DE102020213745A1

DE102020213745A1 - Zugseil, seilbetriebene Einrichtung und Verfahren zur Messung einer Zugkraft

Info

Publication number: DE102020213745A1
Application number: DE102020213745.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Bachmann; Gerit Ebelsberger; Reinhard Freitag; Matthias Gerlich; Christian Mose; Takeru Nemoto
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2022-05-05
Also published as: JP2023547164A; KR20230043979A; WO2022090001A1; EP4172584A1

Abstract

Es wird ein Zugseil (1) zur Übertragung einer axialen Zugkraft (FA) angegeben. Das Zugseil (1) umfasst- einen schlauchförmigen Seilmantel (3), der ein Geflecht aus mehreren Seilsträngen und/oder Fasern (5) umfasst, wobei die einzelnen Seilstränge und/oder Fasern (5) schräg zur lokalen Seilachse (A) verlaufen, und- ein in einem Teilabschnitt (s) innerhalb des Seilmantels (3) angeordnetes länglich geformtes Sensorelement (11), welches einen Kondensator (20) aufweist, dessen Kapazität von einem radialen Druck (pr) des Seilmantels (3) auf das Sensorelement (11) abhängt,- wobei der radiale Druck (pr) auf das Sensorelement (11) von der axialen Zugkraft (FA) auf das Zugseil (1) abhängt. Weiterhin wird eine seilbetriebene Einrichtung mit einem solchen Zugseil angegeben sowie ein Verfahren zur Messung einer Zugkraft (FA), welche auf ein solches Zugseil einwirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zugseil zur Übertragung einer axialen Zugkraft. Dieses Zugseil weist einen schlauchförmigen Seilmantel auf, der ein Geflecht aus mehreren Seilsträngen und/oder Fasern umfasst, wobei die einzelnen Seilstränge und/oder Fasern schräg zur lokalen Seilachse verlaufen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine seilbetriebene Einrichtung mit einem solchen Zugseil und ein Verfahren zur Messung einer Zugkraft auf einem Zugseil.
Aus dem Stand der Technik sind hochfeste Seile bekannt, welche zum Übertragen von Zugkräften in seilbetriebenen Einrichtungen dienen. So werden beispielsweise in Robotikeinrichtungen Zugseile eingesetzt, welche ähnlich wie die Sehnen im menschlichen Körper der Kraftübertragung zwischen einer Antriebseinheit und einem davon entfernten Abtriebselement dienen. Es existieren aber auch zahlreiche andere Anwendungen im Maschinenbau und in der Elektrotechnik, bei der kraftübertragende Seilkinematiken eingesetzt werden. Durch die Entwicklung von hochfesten Kunststoffen als Seilmaterialien können solche Seilkinematiken zunehmend kompakter ausgestaltet werden. Für viele dieser Anwendungen ist es nützlich, den aktuellen Belastungszustand des verwendeten Zugseils zu kennen und insbesondere kontinuierlich zu messen. Prinzipiell sind im Stand der Technik Methoden zur Zugspannungsmessung an Seilen bekannt. So werden verschiedene Handgeräte und auch stationäre Zugspannungs-Messgeräte kommerziell angeboten, bei welchen ein unter Zugspannung stehendes Seil typischerweise zwischen mehreren Rollen eingespannt wird, wobei die auf die Rollen einwirkenden Kräfte mit Kraftsensoren gemessen werden. Nachteilig an dieser Art der Messung ist, dass die Messung aufgrund der zusätzlichen Umlenkrollen eine Änderung der Seilführung erfordert. Außerdem wird für diese Art der Messung typischerweise relativ viel Bauraum benötigt, da ein hinreichend langer freier Seilabschnitt vorliegen muss, um das Messgerät daran anzuordnen. Ein derartig langer freier Seilabschnitt ist aber gerade in kompakten Robotikeinrichtungen und anderen kompakten Seilkinematiken nicht immer vorhanden bzw. nicht in allen Betriebszuständen zugänglich. Außerdem muss in wenigstens ein Umlenk-Element ein Kraftsensor eingebaut werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Zugseil zur Verfügung zu stellen, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Zugseil zur Verfügung gestellt werden, welches während seines Betriebs in einer seilbetriebenen Einrichtung auf einfache und platzsparende Weise eine Messung der einwirkenden Zugkraft ermöglicht. Weiterhin soll durch die Messanordnung vorteilhaft die Funktionalität des Zugseils und insbesondere dessen Flexibilität und/oder dessen Zugfestigkeit möglichst wenig beeinflusst werden. Außerdem soll die Messung möglichst kontinuierlich, während des gesamten Betriebs möglich sein. Eine weitere Aufgabe ist es, eine seilbetriebene Einrichtung mit einem solchen Zugseil und ein Verfahren zur Messung der Zugkraft an einem solchen Zugseil zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Zugseil, die in Anspruch 13 beschriebene seilbetriebene Einrichtung und das in Anspruch 15 beschriebene Messverfahren gelöst.
Das erfindungsgemäße Zugseil ist zur Übertragung einer axialen Zugkraft ausgelegt. Es umfasst einen schlauchförmigen Seilmantel, der ein Geflecht aus mehreren Seilsträngen und/oder Fasern aufweist, wobei die einzelnen Seilstränge und/oder Fasern schräg zur lokalen Seilachse verlaufen. Erfindungsgemäß ist in einem Teilabschnitt innerhalb des Seilmantels ein länglich geformtes Sensorelement angeordnet. Dieses Sensorelement weist einen Kondensator auf, dessen Kapazität von einem radialen Druck des Seilmantels auf das Sensorelement abhängt. Dabei hängt der radiale Druck auf das Sensorelement von der axialen Zugkraft auf das Zugseil ab.
Die Bezeichnungen „axial“ und „radial“ beziehen sich hierbei jeweils auf die lokale Seilachse, also auf die Längsrichtung des Seils in dem jeweils betrachteten Seilabschnitt. Auch bei Zugseilen mit nicht kreisförmigem Querschnitt soll dabei der Begriff „radial“ analog zur Kreisform die Richtung von einem außenliegenden Punkt zum Zentrum des Seils (oder umgekehrt) bedeuten. Der Seilmantel umfasst mehrere schräg zur Seilachse liegende Seilstränge und/oder Fasern, wie dies generell bei Seilen üblich ist. Beispielsweise werden Kletterseile heutzutage als Kern-Mantel-Seile gefertigt, bei denen ein außenliegender Seilmantel einen innenliegenden Seilkern radial umgibt. Der hier beschriebene Seilmantel entspricht dem Seilmantel eines solchen Kern-Mantel-Seils, wobei der innenliegende Seilkern prinzipiell (zumindest teilweise) vorhanden sein kann, aber besonders vorteilhaft auch ganz entfallen kann. Anstelle des Seilkerns oder ggf. auch zusätzlich zu diesem ist im Inneren des Seilmantels das länglich geformte Sensorelement angeordnet. Dieses Sensorelement ermöglicht eine Messung der Zugspannung in situ, nämlich im Zugseil selbst. Das Sensorelement ist dazu ausgelegt, einen radialen Druck des Seilmantels auf das Sensorelement zu messen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Sensorelement einen Kondensator umfasst, dessen Kapazität durch eine Änderung dieses radialen Drucks variiert werden kann. Der Aufbau des Seilmantels mit mehreren schräg verlaufenden Seilsträngen und/oder Fasern bewirkt außerdem, dass bei einer Änderung der axialen Zugkraft der radiale Druck des Seilmantels auf das Sensorelement verändert wird. Dies geschieht dadurch, dass aufgrund der Schräglage zur Achse eine Zugkraft entlang der Seilachse immer ein Anpressen des Seilmantels in Richtung der Seilmitte bewirkt, wobei der Winkel der einzelnen Stränge bzw. Fasern mit der Seilachse kleiner wird. Umgekehrt führt ein Nachlassen der Zugkraft zu einer Reduktion der Spannung. Dabei kommt es abhängig von der Einbausituation zu einer Verkürzung und gleichzeitig einer Stauchung des Seilmantels durch Vergrößerung des Faserwinkels. Wenn sich auf diese Weise der Winkel der Stränge oder Fasern zur Seilachse vergrößert und entsprechend der Durchmesser des Seilmantels vergrößert wird, lässt auch der radiale Druck auf das längliche Sensorelement nach. Die einzelnen Stränge bzw. Fasern können miteinander verstrickt, verwoben, verdreht, verschränkt und/oder verflochten sein. Wesentlich ist nur, dass zumindest ein wesentlicher Teil der Fasern bzw. Stränge einen Winkel mit der Längsachse einschließt, so dass die beschriebene Wechselwirkung zwischen axialer Zugkraft und radialem Druck auf das innenliegende Sensorelement zustande kommt. Ein einzelner Seilstrang kann seinerseits aus mehreren Fasern verstrickt, verwoben, verdreht, verschränkt und/oder verflochten sein. Es können aber auch bereits einzelne Fasern aus Garn oder Draht in entsprechender Weise zu dem Seilmantel zusammengesetzt sein. Die längliche Form des innenliegenden Sensorelements ist zweckmäßig, um bei zunehmender Zugkraft eine Zentrierung des Sensorelements im Inneren des Seilmantels zu bewirken.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Zugseils liegt darin, dass mit dem innenliegenden Sensorelement auf einfache Weise eine Messung der Zugspannung am Ort des Seils ermöglicht wird, ohne dass hierfür ein großer zusätzlicher Platzbedarf entsteht. Es muss lediglich ein relativ kurzer freier Seilabschnitt zur Verfügung gestellt werden, in dem das Sensorelement angeordnet werden kann. Beispielsweise kann die Länge dieses Teilabschnitt z.B. das 20fache des Seildurchmessers oder weniger betragen. Beispielsweise kann die Länge des Seilabschnitts zwischen dem 4fachen und dem 20fachen des Seildurchmessers betragen. Aufgrund der Integration des Sensors im Inneren des Seils wird ein sehr kompakter Aufbau zur Messung der Zugspannung zur Verfügung gestellt, welcher sich insbesondere für die Verwendung in kompakten seilbetriebenen Einrichtungen eignet. Dadurch wird eine dauerhafte Überwachung der Zugspannung beim Betrieb des Zugseils ermöglicht. Die Ausgestaltung des Sensorelements mit einer abhängig vom radialen Druck variablen Kapazität ermöglicht eine für viele Anwendungen ausreichend genaue Kraftmessung bei gleichzeitig apparativ einfachem und platzsparendem Aufbau. Die mechanischen Eigenschaften des Zugseils werden durch das integrierte Sensorelement nicht wesentlich verändert, insbesondere wenn der betreffende Seilabschnitt innerhalb einer seilbetriebenen Einrichtung in einem freien Bereich des Seils - also zwischen den dort vorliegenden Umlenk- bzw. Befestigungspunkten - angeordnet ist. Insbesondere werden die Zugfestigkeit des Seils und die Steifigkeit in axialer Richtung durch die innenliegende Anordnung des Sensorelements nur unwesentlich beeinflusst. So kann durch die Erfindung eine dauerhafte Integration einer Sensorik in das Zugseil zur kontinuierlichen Messung der Zugkraft ermöglicht werden.
Die erfindungsgemäße seilbetriebene Einrichtung weist eine Antriebseinheit, ein Abtriebselement und ein erfindungsgemäßes Zugseil auf, welches die Antriebseinheit und das Abtriebselement bezüglich einer Zugrichtung kraftübertragend verbindet. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zugseils ermöglicht auf einfache Weise eine Messung der Zugspannung innerhalb der Einrichtung, wobei für diese Funktionalität kaum zusätzlicher Bauraum benötigt wird. Die beschriebene Verbindung zwischen Antriebseinheit und Abtriebselement über das Zugseil muss keine direkte Verbindung sein. Mit anderen Worten sollen weitere verbindende Zwischenelemente nicht ausgeschlossen sein. Die kraftübertragende Verbindung soll aber zumindest über das Zugseil vermittelt sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Messung einer Zugkraft, welche auf ein erfindungsgemäßes Zugseil einwirkt. Dabei wird ein durch die Kapazität des Kondensators beeinflusstes elektrisches Signal gemessen, dessen Größe von einem radialen Druck des Seilmantels auf das Sensorelement abhängt. Weiterhin hängt der radiale Druck auf das Sensorelement von der Zugkraft auf das Zugseil ab. Die Vorteile der erfindungsgemäßen seilbetriebenen Einrichtung und des erfindungsgemäßen Messverfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Zugseils.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Zugseils, der seilbetriebenen Einrichtung und des Messverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
So kann das länglich geformte Sensorelement allgemein vorteilhaft mit seiner Längsachse entlang der lokalen Seilachse ausgerichtet sein und ein Aspektverhältnis von wenigstens 2:1 aufweisen. Unter diesem Aspektverhältnis soll das Verhältnis von Länge zu (größtem) Durchmesser des Sensorelement verstanden werden. Ein derartig ausgestaltetes Sensorelement wird durch die auf das Seil einwirkende Zugkraft im Inneren des Seilmantels zentriert.
Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Formgebung können der Seilmantel und das innenliegende Sensorelement koaxial zueinander ausgestaltet sein. Besonders vorteilhaft weisen dabei sowohl der außenliegende Seilmantel als auch das innenliegende Sensorelement eine rotationssymmetrische Grundform auf, besitzen also jeweils eine kreisförmige Querschnittsgeometrie. Bei der koaxialen Anordnung dieser beiden insbesondere rotationssymmetrischen Formen liegt aufgrund der Symmetrie eine besonders geringe Beeinflussung der Eigenschaften des Seilmantels vor. Die genannte rotationssymmetrische Form von Seilmantel und Sensorelement ist jedoch nicht zwingend: So kann die Erfindung prinzipiell auch realisiert werden, wenn z.B. ein Sensorelement mit flacher Querschnittsform innerhalb eines entsprechend flach geformten Seilmantels angeordnet ist.
Gemäß einer allgemein besonders bevorzugen Ausführungsform weist der Kondensator des Sensorelements zwei Elektroden und ein radial dazwischenliegendes elastisch verformbares Dielektrikum auf. Durch die elastische Verformbarkeit kann auf besonders einfache Weise aufgrund der resultierenden Abstandsänderung zwischen den Elektroden eine Änderung der Kapazität bewirkt werden. Wenn das Dielektrikum (unabhängig von der genauen Formgebung und Anordnung der Elektroden) radial zwischen den beiden Elektroden liegt, dann kann eine Änderung des darauf einwirkenden radialen Drucks eine Änderung der radialen Dicke des Dielektrikums und eine damit einhergehende Kapazitätsänderung bewirken. Wenn beispielsweise die Zugspannung auf dem Zugseil erhöht wird, steigt der auf das Sensorelement wirkende radiale Druck, was zu einer Kompression des elastisch verformbaren Dielektrikums und entsprechend zu einer Erhöhung der Kapazität führt. Wenn dagegen die so erhöhe Zugspannung wieder abnimmt, dann wird diese Kompression aufgrund der Elastizität des Dielektrikums wieder rückgängig gemacht, der Elektrodenabstand nimmt wieder zu, und die Kapazität sinkt entsprechend. So kann auf besonders einfache Weise eine von der Zugkraft abhängige elektrische Messgröße zur Verfügung gestellt werden. Durch Messung dieser variablen Kapazität kann eine für viele Anwendungen hinreichend genaue Messung der Zugkraft auf dem Seil erfolgen.
Bei dieser Ausführungsform mit einem elastisch verformbaren Dielektrikum ist zweckmäßig zumindest eine der Elektroden nachgiebig ausgestaltet, so dass auch sie zerstörungsfrei verformbar ist. Besonders vorteilhaft können sogar beide Elektroden mechanisch nachgiebig ausgestaltet sein, insbesondere bei Ausführungsvarianten mit einem aufgerollten Schichtstapel.
Das elastisch verformbare Dielektrikum kann besonders bevorzugt als Elastomer ausgestaltet sein oder zumindest ein Elastomer als Materialkomponente umfassen. Dieses Elastomer kann beispielsweise ein Gummi, ein Silikon, ein Silikonkautschuk, ein Acryl und/oder ein anderer z.B. mittels Weichmachern elastisch gemachter Kunststoff sein beziehungsweise ein solches Material umfassen.
Allgemein und unabhängig von der Wahl der Materialien kann der Kondensator vorteilhaft zylinderförmig ausgestaltet sein oder zumindest auf einer zylindrischen Grundform basieren.
Insbesondere kann er eine kreiszylindrische Grundform aufweisen. Abweichend von der idealen, sich über die ganze axiale Länge erstreckenden Zylinderform kann er prinzipiell auch abgeschrägte bzw. abgerundete Endbereiche aufweisen. Diese Formgebung kann vorteilhaft sein, um den Seilmantel vor Knickbelastungen im Bereich der axialen Enden des Sensorelements zu schützen. Es ist aber auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn der Kondensator über einen wesentlichen Teil seiner axialen Länge oval bzw. eiförmig ausgestaltet ist oder eine nach Art eines Doppelkegels sich zu beiden axialen Enden hin verjüngende Längsschnittsgeometrie aufweist. Bei einer solchen sich verjüngenden Kondensatorgeometrie kann die damit verbundene höhere Steifigkeit der Außenelektrode durch eine entsprechend niedrige Wandstärke kompensiert werden, um trotzdem eine hinreichende Verformbarkeit zu erreichen. Eine ovale Längsschnitt-Form des Kondensators kann beispielsweise durch abgerundete, zwischen den Elektroden liegende Kappen im Bereich der axialen Enden und/oder durch in den axialen Endbereichen aus der äußeren Elektrode herausragendes Dielektrikum unterstützt werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante für die Geometrie des Kondensators kann dieser eine Innenelektrode und eine Außenelektrode aufweisen, wobei das Dielektrikum die Innenelektrode koaxial umgibt und die Außenelektrode das Dielektrikum koaxial umgibt. Diese Ausführungsvariante entspricht dem Aufbau eines Koaxialkabels, dessen Seele durch die Innenelektrode und dessen Außenleiter durch die Außenelektrode gegeben ist, wobei das Dielektrikum elastisch verformbar ist. Die Innenelektrode kann dabei prinzipiell entweder massiv oder hohl ausgestaltet sein. So kann die Innenelektrode gemäß einer besonders einfachen Ausführungsform als einfacher Draht oder Stift aus einem elektrisch leitfähigen Material realisiert sein.
Gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsvariante kann der Kondensator aber auch durch einen spiralförmig aufgerollten Schichtstapel gebildet sein, welcher zwei Elektroden und eine dazwischenliegende Dielektrikumsschicht umfasst. Dabei entspricht insbesondere die Rollachse der lokalen Seilachse. Ein Vorteil dieser aufgerollten Variante ist, dass durch die Mehrzahl von Windungen bei einer gegebenen Änderung des radialen Drucks eine besonders hohe Änderung der Kapazität erreicht werden kann.
Bei einer vorteilhaften ersten Untervariante dieses gewickelten Kondensators kann der aufgerollte Schichtstapel zwei Metallfolien als Elektroden und wenigstens ein dazwischenliegendes Elastomer-Element als Dielektrikumsschicht aufweisen. Dieses Elastomer-Element kann als eine Art Folie oder Matte ausgestaltet sein, so dass durch Übereinanderlegen des Elastomer-Elements und der beiden Metallfolien ein aufrollbarer Stapel gebildet wird. Besonders bevorzugt sind im Schichtstapel zwei solche Elastomer-Elemente vorhanden - eine zwischen den beiden Metallfolien und eine auf einer Außenseite des Stapels - so dass zwischen den Windungen ein Kurzschluss zwischen den beiden Metallfolien vermieden wird und gleichzeitig eine besonders hohe Änderung der Kapazität in Abhängigkeit von der Zugspannung erreicht wird. Vorteilhaft können bei dieser Ausführungsform beide Metallfolien federnd verformbar ausgestaltet sein, so dass sie zu einer reversiblen Verformbarkeit des gesamten Kondensators und damit zu einer reversiblen Kapazitätsänderung beitragen. Die beiden Metallfolien können zur Erleichterung ihrer elektrischen Kontaktierung gegenüber dem Dielektrikum in axialer Richtung überstehen. So kann z.B. ähnlich wie beim gewickelten Papierkondensator eine Elektrode zu einem ersten axialen Ende hin überstehen und die andere Elektrode kann zum gegenüberliegenden zweiten axialen Ende hin überstehen.
Allgemein kann bei dieser Ausführungsform mit einem lose zusammengelegten Schichtstapel das Elastomer-Element bei einer Erhöhung des radialen Drucks und entsprechender Verringerung seiner radialen Dicke zu den axialen Endbereichen hin aus dem Zwischenraum zwischen den Elektroden herausquellen. Wenn sich dabei gleichzeitig mit der axialen Ausdehnung des Dielektrikums auch die beiden Elektroden in axialer Richtung ausdehnen, so kommt es aufgrund der Vergrößerung der Fläche zu einer weiteren Erhöhung der Kapazität, welche die Kapazitätserhöhung aufgrund der Verringerung des radialen Abstands noch weiter verstärkt. Die axiale Länge der Elektroden kann jedoch auch im Wesentlichen konstant sein.
Bei einer vorteilhaften zweiten Untervariante des gewickelten Kondensators kann der aufgerollte Schichtstapel wiederum wenigstens ein Elastomer-Element aufweisen, wobei wenigstens eine der Elektroden durch eine Beschichtung auf einer der beiden Hauptflächen des Elastomer-Elements gebildet ist. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform zumindest eine der Elektroden als feste Beschichtung mit dem Elastomer-Element verbunden. Diese Beschichtung kann insbesondere eine metallische Beschichtung sein. Besonders vorteilhaft können beide Elektroden durch solche Beschichtungen gebildet sein. Entweder kann dabei ein Elastomer-Element beidseitig beschichtet sein, wobei vor dem Aufrollen entweder ein weiteres Elastomer-Element oder ein anderer Isolator zwischengelegt wird. Oder aber es können zwei Elastomer-Elemente zu einem aufzurollenden Stapel zusammengelegt werden, wobei jedes der Elastomer-Elemente einseitig mit einer Elektrode beschichtet ist. Die metallische Beschichtung der Elektrode(n) kann insbesondere auf das jeweilige Elastomer-Element aufgedampft sein. Alternativ können aber auch die Elektroden selbst als leitfähige Elastomere ausgestaltet sein, welche insbesondere als Beschichtung auf einem benachbarten dielektrischen Elastomer-Element aufgebracht sind. Der Vorteil dieser Variante liegt darin, dass so eine besonders flexibel verformbare Elektrode erhalten werden kann. Leitfähige Elastomere sind beispielsweise elastisch verformbare Polymere, welche mit metallisch leitfähigen Füllstoffen gefüllt sind. Die damit erreichbare elektrische Leitfähigkeit ist geringer als die von rein metallischen Materialien, aber für die Messung der Kapazitätsänderung des Kondensators ist auch keine besonders hohe Leitfähigkeit der Elektroden erforderlich.
Bei dieser Untervariante mit als Beschichtung ausgestalteten Elektroden wird die Elastizität des Kondensators und damit die Rückstellung in Richtung der Ursprungsgeometrie vor allem durch die Elastizität des Dielektrikums bewirkt. Die als Beschichtung darauf aufgebrachten Elektroden müssen aber flexibel genug sein, um bei der Geometrieänderung des Dielektrikums mitzuwachsen bzw. mitzuschrumpfen. Somit bezieht bei dieser Ausführungsform eine axiale Längenänderung des Dielektrikums die Elektroden mit ein.
Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Elektroden und des Dielektrikums ist es vorteilhaft, wenn das Sensorelement zumindest ein metallisches Federelement mit variablem Durchmesser aufweist, welches entweder die Außenelektrode des Kondensators bildet oder mit einer der beiden Elektroden elektrisch verbunden ist. Dieses metallische Federelement kann zusammen mit dem verformbaren Dielektrikum nach einer reversiblen Verformung aufgrund einer vorübergehenden Kraftänderung eine Rückstellung in die Ursprungsgeometrie bewirken. Es können auch beide Elektroden als metallische Federelemente ausgestaltet sein, besonders vorteilhaft ist aber zumindest die Außenelektrode als Federelement gebildet. Alternativ oder zusätzlich zu solchen federnden Elektroden kann eine als Federelement wirkende äußere Hülse vorliegen, welche zweckmäßig mit der äußeren Elektrode elektrisch leitend verbunden ist und in ähnlicher Weise eine Rückstellwirkung ausübt.
Das metallische Federelement kann beispielsweise als geschlitzte Spannhülse und/oder als spiralförmig gerollte Spannhülse ausgestaltet sein. Solche Spannhülsen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werden zum Teil auch als Spannstifte oder Federstifte bezeichnet. Das metallische Federelement weist vorteilhaft eine kreiszylindrische Grundform auf, wobei die axialen Endbereiche wiederum abgerundet, abgefast bzw. in anderer Weise konisch verjüngt sein können.
Eine solche geschlitzte Spannhülse kann beispielsweise als gewellt und/oder gezahnt geschlitzte Spannhülse ausgestaltet sein, insbesondere bei einfacher Schlitzung. Eine gewellte und/oder gezahnte Schlitzung bewirkt den Vorteil, dass der radial außenliegende Seilmantel weniger leicht in den Schlitz eingeklemmt wird. Die Spannhülse kann auch als mehrfach geschlitzte Spannhülse ausgestaltet sein. So können die einzelnen Schlitze als axiale Teilschlitze mit wechselnder Öffnungsrichtung ausgebildet sein, so dass sich für den miteinander verbundenen Teil eine mäanderförmige Struktur ergibt. Solche mäanderförmigen Spannhülsen sind im Stand der Technik bekannt. Weiterhin können der Schlitz bzw. die Schlitze als radiale Teilschlitze ausgestaltet sein, so dass die Federung durch radial innenliegende oder radial außenliegende Ausnehmungen bewirkt wird. Radial außenliegende Schlitze können dabei zur Schonung des Seilmantels mit elastischem Material gefüllt sein.
Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Kondensators ist es vorteilhaft, wenn die Außenkontur des Sensorelements auf einem überwiegenden Teil seiner axialen Länge konvex geformt ist, so dass durch die axiale Zugkraft auf dem Zugseil ein radialer Druck auf das Sensorelement bewirkt werden kann. Durch diese Formgebung wird also nicht nur lokal (z.B. in den axialen Endbereichen), sondern auf einem Großteil der Länge des Sensorelements die Entstehung einer radialen Druckkraft aufgrund der Zugkraft auf dem Seilmantel bewirkt. Die Formgebung ist dabei vorteilhaft so, dass der entstehende radiale Druck über die überwiegende Länge des Sensorelements möglichst einheitlich ist. Dies wird durch eine sich möglichst weit erstreckende konvexe Form erreicht. In den axialen Endbereiche kann die konvexe Form des Sensorelements allerdings optional in spitze Endstücke übergehen, um eine Zentrierung des Sensorelements innerhalb des Seilmantels zu fördern.
Die beschriebene günstige Form des Sensorelements muss dabei nicht zwingend durch eine konvexe Außenkontur des Kondensators erreicht werden. Vielmehr kann der Kondensator zur einfacheren Herstellung zylindrisch geformt sein, aber zur Erzielung der gewünschten Außenkontur von einer Anpassungshülse umgeben sein. Optional kann diese Anpassungshülse durch Ausnehmungen in axial beabstandete Rippen strukturiert sein, um innerhalb der einzelnen Rippen eine möglichst radial ausgerichtete lokale Kraftkomponente auf den Kondensator zu bewirken. Die Zwischenräume zwischen diesen Rippen können wiederum zur Schonung des außenliegenden Seilmantels mit einem elastischen Material gefüllt sein.
Allgemein vorteilhaft kann das Zugseil zwei elektrische Anschlussleitungen zur Verbindung der Elektroden des Kondensators mit einer Auswerteeinheit aufweisen, wobei die beiden Anschlussleitungen insbesondere im Bereich des Sensorelements parallel zur Seilachse geführt sind. Die Leitungen können entweder an demselben axialen Ende des betreffenden Teilabschnitts oder auch an gegenüberliegenden axialen Enden aus dem Bereich des Sensorelements ausgeleitet sein. Im ersten Fall ergibt sich eine besonders einfache gemeinsame Leitungsführung zu der Auswerteelektronik, welche entweder im Bereich des Zugseils oder außerhalb liegen kann. Die Leitungen müssen dann gegebenenfalls elektrisch gegeneinander isoliert werden, wenn sie eng beieinander geführt sind. Im zweiten Fall ergibt sich eine niedrigere zusätzliche Kapazität aufgrund der Leitungen. Allgemein können die Anschlussleitungen beispielsweise als Drähte, Litzen oder Kabel realisiert sein. Sie können durch den Seilmantel hindurchgeführt sein, indem sie im Anschlussbereich durch das Geflecht der einzelnen Seilstränge bzw. Fasern radial nach außen hindurchtreten.
Der Seilmantel kann allgemein bevorzugt zumindest überwiegend aus einem synthetischen Kunststoff bestehen. Bei dem synthetischen Kunststoff kann es sich vorteilhaft um ein Polyethylen mit ultrahoher Molekülmasse (insbesondere Dyneema oder Spectra), um einen aromatischen Polyester (insbesondere Vectran), um ein Aramid (insbesondere Kevlar oder Nomex), ein Poly(p-phenylen-2,6-benzobisoxazol) (insbesondere PBO oder Zylon) oder ein Polyamid handeln. Diese Materialien zeichnen sich durch eine besonders hohe Zugfestigkeit aus. Außerdem sind sie flexibel und elektrisch nicht leitfähig, was für viele Anwendungen ebenfalls vorteilhaft ist. Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Materialwahl kann die spezifische Zugfestigkeit des Materials des Seilmantels beispielsweise bei 2500 N/mm² oder höher liegen. Eine derart hohe Zugfestigkeit erlaubt es, Zugseile mit geringen Seildurchmessern für die Übertragung von hohen Zugkräften zu verwenden. Beispielsweise kann der Seildurchmesser in den Bereichen außerhalb des von dem Sensorelement besetzten Teilbereichs zwischen 0,5 mm und 10 mm liegen. Dagegen kann der Seildurchmesser in dem mit dem Sensorelement gefüllten Teilbereich beispielsweise um einen Faktor 3 vergrößert sein. So kann beispielsweise ein Seilmantel mit einem regulären Außendurchmesser von 4 mm im Bereich des Sensorelements einen vergrößerten Außendurchmesser von bis zu 12 mm aufweisen. Allgemein kann der Faktor für den Seildurchmesser vorteilhaft in einem Bereich zwischen 1,5 und 5 liegen. Bei einem vergleichsweise hohen Faktor ist die Empfindlichkeit der Zugspannungsmessung besonders hoch, allerdings steigt auch die mechanische Belastung des Seilmantels im Bereich des Sensorelements.
Die Erfindung ist nicht auf Seilmäntel aus hochfesten synthetischen Kunststoffen beschränkt. So kann der Seilmantel alternativ auch aus herkömmlichen Materialien, beispielweise aus Stahl, Kupfer oder Hanf bestehen und in entsprechender Weise lokal mit einem Sensorelement zur Zugkraftmessung gefüllt sein.
Allgemein kann das Zugseil aus mehreren Teilseilen bestehen, welche jeweils einen separaten Seilmantel aufweisen. In einem solchen Fall ist es ausreichend, wenn zumindest eines dieser Teilseile zur Zugkraftmessung lokal mit einem innenliegenden Sensorelement versehen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der seilbetriebenen Einrichtung ist der Teilabschnitt mit dem innenliegenden Sensorelement in einem frei verlaufenden Bereich des Zugseils angeordnet. Ein solcher frei verlaufender Bereich ist ein Abschnitt des Zugseils, in dem kein mechanischer Kontakt zu einer Umlenkrolle vorliegt, keine Befestigungspunkte vorliegen und das Zugseil auch sonst nicht an anderen führenden Elementen mechanisch anliegt.
Die seilbetriebene Einrichtung kann eine Auswerteeinheit umfassen, mit welcher die von der Zugkraft abhängige Änderung der Kapazität gemessen werden kann. Diese Auswerteeinheit kann entweder als Teil des Zugseils oder separat dazu ausgeführt sein. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise eine Spule aufweisen, deren Induktivität zusammen mit der Kapazität des Kondensators einen oszillierenden Schwingkreis bildet. Die Auswerteeinheit kann außerdem so ausgebildet sein, dass sie eine Messung der Frequenz dieses Oszillators ermöglicht. Bei einer Verringerung der Kapazität des Kondensators wird diese Frequenz erhöht und umgekehrt. So wird auf relativ einfache Weise eine elektrische Messung ermöglicht, welche ein von der Zugspannung abhängiges Signal liefert.
Die seilbetriebene Einrichtung kann beispielsweise als Robotikeinrichtung ausgestaltet sein. So kann das Zugseil innerhalb der Robotikeinrichtung zur Übertragung einer Zugkraft dienen, beispielsweise um eine robotische Gelenkeinheit mit Hilfe einer integrierten Antriebsvorrichtung zu bewegen. Das Zugseil kann mit anderen Worten eine Funktion analog zu einer Sehne im menschlichen Körper übernehmen. Alternativ zu einer „Antriebssehne“ (welche Antriebseinheit und Abtriebselement kraftübertragend verbindet) kann eine solche Sehne aber auch die Funktion einer Stützverspannung erfüllen, durch welche die beweglichen Elemente des Antriebsstrangs gegen die mechanische Masse oder andere mechanisch starre Elemente abgestützt werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Zugseil in eine Stützverspannung einer sogenannten Tensegrity-Struktur integriert sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Messverfahrens kann dieses dazu ausgelegt sein, auch schnelle Änderungen der Zugspannung durch Messung des elektrischen Signals zu erfassen. Auf diese Weise können Schwingungen im Bereich des Zugseils gemessen werden. Besonders vorteilhaft kann eine solche Messung als Grundlage einer aktiven Schwingungsdämpfung in einer seilbetriebenen Einrichtung genutzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Aufsicht eines Zugseils zeigt, in das ein Sensorelement eingeführt wird,
2 ein Zugseil mit einem darineingeführten Sensorelement zeigt,
3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Sensorelement zeigt,
4 einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres Sensorelement zeigt,
5 eine schematische perspektivische Darstellung des Kondensators der 4 zeigt,
6 einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres Zugseil zeigt,
7 bis 11 verschiedene Varianten von Spannhülsen zeigen und
12 eine schematische Querschnittsdarstellung eines weiteren Kondensators zeigt.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In 1 ist eine schematische Aufsicht eines Zugseils 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung gezeigt und zwar während eines Herstellungsschrittes, bei dem ein Sensorelement 11 in das Innere des Seilmantels 3 dieses Zugseils eingeführt wird. Der Seilmantel 3 ist ein schlauchartiges Geflecht aus mehreren Seilsträngen bzw. Fasern, von denen eine exemplarisch mit 5 bezeichnet ist. Diese einzelnen Stränge bzw. Fasern liegen dabei jeweils schräg zur lokalen Seilachse. Durch Aufstauchen des Seilmantels 3 und temporäres Vergrößern der Zwischenräume des Geflechts kann das Sensorelement zerstörungsfrei in das Innere des Seilmantels 3 eingeführt werden. In 2 ist der Zustand des Zugseils 1 zu sehen, bei dem das Sensorelement 11 in das Innere des Seilmantels eingeführt ist und die einzelnen Seilstränge 5 wieder zu einem symmetrischen Geflecht zusammengeschoben sind. Die beiden Figuren illustrieren also, wie ein erfindungsgemäßes Zugseil auf einfache Weise durch nachträgliche Modifikation eines herkömmlichen Seils erzeugt werden kann, welches einen schlauchartigen Seilmantel mit einem innenliegenden Hohlraum aufweist. Das Sensorelement wird dabei nur in einen Teilabschnitt s des Zugseils 1 eingeführt, in welchem der Durchmesser anschließend entsprechend vergrößert ist. In den übrigen Abschnitten bleibt das Zugseil dagegen unverändert. Insgesamt werden die wesentlichen Eigenschaften wie Zugfestigkeit und axiale Steifigkeit durch den Einschub des Sensorelements nur unwesentlich verändert.
Das Sensorelement 11 ist länglich geformt und liegt im fertig eingeschobenen Zustand koaxial zur Seilachse A. Es weist in diesem Beispiel eine Außenkontur 12 auf, welche über einen wesentlichen Teil seiner Länge konvex geformt ist. Trotzdem läuft sie in den axialen Endbereichen spitz zu. Dieses spitze Zulaufen erleichtert eine Zentrierung des Sensorelements im Seilmantel unter Zugbelastung. Bei Anliegen einer Zugkraft F_A auf dem Seilmantel 3 resultiert aufgrund der Schräglage der umgebenden Seilfasern 5 eine radiale Druckkraft p_r auf das innenliegende Sensorelement. Aufgrund der konvexen Außenkontur 12 des Sensorelements weist die resultierende Druckkraft über einen großen Teil der Länge des Sensorelements eine hohe radiale Komponente auf, welche mit Hilfe des Sensorelements gemessen werden kann, um so ein Maß für die Größe der anliegenden Zugkraft F_A zu erhalten. Die Messung erfolgt über die Messung eines elektrischen Signals, welche durch eine Kapazität im Inneren des Sensorelements beeinflusst wird. Um diese elektrische Messung zu ermöglichen, weist das Sensorelement zwei Anschlussleitungen 31 und 32 auf. Diese verlaufen innerhalb des Seilmantels 3 zunächst parallel zur Seilachse A, werden dann aber durch schrägliegende Endabschnitte durch das Seilgeflecht des Mantels aus dem Inneren herausgeführt. So kann eine elektrische Messung über eine hier nicht näher dargestellte Auswerteeinheit ermöglicht werden.
Mehrere Varianten für den inneren Aufbau des Sensorelements sind in den folgenden Figuren beispielhaft dargestellt. So zeigt 3 einen schematischen Längsschnitt nach einem ersten Beispiel für ein solches Sensorelement 11. Wie oben beschrieben, ist das Sensorelement länglich geformt und entlang der lokalen Seilachse A innerhalb des hier nicht gezeigten Seilmantels angeordnet. Es dient zur Messung eines radialen Drucks p_r (oder auch der radialen Komponente einer an bestimmten Orten schräg einwirkenden Druckkraft). Im Inneren des Sensorelements ist dazu ein Kondensator 20 angeordnet, dessen Kapazität von dem radialen Druck abhängt. Der Kondensator weist zwei Elektroden 21, 22 und ein radial dazwischenliegendes Dielektrikum 25 auf. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist die erste Elektrode 21 als innenliegender Draht ausgestaltet. Das Dielektrikum 25 ist ein kreiszylindrisches Element, welches diesen Draht 21 konzentrisch umgibt, und das Dielektrikum 25 wird wiederum von der Außenelektrode 22 konzentrisch umgeben. Es handelt sich also um einen kreiszylindrischen koaxialen Aufbau, analog zu einem Koaxialkabel. Das Dielektrikum 25 ist durch ein Elastomer gegeben, so dass sich dessen radiale Dicke d bei radialer Druckbelastung reversibel ändern kann. Hierdurch wird eine reversible Kapazitätsänderung bewirkt, welche über die mit den Elektroden 21, 22 verbundenen Anschlussleitungen 31, 32 über einen hier nicht dargestellten äußeren Schaltkreis gemessen werden kann, beispielsweise durch Erkennung einer veränderten Oszillationsfrequenz zusammen mit einer im Schaltkreis enthaltenen Spule. Die hier gezeigte kreiszylindrische Geometrie des Kondensators ist in der Herstellung besonders einfach. Um trotzdem eine konvexe Außenkontur 12 des Sensorelements 11 zu erreichen, ist der Kondensator hier von einer konvexen Anpassungshülse 13 umgeben. Durch die Form dieser Anpassungshülse 13 wird erreicht, dass über einen größeren Teil der Länge des Sensorelements durch die Zugkraft an dem umgebenden Seilmantel ein Druck auf den Kondensator mit einer hohen radialen Komponente bewirkt wird.
In 4 ist ein weiteres Beispiel eines Sensorelements 11 im schematischen Längsschnitt gezeigt. Ähnlich wie bei Beispiel der 3 ist auch hier der Kondensator 20 aus einer Innenelektrode 21, einem diese zylindrisch umgebenden Dielektrikum 25 und einer umgebenden zylindrischen Außenelektrode aufgebaut. Im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel sind hier die Anschlussleitungen 31, 32 für die beiden Elektroden zum selben axialen Ende des Sensorelements hinausgeführt. Dort können sie, analog wie in 2 gezeigt, durch das Geflecht des hier nicht gezeigten Seilmantels nach außen geführt werden. Ein weiterer Unterschied zum vorhergehenden Beispiel liegt darin, dass das aus einem Elastomer gebildete Dielektrikum bereits im unkomprimierten Zustand in axialer Richtung über die Außenelektrode 22 hinausragt und somit länger ist als der eigentliche Kondensator. In diesen überstehenden Bereichen ist das Dielektrikum angeschrägt und trägt so zur Formgebung der konvexen Außenkontur des Sensorelements bei. Im innenliegenden Bereich des Kondensators 20 wird die konvexe Außenkontur auch hier durch eine umgebende Anpassungshülse 13 erreicht. Nur beispielhaft ist in 4 gezeigt, dass diese Anpassungshülse prinzipiell verschieden ausgestaltet sein kann. So ist im unteren Teil der Figur eine axial durchgehende Anpassungshülse gezeigt, ähnlich wie beim Beispiel der 3. Im oberen Teil ist die Anpassungshülse dagegen durch mehrere Ausnehmungen in axiale Rippen 17 unterteilt, um auch außerhalb des mittleren Bereichs eine möglichst gleichmäßig radiale Weiterleitung des Drucks auf den Kondensator zu bewirken. Optional können die Zwischenräume zwischen diesen Rippen mit einem elastisch verformbaren Material aufgefüllt sein, um einen Verschleiß des Seilmantels an den scharfen Kanten zu vermeiden. Bei den Ausführungsformen mit solchen Rippen sollen diese sich selbstverständlich über den gesamten Umfang der Anpassungshülse erstrecken.
In 5 ist eine schematische perspektivische Darstellung des Kondensators 20 der Figur gezeigt, welcher hier ohne die umgebende Anpassungshülse gezeigt ist. Der einfach zu realisierende kreiszylindrische Aufbau dieses Kondensators und die Ähnlichkeit zum Aufbau eines herkömmlichen Koaxialkabels werden hier besonders deutlich. Prinzipiell könnte solch ein zylindrischer Kondensator auch ohne konvexe Anpassungshülse zur Zugspannungsmessung in das Innere eines Seilmantels eingesetzt werden, jedoch ist die Verteilung der radialen Druckkraft über die Länge des Kondensators dann weniger gleichmäßig.
In 6 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein Zugseil 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung gezeigt. Das Sensorelement wird hier im Wesentlichen durch den Kondensator 20 gebildet, welcher im Inneren des Seilmantels 3 angeordnet ist. Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen liegt hier keine zusätzliche Anpassungshülse vor, sondern der Kondensator selbst ist bereits konvex geformt. Die konvexe Formgebung wird durch das linsenartige Querschnittsprofil des Kondensators deutlich, welches auch in diesem Beispiel rotationssymmetrisch sein soll. Sowohl die Außenelektrode 22 als auch das darin angeordnete Dielektrikum weisen eine konvexe Querschnittsform auf. Nur beispielhaft sind im linken und rechten Teil der Zeichnung verschiedene Möglichkeiten der Realisierung gezeigt, wobei jedoch in einem realen Beispiel vorteilhaft eine einheitliche und in beiden axialen Endbereichen im Wesentlichen gleiche Ausgestaltung gewählt sein kann. So ist im rechten Teil beispielhaft gezeigt, dass das konvex ausgewölbte Dielektrikum 25 im axialen Endbereich 26 aus der Außenelektrode 22 herausragen kann, wobei auch dieser Endbereich 26 eine abgerundete Form aufweist. Wenn der Kondensator 20 in radialer Richtung komprimiert wird, vergrößert sich der Anteil des herausquellenden Dielektrikums. Aufgrund der im Wesentlichen festen axialen Länge der beiden Elektroden 21 und 22 ändert sich die effektive Länge des Kondensators dabei nicht. Im linken Teil ist beispielhaft gezeigt, dass die konvexe Form der Außenelektrode 22 im axialen Endbereich durch eine zwischen Innenelektrode und Außenelektrode angeordnete, sich axial verjüngende Endkappe 27 gestützt sein kann. Diese Endkappe kann aus einem vergleichsweise starren Kunststoff ausgebildet sein. Wenn das elastomere Dielektrikum 25 radial komprimiert wird, kann diese Endkappe optional in Richtung des axialen Endes verschoben werden. Denkbar ist aber auch, dass genau wie in 6 dargestellt, eine Kombination aus einem einseitig herausquellenden abgerundeten Dielektrikum und einer gegenüberliegen Endkappe 27 vorliegt.
Bei den bisher gezeigten Beispielen der 3 bis 6 umgibt jeweils die Außenelektrode 22 das Dielektrikum 25 als Hohlkörper. Durch die radiale Kompressibilität des Elastomers kann die radiale Dicke d des Dielektrikums sich reversibel verändern, wobei dessen Elastizität auch eine Rückstellkraft bedingt, welche bei Ende oder Verringerung der radialen Druckeinwirkung wieder zu einer Ausdehnung des Kondensators führt. Um diese reversible Verformung zu erleichtern ist es vorteilhaft, wenn auch die Außenelektrode derart reversibel verformbar ist, dass sie in ihrem Durchmesser variabel ist. Idealerweise führt eine solche Verformung der Außenelektrode ebenfalls zu einer Rückstellkraft. Dies kann dadurch erreicht werden, dass in den beschriebenen Beispielen die Außenelektrode als metallisches Federelement mit variablem Durchmesser realisiert ist. Solche Federelemente sind beispielsweise in Form von sogenannten Spannhülsen aus dem Stand der Technik bekannt.
In den 7 bis 11 sind mehrere Beispiele für verschiedene Ausgestaltungen von Spannhülsen 24 gezeigt, wie sie insbesondere als Außenelektroden 22 zum Einsatz kommen können. So zeigt 7 eine einfache hohlzylindrische Spannhülse 24 mit einem einfachen geraden Schlitz 24a in der Zylinderwand. Abhängig von einem radialen Druck auf diese Spannhülse ändert sich die Breite dieses Schlitzes 24a, was zu einer Variation des Hülsendurchmessers führt. Aufgrund der Federwirkung der metallischen Zylinderwand ergibt sich bei einer solchen Verformung auch eine Rückstellkraft.
In ähnlicher Weise wirkt auch die in 8 gezeigte Spannhülse 24 als zylindrische Feder mit variablem Durchmesser. Hier ist jedoch der Schlitz 24a als wellenförmiger gezahnter Schlitz ausgebildet. Dies bewirkt den Vorteil, dass bei ähnlichem Federweg eine kleinere Lücke auf der Zylinderoberfläche gebildet ist. Entsprechend ist die Gefahr geringer, dass sich ein außen anliegender Seilmantel oder eine außerhalb der Spannhülse angeordnete Anpassungshülse in dem Schlitz 24a verfängt und dadurch Schaden nimmt.
In 9 ist eine spiralförmig gerollte Spannhülse 24 gezeigt, welche ebenfalls als radiale Feder mit variablem Durchmesser wirkt. Bei einer Änderung des Durchmessers gleiten die einzelnen Windungen der metallischen Rollfeder relativ reibungsarm übereinander, so dass auch ohne einen durchgehenden Schlitz eine Federwirkung erzielt werden kann.
In 10 ist eine Spannhülse 24 mit mehreren axialen Schlitzen 24a gezeigt, welche jeweils nur als Teilschlitze ausgebildet sind. Die verbleibenden Verbindungsstege wechseln zwischen den beiden axialen Enden hin und her, so dass für die stehenbleibende Zylinderwand eine Mäanderstruktur resultiert. Insgesamt ergibt sich durch das Stauchen und Öffnen der Schlitze auch hier eine Federwirkung und ein variabler Durchmesser der Spannhülse 24.
In 11 ist schließlich eine Ausführungsform einer Spannhülse 24 mit mehreren Schlitzen 24a gezeigt, die zwar in axialer Richtung durchgehend sind, aber in radialer Richtung nur als Teilschlitze ausgebildet sind. Beispielhaft sind die Teilschlitze hier radial außenliegend gezeigt, aber es ist auch eine innenliegende Anordnung möglich und unter Umständen vorteilhaft, um ein Einklemmen des Seils zu vermeiden. Allgemein können die gezeigten Schlitze 24a und insbesondere die Teilschlitze der 10 und 11 durch nachträgliche Bearbeitung eines metallischen Hohlzylinders erzeugt werden, beispielsweise durch Bearbeitung mit einem Laser oder einer Räumnadel. Weiterhin können diese Schlitze durch ein elastisch verformbares Material gefüllt sein.
In 12 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kondensators 20 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein Schnitt quer zur lokalen Zylinderachse des Kondensators, wobei diese Zylinderachse im fertigen Zugseil wiederum entlang der lokalen Seilachse A ausgerichtet sein soll. Im Zentrum verläuft in axialer Richtung eine erste Anschlussleitung 31, welche auch hier als Draht ausgestaltet sein kann. Um diesen Draht herum ist ein Schichtstapel 29 rollenartig aufgewickelt. Dieser Schichtstapel umfasst bei diesem Beispiel eine innere erste Elektrode 21 und eine äußere zweite Elektrode 22 sowie zwei Elastomer-Elemente 25a und 25b, welche mattenartig ausgebildet sind. Die erste Elektrode ist dabei elektrisch mit der innenliegenden Anschlussleitung 31 verbunden, und die äußere Elektrode 22 ist elektrisch mit einer umgebenden metallischen Außenhülse 23 verbunden. Um diese elektrische Verbindung zu erleichtern, weist das außenliegende zweite Elastomer-Element 25b hier eine Windung weniger auf als das erste Elastomer-Element 25a. Die gezeigte Anzahl der Windungen ist hier aber nur illustrativ zu verstehen und kann in realen Ausführungsformen vorteilhaft auch wesentlich größer sein. Der wesentliche Vorteil einer solchen gerollten Anordnung ist, dass durch die Mehrzahl von übereinanderliegenden Windungen des Dielektrikums bei radialer Kompression oder Expansion ein vergrößerter Hub in der Änderung der Kapazität bewirkt wird.
Für die genaue Ausgestaltung des Schichtstapels 29 sind unterschiedliche Varianten denkbar. So kann es sich beispielsweise um einen Stapel von zwei mattenartigen Elastomer-Elementen 25a und 25b handeln, wobei zwischen diesen beiden Elastomer-Elementen sowie auf einer der Außenseiten des Stapels jeweils eine metallische Folie als Elektrode angeordnet ist. Alternativ zu der hier gezeigten Kontaktierung können diese metallischen Folien auch in den axialen Endbereichen des Wickels kontaktiert sein, insbesondere wenn sie jeweils ein einem der Endbereiche über die Elastomer-Elemente hinausragen. Bei einer hinreichenden Dicke der metallischen Folien können diese auch zur Federwirkung des gerollten Stapels beitragen. Insbesondere in axialer Richtung können die einzelnen Elemente dieses Schichtstapels auch übereinander gleiten, so dass beispielsweise bei einer Kompression die Elastomer-Elemente 25a und 25b axial aus dem ursprünglichen Zylinder herausgedrückt werden können, wobei die metallischen Elektroden-Folien ihre axiale Länge im Wesentlichen beibehalten.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Schichtstapels können die mattenartigen Elastomer-Elemente aber auch mit den leitfähigen Elektroden 21, 22 als Beschichtung fest verbunden sein. Bei einer solchen Beschichtung kann es sich beispielsweise um eine aufgedampfte Metallschicht oder aber auch um ein mit dem Dielektrikum verbundenes leitfähiges Elastomer handeln. Grundsätzlich kann entweder eines der Elastomer-Elemente beidseitig mit den Elektroden beschichtet sein und es ist nur eine unbeschichtete Isolationsschicht zur benachbarten Windung vorgesehen. Oder aber es können zwei übereinanderliegende und jeweils einseitig beschichtete Elastomer-Elemente den Schichtstapel 29 bilden.
In jedem Fall ist die gerollte Ausführungsform der 12 besonders vorteilhaft, um eine hohe Änderung des Messsignals in Abhängigkeit vom radialen Druck und somit von der Zugspannung auf dem Seil zu erreichen. Die gezeigte Außenhülse 23 kann dabei vorteilhaft als metallisches Federelement mit variablem Durchmesser ausgestaltet sein und so zu einer Rückstellwirkung des Schichtstapels beitragen. Besonders vorteilhaft kann diese Außenhülse 23 wiederum als Spannhülse realisiert sein und insbesondere ähnlich wie eine der Spannhülsen 24 in den 7 bis 11 ausgestaltet sein.
Bezugszeichenliste

1: Zugseil
3: Seilmantel
5: Seilstränge bzw. Fasern
11: Sensorelement
12: Außenkontur
13: Anpassungshülse
17: Rippen
20: Kondensator
21: erste Elektrode (Innenelektrode)
22: zweite Elektrode (Außenelektrode)
23: Außenhülse
24: Spannhülse
24a: Schlitz
25: Dielektrikum
25a: erstes Elastomer-Element
25b: zweites Elastomer-Element
26: Endbereich des Dielektrikums
27: Endkappe
29: Schichtstapel
31: erste Anschlussleitung
32: zweite Anschlussleitung
A: lokale Seilachse
d: radiale Dicke des Dielektrikums
FA: axiale Zugkraft
pr: radialer Druck
s: Teilabschnitt

Claims

Zugseil (1) zur Übertragung einer axialen Zugkraft (F_A), umfassend - einen schlauchförmigen Seilmantel (3), der ein Geflecht aus mehreren Seilsträngen und/oder Fasern (5) umfasst, wobei die einzelnen Seilstränge und/oder Fasern (5) schräg zur lokalen Seilachse (A) verlaufen, und - ein in einem Teilabschnitt (s) innerhalb des Seilmantels (3) angeordnetes länglich geformtes Sensorelement (11), welches einen Kondensator (20) aufweist, dessen Kapazität von einem radialen Druck (p_r) des Seilmantels (3) auf das Sensorelement (11) abhängt, - wobei der radiale Druck (p_r) auf das Sensorelement (11) von der axialen Zugkraft (F_A) auf das Zugseil (1) abhängt.
Zugseil (1) nach Anspruch 1, bei welchem der Seilmantel (3) und das innenliegende Sensorelement (11) koaxial zueinander ausgestaltet sind.
Zugseil (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem der Kondensator (20) des Sensorelements (11) zwei Elektroden (21,22) und ein radial dazwischenliegendes elastisch verformbares Dielektrikum (25) aufweist.
Zugseil (1) nach Anspruch 3, bei welchem der Kondensator (20) eine Innenelektrode (21) und eine Außenelektrode (22) aufweist, wobei das Dielektrikum (25) die Innenelektrode (21) koaxial umgibt und die Außenelektrode (22) das Dielektrikum (25) koaxial umgibt.
Zugseil (1) nach Anspruch 3, bei welchem der Kondensator (20) durch einen spiralförmig aufgerollten Schichtstapel (29) gebildet ist, welcher zwei Elektroden (21,22) und eine dazwischenliegende Dielektrikumsschicht (25) umfasst, wobei insbesondere die Rollachse der lokalen Seilachse (A) entspricht.
Zugseil (1) nach Anspruch 5, bei welcher der aufgerollte Schichtstapel (29) zwei Metallfolien als Elektroden (21,22) und wenigstens ein dazwischenliegendes Elastomer-Element als Dielektrikumsschicht (25) umfasst.
Zugseil (1) nach Anspruch 5, bei welcher der aufgerollte Schichtstapel (29) wenigstens ein Elastomer-Element (25) aufweist, wobei wenigstens eine der Elektroden (21,22) durch eine Beschichtung auf einer der beiden Hauptflächen des Elastomer-Elements (25) gebildet ist.
Zugseil (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7 bei welchem das Sensorelement (11) ein metallisches Federelement (22,23) mit variablem Durchmesser aufweist, welches entweder die Außenelektrode (22) des Kondensators (20) bildet oder als Außenhülse (23) mit einer der beiden Elektroden (21,22) des Kondensators (20) elektrisch verbunden ist.
Zugseil (1) nach Anspruch 8, bei welchem das metallische Federelement (22,23) als geschlitzte Spannhülse (24) und/oder als spiralförmig gerollte Spannhülse (24) ausgestaltet ist.
Zugseil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Außenkontur (12) des Sensorelements (11) auf einem überwiegenden Teil seiner axialen Länge derart konvex geformt ist, dass durch die axiale Zugkraft (F_A) auf dem Zugseil (1) ein radialer Druck (p_r) auf das Sensorelement (11) bewirkt werden kann.
Zugseil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zwei elektrische Anschlussleitungen (31,32) zur Verbindung der Elektroden (21,22) des Kondensators (20) mit einer Auswerteeinheit aufweist, wobei die beiden Anschlussleitungen (21,22) insbesondere parallel zur Seilachse (A) geführt sind.
Zugseil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Seilmantel (3) zumindest überwiegend aus einem synthetischen Kunststoff besteht.
Seilbetriebene Einrichtung mit einer Antriebseinheit, einem Abtriebselement und einem Zugseil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches die Antriebseinheit und das Abtriebselement bezüglich einer Zugrichtung (A) kraftübertragend verbindet.
Einrichtung (50) nach Anspruch 13, welche als Robotikeinrichtung ausgestaltet ist.
Verfahren zur Messung einer Zugkraft (F_A), welche auf ein Zugseil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 einwirkt, - wobei ein durch die Kapazität des Kondensators (20) beeinflusstes elektrisches Signal gemessen wird, dessen Größe von einem radialen Druck (p_r) des Seilmantels (3) auf das Sensorelement (11) abhängt, - wobei der radiale Druck (p_r) auf das Sensorelement (11) von der Zugkraft (F_A) auf das Zugseil (1) abhängt.