DE102014215723A1 - Sensor device with a sensor element for mechanical stresses and grippers with mechanical gripping members - Google Patents

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Jürgen Götz
Daniel Horcher
Uwe Linnert
Carl Udo Maier
Franz Meierhöfer
Jochen Ostermaier
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    • B25J13/08Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
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    • G01L5/0061Force sensors associated with industrial machines or actuators
    • G01L5/0076Force sensors associated with manufacturing machines
    • G01L5/009Force sensors associated with material gripping devices

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Sensoranordnung (11) mit einem Kraftaufnehmer (12) und einem Sensorelement (13). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Sensorelement mit einer Erregerspule (24) und mindestens einer Empfängerspule (25) auf einem Kern (17) ausgestattet ist, wobei der Kern mit dem Kraftaufnehmer (12) einen magnetischen Kreis (19) ausbildet. Verformungen (27) können durch Änderungen im magnetischen Fluss über die Empfängerspulen (25) detektiert werden. Erfindungsgemäß sind weiterhin in dem Kraftaufnehmer (12), der eine elastische Matrix (15) aufweist, Partikel (16) eines vorzugsweise ferromagnetischen Materials verteilt. Verformungen des Kraftaufnehmers bewirken vorteilhaft dadurch nicht nur die Ausbildung von Spannungen in dem ferromagnetischen Füllmaterial, welche aufgrund des magnetoelastischen Effektes ausgelesen werden können, sondern gleichzeitig eine Veränderung der Dichte des Füllmaterials (16) in dem Matrixmaterial (15), was eine zusätzliche Beeinflussung des Messergebnisses bewirkt. Hierdurch sind vorteilhaft besonders empfindliche Sensoranordnungen erzeugbar. Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen Greifer, bei dem die erfindungsgemäße Sensoranordnung zum Einsatz kommt.The invention relates to a sensor arrangement (11) with a force transducer (12) and a sensor element (13). According to the invention, the sensor element is equipped with an exciter coil (24) and at least one receiver coil (25) on a core (17), wherein the core forms a magnetic circuit (19) with the force transducer (12). Deformations (27) can be detected by changes in the magnetic flux via the receiver coils (25). According to the invention, furthermore, particles (16) of a preferably ferromagnetic material are distributed in the force transducer (12), which has an elastic matrix (15). Deformations of the force transducer thereby advantageously cause not only the formation of stresses in the ferromagnetic filler material, which can be read out due to the magnetoelastic effect, but at the same time a change in the density of the filling material (16) in the matrix material (15), which has an additional influence on the measurement result causes. As a result, particularly sensitive sensor arrangements can be produced. Furthermore, the invention also relates to a gripper, in which the sensor arrangement according to the invention is used.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement, mit dem mechanische Spannungen in einem Bauteil gemessen werden können. Außerdem betrifft die Erfindung einen Greifer mit mechanischen Greifgliedern. The invention relates to a sensor device with a sensor element, with which mechanical stresses in a component can be measured. Moreover, the invention relates to a gripper with mechanical gripping members.
  • Sensorvorrichtungen, mit denen mechanische Spannungen zum Zweck einer Kraftmessung gemessen werden können, sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Beispielsweise lassen sich auf Bauteilen Dehnungsmessstreifen aufbringen, deren elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit des im Bauteil vorliegenden Spannungszustandes verändern. Eine andere Möglichkeit liegt in der Nutzung des magnetoelastischen Effekts. Der magnetoelastische Effekt beruht auf der Änderung der magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials bei mechanischer Belastung. Als Materialien können beispielsweise Eisen, Stahl, Nickel und Kobalt(ferromagnetisch) oder Ferrit (ferrimagnetisch) zum Einsatz kommen. Die Größe des magnetoelastischen Effekts ist abhängig vom verwendeten Material. Beispielsweise ändern Zug- oder Druckspannungen im Material die magnetischen Eigenschaften. Sensor devices with which mechanical stresses can be measured for the purpose of force measurement are well known in the art. For example, can be applied to components strain gauges whose electrical properties change depending on the voltage state present in the component. Another possibility is the use of the magnetoelastic effect. The magnetoelastic effect is based on the change in the magnetic properties of a ferromagnetic material under mechanical stress. As materials, for example, iron, steel, nickel and cobalt (ferromagnetic) or ferrite (ferrimagnetic) can be used. The size of the magnetoelastic effect depends on the material used. For example, tensile or compressive stresses in the material change the magnetic properties.
  • Ein magnetoelastischer Sensor beruht auf dem inversen magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagnetische Materialien eine Änderung in der magnetischen Permeabilität erfahren, wenn mechanische Spannungen auftreten. Dieser Effekt wird daher auch als magnetoelastischer Effekt bezeichnet. Da mechanische Spannungen durch Zug- und Druckkräfte sowie durch Torsion erzeugt werden, kann der magnetoelastische Effekt zur Kraft- und zur Drehmomentmessung herangezogen werden und ist daher vielseitig einsetzbar, wie beispielsweise in der DE 10 2011 081 869 A1 beschrieben wird. A magnetoelastic sensor relies on the inverse magnetostrictive effect, that is, the effect that ferromagnetic materials experience a change in magnetic permeability when mechanical stresses occur. This effect is therefore also called magnetoelastic effect. Since mechanical stresses are generated by tensile and compressive forces and by torsion, the magnetoelastic effect can be used for force and torque measurement and is therefore versatile, such as in the DE 10 2011 081 869 A1 is described.
  • Messköpfe zum Messen des magnetoelastischen Effekts umfassen eine Sende- oder Erregerspule, mit der in einer ferromagnetischen Schicht oder einem ferromagnetischen Bauteil ein Magnetfeld induziert wird. Dabei wird in der Schicht oder dem Bauteil ein Antwortsignal generiert, dessen magnetische Flussdichte von der Permeabilität der Schicht oder des Bauteils abhängt. Diese wird wiederum von den in der Schicht oder dem Bauteil herrschenden mechanischen Spannungen beeinflusst. Die magnetische Flussdichte des Antwortsignals bestimmt die Stärke der in der Empfangsspule induzierten Spannung. Aus der Spannung können dann die mechanischen Spannungen in der ferromagnetischen Schicht oder dem Bauteil berechnet werden. Measuring heads for measuring the magnetoelastic effect comprise a transmitting or exciting coil with which a magnetic field is induced in a ferromagnetic layer or a ferromagnetic component. In this case, a response signal is generated in the layer or the component whose magnetic flux density depends on the permeability of the layer or the component. This in turn is influenced by the mechanical stresses prevailing in the layer or the component. The magnetic flux density of the response signal determines the strength of the voltage induced in the receiver coil. From the voltage then the mechanical stresses in the ferromagnetic layer or the component can be calculated.
  • Der magnetoelastische Effekt kann zum Beispiel auch zum Messen von Drehmomenten in einem rotierenden Objekt herangezogen werden, da ein Drehmoment Spannungen in dem rotierenden Objekt erzeugt. Es sind eine Reihe verschiedener Sensoren bekannt, die den magnetoelastischen Effekt verwenden, um kontaktlos Drehmomente von Wellen zu erfassen. Die magnetoelastischen Sensoren zeichnen sich durch hohe Genauigkeit aus, wobei eine Nachkalibrierung ebenso wenig erforderlich ist, wie das Anfahren von Referenzmarken. Ein magnetoelastischer Drehmomentsensor, der zum Messen des Drehmoments von Antriebswellen zum Einsatz kommt, ist aus DE 10 2011 075 400 A1 bekannt. Zur Messung von Drehmomenten an Kraft übertragenden Wellen von Maschinen wird in einem geringen Abstand von der Oberfläche der Welle kontaktlos eine elektromagnetische Spule angeordnet, die auf die Veränderung der Permeabilität in einer ferromagnetischen Schicht auf der Welle oder einer an sich ferromagnetischen Welle mit einer Signaländerung reagiert. Die aus dem ferromagnetischen Material gebildete Welle ist dadurch Teil der Messvorrichtung. The magnetoelastic effect can also be used, for example, to measure torques in a rotating object since a torque generates stresses in the rotating object. There are a number of different sensors known that use the magnetoelastic effect to contactlessly detect torques of waves. The magnetoelastic sensors are characterized by high accuracy, with a recalibration is required just as little as the approach of reference marks. A magnetoelastic torque sensor used to measure the torque of drive shafts is off DE 10 2011 075 400 A1 known. To measure torques on force transmitting shafts of machines, an electromagnetic coil is arranged without contact at a small distance from the surface of the shaft, which reacts to the change of the permeability in a ferromagnetic layer on the shaft or a per se ferromagnetic wave with a signal change. The wave formed from the ferromagnetic material is thereby part of the measuring device.
  • Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Sensorvorrichtung oder einen Greifer derart weiterzubilden, dass die Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung oder des Greifers vergleichsweise groß ist. The object of the invention is to develop a sensor device or a gripper such that the sensitivity of the sensor device or the gripper is comparatively large.
  • Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Sensorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Bauteil als Kraftaufnehmer ausgeführt ist, aufweisend ein Matrixmaterial und ein in das Matrixmaterial eingebettetes Füllmaterial, wobei das Füllmaterial einen größeren Elastizitätsmodul aufweist als das Matrixmaterial. Vorzugsweise kann das Füllmaterial ein Elastomer sein, welches gegenüber mechanischen Verformungen nur einen vergleichsweise geringen Widerstand entgegenbringt. Das Füllmaterial des Kraftaufnehmers besteht aus einem magnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material und weist einen im Vergleich hierzu wesentlich höheren Elastizitätsmodul auf. Besonders vorteilhaft ist aufgrund der hohen magnetischen Permeabilität die Auswahl ferromagnetischer Materialien. Daher wird im Folgenden der Einfachheit halber nur von ferromagnetischen Materialien die Rede sein. Die getroffenen Aussagen gelten aber für alle magentischen Materialien wie zum Beispiel die ferrimagnetischen Materialien und sollen daher auch auf diese Materialien bezogen sein. This object is achieved with the sensor device specified at the outset according to the invention in that the component is designed as a force transducer, comprising a matrix material and a filler material embedded in the matrix material, wherein the filler material has a greater modulus of elasticity than the matrix material. Preferably, the filler material may be an elastomer, which has only comparatively little resistance to mechanical deformations. The filler of the force transducer consists of a magnetic material, in particular ferromagnetic or ferrimagnetic material and has a compared to this much higher modulus of elasticity. Due to the high magnetic permeability, the selection of ferromagnetic materials is particularly advantageous. Therefore, for the sake of simplicity, only ferromagnetic materials will be discussed below. However, the statements made apply to all magenta materials such as the ferrimagnetic materials and should therefore also be related to these materials.
  • Vorzugsweise liegt der Elastizitätsmodul des Füllmaterials mindestens bei dem hundertfachen des Elastizitätsmoduls des Matrixmaterials. Vorzugsweise kann das Füllmaterial beispielsweise durch Eisen, ferromagnetische Stähle, Kobalt, Ferrit oder Nickel gebildet sein. Preferably, the modulus of elasticity of the filler material is at least 100 times the modulus of elasticity of the matrix material. Preferably, the filler may be formed, for example, by iron, ferromagnetic steels, cobalt, ferrite or nickel.
  • Weiterhin weist der Kraftaufnehmer erfindungsgemäß ein auf dem magnetoelastischen Effekt beruhendes Sensorelement auf. Dieses hat einen ferromagnetischen Kern, eine diesen Kern umgebenden Erregerspule und eine den Kern umgebende Empfängerspule. Gemäß einer erfindungsgemäßen Alternative kann auch vorgesehen werden, dass das Sensorelement einen ferromagnetischen Kern und eine den Kern umgebende Erreger-Empfänger-Spule aufweist. Bei dieser Alternative sind die Funktionalitäten der Erregerspule und der Empfängerspule durch ein und dasselbe Bauteil realisiert. Die Erreger-Empfänger-Spule muss daher im Wechsel als Erregerspule und Empfängerspule betrieben werden. Als Erregerspule wird die Ausbildung eines magnetischen Kreises unterstützt, welcher aufgrund der ferromagnetischen Eigenschaften des Kerns sowie des Füllmaterials auch nach Abschalten der Spule erhalten bleibt. Die magnetischen Eigenschaften des Magnetfeldes, welches durch das ferromagnetische Material erhalten bleibt, können anschließend durch Messen eines Stroms in der Erreger-Empfänger-Spule gemessen werden. Furthermore, the force transducer according to the invention on the magnetoelastic Effect based sensor element. This has a ferromagnetic core, an excitation coil surrounding this core and a receiver coil surrounding the core. According to an alternative according to the invention, it can also be provided that the sensor element has a ferromagnetic core and a pathogen-receiver coil surrounding the core. In this alternative, the functionalities of the exciter coil and the receiver coil are realized by one and the same component. The exciter-receiver coil must therefore be operated alternately as exciter coil and receiver coil. As excitation coil, the formation of a magnetic circuit is supported, which is maintained even after switching off the coil due to the ferromagnetic properties of the core and the filler material. The magnetic properties of the magnetic field retained by the ferromagnetic material can then be measured by measuring a current in the exciter-receiver coil.
  • Die Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung hat den Vorteil, dass neben der Erzeugung eines magnetoelastischen Effektes durch Komprimierung des elastischen Materials und damit durch Druckerhöhung auf das Füllmaterial ein weiterer Effekt ausgelöst wird, der vorteilhaft zu einer erhöhten Empfindlichkeit der Sensorvorrichtung führt. Dieser Effekt besteht darin, dass aus der resultierenden Verformung des Kraftaufnehmers auch eine Konzentrationsänderung des ferromagnetischen Füllmaterials ausgelöst wird. Hierdurch verändert sich der magnetische Widerstand im Inneren des Kraftaufnehmers. Dieser Effekt lässt sich in gleicher Weise an der Empfängerspule oder der Erreger-Empfänger-Spule (im Empfängermodus) messen. Die Änderung des magnetischen Widerstandes des Kraftaufnehmers aufgrund einer Verformung hat nämlich zur Folge, dass der magnetische Fluss im magnetischen Kreis sich ändert. Damit wird vorteilhaft eine Sensorvorrichtung mit einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Verformungen des Kraftaufnehmers erzeugt. Überdies verformt sich der Kraftaufnehmer aufgrund des geringeren Elastizitätmoduls des Matrixmaterials bei einer bestimmten Krafteinprägung stärker, wodurch auch der den magnetoelastischen Effekt überlagernde Effekt der Konzentrationsänderung des Füllmaterials vergleichsweise stark ausgeprägt ist. The use of the sensor device according to the invention has the advantage that in addition to the generation of a magnetoelastic effect by compression of the elastic material and thus by increasing the pressure on the filling material, a further effect is triggered, which advantageously leads to increased sensitivity of the sensor device. This effect is that from the resulting deformation of the force transducer and a change in concentration of the ferromagnetic filler is triggered. As a result, the magnetic resistance in the interior of the force transducer changes. This effect can be measured in the same way on the receiver coil or the exciter-receiver coil (in the receiver mode). Namely, the change in the magnetic resistance of the force transducer due to deformation causes the magnetic flux in the magnetic circuit to change. This advantageously produces a sensor device with increased sensitivity to deformations of the force transducer. Moreover, due to the lower modulus of elasticity of the matrix material, the force transducer deforms more strongly at a certain force impression, whereby the effect of changing the concentration of the filling material overlying the magnetoelastic effect is also comparatively pronounced.
  • Neben einer Steigerung der Sensorempfindlichkeit ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch eine Verbesserung der Ortsauflösung bei dem Kraftaufnehmer möglich. Im einfachsten Fall kann der Kern als U-Kern ausgeführt sein. Hierbei wird ein einziger magnetischer Kreis in der Sensorvorrichtung ausgebildet und somit auch nur ein Messsignal erzeugt. Hierbei können, wie bereits angegeben, eine Erregerspule und eine Empfängerspule oder eine kombinierte Erreger-Empfänger-Spule zum Einsatz kommen. Allerdings können vorteilhaft auch mehrere Empfängerspulen vorgesehen sein, die sternförmig um eine Erregerspule angeordnet sind. Hierbei ist nur eine Erregerspule erforderlich, die mehrere magnetische Kreise in den mehreren Empfängerspulen erzeugt. Hierzu muss der Kern ebenfalls einen sternförmigen Aufbau aufweisen, wobei die Erregerspule zentral angeordnet ist, während die Empfängerspulen auf sternförmig abragenden Strukturen des Kernes angeordnet sind. Im einfachsten Fall wird ein E-Kern vorgesehen, wobei dieser sozusagen ein Stern mit zwei Spitzen darstellt. Bevorzugt können beispielsweise auch drei bis sieben Spitzen angeordnet werden, wodurch die Ortsauflösung der Sensorvorrichtung jeweils steigt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kraftaufnehmer zentralsymmetrisch aufgebaut ist und die Erregerspule und der Kraftaufnehmer zumindest im Wesentlichen auf derselben Symmetrieachse liegen. Die magnetischen Kreise, die durch die einzige Erregerspule erzeugt werden, verlaufen dadurch entlang der Symmetrieachse und spalten sich dann entsprechend des sternförmigen Aufbaus des Kraftaufnehmers auf, sodass für jede Empfängerspule eine magnetischer Kreis ausgebildet wird. Die Ortsauflösung der Sensorvorrichtung hängt somit von dem Verlauf der unterschiedlichen magnetischen Kreise ab. In addition to an increase in the sensor sensitivity, an improvement of the spatial resolution in the force transducer is possible according to an advantageous embodiment of the invention. In the simplest case, the core can be designed as a U-core. In this case, a single magnetic circuit is formed in the sensor device and thus only one measurement signal is generated. Here, as already stated, an excitation coil and a receiver coil or a combined exciter-receiver coil can be used. However, advantageously, a plurality of receiver coils can be provided, which are arranged in a star shape around an exciter coil. In this case, only one excitation coil is required, which generates a plurality of magnetic circuits in the plurality of receiver coils. For this purpose, the core must also have a star-shaped structure, wherein the excitation coil is arranged centrally, while the receiver coils are arranged on star-shaped protruding structures of the core. In the simplest case, an E-core is provided, which, so to speak, represents a star with two tips. Preferably, for example, three to seven tips can be arranged, whereby the spatial resolution of the sensor device increases in each case. It is particularly advantageous if the force transducer is constructed centrally symmetrical and the excitation coil and the force transducer are at least substantially on the same axis of symmetry. The magnetic circuits, which are generated by the single exciting coil, thereby run along the axis of symmetry and then split according to the star-shaped structure of the force transducer, so that a magnetic circuit is formed for each receiver coil. The spatial resolution of the sensor device thus depends on the course of the different magnetic circuits.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kraftaufnehmer zylindrisch oder gewölbt ausgebildet ist. Der Kraftaufnehmer kann insbesondere halbkugelförmig ausgebildet sein. Durch das Vorsehen mehrerer Empfängerspulen kann bei einem solchen Kraftaufnehmer beispielsweise eine exzentrische Krafteinleitung detektiert werden, da in einem solchen Falle die einzelnen Empfängerspulen unterschiedlich starke Signale erzeugen würden. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass der Kraftaufnehmer die Form einer Platte oder einer Folie aufweist. Hierdurch lassen sich vorteilhaft insbesondere großflächige Sensorvorrichtungen fertigen. Diese können mit einem Raster von Kraftaufnehmern versehen werden, wobei jeder Kraftaufnehmer einen magnetischen Kreis ausbildet. Die Ortsauflösung in der Platte oder Folie wird also dadurch erzeugt, dass mehrere unabhängige Kerne in dem Kraftaufnehmer verteilt sind und mit deren Hilfe unabhängig voneinander lokale Verformungen in der Platte oder Folie angezeigt werden können. According to a particular embodiment of the invention it is provided that the force transducer is cylindrical or curved. The force transducer may be formed in particular hemispherical. By providing a plurality of receiver coils, for example, an eccentric force introduction can be detected in such a force transducer, since in such a case, the individual receiver coils would produce signals of different strengths. According to another embodiment of the invention can be provided that the force transducer has the shape of a plate or a foil. As a result, particularly large-area sensor devices can be produced in an advantageous manner. These can be provided with a grid of force transducers, each force transducer forming a magnetic circuit. The spatial resolution in the plate or film is thus generated by the fact that several independent cores are distributed in the force transducer and with the help of which local deformations in the plate or film can be displayed independently.
  • Das magnetische Verhalten und vor allem die verformungsabhängige Änderung des magnetischen Verhaltens kann durch die Wahl der Partikelgröße, der Partikelform oder einer Vorzugsorientierung der Partikel des Füllmaterials im Matrixmaterial beeinflusst werden. So ist es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beispielsweise möglich, dass das Füllmaterial plättchenförmige oder strangförmige (fadenförmige) Partikel aufweist, wobei die Partikel in Richtung der Feldlinien des magnetischen Kreises ausgerichtet sind. Hierdurch wird erreicht, dass die Empfindlichkeit des Kraftaufnehmers bei Verformungen senkrecht zur Ausrichtung des Füllmaterials empfindlicher reagiert, als wenn eine Verformung in Ausrichtungsrichtung erfolgt. Hierdurch kann vorteilhaft der Kraftaufnehmer auf bestimmte zu detektierende Verformungen vorbereitet werden, damit diese Verformungen mit einer erhöhten Empfindlichkeit angezeigt werden können. The magnetic behavior and above all the deformation-dependent change in the magnetic behavior can be influenced by the choice of the particle size, the particle shape or a preferred orientation of the particles of the filling material in the matrix material. Thus, according to an advantageous embodiment of the invention, for example, it is possible for the filling material to be platelet-shaped or strand-like (thread-like) particles, wherein the particles are aligned in the direction of the field lines of the magnetic circuit. This ensures that the sensitivity of the force transducer is more sensitive to deformations perpendicular to the orientation of the filling material than if it is deformed in the direction of alignment. As a result, the force transducer can advantageously be prepared for certain deformations to be detected, so that these deformations can be displayed with increased sensitivity.
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Füllmaterial Partikel unterschiedlicher Permeabilität und/oder mit unterschiedlicher Ausrichtung aufweist. Hierdurch kann das mechanische Verhalten des Kraftaufnehmers vorteilhaft weiter beeinflusst werden. Beispielsweise ist es möglich, dass in dem Kraftaufnehmer Regionen unterschiedlicher Empfindlichkeit vorgesehen werden, indem in bestimmten Regionen die Ausrichtung der Partikel des Füllmaterials anders erfolgt als in anderen. According to another embodiment of the invention, it is provided that the filling material has particles of different permeability and / or with different orientation. As a result, the mechanical behavior of the force transducer can be advantageously further influenced. For example, it is possible for regions of different sensitivity to be provided in the force transducer, in that the orientation of the particles of the filling material is different in certain regions than in others.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Füllmaterial in einer Konzentration unterhalb der Perkolationsschwelle im Matrixmaterial vorgesehen ist, wobei die Perkolationsschwelle durch Verformung des Kraftaufnehmers erreicht wird. Hierdurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass der magnetische Fluss im Füllmaterial durch Überschreiten einer bestimmten Verformung des Kraftaufnehmers durch Kontaktierung der Partikel des Füllmaterials sprunghaft ansteigt. According to a further embodiment of the invention, it is provided that the filling material is provided in a concentration below the percolation threshold in the matrix material, wherein the percolation threshold is achieved by deformation of the force transducer. In this way, it can be advantageously achieved that the magnetic flux in the filling material rises suddenly by exceeding a certain deformation of the force transducer by contacting the particles of the filling material.
  • Die Aufgabe wird überdies mit einem Greifer der eingangs angegebenen Art mit mechanischen Greifgliedern gelöst. Die Greifglieder des Greifers stellen die mechanischen Einrichtungen dar, die beweglich sind, um den Greifvorgang auszuführen. Die Greifer legen sich dabei an das zu greifende Objekt an. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eines der Greifglieder, bevorzugt sogar alle Greifglieder mit einer Sensorvorrichtung der beschriebenen Art ausgestattet ist oder sind. Die hohe Empfindlichkeit der beschriebenen Sensorvorrichtung führt vorteilhaft dazu, dass der Greifer auch empfindliche Objekte handhaben kann, da der Greifvorgang aufgrund der erfindungsgemäß erzeugten empfindlichen Sensorsignale gesteuert werden kann. Auch ist es hierbei möglich, Objekte zu greifen, deren Geometrie vor dem Greifvorgang gar nicht oder nicht hinreichend bestimmt ist. The object is also achieved with a gripper of the type specified with mechanical gripping members. The gripping members of the gripper constitute the mechanical means which are movable to carry out the gripping operation. The grippers attach themselves to the object to be gripped. According to the invention, it is provided that at least one of the gripping members, preferably even all gripping members, is or are equipped with a sensor device of the type described. The high sensitivity of the described sensor device advantageously leads to the gripper being able to handle even sensitive objects, since the gripping process can be controlled on the basis of the sensitive sensor signals generated according to the invention. It is also possible to grasp objects whose geometry is not or not sufficiently determined before the gripping process.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals and will only be explained several times as far as there are differences between the individual figures. Show it
  • 1 und 2 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung schematisch im Schnitt, 1 and 2 Embodiments of the sensor device according to the invention schematically in section,
  • 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung in dreidimensionaler Darstellung und 3 another embodiment of the sensor device according to the invention in three-dimensional representation and
  • 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Greifers. 4 schematically an embodiment of the gripper according to the invention.
  • Gemäß 1 ist eine Sensoranordnung 11 dargestellt, die beispielsweise als taktile Oberfläche eines Bauteils Verwendung finden kann. Die Sensoranordnung 11 als Ganzes kann als Folie oder Platte ausgebildet sein. Die Sensoranordnung 11 besteht aus einem Kraftaufnehmer 12 und Sensorelementen 13, welche nach dem Funktionsprinzip magnetoelastischer Sensoren aufgebaut sind. Die Sensorelemente 13 sind in eine Schicht 14 eingebettet. Diese kann aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Je nachdem ob dieser Kunststoff elastisch oder starr ist, ist die Sensoranordnung 11 mehr oder weniger flexibel. Hiervon hängt es ab, ob sich die Sensoranordnung 11 als Platte oder als Folie verarbeiten lässt. According to 1 is a sensor arrangement 11 represented, for example, can be used as a tactile surface of a component use. The sensor arrangement 11 as a whole can be designed as a foil or plate. The sensor arrangement 11 consists of a force transducer 12 and sensor elements 13 , which are constructed according to the principle of magnetoelastic sensors. The sensor elements 13 are in a layer 14 embedded. This can be formed of a plastic. Depending on whether this plastic is elastic or rigid, the sensor arrangement 11 more or less flexible. It depends on whether the sensor arrangement 11 can be processed as a plate or as a foil.
  • Der Kraftaufnehmer 12 ist aus einem elastischen Matrixmaterial 15 und einem ferromagnetischen Füllmaterial 16 aufgebaut. Das Füllmaterial 16 ist partikelförmig und kann strangförmig, plättchenförmig oder, wie im Ausführungsbeispiel gemäß 1 dargestellt, globular ausgebildet sein. Für die Konzentration gemäß 1 sind durch eine Bruchlinie getrennt zwei mögliche Konzentrationen des Füllmaterials 16 dargestellt. Im linken Teil der Zeichnung liegt die Konzentration bei einem geringeren Wert. Wird der Kraftaufnehmer 12 durch eine einwirkende Kraft F verformt, so steigt die Dichte des Füllmaterials 16 im Kraftaufnehmer, da sich das Matrixmaterial verformt. Gleichzeitig gibt das Matrixmaterial eine Druckkraft auf die im Verformungsbereich liegenden Partikel weiter, so dass aufgrund des magnetoelastischen Effektes der magnetische Fluss in den Partikeln verändert wird. Aber auch die Veränderung der Dichte der Partikel des Füllmaterials 16 beeinflusst die magnetischen Eigenschaften im Kraftaufnehmer. The force transducer 12 is made of an elastic matrix material 15 and a ferromagnetic filler 16 built up. The filling material 16 is particulate and may be strand-shaped, platy or, as in the embodiment according to 1 shown to be globular. For concentration according to 1 separated by a break line are two possible concentrations of filler material 16 shown. In the left part of the drawing, the concentration is at a lower value. Will the load cell 12 deformed by an applied force F, the density of the filling material increases 16 in the force transducer, as the matrix material deforms. At the same time, the matrix material gives a compressive force to the particles lying in the deformation region, so that the magnetic flux in the particles is changed due to the magnetoelastic effect. But also the change in the density of the particles of the filling material 16 influences the magnetic properties in the force transducer.
  • Auf der rechten Seite ist das Füllmaterial 16 in einer wesentlich höheren Konzentration im Matrixmaterial 15 vorgesehen. Die Konzentration ist so gewählt, dass im dargestellten unverformten Zustand des Kraftaufnehmers noch keine Perkolation der Partikel des Füllmaterials 16 vorliegt. Eine Verformung des Matrixmaterials 15 aufgrund einer Krafteinwirkung führt jedoch dazu, dass die Perkolationsschwelle bei den Partikeln des Füllmaterials 16 erreicht wird. Die Berührung der Partikel des Füllmaterials 16 untereinander führt zu einer Veränderung des magnetischen Verhaltens des Kraftaufnehmers 12. On the right side is the filler material 16 in a much higher concentration in the matrix material 15 intended. The concentration is chosen so that in the illustrated undeformed state of the force transducer still no percolation of the particles of the filling material 16 is present. A deformation of the matrix material 15 However, due to a force causes the percolation threshold in the particles of the filling material 16 is reached. The contact of the particles of the filling material 16 between each other leads to a change in the magnetic behavior of the force transducer 12 ,
  • Um das magnetische Verhalten des Kraftaufnehmers messen zu können, sind Sensorelemente 13 in einem Array in der Schicht 14 angeordnet. Je ein Sensorelement besteht aus einem in 1 U-förmig ausgebildeten Kern 17, auf den eine Erreger-Empfänger-Spule 18 gewickelt ist. Der Kern 17 grenzt mit seinen beiden Enden direkt an den Kraftaufnehmer 12 an. Wird der Kern, der aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist, durch die als Erregerspule arbeitende Erreger-Empfänger-Spule 18 magnetisch aktiviert, so bildet sich ein magnetischer Kreis 19 aus, der auch einen Teil des ferromagnetischen Füllmaterials 16 beeinflusst. Die Erreger-Empfänger-Spulen 18 werden durch eine Steuerung 20 über Leitungen 21 angesteuert, wobei die Steuerung neben dem bereits beschriebenen Erreger-Modus auch in einen Empfänger-Modus umschalten kann und nach dem Umschalten die magnetische Induktion im magnetischen Kreis über die Erreger-Empfänger-Spule detektieren kann. In order to measure the magnetic behavior of the force transducer, are sensor elements 13 in an array in the layer 14 arranged. Depending on a sensor element consists of a 1 U-shaped core 17 to which a pathogen-receiver coil 18 is wound. The core 17 borders with its two ends directly to the load cell 12 at. Is the core, which is formed of a ferromagnetic material, by the excitation coil working as exciting coil receiver coil 18 magnetically activated, a magnetic circuit is formed 19 which also contains part of the ferromagnetic filler 16 affected. The exciter-receiver coils 18 be through a controller 20 via lines 21 controlled, wherein the controller in addition to the already described exciter mode can also switch to a receiver mode and can detect the magnetic induction in the magnetic circuit via the exciter-receiver coil after switching.
  • Bei der Sensoranordnung 11 gemäß 2 kommt ein E-förmiger Kern 17 zum Einsatz. Alternativ kann auch ein kreuzförmiger Kern zum Einsatz kommen, wobei dieser im Sinne der Erfindung als sternförmiger Aufbau mit vier Zacken verstanden werden kann (die E-Form bildet einen zweizackigen Aufbau). Hierbei ist eine zentrale Säule 22z entlang einer Symmetrieachse 23 angeordnet, wobei auch der Kraftaufnehmer 12 zentralsymmetrisch ist und gemäß 2 die Form einer Halbkugel aufweist. Dies lässt sich gemäß 2 durch den halbkugelförmigen Querschnitt erkennen. Alternativ könnte der Querschnitt auch parabelförmig ausgebildet sein, wobei die Höhe des Kraftaufnehmers 12 hierbei größer oder kleiner als bei dem Kraftaufnehmer mit Halbkreisquerschnitt ausfallen kann. In the sensor arrangement 11 according to 2 comes an E-shaped core 17 for use. Alternatively, a cruciform core can also be used, and in the context of the invention this can be understood as a star-shaped structure with four prongs (the E-shape forms a two-pronged structure). Here is a central pillar 22z along an axis of symmetry 23 arranged, whereby also the load cell 12 is centrally symmetric and according to 2 has the shape of a hemisphere. This can be done according to 2 recognize by the hemispherical cross section. Alternatively, the cross section could also be parabolic, wherein the height of the force transducer 12 this may be larger or smaller than in the force transducer with semicircular cross section.
  • Der Kern 17 gemäß 2 ist an der zentralen Säule 22z mit einer Erregerspule 24 und an peripheren Säulen 22p mit Empfängerspulen 25 ausgestattet. Hierdurch können mehrere magnetische Kreise 19 erzeugt werden. Die Säulen 22z, 22p werden in direkten Kontakt mit dem Kraftaufnehmer 12 gebracht, wobei in einer den Kraftaufnehmer 12 tragenden Grundplatte 26 Durchbrüche vorgesehen sind, damit die Säulen 22z, 22p direkt an das Matrixmaterial 16 des Kraftaufnehmers 12 herangeführt werden können. The core 17 according to 2 is at the central pillar 22z with an excitation coil 24 and on peripheral columns 22p with receiver coils 25 fitted. This allows multiple magnetic circuits 19 be generated. The columns 22z . 22p will be in direct contact with the force transducer 12 brought, being in a force transducer 12 carrying base plate 26 Breakthroughs are provided to allow the columns 22z . 22p directly to the matrix material 16 of the force transducer 12 can be introduced.
  • Der Kraftaufnehmer 12 ist geeignet, Krafteinwirkungen durch die Kraft F aus unterschiedlichen Richtungen zu detektieren. Hierzu werden die unterschiedlichen Empfängerspulen 25 in geeigneter Weise ausgewertet. Wird beispielsweise eine Kraft von senkrecht oben auf den Kraftaufnehmer 12 ausgeübt (nicht dargestellt), so verformt sich dieser symmetrisch zu Symmetrieachse 23. Die Signale, die an den Empfängerspulen 25 gemessen werden, haben dann denselben Betrag, da sich die Dichte des Füllmaterials 16, dass hier fadenförmig ausgebildet ist, in dem Matrixmaterial 15 an allen Empfängerspulen 25 in gleichem Umfang verändert. Anders verhält es sich jedoch bei einer Einprägung der in 2 eingezeichneten Kraft F. Da diese schräg auf den Kraftaufnehmer wirkt, wird der Kraftaufnehmer auf der Seite der Krafteinleitung verdichtet (es entstehen Druckspannungen) und auf der gegenüberliegenden Seite aufgeweitet (es entstehen Zugspannungen). Im Bereich der Druckspannungen wird außerdem das Füllmaterial 16 im Matrixmaterial 15 verdichtet und auf der gegenüberliegenden Seite verringert sich die Dichte. Die gegenüberliegenden Empfängerspulen 25 werden daher entgegengesetzte Sensorsignale erzeugen. Die Verformungskontur 27 des in der beschriebenen Weise verformten Kraftaufnehmers 12 ist durch eine Strichpunktlinie 27 angedeutet. The force transducer 12 is suitable to detect force effects by the force F from different directions. For this purpose, the different receiver coils 25 evaluated in a suitable manner. For example, a force from perpendicular to the top of the force transducer 12 exerted (not shown), so this deforms symmetrically to the axis of symmetry 23 , The signals present at the receiver coils 25 be measured, then have the same amount, since the density of the filler 16 in that it is thread-shaped here, in the matrix material 15 at all receiver coils 25 changed to the same extent. However, the situation is different with an imprint of 2 indicated force F. Since this obliquely acts on the load cell, the load cell on the side of the force introduction is compressed (it creates compressive stresses) and on the opposite side expanded (there are tensile stresses). In the area of compressive stresses also the filling material 16 in the matrix material 15 compacted and on the opposite side the density decreases. The opposite receiver coils 25 will therefore produce opposite sensor signals. The deformation contour 27 the deformed in the manner described force transducer 12 is by a dashed line 27 indicated.
  • In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 11 dargestellt, bei dem ein zylindrischer Kraftaufnehmer 12 zum Einsatz kommt. Ansonsten ist der Aufbau der Sensoranordung 11 gemäß 3 weitgehend analog dem Aufbau der Sensoranordnung 11 gemäß 2. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass bei der Sensoranordnung gemäß 3 ein sternförmiger Kern 17 zum Einsatz kommt, der fünf Spitzen aufweist. Zu erkennen ist, dass zentral wieder die Säule 22z mit der Erregerspule 24 angeordnet ist und am Umfang fünf Säulen 22p jeweils mit Empfängerspulen 25 angeordnet sind. In 3 is an embodiment of the sensor arrangement 11 shown in which a cylindrical force transducer 12 is used. Otherwise, the structure of the sensor arrangement 11 according to 3 largely analogous to the structure of the sensor arrangement 11 according to 2 , Another difference is that in the sensor arrangement according to 3 a star-shaped core 17 is used, which has five tips. It can be seen that central again the column 22z with the exciter coil 24 is arranged and on the circumference five columns 22p each with receiver coils 25 are arranged.
  • Zu erkennen ist außerdem, dass eine exzentrische Einleitung einer senkrecht wirkenden Kraft F dazu führt, dass von dem zylindrischen Kraftaufnehmer 12 nur die Seite der Krafteinleitung komprimiert wird. Die entstehende Kontur des Kraftaufnehmers 12 ist wieder durch die Strichpunktlinie 27 angedeutet. Die Verformung des Kraftaufnehmers 12 hat damit die Auswirkung, dass nur die Empfängerspulen 25 auf der Seite der Krafteinwirkung F eine Veränderung registrieren, während auf der gegenüberliegenden Seite kein Sensorsignal erzeugt wird. It can also be seen that an eccentric introduction of a vertically acting force F results in that of the cylindrical force transducer 12 only the side of the force introduction is compressed. The resulting contour of the force transducer 12 is again by the dashed line 27 indicated. The deformation of the force transducer 12 has the effect that only the receiver coils 25 On the side of the force F register a change, while on the opposite side no sensor signal is generated.
  • In 4 ist zuletzt ein Greifer 28 schematisch dargestellt. Dieser weist einen Arm 29 auf, an dem gelenkig gelagerte Greifglieder 30 befestigt sind. An den Spitzen der Greifglieder 30 sind Sensoranordnungen 11 gemäß 2 befestigt. Diese können bei einem Greifvorgang ermitteln, wann der Greifer eine genügende Greifkraft aufgebracht hat, um einen nicht näher dargestellten Gegenstand aufzuheben. Eine Beschädigung dieses Gegenstandes kann auf diesem Wege vorteilhaft vermieden werden. In 4 is last a gripper 28 shown schematically. This one has an arm 29 on, on the articulated gripping members 30 are attached. At the tips of the gripping members 30 are sensor arrangements 11 according to 2 attached. These can determine during a gripping process, when the gripper has applied a sufficient gripping force to pick up an item not shown. Damage to this object can be advantageously avoided in this way.
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Claims (10)

  1. Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement, mit dem mechanische Spannungen in einem Bauteil gemessen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Kraftaufnehmer (11) ausgeführt ist, aufweisend – ein Matrixmaterial (12), – ein in das Matrixmaterial (11) eingebettetes Füllmaterial (13), wobei das Füllmaterial (13) einen größeren Elastizitätsmodul aufweist, als das Matrixmaterial (12) und ein auf dem magnetoelastischen Effekt beruhendes Sensorelement (14), aufweisend – einen ferromagnetischen Kern (15), – eine den Kern umgebende Erregerspule (16) und – eine den Kern umgebende Empfängerspule (17), wobei das Füllmaterial (13) des Kraftaufnehmers (11) aus einem magnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material besteht und der Kraftaufnehmer (11) und der Kern (15) einen magnetischen Kreis (19) bilden. Sensor device with a sensor element, with which mechanical stresses can be measured in a component, characterized in that the component as a force transducer ( 11 ), comprising - a matrix material ( 12 ), - one in the matrix material ( 11 ) embedded filling material ( 13 ), the filling material ( 13 ) has a greater modulus of elasticity than the matrix material ( 12 ) and a sensor element based on the magnetoelastic effect ( 14 ), comprising - a ferromagnetic core ( 15 ), - an exciting coil surrounding the core ( 16 ) and - a receiver coil surrounding the core ( 17 ), the filling material ( 13 ) of the force transducer ( 11 ) consists of a magnetic material, in particular ferromagnetic or ferrimagnetic material and the force transducer ( 11 ) and the core ( 15 ) a magnetic circuit ( 19 ) form.
  2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Empfängerspulen (17) vorgesehen sind, die sternförmig um die Erregerspule (16) angeordnet sind. Sensor device according to claim 1, characterized in that a plurality of receiver coils ( 17 ) are provided, the star-shaped around the exciter coil ( 16 ) are arranged.
  3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (11) zentralsymmetrisch aufgebaut ist und die Erregerspule (16) und der Kraftaufnehmer (11) zumindest im Wesentlichen auf derselben Symmetrieachse (18) liegen. Sensor device according to claim 2, characterized in that the force transducer ( 11 ) is constructed centrally symmetrical and the exciter coil ( 16 ) and the force transducer ( 11 ) at least substantially on the same axis of symmetry ( 18 ) lie.
  4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (11) zylindrisch oder gewölbt, insbesondere halbkugelförmig ausgebildet ist. Sensor device according to claim 3, characterized in that the force transducer ( 11 ) is cylindrical or curved, in particular hemispherical.
  5. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (11) die Form einer Platte oder einer Folie aufweist. Sensor device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the force transducer ( 11 ) has the form of a plate or a foil.
  6. Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement, mit dem mechanische Spannungen in einem Bauteil gemessen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Kraftaufnehmer (11) ausgeführt ist, aufweisend – ein Matrixmaterial (12), – ein in das Matrixmaterial (11) eingebettetes Füllmaterial (13), wobei das Füllmaterial (13) einen größeren Elastizitätsmodul aufweist, als das Matrixmaterial (12) und ein auf dem magnetoelastischen Effekt beruhendes Sensorelement (14), aufweisend – einen ferromagnetischen Kern (15) und – eine den Kern umgebende Erreger-Empfänger-Spule (16), wobei das Füllmaterial (13) des Kraftaufnehmers (11) aus einem magnetischen Material, insbesondere ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material besteht und der Kraftaufnehmer (11) und der Kern (15) einen magnetischen Kreis (19) bilden. Sensor device with a sensor element, with which mechanical stresses can be measured in a component, characterized in that the component as a force transducer ( 11 ), comprising - a matrix material ( 12 ), - one in the matrix material ( 11 ) embedded filling material ( 13 ), the filling material ( 13 ) has a greater modulus of elasticity than the matrix material ( 12 ) and a sensor element based on the magnetoelastic effect ( 14 ), comprising - a ferromagnetic core ( 15 ) and - a pathogen-receiver coil surrounding the nucleus ( 16 ), the filling material ( 13 ) of the force transducer ( 11 ) consists of a magnetic material, in particular ferromagnetic or ferrimagnetic material and the force transducer ( 11 ) and the core ( 15 ) a magnetic circuit ( 19 ) form.
  7. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (13) plättchenförmige oder strangförmige Partikel aufweist, wobei die Partikel in Richtung der Feldlinien des magnetischen Kreises (19) ausgerichtet sind. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the filling material ( 13 ) has platelet-shaped or strand-shaped particles, wherein the particles in the direction of the field lines of the magnetic circuit ( 19 ) are aligned.
  8. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (13) Partikel unterschiedlicher Permeabilität und/oder mit unterschiedlicher Ausrichtung aufweist. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the filling material ( 13 ) Has particles of different permeability and / or with different orientation.
  9. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (13) in einer Konzentration unterhalb der Perkolationsschwelle im Matrixmaterial (12) vorgesehen ist, wobei die Perkolationsschwelle durch Verformung des Kraftaufnehmers (11) erreicht wird. Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the filling material ( 13 ) at a concentration below the percolation threshold in the matrix material ( 12 ), wherein the percolation threshold by deformation of the force transducer ( 11 ) is achieved.
  10. Greifer (21) mit mechanischen Greifgliedern (22) dadurch gekennzeichnet, dass mindesten eines der Greifglieder (22) mit einer Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgestattet ist. Gripper ( 21 ) with mechanical gripping members ( 22 ) characterized in that at least one of the gripping members ( 22 ) is equipped with a sensor device according to one of the preceding claims.
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