DE102022119649B3

DE102022119649B3 - Rotatorischer Antrieb

Info

Publication number: DE102022119649B3
Application number: DE102022119649.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Heumos
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-08-04
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2042-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen rotatorischen Antrieb mit einer Antriebswelle (101) und einer Abtriebswelle (102), wobei die Antriebswelle (101) und die Abtriebswelle (102) eine identische Wellenachse aufweisen und die Abtriebswelle (102) relativ zur Antriebswelle (101) antreibbar drehbar ist, zur Steuerung des rotatorischen Antriebs eine Steuervorrichtung (103) vorhanden ist, die für einen zeitabhängigen Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle (102) relativ zur Antriebswelle (101) einen erlaubten Drehwinkelbereich DWB:= [β1, β2] vorgibt; an der Antriebswelle (101) oder mit der Antriebswelle (101) drehfest verbunden obligat ein erster Positionssensor Pn=1(104), ein zweiter Positionssensor Pn=2(105) und optional weitere Positionssensoren Pn>2(106) angeordnet sind, mit n = 1, 2, ..., N wobei der erste Positionssensor Pn=1(104), der zweite Positionssensor Pn=2(105) und die optionalen weiteren Positionssensoren Pn>2(106) in einer jeweiligen eineindeutigen Winkelposition αnam Umfang der Antriebswelle angeordnet sind, d.h. es gilt αn=1≠ αn=2≠ αn=3... ≠ αn=N; an der Abtriebswelle (102) oder mit der Abtriebswelle (102) drehfest verbunden, ein von den angeordneten Positionssensoren Pn(104, 105, 106) jeweils erfassbarer Positionsmarker PM (107), wobei sofern der Positionsmarker PM (107) in einem Erfassungsbereich eines jeweiligen Positionssensors Pn(104, 105, 106) erfasst wird, ein dem jeweiligen Positionssensor Pn(104, 105, 106) zugeordnetes zeitabhängiges Signal SIG(Pn, t) erzeugt wird, mit t:= Zeit; und die Steuervorrichtung (103) dazu ausgeführt und eingerichtet ist, dass auf Basis einer erfassten zeitlichen Abfolge der Signale SIG(Pn, t) eine Drehrichtung der Abtriebswelle (102) und ein Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB ermittelt wird, wobei der rotatorische Antrieb bei einem erfassten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB mit einem hierfür vorgegebenen Steuerprogramm angesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen rotatorischen Antrieb, ein Drehgelenk, insbesondere für einen Roboter mit einem ebensolchen Antrieb sowie ein Verfahren zum Betrieb eines ebensolchen rotatorischen Antriebs. Der rotatorische Antrieb weist dabei ein/e Antriebsglied/-welle und ein/e Abtriebsglied/-welle auf, wobei das/die Antriebsglied/-welle relativ zum/zur Abtriebsglied/-welle antreibbar drehbar ist.
Bekannte rotatorische Antriebe, wie sie bspw. in Roboterarmen (Roboter-Manipulatoren) verbaut werden, sind typischerweise nicht endlos drehbar. Sie weisen vielmehr Sicherungseinrichtungen gegen ein endloses Drehen (in einer Drehrichtung) des Antriebs auf, wie bspw. einen Endlagenschalter. Bei einem Roboterarm gibt es insbesondere zwei Gründe, die gegen ein endloses Drehen eines rotatorischen Antriebs sprechen. Einerseits besteht vor allem bei einem Roboterarm mit Knickachsen die Möglichkeit der Selbstkollision von Antriebs- und Abtriebsglied. Andererseits führen bei Roboterarmen typischerweise diverse Leitungen/Kabel durch die einzelnen rotatorisch angetriebenen Robotergelenke von deren Antriebs- zur Abtriebsseite. Diese würden bei endlosem Drehen beschädigt werden, können jedoch teilweise einen größeren Drehbereich als 360° (ca. 2 - 3 Umdrehungen, d.h. 720° oder 1.080° je nach Kabel- bzw. Leitungsführung) beschädigungsfrei überstehen.
Sicherungseinrichtungen sind in solchen Roboterarmen hauptsächlich für zwei Fehlerfälle nötig, welche dazu führen (können), dass der rotatorische Antrieb in einen unzulässigen, d.h. nicht erlaubten Drehwinkelbereich kommt:

1. interner Steuerungs- oder Regelungsfehler, welcher dazu führt / führen würde, dass sich ein rotatorischer Antrieb in einem Gelenk eines Roboterarms in einen unzulässigen Drehwinkelbereich bewegt.
2. ein externer Kraft-/Momenteneintrag auf den Roboterarm könnte dazu führen, dass sich ein rotatorischer Antrieb in einem Gelenk eines Roboterarms in einen unzulässigen Drehwinkelbereich bewegt.

Zur Begrenzung des Drehwinkelbereichs einer relativen Drehbewegung von Antriebsglied/-welle und Abtriebsglied/-welle ist im Stand der Technik bspw. eine mechanische Sicherungseinrichtung bekannt, mit einem mechanischen Endanschlag zur Begrenzung des Drehwinkels des rotatorischen Antriebs auf ≤ 360°, realisiert bspw. durch einen Stift auf der Antriebsseite und einen Nocken auf der Abtriebsseite, welche verhindern, dass sich der rotatorische Antrieb in einen unzulässigen Drehwinkelbereich bewegen kann. Bei einer mechanischen Begrenzung des Drehwinkelbereichs, muss diese und die mechanische Struktur eines Roboterarms so stabil ausgelegt werden, dass beide alle realistisch auftretenden externen Lasten ohne Beschädigung überstehen.
Rotatorische Antriebe und Drehgelenke und deren Steuerung sind im Stand der Technik bspw. aus folgenden Druckschriften bekannt:

- DE 10 2018 204 338 A1 ,
- DE 10 2017 203 741 A1 ,
- DE 38 29 755 C2 ,
- DD 2 48 540 A1 ,
- JP S61-208 512 A und
- JP H01-228 793 A.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen rotatorischen Antrieb anzugeben, der ein zuverlässiges drehsinngemäßes Erkennen eines Verlassens eines für den rotatorischen Antrieb vorgebbaren erlaubten Drehwinkelbereichs für eine relative Bewegung eines/er Antriebsglied/-welle und eines/er Abtriebsglied/-welle, auch für Drehwinkel über > 360° erlaubt.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen rotatorischen Antrieb mit einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle, wobei die Antriebswelle und die Abtriebswelle eine identische Wellenachse aufweisen und die Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle antreibbar drehbar ist. Vorteilhaft ist die Abtriebswelle oder die Antriebswelle zumindest teilweise als Hohlwelle ausgebildet, innerhalb der die jeweils andere Welle geführt ist. Der rotatorische Antrieb ist vorteilhaft als elektromotorischer Antrieb realisiert, ist aber darauf nicht beschränkt.
Zur Steuerung/Regelung des rotatorischen Antriebs ist eine Steuervorrichtung vorhanden, in der für einen zeitabhängigen Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle ein erlaubter Drehwinkelbereich DWB:= [β₁, β₂] vorgegeben ist. Im Normalbetrieb bewegt sich der Drehwinkel β(t) somit nur im erlaubter Drehwinkelbereich DWB:= [β₁, β₂]. Die Steuervorrichtung umfasst vorteilhaft einen Prozessor, auf dem ein Steuerprogramm zur Steuerung des rotatorischen Antriebs läuft.
An der Antriebswelle oder mit der Antriebswelle drehfest verbunden sind obligat, d.h. zwingend, ein erster Positionssensor P_n=1, ein zweiter Positionssensor P_n=2 und optional weitere Positionssensoren P_n angeordnet, mit n = 1, 2, ..., N, wobei der erste Positionssensor P_n=1, der zweite Positionssensor P_n=2 und die ggf. vorhandenen optionalen weiteren Positionssensoren P_n in einer jeweiligen eineindeutigen Winkelposition α_n am Umfang der Antriebswelle angeordnet sind, d.h. es gilt α_n=1 ≠ α_n=2≠ α_n=3 ... ≠ α_n=N.
An der Abtriebswelle oder mit der Abtriebswelle drehfest verbunden ist ein von den angeordneten, vorhandenen Positionssensoren P_n jeweils erfassbarer Positionsmarker PM angeordnet, wobei sofern der Positionsmarker PM in einem Erfassungsbereich eines jeweiligen Positionssensors P_n erfasst wird, ein dem jeweiligen Positionssensor P_n zugeordnetes zeitabhängiges Signal SIG(P_n, t) erzeugt wird, mit t:= Zeit. Um eine hohe Positionserfassungsgenauigkeit der Positionssensoren P_n zu erzielen, werden vorteilhaft Positionssensoren P_n mit einem möglichst schmalen, d.h. räumlich eng begrenzten Erfassungsbereich gewählt.
Die Steuervorrichtung ist dazu ausgeführt und eingerichtet, dass auf Basis der erfassten Signale SIG(P_n, t) und/oder der Signalform der Signale SIG(P_n, t) eine Drehrichtung der Abtriebswelle und ein Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB ermittelt wird, wobei der rotatorische Antrieb bei einem erfassten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB mit einem hierfür vorgegebenen Steuerprogramm, insbesondere abhängig von der erfassten Drehrichtung beim Verlassen des Drehwinkelbereichs DWB angesteuert wird.
Die Zeitreihe oder zumindest ein aktueller unmittelbar vergangener, ausreichend großer Abschnitt der Zeitreihe der von den Positionssensoren P_n erzeugten Signale SIG(P_n, t) wird vorteilhaft in einer Speichereinheit der Steuervorrichtung permanent oder zumindest temporär gespeichert.
Eine Auswertung der gespeicherten Zeitreihe der erzeugten Signale SIG(P_n, t), d.h. insbesondere der zeitlichen Abfolge der verschiedenen Signale SIG(P_n, t) und/oder der Signalform der Signale SIG(P_n, t) ermöglicht einerseits die Feststellung eines Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB und zusätzlich ein Ermitteln einer aktuellen Drehrichtung und damit auch, mit welcher Drehrichtung der erlaubte Drehwinkelbereich verlassen wurde.
Die Positionssensoren P_n sind vorteilhaft derart ausgeführt und eingerichtet, dass eine Signalform der jeweiligen Signale SIG(P_n, t) von einer Drehrichtung, des sich in den jeweiligen Erfassungsbereich eintretenden und diesen wieder verlassenden Positionsmarker PM abhängt. In diesem Fall ergeben sich unterschiedliche Signalformen abhängig davon, ob sich der Positionsmarker PM von links oder von rechts kommend in den Erfassungsbereich eines Positionssensors P_n eindreht und diesen entsprechend nach rechts oder links wieder verlässt.
Alternativ oder zusätzlich ist der Positionsmarker PM vorteilhaft derart ausgeführt und eingerichtet, dass eine Signalform der jeweiligen Signale SIG(P_n, t) von einer Drehrichtung, des sich in den jeweiligen Erfassungsbereich eintretenden und diesen wieder verlassenden Positionsmarker PM abhängt, bspw. kann sich eine Kodierung des Positionsmarker PM an dessen rechte und linker Seite unterscheiden. In diesem Fall ergeben sich unterschiedliche Signalformen abhängig davon, ob sich der Positionsmarker PM von links oder von rechts kommend in den Erfassungsbereich eines Positionssensors P_n eindreht und diesen entsprechend nach rechts oder links wieder verlässt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass am Umfang der Antriebswelle drei Positionssensoren P_n=1, P_n=2, P_n=3 angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass die am Umfang der Antriebswelle angeordneten Positionssensoren P_n alle in einem Winkelsektor WS des Umfangs angeordnet sind, wobei gilt: alle Winkelpositionen α_n liegen im Winkelsektor WS, und WS ≤ 180° oder WS ≤ 90° oder WS ≤ 60° oder WS ≤ 30° oder WS ≤ 15° oder WS ≤ 10° oder WS ≤ 5° oder WS ≤ 3° oder WS ≤ 2°. Sind bspw. insgesamt drei Positionssensoren verbaut, so sind diese bspw. vorteilhaft in einem Winkelsektor WS ≤30° des Umfangs angeordnet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass die Signale SIG(P_n*, t) zumindest eines Positionssensors P_n* aus den am Umfang der Antriebswelle angeordneten Positionssensoren P_n zur Ermittlung eines Verlassens des erlaubten Drehwinkelbereich DWB genutzt werden. Bspw. kann ein Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB von 360° mittels eines einzigen Positionssensors P_n* ermittelt werden. Sobald ein entsprechendes Signal SIG(P_n*, t) ermittelt wird, wird somit ein Verlassen des auf 360° begrenzten erlaubten Drehwinkelbereichs DWB ermittelt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass die Signale SIG(P_n*, t) zur Ermittlung einer relativen Drehgeschwindigkeit zwischen Antriebs- und Abtriebswelle verwendet werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB aus mehreren vorgegebenen Steuerprogrammen ausgewählt wird. Die konkrete Auswahl aus mehreren Steuerprogrammen erfolgt vorteilhaft basierend auf weiteren Steuerparametern des rotatorischen Antriebs wie bspw. der relativen Drehgeschwindigkeit zwischen Antriebs- und Abtriebswelle und/oder der Drehrichtung
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass das das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt. Vorteilhaft kommandiert das Steuerprogramm in diesem Fall automatisiert ein Zurückdrehen der Abtriebswelle entgegengesetzt zu der vor dem Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB ermittelten Drehrichtung, bis der Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle wieder im erlaubten Drehwinkelbereich DWB liegt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt und eine Ausgabe einer Warnung triggert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt und eine manuelle Verstellung des aktuellen Drehwinkels β(t) der Abtriebswelle zur Antriebswelle durch einen Bediener nur derart ermöglicht bzw. freigibt, dass der Drehwinkel β(t) wieder in den erlaubten Drehwinkelbereich DWB manuell zurückgedreht werden kann.
Vorteilhaft ist der erlaubte Drehwinkelbereich DWB ein Drehwinkelbereich < 360° oder < 720°.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass das der dritte Positionssensor P_n=3 und der zweite Positionssensor P_n=2 auf beiden Seiten des ersten Positionssensors P_n=1 derart angeordnet sind, dass gilt: $| α_{n = 2} - α_{n = 1} | = | α_{n = 3} - α_{n = 1} |$
und
der Winkelsektor WS ist aus dem Bereich [0,1 ° bis 45°] oder [0,1 ° bis 30°] oder [0,1 ° bis 15°] oder [0,1 ° bis 10°] oder [0,1 ° bis 5°] oder [0,1 ° bis 3°] oder [0,1 ° bis 2°] oder [0,1 ° bis 1°] gewählt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass das der Positionsmarker PM in einer „Neutralstellung“ oder „Nullstellung“ von Antriebswelle relativ zur Abtriebswelle um 180° gegenüberliegend von einem Positionssensor P_n** angeordnet ist, dessen Signale zur Ermittlung eines Verlassens des erlaubten Drehwinkelbereich DWB genutzt werden. In dem Sinne, dass bspw. unabhängig von der Drehrichtung jedes Auftreten eines Signals SIG(P_n**, t) ein Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB angibt (in diesem Fall ist der erlaubte Drehwinkelbereich DWB 360°) oder bspw. bei gleichbleibender Drehrichtung ein zweites Signal SIG(P_n**, t) ) ein Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB angibt (in diesem Fall ist der erlaubte Drehwinkelbereich DWB 720°).
Eine vorteilhafte Weiterbildung des rotatorischen Antriebs zeichnet sich dadurch aus, dass das der Positionsmarker PM als magnetischer Marker oder als optischer Marker oder als kapazitiver Marker oder als resistiver Marker ausgeführt ist.
Der vorgeschlagene rotatorische Antrieb ermöglicht ein zuverlässiges und robustes drehsinngemäßes Erkennen eines Verlassens eines für den rotatorischen Antrieb vorgebbaren erlaubten Drehwinkelbereichs DWB für eine relative Bewegung eines/er Antriebsglied/-welle und eines/er Abtriebsglied/-welle, auch für Drehwinkel über > 360°.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Drehgelenk für einen Roboter mit einem rotatorischen Antrieb, wie vorstehend beschrieben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Roboter mit zumindest einem Drehgelenk, wie vorstehend beschrieben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines rotatorischen Antriebs mit einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle, wobei die Antriebswelle und die Abtriebswelle eine identische Wellenachse aufweisen und die Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle antreibbar drehbar ist, an der Antriebswelle oder mit der Antriebswelle drehfest verbunden obligat ein erster Positionssensor P_n=1, ein zweiter Positionssensor P_n=2 und optional weitere Positionssensoren P_nangeordnet sind, mit n = 1, 2, ..., N wobei der erste Positionssensor P_n=1, der zweite Positionssensor P_n=2 und die optionalen weiteren Positionssensoren P_n in einer jeweiligen eineindeutigen Winkelposition α_n am Umfang der Antriebswelle angeordnet sind, d.h. es gilt α_n=1 ≠ α_n=2 ≠ α_n=3 ... ≠ α_n=N; an der Abtriebswelle oder mit der Abtriebswelle drehfest verbunden, ein von den angeordneten Positionssensoren P_n jeweils erfassbarer Positionsmarker PM, wobei sofern der Positionsmarker PM im Erfassungsbereich eines jeweiligen Positionssensors P_n erfasst wird, ein dem jeweiligen Positionssensor P_n zugeordnetes zeitabhängiges Signal SIG(P_n, t) erzeugt wird, mit t:= Zeit; und zur Steuerung des rotatorischen Antriebs eine Steuervorrichtung vorhanden ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
In einem Schritt erfolgt für einen zeitabhängigen Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle ein Vorgeben eines erlaubten Drehwinkelbereichs DWB:= [β₁, β₂].
In einem weiteren Schritt erfolgt auf Basis einer erfassten zeitlichen Abfolge der Signale SIG(P_n, t) ein Ermitteln einer Drehrichtung der Abtriebswelle (relativ zur Antriebswelle) und ein Ermitteln eines Verlassens des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB.
In einem weiteren Schritt erfolgt bei einem erfassten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB ein Ansteuern des rotatorischen Antriebs mit einem hierfür vorgegebenen Steuerprogramm.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Signale SIG(P_n*, t) zumindest eines Positionssensors P_n* aus den am Umfang der Antriebswelle angeordneten Positionssensoren P_n zur Ermittlung eines Verlassens des erlaubten Drehwinkelbereich DWB genutzt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB aus mehreren vorgegebenen Steuerprogrammen ausgewählt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt. Vorteilhaft kommandiert das Steuerprogramm in diesem Fall automatisiert ein Zurückdrehen der Abtriebswelle entgegengesetzt zu der vor dem Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB ermittelten Drehrichtung, bis der Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle wieder im erlaubten Drehwinkelbereich DWB liegt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt und eine Ausgabe einer Warnung triggert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt und eine manuelle Verstellung des aktuellen Drehwinkels β(t) der Abtriebswelle zur Antriebswelle durch einen Bediener nur derart ermöglicht, dass der Drehwinkel β(t) wieder in den erlaubten Drehwinkelbereich DWB manuell zurückgedreht werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der erlaubte Drehwinkelbereich DWB ein Drehwinkelbereich < 360° oder < 720° ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der -gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung- zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines vorgeschlagenen rotatorischen Antriebs in stark vereinfachter Querschnittsdarstellung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines vorgeschlagenen rotatorischen Antriebs in stark vereinfachter Querschnittsdarstellung, und
3 eine Tabelle zur Auswertelogik der Abfolge von Signalen SIG(P_n, t)

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines vorgeschlagenen rotatorischen Antriebs in stark vereinfachter Querschnittsdarstellung.
Das Ausführungsbeispiel zeigt einen schematischen Aufbau eines Robotergelenks bestehend aus einer feststehenden Antriebselle 101 und einer relativ dazu drehbaren Abtriebswelle 102, wobei die Antriebswelle 101 und die Abtriebswelle 102 eine identische Wellenachse aufweisen (in 1 gekennzeichnet durch das strichlierte Kreuz).
Zur Steuerung des rotatorischen Antriebs ist eine Steuervorrichtung 103 vorhanden, die für einen zeitabhängigen Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle 102 relativ zur Antriebswelle 101 einen erlaubten Drehwinkelbereich DWB:= [β₁, β₂] vorgibt.
An der Antriebswelle 101 sind ein erster Positionssensor P_n=1 104 und ein zweiter Positionssensor P_n=2 105 angeordnet, die vorliegend bspw. als Hall-Sensoren ausgeführt sind.
Die Positionssensoren P_n sind vorteilhaft derart ausgeführt und eingerichtet, dass eine Signalform der jeweiligen Signale SIG(P_n, t) von einer Drehrichtung, des sich in den jeweiligen Erfassungsbereich eintretenden Positionsmarker PM abhängt. In diesem Fall ergeben sich unterschiedliche Signalformen abhängig davon, ob sich der Positionsmarker PM von links oder von rechts kommend in den Erfassungsbereich eines Positionssensors P_n eindreht und diesen entsprechend nach rechts oder links wieder verlässt.
Der erste Positionssensor P_n=1, 104 und der zweite Positionssensor P_n=2 105 sind in einer eineindeutigen Winkelposition am Umfang der Antriebswelle angeordnet sind, d.h. es gilt α_n=1 ≠ α_n=2.
An der Abtriebswelle 103 ist ein von den angeordneten Positionssensoren P_n=1,2 104, 105 jeweils erfassbarer Positionsmarker PM 107 angeordnet, wobei sofern der Positionsmarker PM 107 in einem Erfassungsbereich eines jeweiligen Positionssensors P_n=1,2 104, 105 erfasst wird, ein dem jeweiligen Positionssensor P_n=1,2 104, 105 zugeordnetes zeitabhängiges Signal SIG(P_n, t) erzeugt wird, mit t:= Zeit.
Der Positionsmarker PM ist vorliegend derart ausgeführt und eingerichtet, dass eine Signalform der jeweiligen Signale SIG(P_n, t) von einer Drehrichtung, des sich in den jeweiligen Erfassungsbereich eintretenden Positionsmarker PM abhängt. In diesem Fall ergeben sich unterschiedliche Signalformen abhängig davon, ob sich der Positionsmarker PM von links oder von rechts kommend in den Erfassungsbereich eines Positionssensors P_n=1,2 eindreht und diesen entsprechend nach rechts oder links wieder verlässt.
Die in 1 gezeigte Stellung des Positionsmarkers PM 107 ist in der Mitte des in der Steuereinheit hinterlegten erlaubten Drehwinkelbereichs IDWBI = ca. 320°, dies sei die „Neutralstellung“ des rotatorischen Antriebs. Der Differenzwinkel Δα der angeordneten Positionssensoren P_n=1,2 104, 105 beträgt vorliegend ca. 25°. Der relative Drehwinkel β(t) darf damit erlaubtermaßen Werte im folgenden Bereich annehmen: β(t) := [0, +/- 160°]. Dieser Bereich ist etwas kleiner als 360° - Δα = 335°, sodass bei einem Überschreiten des DWB der rotatorische Antrieb noch mit einer Bremsfunktion angesteuert werden kann. Die breite der Markierungen der Positionssensoren P_n=1,2 104, 105 gibt den Erfassungsbereich des jeweiligen Sensors an.
Eine Drehrichtung „nach rechts“ ergibt sich vorliegend, wenn der als Magnet ausgeführte Positionsmarker 107 über den Positionssensor P_n=1 104 in den Bereich Δα in Richtung auf den Positionssensor P_n=2 105 gedreht wird. Analog ergibt sich eine Drehrichtung „nach links“, wenn der Positionsmarke 107 über den Positionssensor P_n=2 105 in den Bereich Δα in Richtung auf den Positionssensor P_n=1 104 gedreht wird.
Vorteilhaft wird der Differenzwinkelbereich Δα so klein wie möglich gemacht, um einen möglichst großen erlaubten Drehwinkelbereich DWB zu erhalten. Möglich sind auch überlappende Erfassungsbereiche der Positionssensoren P_n=1,2 104, 105.
Die Steuervorrichtung 103 ist dazu ausgeführt und eingerichtet, dass auf Basis einer erfassten zeitlichen Abfolge der Signale SIG(P_n, t) eine Drehrichtung der Abtriebswelle 102 und ein Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB ermittelt wird, wobei der rotatorische Antrieb bei einem erfassten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB mit einem hierfür vorgegebenen Steuerprogramm angesteuert wird.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines vorgeschlagenen rotatorischen Antriebs in stark vereinfachter Querschnittsdarstellung.
Der Aufbau des rotatorischen Antriebs ist grundsätzlich analog dem von 1, insofern wird auf die vorstehende Beschreibung verwiesen. Im Gegensatz zu 1 sind jedoch in diesem Beispiel drei Hall Sensoren P_n=1,2,3 am feststehenden Umfangsrand der Antriebswelle 101 angeordnet.
Vorteilhaft ist es die Differenzwinkel Δα der angeordneten Positionssensoren P_n=1,2,3 104, 105, 106 so klein wie möglich zu gestalten. Weiterhin vorteilhaft können die Erfassungsbereiche der drei Sensoren P_n=1,2,3 sich teilweise überlappen.
3 zeigt eine Tabelle zur Auswertelogik der zeitlichen Abfolge von Signalen SIG(P_n=1,2,3, t) der Positionssensoren P_n=1,2,3 104, 105, 106. Ein solches Signal SIG(P_n=1,2,3, t) wird durch die Erfassung des Positionsmarkers durch einen jeweiligen Positionssensors P_n=1,2,3 ausgelöst.
Dargestellt sind in den Zeilen der 3 verschiedene Fälle einer zeitlichen Auslösereihenfolge der einzelnen Positionssensoren P_n=1,2,3 104, 105, 106. In den Fällen der ersten drei Zeilen ergibt sich kein Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB.
In der vierten Zeile löst zunächst der Positionssensor P_n=2 105 (an erster Stelle) aus, anschließend (an zweiter Stelle) der Positionssensor P_n=1 104, woraus sich eine Drehrichtung nach rechts ergibt. Gleiches gilt für Zeile 6, bei der zusätzlich an dritter Stelle der Positionssensor P_n=3 106 auslöst.
Analog löst in der fünften Zeile zunächst der Positionssensor P_n=3 106 (an erster Stelle) aus, anschließend (an zweiter Stelle) der Positionssensor P_n=1 104, woraus sich eine Drehrichtung nach links ergibt. Gleiches gilt für Zeile 7, bei der zusätzlich an dritter Stelle der Positionssensor P_n=2 105 auslöst.
Weiter ist der 3 ein mögliches Bitmuster eines Auswerteergebnisses zu entnehmen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa einer weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
Bezugszeichenliste

101: Antriebswelle
102: Abtriebswelle
103: Steuervorrichtung
104: erster Positionssensor P_n=1
105: zweiter Positionssensor P_n=2
106: optional weitere Positionssensoren P_n>2
107: Positionsmarker PM

Claims

Rotatorischer Antrieb mit einer Antriebswelle (101) und einer Abtriebswelle (102), wobei - die Antriebswelle (101) und die Abtriebswelle (102) eine identische Wellenachse aufweisen und die Abtriebswelle (102) relativ zur Antriebswelle (101) antreibbar drehbar ist, - zur Steuerung des rotatorischen Antriebs eine Steuervorrichtung (103) vorhanden ist, die für einen zeitabhängigen Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle (102) relativ zur Antriebswelle (101) einen erlaubten Drehwinkelbereich DWB:= [β₁, β₂] vorgibt; - an der Antriebswelle (101) oder mit der Antriebswelle (101) drehfest verbunden obligat ein erster Positionssensor P_n=1 (104), ein zweiter Positionssensor P_n=2 (105) und optional weitere Positionssensoren P_n>2 (106) angeordnet sind, mit n ₌ 1, 2, ..., N wobei der erste Positionssensor P_n=1 (104), der zweite Positionssensor P_n=2 (105) und die optionalen weiteren Positionssensoren P_n>2 (106) in einer jeweiligen eineindeutigen Winkelposition α_n am Umfang der Antriebswelle angeordnet sind, d.h. es gilt α_n=1 ≠ α_n=2 ≠ α_n=3 ... ≠ α_n=N; - an der Abtriebswelle (102) oder mit der Abtriebswelle (102) drehfest verbunden, ein von den angeordneten Positionssensoren P_n (104, 105, 106) jeweils erfassbarer Positionsmarker PM (107), wobei sofern der Positionsmarker PM (107) in einem Erfassungsbereich eines jeweiligen Positionssensors P_n (104, 105, 106) erfasst wird, ein dem jeweiligen Positionssensor P_n (104, 105, 106) zugeordnetes zeitabhängiges Signal SIG(P_n, t) erzeugt wird, mit t:= Zeit; und - die Steuervorrichtung (103) dazu ausgeführt und eingerichtet ist, dass auf Basis einer erfassten der Signale SIG(P_n, t) eine Drehrichtung der Abtriebswelle (102) und ein Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB ermittelt wird, wobei der rotatorische Antrieb bei einem erfassten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB mit einem hierfür vorgegebenen Steuerprogramm angesteuert wird.
Rotatorischer Antrieb nach Anspruch 1, bei dem die Signale SIG(P_n*, t) zumindest eines Positionssensors P_n* aus den am Umfang der Antriebswelle angeordneten Positionssensoren P_n zur Ermittlung eines Verlassens des erlaubten Drehwinkelbereich DWB genutzt werden.
Rotatorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem ein dritter Positionssensor P_n=3 (106) und der zweite Positionssensor P_n=2 (105) auf beiden Seiten des ersten Positionssensors P_n=1 (104) derart angeordnet sind, dass gilt: $| α_{n = 2} - α_{n = 1} | = | α_{n = 3} - α_{n = 1} |$
und - der Winkelsektor WS ist aus dem Bereich [0,1 ° bis 45°| oder [0,1 ° bis 30°] oder [0,1 ° bis 15°] oder [0,1 ° bis 10°] oder [0,1 ° bis 5°] oder [0,1 ° bis 3°] oder [0,1 ° bis 2°] oder [0,1 ° bis 1 °| gewählt.
Rotatorischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Positionsmarker PM (107) als magnetischer Marker oder als optischer Marker oder als kapazitiver Marker oder als resistiver Marker ausgeführt ist.
Drehgelenk für einen Roboter mit einem rotatorischen Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
Roboter mit zumindest einem Drehgelenk nach Anspruch 5.
Verfahren zum Betrieb eines rotatorischen Antriebs mit einer Antriebswelle und einer Abtriebswelle, wobei - die Antriebswelle und die Abtriebswelle eine identische Wellenachse aufweisen und die Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle antreibbar drehbar ist, - an der Antriebswelle oder mit der Antriebswelle drehfest verbunden obligat ein erster Positionssensor P_n=1, ein zweiter Positionssensor P_n=2 und optional weitere Positionssensoren P_n angeordnet sind, mit n = 1, 2, ..., N wobei der erste Positionssensor P_n=1, der zweite Positionssensor P_n=2 und die optionalen weiteren Positionssensoren P_n in einer jeweiligen eineindeutigen Winkelposition α_n am Umfang der Antriebswelle angeordnet sind, d.h. es gilt α_n=1 ≠ α_n=2 ≠ α_n=3 ... ≠ α_n=N; - an der Abtriebswelle oder mit der Abtriebswelle drehfest verbunden, ein von den angeordneten Positionssensoren P_n jeweils erfassbarer Positionsmarker PM, wobei sofern der Positionsmarker PM im Erfassungsbereich eines jeweiligen Positionssensors P_n erfasst wird, ein dem jeweiligen Positionssensor P_n zugeordnetes zeitabhängiges Signal SIG(P_n, t) erzeugt wird, mit t:= Zeit; und - zur Steuerung des rotatorischen Antriebs eine Steuervorrichtung vorhanden ist, mit folgenden Schritten: - für einen zeitabhängigen Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle Vorgeben (201) eines erlaubten Drehwinkelbereichs DWB:= [β₁, β2]; - auf Basis der erfassten Signale SIG(P_n, t) Ermitteln (202a) einer Drehrichtung der Abtriebswelle und Ermitteln (202b) eines Verlassens des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB, und - bei einem erfassten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereichs DWB Ansteuern (203) des rotatorischen Antriebs mit einem hierfür vorgegebenen Steuerprogramm.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt und automatisiert ein Zurückdrehen der Abtriebswelle entgegengesetzt zu der vor dem Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB ermittelten Drehrichtung kommandiert, bis der Drehwinkel β(t) der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle wieder im erlaubten Drehwinkelbereich DWB liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt und eine Ausgabe einer Warnung triggert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Steuerprogramm bei einem ermittelten Verlassen des erlaubten Drehwinkelbereich DWB eine weitere Drehung der Abtriebswelle relativ zur Antriebswelle stoppt und eine manuelle Verstellung des aktuellen Drehwinkels β(t) der Abtriebswelle zur Antriebswelle durch einen Bediener nur derart ermöglicht, dass der Drehwinkel β(t) wieder in den erlaubten Drehwinkelbereich DWB manuell zurückgedreht werden kann.