DE10013059C2 - Kraft-Momenten-Sensor - Google Patents
Kraft-Momenten-SensorInfo
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- G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
- G01L5/1627—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges
Abstract
Ein annähernd kreisringförmiger Aufnahmeteil (1) eines Kraft-Momenten-Sensors weist jeweils mindestens drei entlang des Umfangsbereichs des Aufnahmeteils ausgebildete biegesteife Abschnitte (10 bis 12), dazwischen ausgebildete biegsame Abschnitte (13 bis 15) und jeweils von den biegsamen Abschnitten ausgehende Verbindungsstege auf. Die Verbindungsstege (16 bis 18) sind fest mit einem senkrecht zur Mittelebene des Aufnahmeteils (1) ausgerichteten, achssymmetrischen starren Teil (2) verbunden. Auf den biegsamen Abschnitten (13 bis 15) sind Dehnungsmeßstreifen (4¶1¶ bis 4¶6¶) und auf dem unteren Teil des achssymmetrischen Tragteils sind vier weitere parallel oder schräg zu dessen Mittenachse ausgerichtete Dehnungsmeßstreifen (4¶7¶ bis 4¶10¶ bzw. 4¶7'¶ bis 4¶10'¶) aufgebracht. Diese Meßstreifen sind nach dem Prinzip einer Wheatstonebrücke jeweils zu Viertel-, Halb- oder Vollbrücken in der Weise geschaltet, daß aus den dadurch erhaltenen Meßwerten bis zu drei Momente und drei Kräfte ermittelbar sind.
Description
Die Erfindung betrifft Kraft-Momenten-Sensoren.
Beispielsweise werden bezüglich der Feinmanipulation einer
Roboterhand große Ansprüche an einen sogenannten intelligen
ten mehrdimensionalen Kraft-Momenten-Sensor gestellt, der in
den Fingerspitzen der Roboterhand vorgesehen ist. Obendrein
bedingt der sehr beengte Bauraum in den Fingerspitzen einen
mechanisch sehr kompakt aufgebauten Sensor.
Es gibt verschiedene Bauformen von Kraft-Momenten-Sensoren,
die in Fingerspitzen von Roboterhänden untergebracht sind. So
ist beispielsweise ein in Zylinderform ausgeführter Sechs-
Komponenten-Sensor mit sechs auf einem Zylinder angeordneten
Dehnungsmeßstreifen bekannt. (Siehe Antonio Bicchi "A crite
rion for optimal design of multi-axis force sensors" in Robo
tics und Autonomous Systems 10 (1992) S. 269 bis 286 in Else
vier Science Publishers B. V) Die von Bicchi gewählte Zylin
derform erschwert jedoch zum einen ein bezüglich der vorgege
benen Ausrichtung korrektes Aufkleben der Dehnungsmeßstreifen
und ist zum anderen hinsichtlich der Kalibration sehr kom
plex. Ferner ist bei diesem Sensor kein mechanischer Über
lastschutz vorgesehen.
Bei einer weiteren bekannten Ausführungsform eines Sechs-
Komponenten-Sensors sind auf einem Quader sechs Dehnungsmeß
streifenpaare angeordnet. (Siehe Ch. Schwarzinger, L. Supper
und Dr. H. Winsauer "Dehnungsmeßstreifen als Sensoren für die
Regelung der manipulativen Roboterhand ÖDIPUS, Meßtechnische
Briefe 27 (1991), Heft 1, S. 12 bis 17). Der bei dieser Sen
sorausführung verwendete Quader benötigt hinsichtlich seiner
Lange und seines Querschnitts verhältnismäßig viel Platz in
der Fingerspitze. Obendrein können mit dieser Sensorausfüh
rung nur Kräfte und Momente gemessen werden, die direkt an
der Fingerspitze angreifen. Ferner ist auch bei dieser Ausfüh
rungsform kein Überlastschutz vorgesehen.
In WO 99/04235 A1 ist eine Kraftmeßdose zum Messen von Kräften und
Momenten in verschiedenen Richtungen beschrieben. Diese Kraft
meßdose weist einen annähernd kreisförmigen Aufnahmeteil, meh
rere entlang des Umfangsbereiches des Aufnahmeteils ausgebilde
te, biegesteife Abschnitte, mehrere zwischen den biegesteifen
Abschnitten ausgebildete biegsame Abschnitte und mehrere von
den biegsamen Abschnitten ausgehende, radial verlaufende Ver
bindungsteile auf.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, miniaturisierte Kraft-
Momenten-Sensoren zu schaffen, mit welchem je nach deren Ausle
gung mindestens drei Komponenten, jedoch auch bis zu sechs Kom
ponenten, d. h. bis zu drei Momenten und drei Kräften festge
stellt und entkoppelt ermittelt werden können.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung mit einem miniaturisier
ten Kraft-Momenten-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ge
löst. Hierbei werden gemäß der Erfindung durch Messen festge
stellt und ermittelt mittels des miniaturisierten Kraft-
Momenten-Sensors nach Anspruch 1 drei Komponenten, nämlich zwei
Momente und eine Kraft, mittels des Kraft-Momenten-Sensors
nach Anspruch 2 fünf Komponenten, nämlich zwei Momente und drei
Kräfte und mittels des Kraft-Momenten-Sensors nach Anspruch 3
sechs Komponenten, nämlich drei Momente und drei Kräfte.
Vorteilhafte Weiterbildungen sowie Einsatz- und Verwendungsmög
lichkeiten der Erfindung sind Gegenstand der auf einen der An
sprüche 1 bis 3 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen An
sprüche.
Bei der Grundausführung eines Kraft-Momenten-Sensors gemäß der
Erfindung weist ein annähernd kreisringförmiges Aufnahmeteil
mindestens drei, vorzugsweise gleich große, in beliebigen, vor
zugsweise gleichen Winkelabständen entlang des Umfangsbereichs
des Aufnahmeteils ausgebildete, biegesteife Abschnitte, minde
stens drei zwischen den biegsamen Abschnitten ausgebildete,
biegsame Abschnitte und mindestens drei jeweils von den drei
biegsamen Abschnitten ausgehende, radial ausgerichtete Verbin
dungsstege auf. Diese Verbindungsstege sind mit einem senkrecht
zu der Mittenebene des Aufnahmeteils ausgerichteten,
achssymmetrischen, starren Tragteil verbunden,
wobei diese Mittenebene in einem orthogonalen Koordinatensy
stem, beispielsweise der XY-Ebene entsprechen würde. Bei der
Grundausführung des Kraft-Momenten-Sensors sind auf den bieg
samen Abschnitten jeweils vorzugsweise zwei ein Dehnungsmeß
streifenpaar bildende Dehnungsmeßstreifen aufgebracht.
Diese Dehnungsmeßstreifen sind nach dem Prinzip einer
Wheatstone-Brücke jeweils zu Viertel-, Halb- oder Vollbrücken
geschaltet, so daß aus den mittels der Dehnungsmeßstreifen
bei einer Belastung erfaßten Dehnungen oder Stauchungen
Meßwerte abgeleitet werden können. Aus diesen Meßwerten wer
den in einer Datensignalverarbeitungseinrichtung bei der
Grundausführungsform insgesamt drei Komponenten, nämlich die
in der - beispielsweise der XY-Ebene eines orthogonalen Koor
dinatensystems entsprechenden - Mittenebene erzeugten Momente
Mx und My und eine dazu senkrecht, - d. h. in Richtung der Z-
Achse des angenommenen Koordinatensystems wirkende - Kraft Fz
ermittelt.
Die Dehnungsmeßstreifenpaare enthaltenden, in einer als Meß
ebene dienenden Ebene liegenden Meßbrücken geben eine Rück
meldung über die Momente ab, die in dieser Meßebene wirken
sowie über eine hierzu senkrecht - d. h. in Richtung der Z-
Achse - wirkende Kraft.
Um außer der Kraft Fz auch noch zwei weitere - in Richtung
der X- und Y-Achse des angenommenen Koordinatensystems wir
kende - Kräfte zu ermitteln, sind gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung der Erfindung auf dem achssymmetrischen Teil
mindestens vier weitere parallel zu dessen - der Z-Achse des
angenommenen orthogonalen Koordinatensystems entsprechenden -
Mittenachse ausgerichtete Dehnungsmeßstreifen aufgebracht;
diese Dehnungsmeßstreifen sind ebenfalls beispielsweise in
Form von Viertel-, Halb- oder Vollbrücken geschaltet, so daß
auf diese Weise aus den erhaltenen Meßwerten zwei weitere -
in Richtung der X- bzw. der Y-Achse wirkende - Kräfte Fx und
Fy ermittelt werden können.
Um auch noch das Moment Mz zu ermitteln, sind gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung auf dem
achssymmetrischen Tragteil vier Dehnungsmeßstreifen schräg zu
dessen Mittenachse ausgerichtet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
der annähernd kreisringförmige Aufnahmeteil der einzelnen
Kraft-Momenten-Sensoren zwischen zwei miteinander verbundenen
Ringen gehalten, deren Durchmesser jeweils dem größten Durch
messer des Aufnahmeteils entspricht. Hierbei weisen die End
bereiche der einzelnen Verbindungsstege sowohl auf ihrer
Ober- als auch auf ihrer Unterseite in Form von Abstufungen
ausgeführte Endausschläge auf. Hierdurch sind gemäß der Er
findung im Unterschied zu den bekannten Ausführungen Kraft-
Momenten-Sensoren automatisch mit einem mechanischen Über
lastschutz ausgestattet.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Kraft-Momenten-
Sensors in Verbindung mit einer Roboterhand liegt dessen gro
ßer Vorteil gegenüber bekannten Sensoren zum einen darin, daß
der erfindungsgemäße Kraft-Momenten-Sensor in einer sehr fla
chen Bauart ausgeführt ist, und zum anderen vor allem darin,
daß Kräfte/Momente gemessen werden, die entlang der gesamten
Fingerspitze der Finger einer Roboterhand angreifen, in wel
chen der erfindungsgemäße Kraft-Momenten-Sensor untergebracht
ist. Auch ist bei dem erfindungsgemäßen Kraft-Momenten-Sensor
generell das Verhältnis des Meßbereichs der Momente zu dem
Meßbereich der Kräfte im Vergleich zu bekannten Sensoren sehr
gut.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh
rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
im einzelnen dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine
bevorzugte Ausführungsform eines Kraft-Momenten-
Sensors;
Fig. 2 eine Vorderansicht des Kraft-Momenten-Sensors der
Fig. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Kraft-Momenten-
Sensors der Fig. 1;
Fig. 4 in schematischer perspektivischer Darstellung eine
weitere bevorzugte Ausführungsform eines fertig mon
tierten Kraft-Momenten-Sensors, und
Fig. 5a bis 5j verschiedene Beispiele von möglichen Schal
tungsanordnungen von nach dem Prinzip einer Wheatsto
ne-Brücke ausgeführten, zu Halb- oder Viertelbrücken
geschalteten Dehnungsmeßstreifen.
In Fig. 1 und Fig. 3 ist in Draufsicht bzw. in perspektivi
schen Darstellung ein kreisringförmiger Aufnahmeteil 1 darge
stellt, welcher drei vorzugsweise in gleichen Winkelabständen
entlang seines Umfangsbereichs ausgebildete, biegesteife Ab
schnitte 10 bis 12 aufweist, zwischen welchen biegsame, in
Form von dünnen Stegen ausgebildete Abschnitte 13 bis 15 vor
gesehen sind. Von dem Mittenbereich jeder der drei biegsamen
Abschnitte 13 bis 15 gehen im wesentlichen radial ausgerich
tete Verbindungsstege 16 bis 18 aus, welche fest mit einem
achssymmetrischen starren Tragteil 2 verbunden sind, der
senkrecht zu der - beispielsweise einer XY-Ebene eines orthogonalen
Koordinatensystems entsprechenden - Mittenebene des
Aufnahmeteils 1 ausgerichtet ist.
Durch die drei Verbindungsstege 16 bis 18 in der Ausführungs
form der Fig. 1 und 3 sind die biegsamen Abschnitte 13 bis 15
jeweils vorzugsweise in zwei etwa gleich große Teilabschnitte
13a, 13b bis 15a, 15b unterteilt. Jeweils auf der Oberseite
eines Teilabschnitts, beispielsweise der Teilabschnitte 13a
bis 15a sind Dehnungsmeßstreifen 4 1, 4 3 und 4 5 aufgebracht.
Auf der Unterseite der anderen zu denselben Abschnitten 13
bis 15 gehörenden Teilabschnitte 13b bis 15b sind weitere
gestrichelt wiedergegebene Dehnungsmeßstreifen 4 2, 4 4 und 4 6
aufgebracht, wobei durch deren gestrichelte Wiedergabe ange
deutet ist, daß letztere auf der Unterseite der jeweiligen
Teilabschnitte 13b bis 15b vorgesehen sind.
Wie in Fig. 1 durch ein punktiert wiedergegebenes Quadrat an
gedeutet, weist der untere an die Verbindungsstege 16 bis 18
angrenzende Bereich 20 des Tragteils 2 einen quadratischen
Querschnitt auf. Wie der Vorderansicht der Fig. 2 zu entnehmen
ist, sind dadurch im unteren Bereich 20 des Tragteils 2 ebene
rechteckige Flächen geschaffen, auf welchen in Fig. 2 jeweils
Dehnungsmeßstreifen 4 7 bis 4 10 aufgebracht sind, wobei in
Fig. 2 der auf der rückseitigen rechteckigen Fläche aufge
brachte Dehnungsmeßstreifen 4 9 durch eine gestrichelte Be
zugslinie angedeutet ist.
Ferner ist in der Vorderansicht der Fig. 2 deutlich zu erken
nen, daß der biegsame Abschnitt 13 als ein dünner Steg ausge
bildet ist, welcher durch den in seinem Mittenbereich vorge
sehenen Verbindungssteg 16 in die beiden etwa gleich großen
Teilabschnitte 13a und 13b unterteilt ist. Hierbei ist auf
der Oberseite des Teilabschnitts 13a der Dehnungsmeßstreifen
4 1 und auf der Unterseite des Teilabschnitts 13b der Deh
nungsmeßstreifen 4 2 angedeutet. Insbesondere in der perspektivischen
Darstellung der Fig. 3 sind an den äußeren Enden
der Verbindungsstege 16 bis 18 auf deren Ober- und Unterseite
ausgebildete Endanschläge 16a bis 18a in Form von Abstufungen
zu erkennen.
Während in der Vorderansicht der Fig. 2 die Dehnungsmeßstrei
fen 4 7 bis 4 10 auf den im unteren Bereich 20 des Tragteils 2
ausgebildeten rechteckigen Flächen parallel zu dessen durch
eine strichpunktierte Linie angedeuteten Mittenachse A ausge
richtet sind, sind in der perspektivischen Darstellung eines
montierten Kraft-Momenten-Sensors der Fig. 4 die entsprechen
den Dehnungsmeßstreifen 4 7' bis 4 10' schräg zu der ebenfalls
durch eine strichpunktierte Linie angedeuteten Mittenachse A
des Tragteils 2 aufgebracht. In Fig. 4 sind zur Vereinfachung
der Darstellung nur die Dehnungsmeßstreifen 4 7' und 4 10' wie
dergegeben.
Ferner sind in Fig. 4 zwei miteinander durch Verbindungsele
mente wie Schrauben 6 verbundene Ringe 5 und 5' dargestellt,
zwischen welchen der annähernd kreisringförmige Aufnahmeteil
untergebracht ist, von welchem lediglich ein Teil des biege
steifen Abschnitts 11 und des biegsamen Abschnitts 14 zu er
kennen sind. Hierbei sind die Durchmesser der beiden Ring 5
und 5' so bemessen, daß sie dem größten Durchmesser des
kreisringförmigen Aufnahmeteils entsprechen. Anhand der Aus
führungsform in Fig. 4 kann auch nachvollzogen werden, weshalb
die auf der Ober- und Unterseite der Verbindungsstege 16 bis
18 ausgebildeten Abstufungen 16a bis 18a (siehe Fig. 2 und 3)
die Funktion von Endanschlägen haben, und somit dadurch ein
Überlastungsschutz geschaffen ist.
Auf den biegsamen Abschnitten 13 bis 15 des annähernd kreis
ringförmigen Aufnahmeteils 1 sind insgesamt sechs Dehnungs
meßstreifen 4 1 bis 4 6 vorgesehen, welche als Dehnungsmeß
streifenpaare 4 1 und 4 2, 4 3 und 4 4 sowie 4 5 und 4 6 in Fig. 5a
bis 5c in Form von nach dem Prinzip einer Wheatstone-Brücke
ausgeführten Halbbrücken geschaltet sind. Hierbei sind in
Fig. 5a bis 5c jeweils die Dehnungen/Stauchungen ε1 bis ε6 der
Dehnungsmeßstreifenpaare 4 1, 4 2; 4 3, 4 4 und 4 5, 4 6 in den bei
den linken Zweigen eingetragen, während in beiden restlichen
Zweigen der Halbbrücken jeweils gleich dimensionierte Wider
stände R vorgesehen sind. Die in der Diagonale der jeweiligen
Halbbrücken der Fig. 5a bis 5c erhaltenen Spannungen U1 bis U3
sind in Fig. 5a bis 5c unterhalb der entsprechenden Halbbrüc
ken bezogen auf die angelegte Spannung Us angegeben.
Aus den Dehnungen/Stauchungen ε1 bis ε6 der jeweiligen Deh
nungsmeßstreifen 4 1 bis 4 6 lassen sich mit Hilfe der nachste
hend wiedergegebenen Gleichungen (1) bis (3) die Momente Mx, My
sowie eine Kraft Fz ermitteln. Durch die Indizies x, y und z
ist ein orthogonales Koordinatensystem angedeutet, bei wel
chem die XY-Ebene wiederum in der gedachten Mittenebene des
annähernd kreisringförmigen Aufnahmeteils 1 liegt, während
die Z-Achse in Richtung der in Fig. 1 durch einen Punkt und in
Fig. 2 und 3 durch eine strichpunktierte Linie angedeuteten
Mittenachse A des Tragteils 2 verläuft. Ferner sind in den
nachstehend wiedergegebenen Gleichungen mit Kx, Ky und Kz Ver
stärkungsfaktoren bezeichnet, bei welchen gilt:
Hierbei ergibt sich
für das Drehmoment Mx gemäß Gl. (1):
für das Moment My gemäß Gl. (2):
für die in Richtung der Z-Achse wirkenden Kraft Fz gemäß
Gl. (3):
Fz = Kz[(ε1 - ε2) + (ε3 - ε4) + (ε5 - ε6)] (3)
Wenn, wie in der Draufsicht der Fig. 1 sowie in der Vorderan
sicht der Fig. 2 angedeutet bzw. dargestellt, auf dem unteren
Bereich 20 des Tragteils 2 zusätzlich Dehnungsmeßstreifen 4 7
bis 4 10 parallel zu dessen Achse A aufgebracht sind, können
mit Hilfe von in Gleichungen (4) und (5) angegebenen Momenten M'x
und M'y zusätzlich noch die Kräfte Fx und Fy gemäß Gleichungen (6)
und (7) berechnet werden, wobei wiederum mit K'x und K'y Ver
stärkungsfaktoren sind, für welche gilt: K'x = K'y.
M'x = K'x(ε7 - ε8) (4)
M'y = K'y(ε9 - ε10) (5)
Fx = (Mx - M'x)/h (6)
Fy = (My - M'y)/h (7)
Mittels in Fig. 5d und 5e wiedergegebenen Halbbrücken ergeben
sich bezogen auf die angelegte Spannung Us Spannungen U4 bis
U5, die sich aus Dehnungen/Stauchungen ε1 bis ε10 der Deh
nungsmeßstreifen 4 7 bis 4 10 berechnen lassen.
Wenn Dehnungsmeßstreifen 4 7' bis 4 10' so wie in Fig. 4 darge
stellt, d. h. schräg zu der durch eine strichpunktierte Linie
angedeuteten Achse A, auf den unteren Flächen des Tragteils 3
aufgebracht sind, werden beispielsweise mit den in Fig. 5f bis
5j dargestellten Viertelbrücken bezogen auf die angelegte
Spannung Us Spannungen U7 bis U10 erhalten, die sich aus Deh
nungen/Stauchungen ε7 bis ε10 der Dehnungsmeßstreifen 4 7' bis
4 10' berechnen lassen. Mit Hilfe der Spannungen U7 bis U10
können die Momente Mx, My, Mz entsprechend den nachstehend
wiedergegebenen Gleichungen (8) bis (10) bestimmt werden:
Mx = Kx(U7 - U8) (8)
My = Ky(U9 - U10) (9)
Mz = Kz((U7 - U9) + (U8 - U10)) (10).
1
kreisringförmiger Aufnahmeteil
10
,
11
,
12
biegesteife Abschnitte
13
,
14
,
15
biegsame Abschnitte
13
a, b-
15
a, b Teilabschnitte von
13-15
16
,
17
,
18
radial ausgerichtete Verbindungsstege
16
a,
17
a,
18
a Abstufung
2
achssymmetrisches Tragteil
20
rechteckige Aufnahmeflächen im unteren Bereich
von
2
4
1
-
4
6
Dehnungsmeßstreifenpaare
47
47
bis 410
,
4
7
' bis
4
10
' Dehnungsmeßstreifen
5
,
5
Ringe
6
Verbindungselemente (Schrauben)
Claims (15)
1. Kraft-Momenten-Sensor, bei welchem ein annähernd kreisringför
miges Aufnahmeteil (1), mindestens drei entlang des Umfangsbe
reichs des Aufnahmeteils (1) ausgebildete, biegesteife Ab
schnitte (10 bis 12), mindestens drei zwischen den biegesteifen
Abschnitten ausgebildete biegsame Abschnitte (13 bis 15), und
mindestens drei jeweils von den biegsamen Abschnitten (13 bis
15) ausgehende, radial verlaufende Verbindungsstege (16 bis 18)
aufweist, welche fest mit einem senkrecht zu einer Mittenebene
des Aufnahmeteils (1) ausgerichteten, achssymmetrischen starren
Tragteil (2) verbunden sind, wobei
auf den biegsamen Abschnitten (13 bis 15) jeweils Dehnungsmeß
streifenpaare (4 1, 4 2 bis 4 5, 4 6) aufgebracht sind, die nach
dem Prinzip einer Wheatstone-Brücke jeweils zu Viertel-, Halb-
oder Vollbrücken in der Weise geschaltet sind, daß aus den da
durch erhaltenen Meßwerten zwei Momente (Mx, My) und eine Kraft
(Fz) ermittelbar sind.
2. Kraft-Momenten-Sensor, bei welchem ein annähernd kreis
ringförmiges Aufnahmeteil (1), mindestens drei entlang des Um
fangsbereichs des Aufnahmeteils (1) ausgebildete, biegesteife
Abschnitte (10 bis 12), mindestens drei zwischen den biegestei
fen Abschnitten ausgebildete biegsame Abschnitte (13 bis 15),
und mindestens drei jeweils von den biegsamen Abschnitten (13
bis 15) ausgehende, radial verlaufende Verbindungsstege (16 bis
18) aufweist, welche fest mit einem senkrecht zu einer Mittene
bene des Aufnahmeteils (1) ausgerichteten, achssymmetrischen
starren Tragteil (2) verbunden sind, wobei
sowohl auf den biegsamen Abschnitten (13 bis 15) jeweils Deh
nungsmeßstreifenpaare (4 1, 4 2 bis 4 5, 4 6) als auch auf dem achssymmetrischen
Tragteil (2) vier weitere parallel zu dessen Mit
tenachse ausgerichtete Dehnungsmeßstreifen (4 7 bis 4 10) aufge
bracht sind, die nach dem Prinzip einer Wheatstone-Brücke je
weils zu Viertel-, Halb- oder Vollbrücken in der Weise geschal
tet sind, daß aus den dadurch erhaltenen Meßwerten zwei Momente,
(Mx, My) und drei Kräfte (Fx, Fy, Fz) ermittelbar sind.
3. Kraft-Momenten-Sensor, bei welchem ein annähernd kreisring
förmiges Aufnahmeteil, mindestens drei entlang des Umfangsbe
reichs des Aufnahmeteils (1) ausgebildete, biegesteife Ab
schnitte (10 bis 12), mindestens drei zwischen den biegesteifen
Abschnitten ausgebildete biegsame Abschnitte (13 bis 15), und
mindestens drei jeweils von den biegsamen Abschnitten (13 bis
15) ausgehende, radial verlaufende Verbindungsstege (16 bis 18)
aufweist, welche fest mit einem senkrecht zu einer Mittenebene
des Aufnahmeteils (1) ausgerichteten, achssymmetrischen starren
Tragteil (2) verbunden sind, wobei
sowohl auf den biegsamen Abschnitten (13 bis 15) jeweils Deh
nungsmeßstreifenpaare (4 1, 4 2 bis 4 5, 4 6) als auch auf dem
achssymmetrischen Tragteil (2) vier weitere, schräg zu dessen
Mittenachse ausgerichtete Dehnungsmeßstreifen (4 7 bis 4 10) auf
gebracht sind, die nach dem Prinzip einer Wheatstone-Brücke je
weils zu Viertel-, Halb- oder Vollbrücken in der Weise geschal
tet sind, daß aus den dadurch erhaltenen Meßwerten drei Momente
(Mx, My, Mx) und drei Kräfte (Fx, Fy, Fz) ermittelbar sind.
4. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens drei biege
steifen Abschnitte (10 bis 12) gleich groß und in belie
bigen Winkelabständen entlang des Umfangsbereichs der
Aufnahmeteils (1) ausgebildet sind.
5. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens drei bie
gesteifen Abschnitte (10 bis 12) gleich groß und in glei
chen Winkelabständen entlang des Umfangsbereichs der Auf
nahmeteils (1) ausgebildet sind.
6. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß durch die radial verlaufen
den, jeweils vom Mittenbereich der drei biegsamen Ab
schnitte (13 bis 15) ausgehenden Verbindungsstege (16 bis
18) jeder der biegsamen Abschnitte (13 bis 15) in zwei
Teilabschnitte (13a, 13b; 14a, 14b; 15a, 15b) aufgeteilt
ist, auf welchen jeweils ein Dehnungsmeßstreifen (4 1, 4 3,
4 5; 4 2, 4 4, 4 6) eines Dehnungsmeßstreifenpaares (4 1, 4 2;
4 3, 4 4; 4 5, 4 6) aufgebracht ist.
7. Kraft-Momenten-Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der eine Dehnungsmeßstreifen (4 1, 4 3, 4 5)
jedes Dehnungsmeßstreifenpaares auf der Oberseite des ei
nen Teilabschnitts (13 a, 14 a, 15 a) jedes der drei biegsa
men Abschnitte (13 bis 15) und der andere Dehnungsmeß
streifen (4 2, 4 4, 4 6) jedes Dehnungsmeßstreifenpaares auf
der Unterseite des zweiten Teilabschnitts (13 b bis 15 b)
jedes der drei biegsamen Abschnitte (13 bis 15) aufge
bracht ist.
3. Kraft-Momenten-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß im unteren an den Aufnahmeteil (1) angrenzenden
Bereich (20) des Trägerteils (2) dieser einen qua
dratischen Querschnitt aufweist und auf den dadurch ge
bildeten ebenen, rechteckigen Flächen des Trägerteils (2)
jeweils die parallel zu dessen Mittenachse (A) ausgerich
teten Dehnungsmeßstreifen (4 7 bis 4 10) aufgebracht sind.
9. Kraft-Momenten-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß im unteren an den Aufnahmeteil (1) angren
zenden Bereich (20) des Trägerteils (2) dieser einen qua
dratischen Querschnitt aufweist und auf den dadurch ge
bildeten, ebenen, rechteckigen Flächen die jeweils schräg
zu dessen Mittenachse (A) ausgerichteten Dehnungsmeß
streifen (4 7' bis 4 10') aufgebracht sind.
10. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3
sowie 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die biegsamen
Abschnitte (13 bis 15) als verhältnismäßig dünne Stege
ausgebildet sind.
11. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der vorhergehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der annäherend
kreisringförmige Aufnahmeteil (1) zwischen zwei miteinan
der verbundenen Ringen (5, 5') mit jeweils einem dem
Durchmesser des Aufnahmeteils (1) entsprechenden Durch
messer gehalten ist, und
die Endbereiche der Verbindungsstege (16 bis 18) auf ihrer
Ober- und Unterseite Endanschläge (16a bis 18a) in Form
von Abstufungen aufweisen.
12. Kraft-Momenten-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 11 zur
Verwendung im Greifbereich einer mechanischen Greifein
richtung eines Roboters.
13. Kraft-Momenten-Sensor nach den Ansprüchen 1 bis 11 zur
Verwendung in mindestens einer Fingerspitze einer Robo
terhand.
14. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11
zur Verwendung in in der Medizintechnik eingesetzten
Greifeinrichtungen.
15. Kraft-Momenten-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11
zur Verwendung in in der Raumfahrttechnik eingesetzten
Greifeinrichtungen.
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