DE10217018B4

DE10217018B4 - Monolithisch ausgebildeter Kraft-Moment-Sensor

Info

Publication number: DE10217018B4
Application number: DE2002117018
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Seibold
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-04-12
Filing date: 2002-04-12
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-04-13
Also published as: DE10217018A1

Abstract

Monolithisch ausgebildeter Kraft-Momenten-Sensor zum Messen von jeweils drei orthogonalen Kräften und Momenten, bestehend aus:
– zwei in unbelastetem Zustand parallel zueinander ausgerichteten Plattformen (2, 3),
– sechs in unbelastetem Zustand gleich langen und gleichartigen Stäben (4₁, 4₆), die zwischen den Plattformen (2, 3) so angeordnet sind, dass sie sich nicht kreuzen und die mit mindestens einem auf eine einwirkende Kraft reagierenden Teil versehen sind,
– gleich ausgelegten und gleich dimensionierten Gelenken, die jeweils an den Enden der Stäbe (4₁, 4₆) vorgesehen sind und über die die Stäbe mit den Plattformen (2, 3) verbunden sind,
– drei Lagerpunktepaaren, die derart gleichmäßig auf jeweils einem konzentrischen Kreis um die z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems auf der ersten und der zweiten Plattform angeordnet sind, dass sich bei einer zur z-Achse parallelen Projektion sechs symmetrisch verteilte, an den Plattformen (2, 3) abwechselnd aufeinanderfolgende Lagerpunktepaare ergeben, wobei:
– die Gelenke als...

Description

Die Erfindung betrifft einen als monolithisches Teil ausgebildeten Kraft-Moment-Sensor zum Messen von drei orthogonalen Kräften und drei orthogonalen Momenten gemäß Anspruch 1.

Aus DE 89 09 048 U1 ist ein aus einem einzigen Werkstoffblock herausgearbeiteter Kraftmeßsensor und aus DE 199 36 293 A1 ist ein einstückig ausgearbeiteter Drehmomentsensor bekannt.

Anhand von 1a bis 1c wird der prinzipielle Aufbau einer Ausführungsform einer Stewart-Plattform beschrieben. Die Stewart – Plattform weist zwei ebene Flächen auf, die durch sechs Stäbe miteinander verbunden sind. In 1a untere Gelenkpunkte A_i ², B_i ², C_i ² mit i = 1, 2 liegen auf einer Ebene E² und auf einem Kreis mit Radius R = 0²A₁ ² um das Zentrum 0². In 1a obere Gelenkpunkte A_i ¹, B_i ¹, C_i ¹ mit i = 1, 2 liegen auf einer zur Ebene E² parallelen Ebene E¹ im Abstand h und auf einem Kreis mit Radius r = 0¹A₁ ¹ um das Zentrum 0¹. Die Achse durch 0² und 0¹ steht senkrecht auf beiden Ebenen. Die Punkte A₁ ⁱ, A₂ ⁱ, B₁ ⁱ, B₂ ⁱ, C₁ ⁱ, C₂ ⁱ sind jeweils durch Stäbe gleicher Länge P und gleicher mechanischer Eigenschaft verbunden.

Werden die Stäbe virtuell verlängert, so schneiden sich jeweils zwei der Stäbe in den Punkten A, B und C. Diese Punkte spannen eine zu den Ebenen E¹ und E² parallele Ebene E auf. Der Mittelpunkt 0 des Kreises durch A, B und C liegt auf der Achse durch 0² und 0¹. Der Punkt 0 wird als Kraftangriffspunkt definiert. Benachbarte Lagerpunkte haben in E² den konstruktionsbedingten Abstand d² und in E¹ den konstruktionsbedingten Abstand d¹.

Die mechanischen Eigenschaften der Stewart-Plattform hängen ab von den Größen R, r, l, d² und d¹ und den Materialeigenschaften. Wird die Anordnung als Sensor verwendet, so bewirken in 0 angreifende Kräfte und Momente eine elastomechanische Verformung der Stäbe. Die Ebenen E, E¹ und E² werden als ideal steif betrachtet. Sind außerdem alle Gelenke ideal, also spielfrei und reibungslos, und übertragen Kräfte nur in Stabrichtung, so lassen sich mit Hilfe einer Koppelmatrix C (6x6) und der Steifigkeit der Stäbe k aus der Längenänderung der Stäbe Δl_i die im Punkt 0 angreifenden Lasten wie folgt berechnen:

Für die bei einem Sensor auftretenden kleinen Längenänderungen Δl_i bleibt die Matrix C näherungsweise konstant. Der Sensor ist in seiner mechanischen Eigenschaft nicht isotrop. Eine Kraft in z-Richtung wird beispielsweise von allen Stäben abgestützt, während auch Lastfälle denkbar sind, die nur einen Stab belasten. Je nach Wahl der Größen von R, r, B, d². und d¹ kann der Sensor jedoch in weiten Bereichen für eine Anwendung angepasst werden.

Die Stewart-Plattform wird in der Robotik als Aktor verwendet, indem die Orientierung von zwei Platten zueinander über eine Längenänderung der Stäbe eingestellt werden kann. Zur Verwendung als Kraft-Moment-Sensor (KMS) ist die vorstehend beschriebene prinzipielle Anordnung beispielsweise in DE 41 01 732 C2 beschrieben, von welcher im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen ist.

Dieser bekannte Kraft-Moment-Sensor besteht aus zwei im unbelasteten Zustand parallel zueinander ausgerichteten Platten, sechs in unbelastetem Zustand gleich langen und gleichartigen, zwischen den beiden Platten vorgesehenen Stäben und jeweils aus an den Stabenden vorgesehenen Gelenken in Form von Gelenkköpfen, über welche die Kopplung zwischen den beiden Platten über auf diesen vorgesehenen Lagerpunkten erfolgt.

Hierbei sind auf der einen Platte drei gleichmäßig auf einem beispielsweise zur z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems konzentrischen ersten Kreis verteilte Lagerpunktpaare und auf der anderen Platte ebenfalls drei gleichmäßig auf einem zur z-Achse konzentrischen zweiten Kreis verteilte Lagerpunktpaare gebildet. Bei einer zur z-Achse parallelen Projektion ergeben sich dadurch sechs symmetrisch verteilte auf den Platten abwechselnd aufeinanderfolgende Lagerpunktpaare.

Der bekannte Kraft-Moment-Sensor weist einen Aufbau mit diskreten Messaufnehmern auf, die an den beiden Platten mit Hilfe von Kugel- oder Bolzengelenken gelenkig gelagert sind. Kraft-Moment-Sensoren mit sechs Freiheitsgraden, wobei die orthogonalen drei Kräfte und drei Momente mittels Dehnungsmessstreifen gemessen werden, sind kommerziell nur bis zu einem Durchmesser von minimal 16 mm erhältlich.

Wenn jedoch die Baugröße eines Kraft-Moment-Sensors miniaturisiert werden soll, können Gelenke, wie Kugel- oder Bolzengelenke, konstruktionsbedingt nicht mehr als spielfrei und reibungslos angesehen werden. In diesem Maßstab wirken sich Fertigungstoleranzen ungünstig aus. Entweder sind die Lager reibungsbehaftet, wobei die Reibung und das Losbrechmoment in derselben Größenordnung wie die zu messenden Kräfte liegen, oder spielbehaftet. Beides macht eine aussagefähige Kraftmessung unmöglich. Somit steigt mit abnehmender Größe der Kraft-Moment-Sensoren die erforderliche Genauigkeit bei Fertigung und Montage überproportional an. Daher lassen sich die bekannten Kugel- oder Bolzengelenke, wenn überhaupt, nurmehr unter einem unvertretbar hohen Arbeits- und damit Kostenaufwand mit der erforderlichen Präzision herstellen.

Wenn bei den bekannten Kraft-Moment-Sensoren als Messwertaufnehmer Dehnungsmessstreifen verwendet werden, muss zweckmäßigerweise möglichst in dem Kraft-Moment-Sensor eine Verstärkung erfolgen. Ein derartiger Kraft-Moment-Sensor ist dann jedoch nicht sterilisierbar. Damit ein Kraft-Moment-Sensor mit Messwertaufnehmern in Form von Dehnungsmeßstreifen überhaupt sterilisierbar ist, müsste die Verstärkung entfallen; in einem solchen Fall ist jedoch eine Übertragung von unverstärkten Signalen nur mit großen Störungen möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen miniaturisierten Kraft-Moment-Sensor so auszubilden, dass er sterilisierbar ist, ohne zu großen Aufwand leicht zu montieren ist und darüber hinaus insbesondere auch in bei der Minimal Invasiven Chirurgie (MIC) verwendeten Instrumentenschäften mit Innendurchmessern von etwa 4 bis 15 mm unterzubringen ist, und dass durch ihn gegebenenfalls auch noch andere Elemente hindurchgeführt werden können.

Diese Aufgabe ist bei einem Kraft-Moment-Sensor (KMS) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiter bildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche 2 bis 9.

In den Ansprüchen 10 bis 12 sind verschiedene Verwendungs- und Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors angegeben.

Gemäß der Erfindung ist der Kraft-Moment-Sensor monolithisch ausgeführt, d.h. beide Plattformen, alle Stäbe und gegebenenfalls auch Endanschläge sind ebenso wie die an den Enden der Stäbe vorgesehenen Gelenke, welche als gleich ausgelegte und gleich dimensionierte Festkörpergelenke ausgebildet sind, aus einem Teil gefertigt. Somit entfällt bei dem erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensor jede Montage des Sensorkörpers. Lediglich Messaufnehmer müssen montiert werden. Gleichzeitig sind auch die Gelenke in Form von Festkörpergelenken miniaturisierbar und arbeiten obendrein vollkommen spielfrei.

Die Fertigung des Körpers des Kraft-Moment-Sensors kann beispielsweise durch Spanabheben, mittels eines Präzisionsgießverfahrens, durch Laserbearbeitung sowie durch andere geeignete Fertigungsmethoden erfolgen. Ferner kann der Körper des Kraft-Moment-Sensors über die Geometrie und das verwendete Material jeweils an den geforderten Meßbereich angepaßt werden. Hierbei kann der Sensorkörper aus Kunststoff, Aluminium, Stahl oder einem anderen geeigneten Material gefertigt werden.

Bewegung und Kraftübertragung erfolgen bei solchen Festkörpergelenken durch eine elastische Verformung des Materials in der Einschnürung im Gelenkbereich. Im Gegensatz zu idealen Kugelgelen ken, die eine Kraft nur in Richtung der Stabachse als Axialkraft übertragen, übertragen Festkörpergelenke auch einen Anteil der Querkräfte und Momente. Um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten, muss das Verhältnis zwischen der Axialkraft und den anderen Kräften im Stab möglichst groß sein. Bei entsprechender Auslegung der Gelenke ist dies für den linearelastischen Bereich der Materialverformung in guter Näherung erfüllt.

Gemäß der Erfindung kann jeder der sechs Stege im mittleren Abschnitt eine nach außen hin offene Ausnehmung und im mittleren Abschnitt senkrecht zur Stabachse eine u-förmige Querschnittfläche aufweisen, wobei der Flächeninhalt der u-förmigen Querschnittsfläche etwa genauso groß wie die Querschnittsfläche senkrecht zur Stablängsachse im eingeschnürten Bereich jedes Festkörpergelenks ist. Auf diese Weise ist die axiale Elastizität jedes Stabes gleich der axialen Elastizität jedes Gelenks, was sich positiv auf Messbereich und Empfindlichkeit auswirkt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors sind die beiden in vorgegebenem Abstand parallel zueinander angeordneten Plattformen als zwei kreiszylindrische Ringe ausgeführt, deren Achsen mit der Mittenachse (z-Achse) zusammenfallen und deren Außendurchmesser in der Größenordnung von etwa 4 mm bis 15 mm liegen. Damit bleiben alle Hauptfunktionen, wie Festlegen der Lagerpunkte im Raum und Krafteinleitung erhalten; zusätzlich wird ein Durchführen weiterer Funktionselemente möglich.

Somit ist eine Integration des erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors im Instrumentenschaft von in der Minimal Invasiven Chirurgie (MIC) verwendeten Instrumenten möglich. Hierbei wird der Kraft-Moment-Sensor zum Messen von Kräften nahe der Instrumentenspitze untergebracht. Ferner ist der Mittenbereich bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraft-Moment-Sensors, deren Plattformen als kreiszylindrische Ringe ausgeführt sind, frei, so dass Elemente, wie beispielsweise ein Spülkanal, ein Lichtleiter und/oder auch ein Zangenantrieb untergebracht werden können.

Belastungen in Form von Kräften und Momenten, welche in beliebiger Orientierung an einem der beiden Ringe angreifen, während der andere Ring als Bezugssystem fest verankert ist, können somit über eine elastomechanische Verformung in den Stäben mit Hilfe mindestens eines auf jedem Stab vorgesehenen, auf eine einwirkende Kraft reagierenden Teils, beispielsweise in Form von Dehnungsmessstreifen eindeutig bestimmt werden. Bei der erfindungsgemäßen Auslegung der sechs Stege können Dehnungsmessstreifen entweder außen auf mindestens einer der zwei Längsseiten und/oder einem dazwischenliegenden Boden der Ausnehmung und/oder auch auf der Innenseite dieses Bodens aufgebracht sein.

Das Ausgangssignal von Dehnungsmessstreifen muss allerdings möglichst nahe bei der jeweiligen Messstelle elektronisch verstärkt werden, um den Einfluss von Störungen bei einer Übertragung so gering wie möglich zu halten. Eine derartige Elektronik müsste also nahe bei dem/n Messaufnehmer/n angebracht sein. Bei einem Einsatz des Kraft-Moment-Sensors in minimalinvasiv genutzten Instrumenten bedeutet dies, die Elektronik muss im Schaftrohr untergebracht sein. Hierzu muss die Elektronik klein genug so ausgebildet sein, dass sie Sterilisationsprozesse unbeschadet übersteht.

Anstelle von Dehnungsmessstreifen können bei dem gemäß der Erfindung monolithischen ausgeführten Kraft-Moment-Sensor auch Glasfaser-Dehnungssensoren, beispielsweise in Form von einachsigen Faser-Bragg-Sensoren, zum Einsatz kommen. Derartige Glasfaser-Dehnungssensoren können bei den zwischen den kreiszylindrischen Ringen vorgesehenen Stäben auf der Innenseite des Bodens der Aussparungen vorgesehen sein. Die mittels Glasfaser-Dehnungssensoren aufgenommenen Messsignale können dann verlustarm über weite Strecken übertragen werden, ohne dass es zu einer Beeinflussung durch elektromagnetische Strahlung kommen kann. Somit ist bei der Verwendung von Glasfasern-Dehnungssensoren auch eine elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bei einem so ausgestatteten Kraft-Moment-Sensor gegeben.

Damit die Glasfasern bei Sterilisationsprozessen nicht beschädigt oder beeinflusst werden, sind sie mit einer entsprechenden Beschichtung (Coating) versehen. Bei einem Einsatz von Glasfasern ist ein minimaler Biegeradius einzuhalten. Für eine Verwendung von einachsigen Faser-Bragg-Sensoren, deren größte Dehnungsempfindlichkeit in Faserrichtung liegt, in einem dünnen Rohr, wie beispielsweise dem Schaftrohr eines minimal invasiven Instruments, ist es von Vorteil, wenn die Hauptdehnungsrichtung an der Messstelle möglichst parallel zur Längsachse des Rohrs verläuft. Damit wird eine Biegung der Glasfaser so klein wie möglich gehalten.

Diese Forderung trifft nicht auf die Verwendung von mehrachsigen Glasfaser-Dehnungs-Sensoren zu. Die Auswertung dieser zweiten Art von Sensoren ist jedoch aufwendiger und kann nicht mit der für eine Kraftregelung geforderten Taktrate von 500 Hz bis 1 kHz erfolgen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:
1a bis 1c Prinzipskizzen einer Stewart-Plattform, und zwar in 1a in einer Seitenansicht, in 1c in einer Draufsicht und in 1c in perspektivischer Wiedergabe;
2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Kraft-Moment-Sensors;
3 eine Querschnittsdarstellung durch den mittleren Bereich eines Stabes;
4 eine Querschnittdarstellung durch den eingeschnürten Bereich eines Festkörpergelenks, und
5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kraft-Moment-Sensors mit integriertem Überlastschutz.
In 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines Kraft-Moment-Sensors 1 gemäß der Erfindung dargestellt, dessen äußere Kontur kreiszylinderförmig ist, um dadurch das Unterbringen in einem Rohr, beispielsweise in einem Schaftrohr eines in der Minimal Invasiven Chirurgie (MIC) eingesetzen Instruments zu ermöglichen. Daher sind in 2 eine obere Plattform 2 sowie eine untere Plattform 3 als kreiszylinderförmige Ringe ausgeführt. Zur Befestigung in und an einem ersten Rohr sind in der Plattform 2 beispielsweise drei vorzugsweise um 120° versetzte Bohrungen 21 vorgesehen, von wel chen nur zwei in 2 zu erkennen sind. Zur Fixierung in einem zweiten Rohr sind auch in der unteren Plattform 3 entsprechende Bohrungen 31 vorgesehen.
Die beiden nicht näher bezeichneten Achsen der als kreiszylindrische Ringe ausgeführten Plattformen 2 und 3 fallen zusammen und liegen in der in 2 strichpunktiert angedeuteten z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems. Die beiden kreiszylindrischen Ringe 2 und 3 sind durch insgesamt sechs Stäbe 4₁ bis 4₆ über die an ihren beiden Enden jeweils ausgebildeten Festkörperlager 5 3 / 1 bis 5 3 / 6 und 5 2 / 1 bis 5 2 / 6, verbunden. Dadurch sind an jedem der Ringe gleichmäßig jeweils drei Lagerpunktpaare verteilt, an denen jeweils zwei Stabenden über die Festkörpergelenke elastisch gelagert sind.
Beispielsweise ist durch die an den in 2 unteren Enden der beiden Stäbe 4₂ und 4₃ vorgesehenen Festkörperlager 5 3 / 2 und 5 3 / 3 eines dieser Lagerpunktpaare gebildet. Die Stabachsen beispielsweise der beiden Stäbe 4₁ und 4₂ verlaufen V-förmig von der in 2 oberen Plattform 2 zu der unteren Plattform 3, dadurch sind die Stäbe 4₁ und 4₂ mit den an ihren in 2 unteren Enden vorgesehenen Festpunktlagern 5 3 / 1 und 5 3 / 2 am unteren Ring 3 jeweils in unterschiedlichen Lagerpunktpaaren gelagert.
Am unteren Ring 3 sind in 2 zwei dieser Lagerpunktpaare zu erkennen, an welchen die Stäbe 4₁ und 4₆ über ihre Festkörperlager 5 3 / 1 bzw. 5 3 / 6 bzw. die Stäbe 4₂ und 4₃ über ihre jeweiligen Festkörperlager 5 3 / 2 und 5 3 / 3 elastisch gelagert sind.
Um mit einem Kraft-Moment-Sensor gute Messergebnisse zu erzielen, muss das theoretisch ideale Modell der Stewart-Plattform möglichst gut nachgebildet werden. Bei diesem Modell ist von ideal biegeweichen, reibungslosen und spielfreien Gelenken und ideal biegesteifen Stäben ausgegangen. Da die meisten Meßprinzipien bei Kraft-Moment-Sensoren jedoch darauf basieren, die von einer Kraft in einer Struktur hervorgerufene Längenänderung zu bestimmen, müssen die Stäbe 4 außer biegesteif auch axialelastisch sein. Die Biegesteifigkeit der Stäbe 4 ist daher in Verbindung mit Festkörpergelenken 5 von besonderer Bedeutung, da die Festkörpergelenke 5 außer der Axialkraft auch Biegemomente übertragen, die bei der Messung der Längenänderung der Stäbe störend wirken.
Bei einem gewählten Isotropmaterial hängt die axiale Elastizität vom Flächeninhalt des Stabquerschnitts ab, während die Biegesteifigkeit vom Flächeninhalt und der Verteilung des Materials abhängt. Dies wiederum bedeutet, je weiter das Material bei gleichem Flächeninhalt außen liegt, desto größer ist die Biegesteifigkeit.
Ein diesen Gegebenheiten und Forderungen genügender Stabquerschnitt, bei welchem gleichzeitig Wert auf eine einfache rationelle Fertigung gelegt ist, ist in 2 sowie 3 gezeigt.
Wie der perspektivischen Ansicht der 2 zu entnehmen ist, ist in den Stäben 4₁ bis 4₆ , wobei in 2 nur die Stäbe 4₁ und 4₂ zu erkennen sind, jeweils eine nach außen hin offene, etwa quaderförmige Ausnehmung 6 ausgebildet, womit die Stäbe im mittleren Abschnitt senkrecht zur Stablängsachse einen ⌴-förmigen Querschnittsfläche haben. Die in jedem Stab 4 ausge bildete Ausnehmung 6 ist zum Inneren des Kraft-Moment-Sensors 1 hin durch einen Boden 6₃ abgeschlossen.
Ferner besteht die Forderung, dass für Gelenke ein möglichst kleiner Materialquerschnitt nahe der Mitte vorteilhaft ist. Da über die Festkörpergelenke 5 jedoch auch Axialkräfte in die Stäbe 4 eingeleitet werden, muss deren axiale Tragfähigkeit groß sein.
In 3 ist – bezüglich der perspektivischen Darstellung in 2 stark vergrößert – eine im mittleren Bereich senkrecht zu der Stablängsachse ⌴-förmige, schraffiert angedeutete Querschnittsfläche eines Stabes 4 wiedergegeben. In 4 ist ein Querschnitt durch den eingeschnürten Teil eines Festkörpergelenks 5 dargestellt, wobei die Querschnittsfläche 50 schraffiert hervorgehoben ist. Um den oben genannten Forderungen zu genügen, ist in 3 und 4 ein Kompromiss gezeigt, dergestalt, dass die schraffiert wiedergegebenen Querschnittsflächen von Stab 4 und von Gelenk 5 etwa denselben Flächeninhalt.
3 ist ferner zu entnehmen, dass bei der anhand von 2 und 3 beschriebenen Ausbildung der Stäbe 4 auf deren Längsseiten 6₁ und 6₂ außen beispielsweise jeweils Dehnungsmeßstreifen 8 aufgebracht werden können. Ebenso können sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Bodens 6₃ der Ausnehmung 6 Dehnungsmeßstreifen 8 aufgebracht werden.
Wie 2 bis 4 zu entnehmen ist, können statt Dehnungsmeßstreifen 8 auch Glasfaser-Dehnungssensoren 7₁ bis 7₆ , beispielsweise in Form von Faser-Bragg-Sensoren in der Mitte auf der Innenseite des Bodens 6₃ der Ausnehmung 6 jedes Stabes 4 angebracht sein.
Wie der perspektivischen Ansicht eines Kraft-Moment-Sensors 1 in 2 und der Querschnittsdarstellung durch den eingeschnürten Teil eines Festkörperlagers 5 in 4 zu entnehmen ist, können derartige Glasfaser-Dehnungssensoren 7 über Öffnungen/Ausnehmungen 32 im Außenmantel des zylindrischen Rings 3 eingeführt werden, und in der Mitte des Bodens 6₃ der Aussparung 6 in den jeweiligen Stäben 4₁ bis 4₆ angebracht sein.
Die an der Oberseite der Plattform 2 angedeuteten Öffnungen 22 sind in dieser Ausführungsform fertigungsbedingt und bestehen in ihrer Verlängerung aus Bohrungen durch die Gelenke 5 2 / 1 bis 5 2 / 6 die zur weiteren Führung der Fasern dienen. Besonders deutlich ist dies bezüglich der in den Ausnehmungen 6 der Stäbe 4₁ und 4₂ angebrachten und nach unten aus dem zylindrischen Ring 3 herausgeführten Glasfaser-Dehnungssensoren 7₁ und 7₂ gezeigt.
In 5 ist in einer perspektivischen Ansicht eine weitere Ausführungsform eines Kraft-Moment-Sensors 1' mit integriertem Überlastschutz wiedergegeben. In dem monolithisch ausgebildeten Kraft-Moment-Sensor 1' sind drei Endanschläge integriert, von denen in 3 die Endanschläge 9₁ und 9₃ zu erkennen sind. Die Endanschläge 9₁ und 93 haben in Draufsicht etwa die Form von dreieckigen Ansätzen, die in 5 zwischen den Stäben 4₁ , 42 und 43, 4₄ angeordnet sind und sich in der Darstellung der 5 von der Plattform 3 in Richtung zu der gegenüberliegenden Plattform 2 erstrecken.
Gemäß der Erfindung ausgebildete Kraft-Moment-Sensoren können in vorteilhafter Weise beispielsweise bei in der Medizintechnik eingesetzten Greifeinrichtungen oder auch bei in der minimalinvasiven Chirurgie (MIC) eingesetzten Instrumenten insbesondere in deren distalen Bereich verwendet werden. Ebenso können gemäß der Erfindung ausgebildete Kraft-Momen-ten-Sensoren beispielsweise in Fingerspitzen einer Roboterhand untergebracht werden.

1, 1': Kraft-Moment-Sensor
2: Plattform
20: durchgehende Öffnung
21: Bohrungen zur Fixierung
22: Bohrungen
3: Plattform
31: Bohrungen zur Fixierung
32: Öffnungen/Ausnehmungen
4₁ bis 4₆: Stäbe
5₁ bis 5₆: Festkörperlager
50: Gelenkquerschnitt
6: Ausnehmung
6₁, 6₂: Längsseiten von 6
6₃: Boden zwischen 6₁ , 6₂
7₁ bis 76: Glasfaser-Dehnungssensor
8: Dehnungsmeßstreifen
9₁ bis 9₃: Endanschläge

Claims

Monolithisch ausgebildeter Kraft-Momenten-Sensor zum Messen von jeweils drei orthogonalen Kräften und Momenten, bestehend aus: – zwei in unbelastetem Zustand parallel zueinander ausgerichteten Plattformen (2, 3), – sechs in unbelastetem Zustand gleich langen und gleichartigen Stäben (4₁ , 4₆ ), die zwischen den Plattformen (2, 3) so angeordnet sind, dass sie sich nicht kreuzen und die mit mindestens einem auf eine einwirkende Kraft reagierenden Teil versehen sind, – gleich ausgelegten und gleich dimensionierten Gelenken, die jeweils an den Enden der Stäbe (4₁ , 4₆ ) vorgesehen sind und über die die Stäbe mit den Plattformen (2, 3) verbunden sind, – drei Lagerpunktepaaren, die derart gleichmäßig auf jeweils einem konzentrischen Kreis um die z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems auf der ersten und der zweiten Plattform angeordnet sind, dass sich bei einer zur z-Achse parallelen Projektion sechs symmetrisch verteilte, an den Plattformen (2, 3) abwechselnd aufeinanderfolgende Lagerpunktepaare ergeben, wobei: – die Gelenke als Festkörpergelenke (5 1 / 1, 5 2 / 1 bis 5 1 / 6, 5 2 / 6) ausgebildet sind, so dass jeder Stab mit einem Ende auf der einen Plattform (2) und mit dem anderen Ende auf der anderen Plattform an einem durch eines der Festkörpergelenke (5 1 / 1, 5 2 / 1 bis 5 1 / 6, 5 2 / 6) gebildeten Lagerpunkt des jeweiligen Lagerpunktepaares elastisch so gelagert ist, dass der jeweilige Stab (4₁ bis 4₆ ) nur Längskräfte aufnimmt, wenn auf eine der beiden Plattformen in beliebiger Ausrichtung Belastungen ausgeübt werden, während die andere Plattform festgelegt ist.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Plattformen (2, 3) als kreiszylindrische, konzentrisch zu deren gemeinsamen Mittenachse (z-Achse) ausgerichtete Ringe ausgebildet sind.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der sechs Stäbe (4₁ bis 4₆ ) im mittleren Abschnitt eine nach außen hin offene, annähernd quaderförmige Ausnehmung (6) aufweist und somit im mittleren Abschnitt senkrecht zur Stablängsachse eine ⌴-förmige Querschnittfläche hat.
Kraft-Monenten-Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächeninhalt der ⌴-förmigen Querschnittfläche annähernd gleich groß ist wie die Querschnittfläche senkrecht zur Stablängsachse im eingeschnürten Bereich jedes der an den Stabenden ausgebildeten Festkörpergelenke (5 1 / 1, 5 2 / 1 bis 5 1 / 6, 5 2 / 6).
Kraft-Moment-Sensor nach einem der Ansprüche .1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im mittleren Abschnitt auf jedem der Stäbe (4₁ bis 4₆ ) als auf eine Kraft, reagierendes Teil mindestens ein Dehnungsmeßstreifen (8) aufgebracht ist.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Dehnungsmeßstreifen (8₁ bis 8₄ ) entweder außen auf mindestens einer von zwei Längsseiten (6₁ , 6₂ ) oder dem dazwischen liegenden Boden (6₃ ) im Bereich der Ausnehmung (6) und/oder auch auf der Innenseite des Bodens (6₃ ) der Ausneh mung (6) aufbringbar sind.
Kraft-Moment-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite oder Rückseite des Bodens (6₃ ) der Ausnehmung (6) jedes Stabes (4₁ bis 4₆ ) ein Glasfaser-Dehnungssensor (7) vorgesehen ist.
Kraft-Moment-Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasfaser-Dehnungssensoren (7) Faser-Bragg-Sensoren sind.
Kraft-Moment-Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass in ihm Endanschläge (9₁ bis 9₃ ) in Form von in Seitenansicht annähernd dreieckförmigen Ansätzen integriert sind, die von einer der beiden Plattformen in Richtung zur gegenüberliegenden Plattform jeweils zwischen Stabpaaren vorstehend ausgebildet sind.
Kraft-Moment-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verwendung von in der Medizintechnik eingesetzten Greifeinrichtungen.
Kraft-Moment-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verwendung im distalen Bereich von in der minimalinvasiven Chirurgie (MIC) eingesetzten Instrumenten.
Kraft-Moment-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Verwendung in Fingerspitzen einer Roboterhand.