第 1 頁 共 35 頁外文翻譯現(xiàn)代機(jī)械工程,2011年,47-55http://dx.doi:10.4236/mme.2011.12007 在線發(fā)表在2011年11月(http://www.SciRP.org/journal/mme)設(shè)計和開發(fā)有競爭力的低成本的四自由度機(jī)械臂Ashraf Elfasakhany1'2, Eduardo Yanez2,Karen Baylon2, Ricardo Salgado21Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Taif University, Al-Haweiah, Saudi Arabia2Tecnológico de Monterrey, Campus Ciudad Juárez, Ciudad Juarez, Mexico郵箱: ashr12000@yahoo.com2011年10月19日收到；2011年11月7日修訂；2011年11月15日接受摘要這項工作的重點是設(shè)計，開發(fā)和實施有競爭力的機(jī)械手手臂的控制和粗短的成本提高。機(jī)械手手臂的設(shè)計具有四個自由度，才能完成準(zhǔn)確的簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將成為一個移動平臺，成為工業(yè)勞動力的助理。機(jī)械手配備有伺服電機(jī)做武器和執(zhí)行的手臂動作之間的聯(lián)系。伺服馬達(dá)包括編碼器，所以沒有控制器實現(xiàn)。我們使用LabVIEW控制機(jī)械手進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)計算，并將正確的角度對單片機(jī)的串行驅(qū)動伺服電機(jī)改變位置的能力，速度和加速度。機(jī)械手手臂的測試進(jìn)行了驗證結(jié)果表明，它工作正常。關(guān)鍵詞：機(jī)械手手臂，成本低，設(shè)計，驗證，四個自由度，伺服電機(jī)，Arduino，機(jī)械手控制，Labview 機(jī)械手控制第 2 頁 共 35 頁1、簡介機(jī)械手實際上是術(shù)語定義為制造業(yè)研究，設(shè)計和使用機(jī)械手系統(tǒng) [1]。機(jī)械手通常被用于執(zhí)行不安全的，危險的，高度重復(fù)性的，和不愉快的任務(wù)。他們有許多不同的功能，如材料處理，組裝，焊接，電阻焊接，工具機(jī)的加載和卸載功能，繪畫，噴涂等。主要有兩種不同的機(jī)械手服務(wù)機(jī)械手和工業(yè)機(jī)械手。服務(wù)機(jī)械手是機(jī)械手操作半或全自動履行服務(wù)的人和設(shè)備的健康有益，不包括制造過程[2]。工業(yè)機(jī)械手，另一方面，正式定義的 ISO作為自動控制、多用途的機(jī)械手在三軸以上的[1]可編程。工業(yè)機(jī)械手是用來移動材料，零件，工具或?qū)ｉT的設(shè)備，通過各種編程動作執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)不僅包括工業(yè)機(jī)械手，而且任何設(shè)備和/或傳感器所需的機(jī)械手以及測序或監(jiān)控通信接口完成任務(wù)。在2007世界的市場增長了3%，約114000個新安裝的工業(yè)機(jī)械手。2007年底，大約有一百萬的工業(yè)機(jī)械手的使用，估計有50000的服務(wù)機(jī)械手工業(yè)用[3]比較。由于增加的工業(yè)機(jī)械手手臂的使用，一種進(jìn)化的主題試圖模仿人類的運(yùn)動開始在一個詳細(xì)的模式。例如，一組學(xué)生在韓國做了一個創(chuàng)新的機(jī)械臂以舞蹈方面，賬戶重設(shè)計，書法書寫和顏色分類[4]。另一組工程師在美國開發(fā)的八自由度機(jī)械手手臂。這個機(jī)械手是能夠從一筆一球的許多形狀掌握許多對象和模擬也人[5]手。在太空，航天飛機(jī)遙控操縱系統(tǒng)，稱為SSRMS或操控，和它的繼任者是實例的多自由度機(jī)械手手臂，已被用于執(zhí)行各種任務(wù)，如檢查使用一種專門部署的繁榮的航天飛機(jī)有照相機(jī)和傳感器安裝在端部執(zhí)行器和衛(wèi)星的部署和檢索從航天飛機(jī)的貨艙演習(xí)[6]。在墨西哥，科學(xué)家正在開發(fā)許多機(jī)械手手臂的設(shè)計，和墨西哥政府估計，墨西哥約有11000的機(jī)械臂，用于在不同的工業(yè)應(yīng)用。然而，專家認(rèn)為，機(jī)械手的手臂遠(yuǎn)不僅是高質(zhì)量的，但也準(zhǔn)確，重復(fù)性，和粗短的成本。大多數(shù)的機(jī)械手是建立一個操作的教導(dǎo)和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下，一個訓(xùn)練有素的操作員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（一種示教）教會機(jī)械手任務(wù)手動。機(jī)械手的速度在這些編程會話是緩慢的。目前的工作是一個兩相的項目的一部分，這需要一個移動機(jī)械手能夠運(yùn)輸工具從儲藏室的工業(yè)電池。在這一階段的項目中，進(jìn)行了在蒙特雷技術(shù)大學(xué)，墨西哥，主要是設(shè)計，一個工業(yè)機(jī)械手的手臂粗短的成本的開發(fā)和實施，準(zhǔn)確和優(yōu)越的控制。這個機(jī)械手手臂的設(shè)計具有四個自由度，才能完成簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將成為一個移動平臺，成為工業(yè)勞動力的助理。2、機(jī)械設(shè)計機(jī)械手手臂的機(jī)械設(shè)計是基于一個機(jī)械手具有類似功能的一個人類手臂[6-8]。這種機(jī)械手的鏈接的節(jié)點允許的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和操縱器的鏈接的連接被認(rèn)為是形成一個運(yùn)動鏈。機(jī)械手的運(yùn)動鏈的業(yè)務(wù)端稱為ARM工具末端或結(jié)束，這是類似于人類的手。圖1顯示了機(jī)械臂的機(jī)械設(shè)計的自由體圖。如圖所示，端部執(zhí)行器是不包括在設(shè)計因為商用夾具的使用。這是因為，末端是一個系統(tǒng)的最復(fù)雜的部分和，反過來，它是更容易和經(jīng)濟(jì)地使用一個商業(yè)比建造它。第 3 頁 共 11 頁圖2顯示了機(jī)械手臂的工作區(qū)。這是四自由度機(jī)械手手臂的典型工作區(qū)（4自由度） 。機(jī)械設(shè)計是有限的4自由度主要是因為這樣的設(shè)計允許最必要的運(yùn)動和保持成本和機(jī)械手的復(fù)雜競爭。因此，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被限制在旋轉(zhuǎn)是圍繞兩個軸在肩、肘、腕關(guān)節(jié)周圍只有一個，見圖1。機(jī)械手關(guān)節(jié)通常由電動機(jī)驅(qū)動的。伺服電機(jī)的選擇，因為它們包括編碼器可以自動提供反饋給電機(jī)和調(diào)整相應(yīng)的位置。然而，這些電機(jī)的缺點是，旋轉(zhuǎn)范圍小于180?跨度，大大減少了區(qū)域達(dá)到的手臂和可能的位置[9]。伺服電機(jī)的資格是基于由結(jié)構(gòu)和可能的負(fù)載所需的最大扭矩選擇。在目前的研究中，用于結(jié)構(gòu)材料，丙烯酸。圖3顯示了用于負(fù)荷計算的內(nèi)力圖。計算僅為具有最大負(fù)荷節(jié)點進(jìn)行的，因為其他的節(jié)點具有相同的電機(jī)，即電機(jī)移動的鏈接沒有問題。計算中考慮了電機(jī)的重量，50克左右，除了在節(jié)點 B電機(jī)的重量，因為它是由連接壩進(jìn)行了。圖4顯示的鏈接CB的內(nèi)力圖，其中包含的節(jié)點（B 和 C）與最高負(fù)荷（帶鏈接的直流和 ED）并進(jìn)行計算如下。用于轉(zhuǎn)矩的計算值：Wd = 0.011 kg (DE桿的負(fù)荷) Wc = 0.030 kg (CD桿的負(fù)荷) Wb = 0.030 kg (CB桿的負(fù)荷) L = 1 kg (負(fù)載) Cm = Dm = 0.050 kg (電機(jī)重量) LBC = 0.14 m (BC桿的長度) LCD = 0.14 m (CD桿的長度) LDE = 0.05 m (DE桿的長度)執(zhí)行在 Y軸力的總和，使用荷載如圖4所示，與 CY和 CB解決，看到方程(1)-(4)。同樣，執(zhí)行在 C點時刻的總和，方程(5） ，和 B點，方程(6)，在 B和 C獲得轉(zhuǎn)矩，方程(7)和(8)，分別為。根據(jù)計算，伺服電機(jī)被選中的是Hextronik HX12K，具有扭矩280盎司第 4 頁 共 11 頁/英寸。該電機(jī)被推薦是因為它比任何其它同規(guī)格的汽車便宜得多。自從我們在接頭 B需要更大的扭矩，見式（8)，我們使用兩個馬達(dá)在 B點遵守扭矩的要求；然而，一個電機(jī)是足夠的其他關(guān)節(jié)。在節(jié)點 B使用兩個電動機(jī)比使用一個大的電機(jī)560盎司/便宜多了。電機(jī)的相關(guān)特性，可以在圖5所示，是他們可以旋轉(zhuǎn)60度在130毫秒，他們有一個重量47.9克每。一旦確定了機(jī)械手手臂和電機(jī)的初始尺寸，設(shè)計使用 SolidWorks平臺上進(jìn)行；設(shè)計應(yīng)認(rèn)真考慮的壓克力板，碎片會被連接到每個其他方式的厚度。用于使機(jī)械手的壓克力板材1 / 8厚，薄被選中是因為它容易加工，具有良好的耐量少。在設(shè)計過程中，我們面臨著一些困難由于連接薄丙烯酸部分強(qiáng)烈的方式。這是燒、加入丙烯酸部分和沒有和球隊認(rèn)為基于螺釘和螺母的機(jī)械結(jié)會比其他的替代品很強(qiáng)的所需的工具，如膠為例。為了做到這一點，一個小的功能被設(shè)計允許緊固螺栓與螺母無須螺釘在薄的丙烯酸層。這個過程的結(jié)果如圖6所示的三維設(shè)計。最終的設(shè)計，每一部分是印刷在全規(guī)模的厚紙板，然后驗證這些尺寸和裝配的接口。反過來，我們建立了機(jī)械手的第一個原型。其次，機(jī)械手手臂的部分被加工從壓克力板使用圓鋸和真皮的工具。詳細(xì)的部分是在一個專業(yè)車間自做的機(jī)械手手臂的部分太小，為完成這些小的和準(zhǔn)確的削減是不容易的。在發(fā)動機(jī)裝配機(jī)械手的零件時，彈出幾個問題。有臨界點，沒有抵抗的緊固，反過來，可能會破壞；因此，考慮在這些點援軍。機(jī)械手手臂的最終結(jié)果如圖7所示。3、機(jī)械手臂逆運(yùn)動學(xué)為了驗證該機(jī)械臂逆運(yùn)動學(xué)正確的定位，進(jìn)行了計算。這樣的計算是用來從一個給定的位置使用笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)獲得各電機(jī)的角，如圖8所示。每個電機(jī)都有特定的功能：在 Y軸電機(jī)位于聯(lián)盟最后的元素的位置，電機(jī) B和 C的位置最終元件在X軸和 Z軸。問題是利用 XZ平面簡化，如圖9所示。在以下的已知值被定義[ 9 ]：LAB：前臂長度。LBC：手臂的長度。Z：在 Z軸的位置。X：在 X軸的位置。Y：在 Y軸的位置。第 5 頁 共 11 頁利用三角關(guān)系，如圖9所示，得到電機(jī)角度 θ2和 θ1，如方程（9）和（10）電機(jī) B要用 θ1和電機(jī) C要用 θ2。用于電機(jī)的計算從方程的角度（11） 。這些計算，得到他們所采取的行動將整個結(jié)構(gòu)的具體位置伺服電機(jī)的角。4、末端執(zhí)行器的選擇端部執(zhí)行器可能是一個最重要和最復(fù)雜的系統(tǒng)的一部分。明智的，它是更容易和經(jīng)濟(jì)地使用一個商業(yè)比建造它。端部執(zhí)行器的變化主要是根據(jù)任務(wù)的機(jī)械手手臂完成應(yīng)用程序；它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機(jī)械手臂的基礎(chǔ)電系統(tǒng)中，我們可以選擇末端執(zhí)行器的電氣基礎(chǔ)。此外，我們的系統(tǒng)的主要應(yīng)用是處理，因此，我們的末端執(zhí)行器的推薦式夾持器，如圖10所示。請注意，端部執(zhí)行器是由一個伺服電機(jī)控制，反過來，用于我們的機(jī)械手臂總伺服電機(jī)5電機(jī)，將移動結(jié)構(gòu)。第 6 頁 共 11 頁5、機(jī)械手手臂的控制機(jī)械手的手臂可以自動或手動控制。在手動模式下，一個訓(xùn)練有素的操作員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（一種示教）教會機(jī)械手手動完成其任務(wù)。機(jī)械手的速度在這些編程會話是緩慢的。在目前的工作，我們附上了兩種模式。針對所提出的機(jī)械手手臂的控制基本上由三個層次：一個微控制器，驅(qū)動器，和一個計算機(jī)用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特性，允許靈活的編程和控制方法，它是用逆向運(yùn)動學(xué)實現(xiàn)；另外它還可以在全手動模式的實現(xiàn)。控制電子設(shè)計如圖11所示。微控制器是一個 ATMEGA 368配備開發(fā)/規(guī)劃委員會命名為“伊諾” ，如圖12所示。編程語言與 C語言非常相似但包括幾次有助于 I/O端口，控制，定時器，串行通信。該微控制器被選中是因為它有一個較低的價格，這是很容易的程序，編程語言是簡單的，和中斷是可以為這個特殊的芯片。該驅(qū)動程序使用的是一六通道微大師伺服控制板。它支持三種控制方式：USB直接連接到計算機(jī)，TTL 串口用于嵌入式系統(tǒng)，如 Arduino微處理器，和獨立的主機(jī)控制器的免費應(yīng)用程序內(nèi)部腳本。該控制器，如圖13所示，包括一個0.25μ 的位置、速度和加速度控制分辨率內(nèi)置。用戶界面取決于使用的控制方法，即，逆運(yùn)動學(xué)或全手動模式。在下面的，是描述每個接口：5.1、逆運(yùn)動學(xué)控制在這種控制方法中，用戶輸入的坐標(biāo)位置的夾持器應(yīng)。作為結(jié)果，生成的界面與 LabVIEW通過可視化的用戶，如圖14所示。程序自動執(zhí)行逆運(yùn)動學(xué)計算獲得的角度，每個電機(jī)應(yīng)該然后發(fā)送命令到微控制器或直接驅(qū)動，將移動機(jī)械手到指定位置。通信與 RS-232協(xié)議的執(zhí)行。在下面，你可以看到的 LabVIEW用戶界面的輸入和輸出。LabVIEW用戶界面輸入：X軸的位置。Y軸的位置。Z軸的位置。夾口。夾持器攻角。第 7 頁 共 11 頁串行端口。LabVIEW用戶接口輸出：電機(jī)的一角。電機(jī) B1角。電機(jī) B2角。電動機(jī)的角。迎角。夾持角。這種輸出變量處理，通過適當(dāng)?shù)姆绞桨l(fā)送，使信息能以正確的方式解釋。輸出是通過串口，與控制器通信發(fā)送。當(dāng)按鈕被點擊“移動” ，一個過程將采取的地方，如圖15所示。這個動作，機(jī)械手的手臂會根據(jù)輸入的值改變它的位置。此外，它已待機(jī)按鈕來停止通信控制器。這種方法的主要優(yōu)點是，它使用的運(yùn)動的一種有效方法，提供了更多的功能，可以實現(xiàn)，如位置和序列學(xué)習(xí)。一個缺點，另一方面，是可能的位置，擁有有效的角度后，逆運(yùn)動學(xué)計算十分有限，因為伺服電機(jī)有180?約束。5.2、手動控制這種類型的控制是一個額外的選擇，我們的系統(tǒng)在特定的位置上有用。在強(qiáng)制性的位置的情況下，逆運(yùn)動學(xué)計算模式不能有效的角度，我們可以使用手動控制代替。基本上，手動控制包括一系列的模擬輸入，如電位器，連接微控制器，將解釋的價值和發(fā)送指令給伺服驅(qū)動器。為了實現(xiàn)這一點，一個控制板，如圖16所示，應(yīng)該建立以工作作為用戶界面?？赡艿膶崿F(xiàn)包括教學(xué)特點，單片機(jī)存儲位置在內(nèi)存中，通過鍵盤或一系列的開關(guān)可以回憶起這些位置。6、測試和驗證進(jìn)行了測試，驗證了機(jī)械手臂及其組件。測試涵蓋特定元素和整體的系統(tǒng)，如圖17所示。為單片機(jī)，測試是發(fā)生在發(fā)送不同的命令由軟件對單片機(jī)和檢查的變化對輸出被連接到一個伺服電機(jī)，根據(jù)命令，打開或關(guān)閉。伺服電機(jī)是通過發(fā)送不同的直接脈沖每個伺服電機(jī)和驗證移動到合適的位置響應(yīng)隨后測試。我們用馬克知道初始位置在哪里，電機(jī)的最終位置是通過發(fā)送一個信號確定用單片機(jī)和，反過來，這是解釋由伺服相比，由編碼器提供的信號，從而在旋轉(zhuǎn)到所需的位置。在這個試驗中，伺服電機(jī)是不相符合的機(jī)械手手臂系統(tǒng)由于不正確的極化。第 8 頁 共 11 頁伺服電機(jī)的驅(qū)動程序也使用 LabVI- EW軟件發(fā)送命令發(fā)出特定的命令，其中有一個電機(jī)連接到根據(jù)推薦改變位置驅(qū)動單片機(jī)測試。它是要注意，在項目的不同的伺服電機(jī)驅(qū)動器選擇但他們和單片機(jī)之間的通信相關(guān)的幾個問題是目前開始重要的。所以我們選擇一個驅(qū)動器，允許數(shù)據(jù)被直接發(fā)送到計算機(jī)，它只有一個 USB線，因此，單片機(jī)只會用在人工控制的實施情況。其他試驗進(jìn)行驗證整個系統(tǒng)的功能，如圖18所示。這些測試被介紹在 LabVIEW界面的具體位置和測量參考點，最后一點，驗證之間的距離發(fā)生：從逆運(yùn)動學(xué)正確的轉(zhuǎn)換，指定的角度和電機(jī)的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。機(jī)械手手臂的測試和驗證是一個需要長時間的任務(wù)，因為需要多次迭代。在我們的測試中，出現(xiàn)許多問題：錯誤的角度計算，電動機(jī)的錯誤的校正，與物理的角度和位置的測量問題，和一個伺服電機(jī)因過載燒毀，沒有預(yù)期。7、結(jié)果與討論在不同操作條件下的機(jī)械手手臂，結(jié)果如下：7.1、伺服電機(jī)的運(yùn)動范圍由于這種類型的電機(jī)規(guī)格包含具有小于180度的跨度得到伺服電機(jī)的極限。所有電機(jī)的實際范圍被發(fā)現(xiàn)是在范圍125 - 142度，如表1所示。這清楚地表明，機(jī)械手臂的實際操作不同于標(biāo)準(zhǔn)的情況下。7.2、電流消耗電流消耗取決于負(fù)載和機(jī)械手手臂的運(yùn)動型。在目前的研究中，有4個層次的電流消耗：?低（從0到200 mA） 。這種消費發(fā)生時，機(jī)械手是靜止的（不運(yùn)動的情況下） 。第 9 頁 共 11 頁?正常（從200到500 mA） 。當(dāng)機(jī)械手手臂移動的能力去目標(biāo)沒有大扭矩的需要。?高（500～900 Ma） 。這個范圍是在負(fù)載下進(jìn)入。通過克服慣性載荷的初始時刻，正常范圍內(nèi)需要的地方。過載（電流超過900毫安） 。負(fù)荷太重，電機(jī)不能移動。在該條件下超過一分鐘，電機(jī)會燃燒，即它是不能使用。7.3、最大載荷使用不同的權(quán)重，得到了這些結(jié)果；一袋玉米是用規(guī)模來確定包的重量。結(jié)果進(jìn)行了通過使用機(jī)械手手臂拿起袋子，把它移動到特定的位置。表2列出了當(dāng)前消費在袋玉米不同的權(quán)重。從表2中，可以看出，機(jī)械手可以無負(fù)荷低于50克的問題移動。在負(fù)載60克，機(jī)械手手臂開始有困難，經(jīng)過80克惡劣的情況電機(jī)發(fā)生不可逆煩的損傷。7.4、最后的位置結(jié)果表明，該機(jī)械手手臂的精度不同的移動量（小于50克）表3給出了。如圖所示，該機(jī)械手能夠執(zhí)行移動到指定的位置。然而，這種運(yùn)動是不光滑的，有時電機(jī)沒有足夠的力，特別是當(dāng)負(fù)載較重時。此外，有些問題可能是由于同步兩個底部的汽車出現(xiàn)。兩個電機(jī)的步驟并不是巧合，導(dǎo)致在丙烯酸部分張力，這太多會打破部分案例。8、結(jié)論本文介紹了設(shè)計和發(fā)展機(jī)械手手臂，有人才來完成簡單的任務(wù)，如光材料處理。機(jī)械手手臂的設(shè)計和建造的丙烯酸材料在伺服電機(jī)進(jìn)行武器和執(zhí)行的手臂動作之間聯(lián)系。伺服馬達(dá)包括編碼器，所以沒有控制器實現(xiàn)的；然而，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)范圍小于180o跨度，這大大降低了的胳膊和可能的位置到達(dá)區(qū)。機(jī)械手手臂的設(shè)計是有限的，由于這個設(shè)計允許最必要的運(yùn)動和保持成本和復(fù)雜性的機(jī)械手具有四個自由度。端部執(zhí)行器是不包括在設(shè)計因為商用夾具的使用，因為它是更容易和經(jīng)濟(jì)地使用一個商業(yè)比建造它。在設(shè)計過程中，我們面臨著一些困難由于連接薄丙烯酸部分強(qiáng)烈的方式。采用了一種基于螺釘和螺母的機(jī)械連接，以實現(xiàn)這一目標(biāo)，一個小的功能被設(shè)計允許緊固螺栓與螺母無須螺釘在薄的丙烯酸層?？刂频臋C(jī)械手手臂，三的方法來實現(xiàn)的：一個微控制器，驅(qū)動器，和一個計算機(jī)用戶界面。該系統(tǒng)具有獨特的特性，允許靈活的編程和控制方法，它是用逆向運(yùn)動學(xué)實現(xiàn)；另外它還可以在全手動模式的實現(xiàn)。這個機(jī)械手手臂與別人比現(xiàn)有的機(jī)械手手臂要便宜得多，也可以控制所有電腦中的流動，利用 LabVIEW接口。幾個測試進(jìn)行驗證的機(jī)械手臂，測試涵蓋特定元素和整體的系統(tǒng)；在不同的操作條件，結(jié)果表明信任機(jī)械手手臂了。第 10 頁 共 11 頁9、參考文獻(xiàn)[1]操作工業(yè)機(jī)械手的詞匯，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)8373，1994。[2]工業(yè)和服務(wù)機(jī)械手，IFR 國際機(jī)械手聯(lián)盟，2010。[3]案例研究和機(jī)械手投資的收益，IFR 統(tǒng)計系，2008。[4] J.W.王、R.J.張等?！岸喙δ苤悄軝C(jī)械手的手臂”，F(xiàn)UZZ-IEEE雜志，韓國，2009八月20-24，pp.1995-2000。[5] L.B.Duc，M.賽弗汀等?！霸O(shè)計的8自由度仿人機(jī)械手手臂”，國際會議上的智能和先進(jìn)的系統(tǒng)，吉隆坡，2007十一月25-28日，pp.1069-1074。[6]C.R. 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