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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor.
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Derartige optische Sensoren dienen generell zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich.
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Aus der
DE 20 2005 004 984 U1 ist ein optischer Sensor mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und einer Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Empfangssignale bekannt. Dieser optischer Sensor ist an einem Regalbediengerät fixiert und auf ein Hochregal ausgerichtet, so dass mit dem optischen Sensor Empfangssignale in Form von linienförmigen Abtastwerten und/oder Distanzwerten generierbar sind, welche Eingangsgrößen für eine kontinuierliche Positionsregelung des Regalbediengeräts relativ zum Hochregal bilden.
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Der dort beschriebene optische Sensor weist einen ortsauflösenden, zeilenförmigen Empfänger und einen einzelnen, weitwinldig Sendelichtstrahlen abstrahlenden Sender auf.
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Nachteilig hierbei ist, dass die Positionsbestimmung von Objekten aufwändig und gegebenenfalls ungenau ist, da der Sender von einem Punkt aus die Sendelichtstrahlen abstrahlt. Um Distanzinformationen zu erhalten, muss eine Umsetzung der Sensordaten von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten erfolgen.
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Die
DE 10 2008 009 578 A1 betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels einer mehrere Sensorachsen umfassenden Sensoranordnung, wobei ein zu detektierendes Objekt mit einer Objektgeschwindigkeit nacheinander an den Sensorachsen vorbeibewegt und von diesen erfasst wird. Die mit den einzelnen Sensorachsen ermittelten Einzelsignalverläufe werden zeitversetzt zu einem Gesamtsignalverlauf addiert, wobei die Zeitversätze der Einzelsignalverläufe der Sensorachsen an Objektlaufzeiten des zu detektierenden Objekts zwischen diesen Sensorachsen angepasst sind. Aus dem Gesamtsignalverlauf wird ein Objektfeststellungssignal generiert.
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Durch die Korrelation der Einzelsignalverläufe wird eine sichere Objektdetektion erhalten, wobei diese im Wesentlichen auf eine Anwesenheitskontrolle von Objekten beschränkt ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher bei einfachem Aufbau eine hohe Funktionalität aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße optischer Sensor umfasst eine zeilenförmige Anordnung von Sendelichtstrahlen emittierenden Sendern und eine zeilenförmige Anordnung von Empfangslichtstrahlen, welche eine Lichttasteranordnung ausbilden wobei jeweils ein Sender und ein zugeordneter Empfänger benachbart angeordnet sind. Die Sender sind zyklisch einzeln nacheinander aktiviert. Mit einer Auswerte- und Steuereinheit werden die Lagen und zeitlichen Verläufe von Empfangsleuchten, die von Objekten auf die Empfänger geführt sind durch Auswertung von Empfangssignalen erfasst und zur Generierung von positionsabhängigen Objektfeststellungssignalen herangezogen.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Sensors besteht darin, dass mit diesem eine hohe Ortsauflösung bei der Detektion von Objekten erhalten wird. Insbesondere können mit dem optischen Sensor Geometriestrukturen von Objekten wie Kanten genau bestimmt werden.
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Wesentlich hierbei ist die zeilenförmige Mehrfachanordnung von Sendern, deren Sendelichtstrahlen bevorzugt parallel laufende Strahlachsen aufweisen. Mit diesen Sendelichtstrahlen können nahezu unabhängig von der Objektdistanz Geometriestrukturen eines Objekts genau erfasst werden.
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Weiterhin ist wesentlich, dass die Sender des optischen Sensors zyklisch einzeln nacheinander aktiviert werden, so dass die zu erfassenden Objekte mit den Sendelichtstrahlen einzeln nacheinander abgetastet werden. Aus den resultierenden Empfangssignalen, insbesondere der Analyse der Lagen und der zeitlichen Verläufe der damit der auf den Empfänger auftreffenden Lichtflecke der von einem Objekt zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen, können genaue Position- und Lageinformationen über das Objekt erhalten werden.
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Besonders vorteilhaft werden auch die Empfänger zyklisch einzeln nacheinander aktiviert, wobei jeweils ein Sender und der diesem zugeordnete, benachbarte Empfänger zeitgleich aktiviert werden.
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Die einzelnen Sender mit den jeweils benachbarten, zugeordneten Empfängern bilden somit einzelne Lichttaster, die einzeln zyklisch nacheinander aktiviert werden.
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Eine besonders geometrisch kompakte Anordnung der Sender und Empfäger ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sender einerseits und die Empfänger andererseits in separaten Zeilen angeordnet sind, wobei vorteilhaft die Zeilen übereinanderliegend mit parallel verlaufenden Längsachsen angeordnet sind. Prinzipiell ist es auch möglich, dass die Sender und Empfänger in einer Zeile alternierend angeordnet sind.
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Insbesondere durch eine geeignete Parametrierung des optischen Sensors kann dieser in den unterschiedlichsten Applikationen eingesetzt werden.
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Eine erste Applikation ist, dass mit dem optischen Sensor die Position von Kanten von quer zu diesem bewegten Objekten erfasst wird. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des optischen Sensors besteht darin, dass mit diesem die Lagen und Breiten von Spalten zwischen zwei Objekten oder Objektteilen erfasst werden. Weiterhin wird mit dem optischen Sensor ein Objekt vor einem Hintergrund erkannt. Desweiteren werden durch Vergleich mit Geometrie-Sollwerten Lücken in einem zu detektierenden Objekt unterdrückt. Schließlich bildet der optischer Sensor ein Anzeigemittel und Ausrichtmittel für einen anderen Sensor.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Blockschaltbild einer Grundform des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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2: Beispiel einer Anordnung von Sensorkomponenten des optischen Sensors gemäß 1.
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3: Erstes Applikationsbeispiel für den optischen Sensor gemäß 1.
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4: Zweites Applikationsbeispiel für den optischen Sensor gemäß 1.
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5: Drittes Applikationsbeispiel für den optischen Sensor gemäß 1.
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6: Variante der Ausführungsform gemäß 5.
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7: Empfangspegelverlauf der Empfänger des optischen Sensors gemäß 1 für das Beispiel gemäß 6.
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8: Ausgangssignale des optischen Sensors gemäß 1 für das Beispiel gemäß 6.
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9: Viertes Applikationsbeispiel für den optischen Sensor gemäß 1.
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10: Intensitätsverlauf der Empfänger des optischen Sensors gemäß 1 für das Beispiel gemäß 9.
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11: Fünftes Applikationsbeispiel für den optischen Sensor gemäß 1.
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12: Sechstes Applikationsbeispiel für den optischen Sensor gemäß 1.
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1 zeigt in einem Blockschaltbild den grundlegenden Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 umfasst als Sensorkomponenten einer Lichttasteranordnung eine zeilenförmige Anordnung von Sendern 2, 2a, welche Sendelichtstrahlen 3, 3a emittieren und Empfangslichtstrahlen 4, 4a empfangen. Die Sender 2, 2a können von Leuchtdioden gebildet sein, die Empfänger 5, 5a bestehen aus einzelnen Empfangselementen, insbesondere Photodioden. Die Sender 2, 2a und Empfänger 5, 5a sind im vorliegenden Fall alternierend in einer Zeile angeordnet. Jedem Sender 2, 2a ist ein benachbarter Empfänger 5, 5a zugeordnet. Mit dem optischen Sensor 1 erfolgt eine Detektion eines Objekts 6 in einem Überwachungsbereich dadurch, dass die Sendelichtstrahlen 3, 3a der Sender 2, 2a zu einem Objekt 6 als Empfangslichtstrahlen 4, 4a auf die zugeordneten Empfänger 5, 5a zurückreflektiert werden. Die Komponenten des optischen Sensors 1 sind in einem Gehäuse 7 untergebracht. Die Auswertung der Empfangssignale zur Generierung eines positionsabhängigen Objektfeststellungssignals erfolgt in einer Auswerte- und Steuereinheit 8, die von einem Mikroprozessor oder dergleichen gebildet ist. Die Auswerte- und Steuereinheit 8 dient auch zur Steuerung der Sender 2, 2a und Empfänger 5, 5a. Die Sender 2, 2a werden dabei zyklisch einzeln nacheinander aktiviert. Vorzugweise werden auch die Empfänger 5, 5a zyklisch einzeln nacheinander aktiviert und zwar derart, dass immer ein Sender 2, 2a und ein zugeordneter Empfänger 5, 5a, die zusammen einen Lichttaster bilden, zeitgleich aktiviert sind.
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Das in der Auswerte- und Steuereinheit 8 generierte Objektfeststellungssignal wird über einen Schaltausgang 9 ausgegeben. Über eine serielle Schnittstelle 10 können Parametrier- und Messdaten des optischen Sensors 1 ein-und ausgelesen werden. Der Schaltausgang 9 und die serielle Schnittstelle 10 sind in einer Wand des Gehäuses 7 des optischen Sensors 1 integriert.
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Der optische Sensor 1 wird zur Generierung positionsabhängiger Objektfeststellungssignale eingesetzt, insbesondere zur Detektion von in einer Förderrichtung beweglichen Objekten 6, so dass bei Vorbeibewegen des Objekts 6 dieses von den Sendelichtstrahlen 3, 3a des optischen Sensors 1 nacheinander erfasst wird. Die Förderrichtung des optischen Sensors 1 ist in 1 mit einem Pfeil gekennzeichnet.
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2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der optischen Sensorkomponenten. Jedem Sender 2, 2a ist zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 3, 3a in deren Strahlengang eine Sendeoptik 13, 13a nachgeordnet. Weiterhin ist jedem Empfänger 5, 5a eine Empfangsoptik 14, 14a zur Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 4, 4a vorgeordnet. Die Sendeoptiken 13, 13a und Empfangsoptiken 14, 14a befinden sich in einer Frontwand des Gehäuses 7. Die Sender 2, 2a und damit die Sendeoptiken 13, 13a bilden eine erste Zeile, die parallel und in Abstand zu einer zweiten Zeile der Empfänger 5, 5a und der Empfangsoptiken 14, 14a verläuft. Die Zeilen sind übereinanderliegend so angeordnet, dass immer ein Sender 2, 2a benachbart zum zugeordneten Empfänger 5, 5a liegt. Die so ausgebildete Anordnung von Sensorkomponenten beansprucht nur einen kleinen Einbauraum und kann so in einem kompakten Gehäuse 7, beispielweise einem Aluminiumprofil, integriert werden.
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Die folgenden Figuren zeigen unterschiedliche Applikationsbeispiele des optischen Sensors 1 gemäß 1. Generell verlauft dort die Bewegungsrichtung eines Objekts 6 relativ vom optischen Sensor 1 in x-Richtung, die Richtung quer hierzu in z-Richtung und die Höhenrichtung in y-Richtung.
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Die 3 und 4 betreffen eine Applikation, bei welcher der optische Sensor 1 auf einem fahrbarem Regalbediengerät angeordnet ist, das zum Ein- und Ausladen von Waren in einem Hochregal dient, welches in bekannter Weise aus einer Anordnung von Stehern 15 und Riegeln 16 besteht.
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3 zeigt eine erste Applikation mit einem Steher 15, dessen Position in x-Richtung durch einen optischen Sensor 1 erfasst wird. Die Position des Riegels 16 in y-Richtung kann durch einen vertikal angeordneten optischen Sensor 1 bestimmt werden. Empfänger 5, 5a, deren Sender 2, 2a auf einen Steher 15 oder Riegel 16 treffen, liefern hohe Intensitätswerte, während die anderen Sender 2, 2a in den weiter entfernten Hintergrund strahlen.
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4 zeigt ein Regalfach eines Hochregals in dem Behälter 6, 6' gelagert sind. Beim Einlagern eines weiteren Behälters 6'' soll der optische Sensor 1 den Spalt zum Behälter 6' überwachen. So können Behälter 6, 6', 6'' in definiertem Abstand zueinander eingelagert werden. Bei der Entnahme hilft der optische Sensor 1 die Spaltposition zwischen den Behältern zu bestimmen.
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5 zeigt ein weiteres Applikationsbeispiel. Dort ist der optische Sensor 1 auf einem auf einem FTS (fahrbares Transportsystem) 20 montiert, um dieses FTS 20 entlang einer auf dem Boden einer Fabrikhalle oder dergleichen aufgebrachten optischen Spur 12 zu zuführen. Der optische Sensor 1 ist im vorderen Bereich des FTS 20 quer zur Fahrtrichtung x des FTS 20 angeordnet und ermittelt die seitliche Position (z-Richtung) zur optischen Spur 12.
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6 zeigt die optische Spur 12 mit einer Weiche 22, die in Fahrtrichtung x von dem optischen Sensor 1 verlaufend durch eine Marke 21 dadurch erkannt wird, dass die Spurbreite einen Sollwert übersteigt. Eine Unterbrechung 23 der optischen Spur 12 wird mit dem optischen Sensor 1 dadurch erkannt, dass beide Kanten der optischen Spur 12 fehlen.
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7 zeigt den typischen Verlauf der Empfangspegel der Empfänger 5, 5a des optischen Sensors 1 bei der Detektion der optischen Spur 12 bei den Applikationen der 5 und 6. In 7 ist für die einzelnen Empfänger 5, 5a (wobei im vorliegenden Fall sechzehn Empfänger 5, 5a vorgesehen sind) die Intensität deren Empfangssignale bei der Detektion der optischen Spur 12 dargestellt.
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Bei der Detektion der optischen Spur 12 mit einem der Empfänger 5, 5a liegt deren Empfangssignal unterhalb eines Schwellwerts S1. Bei der Detektion des Umfelds der optischen Spur 12 mit einem der Empfänger 5, 5a liegt dessen Empfangssignal oberhalb des Schwellwerts S1. Durch die Schwellwertbewertung der Empfangssignale kann somit die Spurbreite und die Lage der Kanten der Spur auf der Empfängerzeile bestimmt werden.
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8 zeigt, wie die beiden Kantenpositionen der optischen Spur 12 als Ausgangsspannung Ua, beziehungsweise als Digitalwert im optischen Sensor 1 ausgegeben werden. Verlässt eine Kante den Bereich der Empfänger 5, 5a, wird ein Minimal- oder Maximalwert ausgegeben. Bei Erkennung einer Marke 21 wird nicht mehr eine Kantenposition, sondern zum Beispiel der Maximalwert, und bei Erkennung der Unterbrechung 23 der Minimalwert ausgegeben.
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8 zeigt dabei das Ausgangssignal für den in 7 dargestellten Verlauf der Empfangssignale der Empfänger 5, 5a. Dementsprechend liegt die rechte Kante der optischen Spur 12 beim achten Empfänger 5, 5a während die linke Kante der optischen Spur 12 zwischen dem fünften und sechsten Empfänger 5, 5a liegt.
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9 zeigt eine weitere Applikation für den optischen Sensor 1, bei dem ein Förderband 11, auf dem Objekte 6 transportiert werden, vorgesehen ist. Durch die hellere Oberfläche des Objekts 6 oder dadurch, dass die Objektoberseite näher am optischen Sensor 1 ist als das Förderband 11, wird das Objekt 6 sicher erkannt und von dem Förderband 11 unterschieden.
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10 zeigt den Intensitätsverlauf der Empfangssignale des optischen Sensors 1 für die Applikation gemäß 9, wenn das Objekt 6 in x-Richtung am optischen Sensor 1 vorbeibewegt wird.
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Wie aus 11 ersichtlich, ergibt sich bei der Objekterkennung eine Erhöhung der Intensitätswerte. Die Ausdehnung der Signalerhöhung liefert bei bekannter Geschwindigkeit des Förderbands 11 ein Maß für die Länge des Objekts 6. Ein kleinerer, durch eine Verschmutzung oder allgemein eine Störung verursachter Signalpeak kann anhand der Ausdehnung des Signalpeaks von der vom Objekt 6 stammenden Signalerhöhung unterschieden und als Störung klassifiziert werden.
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11 zeigt ein Förderband 11, auf dem Behälter 6 mit Durchbrüchen 17 transportiert werden. Einzelne Sendelichtstrahlen 3, 3a des optischen Sensors 1 können durch den Durchbruch 17 geführt sein. Mit Hilfe des optischen Sensors 1 kann die Vorderkante des Behälters 6 erkannt werden. über die vorgegebene Länge des Behälters 6 kann der Durchbruch 17 von einer Behälterkante unterschieden und unterdrückt werden.
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12 zeigt eine Applikation, bei der ein oder mehrere optische Sensoren 1 zum Ausrichten eines Laserdistanzscanners 18 verwendet werden. Ein Laserdistanzscanner 18 weist einen Distanzsensor mit einem Sendelicht emittierenden Sendeelement 18a und einem Empfangslicht empfangenden Empfangselement auf. Mittels einer Ablenkeinheit wird das Sendelicht des Laserdistanzscanners 18 in einem Winkelbereich von 180° in einer Abtastebene 19 abgelenkt.
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In der Regel ist das Sendelicht des Laserdistanzscanners 18 im Infrarotbereich und deshalb nicht sichtbar. Zur Ausrichtung des Laserdistanzscanners 18 werden zwei optische Sensoren 1 in vorgegebenen Sollpositionen positioniert.
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Beim Ausrichten des Laserdistanzscanners 18 wird mindestens ein Empfänger 5, 5a eines optischen Sensors 1 kurzzeitig getroffen, woraufhin der benachbarte, sichtbare Sendelichtstrahlen 3, 3a emittierende Sender 2, 2a für 100 ms bis 500 ms aufleuchtet, das heißt Sendelichtstrahlen 3, 3a emittiert und die aktuelle y-Position der Abtastebene 19 anzeigt. In gleicher Weise kann ein optischer Sensor 1 auch als Ausrichthilfe für einstrahlige Optosensoren dienen. Um den Streubereich eines Sendelichtfleckes sichtbar zu machen, können die Sender 2, 2a im Bereich der Streustrahlung blinken, wobei die Blinkfrequenz ein Maß für die logarithmisch bewertete, optische Leistungsdichte sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optischer Sensor
- 2, 2a
- Sender
- 3, 3a
- Sendelichtstrahlen
- 4, 4a
- Empfangslichtstrahlen
- 5, 5a
- Empfänger
- 6
- Objekt
- 7
- Gehäuse
- 8
- Auswerte- und Steuereinheit
- 9
- Schaltausgang
- 10
- serielle Schnittstelle
- 11
- Förderband
- 12
- optische Spur
- 13 13a
- Sendeoptik
- 14, 14a
- Empfangsoptik
- 15
- Steher
- 16
- Riegel
- 17
- Durchbruch
- 18
- Laserdistanzscanner
- 19
- Abtastebene
- 20
- FTS
- 21
- Marke
- 22
- Weiche
- 23
- Unterbrechung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005004984 U1 [0003]
- DE 102008009578 A1 [0006]
