CN114482163A - 用于实现具有虚拟栅栏功能以避免轮胎或结构损坏的不同边界 - Google Patents

Abstract

一种用于机器的自动化系统可以包括控制器和多个位置传感器，用于将关于机器的作业工具的位置的信息传递到控制器；其中，控制器接收关于机器的机器结构的定位的信息，并且其中，控制器经配置考虑到关于机器结构的定位的信息，建立接近机器结构的第一虚拟边界；其中，控制器经配置接收关于机器的作业工具的一个或多个功能的操作者命令；并且其中，当作业工具到达第一虚拟边界时，控制器禁止作业工具的一个或多个功能，同时允许作业工具的其他功能。

Description

用于实现具有虚拟栅栏功能以避免轮胎或结构损坏的不同 边界

技术领域

本发明总体上涉及一种作业机器。更具体地，本发明涉及一种防止对机器的结构损坏的系统和方法。

背景技术

诸如机动平地机之类的作业机器用于准备区域中地面的坡度。机动平地机主要用作精加工工具以将建筑工地的表面雕刻成最终形状和轮廓。典型地，机动平地机包括许多手动操作的控制器，以操纵平地机的轮子、定位刀片和铰接平地机的前框架。刀片可调节地安装到前框架上以便从一侧到另一侧移动相对少量的泥土。另外，通过使平地机的前框架相对于平地机的后框架旋转来调节前框架的铰接。

为了产生最终的表面轮廓，刀片和框架可以调节到许多不同的位置。定位机动平地机的刀片是一项复杂且耗时的任务。通常，操作者期望一个或多个独特的刀片位置。然而，由于机动平地机的几何形状，刀片位置的一些调节可能导致刀片与机动平地机的零件发生碰撞。这种碰撞可能损坏刀片、机动平地机或两者。

已经开发出保护系统来防止轮胎或其他机器结构由于与作业工具(诸如机动平地机刀片)接触而损坏。当作业工具接近轮胎或其他结构周围的受保护区域时，导致朝向该区域运动的所有命令受到限制，一旦到达边界就完全被禁止。

JPH11280106讨论了一种用于建筑机械的防干扰设备。

发明内容

在根据本发明的示例中，一种用于机器的自动化系统可以包括控制器；以及多个位置传感器，用于将关于机器的作业工具的位置的信息传递到控制器；其中，控制器接收关于机器的机器结构的定位的信息，并且其中，控制器经配置考虑到关于机器结构的定位的信息，建立接近机器结构的第一虚拟边界；其中，控制器经配置接收关于机器的作业工具的一个或多个功能的操作者命令；并且其中，当作业工具到达第一虚拟边界时，控制器禁止作业工具的一个或多个功能，同时允许作业工具的其他功能。

在一个示例中，一种机动平地机可以包括前端，其包括连接到前端的一对可转向轮胎；后端，其在铰接接头处枢转地连接到前端，该后端包括可操作地联接到至少两个从动轮胎的动力源；拉杆-环圈-犁板组件，其具有刀片，该拉杆-环圈-犁板组件经配置以用于横向于前端的纵轴的水平移动，且经配置以用于垂直移动，该刀片可操作地连接以用于作为拉杆-环圈-犁板组件的一部分的旋转、水平、垂直和俯仰移动；控制器；以及多个位置传感器，用于将关于刀片的位置的信息传递到控制器；其中，控制器接收关于前轮胎和后轮胎的定位的信息，并且其中，控制器经配置考虑到关于前轮胎和后轮胎的定位的信息，建立接近前轮胎和后轮胎中的每一个的第一虚拟边界；其中，控制器经配置接收关于机动平地机的刀片的一个或多个功能的操作者命令；并且其中，当刀片到达第一虚拟边界时，控制器禁止刀片的一个或多个功能，同时允许刀片的其他功能。

在一个示例中，一种作业机器可以包括框架，其包括机器结构；具有多个不同功能的可移动作业工具；控制器；以及多个位置传感器，用于将关于机器的可移动作业工具的位置的信息传递到控制器；其中控制器接收关于机器的机器结构的定位的信息，其中控制器经配置考虑到关于机器结构的定位的信息，建立接近机器结构的第一虚拟边界；并且其中，控制器经配置接收关于机器的作业工具的一个或多个功能的操作者命令；并且其中，当作业工具到达第一虚拟边界时，控制器禁止可移动作业工具的一个或多个功能，同时允许可移动作业工具的其他功能。

附图说明

在不必按比例绘制的附图中，相似的数字可以在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似的数字可以表示相似部件的不同实例。附图以示例而非限制的方式总体上示出了本文件中所讨论的各种实施例。

图1示出了根据一个实施例的机动平地机的侧视图。

图2示出了根据一个实施例的机动平地机的俯视图。

图3示出了根据一个实施例的机动平地机的俯视图。

图4示出了根据一个实施例的控制系统的示意图。

图5示出了根据一个实施例的轮胎和虚拟边界保护系统的侧视图。

图6示出了根据一个实施例的轮胎和虚拟边界保护系统的侧视图。

图7示出了根据一个实施例的轮胎和虚拟边界保护系统的侧视图。

图8示出了根据一个实施例的防止作业工具对机器结构造成损坏的方法。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施例的作业机器诸如机动平地机10的侧视图。机动平地机10总体上包括框架11和诸如发动机12的动力源。一组可转向的前轮胎13可操作地连接到总体上接近机动平地机10的前端16的框架11，两组后轮胎14可操作地连接到总体上接近机动平地机10的后端17的框架11。框架11的后端17在铰接接头18处枢转地联接到前端16。在一个实施例中，可以仅提供一组后轮胎14。一组或两组后轮胎14可以由可操作地连接到发动机12的动力传递机构提供动力。操作者驾驶室15可以安装在框架11上并且包括由操作者使用的各种控制器、传感器和其他机构。可以使用梯子19到达操作者驾驶室15。

机动平地机10可以包括具有刀片50的拉杆-环圈-犁板组件(DCM)20。DCM 20可以包括由框架11支撑的拉杆构件22以及位于近侧前轮胎13处的球窝接头(未示出)。当一个或多个液压缸，诸如中心移位缸24经致动时，DCM 20可以绕球窝接头枢转。

可旋转环圈组件48可以连接到拉杆构件22。刀片50可以安装在刀片倾斜调节机构21上，其由可操作地连接到刀片倾斜调节机构21的可旋转环圈组件48支撑。可以提供各种液压缸或其他机构来控制刀片50的位置。例如，环圈组件48可以由一对刀片提升缸23(图1中仅可见一个)支撑。刀片提升缸23的调节允许调节可旋转环圈组件48的高度，并因此调节刀片50的高度。刀片提升缸23可以独立地或彼此组合地移动。可以提供中心移位缸24以将环圈组件48从一侧移位到另一侧。可以提供刀片翻转缸25以控制刀片50的边缘与地面之间的俯仰或角度。可以提供一个或多个侧移位缸(未示出)来控制刀片50相对于环圈组件48的横向移动。环圈组件48可以包括诸如齿轮齿的机构以允许刀片50旋转。如果需要，可以使用定位和控制刀片50的其他方式。

因此，DCM 20可以经配置以用于横向于前端16的纵轴的水平移动，且经配置以用于垂直移动，使得刀片50可操作地连接以用于作为拉杆-环圈-犁板组件20的一部分的旋转、水平、垂直和俯仰移动。

在作业机器上可以使用各种传感器来确定刀片相对于机器结构诸如前轮胎13、后轮胎14和梯子19的定位和位置。例如，一个或多个传感器32可以放置在刀片50和/或DCM 20上以确定刀片50的定位和位置。一个或多个传感器32可以包括用于确定刀片50的水平移动的线性位置传感器和用于确定刀片50旋转多远的在刀片50或DCM 20上的铰接传感器，诸如角度传感器。一个或多个传感器也可以放置在一个或多个机器结构上。例如，一个或多个传感器33可以位于前轮胎13上或其附近以确定前轮胎的定位和前轮胎的旋转。传感器34可以位于铰接接头18处以确定前端16相对于后端17的相对铰接。而且，一个或多个位置传感器35可以与用于控制刀片50、刀片倾斜调节机构21和环圈组件48的液压缸中的一些或全部相关联。在一些示例中，可以将惯性传感器放置在主要结构(诸如框架11、DCM 20和刀片50)上以确定每个结构的相对位置。如果诸如雪翼或其他附件的刀片附件放置在刀片上，这些传感器还可以帮助确定刀片相对于机器结构的位置。也可以使用其他位置传感器，诸如光学传感器。

位置传感器35可以感测刀片提升缸23、中心移位缸24、刀片翻转缸25和侧移位缸或作业机器上的任何其他液压缸的伸出和缩回。在一些示例中，位置传感器35可以体现为与嵌入在刀片提升缸23、中心移位缸24、刀片翻转缸25的活塞组件内的磁体相关联的磁性拾取型传感器。传感器35可替代地体现为其他类型的位置传感器，诸如磁致伸缩型传感器、与外部安装的电缆相关联的电缆型传感器、内部或外部安装的光学型传感器，或本领域已知的任何其他类型的位置传感器。这些缸的伸出和缩回可以与储存在控制系统41的存储器中的参考查找图和/或表进行比较以确定刀片50的位置和取向。

如上所述，传感器32、34可以包括铰接传感器，诸如角度传感器。例如，传感器34可以感测铰接接头18的移动和相对位置，并且可以与铰接接头18可操作地联接。合适的铰接传感器32、34的一些示例包括长度电位计、射频谐振传感器、旋转电位计、机器铰接角度传感器等。铰接接头18的移动还可以与存储在控制系统41的存储器中的参考查找图和/或表进行比较，以确定机器10的铰接，从而帮助确定刀片50、前轮子13和后轮子14的位置。

图2和图3示出了根据一个实施例的机动平地机在不同位置的俯视示意图。机动平地机可以具有许多复杂的取向。由于前端16相对于后端的铰接，刀片50的旋转以及前轮胎13的转动，刀片50可以相对于前轮胎13和后轮胎14终止于许多不同位置中。这使得操作者难以知道刀片50相对于某些机器结构(诸如轮胎)的相对位置。

如上所述，制造商已经开发出碰撞检测系统以防止通过与作业工具(诸如刀片50)接触而损坏轮胎或机器结构。例如，当作业工具接近轮胎/结构周围的受保护区域时，导致朝向该区域运动的所有命令受到限制，一旦到达边界就完全被禁止。仍允许作业工具运动离开该区域。问题是该禁止可能干扰机器的期望操作行为，诸如保持坡度。

因此，本系统涉及与作业机器的可移动作业工具(诸如机动平地机10的刀片)相关联的刀片控制系统。本系统经配置设定与作业工具的不同功能相关联的不同接近阈值或虚拟边界，从而形成围绕作业机器的轮胎和/或其他机器结构的柔性保护区域。如将在下面详细讨论的，在作业工具的操作期间，本系统识别满足其对应的接近阈值的至少一个功能，并且因此禁止作业工具的识别的功能，同时允许作业工具执行其他功能。

因此，再次参考图1，诸如机动平地机10的作业机器可以包括控制系统41，以在作业工具(这里为刀片50)的移动期间帮助操作者。控制系统41可以接收操作者输入的命令信号并且控制机动平地机10的各种系统的操作。控制系统41可以包括一个或多个输入设备以控制机动平地机10，并接收来自一个或多个传感器(诸如上述传感器32、33、34、35)的输入信号和表示机动平地机10的各种操作参数的其他输入信号。

图4示出了根据一个实施例的控制系统41的示意图。控制系统41总体上包括控制器42和一个或多个位置传感器32、33、34、35以将关于刀片50的位置的信息传递到控制器42。控制器42进一步接收关于前轮胎13和后轮胎14的定位的信息。例如，前轮胎的定位和位置可以来自前轮胎上的传感器33和存储器43。存储器43可以包括查找表和允许控制器42确定前轮胎相对于刀片50的定位的其他信息。进一步地，存储器可以通过参考传感器或来自存储器43的信息来确定后轮胎14和梯子19的定位。使用该信息，控制器42可以经配置建立接近机器结构的一个或多个虚拟边界以防止刀片50接触机器结构。

例如，控制器42可以从存储在存储器43中的数据创建虚拟边界。这样存储的数据可以包括限定每个机器结构相对于三维全局坐标系的原点的几何形状、定位和取向的各种数据点的定位。如果需要，从传感器32、33、34、35接收的数据可以与存储的数据结合使用以创建机器结构表示。

控制器42可以经配置经由输入46接收关于机动平地机10的刀片50的一个或多个功能的操作者命令以输出到输出47。输出47示意性地表示控制所有液压缸和其他机构以控制刀片50的移动和功能的所有硬件和软件。例如，输出47可以致动刀片提升缸23、中心移位缸24和刀片翻转缸25以及侧移位缸以将刀片50移动到期望位置。控制器42可以经配置使得，当刀片50到达第一虚拟边界时，控制器42禁止刀片50的一个或多个功能，同时允许刀片50的其他功能。

例如，图5、6和7示出了根据一个实施例的轮胎和虚拟边界保护系统的侧视图。

图5示出了接近后轮胎14的第一虚拟边界44和第二虚拟边界45的示例。第二虚拟边界45比第一虚拟边界44更接近后轮胎14。如上所述，这样的虚拟边界也可以接近前轮胎13、梯子19或任何其他相关机器结构建立。例如，可以受到保护的其他机器结构可以包括连杆、通道平台和通道楼梯。在一个示例中，围绕前轮胎13的虚拟边界可以是球形的。这允许操作者的全范围转向，同时防止刀片50过于接近轮胎。

图6示出了操作者如何将刀片50铰接、环圈或侧移位到轮胎14附近的工作位置。当刀片接近保护区域第一虚拟边界44时，命令被减少或受限，并且当刀片50到达第一虚拟边界44时，完全禁止使刀片50朝向轮胎14移动的铰接、旋转和水平侧移位命令。然而，操作者仍然具有升高和降低刀片50的能力。因此，允许操作者最佳地保持适当地坡度的能力。

图7示出了当刀片50升高到足以拉削第二虚拟边界45时，如何根据到达第一虚拟边界44的位置来限制升高或降低命令，然后完全被第二虚拟边界45禁止。因此，禁止刀片50朝向轮胎14的任何垂直移动。刀片50远离轮胎14的移动是允许的。因此，在图7所示的示例中，当刀片50到达第二虚拟边界45时，刀片50可以远离第二虚拟边界45降低，但不会升高到更高。

在其他示例性实施例中，作业机器的每个执行功能(即，升高、降低、环圈、倾斜(刀片俯仰)、铰接、侧移位等)可以具有与其相关联的不同的虚拟边界，使得用于适当坡度的最高优先级功能具有最内的边界。在另一示例中，执行功能中的每一个可以被优先排序以便在刀片移动期间保持所期望的机器行为。

在一些示例中，第一虚拟边界44可以距离轮胎14的表面150mm，并且第二虚拟边界45可以距离轮胎的表面50mm。因此，当刀片50在轮胎13、14的150mm内时，可以禁止刀片50朝向轮胎14的旋转，而刀片50的垂直提升和降低可以保持有效，直到刀片在轮胎的50mm内。这允许操作者将刀片旋转到极限角度并且仍然能够正常地设定坡度。该特征有助于避免代价高昂的结构损坏，而不会干扰其他期望的作业工具操作，例如，保持坡度。在一些示例中，虚拟边界到机器结构的距离可编程到控制器42中，并且因此，例如，虚拟边界可以是可以基于机器磨损、操作者技能等而改变的变量。

可以保护其他作业机器结构。例如，控制器42可以进一步接收关于机器的驾驶室梯子19的定位的信息，并且控制器42可以经配置考虑到关于梯子19的定位的信息建立接近梯子19的第一虚拟边界和第二虚拟边界。

工业实用性

本系统可以应用于诸如具有刀片的机动平地机的作业机器。可以受益于本系统的其他作业机器包括挖掘机、反铲装载机、农用拖拉机、轮式装载机、滑移转向装载机或具有可移动作业工具的任何其他类型的机器。

在使用中，保护系统建立与作业工具的不同功能相关联的不同接近阈值或虚拟边界。该系统通过形成两个或多个虚拟边界形成围绕作业机器的轮胎和/或机器结构的柔性保护区域或“虚拟栅栏”。然后，在作业工具的操作期间，保护系统识别满足其对应的接近阈值的至少一个功能，并且因此，在允许作业工具执行其他功能的同时，禁止识别的作业工具的功能。

因此，本系统可以应用于提供用于作业机器的自动化系统，其中该系统包括控制器42和多个位置传感器，以将关于机器的作业工具的位置的信息传递到控制器42。控制器42还可以接收关于机器的机器结构的定位的信息。控制器42经配置考虑到关于机器结构的定位的信息建立接近机器结构的第一虚拟边界。控制器42可以经配置接收关于机器的作业工具的一个或多个功能的操作者命令，并且当作业工具到达第一虚拟边界时，控制器禁止作业工具的一个或多个功能，同时允许作业工具的其他功能。

在各种选项中，控制器42进一步建立接近机器结构的第二虚拟边界，其中第二虚拟边界比第一虚拟边界更接近机器结构。当作业工具到达第二虚拟边界时，控制器禁止作业工具的将允许作业工具侵占虚拟边界的所有功能。

在一些选项中，当作业工具接近第一虚拟边界时，作业工具的移动由控制器限制。当作业工具接近虚拟边界时，作业工具减速，然后当作业工具到达虚拟边界时，完全禁止作业工具朝向机器结构移动。

在一些示例中，控制器42可以建立与机器结构具有不同距离的多个虚拟边界，并且其中根据作业工具相对于多个虚拟边界中的每一个的定位来禁止或允许作业工具的不同功能。

如上所述，本作业工具控制系统可以应用于具有各种可移动作业工具的许多类型的作业机器。例如，作业机器可以包括框架，其包括机器结构和具有多个不同功能的可移动作业工具。作业机器可以包括控制系统41以控制作业工具的移动和功能。例如，系统41可以包括控制器42和多个位置传感器，以将关于机器的可移动作业工具的位置的信息传递到控制器42。控制器42可以考虑到关于机器结构的定位的信息建立接近机器结构的第一虚拟边界。控制器进一步经配置接收关于机器的作业工具的一个或多个功能的操作者命令，并且当作业工具到达第一虚拟边界时，控制器禁止可移动作业工具的一个或多个功能，同时允许可移动作业工具的其他功能。

图8示出了为作业机器提供自动保护系统的方法60的示意图。在步骤61，该方法建立接近作业机器的机器结构的第一和第二虚拟边界。如上所述，第一虚拟边界可以比第二虚拟边界更远离机器结构的表面。在步骤62，该方法判定可移动作业工具是否已经到达或通过第一虚拟边界。如果作业工具还没有到达边界，则该方法循环返回到步骤62以继续请求相同的问题。如果作业工具已经到达第一虚拟边界，则在步骤64，作业工具的一些功能被禁止，而允许使用其他功能。在步骤66，该方法查询作业工具是否已经到达第二虚拟边界。如果没有，则在步骤70允许继续允许的功能，并且该功能循环以继续请求相同的查询。如果作业工具已经到达第二虚拟边界，则在步骤68，作业工具的所有功能被禁止允许作业工具朝向机器结构移动。然后该方法循环返回到步骤62，直到作业工具已经从机器结构移动了安全距离以允许工具完全工作。

总之，如上所述，本系统提供了一种用于防止机器结构损坏的自动操作者辅助系统。具体地，本系统提供一种自动操作者辅助“虚拟栅栏”系统以防止通过与作业工具接触而损坏轮胎或其他机器结构；具体地，该系统接近机器结构建立虚拟边界，并监测操作者发起的作业工具致动命令、机器位置和作业工具位置，并禁止可能导致作业工具接触机器结构的某些作业工具致动命令和作业工具位置，同时允许不会干扰机器结构的其他作业工具致动命令。

虽然可应用于具有可移动作业工具的任何作业机器，但是本保护系统特别适用于机动平地机，因为机动平地机具有特别独特且复杂的构造，并且具有复杂的运动范围等。机动平地机是复杂的机器，并且具有大范围的操作取向和其间的关系，例如铰接接头、前轮胎/轴、刀片等。由于与刀片接触，所以很容易发生轮胎损坏。

上述详细说明是说明性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。

Claims (15)

1.一种用于机器的自动化系统，包括：

控制器；

多个位置传感器，用于将关于所述机器的作业工具的位置的信息传递到所述控制器；

其中，所述控制器接收关于所述机器的机器结构的定位的信息，其中，所述控制器经配置考虑到关于所述机器结构的所述定位的所述信息，建立接近所述机器结构的第一虚拟边界；

其中，所述控制器经配置接收关于所述机器的所述作业工具的一个或多个功能的操作者命令；以及

其中，当所述作业工具到达所述第一虚拟边界时，所述控制器禁止所述作业工具的一个或多个功能，同时允许所述作业工具的其他功能。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步建立接近所述机器结构的第二虚拟边界，其中所述第二虚拟边界比所述第一虚拟边界更接近所述机器结构。

3.根据权利要求2所述的系统，当所述作业工具到达所述第二虚拟边界时，所述控制器禁止所述作业工具的将允许所述作业工具侵占所述第二虚拟边界的所有所述功能。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，当所述作业工具接近所述第一虚拟边界时，所述作业工具的移动由所述控制器限制。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器建立与所述作业工具具有不同距离的多个虚拟边界，并且其中，根据所述作业工具相对于所述多个虚拟边界中的每一个的定位，禁止或允许所述作业工具的不同功能。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述机器结构是所述机器的轮胎。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述控制器进一步建立接近所述机器结构的第二虚拟边界，其中所述第一虚拟边界距离所述轮胎的表面150mm并且所述第二虚拟边界距离所述轮胎的所述表面50mm。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个位置传感器包括线性位置传感器和角度传感器。

9.一种机动平地机，包括：

前端，其包括连接到所述前端的一对可转向轮胎；

后端，其在铰接接头处枢转地连接到所述前端，所述后端包括可操作地联接到至少两个从动轮胎的动力源；

拉杆-环圈-犁板组件，其具有刀片，所述拉杆-环圈-犁板组件经配置以用于横向于所述前端的纵轴的水平移动，且经配置以用于垂直移动，所述刀片可操作地连接以用于作为所述拉杆-环圈-犁板组件的一部分的旋转、水平、垂直和俯仰移动；以及

控制器；

多个位置传感器，用于将关于所述刀片的位置的信息传递到所述控制器；

其中，所述控制器接收关于所述前轮胎和所述后轮胎的定位的信息，并且其中，所述控制器经配置考虑到关于所述前轮胎和所述后轮胎的定位的信息，建立接近所述前轮胎和所述后轮胎中的每一个的第一虚拟边界；

其中，所述控制器经配置接收关于所述机动平地机的刀片的一个或多个功能的操作者命令；以及

其中，当所述刀片到达所述第一虚拟边界时，所述控制器禁止所述刀片的一个或多个功能，同时允许所述刀片的其他功能。

10.根据权利要求9所述的机动平地机，当所述刀片到达所述第一虚拟边界时，所述控制器禁止所述刀片朝向所述轮胎的旋转移动和水平移动，同时允许所述刀片的垂直移动。

11.根据权利要求9所述的机动平地机，其中，所述控制器进一步建立接近所述前轮胎和所述后轮胎的第二虚拟边界，其中，所述第二虚拟边界比所述第一虚拟边界更接近所述前轮胎和所述后轮胎，其中，当所述刀片到达所述第二虚拟边界时，所述控制器还禁止所述刀片朝向所述轮胎的所述垂直移动。

12.根据权利要求11所述的机动平地机，其中，所述第一虚拟边界距离每个所述后轮胎的表面150mm，所述第二虚拟边界距离每个所述后轮胎的所述表面50mm。

13.根据权利要求9所述的机动平地机，其中，当所述刀片接近所述第一虚拟边界时，所述刀片的移动由所述控制器限制。

14.根据权利要求9所述的机动平地机，其中，所述控制器进一步接收关于所述机器的驾驶室梯子的定位的信息，并且其中，所述控制器经配置考虑到关于所述驾驶室梯子的所述定位的所述信息，建立接近所述驾驶室梯子的第一虚拟边界。

15.根据权利要求9所述的机动平地机，其中，所述多个位置传感器包括安装到所述刀片的线性位置传感器和角度传感器。

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