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Die Erfindung betrifft ein System zur Simulation einer Bedienung einer Farbauftragsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Bedienung einer Farbauftragsvorrichtung, insbesondere einer Farbspritzpistole oder einer Airbrush-Pistole erfordert viel Übung, weil diese Werkzeuge ihre volle Leistung erst bei sachgerechter Bedienung bzw. Anwendung entfalten. Hierfür sind sehr exakte Bewegungsabläufe notwendig. Auf dem Gebiet der Lackierung von Oberflächen mit Farbspritzpistolen beispielsweise besteht der Wunsch, bei der Ausbildung von Lackierern an der Farbspritzpistole möglichst wenig Farbe, Reinigungsmittel und Probelackierobjekte zu verbrauchen um Kosten zu sparen und die Umwelt zu schonen. So erfolgt die Ausbildung von Lackierern nach herkömmlicher Art und Weise durch reales Lackieren unterschiedlicher Lackierobjekte, wobei die Lackierungen zu Trainingszwecken mehrmals durchgeführt werden. Nachteilig hierbei ist, dass dabei viel Farbe bzw. Lack und Reinigungsmittel verbraucht werden und die Lackierobjekte nach mehrmaliger Verwendung unbrauchbar werden, so dass sie entsorgt werden müssen.
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In der Lackiertechnik besteht bei der Herstellung von Farbmustern und Designvorschlägen für Lackierungen der Wunsch, unterschiedliche Lackierungen schnell, einfach und möglichst realitätsnah ausprobieren zu können. Hierzu bieten sich nach dem Stand der Technik zwei Möglichkeiten, nämlich die Anfertigung von realen Probelackierungen oder die Nachbildung der Lackierung mittels einer rechnergestützten Mal- und Zeichensoftware.
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Die herkömmliche Art und Weise der Anfertigung von Probelackierungen besteht darin, die gewünschten Lackierungen mit einer echten Farbspritzpistole auf den Oberflächen realer Lackierobjekte aufzubringen, wodurch naturgemäß die Originaldarstellung der verschiedenen Lackierungen erreicht werden. Nachteilig hierbei ist, dass für jede Lackierung ein Probestück hergestellt werden muss, um die unterschiedlichen Lackierungen miteinander vergleichen zu können. Insbesondere bei großen und teuren Lackierobjekten ist dies herstellungstechnisch und kostenmäßig aufwändig. Auch die Erstellung der Lackierung selbst ist zeit- und kostenaufwändig, da die Flächen der Lackierobjekte erst für die Lackierung vorbereitet werden müssen und nach jeder Lackierung der Lack bzw. die Farbe erst trocknen muss. Fehler bei der Lackierung können nicht oder nur schwer korrigiert werden. Zudem werden bei diesen Probelackierungen Farben, Lacke und umweltschädliche Reinigungssubstanzen verbraucht. Die lackierten Lackierobjekte werden nach der Auswahl der gewünschten Lackierung vernichtet oder, falls sie weiterverwendet werden sollen, aufwändig und unter Einsatz von gesundheits- und umweltschädlichen Reinigungssubstanzen von den aufgebrachten Lacken gereinigt.
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Bei einer alternativen Möglichkeit lässt sich die gewünschte Farbspritz-Lackierung mittels einer rechnergestützten Mal- und Zeichensoftware an einer herkömmlichen Datenverarbeitungsanlage nachbilden. Hierzu erfolgt die Nachbildung des Farb- bzw. Lackauftrags mit üblichen Computer-Eingabegeräten, beispielsweise einer Computer-Maus oder Computer-Zeichenstiften, die Anzeige erfolgt am Bildschirm der Datenverarbeitungsanlage. Die Farben und Formen des Farb- bzw. Lackauftrags werden softwaremäßig am Mal- und Zeichenprogramm eingestellt, so dass die visuelle Anzeige der Lackierung dem Ergebnis eines Lackauftrags mittels einer von Hand betätigten Farbspritzpistole möglichst nahe kommt. Nachteilig bei dieser rechnergestützten Nachbildung des manuellen Lackauftrags ist, dass sich mit den herkömmlichen Computer-Eingabegeräten die Handhabung und Bedienung einer echten Farbspritzpistole nur unzureichend nachbilden lässt, so dass die am Bildschirm angezeigte Nachbildung des Lackauftrags die bei einem realen Lackauftrag mit einer echten Farbspritzpistole erzielten Effekte nur unzureichend nachbilden kann. Einige Effekte können auf diese Art und Weise gar nicht nachgebildet werden, beispielsweise eine Annäherung oder Entfernung der Farbspritzpistole von der zu lackierenden Oberfläche.
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Für die Umgehung dieser Probleme im Bereich der Lackiertechnik schlägt die
DE 20 2005 001 702 U1 daher ein virtuelles Lackiersystem vor, das eine virtuelle Lackauftragsvorrichtung, eine Positionserfassung zum Erfassen der räumlichen Position der Lackauftragsvorrichtung bezüglich der Lackauftragsfläche, eine Datenverarbeitungseinheit und eine Anzeigevorrichtung aufweist, wobei die Positionsdaten der Lackauftragsvorrichtung an die Datenverarbeitungseinheit geleitet und dort in Bilddaten umgewandelt werden, welche den virtuellen Lackauftrag visualisieren und welche zur Anzeigevorrichtung weiter geleitet werden, um ein visuelles Abbild des virtuellen Lackauftragsvorgangs auf der Lackauftragsfläche anzuzeigen. Dadurch soll ein virtueller Lackauftrag auf realitätsnahe Weise und in Echtzeit virtuell abgebildet werden.
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Nachteilhaft an dieser Lösung ist jedoch, dass der Benutzer lediglich eine weiße Fläche angezeigt bekommt, auf die der Lack aufgetragen werden soll. Die Variationsmöglichkeiten sind bei dieser Lösung sehr gering, weshalb die Motivation des Übenden schnell nachlässt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein System zur Simulation einer Bedienung einer Farbauftragsvorrichtung zu schaffen, das eine erweiterte Darstellung und eine größere Übungsvielfalt bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System zur Simulation einer Bedienung einer Farbauftragsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße System weist eine Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung eines Benutzers, ein Datenverarbeitungsgerät und zumindest eine Anzeigevorrichtung, die eine virtuelle Farbauftragsfläche anzeigt, auf, wobei die Daten der Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung eines an das Datenverarbeitungsgerät gesendet, dort verarbeitet und an die zumindest eine Anzeigevorrichtung weitergeleitet werden, die ein Abbild des Benutzers oder eines Teils des Benutzers und ein Abbild der Farbauftragsvorrichtung anzeigt, und wobei die Positionen und Bewegungen der Abbilder in Abhängigkeit von den Daten der Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung des Benutzers relativ zur virtuellen Farbauftragsfläche angezeigt werden.
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Durch diese Ausgestaltungen sind auf der Anzeigevorrichtung nicht nur eine weiße Fläche wie im Stand der Technik zu sehen, sondern zumindest auch ein Benutzer oder ein Teil des Benutzers sowie die Farbauftragsvorrichtung. Die erfassten Daten werden zu einem Datenverarbeitungsgerät gesendet, verarbeitet, bspw. in Bilddaten umgewandelt, und an zumindest eine Anzeigevorrichtung weitergeleitet. Bevorzugt ist das Datenverarbeitungsgerät als Computer, insbesondere als PC ausgebildet. Dadurch kann die für das erfindungsgemäße System benötigte Hardware auf wenige Einzelteile reduziert werden. Idealerweise kann das System an jeden beliebigen PC angeschlossen werden, der über die notwendige Software verfügt. Es ist jedoch denkbar, dass das erfindungsgemäße System auch mit anderen Computern kompatibel ist, insbesondere mit Tablet-PCs oder sonstigen mobilen Datenverarbeitungsgeräten. Das zu bearbeitende Objekt füllt die Anzeigevorrichtung nicht vollständig aus, sondern ist ein Stück weit vom Betrachter entfernt dargestellt. Davor wird ein Abbild des Benutzers oder eines Teils des Benutzers, wie z. B. ein Arm, sowie ein Abbild der Farbauftragsvorrichtung dargestellt. Weist das erfindungsgemäße System eine Kamera auf, so können die damit gewonnenen Aufnahmen als Abbilder dargestellt werden. Die Abbilder können jedoch auch Animationen sein. Es ist auch möglich ein Abbild als Animation und ein anderes Abbild als Aufnahme darzustellen. Die Daten der Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Positionen und Bewegungen des Benutzers wird durch gängige Visualisierungsmethoden zur Generierung eines 3D-Modells verarbeitet und an die Anzeigevorrichtung geleitet. Die von der Anzeigevorrichtung gezeigten Abbilder bewegen sich in Echtzeit entsprechend den Bewegungen des Benutzers und der Farbauftragsvorrichtung, die mit den Einrichtungen zur Erfassung der Positionen und Bewegungen erfasst werden. Bewegt der Benutzer des erfindungsgemäßen Systems seinen Arm beispielsweise nach links, bewegt sich das angezeigte Abbild des Arms simultan oder nahezu simultan ebenfalls nach links. Je nachdem wie groß der Bildausschnitt ist, den die Anzeigevorrichtung zeigt, kann der gesamte Benutzer dargestellt sein, oder nur ein Teil. Vorzugsweise wird zumindest der Arm des Benutzers dargestellt, dessen Hand die Farbauftragsvorrichtung bedient. Es können nicht nur Bewegungen der Gliedmaßen des Benutzers erfasst werden, sondern optional auch Gesichtsbewegungen, d. h. seine Mimik. Es muss nicht der gesamte Benutzer erfasst werden, sondern die Erfassung der Position und Bewegungen kann sich auch auf einen Teil des Benutzers beschränken. Mit der Farbauftragsvorrichtung kann nicht nur Farbe sondern auch sonstiger Lack wie beispielsweise Klarlack oder andere Flüssigkeiten verspritzt werden. Die Farbauftragsfläche kann z. B. als Fahrzeug, Fahrzeugteil, Leinwand, als Blatt Papier, als menschlicher Körper oder ähnliches dargestellt werden.
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Bevorzugt weist das System eine Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung der vom Benutzer bedienten Farbauftragsvorrichtung auf. Besonders bevorzugt werden die Position und die Bewegung des Benutzers mit einer anderen Einrichtung erfasst als die Position und die Bewegung der Farbauftragsvorrichtung. Dadurch kann eine höhere Genauigkeit bei der Erfassung der Farbauftragsvorrichtung erzielt werden. Die Position der Farbauftragsvorrichtung wird vorzugsweise genauer bestimmt als die Position des Benutzers, so dass es passieren kann, dass die erfasste Position des Arms und der Hand des Benutzers nicht zur erfassten Position der Farbauftragsvorrichtung passt. So würde sich z. B. der Arm des Abbilds des Benutzers eigentlich zu weit links und somit neben der Farbauftragsvorrichtung befinden. Daher wird das Abbild des Benutzers bevorzugt so versetzt, dass es zur Position der Farbauftragsvorrichtung passt. Vorteilhafterweise kann mittels der Erfassungseinrichtung auch die Ausrichtung der Farbauftragsvorrichtung erfasst werden, d. h. wenn die Farbauftragsvorrichtung schräg gehalten wird. Die Farbauftragsvorrichtung, das der Benutzer des erfindungsgemäßen Systems bedient, kann ein reales Exemplar einer Farbauftragsvorrichtung sein oder auch ein Modell mit gleicher oder ähnlicher Form aber ohne Funktion. Es kann sich dabei jedoch auch um einen Controller handeln, der als einfacher Quader oder auf sonstige Weise geformt ist, oder der in etwa die Form der Farbauftragsvorrichtung besitzt.
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Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße System eine Einrichtung zur Erkennung der Betätigung der Farbauftragsvorrichtung auf, die mit dem Datenverarbeitungsgerät verbunden ist. Das System kann somit erkennen, wenn die Farbauftragsvorrichtung betätigt wird, und in welchem Maß. Eine Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung der Farbauftragsvorrichtung kann nicht erkennen dass die Farbauftragsvorrichtung betätigt ist, da mit ihrer Betätigung keine ausgedehnte Bewegung einhergeht. Es wird auch erkannt, wie weit der Auslöser betätigt wird, d. h. wie weit z. B. ein Knopf heruntergedrückt wird oder wie weit ein Abzugshebel bewegt wird. Der Auslöser kann bei Verwendung eines realen Exemplars der Farbauftragsvorrichtung der tatsächliche Auslöser sein, ansonsten ein als Auslöser fungierender Schalter, Hebel, Knopf, Abzugsbügel oder sonstiges. Als Einrichtung zur Erkennung der Betätigung der Farbauftragsvorrichtung kann z. B. ein Drucksensor dienen, der hinter oder auf dem Auslöser der Farbauftragsvorrichtung angeordnet sein kann und eine Betätigung und die Intensität der Betätigung des Auslösers detektieren kann. Es können jedoch auch andere Sensoren zum Einsatz kommen.
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Besonders bevorzugt zeigt die zumindest eine Anzeigevorrichtung bei Betätigung der Farbauftragsvorrichtung das Abbild der Farbauftragsvorrichtung in betätigtem Zustand an. Die Einrichtung zur Erkennung der Betätigung der Farbauftragsvorrichtung meldet dem Datenverarbeitungsgerät die Betätigung und die Intensität der Betätigung, woraufhin dieses die dafür vorgefertigten Bilddaten für die Farbauftragsvorrichtung in betätigtem Zustand an die Anzeigevorrichtung sendet. Dies resultiert beispielsweise bei einer Farbspritzpistole in einem aus der Pistole austretendem Spritzstrahl bzw. Farbnebel, stets unter Berücksichtigung der Intensität der Betätigung.
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Vorzugsweise ruft eine Betätigung der Farbauftragsvorrichtung, abhängig von dessen Position und Bewegung, eine Veränderung an der virtuellen Farbauftragsfläche hervor. Bewegt der Benutzer des erfindungsgemäßen Systems die Farbauftragsvorrichtung derart, dass sich das Abbild der Farbauftragsvorrichtung so weit auf die Farbauftragsfläche zubewegt bis der Spritzstrahl in Kontakt mit der Farbauftragsfläche steht, dann wird eine Veränderung an der Farbauftragsfläche angezeigt. Für verschiedene Abstände zwischen Farbauftragsvorrichtung und Farbauftragsfläche sind verschiedene Bilddaten auf dem Datenverarbeitungsgerät oder einem damit verbundenen Speicher abgelegt. Erfolgen weitere Bewegungen der Farbauftragsvorrichtung, können weitere Veränderungen auftreten, abhängig von der Bewegungsrichtung. Wird eine betätigte Farbspritzpistole derart gehalten, dass das Abbild in Richtung der virtuellen Farbauftragsfläche zeigt, wird die Farbauftragsfläche mit Farbe, Lack oder einem sonstigen Spritzmedium versehen dargestellt. Ist die Farbspritzpistole weit von der Farbauftragsfläche, d. h. dem Objekt entfernt, so werden die Farbtröpfchen weniger dicht beieinander liegend dargestellt als bei Bespritzen des Objekts aus kürzerer Distanz. Wird die Farbspritzpistole schräg zum Objekt gehalten, so wird das Objekt in einem Bereich mit mehr Farbe beaufschlagt als im gegenüberliegenden Bereich. Besonders bevorzugt wird bei übermäßigem Farbauftrag eine am Objekt ablaufende Farbe dargestellt.
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Das erfindungsgemäße System kann derart ausgestaltet sein, dass die Simulation unterbrochen oder blockiert wird, wenn unter realen Bedingungen eine Verletzung des Benutzers oder anderer Personen erfolgen würde. Beispielsweise kann das der Fall sein, wenn der Benutzer die Farbspritzpistole auf sich oder andere Lebewesen richtet. Es kann ein Warnhinweis und ein akustisches Signal ausgegeben werden, zumindest eine Anzeigevorrichtung kann halbtransparent rot blinken oder es kann auf sonstige Weise angezeigt werden, dass eine Gefährdung vorliegt.
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Das erfindungsgemäße System kann vorzugsweise eine Einrichtung zur Erzeugung eines Widerstands gegen die Bewegung der Farbauftragsvorrichtung oder des Benutzers aufweisen. Bewegt der Benutzer die Farbauftragsvorrichtung oder ein Körperteil in eine bestimmte Richtung, so gelangt er zu einem Punkt, an dem er die Bewegung nicht ungehindert weiterführen kann. Dies kann sinnvollerweise der Punkt sein, in dem das Abbild der Farbauftragsvorrichtung oder das Abbild eines Körperteils des Benutzers auf die virtuelle Farbauftragsfläche trifft. Die Einrichtung zur Erzeugung des Widerstands kann z. B. ein Seil, eine Schnur ein Draht oder sonstiges sein das auf einer Seite an der Farbauftragsvorrichtung angebracht sein kann und auf der anderen Seite an der Decke, dem Boden oder einer Wand. Die Einrichtung kann zumindest eine Feder aufweisen, die eine Bewegung der Farbauftragsvorrichtung zwar noch ermöglicht wenn das Seil, die Schnur oder der Draht bereits gespannt ist, die Bewegung jedoch erschwert. So kann beispielsweise das Nachgeben eines Karosserieteils bei darauf aufgebrachtem Druck simuliert werden. Die Einrichtung zur Erzeugung eines Widerstands kann jedoch auch ein reales Objekt sein, das in der gleichen Position gegenüber dem Benutzer befindet wie die virtuelle Farbauftragsfläche gegenüber dem Abbild des Benutzers. Das Objekt kann auch die gleiche Form aufweisen wie die virtuelle Farbauftragsfläche und kann vorzugsweise plastisch oder elastisch verformbar sein, wobei die zur Verformung benötigte Kraft der Kraft entspricht, die zur Deformation einer realen Farbauftragsfläche mit einer realen Farbauftragsvorrichtung oder einem realen Körperteil einer Person notwendig ist. Um die virtuelle Farbauftragsfläche in die gleiche Position gegenüber dem Abbild des Benutzers zu setzen wie das Objekt zur Erzeugung des Widerstands gegenüber dem Benutzer des erfindungsgemäßen Systems kann eine Einrichtung zur Erfassung der Position des Objekts zur Erzeugung des Widerstands vorgesehen sein.
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In einem bevorzugten Ausführungsbespiel des erfindungsgemäßen Systems weist die Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung des Benutzers zumindest eine Beleuchtungseinheit und zumindest einen Sensor auf. Die Beleuchtungseinheit sendet einen Lichtpuls aus, der vom Benutzer reflektiert wird und vom Sensor eingefangen wird. Die Zeit die der Lichtpuls von der Beleuchtungseinheit zum Benutzer und von diesem zum Sensor benötigt, wird für jeden Lichtpunkt gemessen. Aus dieser Zeit wird der Abstand des Benutzers von der Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung berechnet. Da der Benutzer ein dreidimensionales Objekt ist, sind verschiedene Punkte des Benutzer unterschiedlich weit von der Einrichtung entfernt, weshalb die Lichtpunkte unterschiedlich lang von der Beleuchtungseinheit zum Objekt und wieder zurück brauchen. Aus den unterschiedlichen Zeiten werden unterschiedliche Distanzen berechnet, wodurch ein dreidimensionales Bild erstellt und Abstände erfasst werden können. Auch Bewegungen im dreidimensionalen Raum können so erfasst werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Beleuchtungseinheit mehrere Lichtpunkte oder -linien aussendet, deren Struktur an einem dreidimensionalen Objekt deformiert wird und wobei der Sensor diese Deformationen erfasst und Tiefeninformationen berechnet werden können. Auch kann das von der Beleuchtungseinheit auf das Objekt treffenden Licht durch Einrichtungen erfasst werden, die das Objekt und somit das darauf auftreffende Licht aus verschiedenen Perspektiven erfassen. Auch daraus können 3D-Informationen und/oder Distanzen abgeleitet werden. Besonders bevorzugt sind die Beleuchtungseinheit ein Infrarotstrahler und der Sensor ein Infrarotsensor. Dies hat den Vorteil, dass Infrarotstrahlen für das menschliche Auge unsichtbar sind. Die Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung des Benutzers kann auch aktive oder passive Marker aufweisen, die am Benutzer angebracht werden. Über Kameras werden die Marker erfasst und durch Triangulationsverfahren kann die räumliche Position der Marker und somit des Benutzers ermittelt werden. Die Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung des Benutzers kann jedoch auch anders ausgestaltet sein, z. B. als elektromagnetisches, akustisches oder als anderes optisches System. Auch das Verfahren der Accelerometrie kann alternativ oder zusätzlich zum Einsatz kommen, d. h. es werden Beschleunigungssensoren am Benutzer angebracht, deren Daten zur Bewegungserfassung ausgewertet werden.
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Besonders bevorzugt ist die Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung des Benutzers als Tiefenkamera (TOF-, Time-of-Flight-, 3D-Kamera) ausgestaltet. Diese weist bevorzugt unter anderem eine Beleuchtungseinheit, zwei Sensoren, eine Farbkamera und eine Datenverarbeitungseinheit auf, wobei die Beleuchtungseinheit vorzugsweise ein Infrarotstrahler und die beiden Sensoren Infrarotsensoren sind. Die Beleuchtungseinheit kann strukturiertes Licht, beispielsweise in Form von Gitterlinien oder Streifen aussenden. Diese Strukturen werden von dreidimensionalen Objekten deformiert. Die Deformationen können von den Sensoren und/oder der Farbkamera eingefangen und von der Datenverarbeitungseinheit in Distanzen und/oder 3D-Informationen umgerechnet werden. Damit sind eine Erfassung der räumlichen Position des Benutzers sowie die Erfassung einer Bewegung im dreidimensionalen Raum möglich.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems weist die Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung der Farbauftragsvorrichtung zumindest einen Funksender und zumindest einen Funkempfänger auf. Der vorzugsweise auf der Farbauftragsvorrichtung angeordnete Funksender sendet Funksignale aus, die vom stationären Funkempfänger, der bevorzugt in der Umgebung der Farbauftragsvorrichtung angeordnet ist, empfangen werden. Aus der Laufzeit der Signale kann die Position des Senders und damit die Position der Farbauftragsvorrichtung berechnet werden auf dem der Sender angeordnet ist. Vorzugsweise sind in der Umgebung der Farbauftragsvorrichtung zumindest vier Funkempfänger positioniert, wodurch die Genauigkeit des Systems erhöht werden kann. Alternativ können auch der Funkempfänger an der Farbauftragsvorrichtung und der oder die Funksender in der Umgebung angeordnet sein.
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Ein Funksystem hat eine höhere Genauigkeit als optische Methoden mit Beleuchtungseinheit und Sensoren. Bei der Benutzung einer Farbauftragsvorrichtung ist diese Genauigkeit sehr wichtig, so dass eine größere Genauigkeit bei der Positions- und Bewegungserfassung bei der Farbauftragsvorrichtung den Trainingseffekt weiter steigert. Bei der Erfassung des Benutzers sind die beschriebenen optischen Methoden ausreichend, da dessen exakte Position weniger Einfluss auf das Arbeitsergebnis hat. Gleichzeitig ist der Einsatz von optischen Methoden weniger aufwendig, da nur eine einzige Einrichtung an einem einzigen Ort benötigt wird, die an ihrer Position unverändert bleiben kann, auch wenn verschiedene Benutzer nacheinander das System verwenden. Ein Teil des Funksystems, entweder der Sender oder der Empfänger, müsste bei jedem Benutzerwechsel vom alten auf den neuen Benutzer übergeben und an diesem angebracht werden. Da die Farbauftragsvorrichtung in der Regel das gleiche bleibt, entfällt ein solcher Wechsel bei der Erfassung der Position und Bewegung der Farbauftragsvorrichtung. Soll die Position und die Bewegung des Benutzers jedoch genau erfasst werden, so ist selbstverständlich auch denkbar, diesen mit Funkempfänger oder -sender auszustatten und die entsprechende Gegenkomponente in der Umgebung zu positionieren. Das Funksystem kann sowohl mit Batterien oder Akkus betrieben werden, als auch mittels sog. Energy Harvesting, d. h. ihre Energie aus Licht, Temperatur, Luftbewegung oder Druck gewinnen. Es können für die Erfassung der Position und Bewegung der Farbauftragsvorrichtung wie auch für die Erfassung der Position und Bewegung des Benutzers auch andere Systeme zum Einsatz kommen, wie z. B. Lichtschranken, Potentiometer, induktive Verfahren, Hall-Verfahren, magnetoresistive oder magnetoinduktive Verfahren, andere optische Verfahren, oder sonstiges.
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Bevorzugt weist die Farbauftragsvorrichtung zumindest einen Sensor auf, der beispielsweise als Neigungssensor oder Schwerkraftsensor, Beschleunigungssensor oder Winkelsensor ausgestaltet sein kann. Durch solche kann die Genauigkeit der Positions- und Bewegungserfassung der Farbauftragsvorrichtung weiter verbessert werden. Es können auch die Ausrichtung der Farbauftragsvorrichtung, die Neigung oder sonstiges erfasst werden. Das heißt, wenn der Benutzer die Farbauftragsvorrichtung schräg oder in eine bestimmte Richtung hält, wird auch das mittels Sensor erfasst, woraufhin das Abbild der Farbauftragsvorrichtung eine entsprechende Ausrichtung einnimmt. Das Abbild des Arms des Benutzers folgt dieser Ausrichtung. Auch können mit Hilfe der Sensoren nicht nur translatorische Bewegungen der Farbauftragsvorrichtung erfasst werden, sondern auch rotatorische. Auch kann durch eine Detektion der Ausrichtung der Farbauftragsvorrichtung erfasst werden, ob der Benutzer die Farbauftragsvorrichtung passend zur Farbauftragsfläche ausgerichtet hat. Bei der Verwendung von Farbspritzpistolen hat die Ausrichtung der Pistole zur Farbauftragsfläche maßgeblichen Einfluss auf das Lackierergebnis. Wird die Pistole nicht im rechten Winkel zum Objekt gehalten, hat der aus der Pistole austretende Farbnebel auf einer Seite einen geringeren Abstand zum Objekt als auf der gegenüberliegenden Seite. Es kommt zu einem übermäßigen Farbauftrag auf der Seite mit kürzerem Abstand und somit zu einer ungleichmäßigen Lackierung und zu vom Objekt herabfließender Farbe. Es können sowohl ein als auch mehrere Sensoren vorgesehen sein, sowohl eine Kombination aus gleichen wie auch aus verschiedenen Sensoren.
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Vorzugsweise ist beim erfindungsgemäßen System zumindest eine Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung eines Körperteils eines Benutzers vorgesehen. Dies kann eine zusätzliche Einrichtung sein die neben den Einrichtungen für den Benutzer als Ganzes und die Farbauftragsvorrichtung existiert, oder es kann eines dieser beiden Systeme sein, die einen zusätzlichen Fokus auf ein Körperteil des Benutzers hat. Zusätzlich oder alternativ können auch Neigungssensoren oder Schwerkraftsensoren, Beschleunigungssensoren oder Winkelsensoren vorgesehen sein, um Neigungen und Ausrichtungen des Körperteils besser erfassen zu können. Bei besagtem Körperteil des Benutzers kann es sich beispielsweise um dessen Kopf handeln, wobei sowohl Schwenkbewegungen, d. h. Auf- oder Ab-Bewegungen, Bewegungen nach links, rechts oder schräg, als auch Drehbewegungen erfasst werden können.
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Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung eines Körperteils eines Benutzers um einen weiteren Funksender oder -empfänger der mit einer entsprechenden Gegenkomponente in der Umgebung kommuniziert. Ein Funksystem ist vorteilhaft, da Kopfbewegungen in der Regel nicht besonders weitreichend sind und deswegen ein genaues System notwendig ist, um auch kleinere Bewegungen erfassen zu können. Es sind jedoch auch andere Techniken, beispielsweise die oben genannten, denkbar. Es ist somit möglich, den Kopf des Abbilds des Benutzers, das von zumindest einer Anzeigevorrichtung angezeigt wird, simultan oder nahezu simultan zu den realen Kopfbewegungen des Benutzers bewegen zu lassen.
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Vorzugsweise ändert sich die Anzeige zumindest einer Anzeigevorrichtung in Abhängigkeit von der Position und Bewegung des Kopfes des Benutzers. Beispielsweise kann sich bei einer Bewegung des Kopfes nach links der auf der Anzeigevorrichtung gezeigte Kopf des Abbilds des Benutzers ebenfalls nach links bewegen. Der gezeigte Bildausschnitt kann sich nach links verschieben. Gleiches gilt für andere Bewegungsrichtungen, die eine Bewegung des Kopfes und/oder eine Verschiebung des Bildausschnitts in die entsprechende Richtung bewirken. Eine Anzeigevorrichtung kann eine Ego-Perspektive, die auch als Ich-Perspektive, First Person View oder First Person Perspective (FPP) bezeichnet wird, darstellen, d. h. es wird das Blickfeld des Benutzers angezeigt, im vorliegendes Fall das, was das virtuelle Abbild des Benutzers sieht. Hier verursacht eine Bewegung des Kopfes des Benutzers ebenfalls eine Verschiebung des auf der Anzeigevorrichtung dargestellten Bildausschnitts, entsprechend den Gegebenheiten in der Realität.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems ist zumindest eine Einrichtung zur Blickerfassung vorgesehen. Ein solches System wird auch als Eye-Tracking bezeichnet und erlaubt es, Augen-, bzw. Blickbewegungen einer Person, im vorliegenden Fall des Benutzers, zu erfassen. Dabei kann es sich um ein mobiles System handeln, das am Kopf des Benutzers angebracht wird, als auch um ein extern installiertes System. Ersteres besteht im Wesentlichen aus einer Augenkamera und einer Blickfeldkamera. Durch Kombination der Aufnahmen lässt sich ermitteln, welchen Punkt im Blickfeld der Träger des Systems gerade betrachtet. Im vorliegenden Fall wird das reale Auge des Benutzers sowie das Bild der virtuellen Umgebung erfasst, das der Benutzer gerade sieht. Besonders bevorzugt ändert sich die Anzeige zumindest einer Anzeigevorrichtung in Abhängigkeit von der Blickrichtung des Benutzers. Beispielsweise kann der Punkt im Blickfeld des Benutzers, auf den er den Blick gerade gerichtet hat, simultan oder nahezu simultan in der Anzeigevorrichtung zentriert werden. Während der Blick des Benutzers wandert, kann der Bildausschnitt auf der Anzeigevorrichtung entsprechend verschoben werden, so dass der aktuell durchlaufende Blickpunkt stets im Zentrum der Anzeigevorrichtung ist. Die Daten der Einrichtung zur Blickerfassung können mit den Daten der Einrichtung zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung des Kopfs des Benutzers kombiniert werden. So kann die Anzeigevorrichtung einen bestimmten Punkt zentriert halten wenn der Benutzer zwar seinen Kopf bewegt, der Blick jedoch auf dem bereits zentrierten Punkt verharrt.
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Besonders bevorzugt ist zumindest eine Anzeigevorrichtung am Kopf des Benutzers anbringbar. Diese kann beispielsweise als Helm, Haube oder Brille ausgestaltet sein. Dabei kann es sich um einen Schutzhelm, eine Atemschutzhaube, eine Schutzbrille, ein einfaches Gestell oder sonstiges handeln, an der die Anzeigevorrichtung angebracht oder in die bzw. in den die Anzeigevorrichtung integriert ist. Besonders bevorzugt ist die Anzeigevorrichtung als sog. Head-Mounted Display, Videobrille, Virtual-Reality-Brille oder Virtual-Reality-Helm ausgebildet, die Bilder auf einem augennahen Bildschirm darstellen. Die Videobrille besteht insbesondere aus zwei Kleinstbildschirmen die sich vor dem linken und dem rechten Auge des Benutzers befinden. Die Anzeigevorrichtung weist bevorzugt zusätzlich eine Einrichtung zur Erfassung der Position und Bewegung des Kopfes auf, so dass der gezeigte Bildausschnitt wie oben bereits beschrieben angepasst werden kann. In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems wird das Bild der Anzeigevorrichtung direkt auf die Netzhaut des Benutzers projiziert. Alle genannten Anzeigevorrichtungen zeigen besonders bevorzugt ein dreidimensionales Bild. Dadurch entsteht während des Trainings ein sehr realistischer Eindruck.
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Zumindest eine Anzeigevorrichtung kann auch als normaler Bildschirm ausgestaltet sein, insbesondere in Form eines LCD-, Plasma-, LED- oder OLED-Bildschirms, insbesondere als handelsübliches Fernsehgerät, aber auch als Touchscreen mit der Möglichkeit zum Auswählen verschiedener Auswahlmöglichkeiten. Besonders bevorzugt umfasst das System zumindest zwei Anzeigevorrichtungen, wobei eine davon als oben genanntes augennahes System ausgestaltet ist, während die andere als normaler Bildschirm vorliegt. Sinnvollerweise trägt der Benutzer des erfindungsgemäßen Systems das augennahe System und Zuschauer die die Benutzung des Systems verfolgen, blicken auf den normalen Bildschirm. Auch eine Anzeigevorrichtung in Form eines Beamers bzw. Projektors kann zum Einsatz kommen. Alle genannten Anzeigevorrichtungen können derart ausgestaltet sein, dass sie ein dreidimensionales Bild, bzw. ein Bild mit dreidimensionaler Erscheinung vermitteln können. Dies kann z. B. mittels Polarisationsfiltertechnik, (farb)anaglyphischer Darstellung, Interferenztechnik, Shuttertechnik, Autostereoskopie oder mittels einer anderen Technik erfolgen.
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Besonders bevorzugt zeigt eine erste Anzeigevorrichtung ein anderes Bild an als eine zweite Anzeigevorrichtung. Beispielsweise zeigt eine Anzeigevorrichtung für den Benutzer des erfindungsgemäßen Systems ein Bild in der bereits beschriebenen Ego-Perspektive, während außenstehende Beobachter das virtuelle Abbild des Benutzers bei der Bedienung der Farbauftragsvorrichtung sehen. Es können auch um den Benutzer herum mehrere Anzeigevorrichtungen angeordnet sein, die alle ein etwas anderes Bild zeigen. Das Bild kann z. B. eine andere Perspektive zeigen, abhängig davon, wo sich die Anzeigevorrichtung befindet. Ist eine Anzeigevorrichtung z. B. hinter dem Benutzer angeordnet, so zeigt sie das Abbild des Benutzers bei der Bedienung der Farbauftragsvorrichtung von hinten. Ist eine Anzeigevorrichtung vor dem Benutzer angeordnet, so zeigt die Anzeigevorrichtung das Abbild des Benutzers von vorne. Es können rund um den Benutzer Anzeigevorrichtungen angeordnet sein, um eine vollständige Rundumsicht zu gewähren, aber auch nur teilweise um eine teilweise Umsicht zu erhalten. Auch eine einzige durchgängige Anzeigevorrichtung kann vorgesehen sein, die abschnittsweise unterschiedliche Bilder anzeigt. Alternativ können alle Anzeigevorrichtungen jedoch auch das gleiche Bild anzeigen In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems ist an der Farbauftragsvorrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung von Vibrationen angeordnet. Dies kann z. B. ein Vibrationsmotor sein, der die Farbauftragsvorrichtung oder einen Teil der Farbauftragsvorrichtung in Vibration versetzt. Damit kann z. B. ein Betrieb der Farbauftragsvorrichtung noch besser simuliert werden. Besonders bevorzugt ist die Einrichtung zur Erzeugung von Vibrationen zumindest in Abhängigkeit von der Betätigung oder der Position oder der Bewegung der Farbauftragsvorrichtung betätigbar. Bevorzugt ist die Einrichtung in Abhängigkeit aller drei Parameter betätigbar. Die Vibrationserzeugungseinrichtung kann z. B. mit der Einrichtung zur Erkennung der Betätigung der Farbauftragsvorrichtung in Verbindung stehen und erkennen, wenn die Farbauftragsvorrichtung betätigt wird. Daraufhin kann die Einrichtung zur Erzeugung von Vibrationen selbsttätig aktiviert werden und beispielsweise einen laufenden Kompressor, Luftströmungen oder sonstige Vibrationen, die durch den Betrieb der Farbauftragsvorrichtung entstehen, simulieren. Die Einrichtung zur Erzeugung von Vibrationen kann auch dann aktiviert werden, wenn das Abbild der Farbauftragsvorrichtung in Kontakt mit der virtuellen Farbauftragsfläche kommt. Die Intensität der Vibration kann abhängig sein von der Geschwindigkeit mit der das Abbild der Farbauftragsvorrichtung auf die virtuelle Farbauftragsfläche trifft oder von anderen Parametern wie dem Auftreffpunkt, dem Material der simulierten Gegenstände oder sonstigem.
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Bevorzugt weist das erfindungsgemäße System zumindest eine Einrichtung zur Wiedergabe von akustischen Signalen auf. Dabei kann es sich z. B. um Lautsprecherboxen, ein Lautsprechersystem oder einen Kopfhörer handeln. Es können auch mehrere gleiche oder verschiedene Einrichtungen vorgesehen sein, wobei der Benutzer des Systems einen Kopfhörer trägt und in der Umgebung der Zuschauer Lautsprecher aufgestellt sind. Die Lautsprecher können in eine Anzeigevorrichtung integriert oder als extra Komponenten ausgestaltet sein. Die akustischen Signale können auf dem Datenverarbeitungsgerät oder einem daran angebundenen Speicher abgelegt sein oder können mittels Synthesizer erzeugt werden.
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Besonders bevorzugt ist die Einrichtung zur Wiedergabe von akustischen Signalen zumindest in Abhängigkeit von der Betätigung oder der Position oder der Bewegung der Farbauftragsvorrichtung betätigbar. Bevorzugt hängt die Betätigung von allen drei Parametern ab. Die Einrichtung kann zumindest einen Kopfhörer umfassen, der vom Benutzer des erfindungsgemäßen Systems getragen werden kann und/oder es kann zumindest einen Lautsprecher umfassen, der in der Nähe des Systems oder etwas davon entfernt positioniert sein kann. Die Einrichtungen können als Stereo, 5.1- oder als anderes System ausgestaltet sein. Auch die Einrichtungen zur Wiedergabe von akustischen Signalen können mit der Einrichtung zur Erkennung der Betätigung der Farbauftragsvorrichtung in Verbindung stehen und erkennen, wenn die Farbauftragsvorrichtung betätigt wird. Bei Betätigung der Farbauftragsvorrichtung können automatisch Betriebsgeräusche der Farbauftragsvorrichtung ausgegeben werden, die bevorzugt von der Intensität der Betätigung abhängen. Bei Simulation eines Lackiervorgangs wird bei leichter Betätigung des Abzugsbügels ein leiseres Luftgeräusch ausgegeben als bei voller Betätigung. Es kann ein Geräusch ertönen wenn das Abbild der Farbauftragsvorrichtung oder das Abbild des Benutzers in Kontakt mit der Farbauftragsfläche kommt, wobei die Art und die Lautstärke des Geräusch vom Material der virtuellen Objekte, von der Geschwindigkeit des Auftreffens, vom Auftreffpunkt oder von sonstigen Parametern abhängen kann. Auch Hintergrundgeräusche, die bei einer realen Betätigung der Farbauftragsvorrichtung auftreten würden, können von den Einrichtungen zur Wiedergabe von akustischen Signalen ausgegeben werden. Beispielhaft sind Kompressorengeräusche bei Lackiersimulationen zu nennen. Unterschiedliche Wiedergabeeinrichtungen können verschiedene Geräusche oder Geräusche mit unterschiedlicher Lautstärke oder sonstigen Unterschieden ausgeben. Z. B. kann der Benutzer des Systems die Geräusche in einer größeren Lautstärke hören als die Zuschauer, oder er kann zusätzliche aber auch weniger Geräusche vernehmen. Die Einrichtung zur Wiedergabe von akustischen Signalen kann nicht nur Geräusche sondern auch gesprochene Worte oder Sätze ausgeben, z. B. Anweisungen geben oder auf ein Fehverhalten oder suboptimale Benutzung hinweisen.
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Bevorzugt weist das erfindungsgemäße System eine Einrichtung zur Abgabe von Geruchsstoffen auf, die besonders bevorzugt zumindest in Abhängigkeit von der Betätigung oder der Position oder der Bewegung der Farbauftragsvorrichtung oder in Abhängigkeit von zumindest einem Zustand des Benutzers betätigbar ist. Die Geruchsstoffe können den Gerüchen entsprechen, die bei einer Bedienung der Farbauftragsvorrichtung in der Realität auftreten würden, z. B. Lack- und/oder Lösemittelgeruch. Der Geruch kann sich mit längerer Benutzung des Systems verstärken oder mit sich ändernder Benutzung variieren. Ferner kann der Geruch z. B. dann freigesetzt werden, wenn der Benutzer keine Atemschutzmaske trägt.
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Vorzugsweise bewirkt eine Veränderung an der Farbauftragsvorrichtung eine Veränderung am von der zumindest einen Anzeigevorrichtung angezeigten Abbild der Farbauftragsvorrichtung oder eine Veränderung in der angezeigten Funktion. Beispielsweise führt die Betätigung der Rund-/Breitstrahlregulierung einer Lackierpistole zu einer Veränderung des Spritzstrahls des Abbilds der Lackierpistole. Wird ein runder Spritzstrahl eingestellt, so tritt aus dem Abbild der Farbspritzpistole ein runder Spritzstrahl aus. Trifft dieser auf die Farbauftragsfläche, so wird dieses bei senkrechter Ausrichtung der Pistole mit einer kreisförmigen farbigen Fläche versehen. Bei Einstellen eines Breitstrahls tritt ein Breitstrahl aus dem Farbspritzpistolenabbild aus; die farbige Fläche auf dem Objekt ist ellipsenförmig. Auch die Ausrichtung der Hörner der Luftdüse kann Einfluss nehmen. Sind die Hörner senkrecht zueinander, so ergibt sich ein waagrechter Breitstrahl, sind sie waagrecht zueinander, so ist der Breitstrahl senkrecht ausgerichtet. Bei sonstiger Ausrichtung der Hörner ist der Breitstrahl entsprechend schräg. Analog dazu verhält es sich mit dem Luftmikrometer und der Materialmengenregulierung mittels denen sich der Luftdruck und der Volumenstrom des Lackmaterials einstellen lassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der Wechsel einer Komponente der Farbauftragsvorrichtung eine Änderung des Abbilds der Farbauftragsvorrichtung und/oder dessen Funktion mit sich bringt. Bei einer Farbspritzpistole ist es denkbar, dass am realen Objekt der Farbbecher gewechselt werden kann, z. B. wenn eine andere Farbe gespritzt werden soll oder wenn der Farbbecher leer ist. Am Abbild der Farbspritzpistole ist die Änderung entsprechend zu sehen. Statt dem entfernten leeren Becher wird ein voller Becher angezeigt, oder die Farbe im Becher hat sich verändert. Die Farbe des Spritzstrahls und des auf dem Objekt auftreffenden Spritzmittels ändert sich entsprechend. Eine solche Detektion des Austauschs von Komponenten kann beispielsweise mittels RFID erfolgen. Auf der wechselbaren Komponente der Farbauftragsvorrichtung ist ein Transponder angebracht, der mit einem Lesegerät kommuniziert, das an dem Datenverarbeitungsgerät angeschlossen ist. Detektiert das Lesegerät ein neues RFID-Signal aufgrund des Wechsels der Komponente, so leitet sie dieses Signal an das Datenverarbeitungsgerät weiter. Dieses gibt dann die darunter abgelegte neue Komponente an die Anzeigevorrichtung, welche die neue Komponente an der Farbauftragsvorrichtung anzeigt. Das erfindungsgemäße System kann derart ausgestaltet sein, dass nach längerer Benutzung der Farbauftragsvorrichtung eine Verschlechterung der Funktion erfolgt. Bei der Farbspritzpistole kann die Farbe zur Neige gehen, wodurch der Spritzstrahl ungleichmäßig wird und bei weiterer Benutzung nur noch Luft aber keine Farbe mehr enthält. Bei laufender Benutzung kann ein gleichmäßiges Entleeren des Farbbechers beobachtbar sein. Somit kann auch der Austausch der Komponenten an der Farbauftragsvorrichtung mit Hilfe des Systems trainiert werden.
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Besonders bevorzugt sind das Abbild der Farbauftragsvorrichtung, die virtuelle Farbauftragsfläche und das Abbild des Benutzers durch die zumindest eine Anzeigevorrichtung dreidimensional in einer dreidimensionalen Umgebung darstellbar. Dadurch wird das Training, bzw. die Simulation realitätsnäher. Die Position des Benutzers im Raum kann auch Einfluss haben auf die Interaktion zwischen Farbauftragsvorrichtung und Farbauftragsfläche. Hält beispielsweise der Benutzer seine Hand vor die Farbspritzpistole, so erscheint die Hand des virtuellen Abbilds ebenso vor der Farbspritzpistole. Ist die Farbspritzpistole betätigt, so trifft der aus ihr tretende Spritzstrahl nicht oder nicht vollständig auf die Farbauftragsfläche, sondern auf die Hand des virtuellen Abbilds des Benutzers. Der Benutzer kann sein virtuelles Abbild auch im virtuellen Raum und um die Farbauftragsfläche bzw. das zu bespritzende Objekt herumlaufen lassen und die Bearbeitung von einer anderen Position aus durchführen. Beispielsweise kann er bei Simulation eines Lackiervorgangs zuerst eine Tür lackieren, anschließend die Motorhaube und danach eine andere Tür. Die Einrichtungen zur Erfassung von Position und Bewegung, insbesondere die Tiefenkamera oder sonstige optische Einrichtungen, sind vorteilhafter Weise derart ausgestaltet, dass sie dem Benutzer bei größeren Bewegungen folgen, v. a. wenn der Benutzer läuft.
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Wie bereits erwähnt, zeigt die Anzeigevorrichtung bei Betätigung der Farbauftragsvorrichtung einen Spritzstrahl an, der vom Abbild der Farbauftragsvorrichtung austritt, entsprechend den Gegebenheiten in der Realität.
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Vorzugsweise weist die Farbauftragsvorrichtung eine Einrichtung zur Einstellung der Form des Spritzstrahls auf, wobei eine Betätigung dieser Einrichtung Einfluss auf den bei Betätigung der Farbauftragsvorrichtung angezeigten Spritzstrahl hat. Dieser kann z. B. als Rundstrahl oder als Breitstrahl eingestellt werden.
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Besonders bevorzugt bewirkt eine Betätigung der Farbauftragsvorrichtung, abhängig von der Position und Bewegung der Farbauftragsvorrichtung, der eingestellten Strahlform und/oder anderer Parameter, eine Veränderung der Farbauftragsfläche. Dies bedeutet insbesondere, dass die Farbauftragsfläche mit Farbe versehen wird, wenn das Abbild der Farbauftragsvorrichtung in betätigtem Zustand auf sie gerichtet ist. Dies geschieht jedoch nur, wenn der Abstand zwischen Farbauftragsvorrichtung und Objekt klein genug ist. Hält der Benutzer die Farbauftragsvorrichtung zu weit vom Objekt weg, so treffen keine oder nur vereinzelte Farbtropfen auf das Objekt. Wird die Farbauftragsvorrichtung schräg zum Objekt gehalten, so wird auf einer Seite mehr Farbe aufgetragen als auf einer anderen Seite. Wird durch die Materialmengenregulierung der Farbauftragsvorrichtung ein großer Materialvolumenfluss eingestellt, so erfolgt der Materialauftrag auf dem Objekt schneller als bei gering eingestelltem Materialvolumenfluss.
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Vorzugsweise vergleicht das Datenverarbeitungsgerät des erfindungsgemäßen Systems die Ist-Position und -Bewegung der Farbauftragsvorrichtung mit einer Soll-Position und -Bewegung und sendet ein Vergleichsergebnis zur Visualisierung an die Anzeigevorrichtung. Das System detektiert z. B. wenn der Benutzer die Farbspritzpistole zu nah an die Farbauftragsfläche hält oder zu weit weg, oder wenn der Abstand genau richtig ist. Es kann auch detektieren, ob der Benutzer die Farbspritzpistole zu langsam oder zu schnell bewegt oder in der richtigen Geschwindigkeit. Die Soll-Parameter können dafür auf dem Datenverarbeitungsgerät oder einem daran angebundenen Speicher abgelegt sein, um sie mit den Ist-Parametern vergleichen zu können. Das Ergebnis des Vergleichs zwischen Ist- und Soll-Parameter wird visualisiert an die Anzeigevorrichtungen gesendet. Diese zeigt es dann z. B. in Form von Balken, eines Tachos und/oder mit farbigen Signalen an. Ein Tacho kann beispielsweise die richtige Arbeits-Geschwindigkeit visualisieren. Hierfür besitzt er z. B. zwei rote und einen grünen Bereich. Die Tachonadel steht abhängig von der Arbeits-Geschwindigkeit. Sind die Bewegungen des Benutzers zu langsam, so kann die Tachonadel in einem linken und/oder unteren roten Bereich stehen. Ist die Geschwindigkeit zu hoch, so kann sie in einem rechten und/oder oberen roten Bereich stehen. Ist die Arbeitsgeschwindigkeit passend, steht die Tachonadel in der Mitte im grünen Bereich. Der Abstand zwischen Farbspritzpistole und Objekt kann mittels Balken visualisiert werden, der sich grün, gelb oder rot färben kann. Selbstverständlich können stets auch andere Farben verwendet werden.
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Vorzugsweise vergleicht das Datenverarbeitungsgerät des erfindungsgemäßen Systems die Ist-Position und -Bewegung der Farbauftragsvorrichtung mit einer Soll-Position und -Bewegung und zumindest eine Einrichtung zur Wiedergabe von akustischen Signalen gibt in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein akustisches Signal aus. Dieses akustische Signal kann z. B. ein Geräusch sein, das bei einer falschen Bewegung ertönt oder ein anderes Geräusch, das bei richtiger Bewegung ausgegeben wird. Es kann sich auch um Worte und Sätze handeln die den Benutzer auf ein Fehlverhalten bzw. Fehler in der Benutzung hinweisen können und/oder Verbesserungsvorschläge unterbreiten können. Dadurch kann ein audiovisuelles Trainingssystem geschaffen werden.
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Vorzugsweise wertet das Datenverarbeitungsgerät Ergebnisse der Bedienung der Farbauftragsvorrichtung aus und leitet sie an zumindest eine Anzeigevorrichtung. Dies können z. B. Ergebnisse aus den eben genannten Soll-Ist-Vergleichen sein. So kann das System während der Simulation anzeigen, wie lange die Farbauftragsvorrichtung richtig gehalten wurde und wie lange falsch. Daraus kann ein Verhältnis und eine Bewertung berechnet werden. Es können jedoch auch die Arbeitsgeschwindigkeit, die bereits verstrichene Benutzung oder ähnliches angezeigt werden. Es können auch Verfahren zur Berechnung einer Arbeitsqualität und/oder -effizienz auf dem Datenverarbeitungsgerät oder einem daran angebundenen Speichermedium abgelegt sein, die Informationen über die Bedienung der Farbauftragsvorrichtung sammeln und auswerten. Bei der Simulation eines Lackiervorgangs können z. B. die minimale oder maximale Schichtdicke, die Durchschnittsdicke oder das verbrauchte Lackmaterial angezeigt und die Gleichmäßigkeit der Schicht oder die Arbeitseffizienz unter Berücksichtigung der benötigten Zeit bewertet und angezeigt werden. Die Ergebnisse können sowohl während als auch nach der Simulation angezeigt werden.
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Besonders bevorzugt sind mehrere der eben erwähnten Ergebnisse im Datenverarbeitungsgerät speicherbar, vergleichbar und mittels der zumindest einen Anzeigevorrichtung als Rangliste darstellbar. Beispielsweise können die Arbeitseffizienz oder die Arbeitsqualität von mehreren Benutzungen, insbesondere von mehreren Benutzern, gespeichert, verglichen und als Rangfolge angezeigt werden. Das System kann so ausgestaltet sein, dass die Benutzer Ihre Namen eingeben können.
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Vorzugsweise ist auf der zumindest einen Anzeigevorrichtung ein Menü anzeigbar, durch das die Gestalt oder die Eigenschaft des Abbilds der Farbauftragsvorrichtung, des Abbilds des Benutzers oder die Gestalt oder die Eigenschaft der virtuellen Farbauftragsfläche veränderbar ist. Der Benutzer kann z. B. auswählen, welche Farbauftragsvorrichtung er bedienen möchte, woraufhin die Simulation auf diese Farbauftragsvorrichtung eingestellt wird. Ähnliches kann erfolgen, wenn der Benutzer ein anderes Modell einer Farbauftragsvorrichtung auswählt oder andere Komponenten wählt. Beispielsweise kann der Benutzer die Farbspritzpistole des Herstellers A, Modell B mit Fließbecher, Farbe Blau. Auch kann die Farbauftragsfläche wählbar sein, z. B. ob es aus Holz oder Metall besteht oder ob es sich um einen Kotflügel oder um eine Autotür handelt. Das System kann auch so ausgestaltet sein, dass der Benutzer verschiedene Abbilder von sich auswählen kann, so genannte Avatare, die auf der Anzeigevorrichtung seinen Bewegungen folgen und virtuell die Farbauftragsvorrichtung bedienen. Daher sind Simulationen für verschiedene Farbauftragsvorrichtungen, Modelle, Avatare und sonstiges im System abgelegt.
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Vorzugsweise ist das Menü durch Betätigen eines Icons zu öffnen. Dieser Icon ist auf zumindest einer Anzeigevorrichtung zu sehen und kann sinnvollerweise mit der Bezeichnung „Menü” oder „Menu” versehen sein. Bei Betätigung des Icons erscheint das oben beschriebene Menü zur Auswahl verschiedener Parameter. Besonders bevorzugt sind das Menü durch die Farbauftragsvorrichtung zu öffnen und Menüpunkte durch die Farbauftragsvorrichtung auswählbar. Dafür zielt der Benutzer auf den zumindest einen von zumindest einer Anzeigevorrichtung angezeigten Icon und betätigt die Farbauftragsvorrichtung. Der Icon kann auf der Oberfläche der Darstellung der Anzeigevorrichtung angezeigt werden, oder im virtuellen Raum den die Anzeigevorrichtung anzeigt. In letzterem Fall kann der Icon vom Abbild des Benutzers durch das Abbild der Farbauftragsvorrichtung betätigbar sein. Der Icon kann jedoch auch auf einem Touchscreen angezeigt und durch Drücken auf denselben betätigt werden.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems ist eine Fehlfunktion der Farbauftragsvorrichtung simulierbar. Dies kann Teil des normalen Simulationsvorgangs oder als extra Modus vorgesehen sein. Im ersten Fall kann die Fehlfunktion z. B. plötzlich auftauchen. So kann z. B. eine Farbspritzpistole plötzlich oder langsam beginnen asymmetrisch zu spritzen. Der extra Modus kann alternativ zur normalen Simulation auswählbar sein. Es können verschiedene Fehlfunktionen dargestellt oder simuliert werden. Beispielsweise kann das Spritzbild einer nicht einwandfrei funktionierenden Farbspritzpistole angezeigt werden oder es kann die Bedienung einer nicht einwandfrei funktionierenden Farbspritzpistole simuliert werden.
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Besonders bevorzugt sind auf zumindest einer Anzeigevorrichtung Auswahlmöglichkeiten zur Identifizierung der Fehlfunktion oder zu deren Beseitigung anzeigbar. Bei der Farbspritzpistole können die Auswahlmöglichkeiten lauten: „Luftbohrungen reinigen”, „Farbdüse auf Beschädigungen prüfen”, „Eingangsdruck senken”, „Eingangsdruck erhöhen” oder ähnliches. Der Benutzer kann das seiner Meinung nach zutreffende Problem bzw. die Lösungsmöglichkeit auswählen. Dies kann wieder durch Zielen der Farbauftragsvorrichtung auf die Auswahlmöglichkeit und Auswahl durch Betätigung der Farbauftragsvorrichtung sein, durch Druck auf einen Touchscreen oder mit Hilfe eines sonstigen Eingabegeräts. Vorzugsweise wird dann eine Soll-Auswahl mit der Ist-Auswahl des Benutzers verglichen und das Ergebnis des Vergleichs wird visualisiert durch zumindest eine Anzeigevorrichtung angezeigt. Beispielsweise leuchtet das Auswahlfeld bei richtiger Antwort grün auf, während es sich bei falscher Antwort rot färbt. Dies kann von einem akustischen Signal, beispielsweise ein Geräusch oder eine Ansage, begleitet werden. Das erfindungsgemäße System kann derart ausgestaltet sein, dass die simulierte Fehlfunktion der Farbauftragsvorrichtung bei Übereinstimmung der Soll-Auswahl mit der Ist-Auswahl des Benutzers beseitigbar ist. Das bedeutet, bei korrekter Antwort funktioniert die Farbauftragsvorrichtung wieder einwandfrei.
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Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße System eine Einrichtung zur Aufzeichnung der Simulation oder des von zumindest einer Anzeigevorrichtung gezeigten Bilds auf. Das heißt, die von der Anzeigeeinheit angezeigten Bilder werden gespeichert, und können nach Abschluss der Simulation abgespielt werden. Dadurch kann der Benutzer seine Arbeit betrachten und es können eventuelle Fehler analysiert werden.
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Besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße System in einer Kabine angeordnet. Der Benutzer kann sich dadurch besser auf seine Tätigkeit konzentrieren und die Systeme zur Erfassung der räumlichen Position und Bewegung des Benutzers und der Farbauftragsvorrichtung können störungsfreier arbeiten wenn sich keine anderen Personen als der Benutzer in ihrem Erfassungsbereich befinden.
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Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße System zumindest eine Kamera zur Erfassung zumindest eines Teils der Umgebung des Systems auf. Die Kamera kann z. B. auf die Zuschauer gerichtet sein, die die Simulation beobachten. Die erfassten Bilder können zeitversetzt oder simultan in die Simulation integriert werden. Beispielsweise kann in einer virtuellen Lackierkabine, in der der virtuelle Lackiervorgang durchgeführt wird, ein Fenster integriert sein, in dessen Bereich die erfassten Bilder angezeigt werden. Dadurch kann der Eindruck erzeugt werden, dass die Zuschauer den virtuellen Lackierer bei seiner Arbeit beobachten.
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Bevorzugt weist das System eine Einrichtung zur Überprüfung von Sicherheitsvorkehrungen auf. Die Einrichtung kann z. B. überprüfen ob der der Benutzer Schutzkleidung trägt, ob Teile der Farbauftragsvorrichtung fixiert sind oder ob sonstige Kriterien erfüllt sind. Um eine ausreichende Fixierung der Teile überprüfen zu können, kann beispielsweise ein Drucksensor vorgesehen sein, der ermittelt, ob auf das Teil eine ausreichende Klemmkraft wirkt. So kann z. B. sichergestellt werden, dass ein Luftanschluss fest genug auf der Farbauftragsvorrichtung sitzt. Das Tragen einer Schutzkleidung kann z. B. mittels Funk, z. B. RFID überprüft werden. Ein Ausbleiben des Signals kann auf das Nichttragen der Schutzkleidung hinweisen. Wird das Fehlen einer Sicherheitsvorkehrung ermittelt, so kann dies von zumindest einer Anzeigevorrichtung angezeigt werden. Das System kann derart ausgestaltet sein, dass eine Simulation nicht möglich ist, solange nicht alle Sicherheitsvorkehrungen getroffen sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine Draufsicht auf den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des Systems und
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2 ein Beispiel für die Darstellung eines simulierten Lackiervorgangs.
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1 zeigt eine Draufsicht auf den prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems. Ein Benutzer 1 simuliert im vorliegenden Fall einen Lackiervorgang mittels einer Farbspritzpistole 2. Die Position und die Bewegungen des Benutzers 1 werden hier mittels einer Tiefenkamera 3 erfasst. Diese besteht im Wesentlichen aus zwei Infrarot-Sensoren 3a, 3d, einer Beleuchtungseinheit 3b und einer Farbkamera 3c. Durch diesen Aufbau lassen sich Position und Bewegung eines Objekts im dreidimensionalen Raum erfassen. Die von der Tiefenkamera 3 erfassten Daten werden an ein Datenverarbeitungsgerät 7 gesendet, die praktischerweise als PC ausgebildet ist. Durch Installation der entsprechenden Software kann so nahezu jeder PC mit dem erfindungsgemäßen System verwendet werden. Es ist jedoch auch der Einsatz von anderen Computern, insbesondere Tablet-PCs, denkbar.
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Die Farbspritzpistole 2 weist eine weitere Positions- und Bewegungserfassungseinrichtung auf, die vorteilhafterweise als Funksender 41 ausgestaltet ist. Dieser Funksender 41 sendet Funksignale an die im vorliegenden Fall vier Funkempfänger 42. Dadurch lässt sich die Position und die Bewegung des Farbspritzpistole 2 in x-, y- und z-Richtung erfassen. Durch zumindest einen zusätzlichen Sensor können auch Winkel und somit Neigungen der Farbspritzpistole 2 detektiert werden. Die erfassten Positions- und Bewegungsdaten der Farbspritzpistole 2 werden ebenfalls an das Datenverarbeitungsgerät 7 geleitet.
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Die Positions- und Bewegungsdaten werden im Datenverarbeitungsgerät 7 durch 3D-Animationsverfahren in bewegliche dreidimensionale Objekte umgewandelt und an die Anzeigevorrichtungen 5, 6 gesendet. Die Anzeigevorrichtung 5 ist im vorliegenden Fall als Head-Mounted-Displays 5 ausgestaltet, das vom Benutzer des Systems getragen wird. Dadurch sieht dieser im Wesentlichen nur das Bild der Anzeigevorrichtung 5 und wird nicht durch Störungen in der Umgebung abgelenkt. Durch die augennahe Anordnung der Bildschirme des Head-Mounted-Displays 5 entsteht ein sehr guter 3D-Eindruck, welcher die Trainingssituation sehr realistisch erscheinen lässt. Das Head-Mounted Display zeigt den virtuellen Lackiervorgang aus der Sicht des Abbilds des Benutzers. Beispielsweise sieht er die virtuelle Farbauftragsfläche und einen Teil der Umgebung, das Abbild der Farbauftragsvorrichtung und den Teil seines virtuellen Abbilds der sich in seinem Sichtfeld befindet, beispielsweise den Arm der die Farbauftragsvorrichtung bedient. Das Head-Mounted-Display weist einen zusätzlichen Funksender 43 auf, der Funksignale an die Funkempfänger 42 oder an andere Funkempfänger sendet. Dadurch wird eine Bestimmung der Position des Kopfes des Benutzers 1 ermöglicht. Die Anzeigevorrichtung 6, hier in Form eines Flachbildschirms vorliegend, befindet sich außerhalb der Kabine in der sich das Simulationssystem befindet. Es ist für Zuschauer gedacht, die den virtuellen Lackiervorgang verfolgen wollen. Im vorliegenden Beispiel sind drei verschiedene Einrichtungen zur Widergabe von akustischen Signalen vorhanden, nämlich ein Kopfhörer 50, der vom Benutzer 1 getragen wird, zwei in den Flachbildschirm integrierte Lautsprecher 51 und zwei zusätzliche Lautsprecher 52.
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Die in 1 gezeigten Komponenten und deren Anordnung sind selbstverständlich nur beispielhaft. Es können auch mehr oder weniger oder andere Komponenten vorgesehen sein. Die Daten- und Signalübertragung zwischen den Komponenten kann sowohl mit Kabeln als auch kabellos, beispielsweise über Funk, z. B. mittels Bluetooth erfolgen.
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2 zeigt ein Beispiel für eine Darstellung der Anzeigevorrichtung 6 aus 1. Im vorliegenden Fall wird die Lackierung eines PKW 20 bzw. eines Teils davon, in einer Lackierkabine simuliert. Ein Avatar 11, d. h. ein virtuelles Abbild des Benutzers des Simulationssystems, hier in der Gestalt einer Fantasiefigur vorliegend, hält in seiner Hand eine Farbspritzpistole 21 mit einem teilweise mit Farbe gefüllten Farbbecher 22 und einem Druckluftschlauch 23. Es ist erkennbar, dass die Oberfläche der Farbe parallel zum Erdboden ist. Bei Bewegen der Pistole richtet sich die Oberfläche stets so aus, wie es auch in der Realität der Fall ist. Gegenüber vom Avatar 11 ist ein Spiegel 25 angeordnet. Dieser hat den Zweck, dass sich der Benutzer des Systems, der die Benutzung aus Sicht seines Avatars 11 sieht, seinen Avatar 11 auch von vorne sehen kann und somit sich selbst bei der Bedienung der Farbauftragsvorrichtung, im vorliegenden Fall bei der Lackierung mittels Farbspritzpistole, beobachten kann.
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Wie bereits beschrieben, wird der Avatar 11 durch die Bewegungen des Benutzers 1 des erfindungsgemäßen Systems simultan bewegt. Hebt der Benutzer 1 sein linkes Bein, so hebt der Avatar 11 sein linkes Bein simultan. Bewegt der Benutzer 11 seinen Kopf, so tut es ihm der Avatar 11 gleich. Betätigt der Benutzer 1 die Farbauftragsvorrichtung 2 oder den Controller den er real in der Hand hält, so registriert die beschriebene Einrichtung zur Erkennung der Betätigung der Farbauftragsvorrichtung 2 diese Betätigung und gibt die Information an das Datenverarbeitungsgerät 7 weiter. Die Anzeigevorrichtungen 5, 6 zeigen daraufhin ein Abbild der Farbauftragsvorrichtung 2 in betätigtem Zustand. Im vorliegenden Fall würde aus der Farbspritzpistole 21 ein Spritzstrahl austreten, der je nach gewählter Einstellung unterschiedlich aussehen kann und die Farbe der im Farbbecher 22 befindlichen Farbe besitzt. Hat die Farbspritzpistole 21 einen geeigneten Abstand zur Farbauftragsfläche, hier dem PKW 20, so färbt sich der Bereich vor der Farbspritzpistole, der vom Spritzstrahl getroffen wird, entsprechend der Farbe im Farbbecher 22. Dieser Bereich breitet sich aus, wenn der Benutzer 1 und somit auch sein Avatar 11, die Farbspritzpistole 2 bzw. 21 bewegt. Korrekterweise erfolgt die Lackierung durch gleichmäßige Hin- und Her-Bewegungen nach links und rechts, so lange bis die gewünschte Oberflächeneigenschaft, z. B. Schichtdicke und -erscheinung erreicht ist. Der Druckluftschlauch 23 folgt den Bewegungen der Farbspritzpistole.
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Die virtuelle Lackierkabine kann mit einer Beleuchtung 30, Ab- oder Zuluftfiltern 35 und sonstigen Zubehörteilen ausgestattet sein, wie beispielsweise Druckluftfiltern, Kompressoren, Pistolenständern, Farbbehälter oder sonstiges.
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Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass das beschriebene Ausführungsbeispiel nur eine beschränkte Auswahl an Ausführungsmöglichkeiten beschreibt und somit keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202005001702 U1 [0006]
