JP2018012193A - 外力監視機能を有するワーク搬送方法システム - Google Patents

外力監視機能を有するワーク搬送方法システム Download PDF

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Abstract

【課題】ロボットがワークを保持してからワークを支持するようになるまでの過程において安全を確保できる搬送システムを提供する。
【解決手段】搬送システムは、力検出部によって検出されるロボットに作用する力又はトルク、及びワークの保持状態に応じて切替えられるワークパラメータに基づいて、ロボットに作用する外力を計算する外力計算部と、計算された外力が閾値を超えたときに、ロボットを停止させるロボット停止部と、保持されたワーク及びワーク支持体を互いに相対移動させる相対移動部と、を備え、この相対移動部によって、ワークを保持してからワークがロボットのみによって支持されるようになるまでの過程において、ロボットの位置及び姿勢を変更することなくツールによって保持されたワークから離間するように、ワーク支持体を移動させる。
【選択図】図3

Description

本発明は、ロボットによってワークを搬送する搬送システムに関する。
ロボットが周囲の物体又は作業者に接触して重大な事故が発生するのを防止するため、ロボットが外部から受ける力又はトルク(以下、「外力」と称する。)を監視する外力監視機能を有するロボットシステムが公知である。このようなロボットシステムでは、検出された外力が所定の閾値を超えたときに、ロボットを停止させることによって安全を確保する。このような安全対策を講じることは、ロボットが作業者と作業空間を共有する人協調型ロボットの場合においてとりわけ重要である。
ロボットに作用する外力は、例えばロボットの基部に設けられる力センサによって検出される。具体的には、力センサの検出値から、外力が作用していないときにロボットそれ自体に起因して生じる力(重力及び慣性力)を減算することによって、外力が計算される。
ワークを保持して所定の位置まで搬送する目的で使用されるロボットの場合、ワークを保持しているときには、ワークの影響を受けて力センサの検出値が変化する。したがって、外力を監視するためには、ワークの影響を考慮する必要がある。具体的には、ワークの質量、質量中心及び慣性行列をワークパラメータとして設定することによって、ワークに起因してロボットに作用する力(重力及び慣性力)を計算する。そして、力センサの検出値から、ワークに起因する作用力をさらに減算することによって、外力が計算される。
図7A〜図7Cは、関連技術に係るロボット100によってワーク110を保持して搬送する際の態様を示す図である。ロボット100は、アームの先端にハンド102を備えており、ハンド102によってワーク110を保持できるようになっている。ロボット100は、ロボット100に作用する力を検出する力センサ104を基部に備えている。
図7Aは、ハンド102によってワーク110を保持可能な位置に位置決めされたロボット100を示している。ハンド102は開放位置に在り、ワーク110から水平方向に離間している。したがって、ワーク110は、ワーク支持体120のみによって支持されている。
図7Bは、ハンド102を水平方向に移動させてワーク110を保持したロボット100を示している。ワーク110は、図7Aの状態と同様に、ワーク支持体120上に載置されている。したがって、ワーク110は、依然としてワーク支持体120のみによって支持されている。
図7Cは、ハンド102が鉛直方向上方に移動するように、位置及び姿勢が変更されたロボット100を示している。このとき、ワーク110はワーク支持体120には接触していない。したがって、ワーク110は、ハンド102ひいてはロボット100のみによって支持されている。
図7A〜図7Cを参照する以下の説明では、ロボット100の質量が200kgであり、ワーク110の質量が20kgであるものとする。また、簡単のため、ロボット100が静止しているときについて検討する。すなわち、ロボット100又はワーク110が移動する際に生じる慣性力を無視する。
図7Aの状態では、ロボット100はワーク110に接触しておらず、力センサ104の検出値はワーク110の影響を受けない。したがって、外力が作用していない場合、力センサ104の検出値はロボット100の質量に等しく、200kgになる。この場合、外力は、力センサ104の検出値(=200kg)からロボット100の質量(=200kg)を減算して計算され、0kgになる。外力は実際には作用していないので、外力の計算値(0kg)は正確であるといえる。
図7Bの状態において、ハンド102は、ワーク110を保持するように水平方向に力を付与しているものの、鉛直方向には力を付与していない。したがって、外力が作用していない場合、力センサ104の検出値はロボット100の質量に等しく、200kgになる。
他方、ロボット100はワーク110を保持しているので、ワークパラメータに従ってワーク110の影響を考慮した上で外力が計算される。すなわち、外力は、力センサ104の検出値(200kg)からロボット100の質量(200kg)及びワーク110の質量(20kg)を減算して計算され、−20kgになる。この場合、外力は実際には作用していないので、外力の計算値(−20kg)は不正確である。したがって、このような場合、ロボット100に作用する外力を正確に検出することができない。
図7Cの状態では、力センサ104の検出値は220kgとなる。力センサ104の検出値(220kg)から、ロボット100の質量(200kg)及びワーク110の質量(20kg)を減算すると、外力は0kgになる。したがって、この状態ではロボット100に作用する外力を正確に検出できる。
以上のとおり、従来の方法では、ワークの保持を開始した時点(図7B参照)から、ワークがロボットのみによって支持されるようになる時点(図7C参照)までの間の過程において、外力を正確に検出することができず、意図される外力監視機能が働かない。
特許文献1には、ロボットが物体を保持したり、又は保持状態を解除したりするときに、ロボットの静止状態を維持するロボットの制御装置が開示されている。この関連技術によれば、物体の保持状態の変化に起因してパラメータを切り替える際に、ロボットが不意に動作するのを防止できる。
国際公開第2012/077335号
しかしながら、特許文献1に開示された関連技術では、ワークを保持してから、ワークがロボットのみによって支持されるようになるまでの過程における安全性については考慮されていない。
したがって、ロボットがワークを保持してからワークを支持するようになるまでの過程において、接触事故を防止し、それにより安全を確保できる搬送システムが求められている。
本願の1番目の態様によれば、ロボットによってワークを搬送する搬送システムであって、ワークを保持可能なツールを備えたロボットと、搬送前のワークを支持するワーク支持体と、前記ロボットに作用する力又はトルクを検出する力検出部と、前記ワークの保持状態に応じて、前記ワークに起因して前記ロボットに作用する力又はトルクを計算できるようにワークパラメータを切替えるパラメータ切替部と、前記力検出部によって検出される前記ロボットに作用する力又はトルク、及び前記ワークパラメータに基づいて、前記ロボットに作用する外力を計算する外力計算部と、前記外力計算部によって計算された前記外力が閾値を超えたときに、前記ロボットを停止させるロボット停止部と、前記ツールによって保持された前記ワーク、及び前記ワーク支持体を互いに相対移動させる相対移動部と、を備えており、前記相対移動部は、前記ロボットの位置及び姿勢を変更することなく前記ワーク及び前記ワーク支持体を互いに相対移動させられるようになっている、搬送システムが提供される。
本願の2番目の態様によれば、1番目の態様に係る搬送システムにおいて、前記相対移動部は、前記ツールによって保持された前記ワークから離間するように、前記ワーク支持体を移動させる。
本願の3番目の態様によれば、1番目又は2番目の態様に係る搬送システムにおいて、前記相対移動部は、前記ツールによって保持された前記ワークが前記ワーク支持体から離間するように前記ツールを移動させる。
本願の4番目の態様によれば、1番目から3番目のいずれかの態様に係る搬送システムにおいて、前記ツールがロボットハンドである。
これら及び他の本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態に係る詳細な説明を参照することによって、より明らかになるであろう。
本願に係る搬送システムによれば、相対移動部によって、ワーク及びワーク支持体を互いに相対移動させるようになっており、その際、ロボットは静止したままである。すなわち、ワークを保持してからワークがロボットのみによって支持されるようになるまでの過程において、ロボットは動作しない。したがって、ロボットが周囲の物体又は作業者に接触するのを確実に防止できる。
また、相対移動部によってもたらされるワークとワーク支持体との間の相対移動は、ロボットの動作に比べて単純な動作である。そのため、作業者は、搬送システムの動作を極めて容易に予測でき、事故の発生を防止できるようになる。
第1の実施形態に係る搬送システムを示す概略図である。 第1の実施形態に係る搬送システムを示す概略図である。 一実施形態に係る搬送システムの機能を示すブロック図である。 一実施形態に係る搬送システムの処理の流れを示すフローチャートである。 第2の実施形態に係る搬送システムを示す概略図である。 第2の実施形態に係る搬送システムを示す概略図である。 第2の実施形態に係る搬送システムを示す概略図である。 第3の実施形態に係る搬送システムを示す概略図である。 第3の実施形態に係る搬送システムを示す概略図である。 別の実施形態に係る搬送システムの機能を示すブロック図である。 関連技術に係る搬送システムを示す概略図である。 関連技術に係る搬送システムを示す概略図である。 関連技術に係る搬送システムを示す概略図である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために縮尺が適宜変更されている。また、同一又は対応する構成要素には、同一の参照符号を複数の実施形態にわたって使用する。
図1A及び図1Bは、第1の実施形態に係る搬送システム10を示す概略図である。搬送システム10は、ロボット20と、ロボット20の可動範囲内に配置されていてワーク40が上面に配置されたワーク支持体30と、を備えている。ロボット20は、例えば図示されるような垂直型多関節ロボットである。
一実施形態において、ロボット20は、ロボット20に作用する力を検出する力センサ21の上に設置されている。ロボット20は、力センサ21に取付けられたベース22と、鉛直方向に延在する回転軸線回りに回転可能であるようにベース22に取付けられた胴部23と、一端において胴部23に対して回転可能に取付けられた下腕24と、下腕24の他端において下腕24に対して回転可能に取付けられた上腕25と、上腕25の先端において上腕25に対して回転可能に取付けられた手首26と、を備えている。ロボット20は、サーボモータによって各関節が駆動され、種々の位置及び姿勢を有するように動作可能である。このようなロボット20の構成は周知であるので、本明細書では詳細な説明を省略する。
ロボット20の手首26には、ワーク40を解放可能に保持するツールが備え付けられている。図示される実施形態において、ツールは、開閉動作することによってワーク40を解放可能に保持するハンド27である。ハンド27は、例えば流体圧式ハンド、又はサーボモータによって開閉する電動ハンドなどである。図1Aは、閉塞方向に駆動されたハンド27によってワーク40が保持された状態を示している。
ワーク40を保持可能なツールは、ハンド以外の形態を有していてもよい。例えば、ツールは、負圧又は磁石を利用してワーク40を吸着する吸着式ツールであってもよい。
ワーク支持体30は、床面に固定される台座31と、台座31から上方に離間して延在する支持部32と、台座31と支持部32との間に設けられる支持柱33と、を備えている。支持部32はテーブル状の形態を有しており、それにより、ワーク40を支持部32に載置できるようになっている。支持柱33は、モータ34によって鉛直方向に上下動可能になっており、それにより、支持部32は、台座31に向かって、又は台座31から離れるように移動可能である。
図1Bは、支持柱33を下方に移動させて、ワーク支持体30の支持部32をワーク40から離間させた状態を示している。すなわち、図1Bの状態では、ハンド27によってワーク40が支持されており、ロボット20は、ワーク40に作用する重力を受けるようになる。このように、本実施形態によれば、上下方向に移動可能な支持部32を備えているので、ロボット20の位置及び姿勢を変更することなく、ワーク40をワーク支持体30から離間させられる。
図2は、一実施形態に係る搬送システム10の機能を示すブロック図である。図示されるように、搬送システム10は、ロボット20と、ワーク支持体30と、ロボット20及びワーク支持体30を制御する制御装置50と、を備えている。制御装置50は、指令作成部51と、力検出部52と、パラメータ切替部53と、外力計算部54と、ロボット停止部55と、相対移動部56と、を備えている。制御装置50は、例えば一般的なパーソナルコンピュータであり、種々の演算を実行するCPUと、CPUの演算結果を一時的に記憶するRAMと、種々のプログラム及びパラメータを記憶するROMと、マウス、キーボードなどの入力デバイスと、種々の情報を表示する表示デバイスと、などからなるハードウェア構成を有している。一実施形態において、ロボット20を制御する制御装置と、ワーク支持体30を制御する制御装置とが別個設けられてもよい。
指令作成部51は、例えば所定のロボットプログラム57に従って、ロボット20に対する指令を作成する。ロボット20は、指令作成部51からの指令に従って動作する。また、指令作成部51は、入力信号に応答して指令を作成してもよい。例えば、指令作成部51は、ロボット停止部55から出力される停止信号に応じてロボット20を停止させる指令を作成する。また、指令作成部51は、操作者が入力デバイスを操作して入力する情報に従って指令を作成するように構成されていてもよい。
力検出部52は、ロボット20に作用する力を検出する。図1A及び図1Bに示される実施形態に係るロボット20は、力センサ21を基部に備えている。したがって、力検出部52は、力センサ21によって、ロボット20に作用する力を検出できる。力センサ21によって検出される力には、ロボット20に外部から作用する外力に加えて、ロボット20それ自体に作用する重力及び慣性力が含まれる。また、ロボット20がワーク40を保持しているときは、ワーク40に作用する重力及び慣性力に起因してロボット20に作用する力がさらに力センサ21によって検出される。別の実施形態において、力センサ21は、下腕24、上腕25、又は手首26など、ロボット20の基部以外の部位に取付けられていてもよいし、それらに内蔵されていてもよい。いずれの場合も、力センサ21は、力センサ21の取付箇所よりも末端側においてロボット20に作用する力を検出できる。別の実施形態においては、力検出部52は、ロボット20に作用するトルクを検出するように構成されてもよい。この場合、力センサ21の代わりに、ロボット20の関節に作用するトルクを検出する複数のトルクセンサが設けられる。
パラメータ切替部53は、ワーク40の保持状態に応じて、ワーク40に作用する重力及び慣性力に起因してロボット20に作用する力又はトルクを計算するのに使用されるワークパラメータを切替える。ワークパラメータには、ワーク40の質量、質量中心及び慣性行列に関する情報が含まれる。例えば、ワーク40が保持されていないとき、パラメータ切替部53は、ワーク40の質量、質量中心、慣性行列をそれぞれゼロに切替える。ワーク40が保持されたときに、パラメータ切替部53は、ワークパラメータをロボットプログラム57から取得して、現在のワークパラメータを置換する。別の実施形態において、パラメータ切替部53は、操作者が入力デバイスを操作して入力するワークパラメータに従って、ワークパラメータを切替えてもよいし、外部の装置から入力される信号に応じてワークパラメータを切替えてもよい。
外力計算部54は、ロボット20に対して外的に作用する外力(力又はトルク)を計算する。ロボット20がワーク40を保持しているとき、外力計算部54は、保持されたワーク40に対して作用する外力も併せて計算する。外力計算部54は、例えば力検出部52の検出値から、外力が作用していないときにロボット20に作用する重力及び慣性力に起因する力又はトルクを減算することによって、ロボット20に作用する外力を計算する。ロボット20がワーク40を保持しているときは、外力が作用していないときにワーク40に作用する重力及び慣性力に起因してロボット20に作用する力又はトルクが、力検出部52の検出値からさらに減算される。
ロボット停止部55は、外力計算部54によって計算される外力と、予め定められる閾値とを比較し、外力の計算値が閾値を超えるときに、停止信号を指令作成部51に対して出力する。この停止信号に応答して、指令作成部51は、ロボット20を停止させる停止指令を作成する。一実施形態において、停止指令には、ロボット20を停止させる前に外力の作用方向にロボット20を所定の距離だけ移動させる退避指令が含まれていてもよい。この場合、ロボット20は、外力が小さくなるように退避した後に停止するので、ロボット20と周囲の物体又は作業者との干渉状態を速やかに解消できる。したがって、重大な事故をより確実に防止できる。
相対移動部56は、ワーク40とワーク支持体30(特に支持部32)との間の位置関係が変化するように、それらを相対移動させる。例えば、図1A及び図1Bに示された実施形態において、相対移動部56は、ワーク支持体30のモータ34を駆動して、支持部32を鉛直方向に上下動させることによって所望の相対移動を実現できる。
図3を参照して、搬送システム10の動作について説明する。図3は、一実施形態に係る搬送システム10の処理の流れを示すフローチャートである。ステップS301では、ワーク40をハンド27によって保持可能な位置までロボット20を移動させる。すなわち、ロボット20は、ロボット20の位置及び姿勢を変更することなくハンド27を閉塞方向に移動させることによってワーク40を保持できる位置に位置決めされる。
続いてステップS302において、ハンド27が駆動され、ワーク40がハンド27によって保持される(図1A参照)。例えば、ワーク40を保持したときにハンド27に作用する反力を検出し、反力が閾値に達した時にワーク40を保持したものと推定する。或いは、ハンド27が、ワーク40の形状に応じて予め定められる所定の閉塞位置に達したことを以ってワーク40の保持動作が完了したものと推定してもよい。
ステップS303では、ロボット20を停止させる。ロボット20が停止状態にあるとき、例えば指令作成部51によって新たなトルク指令又は電流指令が作成されるのを制限する。それにより、ロボット20の位置及び姿勢が維持される。本実施形態によれば、ロボット20の停止状態は、ステップS306において搬送工程を開始する直前まで維持される。
ステップS304では、相対移動部56によって、ワーク40がワーク支持体30から離間するように、ワーク40及びワーク支持体30を互いに相対移動させる(図1B参照)。例えば、図1A及び図1Bを対比すると分かるように、ワーク支持体30の支持部32を下方に移動させることによって、ワーク40をワーク支持体30から離間させる。
続いてステップS305において、ワーク40を保持した状態に対応するようにワークパラメータを切替える。ワークパラメータを切替えることによって、外力計算部54は、ワーク40に作用する重力及び慣性力に起因してロボット20に作用する力又はトルクを考慮して外力を計算できるようになり、結果として外力を正確に計算できるようになる。ワークパラメータは、例えばロボットプログラム57(図2参照)から入力される。
ステップS306において、ロボット20が駆動され、ハンド27によって保持されたワーク40を、所定の位置、例えば作業テーブル又はコンベヤまで搬送する。ステップS306の搬送工程においては、力検出部52、外力計算部54及びロボット停止部55を利用した外力監視機能が有効になっている。
前述した実施形態は次のような利点を有する。
(1)ロボットがワークを保持してからワークがロボットのみによって支持されるようになるまでの間、ロボットの位置及び姿勢は変更されない。したがって、それら工程の間、ロボットが周囲の物体又は作業者に接触する事故を防止できる。
(2)ワーク支持体に対するワークの相対移動は、ロボットとは独立したワーク支持体の鉛直方向下方への動作のみによってもたらされる。ワーク支持体の動作は、ロボットの位置及び姿勢を変更する場合に比べて単純なので、作業者は、ワーク支持体の動作を正確に予測できる。したがって、例えば接触事故の発生リスクを容易に評価できるし、作業者自身がワーク支持体から一時的に離れたりするなどの安全対策を容易に実行できるようになる。
(3)ワークを保持可能な位置までロボットを移動させる工程、及び保持したワークを所定位置まで搬送する工程において、ロボットに作用する外力が監視されており、必要に応じてロボットが停止される。したがって、ロボットが動作している間において、ロボットが周囲の物体又は作業者に接触したとしても、重大な事故を確実に防止できる。
図4A〜図4Cは、第2の実施形態に係る搬送システム10を示す概略図である。本実施形態において、ワーク支持体30の支持部32は、ワーク40を解放可能に保持できるように構成されている。すなわち、概ね水平方向に延在する一対の支持部32は、ワーク40を保持したり、解放したりできるように、互いに接近し、又は互いから離間するように移動する。支持部32は、モータ34によってそれぞれ駆動される。別の実施形態において、支持部32は、流体圧によって開閉動作する構成を有していてもよい。
図4Aは、ワーク40を保持可能な位置までロボット20を位置決めした搬送システム10を示している。この状態において、ワーク40はワーク支持体30の支持部32によって挟持されている。すなわち、ワーク40はワーク支持体30のみによって支持されている。図4Bは、ワーク40のハンド27を閉塞してワーク40を保持した状態を示している。この状態では、依然としてワーク支持体30によってワーク40が支持されている。
図4Cは、ワーク支持体30の支持部32をワーク40から離間するように移動させた状態を示している。このとき、ワーク40は、ハンド27ひいてはロボット20のみによって支持されるようになる。
本実施形態に係る搬送システム10は、ワーク支持体30の支持部32が水平方向に移動することによって、ワーク40をワーク支持体30から離間させられるようになっている点以外は、前述した実施形態と同様に作用する。したがって、このような構成を有する搬送システム10であっても、前述した有利な効果(1)〜(3)を奏することができる。
図5A及び図5Bは、第3の実施形態に係る搬送システム10を示す概略図である。図6は、第3の実施形態に係る搬送システムの機能を示すブロック図である。本実施形態においては、前述した実施形態とは異なり、相対移動部56が、ワーク支持体30を移動させるのではなく、ロボット20のハンド27の位置が変更可能であるようになっている。すなわち、相対移動部56は、ハンド27に対する指令を作成するように構成される指令作成部51と協働して、ハンド27を移動できるようになっている。
図5A及び図5Bを対比すると分かるように、相対移動部56は、指令作成部51によってハンド27の支持部28を伸縮できるようになっている。すなわち、支持部28を縮小させることによって、ハンド27が上方に移動し、それにより、ハンド27によって保持されたワーク40がワーク支持体30から離間するようになる。
本実施形態に係る搬送システム10においても、ハンド27がワーク40を保持してから、ハンド27が上方に移動し、ワーク40がワーク支持体30から離間するようになるまでの間、ロボット20の位置及び姿勢は変更されない。また、ハンド27の上下方向の動作は、図1A及び図1B並びに図4A〜図4Cを参照して説明したワーク支持体30の動作と同様に、ロボット20を動作させる場合に比べて単純である。したがって、このような構成を有する搬送システム10であっても、前述した有利な効果(1)〜(3)が得られる。
本実施形態において、ワーク支持体30は、ワーク40を載置できるように形成されたテーブル状の治具であるものの、ワーク支持体30が省略されていて、ワーク40が床面に直接載置されていてもよい。また、複数のワーク40が互いに積み重ねられている場合、保持されるべきワーク40の下方に位置する別のワーク40がワーク支持体として作用する。このように、本発明との関係において、「ワーク支持体」は種々の意味に解釈されうることに留意されたい。
ハンド及びワーク支持体のいずれか一方を動作させる例を参照して本発明を説明したものの、ハンド及びワーク支持体の両方を動作させることによって、ハンド及びワーク支持体を互いに相対移動させてもよい。
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、当業者であれば、他の実施形態によっても本発明の意図する作用効果を実現できることを認識するであろう。特に、本発明の範囲を逸脱することなく、前述した実施形態の構成要素を削除又は置換することができるし、公知の手段をさらに付加することができる。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。
10 搬送システム
20 ロボット
21 力センサ
22 ベース
23 胴部
24 下腕
25 上腕
26 手首
27 ハンド(ツール)
28 支持部
30 ワーク支持体
31 台座
32 支持部
33 支持柱
34 モータ
40 ワーク
50 制御装置
51 指令作成部
52 力検出部
53 パラメータ切替部
54 外力計算部
55 ロボット停止部
56 相対移動部
57 ロボットプログラム

Claims (2)

  1. ロボットによってワークを搬送する搬送システムであって、
    ワークを保持可能なツールを備えたロボットと、
    搬送前のワークを支持するワーク支持体と、
    前記ロボットに作用する力又はトルクを検出する力検出部と、
    前記ワークの保持状態に応じて、前記ワークに起因して前記ロボットに作用する力又はトルクを計算できるようにワークパラメータを切替えるパラメータ切替部と、
    前記力検出部によって検出される前記ロボットに作用する力又はトルク、及び前記ワークパラメータに基づいて、前記ロボットに作用する外力を計算する外力計算部と、
    前記外力計算部によって計算された前記外力が閾値を超えたときに、前記ロボットを停止させるロボット停止部と、
    前記ツールによって保持された前記ワーク、及び前記ワーク支持体を互いに相対移動させる相対移動部と、を備えており、
    前記相対移動部によって、前記ワークを保持してから前記ワークが前記ロボットのみによって支持されるようになるまでの過程において、前記ロボットの位置及び姿勢を変更することなく前記ツールによって保持された前記ワークから離間するように、前記ワーク支持体を移動させる、
    搬送システム。
  2. 前記ツールがロボットハンドである、請求項1に記載の搬送システム。
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