CN114829894A - 用于检查至少三个应变计的组件的方法和应力波传动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检查至少三个应变计的组件的方法。包括至少三个应变计的组件附接至应力波传动装置的弹性传输元件并且被设计成测量作用在弹性传输元件上的扭矩。这种类型的应力波传动装置也被称为谐波传动装置或谐波驱动装置。在该方法的一个步骤中，首先测量各个应变计的输出信号。然后，根据其他应变计的测量到的输出信号来预测应变计中的至少一个应变计的输出信号。根据本发明，如果预测到的输出信号中的至少一个输出信号与相应的测量到的输出信号偏离超过预定公差，则输出错误消息。本发明还涉及一种应力波传动装置。
Description
技术领域
本发明涉及用于检查至少三个应变计的组件的方法。包括应变计的组件附接至应力波传动装置的弹性传输元件并且被设计成测量作用在弹性传输元件上的扭矩。这种类型的应力波传动装置也被称为谐波传动装置或谐波驱动装置。弹性传输元件也被称为柔性齿条并且具有外齿。应变计安置在弹性传输元件上，以便能够测量弹性传输元件的机械应力，并且能够根据该机械应力来确定作用在弹性传输元件上的扭矩。本发明还涉及一种应力波传动装置。
背景技术
Hashimoto,M.等人的在Proceedings of IEEE International Conference onRobotics and Automation，1991年4月，第2期，1034-1039页中的文章“A joint torquesensing technique for robots with harmonic drives”以及Hashimoto,M.；Kiyosawa,Y.和Paul,R.P.的在IEEE Transactions on Robotics and Automation，1993年，第9期，第1卷，108-116页中的文章“A Torque Sensing Technique for Robots with HarmonicDrives”中描述了一种用于测量应力波传动装置中的扭矩的方法。布置在应力波传动装置的弹性传输元件上的应变计被用于进行测量。
Hashimoto,M.等人的在IEEE Transactions on Robotics and Automation，1993年，第9期，第1卷，108-116页，中的另一文章“Experimental study on torque controlusing harmonic drive built-in torque sensors”以及Hashimoto,M.；Shimono,T.；Koreyeda,K.等人的在IEEE International Conference on Robotics and Automation，1992年，Nice，2026-2031页中的另一文章“Experimental Study on Torque ControlUsing Harmonic Drive Built-in Torque Sensors”中描述了一种用于测量应力波传动装置中的扭矩的方法，在该方法中，借助于所实施的向前补偿来减少干扰扭矩。
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带电阻丝区域的多个应变计，所述多个应变计经由导线进行电连接。
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，该应变计经由导线进行电连接。
US 2004/0079174 A1教示了一种用于波齿轮的扭矩检测装置，该扭矩检测装置包括带应变计图案的应变计单元。应变计图案包括弧形形状的检测区段A和B以及用于外部布线的三个端子部分，三个端子部分中的一个端子部分形成在检测区段之间，并且三个端子部分中的其他端子部分形成在检测区段的相反端部处。
JP2016-045055 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输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的内齿轮部分地啮合。柔性外齿轮的表面附接有多个应变传感器组。
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教示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。该装置包括至少一个传感器，所述至少一个传感器用于测量具有内齿的外环与壳体之间的力。
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件的表面上。
在现有技术中，使用下述预测模型：这些预测模型基于来自应变计的应变值来确定应力波传动装置的输出扭矩。然而，在此未考虑应变计中的缺陷，该缺陷又可能导致不正确且无效的值。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于，能够以较小的努力来检测位于应力波传动装置的弹性传输元件上的多个应变计中的一个应变计中的缺陷。
所述目的通过根据所附权利要求1的方法并且通过根据所附独立权利要求8的应力波传动装置来实现。
根据本发明的方法是检查至少三个应变计的组件。包括应变计的组件应用于应力波传动装置的弹性传输元件。该弹性传输元件形成应力波传动装置的扭矩传输部件。应力波传动装置也可以被称为谐波驱动装置或谐波传动装置。弹性传输元件也可以被称为柔性齿条并且优选地由带凸缘的衬套形成。弹性传输元件优选地被设计成得出待由应力波传动装置传输的扭矩。
弹性传输元件优选地具有外齿，该外齿被设计成与应力波传动装置的刚性外环的内齿接合。外齿和内齿在其齿数目方面不同——例如在齿数目方面相差两个。根据本发明的应力波传动装置优选地具有波发生器，该波发生器包括椭圆盘并且优选地包括可变形滚道。优选地，椭圆盘由钢制成并且优选地形成用于应力波传动装置的驱动装置。
应用于弹性传输元件的至少三个应变计的组件被设计成测量弹性传输元件的机械应力。这种应变计的组件还被设计成使得该组件对作用在应力波传动装置的弹性传输元件上的扭矩进行检测。
根据本发明的方法包括若干个步骤。首先，测量各个应变计的输出信号。特别地，可以将输出信号测量为相应的应变计处的电阻变化或电压变化。输出信号优选地被同时测量，或者优选地至少在作用于弹性传输元件上的扭矩不会变化的一段时间内进行测量。然后，根据其他应变计的测量到的输出信号来预测应变计中的至少一个应变计的输出信号。因此，应变计中的至少一个应变计的输出信号既被测量又被预测。然而，其余应变计的测量到的输出信号被用于预测。
如果预测到的输出信号或预测到的输出信号中的至少一个输出信号与相应的测量到的输出信号偏离超过预定公差，则这种偏离在包括多个应变计的组件中被认为是错误，并且输出错误消息。
根据本发明的方法的特别的优点在于，在包括至少三个应变计的组件中不需要其他的传感器来进行错误监测。在这种意义上来说，进行该组件的自我检查。特别地，例如如果这些应变计中的一个应变计发生破损，则该应变计的失效可以被检测出。根据本发明，这种检查利用组件的其他应变计来执行。
该组件优选地包括所述应变计中的至少四个应变计。该组件更优选地包括所述应变计中的四的倍数个应变计。这些应变计布置在弹性传输元件上。四个应变计优选地通过对应的电互连来形成惠斯通桥，其中，还可以以半桥或全桥的形式来进行互连。
在根据本发明的方法的优选实施方式中，根据其他应变计的测量到的输出信号来预测所有的应变计的输出信号。因此，针对应变计中的每个应变计，预测并且还测量每个应变计的输出信号。因此，为应变计中的每个应变计提供测量到的输出信号和预测到的输出信号。预测的数目与布置在弹性传输元件上的应变计的数目N对应。
在根据本发明的方法的优选实施方式中，应变计的输出信号相应地根据所有的其他应变计的测量到的输出信号来预测。因此，预测中的每个预测基于N-1个测量到的输出。
在根据本发明的方法的优选实施方式中，公差根据弹性传输元件的旋转速度来选择。作用在弹性传输元件上的扭矩具有波动或脉动，该波动或脉动取决于弹性传输元件的旋转速度。因此，公差的水平优选地根据弹性传输元件的旋转速度来选择。公差还优选地通过校准来确定。
除了检查应变计以外，该方法特别优选地被设计成对作用在弹性传输元件上的扭矩进行测量。为此，假设所有的预测到的输出信号与相应的测量到的输出信号偏离不超过预定的公差，即除非预测到的输出信号中的至少一个输出信号与相应的测量到的输出信号偏离超过预定的公差，即除非发布错误消息，则作用在弹性传输元件上的扭矩根据各个应变计的测量到的输出信号来确定或预测。在这方面，应变计用于这些应变计的原始功能。
优选地通过检查条件不等式来检查下述规定条件：所有的预测到的输出信号与相应的测量到的输出信号偏离不超过预定公差，或者预测到的输出信号中的至少一个输出信号与相应的测量到的输出信号偏离不超过预定公差。一方面，条件不等式包括待检查的关于下述的不等式：相应的应变计的预测到的输出信号与预定公差之间的差异是否小于相应的应变计的测量到的输出信号。另一方面，条件不等式包括待检查的关于下述的不等式：相应的应变计的测量到的输出信号是否小于相应的应变计的预测到的输出信号与预定公差之和。
条件不等式优选地利用微控制器来检查。
基于数学预测模型的算法优选地用于根据其余应变计的测量到的输出信号来预测相应的应变计的输出信号，并且优选地还用于确定作用在弹性传输元件上的扭矩。数学预测模型特别优选地通过有限元分析或通过机器学习方法来确定。机器学习方法优选地由深度学习形成、由随机森林形成并且/或者由支持向量机形成。在使用用于预测输出信号的算法或多个算法并且如果适用的话使用用于确定扭矩的算法之前，优选地使用多个训练数据对每个算法进行训练。
根据本发明的应力波传动装置具有弹性传输元件。在弹性传输元件上布置有至少三个应变计的组件。包括至少三个应变计的组件被设计成测量作用在弹性传输元件上的扭矩。应力波传动装置还包括测量信号处理单元，该测量信号处理单元配置成执行根据本发明的方法。该测量信号处理单元优选地配置成执行根据本发明的方法的上述优选实施方式中的一个优选实施方式。另外，应力波传动装置优选地还具有已经结合根据本发明的方法所描述的特征。
应变计优选地至少以其整体沿着弹性传输元件的圆周延伸。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输元件的外侧向表面或内侧向表面上或者布置在轴向侧向面上。圆周围绕弹性传输元件的至少一个径向内部部分。应变计优选地至少以其整体完全地围绕弹性传输元件的圆周延伸或者完全地在弹性传输元件的圆周上延伸。因此，应变计至少以其整体围绕弹性传输元件的轴线，弹性传输元件沿该轴线传输扭矩。
优选地，应变计各自作为涂层直接地形成在弹性传输元件的金属表面上。涂层牢固地施用于金属表面。因此，应变计在没有中间层、特别地没有粘合剂的情况下各自布置且紧固在弹性传输元件的金属表面上。在应变计与弹性传输元件的金属表面之间存在直接结合。应变计的应变敏感材料直接布置在弹性传输元件的金属表面上。应变敏感材料在弹性传输元件的金属表面上形成直接涂层。
根据本发明的应力波传动装置优选地被设计成驱动机械臂的臂元件。在这方面，应力波传动装置形成机械臂的部件。臂元件经由根据本发明的应力波传动装置进行联接。然而，根据本发明的应力波传动装置还可以被设计成用于机器人以外的应用。
附图说明
从下面参照附图对优选实施方式的描述中，本发明的其他优点、细节和进一步改进将变得明显。在附图中：
图1示出了根据本发明的方法的优选实施方式的流程图；
图2详细示出了图1中所示的方法的两个步骤；以及
图3示出了在图1中所示的方法中使用的条件不等式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的方法的优选实施方式的流程图，该流程图用于检查至少三个应变计的组件(未示出)。该组件优选地包括这些应变计中的四个应变计。包括四个应变计的该组件应用于应力波传动装置(未示出)的弹性传输元件(未示出)。该方法的这种实施方式还允许测量作用在弹性传输元件(未示出)上的扭矩。这种测量形成了包括四个应变计的组件的原始功能。
在第一步骤中，检测所有四个应变计(未示出)的输出信号。为此，来自应变计(未示出)的输出电压使用A/D转换器(未示出)进行转换并且使用微控制器进行处理。在下一步骤中，根据所有四个测量到的输出信号(在图2中详细示出)来确定作用在弹性传输元件(未示出)上的扭矩。在另一步骤中，根据其他三个应变计(未示出)的测量到的输出信号来预测各个应变计(未示出)的输出信号(在图2中详细示出)，使得测量到的输出信号和预测到的输出信号对于应变计来说是可用的。在下一步骤中，检查四个测量到的输出信号各自是否在围绕对应的预测到的输出信号的公差范围内(在图3中详细示出)。如果不是这种情况，则在应变计(未示出)中存在错误，并且将状态字节设定为错误标识符，该错误标识符例如为0xFF。该错误将通常是四个应变计(未示出)中的一个应变计中的失效或缺陷。如果四个测量到的输出信号各自在围绕对应的预测到的输出信号的公差范围内，则在应变计(未示出)中不存在错误，使得先前确定的扭矩值被输出并被使用，并且使得状态字节被设定为OK标识符，该OK标识符例如为0x00。然后重复该方法。
图2详细示出了图1中所示的方法的两个步骤。首先，示出了如何根据四个测量到的输出信号K0、K1、K2、K3来确定作用在弹性传输元件(未示出)上的扭矩Mt。为此，使用基于数学预测模型的算法，该数学预测模型例如通过有限元分析或机器学习方法来确定。在机器学习的情况下，在使用算法之前，使用多个训练数据对算法进行训练。使用所有的测量到的输出信号来确定扭矩。还示出了如何根据四个测量到的输出信号K0、K1、K2、K3来确定输出信号的预测值Pk0、Pk1、Pk2、Pk3。为此，在每种情况下，又使用基于数学预测模型的算法，该数学预测模型例如通过有限元分析或机器学习方法来确定。在机器学习的情况下，在使用算法之前，使用多个训练数据对每个算法进行训练。四个应变计(未示出)的输出信号的四个预测值Pk0、Pk1、Pk2、Pk3是根据其他三个应变计(未示出)的测量到的输出信号K0、K1、K2、K3来确定的。
图3示出了下述条件不等式：该条件不等式应用于图1中所示的方法中，以便决定四个测量到的输出信号K0、K1、K2、K3各自是否在围绕对应的预测到的输出信号Pk0、Pk1、Pk2、Pk3的公差范围内。针对四个应变计(未示出)中的每个应变计，检查每个应变计的测量到的输出值K0、K1、K2、K3是否在围绕对应的预测到的输出信号的值Pk0、Pk1、Pk2、Pk3的公差范围内。为此，预先限定公差值T，使得公差范围为±T。仅在四个应变计(未示出)中的每个应变计都满足不等式时，才能得出包括这些应变计的组件(未示出)处于无故障状态的结论。
Claims (10)
1.一种用于检查至少三个应变计的组件的方法，包括至少三个所述应变计的所述组件附接至应力波传动装置的弹性传输元件并被设计成测量作用在所述弹性传输元件上的扭矩，并且所述方法包括以下步骤：
-测量来自各个应变计的输出信号；
-根据其他应变计的测量到的输出信号来预测来自所述应变计中的至少一个应变计的输出信号；以及
-如果预测到的输出信号中的至少一个输出信号与相应的测量到的输出信号偏离超过预定公差，则输出错误消息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组件包括所述应变计中的至少四个应变计。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所有的所述应变计的输出信号根据其他应变计的输出信号来预测。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述应变计的所述输出信号相应地根据所有的其他应变计的测量到的输出信号来预测。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其特征在于，所述预定公差根据所述弹性传输元件的旋转速度来选择。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还被设计成测量作用在所述弹性传输元件上的所述扭矩，为此，所述方法包括以下另一步骤：
-如果所有的预测到的输出信号与所述相应的测量到的输出信号偏离不超过所述预定公差，则根据各个应变计的输出信号来确定作用在所述弹性传输元件上的所述扭矩。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其特征在于，使用基于数学预测模型的算法以用于根据其余的应变计的测量到的输出信号来预测相应的应变计的输出信号，其中，所述数学预测模型通过有限元分析或通过机器学习方法来确定。
8.一种应力波传动装置，所述应力波传动装置具有弹性传输元件并且具有至少三个应变计的组件，所述组件应用于所述弹性传输元件并且被设计成测量作用在所述弹性传输元件的扭矩，其中，所述应力波传动装置还包括测量信号处理单元，所述测量信号处理单元配置成执行根据权利要求1至7中的任一项的方法。
9.根据权利要求8的所述的应力波传动装置，其特征在于，所述应变计至少以所述应变计的整体围绕所述弹性传输元件的侧向表面或轴向侧表面上的圆周延伸。
10.根据权利要求8或9所述的应力波传动装置，其特征在于，所述应变计各自作为涂层直接形成在所述弹性传输元件的金属表面上。
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