DE102022120560A1 - METHOD FOR CALIBRATION OF A TORQUE SENSOR SYSTEM FOR A TRANSMISSION - Google Patents

METHOD FOR CALIBRATION OF A TORQUE SENSOR SYSTEM FOR A TRANSMISSION Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drehmomentsensorsystems für ein Getriebe (1). Dabei kann das Getriebe (1) ein elastische Übertragungselement (2) aufweist und ferner kann ein Sensor (3) des Drehmomentsensorsystems an dem elastischen Übertragungselement (2) angeordnet sein. Ferner kann das Verfahren das Erfassen zumindest eines Messsignals (S1, S2) mittels des Sensors (3) des Drehmomentsensorsystems umfassen. Des Weiteren kann in einem weiteren Verfahrensschritt ein Drehmoment (B) aus dem zumindest einen Messsignal (S1, S2) mittels eines mathematischen Modells bestimmt werden. In weiteren Verfahrensschritten kann eine Gesamtwellendrehung (T1) aus dem zumindest einen Messsignal (S1, S2) und ein Gesamtlastmoment (T2) aus dem Drehmoment (B) ermittelt werden. Das mathematische Modell kann basierend auf der Gesamtwellendrehung (T1) und dem Gesamtlastmoment (T2) kalibriert werden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Getriebesystem, umfassend ein Getriebe (1), ein elastisches Übertragungselement (2) und ein Drehmomentsensorsystem mit einem Sensor (3) und einem mathematischen Modell umfassen.The present invention relates to a method for calibrating a torque sensor system for a transmission (1). The transmission (1) can have an elastic transmission element (2) and a sensor (3) of the torque sensor system can also be arranged on the elastic transmission element (2). Furthermore, the method can include detecting at least one measurement signal (S1, S2) using the sensor (3) of the torque sensor system. Furthermore, in a further method step, a torque (B) can be determined from the at least one measurement signal (S1, S2) using a mathematical model. In further method steps, a total shaft rotation (T1) can be determined from the at least one measurement signal (S1, S2) and a total load torque (T2) from the torque (B). The mathematical model can be calibrated based on the total shaft rotation (T1) and the total load torque (T2). The present invention further relates to a transmission system, comprising a transmission (1), an elastic transmission element (2) and a torque sensor system with a sensor (3) and a mathematical model.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Verfahren zur Kalibrierung eines Drehmomentsensorsystems für ein Getriebe.The present invention relates generally to the technical field of methods for calibrating a torque sensor system for a transmission.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Drehmomentsensorsysteme finden in der Antriebstechnologie vielfältige Anwendungen. Beispielsweise zur Verbesserung eines Getriebes in der Robotik wird das Drehmoment mittels eines Drehmomentsensorsystems gemessen oder rechnerisch bestimmt. Dabei können Drehmomentsensorsysteme dazu beitragen, dass ein hohes Drehmoment mittels eines Getriebes bereitgestellt werden kann. Insbesondere bei Industrierobotern und mehrgliedrigen Robotergelenksystemen ist häufig ein hohes Drehmoment eines Getriebes nötig, um eine für den Anwendungsfall optimale Bewegung des mehrgliedrigen Robotergelenksystems zu gewährleisten. Neben der Robotik kommen Drehmomentsensorsysteme ferner in der Fahrzeugtechnik zum Einsatz.Torque sensor systems have a wide range of applications in drive technology. For example, to improve a transmission in robotics, the torque is measured or determined computationally using a torque sensor system. Torque sensor systems can help ensure that high torque can be provided using a transmission. Particularly in the case of industrial robots and multi-link robot joint systems, a high torque of a gearbox is often necessary in order to ensure optimal movement of the multi-link robot joint system for the application. In addition to robotics, torque sensor systems are also used in vehicle technology.

Um das Drehmoment zu bestimmen, wird üblicherweise ein Sensor des Drehmomentsensorsystems mit einer Robotergelenksteuerung verbunden. Ein solcher Sensor wird im Allgemeinen dadurch gebildet, dass Dehnungsmessstreifen an einer Komponente des Getriebes des Robotergelenksystems angebracht werden und dass ein Drehmoment unter Zugrundelegung von Eingabedaten und Parametern bestimmt wird, wobei die Eingabedaten durch die Dehnungsmessstreifen erfasst werden. Derartige Verfahren werden beispielsweise in den folgenden wissenschaftlichen Publikationen beschrieben:

  • Hashimoto, Minoru, Yoshihide Kiyosawa, and Richard P. Paul. „A torque sensing technique for robots with harmonic drives.“ IEEE Transactions on Robotics and Automation 9.1 (1993): 108-116 .
  • Hashimoto, Minoru, and Yoshihide Kiyosawa. „Experimental study on torque control using Harmonic Drive built-in torque sensors.“ Journal of Robotic Systems 15.8 (1998): 435-445.
To determine the torque, a sensor of the torque sensor system is usually connected to a robot joint controller. Such a sensor is generally formed by attaching strain gauges to a component of the transmission of the robot joint system and determining a torque based on input data and parameters, the input data being detected by the strain gauges. Such procedures are described, for example, in the following scientific publications:
  • Hashimoto, Minoru, Yoshihide Kiyosawa, and Richard P. Paul. “A torque sensing technique for robots with harmonic drives.” IEEE Transactions on Robotics and Automation 9.1 (1993): 108-116 .
  • Hashimoto, Minoru, and Yoshihide Kiyosawa. “Experimental study on torque control using Harmonic Drive built-in torque sensors.” Journal of Robotic Systems 15.8 (1998): 435-445.

Aufgrund von Metallermüdung und Degradation der Getriebekomponenten ändern sich jedoch die physikalischen Eigenschaften des Getriebes. Insbesondere bei Harmonic Drive Getrieben, bei den Komponenten wie der „Flex Spline“ während der Lebensdauer wiederholt verformt werden, tritt dieser Effekt verstärkt auf.However, due to metal fatigue and degradation of transmission components, the physical properties of the transmission change. This effect is particularly pronounced in harmonic drive transmissions, where components such as the “Flex Spline” are repeatedly deformed during their service life.

Diese Änderung führt zu einer Verschlechterung der Bestimmung des Drehmoments mittels des Drehmomentsensorsystems. Auch die Lebensdauer des Getriebes wird mittels des Drehmomentsensorsystems ungenau abgeschätzt. Dabei sind nach einer gewissen Laufzeit die ursprünglichen Parameter, die zur Bestimmung des Drehmoments verwendet werden, nicht mehr gültig.This change results in a deterioration in the determination of torque by the torque sensor system. The service life of the transmission is also inaccurately estimated using the torque sensor system. After a certain period of time, the original parameters used to determine the torque are no longer valid.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drehmomentsensorsystems der eingangs genannten Art bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Drehmomentsensorsystem bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide a method for calibrating a torque sensor system of the type mentioned at the outset. Another object of the present invention is to provide an improved torque sensor system.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. In ihrer allgemeinsten Form betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drehmomentsensorsystems für ein Getriebe. Dabei kann das Getriebe ein elastische Übertragungselement aufweist und ferner kann ein Sensor des Drehmomentsensorsystems an dem elastischen Übertragungselement angeordnet sein. Ferner kann das Verfahren das Erfassen zumindest eines Messsignals mittels des Sensors des Drehmomentsensorsystems umfassen. Des Weiteren kann in einem weiteren Verfahrensschritt ein Drehmoment aus dem zumindest einen Messsignal mittels eines mathematischen Modells bestimmt werden. In weiteren Verfahrensschritten kann eine Gesamtwellendrehung aus dem zumindest einen Messsignal und ein Gesamtlastmoment aus dem Drehmoment ermittelt werden. Das mathematische Modell kann basierend auf der Gesamtwellendrehung und dem Gesamtlastmoment kalibriert werden.These tasks are solved by the subject matter of the independent claims. In its most general form, the invention relates to a method for calibrating a torque sensor system for a transmission. The transmission can have an elastic transmission element and a sensor of the torque sensor system can also be arranged on the elastic transmission element. Furthermore, the method can include detecting at least one measurement signal using the sensor of the torque sensor system. Furthermore, in a further method step, a torque can be determined from the at least one measurement signal using a mathematical model. In further method steps, a total shaft rotation can be determined from the at least one measurement signal and a total load torque from the torque. The mathematical model can be calibrated based on the total shaft rotation and total load torque.

Unter Kalibrierung ist typischerweise das Anpassen des Drehmomentsensorsystems an Veränderungen des Getriebes gemeint. Dabei kann das Drehmomentsensorsystem ein mathematisches Modell oder zumindest Bestandteile des mathematischen Modells umfassen. Das mathematische Modell kann ferner an die Veränderungen des Getriebes angepasst werden. Das mathematische Modell kann dazu Kalibrierungsparameter umfassen. Das mathematische Modell kann kalibriert bzw. angepasst werden, indem die Kalibrierungsparameter des mathematischen Modells verändert werden. Dabei können die Kalibrierungsparameter des mathematischen Modells derart geändert werden, dass die Kalibrierungsparameter zum physikalischen Verhalten des Getriebes passen. Somit kann auch das Drehmoment mittels des mathematischen Modells genau bestimmt werden.Calibration typically means adapting the torque sensor system to changes in the transmission. The torque sensor system can include a mathematical model or at least components of the mathematical model. The mathematical model can also be the changes to the transmission can be adapted. For this purpose, the mathematical model can include calibration parameters. The mathematical model can be calibrated or adjusted by changing the calibration parameters of the mathematical model. The calibration parameters of the mathematical model can be changed in such a way that the calibration parameters match the physical behavior of the transmission. This means that the torque can also be precisely determined using the mathematical model.

Veränderungen des Getriebes können beispielsweise durch Materialermüdung der Komponenten des Getriebes auftreten. Materialermüdung kann verursacht werden durch wechselnde mechanische Belastung, Korrosion, wechselnde Temperatur, UV-Strahlung und/oder ionisierender Strahlung.Changes to the transmission can occur, for example, due to material fatigue of the components of the transmission. Material fatigue can be caused by changing mechanical stress, corrosion, changing temperature, UV radiation and/or ionizing radiation.

Das Getriebe ist vorzugsweise Teil eines Fahrzeugs oder Roboters. Das Getriebe kann mit einem Motor in Verbindung stehen. Das Getriebe weist dabei typischerweise eine mit dem Motor verbundene Antriebswelle auf. Bei dem Motor kann es sich um einen Verbrennungsmotor, einen elektrischen Motor, eine Brennstoffzelle, einen Hybridantrieb oder eine andere Art von Energieumwandler handeln.The transmission is preferably part of a vehicle or robot. The transmission can be connected to a motor. The transmission typically has a drive shaft connected to the motor. The engine can be an internal combustion engine, an electric motor, a fuel cell, a hybrid drive or another type of energy converter.

Als Getriebe können Stirnradgetriebe, Kegelradgetriebe, Schraubenradgetriebe, Planetengetriebe oder Harmonic Drive Getriebe zum Einsatz kommen.Helical gears, bevel gears, helical gears, planetary gears or harmonic drive gears can be used as gears.

Das elastische Übertragungselement kann beispielsweise ein „Flex Spline“ eines Harmonic Drive Getriebes umfassen. Dabei kann sich das elastische Übertragungselement bei jeder Rotation der Antriebswelle verformen. Das elastische Übertragungselement erfährt somit typischerweise wechselnde mechanische Belastungen, die zu einer Materialermüdung führen können.The elastic transmission element can, for example, comprise a “flex spline” of a harmonic drive transmission. The elastic transmission element can deform with every rotation of the drive shaft. The elastic transmission element therefore typically experiences changing mechanical loads, which can lead to material fatigue.

Das Drehmomentsensorsystem kann eine Vielzahl von Sensoren umfassen. Das Drehmomentsensorsystem kann beispielsweise einen Drehmomentsensor in Form eines Dehnungsmessstreifens umfassen. Ein Sensor kann auch eine Vielzahl von Dehnungsmesstreifen umfassen.The torque sensor system may include a variety of sensors. The torque sensor system can, for example, include a torque sensor in the form of a strain gauge. A sensor can also include a variety of strain gauges.

Bei dem vom Sensor des Drehmomentsensorsystem erfassten Messsignal kann es sich beispielsweise um eine elektrische Spannung handeln. Mittels der elektrischen Spannung kann ein Drehmoment berechnet werden. Das Messsignal ändert sich typischerweise mit Rotation der Antriebswelle, wobei beispielsweise eine hohe Spannung bei einer Antriebswellenposition von 0° und eine niedrige Spannung bei einer Antriebswellenposition von 90° erfasst wird. The measurement signal detected by the sensor of the torque sensor system can be, for example, an electrical voltage. A torque can be calculated using the electrical voltage. The measurement signal typically changes with rotation of the drive shaft, with, for example, a high voltage being detected at a drive shaft position of 0° and a low voltage at a drive shaft position of 90°.

Die Gesamtwellendrehung kann dabei die Summe der Wellendrehungen der Antriebswelle sein. Eine Wellendrehung kann dabei eine Rotation der Antriebswelle um 360° sein. Dabei kann mit der Gesamtwellendrehung die Gesamtanzahl von Wellendrehungen seit dem Beginn der Erfassung durch das Drehmomentsensorsystem ermittelt werden. Mit anderen Worten kann mit der Gesamtwellendrehung die Gesamtzahl der Wellendrehungen seit Inbetriebnahme des Getriebes erfasst werden.The total shaft rotation can be the sum of the shaft rotations of the drive shaft. A shaft rotation can be a rotation of the drive shaft through 360°. The total shaft rotation can be used to determine the total number of shaft rotations since the start of detection by the torque sensor system. In other words, the total number of shaft rotations since the transmission was put into operation can be recorded using the total shaft rotation.

Das Gesamtlastmoment kann eine Summe von Drehmomenten sein. Die Drehmomente können während der Wellendrehungen variieren. Mit Drehmoment kann dabei das am elastischen Übertragungselement anliegende Drehmoment gemeint sein. Mit anderen Worten können mit dem Gesamtlastmoment die Drehmomente seit Inbetriebnahme des Getriebes erfasst werden.The total load torque can be a sum of torques. Torques can vary during shaft rotations. Torque can mean the torque applied to the elastic transmission element. In other words, the total load torque can be used to record the torques since the transmission was put into operation.

Mit der Gesamtwellendrehung und dem Gesamtlastmoment kann die dynamische Ermüdung des elastischen Übertragungselements detektiert werden.The dynamic fatigue of the elastic transmission element can be detected using the total shaft rotation and the total load moment.

Die vom Sensor des Drehmomentsensorsystem erfassten Messsignale können mittels einer Kommunikationsleitung vom Sensor an das Drehmomentsensorsystem übermittelt werden. Bei der Kommunikationsleitung kann es sich beispielsweise um ein EtherCAT, RS485 oder SPI System handeln.The measurement signals detected by the sensor of the torque sensor system can be transmitted from the sensor to the torque sensor system using a communication line. The communication line can be, for example, an EtherCAT, RS485 or SPI system.

Unter dem Drehmoment kann dabei das zum Antrieb des Fahrzeuges, des Roboters bzw. einem Manipulatorglied des Roboters bereitstehende Drehmoment verstanden werden. Es kann sich demnach bei dem Drehmoment des Getriebes beispielsweise um das Ausgangsdrehmoment des Getriebes handeln. Das Drehmoment des Getriebes kann direkt an die Manupulatorglieder des Roboters oder an die Räder des Fahrzeugs weitergeleitet werden. Unter Drehmoment kann auch das an der Antriebswelle des Getriebes anliegende Drehmoment verstanden werden.The torque can be understood as the torque available to drive the vehicle, the robot or a manipulator member of the robot. The torque of the transmission can therefore be, for example, the output torque of the transmission. The torque from the gearbox can be transmitted directly to the manupulator links of the robot or to the wheels of the vehicle. Torque can also be understood as the torque applied to the drive shaft of the transmission.

Unter dem Bestimmen des Drehmoments aus dem Messsignal versteht der Fachmann typischerweise jede Art des Ermittelns und/oder Berechnens im mathematischen Sinne. Dazu kann jede Art von mathematischer Operation angewendet werden, insbesondere auch iterative Verfahren. Auch das Ablesen aus Tabellen kann zum Bestimmen des Drehmoments Anwendung finden.The person skilled in the art typically understands determining the torque from the measurement signal to mean any type of determination and/or calculation in the mathematical sense. Any type of mathematical operation can be used for this purpose, especially iterative procedures. Reading from tables can also be used to determine torque.

Das Drehmomentsensorsystem kann einen Mikrocontroller umfassen. Einige oder alle Verfahrensschritte können auf der Mikrocontroller des Drehmomentsensorsystem implementiert sein. Dabei kann der Mikrocontroller im Drehmomentsensorsystem integriert sein. Ein Vorteil dieser Implementierung ist es, dass die Verfahrensschritte in ihrer Gesamtheit mittels des Drehmomentsensorsystems ausgeführt werden können und keine weiteren Komponenten notwendig sind.The torque sensor system may include a microcontroller. Some or all of the method steps can be implemented on the microcontroller of the torque sensor system. The microcontroller can be integrated in the torque sensor system. An advantage of this implementation is that the method steps can be carried out in their entirety using the torque sensor system and no further components are necessary.

Einige oder alle Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie zum Beispiel durch einen eigens dafür ausgelegten Mikrocontroller. Es ist auch möglich, dass die Hardwarevorrichtung einen Prozessor, einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung umfasst. In einigen Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch eine solche Vorrichtung ausgeführt werden.Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as a dedicated microcontroller. It is also possible for the hardware device to include a processor, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit. In some embodiments, one or more of the key method steps may be performed by such a device.

Selbstverständlich kann das Verfahren voll automatisiert ablaufen. Es ist ebenfalls möglich, dass das Verfahren kontinuierlich in der für die Robotik oder Motortechnik üblichen Echtzeit durchlaufen wird.Of course, the process can be fully automated. It is also possible for the process to be carried out continuously in the real time that is usual for robotics or motor technology.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt vorteilhafterweise zur Verbesserung der Berechnung des Drehmoments. Des Weiteren wird durch das Verfahren die Lebensdauer des Getriebes genauer bestimmt. Das Verfahren kann somit dazu beitragen, dass das Getriebe eine verbesserte, einfachere Struktur aufweist. Gleichzeitig können durch das Verfahren niedrigere Produktionskosten erreicht werden.The method according to the invention advantageously leads to an improvement in the calculation of the torque. Furthermore, the process determines the service life of the gearbox more precisely. The method can thus contribute to the transmission having an improved, simpler structure. At the same time, the process can achieve lower production costs.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst der Sensor des Drehmomentsensorsystems einen ersten Dehnungsmessstreifen und einen zweiten Dehnungsmessstreifen. Dabei kann mittels des ersten Dehnungsmessstreifens ein erstes Messignal erfasst werden und mittels des zweiten Dehnungsmessstreifens ein zweites Messignal erfasst werden.In a further aspect of the invention, the sensor of the torque sensor system comprises a first strain gauge and a second strain gauge. A first measurement signal can be detected using the first strain gauge and a second measurement signal can be detected using the second strain gauge.

Dehnungsmessstreifen können aus einem Halbleiter bestehen und auf Grundlage des piezoresistiven Effekts eine an einem Widerstand anliegende Spannung erfassen. Eine Änderung des Widerstands und der Spannung kann dabei aufgrund einer Verformung des Dehnungsmessstreifens entstehen. Der Vorteil des eingesetzten Dehnungsmessstreifens im Vergleich zu üblichen Metall-Dehnungsmessstreifen liegt in der hohen Empfindlichkeit.Strain gauges can be made of a semiconductor and can detect a voltage across a resistor based on the piezoresistive effect. A change in resistance and tension can occur due to a deformation of the strain gauge. The advantage of the strain gauge used compared to conventional metal strain gauges is its high sensitivity.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der erste Dehnungsmessstreifen und der zweite Dehnungsmessstreifen um 90° in einer Rotationsrichtung versetzt.In a further aspect of the invention, the first strain gauge and the second strain gauge are offset by 90° in a rotation direction.

Durch die Versetzung der Dehnungsmesstreifen um 90° können auch die von den Dehnungsmessstreifen erfassten Messsignale eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen.By offsetting the strain gauges by 90°, the measurement signals recorded by the strain gauges can also have a phase shift of 90°.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Ermitteln der Gesamtwellendrehung und das Ermitteln des Gesamtlastmoments als Verfahrensschritt das Ermitteln eines Differenzsignals aus dem erstem Messsignal und dem zweitem Messsignal auf. Des Weiteren kann eine Veränderung des Differenzsignals zu einem vorhergehenden Zustand mittels vordefinierter Abschnitte bestimmt werden. Falls eine Veränderung des Differenzsignals bestimmt wurde, kann der Gesamtwellendrehung und des Gesamtlastmoments ermittelt werden.In a further aspect of the invention, determining the total shaft rotation and determining the total load torque comprises, as a method step, determining a difference signal from the first measurement signal and the second measurement signal. Furthermore, a change in the difference signal to a previous state can be determined using predefined sections. If a change in the difference signal has been determined, the total shaft rotation and the total load torque can be determined.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das mathematische Modell mittels einer vordefinierten Kalibrierungsfunktion und basierend auf der Gesamtwellendrehung der und dem Gesamtlastmoment kalibriert.In a further aspect of the invention, the mathematical model is calibrated using a predefined calibration function and based on the total shaft rotation and the total load torque.

Das mathematische Modell kann dabei Kalibrierungsparameter umfassen, die mittels der Kalibrierungsfunktion berechnet werden können. Die Kalibrierungsfunktion kann mittels eines Lebensdauertest in der Entwicklungsphase bestimmt und vordefiniert worden sein.The mathematical model can include calibration parameters that can be calculated using the calibration function. The calibration function may have been determined and predefined during the development phase using a lifespan test.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Sensorsystem vorgesehen, das Mittel umfasst, um eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.In a further aspect of the invention, a sensor system is provided that includes means for carrying out one of the methods described herein.

Das Sensorsystem kann einen Dehnungsmessstreifen umfassen. Ferner kann das Sensorsystem ein Mikrocontroller und/oder ein Speichermedium (oder ein Datenträger oder ein computerlesbares Medium) umfassen, die ein darauf gespeichertes Computerprogramm zum Ausführen eines der hierin beschriebenen Verfahren umfassen, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das aufgezeichnete Medium sind in der Regel greifbar und/oder nicht übergangslos. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorsystem, wie hierin beschrieben, das einen Prozessor und das Speichermedium umfasst.The sensor system can include a strain gauge. Further, the sensor system may include a microcontroller and/or a storage medium (or a data carrier or a computer-readable medium) that includes a computer program stored thereon for executing one of the methods described herein when executed by a processor. The data carrier, digital storage medium or recorded medium is usually tangible and/or non-seamless. Another embodiment of the present invention is a sensor system as described herein that includes a processor and the storage medium.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogramm vorgesehen, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, um eines der hierin beschriebenen Verfahren auszuführen.In a further aspect of the invention, a computer program is provided that includes instructions that, when executed by a computer, cause the program to carry out one of the methods described herein.

Erfindungsgemäß ist auch ein Getriebesystem vorgesehen. Das Getriebesystem kann ein Getriebe, ein elastisches Übertragungselement und ein Drehmomentsensorsystem mit einem Sensor und einem mathematischen Modell umfassen. Dabei kann der Sensor des Drehmomentsensorsystems an dem elastischen Übertragungselement angeordnet sein. Ferner kann das Drehmomentsensorsystem derart ausgelegt sein, dass ein Drehmoment mittels des mathematischen Modells bestimmbar ist und das mathematische Modell mittels zumindest eines vom Sensor erfassten Messsignals kalibrierbar ist.According to the invention, a transmission system is also provided. The transmission system may include a gearbox, an elastic transmission element and a torque sensor system with a sensor and a mathematical model. The sensor of the torque sensor system can be arranged on the elastic transmission element. Furthermore, the torque sensor system can be designed such that a torque can be determined using the mathematical model and the mathematical model can be calibrated using at least one measurement signal detected by the sensor.

Das erfindungsgemäße Getriebe kann vorteilhafterweise eine besonders platzsparende und kompakte Bauweise aufweisen. Das Getriebe kann ferner vorteilhafterweise eine geringe Anzahl von Bauteilen aufweisen. Durch die Kalibrierung ist das Getriebe des Weiteren besonders flexibel gegenüber äußeren Einflüssen.The transmission according to the invention can advantageously have a particularly space-saving and compact design. The transmission can also advantageously have a small number of components. The calibration also makes the gearbox particularly flexible to external influences.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst der Sensor des Drehmomentsensorsystems einen ersten Dehnungsmessstreifen und einen zweiten Dehnungsmessstreifen.In a further aspect of the invention, the sensor of the torque sensor system comprises a first strain gauge and a second strain gauge.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das mathematische Modell mittels einer Kalibrierungsfunktion kalibrierbar gestaltet.In a further aspect of the invention, the mathematical model is designed to be calibratable using a calibration function.

Grundsätzlich ist möglich, dass die Kalibrierungsfunktion ein Regressionsmodell und/oder ein mehrschichtiges Perzeptronmodell umfasst.In principle, it is possible that the calibration function includes a regression model and/or a multi-layer perceptron model.

Als mathematische Modelle der hierin beschriebenen Verfahren können künstliche neuronale Netze zum Einsatz kommen. Ferner kann auch die Kalibrierungsfunktion ein künstliches neuronales Netz umfassen.Artificial neural networks can be used as mathematical models for the methods described herein. Furthermore, the calibration function can also include an artificial neural network.

Künstliche neuronale Netze (ANN; artificial neural network) sind Systeme, die durch biologische neuronale Netze inspiriert sind, wie sie in einer Netzhaut oder einem Gehirn zu finden sind. ANNs umfassen eine Mehrzahl von zwischenverbundenen Knoten und eine Mehrzahl von Verbindungen, sogenannte Kanten (edges), zwischen den Knoten. Es gibt normalerweise drei Knotentypen, Eingabeknoten, die Eingabewerte empfangen, versteckte Knoten, die (nur) mit anderen Knoten verbunden sind, und Ausgabeknoten, die Ausgabewerte bereitstellen. Jeder Knoten kann ein künstliches Neuron darstellen. Jede Kante kann Information senden, von einem Knoten zum anderen. Die Ausgabe eines Knotens kann als eine (nichtlineare) Funktion der Eingaben definiert sein (z.B. der Summe seiner Eingaben). Die Eingaben eines Knotens können in der Funktion basierend auf einem „Gewicht“ der Kante oder des Knoten, der die Eingabe bereitstellt, verwendet werden. Das Gewicht von Knoten und/oder von Kanten kann in einem Lernprozess angepasst werden. Anders ausgedrückt, kann das Training eines künstlichen neuronalen Netzes ein Anpassen der Gewichte der Knoten und/oder Kanten des künstlichen neuronalen Netzes umfassen, d.h. um eine erwünschte Ausgabe für eine bestimmte Eingabe zu erreichen.Artificial neural networks (ANN) are systems inspired by biological neural networks, such as those found in a retina or brain. ANNs include a plurality of interconnected nodes and a plurality of connections, called edges, between the nodes. There are usually three types of nodes, input nodes that receive input values, hidden nodes that are (only) connected to other nodes, and output nodes that provide output values. Each node can represent an artificial neuron. Each edge can send information from one node to another. The output of a node can be defined as a (nonlinear) function of the inputs (e.g. the sum of its inputs). A node's inputs can be used in the function based on a "weight" of the edge or node providing the input. The weight of nodes and/or edges can be adjusted in a learning process. In other words, training an artificial neural network may include adjusting the weights of the nodes and/or edges of the artificial neural network, i.e. to achieve a desired output for a particular input.

Alternativ können die mathematischen Modelle und die Kalibrierungsfunktion eine Support-Vector-Machine, ein Random-Forest-Modell oder ein Gradient-Boosting-Modell sein. Support Vector Machines (d.h. Stützvektornetze) sind Supervised Learning-Modelle mit zugeordneten Lernalgorithmen, die verwendet werden können, um Daten zu analysieren (z.B. in einer Klassifizierungs- oder Regressionsanalyse). Support Vector Machines können durch Bereitstellen einer Eingabe mit einer Mehrzahl von Trainingseingabewerten, die zu einer von zwei Kategorien gehören, trainiert werden. Die Support Vector Machine kann trainiert werden, um einer der beiden Kategorien einen neuen Eingabewert zuzuweisen. Alternativ können die mathematischen Modelle ein bayessches Netz sein, das ein probabilistisches gerichtetes azyklisches graphisches Modell ist. Ein bayessches Netz kann einen Satz von Zufallsvariablen und ihre bedingten Abhängigkeiten unter Verwendung eines gerichteten azyklischen Graphen darstellen. Alternativ können die mathematischen Modelle auf einem genetischen Algorithmus basieren, der ein Suchalgorithmus und heuristische Technik ist, die den Prozess der natürlichen Selektion imitiert.Alternatively, the mathematical models and the calibration function can be a support vector machine, a random forest model or a gradient boosting model. Support vector machines are supervised learning models with associated learning algorithms that can be used to analyze data (e.g. in a classification or regression analysis). Support vector machines can be trained by providing input with a plurality of training input values belonging to one of two categories. The support vector machine can be trained to assign a new input value to either category. Alternatively, the mathematical models may be a Bayesian network, which is a probabilistic directed acyclic graphical model. A Bayesian network can contain a set of random variables and their conditional dependencies represent using a directed acyclic graph. Alternatively, the mathematical models may be based on a genetic algorithm, which is a search algorithm and heuristic technique that mimics the process of natural selection.

Die mathematischen Modelle und/oder die Kalibrierungsfunktion können mittels eines Trainingsdatensatzes trainiert werden oder vorab trainiert sein. Der Trainingsdatensatz kann beispielsweise an einem Prüfstand erstellt werden.The mathematical models and/or the calibration function can be trained using a training data set or can be trained in advance. The training data set can, for example, be created on a test bench.

Als Trainingsverfahren der mathematischen Modelle und/oder der Kalibrierungsfunktion kann beispielsweise das „Supervised Learning“ zum Einsatz kommen. Beim Supervised Learning werden die mathematischen Modelle und/oder die Kalibrierungsfunktion unter Verwendung einer Mehrzahl von Trainingsabtastwerten trainiert, wobei jeder Abtastwert eine Mehrzahl von Eingabedatenwerten und eine Mehrzahl von erwünschten Ausgabewerten, d.h. jedem Trainingsabtastwert ist ein erwünschter Ausgabewert zugeordnet, umfassen kann. Durch Angeben sowohl von Trainingsabtastwerten als auch erwünschten Ausgabewerten „lernt“ das maschinelle Lernmodell, welcher Ausgabewert basierend auf einem Eingabeabtastwert, der ähnlich zu den während des Trainings bereitgestellten Abtastwerten ist, bereitzustellen ist. Neben dem Supervised Learning kann auch Semi-Supervised Learning verwendet werden. Beim Semi-Supervised Learning fehlt einigen der Trainingsabtastwerte ein erwünschter Ausgabewert. Supervised Learning kann auf einem Supervised Learning-Algorithmus basieren (z.B. einem Klassifizierungsalgorithmus, einem Regressionsalgorithmus oder einem Ähnlichkeitslernen-Algorithmus). Klassifizierungsalgorithmen können verwendet werden, wenn die Ausgaben auf eine begrenzte Menge von Werten (kategorische Variablen) beschränkt sind, d.h. die Eingabe ist als einer aus dem begrenzten Satz von Werten klassifiziert. Regressionsalgorithmen können verwendet werden, wenn die Ausgaben irgendeinen Zahlenwert (innerhalb eines Bereichs) ausweisen. Ähnlichkeitslernen-Algorithmen können sowohl Klassifizierungs- als auch Regressionsalgorithmen ähnlich sein, basieren aber auf dem Lernen aus Beispielen unter Verwendung einer Ähnlichkeitsfunktion, die misst, wie ähnlich oder verwandt zwei Objekte sind. Neben dem Supervised Learning oder Semi-Supervised Learning kann Unsupervised Learning verwendet werden, um das maschinelle Lernmodell zu trainieren. Beim Unsupervised Learning werden möglicherweise (nur) Eingabedaten bereitgestellt und ein Unsupervised Learning-Algorithmus kann verwendet werden, um eine Struktur in den Eingabedaten zu finden (z.B. durch Gruppieren oder Clustern der Eingabedaten, Finden von Gemeinsamkeiten in den Daten). Clustern ist die Zuweisung von Eingabedaten, die eine Mehrzahl von Eingabewerten umfassen, in Teilmengen (Cluster), sodass Eingabewerte innerhalb desselben Clusters gemäß einem oder mehreren (vordefinierten) Ähnlichkeitskriterien ähnlich sind, während sie Eingabewerten, die in anderen Clustern umfasst sind, unähnlich sind.For example, “supervised learning” can be used as a training method for the mathematical models and/or the calibration function. In supervised learning, the mathematical models and/or the calibration function are trained using a plurality of training samples, where each sample can include a plurality of input data values and a plurality of desired output values, i.e. a desired output value is assigned to each training sample. By specifying both training samples and desired output values, the machine learning model “learns” what output value to provide based on an input sample that is similar to the samples provided during training. In addition to supervised learning, semi-supervised learning can also be used. In semi-supervised learning, some of the training samples lack a desired output value. Supervised learning can be based on a supervised learning algorithm (e.g. a classification algorithm, a regression algorithm or a similarity learning algorithm). Classification algorithms can be used when the outputs are restricted to a limited set of values (categorical variables), i.e. the input is classified as one of the limited set of values. Regression algorithms can be used when the outputs show any numerical value (within a range). Similarity learning algorithms can be similar to both classification and regression algorithms, but are based on learning from examples using a similarity function that measures how similar or related two objects are. In addition to supervised learning or semi-supervised learning, unsupervised learning can be used to train the machine learning model. In unsupervised learning, input data may be provided (only) and an unsupervised learning algorithm may be used to find structure in the input data (e.g. by grouping or clustering the input data, finding commonalities in the data). Clustering is the assignment of input data comprising a plurality of input values into subsets (clusters) such that input values within the same cluster are similar according to one or more (predefined) similarity criteria, while they are dissimilar to input values comprised in other clusters.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachfolgend mit Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben:

  • 1A: Getriebe 1 gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
  • 1B: Messsignale S1 und S2 gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
  • 2A: Differenzsignal gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
  • 2B: Bestimmen von Abschnitten M des Differenzsignals D gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3A: Bestimmen von diskreten Werten des Differenzsignals D in den vordefinierten Abschnitten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3B: Feinjustierung der Abschnitte M des Differenzsignals D gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 3C: Feinjustierung in Unterabschnitte des Differenzsignals D gemäß der in 3B dargestellten Ausführungsform.
  • 4: Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Überblick.
  • 5: Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Überblick.
Preferred embodiments of the present disclosure are described below with reference to the following figures:
  • 1A : Transmission 1 according to embodiments of the invention.
  • 1B : Measurement signals S1 and S2 according to embodiments of the invention.
  • 2A : Differential signal according to embodiments of the invention.
  • 2 B : Determining sections M of the difference signal D according to an embodiment of the invention.
  • 3A : Determining discrete values of the difference signal D in the predefined sections according to an embodiment of the invention.
  • 3B : Fine adjustment of the sections M of the difference signal D according to an embodiment of the invention.
  • 3C : Fine adjustment into subsections of the difference signal D according to in 3B illustrated embodiment.
  • 4 : Overview of methods according to embodiments of the invention.
  • 5 : Method according to a further embodiment of the invention at a glance.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei welchen ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drehmomentsensorsystems für ein Getriebe zum Einsatz kommt, um damit das Drehmomentsensorsystem und das Getriebe besonders effizient zu gestalten.Embodiments of the invention are described below, in which a method for calibrating a torque sensor system for a transmission is used in order to make the torque sensor system and the transmission particularly efficient.

1A zeigt einen Getriebe 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Getriebe 1 kommt im dargestellten Beispiel in einem Industrieroboter zum Einsatz und umfasst ein elastisches Übertragungselement 2 und einen im Getriebe 1 integrierten Sensor 3 eines Drehmomentsensorsystems. Der Sensor umfasst einen ersten Dehnungsmessstreifen DS1 und einen zweiten Dehnungsmessstreifen DS2. 1A shows a transmission 1 according to an embodiment of the invention. In the example shown, the transmission 1 is used in an industrial robot and includes an elastic transmission element 2 and a sensor 3 of a torque sensor system integrated in the transmission 1. The sensor includes a first strain gauge DS1 and a second strain gauge DS2.

Das Getriebe 1 ist ein Harmonic Drive Getriebe, das sich durch eine hohe Übersetzung und hohe Steifigkeit auszeichnet. Das elastische Übertragungselement 2 wird auch als „Flex Spline“ bezeichnet. Das Getriebe 1 weist ferner eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle auf. Das Drehmoment der Abtriebswelle wird an einen Manipulator des Industrieroboters weitergegeben.Gearbox 1 is a harmonic drive gearbox that is characterized by a high gear ratio and high rigidity. The elastic transmission element 2 is also referred to as a “flex spline”. The transmission 1 also has a drive shaft and an output shaft. The torque of the output shaft is passed on to a manipulator on the industrial robot.

Die Dehnungsmessstreifen bestehen jeweils aus einem Halbleiter und erfassen auf Grundlage des piezoresistiven Effekts eine an einem Widerstand anliegende Spannung. Eine Änderung des Widerstands und der Spannung entsteht dabei aufgrund einer Verformung des Dehnungsmessstreifens. Der Vorteil des eingesetzten Dehnungsmessstreifens im Vergleich zu üblichen Metall-Dehnungsmessstreifen liegt in der hohen Empfindlichkeit. Der Dehnungsmessstreifen des Drehmomentsensorsystems ist an einem elastischen Übertragungselement 2 des Getriebes 1 angeordnet. Der Sensor, umfassend den ersten Dehnungsmessstreifen DS1 und den zweiten Dehnungsmessstreifen DS2, ist somit im Getriebe 1 eingebettet.The strain gauges each consist of a semiconductor and detect a voltage across a resistor based on the piezoresistive effect. A change in resistance and tension occurs due to a deformation of the strain gauge. The advantage of the strain gauge used compared to conventional metal strain gauges is its high sensitivity. The strain gauge of the torque sensor system is arranged on an elastic transmission element 2 of the transmission 1. The sensor, comprising the first strain gauge DS1 and the second strain gauge DS2, is thus embedded in the transmission 1.

Der erste Dehnungsmessstreifen DS1 und der zweite Dehnungsmessstreifen DS2 sind um 90° in der Rotationsrichtung der Antriebswelle versetzt.The first strain gauge DS1 and the second strain gauge DS2 are offset by 90° in the rotation direction of the drive shaft.

Die vom Sensor 3 erfassten Messsignale wird an das Drehmomentsensorsystem übertragen und mittels des Drehmomentsensorsystems weiterverarbeitet. Der Sensor 3 erfasst dabei ein erstes Messignal S1 mittels des ersten Dehnungsmessstreifens DS1 und ein zweites Messignal S2 mittels des zweiten Dehnungsmessstreifens DS2.The measurement signals detected by sensor 3 are transmitted to the torque sensor system and further processed by the torque sensor system. The sensor 3 detects a first measurement signal S1 using the first strain gauge DS1 and a second measurement signal S2 using the second strain gauge DS2.

Das Drehmomentsensorsystem umfasst ein mathematisches Modell und weitere Mittel, um das ein Drehmoments B aus den Messsignalen S1 und S2 zu berechnen.The torque sensor system includes a mathematical model and further means to calculate the torque B from the measurement signals S1 and S2.

Alle Berechnungszeiten liegen in einem für Anwendungen in der Robotik üblichen Bereich. Alle Berechnungen und Übertragungen von Signalen erfüllen die Echtzeitanforderung von I ndustrierobotern.All calculation times are within the usual range for robotics applications. All calculations and transmission of signals meet the real-time requirement of industrial robots.

1 B zeigt die vom Sensor 3 des Drehmomentsensorsystem erfassten Messsignale S1 und S2 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 1 B shows the measurement signals S1 and S2 detected by the sensor 3 of the torque sensor system according to embodiments of the invention.

Bei dem ersten Messsignal S1 und dem zweiten Messsignal S2 handelt es sich zumindest annähernd um Sinus Schwingungen. Das erste Messsignal S1 und das zweite Messsignal S2 sind dabei um 90° verschoben. Das erste Messsignal S1 umfasst mittels des ersten Dehnungsmessstreifens DS1 erfasste Dehnungsmesstreifen-Signal in Form einer Spannung, die während der Rotation der Antriebswelle erfasst wurde. Analog dazu umfasst das zweite Messsignals S2 das mittels des zweiten Dehnungsmessstreifens DS2 erfasste Dehnungsmessstreifen-Signal. Die Messsignale S1 und S2 wurden von 0° Antriebswellenwinkel bis 360° Antriebswellenwinkel erfasst, d.h. während einer Rotation der Antriebswelle.The first measurement signal S1 and the second measurement signal S2 are at least approximately sine oscillations. The first measurement signal S1 and the second measurement signal S2 are shifted by 90°. The first measurement signal S1 comprises strain gauge signal detected by means of the first strain gauge DS1 in the form of a voltage that was detected during the rotation of the drive shaft. Analogously to this, the second measurement signal S2 includes the strain gauge signal detected by means of the second strain gauge DS2. The measurement signals S1 and S2 were recorded from 0° drive shaft angle to 360° drive shaft angle, i.e. during rotation of the drive shaft.

2A zeigt ein Differenzsignal D gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Das Differenzsignal D wird dadurch gebildet, dass das erste Messsignal S1 vom zweiten Messsignal S2 subtrahiert wird: D = S 2 S 1

Figure DE102022120560A1_0001
2A shows a difference signal D according to embodiments of the invention. The difference signal D is formed by subtracting the first measurement signal S1 from the second measurement signal S2: D = S 2 S 1
Figure DE102022120560A1_0001

Das Differenzsignal D weist annähernd die Form einer Sinus Schwingung auf.The difference signal D has approximately the shape of a sine wave.

2B zeigt das Bestimmen von Abschnitten des Differenzsignals D gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind zehn Abschnitte M entlang der Y-Achse bestimmt worden. 2 B shows determining portions of the difference signal D according to an embodiment of the invention. Ten sections M were determined along the Y axis.

Ferner wurde das Differenzsignal D entlang der X-Achse in vier Bereiche eingeteilt. Ein Bereich umfasst 90° Rotation der Antriebswelle.Furthermore, the difference signal D was divided into four areas along the X-axis. One range includes 90° rotation of the drive shaft.

Die Abtastfrequenz des Sensors S beträgt 1 kHz. Somit ergibt sich ein Abtastintervall des Sensors S von 1 ms. Die maximale Drehzahl des Harmonic Drive Getriebes beträgt 1500 U/min.The sampling frequency of sensor S is 1 kHz. This results in a sampling interval of the sensor S of 1 ms. The maximum speed of the Harmonic Drive transmission is 1500 rpm.

Für den vorliegenden Fall gilt: Max . Anzahl der Abschnitte = ( 60 1000 / maximale Drehzahl des Getriebes ) / ( Abtanstinter vall des Sensors S*4 )

Figure DE102022120560A1_0002
Drehungsschritt [ Grad ] = 90 [ Grad ] / Max . Anzahl der Abschnitte
Figure DE102022120560A1_0003
In this case the following applies: Max . Number of sections = ( 60 1000 / maximum speed of the gearbox ) / ( Abtanstinter vall of sensor S*4 )
Figure DE102022120560A1_0002
rotation step [ Degree ] = 90 [ Degree ] / Max . Number of sections
Figure DE102022120560A1_0003

Die maximale Anzahl der Abschnitte lässt sich somit berechnen: Max . Anzahl der Anschnitte = 60 * 1000 / 1500 / 1 * 4 = 10

Figure DE102022120560A1_0004
The maximum number of sections can thus be calculated: Max . Number of cuts = 60 * 1000 / 1500 / 1 * 4 = 10
Figure DE102022120560A1_0004

Es kann folglich ein Drehungsschritt für einen Bereich der Rotation der Antriebswelle berechnet werden: Drehungsschritt [ Grad ] = 90 [ Grad ] / 10 = 9 [ Grad ]

Figure DE102022120560A1_0005
A rotation step can therefore be calculated for a range of rotation of the drive shaft: rotation step [ Degree ] = 90 [ Degree ] / 10 = 9 [ Degree ]
Figure DE102022120560A1_0005

Weitere Kennwerte lassen sich berechnen: 1500 [ U/min ] / 60 [ sec ] = 25  Wellenumdrehungen pro sec

Figure DE102022120560A1_0006
1 / 25 = 40 [ ms ]  Periode f u ¨ r eine Wellendrehung
Figure DE102022120560A1_0007
40 [ ms ] / 1 [ ms ] = 40  Abtastpunkte f u ¨ r eine Wellendrehung
Figure DE102022120560A1_0008
40  Abtastungen/4 Bereiche = 10  Abtastungen pro 90-Grad-Bereich
Figure DE102022120560A1_0009
Further parameters can be calculated: 1500 [ rpm ] / 60 [ sec ] = 25 Shaft revolutions per sec
Figure DE102022120560A1_0006
1 / 25 = 40 [ ms ] period f u ¨ r a shaft rotation
Figure DE102022120560A1_0007
40 [ ms ] / 1 [ ms ] = 40 sampling points f u ¨ r a shaft rotation
Figure DE102022120560A1_0008
40 Scans/4 areas = 10 Samples per 90 degree area
Figure DE102022120560A1_0009

Die Anzahl der Abschnitte kann demnach mit 10 definiert werden. Dies garantiert, dass auch bei maximaler Wellendrehzahl die Schrittweite des Abschnitts nur plus/minus 1 beträgt.The number of sections can therefore be defined as 10. This guarantees that even at maximum shaft speed, the step size of the section is only plus/minus 1.

Ein Bereich entspricht einer Wellendrehung von 90 Grad. Somit ist ein Drehungsschritt gleich 9 Grad (90 Grad / 10 Abschnitte).One range corresponds to a shaft rotation of 90 degrees. Thus, one rotation step is equal to 9 degrees (90 degrees / 10 sections).

3A zeigt das Bestimmen von diskreten Werten des Differenzsignals D in den vordefinierten Abschnitten M gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Nachdem zehn Abschnitte M entlang der Y-Achse bestimmt worden sind, wird anschließend für jeden der Abschnitte M mittels des Differenzsignals D ein Wert für den jeweiligen Abschnitt bestimmt. Somit ergibt sich ein stufenartiges Differenzsignal S. 3A shows the determination of discrete values of the difference signal D in the predefined sections M according to an embodiment of the invention. After ten sections M have been determined along the Y axis, a value for the respective section is then determined for each of the sections M using the difference signal D. This results in a step-like difference signal S.

3B zeigt Feinjustierung der Abschnitte M des Differenzsignals D gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei werden der erste und zehnte Abschnitt des stufenartigen Differenzsignals S in weitere Unterabschnitte unterteilt. 3B shows fine adjustment of the sections M of the difference signal D according to an embodiment of the invention. The first and tenth sections of the step-like difference signal S are divided into further subsections.

3C zeigt dabei die Feinjustierung in Unterabschnitte des stufenartigen Differenzsignals S gemäß der in 3B dargestellten Ausführungsform. Der erste Abschnitt wurde dabei in drei Unterabschnitte unterteilt, die mit 1, 1.25 und 1.5 bezeichnet sind. Der zehnte Abschnitt wurde ebenfalls in drei Unterabschnitte unterteilt, die mit 9.5, 9.75 und 10 bezeichnet sind. 3C shows the fine adjustment in subsections of the step-like difference signal S according to in 3B illustrated embodiment. The first section was divided into three subsections, labeled 1, 1.25 and 1.5. The tenth section has also been divided into three subsections, labeled 9.5, 9.75 and 10.

4 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. 4 shows a method according to an embodiment of the invention in a schematic representation.

Zunächst wird das Differenzsignal D berechnet, indem die Differenz des zweiten Messignals S2 und des ersten Messsignals S1 gebildet wird. Anschließend wird der momentanen Abschnittszugehörigkeit des Differenzsignals D basierend auf den vordefinierten Abschnittswerten der einzelnen Abschnitte bestimmt:

  • Abschnitt 10, wenn Abschnittswert 10 min <= Differenzsignal D < Abschnittswert 10 max
  • Abschnitt 9, wenn Abschnittswert 9 min <= Differenzsignal D < Abschnittswert 9 max
  • Abschnitt 8, wenn Abschnittswert 8 min <= Differenzsignal D < Abschnittswert 8 max
First, the difference signal D is calculated by forming the difference between the second measurement signal S2 and the first measurement signal S1. The current section membership of the difference signal D is then determined based on the predefined section values of the individual sections:
  • Section 10, if section value 10 min <= difference signal D < section value 10 max
  • Section 9, if section value 9 min <= difference signal D < section value 9 max
  • Section 8, if section value 8 min <= difference signal D < section value 8 max

Beträgt ein Wert des Differenzsignals D beispielsweise 10 V und ist Abschnitt 10 durch einen minimalen Abschnittswert („Abschnittswert 10 min“) von 9,5 V und einen maximalen Abschnittswert („Abschnittswert 10 max“) definiert, wird dem Wert des Differenzsignals dem Abschnitt 10 zugeordnet. Der Wert des Differenzsignals D weist somit eine momentane Abschnittszugehörigkeit zum Abschnitt 10 auf.For example, if a value of the difference signal D is 10 V and section 10 is defined by a minimum section value (“section value 10 min”) of 9.5 V and a maximum section value (“section value 10 max”), the value of the difference signal is assigned to section 10 assigned. The value of the difference signal D therefore has a current section affiliation to section 10.

Anschließend wird überprüft, ob eine Änderung der Abschnittszugehörigkeit des Werts des Differenzsignals D vorliegt. Hatte der Wert des Differenzsignals D beispielsweise eine vorherige Abschnittszugehörigkeit zum Abschnitt 9 und eine momentane Abschnittszugehörigkeit zum Abschnitt 10 ergibt sich eine Änderung von 1. Die Änderung der Abschnittszugehörigkeit ergibt sich dabei durch die Drehung der Antriebswelle.It is then checked whether there is a change in the section membership of the value of the difference signal D. If the value of the difference signal D, for example, had a previous section affiliation with section 9 and a current section affiliation with section 10, the result is a change of 1. The change in the section affiliation results from the rotation of the drive shaft.

In einem weiteren Schritt wird die Wellendrehung A berechnet. Dabei wird der absolute Wert der Differenz der momentanen Abschnittszugehörigkeit zur vorhergehenden Abschnittszugehörigkeit berechnet. Der absolute Wert der Differenz wird mit einem Drehungsschritt multipliziert: A = abs ( momentane Abschnittszugeh o ¨ rigkeit-vorhergehende Abschnittszugeh o ¨ rigkeit ) * Drehungsschritt [ Grad ]

Figure DE102022120560A1_0010
In a further step, the shaft rotation A is calculated. The absolute value of the difference between the current section membership and the previous section membership is calculated. The absolute value of the difference is multiplied by a rotation step: A = Section ( current section access O ¨ rity-previous section affiliation O ¨ accuracy ) * rotation step [ Degree ]
Figure DE102022120560A1_0010

Der Drehungsschritt beträgt beispielsweise 9°, wenn das Differenzsignal über 90° in zehn Abschnitte eingeteilt wurde.The rotation step is, for example, 9° if the difference signal was divided into ten sections over 90°.

In einem nächsten Schritt wird die Wellendrehung A im ROM des Mikrocontrollers oder im externen EEPROM zu der Gesamtwellendrehung T1 addiert. Des Weiteren wird das Drehmoment B zum Gesamtlastmoment T2 addiert. T1 [ Grad ] :  Gesamtwellendrehung + = A

Figure DE102022120560A1_0011
T2 [ Nm ] :  Gesamtlastmoment + = B
Figure DE102022120560A1_0012
In a next step, the shaft rotation A in the ROM of the microcontroller or in the external EEPROM is added to the total shaft rotation T1. Furthermore, the torque B is added to the total load torque T2. T1 [ Degree ] : Total shaft rotation + = A
Figure DE102022120560A1_0011
T2 [ Nm ] : Total load moment + = b
Figure DE102022120560A1_0012

Die Wellendrehung A und das Drehmoment B werden dabei addiert, falls eine Änderung der Abschnittszugehörigkeit festgestellt wird, d. h. das statische Lastmoment wird aufgrund der geringeren Ermüdung im Vergleich zur dynamischen Ermüdung und auch der Einfachheit halber ignoriert.The shaft rotation A and the torque B are added if a change in the section affiliation is detected, i.e. H. the static load moment is ignored due to the lower fatigue compared to dynamic fatigue and also for simplicity.

Somit wird mit der Gesamtwellendrehung T1 die gesamte Drehung der Antriebswelle seit Beginn der Erfassung ermittelt.The total shaft rotation T1 is therefore used to determine the total rotation of the drive shaft since the start of detection.

In einem nächsten Schritt wird auf der Grundlage des letzten Wertes von T1 und T2 der Kalibrierungsparameter α aktualisiert.In a next step, the calibration parameter α is updated based on the last value of T1 and T2.

Wenn eine vorhergehender Abschnittszugehörigkeit nicht existiert, wird er mit der momentanen Abschnittszugehörigkeit initialisiert. Dies geschieht in der Regel im ersten Berechnungszyklus nach dem Einschalten des Drehmomentsensorsystems bzw. mit dem Beginn der Erfassung.If a previous section membership does not exist, it is initialized with the current section membership. This usually happens in the first calculation cycle after switching on the torque sensor system or with the start of recording.

5 zeigt das Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Überblick. 5 shows an overview of the method according to a further embodiment of the invention.

Dabei empfängt ein Mikrocontroller zunächst das erste Messsignal S1 und das zweite Messsignal S2, die mittels Analog-Digital Umwandler ADC in digitale Signale umgewandelt wurden. Nachfolgend wird in einem ersten Schritt das Drehmoments B aus den Messsignalen S1 und S2 mittels eines mathematischen Modells bestimmt, wobei ein Kalibrierungsparameter α zum Einsatz kommt: B = α ( S 1 + S 2 )

Figure DE102022120560A1_0013
A microcontroller first receives the first measurement signal S1 and the second measurement signal S2, which were converted into digital signals using an analog-digital converter ADC. In a first step, the torque B is determined from the measurement signals S1 and S2 using a mathematical model, using a calibration parameter α: b = α ( S 1 + S 2 )
Figure DE102022120560A1_0013

In einem zweiten Schritt wird die Wellendrehung A nach den bereits genannten Schritten berechnet.In a second step, the shaft rotation A is calculated according to the steps already mentioned.

Somit werden für die Berechnung der Wellendrehung A nur Drehungsschritte berücksichtigt, bei denen dynamische Ermüdung des elastischen Übertragungselements 2 mittels der Abschnittszugehörigkeit detektiert wurde.Thus, for the calculation of the shaft rotation A, only rotation steps are taken into account in which dynamic fatigue of the elastic transmission element 2 was detected by means of the section membership.

Nach der Berechnung der Wellendrehung A, wird der Wert der Wellendrehung in einem nichtflüchtiger elektronischer Speicherbaustein des Mikrocontroller, beispielsweise ROM oder EEPROM, abgespeichert, falls eine Veränderung der Differenz detektiert wurde.After calculating the shaft rotation A, the value of the shaft rotation is stored in a non-volatile electronic memory component of the microcontroller, for example ROM or EEPROM, if a change in the difference was detected.

Daraufhin wird die Gesamtwellendrehung T1 und das Gesamtlastmoment T2 berechnet.The total shaft rotation T1 and the total load torque T2 are then calculated.

In einem dritten Schritt wird das mathematischen Modells basierend auf der Gesamtwellendrehung T1 und dem Gesamtlastmoment T2 kalibriert.In a third step, the mathematical model is calibrated based on the total shaft rotation T1 and the total load torque T2.

Dabei wird der Kalibrierungsparameter α auf der Grundlage des letzten Wertes von der Gesamtwellendrehung T1 und des Gesamtlastmoments T2 mit Hilfe einer vordefinierten Kalibrierungsfunktion k aktualisiert: α = k ( T 1,  T 2 )

Figure DE102022120560A1_0014
The calibration parameter α is updated based on the last value of the total shaft rotation T1 and the total load torque T2 using a predefined calibration function k: α = k ( T 1, T 2 )
Figure DE102022120560A1_0014

Der aktualisierte Kalibrierungsparameter α wird bei der Drehmomentberechnung im nächsten Berechnungszyklus verwendet.The updated calibration parameter α is used in the torque calculation in the next calculation cycle.

Die Kalibrierungsfunktion k ist mittels eines Lebensdauertest in der Entwicklungsphase bestimmt und vordefiniert worden. Als Kalibrierungsfunktion k wird vorliegend ein lineares Regressionsmodell verwendet.The calibration function k was determined and predefined using a service life test in the development phase. In the present case, a linear regression model is used as the calibration function k.

Unter Verwendung eines linearen Regressionsmodells als Kalibrierungsfunktion k, kann der Kalibrierungskoeffizient α mittels der Formel α = β 1 * T 1 + β 2 * T 2

Figure DE102022120560A1_0015
berechnet werden, wobei β1 und β2 Regressionskoeffizienten des linearen Regressionsmodells sind. Die Regressionskoeffizienten wurden dabei vorab mittels Tests berechnet.Using a linear regression model as the calibration function k, the calibration coefficient α can be obtained using the formula α = β 1 * T 1 + β 2 * T 2
Figure DE102022120560A1_0015
can be calculated, where β1 and β2 are regression coefficients of the linear regression model. The regression coefficients were calculated in advance using tests.

Es versteht sich, dass die Reihenfolge der genannten Schritte abhängig vom Anwendungsfall variieren kann. Es kann beispielsweise zuerst das Gesamtlastmoment T2 und dann die Gesamtwellendrehung T1 bestimmt wird. Auch ein gleichzeitiges Bestimmern des Gesamtlastmoments T2 und der Gesamtwellendrehung T1 ist möglich.It is understood that the order of the steps mentioned may vary depending on the use case. For example, the total load torque T2 and then the total shaft rotation T1 can be determined first. It is also possible to simultaneously determine the total load torque T2 and the total shaft rotation T1.

Das Drehmoment B kann in weiteren Schritten im Drehmomentsensorsystem weiterverarbeitet werden. Das Drehmoment B kann beispielsweise an einen Regelkreis übermittelt werden. Dabei kann der Regelkreis dazu vorgesehen sein, einen Motorkennwert und/oder eine Geschwindigkeit zu regeln. Der Regelkreis kann auch dazu vorgesehen sein, ein Drehmoment zu regeln. Vorteilhafterweise kann durch die Kalibrierung des Drehmomentsensorsystems eine auf dem Regelkreis basierende Regelung verbessert werden. Des Weiteren kann das Drehmoment B vom Drehmomentsystem an eine Motorsteuerung übertragen werden.The torque B can be further processed in further steps in the torque sensor system. The torque B can be transmitted to a control loop, for example. The control circuit can be intended to regulate a motor characteristic value and/or a speed. The control circuit can also be intended to regulate a torque. Advantageously, control based on the control loop can be improved by calibrating the torque sensor system. Furthermore, the torque B can be transmitted from the torque system to an engine control.

Die hier offenbarten Prinzipien können neben dem Einsatz in Personenkraftwagen gleichwohl in anderen Einsatzbereichen realisieren werden, z.B. in Lastkraftwagen, Trucks, Motorrädern, Achsantriebe bei Robotern und Antriebe in Flugsimulatoren.In addition to use in passenger cars, the principles disclosed here can also be implemented in other areas of application, e.g. in lorries, trucks, motorcycles, axle drives in robots and drives in flight simulators.

Die für die obigen Funktionen notwendigen Algorithmen bzw. Computerprogramme können zweckmäßig ganz oder in Teilen jeweils in einem Mikrocontroller, im Drehmomentsensorsystem und/oder in einem anderen mit diesen Geräten in Verbindung stehenden Computersystem implementiert sein. Das Computersystem kann eine lokale Computervorrichtung (z.B. Personalcomputer, Laptop, Tablet-Computer oder Mobiltelefon) mit einem oder mehreren Prozessoren und einer oder mehreren Speichervorrichtungen oder kann ein verteiltes Computersystem (z.B. ein Cloud-Computing-System mit einem oder mehreren Prozessoren oder einer oder mehreren Speichervorrichtungen, die an verschiedenen Stellen verteilt sind, zum Beispiel an einem lokalen Client und/oder einer oder mehreren Remote-Server-Farms und/oder Datenzentren) sein.The algorithms or computer programs required for the above functions can expediently be implemented in whole or in part in a microcontroller, in the torque sensor system and/or in another computer system connected to these devices. The computing system may be a local computing device (e.g., personal computer, laptop, tablet computer, or cell phone) with one or more processors and one or more storage devices, or may be a distributed computing system (e.g., a cloud computing system with one or more processors or one or more Storage devices distributed at various locations, for example at a local client and/or one or more remote server farms and/or data centers).

Abhängig von bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder Software implementiert werden. Einige oder alle Verfahrensschritte können durch (oder unter Verwendung) einer Hardwarevorrichtung ausgeführt werden, wie es zum Beispiel ein Prozessor, ein Mikroprozessor, ein programmierbarer Computer oder eine elektronische Schaltung sein kann.Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware or software. Some or all of the method steps may be performed by (or using) a hardware device, such as a processor, a microprocessor, a programmable computer, or an electronic circuit.

Obwohl einige Aspekte im Rahmen einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einer Funktion eines Verfahrensschritts entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Rahmen eines Verfahrensschritts beschrieben werden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder einer Eigenschaft einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it is clear that these aspects also represent a description of the corresponding method, where a block or a device corresponds to a method step or a function of a method step. Analogously, aspects that are described as part of a method step also represent a description of a corresponding block or element or a property of a corresponding device.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • Hashimoto, Minoru, Yoshihide Kiyosawa, and Richard P. Paul. „A torque sensing technique for robots with harmonic drives.“ IEEE Transactions on Robotics and Automation 9.1 (1993): 108-116 [0003]Hashimoto, Minoru, Yoshihide Kiyosawa, and Richard P. Paul. “A torque sensing technique for robots with harmonic drives.” IEEE Transactions on Robotics and Automation 9.1 (1993): 108-116 [0003]

Claims (10)

Ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drehmomentsensorsystems für ein Getriebe (1), wobei das Getriebe (1) ein elastische Übertragungselement (2) aufweist und ein Sensor (3) des Drehmomentsensorsystems an dem elastischen Übertragungselement angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Erfassen zumindest eines Messsignals (S1, S2) mittels des Sensors (3) des Drehmomentsensorsystems; Bestimmen eines Drehmoments (B) aus dem zumindest einen Messsignal (S1, S2) mittels eines mathematischen Modells; Ermitteln einer Gesamtwellendrehung (T1) aus dem zumindest einen Messsignal (S1, S2); Ermitteln eines Gesamtlastmoments (T2) aus dem Drehmoment (B); Kalibrieren des mathematischen Modells basierend auf der Gesamtwellendrehung (T1) und dem Gesamtlastmoment (T2).A method for calibrating a torque sensor system for a transmission (1), wherein the transmission (1) has an elastic transmission element (2) and a sensor (3) of the torque sensor system is arranged on the elastic transmission element, the method having the following method steps: Detecting at least one measurement signal (S1, S2) using the sensor (3) of the torque sensor system; Determining a torque (B) from the at least one measurement signal (S1, S2) using a mathematical model; Determining a total shaft rotation (T1) from the at least one measurement signal (S1, S2); Determining a total load torque (T2) from the torque (B); Calibrate the mathematical model based on total shaft rotation (T1) and total load torque (T2). Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sensor (3) des Drehmomentsensorsystems einen ersten Dehnungsmessstreifen (DS1) und einen zweiten Dehnungsmessstreifen (DS2) umfasst, wobei mittels des ersten Dehnungsmessstreifens (DS1) ein erstes Messignal (S1) erfasst wird und mittels des zweiten Dehnungsmessstreifens (DS2) ein zweites Messignal (S2) erfasst wird.The procedure according to Claim 1 , wherein the sensor (3) of the torque sensor system comprises a first strain gauge (DS1) and a second strain gauge (DS2), wherein a first measurement signal (S1) is detected by means of the first strain gauge (DS1) and a second by means of the second strain gauge (DS2). Measurement signal (S2) is detected. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei der erste Dehnungsmessstreifen (DS1) und der zweite Dehnungsmessstreifen (DS2) um 90° in einer Rotationsrichtung versetzt sind.The procedure according to Claim 2 , wherein the first strain gauge (DS1) and the second strain gauge (DS2) are offset by 90 ° in a rotation direction. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Ermitteln der Gesamtwellendrehung (T1) und das Ermitteln des Gesamtlastmoments (T2) die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Ermitteln eines Differenzsignals aus dem erstem Messsignal (S1) und dem zweitem Messsignal (S2); Bestimmen einer Veränderung des Differenzsignals (D) zu einem vorhergehenden Zustand mittels vordefinierter Abschnitte (M); Ermitteln der Gesamtwellendrehung (T1) und des Gesamtlastmoments (T2), falls eine Veränderung des Differenzsignals (D) bestimmt wurde.The procedure according to one of the Claims 2 or 3 , wherein determining the total shaft rotation (T1) and determining the total load torque (T2) has the following method steps: determining a difference signal from the first measurement signal (S1) and the second measurement signal (S2); Determining a change in the difference signal (D) to a previous state using predefined sections (M); Determine the total shaft rotation (T1) and the total load torque (T2) if a change in the difference signal (D) was determined. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mathematische Modell mittels einer vordefinierten Kalibrierungsfunktion (k) und basierend auf der Gesamtwellendrehung der (T1) und dem Gesamtlastmoment (T2) kalibriert wird.The procedure according to one of the Claims 1 until 4 , where the mathematical model is calibrated using a predefined calibration function (k) and based on the total shaft rotation (T1) and the total load torque (T2). Ein Sensorsystem, umfassend Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.A sensor system comprising means for carrying out the method according to one of Claims 1 until 5 . Ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auszuführen.A computer program comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the method according to one of the Claims 1 until 5 to carry out. Ein Getriebesystem, umfassend ein Getriebe (1), ein elastisches Übertragungselement (2) und ein Drehmomentsensorsystem mit einem Sensor (3) und einem mathematischen Modell, wobei der Sensor (3) des Drehmomentsensorsystems an dem elastischen Übertragungselement (2) angeordnet ist, wobei das Drehmomentsensorsystem derart ausgelegt ist, dass ein Drehmoment (B) mittels des mathematischen Modells bestimmbar ist und das mathematische Modell mittels zumindest eines vom Sensor (3) erfassten Messsignals (S1, S2) kalibrierbar ist.A transmission system, comprising a transmission (1), an elastic transmission element (2) and a torque sensor system with a sensor (3) and a mathematical model, wherein the sensor (3) of the torque sensor system is arranged on the elastic transmission element (2), wherein the Torque sensor system is designed such that a torque (B) can be determined using the mathematical model and the mathematical model can be calibrated using at least one measurement signal (S1, S2) detected by the sensor (3). Das Getriebesystem nach Anspruch 8, wobei der Sensor (3) des Drehmomentsensorsystems einen ersten Dehnungsmessstreifen (DS1) und einen zweiten Dehnungsmessstreifen (DS2) umfasst.The transmission system after Claim 8 , wherein the sensor (3) of the torque sensor system comprises a first strain gauge (DS1) and a second strain gauge (DS2). Das Getriebesystem nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das mathematische Modell mittels einer Kalibrierungsfunktion (k) kalibrierbar gestaltet ist, wobei die Kalibrierungsfunktion (k) ein Regressionsmodell, ein mehrschichtiges Perzeptronmodell und/oder ein künstliches neuronales Netz umfasst.The transmission system according to one of the Claims 8 or 9 , wherein the mathematical model is designed to be calibratable by means of a calibration function (k), wherein the calibration function (k) comprises a regression model, a multi-layer perceptron model and / or an artificial neural network.
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