般不能進(jìn)行無級調(diào)速。步進(jìn)電機的定位精度高，且控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，且速度不能太高。

覃才福等人[12]設(shè)計了基于BTS970驅(qū)動的直流電機驅(qū)動小型排爆機器人，該設(shè)計的控制電路簡單，并通過實驗驗證了該機器人易操作控制，具有較強的抗干擾能力，為智能爆破機器人的驅(qū)動系統(tǒng)提供了新的方法。Zouari L等人[13]設(shè)計了基于FPGA板的無刷直流電機驅(qū)動的雙自由度機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本低，動態(tài)響應(yīng)速度快。

3.2 新型驅(qū)動

機器人新型驅(qū)動方式不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)有的新型機器人驅(qū)動方式主要分為磁致伸縮驅(qū)動、壓電驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動、超聲波驅(qū)動、光驅(qū)動、人工肌肉驅(qū)動、電磁驅(qū)動和靜電驅(qū)動等。

3.2.1磁致伸縮驅(qū)動

磁致伸縮驅(qū)動主要是利用了磁致伸縮現(xiàn)象(即磁致伸縮材料磁化狀態(tài)的改變導(dǎo)致其長度發(fā)生微小的變化)，主要用于微小的驅(qū)動場合。張永順等人[14]研制了以超磁致伸縮薄膜為驅(qū)動器的仿生游動微型機器人，并進(jìn)行了試驗，通過改變驅(qū)動頻率和磁場的大小，實現(xiàn)了機器人運動速度和運動方向的改變。

3.2.2壓電驅(qū)動

壓電驅(qū)動器的壓電材料是一種當(dāng)它受到力作用時其表面上出現(xiàn)與外力成比例的電荷的材料，又稱壓電陶瓷。壓電陶瓷具有響應(yīng)速度快、位移線性好、體積小等優(yōu)點。李勃等人[15]將壓電陶瓷材料作為機器人的驅(qū)動功能元件，設(shè)計了一個智能化的微型多節(jié)蛇行游動機器人，該機器人動作敏捷靈巧，且整個系統(tǒng)體積小、重量輕、精度高。

3.2.3形狀記憶合金驅(qū)動

形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動原理是指一種具有記憶功能的特殊的合金，在受到外力作用時發(fā)生形變，當(dāng)溫度達(dá)到某一適當(dāng)值時，該合金能自動恢復(fù)到形變前的形狀。SMA制成的驅(qū)動元件，體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，因此有些研究人員將SMA應(yīng)用于微型機器人中。魏中國等人[16]介紹了形狀記憶合金驅(qū)動原理，并分析了國外SMA的研究現(xiàn)狀，為中國SMA驅(qū)動機器人的研究提供了基礎(chǔ)。

3.2.4超聲波驅(qū)動

超聲波驅(qū)動是利用了超聲波的振動特性進(jìn)行驅(qū)動的。超聲波振動引起振動物體與移動物體的相對運動產(chǎn)生了摩擦力，以摩擦力作為驅(qū)動力驅(qū)動機器人動作。超聲波驅(qū)動器和SMA驅(qū)動一樣，體積小，結(jié)構(gòu)簡單；同時超聲波驅(qū)動還具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點，因此比較適合機器人的驅(qū)動。賀思源等人[17]提出了一種超聲波無軸承直接驅(qū)動的空間機器人，利用超聲波驅(qū)動機器人不需配備減速裝置就可以低速運行的優(yōu)勢，解決了太空機器人存在的潤滑問題。

3.2.5光驅(qū)動

光驅(qū)動是指某一些強電介質(zhì)在受到光照射時，會產(chǎn)生很高的光感應(yīng)電壓。2015年12月，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所田孝軍教授及其科研團隊設(shè)計出一種僅用光進(jìn)行驅(qū)動和控制的微型柔性游泳機器人[18]，這為未來研制更小的機器人創(chuàng)造了可能，將來可將超微小機器人用于醫(yī)療領(lǐng)域，進(jìn)入人體血管清理血栓等。

3.2.6人工肌肉驅(qū)動

人工肌肉驅(qū)動是指為實現(xiàn)骨骼-肌肉部分的功能研制的驅(qū)動，這種驅(qū)動方式可以模擬生物體的肢體運動。應(yīng)申舜等人[19]利用人工肌肉的驅(qū)動力促使關(guān)節(jié)運動，并證明了該肌肉驅(qū)動的機器人關(guān)節(jié)具有良好的強度和靈活性。

3.2.7電磁驅(qū)動

電磁驅(qū)動是指通過改變磁場與導(dǎo)體的相對位置，使導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而使得導(dǎo)體在電場力的作用下開始運動。已有的研究除了直接使用電磁驅(qū)動機器人，也有通過電磁驅(qū)動改變機器人的重心實現(xiàn)機器人驅(qū)動的。桑勝舉等人[20]提出了一種電磁驅(qū)動全方位運動球形機器人。通過電磁磁芯與永磁磁鋼之間的吸引力或排斥力，改變球形機器人的質(zhì)心，實現(xiàn)球形機器人的全向滾動。

3.2.8靜電驅(qū)動

靜電驅(qū)動是利用電荷間引力和排斥力的相互作用順序驅(qū)動電極而產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn)運動。由于其能量密度較低，應(yīng)用的相對較小，但是它具有電壓驅(qū)動、易于集成和控制的特點，在微型機器人的研究開發(fā)中具有突出優(yōu)勢。

4 焊接機器人

工業(yè)化的進(jìn)程不斷加快，解放工作在環(huán)境惡劣且強度大的崗位工人的任務(wù)刻不容緩。焊接是工業(yè)自動化中的一項重要的現(xiàn)場作業(yè)技術(shù)，已經(jīng)在汽車行業(yè)、船舶行業(yè)和橋梁行業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

4.1 焊接機器人的分類

從1959年美國產(chǎn)生了的第一臺工業(yè)機器人Unimate以來，焊接機器人經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。第一階段是示教再現(xiàn)焊接機器人，在人工示教的過程中，機器人記錄下工作的軌跡，自主工作時自動重復(fù)記錄下的工作軌跡。這階段的機器人結(jié)構(gòu)簡單，不具備外界信息的反饋能力，無法根據(jù)實際情況做出相應(yīng)改變；第二階段是感知焊接機器人，相比于第一階段的焊接機器人，該階段的機器人帶有一定的傳感器，可以感知外界環(huán)境和操作對象的信息，并做出簡單的判斷和應(yīng)對措施，對環(huán)境變化的適應(yīng)性更好；第三階段是高級智能焊接機器人，裝有更多的傳感器，智能化程度提高，不僅可以像第二階段的焊接機器人感知收集外部信息，還能進(jìn)行信息分析、處理，并根據(jù)指令和自身判斷做出恰當(dāng)反應(yīng)，并且能夠進(jìn)行自我診斷和修復(fù)。

焊接機器人的種類很多，按照不同的劃分方式，可以分為不同的類型。按照焊接方式主要包括點焊、弧焊和激光焊接3類焊接形式。點焊機器人是指用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機器人，通過電阻產(chǎn)生的熱量加熱焊接點完成焊接任務(wù)。世界上第一臺焊接機器人Unimate就是點焊機器人。1987年，國內(nèi)第一臺點焊機器人華宇Ⅰ型點焊機器人研制成功?；『笝C器人是一種通過熔化焊絲將被焊工件連接到一起的焊接技術(shù)。2010年日本某公司研發(fā)出了一款7自由度的弧焊機器人?；『笝C器人一般都是示教再現(xiàn)機器人。激光焊接機器人具有自動化高、功率高、焊接速度快、經(jīng)濟性高的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于板材的焊接[21]。

按照移動方式分為固定非移動型和移動型焊接機器人兩種；非移動焊接機器人主要用于車間內(nèi)的焊接工作，作業(yè)任務(wù)簡單，焊接工作環(huán)境良好，作業(yè)完成質(zhì)量好，但是安裝相對困難，焊接工作范圍小。移動型包括有軌道移動焊接機器人和自主移動焊接機器人兩種。自主移動的焊接機器人又包括輪式和履帶式兩大類。張軻等人[22]設(shè)計研發(fā)了一種輪式移動焊接機器人系統(tǒng)，實時跟蹤焊縫位置，實現(xiàn)了大型船舶甲板的自動化焊接作業(yè)。李智等人[23]利用履帶式機器人的較高運動性能和穩(wěn)定性，將履帶式移動焊接機器人應(yīng)用到船舶焊接作業(yè)中。葉艷輝等人[24]設(shè)計了一種履帶式水下焊接機器人，提高了機器人的穩(wěn)定性，為水下焊接作業(yè)提供了保障。

按工作環(huán)境可以分為水下焊接機器人和非水下焊接機器人。常見的焊接機器人一般都是工作在陸地環(huán)境中，但海洋資源豐富，人類對海洋的探索也將不斷深入，海底管道的鋪設(shè)和海底鉆井等都離不開水下焊接。譚誼誠等人[25]設(shè)計了一種全位置水下焊接機器人，并結(jié)合磁輪共同作用，實現(xiàn)水下焊接機器人的大范圍移動。羅雨[26]設(shè)計了海底管道鋪設(shè)焊接機器人的總體方案，為海底管道焊接機器人的發(fā)展提供了有效的依據(jù)。

4.2 焊接機器人的動力能源

4.2.1傳統(tǒng)能源

現(xiàn)有的焊接機器人都是用傳統(tǒng)的單一電能供電，非移動焊接機器人一般都是通過線纜供電。線纜供電的焊接機器人主要應(yīng)用于車間焊接，例如固定機器人的機械手焊接和有軌道的車間焊接作業(yè)。自主移動焊接機器人大多都是采用蓄電池作為其動力能源，可以獨立自由的大范圍運動完成焊接任務(wù)。但是蓄電池具有功率密度低、單次充電時間長、使用壽命短、體積重量大等缺點，難以滿足焊接機器人的長距離作業(yè)，極大地限制了其在移動機器人動力系統(tǒng)中的應(yīng)用[27]。

4.2.2新型能源

為解決上述問題，許多研究人員將新能源應(yīng)用到焊接機器人系統(tǒng)中。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)因其清潔高效無污染得到研究人員的關(guān)注，它是一種以氫氣為燃料，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，因此將其應(yīng)用于移動焊接機器人中，可以徹底擺脫電纜的束縛輸出動力。

單一的燃料電池驅(qū)動的移動焊接機器人雖然擺脫了線纜的束縛，但是燃料電池的啟動速度慢，負(fù)載突增時無法快速響應(yīng)。因此許多研究人員將燃料電池與其他電源組合成混合動力能源向移動焊接機器人供能。超級電容具有快速充放電的優(yōu)點，將燃料電池和超級電容結(jié)合，可以更好地滿足焊接機器人的功率需求。呂學(xué)勤等人[28]將燃料電池與鋰電池的混合動力系統(tǒng)應(yīng)用于焊接機器人，在機器人啟動加速階段，鋰電池作為輔助能源快速供電，以滿足機器人功率的需求，同時保證燃料電池處在安全高效的反應(yīng)放電范圍；在機器人減速制動產(chǎn)生回饋能量時，鋰電池可以作為儲能裝置存儲能量，為機器人啟動加速的快速響應(yīng)做好準(zhǔn)備。這種混合動力能源可以實現(xiàn)無纜焊接機器人的遠(yuǎn)程長時間運行的需求；并設(shè)計了一種焊縫搜索的方法，可以自動確定焊縫的起始點，自動調(diào)整焊縫的姿態(tài)，提高移動機器人的跟蹤精度。

4.3 焊接機器人的主要驅(qū)動方式

隨著焊接機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，各種驅(qū)動形式也不斷的被應(yīng)用到焊接機器人中。應(yīng)用于汽車焊接工業(yè)的點焊機器人，通常應(yīng)用液壓驅(qū)動方式和電氣驅(qū)動方式。

4.3.1差速驅(qū)動

現(xiàn)有的移動焊接機器人大都采用了差速驅(qū)動的方式驅(qū)動機器人行進(jìn)。張軻等人[29]建立了差速驅(qū)動的移動焊接機器人的動力學(xué)模型，利用兩后輪的差速驅(qū)動實現(xiàn)對機器人的軌跡控制和姿態(tài)的調(diào)節(jié)，并通過仿真驗證了該機器人的焊縫跟蹤控制精度高，且具有較好的穩(wěn)定性。彭園等人[30]設(shè)計了一款兩輪差速驅(qū)動移動焊接機器人促進(jìn)了小型焊接機器人的研究。毛志偉等人[31]提出了一種四輪驅(qū)動的全輪差速轉(zhuǎn)向移動焊接機器人，利用機器人的左右兩側(cè)四車輪的差速驅(qū)動機器人轉(zhuǎn)向，解決了移動焊接機器人轉(zhuǎn)向側(cè)滑的問題，同時提高了機器人的穩(wěn)定性和軌跡跟蹤的精確性。

4.3.2新型驅(qū)動

除了上述差速驅(qū)動的驅(qū)動方法，一些新興的驅(qū)動方式也被應(yīng)用于焊接機器人中。魏巍等人[32]將冗余機器人與焊接技術(shù)結(jié)合起來，通過冗余驅(qū)動技術(shù)提高焊接機器人的靈活性，協(xié)調(diào)控制機器人的位置和姿態(tài)，避免本體與焊接肢體的干涉碰撞進(jìn)而提高了焊接質(zhì)量和速度。李院生等人[33]利用球形電機多自由度運動的優(yōu)點，提出了一種新穎的球形電機驅(qū)動的焊接機器人結(jié)構(gòu)，不僅減小了電機數(shù)量，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高經(jīng)濟性，而且滿足了焊接的要求，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。這些新型的驅(qū)動方式提高了焊接機器人的性能，促進(jìn)了焊接機器人技術(shù)的發(fā)展。

5 結(jié)束語

機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了世界工業(yè)的進(jìn)步，動力能源和驅(qū)動技術(shù)作為機器人中極其重要的部分，必須不斷地發(fā)展提高以滿足不斷改進(jìn)的機器人需求。文中對現(xiàn)有的機器人的主要動力能源和驅(qū)動方式進(jìn)行了簡要的綜述，介紹了各種驅(qū)動方式的原理以及優(yōu)缺點，并列舉了部分不同驅(qū)動方式下的機器人研究。焊接機器人作為機器人研究中的重要部分，在焊接獨有的運行特點下研究其驅(qū)動方式也是很有必要的。高效、經(jīng)濟、無污染、易控的驅(qū)動能源和驅(qū)動方式將是未來研究的重點。

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