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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine autonom arbeitende Vorrichtung,
die eine Antriebseinheit zum Bewegen der Vorrichtung, zumindest
eine Sensoreinheit und eine Auswerteeinheit umfasst.
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Stand der Technik
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Als
autonom arbeitende Vorrichtungen werden vorliegend solche Vorrichtungen
bezeichnet, die Arbeiten selbständig ausführen
können, insbesondere Haus- und Gartenarbeiten. So sind
im Stand der Technik beispielsweise autonome Rasenmäher, Laubsammler,
Unkrautjäter, Bewässerungsvorrichtungen, Staubsauger
und dergleichen in verschiedensten Ausgestaltungen bekannt. Nachfolgend
wird der Einfachheit halber nur noch auf autonome Rasenmäher
Bezug genommen, wobei ein solcher Rasenmäher jedoch nur
als ein Beispiel für autonom arbeitende Vorrichtungen dient
und in keiner Weise als einschränkend zu verstehen ist.
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Bei
autonomen Rasenmähern sind neben einer möglichst
effizienten Arbeitsweise, wie beispielsweise eine vollständige
Flächenabdeckung beim Mähen, eine Vermeidung des
Mehrfachüberfahrens von Rasenflächen oder dergleichen,
eine sichere Arbeitsweise, bei der weder der Rasenmäher
noch andere Gegenstände oder Personen zu Schaden kommen, sowie
ein minimaler Nachbearbeitungsaufwand von Bedeutung, wie etwa das
Trimmen der Rasenkanten nach dem Mähen.
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Zur
Realisierung dieser Anforderungen umfassen bekannte autonome Rasenmäher
verschiedene Arten von Sensoreinheiten, die Zustände des
Arbeitsumfelds der Vorrichtung erfassen können. Die von
den Sensoreinheiten erfassten Zustände werden dann in Form
eines Ausgangssignals an eine Auswerteeinheit weitergeleitet, welche
die Ausgangssignale auswertet und basierend auf dem Auswertungsergebnis
Steuerbefehle generiert, um Komponenten des Rasenmähers
anzusteuern, wie beispielsweise eine Antriebseinheit des Rasenmähers,
um mit Hilfe einer Sensoreinheit detektierten Hindernissen auszuweichen.
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Beispielsweise
beschreibt die
DE
101 52 726 A1 einen autonomen Rasenmäher, bei
dem ein stromdurchflossener Einfassungsdraht zum Einsatz kommt,
der im Vorfeld um den zu mähenden Bereich gelegt oder wahlweise
vergraben wird. Der Rasenmäher verfügt über
eine oder mehrere Sensoreinheiten, die das Signal des stromdurchflossenen
Einfassungsdrahtes erfassen. Die erfassten Signale werden an eine
Auswerteeinheit weitergeleitet, die auf diesen basierend Steuerbefehle
für eine Antriebseinheit generiert, um sicherzustellen,
dass der Rasenmäher den durch den Einfassungsdraht definierten Arbeitsbereich
nicht verlässt.
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Wenngleich
die Verlegung des Einfassungsdrahtes eine sehr zuverlässige
Lösung zur Abgrenzung des Arbeitsbereiches darstellt, ist
diese jedoch mit einem hohen Installationsaufwand verbunden. Um
zu vermeiden, dass der Rasenmäher an vertikalen Grasnaben
abstürzt, muss der Draht lediglich in sicherem Abstand
von solchen Grasnaben verlegt werden. Hierbei lässt sich
jedoch nicht sicherstellen, dass ein sauberer Schnitt an der Außengrenze
des Arbeitsbereiches erfolgt. Entsprechend ist normalerweise eine
Nachbearbeitung entlang der Außengrenze des Arbeitsbereiches
beispielsweise unter Verwendung eines Rasentrimmers erforderlich.
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Ferner
sind autonome Rasenmäher verfügbar, die über
taktile Sensoreinheiten verfügen, die ein Hindernis darstellende
Objekte erst dann erkennen, wenn eine Kollision bereits aufgetreten
ist. Nach aufgetretener Kollision werden normalerweise entsprechende
Steuerbefehle generiert, welche die Antriebseinheit des Rasenmä hers
dazu veranlassen, einen anderen Pfad einzuschlagen. Ein Problem
bei der Verwendung solcher taktilen Sensoreinheiten besteht darin,
dass bei einer Kollision mit einem Gegenstand der Gegenstand und
auch der Rasenmäher selbst beschädigt werden können.
Zudem können taktile Sensoreinheiten ggf. flache Objekte,
wie beispielsweise eine Hand im Gras, nicht erkennen, so dass der
Rasenmäher diese einfach überfährt, wodurch
große Schäden angerichtet werden können.
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Die
DE 103 02 908 A1 beschreibt
einen autonomen Rasenmäher, der über eine Sensoreinheit verfügt,
welche die Laufzeit von Ultraschallwellen von einem Ultraschallsender
zu einem Ultraschallempfänger zur Bestimmung der Entfernung
einer schallreflektierenden Begrenzung eines Rasenareals oder möglicher
Hindernisse innerhalb des Rasenareals erfasst und in eine Auswerteeinheit
einließt. Diese Auswerteeinheit verarbeitet dann die entsprechenden
Daten und generiert basierend auf dem Auswertungsergebnis Steuerbefehle
für die Antriebseinheit des Rasenmähers, die diesen
dazu veranlassen, einen anderen Pfad einzuschlagen. Mit Hilfe dieser Sensoreinheit
lassen sich im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen taktilen Sensoreinheiten
Objekte vor einer drohenden Kollision detektieren. Nachteilig bei
diesen Sensoreinheiten ist jedoch, dass deren korrekte Funktion
erst ab einer Mindestentfernung funktioniert und dass Objekte am
Untergrund, wie beispielsweise eine Kinderhand im Gras oder dergleichen,
nicht sicher erkannt werden können.
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Gleiches
gilt im Wesentlichen auch für optische Sensoreinheiten,
die Licht aussenden und Hindernisse anhand von dem an einem Objekt
reflektiertem Anteil des ausgesendeten Lichts detektieren.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine autonom arbeitende Vorrichtung mit alternativem
Aufbau zu schaffen, welche die zuvor genannten Probleme zumindest
teilweise löst.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur
Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung
eine autonom arbeitende Vorrichtung, insbesondere einen autonomen
Rasenmäher, umfassend eine Antriebseinheit zum Bewegen
der Vorrichtung, zumindest eine Sensoreinheit und eine Auswerteinheit.
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Erfindungsgemäß ist
die zumindest eine Sensoreinheit derart ausgebildet und eingerichtet, dass
sie ein elektrisches Feld erzeugt, und dass Veränderung
dieses elektrischen Feldes, die durch Änderungen der Untergrundbeschaffenheit
und/oder durch in das elektrische Feld eintretende Objekte hervorgerufen
werden, erfasst und durch die Auswerteeinheit ausgewertet werden.
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Mit
anderen Worten wird erfindungsgemäß ein elektrisches
Feld generiert, das sich in die Umgebung der Vorrichtung erstreckt.
Objekte sowie Veränderungen am Untergrund, wie beispielsweise
eine abfallende Kante, verändern das elektrische Feld. Derartige
Veränderungen des elektrischen Feldes werden messtechnisch
erfasst, woraufhin auf Objekte oder Veränderungen am Untergrund
rückgeschlossen werden kann. Daraufhin können
entsprechende Maßnahmen getroffen werden. So können beispielsweise
Steuerbefehle generiert werden, welche die Antriebseinheit derart
ansteuern, das die Vorrichtung dem Hindernis ausweicht.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieser Detektionsmethode gegenüber
den eingangs genannten Schallsensoren und optischen Sensoren besteht
darin, dass sich Objekte und Veränderungen am Untergrund
nicht nur in einem Bereich um die Vorrichtung herum sondern auch
unterhalb der Vorrichtung erfassen lassen. Auf diese Weise lässt
sich das von der Vorrichtung ausgehende Gefahrenpotential weiter
reduzieren.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Detektionsmethode
besteht darin, dass die Erfassung von Objekten und Veränderungen
am Untergrund berührungslos erfolgt. Ferner ist die Sensoreinheit
mit dem zuvor beschriebenen Aufbau störungsunanfällig.
Zwar hängt der absolute Wert der durchgeführten
Messung im starken Maße von den Umgebungsbedingungen ab.
So beeinflusst etwa ein feuchter Rasen die Kapazität der
Anordnung. Da die Detektion jedoch auf Veränderungen des
elektrischen Feldes basiert, lassen sich die äußeren
Einflüsse sehr einfach kompensieren.
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Zudem
kann die erfindungsgemäße Sensoreinheit sehr preisgünstig
hergestellt werden. Es existieren keine Reflexionsprobleme und die
Sensoreinheit braucht keine beweglichen Bauteile zu beinhalten.
Entsprechend kann ein solider Aufbau realisiert werden.
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Schließlich
können mit der Sensoreinheit sowohl metallische als auch
nichtmetallische Objekte detektiert werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die zumindest eine
Sensoreinheit wenigstens eine Transmitter-Elektrode und wenigstens
eine Receiver-Elektrode auf, die ein voneinander verschiedenes Potential
aufweisen, wobei zur Erzeugung des elektrischen Feldes zwischen
den Elektroden an der wenigstens einen Transmitter-Elektrode eine
Wechselspannung angelegt wird. Zur Sicherstellung des Potentialunterschiedes
kann beispielsweise eine Operationsverstärkerschaltung vorgesehen
werden, die derart eingerichtet ist, dass sie die wenigstens eine
Receiver-Elektrode auf Nullpotential hält. Zur Erfassung
einer Änderung des elektrischen Feldes kann die Auswerteeinheit
beispielsweise den durch die wenigstens eine Receiver-Elektrode
fließenden Strom messen, wobei beim Auftreten einer Stromänderung
auf eine Änderung des elektrischen Feldes rückgeschlossen
werden kann.
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Bevorzugt
weist die wenigstens eine Sensoreinheit zumindest eine Abschirmung
auf, die derart ausgebildet ist und/oder derart mit einem Potential beaufschlagt
wird, dass sie Beeinflussungen des elektrischen Feldes durch andere
Komponenten der Vorrichtung verringert oder ganz eliminiert wird.
Auf diese Weise können Messfehler reduziert werden.
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Zudem
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt
mehrere Sensoreinheiten, die derart angeordnet sind, dass Bereiche
vor und/oder hinter und/oder neben und/oder unterhalb und/oder oberhalb
des Rasenmähers mit Hilfe der von diesen generierten elektrischen
Felder überwacht werden. Auf diese Weise lässt
sich eine Überwachung der Umgebung rund um den Rasenmäher
realisieren. Insbesondere eine Überwachung des Bereiches
unterhalb des Rasenmähers lässt sich mit den bislang bekannten
Sensoreinheiten von autonomen Vorrichtungen nicht realisieren.
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Die
Auswerteeinheit ist bevorzugt derart eingerichtet, dass basierend
auf von dieser erfassten Veränderungen eines von einer
Sensoreinheit erzeugten elektrischen Feldes Steuerbefehle zum Ansteuern
der Antriebseinheit generiert werden. Mit anderen Worten wird die
Antriebseinheit derart angesteuert, dass der Rasenmäher
Hindernissen, die durch die Sensoreinheit erfasst wurden, ausweicht.
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Zudem
ist die Auswerteeinheit bevorzugt derart eingerichtet, dass basierend
auf von dieser erfassten Veränderungen eines von einer
Sensoreinheit erzeugten elektrischen Feldes Steuerbefehle zum Ansteuern
wenigstens einer weiteren Einheit der Vorrichtung generiert werden.
Bei dieser weiteren Einheit kann es sich beispielsweise um einen
Motor handeln, der das Schneidblatt eines Rasenmähers antreibt.
Wird beispielsweise ein Objekt in unmittelbarer Umgebung des Rasenmähers
mit Hilfe der Sensoreinheit detektiert, dem der Rasenmäher
nicht mehr ausweichen kann, so kann beispielsweise die Drehzahl
des Motors verringert oder der Motor sofort ausgeschaltet werden.
Auf diese Weise kann beispielsweise eine Beschädigung eines
Objektes verhindert werden, wenn der Rasenmäher dieses überfährt.
Ebenso kann natürlich auch eine Beschädigung des
Schneidblattes bei einer Kollision mit einem harten Objekt verhindert
werden.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben. Darin
ist/sind:
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1a und 1b schematische
Ansichten, die das Funktionsprinzip einer Sensoreinheit gemäß der
vorliegenden Erfindung erläutern; und
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2 eine
schematische Ansicht, die einen autonomen Rasenmäher zeigt,
der über eine Vielzahl solcher Sensoreinheiten verfügt.
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Gleiche
Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleiche oder gleichartige
Bauteile.
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Die 1a und 1b sind
schematische Ansichten und zeigen das Grundprinzip einer Sensoreinheit 10 gemäß der
vorliegenden Erfindung. Wie es in 1a gezeigt
ist, umfasst die Sensoreinheit 10 eine Transmitter-Elektrode 12 und
eine Receiver-Elektrode 14, die ein voneinander verschiedenes Potential
aufweisen. Zur Aufrechterhaltung des Potentialunterschiedes zwischen
der Transmitter-Elektrode 12 und der Receiver-Elektrode 14 wird
die Receiver Elektrode 14 vorliegend durch eine nicht dargestellte
Operationsverstärkerschaltung auf Nullpotential gehalten
und stellt somit eine virtuelle Masse dar. An der Transmitter-Elektrode
wird mit Hilfe einer Wechselstromquelle 16 ein Wechselstrom
angelegt, so dass zwischen der Transmitter-Elektrode 12 und der
Receiver- Elektrode 14 ein elektrisches Feld erzeugt wird,
das in 1a durch Feldlinien 18 angedeutet
ist. Solange zwischen der Transmitter-Elektrode 12 und
der Receiver-Elektrode 14 ein ungestörtes elektrisches
Feld vorhanden ist, fließt an der Receiver-Elektrode 14 ein
Strom I, der durch eine Auswerteeinheit 20 erfasst wird.
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Tritt
nun in das elektrische Feld, wie es in 1b gezeigt
ist, ein Objekt 22 in das elektrische Feld ein, so wird
elektrische Ladung in Form des Stroms IG abgezogen,
so dass das elektrische Feld verzerrt bzw. verändert wird;
es entsteht ein sogenannter Nebenschluss. Der an der Receiver-Elektrode
gemessene Strom sinkt dabei auf IR, wobei
IR ungefähr I–IG entspricht. Diese Änderung des
Stroms an der Receiver-Elektrode 14 wird von der Auswerteeinheit 20 detektiert,
woraufhin diese darauf schließt, dass innerhalb des elektrischen
Feldes zwischen der Transmitter-Elektrode 12 und der Receiver-Elektrode 14 das
Objekt 22 vorhanden ist. Basierend hierauf generiert die
Auswerteeinheit 20 Steuerbefehle zum Ansteuern einer Antriebseinheit
des Rasenmähers, um ein Ausweichmanöver einzuleiten,
und/oder Steuersignale zum Ansteuern anderer Komponenten des Rasenmähers,
beispielsweise um den das Schneidmesser antreibende Motor anzuhalten.
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2 zeigt
einen autonomen Rasenmäher 30 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Rasenmäher
umfasst ein Gehäuse 32, an dem bewegliche Räder 34 angeordnet
sind, die mit Hilfe einer nicht dargestellten Antriebseinheit angetrieben
werden. An der Außenseite des Gehäuses 32 sind
mehrere Sensoreinheiten 10 vorgesehen, die nach dem unter
Bezugnahme auf die 1a und 1b erläuterten
Messprinzip arbeiten. Genauer gesagt erstreckt sich um den Umfang
des oberen Bereiches des Gehäuses 32 eine bandförmige Abschirmung 36a,
auf der nebeneinander eine Vielzahl von Receiver-Elektroden 14a angeordnet
ist. Die Abschirmung 36a dient dazu, die Sensoreinheiten 10 vor
Einflüssen weiteren Rasenmäherkomponenten abzuschirmen,
die im Innern des Gehäuses 32 angeordnet sind.
Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die von den Sensoreinheiten 10 erzeugten
elektrischen Felder durch elektrische Felder, die von anderen Rasenmäherkomponenten
generiert werden, beeinträchtigt werden. Oberhalb der nebeneinander
angeordneten Receiver-Elektroden 14a erstreckt sich in
Auswärtsrichtung eine drahtförmige Transmitter-Elektrode 12a um
den Umfang des oberen Bereiches des Gehäuses 32.
Diese drahtförmige Transmitter-Elektrode 12a ist
mit einer Wechselstromquelle 16 (in 2 nicht
gezeigt) verbunden, so dass zwischen der drahtförmigen
Transmitter-Elektrode 12a und den einzelnen Receiver-Elektroden 14a aufgrund
des Potentialunterschiedes, der zwischen den Elektroden vorliegt,
ein elektrisches Feld erzeugt wird, das sich ausgehend von dem Gehäuse 32 des
Rasenmähers 30 auswärts erstreckt.
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In ähnlicher
Weise ist an dem unteren Bereich des Gehäuses 32 des
Rasenmähers 30 eine bandförmige Abschirmung 36b vorgesehen,
auf der ebenfalls nebeneinander einzelne Receiver-Elektroden 14b angeordnet
sind, oberhalb derer sich eine drahtförmige Transmitter-Elektrode 12b erstreckt. Auch
hier wird durch Anlegen eines Wechselstroms an die drahtförmige
Transmitter-Elektrode 12b ein elektrisches Feld zwischen
der drahtförmigen Transmitter-Elektrode 12b und
den einzelnen Receiver-Elektroden 14b erzeugt, das sich
ausgehend von dem Gehäuse 32 des Rasenmähers 30 auswärts nach
unten erstreckt, so dass entsprechend der Untergrund abgetastet
wird.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass die Transmitter-Elektroden 12a und 12b auch
in anderer Anzahl und Form vorgesehen werden können. Beispielsweise
kann jeder Receiver-Elektrode 14a, 14b eine Transmitter-Elektrode
zugeordnet sein. Ferner kann die Transmitter-Elektrode auch mäanderförmig oder
in einer von einem Draht verschiedenen Form ausgebildet sein.
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Bei
dem Rasenmäher 30 mit dem zuvor beschriebenen
Aufbau können mit Hilfe der Sensoreinheiten 10,
die an dem Gehäuse 32 des Ra senmähers 30 angeordnet
sind, Objekte und Änderungen der Umgebung um den Rasenmäher 30 herum
und unterhalb des Rasenmähers 30 detektiert werden.
Wird beispielsweise von den vorderen Sensoreinheiten 10 im
unteren Bereich des Gehäuses 32 des Rasenmähers 30 eine Änderung
des Untergrundes in Form einer abfallenden Rasenkante 40 erfasst,
so generiert die Auswerteeinheit 20 zunächst einen
Steuerbefehl, der die Antriebseinheit des Rasenmähers 30 zunächst
derart ansteuert, dass die Geschwindigkeit des Rasenmähers 30 gedrosselt
wird. Entsprechend kann der Rasenmäher 30 langsam
an die Rasenkante 40 heranfahren. Wird durch die Auswerteeinheit 20 dann
detektiert, dass sich der Rasenmäher 30 in unmittelbarer
Nähe der Rasenkante 40 befindet, so wird ein Steuerbefehl
generiert, der die Antriebseinheit derart ansteuert, dass sich der
Rasenmäher 30 in entgegengesetzte Richtung bewegt
und sich somit von der Rasenkante 40 entfernt, um ein Abstürzen des
Rasenmähers 30 an der Rasenkante 40 zu
verhindern.
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Wenn
ein Hindernis in Form eines ortsfesten oder beweglichen durch eine
der Sensoreinheiten 10 im oberen oder unteren Bereich des
Gehäuses 32 des Rasenmähers 30 detektiert
wird, so werden Steuerbefehle generiert, welche die Antriebseinheit derart
ansteuern, dass der Rasenmäher 30 dem Hindernis
ausweicht. Ferner können die Sensoreinheiten 10 und
die Auswerteeinheit 20 derart eingerichtet sein, dass beispielsweise
der Motor, der das Schneidblatt des Rasenmähers 30 antreibt,
angehalten wird, sobald die Sensoreinheiten 10 im unteren Bereich
des Gehäuses 32 des Rasenmähers 30 ein Hindernis
detektieren. Auf diese Weise können Beschädigungen
des Schneidblattes oder des Objektes verhindert werden.
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Es
sollte klar sein, dass das unter Bezugnahme auf die Figuren erläuterte
Ausführungsbeispiel in keiner Weise einschränkend
ist. Vielmehr können Modifikationen und Änderungen
vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
zu verlassen, der durch die beiliegenden Ansprüche definiert
wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf autonom arbeitende
Vorrichtung im Allgemeinen und ist nicht auf autonome Rasenmäher beschränkt.
So kann die Erfindung auch bei autonomen Laubsammlern, Unkrautjätern,
Bewässerungsvorrichtungen, Staubsaugern und dergleichen
implementiert werden.
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Grundsätzlich
basiert die Erfindung auf der Erzeugung eines elektrischen Feldes,
wobei Veränderungen im Einzugsbereich des elektrischen
Feldes, wie beispielsweise Veränderungen, die durch Objekte,
Lebewesen oder Veränderungen am Untergrund hervorgerufen
werden, zu Verzerrungen des elektrischen Feldes führen,
die sich messtechnisch erfassen lassen.
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Durch
eine entsprechende Anordnung der Elektroden am Rasenmäher
ist es möglich, Veränderungen des elektrischen
Feldes nicht nur vor, hinter und neben sondern auch unter dem Rasenmäher
zu detektieren. Damit können beispielsweise vertikale Rasenkanten,
Treppenstufen oder Löcher im Rasen erfasst werden.
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Die
Erkennung erfolgt gemäß dem erfindungsgemäßen
Messprinzip berührungslos. Damit besteht die Möglichkeit
der Implementierung von Sicherheitsfunktionen, insbesondere die
Vermeidung von Verletzungen von Mensch und Tier. Des Weiteren lassen
sich Ausweichstrategien implementieren für den Fall, dass
sich der Rasenmäher auf Kollisionskurs mit stationären
oder mobilen Objekten befindet. Dies dient der Vorbeugung einer
Zerstörung des Rasenmähers sowie der Objekte.
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Der
absolute Wert der Messung hängt in starkem Maße
von den Umgebungsbedingungen ab, wie beispielsweise von der Witterung.
So beeinflusst etwa ein feuchter Rasen die Kapazität der
Anordnung. Da die Detektion aber auf Veränderungen des elektrischen
Feldes basiert, lassen sich die äußeren Einflüsse
sehr einfach kompensieren. Entsprechend funktioniert die Detektion
stets zuverlässig.
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Nicht
zuletzt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass sich die Sensoreinheit
sehr preisgünstig aufbauen lässt. Es existieren
keine Reflexionsprobleme, und der Sensor beinhaltet keine beweglichen
Bauteile.
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Schließlich
lassen sich mit der Anordnung metallische ebenso wie nichtmetallische
Objekte detektieren. Im Bezug auf die Anwendung zur Erkennung von
Lebewesen oder Gliedmaßen ist anzumerken, dass die Kleidung
das elektrische Feld nicht unterbindet und somit keine Einschränkung
darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10152726
A1 [0005]
- - DE 10302908 A1 [0008]