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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Gelenk zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems.
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Antriebseinheiten, die in Manipulatoren von Robotersystemen bzw. Roboterarmen zum Einsatz kommen, dienen dazu, ein Achsglied des in der Regel mehrachsig konstruierten Roboterarms gegenüber einem daran anschließenden Achsglied bewegbar, vorzugsweise drehbar, anzuordnen. Die auf diese Weise sich ergebende Beweglichkeit zwischen zwei aneinandergrenzenden Achsgliedern führt über die Anzahl der Achsglieder des Manipulators zu den entsprechenden Freiheitsgraden des Robotersystems.
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Bei Industrierobotern kommen dabei Antriebseinheiten zum Einsatz, die eine Drehung eines Achsglieds um eine quer zu seiner Längserstreckung verlaufenden Achse gestatten. Weitere Antriebsvorrichtungen sind konzipiert, um eine Drehung um die Längsachse des Achsglieds zu gestatten. Hierfür kommen in der Regel entsprechend dimensionierte Elektromotoren zum Einsatz, die gegebenenfalls mit einem entsprechenden untersetzenden Getriebe zusammenwirken.
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Bei Leichtbaurobotern werden die Antriebsvorrichtungen in das in sich geschlossene Gehäuse der Achsglieder eingebaut, da die Gehäuse bei den Manipulatoren von derartigen Robotertypen grundsätzlich wie ein Exoskelett konzipiert sind.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Antriebsvorrichtungen ist in der Regel abtriebsseitig zumindest eine Sensorvorrichtung vorgesehen, um die Position, das Drehmoment und/oder die Drehzahl eines Abtriebselements zu detektieren, das das eine Achsglied gegenüber dem anderen Achsglied in Drehung versetzt. Zur Detektion der Antriebsdrehzahl, des Antriebsdrehmoments und/oder der Position einer von einem Motor angetriebenen Antriebswelle ist darüber hinaus motorseitig bzw. antriebsseitig eine weitere Sensorvorrichtung vorgesehen.
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Um einen besonders kompakten Aufbau zu ermöglichen, ist in dem
Deutschen Patent Nr. 10 2016 004 810 eine Antriebsvorrichtung insbesondere für den Einsatz bei Leichtbaurobotern vorgeschlagen worden, bei der beide Sensorvorrichtungen auf einer einzigen Leiterplatte angeordnet sind.
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Diese Antriebsvorrichtung für ein zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems angeordnetes Gelenk zum rotatorischen Antrieb des einen Achsglieds gegenüber dem anderen Achsglied weist einen Motor, der eine Antriebswelle antreibt, und ein Abtriebselement auf, das mit dem einen Achsglied in Verbindung steht und von der Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar in Drehung versetzt wird, wobei eine Leiterplatte bzw. Leiterplatine (PCB) vorgesehen ist, auf der eine Sensorvorrichtung für den durch die Antriebswelle bereitgestellten Antrieb und eine Sensorvorrichtung für den durch das Abtriebselement bereitgestellten Abtrieb angeordnet sind, wobei die Sensorvorrichtung für den Antrieb und die Sensorvorrichtung für den Abtrieb auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte angeordnet sind.
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Des Weiteren ist eine Sensorwelle vorgesehen, mit der das Abtriebselement drehfest verbunden ist, wobei sich die Sensorwelle durch eine Öffnung in der Leiterplatte zu der Seite der Leiterplatte erstreckt, die dem Motor gegenüberliegt und wobei im Bereich des stirnseitigen axialen Endes der Sensorwelle oberhalb der Leiterplatte ein Positions- bzw. Sensorring vorgesehen ist, der mit der Sensorvorrichtung für den Abtrieb zusammenwirkt. Der Sensorring ist in einem Lagersitz drehbar gelagert und mit der Sensorwelle drehfest verbunden.
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Bei einer derartigen Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung aus dem Stand der Technik, wie diese exemplarisch in der 1 gezeigt ist, sind zwischen dem Abtrieb des Motors, in der Regel der Abtriebswelle, und der abtriebsseitigen Sensorvorrichtung in Bezug auf den oberhalb der Platine drehbar gelagerten Sensorring, mehrere Bauteile vorgesehen, wie einem Getriebe, diversen Abtriebs- und Lagerelementen, der Sensorwelle usw.. Diese Bauteile bilden eine Toleranzkette aus, in der deren einzelne Toleranzen letztendlich einfließen, so dass sich selbstredend die einzelnen Toleranzfehler aufaddieren, wenn der Abtrieb über die Rückführung mittels der Sensorwelle an einer der eigentlichen Abtriebsseite gegenüberliegenden Stelle, nämlich an der Leiterplatte, detektiert wird. Der Spalt zwischen dem abtriebsseitigen Sensorring und einem diesem zugeordneten Positionssensor kann daher, im Vergleich zum Spalt zwischen dem antriebsseitigen Sensorring und diesem zugeordneten Positionssensor, ggfs. zu groß werden. Darüber hinaus können die Flächen des Positionssensors und des Sensorrings nicht vollkommen parallel zueinander verlaufen, sondern mehr oder weniger leicht geneigt sein. Beides kann im Folgenden zu erheblichen Messfehlern führen.
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Dies ist jedoch für eine hochgenaue Regelung, wie sie für einen insbesondere nachgiebigkeitsgeregelten Roboter unbedingt erforderlich ist, abträglich. Der Spalt zwischen dem abtriebsseitigen Sensorring und dem entsprechenden Positionssensor sollte daher engen Toleranzen unterliegen.
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Ausgehend davon ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Antriebsvorrichtung für ein Gelenk zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich der Leichtbauweise, zur Verfügung zu stellen, die die oben genannten, aus dem bisherigen Stand der Technik bekannten Nachteile ausräumt, insbesondere eng tolerierte Sensorvorrichtungen ermöglicht und dadurch die Zuverlässigkeit in Bezug auf die Detektion der antriebs- und abtriebsseitigen Parameter erhöht.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2 sowie mit einem Roboter nach Anspruch 10.
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Die Erfindung betrifft demzufolge eine Antriebsvorrichtung für ein zwischen zwei Achsgliedern eines Manipulators eines Robotersystems angeordnetes Gelenk zum rotatorischen Antrieb des einen Achsglieds gegenüber dem anderen Achsglied, mit einem Motor, der eine Antriebswelle antreibt, mit einem Abtriebselement, das mit dem einen Achsglied in Verbindung steht und von der Antriebswelle mittelbar oder unmittelbar in Drehung versetzt wird, mit einer Leiterplatte, auf der eine Sensorvorrichtung für den durch die Antriebswelle bereitgestellten Antrieb und eine Sensorvorrichtung für den durch das Abtriebselement bereitgestellten Abtrieb angeordnet sind, wobei die Sensorvorrichtung für den Antrieb und die Sensorvorrichtung für den Abtrieb auf einander gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte angeordnet sind, und mit einer Sensorwelle, mit der das Abtriebselement drehfest verbunden ist, wobei sich die Sensorwelle durch eine Öffnung in der Leiterplatte zu der Seite der Leiterplatte erstreckt, die dem Motor gegenüberliegt und wobei im Bereich des stirnseitigen axialen Endes der Sensorwelle oberhalb der Leiterplatte ein Sensorring angeordnet ist, der mit der Sensorvorrichtung für den Abtrieb zusammenwirkt, wobei der Sensorring in einem Lagersitz drehbar gelagert und mit der Sensorwelle drehfest verbunden ist,
wobei gemäß der Erfindung zumindest ein Mittel vorgesehen ist, das so angeordnet und ausgebildet ist, dass es die Toleranzkette von dem Motor bis zu dem abtriebsseitigen Sensorring unterbricht bzw. auflöst.
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Gemäß der Erfindung kann ein solches Mittel als zumindest ein Kugellager, vorzugsweise Radiallager realisiert sein, mittels welchem der Sensorring in dem Lagersitz drehbar gelagert ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung ist der Sensorring mit einer Lagerhülse verbunden, die mit der Sensorwelle drehfest verbindbar ist. Die Sensorwelle kann beispielsweise in die Lagerhülse eingepresst werden derart, dass zwischen diesen ein Reibschluss ausgebildet wird. Hierbei können entsprechende Mittel, wie Toleranzringe oder auch Pressringe, zum Einsatz kommen.
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Die Lagerhülse selbst wiederum ist dann in dem Lagersitz über das Kugellager drehbar gelagert.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung kann der Lagersitz unmittelbar mit der Leiterplatte fest verbunden, beispielsweise verschraubt, sein. Der Lagersitz wird also auf der dem Motor und den weiteren Komponenten der Antriebsvorrichtung gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Antriebsvorrichtung kann der Lagersitz mit einem Gehäuseabschnitt des Motorgehäuses fest verbunden sein, wobei der Gehäuseabschnitt die Leiterplatte durchgreift.
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Um zu ermöglichen, dass sich die antriebsseitigen und abtriebsseitigen Parameter durch auf einer einzigen Leiterplatte angeordnete Sensorvorrichtungen erfassen lassen, ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die von dem Motor angetriebene Antriebswelle als eine Hohlwelle ausgebildet ist, die von der Sensorwelle in einem radialen Abstand durchsetzt wird, wobei sich die Antriebswelle bis zu der Leiterplatte erstreckt.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den Sensorvorrichtungen sowohl für den Abtrieb als auch für den Anrieb um Sensoren der gleichen Bauart, was die Auswerteelektronik weiter vereinfacht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist es weiterhin daher vorgesehen, dass der Sensorring für den Antrieb und der Sensorring für den Abtrieb deckungsgleich zu beiden Seiten der Leiterplatte einander gegenüberliegen.
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Für eine exakte plane Führung des Sensorrings für den Antrieb, ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass vorzugsweise ein Radiallager, das die Antriebswelle in dem Gehäuse des Motors, axial dem Abtrieb gegenüberliegend, führt, konstruktiv und baulich so nahe wie möglich an diesem Sensorring angeordnet ist.
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Durch die Bereitstellung sowohl eines Radiallagers für den Sensorring für den Abtrieb als auch eines Radiallagers für die Antriebswelle mit einer entsprechenden Positionierung ist es möglich, beide Sensorringe so parallel und konzentrisch wie möglich zu den diesen zugeordneten Sensorchips anzuordnen und zu führen, wodurch axiale und winkelmäßige Toleranzabweichungen äußert gering gehalten werden können und sich Messfehler kaum einstellen.
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Die Anordnung der Sensorvorrichtung für den Abtrieb und der Sensorvorrichtung für den Antrieb auf einer einzigen Leiterplatte erweist sich bereits an sich als weniger stör- und fehleranfällig, wodurch sich auch die Programmierung des Auswertealgorithmus wesentlich vereinfachen lässt. Durch die darüber hinaus gehende Entkopplung der abtriebsseitigen Toleranzkette durch eine Drehlagerung des Sensorrings der Sensorwelle mittels z.B. zumindest eines Radiallagers in einem Lagersitz kann die Fehleranfälligkeit einer solchen Anordnung noch weiter reduziert werden.
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Auf Grund der Tatsache, dass infolge des Vorhandenseins des erfindungsgemäßen Mittels die Toleranzkette von dem Motor bis zu der abtriebsseitigen Sensorvorrichtung unterbrochen werden kann, können beispielsweise fertigungsbedingte Toleranzfehler der einzelnen Komponenten innerhalb dieser Toleranzkette bei der Detektion des Abtriebs und der entsprechenden Auswertung vollkommen unberücksichtigt bleiben. Dies ermöglicht es sogar, dass manche der Bauteile mit größeren Toleranzen und damit kostengünstiger gefertigt werden können.
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In diesem Zusammenhang betrifft die Erfindung daher auch einen Roboter mit einem Manipulator aus mehreren Achsgliedern aufweisend eine Antriebsvorrichtung gemäß den oben geschilderten Ausführungsformen in zumindest einem zwischen Achsgliedern des Manipulators angeordneten Gelenk.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der Beschreibung des anhand der beilegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
- 1 einen axialen Längsschnitt durch eine Antriebsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
- 2 einen axialen Längsschnitt durch eine Antriebsvorrichtung gemäß der Erfindung;
- 3 ausschnittsweise eine vergrößerte Ansicht der Lagerung der abtriebsseitigen Sensorvorrichtung; und
- 4 den erfindungsgemäßen Mechanismus bestehend aus Lagersitz, Lagerhülse und Radiallager.
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In der
1 ist zum Verständnis exemplarisch eine Antriebsvorrichtung aus dem Stand der Technik in einer Querschnittsansicht entlang der Drehachse, d.h. Längserstreckung der Antriebsvorrichtung gezeigt, wie diese beispielsweise aus dem
Deutschen Patent Nr. 10 2016 004 810 bekannt ist.
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Wie zu erkennen ist, ist die Antriebsvorrichtung im Wesentlichen aus rotationssymmetrisch ausgestalteten Komponenten und Bauteilen aufgebaut, wobei eine Modulbauweise realisiert wird, bei der mehrere Module in einer axialen Ausrichtung funktional zusammenwirken und ineinandergreifen. Die Module sind für sich jeweils einzeln austauschbar und lassen sich miteinander mit Hilfe von entsprechend konzipierten und ausgestalteten Verbindungstechniken verbinden.
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Die in 1 gezeigte Antriebsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus vier funktional unterschiedlichen Antriebsmodulen.
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Ein erstes Antriebsmodul M1 beinhaltet ein Getriebe 1, beispielsweise ein Wellgetriebe, das in einem Gehäuse 2 aufgenommen ist. Das Ausgangselement des Getriebes 1 ist über eine Abtriebswelle 3 mit einem Gehäuse 4 eines zweiten Antriebsmoduls M2 drehfest, d.h. drehmomentübertragend verbunden. Das zweite Antriebsmodul M2 dient dem Abtrieb und ist zu diesem Zweck mit einem nicht dargestellten Achsglied eines Manipulators bzw. Roboterarms drehfest verbunden, während das Gehäuse 2 des ersten Antriebsmoduls M1 mit einem nicht dargestellten weiteren Achsglied dieses Manipulators verbunden ist. Das Gehäuse 4 des zweiten Antriebsmoduls M2 ist mittels eines Radiallagers 5 gegenüber dem Gehäuse 2 des ersten Antriebsmoduls M1 drehbar gelagert.
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Dem zweiten Antriebsmodul M2 axial gegenüberliegend ist an dem ersten Antriebsmodul M1 ein drittes Antriebsmodul M3 befestigt, das ein Gehäuse 6 aufweist, in dem ein Motor 7 angeordnet ist, der eine Motor- bzw. Antriebswelle 8 antreibt.
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Die Antriebswelle 8 ist durch ein erstes Radiallager 9 in der Nähe des Getriebes 1 und durch ein zweites Radiallager 10 in einer Abdeckung 11 für das Gehäuse 6 drehbar und dadurch zentral in der Antriebsvorrichtung gelagert.
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Auf dem Gehäuse 6 des dritten Antriebsmoduls M3 bzw. auf der diesem zugehörigen Abdeckung 11 ist über Verbindungs- bzw. Abstandshalter 12 ein viertes Antriebsmodul M4 befestigt, das eine Leiterplatte 13 bzw. PCB für eine Sensor- und Steuerelektronik aufweist.
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Die Antriebswelle 8 des Motors 7, die als eine Hohlwelle ausgebildet ist, erstreckt sich durch die Abdeckung 11 hindurch bis zu der Seite der Leiterplatte 13, die der Abdeckung 11 zugewandt ist.
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Das Gehäuse 4 des zweiten Antriebsmoduls M2 ist stirnseitig über einen Flansch 14 mit einem Flansch 15 einer Sensorwelle 16 drehfest verschraubt.
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Wie in der 1 zu erkennen ist, durchsetzt die Sensorwelle 16 die Abtriebswelle 3 und die Antriebswelle 8 des Motors 7 in einem radialen Abstand und erstreckt sich durch eine Öffnung in der Leiterplatte 13 bis zu der Seite der Leiterplatte 13, die dem dritten Antriebsmodul M3 gegenüberliegt.
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Das der Leiterplatte 13 zugewandte stirnseitige axiale Ende der Antriebswelle 8 weist einen Sensorring 17 auf, während auf der Leiterplatte 13 ein entsprechend diesem Sensorring 17 zugeordneter Sensorchip 18 angeordnet ist. Der Sensorring 17 ist auf einem Haltering 19 befestigt, so dass sich der Sensorring 17 mit der Antriebswelle 8 dreht.
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Die Sensorwelle 16 weist ebenfalls an ihrem stirnseitigen axialen Ende einen Sensorring 20 auf, der ebenfalls in einem entsprechenden Haltering 21 befestigt ist und sich so über einen diesem Sensorring 20 zugeordneten Sensorchip 22 auf der Leiterplatte 13 dreht.
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Um den Sensorring 20 der Sensorwelle 16 exakt konzentrisch und parallel zu dem Sensorchip 22 zu führen, ist bei diesem Stand der Technik auf der Leiterplatte 13 eine radiale Gleitführung 23 angeordnet, die mit den Abstandshaltern 12 verschraubt wird.
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Um den Sensorring 17 der Antriebswelle 8 exakt konzentrisch und parallel zu dem Sensorchip 18 zu führen, ist das zweite Radiallager 10 des dritten Antriebsmoduls M3 so nahe wie möglich an der Leiterplatte 13 angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im weitesten Sinne auf eine alternative Ausgestaltung des Moduls M4, und ist daher prinzipiell unabhängig von der tatsächlichen Ausgestaltung der weiteren Module M1 bis M3 und deren Komponenten. Der Aufbau dieser Module M1 bis M3 kann aber im Prinzip analog wie beim Stand der Technik realisiert sein, wie aus der 2 zu ersehen ist.
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In dieser 2, die schematisch eine ähnliche axiale Querschnittsansicht durch eine Antriebsvorrichtung zeigt, sind der Einfachheit halber identische Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie beim Stand der Technik ist der Sensorring 20 für den Abtrieb gegenüber dem Positionssensor bzw. Sensorchip 22 drehbar gelagert, jedoch nicht mittels einer Gleitführung 23.
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Vielmehr ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, den Sensorring 20 drehfest mit einer Lagerhülse 24 zu verbinden. Die Lagerhülse 24 ist so gestaltet und konzipiert, dass sie mit der Sensorwelle 16 drehfest verbindbar ist. Die Sensorwelle 16 wird in die Lagerhülse 24 so eingepresst, dass zwischen diesen unter Zwischenschaltung von Toleranzausgleichsringen oder ähnlichen Mitteln 25 vorzugsweise ein Reibschluss ausgebildet wird. Prinzipiell wäre jedoch auch ein Kraft- und/oder Formschluss denkbar.
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Die Lagerhülse 24 ist über ein Radiallager 26 in einem Gehäuse eines Lagersitzes 27 drehbar gelagert. Der Lagersitz 27 wird mittels Schrauben 28 mit einem Gehäuseabschnitt 29 des Gehäuses 11 des Motors 7 fest verschraubt, wobei der Gehäuseabschnitt 29 eine Öffnung 30 in der Leiterplatte 13 zumindest teilweise durchgreift.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016004810 [0006, 0028]
