DE102010017294A1

DE102010017294A1 - Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102010017294A1
Application number: DE102010017294A
Authority: DE
Inventors: Patrick Labenda; Peter Toros; Marc Neumann
Original assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Current assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Priority date: 2010-06-08
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2011-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Radialkräften in einer Antriebseinheit, die insbesondere auf eine drehbare Antriebswelle wirken, mit zumindest einem Drucksensor, der außerhalb einer Drehlagerung für die Antriebswelle angeordnet ist und der Drucksensor die von der Antriebswelle auf die Drehlagerung wirkende Radialkraft an einem definierten Messpunkt messtechnisch erfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Drehlagerung selbst in einer schwimmenden Lagerung aufgenommen gelagert ist, wobei die schwimmende Lagerung nur eine translatorische Bewegung für die gelagerte Antriebswelle zulässt und der Drucksensor am definierten Messpunkt die Radialkraft der Antriebswelle erfasst, wobei die Radialkraft zu einer translatorischen Bewegung der Antriebswelle in der schwimmenden Lagerung führt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Radialkräften in einer Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Stand der Technik
Aus der Druckschrift DE 101 36 438 A1 ist bekannt, dass eine Sensoranordnung in einem Wälzlager zur Detektierung physikalischer Größen während der Bewegung der im Wälzlager geführten Bauteile genutzt wird. Dabei werden die im Wälzlager wirkenden Kräfte durch eine rotierende Welle durch Dehnungsmessstreifen an einer äußeren Lagerschale des Wälzlagers erfasst. Als nachteilig hat sich allerdings herausgestellt, dass ein hoher technischer Aufwand nötig ist, um die Sensorelemente an dem Wälzlager anzuordnen. Zudem ändern sich die Spannungszustände in der Lagerschale des Wälzlagers über die gesamte Lebensdauer des Wälzlagers in Folge von Verschleiß und Lagerschäden, wodurch eine über die Lebensdauer zuverlässige und exakte Messung erschwert wird. Außerdem setzt die Messung eine notwendige Verformung der äußeren Lagerschale voraus, die messtechnisch erfasst wird. Zusätzlich ist dieses Verfahren nur bedingt geeignet, um geringe Kräfte mit einer hohen Messgenauigkeit messen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Radialkräften in einer Antriebseinheit bereitzustellen, wobei die Messvorrichtung technisch einfach und zuverlässig aufgebaut ist, um eine sichere und zuverlässige Messung der Radialkräfte zu ermöglichen. Hierbei sollen insbesondere auch kleine Radialkräfte messtechnisch erfassbar sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen, insbesondere mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung dient zur Bestimmung von Radialkräften in einer Antriebseinheit, die insbesondere auf eine drehbare Antriebswelle oder einen Motor wirken. Diese Messvorrichtung weist zumindest einen Drucksensor auf, der außerhalb einer Drehlagerung für die Antriebswelle angeordnet ist. Der Drucksensor erfasst hierbei messtechnisch die von der Antriebswelle und/oder dem Motor auf die Drehlagerung wirkende Radialkraft an einem definierten Messpunkt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens eine translatorische Bewegung der gelagerten Antriebswelle durch zumindest einen Drucksensor erfasst wird. Dabei erfolgt die Messung der translatorischen Bewegung orthogonal zur Drehachse der Antriebswelle. Die Drehlagerung, die selbst in einer schwimmenden Lagerung aufgenommen gelagert ist, kann dadurch zumindest eine translatorische Bewegungen an den Drucksensor an dem definierten Messpunkt weiterleiten. Damit kann der Betrag der auftretenden Radialkraft, die orthogonal zur Drehachse der Antriebswelle auftritt, eindeutig gemessen werden. Zur Bestimmung der Kraftwirkrichtung auf die Antriebswelle ist es vorstellbar, dass zumindest zwei Sensoren, die radial, insbesondere im Winkelversatz, vorzugsweise um 90°, um die Antriebswelle angeordnet sind, zum Einsatz kommen, wodurch eine zweidimensionale Messung nach Betrag und Richtung der Kraft erfolgen kann, um die Radialkräfte, die insbesondere auf die drehbare Antriebswelle wirken, zu erfassen. Die schwimmende Lagerung dient somit als „Filter”, der nur translatorische Bewegungen auf die gelagerte Antriebswelle zulässt, wodurch eine exakte Messung der orthogonalen Radialkräfte zur Drehachse ermöglicht wird. Die schwimmende Lagerung bildet selbst wenigstens eine Linearführung für die Drehlagerung in Richtung der translatorischen Bewegung in einem Befestigungskörper der Antriebseinheit und/oder der Messvorrichtung. Die translatorische Bewegung selbst ist ebenfalls orthogonal zur Drehachse der Antriebswelle gerichtet.
Ferner ist es denkbar, dass ein erster Bolzen mit der Drehlagerung in einer mechanischen, insbesondere formschlüssigen, Wirkverbindung steht, wobei insbesondere der erste Bolzen in einer ersten Öffnung eines Befestigungskörpers einführbar ist, wodurch die schwimmende Lagerung, gebildet ist. Hierbei bildet der erste Bolzen mit der ersten Öffnung des Befestigungskörpers die bereits erwähnte Linearführung der schwimmenden Lagerung, wobei der erste Bolzen durch die erste Öffnung linear in der translatorischen Bewegungsrichtung geführt ist. Die Drehlagerung kann eine Aufnahme aufweisen, in die der erste Bolzen einführbar ist. Damit kann der Einsatz und die Montage der Drehlagerung in den Befestigungskörper vereinfacht werden, da der erste Bolzen durch die erste Öffnung des Befestigungskörpers einführbar ist, wodurch eine mechanische Wirkverbindung erreicht wird. Nach Einführung des ersten Bolzens in die Aufnahme kann dieser mit der Drehlagerung durch eine Schrauben-, Steck-, oder Bajonettverbindung oder durch ein Klebe- oder Schweißverfahren fest verbunden werden. Eine Drehung der Drehlagerung in dem Befestigungskörper kann somit durch den ersten Bolzen wirkungsvoll verhindert werden. Der Bolzen und/oder die Drehlagerung können dabei materialeinheitlich ausgestaltet sein, wobei insbesondere bevorzugt metallische Materialien zum Einsatz kommen können. Dennoch ist hier auch der Einsatz von Kunststoffen denkbar, wobei die Drehlagerung aus einem metallischen Material und der erste Bolzen aus Kunststoff oder umgekehrt ausgestaltet sein kann.
Ebenfalls kann es vorgesehen sein, dass die erste Öffnung eine rechteckige, dreieckige, runde oder beliebige geometrische Form bildet und der erste Bolzen eine dazu komplementäre Form aufweist. Durch die Wahl einer rechteckigen oder dreieckigen Form kann eine Drehbewegung des ersten Bolzens um seine Längsachse in der ersten Öffnung wirkungsvoll verhindert werden. Dagegen ermöglicht es eine runde Form, dass sich der erste Bolzen in der ersten Öffnung drehen kann. Ebenso ist es denkbar, dass die Aufnahme der Drehlagerung ebenfalls eine zu dem ersten Bolzen komplementäre Form aufweist, so dass auch hier eine Drehbewegung der Drehlagerung um den ersten Bolzen verhindert werden kann.
Ebenfalls ist es denkbar, dass zwischen dem ersten Bolzen und der ersten Öffnung bzw. bei einer Linearführung der schwimmenden Lagerung ein Spiel vorhanden ist. Durch dieses Spiel in der schwimmenden Lagerung kann es ermöglicht werden, dass die Drehlagerung mit dem ersten Bolzen sich innerhalb des Befestigungskörpers, vorgegeben durch die Größe des Spiels, bewegen kann.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass ein Zwischenring mit zumindest einem zweiten Bolzen zwischen dem Befestigungskörper und der Drehlagerung eingebracht ist und der Zwischenring wenigstens eine Bohrung aufweist, wodurch der erste Bolzen bewegbar ist, wobei der zweite Bolzen in eine zweite Öffnung einführbar ist, wodurch die schwimmende Lagerung gebildet ist. Diese schwimmende Lagerung weist somit zwei Linearführungen auf, wobei die zweite Linearführung durch das mechanische Zusammenwirken des zweiten Bolzens mit der zweiten Öffnung gebildet ist. Durch den Einsatz des erwähnten Zwischenrings ist es möglich, dass die schwimmende Lagerung nur eine Bewegung der Drehlagerung in Führungsrichtung der Linearführungen zu lässt, wodurch die jeweilige translatorische Bewegung der schwimmenden Lagerung eindeutig vorgegeben ist. Zweckmäßigerweise sind die beiden Linearführungen orthogonal zueinander ausgerichtet. Ebenfalls ist jede Linearführung selbst orthogonal zur Drehachse der Antriebswelle angeordnet, um somit die jeweilige translatorische Bewegung zu ermöglichen, um die entsprechenden Radialkräfte in der Antriebseinheit messen zu können. Der Zwischenring kann z. B. aus Kunststoff oder einem metallischen Material hergestellt sein. Der Vorteil bei der Wahl eines Kunststoffes kann dabei in einer Dämpfung liegen, die bei Berührung der Drehlagerung mit dem Zwischenring erfolgt. Der Kunststoff kann dabei Schwingungen die durch die Drehlagerung auftreten können wirkungsvoll dämpfen, so dass eine Übertragung auf den Befestigungskörper verhindert werden kann. Zudem können weitere Messpunkte zur Messung der radialen Kräfte herangezogen werden, da der zweite Bolzen zu dem ersten Bolzen versetzt angeordnet werden kann.
Auch ist es möglich, dass der zweite Bolzen in die zweite Öffnung passgenau einführbar ist, wodurch eine exakte translatorische Bewegung des zweiten Bolzens in der zweiten Öffnung ermöglichbar ist. Eine passgenaue Einführung des zweiten Bolzens in die zweite Öffnung verhindert wirkungsvoll eine Drehbewegung des Zwischenringes. Zudem kann der Zwischenring über eine Öffnung verfügen, durch die der erste Bolzen ebenfalls passgenau führbar ist, so dass eine mechanische Kopplung zwischen der Drehlagerung und dem Zwischenring ermöglicht werden kann und eine Drehbewegung der Drehlagerung selbst wirkungsvoll verhindert wird.
Zudem ist es vorteilhaft, dass der erste und/oder zweite Bolzen mit einer ersten Seite einer entsprechenden Feder und dem jeweiligen Drucksensor mit einer zweiten Seite dieser Feder gekoppelt sind. Dadurch können auftretende Kräfte auf den ersten bzw. zweiten Bolzen über die jeweilige Feder zu dem jeweiligen Drucksensor geleitet werden Dabei ist es vorstellbar, dass der entsprechende Drucksensor fest an dem Befestigungsgehäuse angeordnet ist, so dass der erste und/oder zweite Bolzen durch eine bestimmte Vorspannung der Feder sicher in der ersten bzw. zweiten Öffnung gehalten wird. Dabei kann die Vorspannung der jeweiligen Feder frei gewählt werden, so dass der jeweilige Drucksensor dadurch in einem bestimmten Arbeitspunkt gebracht werden kann. Somit ist der Einsatz von verschiedenen Drucksensoren vorstellbar, deren größte Empfindlichkeit in verschiedenen Arbeitspunkten liegt. Die zuvor erwähnten Federn für den ersten und/oder zweiten Bolzen können selbst als Blattfedern ausgestaltet sein. Durch den Einsatz der Federn ist die gesamte schwimmende Lagerung vorgespannt, da eine translatorische Bewegung nur gegen die jeweilige Federkraft der entsprechenden Feder möglich ist.
Es ist besonders vorteilhaft, dass zumindest zwei Sensoren im Winkelversatz angeordnet sind, wobei insbesondere vier Drucksensoren in einem rechten Winkel zueinander radial zur Drehlagerung angeordnet sind. Dadurch können an verschiedenen, insbesondere vier Messpunkten die Radialkräfte gemessen werden. Es ist damit möglich, dass nicht nur der Betrag der Kraft, der auf die Antriebswelle herrscht, gemessen wird, sondern es können damit auch die Richtungen der Radialkräfte bei mindestens zwei Sensoren im Winkelversatz messtechnisch erfasst werden. Bei einem Einsatz von vier Drucksensoren in einem rechten Winkel ist es zudem vorstellbar, dass Messungenauigkeiten eliminiert werden können, da zwei gegenüberliegende Messsensoren in der Summe keine Kraft verzeichnen sollten, sofern sie noch durch eine Druckkraft beaufschlagt sind. Würde hier an einem Sensor eine vom Betrag her positive Kraft X feststellbar sein und an dem gegenüberliegenden Sensor eine negative Kraft X + ΔX (gemeint ist eine Entlastung der Spannkraft z. B. durch eine Feder, die auf den entsprechenden Sensor wirkt) aufweisen, so kann hier eine Fehlerkorrektur im Rahmen des Messbereiches der Sensoren ermöglicht werden. Zudem sind mit mindestens zwei zueinander radial versetzten Sensoren alle radial wirkenden Kräfte auf die Antriebswelle messbar.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Drehlagerung ein Wälzlager, ein Gleitlager und/oder ein Motor für die Antriebswelle ist, durch die die Antriebswelle drehbar gelagert ist. Damit kann die Drehlagerung als passives oder als aktives Bauelement eingesetzt werden, wodurch sich die verschiedensten Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere im Bereich der Robotertechnik ergeben.
Es ist vorteilhaft, dass der Messbereich des Drucksensors zwischen 0 N und 445 N hegt, insbesondere bevorzugt zwischen 0 N und 133 N liegt. Damit können verschiedene Anwendungsgebiete abgedeckt werden. Ein kleinerer Messbereich des Drucksensors kann dadurch eine präzisere Messung in diesem Messbereich ermöglichen, wobei der größere Messbereich für Anwendungen mit größeren Kräften oberhalb 133 N ermöglicht werden kann.
Zudem ist es vorteilhaft, dass eine Rechnereinheit oder Steuereinheit die Drucksignaldaten der Drucksensoren aufnimmt, wodurch der Betrag und die Richtung der auf die Antriebswelle wirkenden Kräfte ermittelbar sind. Mit der Rechnereinheit können die auf die Antriebswelle wirkenden radialen Kräfte nach Betrag und Richtung bestimmt werden. Zudem ist es vorstellbar, dass die Rechnereinheit ebenfalls zur Steuerung der Antriebswelle nutzbar ist, wodurch im Falle einer Überlastung der Antriebswelle geeignete Maßnahmen ergriffen werden können.
Zudem ist es vorteilhaft, dass der Drucksensor ein Foliensensor oder dergleichen ist. Ein Foliensensor bietet dabei den Vorteil, dass in einem bestimmten Kräftebereich keine Verformungen des Drucksensors zu erwarten sind. Damit können die Radialkräfte präzise gemessen werden. Zudem sind als Foliensensoren eingesetzte Drucksensoren kostengünstig. Weiterhin weisen Foliensensoren eine Höhe von nur wenigen zehntel mm auf und können daher Platz sparend in den Aufbau integriert werden. Als Foliensensor kann insbesondere ein Sensor gemäß der Druckschrift US 6,272,936 zum Einsatz kommen.
Es ist vorteilhaft, dass die Drucksignaldaten der Drucksensoren drahtgebunden oder drahtlos zur Bestimmung der Krafteinwirkung auf die Drehlagerung zu einer ersten Rechnereinheit übermittelbar sind. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass bei einer drahtgebundenen Übermittlung der Drucksignaldaten eine der folgenden Technologien verwendet wird: Kabel, Twisted-Pair-Kabel, UTP-Kabel, FDP-Kabel, ITP-Kabel, Kabel mit Warp-Technologie, insbesondere Kabel in einer der Kategorien 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 7a. Im Falle, dass die Drucksignaldaten drahtlos übermittelt werden, bieten sich besonders vorteilhaft folgende Technologien an: Power-LAN, Bluetooth, Infrared Data Association (IrDA), ZigBee, Near Field Communication (NFC), Wireless Local Area Network (WLAN), WiMAX, einem Standard der IEEE 802, Wibree, FireWire, USB, Wireless USB, induktive Datenübertragung, kapazitive Datenübertragung, GSM, GPRS, UMTS, HSCSD oder HSDPA. Damit können drahtlose und/oder drahtgebundene Lösungen entstehen. Bei den drahtgebundenen Lösungen kann ein Datenkabel mit einer Abschirmung zur Geltung kommen, so dass elektromagnetische Störeinflüsse von außen weitestgehend abgeschirmt werden können.
Es ist vorstellbar, dass an der Antriebswelle ein Antriebsrad mechanisch angeordnet ist und ein passives Rad drehbar an der Antriebswelle gelagert ist, wodurch eine Schlupfinessung durchführbar ist, was insbesondere denkbar ist, wenn die Antriebswelle bei einem Roboter oder einem sonstigen Fahrzeug, vorzugsweise als Antriebsachse, zum Einsatz kommt. Die Schlupfinessung als solche kann durch die messtechnische Erfassung der Drehung der Antriebswelle und des passiven Rades erfolgen. Bei einer Differenz der Winkelgeschwindigkeit des passiven Rades zu der Antriebswelle kann die Ansteuerung der Antriebswelle über geeignete Maßnahmen nachreguliert werden. Diese Regulierung kann von einer Rechner- oder Steuereinheit erfasst und verarbeitet werden, die auch die Messdaten der erfindungsgemäßen Messvorrichtung aufnehmen und verarbeiten kann.
Eine konkrete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann in einem Roboter zum Einsatz kommen. Folglich ist die Erfindung auch auf einen Roboter mit der zuvor beschriebenen Messvorrichtung gerichtet. Dabei ist es vorteilhaft, dass der Roboter wenigstens zwei Antriebseinheiten aufweist, die über eine zweite Rechnereinheit steuerbar sind, wobei die errechnete Krafteinwirkung auf die Drehlagerung durch die erste Recheneinheit an eine zweite Recheneinheit übermittelbar ist, wodurch eine optimale Ansteuerung der Antriebseinheiten ermöglichbar wird. Damit kann eine Traktionskontrolle des Roboters wirkungsvoll erreicht werden. Die errechnete Krafteinwirkung auf die jeweilige Drehlagerung kann als Eingangsgröße für eine dynamische Traktionsregelung dienen und somit das Fahrverhalten im Gelände, insbesondere in einem unstrukturierten Gelände verbessern. Vorzugsweise kann es sich bei dem Roboter um einen modularen Roboter mit der Möglichkeit zur Formanpassung handeln. Die Möglichkeit zur Formanpassung kann genutzt werden, um die Gewichtsverteilung des Roboters zu kontrollieren. Vorzugsweise können an einem modularen Roboter mindestens vier Antriebseinheiten mit jeweils zwei Messvorrichtungen zur Anwendung kommen. Diese Antriebseinheiten können zur Fortbewegung des Roboters dienen.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
1 Querschnitt durch eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
2 eine schematische Ansicht zur Schlupfmessung,
3 eine schematische Ansicht zur Erfassung der Messdaten mit einer Rechnereinheit,
4 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einer Antriebseinheit,
5a eine schematische Ansicht eines Roboters mit mehreren erfindungsgemäßen Messorrichtungen,
5b eine schematische Ansicht eines Robotersystems mit zwei gekoppelten Robotern,
6a einen Querschnitt durch eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Messvorrichtung,
6b eine Ausschnittsvergößerung von 6a im Bereich B und
6c eine Ausschnittsvergößerung von 6a im Bereich C.
In der 1 ist eine Messvorrichtung 10 mit einer Drehlagerung 18 dargestellt, die einen ersten Bolzen 26 aufweist, der in einer ersten Öffnung 28 eingeführt ist, wodurch eine erste Linearführung der schwimmenden Lagerung realisiert ist. Die erste Öffnung 28 weist dabei ein Spiel 32 auf, wobei die erste Öffnung 28 in einem Befestigungskörper 30 angeordnet ist. Die Drehlagerung 18 ist schematisch als Ring ausgestaltet, wobei senkrecht gegenüber dem ersten Bolzen 26 ebenfalls ein erster Bolzen 26 angeordnet ist, der ebenfalls in einer ersten Öffnung 28 eingeführt ist und ein Spiel 32 aufweist. Die Drehlagerung 18 ist von einem Zwischenring 34 umschlossen, der eine Bohrung 31 aufweist, durch die der erste Bolzen 26 durchgeführt ist. Der Zwischenring 34 weist einen zweiten Bolzen 36 auf, der in eine zweite Öffnung 38 eingeführt ist, wodurch eine zweite Linearführung der schwimmenden Lagerung 20 gebildet ist. Durch das Spiel 32 beim ersten Bolzen 26 ist es sichergestellt, dass sich auch der zweite Bolzen 36 in seiner zweite Öffnung 38 bewegen lässt. Der erste Bolzen 26 ist mit einer ersten Seite einer Feder 33 verbunden und die zweite Seite der Feder 33 ist mit einem Stempel 17 verbunden, der auf den entsprechenden Drucksensor 16 wirkt. Der Drucksensor 16 ist dabei in seiner Lage an einem Befestigungskörper 30, der die gesamte Messvorrichtung 10 bzw. Antriebseinheit aufnimmt, fixiert. In dem Befestigungskörper 30 sind auch die ersten und zweiten Öffnungen 28, 38 für die Bolzen 26, 36 vorgesehen. Eine Antriebswelle 14 ist dabei in der Drehlagerung 18 eingeführt. Der zweite Bolzen 36 ist passgenau in der zweiten Öffnung 38 eingelassen. Somit ist die Drehlagerung 18 schwimmend gelagert, womit eine radiale Verschiebung der Drehlagerung 18 nur innerhalb der beiden Linearführungen erlaubt ist, wodurch die translatorische Bewegung der Antriebswelle 14 eindeutig vorgegeben ist. Die Druckmessung erfolgt durch vier um 90° zueinander versetzter Drucksensoren 16. Diese werden durch die schwimmende Lagerung 20, insbesondere die beiden Linearführungen, für die Drehlagerung 18 bzw. Antriebswelle 14 in Abhängigkeit von äußeren Lastzuständen belastet. Als Drucksensoren 16 können dabei kostengünstige Foliensensoren 16 zum Einsatz kommen. Diese weisen eine Höhe von nur wenigen zehntel mm auf und lassen sich Platz sparend in den Aufbau integrieren. Um Störeinflüsse durch Stöße und Vibrationen zu reduzieren erfolgt die Kraftübertragung zwischen der Drehlagerung 18 und den Drucksensoren 16 nicht direkt, sondern über die Federn 33. Durch eine Summation der Kräfte aller vier Sensoren 16 ist eine softwaretechnische Verarbeitung möglich, um eine Bestimmung vom Betrag und Richtung der wirkenden Radialkräfte zu ermöglichen.
In 2 ist eine schematische Ansicht einer Schlupfinessung dargestellt. Eine Drehlagerung 18, die als Motor ausgeführt ist, ist in einem Befestigungskörper 30 integriert. Dabei werden die Radialkräfte, die auf die Drehlagerung 18 wirken auf eine Feder 33 übertragen, die von Drucksensoren 16 ermittelt werden. An der Antriebswelle 14 ist ein Antriebsrad 52 drehfest angebracht. Zusätzlich ist an der Antriebswelle 14 ein passives Rad 54 angeordnet. Das passive Rad 54 ermöglicht eine relative Drehung zum Antriebsrad 52 und/oder Antriebswelle 14. Damit kann eine Schlupfinessung erfolgen, die durch Messung einer Differenz der Winkelgeschwindigkeit zwischen Antriebsrad 52 und passives Rad 54 ermittelbar ist. Die Schlupfinessung als solche kann durch Übermittelung der Daten der messtechnisch erfassten Drehung der Antriebswelle 14 und des passiven Rades 54 an eine Rechnereinheit erfolgen. Bei einer Differenz der Winkelgeschwindigkeit des passiven Rades 54 zu der Antriebswelle 14 kann die Ansteuerung der Antriebswelle über geeignete Maßnahmen durch die Rechnereinheit nachreguliert werden. Diese Rechnereinheit kann auch zur messtechnischen Erfassung und Verarbeitung der Daten von der Messvorrichtung dienen.
In 3 eine schematische Ansicht der Messvorrichtung 10 zur Erfassung der Messdaten mit einer Rechnereinheit 60 dargestellt, wobei die von den Drucksensoren 16 ermittelten Drucksignaldaten kabelgebunden 70 und/oder drahtlos 72 an die Rechnereinheit 60 weitergeleitet werden. Dabei erfahren die Drucksensoren 16 über die Feder 33 eine auf die Drehlagerung 18 wirkende Radialkraft. Die Drehlagerung 18 kann dabei als Motor ausgeführt sein, der über eine Antriebswelle 14 ein Antriebsrad 52 antreibt. Ebenfalls ist es denkbar, dass die Drehlagerung 18 als Motor mit einem angekoppelten Getriebe ausgeführt ist. Auch ist der Einsatz eines Gleit- oder Wälzlagers als Drehlagerung 18 möglich.
In 4 ist eine weitere schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 in einer Antriebseinheit dargestellt, die innerhalb eines Antriebsrades 52 integriert ist. Die Drehlagerung 18 ist ebenfalls als Motor ausgeführt, der über eine Antriebswelle 14 ein Antriebsrad 52 antreibt, welches sich mehr oder weniger um die gesamte Antriebseinheit dreht. Die Antriebseinheit und die Messvorrichtung 10 mit der Drehlagerung 18 ist innerhalb des Antriebsrades 52 angeordnet, so dass dadurch eine besonders kompakte Antriebseinheit ermöglicht wird.
In 5a ist ein Roboter 100 dargestellt, der vier Antriebsräder 52 aufweist, die jeweils über eine Antriebswelle 14 angetrieben werden, wobei die Antriebswellen 14 von Drehlagerungen 18, die als Motor ausgeführt sind, über die erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 betrieben werden. Die von den Drucksensoren in der Messvorrichtung 10 ermittelten Drucksignaldaten werden dabei zentral an eine zweite Rechnereinheit 104 weitergeleitet. Damit kann eine dynamische Traktionskontrolle des Roboters 100 erfolgen. Derartige Roboter 100 können als Räumungs- und Rettungsfahrzeuge in sehr unwegsamen Gebieten eingesetzt werden.
In 5b ist ein Robotersystem 200 dargestellt, wobei zwei Roboter 100 durch Koppelelemente 106 miteinander gekoppelt sind. Jeder Roboter 100 weist dabei zwei Antriebsräder 52 auf, die an ihre jeweiligen Drehlagerungen 18 gekoppelt sind. Die Drehlagerung 18 ist dabei in einem Befestigungskörper 30 eingebettet. Eine zweite Rechnereinheit 104 steuert bei jedem Roboter die Antriebsräder 52. Es ist vorstellbar, dass ebenfalls der Schlupf der Antriebsräder durch die zweite Steuereinheit 104 erfasst wird. Bei den Koppelelementen 106 können Gelenke oder Kupplungen zum Einsatz kommen, wobei sich die einzelnen Roboter 100 wie Kettenglieder, in den von den Koppelelementen geschaffenen Rahmen, frei zueinander bewegen können. Es ist denkbar, dass die Koppelelemente 106 ebenfalls integrierte Daten- und/oder Energiekabel aufweisen. Durch die Energiekabel kann ein bidirektionaler Energieaustausch zwischen den einzelnen Robotern 100 stattfinden. Es ist denkbar, dass jeder Roboter 100 einen Energiespeicher, insbesondere einen Akku oder Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator aufweist. Durch das Energiekabel kann dann im Falle eines Ausfalls einer Energieeinheit eines Roboters 100, Energie einer anderen Energieeinheit zur Verfügung gestellt werden, um damit die Gesamtfunktionalität des Robotersystems 200 zu erhalten. Außerdem können die zweiten Rechnereinheiten 104 miteinander für einen Datenaustausch vernetzt sein oder nur eine Zentrale Rechnereinheit bilden.
In 6a ist eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 in näheren Details dargestellt. Eine Drehlagerung 18 weist dabei eine Antriebswelle 14 auf, wobei die Drehlagerung 18 als Motorgehäuse ausgestaltet ist, in dem die Antriebswelle 14 gelagert ist. Ein zweiter Bolzen 36 steht dabei direkt in mechanischer Wirkverbindung mit dem Zwischenring 34 und dem Motorgehäuse 18. Der zweite Bolzen 36 ist dabei in einer zweiten Öffnung 38 eingeführt. Dabei stößt der zweite Bolzen 38 auf eine erste konvexe Seite einer Blattfeder 33. Die zweite konkave Seite der Blattfeder 33 steht dabei in Wirkverbindung mit einem Stempel 17. Dabei stößt der Stempel 17 auf eine Trägerplatte 40, die durch Schrauben 42 an einem Befestigungskörper 30 fixiert ist. Zwischen der Trägerplatte 40 und dem Druckstempel 17 befindet sich ein Foliensensor 16. Durch eine Vorspannung der Blattfeder 33, die auf den Stempel 17 wirkt, kann der Foliensensor 16 in seiner Position fixiert werden. Allerdings ist es auch vorstellbar, dass der Foliensensor 16 durch ein Klebeverfahren in seiner Position fixierbar ist. Ein erster Bolzen 26 steht dabei ebenso in einer mechanischen Wirkverbindung mit dem Zwischenring 34, wobei der erste Bolzen 26 in einer Bohrung 31 des Zwischenringes 34 eingelassen ist. Zudem steht der erste Bolzen 26 in mechanischer Wirkverbindung mit einer ersten konvexen Seite einer Blattfeder 33, welche sich in einer ersten Öffnung 28 befindet, wobei die zweite konkave Seite der Blattfeder 33 in Wirkverbindung mit einem Druckstempel 17 steht. Eine Trägerplatte 40 ist form- und kraftschlüssig durch Schrauben 42 an dem Befestigungskörper 30 angekoppelt. Ebenfalls steht ein Drucksensor 16, der als Foliensensor ausgestaltet ist, in mechanischer Wirkverbindung mit der Trägerplatte 40 und dem Druckstempel 17.
In 6b ist die Detaildarstellung B der 6a dargestellt. Ein erster Bolzen 26 steht dabei in Wirkverbindung mit dem Zwischenring 34. Die Messvorrichtung 10 weist dabei den Druckstempel 17 auf, der bei einer Verschiebung der Drehlagerung 18 mechanisch mit dem ersten Bolzen 26 in Wirkverbindung steht, in dem die herrschende Radialkraft der Antriebswelle 14, die auf den ersten Bolzen 26 wirkt, von diesem über die Blattfeder 33 auf den Druckstempel 17 übertragen wird und als Messsignal vom Drucksensor 16 erfasst wird. Eine Befestigungsplatte 40 ist dabei durch zwei Schrauben 42 mit dem Befestigungskörper 30 kraftschlüssig verbunden. Zwischen dem Druckstempel 17 und der Trägerplatte 40 befindet sich der Drucksensor 16, der als Foliensensor ausgebildet ist. Da sich die Drehlagerung 18 nur in den durch die schwimmende Lagerung 20 vorgegebenen translatorischen Bewegungsrichtungen bewegen kann, wird die Radialkraft, die von der Antriebswelle 14 auf die Drehlagerung 18 wirkt, ebenfalls auf den ersten Bolzen 26 übertragen. Die damit durch den Foliensensor erfassten Drucksignaldaten können dann an eine Rechnereinheit weitergeleitet werden. Die Blattfeder 33 kann dabei derart vorgespannt werden, so dass der Foliensensor 16 in einen optimalen Arbeitspunkt bringbar ist.
In der 6c ist eine Detailansicht C der 6a dargestellt. Ein zweiter Bolzen 36 steht in mechanischer Wirkverbindung mit einer Drehlagerung 18 und einem Zwischenring 34. Zudem ist der zweite Bolzen 36 in einer zweiten Öffnung 38 in dem Befestigungskörper 30 eingelassen und steht dabei in mechanischer Wirkverbindung mit einer konvexen Seite der entsprechenden Blattfeder 33. Die zweite konkave Seite der Blattfeder 33 steht in mechanischer Wirkverbindung mit einem Druckstempel 17. Eine Trägerplatte 40 ist dabei ebenfalls an einem Befestigungskörper 30 durch Schrauben 42 gekoppelt. Die Blattfeder 33 ist dabei derart vorgespannt, so dass ein Foliensensor 16, der zwischen dem Druckstempel 17 und der Trägerplatte 40 eingebracht ist, eine permanente Krafteinwirkung erfährt, wodurch der Foliensensor 16 in einen bestimmten Arbeitspunkt bringbar ist.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen aus den 1 bis 6 sind die beiden ersten Bolzen 26 senkrecht zueinander an der Drehlagerung 18 (s. 1 bis 5) bzw. dem Zwischenring 34 (s. 6) befestigt und bilden mit den Öffnungen 28 in dem Befestigungskörper 30 eine erste Linearführung der schwimmenden Lagerung 20, wodurch eine senkrechte, translatorische Bewegung der Antriebswelle 14 zum Befestigungskörper 30 ermöglicht wird. Die beiden weiteren zweiten Bolzen 36 sind waagerecht zueinander an dem Zwischenring 34 (s. 1 bis 5) bzw. der Drehlagerung 18 (s. 6) befestigt und bilden mit den Öffnungen 38 in dem Befestigungskörper 30 eine zweite Linearführung der schwimmenden Lagerung 20, wodurch eine waagerechte, translatorische Bewegung der Antriebswelle 14 zum Befestigungskörper 30 ermöglicht wird. Durch ein vorgesehenes Spiel 32 bei einer Linearführung wird genügend Bewegungsfreiheit für eine weitere Linearführung der schwimmenden Lagerung 20 geschaffen.
Bezugszeichenliste

10: Messvorrichtung
14: Antriebswelle
16: Drucksensor
17: Druckstempel
18: Drehlagerung
20: schwimmende Lagerung
26: erster Bolzen
28: erste Öffnung
30: Befestigungskörper
31: Bohrung
32: Spiel
33: Feder
34: Zwischenring
36: zweiter Bolzen
38: zweite Öffnung
40: Trägerplatte
42: Schraube
52: Antriebsrad
54: passives Rad
60: Rechnereinheit
70: drahtgebunden
72: drahtlos
100: Roboter
104: zweite Rechnereinheit
106: Koppelelement
200: Robotersystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10136438 A1 [0002]
US 6272936 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Standard der IEEE 802 [0017]

Claims

Messvorrichtung (10) zur Bestimmung von Radialkräften in einer Antriebseinheit, die insbesondere auf eine drehbare Antriebswelle (14) wirken, mit zumindest einem Drucksensor (16), der außerhalb einer Drehlagerung (18) für die Antriebswelle (14) angeordnet ist und der Drucksensor (16) die von der Antriebswelle (14) auf die Drehlagerung (18) wirkende Radialkraft an einem definierten Messpunkt messtechnisch erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlagerung (18) selbst in einer schwimmenden Lagerung (20) aufgenommen gelagert ist, wobei die schwimmende Lagerung (20) nur eine translatorische Bewegung für die gelagerte Antriebswelle (14) zulässt und der Drucksensor (16) am definierten Messpunkt die Radialkraft der Antriebswelle (14) erfasst, wobei die Radialkraft zu einer translatorischen Bewegung der Antriebswelle (14) in der schwimmenden Lagerung (20) führt.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein erster Bolzen (26) mit der Drehlagerung (18) in einer mechanischen Wirkverbindung steht, wobei insbesondere der erste Bolzen (26) in einer ersten Öffnung (28) eines Befestigungskörpers (30) einführbar ist, wodurch die schwimmende Lagerung (20) gebildet ist.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (28) eine rechteckige, dreieckige, runde oder beliebige geometrische Form bildet und der erste Bolzen (26) eine dazu komplementäre Form aufweist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bolzen (26) und der ersten Öffnung (28) ein Spiel (32) ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenring (34) mit zumindest einem zweiten Bolzen (36) zwischen dem Befestigungskörper (30) und der Drehlagerung (18) eingebracht ist und der Zwischenring (34) wenigstens eine Bohrung (31) aufweist, wodurch der erste Bolzen (26) bewegbar ist, wobei der zweite Bolzen (36) in eine zweite Öffnung (38) einführbar ist, wodurch die schwimmende Lagerung (20) gebildet ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bolzen (36) in die zweite Öffnung (38) passgenau einführbar ist, wodurch eine translatorische Bewegung des zweiten Bolzens (36) in der zweiten Öffnung (38) ermöglichbar ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bolzen (26) mit einer ersten Seite einer Feder (33) und der Drucksensor (16) mit einer zweiten Seite einer Feder (33) gekoppelt sind.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bolzen (36) mit einer ersten Seite einer Feder (33) und der Drucksensor (16) mit einer zweiten Seite einer Feder (33) gekoppelt sind.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Sensoren (16) im Winkelversatz angeordnet sind, wobei insbesondere vier Drucksensoren (16) in einem rechten Winkel zueinander radial zur Drehlagerung (18) angeordnet sind.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehlagerung (18) ein Wälzlager, ein Gleitlager und/oder ein Motor oder ein Getriebe oder eine Motor-Getriebe-Kombination ist.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Antriebswelle (14) ein Antriebsrad (52) drehfest angeordnet ist und ein passives Rad (54) drehbar an der Antriebswelle (14) gelagert ist, wodurch eine Schlupfmessung durchführbar ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich des Drucksensors (16) zwischen 0 N und 445 N liegt, insbesondere bevorzugt zwischen 0 N und 133 N liegt.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rechnereinheit (60) die Drucksignaldaten der Drucksensoren (16) aufnimmt, wodurch der Betrag und die Richtung der auf die Antriebswelle (14) wirkenden Kräfte ermittelbar sind.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (16) ein Foliensensor oder dergleichen ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksignaldaten der Drucksensoren (16) drahtgebunden (70) oder drahtlos (72) zur Bestimmung der Krafteinwirkung auf die Drehlagerung (18) zu der Rechnereinheit (60) übermittelbar sind.
Roboter (100) mit einer Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (100) wenigstens zwei Antriebseinheiten (52, 14) aufweist, die über eine zweite Rechnereinheit (104) steuerbar sind, wobei die errechnete Krafteinwirkung auf die Drehlagerung (18) durch die Rechnereinheit (60) an eine zweite Rechnereinheit (104) übermittelbar ist, wodurch eine optimale Ansteuerung der Antriebseinheiten (102) ermöglichbar wird.
Robotersystem mit wenigstens einem Roboter (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass alle Werte der einzelnen Drucksensoren (16) der einzelnen Roboter (100) zentral von einer Rechnereinheit ausgewertet werden.