CN112543863A - 应变波齿轮系统及其传动元件、机械臂和测量扭矩的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明首先涉及一种应变波齿轮系统的弹性传动元件。所述应变波齿轮系统也称为谐波驱动装置。所述弹性传动元件也称为柔轮并且具有外齿(03)。所述弹性传动元件配备有用于测量所述弹性传动元件上的机械应变的至少一个应变计(04)。根据本发明，所述一个应变计(04)或多个应变计(04)至少作为整体围绕所述弹性传动元件的侧表面或轴向侧面的圆周延伸。本发明还涉及一种应变波齿轮系统和机械臂，以及用于测量根据本发明的弹性传动元件上的扭矩的方法。

Description

应变波齿轮系统及其传动元件、机械臂和测量扭矩的方法
技术领域
本发明首先涉及一种应变波齿轮系统的弹性传动元件。这种应变波齿轮系统也称为谐波驱动装置或谐波齿轮装置。该弹性传动元件也称为柔轮并且具有外齿。该弹性传动元件还具有至少一个用于测量弹性传动元件的机械应变的应变计。本发明还涉及一种应变波齿轮系统和机械臂，以及用于测量根据本发明的弹性传动元件上的扭矩的方法。
背景技术
Hashimoto,M.等人的文章“A joint torque sensing technique for robotswith harmonic drives”(Proceedings of IEEE International Conference onRobotics and Automation，第2期，第1034-1039页，1991年4月)描述了一种用于测量应变波齿轮系统中扭矩的方法。布置在应变波齿轮系统的弹性传动元件上的扩张测量带用于测量。
Taghirad,Hamid D.等人的文章“Intelligent built-in torque sensor forharmonic drive systems”(Proceedings of IEEE Instrumentation and MeasurementTechnology Conference Sensing,Processing,Networking，1997年5月)以及Taghirad,Hamid D.的论文“Robust torque control of harmonic drive systems”(Department ofElectrical Engineering,McGill University,Montreal，1997年)示出了一种用于测量应变波齿轮系统扭矩的扭矩传感器。卡尔曼滤波器用于消除高频测量信号分量。
DE 10 2004 041 394 A1公开了一种具有扭矩检测机构的波齿轮装置，该波齿轮装置在柔性外齿轮上包括具有电阻丝区域的多个应变计，所述应变计经由导线电连接。
JP 2000320622 A公开了一种具有扭矩传感器机构的波齿轮，该波齿轮在柔性外齿轮上包括应变计，所述应变计经由导线电连接。
US 2004/0079174 A1教导了一种用于波齿轮的扭矩检测装置，所述扭矩检测设备包括具有应变计图案的应变计单元。该应变计图案包括弧形检测段A和B以及三个用于外部布线的端子部分，其中一个端子部分形成在检测段之间，其余端子部分形成在检测段的相对端。
JP 2016-045055 A公开了一种具有应变计的惠斯通桥在波齿轮的旋转轴上的用途。
US 6,840,118 B2公开了一种用于测量在波齿轮装置中传递的扭矩的扭矩测量方法。在该波齿轮装置中，柔性的圆形外齿轮与刚性内齿轮部分地啮合。多个应变传感器组附接到柔性外齿轮的表面。
CN 105698992 A涉及一种具有内置扭矩传感器的高精度波齿轮。该扭矩传感器尤其包括惠斯通半桥。
RU 2 615 719 C1教导了一种被设计成测量扭矩的波齿轮。
WO 2010/142318 A1公开了一种用于测量波齿轮中的扭矩的装置。该装置包括用于测量具有内齿的外环与壳体之间的力的至少一个传感器。
JP 6320885 B2描述了一种扭矩检测元件，该扭矩检测元件包括形成惠斯通桥的多个应变计。这些应变计以图案状金属膜的形式布置在柔性膜状绝缘体的表面上。
从现有技术已知的用于测量应变波齿轮系统扭矩的解决方案导致扭矩信号，该扭矩信号取决于波发生器的旋转位置并且受波发生器的旋转位置干扰。波发生器相对于弹性传动元件旋转并使弹性传动元件部分地扩张，因此叠加了由扭矩引起的剪切应变。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的包括能够测量应变波齿轮系统中与波发生器旋转位置无关的机械应变。
所述目的通过根据所附权利要求1的弹性传动元件来实现。所述目的进一步通过根据所附独立权利要求8的应变波齿轮系统、通过根据所附独立权利要求9的机械臂以及通过根据所附独立权利要求10的方法来实现。
根据本发明的弹性传动元件形成应变波齿轮系统的扭矩传递部件。所述应变波齿轮系统也可以称为谐波驱动装置或谐波齿轮装置。弹性传动元件也可以称为柔轮并且优选地由凸缘衬套形成。弹性传动元件优选地被设计成导出将由应变波齿轮系统传递的扭矩。
弹性传动元件具有外齿，该外齿被设计成与应变波齿轮系统的刚性外环的内齿接合。外齿和内齿的齿数不同，优选为相差两个。
弹性传动元件配备有至少一个应变计并且用于测量弹性传动元件的机械应变。所述至少一个应变计优选地用于测量作用在弹性传动元件上的扭矩。
根据本发明，一个应变计或多个应变计至少作为整体在弹性传动元件的圆周上延伸。圆周可以是轴向布置的内圆周或轴向侧向布置的圆周。圆周可以布置在弹性传动元件的外侧表面或内侧表面上或轴向侧面上。圆周包围弹性传动元件的至少一个径向内部。圆周优选地包围中空弹性传动元件的至少一个径向内腔。所述一个应变计或多个应变计至少作为整体完全围绕弹性传动元件的该圆周并在该圆周上延伸。因此，所述一个应变计或多个应变计至少作为整体包围弹性传动元件的轴线，弹性传动元件沿该轴线传递扭矩。所述一个应变计或多个应变计优选地至少作为整体沿着同心且垂直于弹性传动元件的轴线布置的圆延伸。优选地，所述一个应变计或多个应变计至少作为整体以在弹性传动元件的圆周上闭合的方式延伸，其中在应变计之间仅保留技术上不可避免的间隙。优选地，围绕弹性传动元件的圆周延伸的应变计具有相同的轴向位置。
根据本发明的所述传动元件的一个特别优点在于，通过至少一个应变计的可轻易实现的改进布置消除了由应变波齿轮系统的旋转波发生器引起的干扰激励。如果在弹性传动元件的圆周上检测到上述干扰激励，则结果是产生扰动激励的波状轮廓。根据本发明，在弹性传动元件的整个圆周上整合了至少一个应变计的扩展件，从而消除了所述干扰激励。这种整合可以在弹性传动元件的圆柱区域上周向发生和/或在环形凸缘区域上周向进行。根据本发明，单个应变计或多个应变计作为整体输出信号，该信号对应于圆周上扩展件的积分值或平均值。然后，该信号与旋转波发生器的旋转位置无关，因此不受其干扰。
在根据本发明的弹性传动元件的优选实施例中，所述至少一个应变计形成扭矩传感器的部件。所述扭矩传感器用于测量作用在弹性传动元件上的扭矩。所述至少一个应变计经由电连接件连接到扭矩传感器的测量信号处理单元。测量信号处理单元优选地包括测量信号放大器、测量信号相加单元、测量信号逆变器、模拟滤波器、数字滤波器、AD转换器、微处理器和数据存储器。
在根据本发明的弹性传动元件的优选实施例中，多个应变计布置在弹性传动元件上并且作为整体围绕弹性传动元件的圆周延伸。所述多个应变计作为整体完全包围弹性传动元件的该圆周。
弹性传动元件优选地包括中空圆柱部和在轴向方向上邻接该中空圆柱部的环形或盘形部。所述中空圆柱部优选地具有衬套的形状。所述中空圆柱部上形成有外齿。环形部优选地具有套环或凸缘的形状。因此，弹性传动元件具有凸缘衬套的形状。环形部用于将轴联接到传动元件，以便将扭矩传递到轴。中空圆柱部和环形或盘形部具有共同的轴线。
如果一个应变计或多个应变计布置在弹性传动元件的中空圆柱部上包括侧表面的圆周上，则优选地，所述一个应变计或多个应变计作为整体具有圆柱壳的形状。如果一个应变计或多个应变计布置在弹性传动元件的环形或盘形部上形成轴向侧面的侧向圆周上，则优选地，所述一个应变计或多个应变计作为整体具有圆环的形状。
在根据本发明的弹性传动元件的优选实施例中，至少一个应变计分别在弹性传动元件的至少两个圆周上延伸。因此，至少两个圆周测量是可能的。在该实施例中，所述多个应变计的第一子集围绕弹性传动元件的圆周延伸，并且多个应变计的第二子集围绕弹性传动元件的圆周延伸。多个应变计的第一子集和第二子集可以分别在弹性传动元件的中空圆柱部或环形部上延伸，或其可共同在弹性传动元件的中空圆柱部或环形部上延伸。因此，多个应变计的第一子集和第二子集分别具有圆柱壳或圆环的形状。圆柱壳或圆环的形状优选地同轴或同心布置。
在根据本发明的弹性传动元件(包括围绕弹性传动元件的圆周延伸的多个应变计)的实施例中，所述应变计优选地围绕弹性传动元件的圆周均匀地分布。因此，所述应变计相对于弹性传动元件的轴线具有相同的中心角。
围绕弹性传动元件的圆周延伸的多个应变计的数量优选地为四个或四个的倍数。因此，应变计的中心角为90°或360°/(4·n)。
优选地，围绕弹性传动元件的圆周延伸的多个应变计形成惠斯通桥。为此，应变计相应地电连接，其中连接件可以被配置为全桥或半桥。四个应变计或应变计中的四个应变计优选地作为惠斯通桥连接。
另选地，围绕弹性传动元件的圆周延伸的多个应变计的数量优选地为两个或两个的倍数。两个应变计或应变计中的两个应变计优选地以惠斯通半桥的方式连接。
根据本发明的应变波齿轮系统具有波发生器，所述波发生器包括椭圆盘并且优选地包括可变形滚道。优选地，椭圆盘由钢制成且形成用于应变波齿轮系统的驱动装置。应变波齿轮系统还包括具有内齿的刚性外环。外环优选地被设计为中空圆柱并且也称为圆轮。所述应变波齿轮系统还包括根据本发明的弹性传动元件。所述应变波齿轮系统优选地包括所描述的根据本发明的弹性传动元件的优选实施例中的一个实施例。另外，应变波齿轮系统优选地还具有结合根据本发明的传动元件描述的特征部。
根据本发明的机械臂包括至少一个可驱动臂元件，该可驱动臂元件经由根据本发明的应变波齿轮系统联接。至少一个可驱动臂元件优选地经由所描述的根据本发明的应变波齿轮系统的优选实施例中的一个实施例联接。
根据本发明的方法用于测量应变波齿轮系统的根据本发明的弹性传动元件上的扭矩。根据本发明的方法尤其用于测量根据本发明的弹性传动元件的一个实施例上的扭矩，其中所述多个应变计作为整体围绕弹性传动元件的圆周延伸。每一个应变计处分接一个信号。根据本发明，形成这些信号的线性组合以便消除由应变波齿轮系统的旋转波发生器引起的干扰激励。优选地，所述信号的线性组合由信号之和构成。所述信号的线性组合与扭矩成比例。
优选地，该方法还被设计成基于来自各个应变计的信号来确定波发生器的旋转位置。所确定的旋转位置优选地用于校正尤其是由部件公差引起的干扰。另外，优选地基于所确定的旋转位置来确定波发生器的旋转速度。上述方式是有利的，因为来自应变计的信号取决于波发生器的旋转速度，尤其是当波发生器以高速旋转时。
附图说明
本发明的其他细节、优点和发展从下文参照附图对本发明的优选实施例的描述中得出。在附图中：
图1示出了根据本发明的弹性传动元件的第一优选实施例；
图2示出了图1所示的应变计的连接件的电路图；
图3示出了图1所示的应变计的另选连接件的电路图；
图4示出了根据本发明的弹性传动元件的第二优选实施例；
图5示出了根据本发明的弹性传动元件的第三优选实施例；
图6示出了根据本发明的弹性传动元件的第四优选实施例；
图7示出了根据本发明的弹性传动元件的第五优选实施例。
具体实施方式
图1示出了应变波齿轮系统的根据本发明的弹性传动元件的第一优选实施例。弹性传动元件(也称为柔轮)具有凸缘衬套的形状，使得其具有衬套形部分01和邻接的环形或凸缘状部分02。外齿03(图6所示)形成在衬套形部分01上，该外齿与应变波齿轮系统的外环的内齿(未示出)接合。
在该第一实施例中，四个应变计04布置在弹性传动元件的环形部分02上，其一起围绕弹性传动元件沿圆周完全延伸。四个应变计04在弹性传动元件的轴向侧面上形成封闭的圆周。在该第一实施例中，由于四个应变计04侧向布置在弹性传动元件的环形部分02上，所以其共同具有圆环的形状，其中四个应变计04中的每一个应变计都具有圆环段的形状。
四个应变计04中的第一应变计11、四个应变计04中的第二应变计12、四个应变计04中的第三应变计13以及四个应变计04中的第四应变计14各自具有90°的中心角，因为四个应变计04被布置成周向均匀地分布在弹性传动元件的环形部分02上。
图2和图3所示为四个应变计04可能的电气连接。
图2示出了图1所示的应变计04即11、12、13、14的连接件的电路图。四个应变计04即11、12、13、14以惠斯通桥的方式、尤其以全桥线的方式连接。
图3示出了图1所示的应变计04即11、12、13、14的另选连接件的电路图。四个应变计04即11、12、13、14以惠斯通桥的方式、尤其作为全桥交叉连接。
另选地，四个应变计04即11、12、13、14可以惠斯通桥的方式在半桥电路中互连，其中第一应变计11和第二应变计12形成第一半桥，第三应变计13和第四应变计14形成第二半桥。
图4示出了根据本发明的弹性传动元件的第二优选实施例。该第二优选实施例基本上与图1所示的第一实施例相同，不同之处在于应变计04为八个而不是四个。八个应变计04完全围绕弹性传动元件的圆周一起延伸。
除了第一应变计11、第二应变计12、第三应变计13和第四应变计14之外，八个应变计04还包括第五应变计15、第六应变计16、第七应变计17和第八应变计18。
八个应变计04即11、12、13、14、15、16、17、18优选地以惠斯通桥的方式在半桥电路中互连，其中第一应变计11和第二应变计12形成第一半桥，第三应变计13和第四应变计14形成第二半桥，第五应变计15和第六应变计16形成第三半桥，第七应变计17和第八应变计18形成第四半桥。
图5示出了根据本发明的弹性传动元件的第三优选实施例。该第三优选实施例基本上与图4所示的第二实施例相同，不同之处在于其也包括八个应变计04。另外，八个应变计04也一起围绕弹性传动元件的整个圆周延伸并共同具有圆环的形状，该圆环大于由前八个应变计04即11、12、13、14、15、16、17、18形成的圆环，其中两个圆环同心布置且位于同一轴向位置。
除了第一应变计11、第二应变计12、第三应变计13、第四应变计14、第五应变计15、第六应变计16、第七应变计17和第八应变计18之外，两倍八个应变计04还包括第九应变计19、第十应变计20、第十一应变计21、第十二应变计22、第十三应变计23、第十四应变计24、第十五应变计25和第十六应变计26。
两倍八个应变计04允许进行冗余测量。
图6示出了根据本发明的弹性传动元件的第四优选实施例。该第四优选实施例基本上与图1所示的第一实施例相同，不同之处在于四个应变计04布置在弹性传动元件的衬套形部分01上。因此，四个应变计04共同具有圆柱壳的形状。
图7示出了根据本发明的弹性传动元件的第五优选实施例。该第五优选实施例基本上与图4所示的第二实施例相同，不同之处在于其在弹性传动元件的衬套形部分01上具有四个另外的应变计04即19、20、22，如同图6所示的第四实施例所述。因此，所示的第五实施例在弹性传动元件的衬套形部分01上和在弹性传动元件的环形部分02上分别包括应变计04，所述应变计共同沿周向完全延伸。
附图标记说明
01 衬套形部分
02 环形部分
03 外齿
04 应变计
05-
06-
07-
08-
09-
10-
11 第一应变计
12 第二应变计
13 第三应变计
14 第四应变计
15 第五应变计
16 第六应变计
17 第七应变计
18 第八应变计
19 第九应变计
20 第十应变计
21 第十一应变计
22 第十二应变计
23 第十三应变计
24 第十四应变计
25 第十五应变计
26 第十六应变计

Claims (10)

1.一种应变波齿轮系统的弹性传动元件，其中外齿(03)形成在所述弹性传动元件上，并且其中用于测量所述弹性传动元件的机械应变的至少一个应变计(04)布置在所述弹性传动元件上，其特征在于，所述一个应变计(04)或多个应变计(04)至少作为整体围绕所述弹性传动元件的侧表面或轴向侧面上的圆周延伸。
2.根据权利要求1所述的弹性传动元件，其特征在于，其包括中空圆柱部(01)和在所述轴向方向上邻接所述中空圆柱部(01)的环形部(02)。
3.根据权利要求1或2所述的弹性传动元件，其特征在于，所述一个应变计(04)或所述多个应变计(04)作为整体具有圆环或圆柱壳的形状。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的弹性传动元件，其特征在于，所述多个应变计(04)的第一子集(11、12、13、14、15、16、17、18)围绕所述弹性传动元件的圆周延伸，并且所述多个应变计(04)的第二子集(19、20、21、22、23、24、25、26)围绕所述弹性传动元件的圆周延伸。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的弹性传动元件，其特征在于，围绕所述弹性传动元件的所述圆周延伸的所述多个应变计(04)的数量为四个或四个的倍数。
6.根据权利要求5所述的弹性传动元件，其特征在于，所述应变计(11、12、13、14；15、16、17、18；19、20、21、22；23、24、25、26)形成惠斯通桥。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的弹性传动元件，其特征在于，围绕所述弹性传动元件的所述圆周延伸的所述多个应变计(04)的数量为两个，其中所述两个应变计(04)形成惠斯通半桥。
8.一种应变波齿轮系统，其具有：带椭圆盘的波发生器，具有内齿的刚性外环，以及根据权利要求1至7中任一项所述的弹性传动元件。
9.一种机械臂，其具有至少一个可驱动臂元件，所述可驱动臂元件经由根据权利要求8所述的应变波齿轮系统联接。
10.一种用于测量根据权利要求1至7中任一项所述的弹性传动元件上的扭矩的方法，其中形成了在所述弹性传动元件的所述圆周上延伸的所述多个应变计(04)的信号的线性组合。
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