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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Selbstfahrende Kraftfahrzeuge und Kraftfahrzeuge mit Fahrerassistenzfunktionen wie Spurhaltung und autonomes Einparken erfordern Lenksysteme, die auf Steuerbefehle reagieren. Herkömmliches hydraulisches Lenken ermöglicht die Umsetzung von Fahrerassistenzfunktionen und autonomer Lenkung nicht. Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, Fahrzeuge, für die solche Funktionen vorgesehen sind, mit rein elektrischer Servolenkungsunterstützung, die für die Bereitstellung der notwendigen Lenkeingaben ausschließlich auf Elektromotoren zurückgreift, auszustatten. Vollständig elektrische Lenksysteme erfordern jedoch mehr Leistung als mit der bei den meisten Fahrzeugen üblichen 12-Volt-Gleichstrom-Elektroarchitektur („12 V“) praxisnah bereitgestellt werden kann. Insbesondere ist ein 12-Volt-Motor nicht in der Lage, eine ausreichende Lenkassistenz für große Kraftfahrzeuge zur Personenbeförderung (Kraftomnibusse) und Nutzfahrzeuge bereitzustellen. Die Abwesenheit elektrisch gesteuerter Lenksysteme stellt bei der Bereitstellung von autonomen Kraftomnibussen und Nutzfahrzeugen ein Hindernis dar.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Fahrzeuglenksystems.
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften elektrischen Lenkunterstützungsstellers des Lenksystems aus 1.
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3 ist ein Querschnitt der Seitenansicht des elektrischen Lenkunterstützungsstellers aus 2.
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4 ist ein Querschnitt der Seitenansicht eines Drehmomentsensors des elektrischen Lenkunterstützungsstellers aus 3.
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5 ist eine perspektivische Ansicht des Lenkungsstellers aus 1 in einem eingebauten Zustand.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ein hydraulisches Servolenkungssystem kann durch einen elektrischen Unterstützungssteller, der die für den Betrieb eines autonomen Kraftfahrzeugs notwendige Steuerung bereitstellen kann, ergänzt werden. Der elektrische Unterstützungssteller kann zudem konfiguriert werden, um den Lenkaufwand des Fahrers zu reduzieren. Die Eingliederung eines elektrischen Lenkunterstützungsstellers unter Verwendung vorhandener Hardware bietet jedoch bei der Umsetzung in Anbetracht der gegebenen Einschränkungen bei der Unterbringung unter der Motorhaube moderner Fahrzeuge und der funktionalen Beschränkungen verfügbarer bestehender Hardware Herausforderungen. Ein beispielhafter elektrischer Lenkunterstützungssteller schließt einen Elektromotor, ein elektronisches Steuergerät („ESG“), einen Drehmomentsensor und einen Untersetzungsantriebsmechanismus zum Erreichen eines gewünschten Drehmoments an einer Lenksäulenwellenachse ein. Der Motor, der Drehmomentsensor und der Untersetzungsantriebsmechanismus sind bei einer mit einer Mehrzahl an miteinander verbundenen bearbeiteten Gussstücken gebildeten beispielhaften Ausführungsform von einem Gehäuse umschlossen. Die Montage des Lenkunterstützungsstellers entweder mittels zwischengeschalteter Halterungsvorrichtungen oder mittels direkter Montage am Rahmen oder der Karosserie ist vom verfügbaren Unterbringungsraum und der Fahrzeugkonfiguration abhängig. In den Figuren ist eine beispielhafte Halterung dargestellt.
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Die in dieser Beschreibung aufgeführten relativen Ausrichtungen und Richtungsbeschreibungen (beispielsweise oben, unten, ganz unten, rückwärtig, vorne, rückseitig, hinten, fahrzeugaußenseitig, fahrzeuginnenseitig, einwärts, auswärts, links, rechts) sind nicht als Einschränkungen anzusehen, sondern dienen der Annehmlichkeit des Lesers bei der Vorstellung wenigstens einer Ausführungsform der beschriebenen Strukturen.
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1 stellt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Fahrzeuglenksystems 10 dar. Das Fahrzeuglenksystem 10 schließt ein Lenkrad 12, ein hydraulisch verstärktes Lenkgetriebe 14, einen an einer Abtriebswelle des Lenkgetriebes 14 zur Verbindung mit einem Fahrzeuglenkgestänge (nicht dargestellt) angeordneten Lenkhebel (nicht dargestellt) und eine zwischen Lenkrad 12 und Lenkgetriebe 14 angeordnete Lenksäulenbaugruppe 16 ein. Ausgehend vom Lenkrad 12 zum Lenkgetriebe 14 schließt eine beispielhafte Lenksäulenbaugruppe 16 eine obere Welle 18, eine obere Zwischenwelle 20, eine untere Zwischenwelle 22 und eine untere Welle 24 ein. Die obere Welle 18 verläuft durch ein Spritzblech 25, das einen Motorraum von einer Fahrgastzelle trennt, wobei das Lenkrad 12 in der Fahrgastzelle und das Lenkgetriebe 14 im Motorraum angeordnet sind. Ein Kardangelenk 26 verbindet die obere Welle 18 mit der oberen Zwischenwelle 20, die obere Zwischenwelle 20 mit der unteren Zwischenwelle 22 und die untere Welle 24 mit einer Eingangswelle des Lenkgetriebes 14. Ein gleitendes verzahntes Koppelgelenk 28 verbindet die untere Zwischenwelle 22 gleitend mit der unteren Welle 24. Die gleitende Verbindung erlaubt eine Axialverschiebung der unteren Welle 24 aufgrund der vom Kardangelenk 26 hervorgerufenen Axialverschiebung. Eine in der oberen Zwischenwelle 20 eingearbeitete gleitende Verzahnungsfunktion erlaubt von Kardangelenken 26 an den Enden der Welle 20 hervorgerufene Axialverschiebungen in ähnlicher Weise.
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In 1 ist ein beispielhafter elektrischer Lenkunterstützungssteller 30, alternativ als Antriebswelle gekennzeichnet, als in der unteren Zwischenwelle 22 eingebaut dargestellt. Ein in 2 ausführlicher dargestellter elektrischer Lenkunterstützungssteller 30 schließt einen Elektromotor 32, ein elektronisches Steuergerät („ESG“) (nicht dargestellt), einen Drehmomentsensor 34 und einen Untersetzungsantriebsmechanismus 36 zum Erreichen eines gewünschten Drehmoments an einer Lenksäulenwellenachse ein. Der Motor 32 definiert eine Motorrotationsachse 37, auf welcher eine Motorwelle zentriert ist und um welche die Motorwelle rotiert. Bei der beispielhaften Ausführungsform stellt die maßgebliche Lenksäulenwellenachse eine Achse 38 der unteren Zwischenwelle 22 dar. Motor 32, Drehmomentsensor 34 und der Untersetzungsantriebsmechanismus 36 sind bei einer aus einer Mehrzahl an miteinander verbundenen bearbeiteten Gussstücken gebildeten beispielhaften Ausführungsform von einem Gehäuse 40 umschlossen. Wie in 3 gezeigt wird, schließt das Gehäuse 40 einen oberen Abschnitt 42 und einen unteren Abschnitt 44 ein. Sowohl der obere Abschnitt 42 als auch der untere Abschnitt 44 sind konkav und weisen beim Zusammenfügen eine Klappschalenbeziehung auf, um den Antriebsmechanismus 36 zusammenwirkend zu umschließen. Ein Gehäusevorsprung 46 umschließt den Drehmomentsensor 34. Ein Motorgehäuse 48 des Motors 32 stützt und schützt die beweglichen Teile des Motors 32. Die Montage des Lenkunterstützungsstellers 30 im Fahrzeug wird abhängig vom verfügbaren Unterbringungsraum und der Fahrzeugkonfiguration entweder mittels einer zwischengeschalteten Halterungsvorrichtung oder mittels direkter Montage am Rahmen oder der Karosserie erreicht. In den Figuren ist eine beispielhafte Halterung 50 dargestellt. Im Steller 30 ist ein beispielhaftes Wärmeschutzschild 52 eingebaut, um ihn vor Motorwärme zu schützen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Wärmeschutzschild 52 zwischen einem Motorabgaskrümmer und Steller 30 angeordnet und windet sich um Motor 32, Drehmomentsensor 34 und Antriebsmechanismus 36.
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Der beispielhafte elektrische Lenkunterstützungssteller 30 einschließlich Gehäuse 40 ist vom Lenkgetriebe 14 durch die untere Welle 24 und von dem Spritzblech 25 durch die obere Zwischenwelle 20 getrennt. Da der Steller 30 durch die beispielhafte Halterung 50 ausreichend gestützt wird, besteht keine Notwendigkeit, den Steller 30 entweder am Spritzblech 25 oder am Lenkgetriebe 14 zur Unterstützung zu fixieren.
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Das beispielhafte Gehäuse 40 schließt sowohl am oberen Gehäuseabschnitt 42 als auch am unteren Gehäuseabschnitt 44 zueinander ausgerichtete Klammerflansche oder alternativ Klemmnocken ein. Die Flansche nehmen Befestigungselemente mit Gewinde auf, die die Abschnitte 42 und 44 miteinander verklemmen. Der Gehäusevorsprung 46 ist am oberen Gehäuseabschnitt 42 fixiert, könnte jedoch alternativ dazu auch mit dem oberen Gehäuseabschnitt 42 in einem Stück gebildet sein. Der untere Gehäuseabschnitt 44 stützt ein unteres Traglager 54 und eine untere Dichtung 56, die außerhalb des Lagers 54 angeordnet ist. Der Gehäusevorsprung 46 stützt ein oberes Traglager 58 und eine obere Dichtung 60. Das Motorgehäuse 48 und der obere Gehäuseabschnitt 42 weisen einander ergänzende Ausrichtungsmerkmale auf, die die Montage des Motors 32 am Antriebsgehäuse 40 in einer vorgegebenen Ausrichtung vereinfachen. Das Motorgehäuse 48 und der obere Gehäuseabschnitt 42 können mittels Befestigungselementen mit Gewinde oder Nieten oder Äquivalenten aufeinander geklemmt werden. Im aufeinander geklemmten Zustand stellen Motorgehäuse 48 und Gehäuse 40 zusammenwirkend eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung der Motorachse 37 zur Lenksäulenwellenachse 38 bereit.
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Die untere Zwischenwelle 22 umfasst eine Lenkunterstützungssteller-Eingangswelle 62 und eine Lenkunterstützungssteller-Abtriebswelle 64. Ein unteres Ende der Abtriebswelle 64 umfasst einen Teil der Kopplung 28. Ein oberes Ende der Eingangswelle 62 ist mit dem zwischen Welle 22 und Welle 20 angeordneten Kardangelenk 26 antriebsmäßig verbunden. Eine beispielhafte rotierbare Verbindung zwischen Welle 62 und Gelenk 26 wird durch einen in einer Kerbe in der Welle 62, die in einer Rille in einem Mantelabschnitt des Gelenks 26 aufgenommen wird, angeordneten Schlüssel bereitgestellt. Ein unteres Ende der Eingangswelle 62 ist in einem oberen Ende der Abtriebswelle 64 rotierbar angeordnet, wobei eine Nadelrollenlagerbaugruppe 66 dazwischen angeordnet ist. Eine relative Rotation zwischen den Wellen 62 und 64 ist mittels einer Einrichtung wie einem dazwischen angeordneten Splint auf eine vorgegebene Winkelrotation beschränkt. Die Abtriebswelle 64 wird von Lager 54 gestützt. Die Eingangswelle 62 wird von Lager 58 gestützt. Die Dichtungen 56 und 60 halten Verunreinigungen davon ab, in das Gehäuse 40 einzudringen.
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Der beispielhafte Antriebsmechanismus 36 schließt eine an einer Abtriebswelle des Motors 32 fixierte Antriebsriemenscheibe 68, eine an der Abtriebswelle 64 fixierte Abtriebsriemenscheibe 70 und einen die Riemenscheiben 68 und 70 antriebsmäßig koppelnden Riemen 72 ein. Die Riemenscheibe 68 weist einen kleineren Durchmesser als die Riemenscheibe 70 auf, um eine Reduzierung der Drehzahl und eine Erhöhung des Drehmoments vom Motor 32 bezogen auf die Welle 22 bereitzustellen. Alternativ kann eine Zwischenwelle zwischen der Motorabtriebswelle und Riemenscheibe 68 angeordnet sein, um eine größere Riemenbreite als eine offenliegende Länge der Motorabtriebswelle aufzunehmen. Alternativ kann der Riemen 72 für eine Aufnahme von komplementären Zähnen an den Riemenscheiben 68 und 70 darin gebildete Zähne aufweisen.
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Wie in 4 am deutlichsten zu sehen ist, ist ein Drehmomentsensor 34 als integraler Bestandteil der unteren Zwischenwelle 22 ausgebildet. Der Drehmomentsensor 34 schließt eine zwischen Eingangswelle 62 und Abtriebswelle 64 angeordnete Drehmomentwelle 76 und einen in der Nähe der Abtriebswelle 64 an der Eingangswelle 62 fixierten Rotationsverschiebungssensor 78 zum Erfassen der relativen Rotation zwischen diesen ein. Eine abgestufte Öffnung 80 in der Abtriebswelle 64 weist einen Abschnitt mit einem größeren Durchmesser zum Aufnehmen des unteren Endes der Eingangswelle 62 und des Lagers 66 darin auf. Ein zweiter Abschnitt der Öffnung 80 mit kleinerem Durchmesser nimmt ein erstes Ende der Drehmomentwelle 76 auf. Analog dazu nimmt eine Öffnung 82 in der Eingangswelle 62 ein zweites Ende der Drehmomentwelle 76 auf. Eine beispielhafte Einrichtung zum rotierenden Fixieren des ersten Endes der Drehmomentwelle 76 an der Abtriebswelle 64 besteht in einem Stift 84, der beide Abschnitte durchläuft. Gleichermaßen besteht eine beispielhafte Befestigung zwischen Drehmomentwelle 76 und Eingangswelle 62 in einem beide durchlaufenden Stift 86. Die genaue Einrichtung zum Bereitstellen einer solchen Verbindung ist für die vorliegende Offenbarung nicht wesentlich. Alternative Einrichtungen zum Bereitstellen einer solchen Verbindung schließen Presspassungen und Schweißen ein. Eine alternative Konstruktion einer unteren Zwischenwelle 22 ist eine Welle in einem Stück, die einen integrierten Drehmomentsensor in Form eines Dehnungsmessers an der Welle einschließt.
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5 stellt eine beispielhafte Installation eines Lenksystems 10 mit eingebautem elektrischem Lenkunterstützungssteller 30 in einem Fahrzeug mit einem in einer Längsausrichtung eingebauten Motor 90 dar. Der Steller 30 wird an einer bevorzugten Position mittels einer beispielhaften Stahlhalterung 50 gehalten. Die Halterung 50 weist eine beispielhafte Versteifungsrippe auf und ist an einem ersten Ende an eine Innenwand eines Fahrzeugrahmenträgers 88 geschraubt. Die Halterung 50 ist an einem zweiten Ende an das Gehäuse 40 geschraubt und stützt den ganzen Steller 30. Das Gehäuse 40 ist vom Fahrzeugmotor 90 durch die Halterung beabstandet, wobei das Wärmeschutzschild 52 den Motor 32, den Drehmomentsensor 34 und Antriebsmechanismus 36 vor der Motorwärme schützt.
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Elektrische Verbindungen zum Sensor 34 werden mittels einer mehrpoligen elektrischen Steckverbindung 92 bereitgestellt. Der Motor 32 ist mit zwei elektrischen Steckverbindungen 94 und 96 zu der Motorsteuerung 32 dargestellt. Die Pole stellen ein Mittel zum Kommunizieren von elektrischer Leistung und elektrischen Signalen zwischen dem elektrischen Lenkunterstützungssteller 30 und Motor 32 und einer Leistungsquelle wie einer Batterie und dem ESG bereit.
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Beispielhafte elektrische Kommunikationsleitungen (nicht dargestellt) verbinden das ESG und den elektrischen Lenkunterstützungssteller 30 elektrisch miteinander und ermöglichen Kommunikation zwischen diesen. Die elektrischen Kommunikationsleitungen umfassen einen Abschnitt einer Sammelschiene eines Steuergerätenetzes („CAN“) eines Fahrzeugs. Alternativ kann drahtlose Kommunikation eine Verbindung zwischen dem ESG und dem elektrischen Lenkunterstützungssteller 30 bereitstellen.
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Das Lenksystem 10 ist elektrisch mit dem ESG, das alternativ als Steuergerät oder Computer beschrieben werden kann, verbunden und/oder kann als dieses einschließend verstanden werden. Das ESG ist elektrisch mit dem elektrischen Lenkunterstützungssteller 30 und mit Sensoren (nicht dargestellt), die beispielsweise Hinweise auf Drehmoment basierend auf einer Auslenkung der Drehmomentwelle 76, die auf ein vom Fahrer ausgeübtes Lenkraddrehmoment hindeutet, und Signale der Lenkgetriebeausrichtung einschließen, verbunden. Wie obenstehend angemerkt können solche elektronischen Verbindungen entweder per Kabel oder kabellos unter Verwendung drahtloser Kommunikationstechnologie hergestellt werden.
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Das ESG schließt wenigstens einen elektronischen Prozessor und zugeordneten Speicher ein. Die Betriebssystemsoftware des Prozessors ist im Speicher für einen Zugriff seitens des Prozessors gespeichert. Zudem wird Steuersoftware zum Ausführen gewisser vorgegebener Aufgaben im Speicher vorgehalten. Der Speicher schließt außerdem einen Zwischenspeicher oder einfacher gesagt einen Puffer ein, um das Speichern und Verarbeiten von Daten zu vereinfachen. Die genaue Struktur des ESG ist für die vorliegende Beschreibung nicht wesentlich und gehört in den Kenntnisbereich von Fachleuten. Das ESG wird von Steuersoftware programmiert, um zu bewirken, dass der elektrische Lenkunterstützungssteller 30 der Lenksäulenbaugruppe 16 zusätzliches Drehmoment liefert und eine Lenksystemposition in Reaktion auf vorgegebene Bedingungen einstellt.
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Der Lenkunterstützungssteller 30 funktioniert in zwei Modi, einem Lenkunterstützungsmodus und einem autonomen/halb-autonomen Modus. Bei einer beispielhaften Ausführungsform des Lenkunterstützungsmodus übt der Lenkunterstützungssteller 30 ein ergänzendes Lenkdrehmoment auf die Lenksäulenbaugruppe 16 aus, um einen Lenkaufwand eines Fahrers zu reduzieren. Das ergänzende Drehmoment erfolgt zusätzlich zu einer von einem hydraulischen Lenkgetriebe 14 bereitgestellten Unterstützung. Eine Größe des ergänzenden Lenkdrehmoments variiert in Funktion eines von einem Fahrer ausgeübten von einem Drehmomentsensor 34 gemessenen Lenkraddrehmoments. Das ergänzende Drehmoment reduziert eine Kraft, die ein Fahrer auf das Lenkrad 12 ausüben muss, um eine gewünschte Neupositionierung des Lenkgestänges zu erreichen und eine spezifische Lenkgestängeposition beizubehalten. Bei einer beispielhaften Ausführungsform des autonomen/halb-autonomen Modus (des „zweiten Modus“) führt das Lenksystem 10 Funktionen wie autonomes Einparken und Spurhaltung, ohne Fahrereingaben und ohne Signale vom Sensor 34 zu erfordern, durch. Basierend auf Daten, die aus verschiedenen Fahrzeugsensoren und gespeicherten Informationen und gesendeten Informationen wie GPS-Informationen, gespeicherten Karteninformationen, optischen Erkennungssystemen, Beschleunigungsmessern und anderen Sensoren und Informationen verfügbar sind, wird der Betrieb des Lenksystems 10 im zweiten Modus ermöglicht. Im beispielhaften Steller 30 sind vorteilhafterweise bestimmte handelsübliche Bauteile einschließlich des Motors 32, des ESG und des Drehmomentsensors 34 eingegliedert, um einen elektrischen Lenkunterstützungssteller bereitzustellen, der einem bestehenden hydraulischen Lenksystem ohne die Kosten oder den Zeitaufwand für das Konzipieren zweckgebundener Komponenten hinzugefügt werden kann. Verglichen mit einer integrierten Steller-Lenkgetriebebaugruppe ermöglicht das physische Trennen des beispielhaften Stellers 30 vom Lenkgetriebe 14 eine unabhängigere und flexiblere Unterbringung, was das Verwenden handelsüblicher Bauteile erleichtert und das Verwenden eines einzigen Stellers 30 für verschiedene Fahrzeugplattformen ermöglicht.
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Gewisse funktionale Vorteile ergeben sich auch aus dem Lenksystem
10 mit seiner Verwendung des Stellers
30. Der Steller
30 kann eine Drehmomentüberlagerungsfunktion ausüben, um die grundsätzliche Lenkfunktion zu verstärken, und kann Eigenschaften wie drehzahlabhängiges Lenken, aktive Rückstellung, Kurvenauslenk- und Dämpfungsassistenz sowie Eigenschaften wie Pull-Drift-Kompensation, Spurhalteassistent, Spurwechsel-Warnsystem und viele andere bereitstellen. Der Steller
30 kann zudem eine Winkelüberlagerungssteuerung bereitstellen und somit eine autonome Lenkfunktion für Eigenschaften wie aktiven Parkassistenten und Anhänger-Rückfahrassistenten ermöglichen. Der Steller
30 kann zudem Synchronisierung und Rundlaufabweichungen, die durch eine versetzte Masse zugeführt werden, aufheben, um ein konsistentes Lenkdrehmoment und -gefühl für den Fahrer zu ermöglichen. Der Steller
30 und seine ESG-Software integrieren und nutzen eine Motorwinkelerfassungsfähigkeit, um ein relatives Winkelsignal zu erzeugen. Das relative Winkelsignal wird in Kombination mit einem Algorithmus zum Finden des Mittelpunkts wie im Patent
US7401870 , das hierin bezugnehmend enthalten ist, beschrieben wird, verwendet, um eine absolute Lenkposition festzustellen.
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Bei der Verwendung hierin bedeutet das Adverb „im Wesentlichen“ zum Modifizieren eines Adjektivs, dass eine Form, eine Struktur, eine Messung, ein Wert, eine Berechnung etc. von einer/m genau beschriebenen Geometrie, Distanz, Messung, Wert, Berechnung etc. aufgrund von Unvollkommenheiten bei Materialien, Bearbeitung, Herstellung, Sensormessungen, Berechnungen, Verarbeitungszeit, Kommunikationszeiten etc. abweichen kann.
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Es versteht sich, dass die vorliegende Offenbarung einschließlich der obenstehenden Beschreibung und der begleitenden Figuren und nachstehenden Ansprüche als illustrierend und nicht als einschränkend vorgesehen ist. Viele von den bereitgestellten Beispielen abweichende Ausführungsformen und Anwendungen werden für Fachleute beim Durchlesen der obenstehenden Beschreibung offensichtlich sein. Der Umfang der Erfindung sollte nicht mit Bezug auf die obenstehende Beschreibung festgelegt werden, sondern sollte stattdessen bezugnehmend auf die hieran angehängten Ansprüche, zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente, zu denen solche Ansprüche berechtigt sind, festgelegt werden. Sofern hierin nicht anders angegeben oder ausgeführt ist, sind alle Anspruchsbegriffe dazu vorgesehen, mit ihrer offensichtlichen und gewöhnlichen Bedeutung versehen zu werden. Es ist vorhersehbar und vorgesehen, dass zukünftige Entwicklungen in den hierin erörterten Technologien auftreten werden und dass die offenbarten Systeme und Verfahren in solche zukünftigen Ausführungsformen integriert werden. In Summe versteht es sich, dass der offenbarte Gegenstand modifiziert und variiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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